超高真空技術をあらゆる産業へ応用できる省エネゲッターポンプ
日本原子力研究開発機構
J-PARCセンター 加速器ディビジョン

加速器第三セクション

セクションリーダー

神谷 潤一郎(イメージキャラクター)
ゲッターポンプの“ゲタポン”

2024年6月4日
1自己紹介
2003年 原子力機構入社
入社以来、J-PARC加速器(特に真空関係機器、システム)の建設、運転、保守、開発に従事
2009-2010 欧州原子核研究機構 CERN(スイス)駐在
現在の業務テーマ、研究テーマ
加速器の真空技
加速器真空システムの安定化・高度化 術、真空現象を研究しています。
新しい真空技術の開発
加速ビームによる真空の現象の研究、など

大強度陽子加速器施設: J-PARC

J-PARC加速器のビームライン(チタン製のビームパイプやベローズ)

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本日のサマリー
真空はあらゆる産業を支える技術

無電源・無振動
省スペース・軽量
真空ダクト型ゲッターポンプでサステナブルな社会に貢献します！
日本真空工業会「真空の木」を参考に編集

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研究、産業を支える超高真空[分野・装置]

次世代高度化

課題[加速器] J-PARC等ビーム大強度化

低ビームロス

[分析装置] 電子顕微鏡など

高分解能化

長時間安定

ウェハ大型化ウルトラクリーン真空(UCV)の必要性[半導体プロセス]「超高真空」がカギとなる例) 加速器のビームライン例) 電子顕微鏡の電子源

ビーム
高真空
真空ダクト
真空ポンプ

低真空

真空ポンプ

気体分子

ビームと気体との衝突→ビームの損失

電子源

表面への気体吸着→分解能不安定

性能高度化には非常に低い圧力(超高真空)にすることが重要

4超高真空実現の課題
真空=気体が稀薄な状態⚫ 通常、真空は真空ポンプにより気体を排気して作る⚫ 真空の維持には、真空ポンプの連続運転が必要

超高真空(10-6 パスカル: およそ1000億分の1気圧という超稀薄状態)の実現→真空ポンプの大型化
消費電力大設置スペース大持続可能な性能向上が困難
5チタンを超高真空ポンプへ➢ チタンは加速器で用いられる超高真空材料(低放射化のため)

J-PARC加速器のビームライン(チタン製のビームパイプやベローズ)➢ チタンのもう一つの特性である、気体を吸着・吸収する性能(ゲッター性能)に着目した気体分子は吸着されない
通常の材料(ステンレス鋼など)

気体分子は吸着される
ピュアなチタン➢ 通常、チタン表面は酸化膜に覆われているためゲッター性能はない➢ そこで、チタンの表面改質をして、真空容器自体を超高真空ゲッターポンプとして機能させる開発を行った
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チタンを超高真空ポンプへ真空中で、酸化チタン膜を除去してゲッター性能(気体吸着性能)を持たせる(B図)7チタン製真空容器の超高真空ポンプ化
表面チタン
酸化膜の除去ステンレス製の真空容器(従来型)

オリフィス:
直径5 mmくらいの穴
チタン製の真空容器

従来の真空ポンプ(ターボ分子ポンプ)⚫ System1=チタン製真空容器+電極⚫ System2=ステンレス製真空容器+ターボ分子ポンプ
スパッタリングによるチタン表面酸化膜の除去
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チタン製真空容器の超高真空ポンプ化
表面チタン
酸化膜の除去圧力 [Pa]ベーキング(脱ガス)

大気圧からの排気(ターボ分子ポンプ)

スパッタリング=酸化膜除去

ポンプがないので当然P1の方が圧力大P1<P2時間
スパッタリングによって、System1の圧力のほうが良くなった→Tiチェンバーをゲッターポンプとすることに成功
9新技術の特徴
真空中で、酸化チタン膜を除去してゲッター性能(気体吸着性能)を持たせる(B図)
大気にさらすとまた酸化チタン膜ができてしまう

しかし！これでは大気にさらすとまた酸化チタン膜が表面を覆ってしまう(A図)

チタンを保護するためのコーティングを実施(C図)
一連の表面改質技術を開発！
大気にさらしても（＝大気開放しても）真空排気しながら加熱すれば、ゲッター性能が回復！

活性化といいます10新技術の性能
長期間耐久性
到達圧力 [パスカル]

繰り返し利用でも高性能維持

従来ポンプなしで1年以上、超高真空を維持

試作品で従来の真空容器よりも低い到達圧力(=良い真空)を得た。
大気開放を繰り返しても低い到達圧力を維持した。

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想定される用途
電子顕微鏡への実装例（実証試験結果）
圧力指示値

仕切弁

電子顕微鏡

試作品

試料交換後の圧力（圧力が悪化)

仕切弁を開け、試作品と接続した直後(即座に圧力が回復)

試料交換後もすぐに測定できる圧力へ回復できることを実証
試料交換～測定の時間短縮→多くの試料を分析する場合に利点

真空容器自体が高性能超高真空ポンプとなることを実証→産業装置の省エネ、省スペース化へ
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想定される用途
ノーバッテリー超高真空トランスファーケース
SOCIETY 5.0を担う半導体サンプルの分析装置間の真空中輸送を可能にする製品
従来品

本技術適用品

真空ポンプ
ポンプ用
電源

容器内面がゲッターポンプとして機能

軽量・コンパクト
電源不要で超高真空を維持
バッテリーが規制される
空輸も可能
SPring-8 JAEAビームラインへの実装試験

13想定される用途
板形状型ゲッターポンプ
電子顕微鏡の高度化、既存分析装置の超高真空化を可能にする製品
自由な形状にカットできるので、既存の真空容器に入れるだけで超高真空化が可能

TEM、
SEM

排気速度： 1000 L/s以上!
（20cm×30cm）
14真空技術が必要な幅広い分野の持続的な発展へ
材料開発のプラットフォームの展開
新分野、異業種、産業界との連携

安全管理の向上による未踏材料の分析
放射性(燃料デブリ等)・毒性物質の持つ潜在的魅力の発掘

汎用製品→多様分野でのベネフィット
真空高性能化、運転コスト・電力削減

チタンシート
電源、バッテリー不要で空輸可能
真空産業界の輸送課題を解決し、世界規模での材料イノベーション

成長産業への展開
ミニマルファブ装置間のチップ輸送装置へ適用

SEMの電子源の空輸など
自動車

半導体チップ

ドローン

一般社団法人ミニマルファブ推進機構の掲載許可を得ています
家電製品

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企業への期待・産業応用に向けた共同研究や外部資金を共同で取得可能な企業との共同研究・開発を希望
・超高真空容器の製造・販売が可能な企業、応用展開が可能な企業との連携を希望（特に、トランスファーケース、板形状型ゲッターポンプを製造・販売可能な企業との連携を希望）

・新しい真空技術の研究・開発が可能な企業との連携を希望
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真空技術の展開

17真空技術の展開

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本技術に関する知的財産権
発明の名称：真空部品、これを用いた真空排気方法
特許番号 ：特許第7195504号
出願人：原子力機構
発明者：神谷 潤一郎
発明の名称： 真空排気方法
特許番号 ：特許第7446640号
出願人：原子力機構
発明者：神谷 潤一郎19産学連携の経歴
・実施許諾契約：1件

・企業との共同研究：多数
・ビジネスコンテスト
第７回茨城テックグランプリ 最優秀賞受賞
チーム名：ゲタポン
省エネ、省スペース！超高真空ゲッターポンプ

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お問い合わせ先

日本原子力研究開発機構

研究開発推進部
e-mail：seika.riyou@jaea.go.jp

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さいごに

真空技術や真空の現象に魅了されて研究を続けてきました
加速器から生まれた新しい真空技術の可能性が、広がる将来を夢見ています
長年かかわってきた真空技術をあらゆる産業へ！

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