[P-CG20] 宇宙・惑星探査の将来計画および関連する機器開発の展望

[PCG20-18] CNOイオンを分離・定量可能な小型質量分析器の開発

*関 宗一郎¹、笠原 慧¹、田尾 涼¹ (1.東京大学)

キーワード：惑星探査、機器開発、質量分析器

惑星や小天体の大気組成を知ることは、その天体の環境や進化・形成過程を理解するうえで重要である。例えば、地球の電離圏からは窒素や酸素が流出していることが知られているが，組成比やその太陽活動度依存性を調べることは地球，ひいては他の惑星の大気進化を理解する手掛かりになる．しかしながら、従来用いられてきた古典的なTime-of-flight (TOF)型の質量分析器では、質量分解能が10以下でありNとOの分離が困難であった。装置形状を大きくしてTOFを長くとりNとOを分解できる高分解能を持たせた観測器もあるが，リソースの問題があった．そこで本研究では、CubeSatクラスの探査機に搭載できるサイズを維持しつつ，NとOを分離可能な小型イオン質量分析器を設計している。
NとOを分離するために、本研究ではOの負イオンに着目した。入射イオンが質量分析器入り口の炭素薄膜を通過する際に、ほとんどのO+は電荷交換により中性粒子または負イオンになることが知られている。一方、Nは電荷交換で生成される負イオンの比率がOに比べて非常に小さい。したがって、負イオンと中性粒子を分離して計測できれば，TOFで分離せずともNとOの比が求められると考えた。
このアイディアに基づき、数値計算で具体的な装置形状を検討した。この際、動径方向に電位勾配ができるようにしたことで、高さ30㎜のTOFユニットでOとO-の検出位置を分離させることができた。電位は、それぞれ入り口が-4.9kV、検出部が-3.0kVなどとしている。静電分析器及びMCPに用いる高電圧も負極性であるため、この装置では用いる高圧素子が1種類で済むという利点がある。 また，Cは負イオンの生成率がＯに近いが，TOFのみでOイオンと弁別できるだけの分解能があることも計算で確かめられた。