电子束离子阱与先进光源模拟天体物理过程的理论研究

By using observation data for astrophysical objects with high spectral-resolution, astrophysicists have a better unsderstanding for the heating mechanism of hot plasmas dominated by collisions than before (for example, stellar conoral-like, shock-wave heating, flare heating and so on), as well as the environment of accretion disk and accreting physics of dense objects (Vela X-1). However, astrophysicists have to consider the reliability of theoretical models used for spectroscopy with high resolution of astorphysical objects because of existing differences between models and observations. Electron beam ion trap is a perfect platform in laboratory for benchmarks of spectroscopic models due to its particular characteristics (generated plasmas with electron densities to be consistent with that in astrophysical cases). Moreover, it is used to simulate hot plasmas to reveal physical processes in astrophysical objects. With the setup and in operation of worldwide advanced light sources (broadband of energy), for example, free-electron laser and synchrotron radiation sources, it is possible to simulate the photoionized plasmas in dense objects. In this work, we will investigate those relavant physics when free-electron laser sources with high brightness irradiating low-dense and low-charged plasmas generated by electron beam ion traps. For example, evolution of various charged stages of an element in a photoionizing plasma, necessary physical parameters to obtain spectra with high-quality, the variation of X-ray spectra along with various physical parameters, as well as comparison with astrophysical observation to reveal the environment and physics in astrophysical objects.

利用高分辨光谱的天体观测数据，天体物理学家加深了对碰撞主导的炽热天体等离子体加热机制的了解（如类星冕、击波加热、Flare加热等），以及致密天体（Vela X-1）吸积盘的环境及吸积物理过程。但模型与观测间的差异使天体物理学家思考这种用于天体高分辨光谱分析模型的可靠性。电子束离子阱基于其独有的特性（等离子体电子密度与天体环境完全相符）成为验证天体光谱分析模型的良好实验平台，并用于模拟炽热等离子体环境揭示天体中的物理过程。地面先进光源（宽能带）的相继投入使用，比如自由电子激光和同步辐射源。为模拟致密天体中的光离化等离子体提供了一种可能性。本项目从理论上，研究高通量的自由电子激光光源辐照电子束离子阱所产生的低密度、低离化等离子体中相关物理问题。比如光离化等离子体时，各离化态离子的演化；获取高质量光谱的实验物理条件；X-射线光谱随各物理参数变化；并与天体和实验观测比较揭示天体环境和物理问题。

天文学家利用高分辨的X射线观测数据深刻地认识了不同尺度天体的物理本质。但是，对这些天体的认识均是基于所构建的天体物理模型，比如对恒星、超新星、星系的观测分析均是基于碰撞热辐射模型（如APEC），对行星状星云、X射线双星、活动星系核、黑洞等的观测数据分析多数是基于光电离平衡模型（如Cloudy和XStar）。然而，这些模型中描述等离子体基本物理过程的参数大多数源于理论计算的结果。近年来，随着地面实验技术的发展，一些天体物理学家利用实验室测量的数据对这些分析模型加以验证，如利用高能量、高亮度、长时间、宽能带的同步辐射光源和自由电子激光光源研究光电离过程。 但是实验室可实现的环境与天体存在很大的差异，且这种光电离光谱的研究仍然没有实验室测量的结果。. 本项目的主要研究内容主要有3个方面：1 构建包括光子、电子-离子碰撞过程的等离子体光谱分析数据库；2 构建光电离等离子体光谱分析建模及其分析应用，研究这种等离子环境下各离子分布的演化、辐射光谱随各物理参数的变化、光源特征对辐射光谱的影响等；3. 先进光源与电子束离子阱模拟光电离等离子体的物理问题，研究先进光源照射电子束离子阱等离子体所辐射的有效光子在通过各部件后检测终端获取有效光谱所需要的源区物理条件，比如离子密度、光源亮度等。. 通过本项目的实施，在以下几方面取得了重要成果：1 完善了恒星X-射线和极紫外线辐射的认证，该研究成果和我们早期对硅、铁的研究工作与早期Raassen等人(2002)的工作成为后续美国利弗莫尔实验室多次实验室测量研究工作引用的出发点，并被最近出版的《Advances in Atomic, Molecular and Optical Physics》丛书所引用；2 初步建起了等离子体中光子、电子-离子碰撞过程数据库，形成一个可用于天体、实验等离子体光谱分析、诊断的初级数据库。3 电子-离子碰撞共振复合中高阶效应的数值计算和实验研究，从实验中的窄能段揭示多电子参与的高阶复合贡献可以高达50%(例如Fe XXI)，数值的理论计算揭示全能段、热平均后的这种项需在一定等离子体温度下也可达到35-40%；4 建起了可视化的、集多功能、多特征于一体的天体和实验等离子体X射线和极紫外光谱分析与诊断系统，并成功应用于天体等离子体的诊断应用研究。被国际同行认为是一个强大的、全新的分析工具。