基于HIRFL-CSR的高离化态离子X射线谱学：强场中的双电子过程研究

Relying on HIRFL-CSR, the beam profile monitoring technique and the internal target density distribution measuring technique will be developed, as well as an ultra-low background X-ray spectroscopy system with ion-photon coincidence/anti-coincidence and angular distribution measuring ability will be established at CSRe. Based on the multi-configuration Dirac-Fock method and the existed programs, a completely relativistic quantum method will be developed, which will be able to deal with the dynamics of relativistic highly charged ion-atom collisions involving double electron transition. In addition, the related programs with intellectual property rights will be established. The experimental plan will be optimized and guided by the theoretical results. The X-ray spectroscopy of RTE, REC and decay of the recoiling ions in relativistic highly charged ion-atom collisions will be investigated to explore the influence of the electron-electron correlation, the Breit effect and the QED effect on the cross sections and the angular distributions of the double electron processes in strong Coulomb field. Meanwhile, particular attention will be devoted to search for the experimental evidence of RDEC with fully stripped intermediate ions, TEOP and the intermediate coupling with helium-like double-excited intermediate ion.

依托兰州重离子加速器冷却储存环，在实验环上发展束流轮廓监视和内靶密度分布测量两项关键技术，建成具有离子－光子符合/反符合技术和角分布测量能力的低本底X射线谱学实验系统。在多组态Dirac-Fock理论方法和已有程序基础上，发展能够处理涉及双电子变动的高电荷态离子与原子碰撞动力学过程的全相对论理论方法，建立相应的具有自主知识产权的计算程序。在理论计算的指导下优化实验方案，通过相对论能区高电荷态离子与原子碰撞的共振转移激发、辐射电子俘获、反冲离子退激等反应道的X射线谱学研究，揭示电子关联效应、Breit效应以及QED效应对强库仑场中双电子过程的截面和角分布特性的影响，并寻找中重全裸离子辐射双电子俘获、类氦双激发态离子双电子单光子跃迁及极端中间耦合的实验证据。

当前，人们已可以以极高的精度重现弱库仑场中可用微扰方法处理的电磁相互作用过程；然而，对强库仑场中的双电子过程的认识无论在理论上还是在实验上都远未达到与弱场中相当的精度。本项目依托兰州重离子加速器冷却储存环展开。在其实验环上研制了一套采用分立像素阳极的2D MCP探测器以及128路微弱电流信号测量系统，发展了CSRe内靶实验绝对亮度测量技术，建成了具有离子-光子、光子-光子符合/反符合技术和角分布测量能力的超低本底X射线谱学实验系统。基于Dirac-Fock-Sturm轨道的相对论耦合道方法，研究了强扰动碰撞中Kr/Xe内壳层双、多电子电离过程，计算了多重电离几率与碰撞参数的关系；采用多组态Dirac-Fock理论和蒙特卡罗方法，研究了多空穴态原子的空穴重组过程和辐射X射线谱；发展了磁能级层次相对论扭曲波方法，研究了Breit相互作用和干涉效应对重离子激发截面及退激X射线极化度的影响；建立计算K-REC、L-REC等截面与退激发辐射光子角分布的计算方法和程序。开展了50 – 200 MeV/u Xe54+全裸离子与Ar、Kr、Xe等靶碰撞中的双电子过程在线实验。通过精确测量碰撞过程中反冲靶原子发出的X射线能谱，研究了重原子在极强快速扰动下的K壳双电离过程，获得了不同弹扰动程度下靶原子K壳双电离概率，并与上述相对论耦合道理论方法进行了比较。通过测量俘获电子后炮弹离子所发出X射线的角分布，观察到了2p3/2到1s跃迁X射线的各向异性，展示出俘获过程中磁子能级布居的非统计特性。另外，还研究了多个L壳旁观空穴存在时中间耦合态开壳空心Xe原子的能级结构和辐射退激过程。本项目建成了相关实验装置，针对相对论能区高电荷态离子与原子的碰撞反应过程开展了理论和实验研究，揭示了电子关联效应、Breit效应以及QED效应对强库仑场中双电子过程的截面和角分布特性的影响。项目的开展锻炼了科研队伍，激发了新的物理想法，其中一些新想法已陆续获得国家自然科学基金的资助。项目发表期刊论文43 篇，毕业博士生6名、硕士生12名。