Density and field effect on electron-ion collision cross-sections in hot dense plasmas
Etude de l'influence de l'environnement plasma sur les sections efficaces d'excitation collisionnelle électron-ion dans un plasma chaud et dense
Résumé
Collisional excitation cross-sections are essential for the modeling of the properties of non equilibrium plasmas. There has been a lot of work on electron impact excitation of isolated ions, but in dense plasmas, neighboring particles are expected to widely disturb these electron transitions in atoms. Plasma modeling through a radially perturbated potential has already been done but is not satisfactory as it does not account for levels degeneracy breaking and its consequences. Introduction of a quasistatic electric microfield of neighboring ions allows us to break spherical symmetry. Our original theoretical study has given birth to a numerical code that accurately computes collisional strengths and rates (in the Distorted Waves approach) in atoms submited to a realistic microfield. Hydrogen- and helium-like aluminium is studied. Stark mixing widely increases rates of transitions from high l levels and forbidden transitions are field-enhanced by many orders of magnitude until they reach allowed ones. Eventually, we conduct an elementary stationary collisional radiative study to investigate field-enhancement effects on corresponding line shapes. In cases we study (aluminium, hydrogen- and helium-like) we find a relatively weak increase of K-shell line broadening.
Les sections efficaces d'excitation collisionnelle sont des ingrédients essentiels dans la modélisation des propriétés radiatives d'un plasma hors équilibre thermodynamique. Dans le cas où le système électron-ion peut être considéré comme isolé, diverses méthodes quantiques issues de la théorie de la diffusion existent pour traiter correctement ce problème. Dans un plasma dense, on s'attend à ce que les particules voisines perturbent considérablement ces transitions. La modélisation du plasma par l'intermédiaire d'un potentiel perturbateur purement radial à déjà été effectuée, mais elle n'est pas satisfaisante pour les excitations collisionnelles car elle ne parvient à rendre compte ni de la levée de dégénérescence des niveaux ni de ses conséquences. Nous avons levé la "symétrie sphérique" en introduisant le microchamp électrique quasistatique produit par les ions voisins. Cette étude théorique inédite nous a permis de réaliser un code numérique, calculant automatiquement les forces de collision et taux collisionnels d'ions complexes de manière précise (Distorted Waves) en présence d'un microchamp reproduisant fidèlement la réalité. Nous avons appliqué cette étude au cas de l'Aluminium hydrogénoïde et héliumoïde. La prise en compte du microchamp électrique sur les sections efficaces d'excitation collisionnelle fait apparaître notablement les transitions issues d'états de moment angulaire élevé. En particulier, les sections efficaces de transitions interdites en l'absence de microchamp augmentent de plusieurs ordres de grandeur en sa présence et deviennent de l'ordre de celles des transitions autorisées. Nous avons, en outre, réalisé un code collisionnel-radiatif stationnaire élémentaire pour évaluer l'influence de ces modifications sur les profils de raies correspondants. L'importance de l'effet précédent n'élargit, cependant, que légèrement les raies Lyman beta, gamma et Helium gamma.