Des scientifiques russes proposent une méthode de calcul rapide permettant de simuler en quelques secondes les paramètres des ions plasmatiques

Des chercheurs de l'École des hautes études en sciences économiques (HSE) et de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT) ont développé une méthode d'analyse pour calculer le comportement des ions lourds dans l'hélium sous l'effet d'un champ électrique intense, permettant d'accélérer de plusieurs milliers de fois le calcul de la mobilité ionique et des taux de réactions ion—molécule. Les résultats de ces travaux ont été publiés dans la revue *Physica Scripta*.

Le plasma est composé de particules chargées telles que des électrons, des ions négatifs et des ions positifs ; il est généralement quasi électriquement neutre et possède une bonne conductivité électrique. On le trouve non seulement dans les lampes fluorescentes et les arcs de soudage, mais aussi dans les dispositifs de fusion nucléaire contrôlée comme 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 performances des semences agricoles.

Dans les applications pratiques, les chercheurs doivent d'abord déterminer la composition et les paramètres des jets de plasma par modélisation informatique. Les données de base nécessaires à la modélisation comprennent les caractéristiques des particules chargées, leur mobilité et les constantes de vitesse de réaction, paramètres qui varient en fonction de l'intensité du champ électrique. Par le passé, ces données étaient généralement calculées à l'aide de la méthode de Monte Carlo. Cette méthode offre une grande précision, mais son coût de calcul est élevé : déterminer la mobilité et les constantes de vitesse de réaction d'un ion donné sous une intensité de champ électrique spécifique peut prendre plusieurs heures, voire plusieurs jours dans les cas complexes.

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 dans leurs recherches de nouvelles formules analytiques permettant de calculer les paramètres correspondants en quelques secondes. En améliorant et en combinant les méthodes classiques, les chercheurs ont élaboré plusieurs schémas de calcul. Parmi ceux-ci, la méthode la plus simple convient aux conditions de champ réduit élevé, c'est-à-dire la plage de champs supérieure à 60 Td ; la méthode améliorée peut couvrir une plage de champs plus large, y compris les champs faibles.

Les chercheurs indiquent que la nouvelle méthode peut également être utilisée pour estimer les taux de décroissance des ions négatifs et de perte d'électrons, ce qui est important pour la simulation de la composition du plasma. L'équipe a validé la nouvelle méthode à l'aide des données obtenues par la méthode de Monte Carlo, en étudiant notamment les ions négatifs d'oxygène, de tétraoxygène et de monoxyde d'azote, qui sont importants dans le plasma atmosphérique.

Les résultats de validation montrent que, dans un champ électrique intense, l'écart maximal du calcul de la mobilité ionique par la méthode la plus simple est d'environ 10 % ; l'écart de la méthode améliorée se situe entre 2 % et 7 %, selon le type d'ion. Les recherches ont également confirmé que cette méthode peut s'appliquer à des champs électriques ultra-intenses allant jusqu'à 250 Td. Pour les constantes de vitesse de réaction des ions dans le plasma, 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 de réaction des particules chargées peuvent varier 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 considérable pour la simulation des jets de plasma et les recherches appliquées connexes. Alexandre Ponomarev a déclaré que cette méthode réduit considérablement la charge de calcul pour la caractérisation des paramètres ioniques et pourrait favoriser les recherches sur les effets du plasma sur les tissus vivants, le traitement des semences et d'autres domaines.