Российские физики нашли способ моделировать параметры ионов в плазме за секунды

Реактор токамак

© iStock

Ученые НИУ ВШЭ и МФТИ вывели набор простых аналитических методов для расчета поведения тяжелых ионов в гелии под действием сильного электрического поля. Новая методика в тысячи раз ускоряет расчеты подвижности ионов и скорости ионно-молекулярных реакций с точностью, достаточной для моделирования плазменных струй. Работа опубликована в журнале Physica Scripta.

Плазма — это газ, состоящий из заряженных частиц (электронов, отрицательных и положительных ионов). Такой состав делает плазму в целом квазинейтральной. Плазма хорошо проводит электричество и ведет себя сложнее, чем обычный газ.

Плазму можно обнаружить в лампах дневного света, сварочной дуге и высокотехнологичных токамаках — установках управляемого ядерного синтеза. Атмосферные плазменные струи используют для дезинфекции ран, обеззараживания рабочих поверхностей, а также для улучшения свойств семян сельскохозяйственных растений.

Чтобы добиться правильного состава, а значит и воздействия плазменной струи, ученые предварительно вычисляют ее параметры с помощью компьютерного моделирования. Исходными данными становятся зависящие от величины электрического поля характеристики заряженных частиц, их подвижности и константы скоростей реакций. 

Эти характеристики высчитываются с использованием метода Монте-Карло. Он точен, но ресурсозатратен: определение подвижности и констант скоростей реакций конкретного иона только для одного значения электрического поля занимает несколько часов, в сложных случаях и несколько суток.

Доцент факультета физики НИУ ВШЭ Александр Пономарев и профессор МФТИ Николай Александров нашли простые аналитические формулы, позволяющие определять значения подвижностей и констант скоростей реакций за секунды. Они модифицировали и объединили классические подходы и разработали на их основе несколько методов. Простейший метод расчета параметров ионов работает при мощных приведенных электрических полях (более 60 Тд), уточненный действует во всем диапазоне электрических полей, включая низкие. Созданные учеными методы вычисления скоростей реакций позволяют оценивать, как быстро отрицательные ионы распадаются и теряют электроны, что критически важно для моделирования состава плазмы.

Результаты расчетов новыми методами авторы верифицировали на данных, полученных с помощью метода Монте-Карло. В работе рассматривались отрицательно заряженные ионы кислорода, тетракислорода и оксида азота, важные для атмосферной плазмы. В мощных электрических полях простейший метод позволяет вычислять подвижность ионов с отклонением до 10%, уточненный — 2–7% в зависимости от типа иона, при этом ученые подтвердили его применимость в очень мощных электрических полях, до 250 Тд.

Рассчитанные по новым методам константы скорости реакций ионов в плазме отклоняются от результатов расчета по методу Монте-Карло не более чем в 2 раза. 

Константы скорости реакций заряженных частиц при изменении электрического поля могут изменяться на 2–3 порядка. Таким образом, по мнению исследователей, существенный выигрыш во времени расчета (секунды вместо часов) стоит снижения точности расчетов. 

Александр Пономарев

«Наши методы сводят нахождение характеристик ионов практически до вычислений на калькуляторе. Такой качественный скачок в работе с плазмой должен значительно продвинуть большие проекты с гуманитарными целями. Ускорение вычислений делает нас ближе к высокоэффективной медицине, основанной на воздействии плазмы на живые ткани организма, и к повышению урожайности и стойкости сельскохозяйственных культур благодаря своевременной обработке семян плазменными струями. Я очень надеюсь, что наши исследования помогут в борьбе с болезнями и в какой-то мере решат проблему голода в глобальном масштабе», — подытожил первый автор работы, доцент факультета физики НИУ ВШЭ Александр Пономарев.