鉄多価イオンの共鳴励起過程の観測
中村信行研究室
1

津田峻志

序論

2 電子性捕獲過程を経て形成された 2 電子

1.1 背景励起状態からオージェ過程を経て、電子を多価イオンとは中性原子が 2 個以上の電一つ放出し始状態と同じ価数の励起状態を子を失ったイオンである。生成に必要なエ形成するため励起状態のポピュレーション

ネルギーの大きさ、不安定さから地球上でやライン強度に大きく影響する重要な過程はほとんど存在しない。しかし恒星内部やであり、実験理論の両面で調べられてきた。

表面などの高温プラズマ中においては多価

しかし、これまでは数 keV 程度の高エネルイオンが空間を占める主な物質となるため、ギー領域の研究が多く、天体プラズマ診断

その中で起こる現象の理解には多価イオンで重要な数 100 eV 領域における共鳴励起の情報が必要不可欠である。

過程の実験データが不足しているのが現状

プラズマ中の多価イオンは電子と相互作用である。このエネルギー領域では、例えば太を繰り返し、様々な発光を見せる。その発光

陽コロナに多く存在する十価程度の鉄多価スペクトルはプラズマ中の電子密度や電子イオンに多くの共鳴が現れるため、天体プ温度などの情報を含んでいる。天体プラズラズマ診断において重要な役割を持つ。

マなどの高温プラズマを理解する際、多価イオンと電子間の素過程を考慮し、プラズマを構成するイオンの価数分布や各準位の占有密度のモデリングを行う。正確なモデリングを行うためにはそれぞれの素過程の断面積が必要不可欠である。天体プラズマや核融合プラズマには多数の元素が存在し、密度や温度も様々であるため必要となるデータは膨大な量となる。そのためプラズマのモデリングに用いられている断面積の多くは理論計算によって得られているというのが現状である。そこで理論値の信頼性を

図 1 共鳴励起過程。 Ee は電子ビームエネルギー、EB は束縛エネルギーを示している。

1.2 Fe XV の問題
我々が過去に行った鉄多価イオン Fe XVのライン強度比の電子密度依存性の測定[1]保証、また改善するために実験による断面を紹介する。図 2 に測定結果と衝突輻射モ積の評価が求められている。

デ ル (CR モ デ ル : Collisional radiative

本研究で観測を行った共鳴励起過程を模式的に図 1 に示す。共鳴励起過程は特定の電子ビームエネルギーで大きな断面積を持つ 2 電子性捕獲過程を含む共鳴過程である。

model)を用いた理論計算の結果の比較を示す。縦軸は Fe XV のライン 23.39 nm と24.38 nm の強度比を示しており、横軸は電子密度を示している。青い点が実験値、黒い曲線が CR モデルによる理論計算の結果で電子ビームエネルギー制御と時間分解スペある。図 2 の通り実験の結果が理論計算のクトルが計測可能な多次元同時計測システ

予想した範囲を大きく超えるという問題がムを導入し、実験データが不足しているエ確認された。ここで用いられた CR モデル

ネルギー領域における Fe XV-XVI の共鳴励には共鳴励起過程は含まれていないため、起過程の観測を目的とした。また、先行研究

この問題の原因が共鳴励起過程の寄与によで確認された Fe XV における問題の原因にるライン強度の変化である可能性も考えらついても検証する。

れる。

3実験

3.1

実験装置

本研究で使用した実験配置図を図 3 に示す。観測対象としている発光は極端紫外領域 (Extreme ultraviolet: EUV)の発光であるので、多価イオン生成装置である CoBITに EUV 分光器を取り付けた。EUV 分光器
は溝本数 1200 g/mm の平面結像型凹面不等間隔回折格子と EUV 領域に感度を持つ
位 置 有 感 検 出 器 (Position sensitivedetector: PSD)によって構成されている。
また今回、共鳴励起過程の観測のために
図 2 Fe XV ライン強度の電子密度依存性。 縦軸は Fe XV におけるライン強度比(22.34 / 24.38)、横軸は電子密度を示している。黒線は CR モデルを用いた理論計算の結果、青い点は CoBIT を用いた実験の結果を示している。

2目的
我々の研究室で所有している電子ビーム

イオントラップ(Electron Beam Ion Trap:EBIT)は実験室プラズマの一つであり、任意の元素、価数が支配的なプラズマの生成が可能である。対象となる元素に電子ビームを照射し、逐次電離の原理で多価イオンを生成する。また電子ビームエネルギーを調整することでプラズマ中のイオンの価数分布を変化させることが可能である。
本研究では低価数多価イオンの生成を目的として作られた小型 EBIT(CoBIT) [2]に、電子ビームエネルギー制御と時間分解スペクトルが計測可能な多次元同時計測システ
ムを導入した。図 4 に多次元同時計測シス
テムの概略図を示す。電子ビームエネルギーは電子銃のカソードと DT2 の電位差によって決定される。このシステムでは 3 つの任意波形発生装置（Function generator:FG）と PC の波形を組み合わせて DT2 に印加される電位を掃引させることで電子ビームの制御を行った。また、PSD が光子を検出する 1 イベント毎に光子の検出位置と検出時の電子ビームエネルギーの情報を同期して取り込むことで時間分解スペクトルを測定した。

図 3 実験配置図
図 ５ 電 子 ビ ー ム エ ネ ル ギ ー 掃 引 波 形 tcook=1600 ms、tprobe = 6.667 ms、tkeep = 13.333 ms、tdump = 3600 ms、掃引範囲 350 ~ 500 eV

またドリフトチューブ（DT）電極が形成するトラップポテンシャルは 150 V、真空度は 10-8 Pa、測定時間は 45 時間である。試料である鉄の導入は減圧化では室温で昇華する鉄の有機化合物フェロセン Fe(C2H５)2を用いてガス導入管から導入した。

3.3

結果

図 6 にエネルギー掃引によって得られた
図 4 多次元同時測定システム

2 次元スペクトルを示す。横軸は波長(X)、縦軸(Y)は電子ビームエネルギーを表して3.2測定いる。赤矢印で示した特定の電子ビームエ

CoBIT の実験条件は、電子ビーム電流 Ie

ネルギーにおいて共鳴励起過程の寄与と思= 13 mA、電子ビームエネルギーを Ee =われるライン強度の増加を確認できた。

350 ~ 600 eV の範囲で掃引させて行った。

共鳴励起過程が確認されたラインの同定

図 5 に本実験で使用した掃引波形を示す。

を行うために、図 7 に X についての 1 次元

掃引波形はイオン生成時間(tcook)、プローブスペクトルを示す。横軸が波長、縦軸がライ

時間(tprobe)、価数分布保持時間(tkeep)、イオンン強度を示している。価数によって異なる払い出し周期(tdump)、掃引範囲で決定される。

色の矢印でマークしてあり、今回共鳴励起

tcook で目的の価数のイオンを生成する時間、過程を観測できたのは Fe XV の 3 本のライ

tprobe は電子ビームエネルギーを掃引させるンと Fe XVI の 2 本のラインである。その時間、tkeep はトラップ領域の価数分布を一定

5 本について波長と遷移を表 1 にまとめた。に保つための時間、tdump は重元素イオンが共鳴励起過程が確認されたラインそれぞトラップ領域に溜まらないようにするためれについてのライン強度の電子ビームエネの時間である。

ルギー依存性を図 8、図 9 に示す。それぞれ Fe XV と Fe XVI におけるライン強度の電子ビームエネルギー依存性を示している。

表 1 共鳴励起過程の寄与が確認されたライン

横軸は電子ビームエネルギー、縦軸はライン強度を示しており、左上にそれぞれのラインの価数と波長を示してある。測定時、電子ビームエネルギーの値は 0.25 eV/ch でAD 変換されたが、図 8、図 9 では 4 ch（電子ビームエネルギー1eV に相当）ごとに足図 8 より、Fe XV の３本のラインでは電し合わせてある。また横軸は Fe XV ライン

子ビームエネルギー420eV 付近と 450eV 付23.39 nm の 420 eV 付近の共鳴において、近の 2 箇所に共鳴励起過程の寄与を確認す実験と FAC による理論計算で算出した共ることが出来た。特に 420eV 付近の共鳴は鳴エネルギーが合うように規格化した。非強度が約 2 倍となる顕著な影響が見られた。

共鳴過程に対する共鳴励起過程によるライ

図 9 より、Fe XVI の 2 本のラインではン強度の変化を定量的に議論するためにバ400eV 付近と 420eV 付近の 2 箇所に共鳴ックグラウンド処理を行った。

が確認できた。共鳴励起過程は特定のエネルギーで起こる過程であるが、実験で観測された共鳴過程はエネルギーに幅を持っていることがわかる。これは電子ビームエネルギーが完全なデルタ関数では無く、エネルギー幅が存在するためである。FAC を用いた理論計算によると Fe XV 23.39nm の420 eV 付近の共鳴は 1 つの共鳴構造の寄与であり、その幅が電子ビームのエネルギー

図 6 共鳴励起過程の 2 次元スペクトル 横軸が波長、縦軸が電子ビームエネルギーを示している。また共鳴励起が確認できた部分を赤の矢印で示した。

幅であると考えられる。本実験から電子ビームのエネルギー幅が約 4.5 eV であることが確認できた。

図 7 Fe スペクトル 横軸が波長、縦軸がライン強度を示している。価数ごとに色の違う色の矢印を用いており、赤は Fe XIV、橙は Fe XV、青は Fe
XVI をそれぞれ示している。

図 8 Fe XV ライン強度の電子ビームエネルギー依存性 縦軸はライン強度、横軸は電子ビームエネルギーを示している。左上に価数とピーク波長を示してある。

図 9 Fe XVI ライン強度の電子ビームエネルギー依存性

4

考察
各ライン強度の電子ビームエネルギー依存性は共鳴励起過程の寄与と非共鳴過程の寄与の和であり、共鳴励起過程によって強度が増加している部分の面積が共鳴強度に比例する。図 10、図 11 にそれぞれ Fe XV、

図 10 Fe XV ラインにおける FAC と実験の比較
横軸が波長、縦軸が実験の強度と共鳴断面積を示している。左上に価数とピーク波長を示してある。
点はそれぞれ実験値、黒線が FAC を用いて計算した共鳴強度を 4.5 eV の幅で畳み込みした共鳴断面積を示している。

Fe XVI における実験と FAC を用いた理論計算との比較を示す。Fe XV における図 12は HULLAC を用いた理論計算との比較である。それぞれ横軸が波長、縦軸が実験の強度と共鳴断面積を示している。共鳴断面積
は理論計算で得られた共鳴強度を電子ビー
ムエネルギーの持つ幅 4.5 eV で畳み込みを行って得た。図 10、図 11 の実験値の横軸

図 11 Fe XVI ラインにおける FAC と実験の比較
図の説明は図 12 と同じ

は 5 つのライン全てにおいて、FAC で計算した Fe XV ライン 23.39 nm の 420 eV 付
近の共鳴エネルギーで規格化してある。また、図 12 の実験値の横軸は HULLAC で計算した共鳴エネルギーで規格化してある。
図 10、図 13 の縦軸は Fe XV ライン 23.39
nm の 420 eV 付近の共鳴について強度と共鳴断面積が一致するように規格化した。
図 10、図 12 より、Fe XV の 3 本のラインにおける比較では FAC、HULLAC 共に非常に良い一致を示していることが確認できた。しかし図 11 より、Fe XVI における比較では実験と FAC の間に顕著な差が確認できた。

図 12 Fe XV ラインにおける HULLAC と実験の比較 図の説明は図 12 と同じ先行研究で確認された Fe XV ライン強度比の電子密度依存性における実験と CR モデル計算の不一致の原因について、図 13 に問題の 23.39nm/24.38nm ライン強度比の電子ビームエネルギー依存性を示す。横軸

おける鉄多価イオンのライン強度の電子ビは電子ビームエネルギー、縦軸はライン強ームエネルギー依存性の測定を行った。そ度比を示している。横軸は Fe XV ラインの結果、
Fe XV では 3 本のライン 22.72 nm、23.39 nm の 420 eV 付近の共鳴において、23.39 nm、24.38 nm において、電子ビーム実験と FAC による理論計算で算出した共エネルギー420 eV、450 eV 付近の 2 箇所で鳴エネルギーが合うように規格化した。そ共鳴励起過程の寄与を確認できた。FAC、の結果、350 eV ~ 500 eV の範囲で行った

HULLAC を用いて計算した共鳴断面積と測定と FAC の間には約-10 eV ずれている

実験結果を比べた結果、Fe XV の 3 本のラことが確認された。

インについては実験と理論の間で非常に良

図 13 中の 420eV 付近に見られるようにい一致を確認できた。Fe XVI では 2 本のラライン強度比についても共鳴励起過程の寄イン 25.11 nm、26.30 nm において、電子与を確認することが出来た。共鳴エネルギ

ビームエネルギー390 eV、420 eV 付近の 2ーにおいては強度比が非共鳴時のおよそ２箇所で共鳴励起過程の寄与を確認できた。

倍の値となっている。この結果から、ライン

FAC を用いて計算した共鳴断面積と実験結強度比を議論する際に共鳴励起過程を考慮果を比べた結果、Fe XVI の２本では実験とする重要性を改めて確認できた。しかし、今の間に顕著な差を確認できた。

回の例では先行研究の測定は電子ビームエFe XV の問題について、実験結果から得ネルギー500 eV で行われたものであり、図た Fe XV のライン強度比 23.39 nm/ 24.38

13 中で電子ビームエネルギー500eV に相nm の電子ビームエネルギー依存性から、共当する 490 eV 付近に共鳴励起過程は確認

鳴励起過程は問題のライン強度比に対してされなかった。従って、問題の原因は共鳴励も大きく影響を及ぼすことが確認できた。

起過程ではなく、未だ不明のままである。

しかし、先行研究で確認された Fe XV における実験と CR モデル計算の不一致の原因として、共鳴励起過程の寄与の可能性を確かめたが、原因ではないことがわかった。
5

参考文献[1] N. Nakamura et al., ApJ, 739 (2011) 17[2]菊池浩行氏(2007)
図 13 Fe XV ライン 23.39 nm と 24.38 nm の強度比

4

結論
今回 CoBIT に多次元同時計測システムを導入し、電子ビームエネルギー350 eV ~500eV、波長 20.5 nm ~ 27.0 nm の範囲に

修士論文、電気通信大学