J. Plasma Fusion Res. Vol.83, No.8 (2007)６５８‐６５９

小特集

多価イオン原子過程の基礎と拡がる応用研究
Fundamental Atomic Processes and Increasing Applicationsof Highly Charged Ions

１．はじめに中村信行
電気通信大学 レーザー新世代研究センター（原稿受付：２００
７年６月１４日）

本小特集では，良くも悪くもプラズマとの関わりが深い味を生むようになった．

「多価イオン」の基礎と応用についてご寄稿いただいた．多例えば多価イオン中の電子は，原子核の強いクーロン力

価イオンとは一般に「２価以上の正，負イオン」（物理学辞を感じながら光速に近い速度で運動しているため，その電典）のことであるが，ここでいう「多価イオン」とは，多子状態には相対論的効果，量子電磁力学的効果が顕著に現くの電子が剥ぎ取られた高電離原子イオンのことである．

れるようになる．したがって，少数電子系多価イオンの電それならば「高電離イオン」（英語ならば「highly ionized

子状態を調べることは，原子物理学における非常に基礎的ion」）と呼んだ方が意味がよりはっきりすると筆者は思うな重要課題であると認識されるようになった．残念ながらのだが，なぜか「多価イオン」（英語では「highly charged

本小特集では紙面の都合上そのような研究について取り上ion」）という言葉が広く使われているようなので，本稿でげることはできなかったが，興味のある方は参考文献［１］もそれに従うこととする．

〜［３］などをお読みいただきたい．

さて，そのような多価イオンはプラズマ中に多く存在す

多価イオンの魅力的な特徴として，非常に多彩なスペクる．特に，太陽コロナや核融合実験炉などの高温プラズマトル線を持つことも挙げられる．中性の原子だけを考えるには高度に電離された多価イオンが存在している．プラズと，自然界に存在する元素は９０ほどであり，不安定元素をマと多価イオンとの「良い」関わりの一つの例は，プラズ入れても１００を超えるほどしかない．そのような原子が出マ中に含まれる多価イオンの発光を観測することにより，すスペクトル線には限りがあるが，同じ元素であっても多そのプラズマの温度や密度をはじめとする様々なパラメー価イオンにすることによって，電離状態ごとに全く違ったタを知ることができることである（４．
１節）．この分光手法

スペクトル線を放つようになる（その意味で，多価イオンによるプラズマ診断（分光診断）は，「多価イオン応用」のは「新しい原子」であるとのキャッチフレーズもしばしば

代表的なものであり，歴史も古いが，現在でも様々な分野用いられる）．そのため，任意の元素の任意の電離状態を自のプラズマで活躍している．一方，プラズマと多価イオン由に手にすることができれば，任意の波長にスペクトル線との「悪い」関わりとしては，核融合プラズマ中に混入しを得ることができるといっても決して過言ではないし，当た不純物重元素多価イオンが X 線放射によりプラズマの温然それを光源として利用することも考えられており，研究度を下げるという放射冷却が挙げられる．つまり，核融合が進められている（４．
２節）．

にとって多価イオンは「邪魔者」であるが，その邪魔者の多価イオンのもう一つの大きな特徴は，非常に大きなポ特性を知ることが核融合の実現に不可欠であるとして，多テンシャルエネルギーを持つということである．そのため価イオンの関与する基礎素過程の研究が１９７０年代頃から広粒子や物質との相互作用において，他の粒子にはない反応く行われるようになった（２章）．当初はそのようないわばを示す．例えば固体表面との相互作用においては，多価イ受動的な興味から研究が始められたが，多価イオンの性質オン１個が固体表面の微小領域に劇的な変化をもたらすこが明らかになるにつれて，それ自身が非常に興味深い魅力とが可能である．その「変化」が具体的にどのようなもの的な特徴を持つと認識されるようになり，新たな能動的興か，あるいはそれを引き起こす物理的機構がどういったも

Fundamental Atomic Processes and Increasing Applications of Highly Charged Ions 1. Introduction
NAKAMURA Nobuyuki

author’s e-mail: n_nakamu@ils.ues.ac.jp

６５８!2007 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Special Topic Article

1. Introduction

N. Nakamuraのであるかは現在研究が進められている段階であり，理解小特集が多くの分野の研究者の目にとまり，多価イオンがされていないことも多いが，それをナノテクノロジーに応様々な分野と新たな「良い」関わりを持つ一助になれば幸用しようとする試みも既に始められており（４．
３節），またいである．

そのような応用実現のために，高品質多価イオンビームをなお，おおよそ１年後の２００８年９月１日から５日間にわ生成する技術的研究も精力的に進められている（４．
４節）．

たり，「第１４回多価イオン物理学国際会議」が東京都調布市

このように，プラズマ中の不純物として研究が始まったで開催される運びとなった．プラズマ分野の方々はもちろ

多価イオンであるが，それらの基礎研究を通して様々な魅ん，ぜひ多くの分野の方々に議論に加わっていただきた力が明らかになり，多方面の応用研究に拡がりつつある．

く，ご興味のある方は筆者までご連絡いただきたい．

本小特集では，そのような多価イオンの応用研究に着目し，それに付随する技術研究とともに４章に寄稿いただい参考文献た．また，その応用研究において重要となる基礎過程につ［１］大谷俊介，櫻井 誠：「電子ビームイオントラップを用いた多価イオンの研究」プラズマ・核融合学会誌 73,1063 (1997).
［２］中村信行，大谷俊介：「電子ビームイオントラップの開発と多価イオンの研究」日本物理学会誌 52, 919 (1997).
［３］加藤太治，大谷俊介：「電子ビームイオントラップを用いた多価イオン研究」日本物理学会誌 57, 890 (2002).

いて，最新の話題も交えて紙面の許す限り２章に寄稿いただいた．さらに，それらの基礎研究および応用研究を進めるためには何らかの方法で多価イオンを生成しなければならないことはいうまでもないが，その代表的な手法を３章にまとめた．各原稿を拝見させていただくと，紙面の都合上書き足りない部分が多々あるように見受けられるが，本６５９小特集用語解説
オージェ過程 Auger Process

配置間相互作用 Configuration Interaction

X 線や粒子線などの照射により内殻の電子が電離又は励複数電子系の波動関数を一電子軌道に基づいて表す

起してできた空孔に外殻の電子が落ち込み，同時に余った

Hartree-Fock や Dirac-Fock の方法では電子間の反発を正エネルギーを得た外殻の他の電子が放出される過程．１９２５

確に記述することはできない．この独立粒子モデルと現実

年に P. Auger がX線によるアルゴンの電離を研究しているの差である電子相関を補正するために最もよく用いられてときにこの過程を観測したのが最初である．内殻に空孔のいる方法は，直交する励起電子配置の波動関数との一次結在る状態が緩和するときには，電子放出（オージェ過程）の合を作るものである．一般に導入する励起電子配置の数が他に X 線放射による過程がある．X 線放射の速度は原子番多いほど正確な波動関数が得られる．これを配置間相互作

号とともに増加するが，電子放出の速度は原子番号に対す用の方法と呼ぶが，離散状態ばかりでなく連続状態も取りる依存性が弱い．よって，一般に重い原子ほどオージェ過入れる場合もある．何れも実体のある相互作用ではなく，程の確率は小さい．

独立粒子近似がもたらした概念であることに留意すべきである．

完全実験（完全衝突実験）
Perfect（or Complete）Scattering Experiment

オパシティ Opacity

衝突後に生成された全ての粒子に対し，粒子の種類・内物質に固有な光の不透明度．光の波長の関数で，可視か部量子状態・運動量（角運動量）等の情報を取得しながら，ら X 線領域では原子の電子遷移（束縛−束縛，束縛−自由，特定の反応断面積を測定すること．B. Bederson によって自由−自由遷移）が主要な寄与をする．プラズマ中の多価名づけられた．例えば，スピン偏極原子に偏光放射光を入イオンのアバンダンスやポピュレーションによって決ま射し，電離された２つの電子に対する角度・エネルギー分り，電子温度，電子密度および媒質がさらされている輻射

解の微分断面積を同時計測すれば，原子の二重電離に対すの強度とスペクトルに依存する．オパシティという場合る完全実験を行うことができる．重粒子衝突では粒子内のは，吸 収 係 数 $［/cm］
に対して密度で規格化した値電子状態まで決定することは困難だが，粒子間の衝突動力%κ!$!
［cm2/g］がしばしば用いられる．プラズマの光学的学に関する完全実験（kinematically complete experiment）

厚みκ%##"!が輻射によるエネルギー輸送が重要になるは既に実現している．

条件の指標になる．

前期解離 Pre-Dissociation

集束イオンビーム Focused Ion Beam, FIB

分子が一旦，結合性の励起状態をとった後，別の解離性細く集束したイオンビームを試料表面上で走査することの状態に乗り移って解離する現象．引力型のポテンシャルにより，イオンのスパッタ効果で試料表面を加工したり，曲面が斥力型のポテンシャル曲面と（擬）交差しており，交二次電子を検出して顕微鏡像を観察する装置．鋭利な金属差点で引力型から斥力型へ乗り移るような場合に前期解離

針の先端に液体金属ガリウムを流し，電界イオン化で針のが起こる．交差点より高いエネルギーを持つ結合性の状態先端だけからイオンを生成させることにより，10 nm 以下は前期解離により寿命が短くなるため，不確定性関係よの像分解能を実現している．また，化合物ガスを試料表面り，そのエネルギー準位の幅が広がる．このため，前期解のイオンビーム照射領域近傍に吹き付けることでデポジ離が起こると，交差点より高い準位の振動・回転スペクトション機能も持たせることができ，膜堆積のみならず円筒ルがぼやける，または，ほとんど消失する．

形状などの３次元構造の製作も可能である．

UTA Unresolved Transition Array

走査トンネル分光
Scanning Tunneling Spectroscopy, STS

多電子，多価電離イオンの発光線は，しばしば多数の微細構造ラインに分裂する．UTA は Unresolved Transition

STM において，探針を試料表面上１ナノメートル程度

Array の 略 で，微 細 構 造 ラ イ ン の 間 隔 が 線 幅 よ り も 狭の高さに保ち，バイアス電圧（"）の関数として微分トンネ

く，個々のラインが分離できない条件で観測される疑似連ルコンダクタンス（"!!
""）を測定することで表面の電子状続スペクトル，あるいはそのようなスペクトルの中心波長態密度が測定できる．また，探針を走査しながら "!!
""と幅や形状を定義して解析する方法を指す．動径波動関数

測定することで原子スケールの位置分解能で電子状態密度が得られている時に，形状をガウシアン分布と近似して中のマッピングを行うこともできる．さらには，スピン偏極心波長と幅を角運動量の代数で求める手法があり，複雑なした表面準位付近で STS 測定することにより表面磁性を構造を持つスペクトルを理論的に再現するために役立つこ調べたり，２回微分信号をロックイン検出することで非弾とが知られている．

性トンネル過程による吸着分子の振動励起を観測すること
６９５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.83, No.8 August 2007

抵抗冷却法 Resistive Cooling Methodも可能である．

電磁トラップの電極群には捕捉した多価イオンの鏡映電蒸発冷却法 Evaporative Cooling Method

荷が誘起されるが，その大きさはイオンの熱運動のために電磁トラップのポテンシャル障壁内に閉じ込められた多時間的に変動し，電極間を流れる電流を誘起する．抵抗冷

価イオン群は，イオン同士の衝突を通して熱平衡状態に向却法とは，イオンの熱運動が誘起した電流（電力）を抵抗かう．その際，一部のイオンはポテンシャル障壁以上の運により消費することにより，イオンを冷却する手法をい動エネルギーを獲得してトラップから脱出（蒸発）するこう．通常，イオンの閉じ込めポテンシャルを（ペニングトとがあれば，後に残るイオン群の平均運動エネルギーは減ラップのように）調和振動子型にして，電極間に誘起する少することになる（冷却）．このような原理に基づいた冷却

電流の周波数をイオン温度と無関係に一定となるようにす法を，蒸発冷却法と呼ぶ．一般に，ポテンシャル障壁の大る．電極間には，同じ周波数で共振する回路を接続して，きさはイオンの価数に比例するので，価数の異なるイオンイオンが誘起した電流（電力）を効率的に消費する工夫を群を混合した状態で蒸発冷却する場合には，価数の低いイ行う．抵抗冷却法は，冷却速度が比較的遅いとされているオン群が早く蒸発し，価数の高いイオン群が効果的に冷却が，冷却中にイオンを失わないという利点を持つ．

されることになる．

６９６

!!
なかむらのぶ

小特集執筆者紹介

ゆきさ

中 村 信 行

なべ

ひろふみ

た

科学技術振興機構研究員．博士（工学）．主な研究分野は多価イオンが関わる原子過程．
特に今は多価イオンが固体表面に衝突した際起きる現象に興味を持っている．家族は秘境好きの妻と今年産まれたばかりの息子．現在の楽しみは息子との入浴と週末の散歩．
とうだいじ

１
９９
７年 電 気 通 信 大 学 大 学 院 修 了．理 学 博士．旧科学技術振興事業団「多価冷イオンプロジェクト」
研究員，核融合科学研究所 COE研究員を経て，現在，同研究所助教．研究内
容は，プラズマ及びプラズマ‐壁相互作用における原子分子過程，原子分子データベース，第一原理分子動力学による炉材料の水素照射効果モデリング等．
はしけん

ひろはじめ

肇

きあきら

佐 々 木

さ明

１９６
１年８月２７日生，工学博士（東京工業大学），日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門勤務．EUV 光源の研究開発において，プラ ズ マ 原 子 分 子 過 程 の 計 算 機 シミュレーション解析を行っている．原子分子物理の知識をデータベース化し，その反応特性，分光学的特性を予測して高精度のプラズマモデルを構築する，原子分子インフォマティ
クスへの展開に興味を持っている．
連絡先 sasaki.akira@jaea.go.jp ホームページ http://web.
mac.com/s0827/

じ東京農工大学大学院工学研究科電子情報工学専攻博士前期課程修了後，１９９１年株式会社 東 芝 総 合 研 究 所（現，研 究 開 発 セ ンタ ー）に 入 社，１９９３年 東 京 農 工 大 学・助手，２００
７年同大学院共生科学技術研究院・助教．工学博士．現
在の専門は，電子・イオン衝突による分子や固体表面からの二次粒子放出過程の実験的研究．小学三年生から始めたテニスのキャリアは長いが，試合には弱い．家族は妻と子供二人．
うえぬま田 沼さ本 橋 健 次さかのり

１９８９年東北大学大学院理学研究科化学専攻博士課程後期修了，理学博士．日立製作所中央研究所において電子放出材料の研究に従事した後，１９９２年から東京都立大学理学部物理学科助手．現在は首都大学東京准教授．専門分野は原子分子物理．特に meV から MeV までの低エネルギー領域におけるイオン衝突実験．イオンスオーム，多価イオン分光，静電型イオン蓄積リングの三足の草鞋を履く．趣味は順に「飲む読む聴く観る」．

加 藤 太 治もとくに

１９７４年名古屋大学大学院理学研究科物理学第２専攻博士課程修了．同年名大プラズマ研究所に勤務．現在，核融合科学研究所准教授．理学博士．学生の時から分光の研究を始め，今もスペクトル線と格闘している毎日．スペクトル線の数は文字どおり星の数程あるので興味の種は尽きない．偶然に，未知だったスペクトル線を同定する機会はなかなか刺激的なもの．

渡 辺 裕 文かとう佐 藤 国 憲

１９９１年上智大学物理学科卒業，１９９６年電気通信大学大学院電子物性工学専攻修了，博士（理学）取得，２つのポスドク職を経て２００３年７月から現職．主な研究分野は多価イオン原子物理学．趣味は２人娘を連れての野球観戦．２００８年９月に第１４回多価イオン原子物理学国際会議（HCI２００８）を東京都調布で開催予定．これを機に次世代の多価イオン研究を切り拓きたい．
わた""

いけだとき

ひろ

池 田 時 浩
理化学研究所中央研究所原子物理研究室先任研究員．理学博士．理化学研究所基礎科学特別研究員を経て２０００年入所．研究分野
は原子物理学：主に絶縁体キャピラリーを用いたナノビーム生成法の開発および荷電粒子の絶縁体表面との相互作用の研究．趣味は美術館めぐりとフリスビー．

ゆき坂 上 裕 之１
９９
１年上智大学大学院理工学研究科物理学専攻博士後期課程修了，理学博士．同年理化学 研 究 所（大 型 放 射 光）の 研 究 員 と し てSpring‐８建設に従事．１
９９
５年に核融合科学研究所大型ヘリカル研究部開発研究系助手．現在に至る．専門は原子・分子衝突過程の実験的研究．

おおしま

ながやす

大 島 永 康総合研究大学院大学博士課程修了．産業技術総合研究所研究員．主な研究分野は陽電子消滅と原子物理．趣味は登山．

６９７