何新 江涛 高城† 张振福 杨俊波

1) (国防科技大学文理学院, 长沙 410073)

2) (中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所, 绵阳 621000)

获得粒子能级布居是研究非平衡等离子体辐射性质的一个重要方面. 对于复杂三维等离子体, 采用细致碰撞辐射模型虽然精确, 但计算耗费大. 本文提出了一种束缚态特征温度法, 能够快速计算得到非平衡等离子体中的粒子能级布居. 对非平衡氖等离子体算例的研究表明, 本文方法是有效的, 在等离子体非平衡程度不太高时与碰撞辐射模型符合较好. 在计算效率上, 本文方法比碰撞辐射模型至少提高了3000倍, 可极大节约计算资源和成本, 在工程计算中有重要实际意义.

1 引 言

在天体物理、X射线激光物理和约束聚变等领域中[1], 常常需要掌握等离子体的辐射特性, 进而研究其中辐射的输运与分配[2]. 为了获得辐射参数,必须知道等离子体中粒子的能级布居.

对局域热动平衡(local thermodynamic equilibrium, LTE)等离子体, 通过求解Saha方程可方便地得到粒子能级布居[3]. 然而, 很多情况下的等离子体处在非局域热动平衡状态(non-LTE, NLTE)[4].计算NLTE等离子体中的粒子能级布居是辐射特性研究必须面对的问题.

碰撞辐射(collisional-radiative, CR)模型是常用的NLTE等离子体的计算模型, 该模型考虑等离子体中所有碰撞和辐射等微观原子过程, 建立能级布居速率方程组并进行求解[5]. 根据原子参数的精密程度, 研究者发展了基于不同层次的CR模型, 如平均原子模型[6-9]、超组态模型[10-14]、细致组态模型……