电子与离子碰撞激发过程的理论研究

论文摘要

电子与离子碰撞激发是原子物理研究的一个基本过程。这一研究与天体物理、X-射线激光以及可控核聚变等研究工作密切相关。而且可为我们研究所正在进行的电子束离子阱（EBIT）的实验研究提供相应的理论数据。本工作采用多体微扰方法和相对论组态相互作用方法对离子的能级结构进行理论计算和研究；采用狄拉克R-矩阵方法和扭曲波独立过程近似法对电子与离子碰撞激发过程进行理论计算和研究。具体包括：一、对类铍等电子系离子（Z=10-30）的能级和辐射跃迁速率进行理论研究。在天体和实验等离子体中已观测到类铍离子的n≥3组态能级的谱线,但由于类铍等电子系离子的高激发态的高精度理论参数严重不足,无法对观测到的谱线进行分析和对等离子体进行诊断[1-4]。我们采用多体微扰方法计算了类铍等电子系离子（Z=10-30）的n≤5组态的最低的116条能级的能级值和寿命,以及能级之间电偶极（E1）,磁偶极（M1）,电四级（E2）和磁四极（M2）跃迁的波长,辐射速率,吸收振子强度和线强。i.通过多体微扰方法的结果和其他高精度的实验和理论数据的比较,对于绝大多数能级,本工作的能级值的精确度在0.05%以内；对于绝大多数跃迁,特别是Δn≠0的跃迁,波长的精确度在0.1%以内；对于绝大多数跃迁,辐射速率的精确度在10%以内。ii.相比于传统的将有限组态包括在计算中的组态相互作用方法,多体微扰方法由于将更多组态的电子关联效应作为微扰包括在了计算中,其计算结果的精度有了显著的提升。iii.相比于采用多组态Hartree-Fock理论方法和多组态Dirac-Hartree-Fock理论方法（这两种方法能提供高精度的结果）的已有工作,本工作结果的精度与其结果相当,同时给出了更多能级和跃迁的完备数据。这些数据为已有实验数据的分析和新实验的开展提供了帮助。此外,4种跃迁类型（E1,M1,E2和M2）的辐射跃迁速率都在本工作中给出,这对谱线的识别以及等离子的模拟也提供了帮助。这一工作已投稿至《The Astrophysical Journal Supplement Series》,见附录。二、对类氖硒离子的电子与离子碰撞激发过程进行理论研究。与已有的理论工作相比,本工作将对类氖硒离子的电子离子碰撞激发过程的理论研究首次扩大到了n=5,6高里德堡态上。本工作计算了类氖硒离子的n≤6组态的最低的241条能级的能级值,以及能级之间E1, M1, E2, M2,电八级（E3）和磁八级（M3）跃迁的波长,辐射速率,吸收振子强度和线强。同时给出了能级之间跃迁的碰撞强度（截面）和有效碰撞强度（激发速率系数）。i.研究了组态相互作用效应对类氖硒离子的能级和辐射速率的影响。ii.通过相对论扭曲波近似法和相对论平面波近似法相结合的办法,给出了高能量下的考虑相对论效应的碰撞强度外推的一种新方法。iii.通过扭曲波独立过程近似法将类钠离子2l7n’n’l"（n’≤7）和2l63l’3l"n’"l’"（n’"=3-6）组态系列的共振激发贡献包括在了计算中。iv.对共振态的各种辐射退激机制进行了研究,研究表明辐射退激对总的有效碰撞强度有很大的影响。本工作的数据为类氖硒离子谱线的分析以及X-射线激光放大系数的计算提供了帮助。这一工作发表在《Atomic Data and Nuclear Data Tables》,见附录。三、采用R-矩阵方法和扭曲波独立过程近似方法对类磷镍离子的电子与离子碰撞激发过程进行对比研究。本工作选取有复杂电子结构的M-壳层的类磷镍离子作为研究对象,运用R-矩阵方法和扭曲波独立过程近似法对该离子的3s23p3,3s3p4和3s23p23d组态的41条能级之间的电子与离子碰撞激发过程进行了研究。与已有的理论工作相比,本工作将共振激发过程第一次包括在了类磷镍离子的电子与离子碰撞激发过程的理论研究中。同时,在105.0-106.6K温度区间,给出了能级之间跃迁的有效碰撞强度。i.对于许多跃迁,在包括共振激发过程后,有效碰撞强度都有明显的增强,最大可以使总的有效碰撞强度增大2个数量级。ii.对于两电子过程的弱跃迁,特别是3s3p4组态和3s23p23d组态之间的弱跃迁,紧耦合效应的影响较大。iii.但对于绝大多数跃迁,扭曲波独立过程近似法都能给出与R-矩阵方法相一致的碰撞强度、有效碰撞强度和线强值,紧耦合效应的影响可以忽略。这一工作发表在《Journal of Physics B:Atomic, Molecular and Optical Physics》,见附录。四、对类磷镍离子的电子与离子碰撞激发过程进行理论研究。本工作对磷镍离子3s23p3,3s3p4,3s23p23d,3p5,3s3p33d和3s23p3d2组态的最低的143条能级的电子与离子碰撞激发过程进行了理论研究。通过扭曲波独立过程近似法将类硫镍离子的[3s23p3,3s3p4,3s23p23d,3p5,3s3p33d,3s23p3d2,3p43d,3s3p23d2,3s23d3]n’l’组态系列的共振激发过程的贡献包括在了理论计算中。在105.0-108K温度区间,给出了能级之间跃迁的有效碰撞强度。i.本工作将共振激发过程的贡献第一次包括到了类磷镍离子的最低的143条能级的电子碰撞激发的理论研究中。ii.与之前的工作[5,6]相比,本工作包括了更多的组态的相互作用和共振激发过程的贡献,这在很大程度上改变了能级的布局和跃迁的线强。这一工作发表在《Atomic Data and Nuclear Data Tables》,见附录。上述工作得到国家自然科学基金和中国工程物理研究院原子与分子数据联合体项目的资助。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 电子与离子碰撞的基本物理过程及其研究意义
• 1.1.1 电子与离子碰撞的基本物理过程
• 1.1.2 电子与离子碰撞激发过程的研究意义
• 1.2 电子与离子碰撞激发过程的研究现状
• 1.2.1 电子与离子碰撞激发过程的实验研究
• 1.2.2 电子与离子碰撞激发过程的理论研究
• 1.3 本文的研究内容和完成情况
• 第二章 计算方法
• 2.1 原子结构的计算方法
• 2.1.1 相对论组态相互作用方法（RCI）
• 2.1.2 多体微扰方法（MBPT）
• 2.2 电子与离子碰撞激发
• 2.2.1 R-矩阵方法
• 2.2.2 扭曲波独立过程近似法
• 2.3 碰撞辐射模型
• 第三章 类铍等电子系离子（Z=10-30）的能级和辐射跃迁速率的理论研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法和结果
• 3.3 能级比较
• 3.3.1 n=2组态能级的比较
• 3.3.2 n=3组态能级的比较
• 3.3.3 n=4,5组态能级的比较
• 3.3.4 MBPT方法的理论值和NIST的实验值的相对差异大于0.1%的能级的比较
• 3.3.5 小结
• 3.4 波长比较
• 3.4.1 n=2组态能级之间跃迁的波长比较
• 3.4.2 n=3,4,5组态能级之间以及n=3,4,5和n=2组态能级之间的跃迁的波长比较
• 3.5 辐射跃迁速率的比较
• 3.5.1 E1跃迁辐射跃迁速率的比较
• 3.5.2 M1,E2和M2跃迁辐射跃迁速率的比较
• 3.5.3 小结
• 3.6 寿命比较
• 3.6.1 实验值和理论值的比较
• 3.6.2 本工作MBPT方法的寿命和MCDHF方法的寿命的比较和讨论
• 3.6.3 小结
• 3.7 结论
• 第四章 类氖硒离子的电子离子碰撞激发过程的理论研究
• 4.1 引言
• 4.2 能级和辐射跃迁速率
• 4.2.1 组态相互作用对能级和辐射跃迁速率的影响
• 4.2.2 辐射跃迁速率比较
• 4.3 直接激发
• 4.4 共振激发
• 4.4.1 辐射损失对共振激发速率系数的影响
• 4.4.2 辐射损失对总的激发速率系数的影响
• 63l'3l"n"'l"'（3≤n"'≤6）组态系列的共振激发过程对总的激发速率系数的贡献'>4.4.3 2l⁶3l'3l"n"'l"'（3≤n"'≤6）组态系列的共振激发过程对总的激发速率系数的贡献
• 4.4.4 共振激发对总的激发速率系数的贡献
• 4.5 总的有效碰撞强度
• 4.6 本工作和其他工作的比较
• 4.7 结论
• 第五章 R-矩阵方法和扭曲波独立过程近似方法的电子碰撞激发的对比研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法和结果
• 5.3 比较和讨论
• 5.3.1 基态和第一激发态之间跃迁DRM和IPIRDW方法结果的比较和讨论
• 4组态之间的跃迁两种方法结果的比较和讨论'>5.3.2 基态和3s3p⁴组态之间的跃迁两种方法结果的比较和讨论
• 23p²3d组态之间的跃迁两种方法结果的比较和讨论'>5.3.3 基态和3s²3p²3d组态之间的跃迁两种方法结果的比较和讨论
• 5.3.4 两种方法的总的有效碰撞强度的比较和讨论
• 5.3.5 共振激发过程的增强效应
• 5.3.6 两种方法的线强比的比较和讨论
• 5.4 结论
• 第六章 类磷镍离子的电子与离子碰撞激发过程的理论研究
• 6.1 引言
• 6.2 能级
• 6.3 辐射跃迁速率
• 6.4 电子与离子碰撞激发
• 6.4.1 直接激发
• 6.4.2 共振激发
• 6.4.3 总的有效碰撞强度
• 6.5 能级布居和线强
• 6.6 结论
• 参考文献
• 附录 研究生期间已发表与已投稿论文目录
• 致谢