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S olar W ind C harge e X change in Laboratory

S olar W ind C harge e X change 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 静電型イオン蓄積リング. RCE @HIMAC / GSI コヒーレント共鳴励起. 10 - 30 k eV. 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 ). イオンの価数.

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S olar W ind C harge e X change in Laboratory

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 首都大・原子物理実験研究室の研究テーマ E-ring 静電型イオン蓄積リング RCE@HIMAC / GSI 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) イオンの価数 衝突エネルギー Drift Tube& IMS 極低温移動管および イオン移動度分析 ECRIS 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

  3. Scot Porter Dennis Bodewits Luis Mendez ElmarTräbert 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

  4. 多価イオンの電荷移行反応 Aq+ + B → A(q-c)+ + Br+ +(r-c)e- q+：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 Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  5. 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 Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  6. 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 Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  7. 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 : 低いほど増大 Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  8. 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. Okunoet al., 1983 ) Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  9. 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. Gordeevet al., 1983 ) Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  10. 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) Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  11. 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 終状態： O5+(nl) + He+ n = 2 交差 Coulomb反発のみ 粒子間ポテンシャルによる状態選択性の理解 Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  12. 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. M. Kimura et al. : J. Phys. B 28 (1995) L643. N. Selberget al. : Phys. Rev. A 54 (1996) 4127. Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  13. 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 Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  14. 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 Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  15. O7+- CO2 O8+ Ne9+ Ne10+ (J. Greenwood et al., 2001) JPL Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  16. Ne10+-Ne Ne X : 1s-np O VIII : 1s-np O8+-CH4 n = 6 O8+-N2 n = 3 4 5 EBIT : E = a few eV/u LLNL Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  17. (I. N. Draganicet al., 2011) C5+ in collision of C6+-He 1s-2p, 1s-3p, 1s-4p 透過率補正無し ORNL (X. Defayet al., 2013) Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  18. 首都大の多価イオン衝突実験装置 Analyzing Magnet 14.25 GHz ECR Ion Source SwitchingMagnet 分光測定 断面積測定 Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  19. Experimental Setup Ion Beam Collision Cell to capacitance manometer target gas inlet Magic Angle = 54.736° Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  20. O8+ -H2 collisions Si (Li) @ 90o SDD @ 54.7o DE = 75 eV DE = 107 eV 2p > 4p > 3p 2p > 3p > 4p Disagreement might be due to data analysis. Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  21.  Total capture cross sections by TC-AOCC (劉玲, 王建国) Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  22. Partial cross sections Dominant capture level : n = 5 (H2), n = 4 (He) Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  23. O8+ - He collisions Agreement is almost perfect, except for 1s2-1s2p. 2p > 4p > 3p 2p > 4p > 3p Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  24. O8+ - H2 collisions Agreement is not sufficient. 2p > 3p > 5p > 4p 2p > 3p ~ 5p ~ 4p Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  25. 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) Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  26. O7+ - He collisions Si (Li) @ 90o SDD @ 54.7o The 1s2-1s2p transition is dominant. 2p > 3p >> 4p 2p >3p > 4p Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  27. Bare ions vs H-like ions Bare-ion collisions : Pq+ + T → P(q-1)+(nl2LJ) + T+ H-like ion collisions : Pq+(1s)+ T → P(q-1)+(1snl1LJ,3LJ) + T+ Triplet / Singlet ~ 3 ? AOCC method can not treat this issue. MOCC is necessary for H-like ion collisions. Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  28. Energy levels of He-like ions O6+ 1s2p 1Po1 1s2s 1S0 1s2p 3PoJ J = 2 w (E1) : 574 eV A = 3.3x1012 s-1 J = 1 J = 0 1s2s 3S1 x (M2) : 568.62 eV 3.3x105 s-1 y : 568.55 eV 5.4x108 s-1 w-y : DE = 5 eV 2 hn z (M1) : 561 eV 1x103 s-1 I. M. Savukovet al. (2003) 1s21S0 Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

  29. 14.25 GHz ECR Ion Source Analyzing Magnet Switching Magnet 分光測定 断面積測定

  30. 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)

  31. 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 Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

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