Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

同位体 / フェムト秒レーザー / ICP質量分析計 / 金属試料 / 鉱床試料 / 局所白金属元素分析 / 超高圧実験 / 元素分配 / 元素イメージング / 質量分析法 / フェムトレーザー / 微量元素 / 金属元素分配係数 / 超高圧

地球や隕石母天体中での金属核(コア)の形成と進化を明らかにするためには、金属元素(親鉄性元素)の分配挙動を調べることが重要となる。そこで本研究では、フェムト秒レーザーを用いた次世代レーザーアブレーション試料導入法を設計・制作するとともに、既存装置である超高感度質量分析法(ICP質量分析法)への結合を行った。フェムト秒レーザーでは、従来のレーザーと比較して5-10万倍のエネルギー密度(W/cm2)が得られるため、金属・半導体試料のような熱拡散速度の速い試料に対しても安定した掘削・エアロゾル化が可能であることがわかった。その一方で、フェムト秒レーザーでは試料のエアロゾル化過程が従来のナノ秒レーザーとは異なることも明らかとなり、従来の試料セルおよびエアロゾル輸送機構では分析元素信号が不安定になるという問題もわかった。本研究ではヘリウムをキャリアーガスとして利用する新型セル形状を設計・製作するとともに、レーザー照射条件の最適化を図り、金属元素からも安定かつ再現性の高い分析データを得ることが可能となった。本研究で開発したレーザー試料導入装置をICP質量分析法に組み合わせ、いくつかの隕石試料から微量元素分析を行い、ケイ酸塩相と金属相間での分配係数を決定した。ニッケル、レニウム、オスミウムに関しては文献値と調和的な値が得られたが、一方でタングステンに関しては隕石間で有意な差があった。これは隕石母天体形成過程で物理化学状態が変化した可能性を示唆する。本研究を通じて得られた研究成果は、4つの国際学会で招待講演として発表し、国内外の研究者から高い評価を受けた。

ICP質量分析計 / AMIイオン検出器 / マルチコレクター / 同位体分析 / 年代学 / 質量分析法 / ファラデー検出器 / 高精度同位体分析 / 高感度イオン検出器 / AMI検出器 / 次世代検出器 / 高感度検出器 / イオン検出器 / マルチコネクション

質量分析法において多重検出方式(マルチコレクション)は、同位体分析精度を高める最も有効な手段であるといえる。多重検出方式としては、これまでファラデー検出器が広く用く用いられてきた。しかし、高精度同位体分析に適したファラデー検出器は、イオン検出感度が低く(二次電子増倍管などの手法の1,000分の一程度)、微量元素の同位体分析を行う上で問題となっていた。そこで本研究では、高精度同位体分析を目的とした新しい高感度イオン検出器の開発を試みた。
本研究で開発した検出器は、AMI(Amplified MOS Imager)とよばれる固体撮像素子であり、250,000画素(単一ピクセルの大きさは5μmX10μmで全体の大きさは8mmX6mm)からなり、イオンビーム強度の二次元分布を調べることができる。つまり、一つのAMI検出器で複数のファラデー検出器の役割を果たすことができる。AMI検出器は、1)イオン(荷電粒子)を直接検出できる唯一の固体素子である、2)素子内部に信号増幅回路をもっているためS/N比が高い、3)検出器が積分型であるため微弱な信号についても正確な強度情報が読み取れる、などの特長を有しており、イオン検出感度の向上には最も有力な検出法だといえる。本研究では、このAMI検出器をICP質量分析計にとりつけ、様々な質量数および強度のイオンの計測を行い、基本的な特性評価を行うとともに、質量数180〜210amuの分析元素(ハフニウム、ダングステン、鉛、タリウム)について、3つの同位体信号を同時検出・計測することに成功した。またAMI検出器は、テレビカメラのようにリアルタイムでイオンビーム強度をモニターすることも可能であり、質量分析計のイオンレンズの調整や分析条件の最適化が容易となり、従来複雑であった質量分析計の調整が格段に容易となったことも特筆すべき成果といえる。現段階では、検出器のノイズレベルが理論値と比較して10倍程度残っており、実用的なダイナミックレンジとしては4桁程度しか得られていないが、同位体分析の繰返し再現性(測定精度)としては0.01%程度が得られており、当初目標としていた基本性能は達成できたといえる。

【研究分担者】
廣瀬敬 (広瀬敬)	東京工業大学	大学院・理工学研究科	教授	(Kakenデータベース)
榎森啓元	秀明大学	総合経営学部	准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
松本一哉	オリンパス光学株式会社	技術開発本部半導体開発	係長(研究職/">(Kakenデータベース)
圦本尚義	東京工業大学	理学部	助教授	(Kakenデータベース)