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    定义:

    重粒子碰撞是研究中性原子、原子离子、中性分子、分子离子之间由于碰撞发生的各种微观反应过程,既包括弹性过程,也包括激发、电离、电荷转移等非弹性过程。这些过程广泛存在于天体物理和实验室等离子体环境中,对离子电离平衡和能量输运都有重要影响。

     

    简介:

    重粒子碰撞过程由于涉及复杂的多体关联、多中心问题, 一直都是基础原子物理学研究的一个挑战。此外,重粒子碰撞过程与天体物理、等离子体物理、粒子物理等学科密切相关,所以一直是一个非常活跃的研究领域。

    电荷转移过程(又称电荷交换过程),在很广的碰撞能量范围内都是一个占优势的过程,尤其在低能区,具有很大的碰撞截面;同时可生成激发态的反应产物,其发射的特征谱线被广泛的应用于等离子体诊断中。在托卡马克边缘区,较高的中性粒子密度(边界主动送气(包括加料和注入用于诊断的杂质气体)、边界再循环等引起的)和相对较低的电子密度和温度使得中性粒子与离子碰撞电荷转移过程频繁的发生,这对边缘区等离子体的复合、冷却等方面都起着关键的作用。托卡马克边缘区等离子体的特征温度为0.1-500eV,在低能区离子与中性粒子碰撞过程以电荷转移过程为主。在低能区由于离子与中性粒子相互作用时间较长,电子关联作用较强,反应通道复杂,在实验和理论上都存在困难。

    碰撞电离过程,在入射离子能量大于每个核子上百个千电子伏以后,碰撞电离过程截面往往是最大的非弹性散射截面。碰撞电离成为入射离子最重要的能量损失方式,将对宏观的高能粒子输运产生最大的影响。而被电离电子的平均能量可用来定量地估计高能离子在星际空间、大气等环境中的能量损失,因此电离过程成为一个非常重要的过程。

    太阳风离子包括O, C, N, Ne, Mg, Al, Si, S, Ar等元素的高剥离态离子。对于不同的星体,中性粒子的种类不同,日光层中主要是H He,地冕中主要是 H,火星光环中主要是 H O, 而彗星大气中则包括H2OCOCO2和它们的解离产物 H H2O等。

        主要的太阳风离子同中性粒子的碰撞电荷转移截面非常重要,特别是俘获到不同量子态的电荷转移截面,包括态分辨的(n-,l-resolved)、多重度分辨的(S-resolved),甚至细致能级分辨(J-resolved)的截面数据。另一方面,太阳风离子能量比较低,约为几百个eV/u到几个keV/u,电荷转移截面强烈依赖于太阳风离子的速度、种类、离化度,中性粒子种类等。

     

    理论方法:

       研究重粒子碰撞的理论方法主要有以下几种,

       程函近似的连续扭曲波(CDW-EIS)方法,此方法适宜于解决高能区碰撞电离过程问题。

       双中心原子轨道强耦合(AOCC)方法这种方法已经被广泛的应用到离子-原子碰撞问题的研究上[23]。在半经典的碰撞参数方法的框架下, 把原子轨道按照某种基展开,可研究碰撞激发、电离、电荷转移等过程,在中高能区有着较高的计算精度。

       全量子分子轨道强耦合(MOCC)方法, 这种方法把碰撞看作一电子两中心的问题,计算分为两步,首先把入射离子与靶作为一个准分子来处理,具体采用波恩-欧本海默近似计算不同空间位置的分子势能面和不同通道间的电子径向和转动耦合矩阵元;然后根据散射矩阵理论求解一组耦合的微分方程组,得到各种相关的反应通道跃迁概率。总截面通过对所有可能的碰撞参数积分得到。

       经典径迹蒙特卡罗(CTMC)方法, CTMC方法利用从大量的初始入射离子和靶态中抽样的方法来研究重粒子碰撞过程。CTMC方法的优点是包含了相互竞争的各种过程,在中高能区具有较高的计算精度,并且计算简单,适于大规模产生数据。

       求解含时Schrödinger方程(TDSE)方法,该方法应能精确表征电子在全空间中的波函数,该方法是研究复杂外场中原子问题的最直接和有效的方案。

     

     

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