| 研究課題/領域番号 |
22K12670
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分80040:量子ビーム科学関連
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| 研究機関 | 電気通信大学 |
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研究代表者 |
山北 佳宏 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (30272008)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
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| キーワード | ペニング電子分光 / 分子配向 / 低温分子 / トラジェクトリ計算 / 電子分光 / 化学反応動力学 / クラスター / アミノ酸 / ナノカーボン |
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| 研究開始時の研究の概要 |
交差分子線を用いた磁気ボトル効果を用いた高感度ペニング電子分光装置と、質量選別クラスターの光解離画像観測装置を開発する。高感度ペニング電子分光装置では、生体分子・機能分子・中性クラスターの実験を行う。電子分光と量子化学計算で分子構造の安定性について厳密な議論ができることを示し、中性クラスターの研究では接触エネルギー移動からの新たなイオン化過程を観測する。一方、クラスターの質量分析・光反応実験を独立に進めながら、正負クラスターイオンの電子分光へと統合させる。本研究で極限的感度を持つ電子分光法をさらに発展させ、極低温に冷却した励起原子ビームを用いた低温衝突実験を行うための展望を得ることを目指す。
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| 研究実績の概要 |
【クラスターのペニング電子分光】本研究は、真空中の孤立クラスターの電子構造を明らかにすることと、低温分子反応に電子分光を適用し分子の配向効果を解明することを目的としている。ペニング電子分光法は、準安定励起原子A*と分子Mとの衝突反応（A* + M→A + M+ + e-）で放出される電子の運動エネルギーを測定する手法である。一般に、クラスターは空間密度が低く、低温分子反応は低頻度であることから、従来型の電子分光器では測定できないため、電子の捕集効率を極限的に上げた電子分光器の開発を進めてきた。その過程で、準安定励起原子A*を従来以上に生成する方法を考案し、電磁場解析プログラムを用いて設計を行った。
【シード分子線のペニング電子分光】令和6年度は、温度可変の連続分子線ノズルと差動排気できる真空槽を整備し、シード分子線中における分子の配向効果とクラスターの生成について研究を行った。一酸化窒素NOの分子線に加えて、水分子H2OやアルキルベンゼンC6H5R(R=CH3, C2H5, C3H7)をヘリウムで希釈した分子線で実験を行ったところ、ベンゼンやアルキルベンゼンの配向がそろっていること可能性のある結果が得られた。また、分子線を用いると衝突エネルギーが漏出気体よりも大きくなることに着目した動力学の研究を進めた。現在は、クラスター生成の実験は継続しているが、配向分子についての論文を取りまとめている。
【トラジェクトリ計算】分子の配向分布を仮定した理論計算を行い、シード分子線中のベンゼンの配向がキャリアガス（He）によってフリスビーのようにそろっていることが示された。ペニングイオン化過程は、粒子どうしの接近に伴うイオン化過程であり、分子軌道の空間的形状に依存したイオン化確率となる性質から、ペニング電子分光で初めて示すことができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
【クラスターのペニング電子分光】クラスターの生成については、水分子（H2O）をヘリウムでシードしたペニングイオン化電子スペクトル（PIES）を測定したほか、新たに製作した質量分析計でアルゴンクラスターの生成を確認する実験を行った。その結果、アルゴン単量体が確認され、クラスター生成ノズルの押し圧を上げるほか、液体窒素で冷却する必要性が明らかになった。そのため、ヒーターと熱電対を組み込んだ分子線ノズルを製作した。
【シード分子線のペニング電子分光】ベンゼンやアルキルベンゼンのシード分子線での分子の配向効果は、衝突エネルギーの差異に対してそれほど大きくないことが判明した。しかし、アルキル鎖長が長くなるにつれてσ軌道およびπ軌道に由来するバンドの強度に系統的な差異がみられることを見出した。この際はσ性の分子軌道とπ性の分子軌道の混合に由来する可能性が高いことが分かった。
【トラジェクトリ計算】分子の配向の度合いを明らかにするため、配向分布関数を仮定した計算を行うためのプログラム開発を行った。準安定励起原子He*との相互作用が精密に得られているベンゼンを用いた計算を行った。その結果、分子が配向してもペニング電子スペクトル強度は10%未満の差異しか示さないことが明らかとなった。この小さな差異は、進行するHe*ビームから見たときのπ電子の空間分布が、現在の実験条件ではあまり配向に依存しないことに由来していることが分かった。
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| 今後の研究の推進方策 |
【クラスターのペニング電子分光】シード分子線中の分子の配向効果を論文にまとめることを優先させ、並行してHe*の生成効率を上げる放電ノズルの開発を行い、クラスターの電子分光ならびに低温分子衝突の研究を行う方針とする。新しい着想を取り入れた放電ノズルを冷却可能にするための設計を本年度行うことができたので、来年度以降にこれを実施する予定である。また、毒性のある一酸化窒素（NO）の実験に先立って、アルゴンクラスターと水分子クラスターの実験を行う。
【シード分子線のペニング電子分光】シード分子線の結果を論文にまとめることを最優先として研究を進める。これまでの研究で分子配向の効果は観測されにくいことが分かったが、アルキル鎖長を長くしたときの系統的変化と、衝突エネルギー依存性に関するトラジェクトリ計算の結果を合わせて、配向効果を議論する。シード分子線の研究を完了させることと、クラスターの実験について質量スペクトルを得ることを目標に実験を進める。
【トラジェクトリ計算】現在のトラジェクトリ計算では、励起原子と分子の相互作用を量子化学計算で算出するが、この際にHe*をLiで近似し、それを補正する方法で計算している。さらに、3次元空間の任意の場所で相互作用エネルギーを算出する際に、量子化学計算で得られたエネルギーの値を補完する必要がある。しかし、従来までは単純な形状の分子を対象としてきたため、球面補間しかほとんど用いられてこなかった。任意の形状の分子でも補間できる一般的な方法を構築する予定である。
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