J. Plasma Fusion Res. Vol.83, No.8 (2007)６６０‐６６４

小特集 多価イオン原子過程の基礎と拡がる応用研究

２．多価イオン原子過程の基礎
２．
１ 電子−多価イオン
渡 辺 裕 文，加 藤 太 治１）
CREST，科学技術振興機構，１）核融合科学研究所（原稿受付：２００７年４月２５日）

多価イオン生成技術およびその計測技術の発達により，高温プラズマ診断や光源開発の基礎となる電子−多価イオンの相互作用の研究が大いに進んだ．まず，多価イオンの再結合過程の系統的な測定が行えるようになった．また，電子衝突電離過程における相対論効果や多電子励起状態を経た間接電離の効果を検証することも可能になりつつある．本稿では，電子ビームイオントラップと重イオン蓄積リングでの測定結果を紹介しながら，多価イオンの電子衝突過程について最近までに明らかになってきた知見を概説する．
Keywords:
electron scattering, ionization, excitation, dielectronic recombination, relativistic effect, electron-beam-ion-trap

２．
１．
１ はじめに性再結合[Dielectronic Recombination; DR]と呼ばれるこの多価イオンというのは，電子に対して静電的なブラック

過程については次節で詳しく説明する）．そのため，多価イホールである．巨大なクーロン引力により電子の弾性散乱

オンの場合には，電子衝突によって標的イオンの束縛電子（ラザフォード散乱）が強くなるし，ひとたび多価イオンのが直接励起されて生じるスペクトル線（共鳴線）の傍（通クーロン引力場にトラップされた電子は，ほとんどの場

常は長波長側）に，DR によってできた電離度が一つだけ低合，光を放出してポテンシャルの底に落ちて束縛されてしいイオンからのスペクトル線（サテライト線）が顕著に現まう．束縛された電子を解き放つには大きな投入エネルれる．このサテライト線と共鳴線の強度比からプラズマのギーが要り，その可能性（断面積）も低い．つまり，多価電子温度を求めることができる．また，DRにより電子の運イオンを生成し高電離状態に保つには，高エネルギー環境動エネルギーが光放射エネルギーとして失われるので，プ下に原子を置かなければならない．

ラズマの電子温度が下がる（放射冷却）．これを利用して，現在の実験室での多価イオンの生成は主に高エネルギー

磁場閉じ込め核融合装置の周辺プラズマの温度を冷やすこ

電子の衝突によるものである．３章で解説される電子サイとができる．電子と多価イオンの相互作用に関する知見

クロトロン共鳴イオン源（ECRIS）や電子ビームイオン源

は，このようなプラズマ診断・制御に大いに役立つ．

（EBIS）はその代表例である．レーザー生成プラズマの場

X 線や極端紫外域の光源開発では，電子衝突により励起合でも，レーザーで加熱された電子の衝突により原子の電された多価イオンからの発光スペクトルを精密に予測する離が進み多価イオンが生成される．重イオン加速器からのことが光源の高効率化のために重要である．多価イオンの高速イオンを薄膜に当てる方法では，薄膜中の電子との衝

電子衝突励起・電離・再結合過程の詳細な知見に基づいて突でイオンの電離が進み多価イオンが生成される．高速イ

はじめてスペクトルの正確なシミュレーションが可能となオンの静止系でみれば，相対的には高エネルギー電子とのる．

衝突と物理的に同じである．したがって，電子と多価イオ

さて，多価イオンの電子衝突過程の研究はどこまで進んンの相互作用の物理研究は，応用研究に供するための多価でいるのか？次節で電子ビームイオントラップ（EBIT）とイオン生成技術に直結しているといえる．

重イオン蓄積リングを用いた実験の具体例を示しながら解核融合プラズマや高エネルギー天体（太陽コロナや超新説したい．EBIT は，高エネルギー・大電流電子ビームを星残骸など）からの光には重元素の多価イオンのスペクトイオントラップに注入し，そこに閉じ込められているイオル線が確認されており，スペクトル線の発光には高エネルンを逐次電離し て 多 価 イ オ ン を 生 成 す る 装 置 で あ る．

ギー電子の衝突が関与している．多価イオンは自由電子にEBIT に閉じ込められている多価イオンは電子ビームと絶対して強いクーロン引力をもつため，いったん自由電子をえず相互作用しており，そこからは励起・電離・再結合に準安定な励起準位（自動電離状態）にトラップすると，電より生じた励起状態からの光の放射が観測される．そこ

子を開放するよりも光を放射して再結合しやすい（二電子で，多価イオンが発するスペクトル線の波長や強度を解析

2. Fundamental Atomic Processes of Highly Charged Ions 2.1 Electron - Highly Charged Ion
WATANABE Hirofumi and KATO Daiji

６６０

corresponding author’s e-mail: h_watana@ils.uec.ac.jp!2007 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Special Topic Article

2.1 Electron-Highly Charged Ion

することにより，実験的に多価イオンのエネルギー準位やH. Watanabe and D. Kato!'$!%""&励 起・電 離・再 結 合 の 断 面 積 を 求 め る こ と が で き る．

（２）

EBIT のより詳しい原理については３章を参照していただの関係になるため，図１では軸に対して斜めの帯状の構造

きたい．重イオン蓄積リングは加速器やイオン源からのイになる．ヘリウム様イオンの場合最もエネルギー的に低いオンビームの蓄積と冷却を行い，高品質イオンビーム生成

空孔は $$"にあり，図１には $$"への RR による X 線がに用いられる．イオンを冷却するために重イオン蓄積リン現れている．

グに備えられた電子冷却器の電子は周回するイオンの冷却

図１にはいくつかのピーク状の構造が現れている．このに用いられるだけでなく，電子とイオンによる再結合過程

ピークは DR による X 線である．DR は二電子励起状態を経や電離過程の測定に用いられるようになった．重イオン蓄

由して，光の放出を伴う電子捕獲過程であり，積リングでは重元素の多価イオンを μA から mA のオー##$%%!!&"(%"$%" )') $%%!!&""#!

ダーで蓄積することができ，電子冷却器の電子温度は極め（３）て低いため，重イオン蓄積リングと電子冷却器を用いた測と表される．模式的に図２（b）に表したが，"（入射電子が!

定では極めてエネルギー分解能の高いスペクトルを高効率励起準位に束縛される場合の余剰エネルギー）と ""（標的で得ることができる．重イオン蓄積リングを用いた実験に電子の励起に要するエネルギー）が等しい時に起きる過程

ついての詳細は文献を参照していただきたい［１‐４］．EBITなので，共鳴的な過程である．実際，スペクトルからも明と重イオン蓄積リングを用いることで，高エネルギー電子らかなように特定の電子エネルギーで起きている．（３）式と多価イオン衝突過程の精密な研究が進み，その理解は急の前半だけ見ると，これはオージェ過程（用語解説参照）の速に深まった．

逆過程である．そのため DR の共鳴を指定するのにオージェ過程の場合の表示方法を借用して KLL，KLM....と書か２．
１．
２ 多価イオンと電子の再結合過程れる．例えば，KLM 共鳴は電子捕獲により K 殻電子が励起多価イオンと電子の相互作用の具体的な例を示すためされ L 殻 M 殻の二電子励起状態ができ，そこから光を放出に，多価イオンと電子が相互作用した際に放出される Xして安定化した場合をいう．ここで，K 殻は $$!，L 殻は線のスペクトルを紹介する．図１は EBIT により生成した$$"，M 殻は $$#の電子殻を指す．

鉄のヘリウム様多価イオンからの X 線強度を相互作用する

図１には $$") !と示された X 線エネルギーを一定と電子のエネルギーと X 線エネルギーに対して描いたスペク

して KLL 共鳴から KLM，KLN と続き，電子衝撃励起の閾トルである．図１のスペクトルの測定方法については文献を参照していただきたい［５］．
図１には多価イオンと電子の相互作用による特徴的な構造が現れている．軸に対して斜めに帯状に現れている構造
は放射性再結合（Radiative Recombination; RR）と呼ばれる過程による X 線である．RR は自由電子がイオンに捕獲される際に生じる余剰エネルギーを光を放出することにより消費する過程である（図２（a））．
%"$%" ) $%%!!&""#!

（１）X 線エネルギーを !'，電子エネルギーを !%，再結合後のイオンの電離エネルギーを "&とすると，

図１

EBIT を用いて測定した鉄のヘリウム様イオンからの X 線ス
ペクトル．

図２６６１

放射性再結合（a）と二電子性再結合（b）の模式図．

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

電子エネルギー以上で電子衝撃励起により生じた &##からの遷移による連続状の X 線へと収束するピークが現れている．また，同様に &##の RR の X 線の帯の上に KLM，
KLN と続く DR によるピークが現れている．前者は
#
# ''
&%%
&%+"'+#%"$".
".
#%".
%& '+#$"$%& '+#$"$"#$（４）であり，&##の電子が脱励起することにより放出されたX線である（図２（b１））．電子衝撃励起により生じた &##& "遷移による X 線とエネルギー的にほぼ等しくなる．後者は##'%&%%+"'+#%"$".
".
#".
#%
& '+#$"$%& '+#$"$%"#$（５）
図３であり，高い励起状態にある側の電子が脱励起することにShippers らによる重イオン蓄積リングを用いたリチウム様ニッケルイオンの #&#!DR のスペクトル［３］．

より放出された X 線である（図２（b２））．後者の終状態を見の #&#!の束縛電子の励起を伴う DR 過程である．電子捕ると明らかなように，&##への RR による終状態と同じで獲の後，#-$または &%の電子が遷移することにより光を放あり，X 線エネルギーは DR と RR で等しくなる．
&##& "遷移による X 線に沿って見ると，ピークの高出して脱励起する．EBIT を用いた実験と異なり，測定でさは低電子エネルギー側から高電子エネルギー側に向かいは発光を測定するのではなく，再結合により電荷が変わり急激に低くなり連続 状 の X 線 へ と 収 束 し て いる．つまリングの周回軌道を外れたベリリウム様イオンをイオンにり，電子衝撃励起により生成した状態からの X 線に比べ対する電子の衝突エネルギーに対して測定することによりDR による X 線は非常に強いことがわかる．DR が提唱され##
DR のスペクトルを得ている．".
#-""#&%と ".
#-$"#&%につたのは１９４０年代初めであるが［６］，DR は共鳴過程であり特-$が 可 能 な &#"$とい て，エ ネ ル ギ ー 的 に #.
""#& #定の電子エネルギーでのみ起こるため，このように非常に#&#""から始まって（例えば，".
%電子%の場合は "##-""#"#

強い共鳴であるにもかかわらずプラズマに与える影響は限-""#の励起エネルギーより大の電離エネルギーが #.
""#& #定的であると見なされ長い間注目されてこなかった．しかきくなるため電子捕獲により二電子励起状態ができない），しながら，実際のプラズマでは電子のエネルギーは一定の-""#!
それぞれのシリーズリミットである #.
""#& #$"#の励起分布をしており，電子温度が共鳴エネルギーから外れてい閾エネルギーに向かって共鳴が現れている．エネルギー分たとしても共鳴エネルギーを持った電子が含まれている．

解能が非常に高いので&#$#の共鳴まで奇麗に分解して測プラズマ中での DR の重要性が認識されたのは１９６０年代の定されている．このスペクトル中，0 eV のピークは RR中頃［７］，実際に断面積等の物理量が粒子線交差実験で測による寄与であり，シリーズリミットの前で DR 速度係数

定 さ れ る よ う に な っ た の は１９８０年 代 初 め で あ るが減衰しているのはリングの偏向磁石中の磁場の影響で再［８，９］．１９９０年代以降，EBIT や電子冷却器を備えた重イオ電離が起きてしまうためである．

ン蓄積リングの使用により，裸に近い多価イオンについて２．
１．
３ 多価イオンの電離過程も測定がなされるようになった［２‐５，１０，１１］．
&##& "遷移による X 線に沿って高電子エネルギー側電子が多価イオンと衝突すると電子は散乱されるだけでに見て行くと，電子衝撃励起により生成した励起状態からなく，そのエネルギーの一部を用いてイオンを電離させの遷移による X 線の上に共鳴構造が現れている．KMM,

る．プラズマ中の電荷分布は再結合過程と電離過程のバラKMN と示してあるのがその共鳴構造であるが，これは DRンスで決まっており，電離過程の役割は重要である．プラによる X 線ではなく共鳴励起（Resonant Excitation; RE）にズマ中の電子が関わる電離過程には直接的な電離過程と間よる遷移である．KMM と示されている遷移については接的な電離過程が存在する．

#'%%+"'+#%"$".
".
$$% → '+#$"$%#→ '+#%"$%".
#".
%"+ → '+#%"$%"+"#$

直接的な電離過程は電子衝撃電離過程（Electron ImpactIonization; EI）で（６）+"*'" & *$'""%""#+である．

（８）

DR について重イオン蓄積リングを用いて非常に奇麗なのように表すことができる．これは正に電子が束縛電子をスペクトルが測定されているので紹介する．図３は Schip-はじき飛ばす過程であり，プラズマ中の主な電離過程であpersらによって測定された重イオン蓄積リングを用いたリる．
重元素の裸に近い多価イオンの EI 断面積の様相は軽元

チウム様ニッケルイオンの DR の速度係数の測定結果であ素や価数の低いイオンの場合と大きく異なる．例として水る［３］．図３のスペクトルに現れているピークは
#&"
##%"
#+"),
".
#.
".
#-$&%%$& ),$""#%素様イオンを考えると，電離の閾エネルギーを "( として（７）""(#$!+!"(%(とすると，軽元素の水素様イオンのEIの断６６２

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2.1 Electron-Highly Charged Ion

H. Watanabe and D. Kato

面積は一般に電離の閾値から (のほぼ１乗で立ち上がり，#' の２，３倍 で 最 大 値 を 示 し，(が 大 き い 極 限 で!!
(""%!
(の依存性で小さくなる．ここで !，"は定*+(&数である．しかしながら，原子番号 %が大きくなるに従い断面積に与える相対論的効果の影響が無視し得なくなり，%の増加とともに高エネルギー側での断面積の低下の度合いが緩やかになり，%$%&以上では電子エネルギーが大きくなるに従い断面積の値も大きくなる［１２］．ここでいう相対論効果とは，標的電子波動関数の相対論的ローレンツ収縮や，情報が有限の速度（光速）で伝わるために生じる標的電子と入射電子の相互作用の遅延 効 果 の こ とである
［１３］．Lotz の非相対論的な経験式［１４］を用いて求めた値と相対論的効果を考慮した計算結果を比較すると，水素様ウ

図４

ランで電子エネルギーが電離の閾エネルギーの 1.5 倍の場
合，前者が 0.7×10−２４ cm２なのに対して後者は 1.40×10−２４cm２［１５］であり２倍も異なる．この断面積は EBIT を用い

黒丸は Linkemann らによる重イオン蓄積リングを用いたナトリウム様鉄イオンの電離断面積の測定結果［１７］．EI に加え，EA や REDA による寄与が見られる．白丸は Gregoryらによる測定結果［１８］．

実際に測定されており相対論的効果を考慮に入れた計算結起状態の生成が可能になるため EA が起きる．図４を見る

果は実験結果と良く一致している［１６］．
間接電離過程は何らかの方法により多電子励起状態が生と 710 eV より高エネルギー側で断面積は階段状に立ち上成し，その状態が自動電離により崩壊し，電子が放出されがっている．これは EA による寄与である．また，その領る過程である．内殻電子が電子衝撃により励起され多電子域にはピーク状の複雑な共鳴構造が現れているが，これは励起状態ができ，それが崩壊し電子を放出する Excitation

電子捕獲による多電子励起状態を経由した REDA によるAutoionization（EA）と呼ばれる過程寄与である．EA と REDA により電離断面積は急激に大き##$'"()"('" ) '")) (%'"!&""")

くなり，直接電離のみを考慮した場合に比べ５倍程度に増（９）加している．Linkemann らの結果からも明らかなようにがある．この過程は多電子励起状態のエネルギー準位が電EA や REDA 等の間接電離過程は直接励起と重なって起き離の閾エネルギーよりも高い場合に起きる．

る．間接電離過程は直接電離に比べて小さいと思われがちであるが，直接電離の EIのみを考えると場合によっては電共鳴的な電子捕獲により生成した多電子励起状態を経由離の断面積が過小評価となるため注意が必要である．

した過程で，多電子励起状態が２回の自動電離により崩壊する Resonant Excitation Double Autoionizaiton（REDA）と２．
１．
４ 終わりに呼ばれる過程'"%" ###'!!&)"( ) '(電子−多価イオン相互作用の基礎について，それ自体が'" ##( ( ")( )') (%'"!&""")

物理学上の興味深い研究対象でもあるが，ここでは応用研（１０）究との関わりに主眼を置いて解説した．数個の束縛電子をと１回で２つの電子を放出する Resonant Excitation Auto-もつ多価イオンの電子衝突過程についての研究は実験・理Double Ionization（READI）と呼ばれる過程論ともに大いに進んでいる．しかし応用という観点から###)"('" ) '(%'!!&"() (%'"!&""")

は，より多数の束縛電子をもつ重元素多価イオンの電子衝（１１）

突過程に関する知見が不十分である．人工衛星を用いた太がある．これらは既に説明した DR と同様，共鳴的に生成陽大気の研究や次世代半導体のリソグラフィー用光源開発

した多電子励起状態を経由するため，特定の電子エネル

では，重元素多価イオンの M 殻（&$#）や N 殻（&$$）がギーで起きる．

関与する励起・電離・再結合過程について正確な知見が必

図４に Linkemann ら［１７］が重イオン蓄積リングを用い要とされている．磁場閉じ込め核融合プラズマの放射崩壊て測定したナトリウム様鉄イオンの電離断面積の測定結果の研究でも同様のことがいえる．多くの電子配置をもつ多を間接電離過程の例として示す．重イオン蓄積リングを周電子系では，電子間相互作用と相対論補正の効果が競合す

回するナトリウム様イオンが電子冷却器の電子と相互作用るので，エネルギー準位構造が大変複雑で，光放射や衝突することにより電離し，周回軌道から外れたネオン様イオによる電子遷移が準位間で干渉して強め合ったり，あるいンを測定することで断面積が求められた．黒丸が彼らの実は弱めあったりして複雑な挙動を示す．このような場合，験値である．断面積は 489 eV の EI の閾エネルギーから 710

理論予測の精度は一般に低い．また，実験的にも多電子系

eV の &$") #の電子衝撃励起の閾エネルギーまで緩やかの場合には個々の電子衝突断面積を決定することは容易でに増加している．これは EIによる直接電離のみの寄与であはない．実験・理論ともに研究手法の工夫を凝らしてブり，Lotz の式［１４］による電子衝撃電離断面積の値と良く一レークスルーを期待したい．

致している．710 eV を超えると，内殻励起による多電子励６６３

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

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