Специалисты Высшей школы экономики разработали методы, которые в тысячи раз ускорили расчеты подвижности тяжелых ионов кислорода в гелии под действием электрического поля. Также быстрее стали и расчеты констант скоростей реакций ионов в плазме в заданных условиях. Исследование позволяет быстро определять характеристики и состав плазмы при изменении параметров на генерирующей установке. Атмосферные плазменные струи используют в медицине для дезинфекции ран и обеззараживания поверхностей, а также в сельском хозяйстве для обработки семян. Потенциально работа способна повысить эффективность применения атмосферных плазменных струй.
Плазма — это газ, состоящий из отрицательно и положительно заряженных ионов, электронов, а также нейтральных частиц: атомов и молекул. В плазме постоянно происходят столкновения частиц, при которых реализуются упругие и неупругие процессы. Информация о характеристиках ионов в плазме заключена в функции распределения — для их вычисления применяется метод Монте-Карло. Это точный, но долгий метод расчета, позволяющий описать характеристики плазмы в зависимости от величины электрического поля — в сложных случаях расчеты могут занимать до нескольких суток.
Однако, при взаимодействии тяжелых ионов с легкими нейтральными частицами, сложная система уравнений сводится к относительно простым соотношениям. Теоретическая возможность упрощения расчетов в таких частных ситуациях была описана еще в 1960-х гг. В исследовании ученые рассмотрели поведение тяжелых ионов кислорода в легкой среде гелия. Такое сочетание обычно используется для создания атмосферных плазменных струй для медицины и сельского хозяйства. Специалисты провели расчеты методом Монте-Карло и новыми способами и получили сравнимый результат при существенно меньших временных затратах.
Электрическое поле вызывает движение заряженных частиц, например, ионов. В вакууме они бы двигались равноускоренно, но из-за наличия большого количества нейтральных частиц вокруг иона в атмосферных плазменных струях происходит большое количество соударений между ионом и нейтральными атомами и молекулами газа. В результате в среднем ион движется с постоянной скоростью. Алгоритм для расчета подвижности (физической величины, связывающей скорость дрейфа иона и прилагаемое электрическое поле) был предложен еще 60 лет назад. Исследователи подтвердили правильность этого алгоритма для случая ионов кислорода в гелии путем сравнения с расчетами по методу Монте-Карло.
«В работе мы сделали дополнительный шаг вперед и разработали метод вычисления констант процессов — это совершенно новый результат. Во время движения с ионом могут происходить различные процессы: он может терять электрон или распадаться на отдельные частицы. Есть временные константы, которые описывают, насколько быстро происходят эти процессы в конкретных условиях: в конкретном газе, при конкретном электрическом поле, для конкретного иона. Мы разработали методы, позволяющие определять константы скоростей этих реакций за секунды — это критически важно для моделирования состава плазмы», — рассказал корреспонденту портала «Научная Россия» доцент факультета физики НИУ ВШЭ Александр Пономарев.
При создании атмосферной плазмы для конкретных целей — медицинских или сельскохозяйственных — требуется соблюдать ее состав. Новые данные и методы расчетов позволят специалистам подбирать параметры установок, генерирующих плазму, в короткие сроки. Работа опубликована в журнале Physica Scripta.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Изображение: your_lucky_photo / ru.123rf.com
