类氢类氦C、O离子与原子碰撞中的态选择电荷转移动力学实验研究

Charge transfer processes in ion-atom collisions are still one of the most important research fields in atomic physics. This interest results not only from fundamental aspects involved, but also from their importance in astrophysical and laboratory plasmas. The reaction microscope can achieve a complete measurement of the multiple differential cross section to reveal the ion and atom collision reaction dynamics. The projection planes to study the state-selective charge transfer between H-, He-like C, O ions, provided by the 320 kV platform for multi-discipline research with highly charged ions, and He, Ne atomic targets collisions. Utilizing the reaction microscope combined the coincident technique for recoil and scattered ions, the recoil momentum vector can be deduced from the position on recoil detector and time-of-flight of recoil ions. The state selective cross sections and angular differential cross sections depend on projectile scattering angle for charge transfer will be obtained as a function of impact energy. The measured experimental results will be compared with the calculation based on the quantum-mechanical molecular-orbital close-coupling and atomic-orbital close-coupling methods to explore the multi-body collision dynamics in the intermediate energy region.

离子与原子碰撞反应中的电荷转移过程广泛存在于天体和实验室等离子体环境中，电荷转移过程的实验研究在基础研究和应用方面具有重要的意义。反应显微成像谱仪可以实现离子与原子碰撞中的多重微分截面的完整测量，揭示离子与原子碰撞反应动力学。本项目基于320 kV 高电荷态离子综合研究平台提供的60～1400 keV 的类氢类氦C、O离子束，利用自主研制成功的反应显微成像谱仪，采用符合方法，实验测量离子与He、Ne 原子碰撞反应中产生的反冲离子的动量矢量以及散射离子的电荷态信息，获得电荷转移过程中电子俘获到入射炮弹离子不同量子态的信息以及多重微分截面。研究电荷转移过程中的动力学特性及俘获电子的态选择截面随入射离子能量和电荷态的变化关系。在理论上，采用全量子分子轨道强耦合和半经典原子轨道强耦合方法对所研究体系进行模拟计算，结合实验结果，探索中能区类氢类氦C、O离子与He、Ne原子碰撞多体动力学。

本项目基于320 kV高电荷态离子综合实验平台提供的重离子束，利用自主研制的反应显微成像谱仪，采用符合方法，实验测量离子与He、Ne 原子碰撞反应中产生的反冲离子的动量矢量以及散射离子的电荷态信息，获得电荷转移过程中电子俘获到入射炮弹离子不同量子态的信息以及多重微分截面，研究电荷转移过程中的动力学特性及俘获电子的态选择截面随入射离子能量和电荷态的变化关系。在理论上，采用全量子分子轨道强耦合和半经典原子轨道强耦合方法对所研究体系进行模拟研究，结合实验结果，对中能区类氢类氦C、O 离子与He、Ne 原子碰撞多体反应动力学进行了研究。在C5+与He碰撞中，单电子俘获到n=3的态为最主要的过程，随碰撞能量的升高，单电子俘获趋向于向更高量子态布居；双电子可以俘获到双激发态，然后辐射退激或者俄歇退激。对辐射退激过程，双电子俘获到非对称的双激发态为最主要的过程，而俄歇退激过程中双电子俘获到对称双激发态(2l2l’)有重要的贡献，且随炮弹离子能量的升高而降低。在Ne8+离子与He碰撞反应中，研究了炮弹俘获双电子到自电离态，随后发生俄歇。在此过程中双电子俘获到主量子数相同或者相近的量子态，碰撞参数较大，双电子俘获表现出次序电子俘获；双电子俘获到炮弹的量子态主量子数差别较大时，碰撞参数较小，双电子转移表现出强的动力学关联。在Ar8+离子与He碰撞的单电荷转移过程中实现了角量子数分辨，结合基于原子轨道紧耦合方法的角微分截面计算结果，发现单电子俘获到4s，4p态时主要根源于动力学耦合导致的分子激发，在单电子俘获到4p态时，相比4p_0态更加趋向于俘获到4p_1态。同时实验探索了惰性原子团簇和分子团簇的产生，开展了离子束与Ar2团簇碎裂机制及取向效应的研究，发现碎裂机制与取向角存在明显的依赖关系；在Ne2团簇碎裂中，发现非辐射电荷转移机制在纯电子俘获和转移电离过程存在明显的不同，这种差别根源于重离子与Ne2团簇相互作用中，能量沉积导致团簇离子碎裂前的分子态的不同；在分子团簇方面，开展了简单团簇碎裂动力学和几何构型的研究，首次实验获得Ar2N2团簇的几何构型。部分研究结果已在国际SCI刊物发表，这些研究工作为进一步的理论发展和实验研究奠定了基础。