电子与原子碰撞多电离过程的理论研究

Electron impact ionization of atoms is an important microscopic process in atomic physics. The next frontier is the direct multiple ionization, which is a higher order process due entirely to the electron-electron interaction. This subject has important scientific interest as well as practical applications in astrophysics and plasma physics. Based on the atomic collision theory, we develop close-coupling R-matrix and distorted wave methods to describe the direct double ionization of atoms by electron impact and obtain the differential and integrated cross sections. By expressing the probability amplitude of the direct double ionization process as a multiple scattering series, we identify the dominant mechanisms of shakeoff and two step processes, which can be used to investigate the energy correlation of the three continuum electrons. The method is extended to the direct triple ionization process. The atomic data are expected to be applied to astrophysics and plasma physics.

电子与原子的碰撞电离是重要的微观物理过程，当前的研究前沿是直接多电离，它纯粹是由电子与电子之间的相互作用引起的高阶微扰过程，这一问题的研究对理解电子关联在碰撞过程中的作用很有价值，既有重要的科学意义，也在天体物理和等离子体物理中有应用价值。项目在原子碰撞理论基础上，发展描述电子与原子碰撞直接双电离的R-矩阵和扭曲波理论，研究直接双电离的微分和积分截面。对描述完整物理体系微观量子过程的跃迁几率幅进行多极散射级数展开，研究直接双电离发生的物理机制，根据物理机制的分离，研究三个连续电子的能量关联和关于电子能量的二重微分截面，并由此得到积分总截面。借鉴电子与原子碰撞直接双电离物理机制分离的物理思想，建立描述直接三电离过程中四个连续电子能量关联和电离总截面的理论。研究成果可望应用于非平衡等离子体电离平衡和辐射特性等领域。

电子与原子碰撞过程在惯性约束聚变、高能量密度物理、天体物理、原子物理等领域具有广泛应用，单电离过程研究得比较清楚，但是，直接双电离和直接多电离过程研究很不透彻。项目基于直接双电离的knock-out和shake-off机制，提出了一种解决库仑四体以及库仑四体以上问题的解决方案，建立了描述电子与原子碰撞直接双电离和直接多电离过程的原子多体碰撞理论。在单电离过程中，入射电子是完全相干的物质波，我们假设，在双电离和多电离过程中，不管是knock-out还是shake-off机制，第一次电离入射电子是完全相干的，然而以后的电离过程中电子要丢失部分相干信息，这样，不同通道之间的耦合可以简化，基于这一物理思想，建立了可以定量研究直接双电离和多电离的理论。这是一种完全从头计算的量子力学理论，基于物理机制分离的理论处理体系，能够给出多电离过程中连续电子的能量关联，从而理解多电离过程中能量的分配关系。进一步把电子与原子碰撞直接双电离和直接多电离过程的理论扩展到直接多俄歇衰变过程和直接多光电离过程。理论方法应用于碳、氮、氧、氩、氪、铷等原子和离子系统，对已有的实验进行了解释，同时可以预测相关系统的物理动力学。发展的理论计算方案已经被原子分子物理研究人员用于电子-离子碰撞电离和激发过程、直接双俄歇衰变过程，在相关领域可望进一步得到应用。.如果电子与原子碰撞电离发生在稠密的等离子体环境中，那么需要考虑环境引起的物理效应，最为基本的是等离子体屏蔽效应。项目发展了描述热稠密等离子体由于带电粒子引起的屏蔽势模型，建立了与之对应的理论框架，利用发展的模型和理论方法，研究了固体密度的硅、碳、铝、铁等离子体，预测了由于等离子体屏蔽引起的电离能下降，与目前实验测量吻合较好，表明了屏蔽势模型的正确性。应用得到的屏蔽势，可以研究热稠密等离子体中发生的电子-离子碰撞过程，结果表明，由于等离子体屏蔽引起的电离能下降，通常增加电子与原子碰撞电离的截面，也会增加直接双电离和多电离截面。