Atomic codes PDF
-
Upload
destabilizator -
Category
Education
-
view
474 -
download
2
Transcript of Atomic codes PDF
Kódy pro
atomovou
fyziku plazmatu Miloslav Pekař, ČVUT FJFI
2010
Simulační atomové kódy
Využívají výsledků atomových strukturních
kódů a rozptylových teorií a společně se
statistickou fyzikou a fyzikou plazmatu
popisují procesy v atomech plazmatu
Cílem je určit ionizaci a populaci
energetických hladin atomů v plazmatu a
pomoci při spektrální analýze
Dosažení cíle Vyřešení rychlostních rovnic pro každou
hladinu energie pro každý iont atomu včetně jeho ovlivnění okolním plazmatem
Vyžaduje kompletní set dat (detailní stavy en. hladin, rates atomových procesů ovlivňující distribuci populace na hladinách, …) – výpočetně velmi náročné
Kinetické modely jsou postaveny s velmi malým počtem hladin, tak přesně jak je to možné, aby byly spektroskopické pozorovatelné dobře definovány
Modely plazmatu
Znalost populace energetických hladin atomů v plazmatu je klíčem k výpočtu parametrů plazmatu, např. vnitřní energie, partiční funkce, nebo stavové rovnice
Velmi důležité při analýze pozorovaného spektra a diagnostice plazmatu
Úzce svázáno s termodynamickými parametry jako teplota a hustota plazmatu
TE model 1
TE = Thermodynamic Equilibrium
Všechny atomové procesy jsou
vybalancované odpovídajícími inverzními
procesy
Za dané teploty T je distribuce populace
určena Boltzmannovou statistikou a
Sahovým ionizačním rozdělením
TE model 2
Hustota populace hladiny i v atomech v s
ionizací z je dána Boltzmannovým rozdělením
Relativní počet atomů se dvěma po sobě
jdoucími ionizačními stavy určuje Sahova
rovnice
Radiační pole v TE plazmatu je izotropní a
homogenní, intenzita dána Planckovou funkcí
LTE model LTE = Local Thermodynamic Equilibrium
Radiační procesy nejsou vybalancované K popisu distribuce populace opět Boltzmannova
a Sahova rovnice
Radiační pole ale není Planckovou funkcí, protože nezávisí jen na lokálních podmínkách, ale i na distribuci populace a pravděpodobnosti atomových přechodů
LTE stav nastává v plazmatu relativně vysoké hustoty a nízké teploty, kde srážkové procesy hrají mnohem důležitější roli než radiační, které neovlivňují distribuci populace
Coronal model
Pokud je hustota elektronů nízká –
srážková deexcitace a tříčásticová
rekombinace jsou zanedbatelné
Srážková ionizace a excitace jsou
vyváženy radiační rekombinací nebo
spontánním rozpadem
Předpokládáme maxwellovské rozdělení
rychlostí elektronů
CR model (non-LTE)
CR = Collisional – Radiative
Distribuce populace v určitém bodě nezávisí pouze na parametrech plazmatu v tomto bodě
Lokální distribuce populace je určena vyvážením srážkových a radiačních procesů
Nejobecnější model, široké využití
Vyžaduje kvalitní atomová data
Formulace CR modelu
Znalost populace hladin v atomu je důležitá při spektrální analýze
CR model je aplikován tam, kde je populace hladin atomů v plazmatu určena srážkovými a radiačními procesy
Pro rychlostní rovnice populace hladin atomu potřebujeme znát radiační pole, které získáme z rovnice radiačního transportu
Rychlostní rovnice
Časově závislá populace hladin atomů v
plazmatu je určena vícehladinovými
srážkově – radiačními rovnicemi
Rychlostní rovnice pro atomovou hladinu i
𝑁𝐿 je počet hladin zahrnutých ve výpočtu
Rychlostní rovnice 2 Přechody na vyšší hladinu (i < j)
Přechody na nižší hladinu (i > j)
𝑨𝒊𝒋 - spontánní emise 𝜶𝒊𝒋 - radiační rekombinace
𝑩𝒊𝒋 - stimulovaná absorpce / emise 𝜷𝒊𝒋 - fotoionizace a stimulovaná
rekombinace
𝑪𝒊𝒋 - srážková excitace 𝜸𝒊𝒋 - srážková ionizace
𝑫𝒊𝒋 - srážková deexcitace 𝜹𝒊𝒋 - srážková rekombinace
𝑰𝒊𝒋 - svazkové a netepelné
elektronové srážky
𝜿𝒊𝒋 - elektronový záchyt
𝝈𝒊𝒋 - autoionizace
Radiační transport
Intenzita záření 𝐼 𝑟 , 𝑛, 𝜈, 𝑡 je definovaná
jako energie 𝛿휀, která je nesená zářením o
frekvenci 𝜈, 𝑑𝜈 elementem povrchu 𝑑𝑆
pod úhlem 𝑑Ω v časovém intervalu 𝑑𝑡
Rovnice radiačního transportu, 𝜂 𝑟, 𝑛, 𝜈 je
emisní koeficient nebo emisivita, 𝜒 𝑟, 𝑛, 𝜈
je absorpční koeficient nebo opacita
Kódy Pořádají se NTLE Kinetics workshopy (6), s
cílem nejen testování a porovnávání výkonu a přesnosti jednotlivých simulačních kódů, ale i ověřování výsledků simulace proti experimentům
Zaměřeno na různé prvky, v poslední době hlavně wolfram (tungsten), neboť to je materiál v blízkosti plazmatu v systému ITER a dalších zařízeních pro magnetickou fúzi a tudíž je jeho kinetika při vysokých teplotách středem pozornosti
NTLE-5 Workshop
Santa Fe, New Mexico, November 2007
Modelován uhlík, argon, krypton, wolfram,
zlato a časově závislý případ uhlíku
FLYCHK http://www.nlte.nist.gov/FLY/
Vytvořen na filozofii „jednoduchý, ale rozumně přesný“
Z atomové struktury počítá distribuci populace
Obsahuje sety dat pro všechny ionizační stavy atomů až do 𝑍 = 79
Statické i časově závislé případy
Výstupem je soubor obsahující populaci všech stavů jako funkci teploty a hustoty (nebo času), možný vstup pro generaci spektra kódem FLYSPEC
PrismSPECT http://www.prism-cs.com/Software/PrismSpect/PrismSPECT.htm
Kód využívající CR model
Simulace atomových a radiačních vlastností
plazmatu
Obsahuje GUI, set atomových dat až do
𝑍 = 18
Součástí je i vizualizační nástroj
LANL kódy http://aphysics2.lanl.gov/cgi-bin/ION/runlanl08d.pl
LALN disponuje výkonnou výpočetní technikou, možné
dělat i náročné simulace, např. atom Au (2000)
100 000 možných konfigurací atomu, doba běhu ~100
hodin
Atomové databáze
NIST Atomic Spectra Database
www.nist.gov/physlab/data/asd.cfm
NIFS Atomic & Molecular Database
https://dbshino.nifs.ac.jp/
GENIE – General Internet Search Engine
for Atomic Data
www-amdis.iaea.org/GENIE/
Vyhledává ve více databázích najednou
+++ Děkuji za pozornost +++