离子碰撞原子电离全微分截面中的动力学关联研究与数值模拟

Fully differential cross sections (FDCS) for ion-atom impact ionization provide detailed information about the dynamics and kinetics of the ionization process. The correlation (or coupling) of the ionized electron moving in the long range Coulomb potential of two heavy ions have the directly influences on the essence of the dynamical process in the ionization reactions. One of the issues of the theoretical models used up to now within the framework of the distorted wave theories is the absence of correlation in the wave functions. In this project we aim to establish the analytic theory and the calculation method of the Coulomb three-body (two heavy ions + electron) continuous state about non-relativistic FDCS in the framework of the distorted wave (DW) theory, based on the correlated continuum wave (CCW) theory of Gasaneo et al., and carefully delimited the interactions, correlation and perturbation in each channel of the ionization process. In the intermediate and high non-relativistic impact energy range, we will improve upon the main shortage presently three-body distorted wave (3DW) and continuous distorted wave (CDW) theory in calculating the FDCS. Through the comparison of quantitative numerical simulation and the experiment results, we will assess how correlation contributes to the structure of the emission pattern both in the scattering plane and out-of the scattering plane. These studies can be used to elaborate the reaction mechanism and the basic law of muti-body interactions for ion-atom impact ionization, especially under the non-coplanar geometry condition, and can provide a reliable theoretical basis and data support for the development of itself and the adjacent subjects.

离子碰撞原子电离反应的全微分截面(FDCS)反映了这个过程最全面、详细的动力学及运动学信息。在电离反应中电子在双重粒子库仑场运动中相互关联（或耦合）,直接影响着动力学过程的本质。本项目基于Gasaneo等人的关联连续波（CCW）理论，在扭曲波（DW）理论框架下,仔细考虑各通道的粒子间相互作用、关联及电离过程中微扰，建立库仑三体（两重离子+电子）连续态非相对论FDCS的解析理论与计算方法。在中高能入射离子碰撞原子电离FDCS的层面上，改进目前三体扭曲波（3DW）、连续扭曲波（CDW）理论计算FDCS中关联考虑的不足。通过数值模拟的定量计算与实验结果的比较（尤其是在散射平面外的结果），研究反应过程中粒子间的相互作用、动力学耦合关联及干涉效应对FDCS的贡献。并用以阐明离子碰撞原子电离反应机制，尤其是研究非共面条件下多体相互作用的基本规律，为其自身和邻近学科发展提供可靠的理论依据和数据支持。

重离子碰撞原子电离反应作为研究库仑多体相互作用基本过程的方法和手段，无论在实验上还是在理论上都有着极强的应用背景，多年来一直备受关注。实验上，复杂体系（如气体放电、激光、等离子体等）的正确模拟依赖于提供电离截面数据的质量与具体形式。理论上，提供鉴别量子态的多体性质,推动高级近似理论的建立,从而帮助我们理解导致碎裂过程的机制。本项目主要是基于扭曲波（DW）理论, 通过我们建立的理论模型，在全微分截面的层面上，研究重离子碰撞原子电离反应中的动力学关联效应、干涉效应。①推广了Belkic的半经典四体修正库伦波恩近似方法，建立了全量子处理的四体修正库仑波恩前形式(prior form)近似计算矩阵元模型（MCBPI），由前形式的扭曲势研究反应过程中的动力学关联；②利用Gell-Mann and Goldberger 双势理论，应用反应通道扭曲波表示，建立了后形式(post form)散射矩阵元的计算模型，由碰撞后形式的扭曲势来研究动力学关联；③基于Gasaneo 等人的关联连续波理论(CCW)，建立了重离子碰撞原子电离库仑三体矩阵元的计算模型，由反应通道波函数（CCW）研究动力学关联。这些模型改进了目前三体扭曲波（3DW）、半经典的连续扭曲波（CDW、MCB）理论计算全微分截面中关联考虑的不足。通过这些理论模型的数值计算与相应实验结果的比较，研究了反应过程中带电粒子间的相互作用、动力学耦合关联及干涉效应对全微分截面的贡献及变化规律。发现在重离子碰撞原子电离反应中，在散射平面外（尤其是垂直平面）动力学关联对全微分截面的影响较大，而且随动量转移的增大而增强，并且离子之间相互作用矩阵元干涉决定了截面的形状。中能入射情况下，两重离子之间的相互作用增强而不能忽略，各种量子力学效应更加明显。显然，本课题的研究结果将为量子散射理论及实验研究提供可靠的理论依据和数据支持。