先端中性分子検出器で探る宇宙環境中での負イオンの化学反応

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K15238
• 研究機関: 東京都立大学
• 研究代表者: 奥村 拓馬 東京都立大学, 理学研究科, 助教 (70855030)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 超伝導検出器 / 中性分子検出器 / イオン蓄積リング / 負イオン

研究実績の概要

本研究の目的は、理研で開発した極低温静電型イオン蓄積リングRICEと超伝導転移端マイクロカロリメータ（TES）を組み合わせて汎用的な中性分子検出システムを開発し、それを用いて宇宙環境下における負イオンの光化学反応の直接観測を行うことである。高分解能X線検出器として開発されているTESを中性分子の検出器として利用するのは世界で初の試みであり、検出システムの開発が本研究で最も重要なステップである。前年度までに中性分子検出の原理実証には成功したが、現行の装置では質量分解能が想定される値よりも悪く、実際の化学反応計測には不十分であることが分かった。そこで最終年度は、RICEを用いた実験準備と並行し、検出システムの分解能悪化の原因究明に取り組んだ。
TESは超伝導転移端における電気抵抗の急峻な変化を利用する検出器であり、その動作には周囲からの熱輻射を遮蔽して本体を100 mK以下の極低温に維持する必要がある。これまでは検出器前に輻射遮蔽用の銅製メッシュを３枚設置していたが、前年度の研究からメッシュによる中性分子の反跳が分解能悪化の一因であることが分かった。そこで本年度は、微小孔を格子状に並べた金属薄膜が赤外線フィルタとして高い性能を有していることに着目し、銅製メッシュの代わりに新しく微小孔メッシュフィルタを検出システムへ導入した。微小孔フィルタにより検出システムの効率と安定性は大きく向上したが、一方で銅メッシュによる反跳効果が存在しない条件においてもなお質量分解能が悪いことが分かった。中性分子ビーム導入時に使用するアナライザー電磁石など様々な条件を検討した結果、検出器前方に設置したパイプ状輻射シールド内で中性分子が多重反射していることが分解能悪化の原因である可能性が高い。現状、分解能の問題を解決すれば直ちに光化学反応測定に着手できる状態であり、引き続き検出システムの改良を続けている。

研究成果

• [国際共同研究] NIST(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: NIST
• [雑誌論文] Proof-of-Principle Experiment for Testing Strong-Field Quantum Electrodynamics with Exotic Atoms: High Precision X-Ray Spectroscopy of Muonic Neon (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Okumura, T. Azuma, D. A. Bennett, I. Chiu, W. B. Doriese, M. S. Durkin, J. W. Fowler, J. D. Gard, T. Hashimoto, R. Hayakawa, G. C. Hilton, Y. Ichinohe, P. Indelicato, T. Isobe, S. Kanda, M. Katsuragawa, N. Kawamura, Y. Kino, K. Mine, Y. Miyake, K. M. Morgan, K. Ninomiya et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 130 ページ: 173001
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.173001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-sensitive XANES analysis at Ce L2-edge for Ce in bauxites using transition-edge sensors: Implications for Ti-rich geological samples (2023)
  • 著者名/発表者名: W. Li, S. Yamada, T. Hashimoto, T. Okumura, R. Hayakawa, K. Nitta, O. Sekizawa, H. Suga, T. Uruga, Y. Ichinohe, T. Sato, Y. Toyama, H. Noda, T. Isobe, S. Takatori, T. Hiraki, H. Tatsuno, N. Kominato, M. Ito, Y. Sakai et al.
  • 雑誌名: Analytica Chimica Acta 巻: 1240 ページ: 340755
  • DOI: 10.1016/j.aca.2022.340755
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic K x rays emitted from muonic atoms: An application of relativistic density-functional theory (2023)
  • 著者名/発表者名: X. M. Tong, D. Kato, T. Okumura, S. Okada, T. Azuma
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 107 ページ: 012804
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.107.012804
  • 査読あり
• [雑誌論文] The cerium isotope fingerprints of redox fluctuation in bauxites (2023)
  • 著者名/発表者名: W. Li, X. M. Liu, R. Nakada, Y. Takahashi, Y. Hu, M. Shakouri, Z. Zhang, T. Okumura, S. Yamada
  • 雑誌名: Earth and Planetary Science Letters 巻: 602 ページ: 117962
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2022.117962
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Application of Deep Learning to the Evaluation of Goodness in the Waveform Processing of Transition-Edge Sensor Calorimeters (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Ichinohe, S. Yamada, R. Hayakawa, S. Okada, T. Hashimoto, H. Tatsuno, H. Suda, T. Okumura
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 209 ページ: 1008
  • DOI: 10.1007/s10909-022-02719-7
  • 査読あり
• [学会発表] ミュオニックAr多価イオンの形成ダイナミクス (2023)
  • 著者名/発表者名: 奥村拓馬
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 宇宙環境下における分子イオン反応の観測を目指して：超伝導検出器による質量分析 IV (2022)
  • 著者名/発表者名: 奥村拓馬
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] H, He, Li様ミュオニックAr原子の形成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 奥村拓馬
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] High-resolution spectroscopy of electronic K x rays from muonic atoms (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Okumura
  • 学会等名: 20th International Conference on the Physics of Highly Charged Ions
  • 国際学会 / 招待講演