俄高校提出等离子体离子参数快速模拟方法

俄罗斯高等经济学院和莫斯科物理技术学院的科研人员开发出一套简便的分析方法，可用于计算强电场作用下氦气中重离子的行为。相关研究成果已发表在《Physica Scripta》上。

等离子体是由电子、负离子和正离子等带电粒子组成的气体，通常呈准电中性，并具有良好导电性。除荧光灯、焊接电弧外，等离子体也存在于托卡马克等受控核聚变装置中。大气等离子体射流还可用于伤口消毒、工作台面清洁以及改善农作物种子性能。

在等离子体射流研究中，科研人员通常需要通过计算机建模预先确定射流参数。建模所需的关键数据包括带电粒子的特性、迁移率和反应速率常数，这些参数会随电场强度变化而变化。传统上，这类数据主要依赖蒙特卡罗方法计算。该方法精度较高，但计算成本大：仅确定某种离子在某一电场强度下的迁移率和反应速率常数，就可能需要数小时，复杂情况下甚至需要数天。

此次研究中，高等经济学院物理系副教授亚历山大·波诺马列夫与莫斯科物理技术学院教授尼古拉·亚历山德罗夫提出了简单的解析公式，可在几秒钟内估算离子迁移率和反应速率常数。研究人员改进并组合了经典方法，形成了多种计算方案。其中，最简方法适用于高约化电场，即超过60 Td的情形;改进方法则可覆盖包括低电场在内的更宽范围。

研究团队还开发了用于估算反应速率的方法，可计算负离子衰变和失去电子的速度。这类参数对于模拟等离子体成分变化具有重要意义。

为验证新方法的可靠性，科研人员将其计算结果与蒙特卡罗方法获得的数据进行比较。研究对象包括大气等离子体中较为重要的氧负离子、四氧负离子和一氧化氮负离子。结果显示，在强电场条件下，最简方法计算离子迁移率的偏差最高约为10%;改进方法的偏差在2%至7%之间，具体取决于离子类型。研究还确认，该方法可适用于高达250 Td的超强电场。

在离子反应速率常数方面，新方法与蒙特卡罗方法的计算结果偏差不超过2倍。研究人员认为，由于带电粒子的反应速率常数会随电场变化2至3个数量级，因此，将计算时间从数小时缩短到几秒钟，在等离子体建模中具有实际价值。

亚历山大·波诺马列夫表示，该方法把离子表征计算的复杂度降至接近普通计算器可处理的水平。研究团队认为，更快的计算能力有望推动等离子体作用于活体组织、等离子体处理种子等方向的进一步研究。