J. Plasma Fusion Res. Vol.83, No.8 (2007)６７１‐６７５

小特集 多価イオン原子過程の基礎と拡がる応用研究

３．多価イオン生成の方法
坂 上 裕 之，中 村 信 行１）
核融合科学研究所，１）電気通信大学（原稿受付：２００７年６月１日）

多価イオンを生成するには大きなエネルギーが必要であるため，地上のような低温環境には多価イオンは存在しない．したがって，多価イオンを実験室で研究するためには何らかの方法で生成しなければならない．１９７０
年代頃から始まった多価イオン生成に関する技術開発はこれまでに目覚しい発展を遂げ，現在では任意の元素の任意の電荷状態を自由に手にすることができるといっても過言ではない．本章では，そのような多価イオン生成技術の最先端を紹介する．
Keywords:
highly charged ion, ECRIS, EBIS, EBIT, heavy-ion accelerator

３．
１ はじめにンの裸イオン（全ての電子を剥ぎ取られたイオン）生成過水素原子に束縛されている電子を電離するためには，周程について考える．図にあるように，GSI の加速器施設は知のとおり 13.6 eV のエネルギーを与えなければならない．

加速器入射用イオン源（図中 Ion sources），二段の線形加速

このエネルギーを電離エネルギーと呼ぶ．では，重元素の器（同 UNILAC），シンクロトロン加速器（同 SIS）から成水素様イオンの電離エネルギーはいくらだろうか．同じ１り，その間にガスや薄膜による電荷剥ぎ取り装置が設置さ電子系であっても，その電離エネルギーは原子番号 !のおれている．まず，入射イオン源で生成した低価数の U イオ

およそ２乗に比例して大きくなり，!!"!の水素様ウランンは，線形加速器により十数 MeV/u 程度まで加速される．

９１＋

Uの 場 合，そ の 値 は 約 130 keV に も な る．こ の よ う

加速されたウランイオンは薄膜に入射され，電荷剥ぎ取りに，多価イオンを生成するには原子番号および電離状態に反応で７０＋程度まで電離された後にシンクロトロン加速器伴って大きくなる電離エネルギーを与えなければならなに入射される．入射されたウランイオンは，更に数 100〜い．これは一般には容易な技術ではないが，多価イオン研

1000 MeV/u 程度まで加速され，再び薄膜に入射させるこ究の重要性が認識されるようになるにつれ，この３０〜４０年とにより，最終的にウランの裸を生成することができる．

ほどで急速に発展してきた．本章ではそれらの技術のう入射エネルギーが 400 MeV/u の場合には裸ウランと水素

ち，主に他章の内容に関連する生成方法について紹介す様ウランの生成率はともに 40％ 程度であるが，入射エネルる．

ギーの上昇とともに裸ウランの生成比が上昇 し，1000MeV/u 程度になると水素様ウランが約 20％ であるのに対３．
２ 電荷剥ぎ取り反応して，裸ウランが約 80％ にも到達する［２］．

イオンを十分に加速した後に炭素などの薄膜を通過させGSI を始めいくつかの加速器施設では，イオン蓄積リンると，多数の電子が剥ぎ取られ多価イオンとなる．この電グ（GSI の例では図１中の ESR がそれに当たる）を加速器

荷剥ぎ取り反応においては，薄膜への入射エネルギーが生に併設し，生成した高速イオンを長時間周回させ原子核や成される多価イオンの価数を決める重要なパラメータの一原子物理などの実験に使用している．通常このような蓄積つであるが，一般に数 MeV/u〜数百 MeV/u のエネルギー

リングでは，蓄積時間を向上させるために，冷えた（運動が必要であるため，大規模なイオン加速器が必要となる．

量拡がりの小さい）電子ビームとイオンとの合流領域を設

加速器には，コッククロフト−ワルトン型やバン・デ・グ

け，電子とのクーロン相互作用によりイオンを冷却する

ラーフ型のような静電加速器や，高周波電圧で繰り返し加（運動量拡がりを小さくする）ことを行っている．通常の蓄速を行う線形加速器（リニアックとも呼ばれる）や円形加積運転では，電子とイオンとの相対速度がほぼゼロになる速器（サイクロトロンやシンクロトロン）などがあるが，多ように電子エネルギーが調整されるが，相対速度（エネルくの場合それらの組合せにより効率よく必要とされるエネギー）を適宜走査すると，再結合などの電子−多価イオンルギーまで加速が行われる．例として，ドイツ・重イオン衝突過程を調べる格好の装置となる．電子冷却により，蓄科学研究所（GSI）の加速器施設（図１［１］）におけるウラ積される多価イオンビームはエネルギーの揃った高輝度高

3. Production of Highly Charged Ions
SAKAUE Hiroyuki A. and NAKAMURA Nobuyuki

authors’ e-mail: sakaue@nifs.ac.jp, n_nakamu@ils.uec.ac.jp

６７１!2007 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

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

図１ドイツ・重イオン科学研究所（GSI）の加速器施設［１］．

品質ビームとなることから，他に類を見ないほどの高分解イオンゲージ（PIG），レーザーイオン源，電子サイクロト能・高感度での測定が可能であり，電離や再結合に現れる

ロン共鳴イオン源（ECRIS），電子ビームイオン源（EBIS）

共鳴過程の観測に関して多くの重要な成果を残しているなどが存在するが，ここではそれらの中でも広く使用され（その一例が２．
１節に紹介されている）．これまでそのようている ECRIS と EBIS について簡単に紹介する．ECRISな実験は比較的低いエネルギー領域（＜1 keV）においてのは中程度の価数の多価イオンを大電流で引き出せることがみ盛んに行われてきた．それは，電子とイオンとの相対速特徴であり，一方の EBIS は電流は少ないが裸までの高電度が大きくなると，電子冷却器としての機能が失われイオ離イオンを引き出せることが特徴である．なお，電子ビーンが発散してしまうためである．高エネルギー領域の実験

ムイオントラップ（EBIT）と呼ばれるものは EBIS と原理を可能とするためには，電子冷却以外の方法でイオン冷却的に同等なものであり，以降特に区別する必要がない場合を行う必要があるが，最近 GSI では，確率冷却［３］によるイは EBIS（T）と表記する．

９１＋オン冷却を行うことで，水素様 U３．
３．
１ 電子サイクロトロン共鳴イオン源（ECRIS）の KLL 二電子性再結合など高エネルギー領域の測定も行っている［４］．

ECRIS はグルノーブル核融合研究所の Geller ら［５］によって開発されたイオン源で，ミラー磁場と多極磁場（六３．
３ 低速多価イオン源

極磁場など）を重畳することにより形成される極小磁場配

ここで紹介する低速多価イオン源とは，高エネルギー衝位のもとでプラズマを長時間閉じ込め，マイクロ波による突で一度に多くの電子を剥ぎ取るものではなく，イオンをサイクロトロン共鳴で加熱された電子との衝突により，逐何らかの方法で閉じ込め，電子衝撃により徐々に電離を進

次電離を進めるイオン源である．図２にその原理図を示める（これを逐次電離と呼ぶ）ものである．前述の電荷剥す．マイクロ波のキャビティとしての役割も果たしているぎ取り反応による多価イオン化では核子当たり数 MeV〜

真空容器の前後にはミラー磁場形成のためのソレノイドコ

数百 MeV という膨大なエネルギーが必要であったが，電イルが配置される一方，多極磁石は真空容器に沿うように子衝撃による逐次電離ではそれほど高いエネルギーは必要配置されている．電子加熱のためのマイクロ波とプラズマとしない．具体的には，ウランの 1 s 電子の電離エネルギーの種となるガスは真空容器後方から導入される．

が 130 keV 程度であるから，原理的にはその程度のエネル

逐次電離を利用するイオン源では，イオン閉じ込め時間ギーの電子衝撃で裸ウランを生成することが可能である．と電子密度を向上させることが重要であるが，そのために裸ウランまでとはいかずとも，数十 keV 程度の電子エネル

ECRIS では，!磁場の強度およびミラー比（極大磁場と極ギーがあれば，あらゆる元素をヘリウム様イオン程度にま小磁場の比），"マイクロ波の周波数，の２つが重要なパラで電離することが可能である．したがって，装置の規模はメータとなっている．性能向上のためにはこれらを増加さ

前述の加速器に比べて桁違いに小さくなる．

せる必要があるが，それぞれを独立に考えることはでき現在，低速多価イオン源と呼ばれるものには，ペニングず，通常は双方を同時に増加させることが必要となる．高６７２

Special Topic Article

図２

3. Production of Highly Charged Ions

H.A. Sakaue and N. Nakamura

電子サイクロトロン共鳴イオン源（ECRIS）の模式図．

磁場発生のために超伝導磁石を用いた ECR イオン源もい
くつか製作されている．日本では筑波大学［６］と理化学研究所［７］において液体ヘリウムの供給を必要としない超伝
導 ECRIS が稼働中である．SHIVA と呼ばれる筑波大学の超伝導 ECRIS では，最大 3 T の磁場により，Xe３５＋など非常に価数の高いイオンの生成にも成功している．

図３ECRIS は，プラズマを点火し維持するために超高真空下電子ビームイオン源（EBIS）の構造と多価イオン生成の原理．核融合科学研究所の cryo-NICE I の例．

での運転が原理的に不可能であるため，後述の EBIS（T）と比べると生成されるイオンの価数は低い．しかし引き出せるイオンのビーム強度は EBIS（T）と比べると桁違いに高繰り返すことにより加熱され，最終的には下流のポテンく（価数により数 μA〜数 mA），様々な用途に広く使用さシャル障壁を乗り越えてイオンレンズ系に導かれビームとれている．なお，ECRIS には積極的にイオン自身を加熱すしてイオン源から引き出される（このような引き出し方法る機構はないにもかかわらず，引き出されたイオンのエネは DC モ ー ド あ る い は Leaky モ ー ド な ど と 呼 ば れ る）．

ルギー幅が比較的大きい（数十 qeV 程度の値を持つこともEBIS の運転で重要な点として，!電離レートと閉じ込め少なくない）ことや，準安定状態のイオンが混入する可能性能の向上のため電子電流密度を向上させること，"残留性があることなどに注意が必要である．

ガスからの電子捕獲を極力抑えるため超高真空から極高真３．
３．
２ 電子ビームイオン源（EBIS）

空領域の圧力を保つこと，などが挙げられる．特に，ウラEBIS は１９７０年頃にロシア原子核研究所の Donets［８］らンの裸イオンなど高度に電離した多価イオンの生成を行うによって開発された多価イオン源である．日本で最初の場合，電離断面積が非常に小さな値（10−24 cm２程度）とな

EBIS は，１９８０年代初頭に当時の名古屋大学プラズマ研究る一方，電子捕獲断面積が非常に大きな値（10−13 cm２程所で建設された cryo-NICE ［I ９］と呼ばれるもので，現在も度）となるので，閉じ込め領域を 10−10 Pa 程度の極高真空核融合科学研究所で稼動中である．その概略を図３に示に保つ必要がある．また，高エネルギー電子ビームによりす．EBIS は電子銃，ドリフトチューブ，コレクター，ソレ加熱される多価イオンの閉じ込め時間を向上させるためノイド磁石，イオン引き出しレンズ系などで構成される．に，軽元素イオンを閉じ込め領域に混入させ，蒸発冷却を磁石には超伝導磁石を用い，軸方向の強磁場を発生させ行うこともある［１０］．

る．電子銃から出射された電子は図に示されたような電位

EBIS は多価イオンを装置外部に引き出して用いること配置によって加速されると同時に，超伝導磁石により作らのみを想定しているが，閉じ込められた多価イオンから放れた磁力線に沿って径方向に圧縮さ れ な が ら ドリフト出される X 線などを観察することを主目的とした装置がチューブに入射する．ドリフトチューブはいくつかに分割

１９８０年代の後半に米国のリバモア研究所で開発され，電子されており，上流側と下流側のドリフトチューブに中央部ビームイオントラップ（EBIT）［１１］と名づけられた．日本

分より高い正電圧が印可され，正イオンが軸方向に閉じ込では１９９７年，電気通信大学レーザー セ ン タ ー に Tokyo-

められる．径方向に対するイオンの閉じ込めは，超伝導磁EBIT［１２］と呼ばれる同型のイオン源が建設された．EBIT石によって高密度に圧縮された電子ビーム自身が作り出すはEBISと同じ原理で多価イオンを生成する装置であるが，空間電荷ポテンシャルによって達成される．このように閉イオントラップ内を観測できるように磁場発生にヘルムホじ込められたイオンは，電子ビームの逐次衝突を受け多価ルツ型コイルを用いている．EBIS（T）では大雑把にいっイオン化される．ここで電離に寄与する電子はごく僅かでて，電子エネルギーが生成しうる最高価数を，電子ビームあり，ほとんどの電子はドリフトチューブを通過しコレク電流が生成しうるイオン量をそれぞれ決定するが，Tokyoターにて回収される．多価イオンは電子ビームとの衝突を-EBITでは最大200 keV−300 mAの電子ビームを発生する
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電離状態にある多価イオンを生成可能であることや，他の観測装置や加速器などとの同期を取りながらパルス的に多価イオンを生成できることなどが特長といえるが，逆に，生成されたプラズマを長時間維持することはできず，直流的な運転はできない．

３．
５ イオン種導入方法
ECRIS や EBIS（T）では，多価イオン生成のために種となる元素をイオン化室に何らかの方法で導入しなければならない．特に応用的見地からは様々な元素の多価イオンを生成することが要求されるため，常温で液体，固体，気体と様々な様態の元素を導入する技術が必要となる．以下，その導入方法のうちいくつかを紹介する．
３．
５．
１ 気体（蒸気）による導入
図４

電気通信大学の Tokyo-EBIT により生成されたビスマス多価イオンの価数分布スペクトル．EBIT 外部に引き出したイオンビームを分析磁石により価数分析したもの．横軸は分析磁石直後に置かれた位置敏感型検出器上の位置．電子
ビームエネルギー：50 keV，電子ビーム電流：80 mA．

常温で気体の試料をイオン源内に導入するのは比較的容易であり，基本的にはイオン化室まで導入管を配管し，微調機構付バルブ等を介してイオン源内に導入すればよい．
その他，特に EBIT では，指向性の良い分子ビームとして導入する方法も広く採用されている．分子ビームの場合にことが可能であり，極めて価数の高い多価イオンの生成がは通常，直径 1 mm ほどの２つの小孔を数十 cmほど離して可能である．例として，Tokyo-EBIT から引き出された Bi設置することでガス導入部を二部屋に区切り，二段の差動多価イオンの価数分布を図４に示す．図に見られるよう排気を行う．これにより，イオン源の真空度を極力悪化さ８１＋に，Biという高度に電離したイオンを引き出し，ビームせることなく，局所的なイオン化領域に必要最小限の分子として利用することが可能である．

量を導入することが可能であるが，消費量のほとんどが差

上述の cryo-NICE や Tokyo-EBIT のように，多くのEBIS動排気により排気されてしまうので，高価な試料にはいさ

では超伝導磁石を用いているため一般に運転経費が高い．

さか不向きである．

そこで，液体ヘリウムを使わずに運転経費を抑えようとす

ガスによる導入は，希ガスやガス分子のみではなく，液る試みも多くなされている．ここではそれらについて詳し

体分子や揮発性の高い固体化合物などにも適用することがく述べることはしないが，液体窒素冷却の常伝導コイルや可能である［１８，１９］．例えば，天文学的興味や核融合炉工学

永久磁石を用いた小型 EBIS
［１３，１４］や，無冷媒型の超伝導的興味からしばしば研究の対象となる鉄やタングステンの磁石を用いたもの［１５］，高温超伝導材［１６］を利用したもの

導入には，Fe（C５H５）（CO）２やW６などが利用される．これらなどが運転中あるいは開発中である．の化合物は室温でも比較的高い蒸気圧を持つが，適宜温めることで必要な圧力を得る．また，前述の分子ビームによ３．
４ レーザー生成プラズマる導入方法では，２つの小孔の延長線上に分子線エピタキ高強度レーザーを物質（気体でも固体でもよい）に照射

シーなどで使用される蒸着セルを置くことで，融点の極めすると，プラズマが発生し，その中には多価イオンが生成て高いタングステンやタンタルなど一部金属を除いて多くされる．そのメカニズムは以下のとおりである．まず，の金属を蒸気の形で導入することが可能である［２０］．

レーザー光を吸収することにより物質中の原子あるいは分３．
５．
２ プラズマ内への試料挿入子が電離される．多くの元素の電離エネルギーはレーザーイオン化室，あるいはイオン化室近辺まで固体試料を挿光の１光子が持つエネルギーよりも高いため，通常は多光入すると，イオン化室内のプラズマとの相互作用により固子吸収による電離となる．電離により生じた自由電子は，体試料から飛び出した元素が，プラズマ内に混入し多価イ高強度レーザー場における逆制動放射過程によりエネルオン化する［１８，１９］．プラズマに直接触れさせず，イオンスギーを得る．十分なエネルギーを得た電子は周囲のイオンパッタリングにより導入する方法と，プラズマに直接挿入や分子を電離し，電離された電子はやはり逆制動放射過程し試料を蒸発させて導入する方法とに大別される．前者はによりエネルギーを得て他のイオンや分子を電離する．こ導入量が少なく得られる多価イオンの量も少ないこと，後のように電子衝撃電離により多価イオン化が進む．大雑把

者は蒸発により試料が削れられていくのに伴い試料をプラにいえば照射するレーザーの強度が大きければ大きいほズマに対して常に前進させなければならないこと，などのど，生成される多価イオンの価数は高くなり，密度も増加

欠点があり，他の導入方法に対して好んで使われることはする．生成されたプラズマから多価イオンを引き出して多あまりない．

価イオンビームとして利用するようなイオン源はレーザー

３．
５．
３ 外部イオン源からの導入

イオン源［１７］と呼ばれることもある．

蒸着セルを使う方法や試料を直接挿入する方法では，試十分な強度を持つレーザーさえあれば比較的容易に高い料の蒸着によりイオン化室が汚染されたり，最悪の場合に
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3. Production of Highly Charged Ions

H.A. Sakaue and N. Nakamura

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は絶縁部を破壊したりする恐れもある．そのようなことが危惧される場合には，多価イオン源の外部に別のイオン源を用意し，そこで生成された低価数イオンを多価イオン源に導入し多価イオン化する方法が有効である［１８］．外部イオン源としては，真空アーク放電型イオン源，表面電離型
アルカリイオン銃，レーザーイオン源などが使われる．外部からのイオン導入は，不安定核イオンを多価イオン化する電荷増殖［２１］においても必要な技術である．イオンの場合は中性粒子の場合と異なり，磁力線を横切るような方向からの導入は不可能であるため，通常はビーム軸方向からの導入となる．また，導入されたイオンをイオン化室内に捕捉するため，イオン化室の電場などをイオン導入と同期制御する必要がある．

３．
６ 今後の課題
さて本章で見たように，多価イオン生成技術の進展により，現在では任意の元素の任意の電荷状態を得ることが可能となったと言ってよい．それでは現在の技術で満足であるかといえば，もちろん決してそのようなことはない．第一に，任意の量のイオンを得ることができていない．生成できるイオンの量は限られており，それに伴い行いうる実験も限られてしまっている．イオン量を増大させる試みは多くの研究室で成されており年々向上が見られるが，まだまだ今後の発展が待たれる課題である．第二に，イオンの温度，位置などの状態を制御しきれていない．中性粒子や単電離イオンに対する昨今の冷却技術やビーム操作技術は目を見張るものがあり，多価イオンに対して達成されている技術との開きは大きい．それは，それだけ非常に難しい技術であるということを意味しているのだが，４．
４節にも紹介されているように，果敢にその困難な領域に立ち向かう研究も進められており，今後の進展に期待したい．

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