Transcript 3-D RCE

HIMAC共同利用研究成果発表会 ( April 4, 2005)
結晶場による多価重イオンの
コヒーレント共鳴励起
16P032
小牧研一郎，近藤力，畠山温，山崎泰規
東京大学・総合文化研究科
東俊行，中野祐司，真杉三郎，村中友子
東京都立大学・理学研究科
村上健，高田栄一
放射線医学総合研究所
あらすじ
i) コヒーレント共鳴励起（RCE）とは
ii) 2004年度の成果
(1) ２重共鳴励起の観測
(2) 極薄結晶でのチャネリング
(3) ３次元コヒーレント共鳴励起（3-D RCE）
の発見
iii) 展望
コヒーレント共鳴励起(RCE)
(Resonant Coherent Excitation)
・面チャネリング(2D-RCE)
・軸チャネリング(1D-RCE)
k  k
v
d
周期的原子による振動電場
 k ,l ( ) 
v
d
( 2 k cos   l sin  )
共鳴条件
E trans  h 
周期的原子列による振動電場

検出原理
ionization
n=2
resonant coherent
excitation
de-excitation
emitting photon ionization
1s
resonant coherent
de-excitation
実験装置
Si(Li) detector (V)
Si crystal
vertical slit
magnet
2D-PSD
projectile
Cu foil
Si(Li) detector (H)
Si(Li) detector
あらすじ
i) コヒーレント共鳴励起（RCE）とは
ii) 2004年度の成果
(1) ２重共鳴励起の観測
(2) 極薄結晶でのチャネリング
(3) ３次元コヒーレント共鳴励起（3-D RCE）
の発見
iii) 展望
２重共鳴励起条件
6
Si (220)面チャネリングの場合のRCE条件
Ek,l( ) = (gb hc/a) [√2 k cos + l sin ]
同じ入射条件(gb, ) でも
(k, l) 毎に異なる振動数を感じる
→同時共鳴の可能性
ビームエネルギー
２重共鳴励起
多価重イオンに対して
エネルギーの異なる２種類のX線光子を同時に共鳴吸収させる！
２重共鳴
V-type
H-like Ar17+
両方とも基底準位から
1s → 3p
1s → 2p
3p
(k ,l)= (1,3)
2p
(k ,l)=(1,-1)
1s
２重共鳴
V-type
増加
100%
ビームエネルギーの調整
（マシングループに感謝）
• 複数のビームエネルギーで
Ar16+ 1s2(1S)→1s2p(1P)
共鳴を測定
• 主リングのRF周波数とビーム
速度β= v/cとの関係を較正
（結晶格子を物差しにしてリン
グの周長を測る）
• ２重共鳴条件のビームを実
現
まとめ(1)
いろいろな３準位を想定した２重共鳴励起に挑
戦
(1) H-like Ar17+ ：1s →2p, 1s →3p
基底準位から異なった２準位へ (V型) ○
(2) He-like Ar16+ ：1s2 → 1s2p → 2p2
２重励起状態準位へ (Ladder型) △
(3) He-like Ar16+ ：1s → 3p, 3p → 2s
準安定状態準位へ (Λ型) ?
多価重イオンに対して
エネルギーの異なる２種類のX線光子を同時に共鳴吸収させる！
あらすじ
i) コヒーレント共鳴励起（RCE）とは
ii) 2004年度の成果
(1) ２重共鳴励起の観測
(2) 極薄結晶でのチャネリング
(3) ３次元コヒーレント共鳴励起（3-D RCE）
の発見
iii) 展望
極薄(1mm)結晶を用いると・・・
散乱角度からの
イオン軌道の予測
結晶面で１回程度の散乱であり
表面散乱と同等
1 mm
1.92 Å
Non-channeling条件でも
入射イオンが生き残る
(220)
３次元のRCE
入射イオンの生き残り確率
channeling
quasi-channeling
1
Ar
17+
fraction
Non-channeling以上に
電子・核密度が高い
0 .9
(220)
0 .8
0 .7

0 .6
0 .5
non-channeling
-0 .0 2-0 .0 1
0
0 .0 1 0 .0 2
T ilt a n gle  [d eg.]
Non-channelingでも70%ものイオンが生き残る！
まとめ(2)
1 mm厚の結晶を用いることで
・イオンの散乱角度とイオン軌道は1対1対応する
・channeling条件の方がイオンの散乱角度分布が広い
・quasi-channeling条件で散乱角度分布に構造が現れる
（イオンが原子面を乗り越えることを反映）
・non-channeling条件でも70%もの入射イオンが生き残る
ことを初めて、観測した。
あらすじ
i) コヒーレント共鳴励起（RCE）とは
ii) 2004年度の成果
(1) ２重共鳴励起の観測
(2) 極薄結晶でのチャネリング
(3) ３次元コヒーレント共鳴励起（3-D RCE）
の発見
iii) 展望
これまでのRCE
・面チャネリング(2D-RCE)
・軸チャネリング(1D-RCE)
k  k
v
d
周期的原子による振動電場
 k ,l ( ) 
v
d
( 2 k cos   l sin  )
共鳴条件
E trans  h 
周期的原子列による振動電場

３次元コヒーレント共鳴励起
・非チャネリング(3D-RCE)
・軸チャネリング（1D）
周期的原子を横切る
↓
・面チャネリング（2D）
周期的原子列を横切る
↓
・非チャネリング（3D）
周期的原子面を横切る
 k ,l ,n ( ,  ) 

v 
2k  2 l  4 n
(
2
k
cos


sin

)
cos


l
sin




a 
2
周期的原子面による振動電場
３次元共鳴条件
390MeV/u Ar17+ 1s → 2p3/2
共鳴条件
E trans  h  k ,l ,n ( ,  )
Etrans：遷移エネルギー
 [deg.]
面channeling

 [deg.]
channeling
random
3-D RCEの観測
φ=0
φ=0.1
φ=0.08
φ=0.06
φ=0.05
φ=0.04
φ=0.03
φ=0.02
φ=0.012
φ=0.007
チャネリング臨界角
planar channling
（quasi-channeling）
RCEプロファイルの特徴
H-like Ar17+ 1s-2p
2-D RCE
• 幅広のディップ
面ポテンシャルによる
Starkシフト
(k,l,n)=(1,1,1) 3-D RCE
• シャープなディップ
• ディップの中心が真空中における
遷移エネルギーの値と一致
Starkシフトが消失！！
まとめ(3)
• 2-D RCEのプロファイル
– 幅の広いディップ
⇒原子面近くの DC Starkシフトを反映
• 3-D RCEのプロファイル
– ディップの幅が狭く、ディップの中心は真空中
の遷移エネルギーに一致
⇒面ポテンシャルを速く振動する電場として感
じ、Starkシフトが小さくなる (AC Stark)
展望
３次元コヒーレント共鳴励起（3-D RCE）の
理解・拡張・応用
極薄結晶を用いた3-D RCE
・coherent長を調べる
・多重共鳴とAC-Stark効果の関係
極薄でない結晶を用いた3-D RCE
・後方に放出される脱励起X線の検出
X線領域における精密分光への応用
・Stark-free原子分光
Resonance Spectra (proj. charge state)
ionization
convoy electron
RCE
RCD
1s
de-excitation X-ray
面チャネリングにおける同時共鳴
Si (220)面チャネリングの場合のRCE条件
Ek,l( ) = (gb hc/a) [√2 k cos + l sin ]
(k, l) : 整数（２次元Miller指数）
 : (220)面内で <110>軸とビームの
なす角
a: 格子定数
同じ入射条件(gb, ) でも
(k, l) 毎に異なる振動数を感じる
→同時共鳴の可能性
a
a/√2
２重共鳴
-type
He-like Ar16+
一方は基底準位から，他方は引き続き励起準位から
(1s)2 → 1s3p → 1s2s
準安定状態
Ex. 1s3p: life ~5x10-14s MFP~15mm ~ 結晶厚/2
1s2s: life ~2x10-7s MFP~50m >>結晶厚
1 s3 p
(k ,l)= (1 ,1 )
(1 s) 2
1 s2 s
２重共鳴
-type
減少
???
２重共鳴 Ladder-type
He-like Ar16+
一方は基底準位から，他方は引き続き励起準位から
(1s)2 → 1s2p → (2p)2
2重励起状態
Ex. 1s2p: life ~1x10-14s MFP~2.8mm ~ 結晶厚 10
励起準位の寿命が有限
(2p ) 2
(k ,l)= (1 ,1 )
1s2p
(k ,l)=(1 ,-1 )
( 1s) 2
２重共鳴 Ladder-type
増加
20%
自動イオン化
Introduction
極薄(1mm)結晶を用いると・・・
結晶面で１回程度の散乱であり
表面散乱と同等
散乱角度からの
イオン軌道の予測
1 mm
1.92 Å
Non-channeling条件でも
入射イオンが生き残る
(220)
３次元のRCE
荷電状態と散乱角の同時測定
・標的結晶
(１mm厚)
390 MeV/u Ar17+
Tilt angle 
2D-PSD
9mm
Si crystal
Deflection angle
・測定
①散乱角度分布（結晶面に対して垂直方向）
②荷電状態
散乱角からの軌道の特定
1 mm
PSD
結晶
1.92 Å
(220)
1 mm
1 mm
ビーム径
0.2 mm
0 mm
-1 m m
散乱角と出射価数
1 mm
1.92 Å
(220)
← 散乱角度 →
2D-PSD image
Ar17+
Ar18+
1 mm
0 mm
-1 mm
← 荷電状態 →
散乱角度 大
原子面付近を通過
イオン化確率 大
荷電状態と散乱角度分布
PSD
鏡面反射
Deflection angle
Tilt angle 
Si crystal
Deflection angle
Tilt angle 
Tilt angle 
Deflection angle
シミュレーション
実験
Ar17+
0.01
0
-0.01
-0.02
-0.03
-0.0 3 -0.0 2 -0.0 1
0
0 .01 0 .02
T ilt a n gle  [d eg.]
0.02
0.01
0
-0.01
-0.02
0 .03
0 .03
Ar18+
D efle ction an gle [d eg.]
0.02
0.03
D eflec tio n a n g le [d eg .]
D eflec tio n a n g le [d eg .]
0.03
（イオン化は無視）
0 .02
0 .01
0
-0.01
-0.02
-0.03
-0.03
-0.0 3 -0.0 2 -0.0 1
0
0 .01 0 .02 0 .03
-0.03 -0.02 -0.01
0
0.01 0.02
T ilt a ngle  [d eg.]
T ilt a n gle  [d eg .]
0 .03
散乱角度分布の変化
1
Ar17+
0.8
U p p er
C en ter
L ow er
0.02
Upper
0
Center
Lower
-0.02
F raction
D eflection an gele [d eg.]
0.04
0.6
0.4
0.2
-0.04
-0.04
-0.02
0
0.02
T ilt an gle  [d eg.]
0.04
0
-0 .0 4
-0 .0 2
0
0.0 2
T ilt an g le  [d eg .]
0 .0 4
Upper
Center
Lower
散乱角度分布の変化
0 .3
1
U p p er
C en ter
L ow er
0.8
0.6
F raction
F raction
0 .25
0.4
0.2
振動
0 .2
0 .15
0
-0 .0 4
-0 .0 2
0
0.0 2
T ilt an g le  [d eg .]
0 .0 4
0 .1
0

Upper
Lower
Upper
Center
Lower
0 .0 2
T ilt an g le  [d eg.]
0 .04
非チャネリング入射
random入射→標的原子核/電子密度の濃いところを通過
random
結晶面
生き残り割合の厚さ依存性
390MeV/u
H-like Ar17+
φ
面channeling
（φ=0）
coherence
loss?
380MeV/u Ar → 28mm Si
16+
Calculated by ETACHA
高い入射エネルギー
薄い標的結晶
1 m 面チャネリングRCE
 m 2D-RCE
28 m 2D-RCE
2p3/2
2p1/2
n=2
3323eV
3318eV
1s
390MeV/u
H-like Ar17+
小さい共鳴（~5%）
(k, l)=(1,1)
共鳴幅が広い
・l-s interaction
結晶面近くを通過した
・Stark effect
イオンのみ切り出し
2-D RCEのプロファイル
遷移エネルギー [eV]
生き残り確率
~1mm厚結晶のチャネリング
チャネリング軌道と出射角が
一対一対応
~15eV
軌道振幅[Å]
出射角
出射角[mrad]
RCE,イオン化確率
小
大
入射位置
2p1/22p3/2
1mm
荷電分布のディップは
原子面近くのStarkシフトを反映
遷移エネルギー [eV]
面チャネリングイオンの電子状態と原子過程
H-like Ar17+ イオン
準位エネルギー
チャンネル中心
(220)原子面近く
イオン化確率大
イオン化
2p3/2
面ポテンシャルによ
~15[eV] Starkシフトのため
準位は広がる
~5[eV]
2s1/2
2p1
/2
~3300
[eV]
1s
RCE
RCE確率大
イオン化
1s
0
チャンネル中心からの距離
3-D RCEのプロファイル
•ディップの幅が狭い
•ディップの中心が真空中の遷移エネルギーに一致
Starkシフトが消失！！
イオンの感じるポテンシャル
非チャネリング条件下のイオン
入射角：f=0.1°のとき
イオンが感じる面ポテンシャル振動数
wn=1.7x1016[s-1]
面チャネリング条件下の４０倍！
面チャネリングイオン
イオンが感じる面ポテンシャルの振動数
wc=4.7x1014[s-1]
( DC Starkシフト)
非チャネリングイオンは
面ポテンシャルも振動電場
として感じる
時間変動する電場によるStarkシフト
電子状態
AC Stark
2p3
/2
11[eV]
RCE
3.3x103[eV]
2s1/2
2p1/2
4.655[eV]
0.161[eV]
3318[eV]
AC Starkシフト
E
E0
DE(w)∝w-2
1s
w0
(共鳴周波数)
w
φ=0.1°のときのStarkシフト
w=1.7x1016[s-1] (~11 [eV])
2p1/2; <2p|gEz|2s>=2.3[eV], DE = 0.0032 [eV]
2p3/2; <2p|gEz|2s>=3.2[eV], DE = -0.0065 [eV]
非チャネリングイオンの
Starkシフトは小さくなる