50GeV-Ring/真空機器 湯浅由將 魚田雅彦、金澤健一、久保富夫、 齊藤芳男、佐藤吉博、白壁義久、 冨澤正人、森本佳秀 報告内容 • 電磁石用真空ダクト – 仕様検討 – 製作性確認のための試作 • 真空特性試験 – 仕様検討 – チタン材とSUS材 • 接続機器設計 – ゲートバルブ、ベローズ、フランジ、カップリン グ、シール 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 1 真空ダクト • 要求 – 真空条件下の断面形状 • アパーチャーの確保 • 磁極とのクリアランス – – – – 渦電流効果 残留放射能 製作性 真空特性 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 • 形状 • 材料 2 偏向電磁石用真空ダクト • 断面図 • 仕様 – 断面形状 • レーストラック形状 • V100mm×φ129mm – 肉厚 2mm – アパーチャー • ~100V*70~129H – クリアランス • ±1mm(鉛直) 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 3 偏向電磁石用真空ダクト • 概観図 – 仕様 • 長さ 6410mm • 曲げR 89412mm – 電磁石曲率に対応 • コイル部で形状変換 – レーストラック形状 ⇔円形状 試作図面 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 4 渦電流効果 • 渦電流による磁場歪み B=B0 +B 1*x+B 2*x2 +B3 *x3+B 4*x4 B0 -1.47E-07 B1 -3.60E-11 B2 -1.78E-08 B3 2.70E-15 B4 1.40E-12 – 高次成分は断面形状に依存 R 0.99997 Eddy field from metal duct of bending magnet 5 10 -5 0 -5 10-5 -0.0001 -0.00015 -0.0002 -0.00025 ΔBeddy/B@injection SUS316L ΔB/Δt=(1.9-0.143)/1.9 -0.0003 -0.00035 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Horizontal Position (mm) 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 5 渦電流効果 • 渦電流による磁場歪み B (T) 1.9 – 大きさ： 比抵抗×厚み – 時間変化：磁場変化に依存 Parabora Parabora Linear 0.143 T (sec) 0 0.1 0.7 0.8 Phase2/u=0.8 材質 電気抵抗ρ 磁場歪みdB/B ×10 -8 Ω・m x=55mm,t=0.1sec 名称 4.2×10 -4 SUS316L 74 2.4×10 -4 InconelAlloy(#625) 129 2.1×10 -4 TiAlloy(KS15-3-3-3) 150 5.7×10 -4 Ti 55 0.0007 s=0 s=0.1 s=0.2 s=0.4 0.0006 0.0005 0.0004 0.0003 0.0002 0.0001 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 t 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 6 0.8 強度計算(ANSYS) • 性質 材質 ヤング率 引張強さ 0.2%耐力 2 2 kgf/mm GPa kgf/mm MPa kgf/mm 2 MPa 名称 処理 SUS316L 19,700 193 53 520 28 270 InconelAlloy(#625) 熱処理前 21,100 207 70 690 28 270 TiAlloy(KS15-3-3-3) 熱処理前 10,000 98 84 820 79 770 Ti 10,850 106 44 430 22 215 • 計算結果 鉛直変位(max) 相当応力(max) kgf/mm 2 MPa mm SUS316L 0.477 InconelAlloy(#625) 0.445 9.5×10 4 95 TiAlloy(KS15-3-3-3) 0.939 Ti 0.865 材料 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 7 残留放射能(MARS) • 性質 白@3GeV 黒@50GeV 材質 比重 名称 g/ｃm3 SUS316L 7.3 Inconel 625 8.2 TiAlloy(KS15-3-3-3) 4.8 Ti 4.5 材質 SUS316L Fe Cr 64.99 Inconel 625 Ni Ni 17 Cr 63.4 TiAlloy(KS15-3-3-3) Ti Ti 21.5 Fe 9 Al 16 Fe 99.66 Mn 13 Mo V 73.0575 Ti 横井武一郎氏計算 Sn 3.5 O 0.15 N 0.15 成分比（重量%） Mo Si 2 1.5 Nb+Ta 2.5 3.6 Cr Fe 3.5 3.5 H 0.03 0.01 - P 1 C 0.45 O 0.25 0.13 - S 0.03 N 0.03 H 0.05 - 0.0125 - • 結果 – 円筒材（50φ×200L） に照射した表面線量 – Inconel:SUS:チタン合金： 純チタン =10：1：0.2：0.2 @1日後 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 8 偏向電磁石用真空ダクト • 試作1（ 実機サイズ）– 材料:SUS316L – 形状: • プレス成形（断面+曲げ） – 寸法精度： • • • • 断面<0.5mm 曲げ<0.5mm@中央 ねじれ<0.5mm 真空引きでの変位は計算 値と整合性確認 – 課題 • ロール成形検討中 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 9 偏向電磁石用真空ダクト • 試作2（ 断面成形） – 材料:チタン合金 Ti-15V-3Sn-3Cr-3Al – 形状: • ロール成形（断面） • 肉厚1.8mm 長さ1000mm – 寸法精度： • 断面<0.5mm • 曲がり+ねじれ<1mm/m – 課題 • 曲げ及び形状変換部は未 実施 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 10 四極電磁石用真空ダクト • ビーム形状に合わせた2種の形状 – 形状1： – 形状2： • 円形（φ124×t 2） 2001/11/16 • 正方形（ □124× t 2 ） 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 11 四極電磁石用真空ダクト • ビーム形状に合わせた2種の形状 - Arc Section ID Shape Num. 124□ 24 QFN 124φ 24 QDN 124□ 48 124φ 24 QFX 124□ 24 124□ 18 QDX 124φ 9 SFN 124φ 24 SDN 124φ 24 2001/11/16 Length 1.98 m 1.98 m 2.28 m 1.63 m 1.63 m 2.08 m 2.08 m 0.7 m 1.12 m - Insertion Section ID Shape Num. 124φ 5 QFR Special 4 QDR 124φ 6 QFS 124φ 6 QDS 124□ 6 QFT 124□ 6 124φ 2 QDT Special 4 QFP 124φ 6 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 Length 2.28 m 2.28 m 2.28 m 1.68 m 2.18 m 1.88 m 2.08 m 2.08 m 1.28 m 12 真空圧力 • 目標到達真空圧力 – 10-7 Pa台（ ≒10-9 Torr台） – ビームライフ • 公式(参考CERN Summer School Memo) R 2 β 3γ 2 τ = 0.85 Pλ2 R [mm] 60 β inj 0.97 γinj 4.2 λ [m] 90 P [Torr] 1*10-9 τ [sec] 6*103 – メンテナンスフリー化 • PS::ポンプ交換2-3台/年@10-6Pa 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 13 真空圧力分布 • ガスフローについて定式化 Q ( x ) ~ = −w dP dQ , = Aq dx dx d 2P w 2 = − Aq dx dP dX ｘ x= L / 2 = 0, P x =0 = AqL S L2 L Pmax = P ( L / 2) = Aq + 8w S L2 1 L L Pavg = ∫ P ( x )dx = Aq + L 0 12 w S ダクト径 :A,w決定 L Q:ガスフロー（Torr l /s） A:単位長さあたりのダクト表面積（cm 2 /m） q:ダクト表面の気体放出速度（Torr l /s /m2） w:ダクトのコンダクタンス（m l /s） L:ポンプ間距離（m） S:ポンプ排気速度（ l /s） • 到達圧力と時間 – 間隔L+排気速度S ⇔ 気体放出速度q 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 14 真空圧力分布 • 条件： – 間隔L+排気速度S 粗引きポンプ 主ポンプ 排気速度 Arc 部 Insertion 部 600L/s @TMP 50m/区間 25m/区間 3*8 3*4 17m/区間 17m/区間 400L/s 3*25 3*6+ Inj+Abort: 4 Slow: 9 RF+Fast: 9 • 必要な気体放出速度 – 10-7 Pa台 ⇒ 10-8 Pa m3/s/m2台 – 材料の性質×表面処理 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 15 気体放出速度測定 • 測定方法 – コンダクタンス変調法@PS真空 • 試料 – 純チタン及びチタン合金 • 試験ダクト（φ150mm×L1000mm） • 表面処理：酸洗 ×鏡面研磨×酸化膜処理 – SUS316L • 試験ダクト+偏向電磁石用試作真空ダクト • 表面処理：電解複合研磨 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 16 チタン材測定 • 実験条件 – 純チタンJIS-2種 – 試験ダクト(φ150mm×L1000mm) – ベークなし+排気時間50時間 1.00E-05 1.00E-05 KS50MR KS50AP KS50MR+450 KS50AP+450 放出ガス量(Pa・m3/m2・sec) KS50MR+200 1.00E-06 1.00E-06 1.00E-07 1.00E-07 450℃酸化処理 450℃酸化処理 1.00E-08 1.00E-08 処理なし 純チタン JIS-2種 酸洗 1.00E-09 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 処理なし 純チタン JIS-2種 鏡面研磨 1.00E-09 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 200℃酸化処理 1.00E+05 1.00E+06 排気時間(sec) 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 17 チタン材測定 • 実験条件と結果 – チタン合金(Ti-3AL-2.5V,Ti-15V-3Sn-3Cr-3AL) – 試験ダクト(φ150mm×L1000mm) – ベークなし+排気時間50時間 1.00E-05 15-3-3-3AP 15-3-3-3+200 3-2.5AP 放出ガス量(Pa・m3/m2・sec) 1.00E-06 3-2.5AP+200 1.00E-07 ⑧ ⑪ チタン合金 ⑧Ti-3AL-2.5V：酸洗 ⑨Ti-3AL-2.5V：酸洗＋200℃酸化処理 ⑩Ti-15V-3Sn-3Cr-3Al：酸洗 ⑪Ti-15V-3Sn-3Cr-3Al：酸洗＋200℃酸化処理 1.00E-08 ⑨ ⑩ 1.00E-09 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 排気時間(sec) 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 18 SUS材測定 • 実験条件と結果 – SUS316L,SUS304 – 偏向電磁石用試作真空ダクト,試験ダクト(φ150mm×L1000mm) – ベークなし/あり+排気時間50時間∼70時間 0.0001 0.0001 10-5 10-5 10-6 10-6 10-7 10-7 10-8 10-9 10-8 Sample>SUS316L+電解複合研磨B社 Bend>SUS316L+電解複合研磨B社 Sample>SUS304+電解複合研磨A社 10-9 Sample>SUS316L+電解複合研磨B社 Bend>SUS316L+電解複合研磨B社 Sample>SUS304+電解複合研磨A社 NE60 (Pa m3/s /m2) 3P0R (Pa m3/s /m2) B5R0 (Pa m3/s /m2) 10-10 100 1000 NE61 (Pa m3/s /m2) 3P0F (Pa m3/s /m2) B5B0 (Pa m3/s /m2) 104 105 106 10-10 100 1000 time (sec) 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 10 4 105 106 time (sec) 19 R&D • TiNコーティング – epインスタビリティ 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 20 真空ポンプ • 耐放射線を考慮した構成と運用 – 粗引きポンプシステム • ターボ分子ポンプ（磁気浮上式） +スクロールポンプ（オイルフリー） • ビームタイム中退避 – 主ポンプシステム • イオンポンプ • 常設 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 21 真空ポート • 仕様（L320mm） – RFスリット – ゲージ、リークポート – （アングルバルブ） −粗引きシステム着脱用− – ベローズ – 搬送台車 • 設計中 Ctotal =487L/s 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 22 接続機器 • ゲートバルブ（L160mm） – 仕様 • RFコンタクト 付きオールメタルGV • 耐放射線性 108Gy – 3GeV-Ringで開発中 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 23 取合い • Q-ST(Monitor)-B 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 24 接続機器 • ベローズ（L140mm） – フランジ接続に原則挿入 – RFコンタクト付き – SUS材は製作実績有り@KEK-B – チタン材を検討中 • 弾性係数が小さく、弾性変形の範囲が広い 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 25 接続機器 • シール – HELICOFLEX（ Δ-Type） • フランジ – 小段差 • クランプチェーン – スペース対策 – 軽量化 – 設計検討中 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 26 まとめ • 機器配置 – 接続機器の設計へ – Insertion部の取り合いへ • 機器設計 – 真空ダクト 製作性 渦電流効果 真空条件下の変形 残留放射能 真空特性 SUS316L A B A B A Inconel (A) A A C (?) TiAlloy B? A B A A? Ti (A) C B A A – その他：適宜試作中+設計検討中 2001/11/16 第二回大強度陽子加速器計画技術報告会 27
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