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2015 Fiscal Year Research-status Report

超流動ヘリウム液滴で探る極低温分子ダイナミクス

Research Project

Project/Area Number 15K17817
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

久間 晋  国立研究開発法人理化学研究所, 東原子分子物理研究室, 研究員 (50600045)

Project Period (FY) 2015-04-01 – 2017-03-31
Keywordsヘリウム液滴 / 極低温分子 / 超流動
Outline of Annual Research Achievements

本研究では超流動ヘリウム液滴法を極低温分子イオンダイナミクスの鍵となる長時間観測へと展開する。これまでヘリウム液滴は内部に捕捉した多様な中性分子を振動・回転自由度を含めて温度0.4Kまで急冷する手法として用いられてきたが、ビームとしての寿命はミリ秒程度に限られている。
本年度は当初の計画に従いヘリウム液滴中分子イオンの高効率生成を目指す取り組みを行った。初めに液滴を生成する連続ノズルをパルスノズルへと改良した。市販の比較的廉価なソレノイドバルブを極低温動作させることで、液滴流量を増大させることに成功した。生成した液滴サイズは、ノズル温度に基づく液滴生成メカニズムの見積もりから、平均して液滴1個あたり数十万個のヘリウム原子を含むと予測される。
次にヘリウム液滴中に分子イオンを生成するために、まず中性分子を液滴中に捕捉しイオン化を行った。最初に、希薄な水蒸気をサンプルとして用いることで、液滴中に水分子を捕捉することに成功した。その液滴に対し電子衝撃イオン化法を用い、H2O+、OH+、O+を生成した。生成イオンの強度比は、電子衝撃によりまず液滴中のヘリウム原子がイオン化され、その後電荷移動により中性分子がイオン化されることで説明される。
さらにイオン生成効率を向上させ且つヘリウム液滴中の分子イオンのダイナミクスを検出するために、可視・赤外領域のレーザーの整備を行い本研究遂行に必要な性能を得た。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

ここまで当初の研究計画に従い概ね順調に進展している。ただしパルスバルブの極低温動作においてリーク等の問題が発生したため、液滴ビームの最適化にはまだ改良の余地がある。また種々のイオン化法を検討した結果、計画にある多光子イオン化に取り組むより先に、既存の装置を改良した電子衝撃法を選択し研究を進展させた。今後も最適なイオン化法を検討する必要があると考えている。またサンプルとしては水分子を用いたが、様々な分子を用いて多様なイオン種を生成するまでには至らなかった。

Strategy for Future Research Activity

研究計画の最終年度である今年度は、実際に長時間観測を目指して、静電場によるイオン捕捉液滴の並進速度制御に着手する。現在の飛行時間型質量分析システムを改良し、パルス静電場による液滴の加速・減速に挑戦する。特に高エネルギーに加速した際に、どの程度内部のイオンが液滴内に安定にとどまることができるか、を検討する。また減速することで、これまでのミリ秒を超えた長時間の液滴寿命達成を目指す。これらと同時に液滴ビームの最適化を適宜進める。これらの課題をクリアできれば、極低温静電型リングへ導入して長時間観測実験を行うことが可能になる。

Causes of Carryover

パルスバルブを他機関より譲渡されたため、新規購入の必要性がなくなったことによる。

Expenditure Plan for Carryover Budget

イオン化法の改良に用いる

  • Research Products

    (10 results)

All 2016 2015

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] Observation of a shape resonance of the positronium negative ion2016

    • Author(s)
      K. Michishio, T. Kanai, S. Kuma, T. Azuma, K. Wada, I. Mochizuki, T. Hyodo, A. Yagishita, and Y. Nagashima
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 7 Pages: 11060

    • DOI

      10.1038/ncomms11060

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A streak camera study of superfluorescence at multiple wavelengths from helium atoms excited using free electron laser pulses2015

    • Author(s)
      J. R. Harries, H. Iwayama, M. Nagasono, T. Togashi, M. Yabashi, S. Kuma, K. Nakajima, Y. Miyamoto, C. Ohae, N. Sasao, and E. Shigemasa
    • Journal Title

      Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics

      Volume: 48 Pages: 105002

    • DOI

      10.1088/0953-4075/48/10/105002

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Simultaneous Measurements of Super-Radiance at Multiple Wavelengths from Helium Excited States: II. Analysis2015

    • Author(s)
      C. Ohae, J. R. Harries, H. Iwayama, K. Kawaguchi, S. Kuma, Y. Miyamoto, M. Nagasono, K. Nakajima, I. Nakano, E. Shigemasa, N. Sasao, S. Uetake, T. Wakabayashi, A. Yoshimi, K. Yoshimura, and M. Yoshimura
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 85 Pages: 034301

    • DOI

      10.7566/JPSJ.85.034301

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Simultaneous Measurements of Super-Radiance at Multiple Wavelengths from Helium Excited States: I. Experiment2015

    • Author(s)
      K. Nakajima, J. R. Harries, H. Iwayama, S. Kuma*, Y. Miyamoto, M. Nagasono, C. Ohae, T. Togashi, M. Yabashi, E. Shigemasa, and N. Sasao
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 84 Pages: 054301

    • DOI

      10.7566/JPSJ.84.054301

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] nfrared absorption spectra of SiF4 and its clusters in solid parahydrogen2015

    • Author(s)
      H. Ooe, Y. Miyamoto, S. Kuma, N. Sasao and K. Kawaguchi
    • Journal Title

      Chemical Physics Letters

      Volume: 631-632 Pages: 54-58

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2015.04.057

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 極低温イオンダイナミクス探索のための 超流動ヘリウム液滴ビームの開発2016

    • Author(s)
      久間 晋, 東 俊行
    • Organizer
      日本物理学 会第 71 回年次大会
    • Place of Presentation
      東北学院大学(宮城・仙台)
    • Year and Date
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [Presentation] Dynamics of helium droplets in a cryogenic electrostatic ion storage ring2015

    • Author(s)
      Susumu Kuma, Yuji Nakano, Yoshinori Enomoto and Toshiyuki Azuma
    • Organizer
      Pacicfichem2015
    • Place of Presentation
      ホノルル(アメリカ)
    • Year and Date
      2015-12-15 – 2015-12-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Rotational and translational dynamics of hydrogen fluoride in solid parahydrogen2015

    • Author(s)
      S. Kuma, Y. Miyamoto, H. Ooe, N. Sasao and K. Kawaguchi
    • Organizer
      Pacicfichem2015
    • Place of Presentation
      ホノルル(アメリカ)
    • Year and Date
      2015-12-15 – 2015-12-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Cold molecular ions in superfluid helium droplets: A new beamline for RICE2015

    • Author(s)
      Susumu Kuma, Yuji Nakano, Yoshinori Enomoto and Toshiyuki Azuma
    • Organizer
      原子衝突学会第40回年会
    • Place of Presentation
      首都大学東京(東京・八王子)
    • Year and Date
      2015-09-28 – 2015-09-30
  • [Presentation] Molecular ions in superfluid helium droplets for RICE2015

    • Author(s)
      Susumu Kuma, Yuji Nakano, Yoshinori Enomoto and Toshiyuki Azuma
    • Organizer
      6th International Workshop on Electrostatic Storage Devices
    • Place of Presentation
      首都大学東京(東京・八王子)、理化学研究所(埼玉・和光)
    • Year and Date
      2015-06-08 – 2015-06-11
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2017-01-06  

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