W54+离子E1、M1跃迁谱的理论研究

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高Z的钨元素,具有高的熔点(3695 K)、导热性能良好、低的氘氚溅射率和滞留率、较低的氘氚沉积效应等优异的化学物理性质和工程热物理性质,被选定作为国际热核聚变实验堆(ITER)等离子体面壁材料。在聚变反应过程中,装置面壁材料中的钨和边缘等离子体会不可避免的发生相互作用并有可能将面壁材料中的钨原子电离成为钨离子进入等离子体中。这些被引入的杂质钨离子可能会被输运到高温的等离子体芯部,进一步电离产生更高离化态的钨离子。即使在温度极高的(Te=25 keV)聚变等离子体中,钨原子也不能被完全电离。未完全电离的高离化态钨离子可能辐射出高能光子(如EUV射线及X射线),导致巨大的辐射损失,从而降低等离子体的温度,消耗等离子体的总功率。若装置中钨杂质离子的含量超过10-5,会引起等离子体熄灭,导致聚变过程中断。因此,监测和控制钨杂质离子流对于实现和维持稳定的聚变反应非常重要。作为此基础,钨离子的能级,辐射跃迁性质及光谱特性就具有非常重要的研究价值。本文基于相对论组态相互作用方法(RCI)和扭曲波方法,应用Flexible Atomic Code(FAC)程序包,对W54+离子的基组态([Ne]3s23p63d2)、第一激发态([Ne]3s23p53d3)之间的E1、M1跃迁谱开展了理论研究。主要内容包括:1、基于磁约束聚变的应用,研究钨的基本数据如能级结构、辐射跃迁性质、光谱性质具有非常重要的科学意义和潜在的应用价值。利用RCI方法,对W54+离子的基本原子数据进行计算。2、利用RCI方法计算了W54+离子第一激发态3s23p53d3和基组态3s23p63d2的能级结构、辐射跃迁几率和电子的碰撞激发截面等基本的原子数据,在准稳态近似下的条件下,包括自发辐射跃迁、碰撞激发(退激发)过程,分别构建了在EBIT、LTE等离子体中的碰撞辐射模型,计算了E1、M1辐射跃迁谱线的强度.计算结果很好的重现了在不同EBIT实验中所观测到的E1、M1跃迁谱线,目前计算的结果与其他理论计算的结果均吻合的较好。本文结果确认了以前EBIT实验中观测到的3条波长分别为31.400?,31.522?,31.787?的跃迁线是来自于W54+离子的第一激发态3s23p53d3和基组态3s23p63d2能级之间的E1跃迁:[((3p21/23p33/2)3/2(3d23/2)0)3/23d5/2]3→[3p63d23/2]2,[((3p21/23p33/2)3/2(3d23/2)2)5/23d5/2]2→[3p63d23/2]2,[((3p21/23p33/2)3/2(3d23/2)2)7/23d5/2]1→[3p63d23/2]2。同时,解释了部分具有较大跃迁几率的E1跃迁在以前的EBIT实验中未被观测是因为退激发布居流明显大于激发布居流而导致这些跃迁激发态上能级布居数很少。3、在此基础上,进一步研究了W54+离子基组态的M1跃迁谱,确认了波长分别为14.986nm,17.144nm,19.268nm的跃迁线是来自于W54+离子基组态3s23p63d2内的能级之间的M1跃迁(3/2,5/2)2→(3/2,3/2)2,(3/2,5/2)3→(3/2,3/2)2,(3/2,5/2)1→(3/2,3/2)0。同时,本文还发现在类似的EBIT实验条件下还应该有一条波长为14.154nm的跃迁应该可以在EBIT光谱中被观测到,而在密度更高的、自由电子能量分布函数满足麦克斯韦分布的等离子体中其他的E1和M1跃迁都有可能被观测到。
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