レーザー誘起ブレークダウン分光による遷移確率の測定及び評価
中村信行研究室岩田 昌幸
1.背景・目的較的短い期間で終了する現象であるため，周期表に記載されていて自然界にある原観測結果を得ることが難しい。実際に 3 次子で起源がわかっていないものは数多い。

元的に位置を特定するために電波望遠鏡の宇宙の始まりであるビックバンによって3 台目の稼働が始まった 2014 年から現在に原子番号 1，2，3 番の水素，ヘリウム，リ至るまで観測に成功した例は 2017 年 8 月

チウムが生成されたがそこから原子番号 2617 日のものだけである。

番の鉄までは核融合によって生成すること二つ目は輻射輸送計算に用いる原子デーが出来る。しかし，一番安定状態なのが鉄でタ，特に遷移確率が限られているため，輻射あるため，27 番以降，特にとても大きい原輸送計算に精度の問題があることである。

子番号であるランタノイド系元素やアクチ

このため，計算に用いる重元素の遷移確率ノイド系元素などの重元素を生成することデータの取得が課題となっている。

が出来ない。その重元素の起源として有力

そのために、実験的に遷移確率を求める視されている天体現象が中性子星合体であ手段としてレーザー誘起ブレークダウン分る。

光 分 析 装 置 (Laser Induced Breakdown

中性子星は強い重力を持つため，近くにSpectroscopy:LIBS)を立ち上げた。この LIBSある場合重力波を放出しながらお互いに引を用いることでランタノイド系元素のうち、き寄せあう。その結果，中性子星同士が合体構造が比較的単純な構造を持つ La と、よりする。この時，β 崩壊よりも中性子の捕獲の複雑な構造を持つ Er の二つの元素の遷移確方が速く，次々に重元素を合成する r 過程率の測定及び評価を行う。というものを起こす。r 過程によって生成される元素は放射性元素となる[1]。この時，2.原理

放射性元素の崩壊によって放出されたエネ

2.1 レーザー誘起ブレークダウン分光

ルギーが電磁波として放出されるが、r 過程

LIBS は高強度パルスレーザーを試料にで生成されたランタノイド系元素の存在よ照射した際に発生するプラズマからの発光

り，特に赤外領域において明るく観測されを分光分析するものである。試料表面にレることが予測されている。

ーザーが照射すると試料表面ではレーザー

しかし，この説が断定に至っていない理の吸収により強い電場が印加される。この由が二つある。一つ目は観測データの不足状態である閾値以上の電場になると電子がである。中性子星合体は中性子星連星が見原子や分子から引き離され，高温プラズマつかることがまれであり，電磁波放出も比が生成する。加えて引き離された電子は逆制動放射により加速され，原子や分子と衝

よって，同一価数で見たとき，定数 α を用突するため連鎖的にプラズマが生成される

いて（ブレークダウン現象）。レーザーの照射が𝐼×𝜆1終わるとプラズマは加熱されなくなり膨張

ln (𝑔×𝐴) = − 𝐾𝑇 𝐸 + 𝛼

するため温度が下がり，プラズマ内に励起となる。よって，左辺を縦軸，上準位エネル状態として存在したイオンや元素は発光しギーE を横軸に取った時，グラフは一次関ながら基底状態へ遷移する。LIBS により試数となる。

料にどのような元素が含まれているか確認することが可能である。

遷移確率 A が既知のデータを使用し，測定結果を 1 次関数でリニアフィッティング

特徴として短時間で観測が可能，他の装を行うと傾きと y 切片が得られる。この時、置に比べて小型であることから，実際に元定数 α が y 切片，傾きが− 𝐾𝑇である。k は定素分析用の装置として市販されている。こ数なのでこれよりプラズマ温度 T が求めらの装置は破壊検査であるが傷は 50μm 以下れる。ととても浅い。また，蛍光 X 線で判定不可能な低元素も可能である。
この LIBS において適切な条件下では，局所熱平衡が成り立つと仮定でき，2.2 項で説1

この得られた一次関数を用いると、上準位エネルギーE，統計重率 g が既知で遷移確率 A が未知の発光線の強度から遷移確率 Aを導出することが可能である。

明する、ボルツマンプロットと呼ばれるグラフを作成することで、遷移確率の導出も3.実験可能である。

3.1 LIBS
本研究において用いた LIBS 装置の概略

2.2 ボルツマンプロットを図 1 に示す。

プラズマ内で局所熱平衡が成り立つ、つまり占有密度がボルツマン分布であると仮定する。発光強度を I，プラズマの温度を Tとすると，次の式が成り立つ。
𝐼×𝜆1ℎ𝑐 𝑁ln (𝑔×𝐴) = − 𝐾𝑇 𝐸 + ln (4𝜋 𝑍 )この式において，h:プランク定数，c:真空での光速度，g:統計重率，A:遷移確率，λ:波

図 1 LIBS の概略図

長，k:ボルツマン定数，E:上準位エネルギー，N,Z:原子またはイオンの数密度と分配関数

LIBS は高強度パルスレーザーである Q
スイッチ Nd:YAG レーザーのような高出力である。
ℎ𝑐 𝑁

右辺のln (4𝜋 𝑍 )では N，Z 以外は定数であり N，Z は同一価数において同じ値を取る。

レーザー源から出た光を集光系(レンズ)で集光し標的試料内の試料に当たる。この時，ブレークダウン現象を起こし，プラズマがし、レーザーを入射させた窓と異なる窓から取り出して分光器に入射し，分光を行う。
実験ではまず，LIBS の標的試料容器(以下，チャンバーと呼ぶ)に試料として棒状の試料合金を設置する。この際、試料としてはrelative intensity発生する。このプラズマからの光を取り出

1002003004005005607008009001000

La,Er どちらの場合も Al 合金を使用した。

Wavelength(nm)チャンバーの内部を排気した後に，アルゴ

図 2 観測された La スペクトル例

1100ンをガス導入管から導入する。
この作業を 3回ほど行い，チャンバー内部，ガス導入管の4.1 ガウスフィッティング残留気体を除去する。再度真空を 10Pa 以下

まず初めに，発光強度を求める必要があになるように引き，内部圧力が 200Pa になる。そのために，今回の実験では発光線の形るようにガス導入管から Ar を導入する。そ状がガウス分布であるとみなし，各発光線の後、表 1 の条件において，測定を行った。

に対してガウスフィッティングを行う。今表 1 実験条件

回は対象発光線が多いため，A 係数が導出

観測時間100ms

済み，また導出可能な発光線すべてに対し遅延時間5μsてガウスフィッティングを行い，その後ガGain

3000

ウスフィッティングの結果を見ることで適観測幅 width1μs

切でない発光線を除外した。

レーザーパルス幅10Hz

ガウスフィッティングの結果の一例を図回数

100 回3(a)～(c)に示す。このデータにおいて緑の×が観測されたデータ点，紫の線がフィッティングした結果である。このうち，図 3(a)の4.実験結果

形ではガウスフィッティングが成功してい実際に観測された La のスペクトル例をるが，図 3(b)のように，下に凸となる場合は図 2 に示す。横軸が波長、縦軸が相対強度除外している。また，図 3(c)では一見ガウスである。

フィッティングに成功しているが，幅が広い上にフィッティング結果から大きく外れているデータも多い。このような場合も除外を行っている。

ある。そのため，標準光源をエシェル分光器に導入して観測を行った。そのデータの観relative intensity

測結果を図 4 に示す。また，標準光源の製造元から提供された放射強度のデータを図5 に示す。この図において横軸が波長、縦軸は絶対強度となっている。このデータの相対比を各波長に対して掛け算することで観測されたデータが発光強度になる。
b valuerelative intensity

relative intensity

図 3(a) ガウスフィッティング成功例

1002003004006005007008009001000110010001100

Wavelength(nm)図 4 標準光源の観測データ

図 3(b) ガウスフィッティング失敗例

intensityb value

100200300400500600700800900

relative intensity

Wavelength(nm)

図 5 提供されたデータ
4.3 遷移確率の導出
この較正された発光強度を A 係数と上準位エネルギーが既知である発光線に対し
b value

図 3(c) ガウスフィッティング除外例
4.2 発光強度校正て求め，ln (𝐼×𝜆)𝑔×𝐴に代入する。その値を縦軸、上準位エネルギ

発光線の強度は、回折格子の回折効率やーE を横軸として、La1 価、中性、Er1 価に検出器の感度などを較正して求める必要がついて作成したボルツマンプロットを図6,7,8 に示す。
-3-5

relative intensityLn(Iλ/gA)-4-6-7-8-9-10
18000

20000

22000

24000

26000

28000

30000

Upper energy(eV)

図 6 La1 価のボルツマンプロット

b value-7

図 9 407.663nm のガウスフィッティング-8Ln(Iλ/gA)-9

この図 9 から，ガウスフィッティングは-10二つの発光線がまとめて行われていると判-11断し，ボルツマンプロットから除外した。そ-12の結果として得られた La1 価のボルツマン-10-13
14000

16000

18000

20000

22000

24000

26000

28000

30000

32000

プロットを図 10 に示す。

Upper energy(eV)

図 7 La 中性のボルツマンプロット-6-6.5-7.5Ln(Iλ/gA)-7Ln(Iλ/gA)-8-7.5-8.5-9-8-8.5-9.5-9 18000-10-9.5

-10.5
25000

26000

27000

28000

29000

30000

31000

32000

20000

22000

24000

26000

28000

30000

Upper energy(eV)

図 9 改善した La1 価ボルツマンプロット

Upper energy(eV)

図 8 Er1 価のボルツマンプロット

4.4 遷移確率の導出
ボルツマンプロットを一次関数にフィッLa1 価のボルツマンプロットにおいてにおティングすることでプラズマ温度を導出す

いて線形近似から離れた点が一つ存在してると、La1 価は(5.72±0.42)×103K、La 中性はいることがわかる。この波長は 407.671nm(6.06±0.86)×103K、Er1 価は(3.55±0.35)×103Kの波長である。この発光線の近くには導入になった。

ガスとしている Ar の 1 価の発光線である

プラズマ温度を基にして La1 価では 70 本、407.663nm の発光線が存在している。
この発La 中性では 72 本遷移確率の導出を行うこ光線のガウスフィッティングの図を図 9 にとが出来た。

示す。

Er1 価においては統計重率 g と上準位エネルギーE が既知でありながら遷移確率 Aが未知である発光線は 393.863nm のみである。表 2 にその発光線についての既知の情報を示す。この遷移確率は 1.40×107(s)，不確かさは 0.17×107(s)と求められた。
表 2 393.863nm の原子データ
波長/nm393.863

上準位エネルギー/cm-125382.379

統計重率125.結論
今回の実験及び解析により，La1 価、中性と Er1 価の発光線に対して A 係数の導出を行った。ガウスフィッティングがうまくいかず，解析を行えなかった発光線もいくつか存在するため，その発光線の導出については追実験などを行う必要がある。
今回は La と Er を対象に行ったがランタノイド系元素やアクチノイド系元素などの元素番号が 1 族に近い元素も解析候補として挙げられているので引き続きデータを解析して遷移確率の導出を行っていく必要がある。
7.参考文献[1] 中性子星合体は金，プラチナ，レアアー
ス等の生成工場|国立天文台
https://www.nao.ac.jp/news/science/2014/2014
0701-neutronstar.html