ПЛАЗМОВІ ПРОЦЕСИ У ПЕРЕНАПРУЖЕНИХ НАНОСЕКУНДНИХ РОЗРЯДАХ: ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ МЕТОДОМ МОНТЕ-КАРЛО ТА ПРОГРАМНА РЕАЛІЗАЦІЯ НА PYTHON
DOI:
https://doi.org/10.31319/2519-8106.1(52)2025.323659Ключові слова:
Монте-Карло, моделювання, спектр, наноматеріали, pythonАнотація
У статті розглянуто використання методу Монте-Карло для чисельного моделювання плазмових процесів у перенапружених наносекундних розрядах. Детально описано принцип роботи методу, його алгоритм та ключові аспекти програмної реалізації, зокрема застосування Python із використанням бібліотек NumPy та SciPy для моделювання траєкторій частинок, ймовірностей зіткнень та енергетичних розподілів.
Основною метою роботи було дослідження параметрів плазми, таких як функція розподілу енергії електронів (EEDF), температура електронів, щільність плазми, а також оптичні характеристики, включаючи спектральні залежності випромінювання. У роботі проаналізовано поведінку електронів у газових сумішах за різних умов, включаючи зміни електричного поля E/N та тиску. Результати моделювання показали високу кореляцію з експериментальними даними, підтверджуючи ефективність методу Монте-Карло для аналізу мікроскопічних процесів у плазмі.
Дослідження включає аналіз альтернативних методів моделювання плазми, таких як магнітогідродинамічні моделі, моделі на основі рівняння Больцмана (BOLSIG+), а також гібридні підходи. Розробка чисельної моделі плазмових процесів є важливою у контексті швидкого розвитку обчислювальної техніки, що дає змогу виконувати складні розрахунки з високою точністю. Це відкриває нові можливості для застосування плазмових технологій у промисловості, включаючи розробку енергоефективних пристроїв та інноваційних матеріалів. Таким чином, робота має як фундаментальне, так і прикладне значення, сприяючи вирішенню актуальних завдань сучасної науки та техніки.
Практичне значення роботи полягає у застосуванні результатів для створення тонких плівок, зокрема халькопіритів, у фотоелектричних пристроях. Моделювання плазми у перенапружених розрядах показує значний потенціал для оптимізації умов синтезу наноматеріалів із контрольованими властивостями. У майбутньому, запропонована модель може бути адаптована для додаткових задач, включаючи вплив магнітного поля та аналіз спектральних характеристик. Результати роботи підтверджують важливість чисельного моделювання для вивчення плазмових процесів та подальшого використання у високотехнологічних застосуваннях, зокрема для розвитку плазмових методів синтезу наноматеріалів.
Посилання
Khelfaoui, F., &Babahani, O. (2019). How to use the Monte Carlo simulation technique? Application: A study of the gas phase during thin film deposition. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.88559
Akiyama, N., Nakagawa, Y., Uchida, S., &Tochikubo, F. (2021). Monte Carlo simulation of electrons injected from a low-temperature plasma into liquid water. Journal of Applied Physics, 129, 163304. https://doi.org/10.1063/5.0044024
Méndez-Giono, J. A., Minea, T., Thuillier, T., & Revel, A. (2022). Self-consistent Monte Carlo model for ECRIS plasma simulation. J. Phys.: Conf. Ser., 2244, 012027. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2244/1/012027
Zhang, Z., Hu, L., Wang, R., Zhang, S., Fu, L., Li, M., & Xiao, Q. (2024). Advances in Monte Carlo method for simulating the electrical percolation behavior of conductive polymer compo-sites with a carbon-based filling. Polymers, 16(4), 545. https://doi.org/10.3390/polym16040545
Arrowsmith, C. D., Simon, P., Bilbao, P. J., et al. (2024). Laboratory realization of relativistic pair-plasma beams. Nature Communications, 15, 5029. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49346-2
Hunger, K., Schoof, T., Dornheim, T., Bonitz, M., &Filinov, A. (2021). Momentum distribution function and short-range correlations of the warm dense electron gas: Ab initio quantum Monte Carlo results. Physical Review E, 103, 053204. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.103.053204
Song, J., Xu, A., Miao, L., Chen, F., Liu, Z., Wang, L., Wang, N., & Hou, X. (2024). Plasma kinetics: Discrete Boltzmann modelling and Richtmyer-Meshkov instability. Physics of Fluids, 36, 016107. https://doi.org/10.1063/5.0180246
Gigosos, M. A., González-Herrero, D., Lara, N., Florido, R., Calisti, A., Ferri, S., & Talin, B. (2018). Classical molecular dynamics simulations of hydrogen plasmas and development of an analytical statistical model for computational validity assessment. Physical Review E, 98, 033307. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.98.033307
Sawyer, C. (2017). Two-dimensional laser-induced thermal ablation modeling with integrated melt flow and vapor dynamics. Journal of Laser Applications, 29, 022212. https://doi.org/10.2351/1.4983825
Redchits, D. O., Tarasov, S. V., Tarasov, A. S., & Moiseenko, S. V. (2020). Numerical simula-tion of unsteady flows of cold plasma in dielectric barrier discharge in air. Applied Issues of Ma-thematical Modeling, 3(2.1), 1-21. https://doi.org/10.32782/KNTU2618-0340/2020.3.2-1.21
Dorozhynska, H. V. (2020). Analysis of methods for determining the minimum of the reflection characteristic during surface plasmon resonance. NaukPratsi VNTU, 1, 1-7. https://doi.org/10.31649/2307-5376-2020-1-1-7
Nikishkin, I. I., & Kholodov, R. I. (2021). J. Nano-Electron. Phys., 13(5), 05022. https://doi.org/10.21272/jnep.13(5).05022
Shuaibov, O.K. et al. (2022). Spectroscopic diagnostics of overstressed nanosecond discharge plasma between zinc electrodes in air and nitrogen. Journal of Physical Studies, 26(2), 2501 (8p.). https://doi.org/10.30970/jps.26.2501
Shuaibov, O.K. et al. (2022). Characteristics and plasma parameters of the overstressed nanose-cond discharge in air between an aluminum electrode and a chalcopyrite electrode (CuInSe2). Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 58(4), 369-385. https://doi.org/10.3103/S1068375522040123
Bondar, I.I. et al. (2023). Synthesis of surface structures during laser-stimulated evaporation of a copper sulfate solution in distilled water. Ukr. J. Phys., 68(2), 138. https://doi.org/10.15407/ujpe68.2.138
Shuaibov, O.K. et al. (2023). Gas discharge source of synchronous flows of UV radiation and silver sulphide microstructures. Physics and Chemistry of Solid State, 24(3), 417-421. https://doi.org/10.15330/pcss.24.3.417-421
Shuaibov, O.K. et al. (2024). Conditions for pulsed gas-discharge synthesis of thin tungsten oxide films from a plasma mixture of air with tungsten vapors. Physics and Chemistry of Solid State, 25(4), 684-688. https://doi.org/10.15330/pcss.25.4.684-688
Shuaibov, O.K. et al. (2022). Electrophysical characteristics of gas-discharge synthesis of thin films on the basis of a superion conductor (Ag2S) in air. J. Pharmaceutics and Pharmacology Research, 5(7). https://doi.org/10.31579/2693-7247/093
Cébron, D., Viroulet, S., Vidal, J., Masson, J. P., & Viroulet, P. (2017). Correction: Experimental and theoretical study of magnetohydrodynamic ship models. PLOS ONE, 12(10), e0186166. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0186166
Degond, P., Pareschi, L., & Russo, G. (2004). Modeling and computational methods for kinetic equations. https://doi.org/10.1007/978-0-8176-8200-2
Wick, K. (2021). On the quantum mechanical description of the interaction between particle and detector. Physics, 3(4), 968-976. https://doi.org/10.3390/physics3040061
Bogaarts, T., Hoelzl, M., Huijsmans, G., & Wang, X. (2022). Development and application of a hybrid MHD-kinetic model in JOREK. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2208.02179
Downey, A. B. (2017). Modeling and simulation in Python. Green Tea Press. https://greenteapress.com/wp/modsimpy/https://allendowney.github.io/ModSimPy/
Khelfaoui F., Babahani O. How to use the Monte Carlo simulation technique? Application: A study of the gas phase during thin film deposition // IntechOpen. 2019. DOI:https://doi.org/10.5772/intechopen.88559.
Akiyama N., Nakagawa Y., Uchida S., Tochikubo F. Monte Carlo simulation of electrons injected from a low-temperature plasma into liquid water // Journal of Applied Physics. 2021. Vol. 129. P. 163304. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0044024.
Méndez-Giono J. A., Minea T., Thuillier T., Revel A. Self-consistent Monte Carlo model for ECRIS plasma simulation // J. Phys.: Conf. Ser. 2022. Vol. 2244. P. 012027. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2244/1/012027.
Zhang Z. et al. Advances in Monte Carlo method for simulating the electrical percolation behavior of conductive polymer composites with a carbon-based filling // Polymers. 2024. Vol. 16, No. 4. P. 545. DOI: https://doi.org/10.3390/polym16040545.
Arrowsmith C. D. et al. Laboratory realization of relativistic pair-plasma beams // Nature Communications, 2024. Vol. 15. P. 5029. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-49346-2.
Hunger K., Schoof T., Dornheim T., Bonitz M., Filinov A. Momentum distribution function and short-range correlations of the warm dense electron gas: Ab initio quantum Monte Carlo results // Physical Review E. 2021. Vol. 103. P. 053204. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevE.103.053204.
Song J. et al. Plasma kinetics: Discrete Boltzmann modelling and Richtmyer-Meshkov instability // Physics of Fluids. 2024. Vol. 36. P. 016107. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0180246.
Gigosos M. A. et al. Classical molecular dynamics simulations of hydrogen plasmas and development of an analytical statistical model for computational validity assessment // Physical Review E. 2018. Vol. 98. P. 033307. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevE.98.033307.
Sawyer, C. Two-dimensional laser-induced thermal ablation modeling with integrated melt flow and vapor dynamics // Journal of Laser Applications, 2017. Vol. 29. P. 022212. DOI: https://doi.org/10.2351/1.4983825.
Redchits D. O., Tarasov S. V., Tarasov A. S., Moiseenko S. V. Numerical simulation of unsteady flows of cold plasma in dielectric barrier discharge in air // Applied Issues of Mathematical Modeling. 2020. Vol. 3(2.1). P. 1-21. DOI: https://doi.org/10.32782/KNTU2618-0340/2020.3.2-1.21.
Dorozhynska H. V. Analysis of methods for determining the minimum of the reflection characteristic during surface plasmon resonance // NaukPratsi VNTU. 2020. Vol. 1. P. 1-7. DOI: https://doi.org/10.31649/2307-5376-2020-1-1-7.
Nikishkin I. I., Kholodov R. I. J. Nano-Electron. Phys. 2021. Vol. 13, No. 5. P. 05022. DOI: https://doi.org/10.21272/jnep.13(5).05022.
Shuaibov O. K. et al. Spectroscopic diagnostics of overstressed nanosecond discharge plasma between zinc electrodes in air and nitrogen // Journal of Physical Studies. 2022. Vol. 26, No. 2. P. 2501 (8 p.). DOI: https://doi.org/10.30970/jps.26.2501.
Shuaibov O. K. et al. Characteristics and plasma parameters of the overstressed nanosecond discharge in air between an aluminum electrode and a chalcopyrite electrode (CuInSe2) // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2022. Vol. 58, No. 4. P. 369-385. DOI: https://doi.org/10.3103/S1068375522040123.
Bondar I. I. et al. Synthesis of surface structures during laser-stimulated evaporation of a copper sulfate solution in distilled water // Ukr. J. Phys. 2023. Vol. 68, No. 2. P. 138. DOI: https://doi.org/10.15407/ujpe68.2.138.
Shuaibov O. K. et al. Gas discharge source of synchronous flows of UV radiation and silver sulphide microstructures // Physics and Chemistry of Solid State. 2023. Vol. 24, No. 3. P. 417-421. DOI: https://doi.org/10.15330/pcss.24.3.417-421.
Shuaibov O. K. et al. Conditions for pulsed gas-discharge synthesis of thin tungsten oxide films from a plasma mixture of air with tungsten vapors // Physics and Chemistry of Solid State. 2024. Vol. 25, No. 4. P. 684-688. DOI: https://doi.org/10.15330/pcss.25.4.684-688.
Shuaibov O. K. et al. Electrophysical characteristics of gas-discharge synthesis of thin films on the basis of a superion conductor (Ag2S) in air // J. Pharmaceutics and Pharmacology Research. 2022. Vol. 5, No. 7. DOI: https://doi.org/10.31579/2693-7247/093.
Cébron D., Viroulet S., Vidal J., Masson J. P., Viroulet P. Correction: Experimental and theoretical study of magnetohydrodynamic ship models // PLOS ONE. 2017. Vol. 12, No. 10. P. e0186166. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0186166.
Degond P., Pareschi L., Russo G. Modeling and computational methods for kinetic equations. DOI: https://doi.org/10.1007/978-0-8176-8200-2.
Wick K. On the quantum mechanical description of the interaction between particle and detector // Physics. 2021. Vol. 3, No. 4. P. 968-976. DOI: https://doi.org/10.3390/physics3040061.
Bogaarts T., Hoelzl M., Huijsmans G., Wang X. Development and application of a hybrid MHD-kinetic model in JOREK // arXiv. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2208.02179.
Downey A. B. Modeling and simulation in Python. Green Tea Press. Режим доступу: https://greenteapress.com/wp/modsimpy/; https://allendowney.github.io/ModSimPy/.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
a. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
b. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
c. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
