タングステン多価イオンの真空紫外領域における分光中村信行研究室 舩橋 茉由子

2022 年 3 月 4 日

1

序論

1.1

多価イオン

ズマ中に混入し多価イオン化すると、放射損失が大きくなるため、プラズマ温度の低下や閉じ込め性能の低下の原因になる。そのため、タングステンの流入量や流入経路を把握して制御することが必要である [2]。

多価イオンとは、一般に 2 価以上の正、負イオンのことである。ここでは特に、価数が 2 以上の正の原子イオンを指す。A という元素で価数が q の多価イオン

1.3

電子ビームイオントラップ

は Aq+ と表記する。
多価イオンの特徴を示すために、水素様イオンで比較

電子ビームイオントラップ（electron beam ion trap,する。ボーアの原子模型で考えると、原子番号を Z 、主EBIT）は、1980 年代後半に米国のリバモア研究所で量子数を n として、エネルギー E(n)、軌道半径 r(n)、開発された多価イオン源である [1]。EBIT は図 1.1 で軌道速度 v(n) は式 1.1、1.2、1.3 のようになる [1]。

示すように、電子銃、ドリフトチューブ (Drift Tube,DT)、ヘルムホルツ型超伝導コイル、電子コレクター
Z2Z2E(n) = −E0 2 ≃ −27.2 2 (eV)2n2nn2n2r(n) = a0
≃ 5.3 × 10−11(m)ZZZZv(n) = v0 ≃ 2.2 × 106 (m s−1 )nnで構成されている。

(1.1)
(1.2)
(1.3)

ここで、E0 はエネルギーの原子単位、a0 はボーア半径、v0 はボーア速度と呼ばれる。n を固定した場合、軌道速度 v(n) は Z に比例して大きくなり、軌道半径r(n) は Z に反比例して小さくなる。
図 1.1: EBIT の概略図

1.2

国際熱核融合実験炉 ITER
電子銃から出射された電子ビームは、超伝導コイル

国際核融合実験炉（ITER）計画は、2025 年の運転によって径方向に圧縮されて DT 内部を通過し、電子コ開始を目指している国際的なプロジェクトである。

レクターに回収される。DT は 3 つあり、DT1 と DT3

ITER はトカマク型という構造を採用している。ドーに DT2 より高い電圧を印加すると、軸方向に井戸型

ナツ型の中核が超高温プラズマとなっており、この周ポテンシャルができる。また、径方向には電子ビームりにある超伝導コイルによって強い磁場を作ってプラが空間電荷ポテンシャルをつくる。軸方向と径方向のズマを閉じ込める。プラズマの下部にはダイバータとポテンシャルに 3 次元的にトラップされたイオンは、いう部分があり、プラズマからの高い熱流や粒子の流電子ビームが衝突することによって多価イオン化されれを受け止める役割を持つ。ダイバータの材料には熱る。EBIT は電子ビームエネルギーを任意の値に設定負荷に強いタングステンが使用されることになった。

できるため、生成する多価イオンの価数をある程度定しかし、スパッタリングによってタングステンがプラめることができる。

11.4

真空紫外光

波長範囲に明確な定義はないが、波長が 200 nm 以下の紫外線を真空紫外 (Vacuum Ultraviolet, VUV) 光と呼ぶ。真空紫外光は大気中の分子による吸収があるため、伝搬させるには光路を真空にする必要がある。
本論文では、30 nm より短波長の領域を「極端紫外(Extreme Ultraviolet, EUV) 領域」と呼び区別することとする。

1.5

研究目的

本研究の目的は、ITER のプラズマ診断に必要なタングステン多価イオンの分光データを集めることであ
図 2.1: CoBIT の概略図 [3]る。今回の実験では、まだ観測されていない真空紫外領域での発光線を観測し、その価数の同定を行うことを目的とした。また、先行研究との整合性を確認する

2.2

ために、可視領域と極端紫外領域の発光線と並行して測定することにした。

波長較正

可視領域における波長較正を行うために、Hg と Heの標準ランプを使用した。得られたスペクトルに正規2実験

2.1

実験装置

分布の式をフィッティングしてピクセル位置を求めた。
フィッティングから、発光線の中心のピクセル位置が得られる。NIST のデータベース [4] と比較して発光線の波長を決定し、ピクセル位置と対応させることを小型電子ビームイオントラップ（Compact EBIT,繰り返す。求めた発光線のピクセル位置と、適用したCoBIT）の概略図を図 2.1 に示す [3]。CoBIT は一般

NIST のデータベースの波長を表 2.1 に示す。

的な EBIT に比べて低エネルギーで運転するため、中程度の価数の多価イオンを扱うのに適している。冷却

表 2.1: 可視領域測定に用いた発光線のピクセル位置には液体ヘリウムではなく液体窒素を使用できるので、と波長の文献値の対応コストを低く抑えられる。CoBIT に可視分光器、極端位置 (pixel)

波長 (nm) [4]

318.63404.6565た。この分光器は入口スリットがないのが特徴で、本526.32435.8335

来の入口スリットの位置を電子ビームに一致させるよ

1264.41546.0750

213.97388.8648

602.03447.1480

903.06492.1931

965.87501.5678

1543.79587.5621

紫外分光器、真空紫外分光器を設置して観測を行った。
真空紫外分光器には、平面結像型斜入射分光器を用いHg I

うに回折格子が配置されているため、より効率的に分He I

光ができる。試料はヘキサカルボニルタングステンを使用した。

これらの結果を 3 次多項式にフィッティングし、ピクセルを波長に変換する式を求めて波長較正に用いた。

2

表 2.2: 真空紫外領域測定に用いた発光線のチャンネ

PSD 位置が 30.00 mm のスペクトル、図 3.2 は PSD

ル位置と波長の文献値の対応

位置が 45.00 mm のスペクトルである。

(a) PSD 位置が 30.00 mm のとき

位置 (ch)

波長 (nm) [10]O III728.356

83.2927

C III

320.047

97.703O VI

166.781103.1912

O VI

151.281103.7613(b) PSD 位置が 45.00 mm のとき

位置 (ch)

波長 (nm) [10]O VI

627.505

103.1912

O VI

612.015103.7613CI

418.596110.9639

OV

132.97121.3809

OV

130.857

121.8344

真空紫外領域における波長較正は、不純物として観測される O や C のスペクトルを用いた。フィッティン

図 3.1: PSD 位置 30.00 mm の真空紫外領域スペクト

グ方法は、可視領域の波長較正と同じである。求めたル

発光線のチャンネル位置と、適用した NIST のデータ
図 3.1、図 3.2 中の、電子ビームエネルギーに依存しベースの波長を表 2.2 に示す。ているように見える発光線に矢印を付与した。先行研
究の波長領域のスペクトルの再現性が低いことから、

3結果および考察

3.1

先行研究の再現実験

矢印の発光線の価数や、その発光線がそもそもタングステンであるかどうかが断定できなかった。
後日、ヘキサカルボニルタングステンを補充して再先行研究 [5] と比較して本研究の実験データの有用度実験を行ったところ、可視領域と極端紫外領域で先性を確かめるために、電子ビームエネルギーを 100 eV行研究をよく再現したスペクトルが取れた。真空紫外から 280 eV に変化させて可視領域スペクトルと極端領域スペクトルを比較すると、本研究と同じ位置に発紫外領域スペクトルを測定した。測定時間は 30 分であ光線が現れていたため、出ている発光線はタングステる。ページの都合上、スペクトルの図は割愛する。可ンの発光線であるとみなして考察を進めても良いと言視領域スペクトルは先行研究を部分的に再現したが、える。
図 3.1 と図 3.2 に矢印で示した発光線をまとめると、極端紫外領域スペクトルは共通の発光線を見つけるこ

表 3.1 のようになった。ただし、フィッティングが行とが困難だった。

えなかったため、グラフソフト上で x 座標を読み取ることで波長を決定した。

3.2

真空紫外領域スペクトルの測定

PSD 位置が 30.00 mm のものと 45.00 mm のものを、電子ビームエネルギーを 100 eV から 280 eV に変えながらそれぞれ測定時間 15 分で測定した。図 3.1 は

34結論
本研究では、タングステン多価イオンの真空紫外領域での分光を行い、今まで観測されていなかった波長域からもいくつかの発光線を得ることができた。しかし、先行研究の再現が上手くいかず、本研究で観測されたスペクトルがタングステンの発光かどうか確証が持てなかった。試料を補充した後の真空紫外領域のデータには再現性があったことから、本研究で得られた発光線はやはりタングステンによるものと考えられる。
今後は、新たなデータの方を解析する必要がある。
また、計算で予想されている発光線や 2 次光の存在を確認するために、より広い波長域のデータも取得していきたい。

参考文献[1] 市川行和、大谷俊介 (2012)『原子分子物理学ハンドブック』、朝倉書店
図 3.2: PSD 位置 45.00 mm の真空紫外領域スペクト[2] 鈴木哲、秋場真人、齊藤正克（2006）「２．ダイル

バータの構造を理解する (核融合炉・炉内 機器の構造を理解する) 」、『プラズマ・核融合学会誌』

表 3.1: 80 nm から 126 nm の間に出ていた発光線の82 (10)、p.699-706

波長[3] N Nakamura, et al. ”Compact electron beam ion
価数

波長 (nm)

W6+

112.0

trap for spectroscopy of moderate charge stateions” Rev.Sci.Instrum. 79, 063104, June 2008[4] NIST、”NIST

115.2
W7+

100.4

ASD/lines_form.html (2022.1.19 閲覧)[5] 三田百恵 修士論文 （2017） 電気通信大学120.8
88.2
107.2
113.4
W9+

Database”、

https://physics.nist.gov/PhysRefData/

107.6
W

Spectra

94.0
104.9

8+

Atomic100.94