全相对论扭曲波方法中辐射级联研究范文

本站小编为你精心准备了全相对论扭曲波方法中辐射级联研究参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

摘要:

基于全相对论扭曲波(RDW)电子碰撞激发计算程序REIE06，系统计算了类氦Fe24+离子基态1s21S0到激发态1s2s和1s2p精细结构能级的碰撞强度和截面，分析了在不同入射电子能量下碰撞强度的变化规律，详细研究了在6.86KeV和9.94KeV能量下，碰撞辐射级联效应对类氦Fe24+离子w线(1s21S0→1s2p1P1)、x线(1s21S0→1s2p3P2)、y线(1s21S0→1s2p3P1)和z线(1s21S0→1s2s3S1)，x/w、y/w和z/w线强度比值的影响，总结了一些有意义的结论．部分计算结果与其它实验和理论结果进行了比较，取得了很好的一致性．

关键词:

全相对论扭曲波方法;电子碰撞激发;辐射级联

 一、引言

类氦Fe24+离子的共振线(resonanceline:1s21S0→1s2p1P1)标记为w线、磁四极线(magnet-icquadrupoleline:1s21S0→1s2p3P2)标记为x线、复合线(intercombinationline:1s21S0→1s2p3P1)标记为y线和禁戒线(forbiddenline:1s21S0→1s2s3S1)标记为z线可以在低密度太阳日冕(solarcoro-nal)等离子体和托卡马克(tokamak)等离子体中观测到，其谱线强度的比值x/w、y/w和z/w的常常被用来诊断等离子体的电子温度和电子密度［1－4］．1984年，Lemen等人［5］在太阳日冕铁等离子体光谱中发现x/w、y/w和z/w线强度比值要比计算值大，尤其是z/w线强度比值．之后，Doschek等人［5］也发现了类似的现象．因此，很多文章就致力于类氦Fe24+离子谱线强度的研究［6－13］．在理论计算中，人们考虑了直接激发(DE)、碰撞辐射级联(IEC)、辐射复合(RR)和共振对线强度的影响［6－12］．1989年，Brown等人［13］在EBIT实验装置中测量了electron－beam能量在6.86KeV和9.94KeV时，类氦Fe24+离子x/w、y/w和z/w的线强度比值，实验和理论计算之间还存在一定差别．在电子与原子(离子)的碰撞过程中，激发态能级的布局主要来自两方面:直接碰撞激发和间接碰撞激发，间接碰撞激发的贡献除了来自共振激发(RE)过程之外，还有来碰撞激发辐射级联(IEC)过程的贡献．IEC过程是指电子－离子碰撞过程中，靶离子从基态i碰撞激发到较高的激发态j之后，经辐射光子跃迁到较低激发态f的过程．IEC的贡献叠加在直接碰撞激发截面之上，将会提高碰撞激发的总截面．Brown等人［13］在EBIT实验装置中观测了类氦Fe24+离子的相对电子碰撞激发截面，发现在一定的电子能量范围IEC的贡献对z线:1s21S0－1s2s3S1禁戒跃迁的影响最大，超过了80%．另外，在等离子体中，IEC过程是维持等离子体电离平衡重要的原子过程．Marcum等人［14］研究了低压氩－铯混合物等离子体中辐射级联效应对电子温度测量的影响，发现对于铯原子考虑辐射级联效应后，一些谱线的强度提高了50%．目前，有关辐射级联效应对电子－离子碰撞磁支能级激发态截面影响的研究也有了许多报道［15，16］．因此，辐射级联(IEC)过程对谱线强度影响的研究是非常有意义也是非常有必要的．本文利用基于多组态Dirac－Fock(MCDF)理论方法及研究电子－离子(原子)碰撞过程的相对论扭曲波方法和程序包REIE06［17，18］，在系统考虑相对论效应和电子关联效应的基础上，详细计算了类氦Fe24+离子基态1s21S0到激发态1s2s和1s2p精细结构能级的碰撞强度，分析了碰撞强度的变化规律，着重研究了在6.86KeV和9.94KeV能量下，辐射级联过程(IEC)对类氦Fe24+离子x/w、y/w和z/w线强度比值的影响，为进一步的实验观测提供有益的帮助．

2理论方法

2.1靶离子和连续电子波函数的计算

目前理论中，靶离子的波函数采用了多组态Dirac－Fock理论方法的波函数［17，18］．其中，任意一个原子态的波函数|α(PtJtMt)〉由具有相同宇称P、总角动量J和总角动量磁分量M的组态波函数线性组合而成，

2.2电子碰撞强度的计算

具有一定能量ε(Ry)的自由电子与靶离子碰撞，使其从初态i激发到末态f的碰撞强度［21］

3计算结果与讨论

3.1跃迁能、碰撞强度的比较

类氦Fe24+离子的基组态为1s2，目前在靶离子波函数的计算中考虑了激发1s电子到2l，3l，4l(l=s、p、d)次壳层形成的所有单激发组态及部分双激发组态(2s2、2s2p、2s3s、3s2)间的关联．表1给出了类氦Fe24+离子基态1s21S0到激发态1s2s和1s2p的跃迁能和散射电子能量为5.145Ry(1Ry=13.606eV)时的碰撞强度．离子能级的计算精度，在一定程度上反映了波函数的计算精度，而且影响碰撞激发截面和碰撞强度的计算精度，从表1中可以看出，对于跃迁能，目前计算的结果与的NIST数据［24］符合的非常好，最大相对误差不超过0.5%．因此，有理由相信目前波函数的理论计算结果是准确可靠的．表1类氦Fe24+离子基态1s21S0到激发态1s2s和1s2p的跃迁能(单位:Ry)及碰撞强度的比较，εf表示散射电子能量(单位:Ry)为了说明碰撞强度计算的可靠性，表2还给出了入射电子能量为582Ry、700Ry和1200Ry时，类氦Fe24+离子基态1s21S0到激发态1s2s和1s2p的碰撞强度．从表1和表2可以看出，对于碰撞强度，目前计算的结果相比与Inal［15］和zhang［25］的计算结果，符合的还是比较好，除了基态1s21S0到激发态1s2p3P1碰撞强度的相对误差为10%．

3.2类氦Fe24+离子基态1s21S0到激发态1s2s和1s2p的碰撞强度

图1展示了类氦Fe24+离子基态1s21S0到激发态1s2s和1s2p碰撞强度随入射电子能量变化，从图1可以看出，在相同入射电子能量下，1s21S0→1s2p1P1(resonanceline)的碰撞强度最大;碰撞强度随入射电子能量的变化趋势各不相同，从基态1s21S0到激发态1s2s1S0和1s2p1P1的碰撞强度随着入射电子能量的增加而增大，1s21S0－1s2p1P1跃迁碰撞强度增大的趋势也比较明显;从基态1s21S0到激发态1s2p3P1(intercombinationline)碰撞强度随着入射电子能量变化趋势平坦;从基态1s21S0到激发态1s2s3S1(forbiddenline)和1s2p3P2(magneticquadrupoleline)，1s2p3P0的碰撞强度随着入射电子能量的增加而减小．

3.3辐射级联效应

表3给出了在入射能量为6.86KeV和9.94KeV(1eV=0.0735Ry)时，类氦Fe24+离子x/w、y/w和z/w(w线:1s21S0→1s2p1P1、x线:1s21S0→1s2p3P2、y线:1s21S0→1s2p3P1和z线:1s21S0→1s2s3S1)理论线强度比值和实验测量的线强度比值，理论线强度比值的计算来自于直接碰撞截面和包括辐射级联截面，其中w线和y线是电偶极(E1)跃迁，z线和x线分别是磁偶极(M1)和磁四极(M2)跃迁．在表3中Expt.表示Brown等人［13］在EBIT实验中测量的结果，Theo.表示其它理论计算的结果，上面一行表示直接碰撞截面计算出的线强度比值，下面一行表示包括辐射级联截面后计算出的线强度比值．Direct表示目前利用直接碰撞截面计算出的线强度比值．Dir.+n=2、Dir.+n=2，3和Dir.+n=2，3，4分别表示目前利用直接碰撞激发截面和包括n=2、n=2，3、n=2，3，4的s、p、d能级辐射级联截面计算出的线强度比值．从表3中可以看出，当入射电子能量为6.86KeV时，目前利用直接碰撞截面计算出的线强度值与Brown等人［13］在EBIT实验中测量的值及其它理论利用直接碰撞截面得出的线强度值符合的比较好;但是，如果利用包括辐射级联截面得到的线强度值与其它理论利用包括辐射级联截面得到的线强度值较一致，但都与实验值相差比较大，这表明，由于6.86KeV接近于w、x、y和z线碰撞激发阈值能量，电子被激发到高激发态的可能性较小，辐射级联效应较弱，x/w、y/w和z/w的线强度比值就是直接碰撞截面的比值．当入射电子能量为9.94KeV时，这个能量是w、x、y和z线碰撞激发阈值能量的1.5倍．对于x/w线强度比值，目前利用直接碰撞截面得出的线强度值与实验值较好的符合，考虑辐射级联后对比值影响不大，这表明辐射级联效应对w线和x线的影响不大，这与Sampson等人［7］、Pradhan等人［11］结论一致．对于y/w线强度比值，目前利用直接碰撞截面得出的线强度值比实验值略小，考虑到n=2的s、p能级辐射级联截面，目前计算出的线强度与实验值完全吻合，但n=3，4的s、p、d能级辐射级联对目前计算线强度影响很小，因此可以说，对y线，碰撞辐射级联来自于n=2的s、p能级．对于z/w线强度比值，目前利用直接碰撞截面得出的线强度值与实验值相差非常大，相对误差为81%．当考虑n=2的s、p能级辐射级联截面，目前计算出的线强度与实验值相对误差为24%，当考虑n=2，3的s、p、d能级辐射级联截面，目前计算出的线强度与实验值相对误差为4.8%，当考虑n=2，3，4的s、p能级辐射级联截面，目前计算出的线强度与实验值相结果惊人的相似．这说明，对z线(禁戒线，E1跃迁)，碰撞辐射级联非常重要，对线强度的贡献能达到80%以上．

4结论

本文利用基于多组态Dirac－Fock(MCDF)理论方法和全相对论扭曲波方法的研究电子－离子碰撞激发过程的计算程序，详细计算了类氦Fe24+离子基态1s21S0到激发态1s2s和1s2p精细结构能级的碰撞强度和截面，着重详细研究了在6.86KeV和9.94KeV能量下，碰撞辐射级联对类氦Fe24+离子w线、x线、y线和z线，x/w、y/w和z/w线强度比值的影响，基于目前的计算和讨论，可得出以下几点结论:(1)在相同入射电子能量下，共振线(w线)的碰撞强度最大，碰撞强度随着入射电子能量的增加而增大，且碰撞强度增大的趋势也比较明显;复合线(y线)碰撞强度随着入射电子能量变化趋势平坦;禁戒线(z线)和磁四极线(x线)碰撞强度随着入射电子能量的增加而减小．(2)入射电子能量较低时(接近阈值能量)，电子被激发到高激发态的可能性较小，可不考虑辐射级联效应，入射电子能量较高时(超过1.5倍阈值能量)，电子可能被激发到高激发态，就必须考虑辐射级联效应．(3)辐射级联效应对w线、x线和y线的影响不大，但对z线，碰撞辐射级联非常重要，对线强度的贡献能达到80%以上．

作者:杨宁选 张建军 董晨钟 单位:石河子大学理学院物理系生态物理重点实验室 西北师范大学物理与电子工程学院