Российские ученые исследовали применимость и ограничения упрощенного подхода для вычислений энергетических характеристик примесных ионов в слабоионизованной гелиевой плазме в сильном электрическом поле. Исследование важно для приложений неравновесной плазмы: от поверхностной обработки твердых тел до плазменной медицины. Результаты опубликованы в журнале Plasma Physics Reports.
Неравновесная плазма — это состояние плазмы, в котором ее компоненты (заряженные и нейтральные частицы) имеют разные температуры и могут иметь неравновесные распределения по различным степеням свободы. Это значит, что внутри различных типов движения частиц энергия распределяется неравновесно. При моделировании взаимодействий частиц в слабоионизованной гелиевой плазме под действием сильного электрического поля рассматривают 3 случая:
- Массы заряженных частиц много меньше массы нейтральных частиц, например, электроны в гелиевом потоке.
- Массы частиц примерно одинаковы — это самый сложный случай, требующий трудоемких расчетов методом Монте-Карло.
- Массы заряженных частиц много больше массы нейтральных частиц.
Последний случай рассматривался в этом исследовании. Для описанных условий уже было выведено аналитическое уравнение, описывающее подвижность ионов. Между тем его точность и границы применимости до сих пор не были изучены.
Пользуясь этим уравнением, физики рассчитали подвижность ионов O₂⁺, N₂⁺, O₂⁻ и O₄⁻ в гелии, а также определили среднюю энергию ионов и константы скорости их диссоциации. Полученные значения средней энергии ионов хорошо согласуются с данными, полученными методом Монте-Карло. Исследователи показали, что в рассматриваемых условиях основной вклад в среднюю энергию ионов вносит энергия их дрейфового движения, а вклад хаотического движения относительно невелик.
Выяснилось, что значения скорости диссоциации отличаются на порядок величины и более от вычисленных методом Монте-Карло. Это вызвано тем, что распределение тяжелых ионов по скоростям в нейтральном гелии под действием сильного электрического поля существенно отличается от максвелловского распределения.
Упрощенный подход эффективно предсказывает подвижность и среднюю энергию ионов в слабоионизованной гелиевой плазме в сильных электрических полях. Однако для определения констант скорости диссоциации требуется дальнейшая доработка предложенного подхода. Это исследование актуально для приложений низкотемпературной неравновесной плазмы, включая атмосферные плазменные струи гелия и их применение для обработки поверхности твердого тела и биологических объектов.
«Наши планы на будущее — усовершенствовать рассматриваемый подход, чтобы он позволял описывать и скорости пороговых ионно-молекулярных процессов. И проверить предложенный метод при решении обратной задачи — получении сечений рассеяния ионов на нейтральных частицах из экспериментальных данных по подвижности ионов в нейтральном газе в сильном электрическом поле», — поделился Николай Александров, профессор Физтех-кластера академической и научной карьеры ЛФИ МФТИ.
__________________________
В исследовании участвовали ученые из МФТИ, Института прикладной физики им. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) и Высшей школы экономики.
Исследование проведено при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-11-00245).
