2. Kódy pro atomovou fyziku plazmatu Miloslav Pekař, ČVUT FJFI 2010

3. 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

4. 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 většinou postaveny na velmi malém počtu hladin, tak přesně jak je to možné, aby byly spektroskopické pozorovatelné dobře definovány

5. 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

6. 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

7. TE model 2 Hustota populace hladiny i v atomech 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

8. 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 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. Rychlostní rovnice 2 Přechody na vyšší hladinu (i < j) Přechody na nižší hladinu (i > j)

14. Radiační transport Intenzita záření 𝐼𝑟,𝑛, 𝜈, 𝑡 je definovaná jako energie 𝛿𝜀, která je nesená zářením o frekvenci 𝜈, 𝑑𝜈 elementem povrchu 𝑑𝑆 pod úhlem 𝑑Ω v časovém intervalu 𝑑𝑡 Rovnice radiačního transportu, 𝜂𝑟, 𝑛, 𝜈 je emisní koeficient nebo emisivita, 𝜒𝑟, 𝑛, 𝜈je absorpční koeficient nebo opacita

15. Kódy Pořádají se NTLE Kinetics workshopy (nlte.nist.gov/NLTE6/), 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

16. NTLE-5 Workshop Santa Fe, New Mexico, November 2007 Modelován uhlík, argon, krypton, wolfram, zlato a časově závislý případ uhlíku

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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

21. +++ Děkuji za pozornost +++ PDF verze (Adobe Acrobat Pro 9.0) cid-6d4417057e614e69.skydrive.live.com/self.aspx/.Public/atomic^_codes.pdf Powerpoint verze (MS PowerPoint 2010) cid-6d4417057e614e69.skydrive.live.com/self.aspx/.Public/atomic^_codes.pptx