Учёные НИУ ВШЭ и МФТИ вывели набор простых аналитических формул для расчёта поведения тяжёлых ионов в гелии под действием сильного электрического поля. Новая методика в тысячи раз ускоряет определение подвижности ионов и скоростей ионно-молекулярных реакций — ключевых параметров для моделирования плазменных струй. Традиционный метод Монте-Карло точен, но ресурсозатратен: вычисление характеристик одного иона для одного значения поля занимает несколько часов, а в сложных случаях — несколько суток. Результаты опубликованы в Physica Scripta.
Авторы модифицировали и объединили классические подходы, разработав несколько методов. Простейший работает при мощных приведённых электрических полях (более 60 Тд), уточнённый — во всём диапазоне, включая низкие. Созданные методы также позволяют оценивать, как быстро отрицательные ионы распадаются и теряют электроны, что критически важно для моделирования состава плазмы. Верификацию провели на данных, полученных методом Монте-Карло, рассматривая ионы кислорода, тетракислорода и оксида азота, важные для атмосферной плазмы.
В мощных полях простейший метод даёт отклонение до 10%, уточнённый — 2–7% в зависимости от типа иона, при этом его применимость подтверждена в полях до 250 Тд. Константы скорости реакций, рассчитанные по новым методам, отклоняются от результатов Монте-Карло не более чем в 2 раза. При этом сами константы при изменении электрического поля могут меняться на 2–3 порядка, поэтому существенный выигрыш во времени (секунды вместо часов) стоит снижения точности расчётов.
Плазменные струи используются для дезинфекции ран, обеззараживания поверхностей и улучшения свойств семян. Для правильного воздействия учёные предварительно моделируют параметры плазмы. Новая методика позволяет делать это практически мгновенно, что ускоряет разработку и настройку плазменных устройств для медицины, промышленности и сельского хозяйства. Работа открывает возможности для быстрого расчёта характеристик плазмы в широком диапазоне условий.
