Главным преимуществом нового моделирования является точный учет сохранения энергии, гарантирующий, что результаты действительно отражают реальные физические процессы.
Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США разработала новый метод моделирования, который может значительно улучшить как исследования в области термоядерного синтеза, так и производство компьютерных чипов.
«Исследователи разработали более быстрый и стабильный способ моделирования закрученных электрических полей внутри промышленной плазмы — той, что используется для производства микрочипов и нанесения покрытий на материалы», — говорится в пресс-релизе PPPL. Этот инновационный инструмент обеспечивает беспрецедентную стабильность и эффективность для понимания и оптимизации сложной электрически заряженной плазмы.
Решение вычислительных задач
Метод решает давнюю проблему моделирования плазмы : необходимость огромной вычислительной мощности. Предыдущие кинетические моделирования, отслеживающие отдельные частицы в плазме, требовали миллионов математических операций для тысяч точек много раз в секунду, что часто превышало возможности даже самых быстрых суперкомпьютеров в мире.
«Это большой шаг вперед в наших возможностях», — сказал Игорь Каганович, главный научный сотрудник PPPL и соавтор нового исследования . Новый код моделирования, разработанный в рамках государственно-частного партнерства между PPPL и ведущим производителем оборудования для микросхем Applied Materials Inc., уже используется для более глубокого изучения индуктивно-связанной плазмы, которая имеет решающее значение для промышленных процессов.
Первоначальная версия кода имела проблемы с надежностью, но существенные изменения значительно повысили его стабильность. «Мы изменили уравнения, поэтому моделирование сразу стало очень надежным, и больше не было сбоев», — пояснил Дмитрий Сидоренко, научный сотрудник Альбертского университета и первый автор статьи. «Теперь у нас есть полезный инструмент для моделирования индуктивно связанной плазмы в двух пространственных измерениях».
Улучшенная стабильность и эффективность
Ключевым усовершенствованием стал уточненный расчет соленоидального электрического поля, которое создается проволочной катушкой, по которой течет электрический ток, и необходимо для нагрева плазмы.
«Для решения сложной проблемы улучшение оказывается значительным», — отметил Цзинь Чен из PPPL. Моделирование использует подход «частица-в-ячейке» и тщательно отслеживает отдельные или небольшие группы частиц, перемещающихся по сетке. Этот метод особенно эффективен для плазм низкого давления, распространенных в промышленных приложениях, где традиционные жидкостные моделирования полагаются на средние значения и ненадежные значения ge.
Одним из важнейших достижений нового моделирования является его способность точно сохранять энергию, что гарантирует, что результаты точно отражают реальные физические процессы. «Эта новая симуляция позволяет нам быстро моделировать более крупные плазмы, точно сохраняя энергию, помогая гарантировать, что результаты отражают реальные физические процессы, а не численные артефакты», — подчеркнул Каганович. «Поскольку каждая симуляция может включать тысячи или даже миллионы шагов, небольшая ошибка значительно искажает результаты. Обеспечение сохранения энергии помогает поддерживать симуляцию в соответствии с реальной плазмой», — заключила исследовательская группа .
Будущие приложения
Расширенное понимание, полученное в результате такого детального моделирования, обещает открыть новые возможности. Предоставляя точные функции распределения, которые показывают вероятность нахождения частицы в определенном месте и с определенной скоростью, ученые могут получить более глубокое представление о том, как образуется и развивается плазма.