2016 Fiscal Year Annual Research Report
Systematic study of cold ion-polar molecule reactions for interstellar chemistry
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15H03753
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
岡田 邦宏 上智大学, 理工学部, 准教授 (90311993)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
崎本 一博 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所宇宙物理学研究系, 助教 (60170627)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 低温イオン分子反応 / 極性分子 / イオントラップ / クーロン結晶 / シュタルク分子速度フィルター / 星間分子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
岡田は製作した温度可変シュタルク分子速度フィルターを動作させ、シミュレーション通りの性能を有するかどうか原理実証実験を行った。製作した2種類の曲率半径R, 偏向角θをもつ偏向部電極(R, θ) = (50 mm, 30°), (600 mm, 10°）を用いてシュタルク分子速度フィルターを動作させ，低速分子線の並進温度可変範囲を調べた。また、極成分子として、ND3、及びCH3CNを用いた。具体的に行なった実験は以下の通りである。シュタルク分子速度フィルターの出口から約30 mm離れた位置に四重極質量分析計（QMS)のイオン源を設置し、低速分子線の飛行時間信号を測定した。得られた信号をゴンペルツ関数によって解析し、速度分布関数を決定した。実験結果とシミュレーションによって得られる速度分布を比較し、低速分子線の並進温度を決定したところ、これら2種類の電極で得られるND3、及びCH3CNの並進温度範囲はそれぞれ6-29 K, 9-37 Kであることが確認された。曲率半径Rと偏向角θの大きく異なる電極を交換することによって、分子線の出射位置を変化させることなく、並進温度を大きく変更できることを実証できた。さらに，低速分子線の強度を知るために、極高真空計とQMSによる低速分子線の信号強度との相関測定を行い，QMSイオン源領域での低速分子線の数密度を決定した。その結果、反応速度測定を行なうための十分な数密度が得られることを確認した。また、分子イオンの回転温度冷却のための温度可変・冷却イオントラップの製作を行なった．一方、宇宙研の崎本は衝突反応における形状共鳴を包括的かつ普遍的に理解する手段を開発した．弾性散乱の場合には形状共鳴について解説した教科書はいくらでもあるが，衝突反応に対してはほとんど見当たらない．本研究は量子現象である形状共鳴を理解する上で、重要な役割を果たすと考えられる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通り，製作した温度可変シュタルク分子速度フィルターの性能評価を行なうことができた。本研究の目的を達成するためのキーデバイスであり，その点においては順調に研究が進んでいるものと評価している．実際，実験で得た成果を日本物理学会，及び原子衝突学会で計3回講演し，一定の評価が得られている．また，得られた結果をまとめた論文を既に投稿した（英文ジャーナルReview of Scientific Instruments）．一方、冷却ガスセルを用いた低速極性分子の生成実験を行い、約100 K程度まで内部温度が冷却された低速分子線の生成を確認することができた．また，年度末には冷却イオントラップの設計・製作が完了し、冷凍機を作動させ，イオントラップ内の環境温度を約12 Kまで低下させることに成功し，イオントラップ装置を動作させる段階にまできた．以上が上記区分の理由である．
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| Strategy for Future Research Activity |
岡田は，完成させた温度可変・冷却イオントラップを動作させ，まず、冷却CCDカメラを用いたレーザー誘起蛍光系を完成させ、Ca+イオンのトラップ実験を行う。トラップしたCa+イオンのレーザー冷却を行い、クーロン結晶の生成を確認する。その後、電子銃による電子衝撃イオン化法、及び共鳴多光子イオン化（REMPI）法による分子イオンの生成実験を行い、Ca+クーロン結晶中に分子イオンを準備できることを確認する。また、分子の回転温度依存性の測定に向けた、冷却ガスセルの開発も行なっていく。極性分子の入射部のガスセルの温度を20-300 Kまで系統的に変化させた際の極性分子の特性測定（並進温度、数密度の測定）をおこなっていく。また、緩衝ガス種を系統的に変化させ、低速分子線の特性がどのように変化していくかについて評価する予定である。以上の準備が整い次第、温度可変シュタルク分子速度フィルターと冷却イオントラップを組み合せ、低温イオン-極性分子反応の並進温度、及び回転温度依存性の測定をそれぞれ数K-100 K、20 K-300 Kの範囲で行なう。具体的には、CH3CN , C2H5OH, ND3, D2O, CH3Fなどの極性分子とNe+, N2H+, O2+, ND3+を組み合せた反応系を予定している。なお、これまでは低速分子線の回転エネルギー分布の評価を数値シミュレーションに頼っていたが、ND3に関してはREMPIを用いた評価が可能であるため、年度後半よりND3のREMPI実験も行い、低速ND3分子線の回転温度評価を行なっていく。一方、宇宙研の崎本は，引き続き低温イオン－分子衝突に関する理論的研究を継続しながら、並進・回転温度依存性を測定すべき反応系の検討と、得られた実験結果の解釈を行なう。
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