準安定状態へのポピュレーショントラップの時間発展計測
中村信行研究室 物部将士

1. 序論を終状態とする 4f135s2-4f135s5p 遷移が強く1.1.

現れることが明らかとなった[11]。この原因

研究背景の説明をするために、プロメチウム様ビスマスイオンのエネルギー準位図 1.1.1[11]を使用する。プロメチウム様ビスマスイオンの基底準位は 4f145s である。イオンが基底状態にあったならば、4f145p への励起が起きる。その結果、4f145s-4f145p 遷移の発光線が現れ、確認されるはずである。しかし、その一方で、基底準位から 4f135s5d への遷移も起きる。この 4f135s5d へ励起したイオンは最終的に第一励起準位の 4f135s2 へ脱励起する。この準位は数十秒という長寿命である準安定準位ため、基底状態へ戻ることが出
図 1.1.1 プロメチウム様ビスマスイオンのエネル来ない。よって、時間とともに基底状態のポギー準位図[11]ピュレーションは低くなり、準安定状態のポピュレーションが優勢となってしまう。

プロメチウム(原子番号 Z=61)様重元素イオ

このような現象をポピュレーショントラッ

ンの電子配置は、4f 殻までが閉殻となり 5sプと呼ぶ。本研究では基底状態から準安定電子を 1 個有するアルカリ金属様構造をも状態へのポピュレーションの時間発展を時つため、最も重要な系統の 1 つとして研究間経過と共に観測することを目的とした。

されてきた。1980 年、Curtis と Ellis の理論計算から始まり[1,2]、その後も、ビームフォ

1.2.

先行研究

イル[3-6]、トカマク[7]、電荷交換[8]、電子ビームイオントラップ (Electron Beam Ion
Trap : EBIT)[9,10]と様々な方法でアルカリ金属様構造と 5s-5p 共鳴線の研究が行われてきたが、解明されなかった。しかし、近年、先行研究により、プラズマ中のプロメチウ
ム様重元素イオンは、平衡状態において基底状態よりも準安定状態のポピュレーションが優勢となり、基底状態を終状態とする4f145s-4f145p 遷移が強く現れず、準安定状態

図 1.1.2 EUV 領域の金イオンのスペクトル[12]図 1.1.2[12]は先行研究による EUV 領域で2. 実験装置の金イオンのスペクトルである。青色のス

2.1.

実験装置

ペクトルは電子エネルギーを 420eV にしたときのもので、青色の矢印に対応するラインはサマリウム様金イオン(17+)の遷移である。このスペクトルから 440eV ではサマリウム様金イオンが支配的であることがわかる。一方、赤色のスペクトルは電子エネル
ギーを 480eV にしたときのもので、赤色の矢印と緑色の矢印に対応するラインはプロ

図 2.1.1 実験装置概略図

メチウム様金イオン(18+)の遷移である。このスペクトルから 480eV ではプロメチウム

今回、実験で使用した元素は金で、小型様金イオンが支配的であることがわかる。

EBIT(compact EBIT : CoBIT)を使って、プロさらに、赤色の矢印のラインは準安定状態

メチウム様金イオンを生成した。EBIT につを終状態とする遷移で、緑色の矢印のライいて簡単に説明する。EBIT は主に電子銃、ンは基底状態を終状態とする遷移である。

ドリフトチューブ(Drift Tube : DT)と呼ばれ準安定状態への遷移は優勢であるが、基底る円筒電極、電子コレクター、ヘルムホルツ状態への遷移はかなり弱いことがわかる。

型の超伝導コイルの 4 つで構成されている。

つまり、平衡状態において、準安定準位の3 つに分かれた DT の中央の電極の印加電ポピュレーションが支配的であるといえ圧を低くすることで、井戸型ポテンシャルる。このように、遷移強度を測定することが形成され、イオンを軸方向にトラップすによって、ポピュレーションを研究するこる。また、超伝導コイルにより、電子ビームとが可能である。先行研究では電子エネルが空間電荷ポテンシャルを形成し、イオンギーを固定し、長時間測定を行った。そのを径方向にトラップする。
2 つのポテンシャ

結果、平衡状態でのポピュレーションを研ルにより、3 次元的にトラップされたイオン究したことになる。そこで、本研究では準に電子ビームを入射し逐次電離により多価位間のポピュレーションの時間変化を研究イオンが生成される。イオン化に寄与しなするために、スペクトルの時間発展計測をい電子ビームは電子コレクターに回収され行った。

る。回折格子は平面結像型不等間隔凹面回折格子で、溝本数 1200 本のものを使用した。
検出器は 5 枚のマイクロチャネルプレートから成る位置有感検出器(PSD)を使用した。
2.2.

時間発展計測まず、準備段階として、プロメチウム様金イオンよりも 1 つ下の価数のサマリウム様金イオン(17+)を生成する。このとき、電子ビ100ms の間のサマリウム様イオンからプロームはサマリウム様金イオンのイオン化エメチウム様金イオンへの電離プラズマを測ネルギーよりも低い 420eV とする。その後、定する。一方、パルス発生器 2 からは三角

電子ビームエネルギーを 420eV から 500eV波が出力される。この波形の電圧が電子ビにあげることによって、電離させてプロメームエネルギーを 500eV に切り替えた後のチウム様金イオン(18+)を生成する。この電時間に対応する。分光器が EUV 光子を検出子ビームを変えてからの遷移強度を測定すした時、時間信号と同時に、PSD 上の位置る。100ms 後、電子ビームエネルギーを情報も記録される。

420eV に戻し、再びサマリウム様金イオンを生成する。サマリウム様金イオンが支配

3. 金イオンの時間発展計測結果的となり、平衡状態となったことを確認した後、電子ビームエネルギーを 500eV に上げて、観測を再び開始する。このサイクルを繰り返し、データを蓄積させていく。

図 3.1 時間分解された金イオンのスペクトルと遷移強度の時間依存性

図 2.2.1 時間発展計測の実験システム

図 3.1 の左側は時間分解した金イオンのスペクトルである。横軸は波長、縦軸は強度

図 2.2.1 は時間発展計測の実験システムとで、下から順番に 25ms ごとにため込まれたなる。まず、EBIT の電子ビームエネルギーデータによるスペクトルが示されている。

は電子銃と DT との電位差によって決まる。

さらに、右側のグラフは 3 つのラインの時

本研究では、電子銃の電圧を固定し、PC に間依存を示したグラフとなる。赤色と緑色

よって DT の電圧を操作する。PC から周期のラインはプロメチウム様金イオンの遷移

3s でパルスが出力し、このパルスによって、で、青色のラインはサマリウム様金イオンパルス発生器 1 と 2 が出力する。パルス発の遷移を示す。サマリウム様金イオンの遷生器 1 の矩形波は増幅され、DT の電圧を上移強度は時間と共に下がり、プロメチウムげ、電子ビームエネルギーを制御する。この様金イオンの遷移強度は時間と共に上がっ操作により、電子ビームエネルギーをている。これは期待通り、イオンの変化が十420eV と 500eV とで切り替えることができ分に確認できているといえる。次に、赤色とる。この電子ビームエネルギーを上げた緑色のラインを比較する。どちらもプロメチウム様金イオンの遷移であるが、赤色は4. まとめ準安定状態を終状態とする遷移で、緑色はサマリウム様金イオンからプロメチウム様基底状態を終状態とする遷移である。もし、イオンへの電離の時間発展は観測できた。

時間と共に準位間のポピュレーションの変

しかし、基底状態から準安定状態へのポピ化があるならば、2 つのグラフからは異なっュレーションの変化は観測することができた時間依存性を示すはずであるが、どちらなかった。つまり、サマリウム様金イオンかも同じような時間依存性を示した。

らプロメチウム様金イオンへの電離の速度よりも、プロメチウム様金イオンの基底状態から準安定状態へのポピュレーションの変化の速度の方がかなり大きいといえる。
参考文献[1] L. J. Curtis and D. G. Ellis, Phys. Rev. Lett. 45, 2099 (1980).
[2] D. G. Ellis and L. J. Curtis, Nucl. Instrum. Methods 202,339 (1982).
[3] B. M. Johnson, K. W. Jones, T. H. Kruse, L. J. Curtis, andD. G. Ellis, Nucl. Instrum. Methods 202, 53 (1982).
[4] C. E. Theodosiou and V. Raftopoulos, Phys. Rev. A 28, 1186

図 3.2 準安定状態を終状態とする遷移と基底状態(1983).

を終状態とする遷移の強度比の時間依存性[5] E. Trabert and P. H. Heckmann, Z. Phys. D 1, 381 (1986).
[6] V. Kaufman, E. Trabert, P. H. Heckmann, G. Moller, V.

図 3.2 は準安定状態を終状態とする遷移とLodwig, and J. H. Blanke, Phys. Scr. 42, 705 (1990).

基底状態を終状態とする遷移との強度比を[7] K. B. Fournier, M. Finkenthal, S. Lippmann, C. P. Holmes,

時間の関数として示している。もし、予想しH. W. Moos, W. H. Goldstein, and A. L. Osterheld, Phys. Rev.

ていたような基底状態から準安定状態へのA 50, 3727 (1994).

ポピュレーションの変化が時間と共に生じ[8] O. Andersson, A Method for Atomic Spectroscopy of Highlyていれば、この比は増加傾向となる。しかCharged Ions in the Pm Isoelectronic Sequence, Master ’s thesis,

し、そのような時間依存性は確認できなか

Lund University, 1995.

った。一見、時間と共に減少しているように[9] R. Hutton, Y. Zou, J. R. Almandos, C. Biederman, R. Radtke,

見えるが、誤差の大きさを考慮すると、ほとA. Greier, and R. Neu, Nucl. Instrum. Methods B 205, 114

んど一定で、時間依存性が観測できていな(2003).

いという結論に至る。この結果から、基底状[10] S. Wu and R. Hutton, Can. J. Phys. 86, 125 (2008).

態から準安定状態へのポピュレーションの[11] Y. Kobayashi, D. Kato, H. A. Sakaue, I. Murakami, and

変化の速度は、サマリウム様金イオンから

N.Nakamura, Phys. Rev. A 89, 010501(R) (2014).

プロメチウム様金イオンへの電離の速度よ[12] ] Y. Kobayashi, K. Kubota, K. Omote, A. Komatsu, J.

りもかなり大きいと考えられる。

Sakoda, M. Minoshima, D. Kato, J. Li, H. A. Sakaue, I.
Murakami, and N. Nakamura, Phys. Rev. A 92, 022510(2015)