飛行時間測定法による多価イオンの価数分析
中村研究室 中島貴之
1 序論

数のイオンが同時に生成され、それらからの現在の物理学は物理定数が一定不変である発光線が同時に観測される。これまで我々のことをもとに成り立っているが、予てよりそ研究室では、観測される発光線の強度の電子の物理定数が経年変化する可能性が示唆されビームエネルギー依存性を調べることで発光ている[1]。その変化を観測するにあたって現線の価数同定を行ってきたが、本研究ではよ在行われている方法の一つに、原子時計に使り正確な同定を行うため、まず飛行時間測定

われる光学遷移周波数の精密測定により微細法を用いて CoBIT で生成されたイオンの価構造定数(𝛼 = 𝑒 2 ⁄ℏ𝑐 )の時間変化をみるとい数分布の測定を行った。この価数分布測定とうものがある。この方法を使った現在最も高可視領域での分光測定を同時に行うことでい精度をもつ結果は、𝛼に大きく依存する遷移Ho14+ からの発光線を同定し、Dzuba らによを持つHg + とそうでないAg + をそれぞれ使っる理論計算の実験的検証を目指した。

た 2 つの原子時計の周波数を数年にわたって計測、比較することで得られたもので、そこでは𝛼は10−17 /年程度の範囲で変化しないことが実証されている[2]。

2 飛行時間測定法
飛行時間測定法は、主に粒子の質量分析に用いる手法である。この方法は荷電粒子を加より高い精度で𝛼の経年変化の観測する方速させ、その飛行時間を測定することで対象法として、近年多価イオンが注目されているの質量を測定する。荷電粒子の場合、既知の[3]。高精度測定に適するいくつかの多価イオ電場を印加させれば粒子は荷電状態(価数)にンが提案されているが[4]、昨年、Dzuba ら[5]応じた運動エネルギーを受け加速される。普はHo14+ における可視領域の遷移の利用を提通は２個の検出器を一定の距離を置いて設置案した。Ho14+ の持つ有用な遷移の波長は昨年し、加速された粒子がそこを通過する時間を彼らによって理論的に求められているが、多電気的に測定することで速度もしくはエネル電子を持つ多価イオンのエネルギー準位を精ギーが分かるため質量が求まる。荷電粒子の密に計算することは困難であるため、実験的飛行時間は観点からその計算の検証が求められている。
そこで我々は、小型の電子ビームイオント

𝑡=𝑙𝑚√√2𝑒𝑉 𝑞(1)

ラップ(Compact EBIT : CoBIT)と呼ばれるイで与えられる。ここで𝑒は電気素量、𝑉は印加オン源を用いた Ho 多価イオンの分光実験をした電圧、𝑞は多価イオンの価数、𝑚はその質行った。EBIT は単色性の極めて高いエネル量、𝑙は多価イオンの飛行距離をそれぞれ表す。

ギーを持った電子ビームによる逐次電離で多本研究では、質量電荷比の平方根に依存す価イオンを生成するが、その原理上、Ho14+ イる飛行時間に着目して電子ビームエネルギーオンのみを生成することはできず、複数の価を変え、多価イオンの検出器までの飛行時間る軟 X 線とイオンを分離している。そして、検出器に用いたマイクロチャンネルプレート(MCP)がイオンが入射した際に生じる二次電子を二次電子増倍管で増幅させて出力し、その電流をオシロスコープが電圧に変換して各測定結果を表示する。オシロスコープのトリ
図 1：Ar と Ho の価数と飛行時間の計算値

ガはパルス波形発生器のトリガと同期され、多価イオンが引き出された瞬間から測定結果の違いからその価数分析を行った。EBIT でを表示させるようにした。その際、価数分析生成される多価イオンには様々な価数のものの較正用のAr 4+ とAr 3+ の飛行時間に該当すが含まられているが、式(1)からもわかるようる電圧の変動を重点的に表示させた。に同じ元素(つまり𝑚が一定)であれば価数𝑞が次に多価イオンを引き出す際に用いた装置高いもの(高価数)から早く検出器に到着するの配線を図 3 に示す。DT1,3、増幅器、任意波ため価数の分析が可能となる。

形発生器そして受信機は DT2 の電位上に設

図 1 は Ar と Ho の価数と飛行時間の関係置されている。今回は DT2 の電圧は 400V にを比較した計算結果である。これから我々が設定され、DT1,3 はそれぞれ 50V と 30V に14+注目しているHoはAr4+とAr3+の間の飛行設定された。そのため最終的にトラップ領域時間を持つことが分かったため、本研究では
Ar 4+ とAr 3+ の飛行時間を Ho 多価イオンの価数分析の較正に使った。
3 実験装置
3.1 飛行時間測定装置
飛行時間測定法に用いた実験装置の概略図を図 2 に示す。CoBIT のトラップ領域から

図 2：多価イオンビーム

バンチ状ビームとして引き出された多価イオンはエクストラクター電極と DT2 の電位差により加速された後、アインツェルレンズで収束されて静電偏向器に入射する。同時にアインツェルレンズ内の 2 つのディフレクターが全体として 2 方向への偏向の微調整を可能としている。
静電偏向器に入射した多価イオンビームは90°方向まで偏向されてから検出器に入射する。ビームを 90°まで偏向させることで、電子コレクターが電子を吸収するときに発生す
図 3：多価イオン引き出し配線図

で形成される井戸型ポテンシャルの電位配置
は順に 450V,400V,430V となる。本測定では、
DT2 の電位を周期的に押し上げることでトラップされた多価イオンを引き出した。その際に印加したパルス状電圧の設定について述べる。まず、パルス波形発生器で矩形波を設定し多価イオンの引き出す周期を決定した。この周期は、トラップ領域内での逐次電離の進行を考慮して、比較的低価数の多価イオンを生成させたい Ar に対しては 50Hz と短めに設定し、14 価を生成させたい Ho の場合は Arより長い 0.1 Hz に設定した。

4 Ho の飛行時間測定
図 5 に Ar の飛行時間測定で得られた結果パルス波形発生器から出力された周期をもを示す。縦軸は表示に使ったオシロスコープとに任意波形発生器で三角波を設定した。この電圧を表し、横軸が時間を表している。下の三角波は高さが5Vで幅が10μsとした。またから電子ビームエネルギー Ee が 290eVから波形発生器間は光ファイバーで繋がれており、10eV ずつ 350eV まで変化させた各場合の結はじめに設定された周期を送信機が光信号に果を示している。そして、それぞれの結果に変換し、受信機がその光信号を再び電気信号おいて電圧が立ち上がっている地点が MCPに変換して任意波形発生器に入力させた。光

で多価イオンが検出された到達時刻を表してファイバーにより同期信号を送受信するのは、おり、それぞれの到着時間の差から図 5 のよ

パルス波形発生器が接地電位にあるのに対しうに価数分析することができた。

任意波形発生器が DT2 電位上にあるためでまた、各電子ビームエネルギーにおける各ある。そして、任意波形発生器で設定された価数のイオンの飛行時間に着目すると、電子三角波が増幅器で100倍まで増幅されたのち、ビームエネルギーが上がるにつれて各イオン最終的に DT2 の電位の上に印加される形でが全体的に速く MCP に検出される傾向があ出力された。

ることが分かる。本来であれば飛行時間測定で検出される飛行時間は飛行距離が一定であ3.2 可視分光器れば変わらないはずである。このずれが起き本研究で使用した可視分光器の配置を図 4た原因に電子ビームエネルギーの違いが考えに示す。CoBIT のトラップ領域からの多価られる。電子ビームエネルギーは DT2 電位をイオンの発光は外に取り付けられている両凸一定にしつつ、電子銃の電位を変化させるこレンズによって分光器内のスリットに集光さとによって指定したが、コレクターやエクスれる。スリットに集光された光はその後図 4トラクタなどのイオンが通過する電極の電位にあるように 2 枚の凹面鏡と回折格子を経ても電子銃電位上にあるため変化してしまう。

背面照射型 CCD カメラに入射し検出された。

そのため、最終的な MCP までの到着時間に影響を及ぼしたと考えられる。 今回はEe =5 Ho の可視分光測定
本測定では 370 nm~590 nm 付近の波長域における分光測定を行った。飛行時間測定の結果から 320eV のときにのみ現れる発光線がHo14+ 由来と考えることができ、本測定では観測した発光線スペクトルから 10 本の発光線を確認することができた。
6 まとめと展望
Ho の飛行時間測定を行ったことで、本研究の対象としている 14 価が CoBIT において特に生成される電子ビームエネルギーを知ることができた。その結果をもとに分光測定を行い、10 本のHo14+ 由来と考える発光線を確認することができたが、その詳細な中心波長の決定や遷移の同定まで解析が至らなかった。
今後は波長較正の精度向上を図るとともに、290eV のときのAr 3+ の到着時間を基準にして観測された発光線のガウシアンフィッティン各エネルギーでその到着時間が一致するようを行うことで、より高精度に各発光線の中心に修正した。Hoの測定結果においては、電子波長を決定することが望まれる。また、同時ビームエネルギーが対応する Ar の測定結果に本測定の範囲外であった 300 nm 付近の発の修正量と同じ分だけ修正して価数分析を行光線観測も行っていきたいと考えている。

った。その結果を図 6 に示す。一番下の赤い線が Ar の測定結果、その上に並んでいる黒い線が Ho の測定結果である。両端の青い点線がAr 4+ とAr 3+ の到達時間であり、先の計算結

参考文献

果から間の到達時間はそれぞれAr 3+ 側から[1] J.-P. Uzan, Rev. Mod. Phys. 75. 403 (2003)

Ho13+ , Ho14+ , Ho15+ のものと価数分析するこ[2] T. Rosenband et al., Science 319. 1808 (2008)とができた。そして、この結果から特に電子[3] J. C. Berengut, V. A. Dzuba, V. V. Flambaum,

ビームエネルギーが 320eV の場合にHo14+ がPhys. Rev. Lett, 105. 120801 (2010)

支配的に生成されているという結論を得るこ[4] J. C. Berengut, V. A. Dzuba, V. V. Flambaum,とができ、それをもとに可視領域の分光測定

A. Ong, Phys. Rev. A 86, 022517 (2012)を行った。

[5] V. A.Dzuba, V. V. Flambaum, H. Katori,
arXiv:1411.0775 (2014)