S olar W ind C harge e X change in Laboratory

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

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

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

Drift Tube & IMS極低温移動管およびイオン移動度分析

RCE @HIMAC / GSIコヒーレント共鳴励起

ECRIS電子サイクロトロン共鳴型多価イオン源

GeV

1 - 100 keV0.5 - 100 meV

10 - 30 keV東俊行 , 中野祐司 ( 理研 )

田沼 , 古川 / 城丸 , 松本 ( 化学 )東 ( 理研 ), 間嶋 ( 京大 )K. Hansen (U. Gothenburg) イオンの価

数衝

突エ

ネル

ギー

田沼，高谷立教大科学警察研究所 / 理研計器

Charge Exchange Madrid29 September -1 October, 2010

European Space Astronomy Centre, Madrid, Spainhttp://www.sciops.esa.int/index.php?project=CONF2010&page=CX2010

Elmar Träbert

Dennis Bodewits

Luis Mendez

Scot Porter

Department of Physics, Tokyo Metropolitan University 4

多価イオンの電荷移行反応

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

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

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

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


( K. Ishii et al., 2004)Oq+ - He

keV/u 領域 : ほぼ一定eV/u 領域 : 低いほど増大

mini-EBIS

s1 : O6+ → O5+

s2 : O6+ → O4+

Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

エネルギー利得スペクトルの測定例

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 )

O6+ + He → O5+(nl ) + He+

8

n = 3 のみ

Department of Physics, Tokyo Metropolitan University

(R. Hoekstra et al., 1990)

( Yu. S. Gordeev et al., 1983 )

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

発光スペクトル測定装置

n = 3 が殆ど

9

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 )

モデル的な粒子間ポテンシャル


粒子間ポテンシャルによる状態選択性の理解

始状態： O6+ + He

終状態： O5+(nl ) + He+

分極相互作用のみ

Coulomb 反発のみ

交差

n = 4

n = 3

n = 2

断面積のスケーリング則


Müller-Salzborn : Phys. Lett. 62A (1977) 391.

M. Kimura et al. : J. Phys. B 28 (1995) L643.

N. Selberg et al. : Phys. Rev. A 54 (1996) 4127.

q : イオンの価数， I : 標的のイオン化エネルギー /eV

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

A. Chutjian : Jet Propulsion Laboratory, CA, USA - ECRIS, 7 keV/q, Cross sections, X-ray with GeJ. B. Greenwood and R. W. McCullough : Queen’s University Belfast, Northern Ireland, UK - ECRIS, 1 - 4 keV/q, TESD. Bodewits and R. Hoekstra : KVI, Groningen, Netherlands - ECRIS, 0.1 - 16 keV/q, VUVS. Porter and P. Beiersdorfer : Lawrence Livermore National Laboratory, CA, USA - EBIT, 10 eV, X-ray with Ge & microcalorimeterC. C. Havener : Oak Ridge National Laboratory, TN, USA - Merging beams, X-ray with microcalorimeter

Key persons on SWCX


JPL

(J. Greenwood et al., 2001)

O8+

O7+- CO2

Ne9+

Ne10+


LLNL

O8+-CH4

O8+-N2

O VIII : 1s-npNe X : 1s-npNe10+-Ne

5n = 3 4

n = 6

EBIT : E = a few eV/u



ORNL (X. Defay et al., 2013)

(I. N. Draganic et al., 2011)

C5+ in collision of C6+-He1s-2p, 1s-3p, 1s-4p透過率補正無し

首都大の多価イオン衝突実験装置

Switching 　 Magnet

14.25 GHzECR Ion Source

Analyzing Magnet

断面積測定

分光測定


Experimental Setup

Magic Angle = 54.736°

Ion Beam

Collision Cell

targetgas inlet

to capacitancemanometer


O8+ -H2 collisions

Disagreement might be due to data analysis.2p > 4p > 3p 2p > 3p > 4p

Si (Li) @ 90o SDD @ 54.7o

DE = 107 eV DE = 75 eV


Total capture cross sections by TC-AOCC


(劉玲 , 王建国 )

Partial cross sections

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

O8+ - He collisions

Agreement is almost perfect, except for 1s2-1s2p.

2p > 4p > 3p 2p > 4p > 3pDepartment of Physics, Tokyo Metropolitan University 23

O8+ - H2 collisions

2p > 3p > 5p > 4p 2p > 3p ~ 5p ~ 4p

Agreement is not sufficient.


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)


O7+ - He collisions

The 1s2-1s2p transition is dominant.

2p > 3p >> 4p 2p > 3p > 4p

Si (Li) @ 90o SDD @ 54.7o


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.


Energy levels of He-like ions

1s2 1S0

1s2p 3PoJ

1s2s 3S1

O6+

w (E1) : 574 eVA = 3.3x1012 s-1

1s2s 1S0

1s2p 1Po1

z (M1) :561 eV

1x103 s-1

J = 0

J = 2J = 1

y : 568.55 eV5.4x108 s-1

x (M2) : 568.62 eV3.3x105 s-1

2 hn

I. M. Savukov et al. (2003)

w-y : DE = 5 eV


29

SwitchingMagnet

14.25 GHzECR Ion Source

Analyzing Magnet

断面積測定

分光測定

30

断面積測定装置

斜入射 EUV 分光器

Kingdon Trap (禁制遷移観測用 )

SDD 軟 X線分光器

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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