俄罗斯科学家提出快速计算方法，可在数秒内模拟等离子体离子参数

俄罗斯高等经济学院(HSE)和莫斯科物理技术学院(MIPT)的研究人员开发出一套用于计算强电场作用下氦气中重离子行为的分析方法，可将离子迁移率和离子—分子反应速率的计算速度提高数千倍。相关研究成果已发表在《Physica Scripta》上。

等离子体由电子、负离子和正离子等带电粒子组成，通常呈准电中性，并具有良好导电性。它不仅存在于荧光灯、焊接电弧中，也应用于托卡马克等受控核聚变装置。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。

在实际应用中，科研人员需要先通过计算机建模确定等离子体射流的组成和参数。建模所需的基础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改变。过去，这类数据通常依靠蒙特卡罗方法计算。该方法精度较高，但计算成本很高：确定某种离子在特定电场强度下的迁移率和反应速率常数，往往需要数小时，复杂情况下甚至需要数天。

高等经济学院物理系副教授亚历山大·波诺马列夫和莫斯科物理技术学院教授尼古拉·亚历山德罗夫在研究中提出了新的解析公式，可在几秒钟内计算相关参数。研究人员在改进并结合经典方法的基础上，形成了多种计算方案。其中，较简单的方法适用于高约化电场条件，即超过60 Td的电场范围;改进方法则可覆盖包括低电场在内的更广电场区间。

研究人员表示，新方法还可用于估算负离子衰变及失去电子的速率，这对于模拟等离子体成分具有重要意义。该团队利用蒙特卡罗方法得到的数据对新方法进行了验证，研究对象包括大气等离子体中较重要的氧、四氧和一氧化氮负离子。

验证结果显示，在强电场中，最简单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。对于等离子体中离子反应速率常数，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，带电粒子的反应速率常数会随电场变化而改变2至3个数量级，因此，将计算时间从数小时压缩到数秒，在等离子体射流模拟和相关应用研究中具有实际价值。亚历山大·波诺马列夫表示，这一方法大幅降低了离子参数表征的计算量，有望推动等离子体在活体组织作用、种子处理等方向的研究。