Ученые НИУ ВШЭ и МФТИ разработали набор простых аналитических методов для расчета поведения тяжелых ионов в гелии под действием сильного электрического поля. Новая методика в тысячи раз ускоряет вычисления подвижности ионов и скорости ионно-молекулярных реакций, сохраняя точность, достаточную для моделирования плазменных струй. Результаты работы опубликованы в журнале Physica Scripta.
Почему это важно
Плазма — газ, состоящий из заряженных частиц: электронов, отрицательных и положительных ионов. Она хорошо проводит электричество и используется в лампах дневного света, сварочной дуге и установках управляемого ядерного синтеза — токамаках. Атмосферные плазменные струи применяются для дезинфекции ран, обеззараживания поверхностей и улучшения свойств семян сельскохозяйственных растений.
Для правильного воздействия плазменной струи ученые предварительно вычисляют ее параметры с помощью компьютерного моделирования. Ранее для этого использовался метод Монте-Карло, который точен, но крайне ресурсозатратен: определение характеристик одного иона для одного значения электрического поля занимало от нескольких часов до нескольких суток.
Суть нового подхода
Доцент факультета физики НИУ ВШЭ Александр Пономарев и профессор МФТИ Николай Александров модифицировали и объединили классические подходы, создав на их основе несколько аналитических методов. Простейший из них работает при мощных приведенных электрических полях (более 60 Тд), уточненный действует во всем диапазоне полей, включая низкие. Разработанные методы также позволяют оценивать скорость распада отрицательных ионов и потери ими электронов.
В работе рассматривались отрицательно заряженные ионы кислорода, тетракислорода и оксида азота, важные для атмосферной плазмы. В мощных полях простейший метод дает отклонение до 10% по подвижности ионов, уточненный — 2–7% в зависимости от типа иона. Применимость подтверждена вплоть до полей 250 Тд. Константы скоростей реакций отклоняются от расчетов методом Монте-Карло не более чем в два раза, при том что сами константы могут изменяться на 2–3 порядка при изменении электрического поля.
Перспективы применения
Как отметил Александр Пономарев, новые методы сводят расчет характеристик ионов практически к вычислениям на калькуляторе. Ускорение вычислений делает ближе высокоэффективную медицину, основанную на воздействии плазмы на живые ткани, а также повышение урожайности сельскохозяйственных культур благодаря обработке семян плазменными струями.