電子ビームイオントラップの電子エネルギー制御による多価イオンの励起・電離過程の研究
中村信行研究室 物部将士

1. 序論

ブに入射される。3つのドリフトチューブ、電子ビームイオントラップ(Electron beam

DT1、DT2、DT3では、DT1とDT3の両端のion trap：EBIT)[1]は多価イオンを研究する電極に高い正電圧が印加されて、多価イオための装置である。EBITの電子ビームエネンが軸方向にトラップされる。径方向に対ルギーを制御することにより、電子と多価する多価イオンの閉じ込めは、超伝導コイイオンとの衝突の中で二電子性再結合[2]やルによって高密度に圧縮された電子ビーム共鳴励起[3]のような重要な原子過程の研究自身が作り出す空間電荷ポテンシャルによを可能とする。また、電離や再結合が進行すって達成される。また、閉じ込められたイオる過程や、準位間のポピュレーションの変ンは、電子ビームの逐次衝突を受けて多価化も観測することができる。本研究ではこイオン化される。さらに、電子はイオン化やのEBITの電子ビームエネルギー制御を利用トラップの他に、イオンを励起させて光をして、プロメチウム様金イオンの電離や励放出させる役割も担う。本実験では小型電起を観測する研究と、鉄14価に着目した共子ビームイオントラップ[4]を使用した。

鳴励起過程を観測する研究を行った。

トラップされたイオンからの極端紫外領域の発光は平面結像型不等間隔凹面回折格

2. 実験装置

子[5]によって観測された。回折格子は溝本
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001-0659を採用している。回折された光子は位置有感検出器(PSD)によって検出された。本実験で扱ったPSDは、5枚のマイクロチャンネルプレート(MCP)と、空間情報を提供するための抵抗アノードエンコーダ(RAE)によって構成されている。

図 2.1 本研究における実験装置概略図

本研究では、周期的に電子ビームエネルギーを制御するために、カソード電位を固本研究では、電子ビームイオントラップ定し、DT2 の電位を周期的に変化させてい(electron beam ion trap ：EBIT)[1]を用いた。

る。任意波形生成器から出力された電圧波

EBITは主に電子銃、3つのドリフトチューブ形を増幅器で増幅し、DT の電位を周期的に(drift tube：DT)、コレクター、超伝導コイル変えて、電子ビームエネルギーを変化させによって構成されている。電子銃から放出ている。

された電子はカソード電位とアノード電位差によって加速され、超伝導コイルによって径方向に圧縮されながらドリフトチュー

3. プロメチウム様金イオンのポピュ
レーショントラップ解明のための時間発展測定

態に脱励起する。一方、4f135s5d は基底状態

3.1 序論終的に 4f135s2 へと脱励起する。この準位は4f145s よりも、多くの微細構造準位をもつ4f135s5p の方へと脱励起する。4f135s5p は最近年、小型電子ビームイオントラップに数十秒の長寿命をもち、準安定状態である

よるプロメチウム様ビスマスイオン(Z=83)

ため、一度、電子が 4f135s5d へ励起すると、の観測と衝突輻射モデル計算によって、プロメチウム様金イオンはほとんど基底状4f 5s 準安定状態のポピュレーションは、態に戻ることはできない。その結果、ポピュ4f145s 基底状態のポピュレーションよりもレーションが基底状態から準安定状態へ移優勢であり、その結果、共鳴線 4f145s-4f145p

り、最終的に、平衡状態時には準安定状態は、4f135s2-4f135s5p 遷移に比べてはるかに弱4f135s2 のポピュレーションが支配的となる。

いことが報告された[6]。この準安定状態先行研究[6]では、電子エネルギーを固定4f135s2 のポピュレーションの方が支配的でして、平衡状態のポピュレーションを研究あることを準安定状態のポピュレーションしてきた。今回、私は平衡状態になる前の発トラップと呼ぶ。

光スペクトルの時間発展を観測し、準位ポ132ピュレーションの発展を研究した。
3.2 実験
電子が一つ多い状態、サマリウム様金イオン Au17+を準備段階として生成しておき、素早くプロメチウム様金イオン Au18+を生成することでプロメチウム様金イオン内の基底状態から準安定状態へポピュレーションの変化を確認する。
3.3 結果と考察

図 3.1 プロメチウム様金イオンのエネルギー準位図

図 3.1 のプロメチウム様金イオンのエネルギー準位図をもとに、ポピュレーショントラップの原因について説明する。基底状

図3.2 金多価イオンの発光強度の時間依存性

態 4f145s は主に 4f145p か 4f135s5d のどちらかに励起される。4f145p の方はすぐに基底状

図3.2は測定された極端紫外領域の金多価イオンの発光強度の時間依存性を示してらに、強度比が増加を示すことから、基底状いる。横軸は、プロメチウム様金イオン生成態から準安定状態へのポピュレーションのの閾値以下457eVから、閾値を超えた480eV変化があったと考えられる。にエネルギーを変化させた時点を0msとしたときの時間経過を示す。縦軸は発光強度を示す。(Pm*A)と(Pm*B)はプロメチウム様金イオンの準安定状態への遷移、(Sm)はサマリウム様金イオンの遷移、(Pm)はプロメチウム様金イオンの基底状態への遷移をそれぞれ示している。実験データを指数関数でフィッティングした結果を黒の実線で示している。τはそれぞれのライン強度をフィッティングしたときに求められた時定数を示す。また、フィッティングにより求められた関数の切片は0を示していない。これはエネルギーを変えた時点(0ms)で、すでに、プ

図3.3 Pm様金イオンの基底状態への遷移と準ロメチウム様金イオンが存在していること安定状態への遷移の強度比の時間依存性を意味する。
図3.2を見ると、おおよそ0msから200ms

図3.2のプロメチウム様金イオンの準安の間で著しく各ラインの発光強度が変化し、定状態への遷移の発光強度を示すグラフ

電離的に非平衡状態であると言える。よっ(Pm*A)の時定数は110msである。このグラて、サマリウム様金イオンからプロメチウ

フはサマリウム様金イオンからプロメチウ

ム様金イオンへの電離の過程が観測できた

ム様金イオンへの電離過程を示すことから、といえる。

サマリウム様金イオンからプロメチウム様

図3.3は図3.2のプロメチウム様金イオン金イオンへの電離過程が平衡状態になるまの基底状態への遷移の発光強度と準安定状での時定数を110msと考えることができる。

態への遷移の発光強度を使って求めた強度

一方、図3.3のプロメチウム様金イオンの準比の時間依存性を示している。横軸は図3.2

安定状態への遷移の発光強度と基底状態へと同様、縦軸は強度比を表している。の遷移の発光強度との比を示すグラフ(Pm*A)/(Pm)、(Pm*B)/(Pm)それぞれ、図3.2(Pm*A)/(Pm)の時定数は50msである。このグのフィッティングの結果を使って計算してラフはプロメチウム様金イオンの基底状態いる。τはそれぞれの強度比の時定数を示す。

から準安定状態への遷移によるポピュレー

この図3.3から、初期段階0msからおおよションの変化を示すことから、基底状態かそ200msあたりにおいて、明らかに著しい強ら準安定状態へのポピュレーションの変化

度比の変化が確認され、2つの状態間でポピが平衡状態になるまでの時定数を50msと考ュレーションの変化があったといえる。さえることができる。この2つの時定数を比較することにより、サマリウム様金イオンか4.2 実験らプロメチウム様金イオンへの電離によるポピュレーションの変化よりも、プロメチウム様金イオンの基底状態から準安定状態への遷移によるポピュレーションの変化の方が速いことがわかった。
図4.1 共鳴励起観測のための電子ビームエネ

4. 閾値近傍における鉄多価イオンのルギーの時間変化

電子衝突励起過程の研究
4.1 序論図4.1 は本実験における電子ビームエネ

太陽コロナのような天体高温プラズマにルギーの時間変化を示している。tdumpはイとって、共鳴励起過程は極めて重要である。

オンの払い出しを行う周期であり、1800ms

しかし、天体プラズマでは電子がエネルギに設定した。tcookは鉄14価を生成する時間でー分布を有しており、特定のエネルギーであり、1600msに設定した。イオンの払い出のみ起きる共鳴励起過程の研究をすること

しによってトラップ内のイオンが吐き出さは難しい。そのため、エネルギーの制御が可れてしまうので、イオンの払い出しの後に能な実験室プラズマでの研究が必要となる。

必ずtcook の鉄14価を生成する時間が必要と

しかし、共鳴励起過程は、ほとんど実験が行なる。tcookの鉄14価を生成する時のエネルギわれておらず、未だにデータも集まっていーは570eVとした。tproveは共鳴励起過程を観ない。

測するために、220eV∼70eVの間で掃引する

近年、小型電子ビームイオントラップを時間であり、6msに設定した。tkeepはtproveの間用いて極端紫外線領域における鉄14価のに生じる価数分布の変動を整える役割の時3s3p-3p3d遷移の電子エネルギー依存性を測間であり、14msに設定した。今回、特に強定したところ、LMM共鳴励起の観測に成功

い共鳴強度を示すと期待されているのが約したとの報告があった[7]。また、この先行90eVであるので、空間電荷ポテンシャルに研究では、非共鳴励起において実験データよる電子ビームエネルギーの減少を考慮しと理論計算との間で差異が確認されている。て、220eV∼70eVとした。

本研究ではLMMよりも強い共鳴を起こ4.3 結果と考察

すMNn共鳴励起を観測することを目的とし、図4.2の黒の実線が実験によりも求めら

先行研究で確認された非共鳴励起においてれた3s3p−3s3d遷移の発光強度のエネルギの実験データと理論計算との間の差異を再ー 依 存 性 を 示 し 、 (b) が 鉄 14 価度検証する。MNn共鳴過程は以下の式で表

3s3p−3s3d(3P2−3D3)遷移であり、(c)が鉄14価すことができる。

3s3p−3s3d(1P1−1D2)遷移である。赤の実線がe+Fe14+(3s2) -> Fe13+(3s4lnl’) -> Fe14+(3s3d)+e

理論計算により求められた基底状態(3s2)から3s3dへの励起を考慮した、3s3p−3s3d遷移の発光断面積を示している。横軸は電子エネルギー(210eV∼60eV)を示す。左軸は光14価3s3p−3s3d(1P1−1D2)遷移と同様のスケ子カウント数を示し、右軸は励起断面積をーリングを横軸と縦軸に施した。(b)の実験示している。

結果の発光強度と理論計算の断面積を比較すると、明らかな不一致が確認された。おそらく、準安定状態(3s3p 3P2)を経由した間接励起の寄与をこの理論計算は含んでいないことが要因として挙げられる。青の実線は実験データと一致するように、赤の実線の理論計算によって求めた断面積を底上げした断面積となる。350eV∼500eVのLMM共鳴励起過程を定量的に評価した先行研究でも、(b)鉄14価3s3p−3s3d(3P2−3D3)遷移の理論計
算による非共鳴励起断面積の値が実験値と図 4.2 鉄 14 価 3s3p-3s3d 遷移((b) ( P2− D3), (c)異なっていたという報告をしている[7]。よ(1P1−1D2))の発光強度の電子エネルギー依存って、非共鳴励起断面積計算の改善の必要性性を再度証明することができた。

33共鳴励起断面積に注目すると、実験デー横軸の電子エネルギーのスケーリングにタの発光強度と理論計算の断面積は、大まつ い て 説 明 す る 。 図 4.2 の (c) 鉄 14 価 3s3p

かには良い一致を示しているが、完全に一−3s3d(1P1−1D2)遷移に注目すると、95eV以下致しているとは言えない。これは理論計算で励起が起きていないことがわかる。これに考慮されていない共鳴励起過程があるのは基底状態(3s2)から励起状態(3s3d 1D2)へのではないかと考えている。図4.2(c)の実験デ

励起閾値が94.5eV[8]であるため、電子エネータを見ると、140eV~210eVの領域では共ルギーが94.5eV以下になると励起できなく鳴による発光強度が理論計算よりも大きいなってしまい、その結果、3s3p −3s3dことが確認できる。これは1つの共鳴励起に(1P1−1D2)の遷移もできなくなってしまうよるものではなく、無数の共鳴が存在し、そために起きている。この現象を利用し、このの共鳴励起の重なりで形成されていると考94.5eV閾値付近のふるまいが、実験結果のえられる。低エネルギー領域のMNN、MNO、(c)鉄14価3s3p−3s3d(1P1−1D2)遷移の発光強さらに、MNPの共鳴励起過程は多くの中間度と、理論計算により求められた発光断面状態を持ち、1つ1つは弱い共鳴強度である積とで一致するように横軸をスケーリングのがほとんどだが、無数に存在し、共鳴に寄した。また、縦軸もこの94.5eV閾値付近のふ与している。特に、200eVあたりは計算に考るまいが、実験結果の発光強度と理論計算慮されていないMNPの共鳴励起が現れるの断面積とで一致するようにスケーリング(188.9eV中間状態3s4f6gと183.0eV中間状態している。

3s4f6dの共鳴励起が特に強い寄与をもつ)エ(b)鉄14価3s3p−3s3d(3P2−3D3)遷移も(c)鉄ネルギー領域であることから、MNP共鳴励起過程の考慮により実験データとの一致にサマリウム様金イオンからプロメチウム様近づくのではないかと考えている。

金イオンへの電離の変化と、プロメチウム

また、今回は（c)鉄14価3s3p−3s3d(1P1−1D2)様金イオンの基底状態から準安定状態への遷移の94.5eVの閾値近傍のふるまいを基準遷移の変化を時定数によって比較した。そとしたが、この94.5eVの閾値近傍のふるまの結果、プロメチウム様金イオンへの電離い自体に、実験データの発光強度と理論計による価数の変化よりも、基底状態から準算の断面積とを完全に一致させない要因を安定状態への遷移によるポピュレーションもつ可能性もありうる。の変化の方が速いことがわかった。

(b)鉄14価3s3p−3s3d(3P2−3D3)遷移の基底状態(3s2)から励起状態(3s3d 3D3)への励起閾

5.2 閾値近傍における鉄多価イオンの電子衝突励起過程の研究

値は84.5eV[8]であるが、(b)の遷移は閾値以

電子エネルギー60eV∼210eVにおいて、下に電子ビームエネルギーが下がってもあ鉄14価の3p−3d遷移でMNn共鳴励起過程をる一定の光子カウント数を保つ。これは基観測することができた。また、鉄14価3s3p底状態(3s2)からの励起だけでなく、準安定− 3s3d(3P2−3D3)遷移において、理論計算に状態(3s3p 3P2)からの励起が寄与している可よる非共鳴励起断面積の値が実験の値と明能性があるためである。準安定状態(3s3pらかに異なっていることがわかり、非共鳴3P )から励起状態(3s3d 3D )への励起閾値は23

励起断面積における理論計算の見直しの必53.0eVであるので、理論的にはありえる。さ要性があると考えられる。また、共鳴断面

らに、もし、準安定状態(3s3p 3P2)からの間積においても、実験データと理論計算とで接励起が寄与している可能性が考えられる違いがあったことから、理論計算においならば、この準安定状態(3s3p 3P2)から励起て、MNN共鳴励起、MNO共鳴励起だけで状態(3s3d 3D3)への共鳴励起の寄与も十分にはなく、MNP共鳴励起などの高準位を中間考えられる。

状態にもつ共鳴励起を考慮する、もしくは、基底状態からの共鳴励起だけではな

5. 結論

く、準安定状態からの共鳴励起も考慮する

5.1 プロメチウム様金イオンのポピュレー必要があると考えられる。

ショントラップ解明のための時間発展

参考文献

計測

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準安定状態への遷移によるポピュレーショ

[8] A. Kramida et al, NIST Atomic Spectra Database (ver. 5. 6.

ンの変化があることを確認できた。また、

1), [Online].