鉄多価イオン発光線強度比の電子密度依存性測定
清水恵理奈
平成 26 年 3 月 6 日

1背景

よってモデル計算が信頼に値するのか実験による評価が求められている。本研究では過去の研究

太陽には未だ解明されていないメカニズムの一面は高密度プラズマだがコロナは低密度プラズマ[2] においてモデル計算と大きな違いが見られている FeXV のスペクトルを観測し再現性を確かめ、さらにモデル計算との違いが見られる部分についであるため、光球表面から遠ざかるにつれて電子ての詳細な測定を行った。

つにコロナ加熱というものがある。太陽内部や表密度は低くなっていく。しかし電子温度は、光球表面が約 6000 K に対して遷移領域を過ぎると急2激に上昇してコロナでは 100 万 K となっている。

実験装置

希薄なプラズマであり太陽表面から離れた距離に本研究で測定する波長領域は 5 ∼ 30 nm の極端あるコロナがなぜ 100 万 K を保っているのか、そ紫外領域 (EUV 領域) である。10 ∼ 200 nm の真のメカニズムは未だ解明されていない。

空紫外領域 (VUV 領域) と呼ばれる波長領域は大太陽コロナは 100 万 K という高温を保っている

気中に含まれる N2 や O2 の吸収帯となるため、空ため、そこには鉄多価イオンが多数存在している。

気中を伝播することが出来ない。そのため光学系

太陽大気の鉄多価イオンスペクトルを調査するこは真空容器に収められており、真空度は 10−8 Paとは太陽大気における電子密度分布や電子温度分となっている。

布を知るために必要であり、その為に太陽大気の実験装置及び分光器の概略図を図 2.1 に示す。

分光計測は重要である。国立天文台は 2006 年 9 月に「SOLAR-B」プロジェクトの太陽観測衛星「ひCoBIT の光源は細長い線上であるため、それ自体を分光器の入射スリットとみなすことが出来る。そので」を打ち上げている。このひのでには、超高のためスリットレスな構造を持った分光器となっ分解能の可視光磁場望遠鏡 (SOT-FPP,OTA)、極ている。このため CoBIT の EUV 分光器では高効端紫外線撮像分光装置と X 線電波望遠鏡 (XRT)率な測定が可能となっている。また別の観測ポーが搭載されており、3 つの波長領域における観測トに取り付けたピンホールカメラでは電子ビームが可能となっている。今回注目している鉄多価径を測定してトラップ領域における電子密度を求イオンのスペクトルは主に 5〜30 nm の極端紫め、ワイヤープローブ挿入システムは制動放射観外 (EUV: Extreme ultraviolet) 領域で発光するた測に利用した。

め、極端紫外線撮像分光装置 (EIS: EUV Imag-ing Spectrometer)[1] を用いて分光測定が行われている。
この EIS を用いたプラズマ診断は、観測されたスペクトル強度比をモデル計算と比較することで診断を行い、太陽大気の電子密度分布の測定を行っている。その為、プラズマ診断結果が信頼に値するかどうかはモデル計算の信頼性に大きく左右される。しかし衝突輻射モデル (CR model: Collisional

図 2.1 実験装置及び EUV 分光器の概略図

Radiative model) 計算で使われる放射、電離、再結合などの速度係数は実験による評価を受けていない計算値であることが多く、実際の観測において信頼性が十分にあるか分かっていない。

1

発光線強度比の電子密度依存性

33.13.2

電子密度測定対象となるスペクトルの強度を測定すると共に、鉄スペクトルの観測

位置有感検出器 (PSD: Position Sensitive Detec図 3.1 は本研究で注目している FeXV23.39 nmと 24.38 nm のラインについての電子ビーム電流tor) を用いてトラップ領域の電子密度を測定した。
電子密度の値を求めるためには電流値、電子ビー依存性を示したものである。ここでは電子ビームムエネルギーの他にも電子ビームの形状即ち電子エネルギー (Ee) を 500 eV に固定し、電子ビームの空間分布とイオンの空間分布を測定しなければ電流を Ie= 10, 12, 13, 14, 15 mA と変化させた。

ならない。

一般に電子ビーム電流を増加させていくとその分電子ビームの衝突によって励起状態となったイ標的となるイオンに衝突する電子の数が増えるた

オンは脱励起する際に光を放出する。EUV 領域のめ、生成される多価イオンの数も増加する。同じ発光は遷移寿命が短い E1 遷移によるものであり、価数の多価イオンによる発光ラインの強度比は Ie

寿命は 10−10 s 程度である。そのため電子が衝突によって急激に変化しないと考えられる。しかしした直後に発光するので、EUV 領域の発光分布は

図 3.1 を見ると、Ie を変化させていくことによっ電子の空間分布を表していると考えることが出来て同じ価数からの発光である FeXV23.39 nm とる。一方でイオンの空間分布は可視領域の発光分

FeXV24.38 nm の強度比が急激に変化していることがわかる。なお図 3.1 の青線は、各スペクトル布から求める。可視領域の発光は基底状態微細構についてガウシアンフィッティングを行ったもの

電子ビームの衝突により励起されてもすぐには脱である。後述する各スペクトル強度比はガウシア

励起せず、電子ビームの外でも発光すると考えらンフィッティングによって求めた。

れる。しかし先行研究 [2] より、電子とイオンの造間の M1 遷移であるために寿命が長く (∼ ms)、空間分布に大きな差異はないことが分かっている。
そのため今回の測定では電子の空間分布のみを測定した。図 3.2 は PSD で検出したイメージであり、青色の部分が EUV 領域の発光を検出している部分である。これを横軸方向に積分し空間分布を表したのが図 3.3 である。電子密度は測定の結果を以下の式に代入して求めた。

n¯e =4ln(2) I·2πa2 eυ

[cm−3 ](3.1)

ここで I は電子ビーム電流、υ は電子ビームエネルギーより求めた電子の速度、a は EUV 領域の発光分布の半値全幅であり、ガウシアンフィッティングによって求めた。

図 3.1 500 eV における FeXV23.3866 nm と 24.37940 nmの電子ビーム電流依存性

図 3.2 PSD で観測した EUV 発光分布2表 1 注目したラインの詳細 [3]
Ion
FeXV

Wavelength [nm]23.3866
24.3794

Transition
3s3p 3 P2
3s3d 3 D3
3s3p 1 P13s3d 1 D2

表 2 強度比の電子密度依存性
電子ビームエネルギー
Ie [mA]

1012131415電子密度
ne [cm−3 ]2.6E+103.4E+103.8E+104.2E+104.6E+10

23.3866 nm

強度24.37940 nm

17183225303436413530

強度比

0.50
0.50
0.78
0.711.0

図 3.3 エネルギー 500 eV における EUV 発光分布測定結果

3.3

モデル計算の評価

本研究ではモデル計算と顕著な違いが見られる
FeXV23.39 nm と 24.38 nm に注目した。
ライン強度比は図 3.1 に示すように、それぞれのラインについてガウシアンフィッティングを行いその面積を強度として比を求めた。その際、2 つのラインの半値幅が一定となるようにフィッティングを行った。図 3.1 より Ie=14 mA から 23.39nm のピークの高さが著しく増加していることが分かる。

図 3.4 FeXV のライン強度比の電子密度依存性

図 3.4 は大阪大学の山本氏の理論計算と今回測定した強度比 23.39 nm/24.38 nm の電子密度依存3.4性をプロットしたものである。横軸が対数表示で感度較正あらわした電子密度、縦軸が強度比を示しており、今回用いたモデル計算はライン強度比と電子密赤い点が今回の実験値、青い曲線がモデル計算の度の依存性を計算したものである。モデル計算の計算結果を示している。また桃色の四角は先行研評価を行う実験では目標とする価数のイオンによ究 [2] の結果をプロットしたものである。なお、注る各ライン強度比を測定によって得られたスペク

目したラインの詳細及び強度比や電子密度は表 1,トルから求めていく。しかしながら、ここで分光器表 2 の通りである。表 1 や図 3.4 より、Ie=12 mAにおける感度の波長依存性について考えなければまでは概ねモデル計算が実験を良く再現しているならない。本研究で対称としていた FeXV の 23.39ことが分かる。しかし Ie=13 mA 以降ではモデルnm と 24.38 nm におけるライン強度比では発光波長が比較的近いので、感度の波長依存性はほぼ同じものだと考えた。しかし同じ FeXV でも 24.38計算と実験結果に著しい差が見られる。Ie=13 mA付近で立ち上がりを見せる 23.39 nm のラインがこの様な著しい差を生み出している原因であると

nm と 28.42 nm では波長が離れている為に、強度考えられる。しかし 23.39 nm のラインが立ち上比を議論するためにはそれぞれのラインについてがる原因は不明なため、今後の研究課題となって感度較正を行わなければならない。

いる。

本研究では制動放射によるスペクトルを感度較

また先行研究 [2] のデータと今回のデータを比正に利用した。制動放射は較すると、電子密度に差があることが分かる。しかし、電子密度に対して強い依存性を持つことはIλ =再現していると言える。

Cc2 (λ − λmin )λ3 λmin(3.2)と表す事が出来る。ここで C は原子固有の定数、cは光速度を示している。ここで電子ビームエネル
ギーを 82.3 eV とすると λmin は Duane-Hunt の3法則

λmin =

12.4
[Å]
Ee4

まとめと今後の展望(3.3)
小型多価イオン源と斜入射型分光器を用いて鉄より、λmin = 15.06 nm と求めることが出来る。図多価イオンの極端紫外域発光線強度比の電子密度3.5 は実際に Ti ワイヤにエネルギー 82.3 eV の電子ビームを入射して得られた制動放射スペクトル依存性を測定した。と制動放射の理論曲線をプロットしたものを示し電子ビーム電流を変化させて測定した。同時に極ている。理論計算と実験で得たスペクトルを比較

端紫外領域の発光分布も測定し、そこからトラッ

すると、赤い理論線と青い実測線はスペクトルのプ領域の電子密度を測定した。測定結果より発光形に大きな違いが見られた。今回は 20 nm 付近を線強度比の電子密度依存性を求め、モデル計算と1 と規格化しており、長波長側に行くにつれて感の比較も行った。本研究では特にモデル計算と大度が減少していることが図 3.5 より分かる。つまきな差が見られる FeXV スペクトルを観測し再現

り長波長側は感度が悪く、短波長側は感度が良い性を確かめ、さらにモデル計算と違いが見られると言える。図 3.6 は Ee=500 eV のスペクトルに部分について詳細な測定を行った。

発光線強度は電子ビームエネルギーは一定に、ついて実際に感度較正を行ったものである。今回

FeXV の 23.39 nm と 24.38 nm の発光線強度比の実験では波長が離れたラインの強度比は求めなの電子密度依存は、実験とモデル計算で大きな差かったが、この感度較正の方法を用いて今まで議があることが分かった。差が大きくなる部分の詳細論が出来なかったライン強度比についても測定をな測定によって、電子密度が ne = 4 × 1010 cm−3行いたいと考えている。

を超えるとモデル計算との差が大きくなる事が分かった。しかし今回注目している FeXV23.39 nmの発光線強度が弱い為、実験誤差が非常に大きくなってしまった。そのため今後の研究では露光時間を増やして測定する必要があると考えられる。
また本研究では制動放射スペクトルを用いて感度較正を行った。本研究では実際に感度較正を行うことはなかったが、今後の研究ではこの感度較正の方法を用いて今まで議論が出来なかった発光線強度比についても測定を行っていきたい。

参考文献
図 3.5 観測した制動放射スペクトルと理論計算の比較[1] http://hinode.nao.ac.jp/po/eis/[2] N.Nakamura et al., ApJ, 739 (2011) 17[3] CHIANTI database

図 3.6 Ee=500 eV における感度較正前後のスペクトル4