重元素多価イオンの極端紫外域スペクトルの観測
中村信行研究室

氏名:岸良子文平成 28 年 3 月 10 日
1. 背 景 、 及 び 目 的

強く、大気圧程度の気体では光はすべて吸収される。
そのような極端紫外域の光の性質を軟 X 線顕微鏡に用

多価イオンは大きな正電荷の周りに少数の電子が束いており、水と生体構成物質である核酸やたんぱく質縛されている状態であり、電子の感ずる電場、磁場はとの線吸収係数の違いを利用している。

通常の中性原子の最外殻電子の感ずるそれらに比べ我々はプラズマ中での原子過程や多価イオンの原て桁違いに大きい。多価イオンは、天体プラズマや核子構造の解明に向けて、分光測定を行い、発光スペク融合実験炉などのプラズマ中に存在する。プラズマのトルの解析を行っている。実験の対象として核融合実発光は、プラズマ中で起こる電子衝突、イオン衝突等

験炉やレーザープラズマ光源として分光データが望によって生じる多様な原子過程の結果として生じた

まれている Mo, Bi, Zr を選んだ。Mo を例にするとものであり、分光測定はプラズマ中での原子過程や、24 価の3𝑝 ! !S! − 3𝑝 ! 3𝑑 !P! 遷移はこれまでいくつ多価イオンそのものの原子構造の解明に有用である。

かの研究機関で観測されているが、波長の実測値にば重元素多価イオンは価数の変化とともに電子と原らつきがある[1-5]。これはプラズマが価数分布を持ち、子の相互作用、電子同士の相互作用が変化するため、それら価数の遷移が重なりあうことで、発光線が密集発光特性もそれに伴って変化する。重元素が不純物とするため遷移の区別が困難であるためである。Bi はして核融合炉内の高温プラズマ中に混入すると多価「水の窓」光源の候補として注目されている。特にイオン化され、X 線などエネルギーの高い放射により3.2nm 付近の 4p-4d 遷移がミラーの反射効率と相性の光を放出することでプラズマを冷却する。したがって良いため、候補となっている[6]。Zr も同様に 2-4nm

プラズマを高温に保つためにはプラズマ中でどのよの「水の窓」領域でいくつも強度の高いピークを持つうな多価イオンが不純物として生成されているかをことから光源の有力な候補とされている。これら重元診断し、それらの流入を管理、制限する必要がある。

素多価イオンの極端紫外域で求められている低価数

そのような診断のためにも不純物元素の発光データ分布の分光データ取得のため、Mo, Bi ,Zr 多価イオンが求められる。

について分光測定を行った。

一方で重元素多価イオンの複雑で強度の強い発光を光源として応用したものがレーザープラズマ光源

2 実験である。生体観察のための次世代顕微鏡では波長2-4nm の「水の窓」と呼ばれる帯域で発光強度が強い

本実験は下図 2-1 の実験系のもと多価イオンの分光光源が求められている。レーザープラズマ光源はター測定を行った。電子ビームイオントラップ

ゲットにレーザーを照射し、ターゲット表面にスポッ(Electron-Beam Ion Trap :EBIT)により生成された多トプラズマを形成し、プラズマ中の多価イオンの発光価イオンの軟 X 線領域の発光を、平面結像型凹面回折を利用するものである。レーザープラズマの光源の効格子と背面照射型 CCD を用いた分光器によって観測率を向上させるためには、多価イオンの発光波長およした。

び発光強度の価数依存性が「水の窓」領域での発光強測定したスペクトルについては Flexible atomic

度を最大化するプラズマの諸条件に直結するため、タcode(FAC)と呼ばれるコード[7]による理論計算を用

ーゲット元素多価イオンの遷移波長や遷移確率など

いて価数と遷移の同定を試みた。Bi 試料は蒸着セルをの価数依存性といった分光データが求められる。

用いて加熱した蒸気を、Zr、Mo は常温で蒸気圧の高このような高温プラズマ中での発光は極端紫外領

い有機化合物であるモリブデンヘキサカルボニル
Mo(CO)! とテトラ − t −域で観測される。この領域の光は物質との相互作用がブトキシジジルコニウム Zr(t − OC! H! )! ,の蒸気をEBIT 内に導入し、各元素の多価イオンを生成した。

価、27 価に帰属するものと思われる。このエネルギー発光スペクトルの電子ビームエネルギー依存性を調領域では、閉殻構造を持つ Ar 様多価イオンの共鳴線べ、イオン化エネルギーと発光線強度の変化をもとにが最も強く発光すると考えられ、今回得られた発光線価数の決定及び発光遷移の同定を試みた。の中で最も強度が高い Ee =1.32keV の 7.4nm 付近の発光線を 24 価と発光線を目的の遷移であると同定している。

図 2-1 多 価 イ オ ン の 分 光 測 定 に お け る 実 験 系
3 結果

3.1.1 極端紫外域での高価数 Mo の分光測定
Mo 多価イオンのプラズマ分光実験において多くのラインが密集し、遷移の同定が困難であった波長域
7-10nm 付近について EBIT で観測したスペクトルを

図 3-1(a)6-10nm 領 域 で の EBIT の M o 多 価 イ

図 3-1(a)に示す。EBIT の電子ビームエネルギーは単オ ン の 発光スペクトルと(b)EBIT と大型ヘリカル色性が高く、電子ビームエネルギーを調整することで装置のスペクトルの比較[1]。

狭い価数分布で多価イオンを生成し、そのスペクトル遷移同定した 23 価から 29 価までの 3p3d 遷移を青を観測することが出来る。図中 Ee は各スペクトルを矢印で示し、1.32keV のスペクトルは特に協調する

得た際の電子ビームエネルギーの値、𝑞!"# は電子ビーため青で示している。

ムエネルギーで生成される多価イオンの最大価数を表している。その下はその価数の基底状態での最外殻

表 3-1 M o の イ オ ン 化 エ ネ ル ギ ー [9]電子配置を示している。表 3-1 に示したイオン化エネ

価数

イオン化エネルギー(keV)

ルギーに基づいて、100-200eV 程度の間隔で電子ビー

31→32

1.791

ムエネルギーの値を変えて測定を行った。

30→311.728

測定した発光線は NIST データベース[8]をもとに遷

29→301.601

移の同定を試みた。Ee =1.15keV では最大生成価数が28→291.538

24 価であるが、24 価の過去に観測された波長値付近27→281.450に発光は見られていない。電子ビームエネルギーEe26→271.389=1.32keV では最大生成価数は 25 価だが、24 価が支25→261.328配的であると考えられる。Ee =1.32ke V のスペクトル24→251.268を見ると 7.4nm 付近に発光線が見られ、24 価の 3s-3p23→241.082遷移と仮定する。また 7.6nm、7.8nm 付近に Mo 25価と思われる発光線の観測もされている。さらに一つ上の電子ビームエネルギーである Ee =1.57keV において 24 価と思われた発光線強度が低下していることから価数分布が変化していると思われる。8nm、8.4nm 付近に複数の発光線が見られ、それぞれが 26続いて大型ヘリカル装置のスペクトルと比較したものが図 3-1(b)となる。M. Chowdhury[1]らの論文
では、7～8nm 付近の複雑に重なりあったスペクトルから青矢印で示した最も強度の大きな発光線を本実験で注目している遷移と同定しその波長を決定した。

一方、EBIT のスペクトルは電子ビームエネルギーご度が強く、47 価由来の発光と判断した。Ee =5.4keVとに価数分離されたスペクトルを得ることができ、他においては 4nm 付近に二本の発光線が確認でき、短の価数分離価数の遷移が重なることによるスペクト波長側が 53 価、長波長側が 54 価の 4s-4p 遷移である

ル形状の変化がない。そのためスペクトルが単純であと同定できる。本実験においても電子ビームエネルギり、遷移同定における不確かさを小さくできることがーの単色性が高いという特性を活かし、4p-4d 遷移と確認できる。

いう p 軌道、d 軌道それぞれが微細構造を有する複雑なスペクトルの価数分離に成功した。

3.1.2

極端紫外光源の光源候補の分光測定

次に軟 X 線顕微鏡の光源としての応用が見込まれている Bi, Zr, の発光スペクトルの価数分離を試みた。
3.1.2.1

Bi の分光測定

Bi は理論計算によると 4p-4d 遷移がミラーの反射効率と相性の良い 3.2nm 付近で強く発光するため「水の窓」光源の候補とされている。Bi の発光スペクトルを
図 3-2 に示す。遷移波長を比較しやすいように各スペクトルの最大強度で規格化されている。また、得られた結果に対して FAC を用いた 4d-4f, 4p-4d, 4s-4p 遷移の理論スペクトル図 3-3 と比較を行った。FAC では縦軸は統計的重みを加味した遷移確率を示しており、価数ごとに最大強度を基準に規格化されている。また、比較しやすいよう縦に並べられ、基底状態での最外殻電子配置も記載してある。
図 3-2 中の色分けは理論計算スペクトルと対応している。青色の楕円は 43-45 価の発光遷移を囲んでいる。
青の 46 は 46 価の 4d-4f 遷移、緑の 47 は 47 価の 4p-4d遷移、赤の 53,54 は 53 価、54 価の 4s-4p 遷移と同定した。その同定の過程を下記に記述する。Ee =2.54keV
は 46 価のイオン化エネルギーより大きく、最大生成

図 3-2

Bi の 発 光 ス ペ ク ト ル

可能な価数は 47 価である。4.2nm 付近の発光線の集図中青色の楕円は 43-45 価の発光遷移を囲んでいる。

まりは FAC の理論スペクトルと比較し、図 3-3 中青

青の 46 は 46 価の 4d-4f 遷移、緑の 47 は 47 価の丸で示した価数や 42 価以下の低価数の 4d-4f 遷移の4p-4d(遷移、赤の 53,54 は 53 価、54 価の 4s-4p 遷重ね合わせであると判断した。3.2nm 付近の発光線は

移!

!

!

4𝑝 4𝑑 −4𝑝 4𝑑!!!

遷移と判断し、4d-4f 遷移と同程度の45、44、43 価由来の発光線だと考えられる。Ee=2.69keV では 4.5nm 付近に観測された発光線が FACの 46 価の 4d-4f 遷移の波形と波長位置がほとんど等しいため 46 価の 4d-4f 遷移であると同定した。47 価は p 軌道を閉殻構造に持ち共鳴線が単独で強く発光す

表 3-2 Bi の イ オ ン 化 エ ネ ル ギ ー [9]ると推定できる。2.99keV で 3.2nm 付近の発光線の強価数

イオン化エネルギー(keV)

44→452.267

対して FAC を用いた 3d-4f, 3d-4p, 3d-4s 遷移の理論

45→462.333

スペクトルと比較を行った。FAC では縦軸は統計的重46→472.339

みを加味した遷移確率を示しており、各スペクトルの47→482.654

遷移ごとに最大強度を基準に規格化されている。図48→49

2.718

3-5 に FAC の理論スペクトルを示す。それぞれの枠が49→502.783

緑字は 3d-4f,遷移、赤字は 3d-4p 遷移、青字は 3d-4s51→522.847

遷移 4d-4f,4p-4d 遷移に対応している。価数ごとに比52→53

3.099

較しやすいよう縦にならべてあり、基底状態での最外53→543.169

殻電子配置も記載してある。

図 3-3 FAC による 4 d- 4 f (青) , 4 p- 4 d , (𝟒𝒑𝟔 𝟒𝒅𝒏 −𝟒𝐩𝟓 𝟒𝒅𝒏!𝟏 及び励起配置を含む、緑), 4s-4 p (赤)遷移の gA 値の価数依存性
上枠緑は青色の楕円は 43-45 価の発光遷移を囲んでいる。横枠緑は𝟒𝒑𝟔 𝟒𝒅𝒏 − 𝟒𝒑𝟓 𝟒𝒅𝒏!𝟏 遷移である。

3.1.2.2

Zr の 分 光 測 定Zr はレーザーの出力に対して、低い電子温度においても水の窓の広い帯域で発光強度が高い。本実験では低電子ビームエネルギーの発光観測を行うため小型EBIT を使用している。Bi と同様に数十 eV 間隔で電子ビームエネルギーを変化させ、発光スペクトルの依存性を調べた。Zr の発光スペクトルを図 3-4 に示す。
表 3-3 にイオン化エネルギーを示す。得られた結果に

図 3-4 Zr の発光スペクトル緑 字 は 3 d- 4 f ,遷 移 、 赤 字 は 3 d- 4p 遷 移 、 青 字 は
3 d- 4 s 遷移の同定した価数を表す

表 3-3 Zr の イ オ ン 化 エ ネ ル ギ ー [9]価数イオン化エネルギー

(keV)っていないことに注意を要する。「水の窓」光源とし

11→120.239ては本実験の観測域よりも短波長でかつ高価数の Zr

12→130.428の発光スペクトルが求められる。本実験では、より短13→140.477波長の領域およびより高エネルギーでの測定も行っ

14→150.526

たが、いずれも有意な強度を持つ発光線は観測できな

15→160.578

かった。対象とする Zr のそれらの価数は価数が増え16→170.631

るにつれ、最外殻 3d の電子の数が減り、微細構造が増加する。すると発光線が分散されるため強度が低下すると考えられる。
3.1.2.3

ニッケル様多価イオンの禁制線

ここで図 3-4 の 7.4nm 付近の発光線は 2013 年の先行研究においては未同定であった[10]。原子番号 42 で原子番号 40 の Zr に近い元素である Mo の発光スペクトルと類似すると考えられる。Mo の過去の観測データとの比較によって、Zr の 7.4nm 付近の発光線に見られる挙動がフランスの TFR トカマクプラズマにおける 3d-4s(E2)遷移と同様であることが分かった。[11]また、本研究室における EBIT においても Mo の発光スペクトル中で 3d-4s 遷移の観測例があることや FACを用いた 3d-4s 遷移の発光波長の計算値とも一致していることから遷移の同定に至った。また、Zr の発光スペクトルにおいて 12 価の電離エネルギーである428eV よりも低いエネルギーにおいて 13 価の発光とみられるスペクトルが得られている。下図 3-6 に EBITによる Zr 多価イオンの発光スペクトルを拡大したものとニッケル様ジルコニウムのエネルギー準位を図3-7 に示す。最低励起状態である3𝑑 ! 4𝑠(J=3)準位は磁
図 3-5

FAC を用いた 3 d- 4 f ( 緑)、3 d -4 p (赤)、気八重極子遷移でしか安定することができない長寿3 d -4 s (青)遷移の gA 値の価数依存性命な禁制線であり、この準安定状態を経由した間接電3 d -4 s 遷移は 12 価と 13 価のみを考慮した 。各 ス ペ離によって一つ上の価数である 13 価が生成されたとクトルの遷移ごとに最大強度を基準に規格化され考えられる。図 3-7 のニッケル様ジルコニウムのエネて お り 、 3 d -4 f 遷 移 は ×～𝟏𝟎!𝟏𝟒 , 3 d -4 p 遷 移 はルギー準位図を参照すると

×～𝟏𝟎!𝟏𝟏 , 𝟑𝒅 − 𝟒𝒔遷移は×～𝟏𝟎!𝟕 して示してある。

Ni 様 Zr のイオン化エネルギー － 3𝑑 ! 4𝑠(J=3)準位のエネルギー

図 3-4 に示した Zr の発光スペクトルと図 3-5 に示し= 428 – 162 = 266 eV

た FAC を用いた理論計算と比較を行った。その結果

よって 266eV 程度から電離が生じ始めると考えられ

12, 13, 14 価の 3d-4f 遷移、12, 13, 14, 15,16 価の 3d-4pる。

遷移、12, 13 価の 3d-4s 遷移の同定を行い、図中に色分けして示した。なお、この波長領域において回折格子の反射効率は短波長ほど低下するが、その補正は行する複雑なスペクトルの価数分離に成功した。高電子密度プラズマであるレーザープラズマにおいても4𝑝 ! 4𝑑 ! − 4𝑝 ! 4𝑑 !!! 遷移が発光し、光源となりうると考えられる。Zr も同様に「水の窓」の候補となる発光線の遷移の同定をした。「水の窓」光源としては本実験の観測域よりも短波長域でかつ高価数の Zr の発光スペクトルが求められる。しかし、今回の実験では高価数イオンの発光の観測はほとんどみられなかった。価数が増えるにつれ、最外殻 3d の電子の数が減り、微細構造が増加したため、発光線強度が分散したと考えられる。以上のように単色ビームエネルギーであり、より狭い価数分布を持つ低密度な EBIT のプラズマの有用性を活かすことで、発光線の同定に成功した。レ
図 3-6 Zr の発光スペクトルーザープラズマと本実験で用いる EBIT ではエネルギ

E1 遷移を青、E2 遷移を緑で表している。矢印で示ー分布も、電子密度も大きく異なる。レーザープラズ

した付近の発光線が間接電離による 13 価の E1,E2

マでは発光線強度は遷移確率 A に大きく依存するの遷移によるものだと考えている。

に対し、EBIT では電子の占有密度が発光線強度の要となるため、占有密度の流入経路である遷移の経路を考えることでこのレーザープラズマと EBIT との発光スペクトルの違いの説明ができるようになるのではと思われる。
5 参考文献[1] M. Chowdhuri ,et al., PFR. 2 S1060 (2007)[2] M.W.D Mansfield et al.., Phys. 11.1521 (1978)[3] M.Frinkenthal et al.., J. Phys. B. 18.4393(1985)[4] A.Wouters.et al.., J. Opt. Soc.Am.B.1520 (1988)[5] J.K.Lepson.et al.., J.43.1520 (2010)[6] T. Higashiguchi et al., Appl. Phys. Lett., 100

図 3-7 ニ ッ ケ ル 様 Zr の エ ネ ル ギ ー 準 位 図014103(2012)[7] M. F. Gu, Astrophys. J. 582, 1241 (2003)

4結論[8] NIST atomic database[9] J. Scofield, Ionization Energies, Internal report,

高密度プラズマにおいては遷移の同定が困難とさ

LLNL, Livermore, USA

れているモリブデンの 3p-3d 遷移が主要な発光線であ[10] 岸良子文, 卒業論文 電気通信大学(2013)

る価数帯の低価数分布での発光線の観測に成功した。

[11] M. Klapisch,et al., Phys. Lettt.,41 6 (1978)

EBIT では価数分離されたスペクトルが得られることにより遷移の同定及び決定が容易であることが分かる。
また、光源利用が期待される候補となる Bi, Zr の「水の窓」領域での発光観測に成功した。Bi では 4p-4d遷移という p 軌道、d 軌道のそれぞれが微細構造を有