電界放射実験装置の Excel VBA と GPIB による制御
川久保 貴史＊

杉田 健真＊＊

Control of Field Emission Experiment Equipment with Excel VBA and GPIB
Takashi KAWAKUBO and Kenshin SUGITA

概要
我々の研究室では，電界放射電子源の研究を行っている。電子源の特性を測定するための電界放射実験装置は，過去に研究室の学生が，Visual Basic を用いて測定装置を制御し自動で測定を行うことができるシステムを構築した。しかし，当時開発に用いた Visual Basic 6.0 は開発環境としてのサポートが終了し，現在も使い続けることにはリスクがある。そのため，新たに Excel VBAを用いた自動測定システムを構築し，その動作を検証したので報告する。
キーワード : 電界放射，GPIB，Excel VBA，VISA

1. まえがき

バー内には，研究室で作製した電子源試料を設置し，我々の研究室では，電界放射電子源の研究を行ってそれに対向するように蛍光板（陽極）を設置する。

いる。研究室では実際に作製した電子源試料を超高真空装置内に設置し，電子放射を行うことでその特性を測定する実験を行っているが，電子放射特性は時間経微小電流計

過とともに変化するため迅速な測定が求められ，さらµA

交流電源

A交流電流計に，得られた測定データの処理も煩雑である。そのため，過去には研究室の学生が，Visual Basic を用いて測定装置を制御し自動で電子放射測定を行うシステムを構築した 1)。しかし，当時開発に用いた Visual Basic 6.0
は開発環境としてのサポートが終了し，使い続けるこチャンバーとにはリスクがある。そのため，Visual Basic 以外で新電子源試料たな電子放射測定システムを開発する必要が生じてきた。本研究では，Excel VBA を用いて新たなシステムを蛍光板（陽極）構築し，その動作を検証したので報告する。

保護抵抗（30MΩ）
2. 電子放射測定システム
図 1 に電界放射実験装置の全体像を示す。ステンレ

高電圧電源

ス製のチャンバー内はロータリーポンプ，ターボ分子ポンプ，イオンポンプによる排気と 11 時間のベーキン

図１ 電界放射実験装置-7

グによって 10 Pa オーダの到達圧が得られる。チャン
電子源試料と蛍光板は，チャンバーに取り付けられ＊香川高等専門学校 通信ネットワーク工学科＊＊

た導入端子によってチャンバー外の回路と接続するこ香川高等専門学校専攻科 電子情報通信工学専攻
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独立行政法人国立高等専門学校機構香川高等専門学校研究紀要14(2023)とができる。電子源試料には，試料を通電加熱するた測器メーカから供給されており，各社のウェブページ

めの交流電源とその電流を測定する電流計（交流）をから無料，あるいは条件付きでダウンロードして使う接続する。また，電子源試料と蛍光板間に高電圧を印ことができるようになっている 5)。

加し電界放射させるための高電圧電源（直流）とその今回は，キーサイト・テクノロジー社製（アジレント放射電流を測定する微小電流計（直流 µA 計）を接続す社の電子計測事業がキーサイト・テクノロジー社）のる。保護抵抗（30 MΩ）は高電圧印加時にチャンバー内

ウェブページからKeysight IO Libraries
VISAを用いた 5)。

で放電現象が起こった時に大電流が流れるのを制限す

Suite 一式をダウンロードし PC へインストールした。

るために接続している。本研究で制御する実験装置は，

図 3 に IO Libraries Suite のコントロール画面を示す。

電界放射のための高電圧電源と放射電流を測定する微PC と計測器の接続状況が表示されている。この場合で小電流計である。

は，2 台の計測器（高電圧電源と微小電流計）が接続されている。また，この VISA は GPIB 以外にも RS-232Cや USB 接続にも対応しており，他の計測器のインター2.1. GPIB についてGPIB（General Purpose Interface Bus）は，PC と計測器フェイスも用いることができる。

をつなぐ国際標準規格のインターフェイスである。元はヒューレット・パッカード社の社内規格 HPIB として開発されたが，後に IEEE（Institute of Electrical andElectronic Engineers）委員会によって承認され，国際標準規格 GPIB（または IEEE 488 バスとも呼ばれる）となった 2)。現在，GPIB インターフェイスを標準で搭載した計測器は多く，PC を用いた計測器の制御に GPIBは広く用いられている 2)。
図 2 アジレント社製 GPIB-USB 変換ケーブル

本研究室で用いている高電圧電源（松定プレシジョン社製）と微小電流計（ADVANTEST 社製）にも GPIB接続できる端子が付いており，過去に学生が構築した電子放射測定システムは，各機器の GPIB 端子からケーブルで PC と接続し制御を行っていた 1)。それらを参考にして，今回も GPIB による制御を試みた。
GPIB は複数の計測器をデイジーチェーン方式で接続することができるが，その際に，各計測器に固有ア

図 3 コントロール画面ドレスを設定する必要がある。今回は，高電圧電源の固有アドレスを 1 番に，微小電流計の固有アドレスを3 番に設定した 3) 4)。

2.3. 高電圧電源について

GPIB を PC に接続するために GPIB-USB 変換ケーブ

電子源には複数の電子放射モードがあるが，我々のルを用いた。これまでは，CONTEC 社製のケーブル研究室では電界放射モードを主に扱っている。電界放（GP-IB(USB)FL）を用いていたが，今回新たに構築し射は，電子源試料の電子放射面に高電界を印加し電子たシステムでは，PC と計測器間の通信がうまくいかず， 放射をさせるモードで，高電界を生じさせるために，
図 2 に示すアジレント社製のケーブル（82357B

数 kV の高電圧が必要となる。本研究では，松定プレシ

USB/GPIB）へ変更した。

ジョン製のプログラマブル高電圧直流電源（HAR 正極性タイプ）に，GPIB 用光接続用アダプタ（GP-32）をつなぎ GPIB で使用した。

2.2. VISA について
本研究では，計測器と PC 間の通信ドライバに VISA

2.4. 微小電流計についてライブラリを用いた。VISA（Virtual Instrument SoftwareArchitecture）は計測器を制御するためのライブラリで，電界放射実験では，電子源試料からの電子放射を電世界の共通規格として IVI （Interchangeable Virtual流として微小電流計で測定している。本研究では，Instruments）協会で制定されており，現在，多くの計測ADVANTEST 社製のデジタル・エレクトロメータ5)器で用いることができる 。また VISA はいくつかの計R8240 を直流電流測定（µA）モードで用いた。

186川久保貴史 他 : 電界放射実験装置のExcel VBAとGPIBによる制御

2.5. Excel VBA について側から ASCII 文字列として測定値や測定状態を PC 側VBA（Visual Basic for Applications）は Microsoft Officeに返すやり取りを行う。そのため，VBA で作成した操で利用できるプログラミング言語である。
Office 製品に作画面のコントロールボタンや Excel セルには，その標準搭載されているので，Microsoft Office が既にインやり取りを指示するプログラムを書き込んでいくことストールされている研究室の PC では，新たな開発環になる。PC と計測器間でやり取りするコマンドは，計境を導入しなくても使用することができる。

測器の取扱説明書を参考にした 3) 4)。

本研究室には，プログラミングが得意でないメン

Sub denryu_20micro()
Dim RM As New VisaComLib.ResourceManager
Dim DMM As New VisaComLib.FormattedIO488
Set DMM.IO = RM.Open("GPIB0::3::INSTR")

バーが多く，新たな開発環境を導入するには敷居が高い。また，本研究では，測定後のデータを表計算ソフトで処理する必要もある。そのため，今回は研究室の PC

DMM.WriteString "F2 R7"
DMM.IO.Closeに最初から環境が備わっている VBA を用い，表計算ソ
フト Excel 上で動作するプログラムを作成することに

Set DMM = Nothing
Set RM = Nothing
End Sub
Sub tyousei()
Dim RM As New VisaComLib.ResourceManager
Dim DMM As New VisaComLib.FormattedIO488
Set DMM.IO = RM.Open("GPIB0::3::INSTR")した。
2.6. 測定後のデータ整理について
本実験では，電子源試料に印加した電圧 V とその時の放射電流 I のデータ（I-V 特性）を記録する。さらに，

DMM.WriteString "MD1"
Application.Wait Now + TimeValue("00:00:04")
DMM.WriteString "MD0"DMM.IO.Close

その結果を電界放射の理論 Fowler-Nordheim の式に基づいて，表計算ソフト Excel で計算を行い，F-N プロットを作成する。

Set DMM = Nothing
Set RM = Nothing
End Sub

Fowler-Nordheim の式を(1)式に示す。式中の𝐽は放射電流密度，𝐸は電界強度，𝜙は仕事関数である。また，

図 4 レンジ変更とゼロチェックのプログラム

𝑡や𝑣 は補正係数であり，大きく変化する値ではないため 1 として近似し計算されることがある。

𝐽.

図 4 は，Excel VBA で作成した微小電流計のレンジ

exp

6.83

(1)

変更とゼロチェックのプログラム例である。Sub から
End Sub までが 1 つのボタンに書き込まれたプログラ

今回のシステムは，測定した I-V 特性を，電界強度𝐸ムである。と放射電流密度𝐽の関係に変換して(1)式へ代入・式変形

Sub denryu_20micro()について解説する。最初の Dimを行い，電子源試料の仕事関数𝜙を求められるように

RM～，および，Dim DMM～の部分で，今回用いたキーした。仕事関数𝜙は，金属中のフェルミ準位にある電子サイト・テクノロジー社製の VISA ライブラリを呼びを真空中へ取出すのに必要なエネルギーとされ，仕事出し，Set DMM.IO=RM Open で，計測器のアドレスを関数が低いほど電子放射しやすい電子源試料であるこ指定し通信を開始している。今回は微小電流計に指定とがわかる。

した固有アドレス 3 番が設定されている。次のDMM.WriteString で，計測器へ文字列を送っており，「F23. 作成した制御プログラムと動作R7」という文字列で，微小電流計に「直流電流測定，Excel VBA のプログラムは，Visual Basic Editor を起動20µA レンジ」での測定を指定している。DMM.IO.Close

し，ツールボックスからユーザーフォームを挿入したで通信を終了し，Set DMM と Set RM をともに Nothing

後，その上にコントロール（ボタン）を配置したり，取とすることで，呼び出していたVISA を開放している。

り込んだ値を格納する Excel のセルを指定したりする

Sub tyousei()についても，基本的に似た構造となってことで操作画面が作成できる。さらに，Visual Basic

おり，「MD1」の文字列は，使用した微小電流計におい

Editor のツール設定から参照設定を選び，通信ドライバて，「ゼロチェック ON」にすることを意味し，「MD0」として VISA ライブラリを設定することで，作成したは「ゼロチェック OFF」にすることを意味している。

プログラムで計測器を制御できるようになる。

その間の Application.Wait 部分において，4 秒待つようGPIB で接続した計測器は，PC 側から ASCII 文字列に指示しているため，ゼロチェックを ON にして 4 秒待った後 OFF にすることになる。のコマンドを送ることで動作を指定し，また，計測器

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独立行政法人国立高等専門学校機構香川高等専門学校研究紀要14(2023)

Dim volt(10) As Long
Dim cc As Integer
volt(0) = 3000
volt(1) = 3100
volt(2) = 3200
volt(3) = 3300
volt(4) = 3400
volt(5) = 3500
volt(6) = 3600
volt(7) = 3700
volt(8) = 3800
volt(9) = 3900
volt(10) = 4000
For c2 = 3 To 13

Sub sokutei_3_4() '測定 3～4kV
Dim RM As New VisaComLib.ResourceManager
Dim DMM As New VisaComLib.FormattedIO488
Dim AMM As New VisaComLib.FormattedIO488
Dim i As Long
Set DMM.IO = RM.Open("GPIB0::1::INSTR")
Set AMM.IO = RM.Open("GPIB0::3::INSTR")
Dim c3 As Integer
Dim c4 As Integer
Dim v As Variant
c4 = 1c3 = 1
Worksheets("測定").Range("B3").Value = "3-4kV"

Worksheets("グラフ").Cells(c2, 3).Value = volt(cc)cc = cc + 1

For i = 3 To 13
Next

DMM.WriteString "#1 REN"
DMM.WriteString "#1 ICN 100.00"
DMM.WriteString "#1 SW1"
Select Case i

Dim retu As Integer
Dim count As Integer
Dim list(10) As Stringlist(0) = "3.0kV"
list(1) = "3.1kV"
list(2) = "3.2kV"
list(3) = "3.3kV"
list(4) = "3.4kV"
list(5) = "3.5kV"
list(6) = "3.6kV"
list(7) = "3.7kV"
list(8) = "3.8kV"
list(9) = "3.9kV"
list(10) = "4.0kV"
For retu = 3 To 13
Cells(retu, 3) = list(count)
count = count + 1
Next
Dim c5 As Integer
Dim c6 As Integer
Dim stRight As String
c6 = 6b=1
Dim bb As Integer
For bb = 1 To 11
For c5 = 1 To 4
Worksheets("値保管所").Activate
stRight = Right(Worksheets("値保管所").Cells(c5, bb), 12)
Worksheets("値保管所").Cells(c6, bb).Value = stRightc6 = c6 + 1
Next
c6 = 6
Next

Case 3DMM.WriteString "#1 VCN 30.00"
Case 4DMM.WriteString "#1 VCN 31.00"
c4 = c4 + 1
Case 5DMM.WriteString "#1 VCN 32.00"
c4 = c4 + 1
Case 6
DMM.WriteString "#1 VCN 33.00"
c4 = c4 + 1
Case 7
DMM.WriteString "#1 VCN 34.00"
c4 = c4 + 1
Case 8DMM.WriteString "#1 VCN 35.00"
c4 = c4 + 1
Case 9DMM.WriteString "#1 VCN 36.00"
c4 = c4 + 1
Case 10DMM.WriteString "#1 VCN 37.00"
c4 = c4 + 1
Case 11DMM.WriteString "#1 VCN 38.00"
c4 = c4 + 1
Case 12DMM.WriteString "#1 VCN 39.00"
c4 = c4 + 1
Case 13DMM.WriteString "#1 VCN 40.00"
c4 = c4 + 1
End SelectDMM.WriteString "#1 VCN?"
Cells(i, 5) = DMM.ReadString()
For c3 = 1 To 4 'loop

Dim cc7 As Integer
Dim c8 As Integerc8 = 10Dim a As Integer
For a = 1 To 11For cc7 = 6 To 9v = Val(Worksheets("値保管所").Cells(cc7, a))Worksheets("値保管所").Cells(c8, a) = v
c8 = c8 + 1
Next
c8 = 10Next
End Sub

AMM.WriteString "READ?"
Worksheets("値保管所").Cells(c3, c4) = AMM.ReadString()
Next 'finish loop
Next
DMM.WriteString "#1 SW0"
DMM.WriteString "#1 GTL"
DMM.IO.Close
AMM.IO.Close

図 5 測定プログラム（3~4 kV 印加）

188川久保貴史 他 : 電界放射実験装置のExcel VBAとGPIBによる制御

図 5 に測定部のプログラムを示す。ここでは高電圧
V の印加，放射電流値 I の測定，測定結果の整理を行っている。PC から高電圧電源へ数 kV の高電圧 V を発生させるように命令を送る。すると，実験装置の電子源試料と対向する蛍光板の間へ高電圧が印加され，電子源試料で電界放射現象が発生し電子放射が起こる。この放射電流を微小電流計で測定した値 I が PC へ返ってくる。図 5 のプログラムでは，印加電圧 V は 3.0 kVから 100 V 毎に上昇させて 4.0 kV まで 11 点の測定点を取るようになっている。
各高電圧 V を印加した時に微小電流計で測定された電流値 I を PC へ取り込み，Excel シートに記録されるようにした。測定は，設定した各高電圧につき，1 つの電圧が印加されている間に 4 回の電流測定を行い，その平均値を，印加電圧に対する電流値として記録している。
（例えば，印加電圧 V = 3.3 kV の時に，放射電流I が 0.11 µA，0.11 µA，0.13 µA，0.09 µA の 4 回が得られた場合，4 回の電流値の平均をとって 0.11 µA が，印
図 6 コントロール画面

加電圧 V = 3.3 kV に対する電流値 I = 0.11 µA となる。
）
Excel に出力する際に，測定された値が文字列として返されるため，一度文字列の数字部分を切り取り，その数字部分の文字列を数値に変換するという処理を行っている。
図 6 が Excel 上のコントロール画面である。図 5 で示した測定プログラムは印加電圧3~4 kVの範囲で測定を行うものであったが，電子源試料の放射電流量に応じて，印加電圧範囲を各ボタンで変更できるようにした。図 7 は本システムの測定結果から描かれた F-N プ
ロット例である。横軸は印加電圧 V の逆数，縦軸は放図 7 F-N プロット例

射電流 I を印加電圧 V の二乗で割って Log で示した値である。電界放射現象が起こっているときの I-V 特性

参考文献

から F-N プロットを作成すると，その結果はグラフに

1)

川高等専門学校卒業論文（2012）おいて，右下がりの直線状に並び，その直線の傾きか

CONTEC： GPIB 通信の基礎知識と用語集，
https://www.contec.com/jp/support/basicknowledge/daq-control/gpib-communication/(2023-3-25 閲覧)
3) ADVANTEST：R8240 デジタル・エレクトロメータ
取扱説明書，6 章 pp.1-25（2003 年購入品）
4) 松定プレシジョン：GP シリーズ取扱説明書，pp.1415，pp24-47（2012 年購入品）
5) Keysight：自動計測における制御ライブラリの選択（VISA、VISA-COM），
https://www.keysight.com/jp/ja/lib/resources/programmi
ng-guides/resource-2304677.html(2023-3-25 閲覧)2)ら電子源試料の仕事関数𝜙を求めることができる。
4.

佐々木健太：Visual Basic による計測器の制御，香結論
本研究では，Excel VBA を用いて電子放射測定を行うシステムを構築し，その動作を検証した。Excel VBAで高電圧電源と微小電流計を制御することで測定の自動化を試みた。高電圧電源と微小電流計を PC に GPIBで接続し制御することができた。研究の成果として，手動で行うと煩雑で時間のかかる実験手順や結果の整理を自動化することで大幅な効率化をすることができた。今後，本システムの改善，改良を行い，さらに使いやすいシステムを目指したいと考えている。

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