Российские физики упростили вычисления подвижности тяжелых ионов в слабоионизованной плазме

Российские ученые исследовали возможности упрощенного подхода к расчету энергетических характеристик тяжелых примесных ионов в слабоионизованной гелиевой плазме под действием сильного электрического поля. Этот метод может значительно ускорить моделирование плазменных процессов, что важно для таких областей, как плазменная медицина и технологии обработки материалов. Результаты исследования опубликованы в журнале Plasma Physics Reports.

Как ведут себя ионы в неравновесной плазме?
Неравновесная плазма – это состояние, в котором ее компоненты (электроны, ионы и нейтральные частицы) обладают разными температурами и могут иметь сложные, неравновесные распределения энергии. В таких условиях движение частиц в сильном электрическом поле моделируют по трем сценариям:

Заряженные частицы намного легче нейтральных (например, электроны в гелиевом потоке).
Массы частиц сопоставимы – этот случай требует сложных вычислений методом Монте-Карло.
Заряженные частицы значительно тяжелее нейтральных (например, молекулярные ионы в гелиевой плазме).

В новом исследовании физики сосредоточились на последнем сценарии. Ранее для подобных условий уже существовало аналитическое уравнение, описывающее подвижность ионов, но его точность и границы применимости оставались неизвестными.

Насколько точен упрощенный метод?
Используя это уравнение, ученые рассчитали подвижность ионов O₂⁺, N₂⁺, O₂⁻ и O₄⁻ в гелиевой плазме, а также определили их среднюю энергию и константы скорости диссоциации. Оказалось, что:

Расчеты подвижности и средней энергии ионов хорошо совпадают с результатами, полученными методом Монте-Карло.
Основной вклад в среднюю энергию вносит дрейфовое движение ионов, а хаотическое движение незначительно.
Однако значения скоростей диссоциации, предсказанные упрощенным методом, могут отличаться на порядок и более от результатов Монте-Карло. Это связано с тем, что распределение скоростей тяжелых ионов в нейтральном гелии под действием сильного электрического поля существенно отличается от классического максвелловского распределения.

Зачем это нужно?
Понимание подвижности ионов в слабоионизованной плазме играет ключевую роль в разработке технологий, использующих низкотемпературную плазму. Это включает обработку материалов с помощью атмосферных плазменных струй, плазменную медицину (например, стерилизацию поверхностей), исследование ионно-молекулярных процессов.

Что дальше?
«Мы планируем доработать метод так, чтобы он позволял описывать скорости пороговых ионно-молекулярных процессов. Кроме того, мы протестируем его на обратной задаче – определении сечений рассеяния ионов по экспериментальным данным», — отметил Николай Александров, профессор Физтех-кластера академической и научной карьеры ЛФИ МФТИ.
В проекте участвовали ученые из МФТИ, Института прикладной физики РАН и Высшей школы экономики. Работа проведена при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-11-00245).

Источник: Физики изучили, как можно упростить вычисления подвижности тяжелых ионов в слабоионизованной плазме — За науку