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イオントラップ装置による 微粒子の比電荷の測定

2001/3/5. イオントラップ装置による 微粒子の比電荷の測定. 理学部 物理学科 柴田研究室 ９７－１４６１７ 城野潤平 . 内容. 目的 イオントラップの原理 装置 比電荷測定の原理 ＨＡＬＣＯＮによる画像解析 測定の結果 まとめと今後の課題. 目的. イオントラップで微粒子を安定トラップし、　レーザー分光などで粒径測定することが期待されている。 第一段階として液滴をトラップし、その 比電荷、半径、電荷 を求める。これは今回初めて測定できたものである。. 定数. このポテンシャルの形ではｚ方向は 不安定 ↓

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イオントラップ装置による 微粒子の比電荷の測定

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Presentation Transcript

  1. 2001/3/5 イオントラップ装置による微粒子の比電荷の測定 理学部 物理学科 柴田研究室 ９７－１４６１７ 城野潤平

  2. 内容 • 目的 • イオントラップの原理 • 装置 • 比電荷測定の原理 • ＨＡＬＣＯＮによる画像解析 • 測定の結果 • まとめと今後の課題

  3. 目的 • イオントラップで微粒子を安定トラップし、　レーザー分光などで粒径測定することが期待されている。 • 第一段階として液滴をトラップし、その比電荷、半径、電荷を求める。これは今回初めて測定できたものである。

  4. 定数 このポテンシャルの形ではｚ方向は不安定 ↓ ｒ-ｚ平面で回転させる事で解決 （ ） トラップの双曲面電極 荷電粒子のトラップ→復元力、中心力 これは放物線型のポテンシャルで実現できる なので を満たす。 Ｌａｐｌａｃｅ方程式： 円筒型座標に変形すると このポテンシャルの等電位面は回転双曲面になる ↓ 電極を回転双曲面にすることで実現できる

  5. 比電荷が十分小さいときの近似 →粒子の運動を調和振動に近似できる 安定領域（Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｄｉａｇｒａｍ） このポテンシャルの中での電荷e 質量ｍ の粒子の運動方程式は この解が安定になる領域を Stability Diagramと呼ぶ 今回の装置 トラップできる比電荷の範囲

  6. ・ 円筒型電極 6mm 29.5mm ・ キャップ電極 35mm 装置 トラップ電極 上下を等電位 交流電流を流す 空気の向き 荷電粒子を作る装置 NaCl：20%（重量パーセント濃度）水溶液 エアスプレーで噴霧し 数ｋV 数ｋVの電圧　をかけて帯電させる NaCl水溶液

  7. 観測用レーザー 荷電粒子を作る装置 振動用電源 テレビモニター トラップ電極 観測用ビデオカメラ

  8. イオントラップ装置で粒子をトラップする トラップした粒子を上下に振動させる

  9. ・ は初期条件によって決まる αとβは必ず負になる → 十分な時間が経つと無視できる ・ 粒子の上下運動 トラップした粒子のz軸方向に外部電圧（ ）を加える その時の運動方程式は 但し ：空気抵抗の係数 ｒ：粒子の半径 これを解くと ・φは初期位相、時間変動をしない

  10. ・ は装置で決まる定数 同じ粒子に対して２種類の をとると連立方程式になる と が求まる また ↓ ρ：液滴の密度 比電荷およびその他の導出 振幅Aを外部電圧 で微分し、変形すると ・ ↓これを解くと 半径 　、電荷 　が求まる。（従って質量　　も求まる）

  11. HALCONの画像処理 ー ＝ 取り込んだ画像 Backgroundの画像 15枚の画像を 重ねあわせると １ｍｍ 軌跡を取り出した画像 粒子のみを取り出した画像

  12. 三種類の傾き（ ）と周波数（ ）を取り出すことができる 振動の測定 振動は外部電圧の周波数 のそれぞれに対し 外部電圧 のときの値を測定した 二組の傾きと周波数で比電荷などは測定可能 選び方で比電荷などは三個の値が求まる 平均をその粒子の値とした

  13. 結果（比電荷）

  14. 結果（半径）

  15. 結果（電荷） 素電荷の１０６倍

  16. 質量と電荷の分布図

  17. まとめと今後の課題 • 計測された比電荷の値はStability Diagramによって要求される範囲の中に十分収まっている。 • 計測された粒子の直径は２２μｍを中心として分布、目に見える粒子としてもっともらしい値といえる。 • 計測した５４個の粒子はある程度まとまった分布であり、もっともらしい値を計測できたといえる。 • すでに半径、電荷などどれかが分かっている粒子をトラップするなどして、計測した値がどれくらい正しいのかを評価する必要がある。 • 装置は現在空気の流れの影響を受けやすい。このことを改善することによってよりよいデータが求まる。 • より安定したトラップを実現し、レーザーによる分光など行う。

  18. StabilityDiagram（補足）

  19. 荷電粒子を作る装置の写真（補足）

  20. 外場による粒子の運動（補足）

  21. 比電荷および他の導出（補足）

  22. 結果（質量）

  23. 電極の違い（補足）

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