Be 様 Ar イオンのプラズマアシストレーザー分光中村信行研究室宮 由輝

証した分光法である [2]。ここで「プラズマアシスト」と

1 序論

は、EBIT における電子衝突などのプラズマ原子過程を利用し、準安定状態に有意な占有密度を保つことを意味

1.1 電子ビームイオントラップ (EBIT)
EBIT の原理図を図 1 に示す。EBIT は電子銃、円筒する。この分光法は EBIT で生成、トラップされた準安状の電極であるドリフトチューブ (Drift Tube : DT)、定状態の多価イオンに対してパルスレーザーを照射してヘルムホルツ型超伝導コイル、電子コレクターで構成禁制遷移を起こし、その後のレーザー誘起蛍光 (Laserされている。DT は DT1、DT2、DT3 の 3 個に分割さInduced Fluorescence : LIF) を観測するというものでれている。DT1、DT2、DT3 には電圧を DT2 が DT1、ある。図 2 に示したのが本実験で対象とした Ar14+ のエネルギー準位図であるが、この場合図中オレンジ色矢印で示された遷移がパルスレーザーで起こされる遷移、青色矢印で示された遷移が LIF の遷移である。

図 1 EBIT の原理図

DT3 より低くなるようにかけられ、図 1 中の電位配置のようになっている。この電位配置によって電子銃から出た電子ビームは加速され、超伝導コイルの磁場によっ

図 2 Ar14+ のエネルギー準位図て圧縮されながら DT に入射する。DT によってかけられた電圧により生成された多価イオンは軸方向にトラップされる。さらに電子ビームの空間電荷ポテンシャルによっても多価イオンは径方向にトラップされ、三次元的この分光法ではレーザー遷移の遷移波長付近でレーにトラップされていることになる。トラップ領域内のイザーの波長を掃引することで LIF の強度変化が見られ、オンは電子の衝突を受けて逐次電離が進み多価イオンがその強度変化の様子からレーザーで起こされた禁制遷移生成される。逐次電離とは一つずつ電子を電離させていの遷移波長を決定することができる。また LIF の強度く方法だが、目的価数のイオンを中性原子から生成しよを時間分解測定することで LIF の遷移の上準位の占有うとするとその価数までのイオン化エネルギーの総和が密度の時間変化を見ることができ、それによって準位の必要である。しかし逐次電離の場合は目的価数の一つ前寿命を測定することが可能である [3]。の価数から目的価数にするためのイオン化エネルギー1.3

目的を与えれば良いので、低エネルギーで生成することがで本研究の目的は Ar14+ に対して時間分解プラズマアきる。実験では中程度の価数のイオンを生成することをシストレーザー分光を行い、準位 3 P2 − 3 P1 間の遷移波目的とした小型 EBIT(Compact EBIT:CoBIT) を使用長を測定することである。本研究手法はレーザーを用いした。

た能動分光であるが、分光器で測定した受動分光との比1.2 プラズマアシストレーザー分光法較も行う。さらに求めた LIF スペクトルの線幅からプラズマ中のイオン温度測定を行う。また 3 P1 の遷移寿

プラズマアシストレーザー分光法は Y. Ralchenko 氏命も測定し理論計算との比較を行う。

が 2017 年に提案し [1]、理化学研究所 木村直樹氏が実1

スケーラ (MCS) を使用しており、レーザーの照射から2 実験のセットアップ

Ar14+ の検出までの時間を記録している。

2.1 TAC と MCA による測定
LIF スペクトルと寿命測定は図 3 のような装置を用いた。Ar14+ を CoBIT で生成、トラップしパルスレーザーを照射する。レーザーは Nd:YAG レーザー

Gigashot を励起光とした色素レーザー Cobra-Stretchを使用した。照射されたレーザー光はフォトダイオードに入射し、その信号が時間波高変換器 (TAC) の STARTへ入 る 。ま た CoBIT 中の Ar14+ の発光は真空 紫 外図5(VUV) 分光器で記録され、検出された信号は TAC の準位 3 P1 の寿命測定の再実験で使用した実験装置の構成とフローチャート

STOP 信号へ入る。TAC は START と STOP の時間差をそれに比例した波高に変換する装置であり、マルチチャンネルアナライザ (MCA) で波高についてのヒスト3 結果と考察グラムとする。つまり、レーザーの照射から Ar14+ の33.1検出までの時間を記録している。

3.1.1

P2 −3 P1 間の遷移波長測定
LIF スペクトルによる測定

図 6 はレーザー波長が 594.5515293 nm の時の VUVスペクトルと時間分解測定の例を示している。図 6(a)図 3 LIF スペクトルと準位 3 P1 の寿命測定に使用した実験装置の構成とフローチャート
図 6 LIF ス ペ ク ト ル 取 得 の 流 れ 。(a)VUV 分 光

2.2 可視分光器による測定

器 の 測 定 範 囲 全 体 を 測 定 し た ス ペ ク ト ル (5 分 間)

可視分光器による測定は図 4 のような装置を用いた。

(b)Ar14+ の 3 P1 − 1 S0 の発光線付近だけを切り取って測定したスペクトル (1 時間) (c)(b) を時間分解測定した様子 (1 時間)

この装置は CoBIT で生成された Ar14+ を VUV 分光器で確認しながら可視分光器で測定するものである。

は VUV 分光器の測定範囲全体を 5 分間測定したもの、(b) は Ar14+ の 3 P1 − 1 S0 の発光線付近だけを切り取って 1 時間測定したものである。そして (c) は Ar14+ の

P1 − 1 S0 の発光線を時間分解測定したものであり、レーザーが照射した後 LIF でカウントが増えて、徐々にカ3ウント数が減衰している様子が見られる。LIF の強度は
図 6(c) の点線内の範囲 (143-157 ch) にあるカウントの合計とした。一方で図 6(b) を見てわかるように目的の発光線とは異なるバックグラウンド成分があるので、そ図4

可視分光器による P2 − P1 の遷移波長の測定
3の成分を取り除く必要がある。さらに長時間測定を続け3るにつれ CoBIT 内の Ar14+ の量やレーザーパワーの減に使用した実験装置

少があるため、LIF スペクトルのデータは図 6(c) の点線内の合計カウント (LIF カウント) からバックグラウ

2.3 MCS による測定
寿命測定の再実験には図 5 のような装置を用いた。こンドのカウントを引き、Ar14+ の量とレーザーパワーでの装置では TAC と MCA ではなくマルチチャンネル規格化したものとした。レーザー波長を掃引して得た結2

果について、以上のデータ処理を実施すると図 7 の LIF

遷移波長の不確かさ ∆λvis はフィッティングによるスペクトルが得られる。フィッティングに使用した関数

波長の不確かさ ∆λf itting,vis 、波長較正をした際に生まれる不確かさ ∆λcalib.,vis 、標準ランプの位置の再現性による不確かさ ∆λRP C,vis を用いて、√∆λvis =(∆λf itting,vis )2 + (∆λcalib.,vis )2 + (∆λRP C,vis )2と し た 。結 果 と し て 3 P2 − 3 P1 間 の 遷 移 波 長 は594.55(4) nm と求められた。
遷移波長の文献値は 594.5526(2) nm であり [4]、矛盾のない値を求めることができた。さらに図 8 から LIF
スペクトルが可視分光器によるスペクトルより細い線幅で測定できていることがわかり、レーザー分光の利点を示すことができた。

図 7 LIF スペクトル

スペクトルの線幅の拡がりには複数の要因があるが、レーザー分光ではドップラーによる拡がりが支配的であは f (x) = a exp{−4 log 2(x − b)2 /c2 } であり、a、b、cるため、プラズマ中のイオン温度を式 (1) から求めるこはそれぞれガウス関数のピークの高さ、中心、半値全幅とが可能である。

を示している。
遷移波長の不確かさ ∆λLIF はフィッティングによる

Ti =波長の不確かさ ∆λf itting,LIF 、波長計によるレーザー
波長の不確かさ ∆λlaser,LIF を用いて、と し た 。結 果 と し て(∆λλ0)2(1)

図 7 の LIF ス ペ ク ト ル の 線 幅 か ら 温 度 を 求 め る と24(5) eV となった。これは予想された値より低いが、∆λLIF = ∆λf itting,LIF + ∆λlaser,LIF
3

M i c28kB ln 2

その理由としてトラップ領域にある低価数の Ar イオン

P2 − P1 間 の 遷 移 波 長 は3や酸素、炭素、窒素イオンがトラップ領域から熱とと594.551(2) nm と求められた。

もに出て行くことにより冷却される蒸発冷却だと考察

3.1.2 可視分光器による測定結果及び比較した。

可視分光器による測定で得られたスペクトルと LIF

3.2

スペクトルとの比較を図 8 に示す。可視分光器による

3.2.1

寿命測定

TAC と MCA による測定

図 9 に LIF 強度の減衰の様子を示す。横軸は LIF 強度のピークを 0 ns としたもの、つまりレーザーが照射された時間を 0 ns としたのちの時間を示している。フィ

図 8 LIF スペクトル (上) と可視分光器によるスペクトル (下) の比較

図 9 LIF 強度減衰の様子

スペクトルのフィッティングに使用した関数は f (x) =a exp{−4 log 2(x − b)2 /c2 } + dx + e であり、a、b、c はそれぞれガウス関数のピークの高さ、中心、半値全幅、ッティングに使用した関数は f (x) = a exp(−x/b) + cd、e はそれぞれバックグラウンドの一次関数の傾きとである。フィッティング結果から 223(13) ns と求めら切片を示している。

れた。

3

の一つとして挙げられる。

3.2.2 MCS による測定
図 10 に結果を示す。フィッティングに使用した関数

4 結論
本研究ではプラズマアシストレーザー分光法によってAr14+ の 3 P2 − 3 P1 間遷移波長測定と 3 P1 の寿命測定を行った。さらにその結果からプラズマ中のイオン温度測定も行った。
遷移波長測定はレーザーを使用した能動的な測定方法で求めることができ、求めた波長は文献値と矛盾のない結果であった。また、LIF スペクトルの線幅からイオン温度求めることができた。そのため、本研究手法でそれらを測定できるという技術的に意味のある結果を示すことができた。実験で求めた遷移寿命はどの理論計算結果
図 10

再実験の LIF 強度減衰の様子よりも小さな値で寿命が求められた。その理由を特定するまでには至らなかったが、理論計算でのみ調べられては f (x) = a exp(−x/b) + c である。フィッティング結いた寿命を実験で求めることができたという物理的に意果から 267(10) ns と求められた。

味のある結果を得ることができたと考える。

3.2.3 実験結果との比較

今後の展望として、同様の手法を適用できるような多表 1 に遷移寿命の実験結果と理論計算結果を示す価イオンに対して実験を行い、これまで実験で求められ[5, 6, 7, 8, 9]。本実験で求めた寿命はどちらも表 1 のていなかった寿命の測定を実施できると良いと考える。

表1

また研究室が有する高エネルギー EBIT、Tokyo-EBIT

遷移寿命の実験結果と理論計算結果で行うことでより高価数のイオンの実験や磁場が大きい

寿命 [ns]時の実験が可能になるため、本研究とは異なる様子が見

実験 (MCA+TAC)

223(13)られると考える。

実験 (MCS)

267(10)

理論計算 (Coulomb Gauge)

参考文献

理論計算 (Babshkin Gauge)

323
341

P. Jönsson(Coulomb Gauge) [5]333.7

Section B: Beam Interact. Mater. Atoms 408, 38–

P. Jönsson(Babshkin Gauge) [5]350.441 (2017) .

K. M. Aggarwal(GRASP156) [6]375[2] N. Kimura et al., Commun. Phys. 6, 8 (2023) .

K. M. Aggarwal(DFS46) [6]371.9[3] N. Kimura et al., Phys. Rev. A 107, 022805 (2023)

Z. K. Huang [7]343.6

Y. Ralchenko [8]329K. T. Cheng [9]365[1] Y. Ralchenko, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.

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[4] R. S. Orts et al., Phys. Rev. Lett. 97, 103002(2006) .
[5] P. Jönsson, C. F. Fischer, E. Träbert, J. Phys. B:

全ての理論計算より短い結果となっているため、その原

At. Mol. Opt. Phys. 31, 3497 (1998) .

因について考察する。量子力学で原子構造を考える時、[6] K. M. Aggarwal, F. P. Keenan, S. Nakazaki, A &原子番号 Z が小さい時に良い近似である LS 結合と ZA 436, 1141–1150 (2005) .

が大きい時に良い近似である jj 結合の二つの考え方が存在する。今回測定したのは 3 P1 → 1 S0 という LS 結

[7] Z. K. Huang et al., Astrophys. J. Suppl. Ser. 235,2 (2018) .

合においては異重項間の禁制遷移であるため、その寿命[8] Y. V. Ralchenko, L. A. Vainshtein, Phys. Rev. A

31には P1 と P1 との混合がどの程度であるか、つまり52, 2449–2452 (1995) .

LS 結合的描像からどの程度ずれているかが重要となる。

[9] K. T. Cheng, Y. K. Kim, J. P. Desclaux, At. Data

Z = 18 の Ar の場合、LS 結合から jj 結合へ変化する

and Nucl. Data Tables 24, 111–189 (1979) .

3

1中間領域であり、 P1 と P1 の微妙な混合係数の変化が寿命の値に大きな影響を与える。そのため、正確な理論計算が困難となることが実験と理論計算が合わない理由

4