Исследование автоионизационных состояний в резонансных процессах при столкновениях многозарядных ионов с атомными частицами Лященко Константин Николаевич

Введение к работе

Актуальность темы исследования Фундаментальные процессы, протекающие во время столкновения многозарядных ионов (МЗИ) с различными атомными частицами, на протяжении многих десятилетий являются объектами активных исследований в области атомной физики, и интерес к ним остается актуальным до сих пор. Постоянное развитие экспериментальных и теоретических методов в данной области, частично сопряженное с техническим прогрессом, приводит к постоянной актуальности новых, более точных и теоретически строгих, расчетов в рамках квантовой механики и квантовой электродинамики (КЭД). Настоящая диссертация посвящена изучению резонансных процессов таких, как диэлектронная рекомбинация с МЗИ и резонансная ионизация МЗИ, и роли автоионизационных состояний в них.

Эти процессы распространены в природе и активно протекают, например, в лабораторной и астрофизической плазме, для исследования свойств которой необходимо детальное изучение выше обозначенных процессов атомной физики.

Сечения диэлектронной рекомбинации и резонансной ионизации проявляют максимумы или минимумы, которые соответствуют резонансам с автоионизационными состояниями. При этом от энергий и ширин этих состояний напрямую зависят положение резонансов в сечениях и форма этих сечений. Для корректного теоретического описания автоионизационных состояний необходимо применение квазивырожденной теории возмущений, что в данной работе осуществляется в рамках метода контура линии.

Участие автоионизационных состояний в этих процессах происходит благодаря межэлектронному взаимодействию. Поэтому, при их рассмотрении, открывается возможность изучения и межэлектронного взаимодействия. В частности, в данной работе детально изучается роль брейтовского взаимодействия.

Цель работы

1. Развитие метода контура линии для описания двух и трехэлектронных МЗИ.

2. Численный расчет дифференциальных и полных сечений электронной рекомбинации в столкновениях изначально одно- и двухэлектронных МЗИ со свободными и квазисвободными электронами.

3. Численный расчет полных и дифференциальных сечений ионизации одноэлек-тронных МЗИ в столкновениях с легкими атомами.

4. Численный расчет дифференциальных сечений ионизации через возбуждение автоионизационных уровней двухэлектронных МЗИ в их столкновениях с ядрами и атомами.

Научная новизна работы

В диссертации получены следующие новые результаты:

1. Произведено обобщение и тестирование КЭД метода контура линии для расчета квазивырожденных уровней энергии и ширин электронных конфигураций двух- и трехэлектронных МЗИ. В случае трёхэлектронных ионов показана необходимость аккуратного учёта брейтовских ширин. В случае двухэлектронных ионов со средним зарядом ядра Z исследована необходимость учёта Оже ширин и разработан механизм их учёта в рамках метода контура линии.

2. Численный расчет дифференциальных сечений диэлектронной рекомбинации с изначально одно- и двухэлектронными ионами урана строго в рамках КЭД произведен впервые.

3. Выполнен численный расчет полного и дифференциального сечения ионизации широкого спектра МЗИ в столкновениях с легкими атомами. Впервые произведён сравнительный анализ ионизации равноскоростными электронами и протонами.

4. Численный расчет дифференциальных сечений ионизации двухэлектронных
ионов со средним зарядом ядра Z (на примере ионов кальция и цинка) в столкно
вениях с ядрами и атомами неона через возбуждение и последующий Оже распад
ионных автоионизационных уровней произведен впервые.

Научная и практическая значимость работы

1. Произведен расчет уровней энергий и ширин двух- и трехэлектронных многозарядных ионов в рамках квазивырожденной КЭД теории. При этом учитывались такие поправки, как одно- и двухфотонный обмен (между электронами иона), вакуумная поляризация и собственная энергия. За счет применения метода контура линии в расчете также частично учитываются вклады от всех высших порядков стандартной КЭД теории возмущений.

2. Рассмотрен процесс диэлектронной рекомбинации для одно- и двухэлектронного МЗИ. Процесс описывался строго в рамках КЭД. Для проведения конкретных расчетов были выбраны ионы урана, для которых получены полные и дифференциальные сечения диэлектронной рекомбинации как функции энергии налетающего (в системе покоя иона) электрона и полярного угла вылетающего фотона. Детально изучена роль брейтовского взаимодействия. Также рассматривались различные поляризационные эффекты, в частности, представлены результаты расчета параметров Стокса. Выявлена важность учета брейтовских ширин в случае рекомбинации с изначально двухэлектронными ионами.

3. Произведен сравнительный анализ эффективности ударов электронами и протонами для индуцирования процесса ионизации широкого спектра одноэлектронных МЗИ: от Fe²⁵⁺ до U⁹¹⁺.

4. Выполнен численный расчет полного и дифференциального сечения ионизации МЗИ в столкновениях с легкими атомами. В частности, произведен детальный анализ энергетически-углового спектра вылетающего электрона для столкновения одноэлектронного урана с атомарным водородом и гелием. 5.Рассмотрен процесс непрямой ионизации двухэлектронных ионов кальция и цинка в столкновениях с ядрами и атомами неона. Произведен численный расчет дифференциального сечения как функции энергии и угла вылетающего электрона.

Основные положения, выносимые на защиту

1. КЭД расчет дифференциального сечения диэлектронной рекомбинации с одно-электронными тяжелыми многозарядными ионами.

2. КЭД расчет полного и дифференциального сечений диэлектронной рекомбинации с двухэлектронными тяжелыми многозарядными ионами.

3) Исследование прямой ионизации одноэлектронных многозарядных ионов в
быстрых столкновениях с атомными частицами. Произведен сравнительный ана
лиз ионизации в столкновениях с равноскоростными протонами и электронами.
Произведен расчет сечений ионизации многозарядных ионов в столкновениях с
легкими атомами.

4) КЭД расчет сечений резонансной ионизации двухэлектронных многозарядных
ионов в быстрых столкновениях с атомами через возбуждение и Оже распад ав-
5

тоионизационных состояний.

Апробация работы

Результаты, изложенные в диссертации, были представлены на шести международных конференциях:

1. 46th Conference of European Group on Atomic Systems (46-ая конференция европейской группы по атомным системам), 1-4 июля 2014, Лилль, Франция.

2. 17th International Conference on the Physics of Highly Charged Ions (17-ая международная конференция по физике высоко заряженных ионов), 31 августа - 5 сентября 2014, Сан-Карлос-де-Барилоче, Аргентина.

3. XXIX International Conference on Photonic, Electronic, and Atomic Collisions (29-ая международная конференция по фотонным, электронным и атомным столкновениям) 22-28 июля 2015, Толедо, Испания.

4. 18th International Conference on the Physics of Highly Charged Ions (18-ая международная конференция по физике высоко заряженных ионов), 11 - 16 сентября 2016, Кельце, Польша.

5. 25th International symposium on Ion-Atom Collisions (29-ый международный симпозиум по ион-атомным столкновениям), 23-25 июля 2017, Палм Ков, Австралия.

6. XXX International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (30-ая международная конференция по фотонным, электронным м атомным столкновениям), 26 июля - 1 августа 2017, Кэрнс, Австралия. Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

7. A. Bondarevskaya, E. A. Mistonova, K. N. Lyashchenko et al., Method for the production of highly charged ions with polarized nuclei and zero total electron angular momentum // Physical Review A - 2014. - vol.90. - p.064701-1 – 064701-4.

8. K. N. Lyashchenko and O. Yu. Andreev, Calculation of differential cross section for dielectronic recombination with one-electron uranium // Journal of Physics: Conference Series - 2015. - vol.583. - p.012005-1 – 012005-4.

9. K. N. Lyashchenko and O. Yu. Andreev, Importance of the Breit interaction for calculation of the differential cross section for dielectronic recombination with one-electron uranium // Physical Review A - 2015. - vol.91. - p.012511-1 – 012511-9.

4. K. N. Lyashchenko and O. Yu. Andreev, Calculation of differential cross section for dielectronic recombination with two-electron uranium // Physical Review A - 2016. -vol.94. - p.042513-1 – 042513-12.

5. K. N. Lyashchenko, O. Yu. Andreev and A. B. Voitkiv, Effects of autoionization in electron loss from heliumlike highly charged ions in fast collisions with atomic particles // Physical Review A - 2017. - vol.96. - p.052702-1 – 012511-14.

6. A. A. Bondarevskaya, D. V. Chubukov, E. A. Mistonova, K. N. Lyashchenko et al., Considerations towards the possibility of the observation of parity nonconservation in highly charged ions in storage rings // Physica Scripta - 2018. - vol.93. - 025401-1 – 025401-16.

Личный вклад автора

На основе результатов, представленных в диссертации, совместно с соавторами было опубликовано шесть статей в индексируемых Web of Science и Scopus журналах (Physical Review A и Physica Scripta). Персональный вклад автора в работы 2 – 5 является определяющим. Все новые результаты, представленные в диссертации, получены лично автором.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 2 глав, заключения, 2 приложений и содержит 119 страниц, 33 рисунка и 5 таблиц. Список литературы включает 65 наименований.