多価イオンのＸ線分光
電子物性工学科中原哲郎

1. はじめにプラズマから放射される光の偏光度を調べることは、そのプラズマに存在しうる異方性を知る上で重要なプラズマ診断である。そのために、指向性の良い電子ビームにより励起される放射の偏光度を調べ、その基礎データを蓄積することが望まれている。ここでは、そのような研究の一環として、水素様Tiの電子衝撃励起過程の観測と、観測に用いた位置敏感型比例計数管（ＰＳＰＣ）［1］のための位置演算回路の製作を行った。
2. PSPCのための位置演算回路の製作
2. 1. PSPCにおける位置測定の原理
PSPCは図1のような構造にPosition Sensitive Proportional Counterなっており、X方向はバッ V A
anode wires
R
クギャモン陰極による電荷分割、Y方向は抵抗による V B R
電荷分割によりＸ線入射位置の確定を行っている。XY
Back Gamon
線が入射すると、封入されXたArガスが、ある確率によ
図1.PSPCの模式図
り電離されることによって電子が生じる。生じた電子は陽極線に印加された高電圧によって加速され、再び Ar原子を電離するようになる。これを繰り返すことによって、陽極線の近傍では、電子雪崩が生じる。生じた電子は速い速度で陽極線に吸収されるが、その結果生じた正電荷の誘導電荷が陰極に誘起される。その電荷がバックギャモン型の電極構造により分割される。
一方、陽極線に吸収された電子は、直列に連結された抵抗値に反比例して両端に流れる。従って、X、Yのいずれの方向についても両端に流れる電荷ＱＡ，ＱＢに対してＱＡ/（ＱＡ＋ＱＢ）という演算を行なうことにより、位置を知ることができる。これまで使用していたPSPCはX方向のみの一次元であり、位置演算回路には市販の物を使用していたが、本研究では、PSPCを二次元に拡張するため、Y方向用の位置演算回路を自作した。
2.2. 測定回路の基本機能と特性
ＰＳＰＣからの電荷ＱＡ，ＱＢは、前置増幅器により電圧に変換された後、主増幅器によって波高VA、V Bを持つ正規分布形のパルスに整形される。それらのパルスを、今回製作した回路の入力A,Bに入力す
るとまず増幅器（1）、（2）でインピーダンス変換をする。そして、加算器（3）でVAとV Bを加算し、その結果とV Aがピークホールド回路（4）、（5）に入力される。その出力結果を除算器（6）に入力し、VA/（VA+VB）×10という結果が出力される。波高VA+VBが一定値より下がるとコンパレーター（5）の出力パルスの立ち下がりにより、
x-ray

Ar+AA

B

B

パルス発振器（8）から0.5μｓのパルスが出力される。
フリップフロップ（11）がHを出力するとき論理積算器（12）にパルスが通過し、これがスイッチ（7）を入れて、除算結
果とVA+VBを
図2.位置演算回路の構成0.5μｓのパルスに切り出し、出力する。
一方、VA+VBがある値を
図3.位置演算回路の特性
Ｖ
5.2超えると電圧比較器（6）の立ち上がりによりパル5ス発振器（9）からパルス4.8が出力され、フリップフ4.6ロップ（11）がLを出力4.4し、論理積算器（11）に4.2出力パルスが通らなくな
りスイッチが入らなくな
4024681012 Ｖるので除算結果と加算結V +V果が出力されなくなる。動作確認のため、VA=VB出力の特性を得た結果を図３に示す。PSPCの陽極線は23本であり、出力間隔は約0.45Ｖになるので、図3の結果から製作した回路が陽極線の選別という要求を満たしていることが分かる。
3. 水素様TiにおけるＬｙ−αの強度比測定
3.1 目的
水素様イオンの準位図を図42p
Ly-αに記す。図に示されているよ 2s2p
うに２ｐ3/2から１s1/2 の遷移はＬｙ−α1、２ｐ1/2からLy-α１s1/2の遷移はＬｙ−α2と呼ばれる。このとき、Ｌｙ−α21s図4.水素様イオンのエネルギー準位はＪ＝1/2から1/2への遷移であるため、完全に等方的な強度分布を持ち、その偏光度は0である。一方、Ｌｙ−α1は一般に非等方であり、0でない偏光度を持つ。本研究では、量子化軸（ここでは電子ビーム）に対して90°方向から観測したＬｙ−α1とLy-α 2のA

（1）

（4）

アンプ

peak hold

（6）

除算器

（2）

（3）

アンプ

加算器

Pos out

level to pulse

（7）

（5）

peak holdEnlevel to pulse

（5）

（8）

comp

ﾊﾟﾙｽ発振器

ﾊﾟﾙｽ発振器

（6）

（9）

（11）

（12）

comp

ﾊﾟﾙｽ発振器

flip flop

NAND

delay

（10）

AA

B

｛V /(V + V )｝×10

B

（7）

A

B

3/2

1

1/2

1/22強度比を測定し、全立体角における放出強度と比較することによって
Ｌｙ−α1の偏光度を導出した。
3.2 測定測定には電子ビームイオントラップ （EBIT）［2］を用いた。 真空
アーク放電型イオン源により ＴｉイオンをEBITに導入した後、電子ビームによる逐次電離によって水素様Ｔｉを生成する。それに電子ビームを入射することにより、電子衝撃励起過程の観測を行った。観測方向は電子ビームに対して90°方向であり、電子ビームエネルギーは10.5keV,24.7keV,49.6keVの三点で行った。分光器は平板結晶分光器を用い、その結晶にはフッ化リチウム、検出器には位置敏感型比例計数管（PSPC)を用いた。
3.3 強度比の測定
図5にEe=10.5keVにおいて得られたスペクトルを示す。得られたスペクトルをフォークト関数にあてはめることにより、Ly-α2に対するLy-α1の強度を求めた。同様の測定をEe=24.7keV,Ee=49.6keVでも行なった結果と併せて表Ⅰに示す。
表Ⅰ.強度比の測定結果

図5.Ee=10.5keVにおいて得られたスペクトル2.5

Ly-α (2p１電子ビームエネルギー 強度比［Iα1/Iα2］
2.26±0.17

24.7keV2.10±0.162

相対強度10.6keV→１s）

3/2

Ｅｅ＝10.5ｋｅＶ

1.5Ly-α 2(2p1/2→１s）

1

LS_Voigt
counts

0.5

49.6keV2.01±0.17

02.4842.488

2.492 2.496
波長（Å）

2.52.504

表から分かるように、電子ビームエネルギーの上昇とともにLy-α2に対するLy-α1の強度比が減少するという傾向がみられた。
4 考察
一般に偏光度Pは、 I || ( ⊥) を電子ビームに平行(垂直)に偏光したX線の強度とすると、 P = ( I || − I⊥) / ( I || +I⊥ ) のように表わすことができる。また、観測される強度は、 R ||( ⊥) を電子ビームに平行(垂直)に偏光したX線に対する結晶の反射率とすると、 I obs = R || I || + R⊥I⊥ と表わされる。
これにより観測される強度比は、
 Iα1 obs R || I ||α1 +R⊥I⊥ α1I ||α1 (1+ RI α1⊥ / ||)==…①R || I ||α2 +R⊥I⊥ α2 I ||α2 (1+ RIα 2⊥ / ||) Iα 2 のように表わされる。ここで、 R = R ⊥ / R || 、 I⊥ / ||= I⊥ / I || である。また、全立体角に放出される強度を〈I〉とすると、電気双極子遷移においては、 I ∝ (I || +2I⊥ ) が成り立つため、①式は偏光度Ｐによって、 Iα1 obs
I α1 3 − P α 2 1 + P α1 + R ⋅(1− Pα1 )=⋅⋅…② Iα 2 I α2 3 − Pα1 1 + P α 2 + R⋅(1− Pα2 )と表わすことができる。ここで、Ｌｙ−α2に関しては偏光度が0、つまり、Ｐα２=0であるので、②式は、
 Iα1 obs
I α1
31 + Pα 1 + R ⋅ (1 − P α1 )


=
⋅
⋅
…③1+ R Iα 2 I α2 3 − P α 1となり、更にこれを変形すると、Ｐα1が以下のように表わされる。
  I α1 obs Iα1 3 ⋅(R + 1) ⋅ α2−IIα2 
Pα 1 =…④obsα1α1I I  − 3(R − 1)⋅(R+ 1)⋅ α 2 I Iα2③式により結晶の反射率の偏光特性と、全立体角に放出される強度比が既知の場合には、観測される強度比からLy-α1の偏光度が求められる。今回得られた測定結果から導出されるLy-α1の偏光度を図６に示す。ここで、全立体角に放出される強度についてはHULLACと呼ばれるコードを用いて、見積もりを行った。また、結晶の反射率に対する偏光特性ＲについてはB.L.Henke［3］による計算値により、R＝0.197を用いた。今回の実験で得られた偏光度は、
図6.水素 TiにおけるLy-αの偏光度理論同様電子ビームの上昇
0.5とともになだらかに減少す0.4る傾向が見られるが、理論
理論
実験結果0.3よりも小さい値となってい0.2ることが分かる。
Ee=49.6keV
偏光度21+0.1
Ee=10.6keV

05.まとめ
Ee=24.7keV水素様Tiにおける、Ｌｙα1-0.101020304050とLy-α2強度比をEe＝電子ビームエネルギー(keV)
10.6keV,24.7keV,49.6keVの三点で測定し、その結果から偏光度を導出した。また、観測に使用したPSPCのための位置演算回路を製作した。
［1］三浦望 多価イオンのＸ線分光に用いる位置敏感型比例計数管の製作(レーザー極限研究センター1999卒論）［2］西沢一生 多価イオンの分光を目的とした電子ビームイオン源の製作(レーザー極限研究センター1996修論）［3］B.L.Henke (At.Data.Nucl.Table 54,181,'93)