等离子体中原子过程的理论研究

发布时间：2020-11-16 14:33

　　 关于孤立环境下的原子过程在过去几十年里已经开展了大量的理论和实验工作,然而在许多领域(如天体物理、激光等离子体、惯性约束聚变)中必须考虑等离子体环境效应的影响,目前理论上可以通过屏蔽势来考察这种环境效应对原子结构和动力学过程的影响。在过去的理论工作中,主要是采用Debye-Huckel势来描述弱耦合等离子体中带电粒子之间的相互作用,采用离子球势(不包含温度)描述强耦合等离子体中粒子之间的相互作用。最近,Stanton和Murillo在无轨道密度泛函理论的基础上推导得到了一种新的屏蔽库仑势(以下简称SM势),这种屏蔽势的优点是有效范围非常宽广,既适用于高温低密的经典德拜等离子体也适用于低温高密的量子等离子体。并且,这种屏蔽势还包含了等离子体简并、有限温度对动能的梯度修正和量子交换关联效应。与非屏蔽库仑势相比,等离子体屏蔽效应使原子结构和动力学过程都会呈现出显著不同的特性。利用SM势,我们考虑相对论效应发展了原子结构及光电离过程的方法和计算程序,并以惯性约束聚变等离子体实验环境(温度密度范围ne～1023-～1026cm-3,Te=150eV-300eV)中的C5+离子为例研究了温稠密等离子体环境效应对光电离过程的影响。通过分析计算结果,我们发现固定等离子体密度(温度)时,束缚态电子的能量会随着温度(密度)的减小(增加)而减小,在临界温度(密度)时会减小到零。此时若继续减小(增加)温度(密度),原束缚态电子将进入连续态。在这些临界温度(密度)附近,处于准束缚态的电子会因离心势垒被有效势短暂束缚,相应的连续态波函数会出现较大的振幅。由于上述等离子体屏蔽作用对连续态和束缚态波函数的影响,在光电离截面中会出现势形共振。初态波函数的节点数大于零时,除势形共振外,光电离截面中还会出现Cooper极小。同时,我们还研究了温稠密等离子体的屏蔽效应对类氢离子Lyman和Balmer系列谱线的影响。研究发现:谱线强度的峰值在等离子体密度(温度)固定时,随温度(密度)的增加而增加(减小)。Hα谱线受屏蔽效应的影响发生红移,并且线移大小随密度增加满足非线性增加的关系。我们通过与现有的Hα线移实验数据以及采用Debye势得到的计算结果进行对比,发现采用SM势得到的计算结果与实验数据符合的更好。接下来,我们还利用SM势发展了原子轨道强耦合理论方法和程序,研究了温稠密等离子体的屏蔽效应对重粒子碰撞过程的影响。通过对质子和氢原子碰撞的非弹性过程的计算,发现碰撞激发和电荷转移截面的大小和随能量的变化行为,都会受到屏蔽库仑相互作用的影响。屏蔽长度发生变化时,束缚态数量的改变会限制反应通道的数量,这是碰撞过程中最重要的影响因素。除了等离子体环境效应方面的工作之外,本论文还研究了孤立环境下He+和He碰撞单电荷转移过程的微分截面,发现微分截面和随碰撞参数变化的电子俘获几率中均存在震荡结构,并且这两种震荡结构之间具有很强的对应关系。并且我们的计算结果与实验数据符合得非常好。本论文的组织结构如下:第一章介绍选题意义和研究进展。第二章介绍等离子体屏蔽效应对类氢离子光谱的影响。第三章介绍类氢离子Lyman和Balmer线系的谱线强度和线移随等离子体温度、密度的变化。第四章介绍等离子体屏蔽效应对C5+离子光电离过程的影响。第五章介绍等离子体屏蔽效应对碰撞动力学过程的影响。第六章介绍孤立环境中He+和He碰撞过程的微分截面特性。最后一章是对所有研究工作的总结和展望。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O53;O562
【部分图文】：

１．１研究背景及意义??对于孤立环境中的原子结构和动力学过程的研宄，过去已经开展了大量理论和实验方??面的工作，但在实际应用中，很多物理过程都是在等离子体环境中发生的，图１．１展示了??各种物理环境所对应的等离子体温度密度范围［１］，包括ｔｏｋａｍａｋｓ、太阳大气、激光等离子??体、惯性约束聚变等，与孤立环境相比，等离子体环境中的原子过程会有很大变化，例如：??等离子体环境效应能够解除角动量量子态在库仑势下的能量简并、能级随屏蔽增强会向电??离限移动、一些束缚态会进入连续态、碰撞过程中反应通道的数量会发生改变等。因此必??须要考虑等离子体屏蔽效应对原子过程的影响。对于等离子体中的原子结构、光过程和碰??撞动力学过程的研究可以用于计算不透明度输运系数和阻止本领等，例如马文考虑谱线位??置偏移计算了铁等离子体的辐射不透明度［２］。图１．２展示的是实验中通过将氢原子团入射??到一种等离子体中产生强辐射从而测得的氢的光谱［３］，如图所示，等离子体环境效应的影??响导致一些高激发态进入了连续态，谱线发生截断，仅能看到Ｈ？，Ｈ０ＤＨＹ谱线。??｜ｅＶ｜??…?ｍ‘?ｍ?７?ｉ〇?％?ｉｏ?ｉｏ?＇?？〇?ｉｎ１?ｔｏ％??ＩＵｊ—?＇?／?Ｊ??９－籲?ｅ?１?／?４＾??：??Ｓｏｌａｒ?ｃｏｒｏｎａ??ｔ?ｎｎｐ?／?，广?＾?，?／?，?ｊ?

１．１研究背景及意义??对于孤立环境中的原子结构和动力学过程的研宄，过去已经开展了大量理论和实验方??面的工作，但在实际应用中，很多物理过程都是在等离子体环境中发生的，图１．１展示了??各种物理环境所对应的等离子体温度密度范围［１］，包括ｔｏｋａｍａｋｓ、太阳大气、激光等离子??体、惯性约束聚变等，与孤立环境相比，等离子体环境中的原子过程会有很大变化，例如：??等离子体环境效应能够解除角动量量子态在库仑势下的能量简并、能级随屏蔽增强会向电??离限移动、一些束缚态会进入连续态、碰撞过程中反应通道的数量会发生改变等。因此必??须要考虑等离子体屏蔽效应对原子过程的影响。对于等离子体中的原子结构、光过程和碰??撞动力学过程的研究可以用于计算不透明度输运系数和阻止本领等，例如马文考虑谱线位??置偏移计算了铁等离子体的辐射不透明度［２］。图１．２展示的是实验中通过将氢原子团入射??到一种等离子体中产生强辐射从而测得的氢的光谱［３］，如图所示，等离子体环境效应的影??响导致一些高激发态进入了连续态，谱线发生截断，仅能看到Ｈ？，Ｈ０ＤＨＹ谱线。??｜ｅＶ｜??…?ｍ‘?ｍ?７?ｉ〇?％?ｉｏ?ｉｏ?＇?？〇?ｉｎ１?ｔｏ％??ＩＵｊ—?＇?／?Ｊ??９－籲?ｅ?１?／?４＾??：??Ｓｏｌａｒ?ｃｏｒｏｎａ??ｔ?ｎｎｐ?／?，广?＾?，?／?，?ｊ?

?ｖ?＇?Ｋ?＇??在本论文的工作中，等离子体参数（心ｒｅ）范围满足条件ｖ＜６２。图１．３展示了（？７；）??空间中的曲线ｖ＝６２，在曲线上方满足条件ｖ＜６２。需要指出的是，当ｖ＝６２时，／Ｌ＋?＝／ｌ＿?／２。??当ｖ—０时，ａ—１，势场约化为Ｔｈｏｍａｓ－Ｆｅｒｍｉ屏蔽势（形式类似Ｄｅｂｙｅ－Ｈｉｉｃｋｅｌ势），仅依赖??于屏蔽长度Ａ＝／ｌ＾Ｆ。??１．０?Ｉ?ｉ?１?Ｉ?１?Ｉ?１?Ｉ?＊??Ｉ：：：?：??－０．５?－?－??／??－１．０?——■?１?＇?１?■?１?■?１＿＾???１９?２０?２１?２２?２３?２４??ｌ〇９１０（ｎｅ［ｃｍ＇３］）??图１．３在（？７；）空间中的函数ｖ＝Ｐ。？和７；的值在曲线之上时满足条件ｖ＜６２。??需要指出的是，参数ｖ和６同时随等离子体的密度和温度变化。分别在图１．４和图１．５??中给出了参数ｖ随办（固定两个不同的温度）和７；（固定两个不同的密度）的变化关系。在图??１．６和图１．７中给出了参数６随（固定两个不同的温度）和７；（固定两个不同的密度）的变化??关系。这些图展示了参数空间（《ｅ，７；）中，有限温度的梯度修正和电子交换关联效应对屏蔽??相互作用的重要影响。特别是当ｎｅ?＜１０ｌｓｃｍ＿３?（固定７；＝０．３５ｅＶ）或《ｅ＜１０２２ｃｎｒ３?（固定??７；＝３．５ｋｅＶ）或?７＞ｌｅＶ?（固定?ｎｅ＝１０１８ｃｍ－３）或?７＞１００ｅＶ?（固定》ｅ＝１０２３ｃｎｒ３）时，ｖ—０，办一１。??８??
【参考文献】

相关博士学位论文 前2条

1 李华伟;等离子体环境下原子体系结构与光谱性质研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

2 吴建华;等离子体中的原子与光子以及电子相互作用研究[D];国防科学技术大学;2008年

相关硕士学位论文 前2条

1 田庆云;等离子体环境中离子电离能下降的研究[D];国防科学技术大学;2015年

2 马文;谱线位置偏移对等离子体辐射不透明度的影响[D];国防科学技术大学;2006年

本文编号：2886341