W54+离子能级结构及辐射跃迁性质的理论研究

摘要

钨（W)因其具有高熔点、良好的导热性、对于氚氘较低的溅射率和氚氘沉积效应（吸气性）等特殊而稳定的工程热物理性质而被选定作为国际热核聚变实验堆（ITER)的等离子体面壁材料。然而，在聚变过程中，等离子体与壁材料相互作用会不可避免的产生钨离子，这些钨离子可能进一步通过等离子体输运过程进入高温的等离子体芯部，被进一步电离。然而，即使在聚变等离子体芯部，钨离子也不能被完全电离。未被完全电离的钨离子，会辐射出高能光子。杂质钨离子含量高于10-5会引起等离子体猝灭，聚变过程中断。因此，为了维持聚变反应的稳定性，对高离化态钨杂质离子流进行辐射损失的评估，监测和控制就变得至关重要。同时，人们也可以通过钨杂质离子的光谱来诊断等离子体温度和等离子体密度等参数。所以，对各种钨离子的原子结构和跃迀性质进行全面的理论研究是不可或缺的。本文基于全相对论多组态Dirac-Fock(MCDF)方法和限制性活动空间方法(RAS)，应用GRASP2 K程序包在系统的考虑了电子关联效应、Breit相互作用和量子电动力学效应（QED)的基础上，研究了W54+离子基组态（[Ne]3s23p63d2)和第一激发态([Ne]3s23p53d3)的能级结构和福射跃迀性质。主要内容包括：
　　1.利用限制性活动空间方法，通过在计算过程中考虑不同类型的电子关联效应和物理效应，系统的研究了来自{3s，3p，3d}轨道的Valence-valence(VV)、Core-valence(CV)和Core-core(CC)关联、Breit相互作用和QED效应对W54+离子基组态和第一激发态能级结构及福射跃迀性质的影响。当前的计算结果及其分析表明：来自3s，3pl轨道的各种电子关联效应、Breit相互作用和QED效应对W54+离子基组态和第一激发态的能级结构及跃迀性质有着较大的影响。
　　2.构建了一种能够可靠、精确的计算W54+离子基组态和第一激发态能级结构及跃迀数据的计算模型，做了大规模系统的计算工作，计算得到了W54+离子基组态和第一激发态的能级、寿命和电偶极（E1)，磁偶极（M1)，电四极（E2)，磁四极（M2)跃迀数据（波长，几率，振子强度等），并对计算结果进行了分析和讨论。首先，分析了M1，E2，E1跃迀的波长和几率随着活动轨道基系统扩展的收敛性，结果表明：当计算中考虑了来自|3s，3 p，3 d}轨道的所有VV，CV和CC关联时，随着轨道基逐层的扩展，跃迀波长和几率收敛性良好;其次，与已有的实验观测和理论计算结果相比，当前计算结果能与实验结果很好的符合，但是与其他一些理论计算结果是有一定差异的，差异产生的原因主要在于来自3s，3 p}次壳层和一些更高主量子数壳层的关联效应在以前的理论计算中被忽略，这也进一步表明了来自3s，3pl壳层的关联效应和将活动空间系统扩展到计算结果收敛对计算W54+离子能级结构和跃迀性质的重要性。在充分有效的考虑了电子关联、Breit相互作用和Q E D等效应之后，计算得到了一组精确全面的原子数据。这些数据对于研究W54+离子的能级结构和发光特征等有非常重要的意义。
　　并且，在当前的研究中：
　　（1)指出了在本文计算中所用的电子关联模型在计算W54+离子的基组态和第一激发态的原子结构时是合理有效的，那么在一般情况下，就有可能将此类关联模型成功的应用于计算W54+(Ca-like W)离子等电子序列的其他离子；
　　（2)验证了相关的实验观测结果，同时也预言了一些新的、强的跃迀，这些跃迀的谱线很有可能在适当的等离子体条件或实验条件下被观测到。并且，对于所计算的E1跃迀数据，发现了几条谱线在实验观测波段范围内，并且跃迀几率很大，但却没有在先前的EBIT试验中被观测到。所以基于Flexible Atomic Code(FAC)用简单的碰撞辐射模型对这几条谱线进行了分析；
　　（3)W54+离子的激发态能级在j j耦合下混合比较严重，对此使用了原子态波函数中占较大分量的基函数共同标记能级解决了由于能级严重混合而引起的能级标记混乱问题，区分了实验上具有相同初末态标记的两条跃迀谱线。最后，在以上研究的基础上，预言了大量的有关W54+离子的原子数据，计算得到了W54+离子基组态和第一激发态共119个能级及其寿命和466个E1，2879个M1，4202个E2和660个M2跃迀数据。根据与已有实验和理论结果的对比及对跃迀几率在Babushkin和Coulomb两种规范下一致性的分析讨论，评估了所计算的原子数据的精度。结果表明：在当前计算中所提供的原子数据可满足等离子体建模所需要的精度。

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