鉄多価イオン発光線強度比の電子密度依存性について
中村信行研究室 細谷 征由

序論

め、可視光・磁場望遠鏡 (SOT)、極端紫外線撮像分光装置 (EIS)、X 線望遠鏡 (XRT) が搭載されている。太陽コロナに多く存在す
1.1 背景る鉄多価イオンの極端紫外 (EUV) 領域の発1.1.1 多価イオン
光はプラズマを説明する上で重要な電子密
一般的に多価イオンは価数が 2 以上の正 度や電子温度を求める際に重要なデータとイオンまたは負イオンを指す。しかし、原 なる。例えば、EIS で観測されたスペクト子物理学では一般的に 10 価以上の正イオン ルデータを衝突輻射モデル (CR モデル) にを指すことが多い。多価イオンは電気的に より求められる電子密度依存性と比較・検不安定な状態であり、その生成に膨大なエ 討をすることで電子密度を求める。しかし、ネルギーが必要であるため、核融合炉内や この CR モデルにおいて使用される断面積
太陽コロナでの高温プラズマで生成される。 や遷移確率のデータは計算値が使われるこ特に宇宙に存在する物質はそのほとんどが とが多い。そのためこの CR モデルは実験プラズマ状態であるから多価イオンが多く による評価が必要である。
存在している。そのため多価イオンについて理解することは太陽などのような恒星の理解や核融合実験炉の設計や運転において 1.2 目的重要である。例えば、太陽コロナに多く存
本研究で用いる装置である電子ビームイ在している鉄多価イオンの発光線を調べる オントラップ (EBIT) は実験室プラズマの 1
ことにより太陽の電子密度などを診断する つであり、多価イオンを生成できる装置でことが可能である。
ある。この装置を用いることで太陽コロナ1に多く存在する鉄多価イオン発光線強度比の電子密度依存性を測定する。前述した実
1.1.2 太陽コロナ
験的評価のなされていない CR モデルの評
太陽は表面温度が約 6000 度であるのに対 価を行いその整合性を確認することが必要
して、上空の太陽コロナの温度が約 100 万 である。そのため多く存在する発光線の中度であることが知られている。この太陽大 でも本研究では先行研究により解析・評価
気の温度差や加熱のメカニズムの解明を目 のされていない発光線についての発光線の指して様々な研究が行われている。その一環 強度比の電子密度依存性を求め、CR モデルとして国立天文台は 2006 年 9 月に太陽観測 と比較・検討することで CR モデルの整合性
衛星「ひので」(SOLAR-B) を打ち上げた。 を確かめることを目的とした。
このひのでは可視光、極端紫外線、軟 X 線という 3 つの観測波長で太陽を観測するた

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実験

2.1

実験装置

電子ビームイオントラップ (Electron beamion trap:EBIT) は多価イオンを生成する装置である。EBIT は電子銃、3 つの円筒電極からなるドリフトチューブ (DT)、超伝導コイル、電子コレクターからなる。電子銃から放出された電子はアノードとカソードの電位差によって加速され電子ビームとなる。
この電子ビームは DT 内で装置内に導入された物質のイオンと衝突する。電子のエネルギーによりイオンの電子が１つずつ逐次電離としてはぎ取られていく。このとき電子の持つエネルギーによって剥がれる電子の個数
図 2.1: 実験装置概略図を調節することができるため必要な価数の多価イオンを生成することができる。DT 内
2.2 実験
は軸方向の井戸型ポテンシャルが形成され、多価イオンは軸方向にトラップされる。動径先行研究 [1] で得られたデータの対象の発方向のトラップは DT を通り抜ける電子ビー 光線 ((186.85Å + 186.89Å)/192.39Å) の強度ムの空間電荷ポテンシャルによって起こる。 比を求め、その条件下での電子密度を磁場したがって多価イオンは３次元的にトラップ 内で圧縮された理想的な電子ビーム径を指される。本研究で用いた実験装置は小型の電 す Herrmann 半径 [2] を用いることで求めた。
子ビームイオントラップ (通称 CoBIT) であ また、先行研究で行われていた実験と同様る。この CoBIT の電子ビームエネルギーは に、CoBIT に取り付けた極端紫外分光器と100eV-1000eV であり、太陽コロナの診断に 可視分光器を用いて、Fe XII のスペクトルおいて特に重要となる 16 価程度までの鉄多 観測を行った。対象の多価イオンである Fe価イオンが生成できるため本研究に用いた。 XII が支配的に生成される電子ビームエネル
本研究では鉄多価イオンの生成にあたって ギー Ee = 340eV で観測を行った。
この DT 内に鉄を導入する。鉄は室温でも高い蒸気圧となる有機化合物のフェロセン(Fe(C5 H5 )2 ) を昇華させて導入する。図 2.1に示すように CoBIT に可視光分光器と極端紫外分光器を設置し観測を行った。

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結果および考察

先行研究 [1] のデータから得られた発光線強度比の電子密度依存性についての結果を
図 3.1 に示す。

図 3.2: 鉄多価イオンの可視光領域での観測結果
この結果から得られた 2 つの発光線のうち波長の大きいものは 637nm であり、この637nm の発光線は観測条件下で観測可能な10 価の鉄多価イオンの発光線だと考えられる。しかし観測されたもう１つの発光線は鉄多価イオンの発光線ではなく、不純物などによる発光線だと考えられる。この不純物の除去方法は検討の必要がある。

図 3.1: 発光線強度比の電子密度依存性

これを見ると、一部の測定値についてはCR 計算と一致することが確認できたが、完極端紫外分光器での観測結果を図 3.3 に
全に全てのデータ点が一致しなかった。特 示す。に測定点が電子密度の大きい方にズレていると考えられる。本研究では電子密度を求めるために理想的な電子ビーム径を想定して求めた計算値を用いた。この計算値が本研究条件下で成り立っていることを確認するためにもピンホールカメラを用いた実験を行うことで実際の電子ビーム径の測定を行う必要があると考えられる。
次に先行研究同様に行った実験の可視分光の実験結果を図 3.2 に示す。
図 3.3: 鉄多価イオンの極端紫外領域での観測結果
この観測結果には鉄多価イオンの発光線と思われるピークが存在しなかった。観測
結果に見られるピークは可視光分光の結果と同様に、不純物による可能性や実験装置

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上の問題であると考えられる。極端紫外領 参考文献
域での観測における CoBIT 内の鉄多価イオ[1] 清水恵理奈 修士論文 電気通信大学
ンの生成自体が行われているのかを確認するために電子ビームエネルギーを更に高く (2016)
し強い発光線を持つ価数の高い多価イオン[2] The Electron Beam Ion Trap:A Newを観測する方法や別の元素の多価イオンを観測し観測装置に問題がないか確認する必 Instrument for Atomic Physics Measurements,M.A.Lenine,R.E.Marss,J.R.Henderson,
要がある。
D.A.Knapp,andM.B.Schneider,Physica
Scripta T22 157 163,(1998)

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まとめと今後の展望

本研究では鉄多価イオンの極端紫外領域での発光特性を元に発光線強度比の電子密度依存性を求めることが目的であったため、先行研究で得られたデータを用いて先行研
究では解析されていない発光線について解析を行った。解析の結果から一部の測定値について CR モデルとの一致が見られたが、完全に一致とはならなかった。この電子密度の導出にあたって用いた電子ビームの計算値を実際にピンホールカメラを用いて観測する必要がある。
先行研究と同様に行った実験結果において、可視光分光からは鉄多価イオンの発光線が確認できた。しかし、極端紫外領域については鉄多価イオンの発光線が確認できなかった。
そのため、他の電子ビームエネルギーにおいて観測を行う方法や他の元素について観測を行うことで、CoBIT 内への鉄の導入確認や鉄多価イオンの生成確認、実験装置の確認が必要だといえる。

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