Технологія моделювання параметрів плазми перенапруженого наносекундного розряду методом particle-in-cell та програмна реалізація

Анотація

Мета. Метою даної наукової роботи є порівняльний аналіз чисельних методів моделювання, які є невід’ємною частиною сучасних наукових досліджень, особливо у складних фізичних системах, таких як плазма та розробка технології числового моделювання параметрів плазми перенапруженого наносекундного розряду з використанням методу Particle-In-Cell (PIC) для аналізу динаміки електронів, іонів та їх взаємодії з електромагнітними полями. Дослідження спрямоване на отримання детального уявлення про фізичні процеси, що відбуваються в нерівноважній плазмі, та визначення основних параметрів розряду, таких як електронна густина, енергія електронів, швидкість дрейфу, електричне і магнітне поля, а також особливості утворення стримерів та іонізаційних хвиль.

Методи дослідження. У роботі використано метод Particle-In-Cell (PIC) для числового моделювання динаміки плазми, що поєднує кінетичний опис руху заряджених частинок із розрахунком електромагнітних полів на регулярній сітці. Для розв’язання рівнянь Максвелла застосовано різницеві схеми, а для моделювання взаємодій частинок використано алгоритми інтерполяції та обчислення густини зарядів. Також використано методи аналізу спектральних характеристик плазми для валідації результатів.

Результати. Отримані результати дозволять оптимізувати умови створення плазми для застосувань у технологічних процесах, таких як синтез матеріалів, плазмохімія, сенсорика та оптоелектроніка. Результати узгоджуються з експериментальними даними для подібних умов розряду, зокрема у сумішах повітря при атмосферному тиску. Метод продемонстрував високу точність у моделюванні нестаціонарних процесів, характерних для наносекундного розряду, таких як утворення стримерів та іонізаційних хвиль.

Висновки. Встановлено, що числовий підхід забезпечує деталізоване уявлення про поведінку плазми в умовах нерівноважного стану, що відкриває перспективи для оптимізації технологічних процесів у плазмовій хімії, матеріалознавстві та екології. Незважаючи на високу обчислювальну складність, метод PIC є ефективним інструментом для дослідження плазмових явищ у складних фізичних умовах.

Майбутні дослідження полягають у подальшому вдосконаленні числових моделей для точнішого моделювання процесів у плазмі при різних умовах перенапруження. Очікується розвиток комбінованих підходів, що поєднують методи PIC з іншими моделями, зокрема гідродинамічними, для більш ефективного опису багатокомпонентних плазмових систем. Застосування цих моделей у технологіях плазмохімії, матеріалознавстві, сенсориці та оптоелектроніці відкриває нові можливості для створення інноваційних матеріалів і систем.