惰性气体原子深内壳层洞态结构及衰变特性的理论研究

The x-ray free-electron lasers generated in recent years have many advantages such as high peak brilliances, excellent coherence and ultra-short pulses, which can ionize the deep inner-shell electrons of the atoms effectively, making the research of the deep inner-shell hole states and hollow atoms (ions) become a hot issue. Based on relativistic multi-configuration Dirac-Fock theory, in this project, the electronic structure and cascade decay processes of K-shell single and double hole states of Argon (Ar) and L-shell hole state of krypton (Kr) are studied using the "straightforward construction of de-excitation trees" method and the stepwise approach, as well as detailed level-to-level calculation in which the electron correlation, relativistic, relaxation and quantum electrodynamics effects are included systematically. Meanwhile, the effects of spectator vacancies on specific transition and the structure and decay properties of the deep inner-shell hole states are investigated thoroughly, by analyzing a series satellite and hypersatellite spectra of normal one and calculating the structure and the first step decay processes of K-shell hole states of Ar and L-shell hole states of Kr with different spectator vacancies in L and M shell. This work will not only contribute to the identification and the understanding of formation mechanism of spectra emitted through interaction of highly charged ions with atoms (solid surface), but also can provide new ideas and methods for the realization of atomic inner-shell x-ray laser.

近几年诞生的X射线自由电子激光因具有极高的峰值亮度、极好的相干性和超短的脉冲，可有效地将原子深内壳层电子电离，使深内壳层洞态和中空原子（离子）的研究成为热门课题。本项目拟采用相对论多组态Dirac-Fock方法，系统考虑相对论效应、电子关联效应、弛豫效应、量子电动力学效应等，基于逐步模型和细致能级计算，利用“直接构建退激发树”方法，对氩（Ar）原子K壳层单、双洞态和氪（Kr）原子L壳层洞态的结构和级联退激发过程进行研究，获得其核外电子结构信息和衰变动力学规律；通过分析常规谱线的伴线和超级伴线、系统计算具有不同L，M壳层旁观空位的Ar原子K壳层洞态和Kr原子L壳层洞态的结构和一步退激发过程，探究旁观空位对具体跃迁和深内壳层洞态结构及衰变特性的影响。本项目的研究不仅有助于高离化态离子与原子（固体表面）相互作用发射谱的指认和形成机制的理解，而且可为原子内壳层X射线激光的制造提供新的思路和方法。

内壳层洞态是指内壳层失去电子而形成的处于激发态的原子（离子），广泛存在于实验和天体等离子体中，其结构和衰变特性的研究一直是原子与分子物理学领域非常重要和关键的课题。基于相对论组态相互作用方法和多组态Dirac-Fock方法，通过细致能级计算，本项目主要开展了以下几方面的研究工作：1）通过包括所有的辐射和Auger跃迁通道，细致研究了Ar原子K壳层单洞态Ar+ 1s-1的能级结构和级联退激发过程，计算了末电荷态离子分布、模拟了重要的荧光谱和Auger电子谱，分析了各离化态离子的主要产生通道。结果表明：Ar+1s-1的退激发过程非常复杂，主要以Auger衰变机制为主，且可经5步级联退激发过程产生Ar+-Ar6+离子，Ar4+的丰度最高，Ar+主要来源于KM23通道，Ar2+主要与KL23通道相关, 而Ar3+, Ar4+, Ar5+及Ar6+离子分别主要来源于KL23M23, KL23L23, KL1L23及KL1L1通道；2）细致研究了Ar原子K壳层双洞态Ar2+ 1s-2的能级结构和辐射、Auger衰变特性。发现Ar原子K壳层单双洞态的辐射衰变特性相差很大，而Auger衰变特性具有相似的规律性；3）细致研究了Kr原子1s单、双洞态Kr+1s-1、Kr2+1s-2和L壳层单洞态Kr+2s-1、Kr+2p-1的能级结构及其衰变特性。发现Kr原子K壳层洞态以辐射跃迁为主，而L壳层洞态以Auger跃迁为主；4）系统研究了具有不同L壳层旁观空位的Ar原子K壳层单、双洞态，以及具有不同M壳层旁观空位的Kr原子L壳层单洞态Kr+2s-1、Kr+2p-1的能级结构和衰变特性，探究了旁观空位对这些洞态能级结构和衰变特性的影响。以上研究结果，不仅可以填补和修正相关领域的原子数据，而且可为等离子体的模拟和诊断、高离化态离子与原子（固体表面）相互作用发射谱的指认和形成机制的理解等提供重要数据和参考。