重粒子碰撞电荷转移与电子损失过程的含时密度泛函理论模型研究

发布时间：2020-06-27 23:19

【摘要】：重粒子碰撞过程的研究在天体物理、受控核聚变、等离子体物理等诸多实际问题中都具有广泛的应用前景。而离子与原子/分子碰撞是一个包含多体耦合的复杂动力学过程，在此过程中反应通道丰富、物理机制复杂，一直以来都是原子分子物理中非常重要的研究领域。在这些碰撞反应通道中，多电子关联的电荷移转和电子损失过程的研究更是一个前沿热点问题，如何精确地计算这些过程中的反应截面对理论研究提出了巨大的挑战。本文基于含时密度泛函理论（TDDFT）框架创新性地发展了一个半经典的重粒子碰撞模型。电子动力学采用量子的含时密度泛函理论描述，单粒子波函数利用实空间的均匀网格做展开，离子动力学采用经典的牛顿方程描述，其运动轨迹为开放自由度的弯曲轨道。电子与离子之间的相互作用采用模守赝势描述，电子与离子之间的反馈效应通过艾伦费斯特方法自洽耦合。整个模拟过程通过时间反演对称方法做实时间演化，碰撞反应过程中的离化电子通过模拟计算空间边界处的可调吸收势平缓吸收。我们提出的坐标空间平移技术很好地解决了碰撞电荷转移末态入射离子与靶原子/分子的重新排布问题。在碰撞反应末态，电荷转移和电子损失的静态几率借助单粒子波函数提取。本论文采用含时密度泛函理论的碰撞模型研究了中高能区质子（H+）、阿尔法离子（He2+）与气体原子/分子碰撞的电荷转移和电子损失截面，主要工作包括如下几个方面： 1.采用含时密度泛函理论的重粒子碰撞模型计算了质子（H+）与氧原子（O）、氖原子（Ne）和氩原子（Ar）碰撞的单、双电荷转移截面，并对比了不同碰撞参数下碰撞电子密度的演化过程。当前理论第一次计算得到的双电荷转移截面与已有实验数据有量级差别，我们分析了其原因。 2.采用含时密度泛函理论的重粒子碰撞模型计算了阿尔法离子（He2+）与氖原子（Ne）和氩原子（Ar）碰撞的单、双电荷转移和多电子损失截面，以及电荷转移和电子损失的总截面。相比于其它理论数据，计算得到的截面在广泛的能量区间与实验数据符合得很好，但多于两电子的损失截面与实验偏离较大，我们分析了原因。 3.采用含时密度泛函理论的重粒子碰撞模型计算了质子（H+）与水分子（H2O）碰撞的电荷转移和电子离化的总截面。相比于其它理论数据，当前理论计算了更广泛能量范围的碰撞反应截面，并与实验符合的很好。另外，分析了不同水分子空间构象下的碰撞过程，给出了碰撞解离过程中的电子和离子的演化情况。此外，本论文还利用含时密度泛函理论计算了钠四团簇（Na4）以及一系列锂团簇（Lin，n=2-11,20）的光吸收截面。分析了两组测量Na4团簇光吸收谱的实验产生分歧的原因。计算得到的锂团簇结构信息与已有理论数据符合很好，利用量子尺寸效应系统分析了锂团簇的构型与光吸收截面之间关系。最后，分析了激光极化方向对Na4团簇共振与非共振离化过程的影响。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O571.6
【图文】：

托卡马克,磁约束核聚变,聚变反应堆,聚变反应

氏度高温来实现聚变反应[10]。图1.1中的托卡马克（Tokamak）装置是实现磁约束核聚变反应的最重要装置，是公认的解决未来聚变反应堆工程及物理问题的途径[11,12]。

平面图,模拟计算,碰撞参数,靶原子

P 和靶原子（或分子）T 碰撞的模拟计算空间示意图，阴影部分为拟计算空间的直径，b 为碰撞参数，v 为入射速度，所示平面为 x入射离子 P 和靶原子（或分子）T 碰撞的模拟计算空间示，碰撞参数 b 平行于 y 轴，模拟计算空间的 x-y 平面为碰

【参考文献】