Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, Japan

PASJ2019 THPH013

NEG コーティングした Ag 入り無酸素銅真空チューブの開発
DEVELOPMENT OF SILVER-BEARING OXYGEN-FREE COPPER VACUUM TUBE
WITH NEG COATING
金 秀光#、山本将博、谷本育律、内山隆司、野上隆史、本田 融、高エネルギー加速器研究機構
X.G. Jin#, M. Yamamoto, Y. Tanimoto, T. Uchiyama, T. Nogami, T. Honda
High Energy Accelerator Research Organization

Abstract
Ti-Zr-V non-evaporable getter (NEG) coatings were carried out on silver-bearing oxygen-free copper (Ag-OFC) tubes.
The coated films have been characterized by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, and pumping performance
evaluation. It was found that the surface morphology of the film depended on the substrate materials. The film on AgOFC had larger grain sizes and rougher surfaces than those on stainless steel. In the pumping speed evaluation, the NEG
on Ag-OFC tubes showed higher H2 sticking probability and higher CO capacity, suggesting that the higher pumping
speed and the higher surface capacity were attributed to the rougher surface of NEG film on Ag-OFC.
Sputtering 装置で行い、NEG 材にはねじれた Ti-Zr-V のワイヤを用いた。コーティングに用いた Ag-OFC チューブ
近年の光源加速器では小径ビームチューブが要求さ の内径は 25 mm で長さは 450 mm であり、チューブの内れるため、超高真空の実現に不可欠な低いガス放出特 壁は化学研磨処理を行った。比較用として、材質が性と高い実効排気速度を同時に満たす手段として NEG SUS316 で、内径が 22 mm、長さが 480 mm のチューブコーティング技術が注目されている。NEG コーティングは、 も用いて、NEG コーティングを行った。ダクトの材質、形非蒸発ゲッター（NEG）材をチューブの内壁に成膜する 状、コーティングの条件を Table 1 にまとめて示す。
ことでガス源である内壁をポンプに変える技術で、NEG材には 180 の低温で再活性化できる Ti-Zr-V 材料が広 Table 1: Materials, Dimensions of Tubes and Coatingく使われる。前の研究で、我々は Magnetron Sputtering Conditions
Sample Material Diameter/
Coating
Pressure Current (mA)の NEG コーティング装置を構築し、CERN で報告されてNo.
of tube length (mm)temperature of Kr/Voltage (V)いる排気性能に匹敵する NEG コーティング膜の生成に
of tube
(°C)
(Pa)
#1
SUS316 22/480200
3.220/460
成功した[1]。
#2Ag-OFC 25/450
200
2.618/420
ビームチューブが小径になると、インピーダンスが大き#3Ag-OFC 25/450
200
2.718/460
くなり、パワーロスも大きくなる問題がある。そのため、抵抗率の小さい材質のチューブが必要される。また、NEGコーティングを行い、再活性化することから、180 以上 2.2 NEG 膜の結晶評価の軟化温度も不可欠である。本研究では、CERN やコーティング中にチューブの内面に同じ処理を行った
MAX IV で実績のある Ag 入り無酸素銅に注目した。今OFC リボン状のサンプルを設置し、コーティング後に取り回用いたのは株式会社 SH カッパ―プロダクツの Ag出して結晶評価を行った。コーティング後、OFC サンプ
OFC の 製 品 で あ る 。 Ag の 質 量 パ ー セ ン ト はルは銀色になっており、NEG 膜の剥がれは一切見られ0.027~0.034％で、軟化温度は 350 で無酸素銅の 200てない。
-8より高い。また、抵抗率は 1.75×10 Ωm で、無酸素銅と作製した試料の表面 SEM 像を Fig. 1 に示す。SEM 観同程度である。
察には日本電子製の JSM-7100F を用いた。試料#1 は、今回は Ag-OFC を用いて円形チューブを作製し、Ti大きさ数十 nm のグレーンでできており、島状の凹凸がZr-V コ ー テ ィ ン グ を 行 っ た 。 NEG 膜 の 構 造 評 価 は部分的に見られているものの、表面全体は平らである。
Scanning electron microscopy (SEM)、X 線回折で行い、それに比べ、試料#2 のグレーンのサイズは大きくなって排気性能評価には通過法を用いた。前の研究で行った
おり、100 nm を超えるグレーンも多く見られている。また、SUS チューブ上の Ti-Zr-V 膜との比較を行い、異なる材表面の凹凸も激しくなっている。もう一つの試料#3 では、質の成膜する NEG 膜への影響を調べた。
グレーンのサイズがさらに大きくなり、形も細長くなっており、コーティングの電圧が違うことによると考えられる。ま2. NEG コーティング実験
た、試料#2 と同じく表面ラフネスも粗くなっている。詳細なメカニズムは不明だが、SUS 上と OFC 上試料を比べる
2.1 成膜実験
NEG コーティングは KEK 内に構築した Magnetron と、OFC 上試料のグレーンサイズが大きく、表面凹凸も大きくなっている。SEM のエネルギー分散型 X 線分光___________________________________________
法により求めた Ti-Zr-V の金属比を Table 2 に示す。各#jinxg@post.kek.jp

1.

はじめに- 619 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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2 に示す。いずれの試料の結晶子サイズは 2 nm 以下であり、CERN の報告している良好な活性化特性を示す基準値 5 nm 以下を満たしている[3]。すなわち、SEM 像で観察された数 10~100 nm のグレーンは 2 nm 以下の結晶子でできていることを示している。

3.

排気性能の評価

3.1

排気速度測定実験

コーティング後、NEG ダクトを KEK 内の通過法システ
ム[1]にインストールし、排気速度の測定を行った。通過法システムでは、NEG コーティングチューブの片側からガスを導入し、チューブ両側の圧力比（P1/P2）を測定する。また、Molflow ソフトを用いて、同じ形状のチューブを描き、異なる吸着確率での P1/P2 を計算し、実験で得られた P1/P2 より吸着確率を求める。
3.2

Figure 1: SEM images of coated NEG films.
試料の金属比は近い値を示し、用いる基板材質、コーティング際の電圧依存は観察されなかった。

H2 と CO の排気性能の評価

各試料の H2 を導入する時の P1/P2 の変化を記録したグラフを Fig. 3 に示す。NEG コーティングチューブの再活性化条件は、250 で 4 時間である。H2 は NEG 表面に吸着し、室温でも NEG 内部に拡散するため、P1/P2は一定な値を示す。三つの試料で#3 が一番高い P1/P2値を示した。P1/P2 より求めた吸着確率を Table 3 にまとめて示す。#3 は 1.7×10-2 と高い吸着確率を示し、AgOFC 上試料(#1、#2)が SUS 上試料より吸着確率が高いことがわかる。この値は、CERN で報告されている H2 の最高吸着確率 2×10-2[3]と近くなっている。
40

Table 2: Atomic Ratio of Ti, Zr, V and Crystallite SizeTi

V

#137%

20%

43%

1.3 nm

#235%

21%

44%

1.5 nm

#335%

23%

42%

1.7 nm

P1/P2 ratio

Zr

Crystallite
size

Sample
No.

#9
#1
#2
#10
#3
#1130

20Qin = 1×10-6 Pa⋅m3/s

100200400Time (second)

600

Figure 3: P1/P2 ratio change with H2 injection.

Figure 2: X-ray diffraction spectrum.
3 つの試料の X 線回折結果を Fig. 2 に示す。基板からの細いピークと、NEG 膜からのブロードなピークが観察された。これは用いる多結晶の金属基板と違って、NEG膜は小さい結晶子を持つアモルファス状であることを示す。Scherrer 式[2]により計算した結晶子のサイズを Table

3 つの試料の CO 排気性能評価の結果を Fig. 4 に示す。H2 と同様に、CO を導入する際の P1/P2 の変化を記録したグラフである。CO は H2 と違って、表面吸着後室温で NEG 内部へ拡散することができないため、飽和状態になり、P1/P2 が徐々に低下する。P1/P2 値が変化することから、CO の導入量により NEG 表面での CO の飽和量（Surface capacity）を測定した。求めた表面飽和量の値を Table 3 にまとめて示す。H2 の排気性能と同じ
く、Ag-OFC 上試料が SUS 上試料より高い表面飽和量を有する傾向を示している。
Ag-OFC 上試料が高い排気性能を示すことは、SEMで観察されたように表面の凹凸が大きくなり、実効表面積が増えることによると考えられる。また、同じ Ag-OFC 上- 620 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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謝辞

Table 3: H2 Sticking Probabilities and CO Capacities
SampleNo.

H2 sticking
probability

CO capacity(1014molecules/cm2)#1

0.9×10-2

5.63#2

1.2×10-2

5.57#3

1.7×10-2

6.47

今回の Ag-OFC ダクトは KEK の機械工学センターの協力で製作したので、ここに感謝を表す。

参考文献[1] 金 秀光ほか, “NEG コーティングした内径 23 mm 真空チューブの開発”, 第 14 回加速器学会 (2017) WEP120.
[2] Klung HP et al., “X-ray diffraction procedures”, New York,Wiley, (1974) 618.
[3] C. Benvenuti et al., “Influence of the substrate coating
temperature on the vacuum properties of Ti-Zr-V
nonevaporable getter films”, Vacuum 71 (2003) 307.

4000

P1/P2 ratio

3000

#9#1
#10
#2
#3
#11

2000

1000
Qin = 3×10-7 Pa⋅m3/s

001000

2000

3000

Time (second)

Figure 4: P1/P2 change with CO injection.
NEG コーティング試料でも異なる排気性能を示している。
NEG の再活性化過程において、表面で解離吸着した酸素原子や炭素原子は結晶子の界面や結晶粒界に沿って、内部に拡散すると考えられており、結晶子サイズが注目されてきた[3]。しかし、今回の 2 つの Ag-OFC 上試料の結晶子サイズも大きな差がないことから、グレーンのサイズや形状、結晶粒界密度も吸着原子の内部拡散に影響があると考えられる。今後は、酸素原子の内部拡散に注目し、NEG の構造特性と排気性能の相関を解明する予定である。

4.

まとめと今後の予定

Ag-OFC の円形チューブを用いて、Ti-Zr-V コーティングを行った。結晶評価により、設計通りの Ti-Zr-V の金属比と十分小さい結晶子で構成されていることが確認された。比較用の SUS 上 NEG 膜と比べ、OFC 上 NEG 膜のグレーンのサイズが大きく、表面ラフネスも粗くなっており、NEG 膜の表面モフォロージは用いる下地材料に依存することが分かった。
排気性能の評価において、Ag-OFC 上 NEG コーティ
ングのチューブが高い H2 の吸着確率と高い CO の表面飽和量を示した。Ag-OFC 上の NEG 膜の表面凹凸が大きいことから、実効表面積が増えることで排気性能が高くなったと考えられる。同じ Ag-OFC 上 NEG コーティング
でも電圧の変えることで異なる表面モフォロージを示し、違う排気性能を示しており、今後はグロー放電発光分光法などの解析方法を用いて、酸素の拡散過程に注目し、表面モフォロージと排気性能の相関を解明する予定である。

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