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中間評価論文(修士論文) 新奇機能性材料の電子状態測定
中間評価論文 (修士論文)
新奇機能性材料の電子状態測定に向けた
角度分解光電子分光装置の開発
大阪大学大学院 生命機能研究科 光物性研究室
学籍番号: 32A13015
大野祐貴
2014 年度
1
目次
1
序論
1.1 物質中の電子の状態と機能性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 光電子分光法 (PES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 角度分解光電子分光法 (ARPES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 ARPES における低温技術 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.1 低温の必要性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.2 装置の概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.3 ARPES における低温測定とマニピュレータの基本構造 . .
1.4.4 標準的な製品化マニピュレータの例：R-DEC 社 iGONIO .
1.4.5 各地の高分解能光電子分光装置と冷却性能 . . . . . . . . .
1.5 分子科学研究所 UVSOR における光電子分光装置の現状と問題 . .
1.5.1 UVSOR BL7U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.2 UVSOR BL5U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6 試料の温度制御と低温化で予想される新たな問題 . . . . . . . . .
1.6.1 低温における分子の吸着と試料の表面汚染 . . . . . . . . .
1.6.2 温度制御手法に求められる性能 . . . . . . . . . . . . . . .
1.7 研究の目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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15
2
予備知識：冷却と温度制御の基礎
2.1 熱輸送の形態 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 冷却における三要素：熱容量、熱伝導、輻射 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
16
16
3
マニピュレータの性能評価用装置 (評価装置) の構築
3.1 真空系および冷却系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 真空系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2 冷却系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.3 気体ヘリウム用マスフローコントローラ (MFC)
3.2 温度測定・制御系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 温度センサおよび温度コントローラ . . . . . . .
3.2.2 昇温用ヒータと制御系 . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3 PID 制御 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.4 目標値の設定：Ramp モード . . . . . . . . . .
3.2.5 NI LabVIEW で作成したプログラム . . . . . .
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到達最低温度および冷却速度の改善
4.1 旧 BL5U マニピュレータの性能評価 . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1 温度計ー試料台間への金箔挿入の効果 . . . . . . . .
4.1.2 ラディエーションシールドの効果 . . . . . . . . . . .
4.1.3 旧 BL5U マニピュレータのまとめ . . . . . . . . . . .
4.2 新設計マニピュレータの作成 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 設計の指針 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 温度計の追加 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 新設計マニピュレータの性能評価 . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 シールドからの輻射による冷却速度の律速とその改善
2
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4.4
5
4.3.2 銅ブレードの銀ロウ付け一体化による熱抵抗の低減 . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3 最低到達温度の流量依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
最終的な冷却性能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
マスフローコントローラ (MFC) を用いた温度制御系の開発
5.1 MFC の導入と流量操作による温度制御 . . . . . . . . . . .
5.1.1 MFC による流量操作と温度制御 . . . . . . . . . .
5.2 実験の方法と昇温条件の検討 . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 制御方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2 ヒータ出力を固定した場合の到達温度の流量依存性
5.2.3 最終的な実験条件と評価基準 . . . . . . . . . . . .
5.3 P 制御 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4 PI 制御 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1 P を固定した時の I の効果 . . . . . . . . . . . . . .
5.4.2 I を固定した時の P の効果 . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3 最適な温度制御条件の評価法 . . . . . . . . . . . .
5.4.4 実験結果：制御の安定性と PI パラメータ . . . . . .
5.5 最終的な制御方法の検証 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6
まとめ
59
7
謝辞
60
3
1
1.1
序論
物質中の電子の状態と機能性
物質の持つ性質 (物性) の中で、人や環境、社会にとって有用なものはその物質の「機能」
と呼ばれる。具体的には電気伝導性や絶縁性、熱伝導性、磁性、光の反射率や吸収率などが
挙げられるが、このような物性の多くは、物質中に存在する電子の量子力学的状態のふるま
いにその起源を持ち、これらはその発現機構も含めて「電子物性」と呼ばれる。
物質の電子物性を明らかにすることで、有用な機能性材料やデバイスをつくることが可能
になる。例えばケイ素 (Si) 結晶の電気伝導性を自在に制御し、ダイオードやトランジスタな
どの電子デバイスを作製する半導体技術は、結晶中の電子物性の理解を礎にして、結晶成長・
元素置換・成形加工・パターニングなどの製造技術の進歩とともに発展してきた [1]。
また近年では、従来の Si 結晶に代表される無機物質だけではなく、有機物質の電子物性を
利用したものも開発されている。有機物質を材料とすることでより多彩な物質設計が可能に
なり、さまざまな機能を持つ材料を作り出すことができる。例えば有機 EL 素子を用いた照明
やディスプレイ素子では、既存の無機材料を超えた極めて鮮やかな色彩を生み出すものが開
発されており、既に実用化も進められている [2]。また有機物の持つ柔らかさを積極的に利用
したフレキシブルな電子デバイスの開発なども活発に行われ [3]、さらにはナノテクノロジー
を駆使した有機ー無機ハイブリッド材料の開発なども展開されている [4]。このように物質の
電子物性に注目した材料・デバイスの研究開発は、これまでの有機・無機といった物質の分
類の垣根を越えて大きな広がりを見せており、将来的には生体に由来する物質、例えばアミ
ノ酸や DNA など、これまで電子物性を利用した機能性材料とは考えられてこなかった物質
の電子物性 (例えば [5] など) を利用して、新たな機能・デバイスを作り出すことが可能にな
ることも予想される。
ここで電子物性を利用した新たな材料・デバイスや機能の創成のためには、物質の電子物
性に関する深い理解が必要となる。特に周期構造を持つ結晶性固体においては、バンド理論
[6] に基づいた理論的手法によって、電子物性をある程度予測することができる。ただし現実
の物質の電子物性は欠陥や表面構造、電子相関の効果などを含み、理論計算から完全な形で
電子物性を議論することは難しい。従って電子物性を理解・制御した新奇材料・デバイスの
設計および開発には、現実の物質から実験的に得た情報が不可欠となる。これを得るために
種々の分光測定や輸送測定などが行われるが、電子の量子力学的な状態を直接観測できる点
で他とは一線を画す強力な測定手法として、光電子分光法および角度分解光電子分光法が知
られている。
1.2
光電子分光法 (PES)
光電子分光法 (PhotoEmission Spectroscopy, PES) は、使用する光源や目的によって紫外光
電子分光 (UPS)、X 線光電子分光 (XPS) または化学分析電子分光 (ESCA) などと呼ばれる場
合もある。試料表面に紫外から X 線領域の光を照射し、光電効果により試料から放出された
電子の運動エネルギーを測定することで、図 1 に示すような物質中の電子状態密度 (DOS) の
エネルギー分布を求める手法である。
電子の運動エネルギーの測定は図 2 に示すような静電半球型アナライザと呼ばれる装置で行
4
われる。半球の入り口に位置する電子レンズ部分に電圧を印加して電子を減速させ、スリッ
トを通して半球内に取り込む。2 つの半球型電極によって、半球内部では半径方向に一様な
電場が作られており、一定の運動エネルギーを持った電子のみが出口スリットを通り抜ける
ことができる。通り抜けてきた電子の数を電気信号として測定する。減速電圧を掃引するこ
とで電子の運動エネルギーを分解する。観測された電子の運動エネルギー EK と光子エネル
ギー hν から物質中での束縛エネルギー EB が式 EB = hν − EK − ϕ により得られ、一定強
度の入射光に対して各エネルギーごとに放出される電子の強度を測定することで、物質中の
電子が占めていたエネルギー状態密度の分布を知ることができる。ここで ϕ は装置の仕事関
数である。現在、検出器としてマルチチャンネルプレート (MCP) と蛍光スクリーンおよび
CCD カメラなどを用いて、電子の運動エネルギー分布を一度に検出する手法が主に用いられ
ている。
図 1: 光電子分光の概念図 [9]
図 2: 静電半球型アナライザによる電子エネルギー
の測定
5
1.3
角度分解光電子分光法 (ARPES)
結晶のように周期構造を持った物質中の電子のふるまいを詳細に観測することができる手
法として、PES を発展させた角度分解光電子分光法 (Angle-Resolved PhotoEmission Spectroscopy、以下 ARPES) がある。結晶表面が平坦な場合、結晶と自由空間における並進対称
性により、放出電子は結晶の面内方向に平行な運動量を保存する。
放出された電子の数 (強度) を運動エネルギーと放出角について同時に計測することで、電
子状態のエネルギー分布だけでなく運動量に関する分布を含めて求めることができる。図 3
のように、通常の PES と同じ静電半球型アナライザを用い、半球の出口にマルチチャンネル
プレート (MCP) を置く。ここで電子がスリットに入射する角度によって MCP 上に到達する
位置が異なるように電子レンズを設計しておく。これにより電子のエネルギーと放出角度の
情報を MCP 上の 2 次元座標の情報に置き換え、各ピクセルごとに電子の数を電気信号として
測定することで電子のエネルギー・運動量分布の情報を得る。さらに広い放出角について測
定を行うには試料を回転させることが必要である。(アナライザを回転する方法もあるが、こ
の場合装置は大掛かりなものになる。) また光源として放射光などのエネルギー可変なもの
を用いる場合には、入射光のエネルギーを変えることで結晶面に対して垂直な方向の運動量
分布を得ることも可能であり、3 次元角度分解光電子分光法などと呼ばれることもある。この
ようにして検出された全エネルギー・放出角における電子強度を解析することで、電子物性
に関する重要な情報を与えるバンド分散やフェルミ面の形状を導き出すことができる [7][8]。
ARPES は物質中における電子の情報を直接得ることができる点で非常に強力な手法であり、
近年の装置の大幅な性能向上もあって、材料・デバイス開発を含む様々な物質科学研究に広
く用いられるようになってきている [10]。
図 3: 静電半球型アナライザと MCP による電子エネルギーと放出角の測定方法 [5]
6
1.4
ARPES における低温技術
以下では本研究の主題である ARPES における低温化の必要性と方法、および低温化で重
要となるマニピュレータの構造的な制約について述べる。
1.4.1
低温の必要性
物性測定において、温度は最も重要なパラメータの 1 つである。結晶固体中における超伝
導現象を例にとると [11]、室温で超伝導相を発現するような物質は未だ発見されておらず、そ
の転移温度以下の温度にすることで初めて発現する。そしてこの転移温度は、多くの場合数
十 K 程度以下と、室温に比べてずっと低い。このような低温で発現する電子物性を実験的に
調べるためには、測定試料を冷却し温度を制御する技術 (低温化技術) が必須である [12]。
さらに ARPES 測定において低温技術が果たす役割は、低温で発現する物性の実現だけでは
ない。実際に測定を行う際には、電子の結合エネルギーをどのくらい正確に測れるかが重要
となる。本研究ではこの正確さの程度をエネルギー分解能と呼ぶ。これは最終的に検出され
るエネルギースペクトルの情報からどのくらい細かく元の電子状態のエネルギーを見ること
ができるかという性能の指標である。特に物性の起源に関して重要な情報を与えるのはフェ
ルミ面上から数 meV 程度の深さのエネルギー領域の電子構造であり、これを調べるためには
それより小さなエネルギー分解能が必要になる。
測定装置全体としてのエネルギー分解能 ∆Etotal は以下のように装置 (アナライザ) による
寄与 ∆E装置 、光源に用いる分光器の分解能による光の自然幅 ∆E光源 、そして測定試料の温度
ゆらぎによる寄与 ∆E温度 に分離して考えることができる。
√
∆Etotal = ∆E2装置 + ∆E2光源 + ∆E2温度
(1)
ここで静電半球型アナライザの場合、装置のエネルギー分解能 ∆E装置 は各半球の半径を
R1 , R2 、電子が通るスリットの幅を w、半球を透過できる電子の運動エネルギー (パスエネル
P
ギー) を EP として、∆E装置 = RwE
で与えられる。スリット幅を小さくしたり、半球を大き
1 +R2
くすることでより良い分解能を得ることができる。最新のアナライザでは 1 meV を切る分解
能を実現するものが使用されている。
ARPES 測定の主な対象となるフェルミエネルギー近傍の電子は、エネルギー準位 ϵ と温度
T に依存したフェルミ分布関数 f (ϵ, T ) = ϵ−µ1
に従ってある程度の広がりを持って分布し
e kB T +1
ている [13]。ここで kB はボルツマン定数、T は物質の温度、µ は電子の化学ポテンシャル、ϵ
は電子の占める状態のエネルギー固有値である。この分布関数は物質の温度によって図 4 の
ようにふるまい、kB T のオーダーで広がりを持つ。実際に観測されるエネルギースペクトル
にはこの広がりによる誤差が含まれ、これは具体的には約 3.8kB T 程度の大きさになること
が知られている [14]。これにより測定試料の温度が高くなるほど測定の分解能が実質的に悪
化することになる。
つまり装置分解能や光源のエネルギー分解能が十分小さい場合にも、測定する試料の温度
ゆらぎによって鮮明なエネルギー分布が得られない。このノイズを抑制して詳細な「電子構
造」を調べるためには、試料をできる限り低温に保つことが重要になる [15]。また電子だけ
でなく原子核の運動 (格子振動) によるエネルギー状態のゆらぎも測定結果に寄与するため、
7
(フェルミ面上にない) 価電子帯上の電子のふるまいを観察する場合にも試料温度が重要な因
子であることに変わりはなく、ARPES 測定において試料の低温化は必須の技術であると言
える。
図 4: フェルミ分布関数の温度による広がり [8]
8
1.4.2
装置の概要
ARPES 装置の構成要素を大きく分けると、光電効果を起こす励起光を発生させるための
光源装置と分光器 (光源部分)、電子の放出数をエネルギーや放出角の関数として得るための
電子エネルギー分析器および検出器 (アナライザ部分)、測定する試料を保持・冷却および駆
動する機構 (マニピュレータ部分) となる。寒剤を扱い試料を冷却・保持する機構全体を指し
て「クライオスタット」と呼ぶが、本論文では試料の保持・冷却・駆動に関する機構をまと
めて「マニピュレータ」と記し、
「クライオスタット」はマニピュレータのうち、寒剤に直接
触れ冷却機能を担う部分という意味で用いる。図 5 に ARPES 測定装置の概要を示す。
図 5: ARPES 測定装置の概要
1.4.3
ARPES における低温測定とマニピュレータの基本構造
一般に試料や測定装置を室温より低い温度に保つには、液体窒素や液体ヘリウムなどの寒
剤を用いる。試料をマニピュレータの試料台上に保持し、寒剤を装置内に導入して試料を冷
却することになるが、ARPES ではマニピュレータの構造に一定の制約が課されることにな
る。まず、測定は真空中で行う必要がある。試料の表面汚染を抑制するために 10−8 Pa 程度の
超高真空が必要であり、これは真空用の金属製チャンバーとターボ分子ポンプなどの高性能
ポンプを用いることで実現される。寒剤を試料のある真空チャンバ内に直接導入することは
できないため、試料を乗せる部分 (被冷却部) が、中空構造をもつ筒状のクライオスタット先
端に接触する形で取り付けられている。トランスファチューブを通して中空菅内部に液体ヘ
リウムなどの寒剤を流すことで、被冷却部を間接的に冷却することができる。このような冷
却機構をヘリウム連続流型クライオスタットと呼ぶ (図 6)。また ARPES では光源からの光
を試料表面まで取り入れ、放出された電子を広い角度範囲で検出する必要があるため、光と
9
電子の経路に干渉が無いような構造にしなくてはならない。さらに電子スペクトルの広い放
出角に対する依存性を見るためには、試料あるいは電子検出器の位置・角度を調整する機構
が必要となる。このような駆動機構を備えたマニピュレータとして、試料を前後左右上下に
動かす x,y,z 軸と水平 (Polar) 回転の θ 軸、および地面に対して垂直な角度に試料を動かすた
めのチルト (tilt) 回転の ϕ 軸の 5 つの駆動軸を備えたものがあり、これらの駆動軸を備えた
ものは 5 軸駆動マニピュレータと呼ばれる (図 7)。5 軸駆動マニピュレータではその構造上、
駆動部分と試料台の間で熱抵抗が大きくなり、冷却性能が制限される。これを改善するため、
試料台をクライオスタット先端から熱伝導の良い材質で直接繋いで熱的に接触させるなどの
工夫がなされる。ARPES 測定を行うには、この熱的接触を保ちつつ駆動軸を滑らかに動か
す必要があるため、この熱伝導経路には熱伝導度が高くフレキシブルな金属製ブレードなど
が用いられる。
図 6: 冷却機構
図 7: チルト駆動機構
1.4.4
標準的な製品化マニピュレータの例：R-DEC 社 iGONIO
ARPES の特徴を踏まえ各研究機関や企業などで ARPES 測定のためのマニピュレータが作
成されているが、日本の ARPES 装置で多く採用されている製品化マニピュレータの例とし
て、R-DEC 社の iGONIO がある。チルト回転を含む 5 軸機構を備えた製品では 10 K の冷却
到達温度が実現されている。一般的な 5 軸マニピュレータではこの程度の到達最低温度を有
するものが多い。
10
1.4.5
各地の高分解能光電子分光装置と冷却性能
以下では世界各地の放射光施設などで主に稼働している光電子分光装置とその冷却機構に
ついて、いくつか例を挙げる。
まず、チルト軸を含まないものではあるが、液体 4 He クライオスタットを用いた極低温で
の測定を可能にした本格的な低温光電子分光実験の先駆け的な研究として東京大学物性研究
所の辛グループによる到達温度 2 K 以下の光電子分光装置の開発が挙げられる [16][17][18]。
海外の先進的な放射光 ARPES ビームラインの例として、米スタンフォード大の Shen グルー
プによる ARPES ビームライン ALS Beamline 10.0.1 では、7 K までの冷却性能が達成されて
いる [19]。国内の放射光施設における ARPES ビームラインの例としては、広島大学 HiSOR
BL-1 および BL-9、KEK-PF の BL-28 などがあり、順に 6 K、10 K、10 K の到達温度を達成
している [20][21]。
また現在の最先端の ARPES 装置として、ドイツの放射光施設 BESSY のグループによっ
て、13 (One-Cubed) という超高分解能を実現する ARPES 装置が開発されている [22]。これ
に用いられているクライオスタットは、寒剤として一般的な液体 4 He ではなく、その同位体
である液体 3 He を用いたものであり、試料部分において 1 K 以下の冷却到達温度が実現され
ている。
液体 4 He を用いたクライオスタットは、このような特殊な冷却機構に比べて大がかりな装
置を必要とせず、建設・運営コストの面で 3 He を用いたものに対し大きな優位性を持つ。現
存する装置において、減圧した液体 4 He 連続流型クライオスタットの先端部の温度は、最低
で 2 K 程度に達することがわかっており、理想的なマニピュレータでは試料を限りなくこの
温度に近い温度まで冷却することができると考えられる。しかし実際の試料部分の到達温度
は 10 K から 6 K 程度であり、コストを抑えつつ試料のさらなる低温化を実現するため、マ
ニピュレータの冷却性能の向上が望まれる。
11
分子科学研究所 UVSOR における光電子分光装置の現状と問題
1.5
愛知県岡崎市の自然科学研究機構分子科学研究所 極端紫外光研究施設 (UVSOR) では、放
射光の高輝度・高指向性を活かした様々な光物性測定が可能なビームラインが運営されてい
る。ARPES 測定が可能なビームラインとして BL5U、BL7U の 2 つが建設されている。BL7U
は光子エネルギー 6 eV∼40 eV の低エネルギー光が使用可能な高分解能 ARPES ビームライ
ンであり、BL5U は 200 eV 程度の比較的高エネルギーまで発生可能な光源を備えた ARPES
ビームラインである。これらを相補的に利用することで物質の電子物性についてさまざまな
情報を得ることができる。
1.5.1
UVSOR BL7U
Intensity (arb. units)
UVSOR BL7U においては、高性能な光源装置および高エネルギー分解能アナライザによっ
て、高エネルギー分解能の ARPES 測定が可能になっている。マニピュレータは既出のアー
ルデック社製 iGONIO を採用しており、現状の試料の最低温度は 12K 程度である。また室温
から冷却を始め、試料が最低温度に冷却するまでに要する時間は 2 時間から 3 時間程度であ
る。
ARPES 装置におけるエネルギー分解能の評価は、十分冷却した試料部近くに蒸着した金な
どの金属の持つフェルミ端に対応する光電子スペクトルを測定し、フェルミ分布関数を用い
て温度によるスペクトル広がりの効果を除く計算をすることによって、純粋な装置分解能の
値を見積もる方法が一般的にとられる。図 8 に、BL7U で得られた試料温度 12K の時の金の
フェルミ端のスペクトル測定結果を示す。
Au
Fermi Dirac Distribution
Convolved with ∆E =
0 meV
2.7 meV (Best Fit)
T = 12 K
hν = 10 eV
BL Exit Slit = 50 mm
Analyzer Slit = 0.1 mm (#1)
Pass Energy = 2 eV
Spatial Mode
15
10
5
0
-5
Binding Energy (meV)
-10
-15
図 8: BL7U で測定した金のフェルミ端のエネルギースペクトル
12
赤い丸が実際のデータ点、緑線は装置の分解能が理想的に 0 とし温度による広がりのみを
考慮した場合のフィッティング曲線、青線は ∆E=2.7 meV とした場合のものである。2 つの
曲線はほとんど重なっており、装置によるエネルギー分解能は 3.8 meV と見積もられるが、
一方で BL7U における最低到達温度 12K における試料の温度ゆらぎの効果 (フェルミ分布関
数の広がり) は約 3.8kB T ≃ 3.9meV と見積もることができる。分解能は各値の 2 乗の和で決
まる。観測されたエネルギースペクトルの誤差に対する試料の温度ゆらぎの効果が支配的に
なっていると言える。つまり現状では冷却能力の限界によってエネルギー分解能の大部分が
決まっており、装置の性能を正しく評価できていない。装置の性能を限界まで引き出すには
より低温まで試料を冷却する必要があると言える。また放射光施設において限られたビーム
タイムを有効に使うには、2∼3 時間という冷却時間は長く、改善が望まれる。
1.5.2
UVSOR BL5U
BL5U は、低光子エネルギーの高精度な光源をもつ BL7U に対して比較的高エネルギー
(5eV-200eV) の光源を持つ ARPES ビームラインとして 2013 年度まで稼働していたが、高機
能化のため解体され、現在は光源装置を含むビームライン全体の新規建設が進められている。
ビームライン設計を一新することにより光源のエネルギー分解能が向上するため、BL7U
と同様の問題、つまり試料の冷却能力の限界によって全体のエネルギー分解能が制限されて
しまうことが予想される。既存の旧 BL5U に搭載されていたマニピュレータを用いた冷却到
達温度は 15K 程度であり、より低温まで温度を変えられる高性能な装置を実現するため、新
装置に向けた冷却性能を持つマニピュレータの作製が必要である。
新光源装置による励起光の自然幅・アナライザによる光電子のエネルギー分解能はともに 1
meV 程度以下が実現される。フェルミ分布によるエネルギー準位の広がりが他 2 つの要因に
よるエネルギー分解能と同等程度の熱ゆらぎを持つことに対応する 3 K(3.8kB T ≃ 1meV) 程
度の冷却性能を有する 5 軸マニピュレータを開発することで、これまでの限界を超える高精
度な ARPES 測定が可能になると考えられる。また装置の低温化によって、超伝導や電荷密
度波など、その多くが 10 K 以下の低温で発現することが知られている物性の起源を ARPES
によって直接調べることも可能になる。
このような基本性能の向上に向けた取り組みに加え、BL5U では、生体材料など空間的に
不均一な構造を持つ材料の電子物性の顕微測定や、磁性薄膜やトポロジカル絶縁体などの新
磁性材料などのスピン自由度が物性発現に重要な物質のスピン依存電子物性の測定を実現す
るため、集光ミラーを用いた顕微系の構築やスピン検出器の高検出効率化など、各要素技術
の開発も行われている。
多機能かつ高性能な ARPES 測定が可能になることで、様々な物質の電子物性を明らかにす
ることが可能になれば、上記のような新奇材料・デバイス開発のさらなる進展が期待される。
1.6
試料の温度制御と低温化で予想される新たな問題
試料や装置の低温化に付随して新たな問題の発生が予想される。以下にその概要を示す。
13
1.6.1
低温における分子の吸着と試料の表面汚染
温度に対する電子状態の変化を見る際、寒剤による冷却と抵抗線ヒータなどによる加熱を
同時に行い、流入／流出する熱量を適切に保つことで被冷却部の温度を制御する。装置の冷
却能の改善によってより低い温度まで冷却された物質を昇温する際、以下で述べるような問
題を改めて考慮する必要がある。
図 9 に様々な気体分子の平衡蒸気圧の温度依存性：蒸気圧曲線を示す。室温から低温へ行
くに従って各気体分子の蒸気圧は小さくなっていき、気体になれなかった分子は周りの物質
の表面に吸着する。この状態から物質の温度を上昇させると、それに伴い蒸気圧の値は大き
くなっていくことがわかる。つまり吸着状態にあった分子の一部が熱エネルギーをもらって
吸着状態から解放され、真空の空間に飛び出していく。特に 10 K 以下の低温において、水素
分子やネオンの蒸気圧が温度に対し急峻に変化することから、昇温に伴い大きな吸着分子の
脱離 (脱ガス) が起こることがわかる。
図 9: 各種気体分子の蒸気圧曲線 [23]
この飛散した分子は装置内部の真空空間を飛び回り、周りの物質と衝突してエネルギーを
失っていく。この時、脱ガスによって飛び出た分子が、測定する試料表面を劣化させること
が知られており、これは次のように ARPES 測定にとって深刻な問題をもたらす。
一般に光電子分光は物質表面の状態に敏感である。新 BL5U で建設されているような真空紫
外光 (10-数百 eV 程度の領域) を用いた光電子分光における電子の脱出深さは数 nm のオー
ダーであり、測定される電子状態は試料の表面の吸着分子や凹凸などの影響を非常に受けや
すいことが知られている。そのため測定の際には温度上昇による脱ガスを抑え、試料の清浄
表面に不純物分子が衝突したり吸着してしまうのを避ける工夫が必要となる。
14
1.6.2
温度制御手法に求められる性能
温度制御に必要とされる要素とその方法について考える。まず脱ガスの総量は、系の初め
の温度と到達温度で決まるため、低い温度からある目標温度まで昇温する場合、目標温度ま
で到達させるのにかける時間が長いほど、単位時間あたりの脱ガス量は減少する。試料槽の
真空ポンプの排気能力に比べて十分小さい単位時間当たりの脱ガス量に抑える必要がある。
また時間的に発熱量や冷却量がゆらぐことで、装置内に不均一な温度分布が生まれ、局所
的な脱ガスが連続して起こると予想される。ことため出力の時間に対するゆらぎは小さいほ
ど良いと考えられる。つまり昇温にかける時間の調整が可能で、かつ発熱量および冷却能を
できるだけ安定に制御できる方法が必要となる。温度制御は冷却能力と熱流入 (発熱) 量の一
方あるいは両方を操作することによって行われる。ここで冷却能力に対応する寒剤の流量の
制御については、トランスファチューブ先のニードルバルブなどを手動で開閉・調節すること
で行うのが一般的である。このような手動の流量調整は加減が難しく、再現性は使用者個人
の経験と勘に依存するところが大きい。また加熱方法に関しては、後述の抵抗線ヒータなど
を用いた PID 制御を採用することが多いが、流量の違いによって加熱側の最適な制御条件も
異なることが予想される。使用者を選ばず試料の安全性も考慮した温度制御を実現するには、
冷却能力と加熱量の両方を安定に、再現性よく制御できるシステムの構築が不可欠である。
1.7
研究の目的
以上のような背景から、新奇機能性物質の探索や電子物性を利用したデバイスの開発に向
けて、より広範な物質の電子物性を明らかにするための高精度な ARPES 測定の実現が求め
られ、これにはマニピュレータの冷却能力の向上および精密な温度制御方法の構築が必要で
ある。これを承け本研究では、分子科学研究所 UVSOR BL5U において建設中の ARPES 装
置の高性能化を目的として、低温 5 軸マニピュレータの新規設計開発、およびヘリウム流量
とヒータ出力の同時制御による精密な温度制御システムの構築と性能評価を行った。
以下、第 2 章では冷却と温度制御に関する一般的な議論、第 3 章では実際に作成したマニピュ
レータの性能評価を行うため構築した評価装置の概要と各部の詳細、第 4 章では冷却能力の
改善のため行った実験の結果と最終的な冷却性能、第 5 章では温度制御系の構築に関する実
験とその結果について述べ、第 6 章は本研究の総括と今後の課題について述べる。
15
予備知識：冷却と温度制御の基礎
2
本章では低温冷却技術および温度制御技術の基礎について述べる。
2.1
熱輸送の形態
温度の異なる物質間での熱エネルギーが移動するメカニズムについて、熱伝導、熱伝達、
輻射の三つが知られている [24]。熱伝導は固体や液体の間で電子の拡散や格子振動などによっ
て熱エネルギーが運ばれる現象であり、熱伝達は空間を満たす媒質分子の対流によって熱が
伝えられる現象である。輻射は有限の温度を持つ物体から電磁場の形でエネルギーが運ばれ
る現象で、真空中でも熱エネルギーを運ぶことができる。光電子分光においては試料の表面
汚染を防ぐため、装置全体を超高真空槽 (P < 10−8 ) に保つ必要があり、この圧力では真空容
器中に残った気体分子の運ぶ熱流は金属部分の熱伝導による熱流や輻射による影響に比べ無
視できるほど小さくなる。
2.2
冷却における三要素：熱容量、熱伝導、輻射
物質を冷却する際には、その比熱や大きさ、熱流の通る経路の界面熱抵抗や高温の外部か
らの輻射・熱伝達による熱流入の量が重要になる。
「物質全体の温度を 1K 上昇させるのに要
するエネルギー」を熱容量と呼び、一様な物質では比熱と総質量の積で与えられる。熱容量
は物質の比熱が大きいほど、また質量が大きいものほど大きくなるため、被冷却部分を小さ
く設計することで冷却性能を改善できると考えられる。
装置の外部からの輻射による熱流入を効果的に低減する方法として、ラディエーションシー
ルド (シールド) の導入が知られている。被冷却部を覆う形で金属筐体を取り付け、外からの
輻射を反射・吸収させることで被冷却部への輻射による熱流入を減らすことができる。また
シールド自身も輻射の発生源となるため、被冷却部と同様に冷却する。シールドは試料を完
全に覆う必要があるが、ARPES では入射光と放出電子の通り道を開けた構造にする必要が
あり試料を完全に覆うことはできない。このため完全に輻射の影響をなくすことは難しいが、
被冷却部をできる限り覆う形にすることで輻射による熱流入をある程度低減できることがわ
かっている。
16
3
マニピュレータの性能評価用装置 (評価装置) の構築
本研究ではまず初めに、試作した新 BL5U に導入するマニピュレータの冷却性能評価と温
度制御実験を行う装置 (評価装置) を構築した。(図 10) 評価装置はマニピュレータの試料部
分を真空に保つための真空系、マニピュレータ内のクライオスタットに寒剤を供給／回収す
るための冷却系、各部分の温度測定・温度制御を行う温度測定制御系からなる。以下ではこ
の評価装置を中心に、本研究を通して構築した装置の概要および用いた部品、温度制御手法
などについて述べる。
図 10: 本研究で構築した評価装置の外観
17
3.1
3.1.1
真空系および冷却系
真空系
前述のように ARPES 測定を行う上で、試料部まわりを真空に保つことは必須である。実
際のビームラインに導入する際には複数の高性能ポンプやベーキングと呼ばれる焼き出し作
業によって 10−8 Pa 程度以下の超高真空を作ることになるが、冷却試験の目的には外部から
の熱流入の原因となる熱伝達を断つこと、結露を防ぐことができれば十分である。この目的
のため本研究で用いた真空系の模式図を図 11 に示す。マニピュレータ本体とポンプ、真空
ゲージからなる試料槽と、液体 (気体) ヘリウムが流れる流路とポンプおよび真空ゲージから
なる寒剤槽からなる。試料槽内はチャンバーに取り付けたスクロールポンプおよびターボ分
子ポンプによって高真空 (< 10−5 Pa) に保たれている。試料槽に取り付けられた真空ゲージ
の示す圧力 (真空度) は、室温時 (293K) で 3 × 10−5 Pa 程度、冷却時の最低温付近 (< 10K) で
は 6 × 10−7 Pa 程度であった。
3.1.2
冷却系
寒剤を用いた冷却系について図 12 に示す。本研究で作成したマニピュレータの冷却には
JANIS リサーチ社製液体ヘリウムクライオスタットを用いた。後述のように昇温用ヒータを
内蔵している。液体ヘリウム容器からニードルバルブとトランスファチューブを通してクラ
イオスタット内部に寒剤を導き、回収側の圧力とニードルバルブの開き具合を適切なバラン
スに調節することで、中空の底付近で寒剤を蒸発させ大きな冷却能力を得ることができる。
回収側にはルーツポンプを置いて定常的に減圧しておく。流路途中に設置したピラニゲージ
で蒸発後の気体ヘリウムの圧力を測定し、これを指標にニードルバルブを調節することで冷
却能力をある程度制御できる。この精度は使用者個人の技量と勘に依存するところが大きい。
図 11: 真空系の模式図
図 12: 液体／気体ヘリウムの流路
18
図 13: マスフローコントローラ (MFC)
3.1.3
気体ヘリウム用マスフローコントローラ (MFC)
温度制御は冷却能力と加熱能力を適切に制御することで実現できるが、このうち冷却能力
はヘリウムの流量に対応し、先に述べたように手動でニードルバルブを調整する従来の方法
でヘリウムの流量を精度よく制御するのは困難である。本研究では特に温度制御システムの
構築の際に冷却能力に対応する気体ヘリウムの流量を再現性よく制御するため、KOFLOC 社
マスフローコントローラ MODEL8550(MFC) を導入した 13。冷却系の吸引ポンプの流路に
挟みこむ形で使用し、蒸発した寒剤気体の流量の読み取りおよび制御が可能である。また流
量の制御をせず測定のみを行う Open モード、流量を測定し設定した流量に自動的にコント
ロールする Control モード、流路を完全に閉じる Close モードの 3 つのモードがあり、RS232C
通信を通して命令を送ることでこのモードおよび設定流量の切り替えが可能である。Control
モードでは、ニードルバルブ等を使った手動操作では不可能な精度および再現性をもってヘ
リウム流量を制御できる。流量の単位はリットル毎分 (lpm) である。本研究で導入した MFC
における制御可能な流量の範囲は 5-100 lpm、測定精度は 2 lpm で 0.0 から 100.0 lpm まで、
± 1 lpm の精度で流量制御が可能であり、本研究の温度制御実験において十分な精度で流量
制御が可能であることを確認した。
3.2
3.2.1
温度測定・制御系
温度センサおよび温度コントローラ
BL7U マニピュレータおよび旧 BL5U マニピュレータでは試料台部分およびクライオスタッ
ト先端の内部にそれぞれ 1 つずつ温度センサが設置されており、新設計マニピュレータにお
いてもこの 2 箇所に温度センサを設置した。冷却の様子を詳しく見るため、最終的な構成で
は試料台部分、クライオスタット内部、金蒸着位置、シールド壁面の 4 箇所にそれぞれ同じ
温度センサを設置した。マニピュレータ内に取り付け、温度コントローラと配線した。各温
度センサの位置関係を図 14 に示す。温度センサの配線にはエナメル線で被覆された銅線を
用いた。実際には配線をクライオスタットのシャフト部分に巻き付け、一定間隔ごとに金属
線を巻き、押し付けるようにした (サーマルアンカー: 図 15)。これにより配線内には十分緩
やかな温度勾配が形成され、室温であるコントローラ周辺の配線から温度センサ本体への熱
流入を防ぐことができる。このようにして各部位に設置した温度センサの電圧を温度コント
ローラを用いて測定することで、各部位の温度を測定した。なお温度センサには LakeShore
社シリコンダイオード温度センサ DT-670-SD を用いた。1.4 K から 500 K の範囲で温度測
19
定が可能であり、305 K 以下で ±0.5 K の絶対精度が保証されている。温度を読み取るため
の温度コントローラとして Scientific Instruments 社 MODEL 9700 を用いた。温度センサは
DT-670 標準規格に従っており、10 µA の電流を流したときの電圧を測定することにより温度
を測定できる。
図 14: 温度センサとコントローラ
図 15: サーマルアンカー
3.2.2
昇温用ヒータと制御系
試料の昇温を可能にするため、抵抗線ヒータを用いた。ヒータはクライオスタットに内蔵さ
れており、内部の温度センサと共に温度コントローラに接続されている。GP-IB 通信によっ
てコントローラの回路に命令を与え電流を 0 1 A の範囲で調節し、出力を百分率で制御する
ことができる。抵抗の値は室温で 50 Ω であり、最大出力は 50 W である。
過熱によるヒータ自身の損傷を防ぐため、出力に上限を設定する。本研究では過去の故障
事例からこの上限値を 40% に設定した。
3.2.3
PID 制御
以下では加熱能力すなわちヒータ出力の制御手法について述べる。PID 制御 (P 制御、PI
制御) は、現代において最も普及しているフィードバック制御手法であり、科学研究や製造業
において広く用いられている [25]。PID 制御では時間変化する制御量 (温度) に対して操作量
(ヒータ出力の補正) に 3 種のフィードバックをかけることで、目標値まで安定に制御量を制
20
御する。
本研究での温度コントローラを用いた PID 制御において、各時刻 t におけるヒータ出力は
以下の u(t) に比例する形で決定される。
(
)
∫
1 t
dT
u(t) = P ε(t) +
dtε(t) + D
(2)
I 0
dt
ϵ(t) = T (t) − Tset (t) は各時刻における設定温度 (目標値) と測定温度 (制御量) の偏差を表
∫t
し、その積算値 0 dtϵ(t) は t=0 からその時刻 t まで偏差を足し合わせたものである。
本研究で使用した SI 社の温度コントローラには、パラメータと設定値を与えると計算式に従
い自動的にヒータ出力を PID 制御するプログラムが備わっている。各パラメータは非負整数
の範囲で自由に設定できるが、制御量を目的に沿った形で制御するためには、その要求に応
じたパラメータを設定する必要がある。しかし一般的な制御対象に対して最適なゲイン値を
与える代数的方法はないため、実際の系を用いて試行錯誤的にパラメータを探索する必要が
ある。
3.2.4
目標値の設定：Ramp モード
昇温プログラムの作成にあたり、Ramp モードと呼ばれる機能を用いた。以下にその概略
を示す。
本装置で用いた SI 社の温度コントローラには最終的な目標値 (Set Point)(K) と所要時間 ∆t(分)
を与えることで、現在温度から目標値を自動的に書き換えていく機能が組み込まれている。
図 16 のように目標値が時間に対して線形に変化する傾斜型 (ramp 関数) になるよう、各時刻
ごとの目標値 (t) を設定することで温度を滑らかに上昇させていくことが可能である。目標
温度との偏差を抑えながら実際の温度を単調に上昇させることで、脱ガスの原因となるヒー
タ出力の過剰な反応を防ぐことができる。また最終的な目標温度までの時定数を実質的に任
意の長さに調節できる。
図 16: Ramp 関数型の目標値の時間発展
21
3.2.5
NI LabVIEW で作成したプログラム
Ramp モードと PI 制御を組み合わせることにより、最低温度から任意の時間で目標温度
まで安定な制御が可能なシステムを構築することを試みた。実際の制御は制御用アプリケー
ションを用いて各機器と通信を行い、一つのコンピュータで自在に温度制御が可能なものを
目指しプログラム作成に取り組んだ。本研究では National Instruments 社の提供する計測制
御用アプリケーション LabVIEW を用いて、図 17 のような測定制御プログラムを作成した。
詳細な説明は省くが、これを用いることで各温度センサの温度を時事刻々測定できる。また
プログラム上の簡易的な操作でコントローラへ命令を送り、PID 制御を用いた温度制御プロ
グラムを動作させることができる。適切な PID パラメータと ramp モードに対応する目標温
度と到達時間を与えることで、昇温速度も含めて試料の温度を制御できる。
図 17: LabVIEW による測定プログラムの全容
22
4
到達最低温度および冷却速度の改善
本章ではまず構築した評価装置を用いた旧 BL5U マニピュレータについての冷却実験の結
果を述べ、続いて新設計マニピュレータの設計指針、性能評価および改善のための取り組み
とその結果を示す。
4.1
旧 BL5U マニピュレータの性能評価
本研究で構築した評価装置を用いた冷却性能の比較対照実験として、旧 BL5U マニピュレー
タの冷却実験を行った。MFC を導入していない BL7U および旧 BL5U の ARPES ビームライ
ンでの実験条件と合わせるため、ヘリウムの流量は冷却系のピラニゲージが示す圧力を見な
がらニードルバルブを開閉して調節する方法を採用し、この圧力がおよそ 1.0 × 104 Pa とな
るようにした。この圧力 (流量) は UVSOR BL7U の ARPES 装置において、経験的に試料を
最低温度まで冷却することができる値を参考に決定した。一定の流量を保ったまま試料部分
の温度を測定し、温度変化を観察した。十分変化が小さくなり、ある温度を中心にゆらぐよ
うなふるまいを見せたところでマニピュレータ全体が冷え切ったものと判断し、これを各条
件におけるマニピュレータの到達温度とした。いずれの場合も冷却を始めてから 120 分ほど
で変化が止まったものと判断した。流量を変えてもこれより低い温度にはならなかった。
4.1.1
温度計ー試料台間への金箔挿入の効果
各部分の温度を正確に測定するためには、温度センサをしっかりと測定部位に接触させて
固定することが必要である。面と面とををネジなどで締め付けて固定する場合、不均一な応
力による歪みの発生が避けられず、正確に面と面を合わせることは一般に難しい。この歪み
のために有効な接触面積が小さくなり、この接触面における熱伝導度は理想的な接触を仮定
したものより小さくなる。これを改善する方法として熱伝導率が高く柔らかい箔状の金属、
例えば金やインジウムなどを間に挟み込み圧着する方法が有効であり、本実験でも厚み約 500
µm の金箔を加工して温度センサと試料台の間の接触部分に挿入し、実効的な接触面積の改
善を図った。同様に到達温度の測定を行った結果は 14.02 K となり、金箔を挟まない場合と
比べて 1 K 以上の差がある。確実な温度測定のためにはこの工夫は必須であると言え、以後
すべての実験において、設置した温度センサと測定部位の間に金箔を挿入し、さらに組み立
ての際熱的接触が不十分になり得る部分 (例えばクライオスタット先端と被冷却部の接合部
分) にはすべてその形に沿った金箔を挿入することとした。
4.1.2
ラディエーションシールドの効果
上述の金箔を施し、さらに新設計マニピュレータ用に作成したラディエーションシールド
と同じ構造のものを導入した場合の実験を行った。銅で作られた筐体に金メッキが施されて
おり、これにより室温からの熱輻射を効果的に軽減することができる。この場合の到達温度
は 11.08 K となり、大幅な到達温度の改善が見られた。
23
4.1.3
旧 BL5U マニピュレータのまとめ
最終的に旧 BL5U マニピュレータにおける最低到達温度は 11.08 K となった。
シールドの導入や金箔挿入などの工夫である程度冷却性能を改善できることがわかったが、
さらなる性能向上のためには全体のデザインを変える必要があると言える。各測定条件の模
式図と到達温度を図 18 に示す。
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温度計金箔
なし
あり
あり
シールド 到達温度(K)
なし
15.81
なし
14.02
あり
11.08
図 18: 旧 BL5U マニピュレータの各実験の到達温
度。ヘリウム流量はいずれも 1.0×104 Pa, 冷却時間
は 120 分程度。
24
4.2
4.2.1
新設計マニピュレータの作成
設計の指針
図 20 に作成した新設計マニピュレータの模式図を旧 BL5U(図 19) のものと比較して示す。
図 20: 新 BL5U のマニピュレータ
図 19: 旧 BL5U のマニピュレータ
25
(a) 被冷却部の熱容量低減のための指針を以下に示す。チルト機構に必要な駆動部分につい
て、断熱材 (ポリイミド) を用いて被冷却部との熱的接触を断つ構造とした。図 21 にその詳細
な構造を示す。この断熱によって被冷却部は銅ブレードと試料台部分のみとなり、以前のも
のと比べ熱容量を低減できると期待される。被冷却部から熱的に分離された駆動部分 (ウォー
ムギヤ周辺) はシールド側と熱的に接触しており、シールドと共に徐々に冷やされていく。ヘ
リウムを流して冷却する際、熱流の通る経路のイメージを図 22 に示す。
図 21: 試料台と駆動部分の断熱構造
図 22: 冷却の際の熱の流れのイメージ
26
(b) クライオスタット先端と被冷却部の間の熱伝導を改善するため、以前使われていたもの
より太く熱伝導度の大きな銅ブレードを導入した。効率よく熱を伝導させるには密度が高く
太いブレードほど熱伝導度が大きく良いと考えられるが、シールドに干渉しないことやチル
ト駆動機構への負荷の増大による空転・破損が懸念されることから、図 23 のような直径 8mm
程度の柔軟な銅ブレードを用いることとした。取り付けの際にはチルト軸を駆動させ、これ
がシールドに当たらず駆動機構の邪魔にもならないことを確認した。また温度センサと測定
部位の接触部分や組み立ての際ネジで接合する部分には接触面積を大きくするための金箔を
挟んだ。クライオスタットと被冷却部は図 24 のように銅ブレードを介して接続されている。
図 23: 新設計マニピュレータに用いた銅ブレード
図 24: 新設計マニピュレータの被冷却部
(c) すでに (a) でも触れたが、周囲からの熱輻射の影響を最小限に抑えることを目的として、
図 25 のようなラディエーションシールドを新たに作成した。これは被冷却部と別の位置 (図)
でクライオスタットの軸と接しており、取り付け部分を通して被冷却部と同時に冷却される。
4.2.2
温度計の追加
詳細に冷却性能を調べるため、図 26 に示すように新設計マニピュレータに 4 つの温度計を
取り付け、各温度の時間変化を自動で測定するプログラムを作成して冷却実験を行った。ク
27
図 25: シールドを取り付けた外観
28
ライオスタット先端 (クライオ)、試料台横 (試料)、金蒸着位置 (金)、ラディエーションシー
ルド壁面 (シールド) に取り付けられた各温度計が示す温度をそれぞれ Tcryo , Tsamp , Tgold , Trad
で表す。
図 26: 各温度計の位置
29
4.3
新設計マニピュレータの性能評価
新設計マニピュレータの冷却性能を見るため、旧 BL5U マニピュレータと同様の方法で冷
却実験を行った。各箇所の温度を測定しながらおよそ 1.0×104 Pa の一定流量になるようにし
て冷却実験を行った。各部分の温度の時間変化を図 27 に示す。横軸が時間 (秒)、縦軸が各温
度計で読み取った温度 (K) である。青線がクライオ先端の温度 Tcryo 、黒線が試料部分の温度
Tsamp 、緑線が金蒸着部分の温度 Tgold 、赤線がシールド外壁の温度 Trad に対応する。試料、ク
ライオ、金位置はある時刻から冷却されていき、20 K 程度以下のある温度域に来たところで
急激に変化速度が小さくなった。シールドはこれらに数十分単位の遅れを伴い追随する形で
より遅い変化速度で冷却されている。冷却開始からおよそ 150 分経過した時点での最低試料
温度は 6.75 K、金蒸着位置の温度は 4.16 K であった。
図 27: 冷却性能実験の結果
30
4.3.1
シールドからの輻射による冷却速度の律速とその改善
図 28 は上記の冷却実験の結果と同じグラフを試料温度とシールド温度についてのみ示した
ものである。冷却速度が大幅に変化する点を過ぎた後も少しずつ試料温度は下がり、シール
ドが一定温度になった時刻付近で変化が止まっている。さらに図 29 の水色の曲線は同じデー
タにおける Tsamp と Trad の差を表しており、特に冷却開始から数分後の領域では 250 K 程度
の温度差があり、ポリイミド素材による断熱化の試みはうまく機能していると言える。
これらのことから、試料温度がすぐに下がりきらないのはまだシールドが高温であり、試
料部分がシールドからの輻射による熱流入を受けているためであると考えられる。試料を最
低温度まで冷却するにはシールド温度 Trad が十分下がるまで待つ必要があり、シールドの冷
却速度が向上すれば全体の冷却時間はより短くて済むと期待される。
図 28: 最低温度近くでの試料温度のふるまい
31
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"
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図 29: 試料とシールドの間の温度差
32
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さらに複数回マニピュレータを組み立て直して測定した各場合について、シールドの温度
変化の様子を図 30 に示す。ここで同じ実験条件であるにもかかわらずシールドの冷却時間に
は約 90 分から 150 分程度の大きなばらつきが見られた。これはシールドの取り付け機構が図
31 のように曲面どうしを重ねてネジで (不均一に) 締め付ける方式であることから、取り付
けの際の力加減などによって実効的な接触面積が大きく異なり熱伝導度にばらつきがあるこ
とによるものと推測した。この影響によって全体の再低温までの冷却時間が大きく変動する
ことになり、より短時間の冷却を可能にする改善の余地があると言える。具体的には温度セ
ンサや他の接合部と同様にシールド本体やクライオスタットとの接触部分に金属箔を挿入す
る方法が考えられるが、この取り付け方式では比較的手軽な方法である金属箔の挿入が難し
い。この問題を解決するにはシールドの構造を見直す必要があると言える。
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*2
*3
*4
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図 30: シールド温度の冷却データ
図 31: シールドの装着方法
そこでシールドの取り付け方式を初期のもの (図 32) から図 33 のような方式に変更した。
締め付け部分の半分は筒状の部分と一体化しており、クライオスタット軸に取り付ける際に
錫箔を挟むことで熱抵抗を低減できる。これを用いた冷却実験の結果を図 34 の D, E に示す。
シールドの冷却速度はここまで測定した中で最も速かった A のデータと比べても明らかに速
くなっており、再現性も改善している。シールドの設計変更の目的は概ね達成したと言える。
33
図 33: 新しく作成したシールド構造
図 32: 以前のシールド構造
図 34: シールド構造変更後の Trad の時間変化。
34
4.3.2
銅ブレードの銀ロウ付け一体化による熱抵抗の低減
新設計マニピュレータにおける到達温度は 7 K 付近まで改善したが、ほとんど条件を変え
ていない場合でも組み立てなおすたびに到達温度が変化する (最大で 9 K 程度) ようなふるま
いが見られた。この原因として特に大きいと考えられるのは、銅ブレードとクライオ先端部
との接触機構である。図 35 のように、銅ブレードを別の部品とネジで押さえるような仕組み
になっており、金属である銅のブレードをどれだけうまく押しつぶして接触面積を稼げるか
が重要である。このような再現性の問題を含めた冷却性能のさらなる向上のため、ブレード
部分とクライオ先端の接続部分を図 36 に示すような銀ロウ付け加工 [4] による一体化された
構造のものに変更した (「銀ロウ一体化」と略す)。
図 35: これまでの銅ブレードの取り付け
図 36: 銀ロウ付けにより一体化された被冷却部
35
同一流量下における銀ロウ一体化の前後での試料の到達温度の違いを図 37 に示す。到達温
度は初回の実験でそれぞれ 5.38 K、4.06 K まで更新した。
図 37: 銀ロウ一体化前後の冷却性能の比較
36
4.3.3
最低到達温度の流量依存性
ヘリウム流量を変化させた時の試料の温度がどのように変化するかを示す。全体が最低温
度まで冷え切った後で、少しずつニードルバルブを開閉して十分流量が安定するまで待った
時の試料の到達温度の流量依存性を図 38 に示す。横軸は冷却系のピラニゲージで見た圧力で
ある。9.0 × 103 Pa 付近に極小値が存在し、流量を増やし続けると試料の温度は少しずつ上
昇していくことがわかる。つまり試料の温度が最小値 (極小値) をとる最適な流量が存在し、
結果的に冷却実験の最初に目安とした 1.0 × 104 Pa は最低温度を実現する値に近い値であっ
た。ここから多少流量を調整することにより、最適な状態を見つけることができる。流量を
最適値付近の一定値に保ちシールドを含めた装置全体が冷却されるまで待ち、そこから少し
ずつ流量を微調整する方法によって 0.1 K 程度の範囲で最低温度を再現できた。またさらに
流量を小さくしていった時の試料の最低温度の変化を図 39 に示す。流量が小さくなるに従い
温度は単調に増加し、ある流量を下回ると急激に温度が上昇してしまうことがわかった。こ
のとき温度の時間発展はゆるやかではあるが同一流量で安定せず、10 時間程度待っても平衡
値に達しないことを確認した。これよりヘリウム流量の直接制御による温度の制御は、目標
とする温度が高くなると難しくなると言える。
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図 38: 流量 (圧力) と最低温度の関係：高流量・再
低温付近
4.4
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31#
4567-.8*0
図 39: 流量 (圧力) と最低温度の関係：低流量
最終的な冷却性能
上記の取り組みの後、ここまでの実験で太さの違うフレキシブルチューブを変換アダプタで
接続して使用していたものを、適切な太さのものに取り替えることで冷却系の最適化を図っ
た。最適流量下 (≃ 9.0 × 104 Pa) での最終的な試料の到達温度は 5.00 K、金蒸着位置は 3.98
K を達成し、マニピュレータ全体の冷却に要する時間は 70 分程度となった。この温度におけ
るフェルミ分布関数の広がりは試料位置で約 1.6 meV、金蒸着位置で 1.3 meV となり、これ
よりも高いエネルギー分解能を備えた光源やアナライザと合わせてより精密な ARPES 測定
が行えるものになると考えられる。
37
%
'"1"2'"
5
マスフローコントローラ (MFC) を用いた温度制御系の開発
前章で作成した新マニピュレータの到達温度は 5.0K を切り、試料の温度を制御した測定の
際には 1.6 節で述べた昇温に伴う脱ガスによる試料汚染の危険が大きい。(図 40) 本章では温
度を制御した ARPES 測定を安全かつ精密に行うための制御方法の検討、MFC を導入した冷
却系とヒータ出力の PI 制御を組み合わせた温度制御システムの構築および最適な制御条件
の探索について述べる。
図 40: 温度上昇に伴う脱ガス量
5.1
MFC の導入と流量操作による温度制御
第 4 章の最後に示したように、ヘリウム流量には試料を最低温度まで冷却できる最適値が
存在し、本評価装置で得た最適流量に対応する圧力は冷却系のピラニゲージで見ておよそ
9.0×103 Pa であった。バルブを操作してから流量が安定するのに数分から数十分程度の時
間がかかり、安定した値を確認してからさらに微調整を続けるため、精度よく流量を調整す
るには相応の時間と手間がかかる。バルブの開閉の際は繊細な力加減が必要となり、手動の
ニードルバルブのみを用いる方法では温度調整の精度や試料の安全性は利用者の勘と技術に
依存すると言える。さらに低流量においては第 4 章に示したようにある流量を越えると冷却
能力が大きく変化し、試料の温度が制御できずに上昇していくふるまいが見られた。このよ
うに手動で冷却能力を制御する方法では技術的な難しさがある上、10 K 程度より高温での測
38
定は難しく安定に制御可能な温度が限られていると言える。まず流量制御をより精度・再現
性よく行った温度制御を実現するため、冷却系にヘリウムの流量を測定・制御可能なマスフ
ローコントローラを導入した。詳細は 3 章に示した通りである。
5.1.1
MFC による流量操作と温度制御
%&'()&**+,-.*&/-0*123'4
MFC による流量操作とこれまでの流量の見積もり方の対応を確認するため、MFC を導入
した冷却系にヘリウムを流しながらニードルバルブの開閉や Control モードの設定値の増減
を行い、冷却系のピラニゲージの示す圧力と MFC の示す流量を記録した。複数回測定した
結果を図 41 に示す。各測定においてすべての点が同一曲線上にあり、良い再現性をもってこ
れらが対応していることがわかる。これまで行っていた冷却系の圧力を指標に流量を見積も
る方法はある程度 (MFC の精度) の範囲で正しい情報を与えていたと言える。以下の流量を
制御した実験では流量の単位としてすべて MFC の示す単位 lpm:(リットル毎分) を用いる。
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図 41: 冷却系のゲージ圧力と MFC 流量の関係
さらに図 42 に MFC を通した冷却系において基準となる流量 (ニードルバルブの開閉によ
る) を固定し、実際の流量を MFC を用いて操作した場合の試料の到達温度を示す。複数回の
測定において流量の操作精度 (2%) の範囲で温度にも再現性があり、流量の操作によって温
度を制御できることを確認した。低流量側では手動の場合と同様にある流量以下で安定な温
度が急激に上昇するふるまいが見られた。
流量に対し試料温度は系統的に反応しており、MFC による流量操作によって冷却能力を一
定の値に固定することが可能になったと言える。ただし操作精度 2% の範囲に対応する温度
領域で変動し、さらに低流量時の比較的高温領域においては手動の方法と同様に試料温度の
急激な変化がある。このため流量のみを操作することによってに試料温度を任意の値に制御
39
Tsamp (K)
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
Flow (l/min)
50
図 42: MFC を導入した時の試料温度のヘリウム流量に対する依存性
することは、MFC を導入した場合でも難しいと言える。そこで以下では流量を一定に保ち
つつクライオスタット内部に取り付けたヒータの出力を制御することで、冷却と加熱を同時
に行う温度制御手法を検討することにした。
40
5.2
5.2.1
実験の方法と昇温条件の検討
制御方法
以下では MFC とヒータを用いた温度制御の方法の検討について述べる。
脱ガスを最小限に抑えた実用的な温度制御を実現するためには、まず試料温度およびヒー
タ出力の急激な変化や各設定温度に対するオーバーシュートを抑えることが必要となる。評
価装置の温度コントローラは、接続されている任意の温度センサの示す温度を制御量 (出力)、
ヒータ出力を操作量 (入力) としたフィードバック制御が可能になっている。制御量の値と制
御パラメータ (P, I, D) を与えることで、3 章で挙げた PID 制御 (P 制御、PI 制御、PD 制御、
PID 制御) を行うことができる。適切なパラメータを設定することでヒータ出力の変動を抑
えながらの温度制御を実現できると考えられる。
ここで試料温度と他の部分の温度が常に一定の関係を保つとすると、よりクライオスタッ
トとヒータに近い温度センサ (Tcryo もしくは Tgold ) を用いて間接的に Tsamp を制御する方法が
より速く正確なフィードバックが可能な点で優れていると考えられる。だが実際にはこれら
の温度が毎回同じように対応するとは限らないこと、また目標温度が試料温度に対応し直感
的に使いやすいと考えられることから、本研究ではフィードバックのための制御量として試
料温度 Tsamp を選ぶこととした。
さらに任意の時間で目標値に到達できるような制御方法が必要となる。昇温に時間をかけ
るほど脱ガスの被害は軽減されるが、実用的には数分から数十分程度が望ましい。3 章で挙
げた Ramp モードの機能により、設定温度 TSet は時刻 t に対して
TSet (t) = T0 +
Tf − T0
×t
∆t
(3)
で与えられる。ここで T0 は昇温開始時の試料温度、Tf は最終的な到達目標温度、∆t は到達
時間である。パラメータとして Tf 、∆t を与えることで任意の時間をかけて到達目標まで昇
温するようプログラムできる。
10 K 以下から 30 K 程度まで温度を制御する際、経験的に 60 分から 90 分程度の時間をか
けて昇温すると試料の汚染を防ぐことができることがわかっている。実際の使用に即した評
価のため本実験ではすべての昇温実験において昇温速度を 1K/3 分に設定した。
また一般に PI 制御において、適切な PI パラメータの値は温度領域によって多少異なる可
能性があるため、目標温度領域を「最低温度から 20 K」と「20 K から 30 K」に分割して実
験を行うことにした。
試料の制御パラメータ (P, I) について各時間 (Time) ごとに試料温度 (Tsamp)、ヒータ出力
(Heter Power)、設定温度 (Set Point) を測定・記録するプログラムを作成した。
5.2.2
ヒータ出力を固定した場合の到達温度の流量依存性
ヒータによる加熱で到達可能な温度の上限を調べるため、一定のヒータ出力と流量に対す
る試料温度の依存性を測定した。結果を図 43 に示す。0% の点はヒータ出力 0、つまり図 42 と
同じものを表し、他の各点はヒータ出力をそれぞれ 10%,20%,30%,35%,38%,40%, に固定し、
流量を操作して温度が安定した時点での試料温度を表す。ヒータ出力の上限のため、この装
置で本研究において目標とした 30K 付近まで昇温するためには流量をおよそ 28 lpm 程度以
41
下に下げる必要があることがわかる。目標温度に到達した上で安定な制御を行うには、出力
の上限に対して多少の余裕が必要なため、本研究における温度制御実験においては流量を全
て 24 lpm に固定した状態から行う。この時の試料の最低温度はおよそ 7.4 K であり、0.2 K
程度の精度で再現性をもつことを確認した。最低温度に対応する 50 lpm 付近から段階的に流
量を変えていくことで、温度のオーバーシュートを防ぎつつこの流量まで到達させることが
可能である。
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図 43: ヒータ出力固定時の (各流量 x 各出力) における試料の安定温度
5.2.3
最終的な実験条件と評価基準
以上の考察から、流量を固定して温度から目標温度まで昇温したとき、(1) 試料温度およ
びヒータ出力の (各時刻の平均値からの) 変動を小さく抑えられること、その上で (2) 設定し
た昇温レートに対する遅れが小さく、一定時間内に目標温度まで到達できること、の両方を
満たす制御パラメータ (P, I) を求めることを目的として、表 1 のような条件下で昇温実験を
行った。具体的な実験結果と解析方法は後ほど示す。
42
制御量 操作量 !"!" 最低温度 昇温速度 設定温度
試料温度 ヒータ出力 24 ± 2 7.4 ± 0.2 1 (K/3分) 7.4～20 K
Tsamp (K) (%) (lpm) (K)
20 K～30 K
表 1: 温度制御の条件
43
5.3
P 制御
同一条件下で最低温度から 20 K まで昇温した際の、試料温度とヒータ出力の変化の様子を
調べた。各時刻の設定温度 (Set Point (K)) は Ramp モードによって図 44 のように変化する。
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$"#"
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*2-3(*/41
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図 44: 設定温度の時間変化
まず比例制御のみ (D=0, I=0:操作量の式で偏差の積算値に比例する項が 0 となる仕様) を
用いて最低温 (7.4 K) から 20K まで昇温した場合の、試料の温度とヒータ出力のふるまいを
図 45 に示す。
P が小さい場合 (P=5, 10, 15) にはヒータ出力は P に依存したある程度の幅のゆらぎを伴っ
て徐々に上昇し、設定温度が一定になったところで一定値をとった。(図 45(b)) このとき試
料温度は目標温度まで届かず (図 45(a))、その後も出力と試料温度は一定値のままであった
(同 (b)、(d) の赤い丸で囲った部分)。
44
図 45: P=5, 10, 15, I=0 で 20K まで昇温した結果。(a): 設定温度に対する試料温度、(b): 設定温度
に対するヒータ出力、(c): 試料温度の時間変化、(d): ヒータ出力の時間変化。
45
またより大きな P、例えば P=30 に対しては試料温度はある程度のゆらぎを伴って 20 K ま
で到達した。この結果を図 46 に示す。この時ヒータ出力は 0 から限界値に定めた 40 パーセ
ントまで変動している ((c))。P=20, P=35 などの場合もほとんど同じふるまいであった。こ
れらの結果から、P が小さい場合には到達温度範囲が、P が大きい場合には出力と温度の安
定性が問題となり、P 制御のみでは試料温度およびヒータ出力を安定に制御するのは難しい
と言える。これに I 制御の項を加えることで温度範囲と安定性がどの程度改善されるのかを
調べ、その中で最適なパラメータを探すこととした。
図 46: P=30, I=0 で 20K まで昇温した結果。(a): 設定温度に対する試料温度、(b): 設定温度に対す
るヒータ出力、(c): 試料温度の時間変化、(d): ヒータ出力の時間変化。
46
5.4
PI 制御
P 制御に加えて偏差の積分値を操作量に取り入れた PI 制御による昇温実験を行った。なお
予測不可能な温度や流量の乱れが少なく外乱に対する即時の応答を要求しない場合には、微
分項 D が制御の安定性を損なうおそれがある。本研究の装置では MFC の導入により外乱と
なりうるヘリウムの流量を乱れなく安定に制御できるため、D 制御を除いた PI 制御を採用
した。
5.4.1
P を固定した時の I の効果
まず I の効果を確かめるため、P=1 に対して I=1, 10, 100, 1000 として昇温した場合の試料
温度とヒータ出力のふるまいの例を図 47(a)(b) に示す。横軸は昇温開始時刻からの経過時間
(秒) である。図 47(c) に見られるように昇温途中では設定温度 (t) は時間に対し直線的に変化
する。図 48(a)(b) は横軸を設定温度 (K) として、温度と出力をプロットしたものである。い
ずれの場合も対しても目標温度 20 K まで到達可能であり、I の値によって各設定温度に対す
る追随具合や出力のゆらぎが異なることがわかる。I が小さいとき試料温度は設定温度に素
早く追随し、逆に大きい時は遅れを伴って追随している。特に I=1000 の場合には明らかに
設定温度が 20 K に到達した後も試料温度・ヒータ出力が上がりきっていない。これは制御式
において偏差の積算値を因子とする項が I に反比例することと対応している。指定したレー
ト通りに昇温するためには I はなるべく小さい方が良いことがわかる。ヒータ出力は設定温
度が上昇するにつれて 0% から徐々に増加していき、ある一定の出力に収束していく。また
I の値によって各時刻における出力の振れ幅は変化している。
47
図 47: P=1 として I を変化させた場合の試料温度と出力と試料温度の時間変化
48
図 48: P=1 として I を変化させた場合の試料温度と出力の設定温度に対するふるまい
49
5.4.2
I を固定した時の P の効果
さらに I=10 として P=1, 5, 10 に対して昇温した結果の例を図 49(a)(b) に示す。
P=1 に対して開始直後では多少の遅れを伴いながらも、設定した昇温時間で目標の 20 K ま
で到達できることがわかる。P の値を大きくしていくと遅れは小さくなっていくが、出力の
ゆらぎは大きくなるようなふるまいを見せた。制御式から見てもこれは一般的な傾向であり、
P は小さいほど細かい出力の制御が可能になり、ゆらぎが小さくなることを示唆している。
図 49: I=10、P=1, 5, 10 とした場合の試料温度と出力のふるまい
50
5.4.3
最適な温度制御条件の評価法
$%&'%()*+,%()-./
ヒータ出力の PI 制御による昇温過程における出力の安定性の評価方法を、(P, I)=(1, 1) の
データを例に説明する。図 50 は最低温度から 20 K まで昇温した際の、設定温度に対するヒー
∑n
タ出力の値である。これを n 次の多項式 f (Tset ) = i=0 ai (Tset )i でフィッティングした。n：
20 次の多項式を用いたフィッティング結果を図 51 に示す。フィッティング曲線は細かくゆら
いでいるヒータ出力の中央付近を通っており、設定温度の全変域にわたって比較的よくフィッ
トできていると思われる。
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!"0"
図 50: (P, I)=(1, 1) の昇温実験におけるヒータ出力
図 51: ヒータ出力のフィッティング曲線 (n=20)
51
得られたフィッティング曲線上の値と実際の値の各設定温度 (Set Point):Tset における差
∆H(Tset ) を計算する。ある設定温度 Tset (t) におけるヒータ出力の平均 H(Tset ) からのずれを
∆H(Tset ) とし、この標準偏差を求めた。これはフィッティング曲線を基準値にした平均二乗
平方根 RM S[∆H(Tset )] を求めたことと同等である。
この値 RM S[Δ H(Tset )] がより小さくなるようなパラメータ (P, I) をこの温度領域におけ
る最適値として採用する。この例における ∆H(Tset ) の計算結果を図 52 に示す。
図 52: 出力の平均値 (フィッティング曲線) からの変動の算出
52
ヒータ出力の変化について、上の例では n=20 のみ示しているが、いくつかの n について
フィッティングを行い算出した ∆H(Tset ) を図 53 に示す。多項式の次数 n を上げていくに従っ
て ∆H(Tset ) はある範囲の値に収まっていくように見え、n=12、n=16、n=20 ではほとんど
同じようなふるまいをしている。微細な振動構造を持つようにも見える。図 54 に示すように
別のパラメータ (P,I) について同様の解析結果を見ると、明らかに求めた ∆H(Tset ) のふるま
いが異なり、I の増加によってある程度抑制されることから、このような構造は (フィッティ
ングの精度の限界によるものではなく) パラメータに依存する本質的な出力のふるまいを表
していると判断した。実際の出力の各設定温度における平均値を、n=20 の多項式で十分近
似できているとして以後の解析を行った。
"#$
)09(:(+5)%9%+
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%#$
$#$
!%#$
!"#$
(356
(357
(35%"
(35%8
(35"$
%$#$
%,#$
-./(0123/()4+
図 53: フィッティング多項式の次数と算出された ∆H
53
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'''''
%&'()*
"#$"
''(05'6'*
(,'5',*'
(,5,""*
"#""
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,"#"
,$#"
-./'0123/'(4*
図 54: 異なる (P, I) に対する Δ H(Tset ) の例
54
+"#"
5.4.4
実験結果：制御の安定性と PI パラメータ
P が大きい領域では昇温過程および定温度時の出力ゆらぎがともに大きくなり、I が小さい
ほど追随が早くなることがわかる。ただし温度安定時のゆらぎは I が大きいほど小さくなる
傾向にあるため、それほど遅れが大きくない場合には大きな I の値を使うことが望ましいと
考えられる。本研究で調べた (P, I) パラメータの中でゆらぎが小さくかつ設定温度に数分程
度で追随できるものとして、(P, I)=(1, 10) が良好な制御特性を示すことを確認した。図 55
に本研究で行った昇温実験のいくつかの (P, I) に対する昇温時のヒータ出力のゆらぎ (RMS)
の値を示す。
主要な (P, I) について RMS の値をまとめたものを表 2 に示す。黄色のマスは安定な制御が
可能 (ヒータ出力のゆらぎが 0.1% 程度以内の範囲) な (P,I) の組み合わせであることを示す。
図 55: 20 K まで昇温する際のヒータ出力のゆらぎの例 (%)
55
表 2: 20 K まで昇温する際のヒータ出力のゆらぎ (%)
56
同様にして行った 20 K から 30 K への昇温実験についても述べる。先の実験と同様にして
20 K まで到達したのち、温度を安定に維持したまま PI を変更した昇温プログラム (20 K-30
K) を書き込むことで昇温を行った。20 K まで安定に制御可能な (P,I) の中から昇温に用い
るパラメータを選択して実験を行った。RMS の値のみを以下の表 3 に示す。(P,I)=(1, 10),
(1,100) などが安定であり、20 K 以下の場合とほぼ同じような傾向が得られた。これらのパ
ラメータを選択しておけば結果的に 30 K までは同一のパラメータを用いて安定な制御が可
能であると言える。
表 3: 20 K から 30 K に昇温する際のヒータ出力のゆらぎ (%)
5.5
最終的な制御方法の検証
ここまで検証されていなかった課題として、最低温度から任意の温度まで (一度の操作で)
昇温可能であるのか、また目標温度に到達した後もその温度を ARPES 測定に必要な時間程
度維持できるかということが挙げられる。特に最低温から直接 30 K まで昇温できるか、20
K より下の温度でも大きな遅れを伴うことなく昇温できるのか、等は自明でなく実際に確か
める必要があった。これまでの実験で得た昇温条件を用いて最低温からいくつかの設定温度
について試料温度が各値で安定していることを示したのが図 56 である。図のように最低温度
からどの温度領域に対しても一定時間内で制御でき、さらに目標温度に到達したのち少なく
とも数十分以上最終設定温度のまま安定させることができることを確認した。
MFC の導入と PI 制御による温度制御プログラムによって、7.4 K 程度から 30K までの任
意の温度へ安定に試料温度を制御できるようになった。当初の目標は概ね達成したと言える。
57
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図 56: 昇温プログラムの実用性の検証：各温度に安定に制御可能
58
6
まとめ
本研究ではまず分子科学研究所 UVSOR 新 BL5U に導入する ARPES 測定装置に向け、よ
り低温まで冷却可能なマニピュレータの開発と性能評価を行った。最低到達温度は 5.0 K と
なり、既製品 (10 K) や過去の自作装置 (15 K) の到達温度を大幅に更新した。また構造の工
夫により冷却時間を従来の 120 分以上から 70 分程度まで短縮することに成功した。3 He など
特殊な寒剤を用いる方法には及ばなかったが、これらに対してコスト面で大いに優位性を持
つ 4 He を使った方法でここまで冷却性能を高められることを示したことは、今後の低温装置
開発に新たな指針を与える。今後は同様の方法をさらに改良を加え、UVSOR BL7U 向けに
も新しく低温マニピュレータを作成・導入し、双方のビームラインを用いた相補的な電子物
性測定をより高精度に行えるよう開発を進めていく。
またここで最低温度の更新 (12 K から 5.0 K) により得られる質的な変化について述べる。
低温で相転移を示す物質については、例えば超伝導体では転移温度の約半分の温度で超伝導
ギャップと呼ばれる特徴的な構造が観測可能になり、この到達温度では 10K 程度以下の転移
点を持つ物質の電子状態を議論できるようになる。さらに金属化合物の超伝導体に限らず、
有機半導体など数 K から 10 K 程度の低温において特殊な相への転移が起こる例は数多く報
告されており、これからも低温域における物性測定の重要性は増していくと思われる。
また低温域で安定な温度制御が可能な温度制御系を構築し、最適な制御条件を見出した。
これにより低温においても試料汚染のリスクを最小限にしつつ ARPES の温度制御測定が可
能になった。脱ガスによる試料の劣化など低温における ARPES で避けられない問題に一つ
の解決手段を与えたと言える。
これらの開発により、UVSOR BL5U における ARPES 装置の高性能化に貢献した。また
流量とヒータ出力の自動制御による温度制御系の開発により実験条件の自動化を推進し、共
同利用施設として使用者を選ばない、よりユーザーフレンドリーな装置を擁することになる。
本研究により UVSOR BL5U は今後の電子物性研究の発展に向けて重要な役割を担い、新た
な機能性材料の開発研究のさらなる発展に貢献すると期待される。
59
7
謝辞
本研究は自然科学研究機構分子科学研究所極端紫外光研究施設 (UVSOR) にて、特別共同
利用研究員として行ったものです。
本研究を進めるにあたり、指導教員の木村真一教授には大型放射光施設での装置開発研究
という貴重な機会を与えていただき、テーマの選定から論文執筆に至るまで広くご指導いた
だきました。大坪嘉之助教には、セミナーや研究室運営に関わる仕事を通じて研究に対する
真摯な姿勢を教えていただきました。
分子科学研究所の方々、とりわけ極端紫外光研究施設 (UVSOR) の田中清尚准教授には、研
究の場を提供していただいただけでなく、日々の研究生活において実験方法の検討から結果
の解釈、発表技術にいたるまで、幅広く非常に丁寧なご指導をいただきました。松波雅治助
教にはビームライン建設にご助力いただき、また所内のイベント運営などにあたりご指導い
ただきました。堀米利夫技術職員には、新開発マニピュレータの設計開発に尽力していただ
きました。氏の協力なくしては
また大阪大学の光物性研究室の方々、特に秘書の佐藤幸さんには事務手続きや連絡事項、
飲み会の世話など多岐にわたってお力添えいただきました。修士 1 年の高尾一君、4 年生の
亀井俊君、岸潤一郎君、竹野祐輔君、萩原健太君は研究室の雰囲気を大いに盛り上げてくれ、
熱心に勉強や研究に取り組む姿に刺激をもらいました。
他にも多くの方々の協力なくしては本研究の遂行は不可能でした。本研究に関わった全て
の方々に向け、ここに深く感謝いたします。
60
参考文献
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