硬X射线与等离子体相互作用中空心原子的形成和占据数弛豫研究

An era of exploring the interactions of x-ray with matter has begun with the start-up of the x-ray free-electron laser. The sequential creation of a hollow atom with the K shell completely empty, if the photoionization rate exceeds that of Auger decay, is not possible until the unprecedented x-ray peak intensities of an x-ray free electron laser. Sequentially produced hollow atoms represent a novel process which is of fundamental interest to basic atomic physics, in particular to atoms very far from equilibrium and to ultra-fast dynamics in atoms. The formation and population relaxation of such hollow atom states will be studied based on a self-consistent time-dependent collisional-radiative model and the mechanism will be interpreted. Firstly, a self-consistent time-dependent collisional-radiative model will be developed, where the electron temperature and population distribution are obtained self-consistently. Secondly, the main physical effects should be completely included in order to obtain the accurate atomic data of hollow atoms such as energy levels, radiative transition and autoionzation rates. Finally, the formation and population relaxation of hollow atom states will be investigated based on the complete self-consistent collisional-radiative model. This work provides a useful tool for the simulation of the relaxation of atom and ions in x-ray solid (plasma) interaction.

X射线自由电子激光器的使用，开启了X射线与物质相互作用领域研究的新时代。当光电离速率快于自电离速率时，X射线连续电离两个K壳层电子，形成空心原子（离子），这种特殊的过程只有在X射线自由电子激光器提供的超强、硬X射线作用下才能实现。硬X射线作用下空心原子的形成和占据数弛豫过程的研究，对非平衡原子和飞秒尺度原子分子动力学等领域具有十分重要的意义。本项目基于自洽的含时碰撞辐射模型，研究空心原子的形成和占据数弛豫过程，并解释物理机制。首先在速率方程中自洽地考虑自由电子温度和粒子占据数的演化，建立自洽的含时碰撞辐射模型。其次充分考虑主要的物理效应，获得精确的空心原子的能级、辐射跃迁和自电离速率等参数。最后基于自洽、完整的物理模型，准确模拟空心原子形成和弛豫过程，解释物理机制。本项目为模拟X射线与固体（等离子体）相互作用中原子和离子状态的演化过程提供理论工具。

随着X射线自由电子激光器的使用，光与物质相互作用领域的研究进入了一个新的时代。自由电子激光提供的超强超快的X射线脉冲，对原子分子内壳层电子、非线性光学、温（热）稠密物质、飞秒化学和纳米尺度的动力学等领域的研究有重要意义。. 本项目针对X射线自由电子激光器的实验进展，建立了描述超强X射线激光脉冲与原子相互作用物理机理的理论模型，准确模拟了相互作用中空心原子的形成和占据数弛豫过程，为硬X射线等离子体相互作用中这类问题的研究提供了理论工具。研究的内容主要有：完成细致能级层次、自洽的含时碰撞辐射模型的建立，并将该模型应用于超强X射线脉冲与原子相互作用的模拟；利用该模型系统研究了典型实验条件下，粒子数分布演化的规律；指出了共振吸收机制对电离的增强作用，该研究成果被实验所验证；准确模拟了X射线等离子体相互作用中空心原子的形成和占据数弛豫过程，分析了双自电离过程对粒子数分布的影响，获得了与实验符合很好的结果。. 本文的研究为超强X射线脉冲与原子相互作用实验提供了理论分析工具，并能对实验条件进行诊断。本文的研究为后续的超强X射线与稠密物质相互作用的模拟打下了较好的基础。