レーザー誘起ブレークダウン分光分析装置用試料ホルダの製作
中村信行研究室直井祐樹
1. 背景・目的

Induced Breakdown Spectroscopy：LIBS) 分

鉄よりも重い元素は r プロセスによって作析装置とはパルスレーザーを試料へ照射するられると言われている[1]。r プロセスとは、ことによってプラズマを発生させ、プラズマ中性子が崩壊して電子と陽子に分裂するよりからの発光を分光して検出する装置である。

も速く、原子核が中性子を捕獲し、重元素が合成されることを意味する。r プロセスが起こる天体現象の一つとして提唱されているのが中性子星合体である。実際に直接観測された

LIBS の一般的な概略図は図 1 のようになっている。
LIBS ではまず、高強度のパルスレーザーを中性子星合体の電磁波をモデル計算と比較す

試料へ集光照射して試料の表面をプラズマ化ることにより、中性子星合体で重元素が生成する。このときにできたプラズマは高温で、されていることが示唆された[2]。それによっ

非常に短い時間において局所熱平衡状態になて中性子星合体が重元素の起源であるというっている。その後、励起している原子やイオ説が有力になっている。中性子星合体から放ンは発光して基底状態へと戻っていく。この出される電磁波のモデル計算は現状では限られた元素の原子データのみで行われている[3]。
より精度の高い計算をするためには、中性ときプラズマから放射した光を分光して検出器を用いて検出している。
我々が立ちあげている LIBS の装置構成と子星合体によって生成される広範な重元素にして、レーザーに Q スイッチ Nd:YAG レー

ついて、遷移確率等の束縛―束縛遷移のデーザー、光学素子にミラーや集光レンズ、ファタが求められている。そこで我々の研究室でイバー、エシェル型分光器、検出器に sciencificは、種々の重元素の束縛―束縛遷移の遷移確Complementary MOS(sCMOS)を用いている。

率を求めるためにレーザー誘起ブレークダウ
ン 分 光 分析 装 置 (Laser Induced Breakdown
Spectroscopy : LIBS) を立ち上げている。しかし立ち上げ段階において、いくつか課題がある。その一つが連続的に定量的な測定ができないことである。レーザーを試料の同じところに照射し続けると、試料にクレーターができてしまい、同じ条件で連続的な測定ができない。そこでレーザーが常に試料の新しいところに照射される回転機構を製作した。

2．実験装置
2.1 レーザー誘起ブレークダウン分光法
レーザー誘起ブレークダウン分光 (Laser

図 1. LIBS 装置概略図

2.2 LIBS を用いた実験の観測例
LIBS を用いて遷移確率を求める場合、プラズマが短時間において局所熱平衡状態にあり、粒子密度がボルツマン分布に従っていると仮3. 試料回転機構定する。このとき上準位から下準位への発光

3.1 全体構成

線の発光強度 I とプラズマ温度 T の関係は次のようになる[4]。
𝐼𝜆1𝑔𝐴𝑘𝑇ln ( ) = −製作した試料回転機構の断面図を図 3、設置図を図 4、その内部を図 5 に示す。また回𝐸 + ln (ℎ𝑐 𝑁
4𝜋 𝑍) (1)

転機構を動かすために使用する回転導入機(RRM-133.11)を図 6、その仕様を表 1、試料

このときλは波長、g は上準位の統計重率、 Aの回転とビームウエストの比較を表 2 に示しは遷移確率、k はボルツマン定数、E は上準位た。のエネルギー準位、h はプランク定数、c は光図 3 では、最上部にあるステッピングモー

速度、N と Z は原子またはイオンの数密度とターが回転することにより、高さ方向に直線分配関数を示している。観測した発光線にお上にある六角溝棒、六角棒、寸切りボルト、試いて式(1)に用いる値がわかっているスペク料ホルダーも同時に回転する。このとき寸切トルを用いてプロットしたものが図 2 となる

りボルトは真鍮部品のねじ穴に沿って上昇し、[4]。図 2 において、横軸が上準位のエネルギ

六角棒は六角溝棒やモーター接続部品の中にー準位 E、縦軸が式(1)における左辺を示して入っていく。これにより試料の回転と高さ方いる。図 1 では観測結果にばらつきはあるも向への移動を可能にしている。つまりレーザのの、直線でフィッティングされていること

ーは試料に対してねじの溝に沿った形、すなが分かる。このばらつきはプラズマ温度の不わち螺旋状に照射される。

安定性や発光強度の不安定性によるものである。図 2 において観測結果が直線を示すことから、発光強度 I とエネルギー準位 E が分かれば、遷移確率 A を求めることが可能になることがわかる。

図 3. 回転機構の断面図
図 2. 観測した発光線のボルツマンプロット[4]。
黒い四角がウランの中性原子、白い丸がウランの 1 価のイオンのボルツマンプロットを示している。図中の実線がリニアフィットした直線、破線は信頼限界、点線は推定限界を表している。

表 1 回転導入の仕様
定格電圧DC5V

定格電流0.7A

温度範囲－40℃ to 65℃

ステップ角1.8°

表 2 試料の回転

図 4. 回転機構設置図

試料の直径6mm

1 周の長さ18.9mm

1 ステップの長さ95μm

ビームウエスト

約 50μm

次に、表 2 に示したように試料ホルダは直径 6mm の試料を固定できるように設計した。
寸切りボルトのピッチの長さを 1.5mm とすると、1 周あたり 18.9mm だけ試料が回転することになる。ステップ角が 1.8°より、1 ス
テップの長さは 95μm になる。ビームウエス
トの大きさは計算により約 50μm と求まるので、1 ステップでレーザー光が試料の新しいところに照射されることが分かる。

3.2 長さの決定
図 5 回転機構内部製作した図 3 の試料回転機構はストロークが 40mm になるように設計した。ストロークとは試料が高さ方向に対して直線で移動することができる長さを意味する。またジョイン
トなどで接続するための長さは 10mm としている。ただし薄型ナットは 6mm として計算している。
図 3 から、モーター接続部品はモーター軸と接続しているため 40+10=50mm と計算で

図 6. ステッピングモーターきる。この様に六角棒は上下 2 ヶ所接続しているため 60mm となる。寸切りボルトは上下2 ヶ所、薄型ナット 2 ヶ所、真鍮部品の高さ20mm から 40+(10×2)+(6×2)+20=92mm

となる。ストロークの長さから直接求められ的な観測が行えたかどうかを検証する。そのるのはこの 3 つで、モーター軸から試料ホル後重元素を試料として使用して分光実験を行

ダまでのそれぞれの長さと接続のための長さい、遷移確率等の束縛―束縛遷移のデータをを踏まえた合計を表 3 にまとめた。また図 7収集する。に各パーツの断面図を示した。

参考文献
表 3 モーター軸から試料ホルダまでの長さ
長さ(mm)[1]和南城伸也
超新星爆発と中性子星合体―r プロセス元素の起源として 天文月報 2014 年 1 月

モーター軸40

モーター接続部品

50

六角溝棒

10六角溝60

GW170817

M10 寸切りボルト

92Astron.Soc.Japan(2017)69(6),101(1–7)

試料ホルダ

25

[3]Masaomi Tanaka

接続を踏まえた合計

247

Properties of Kilonovae from Dynamical[2]Yousuke Utsumi
J-GEM observations of an electromagnetic
counterpart to the neutron star merger

and Post-merger Ejecta of Neutron StarMergers The Astrophysical Journal, 852:109(2018)[4] 赤岡克昭, 大場正規, 宮部昌文, 音部治幹, JAEA-Research 2015-012 (2015)

図 7. モーター軸上の各パーツ。六角棒の下 10mmは接続のため円柱形になっている。

4. まとめと今後の展望
本研究では LIBS 装置に用いる試料回転機
構を製作した。製作において、ストロークが40mm になるように各部品を設計した。
今後は、レーザーや検出器を制御しているPC を用いてステッピングモーターを動かすための環境を整え、回転機構の動作確認を行う。そして実際に試料を用いて実験を行い、観測データと使用後の試料から連続的に定量