分野：環境保全・浄化

研究題名

超高感度元素イメージングのための２波長一体型波長可変レーザー光源（技術編）
坂本 哲夫

工学院大学先進工学部応用物理学科 教授

キーワード： 分析装置開発、放射性物質、質量分析、イメージング、同位体分析、レーザー共鳴イオン化
概要

アピールポイント

関連論文

イオン化

133Cs+

5000

138Ba+

4000

137Ba+

3000

137Cs?

2000
1000
0120

125

130

135

140

145

[amu]
m/zm/z[amu]図1. 137Csと137Baの同重体干渉の例

pλ1 or λ2共鳴励起２多段階の共鳴励起・イオン化ス
キームにより、イオン化に選択性を持たせ、同重体干渉を防ぐ。
共鳴励起１（図2）
波長可変のレーザー２台を縦置きで一体化し、フットプリントの小さい２波長レーザーシステム（新規開発）（図3）

6000

Intensity[counts]
In te n s ity [c o u n ts ].

福島第一原発事故に伴い放出された放射性核種の環境動態は解明されたわけではない。放射性セシウムは事故後７年以上経過した今、様々な形態で環境中に存在すると思われるが、それを解明するためにはミクロな視野で、しかも、同位体を識別したイメージング技術が必要である。その際、最も困難な課題は質量分析において近接した m/z値をもつ信号の干渉（同重体干渉）であり、図1に示すように放射性セシウムの場合には天然にも存在するBaが干渉する。今回開発した技術によれば、セシウムだけを選択的にイオン化することで同重体干渉を防ぎ、ミクロな視野で放射性セシウムを同位体ごとにイメージングすることができ、環境動態調査や廃炉工程などに多くの知見をもたらすと期待できる。

λ2=917.47 nm

λ1=852.35 nm
基底状態
図2. Csの２色共鳴イオン化スキーム

既設の質量イメージング装置と組み合わせ、面分解能40 nmでの同位体イメージングが可能（図4）
利用・用途、応用分野

図3. 新規開発の縦置き
Ti:Sa波長可変レーザー

Nd:YAG Laser
(SHG)

飛行時間型
質量分析計
集束イオンビームTi:Sa Laser 2

放射性同位元素のマイクロイメージング
放射性同位元素の環境動態調査
放射性同位元素以外に、半導体材料中の極微量不純物の高感度分析
関連情報

試料ステージ

Ti:Sa Laser 1

図4. レーザー共鳴イオン化質量顕微鏡装置全体●知的財産権＝ 質量分析装置および質量分析方法、出願人：工学院大学、特許第6309381号 など●関連論文 ＝ Tetsuo SAKAMOTO et al., Analytical Sciences, 34, pp.1265-1270 (2018).
●関連 URL ＝ http://www.ns.kogakuin.ac.jp/~wwc1045/ （物質計測制御研究室）

工学院大学 研究戦略部研究推進課〒163-8677 東京都新宿区西新宿1-24-2〒192-0015 東京都八王子市中野町2665-1
TEL:03-3340-3440 FAX:03-3342-5304
TEL:042-628-4940 FAX:042-626-6726
e-mail: sangaku@sc.kogakuin.ac.jp URL:http//www.kogakuin.ac.jp/

本研究はJST・先端計測の開発成果に基づくものです。

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分野：環境保全・浄化

研究題名

超高感度元素イメージングのための２波長一体型波長可変レーザー光源（応用編）
坂本 哲夫

工学院大学先進工学部応用物理学科 教授

キーワード： 分析装置開発、放射性物質、質量分析、イメージング、同位体分析、レーザー共鳴イオン化
1.4E+04

共鳴イオン化の原理

1.2E+04＋ + イオン化する

イオン化しない

イオンカウント数

質量顕微鏡では図1に示すように、細く絞ったイオンビームを対象物に当て、原子を放出させる。
放出された中性原子に対し、その元素特有の励起波長に合わせたレーザー光を照射することで、選択的に励起、イオン化が起こる（図2）。

TOF-MS

多⾊イオン化光源
中性原⼦
固体表⾯

8.0E+03
6.0E+03
4.0E+03
2.0E+03
0.0E+00916.5

放射性セシウムを含むと思われる実環境微粒子に本手法を適用した（図3）。従来の手法ではその粒子にセシウムが存在することは判っても、どの場所にどのような形態で存在するのかが判らなかったのに対し、本手法では、133, 137, 135の各Csが粒子の一部分に濃化している様子が世界で初めて可視化できた。また、それぞれの信号強度から同位体比を見積もることも可能である。

917.0917.5

918.0918.5

レーザー波長 [nm]図1. スパッタ中性原子の共鳴イオン化

放射性Csの実環境試料分析例

共鳴波長1.0E+04

粒⼦の⼆次電⼦像

図2. 共鳴イオン化が起こるレーザー波長の例

p

関連論文

Total Ions

206~208Pb_SIMS

138Ba_SIMS

２⾊共鳴イメー
100 µmジングエリア
世界で初めて実粒⼦で放射性Csの同位体別イメージングに成功！

50 m
133Cs_SNMS

137Cs_SNMS

135Cs_SNMS

図3. 原発から2～3 kmにて採取した微粒子表面の放射性Csイメージ

難分析核種の検出
放射性セシウムのほかに、ガンマ線を放出しない放射性核種が存在する。例えば、90Srはベータ線を放出するが、β線は空気中での飛程が１メートルほどであり、空間線量には余り寄与しないが、内部被ばくの恐れがある。90Srは90Zrと同重体干渉するため、難分析核種と呼ばれている。今回開発したレーザーにより、図4に示す２波長共鳴イオン化が可能となり、Srだけを選択的にイオン化、検出、イメージングすることに成功した。難分析核種にはベータ核種の他にアルファ核種もあり、同様に検出が可能と考えられることから、これまで実態が不明瞭であった難分析核種の動態解析を進めていく予定である。

<893 nm

767.519nm
6.6×106 s‐1I.P.
45932.2
cm‐15s5d34727.4cm‐15s5p
21698.5 cm‐1460.862 nm
2.01×108 s‐15s20

図4. Sr試薬のイオン化スキームと共鳴イオン化イメージング結果

関連情報●知的財産権＝ 質量分析装置および質量分析方法、出願人：工学院大学、特許第6309381号 など●関連論文 ＝ Tetsuo SAKAMOTO et al., Analytical Sciences, 34, pp.1265-1270 (2018).
●関連 URL ＝ http://www.ns.kogakuin.ac.jp/~wwc1045/ （物質計測制御研究室）

工学院大学 研究戦略部研究推進課〒163-8677 東京都新宿区西新宿1-24-2〒192-0015 東京都八王子市中野町2665-1
TEL:03-3340-3440 FAX:03-3342-5304
TEL:042-628-4940 FAX:042-626-6726
e-mail: sangaku@sc.kogakuin.ac.jp :http//www.kogakuin.ac.jp/

本研究はJST・先端計測の開発成果に基づくものです。