| 研究課題/領域番号 |
22K18732
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| 研究種目 |
挑戦的研究(萌芽)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
中区分17:地球惑星科学およびその関連分野
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| 研究機関 | 名古屋大学 |
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研究代表者 |
栗田 直幸 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 准教授 (60371738)
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| 研究分担者 |
戸野倉 賢一 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (00260034)
松見 豊 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 名誉教授 (30209605)
安原 亮 核融合科学研究所, 研究部, 教授 (30394290)
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| 研究期間 (年度) |
2022-06-30 – 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 |
6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
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| キーワード | 中赤外レーザー分光計 / 水蒸気同位体 / 中赤外レーザー / 水蒸気同位体計測 / 水蒸気安定同位体 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
安定同位体測定は、レーザー分光法の登場により、実験室での分析から野外の現場測定に転換した。最近では、成層圏プラットホームや惑星探査機など新しい観測プラットホームが登場し、現場測定から遠隔監視への変革が期待されている。本研究では、最新の中赤外レーザー技術を活用してこのブレイクスルーに挑戦し、同位体測定装置の小型軽量化を実現する。中赤外領域の吸収強度は従来の近赤外領域よりも桁違いに高いため、分光セルの小型化、信号ノイズを低減する機構を簡素化できると期待できる。そして、簡便で高精度な同位体測定器の実現は、気象、水資源管理、火山噴火予測などの分野で大きな進展につながることが期待できる。
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| 研究実績の概要 |
今年度は、昨年度購入した量子カスケードレーザー(QCL)を用いて水蒸気同位体比の計測を行い、環境試料の分析が可能な計測方法の検討を行った。昨年度に行ったスペクトルシミューレーションの結果より、実験を行った波長領域(6.2um付近)には、重水素、重酸素を含む7本の水分子吸収線が存在することが明らかとなっている。まずは、シミュレーション結果との比較に取り組んだ。実験は、QCL光源、多重反射セル（光路長30m）、検出器(MCT)というシンプルな光学システムを用いて行った。そして、ラベル水蒸気（重水素水及び重酸素水）を気化させた水蒸気ガスを多重反射セルに導入し、理論スペクトルを再現できることを確認した。次に、環境試料を用いた水蒸気同位体検出に取り組んだ。環境中には重水素水は0.03%、重酸素水は0.2%しか存在しないため、吸収線を検出するには十分な水蒸気量が必要になる。多重反射セルに導入する水蒸気がすを環境水に切り替え、さらに水蒸気ガス量を段階的に増加させながら、水蒸気吸収線検出に必要となる水蒸気量を調査した。実験の結果、セルに水蒸気ガスを10-15Torr導入すれば、重水素水及び重酸素水の吸収線を視認できることが明らかになった。しかし、視認できるのは強い吸収強度のピークだけであり、弱い吸収線はノイズに埋没してしまった。そこで、検出感度を向上させるため、ノイズの低減に取り組んだ。具体的には、１回の波長スキャン速度を1Hzに設定し、100回の繰り返し実験結果を出力できるよう装置を改良した。その結果、S/N比が大幅に向上し、弱い吸収線を含む7本全ての水分子吸収線を検出させることができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
世界的な半導体不足や樹脂材料不足の影響があり、実験に使用するQCLの調達に半年以上かかってしまったため、当初のスケジュールよりも大幅に遅延している。初年度に実施する予定だった実験を2年目に行うことになり、2年目で研究を完了させることができなくなった。
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| 今後の研究の推進方策 |
昨年度までに原理実証（理論スペクトルの再現）は完了しているが、スペクトルデータを定量評価することはできていない。本年度は、計測したスペクトルを定量評価できる解析プログラムを作成し、計測データから重水素及び重酸素の同位体比を算出できるよう装置を改良する。そして、その計測精度や確度を評価する。市販されている普及機と同様に環境試料を高精度に分析するためには、(1)多重反射セルへの水蒸気導入法の検討、 (2)多重反射セルでのメモリー効果の軽減に取り組む必要がある。そこで、研究グループが開発した同位体既知の水蒸気ガスを発生できる気化装置を活用して最適な計測手法の確立に取り組む。水蒸気ガスを閉じ込めて計測するバッチ法、水蒸気ガスをフローしながら計測するフロー法など様々な手法を試験し、メモリー効果の影響を最も受けない計測手法を探索する。また、計測手法を確立した後は、市販されている普及機との相互比較を行い、開発した装置の性能評価を行うことを計画している。
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