2013 Fiscal Year Research-status Report
気体電子回折によるエアロゾルの構造解析に向けた新規実験装置の開発
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25410026
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
久世 信彦 上智大学, 理工学部, 准教授 (80286757)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 気体電子回折 / エアロゾル / クラスター / エアロダイナミック・レンズ |
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| Research Abstract |
本研究の目的は，「大気エアロゾル粒子の構造決定手法の確立」にある。具体的には気体電子回折の手法を用い，エアロゾルの粒径をコントトールして作り出すためのノズルの開発と実験装置の改良を行う。さらに効率の良いデータ解析手法の開発も目指す。この装置を応用することによって超分子やクラスターを対象とした，気体電子回折の新しい研究手法の確立を目指す。
気体電子回折はマイクロ波分光法と並び，気体状態の精密な分子構造を研究する有力な実験手法である。真空装置内で気体分子が高速電子（40-60 kV）と弾性散乱することによって回折像が得られ，それを解析することによって，原子間距離を0.1 pmのオーダーで直接的に決定できるという，高い実験精度をもつ。気相での分光測定に比べ，気体電子回折では実験およびデータ解析手法の困難さのため，これまでエアロゾルやクラスターに関する研究が少なかった。気体電子回折では原子間距離を実験的に決定できるため，クラスターのサイズだけではなく，全体的な形に関する実験的情報を提供できる点が特色となっている。
今年度は大気環境に存在しているエアロゾルのモデルクラスターを念頭に置いて，それら分子を生成させるためのエアロダイナミック・レンズの設計・製作を行い，真空装置への組み込みを検討した。また真空装置に様々なタイプのノズルを組み込むため，排気系の改良を行うとともに装置のコンパクト化を行った。また電子線とノズルのコントロールが以前よりも改善できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
エアロゾル，クラスター生成用のエアロダイナミック・レンズの設計と製作を行った。計画当初は市販の製品の利用を考えていたが，検討を行った結果，自作で様々な形状の部品を作った方が良いと判断した。エアロダイナミック・レンズを真空チェンバー内に収め，なおかつ装置内でその位置調整を容易に行うための検討も行った。エアロダイナミック・レンズの差動排気をう行うためのカバーの設計もあわせて行った。
現在の実験装置は2台の油拡散ポンプとそのバックアップ用の油回転ポンプによって排気が行われている。しかし現有の排気系では真空装置の到達真空度がやや高いことと，装置内にオイルミストが生じてしまう問題点がある。さらにエアロダイナミック・レンズでガスを噴射した際の効果的な排気を考えた場合，より良い排気系へと装置を改造する必要がある。そこで電子銃近傍にターボポンプを配し，現有の排気パイプを整理することによって，よりコンパクトで高機能の真空装置を構築したが，一部改良すべき点が残されることとなった。また電子銃部のアパーチャーを再製作したことにより，細い電子ビームを作ることができ，それにあわせてノズルを動かすためのXYZステージの操作性も高まった。レーザーアブレーション用ノズルの試作が完了していないことと，回折パターン観測用のデジタル測光系の試作の作業が終わっていないが，今年度の大きな目標については作業を進める事ができたため，研究はおおむね順調に進行していると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
真空装置排気系について，ターボポンプとそのまわりの配管作業を行ったが,装置上部にあたる電子銃と電子線のコントロール部において，油回転ポンプでの初期排気のスピードが想定よりも遅いことが分かった。そこで排気系の一部改良を行い，装置の立ち上げにかかる時間短縮をはかる。次に現有装置に装備されているノズルを使って予備実験を行い，テストサンプルの電子回折像の測定を行う。それと平行してエアロダイナミック・レンズの装置への取り付けと排気系との接続のための部品の設計と製作を行う。またエアロダイナミック・レンズを覆うカバーについても前年度に引き続き試作を行う。そしてエアロダイナミック・レンズを用いて実験操作が安全かつ簡潔に行えるかどうかを調べるとともに，電子線のコントロールとノズルのアライメントが同時かつスムーズに行えるかどうかを検討する。今後同じ気体電子回折の装置を用いて熱分解用のノズルシステムを用いた実験も予定しているが，このシステムとエアロダイナミック・レンズのセッティング変更が容易にできるように装置の仕様を変更する。
回折像の測定について，まずは信頼性の高い写真法でデータを測定することを優先するが，デジタル測光系の開発作業も平行して行う。MCPの利用も視野に入れつつ，より高い真空度での実験にも対応できるような検出器の導入も検討する。写真法でもデジタル検出系でも回折像は基本的に画像データとして得られることになるが，画像から電子の散乱強度を測定する手法についても研究を進める。
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