Development of a Fourier-transform type miniature mass spectrometer for space use

本研究では，次世代の惑星探査における質量分析の機会を増大させて，太陽系物質の起源や進化の研究を進めるためのブレイクスルーを得ることを目的 に，探査機搭載用の小型かつ高分解能な質量分析器を開発してきた．将来の宇宙探査について，他国との共同相乗りミッションや，月ゲートウェイ放出型の超小型衛星による探査など，我が国における宇宙探査機会は増加が見込まれる一方で，そのミッションの特性から衛星搭載用装置が利用可能なリソースについてはより厳しい制約が生まれることが予想される．ここにおいて，体積や重量・消費電力などのリソースを制限しながら，従来のハイエンド装置と同等の科学成果を創出可能な小型装置を開発する試みには意義が認められる. 本研究では，従来宇宙探査に用いられてきた質量分析器(二重収束型・TOF型・四重極型)とは異なる，イオントラップフーリエ変換型(i.e., Orbitrap，Makarov 1999)の質量分離技術を採用して，新奇性のある手のひらサイズの質量分析器を実験室ベースで製作・実証している．現在までに，イオントラップの初段階である一往復イオン軌道についてマススペクトルを取得し，シミュレーションと実験の比較からその正当性を確認している（実証した性能としては，質量分解能 m/Δm ~ 50，感度 ~10^8 cps/Pa，ダイナミックレンジ~10^6）．さらに数値シミュレーションを用いた設計により，今回完成した一往復トラップの光学系をそのまま応用することで，本質量分析器が，従来の宇宙機搭載用の大型装置に匹敵する高分解能(m/Δm ~ 10000)を達成可能な見込みであることを示した．

本研究では，次世代の惑星探査における質量分析の機会を増大させて，太陽系物質の起源や進化の研究を進めるためのブレイクスルーを得ることを目的 に，探査機搭載用の小型かつ高分解能な質量分析器を開発してきた．将来の宇宙探査について，他国との共同相乗りミッションや，月ゲートウェイ放出型の超小型衛星による探査など，我が国における宇宙探査機会は増加が見込まれる一方で，そのミッションの特性から衛星搭載用装置が利用可能なリソースについてはより厳しい制約が生まれることが予想される．ここにおいて，体積や重量・消費電力などのリソースを制限しながら，従来のハイエンド装置と同等の科学成果を創出可能な小型装置を開発する試みには意義が認められる. 本研究では，従来宇宙探査に用いられてきた質量分析器(二重収束型・TOF型・四重極型)とは異なる，イオントラップフーリエ変換型(i.e., Orbitrap，Makarov 1999)の質量分離技術を採用して，新奇性のある手のひらサイズの質量分析器を実験室ベースで製作・実証している．現在までに，イオントラップの初段階である一往復イオン軌道についてマススペクトルを取得し，シミュレーションと実験の比較からその正当性を確認している（実証した性能としては，質量分解能 m/Δm ~ 50，感度 ~10^8 cps/Pa，ダイナミックレンジ~10^6）．さらに数値シミュレーションを用いた設計により，今回完成した一往復トラップの光学系をそのまま応用することで，本質量分析器が，従来の宇宙機搭載用の大型装置に匹敵する高分解能(m/Δm ~ 10000)を達成可能な見込みであることを示した．