鉄多価イオン分光用小型イオン源の製作と評価
量子・物質工学専攻
1.

中村信行研究室

菊池浩行

背景

ドリフトチューブ 2
ドリフト
チューブ 1

多価イオンとは 2 価以上のイオンのことを言い、取り去る電子が q 個のとき、これを q 価の多価イオンと呼ぶ。

ter : EIS)は太陽コロナに含まれる 10 価程度の鉄電子コレクター

電子ビーム

(a)

太陽観測衛星「ひので」[1]に搭載されている極端紫外線撮像分光装置(EUV Imaging Spectrome

ドリフト
チューブ 3電子銃
超伝導コイル

電子ビームによる空間電荷ポテンシャル

多価イオンの分光診断により、コロナ加熱機構を解明することを目的としている。図 1 に太陽大気多価イオンの温度と電子密度の様子を示す[2]。
(b)

電位(c)

磁場

電子ビームのエネルギー

図 2. EBIT の多価イオン生成原理図

EBITは大きく分けて電子銃、ドリフトチューブ(Drift Tube : DT)、電子コレクターの3つから成る
図 1. 太陽大気の温度と電子密度の様子(図2(a))。またDT の周りにはヘルムホルツ型超電通常このような分光診断は電子衝突断面積などの導コイルを配置し、軸方向の強磁場（図2(c)）を形

基礎原子データに基づいたモデル計算との比較に成する。電子銃から出射した電子ビームは図2(b)より行われるが、鉄多価イオンの原子データにおのような電位配置によって加速され、磁力線に沿いて信頼できる実験データは不十分であり、計算って動径方向に圧縮されながらDTに入射する。中値に頼っているのが現状である。そこで我々の研央のドリフトチューブ電極（DT2）の電位を両極究室では電子ビームイオントラップ(Electron Be（DT1、DT3）より低くして、そこで生成された

am Ion Trap:EBIT)を用いて得られる実験室スペイオンを軸方向に封じ込める。また高密度電子ビクトルによりそれらの実験データを収集し、モデームの空間電荷によりイオンは径方向にも閉じ込ル計算の精度を向上させることを目的としている。

められる。こうしてDT2内部に閉じ込められたイオンが電子の逐次衝突を受け、電離が進み多価イ2.

電子ビームイオントラップ

オンが生成される。DTを通過した電子は電子コレ(Electron Beam Ion Trap : EBIT)

クターで発散し回収される。EBITは単色電子ビー

電子ビームイオントラップ EBIT[3]は多価イオ

ムとトラップ多価イオンから成る非常に単純化さンの分光測定を目的として開発された。図 2 にれたプラズマ光源であり、多価イオンの基礎原子

EBIT での多価イオン生成原理図を示す。

データの収集には最適の装置である。

3.

EBIT における多価イオンの生成原理ことがわかる。

3.1

逐次電離

3.2

電子ビームの圧縮

逐次電離とは電子を 1 つずつ順番に電離してい

EBIT において高効率に電離を行うには電子密くことである。電子ビームに束縛されたイオンは度の高い電子ビームを形成することが非常に重要

連続的に電子ビーム衝撃を受け、であり、そのため磁場により電子ビームを細くす

A eAAe

る必要がある。磁場が完全に遮蔽された理想的な

2e

A2陰極面から初速度ゼロ（温度 T=0K）で放出された

2e

電子ビームは軸方向の磁場 B によりビーム半径 rＢ…
A( q 1)eAqまで圧縮される。

2eのように電子が 1 つずつ剥がれて多価イオンとな1っていく。電子ビームの閉じ込めが完全で、逐次0電離のみが起こると考えた場合、イオン化の進行は次の連立微分方程式で表される[4]。
dnqdnq 1i(q 1, q ) n qi(q, q 1)

2 2IrBem

321Bz 2 Ee 2ここでε0 は真空中の誘電率、BZ は磁場の軸方向成分を示す。
3.3価数分布

ここで、σi(q-1,q)は q-1 価イオンが q 価に成る時3.1 では理想的な逐次電離を考えたが、実際にはの電離断面積、nq は q 価イオンの数密度である。

残留ガスとの衝突や放射性再結合(radiative recoτは Ionization factor と呼ばれる量で、電子ビーmbination)による電子捕獲が起こるため、生成さムの電流密度 J とイオンが電子ビーム衝撃を受けれるイオンの価数は逐次電離によるイオン化と電る時間 t を用いてτ=Jt/e と定義される。

子捕獲との競合で決まる。そのため、3.1 の逐次電3.2離の式に、これら 2 つの影響による電子捕獲の項

イオンの閉じ込め

EBIT では DT の電位配置によるビーム軸方向を付け加えて考えなければならない。しかし、本の閉じ込め、コイル磁場により圧縮された電子ビ研究のように生成する多価イオンの価数がそれほームの空間電荷による動径方向の閉じ込めを行う。

ど高くない場合、放射性結合の割合はイオン化の電子ビームの作る動径ポテンシャル V(r)は次式に割合に比べてとても小さいため無視することがでより計算することができる。

きる[5]。残留ガスとの衝突による電子捕獲によりV0V( r )rre(rV0 1 2 lnV0V (r0 )q 価のイオンが q-1 価のイオンになるときの電子捕2re )r
reene re2(r獲断面積をσc(q , q‐1)とおき、与えられた電子re )ビームエネルギーで到達する最高価数が q 価とすると、平衡に達したときの価数分布は以下のよう

me2Ieになる。

EenqV(r)は電子ビーム中心軸の電位を 0V とした時の軸

nq 1

neve i (q 1, q)
n0v c ( q, q 1)

( J / e) i (q 1, q )n0v c (q, q 1)からの距離 r での電位を示している。ｒe は電子ビ

ここで、Je は電子ビームの電流密度、ve,v は電子ーム半径、e は素電荷、ｎe は電子ビーム断面の電ビームの速度と衝突のときの相対速度、ne,ｎ0 は電子密度、ｍe ,Ｉe , Ee はそれぞれ電子の質量、電子子ビームと残留ガスの数密度である。この関係よ

ビーム電流、電子ビームエネルギーを示す。このり、EBIT での多価イオン生成において、大きな J式から電子ビーム内のポテンシャルの深さ、つまと小さな n0、すなわち高密度の電子ビームと超高り電子ビーム内に閉じ込める力は、電子ビームエ真空が必要であることがわかる。

ネルギーの平方根に逆比例し、同電流に比例する

4.

小型 EBIT の製作(g)

我々はこれまで電気通信大学レーザー新世代研究センターの Tokyo‐EBIT[6]を用いて鉄多価イオンの分光測定を行なってきた。しかしながら、(f)Tokyo‐EBIT は最大 300keV もの高エネルギー電子ビームによって、U92+のような高電離重元素イ(e)10cmオンを生成することを目的に設計されているため、本研究で目的としている 10 価程度の鉄多価イオンの生成に適した 1keV 以下の電子ビームでの運転は不適で、統計的な測定を行なう実験は困難であ(d)った。また、装置の大きさは 5m 程と大きく、更(c)には運転の際に高価な液体ヘリウムを使用するな(b)ど、本研究には不都合な点がいくつかあった。そのため今回、10 価程度の鉄多価イオンの EUV 分
光に最適な小型 EBIT を製作した。

(a)

本装置は、設計仕様を最大電子ビームエネルギ
ー：1keV、同電流：10mA、最大軸上磁場：0.2 T

図 3. 小型 EBIT の概略図とした。1keV の電子ビームでは Fe16+までの鉄多(a)電子銃、(b)イオン化領域、(c)コイル(d)電子コレクター、(e)液体窒素容器

価イオンが生成可能である。低エネルギー、低磁(f)吊り下げ機構、(g)電流導入端子

場仕様のため全長で約 50cm 程と、装置全体の大幅な小型化が可能となった。図 3 に小型 EBIT の小型 EBITTokyo-EBIT

装置サイズ

〜0.6m

〜5m

最大電子ビームエネルギー

1keV300keV

最大電子ビーム電流〜10mA330mA

電子銃パービアンス

0.4μA/Va3/2

0.4μA/Va3/2

最大電流密度32A/cm

10000A/cm

最大磁場強度0.2 T〜4.5 T

イオントラップ領域長さ2cm3cm

概略図を示す。また、表１に小型 EBIT の設計仕様を示す。
4.1

電子銃

電子銃は Tokyo-EBIT と同じ電子銃を使用した。
Pierce 型で直径 3mm の凹面カソード、アノード、フォーカス、スノート、またそれらを囲むように配置される磁気シールドで形成されている。
電子銃を空間電荷制限領域で動作させたい場合、得られる電子ビーム電流値 I [A] と、陽極電圧 Va[V] との間には、次式が成立する。

PI / Va3/ 2

表 1. 小型 EBIT の設計仕様と Tokyo-EBIT との比較ミュレーションの結果を示す。以下に、電子銃を構成する各電極の詳細を述べる。

[A/Va3/2]

この式より、 Va を 1000V 程度にすると 10mA 以上の電流値が得られる。EBIT の電子ビームは完全な層流が理想とされるため、TRICOMP と呼ばれる市販のソフト[7]を用いて電子ビームの空間電荷を考慮したシミュレーションを繰り返し、電極電位と軸上磁場分布の最適化を行った。図 4 に軌道シ

4.1.1

カソード

多孔質タングステンの表面に BaO,CaO,Al2O3を含浸し仕事関数を減少させており、動作温度を減少させるためにオスミウムなどをカソード表面に塗っている。カソード自体は数 W のヒーター電力で最大電流 300mA 以上の電子放出能力を持つ。

4.1.2アノード

軸方向に多価イオンをトラップすることができる。

カソードに対して正の電位を印加することによ4.3

り電子をカソード表面から引き出す働きをする。
4.1.3

フォーカス

電子ビームコレクター

イオン化領域を通り抜けた電子ビームは、電子コレクターで全て回収されなければならない。

カソードとアノードの間に位置し、カソード〜

Tokyo-EBIT では 300keV の電子ビームを回収す

アノード間に同心球の電場を作るための補修電極るためドリフトチューブ〜電子コレクター間でで、ビーム電流や条件に応じてカソードに対して3keV 程度まで減速して回収しているが、小型0V〜−数 10V の負電位を印加する。

EBIT の電子ビームは 1keV : 10mA であるため、4.1.4減速せずに電子コレクターで回収している。しかスノートアノードを出た電子ビームはスノートによりさし、ビームを回収することで少なからず発熱(10Wらに加速される。また、電子ビームの軌道を修正程度)が起きるため、熱伝導性に優れた絶縁碍子をする働きをする。

通して液体窒素容器の熱で電子銃全体の冷却を行4.1.4っている。図 5 に電子ビームコレクター領域での磁気シールド

スノートとアノードとの間に位置し、超伝導コ軌道シミュレーションの結果を示す。以下に、電イルからの磁場を遮蔽する働きをする。材質は電子コレクターを構成する各電極の詳細を述べる。

磁軟鉄(SUYBO)を使用している。磁気特性を満た4.3.1すために 850℃で 3 時間焼鈍した後、ニッケルメ

コレクター電極はテーパー型をしており、DT2 とッキを施した。

同じ接地電位に設定される。

コレクター電極r (mm)

4.3.2

磁気シールドコレクター電極と同じく接地電位に設定される。

10(c)(b)コレクター部での磁場を遮蔽し、電子ビーム自身

(d)

0.0

Z (mm)
0.0(a)

2040の空間電荷によって発散させる働きをする。
4.3.3

エクストラクター電極

コレクター電極よりさらに−100V 程度の負電位

0.07
Bz (T)を印加することで電子軌道を修正して全ての電子をコレクター電極で回収できるようにしている。

0.0330

図 4.

(b)

Z (mm)
2040

電子銃部における電子の軌道と軸上磁場分布(a) Cathode 0.0V

r (mm)

0.00.00.0(c) Anode 900V (d) Snout 1000V

0.030600 .03060Z (mm)0 .0 7

ドリフトチューブ(DT)電子ビームはカソード〜DT 間の電位差で加速される。本装置では、DT の周りに配置する接地電位の超伝導コイル、液体窒素容器との放電などを防ぐために DT2 を接地電位に固定している。
また、DT1,DT3 に中央の DT2 に対して数 10V 程度の正の電位を印加することにより、電子ビーム

B z (T)

4.1(c)(a)(b)Focus 0.0V0 .0

図 5. 電子コレクター部における電子の軌道と軸上磁場分布(a)Electron collector, (b)Shield, (c)Extractor

Z (m m )4.44.5

高温超伝導コイル

液体窒素容器、真空容器

DT の外周を同芯上に取り囲む液体窒素容器の中

液体窒素容器は内部に超伝導コイルを含んでおに収められ、超伝導状態で動作するヘルムホルツ

り、コイルを液体窒素温度(77K)まで冷やす他に、型コイルである。高温超伝導線材は住友電工社製

イオン化領域での真空度を向上させるクライオポのビスマス系超伝導線(DI-BSCCO)を使用した。図ンプの働きをする。容器の容量は約 3.2ℓ程で、一6 に高温超伝導コイル、表 2 に設計仕様、図 7 に度の充填で約 6 時間程度の連続運転が可能である。

DT 中心領域での磁場分布を示す。

真空容器は、EBIT 全体を構成する真空容器で、内部に電子銃と液体窒素容器を収納する。多価イオンからの発光を観測するため、ドリフトチューブ中央の高さに 6 個の観測ポートがあり、分光測定時の発光観測用ポートの他に、真空イオンゲージ、四重極型質量分析器、ガス導入などの取り付けに使用している。チェンバー全体はベーキングを行い、ターボ分子ポンプとスクロールポンプによる排気によって真空度 1×10−7Pa 程度が得られてい図 6. 高温超伝導コイルる。
中心磁場0.2 T

磁場均一度

0.01 T

電流50 A

小型 EBIT 製作の目的は、極端紫外線領域にお起電力

8600 ATいて 10 価程度の鉄多価イオンからの発光の様子をコイル巻き数172 TURNS

詳細に調べ、鉄多価イオンの基礎原子データを収

電流密度42.5 A/mm2集し、モデル計算の精度を向上させることである。

断面形状

8.4mm2×18.9mm2 (×2 個)

製作した小型 EBIT で目的とする多価イオンが生内径50 mm成できるかどうかを試験するため、電子ビーム通外径

68.9 mm

過実験、電子ビーム径の測定を行い、研究室に既コイル間隔36 mm

5. 小型 EBIT の評価

存の可視分光器により多価イオンからの発光を観測した。

表 2. 設計仕様

5.1 電子ビーム通過実験

計算値

製作した小型 EBIT で実際に電子ビームを出し、測定値

0.18

最大電子ビームエネルギー、最大電子電流を測定した。試験運転にて、1keV：10mA , 800eV：10mA ,磁場強度 (T)0.17

500eV：5mA , 200eV：8mA の電子ビームの運転0.16に成功した。この運転により、設計仕様であった
0.15

1keV , 10mA の電子ビームが運転可能であることを確認した。

0.14

5.2 電子ビーム径の測定

0.130.12-30EBIT において高効率で電離を行うには、電子ビ-20-1001020

位置 (mm)

図 7. DT 中心領域での磁場分布

30ームを磁場により細く圧縮し高密度の電子ビームを作ることが重要である。よって、電子ビーム径は EBIT にとって重要なパラメータであるため、電子ビーム径を測定する必要がある。測定の結果、

Ee=300eV

電子ビームの直径は約 0.2mm であり、製作した小型 EBIT の電子ビームの電流密度は約 32 A/cm2 と見積もることができる。
5.3

Ee=400eV

多価イオンの可視分光

Fe13+ 530.2nm

過去に観測例が報告されている発光線を測定対(3s23p 2P1/2 − 2P 3/2)

象とし、電子ビームエネルギー(Ee)に対する多価イオンの発光スペクトルの依存性を調べ、報告例と比較し考察を行った。図 9 に、実験の配置図を示

Ee=500eVす。
Jobin-Yvon HR320

510

Grating
600grooves/mm
blazed at 400nm

Lens
focal length 30mm
diameter 100mm

Drift Tube 2CCD
Detector

Gas Injection
Port

Princeton Instruments
LN/CCD-1100-PB/VISAR

図 8.

520

525530

Wavelength (nm)図 9.
Calibration
Lump515

可視分光測定の配置図

6.

Fe13+の発光スペクトルまとめ
10 価程度の鉄多価イオン分光用の小型イオン源を設計・製作した。設計仕様を電子ビームエネル
ギー:1keV , 同電流:10mA , 最大軸上磁場:0.2 T とすることで、EBIT 全体の大幅な小型化が可能とな

まず初めに、比較的取り扱いの容易な希ガス元った。また、製作した小型 EBIT での可視分光に素(Kr)による測定を行い、その後に鉄を用いて測定より、電子ビームの適宜調整によって Fe13+などのした。希ガス元素は観測ポートに取り付けたガス目的の多価イオンを生成し、1 時間以上の長時間で導入から導入し、鉄は有機金属化合物のフェロセトラップできることを確認した。

ン(C10H10Fe)を蒸気圧でガス導入まで送り、ガス導今後は、極端紫外線領域での分光測定を行い、入を通して EBIT チェンバー内に導入している。

10 価程度の鉄多価イオンの基礎原子データの構築

また、波長の較正は He,Ne,Ar,Kr の標準ランプかを行う。

ら観測されるスペクトルを用いて行った。
図 10 に Fe13+の(3s22p 2P1/2 – 2P3/2)の遷移による530.2nm の発光スペクトルを示す。電子ビームエ[1] http://hinode.nao.ac.jp/index.shtml

ネルギー(Ee)は 300eV〜500eV、電子電流は 10mA、[2] http://hinode.nao.ac.jp/panf/make_corona.shtml

測定時間は 60min で行った。

[3]M.A.Levine,R.E.Marss,J.R.Henderson,D.A.Knapp,aFe13+の生成に必要な電子ビームエネルギー、すnd M.B.Schneider,Physica Scripta T22,157

なわち Fe12+のイオン化エネルギーは約 372eV で[4] H. Tawara and H. Imamura, in Workshop on

あり、この閾値を超えると発光線が突然現れるこEBIS and Related Topics,edited by B. Wolfとから、この同定が正しいことが確かめられる。

and H. Klein, GSI, Darmstadt, 1977, p. 77.

また、電子ビームエネルギーの変化に依存して発[5] Penetrante,B.M.,Bardsley,J.N.,DeWitt,D.,Clark,

光の様子が変わることが確認できる。Fe13+は太陽

M., Schneider,D., Phys.Rev.A43, 4861-4872 (1991)

コロナに存在する多価イオンであり、この発光線[6]中村信行,大谷俊介,日本物理学会誌 52 巻,p.919

はコロナの中で最も強いラインの 1 つである。

[7] http://www.fieldp.com/index.html