Cálculo de espectros stark de plasmas fuertemente acoplados mediante simulación de dinámica molecular

Resumen

1. Introducción El objetivo de esta Tesis Doctoral es desarrollar una técnica de simulación de dinámica molecular con partículas en interacción que reproduzca la Física de los microcampos eléctricos en un plasma y que nos permita calcular los espectros de ensanchamiento Stark en sistemas fuertemente acoplados o con emisores cargados. 2. Contenido de la Investigación Los métodos de cálculo que se empleaban hasta ahora (simulaciones por computador usando partículas independientes) no resultan convenientes en plas- ma fuertemente acoplados o con emisores cargados, de modo que nos propusimos extender las técnicas de cálculo para poder cubrir esos casos. Eso pasa por in- cluir las interacciones entre partículas en las simulaciones por computador. El cambio que eso supone ha sido radical. La mayor parte de los algoritmos que se empleaban resultan inútiles y ha sido necesario desarrollar otros de nuevo. Además, el coste de computación es considerablemente superior, lo que nos in- dujo a buscar unos medios distintos de los utilizados hasta ahora. En particular, nuestros códigos han sido desarrollados para ser ejecutados en controladoras grá- ficas ¿unidades GPU¿ que realizan procesado paralelo con multiprocesadores de varios núcleos. Por tanto, lo primero que se hizo fue adaptar, implementar y obtener la mayor eficiencia del programa de dinámica molecular en las GPU. Se ha desarrollado un modelo de Física Estadística clásica para calcular las configuraciones de equilibrio: distribuciones estadísticas de las energías cinéti- ca y potencial, grado de ionización, campos medios, efectos de apantallamiento y acoplamiento de cargas, ... etc. El tratamiento utilizado permite incluir los procesos de captura de electrones libres e ionización en los átomos de las simu- laciones. Con ello hemos reproducido numéricamente un sistema de dos fases: los átomos neutros y los iones y electrones libres. Los cálculos llevados a cabo han sido auténticos ¿experimentos de compu- tación¿ que nos han permitido comprobar y asegurar que los ¿datos experimen- tales¿ se ajustan al modelo teórico. Para ello se han generado gases con diferentes casos de energía de sorteo y poder construir así la curva de equilibrio para di- ferentes valores de ¿ (0.8345, 0.5 y 0.65), y para cada uno de ellos con distintas energías de ionización. Se ha buscado el equilibrio de los gases en la simulación dejando evolucionar el gas de acuerdo con la dinámica clásica del sistema. Se ha considerado que el sistema está ya equilibrado cuando las distribuciones estadísticas relevantes pasan a ser estacionarias. No se han empleado métodos tipo Montecarlo o Me- tropolis. Con ello evitamos introducir más elementos de modelización en nuestro estudio. Se ha comprobado que el establecimiento del equilibrio es un proceso muy lento ¿en la escala de tiempo fijada por el paso temporal necesario para evi- tar el calentamiento numérico¿, pero que debe seguirse con rigor, ya que, de 1lo contrario, se alcanzan estados que sólo aparentemente son de equilibrio. Es necesario disponer de evoluciones suficientemente largas en el tiempo como para detectar cambios en algunas de las distribuciones estadísticas. Se ha estudiado el efecto de calentamiento numérico y de su dependencia con el intervalo temporal de integración de las ecuaciones diferenciales de evo- lución. Se ha comprobado que este efecto no se adapta con sencillez al modelo expuesto en algunos trabajos de la bibliografía, posiblemente debido a que el sistema reproduce situaciones próximas a un cambio de fase. En las simulaciones aprovechadas para el cálculo de espectros este efecto era despreciable. Se ha comprobado que en las configuraciones de equilibrio, las funciones de distribución radial de las partículas no dependen de su masa. Este previsible resultado permite alcanzar el equilibrio más rápidamente. De acuerdo con el modelo físico desarrollado, es muy conveniente establecer la configuración de equilibrio usando partículas de cargas positiva y negativa de la misma masa ¿la del electrón¿ y, una vez alcanzado el equilibrio, modificar la masa de las cargas positivas fijándolas en el valor correcto de la masa del ión deseado. Tal cambio de masa no afecta a las distribuciones estadísticas de energía y las funciones de distribución radial de las partículas, que son las que marcan el estado físico del plasma. Se ha estudiado el campo medio en los plasmas equilibrados y se ha com- probado el modelo de Debye-Hückel. El resultado muestra que los mecanismos de apantallamiento y de acoplamiento de cargas conducen al mismo potencial medio. Se han obtenido las distribuciones estadísticas de campo local y se ha estu- diado su comportamiento comparándolas con las que se obtienen en los modelos teóricos de la bibliografía, especialmente, el de Hooper. Estos campos locales son los que dan origen al ensanchamiento de la línea. Con estos códigos (modelo ¿¿ión y dinámica molecular) hemos calculado espectros de las dos primeras líneas de la serie de Balmer del Hidrógeno ¿ que son la referencia en los estudios del ensanchamiento Stark¿, las líneas del Helio neutro de 447.1 nm y 492.2 nm, que son ampliamente utilizadas por tener componentes prohibidas intensas, y las líneas Paschen alfa, beta y gamma del Helio ionizado. 3. Conclusiones La técnica de simulación funciona y se modeliza bien, y se obtienen resultados más que correctos. Los resultados del cálculo de espectros, ya con la simulación de Dinámica Molecular de partículas en interacción, son semejantes a los que se obtienen en los cálculos de partículas independientes cuando los plasmas son débilmente acoplados y los emisores son neutros. Las diferencias aparecen, claro está, cuando los plasmas son fuertemente acoplados o los emisores tienen carga eléctrica. Los cálculos llevados a cabo 2nos permiten ahora cuantificar esas diferencias, lo que no se había hecho hasta ahora. Para el caso de plasmas fuertemente acoplados o emisores cargados el uso de simulación de Dinámica Molecular es obligado y sustituye a la técnica de partículas independientes. 3