Российские физики ускорили моделирование плазмы в тысячи раз

Ученые НИУ ВШЭ и МФТИ разработали аналитические методы, позволяющие за считанные секунды рассчитывать поведение тяжелых отрицательных ионов в гелии под действием сильного электрического поля. Новый подход в тысячи раз быстрее традиционного моделирования методом Монте-Карло и при этом сохраняет точность, достаточную для расчета плазменных струй и связанных с ними физических процессов. Результаты исследования опубликованы в журнале Physica Scripta.

Плазма представляет собой ионизированный газ, состоящий из электронов, положительных и отрицательных ионов. Несмотря на наличие большого числа заряженных частиц, в целом она остается квазинейтральной. Благодаря этому плазма хорошо проводит электрический ток и обладает свойствами, существенно отличающимися от обычных газов.

С плазмой человек сталкивается не только в научных лабораториях. Она возникает в люминесцентных лампах, сварочной дуге, установках управляемого термоядерного синтеза и атмосферных плазменных струях. Последние сегодня активно исследуются для обеззараживания ран и медицинских инструментов, обработки поверхностей, а также повышения всхожести и устойчивости сельскохозяйственных культур.

Эффективность подобных технологий во многом определяется составом плазмы. Чтобы подобрать оптимальные условия ее работы, исследователи заранее проводят компьютерное моделирование, рассчитывая свойства отдельных заряженных частиц. Ключевыми параметрами являются подвижность ионов и константы скоростей ионно-молекулярных реакций, зависящие от напряженности электрического поля.

Традиционно такие характеристики вычисляют методом Монте-Карло, который подробно моделирует множество возможных столкновений частиц. Этот подход отличается высокой точностью, однако требует значительных вычислительных ресурсов. Расчет характеристик одного типа ионов всего для одного значения электрического поля может занимать несколько часов, а в наиболее сложных случаях — даже несколько суток.

Доцент факультета физики НИУ ВШЭ Александр Пономарев и профессор МФТИ Николай Александров предложили альтернативный подход. Они объединили и модифицировали несколько классических теоретических моделей, получив компактные аналитические формулы, позволяющие вычислять необходимые параметры всего за несколько секунд.

Авторы разработали несколько вариантов метода. Наиболее простая модель предназначена для сильных приведенных электрических полей — свыше 60 Таунсендов (Тд). Более совершенная версия сохраняет высокую точность во всем диапазоне напряженностей поля, включая область слабых электрических полей.

Помимо подвижности ионов исследователи создали аналитические выражения для расчета скоростей важнейших ионно-молекулярных реакций. Эти формулы позволяют быстро оценивать, насколько интенсивно отрицательные ионы теряют электроны или распадаются в плазме, а значит, прогнозировать изменение ее химического состава.

Работоспособность новых методов была проверена сравнением с результатами подробного моделирования методом Монте-Карло. В качестве тестовых объектов исследователи выбрали отрицательные ионы кислорода, тетракислорода и оксида азота — частицы, играющие важную роль в атмосферной плазме.

Сравнение показало, что в области сильных электрических полей простейшая аналитическая модель определяет подвижность ионов с погрешностью не более 10%. Более точный вариант снижает отклонение до 2–7% в зависимости от типа иона и остается применимым даже при очень высоких напряженностях поля — вплоть до 250 Тд.

Не менее убедительные результаты были получены и для скоростей химических реакций. Рассчитанные по новым формулам константы скорости отличались от значений, полученных методом Монте-Карло, не более чем в два раза.

На первый взгляд такая погрешность может показаться значительной. Однако сами константы скоростей при изменении напряженности электрического поля способны меняться сразу на два–три порядка величины. Поэтому авторы считают, что выигрыш в скорости вычислений — переход от часов и суток к секундам — полностью оправдывает небольшое снижение точности.

Александр Пономарев, доцент факультета физики НИУ ВШЭ и первый автор исследования, отметил:

«Наши методы сводят нахождение характеристик ионов практически до вычислений на калькуляторе. Такой качественный скачок в работе с плазмой способен значительно ускорить развитие проектов, ориентированных на практическое применение. Более быстрые расчеты помогут совершенствовать медицинские технологии, основанные на воздействии плазмы на живые ткани, а также методы обработки семян плазменными струями для повышения урожайности и устойчивости сельскохозяйственных культур. Мы надеемся, что эти исследования внесут вклад и в развитие современной медицины, и в решение глобальных продовольственных задач».

Разработанные аналитические методы значительно упрощают моделирование плазмы и делают сложные вычисления доступными без использования мощных вычислительных ресурсов. Это открывает возможности для более быстрого проектирования плазменных технологий в медицине, сельском хозяйстве и промышленности, а также для создания новых моделей, описывающих процессы в низкотемпературной плазме.

Источник: Российские физики нашли способ моделировать параметры ионов в плазме за секунды — За науку