Development of an ultrasensitive noble gas mass spectrometer equipped with a compressor ion source to open a new field in earth and planetary sciences

开发配备压缩机离子源的超灵敏惰性气体质谱仪，开辟地球和行星科学的新领域

基本信息

批准号：
20K20529
负责人：
角野浩史
金额：
$ 16.14万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-07-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の当初計画では、高速回転する磁気浮上型のローターにより希ガスをイオン源に集めてイオン化し、そのイオンのほぼ全てを質量分解能を損なうことなく検出器まで導く、ガス圧縮機構と四重極静電レンズを備えた画期的な電子イオン源を開発し、従来を遥かに超える高感度の希ガス同位体質量分析を実現することを目的としていた。しかし設計の際の検討により、高速で回転するローターをイオン源に組み込むと、バルブの開閉や地震などの僅かな振動により軸ブレが発生した場合に、ローターとイオン源がともに壊滅的に破損するリスクが明らかになったため、接合部に金属シールを採用した超低リークレートの磁気軸受型ターボ分子ポンプを質量分析計の分析管内に組み込む方式を採用した。本年度はこのターボ分子ポンプを質量分析計に接続する予定であったが、研究代表者の異動に伴う実験室の移転と、移転先の実験室における漏水事故のために実施できなかった。一方で今年度は、高安定化・高精度マルチチャンネル高圧電源と高速プリアンプを新たに希ガス質量分析計に導入することで、より安定した微量の希ガス同位体検出が可能となったために、やはり昨年度までに開発したレーザー局所加熱装置を用いて、様々な深さのマントルに由来する天然ダイヤモンドの希ガス同位体分析を実施した。シベリア産のダイヤモンドの分析からは、沈み込んだプレート由来の希ガスによる汚染を受けた大陸下マントルに、プルームによって深部からもたらされた始原的希ガスが寄与していることが明らかとなった。またブラジル産の超深部起源ダイヤモンドの分析では、いくつかの試料で深部マントル起源であることを示す、始原的なヘリウム同位体比とネオン同位体比が得られた一方で、アルゴン・クリプトン・キセノンに関しては沈み込みに由来する成分の寄与が顕著であり、マントル遷移層まで太古の沈み込みの影響が及んでいることが示唆された。

这项研究的最初计划是使用高速磁悬浮转子将稀有气体收集到离子源中并将其电离，并在不影响质量分辨率的情况下将几乎所有离子引导至检测器。配备极性静电透镜的革命性电子离子源，实现了远高于传统方法灵敏度的稀有气体同位素质谱分析。然而，出于设计考虑，如果将高速旋转的转子结合到离子源中，则如果由于阀门的打开和关闭或开关等轻微振动而发生轴振动，则转子和离子源都将受到灾难性的损坏。随着风险的明晰，我们采用了将接头处带有金属密封件的超低泄漏率磁力轴承式涡轮分子泵装入质谱仪的分析管中的方法。今年，我们计划将这个涡轮分子泵连接到质谱仪上，但由于主要研究者的变动以及新实验室漏水而导致实验室搬迁，这一计划未能实现。另一方面，今年通过在稀有气体质谱仪中引入新型高稳定、高精度的多路高压电源和高速前置放大器，使检测微量稀有气体同位素更加成为可能。利用去年开发的激光局部加热装置，对不同深度的地幔天然钻石进行了稀有气体同位素分析。对西伯利亚钻石的分析表明，地幔柱从深处带来的原始惰性气体导致了俯冲板块惰性气体对次大陆地幔的污染。此外，对产自巴西的超深部钻石的分析显示，一些样本具有原始的氦和氖同位素比率，表明它们起源于深部地幔，而其他样本则显示出氩、氪、氙和源自俯冲成分的贡献意义重大，表明古代俯冲作用的影响延伸到了地幔过渡层。