近代物理所在高電荷態(tài)離子雙電子復合精密譜研究中獲新進展
宇宙中95%以上的可見物質(zhì)都處于等離子體狀態(tài)，在恒星、超新星遺跡、星系、行星狀星云、X射線雙星和活動星系核等研究中都涉及到等離子體原子物理過程。隨著X-ray天文望遠鏡的不斷發(fā)展，最近十多年人們利用太空天文臺的觀測數(shù)據(jù)結(jié)合理論模型可以得到天體等離子體的密度、溫度、元素豐度、電離平衡及電子速度分布等關鍵信息，從而能夠深入理解天體的形成以及演化規(guī)律。電子-離子復合是等離子體環(huán)境中最重要的碰撞反應之一，精確的電子-離子復合速率系數(shù)是天體物理和聚變等離子體建模最基本的輸入?yún)?shù)。雙電子復合過程伴隨的退激輻射往往可以作為診斷等離子體中電子溫度、密度的有效探針。同時由于雙電子復合是一個共振過程，共振峰結(jié)構中包含了離子的能級結(jié)構信息，通過精密的雙電子復合速率系數(shù)的測量，可以解析出靶態(tài)離子激發(fā)態(tài)能級結(jié)構，進而開展如QED檢驗、同位素移動測量、超精細誘導躍遷壽命測量等一系列基礎前沿研究。
重離子儲存環(huán)結(jié)合電子冷卻裝置為開展高電荷態(tài)離子雙電子復合精密譜學實驗研究提供了絕佳的實驗平臺?；谥仉x子儲存環(huán)開展的電子離子復合精密譜學實驗具有極高的能量分辨，并且其電子-離子相對能量可大范圍精密調(diào)制，是唯一能夠精確測量低能碰撞復合截面關鍵數(shù)據(jù)的實驗方法，尤其在相對碰撞能量較低的范圍內(nèi)，儲存環(huán)雙電子復合實驗具有獨一無二的優(yōu)勢。近幾年，基于儲存環(huán)DR 精密譜學研究發(fā)現(xiàn)，對于具有復雜結(jié)構的離子，過去的理論方法無法給出可信的DR 速率系數(shù)，很多計算結(jié)果甚至比實驗低兩個數(shù)量級。
近日，中國科學院近代物理研究所的科研人員聯(lián)合中國科學技術大學、復旦大學、英國思克萊德大學等多家單位的科研人員基于蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)HIRFL-CSRm，開展了類碳鈣離子40Ca14+和類納氪離子86Kr25+的雙電子復合精密譜學實驗，獲得了質(zhì)心系碰撞能量為0-90 eV范圍內(nèi)的電子離子復合絕對速率系數(shù)，并將實驗結(jié)果與最新的理論Flexible Atomic Code (FAC) 和AUTOSTRUCTURE計算的結(jié)果仔細對比，解析出每個共振結(jié)構的來源。同時還從雙電子復合速率系數(shù)得到了可用于等離子體建模的等離子體速率系數(shù)，并與此前的理論數(shù)據(jù)作了對比研究。如圖1所示，對于Ca14+離子，發(fā)現(xiàn)之前用于理論建模的光電離等離子體溫度區(qū)間的速率系數(shù)計算結(jié)果比本次實驗結(jié)果小兩個數(shù)量級。如圖2所示，對于Kr25+離子，發(fā)現(xiàn)電子關聯(lián)在DR低能段具有重要的貢獻，理論計算必須考慮混合能級的強耦合效應。本次實驗獲得的DR精密譜不僅能夠用于研究高電荷態(tài)離子的能級結(jié)構從而檢驗各種原子物理結(jié)構計算的理論方法，也能夠為天體和聚變等離子體診斷和建模提供高精度的基本輸入?yún)?shù)。文章發(fā)表在國際知名雜志The Astrophysical Journal ( ApJ 905 (2020) 36) 和Physical Review A (Phys. Rev. A 102 (2020) 062823 )上。該工作得到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金項目、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項B和中科院重點前沿項目、中科院青年創(chuàng)新促進會的支持。
APJ論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abc1e4
圖2 ：類鈉Kr25+離子的雙電子復合精密譜和等離子速率系數(shù)。（左圖）為0-15 eV范圍內(nèi)復合速率系數(shù)譜，黑色實線為實驗測量結(jié)果，紅色虛線和藍色點線分別為FAC和AUTOSTRUCTURE理論計算結(jié)果，藍色陰影代表Δn=1的躍遷貢獻，豎線為理論計算各共振態(tài)結(jié)構。（右圖）為等離子體速率系數(shù)，黑實線為實驗結(jié)果，其他數(shù)據(jù)為理論計算結(jié)果。（原子分子結(jié)構與動力學室/供圖）
（原子分子結(jié)構與動力學室 供稿）
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