タングステンイオンの可視・極端紫外領域発光線の観測
中村信行研究室

三田百恵

可視・極端紫外領域の発光線を観測した。さらに、原子番号依存性の理解を深めるために金イオンについても実験を行った。

1. 背景
タングステンは耐摩耗性に優れる他、トリチウムの吸蔵度が低い等の理由で ITER[1] のプラズマ対向壁の材料の候補となっている。よって、プラズマ内の主な不純物もタングステンであると考えられる。タングステンイオンによる放射損失を抑えるためには、分光診断によってタングステンの流入経路や価数分布を理解することが重要とされている。価数分布はエッジ付近における中性から、コア付近におけるネオン様程度にまで大きく広がっているが、高温プラズマの安定的な維持にはエッジプラズマの状態が重要であるとの認識から、比較的低価数のタングステンイオンのデータが重要視されている。例えば、4f 14 5p6 の閉殻構造を持つ
W6+ およびその周辺の価数がエッジ付近のプラズマ診断において注目されている [2]。しかし診断に必要な分光データは現在不足しているため、発光線を観測、同定して補うことが求められている。

2. 実験
本実験は小型電子ビームイオントラップ（Compact EBIT: CoBIT）を使用して多価イオンを生成し、スペクトルを観測した。観測した波長域は可視領域と極端紫外領域であり、それぞれ測定系が異なる。本研究の可視領域スペクトルの分光には、Jobin Yvon 社製の Czerny-Turner 型分光器
HR320 を用いた。また、回折格子は発光線の観測の際に溝本数 300 本/mm（Jobin Yvon 510 18）、波長決定の際に 1200 本/mm（Jobin Yvon 510 06）を使用した。スペクトルの検出には Andor 社製のiDus 416 Series と Princeton Instruments 社製のSpec-10: 400B の 2 種類の CCD カメラを用いた。
iDus 416 Series は電子冷却型であり −70 度に検出面を冷却し、Spec-10: 400B は液体窒素で −115 度に冷却して使用した。一方で、極端紫外領域スペクトルの分光には平面結像型斜入射分光器を用いた。多価イオンの発光線は分光器チェンバー内の不等間隔凹面回折格子で回折され、その後 CCD カメラで検出される。回折格子は日立ハイテクノロ
ジーズ製の 001-0660 を使用しており、中心溝本数は 1200 本/mm である。極端紫外領域光は大気に吸収されてしまうため、光学系は高真空に保たれている。また、本実験ではタングステン、金を測定対象とし、さらに極端紫外領域の波長較正のために鉄多価イオンの発光線も観測した。タングステンと鉄はそれぞれ化合物であるタングステンヘキ
サカルボニルとフェロセンを用いた。金は蒸着セルを用いて 1100 度に熱することで蒸気として導入し、化合物は室温で十分な蒸気圧を持っているた
めガス導入菅と CoBIT 本体を接続することで導入した。実験装置及び測定系の概略図を図 1 に示す。

さらに、タングステンイオンは基礎物理の点でも注目されている。近年、物理定数である微細構造定数 α に経年変化が生じると示唆されており、それを確かめるための超高精度の原子時計の光源として、多価イオンの禁制遷移が有用であると提唱されている [3]。探索には α の変動に敏感な光源と鈍感な光源を用いた原子時計を比較して行われるが、多価イオンの発光線は一般に α の変動に敏感であるとされている。その候補の一つとして、W7+ の4f 13 5p6 2 F7/2 − 2 F5/2 遷移による基底状態微細構造準位間の可視領域発光線が挙げられている [3]。
今までに計算によってこの準位間のエネルギーの予測はされていたが、直接測定されたことはなかった [3, 4, 5]。
よって本研究の目的は、ITER のプラズマ診断 αの経年変化の探索のための原子時計の光源として有用である比較的低価数のタングステンイオンからの発光線の観測をし、価数、遷移の同定や波長決定をすることである。そのために本実験では特に 6 価から 13 価のタングステンイオンに着目し、1表 1: タングステンのイオン化エネルギー [7]価数イオン化エネルギー [eV]

W5+ → W6+

64.77
122.0
141.2
160.2
179.0
208.9
231.6
258.2
290.7

W6+ → W7+
W7+ → W8+
W8+ → W9+
W9+ → W10+
W10+ → W11+
W11+ → W12+
W12+ → W13+
W13+ → W14+

図 1: CoBIT と測定系の概略図

3. 結果と考察
本研究は先述した通り、W6+ から W13+ に起因する発光線を同定することを目的としている。よって電子ビームエネルギーを 90 eV から 280 eV に変化させて可視領域スペクトルの測定をした。そこで、まずは溝本数 300 本/mm の回折格子を用いてW6+ から W13+ の約 370 ∼ 620 nm の領域でスペクトルの観測を行った。この領域は、理論計算で予測されている W7+ の 4f 13 5p6 2 F7/2 − 2 F5/2遷移の発光線 [4]、さらに以前に本研究室で観測された W12+ 、 W13+ の発光線 [6, 7] が観測できる波長域である。また、極端紫外領域でも波長域約18 ∼ 27 nm の領域で同時に測定を行った。この波長域では、Clementson[8] らによって報告されている W6+ や W7+ の発光線と、さらに本研究室で以前に報告された W13+ の発光線 [6] が観測できる。よって、これらの領域で観測を行うことで、以前に観測された発光線の再現性を確かめて価数同定に矛盾がないことを示すことができる。また、
CoBIT の電子ビームエネルギーは表 1 のタングステンのイオン化エネルギーの値 [7] を参考にして設定した。の強度が大きく得られたこともあったため、同様の遷移に由来した発光線であり同定に間違いはな
いと考えられる。

図 2: 本研究と Clementson らによって得られた極端紫外領域スペクトルの比較 [8]。縦軸が発光の相対強度、横軸が波長を表している。また、本研究では電子ビームエ
ネルギー 115 eV、Clementson らの報告では 135 eV で測定を行っている。両者の波長を比較することで、21.6 nmと 26.2 nm に W6+ の発光線、20 nm 付近にまとまったW6+ の発光線を同定できる。

3.1 他グループとの比較
図 2 は本実験で得られた極端紫外スペクトルと Clementson らによって報告されているスペク
トル [8] を比較した図である。波長を比較すると21.6 nm と 26.2 nm の発光線と 20 nm 付近のまとまった発光線の波長が一致しているため W6+ とW7+ の価数同定に至った。発光線の強度比が本研究結果と Clementson らの結果とで異なっているが、本研究でも 21.6 nm 付近の W6+ の発光線

3.2 タングステンイオンの可視・極端紫外領域スペクトル
図 3 は本実験で得られた極端紫外領域スペクトルである。図中のスペクトルの右肩には電子ビームエネルギーと支配的に生成されている価数が示2されている。価数同定は図 2 を元にして、電子ビームエネルギー依存性を考慮して行った。また、そのエネルギーのスペクトル中の矢印で示された発光線が、支配的に生成されている価数のイオンに由来する発光線であると考えられる。測定の結果、6 価から 13 価の発光線が観測された。さらに 13価の発光線は本研究の以前の実験 [6] でも観測、同定がされたものであり、良い再現性と一貫性を示している。

図 4: 溝 本 数 300 本 の 回 折 格 子 で 取 得 し た 波 長370∼630 nm のタングステンイオンのスペクトル

3.3 タングステン 7 価由来の発光線
前節で示した全ての波長域で高分解能測定を行ったが、その中で特にタングステン 7 価由来の発光線が含まれる波長域の測定結果を図 5 に示す。
前節と同様に矢印でラベリングされた発光線がその電子ビームエネルギーで支配的に生成されている価数のイオン由来の発光線であり、その価数が電子ビームエネルギーと共にスペクトルの右肩に記されている。図 5 において、特に強度の大きい
タングステン 7 価の発光線の波長は 574.47nm であり、これは他グループによって予測されている波長 [3, 4, 5] に近い値である。特に表 2 に示す
ように Ryabtsev らの極端紫外領域での実験を基にしてエネルギー構造を求め、そこから予測した値とは極めて近い。また、タングステン 7 価の発光線で強く発光しているのはこの 1 本だけである
ことから、微細構造定数 α の探索に有用とされる
W7+ の 4f 13 5p6 2 F7/2 − 2 F5/2 遷移による発光線であると考えられる。そのように考えられる理由は以下の 3 つである。

図 3: 溝 本 数 1200 本 の 回 折 格 子 で 取 得 し た 波 長
18∼27 nm のタングステンイオンのスペクトル

図 4 は溝本数 300 本/mm の回折格子で取得した可視領域スペクトルである。極端紫外領域と同様に、スペクトルの左肩に電子ビームエネルギーと支配的に生成されている価数が記され、矢印で示された発光線が支配的に生成されている価数のイオンに由来していると考えられる。また、価数同定はそれぞれの波長域の電子ビームエネルギー依存性を比較して行った。可視領域でも 6 価から 13価までの発光線が観測された。中でも 12 価、13価の発光線は本研究の以前の実験 [6, 7] でも観測、同定がされたものであり、良い再現性と一貫性を示している。

1.

3

先に述べたように、これまでに報告されてきた予測値と近い波長であるため。

2.

図 3、図 4 から、以前に報告されている実験結果と価数同定の辻褄が合っており、確かに 7 価由来の発光線であると言えるため。

3.

図 6 から、EBIT の低密度プラズマ環境
では強く発光する 7 価由来の発光線は 1本しかないと言えるため。EBIT が生成するのは低密度のプラズマであり励起準位間の遷移は起こりづらく、特に強く発光している発光線は基底準位間の遷移であると考えられるため。4f 14 5s2 5p5 準位間でも遷移が起こると考えられるが、準位間のエネルギー差が大きいため発光線の波長が可視領域内に収まらないと予測できる。

遷移波長から求めた微細構造分裂の大きさを表 2に示す。本研究でこの発光線を直接観測して価数同定したことによって、先行研究による波長の予測値を検証すると共に、不確かさを小さくすることにも貢献した。

図 5: 溝 本 数 1200 本 の 回 折 格 子 で 取 得 し た 波 長530∼630 nm のタングステンイオンのスペクトル

今回の測定によってタングステンイオンからの発光線を観測できたため、波長を決定することができた。以下の表 3 に本実験で初めて観測された発光線の波長を示す。また、極端紫外領域の波長不確かさは全ての発光線で 0.02 nm となったた
め、表記を省略する。なお、6 価の発光線は測定に溝本数 300 本/mm の回折格子を使用した際には観測できたが 1200 本/mm の回折格子使用時には観測されなかったため、暫定値として 4 桁の波長を示す。

じ遷移の発光線は、原子番号が小さくなるにつれて長波長側へシフトし、原子番号依存性が現れるという特徴がある。よって、等電子系列の研究を行うことで近い原子番号のイオンの発光線の価数や遷移の同定を助けることができる。本研究ではタングステンイオン発光線のさらなる遷移同定のために、タングステンよりも原子番号が 5 つ大きい原子番号 79 の金の等電子系列イオンを生成し、原子番号依存性の研究を試みた。
実験はタングステンと同様に可視、極端紫外領域の測定を同時に行った。可視領域においては、広い波長域を観測できる溝本数 300 本/mm の回折格子を用いて測定し、確実に対象の発光線を観測できるようにした。一方で極端紫外領域では、本研究の以前の実験で観測、同定がされているユウロピウム様の 16 価の発光線が観測できる波長域を測定した。回折格子の溝本数はタングステンの測定と同様に 1200 本/mm のものを用いた。図7 は可視領域、図 8 は極端紫外領域の測定結果であり、縦軸が発光線の相対強度、横軸が波長を表している。また、測定時の電子ビームエネルギーがそれぞれのスペクトルの右肩または左肩に記載

表 2: 先行研究と他グループの比較結果。このうち、
Kramida らと Berengut らは理論計算、Ryabtsev らはトカマクを用いた実験によって得られた極端紫外領域スペクトルの詳細な解析からエネルギー準位を決定し、間接的に導出した値である。
Kramida[3]Berengut[4]Ryabtsev[5]Mita（本研究）[10]

年
2009
2011
2015
2017

エネルギー [cm−1 ]空気中の波長 [nm]17440 ± 60
18199
17410 ± 517402.5 ± 0.9

573.39 ± 1.97549.98574.38 ± 0.16
574.47 ± 0.033.4 金を用いた原子番号依存性の研究
多価イオンの中でも、同じ数の電子を持つイオンの系列を等電子系列という。等電子系列の同4が、タングステンの α 変動の探索に有用とされる発光線と同じ遷移である Au12+ の 4f 13 5p6 2 F7/2 −2F5/2 遷移によるものと考えられる。なぜなら、理論計算で 330 nm 付近に観測される予測されており、その波長と極めて近い値であるためである。
さらに原子構造がタングステン 7 価とは変わることから発光強度が弱くなるという予測もされており、それも一致している。この発光線とタングス
テン 7 価の発光線の波長を比較すると、W7+ の発光線の方が長波長側に観測されており、原子番号依存性が確認できることから等電子系列の性質を満たしている。しかし金 12 価の発光線は発光強度が非常に小さいため、さらなる実験による検証が必要であると考えられる。

図 6: 溝 本 数 1200 本 の 回 折 格 子 で 取 得 し た 波 長530∼630 nm のタングステンイオンのスペクトル極端紫外領域でも等電子系列の特性を満たす発光線の観測を期待して実験を行ったが、今回は観測されなかった。原子構造がタングステンイオンとは異なっていることが原因であると考えられる。よって原子番号がタングステンに近い他の元素でも等電子系列イオンを生成し、発光線を観測するとより深い原子構造の理解に繋がると考えられる。

表 3: 本研究で初めて観測されたタングステン多価イオンの発光線の波長。極端紫外領域の波長の不確かさは0.02 nm である。
価数

波長 [nm]W6+

516.9（暫定値）

W7+

561.64(5)571.02(5)574.47(3)[10]W8+431.79(5)447.14(5)447.29(5)

18.82

18.86

18.97

23.88

409.64(4)433.28(4)437.65(5)438.68(5)440.53(5)481.55(5)533.20(6)564.44(5)572.28(5)611.15(6)645.90(6)

19.13

22.98

24.12

387.18(5)405.73(5)419.78(5)427.82(5)434.11(5)446.84(5)452.41(5)467.75(5)468.23(5)527.47(6)547.31(5)576.47(5)

W9+

W10+

570.50(5)

本研究で観測された金イオンの発光線の波長を
表 4 に示す。可視領域では 1200 本/mm の回折格子を用いた測定を行っていないため、暫定値である。また、極端紫外領域の波長不確かさは 0.02 nmである。

608.40(6)

W11+

W12+

18.84

25.77

26.24

26.31

26.37

452.74(5)454.62(5)466.46(5)470.59(5)490.72(5)502.19(6)531.35(6)560.32(5)

19.37

24.62

25.2125.40

表 4: 本実験で観測された金多価イオンの発光線の波長。
可視領域においては暫定値であり、極端紫外領域の不確かさは 0.02 nm である。

されており、さらに支配的に生成されていると考えられる価数も同様に示されている。

価数

まずは極端紫外領域のスペクトルから考察をしていく。図 7 について、電子ビームエネルギー375 eV のスペクトル中で矢印で示されている発光線は、本研究の以前の実験で観測、同定されている 16 価の発光線である [6]。よってこの実験は以前の実験との良い再現性と一貫性を示していることが分かる。ここから電子ビームエネルギー依存性を考えて価数同定をしていくと、13 価から 16価の発光線を観測できた。

Au12+
Au13+

波長 [nm]21.6323.73

332.6496.7

18.66

18.93

19.96

20.31

21.06

21.46

24.62

24.68

26.42

538.5

Au14+

18.79

19.27

22.82

23.11

23.17

Au15+

18.83

19.06

19.81

21.44

Au16+

18.78

4. 結論

次に可視領域のスペクトルについて考察をしていく。可視領域では 12 価、13 価の発光線が観測された。図 8 について、電子ビームエネルギー 220eV のスペクトルの波長 332.6 nm に現れた発光線

ITER のプラズマ診断や α 変動の探索に有用とされるタングステンイオンの可視、極端紫外領域の発光線を観測し、価数同定や波長決定を行い、一5図 8: 溝本数 300 本/mm の回折格子で取得した波長 270∼570 nm の金イオンの可視領域スペクトル。電子ビームエネルギー 220 eV のスペクトル中の波長332.6 nm の発光線が、Au12+ の 4f 13 5p6 2 F7/2 − 2 F5/2遷移による発光であると考えられる。また、電子ビーム
エネルギー 375 eV のスペクトル中で茶色の矢印で示されている発光線は不純物由来であると考えられる。

図 7: 溝本数 1200 本/mm の回折格子で取得した波長18∼27 nm の金イオンの極端紫外領域スペクトル部の発光線の遷移同定を行った。また、今まで理論計算や実験に基づいて間接的に求められていたタングステン 7 価の 4f 13 5p6 2 F7/2 − 2 F5/2 遷移の発光線を直接観測することに初めて成功した。その結果、波長を決定するとともに、これまでに報告されていた波長の予測値を検証し、波長の不確かさを小さくすることもできた。

参考文献[1] http://www.naka.jaea.go.jp/ITER/index.php[2] T. Oishi et al., Phys. Scr. 91, 025602 (2016)[3] J. C. Berengut et al., Phys. Rev. Lett. 106, 210802(2011)

さらに、原子番号依存性の研究のために金を用いて等電子系列イオンの発光を観測した。その結果、タングステン 7 価で同定した 4f 13 5p6 2 F7/2 − 2 F5/2遷移と同じ遷移の発光線を観測できた。タングステンイオンのさらなる同定のためには、原子番号の近い他の元素を用いて等電子系列の研究を深めることが有用であると考えられる。

[4] A. E. Kramida et al., Atomic Data and Nuclear
Data Tables 95, 305-474 (2009)[5] A. Ryabtsev et al., Atoms 3(3), 273-298 (2015)[6] Y. Kobayashi et al., Phys. Rev. A 92, 022510(2015)[7] A. Komatsu et al., Plasma Fusion Res. 7 1201158(2012)[8] J. Clementson et al., Atoms 3(3), 407-421 (2015)[9] J. Scofield, Ionization Energies, Internal report,
LLNL, Livermore, USA[10] M. Mita, et al., Atoms 5(1), 13-17 (2017)6