しょうとつ
第6巻 第6号
目 次
総説：金属原子線源 （長田哲夫）…

井口さんとのこと

… 18

（福田昭）

原子衝突若手の会第 30 回秋の学校開催報告（第 30 回秋の学校開催事務局）

4

… 20

原子衝突研究協会運営委員選挙について （2009 年選挙管理委員会）… 22

第 11 回原子衝突研究協会若手奨励賞募集要項

… 22

（庶務）

国際会議発表奨励事業に関するお知らせ （庶務）… 23

「しょうとつ」原稿募集… 23（編集委員会）… 23

今月のユーザー名とパスワード

1

総 説

金属原子線源長田 哲夫
明星大学・元教授 (首都大学東京・客員教授)
sp8v6489@woody.ocn.ne.jp
平成 21 年 9 月 21 日原稿受付

1. はじめにれます[3, 5]．詳しい議論は他に[6, 7] 譲るとして，本誌を発行する原子衝突研究協会の原子衝突とこれらの現象はもともと電子間に電気・磁気的なは何でしょうか．厳密な定義は知りませんが，取り相互作用があるために起きるのであり，原子番号

敢えず光子，電子，原子，分子，イオン（原子イオまたは電子数が 1 つ違うだけで微妙に，あるいはン，分子イオン）の中の二つの間（同種間も含む）

大きく変わります．こういった現象の多様性が研究の相互作用（衝突）による動的過程を原子衝突あ者の好奇心を煽り，研究者に多くの研究の場を提るいは原子過程と言う，としておきます．ただし，供しています．

光子と電子の中の組合せは除きます．これらの組言うまでもなく，原子衝突あるいは原子過程の分合せの中で，光子と原子および電子と原子の相野は宇宙物理学をはじめ，高層大気，放電，核融互作用が基本的なものであり，従って今まで多く

合，レーザー，化学反応，質量分析や原子吸光の研究者によって実験と理論の両面から詳しく研分析を始めとする物理分析など，多くの分野と深究されてきました．

く関わっている基礎的な研究分野です．この分野

原子の中では水素原子が最も基本的なものでの実験的研究は多くの場合真空中で標的原子あり，他の原子種が関係する動的過程を考える場（分子）に光，電子あるいはイオンを当てて，入射合の出発点となりますが，自然界は電子を複数も体の変化，或いは標的から放射される電子や光っている原子であるが故の面白い現象を用意して子，生成イオンなどを調べます．

います．例えば自動イオン化共鳴現象は電子を 2

筆者が原子衝突の世界に足を踏み入れたのは個もつ He 原子から[1]，またオージェ過程は電子

約 40 年前です．この間，真空技術や計測技術のが 3 個のリチウム原子から[2]観測されます．更に進歩と共に実験の対象が扱いやすい原子・分子

I, Xe, Cs, Ba, 希土類原子と続く原子系列の光吸から取扱いの面倒な金属原子や複雑な分子，さ収では 4d 巨大共鳴（4d giant resonance）が観測さらにクラスターへと，また実験内容が 1 種類の衝突

れています[3, 4]．この共鳴は Ba あたりまではポテ粒子（入射粒子または生成粒子）の検出から 2 種

ンシャル形状共鳴（shape resonance）と呼ばれて類，あるいはそれ以上の種類の検出へと変ってきいますが，希土類原子の方へ進みますと共鳴のています．すぐ後で触れるように，自然界に存在

形が自動イオン化共鳴の様相を呈してきます．形する 92 種類の原子種のうちの約 85 %が常温で固状共鳴は 4d から励起する電子に対するポテンシ

体の金属です．金属原子はアルカリ土類原子をャルを使って 1 粒子モデルで説明されていますが，除いて開殻原子であり，理論的な扱いの方も実験電子分光で調べますと 4d 殻より外側の副殻電子と同様に面倒になります．しかし，原子過程を多くにも光イオン化の共鳴的な増加が同時に観測さの開殻原子を含めて系統的に理解するため，ま4ば，まだ扱いやすいと言えそうです．

た上に挙げた諸分野とも関連が深いことから，今最近の実験技術の進展は目覚ましく，その一後も孤立金属原子を標的とする原子過程の実験的，理論的研究が続くと考えられます．

つがレーザー冷却を利用した磁気光学トラップに

本稿では，今まで主として金属原子の関わる実よる研究です．レーザー冷却は孤立中性原子の験を行ってきた経験を基にして，金属原子線の生エネルギーを絶対零度付近まで下げる高度な技成法の一端を紹介してみます．原子という言葉を術で，室温で運動している原子では不可能な精使うとき，そのイオンも含むことがありますが，本稿

密 な 研 究 が 進 ん で い ま す [10] ． こ の 技 術 ので原子と言うときには中性の原子を指すものとしま

Bose-Einstein 凝縮，原子時計，干渉計，量子情

す．なお，金属原子線源に関しては大変役に立報処理等への応用研究は他[11]に譲るとして，原

つ Ross and Sonntag の総説[8]があります．また，

子過程関係の研究の例を挙げれば Ca 原子の三金属原子を含めた広い意味の原子源に関しては，

重項遷移の超高分解能分光，Kr 原子の準安定

L. Válye の優れたテキスト [9] があります．

状態の寿命の測定，超低速 Li 原子の衝突断面積の測定などです．

2. 元素の周期表を眺めると金属原子を標的とする原子過程実験の代表とさて，ある分野の研究が発展して行くとき，やり易

して，金属蒸気中に粒子ビームを通過させる蒸気いところから手がつけられる，というのが普通です．

−ビーム法と，金属原子線と粒子ビームとを交差

原子衝突の世界の発展を標的という観点から眺させて行う交差ビーム法があります．本稿は熱的

めてもそう言えます．対象を原子だけに限ると，最な中性原子を標的とする交差ビーム法に重点をも扱いやすい希ガス原子から始まって，アルカリ置き，電荷移行衝突あるいは負イオンの電子脱原子，アルカリ土類原子，他の金属原子という方離衝突を利用する高速金属原子線は対象外とし向へ進んで来たと言えるでしょう．孤立金属原子ます．以後，金属原子線源を誤解の可能性がなの原子過程を調べるには，固体金属を真空容器

い限り，慣例に従って「金属オーブン」あるいは簡の中で加熱して気化させる必要があります．しかし，単に「オーブン」と記します．

そのための金属原子線源の規格品はありません．
端的に言えば，実験に必要な金属原子線源は，

3. 金属オーブン設計の基礎

その実験に合ったかたちで，実験者自ら設計する

3-1 金属オーブンを使う実験の基本配置必要があります．さらに言えば，製作した金属原

最初に本稿で使用する 2 つの言葉，すなわち「出子線源を十分に使いこなして良い結果を出すに射」と「原子線」について断っておきます．真空のは，まずそれを使って実験を何度か繰り返し，そ

中に気体（または蒸気）を入れた容器を置きます．

の原子線源の個性（くせ？）を知ることが必要でこの容器に孔がありますと，そこから気体分子（原す．

子）が飛び出てきます．英語ではこの状況を表す

元素の周期表を眺めてみましょう．表にある 92

言葉として，容器内分子の平均自由行程が孔の種類の元素の分類の仕方にはいろいろあるようで大きさに比べて大きい，小さいに関わらず effusion

すが，その一つに希ガス（6 種），非金属（15 種），が使われています[9]．しかし，英和辞典によりまそして金属（H を含めて 71 種）という分類がありま

すと，effusion は“流出”とか“浸出”となっていてどす．非金属は多くの場合分子のかたちで存在す

うもしっくりしません．原子がお互いに衝突せずにるので，孤立中性原子の実験は非常に難しいも孔から「飛び出る」という感じを表すには“放射”とのでした．それでも分子ガスから RF 放電や熱解か“射出”と訳されている emission がよいのですが，離を使って孤立中性原子を生成する努力がはら

前者は光の放射と間違えてしまいそうです．従っ

われてきました．これに比べると 3 番目の金属のて本稿では“入射”に対応させて「出射」を使用し方が，非常に蒸発温度の高い一部のものを除けます．因みに国語辞典には“射出”はありますが5

図 2 噴射口の形と強度分布（文献[9] より）

図 1 金属原子線源（金属オーブン）を使った実
験の基本配置．N0 は入射粒子数を，また NS は検出される生成粒子数を表す[式(4)を参照]．

イオンなど）が目的に合った方法で検出されま
す．

“出射”はありません．
3-2 原子線源と気体分子運動論

一方，原子線あるいは原子ビームと言いますと

ここで原子が出射孔から出るときの様子を気体分

多数の原子が並行して進行する様子を想像しま子運動論で考えておきます．金属原子線を生成す．しかし実際の実験では多少の発散性は避けする金属オーブンは，原子の出射孔の直径と長さられません．本稿ではそのような原子の流れをも含めて「原子線」と呼ぶことにします．

を d と l，試料チャンバー内の原子の平均自由行

本題に入り，金属オーブンを使う交差ビーム実程を λ としたとき，多くの場合

d ≤λ, l≤λ験の基本配置を図 1 に示します．試料の入った容(1)を満たす条件で使用することになります．ちなみ

器を外部から加熱します．以後，この容器を「試料チャンバー」と呼びます．加熱によって気化した金に，クラスターを生成するときは d ≫λ ， および属蒸気中の原子が試料チャンバーの出射孔から

l ≫λ の条件下で蒸気を“噴射”して断熱膨張させます．

出てきます．出てくる原子の流れをコリメートし，出射孔から出る金属原子の角分布は出射孔の「原子線」として相互作用領域へ送ります．相互作

形に依存します．図 2 は出射孔の形で強度の角用領域の上部には水または液体窒素で冷やされ分布がどう変わるかの計算結果を示しています[9]．

たトラップが置かれていて，真空容器の内部が標

図では出射口の直径 d，長さ l という 2 つのパラメ

的原子の付着で汚染されるのを防ぎます．試料チーターの比を使っています．出射孔の上部の中ャンバーをどのように加熱するかは必要温度によ

心から曲線までの長さが相対強度を表します．

って変わるでしょう．一般に 1000 °C 以下の場合

l → 0 では気体分子運動論にあるように分布曲は抵抗加熱（直流または交流）が安定で適してい

線が円になります．l/d が大きくなるにつれて分布

ます．1000 °C から 1800 °C くらいまでは普通電子が正面に集中し，出射角の僅かな違いが強度の線加熱法が使われます．もっと高温が必要な場合

目立った変化を引き起こすことが判ります．このこは誘導加熱法があります．加熱源の外側にはラデとは，相互作用領域で標的密度を一定に保ちたィエーションシールド（radiation shield）が，場合にいような測定，例えば絶対断面積の測定では注

よっては二重，三重に置かれ，熱効率を良くする

意する必要があります（図 14 参照）．

と同時に，周囲の不要な過熱を防ぎます．相互作出射孔から単位時間にどれだけの原子が出てく用領域では粒子線（電子線，イオンビーム，光子

るかということも見ておきましょう．条件 l 〜0 のとき，ビームなど）が交差し，衝突生成物（電子，光子，

角度θの方向に立体角 dωの中に毎秒出てくる6

原子数 dN は

化学関係の事典，ハンドブック等には金属の蒸気(2)dω
χn0 v AS cos θ
4πで与えられます[9]．ここで， n0 は容器（今の場合，
試料チャンバー）内の原子密度， v は原子の平均圧表が載せられています．代表的な例を表 1 に示速度， AS は出射孔の断面積です． χ は出射孔

蒸気圧を特に飽和蒸気圧と呼びます．実験に必dN =します．蒸気圧とは同一物質の気相と液相（または固相）が共存しているとき，気相が示す圧力をいいます．共存している二相が平衡にあるときのの形で決まる減衰係数で，関係 l ≤ d が成り立つ

要な蒸気圧は金属オーブンの構造，入射粒子の多くの金属オーブンでは 1 に近い値になります．

種類，実験手法などによって異なるでしょう．一般条件(1)を満たすとき，出射孔から正面の R だけ離的には，衝突断面積の計算式

れた位置の単位体積当りの原子密度は

dN
1
=
n0 AS
n=
v
4πR 2

σ=

(3)

Ns
N 0 nLf(4)

から毎秒の事象数（events） NS = N0σnLf の値がどと近似できます．

れくらいになるかを概算で見積もってみます（図 1
3-3 金属オーブン設計における基本事項参照）．ここで σ は考えている過程の全断面積，N0

次に金属オーブンを設計するときの基本的な事

は毎秒の入射粒子数，n は標的原子の密度，L は柄を 6 つほど述べておきます．

有効衝突長と呼ばれる量です．また f は衝突生成(a) 必要温度：まず考えている金属を蒸発させる物の検出効率で，検出器の受け入れ立体角，偏に必要な温度です．これにはその金属の蒸気圧

光度，偏極度，検出器系の検出効率などが含まと温度の関係を調べることになります．物理学やれます．
ここでつけ加えたいのは，蒸気圧を考えるとき融表 1 代表的な金属元素の蒸気圧（文献[12]より抜粋）

点は関係がないということです．例えば，実験に各蒸気圧（ Pa 単位）に達する温度

必 要 な 試 料 チ ャ ン バ ー 内 の 蒸 気 圧 を 1 Pa(°C)

（7.5×10–3 Torr）とします．Cu がこの蒸気圧になる

元
素

10–2

10–1

102

温度は 1237 °C，Cr（クロム）は 1384 °C です．とこ

Ba

533

614

712

843

1015

ろがこれらの金属の融点はそれぞれ 1083 °C と

Be

974

1074

1193

1336

1520

1860 °C です．すなわち，使用温度では，Cu の場

Ca

453

516

591

683

799

合は液体からの蒸発，Cr では固体からの蒸発，

Cs

75

109

159

202

269

すなわち昇華ということになります．このように蒸気

Cr

1149

1257

1384

1535

1719

圧を考える上では，融点すなわち液体か固体か

Cu

1006

1109

1237

1389

1578

は関係のないことですが，オーブンを設計する上

Fe

1208

1321

1455

1617

1820

では非常に重要な要素となるでしょう．すなわち，

Li

397

456

531

619

730

使用温度で液体となっている場合は，試料をいれ

Mg

315

365

424

496

584

るるつぼを横向きに設置できないからです．

Mn

774

858

956

1074

1222

(b) 原子線の原子密度とコリメーション：原子線の

K

120

157

203

260

333

断面の形と大きさをどうするか，密度はどれくらい

Rb

88

123

165

218

286

必要とするかは，どのような実験を行うかによりま

Na

188

231

282

347

428

す．例えば光電子の角分布の測定を高い分解能

Sr

400

458

528

614

721

で行いたいときは，細くて（直径 1 mm以下）高い

Ti

1423

1554

1709

1900

2132

密度の原子線が必要です．またレーザーポンピン

W

2739

2955

3205

3502

3806

グを行う場合はドップラー効果の影響を避けるた

1

10

7

め，コリメートを十分にする必要があります．しかし，加熱に使用するシースヒーターの中には，シース

細い原子線を得るために出射孔を小さくし，コリメの中にヒーター線が 2 本通っていて，直流電流をーターも小さくすると，コリメーターが短時間で塞往復させてその電流に基づく磁界を相殺するもの

がる可能性が高くなります．また高い原子密度をがあります．電子分光の場合は，これを使用した

達成するために，相互作用領域をオーブンの出上で磁気遮蔽を施す必要があるかも知れません．

射孔にできるだけ近づければ，(e)で述べるように

試料チャンバーの原子出射孔からはいわゆる黒二次的な影響が大きくなります．さらに，原子線の体放射と呼ばれる電磁波（赤外線から紫外線ま

コリメーションを良くするために，コリメーターと相で）が出てきますので，光を検出する実験ではこ互作用領域を出射孔から遠ざけると強度が下がの電磁波が検出にかからぬように対策を講じる必ってしまいます．すなわち，細くコリメートされた高要が生じます．また，オーブンの温度が高くなると，い原子密度の金属原子線を長時間使用するとい

試料チャンバーの内壁からの熱電子や内壁でのうのは大変難しい要求となるわけです．従って，ど表面イオン化で生ずるイオンが出射孔から出てきの要素が重要かを考えて，どこかで妥協することます．これらの荷電粒子は出射孔付近に置かれになります．

た偏向電場または追返し電場で排除できます．言(c) るつぼの材質：考えている試料金属と入れ物

うまでもなく，電子とイオンの両方が出てくる場合（るつぼ）との相性の問題は非常に重要です．ここに追い返し電場を使うのは禁物です．

で言うるつぼとは，試料チャンバーの中に入れる(f) 励起種及びクラスターの有無：取り出された金試料容器です．このるつぼの材質は使用温度で

属原子線中に励起種はないか，またクラスターが融解しないこと，試料物質と化学反応したり合金含まれていないかという問題があります．まず励起をつくったりしないことが必要です．例えばAlの気種ですが，これはNISTデータをはじめいろいろな化にTa（タンタル）のるつぼを使用しますと，Alが原子エネルギー準位のデータを参考にしてきち

るつぼの表面を濡らし，やがてるつぼに穴があいんと評価する必要があります．評価にはてしまいます．Alに対してはBNかWが適していま

Boltzmann分布関数f(ΔE) = (2J+1)·exp[–ΔE /kT]

す．またBeに対してはCかTa，CsにはSS（ステンレを使います．ここで，ΔE = Ee–E0 で，E0 とEeはそれス鋼）かTaが適している，といった具合です．同じ

ぞれ基底状態と励起状態のエネルギーです．まことは金属蒸気と接する試料チャンバーの材質のた，(2J+1)は角運動量Jの統計重率です．例えば，選択に関しても言えます．それぞれの金属試料にMnの最初の励起状態 3d6(5D)4s 6D9/2 は基底状態

どのような材質のるつぼが合うかについては大変

3d54s2 6S5/2 の上 2.11 eVのところにあります．これ

役に立つRoss and Sonntagの総説[8]がありますのを蒸発温度 1243 K （970 °C）と共に分布関数へ

で，ここではこれ以上の説明は省きます．

入れて計算しますと，基底状態 1 に対する励起状(d) 原子出射孔の温度：金属オーブンでは試料チ態の生成量（population）は 1.7 × 10–9 となり，全くャンバーのうち出射孔部の温度を試料溜めの部無視できることがわかります．しかしFeの場合，基分より常に高く保つ必要があります．この条件が底状態 3d64s2 5D4,3,2,1,0 の微細構造成分が基底準満たされないと使用中に出射口が次第に小さくな

位J = 4 の上 0.12 eVの範囲に分布しており，蒸発ってビーム強度が変わり，最後には塞がってしま

温度 1743 K （1470 °C）でのJ = 4, 3, 2, 1, 0 準位

います．

の相対生成比がそれぞれ 1: 0.56: 0.31: 0.17: 0.04(e) 金属オーブンの副次的な影響：金属オーブンとなります．この生成比は，例えば実験的な光吸を使用する場合，これに起因する磁界，放射場，

収スペクトルと比較するスペクトルを計算する場合

熱電子，イオン等の相互作用領域や検出器系へには大変重要になります．

の影響に注意が必要です．抵抗加熱でも電子衝次にクラスターの生成ですが，皆無とは言えな

撃加熱でも，大なり小なり磁界が生じます．抵抗いものの，無視できるほど少量である，というのが8

結論です．これをきちんと検証するのは大変難し

4-1 直接抵抗加熱型オーブンい問題です．なぜなら，クラスターの存在を調べよ

最も簡単な直接抵抗加熱型の金属オーブンを図うとして電子あるいは光を当ててイオン化するとあ3 に示します．円筒型の試料チャンバー自身に電る確率で解離するので，本当の姿が見えないから流を流して加熱するタイプです．ここに示したオーです．しかし，今まで金属原子線を使う衝突実験

ブンは 27Al の 2P3/2 状態の超微細構造の測定にで，クラスターが混ざっていて困った，という話は使用されたものです[13]．ヒーター兼試料チャン

筆者の知る限りありません．このことはむしろ金属バーとしてグラファイトを使用し，加熱には交流をスラスターを生成するにはどうするかを考えれば使用しています．温度を 1670 K まで上げるのに納得できます．希ガス原子のクラスターを生成す

800 W を要しています．酸化アルミナ（Al2O3）のるるときと同様に，金属クラスターを生成するには金つぼを使用していますが，グラファイトとの付着を

属蒸気を非常に小さい孔から真空中へ断熱膨張避けるため，るつぼの外側にタンタル箔を巻いたさせます．逆説的に言えば，クラスターの生成をと記されています．

避けるには蒸気出射孔を大きくすればよいと言うことになります．これは出射口が塞がるのを避ける

4-2 抵抗加熱型オーブンという効果もあります．筆者が設計したいくつかの蒸発温度が 1000 °C 以下では安定に使用できるオーブンでは，出射孔の直径を 2.5〜10 mm にしシースヒーターによる抵抗加熱型のオーブンが適ています．

しているでしょう．アルカリ元素，アルカリ土類元素のほか，Bi, Eu, Mn, Pb, Sm, Zn 等がそれに該当

4. 金属オーブンの例

します．今までに非常に多くの異なるタイプの抵

ここでは標準的な金属オーブンの例として抵抗加抗加熱型金属オーブンが製作されていますが，熱型，電子衝撃型，および誘導加熱型オーブン

その中の 3 つの例を紹介します．

をまず紹介し，そのあとよく工夫された例を 2 つほ

図 4 に示すのは，電子スピンの存在を確かめた

ど紹介します．蒸着で使用される電子線加熱（磁有名な Stern-Gerlach 実験で使用された Ag 原子

界で電子線を曲げて金属に当てる方法）は目的線源と同じものです[14]．試料チャンバーは鉄でに適しないので省きます．

できていて，出射孔は直径 1 mm，長さ 1 mm です．
ヒーターは直径 0.3 mm のヘリカル状の白金線で，MgO 粉末内に埋め込まれています．これによってチャンバーを 1300 °C まで加熱することができたと記されています．

図 3 直接抵抗加熱型金属オーブン．本体は水冷式の Cooling Jacket の中に置かれているが，図では省略．

図 4 抵抗加熱型水銀原子線源．有名な
Stern - Gerlach 実験で使用されたのと同じ．

9

図6

図 5 二段加熱型アルカリ原子線用オーブン

Li 原子線用大容量オーブン

図 5 に示すのは筆者が Li 以外のアルカリ原子と膜が邪魔して必要温度に達しても蒸発しないと線用として作製したオーブンです[15]．本体はスいうことが起きます．その場合，更に温度を徐々にテンレス鋼でできています．加熱にはシースヒータ

上げて行けば金属内部に生じる高い蒸気圧で膜ーを 2 本使用し，出射孔の部分の温度を試料チャが破けて急に蒸発が始まります．（表面電離検出

ンバーの温度より常に高く保つように別々に加熱器，質量スペクトル等で）蒸発を確認したら直ちにします．しかし Cs と Rb の場合は，蒸発温度がそ

加熱電力を下げて予定の温度へもって行きます．

れぞれ約 120 ℃，140 ℃と低く，出射孔部のヒー膜ができているときに気をつけるべきは，急に温ターだけで目的をはたすことができました．このオ

度を上げないことです．急な温度上昇は突沸を引

ーブンは下部の円盤に取り付けられた 3 本の支き起こし，試料が周囲に散らばっていろいろと支柱（図では省略）で真空容器に固定されています

障をきたします．Cs と Rb における融解と変色は，が，出射孔部のヒーターの熱が熱伝導で下部へ

真空中へ封入する前にアンプルを冷蔵庫で冷や伝わり，試料チャンバーが容易に必要温度に達すとかなりの程度避けられます．この点に特別なすると同時に，ちょうどよい温度勾配ができたから工夫をした例として，アンプルを真空内に納め，です．るつぼとしては石英かステンレス鋼のものを適度に排気してから機械的にアンプルを割る方用意します．

法があります（Hamburg の研究グループ）．

アルカリ金属の気化は容易ですが，言うまでも

図 6 は蒸発温度 800〜1000 °C の Li 原子線おなく取り扱いには十分注意が必要です．Cs と Rb

よびアルカリ土類原子線用として設計，製作したは通常ガラスのアンプルに封じ込んだ形で売られオーブンです．アルカリ原子用のオーブン（図 5）ていますので，アンプルの首を切ってそのままオと同じシースヒーターによる抵抗加熱ですが，4〜ーブン内へ底から挿入し，これを真空内へ納めて5 日という長時間の使用に耐えるように容量を大き直ちに排気します．特に Cs は融点が 27 °C なの

くし，原子の出射孔を使用中に塞がることがないで，手で触っていると簡単に融解するし，大気にように大きく（10 mm）してあります．試料金属片をさらすとすぐ空気中の水分と反応して表面に水酸

るつぼに入れ，これを上からオーブン内へ入れま化膜ができて変色します．この状態で加熱します

す．このオーブンは主として Li 原子の光イオン化

10図 7 高温用電子衝撃型オーブン．①試料チ
ャンバー（陽極），②Ｗ線固定リング，③Ｗ線（陰極）固定ディスク，④Ｗ線（陰極）支持円筒兼ラディエーションシールド，⑤陽極
支持円筒兼ラディエーションシールド，⑥キ
ャップ，⑦陰極固定台，⑧支柱（3 本），⑨絶縁円盤（マコール），⑩冷却水，⑪水冷キャップ，⑫Ｗ線（3 本を等配分）．

図 8 改良された高温用電子衝撃型オーブ
ン．陰極（Ｗ線）支持円筒兼ラディエーショ
ンシールド①を水冷にした．②水冷キャップ，③Ｗ線（陰極、３本を等配分），④Ｗ線
固定リング，⑤試料チャンバー（陽極），⑥
Ｗ線固定ディスク，⑦絶縁円盤（マコール），⑧支柱，⑨リード線（銅網），⑩フレキシー
ブルチューブ（水冷用）．

実験で使用され，多くの論文を生み出しました[2,①と軽いコリメートの役目をもつキャップ⑥を乗せ

16, 17]．

ます．絶縁円盤⑨を 3 本の柱⑧で固定し，この円盤に円形電極④を乗せる電極⑦を固定してありま

4-3 電子衝撃型オーブン

す．試料を入れたるつぼは，キャップ⑥を外して蒸発温度が 1000 °C を超える金属に対しては電上から挿入します．因みに，Ce の光イオン化実験

子衝撃型が使いやすいようです．その例を図 7 にを行ったときにオーブンへ供給した電力は，フィラ示します．羽根付の円筒型試料チャンバー（陽メント電源 7.1 V / 23.0 A，電子加速電源 2.0 kV /極）①の外側に 3 本の 0.30 mmφのタングステン

230 mA でした．

線（陰極）⑫を置き，陰極から放射される電子を 1

このタイプのオーブンは希土類原子の光イオン〜3 kV の電位差で加速して陽極に衝突させて加化[18]と電子衝突イオン化の実験[19, 20]，および

熱するものです．通常陽極①を接地し，陰極⑫に3d 金属原子の光イオン化の実験[21]に使用して負の高電圧をかけます．タングステン線は電極をきました．高温用として大変優れていますが，欠兼ねる円筒形のラディエーションシールド④の上点の 1 つは長時間の使用で電極表面が汚れてく部に固定したリングから吊り下げ，下部は円形電

ると，熱電子放射によって放電が起きて不安定に

極③に固定してあります．この電極③とその下になることです．これを避けるために設計した電子衝付けてある金属棒はどこにも固定せず，タングス

撃型オーブンを図 8 に示します．ラディエーション

テン線を引っ張る重りの役目をもっています．同じ

シールド①を水冷式にした点が図 7 のもの（④がく熱遮蔽の役目を持つ円筒⑤の上部には，陽極これに対応）と異なります．これによってオーブン

11

に変わってしまうことと関係します．出射口のブロックを防ぐための適切な構造と加熱方法の習得は，
トライ・アンド・エラーによるところが多いようです．
筆者はこの型のオーブンの経験がありませんので，
詳細は文献[8], [9]に譲ります．
4-5 その他のよく工夫されたオーブン 2 例
金属オーブンに関する解説書を読みますと，今まで実に多くの異なるオーブンが作られています．
その中から，なるほどと思わせる工夫されたオーブンを紹介します．
4-5-1 ヒートパイプ
本稿は金属原子線の生成を中心に述べていますが，ここで金属原子の光吸収スペクトルの測定で重要な役割をはたした歴史的なヒートパイプについて触れておきます．ヒートパイプの詳細構造は
図 9 高周波加熱型金属オーブン（文献[24]より）

例えば文献[3, 25, 26]に見ることができますが，そが長時間非常に安定に使用できるようになり，主入れた配管，いわゆるヒートパイプを真空外部かとして Be の光イオン化実験 [22, 23] で使用しま

ら加熱します．加熱にはシースヒーターや電気炉した．

などの抵抗加熱が使用されます．ヒートパイプのの基本構造のみを図 10 に示します．金属資料を両側にはガス導入系と排気系が取り付けられた部
4-4 誘導加熱型金属オーブン屋があり，それらの上流側と下流側にフィルター

金属原子線を生成する第三の方法として RF 誘導が取り付けられています．これらの部屋にはヒート加熱法があります．その１つの例として，Bulgin 達

パイプの光の入射口と出射口から金属蒸気が噴が光電子分光を行ったときのものを図 9 に示しまき出しますが，この蒸気がフィルターに達して付着す[24]．グラファイト（黒鉛）の試料チャンバーを，するのを防ぐに十分な圧力の気体（緩衝ガスと呼炭素フェルトを挟んでセラミックで覆い，その外側

ばれる）が導入されます．図 10 では緩衝ガスがヒに高周波（500 kHz〜1 MHz）誘導コイルが巻かートパイプの方へ流れる構造になっていて，金属れています．この誘導コイルは，普通そうであるよ

蒸気の拡散防止効果を高めています．緩衝ガスとうに，水冷パイプも兼ねています．このオーブンをしては，測定のエネルギー（または波長）領域で使って最大 2300 ℃まで達成できたと記されていますが，材料を選べば 2500℃までの温度を達成できるとも記されています．欠点は加熱用電源が高価なこと，安定な使用に至るまでにはかなりの経験が必要なことです．後者は試料金属，それを入れる試料チャンバーの材質，それらを囲む断熱材などのリアクタンス（またはサセプタンス）とその温度依存性が異なるので，同じように加熱しても図 10 金属原子の光吸収スペクトルの測定で使用されるヒートパイプ型オーブンの例．

その組合せによって加熱速度と温度分布が複雑

12溶かして試料チャンバーへ戻すというものです．

の吸収が起きないか無視できるもの，試料金属やヒートパイプ系を構成している物質との反応性のないものを選びます．一般的には希ガスが使われ

5. 標的密度の決定ています．フィルターはヒートパイプ系の上流側と中性金属原子を標的とする実験のうち，いろいろ

下流側の高真空を保つ役割も担っています．使

な断面積をきちんと測定する実験は非常に大切用するフィルターとしては，測定しようとしている波ですが，精密測定のためのチェックがいろいろあ

長範囲の吸収が小さいか無視できて，吸収構造って面倒な割には，地味で話題性に欠くためかあを持たないものを選びます．光吸収断面積はせまり進んでいません．例えば 1999 年に報告された

いぜい Mb （Mega bahn, 1 Mb = 10–182cm ）のオ

NIFS-DATA-51 “Electron Impact Ionization Data

ーダーなので，長さ 50 cm のヒートパイプで十分

for Atoms and Ions – up-dated in 1998 –”を見ます

01

な吸収構造を見るためには蒸気圧を 10 〜10 Paと，70 種類の金属元素（H は除く）のうち，中性原にする必要があります．これはビーム交差法で必子の断面積データがあるのは約半数の 37 種類で要な蒸気圧より 1 桁か 2 桁ほど高い値です．細かす．これら 37 種類のうち測定データが複数あるのい構造を見るためには蒸気圧を更に 1〜2 桁高め

は 28 種類です．
衝突断面積を決めるには衝突領域の標的原子る必要があります．

密度をきちんと決める必要があります．原子密度
4-5-2 循環型オーブンを決めるための実験配置の例を図 12 に示します．

金属オーブンの試料チャンバーの出射孔から出原子線強度をモニターするための水晶振動子型

る原子はトラップに付着させるとは言うものの，多く

膜厚コントローラのセンサーを衝突領域の中心にはコリメーター周辺に付着してしまいます．これら

挿入できるように設置します．また，原子の平均速は再び使用されることはほとんどないので無駄に度を測定するため，パルス電子銃，ドリフト管，イなります．このことを考慮して，融点が低いアルカオン検出器をオーブンの上部に設置しています．

リ原子用オーブンを図 11 のように，循環型にした原子密度 n は例があります[27]．測定中は cooling jacket に巻かn=れたパイプに液体窒素を入れて冷却し，測定終了後に jacket を加熱して付着したアルカリ金属を

Tρ
v mr

(5)

で計算されます．ここで，T は衝突領域での原子の堆積速度，ρ は試料の個体での密度， v は原子の平均速度，m は原子質量，r は膜厚センサー

図 11 循環型アルカリ原子線用オーブン[27]

図 12 標的原子密度決定方法の概念図．

13

表面への原子の付着確率です．式から T， v およ

当する金属板に原子線が当ったとき，原子の運動

び r を正確に決めることができれば密度 n が正確

量の総和に相当する力が重力とは逆向きにかかに決まることになります．

るので，原子線を当てた時と当てないときで質量付着確率 r を決めるには特別な工夫が必要に表示に差が出てきます．この差と膜厚センサーでなります．例えば，膜厚センサーの周囲を，原子測定した試料金属の堆積速度とから平均速度 v

線の入口を除いて薄い金属板で囲み，一定時間が計算できます[29]．この方法で精度よく測定す原子線を当てた後，金属板に付着した量を精密るためにはビーム強度を 100 Å/s かそれ以上にに測定する方法があります[28]．これによれば，rする必要があります．またこの方法では，天秤のは大体 1 で近似できることが確かめられています．

皿と膜厚センサーを同時に衝突領域に置けない堆積速度 T は水晶振動子型膜厚コントローラに表ので，かなり複雑な機構が必要になります．

示されます．

どの金属原子にも使えるという点では図 12 にも原子線中の原子の平均速度は試料チャンバー

示した飛行時間法が優れています．衝突領域を内の温度を正確に知ればわかると考えがちです．

通過した原子線にパルス化した電子線をあて，生

しかし，正確な温度測定は 1000 ℃を越えると難成したイオンがイオン検出器（図ではチャネルトロ

しくなります．また，実際の平均速度は出射孔のンが使用されている）に入るまでの平均時間と飛形によっては温度から計算した値とかなり異なる

行距離から平均速度が計算できます．飛行時間場合がある，というのが経験者の意見です．そこ（TOF）スペクトルの例を図 13 に示します．平均速で平均原子速度 v を測定することになりますが，度v は最も厄介な部分です．その方法として，蛍光のドッ方法，飛行時間法等が挙げられます．筆者が参

∑v N
∑N

加していた放射光実験施設 PF （Photon Factory，を使ってできるだけ正確に計算します．ここで，Ni

茨城県つくば市）での共同利用実験グループでは速度 vi のイオン数です．

は，Ba に対してこれら 3 つの方法を試してみまし

標的原子の平均速度の測定に関して，経験的た．ドップラーシフト法では，色素レーザーからのに判ったことを付け加えておきます．それは，金属

レーザービームを原子線に対して直角方向からオーブンの動作条件を同じに設定したとしても，照射し，ミラーを使って斜め方向からも同じ位置に平均速度が日によって微妙に変り，特に試料の照射します．原子による共鳴吸収によって放射さ補給のためオーブンを一旦外したときに大きく変れる蛍光を，原子線とレーザー線に対して直角なわることがある，ということです．その困った例を敢v=

プラーシフトを使う方法，高感度電子天秤を使う

方向から検出します．測定は
1

138

i

i

(6)

i

Ba 原子の 6s

1

S0-6p P1 共鳴線 553.55 nm 付近を波長走査しながら蛍光強度を記録します．このとき，斜め照射による蛍光ピークが，ドップラー効果によって直角照射による蛍光ピークに対してずれて出てきます．
このずれと照射角から原子の平均速度が計算できます．この方法は上にあげた 3 つの方法の中では最も精度がよいのですが，残念なことにその適用が色素レーザーの波長可変範囲に強い共鳴線を持つ原子に限られ，どの原子にも適用できる
わけではありません．

図 13 金（Au）原子線の TOF スペクトルの例．これから平均速度を計算する．

高感度電子天秤による方法は，天秤の皿に相14うな試料はペンチのような工具で割って新しい面をむき出させます．Li, Na, K 等のアルカリ金属は割ったり表面を削り取ったりしたあとの新たな面がやはり空気中の分子と反応して直ちに変色し，Cs
や Rb 同じ様なことが軽度ですが起きます．しかし，
手早に真空容器に入れて排気すれば問題はありません（表面の化合物は幸い蒸発温度が純粋な金属より高く，実験後の試料はしばしば最初の形が残っていますが，中はなくなっていて“もぬけのから”です）．反応性の弱い金属試料は瓶あるいはビニール袋に封入された金属片の形で入手さ
図 14 原子平均速度の原子線強度（すなわち，
蒸発温度）依存性．Ba に対して異なる日に測定した例を示している．

れます．これらはそのまま使用します．
実験後の処理ですが，金属によって異なります
ので，ハンドブック等でその性質をよく調べる必要

えて図 14 に示しました．Ba 原子の 4d 領域の光イがあります．特に Be のように毒性のあるもの，アルオン化絶対断面積を測定したときの平均原子速

カリ金属のように水に対して爆発性のものには十度の測定データで，6 月 2 日に測定した後，オー分な注意が必要です．また金属の粉末は多くのブンを取り外して試料を補給し，6 月 4 日に測定し場合発火性ですので，薄く試料金属が付着したています．膜厚計に表示される蓄積速度の値が器壁のアルコールによる処理は避けるべきです．

同じであるにも関わらず，測定された原子平均速

空気に十分さらして，空気中の酸素や水分と反応

度 v が大きく異なっています．その原因を確認でして酸化物或いは水酸化物になってから，真空きていませんが，試料補給後の再セットのとき，原機器に適するキムワイプのような紙で粉末を吸い

子ビームラインのアラインメントが微妙に変ったこ

込まぬように注意しながらふき取ります．このキムとが主な原因と考えられます．この点を改善する

ワイプも研究施設の指針に従って適切に処理すため，ジャバラ付の配管を使って，オーブンの向る必要があります．

きを修正できるように設計することを是非勧めたい

特別な目的で特別に設計・製作した実験装置と思います．

は，まずその装置の個性を知ることから始まります．
金属オーブンを使う実験も同じで，まずその個性

6. 試料の取扱いとオーブンの加熱方法を知ることから始まります．オーブンを加熱し始め

金属試料の取扱いとオーブンの加熱方法についてから必要な温度で安定に働くようになるまで，普て簡単に触れておきます．金属試料のうち化学的

通は 2〜3 時間をかけます．加熱でオーブンの温に不安定なものはアンプルに封入されるか（Rb,

度が上昇し始めると，試料やオーブン自体の脱ガ

Cs, Eu 等），油漬け（Li, Na, K, Nd 等）のかたちでスのため真空度が目立って悪くなります．そして入手されます．アンプル封入試料の取扱いは 4-2

試料金属の気化が始まると真空度が急によくなる，

で述べた通りです．油漬けの試料は表面の油をというのが一般的です．必要な強度の原子線を得

紙で吸い取り，カッターナイフで表面の変質したるにはオーブンに供給する電力をいくらに設定す部分を削って使用します．Li 金属はそれ自身カッればよいか，必要温度までどれくらいの時間をかターナイフで切れるくらい柔らかいのですが，そのけ，どのように電力を増して行くのがよいかは，と金属片は普通硬い部分で覆われています．これにかく使ってみないとわかりません．

は空気中の水分と反応したときの熱で窒素と反応し，窒化リチウム（2Li3N）ができるためです．このよ15

7. おわりに[4] J. P. Connerade, J. M. Esteva, and R. C.

原子物理学の研究者が他分野の人から「原子物Karnatak, Giant Resonances in Atoms, Molecules,

理学でまだやることがあるのですか」という内容のand Solids (NATO ASI Series, Plenum Press

事を言われた，という話を一度ならず耳にしたこと

1986).

があります．原子物理学は量子力学ですべて解[5] J. B. West, P.R. Woodruff, K. Codling and R. G.

決できるという認識がその人にあったのでしょうか．

Houlgate, J. Phys. B: At. Mol. Phys. 9 (1976) 407.

原子的世界の現象は電子間相互作用のために[6]

非常に複雑で微妙ですが，しかしそれが故に(Cambridge University Press, 1998).

我々の興味を引き付けています．原子衝突の研[7] V. Schmidt, Rep. Prog. Phys. 55 (1992) 1483.

究で「飯が食える」のはまさに「電子間相互作用」[8] K. J. Ross and B. Sonntag, Rev. Sci. Instrum.

のお陰，と言えそうです．

66 (1995) 4409.

基礎科学の研究者には 2 つの立場があると思J-P.

Connerade,

HighlyExcitedAtoms[9] L. Vályi Atomic and Ion Sources, Ch. 2 (Johnいます．有用性に結びつく基礎研究という応用的

Wiley & Sons, London, 1977).

な立場と自然界の理解という純粋科学的な立場[10] 清水富士夫「原子のレーザー冷却とその周です．応用的な立場に立つと「基礎工事なしに新辺技術」応用物理 66 (1991) 864.

しい家は建ちません」と強調します．純粋科学的[11] パリティ編集委員会編「レーザー冷却がひらな立場に立つと「自然を理解したいと考えるのは

く原子波の世界」（丸善，2003 年）．

人間の本性で，音楽，絵画，文学などと同様に人[12] E. Gray et al “American Institute of Physics

生を豊かにする文化の発展に寄与している」と文

Handbook” Third edition (McGrow-Hill Book

化面を強調します．しかし，このように立場を分けCompany, 1972) p.4-298.

て考える必要はないのかも知れません．オワンク[13] H. Lew, Phys. Rev. 76 (1949) 1086.

ラゲの蛍光物質の研究でノーベル化学賞を受賞[14] W. Gerlach and O. Stern, Ann. d. Phys. 74

した下村脩博士のように，有用性なんかには目も(1924) 673.

くれず，もくもくと進めてきた基礎研究が，思わぬ[15] M. Koide et al. J. Phys. Soc. Jpn., 71 (2002)

かたちで人類の役に立った，という例はいくらでも1676, 71 (2002) 2681, 72 (2003) 294.

あるのですから．

[16] Y. Azuma et al. Phys. Rev. Lett. 74 (1995)
3768, 79 (1997) 2419.

謝辞[17] R. Wehlitz, M-T. Huang, B. D. DePaola, J. C.

筆者が関わった研究での金属オーブンの製作でLevin, I. A. Sellin, T. Nagata, J. W. Cooper and Y.

は（株）京和真空製作所の高松源治氏および高Azuma, Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 1813.

松 肇氏に多大なるご協力を戴きました．この紙上[18] G. Kutluk, H. Ishijima, M. Kanno, T. Nagata

を借りて深く感謝致します．

and A. T. Domondon, J. Ele. Spec. Rel. Phenomen.
169 (2009) 67.

参考文献[19] S. Yagi and T. Nagata, J. Phys. Soc. Jpn. 69[1] R. P. Madden and K. Codling, Phys. Rev. Lett.

(2000) 1374, 70 (2001) 2559.

12 (1964) 106.

[20] S.Tsuge, A. Shimano, Y. Tohyama, E. Kayama,[2] M-T. Huang, R. Wehlitz, Y. Azuma, L. Pibida,

S. Obara and T. nagata, J. Phys. Soc. Jpn. 74

I. A. Sellin, J. W. Cooper, M. Koide, H. Ishijima,(2005) 3193.

and T. Nagata, Phys. Rev A, 59 (1999) 3397.

[21] U. Arp et al. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.

[3] B. Sonntag and P. Zimmermann, Rep. Prog.

27 (1994) 3389, 28 (1995) 225.

Phys. 55 (1992) 911.

[22] S. Hasegawa, F. Yoshida, L. Matsuoka, F.

16

Koike, S. Fritzsche, S. Obara, Y. Azuma and T.
Nagata, Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 023001.
[23] F. Yoshida et al. Phys. Rev. A 73 (2006)
042709, 73 (2006) 062709, 75 (2007) 012714.
[24] D.Bulgin, J. Dyke, J. Coodfellow, N. Jonathan,E. Lee and A. J. Morris, Electron Spectrosc. 12(1997) 67.
[25] C. R. Vidal and J. Cooper, J. Appl. Phys. 40(1969) 3370.
[26] J. P. Connerade, Nucl. Instr. Meth. 152 (1978)
271.
[27] G. M. Carter and D. E. Pritchard, Rev. Sci.
Instrum. 49 (1978) 120.
[28] 柴田猛順，小倉浩一，私信．
[29] 小倉浩一，柴田猛順，真空 36 (1993) 69.

17