研究室紹介OPAL-RING
中村（信） 研究室

多価イオンの物理学的な研究、多価イオン源の開発

当研究室では、多価イオンの本質に関するさまざまな事象を原子物理学的観点から解明したいと考え、あわせて多価イオン生成装置の開発を行っている。
原子は原子核とそれを取り巻く電子で成り立っている。この電子を奪って不安定な状態にしたものが多価イオンだ。多価イオンは他の物質とぶつかったとき、強い力で電子を奪おうとすることから、電子を吸い取るブラックホール、電子の掃除機だと言われることがある。この多価イオンに関しては未だに分からない部分が多く、現在物理学における最も正確な理論といわれる量子電磁力学でも適応限界を超えてしまうことがあるかも知れないと言われている。

天文台や核融合研究施設との共同研究

多価イオンは地球上では自然には存在しないが、太陽など宇宙にある高温の場所では、ごく自然に存在する。このことから、多価イオンの性質を学ぶことによって太陽で何が起こっているかを理解できるようになる。そのため、宇宙物理学の研究機関では多価イオンの情報が不可欠なのだ。
また地球上でも、核融合実験炉という高温下で発電を実現するために、多価イオンが重要な鍵の一つを握っている。このことから、天文台や核融合研究施設とは密接なつながりを持ち、相互にさまざまなデータをやり取りして、多価イオンの特性について共同研究を行っている。

多価イオンの応用

さらに、多価イオンの応用として、次世代リソグラフィ光源として利用する研究が進められている。リソグラフィは高集積化が進み、加工精度を上げるにはより波長の短い光源が必要になった。そこで次世代では、プラズマ中で発光する多価イオンの極端紫外光を利用した光源が第一の候補となっている。多価イオンは元素や取り出す電子の数によって発光の仕方が違うので、それらを制御することで望みの波長の光を取り出せることが魅力の一つだ。

Ｔｏｋｙｏ―ＥＢＩＴ（電子ビームイオントラップ）

多価イオンの実験を行うためには、専用の実験装置が必要となる。大きな加速器を使って加速した高速イオンを薄膜に当てたり、核融合実験炉のプラズマなどでも多価イオンを発生させることができるが、装置も大型になる上、高速で運動する多価イオンは研究や応用に都合が悪いことが多い。
１９９７年、大谷俊介教授とともに中村は、世界最大規模・最高性能の多価イオン生成装置であるＴｏｋｙｏ—ＥＢＩＴを電通大レーザー新世代研究センター内に製作した。
この装置は、どのような元素でも望みの価数として自由に取り出すことができることから、自由度の高い多価イオン研究が可能となる。このように、Ｔｏｋｙｏ—ＥＢＩＴは高性能な多価イオン源であるが、高さが３mを超える大型の装置であるほか、超伝導コイルを冷却するために液体ヘリウムが使われていて、稼働するためにはかなりのランニングコストがかかる。

ＣｏＢＩＴ

そこで当研究室は、Ｔｏｋｙｏ—ＥＢＩＴの基本構造を保ちながら、高さを約６分の１の50cmに小型化したＣｏＢＩＴ（コビット）を製作した。利用できる価数には制限があるものの、例えば太陽大気に多く存在する10〜20価程度の鉄多価イオンなどを作れる性能を持っており、一般の多価イオン実験をするには充分な機能を備えている。このように、当研究室では多価イオンの研究を行う一方で、効率よくイオンを発生させる実験装置の開発にも力を注いでいる。

Ｔｏｋｙｏ―ＥＢＩＴの開発で蓄積したノウハウや知見を生かして、小型の多価イオン源ＣｏＢＩＴを開発

より小型で高性能な多価イオン発生装置を開発し、多価イオン研究を盛り上げたい