REIWA-TRITON

TRITON（Triple-reflection Reflectron）は月極域探査機LUPEXのローバに搭載される水資源分析計REIWA（Resource Investigation Water Analyzer）の中の分析装置の一つで、 REIWAの熱重量測定部で生成された中性ガスの質量分析を行う装置です。水分子の相対量を近接した質量を持つ分子・原子と分離して計測する他、月表層の揮発性物質を主な測定対象にして 質量数200までの分子・原子の測定を行います。

TRITONのサイエンス

月の極域クレーター内部にある永久影の領域には氷状態の水が存在することが期待されています。月面には太陽風から水素（H）が供給され、これが月面の土壌に含まれる酸素原子（O）と結合することで水酸基（OH）または水分子（H2O）が生成されているものと考えられています。また、微小隕石などによって外部からも水分子が供給されます。これらの水分子の起源や輸送は科学的に興味深いものであると同時に、将来的に資源として利用できる可能性があり、その存在量や状態を定量的に評価することが求められています。

これまでに宇宙研・太陽系科学研究系の齋藤（義）研究室では、開発したイオン質量分析器IMA（Ion Mass Analyzer）を月周回衛星Kaguyaに搭載し、月の希薄大気の研究をおこなってきました。2007年に打ち上げたKaguya搭載IMAは開口部に入射するイオンが観測対象でした。それに対してTRITONでは、月面で取得したサンプルを加熱することにより水分子を含む中性ガスを発生させ、それをイオン化することによって質量分析を行います。また、TRITONはKaguya搭載IMAと比べて高い質量分解能を持ち、水分子を他の大気成分と明確に区別することができます。

TRITONの測定原理

TRITONは、中性粒子をイオン化するイオン源、イオン化した粒子を加速する加速部、イオンが自由飛行するドリフト部、イオンを電場で反射させるイオン反射部とイオンを検出する検出器で構成されます。加速開始から検出器に至るまでのイオンの飛行時間（TOF：Time Of Flight）を検出して質量を計測するタイプの質量分析器ですので、TOF質量分析器と呼ばれています。また、イオンを装置の中で反射させて計測することから反射型TOF質量分析器（リフレクトロン型質量分析器）とも呼ばれています。図１に、リフレクトロン型TOF質量分析器の原理図を示します。測定対象の中性粒子はイオン源でイオン化され、図の左端のAcceleration Regionと書かれた加速部に入射されます。加速部 にはパルス高圧を印加することで、入射したイオンを図の右方向に加速します。加速されたイオンは、Drift Tubeと示されたドリフト部を飛行し、図の右側のReflectorと書かれたイオン反射部で反射され、再びDrift Tubeを飛行した後、Detectorと書かれた検出器で検出されます。加速部にパルス高圧を印加したタイミングと、検出器でイオンを検出したタイミングの時間差を測定することで、イオンの飛行時間からイオンの質量を求めることができます。

図１　リフレクトロン型TOF質量分析器の原理図。左からイオンの加速領域、自由飛行区間、反射領域を示します。

TRITONには、この従来法を拡張して３回反射型リフレクトロンを採用しました。図２に多反射型リフレクトロンの電極構造図を示します。図１の方式との違いは、図２の左中央に第2反射部（reflector-2）を配置したことです。加速部から押し出されたイオンは、ドリフト部を自由飛行し、その後第1反射部→第2反射部→第1反射部の順に反射され、最後に検出器（CEM: Chennel Electron Multiplier）で検出されます。つまり、図１に示した行き帰りの一往復でなく、二往復させてからイオン検出することになります。この方法を用いることで装置のサイズを大きくは変えることなく、イオンの飛行距離を増加（倍増）させて質量分解能を上げることができます。

図 ２ ３回反射型リフレクトロン。赤い点線の部分が加速部でイオン化された粒子を加速します。水色の点線の部分は第１反射部で１回目・３回目のイオン反射を行います。緑色の点線の部分が第２反射部で２回目のイオン反射を行う部分です。

図３に、TRITONのアナライザー部分の形状を示します。

図３　TRITONのアナライザー部分の３次元モデル（外周を覆うケースを一部取り除いて内部を見える状態にしてあります）。

TRITONの開発

図４に、齋藤（義）研究室でこれまでに開発を進めてきた惑星探査用質量分析器を示します。月周回衛星Kaguya、水星磁気圏探査衛星BepiColombo/Mioに搭載したイオン質量分析器の開発で得られた技術をベースに、将来の着陸探査を目指して天体表面物質探査用質量分析器の開発を進めて来ました。TRITONはその開発成果の一つといえる中性ガスの質量分析器です。今後もさらなる性能の向上と、装置の小型軽量化を目指して開発を進めていく予定です。

図４　これまでに開発を進めて来た惑星探査用質量分析器

開発チーム

齋藤義文（宇宙科学研究所）　　　提案代表者・TOFMS開発統括・設計・試験

浅村和史（宇宙科学研究所）　　　TOFMSシステム設計・開発・試験

横田勝一郎（大阪大学）　　　　　パルス高圧開発

笠原慧（東京大学）　　　　　　　イオン源開発

齋藤直昭（産業技術総合研究所）　TOFMSシステム設計

藤原幸雄（産業技術総合研究所）　TOFMSシステム設計

浅川大樹（産業技術総合研究所）　TOFMSシステム設計

西野真木（宇宙科学研究所）　　　サイエンス検討

大学院学生 　　　　　　　　　　TOFMS optics設計・試験