低速準安定ヘリウムを用いる真空度測定法の研究
電気通信大学大学院 情報理工学研究科 先進理工学専攻
清水和子研究室 荒井俊介

1.研究背景子と各種ガス(H2,He,H2O,O2,N2,Ar)の相対イ

真空装置の進歩により、真空度 10-11Paオン化断面積を求め、既存のデータと比較し、以上の極高真空領域の真空状態を達成した

極高真空度の測定限界を見積もることを目的が、電離真空計では軟Ｘ線効果などの影響とした。

で 10-10Pa 以上において信頼性の高い測定

3.相対イオン化効率測定は出来ないため、新しい真空度測定法が模索されている。
我々は電離真空計の測定限界を超える、即トラップした He*の MOT に PUSH 光を入射し、この He*を検出チャンバー内に輸送してイオン化効率の測定を行った。

ち 10-11Pa 以上の真空度を測定することを目

超低速 He*と槽内に個別に注入した各種ガ的とした低速準安定状態ヘリウム原子(He*)

ス(H2,He,H2O,O2,N2,Ar)を衝突させて、MCPを用いる真空度測定法の開発研究をしている。

1,2,Q-Mass を用いて He*カウントの減衰、イ我々が目指す真空度測定法は、電子の代わりオンカウントの生成、真空度を同時計測した。にレーザー冷却した低速準安定状態ヘリウム原子(He*)23S を用いる。23S 状態の内部エネ
ルギーは 19.8eV であり、真空装置内の主なガスのイオン化エネルギーより高いが、電離真空計で加速した電子より小さく軟Ｘ線の効果はない。また、寿命が 8000s と長く、レーザー冷却により減速、トラップ出来る。トラッ
プした超低速の He*を用いることで真空度に図. 1 ディテクション(検出)チャンバー概略図影響を与えずに測定する事が可能となる。

検出チャンバーは 2mm の穴のあいた筒で具体的には DC 放電により準安定状態ヘリ仕切られた空間となっており、他空間よりもウム原子を作り、それをゼーマン同調法に高い真空度となっている。これより、MOT チより減速し、第一磁気光学トラップ(Magneto

ャンバーの真空度が悪くなっても、検出チャOptical Trap)により捕捉し、ガイド光を用いンバーの真空度を害さず実験が可能になる。てさらに高い真空度領域で第二磁気光学トラ

また、MOT チャンバーで補足した He*をップを行う。このトラップ原子と極高真空槽

PUSH 光により検出チャンバーに輸送出来る。

内の残留ガスとの衝突によるトラップ原子の

検 出 チ ャ ン バ ー の 真 下 に He* 測 定 用 の損失率から真空度を見積もる。

MCP1 が、He ビームより 8cm の離れた壁際

2.本研究の目的には衝突の際に生じるイオン測定用の MCP2

本研究は 10-11Pa 以上の真空度測定においがある。MCP1 の表面電圧は 0V 、MCP2 のて測定子となる超低速準安定状態ヘリウム原

表面電圧は  2kV かけてある。一定以上高い

真空度において、特に問題となる H2O、H2

イオンカウントを縦軸にとっている。などの影響を減らすために、チャンバーはベーキングを数回行っている。しかしながら、実験の際に発生する H2O は液体窒素トラップにより、影響を軽減させている。また、真空度計測はゲージだけではなく、四重極質量分析計(Q-Mass)を取り入れている。ここでは図.2 O2 分圧表示の時間変化

さらに、Q-Mass のフィラメントから出る正のイオンが MCP に衝突するのを防ぐためアルミ板でシールドを作り、-100V かけてシャットアウトした。また、He*ビームに沿って電極を置き、+30V をかけて衝突の際に生じる電子を集めて MCP2 に 入るのを防いだ。
Variable Leak Valve を用いることで個別に

図.3 He*（MCP1）O2 ｲｵﾝ（MCP2）カウントのガスを注入、及び流量を調整出来る仕組みに時間変化なっている。
実験方法
1.

液体窒素トラップを稼働し、トラップチ
ャンバーに He*の MOT を作成する。

2.

PUSH 光で検出チャンバーに He*を落とし、Variable leak Valve から個別に各種

図.4 O2 分圧表示と He*カウント

ガス(H2,He,H2O,O2,N2,Ar)を注入する。
3.

流量を調整し、Q-MASS で真空度、MCP1で He*カウントの減衰、MCP2 で He*と衝突して生成したイオンカウントを同時に測定する。

測定
図 2~5 は例として O2 を注入した測定データ

図 5.O2 分圧表示と O2 ｲｵﾝカウント

4.Q-MASS の分圧表示の較正である。図 2 は Q-MASS で測定した O2 分圧

四重極質量分析計は同一機種においても気表示の時間変化であり、Variable Leak Valve

体や測定条件によって分圧表示は変わる。測により O2 を 10-4Pa 程度注入し、徐々に減じ定精度を向上させるためには、測定対象のおている。図 3 は同じ時間軸上の MCP1、2 ののおのについて既知濃度のガスによって較正データであり、それぞれ He*カウントと O2する必要がある。ここでは各種ガスを空間 1

イオンカウントを測定している。図 4 は O2に同じ圧力だけ入れた際の Q-MASS の表示

分圧を横軸に、He*カウントを縦軸にとってを測定し、前データの補正をおこなう。

いる。同様に、図 5 は O2 分圧を横軸に、O2

図.7 O2 キャリブレーション測定
図.6 Q-MASS 分圧表示補正チャンバーの概略図

5. 結果

チャンバーは表面積/体積比が小さく、ガス5.1 イオンカウントを効率的に拡散出来る球状のものを選んだ。

毎秒 N  N 0 個の準安定ヘリウム原子を真Q-MASS の動作範囲は１０-4Pa 以上であるた空タンクに注入したとする。 N の時間変化はめ真空ゲージを取り付け、チャンバー内の真空度が良くなったことを確認し、Q-MASS でdN  ( i ni i )   s  Ndt i

測定した。空間 1、2 の体積比を利用し、注入

ここで  i は衝突過程 i の断面積、 ni はその原ガスを Q-MASS で測定できるまで低圧にし子密度、 i は衝突速度である。 s は準安定状て測定を行う。(体積比態の減衰定数である。時間 t で MCP 検出器に1:14308)

実験方法

到着すると1.

空間 2 に特定のガスを 1 気圧注入する。

2.

Valve1 を開け、予め真空にしていた空間N (t )  N 0 exp(  At )A   ( i ni i )   s

十分拡散させた後、Valve1 を閉め、6”Valve を開き、再び空間 1 を真空 にする。

4.

(5.3)

iである。過程 i で生じる粒子の数 N i は2-3 の過程をもう一度行った後に、6”dN i ( i ni i ) N
dt

Valve を閉めた状態で Valve1 を開き、空5.

(5.2)

但し、 A は全減衰過程の減衰定数の和1 へ空間 2 のガスを入れる。
3.

(5.1)

(5.4)

間 1 の圧力を Q-Mass で測定する。

であることより、MCP に到着するまでに生じ1-4 の過程をそれぞれのガス(H2,He,H2O,る粒子 N i はO2,N2,Ar)で行う。

N i (t )  N 0測定
図 7 は例として、O2 ガスを注入した時のQ-MASS のデータである。
これは横軸に時間、縦軸に O2 分圧をとっている。
始めに 10 Pa 程-7の真空度であったが、30s 過ぎで Valve1 を開 i ni iA{1  exp(  At )} (5.5)となる。イオン生成に寄与する気体が一種類の場合には

N i (t )  N 0

 ion{1  exp(  totalni i t )} .
 total

けることで O2 ガスが一気に入っている様子が分かる。このときの分圧の増加を各種ガス(5.6)
条件 At  1 であれば

N i (t )   i nii tN 0で測定して感度比を求める。となる。

(5.7)

準安定ヘリウム原子がトラップされている間に過程 i で生成される粒子の総数 N i は

N i (t )  N 0

 i ni iA(5.8)

N0

N ion ( p)  A ion {1  exp(pp)} exp( ) (5.13)
p0p1

表 1 相対イオン化効率となる。
5.2 相対イオン化効率
準安定状態ヘリウムカウント N He* の単位圧力あたりの変化量は以下のようになる。

dN He* ( p)1
N He* ( p)dpp0(5.9)

原子・分子種によって勾配が異なり、
特に H2O

これより、単位圧力あたりの He*カウントの勾配が格段に大きかった。ここでは、H2ON He* は次のようになりを基準として相対イオン化効率とした。

N He* ( p)  A He* exp( p)p0(5.10)

同一流量に対する各種注入ガスの Q-MASS

同様にイオンカウント N ion は p=0 近辺で

N ion ( p)  A ion {1  exp( p)}p0

5.3 Q-MASS の分圧表示の補正測定(5.11)の分圧表示は以下のようになった。
表 2 Q-MASS の分圧表示の補正測定となる。
イオンカウント N ion が線形に増加する領域の傾き(p=0 近辺)

AionP0(5.12)

を個々のガスで求めた。

ガスによって Q-MASS の分圧表示は異なる値を示すことが鮮明となり、N2 と比較すると Ar は 1.5 倍となり、さらに H2 では 3.12倍も異なっており、前実験の補正が必要である。H2O の測定においては、蒸気や大気による測定を行ったが、チャンバーが必要以上にH2O に汚染されてしまうことや、湿度の影響

各種ガスにおいて、He*カウントは(5.10)など外的要因で実験環境が変わり、信頼性のでフィッティングし勾配を求める。イオンカあるものは得られなかったので、現在測定方ウントは(5.11)であるが圧力が高くなった際法を思索している。に MCP2 へイオンが到着するまでの減衰を考

また、今回の結果を用いてイオン化効率実慮し、次の式でフィッティングし、表にまと験の補正を達成できた。過去の論文[3]との比めた。

較では、He*とその他ガスとの相対エネルギ
ーは 25meV 程度であるので、 O 2 と比較してAr, N 2 の値は小さいように見えるが、傾向は同じである。
5.4 相対イオン化効率②(補正後)

v N 43P
2r 2 (6.2)
exp()
322 hcv N (v  v0 ) 2  v N 4 w
w22pとなる。
式中の v は周波数、  は原子の共鳴波長、Q-MASS の分圧表示の較正後の相対イオン化効率を以下の表にまとめた。

P はレーザーパワーの出力、w はガウシアン
ビームのビームウエスト、 v 0 は原子の共鳴周波数 v N は自然幅である。 トラップ中心の

表 3 相対イオン化効率のまとめ

ポテンシャル U (0) 、レイリー長 Z R 、光散
乱レート scat はそれぞれU (0)  1.58  10 28 J  11.4μK (21.8 m s)

Z R  31.7mm
scat  4.25  10 5 s 1
イオン化効率は原子・分子種により大きく

装置概略図を以下に示す。

異なることが分かり、H2O 、O2 に加えて H2も大きい可能性もある。
依然として H2O は,N2などの 200 倍程度の大きさであり、極高真空での測定を行う場合はチャンバー内 H2O のさらなる除去が重要であることがわかった。

6.低速準安定状態ﾍﾘｳﾑ原子の導入
真空度が良くなるほど MCP2 の信号は微小になる。そこで、ガイド光を導入して検出チャンバーに入射する低速 He*の数を増やし、

図.8 ガイド光導入後の概略図

MCP1 までの到達時間を長くし、測定感度をトラップチャンバー真上に取り付けてあるあげることを目的とする。ガイド光は光双極ファイバーレーザーの先端から 10cm 程度下子力を利用し、光の強度勾配により原子に作に f  400 ｍｍのレンズを入れ、トラップ原用させる。1.55μm、出力 30W のレーザー光子の真下に焦点が合うように設置した。高出[KeopsysKPS-STD-BT-EFL-1550-30-TERA-

力レーザーを用いるので、He*原子の落下位SM-00-CO] を用いる。

置にアルミ板を設置してある。これは MCP1レーザーはガウシアンビームで出力されてを保護すると同時に、外にレーザー光が反射いるとすると、トラップ直下でのスポットサしないようにシールドの役割も兼ねている。

イズは w  0.125mm となる。

観測には He*原子がアルミ板に衝突した際に、最大出力 30W を掛けた時のポテンシャル生じる電子を真横に設置した MCP1 で感知でU (r ) を原子飽和パラメーター p を用いて表きるようになっている。

記すると

実験方法

U (r ) 1h(v  v0 ) In(1  p)2(6.1)

1.

He*原子の MOT を作る。

2.

1.55μm、出力 30W のガイド光を MOTに入射する。
3.

MOT カウントの減少、MCP1 のカウントの変化を観測する。

(7.4)となる。例えば、イオン検出の限界が毎秒 1 個、現状は真空系、光学系を構成し検証を行っている。

7.準安定状態ﾍﾘｳﾑｹﾞｰｼﾞの測定限界
電離真空系は電子しか検出しないため、放出する粒子は系の真空度には影響しない。しかし多量の電子 ( 10 s ) を数百 eV のエネ
16 -1ルギーで放出するので、これにより発生するX 線などが真空系に影響を与えるのを避けることはできない。準安定ヘリウムは真空度に影響を与えるが、壁との衝突や自然脱励起の際に 20eV 程度以下のエネルギーしか放出しないのでペニングイオン化の不要な過程で生じる現象が真空度に与える影響は殆どない。
ヘリウムゲージ検出限界は電離真空系とは異なった理由で決まる。ヘリウム原子を真空系に注入しているから、ポンプで引かなければ真空度はどんどん悪くなる。毎秒 N 個の準安定ヘリウム原子を入れるとして、ポンプ速度を U とすると、真空タンク中の平衡ヘリウム密度はポンプの速度が 10 l s 、  ion  10 20 m 2 であり、入射する準安定ヘリウム原子の数 n0U  10 6 sであると、 n0  2  10 2 cm 3 、即ち 10 13 Pa 程度までの真空度測定が可能になる。

8.今後の課題
真空度が良くなる程イオン化の信号は小さくなる。そこで He*原子の自由落下及び、ガイド光の導入によるビーム拡がりの抑制により、さらに良い測定感度を得られると考える。
また、測定下の検出チャンバーの最高到達真空度は 2.0  10-8 Pa 程度だったため、今後は新型ポンプを導入し 2.0  10-11 Pa 以上で測定したい。よって、今後の課題を示す。
1. He*原子を自由落下に導くために、ガイド光のアライメントを行うこと。
2. より高い真空度中での残留ガスイオンの測定をすること
3. 検出チャンバー内に MOT を作ること

参考文献

NnU

(7.1)

である。これが元々の真空中の粒子密度 n 0 に等しくなる値で真空度が 2 倍悪くなるので、個の状態になる時が最大流量 N max であるとすると

N max  n0U(7.2)となる。これより

N i ,max  ion i n0 2
N i ,max Us i ni iA[1] William D Phillips, laser cooling andtrapping of neutral atoms*, Reviews ofModern Phys .vol70.No3.July 1998
[2] After T.P .Parr et al , J.
Chem.Phys.76,316[3] レーザー物理入門

霜田光一,岩波書店[4] 真空技術（物理光学実験)

堀内源一, 東

京大学出版

n0U

(7.3)

が減衰過程 i の 1 秒あたりのカウント数になる。極限では A の主要項は準安定ヘリウム原子の自然崩壊  s であることより[5] 四重極質量分析計,原理と応用,不破敬一
郎 藤井敏博,講談社サイエンテフィック[6] 準安定状態ヘリウム原子の光双極子トラップの研究 ,亀山喬史,修士論文