等离子体反应（三）：反应截面的选取与检查

LXCAT数据库的反应截面是很多数值模拟团队计算电子碰撞反应的数据来源。不过数据库的开放性给用户带来了不能回避的工作量——谨慎选取反应截面。

工坊成员总结使用这些截面和一些著名代码过程中所经历的巨坑和总结的经验，把选取与检查反应反应截面数据的一些需要考虑的方面罗列如下。

完整性：包含目标信息

选取哪些反应截面，直接决定EEDF计算结果和对应组分的产生率。需要根据数值模拟的计算目标和计算方法的不同合理选取反应截面。

1）BOLSIG+计算电子能量分布函数（EEDF）

如果仅仅为了获得EEDF，应当选取尽可能多的截面数据（最好包含所有的电离和激发（包含振动激发和转动激发）截面），以确保EEDF在高、低电子能量下均保持正确。

下图显示了空气放电中，在未包含O2转动激发态（BOLSIG+默认截面中未包含，有的版本中则是错误的）碰撞截面计算EEDF时，计算汤生电离系数与实验的显著偏移——注意：即使一个低能量的转动激发态截面，却会显著影响电离反应的速率。

2）局域能量近似数值模拟（如COMSOL的PLASMA MODULE）

由于局域能量近似需要准确计算平均电子能量，由此决定具体的反应速率，因而需要尽可能多的包含反应截面。这也是局域能量近似的显著缺点：容易包含太多无关反应严重拖慢二维/三维模拟的计算速度。

2）局域场近似数值模拟（如PASSKEy）

局域场近似下，所有的反应速率和电子传输特性已经通过预先计算的EEDF表达为电场的函数，因而在计算时不需要再加入完整反应体系。有时几个简单的电离、复合和吸附反应就足以表达放电的电荷发展过程。

自洽性：出处尽量一致

以N2放电为例，一个常见的危险操作，是在现有的反应截面文件基础上（比如选取自Phelps数据库），补充添加个别反应时，随意从LXCAT中提取一段反应截面（可能来自SIGLO或MORGAN数据库，或者某篇非常古老的论文）。这样的操作之所以具有危险性，因为不同数据库内部的反应截面体系可能是自洽的，但是如果交叉混用很容易引起混乱，如果没有及时发现，就会为以后计算埋下很深的隐患且极难排查。

但是这样的操作往往不可避免，因为有时单一来源的反应截面很难包含所有我们需要的信息。一个折中的办法是把额外添加的反应截面缩小10^5倍计算EEDF，再在实际计算中将由积分EEDF获得的反应速率人工扩大10^5倍。

可靠性：实验验证或交叉验证

可靠性包含两个方面：反应截面本身的可靠性，和反应体系选取的可靠性。

1）反应截面本身的可靠性检验，比较简单的方法是把同一个反应、不同数据库下的结果绘制在一张坐标图中，交叉验证。LXCAT就提供了直接绘制截面的功能：

2）反应体系选取可靠性的验证，最好通过实验验证。一个以空气放电为例，下图是使用工坊收集的反应截面和BOLSIG+默认的反应截面以及nonPDPsim（一款知名等离子体模拟代码，自带反应数据截面）计算不同电场下电子迁移率和汤生系数与实验的对比情况：

实验结果为修正反应截面体系提供了有力的帮助。这些基础实验为化学反应截面体系的选取提供了有力的依据和支撑，而数值模拟完美复现实验结果并进一步发展，也体现了模拟与实验相互依存促进的关系。

完整、自洽和可靠的碰撞反应截面，是确保等离子体数值模拟正确的第一步。

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