多価イオンの極端紫外域スペクトルの観測
量子・物質工学専攻

中村信行研究室渡辺越至

多価イオンとは原子から電子を 2 個以上遷移層と呼ばれる領域にあるが、そこでは取り去ったイオンのことで取り去る電子が10 価程度の鉄多価イオンが多く存在し、そｑ個のときこれをｑ価の多価イオンという。

れらのイオンによる極端紫外領域の光が分例としてアルゴン原子から 8 個の電子を取光診断に利用されている。図 2 が実際にこり去ると 8 価のアルゴン多価イオンとなる。の領域で「ひので」によって観測された 200

電子を取り去るのに大きなエネルギーを必Å付近の鉄 12 価のスペクトルである。「ひ要とするため地上のような低温環境には存ので」による分光診断では観測したスペク在しないが、天体プラズマや核融合プラズトルとモデル計算との比較により行われてマのような高温プラズマ中には多く存在しおり、モデル計算が分光診断の精度を決めている。そのため、様々なプラズマを理解ている。

するために重要なものとなっている。
現在、太陽観測衛星「ひので」によって

Fe XIII203.8Å
203.2Å

鉄多価イオンの極端紫外域の発光による太204.3Å

202.0Å

陽大気の診断が行われている。図 1 に太陽

196.5Å

209.9Å
204.9Å

大気の電子密度と温度を示す。これからわかるように、太陽の表面付近では温度が200.0Å
209.7Å

6000 度程度であるのに対し、上空のコロナでは数百万度にまで加熱されている。この
コロナ加熱と呼ばれる現象は、いまだに説

196201206211

図 2. 200Å付近の鉄 12 価のスペクトル[2]明することのできない謎となっている。
モデル計算は衝突輻射モデルに基づき行われるが、そこで使われる放射、電離、再結合などの速度係数は実験による評価を受けていない計算値でありその正確さはあまりわかってはいない。使用するデータによって、計算の結果が大きく異なることもある。例えば図 3 に Fe XIII におけるライン強度比の密度依存の理論値を示す。左図は
図 1.コロナ加熱の様子[1]203.8Åと 202.0Åのライン強度比であり、いずれの計算結果でもほぼ一致しているが、この謎を解く鍵は、急激に温度が上がる

右図の 204.3Åと 202.0Åの強度比では計算によって大きな差異がある。どの計算が(CoBIT)[4]を用いて実験を行った。CoBIT正しいかを知るために実験による計算の評は最大電子ビームエネルギー2.5keV、最大価が必要とされている。そこで本研究では電子ビーム電流 20mA 程度であるが、原子実験室の良く定義された条件下で得られる番号 26 番の鉄多価イオンの場合 24 価まで10 価程度の鉄多価イオンのスペクトル観生成可能である。また、低エネルギー、低測を行い、スペクトル強度比の電子密度依磁場仕様のため装置全体の大幅な小型化が存性をモデル計算と比較した。

可能となっている。さらにコイル材に高温超伝導線を用いることで液体ヘリウムよりも安価な液体窒素のみでの運転が可能である。図 4 に CoBIT 全体の概略図を示す。

図 3.Fe XIII の計算結果の比較[2]10cm液体窒素容器

超伝導コイル

イオントラップ

本実験で用いた多価イオン源は電子ビー
電子銃

ムイオントラップ（EBIT）[3]である。EBITはドリフトチューブと呼ばれる円筒電極がＣｏＢＩＴの断面図作る井戸型のポテンシャルと超伝導コイル
図 4.CoBIT 全体の概略図

が作る磁場によって高密度に圧縮された電子ビーム自身が作る空間電荷によってイオンを 3 次元的にトラップし、そこへ電子ビ

我々の研究室ではこれまで CoBIT ではームを照射することによって逐次電離によ可視分光しか行われていなかった。EUV 分り多価イオンを生成する装置である。電子光は Tokyo-EBIT において行われたことがビームのエネルギーを調節することによっあるが、他の研究室から借りてきた分光器て望みの価数の多価イオンを作ることが可により行われた程度であった。本研究のた能である。また、EBIT は単色電子ビームめには、CoBIT 専用の EUV 分光器が必要とトラップイオンからなる単純なプラズマであるため、新たな分光器の立ち上げを行であり、モデル計算の試験に最適であるとった。

言える。

図 6 に分光器の概略図を示す。まず分光我々の研究室には現在２種類の EBIT が素子は島津製作所社製で溝本数は 1200 本

あ る が 、 本 研 究 で は 小 型 の EBIT 通 称/mm の不等間隔凹面回折格子とした。EUV

領域では鏡面反射率が悪いため集光と分散造としている。の機能を持つ凹面の回折格子を斜入射に配置して反射率を高くする必要がある。また、
CCD など平面の検出面を持つ検出器を使用可能なように計算して不等間隔に刻線されている。図 5 の写真のように回折格子は2 軸のゴニオメーターにマウントされ真空の外から角度を微調整できるようになっている。

+20mm～-20mm

回折格子

図 6.分光器全体の概略図

分光器が完成し測定をしてみたところ、
図 7 上図のように迷光がひどくて測定にな2軸ゴニオメーターらなかった。CoBIT は Tokyo-EBIT に比べ

図 5.回折格子の写真て電子銃からトラップ領域が近くどうしても電子銃のカソードの光が迷光として入っ

回折格子と CCD の位置関係が機械的精度で決められるように、分光器全体を 1 枚の板上に乗せ、それを XY ステージ上に配置し、位置の微調を可能となるようにした。
回折格子と CCD の乗せられた板は、回折格てきてしまう。その解決のため、図 8 のような遮光板を取り付けた。これにより図７
下図に示すように迷光を大幅に遮断することに成功した。
Before子を中心に回転できるようになっており入射角度の微調整ができるようになっている。
CCD 自体も結像平面で±20mm の移動が可能で約 5～35nm の波長範囲のスペクトルを観測することができる。CCD は背面照After射型で 20 ミクロンのピクセルが縦 400×横1340 に配置されている。光源である EBITの電子ビームが線状であるため、それをスリットとみなすことによりスリットレス構

図 7.遮光板を取り付ける前後の測定例

Fe XIFe XIIFe X

Ee=300eV

5Fe IX
Ma x位

3°200Å
50Å

置300 ÅMin位置Fe XIII図 8 遮光板の配置

Ee=400eV

Fe XII

実験装置全体を図 9 に示す。CoBIT 本体のドリフトチューブ内で生成した多価イオンからの発光を分光器へと導き、極端紫外域スペクトルを観測する。2 つの観測ポー

Fe XV

Ee=500eV

Fe XIV

トには電子ビーム径を測定するための装置を設置して、スペクトル観測と同時にビーム像の測定も行い、電子密度も求めた。

150200

Wavelength[Å]250

図 10.鉄多価イオンスペクトルのドリフトチューブ（DT）

エネルギー依存測定
ガス導入器
CCD

CCD
Grating

EUV pinhole
電子ビーム

EUV spectroscopy
Visible image

K-cell

目的とするライン強度比の電子密度依存性を測定するために、電子ビーム電流を変化させて測定を行った。例として電子ビー

図 9.実験装置全体図

ムエネルギー400eV で得られた 200Å付近の Fe XIII のラインの電流依存性を図 11 に得られたスペクトルの例を図 10 に示す。

示す。ラインが完全に分離できないため、電子ビームのエネルギーを変えることによフィッティングにより相対強度を求めた。

り、生成する多価イオンの価数分布も変わ

なお、ピーク関数はガウシアンを用い、各っていく様子がよくわかる。この中で今回ピークの幅は等しいとした。

は特に、他の価数のラインとの重なりの少ない青い点線で囲った部分に注目した。

300

Ie=5mA
ne~5.6×109cm-3

D C

Ａが電子の空間分布、下図がイオンの空間分布を表している。半値幅はそれぞれ 0.39ｍ

Bｍ、0.42ｍｍと求められ、そこから得られた実効的な電子密度は 1.4×1010ｃｍ－3 となった。

Intensity

Ie=10mA
ne~1.4×1010cm-3CCD
スリット

Ie=15mA
ne~1.6×1010cm-330mm

318mm

レンズ

19 82 0020 220 420 6CCD

208

Wavelength[Å]図 11.200Å付近の電子密度依存性

125mm518mm

図 12.ビーム像測定装置

電子密度を決めるため、スペクトル観測と同時に EUV 発光の空間分布を調べるこ
電子の空間分布とにより電子ビーム径の測定を行った。
EUV 領域の発光は寿命が短いため電子ビーム衝突により励起されるとその場で発光する。よってその発光分布は電子の空間分布を表していると考えられる。これにより求めた電子ビーム径と電流計により測定した電流値を使えば電流密度が決まるが、イオンの感じる実効的な密度はイオンの空間-1-0.500.5

10r[mm]0.51

イオンの空間分布分布（電子の空間分布との重なり）によっても変化する。そこで可視光の発光分布を調べることでイオンの空間分布を調べた。
可視領域の光は寿命が長く、電子ビームの外でも光るのでその発光分布はイオンの空間分布を表していると考えられる。それぞれ図 12 のような装置を用いて測定をした。
例として図 13 は 400eV、10mA 時のそれぞれの空間分布を測定したものである。上図-1-0.5

図 13.それぞれの領域のビーム像

以上により求めた電子密度の値と強度比

本研究では、10 価程度の多価イオンを効の関係を図 14 に示す。これは、400eV で率良く生成できる小型 EBIT に専用の EUV得られた鉄 12 価のライン強度比である。横分光器を設置し、太陽の大気診断で使われ軸が電子密度、縦軸が強度比で、曲線が計るモデル計算を検証するための分光システ算値となっている。203.8Åのラインの近くムを立ち上げた。そして、鉄の 12 価及びには今回の測定では分解できない微弱なラ13 価においてモデル計算との比較を行っインがあり、点線はそれらを考慮に入れたた。モデル計算はおおよそ実験値を再現し計算値である。ラインの重なりの影響を考たが、ラインの重なりや実験誤差などを改慮に入れると計算が実験を良く再現してい善して精度を上げる必要がある。

ることが分かる。
参考文献
5Fe XIII[1]http://hinode.nao.ac.jp/panf/make_coro(203.8Å+203.2Å+204.3Å)/202.0Å

na.shtml

4Line intensity ratio

203.8Å/202.0Å

3[2]T.watanabe et al , APJ , 692:1294-1304(2009)

2

1[3]M.A.Levine,R.E.Marss,J.R.Henderson,
200.0Å/202.0Å

08101091010
electron density[cm-3 ]10111210

D.A.Knapp,andM.B.Schneider, Physica
Scripta T22, 157 (1988)

図 14.Fe XIII の計算値との比較[4]菊池氏修士論文、電気通信大学(2007)
同様に 500eV で得られた鉄 13 価のライン強度比に対する結果を図 15 に示す。大よそ計算は実験値を再現しているものの実験誤差の大きいところもあるのでさらに精度を上げていく必要があると考えられる。
3Fe XIV264Å/274Å

Line intensity ratio

2.52219Å/211Å

1.5270Å/274Å

10.50

10 8

10 9

10 10
electron density[cm -3 ]10 11

図 15.Fe XIV の計算値との比較

10 12