準安定状態を介した多価イオンの電離・発光過程の観測
中村信行研究室

状態の寿命が変化するため電離や発光過程に影

1 序論
1.1

児玉 龍之介響を及ぼすことが考えられる。

プラズマ分光診断

宇宙の物質は約 99% がプラズマ状態であり、イオンと電子が混在している。特に太陽コロナのような高温プラズマ中においては原子や分子が激しく衝突しあうことで電子が剥ぎ取られ、高価数のイオンを生じるため、多価イオンが主成分となる。例えば太陽コロナ内に多く存在する鉄多価イオンの極端紫外領域の発光線は電子密度の診断に用いられる [1]。また国際核融合実験炉の壁材であるタングステンの多価イオンは高温プラズマ中でも完全に電離しないため、放射冷却によってプラズマの温度を下げ、プラ

図1.1 Pd 様イオンの準位交差ズマの状態を変化させる要因のひとつになる。
このようにプラズマにとって良くも悪くも作用する多価イオンの発光線の観測や同定は、プラ2 実験ズマの状態を理解するために重要になる。

1.2

Pd 様イオンの準位交差

本研究は 4d10 閉殻構造を持つ Pd 様イオンと、その近傍で価電子を 1 つから 2 つ持つイオンに注目した。図 1.1に示したように Pd 様イオンでは、原子番号 Z = 56 近傍で 4f − 5p準位交差が起きる。Z = 56 より小さい原子の場合、4d10 4f (J = 132 ) は 1 ms 程度の寿命で電気四重極遷移 (E2) により 4d10 5p(J = 92 ) に図2.1 装置の配置遷移する。そのため 1010 cm−3 程度の低密度のプラズマでは大きい占有密度を持たない。しかし原子番号 Z = 56 より大きい原子の場合は電子ビームイオントラップ (Electron Beam

9104d10 4f (J = 132 ) が 4d 5p(J = 2 ) よりエネル

Ion Trap:EBIT)[2] は多価イオンからの X 線ギーが低く遷移が起こらないため約 170 s の寿などを観測をすることを目的に作られた装置命を持つ。このように準位交差によって準安定である。電子銃と 3 つの円筒電極からなるドリフトチューブ (Drift Tube:DT)、超伝導コイ

1ル、電子コレクターで構成される。イオンは円筒電極で生成する軸方向の井戸型ポテンシャ
ルと電子ビームにより生成される動径方向の空間電荷ポテンシャルによって 3 次元的にトラップされる。トラップしたイオンに対して電子衝突により電子を 1 つ 1 つ剥ぎ取る逐次電離を利用して高価数の多価イオンを生成することができる。電子ビームエネルギーはドリ
図3.1

フトチューブ DT2 と電子銃内のカソードとの観測結果と理論計算の比較電位差によって決定する。本実験では小型電子ビームイオントラップ (Compact Electron

Beam Ion Trap:CoBIT)[3] を用いて、極端紫外領域と可視領域の発光線を観測した。極端紫外分光器は日立ハイテクノロジー社製の溝本数1200 本/mm の平面結像型不等間隔凹面回折格子 [6, 7] を用いた。可視分光器は Jobin Yvon製の HR320 で Czerny-Turner 型を用いており、溝本数が 300 本/mm,1200 本/mm の反射型回折格子を取り付けて観測した。検出器には

(b)

(a)

それぞれ Princeton Instruments 社製の CCD

図3.2

カメラ [5]、Andor 社の iDus416 の CCD カメ(a)Ba10+ 、(b)Ba11+ の模式的なエ

ネルギー準位図ラ [8] を用いた。図 2.1は今回使用した実験装置の配置概略図である。CoBIT に可視分光器と極端紫外分光器が取り付けられており、ヨー表3.1

ドメタンはガス導入管から、バリウムは蒸着セ波⻑ (nm)遷移CR 計算結果の波⻑ (nm)

NIST(nm)

Ba8+(a)499.85

5s5p(3 P2 ) − 5s5p(3 P1 )511.64500.00[10](b)13.79

4d9 5s2 5p − 4d10 5s2

13.61

13.76[10](c)18.14

5s6p − 5s

17.90

18.13[10](d)19.29

4d9 5s2 4f − 4d10 5s4f

18.86

ル (Knudsen‐CELL) を用いて CoBIT 内に導入することで多価イオンを生成し分光実験を行

Ba

9+った。
Ba10+

3 結果および考察
3.1

Ba11+

バリウム多価イオンの発光線の一例

バリウム多価イオンの結果と比較

イオン(e)13.26〜14.00

24d9 5s5p − 4d10 5s
4d9 5s4f − 4d10 5s

13.28〜13.80

13.2493〜13.7975[10](f)15.47

6g − 4f(g)16.78〜18.04

4d 5s4f − 4d 4f

16.70〜18.02(h)19.49

5g(2 G 92 ) − 4f (2 F 72 )18.88

19.4938[10]915.101015.46[10](i)19.56

5g(2 G 72 ) − 4f (2 F 52 )18.94

19.5516[10](j)557.62

4d9 5s(3 D2 ) − 4d9 5s(3 D1 )573.39557.88[11](k)15.56

4d9 5s(1 D2 ) − 4d10 (1 S0 )15.07

15.54[12](l)16.10

4d9 5s(1 D2 ) − 4d10 (1 S0 )15.59

16.08[12](m)453.33

4d9 (2 D 25 ) − 4d9 (2 D 23 )453.56453.53[4](n)(9.92)

4d8 4f (J = 72 ) − 4d9 (2 D 32 )9.44

9.915[13](o)(9.98)

4d8 4f (J = 32 ) − 4d9 (2 D 32 )9.54

10.01[11](p)13.83〜14.97

4d8 5s − 4d9

13.40〜14.46

バリウムイオンの発光線の観測結果と Flex-

ible Atomic Code(FAC)[9] を用いた衝突輻射

図には示していないが可視領域の発光線も極モデルによる計算結果の一例を図 3.1、模式的端紫外領域の発光線と同時観測した。各発光線なエネルギー準位図を図 3.2に示す。

は理論計算と比較し、構造の一致から同定を行った。表 3.1に極端紫外領域、可視領域の発光線の波⻑、遷移、計算結果の波⻑、NIST のデ2

ータベースの波⻑をまとめた。(d)、(g)、(p) の表3.2 ヨウ素多価イオンの同定結果と理論計算の比較

発光線は過去に直接観測が無い発光線で、(a)、(f)、(j)、(k)、(l) の発光線はエネルギー準位

イオン波⻑ (nm)

遷移

I5+

(a)453.41

5s4f (3 F3 ) − 5s5d(3 D2 )426.94(b)467.47は既知であるが過去に直接観測が無い発光線、(b)、(c)、(e)、(h)、(i)、(m)、(n)、(o) は過去
I6+にも直接観測例のある発光線で桃色の文字にしI7+た。また、赤い括弧で囲われた波⻑は 2 次光のI8+観測から求めたものである。

3.2

CR 計算結果の波⻑ (nm)

NIST(nm)

5s4f ( F4 ) − 5s5d( D3 )449.83(c)493.53

5s4f (1 F3 ) − 5s5d(1 D2 )484.70(d)22.01

4d9 5s2 5p(3 D1 ) − 4d10 5s2 (1 S0 )21.75

21.71[14](e)22.45

4d9 5s2 5p(1 D2 ) − 4d10 5s2 (1 S0 )22.36

22.07[14](f)29.23

5s6p − 5s2

28.58

28.58[14](g)27.74

4d9 4f (1 D2 ) − 4d10 (1 S0 )26.63(h)(13.39)

4d 4f ( P1 ) − 4d ( S0 )12.64(i)25.11

4d9 5s(1 D2 ) − 4d10 (1 S0 )24.08

25.25[14](j)26.09

4d 5s( D2 ) − 4d ( S0 )25.01

26.20[14]331910 13910 1(k)694.64

4d ( D 23 ) − 4d ( D 25 )693.45(l)(12.53)

4d8 4f − 4d9 (2 D 23 )11.96(m)22.22〜24.04

4d8 5s − 4d920.59〜22.63

9 29 2

ヨウ素多価イオンの発光線の一例

ヨウ素イオンの発光線の観測結果と FAC を用いた衝突輻射モデルによる計算結果の一例を(a)、(b)、(c)、(g)、(h)、(k)、(l)、(m) の発光

図 3.2に、模式的なエネルギー準位図を図 3.4に線は過去に直接観測が無い発光線で、(d)、(e)、示す。

(f)、(i)、(j) はエネルギー準位は既知であるが過去に直接観測が無い発光線である、また赤い括弧で囲われた波⻑は 2 次光の観測から求めたものである。

3.33.3.1

電子ビームエネルギー依存性

Rh 様イオン (4d9 ) 発光線の電子ビーム
エネルギー依存性

図 3.5の 左 図 は Ba11+ の 4d9 (2 D 3 ) −24d9 (2 D 52 ) の 発 光 線 を 150 eV〜180 eV ま で電子ビームエネルギーを変化させて観測したもので、右図は I8+ の同遷移の発光線を 105 eV〜

図3.3 ヨウ素多価イオンの発光線と理論計算

135 eV まで電子ビームエネルギーを変化させの比較て観測したものである。これらの発光強度のエネルギー依存性を図 3.6、図 3.7に示す。

(a)(b)

図3.4 (a)I5+ と (b)I7+ の模式的なエネルギ

図3.5 I8+ と Ba11+ のスペクトルの電子ビー準位図ームエネルギー依存性3

して 1 段階目は準安定状態 4d9 4f からの電離が考えられる。4d9 4f は計算上約 170 s の寿命を持ち、衝突輻射モデルによる計算では 3 % の占有密度を持つ。この 4d9 4f からは準位図に書いてあるように 144 eV で電離することが可能になる。このため 150 eV 付近から電離が起きたと考えられる。また 2 段階目は準安定状態
図3.6 I

8+4d9 5s からの電離が考えられる。4d9 5s は計算の発光線強度の変化と模式的なエ上約 250 s の寿命を持ち、衝突輻射モデルによネルギー準位図る計算では 13 % と大きな占有密度を持つ。この 4d9 5s からは準位図に書いてあるように 162

eV で電離することが可能になる。このため 165
eV 付近から電離が起きたと考えられる。
これらの結果からヨウ素の場合は準安定状態 4d9 5s のみが発光に関わっていたが、バリウムの場合は 4d9 5s のみならず 4d9 4f 準位も発光線に影響を与えた。この理由は原子番号Z = 56 近傍のイオンでは 4f − 5p の準位間で図3.7 Ba11+ の発光線強度の変化と模式的交差が起きるためである。4f 準位には角運動なエネルギー準位図量の大きな準位があり、バリウムの場合には約170 s の寿命を持つが、5p 準位より 4f 準位の8+を生成するために必要なエネルギーはエネルギーが高いヨウ素の場合は電気四重極子

155 eV であるが、図 3.6から分かるようにそ遷移 (E2) が 1 ms 未満で起こり放射する。よI8+の閾値より小さい 105 eV 付近から Iの発光って電子ビームエネルギー依存性におけるバ線が観測されている。理由として準安定状態

リウムとヨウ素の発光線の振る舞いの違いは4d9 5s からの電離が考えられる。4d9 5s は計算

4f − 5p の準位交差が要因のひとつであると推上約 1000 s の寿命を持ち、衝突輻射モデルに測できる。

よる計算では 20 % と大きな占有密度を持つ。
この 4d9 5s からは準位図に書いてあるように3.3.2

Pd 様イオン (4d10 ) の電子ビームエネ
ルギー依存性102 eV で電離することが可能になる。このため 105 eV 付近から電離が起きたと考えられる。

図 3.8の 左 図 は Ba10+ の 4d9 5s(3 D2 ) −同様に Ba11+ を生成するために必要なエネル

4d9 5s(1 S0 ) の発光線を 100 eV〜150 eV まで

ギーは 241 eV であるが図 3.7から分かるよう電子ビームエネルギーを変化させて観測したもにその閾値より小さい 155 eV 付近から Ba11+ので、右図は I8+ の同遷移の発光線を 90 eV〜の発光線が観測されている。更に Ba11+ の発

130 eV まで電子ビームエネルギーを変化させ光強度は上昇し一旦なだらかになった後、再びて観測したものである。

上昇するという 2 段階の変化を示した。理由と4測されている。理由として準安定状態 4d9 5s5pからの電離が考えられる。4d9 5s5p は計算上約100 ms の寿命を持ち、衝突輻射モデルによる計算では 3 % の占有密度を持つ。この 4d9 5s5pからは準位図に書いてあるように 60 eV で電離することが可能になる。このため 70 eV 付近でも発光線が観測できたと考えられる。同様に Ba10+ を生成するために必要なエネルギーは 146 eV であるが図 3.10から分かるようにそ

図3.8 I7+ と Ba10+ の電子ビームイオン依存性の閾値より小さい 105 eV 付近から Ba10+ の発光線が観測されている。更に Ba10+ の発光線強度は上昇し一旦下降した後、再び上昇するという特異な強度変化を示した。理由として 105eV 付近の強度上昇は準安定状態 4d9 5s4f からの電離が考えられる。4d9 5s4f は計算上約 470s の寿命を持ち、衝突輻射モデルによる計算では 3 % の占有密度を持つ。この 4d9 5s4f からは準位図に書いてあるように 101 eV で電離することが可能になる。このため 105 eV 付近か

図3.9 I8+ の発光線強度の変化と模式的なエら電離が起きたと考えられる。また 125 eV 付ネルギー準位図

近の強度上昇は準安定状態 4d10 4f 準位が関わる可能性がある。準位図に書いてあるように

4d10 4f は電子ビームエネルギーが 118 eV で電離し、Ba10+ の発光線を観測できると考えられ、120 eV 付近から発光線を観測する可能性がある。しかし Ba10+ の発光強度の上昇は 125 eV付近からであり、118 eV 付近では Ba10+ の発光強度はあがることなくむしろ低下している。
このことから 4d10 4f 準位は 2 段階目の強度上
図3.10 Ba10+ の発光線強度の変化と模式的昇には関わっていないと考えられる。他に占有なエネルギー準位図

密度が大きく、125〜130 eV 付近で電離することのできる準位を衝突輻射モデルによる計算かこれらの発光強度のエネルギー依存性をら探したが見当たらなかった。よって 2 段階目

図 3.9、図 3.10に示す。

I7+の発光線強度の変化はエネルギー準位の構造だを生成するために必要なエネルギーはけでは説明がつかないという結果となった。

87 eV であるが図 3.9から分かるようにその閾値より小さい 70 eV 付近から I7+ の発光線が観5

Scripta. Vol. 62, 282-288 (2000)

4 結論[11] S. S. Churilov et al., Physica Scripta.

ヨウ素とバリウムの Cd 様〜Rh 様多価イオ

Vol. 66, 293-307 (2002)

ンに対して、可視域と極端紫外域における分光[12] S. S. Churilov et al., Physica Scripta.

測定を行った。得られたスペクトルに対して衝Vol. 61, 420-430 (2000)

突輻射モデルによる計算と比較し同定を行っ[13] S. S. Churilov and Y N Joshi , Physica

た。発光線強度の電子ビームエネルギー依存性

Scripta. Vol. 73, 188-195 (2006)に関しては等電子系列のイオンであっても原子[14] V. Kaufman and J. Suger, Y. N. Joshi

番号によって励起準位の準安定状態が関わるこJ. Opt. Soc. Am. B, Vol. 5 (1988)とで発光の振る舞いが変わることがわかった。
特に Ba10+ の電子ビームエネルギー依存性において発光線強度が上昇し一旦下降した後再び上昇する特異な発光線強度の変化が確認された。しかし、発光線強度が再び上昇する部分は、どの準安定状態が関わるか分からず、エネルギー準位の構造だけでは発光線強度の変化は説明できなかった。

参考文献[1] N. Nakamura et al., ApJ, (2011)[2] M.A.Levine et al.,Physica Scripta T22,
157 (1988)[3] N. Nakamura et al., Review of Scientific
Instruments 79, 063104 (2008)[4] J. Sakoda et al., Physica Scripta T114
(2011) (2008)[5] prom-sys.com/pdf/400bln.pdf.
[6] 原田達男 喜多敏昭 収差補正回折格子の設計と応用 日立製作所中央研究所 (1989)[7] 原田達男 軟 X 線分光回折格子 日立製作所中央研究所 (1987)[8] http://www.andor.com/scientificcameras/idus-spectroscopycameras/idus-416-ccd.
[9] M. F. Gu, Canadian Journal of Physics,
2008, 86(5), 675 (2011)[10] S. S. Churilov and Y. N. Joshi, Physica
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