電子電子-多価イオン
多価イオン衝突
イオン衝突における衝突における二電子における二電子性再結合過程の性再結合過程の高分解能 X 線分光測定
量子・物質工学専攻

中村信行研究室

野原宏彰

1.はじめに子性再結合過程は、ある特定の電子エネ

1-1 研究背景

ルギーにおいて、非常に大きな断面積を多価イオンとは、一般には 2 価以上のもつ重要な過程である。

正・負のイオンのことを指すが、本研究室では、重元素からほとんどの電子を取1-2 二電子性再結合過程(Dielectronic

り去った高価数の多価イオンに着目し研Recombination:DR)究を行っている。

二電子性再結合（DR）過程は次のよう多価イオンは地上では希少であるが、核に書ける。

融合実験炉や宇宙などの高温プラズマに

A q + + e → A ( q −1)+** → A ( q −1) + + hνは多く存在する。プラズマ中では電子とDR 過程は、衝突する電子が多価イオン多価イオンとが絶えず衝突し、励起、再の内殻電子を励起しながら空の軌道に捕結合などの過程を介して、X 線が放出され獲され、その結果生じる二電子励起状態る。多価イオンが重元素の場合、放出さが放射により安定化する過程である。

れる X 線のエネルギーが高いため、それ本研究では、特に水素様イオンの DR 過がプラズマに再吸収されなければ、結果程に着目している（図 1.1）。水素様イオとしてプラズマの温度を下げることにな

ンでは１ｓ軌道に一つの電子があるが、る。プラズマの温度を維持しなければな

この電子を励起しながら、衝突する電子らない核融合実験炉では、この放射損失が空の軌道に捕獲される。その結果二電過程は大きな問題となるために、再結合子励起ヘリウム様イオンが形成される。などの断面積は、プラズマを理解、制御

この二電子励起状態は K 殻に二つの空孔する上で重要なデータであり、系統的なを持つので、連続して二つの K-X 線を放測定が望まれている。

出しうる。ここでは、はじめの遷移を第 1遷移 、続けて起こる遷移を第 2 遷移と呼本研究では、多価イオンと電子の衝突ぶことにする。

で起こる様々な過程の中でも、二電子性再結合過程と呼ばれる共鳴的な再結合過程に着目し、実験的研究を行った。共鳴過程とは、ある有限の寿命を持つ中間状態を介して起こる散乱過程である。二電1よりも低いエネルギー領域において、ある特定のエネルギーで Kα線強度の増大が見られる（例：電子ビームエネルギーが 3.2～3.5keV 付近）。図 1.7b）は、水素様イオンの KLL 共鳴部分、つまり白く囲んだ四角の部分を縦に積分して得られるX 線スペクトルである。第 1 遷移と第 2遷移が分離されずに 1 つのピークとして測定されている。また、図中で棒グラフ状に示されているのは、理論による X 線スペクトルの微細構造である。半導体検出器の分解能ではそのような詳細な構造

図 1.1：水素様イオンの二電子性再結合過程を測定することは不可能である。

また、図 1.1 の例は K 殻にあった電子を L 殻に励起し、自由電子を L 殻に捕獲するために、「KLL 共鳴」と呼ばれる。
1-3 過去の観測例
DR 過程の測定は、これまで電子ビーム
イ オ ン ト ラ ッ プ （ Electron Beam IonTrap : EBIT）1や蓄積リング2 などを用いて行われているが、水素様イオンに対しては実験の困難さから測定例は少ない。
図 1.2 は、その数少ない一例を示している。この実験は、本研究室の電子ビームイオントラップ(Tokyo-EBIT)3を用いて生図 1.2：過去の測定例(e + Tiq+)

成およびトラップした Ti の水素様イオン

H.Watanabe el.al.to be publishedに、衝突エネルギーを走査しながら電子ビームを入射し、放出された X 線を半導2 実験体検出器で測定したものである。横軸は2-1 実験目的

その X 線のエネルギー、縦軸は電子ビー

本研究の目的は半導体検出器よりも分解ムのエネルギーである。図中、電子ビー能が優れる結晶分光器を用いて、水素様ムエネルギーに依らず約 4.5keV で一定イオンの DR 過程を、高分解能 X 線分光測の X 線エネルギーを持つ線は L 殻から K定し、半導体検出器では分解できなかっ殻への遷移である Kα線である。Kα線励た共鳴断面積の詳細な構造を観測するこ起のしきい値は 6.70keV であるが、それとである。

2

2-2 装置

2-3 実験方法（図 2.2）
4

EBIT のトラップ領域に、K セル を用い水素様イオンを生成するために、電子て蒸気化した鉄を導入する。そこに、超ビームエネルギーをヘリウム様イオンの伝導磁石の強磁場により絞った高密度電電離エネルギーより高く設定する。その子ビームを衝突させることで、逐次電離エネルギーをしばらく保持して十分な量をおこして、水素様鉄イオンを生成およの水素様イオンを生成した後、電子ビーびトラップする。トラップしたイオンかムエネルギーを瞬時にプローブエネルギ

ら放出された X 線を電子ビームに対してーつまり共鳴エネルギー付近で走査して90°方向に設置した結晶分光器で測定すDR 過程を測定する。このとき、トラップる。なお、検出器には、二次元位置敏感内の水素様イオンの存在比が減少しない型検出器(PSPC)を用いている。

ように、即座に電子ビームエネルギーを生成エネルギーに戻し、水素様イオンの保持および生成を行う。その後に、電子ビームエネルギーを再びプローブエネルギーにするというサイクルを繰り返す。
ある時間経過すると、トラップ内でカソードから混入するバリウムイオンなど、不純物イオンの存在比が高くなる。そのため、ある一定時間ごとにトラップポテンシャルを消し、トラップ内イオンを全て吐き出す。その後再びイオン生成から繰り返すというようにして、実験を行っている。

図 2.1：装置概略図

本実験では、放出された X 線を電子ビームに対して 90°方向のみでしか測定していないために、放射角度分布を考慮しなければ共鳴断面積を得ることはできない。放射角度分布測定は、装置の配置上

図 2.2：測定における電子ビームエネルギー困難であるため、放射角度分布と一対一及びトラップの制御対応にある偏光度の測定を行う。偏光度は、同一の過程を 2 つの異なる結晶で測

本実験では、イオン生成時間を 300ms 、定することで求めることができる。

プローブ時間を 0.5ms、イオン保持時間を3

7ms、
イオン吐き出し時間を 1.5s とした。

図 3.2 上図に表れているのは、水素様分光結晶は、LiF(200)と LiF(220)を用いイオン、ヘリウム様イオンそれぞれの直た。光源から結晶までの距離は、測定条接励起により放出される X 線である。左件に応じて約 550mm～650mm であり、結晶の 2 つのピークは水素様イオンのライマから PSPC までの距離は 320mm～350mm でン線（2p→1s）であり、右のいくつかのあった。
PSPC の印加電圧は 1.9kV ～2.0kV

ピークはヘリウム様イオンの 1s2l→1s2であった。空気との相互作用による X 線遷移である。このスペクトルからもわかの吸収を避けるために、結晶分光器は～るように、EBIT の原理上、そのトラップ-610 torr の真空に保たれている。

領域には単一の価数のイオンをトラップすることはできず、水素様イオンおよび3 結果ヘリウム様イオンが同時に存在している。

図 3.1 は結晶に LiF(200)を用いた時の次に図 3.2 下図は、水素様イオンおよX 線スペクトルの電子ビームエネルギーびヘリウム様イオンの DR を介して放出さ依存を示したものである。横軸に X 線のれた X 線である。

波長、縦軸に電子ビームのエネルギーをとっている。測定には約 100 時間を要している。
赤の四角で囲んだ部分は、水素様イオンを生成する領域（図 2.2 中の「生成エネルギー」）に相当しており、青の四角で囲んだ部分は「KLL 共鳴」が起こる領域、つまり電子ビームエネルギーが、4.5～5.5keV の領域に相当している。それぞれの領域を積分して得られるスペクトルを
図 3.2 に示す。
図 3.2 ： 上 図 は 赤 線 で 囲 ん だ 部 分（Ee=14~15keV）を積分したスペクトル。下図は赤線で囲んだ部分（Ee=4.5~5.5keV）を積分したスペクトル。

今後の結果は、第 1 遷移に着目し波長1.76～1.84Åの範囲のみを説明する。まず、実験で得られたスペクトルに、フォークト関数をフィティングした。その際、

図 3.1：X 線スペクトルの各ピークに対して、幅が同じとなるよう電子ビームエネルギー依存4にした。図 3.3 に、実験スペクトルとフィティングにより得られたスペクトルを示す。主に 3 つピークがあり、それぞれのピークを A,B,C とラベルをつけている。

図 3.4：LiF(220)を用いた時の結果。上図は実験スペクトル、下図はフィティングスペクトル。

各ピークとライマン α2(2p1/2→1s)との強度比を求め、HULLAC 5と呼ばれるコード
図 3.3：LiF(200)のを用いた時の結果。上図により計算した 1s→2p1/2 励起断面積で規は実験スペクトル、下図はフィティングスペ格化を行うことで、共鳴強度を求めた。

クトルスペクトル。

その結果を表 4.1 に示す。2 つの異なる理論値6,7を同時に示している。

図 3.4 には、結晶に LiF(220)を用いたときに測定された X 線スペクトルと、同様のフィティングにて得られたスペクトルを示す。測定には約 100 時間を要している。
2 種類の結晶で得られたスペクトルの強度比の違いから、偏光度を得ることができる。

表 3.1：共鳴強度の実験値と理論値の比較

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実験値とそれぞれの理論値を図 3.5 にめて成功したことは、天文プラズマや核示す。図 3.5 を見てわかるように、今回融合プラズマなどの関連分野に、新たなの実験結果では、理論Ⅱよりも理論Ⅰに知見を与えたと思われる。

近いものであった。しかし、誤差が大きいため、理論との詳細な比較には更なる

参考文献
1 P.Beiersdorfer:Phys Rev.
A,Vol46,P3812 (1992)
2 L.H.Andersen,J.Bolko, andP.kvistgaard, Phys
Rev.A,Vol.41,P1293(1990)
3中村信行,J.Mass Spectrom. Soc. Jpn.
49(6), 229-236
4 C.Yamada Review of Scientific
Instruments Vol.77,No6,June 2006
5 A.Bar-Shalom:HULLAK package computerset of codes for atomic structure andprocesses in plasmas
6 Y.M.Li,private communications
7Spectral Date for Highly IonizedAtoms(Journal of Physical and Chemical
Reference Date Monograph No.8)

実験が必要である。

図 3.5：共鳴強度の実験値と理論値の比較の棒グラフ

4 総括
水素様鉄イオンと電子との衝突における二電子性再結合過程を高分解能 X 線分
光により測定し、これまで半導体検出器の実験では分離できなかった共鳴状態の微細構造を観測することに成功した。残念ながら、本実験でも共鳴状態を完全に分離することは出来ず、一つのピークにいくつかの共鳴状態からの寄与が混ざってしまっているが、水素様イオンの二電子性再結合過程に関して共鳴強度の内訳を得ることに初めて成功した。現在は統計による誤差が非常に大きいが、水素様イオンの二電子性再結合過程に関して、共鳴断面積の詳細な構造を得ることに初6