電子-多価イオン衝突に現れる共鳴過程の観測
量子・物質工学専攻 大谷俊介研究室

飛山廣継

1.

はじめにDR)と呼ばれる多価イオンへの電子付着過

1.1.

研究背景

程に着目している。図 1 には RR を模式的一般的に 2 価以上の正負のイオンのことに示した。これは、多価イオン近傍にきたを多価イオンという。原子から電子を 1 個自由電子が、光子の放出(X 線放射)を伴いなだけ取り去ったものを 1 価のイオンというがら、多価イオンの空の軌道へと、捕獲さように、取り去る数が q 個であれば q 価のれる過程である。

多価イオンという。また、電子を 1 つしかBeam Electron持たないような多価イオンのことを、水素
Ee

原子の電子配置と等しいことから、水素様ERR多価イオンとも言う。特に我々は、極少数EBしか電子をもたない、重元素かつ高価数の多価イオンに注目し、電子と多価イオンの衝突における原子物理過程の観測を行ってA q 1いる。この電子と多価イオンは、プラズマ

Aqを構成している主役である。核融合炉など

図1 放射性再結合過程の高温プラズマなどの知見を得る上でも、縦軸はエネルギー、黒点は電子を表して電子と多価イオンの衝突過程を系統的に測いる。また、RR 過程は次のように書くこと定することが望まれている。

ができる。

本研究の目的は、電子と多価イオンの衝

Aqee

Aq1

RRRR(1)

突過程の断面積を測定し、プラズマ中素過DR 過程は、共鳴過程であり、図 2 にそれ程の基礎データを得ることである。共鳴過を模式的に示した。これは、結合エネルギ程と呼ばれる衝突過程は、ある特定エネルーEB と電子の運動エネルギーEe の総和 E1ギーの電子が関与する極めて大きな断面積が、結合後の二電子励起状態のエネルギーをもつ主要な過程である。

E2 に等しいときに、共鳴的に二電子励起状

ヨウ素多価イオン(Iq+)、ホロニウム多価イオン(Hoq+)、ビスマス多価イオン(Biq+)の二電子性再結合過程について述べる。
1.2.

原子過程

本研究では放射性再結合過程(RadiativeRecombination、以降 RR) や二電子性再結合過程(Dielectronic Recombination、以降態が形成され、そこから光子を放出しながら脱励起する過程である。

A q 1

イオンを生成し、電子ビームのエネルギー

Beam Electron

E1

E1=E2Eeを走査しながら多価イオンから放出される

EBM

これは EBIT を用いてクリプトンの多価DRX 線を、電子ビームの方向に対して 90°にL

A q 1E2DR設置された半導体検出器によって計測したものである。図 3 の右側に見えるピークは、

K

Aqe

矢印で書いてある電離状態(He であれば、Aq 1

He 様クリプトンを指している)からの DRb)脱励起a)二電子性共鳴捕獲によるもので、特に KLL 共鳴領域だけを抜

図2 二電子性再結合過程き出したものになっている。EBIT の内部

この図 2 にあるように K 殻から L 殻へ励には、異なる価数の多価イオンが存在する起されると同時に、M 殻へ自由電子が捕獲ため、特定価数の DR を測定するためには、されるような二電子励起中間状態を介する様々な価数の多価イオンから放出される X場合を、KLM 共鳴と呼んでいる。また、X線を半導体検出器で分解することが必要に線放出を伴う DR 過程は次のように書くこなる。しかし、図 3 からもわかるように、とができ、電子放出を伴うオージェ過程と半導体検出器の分解能では DR を価数ごと競争する。に分離することが困難である。また、共鳴

Aqe

Aq 1q 1A(2)強度の導出には、理論計算による放射の角RR、DR 過程のほかにも、EBIT のトラ度分布に頼らなければならない。このようップ領域で考えられる原子物理過程には、に X 線による DR 測定には、いろいろな問電子衝突による電離、電荷交換反応、トラ題点をかかえている。

ップ領域からのイオンの離脱などがあげら

2.

実験原理

れる。

2.1.

引き出しイオンによる DR 測定

1.3.

DR

過去の研究報告例

過去の DR 測定の研究報告例を図 3 にあげる[1]。

本研究では、電離平衡状態に達した EBITのトラップ領域に存在する多価イオンの価数分布を計測することで、共鳴過程の測定を行う方法を用いた。この引き出しイオン

KLL領域による DR 過程の観測では、トラップ領域から引き出された多価イオンの各価数ごとの強度を計測することで、問題点を解決できる。この測定原理を説明するには EBITトラップ領域において成り立つレート方程式の理解が必要となる。
2.2.

レート方程式

レート反応遷移とは単位体積単位時間当
図3 クリプトンの DR 研究報告例[1]たりにどれだけの反応が起こるかを示し、単位は[s-1cm-3]である。そこで、q 価の多価nk-1/ nk の電子エネルギー依存性を測定し、イオンの電子衝突における DR、RR、電離、緩やかな寄与からの増分を見ることで、DR電荷交換過程をレートで表すとそれぞれ以過程を観測することができる。また、σkDR下のようになる。σはそれぞれの過程の断について解くと式(7)は以下のようになる。

面積である。

RqDR q 1

JnqeDRq(3)RqRR q 1

Jnqe

RRq(4)

RqEI q 1

JnqeEIq(5)RqCX q 1

vn0 nqCXq(6)

DRkEIk1

nk 1
B.G. QB.G.
nkRRkCXk
EIk1(8)

式(8)によれば、nk-1/nk の測定から B.G.に相当する部分を引き、電離断面積の値を用いることでσkDR の値を導出することができる。
3.

実験

3.1.

実験概要

ここで v は中性原子とイオンの相対速度

ヨウ素、ビスマス、ホロニウムの DR 測

[cm/s]、n0 はトラップ領域の中性原子の密定を行った。これらの重元素の高電離状態度[cm-3]、nq[cm-3]はトラップ領域の q 価のの多価イオンの DR 過程の報告例は極めて多価イオンの密度、J は電流密度[A/cm2]、e少ない。本研究では電子ビームのエネルギは電荷素量[C]である。トラップ領域におけーを変えながらトラップ領域の多価イオンる q 価の多価イオンのレートを用いた模式の価数分布、二電子励起状態から脱励起し図を図 4 に示す。て放出される X 線のエネルギー分布を、多R q+1CX

R qCX

R q+1RR

R qRR

次元同時計測システムにより測定した。
またヨウ素、ビスマス、ホロニウムの同位体は 1 つしか存在しない。このことによA(q+1)+

R q+1DR

Aq+RqDRA(q-1)+

り、トラップ領域から引き出された多価イオンを、分析磁石で価数ごとに明瞭に分け

R qionR q-1

ることができる。ビスマスは、安定核の中ion

図4 DR を含む q 価イオンのレート模式図で一番大きな原子番号 Z を持つ金属である。

電離平衡を考えることで任意の偏数 k にホロニウムも金属であり、ヨウ素と、ビスマスの中間の Z を持つことから DR の Z 依対して以下の式を得る[2]。

nk 1
nkDRkRRkEIk 1CXk

存性に関する知見が得られる。
(7)

3.2.

実験装置

多 価 イ オ ン 生 成 装 置 と し て式(7)の右辺において、σkDR は電子エネル

Tokyo-EBIT(Electron Beam Ion Trap)[3]

ギーが特定の値のときに非常に大きな値とを用いている。その多価イオン生成原理をなるが、他の項は電子エネルギーに対して模式的に図 5 に示す。

緩やかに変化する項である。したがって、

DT1

DT2DT3電子コレクター電子ビーム

引き出し電極電子銃を分析磁石で価数ごとに分けたものを計測するのに位置敏感検出器 PSD、トラップ領域か放出される X 線のエネルギーを計測す

SCM

多価イオンビームトラップされた多価イオン電子ビームの空間電荷ポテンシャルるのにの Ge 半導体検出器を用いた。
実験の計測結果の取り込みに用いた多次元同時計測システムの模式図を以下の図 6電位電子ビームのエネルギーに示す。
Analysing
Magnet

PSD

演算回路

1.6kV

磁場0

図5 EBIT 内部概略図

PREAMP
Amp ×4ADC

PC

EBIT は単色の高エネルギー電子ビームにADC
ADC

よりトラップされたイオンを逐次電離してADCいく事で多価イオンを生成する。

PSD X-position
PSD Y-position
X-ray energy
Electron
Beam energy
AMP

また Drift Tube と呼ばれる円筒電極のう

Ge SSD-0.9kV
EBIT電源×30000ちイオントラップにあたる DT2 にはスリッ

0~10V

0~300keVElectron Gun

トが設けられており、多価イオンからの X線などを観測することができる。
また生成された多価イオンを軸方向にビームとして取り出すことが出来る。

図6 多次元同時計測システム
電離平衡を保つために走査した電子ビー
ムエネルギーの時間波形を図 7 に示す。と多価イオンが相互作用しているため電離や再結合などのプラズマ素過程のなかで共現象を調べるのに非常に適した装置であると言える。
3.3.

実験方法

Scan range

Electron beam energy [eV]

このように EBIT では単色の電子ビーム⊿Ee

EBIT のトラップ領域から引き出された

t2

Time[s]t1

隣り合う価数同士の多価イオンの強度比は

図7 電子ビームエネルギーの時間経過それぞれの引き出し効率に差がないと考え、

t1 はトラップ領域が電離平衡を保障するトラップ領域の隣り合う価数同士の多価イために待った時間[s]、t2 はデータ溜め込みオンの存在比と等しいとして、本実験は行時間[s]、⊿Ee は t1 +t2 だけ時間が経過した

われた。

後の電子ビームエネルギーの変化量[eV]でEBIT のトラップ領域へは、揮発性の高いある。本実験では⊿Ee=9eV、t1 =1s、t2=9s

沃化メチル(CH3I)を注入し、ビスマスやホとした。t2 の部分のデータのみ使用して解ロニウムに関しては金属蒸気として注入す析を行っている。

ることでそれぞれの多価イオンを生成した。 3.4.
トラップ領域から引き出された多価イオン

実験結果

ヨウ素多価イオンについての結果及び導出した共鳴強度 S をそれぞれ図 8、表 1 に価数のイオンの再結合過程が現れているが、示す。共鳴強度 S は例えば He 様多価イオ

引き出しイオンの観測では、それぞれの価ン SHe に対し数の DR 過程を分けることが出来きている。

S HeDRHe

Ee dEe(9)と定義される(共鳴エネルギー)積分断面

表 1 の中に SqDR の表記は q 様ヨウ素多価イオンの DR 共鳴強度である。
次にホロニウム多価イオンについての結果及び共鳴強度をそれぞれ図 9、表 2 に示積のことである。

す。
KLLKLNKLMKLOKMMKLL
KLM KLN

図8 電子ビームエネルギーに対する隣接価数多価イオンの強度比依存性
表1

I 多価イオンの DR 共鳴強度[10-20・cm2・eV]

SHe

SLiSBeSBKLL

39.728.621.911.7

KLM22.0

15.8

12.77.2

KLN9.55.1

3.60.8KLO6.32.41.90.2

図9 電子ビームエネルギーに対する隣接価数多価イオンの存在比依存性
表2

Ho 多価イオンの DR 共鳴強度[10-20・cm2・eV]

SHe

SLi

SBe

SBKLL

44.1

27.8

18.86.6

図 8 の最上段の K-line の縦軸は X 線の(エKLM

9.66.76.15.9

ネルギー)積分強度である。Li/He と書かれKLN

2.31.10.81.0ている図は、電子ビームエネルギーに対す最後にビスマス多価イオンについての結る Li 様ヨウ素多価イオンと He 様多価イオ果及び共鳴強度をそれぞれ図 10、表 3 に示ンの強度比であり、He 様ヨウ素多価イオンす。L 殻は 2S1/2、2P1/2、2P3/2 に分けられ、の DR 過程に帰属する結果である。その他それぞれの軌道を L1、L2、L3、としている。

も同様の手順を行っている。前述のように

そして 2S1/2、2P1/2、はエネルギー準位的にX 線の強度変化の DR 観測の中には様々な近いので L12 と更に省略される。

＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
KL12L12−Li/He

KL12L3

参考文献

KL3L3

[1] R. Radtke et al., Phys. Rev. E 61−Be/Li1966(2000)[2] D. R. DeWitt et al., Phys. Rev. A 44,−B/Be7185 (1991)[3] 中村信行, 清水宏, 大谷俊介, J.Mass−C/B

Spectrom. Soc. Jpn 49(6), 229(2001)
−N/C

−O/N

図10

電子ビームエネルギーに対する隣接価数多価イオンの強度比依存性

表3Bi 多価イオンの DR 共鳴強度[10-20・cm2・eV]

KLL

4.

SHe

SLi

SBe

SB

16.8

21.2

6.7

34.6

まとめ・考察
固体検出器 SSD を用いた X 線観測では非常に困難であった特定価数の多価イオンのDR 測定を、トラップ中に存在する多価イオンの存在比を計測することで可能とした。
ヨウ素(Z=53)、ホロニウム(Z=67)、ビスマス(Z=83)という広範囲の Z を持つ重元素多価イオンに対して様々な電子エネルギーにおける DR 過程について観測することができ、これらの共鳴強度を導出することができた。