等离子体屏蔽对He2+与H原子碰撞电离微分截面的影响

何斌; 刘玲; 王建国; 丁丁; 张程华

doi:10.7498/aps.58.8419

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等离子体屏蔽对He2+与H原子碰撞电离微分截面的影响

何斌 , 刘玲 , 王建国 , 丁丁 , 张程华

流体、等离子体和放电

等离子体屏蔽对He2+与H原子碰撞电离微分截面的影响

何斌, 刘玲, 王建国, 丁丁, 张程华

物理学报. 2009, 58(12): 8419-8425.

doi: 10.7498/aps.58.8419.

摘要
应用经典径迹Monte Carlo（CTMC）方法研究了He2+与H原子在等离子体环境下的碰撞电离过程，计算了在5—400 keV/u的能区随等离子体屏蔽作用变化的碰撞电离总截面和一阶微分截面.等离子体中带电粒子之间的相互作用采用Debye-Hückel模型来描述.由于等离子体屏蔽效应的存在，靶中束缚态电子能级及其经典微正则分布以及入射离子与靶电子的相互作用都发生了变化，而这些变化会直接影响碰撞电离过程.研究发现，碰撞电离总截面随等离子屏蔽的增加而增大，特别是在10 keV/u以下的低能区电离截面有量级的增加.对随能量变化的一阶微分截面，在低能碰撞过程中，屏蔽作用增加，微分截面呈量级增加，高能碰撞微分截面呈倍数增加.同时，屏蔽作用导致电离电子向高能方向移动，随着碰撞能量的增加两体碰撞机制的贡献越来越大，并在较高的出射电子能量出现了一个新的峰.对无屏蔽的自由原子碰撞过程，CTMC方法计算出的电离总截面在碰撞能量大于70 keV/u的较高能区在实验误差内与实验测量结果符合很好，而在较低的能区比实验值小30%—50%.

关键词:
重粒子碰撞电离 /

等离子体屏蔽效应 /

经典径迹Monte Carlo方法 /

　Debye-Hückel模型
作者及机构信息
何斌¹,

刘玲¹,

王建国¹,

丁丁²,

张程华³

(1)北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088; (2)北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088；辽宁大学物理学院，沈阳 110036; (3)辽宁大学物理学院，沈阳 110036

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：10875017，10874062）和国防科技重点实验室基金（批准号：9140C690403080C69）资助的课题.
参考文献

施引文献

[1]	何斌, 刘春雷, 颜君, 王建国, 宁烨. He2+离子与H原子的重粒子碰撞电离过程. 物理学报, 2005, 54(7): 3075-3081. doi: 10.7498/aps.54.3075
[2]	胡亚华, 叶丹丹, 祁月盈, 刘晓菊, 刘玲. 质子与Be原子的碰撞电离过程研究. 物理学报, 2012, 61(24): 243401. doi: 10.7498/aps.61.243401
[3]	李铁城, 许政一. Debye-Hückel方程描写的离子导体对光、中子和电子束的准弹性散射. 物理学报, 1978, 159(2): 175-180. doi: 10.7498/aps.27.175
[4]	孙天淼, 祁月盈, 叶丹丹, 宁丽娜. Debye等离子体中高能H++H碰撞激发过程的研究 . 物理学报, 2013, 62(22): 223401. doi: 10.7498/aps.62.223401
[5]	郝莹莹, 孟秀兰, 姚福宝, 赵国明, 王敬, 张连珠. N2-H2容性耦合等离子体电非对称效应的particle-in-cell/Monte Carlo模拟. 物理学报, 2014, 63(18): 185205. doi: 10.7498/aps.63.185205
[6]	马燕云, 常文蔚, 银燕, 岳宗五, 曹莉华, 刘大庆. 等离子体粒子模拟中的一种碰撞模型. 物理学报, 2000, 49(8): 1513-1519. doi: 10.7498/aps.49.1513
[7]	张承福. 等离子体模型碰撞项的比较. 物理学报, 1986, 35(7): 947-952. doi: 10.7498/aps.35.947
[8]	段耀勇, 郭永辉, 邱爱慈, 吴刚. 碰撞辐射稳态等离子体电荷态分布的一种扩展模型. 物理学报, 2010, 59(8): 5588-5595. doi: 10.7498/aps.59.5588
[9]	章太阳, 陈冉. 东方超环（EAST）装置中等离子体边界锂杂质的碰撞-辐射模型. 物理学报, 2017, 66(12): 125201. doi: 10.7498/aps.66.125201
[10]	宋法伦, 曹金祥, 王舸. 弱电离等离子体对电磁波吸收的物理模型和数值求解. 物理学报, 2005, 54(2): 807-811. doi: 10.7498/aps.54.807
[11]	李林茜, 石雁祥, 王飞, 魏兵. 弱电离尘埃等离子体层反射与透射的SO-FDTD方法分析. 物理学报, 2012, 61(12): 125201. doi: 10.7498/aps.61.125201
[12]	张玉明, 张义门, 崔杰, 罗晋生. 3C-SiC体特性的Monte Carlo模型. 物理学报, 1997, 46(11): 2215-2222. doi: 10.7498/aps.46.2215
[13]	郭小明, 白秀庭. 建立低温等离子体理论模型的数学方法. 物理学报, 1995, 44(4): 565-569. doi: 10.7498/aps.44.565
[14]	周前红, 董志伟. 弱电离大气等离子体电子碰撞能量损失的理论研究. 物理学报, 2013, 62(20): 205201. doi: 10.7498/aps.62.205201
[15]	蒲以康, 谢卫平, 黄显宾, 杨礼兵, 蔡红春, 李晶. “碰撞-辐射”模型在Z箍缩等离子体K壳层线辐射谱分析中的应用. 物理学报, 2010, 59(11): 7922-7929. doi: 10.7498/aps.59.7922
[16]	庞学霞, 邓泽超, 董丽芳. 不同电离度下大气等离子体粒子行为的数值模拟. 物理学报, 2008, 57(8): 5081-5088. doi: 10.7498/aps.57.5081
[17]	冯贤平, 徐至展, 江志明, 张正泉, 陈时胜, 范品忠, 田莉, 周智锦. 等离子体中高阶电离离子的空间分布. 物理学报, 1988, 37(7): 1183-1187. doi: 10.7498/aps.37.1183
[18]	张剑波, 季达人. 三维随机点阵Ising模型的集团Monte Carlo方法模拟. 物理学报, 1993, 42(11): 1741-1746. doi: 10.7498/aps.42.1741
[19]	梁善勇, 王江安, 张峰, 吴荣华, 宗思光, 王雨虹, 王乐东. 基于舰船尾流激光雷达的Monte Carlo模型及方差消减方法研究. 物理学报, 2013, 62(1): 015205. doi: 10.7498/aps.62.015205
[20]	陆全康. 关于等离子体横越磁场的非经典扩散. 物理学报, 1978, 159(2): 229-232. doi: 10.7498/aps.27.229

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物理学报. 2009, 58(12): 8419-8425.

doi: 10.7498/aps.58.8419.

等离子体屏蔽对He2+与H原子碰撞电离微分截面的影响

1. (1)北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088; (2)北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088；辽宁大学物理学院，沈阳 110036; (3)辽宁大学物理学院，沈阳 110036

基金项目:

国家自然科学基金（批准号：10875017，10874062）和国防科技重点实验室基金（批准号：9140C690403080C69）资助的课题.

收稿日期: 2009-01-19
修回日期: 2009-02-11
刊出日期: 2009-12-20

摘要: 应用经典径迹Monte Carlo（CTMC）方法研究了He2+与H原子在等离子体环境下的碰撞电离过程，计算了在5—400 keV/u的能区随等离子体屏蔽作用变化的碰撞电离总截面和一阶微分截面.等离子体中带电粒子之间的相互作用采用Debye-Hückel模型来描述.由于等离子体屏蔽效应的存在，靶中束缚态电子能级及其经典微正则分布以及入射离子与靶电子的相互作用都发生了变化，而这些变化会直接影响碰撞电离过程.研究发现，碰撞电离总截面随等离子屏蔽的增加而增大，特别是在10 keV/u以下的低能区电离截面有量级的增加.对随能量变化的一阶微分截面，在低能碰撞过程中，屏蔽作用增加，微分截面呈量级增加，高能碰撞微分截面呈倍数增加.同时，屏蔽作用导致电离电子向高能方向移动，随着碰撞能量的增加两体碰撞机制的贡献越来越大，并在较高的出射电子能量出现了一个新的峰.对无屏蔽的自由原子碰撞过程，CTMC方法计算出的电离总截面在碰撞能量大于70 keV/u的较高能区在实验误差内与实验测量结果符合很好，而在较低的能区比实验值小30%—50%.

关键词:

English Abstract

Plasma screening effect on the differential cross sections of collision ionization of H by He2+

1.
(1)北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088; (2)北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088；辽宁大学物理学院，沈阳 110036; (3)辽宁大学物理学院，沈阳 110036

Received Date: 19 January 2009
Accepted Date: 11 February 2009
Published Online: 20 December 2009

Abstract: A classical trajectory Monte Carlo method is used to investigate the collision ionization of H by He2+ in Debye plasma, and the total and differential cross sections are obtained for collision energies of 5—400 keV/u in a large plasma parameter range. The interaction between charged particles is described by the Debye-Hückel model. Plasma screening changes the ionization energy and classical microcanonical distribution of bound electrons and the interaction between electron and the projectile, which result in the modification of ionization cross sections. It is found that both the total and differential cross sections increase with the increasing of screening interaction, and especially for energies below 10 keV/u, the cross sections are one to two magnitudes larger than those in the unscreened case. The emitted electron moves to the higher energy range, and the binary-encounter ionization mechanism becomes more important and a new hump appears due to the screening effect. Our unscreened cross section is in a good agreement with the experimental measurement for collision energies beyond 70 keV/u.

Keywords:

heavy-particle impact ionization /
plasma screening effect /
classical trajectory Monte Carlo method /
Debye-Hückel model

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(1)北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088; (2)北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088；辽宁大学物理学院，沈阳 110036; (3)辽宁大学物理学院，沈阳 110036

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Plasma screening effect on the differential cross sections of collision ionization of H by He2+

1.
(1)北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088; (2)北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088；辽宁大学物理学院，沈阳 110036; (3)辽宁大学物理学院，沈阳 110036

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(1)北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088; (2)北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088；辽宁大学物理学院，沈阳 110036; (3)辽宁大学物理学院，沈阳 110036

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等离子体屏蔽对He2+与H原子碰撞电离微分截面的影响

English Abstract

Plasma screening effect on the differential cross sections of collision ionization of H by He2+

1. (1)北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088; (2)北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088；辽宁大学物理学院，沈阳 110036; (3)辽宁大学物理学院，沈阳 110036

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