基于K壳层和L壳层的光电离及高n Rydberg系列在类氖氩离子和钾离子中的研究

《Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena》：K- and L-shell photoionization and high-n Rydberg series in Ne-like aargon and potassium ions

　　

研究人员报告了类氖Ar⁸⁺和K⁹⁺离子的光电离与光吸收的精确原子数据。这些数据包括从1s²2s²2p⁶(¹S₀)基态到n = 20能级的各类Rydberg系列的电离阈值极限、跃迁能量、振子强度、辐射速率以及电偶极（E1）跃迁的量子缺陷。光电离和光吸收的计算是在柔性原子代码（Flexible Atomic Code, FAC）框架内采用的相对论组态相互作用（Relativistic Configuration Interaction, RCI）方法下进行的。所得2s2p⁶(²S_1/2)np和2s²2p⁵(²P)ns/nd共振系列的结果与Ar⁸⁺和K⁹⁺离子的现有文献值吻合良好。此外，研究人员报告了两种离子K壳层光电激发（1s2s²2p⁶(²S_1/2)np）的新计算结果。这些结果对于天体物理和聚变等离子体高分辨率光谱的建模、诊断和解释至关重要。

类氖离子（如Ar⁸⁺和K⁹⁺）由于其稳定的闭壳层电子结构，在等离子体物理学和天体物理学中具有重要意义。在天体等离子体中，从行星状星云和星系观测到的它们的发射线，提供了关于元素丰度、电离结构以及电离区域物理条件的关键信息。在托卡马克和恒星冕等环境中，对这些离子谱线强度和比例的测量为等离子体条件提供了重要的诊断手段。例如，Ar⁸⁺至Kr²⁶⁺的共振线与互组线强度比（即3C/3D线比）被用作验证碰撞-辐射模型和原子结构计算的基准。然而，观测与理论线比之间的差异（主要源于电子关联效应）限制了其诊断效用。以往的研究工作，如Simon等人使用电子束离子阱和同步辐射对N³⁺和Ar⁸⁺离子进行的实验测量，以及Schulz等人结合同步辐射与多通道量子缺陷理论（MQDT）、本征通道R矩阵方法等进行的理论与实验研究，为理解这些过程奠定了基础。理论方面，多项研究采用了高级方法来探究高电荷类氖离子的光电离，例如Goyal等人使用单位核电荷屏蔽常数（SCUNC）方法，Gao等人使用相对论原子结构程序包（GRASP2K）和相对论Dirac R矩阵（DARC）代码，Nrisimhamurty等人使用相对论多通道量子缺陷理论（RMQDT）和相对论随机相位近似（RRPA），以及Liang等人和Mohan等人利用R矩阵方法所做的工作。
尽管这些研究具有基础性，但仍存在关键的空白。一个重大且未解决的挑战是缺乏关于K壳层跃迁（1s→np）以及主量子数n > 10的更高Rydberg系列（2p→ns/nd）对中等原子序数Z类氖离子（例如Ar⁸⁺和K⁹⁺）的详细数据。这些特定跃迁对于解释现代空间天文台（如Chandra, XRISM）的高分辨率X射线光谱至关重要，但目前其数据仍不完整或不够详细。此前Alna’washi等人对较轻离子（Na⁺至Cl⁷⁺）的研究已开始解决这一问题，识别出1s→np共振，但这片关键领域对于天体物理上关键的离子Ar⁸⁺和K⁹⁺而言在很大程度上仍未被探索。
本研究扩展了Alna’washi等人先前的计算工作，以研究这两种离子的光电离和光吸收特性。研究人员采用了在柔性原子代码（FAC）中实现的相对论组态相互作用（RCI）方法，计算了主量子数范围在3 ≤ n ≤ 20的E1型2s → np、1s → np和2p → ns/nd跃迁的电离阈值、跃迁能量、振子强度、辐射速率和量子缺陷。
研究结果部分首先讨论了能量极限。表格1展示了Ar⁸⁺和K⁹⁺离子的1s²2s²2p⁵ (²P_3/2/²P_1/2)、1s²2s2p⁶ (²S_1/2)和1s2s²2p⁶(²S_1/2)能量极限，并与Liang等人、Nrisimhamurty等人、Simon等人、Gao等人、Sakho、Goyal等人以及NIST数据库的报道值进行了比较。对于Ar⁸⁺离子，研究人员的RCI计算得到的1s²2s²2p⁵ (²P_3/2/²P_1/2)阈值始终低于参考文献[10]、[11]、[21]中报告的值约4.51 eV。
结论部分总结道，本研究为类氖Ar⁸⁺和K⁹⁺离子的光吸收提供了全面而精确的原子数据，直接回应了等离子体光谱学的基本需求。利用RCI方法，研究人员计算了关键Rydberg系列的光谱参数，包括共振能量、振子强度和跃迁速率——重要的是，涵盖了先前未报道的K壳层（1s → np）和L壳层（2s → np以及高成员的2p → ns/nd跃迁）——直至n = 20。计算结果表明这些数据在建模和诊断天体物理及聚变等离子体高分辨率光谱方面至关重要。