原子過程と粒子ビーム計測


反応を起こすか起こさないかは確率の問題であり、標的の大きさを面積で表したものを反応の断面積という。 標的の断面積をσ[m2]、密度がN[m-3]であるとき、入射粒子の平均自由行程は
λ = 1/Nσ
衝突頻度は
ν = Nσv
標的が熱運動をしている場合はσvの代わりにMaxwell分布で平均した<σv>を用いる。 これを反応速度係数という。

重イオンビームプローブはイオンの運動エネルギーの変化を捉えるものである。 運動エネルギーW0の1価のイオンが電位φのところにやってくると運動エネルギーは

W = W0 - eφ
となる。 このイオンがここで2価に電離し、再びφ=0のところにやってくると2eφのエネルギーを得るため、差し引き運動エネルギーは
W = W0 + eφ
すなわち電離した位置の電位情報を持って飛び出してくる。

入射ビームの電流密度は、nbをビームの密度、vbをビームの速度として

p = enbb
である。 測定される二次ビームの電流密度は、neを電子密度、<σv>ionを電離の反応速度係数、ℓをサンプル長とすると
s = 2enbe<σv>ion
となる。 比をとると
s/Ip = 2ne<σv>ionℓ/vb
となる。

中性粒子ビームは荷電交換反応を利用して作ることができる。 Liの中性粒子ビームをプラズマ中を通過させると電子衝突によって励起を受ける。 励起された原子は放射遷移によって光を放出する。 励起の反応速度係数は比較的に温度に依存しないため、光の強度はほぼ電子密度に比例する。


参考書

  • プラズマ・核融合学会:「プラズマ診断の基礎」、名古屋大学出版会
  • プラズマ・核融合学会:「プラズマの生成と診断」、コロナ社

課題

  • Rb+ビームを用いる。 Rbの原子量は85である。 入射ビームエネルギーが10 keV、電流密度が10 mA/m2のとき、ビーム速度と密度を求めなさい。
  • 電子温度100 eV、電子密度1018m-3、電離断面積σ=10-20 [m2]、サンプル長10-2mのとき、電子の熱速度veを求め、<σv>=σveとして二次ビーム電流を求めなさい。

Email: Keiichi Takasugi