Введение к работе
Актуальность темы
При моделировании неравновесной астрофизической и экспериментальной плазмы необходимо знание сечений и скоростей атомных процессов. Как один из наиболее актуальных примеров такой плазмы можно рассматривать источники экстремального ультрафиолетового (ЭУФ) или мягкого рентгеновского излучения, используемого в целях рентгеновской литографии.
Учет нестационарности плазмы многозарядных ионов является новой, быстро развивающейся областью физики плазмы. Поэтому теоретическое исследование скоростей атомных процессов с учетом неравновесности является актуальной задачей и позволяет получить необходимые на практике оценки ионизационного баланса плазмы.
Расчеты столкновительных процессов в неравновесной плазме для решения широкого круга естественнонаучных и прикладных задач требуют совершенствования моделей и создания эффективных методов расчета на основе современной многопроцессорной вычислительной техники.
Несмотря на значительный прогресс в понимании физических явлений и методах описания квантовых процессов в плазме, расчеты столкновительных процессов в плазме многозарядных ионов представляют значительные трудности в виду неприменимости водородоподобных приближений для многоэлектронной системы.
Для вычисления сечений элементарных процессов разработан ряд методов, дающих хорошие результаты в припороговых областях, главным образом, для легких элементов, такие, например, как метод сильной связи, где производится учет нескольких каналов рассеяния [1]. Но часто эти методы неприменимы для многоэлектронных атомов и ионов в широком диапазоне энергий, а значит имеют большую погрешность при расчете скоростей процессов. Также из-за большой сложности и плохой сходимости системы уравнений такие методы являются еще недостаточно изученными на данный момент, и их можно использовать только для расчета отдельных переходов.
Одним из основных методов расчета столкновительных процессов является приближение Борна, где свободные электроны, участвующие во взаимодействии, рассматриваются в приближении плоских волн [1, 2]. Часто для расчета процессов применятся модификация приближения Борна - борн-кулоновское приближение, где вместо плоских волн для налетающих и рассеиваемых частиц используются кулоновские волновые функции в поле ядра или иона. Существуют также и другие модификации, например, приближение Борна-Оппенгеймера с учетом обменного взаимо-
действия. Однако при вычислении сечений столкновительных процессов в плазме многозарядных ионов большое значение имеет потенциальное поле, в котором рассчитываются волновые функции электронов непрерывного спектра, поэтому результаты, полученные в кулоновском поле иона, могут существенно отличаться от эксперимента.
Для описания состояния плазмы многозарядных ионов и вычисления скоростей атомных процессов в широком диапазоне температур и плотностей следует использовать достаточно совершенные квантово-статистичес-кие модели вещества, основанные на приближении самосогласованного поля. В настоящей работе используется хорошо зарекомендовавшая себя модель самосогласованного поля Хартри-Фока-Слэтера (ХФС) [3]. В результате решения уравнения Шредингера с полученным самосогласованным потенциалом может быть найден энергетический спектр многозарядного иона, соответствующие волновые функции, а также средние числа заполнения и средняя степень ионизации вещества в модели так называемого среднего атома (иона) [4].
Универсальным и наиболее общим для вычисления сечений и скоростей электрон-ионных столкновительных процессов в плазме (хотя и весьма трудоемким) подходом является приближение искаженных волн и его модификации, где, как правило, волновые функции электронов вычисляются в самосогласованном потенциале Хартри-Фока, а взаимодействие налетающего электрона с ионом рассчитывается по теории возмущений [1, 5].
Цель работы
Цель работы состоит в разработке, программной реализации и применении эффективного универсального метода расчета сечений и скоростей электрон-ионных столкновительных процессов в самосогласованном потенциале многозарядных ионов в неравновесной плазме на основе приближения искаженных волн. Целью работы также является моделирование атомных процессов в конкретных физических экспериментах.
Научная новизна работы
Предложен эффективный метод расчета сечений и скоростей столкновительных процессов в приближении искаженных волн с использованием численных и квазиклассических волновых функций электронов, рассчитываемых в самосогласованном потенциале Хартри-Фока-Слэтера.
Разработан универсальный параллельный код для расчета сечений электрон-ионных столкновительных процессов в плазме многозарядных ионов в широком диапазоне температур и плотностей.
Учтено влияние плотностных эффектов на величину сечений процессов столкновительного возбуждения и ионизации.
Исследовано влияние быстрых электронов на ионизационный баланс в плазме.
В результате применения рассчитанных скоростей процессов при моделировании ряда прикладных задач динамики плазмы объяснены наблюдаемые в эксперименте эффекты.
Научная и практическая ценность работы
Разработанный параллельный код может быть применен для расчета скоростей и сечений в широком диапазоне температур и плотностей. Проведено сравнение результатов с расчетными и экспериментальными данными. Исследовано влияние плотностных эффектов на величину сечений и проведен анализ процессов непрямой ионизации. Проведено моделирование неравновесной плазмы аргона и показано влияние быстрых электронов на ионизационный состав. Вычислительный код, рассчитанные по нему скорости процессов, аппроксимационные формулы и разработанные модели кинетики ионизации применяются для моделирования динамики плазмы и объяснения экспериментальных результатов.
Апробация работы
Результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на XIX - XXI Международных конференциях "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество" и "Уравнения состояния вещества" (Эльбрус, 2004-2006), 6-й Международной конференции по плотным Z-пинчам (Оксфорд, Великобритания, 2005), Европейской конференции по спектрометрии рентгеновского излучения (Париж, Франция, 2006), 33-й Международной конференции по плазменной науке (Траверс-сити, США, 2006), 18-й Европейской конференции по атомной и молекулярной физике ионизованных газов (Лечче, Италия, 2006), II - V Международных симпозиумах по ЭУФ литографии (Антверпен, Нидерланды, 2003; Миязаки, Япония, 2004; Сан-Диего, США, 2005; Барселона, Испания, 2006), Международных совещаниях по источникам ЭУФ излучения (Санта-Клара, США, 2004; Сан-Хосе, США, 2005; Ванкувер, Канада, 2006; Барселона, Испания, 2006).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 20 научных работ.
Объем и структура диссертации
