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 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 ・ 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 ・ 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 ↓ 鉱床鉛を形成 鉱床ごとに鉛の同位対比は 異なると考えられる 考古遺物の産地推定が可能 232Th 235U 238U
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 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 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 イオン、レーザー、電子 試料 M2+ M3+ 飛行空間 M1+ M3+ ＞ M2+ 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 ・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 ΔS ΔS : 初期生成位置のずれ GND H.V
生成位置によるばらつき２ 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
フリンジング イオンの軌道 フライト チューブ リペラー 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 40 mm
半値幅（Full Width at Half Maximum） 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 M-1 M M+1 ΔM
実験方法 入射イオン(37keV H+) ガス (He,Ar,Xe) 衝突領域 フライトチューブ
実験結果 M/ΔM ≈138 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 原因 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 引き出し電極 リペラー
研究背景 NORTH KOREA NORTH CHINA 208Pb/206Pb SOUTH CHINA 中国産鉱石 朝鮮産鉱石 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.9 2.0 2.1 2.2 NORTH KOREA NORTH CHINA SOUTH CHINA 中国産鉱石 朝鮮産鉱石 SOUTH KOREA 東アジア鉱石の鉛同位対比
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+ 132Xe+ Ar+ FWHM (nsec) He+ √m/q
謝辞 長らくの ご清聴ありがとうございました。