研究プロジェクト
LEF-TOF型質量分析器
※LEF-TOF（Linear Electric Field,Time Of Flight) 型の質量分析器は、磁気圏探査用イオン質量分析器では判別が難しいような、固体表面起源の重粒子を測定するために、比較的少ないリソースで、高い質量分解能(m/Δm > 20程度)を達成することを目的とした観測器である。
ある異なる質量をもった粒子が、宇宙空間を飛び回っている場合、その粒子の質量を班別するための装置が、宇宙機搭載用の質量分析器であるが、その測定原理が最も単純で分かりやすいものでは、ある特定の大きさの装置内部を通過する粒子の、エネルギーと飛行時間を測定するという手法が挙げられる、これは最もポピュラーな粒子の質量測定方法の一つであり、地上での元素分析装置でもよく使われている手法である。
その測定原理は簡単に説明すると、ある同じエネルギーを持った粒子が、ある決まった距離を通過する場合、重いものほど時間がかかるので、静電エネルギー分析器などを通過した後に、粒子の飛行時間を測定する事で、質量を分別する事が出来るというものである。
プラズマ（イオン）の質量分析器の場合、電磁場を利用して入射タイミングの信号を取得したり、イオンの飛行径路を誘導したりといった設計が行われる。特に線形電場を利用した分析器としては、WIND衛星に搭載されたSMS という観測器でV 字型の電極を利用した分析器がある。この分析器を例に、LEF-TOF 型質量分析でなぜ高い時間分解能を得ることが可能となるのかを以下に説明する。
（※LEFとは線形電場の事で、ある方向（ここではｚ方向）に対して線形に増加していく電場で、言い換えれば電位が２次で増加していくQuadratic Potentialの事である）
図１ V 字型電極と双極子型電極の電場を利用した観測器（SMS/VMASS）Hamilton et al. [1990]、橙色の矢印は正イオン、及び二次電子の軌道、質量分析器全体の大まかな構成を表す模式図
図２ SMS/VMASSの電極の断面図とイオンの軌道を描いた模式図、V 字型電極と双極子型電極の原点での距離をZ0、V字型電極の電位をV=0、双極子型電極の電位をV=VH > 0、とする。
先に述べたように、TOF 型質量分析は基本的に粒子の飛行時間を計ることによって、その粒子の質量を同定する機器である。このSMS/VMASS では図１にあるように、入射してきたイオンがV字型の電極の入り口に張られたカーボンフォイルに衝突し、そこで二次電子を放出する、発生した二次電子は電場によって加速され、瞬時に図１上側にあるスタート信号検出用MCPに到達する、カーボンフォイルを通り抜けた正イオンは線形電場によって反射され、逆側にある検出部のストップイオン検出用MCPに到達する。この二次電子と正イオンの到達時間のタイミングの差を測ることによって正イオンの飛行時間を測定し、そこから質量の同定を行うことが可能となる。
カーボンフォイルでの電荷交換によって中性化してしまった粒子は電場に影響される事なく、直線軌道を描き上側のストップ信号検出用MCPに到達する、この場合もスタート信号とストップ信号との時間差を測定する事によって、質量分析が可能となるが、後述するイオンの時間差を測る場合に比べて質量分解能は悪いものとなってしまう。以下では簡単な数式を用いて、解析的にイオンの飛行時間を求め、何故正イオンの飛行時間差を測定する事で、高い質量分解能が得られるのかを説明する。
図２のような双曲線上の電位をVH、V 字型の電極での電位を0 とするとその二つの電極が作るポテンシャルは
となる。よってz 方向、x 方向それぞれの電場は
となりそれぞれz、x 方向に線形な電場となる、ここでこの電場中での正イオンのz方向の運動方程式を考えると
これは単純な調和振動子の運動方程式なのでこれを解くと
である。よってイオンが電場で反射されてもどってくる飛行時間T は
となり、この式からm/q を求めることが可能となる。
線形電場の傾きC は装置の設計によって自分達で設定できる値であるので、イオンの飛行時間T を求めることによってそのm/q(質量/電荷) を決定することが可能となる。
ここで比較のため、電極が平行平板であった場合の質量分析について考えてみる。
図３ 平行平板で囲まれた場合の反射イオンの模式図
図３のように、極板間の電位差をVH、極板間の距離をlと置くとz方向の運動方程式は
となり、これを解くと
（ｖ0は初速度）スタートした極板からから再び戻ってくるまでの飛行時間をTとすると、質量/電荷（m/q）は
（E0は入射時の初期エネルギー）と表す事が出来る、lは既知であるので、入射エネルギーE0と飛行時間Tが分かれば、m/qが求められる事が分かる、大抵のイオンの分析器においては質量分析を行う前に、静電エネルギー分析器で”エネルギー/電荷”の分析を行っているため質量分析器への入射イオンの初期エネルギー（E0/q）は既知とみなせる。（入射イオンのエネルギーが、平行平板のポテンシャルを上回る場合や、入射口のカーボンフォイルで中性化されてしまい上部に突き抜ける場合でも、上面の検出部へたどり着くまでの飛行時間をTとすると、やはり質量はT及び、E0に依存する事になる）
線形電場の場合、m/q(質量/電荷) が飛行時間T と線形電場の傾きC （VHとz0で決まる定数）のみに依存しているのに対して、飛行時間を利用した質量分析を定電場で行なうと、粒子が定電場領域にはいって来たときのz方向の初期エネルギーE0に依存してしまう。これによってカーボンフォイルとの相互作用でのエネルギーの損失や、エネルギーの揺らぎ及びスキャタリングによる入射エネルギーの変化δE0によって質量分解能が悪化してしまう。理想的に線形な電場ではこういったカーボンフォイルでのエネルギーの影響を受けずに、高い質量分解能を実現することができる。
月周回衛星かぐや（SELENE）に搭載されているプラズマ観測器PACEの中のイオンを分析する装置IMAでは、シリンダー状の電極を抵抗でつなぎ、人為的に線形電場を作り出すことで同様の高い質量分解能を達成している。同じような手法で高い質量分解能を得ているプラズマ観測器としては、探査機カッシーニに搭載されたion mass spectromater（CAPS-IMS）や探査機Deep Space1に搭載されたPlasma Experiment for Planetary Exploration (PEPE)のイオン検出部などを挙げる事が出来る。
WIND/SMSのようにV字型の電極と双曲線型の電極を使用すれば、シリンダー状の電極と抵抗を使うよりも簡単に線形電場を作り出すことが出来るが、いかんせんこのタイプの形状では、プラズマ観測にエネルギー分析器としてよく使われる※TOP-HATタイプの静電分析器との、相性が悪くなってしまう。 広い視野、高い感度で３次元の速度分布関数を求めることが、プラズマ観測にとっては重要であるので設計は難しいが現在ではシリンダータイプの電極をつかったLEF-TOF質量分析器が、衛星搭載用として主に開発されている。
（※広い視野で比較的高感度の静電エネルギー分析器として、プラズマ観測によく用いられている、球殻状の電極の上に帽子を被せたような様子から、TOP-HATと呼ばれる）
＜田中 孝明＞