Ultrasensitive resonance ionization mass spectrometer for evaluating krypton contamination in xenon dark matter detectors

Xeを用いた暗黒物質探索におけるKr不純物評価用に開発された超高感度なレーザー共鳴イオン化質量分析計

岩田 圭弘   ; 関谷 洋之*; 伊藤 主税   

Iwata, Yoshihiro; Sekiya, Hiroyuki*; Ito, Chikara

レーザー共鳴イオン化質量分析法をベースとした高速炉用タギング法破損燃料位置検出(FFDL)システムを実用化する上で、クリプトン及びキセノン共鳴イオン化用レーザーの安定性及び操作性向上が必要不可欠である。レーザーシステムの安定化に関連した研究として、東京大学宇宙線研究所と共同でキセノンガスに含まれるクリプトン不純物濃度の評価に関する研究を行っている。論文では、共振器を組まない光パラメトリック発生(OPG)光学系を開発し、クリプトン共鳴イオン化に用いる波長212.6nmのレーザー波長安定性が従来の光パラメトリック発振器(OPO)と比較して1桁程度向上した結果を報告した。開発したレーザーにより、純アルゴンガスに不純物として含まれる濃度0.4ppt程度のクリプトン検出に成功した。主成分がキセノンの場合はクリプトン感度が半分程度に低下するが、キセノンに濃度ppt程度以下含まれる極微量なクリプトンの検出が可能な見通しを得た。

An ultrasensitive resonance ionization mass spectrometer that can be applied to evaluate krypton (Kr) contamination in xenon (Xe) dark matter detectors has been developed for measuring Kr at the parts-per-trillion (ppt) or sub-ppt level in Xe. The gas sample is introduced without any condensation into a time-of-flight mass spectrometer through a pulsed supersonic valve. Using a nanosecond pulsed laser at 212.6 nm, Kr atoms in the sample are resonantly ionized along with other Kr isotopes. Kr ions are then mass separated and detected by the mass spectrometer in order to measure the Kr impurity concentration. With our current setup, approximately 0.4 ppt of Kr impurities contained in pure argon (Ar) gas are detectable with a measurement time of 1,000 s. Although Kr detection sensitivity in Xe is expected to be approximately half of that in Ar, our spectrometer can evaluate Kr contamination in Xe to the sub-ppt level.