高电荷态离子与激发态原子碰撞过程的理论研究

The highly charged ions (HCIs) and excited atoms exist widely in the laboratory (magnetic confinement fusion、inertial confinement fusion), astrophysical and atmospheric plasmas, and the research on the collision dynamics between HCIs and excited atoms is an important frontier direction in atomic and molecular physics. The previously theoretical studies mainly focused on the collisions between ions and the ground-state target atoms, however, the investigations of collisions between ions and excited atoms which have larger cross sections are very limited. The theoretical studies on this kind of collisions are very difficult because it involves the complex multi-channel coupling interactions of one-center and two centers, and the interactions between the bound states and continuum states. Moreover, the problem of over-completeness of the expansion basis in the low energy region also leads to the difficulties in achieving the convergent cross sections. Furthermore, the alignment of excited target atoms will also have big effects on the cross sections and collision dynamics. This project will develop the semi-classical atomic-rbital close-coupling method to calculate the cross sections in collisions of HCIs and excited atoms in the low and middle energy region. The effects of multi-channel interactions and alignment effects of excited target atoms will be studied. The obtained atomic data can provide the accuracy atomic parameters for the theoretical simulation and diagnostics of spectra in the laboratory、astrophysical and atmospheric plasmas.

高电荷态离子和激发态原子都广泛存在于实验室(如磁约束聚变、惯性约束聚变等)、天体和大气等离子体环境中，二者之间碰撞过程的研究是原子分子物理一个重要的前沿方向。过去理论研究工作主要集中于离子与基态原子碰撞过程，而很少关注碰撞截面更大的离子与激发态原子碰撞过程。这是由于与激发态原子碰撞涉及复杂的多通道耦合效应，包括单中心上的多通道耦合、双中心之间的多通道耦合、束缚通道和连续通道之间的耦合，且低能碰撞中基组超完备等问题也导致截面计算很难收敛。此外，处于激发态靶原子的不同取向也会对反应截面和碰撞动力学有很大影响。针对上述难点问题，本项目将发展半经典的原子轨道强耦合方法，研究中低能区高电荷态离子与激发态原子碰撞的电荷转移、激发和电离过程，阐明多通道耦合效应以及靶原子的取向效应对碰撞动力学的影响。本项目完成后得到的数据也可以为实验室、天体和大气等离子体物理中的理论模拟和光谱诊断提供所需高精度原子参数。

高电荷态离子与激发态原子非弹性碰撞过程的理论研究由于涉及复杂的多通道耦合问题（包括单中心上的多通道耦合、双中心之间的多通道耦合、束缚通道和连续通道之间的耦合）、高激发态效应以及低能碰撞中基组超完备等问题，所以一直是原子分子物理研究中的一个难点问题之一。本项目聚焦上述难点问题，发展了半经典的原子轨道强耦合方法和计算程序，系统研究了中低能区高电荷态离子与激发态原子碰撞的电荷转移、激发和电离等非弹性过程。通过本课题的研究，首先，我们清楚的阐明了碰撞过程中高激发态以及多通道耦合效应对碰撞动力学及碰撞截面的影响。研究发现在我们研究的能区范围内，入射离子上的高激发态（包括赝连续态）对电荷转移截面（尤其是态选择截面）的计算精度影响非常大（截面会有倍数差别）；而靶上的高激发态和赝连续态则会对激发和电离截面产生很大影响。其次，研究还发现对于多电子碰撞体系，电子关联效应会对低能区电荷转移、激发的态选择截面有很大影响。最后，针对实际应用的需求，我们也计算了一些在天体物理、磁约束聚变和惯性约束聚变研究中急需的离子与激发态原子碰撞的参数，为上述领域提供了高精度的碰撞截面数据。在本项目的资助下，我们已在国内外物理学核心期刊发表SCI收录的学术论文10篇。