Evaluation of vacuum firing effect on stainless steel from vacuum and surface point of view

神谷 潤一郎; 高野 一弘*; 和田 薫; 柳橋 享*

e-Journal of Surface Science and Nanotechnology (Internet), 21(3), p.144 - 153, 2023/06

https://doi.org/10.1380/ejssnt.2023-015

J-PARC加速器等の超高真空装置の到達圧力は、表面から熱脱離する吸着気体分子量と材料内部の気体分子成分の表面への拡散・放出量で決まるといわれている。先行研究ではvacuum firingとよばれる高真空下での高温熱処理により材料中の水素を低減できることがわかっているが、各ガス種の放出ガス量の低減効果やその原因解明といった、さらなる超高真空化を実現するために必要な研究事例はこれまでなかった。今回、超高真空材料として最も利用されるステンレス鋼について、vacuum firingの放出ガス量への効果とその機構解明を目的に研究を行った。その結果、真空容器のビルドアップ試験によりvacuum firingは各種ガスの放出ガス量を有意に低減できることがわかった。さらに昇温脱離分析と表面分析により、vacuum firingは材料中の水素の拡散放出、材料表面の各種ガスの熱脱離をさせたうえで、表面に鉄酸化膜・クロム酸化膜を形成し、それらの表面が拡散障壁ならびに再吸着防止の役割をしていること示唆する結果を得た。この結果は、今後J-PARC加速器真空システムの超高真空維持の基盤となる成果である。

3GeVシンクロトロンビーム入射部における放射線遮蔽体の検討及び設置作業報告

仲野谷 孝充; 神谷 潤一郎; 吉本 政弘; 高柳 智弘; 谷 教夫; 古徳 博文*; 堀野 光喜*; 柳橋 享*; 竹田 修*; 山本 風海

JAEA-Technology 2021-019, 105 Pages, 2021/11

JAEA-Technology-2021-019.pdf:10.25MB

J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器ではビーム出力の増強に伴い、ビーム入射部付近では放射化による機器の表面線量と空間線量率が年々増加している。一方でビーム入射部には人の手によるメンテナンスが欠かせない機器が多数存在しており、作業者の被ばく低減が重要な課題であった。そのため、本加速器施設を管理するJ-PARCセンター加速器ディビジョン加速器第二セクションにおいて、作業者の被ばく低減のための遮蔽体設置を目的としたワーキンググループ「入射部タスクフォース」を設立し、遮蔽体の構造や設置方法等について検討を重ねてきた。結果、ビーム入射部の構造を一部更新し、必要な際に容易に取付けが可能な非常設型の遮蔽体を設置することとした。そして、2020年夏期メンテナンス期間に遮蔽体の設置に必要な更新作業を実施し、遮蔽体の設置を行った。更新作業は高線量下で長期間に渡るため、作業員の被ばく量を抑えることが重要な課題であった。このため、事前に入念に作業計画と作業手順を作成し、作業期間中も様々な被ばく低減対策と個々の被ばく管理を行った。これにより、作業者の被ばく線量を管理目標値以下に抑えることができた。本作業の実施により、ビーム入射部に取付け取外し可能な遮蔽体を設置できるようになった。この遮蔽体により入射部近傍での作業時の被ばく線量の低減に寄与できることが確認できた。夏期メンテナンス期間中のほぼすべてで入射部を占有する大規模な作業となったが、今後の保守作業における被ばく抑制のためには非常に有意義な作業であったと考えられる。

Improved vacuum system for high-power proton beam operation of the rapid cycling synchrotron

神谷 潤一郎; 古徳 博文*; 黒澤 俊太*; 高野 一弘; 柳橋 享*; 山本 風海; 和田 薫

Physical Review Accelerators and Beams (Internet), 24(8), p.083201_1 - 083201_23, 2021/08

https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.24.083201

J-PARC 3GeVシンクロトロンのビーム運転実績を積み重ねるにつれ、大強度陽子ビームの運転が真空システム対して当初の想定よりもより大きな影響があることがわかった。これらの影響は大強度ビームによる装置の誤動作とビームラインの圧力上昇という、2つのカテゴリーに分けられる。前者の典型例は、大強度ビーム起因の放射線によるターボ分子ポンプコントローラーの故障およびそれに伴うポンプ本体のタッチダウンによる故障である。我々はこの問題をコントローラーとポンプ間のケーブルを200mまで長尺化することに加え、高強度のタッチダウンベアリングを開発することで解決した。後者の典型例は、ビーム強度の増加に伴うビームラインの急激な圧力上昇である。我々は蓄積したデータの傾向を詳細に分析しイオン衝撃ガス脱離モデルを適用することで、この動的圧力の機構解明を行った。さらに圧力上昇抑制には表面分子量の低減と排気速度増加が重要であることを示し、実際のビームラインに対して両者を実現できる非蒸発型ゲッターポンプをインストールした。結果、大強度ビーム運転時の圧力上昇を大幅に低減することに成功した。

New design of vacuum chambers for radiation shield installation at beam injection area of J-PARC RCS

神谷 潤一郎; 古徳 博文; 菖蒲田 義博; 高柳 智弘; 山本 風海; 柳橋 亨*; 堀野 光喜*; 三木 信晴*

Journal of Physics; Conference Series, 1350, p.012172_1 - 012172_7, 2019/12

https://doi.org/10.1088/1742-6596/1350/1/012172

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)における一つの課題はビーム入射部における高放射線レベルである。これはビームが荷電変換膜により散乱され、周辺機器が放射化されることが原因である。入射部での作業時の被ばくを低減するために放射線遮蔽体が必要であるが、現在の入射部では遮蔽体を設置する場所が非常に限られている。そのため、ビーム入射点のチタン製真空容器および周辺のシフトバンプ電磁石, セラミックス製ビームパイプを新しく設計し、有効な遮蔽体が設置できる空間を確保する検討を進めている。ビーム入射点の真空容器は断面を円型から矩形へ変更し、ビーム方向の長さを長くする設計とした。大気圧による真空容器の内部応力解析を行い、材料強度に対して十分に低い応力であることを明らかにした。セラミックスビームパイプは、抵抗を有したRFシールドを設置することでパルス磁場による誘起電圧をダンピングできる設計とした。これにより、新しい入射部の系では非対称となるバンプ電磁石による誘起電圧のビームへの悪影響を取り除くことができる。本報告では入射部遮蔽体設置に関わるこれらの真空機器の改造について発表する。

RCSビーム入射部における低放射化・保守性向上のための真空容器のアップグレード

神谷 潤一郎; 山本 風海; 柳橋 亨*; 佐藤 篤*; 三木 信晴*

Proceedings of 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.645 - 648, 2018/08

https://www.pasj.jp/web_publish/pasj2018/proceedings/PDF/WEP1/WEP112.pdf

J-PARC 3GeVシンクロトロン(Rapid Cycling Synchrotron: RCS)のビーム入射部は、リニアックからの負水素イオンを陽子へ荷電変換する薄膜によるビーム散乱のため、真空ダクト等が放射化し残留放射線量が高いエリアである。加えて、パルス電磁石であるシフトバンプ電磁石の漏洩磁場で真空ダクトのフランジ温度が100度近くになるため、熱膨張により真空リークが発生しやすい箇所である。今後1MWのビーム出力に向けて安定運転をしていくうえで、このような状況の改善は、保守時の被ばくを低減するという観点で必須である。残留放射線量低減を目的として遮蔽体を常設するために、入射点の真空容器の構造を改良する。フランジの発熱によるリークの問題は、フランジ材料を現在の純チタン2種(耐力:約220MPa)から高強度材料であるTi-6Al-4V(耐力:約920MPa)に変更することで、高トルクでの締め付けにも耐えうるようにする。本会では、これらのアップグレードの状況について報告する。

J-PARC 3GeVシンクロトロンビームコリメータの故障原因究明作業

岡部 晃大; 山本 風海; 神谷 潤一郎; 高柳 智弘; 山本 昌亘; 吉本 政弘; 竹田 修*; 堀野 光喜*; 植野 智晶*; 柳橋 亨*; et al.

Proceedings of 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.853 - 857, 2017/12

http://www.pasj.jp/web_publish/pasj2017/proceedings/PDF/WEP0/WEP021.pdf

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)には、ビーム損失を局所化し、機器の放射化を抑制するためにビームコリメータが設置されている。RCSにて加速中に広がったビームハローは、すべてコリメータ散乱体によって散乱され、吸収体部にて回収される。2016年4月のコリメータ保守作業時に吸収体部の1つで大規模な真空漏れが発生したため、代替の真空ダクトを設置することで応急的な対処を行い、ビーム利用運転を継続した。取り外したコリメータの故障原因を特定するためには、遮蔽体を解体し、駆動部分をあらわにする必要がある。しかし、故障したコリメータ吸収体部は機能上非常に高く放射化しており、ビームが直接当たる真空ダクト内コリメータ本体では40mSv/hという非常に高い表面線量が測定された。したがって、作業員の被ばく線量管理、及び被ばく線量の低減措置をしながら解体作業を行い、故障したコリメータ吸収体の真空リーク箇所の特定に成功した。本発表では、今回の一連の作業及び、コリメータの故障原因について報告する。

ビームラインにおけるキッカー電磁石エリアの真空性能向上

神谷 潤一郎; 柳橋 亨; 荻原 徳男; 金正 倫計

Proceedings of 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1193 - 1196, 2016/11

J-PARC 3GeVシンクロトロンにおいて最も放出ガスの大きい装置であるキッカー電磁石をビームラインに設置した状態で脱ガスするためには、真空容器の温度上昇を抑えて熱膨張を最小限にし、容器内のキッカー電磁石だけを昇温する必要がある。そのために、熱源及び熱遮蔽板を真空容器内に導入する手法を考案し実証試験を行った。結果、真空容器の温度上昇を20度以下に抑えた上で、キッカー電磁石の放出ガス速度を脱ガスをしない場合の1/10まで低減できることを実証した。発表では実証試験の結果及び実機に適用するヒーター及び反射板の設計について述べる。さらに加速器のキッカー電磁石エリアに対し本脱ガス系の適用と排気速度増加を行うことで、同エリアの圧力を1/15程度まで低減できる見通しが立ったので併せて報告する。

Degassing of kicker magnet by in-situ bake-out method

神谷 潤一郎; 荻原 徳男; 引地 裕輔; 金正 倫計; 三木 信晴*; 柳橋 亨*

Proceedings of 6th International Particle Accelerator Conference (IPAC '15) (Internet), p.2911 - 2913, 2015/06

RCSキッカー電磁石はフェライト及びアルミ電極板等で構成されている。フェライトは多孔質の材料であり放出ガスが多く、アルミ電極板は超高真空対応の表面処理を行っているが、表面積が大きいので全放出ガス量が無視できない。このようなキッカー電磁石からの放出ガスはビームライン圧力の悪化に直結する。よって加速器を安定に運転するためには、キッカー電磁石の脱ガスを行うことが必須である。これまでわれわれは真空容器中の構造物を脱ガスする新しい方法として、ヒーターを真空容器内部へ導入し、熱源と真空容器の間を熱遮蔽することで、熱流量を構造物へ向けて構造物を昇温するという手法の研究開発を行ってきた。この手法を用いれば、真空容器を熱膨張させずに内部構造物を脱ガスできるため、キッカー電磁石をビームラインに設置された状態で(すなわちin-situで)昇温し、放出ガスを低減することが可能である。課題は保守性の良いヒーターの設計であった。今回、グラファイトをヒーター材料に選定することで、ポートから脱着できるようヒーターを小型化した。発表において、本ヒーターの設計思想について報告する。また、本ヒーターを用いて昇温試験及び脱ガス試験を行い、良好な温度分布を得、結果として放出ガスの低減に成功したので報告する。

Development of a turbo-molecular pump with a magnetic shield function

荻原 徳男; 柳橋 亨; 引地 裕輔; 西川 雅章; 神谷 潤一郎; 和田 薫*

Vacuum, 98, p.18 - 21, 2013/12

https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2012.09.024

In order to safely use turbo-molecular pumps (TMPs) in a magnetic field, it is necessary to reduce the eddy current induced on the rotating rotor. Usually, a magnetic shield facility is added to a normal TMP available in the market. In this study, we have developed a TMP with a magnetic shield function by replacing the housing materials with a ferromagnetic substrate, SUS430. Before and after machining, SUS430 was vacuum-fired at 700C for 10 h in order to have good vacuum quality and to recover high magnetic permeability. The magnetic shield efficiency of a housing made of SUS430 was examined. When the vertical magnetic field of 0.009 T was applied, the field inside of the TMP was reduced to less than 0.0003 T. We then confirmed that the developed TMP shows a good performance in achieving an ultrahigh vacuum in magnetic fields of up to 0.009 T.

J-PARC 3GeVシンクロトンにおけるキッカー電磁石フェライトコアの脱ガス処理

荻原 徳男; 菅沼 和明; 引地 裕輔; 西川 雅章; 柳橋 亨; 神谷 潤一郎; 金正 倫計

Journal of the Vacuum Society of Japan, 56(5), p.159 - 162, 2013/05

https://doi.org/10.3131/jvsj2.56.159

Kicker magnets are used to kick out the accelerated beam to the transport lines in the RCS of the J-PARC. A high voltage is applied to kickers for a short period, so they must be installed in a vacuum to prevent discharge. Therefore, it is important to reduce the outgassing of water vapor from the ferrite cores. This time, we have decided to construct the reserve magnets with very low outgassing at high-voltage discharge. First of all, the thermal desorption behavior of the ferrite was investigated by thermal desorption spectroscopy (TDS). TDS spectra show two peaks of water vapor: at 150C and 300C. Carbon dioxide is rather largely emitted with the peak around 275C and then decreases with the temperature. From these results, the ferrite cores were vacuum-fired at 450C for 48 h. Then the good properties for the magnetic cores were confirmed. And now the performances of the kicker magnet are examined.