極低温分子イオン－極性分子反応実験極低温分子イオン－極性分子反応実験 太陽風起源Ｘ線放射研究のための多価イオントラップ太陽風起源Ｘ線放射研究のための多価イオントラップ

ΣΟΦ Ι Α

研究目的研究目的�� 星間分子雲における分子生成で重要な極低温分子イオン星間分子雲における分子生成で重要な極低温分子イオン‐‐極性分子反応の測定極性分子反応の測定極低温領域でのイオン－分子反応は、星間分子雲における化学反応で重要な役割をしている。イオントラップ中で生成された極低温分子イオンと低極低温領域でのイオン－分子反応は、星間分子雲における化学反応で重要な役割をしている。イオントラップ中で生成された極低温分子イオンと低

速極性分子を反応させることによって、速極性分子を反応させることによって、10K10K以下の温度領域におけるイオン－極性分子反応の反応速度定数の測定を行い、星間分子雲の研究に必要以下の温度領域におけるイオン－極性分子反応の反応速度定数の測定を行い、星間分子雲の研究に必要な基礎データを得ることが目的である。な基礎データを得ることが目的である。

�� 太陽風において観測される多価イオン太陽風において観測される多価イオン‐‐中性分子衝突による軟中性分子衝突による軟XX線の実験室における観測とその発光断面積の決定線の実験室における観測とその発光断面積の決定ECRECRイオン源で生成された多価イオンと原子・分子の衝突によって生じるＸ線を定量測定し、Ｘ線天文学にとって重要となる実験室データを得る。イオン源で生成された多価イオンと原子・分子の衝突によって生じるＸ線を定量測定し、Ｘ線天文学にとって重要となる実験室データを得る。測定対象となる電荷移行反応測定対象となる電荷移行反応 OO7+7+ + H + H → → OO6+6+(1sn(1snℓℓ) + H) + H++ → → OO6+6+(1s(1s22) + H) + H++ + + hνhν発光遷移発光遷移 許容遷移：許容遷移：OO6+ 6+ 1s2p 1s2p 11P P → → 1s1s22 11S, S, 禁制遷移：禁制遷移：OO6+ 6+ 1s2p 1s2p 33P P → → 1s1s22 11S (956 S (956 µµµµµµµµs), 1s2s s), 1s2s 33P P → → 1s1s22 11SS

A

10K cryocooler

gas nozzle

Stark velocity filter

gas inlet

coolinglaser

linear rf ion trap

QMS

electron gun

LN2

pot

< 10-4 Pa

~10-6 Pa

<10-8 Pa

beam guide electrodes

(Vmax:±3.0kV)

ceramicheater

�Curveture radii of 1st and 2nd bent sections

→ R = 12.5 mm, 25.0 mm

� Total length of the beam guide

→ L = 941.8 mm

� Low field seekers of polar molecules

高電場領域ではシュタルクシフトが起こり，分子は減速

シュタルク分子速度フィルターシュタルク分子速度フィルター

基盤研究基盤研究基盤研究基盤研究A「「「「太陽風起源太陽風起源太陽風起源太陽風起源のののの禁制禁制禁制禁制X遷移遷移遷移遷移のののの実験室実験室実験室実験室におけるにおけるにおけるにおける観測観測観測観測」（」（」（」（平成平成平成平成２３２３２３２３年年年年～～～～２６２６２６２６年度年度年度年度、、、、研究代表研究代表研究代表研究代表者者者者：：：：田沼肇田沼肇田沼肇田沼肇（（（（首都大首都大首都大首都大）、）、）、）、研究分担者研究分担者研究分担者研究分担者・・・・岡田邦宏岡田邦宏岡田邦宏岡田邦宏（（（（上智大上智大上智大上智大）「）「）「）「イオントラップのイオントラップのイオントラップのイオントラップの開発開発開発開発」」」」

4 jaw slits

einzel lens

ion beam kicker

Faraday cup

Kingdon ion trap

ion lens

MCP

SSD beam switching magnet

10GHz microwavesource

microwave amplifier (100W)

Faraday cup

ND3＠41±1mTorr, 295K600

0

0.04

0.08

0.12

0.16

0 2 4 6 8 10

ion

curr

ent (

µA)

controll voltage (V)

+1

N2

+

+2

H2O+

OH+

O+

C+

+4

+5

+6+7

H+H

2

+

+8

3+

Stark shift of ND3

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

0 50 100 150

E [kv/cm]

Ene

rgy

Shif

t[K

]

J = 1, KM = −1

J = 1, KM = 1

高電場領域ではシュタルクシフトが起こり，分子は減速

� 不均一電場中を通過させると低速分子のみガイドされる（電場強度，内部状態に依存）

横方向: xy平面上の四重極電場

縦方向: 屈曲部における四重極場

θθθθ

state selective!

r = 200

NANOGAN(10GHz, 100W) analyzing magnet

ND3＠41mTorr,295K

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120 140

rela

tive

inte

nsity

(ar

b. u

nits

)

v (m/s)

2.8kV2.0kV

1.6kV

1.2kV

0.8kV

3.0kV

100

200

300

400

500

600

-20 0 20 40 60 80 100

3.0kV2.8kV

2.4kV

2.0kV1.6kV

1.2kV

0.8kV

ND

3 ion

sign

al (

cps)

t (ms)

molecule M vpeak(m/s) Tpeak (K) nmax(cm−−−−3333)

ND3 20.05 23 ~ 40 1.3 ~ 3.8 9××××105

CH2O 30.03 23 ~ 32 1.9 ~ 3.7 1.3××××106

CH3CN 41.05 23 ~ 34 2.6 ~ 5.7 1.2××××105

NH3 17.03 36.5 2.7 2××××105

Cold ion-polar molecule reactions: k = 10-8 ~ 10-9 (cm3/s)

Expected reaction-rate : 10-2 ~ 10-3 /s

nozzle temperature:295 K

液体窒素冷却線形イオントラップと極低温イオンの生成液体窒素冷却線形イオントラップと極低温イオンの生成

Reaction-rate measurement between a Ca+

Coulomb crystal and “slow CH3CN”

0 2000 4000 6000 8000 1 104 1.2 104

rela

tive

num

ber

of C

a+

reaction time (s)

20110704_decay1Preliminary Result

44Ca+and CaH+

0.5 mm

Background reaction: Ca+* + H2 →→→→ CaH+ + H at 295 K

The decay rate is very slow and is comparable to the background decay rate.

Initial: N = 5.3(2)×103 ions

Reaction time 104 s: N = 4.1(2)×103CH3CN: 1.2×105 cm-3

γ = 2.7（（（（6））））××××10−−−−5 s−−−− 1111

∆ν∆ν∆ν∆νuv = −−−−30 MHz

Expected reaction: Ca+*(2P1/2) + CH3CN →→→→ CaH+ + CH2CN at < 10 K

KingdonKingdonイオントラップイオントラップ

70

70

Faraday cup

ion lens

end cap

end cap

center wireceramic rod

R. H. Hooverman, JAP34,3505(1963)

0.5mm

(b)

(a)

Experiment Simulation

(a)

(b)

Ca+

CaH+

Experimental

Simulation

0.5mm

N(Ca+)=28, N(CaH+)=7

N(Ca+)=134, N(CaH+)=40

極低温分子イオンの生成極低温分子イオンの生成

電子サイクロトロン共鳴（電子サイクロトロン共鳴（ECRECR）イオン源）イオン源 NANOGANNANOGAN

Electron cyclotron frequency fc = 10 GHz @ 0.357TExtraction voltage Vacc = 10~20 kV Ion current of Ar2+ : ~ µµµµA @ Faraday cup

( ) ( )dz

zrdVq

dt

zdm

dt

dr

dt

dm

mr

L

dr

zrdVq

dt

rdm

,,0,

,2

22

3

2

2

2

−==

+−= θ

今後の計画今後の計画� 極低温イオン‐極性分子反応測定

1. Ca+クーロン結晶と低速極性分子CH2O, ND3の反応測定2. 極低温分子イオン－極性分子反応の系統的測定

⇒ 星間分子雲の生成に関わる研究への貢献めざす

� 多価イオントラップを用いたX線観測実験1. Kingdonイオントラップの開発2. ECRイオン源を用いたArq+ ( q = 1 ~ 8 ) の多価イオントラップ

1.3 mm

~320 Ca+ ions

N2+ ions

(a)

(b)

遠心力

向心力

Rm l /2v

zv

lv

r

WF Stark

∂∆∂

−=

Fm

Rmaxl =v

R: ガイド曲率半径

r0: ガイド内径