| 研究課題/領域番号 |
15K13630
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| 研究機関 | 分子科学研究所 |
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研究代表者 |
冨宅 喜代一 分子科学研究所, 機器センター, 特別協力研究員 (00111766)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 質量分析 / 気相イオン / 核磁気共鳴 / 極低温冷却 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では超電導磁石内で気相分子イオンのStern-Gerlach型実験を行い、磁気共鳴で誘起される核スピン分極を検出するNMR装置を新たに開発し、気相イオンのNMR分光研究を行う。非常に弱いNMR信号を検出するために、NMRセル内に捕捉したイオン束の並進温度を極低温に冷却して傾斜磁場内を往復させ、RF磁場をセル両端で印加して核スピンを順次反転させてスピン分極を増幅する。極低温イオンは超音速分子線で予備冷却した中性分子をイオン源内でレーザー光により光イオン化し、初年度に開発した多段減速器で減速して生成する。分極の観測には低速でかつ速度分布の非常に狭いイオン束の生成が要となるため、減速器の下流に設置したNMRセル内でさらに冷却し速度分布幅を1 m/s以下（数mK以下）にする必要がある。この目的で前年度に速度分散補償器を発案し、設計と製作を行った。今年度は核スピン分極の検出に向け極低温冷却法を確立するため、この補償器の改良と最適化を行った。シミュレーション計算の結果を基にして補償器を組み上げてNMRセル内に設置し、ジメチルアミン等のイオンを用いて種々の印加電圧と時間条件で速度分布幅を詳細に検討した。この結果、分子線冷却したイオン束（速度分布幅、30 m/s)が補償器内での圧縮効果で核スピン分極の観測条件を満たす0.6 m/s (0.5 mK)まで冷却され、同時にピーク強度を５倍以上増大させることができることが明らかになった。またNMRセルのイオン冷却機能をさらに高めるため、分散補償器の下流に設置する多段減速器の設計と製作を進めた。他方、本NMR法をCH3+イオン等の閉殻イオンに拡張するために、極低温イオン源として速度の揃ったラジカルの光イオン化法が重要となる。このため誘電障壁放電法を採用した超音速分子線源を製作し特性を調べた。その結果、非常に安定に動作するラジカル分子線源を開発した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
本方法では強い磁場勾配中に設置したNMRセルにイオン束を導入し、磁場と核スピンによる磁気モーメントの相互作用で発生する力を利用して、核スピン状態の異なるイオンを空間的に分離する気相分子イオンのStern-Gerlach型実験を行う。この空間的分離をイオンの飛行時間測定により検出することにより磁気共鳴の情報を得る。この場合イオン束の初速度が遅く速度分布幅が狭ければ狭いほど（イオンの並進温度が極低温）核スピン分極の測定が容易になる。従ってイオンの新しい極低温冷却法の開発が研究進展の基盤となる。このため平成27年度は新しい進行波型の多段減速器を発案し製作することにより、従来に比べ明るいイオン源を完成した。また磁気共鳴実験の要件を満たす試料イオンを発生するために、NMRセル内でさらに冷却する必要がある。この目的でNMRセルに組み込み可能な速度分散補償器を発案し、新規に設計し製作した。平成28年度はこの速度分散補償器に改良を加えて特性を向上させるとともに上記の多段減速器やメッシュ電極を用いた速度選別と連携させる技術的課題を達成し、核スピン分極の測定が可能となる目標のｍK以下の極低温のイオンの発生と精密制御が可能になった。この結果イオンの極低温冷却法の開発に目途がつき、磁気共鳴の実験に入る道筋が開けてきた。しかし、核スピン分極を高感度で検出するためにイオンの初速度をさらに減速する必要があり、NMRセル内に組み込み可能な多段減速器を新たに設計し製作した。次年度初頭に前記の分散補償器とこの減速器をNMRセル内に並置し、本測定原理の検証と気相イオンのNMRスペクトルの研究を進めていく。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成28年度に開発したNMRセルの速度分散補償機能と減速機能を最適化し、極低温のイオン束の発生法を確立する。特に分散補償器と下流に設置した多段減速器の機能を連携させて低速イオン束の速度の精密制御を可能にする。他方、核スピン分極を誘起するためNMRセルの高磁場と低磁場部に組み込んだ共鳴磁場発生用の二組のRFコイルの整備を行う。核スピンを反転させる最適なRF磁場のパルス幅や印加タイミングをイオン束のNMRセル内の速度に応じて詳細に調整する。コイルにRF電流を印加する際に発生する電場が試料の低速イオンに与える影響を詳細に検討し、必要に応じてRFコイルの改良と電場遮蔽の対策を講じる。これらの準備のもとにNH3+やC6H6+イオン等の核スピン分極の観測を行い、本NMR法の測定原理の検証実験を進める。この分極の周波数依存性の測定から分光分解能等を検討し、NMRスペクトルの測定を試みる。
また28年度に製作した閉殻イオン（CH3+、NH4+イオン等）のイオン源をNMRセルと組み合わせて極低温のイオン束を発生するとともに、核スピン分極の観測を試みる。これらのイオンにスペクトル測定の対象を広げ、気相イオンのNMR分光法の構造決定法としての有効性を検証する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
平成28年度は前年度に製作した速度分散補償器による極低温イオンの発生法の開発を中心に研究を進めた。またNMRセル中に組み込んで速度制御に使用する減速器も、設計の工夫により比較的に安価に製作でき、目標のNMRセルを完成することができた。他方、次年度に予定する磁気共鳴実験でRF磁場発生用に新たにパルス発生器の導入が見込まれ、またRFコイルを改良するに当たって数種類の内径の異なるコイルを購入する必要があるため、研究経費を繰り越すことを決めた。
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| 次年度使用額の使用計画 |
最終年度は本方法の測定原理の検証とNMRスペクトルの測定を中心に進める。このため磁気共鳴の要となるRFコイルのサイズを種々変えて実験を行い、最適のものを整備する必要がある。繰り越した研究経費は新たなRFコイルの購入と平成28年度から計画を進めているコイルの電場遮蔽用フィルムの製作費に充当する。またRF磁場発生の制御に必要なディジタル遅延パルス発生器を購入する。
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