原⼦衝突学会誌「しょうとつ」
2020 年 7 ⽉ 15 ⽇発⾏
第 17 巻第 4 号

原

⼦

衝

突

学

会

誌

しょうとつ

Journal of Atomic Collision Research

Vol.17 Issue4
2020

解説
テーパー型マイクロチャンネルプレートのイオン検出効率
的場史朗
新しい⾵
作業環境中の化学物質測定のためのイオン移動度分析装置の開発
⾼⾕⼀成
多価イオンの電荷交換分光と気液界⾯におけるラジカル光化学実験
沼舘直樹
談話室
原⼦物理屋にとっての感染症数理モデル
島村勲

原⼦衝突学会｜www.atomiccollision.jp

原子衝突学会賛助会員（五十音順）

アイオーピー・パブリッシング・リミテッド（IOP 英国物理学会出版局）
http://journals.iop.org/
アドキャップバキュームテクノロジー株式会社
http://www.adcap-vacuum.com
有限会社イーオーアール

Electronics Optics Research Ltd.

http://www.eor.jp/

イノベーションサイエンス株式会社
http://www.innovation-science.co.jp/
株式会社オプティマ
http://www.optimacorp.co.jp/
クリムゾン インタラクティブ プライベート リミテッド
http://www.enago.jp/
http://ulatus.jp/
http://www.voxtab.jp/
コスモ・テック株式会社
https://www.cosmotec-co.jp/
株式会社サイエンス ラボラトリーズ
http://www.scilab.co.jp/
真空光学株式会社

http://www.shinku-kogaku.co.jp/

55

スペクトラ・フィジックス株式会社
http://www.spectra-physics.jp/
ソーラボジャパン株式会社
http://www.thorlabs.jp/
ツジ電子株式会社
http://www.tsujicon.jp/
株式会社東京インスツルメンツ

http://www.tokyoinst.co.jp/
株式会社ナバテック
http://www.navatec.co.jp/

仁木工芸株式会社

http://www.nikiglass.co.jp/
伯東株式会社
http://www.g5-hakuto.jp/

株式会社ラボラトリ・イクイップメント・コーポレーション
http://www.labo-eq.co.jp/

56

第 17 巻 第 4 号

目

次

解説
テーパー型マイクロチャンネルプレートのイオン検出効率

的場史朗 … 58

原子衝突の新しい風
作業環境中の化学物質測定のためのイオン移動度分析装置の開発

高谷一成 … 67

原子衝突の新しい風
多価イオンの電荷交換分光と気液界面におけるラジカル光化学実験

沼舘直樹 … 70

談話室
原子物理屋にとっての感染症数理モデル

島村勲 … 71

原子衝突若手の会 第 41 回秋の学校開催中止のお知らせ
第 41 回秋の学校開催事務局… 78

第 45 回原子衝突学会年会（オンライン）のお知らせ

行事委員会委員長 … 78

第 21 回若手奨励賞受賞者決定のお知らせ

顕彰委員会委員長 … 79

2020 年度国際会議発表奨励賞受賞者決定のお知らせ

顕彰委員会委員長 … 80

2020 年度 第 2 回運営委員会（新旧合同）開催報告

庶務委員会委員長 … 81

2020 年度 第 3 回運営委員会（文書持回）開催報告

庶務委員会委員長 … 81

2020 年度 第 4 回運営委員会（文書持回）開催報告

庶務委員会委員長 … 81

庶務委員会からのお知らせ

庶務委員会委員長 … 81

「しょうとつ」原稿募集

編集委員会事務局 … 82
… 82

ユーザー名とパスワード

57

解 説

テーパー型マイクロチャンネルプレートのイオン検出効率
的場史朗
高エネルギー加速器研究機構 〒319-1195 那珂郡東海村白方 203
shiro.matoba@kek.jp
令和 2 年 6 月 27 日原稿受付

マイクロチャンネルプレート（MCP）の最大検出効率は，開口率とほぼ等しいことが知られている．市販の一般的な MCP では，機械的強度の制約により開口率は 50%〜60%で，検出効率も同程度である．本研
究では，検出効率を最大限に向上させる目的で，円筒状細孔の粒子入射側にテーパー加工を施して開口部を大きくすることで開口率を最大で約 100%に増大させた MCP を開発した．この MCP について，イ
オンビームに対する検出効率を測定した．開口率が約 100%の MCP では，最大検出効率は 100%に達し，イオン検出の高効率化のために開口部を大きくする方法として，テーパー加工が有効であることが確かめられた．さらに MgO コーティングを表面に施すことで，より低エネルギーのイオンにおいても検出効率が向上することを見出した．

1．MCP についてに高く，散乱粒子検出，ビームプロファイル測定，

MCP とは，10 µm 前後，長さサブミリメートル程

質量分析器など用途は多岐にわたっている．特度のガラスキャピラリ（チャンネル）を多数本束ねて薄い板状に加工したものである．各キャピラリはに，高速応答特性を利用して同時計測法の検出器として用いられている実験装置が多い．同時計

独立した二次電子増倍管であり粒子検出器として測法では多数の粒子を同時に測定するため検出機能する．MCP は，暗視装置（Image Intensifier）やコリメーター，フィルター，面出力電子源などに効率の低下が実験効率に非常に大きな影響を与える．N 個の粒子を同時計測する場合，全体の検も使用されている．MCP を用いて検出可能な主な出効率は単一粒子の検出効率の N 乗に低下す粒子としては，イオン，電子/陽電子/ミュオン，高速中性粒子，真空紫外光，X 線，γ線，中性子る．ここで，検出効率とは入射粒子数に対する検出粒子数と定義する．カウンティングモードにおけ（要 10B 添加）である．多段式二次電子増倍管やる検出効率は，入射粒子の運動エネルギー，質半導体検出器等と比較した MCP の主な特徴は，
高ゲイン（～108），大面積（>φ100 mm2），高速応量数によることが知られている．検出効率の測定
例としては，一価イオン[1-6]，多価イオン[7-11]，

答（<1 ns）であることが挙げられる．一方，欠点とし中性粒子[12-16]，真空紫外光[17]など多くの粒ては，入射粒子の運動エネルギーを検出器単独で測定する事が出来ない，入射粒子の個数情報子に対して報告されている．特に，Fraser らによる理論的研究の報告[18]では，1976〜2001 年までが直ちに分からない（パルス波高解析により推測の幅広い検出効率測定データについて詳細にまは可能），検出効率の上限が低い，といった点が挙げられる．MCP の諸特性や製作工程に関するとめられている．以上の報告で共通することは，検出効率は入射粒子の運動エネルギー増加に伴っ解説は各メーカーの技術資料等を参照されたい．

て増大し，その最大値は MCP の開口率と一致す

本稿では，MCP を用いたイオン検出効率測定法
及び検出効率向上を目指している我々の取り組

るということである．開口率とは入射部面積に対す
るチャンネル開口部の比である．このことは，以下みについて述べる．

のように理解出来る．二次電子放出率は，しきい原子衝突分野において MCP の重要性は非常値を超えてからは入射粒子の運動エネルギーのCopyright© 2020 The Atomic Collision Society of Japan, All rights reserved.

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増加に伴って増加する．二次電子数が増加するとチャンネル内での電子増倍が開始される確率も増えるので検出効率も増大する．大きな運動エネ
ルギーの領域では二次電子数も十分多いのでチャンネルに入射した粒子は必ず検出され，検出効
率は開口率と一致する．一方，チャンネルに入射せず MCP 表面に衝突した粒子から発生する二次電子は増倍されないので検出されず，開口率が検出効率の最大値となる．市販されている一般的な MCP の開口率は 50〜60%程度である．この場
合，三粒子の同時計測では全体の検出効率は20%程度に低下する．
検出効率を向上させる取り組みとして，MCP 表
面に二次電子放出を促進させるコーティングを施す取り組みが行われている．紫外線領域の光子に対しては量子効率の大きい CsI が良く用いられ
る．イオンに対しては飯塚らが数種類の材料を用いて MCP にコーティングを施し，その中で MgO

図 1: C-MCP(上段)，T100-MCP(下段)の電子
顕微鏡写真．(浜松ホトニクス株式会社提供)

によるコーティングがイオン計数率向上に寄与することを報告している[19]．ただし，MgO は潮解性を持つため，保管や取り扱いに制限がかかる欠点がある．また，広く用いられてきた方法として MCP

効率の向上が認められたので本稿にて報告する．

入射面に対して負の電位を持つメッシュを設置する方法がある[20-23]．MCP 表面から発生した二2. 検出効率測定

次電子は負の電位によって追い返されてその一

2.1. テーパー型 MCP

部がチャンネルに入射して増倍され，開口率以上

本研究で用意した T-MCP は市販の MCP（浜に検出効率は向上する．簡便な方法ではあるが，

松ホトニクス株式会社 F1217; 外径 49.9 mm， チ
ャンネル径 12 mm, 厚さ 0.48 mm，バイアス角 8装置毎の個体差が大きく検出効率の校正が必要であることや，メッシュからの二次粒子が飛散してMCP に入射してしまい位置検出には不向きであ度）の開口部をエッチング加工によって広げたものである．開口率は 90%および 100%のものを用意した．図 1 に市販型 MCP（以下 C-MCP）と開口る欠点もあげられる．検出効率向上のための本質的な解決は開口率を向上させることであるが，壁の強度との兼ね合いで現在の 60%程度から大きく

率 100%の T-MCP の電子顕微鏡写真を示す．開口率 90%の T-MCP（以下 T90-MCP，写真は不掲
載）は平坦部が残るが，開口率約 100%の T-MCP

する余地は少ない．我々は，入射側のチャンネル
壁を先細にして開口部を漏斗状に加工することで表面部の開口率を広げた Tapered-MCP（以下，T-（以下 T100-MCP）は境目まで切り立っており全てがテーパーとなっている.テーパー深さは 10 µm 程度，テーパー角度はおおよそ 30〜40 度である．

MCP）を考案した．もし漏斗状の開口部にイオン検出感度があれば，実質的に 100%まで向上させることも可能である．同様の試みは Hasegawa らに

入射面には電極としてインコネルがスパッタリング
法により，テーパー部全てとチャンネル部 10 µm
深さ程度まで製膜されている．MgO コーティング

よって行われ，その検出効率は市販の MCP より向上した結果を得られている[24]．我々は開口率90%及び約 100%の T-MCP についてイオン検出

MCP）についても検出効率の測定を行った．1 段

効率の測定を行い，開口率に比例した最大検出

目 に C-MCP ， T90-MCP ， T100-MCP お よ びを施した開口率 100%の T-MCP（以下 TC100-

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れる．速度選別によって単一の価数となったイオ
ンは直径 3 mm，長さ 100 mm のコリメータを通過
して，スリット付きの可動ファラデーカップに入射する．スリット幅は設計値 70 µm だが後述の方法で実測する．ファラデーカップの内径は 16 mm であり，コリメータ通過後のイオンビーム径より十分大きい．ファラデーカップの入り口には二次電子

図 2: 低エネルギー領域におけるイオン検出効率測定装置．イオン源には電子衝撃型イオン源を用いた．

の散逸を防ぐためのサプレッサーが設置されており-30 V の電位が印可されている．ファラデーカッ
プはイオンビームに対して垂直に移動させること

TC100-MCP，2 段目に C-MCP を用いたシングルが可能である．スリットを通過したイオンビームの一部は後方の MCP に入射する．MCP から出力さアノードのアッセンブリを用いてカウンティングモ
ードにおけるイオン検出効率の測定を行った．

れた電子パルスは，アンプ（ORTEC 571），ディス2.2. 検出効率測定

ク リ ミ ネ ー タ （ ORTEC 584 ） ， カ ウ ン タ ー （ ClearPulse E3301）から構成される電子回路によって計

検出効率の測定方法としては，検出効率が既数される．MCP の真空槽は差動排気によってイオ知の検出器との相対的な検出数の比を実験的に求めることで検出効率を導出する方法が標準的

ン源運転時でも 10-5 Pa 台の真空度に保たれている．

である．イオン検出効率の場合は，原理的にはフ

上記の実験系の場合，検出効率hは以下のようァラデーカップを用いてイオンビームを電流値として測定した値と MCP を用いてカウンティングしたに表される．
𝜂=

値と比較で求められる．一般的な電流計を用いて有効数字 2 桁で測定可能な下限値は 0.1 nA 程度である．これはおおよそ 106 cps に相当し，MCP𝑞𝑒& 𝑛(𝑥)𝑑𝑥
𝐼!

(1)

ここで IF はファラデーカップによるイオンビーム電流測定値，x はスリット位置，n(x )は位置 x でのや測定回路の飽和限界と同等となり正しく比較がMCP によるイオン計数率，e は素電荷，q はイオンできない．本研究では低エネルギー側と高エネルの価数である．実際はスリット幅と変位は有限であギー側で異なる 2 種類の方法で検出効率を測定るので，以下のように焼き直される．
𝑞𝑒𝑁"
𝜂 = . Δ𝑥𝐼!
𝜔

した．主に 10 keV 以下のイオンに対しては，ファラデーカップの底面にスリットをつけて，イオンビームの一部のみを MCP に入射させ，ファラデー(2)"

ここで Ni は i 番目のスリット位置における MCP にカップを移動して掃引させることでイオンビーム全よる計数率，wはスリット幅，Δx はスリットの移動間体の計数率を測定し，検出効率を導出した．10
keV 以上の運動エネルギーのイオンに対しては，

隔 で あ る ． 全 イ オ ン 電 流 IF は 微 小 電 流 計

以下の方法で測定を行った．イオンビーム電流を（Advantest R8240）を用いて，スリットに被らない位置で測定され，スリット掃引前後の電流値の平ファラデーカップで測定する．次に，イオン透過率が実験的に決定された多孔アッテネータをビーム

均から算出される．典型的なイオン電流は 0.1〜
0.4 pA 程度である．スリットの移動間隔は 0.10 mmである．

ライン中に挿入してイオンビームを減衰させイオンビーム計数率を測定する．両者を比較することで検出効率を導出した．以下に詳細を示す．

ファラデーカップ底面のスリットはエッチングによって製作され，設計値は移動方向(高さ方向)に対して幅 70 µm，垂直(横)方向に 14 mm である．実2.2.1. 低エネルギー領域での検出効率測定
実験装置の概略図を図 2 に示す．電子衝撃型

際のスリット幅はエッチングの精度に依存しておりイオン源で生成されたイオンは，静電レンズ系に

設計値と同等であるとは限らない．そこで，イオンビームの減衰比から以下のように実効的なスリット

よって輸送され，偏向電磁石によって速度選別さ

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幅wを求めた．

ン電流が測定される．高アスペクト比ファラデーカ
' (𝑥 )
𝐼%&"(3)

ップの内径は 2 cm，深さは 30 cm であり，幾何学
的に二次粒子が散逸する確率は 0.1%以下である．

ここで I’FC(xi)は，スリット幅測定のために可動式フ検出効率測定時の加速器上流から供給される典ァラデーカップの後方に設置されたもう一つのファ型的なイオン電流は 0.2 pA 程度である．直径 40µm の穴が 500 µm ピッチで穿孔されている厚さ

𝐼!#$ .
"

𝜔Δ𝑥

ラデーカップで測定されたイオン電流値である．

0.1 mm のニッケル製アッテネータをビームライン

測定は 4 keV の Xe+イオンで行われ，スリット幅は74.1 ± 1.4 µm と求められた．上記の手法を用いて立教大学に設置した実験装置で検出効率測定が上流に挿入しイオンビームを減衰させる．開口率はおおよそ 0.4%程度であるが，測定の都度イオ行われた．

ンビームを用いて透過率は実測される．減衰した
イオンビーム軌道上に MCP を挿入し計数率を計測する．高アスペクト比ファラデーカップと MCP が2.2.2．高エネルギー領域での検出効率測定設置されている真空槽は 1 ´ 10-5 Pa 以下の真空

主に 10 keV 以上の運動エネルギーを持つイオ度である．検出効率hは以下のように求められる．
𝑒𝑞𝑁(#)
𝜂=(4)
𝐼!# 𝑇*+

ンに対しては，日本原子力研究開発機構高崎量
子応用研究所（現在は量子科学技術研究開発機
構量子ビーム科学研究部門）のイオン照射研究施設（TIARA）に設置されている 400 kV イオン注

ここで NMCP は MCP で測定された計数率，TAT は入装置のビームラインを用いて測定を行った．高アッテネータの透過率である．上記の測定法を検エネルギーのイオンではスリット端からの二次粒子生成が顕著になるため前述の手法は使用でき

証 す る た め に プ レ ー ナ シ リ コ ン 検 出 器 （ PIPS

ない．そこで透過率を実験的に決定した多孔板

MeV の Ar3+イオンに対する検出効率測定を行っ（アッテネータ）を用いてイオンビームを減衰させる手法を用いた．実験装置の概略図を図 3 に示た．測定中のイオン電流 IFC のふらつきは最大で5%，MCP の計数率 NMCP の誤差は 0.1%，アッす．測定は以下の手順で行った．400 kV イオン注

テネータの透過率の誤差は 2%であった．PIPS 検入装置から出射したイオンビームは 1 mm 角の二重コリメータを通りビームライン末端に設置された出器の入射側不感層はシリコン相当で 50 nm と非常に薄く，MeV イオンに対する検出効率は理論

高アスペクト比ファラデーカップに入射して，イオ

上 1 に近い値になる．測定値は 0.97 ± 0.04 とな

PD50-12-100AM，キャンベラ社製）を用いて 1.08

り，本手法の妥当性が実証された．

3．結果と考察
図 4 に，C-MCP，T90-MCP にイオンが入射された際のアンプ増幅後のパルス波高分布を示す．
仕様上 1 channel number あたり約 2 mV であるが，パルスジェネレーターによる校正は行われておらず電圧値への変換はされていない．いずれの
MCP においても入射の運動エネルギーが増加す
るにつれてパルス波高すなわちゲインが高くなる．
また，同じエネルギーでも重いイオンの方が出力
図 3: 高エネルギー領域におけるイオン検出効率測定装置．上図はイオン電流測定時の設定，下図は MCP を用いたイオン計数率測定時の設定である．アッテネータおよび MCP は上下移動機
構に設置されている．一連の測定でコリメータ径
および上流から供給されるイオンビーム電流の変更は行われない．

パルスは低い．T90-MCP の波高分布は C-MCP と比較して若干広いが，MCP 製作ロット毎のパルス増幅率のばらつきよりこの差違は小さい．これは電子増倍が開始されると，T-MCP と C-MCP はほ
ぼ同じ数の電子を出力することを意味している．イ

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最大になるファラデーカップ位置では，計数率はそれぞれ 8669, 12309 および 16809 cps となり，検出効率は 0.25 ± 0.02, 0.26 ± 0.01 および 0.25 ±0.01 と誤差の範囲内で一致した．この結果から,16809 cps 以下の計数率では数え落しは発生していないと見積もられた．本実験において全ての検出効率測定の際の MCP 計数率は 15000 cps 以下で行われ，数え落しが無い領域で行われた．
図 5 は T90-MCP および C-MCP の Xe および
Ne イオンに対する検出効率の入射運動エネルギ
図 4: Ne+イオン(a)および Xe+イオン(b)を入射した
際の T90-MCP（■）および C-MCP（○）のパルス波
高分布．アンプの増幅率が異なるため Channel
number の直接比較ができないことに注意されたい．

ー依存性を示している．測定された全てのエネル

オン検出効率測定の際にはディスクリミネータにおけるパルス高さのしきい値は，アンプ由来のノイ

れぞれある一定値に漸近する．この一定値はそギー領域で，C-MCP より T90-MCP の検出効率が高く示されている．どちらの MCP においても，検出効率はイオン入射の運動エネルギーが増加す
るにつれて増大し，エネルギーが高い領域ではそれぞれの MCP の開口率と一致している．このことから，MCP に対してテーパー加工を行う事でイオ

ズを除外するために 2〜8 mV 程度に設定された．
イオン検出効率の誤差は，以下の 4 つの要因から構成される．イオンの計数率 Ni の誤差は，ポン検出効率が向上することが確かめられた．どちアソン分布に従うので計数の平方根であり，最大率より Ne イオンに対する検出効率の方が，より低で 0.1%であった．ファラデーカップ位置の変異Dx

いエネルギーで開口率に達している．また，T90-の誤差は、ファラデーカップの直線運動導入器のMCP の検出効率において，Xe3+イオンの検出効率が Xe+と Xe2+イオンより大きい．この理由についらの MCP においても，Xe イオンに対する検出効

工作精度から導き出され，Dx が 0.1 mm の場合には 1%であった．スリット幅wの誤差は前述のように1.9%であった．ファラデーカップを掃引中に生じては実験的エラーかあるいは T90-MCP 表面における二次電子放出機構に関して何らかの価数依るイオンビーム電流のふらつきは 1～6%であった．
上記を合算したイオン検出効率の誤差は 2.4〜
7.8 %となった．
次に本実験におけるイオン検出効率の MCP 計
数率依存性について述べる．MCP への単位時間あたり入射イオン数が過剰になると，チャンネル内
壁から放出された電子の充足が追いつかずチャ
ンネル内壁表面がプラス電位に帯電し，二次電子増倍が行われない．その結果，数え落しが発生することになる．電子の充足速度はチャンネル当たり 250 ms 前後と報告されているが[11]，MCP の種類や個性によっても大きく変化する．また，数え落しは測定回路系の時定数にも依存する．数え
落し評価のために，低エネルギー領域の実験装置を用いて，0.5 keV の Ne+イオンのビーム電流が図 5: T90-MCP および C-MCP の Ne+，Xe+，
Xe2+，Xe3+イオンに対する検出効率の入射運動エネルギー依存性．一点鎖線および点線は
T90-MCP および C-MCP の開口率を示す．

0.135, 0.275, および 0.390 pA の時の T90-MCPの計数率および検出効率を測定した．計数率がCopyright© 2020 The Atomic Collision Society of Japan, All rights reserved.

62

り導出した．図 6 中の赤線で示されるユニバーサ
ルカーブの式は規格化検出効率を D/OAR とし
て，
𝐷
=
𝑂𝐴𝑅
−0.2413 − 1.2427exp A−

5.7572𝐸E (5)𝑀,..

と導出された．上記の式を用いることで，検出効率の測定報告が無いイオン種においても検出効率を決定することが可能である．ただし，分子イオンについては水素原子の含まれる割合等によって上記の式が適応できない分子種もあるので，適宜文献値を参照されたい．

0.5

図 6: E/M の関数で表した T90-MCP および CMCP の開口率で規格化されたイオン検出効率．過去の報告値は黒色の記号で記されている．

次に開口率を 100%近くに高めた T100-MCP のイオン検出効率について述べる．図 7 は He および Ar イオンに対する T100-MCP および C-MCP

存の現象が存在する可能性があるが詳細についの検出効率のイオン運動エネルギー依存性であては不明である．
図 6 は，Ne+および Xe+イオンに対する検出効

る．どちらのイオンにおいても検出効率に価数依
存性は見られない．Ar イオンにおいては 50 keV

率を MCP の開口率で規格化したグラフである．

以上において検出効率は誤差の範囲内で 100%

横軸は Krems らによって提案された経験的なスに達しており，最大検出効率は開口率と一致した．

ケーリング則[7]に基づいて，イオンの運動エネル

また，図 8 のように T100-MCP においても E/M0.5

ギーをその質量（a.m.u.）の平方根で除した E/M0.5

による比較を行う事で異なるイオン種においてもで表されている．開口率が論文に記載されていたKrems らの BURLE 社製（OAR=50%）の MCP を同一曲線で表されることが示された．

用いた測定値[7]，Oberheide らの Philips
Photonics 社製（OAR=62%）MCP を用いた測定
値[6]および開口率で規格化した検出効率が示されている Straub らの Galileo 社製 MCP を用いた
過去の測定データも示されている．異なるメーカ
ーで製作された MCP のイオン検出効率は，開口率で規格化すると高いエネルギー領域で開口率に漸近し同一の曲線状で表す事が可能となる．
横軸を E/M0.5 に変換すると，C-MCP だけでなく，
T-MCP についても異なる質量のイオンに対する検出効率が規格化可能であることが見いだされた．図 6 中の黒点線は Krems らによって導出されたイオン検出効率の規格化曲線（ユニバーサルカーブ）を測定に用いられた MCP の開口率で規格化したものである．今回，異なる開口率のMCP を用いた測定データを用いて新たにフィッテ

図 7: T100-MCP および C-MCP の He および Ar
イオンに対する検出効率の入射運動エネルギ
ー依存性．点線は開口率を示す．

ィングを行い，開口率が判明している MCP に適用可能なユニバーサルカーブを最小二乗法によCopyright© 2020 The Atomic Collision Society of Japan, All rights reserved.

63図 8: E/M0.5 の関数で表した T100-MCP および
C-MCP のイオン検出効率．

図 9: MgO コーティングされた CT100-MCP，T100-MCP および C-MCP の Ar イオンに対する検出効率の入射運動エネルギー依存性．価数
は 1〜3 価が含まれる．

検出効率が開口率に達するイオン入射の運動
エネルギーは，T-MCP の方が C-MCP より高い．
また，開口率が増大するにつれて検出効率増加

出効率は T100-MCP の検出効率を上回り，およの傾きが緩やかになる．この理由としては以下のように説明可能である．テーパー先端部はチャン

そ 12 keV で開口率に達している．これは，T100MCP と比較してテーパー先端部でより多くの二次

ネル内に二次電子を引き込むための電場が弱い．

電子が放出されてチャンネル内部で増倍される

さらにチャンネル内に二次電子が突入できる立体
角も先端部の方が小さい．したがって，イオン衝

確率が増大したためだと考えられる．過去に検出効率の増加が報告されている C-MCP への MgO突によってチャンネル内部とテーパー部で同数のコーティングだけでなく，T-MCP においてもテー二次電子が同じ角度分布で放出されると仮定しパー部への MgO コーティングが低エネルギーのイオン検出に有効であることが示された．MgO コ

た場合，テーパー部で生じた二次電子はチャンーティングが二次電子放出率を増大させる理由

ネルに突入する確率が低くなり増倍される可能性
が小さくなる．したがってチャンネル部のみで構成は不明であるが，MgO 表面では欠陥に由来する
浅い準位に電子が存在していることが報告されてされる C-MCP と比較して，テーパー部も含まれる

おり[25]，この電子を用いて二次電子放出数が多T-MCP の方が開口率で規格化した検出効率は減少すると考えられる．一方，keV 領域においてくなるのではないかと考えられている．飛行時間型質量分析器等の分析機器への応用の観点では，入射イオンの運動エネルギーが増加するには，より低い加速電圧でも高検出効率を得られる

つれて二次電子放出収量が増加する．テーパー
先端部から放出された二次電子が確率的に 1 個ようになりこれまで数十 kV 以上の加速電圧を印可しなければ検出困難であった重い高分子イオ

以上チャンネル部に突入するのに十分な二次電ンの分析や多重コインシデンスによる分子イメー

子放出数が得られるイオン運動エネルギー以上の領域では検出効率はテーパー部も含めた開口率に達すると考えられる．

ジングなど適用される分野が格段に広がると期待される．

最後に表面にコーティング加工を施された
MCP の検出効率について述べる．図 9 は表面に

4. まとめMgO がコーティングされた T100-MCP（CT-MCP）

イオン検出の高効率化のために開口部を大きとコーティング無しの T100-MCP および C-MCP のAr イオンの検出効率を示している．CT-MCP の検くする方法として，テーパー加工が有効であることが確かめられた．特に，開口率を 100%近くに向Copyright© 2020 The Atomic Collision Society of Japan, All rights reserved.

64上させた MCP では最大検出効率は約 100%を示

1 Pa 程度の低真空においても放電を抑制し正常し，MCP の弱点の一つであった多重コインシデン

動作可能な MCP アッセンブリが開発された．T-スによる検出効率の低下を克服した．T100-MCP

MCP との組み合わせによって，例えば希薄ガス

では，Ar イオンの場合，50 keV 以下のエネルギ

中におけるイオン分子反応の観測など，これまで

ー領域で、検出効率はエネルギーの増加に伴い使用が不可能であった実験条件においても MCP

上昇した．これは二次電子放出率がエネルギーとの活躍の場所が大きく広がることとなる．原子衝突

ともに上昇するためだと考えられる．イオンの質量分野のみならず中性子検出等のこれまであまりと運動エネルギーおよび MCP の開口率をパラメ

MCP が使用されなかった研究分野への適応例がータとしたイオン検出効率のユニバーサルカーブ

大きく期待される．

を導出した．低エネルギー側の検出効率向上の

最後に MCP を初めて扱う読者のために入門書手段として MgO をコーティングすることによって，を推薦したい．原子衝突学会の会員でもある足立

最大検出効率に達するエネルギーを Ar イオンの純一氏および彦坂泰正氏の執筆された放射光学

場合で 12 keV まで低下させることに成功した．

会誌解説記事[26]を紹介したい．本記事では触今後の展望としては，以下についての研究開れられなかった実験装置に組み込む上での MCP発を計画している．低エネルギー側での検出効の取扱いについて非常に丁寧に記されており，率向上のためには，テーパー先端部付近から生MCP 熟練者においても気が付かされる記述が多じた二次電子を増大させ効率よくチャンネル内にくぜひご一読をお勧めする．

輸送することが必要である．そこで，放射光やイオ
ンマイクロビームを用いて 1 µm 程度の空間分解

謝辞

能でテーパー部の検出効率マッピングを作成し，本研究における浜松ホトニクス株式会社の多大

二次電子放出のモデルを構築し電子軌道計算となる技術協力に深く感謝いたします．本研究は比較して最適な構造を見出す実験を準備中であJSPS 科研費 25790084『多孔性結晶薄膜を用いたる．さらに，T-MCP を用いた新たな検出システム

分 子 イ オ ン の 配 向 制 御 に 関 す る 研 究 』 およ びの開発も進めていきたい．具体的には飛行時間

20H04462『新たな超高感度マイクロチャネルプレ

型二次イオン質量分析器に T-MCP を組み込むこートで拓く粒子・光子検出の新世界』の助成を受とでフラグメントイオンを高検出効率で測定するこけたものです．

とで，試料表面の化学種同定を迅速に行える分
析装置の開発を目指している．また，紫外線観測のための人工衛星ミッション用に T-MCP を用いる

参考文献

開発も行っている．人工衛星は有限の装置寿命[1] R. S. Gao, P. S. Gibner, J. H. Newman, K. A.

を持つので，マシンタイムが開口率比で増加する

Smith, and R. F. Stebbings: Rev. Sci. Instrum.

ことは非常に有益である．CsI による量子効率の55 (1984) 1756.
[2] A. Müller, N. Djurić, G. H. Dunn, and D. S.

大きな増加が見込めない真空紫外領域におけるBelić: Rev. Sci. Instrum. 57 (1986) 349.

観測ミッションへの適応を目指している．

[3] T. Sakurai and T. Hashizume: Rev. Sci.

5. 補遺

Instrum. 57 (1986) 236.

本稿での測定に使用された T100-MCP につい[4] H. C. Straub, M. A. Mangan, B. G. Lindsay, K.

ては，浜松ホトニクス社よりカタログ化され特注品

A. Smith, and R. F. Stebbings: Rev. Sci.

として市販されている．ただ 2020 年 6 月現在ではInstrum. 70 (1999) 4238.

開口率のカタログ値としては 90%となっていること[5] B. Brehm, J. Grosser, T. Ruscheinski, and M.

に注意されたい．近年，浜松ホトニクス社によってZimmer: Meas. Sci. Technol. 6 (1995) 953.

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65

[6] J. Oberheide, P. Wilhelms, and M. Zimmer:

47 (1976) 44.

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[8] R. D. DuBois and A. Kövér: Phys. Rev. A 40

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Renaud: Rev. Sci. Instrum. 73 (2002) 1734.

[9] T. Luhmann, Ch. Gerth, M. Groen, M. Martins,[24] Y. Hasegawa, T. Hashizume, T. Sakurai, and Y.

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[10] S. Yagi, T. Nagata, M. Koide, Y. Itoh, T.

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Koizumi, and Y. Azuma: Nucl. Instrum.

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Bostel: Appl. Surf. Sci. 94 (1996) 422.
[21] J. A. Panitz and J. A. Foesch: Rev. Sci. Instrum.
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66

原子衝突の新しい風

作業環境中の化学物質測定のためのイオン移動度分析装置の開発
高谷一成
独立行政法人労働者健康安全機構労働安全衛生総合研究所〒 214-8585 神奈川県川崎市多摩区長尾 6-21-1
takaya-k@h.jniosh.johas.go.jp
令和 2 年 6 月 29 日原稿受付

私はイオン移動度分析の応用例の一つとして，イオン移動度分析を用いた作業環境中の化学物質を測定するための装置を開発している．本稿では開発中の装置について実際の作業環境測定の現状を踏まえてながら説明したい．

1．はじめに査などがある．行政要請研究や災害現場調査の

私は東邦大学大学院理学研究科物理学専攻

経験を基に自身の基盤的研究の課題を見つけての酒井康弘教授にご指導いただき，2012 年 9 月に博士号を取得した．その後，首都大学東京いる研究員もいる．私自身も災害現場調査を通して 感 じ た GC/MS や PID （ Photo Ionization（現：東京都立大学），立教大学，千葉大学予防Detector : 紫外線を環境中の化学物質に照射す

医学センターを経て，2019 年 4 月に現所属の労働安全衛生総合研究所に研究員として着任した．

ることによって得られるイオン電流を測ることで，濃学位を取得してからは興味の対象は異なるが一解決するためにイオン移動度分析を用いた分析

貫してイオン移動度分析に携わってきた．現在は今までの経験を活かし，イオン移動度分析装置に装置を開発することを思い立った．

よる作業環境中の化学物質測定を行うことを考え

2．作業環境測定ている．本稿で研究について述べる前に，おそら
く原子衝突学会会員の方々には馴染みがないで労働現場における労働者の健康阻害の要因の一つとして，職場で使用する化学物質のばく露があろう私の所属する「独立行政法人労働者健康ある．現在，工場などの作業環境においては様々

安全機構労働安全衛生総合研究所」について簡単に触れておきたい．

な人体に有害な化学物質を使用しており，適切な管理を行わなければ労働者の健康障害の原因と労働安全衛生総合研究所は，日本で唯一のなり得る．多くの化学物質の健康影響はばく露の「産業安全及び労働衛生」分野における国の総合的研究機関として，「職場における労働者の安積算量，すなわち作業時間全体の平均ばく露濃度である 1 日 8 時間，１週間（作業日数 5 日間）

全及び健康の確保」に貢献するために産業現場

40 時 間 の 時 間 荷 重 平 均 濃 度 Time-Weighted

における災害の予防に関する研究や職業性疾病に関して，病因・予防などの総合的な調査を行っ

Average （TWA）を低くすれば予防できる場合が多いが，一部の化学物質については，積算量ばている．具体的には研究員個人が研究構想を立く露濃度のピーク値が問題となっている場合があて行う基盤的研究の他，研究員数人がチームとなって行うプロジェクト研究，所管官庁である厚生労

り ， 15 分 間 の 短 時 間 許 容 濃 度 Short-Term
Exposure Limit （STEL）が設定されているものが働所からの要請により法令の制改定に関連してある．図 1 に示すように作業時間全体を通しての調査・研究を行う行政要請研究，災害現場の調ばく露量が 8 時間加重平均（8h-TWA）で規定され度測定を行う可搬型装置）による測定の問題点をCopyright© 2020 The Atomic Collision Society of Japan, All rights reserved.

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ている許容濃度を下回っていても，特定作業時の移動速度で電場勾配にそって進行する．このときピーク濃度が STEL を上回っている場合がある．
しかし，ばく露濃度の瞬間値を得る実用的な方法

イオンの平均移動速度 vd は電場の強さに比例する．
𝑣! = 𝐾𝐸に乏しいのが現状である．そこで前処理を必要せ(1)

この比例係数 K は移動度と定義される．移動度は気体分子の数密度 N に反比例するので，標ず，リアルタイムに作業環境中の化学物質を分析できる装置が必要とされている．

準状態（273.15 K, 101325 Pa）の気体密度に換算
した移動度を換算移動度 K0 と呼ぶ．
"#%

𝐾! = #! $ = &!&'()"(*'.&),𝐾(2)

ここで T は気体の温度，N0 は標準状態における理想気体の数密度であり，Loschmidt 数（N0 =2.687×1019 cm-3）と呼ばれる．イオン移動度分析
ではイオンの形状が複雑であったりサイズが大きい場合，緩衝ガスとの衝突頻度が高くなり移動速

図 1： TWA 許容濃度内の作業環境においても特定作業によって STEL 許容濃度を超えてしまっている例

度が遅くなり，換算移動度が小さくなる．このように換算移動度から物質の形状や大きさなどの情報を得る事ができるため，化学物質の同定を行うことができる[2]．現在，作業環境中の化学物質を測3. イオン移動度分析装置

定する際は，捕集管に空気中の化学物質を吸着

本研究では大気圧中で動作可能であるためリさせ，そののち脱着，GC/MS で定性定量している．

アルタイムに測定できることや，分析時間が短時

この公定法ではサンプリングから分析室までの移間であるといったことからイオン移動度分析（Ion

動，化学物質により異なる様々な前処理が必要で

Mobility Spectrometry : IMS）装置を採用した．イあるため，非常に時間がかかる．つまり作業現場の代表的な地点や時間での分析しか行うことがで

オン移動度分析は，イオン群を標的粒子である緩衝気体（本研究では環境中の空気）で満たして，高電圧の均一電場がかかったドリフトチューブのきない．作業環境中の化学物質の濃度は温度や空調の状況，ばく露源の状態などにより大幅に変化することが知られている．また特定の作業により内部を移動させて，そのときの移動速度から物質同定を行う分析法である[1]．図 2 に示すように弱い均一電場がかかっている気体中を移動するイ

急激に化学物質濃度が変化することもあり，一定時間ポンプによって吸引した化学物質を分析する
手法では正確性の点で限界がある．イオン移動

オンの群れは，電場による加速と気体分子との衝度分析装置では GC/MS 分析では得ることが困突による減速を複数回繰り返し，電場と平行な方向と垂直な方向にそれぞれ拡散しながら一定の難であった特定作業による化学物質の短時間ばく露も容易に測定することができる．

4. 測定結果
実際に本装置で測定を行った結果を図 3 に示
す．測定にはメチルエチルケトンを使用した．メチ
ルエチルケトンは塗料やインク，接着剤を溶かしたり，アクリル・ウレタン・エポキシ樹脂などの各種洗浄を行う工場で幅広く使用されている．また短時間ばく露量が重要な化学物質であり，前述した
STEL は 300 ppm とされている[3]．今回の実験で

図 2： イオン移動度分析装置の概念図

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は 50 ppm の濃度で測定を行った．図 3 から分かすることや多成分リアルタイムモニタリングなどへるように STEL よりもかなり低い濃度でも測定出来ているように見える．ただ問題点も多く，バックグラ

応用していくことを考えている．

ウンド測定で現れる RIP（Reactant Ion Peak）に比ているので，ぜひポスター等で見かけた際は立ち

べピークはシフトしているが非常に幅が広いピー

寄って頂きたい．

今後も積極的に学会で発表していきたいと考え

クとなってしまっている．さらに本測定から導き出された換算移動度は移動度計算ソフトである

参考文献

MOBCAL [4,5]によって得られた計算結果とは異[1] G. A. Eiceman, Z. Karpas, ‘ Ion Mobility

なる結果となった．MOBCAL はその計算手法か

Spectrometry, 3nd ed. ’ (CRC Press, Boca

らメチルエチルケトンのような小さな分子の正確なRaton, New York) 2014.

換算移動度を求めることは難しい[6,7]．しかしそ[2] T. Sugai, J. Mass Spectrum. Soc. Jpn., 58, 47のことを考慮しても計算結果とは一致しておらず，(2010).

原因の一つとして水クラスターイオンが多く含まれてしまっていることが考えられる．本装置のイオン[3] ‘ 2018 TLVs and BEIs Based on the

化にはコロナ放電による大気圧イオン化法を採用

Documentation of the Threshold Limit Values

しているが，そのイオン化の過程でメチルエチル

for Chemical Substances and Physical Agents

ケトンイオンの他にも様々な大きさの水クラスター
イオンが生成され，それらのピークが重なり合い，＆ Biological Exposure Indices’ (Defining

幅広いピークとなっていると考えられる．

Environmental Health) 2018.

theScienceofOccupational

and[4] Meslch MF, Hunter JM, Shvartsburg AA,

Relative Intensity (arb.units)61.7 ms

Methyl ethyl ketone
50 ppmSchatz GC, Jarrold MF, J. Phys. Chem., 100,
16082 (1996).
[5] Shvartsburg AA, Jarrold MF, Chem. Phys.

START

Lett., 261, 86 (1996).
[6] K. Takaya, T. Kaneko, H. Tanuma, T. Nishide,
51.8 ms

RIP

Background

H. Sugiyama, N. Nakano, H. Nagashima, Y.
Seto, Int. J. Ion Mobil. Spec., 19, 227 (2016).
[7] K. Takaya, Y. Hasegawa, T. Koizumi, H.

START

Tanuma, Int. J. Ion Mobil. Spec., 19, 183(2016).

050

Arrival Time (ms)100

図 3： メチルエチルケトンとバックグラウンドの到着
時間スペクトル5. おわりに
イオン移動度分析装置は小型の分析装置にすることができることや，応答速度が早いといった利点から，作業環境中における化学物質のばく露評価ツールとして実用できる可能性がある．将来
的にはイオン移動度分析装置を短時間ばく露が重要となる様々な化学物質に対する警報装置にCopyright© 2020 The Atomic Collision Society of Japan, All rights reserved.

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2020 年度 役員・委員会
会長
長嶋泰之（東京理科大学）幹事
星野正光（上智大学）〔副会長〕

中野祐司（立教大学）

鳥居寛之（東京大学）

石井邦和（奈良女子大学）

永田祐吾（東京理科大学）
運営委員
石井邦和（奈良女子大学）

大橋隼人（富山大学）

金安達夫（九州シンクロトロン光研） 歸家令果（東京都立大学）
木野康志（東北大学）

中井陽一（理化学研究所）

北島昌史（東京工業大学）

鳥居寛之（東京大学）

中野祐司（立教大学）

永田祐吾（東京理科大学）

渡部直樹（北海道大学）

久間晋（理化学研究所）

城丸春夫（東京都立大学）

星野正光（上智大学）

樋山みやび（群馬大学）
常置委員会
編集委員会

委員長：中野祐司（立教大学）

行事委員会

委員長：石井邦和（奈良女子大学）

広報渉外委員会
顕彰委員会

委員長：鳥居寛之（東京大学）
委員長：星野正光（上智大学）

庶務委員会

委員長：永田祐吾（東京理科大学）

編集委員

石川顕一，岩山洋士，大橋隼人，岡田信二，椎名陽子，
土田秀次，冨田成夫，中野祐司，山崎優一

しょうとつ

第 17 巻 第 4 号（通巻 95 号）

Journal of Atomic Collision Researchⓒ原子衝突学会 2020
http://www.atomiccollision.jp/
発行: 2020 年 7 月 15 日
配信: 原子衝突学会事務局 <acr-post@bunken.co.jp>