低能离子分子碰撞的振转分辨下激发和电荷转移的理论研究

Collisions between ion and molecule are of great importance in the study of plasma and astrophysics. The collisions play an important role in the energy and particle transport in the plasmas with low electron density. For instance, the hydrogen atom molecules and ions are abundant in interplanetary atmosphere and divertor plasmas in magnetic confinement fusion device, the slow collisions between these particles are of great importance for the simulation of relevant plasma evolution. However, the rovibrational level studies of the molecules has been usually ignored in the relevant astrophysics and fusion research, mainly because of the lack of state-to-state-resolved cross sections. In this work, the quantum-mechanical close coupling method and time-dependent quantum wave packet method will be used to study the collisions between ions and molecules in hydrogen plasma. The relevant calculation programs will be developed to obtain the state-to-state-resolved cross sections of excitations and charge transfer in slow collisions of ion with rovibrational exited molecule in hydrogen plasma. After this work is carried out, the theoretical methods to investigate the slow collisions of ion with rovibrational exited molecule will be developed, which can help understanding the electronic correlation effects, approximate methods as well as the many-body problems in collisions between ion and molecule. The atomic and molecular data are also very important in many application fields, such as atmospheric physics, plasma physics and fusion research.

离子分子碰撞在实验室等离子体和天体物理研究中具有重要应用，当电子密度比较低时，重粒子碰撞在等离子体能量和粒子输运中起决定性作用。比如，氢原子分子及其离子广泛存在于星际大气和磁约束聚变装置偏滤区等离子体环境中，这些粒子之间的低能碰撞反应截面是等离子体演化模拟需要的重要参数。然而由于缺乏这些碰撞过程振转分辨的态-态反应截面，目前相关的研究通常只涉及到振动分辨的层面。在本项目中，我们将发展分子轨道强耦合方法结合含时量子波包方法研究离子与双原子分子碰撞过程，研制计算程序，精确计算氢等离子中离子分子碰撞的电荷转移、碰撞激发截面和速率系数等数据。本项目既包括基础理论方法的研究，可以更全面地阐明离子分子碰撞过程中电子关联效应以及各种近似模型的影响，加深对多体问题的理解，还可以为天体物理、等离子体物理、受控热核聚变等的研究提供重要的原子分子参数。

等离子体广泛存在于宇宙中，其组成非常复杂，存在着大量的自由电子，不同离化度的离子，以及部分未电离的原子分子。由于各种组分之间相互碰撞，使得组分之间相互转换，并产生不同的激发态的离子和原子分子，涉及到大量的原子分子过程。其中重粒子碰撞过程作为原子分子物理中一个十分重要的传统领域，其各种碰撞反应通道的截面在天体物理、实验室等离子体和受控热核聚变环境中都扮演着极为重要的角色。例如，氢原子分子及其离子广泛存在于星际大气和磁约束聚变装置偏滤区等离子体环境中，这些粒子之间的低能碰撞反应截面是等离子体演化模拟需要的重要参数。然而由于缺乏这些碰撞过程振转分辨的态-态反应截面，目前原子离子与氢分子碰撞的研究通常只涉及到振动分辨的层面。在本项目中，我们发展了分子轨道强耦合方法研究离子与双原子分子碰撞过程，研制计算程序，精确计算氢等离子中离子分子碰撞的电荷转移、碰撞激发截面和速率系数等数据。另一方面，我们提出了一种原子态依赖的电子屏蔽模型以处理温、热稠密等离子体的环境效应。通过考虑三体复合过程的影响，我们发现离子附近的等离子体电子密度分布偏离平衡分布且与所研究的离子量子态关联。通过与超冷等离子体的分子动力学模拟结果和近期的热稠密等离子体谱线移动实验测量的比较，我们证明了该模型的可行性和有效性。此模型能够处理热和温稠密等离子体的电子屏蔽效应，能够应用于高能量密度物理和原子物理领域，如计算等离子体中的原子过程、等离子体光谱和辐射输运性质等。