太陽フレアの密度診断に有用な多価イオン EUV 発光線強度比の測定
中村信行研究室

河野泰隆

よって得られる強度比の電子密度依存性を対応

1 序論させることで大気中の電子密度を求めるという1.1

太陽大気の分光診断事例がある。例えば、太陽コロナにおける電子密

1.1.1

太陽コロナ/フレア度診断において、Fe XIII をはじめとする鉄多価太陽系の中心として輝き続け、長年研究対象イオンの発光線強度比の観測が盛んに行われてとされてきた太陽だが、未だにそのメカニズムいる [2]。 この強度比の電子密度依存性は、衝突に謎は多い。例として、太陽大気の最外部に存輻射モデル (Collisional-Radiative model:CR-在するコロナ領域にて発生する、数千万度の高model) と呼ばれるモデルを用いて理論的に算出温に達する太陽フレアと呼ばれる巨大な爆発現され、太陽観測衛星「ひので (SOLAR-B)」など象が挙げられる。これに伴って宇宙空間に放出により得られた強度比の実測データと対応させされた荷電粒子や宇宙線により人工衛星に搭載ることで、太陽大気の電子密度を得ることが出された電子機器に影響を及ぼし、通信障害の原来る。

因の一端となっているが、現在においても詳し

しかしながら、CR モデルには実験により十い原因については解明されていない。

分な評価を得ていない理論値が用いられており、太陽における物理現象解明のため、国立天文CR モデルを用いたプラズマ診断結果の信頼性

台と宇宙航空研究開発機構が主導の元に開発さは十分ではない。実際、Fe XV における 233.9Å

れた太陽観測衛星「ひので (Solar-B)」が 2006と 243.8Å のラインについて 1990 年に観測衛星年から現在まで運用されている。ひのでによる

Skylab による太陽フレアの観測結果とモデル計

観測結果は、波動加熱説の直接的な証拠となる算との顕著な差異があった例が報告されている

発見 [1] 等、現在に至るまで多くの研究成果に寄[3]。

与している。

1.1.2

1.2

衝突輻射モデルを用いたプラズマ分光

研究目的

本研究では、太陽フレアの密度診断に利用される 3.2 × 106 K の温度領域において重要な Ar

診断
多価イオンは天体プラズマにおける分光診断

XIV の波長 187.96Å と 194.40Å のスペクトルに有用とされている。これは恒星といった高エ強度比 𝑅1 = 𝐼187.96 /𝐼194.40 および波長 257.37Å

ネルギーを持つ天体において大量に生成されたと 243.79Å の強度比 𝑅2 = 𝐼257.37 /𝐼243.79 の電多価イオンが、宇宙空間では他の原子や電子と子密度依存性と、より高温域で重要となる Ca相互作用を受けにくいため、地上に比べ多く存在XV の波長 181.90Å と 200.97Å の強度比 𝑅1 =することが出来ることにある。よって、宇宙空

𝐼181.90 /𝐼200.97 の電子密度依存性を、多価イオ間における高温プラズマを理解するためには多ン源の一種である電子ビームイオントラップ価イオンに対する理解が重要となる。太陽大気(Electron Beam Ion Trap：EBIT) を用いた観におけるプラズマ分光診断には、観測により得ら

測により求め、実験値を CR モデルを用いて計れたスペクトルの強度比の実測値と理論計算に算した強度比の電子密度依存性と比較すること

1光は細い線状となる上、極端紫外領域では高効により CR モデルの評価を行った。

率のミラーやレンズが使用できないため極端紫2 実験
2.1外分光器はスリットを用いない構造となっている [4]。対して、Tokyo-EBIT は最大エネルギー

電子ビームイオントラップ (Electron Beam

180keV、最大電流 330mA の電子ビームの発生

Ion Trap:EBIT)
2.1.1が可能で、トラップ領域において最大 4.5T の強原理磁場を発生させることが出来る。Tokyo-EBIT

本研究で使用したイオン源は電子ビームイオにおいても、CoBIT と同様 (図 2.1) に分光器等

ントラップ (通称:EBIT) と呼ばれるものである。

を配置し観測を行っている。

基 本 的 に 電 子 銃 、ド リ フ ト チ ュ ー ブ (DriftTube:DT)、コレクタ、超伝導コイルから構成

2.2

極端紫外スペクトルの測定され、側面が穴の開いた構造となっている多価本研究で取得したスペクトルは EBIT に設置

イオン生成領域の周囲に各種分光器が配置されされている EUV 分光器を用いて観測を行った。

る。イオン生成には逐次電離と呼ばる、ある一得られたスペクトルは目的となるライン及びそ定のエネルギーを持つ電子を衝突させ続けるこの周辺についてガウシアンフィッティングを行とで、目的の価数まで１つずつ束縛電子を電離い、強度比及び後述する電子密度依存性測定のさせる方法を用いている。

ためのスペクトル半値全幅の決定を行った。

また、EBIT の電子ビームは一定のエネルギー使用した EUV 分光器について、基本的にはを持つことから理想的には単色であるため、核Tokyo-EBIT 及び CoBIT の 2 台ともに同じ光融合科学研究所に設置されている大型ヘリカル学配置の分光器が設置されている。回折格子装置 (Large Helical Device:LHD) などの核融合には日立ハイテク社製の平面結像型凹面不等プラズマと比べ、多価イオン生成時の価数分布間隔回折格子を使用している。また、受光器とが狭いという特徴を持つ。これにより、比較的なる CCD カメラには Princeton Instruments

単純なスペクトルとなり、波長の同定や強度比社の背面照射型 CCD(Charge Coupled Device)の取得等が行いやすいという利点がある。

カメラ (PIXIS-OX:400B) を使用している。こ

本研究では「Compact EBIT」および「Tokyo-の装置の感光面の大きさはピクセルにおいてEBIT」という 2 種類の EBIT を用いた。Com-

400×1340pixel であり、ピクセルサイズは 20𝜇m

pact EBIT は通称 CoBIT とも呼ばれ、最大ビーとなっている。Tokyo-EBIT で取得時間 120 分

ムエネルギーは 2.5keV、最大ビーム電流値はとして得られた Ar XIV と Ca XV の EUV ス

20mA であり、中心磁場は最大で 0.2T となる。

ペクトルの内、ビーム電流 15mA で測定したもCoBIT において、Ar XIV スペクトルの測定でのを図 2.2,2.3 に示す。

実際に使用した分光器等の配置図を図 2.1 に示す。 CoBIT 内部において多価イオンによる発図 2.1 CoBIT における分光器等の配置図 (Ar XIV スペク
トル取得時)。Ca XV スペクトル取得時には「ピンホールカメラ」に当たる部分に Ca 導入用の蒸着セル (K-Cell) が取り付けられている (後述)。

図 2.2 Tokyo-EBIT においてビーム電流を 15mA として取得した Ar XIV の EUV スペクトル2ガウシアンフィッティングを行った後、受光器のピクセルサイズを用いて線幅に変換することで電子ビーム径が求められる。EUV 分光器およびピンホールカメラの倍率は、それぞれ 0.25 倍および 12.1 倍であった。ただし、Tokyo-EBIT
では EUV 領域におけるイメージがビーム径を反映していない可能性が考えられており、更にピンホールカメラによる直接観測が難しいことから、EBIT における電子ビームの径を表す経験

図 2.3 Tokyo-EBIT においてビーム電流を 15mA として取得した Ca XV スペクトル式を用いている。この経験式は CoBIT における議論についても用いている。また、磁気双極2.3子遷移のスペクトルが観測される可視領域には、電子密度の測定

Tokyo-EBIT、CoBIT 共にツェルニ・ターナー

本研究では、EUV スペクトルの観測による強型分光器を使用し、回折格子には反射型平面回折度比の測定とともに EBIT 内における電子密度格子 (300gr/mm) を、受光器である CCD カメを実測する必要がある。ただし、イオンは一般

ラには Tokyo-EBIT に Princeton Instrumentsに電子ビームより広い空間分布を持つことが知社の背面照射型 CCD カメラ (PIXIS-OX:400B)られている [5]。よって、イオンの感じる実効的が、CoBIT には Andor 社製の背面照射型 CCDな電子密度を導出するにはイオンの広がり (イオ

カメラ (iDus 416) が使用している。本研究でン雲) によるオーバーラップを考慮する必要がは、イオン雲の径を導出することが目的となるある。

ため入射スリットは全開となる 2mm としてお本研究の場合、例として Ar XIV では、EUVり、Tokyo-EBIT 及び CoBIT における倍率はそ領域における発光は電気双極子遷移 (E1) 遷移によるものであり寿命は 10−10 s 程度であるのに比れぞれ 0.85 倍とほぼ等倍であった。

べ、波長 441nm の遷移は磁気双極子 (M1) 遷移3 結果と考察であり、その寿命は 9.6ms にも及ぶ [6] ことか

3.1

ら、電子ビーム外で発光するイオンの存在が考Ar XIV の実験において、Tokyo-EBIT 及びえられる。 これを考慮してより厳密な電子密度

CoBIT の 電 子 ビ ー ム エ ネ ル ギ ー は ど ち ら もを表す実効電子密度 𝑛eﬀ𝑒 が取り入れられている

750eV に、電子ビーム電流は Tokyo-EBIT で[7]。実効電子密度を表す式を式 (2.1)[7] としては 5.7 と 15mA に、CoBIT では 15mA に設定示す。

𝑛eﬀ𝑒 =4ln(2)𝐼𝑒・𝜋(Γ𝑒2 + Γ𝑖2 ) 𝑒𝑣 𝑒

EUV スペクトル及び強度比した。このとき、Tokyo-EBIT および CoBIT の(2.1)の中心磁場はそれぞれ 1T と 0.05T であった。

Ca XV イオンの生成は、図 2.1 においてピ

ここで、Γ𝑒 は電子ビームの空間分布、Γ𝑖 はイオンホールカメラとなっている部分を蒸着セルン雲の空間分布を表す。より厳密に実効電子密(K-Cell) に換装した後、セル内部で金属カル度 𝑛eﬀ e を測定するためには、電子ビーム径 Γ𝑒 及

シウムを加熱することで気化させ導入するこびイオン雲の径 Γ𝑖 のそれぞれを直接測定する必とで行った。このとき、K-Cell での加熱温度要がある。よって、本研究では EUV 領域と可視は Tokyo-EBIT で 600 ℃、CoBIT で 450 ℃で光領域において同時観測を行うことで、電子ビーあった。Ca XV の測定において、Tokyo-EBITム径とイオン雲の径を求めた。電子ビーム径の及び CoBIT の電子ビームエネルギーはどちら

測定には、EUV 領域におけるスペクトル幅やピも 890eV、電子ビーム電流は Tokyo-EBIT では

ンホールカメラの原理を用いたイメージングに15mA に、CoBIT では 14mA に設定し、スペより得られた像を用いた。これら得られた像に3

クトルの取得時間は 120 分とした。このとき、Tokyo-EBIT および CoBIT のの中心磁場はそれぞれ 1T と 0.056T であった。
強度比のエラーは、フィッティングエラーとCCD における感度補正や回折格子の回折効率を考慮したものを表示している。CCD で取得されるカウント数は受光面に到達した光子のエネルギーに依存する。Ar XIV を例とすると、187.96Å の強度は 194.40Å の強度より 3% 程強く取得されると考えられる。また、CCD カメラ
図 3.1 ピンホールカメラによって得られた電子ビームイメー
ジの例。青点が測定点、赤点がフィッティング結果を表している。の量子効率により 187.96Å の強度が 1% 増加すると決定した。加えて、使用した回折格子における波長ごとの相対効率を示したデータ [8] を用いて、3% 程 187.96Å の強度が増加すると決定した。以上より 187.96Å の強度は 194.40Å の強おける電子温度、陰極の半径といったパラメー度より 8% 増強されていることを考慮して補正タが分かれば、EBIT 内の電子ビーム半径は経を行った。

験式 [9] により求めることが出来る。この経験式を使用した電子ビーム径の導出方法は、直接観3.2

実効電子密度決定

測との比較のため CoBIT においても用いた。

(I) 電子ビームの空間分布決定(II) イオン雲の空間分布決定

電子ビームの空間分布 Γ𝑒 は、EUV スペクト
ルの線幅、ピンホールカメラによる直接観測、イオン雲の空間分布は、可視光領域におけるおよび経験式よりそれぞれ導出した。ただし、441nm(Ar XIV)、569nm(Ca XV) の発光の像をTokyo-EBIT では経験式のみを用いている。

求めることにより得た。Ar XIV の測定において(i)EUV スペクトル幅による導出

得られた像とフィッティング結果を図 3.2 に示

CoBIT の DT2 における電極の間隔は電子す。CoBIT で取得したラインについてはフィッビームの幅に比べて十分に広く、EUV 分光器ティングを問題なく行えたが、Tokyo − EBITはスリットを用いない構造となっているため、で取得したラインは単純なガウシアンフィッ

EUV スペクトルの線幅は全て電子ビーム径を反ティングは行うことが出来なかった。しかし、映しているものと考えられる。よって、スペク

EBIT-I を使用して行われた Fe XII-XIV を対象

トルの線幅は全て同様として考えフィッティンとした実験 [10] においてイオン雲の測定の際にグを行っている。

同じようなラインが観測されており、ここでは(ii) ピンホールカメラによる導出

半値全幅の違う二つのガウス分布の重なりとし

CoBIT においては、ピンホールカメラによるて扱われていた。よって、本研究においてもこ電子ビームの直接観測を行っている。ただし、の方法を適用してフィッティングを行っている。

Ca XV の測定では試料導入のためにカメラを取各電子密度について、最大値と最小値をそれり外したため、測定を行っていない。例として

ぞれ求めた。Tokyo-EBIT における最大値は電Ar XIV で取得した電子ビームイメージの例を子ビームの空間分布 Γ𝑒 と狭いイオン雲の空間分

図 3.1 に示す。

布 Γ𝑖 1 を用いて式 (2.4) により求めた値、最小値(iii) 経験式による導出

は電子ビームの空間分布を Γ𝑖 1 とし二重のガウ

電子ビームエネルギーやビーム電流、トラッス分布を考慮した場合に実効電子密度を表す式

プ領域における中心磁場、電子銃の陰極表面に[10] を用いた値とした。また、CoBIT における最大値および最小値は、電子ビーム径の測定に4の Ar XIV の強度比 𝑅1 を 3,6,9MK の電子温度について CR モデルより計算した結果も図 3.3中に示している。この結果、高密度領域においては電子温度による強度比の変化が見られたが、全て同様の電子密度依存性を示していた。

図 3.2 Tokyo-EBIT(上中図) 及び CoBIT(下図) における441nm のライン観測結果とフィッティング結果。スリットは全開 (2mm) として取得し、横軸は CCD のカタロ
グ値より Tokyo-EBIT では 1pixel=24𝜇m、CoBIT では1pixel=15𝜇m として計算した。青点がスペクトル測定点、赤線がフィッティング結果。また、Tokyo-EBIT の観測結果における黒破線はそれぞれ狭い分布と広い分布に対して行ったフィッティング結果を示している。

図 3.3 Ar XIV における強度比の電子密度依存性と CR モデルの評価結果。上図が 𝑅1 = 𝐼187.96 /𝐼194.40 における評価結果、下図が 𝑅2 = 𝐼257.37 /𝐼243.79 における評価結果を示している。赤線が Tokyo-EBIT における強度比の電子密度依存性であり、高密度側がビーム電流を 15mA、低密度側が5.7mA とした場合の実験結果である。また、青線が CoBITにおける強度比の電子密度依存性であり、黒実線が CR モデ
ルを用いて Ar XIV の強度比の電子密度依存性を計算した結果である。また、 𝑅1 については図中に電子密度分布がマクスウェル分布に従い、電子温度が 3,6,9MK のそれぞれにおける CR モデルの計算結果を緑線で示している。

用いた最大 3 種類の方法よりそれぞれ求めた値により決定した。
以上により得られた Ar XIV の強度比 𝑅 と実
効電子密度 𝑛eﬀ を表 3.1 に、Ca XV における強度比 𝑅 および実効電子密度 𝑛eﬀ を表 3.2 に示す。

3.3CR モデルの評価結果および考察以上の結果を元に、Ar XIV および Ca XV

今回の評価において、Tokyo-EBIT におけるのそれぞれについて実験的に求めた強度比の電電子ビームの空間分布測定に経験式のみを用

子密度依存性を用いて CR モデル計算値を評いていることや、CoBIT において電子ビーム価した。Ar XIV についての結果を図 3.3 に、の径の見積もりに差があるといった課題は残っ

Ca XV についての結果を図 3.4 に示す。また、ているが、Ar XIV と CaXV の両方においてCR モデルの計算にはどちらも Flexible Atomic

Tokyo-EBIT と CoBIT のどちらにおける実験Code(FAC) と呼ばれる原子計算コードを用いて値も理論値に対して良い一致を示したといえる。

おり、単色光として計算を行った。太陽大気にこのことから、太陽フレアの観測で必要とされおけるプラズマの発光は EBIT 内部のような単る 3.0×106 K 以上の温度領域について Ar XIV

色光ではなく広い波長領域を持つため、電子のおよび Ca XV のラインに対して CR モデルを

エネルギー分布がマクスウェル分布に従う場合用いた電子密度診断が有用であると言える。

5表 3.1 Ar XIV の実験により得られた強度比および実効電子密度の一覧′装置

𝑅1log10 𝑛eﬀ

𝑅2log10 𝑛eﬀ

Tokyo-EBIT(15mA)

1.35±0.07

10.9 - 11.3

0.72±0.06

10.9 - 11.3

Tokyo-EBIT(5.7mA)

1.09±0.09

10.6 - 11.0

0.49±0.08

10.6 - 11.0

CoBIT(15mA)

0.58±0.04

9.89 - 9.97

0.20±0.02

9.78 - 10.4

表 3.2 Ca XV の実験により得られた強度比および実効電子密度の一覧

装置

𝑅log10 𝑛eﬀ

Tokyo-EBIT(15mA)

1.30±0.20

11.64 - 11.81

CoBIT(14mA)

0.31±0.1410.08 - 10.11価を行った。この結果、Ar XIV と Ca XV のどちらにおいても Tokyo-EBIT および CoBIT における実験値と理論値は良い一致を示しており、3.0×106 K 以上の温度領域について Ar XIV お
よび Ca XV のラインに対して CR モデルも用いた天体プラズマの電子密度診断が有用であることが結論付けられた。

参考文献
図 3.4 Ca XV における強度比の電子密度依存性と CR モデルの評価結果。赤線が Tokyo-EBIT における強度比の電子密度依存性であり、青線が CoBIT における強度比の電子密度依存性である。黒実線は CR モデルを用いて Ar XIVの強度比の電子密度依存性を計算した結果である。

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4 結論[5] J. D. Gillaspy et al. (1995) Physica
Scripta. T59 392-395

本研究では、EBIT と呼ばれる多価イオン観測[6] A. Lapierre et al. (2006) PRA 73 052507

装置を用いて、天体プラズマの電子密度診断に[7] E. Shimizu et al. (2017) A&A 601 A111

用いられる衝突輻射モデルの評価を行った。評[8] B. Tu et al. (2017) AIP Adv. 7 045219

価を行うため、Tokyo-EBIT と CoBIT と呼ば[9] M. A. Levine et al. (1988) Physica

れる 2 台の装置を用いて、電子密度に敏感であScripta. T22 157-163

る準安定状態への遷移を含む Ar XIV のスペク

[10] T. Arthanayaka et al. (2020) ApJ. 890 77

トルおよび Ca XV のスペクトルを取得し、基底状態への遷移に対する準安定状態への遷移における強度比を求めた。それと同時に多価イオンのトラップ領域における実効電子密度を求めることで、強度比の電子密度依存性を実験的に取得することで、Flexble Atomic Code と呼ばれる原子コードを用いて衝突輻射モデルにより計算された電子密度依存性の理論値を比較し評6