プラズマ光源関連イオンの分光測定
電気通信大学 情報理工学部
先進理工学科 中村信行研究室 岸良子文
平成 26 年 3 月 7 日
それらの遷移は微細構造によりさらに分裂

1 章 序論し、その発光線同士が重なり合うことで、幅1.1 背景が広く強度の強い発光を示す。

波長 2～4nm 程度の軟 X 線領域の光は「水の窓」と呼ばれる。
「水の窓」領域の軟 X 線

1.2 研究目的

は水を透過し、タンパク質、核酸などの生体レーザー生成プラズマを使用した Zr 多価[1]を構成する有機化合物で吸収されやすい 。

イオンの発光ではさまざまな価数の Zr の従ってこの「水の窓」領域を利用した軟 X 線

3d-4f,3d-4p 遷移が「水の窓」領域で観測さ顕微鏡では生体分子を脱水することなく、れるため、それぞれの価数ごとに発光の波生きたまま観察することが可能であり、細長を同定することが難しい [2]。本研究では胞の反応機構や病気のメカニズムの解明に

Zr 多価イオンの発光スペクトルをイオンの役立つことから、医療診断や生体の分析分価数ごとに観測し,軟 X 線光源への適正を野において期待されている。

調べることを目的としている。そのため、本

現在、「水の窓」領域の X 線顕微鏡用の実験では電子ビームイオントラップを用い光源として大型放射光を利用した観測が行て電子ビームエネルギーにより価数を選択われているが放射線による損傷が大きく、的に生成しながら発光スペクトルを観測し、また、装置が大型であるため研究室サイズ価数ごとの遷移の同定を試みた。

での利用が困難であるという問題がある。

2 章 実験装置

そのため卓上サイズの「水の窓」の軟 X 線実験装置の概略図を図 1 として示す。

光源を実現することが強く望まれており、レーザー生成プラズマがその候補に挙げられている。レーザー生成プラズマ光源はターゲットにレーザーを照射することでスポットプラズマを形成し、そのプラズマ中の多価イオンの発光を利用するものである。
ターゲットとして 2～4nm に渡り強い発光を示す Zr 多価イオンが候補に挙げら

図 1 実験装置の概略図れている。Zr の Zr12+から Zr21+までの多価電子ビームイオントラップ(EBIT)により多イオンの最外殻電子は 3d 軌道に存在する。

価イオンを生成し、回折格子により多価イ3d 電子の励起、脱励起では電気双極子遷移オンにより生じる光を波長ごとに分散し、に従い、3d-4p,3d-4f 遷移が支配的となる。

電荷結合素子(CCD)により回折光を検出す
1

る。

されたプラズマ光源であり、電子ビームエネルギーを適宜調整することによって、目

2.1 電子ビームイオントラップ[Electron Beam Ion Trap：EBIT]的の多価イオンを選択的に狭い価数分布で生成することができる。今回の実験に使用した小型 EBIT[3]の仕様を表 1 に示す。

多価イオンの生成原理を図 2 に示す。

表 1 小型 EBIT の仕様
装置の大きさ~0.5[m]最大電子ビームエネルギー

1[keV]

最大電子ビーム電流~10[mA]

電子銃パービアンス

0.4[μA/Va3/2]

最大電流密度32[A/cm]

最大磁場強度

0.2[T]

イオントラップ領域の長さ2[cm]2.2 極端紫外分光器
本研究では軟 X 線の観測波長領域に対応した極端紫外分光器を用いている。実験で使用する EBIT の電子ビームは細い線状の

図 2 EBIT の多価イオンの生成原理光源であるため、スリットを使用する必要(a)電極配置(b)電位分布の模式図

なく多価イオンからの光は直接回折格子にこの装置は大きく分けて電子銃、3 つのドリ入射され,分散された光は電子冷却型の背フトチューブ(DT) 、電子コレクターから面照射型 CCD で検出される。極端紫外領域成る。DT の周りにはヘルムホルツ型超伝導

では鏡面反射率が悪く凹面鏡といった光学コイルを配置し、軸方向の強磁場を形成す系は使用できないため、平面結像型の斜入る。電子銃から放出した電子ビームは電位射不等間隔凹面回折格子を使用した。

勾配により加速され、DT に入射する。3 つ

3 章 Zr 多価イオンの分光測定の DT のうち中央の電極(DT2)の電位を両極(DT1,DT3)より低くして、生成されたイ

本実験では EBIT を用いて価数ごとの遷移オンを軸方向に封じ込める。電子ビームのの同定を試みた。なお、Zr 多価イオンの価空間電荷によりイオンは径方向に閉じ込め数ごとの生成を正確に確認できるよう 3d-られ、そのイオンが電子の逐次衝突を受け4f,3d-4p 遷移の二つを観察した。Zr 多価イることで、電離が進み多価イオンが生成さオンにおいて 3d 軌道が閉殻であり、3d-4fれる。DT を通過した電子は電子コレクター遷移を初めに生じる Zr12+ を測定範囲に含で回収される。

むよう 3～8nm で測定を行った。表 2 に Zr

EBIT 内のプラズマは単色電子ビームとのイオン化エネルギーを示す。

トラップされた多価イオンからなる単純化2表 2 Zr のイオン化エネルギー
イオン化エネルギー[eV]122391342814477155261657817631[1018+11]17161561419gA[s-1]Zr 多価イオンの価数

4価数201321122Zr のイオン化エネルギーを参考にしながら電子ビームを 220 ～800eV まで変化さ

02.5 3

せ価数ごとの Zr 多価イオンの生成を試み

3.5 44.5 55.5 66.5 7

波長[nm]た。実験により得られたジルコニウムの発図 4 (a)3d-4p 遷移の gA

光スペクトルを図 3 に示す。
[10+14]318価数gA [s-1]19172 201614152111441309211202.5 3

3.5 44.5 55.5 66.5 7

波長[nm](b)3d-4f 遷移の gA

図 3 Zr 多価イオンの発光スペクトル比較のため、3d-4f,3d-4p 遷移の Flexible
Atomic Code [FAC][4]よる計算結果を図 43d-4f,3d-4p 遷移の FAC による計算値と実に示す。縦軸の gA は統計重率(g)と遷移確

験結果を比較し、Zr15+までの発光が観察さ率(A)の積である。

れていることが確認できた。一方、Zr16+の3d-4p 遷移は確認できたが 3d-4f 遷移は観測できなかった。また、660eV 以上では発光が見られず、Zr17+からの発光は確認出来なかった。これは短波長側での分光器の効率が低下しているためだと考えられる。本3実験で用いた回折格子はブレーズ波長が4章9nm であり、短波長になるにつれ効率が低まとめと今後の展望

Zr12+から Zr16+について、3d-4f,3d-4p のくなる。3d-4f,3d-4p 遷移は価数の増加とと遷移を観測し、それぞれの価数のイオンがもに短波長側にシフトし、回折格子の特性生成されていることを実験結果から確認しにより観測できなかったと思われる。よった。使用した回折格子の効率が短波長になて「水の窓」での発光が観測されるようなブるにつれ低下することから「水の窓」領域でレーズ波長を持つ回折格子を使用する必要の発光の価数ごとの遷移の同定には成功しがある。

なかった。5.8nm 付近の Zr13 の 3d-4p 遷移

5.8nm 付近の発光は FAC による計算とはイオン化エネルギーに対し、低いエネルの比較により、Zr13+の 4p-3d 遷移と考えらギーで生成した。6.8nm 付近、7.3nm 付近れる。Zr12+は Ni 様イオンであるため、そのの発光はそれぞれ 3d-4f,3d-4p 遷移以外の電子配置から準安定状態を形成することがZr12+と Zr13+による発光だと思われる。それある。3d に 10 個あるうちの一つの電子がらの発光はレーザー生成プラズマにおける励起され、4p に遷移した場合、70％の分岐「水の窓」領域以外での発光によるエネルギ比で 3d に脱励起するが、30%の分岐比で 4sー損失を考える上で一つの重要な情報となに遷移し、準安定状態を生成する。準安定状るため発光の詳細を調べる必要がある。

態は Zr12+の基底状態と比べ、電離に必要な今回の実験では観測された発光強度は短エネルギーが低い。そのため Zr13+がイオン波長側では非常に微弱であった。今後はよ化エネルギーよりも低い値で生成されたとり短波長の軟 X 線に対応した回折格子を用考えられる。

いて「水の窓」領域における Zr 多価イオン

6.8nm 付 近 の 発 光 は Zr13+ と 同 様 にの 3d-4f,3d-4p 遷移の価数分離に試みる。ま300eV で発光が観測され、520eV では発光

た、3d-4f,3d-4p 遷移以外の発光を同定し、が観測されなくなり、電子ビームエネルギZr 多価イオンの発光特性を調べる必要があーに対する依存性が類似しているため、る。

Zr13+の別の遷移による発光だと思われる。

参考文献

なお 6.8nm 付近の発光のうち 220eV で観付録

[1] J. Kirz and D. Sayre, Synchrotron Radiation Research

測された発光は 260eV で消えているため(Plenum Press, New York and London, 1980) p.277．

Zr(t-OC4H9)4 のうちの Zr 以外の元素によ[2] Bowen Li, Takeshi Higashiguchi, Takamitsu Otsuka,

るものか不純物による発光と思われる。

Weihua Jiang, Akira Endo, Padraig Dunne, and Gerry

7.3nm 付 近 の 発 光 は Zr12+ と 同 様 に

O'Sullivan Appl. Phys. Lett. 102, 041117 (2013)260eV で発光が観測され、520eV では発光

[3] 菊池浩行他、日本物理学会第 63 回年次大会 (2008)が観測されなくなり、電子ビームエネルギ

23pRA-7ーに対する依存性が類似しているため[4] M. F. Gu, Canadian Journal of Physics, 2008, 86(5):Zr12+の別の遷移による発光だと思われる。

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