Development of nondestructive elemental analysis system for Hayabusa2 samples using muonic X-rays

ミュオンX線を用いたはやぶさ2試料非破壊元素分析装置の開発

大澤 崇人  ; 長澤 俊作*; 二宮 和彦*; 高橋 忠幸*; 中村 智樹*; 和田 大雅*; 谷口 秋洋*; 梅垣 いづみ*; 久保 謙哉*; 寺田 健太郎*; Chiu, I.-H.*; 武田 伸一郎*; 桂川 美穂*; 南 喬博*; 渡辺 伸*; 東 俊行*; 水本 和美*; 吉田 剛*; 竹下 聡史*; 反保 元伸*; 下村 浩一郎*; 三宅 康博*

Osawa, Takahito; Nagasawa, Shunsaku*; Ninomiya, Kazuhiko*; Takahashi, Tadayuki*; Nakamura, Tomoki*; Wada, Taiga*; Taniguchi, Akihiro*; Umegaki, Izumi*; Kubo, Kenya*; Terada, Kentaro*; Chiu, I.-H.*; Takeda, Shinichiro*; Katsuragawa, Miho*; Minami, Takahiro*; Watanabe, Shin*; Azuma, Toshiyuki*; Mizumoto, Kazumi*; Yoshida, Go*; Takeshita, Soshi*; Tampo, Motonobu*; Shimomura, Koichiro*; Miyake, Yasuhiro*

小惑星試料中の炭素をはじめとする主要元素の濃度は、地球上の生命の誕生や太陽系の進化について非常に重要な情報を与えてくれる。ミュオンX線を用いた元素分析は、固体物質の元素組成を決定する最も優れた分析方法の一つであり、特にバルク試料中の軽元素濃度を非破壊で測定できる唯一の方法である。我々は、探査機「はやぶさ2」が小惑星リュウグウから回収した貴重な微小試料中の炭素などの主要元素の濃度を測定するために、ミュオンX線を用いた新しい分析システムを開発した。この分析システムは、ステンレス製の分析チャンバー、クリーンな環境で小惑星サンプルを操作するためのアクリル製のグローブボックス、分析チャンバーを囲むように配置されたGe半導体検出器から構成されている。測定に重要なバックグラウンドレベルを含め、分析装置の性能は初期から後期まで大幅に向上した。フィージビリティスタディの結果、最新型のミュオンX線分析装置は、「はやぶさ2」のサンプルモデル中の炭素濃度を6日間の測定で10%以下の不確かさで決定できることがわかった。

The concentrations of carbon and other major elements in asteroid samples provide very important information on the birth of life on the Earth and the solar-system evolution. Elemental analysis using muonic X-rays is one of the best analytical methods to determine the elemental composition of solid materials, and notably, is the only method to determine the concentration of light elements in bulk samples in a non-destructive manner. We developed a new analysis system using muonic X-rays to measure the concentrations of carbon and other major elements in precious and expectedly tiny samples recovered from the asteroid Ryugu by spacecraft Hayabusa2. Here we report the development process of the system in 4 stages and their system configurations, The analysis system is composed of a stainless-steel analysis chamber, an acrylic glove box for manipulating asteroid samples in a clean environment, and Ge semiconductor detectors arranged to surround the analysis chamber. The performance of the analysis system, including the background level, which is crucial for the measurement, was greatly improved from the first stage to the later ones. Our feasibility study showed that the latest model of our muonic X-ray analysis system is capable of determining the carbon concentration in Hayabusa2's sample model with an uncertainty of less than 10 percent in a 6-day measurement.