近日，我系魏宝仁教授课题组在高电荷态C4+离子与He, O2, N2和CH4等原子分子电荷交换绝对截面研究方面取得进展，相关成果发表在《Astronomy & Astrophysics》（天文学与天体物理学）上，该杂志是法国EDP Sciences出版社于1969年创刊的学术期刊，专注于天文学与天体物理学领域的研究。
太阳风中的高电荷态离子与行星大气或背景中性原子、分子之间的电荷交换过程，被认为是天体环境中软X射线和极紫外辐射的重要产生机制之一。电荷交换截面的测量对于理解太阳风等离子体的组成成分、离子速度分布以及诊断背景中性气体的密度等关键参数具有重要意义。随着高精度X射线探测卫星（XRISM）和太阳风离子观测卫星的相继发射，亟需获得高电荷态离子与复杂原子分子靶在宽能量域范围内相互作用的高精度原子数据，以用于天体观测光谱的重建和天体物理过程的深入解析。
图1. C4+离子与He碰撞单电子电荷交换总截面随能量变化曲线
图2. C4+离子与He碰撞单电子电荷交换量子态分辨的绝对态选择截面随能量变化关系
碳离子是太阳风的主要成分，其中四价碳离子（C⁴⁺）尤为丰富，占太阳风中碳元素丰度的约29%。C⁴⁺离子与行星中性粒子相互作用时可产生多条特征性X射线谱线。尽管已有若干关于C⁴⁺–He体系在低碰撞能区（＜6 keV/u）的实验研究，但在更高碰撞能量区域的实验数据仍十分匮乏。同时，对于行星外层稀薄气体主要成分（如O₂、N₂和CH₄等）与C⁴⁺离子的电荷交换截面研究也明显不足。
课题组利用复旦大学150 kV高电荷态离子碰撞平台的绝对截面测量系统和冷靶反冲离子动量谱仪，分别获得了2.3 ~ 33.3 keV/u碰撞能量下高电荷态C4+离子与He, O2, N2和CH4电子俘获绝对总截面和量子态分辨的电荷交换绝对截面。实验结果显示，电荷交换总截面与此前索邦大学和北京应用物理与计算数学研究所团队理论预言结果存在偏差，在入射离子能量为8 ~ 30 keV/u区间内尤为显著。为深入理解这一偏差的来源，课题组进一步利用冷靶反冲离子动量谱仪，对C⁴⁺离子与He碰撞后的电子俘获(nl)量子态分布进行了精细测量。结果表明，随着碰撞能量的升高，体系的主要俘获通道由低能区的2p态逐渐转变为高能区的3l态。这一通道演化机制导致了总电荷交换截面在中能区出现近似平台的变化趋势，而现有理论计算尚未能充分反映该机制。
我系博士研究生殷浩为论文第一作者，屠秉晟青年研究员和魏宝仁教授为通讯作者。工作获得了国家自然科学重点项目、国家重点研发计划，以及复旦大学核物理与离子束应用教育部重点实验室的支持。
文章连接: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202556536
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