Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEP007

溶接ステンレス板を使った大口径ピローシールの開発（２）DEVELOPMENT OF A LARGE-DIAMETER PILLOW-SEAL USING WELDEDSTAINLESS-STEEL PLATES (2)倉崎 るり#, A)，山野井 豊 A)，渡邉 丈晃 A)，中村 哲朗 B)
Ruri Kurasaki#, A), Yutaka Yamanoi A), Hiroaki Watanabe A), Tetsuro Nakamura B)
A)
Institute of Particle and Nuclear Studies, High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
B)
MIRAPRO CO., LTD.

Abstract
At the J-PARC Hadron Experimental Facility, a new proton beamline at 8 GeV is currently under construction for
COMET experiment. Since the pion-generation target is located in the center of the solenoid magnet, the radiation levelis expected to be very high around the magnet downstream. To reduce radiation exposure to workers, we have developeda large-diameter all-metal pillow seals for vacuum connections around magnets.To fabricate a pillow-seal with an outer
diameter of 1400 mm, a stainless-steel plate with a diameter of 1500 mm and a thickness of 0.2 mm is required, but it is
not able to procure such a large “seamless” plate. Thus, welded plate was adopted for the large-diameter pillow seal. The
fabrication of the large-diameter pillow seal was successfully carried out as designed, and subsequently vacuum tightness
was measured with a newly constructed test bench. In this paper, results of the vacuum tightness are reported.

1.

はじめにJ-PARC ハドロン実験施設では、30 GeV に加速された陽子ビームを利用して、多くの原子核・素粒子実験が実施されている[1]。
現在、新たなビームラインとして、COMET 実験[2]のためのビームラインの建設を進めている。ここで用いる捕獲ソレノイド電磁石は超伝導電磁石となっており、中心部にはパイ中間子生成標的が置かれ（Fig. 1）ビーム前方となる接続部周辺は高放射化が予想される。そのため作業の効率化、作業者の被ばく量低減のために、真空接続には遠隔からの真空接続・切り離しが可能な大口径ピローシールの採用を計画している[3-6]。ただし、これまでに類を見ない大型品となるため、最大の懸念事項は真空気密を作る膜材（ダイヤフラム）の材料となる継目のないステンレス板材の入手または製造が困難なことである。
このダイヤフラムの製造に関しては前回の学会で報告した通り[7]、溶接による板材を製作し、そこからダイヤフラムを切り出して製作する手法を開発して、小型テストベンチを使い要求される気密性能が達成可能であることを実証した。引き続き、この溶接方式による大型ダイヤフラムを製作し、それを使用して実際に実機サイズの大口径ピローシールの製作を行い、製作方法を確立するに至った。この実機サイズの大口径ピローシールについて、これまでに専用の大型試験治具を準備し、真空気密性能の測定を実施した。
本論文では、溶接方式で製作したダイヤフラムを使用した大口径ピローシールの真空気密性能を報告する。

Figure 1: Drawing of a large-diameter pillow-seal and asolenoid magnet with a radiation shielding unit.

2.

大口径ピローシール

2.1

ピローシールの利点

ピローシールは、Fig. 2 に示すように鏡面研磨された金属ダイヤフラムとミラーフランジとを密着させることで真空気密を得ることができる真空着脱装置である[7]。遠隔からの圧縮空気の On/Off のみで真空の接続・切り離しが可能で、さらにすべて金属材料で構成され、有機材料を使用していないため耐放射線性に非常に優れている[3-6]。そのため、近接作業が困難なハドロンビームラインの高放射化エリアなどで多く採用されている。

___________________________________________# ruri.kurasaki@kek.jp- 521 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 4: Photograph of the large-diameter pillow-seal.

Figure 2: Schematic drawing of a pillow-seal.

2.2

大口径ピローシールの仕様

捕獲ソレノイド電磁石のクライオスタット下流部の有効内径はφ1200 mm で、片側フランジが固定されもう片方が伸縮する片持ち型のピローシールである。大口径ピローシールの図面を Fig. 3 に示す。設置方向はミラーフランジがクライオスタット側（一次ビームライン上流側）、ダイヤフラムが下流側となる。二重ベローズ内に 0.3 MPa かけた時に伸縮長 10 mm 程度になるように、成形ベローズは 3 山とした。二重のダイヤフラムの溶接場所は内側と外側で直線上にならないように位相を 45 度回転させた。
ダイヤフラムの幅は、前回報告[7]の小型試作機より幅を大きく取り 30 mm とした。製作した実機サイズの大口径ピローシールの写真を Fig. 4 に、性能試験の様子を Fig. 5に示している。
このピローシールに要求されている気密性能は、COMET 実 験 の 要 請 に よ り 、 ヘ リ ウ ム リ ー ク レ ー ト で
1E-8 Pa・m3/s 以下とされている。

Figure 3: Drawing of the large-diameter pillow-seal. The
pink and blue lines in the left figure show the weld seam
position of the diaphragm. The unit in the right figure is inmm.

Figure 5: Photographs of the setup for the large-diameter
pillow-seal performance test.

3.

性能試験

3.1

全体の気密性能測定

大口径ピローシール全体の気密性能（ヘリウムリークレート）の測定結果を Fig. 6 と Fig. 7 に示す。ミラーフランジおよび大口径ピローシールを対向フランジ（試験用フランジ）に取り付ける際にはゴム O リングを使用した。測定は大口径ピローシールの主排気にヘリウムリーク検出器（PFEIFFER VACUUM 社製 ASM310）を接続して、外側のダイヤフラムとミラーフランジの密着面の外にフードを構成し、フード内にヘリウムガスを封入して行った。この時、ダイヤフラムの中間排気にはターボポンプを接続して排気し、中間排気の到達圧力は約 1.7 Pa の状態であり、主排気の到達圧力は約 2.0E-3 Pa であった。
ダイヤフラム圧力を 0.35 MPa に固定してベローズ圧力を変えた時のヘリウムリークレートの測定結果を Fig. 6に示している。ベローズ圧力を 0.35 MPa に固定してダイヤフラム圧力を変えた時のヘリウムリークレートの結果をFig. 7 に示している。全体のヘリウムリークレートの結果としては 1.3E-7 Pa・m3/s から 2.9E-7 Pa・m3/s であった。この値は、現状として目標値（1E-8 Pa・m3/s）に約 1 桁届かなかったことを意味する。この原因を探るべく、次節以降- 522 -

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PASJ2022 WEP007に示すように個別のリーク特性や接触幅の測定を実施した。また、Fig. 6 と Fig. 7 に示している圧力特性としては、ダイヤフラム圧力を上げるよりも予めダイヤフラム圧力を固定してベローズ圧力を上げる方が気密性能は良くなる傾向が見られた。これは現状として鏡面（ダイヤフラム）と鏡面（ミラーフランジ）の接触圧力よりも接触幅の方が気密性能に効いていることを示唆している可能性があると考えられる。

ム圧力を変えた時のヘリウムリークレートの結果は Fig. 9である。ダイヤフラムの溶接および加工は前回報告[7]と同じ方法・手順で行ったが、前回の測定結果とは異なりシームレス部との性能に大きな違いは見られなかった。
これはダイヤフラムの幅が前回報告時の小型実証機では 20 mm に対し、今回の実機サイズでは 30 mm になったことで溶接シームの影響が緩和された可能性がある。
この点は今後の検証課題の１つと考えている。

Figure 6: Results of the helium-leakage rate as a functionof the bellows pressure, where the diaphragm pressure isfixed to be 0.35 MPa.

Figure 8: Results of the helium-leakage rate of the outside
diaphragm at the weld seam point and at the seamless point
as a function of the bellows pressure, where the diaphragmpressure is fixed to be 0.35 MPa.

Figure 7: Results of the helium-leakage rate as a functionof the diaphragm pressure, where the bellows pressure isfixed to be 0.35 MPa.
3.2

シームレス部と溶接シーム部の気密性能測定

二重になっているダイヤフラムの外側のうち、シームレス部と溶接シーム部の気密性能を測定した。測定方法
は中間排気にヘリウムリーク検出器を接続して、外面の一部にのみヘリウムガスを吹きかけることで行った。ヘリウムガスを吹きかけた場所はシームレス部（一次ビームライン上流から見て 10 時の方向）と溶接シーム部（一次ビームライン上流から見て 2 時の方向）の 2 カ所である。
ダイヤフラム圧力を 0.35 MPa に固定してベローズ圧力を変えた時のヘリウムリークレートの測定結果は Fig. 8である。ベローズ圧力を 0.35 MPa に固定してダイヤフラ

Figure 9: Results of the helium-leakage rate of theoutside diaphragm at the weld seam point and at theseamless point as a function of the diaphragm pressure,
where the bellows pressure is fixed to be 0.35 MPa.
3.3

内外側ダイヤフラムの気密性能測定

2 重になっているダイヤフラムの内側と外側それぞれのダイヤフラムの気密性能を測定した。内側ダイヤフラムの気密性能の測定方法は、主排気にヘリウムリーク検出器を接続して中間排気にヘリウムガスを封入して測定する。外側ダイヤフラムのリーク量の測定方法は、中間排気にヘリウムリーク検出器を接続して外面フード内にヘリウムガスを封入する。

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ダイヤフラム圧力を 0.35 MPa に固定してベローズ圧力を変えた時の内外ダイヤフラムのリークレートの結果はFig. 10 である。また、ベローズ圧力を 0.35 MPa に固定してダイヤフラム圧力を変えた時の結果は Fig. 11 となった。
内側ダイヤフラムのリークレートは 5.4 E-4 Pa・m3/s から
1.5 E-3 Pa ・ m3/s 、 外 側 ダ イ ヤ フ ラ ム の 気 密 性 能 は
2.0E-4 Pa・m3/s から 3.5 E-4 P・m3/s であった。この測定か
ら、内側ダイヤフラムの気密性能が低いことが分かった。
これもまた気密性能を下げる要因の 1 つである可能性がある。また、圧力による気密性能の変化は内側と外側では同じような傾向が見られる。

Figure 10: Results of the helium-leakage rate of thediaphragm as a function of the bellows pressure, where thediaphragm pressure is fixed to be 0.35 MPa.

を定めた。
プレスケールの結果から接触幅を測った結果は Fig. 12である。内側ダイヤフラムの溶接箇所は 90°と 270°で、外側ダイヤフラムの溶接箇所は 45°と 225°である。ダイヤフラムの接触幅は、135°の位置で若干細くなっている。最小幅で 6 mm 以上のため他のピローシールの実績上から推定すると十分な接触幅が確保されているように考えられるが、このことが気密性能を下げる要因の 1つである可能性も否定できない。また、プレスケールでの測定ではダイヤフラムの溶接継ぎ目の跡は確認できなかった。つまり、溶接継ぎ目部分も他のシームレス部と同様にミラーフランジへ接触しているものと考えられる。

Figure 12: Results of the contact width (unit: mm) of thediaphragm measured with the PRESCALE [8], where thebellows pressure and diaphragm pressure are fixed to be0.35 MPa. The left and right figure show the width for theinner diaphragm and the outer diaphragm, respectively.
The pink circles (90° and 270° in the left figure, 45° and
225° in the right figure) show the weld seam position.

4.

改善策と測定結果

前節までに示した試験結果より、気密性能が目標値に達しなかったことと関連していることは、①内側ダイヤフラムの気密性能が外側より低かったこと、②ダイヤフラムの接触幅が一部細い（当たりの弱い）区画があったことの 2点である。そのため、内側ダイヤフラムの接触幅を増やすこと、接触幅を全周でより均一することが必要であると考えられる。ここで、並行して実施していたフランジの寸法（平面度）検査において、ミラーフランジの真空シールを試験用のゴム O リングから実機で適用するメタルシールにすることによって、ミラーフランジの内側がわずかにFigure 11: Results of the helium-leakage rate of the反る（平均で 0.06 mm 程度）ことが測定された。そこで、こdiaphragm as a function of the diaphragm pressure, whereの変形によりダイヤフラムの接触具合が強くなる可能性
the bellows pressure is fixed to be 0.35 MPa.
が考えられたため、実際にメタルシールで締結したミラーフランジを使用して試験を実施した。
まず、ダイヤフラム接触幅の測定結果を Fig. 13 に示し3.4 ダイヤフラムの接触幅測定ている。ゴム O リングの時と比べて、内側ダイヤフラムのFUJIFILM 社製の圧力測定フィルム（プレスケール[8]）接触幅は平均で 6 mm 程度増加することが分かった。外を使ってダイヤフラムの接触幅の測定を行った。ダイヤフ側ダイヤフラムの接触幅はほぼ変わらなかった（平均でラム圧力 0.35 MPa、ベローズ圧力 0.35 MPa でプレス0.3 mm の増加）。次に、大口径ピローシール全体の気密ケールの加圧時間は 2 分間とした。測定箇所は 45 度ず
性能の測定結果を Fig. 14 に示している。ダイヤフラム圧
つ 8 カ所、一次ビームライン上流から見て 0 時の方向を力を 0.35 MPa に固定してベローズ圧力を変えた時の測0°としてダイヤフラムに向かって右回りに 45°ごとに区画定結果である。ダイヤフラム圧力 0.35 MPa、ベローズ圧- 524 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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力 0.5 MPa の時に大口径ピローシール全体のヘリウムリークレートは 4.2 E-9 Pa・m3/s となり、目標値（1.0 E-8 Pa・m3/s 以下）を達成することが分かった。Figure 14 に示す
通り、ミラーフランジの真空シールをメタルシールにした
時、ダイヤフラム圧力 0.35 MPa の場合はベローズ圧力0.4 MPa 以上で目標値をクリアすることが明らかとなった。

Figure 13: Results of the contact width (unit: mm) of thediaphragm, where the bellows pressure and diaphragmpressure are fixed to be 0.35 MPa. Orange triangles show
the result with a metal seal for fastening the mirror flange
to the test flange, and blue circles shows the result with anelastomer seal (same result as shown in Fig. 12).

各種測定から、溶接シーム部の問題ではないことが確認された。気密性能の低減させる要因として以下 2 点が見つかった。①内側ダイヤフラムの気密性能が外側と比べて低かったこと、②ダイヤフラムの接触幅が一部細い区画があったことである。ここで、並行して実施していた平面度検査において、ミラーフランジの真空シールを試験用のゴム O リングから実機用のメタルシールにすることによって、ミラーフランジがわずかに変形（内側がわずかに反る）ことを確認した。その影響でダイヤフラムの接触状況が変わる可能性があり、メタルシールを使用した場合についても測定を実施した。その結果、内側ダイヤフラムの接触幅が増えると共に、全体の気密性能が向上することが確かめられた。特に、ダイヤフラム圧力 0.35 MPa、ベローズ圧力 0.5 MPa の時に大口径ピローシール全体のヘリウムリークレートは 4.2 E-9 Pa・m3/s となり、目標の気密性能を達成することが分かった。
今後、引き続き気密性能に関する調査を進めると共に、メタルシールで締結したミラーフランジ（実機使用条件）における試験を進め、システム全体として実機完成を目指す計画である。

参考文献[1] A list of experiments in the J-PARC Hadron-hall;
http://research.kek.jp/group/nuclpart/HDeppc/Exp/[2] COMET experiment;
https://comet.kek.jp

Figure 14: Results of the helium-leakage rate as a functionof the bellows pressure, where the diaphragm pressure isfixed to be 0.35 MPa. The red line at 1E-8 Pa・m3/s shows
the requirement for the helium-leak rate. The difference
from the result shown in Fig. 6 is that the mirror-flange
was fastened to the test flange with a metal-seal.

[3] Y. Yamanoi et al., “Development of Pillow Sealing for JPARC Hadron Beamline”, Proceedings of the 2nd Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, 2005, pp.
736-738, LAM736.
[4] Y. Yamanoi et al., “ Development of Vacuum Sealing
Devices for J-PARC Hadron Beamline”, Proceedings of the
3rd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,
2006, pp. 472-474, WP68.
[5] Y. Yamanoi et al., “Effect of surface roughness on leaktightness of pillow seal”, Proceedings of the 4th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, 2007, pp.
826-828, FP59.
[6] R. Kurasaki et al., “Development of a long-stroke pillowseal for the J-PARC Hadron High-P beamline”, Proceedingsof the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Societyof Japan, 2019, pp. 302-306, WEPH013.
[7] R. Kurasaki et al., “Development of a large-diameter
pillow-seal using welded stainless-steel plates”,
Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, 2021, pp. 243-247, MOP010.
[8]5.

まとめJ-PARC ハドロン実験施設 COMET 実験用ビームラインのために、ビーム有効径 1200 mm というこれまでに類をみない大口径のピローシール開発を進めている。ここでは、溶接ステンレス板からダイヤフラムを切り出す手法
により大口径ピローシールの実機サイズの製作を行い、その気密性能の測定を行った。ミラーフランジの真空シールでゴム O リングを使用した場合、全体のヘリウムリークレートとしてはフード法で 1.3E-7～2.9E-7 Pa・m3/sの範囲で、目標（1E-8 Pa・m3/s 以下）には届かなかった。

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https://www.fujifilm.com/products/measurement_film/en/
prescale/product/