高能电子轰击下钨原子K壳层电离的相对论性研究：三重微分截面与自旋不对称性分析

本研究针对核聚变装置中高能电子与钨原子相互作用的关键问题，采用相对论畸变波玻恩近似（rDWBA）方法，系统计算了250-700 keV能区钨原子K壳层电离的三重微分截面（TDCS）和自旋不对称性。研究通过共面非对称几何构型（Ehrhardt几何）获得与Schule-Nakel实验一致的数据，揭示了高能电子散射的量子动力学特征，为聚变堆材料设计和电子放射治疗提供理论支撑。

　　

在核聚变能源研究的浪潮中，钨金属因其卓越的耐高温性能和抗辐射特性，成为国际热核实验堆（ITER）等装置首选的面向等离子体材料。然而，聚变反应堆内部的高能电子（250-700 keV）与钨原子的碰撞过程，尤其是K壳层电离这一量子尺度现象，直接关系到等离子体稳定性与材料寿命。更令人惊讶的是，这种相互作用机制在医学放射治疗领域同样举足轻重——钨屏蔽材料对高能电子束的响应特性，直接影响放疗设备的精准度。

正是基于这些重大应用背景，来自SVKM's NMIMS大学和科学工程研究委员会（SERB）的研究团队Munendra Jain、Ghanshyam Purohit等人在《Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena》发表了突破性研究。他们采用相对论畸变波玻恩近似（rDWBA）这一尖端量子理论方法，首次系统计算了钨原子在250-700 keV高能电子轰击下的三重微分截面（TDCS）和自旋不对称性，填补了该能区实验数据的空白。

研究团队运用三大核心技术：1）基于共面非对称几何（Ehrhardt几何）的量子动力学模型，其中散射电子（小角度2°-14°）与出射电子存在显著能量差；2）完全相对论性处理方案，考虑K壳层70 keV高结合能特性；3）并行计算框架解决高维数值积分难题。这些方法有效规避了交换振幅和碰撞后效应的干扰，使得理论预测与Bonfert等人的金原子实验数据高度吻合。

理论创新
通过建立包含长程库仑势的相对论多体模型，研究首次阐明在500 keV入射能量下，钨原子K壳层电离的角分布呈现独特的双峰结构。这种特征源于相对论效应导致的电子自旋-轨道耦合增强，与早期Schule-Nakel实验观察到的现象形成量子力学印证。

关键发现
在2°-14°散射角范围内，TDCS曲线出现显著的振荡特征，这被归因于高速电子与原子核库仑场的相对论性衍射效应。特别值得注意的是，14°散射角下的自旋不对称性达到0.32，表明自旋极化电子束在钨材料中具有显著的手征选择性，这一发现对开发新型自旋分辨探测器至关重要。

技术突破
研究团队开发的并行算法将传统计算效率提升40倍，使得700 keV能区的TDCS计算成为可能。计算中严格考虑了狄拉克方程描述的束缚态波函数和连续态波函数的耦合效应，其精度达到原子单位制（?=m_e=c=1）下的相对论量子电动力学要求。

这项研究的里程碑意义在于：首次建立适用于聚变堆极端环境的高精度电子-钨相互作用数据库，其理论框架已被证实可推广至金（Au）等重元素体系。在应用层面，研究不仅为ITER装置等离子体诊断提供关键散射截面数据，更开创性地指出：通过调控电子束入射能量（250-700 keV）和角度（2°-14°），可实现对钨材料微观损伤的精准监控。这些发现同时为医用电子直线加速器的屏蔽优化开辟了新思路，标志着原子物理与核工程、放射医学的交叉研究进入新纪元。