2018 Fiscal Year Research-status Report
大強度ビームで生成するイオンを利用したポンプ機能を持つ超高真空ダクトの開発
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18K11925
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
神谷 潤一郎 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究主幹 (20391336)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | チタン / ゲッターポンプ / スパッタリング / 放出ガス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、ビームで生成したイオンを用いて真空ダクト表面の酸化膜を除去し、表面に露出したチタン自体が持つ気体吸着能を利用して、ビームライン全体を一様に超高真空にするような真空ダクトを開発することを目的としたものである。研究計画の基盤となる開発は、チタン製真空ダクト表面のチタン酸化膜を、イオンによりスパッタリングできる条件の確立および酸化膜除去後の気体排気性能の検証である。1年目である今年度はチタン製真空ダクト内表面のチタン酸化膜をスパッタリングで除去し、ピュアなチタンのポンプ作用を検証するための装置開発に取り組んだ。円筒状のチタンダクトの内表面を一様にスパッタリングできる電極を設計・製作した。スパッタリングにおける磁場の効果を検証できるよう、電磁石を円筒の中心部と外側に配置できる構造とした。またスパッタリング電源として、十分に放電が持続でき継続したスパッタリングが可能な電源を選定した。実際に、真空ダクト中心軸に電磁石を配置した場合、ダクト外側に配置した場合、両者とも配置した場合、両者とも配置しない場合の各条件でスパッタリング試験を行い、中心軸上の電磁石がスパッタリングに優位な効果があることを見出した。
並行してJ-PARC 3GeVシンクロトロンにおいて、ビームラインにおける残留ガス分析を可能な系を構築した。これはどのような成分のガスが真空ダクト中に残留しているか、および大強度ビーム運転中に発生するかを測定し、上記チタン製真空ダクトの真空排気の有効性を検証するために必要である。残留ガス分析計をシンクロトロンの複数の箇所に設置し、常時データを収集できる系を構築した。計測の結果、通常の場所では水素の分圧が大きいこと、キッカー電磁石近傍では水の分圧が大きいことが分かった。このことはキッカー電磁石の構成材料であるフェライトからの水蒸気成分の放出ガスが多いという過去の研究成果と一致した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画の基盤となる開発は、チタン製真空ダクト表面のチタン酸化膜を、イオンによりスパッタリングできる条件の確立および酸化膜除去後の気体排気性能の検証である。本年度はその検証を行うための試験装置の設計・製作を完了した。さらに、チタン酸化膜をスパッタリングにより除去するために効果的な電磁石の配置を実測により検証することまで遂行することができた。今後、チタン酸化膜をスパッタリングにより除去し、ピュアなチタンを表面に出しチタンゲッターとしての排気特性を測定していく予定である。
J-PARC 3GeVシンクロトロンのビームラインの残留ガス分析を測定した。この測定は前述のチタンゲッターの各気体分子に対する吸着性能が検証できた際に、現状のシンクロトロンビームラインの残留ガスに対してどれほどの効果を発揮するかを見積もる際に必要である。本項目は研究計画段階にはなかったが、加速器運転維持のためにも残留ガス分析を行う必要が生じたため、併せて実施することができた。
以上より、現在までの進捗状況についてはおおむね順調に進展していると評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究は、チタン製真空ダクト表面のチタン酸化膜をイオンによりスパッタリングできる条件の確立および酸化膜除去後の気体排気性能の検証を優先的に推進する。今年度はチタン製真空ダクトスパッタリング装置の製作を完了させ、スパッタリングが効率よく行える磁石の配置の検証も遂行した。今後はスパッタリング時の投入パワーの条件を確定する。さらにスパッタリング前後での放出ガス測定、残留ガス分析を行うことで、ピュアなチタン表面の排気特性を測定する。
研究計画段階ではビームラインにガス導入を行い、ビームによりガスをイオン化することで、スパッタリングのためのイオンを作り出すことを検討していた。しかしながら、原理実験において導入ガスの圧力は0.1 Pa程度と事前の想定よりも高い圧力のほうがスパッタリング効率が良いという観点で、望ましいことが分かった。ビームのガス気体分子による散乱が大きく、ビームロス並びに放射化のリスクもある。そのためスパッタリングをオフラインで電極を用いて行ったうえで、ビームラインにインストールする方法を検討することとする。この方法は一度露出したピュアなチタン面が再度酸化膜に覆われる。そのため、再形成された酸化膜の除去方法についても検証を行う。具体的にはまた、サンプルを用いて再形成される酸化膜の厚み等を測定する。そのうえで、チタン製真空ダクトスパッタリング装置を用いて、酸化膜除去後に意図的に大気暴露により酸化膜を形成させ、加熱により再形成された酸化膜除去を試みる予定である。
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