共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 イオン誘起微粒子核生成過程の詳細研究
新規・継続の別 新規
研究代表者／所属 理化学研究所　仁科加速器研究センター
研究代表者／職名 専任研究員
研究代表者／氏名 中井陽一

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 渡部直樹 北大低温研

2

 日高宏 北大低温研

研究目的 エアロゾルや星間塵などの微粒子核となる、分子数が数個から数十個のクラスターイオンの生成素過程を明らかにすることが、本研究の目的である。イオンと他の分子が結合してクラスターイオンを生成し、微粒子の核となることが以前より示唆されている。これはイオン誘起微粒子核生成と呼ばれ、地球惑星科学の諸現象（大気エアロゾルや星間塵の生成など）に深く関わる重要な研究テーマである。微粒子の生成速度や生成量は微粒子核の生成速度に起因していると考えられるが、出発点であるイオン誘起微粒子核生成の物理・化学素過程の詳細は理解されていない。イオン誘起微粒子核生成の果たす役割を理解するためには、詳細な実験研究が必要である。
図1　装置の概念図（a)と全体の写真（b)。イオン源部で生成選別されたイオンを移動管へ入射する。　図2　ヘリウム・ネオン混合ガスをイオン生成部に導入した際に質量選別されたイオンの質量スペクトル。　図3　イオン移動管の組上図（a)、移動管内のリング電極（b)、設置された移動管（c:入口から、d:側面から）
研究内容・成果 これまでのイオン誘起微粒子核生成の実験では、第一段階のイオン生成とクラスターイオンの生成反応の領域が分離されておらず、その領域で生成したクラスターイオンの分析のみが行われてきた。そのため、核生成に至る初期の反応経路は推定されたものであり、そこから引き出される物理量は実効的なものとなる。
　実験条件による任意性を避け、初期の反応経路を明確にすることを目的とし、微粒子核生成を誘起するイオン（種イオン）を生成する部分と種イオンを質量選別する部分をクラスターイオンの生成反応領域と分離し、種イオンを反応領域へ選別導入することを考えた。反応領域には、イオン移動管を用い、静電場によって有効反応温度を調整することにした。反応領域から導出した微粒子核の生成量は質量選別して測定する。本年度は実験装置の製作・開発を行った。実験装置の概念図と全体写真は図1に示す通りである。
　種イオンの生成部分と質量選別部分は、研究初期段階においては、構造が簡単で生成イオンの分岐が少ないイオンを種イオンとすることを考え、既存の四重極質量分析器を改造して使用することにした。四重極質量分析器は、四重極電極にDC電圧とRF電圧を重畳したものを印加することで質量分析を行うため、既存の分析器の改造に伴う影響を確認する必要があった。既存の分析器は電圧印加のための導線として、直径2mm程度の金属棒を用いていたが、分析器の設置のフレキシビリティを考え、太めの通常の導線に変更した。ヘリウムとネオンの混合ガスをイオン生成部に導入した際の質量分離スペクトルを図2に示す。これに示される通り、このような改造を行っても質量分析は問題なくできており、種イオン生成部および選別部として使用できることが分かった。
　また、反応領域として新たに設計・製作したイオン移動管の組立図と写真を図3に示す。移動管には、クラスターイオンを構成する分子気体が満たされ、弱い一様電場が印加される。この一様電場内でイオンはガス分子と衝突し、結合反応を起こすことでクラスターイオンを生成する。一様電場を作るために、無酸素銅の容器内に14枚のリング電極を配置した構造になっている（図3-b)。移動管へのイオンの入射と出射は、入口側と出口側にある小さな穴径の電極を通して行う。またこの電極は移動管容器内とそれが設置される真空容器の間の気体の圧力差を十分に確保するためにも使われる。移動管は冷凍機の冷却ヘッドに取り付けられ（図3-c，d)、ヒーターを併用することで、移動管内部のガスの温度調整が行える。
　今後は、装置全体の総合的なテスト運転を行い、設計どおり稼働することを確認することが第一の課題である。また、種イオン生成部を生成イオンの分岐が多いものに対応できるように、イオン生成部の開発を行う予定である。
図1　装置の概念図（a)と全体の写真（b)。イオン源部で生成選別されたイオンを移動管へ入射する。　図2　ヘリウム・ネオン混合ガスをイオン生成部に導入した際に質量選別されたイオンの質量スペクトル。　図3　イオン移動管の組上図（a)、移動管内のリング電極（b)、設置された移動管（c:入口から、d:側面から）
成果となる論文・学会発表等