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1、西北师范大学 博士学位论文 双电子复合过程的相对论理论研究 姓名：符彦飙 申请学位级别：博士 专业：原子与分子物理 指导教师：董晨钟 2009-05 西北师范大学博士学位论文 i 摘摘 要要 电子离子的碰撞是原子物理学中的基本过程，双电子复合过程作为重要的电 子离子非弹性碰撞现象之一，广泛存在于天体等离子体和实验室等离子体环境中。 高精度的双电子复合过程的强度、截面以及速率系数是模拟和诊断各种天体等离子 体、实验室等离子体以及研制 X 射线激光非常重要的参数。本文利用准相对论 Hartree-Fock 方法、多组态 Dirac-Fock 方法以及相对论组态相互作用方法分别对类 钠铜离子，类氦镁
2、、铝离子以及锡、钨离子的双电子复合过程进行了研究，主要内 容包括： 第一，利用准相对论 Hartree-Fock 方法，详细研究了组态相互作用对类钠铜离 子的 DR 截面和 RTE 截面的影响以及分析了其双电子复合过程的主要通道。对基于 COWAN 和 FAC 两种程序计算所得到的双电子复合共振强度谱做了比较。计算得到 了 Cu18+离子与 H2碰撞过程中的 RTE 截面，并与已有的实验结果做了比较。 第二，利用多组态 Dirac-Fock 方法计算了类氦镁、铝离子的双电子复合截面， 分析了高 n 双电子伴线结构及其对类氦镁、铝离子 K共振线的影响。对基于 GRASP92 和 FAC 两种程序
3、计算所得到的双电子伴线波长做了比较。 第三， 利用基于以独立离子基态波函数为基矢的相对论组态混合的FAC程序包， 以 Sn12+离子为例，分析了各种因素对双电子复合速率系数的影响。基于分析结果， 计算了 Sn12+离子 n = 415 的双电子复合速率系数。 计算了 Sn 元素 4d 电子激发的 8 个离化态的总双电子复合速率系数。对 Sn 离子的双电子复合速率系数、三体复合以 及辐射复合速率系数进行了比较。 第四，基于对 Sn12+双电子复合过程的分析结果，利用 FAC 程序包计算分析了 W37+ 、 W36+离子的双电子复合过程。 细致分析讨论了其双电子复合过程的主要通道。 计算得到了 n
4、 = 515 的双电子复合速率系数。 本论文分别计算研究了在天体和 EUV 光源以及 ITER 等离子体环境中具有重要 应用的 Cu、 Mg、 Al、 Sn 以及W元素的双电子复合过程。 其中， 较为复杂的3l184s24p64dn 结构的 Sn 和 W 元素的双电子复合过程，国际上尚未有过细致研究。希望本文的研 究结果有助于相应应用研究的发展，同时在复杂离子、复杂结构的双电子复合过程 的研究方面有所贡献。 关键词：关键词：双电子复合，截面，速率系数，准相对论 Hartree-Fock 方法，MCDF 方 法，相对论组态相互作用方法 西北师范大学博士学位论文 ii Abstract Elect
5、ron-ion collision is a basic process in atomic physics. Dielectronic recombination (DR) processes are one of important inelastic phenomenon of electron-ion collision, which widely exists in as astronomy and laboratory plasmas. Accurate data about DR process, such as strengths, cross sections and rat
6、e coefficients, is very important parameters when one simulate and diagnose all kinds of plasmas and develop X-ray laser. In this thesis, DR processes of Cu ion of sodium-like, Mg and Al ions of helium-like, Sn and W ions have been analyzed by using quasi-relativistic Hatree-Fock (HF), Multiconfigur
7、ation Dirac-Fock (MCDF) and relativistic configuration interaction (CI) methods, respectively, which mainly include: Firstly, using the quasi-relativistic HF method, DR and resonant transfer excitation (RTE) cross sections have been calculated by considering configuration interaction effects, and th
8、e dominant channels for DR process have been analyzed. DR resonant strengths from Cowan and FAC codes are compared. RTE cross sections between Cu18+ ion and H2 molecular have been calculated and made comparisons with the observed experimental results. Secondly, using the Multi-configuration Dirac-Fo
9、ck method, we calculate the DR cross sections of Mg and Al ions of helium-like and analyze the structures of high-n dielectronic satellite lines and their influences for K resonant lines of Mg and Al ions of helium-like. Comparisons have been made for the wavelengths of dielectronic satellite lines,
10、 which based on the Grasp92 and FAC codes. Thirdly, using the FAC code, we analysis the influences of all kinds of factors for DR rate coefficients of Sn12+ ion. Based on the analysis results, DR coefficients of Sn12+ ion for n = 4-15 and DR coefficients of eight ionized stages from 4d excited elect
11、ron of Sn elements have been calculated. Comparisons have been made for the DR rate coefficients, radiative-recombination (RR) rate coefficients and three-body recombination rate coefficients. Finally, based on the conclusions of DR process of Sn12+ ion, the important channels for DR processes of W3
12、7+ and W36+ ion have been analyzed by using the FAC code. DR 西北师范大学博士学位论文 iii coefficients of the quantum number, n, from 4 to 15 have been calculated. In summary, we study the DR processes of Cu, Mg, Al, Sn and W elements in astronomy, laboratory and ITER plasmas, respectively. Up to now, for DR pr
13、ocesses of such complex structures for Sn and W, such as 3l184s24p64dn, few experimental or theoretical result has been reported to their DR processes. So we hope that the results obtained in our work can be helpful to their applications and has the contribution to research DR processes of complex s
14、tructures of complex ions. Key words: dielectronic recombination, cross section, rate coefficient, quasi-relativistic HF method, MCDF method, relativistic configuration interaction method 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西北师范大学或其他教育机构
15、的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确地 说明并表示了谢意。 签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西北师范大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 签名： 导师签名： 日期： 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1.1 引言 1.1 引言 1897 年，英国物理学家 J. J. Thomson 发现了电子1,2。电子的发现打开了通向 原子物理学
16、的大门，它宣告了原子是由更基本的粒子组成，并预告着物理学新时期 的即将到来。1911 年，E. Rutherford 通过粒子散射实验首先发现了原子核的存在， 并据此提出了原子的核式结构模型1,2。E. Rutherford 的实验不仅极大地促进了原子 理论的发展，同时，他提出的基本粒子与原子碰撞的方法也为研究原子的结构和性 质开辟了一条新途径。 电子与原子、离子碰撞作为重要的原子物理过程由于其在等离子体物理、天体 物理、激光物理以及材料物理等领域的重要性受到了人们额外的关注3-7。人类所处 的宇宙中大约有 90%以上的物质都是由等离子体组成8， 等离子体中普遍存在着大量 的电子、原子、各种电荷态的正离子以及分子。由于电子的质量小，其速度往往远 大于其他粒子的速度。因此，自由电子与其他粒子的碰撞是等离子体中最普遍的原 子过程，其对于等离子体内部能量的传递和输运、离子电荷态的分布以及等离子体 中光谱的形成都具有重要的影响9-12。等离子体环境中，自由电子与原子、离子碰撞 的基本过程
