飛行時間法を用いた2次イオン 質量分析器の設計及び開発 （環境計測学研究室） 横山 卓司 研究背景 232Th 235U 存在比 (%) ・ 微量元素分析の応用→考古遺物の産地推定 ・ 鉛同位体分析 ウランやトリウムなどの放射性元素の壊変により 岩石中の鉛の同位対比は変化 60 ↓ 50 238U 鉱床鉛を形成 40 ↓ 30 鉱床ごとに鉛の同位対比は 異なると考えられる 20 ↓ 10 考古遺物の産地推定が可能 0 204Pb 206Pb 207Pb 208Pb 研究目的 ・ 鉛の同位体 が分離可能な 飛行時間型２次イオン質量分析器 (Time of Flight:TOF)の開発 ・ 要求される性能 206Pbと207Pb、208Pbを分離可能 飛行時間型イオン質量分析装置の概要 イオン、レーザー、電子 T∝(m/q)1/2 T:イオンの飛行時間 m:イオンの質量数 q:イオンの電荷 試料 M1 + M2 + M3 + 飛行空間 M3 + ＞ M2 + ＞ M1 + ＧＮＤ Ｈ．Ｖ イオン引き出し部 質量分離部 検出器 飛行時間型イオン質量分析装置の特徴 ・構 造： 磁界や大電流を使わない →小型化が容易 ・測定範囲： 軽イオンから重イオンまで 幅広く測定できる ・測定時間： １測定は1ミリ秒以下 ＜欠点＞ 磁場型や四重極に比べて 質量分解能が低い 生成位置によるばらつき 生成イオン(質量は等しい) ΔT:飛行時間差 potential ΔT distance ΔS GND detector ΔS : 初期生成位置のずれ H.V 生成位置によるばらつき２ ΔT:飛行時間差 potential ΔT detector distance 生成位置による飛行時間差が最小になるように 各電極間の距離、電場を調整 初期エネルギーによるばらつき ΔT 生成イオン GND H.V drift region distance detector フリンジング リペラー イオンの軌道 フライト チューブ 引き出し電極 図 イオン軌道ソフトSIMIONによるフライトチューブの 入り口の電場の歪み フリンジングにより2次イオンが発散し、検出効率が低くなる フリンジング ・イオン軌道ソフトSIMIONを用いて 2次イオンの軌道を計算 ・フライトチューブ入り口にメッシュをはることで2次イオン の発散が抑えられていることがわかる。 メッシュなし メッシュあり 設計概略図 124 mm 加速イオン メッシュ(30mesh/inch) ２次イオン 生成領域 40 mm ２次イオン Es Ed リペラー 引き出し電極 フライトチューブ 検出器（MCP） 半値幅（Full Width at Half Maximum） count M M+1 M-1 ΔM time of flight 鉛の同位体を 分離するのに 要求される質量分解能 M/ΔM ≈ 200 実験方法 入射イオン(37keV H+) ＭＣＰ 衝突領域 ガス 2次イオン (He,Ar,Xe) TOF装置 ＭＣＰ Timing Filter Amp フライトチューブ Constant Fraction Discriminator Constant Fraction Discriminator スタート信号 Timing Filter Amp Time to Amplitude Converter Multi Channel Analyzer ストップ信号 実験結果 • • • • • ターゲット Xeガス 真空度 2.0×10-4(Pa) 加速イオン 37keV H+ Es=1.0×105(V/m) Ed=2.0 ×105(V/m) 質量分解能 M/ΔM ≈138 まとめ • 飛行時間型２次イオン質量分析器の製作 • 得られた質量分解能はM/ΔM ≈ 140＜200 • 鉛の同位体を分離するのに十分な質量分解能は得 られなかった。 原因 ・ 2次イオンの生成位置のずれ ・ リペラーと引き出し電極間の電場の歪み 考察 ・ 2次イオンの生成位置のずれ ・ リペラーと引き出し電極間の電場の歪み 加速イオン リペ ラー 引き出し電極 研究背景 2.1 NORTH CHINA 2.0 SOUTH CHINA 中国産鉱石 朝鮮産鉱石 SOUTH KOREA 1.9 208Pb/206Pb 2.2 NORTH KOREA 0.75 0.80 0.85 0.90 207Pb/206Pb 東アジア鉱石の鉛同位対比 0.95 質量分解能 ・半値幅(FWHM) で得られたTOFの質量分解能を評価 207Pb+ 10 FWHM (nsec) 9 132Xe+ 8 7 Ar+ 6 5 He+ 4 3 2 1 0 1.5 3 4.5 6 7.5 √m/q 9 10.5 12 13.5 15 謝辞 • 長らくの ご清聴ありがとうございました。
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