原子衝突研究協会誌

2007年第4巻第2号

原子衝突研究協会 2007年3月15日発行
http://www.atomiccollision.jp/

しょうとつ
第4巻 第2号
目 次
シリーズ；原子衝突実験の歩み －独断と偏見で選んだ１０大(?)実験－
第 8 回 イオン蓄積リング（市川行和）…3

大森賢治教授の日本学士院学術奨励賞ならびに日本学術振興会賞受賞に寄せて（香月浩之）…7

国際会議発表奨励事業に関するお知らせ（庶務）…7「しょうとつ」原稿募集（編集委員会）…8

今月のユーザー名とパスワード

…8

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シリーズ

原子衝突実験の歩み―独断と偏見で選んだ１０大（？）実験―

第8回

イオン蓄積リング市川行和

yukitikawa@nifty.com
平成 19 年 2 月 6 日原稿受付て平行に走らせる，いわゆる「合流ビーム型実験」

１．はじめにが考案された [3]．イオン蓄積リングは合流ビーム
何か実験をするときは，まずテーマがあり，次に型実験を行うのに最適である．しかもイオン蓄積リ

その研究に最も適した実験装置を考案し，それをングではイオンは周回しているので何度も使うこと用いて実際に実験を行う，というのが普通である．

ができる．合流ビーム型実験の大きな特徴は，イ

しかし，まず装置があり，その後にそれにふさわしオンの速度 vion と電子の速度 ve を近づけることいテーマがあることに気づいて実験をしてみる，とで，相対速度の大きさ vrel = | ve - vion | をいくらでいう例もある．今回紹介するイオン蓄積リングを用も小さくできることである．すなわち，衝突エネルいた分子イオンの研究 [1] はそのような例である．

ギーの小さい（原理的には，ゼロでも）ところでのイオン蓄積リングというのは，原子核実験のために実験をすることができる．電子とイオンの再結合は良質のイオンビームを得る目的で開発された．高一般に衝突エネルギーの小さいところで大きな断真空中で磁場を用いてイオンを周回させ，長時間面積をもつ．そこで，電子・イオンの再結合過程の貯めておくものである．周回の途中で冷たい電子研究はイオン蓄積リングを用いた実験にうってつビームと衝突させることで，イオンの熱運動を減らけのものであることがわかり，まず原子イオン（特す，電子冷却装置がついている．このようなイオンに，多価イオン）の再結合が調べられた．続いて蓄積リングを原子物理の研究に使う試みが 1980

分子イオンの解離性再結合の研究が始められ，年代半ばに盛んになった [2]．エネルギーのそろ1993 年に三つのグループから初の結果が同時にったイオンビームが得られるだけでなく，それが周発表された．今回紹介する論文はその一つであ回していることから，原子衝突の標的として使えば，る．

実効的な標的密度を格段に増やすことができる．
さらに冷却に用いる電子ビームを使えば，電子・イオン衝突の実験ができる．

２．分子イオンの解離性再結合

電子・イオン衝突の実験は古くから興味をもたれてきたが，十分な数のイオン標的を用意するの分子イオンが電子を捕まえて中性に戻る際の主が困難なため，なかなか進まなかった．その困難要な過程は，解離を伴う再結合（以下 DR と略を克服するために，イオンと電子のビームを重ねす）
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e- +

AB+ → A +B(1)あげることにした．まったく同時にヨーロッパの二である．これは分子を含むプラズマでは重要な過つのイオン蓄積リングでも，対象は違うが分子イオ程の一つであるが，原子のプラズマでもイオンがンの DR を研究していた．1993 年 1 月 25 日号の中性化する際の主要なプロセスである．たとえばPhys. Rev. Lett. には，世界最初のイオン蓄積リHe プラズマにおいては， He+ が電子との衝突ングによる分子イオンの DR の実験として，3 編+で直接中性化するのではなく，いったん He2 がの論文が同時に掲載された [1,5,6]．

できて，それが DR によって中性になるのが普通

TARN II の概念図を図 1 に，それを用いて求めである．

られた HeH+ の再結合断面積を図 2 に示す [1]．

田辺らは，当時の原子核研究所において加速周長 78 m のリングに 9.5 MeV のイオンを入射器技術の開発のためにイオン蓄積リング TARN IIして周回させる．電子ビームと衝突させた後，生を作って研究をしていた．これは原子核研究の将成された中性粒子を半導体固体検出器（SSD）で来計画である NUMATRON 計画の一部であり，検出する．合流ビーム法のもう一つの利点は，生TARN というのは Test Accumulation Ring for

成された中性粒子は入射イオンとほぼ同じ高速で

the Numatron Accellerator Facility の略である．

走っており，検出が容易なことである．当初イオン当初の目的がほぼ達成されたとき，田辺らはこれビームの寿命が短く，電子冷却が十分に働かなを何か他の物理学的研究に使えないかと考えた

いのでエネルギー分解能が悪く絶対値を決めるこ[4]．いくつかの試み（その中には原子イオンの再とはなされていない．図 2 のエネルギーゼロの周結合も含む）の後，分子イオンの DR を研究する

辺のピークについては，従来のデータを超えるよことになった．当時物理学的に興味ある対象であうなものは得られなかった．一方，ためしに衝突エ+ネルギーを上げてみたところ， 20-40 eV のあたりながら，定量的データに乏しかった HeH をとりりにこれまで予想されたことのなかった大きなピークが現れた．これは，HeH+ の励起状態を経由して起こる再結合過程として解釈され，新しい発見となった．その後，田辺らは，断熱膨張を利用した高度の電子冷却法を開発し，また真空度を高めてイオンビームの寿命を長くするなどして，衝突エネルギーについて高分解能（1 meV に達する）の実験を実現させた [7]．
田辺らは原子核実験が専門であり，原子衝突についてはほとんど何も知らない状態でこの研究

図 2. HeH+ の解離性電子付着の断面積（相対値）．相対エネルギーが 0 のところと 20 eV付近にピークがある（文献 [1] より）．

図１．ＴＡＲＮＩＩのレイアウト．右上に電子冷却の装置（e-Cool）がある（文献 [4] より）．
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をスタートさせ，原子物理にとって貴重な成果をオン蓄積リングでは，原理的にどのように重いイオ挙げた（研究開始当時の事情などは文献 [4] にンでもまわすことができる．また装置もコンパクトに詳しい）．その間，原子衝突の研究者はほんの一なり，普通の実験室でも扱える．

部の人を除いてこの研究に関心を寄せなかった．

つくばに移った田辺はこのことに気づいて小型というより，ほとんど知らなかった．気がついて何の静電リングを作り研究を始めた [10]．これはデか協力できないかということになったときには，核ンマークにあるものに次いで世界で二番目のもの

研が高エ研に吸収されることになって，それと共である．これを用いて電子衝突によるたんぱく質に TARN II はシャットダウンされることになってし分子イオンの解離過程が調べられた [11]．これまったのである．装置が装置だけに，TARN II はは現在盛んに研究されている生体分子の解離にどこかの大学の実験室へ移して実験を続けることよる負イオンの生成実験と相補的になるもので，などできなかった．

生体に対する放射線の作用の研究に貴重な情報

原子衝突の実験に加速器を用いることは古くかを提供する．なおこのつくばでの研究に続いて，ら行われていた．しかし，そのほとんどは高速の衝

首都大学東京でも静電型イオン蓄積リングが建突粒子を得るためや，放射光の光源として使われ設され，研究が開始された [12]．イオン蓄積リン

た．イオン蓄積リングの実験は，それらと違ってリグを用いた原子物理学の研究という世界的にみングを衝突実験装置そのものとして使うものである．てもユニークな研究が，引き続きわが国で活発にこのような発想は原子物理屋からはなかなかでてなされることは大変喜ばしいことである．

こないものであろう．本実験はそのような観点でもユニークであり，さらには MeV のビームを使って参考文献

衝突エネルギーが meV の実験をするところもおどろきである．
イオン蓄積リングを用いた DR の研究は，その[1] T. Tanabe, I. Katayama, N. Inoue, K. Chida,後もヨーロッパのグループによって続けられ，イオY. Arakaki, T. Watanabe, M. Yoshizawa, S.

ンの内部状態依存性や，生成物の詳細な研究なOhtani, and K. Noda, Phys. Rev. Lett. 70,

ど，さまざまな成果が挙げられている．それらにつ422 (1993).
[2] S. Datz, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B

いては，最近相次いで出版された二つの総合報

24/25, 3 (1987).

告に詳しい [8,9]．

[3] R.A. Phaneuf, C.C. Havener, G.H. Dunn, andA. Müller, Rep. Prog. Phys. 62, 1143 (1999).
[4] 田辺徹美 原子核研究 50, 101 (2006).

３．静電型イオン蓄積リング[5] P. Forck, M. Grieser, D. Habs, A. Lampert, R.
イオン蓄積リングによる分子イオンの研究は，そRepnow, D. Schwalm, A. Wolf, and D.の後生体分子イオンを念頭に置いた大きな（重Zajfman, Phys. Rev. Lett. 70, 426 (1993).

い）分子イオンの研究に発展しつつある．DNA や[6] M. Larsson, H. Danared, J.R. Mowat, P. Sigray,

たんぱく質の分子と電子の衝突の研究が現在盛G. Sundström, L. Broström, A. Filevich, A.

んに行われつつあるが，それと同時に生体分子イ

Källberg, S. Mannervik, K.G. Rensfelt, and S.

オンと電子の衝突にも興味がもたれている．従来

Datz, Phys. Rev. Lett. 70, 430 (1993).の磁場を用いるイオン蓄積リングでは，イオンが[7] T. Tanabe, I. Katayama, S. Ono, K. Chida, T.

重くなるとそれに応じて磁場も強くしないといけな

Watanabe, Y. Arakaki, Y. Haruyama, M.

いので，回せるイオンの重さに限界がある．ところSaito, T. Odagiri, K. Hosono, K. Noda, T.

が，静電場を使ってイオンを周回させる静電型イ

Honma, and H. Takagi, J. Phys. B 31, L297
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(1998).
[8] A.I. Florescu-Mitchell and J.B.A. Mitchell,
Phys. Rep. 430, 277 (2006).
[9] N.G. Adams, V. Poterya, and L.M. Babcock,
Mass Spectrom. Rev. 25, 798 (2006).
[10] 田 辺 徹 美

日本物理学会誌

60, 632(2005).
[11] T. Tanabe, K. Noda, M. Saito, S. Lee, Y. Ito,and H. Takagi, Phys. Rev. Lett. 90, 193201(2003).
[12] 東 俊行，田沼 肇，城丸春夫 放射線化学81, 8 (2006).

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