ガスジェット型ISOLに結合したレーザーイオン化法の開発

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K03987
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 谷口 秋洋 京都大学, 複合原子力科学研究所, 准教授 (10273533)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ガスジェット型ISOL / レーザーイオン化法

Outline of Annual Research Achievements

本課題においては、不安定核ビーム生成装置の一つであるガスジェット型オンライン同位体分離装置(ISOL)では、前例のないレーザーイオン化法のフィジビリティを検証する。
ガスジェット型ISOLでは、研究対象の原子(核)はエアロゾル物質に吸着しイオン源まで輸送されるため、その状態への単純なレーザー照射では対象原子のイオン化は実現し難いが、輸送された原子がエアロゾル物質から再分離した状態となれば、そのイオン化は可能なはずである。本課題では、ISOLのガスジェット輸送系の模擬装置などを用いて、対象原子（非放射性）がエアロゾル物質から再分離した状態でのレーザーイオン化は実現するのかを検証する。
本課題は、ガスジェット輸送系模擬装置を用いて、対象原子(例えばIn)がエアロゾル物質(PbI2)に吸着し輸送される状況を再現し、(1)対象原子の輸送効率の最適化、(2)対象原子の再分離に関する基礎実験、その後の（他施設の）レーザー装置を利用した(3)再分離状態へのレーザー照射とイオン化の検証及び(4)実用化に向けた技術的問題点の抽出が計画されている。
当該年度には(2)に関する研究が進められた。具体的には、ガスジェット系模擬装置への四重極質量分析器の設置とその性能テスト及び対象原子が付着したエアロゾル物質を再加熱するヒータの再設計とエアロゾル発生装置の改良を実施した。四重極質量分析器は、対象原子とエアゾル物質の再分離を確認するための重要な機器であり、次年度にかけて、使用される対象原子（とエアロゾル物質の構成原子）で確認する必要はあるが、当該年度においては、装置中の残留ガス（窒素、酸素、水分等）やエタノールで、良好な分解能を以って検知できることが確認された。また、加熱装置についても、効率が良く温度制御が容易な熱電対付きセラミックヒータに更新するための設計に取り組んだ。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

新型コロナウイルス感染拡大防止のため、年度半ばまでは研究活動が抑制された。さらに、その後実験装置が設置されている実験室において雨漏りが発生し、その修繕に年を越えた1月末まで要したため、当初計画を変更せざるを得なかった。

Strategy for Future Research Activity

本課題における方針は、より多くの対象原子が付着したエアロゾル物質の生成、その再分離とその状態へのレーザー照射と生成イオンの測定であり、現時点においては、この方針から大きな変更はなく、下記の計画で推進する予定である。
【令和3年度】(1)対象原子の輸送効率の最適化：対象原子がエアロゾルから分離された場合、レーザー照射野に残留するエアロゾル物質は対象原子のイオン化を阻害する可能性があり、模擬装置で生成されるサンプル（対象原子が吸着したエアロゾル物質）のS/N（(対象原子の量)/(エアロゾル物質の量)）は高いのが望ましい。このため、所属機関所有のICP-AESを用いた元素分析により、より高いS/Nが得られる生成条件(エアロゾル生成温度やキャリアガスの流量率など)を確認する。
【令和3年度～4年度】(2)対象原子の再分離：i)四重極質量分析器の性能確認、ii)再加熱用ヒータの改修、iii)収集されたサンプルを四重極質量分析器を用いて分析し、対象原子が再び原子状態になっていることを確認する。(3)再加熱時におけるサンプルの消費率のデータ取得：他施設でのレーザーを用いた実験に向け、１つのサンプルでの持続時間についての情報を取得する。(4)他施設でのレーザー照射実験で使用する実験装置の設計：サンプルヒーター、レーザー照射窓とイオンカウンティング装置を備えた実験装置を設計・製作する。
【令和4年度～5年度】(5)再分離状態へのレーザー照射とイオン化の検証：他施設において、所属機関で予め生成したサンプルをチェンバー内で加熱し、サンプルの上方にレーザーを照射しながら生成イオンを観測することで、ガスジェット型ISOLへのレーザーイオン化法の可能性を検証する。(6)実用化に向けた技術的問題点を抽出する。

Causes of Carryover

主な理由は、当該年度に予定していたメカニカルブースターポンプを購入しなかったこと、及び出張制限により旅費を執行しなかったためである。当該物品の購入については、研究の進捗状況を見極め、その他の真空部品の購入と併せて、適切なタイミングで購入を進める。また、次年度分についても、セラミックヒータ等の購入に充てていく計画である。