超小型火星探査機用Ne計測装置の基礎開発

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01175
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 杉田 精司 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (80313203)
• 研究分担者: 三浦 弥生 東京大学, 地震研究所, 助教 (90282730) ; 笠原 慧 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00550500) ; 吉岡 和夫 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 講師 (70637131) ; 黒澤 耕介 千葉工業大学, 惑星探査研究センター, 上席研究員 (80616433) ; 黒川 宏之 東京工業大学, 地球生命研究所, 研究員 (80713643) ; 永田 晴紀 北海道大学, 工学研究院, 教授 (40281787)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 惑星探査 / 惑星起源・進化 / 惑星大気 / 同位体 / 希ガス / 質量分析装置

研究実績の概要

本年度は、小型質量分析器の設計を実施した。まず、幾つかの分析オプティクスの方式を比較検討し、地上の分析装置に近年盛んに用いられるようになった「オービトラップ」と呼ばれる超高質量分解能（m/dm>10,000）の計測原理を採用することを決定した。さらに数値シミュレーションを用いて、基本設計を完了させた。地上の実験室で使用される質量分析器全体は、探査機に搭載するにはリソースが過大であるため、主要な質量分析オプティクス部のみを踏襲し、その前段となるイオン化部・イオン蓄積部については大幅な省リソース化を図るため、新たなオプティクスの設計を実施した。装置内電場と粒子軌道の数値シミュレーションを通じて詳細設計を施し、テストモデル製作の準備を完了した。
Ne, Arなど希ガスの同位体測定を行うためには、妨害となる活性ガスを化学吸着（ゲッター材への吸着）により除去する必要があり、昨年度に引き続き小型・小電力ゲッターの選定・性能評価・固定方法の検討を進めた。NASAの火星探査機搭載装置でも使用されたSAES社製のST175（焼結チタン・モリブデンベース）では、7Aで数10分以上電流を流して脱ガスを行った後は、常時電流を流すことなく希釈大気の精製が行え、真空下で１年程度の期間では大きな経年劣化はなかった。他のゲッター材（焼結ジルコニウムベース等）の検討・試験も進めているが、より優れた化学吸着特性を示すものは見つかっていない。探査機搭載の実用化に向けて、模擬火星大気の準備、性能評価試験用分析装置の低バックグランド化や岩石試料分析に対応するための改良などを行った。

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

研究実績の概要に述べたように、本研究課題を構成する３つのユニットである、小型質量分析器、ゲッター（妨害ガスの吸着除去器）、Ne/Ar分離膜のいずれにおいても開発が順調に進展している。特に、一番重要であった質量分析器についてオービトラップ型の採用を決定して基本的な設計を完了できたことは大きな進捗である。
さらに、本装置の重要部品である宇宙機用の小型真空ポンプの選定および入手ができた点も大きな進展であった。全体設計に対する大きな不確定性要素であった真空ポンプの排気能力と必要リソース（電力、重量、寸法）が決められたため、真空槽の寸法や質量分析器の機能圧力条件、探査機側への要求条件などが、イモヅル式に決められるのである。また、経費としてはほとんどかかっていないが、打上げ機会を創出するための努力も進んでおり、超小型惑星探査機の火星、月、彗星などへの提案の機会も得られた。以上の状況を踏まえて、本研究の進展状況は概ね順調であると判断した。

今後の研究の推進方策

小型質量分析器、ゲッター（妨害ガスの吸着除去器）、Ne/Ar分離膜のそれぞれのユニットの開発をさらに進展させ、実際のハードウエア製作および論文化を目指す。
特に、小型質量分析器については、図面設計の後にテストモデルを製作して実験室での性能検証試験を実施する。本装置の設計は組み立て公差に対して非常にシビアになっているため、必要な精度を保証する組み上げプロセスを考慮しながら図面を作成することが重要である。また、イオン光学の一部には100Vを超える高電圧も使用するため，放電のリスクを回避することも念頭に置いて開発を住める必要がある。

研究成果

• [国際共同研究] ブラウン大学/Planetary Science Institute/アリゾナ大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ブラウン大学/Planetary Science Institute/アリゾナ大学
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] ニース天文台(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: ニース天文台
• [国際共同研究] ドイツ航空宇宙局(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ドイツ航空宇宙局
• [雑誌論文] Electron Intensity Measurements by the Cluster/RAPID/IES Instrument in Earth's Radiation Belts and Ring Current (2019)
  • 著者名/発表者名: Smirnov A. G.、Kronberg E. A.、Latallerie F.、Daly P. W.、Aseev N.、Shprits Y. Y.、Kellerman A.、Kasahara S.、Turner D.、Taylor M. G. G. T.
  • 雑誌名: Space Weather 巻: 17 ページ: 553～566
  • DOI: 10.1029/2018SW001989
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Medium-energy particle experiments?electron analyzer (MEP-e) for the exploration of energization and radiation in geospace (ERG) mission (2018)
  • 著者名/発表者名: Kasahara Satoshi、Yokota Shoichiro、Mitani Takefumi、Asamura Kazushi、Hirahara Masafumi、Shibano Yasuko、Takashima Takeshi
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 70 ページ: -
  • DOI: 10.1186/s40623-018-0847-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ion Energies Dominating Energy Density in the Inner Magnetosphere: Spatial Distributions and Composition, Observed by Arase/MEP‐i (2018)
  • 著者名/発表者名: Keika K.、Kasahara S.、Yokota S.、Hoshino M.、Seki K.、Nose M.、Amano T.、Miyoshi Y.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 45 ページ: 12,153～12,162
  • DOI: 10.1029/2018GL080047
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetosphere‐Ionosphere Connection of Storm‐Time Region‐2 Field‐Aligned Current and Ring Current: Arase and AMPERE Observations (2018)
  • 著者名/発表者名: Imajo S.、Nose M.、Matsuoka A.、Kasahara S.、Yokota S.、Teramoto M.、Keika K.、Motoba T.、Anderson B.、Nomura R.、Fujimoto A.、Shinohara I.、Miyoshi Y.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 123 ページ: 9545～9559
  • DOI: 10.1029/2018JA025865
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ultralightweight x-ray telescope missions: ORBIS and GEO-X (2018)
  • 著者名/発表者名: Ezoe Yuichiro、Miyoshi Yoshizumi、Kasahara Satoshi、Kimura Tomoki、Ishikawa Kumi、Fujimoto Masaki、Mitsuda Kazuhisa、Sahara Hironori、Isobe Naoki、Nakajima Hiroshi、Ohashi Takaya、Nagata Harunori
  • 雑誌名: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 巻: 4 ページ: 1～1
  • DOI: 10.1117/1.JATIS.4.4.046001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Substorm-Associated Ionospheric Flow Fluctuations During the 27 March 2017 Magnetic Storm: SuperDARN-Arase Conjunction (2018)
  • 著者名/発表者名: Hori T.、Nishitani N.、Shepherd S. G.、Ruohoniemi J. M.、Connors M.、Teramoto M.、Nakano S.、Seki K.、Takahashi N.、Kasahara S.、Yokota S.、Mitani T.、Takashima T.、Higashio N.、Matsuoka A.、Asamura K.、Kazama Y.、Wang S.-Y.、Tam S. W. Y.、Chang T.-F.、Wang B.-J.、Miyoshi Y.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 45 ページ: 9441～9449
  • DOI: 10.1029/2018GL079777
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic Field Dipolarization and Its Associated Ion Flux Variations in the Dawnside Deep Inner Magnetosphere: Arase Observations (2018)
  • 著者名/発表者名: Nose M.、Matsuoka A.、Kasahara S.、Yokota S.、Teramoto M.、Keika K.、Yamamoto K.、Nomura R.、Fujimoto A.、Higashio N.、Koshiishi H.、Imajo S.、Oimatsu S.、Tanaka Y.‐M.、Shinohara M.、Shinohara I.、Miyoshi Y.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 45 ページ: 7942～7950
  • DOI: 10.1029/2018GL078825
  • 査読あり
• [雑誌論文] Deformation of Electron Pitch Angle Distributions Caused by Upper Band Chorus Observed by the Arase Satellite (2018)
  • 著者名/発表者名: Kurita S.、Miyoshi Y.、Kasahara S.、Yokota S.、Kasahara Y.、Matsuda S.、Kumamoto A.、Matsuoka A.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 45 ページ: 7996～8004
  • DOI: 10.1029/2018GL079104
  • 査読あり
• [雑誌論文] Drift-Bounce Resonance Between Pc5 Pulsations and Ions at Multiple Energies in the Nightside Magnetosphere: Arase and MMS Observations (2018)
  • 著者名/発表者名: Oimatsu S.、Nose M.、Teramoto M.、Yamamoto K.、Matsuoka A.、Kasahara S.、Yokota S.、Keika K.、Le G.、Nomura R.、Fujimoto A.、Sormakov D.、Troshichev O.、Tanaka Y.-M.、Shinohara M.、Shinohara I.、Miyoshi Y.、Slavin J. A.、Ergun R. E.、Lindqvist P.-A.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 45 ページ: 7277～7286
  • DOI: 10.1029/2018GL078961
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Giant Pulsations Excited by a Steep Earthward Gradient of Proton Phase Space Density: Arase Observation (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Kazuhiro、Nose Masahito、Kasahara Satoshi、Yokota Shoichiro、Keika Kunihiro、Matsuoka Ayako、Teramoto Mariko、Takahashi Kazue、Oimatsu Satoshi、Nomura Reiko、Vellante Massimo、Heilig Balzs、Fujimoto Akiko、Tanaka Yoshimasa、Shinohara Manabu、Shinohara Iku、Miyoshi Yoshizumi
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 45 ページ: 6773～6781
  • DOI: 10.1029/2018GL078293
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The ERG Science Center (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyoshi, T. Hori, M. Shoji, M. Teramoto, T. F. Chang, T. Segawa、N. Umemura, S. Matsuda S., S. Kurita, K. Keika, Y. Miyashita, K. Seki, Y. Tanaka, N. Nishitani, S. Kasahara , S. Yokota, A. Matsuoka, Y. Kasahara, K. Asamura, T. Takashima, and I. Shinohara
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 70 ページ: -
  • DOI: 10.1186/s40623-018-0867-8
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Geospace exploration project ERG (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyoshi, I. Shinohara, T. Takashima, K. Asamura, N. Higashio, T. Mitani S. Kasahara et al.
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 70 ページ: -
  • DOI: 10.1186/s40623-018-0862-0
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-energy electron experiments (HEP) aboard the ERG (Arase) satellite (2018)
  • 著者名/発表者名: Mitani Takefumi、Takashima Takeshi、Kasahara Satoshi、Miyake Wataru、Hirahara Masafumi
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 70 ページ: -
  • DOI: 10.1186/s40623-018-0853-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Data processing in Software-type Wave Particle Interaction Analyzer onboard the Arase satellite (2018)
  • 著者名/発表者名: Hikishima Mitsuru、Kojima Hirotsugu、Katoh Yuto、Kasahara Yoshiya、Kasahara Satoshi、Mitani Takefumi、Higashio Nana、Matsuoka Ayako、Miyoshi Yoshizumi、Asamura Kazushi、Takashima Takeshi、Yokota Shoichiro、Kitahara Masahiro、Matsuda Shoya
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 70 ページ: -
  • DOI: 10.1186/s40623-018-0856-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low-energy particle experiments?ion mass analyzer (LEPi) onboard the ERG (Arase) satellite (2018)
  • 著者名/発表者名: Asamura K.、Kazama Y.、Yokota S.、Kasahara S.、Miyoshi Y.
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 70 ページ: -
  • DOI: 10.1186/s40623-018-0846-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of Friction and Plastic Deformation in Shock‐Comminuted Damaged Rocks on Impact Heating (2018)
  • 著者名/発表者名: Kurosawa Kosuke、Genda Hidenori
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 45 ページ: 620～626
  • DOI: 10.1002/2017GL076285
  • 査読あり
• [雑誌論文] Correlation between fragment shape and mass distributions in impact disruption (2018)
  • 著者名/発表者名: Kadono Toshihiko、Tanigawa Takayuki、Kurosawa Kosuke、Okamoto Takaya、Matsui Takafumi、Mizutani Hitoshi
  • 雑誌名: Icarus 巻: 309 ページ: 260～264
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2018.03.014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Increase in cratering efficiency with target curvature in strength-controlled craters (2018)
  • 著者名/発表者名: Suzuki A.I.、Okamoto C.、Kurosawa K.、Kadono T.、Hasegawa S.、Hirai T.
  • 雑誌名: Icarus 巻: 301 ページ: 1～8
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2017.10.019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrocode modeling of the spallation process during hypervelocity impacts: Implications for the ejection of Martian meteorites (2018)
  • 著者名/発表者名: Kurosawa Kosuke、Okamoto Takaya、Genda Hidenori
  • 雑誌名: Icarus 巻: 301 ページ: 219～234
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2017.09.015
  • 査読あり
• [雑誌論文] A lower limit of atmospheric pressure on early Mars inferred from nitrogen and argon isotopic compositions (2018)
  • 著者名/発表者名: Kurokawa Hiroyuki、Kurosawa Kosuke、Usui Tomohiro
  • 雑誌名: Icarus 巻: 299 ページ: 443～459
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2017.08.020
  • 査読あり
• [学会発表] The first detailed visible multi-band imaging observations of asteroid Ryugu (2018)
  • 著者名/発表者名: Sugita, S., R. Honda, T. Morota, S. Kameda, H. Sawada, E. Tatsumi et al.
  • 学会等名: DPS meeting #50
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The geologic properties of asteroid Ryugu revealed by Hayabusa2 visible multi-band imaging observations at multi-scales (2018)
  • 著者名/発表者名: Sugita, S., R. Honda, T. Morota, S. Kameda, H. Sawada, E. Tatsumi et al.
  • 学会等名: Geological Soc. Amer., Ann. Mtg.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Comparison of visible spectra between Ryugu and low-albedo asteroid families in the inner main belt (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Sugita, E. Tatsumi, S. Hasegawa, S. Yudai, H. Kamiyoshihara, R. Honda, S. Kameda, T. Morota, C. Honda, T. Kouyama, M. Yamada, M. Hayakawa, Y. Yasuhiro, N. Sakatani, H. Suzuki, K. Ogawa, H. Sawada
  • 学会等名: Japan Geosci. Union
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The first detailed visible multi-band imaging observations of asteroid Ryugu (2018)
  • 著者名/発表者名: Sugita, S., R. Honda, T. Morota, S. Kameda, H. Sawada, E. Tatsumi et al.
  • 学会等名: Hayabusa Symposium 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ONC Observations and Science Results (2018)
  • 著者名/発表者名: Sugita, S., R. Honda, T. Morota, S. Kameda, H. Sawada, E. Tatsumi et al.
  • 学会等名: MISASA VII (Misasa International Symposium 2018, Sample return and astrobiology)
  • 国際学会 / 招待講演