2020 Fiscal Year Research-status Report
高強度XFELを用いたサイト選択的化学分析法の開発
| Project/Area Number |
20K05549
|
|---|
| Research Institution | Nagoya University |
|---|
Principal Investigator |
伏谷 瑞穂 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (50446259)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | 電子イオンコインシデンス / X線自由電子レーザー / 内殻二重空孔 / 非線形光学応答 / 局所化学分析 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，分子内における同種元素がどのように配置され，どんな結合状態にあるのかを調べる新規分析手段として，内殻二重空孔(Double-core-hole: DCH)状態に基づく分子内サイト選択的化学分析法を提案し，その基盤技術の開発・確立を目的としている。本手法の実現のためには，極紫外・X線域の高強度FEL光の2光子吸収過程によって生じた分子内DCH状態の緩和過程を電子・イオンコインシデンス計測により調べ，複数の内殻電子が関与する非線形光学応答の基礎過程を解明することが必須となる。DCH状態に由来する非線形電子信号は1光子（線形）過程で生じる光電子やオージェ電子信号と重畳するため，微弱な非線形信号を精度よく分離して観測するのは容易ではない。一方，多光子吸収が起こると，価数の大きなイオンが生成する。これを利用して，イオンの種類や価数でラベル付けした光電子スペクトルを抽出すれば，線形信号に埋もれた非線形信号を取り出せると期待される。そこで，研究初年度である令和２年度では，電子捕集効率の高い磁気ボトル型光電子分光器にイオン捕集機構を組み合わせた，電子・イオンコインシデンス計測システムの開発に着手した。
光イオン化によって生じる解離イオンは様々な運動エネルギーをもつため，これらを検出器上に収束させるような静電レンズの構築が不可欠となる。本研究では，イオン光学シミュレーションを用いて，5eVまでの運動エネルギーをもつ解離イオンを検出器面上に収束させることができる，イオン捕集機構を設計した。このイオン捕集機構を磁気ボトル型光電子分光器に導入し，ヨウ化メチル(CH3I)やジヨードメタン(CH2I2)の光解離過程に対して適用した。解離イオンを検出器側に引き込むパルス電場の電圧およびタイミングを調整することで，炭化水素イオンやヨウ素原子イオンを設計通りに検出可能であることが確認された。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
極紫外光やX線の２光子吸収によって生成した様々な解離イオン種でラベル付けした光電子信号を抽出できることを実証するため，ヨウ素原子を2個含むジヨードメタン(CH2I2)分子などを対象として電子・イオンコインシデンス計測を理化学研究所のX線自由電子レーザー(FEL)施設SACLA(BL1)にて行った。電子・イオンコインシデンスにおける偽のコインシデンス事象を抑制するため，イベントレートが~0.20 counts/secとなる実験条件で測定を行う必要があった。
極紫外FEL光(光子エネルギー90eV)をジヨードメタンに照射することにより，ジヨードメタンの親分子イオンとともにヨウ素原子や炭化水素などの複数の解離生成イオンが検出された。このうち，３つの解離イオンと電子１つとが同時に検出される４体コインシデンス事象を調べたところ，4価および5価のジヨードメタンイオンの生成を示唆する光電子スペクトルが得られた。今回用いた光子エネルギーではこれらの価数をもつジヨードメタンイオンは１光子吸収では生じないため，２光子吸収以上の非線形過程が起きていることが示唆された。本研究で導入したイオン捕集機構によって，解離イオン種を効率的に検出し，これを標識として用いることで，非線形過程に由来する光電子信号を抽出できることが確認された。
FELの光強度は非線形過程の測定における重要なパラメーターである。FELの光強度を決定するためにはFELのパルス幅を計測する必要がある。そこで，FEL同期レーザーを用いたHeやXe原子の光電子サイドバンド計測によりFELのパルス幅を評価したところ，およそ30fsのパルス幅をもつことを確認した。また，Xe原子の時間分解光電子測定では，Xe^{+}イオンに自動イオン化状態の緩和ダイナミクスを初めて観測するなど，予期せぬ知見を得ることに成功した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
真のコインシデンス事象の割合を高めるためには，電子およびイオンの検出効率(f)の向上が鍵となる。これは，N個の荷電粒子の検出効率がおよそfのN乗に比例し，Nが大きい場合ほど，検出効率の改善が真のコインシデンス計測に大きく影響するためである。そこで，今年度は真の真のコインシデンス事象の割合を高めるため，装置の改良を試みる。具体的には，90%と大きな開口率をもつマイクロチャンネルプレート (MCP) 検出器の導入を行う。これにより，最も簡単な電子一つとイオン一つのコインシデンス計測の場合においてさえも2倍以上の改善が見込まれる。また，チャンバー内の真空度を改善し，水などの残留ガスによる背景信号の抑制を図ることを試みる。
一方，分子の内殻二重空孔状態に由来する電子信号の観測については，測定データの蓄積および詳細な解析を行うことで，どのピークが内殻二重空孔由来のイオン種と相関しているのかを電子・イオンコインシデンスマップに基づき明らかにしていく。さらに，FELの光強度および波長を掃引し，吸収経路の増大に伴う非線形過程の変化を捉えることによって，内殻電子の関与する非線形光学応答の基礎過程を明らかにすることを目指す。
また，今回，FEL光を利用した電子イオンコインシデンス計測に加えて，FEL同期レーザーを用いた時間分解計測が複数の内殻電子が関わる超高速緩和についての基礎過程を明らかにするための有用な計測手法となりうることが示唆された。今後，電子・イオンコインシデンスと時間分解計測を組み合わせた測定手法の開発にも取り組む予定である。
|
| Causes of Carryover |
新型コロナウイルスの拡大の影響により，2020年度前期の採択課題が後期のビームタイムにスライドしたため理化学研究所の自由電子レーザー施設SACLAにおけるビームタイムが通常の年２回ではなく，年１回となった。加えて，海外の国際学会における招待講演なども２件ほど中止となるなどの要因があり，次年度使用額が生じた。
今年度以降の助成金は，昨年度の実験成果を踏まえ，真のコインシデンス事象を向上するための装置改善に関わる費用やビームタイム利用料などに使用し，本研究課題を迅速に遂行する。さらに，国内外の学会発表などを通して，本研究で得られた成果を速やかに公表するための費用にも使用する予定である。
|
