タングステン多価イオンの未同定発光線の探索
電気通信大学大学 情報理工学部 先進理工学科
応用物理工学コース 中村信行研究室 近藤 丈洋

1

背景・目的
核融合炉工学技術を立証することを目オンの生成原理図を示す。

的とした国際プロジェクトとして国際熱核融合実験炉(ITER)の建設が 2025 年の稼働を目標として進められている。ITER内部には、プラズマからの高い熱流や量子の流れを受け止める部分であるダイバータという機器があり、その材料としてタングステンが使用される。しかしスパッタリングにより炉内にタングステンが

図 1.EBIT における多価イオンの混入すると、多価イオン化して放射冷却生成原理図を引き起こす問題がある。タングステン
多価イオンからの発光線を見る分光診断

EBIT は主に電子銃、ドリフトチューは、ITER 内部のプラズマを見る手法とし

ブ、超伝導コイルに電子コレクターの 4て有用とされているがそのデータは不足つから構成される。ドリフトチューブはしているのが現状である[2]。

3 つの円筒型電極からなり、中央の電位本研究では、小型電子ビームイオントを両端の電位よりも低くして井戸型電位ラップ(electron beam ion trap: EBIT)をを印加することで軸方向にイオンを閉じ用いて 14-21 価の範囲にて過去に報告例の込める。一方で径方向には電子ビームの無いタングステン多価イオン発光線を観測空間電荷ポテンシャルで閉じ込める。こし、その帰属イオンを同定した上で波長をうして 3 次元的に閉じ込めたイオンに対決定することを目的とした。

して電子銃からの高エネルギー電子の衝突による電離を行って多価イオンを生成2実験する。その後電子銃からの電子は電子コ

2.1

電子ビームイオントラップ

レクター部によって減速した上で回収さ電子ビームイオントラップ(electronれる。

beam ion trap: EBIT)は 1970 年ごろに今回の実験には小型の EBIT である

ロシア原子核研究所にて開発された電子CoBIT を用いて多価イオンの生成を行っビームイオン源(electron beam ionた。

source: EBIS)をもとにローレンスリバ
モア研究所にて開発された多価イオン源である。図 1 にて EBIT における多価イ2.2可視分光器

今回の実験における可視領域スペクト

ルの分光には、Jobin Yvon 社製の HR320を用いた。実験装置の概略図を図 2 にて示す。

図 2.実験装置の概略図
図 3.発光スペクトルのエネルギー依存性
CoBIT にて生成した多価イオンからの光は、スリットから入射してコリメート

表 1.イオン化エネルギー[3]凹面鏡で平行光となり、反射型平面回折格子にて回折されて、結像凹面鏡によって CCD カメラに集光される。回折格子を回転することにより、観測する波長領域を変化させることが可能である。また、回折格子の溝本数を変えることによって、同様に検出できる波長域を変化させ黒い矢印で示した発光線は 450eV ではることもできる。CCD カメラの使用に際強い強度であるが、410eV では見えておしては、熱雑音を低減する為に液体窒素らず、470eV では強度が小さくなっていを用いて冷却するる。EBIT では、電子ビームエネルギーを変化させることによって生成されるイオ

2.3

発光スペクトルの同定

ンの価数の上限を定めることが出来る。

観測した発光スペクトルに対して、また、タングステン多価イオンの発光線

EBIT の電子ビームエネルギーに対する依の強度は EBIT 内のイオンの価数分布に存性を調べ、イオン化エネルギーと比較大きく依存しているため、イオン化エネすることで発光線の帰属イオンの同定がルギーと照らし合わせることで、この発可能になる。今回観測した溝本数 300 本

光線は 18 価のイオンから生じたものでにおけるタングステン多価イオンの発光あると同定できる。一方で赤い矢印で示

スペクトルの一部を例としてタングステした発光線は、エネルギーが変化してもンのイオン化エネルギーと併せて図 3,表強度が大きく変化してはいないため、1 に示す。

EBIT 内のイオンの価数分布に対応しない、イオン化エネルギーが電子エネルギーよりも大幅に小さいイオン、つまり軽元素の不純物イオンの発光線であると推定できる。

図 4 において矢印にて示した発光線はそのスペクトルの右に示した価数のタン
グステン多価イオンに属する発光線と考

2.4

波長校正

えられるものである。この結果を踏まえタングステン多価イオン観測前の観測て測定時間を 30 分にした上で溝本数波長域の確認、および観測した多価イオ1200g/mm の回折格子にて観測を行った。

ン発光スペクトルに対して、その波長域を決定するために、測定するタングステンイオンとは別に既知の波長の発光線を持つ標準ランプを用いて波長較正を行った。回折格子の溝本数が 300g/mm では
He, Ne, Ar を、1200g/mm では Xe, Kr,Ar, Ne の標準ランプを用いた。波長較正
用の発光線の波長を参照する際には NISTデータベースを用いた[4]。
3

結果及び考察回折格子の溝本数 300 本におけるタン

グステン多価イオンの発光スペクトルの観測条件は測定時間 10 分、電子ビーム電流 10mA、電子ビームエネルギーを310-570eV に設定して波長範囲は 460-

図 5. 1200 本における観測結果720nm にて観測した。観測結果を図 4 にて示す。

図 5 より、溝本数 1200g/mm において観測、同定を行った発光線の価数、波長を表 2 に示す。
表 2.今回同定を行った発光線
価数

波長[nm]

W14+678.2, 686.7

W15+672.0, 701.3

W16+668.5

W18+687.8

20+707.9, 719.5

W

図 4. 300 本における観測結果

溝本数 1200g/mm での高分散測定で[2] 菊池浩行“2007 年修士論文

は、300g/mm にて確認できた発光線の再[3] J. Scoﬁeld, Ionization Energies,

現に加えて、新たに 5 本の発光線を確認

Internal report, LLNL, Livermore,

できた。これらは、溝本数 1200g/mm にUSAおける観測時間を 300g/mm のときよりも[4] NIST Atomic Spectra Database,長時間にしたことから観測できるように<http://physics.nist.gov/PhysRefData

なった発光線であり、電子ビームエネル/ASD/lines_form.html> 2017 年 1 月 23

ギーに対する依存性を示すことから、タ日アクセスングステン多価イオンからの発光線であると考える。
4結論

今回、タングステン多価イオンの可視領域に対して、研究室内で過去に観測されていない領域における発光スペクトルの観測を行った。その結果、溝本数1200g/mm での高分散測定において、溝本
数 300g/mm にて観測できなかった発光線が 5 つ観測できた。そのため、これらが本当にタングステン多価イオンからの発光線であるか、より確かな結果を追究する必要がある。
今後の展望としては、溝本数 300g/mmの回折格子にてより長時間の観測を行い、今回の溝本数 1200g/mm における観測結果との比較を行う。それに加えて、タングステンの導入量を変化させて再度観測し、今回の測定に用いた 2 種の回折格子にて、同様の発光線が見られるかどうかを確かめたい。
5参考文献[1] JADA ITER Project<http://www.fusion.qst.go.jp/ITER/it
er/index.php.> 2017 年 1 月 23 日アクセス