KEK Report 87-18 October 1987 A
VACUUM CHARACTERISTICS OF THE RF-CAVITY
FOR TRISTAN MAIN RING
H. MIZUNO
NATIONAL LABORATORY FOR HIGH ENERGY PHYSICS
KEK Report 87-18 October 1987 A
VACUUM CHARACTERISTICS OF THE RF-CAVITY
FOR TRISTAN MAIN RING
H. MIZUNO
NATIONAL LABORA TORY FOR HIGH ENERGY PHYSICS
© National Laboratory for High Energy Physics, 1987
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① National Labora七oryfor High Energy Physics， 1987
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VACUUM CHARACTERISTICS OF THE RF-CAVITY
FOR TRISTAN MAIN RING
H. MIZUNO
National Laboratory for High Energy Physics
Oho-machi, Tsukuba-gun, Ibaraki-ken, 305, Japan
Abstract
Vacuum characteristics of the RF-cavlty for TRISTAN main ring were
tested. An APS (Alternating Periodic Structure) 18-cell cavity unit
was made of low carbon steel S25C, and inner surface was electro-plated
with copper of 100 um in a pyrophosphorous-acid bath. After 24-hours
bake-out at 140°C by a boiler, the outgassing rate of a test cavity was
mainly dominated by the hydrogen permeation from the cooling water
channel through the low carbon steel wall into the vacuum. By the use
of anti-corrosion agent, the outgassing rate of the test cavity was
decreased down to 1 x 10 1 3 Torr"A/sec*cm2, after the bake-out at 140°C
for 24 hours.
After hydrogen degassing at 140°C for 10-days, the APS cavity unit
was baked at 140°C for 24 hours, the ultimate pressure of the cavity
reached down to 6 x 10~10 Torr, and 2.7 x 10~10 Torr, pumped by four
300 Jl/sec ion-pumps and by two 300 £/sec ion-pumps and two Ti-sublima-
tion pumps with liquid nitrogen shroud respectively. The APS cavity
unit was conditioned up to 250 kW/9-cell for 36 hours pumped by four
300 A/sec ion pumps, the ultimate pressure of the cavity was 5 x 10 9
Torr with the RF power of 150 kW/9-cell on.
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VACUUM CHARACTERIST工CSOF THE RF-CAVITY
FOR TR工STANMAIN RING
H. MIZUNO
National Laboratory for High Energy Physics
Oho-machi， Tsukuba-gun，工.baraki-ken，305， Japan
Abstract
Vacuum characteristics of the RF-cavity for TRISTAN main ring were
tested. 加 APS (Alternating Periodic Structure) 18-cell cavity unit
was made of low carbon steel S25C， and inner surface was electro-plated
with copper of 100 ~m in a pyrophosphorous-acid bath. After 24-hours
bake-out at 1400C by a boiler， the outgassing rate of a test cavity was mainly dominated by the hydrogen permeation from the cooling water
channel through the low carbon steel wall into the vacuum. By the use
of anti-corrosion agent， the outgassing rate of the test cavity was decreased down to 1 x 10-13 Torr ・見/sec・cm2，after the bake-out at 1400C
for 24 hours.
After hydrogen degassing at 1400C for 10-days， the APS cavity unit
was baked at 1400C for 24 hours， the ultimate pressure of the cavity
reached down to 6 x 10-10 Torr， and 2.7 x 10-10 Torr， pumped by four
300 t/sec ion-pumps and by two 300 t/sec ion-pumps and two Ti-sublima-
tion pumps with liquid nitrogen shroud respectively. The APS cavity
unit was conditioned up to 250 kW/9-cel1 for 36 hours pumped by four
300 !/sec ion pumps， the ultimate pressure of the cavity was 5 x 10-9
Torr with the RF power of 150 kW/9-cell on.
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序論
トリスタン主リングに使用される高周波加速空胴は、 APS(Alternating Periodic
Structure)型 gセル加速空胴を 2台構造的に連結して合計 18セルを 1単位としたくこ
れを今後 1ユニットと呼ぶ事とする〉ものであってリングの直線部6箇所に合計52ユ
ニットが設置され、その総延長は、高周波加速空胴と四重極電磁石の真空ビームパイプ
を含め、約330mすなはち、リング周長の10%以上にもなる(ref1)。トリスタン主リン
グは電子陽電子衝突型蓄積リングとして運転されると乙ろから、ビームと残留ガスとの
街突によ吾ビーム損失を押さえ所要の寿命を実現するために、高周波加速空胴を含むビ
ームラインの圧力を所謂、超高真空領域にまで下げる必要がある。またこのトリスタン
主リングはその大きさに比して加速エネルギーが極めて高い特徴を有するため、全長に
占める加速空胴の総延長の割合は他の同型式の加速器と比較すると大きくなり、高周波
加速空胴部の圧力を低〈保持することが更に重要となる。
トリスタン主リングに使用する高周波加速空胴は構造材として低炭素鋼を使用し、そ
の空胴内表面に銅メッキを施して電気的性質を向上させる形式であり、銅自体を構造材
とする通常の高周波加速空胴とは材料、製法共に大きく違っている。従ってこの加速空
胴を排気して所要の圧力を実現するには、通常の加速空胴の排気に伴う諸問題、ずなは
ち高周波放電に伴う放出ガスの排気、及び超高真空の実現に必要な加熱脱ガス条件の設
定等、に加えて低炭素鋼表面に銅メッキを施した材料自体の真空的性質を調査解明する
必要がある。
この加速空胴の真空排気に伴う問題点について以下の諸点について各種試験老実行し
且つその解決策を調査した。第一に低炭素鋼を構造材とし、銅メツキを施した加速空胴
の放出ガス特性は冷却水と軟鋼の腐食反応に伴う水素ガスの真空中への拡散透過によっ
て支配されている事を確認し、その対策を確立した。第二に加速空胴を超高真空の圧力
領域まで排気するのに必要な加熱脱ガス条件の確認を行ない想定した真空ポンプ (18-c
ell高周波加速空胴ーユニット当たり 300I/sec lon Pumpを4台〉によって10E-I0Torr
台を実現できる事を確認した。第三に上記試験によって得られた排気条件によって排気
を実行した加速空胴について高周波電力投入試験を行ない300kY連続運転時に加速空胴
の動作圧力として詠lOE-IOTorr:を得た。この圧力はトリスタン主リングの加速空胴に要
求される真空度として満足出来る値である。
本報告に於いては、第一章に於いてトリスタン主リングのAPS18-ce 11高周波加速空
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使用例も多い。しかしこのトリスタン主リング空胴の周波数である508MHz領域の大型
空胴の場合には、 SCS型のように軸対称でない構造を持つ加速空胴の製作は、軸対称構
造のAPS型の加速空胴に比較すると遥かに困難が予想され、本トリスタン主リングの加
速空胴として最終的にAPS型の採用が決定された(ref1，6，7)。
1 -2) APS 18・cell 高周波加速空胴
トリスタン主リングの高周波加速空胴として、製作されたAPS18-cell高周波加速
空胴の 1ユニットの全体図を、図 1-1 )に示しておく。 1ユニットはAPS型9セル加
速空胴〈以下、これを 1台と称する〉を構造的に 2台連結した物である。トリスタン主
リングにおいては、出力1HW CWのクライストン 1本からの高周波電力がcirculaterと
門AGICTEEを経由して 2ユニット、すなはち合計4台の加速空間に投入される事となる。
通常の主リング運転においては、冷却水流量150I/minにおいて、加速空胴 1台にビー
ム負荷を含め225kWが投入され、空胴壁における高周波損失は加速空胴 1ユニット当た
り150kWに遣する (ref8)。
APS加速空胴の一周期の寸法図を図 1-2に示す。銅の電気伝導度1.7本10E-8mho.m
に対してSUPERf'ISHにより算出された Q値とシャントインピーダンスは夫々、 42400、
及び26.7Mohm 1mであり、実測値はQ値が計算値の約90%、温度上昇を考慮にいれた運
転状態でのシャントインピーダンスの推定値は21.7門Q/mである。また各加速セルには
直径70mmの可動チューナーが取りつけられ、空胴 1台分、 9本の可動チューナーは共
通ステムによって同量移動し、空胴の温度変化等による共振周波数の変動に対処する。
1 -3) APS 18・cell 高周波加速空胴の製法と材質
本高周波加速空胴は、その総数52ユニットすなはち加速セル総数 1820個を 2
年聞に製作し、かつ共振周波数を保証する製作精度に対する要求は厳しいものとなる。
従って、通常の高周波加速空胴の素材である無酸素銅 (OF'HC)に代わって、構造材と
して低炭素鋪 (S25C)を採用し、空胴内表面に銅メッキ〈厚さ 100μmピロ銅〉を施す
事とした(ref9)。低炭素鋼と銅を製作上から比較すると、機械加工、溶接、強度、銅
メッキ後に機械加工仕上げの不要な点、及び材料費において低炭素鋼〈軟鋼〉が勝り、
冷却、及び銅メッキ技術の不要な点において銅が有利となる。本研究所に於いては、陽
子線型加速器においてそのアルパレ型加速空胴に銅メッキを採用して好結果を得て、既
-4ー
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2 - 1 ) &-§B^y *#©#;*&&*#&
- 6 -
中に放出されることによって系の圧力が支配されている。主たるガス放出源は加速空嗣
内表面に吸着している水分子であり、加熱脱ガスによって超高真空を得る乙とができる。
これに対し、加速空胴の高周波運転に際しては、空胴内の高電界、トリスタシ主リング
では加速電界として、 1門V/m程度、空胴肉表面では場所によって更に高い電界となりう
吾、によってマルティバクタ放電を含む高周波放電が生じ石。放電に伴って、空胴表面
は、その表面吸着分子や材料の分子、原子間結合エネルギーに比べ、極めて高いエネル
ギーを持つ粒子〈電子、イオン、光子、高速中性粒子等〉によって街墜をうけ、このエ
ネルギーによって熱的には脱離する事のない大きい結合エネルギーを持って表面若しく
はその近傍立吸着あるいは吸蔵されている各種分子が気相中に放出されて系の主た弓ガ
ス放出源となる、真空技術で言う HotVacuumの状態となる。乙の高周波加速空胴運転時
のようなHotVacuum状態の放出ガスを単なる加熱脱ガスによって十分減少せしめる事は
殆ど不可能であり、一般にはこの目的のために、は真空容器内表面を高いエネルギーの
粒子で衝撃する事によってとれらのガス分子を取り去弓手法、例えばアルゴン放電洗滞
法、電子衝撃による表面清浄法、等の各種技術が利用されている。高周波加速空胴にお
いてはこの高周波運転中のガス放出量を減少させるためエージングと称して、真空度を
適当なレベルに保ちつつ高周波入力を徐々にあげて、ガス放出量の減少を待つ手法がと
られる。
従って、高周波加速空胴の真空系においては、まづ運転状態において必要とされる圧
力よりも更に低い圧力を実現し、その後エージングによって運転中の放出ガスの減少を
はかつて目的の真空度を実現する手JI簡を取る事となる。
この他に、トリスタン主リングなどの電子ストレージリングにおいては、電子ビーム
からの放射光が加速空胴表面を衝撃する結果ガス放出が生じるが、リングアーク部に近
い場所に限られるのと、入射蓄積リシグの運転経験からさほど問題とならないようなの
でここでは立ち入らない。
第二章 高周波加速空胴の放出ガス特性
2 - 1 )鉄ー銅メッキ材のガス放出特性
高周波加速空胴の放出ガス特性に関する測定と共に、加速空胴材料と同ーの低炭素
鋼(S25C)に銅メツキを行なった表面からのガス放出特性について調査した。ガス放出量
-6ー
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- 10 -
ラストマーガスケット等の有機物材料は使用されていない、所謂全金属製の超高真空系
となっている。
2 -3)測定手順と結果
測定に先だって、エチレシグリコールを熱媒体とし摂氏160度程度で延べ約 10日
間テスト空胴の加熱排気を続け、軟鋼中の含有水棄を脱気した。この予備排気をへて、
系をー度大気に開放しその後ボイラー水を各種交換して連続排気下に加熱脱ガス過程老
繰り返し、加熱中の圧力及び加熱後の放出ガス量の測定老実行した。図 2-2) a-dに
示したのは夫々加熱媒体として、エチレングリコール、純水を二度、および純水に容量
比で2%のアミン系の防錆剤を混入したものを使用して空胴温度摂氏135度において24
時間の加熱排気とそれに続く常温までの冷却を排気を中断する事なく繰り返した時の空
胴圧力の時間変化を示したものである。乙のー連の加熱排気と引き続いての冷却過程に
おいて最も注目されるのは、図2-2) cに示された、二度めの純水使用による加熱時
の圧力変化である。他の例においては、加熱中は圧力は増加傾向を示す事はないにもか
かわらず、この場合のみ、加熱全期間に渡って圧力、すなはち放出ガス量は増加し続け
た。冷却過程において、 Heリーク試験老実行したが検知し得る漏れは発見出来なかった。
更に冷却後の室温における到達圧力についても、この場合は他の例に比較して4倍程度
高くなっている。次ぎに図2-2)dに示した防錆剤を混入した加熱脱ガスの初期にお
ける放出ガスの組成分析の結果を図 2-3に示したが、この結果は主たる放出ガス成分
が水素ガスであることを示している。以上の結果から、この純水による加熱中の顕著な
圧力上昇と冷却後の放出ガス量の著しい増加は、純水と低炭素鋼表面の化学反応によっ
て発生した水素原子が軟鋼中を拡散透過し更に銅メッキ層をも透過して真空中に放出さ
れる事の結果である。この事実は図 2-2) dに示した、純水中に防錆剤を混入して加
熱脱ガスを実行したとき、図 2-2) cを特徴づける上記の諸現象が消失したことから
明らかであろう。図 2-2) a及びdに示した、それぞれエチレングリコール、及び防
錆剤老使用した加熱脱ガス時における放出ガス量の減少は、水を使用しない事者しくは
防錯剤の使用によってこの水素生成と拡散透過の結果生じる水素放出が押さえられる事
老示している。
次ぎに、図2-Llに加熱脱ガス処理後の放出ガス量の温度依存性についての測定結果
を示す。この測定は加熱終了後の室温までの冷却時に測定されたものである。この図か
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- 12 -
第三章 APS 18・cell 高周波加速空胴の真空試験
3 -1 )
前章の結果からトリスタン主リング用の高周波加速空胴の材料すなはち軟鋼に同メ
ツキを施した物の真空材料としてのガス放出特性については明らかとなった。次ぎに解
決されるべき問題は、高周波加速空胴が所定の加熱脱ガス処理によって、所要の真空度
を達成出来ることの確認である。そのため、前章における結果を下に、トリスタン主リ
ングに使用する高周波加速空胴の量産第一号機を使用して、約 10日聞の加熱排気によ
って、軟鋼中に含脊されている水素ガスの脱気をおこなって防錆剤の効果を確認した。
更にその後、再び大気圧に暴露し、主リング運転時の主ポンプであるイオンポンプを取
りつけて、摂氏135度、 24時間の加熱排気を行ない到達圧力を測定した。この試験は主
リングトンネル内に於ける排気過程を想定したものである。更に同じ加熱処理条件下に
おいても、主ポンプとして超高真空系の標準的なポンプであるイオンポンプとTisubl i
mation pumpそれぞれ2台の組み合わせを使用して到達圧力の測定を実行した。
との結果、高周波加速空胴は高周波電力を投入しない状態においては、所要の真空度
を達成出来る事が示され、また真空ポンプを改善する事によって更に到達圧力を改善出
来る事が示された。
3 -2)祖，tl定装置
本章及び次章に述べる各種試験に使用された空胴は、トリスタン主リングに使用す
る、 18・celI APS高周波加速空胴量産第一号機である。本項における真空排気試験に先
だって、室温における排気の下に高周波電力投入試験すなはち高周波エージングを実行
して、 18・cell 当たり 600kW (以下に於いて高周波電力は特にことわりなければ、この
18・cell に投入された総電力を称する事とする〉の10時関連続運転に合格し、更にこの
高周波試験終了後ヘリウムリーク試験によって漏れのない事を確認した。
測定装置の模式図を図 3-1に示す。主ポンプは加速空胴下部の ICF'-203フランジに
取りつけられた、 4台の300I/sec ION PUMP、である、文、主ポンプを政善する一例と
してこのうち 2台を液体窒素によって冷却される蒸着面をもっTi-sublimation pumpに
交換して試験を続行した。この IONPU門Pは高周波加速空胴を含むトリスタン主リング直
- 12一
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- 16 -
棄ガス放出量の減少に有効である。
2) トリスタン主リングの高周波加速空胴に使用するイオンポンプ4台によって空胴を
排気する事により、加熱脱ガス後の到達圧力は、加速空胴温度摂氏20度において倣10E-
1OTorrに達する.
3)この事から、主リングにおける空胴の加熱脱ガス条件として、加熱温度摂氏135度、
24時間の加熱で十分である。
4)同じ加熱排気条件下において、 Ti-sublimationpumpを併用する事により 2.7*10E-
10 Torrまで到達圧力を改善する事が直ちに可能である。
以上の事実から、第二章において得られた種々の結論は実機である APS18・cell高周
波加速空胴においても同様に適用できる事と共に、主リングの空胴部の高周波入力前の
到達圧力として 10E-I0Torr台がこの加熱脱ガス法によって実現可能である事が確認され
た。
第四章 APS 18-cell 高周波加速空胴の大電力運転時に於ける真空特性
4 -1)
第二章及び第三章に述べたこれまでの測定によって明かとなった事実から、加速空
胴の熱的なガス放出に関しては、その性質が明かとなり、高周波入力のない場合に所要
の圧力を実現し得る事が明らかとなった。しかし、高周波加速空胴のみならず真空容器
内の高周波入力に伴う放電によって多量のガスが容器壁より放出される事は一般的な現
象である (REF14)。従って最後に残された問題は、高周波加速空胴に所要の高周波電力
を投入した状態に於いて到達レ得る圧力を確認する事である。無論、電子、若しくは陽
電子ビームの存在によって生じ得る圧力上昇についてはこ乙では試験し得る術もな〈、
省略せざるを得ない。 KEKのPhotonFactory光源リングやトリスタン入射蓄積リングに
於ける高周波加速空胴の運転経験等から、この問題はさほど重要でない事が分かってい
るといって良いであろう。
この章に於いては、前章の試験に使用した加速空胴の加熱脱ガスの後、高周波を投入
レて空胴の圧力変化を測定した。この過程に於ける排気はイオンポンプ4台のみによっ
て行なわれ、主リングに於ける定常運転とを想定した条件とし、更に、高周波電力の制
御法等についても主リング運転時とほぼ同ーの条件と考えてよい。
- 16ー
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- 20 -
第五章 結論及び残された問題
5 -1 )結論
以上、これまでに述べた測定結果から、トリスタン主リングのAPS18-cel I高周波
加速空胴の真空技術上の問題点について次ぎに纏めた諸点が明かとなった。
1 )トリスタン主リングに採用した、 APS18-cell高周波加速空胴のボイラーによる加
熱排気後のガス放出は、空胴構造材である軟鋼と冷却水との水素発生型の腐食反応の結
果生じる水素が真空中に拡散透過する現象によって主に支配されている。
2)この水素放出を含む全ガス放出量は、ボイラーに防錆剤を混入して摂氏135度、 10
日間の加熱排気を行なう事により十分減少し、以後通常の加熱排気、すなはち摂氏135
度、 24時間の加熱排気によって主リング運転上必要な圧力を実現できる。
3)加熱排気後、イオンポンプ3台によって排気し、高周波慣熟運転約30時間後に高周
波入力300kWにおいて加速空胴圧力は5本10E・9Torrまで低下する。
4)主リング運転を想定して、高周波入力を変動させるパターン運転老実行した結果、
ピーム運転に害を及ぼし得る様な空胴圧力の異常は見当たらない。
5)高周波入力下における高周波加速空胴の主な放出ガス成分は約85%水素ガスと約15
2のー酸化炭素であり、他に水と二酸化炭素及び若干の炭化水素が存在する。
前章までに述べた、今回の一連の実験によって、トリスタン主リングの高周波加速空
胴の真空系の排気過程を次ぎのように決定した。またこれまでの結果はこの過程によっ
て、主リング運転状態において加速空胴の真空度を5本10E-9Torr 以下に保持し得る事を
示している。
1 )納入された空胴は防錆剤入りのボイラー水を使用して、 10日間、摂氏135度の加熱
排気処理を加える。
2)高周波加速空胴は主リング搬入以前に高周波慣熟運転、所謂高周波エージングを高
周波入力500kWまでおこなう。
3)主リング直線部に設置後は、大気圧からの排気後、 24時間、摂氏135度の加熱排気
を行なう。
4)加速空胴の主ポンプは、 300l/secイオンポンプ4台とし、疎排気系に300IIsec
のターボ分子ポンプを使用する。
今回の一連の実験によって得られた結果からトリスタン主リングのAPS18・cell高周
- 20ー
5 - 2 ) SSftfcKISI
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1 6) H.門izunoet al. Proc. of the 12th Linear Accelerator Meeting in JAPAN
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17) Gen'ichi Horikoshi et al. Proceedings of the 5th Meeting on Ultra High
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Vacuum Techniques fo r Accelerators and Storage Rings
Tsukuba, March 26-27, 1984 p.25
1 8 ) H.Mizuno et a l . Proceedings of the 5th Meeting on Ultra High Vacuum
Techniques for Accelerators and Storage Rings Tsukuba,
March 26-27, 1984 p.14
1 9 ) H.Mizuno et a l . MQ 3£22# I f U l ^ - 1979 p389
2 0 ) H.Mizuno et a l . MQ %22% £12 -^ 1979 P429
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Vacuum Techniques for Accelerators and Storage Rings
Tsukuba，門arch26・27，1984 p.25
1 8) H.門izunoet al. Proceedings of the 5th Meeting on Ultra High Vacuum
Techniques for Accelerators and Storage Rings Tsukuba，
March 26・27，1984 p.14
19)札川2unoet al.真空第22巻第11号 1979p389
20) H.門izuno et al.真空第22巻第12号 1979P429
-23ー
APPENDIX 1 8Sfi&K«fc*#;attai*®aB£fcoV>T
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iM^TKl.l2*10E-13 Torr*l*/sec*cm2 £ # 3 „
APPENDIX 2 tt7k«f K*Jtt«tt©Wftfcl»i»ffllKo^T
i ) rn-km*
- 25 -
なる、従ってコンダクタンスとしてポンプ排気速度の少なくとも 10%出来れば5%以下
に押さえたい。これらの点を考慮し、本測定において使用したオリフィスのコンダクタ
ンスを 11.2I/sec、および3.11IIsecに決定した。
3)真空計
全圧測定用には熱陰極型電離真空計を採用した。測定領域、到達庄力、安定性等を
考慮すれば、他には考えられない。例えば冷陰極型真空計は排気速度の大きい事や感度
の径時変化が大きい事等、明らかに不適当といえる。但し熱陰極型電離真空計の使用に
当たって注意すべき点を述べれば、
1 )小さいとはいえ排気速度を有するのでオリフィスコンダクタンスをこれに比べ十分
大きくする。
2)長時間の使用により感度が低下し初期値の10%以下にもなる事があるので、必要に
応じて所調ボンバードを行ない感度の回復をはかる、文炭素等の付着による汚れはバー
ナーで空気中で電極を焼く事により取り除く等の注意が必要である。
3)真空計同士の感度の相互校正を行なうのが理想ではあるが、F'iI amentの交換に伴い
感度も変わる事や、径時変化の存在を考えれば、オリフィス両側の圧力差を十分取り、
相対誤差を実用上無視出来るように考慮した方が遥かに有利であるし、通常の放出ガス
量測定に要求される精度を考慮すればあえて感度の相互校正を行なう事は必要ないとい
える。
これらの点に注意を払う必要がある。
4)ガス放出率の測定下限について
現在の所超高真空材料のガス放出率として1*10E-13Torr本l/sec*cm2が達成出来れ
ば大抵の場合十分である、この測定に採用した値としてコンダクタンス 11.2I/sec、オ
リフィス両側の圧力差としてポンプ系の到達圧力にほぼ等しい2本10E-I0Torrまで測定
可能とすれば、試料表面積を本測定に使用されたテスト空胴表面積、 2本10E4cm2として
測定下限1.12判明-13Torr本1*/sec*cm2を得る。
APPENDIX 2 純水中における鉄の腐食と防錆剤について
1 )腐食機構
- 25ー
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Fe+2H20 --- Fe(0H)2+2H
2Fe*02+2H20 --- 2Fe(0H)2
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- 26 -
本実験の場合に於ける鉄の腐食はボイラーに純水を使用した場合に甚だしい。この
場合は中性溶液中の鉄の腐食現象についてのみ考えれば良い事になる。乙の中性溶液中
における鉄の腐食については 2種類の腐食機構が存在して、それぞれ水素発生型の腐食、
及び酸素消費型の腐食と呼ばれてい否。
水素発生型の腐食は次ぎの反応式によって表わされる。
Fe+2H20 ・・・ Fe(OH)2+2H
この場合、反応に伴って水素が発生する。
また、酸素消費型の腐食は次ぎの反応式となる。
2Fe+02+2H20 ・・・ 2Fe(OH)2
この腐食は酸素の存在を前提とする。水素の発生は生じない。
これらの 2種類の反応がどのような割合で加速空胴の加熱中に発生しているか、その
詳細については不明であるが、第一章の結果から判断して、水素発生型の腐食反応がボ
イラーによる加熱脱ガス過程に生じている事は明らかである。
2)防錆剤
トリスタン主リングの高周波加速空胴の冷却水系は空胴部だけが独立した系統をな
しており、他の冷却水系に何等影響を及ぼす事なく防錆剤の使用は可能である。
防錆剤の選定にあたっては、現在一般的に使用されている自動車エンジン用の有機系
防錆剤〈トリエチルアミン主剤〉と船舶機関用の無機系防錆剤〈商品名、白石プルーク
ール S、日本石油製〉の二種類を夫々テスト空胴と実機に対して試験した。本文中に述
べたように水素ガス放出の抑制にはいずれも有効である。
トリスタン主リングの加速空胴では入力カブラ一部において銅や蟻付けによって生じ
る銅と蟻材の合金が冷却水にさらされる事になる。従って、主リングに使用する防錆剤
の選定にあたっては低炭素鋼のみならず、銅及び銀に対する防食性を調査した。
有機系防錆剤と白石ブルークール Sについて三菱重工広島研究所で行なった、低炭素
鋼 (S25C)、銅および銀に対する腐食試験の結果、空胴主材料である低炭素鋼に対する
防食性は両者に差はないが、銅、銀におけるガルパニック腐食に対する防食性において
無機系である日石プルークール Sが優れている事が判明した。なお、同時に行なわれた
純水に対する腐食試験の結果は両者共に純水に優る事を示した。従ってこの無機系防錆
剤〈プルークール S)を本所加速空胴冷却システムに採用する事とした。加速空胴冷却
-26-
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APPENDIX 3 tfZlfclii£ETrrfcv». t ^ T . fluraftno jg*iJg©*nM#;*% ^ff b f e « K « ^ T t t . »ofe^lS!ft#^f^©!ft*x*;i/^-ttif^©fl«itttJ!IISHJ6
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- 28 -
あわせ、おそらくは国体肉からの水素拡散が関与している事をしめすものであろう。
- 28ー
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Wall Loss
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MQf£
APS (Altenating Peridic Structure)Sn8-ceI I
52 £
508.58 MHz
26.7 MQ/m ( I t l f i l ) ^ 21.7 Mfi/n (^ifltJiil)
42,400 (frSMI) . £fflfii$|90 %
35$ 150 kW/9cell
^SWJSW i&mm®(s25o. m*v* cioo /in)
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SS&RISO & (tt-u-iz&zmmykmmx)
l*10E-9 TorrJsAT ( t f - A & b )
10E-9 TorrS ( £ - 2 * & * ) )
- 29 -
表 1- 1 )トリスタン主リング高周波加速空胴要目
形式、及び総数 APS (A1tenating Peridic Structure)型18・ce11
52 4口..
周波数 508.58 MHz
Shunt Impedance 26.7 M Q 1m (計算値〉、 21.7 M ~"l /m (実測値〉
Q 値 42，400 (計算値〉、実現，~値約90 %
Wa11 Loss 常用 150kW/9ce 11
材質 主要構造材 低炭素鋼(S25C)、銅メッキ(100μm)
内表面積 約20m2 、
真空ポンプ 主ポンプ 300 I/secイオンポンプ4台
疎排気系 300 I/secターボ分子ポンプ
加熱排気条件 最高摂氏150度〈ボイラーによる加圧水循環式〉
真空度 1本lOE-9Torr以下〈ビームなし〉
10E-9 Torr台 〈ビームあり〉
- 29ー
2 - 1 ) #:XtetiJ«J?£JfcgB
±X>7
MQ%\-
Conductance
K£l=SiSf£
tm&ft
300 l /sec, 50 l /sec Turbo-molecular Pump
BAsamgts^fK mmmmam^mt^
3.4 l/sec ( g f t # : * > SSR25jg)
1.09*10E4 cm2
2mm. Sift 140 Jg
2 - 2 ) ®mmm-mxv*tt
SAMPLE
NAME
SAMPLE A
SAMPLE B
SAMPLE C
SAMPLE D
&mmm
q
(Torr*l/s*cm2)
3*10E-13
3*10E-13
3*10E-13
3*10E-13
' 3*10E-13
Ed
(kcal/mole)
13"4
14
14
14
14
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M
4K
m
m
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3
3
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IK
m SAMPLE AttSjsa^i-^pg^csi^KSte.
- 30 -
表 2-1 )ガス放出測定系要目
主ポンプ 300 I/sec， 50 I/sec Turbo・molecularPump
真空計 BA型電離真空計、四重極型質量分析計
Conductance 3.4 I/sec 〈窒素ガス、摂氏25度〉
試料表面積 1.09キ10E4cm2
加熱条件 24時間、摂氏140度
表2ー2)低炭素鋼一銅メッキ材の放出ガス
SAMPLE q Ed クロメート 光沢剤
NAME (Torr、本l/sキcm2) (kcal/mole) 処理 (cc/l)
SAMPLE A 3キ10E-13 13 1} 有 3
SAト1PLEB 3ま10E-13 14 鑑 3
SAMPLE C 3ま10E-13 14 鋸
SAMPLE D 3まlOE-13 14 有
低炭素鋼 3ま10E-13 14 鑑 鑑t
注)SAMPLE Aは製造後約二年間大気中に放置。
- 30ー
2 - 3 ) APS 2 - c e l I ^ ^ (• £ H g @
MX
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f*!3!ffite
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APS 2-cell
fgfi*3f§S (S25C)
1 zzm Ni 7, Y^y-iV, 100 zzm Cujrf>y4 ( t ' n f f l )
20000 cm2
APS i8-ceii mmmnjMQmtm-
2 - 4 ) ^BM/MMffirtWv-SB
J B J S
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K*jV7-9y9
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tfcfFEETJ
®ffltf§3l5t ( * • « » « * UP-3M)
200 V,3fflx 30 kW (15 kw 2&&)
%\wym> PID SCR $JSP
SUS 34 l/min, £ $ € 34 m,
$fflv£jg SUS180 Jg
^ S 57.9 1
SUS 304,&
3SII8 kg/cm2x H S 9 . 8 kg/cm2
- 31 -
表 2-3) APS 2-cellテスト空胴要目
形式 APS 2・cell
材質 低炭素鋼 (S25C)
銅メッキ 1μm N iストライク、 100μm Cuメッキ〈ピロ銅〉
肉表面積 20000 cm2
冷却水チャネル APS 18・cell高周波加速空胴と同一
」ー
表 2-4)空胴加熱処理用ボイラー要目
形式 密閉循環式〈坂口電熱製、 UP-3型〉
ヒーター 200 V，3相、 30IdJ (15 kw 2系統〉
制御方式、 PIOSCR制御
循環ポンプ 涜量 34 I/min，全揚程 34 m，
使用温度摂氏180度
バッファータンク 容量 57.9 1
按液部材質 SUS 304，および テフロン
動作圧力 常用8kg/cm2、最高9.8kg/cm2
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- 31ー
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- 32 -
図 1-1 )トリスタシ主リングAPS18-cel 1高周波加速空胴
エージング状態を示す、鉛シールドの一部は取り外しである。
画面嗣盟副扇爵理
-32ー
1 - 2 ) APS SJM£l !M£g-+&
U4"©A,B tttaj£-fe^fctt£Hz#©iS»»*3S'f.
- 33 -
図 1-2) APS型加速空胴主要寸法
図中のA，sは加速セルと結合セルの溶接線を示す。
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C.OLヤや
6・ヤ9ヤや
81坤ヤ62や
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- 33ー
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Bake up to 135 *C
2 Cell
Test Cavity
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Orifice v ,
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TMP 50£/s
Boiler RP
- 34 -
図2-1)2・ce1lテスト空胴ガス放出量測定系
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Bake up to 135"C :
2 Cell
Test Cavity
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Boiler
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300l/s
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5365 mm
BA Gauge (A) Q - Mass
GAUGE PORT
2652.7 mm
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PUMPING PORT
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INPUT COUPLER
BA Gauge IB) GAUGE PORT
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PUMP 300 2/s
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Bake Start
—MF NO.1
—MF No.2^_B a k e stop
Leak on ICF-70 Port , and Fixed
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C x100
寸寸
"2
∞ω"E
∞↑"2
寸寸
"2
MF No.2 P=1.8X106Torr T= 142 oC
x 1
∞N"2
NH2
∞-"2
MF No.1 P=8.OX106Torr T = 140
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寸寸
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残留ガス組成分析結果
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NORMAL INTL' K
KLYST. POWER SUPPLY
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KEK Report 87-1 8 VACUUM CHARACTERISTICS OF THE RF-CAVITY FOR TRISTAN MAIN RING H. MIZUNO KEK Report 87-18 VACUUM CHARACTERISTICS OF THE RF-CAVITY FOR TRISTAN MAIN RING H. MIZUNO
KEK Report 87-19 October 1987 H
PROCEEDINGS OF THE ASTROMAG WORKSHOP
July 9 - 10, 1987, KEK
Edited by
J . Nishimura, K. Nakamura and A. Yamamoto
NATIONAL LABORATORY FOR HIGH ENERGY PHYSICS
KEK Report 87-19 October 1987 H
PROCEEDINGS OF THE ASTROMAG WORKSHOP
Ju1y 9 -10， 1987， KEK
暗
Edited by
J. Nishimura， K. Nakamura and A. Yamamoto
NATIONAL LABORATORY FOR HIGH ENERGY PHYSICS
© National Laboratory for High Energy Physics, 1987
KEK Reports are available from:
Technical Information Office National Laboratory for High Energy Physics Oho-machi, Tsukuba-gun Ibaraki-ken, 305 JAPAN
Phone: 0298-64-1171 Telex: • 3652-534 (Domestic)
(0)3652-534 (International) Cable: KEKOHO
。Nationa1Labora七oryfor High Energy Physics， 1987 KEK Reports are avai1ab1e from:
Technica1 Informa七ionOffice Na七ionalLabora七oryfor High Energy Physics Oho-machi， Tsukuba-gun Ibaraki-ken， 305 JAPAN
Phone: 0298-64-1171 Te1ex: '3652-534 (Domestic)
(0)3652-534 (Interna七iona1)Cab1e: KEKOHO
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Particle Identification for ASTROHAG
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( 106)
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( 124)
( 130)
( 137)
( 145)
- 1 -
目ど欠
ワークショップ・プログラム
1. ASTROMAG計画の現状と展望 宇宙科学研 西村 純 1)
2. 字宙に於ける永久電流超伝導電磁石の利用
宇宙に於ける超伝導電磁石の応用と展望 KEK 平林洋美 8 )
ASTROMAGに於ける超伝帯電磁石 KEK 山本 明 ( 13)
永久電流超伝導電磁石の基礎要素 電気学会 山口 ιn 21 } 磁気浮上超伝導電磁石の現状 鉄道総研 中島 洋 29 )
宇宙機器の液体冷媒による冷却 筑波大 村上正秀 35 )
宇宙用小型冷凍機 電総研 川田正国 39 )
宇宙に於ける低温工学の現状 KEK 春山富義 45 )
3. ASTROMAGに於ける実験と物理
マグネットの構成とその比較 KEK 三戸利行 55 )
高分解能粒子飛跡検出器 KEK 谷森 逮 80)
Particle Identification for ASTROMAG KEK 渡瀬芳行 88)
測定器に於ける壁(物質)の影響 KEK 藤井啓文 ( 106)
実験と物理 -・・反物質 東大理 折戸周治 ( 111)
宇宙線の元素組成 茨城大 柳田昭平 ( 124)
重桂子/アイソトープの観測 理研 松岡 勝 ( 130)
ASTROMAGに於ける lGeV以上の T線測定 KEK 中村健蔵 (137)
同位元素の検出と電子シャワー検出器について 宇宙研 西村 純 ( 145)
CONTENTS
Workshop Programme
1. Status of the ASTROMAG project J. Nishimura
SUPERCONDUCTING MAGNET IN SPACE Superconducting magnet application in space H. Hirabayashi Supercondcucting magnets in ASTROMAG A. Yamamoto Basic elements in persistent magnet M. Yamaguchi SC magnets for magnetically revitated transprot system H. Nakajima Cryogen and cryogenics in space M. Murakami Small size refrigerators in space M. Kawada Report on space cryog. workshop T. Haruyama
DETECTORS AND PHYSICS IN ASTROMAG Magnet configuration and comparisons High resolution tracking detector (SSD) Particle identification for ASTROMAG Effects of solenoid wall in experiments Experiments and physics Antimatter Heavy particles Isotopes 7 RAYS Comments on isotopes and cascade shower
T. Mito T. Tanimori Y. Watase H. Fujii
S. Orito S. Yanagida S. Matsuoka K. Nakamura
detectors J. Nishimura
(1)
(8) (13) (21)
(29) (35) (39) (45)
(55) (80) (88) (106)
(111) (124) (130) (137)
(145)
αJNTENI'S
Workshop Programme
1. Status of the ASTRαiAG project J. Nishimura (l}
2. SUPERCO即 Uα'1悶 MAGNE:rIN SPACE Superconducting magnet application in space H. Hirabayashi (8) Supercondcucting magncts in AST開淵AG A. Yamamoto (13) Basic elements in persistent magnet M. Yamaguchi 21) SC magnets for magnetically revitated transprot system H. Nakajima (29) Cryogen and cryogenics in space M. Murakami (35) S回 11size refrigerators in space M. Kawada (39) Report on space cryog. 首orkshop T. Haruyama (45)
3. DI~l臥江口隠 AND PHYSI岱 INASI'R倒AGMa回etconfiguration and comparisons T. Mit。 (55) High reso1ution tracking detector (S釦〉 T. Tanimori (80) Particle identification for ASTROHAG Y. Watase (88) Effects of solenoid vall in experiments H. Fujii (106) 以perimentsand physics Antimatter S. Orit。 (111 ) Heavy partic1es S. Yanagida (124 Isotopes S. Matsuoka (130) γRAYS K. Nakamura (137) Comments on isotopes and cascade shover detectors
J. Nishimura (145)
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Superconducting Magnet
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Tracking Detectors ) Measure Curvaturt
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Electrons, Antiprotons
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* Exaaine cosiologir.al aodels searching Tor amiiattnr and dark aatter candidates.
X Study the origin and evolution of lattnr in the galaxy br direct saipling of Galactic latcrial.
* Study the origin and acceleration of the rclativislic particle plasaa in ihe galaxy and its effects on the
dynamics and evolution of. the galaxy.
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lIC 1>ぇ陥チの発生健婦として別の線構が仔在しているのか
lIC 縦測が1lI1進 q ているのか
が附xilとLて考えられる。
この8月にもカナダでいくつかの実験がlrわれることに1.i.っている。日本でも神奈川大の平良さんや京大の折戸さんのグループが実験を
行うことを計向しておられる。これまでの3健在員データが止しいことが確怨され、/;[、字宙線の伝ばんや、宇宙の術進、ダーク 7;$'ーについ
て新たな知見をもたらすことになるだろう。
Ix..物'l'Iについては説花までの所 10-5f，l 1立の 1:阪が与えられているねJltであるから、この l:I~HItをドげる5'1))が続けられて行くものと以われる。
ヨー 2. 守苦悩線中のアイソトーブ
字m革寝中の7 イソトープとしては大別して 2 彼矧のものを考えることがliI氷る。 1 つは政射性l樹立]G~:でもう 1 つは安定l司{立元裁である。
飲射性lujf立J{;撲は宇宙線が鍛l")内をiおまんしている時に髭11Il11スと働尖して般伶Ix..I(}の給l誕生まれたもので、 ;t1命の短いらのはt也i事に封IJi主
する前にIDIl哀して安定mとなってしまう。この性nを~HIJ して~j-:iln匁の創作]内伝ぱんについて ~J織がl!} られることを地初に符1:1 しその観測
を従ヨーしたのは単Jlldんである。
字.逝必線が71.加E悶h法車'孤=からI胞1也!!!勾車に3到刻H吋Ili注主するまでには故g/c.2のb以h民:附'/1スを泊必している乙とiは孟 1950 ¥年1ド，j代tからわかつていたことである。こ
れは字1術苛綴中に貫制似j見li側H則~ð れる'嵯!l]苅C~索~lし， iし、 Uc 、B. が C 、N、O 等がl以t川u問i目川1]μ7ガIスと h彼術s針j~尖宅のf，'，川B
ものである 0 縦1"IJ1Hll中の半均ガス世帯夜 1ato・/cc を似定すれば鋭から地球にたどりつ〈までのØ.~IUJ I孟l06iFl'i皮となる。
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