電子ビームイオントラップによる Sn 様・In 様イオンの可視領域発光線の観測
中村信行研究室 PIPATPAKORN PATIVATE
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1.2 核融合実験炉のプラズマ診断

序論

多価イオンの知見はプラズマ診断に有用で1.1 微細構造定数の変動検知であり、将来の新エネルギー源に繋がる核融

微細構造定数𝛼とは電子と電磁場の相互合の研究においても必要とされている。近作用の大きさを表す無次元の定数であるが、年、国際共同研究により国際熱核融合実験炉クエーサーからの吸収スペクトルの研究によ(International Thermonuclear Experimental

り、𝛼定数が変動する可能性があるとの議論

Reactor : ITER)の建設が進められており、がある[1]。その議論を確かめるためには𝛼に2025 年に運転開始を目指している。

対して感度の異なる原子時計の比較が一つの方法であり、感度𝛿𝛼/𝛼~10−19 /年以上が達成

ITER のプラズマ容器の下にはダイバータされれば地球上で検証できるが、現在のストという部分があり、プラズマからの高い熱流

ロンチウム光格子時計では10−18 /年であるや粒子の流れを受け止める役割を果たす。そ[2]。理論研究では多価イオンの可視領域の遷の部分は熱負荷に非常に強い W が材料として移を利用した新たな高精度原子時計が提案さ使用される。W はスパッタリングにより炉内れ、これまでの精度を上回ることが期待されに混入すると、高温によって電離することている[3]。

で、多価イオンとなる。しかし、W 多価イオンは核融合炉内の中心でも完全に電離しない

また、多価イオンの中で 1) 𝛼変動に感度がため、放射冷却により炉内のプラズマ温度を高い、2) 安定な同位体が存在する、3)170-低下させる。この現象によって核融合の効率3000nm における基底状態への遷移周波数をを低下させることが問題となる。そのため、持つ長寿命の準安定状態が存在するという原W 発光線の分光計測で炉内の W の密度や価子時計応用に適した条件を満たすものとし数分布などを診断することが重要であり、Wて、Ag 様、Cd 様、Sn 様、In 様が注目され多価イオンの分光データが必要となる。特にており、それらの可視域の発光線の観測・同可視領域では他の領域よりミラーやレンズな定が望まれている[4]。

ど様々な素子が豊富であるため、測定系を構築することが容易である。そのため、可視領域の発光データが非常に重要となる。

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れたイオンに電子ビームを照射し、電子を 11.3 目的

つずつ剥ぎ取る逐次電離を利用して高価数の本研究では微細構造定数𝛼変動の検知に向イオンを生成する。トラップ領域を通過した

けた次世代原子時計の開発や ITER のプラズ

電子ビームは最後に電子コレクターで回収さマ診断に有用である多価イオンの可視域発光れる。イオントラップは、DT1 と DT3 に線の観測と同定を、先行研究[5]より4𝑓電子数DT2 より高い電圧を加えることで生成した軸が多く複雑な In 様(4f 3)及び Sn 様(4f 4)イオ方向の井戸型ポテンシャルと、電子ビームにンについて行うことが目的である。

よる径方向の空間電荷ポテンシャルによってW(Z=74)、Re(Z=75)、Os(Z=76)の 3 元素に行う。EBIT は電子ビームエネルギーを変更ついて等電子系列における原子番号依存性をすることで、生成できるイオンの価数の上限系統的に調べ、理論計算と比較することで、遷移を同定し、その波長を実験的に決定する。

2実験

図 2 CoBIT と可視分光器を決定することができる。
本研究では小型電子ビームイオントラップ(CoBIT)を用いて実験を行った。図 2 に示したようにガスを導入して中央部分で多価イオ
図 1 EBIT の概略図ンが生成されて発光する。Czerny-Turner 型

本研究では電子ビームイオントラップ分光器で分光され、CCD カメラによって記録(Electron Beam Ion Trap : EBIT)を用いて多される。本実験で使用した回折格子は 300 本

価イオンを生成した。EBIT は図 1 に示すよ/mm と 1200 本/mm の 2 種類である。300 本

うに、主に電子銃、3 つの円筒電極からなる/mm の回折格子による低分散測定で広範囲観ドリフトチューブ (Drift Tube : DT)、ヘルム測を行った後、1200 本/mm の回折格子を用ホルツ型超伝導コイル、電子コレクターからいて高分散測定を行い、波長決定を行った。

構成されている。電子銃から放出され、DT暗電流を下げるために CCD カメラを-70℃にによって加速された電子は超伝導コイルの磁冷却し、露光時間は 30 分に設定した。

場で圧縮される。トラップ領域にトラップさ23で、狭い領域で多数の発光線がある際の価数結果と考察同定を行った。

3.1 エネルギー依存性による価数同定
表 1 Os のイオン化エネルギーと電子ビーム

3.2 遷移波長と遷移確率の計算

エネルギーの設定値
Osイ オ ン の 価 数 計 算 値 (eV)[7] 設 定 し た エ ネ ル ギ ー (eV)
28+(Cd様)920
960
27+(In様)870
910
26+(Sn様)820
860
25+(Sb様)770810本研究では波長決定と遷移同定をするために、観測実験を行うと共に Flexible AtomicCode（FAC）と呼ばれる原子計算コードを用いて遷移波長と遷移確率の計算を行った。
今回の計算では基底状態の電子配置の他、1つあるいは 2 つの 4𝑓電子が 5𝑠に励起した状態を考慮した。例えば In 様は 4𝑓 3 、4𝑓 25𝑠1 、4𝑓 15𝑠 2の 3 つの電子配置、Sn 様は 4𝑓 4、4𝑓 35𝑠1 、4𝑓 25𝑠 2の 3 つの電子配置を考慮し、微細構造準位やそれらの準位間の遷移を計算した。その結果を図 4 に示す。図の縦軸は統計重率(𝑔)と遷移確率(𝐴)の積である。発光線の強度に比例するものは本来上準位の占有密度と遷移確率の積のため、𝑔𝐴値を実験結果の強度と直接比較することはできないが、狭いエネルギー範囲において占有密度を統計重率で置き換えることは良い付近となるため、遷

図 3 低分散測定による Os 発光線の観測結果
それぞれの元素について電子エネルギー依存性を調べることにより、Sn 様・In 様イオンからの発光であることを確認した。例えば
図 3 に示したグラフは低分散測定の Os 発光線のエネルギー依存性であり、表 1 に示したイオンの生成エネルギーを参考し、価数の同定を行った。図中の矢印で示したように
810eV で観測されず 860eV で観測された発光線を Sn 様、860eV で観測されず 910eV で観In 様イオンの発光線測された発光線を In 様と同定した。高分散測

Sn 様イオンの発光線定も同様にエネルギー依存を観測すること

図 4 FAC 計算による Sn 様、In 様の発光線3移同定に有用である。これを観測実験と比較することで遷移同定を行った。

3.3 In 様イオン(4𝑓 3)

図 7 低分散測定による In 様 Os、Re、W発光線の観測 2

図 5 In 様 Os27+の基底配置（4𝑓 3）微細構造
準位図

FAC 計算によると、Os の場合、In 様の4𝑓 3微細構造準位は約 33eV のエネルギー幅に40 の準位が存在する複雑な構造を持つ。しかし、CoBIT で観測される比較的強度強い発光線は微細構造準位の中でも最も低い準位間の遷移という傾向がある。図 5 は例として
Os27+について基底配置から 10eV までの範囲にある微細構造準位を示したものである。
低分散測定の観測結果から 380-680nm お
よび 560-880nm における In 様 Os、Re、W
スペクトルをそれぞれ図 6、図 7 に示し、図5 における 1、2、3、a、b、c、d の各遷移を矢印で示した。

図 6 低分散測定による In 様 Os、Re、W

図 6 で示した 910eV における短波長側 3 本

発光線の観測 1の発光線は電子のエネルギー依存性から In 様Os のものと確認できるが、図 4 の FAC 計算の通りだとすると短波長側から a、1、b の遷4移となる。しかし、もしその通りだとする

Os26+について 10eV までの微細構造準位を図と、これらのライン間の強度比が Re や W と8 に示す。In 様と同様に本研究において得ら異なり、1 が a や b よりも弱いことになる。

れた比較的強度の強い発光線に注目し、基底最も低い準位間の遷移である 1 が励起状態間状態付近の遷移同定を試みた。

遷移である a、b よりも弱くなることは考えがたいため、Re と W の発光線の強度比と同様に図 6 に付けたように Os の発光線では短波長から 1、a、b と同定した。
より長波長側の 560nm-880nm における In様イオンのスペクトルを図 7 に示す。この波長領域では Re と W における 3、d に相当する遷移が観測されたが、Os では 3 の遷移が観測できなかった。

3.4 Sn 様イオン(4𝑓 4)

図 9 低分散測定による Sn 様 Os、Re、W
発光線の観測図 9 は低分散測定による Os、Re、W イオンの観測結果で、矢印で示した発光線はエネルギー依存から Sn 様と同定されたものである。ここで、それぞれ 2 本の発光線が比較的
図 8 Sn 様 Os4の基底配置（4𝑓 ）微細構造

26+強く観測され、原子番号の増加に伴い波長が準位図短波長側に変化していることが分かった。比較的強い強度を持つと予想される最も低い準4𝑓電子を 4 つ持つ Sn 様多価イオンについ位間の遷移 1 と 2 の波長を計算すると、実験ても同様に実験結果を FAC 計算と比較し、波結果と同様に原子番号とともに図 4 のように長決定と遷移同定を行った。Os のエネルギー変化することが示された。その波長の値およ準位の計算によると、Sn 様の 4𝑓 4配置では約び原子番号依存性から実験で観測された 2 本

53eV の範囲に 106 の微細構造準位が存在し、In 様よりさらに複雑な原子構造となる。

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のラインは図 9 に矢印で示したように図 8 中[3] Berengut, J. C., et al. "Highly charged ionsの遷移 1、2 に相当すると考えられる。

with E 1, M 1, and E 2 transitions within laserrange." Physical Review A 86.2 (2012):022517.

4

結論と今後の展望[4] Safronova, M. S., et al. "Highly charged

本研究では小型電子ビームイオントラップ

ions for atomic clocks, quantum information,

を用いて4𝑓電子数が多く複雑な In 様(4𝑓 3)及and search for α variation." Physical review

4び Sn 様(4𝑓 )多価イオンにおける可視領域のletters 113.3 (2014): 030801.

発光線を観測した。低分散測定で等電子系列[5] Murata, Shunichi, et al. "Visible transitions

における原子番号依存性を系統的に確認しin Ag-like and Cd-like lanthanideて、計算と比較することで、微細構造の中でions." Physical Review A 96.6 (2017): 062506.

低いエネルギーを持つ準位間の遷移を同定した。また、高分散測定でそれらについて波長を決定した。結果として In 様イオンでは 7 本(Os のみ 6 本)、Sn 様イオンでは 2 本の発光線を新たに波長決定・遷移同定することができた。
いずれも最も低い準位付近の遷移は比較的強度が強くて同定しやすい傾向があった。それ以外の比較的強度の弱い発光線の同定や、4𝑓電子を 5 つあるいは 6 つ持つより複雑なイオンの観測および同定が今後の展望となる。

参考文献[1] Webb, J. K., et al. "Indications of a spatial
variation of the fine structure
constant." Physical Review Letters 107.19(2011): 191101.
[2] Bloom, B. J., et al. "An optical lattice clockwith accuracy and stability at the 10− 18level." Nature 506.7486 (2014): 71-75.

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