2016 Fiscal Year Annual Research Report
Interdisciplinary science explored by cryogenic electrostatic storage ring: from astrochemistry to radiation biology
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26220607
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
東 俊行 国立研究開発法人理化学研究所, 東原子分子物理研究室, 主任研究員 (70212529)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中野 祐司 国立研究開発法人理化学研究所, 東原子分子物理研究室, 専任研究員 (20586036)
久間 晋 国立研究開発法人理化学研究所, 東原子分子物理研究室, 研究員 (50600045)
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| Project Period (FY) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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| Keywords | 量子ビーム / 原子分子物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
温度4.2 Kで動作する静電型極低温イオン蓄積リング（RICE）は，蓄積時間内に分子イオンの振動回転状態を極低温まで冷却することが可能である。昨年度からN2O+分子イオンを蓄積し波長可変色素レーザーによる時間分解回転分光実験を開始した。本年度は，ポンプレーザーを10Hz動作のレーザーから100Hz動作が可能である半導体励起レーザーに更新することによって効率的な実験を可能とした。
レーザースパッターイオン源を設計開発し，様々なサイズの炭素クラスター負イオンを生成することに成功し，これを予備冷却イオントラップへ導入，冷却後RICEでの蓄積のためのパルス引き出し加速にも成功した。
また0.4Kの超流動He液滴に分子イオンを取り込むことを目指した装置開発にも取り組んできた。本年度は液滴に中性分子であるフタロシアニンを内包させるための装置開発に取り組んだ。これらパルス液滴ビームの開発に加えて、研究室に整備されていた飛行時間型質量分析計の改良と液滴スペクトルの測定を行なった。また固体から気体までの様々な分子種をヘリウム液滴実験のサンプルとして用いるための、サンプルセルの整備も進めた。ヘリウム液滴に内包された分子イオンの生成と観測に向けて、パルス紫外光源の開発と分光スペクトル検出系の準備を進めた。
中性粒子ビームの合流導入に関しては，電子脱離中性化用半導体レーザーの集光強度不足が半導体レーザーの構造のわずかな歪みに起因していることが判明した。対応するためのレーザー集光系の改造を施した。
またエネルギー分散型粒子検出器に関して，超伝導遷移端センサー（TES）をマイクロカロリメータとして中性粒子検出へ応用するプロジェクトを開始した。
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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
目標としている開発や実験に関して，以下のような進捗が見られ，いくつかの困難も乗り越えることが出来た。
[分子回転分光]: 目標としていた長時間測定には，毎回イオンをRICEに入射してからの待ち時間が必要であるため，イオン入射ごとに１発レーザーを入れるのではなく，複数回入射によって効率的に測定することが望まれる。波長可変色素レーザーのための10Hz動作のフラッシュランプ励起ポンプレーザーから100Hzの半導体ポンプレーザーへ切り替えこれに伴う冷却系の改造等を施した。
[入射イオン用冷却トラップ系]: 新たに設計開発したレーザースパッターイオン源は，真空外部に設置したレンズ・ミラー系を制御する方式を採用した。既存のエレクトロスプレーイオン源(ESI)部分を取り替えるだけでレ一ザーイオントラップ系と繋がるよう設計した。導入の結果，トラップで冷却されるイオンが，今までESIオン源から生成される大型イオンのみであったが，一気に利用できるイオン種が広がった。
[He液滴内包分子]: He液滴のサイズを大きくするために数年を要したが，今年は内部に分子を取りこむ段階に到達した，準備しているレーザー誘起蛍光観測システムも順調に動作している。
[中性粒子合流]:年度途中で判明した電子脱離用レーザーの集光時強度不足の原因究明は，丁寧なレーザー光のプロファイルによって半導体レーザー作成時の構造のわずかな歪みに起因していることが判明した。レーザー集光系の再設計、製作、運転条件調整を行った。 [中性生成物エネルギー検出装置]: STJ型の超伝導検出器を極低温TES型カロリメータに切り替えることを決意し，実際に環境下でのノイズ観測を実施し十分な動作が期待できることを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
分子回転分光は，N2O+分子を使って1000秒に至るまでのRICE周回分子イオンの回転分光スペクトルの取得を目標とする。そこから環境からの摂動が抑制された孤立量子多体系の脱励起過程のダイナミクスに迫りたい。このために，導入レーザーの高繰り返し化のみならず，さらなるバックグラウンド信号低減化を行う必要がある。入射イオン用冷却トラップ系まわりに関しては，一気に広がった利用可能な様々なイオン種をRICEへ導入したい。
He液滴内包分子に関しては，いよいよ内部に分子を取り込み，レーザー誘起蛍光観測を達成したい。これにより実際に内包された分子の温度も測定できると期待している。最初に試す分子に関しては，固体から蒸発させやすくかつ発光スペクトルの知られているフタロシアニンなどの色素分子を予定している。また，振動状態を選択的に励起するための波長可変赤外OPOレーザーの導入も進めたい。
中性粒子合流実験は，大強度レーザーの角度広がりや径の制御を達成したうえで，さらなる強度増強のためキャビティーを設計し，合流実験への目処をつけたい。一方の負イオンビームに関しても，イオン源から取り出されたビームを磁石で質量選別し，レンズ，位置調整装置さらにビーム径診断モニターを使って，実際にレーザー光と交差させるために最適化を行いたい。中性生成物エネルギー検出用の極低温TES型カロリメータは，X線観測の場合と異なり，断熱用の薄膜が使用できない。そこで，多段にわたる円筒形状の熱シールディングを開発導入する必要がある。これを行った上で，実際の実験環境で高速粒子を導入し粒子エネルギー測定を実施したい。
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[Presentation] Recurrent fluorescence2016
Author(s)
T. Azuma, M. Goto, G. Ito, N. Kono, Y. Ebara, T. Majima, T. Furukawa, H. Tanuma, J. Matsumoto, H. Shiromaru, and K. Hansen
Organizer
12th Asian International Seminar on Atomic and Molecular Physics (AISAMP12)
Int'l Joint Research / Invited
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