电子与高电荷态离子碰撞过程中相关角向特性的理论研究

Highly charged ions widely exist in astrophysical plasmas, laboratory plasma and thermonuclear fusion plasmas. The studies on the angular properties in collision between electron and highly charged ions, which is significant not only for the development and testing of high-precision atomic theory, revealing the kinetic characteristic and mechanisms of complex atoms (ions) in a strong Coulomb field, but also provides a very important scientific basis for the accurate diagnosis of the plasma state, spectral simulation, determine the line formation mechanism and the research of fusion reactor. Based on the relativistic multi-configuration Dirac-Fock (MCDF) method, the fully relativistic distorted-wave method and the density matrix theory and some of the existing programs (GRASP92/2K,RATIP), in this project we will develop some new theoretical methods and programs to study the related angular properties in the electron collision dynamics processes of highly charged ions, such as, dielectronic recombination, radiative recombination and electron impact excitation. Systematic studies of the influences of various interactions (electron-electron,electron-radiation field) and relativistic effects on the angular distribution and polarization properties of the subsequent emitted radiative lines and Auger electrons will be carried out, and detailed calculations and analysis on angular properties of the ions interested in astrophysics and and various fusion plasmas researches will be presented. We hope that these studies can provide necessary theoretical support and help for the relevant practical application and experimental study in certain regions.

高电荷态离子广泛存在于天体等离子体、实验室等离子体以及热核聚变等离子体中。研究电子与高电荷态离子碰撞中的角向特性不仅对发展和检验高精度的原子结构理论、揭示强库仑场中复杂原子（离子）的动力学性质和机制有着重要意义，而且也为等离子体状态的精确诊断、光谱的模拟和形成机制的判断以及核聚变反应堆的研究等提供非常重要的科学依据。本项目拟在多组态Dirac-Fock方法、相对论扭曲波方法和密度矩阵理论框架下，利用部分已有程序包(GRASP92/2K,RATIP)，建立一套能够系统研究高电荷态离子的双电子复合、辐射复合及电子碰撞激发等过程中相关角向特性的理论方法和计算程序。探讨各种相互作用（电子-电子、电子-辐射场）和相对论效应等对辐射谱线和Auger电子角向特性的影响，选取与天体物理、各种聚变等离子体研究密切相关的离子体系进行精确计算，以期望对相关实际应用领域的研究提供必要的理论依据和帮助。

电子与高电荷态离子之间的各种碰撞动力学过程广泛的存在于各种实验室和天体等离子体环境中。由于电子-离子碰撞过程所发出辐射跃迁谱线的角向或极化特性都取决于激发态的取向程度，故而从对实验中发出光子和电子的分析，我们就可以获得碰撞动力学过程和激发态磁子能级布局的有价值信息，这些都是对传统物理量（如能量、积分截面等）测量的很好补充。基于多组态Dirac-Fock方法、全相对论扭曲波方法和密度矩阵理论，本项目主要开展了以下工作：（1）在密度矩阵理论框架下，利用部分已有程序(GRASP92/2K,RATIP)，较好的建立了一套能够系统研究高电荷态离子的双电子复合、辐射复合等过程中辐射谱线角向特性的理论方法和计算程序。（2）系统地研究了高电荷态类氢离子K-LL双电子复合过程及其辐射谱线的角分布和极化特性，着重分析了电子-电子相互作用中的相对论修正（即Breit相互作用）对所有动力学过程及其角向特性的影响。研究发现，Breit相互作用对K-L1/2L1/2共振通道中的激发态2s2p1/2 J=1的磁子能级布局影响最大，从而导致随后辐射谱线的角分布和极化特性完全不同于仅考虑库仑排斥项时的结果。最后探讨了这些特性随类氦等电子序列的变化情况。（3）系统地研究了高电荷态类锂U离子L壳层的辐射电子俘获过程。重点研究和分析了辐射电子俘获到类铍离子激发态1s22s2p3/2 J=1,2的磁子能级布局情况，以及这些激发态辐射衰变到基态过程中发出的（E1和M2跃迁）特征光子的角分布和极化特性。（4）系统地研究了高电荷态类铍离子内壳层电子碰撞激发过程及相关角向特性。重点分析了电子-电子间相互作用的相对论修正对类铍离子1s→2p内壳层电子碰撞激发到激发态1s2s22p3/2 J=2磁子能级布局的影响。在此基础上，进一步探讨了该激发态向较低能级衰变放出产物（辐射光子和Auger电子）的角向特性随入射电子能量和离子核电荷数Z的变化规律，理论预言了Breit相互作用对辐射光子线性极化度和Auger电子角分布影响的最佳实验测量条件，并分析了其可行性。以上研究结果，将为实验室利用电子-离子碰撞过程中相关角向特性参数诊断等离子体环境，提供重要的理论依据。