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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。
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