電子衝撃法による分子の中性解離機構の解明とプラズマモデリングの高精度化

通过电子碰撞法阐明分子的中性解离机制并提高等离子体建模精度

• 批准号: 22K03588
• 负责人: 星野 正光
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Sophia University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03588/
• 关键词: 電子衝突; 分子解離; 質量分析; プラズマ素過程; 衝突断面積

本研究では、より現実に近いプロセスプラズマ中の挙動を理解するための高精度なプラズマモデリングを目指し、そこで利用される電子衝突断面積の中で、特に研究例のデータの少ない分子解離によって生成された正・負イオンやラジカルのプラズマ中での役割に着目した。プラズマ中における分子の解離過程の詳細な機構を原子・分子レベルで定量的に評価するため、これまで申請者が行ってきた電子衝撃法と出現質量分析法を組み合わせ、電子衝突が引き起こす分子の解離過程を直接観測することに特化した実験装置を新たに開発することを大きな目標とした。具体的には、第1電子銃から放出された低エネルギー電子と標的分子との衝突解離で生成された解離種を、第2電子銃で再び電離し質量分析する。これは、一般に中性粒子の検出が困難であり、２段階の衝突電離が必要であることに起因する。しかしながら、2回の衝突を扱う実験では信号強度が微弱なことが想定され、測定に長時間を要することが見込まれることから、ノイズやバックグラウンドの軽減が必要不可欠である。さらに、中性解離で生成され電離されたイオンは、第1電子銃で直接生成されたイオンと区別される必要があり、慎重なデータの解析と検証が必要でなる。この実験的な困難さが見込まれる本申請課題では、ゼロからの装置開発は、採択期間内ではほぼ不可能であったことから、既存の装置を一部改良して用いることにした。令和4年度では、既存の第1電子銃から直接生成されたイオンと中性解離した粒子を区別するための追い返し電極、質量分析部に標的分子が進入し第2電子銃で直接電離されるのを防ぐための差動排気機構を設計・開発し、そのための真空排気ポンプの増設を行った。さらに、既存の第1電子銃の電子ビーム軌道シミュレーションと実際の電子放出試験、質量分析器の動作確認までほぼ当初の計画通りに実施することができた。

在本研究中，我们的目标是高精度等离子体建模，以更真实地了解过程等离子体中的行为。在本研究中使用的电子碰撞截面中，我们特别关注分子解离产生的电子碰撞截面，其中有研究数据很少。我们主要关注等离子体中正负离子和自由基的作用。为了在原子和分子水平上定量评估等离子体中分子解离过程的详细机制，我们结合了申请人一直使用的电子碰撞法和外观质谱法来分析电子碰撞引起的分子解离。主要目标是开发一种专门用于直接观察过程的新实验装置。具体而言，由第一电子枪发射的低能电子与目标分子之间的碰撞解离产生的解离种被第二电子枪再次电离并进行质谱分析。这是因为中性粒子通常难以检测并且需要两个阶段的碰撞电离。然而，在涉及两次碰撞的实验中，信号强度预计会较弱，并且测量预计需要很长时间，因此必须减少噪声和背景。此外，中性解离产生的电离离子需要与第一电子枪直接产生的离子区分开来，这需要仔细的数据分析和验证。对于这个预计实验难度较大的应用项目，在验收期内从头开始开发设备几乎是不可能的，因此我们决定使用现有设备进行一些修改。 2020财年，目标分子将进入质谱部分并被第二电子枪直接电离。我们设计并开发了差动泵机构来防止这种情况，并为此添加了真空泵。此外，我们几乎按照原计划进行了现有1号电子枪的电子束轨迹模拟、实际电子发射测试以及质谱仪操作的确认。