極端紫外領域における多価イオンの電荷交換分光
中村信行研究室

1233001 相田裕也

1 背景・目的て見られる現象であることが判明した[3]。

我々の研究室では多価イオンについて研それに伴い X 線放射メカニズムに関する研究を行っている。多価イオンとは, 中性原究が進み, 「彗星からの X 線は太陽風に含子から電子を 2 個以上電離させた正の高電まれるイオンと彗星の中性物質との電荷交離イオンの事である。多価イオンは, クー換反応により放射されている」ことが判明

ロンポテンシャルから成る膨大な内部エネした。太陽風は主に電子及び, H+, He2+, Cq+,ルギーを持っており, 他の物質との相互作

Nq+, Oq+のようなイオンで構成されている。

用が大きいことが特徴である。多価イオン

それぞれの多価イオンの価数 q は, ほとん

は地球のような低温環境では自然に存在しど水素様イオンや裸イオンである。正電荷ないが, 太陽コロナなどの高温プラズマ中のうち約 90[ %]が H+であり, 約 5 [%]がには多く存在している。この事から, 天文He2+であり, その他のイオンが残りの約プラズマの詳細な理解には多価イオンの知5[%]と考えられている。電荷交換反応では見が不可欠とされている。

多価イオンが中性気体と衝突することで電1990 年,ドイツで打ち上げられた ROSAT子が励起状態に捕獲され, 光を放射するこ衛星は X 線による全天探査を行い, 精密なとで脱励起する。以上のことから X 線天文全天地図を作製した[1]。これにより, 特定学における電荷交換反応の重要性は増しての X 線放出天体などが全くない場所からもおり, 詳細な解析を行うためにも実験室に強い強度で X 線が観測されていることが判

天体で起きている太陽風電荷交換反応を再明した。その当時, この謎の X 線強度変化現することが求められている。の起源を突き止めることはできなかった。

首都大学東京では天体で起きている電荷後にこの問題を解明するための糸口が意交換反応を実験室内に再現し,シリコンド外な所から発見された。彗星からの X 線放リフト型 X 線検出器(Silicon Drift

射の発見である。1996 年, 百武彗星を観測

Detector: SDD)を用いて発光の観測が行わしたチャンドラ衛星が彗星の太陽を向いたれている [4]。この首都大学東京の SDD に方向から発光強度が非常に強い X 線が放出

よって得られた軟 X 線発光スペクトルを図されていることを初めて観測した[2]。一般

1 に示す。

的に X 線は温度が 100 万度以上の高温ガス

図 1 は水素と炭素の裸イオンの電荷交換から放射されるので, 塵と氷から構成され反応により観測された軟 X 線スペクトルでている彗星自ら X 線を放射することはありある。このように, シリコン検出器の分解得ないと考えられている。しかし, 百武彗

能では, 各主量子数からの K 線を分解でき星に始まり, 次々と彗星からの X 線放射がていない。本研究では, それらを分解する発見され, X 線放射は多くの彗星に共通し分光器を製作し, 高分解能分光実験を行う
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事が目的である。また, 多価イオンの電荷の中に収める必要がある。また, 分光器の交換反応によって最初に生成される励起状仕様としては, 多価イオンからの微弱な発態は, 価数が高いほど主量子数の大きな状光をシリンドリカルミラーによってスリッ態に電子捕獲される。そのため, 基底状態ト位置に集光し, 平面結像型凹面回折格子への軟 X 線放射の他, 励起状態間遷移よりにより波長分別を行い, 電子冷却式背面照放射される極端紫外線も観測されると考え射型 CCD で検出となっている。回折格子にられる。したがって, 本研究で製作する分は中心部溝本数が 1200 本/mm, 2400 本

光器では, 軟 X 線から極端紫外におよぶ領/mm のものを波長領域(5~20nm、1~6nm)域, 具体的にはおおよそ 1~20nm の発光ににより使い分ける。

有用な分光器である必要がある。

2・1 ミラー
分光器を製作するにあたり, ミラー形状の検討を行った。ミラーの形状を検討するにあたり, 放射光で広く使用されているシミュレーションソフト SHADOW を用いて,シリンドリカル, トロイダル, 球面形状について光線追跡計算を行った(図 3)。図 3 よ図 1：首都大学東京で得られた軟 X 線スペり, 点光源の場合,トロイダルミラーの集光

クトル[5]効率が一番高く, 他のミラーの効率は低くなる。しかし, 実際に首都大で実験を行う

2 分光器の製作際には, 数 10 mm 程度の長さを持ったガス本研究では, 首都大学東京で行われていセル内標的に数 mm 程度の多価イオンビーる太陽風多価イオンの高分解電荷交換分光ムが横から衝突し発光するため, そのよう実験に用いるための分光器の製作及び評価な横長の線状光源についてもシミュレーシを行った。図 2 に製作した分光器の概略図ョンを行った。その結果によれば, シリンを示す。

ドリカルミラーの効率はトロイダルミラーと同等であることが分かる。そこで, トロイダルに比べ製作が容易で安価であるシリンドリカルを選択した。また, ミラーはXYZ 軸フラットステンレスステージ, θ軸粗微動ステンレスステージ, α軸小型ステ
図 2：分光器の概略図

ンレスゴニオステージによる 5 軸調整が可

本研究の対象としている観測波長領域は能となっている。

約 1~20 nm の軟 X 線から極端紫外領域である。これらの波長領域では空気による吸収を避けるために, 光学系を全て真空容器
2表 1：回折格子の主なマウントパラメータ

2・3 スリット

図 3：ミラー形状による集光効率比較。
トロイダルの効率を 1 として比較。

製作した分光器に用いられているスリットには直線導入が取り付けられており, ス

2・2 回折格子リット幅を 1 目盛 5 [μm]で調整が可能と本研究で用いた回折格子は島津製作所社なっている。一般的にこのタイプの分光器製の平面結像型凹面不等間隔回折格子[6]ででは, スリットの幅で波長分解能が決定し,ある。これは, ラミナー形状による高次光幅が狭いほど分解能は高くなる。の少なさ, ホログラフィック法による迷光2・4 検出器の少なさ, さらに, 非球面波露光法による収差補正機能での高分解能を備えた回折格本研究で製作した分光器の検出器として子である。また, 回折格子の溝が不等間隔は, Princeton Instruments 社の電子冷却型になっており, CCD 検出器面上に平面結像の背面照射 CCD を用いた。これは電子冷却をする仕組みとなっている。回折格子の光により-70[℃]まで冷却することによって暗学配置,マウントパラメータを図 4, 表 1 に電流を落とし, 微弱光を検出する。典型的それぞれ示す。本研究では 2 つの回折格子な暗電流の値は-75[℃]で 0.001 [e-/p/sec]とを用意した。これらは表 1 に示されているなっている。尚, 本研究では-70 [℃]で使用ように r, ri’ のパラメータが等しくなってした。
1 ピクセルのサイズは 20[μm]であり,いるため, 目的の波長に応じて簡単に交換

縦 400×横 1340 となっている。また, 本研可能となっている。しかしαの値が異なる究で用いた CCD はリニアステージ上に設ため入射角度の調整のみ必要となる。この置されており, 結像面で可動である。

入射角度調整を可能にするために, 今回製

3 分光器評価実験作した分光器には回折格子を中心に回転する回転プレートが備え付けてある。

まず電通大で分光器の性能評価実験を行い, 光線追跡計算結果と比較することで十分な性能を確認した後, 首都大へ分光器の移設を行った。移設後, 同じく首都大にて行った分解能評価実験について記述する。
本実験で分解能評価実験に用いた装置配図 4：回折格子の光学配置

置を図 5 に示す。ECR イオン源によって生3成された Oq+の多価イオンをビームとして引き出し, 価数分析磁石により O6+を価数選別し, 振り分け磁石で衝突部まで多価イオンビームを誘導する。
誘導されてきた O6+は衝突チェンバー内の全長 50 [mm]のガスセル内に入り, 今回の標的ガスである H2 と衝突する。このようにガスセル内で電荷交換反応が起こり, それに伴い放射される極端紫外光を電通大で製作した分光器で観測した。最終的に多価イオンビーム強度はフ
図 6：線幅のスリット位置依存性ァラデーカップにより確認可能である。本
O6+ +次に回折格子への入射角度の調整を行っ

H2 の電荷交換反応により得られた発光スた。その結果を図 7 に示す。図 7 の結果にペクトルを用いた。得られた適当なライン対して二次関数によるフィッティングを行に対して正規分布関数によるフィッティンった。フィッティング結果より, 入射角度グにより線幅を算出しつつ, 分光器のスリは 87.1°で最も線幅の値が低くなり, 分解ット位置, スリット幅, 回折格子への入射能が高くなった。

実験の分解能評価及び波長較正には角度の最適化を行った。
また, 最終的に得られた波長分解能に対してシミュレーションソフト SHADOW による光線追跡計算結果と比較を行った。

図 7：線幅の入射角度依存性
最後にスリット幅の調整を行った。その結果を図 8 に示す。図 8 の結果よりスリッ
ト幅を 500[µm]から狭めていくと, およそ200[µm] ま で は 線 幅 が 小 さ く な る が ,図 5：分解能評価実験の配置

200[µm] 以 下 で は ほ ぼ 一 定 で あ っ た 。

まず初めに, スリット位置の調整を行っ200[µm]以下では分光器内のミラーや回折た。その結果を図 6 に示す。図 6 の結果よ

格子のミスアライメント, 回折格子自体のりスリット位置による依存性はないとし,分解能などによる分解能の限界であると考スリット位置は初期位置とした。

えられる。
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られた強度比と比較する。電荷交換反応による状態を選別した初期捕獲断面積の計算と実験結果を比較することで, 計算精度の検証と実験結果の定量的理解を行うことが目的である。
電荷交換分光実験を行った際の装置配置は 3 章で分解能評価を行った時と同じである(図 5)。本研究で使用した ECR イオン源によって生成された 16Oq+を引き出し電圧
VEX=10 [kV]で多価イオンビームとして引
図 8：線幅のスリット幅依存性

き出す。その後, 様々な価数の多価イオン

最終的にスリット幅 200 [µm]で実験によを価数選別用電磁石によって目的の価数のり得られた分解能は Δλ=0.037 [nm]とな多価イオンのみ選別する。価数選別電磁石った。この結果に対し, シミュレーションにより価数選別されたイオンは切り替え用に よ る 光 線 追 跡 計 算 結 果 は Δ λ =0.034

電磁石によって, 衝突チェンバーの方向に[nm]となった。これらの結果を比較すると,誘導する。イオンビームは全長 50 [mm]のスリット幅 200 [µm] での実験及びシミュガスセルの中に入り, 標的ガスと衝突する。

レーション結果は同程度の値となっている。

標的ガスとしては H2, He, CH4 ガスを用いしたがって, 実験結果は妥当であると判断ることで, 主量子数 n=3 から n=2 への遷移した。また, 1 章の図 1 に示される首都大のから得られるスペクトル強度に対する O6+SDD によって得られた軟 X 線発光スペクの標的ガス依存性を調べた。本研究で O6+ +トルを分解することが当初の目的である。

H2 の電荷交換反応によって観測された発図 1 より隣接する 1s-3p 及び 1s-4p 遷移か

光スペクトルを一例として図 9 に示す。

ら成る発光ライン間隔が 0.15 [nm]である
ため, 実験的に確認した波長分解能は電荷交換分光実験で必要とされている波長分解能 0.15 [nm]を 1 桁上回っていることから,目的を十分達成できていると判断した。

4 電荷交換分光
多価イオンの電荷交換反応によって主量子数の高い高励起状態に捕獲された電子は,カスケード過程を経て基底状態に落ちると図 9：観測された発光スペクトル考えられる。この励起状態間遷移過程の理O6+と各標的ガスとの電荷交換反応によ解を深めるために, 実験的に観測された発って得られた発光スペクトルの内, n=3 か光スペクトル強度比を理論計算により求め

ら n=2 への遷移に対する 3 つのライン強度
55 まとめ比を図 10 に示す。尚, 強度比とは各ライン強度を 3 つのライン強度の和で割った値で本研究では軟 X 線から極端紫外線を対象ある。図 10 の結果より, 標的依存性はあまとした高分解能分光器の製作及び評価を行り見られなかった。

った。電通大で分光器評価を終えた後, 首都大へ分光器の移設を行った。首都大で行われた分解能評価実験では, 最終的にスリット幅 200 [um]で線幅 0.037 [nm]という結果が得られた。この結果はシミュレーション結果とよく一致しており, 分光器の性能は引き出せていると判断した。

図 10：n=3 から n=2 遷移の標的依存性分光器の性能評価が終わるに伴い, 実際実験的に O6+と H2 の電荷交換反応に太陽風多価イオンの電荷交換分光実験をによって得られたライン強度比と計算によ行った。実験結果より, O6+と CH4, H2, Heり算出したライン強度比を図 11 に示す。

標的の電荷交換反応による主量子数 n=3 か

次に,

ら n=2 への遷移スペクトルの強度比に依存性はほぼないことが分かった。さらに, この実験結果と計算結果の比較により, 計算結果と実験結果に差異が見られた。今回の実験では, CCD 感度や回折格子の反射効率等を考慮していないため, 感度補正を行った実験結果と比較する必要がある。今後はより高価数な O7, 8+と CH4, H2, He ガスの電図 11：ライン強度比の実験及び計算結果

荷交換反応によるデータの蓄積, C6+ + H2

標的 H2 に対する計算結果は実験結果をの電荷交換反応により得られる軟 X 線発光再現できていない。今回の実験は 1 度しかスペクトルの高分解分光実験を考えている。

行っていないため, 再現性の確認をする必要がある。また, CCD 感度や回折格子の反参考文献

射効率等を考慮していないため, 今後感度

[1]

S. L. Snowden et al., ApJ 424 714 (1994).

補正を行った実験結果と比較していかなけ[2]

C. M. Lisse et al., Science 296 1042 (2002).

ればならない。これらの要因を考慮し, 計[3]

http://www.isas.jaxa.jp/j/forefront/2007/fuji
moto/index.shtml

算結果と一致しないようなら理論計算をして頂いた共同研究者である応用物理, 計算[4]石田氏修士論文 首都大学東京

数学研究所(北京)の L.Liu 教授と話し合い,[5]

島谷宏史, 日本物理学会第 68 回年次大会,
28pDH-3

理論計算精度の改善を行っていく必要があ[6]る。

http://www.shimadzu.co.jp/products/opt/products/grating/rr01.html

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