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中Z元素等离子体开M壳层辐射不透明度的细致谱线模型研究

作　者: 靳奉涛
导　师: 袁建民
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 原子与分子物理
关键词: 辐射不透明度细致谱项模型细致能级模型原子能级振子强度平均原子模型透射谱温度诊断离子丰度等离子体
分类号: O536
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

本文发展了细致谱项模型和细致能级模型,系统研究了中Z元素等离子体开M壳层辐射不透明度以及高温、稠密等离子体温度诊断,研究内容具体归纳如下: 1、在细致谱项(detailed term accounting,DTA)模型中,使用MCHF方法计算原子的能级和跃迁振子强度,相对论效应通过Breit-Pauli修正考虑进来。通过大规模多组态相互作用(configuration interaction,CI)方法获得了精确的原子能级和束缚—束缚吸收截面。考虑了谱线的Doppler展宽和电子碰撞展宽机制,谱线线型采用Voigt线型函数。为了减少计算量,采用了细致组态模型计算原子的束缚—自由吸收截面。使用Kramers公式计算自由—自由吸收,使用Thompson散射公式计算自由电子对光子的散射。在局域热动平衡近似下,通过求解Saha方程得到等离子体的价态分布以及原子能级的占据数。使用Stewart-Pyatt模型计算了等离子体环境下原子电离能下降(ionization potential depression,IPD)。 2、发展了细致能级模型(detailed level accounting,DLA),原子数据通过全相对论的Dirac-Fock方程得到,在对中Z元素开M壳层组态的计算中,考虑了单组态内部的组态相互作用,以避免CI矩阵过大而使计算无法进行。发展了大规模并行计算程序,在消息传递接口(message passing interface,MPI)并行环境下,对原子结构计算程序GRASP进行了并行化,并行效率与计算节点数成正比关系。 3、以NaF等离子体为例,对国内不透明度研究方面的主要理论模型首次系统地、详细地进行了比较和讨论。对细致谱项模型、不可分辨跃迁系模型、细致组态模型以及平均原子模型计算的NaF等离子体在密度ρ=0.01g/cm~3,温度分别为T=40eV和T=50eV条件下的谱分辨不透明度和Rosseland、Planck平均不透明度进行了细致的研究。各个模型在谱的结构、谱线位置方面取得了很好的一致,说明在低Z元素原子能级、跃迁振子强度等方面的计算中,细致模型和统计模型都是比较成熟的。在平均不透明度的比较中,发现在T=40eV时各种理论模型的结果相符比较好,但是在T=50eV时,各种模型对Planck平均不透明度的计算存在较大差异。其中一个重要原因是,随着温度的升高,离子的束缚电子数目减少,相邻离子的谱线数目可能存在很大的差异,此时不透明度对等离子体价态分布非常敏感,在T=50eV时,各个模型对等离子体价态分布的计算出现了较大的差异,导致Planck平均不透明度有所不同。 4、在国内首次使用DTA模型研究了铁等离子体的辐射不透明度,揭示了多组态相互作用在不透明度计算中的效应。通过对Winhart等人的铁不透明度实验结果[G. Winhart et al., Phys. Rev. E53, R1332(1996)]的研究,揭示了多组态相互作用在不透明度计算中的重要作用,通过与OPAL结果的比较,发现包含了多组态相互作用的MCHF方法对能级的计算好于HF方法,采用MCHF方法得到的跃迁振子强度使得理论透射谱更接近实验数据。通过

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-11
第一章绪论  11-25
  1.1 国际上不透明度研究的历史与现状  11-16
  1.2 国内不透明度研究的概况  16-17
  1.3 本文的主要研究内容及方法  17-18
  参考文献  18-25
第二章辐射不透明度的理论方法  25-35
  2.1 局域热动平衡近似与辐射输运方程  25-27
  2.2 等离子体中基本的吸收过程以及辐射不透明度  27-28
  2.3 辐射不透明度的主要理论模型  28-30
  2.4 细致模型的理论方法  30-33
  本章小结  33
  参考文献  33-35
第三章局域热动平衡下的电离平衡  35-45
  3.1 Boltzmann激发公式和Saha方程  35-37
  3.2 混合物的Saha方程  37-38
  3.3 Saha方程的求解  38-40
  3.4 等离子体环境下的电离能下降  40-41
  3.5 CH棍合物电离平衡的求解  41-44
  本章小结  44
  参考文献  44-45
第四章原子的能级、跃迁以及谱线的展宽机制  45-62
  4.1 MCHF方法  45-50
  4.2 相对论Dirac-Fock方法  50-52
  4.3 组态近似下光电离截面的计算  52-53
  4.4 等离子体环境下的谱线展宽机制  53-56
    4.4.1 光谱线的自然增宽  53-54
    4.4.2 光谱线的碰撞增宽和Stark增宽  54-55
    4.4.3 多普勒(Doppler)增宽  55
    4.4.4 Voigt线型  55-56
  4.5 计算程序的并行化设计  56-60
    4.5.1 消息传递接口  57-58
    4.5.2 程序并行化  58-60
  本章小结  60
  参考文献  60-62
第五章 NaF等离子体L→M跃迁的辐射不透明度  62-73
  5.1 温度为50 eV，密度为0.01g/cm~3时NaF的辐射不透明度  62-65
  5.2 NaF等密度系列不透明度  65-67
  5.3 不同理论模型之间的比较  67-70
  本章小结  70-71
  参考文献  71-73
第六章铁开M壳层不透明度的研究  73-93
  6.1 组态的选择  73-74
  6.2 铁等离子体的束缚-束缚不透明度  74-76
  6.3 光电离截面的计算  76-79
  6.4 组态相互作用对不透明度的影响  79-83
  6.5 铁等离子体T=20 ev、ρ=10~(-4)g/cm~3的透射谱研究  83-85
  6.6 铁等离子体等密度系列不透明度的研究  85-91
  本章小结  91
  参考文献  91-93
第七章高温、稠密等离子体的温度诊断  93-123
  7.1 激光产生的铝等离子体温度诊断研究  93-99
  7.2 溴等离子体的开M壳层不透明度与温度诊断  99-108
  7.3 溴开M壳层不透明度DLA与AA模型的比较  108-112
  7.4 铌等离子体的温度诊断  112-114
  7.5 铁等离子体XUV能量区域的温度诊断  114-116
  7.6 铁等离子体价态分布的诊断  116-119
  本章小结  119-120
  参考文献  120-123
第八章结论与展望  123-128
  8.1 本文工作总结  123-125
  8.2 今后不透明度研究工作的展望  125-126
  结束语  126
  参考文献  126-128
致谢  128-129
攻读博士学位期间发表的论文  129-130

中Z元素等离子体开M壳层辐射不透明度的细致谱线模型研究

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