Физики России разработали метод для моделирования параметров ионов в плазме

Плазма представляет собой газ, состоящий из заряженных частиц, включая электроны и ионы. Этот состав делает плазму квазинейтральной, что позволяет ей эффективно проводить электричество и вести себя более сложно, чем обычные газы. Об этом рассказывает Машины и Механизмы.

Плазму можно встретить в различных источниках, таких как лампы дневного света, сварочные дуги и токамаки, используемые в управляемом ядерном синтезе. Атмосферные плазменные струи применяются для дезинфекции, обеззараживания поверхностей и улучшения свойств семян растений.

Для достижения нужного состава плазменной струи ученые используют компьютерное моделирование, рассчитывая ее параметры. Исходные данные включают характеристики заряженных частиц, их подвижность и константы скоростей реакций, которые зависят от величины электрического поля.

Эти параметры вычисляются методом Монте-Карло, который, хотя и точен, требует значительных временных затрат: расчет подвижности и констант скоростей для одного иона может занять часы или даже дни.

Группа ученых, включая доцента НИУ ВШЭ Александра Пономарева и профессора МФТИ Николая Александрова, разработала аналитические формулы, позволяющие быстро определять подвижности и константы скоростей реакций за секунды. Они модифицировали и объединили классические подходы, создав несколько методов. Один из них эффективен при мощных электрических полях (более 60 Тд), а уточненный метод применим в широком диапазоне полей, включая низкие.

Новые методы позволяют оценивать скорость распада отрицательных ионов, что критически важно для моделирования состава плазмы. Результаты расчетов были проверены на данных, полученных методом Монте-Карло, и показали отклонения в пределах 10% для простейшего метода и 2–7% для уточненного.

Константы скорости реакций могут изменяться на 2–3 порядка в зависимости от электрического поля. Исследователи считают, что значительное сокращение времени расчета (с секунд до часов) оправдывает незначительное снижение точности.

«Наши методы упрощают нахождение характеристик ионов до уровня простых вычислений. Это может существенно продвинуть проекты с гуманитарными целями, такие как высокоэффективная медицина и повышение урожайности сельскохозяйственных культур», — отметил Пономарев. Исследование опубликовано в журнале Physica Scripta.