電⼦ ‐ 多価イオン衝突における共鳴励起過程の観測
中村信⾏研究室

1413068

児⽟ ⿓之介1 背景と⽬的
天体プラズマや核融合プラズマなどの⾼温プラズマ内には多価イオンが多く存在している。
多価イオンは分光診断に広く⽤いられていて、分光診断によってプラズマを理解するためにプ
図1.1

ラズマ中の様々な原⼦素過程を考える必要があ共鳴励起過程の流れる。しかし、プラズマ中には多数の元素が存在し、それぞれのイオンの密度や温度も様々であるためデータ量が膨⼤なものになる。そのため、様々な要素が複雑に絡んでいるプラズマのモデ
ル計算には理論計算で得られる断⾯積を⽤いる⽅法が⼀般的であるが実験での評価が求められる。その中でも、共鳴過程は、特定の電⼦ビームエネルギーで⼤きな反応断⾯積を持ち、価図1.2 Fe14+ における 3s3d 3 D3 への励起数分布や発光強度に影響してくる。今回、取り断⾯積の理論計算結果

扱う共鳴励起過程では、図 1.1における E1 とE2 のエネルギーが⼀致した時のみ、⾃由電⼦が捕獲され 2 電⼦励起状態になり、オージェ過2 実験

程を経て、初期状態と同じ価数のイオンの励起状態になる。この⼀連の過程を共鳴励起過程と実験の配置図は図 2.1のようになっている。実呼ぶ。共鳴励起過程はイオンの価数分布に影響

験は極端紫外領域であるため、多価イオン源ではしないが、プラズマ内の励起状態のポピュレある⼩型電⼦ビームイオントラップ (Compactーションや発光線強度に影響する重要な過程でElectron Beam Ion Trap：CoBIT)[1] に極端ある。このように共鳴過程を実験で観測するの紫外分光器を取り付けた。極端紫外分光器の回は正確なプラズマモデルのために重要である。

折格⼦には平⾯結像型不等間隔凹⾯回折格⼦

本研究の⽬的は図 1.2の理論計算によって得らを⽤いて、位置有感検出器 (Position Sensitive

れた Fe14+ の 3s3d 3 D3 への励起断⾯積におDetector：PSD) で光⼦を検出するごとに電⼦いて 100eV 〜 200eV 付近に現れる共鳴励起過ビームエネルギーを記録した。
電⼦ビームエネルギを掃引することで、発光程の観測を⾏い、実験データを提供することで強度の電⼦ビームエネルギーの依存性を測定ある。

することが出来る。今回の研究では先⾏研究の実験システム [2] を⽤いて、⽬的としている共鳴励起過程のエネルギー領域に合わせ、掃1

引波形の調整を⾏った。図 2.2に多次元同時計測システムの概略図を⽰す。このシステムは 3つの任意波形発⽣装置 (Function Generator：FG) と PC の波形を組み合わせることで電⼦ビームエネルギーを掃引できるようにしている。また図 2.3に実験で⽤いた掃引波形を⽰す。

tdump はトラップ領域に重元素イオンが溜まる
図2.3 電 ⼦ ビ ー ム エ ネ ル ギ ー の 掃 引 波ことを防ぐためのイオンを払い出す時間、tcook形 tcook =1600ms、tprobe =4ms、tkeep =16ms、はイオン⽣成時間、tprobe は電⼦ビーム掃引時

tdump =3600ms、掃引範囲 70 〜 220eV間、tkeep は掃引によって価数分布の変化を防ぐためのイオン保持時間となっている。tprobeと tkeep をセットで 1 サイクルとして、このサ3 結果および考察イクルを 100 回繰り返す波形を作り、共鳴励起過程の観測を⾏った。

図 3.1は横軸を波⻑とし、縦軸は上図が電⼦ビームエネルギー、下図が発光強度を⽰している。⾚⾊、橙⾊、⻘⾊の⽮印で⽰した位置がそれぞれ Fe13+ と Fe14+ 、Fe15+ の発光線を⽰している。Fe14+ と Fe15+ の発光線について、発光強度の電⼦ビームエネルギー依存性を図 3.2、
図 3.3に⽰した。どちらの図も縦軸は発光線の強度、横軸は電⼦ビームエネルギーを⽰してい

図2.1 実験装置の概略

る。図 3.2の波⻑ 23.39nm に関しては線幅が太くなっているため 2 つに分けて解析している。

図3.1 20 〜 27nm の発光線強度と発光線強度に対する電⼦ビームエネルギー依存性
図2.2

多次元同時測定システムの概略図 [2]図 3.2と図 3.3では特定の電⼦ビームエネルギーで発光線強度が強くなっている部分があ2る。例えば、Fe14+ の 22.72nm では 120eV 付
近と 140eV 付近、23.39nm では 120eV 付近、140eV 付近、また 24.38nm では 140eV 付近で発光強度が強くなっている。また Fe15+ においても 25.11nm においては確認できなかったが、26.30nm については 180eV 付近で発光強度の増⼤を確認できた。しかし、データの統計が悪いため確認できたが断定するまでには⾄らなかった。統計の改善には 3 つ⽅法がある。第 1 の⽅法は、測定時間を延ばすことである。測定時間を延ばすことで蓄積されるデータ量が多くなり統計の改善が⾒込める。今回の測定時間である 116 時間よりも 3 倍以上の測定時間を確保すれば統計が改善するのではないかと考えている。第 2 に電⼦ビーム電流の調整である。統計

図3.2 Fe14+ の発光線強度の電⼦ビームエが悪い要因として鉄多価イオンの発光線が弱いネルギー依存性ことがあげられる。発光線が弱い原因として鉄の多価イオンの⽣成量が少ないことがあげられる。これを解消するには、電⼦ビーム電流を上げてより多くのイオンを⽣成できる様にすれば鉄多価イオンの発光線の発光強度が増⼤し、統計が改善される可能性がある。しかし、掃引範囲が 70eV 〜 220eV といった低エネルギー領域であるため、⼤きく電⼦ビーム電流を変えるのは厳しい。統計の改善には電⼦ビーム電流を上げることは有効な⼿段であるが、今の実験システムでは難しい。第 3 に、実験のシステムの改善である。掃引することでトラップ領域の⼗分にイオンがトラップ出来ていない可能性がある。そのため、より多くのイオンがトラップ領域に留まれるよう、井⼾型ポテンシャルや掃引時間、掃引範囲などを再調整することで統計の改善を⽬指せる可能性がある。
図3.3 Fe14+ と Fe15+ の発光線強度の電⼦ビームエネルギー依存性3

4 今後の展望
先⾏研究 [2] より、低いエネルギー領域でFe14+ と Fe15+ の発光線について特定の電⼦ビームエネルギーにおける発光強度の増⼤を観測することができた。しかし、共鳴励起過程であると結論づけるには統計が悪い。今後は、まず、今回の測定結果の解析を進め、Fe14+と Fe15+ 以外の共鳴はないか確認する。また

Fe13+ と Fe14+ 、Fe15+ のみ価数同定できているので、他の各発光線に対しての価数同定を⾏う。Fe14+ と Fe15+ の遷移を同定し、理論との⽐較を⾏い考察していく。
実験はシステムの改善と統計の改善が中⼼となる。電⼦ビーム電流や井⼾型ポテンシャル、イオンン⽣成および保持時間における電⼦ビームエネルギー、そして、掃引時間やイオン保持時間の変更し、細かいパラメーターを調整、その後 Fe14+ と Fe15+ を観測する。今後も同じ
実験システムを⽤い、細かな調整を⾏うことで統計の改善を⽬指し、共鳴励起過程を観測する。

Fe16+ でも共鳴励起過程があるようなので、その観測も視野に⼊れつつシステムの改善を試みる。また、今回よりも低エネルギー領域における測定も⾏える環境を整えることで、また、今回よりも低エネルギー領域における測定も⾏える環境を整え Fe14+ の 22.72nm と 23.39nmの電⼦ビームエネルギーに対する発光線強度がより低いエネルギー領域で Fe14+ の 24.38nmや Fe15+ の 25.11nm、26.30nm のような挙動を⽰すのか確認できるようにしたい。

参考⽂献[1] 菊 池 浩 ⾏ ⽒

修⼠論⽂ 電気通信⼤学(2007)[2] 津 ⽥ 峻 志 ⽒

修⼠論⽂ 電気通信⼤学(2016)
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