高电荷态Si和Fe离子电子-离子共振复合过程的理论研究

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电子-离子的共振复合(包括双电子复合(DR)及高阶的三电子复合(TR)、四电子复合(QR)等)是高温天体、实验室等离子体中基本的原子动力学过程。系统地开展高电荷态离子(HCI)共振复合过程的研究,对深入理解等离子体内部的能量输运、电离平衡以及辐射光谱特性十分重要。近年来,基于重离子加速器的冷却储存环、电子束离子阱等实验装置及高分辨的测量技术,在实验上已经开展了大量电子与高电荷态离子碰撞共振复合谱的研究,一些忽略的高阶TR、QR过程也被发现。对这些观测光谱的详细分析、标识及其内部产生机理的探究均需要高精度的理论研究来提供支持。本文基于相对论组态相互作用(RCI)理论方法,通过系统考虑电子关联效应、Breit相互作用和QED效应等,开展了电子与天体中高丰度硅和铁元素高电荷态离子(Si10+、Fe14+)碰撞共振复合过程的理论研究,具体工作如下:1.利用基于RCI理论的FAC程序,详细计算了类铍Si10+离子基态(1s22s2 1S0)K壳层1s→2l((?)n=1)和L壳层2s→3l((?)n=1),2s→4l((?)n=2)跃迁的共振复合过程的强度和速率系数。部分重要的中间共振态1s2l3nl’、1s22l3lnl’、1s22l4lnl’(n=2-4,l和l’=0,……,n-1)的能级结构,辐射和Auger跃迁几率与已有实验结果进行了比较。对于Si10+离子的能级,本文理论与实验结果之间偏差普遍小于4.03%,对Si9+离子的能级,二者偏差不超过2.08%。通过考虑储存环实验中电子的双温麦克斯韦分布,本文对2016年Bernhardt等人在德国储存环(TSR)上观测到的Si10+离子共振复合谱进行了理论模拟,对于K壳层和L壳层的激发过程,当选取电子分布参数分别为k BTP=0.093 me V,k BT^=0.5 e V和k BTP=0.093me V,k BT^=5 e V时,理论结果与实验观测符合的很好。对于L壳层的电子激发过程,共振复合谱主要分布在50-400 e V的较低能区,其主要是由2s→3l DR跃迁产生,同时高阶TR过程对速率系数也有重要贡献,约为8.98%;对于K壳层电子激发过程,共振复合谱分布在1350-1850e V的较高能区,考虑高阶过程引入的复杂多电子关联,它会影响精细谱的强度,但对总的速率系数影响并不显著。本文进一步考虑并计算亚稳态离子(1s22s2p 3P0,寿命τ=16.64s)的速率系数,发现其在Si10+离子高精度复合谱的模拟中不可忽略。2.系统研究了类镁Fe14+离子L壳层(2s或2p)电子激发(?)n=1跃迁的电子-离子共振复合过程。理论计算中,本文构建了三种电子关联模型(Model I,II,III)来逐步扩大电子的关联组态,在此基础上研究高阶过程对共振强度和速率系数的影响。Model I中仅考虑了DR过程产生的共振双激发态,Model II在Model I的基础上,同时包括了TR过程产生的共振三激发态,Model III在模型II的基础上进一步考虑了QR过程产生的共振四激发态。结果表明,强的电子关联效应对Fe14+离子的共振复合谱有十分重要的影响,计算中考虑共振三激发态后,Model II计算结果相比Model I,共振能的变化不大,但共振峰的强度降低约一个数量级;Model III与Model II的结果比较接近。通过对计算所得的共振强度进行卷积,并考虑储存环实验中电子的分布(k BTP=0.2 me V,k BT^=1.6 e V),本文对最近在德国海德堡TSR上观测到的Fe14+离子DR实验谱进行了理论模拟,并对一些强的共振峰进行标识。结果发现,实验谱中最强共振峰主要来自2p-3d的跃迁。在以往的研究中,由于缺乏理论计算,Bernhardt等人认为Fe14+离子的共振复合实验谱中不存在高阶TR过程的贡献。本文首次发现在400-800 e V共振能区,Fe14+离子的共振复合谱存在强的TR过程,贡献约为24.1%。同时,在理论模拟中,本文也考虑了储存环中亚稳态离子速率系数的贡献。当考虑Fe14+离子布居为94%的基态(1s22s22p63s2 1S0)和6%的亚稳态(1s22s22p63s3p 3P0)后,本文理论计算的结果与TSR上实验测量结果符合的很好。
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