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Solar Wind Charge eXchange
in Laboratory
首都大学東京・理工・物理
原子物理実験研究室
田沼 肇
首都大・原子物理実験研究室の研究テーマ
E-ring
RCE @HIMAC / GSI
静電型イオン蓄積リング
コヒーレント共鳴励起
10 - 30 keV
GeV
田沼, 古川 / 城丸, 松本 (化学)
東 (理研), 間嶋 (京大)
K. Hansen (U. Gothenburg)
東 俊行, 中野祐司 (理研)
Drift Tube & IMS
ECRIS
極低温移動管および
イオン移動度分析
電子サイクロトロン
共鳴型多価イオン源
0.5 - 100 meV
1 - 100 keV
田沼，高谷
立教大
科学警察研究所 / 理研計器
田沼 / 城丸・松本 / UCD (Dublin)
宇宙実験 (首都大)/ IAPCM (北京)
電気通信大 / 上智大 / 核融合研
Dennis Bodewits
Luis Mendez
Scot Porter
Elmar Träbert
Charge Exchange Madrid
29 September -1 October, 2010
European Space Astronomy Centre, Madrid, Spain
http://www.sciops.esa.int/index.php?project=CONF2010&page=CX2010
多価イオンの電荷移行反応
Aq+ + B → A(q-c)+ + Br+ +(r-c)eq+ ：入射イオンの価数
c ：多価イオンが捕獲した電子数
r ：標的から移動した電子数
r-c ：放出された電子数
同じ現象なのに名称は様々：
Charge Exchange 電荷交換，荷電変換
Charge Transfer 電荷移行，電荷移動
Electron Transfer 電子移行，電子移動
Electron Capture 電子捕獲
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多価イオンの電子捕獲研究の歴史
・プラズマ中の不純物としての重要性
→ 発光によってエネルギーを放出 → 温度低下
→ 日本では名大プラ研から始まる（NICEグループ）
Naked Ion Collision Experiment
・多価イオン生成技術の発展とリンク
→ 加速器利用型からEBIS/TとECRISへ
Electron Beam Ion Source/Trap
Electron Cyclotron Resonance
・粒子検出技術・信号処理技術
→ 原子核実験からの流用
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多価イオンの電子捕獲の特徴 [1]
・低エネルギー領域での断面積が大きい
s ~ 10-14 cm2 → r ~ 10-7 cm = 1 nm = 10 Å
・断面積の衝突エネルギー依存性が小さい
→ スケーリング則の提案
（イオンの価数，標的分子のイオン化エネルギー）
・状態選択性が強い
特定の主量子数の軌道に捕獲される
（NICEによる発見）
→ 古典的オーバーバリア模型（COB, ECBM）
・一電子捕獲 > 二電子捕獲 > 三電子捕獲 > . . .
→ 共鳴電荷移行では例外も
・磁気副準位分布が大きい → 発光は偏光している
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Oq+ - He
( K. Ishii et al., 2004)
mini-EBIS
s1 : O6+ → O5+
s2 : O6+ → O4+
keV/u 領域 : ほぼ一定
eV/u 領域
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: 低いほど増大
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エネルギー利得スペクトルの測定例
O6+ + He → O5+(nl ) +
He+
n = 3 のみ
静電型分析器によって
イオンの運動エネルギー
を測定
( K. Okuno et al., 1983 )
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発光スペクトル
測定装置
n = 3 が殆ど
(R. Hoekstra et al., 1990)
発光スペクトルによって
nl 状態を分離した
捕獲断面積を測定
( Yu. S. Gordeev et al., 1983 )
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多価イオンの電荷移行に関する理論
量子論：
完全な量子論は部分波が多すぎるため非現実的
→ 衝突パラメータ法：核の運動は古典的
・分子軌道緊密結合法 MOCC
・原子軌道緊密結合法 AOCC
半古典論：
・ポテンシャル交差モデル：Landau-Zener
→ Zhu-Nakamuraの公式を使うべき
古典論：
・COB：古典的オーバーバリアモデル
・CTMC : Classical Trajectory Monte Carlo
※ 電子を古典力学的に扱う完全な古典論なのに
非常に良く合う (但し，一電子系)
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モデル的な粒子間ポテンシャル
始状態： O6+ + He
分極相互作用のみ
n=3
n=4
n=2
交差
終状態： O5+(nl ) + He+
Coulomb反発のみ
粒子間ポテンシャルによる状態選択性の理
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断面積のスケーリング則
q : イオンの価数，I : 標的のイオン化エネルギー/eV
Müller-Salzborn : Phys. Lett. 62A (1977) 391.
1.17
q
s q,q-1 / cm2 = 1.43 ´10-12 × 2.76
I
M. Kimura et al. : J. Phys. B 28 (1995) L643.
s q / cm = 2.6 ´10
2
-13
q
× 2
I
N. Selberg et al. : Phys. Rev. A 54 (1996) 4127.
-1
s q,q -r
æ
ö
N
j
/ cm2 = 2.6 ´10-13 × qr ç I 12I r2 å 2 ÷
ç
÷
I
j
=1
è
j ø
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多価イオンの電子捕獲の特徴 [2]
電荷移行断面積のスケーリング則：
一価イオンでない限り，かなり普遍的
少なくとも，桁を見積もるのには使える
捕獲準位に関する予測：
・古典的オーバーバリアモデル : n のみ
・ポテンシャル交差モデル : n および l
定性的には2つのモデルで説明できる場合が多い
その他の理論：
厳密な理論：緊密結合法
古典論：Classical Trajectory Monte Carlo
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Key persons on SWCX
A. Chutjian :
Jet Propulsion Laboratory, CA, USA
- ECRIS, 7 keV/q, Cross sections, X-ray with Ge
J. B. Greenwood and R. W. McCullough :
Queen’s University Belfast, Northern Ireland, UK
- ECRIS, 1 - 4 keV/q, TES
D. Bodewits and R. Hoekstra :
KVI, Groningen, Netherlands
- ECRIS, 0.1 - 16 keV/q, VUV
S. Porter and P. Beiersdorfer :
Lawrence Livermore National Laboratory, CA, USA
- EBIT, 10 eV, X-ray with Ge & microcalorimeter
C. C. Havener :
Oak Ridge National Laboratory, TN, USA
- Merging beams, X-ray with microcalorimeter
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O7+- CO2
O8+
Ne9+
Ne10+
(J. Greenwood et al., 2001)
JPL
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Ne10+-Ne
Ne X : 1s-np
O VIII : 1s-np
O8+-CH4
n=6
O8+-N2
n=3
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EBIT : E = a few eV/u
LLNL
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(I. N. Draganic et al., 2011)
C5+ in collision of C6+-He
1s-2p, 1s-3p, 1s-4p
透過率補正無し
ORNL
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(X. Defay et al., 2013)
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首都大の多価イオン衝突実験装置
14.25 GHz
ECR Ion Source
Analyzing
Magnet
Switching Magnet
分光測定
断面積測定
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Experimental Setup
Ion Beam
Collision Cell
target
gas inlet
to capacitance
manometer
Magic Angle =
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O8+ -H2 collisions
Si (Li) @ 90o
DE = 107 eV
2p > 4p > 3p
SDD @ 54.7o
DE = 75 eV
2p > 3p > 4p
Disagreement might be due to data analysis.
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Total capture cross sections by TC-AOCC
(劉 玲, 王 建国)
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Partial cross sections
Dominant capture level : n = 5 (H2), n = 4 (He)
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O8+ - He collisions
Agreement is almost perfect, except for 1s2-1s2p.
2p > 4p > 3p
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2p > 4p > 3p
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O8+ - H2 collisions
Agreement is not sufficient.
2p > 3p > 5p > 4p
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2p > 3p ~ 5p ~ 4p
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Experiments vs AOCC
Agreement : He target > H2 target
Effect of the molecular structure ?
Double capture
AOCC method can not treat this issue.
(Atomic Orbital Close Coupling method
= One-electron model)
Then, MOCC should be applied.
(Molecular Orbital Close Coupling)
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O7+ - He collisions
Si (Li) @ 90o
SDD @ 54.7o
The 1s2-1s2p transition is dominant.
2p > 3p >> 4p
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2p > 3p > 4p
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Bare ions vs H-like ions
Bare-ion collisions :
Pq+ + T → P(q-1)+(nl 2LJ) + T+
H-like ion collisions :
Pq+(1s) + T → P(q-1)+(1snl 1LJ ,3LJ) + T+
Triplet / Singlet ~ 3 ?
AOCC method can not treat this issue.
MOCC is necessary for H-like ion collisions.
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Energy levels of He-like ions
O6+
1s2p 1Po1
1s2s 1S0
1s2p 3PoJ
1s2s 3S1
J=2
J=1
J=0
x (M2) :
568.62 eV
3.3x105 s-1
y:
568.55 eV
5.4x108 s-1
2 hn
z (M1) :
561 eV
1x103 s-1
1s2 1S0
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w (E1) : 574 eV
A = 3.3x1012 s-1
w-y : DE = 5 eV
I. M. Savukov et al. (2003)
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14.25 GHz
ECR Ion Source
Switching
Magnet
Analyzing
Magnet
分光測定
断面積測定
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SDD 軟X線分光器
断面積測定装置
斜入射EUV分光器
Kingdon Trap (禁制遷移観測用)
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まとめ
• 捕獲される準位は高い → カスケードが重要
• 全捕獲断面積は予測可能だが，発光断面積とは異なる
• 宇宙では許容遷移と同時に禁制遷移も観測される
• 実験室での禁制遷移観測が必要
• イオントラップによる禁制線観測に挑戦中
• 発光断面積と捕獲断面積の絶対値測定を継続中
• 水素原子標的も計画中
• 異重項間遷移の観測も検討中（予算が必要）
• 一重項と三重項の分離は？ → 標的に関する情報
• 偏光度測定は？ → 太陽風の向き
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