多価イオンの発光強度比による電子密度診断津田 峻志
平成 27 年 3 月 4 日

1.

(3𝑠3𝑝 1𝑃1 − 3𝑠3𝑑 1𝐷2 )を測定し電子密度依存性を調背景
太陽の解明されていないメカニズムの一つにコロべた。

ナ加熱がある。太陽の光球表面温度が約 6000K であるのに対し光球表面から遠く離れたコロナは 100 万 K もの高温になっている。太陽表面から遠く離れ、かつ希薄なプラズマであるコロナがなぜ 100 万 K もの高温を保っているのか。このメカニズムを解明する為には、太陽コロナの電子密度分布・電子温度分布を詳細に調査する必要がある。それにはコロナに豊富に存在する多価イオンのスペクトルデータが必要であり、太陽大気の分光計測が重要となる。
現在、太陽大気の分光計測で活躍している太陽観測
図 1.1 Fe XV における実験とモデルの比較

衛星の一つに国立天文台が打ち上げた衛星「ひので」がある。ひのでは可視光、極端紫外、X 線の 3 つの波
長領域での観測が可能であり、各波長領域に対して可2.

実験装置

視光磁場望遠鏡、極端紫外線撮像分光装置、X 電波望本実験では小型電子ビームイオントラップ(CoBIT)遠鏡がそれぞれ搭載されている。太陽大気におけるプを用いて多価イオンの生成を行った。Mn スペクトル

ラズマ診断は、衛星に搭載された極端紫外線撮像分光測定の実験系は図 2.1、実効電子密度測定の実験系は装置によって観測されたスペクトルのライン強度比

図 2.2 に示した。図 2.1 では CoBIT に試料である Mnと 衝 突 輻 射 モ デ ル (CR model : Collisional Radiativeを導入するための蒸着セル、波長較正に用いる Fe をmodel)による計算を比較することで電子密度診断を行導入するためのガス導入管、そして多価イオンの発光っている。その為、プラズマ 診断結果が信頼に値するを測定するために EUV 分光器を取り付けた。また、かどうかはモデル計算の信頼性に大きく左右される。

図 2.2 では CoBIT に試料である Fe を導入するための

しかし CR モデル計算で使われる放射、電離、再結合

ガス導入管、ピンホールカメラ、可視分光器を取り付などの速度係数は実験による評価を受けていない計

けてあり、電子ビームの広がりの測定として衝突励起算値であることが多く、実際の観測において信頼性が直後に発光が起こる遷移寿命の短い E1 遷移の発光を十分にあるか分かっていない。その為よく定義された

ピンホールカメラで測定し、イオンの広がりの測定と実験室プラズマを用いてモデル計算を評価していく

して衝突励起後電子ビームの外側に広がってからも必要がある。

発光する遷移寿命の長い M1 遷移の発光を可視分光器

今回は先行研究[1]より実験とモデルの間に大きな違で測定した。

いが報告されている Fe XV におけるライン強度比23.39nm1(3𝑠3𝑝 3𝑃2 − 3𝑠3𝑑 3𝐷3 )/24.38nm

1(3𝑠3𝑝 𝑃1 − 3𝑠3𝑑 𝐷2 )の電子密度依存性に注目した。
Fe XV における実験とモデルの比較を図 1.1 に示す。
本研究では図 1.1 に見られる不一致が鉄特有の現象かどうか調べるため、鉄より原子番号が 1 つ小さいマン
ガン Mn を使って問題のある Fe XV の遷移と同じ遷移を 持 つ Mn XIV の ラ イ ン 強 度 比 25.00 nm(3𝑠3𝑝 3𝑃2 − 3𝑠3𝑑 3𝐷3 )/26.05nm

図 2.1 Mn スペクトル測定時の実験系

表 1 Mn XIV ライン強度比の電子ビーム電流依存性

4.

Ie [mA]

強度比

130.81±0.09

120.75±0.06

110.69±0.08

100.64±0.09

実効電子密度測定
電子ビームの広がりは多価イオンの EUV 領域の発図 2.2 実効電子密度測定時の実験系

光を測定することで求めた。EUV 領域の発光は遷移寿命が非常に短い E1 遷移によるもので、寿命は10−10s3.

Mn XIV のスペクトル測定程度である。そのため E1 遷移による発光は電子衝突

Mn スペクトルの電子ビーム電流依存性の測定は、励起直後に起こる。よって、EUV 領域の発光分布は電𝐸𝑒 = 425 eV に固定し電子ビーム電流𝐼𝑒 を 5～13 mA子ビームの空間分布とみなすことが出来る。測定試料の範囲で 1 mA ずつ変化させて行った。注目しているには鉄を用いた。また、イオン雲の広がりは可視領域

Mn XIV ライン 25.00 nm と 26.05 nm 付近を拡大しの発光を測定することで求めた。EBIT 内では一般にた測定結果を図 2.1 に示した。電子ビーム電流の変化

イオンは電子ビームよりも広がりを持って分布してはトラップされた標的イオンに衝突する電子の密度いる。よって、電子ビームによる衝突励起を受けても変化を意味する。図 2.1 より電子ビーム電流の増加にイオンが電子ビームの領域の外にいくまで脱励起し伴ってラインの強度が強くなっていることが確認でない程度に遷移寿命の長い遷移を観測すればイオンきる。しかし各ライン強度の増加の割合は異なってお雲の広がりを測定出来ると考えた。本実験ではイオンり、電子ビーム電流の増加に伴ってライン強度比は急の空間分布は基底状態微細構造間の M1 遷移における激に変化する。各電子ビーム電流におけるライン強度

可 視 領 域 の 発 光 Fe XIV 530.3nm (3𝑠 2 3𝑝 2𝑃1⁄2 −比(25.00 nm / 26.05 nm)を表 1 に示した。表 1 を見る

3𝑠 2 3𝑝 2𝑃3⁄2 )を使いイオン雲の広がりを測定した。測と電子ビーム電流の増加に伴ってライン強度比が変定では電子ビームエネルギーを𝐸𝑒 = 425 eV に固定し化していることが確認できる。て 、 Mn の ラ イ ン 強 度 比 の 測 定 時 と 同 様 に 𝐼𝑒 =9～13 mAの範囲で 1 mA ずつ変化させ、両測定を同時に行った。それぞれの広がりをガウシアンであると仮定し半値全幅を求め、以下の式を使ってイオンが感じる実効電子密度𝑛̅𝑒 を求めた。
𝑛̅𝑒 =4 ln(2)𝐼𝑒∙[/cm3]22𝜋(𝑎 + 𝑏 ) 𝑒𝑣

ここで、𝐼𝑒 は電子ビーム電流、𝑣は𝐸𝑒 より求めた電子の速度、𝑒は電気素量、𝑎, 𝑏はそれぞれ電子ビームとイオンの広がりの半値全幅である。
電子ビーム、イオン雲それぞれの広がりの測定結果、得られたそれぞれの半値全幅を用いて計算した実効電子密度を表 2 にまとめた。

図 3.1 Mn XIV ライン強度の電子ビーム電流依存性

表２電子ビーム、イオン雲の広がりと実効電子密度
3Ie[mA] 電子 FWHM[mm] イオン FWHM[mm] ne[/cm ]5.

90.270.53

1.1×10100.260.51

1.2×10110.260.50

1.6×10120.250.47

1.9×10130.250.47

2.1×101010101010Mn XIV ライン強度比の電子密度依存性
得られたライン強度比と実効電子密度をもとに図5.1 に Mn XIV ライン強度比の電子密度依存をプロッ

図 5.2 Fe XV ライン強度比の電子密度依存性トした。また比較のために Fe XV ライン強度比の電子密度存性を図 5.2 に示した。Fe XV のライン強度比と電子密度の関係をプロットしたものと比較すると、Fe101136.

電流の定義式の利用とその評価
本研究では目的の多価イオンスペクトル測定時とXV と同じように電子密度 10 ~ 10 /cm の領域でラ同じ実験条件における電子ビームとイオン雲の広がイン強度比の電子密度依存による効果が顕著であるりを測定することで実効電子密度を求めたが、今後のことが確認できた。このことから、同じ基底配置を持実験において実験時間の短縮を図るために、電流の定ちかつ同じ励起準位間の遷移からのライン強度比は義式を用いた電子密度の導出を試みた。この方法には元素の種類によらず似た挙動を示すことが考えられ電子ビームエネルギーと電子ビーム電流の値から電る。

子密度を決定できるという利点がある。ここではこの導出方法の妥当性について検討を行う。
電流の定義式と運動エネルギーの式を用いて電子密度𝑛𝑒 を電子ビーム電流𝐼𝑒 と電子ビームエネルギー𝐸𝑒で表すことが出来る。
𝐼𝑒 ⁄√𝐸𝑒 = 𝑛𝑒 𝐶
ここで e は素電荷、A は電子ビームの断面積、𝑣は電子の速度、m は電子の質量、C は定数である。この式
から電子密度𝑛𝑒 と𝐼𝑒 ⁄√𝐸𝑒 には線形の関係があることがわかる。
この式の評価をするために電子ビーム径とイオン雲の広がりを用いて計算した電子密度の𝐼𝑒 ⁄√𝐸𝑒 依存性をプロットしたものが図 6.1 である。
図 6.1 より、電子とイオンの空間分布測定から得ら

図 5.1 Mn XIV ライン強度比の電子密度依存性

れた実効電子密度は𝐼𝑒 ⁄√𝐸𝑒 に対して線形の依存性があることがわかる。得られた電子密度の𝐼𝑒 ⁄√𝐸𝑒 依存性において任意の 1 次関数でフィッティングを行い、係数 C を決定することで電子ビームエネルギーと電子ビーム電流の値から電子密度を得ることが可能である。この方法で決定した電子密度に対する強度比の依存性を理論線と比較したものが図 6.2 である。図 6.27.

まとめと今後の展望の 2 本の曲線はライン強度比 Fe XIV 21.13 nm/21.91

本研究ではモデルと実験の間に顕著な差が確認さ

nm の電子密度依存性のモデル計算による理論線を表れている Fe XV の 23.39 nm (3𝑠3𝑝 3𝑃2 − 3𝑠3𝑑 3𝐷3 )/している。このモデル計算は実験を再現できているこ24.38 nm(3𝑠3𝑝 1𝑃1 − 3𝑠3𝑑 1𝐷2 )に注目した。今回はとが証明されており[2]、この曲線と比較することでここのずれに対する定量的な理解を深める為に、Fe XVの電子密度測定法が有用であることが確認できる。図と同じ基底配置を持つ Mn XIV の同様の遷移による6.2 より電流の定義式より求めた電子密度であっても、

発 光 25.00 nm (3𝑠3𝑝 3𝑃2 − 3𝑠3𝑑 3𝐷3) / 26.05 nm

モデルと良い一致を示していることが分かった。しか(3𝑠3𝑝 1𝑃1 − 3𝑠3𝑑 1𝐷2 )を測定した。Mn XIV のラインし、今回の係数 C は𝐼𝑒 ⁄√𝐸𝑒 ≅ 0.2~0.6の範囲における強度比 25.00 nm / 26.05 nm は実験室プラズマを生成測定のみから決定したものであり、この範囲外も含めする装置である小型電子ビームイオントラップと斜た場 合の信頼 性は不十分で ある。よ って 𝐼𝑒 ⁄√𝐸𝑒 ≅入射型 EUV 分光器を用いて測定した。また Mn 測定

0.2~0.6においては、この方法が有効であると考えられ時と同じ実験条件における電子ビームとイオンの広る。

がりを測定し、トラップ領域内のイオンが感じる実効電子密度を求めた。これらの測定結果から Mn XIV のライン強度比の電子密度依存性を求め Fe XV の結果と比較したところ、Fe XV と同じ電子密度領域においてライン強度比の密度依存による効果が顕著であるということが確認できた。今後、Mn XIV について計算したモデル計算との比較を行い、Fe XV の実験とモデルの比較における不一致が鉄のある遷移特有のものかを検証していく予定である。

また電流の定義式を用いた実効電子密度の導出方法の有効性を検証した。検証の結果、𝐼 ⁄√𝐸𝑒 が約0.2～0.6 の範囲において有効性が示された。現状で
図 6.1 電子密度の𝐼 ⁄√𝐸依存性はこの限られた範囲においてのみ、電子ビーム電流及び電子ビームエネルギーの値から実効電子密度を得ることが可能である。今後、0.2～0.6 の範囲外での有効性を確かめる予定である。
参考文献[1] 清水恵理奈 卒業論文、電気通信大学 (2013)[2] N.Nakamura et al., ApJ, 739 (2011) 17

図 6.2 電子密度測定法の評価