[論文レビュー] VIZSLA -- Versatile Ice Zigzag Sublimation Setup for Laboratory Astrochemistry

Gábor Bazsó, István Pál Csonka+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2021

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 88被引用数 22

ひとこと要約

VIZSLA は、宇宙化学の分野において、固体パラ-ヘリウム2マトリックスと天体的氷類似体の両方で低温反応を同時に研究できる、画期的で多機能な高真空実験装置である。アルゴンマトリックスにおける温度プログラム脱着（TPD）とマトリックス固定分光法を組み合わせることで、脱着する分子の明確な同定が可能となり、高分解能FT-IRスペクトルを用いてt-HONO、c-HONO、H2O2、HNO3、c-HOONOが明確に同定された。これは、質量分析法とは異なり、異性体や壊れやすい種を検出できる強力で補完的な手法であり、宇宙空間の氷処理実験における分子同定に有効である。

ABSTRACT

In this article a new, multi-functional, high-vacuum astrophysical ice setup, VIZSLA (Versatile Ice Zigzag Sublimation Setup for Laboratory Astrochemistry), is introduced. The instrument allows the investigation of astrophysical processes both in a low-temperature para-H2 matrix and in astrophysical analog ices. In para-H2 matrix the reaction of astrochemical molecules with H atoms and H+ ions can be studied very effectively. For the investigation of astrophysical analog ices the setup is equipped with different irradiation and particle sources: an electron gun, for modeling cosmic rays; an H atom beam source (HABS); a microwave H atom lamp, for generating H Lyman-alpha radiation, and a tunable (213 nm to 2800 nm) laser source. For analysis, an FT-IR (and a UV-Visible) spectrometer and a quadrupole mass analyzer are available. The setup has two cryostats, offering novel features for analysis. Upon the so-called temperature-programmed desorption (TPD) the molecules, desorbing from the first cryostat, can be mixed with Ar and can be deposited onto the substrate of the other cryostat. The well-resolved spectrum of the molecules isolated in an Ar matrix serves a unique opportunity to identify the desorbing products of a processed ice. Some examples are provided to show how the para-H2 matrix experiments and the TPD -- matrix-isolation recondensation experiments can help to understand astrophysically important chemical processes at a low temperature. It is also discussed, how these experiments can complement the studies carried out by similar astrophysical ice setups.

研究の動機と目的

• パラ-ヘリウム2マトリックスと天体的氷類似体の両方で低温宇宙化学反応を研究可能な、汎用性の高い実験装置の開発。
• 氷処理中に生成される異性体や壊れやすい分子種の同定に、従来の質量分析法の限界を克服すること。
• 温度プログラム脱着（TPD）とアルゴンマトリックスにおけるマトリックス固定を組み合わせることで、脱着分子の高感度・高分解能分光分析を可能とすること。
• FT-IR分光法を用いた分子同定の明確化を通じ、質量分析法とは補完的な分析手法として、脱着生成物の明確な同定を実現すること。

提案手法

• VIZSLA装置には2つのクライオスタットを備え、1つは約10 Kで氷の堆積と処理を、もう1つは11 Kで脱着分子のマトリックス固定を担当する。
• 可変波長レーザー（213–2800 nm）、電子銃、水素原子ビーム源（HABS）、マイクロ波水素原子ランプを用いて、宇宙線および水素原子放射を模擬する。
• 温度プログラム脱着（TPD）により、主クライオスタットから分子を脱着させ、その後アルゴンと混合して二次的クライオスタットの基板に再凝縮させ、マトリックス固定を実現する。
• FT-IRおよびUV-Vis分光法を用いて、アルゴンマトリックスに閉じ込められた分子の高分解能スペクトルを記録し、正確な同定を可能にする。
• 四重極子質量分析計（QMS）を用い、電子衝突イオン化法により同時に気相反応系を分析する。
• 同一条件下でパラ-ヘリウム2マトリックス実験と氷類似体実験の結果を直接比較可能であり、再現性の向上と相互検証が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TPD後にアルゴンマトリックスに閉じ込められた分子の高分解能FT-IR分光法により、処理された天体的氷由来の脱着生成物を明確に同定できるか？
• RQ2 TPD-マトリックス固定法は、従来の電子衝突イオン化質量分析法と比較して、異性体および壊れやすい分子種の検出においてどのように異なるか？
• RQ3 パラ-ヘリウム2マトリックス実験が、暗黒分子雲に関連する反応を感度良く事前スクリーニングするツールとしてどの程度有効か？
• RQ4 TPDとマトリックス固定分光法の組み合わせは、標準的な電子衝突イオン化法では検出できない高イオン化エネルギーを持つ分子種を効果的に検出できるか？
• RQ5 VIZSLAのマルチソース放射照射機能により、同一実験条件下で異なる放射線効果が氷化学に与える影響を直接比較可能か？

主な発見

• TPDおよびマトリックス固定後に得られたt-HONO、c-HONO、H2O2、HNO3、c-HOONOのFT-IRスペクトルは、文献値と0.1–0.6 cm⁻¹の範囲内で一致し、明確な同定がなされた。
• 従来N2O2に割り当てられていた1235および796 cm⁻¹の吸収バンドは再評価され、t-HONOと整合的であることが示され、本手法による曖昧な同定の解消能力が裏付けられた。
• イオン化エネルギーが10.49 eVを超えるt-HONO や c-HOONO といった分子でさえ、FT-IR分光法により明確に同定された。電子衝突イオン化では親イオンが検出不能な分子種に対しても有効である。
• TPD-マトリックス固定法により、電子衝突時間飛行質量分析（PI-ReTOF-MS）では断片化や親イオン信号の欠如により観測されなかった種も検出された。
• c-HONO は1632.8および850.2 cm⁻¹、HNO3 は1699.4および1321.2 cm⁻¹に明確な吸収帯が観測され、本手法の宇宙空間の主要生成物同定における信頼性が確認された。
• 本手法は、低濃度、異性体、壊れやすい分子種の脱着を分析する際、質量分析法とは補完的かつ特異性に優れた代替手段を提供する。