2017 Fiscal Year Research-status Report

超高電圧デバイス実現のための超高真空真空ギャップ絶縁の基礎研究

Research Project

Project/Area Number	16K05385
Research Institution	High Energy Accelerator Research Organization
Principal Investigator	山本将博大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 助教 (00377962)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords	電子刺激脱離 / イオン脱離 / 超高真空
Outline of Annual Research Achievements	電子刺激脱離によりそのごく一部がイオンとして放出される現象が超高真空中の直流高電圧ギャップの放電に深く関与する実験的結果が一昨年度の500kV電子銃のコンディショニング実験で得られたが、電子刺激により発生する微量のイオンの分析にはその検出効率が高い装置設計が重要となる。昨年度実施した装置の基本設計において、イオン検出器としてマイクロチャンネルプレート（MCP）を採用することを決め、その詳細検討を進めた。具体的には、金属サンプル試料への電子刺激によって発生したイオンと検出器であるMCPの間の電極の詳細設計およびイオンの軌道シミュレーションを実施した。電子刺激脱離の主要ガスが水素であるため、発生するイオンとしてプロトンを想定し、電子刺激の主な要素となる２次電子のエネルギーは数十eV程度であることから、それらと脱離ガスの衝突で発生するイオンのエネルギーは高々数100eVで主には100eV程度であると想定し、予測されるイオンエネルギー（0～50eV）に対して検出器へイオンが入射する効率を最大化する各種電極の電位の決定、その電位を与えるための電源の選択および検出器となるMCPの形状、サイズを決定した。最適化後の設計では、イオン収集効率はイオンエネルギー0~50eVの範囲で約90%得られており、さらにイオン収集効率を多少犠牲にするが各電極の電位を調整することで電子刺激によって発生したイオンのエネルギーを1eV以下の分解能で分析できる計算結果を得た。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 申請時に検討していた残留ガス分析器を利用せず、MCPを利用することでより直接的に明確な信号を得られる設計にはなったが、電子刺激用の電子ビームのエネルギー、引き出し電極、収集電極、MCP口のメッシュ電極の電位と形状と配置位置、発生するイオンのエネルギーなど多数のパラメーターを振りながらイオンの収集効率を最適化するために時間を要した。また、電子源として利用する熱電子源においては、加速用の既存の電源では電流容量が不足していたことが判明したため、新たに電源の選定と購入を行った。これらの状況からまだ実験データが得られていない状況であるが、詳細なシミュレーションにより、イオン収集効率はイオンエネルギー0～50eVの範囲で90%得られる結果を得ており、それに基づいた電位および電源の選定を行えたため、シグナルの検出のための条件はほぼ出そろっている状況である。
Strategy for Future Research Activity	昨年度、設計に基づき購入した機器を組み上げ、早期に電子刺激によって発生するイオンの信号の検出を確認する。信号検出を確認できれば、電子刺激のエネルギーを変えながら発生するイオンの定量分析、イオンのエネルギー分布分析をシミュレーション結果を参考に電位コントロールを行って実施できる。さらに、サンプルの熱処理条件により脱離するイオンの数量、エネルギーなどに変化が無いかをしらべるための試料ヒーターを導入し、イオンの生成量と熱処理の関係を調べ、超高真空ギャップ放電の抑制にどの程度有効かを定量的データを元に考察する。
Causes of Carryover	装置の最終設計において、MCPの選定および仕様変更に伴い主に真空装置類の部品、電極設計が遅れ、それらの製作などを次年度に行うこととなったため。
Remarks	エネルギー回収型線形加速器（ERL）の電子銃開発において、本研究課題で明らかにした電子刺激脱離によるイオン生成が放電に深くかかわり、電子銃の電極ギャップ間で発生する放電の閾値を与える発見は上記評価委員の報告でも高く評価されている。