イオン注入を利用した二次イオン質量分析法の高感度化への挑戦

• 研究課題/領域番号: 20K20934
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分17:地球惑星科学およびその関連分野
• 研究機関: 茨城大学
• 研究代表者: 藤谷 渉 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 准教授 (20755615)
• 研究分担者: 橋爪 光 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (90252577)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2021年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2020年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: 二次イオン質量分析 / イオン注入 / 標準試料 / カンラン石 / セシウム / 相対感度係数 / 二次イオン質量分析計

研究開始時の研究の概要

本研究では非晶質物質、ケイ酸塩鉱物、炭酸塩鉱物などの試料表面に酸素、炭素、マンガン、クロムといったイオンを注入することにより、(1)、目的元素の二次イオン生成率の向上（高感度化）、(2) 注入イオンと元来含まれている原子イオンとの感度差の評価、(3) 標準試料の作製によるマトリクス効果の評価・定量性の向上（高確度化）、を行う。

研究成果の概要

二次イオン質量分析（SIMS）では、「マトリクス効果」を補正するために組成既知の標準試料が必要となる。本研究では、標準試料を作製するために、あらかじめ設定されたドーズ量のイオンを加速器により試料に注入するという方法に着目した。標準試料作製のための基礎実験として、炭素あるいはクロムの濃度がわかっている試料に炭素イオンまたはクロムイオンを注入し、注入したイオンと試料の結晶構造中に存在するイオンでSIMSの感度が等しいことを確認した。この結果から、SIMSの標準試料作製のためにはイオン注入は有効な手段であると結論づけた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

二次イオン質量分析（SIMS）は高感度、高空間分解能を有する分析法であるが、分析対象の元素や試料によっては応用が難しい場合があった。特に、元素組成や同位体組成が装置内で分別し、その程度が試料の性質に強く依存する「マトリクス効果」により、SIMSにおいては組成がわかっている標準試料の準備が必要不可欠である。本研究では、加速器を用いたイオン注入によりSIMSの標準試料を作製する方法について検討した。結果、SIMSの感度という観点で、注入したイオンは試料に元来含まれているイオンと同じふるまいをすることが明らかになった。これは、イオン注入がSIMSの標準試料作製に広く応用できる可能性を示すものである。

研究成果

• [雑誌論文] Curation protocol of Phobos sample returned by Martian Moons eXploration (2024)
  • 著者名/発表者名: Fukai R., Usui T., Fujiya W., Takano Y., Bajo K., Beck A., Bonato E., Chabot N. L., Furukawa Y., Genda H., Hibiya Y., Jourdan F., Kleine T., Koike M., Matsuoka M., Miura Y.N., Moynier F., Okazaki R., Russell S.S.、Sumino H., Zolensky M.E., Sugahara H., Tachibana S., Sakamoto K., Abe M., Cho Y., Kuramoto K.
  • 雑誌名: Meteoritics & Planetary Science 巻: 59 号: 2 ページ: 321-337
  • DOI: 10.1111/maps.14121
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Carbonate record of temporal change in oxygen fugacity and gaseous species in asteroid Ryugu (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujiya Wataru、et al.
  • 雑誌名: Nature Geoscience 巻: 16 号: 8 ページ: 675-682
  • DOI: 10.1038/s41561-023-01226-y
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Heat-Induced Dolomitization of Amorphous Calcium Magnesium Carbonate in a CO2-Filled Closed System (2022)
  • 著者名/発表者名: Shingo Sugawara, Wataru Fujiya, Hiroyuki Kagi, Akira Yamaguchi, and Ko Hashizume
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 7 号: 49 ページ: 44670-44676
  • DOI: 10.1021/acsomega.2c03258
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Oxygen isotopic composition of dolomite in Ryugu: New insights into the thermal history of the Ryugu parent body (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujiya W., Ushikubo T., Sugawara S., Yamaguchi A., Fukuda K., Lee M. R., Terada K., Bland P. A. and Travis B. J
  • 学会等名: Hayabusa 2023 Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] On the Mn-Cr dating of Ryugu carbonates using ion-implanted standard materials (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujiya W., Kogiso R., Sugawara S. and Hashizume K.
  • 学会等名: 86th Annual Meteoritical Society Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Chronology of metasomatic/aqueous alteration (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujiya W., Krot A. N. and Pravdivtseva O. V.
  • 学会等名: ISSI Workshop on “Evolution of the Solar System: Constraints from Meteorites”
  • 国際学会
• [学会発表] リュウグウ試料のドロマイトから探る母天体の熱史 (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤谷渉，牛久保孝行，菅原慎吾，山口亮，福田航平，Martin R. Lee，寺田健太郎，Phillip A. Bland，Bryan J. Travis
  • 学会等名: 日本惑星科学会2023年秋季講演会
• [学会発表] Oxygen and carbon isotope compositions of Ryugu’s carbonates: Constraints on the conditions of aqueous alteration (2022)
  • 著者名/発表者名: Fujiya W., Kawasaki N., Nagashima K., Alexander C. M. O’D. Yurimoto H., The Hayabusa2-initial-analysis chemistry team and The Hayabusa2-initial-analysis core
  • 学会等名: Hayabusa 2022 Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Carbon-isotope compositions of dolomite in Ryugu samples returned by the Hayabusa2 mission (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤谷渉，川崎教行，永島一秀，圦本尚義，はやぶさ２初期分析 化学分析チーム，はやぶさ２初期分析 コアメンバー
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会2022年大会
• [学会発表] 微惑星初期進化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤谷渉
  • 学会等名: 始原天体ワークショップ2022
• [学会発表] Scientific importance of the sample analyses of Phobos regolith and the analytical protocols of returned samples by the MMX mission (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujiya W., Furukawa Y., Sugahara H., Koike M., Bajo K., Chabot N. L., Miura Y. N., Moynier F., Russell S. S., Tachibana S., Takano Y., Usui T. and Zolensky M. E.
  • 学会等名: Hayabusa 2021 Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Small body exploration for understanding of Earth’s building blocks (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujiya W.
  • 学会等名: ISAS Planetary Exploration Workshop 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 二次イオン質量分析計（SIMS）を用いた炭素質コンドライト中の炭酸塩鉱物の53Mn-53Cr年代測定および炭素・酸素同位体比測定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤谷渉，菅原慎吾，小木曽綸
  • 学会等名: 日本質量分析学会 第69回質量分析総合討論会
• [学会発表] 火星衛星探査計画（MMX）における回収試料の分析プロトコル (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤谷渉，古川善博，菅原春菜，小池みずほ，馬上謙一，Nancy L. Chabot，三浦弥生，Frederic Moynier，Sara S. Russell，橘省吾，高野淑識，臼井寛裕，Michael E. Zolensky
  • 学会等名: 日本惑星科学会 2021年秋季講演会
• [学会発表] Material transport in the Solar System: Insights from MMX sample analysis (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujiya W.
  • 学会等名: 4th MMX Science Team Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 小惑星と火星圏の物質輸送(MMX) (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤谷渉
  • 学会等名: 第22回 惑星圏研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 火星衛星探査計画（MMX）により回収されるフォボスレゴリス試料の分析プロトコル (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤谷渉，古川善博，菅原春菜，馬上謙一，Nancy L. Chabot，小池みずほ，三浦弥生，Frederic Moynier，Sara S. Russell，橘省吾，高野淑識，臼井寛裕，Michael E. Zolensky
  • 学会等名: 2020年度日本地球化学会年会