蒸着源による電子ビームイオントラップへの金属元素導入
中村信行研究室の効率が下がるという問題がある。これ防ぐために

1 序論
1.1

伊藤大貴

は、プラズマ中にタングステンが混入しないように多価イオン制御する必要があり、タングステンの流入経路や流多価イオンとは、一般には 2 価以上の正、負イ入量を正確に把握することが重要である。

オンのことであるが、ここでは中性原子からいくつ1.3かの電子を取り除いた正のイオンのことを指す。ま電子ビームイオントラップ (Electron-Beam Ion

た、電子を z 個取り去ったものを z 価の多価イオ

Trap:EBIT) は多価イオンの研究のために開発さンと呼び、その電子の個数をイオンの「価数」と呼れた。EBIT は電子銃、ドリフトチューブ（Driftぶ。例えば、A という原子の z 価の多価イオンは、

Tube:DT）、ヘルムホルツ型超伝導コイル、電子コ

Az+ と表されるが、中性原子を I としてこの表記レクターから構成されている。図 1 は EBIT の原法の 2+ や 3+ をそれぞれ III、IV として A III、理図である [2]。

A IV のように表す方法もある。
1.2

電子ビームイオントラップ

多価イオンの発光スペクトルによるプラズマ診断

多価イオンは高温プラズマ中に多く存在しており、一般には低温環境下では存在しない。多価イオンからの発光はプラズマ温度や電子密度と密接に関係しているため、その発光を利用して直接の観測が難しいプラズマ温度や電子密度を診断することができる。多価イオンの発光スペクトルを用いたプラズマ診断の一つの例として、核融合炉内のプラズマ中に存在する多価イオンの発光を利用するものがある。特に注目されているのが国際熱核融合実験
炉 ITER[1] のプラズマ診断である。ITER にはプラズマの受け皿となるダイバータと呼ばれる部分がある。この材料として熱負荷が非常に高いためタングステンが採用されることとなった。しかし、プラ図 1 EBIT の概略図

ズマ中の不純物イオンの衝突によりスパッタリングを起こしてしまう。そしてスパッタを起こしたタングステンがプラズマに混入し、電離を起こして多価電子銃から生成された電子ビームは、超伝導コイオンとなり、X 線を放射する。その結果、放射冷イルによって圧縮され、そして DT 内部を通過し却によってプラズマの温度を下げてしまい、核融合た後に電子コレクターで回収される。DT は DT1、DT2、DT3 と 3 つの電極に分かれており、DT2 の1印可電圧を他の DT1、3 よりも低くすることで、軸方向の井戸型ポテンシャルを形成できる。EBIT 内に導入された中性の試料は電子ビームにより電離しイオンになると、DT への印可電圧による軸方向の井戸型ポテンシャルと、電子ビームによる径方向の空間電荷ポテンシャルによって 3 次元的にトラップされる。それによって電子ビームがトラップイオンに衝突し、逐次電離を起こすことで多価イオンが生成される。DT を通過した電子は電子コレクター
図2で発散し回収される。

小型 EBIT の概略図 (a) 電子銃 (b) イオン化領域 (c) コイル (d) 電子コレクター (e) 液体窒

1.4

研究目的

素容器 (f) 吊り下げ機構 (g) 電流導入端子 (コイル) (h) 直線導入 [9]

本研究の目的は、新たに採用した蒸着源を用いてタングステンを多価イオン源内に導入し、既存の導入方法と比較し性能を評価することである。

2.2

まず、蒸着源を用いた導入とガス導入で導入元素

種元素の導入方法

本 研 究 室 で は タ ン グ ス テ ン を 測 定 す る 際 、有がどれだけの時間多価イオン源内に残るかを測定す

機 化合物であるタングステンヘキサカルボニルる。次にそれぞれの導入方法で W11+ から W14+(W(CO)6 ) を減圧下で昇華させ、CoBIT 内部に導までをビームエネルギーを変えて測定、比較し評価入していた。しかし、化合物での導入だとタングスする。

テン以外に目的としない炭素や酸素も同時に導入するため、それらの発光線も見えてしまう。よって、新たに電子衝撃加熱による蒸着源を用いてタングス2 実験装置
2.1

テンを導入した。図 3 に蒸着源を用いた導入法の概小型電子ビームイオントラップ：CoBIT

略図を示す。

本 研 究 室 に は 多 価 イ オ ン 源 と し て Tokyo-EBIT[3] と小型電子ビームイオントラップ [4](以下 CoBIT) がある。CoBIT は Tokyo-EBIT と原理は同じであるが低エネルギー化、小型化したものである。図 2 に断面図を示す。Tokyo-EBIT は高エネルギー運転による高価数の多価イオン生成に適しているが、低エネルギーでの運転を行うと電子

図3

蒸着源を用いた種元素導入の概略図ビームが安定しない。CoBIT は低エネルギーでの運転に適した装置であるため、低価数の多価イオンフィラメントからの電子の衝撃によって金属試料の生成に向いている。また、Tokyo-EBIT は装置のを加熱し、金属蒸気を発生させトラップ領域内に冷媒に液体ヘリウムを用いるが、CoBIT は液体窒導入した。また、金属蒸気を不要に散らさないよう素で冷却を行うため運転コストが低いことが特徴でに、CoBIT 前のゲートバルブ、CoBIT 側のターボある。今回の観測では中価数程度の多価イオンであ分子ポンプと蒸着セル側のターボ分子ポンプの間にるため CoBIT を用いて多価イオンを生成する。

口径 1 mm のアパーチャーが配置してある。これ
らのアパーチャーで流量を制限することにより 2 つのポンプで真空を引く差動排気構造となっている。

22.3

グパラメータである。フィッティングから、発光線分光器

本研究では可視領域スペクトルを観測するためにの中心のピクセル位置が得られる。NIST のデータ

HORIBA Scientiﬁc 製分光器の iHR550 を用いた。

ベースと比較して発光線の波長を決定し、ピクセル仕様を表 1 に示す。

位置と対応させることを繰り返す。

表1分光器の仕様

型番iHR550

3 結果と考察焦点距離550 mm

3.1

F値

6.4

本研究ではまず、蒸着源とガス導入によって導入

グレーティングサイズ

76 mm × 76 mm

元素がどの程度の時間残るかを比較する。ビーム

分解能0.025 nm

エネルギーはタングステンの 14 価を生成する 300

波長精度± 0.2 nm

eV に設定した。測定結果を図 4 に示す。ガス導入

導入元素残留の比較

この分光器は回折格子を Czerny-Turner 型に配置した分光器である。溝本数は 150 本である。

CCD カメラは Andor 製の iDUS416Series を用いており、電子冷却型のため-70 ℃に冷却し、ノイズの原因となる暗電流を抑えた。

2.4

波長較正

多価イオンからのスペクトルを観測する上で、波長較正は波長決定のために大変重要な過程である。
よく研究されていて、波長が既知である強い発光強度の発光線を用いて実験データの較正を行う。ま図4

た、用いる回折格子の溝本数や CCD カメラの位経過時間ごとの残留ガスの比較

置によって測定できる波長域が異なるため、これらの発光線は実験前に測定波長域の調整のためにも使による結果 (a) を見ると 24 時間経過しても発光線用できる。測定には標準ランプを用いた。標準ランがはっきりと映っている。一方で蒸着源による結果プの発光線の波長を参照する際にはアメリカ国立(b) を見ると 1 時間経過した時点でスペクトルがほ標準技術研究所（National Institute of Standards

とんど消え、それ以降はスペクトルが見られなかっ

and Technology : NIST）のデータベース [5] を参た。これは、ガス導入では冷たい液体窒素容器の壁照した。に分子が吸着してもある蒸気圧で真空内に残留ガスとして残ってしまうが、蒸着源を用いて導入した金本研究の波長較正で用いた標準ランプは He、Hg属元素は蒸気圧が低いため吸着した後に真空中にでである。

ることはないためであると考える。

得られた標準ランプのスペクトルについて、正規関数の式 (1) をフィッティングしてピクセル位置を3.2求めた。

f (x) = a exp{−4 ln 2

スペクトルのエネルギー依存性の測定

先行研究と比較して本研究の実験データの有用性(x − b)2}+dc2を確かめるために、電子ビームエネルギーを 220 か(1)ら 300 eV に変化させて測定した。測定時間は 30分、回折格子の溝本数は 150 g/mm である。本研

x がピクセル数であり、a から d はフィッティン
3究の結果を図 5 に示す。それぞれのスペクトルにお4 結論

いて、得られた際の電子ビームエネルギーと支配的に生成されているイオンの価数がスペクトルの右肩本研究では電子衝撃加熱による蒸着源とに記載されている。

W(CO)6 を用いたガス導入によるタングステン多価イオンのスペクトル測定の比較を行い、性能の比較を行った。残留ガスの比較においてガス導入では数日スペクトルが残ったが、蒸着源ではゲートバルブを閉じて 1 時間でほとんどスペクトルが見えなくなった。このことより、残留ガスがすぐに消える蒸着源での測定のほうがより純粋なタングステンのスペクトルを観測できると考える。
次に、ビームエネルギーを変化させて行った測定
では、ガス導入による結果において酸素の多価イオンや、目的とする価数とは違ったタングステン多価イオンが見られた。蒸着源による結果では目的とす

図5

ガス導入、蒸着源によるタングステンのスる価数と違ったタングステン多価イオンも見られた

ペクトルが、タングステン以外の多価イオンは見られなかった。このことより蒸着源によるスペクトル測定のほ過去の結果を参考に各エネルギーにおいて記載さうがタングステンの発光線を不純物なく価数分布がれた価数の発光線と考えられるものに図 5 のグラ狭い状態で観測することができる。

フ中に矢印を書き込んだ。一致しているとみなせる

今後は、過去にガス導入によって測定されたタンスペクトルがあることより先行研究の結果を部分的グステン多価イオンの再測定、再評価を行う。またに再現することができた。ビームエネルギーが 220

紫外線領域、ニオブなどの高融点金属のスペクトルeV のとき蒸着源のスペクトルではほぼ 11+ のみで測定を行っていきたい。

10+ の発光線が観測されなかった一方、ガス導入によるスぺクトルでは、10+ 由来のスペクトルが観参考文献測できた。これは残留ガスとの電荷交換反応による[1]

国際熱核融合実験炉 ITER ウェブサイト 、ものだと考える。また、緑の矢印で示した 575 nmhttps://www.fusion.qst.go.jp/ITER/iter/のスペクトルは Nist Atomic Spectra Database のpage1 7.html

データより 575.3917 nm の 2 価の酸素の発光線で[2] J. K. Webb, J. A. King, M. T. Murphy, V.

あると考えられる。

V. Flambaum, R. F. Carswell, and M. B.

蒸着源によるスペクトルでは 524 nm 付近の発Bainbridge, arXiv:1008.3907 (2011)

光線はこれまでに観測されているスペクトルの中でも発光強度の強い W

12+[3] 中村・大谷、日本物理学会誌 52 (1997) pp.919-由来のものである。また、

923

ビームエネルギーが 240 eV のとき 400 nm 付近でガス導入では観測されなかった W

12+[4] 菊池浩行氏 修士論文（2007）電気通信大学

由来の発光[5] NIST ASD Holdings - Physical Measurement

線が観測できた。これは、蒸着源では不純物原子のLaboratory、https://www.nist.gov/pml/

導入量が少ないため電荷交換反応の寄与が少ないた

atomic-spectra-databaseめだと考える。

4