2018 Fiscal Year Annual Research Report
New development for studying cold ion chemistry in interstellar molecular coulds
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18H01271
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
岡田 邦宏 上智大学, 理工学部, 教授 (90311993)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
南部 伸孝 上智大学, 理工学部, 教授 (00249955)
崎本 一博 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 助教 (60170627)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | イオン-極性分子反応 / シュタルク分子速度フィルター / イオントラップ / クーロン結晶 / 星間分子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
温度可変シュタルク分子速度フィルターと冷却イオントラップを組合わせた低温イオン極性分子反応測定装置を用いて，Ne+ + CH3CN反応の低温での並進温度依存性の測定を行った。極性分子の並進温度を6.5Kから約70K（並進反応温度約5-24K）まで変化させ，反応速度定数に明確な温度依存性が存在することを確認した。この温度依存性がCH3CNの回転準位分布の違いによるものかどうかを確認するため，Perturbed Rotational State理論によって求めたイオン-極性分子捕獲断面積から捕獲速度定数の並進温度依存性を求め，比較した。その結果，並進反応温度が5 Kのときには理論値とほぼ一致したが，10 K以上では一致せず，反応確率に大きな温度依存性があることが示唆された。一方，反応分岐比の測定のために導入した飛行時間型質量分析計を用いてカルシウムイオンのクーロン結晶の引出し実験を行ったところ，飛行時間信号の再現性が不十分であることが判明した。そこでイオントラップ部の構造を改良し，イオンの効率的な引出しを行うためのイオンレンズを加えた。また，極性分子の回転温度冷却のためのガスセルの設計・製作を終了し，年度末に装置の納品が完了した。
宇宙研の崎本は，イオン-極性分子衝突系における共鳴散乱に関する考察を進めた。イオンと極性分子からなる衝突系は，分子の向きに強く依存するダイポール相互作用を持つ。この相互作用によって顕著な共鳴散乱が引き起こされることがわかった。さらに，この共鳴現象が，分子回転運動に断熱近似を課して得られる断熱ポテンシャルに起因できること，つまり形状共鳴として理解できることを示した。
南部はイオン極性分子反応系における反応動力学計算に必要な初期条件（座標・運動量）の決定法を特定し，独自開発したab initio 分子動力学計算プログラムによる動力学計算の準備を完了した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
岡田は当初の計画通り，低速極性分子の回転温度を制御するための冷却ガスセルの設計・製作を完了させた。なお装置の設計段階において，ガスセル出口（円孔）への極性分子の凍結による分子線強度の低下が懸念されたため，当初の計画には無かった新たな部品をガスセルに追加した。具体的にはセル出口のまわりにニクロム線を配置し，凍結による分子線強度の低下を防ぐ構造を採用した。この設計変更により，ガスセルの納入が年度末となってしまったため，装置の性能評価を年度内に行うことができなかった。一方で，研究実績の概要に記したように，極性分子の並進温度を大きく変化させたNe+ + CH3CN反応の反応速度定数の並進温度依存性を測定し，反応確率の温度依存性の確認に成功した。実際に2018年度に得られた実験の成果は，日本物理学会第74回年次大会（2019年3月17日）におけるシンポジウム講演（依頼講演）での発表に繋がった。
崎本は，close-coupling法と断熱近似法による計算結果を比較し，イオン-極性分子衝突系における共鳴現象が形状共鳴として理解できることを示し，この衝突系の物理的理解を深めることに貢献した。
南部はCH3CN-N2H+反応系の初期条件の決定法を特定し，反応動力学計算の準備が整ったところである。
以上が進捗状況に関する上記区分の理由である。
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| Strategy for Future Research Activity |
岡田は，完成させた冷却ガスセルを動作させ，様々な緩衝ガス種を導入することによって，極性分子ガスの凝縮がなるべく起こらないガス圧・ガス種を探索していく。具体的な極性分子としてND3, CH3CNを用い，緩衝ガスにはHe, Ne, Ar, Xe, 窒素, CO, CH4などの導入を試みる。また，Ne+ + CH3CN反応に対して，反応速度定数の回転温度依存性の測定を行う。一方，改良を加えた飛行時間質量分析計の性能評価を行う。具体的には，レーザー誘起反応によって生成可能なCaO+分子とCa+の混合クーロン結晶を生成し，CCDカメラによって取得したCa+クーロン結晶のレーザー誘起蛍光画像からCa+とCaO+のイオン数を同定したのち，その混合クーロン結晶の飛行時間信号を測定し，イオン数と飛行時間信号の相関測定を行う。この実験手法の確立によってイオン極性分子反応の分岐比測定のための基盤を確立する。
崎本は，引き続きイオン－極性分子衝突系に関する理論的研究を継続する。具体的には，イオンと極性分子の形状共鳴散乱について，分子が回転励起状態にある場合を考える。分子が基底状態にあると，断熱ポテンシャルによるシングルチャネル問題として共鳴現象を扱うことができた。しかし，励起状態だと多チャンネル問題になることが避けられない。この場合に共鳴現象がどのように理解できるのかさらに考察を進めていく。
南部は，CH3CN-N2H+反応系に加えてCH3CN-Ne+反応系に対しても力場や電荷分布を決め，古典分子動力学シミュレーションで初期エネルギー分布を決定する。その後，独自開発したab initio 分子動力学シミュレーションプログラムに初期条件を代入し動力学計算を行う。さらに異なる乱数を用いて決定した初期条件に対して同様の反応計算を繰り返すことで反応の分岐比を求めていく。
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