类碳离子高激发态能级结构和退激发特性的理论研究

The highly-excited states of C-like ions can be found in collision excitation, cosmic ray, high temperature plasma. They have important applications in many fields such as spectrum analysis, X-ray laser, astrophysics, and thermonuclear fusion. This project focuses on the highly-excited states (outer-shell multi-excited states and K inner-shell excited states) of carbon isoelectronic sequence. The wave function, energy structure, relativistic effect, quantum electrodynamics (QED) effect, fine structure, radiative and Auger transition rate, X-ray wavelength, and Auger electron energy of the highly-excited states of C-like ion will be calculated by the saddle-point variational method. Taking the multi-channel coupling effect into account, we will extend the saddle-point complex rotation method to study energy shift, Auger width, and Auger branching ratio of the K inner-shell excited states of C-like ions. Furthermore, we will explore and summarize the radiative and Auger transition rules of the multi-electron highly-excited states. The project aims to provide accurate theoretical energy levels, radiative and Auger transition data, and explore competition and selection mechanism of decay process for the highly-excited states of multi-electron atoms. We will provide valuable theoretical data for identification of experimental spectral lines and Auger lines, design of X-ray laser, diagnostic of plasma, and spectral identification and elemental analysis of celestial body.

类碳离子高激发态存在于碰撞激发、宇宙射线、高温等离子体中，对光谱分析、X射线激光、天体物理、热核聚变等领域具有重要的应用价值。本项目拟以碳等电子序列高激发态(外壳层多重高激发态和K壳层激发态)为主要研究对象，鞍点变分方法系统地理论计算和分析其波函数、能级、相对论效应、量子电动力学效应，精细结构、辐射跃迁和俄歇率、X射线波长、俄歇电子能量等数据。并考虑多通道耦合效应，扩展鞍点复数转动方法，计算类碳离子内壳激发态的能级移动，俄歇宽度和分支率，总结多电子原子高激发态辐射和俄歇退激发的跃迁规律特性。本项目旨在精确计算多电子原子高激发态的能级结构及辐射和俄歇跃迁的相关数据，探索多电子原子高激发态退激发的竞争与选择机制，为相关实验光谱线和俄歇电子谱线标定、X射线激光器设计、等离子体诊断、天体光谱线鉴定与元素分析等提供有价值的理论依据。

本项目推广多组态Rayleigh-Ritz变分方法、鞍点变分方法等系统地计算了类碳等电子序列系列激发态的能级结构和光谱，使用鞍点复数转动方法计算了类铍、类硼、类碳离子内壳激发态的能级结构、辐射跃迁率、X射线波长、俄歇电子能量、俄歇跃迁率、俄歇分支率等。在计算过程中，扩展了基函数的数目，考虑了更多的电子关联效应，同时编写计算了多电子体系量子电动力学效应和高阶相对论效应的计算程序，提高了数据的计算精度。成果具体包括：.利用Rayleigh-Ritz变分方法系统计算了类碳等电子序列（Z=6-18）的系列激发态的能级和光谱数据，总结了电偶极辐射跃迁振子强度随核电荷数Z的变化规律。与其它理论计算结果比较，本项目计算的激发态的原子数据与NIST实验数据符合的更好，对于某些激发态的数据为首次报道，类碳等电子序列的理论计算结果丰富了相关的原子数据库。. 利用Rayleigh-Ritz变分方法系统计算了天体重要元素的S13+离子和 Si9+离子里德堡系列激发态的能级、精细结构、电偶极跃迁率、跃迁振子强度、跃迁波长等原子数据，标定并分析了高里德堡态的能级结构，讨论了理论计算过程中电子关联效应对辐射跃迁率的影响。本项目计算的理论结果和CHIANTI原子数据库的数据进行了比较，这些数据对天体物理中光谱线的标定具有重要的意义。.利用鞍点变分方法、鞍点复数转动方法、多组态Driac-Fock方法计算了类铍、类硼等电子序列内壳层激发态的辐射跃迁率、X射线波长、俄歇电子能量、俄歇跃迁率和俄歇分支率等，讨论了电子关联效应对能级和辐射跃迁率的影响及电子的轨道和自旋角动量耦合作用对俄歇分支率的影响，分析了辐射跃迁率和俄歇跃迁率随核电荷数Z的变化趋势，总结了退激发过程中辐射跃迁和俄歇跃迁的竞争机制。. 本项目计算的类碳六电子体系高激发态的原子能级、光谱、俄歇电子谱等原子参数将为相关实验光谱线和俄歇电子谱线标定、X 射线激光器设计、等离子体诊断、天体光谱线鉴定与元素分析等提供有价值的理论参考。