ニッケル様イオンの禁制線の観測
中村信行研究室松尾駿

1 章 背景と目的移し第一励起状態である 3d 94s で準安定1.1 多価イオン状態となる。3d 94s 準位から生じる禁制線

一般に多価イオンとは２価以上の正、の発光強度は強い電子密度依存性を持つ負イオンのことを言う。多価イオンは非ため、許容遷移との強度を比較すること常に不安定であり、また生成に必要なエでプラズマ密度診断が可能である。

ネルギーが大きいため地球のような低温

また、3d 94s の微細構造準位の中でも最環境で存在しておらず、太陽コロナや核も低いエネルギーを持つ最低励起状態で融合炉内の高温プラズマ中に存在していある 3d 94s(J=3)は磁気八重極子遷移による。高温プラズマを理解するうえで多価ってしか脱励起することができない。こイオンに対する理解が不可欠である。の磁気八重極子遷移は他の禁制遷移と比1.2 プラズマ素過程

べて非常に長い寿命を持つため、プラズ

一般にプラズマとは、気体の加熱によ

マ中では放射脱励起する前に電子衝突電り分子の運動エネルギーが増大すること離、励起を起こしやすく、平衡電荷に大きで粒子間の衝突が活発になり、電子と正な影響を与える[2]。

イオンが飛び交うような状態を指す。高温プラズマは電子と多価イオンで構成されており、その発光は主に多価イオンの発光によるものである。プラズマ中では残留ガスとの電荷交換や電子衝突による電離などの様々な原子過程によって多価イオンの価数の変化がみられる。
1.3 禁制遷移
一般に 2 つの状態間の遷移が電気双極子遷移の選択規則を満たす場合は許容遷移、それ以外は禁制遷移と呼ばれる。等電子系列における多価イオンの禁制線の遷移確率は原子番号が大きくなるにつれて大きくなる。原子番号の大きいものではその遷移確率は許容遷移に匹敵するほど

図 1.1になりうる[1]。

ネルギー準位図

1.4 Ni 様多価イオン

1.5 本研究の目的

Ni 様多価イオンの 3d10、3d94s、3d94p のエ

Ni 様多価イオンは図 1.1 のような基底先行研究として電子ビームイオントラ状態において 3d 10 の電子配置を持つ閉殻ップを用いて Ni 様 Mo 多価イオンの発光

9構造をとり、第一励起状態である 3d 4sスペクトルの観測がされている。その結から基底状態への遷移は禁制線となる。

果、Ni 様 Mo 多価イオンのイオン化エネル

9

3d 4s より上準位において基底状態へのギーより低い電子ビームエネルギーにお禁制が強いものは直接基底状態に遷移せいて Ni 様多価イオンよりも価数が 1 つ高ず、連鎖的にエネルギーの低い状態に遷

い Co 様多価イオンと思われる発光が観測された。[3]
それは 3d 94s(J=3)準位を介した電離の寄与であると考えられている。そのような間接電離の寄与は 3d 94s(J=3)準位の磁気八重極子の寿命によって変化するため、本研究では原子番号依存性を実験的に示すことを目的として複数の元素の Ni 様多価イオンの観測を行った。また、Co 様多価イオンと思われる発光が不純物による発光でなく長寿命な準位を介した間接電離による発光であることを確認することも目的としている。
2 章 実験
2.1 電子ビームイオントラップ(ElectronBeam Ion Trap:EBIT)
我々の研究室では EBIT を用いて多価イ

図 2.1 EBIT の多価イオン生成原理図

3 章 結果オンを生成している。EBIT の多価イオン実験により得られた Zr の発光スペクト生成原理図を図 2.1 に示す。EBIT は大きルを図 3.1 に示す。
また、Flexible Atomic

く分けて電子銃、３つの電極から成るドCode(FAC) と呼ばれる計算コード を用リフトチューブ(DT)、電子コレクターでいて遷移波長の求め図 3.2 に示した。そできている。DT の周囲には超伝導コイルの結果を参考にして波長の同定を行った。

が設置されており、超伝導コイルによって生成される磁場によって電子銃から放出した電子を高密度に圧縮する。圧縮されたビームによる空間電荷ポテンシャルによって多価イオンを動径方向に閉じこめることができる。また、DT1,DT3 の電位をあげて DT2 の電位を下げることで井戸型ポテンシャルが形成されるため軸方向にも多価イオンを閉じ込めることができる。閉じ込めたイオンに電子ビームが次々と衝突することで逐次電離が起きる。 図 3,1 電子ビームエネルギー265eV、345eV、430eV
ここでイオン化に寄与しなかった電子はにおいて観測された波長 4.8-8.8nm 付近での Zr のDT を通過し電子コレクターによって回収スペクトルされる。

図 3.2 Zr の Ni、Co 様多価イオンの FAC 計算結果。
横軸は波長、縦軸は gA 値。縦軸は対数をとっている。赤と緑のラインが Co 様多価イオン、青いラインが Ni 様多価イオンである。緑のラインは 3d-4f遷移の波長の 2 次光である。

波長 7.6nm 付近で Zr12+ の 3d 94s から基底準位へ電気四重極子遷移の発光が見

図 3,3 電子ビームエネルギー335eV、440eV、545eVにおいて観測された波長 4.8-8.8nm 付近での Mo のスペクトルられた。また、波長 6.8nm 付近においてZr13+の 3d 84s から基底準位へ電気四重極子遷移と思われる発光が見られた。Zr13+の発光だとすると生成するのに必要とされるイオン化エネルギー以下の条件でZr13+の発光を観測することができている。それと同時に Zr12+の 3d 94s から基底準位への遷移の発光の強度が弱くなって

図 3.4 Mo の Ni、Co 様多価イオンの FAC 計算結果。

いるので 3d 94s 3D3 の電子配置から間接縦軸は対数をとっている。

電離が起きることで 1 つ上の価数ができたと考えられる。
同様に、Mo の発光スペクトルと計算値をそれぞれ図 3.3、3.4 に示した。

波長 5.8nm 付近において Mo14+の 3d 94sから基底準位への電気四重極子遷移の発光が見られた。また、Mo15+を生成するのに必要とされるイオン化エネルギー以下の条件で Mo15+の電気四重極子遷移の発光を観測することができている。しかしながら、8nm 付近において Mo15+と同じ挙動をしながらも、FAC の計算値から準位を同定することが出来なかった遷移があった。これは FAC で考慮した準位が足りなかったためだと思われる。
次に波長 10-15nm 付近での Kr のスペク
トルと計算値を図 3.5、3.6 に示した。これまでのところ電子ビームエネルギー

230eV でのスペクトルしか観測できてな

4 章 結論・展望
今回の実験で Zｒ、Mo、Kr の 3d 94s(J=2)

い。

から基底準位への電気四重極子遷移の発光が確認できた。Co 様多価イオンを生成するのに必要なイオン化エネルギー以下の電子ビームエネルギーで Co 様多価イオンと思われるスペクトルを観測した。これは準安定状態である 3d 94s(J=3)が他の準位と比べて非常に長寿命であるため、電子衝突によって間接電離が起きることで価数があがったと考えられる。また、Co様多価イオンの 3d -4f 遷移の二次光か不純物の発光であるかを同定できなかったスペクトルがあった。不純物であるなら、
図 3,5 電子ビームエネルギー230eV において観試料を変更しても同じ波長で発光が観測測された波長 10-15nm 付近での Kr のスペクトルされる。しかし、元素ごとに異なる波長でスペクトルが見られたため不純物による発光ではないと考えられる。
今後は価数分析を行うことにで、Co 様多価イオンと思われる発光が不純物による発光でないことを確認したい。また、検出器を CCD に変え、分光器の調整を行う
ことでより高分解能なスペクトルの観測

図 3.4 Kr の Ni、Co 様多価イオンの FAC 計算結果。

を試みたい。

縦軸は対数をとっている。

波長 11.4、14.1nm 付近において、それ8+ぞれ Kr

9の 3d 4p から基底準位への電気9

参考文献[1]佐藤国憲「トカマクプラズマにおけ二重極子遷と 3d 4s から基底準位への電る高電離多価イオンの禁制線」(分光研

気四重極子遷移からの発光が見られた。

究，第 32 巻，第３号，(1998)

また複数のエネルギーで観測したわけで[2]E. Träbert,et al., Phys. Rev. A,

9+ないが、波長 10.2nm、12.7nm において Kr

73, 022508 (2006)を生成するのに必要とされるイオン化エ[3]岸良子文、Emma Soke11、中村信行

9+ネルギー以下でも Kr の発光を観測する「電子ビームイオントラップによる Niことができている。

様多価イオンの分光測定」『原子衝突学会第 40 会年会 P2-04』,首都大学東京、2015 年 9 月