Des chercheurs russes proposent une méthode de simulation rapide des paramètres ioniques dans les plasmas

Des chercheurs de l'École des hautes études en sciences économiques et de l'Institut de physique et de technologie de Moscou ont développé une méthode d'analyse simple permettant de calculer le comportement des ions lourds dans l'hélium sous l'effet d'un champ électrique intense. Les résultats de ces travaux ont été publiés dans la revue *Physica Scripta*.

Le plasma est un gaz composé de particules chargées telles que des électrons, des ions négatifs et des ions positifs, généralement quasi électriquement neutre et doté d'une bonne conductivité électrique. Outre les lampes fluorescentes et les arcs de soudage, le plasma est également présent dans les dispositifs de fusion nucléaire contrôlée tels que les tokamaks. Les jets de plasma à pression atmosphérique peuvent également être utilisés pour la désinfection des plaies, le nettoyage des surfaces de travail et l'amélioration des propriétés des semences agricoles.

Dans l'étude des jets de plasma, les chercheurs doivent généralement déterminer à l'avance les paramètres du jet par modélisation informatique. Les données clés nécessaires à la modélisation comprennent les caractéristiques des particules chargées, leur mobilité et les constantes de vitesse de réaction, ces paramètres variant en fonction de l'intensité du champ électrique. Traditionnellement, ces données sont principalement calculées par la méthode de Monte Carlo. Cette méthode offre une grande précision, mais son coût de calcul est élevé : déterminer uniquement la mobilité et la constante de vitesse de réaction d'un ion donné sous une intensité de champ électrique donnée peut prendre plusieurs heures, voire plusieurs jours dans les cas complexes.

Dans cette étude, Alexandre Ponomarev, professeur associé du département de physique de l'École des hautes études en sciences économiques, et Nikolaï Alexandrov, professeur à l'Institut de physique et de technologie de Moscou, ont proposé des formules analytiques simples permettant d'estimer en quelques secondes la mobilité des ions et les constantes de vitesse de réaction. Les chercheurs ont amélioré et combiné des méthodes classiques pour élaborer plusieurs schémas de calcul. Parmi ceux-ci, la méthode la plus simple s'applique aux champs électriques réduits élevés, c'est-à-dire supérieurs à 60 Td ; la méthode améliorée couvre quant à elle une plage plus large, y compris les champs électriques faibles.

L'équipe de recherche a également développé une méthode d'estimation des vitesses de réaction permettant de calculer la vitesse de désintégration des ions négatifs et leur perte d'électrons. Ces paramètres sont importants pour la simulation de l'évolution de la composition du plasma.

Pour vérifier la fiabilité de la nouvelle méthode, les chercheurs ont comparé ses résultats de calcul avec les données obtenues par la méthode de Monte Carlo. Les objets d'étude comprenaient les ions négatifs d'oxygène, les ions négatifs tétraoxygène et les ions négatifs de monoxyde d'azote, qui sont importants dans les plasmas atmosphériques. Les résultats montrent que, dans des conditions de champ électrique intense, l'écart maximal de la méthode la plus simple pour le calcul de la mobilité des ions est d'environ 10 % ; l'écart de la méthode améliorée se situe entre 2 % et 7 %, selon le type d'ion. L'étude a également confirmé que cette méthode peut s'appliquer à des champs électriques ultra-intenses allant jusqu'à 250 Td.

En ce qui concerne les constantes de vitesse des réactions ioniques, l'écart entre les résultats de la nouvelle méthode et ceux de la méthode de Monte Carlo ne dépasse pas un facteur 2. Les chercheurs estiment que, étant donné que les constantes de vitesse des réactions des particules chargées varient de 2 à 3 ordres de grandeur en fonction du champ électrique, la réduction du temps de calcul de plusieurs heures à quelques secondes présente une valeur pratique dans la modélisation des plasmas.

Alexandre Ponomarev a indiqué que cette méthode réduit la complexité du calcul de caractérisation des ions à un niveau proche de ce qu'une calculatrice ordinaire peut traiter. L'équipe de recherche estime que des capacités de calcul plus rapides pourraient favoriser de nouvelles recherches sur l'action du plasma sur les tissus vivants et le traitement des semences par plasma.