タングステン多価イオン発光線の観測
中村信行研究室

氏名：簑島 真希

平成 25 年 3 月 8 日

１．背景と目的

逐次電離により多価イオンとなって発光す2020 年の運転開始を目指して建設が進る。観測ポートの窓を通過した光は両凸レめられている国際熱核融合実験炉 ITER でンズにより、分光器のスリットに集光されは、プラズマ対向壁やダイバータの材料でる。分光器は反射型平面回折格子を用いてあるタングステンのプラズマへの流入量やおり、その配置として Czerny-Turner マウ流入経路を分光診断により正確に把握し、ントを採用している。

制御することが重要である。しかしながら、分光診断に必要なタングステン多価イオンの分光データは極めて不足している状態にある。本研究では、対象とするタングステン多価イオンの価数に応じて、Tokyo-EBIT[1]および CoBIT[2]と呼ばれる 2 台の電子ビームイオントラップ（Electron Beam IonTrap：EBIT）を用いて、可視領域における
図 1 可視分光測定の配置図

タングステン多価イオンの分光データを広範な価数にわたって蓄積し、ITER における将来のプラズマ診断に貢献することを目【スペクトルのエネルギー依存】的としている。

本研究では、過去に報告例のない未同定発光線を対象としてスペクトル測定を行い、電子ビームエネルギーに対する依存性を調２．タングステン多価イオンの可視スペクトル測定べることで、その発光線のイオンの価数を同定した。例として、過去に CoBIT を用い【実験装置】て得られたスペクトルを図 2 に示す[3]。図可視スペクトル測定をするための実験装中、左側に記したのはスペクトルを得た際置の配置図を図 1 に示す。の電子ビームエネルギーと、そのエネルギ試料には、減圧化で容易に昇華するタンーで生成されるタングステン多価イオンのグステンヘキサカルボニル W(CO)6 を用い最高価数である。また、W12+と W13+を生成た。W(CO)6 は可変リーク弁を用いてするために必要なイオン化エネルギーを共CoBIT へ導入し、電子ビームの衝突によりに示す。

W(CO)6 分子から解離したタングステンは、
1例えば、この例で示されているように、のとき初めて現れており、電子ビームエネ電子ビームエネルギーを 220eV から 250eV

ルギーが 880eV のときには観測できていなに上げると、497[nm]付近に新たに発光線い。そのため、本研究ではこの矛盾を確かが現れる。このとき、W11+のイオン化エネめるために、電子ビームエネルギーをルギーが 231.6eV であることを考慮すると、780eV－1100eV までより細かく変化させ、この発光線は W12+のものと同定すること追試実験を行った。その結果を図 3 に示す。

ができる。同様に、電子ビームエネルギーを 250eV から 280eV に上げた際に現れた

780eV

495[nm]付近の発光線は W13+のものと同定
830eVできる。このような同定法の有効性についIntensity(arb.unit)ては、過去の実験[4]により確かめられている。
220eV

イオン化エネルギー
W11+ → W12+：231.6eV

W11+W12+ → W13+：258.2eV

250eV

250eV

880eV
905eV
950eV

W12+

1000eV
280ev

280eV

470

W13+

480

1050eV
490

500

510

520

Wavelength[nm]

図2340

360

3804001100eV

Wavelength[nm]

過去に CoBIT で得られたスペクトル

図 3 W26+と W27+の発光線観測を目的とし【W26＋と W27＋の測定】

た電子ビームエネルギー依存スペクトル

電子ビームエネルギーを 770,880,1050,1100,1200eV に変化させ、W27+の 2F5/2→

図中の赤色の矢印は W26＋、青色の矢印は2F7/2 遷移および、W26+の 3H5→3H4 遷移をW27＋の発光線をそれぞれ示している。矢印

観測した実験結果が上海 EBIT グループので示した発光線について波長を求めた結果

Z.Fei らにより 2012 年に報告された[5]。

および、過去に報告されている実験値と理論値を表 1 にまとめた。

上記で記したように、W25+のイオン化エネルギーが 784.4eV、W26+のイオン化エネ
ルギーが 833.4eV であることを考慮すると、

表 1 W26+と W27+の発光線の波長

W26+と W27+の発光線はそれぞれ電子ビー
ムエネルギーが 784.4eV、833.4eV を超えPresentたところで現れるはずである。しかし、Previous

Z.Fei らの報告によると、W27+の発光線については電子ビームエネルギーが 1050eV

Theory2W26+[nm]W27+[nm]

389.64337.83389.41±0.06

337.743±0.026

[6]

[5]

388.434 [7]338.180 [5]W26+では 830eV、W27+では 880eV とい測定した波長領域（500－560[nm]）におずれも、イオン化エネルギーを超えた電子いて、14 本の未同定発光線を観測することビームエネルギーのところで、それぞれのができた。そのうち、緑色の矢印で示した発光線が現れており、Z.Fei らの同定が正し7 本の発光線について波長決定を行い、そいことが確認できた。このとき、波長の値の結果を表 2 にまとめた。に差が大きいのは、今回の測定における波表 2 観測されたタングステン多価イオン

長決定が外挿となっており、誤差が大きいためと思われる。の可視領域遷移波長
価数

波長[nm]

W15+539.60

について W14+－W27+を対象に、未同定発光

W19+542.81線の波長決定を目的としたスペクトル測定

W21+534.24を行った。測定したスペクトル結果を図 4,5

W23+534.01に示す。

W24+

528.14320eV（W14+）

W25+

521.73350eV（W15+）

W26+

501.96【未同定発光線の波長決定】
本研究では、500nm－560nm の波長領域

Intensity(arb.unit)

370eV（W16+）
410eV（W17+）
450eV（W18+）

３．遷移寿命測定

490eV（W19+）

EBIT では、強磁場で圧縮した電子ビー

535eV（W20+）

ムの空間電荷によりイオンをトラップする

580eV（W21+）500

図4Wavelength[nm]560が、電子ビームを遮断した後も、軸方向のW14+－W21+のスペクトル測定結果

強磁場によりイオンをある程度の時間トラップし続けることが可能である。電子ビー
ムを遮断し磁場のみによるトラップになる

580eV（W21+）と、電子衝撃による電離や励起も起こらなIntensity(arb.unit)

630eV（W22+）

くなるため、その後の発光強度の減衰を観670eV（W23+）測することで遷移寿命を測定することが可
720eV（W24+）能である。CoBIT では、磁場のみでのトラ
770eV（W25+）

ップを行うのに十分な磁場強度がないため、
820eV（W26+）

500

図5

Wavelength[nm]より高い磁場を発生することのできる

870eV（W27+）

Tokyo-EBIT を用いて、遷移寿命の測定を560行った。遷移寿命測定の配置図を図 6 に示

W21+－W27+のスペクトル測定結果す。
3

9.20±0.16[ms]
図 6 遷移寿命測定の配置図
干渉フィルターを用いることで、電子ビームで生成されたイオンからの発光のうち、
図 7 Ar13+(2P3/2-2P1/2)の遷移寿命測定結果測定対象の波長帯のみを通すようにした。
干渉フィルターを通った光は、光電子増倍管（Photomultiplier Tubes：PMT）に入射今回の測定値と過去に報告されている測させ、PMT からの電気信号はプリアンプと定値の比較を図 8 で示した。赤色で示したアンプによって増幅させる。増幅された信データは今回の測定値であり、黒色で示し号をシングルチャンネルアナライザたデータは過去に報告されている測定値で（Single Channel Analyzer：SCA）を用いある。Heidelberg[8]，LLNL[9]，NIST[10]てノイズ信号と分離し、マルチチャンネルはいずれも EBIT を用いて測定されたもの

アナライザ（Multi Channel Analyzer：であるが、一番右のデータは Kingdon

MCA）にてそれらを積算する。

Trap[11]を用いて測定されたものである。

また、分光器によるスペクトル測定を同

この結果から、過去の測定値を再現して時に行うことで、フィルターの透過波長域いることが確認できた。

内に他の遷移による発光が含まれていないことを確認しながら測定を行った。
Lifetime[ms]10【実験装置と評価の方法】
今回立ち上げた測定装置と測定方法を評価するために、過去に報告例のある Ar13+9.5
98.58(2P3/2-2P1/2)における発光線の遷移寿命測

Heidelberg

NIST
LLNL

present

KingdonTrap定を行った。図 7 に測定結果を示す。
図 8 過去の測定値との比較

4

【W52+の遷移寿命測定】【時間分解能測定】
EBIT による測定では、電子ビームを遮次世代のトカマク型核融合プラズマでは、断する時定数などにより ns のような短寿

高電子密度で高電子温度 Te≧10keV で作動命遷移の測定は困難であるが、数 10µs からすると予想されている。そのため、Feldman

ms 程度の寿命を持つ遷移には有用である[12]らは電子温度が 10keV 程度の高温プラとされている。

ズマにおいてプラズマ診断に使うことがでこの装置の遷移寿命測定における時間分きる可視領域の発光線を理論的に探索した。

解能を評価するために、酸素を EBIT 内に彼らは、イオン化エネルギーが 5－10keV導入し、遷移寿命の短い E1 遷移の寿命測程度の多価イオンの基底状態微細構造間遷定を行った。通常、DT1 と DT3 を DT2 よ移の発光線の中から、250nm 以上の波長領りも高い電圧をかけることにより多価イオ域に現れ、崩壊分岐比が大きく十分な発光ンをトラップするが、今回は DT1 と DT3強度を得られる発光線を探した。そのようを DT2 よりも低い電圧にすることで多価な条件を満たす遷移として彼らはチタン様イオンをトラップできないようにした。そ多価イオンの(3d4)5D2－5D3 遷移を見出しの結果を図 9 に示す。

た。本研究では、この遷移を対象に寿命測定を行った。その結果を図 10 に示す。

0.71±0.04[ms]図 9 時間分解能測定結果
図 10 W52+の遷移寿命測定
図 7 にあるように、アルゴンの測定では減衰曲線を描いていたが、今回のように遷

電子ビーム遮断後の減衰曲線から遷移寿移寿命が短い酸素の発光では、電子ビーム命を求めた結果、0.71±0.04[ms]となった。

を遮断した瞬間に脱励起していることがわ

この遷移寿命に対する理論値を表 3 に示す。

かる。この測定は、1ch あたり 25[μs]で行っており、装置の時間分解能は測定対象である ms 程度より十分小さいことが確認できた。
5

表 3 W52+に対する遷移確率の理論値Feldman(th)[12]0.593[ms]Beck(th)[13]

0.677[ms]Kato(th)[14]0.705[ms]Present(ex)0.71 ± 0.04 [ms]500－560[nm]の波長領域において、W14+－W27+のタングステン多価イオンからの未同定の発光線を確認し、その中から 7 本の発光線についてイオンの価数と波長を決定することができた。
遷移寿命測定では、プラズマ診断に有効とされるチタン様タングステン多価イオン

ここで、W52+のエネルギー準位は図 11の遷移寿命測定を行った。その結果、J=2のようになっている。このとき、ΔJ にお－3,J=4－3 の両遷移を考慮することで、既ける選択則ΔJ=0,±1 を考慮すると、図 11に報告例のある理論値と近い値であることのように J=3 準位は J=2,4 いずれの準位にが確認できた。

も遷移が可能である。そのため、今回測定

今後は、スペクトル測定において、追試した遷移寿命は J=2－3，J=4－3 の両遷移を行うともに、可視領域のより長波長側なの合計での遷移寿命であったと考えられる。

ど、まだ観測の行われていない部分につい表 3 の理論値はこのことを考慮したものでても引き続き観測を行っていく予定である。

ある。

また、遷移寿命測定においては、他の価数についても測定し、より多くの遷移確率のデータを蓄積する必要がある。

参考文献[1] F.J.Currell et al., J.Phys.Soc.Jpn.,65 10 (1996)[2] N. Nakamura et al., Rev.Sci.Instrum, 79 063104 (2008)[3] 左古田氏修士論文

電気通信大学[4] N. Nakamura et al., Rev.Sci.Instrum, 79 063104 (2008)[5] Z. Fei et al.,Phys Rev A, 86 062501 (2012)

図 11 J=3 からの遷移[6] Akihiro KOMATSU et al., Plasma and Fusion Research, 71201158 (2012)[7] to be published Physica Scripta

４．結論と今後の課題[8] A. Lapierre et al., Phys Rev Lett, 95 183001 (2005)

本研究では、ITER での将来のプラズマ[9] E. TRÄBERT et al., THE ASTROPHYSICAL JOURNAL,診断に貢献するために、タングステン多価541:506-511 (2000)

イオンの分光測定を行った。

[10] F G Serpa et al., J.Phys. B, 31 3345 (1998)

可視領域のスペクトル測定においては、
上海 EBIT を用いて得られた W27+における[11]D. P. Moehs et al., Phys Rev A, 58 1111 (1998)

発光線について追試実験を行い、Z.Fei らの[12] U. Feldman, J. Opt. Soc. Am. B 8 3 (1991)[13] D.R. Beck, Phys. Rev. A 60 3304 (1999)

同定が正しいことが確認できた。さらに、[14] D. Kato, J. Chin. Chem. Soc. 48 525 (2001)

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