電気通信大学大学院情報理工学研究科基盤理工学専攻応用物理工学コース　中村信行研究室　市東　佑介
1. 序論
近年様々な研究分野において重元素多価イオンの可視領域における分光データが求められている。その一つとして重元素の起源の解明である。原子番号26の鉄までの元素は恒星の核融合によりできることが判明している。鉄より原子番号が大きい重元素は安定核種を作るsプロセスと、sプロセスでは合成されない元素を作るrプロセスという元素合成過程が存在する。このrプロセスが起こりえる環境として超新星爆発と中性子星合体の2通りが考えられていた。しかし、中性子星合体シミュレーション[1]と中性子星合体に伴うキロノヴァからの電磁波観測[2]により、中性子星合体がrプロセスの起源として有力視されるようになった。一方でrプロセスによって生成された元素の種類や量を正確に知るためには元泰の遷移波長や遷移確率などの分光データが必要であるが、それらが不足しているため補う必要がある[3]。図1にアメリカ国立標準技術研究所(National Institute of Standard and Technology : NIST)の Atomic Spectra Database(以下ASD)[4]に報告されているエルビウムの発光線の図を示す。図1の黒色プロットは報告されている発光線の本数、赤色プロットは報告されている発光線のうち遷移確率が判明しているものを表す。図から明らかなように分光データが不足しているのが明らかである一方でエルビウムは文献[1]の理論計算に使用されているため重要な元素であり、分光データを収集する必要がある。次に高精度原子時計の実現である。基礎物理定教である微細構造定数が変動する可能性が示唆され[5]、現在開発されているストロンチウム光格子時計の10·18 /年[6]以上の精度を持つ原子時計が必要とされている。その候補として多価イオンの光学遷移を用いることが提案されたが[7]、候補とされる多価イオンはすべて価電子を複数個持ち、4f軌道が開殻であるため非常に複雑な電子配置をとる。そのため候補となる多価イオンには無数の微細構造準位が存在することになり、正確な理論計算を行うことが困難となる。したがって4f軌道開殻多価イオンの分光実験を行い理論計算との差異を検証することで、構造理解を試みる必要がある。遷移同定には等電子系列の観測が有用であり、これは東縛エネルギーの差から同じ遷移は原子番号の増加によって短波長側で観測される特徴を利用したものである。これを用いて基底状態が4f ¹の銀様多価イオン及び4f²であるカドミウム様多価イオンについては実験と理論計算の比較により遷移同定が行われた[8]。しかし4f電子数が増え、基底状態が4f³のインジウム様、4f²の錫様多価イオンとなるにつれ理解が困難となっている。以上から本研究は理論計算[1]で使用されているエルビウムについて2 - 22価のスペクトルを取得し、価数同定を試みた。また、4f開殻構造理解に向け原子番号75のレニウム、76のオスミウム、79の金についてインジウム様及び錫様多価イオンの可視スペクトルを取得し、Flexible Atomic Code[9]による理論計算と先行研究[10]との比較も目的とした。
2. 実験
本実験では小型電子ビームイオントラップ(Compact Electron Beam Ion Trap : CoBIT)を使用して多価イオンを生成し、可視スペクトルを取得した。CoBITは主に電子銃、ドリフトチューブ、超伝導コイル、電子コレクターで構成されている。真空チャンバー内のイオンは軸方向についてドリフトチューブの作る井戸型ポテンシャル、径方向について超伝導コイルの作る磁場によって圧縮された竜子ビームが形成する空間電荷ポテンシャルによって3次元的にトラップされる。トラップされたイオンは電子ビームと衝突し逐次電雕を起こす。逐次電離は電子を一つずつ電離させていく手法であり、一度に多数の電子を電離させる場合と比べて必要とするエネルギーが少なく済む利点がある。また、CoBITは電子ビームエネルギーにより生成するイオンの最大価数を決定できる特徴を持つため、価数同定の際に有用である。図2に本研究の測定系を上から見た図を示す。実験ではCoBIT内部に測定したい試料を導入することでスペクトルを取得している。本研究では観測対象としてエルビウム、レニウム、オスミウム、金の4元素があるが、CoBITに導入するには測定する元素によって導入方法が異なる。エルビウム及び金を観測する場合、金属蒸着セルを用いてCoBITに導入した。エルビウムは金属蒸着セルを950 ℃に、金は1100 ℃に加熱することで固体金属を金属蒸気として導入した。レニウム及びオスミウムを観測する場合はガス導入管を使用した。レニウム、オスミウムはそれぞれ二レニウムデカカルボニル(Re²(CO)10)とオスモセン(Os(C 5 )2)を減圧し昇華させ、ニードルバルブを介してCoBITに導入した。本研究における可視領域スペクトルの観測にはJobin Yvon製分光器のHR320を使用した。この分光器はCzerny-Turner型の分光器であり、主に反射型平面回折格子、コリメート凹面鏡、結像凹面鏡で構成されている。回折格子は溝本数300本/mmである低分散のものと、1200本/mmの高分散のものがある。低分散回折格子は強度や波長の情報が乏しい発光線を探索する際に使用し、高分散回折格子は正確な波長を決定する際に使用する。本研究では未観測のスペクトルを取得することに重点を置いているため、すべての元素について低分散回折格子を使用してスペクトルを取得した。分光器によって分光された光はCCDカメラで記録した。本研究で使用したCCDカメラはAndor社製のiDus 416[11]である。このカメラを使用するにあたり暗電流による影響を減らすため、内臓のペルチエ素子により-70 ℃までカメラ温度を低下させて実験を行った。なお、本研究では分光器及びCCDカメラの感度較正は行っていないため、観測されたスペクトルの強度は任意単位で表す。測定時間はすべて30分とした。本研究では多価イオンの発光線の価数同定も目的の1つであることから、価数同定の方法について述べる。例として図3にCoBITで観測されたタングステン多価イオンのスペクトル[12]を示す。図３は右側に電子エネルギーを、左側にタングステンの電離エネルギーを示している。例えばIP(W²²+) = 643 eVは電子エネルギーを643 eV以上にしたときにタングステン23価が生成されることを意味している。ここで図3中の432 nmの発光線に注目する。この発光線は電子エネルギー630 eVでは観測されず、675 Vで初めて観測され、さらに730 eVでは強度が低下している。このことから432 nmの発光線はタングステン23価の発光線だと同定される。このようにして本研究で観測された発光線についても価数同定を行った。スペクトルを観測するにあたり、観測される発光線が目的とするイオンからの発光線であるのかを判断することが重要になる。これはCoBIT内部に残留している軽元素や電子銃から蒸発したバリウムといった元素が電子ビームとの衝突によりイオン化し発光している可能性があるためである。文献[13]では電子銃から蒸発したバリウムをイオン化して価数と遷移の同定が行われた。したがって本研究では初めに電子ビームを出し試料導入をしない状態でのスペクトルを取得し、その後試料を導入した状態のスペクトルを観測した。このようにして本研究では目的とするイオンからの発光線かそうでないかを区別した。
3.結果と考察
3.1.エルビウムイオンの可視領域発光線の観測初めに、CoBIT内にエルビウムが存在するかを確認するため、先行研究[14]の再現性を確認した。本研究で得られたエルビウム20価のスペクトルと先行研究[14]で得られたスペクトルを図４に示す。図4は横軸が波長、縦軸が強度を表しており、先行研究で得られた発光線の再現性が取れたことが認められる。このことからCoBIT内部にエルビウム原子が存在すると判断し実験を行った。図5に本研究で得られたエルビウム2 – 22価の波長域300 – 600 nmのスペクトルを示す。図５では横軸が波長、縦軸が強度を表しており、また図中に記載されている数値は設定した電子ビームエネルギーとそのときに生成できるエルビウムイオンの最大価数を表している。図5中黒色の矢印を付けた発光線がエルビウム由来の発光線であると考えられる。これは先述のようにエルビウムを導入しない場合には観測されず、エルビウムを導入したときに観測されたためである。また、矢印を付けた発光線以外にも発光線が観測されているが、これらの発光線はエルビウムを導入しない状態でも観測されていることからエルビウム以外の元素からの発光だと考えられる。次に矢印を付けた発光線について考える。例として電子ビームエネルギー53 eVでのスペクトルを見ると矢印を付けた発光線は37 eVのときには観測されず、53 eVのときに初めて観測されている。先述した価数同定の方法からこれら2本の発光線はエルビウム3価に由来すると考えられる。同様にしてその他の発光線についても価数同定を行った。次に波長域500 – 800 nmにおいて観測されたエルビウム2 – 22価のスペクトルを図6に示す。図6中においても設定した電子ビームエネルギーを記載しているが、そのとき生成できるイオンの最大価数は図5に記載している価数と同じである。図6において黒色の矢印を付けた発光線は図5の観測領域においても観測された発光線を表しており、再現性の確認もできた。また、赤色の矢印を付けた発光線は本波長域で初めて観測された発光線を表している。以上本研究で得られたエルビウムイオンの発光線についてその価数と中心波長を表1にまとめる。線の価数と中心波長の関係
3.2.インジウム様多価イオンの可視領域発光線の観測の試み我々の研究室ではこれまでにインジウム様多価イオンについて原子番号70のイッテルビウムと74のタングステンでスペクトルの観測と遷移の同定が行われた[10]。これら２種の元素より原子番号が大きく、CoBITに導入可能である原子番号75のレニウム、76のオスミウム、79の金についてFAC[9]によりエネルギー準位及び遷移の計算を行った。図7にレニウムの基底状態付近のエネルギー準位図を示す。図中に割り振られた遷移番号に対応する波長を図の右側に示している。また等電子系列であることから準位間のエネルギー差を除いて、原子番号の変化に伴う準位構造に変化は認められなかった。 (1)454 nm (2)537 nm (3)625 nm (4)370 nm (5)394 nm (6)800 nm (7)522 nm (8)778 nm (9)677 nm (10420 nm (11)493 nm図 8に本研究で得られたインジウム様レニウム、オスミウム、金の計算結果と先行研究[15]によるタングステンの結果を示す。図8は横軸波長、縦軸gA値を表している。また、等しい遷移を点線で結んでおり、遷移番号は図7の遷移番号に対応している。 FACによる計算結果から可視領域で観測される遷移が求まったので、実験によって観測を試みた。実験ではエルビウム同様、先行研究で観測されている既知の発光線を測定することでCoBIT内に目的とする元素の存在を確認した。この結果レニウム及びオスミウムは文献[15]の再現性を取れなかったため、その存在を確認できなかった。このため、インジウム様多価イオンの観測ができなかった。金については文献[16]の再現性を取れたが、インジウム様多価イオンからと思われる発光線の観測を行えなかった。
3.3.錫様多価イオンの可視領域発光線の観測の試
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錫様多価イオンについても同様にFACによる基底状態付近のエネルギー準位と遷移波長の計算を行った。図9に錫様レニウムの基底状態付近のエネルギー準位図を示す。錫様も同様に準位間のエネルギー差を除き、原子番号の変化に伴う準位構造に変化は存在しなかった。 (3)302 nm (4)761 nm 5)555 nm 6)530 nm (7)756 nm (8)807 nm (9)479 nm (10780 nm錫様タングステン、レニウム、オスミウム及び金の遷移波長の変化を図10に示す。図10中に示す番号は図9に示す遷移番号に対応している。錫様についても遷移をFAC計算により求められたので実験を行ったが、インジウム様同様レニウムとオスミウムは再現性を取ることができなかったことからCoBIT内に元素が存在しないと判断した。金も同様に再現性は取れるが、錫様からの発光線は認められなかった。
4. 結論
分光データを補うためエルビウムについて2 – 22価のスペクトルを観測し、この結果約30本の発光線について価数同定と中心波長の決定を行った。また、4f開殻構造理解に向け、インジウム様及び錫様多価イオンの観測をレニウム、オスミウム及び金について行い、理論計算との比較を試みた。しかしながら、3種の元素すべてにおいて実験によってスペクトルを観測することができなかった。このため、観測できなかった原因を究明する必要がある。