クリプトンイオンの磁気双極子遷移の観測
電気通信大学大学 情報理工学研究科 基盤理工学専攻
応用物理工学コース 中村信行研究室 近藤 丈洋

1

序論
重元素イオンの可視域スペクトルは、

2

実験
2.1

電子ビームイオントラップ

プラズマ診断に有用であり、特にクリプ今回の実験にて用いた装置は、低エネルトンなどの希ガスは、ダイバータプラズ

ギー帯における多価イオン生成を目的とマの冷却に用いられることからその周辺した小型電子ビームイオントラップのプラズマの分光診断に必要とされてい(CoBIT)である。装置の概略図を図 1、仕る。また、鉄より重い元素の起源として中様を表 1 に示す 。

性子星合体が有力な説となってきているが[1][2]、その電磁波観測による検証のために広範囲にわたる元素の可視域分光データが求められている。そこで本研究
では、希ガスである Kr に焦点を当てて低価数イオンの可視分光データの収集を目的とした。
これまで我々の研究室では、タングステンや鉄のイオンの分光データを収集していたが、その際に装置外部から標準ランプの光を導入して波長較正を行っていたことから、光源位置の違いによる系統

図１ CoBIT 概略図[4]的不確かさが懸念されていた。今回の観測では、目的とするクリプトンイオンの表１ CoBIT の仕様[4]発光線と同時に、波長が精度よく知られCoBITている中性あるいは 1 価のクリプトンを装置の高さ～0.5[m]CoBIT 内で励起し、その発光線を較正線と最大電子ビームエネルギー2.5[keV]して用いた。これにより、光源位置の違い

最大電子ビーム電流

20[mA]や機器のドリフトによる系統的不確かさ

中央磁場最大値

0.2[T]を考慮する必要が無くなるので、精度の冷媒タンク容量

3[L]向上が期待できる。観測した発光線の波

超電導コイル線材

DI-BSCCO

長から得た準安定準位のエネルギーを、冷媒液体窒素

過去の紫外域の分光[3]で得られている

分光用窓規格ICF70

イオントラップ領域の長さ2[cm]エネルギー値と比較する。

CoBIT は従来の電子ビームイオントラ検出できる波長の幅を変化させることもップに比べ電子エネルギー、電子電流をできる。CCD カメラは Andor 社の iDus416共に低い値にすることで小型化に成功し、 を使用している。このカメラは今回観測
また、超伝導磁石に住友電工製のビスマを行う波長である 500-700nm にて 60%以ス系超電導線材を用いたことで冷媒に液上の量子効率を確保できている。また、室体窒素を用いた運転が可能となり運転費温で観測を行うと暗電流によるノイズが用の削減も実現している。冷媒タンク容混入する為電子冷却を行って-70◦C に冷量はおよそ 3Ｌで完全に補充してから 5-却してから観測を行う。

6 時間の稼働が可能である。[4]
2.3
2.2

測定方法

可視分光器

今回の実験における可視領域スペクト
ルの分光には、Jobin Yvon 社製の HR320を用いた。この分光器は、反射型平面回折格子を用いた Czerny-Turner 型配置の分光器である。
装置の概略図を図 2 に示す。
図3実験の装置構成

図 3 にて装置構成を示す。今回の観測
では、Kr 2+ ～Kr 4+ 程度の低価数イオンに焦点を当てて可視領域の分光観測を行った。始めに Kr 低価数イオンの発光線の有無を確かめるために 300g/mm の低分散回折格子を用いて観測を行った。最初の手順として、観測する波長域の決定のために、波長の良く知られている発光線を持
つ標準ランプを用いて観測する波長域が図 2.可視分光器の概略図[5]500～700nm を含むように設定した。スペクトル観測では Kr 発光線と不純物の発光スリットから入射した光は、コリメー線を混同しないようにするために、Kr ガト凹面鏡で平行光となり、反射型平面回スを導入する前に電子ビームを出しただ

折格子にて回折されて結像凹面鏡によっけの状態で不純物発光線の観測を行った。て CCD カメラに集光される。回折格子を

その後、電子ビームエネルギーを低いエ回転させることによって観測する波長領ネルギーから順に高くして観測を行った。

域を変化させることが可能である。また、こうして観測したスペクトルに対して発回折格子の溝本数を変えることによって光線の出現エネルギーと NIST データベー

ス[3]を参考として価数の同定を行った。
価数の同定後には観測した発光線に対し観測したスペクトルを図 4 に示す。て 1200g/mm の高分散回折格子を用いて詳細な観測を行い、発光線の波長の決定を行った。その後、過去の分光で良く知られている中性の Kr 発光線と近い波長にKr 3+の発光線が確認できたことからこれら 2本の同時観測を試みた。同時に観測した
中性 Kr の発光線を較正線とすることをして高精度に波長を求め、NIST データベー
ス[3]に掲載されているエネルギー準位から予想される波長との比較を行った。
図 4 Kr 低価数イオンの発光スペクトル3

結果及び考察3.1

過去に報告例の無い発光線の観測

図 4 の縦軸、横軸はそれぞれ発光線の強度と波長となっている。右上の数値は、可視光領域にて、Kr 低価数イオンの発CoBIT の電子ビームエネルギー、Kr イオ光スペクトルがあるかを確認するためにンはその電子ビームエネルギーで作れる始めに Kr ガスを導入せずに 30eV にて撮イオンの最大の価数を示している。次に影を行って不純物の発光線の確認を行っ

Kr 発光線を 1 価から順に NIST データベた後で、生成できる最大の価数が 2 価かースと比較していく。

ら順に変化するように電子ビームエネルギーを変化させて観測を行った。電子ビームエネルギーの値は表 2 のイオン化エネルギーを参考にして生成できる Kr の最大の価数が 1 価ずつ変化するように決定した。
図 5 Kr1+の発光線の比較
表2

Kr のイオン化エネルギーと電子ビームエネルギー[6]イオン化エネルギー[eV]

電子ビームエネルギー

図 5 は、上の図を観測結果、下の図はNIST データベース[3]に掲載されている→ Kr : 24

Kr : 24eV

Kr + の発光線のデータをそれぞれ横軸波

Kr 2+ → Kr 3+ : 36

Kr 3+ : 43eV長、縦軸強度で示したものである。赤い破Kr

1+2+2+→ Kr : 48

Kr : 55eV

線で示した部分で観測結果と NIST の発光

Kr 4+ → Kr 5+ : 63

Kr 5+ : 70eV

線が強度比が異なるものの一致している

KrKr3+5+4+6+→ Kr : 774+

ことからこの部分の発光線はKr1+ の発光線であると考えられる。これらの発光線は励起状態間の電気双極子遷移に相当する。2 価以降の発光線では電気双極子遷移は確認できなかったが基底配置間の磁気双極子遷移に対応する発光線が確認できた。
図 6 から図 8 にそれぞれKr 2+ からKr 4+のエネルギー準位と遷移したときの波長を示す。

図 8 Kr 4+の基底配置のエネルギー準位
図 6,7,8 のエネルギー準位は、より高いエネルギー準位からの極端紫外域遷移の観測から得られたものである。これらの図と比較すると、図 4 の赤い矢印で示した発光線(a)は図 6 の赤い枠で囲った遷移に、(b)から(e)は図 7 の赤い枠で囲った対応した記号の遷移に、(f)は図 8 の赤い枠で囲った遷移に相当する波長と一致
図 6 Kr2+の基底配置のエネルギー準位していた。これらの発光線は過去に直接観測された例が無いことから発光線のデータベースには記録されてなかったと考えられる。次にこれらの発光線を高分散測定にてより詳細な観測を行った。観測した結果を図 9,10 にて示す。

図 7 Kr 3+の基底配置のエネルギー準位
図 9 Kr 2+ , Kr 3+の詳細の観測

より高くして低価数イオンの生成と較正線の同時観測を行った。観測したスペクトルを図 12 にて示す。

図 10 Kr 3+ , Kr 4+ の詳細の観測
図 9 ではKr 2+ , Kr 3+に、図 10 では
Kr 3+ , Kr 4+に対して詳細な観測を行った。ここで(b)の発光線に注目する。

図 12

同時観測スペクトル

同時観測した発光線の他にも黒の矢印で示した中性の発光線が観測できたため、これらを用いて機器のドリフトを考慮しない波長較正が行えた。加えて較正線と隣り合った発光線に対しては CCD 上における位置と波長が線形の関係であると仮定し、3 価イオンの発光線の波長を導出した。図 13 は 2 本の発光線を拡大したスペ
図 11

較正線近傍のKr3+発光線クトルであり、2 本のピーク間のピクセル距離と、較正線に代入した波長を示す。

図 11 は、クリプトンランプによる較正線と CoBIT で観測されたKr 3+の発光線である。これら 2 本の発光線が CoBIT で同時観測できれば機器のドリフトと光源位置の違いによる系統的不確かさの無い詳細な波長の決定が行えるため、測定条件を変化させて 2 本の同時観測を試みた。
3.2同時観測による波長決定

Kr ガスの導入量を変化させて荷電交換を誘発し、電子ビームエネルギーを通常

図 13 Kr 3+発光線の詳細な検討。

較正線の発光線の波長は NIST データベ

今後の課題としては、現在波長の不確ースに記録されている真空中の値かさとして支配的なのが 2 本の画素位置

587.09157nm を採用した。この位置におけ差の統計的不確かさであることから今後る逆線分散を求めると 0.026246813nm・は観測の回数を重ねていく事でその不確-1pixel となり、2 本の発光線間の画素差かさを突き詰めていけたらと考えている。

である 10.472 ピクセルを掛け合わせることで 2 本の波長差は 0.2749nm、Kr 3+の発5光線の波長は 586.9794±0.0077nm となっ[2] S Wanajo, et al.“PRODUCTION OF ALL THE r-た。この発光線は図 7 の(b)の遷移に対応

PROCESS NUCLIDES IN THE DYNAMICAL EJECTA OFすることからエネルギーは 2D 準位のエネ

NEUTRON STAR MERGERS” ApJL, 789:L39(6pp), July

ルギーに相当する。この値を NIST データ

2014

ベースと外部光を取り込む従来の方法を[3] Y Utsumi, et al.“J-GEM observations of an

用いて決定した波長を比較した。

electromagnetic counterpart to the neutron star

参考文献

merger GW170817” ASJ, Vol. 69, No6, 101, October

表 3 Kr 3+発光線の比較[6]

2017

波長 nm

エネルギーcm-1[13] NIST Atomic Spectra Database,

NIST

586.94±0.02

17037.6±0.6<http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_for

従来方法586.93±0.03

17036.5±0.9

m.html> 2018 年 12 月 24 日アクセス

同時観測

586.9793±0.0077

17036.37±0.23[14] N Nakamura, et al.“Compact electron beam ion
trap for spectroscopy of moderate charge state

従来の波長較正の方法では NIST データions” Rev.Sci.Instrum. 79, 063104, June 2008

ベースよりも不確かさが大きくなってい[10] 近藤丈洋“2017 年卒業論文”

たが、今回の方法を用いることで不確か[11] J. Scoﬁeld, Ionization Energies, Internalさの小さい観測を行うことが出来た。

report, LLNL, Livermore, USA4

結論
今回 Kr 低価数イオンの可視領域に焦点を当てて分光観測を行い、Kr 2+ ～Kr 4+ にて過去に直接観測例の無い基底配置内の磁気双極子遷移の観測が出来た。特にKr 3+ では、波長較正線と隣接する発光線があったことから 2 本の同時観測を行い、光源位置や機器のドリフトなどの系統的不確かさを無視できる高精度な観測が行えた。その結果として、従来の方法よりも高精度に波長を求めることが出来た。