共同研究報告書
| 研究区分 | 萌芽研究 |
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研究課題 |
イオン誘起による微粒子核生成機構の解明：分子過程からのアプローチ |
| 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 | |||
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氏 名
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所 属
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職 名
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1 |
小島隆夫 | 理化学研究所 基幹研究所 | 先任研究員 |
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2 |
渡部直樹 | 北大低温研 | |
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3 |
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の核となるクラスターイオンの生成過程を分子科学的手法で明らかにし、イオン種やクラスターイオンの構造が微粒子の成長へ及ぼす影響を定量的に調べることが、本研究の目的である。イオンの静電的引力によるクラスターイオンの生成は重要な微粒子核生成過程であると考えられている。これはイオン誘起微粒子核生成と呼ばれ、地球惑星科学での諸現象（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。しかし、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。この点から、イオン誘起微粒子核生成の果たす役割を理解するための実験研究を行う。 |
| 研究内容・成果 | 従来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いないものがほとんどであり、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、反応経路、電荷や構造が及ぼす影響など、素過程の定量的な理解は得られていない。 初期の反応経路を限定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・質量選別する部分と、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装置を開発した。反応領域には、イオン移動管を用い、ガス中を静電場によりイオンをドリフトさせてクラスターイオンを生成・成長させる。そして反応部から引き出したクラスターイオンの生成量を結合分子数ごとに測定する。 本年度は、大気中に存在しうる簡単な正イオンを種イオンにして生成される水クラスターイオンの測定を目的として、主に下記の装置開発を行った。 • 十分な量の種イオンを得るために、種イオンの生成・質量分離装置の改良を行った。その結果、種イオン総量が約10倍増加し、実験を短時間で行えるようになった。新しく製作したイオン生成部のイオン源の概略図と写真を図1-aとbに示す。 • クラスターイオン生成部である移動管内の温度や電場の均一性を改善するために、移動管部品の改良を行い、またイオン移動管の温度調節機構の製作を行った。この研究で用いる温度範囲での温度調整が問題なく可能となった。 これらの装置開発の進行にともない、主に下記の予備実験を行った。 • 移動管にヘリウムガスを満たし、その中でのアルゴンイオンの移動速度を測定した。イオンの移動速度は、移動管内の物理条件を敏感に反映し、移動管の性能チェックに適する。移動管内にイオンをパルス的に通過させるシャッターを2カ所設けており、それにより移動時間分布を測ることで、移動速度が求められる。移動時間分布の例は、図2に示す通りである。測定の結果、既知の実験値をほぼ再現しており、移動管は十分な性能を持つことを確認した。 • 移動管を不飽和の水蒸気ガス、またはヘリウムと不飽和の水蒸気の混合ガスで満たし、水分子よりもイオン化エネルギーの大きい数種類のイオンを種イオンとし、水クラスターイオン生成の予備実験を行った。いずれも、H3O+イオンに水分子が結合した水クラスターが測定された。これから、種イオンへの電子の移動で水分子の正イオンが生成し、このイオンと水分子の反応でH3O+イオンが生成した後に水分子が結合していくと考えられる。生成された水クラスターイオンの質量分布の例を図3に示す。 以上の予備実験の結果をふまえ、さらに装置の改良を行い、今後イオンが誘起するエアロゾル形成の初期過程の解明やクラスターイオンの自由エネルギー測定を目指す。 |
| 成果となる論文・学会発表等 | 中井陽一、日高宏、渡部直樹、小島隆夫 日本物理学会第66回年次大会、2011年3月、概要集発表（震災のための処置） |