激光金等离子体的电子离子碰撞电离速率系数讲解.docx

激光金等离子体的电子离子碰撞电离速率系数讲解.docx

《激光金等离子体的电子离子碰撞电离速率系数讲解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光金等离子体的电子离子碰撞电离速率系数讲解.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

激光金等离子体的电子离子碰撞电离速率系数讲解

第20卷第2期2003年4月

原子与分子物理学报

CHINESEJOURNALOFATOMICANDMOLECULARPHYSICS

，№.Vol.202

，Ar.2003p

文章编号：

（）1000-0364200302-0173-04

激光金等离子体的电子离子碰撞电离速率系数

，23，王学文1，郑志坚2，颜易有根1，

✷

君3，李萍3，方泉玉3，邱玉波3

（湖南湘潭4；1.湘潭师范学院物理系，11201

四川绵阳6；2.中国工程物理研究院高温高密度等离子体物理国家重点实验室，21900北京1）3.北京应用物理与计算数学研究所，00088

摘要：

电子离子碰撞电离过程在超组态碰撞辐射（S模型中真实模拟非局域热动力学平衡（nCROLL）on-）高Z材料A诸如离子的平均电LTEu激光等离子体M带谱53d跃迁中各种复杂离子的电离态特性，f-离度和电荷态分布是一个主要过程。

基于准相对论扭曲波玻恩交换近似，采用组态平均的方法，从头计算了金M带类铁金离子类锗金离子的电子离子碰撞电离速率系数，其中电离截面的高能行为由B-ethe系数

21实验装置诊断的电子温度~电子密度~这些参数决定。

结果表明：

在“神光Ⅱ”2keV，6*10cm-3范围内，

有利于使用超组态碰撞辐射模型拟Au的激光等离子体M带细致谱53d跃迁的平均电离度和电荷态f-分布。

关键词：

电子离子碰撞电离；类铁金离子-类锗金离子；速率系数中图分类号：

O561.5

文献标识码：

A

1引言

强激光辐照高原子序数元素（如A）可实现高u和高X光转换效率（~。

因吸收率（~90%）70%）此，（及Au的X光辐射特性在惯性约束聚变ICF）

其应用研究中倍受关注。

特别是高功率激光加热Au产生的高Z等离子体的辐射光谱呈非局域平衡（n特性，带谱结构偏离P为on-LTE）lanck谱，研究带来了新的热

［］1~3点。

近

。

目前，我所已开始起步Au激光等离49.3+0.5

子体M带谱5电荷态分布及d跃迁离化度，f-3能级布居数这一等离子体物理参数的诊断工作。

众所周知，平衡态黑体辐射呈P它只lanck谱，依赖于物质的温度，而与其材质无关。

然而，对非平衡的等离子体，其辐射谱则强烈依赖于靶材料的等离子体的状态及与之相关的原子动力学过程。

目前，对此问题，在理论上常作局域热动力学平衡假设（L，而实验证实ATE）u辐射谱等离子体呈非局域（n热动平衡。

求解原子动力学过程on-LTE）的速率方程，须对相关原子过程中的电子离子碰撞电离和辐射复合等参数进行切实地研究。

非局域（等离子体的电离度和电荷non-LTE）态分布由电子离子碰撞电离，辐射复合及双电子复合等原子过程所支配，为了探讨高Z等离子体的电离态特性，给出其平均电离度，离子丰度，并起步离子内各能级的布居数，以对Au等离子体的非平衡态（n进行深入研究，很有必要提供Aon-LTE）u的准确的电子离子碰撞电离速率系数，并获得其随

两年来，美国

Livermore实验室Glenzer等报道了在惯性约束聚

［，］45（）金腔靶研究中，在强激光打靶，功率密ICF度为2／*10WcmAu的5f-［，］

3d跃迁M带发射谱和超组态碰撞辐射模型67

14

2的条件下，利用金

获得了非局域平衡（non-LTE）Au激光等离子体的复杂电离态特性的平均电荷态分布，离子丰度及离子内各能级的布居数。

实验结果表明：

金的M

+47到谱带很宽，谱线很多，主要由Ge-likAuFe-+52等光谱所组成，+50光谱其中NlikeAui-likeAu

*所占的分额最大，实验给出的平均离化度为ZE

✷收稿日期：

2002-04-22

基金项目：

国家自然科学基金（），中国工程物理研究院科学技术基金（）资助课题。

1027505620010208和20020210作者简介：

易有根（，男，湖南省平江县人，副研究员，博士后，主要从事激光等离子体物理实验和理论研究。

1965-）

174

原子与分子物理学报

2003年

电子温度变化的清晰图象。

本文通过采用多组态准相对论扭曲波玻恩交换（DW近似，组态平均的方法，从理论上计算BE）了Au的M带5d跃迁的电子离子碰撞电离f-3速率系数，并分析了其随温度的变化趋势。

计算过程中通过对组态求平均，改进了电子离子碰撞电离速率系数的准确程度，使计算的电子离子碰撞电离速率系数比较准确，这将为进一步模拟Au的激光等离子体M带谱53d跃迁细致谱的电离度和f-电荷态分布提供重要的电子离子碰撞电离速率参度电离截面。

实验和理论都证实：

在相同入射电子能量u（以电离能为单位）情况下，对于类H和类除了低核电荷离子之外所有离子He等电子系列，

2的u在（）式中，IQ基本上都是相同的。

3A、B、C是调整参数，D是Bethe系数。

D由光电离截面Qhp

对光子能量EEhv+I+Ec积分估算出来

∞）DEE，Qπα（4hE4p

παIEdE2／y／Qad为单位；ddE称为光学振子强度fh以πp0R

密度；／。

αE1137.036Bethe系数决定了碰撞电离

数。

理论方法

在DWBE

近似中［11］，碰撞电离截面为

QtiotEwiQi

（1

）E+I2

QdiEEa2li+1

ʃ

πkakbkclΣalbl*0

c

｛Σt

R~2

2t+1

d

（t）+R~2

e

（t）

］-Σ（ilty-1）t+yctγ

R~d（t）R~e

（t

（2）alb式中，R~d（t）E〈l（）i‖ct‖lc〈〉l（）c‖ct‖lb〉Rd（t）；R~（e

t）E〈li

‖c（t）‖lb

〉〈la

‖c（t）‖lc

〉Re

（t）

；d（t）和Re（t）分别为Slater直接和交换积分；Ea

EIi+Eb+Ec；截面以πa20

为单位；Ii为束缚电子的电离能，Ea、Eb和Ec分别表示入射、

散射和电离出来的电子的能量，它们都以Ryd为单位；ka、kb和c是相应的连续电子的波数，kE

当径向距离r→∞时，连续电子波函数的振幅为1。

在出射的两个连续电子中，假定电离出来的电子能量比散射电子能量小。

在Slater积分中，束缚电子波函数i是在HFR近似下得到的。

连续电子波函数Pa、

b和Pc是在考虑了与Y

ounger相同的势（包含半经典交换）情况下［12］利用Cowan程序计算出来

的。

我们用Younger的近似解析公式拟合计算截面

uI2QEA（1-1／u）+B（1-1／u）2+

C（lnu／u）+D

lnu（3）该公式使用了经典的标度规律，从而保证在低

和高碰撞能量下截面有正确的行为。

uI2Q称为标

截面的高能行为。

在考虑等离子体的电离平衡中，我们真正需要的不是截面而是速率系数。

碰撞速率系数定义为

〈Qv〉

Eʃ

vf（v）Q（v）dv（5

）其中f（v）是电子的速度分布，并且假定它是

Maxwell速度分布，

于是〈Q-8∞v〉ET

3／2

1uI2Qe-yudu，y≡（6）式中f（T

v）是电子的温度，以eV为单位；〈Qv〉以m3／s为单位。

计算结果与讨论

本文讨论金M带5f-3d跃迁类铁金离子-类锗金离子的电子离子碰撞电离过程，由自编程序扭曲波玻恩交换近似DWI（9）计算其电子碰撞电离截面，同时利用Bethe系数决定截面的高能行为。

借助于Yonger的近似解析公式拟合截面，并且通过电子的Maxwell速度分布平均得到电子离子碰撞电离速率系数。

由图1可以看到，在电子温度0~10keV范围内，碰撞电离速率系数随电子温度明显呈增加的趋势。

显然，在低温区，碰撞电离速率系数随电子温度的增加比高温段要快得多，高温段的电离速率系数随电子温度的变化趋势比较缓慢。

对同一类离子曲线而言，例如类镍金离子，在不同的电子温度范围内，电离速率系数随温度增加而增加；对不同类离子而言，例如类镍金离子和类铜金离子，在相同的电子温度下，电离速率系数随电离程度也稍有不同程度的增加或减少的趋势。

综观曲线，可以看到以类铜金离子为中心的荷电离子，在向高或向低各延伸3种离子时，碰撞电离速率系数随电离度的变化都比较缓慢，幅度并不大，差别均在10%以内。

2c3RkPP

易有根等：

激光金等离子体的电子离子碰撞电离速率系数

表类铁金离子类锗金离子在不同的电子温度下基态的电子离子碰撞电离速率系数

Ion

53+

Au52+Au51+Au50+Au49+Au48+Au47+Au

-Y［］表示／IRdyi382.67372.20361.84216.04211.08192.15187.55

／TeVe

100［-］3.5734［-］1.7733［-］8.5033［-］6.2925［-］2.6224［-］2.2523［-］8.8023

800［-］5.0214［-］7.1114［-］9.9414［-］1.9213［-］4.5313［-］4.0013［-］9.0013

1000［-］1.9713［-］2.7013［-］3.6413［-］4.2113［-］9.7913［-］8.0713［-］1.7912

2000［-］3.1512［-］4.0112［-］5.0212［-］2.0512［-］4.6012［-］3.3112［-］7.0912

4000［-］1.2711［-］1.5511［-］1.8811［-］4.5212［-］9.8412［-］6.6212［-］1.3911

6000［-］2.0011［-］2.4211［-］2.8911［-］5.8112［-］1.2411［-］8.1812［-］1.7111

10000［-］2.8211［-］3.3711［-］3.9711［-］6.9212［-］1.4411［-］9.3612［-］1.9511

176

原子与分子物理学报

2003年

21电子密度~这些数据将keV，6*10cm-3范围内，为我们在超组态碰撞辐射（S模型中进一CROLL）

［］，：

hohlraumplasmasJ.JQSRT，200171355~363.

［，K6］Bar-ShalomA，OrelaischM，etal.CollisionalgJp

radiativemodelforheavtomsinhotnon-local-ya

［J］，thermodnamical-euilibriumplasmas.Phs.Rev.yqy，：

1997E56R70~R73.

［］，，K7Bar-ShalomA，OreJlaischM，etal.Non-LTEgp

suerconfiurationcollisionalradiativemodel［J］.pg

，：

JQSRT，199758427~439.［］8AlbrittonJR，WillsonBG.NLTEionizationandenergy

balanceinhih-Zlaser-lasmasincludinwo-electrongpgt［］，：

transitionsJ.JQSRT，2000651~13.［］，G，9FoordMElenzerSH，ThoeRSetal.Ionization

rocessesandchare-statedistributioninahihlionizedpggy

［J］，hih-Zlaser-roducedplasma.Phs.Rev.Lett.gpy，：

200085992~995.

［10］AlbrittonJR，WillsonBG.Non-LTEionizationand

eneralanceinhih-Zlaserplasmasincludinwo-gybggt

［］，，：

electrontransitionsJ.Phs.Rev.Lett.1999831y594~1597.

q+［］方泉玉，李萍，邱玉波，等.（）的电子碰11Al~12qE0

撞电离截面和速率系数［］，J.强激光与粒子束，2001：

13325~328.

10+的电子碰撞电离及有关［］方泉玉，李萍，蔡蔚，等.12Al

过程［］，：

J.物理学报，1995441703~1711.

步模拟Au的激光等离子体的M带的5d跃f-3

迁的平均电离度，电荷态分布及能级的离子数布居提供十分重要的电子离子碰撞速率参数。

参考文献

［，e1］GlenzerSH，RozmusW，MacGowanBJtal.

Thomsonscatterinormhih-Zlaser-roducedplasmasgfgp［］，，：

J.Phs.Rev.Lett.19998297~100.y［］，，，2FontesCJAbdallahJrJClarkREH，KilcreaseDP

［］etal.Non-LTEmodelinfoldplasmasJ.JQSRT，gog，：

200065223~230.

［］，3KlaischM，Bar-ShalomA，Oreetal.Nonlocal-pgJ

thermodnamical-euilibriumefectsinthesimulationofyq

［J］，，：

laser-roducedplasmas.Phs.Plasmas199851py919~1926.

［］，G，4FoordMElenzerSH，ThoeRSetal.Accurate

determinationofthecharestatedistributioninawellg

［J］characterizedhihlonizedAuplasma.JQSRT，gyi，：

200065231~241.

［，W5］GlenzerSH，FournierKBilsonBG，etal.

Ionizationbalanceintheinertialconfinementfusion

CollisionalionizationratecoefficientsofelectroniLactp

ionizationinahihlionizedAuplasLagy

，，123，1

YIYou-enWANGXue-weng2，3，33，3

ZHENGZhi-ianYANJunLIPinFANGQuan-uQIUYu-bojg，y

（，，，；1.PhsicsofDeartmentXiantanNormalColleeHunanXiantan411201P.R.ofChinaypggg，，，M，；2.ResearchcenterofLaserFusionCAEPP.O.Box919-986ianan21900P.R.ofChinayg6

，，）3.InstituteofAliedPhsicsandComutationalmathematicsBeiin00088P.R.ofChinappypjg1

53+：

AbstractElectron-imactionizationratecoefficientsamononfiuration-averaelevelsfromFe-likeAupgcgg47+

toGe-likeAuionshavebeencalculatedsstematicallasedonCowan'squasi-relativisticmulti-yyb

confiurationHartree-Fock-Relativisticcodeanddistorted-wavearoachs.WehaverelatedthescaledcrossgppsectionstotheBethecoefficientsathihenerreime.Thelattercanbeobtainedbinteralofcrosssectionggygyg

，ofhotoionization.Accordinoourcalculationsthescaledcrosssectionsvarlowlsthecharestatepgtysyagchare.Thesecrosssectionsarethenfittoobtaincorresondinratecoefficients.Itisfeasibletosimulatethegpgaveraeionizedstateandionicabundanceandcharestatedistributioninthedianosedelectrontemeraturegggp~2keVinawellcharacterizehihlionizedAuPlasma.gy

53+47+：

；；KewordsElectronimactionizationFe-likeAu-Ge-likeAuionsRatecoefficientspy