Российские учёные предложили быстрый метод моделирования параметров ионов в плазме

Научные сотрудники Высшей школы экономики и Московского физико-технического института разработали простой аналитический метод, позволяющий рассчитывать поведение тяжёлых ионов в гелии под действием сильного электрического поля. Результаты исследования опубликованы в журнале «Physica Scripta».

Плазма — это газ, состоящий из заряженных частиц, таких как электроны, отрицательные и положительные ионы; она обычно квазинейтральна и обладает хорошей электропроводностью. Помимо люминесцентных ламп и сварочных дуг, плазма существует также в установках управляемого термоядерного синтеза, таких как токамаки. Атмосферные плазменные струи могут использоваться для дезинфекции ран, очистки рабочих поверхностей и улучшения свойств семян сельскохозяйственных культур.

В исследованиях плазменных струй учёным обычно требуется заранее определять параметры струи с помощью компьютерного моделирования. Ключевые данные, необходимые для моделирования, включают характеристики заряженных частиц, подвижность и константы скоростей реакций; эти параметры изменяются в зависимости от напряжённости электрического поля. Традиционно такие данные получают преимущественно методом Монте-Карло. Этот метод отличается высокой точностью, но требует больших вычислительных затрат: только для определения подвижности и константы скорости реакции конкретного иона при определённой напряжённости поля могут потребоваться часы, а в сложных случаях — даже дни.

В данном исследовании доцент физического факультета Высшей школы экономики Александр Пономарёв и профессор Московского физико-технического института Николай Александров предложили простые аналитические формулы, позволяющие оценивать подвижность ионов и константы скоростей реакций за несколько секунд. Исследователи усовершенствовали и скомбинировали классические методы, получив несколько расчётных схем. Простейший метод применим для высоких приведённых напряжённостей поля, превышающих 60 Тд; усовершенствованный метод охватывает более широкий диапазон, включая низкие напряжённости поля.

Исследовательская группа также разработала методы оценки скоростей реакций, позволяющие рассчитывать скорость распада отрицательных ионов и потери ими электронов. Такие параметры важны для моделирования изменения состава плазмы.

Для проверки надёжности нового метода учёные сравнили его результаты с данными, полученными методом Монте-Карло. Объектами исследования стали отрицательные ионы кислорода, тетракислорода и оксида азота, важные для атмосферной плазмы. Результаты показали, что в условиях сильного электрического поля отклонение простейшего метода при расчёте подвижности ионов составляет не более 10%; отклонение усовершенствованного метода — от 2% до 7% в зависимости от типа иона. Исследование также подтвердило применимость метода для сверхсильных полей напряжённостью до 250 Тд.

В отношении констант скоростей ионных реакций отклонение результатов нового метода от расчётов методом Монте-Карло не превышает 2 раз. Исследователи отмечают, что поскольку константы скоростей реакций заряженных частиц могут изменяться на 2–3 порядка в зависимости от напряжённости поля, сокращение времени расчёта с нескольких часов до нескольких секунд имеет практическую ценность для моделирования плазмы.

Александр Пономарёв отметил, что данный метод снижает сложность расчёта характеристик ионов до уровня, близкого к возможностям обычного калькулятора. Исследовательская группа полагает, что более высокая скорость вычислений может способствовать дальнейшим исследованиям в таких областях, как воздействие плазмы на живые ткани и обработка семян плазмой.