ホルミウム多価イオンの発光線の観測
中村信行研究室1.

序論

島谷太一に生成される電子ビームエネルギーの決定

今日までの物理学は、物理定数を不変と及びその発光線が観測された。

みなしたうえで様々な現象を定義してきた本研究では、先行研究で観測されたHo14+が、近年その物理定数が変化していることの発光線の遷移準位を同定することを目的が示唆されており、その一つが微細構造定とし、Ho14+の発光線の電子ビームエネルギ数(α = e2 /ℏ𝑐)である[1]。α の経年変化を確ー依存性を細かく測定した。

かめる方法の一つに、光学遷移周波数の精密測定がある。最新の実験では、α 依存性++の異なる Al と Hg の遷移周波数を比較する-17ことで、α の値が 10 /年程度の範囲で変化しないことが実証された[2]。

2.

実験装置

2.1 電子ビームイオントラップ
Ho 多価イオンは、図 1 で示した小型 EBIT
(Compact EBIT : CoBIT)で生成した。EBIT

さらに高い精度でαの経年変化を探るたは、電場によってイオンを閉じ込め、そこめ、多価イオンを使った遷移周波数の精密に電子ビームを衝突させて価電子を逐次的14+測定が注目されており[3]、中でもHoは可に電離させることで多価イオンを生成する。

視領域に有用な遷移をもつとしてα変動検トラップ領域に導入された原子は電子ビー知実験への利用が提案されている[4]。

ムの衝突を受けてイオン化し、ドリフトチ

Dzubaらにより該当の遷移周波数が理論的ューブ(Drift Tube : DT)と呼ばれる円筒電極に求められたが[4]、無数の微細構造準位をが作る井戸型ポテンシャルと電子ビームがもつ複雑な多電子イオンのエネルギー準位作る空間電荷ポテンシャルで 3 次元的に閉を正確に計算するのは容易ではないため、じ込められる。生成された多価イオンの発実験による検証が必要となっている。

光線は、トラップ領域に設けられたスリッ

そこで本研究では、多価イオン源である

トより観測される。

電子ビームイオントラップ（Electron BeamIon Trap : EBIT）を用いてHo多価イオンの分光測定をし、Ho14+の可視領域遷移の探索を行った。
先行研究[5]では、発光線の帰属イオンを正確に同定するため、発光線観測と同時に飛行時間測定を行い、EBITで生成されたイオンの価数分布が測定された。この価数分布と発光線強度の電子ビームエネルギー依存性を比較することにより、Ho14+が支配的

図 1：電子ビームイオントラップの概略図

2.2 可視分光器
本実験で用いた可視分光器の配置図を
図 2 に示す。DT 内のイオントラップ領域で生成された多価イオンからの発光は CoBIT
外に取り付けられた両凸レンズでスリットに集光され、そこから２つの凹面鏡と回折格子を経由して CCD カメラに結像される。
検出する光の波長領域は、回折格子を回転させることで調節した。

図 3：Ho14+が可視光線を放出する過程
励起過程(A)において、𝐸e ≈ 260~290eVの電子ビームの衝突を受けた電子は、Ho15+の基底状態付近の高エネルギー準位まで励起される。そこから、放射遷移によって脱励起する際、遷移確率が遷移周波数の 3 乗に比例することを考慮すると、多過程(A)で
図 2：可視分光器の配置図[5]

励起した電子は低エネルギー準位に達するまでの脱励起過程(A)’で可視光線を放出する可能性が低い。脱励起過程(A)’でエネルギ

3.

Ho の発光線強度の電子ビーム

ーの大きい遷移により紫外領域発光線を放エネルギー依存性出した電子は、その後低エネルギー準位間14+電子ビームエネルギー𝐸e ≈ 260~290eV
14+における Hoの励起過程は、(A)Ho14+の基の遷移で可視領域発光線を放出すると考えられる。の基底

一方、励起過程(B)で𝐸e ≈ 260~290eV の状態から電離と同時に励起する場合が主に電子ビームの衝突を受けた電子は、Ho14+の考えられる。図 3 は Ho14+が可視光線を放出基底状態からおよそ 0~30eV の低エネルギする過程をエネルギー準位図を用いて模式ー準位に励起する。過程(A)と異なり、低エ的 に 表 し た も の で あ る 。 図 中 の 𝐼n (𝑛 =ネルギーの励起準位にある電子はエネルギ

13,14) はイオン化エネルギー、𝐸e は電子ビーの大きい遷移を起こせないため、低エネームエネルギー、 (A)’,(A)’’と(B)’はそれぞ

ルギー準位間の遷移(B)’で放出する発光線れ過程(A)と(B)で励起した電子が脱励起すは可視光領域である可能性が高い。

底状態から励起する場合と(B)Hoる過程である。

13+

ここで、2 つの発光過程について電子ビームエネルギー依存性を考える。

図 3 では省略されているが、7 つの価電子をもつHo14+ は無数の励起準位を持つため、過程(A)で高エネルギー準位まで励起した電子は、過程(A)’で無数の中間準位を経由しながら脱励起する。よって、電子ビーム
エネルギー 𝐸e が変化して励起準位が多少変わったところで、最終的に過程(A)’’で放出される可視領域発光線の強度は電子ビー

図 4：Ho14+ の低エネルギー準位間で起こる遷移ムエネルギー依存性を示さないと考えられる。
対して、Ho14+ の低エネルギー準位に励起する過程(B)では、𝐸e の変化に伴って遷移(B)’の上準位が 5eV ずつ上昇する。これにより起こりうる遷移(B)’も変化するため、可視領域発光線の強度に電子ビームエネルギー依存性が現れると考えられる。すなわち、観測される可視光線強度の電子ビームエネ

図 5：発光線強度の電子ビームエネルギー依存性

ルギー依存性は、主に遷移(B)’に起因するものである。

測定を行った 359-645nm でHo14＋ の発光以上を踏まえて遷移過程(B)’のみを考え線強度について電子ビームエネルギー依存る。図４は、Ho14+ の低エネルギー準位を性を調べたところ、以上で予想したような模式的に表した図である。図 4 (a)に示した

電子ビームエネルギー依存性を示す発光線

ように、エネルギー準位において相対的ながいくつか確認された。図 6,図 7 はその一例

位置が異なる２つの遷移では、電子ビームで、図 8, 図 9 はそれぞれの発光線強度を電エネルギーの変化に対して、発光強度が図子ビームエネルギーの関数としてグラフに5(a)のようになると予想できる。一方、図４したものである。図 8 では、発光線強度の(b)に示したように、相対的な位置が近い２電子ビームエネルギー依存性が図 5(a)のよ

つの遷移は、電子ビームエネルギーに対すうな挙動を示している。これらは、遷移同る発光線の強度変化が図 5(b)のようになる士がエネルギー準位において相対的に異なと考えられる。

る位置関係にあると考えられる組である。
また、図 9 は、図 5 (b)のような挙動を示した発光線の組である。これらは、遷移同士が相対的に近い位置関係にあると考えられる。

図 6：617-640nm における Ho 多価イオンの発光線
図 9：𝐇𝐨𝟏𝟒+ の発光線強度の電子ビームエネルギー依存性

4.

まとめと展望本研究では、Ho14+ の発光線の電子ビームエネルギー依存性を調べることで、いくつかの発光線について遷移同士のエネルギー準位における相対的な上下関係を知ることができた。
今後は、電子ビームエネルギー依存性を調
図 7：406-417nm における Ho 多価イオンの発光線べる方法以外でHo14+ の遷移を探索しようと考えている。

参考文献[1] J.-P. Uzan, Rev. Mod. Phys. 75, 403 (2003).
[2] T. Rosenband et al, Science 319, 1808
(2008)[3] J. C. Berengut, V. A. Dzuba, V. V.
Flambaum,

Phys.

Rev.

Lett,105,120801(2010)[4] V. A. Dzuba, V. V. Flambaum, Phys. Rev. A,91,022119 (2015)
図 8：𝐇𝐨𝟏𝟒+ の発光線強度の電子[5] 中島貴之

ビームエネルギー依存性(2014)

卒業論文,電気通信大学