ThunderBoltz: Um solucionador de Boltzmann Monte Carlo de simulação direta de código aberto para transporte de plasma, cinética química e modelagem 0D

Resumo Interações plasma-neutro, incluindo cinéticas reativas, são frequentemente estudadas em 0D usando descrições baseadas em ODE, ou em códigos de plasma baseados em fluidos ou partículas em múltiplas dimensões. O último caso envolve uma montagem complexa de procedimentos que nem sempre são necessários para testar os efeitos de modelos físicos subjacentes e mecanismos para descrições baseadas em partículas. Aqui apresentamos ThunderBoltz, um código de simulação direta Monte Carlo 0D leve e disponível publicamente, projetado para acomodar uma combinação generalizada de espécies e seções transversais arbitrárias sem o ônus de soluções de campo caras. Ele pode produzir distribuições de velocidade de elétrons, íons e partículas neutras em cenários de campo E AC/DC aplicado e/ou campo B estático. O código é construído na biblioteca padrão C++ e inclui uma interface Python conveniente que permite a geração de arquivos de entrada (incluindo compatibilidade com dados de seção transversal do banco de dados LXCat), transporte de elétrons e processamento pós-reação de constantes de taxa, satisfação de restrições de parâmetros de entrada, programação de cálculos e plotagem diagnóstica. Esses códigos podem ser acessados no repositório: https://github.com/lanl/ThunderBoltz. Neste trabalho, comparamos os cálculos de transporte do ThunderBoltz com os cálculos do Bolsig+, problemas de teste de benchmark e dados de experimentos de enxame, encontrando boa concordância com os três nos regimes de campo apropriados. Além disso, apresentamos casos de uso de exemplo, onde as espécies de elétrons, íons e partículas neutras de fundo são evoluídas de forma autoconsistente para modelar a cinética de fundo, uma característica ausente em Monte Carlo de fundo fixo e solucionadores de Boltzmann de n termos. Essa funcionalidade posterior permite a possibilidade de simulações de cinéticas químicas baseadas em partículas do plasma e espécies neutras como uma nova alternativa a abordagens baseadas em ODE.