B样条R矩阵方法对中低能原子(e, 2e)反应的理论研究

The single ionization of atoms by electron impact, namely (e, 2e) reaction, has been one of the most attractive subjects in atomic and molecular physics during the past decades due to its capability of revealing a rich variety of information. Depending on the kinematics employed, it is not only possible to investigate in detail the dynamics of ionization process involving Coulomb many-body interactions, but also a very powerful tool to interpret the structures of the target system and the ion. In the current project, we will focus on the (e, 2e) processes of complex atoms at low and intermediate impact energies which are below 200 eV. In such kinematics, the Coulomb many-body interactions influence the (e, 2e) process in all kinds of possible ways involving both short-range and long-range effects, such as electron exchange, polarization and post-collisional interaction, etc. Significant discrepancies between available theoretical calculations and experimental measurements are found, which are attributed to the incomplete inclusion of those effects in the ionization amplitude of calculation. This motivates us to develop the B-spline R-matrix (BSR) approach which will be capable of including most of the important many-body interactions in the process with a much higher accuracy. Therefore, we propose to (i) improve the wave functions of target states in BSR structure calculation, (ii) introduce a better treatment of ionization amplitude by projecting the amplitude of pseudo states to true continuum states, and (iii) develop a fully parallelized version of BSR approach to make the calculation more efficient. The goal of proposed study is to develop an accurate and effective theoretical method and programs for investigating the dynamics of many-body system and atomic structures in (e, 2e) process of atoms, such as Na, Mg, N, O and rare gases, at low and intermediate impact energies, as well as providing accurate atomic data.

对原子(e,2e)反应的研究，不仅能够揭示多个带电粒子在库仑力作用下的动力学反应机理，也是探索原子结构的重要手段之一。本项目将重点研究入射电子能量在200eV以下的中低能区复杂原子(e,2e)问题。在该反应条件下，多体间相互作用会以各种可能的方式影响碰撞过程，表现为各种短程关联和长程效应。目前的理论对这些多体效应的描述仍不够完善，不能给出与实验完全相符合的电离微分截面。在本项目中，我们将改进B样条R矩阵方法，通过1)对靶态描述的进一步优化、2)将赝态的电离振幅关联到真实的连续态、3)利用并行计算技术提高计算效率，使理论能够更加完整而准确地描述反应中的各种多体效应和电离通道，从而发展出一个更加高效可靠的理论工具，来探索中低能Na、Mg、N、O和稀有气体等多种不同类型原子的(e,2e)问题，加深对反应中的原子结构和多体作用规律的理解，并提供更为精确的各种原子电离截面数据。

电子与原子的碰撞单电离反应，即(e, 2e)反应，是原子物理最基本的反应过程之一。其中产生的各种散射截面数据，是表述这一反应过程最重要的物理数据，对它的研究将揭示出该过程复杂的动力学反应机制和各种粒子间的多体相互作用规律，使我们能够对其中的物理本质有一个更加深刻的理解。在中低能区复杂原子的碰撞电离过程中，多体间相互作用会以各种可能的方式影响碰撞过程，涉及到库仑长程势同短程多体关联相互作用之间的耦合，表现极化，交换和碰后相互作用等电子关联效应。.在本项目中，我们在B样条R矩阵理论的框架下，对中低能区复杂原子的碰撞电离问题进行了研究。我们首先通过单独的结构计算对靶态波函数进行优化，充分考虑了极化、交换、相对论等效应对碰撞体系初末态的影响；其次利用平方可积的有限分立态关联到真实的电离连续态，来更准确地描述电离反应通道的物理信息，重新构建出了一个更加完备真实的电离散射振幅；同时利用并行计算技术来提高计算效率，使理论能够在合理的计算时间内包含更多连续靶态和电离反应通道。从而我们发展了一个能够更加完整而准确地考虑碰撞电离过程中的极化、交换和碰后相互作用等多体间动力学关联效应的B样条R矩阵理论和相应的计算程序，并利用其对He、Ca、Ne、Ar、Xe等多个复杂原子体系的结构和碰撞电离反应问题进行了理论计算，并获得了准确的各种结构参数和多种动力学反应条件下的电离散射截面数据，结果表明通过本项目发展的理论计算结果与实验数据符合的很好，验证了理论对相关科学问题的准确描述，阐明了各种条件下原子电离过程中相关问题的反应机制和作用规律。同时我们也给出了一些目前尚无实验数据，但具有科学价值的反应条件和靶原子或离子体系的理论预测，这进一步加深了对其中多体相互作用物理规律的理解。