量子ビーム応用研究 5 - 16 真空容器で磁場を遮へいし加速器ビーム軌道を安定化 － J-PARC における漏えい磁場遮へいのための磁性材料製真空容器の開発－ 近傍の電磁石からの漏えい磁場 ∼10-3 T ベローズ ビームパイプ ビームパイプ 1m ベローズ ビームパイプ ターボ分子ポンプ 四重極電磁石 計算でモデル化した部位 ビームパイプ ターボ分子ポンプ ビームパイプ ビームパイプ ベローズ ベローズ 4.5e-3 磁性材料：パイプ胴部， ベローズ， フランジ 磁性材料：パイプ胴部， ベローズ 磁性材料：パイプ胴部 1.5e-3 （T） （T） 磁性材料製真空容器（ビームパイプ） がある範囲 2e-3 外部磁場 4.0×10-3 T 1e-3 0 -600 -400 -200 （b） 2e-4 1e-4 0 3e-3 0 200 400 600 10-5 10-6 超高真空領域 （10-5 Pa以下） （Pa） 10-7 0 1000 2000 3000 測定位置（mm） 図 5-42 真空容器各部品を磁性材料にしたときの磁気遮へ い性能（計算値） 図 5-41 枠の部位をモデル化して計算した結果です。真空 容器のすべての部品を磁性材料にすることで、効果的な磁気 遮へいができることを示しています。 加速器において真空容器外部からの不要な磁場はビー ム軌道のずれの原因となるので、そのような磁場をいか にして遮へいするかは、安定なビーム軌道をつくるうえ で大きな課題です。J-PARC の 3 台の加速器群のうち の 3 GeV シンクロトロン加速器（以下、シンクロトロン） では、ビーム出射部に隣接する電磁石からの 10-3 T 程 度の漏えい磁場によりビーム重心軌道がビームパイプの 中心から 10 mm 程度ずれ、ビームロスが発生するという 事象が生じました。私たちは、ビームから最も近い場所で、 周りを高い透磁率を持った磁性材料で完全に覆うこと、 すなわち真空容器を磁性材料化することが、最善の磁場 遮へいであるとの着想の下、磁気遮へい性能及び高真空 性能を兼ね備えた真空容器の開発を行いました。 図 5-41 に磁性材料製真空容器を設置するシンクロト ロン出射部ビームラインのレイアウトを示します。ビー ム軌道の計算から、この領域への漏えい磁場（外部から の不要な磁場）を真空容器内部で 10 分の 1 に遮へいす る必要があることが分かりました。図 5-42 に真空容器 の各部を磁性材料に変えたときの容器内部の磁場分布の 磁場計算コードを用いた計算結果を示します。より効果 的な磁場遮へいをするためには、ビームパイプ胴部だけ 10-8 0 10 20 30 40 排気時間（h） 図 5-43 ビームパイプの磁気遮へい性能と真空性能（実測値） （a）磁性材料製真空容器により外部からの不要な磁場を大幅 に遮へいできました。 （b）磁性材料製真空容器においても超高真空を達成できるこ とが分かりました。 でなく、フランジやベローズといったすべての部品を磁 性材料にする必要があることが分かりました。そこで、 薄肉のビームパイプ胴部及びベローズに透磁率の高い パーマロイを、厚肉のフランジにフェライト系ステンレ ス鋼を用いることとしました。 磁性材料は加工時に発生する内部応力によって透磁率 の減少が起きます。磁気性能を回復させるためには、一 般的に熱処理（磁気焼鈍）を行います。一方、超高真空 を達成するためには真空容器に用いる材料を高真空下で 熱処理し、脱ガスをします。私たちは、磁気焼鈍及び脱 ガスの両目的を同時に達成するために、製作の最終段階 で真空容器を高真空化で熱処理を行いました。図 5-43 に熱処理をした磁性材料製真空容器 （ビームパイプ） の磁 気遮へい性能及び真空排気性能の測定結果を示します。 外部からの不要な磁場を真空容器内で 10 分の 1 以下に 遮へいするという目標を達成できました。また、これまで真 空性能が未知であった磁性材料の真空容器においても、 超高真空を達成できることが分かりました。 このように、 優れた磁気遮へい性能と超高真空性能を兼ね備えた磁性 材料製真空容器の採用によって、シンクロトロンのビー ム軌道の安定化に見通しを得ることができました。 ●参考文献 Kamiya, J. et al., Vacuum Chamber Made of Soft Magnetic Material with High Permeability, Vacuum, vol.98, 2013, p.12-17. 80 800 測定位置（mm） 圧力 真空容器内部の磁場 外部磁場 2.0×10-3 T 真空容器内部の磁場 （a） ビーム パイプ 図 5-41 J-PARC の 3 GeV シンクロトロン における磁性材料製真空容器の設置想定箇所 シンクロトロン出射部では、隣接する電磁 石からの漏えい磁場がビーム軌道へ影響を 与え、外部からの不要な磁場となっていま す。そのような磁場を遮へいするために磁性 材料製真空容器（ビームパイプ，ベローズ） の開発を実施しました。 原子力機構の研究開発成果 2014
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