重离子冷却储存环上类硼Ca15+离子的双电子复合精密谱学实验研究

The high-precision spectroscopy obtained from the dielectronic recombination (DR) experiments can be not only used to study the energy level structure of highly charged ions, thereby testing the theoretical methods for atomic structures calculation, but also used as the basic input parameters for interpreting the emission spectrum of astrophysical, other natural and man-made plasma, as well as plasma diagnosis and modeling. Heavy ion storage rings equipped with electron cooling devices provide excellent platform for the DR precision spectroscopy experimental study of highly charged ions. This application intends to perform DR precision spectroscopy research for boron-like Ca15+ ions at heavy ion storage ring CSRm in Lanzhou. By carrying out precision DR experimental measurement for Ca15+ ions, the absolute precision DR rate coefficients will be obtained, the transition energy of M1 transition within the ground state of Ca15+ ions will be measured. In addition, the plasma rate coefficient and its fitting parameters for astrophysical plasma research and plasma modeling will be obtained. This project will facilitate the interplay between atomic physics, astrophysics, plasma physics and other related disciplines. Through the close cooperation of experimental research and theoretical calculation, the distinctive progress will be made in this field.

基于双电子复合（Dielectronic Recombination，DR）精密谱学实验得到的高精度DR速率系数谱，不仅能够用于研究高电荷态离子的能级结构从而检验各种原子物理结构计算的理论方法，也是解释天体、其它自然和人造等离子体发射光谱以及等离子诊断和建模的基本输入参数。配备电子冷却装置的重离子储存环为开展高电荷态离子DR精密谱学研究提供了绝佳的实验平台。本项目拟基于兰州重离子冷却储存环CSRm开展类硼Ca15+离子的DR精密谱学实验研究，获得高精度的DR绝对速率系数谱，精确测量Ca15+离子基态到亚稳态的M1跃迁的能量，得到用于天体等离子体研究和模拟的等离子体速率系数及其拟合参数。本项目的开展将促进原子物理和天体物理以及等离子物理等相关学科的交叉，通过实验和理论计算的紧密配合，做出有特色的研究工作。

重离子冷却储存环合并束双电子复合（Dielectronic Recombination，DR）精密谱学实验是获得高电荷态离子低能DR速率系数的唯一可靠途径。实验获得的高精度DR谱（DR速率系数vs. 碰撞能量）不仅能够揭示高电荷态离子的内部能级结构，从而检验基本的物理模型和原子结构理论计算方法，而且也是解释宇宙发射光谱，实现各种自然天体以及人造等离子体诊断和建模的基本输入参数。 本项目原初旨在完善和改进储存环CSRm上的DR 实验装置，进而开展类硼Ca15+离子的DR精密谱学研究，然而由于HIRFL-CSR上供束计划的调整，未能如期供应本项目所需的Ca15+离子束流。因此在项目执行中期实验目标离子调整为类Na的Kr25+。在本项目的支持下，我们在CSRm上获得了Kr25+离子0-70 eV的高精度DR速率系数谱，实验结果覆盖了所有3s-3p以及部分3s-3d跃迁对应的DR共振。通过与FAC和AUTOSTRUCTURE理论计算结果进行细致的对比，除了∆n=0的DR 共振之外还意外发现了很强的来自∆n=1（3s-4l4l'）的DR共振过程，并且在理论计算中必须考虑∆n=0和∆n=1的低能共振之间的强烈混合效应（电子关联），理论计算结果才能才误差范围之内与实验测量结果很好的符合。基于实验和理论计算的DR速率系数谱，通过卷积麦克斯韦玻尔兹曼分布，得到了用于等离子体建模的等离子体符合速率系数。通过与之前的推荐数据（Altun et al.,2006）对比，指出了其在低能段（光电离能区）的巨大偏差。此外，基于CSRm上DR实验的研究基础，成功将DR实验从CSRm拓展到CSRe上，建成了±30kV的电子能量快速调制系统，并且配备了与之匹配的复合离子探测（多丝正比探测器和高效塑闪探测器）和数据获取系统，成功开展了Kr25+离子的测试实验。相比于CSRm上的实验结果，CSRe上的Kr25+离子DR实验测量能量范围拓展到了0-150 eV，成功观测到里德堡线系3pnl，3dnl对应的所有DR共振，能量分辨达到了75 meV，好于德国储存环ESR。本项目不仅产生了一套实验基准数据，为发展DR理论计算提供了重要的参考，同时也为HIAF-SRing上的DR精密谱学研究奠定了坚实的研究基础和技术储备。