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摘要:

基于全相對論扭曲波(RDW)電子碰撞激發計算程序REIE06，系統計算了類氦Fe24+離子基態1s21S0到激發態1s2s和1s2p精細結構能級的碰撞強度和截面，分析了在不同入射電子能量下碰撞強度的變化規律，詳細研究了在6.86KeV和9.94KeV能量下，碰撞輻射級聯效應對類氦Fe24+離子w線(1s21S0→1s2p1P1)、x線(1s21S0→1s2p3P2)、y線(1s21S0→1s2p3P1)和z線(1s21S0→1s2s3S1)，x/w、y/w和z/w線強度比值的影響，總結了一些有意義的結論．部分計算結果與其它實驗和理論結果進行了比較，取得了很好的一致性．

關鍵詞:

全相對論扭曲波方法;電子碰撞激發;輻射級聯

 一、引言

類氦Fe24+離子的共振線(resonanceline:1s21S0→1s2p1P1)標記為w線、磁四極線(magnet-icquadrupoleline:1s21S0→1s2p3P2)標記為x線、復合線(intercombinationline:1s21S0→1s2p3P1)標記為y線和禁戒線(forbiddenline:1s21S0→1s2s3S1)標記為z線可以在低密度太陽日冕(solarcoro-nal)等離子體和托卡馬克(tokamak)等離子體中觀測到，其譜線強度的比值x/w、y/w和z/w的常常被用來診斷等離子體的電子溫度和電子密度［1－4］．1984年，Lemen等人［5］在太陽日冕鐵等離子體光譜中發現x/w、y/w和z/w線強度比值要比計算值大，尤其是z/w線強度比值．之后，Doschek等人［5］也發現了類似的現象．因此，很多文章就致力于類氦Fe24+離子譜線強度的研究［6－13］．在理論計算中，人們考慮了直接激發(DE)、碰撞輻射級聯(IEC)、輻射復合(RR)和共振對線強度的影響［6－12］．1989年，Brown等人［13］在EBIT實驗裝置中測量了electron－beam能量在6.86KeV和9.94KeV時，類氦Fe24+離子x/w、y/w和z/w的線強度比值，實驗和理論計算之間還存在一定差別．在電子與原子(離子)的碰撞過程中，激發態能級的布局主要來自兩方面:直接碰撞激發和間接碰撞激發，間接碰撞激發的貢獻除了來自共振激發(RE)過程之外，還有來碰撞激發輻射級聯(IEC)過程的貢獻．IEC過程是指電子－離子碰撞過程中，靶離子從基態i碰撞激發到較高的激發態j之后，經輻射光子躍遷到較低激發態f的過程．IEC的貢獻疊加在直接碰撞激發截面之上，將會提高碰撞激發的總截面．Brown等人［13］在EBIT實驗裝置中觀測了類氦Fe24+離子的相對電子碰撞激發截面，發現在一定的電子能量范圍IEC的貢獻對z線:1s21S0－1s2s3S1禁戒躍遷的影響最大，超過了80%．另外，在等離子體中，IEC過程是維持等離子體電離平衡重要的原子過程．Marcum等人［14］研究了低壓氬－銫混合物等離子體中輻射級聯效應對電子溫度測量的影響，發現對于銫原子考慮輻射級聯效應后，一些譜線的強度提高了50%．目前，有關輻射級聯效應對電子－離子碰撞磁支能級激發態截面影響的研究也有了許多報道［15，16］．因此，輻射級聯(IEC)過程對譜線強度影響的研究是非常有意義也是非常有必要的．本文利用基于多組態Dirac－Fock(MCDF)理論方法及研究電子－離子(原子)碰撞過程的相對論扭曲波方法和程序包REIE06［17，18］，在系統考慮相對論效應和電子關聯效應的基礎上，詳細計算了類氦Fe24+離子基態1s21S0到激發態1s2s和1s2p精細結構能級的碰撞強度，分析了碰撞強度的變化規律，著重研究了在6.86KeV和9.94KeV能量下，輻射級聯過程(IEC)對類氦Fe24+離子x/w、y/w和z/w線強度比值的影響，為進一步的實驗觀測提供有益的幫助．

2理論方法

2.1靶離子和連續電子波函數的計算

目前理論中，靶離子的波函數采用了多組態Dirac－Fock理論方法的波函數［17，18］．其中，任意一個原子態的波函數|α(PtJtMt)〉由具有相同宇稱P、總角動量J和總角動量磁分量M的組態波函數線性組合而成，

2.2電子碰撞強度的計算

具有一定能量ε(Ry)的自由電子與靶離子碰撞，使其從初態i激發到末態f的碰撞強度［21］

3計算結果與討論

3.1躍遷能、碰撞強度的比較

類氦Fe24+離子的基組態為1s2，目前在靶離子波函數的計算中考慮了激發1s電子到2l，3l，4l(l=s、p、d)次殼層形成的所有單激發組態及部分雙激發組態(2s2、2s2p、2s3s、3s2)間的關聯．表1給出了類氦Fe24+離子基態1s21S0到激發態1s2s和1s2p的躍遷能和散射電子能量為5.145Ry(1Ry=13.606eV)時的碰撞強度．離子能級的計算精度，在一定程度上反映了波函數的計算精度，而且影響碰撞激發截面和碰撞強度的計算精度，從表1中可以看出，對于躍遷能，目前計算的結果與的NIST數據［24］符合的非常好，最大相對誤差不超過0.5%．因此，有理由相信目前波函數的理論計算結果是準確可靠的．表1類氦Fe24+離子基態1s21S0到激發態1s2s和1s2p的躍遷能(單位:Ry)及碰撞強度的比較，εf表示散射電子能量(單位:Ry)為了說明碰撞強度計算的可靠性，表2還給出了入射電子能量為582Ry、700Ry和1200Ry時，類氦Fe24+離子基態1s21S0到激發態1s2s和1s2p的碰撞強度．從表1和表2可以看出，對于碰撞強度，目前計算的結果相比與Inal［15］和zhang［25］的計算結果，符合的還是比較好，除了基態1s21S0到激發態1s2p3P1碰撞強度的相對誤差為10%．

3.2類氦Fe24+離子基態1s21S0到激發態1s2s和1s2p的碰撞強度

圖1展示了類氦Fe24+離子基態1s21S0到激發態1s2s和1s2p碰撞強度隨入射電子能量變化，從圖1可以看出，在相同入射電子能量下，1s21S0→1s2p1P1(resonanceline)的碰撞強度最大;碰撞強度隨入射電子能量的變化趨勢各不相同，從基態1s21S0到激發態1s2s1S0和1s2p1P1的碰撞強度隨著入射電子能量的增加而增大，1s21S0－1s2p1P1躍遷碰撞強度增大的趨勢也比較明顯;從基態1s21S0到激發態1s2p3P1(intercombinationline)碰撞強度隨著入射電子能量變化趨勢平坦;從基態1s21S0到激發態1s2s3S1(forbiddenline)和1s2p3P2(magneticquadrupoleline)，1s2p3P0的碰撞強度隨著入射電子能量的增加而減小．

3.3輻射級聯效應

表3給出了在入射能量為6.86KeV和9.94KeV(1eV=0.0735Ry)時，類氦Fe24+離子x/w、y/w和z/w(w線:1s21S0→1s2p1P1、x線:1s21S0→1s2p3P2、y線:1s21S0→1s2p3P1和z線:1s21S0→1s2s3S1)理論線強度比值和實驗測量的線強度比值，理論線強度比值的計算來自于直接碰撞截面和包括輻射級聯截面，其中w線和y線是電偶極(E1)躍遷，z線和x線分別是磁偶極(M1)和磁四極(M2)躍遷．在表3中Expt.表示Brown等人［13］在EBIT實驗中測量的結果，Theo.表示其它理論計算的結果，上面一行表示直接碰撞截面計算出的線強度比值，下面一行表示包括輻射級聯截面后計算出的線強度比值．Direct表示目前利用直接碰撞截面計算出的線強度比值．Dir.+n=2、Dir.+n=2，3和Dir.+n=2，3，4分別表示目前利用直接碰撞激發截面和包括n=2、n=2，3、n=2，3，4的s、p、d能級輻射級聯截面計算出的線強度比值．從表3中可以看出，當入射電子能量為6.86KeV時，目前利用直接碰撞截面計算出的線強度值與Brown等人［13］在EBIT實驗中測量的值及其它理論利用直接碰撞截面得出的線強度值符合的比較好;但是，如果利用包括輻射級聯截面得到的線強度值與其它理論利用包括輻射級聯截面得到的線強度值較一致，但都與實驗值相差比較大，這表明，由于6.86KeV接近于w、x、y和z線碰撞激發閾值能量，電子被激發到高激發態的可能性較小，輻射級聯效應較弱，x/w、y/w和z/w的線強度比值就是直接碰撞截面的比值．當入射電子能量為9.94KeV時，這個能量是w、x、y和z線碰撞激發閾值能量的1.5倍．對于x/w線強度比值，目前利用直接碰撞截面得出的線強度值與實驗值較好的符合，考慮輻射級聯后對比值影響不大，這表明輻射級聯效應對w線和x線的影響不大，這與Sampson等人［7］、Pradhan等人［11］結論一致．對于y/w線強度比值，目前利用直接碰撞截面得出的線強度值比實驗值略小，考慮到n=2的s、p能級輻射級聯截面，目前計算出的線強度與實驗值完全吻合，但n=3，4的s、p、d能級輻射級聯對目前計算線強度影響很小，因此可以說，對y線，碰撞輻射級聯來自于n=2的s、p能級．對于z/w線強度比值，目前利用直接碰撞截面得出的線強度值與實驗值相差非常大，相對誤差為81%．當考慮n=2的s、p能級輻射級聯截面，目前計算出的線強度與實驗值相對誤差為24%，當考慮n=2，3的s、p、d能級輻射級聯截面，目前計算出的線強度與實驗值相對誤差為4.8%，當考慮n=2，3，4的s、p能級輻射級聯截面，目前計算出的線強度與實驗值相結果驚人的相似．這說明，對z線(禁戒線，E1躍遷)，碰撞輻射級聯非常重要，對線強度的貢獻能達到80%以上．

4結論

本文利用基于多組態Dirac－Fock(MCDF)理論方法和全相對論扭曲波方法的研究電子－離子碰撞激發過程的計算程序，詳細計算了類氦Fe24+離子基態1s21S0到激發態1s2s和1s2p精細結構能級的碰撞強度和截面，著重詳細研究了在6.86KeV和9.94KeV能量下，碰撞輻射級聯對類氦Fe24+離子w線、x線、y線和z線，x/w、y/w和z/w線強度比值的影響，基于目前的計算和討論，可得出以下幾點結論:(1)在相同入射電子能量下，共振線(w線)的碰撞強度最大，碰撞強度隨著入射電子能量的增加而增大，且碰撞強度增大的趨勢也比較明顯;復合線(y線)碰撞強度隨著入射電子能量變化趨勢平坦;禁戒線(z線)和磁四極線(x線)碰撞強度隨著入射電子能量的增加而減小．(2)入射電子能量較低時(接近閾值能量)，電子被激發到高激發態的可能性較小，可不考慮輻射級聯效應，入射電子能量較高時(超過1.5倍閾值能量)，電子可能被激發到高激發態，就必須考慮輻射級聯效應．(3)輻射級聯效應對w線、x線和y線的影響不大，但對z線，碰撞輻射級聯非常重要，對線強度的貢獻能達到80%以上．

作者:楊寧選 張建軍 董晨鐘 單位:石河子大學理學院物理系生態物理重點實驗室 西北師范大學物理與電子工程學院