复杂离子体系精密光谱的理论研究

This project includes both precision calculations on atomic structure and electron-ion inelastic collision. Both Multi-configuration Dirac-Fock (MCDF) method and relativistic many-body perturbation theory are employed in the study on atomic structure for M-shell and N-shell ions of complex configurations, such as 3pk, 3dk, 4pk,4dk, and 4fk. Electron-correlation, relativistic effects and quantum electronic dynamics will be studied extensively. In the RMBPT theory, the third-order perturbation term will be included. Large-scale and systematic calculations with high accuracy on atomic structure and radiative transition will be performed for the lowest-lying hundreds of levels. Both relativistic distorted-wave approximation within independent process frame and Dirac R-matrix theory are employed to study electron-ion inelastic collisions. Based on above research, the collision-excitation radiative model is employed to simulate the spectroscopy of plasmas, which will be compared with the measured ones. Some new line-pairs will be given for diagnostic of density and temperature of plasmas.

本项目主要包括高精度的原子结构和电子与离子非弹性碰撞过程的理论研究。对于原子结构的理论研究，我们主要采用多组态Dirac-Fock方法（MCDF）和相对论多体微扰理论（RMBPT），聚焦于具有复杂电子组态结构的开M（3pk、3dk）和开N (4pk、4dk和4fk)壳层的原子（离子）体系的电子关联效应、相对论效应和量子电动力学的处理，在RMBPT中引入三级微扰，开展能同时给出这些复杂离子的最低数百个能态的高精度能级结构和辐射特性的大规模、系统性的理论研究。我们将利用相对论扭曲波独立过程近似和相对论R-矩阵方法研究对等离子体谱线发射强度有影响的电子离子非弹性碰撞过程。在上述基础上，我们将利用和发展碰撞辐射模型对等离子体发射谱进行模拟，得到可与实验光谱直接进行比对的较宽波段范围的精密光谱，通过分析这些光谱随电子温度或密度的变化行为来获得具有等离子体温度和密度诊断意义的谱线对。

项目为理论研究，项目发展了原子结构计算常用的多组态Dirac-Hartre-Fock方法和相对论多体二级微扰理论，对复杂离子体系的电子关联效应、相对论效应和量子电动力学（QED）等效应开展了深入细致的研究，分析了它们对复杂离子体系的能级结构和辐射跃迁的影响；选取若干开L、M和N壳层各价态离子的离子基态及激发态的最低数百条能态的能级结构和辐射速率开展了大规模、系统性的多组态Dirac-Hartree-Fock方法和相对论多体二级微扰理论的对比研究，得到了大量高精度的原子参数，并指出了美国国家标准局（NIST）数据库中上百条能级可能有谱线识别或有较大误差。利用相对论扭曲波玻恩交换近似方法开展了类氩等电子系离子的双电子复合过程的理论研究，细致分析了各个芯激发过程的贡献，对比了各种外推方法的差异，分析了级联辐射的影响。开展了Ar12+、Ca20+、Ni19+和Kr25+等多个离子的双电子复合过程的实验和理论对比研究，分析了电子关联效应在低能量共振以及三电子复合过程的重要贡献，对于低能量共振位置的确定，我们发展了多组态Hartree-Dirac-Fock方法和相对论多体微扰理论，开展了自电离能级结构的研究，从第一性原理出发给出了高精度的共振能量，很好地分析了兰州重离子冷却储存环的双电子复合实验结果。对若干复杂离子开展了电子碰撞激发过程的研究，分析了共振激发对激发截面和速率系数的增强效应及其在等离子体谱线发射中的贡献，提出了一些可用在等离子体温度密度诊断的谱线对。