多価炭素イオンと水素原子・分子の電荷移行断面積

首都大学東京 理工学研究科・物理学専攻

田沼　肇

原子分子データ活動に関する研究会 2011.3.11 @ 航空会館 (新橋)

委託研究課題： 低エネルギー領域における炭素多価イオン (C4+) と水素原子・分子の電荷移行断面積の測定　(励起水素原子も含む)

参考データ： 他の価数 (q = 2, 5) の炭素多価イオンと水素分子との電荷移行断面積 CH4標的における電荷移行断面積

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

Single electron capture, SC :

Aq+ + B A(q -1)+ + B+

“True” double electron capture, TDC :

Aq+ + B → A(q -2)+ + B2+

Transfer ionization, TI :

Aq+ + B → A(q -1)+ + B2+ + e-

電子サイクロトロン共鳴型多価イオン源

MW : 14.25 GHz, 100 - 500 W Coils & Magnets : B = 1 T

14.25 GHz ECRion source

Analyzing magnet

Switching magnet

Collision chamber

Grazing Incident Spectrometer

Liq. N2 cooled CCD

Experimental Setup

CORONA- Cooperative Research On Novel Atoms -

標的気体

キャパシタンス マノメータ

Si(Li) 検出器

ファラデーーカップ

コリメメーータターー φ2

衝突セル

電子追い返し電極

軟Ｘ線

測定部の概略

レンンズ①

レンンズ①

レンンズ②

レンンズ②

イオンン追い返し電極

SIMIONによる軌道シミュレーション

衝突セル (L = 100 mm)

減速レンズ

再加速レンズ

ファラデーカップ

追い返し電極

アパーチャー (φ2mm)

減衰法による一電子移行断面積測定

SC

1

nl

Iq 1

Iq

q

q 1

n : 標的気体の数密度 l : 衝突領域の長さ Iq : 入射イオンの電流値 Iq-1 : 価数が1つ小さくなったイオンの電流値

dI

dx=

SCn( )I

Ix= I

x=0 exp SCnx( ) I x=0 1 SCnx( )

多価イオンの電荷移行断面積の計算 量子論： ・AOCC (原子軌道緊密結合法) ・MOCC (分子軌道緊密結合法) 半古典論： ・Landau-Zener型ポテンシャル交差モデル 古典論： ・Classical Trajectory Monte Carlo ・Classical over the Barrier Model

Potential

Aq+ B

Potential

Potential

Potential

(A-B)q+

Potential

Potential

A(q-1)+ B+

Potential

Classical over-the-barrier model

nA =1+ 2 q

2IB(q + 2 q)

1

2

q

IB：標的のIP EA =

(q 1)2

2nA2

標的によって捕獲準位が異なる

主量子数：

( A. Niehaus, 1986 )

このときの核間距離が重要 = RC

2

Scaling rules for the constant cross section region

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

Ij : The j-th ionization energy in eV

N : # of outer shell e- (2 for He, 8 for Ar and Xe)

Scaling rules based on COBM :

q

r /cm2 = 2.7 10 13qr / I12Ir2 ( j /I j

2)j=1

N

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

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

q,q 1/cm

2=1.43 10 12

q1.17

(I /eV)2.76

q /cm2= 2.6 10 13

q

(I /eV)2

Empirical scaling rule :

102 103 104 105 10610-17

10-16

10-15

O6+-He

Dijkkamp (1985)

Ishii (2004)

Fritsch (1986) AOCC

Shimakura (1987) MOCC

TMU (2011)

Collsion Energy / eV

Cro

ss S

ectio

n / c

m2

O6+ - He

Müller-Salzborn

Kimura et al.

IP = 24.59 eV

100 101 102 103 104 105 106

10-15

10-14

Crandall (1977)Phaneuf (1978)Crandall (1979)Goffe (1979)Gardner (1979)Phaneuf (1982)Takagi (1983)Panov (1983)Soejima (1992)Itoh (1995)Dijkkamp (1985)Hoekstra (1990)Ishii (2001)Gargaud (1985)TMU-1TMU-2

Collision Energy / eV

Cro

ss S

ectio

n / c

m2

C4+ - H2

MSK

水素原子標的の生成： ・マイクロ波放電 ・熱解離 →　・十分に高い標的密度 　　・正確な標的密度の測定 　　→　何れも困難 = 今後の課題

スケーリング則の利用： ・同じIPであれば，断面積は等しい (?) ・HとCH4のIPはともに 13.6 eV

10-16

10-15

10-14

101 102 103 104 105 106 107

Phaneuf (1978)Crandall (1979)Goffe (1979)Gardner (1980)Phaneuf (1982)Panov (1983)Dijkkamp (1985)Hoekstra (1990)Bliek (1997)Fritsch (1984)

Cro

ss s

ectio

n / c

m2

Collision Energy / eV

C4+ - H

MSK

100 101 102 103 104 105

Soejima (1993)

TMU (2011)

Collision Energy / eV

Cro

ss S

ectio

n / c

m2

C4+ - CH4

10-16

10-15

10-14

101 102 103 104 105 106 107

Phaneuf (1978)Crandall (1979)Goffe (1979)Gardner (1980)Phaneuf (1982)Panov (1983)Dijkkamp (1985)Hoekstra (1990)Bliek (1997)Fritsch (1984)

Cro

ss s

ectio

n / c

m2

Collision Energy / eV

C4+ - H / CH4

Soejima (1993)

TMU (2011)

MSK

100 101 102 103 104 105 106 10710-17

10-16

10-15

10-14

Phaneuf (1978)Nutt (1978)Gardner (1979)Goffe (1979)Itoh (1995)Ishii (2001)TMU (2011)

Collision Energy / eV

Cro

ss S

ectio

n / c

m2

C2+ - H2

MS

K

100 101 102 103 104 105 10610-16

10-15

10-14

Crandall (1979)

Phaneuf (1982)

Panov (1983)

Ishii (2001)

TMU (2011)

Collision Energy / eV

Cro

ss S

ectio

n / c

m2

C5+ - H2

MS

K

準安定励起標的 H (2s 2S1/2) に対する予想

IP = 13.6 eV – 10.2 eV = 3.4 eV

Müller-Salzborn : 2.47 x 10-14 cm2

Kimura et al. : 9.0 x 10-14 cm2

Sakaue et al. : 3.6 x 10-14 cm2

(アルカリ原子標的の場合）

C4+(1s2) + H(2s) C3+(1s2nl) + H+

まとめと課題： ・減衰法による電荷移行断面積測定装置の開発 ・Cq+ (q = 2, 4, 5) - H2 衝突における測定 ・C4+ - CH4 衝突における測定 ・スケーリング則に基づく考察 ・H(2s) 標的に関する予測 ・H原子標的を用いた実験の検討 ・多電子捕獲断面積の測定

謝辞： ・装置開発ならび測定を実行してくれた石田卓也くん (首都大M1) に深く感謝します。