Production of a low-energy atomic beam with ion-electron recombination toward atomic-beam spectroscopy of lawrencium

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K20924
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: 伊藤 由太 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究職 (30711501)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Keywords: 原子線分光 / 原子ビーム / 超重元素 / RFイオンガイド / RFイオントラップ

Outline of Annual Research Achievements

原子番号100を超える超重元素では、原子核の持つ強大なクーロン力によって軌道電子が強い相対論効果を受ける。103番元素ローレンシウム(Lr)では、その相対論効果によって価電子軌道の周期律異常が初めて出現すると予測されている。Lrの価電子軌道を直接決定する手法として、Stern-Gerlach実験に代表される原子線分光法が挙げられる。原子線分光法には低速原子ビームが不可欠であり、その実現のためにイオンガイド技術を組み合わせた再結合型中性化機構による原子ビーム生成法の確立を目指す。
2021年度は、前年度に改良した光学系に結合する高周波四重極イオントラップを開発した。これは、イオン源で生成されたイオンをイオントラップで一旦蓄積・冷却し、低エネルギーかつ高品質のイオンビームとして電子雲中へ入射するために必要となる。実験では、Rb+イオンの連続イオンビームを希薄なヘリウムガスで満たしたイオントラップ中へ蓄積し、数秒間の冷却の後、数eVのイオンビームとして引き出すことに成功した。トラップにおけるイオンの冷却度合いを評価するために、トラップ諸条件(ヘリウムガス圧・冷却時間・高周波電圧)を変化させながら系統的な測定を行った。結果、10^-5 Pa程度のヘリウムガス圧において、数秒間の冷却時間でイオンの冷却が完了していることを確認した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2021年度は、当初の計画通り、より低エネルギーなイオンビーム輸送に用いるRFQイオントラップの開発と性能評価を行った。これを基に現在、RFQイオントラップと中性化器との接続を準備している段階であり、おおむね順調に進展している、と判断する。

Strategy for Future Research Activity

RFQイオンガイドを中性化器と組み合わせ、より低エネルギーで高品質なイオンビームでの中性化実験を進める。2020年度に開発したLangumuir-Taylor検出器はを用いて、低エネルギーでの原子ビーム生成を直接検証する。同時に、Rb以外のイオンでの中性化を試みるために電子衝撃型イオン源の開発を進め、元素間での中性化の違いについても検証する。

Causes of Carryover

2021年度に購入した物品について、想定していた価格よりも安価で購入することができたため、想定額と支払額の差分が次年度使用額として生じることとなった。次年度使用額は、2022年度分研究費と合わせて、2022年度に予定している電子衝撃型イオン源の開発に使用する。