小型イオンマイクロビーム装置における超高電場加速レンズに関する研究

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K12635
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
• 研究代表者: 大久保 猛 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子ビーム科学部門, 主幹研究員(定常) (40446456)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: ナノビーム / マイクロビーム / イオン配列 / 微細加工

研究実績の概要

イオンマイクロビームは、量子コンピュータに必要な量子ビットを超精密に配列したり、光通信での新たな光学素子を微細加工で製作したりできる技術である。研究の全体構想は、ビームの加速・集束を静電場で同時に行う加速レンズを利用して小型装置でイオンマイクロビームを形成し、大きさが1メートル立方程度に収まる超高精度イオン配列・微細加工装置を開発することである。本研究では、そのプロトタイプである小型イオンマイクロビーム装置の空間分解能向上を目的として、従来比で6倍以上高い静電場を印加可能な独自開発の超高電場加速レンズを導入して縮小率を大きくし、ビーム径の縮小を追求する。
令和元年度は、超高電場加速レンズを導入することにより、どこまでビーム径を縮小できるのかを、イオン光学シミュレーションによって追求した。まず、従来の加速レンズを用いて300keVビームを発生させた場合について、３段ある加速レンズに印加する電圧値を最適化した時の最小ビーム径は130nmであった。次に、第３段目の加速レンズを超高電場加速レンズに置き換えた。ここで、超高電場加速レンズに印加可能な最大電場を本研究での開発見込み値である20kV/mmとし、その電極間距離も変数とした。この条件の下で同じく300keVビームを発生させた場合について、印加電圧および電極間距離の最適化を行ったところ、電極間距離15mmの時に最小ビーム径18nmを得ることができた。この結果により、実際の実験体系で生じる様々な収差を限りなく小さくすることで、量子ビットの間隔である10～20nmと同レベルの空間分解能に到達できる見通しを得た。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初計画どおり、超高電場加速レンズの仕様を明らかにした。

今後の研究の推進方策

明らかにした超高電場加速レンズの仕様を目標として、従来問題となっている放電や漏れ電流を防ぐための対策を行う。加速レンズの外部で発生する放電等を、レンズ外側にSF6等の絶縁ガスを封入することにより解決する。また、その絶縁ガスを密閉する囲いの材質には絶縁性が非常に高い超高分子量ポリエチレンを用いる。もし、囲いのさらに外側で放電等が発生した場合は、囲いに鍔（つば）を付けて沿面距離を延ばすことで絶縁性を高める。一方、加速レンズの内部で発生する放電等を防ぐために、高い絶縁性と加工し易さを併せ持つ材質であるマシナブルセラミックスを使用し、沿面距離を延ばすために蛇腹形状にする。

次年度使用額が生じた理由

超高電場加速レンズの仕様を明らかにした結果、当レンズの絶縁方法を再考して、より適した手法を設計する必要が生じたため。当該研究費は、上記の絶縁措置及びイオンビーム集束実験に使用する計画である。