Введение к работе
Актуальность работы
В последние годы был достигнут значительный прогресс в развитии как теоретических, так и экспериментальных методов изучения структуры и динамических свойств атомных систем с небольшим числом электронов. Оказалось, что исследование этих систем, предоставляет уникальный инструмент для исследования фундаментальных взаимодействий в области низких энергий. Благодаря небольшому числу электронов, многозарядные ионы представляют собой относительно простую систему, позволяющую точное теоретическое описание. Связанные электроны движутся во внешнем электромагнитном поле ядра, которое может быть очень сильным при большом заряде ядра. Если суммарный заряд электронов мал по сравнению с зарядом ядра, то эффект экранирования тоже мал. В частности, в тяжёлых ионах, таких как уран, электрическое поле ядра превосходит по силе другие искусственные электрические поля, доступные в лабораториях. Соответственно, многозарядные ионы представляет собой природную систему для изучения квантовой электродинамики (КЭД) в очень сильных внешних полях. Наиболее точное и строгое теоретическое описание многозарядных ионов разработано в рамках КЭД. В тяжелых многозарядных ионах все обычные КЭД эффекты значительно усиливаются и могут заметно превышать экспериментальную точность. Для теоретического описания многозарядных ионов используется ряд методов; все они основаны на КЭД теории возмущений. Теоретическое и экспериментальное исследование многозарядных ионов постоянно требует дальнейшего развития и уточнение КЭД методов, используемых в расчётах, вместе с соответствующими тестами и оценками точности используемых приближений. Применение различных КЭД методов для вычисления определённых эффектов может стать довольно сложным, и, соответственно, появляется необходимость либо разрабатывать новые техники в рамках существующих методов, либо разрабатывать альтернативные подходы. Метод, развитию которого посвящена настоящая диссертация, наиболее тесно связан с теорией контура спектральной линии в КЭД.
Цель работы
Основной целью данной работы является разработка метода (метода контура линии) для описания структуры и динамических свойств многозарядных ионов в рамках КЭД.
Точные вычисления свойств многозарядных ионов необходимо проводить в рамках КЭД. Методы расчёта свойств многозарядных ионов основываются на КЭД теории возмущений и сводятся к вычислению различных поправок. Для вычисления различных КЭД поправок необходимо развитие соответствующих методов. Уже во втором порядке теории возмущений поправки к энергии выводятся нетривиальным образом. Особое внимание надо уделять вычислению приводимых частей фейнмановских графиков, вкладам ссылочных состояний. Относительно большой вклад дают приводимые части поправок в третьем порядке теории возмущений. Применение метода контура линии позволяет получать выражения для различных поправок в виде, пригодном для численного расчёта.
В случае квазивырожденных уровней для вычисления поправок к энергии необходимо развивать квазивырожденную теорию возмущений. Это было сделано в рамках метода контура линии. В частности, при расчётах учитывались вклады брейтовских ширин и, где необходимо, вклады оже-ширин.
Метод контура линии был обобщён для вычисления вероятностей перехода в многозарядных ионах, при этом учитывался вклад всего спектра уравнения Дирака, включая отрицательно частотные состояния и эффект запаздывания. Для вычисления вероятностей перехода между квазивырожденными уровнями, необходимо было применять квазивырожденную теорию возмущений.
При исследовании процесса диэлектронной рекомбинации электронов с Н-подобными ионами метод контура линии, изначально сформулированный только для описания связанных состояний, необходимо было обобщить на случай присутствия свободных электронов в начальном состоянии системы. Для описания этих автоионизационных состояний, ответственных за процесс диэлектронной рекомбинации, надо было применять квазивырожденную теорию возмущений.
При исследовании процесса рекомбинации электронов с He-подобными ионами и рассмотрении резонансного канала, диэлектронной рекомбинации, необходимо точно описывать трёхэлектронные автоионизационные состояния, ответственные за процесс диэлектронной рекомбинации. В работе было обнаружено, что для трёх-электронных автоионизационных состояний важную роль играют брейтовские ширины. Для их учёта метод контура линии был обобщён на случай квазивырожденных трёхэлектронных состояний.
При исследовании процесса потери электрона многозарядными ионами в столкновениях с атомными частицами особый интерес представляет резонансный канал этого процесса. В этом резонансном канале потеря электронов идёт через возбуждение иона в одно из автоионизационных состояний и последующий оже-распад
этого состояния. При теоретическом описании этого процесса возникают две сложности. Во-первых, это необходимость точного учёта оже-ширин для автоионизационных состояний, которые, как правило, являются квазивырожденными состояниями, и их описание требует квазивырожденной теории возмущений. Во-вторых, описание образования автоионизационных состояний в результате взаимодействия многозарядного иона с атомной частицей, рассматриваемого как возмущение, требует учёта как первого, так и второго порядков теории возмущений. Для теоретического исследования такого процесса в рамках КЭД необходимо развитие соответствующих методов.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Разработан метод контура линии, применяемый для описания многозарядных ионов в рамках КЭД теории. Метод контура линии может применяться для исследования уровней энергии и вероятностей перехода в многозарядных ионах. Также продемонстрирована возможность применения метода контура для описания процессов электронной рекомбинации с многозарядными ионами и процессов потери электронов многозарядными ионами в столкновениях с атомными частицами.
-
В рамках метода контура линии произведён КЭД расчёт уровней энергии двух и трёхэлектронных ионов. Рассматривались, в частности, квазивырожденные состояния. При расчёте энергий дважды возбуждённых состояний были исследованы вклады брейтовских ширин и оже-ширин.
-
Произведён строгий КЭД расчёт вероятностей перехода в He-подобных ионах. В частности, были изучены вероятности переходов между квазивырожденными уровнями. Исследовано значение брейтовского взаимодействия для вероятностей перехода.
-
В рамках метода контура линии произведён точный КЭД расчёт дифференциального сечения диэлектронной рекомбинации с Н-подобными ионами урана. Отдельно исследовался вклад брейтовского взаимодействия и вклады высших мультиполей излучённого фотона. Исследованы поляризационные свойства излучённого фотона.
-
Произведён строгий КЭД расчёт сечения процесса диэлектронной рекомбинации с He-подобными ионами урана. Исследован вклад брейтовского взаимодействия и брейтовских ширин на сечение рекомбинации. Исследовано вли-
яние поляризации налетающего электрона на сечение рекомбинации с поляризованными ионами. Исследованы поляризационные свойства излучённого фотона.
6. Исследован процесс потери электрона He-подобными ионами Са и Zn в столкновениях (100 MeV/u) с голыми ядрами Ne и с атомами Ne. Особое внимание было уделено резонансному каналу потери электрона, в котором ион сначала возбуждается в автоионизационное состояние и затем происходит оже-распад. Исследована резонансная структура полного и дифференциального сечения потери электрона. Также исследована возможность экспериментального изучения данного процесса.
Научная новизна и практическая значимость работы
Разработан метод контура линии - метод для описания структуры и динамических свойств многозарядных ионов в рамках КЭД. В рамках метода контура линии разработана квазивырожденная теория возмущений. Продемонстрировано применение метода контура линии для КЭД расчётов энергий, включая квазивырожденные уровни, и вероятностей перехода. Метод контура линии применялся для описания процесса электронной рекомбинации, включая диэлектронную рекомбинацию, и процесса потери электронов многозарядными ионами, в частности описывался резонансный канал.
Метод контура линии применялся для расчёта уровней энергии многозарядных ионов. При расчёте энергий дважды возбуждённых состояний были исследованы вклады брейтовских ширин и оже-ширин. Было обнаружено, что брейтовские ширины оказывают значительное влияние на смешивание уровней и, тем самым, дают большой вклад в значения уровней энергии. Для случая многозарядных ионов со средними значениями заряда ядра оже-ширины оказываются важными для расчётов уровней энергии. Коэффициенты смешивания конфигураций и оже-ширины влияют друг на друга, поэтому для их вычисления необходим самосогласованный метод.
В рамках метода контура произведён строгий КЭД расчёт вероятностей перехода в He-подобных ионах. В частности, были изучены вероятности переходов между квазивырожденными уровнями. Исследовано значение брейтовского взаимодействия для вероятностей перехода.
В рамках метода контура линии произведён точный КЭД расчёт полного и дифференциального сечения диэлектронной рекомбинации с Н-подобными иона-
ми урана. Отдельно исследовался вклад брейтовского взаимодействия и вклады высших мультиполей излучённого фотона.
Исследован процесс диэлектронной рекомбинации с He-подобными ионами урана в рамках КЭД. Особое внимание было уделено изучению влияния брейтовского взаимодействия и брейтовских ширин на сечение рекомбинации. Также исследовано влияние поляризации налетающего электрона на сечение рекомбинации с поляризованными ионами и поляризационные свойства излучённого фотона.
Впервые исследован процесс потери электронов многозарядными ионами в столкновениях с атомными частицами. Также показана возможность экспериментального изучения данного процесса, например в GSI, Германия. В работе исследовался процесс потери электрона He-подобными ионами Са и Zn в столкновениях (100 MeV/u) с голыми ядрами Ne и с атомами Ne. Особое внимание было уделено резонансному каналу потери электрона, в котором ион сначала возбуждается в автоионизационное состояние и затем происходит оже-распад. Подробно исследована резонансная структура сечения потери электрона. Процесс исследовался как в системе покоя многозарядного иона, так и в системе покоя атома Ne.
Достоверность и апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались автором на международных конференциях (перечислены только устные и приглашённые доклады):
-
Mini-workshop on X-ray Spectroscopy at LEAF, 24-25th August 2017, Lanzhou, China
-
XXIX International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (XXIX ICPEAC), July 22-28, 2015, Toledo, Spain
-
24th International Symposium on Ion Atom Collisions (24th ISIAC), July 19-21, 2015, Barcelona, Spain
-
46th Conference of the European Group on Atomic Systems (46th EGAS), July 1-4, 2014, Lille, France.
-
21st International Conference on Spectral Line Shapes (21th ICSLS), June 3-9, 2012, St. Petersburg, Russia
-
Workshop on Precision Physics and Fundamental Physical Constants) (FFK 2011), 5-9 December, 2011, Dubna, Russia.
-
15th International Conference on the Physics of Highly Charged Ions (HCI2010), 30th August-3rd September, 2010, Shanghai, China
-
14th International Conference on the Physics of Highly Charged Ions (HCI2008), lst-5th September, 2008, Chofu, Tokyo, Japan.
Также результаты диссертации докладывались на семинарах кафедры квантовой механики СПбГУ.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1. O.Yu. Andreev, L.N. Labzowsky, G. Plunien, G. Soff,
Evaluation of the low-lying energy levels of two- and three-electron configurations for highly charged ions
- Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 205, 25-29, (2003).
2. O.Yu. Andreev, L.N. Labzowsky, G. Plunien, G. Soff,
Calculation of quasidegenerate energy levels of two-electron ions
- Physical Review A, 69, 062505(1-17), (2004).
3. O.Yu. Andreev, L.N. Labzowsky, G. Plunien, G. Soff,
Testing the time dependence of fundamental constants in the spectra of multicharged ions
- Physical Review Letters, 94, 243002(1-4), (2005).
4. O.Yu. Andreev, L.N. Labzowsky, G. Plunien, G. Soff,
Evaluation of quasidegenerate energy levels of two-electron configurations for multicharged ions
- Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 235, 51-54, (2005).
5. L.N. Labzowsky, D.A. Solovyev, G. Plunien, O.Yu. Andreev, and G. Schedrin,
Intensity distribution shift in multiple nonresonant photon scattering on the
hydrogen atom
- Journal of Physics B, 40, 525-535, (2007).
6. O.Yu. Andreev, L.N. Labzowsky, G. Plunien, D. A. Solovyev,
QED theory of the spectral line profile and its applications to atoms and ions
- Physics Reports, 455, 135-246, (2008).
7. O.Yu. Andreev, L.N. Labzowsky, G. Plimien,
QED calculation of transition probabilities in two-electron ions
- Physical Review A, 79, 032515(1-28), (2009).
8. O.Yu. Andreev, L.N. Labzowsky, A.V. Prigorovsky,
Line-profile approach to the description of the electron-recombination process for the highly charged ions
- Physical Review A, 80, 042514(1-14), (2009).
9. O.Yu. Andreev, L.N. Labzowsky, G. Plunien,
QED calculation of interelectron interaction corrections for transition probabilities in two-electron ions
- Journal of Physics: Conference Series, 163, 012014(1-4), (2009)
10. O.Yu. Andreev, L.N. Labzowsky, A.V. Prigorovsky,
Evaluation of the electron capture by the H-like Gd ion within line-profile approach
- Physical Review A, 83, 064501(1-4), (2011).
11. O.Yu. Andreev, L.N. Labzowsky,
QED theory of highly charged ions
-"Handbook for Highly Charged Ion Spectroscopic Research' (Chapter 14), Edited by Siegbert Hagmann; Taylor к Francis (2011); Print ISBN: 9781420079043; eBook ISBN: 9781420079050; DOI: 10.1201/Ы131915.
12. O.Yu. Andreev, L.N. Labzowsky, A.V. Prigorovsky,
Dielectronic recombination with one-electron highly charged ions
- Physica Scripta, T144, 014008(1-3), (2011).
13. E.A. Chernovskaya, O.Yu. Andreev, L.N. Labzowsky,
Radiative double-electron capture by bare nucleus with emission of one photon
- Physical Review A, 84, 062515(1-12), (2011).
14. E.A. Chernovskaya, O.Yu. Andreev, L.N. Labzowsky,
Cross section of double electron capture by bare nucleus
- Journal of Physics: Conference Series, 388, 062030(1), (2012)
15. O.Yu. Andreev,
QED calculation of cross section for resonant electron scattering on H-like ions
- Journal of Physics: Conference Series, 388, 062002(1), (2012)
16. O.Yu. Andreev,
QED theory of the spectral line profile for few-electron atoms and ions
- Journal of Physics: Conference Series, 397, 012001(1-7), (2012).
17. E.A. Mistonova, O.Yu. Andreev,
Calculation of the cross section of radiative double-electron capture by a bare nucleus with emission of one photon
- Physical Review A, 87, 034702(1-5), (2013).
18. O.Yu. Andreev, E.A. Mistonova, A.B. Voitkiv,
Relativistic transfer ionization and the Breit interaction
- Physical Review Letters, 112, 103202(1-5), (2014).
19. A. Bondarevskaya, E.A. Mistonova, K.N. Lyashchenko, O.Yu. Andreev, A.
Surzhykov, L. N. Labzowsky, G. Plunien, D. Liesen, F. Bosch, Th. Stohlker,
Method for the production of highly charged ions with polarized nuclei and zero
total electron angular momentum
- Physical Review A, 90, 064701(1-4), (2014).
20. K.N. Lyashchenko, O.Yu. Andreev,
Importance of the Breit interaction for calculation of the differential cross section for dielectronic recombination with one-electron uranium
- Physical Review A, 91, 012511(1-9), (2015).
21. A.A. Bondarevskaya, D.V. Chubukov, O.Yu. Andreev, E.A. Mistonova, L.N.
Labzowsky, G. Plunien, D. Liesen, F Bosch,
On the electric dipole moment of the electron and the P, T-odd electron-nucleus interaction in highly-charged heavy ions
- Journal of Physics B, 48, 144007(1-11), (2015).
22. K.N. Lyashchenko, O.Yu. Andreev,
Calculation of differential cross section for dielectronic recombination with one-electron uranium
- Journal of Physics: Conference Series, 583, 012005(1-4), (2015).
23. K.N. Lyashchenko, O.Yu. Andreev,
Calculation of differential cross section for dielectronic recombination with one-electron uranium
- Journal of Physics: Conference Series, 635, 052036(1), (2015).
24. O.Yu. Andreev, E.A. Mistonova, A.B. Voitkiv,
Correlated transfer ionization in relativistic collisions of highly charged nuclei with light atoms
- Journal of Physics: Conference Series, 635, 052076(1), (2015).
25. K.N. Lyashchenko, O.Yu. Andreev,
Calculation of differential cross section for dielectronic recombination with two-electron uranium
- Physical Review A, 94, 042513 (1-12), (2016).
26. K.N. Lyashchenko, O.Yu. Andreev, A.B. Voitkiv,
Effects of autoionization in electron loss from heliumlike highly charged ions in fast collisions with atomic particles
- Physical Review A, 96, 052702 (1-14), (2017)
27. A.A. Bondarevskaya, D.V. Chubukov, E.A. Mistonova, K.N. Lyashchenko, O.Yu.
Andreev, A. Surzhykov, L.N. Labzowsky, G. Plunien, D. Liesen, F. Bosch,
Considerations towards the possibility of the observation of parity nonconservation
in highly charged ions in storage rings
- Physica Scripta, 93, 025401 (1-16), (2018)
Личный вклад автора
Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причём вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены автором лично или совместно с его учениками.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 223 страницы, 82 рисунка и 9 таблиц. Список литературы включает 120 наименований.