Российские ученые предложили быстрый метод расчета, позволяющий моделировать параметры ионов плазмы за считанные секунды

Исследователи из Высшей школы экономики (НИУ ВШЭ) и Московского физико-технического института (МФТИ) разработали аналитический метод для расчета поведения тяжелых ионов в гелии под воздействием сильных электрических полей, позволяющий ускорить вычисление подвижности ионов и скоростей ионно—молекулярных реакций в тысячи раз. Результаты исследования опубликованы в журнале Physica Scripta.

Плазма состоит из заряженных частиц, таких как электроны, отрицательные и положительные ионы, обычно является квазинейтральной и обладает хорошей электропроводностью. Она существует не только в люминесцентных лампах и сварочных дугах, но и применяется в устройствах управляемого термоядерного синтеза, таких как токамаки. Атмосферные плазменные струи также могут использоваться для дезинфекции ран, очистки рабочих поверхностей и улучшения свойств семян сельскохозяйственных культур.

В практических приложениях исследователям сначала необходимо определить состав и параметры плазменной струи с помощью компьютерного моделирования. Базовые данные, необходимые для моделирования, включают характеристики заряженных частиц, их подвижность и константы скоростей реакций, которые изменяются в зависимости от напряженности электрического поля. Ранее такие данные обычно рассчитывались методом Монте-Карло. Этот метод отличается высокой точностью, но требует значительных вычислительных затрат: определение подвижности и констант скоростей реакций конкретного иона при заданной напряженности поля часто занимает несколько часов, а в сложных случаях — несколько дней.

Доцент кафедры физики НИУ ВШЭ Александр Пономарев и профессор МФТИ Николай Александров в своем исследовании предложили новые аналитические формулы, позволяющие рассчитывать соответствующие параметры за считанные секунды. На основе усовершенствования и комбинирования классических методов исследователи разработали несколько вычислительных схем. Более простой метод применим для условий высоких приведенных полей, то есть в диапазоне свыше 60 Тд; усовершенствованный метод охватывает более широкий диапазон полей, включая низкие значения.

Исследователи отмечают, что новый метод также может использоваться для оценки скоростей распада отрицательных ионов и потери ими электронов, что важно для моделирования состава плазмы. Команда проверила новый метод с использованием данных, полученных методом Монте-Карло, на примере отрицательных ионов кислорода, тетракислорода и оксида азота, которые являются наиболее значимыми в атмосферной плазме.

Результаты проверки показали, что в сильных электрических полях отклонение самого простого метода при расчете подвижности ионов составляет не более 10%; отклонение усовершенствованного метода составляет от 2% до 7% в зависимости от типа иона. Исследование также подтвердило, что метод применим для сверхсильных полей до 250 Тд. Для констант скоростей ионных реакций в плазме расхождение между новым методом и методом Монте-Карло не превышает 2 раз.

Исследователи полагают, что константы скоростей реакций заряженных частиц могут изменяться на 2–3 порядка в зависимости от электрического поля, поэтому сокращение времени вычислений с нескольких часов до нескольких секунд имеет практическую ценность для моделирования плазменных струй и связанных прикладных исследований. Александр Пономарев отметил, что данный метод значительно снижает вычислительную сложность характеризации ионных параметров и может способствовать развитию исследований воздействия плазмы на живые ткани и обработки семян.