Monte Carlo study of charged-particle collisions in low-temperature plasmas

Colisões entre partículas carregadas (de Coulomb) são frequentemente ignoradas no estudo de plasmas de baixa temperatura, devido aos seus baixos graus de ionização ∼ 10⁻⁷-10⁻³. No entanto, estas colisões podem alterar significativamente a cinética eletrónica em vários gases, acima de graus de ionização 10⁻⁶-10⁻⁵.

Este trabalho examina o efeito de colisões de Coulomb na cinética eletrónica de plasmas de baixa temperatura, tendo-se implementado colisões eletrão-eletrão e eletrão-ião no código aberto LoKI-MC. Esta ferramenta numérica simula o movimento clássico de numerosos eletrões, interrompido por colisões com neutros, utilizando o método de Monte Carlo (MC).

Consideram-se várias técnicas para descrever colisões de Coulomb, sendo os resultados comparados com teoria e outras ferramentas de modelação numérica. Defende-se que a abordagem de Nanbu é a mais precisa e computacionalmente eficiente para simular colisões de Coulomb no método de MC. Os efeitos de colisões eletrão-eletrão e eletrão-ião são extensivamente estudados e documentados para vários gases, graus de ionização e campos elétricos DC.

Isto inclui a análise das funções de distribuição de energia dos eletrões, coeficientes de transporte, o fenómeno de condutividade diferencial negativa e perturbações à teoria de colisões de Coulomb causadas por colisões eletrão-neutro. A influência das interações entre partículas carregadas é também estudada na cinética eletrónica sujeita a um pulso elétrico de nanossegundo modelo, verificando-se que as colisões eletrão-eletrão facilitam a relaxação de energia para os neutros. Finalmente, apresenta-se um estudo adjacente sobre melhorias ao método de Monte Carlo, proporcionando ganhos computacionais significativos na simulação de colisões eletrão-neutro.