高エネルギー加速器研究機構(KEK)と日本原子力研究開発機構(JAEA)が運営するJ-PARC(大強度陽子加速器施設)では,容器自体が真空を保つ性能を持つ「超高真空ゲッターポンプ」の技術を発明し,軽量かつコンパクトで電源不要の真空トランスファーケースを開発した(ニュースリリース)。
ナノ材料や半導体材料の開発において,超高真空技術は欠かせない。超高真空環境下で製造することで,不純物の混入を防ぎ,高純度で高品質な材料の製造が可能となる。
またナノ材料や半導体の性能は,表面特性が重要な役割を果たす。酸化や汚染物の付着は,材料の電気的,化学的特性を損なう。超高真空環境では,酸素や水蒸気などの気体が極めて少なく,ナノ材料や半導体材料の表面が酸化や汚染が生じず,その特性を維持できる。
このような環境で作られたナノ材料や半導体材料の研究には,高精度な分析が不可欠。電子顕微鏡や,SPring-8 等の放射光を用いる分析装置などは,超高真空環境で動作し,材料の詳細な構造や特性を高解像度で観察できる。
超高真空環境下で製造した材料をそのままの状態で超高真空環境下の分析装置に運ぶには,真空を維持したまま材料を輸送でき,分析装置との受渡しも可能な,真空トランスファーケースを用いる。しかし,従来のトランスファーケースは,真空を維持するための真空ポンプと電源,バッテリーが必要なため大変重く(約30kg),サイズも大きいことが課題だった。
J-PARCでは,チタンで作られた真空容器内部の表面を改質することで真空容器自体を超高真空ポンプであるゲッターポンプとする技術を発明しており,今回この技術を活用して,超軽量(約6㎏)でコンパクトな真空トランスファーケースを開発した。
さらに,試作したトランスファーケースに模擬サンプルを入れ,真空を維持したまま,J-PARCとSPring-8間,およびSPring-8内のビームライン間で輸送し,サンプル表面の状態を確認した。その結果,半導体材料のシリコン単結晶基板表面に形成した極薄酸化膜の品質を維持したままで,実運用時の真空維持機能を実証した。
開発した真空トランスファーケースは,ポンプや電源が不要であることから,バッテリーの持ち込みが規制されている飛行機での輸送も可能となる。将来,高真空輸送が求められる電子顕微鏡の電子源を海外へ容易に輸送することが可能となり,ナノ材料や半導体などの新材料開発分野での利用が期待できるとしている。