J-PARC 3GeVシンクロトロン用ターボ分子ポンプの磁場による過電流評価

Estimation of eddy current loss for a turbo-molecular pump in the J-PARC rapid cycling synchrotron

荻原 徳男; 金澤 謙一郎

Ogiwara, Norio; Kanazawa, Kenichiro

加速器及び核融合装置等で近年ターボ分子ポンプ(TMP)が多用されており、磁場中での使用の機会がふえている。TMPをこのような(静的)磁場中で使用する場合、渦電流によるローター部の温度上昇とそれに伴う熱伸びによる接触事故の危険性を評価しておく必要がある。今回、より一般性のある評価手順に基づき、J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)で使用しているTMPに対する検討を加えたので報告する。すなわち、小型TMPを用いた広範な実験から、渦電流損に対する知見を得、これを定式化した。これを半実験式として、RCS用TMPの渦電流損を磁場の関数として表す評価式を求めた。次いで、ローター温度の評価に対し、放射伝熱に対する無限平板近似式を半実験的に扱うことで定式化した。以上の定式化により、磁場をパラメータとしてローター温度及び熱伸びの評価が可能となった。評価の結果、ローターの温度上昇は、最大でも50C程度であり、RCSにおいては問題を生じないことが明らかとなった。

Magnetically suspended turbomolecular pumps (TMPs) have been widely used in nuclear fusion devices and sometimes used in particle accelerators, because it is much easier for the TMPs with dry backing pumps to achieve and maintain UHV without oil contamination. In these devices the TMPs are influenced by a quasi static magnetic field; the eddy current is induced on the rotating rotor and then forces the rotor to thermally expand. In order to use the TMPs safely we attempted to establish a standard procedure for determining the influence of magnetic fields on TMPs. First of all, this influence was investigated in detail through the experiment with a rather small TMP. As a result, the following are found. (1) The parallel magnetic field has no influence, on the other hand, the driving power and the rotor temperature are greatly affected by the vertical magnetic fields. (2) The eddy current loss is formulated and well estimated with a model where a localized magnetic field and current flow exist within the rotor into the region down to a substantial skin depth from the surface. This time we applied the above conclusions to the TMPs with high radioactive resistance which were employed in the RCS (3-GeV rapid cycling synchrotron) in J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex). With the evaluation equation of eddy current loss established through the experiment in a uniform magnetic field, the rise of rotor temperature is estimated to be less than 100 C even in the orthogonal magnetic field of 0.003 T. Thus, we concluded that the TMPs are safely operated in the RCS, as the leakage magnetic field at the floor where the TMPs are set is less than 0.001 T.