宇宙中95%以上的可見物質都處於等離子體狀態，在恆星、超新星遺蹟、星系、行星狀星雲、X射線雙星和活動星系核等研究中均涉及等離子體原子物理過程。隨著X-ray天文望遠鏡的發展，近十幾年來，人們利用太空天文臺的觀測數據結合理論模型可以得到天體等離子體的密度、溫度、元素豐度、電離平衡及電子速度分布等關鍵信息，從而能夠深入理解天體形成及演化規律。電子-離子複合是等離子體環境中重要的碰撞反應之一，精確的電子-離子複合速率係數是天體物理和聚變等離子體建模最基本的輸入參數之一。雙電子複合過程伴隨的退激輻射往往可以作為診斷等離子體中電子溫度、密度的有效探針。同時，由於雙電子複合是一個共振過程，共振峰結構中包含了離子的能級結構信息，通過精密的雙電子複合速率係數的測量，可以解析出靶態離子激發態能級結構，進而開展如QED檢驗、同位素移動測量、超精細誘導躍遷壽命測量等系列基礎前沿研究。
重離子儲存環結合電子冷卻裝置為開展高電荷態離子雙電子複合精密譜學實驗研究提供了較好的實驗平臺。基於重離子儲存環開展的電子離子複合精密譜學實驗具有較高的能量分辨，且其電子-離子相對能量可大範圍精密調製，是唯一能夠精確測量低能碰撞複合截面關鍵數據的實驗方法，尤其在相對碰撞能量較低的範圍內，儲存環雙電子複合實驗具有獨特優勢。近幾年，基於儲存環DR精密譜學研究發現，對於具有複雜結構的離子，過去的理論方法無法給出可信的DR速率係數，很多計算結果甚至比實驗低兩個數量級。
近日，中國科學院近代物理研究所科研人員聯合中國科學技術大學、復旦大學、英國思克萊德大學等單位的科研人員，基於蘭州重離子加速器冷卻儲存環HIRFL-CSRm，開展了類碳鈣離子40Ca14+和類納氪離子86Kr25+的雙電子複合精密譜學實驗，獲得了質心系碰撞能量為0-90 eV範圍內的電子離子複合絕對速率係數，並將實驗結果與最新的理論Flexible Atomic Code (FAC) 和AUTOSTRUCTURE計算的結果仔細對比，解析出每個共振結構的來源。同時，從雙電子複合速率係數得到了可用於等離子體建模的等離子體速率係數，並與此前的理論數據作了對比研究。如圖1所示，對於Ca14+離子，發現之前用於理論建模的光電離等離子體溫度區間的速率係數計算結果比本次實驗結果小兩個數量級。如圖2所示，對於Kr25+離子，發現電子關聯在DR低能段具有重要的貢獻，理論計算必須考慮混合能級的強耦合效應。實驗獲得的DR精密譜可用於研究高電荷態離子的能級結構從而檢驗各種原子物理結構計算的理論方法，並可為天體和聚變等離子體診斷和建模提供高精度的基本輸入參數。相關研究成果發表在 （ApJ 905 (2020) 36） 和 （Phys. Rev. A 102 (2020) 062823）上。研究工作得到科學技術部重點研發計劃、國家自然科學基金項目、中科院戰略性先導科技專項（B類）、中科院前沿科學重點研究計劃項目，以及中科院青年創新促進會的支持。
圖1.類碳Ca14+離子的雙電子複合精密譜和等離子速率係數。（左圖）為0-90 eV範圍內複合速率係數譜，灰色陰影為實驗測量結果，藍色和紅色實線分別為FAC和AUTOSTRUCTURE理論計算結果，豎線為理論計算各共振態結構。（右圖）為等離子體速率係數，黑實線為實驗結果，其他數據為此前的理論計算結果。
圖2.類鈉Kr25+離子的雙電子複合精密譜和等離子速率係數。（左圖）為0-15 eV範圍內複合速率係數譜，黑色實線為實驗測量結果，紅色虛線和藍色點線分別為FAC和AUTOSTRUCTURE理論計算結果，藍色陰影代表Δn=1的躍遷貢獻，豎線為理論計算各共振態結構。（右圖）為等離子體速率係數，黑實線為實驗結果，其他數據為理論計算結果。
【來源：中國科學院科技產業網】
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