2019 Fiscal Year Research-status Report
広帯域テラヘルツパルス励起によるガス分子FIDの高分解能検出
| Project/Area Number |
19K04510
|
|---|
| Research Institution | University of Fukui |
|---|
Principal Investigator |
古屋 岳 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 助教 (20401953)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | ガス分子 / 自由誘導減衰 / 高分解能分光 / 広帯域分光 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はガス分子の吸収線を広帯域かつ高分解能で分光することを最終的な目的としている．一昨年度までの予備実験において光伝導アンテナからのテラヘルツ放射を励起光源としてガス分子を励起し，ショットキーディテクターによる信号検出でガスの有無による信号の差が観測できること及び光伝導アンテナを用いた信号検出では間欠的な自由誘導減衰の観測を確認している．昨年度はガス分子からの自由誘導減衰をサブハーモニックミキサーを用いて計測する原理実証実験として，狭帯域ではあるが高強度なテラヘルツ電磁波発生が可能なジャイロトロンを励起光源としてガス分子の自由誘導減衰測定を試みた．ジャイロトロンの発振周波数は離散的にしか変化させることができず，本研究で使用した物は発振周波数が154.1 GHz固定であったため，分子の吸収線の周波数を合わせる必要がある．これについてはナサの分子線データベースを用いて探索し，アセトアルデヒドを候補とした．おおよそ100 msのジャイロトロンの発振を半導体シャッターを用いて200 ns程度まで短パルス化し，ガス分子の励起を行い，自由誘導減衰観測を試みたところ，サンプルガスの有無による検出信号の差を確認した．ただし，バックグラウンドノイズの変動が大きく精度の高い測定は困難であった．
この結果について日本赤外線学会研究会および日本物理学会北陸支部会において成果発表を行った．
また，ガス分子の励起光率は使用するガスセルの断面積の1/2乗に反比例するとされているが，これについて直径55 mmのフリースペースセルとX-bandの導波管をガスセルにしたものを用いてアセトアルデヒドの吸収スペクトルをテラヘルツ時間領域分光法を用いて測定した結果，断面積の小さいX-bandのガスセルの方がスペクトル強度が強いことを確認した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度の研究においてサブハーモニックミキサーを用いた自由誘導減衰測定について，狭帯域な励起光源を用いた実験ではあるが，IF信号の取得や自由誘導減衰波形取得について基本的な知見を得られた．一方で，測定データのバックグラウンドノイズが予想よりはるかに大きかったため，測定によって得られたIF信号波形をフーリエ変換し，周波数スペクトルを得ることによる高精度な吸収スペクトル測定までは至らなかった．
バックグラウンドノイズの低減するという課題について，IF信号取得に使用するローカル光源をこれまで使用してきたベクトルネットワークアナライザから本支援で購入したミリテック社製のアクティブマルチプライヤーチェーンに変更したところバックグラウンドノイズが大幅に抑制されることが確認された．一方で，固体サンプルからのFID測定において，これまで見えていた自由誘導減衰信号自体も大きく減少する傾向がみられた．この原因については今後の研究において明らかにしていく予定である．
広帯域テラヘルツパルスは10 ps程度の非常に短いパルスであるため，ガスを十分に励起するには励起効率の改善が課題となる．ガスの励起効率の改善に関して，ガスセルの断面積による励起効率の違いについて述べられている文章はあったが，実際に比較するデータが手元にはなかったため，分解能は高くないが，広帯域でスペクトルの測定が可能な時間領域分光法を用いて複数の断面積をもつ吸収セルにサンプルガスを導入し，サンプルガスの有無による吸収スペクトルの差を測定した．その結果，フリースペースセルに比べX-bandの導波管を吸収セルに加工した場合，吸収効率が高いことが明らかにした．
|
| Strategy for Future Research Activity |
昨年度行ったジャイロトロンを励起光源としたFID計測において，ローカル信号に用いる光源の違いによるバックグラウンドノイズの差が何に由来するのかを確かめることによりバックグラウンドノイズの影響を大幅に抑えた高感度な自由誘導減衰測定の可能性が示されたことから，ローカル信号によるバックグラウンドノイズへの影響について引き続き研究を行う．また，バックグラウンドを抑えた測定が可能となった場合は再度ジャイロトロンを励起光源としたガス分子からの自由誘導減衰測定を行い，周波数スペクトルを得ることで分解能の高いFID測定を実現する．また，昨年度行ったガスセルの断面積とガスの励起効率の依存性の結果をもとに，本年度は断面積の最適化を行ったうえで得，光路長を長くとれる多光路セルを試作する．これによりガスの励起効率を改善し，自由誘導減衰の効率的に発生する手法の確立に取り組む．一方で，広帯域の自由誘導減衰測定についてはレーザー波面傾斜法を用いた広帯域・高強度のTHz波を励起光源に使用することで一般的な光伝導アンテナを用いたガス励起と信号にどのような差が生じるかを確認するとともに，上で述べた多光路セルと組み合わせることでサブハーモニックミキサーによる自由誘導減衰の測定を試みる予定である．
|
| Causes of Carryover |
9月に予定されていた応用物理学会への参加を見送ったこと．および，本実験のキーデバイスであるサブハーモニックミキサーについて，他研究室から一時的に借用することができたことから性能試験を行った後に購入することとしたため，購入時期が次年度となり差額が生じた．
サブハーモニックミキサーの性能について確認できたため，本年度購入予定である．また，電磁波の透過と反射を高速で切り替え可能なPINダイオードを購入することにより，より高いSNRでの測定を行う予定である．
|
