原子衝突学会誌「しょうとつ」
2019 年 5 月 15 日発行
第 16 巻第 3 号

しょうとつ原子衝突学会

誌

Journal of Atomic Collision Research

Vol.16 Issue3
2019

新しい風

高速クラスターイオン照射における固体内電子応答
椎名陽子

原子衝突学会｜www.atomiccollision.jp原子衝突学会賛助会員（五十音順）

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48

第 16 巻 第 3 号

目

次

原子衝突の新しい風
高速クラスターイオン照射における固体内電子応答

椎名陽子

… 50

第 26 回原子衝突セミナー報告

行事委員会委員長… 53

第 26 回原子衝突セミナー参加報告

佐和弘祥… 54

第 26 回原子衝突セミナー参加報告

宮﨑彩音

… 55

「しょうとつ」原稿募集

編集委員会事務局… 55

ユーザー名とパスワード… 5649原子衝突の新しい風

高速クラスターイオン照射における固体内電子応答
椎名陽子
立教大学理学部物理学科 〒171-8501 東京都豊島区西池袋 3-34-1
yshiina@rikkyo.ac.jp
令和元年 5 月 7 日原稿受付

高速イオンビームはラザフォード後方散乱分析（RBS）から粒子線がん治療まで，さまざまな分野で応用されているが，実は高速イオンビームを固体へ照射した際の固体原子の応答についてはまだわからない点が多い．本稿では高速クラスターイオンを固体へ照射した際の，固体内散乱電子とイオンの相互作用に関する著者の研究成果について述べる．
した二次電子の単原子あたりの収量は，同速度1．はじめにわたしは筑波大学数理物質科学研究科物理の C+ イオン照射時に比べて半分程度しかない工学系の冨田成夫准教授にご指導いただき，[1]．同条件で電子的阻止能が 4% 程度の減少に

2019 年 3 月に博士号を取得した．2019 年 4 月よ

とどまるのに比べ [2]，二次電子収量は非常に強り立教大学理学部物理学科に助教として着任し，く抑制される．高速単原子イオン照射の場合は二星間分子のような極低温・極低密度環境下にお次電子収量が電子的阻止能に比例することが知かれた分子の反応性についての研究に取り組んられているが，クラスター照射時には二次電子収でいる．本稿ではわたしが取り組んできた，高速ク量と電子的阻止能は比例しない．また電子的阻ラスターイオン照射時の固体内電子応答の実験止能におけるクラスター効果が起こるイオン間距的研究について紹介する．

離が 2 Å 以下なのに対し，二次電子収量は標的脱出時のイオン間距離が 7 Å 程度になっても，やはり C+ イオン照射時の半分程度に抑制される．ア

2．クラスター効果
Bohr 速度を超える高速のクラスターイオンを固モルファスカーボン中でイオン間距離 7 Å というこ体へ照射すると，最初の数原子層のうちに構成原とは，イオン間に固体原子が 3–4 個ほど存在する子間の結合を担う電子はイオン化され，クラスターような距離である．すでに電子的阻止能におけるイオンは複数の単原子イオンへと解離する．そのク ラ ス タ ー 効 果 は ， 各 イ オ ン が つ く る wake

後，解離によって生成された複数の単原子イオン

potential の干渉により説明されている [3]．二次は数 Å 程度の非常に近接した間隔で固体内を並

電子収量においては wake potential とは異なる，走していく．クラスターから解離した各イオンと固より長距離にきくような効果がクラスター効果の原体原子との衝突が独立とみなせないほどイオン間因と考えられるが，いまだにメカニズムがわかって距離が短ければ，このとき測定できる物理量は単いない．一般的に，二次電子の生成過程は 3 ステ

原子イオンを複数個独立に照射した場合の値かップで考えられる．イオンによる散乱電子の生成，らずれる． こ の よ う な 効 果 は 実 際 に電子的阻止

散乱電子の一部の固体表面への輸送，表面へ到能，平均電荷，スパッタリング収 量 ， 二 次 電 子 収

達した電子のうち表面の仕事関数を超えるエネル量などにあらわれることが知 ら れ て お り ，総じてクギーを持つ電子の固体外への脱出である．イオンラスター効果と呼ばれている．

–固体原子衝突により生成される散乱電子の数は+たとえば 0.5 MeV/atom C4 イオンをアモルファ電子的阻止能に比例すると考えられる．よって二スカーボン薄膜へ照射した際に標的前方で測定

次電子収量におけるクラスター効果は，散乱電子

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50の固体内輸送過程か，表面からの脱出過程にあconvoy electro ns

1000

ると思われる．本研究では散乱電子の固体内輸

Yield

送過程に着目し，0 度電子分光測定を行った．

3．実験

Coster-K ronig electrons(forward emiss ion)

Coster-Kronig electrons(backward emission)

100

実験は，茨城県那珂郡東海村にある日本原子力研究開発機構原子力科学研究所の 20 MV タ

Backward

ンデム加速器で行った．高電圧ターミナル内の10ECR イオン源で生成された C+，C2+，C3+ イオンは

80

100120140

Forw ard

160180200220240

Electron Energy (eV)

3.5 MeV/atom に加速され，アモルファスカーボン薄膜へ照射された．ビーム進行方向（0 度方向）へ放出された電子は分光器初段で 90 度偏向され，図 1: 3.5 MeV C+ 単原子イオンを炭素薄膜標的へ照射し，0 度方向で測定した電子エネルギース
ペクトル（convoy 電子ピーク周辺）．

45 度平行平板型電子分光器でエネルギー分析されたのち，二次電子増倍管で検出された．
3.5 MeV C+ 単原子イオンを薄膜へ照射し，0 度方向で測定した電子エネルギースペクトルの一 例を図 1 に示す．鋭いピークがある 160 eV は照射イオンと同速度の電子のエネルギーに相当する．このようなイオンと同速度でイオンに伴 走 す る 電 子
は convoy 電子と呼ばれ，0 度付近の狭い立体角にだけ放出される．また convoy 電子ピークの両裾に複数の小さなピークがみえる． こ れ ら は 標 的 を透過したイオンの Rydberg 状態から Auger 遷移に

図 2: 3.5 MeV/atom C+，C2+ イオンを炭素薄膜標的へ照射し，0 度方向で測定した Auger 電子エネ
ルギースペクトル．黒い実線が C+ イオン照射，赤い破線が C2+ イオン照射の結果で，縦軸は単原子あたりの電子収量である．スペクトルは照射イオンの中心系に変換されている．

よって放出された電子によるピークで，イオンから180 度方向へ放出された電子が convoy 電子ピー
クの左肩， 0 度方向へ放出された電子が右肩にみえている．

ンの連続状態に捕獲されることで生成される．標4．結果+++3.5 MeV/atom C ，C2 ，C3 イオンを膜厚 3.0–的脱出時にイオンに対する相対速度が小さい散29.7 g/cm の薄膜へ照射して convoy 電子収量

乱電子は，固体内でイオンに伴走してきた散乱電2+を測定した結果，C2 ，C3+照射時は+C 照射時に子であると考えられる．イオンに伴走する散乱電比べ convoy 電子の減衰長が長くなっていることが子の固体内輸送過程について，Burgdörfer によっわかった．また convoy 電子収量におけるクラスタて提唱されたモデルがある [4]．イオンに伴走すー効果は 29.7 g/cm の標的でも残り続けた．3.5る散乱電子は 1 eV 以下程度の小さなエネルギー

MeV/atom C2 イオンを厚さ 29.7 g/cm のアモル遷移でイオンの軌道半径の大きい束縛状態

2+2

ファスカーボン薄膜へ照射した際，標的脱出時の（Rydberg 状態）へ遷移することができる．Rydberg

イオン間距離はイオン間のクーロン反発により約状態へ入った電子は再びイオン化するまでイオン12 Å になると見積れる．固体中でこれほどイオンに伴走し続ける．照射イオンの Rydberg 状態への間距離が広がってもクラスター効果が起こるのは捕獲とイオン化を繰り返すことにより，イオンに伴興味深い．

走する電子の減衰長は同速度の自由電子よりもConvoy 電子はイオンが標的を脱出する際，イ長くなると考えられる．Burgdörfer の輸送モデルをオンに対する相対速度の小さい散乱電子がイオ踏まえると，クラスターイオン照射の場合は，イオ

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ンに伴走する電子が捕獲される Rydberg 状態の響するとか，軌道半径が固体の原子間隔より大き軌道半径に比べて狭い領域に複数のイオンが照いような Rydberg 状態が固体内での散乱電子輸射されることによって，Rydberg 状態が複数のイオ送過程に関わっているなどというのは，直感に反ンによる束縛状態になり，単原子照射の場合よりする奇妙な話かもしれない．しかし，イオンの電荷減衰長が伸びたと解釈することができる．

が周囲の電子によって遮蔽されるといっても，遮++また，3.5 MeV/atom C ，C2 イオンを炭素薄膜

蔽クーロン場はずっと遠方まできくはずだし，軌道標的へ照射し，薄膜を透過したイオンの Rydberg

半径の大きい Rydberg 状態も，寿命は短いだろう

状態から放出される Auger 電子の収量を測定したが存在してよいと考えている．もっといえば，結果を図 2 に示す [5]．Rydberg 状態 1 2 5 ，convoy 電子が捕獲されるようなイオンの連続状態

1 2 6 ，1 2 7 から放出された Auger 電子のの軌道半径は無限大である．もちろん，イオン間+隔がずっと広がればいつかは convoy 電子におけ+単原子あたり収量は， C 照射時に比べ C2 照射+時の方が明らかに減少した．また C2 照射時におるクラスター効果も消えるはずだが，それがどの程+ける Auger 電子収量の C 照射時の収量に対する度のイオン間距離になるのか，今後さらに実験し比は，Auger 電子が放出された準位の主量子数 nて確かめたいと思っている．

が大きいほど増加する傾向があった．これらの最後になったが，本稿で紹介した研究は筑波Rydberg 状態は convoy 電子と同様，イオンが標的大の冨田成夫准教授，左高正雄先生，笹公和准を脱出する際，イオンに対する相対速度の小さい教授，木下亮さん，舟田周平さん，日本原子力研

散乱電子を高励起束縛状態に捕獲することで生究開発機構の松田誠さん，京都大の今井誠先生，成される．薄膜を透過したイオンの Rydberg 状態

理論放射線研究所の川面澄先生との共同研究とにも，クラスター効果があらわれることが確 か め らして行ったものである．この場を借りて，深く御礼れた．

を申し上げる．

5．固体内における低エネルギー散乱電子とイオンの相互作用

参考文献

Convoy 電子，Rydberg 状態からの Auger 電子(2006).

[1] S. Tomita et al., Phys. Rev. A 73, 060901(R)についてのクラスター効果を測定した結果，これら[2] S. Tomita et al., Phys. Rev. A 82, 044901の電子のもとになる固体内でイオンに伴走する散(2010).

乱電子は複数のイオンによる影響を強く受けるこ[3] W. Brandt et al., Phys. Rev. Lett. 33, 1325とがわかった．散乱電子のイオンに対する相対エ(1974).

ネルギーが，固体内における散乱電子–イオン間[4] J. Burgdörfer, in Proceedings of the Thrid

相互作用における重要なパラメータである可能性

Workshopが示唆された．やや飛躍するがさらに言えば，イCollisions, Debrecen, 1987, edited by D.

オン間距離に鈍感で長いイオン間距離まで残り

Berenyi and G. Hock, Lecture Notes in続けるという傾向は二次電子収量におけるクラス

Physics Vol. 294 (Springer-Verlag, Berlin,

ター効果も共通している．このことからイオンに伴1988), p. 344.

走する電子と複数のイオンとの相互作用が，散乱

onHigh-Energy

Ion-Atom[5] Y. Shiina et al., Nucl. Instrum. Methods Phys.

電子全体の輸送過程，そして二次電子収量におRes. B (in press),けるクラスター効果において重要な役割を果たし

https://doi.org/10.1016/j.nimb.2018.10.041.ている可能性もあるのではないかと考えている．

6．おわりに固体の原子間隔の数倍の距離離れて並走するイオンが二次電子収量や convoy 電子収量に影Copyright© 2019 The Atomic Collision Society of Japan, All rights reserved.

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2019 年度 役員・委員会
会長
城丸春夫（首都大学東京）幹事
平山孝人（立教大学）〔副会長〕

土田秀次（京都大学）

彦坂泰正（富山大学）

松本淳（首都大学東京）吉井裕（量子科学技術研究開発機構）
運営委員
東俊行（理化学研究所）

鵜飼正敏（東京農工大学）

加藤大治（核融合科学研究所）

田沼肇（首都大学東京）

土田秀次（京都大学）

彦坂泰正（富山大学）

平山孝人（立教大学）

間嶋拓也（京都大学）

松本淳（首都大学東京）

吉井裕（量子科学技術研究開発機構）

石井邦和（奈良女子大学）

大橋隼人（富山大学）

金安達夫（九州シンクロトロン光研） 歸家令果（東京大学）
木野康志（東北大学）

中井陽一（理化学研究所）

常置委員会
編集委員会

委員長：彦坂泰正（富山大学）

行事委員会

委員長：土田秀次（京都大学）

広報渉外委員会

委員長：吉井裕（量子科学技術研究開発機構）

顕彰委員会

委員長：平山孝人（立教大学）

庶務委員会

委員長：松本淳（首都大学東京）

編集委員

大橋隼人，岡田邦宏，金安達夫，北島昌史，中井陽一，彦坂泰正，松田晃孝，森下亨

しょうとつ

第 16 巻 第 3 号（通巻 88 号）

Journal of Atomic Collision Researchⓒ原子衝突学会 2019http://www.atomiccollision.jp/
発行: 2019 年 5 月 15 日
配信: 原子衝突学会事務局 <acr-post@bunken.co.jp>