θ=2 sin(1-1)

アライメントで表され、高さの補正⊿h は⊿h = R(− 1）

1. はじめに

(1-2)

となる。
SACLA という長尺の加速器のアライメントといさて地球の半径は幾らかというと、これは地球う事で、設置後の変位に密接に関係する建屋の基の形をどう定義するのかという事になる。日本で礎構造にふれ、その後、計測機器、全体アライメ

は 2002 年から測量法で正式に採用されている地

ント計画、床面の変位測定、実際のアライメント

球 形 状 に 合 っ た 準 拠 楕 円 体 は 、 GRS80

方法とアライメント結果、最後にモニタリングシ(Geodetic Reference System 1980) で あ る 。

ステムについて解説する。

GRS80 は赤道半径と扁平率を次のように定義し1.1. 地球の曲率
地球の曲率について
曲率についてている。
赤道半径 = 6,378,137 m (約 6,378 km)

オートレベル等の重力方向を基準とした道具で扁平率 = 1 / 298.257 222 101

高さ基準点をつないで水平基準線を作ると、地球
この定義よりの曲率に沿った多角形の基準線になる。大型の加極半径 = 6,356,752.314 . . . m (約 6,357 km)

速器をアライメントする場合、この地球の曲率をとなる。日本付近の地球半径は 6,371 km である。

考慮する必要がある。
この値(この計算に上記のような精度の数字を重力方向と直交する面（具体的には静止した水使う必要はないが)を使って計算した結果を Table

面等）を水平面（専門的には重力の等ポテンシャ

1 に示す。角度は距離に比例、高さは距離の自乗ル面）と言い、このうち平均海面高さに一致するに比例する。
ものを特に「ジオイド」と呼ぶ。よって地球の丸
Table 1 ジオイド補正量

みに沿った線を、「ジオイドに沿った線」と呼ぶのが正しいが、単に「ジオイド」と呼ぶ事もある。
距離(m)高さ(mm)

角度(µrad)

0

0

0

36

0.10

6

D：距離

50

0.20

8

P：水平基準点

100

0.78

16

O：地球の中心

P
θ
D/2

θ/2

Q

D/2

⊿h

R

P

R

R：地球の半径P’：観測点

128

1.28

20

⊿h：高さ補正量

200

3.14

31.4

θ：角度補正量

500

19.60

78.4

1000
78.39
距離:水平基準からの距離

156.8

θ/2
θ

O

Fig. 1-1 ジオイド補正

ジオイドに沿ったアライメントは、補正せずにオートレベルや水準器を使用する事ができるのジオイドに沿った線から、真に水平の線を得る

で労力も少なく精度も良いと言える。線型加速器

ための補正量はどの位になるか計算してみる。

の場合は基準線を真の直線にするか、ジオイドに(Fig. 1-1 参照)。地球の半径を R、 P 点を水平基沿った線にするかはよく加速器設計者と事前に準点とし、そこから距離 D の観測点 P’でのジオイ相談するべきである。ジオイドに沿った線といっ

ド補正に関する角度θはても結局は多角形になるので、その角度の補正量
が加速器のいろいろな誤差の範囲内なのかどうかの検討が必要である。もちろん XFEL のアンジ
(R+1(m))θ

ュレータ部は電子ビームとＸ線を同じ軌道にす1(m)る必要があるので、真の直線でアライメントするRθ必要がある。

高低差 1(m)で、屈折率が1ppm(10E-6) 違う場合、(θは微小)
光路差 = (R+1(m))θ－R･θ

円形のリング加速器は、球に円を置いた事になR= 1(m)・θ

るので、垂直方向のアライメントは各部で水平に行えば良い。但し長い直線部があると補正が必要= Rθ・10E-6になる。又、リング半径が大きくなってくると、

R = 10E+6・1(m)θコンポーネントのローリング角を円の内側に倒す補正が必要になる場合もある。
1.2. 空気の屈折率の違いの影響について= 1000(km)O

Fig. 1-2 屈折率の違いによる光の曲がり

大気中で光を使って計測する場合は、当然空気の屈折率の影響を受ける。数 m 角ぐらいのエリアサ

よって、高さ 1 m の温度差 1 ℃は、曲率で 1000

イズならば、囲いを作って理想的な環境を構築でkm に相当するので、前章の地球の丸みの影響のきるが、加速器収納部のような広いところはその約 6 倍という事になる。一般的に、上下の温度差

ような事はできない。その為、光計測に対する気は床面に近い程変化が大きいので、視準高さは 50

温や気圧の影響を知る必要がある。

cm 以上を選び、特にスロープの高低差を測る場

空気の屈折率は、気温が高くなると密度が小さ

合は視準高さが 2 つの標尺で異なるのでその影響くなるので小さくなる。同じく気圧が高くなるとを覚えておかなければならない。尚、屋外で気温密度が大きくなり、屈折率は大きくなる。その変を測定する場合は放射があるので、必ず通風温度

化量は使用している光の波長によって異なるが、計を用いる。

光波測距儀でよく用いられる赤色レーザーの波

高低差は気圧も変化させ、視準線の光路は下方

長 633 nm では気温 1 ℃、気圧 3.3 hPa で 1 ppmに若干曲がる。低高度では、1 m につき 0.1 hPaの補正になる。

変化するので、先ほどの波長 633nm での値を使

距離計の場合、気温が高くなると、観測距離はって屈折率に換算すると、1 ppm/3.3(hPa) ×0.1

より短く観測され、気圧が高くなるとより長く観＝0.03 ppm となり、曲率にすると約 33000 km で測される。高精度の測距機能を持つ機器は、室温ある。

計や気圧計が内蔵されて自動的に補正する機種が増えてきたが、温度が異なるエリアをまたがっ2. SACLA 建屋の基礎構造て測定する場合は、補正が必要になる。

加速器建屋のコンクリート床面の安定性は、一度上下方向に気温差がある場合、視準線光路は上調整したアライメントを長期に維持し続けると下に曲がる事になる。上の方の温度が高いと光路いう意味で、加速器の性能の一部と言える。加速は下がって行く事になるが、その曲がりの量を計器完成後、アライメントの長期的変位を計測する

算してみる。

という事は、建屋床面の変位を計測するのとほぼ

高低差 1 m で屈折率が 1 ppm(温度差で 1 ℃)

同じ事である。

違う時に、ある距離 Rθ進んだ時の光の等位相面大型の加速器建屋の場合には、その仕様書に、を考え、1 ppm の光路差による等位相面の傾きか「長期間に渡って安定な床面にすること」と一言

ら、曲率半径 R を計算すると Fig. 1-2 の様になる。

書くだけで、堅牢で経年変化のない安定なコンク
リート床面を作ってもらえるわけではない。結局、建設予定地の地盤調査結果を元に、予算と相SPringSPring-8
蓄積リング棟

実験棟

XFEL(SACLA)

光源棟

加速器棟

BL29XUL
長尺実験棟

真空ポンプ小屋＃30
真空ポンプ小屋＃10

真空ポンプ小屋＃50

盛土
切土

Fig. 2-1 SACLA 建屋付近の盛土部と切土部を表した図。真空建屋付近の盛土部と切土部を表した図。真空ポンプ
真空ポンプ小屋
ポンプ小屋#50
小屋#50 付近を横切る付近を横切る
斜めの曲
斜めの曲線は旧谷筋を表し、設置された暗渠管の位置を示す。
談しながら最も良い基礎構造を選択する事にな
2.2. ボーリング調査
る。SACLA の場合は、アライメントの許容値が厳しいアンジュレータ部がある光源棟と、そうで地盤調査のメインはボーリング調査である。このない線型加速器部がある加速器棟では、それぞれ調査の一番の目的は、設置場所の地下の地層構造

相応の基礎構造が採用される事が当初から想定を調べ、建屋を支える支持基盤層の深さを決定すされた。

る事である。調査は、SACLA のビーム軸に沿っ今回は、基礎構造を決定する前にいろいろ行わて 11 箇所で行った(Fig. 2-2 参照)。

れた地盤調査の中から、特にボーリング調査と載ボーリング調査では、いろいろなデータが出て荷試験、それから SACLA の隣に設置されていた

くるが、地層推定断面図と各調査場所の土質柱状BL29XUL の変位測定について述べ、最後に採用

図の N 値の深さ分布が重要である。N 値とはそのされた基礎構造と予想変位について述べる。

部分の硬さを表す量で、標準貫入試験によって計

尚、基礎構造を含む建屋の設計は、建屋の基本測される。標準貫入試験は、質量 63.5 kg のハン設計を受注にした設計会社によって行われ、設計

マーを高さ 75 cm から自由落下させ、ロッド先端に必要な地盤調査もその発注の中で行われた。

の φ51 mm のサンプラーを地盤に 30 cm 貫入さ

2.1. SACLA 建設場所の地盤条件せるために必要な打撃回数である N 値を測定し、同時にサンプラーで試料採取をする。今回は最大

SACLA 建設場所付近の Fig. 2-1 に示す。一般に打撃数が 60 を超えたものは 60 以上としている。

地盤が堅固で大変良いとされる SPring-8 地区でこの N 値が 50 以上の硬さの層が支持基盤層となあるが、残念ながら SACLA を建設したエリアのる。

8 割が谷を埋めた盛土部であった。土地の造成は調査の結果、まず盛土層の硬さは十分でない1990 年に行われ、蓄積リング部の切土部で出た事、造成前の旧地表面層であったが中硬岩層でな岩石や土で盛土を行い、その最大厚さは約 50 m

い風化岩層は硬さが一定でない事、支持基盤層にであった。図中の加速器棟を横切る斜めの曲線する中硬岩層は最大 52 m の深さにあり、光源棟

は、旧谷筋で小さな沢があったので透水性の暗渠部でも 18 m の深さである事がわかった。

管が埋めてある。

XFEL(SACLA)
盛土
風化岩
中硬岩

Fig. 2-2 ボーリング調査の図。上：調査位置図。中：地質推定断面図と調査点 No.9 の深さ
方向の N 値のグラフ。左下：採取したサンプル。右下：調査風景。
また地下水位の情報も重要で、盆地の場合は定事から、沈下は暫減せずに止まらないと予想され常的に地下水位がある場合があり、この水位が降た。尚、測定期間中に何回か降雨があったがその雨や季節変動で上がってくると建屋変形の原因

影響はなかった。

となる。SACLA 設置場所は尾根にまたがっており、谷部の旧沢筋にも暗渠管が埋設してあって、初期沈下終了後からの経過日数

排水がきちんとされているので、今回の調査で
1

は、降雨直後以外の地下水位は観測されなかっ

0

た。

-1

沈 下量

2.3. 載荷試験

10

100

1000

-2
-3
-4

盛土層の堅さを調べるために、盛土が一番厚い(mm)

場所に、SACLA 建屋の基礎部とほぼ同じ面圧に-5なる ようなコ ンクリートの ブロック(5× 5×6-6m3、約 140kN/m2)を設置し、沈下の様子を 3.5-7

ヶ月にわたって測定した。
設置初期の沈下後の測定結果を Fig. 2-3 に示す。3 ヶ月間で約 4 mm 程度沈下し、その後も沈下し続け、横軸対数のグラフでも直線にならない

Fig. 2-3 載荷試験のコンクリートブロック(5×(5×5×6 m3、約 140 kN/m2 相当)相当)の写真と沈下のグラフ。

2.4. BL29XUL の変位計測の変位計測

いる。設置時に、正確に直線に設置された事を前建屋の設計に先立ち、SACLA とほぼ平行で南提に、2006 年 10 月～4 月に変位計測を行った

側 50 m に設置された SPring-8 蓄積リングの 1[1,2]。これにより、7 年間の地盤表面の動きを計

km ビームライン BL29XUL(Fig. 2-1 参照)のビー

測した事になる。
いろいろな測量器を使って計測した変位の結

ムパイプの変位を計測した。このビームライン
は、SPring-8 サイトの土地造成後 9 年経った 1999

果を Fig. 2-4 に示す。上はレベル(高さ)変位、下は横方向の変位、中はこのビームラインに沿った年に建設された。蓄積リング棟と実験ハッチのある最下流の長尺実験棟の間の長さ約 900 m の屋
外部は、放射光を導くビームパイプ(外径 114 mm)

造成前の高さである。
レベルに関しては、計測された沈下量は造成前の地形を非常に良く反映していた。沈下量と盛土と真空ポンプ小屋(64 箇所)から構成される。この厚はほぼ比例している事から、沈下は盛土の浅い部分には光学素子等を設置しないので位置変位部分だけでなく全ての部分で起きている事が推に対する許容量が大きく、重量としても軽量なので、厚さ 0.5 m・幅 2 m(真空ポンプ小屋部は 4 m)

察される。又、造成後 9 年が経過した場所に建設の簡単なコンクリートの基礎の上に設置された。

し、その後の 7 年間分の変位である事から今後も真空ポンプ小屋の設置間隔は 13.6 m で、小屋の同様な沈下があると考えられる。その量は最深部

間は 4 本のサポート架台でビームパイプを支えて(盛土厚 50 m)で 53 mm 程度であるので、
約 7 mm/年となる。

GNSS データ

Fig. 2-4 建設後 7 年経過後の BL29XUL の変位。
変位。上：レベル(
レベル(縦方向)縦方向)変位量。
変位量。下：横方向変位量。中：造成前の高さ(
造成前の高さ(盛土厚)盛土厚)。横軸は 13.6 m 間隔で設置されているポンプ小屋の番号

光源棟

加速器棟

風化岩

砕石置換
中硬岩
盛土
中硬岩

Fig. 2-5-1 SACLA 建屋の地盤と基礎部の構造：赤線(
建屋の地盤と基礎部の構造：赤線(縦一点鎖線)
縦一点鎖線)より右の加速器棟は杭構造、左側の光源棟は直接基礎構造と高充填砕石置換構造。縦軸の目盛((横破線間隔)
造、左側の光源棟は直接基礎構造と高充填砕石置換構造。縦軸の目盛
横破線間隔)は 10m。
10m。
横方向の変位に関しては、小屋#12 と#60 のデータを基準線とし、その直線からの変位を示した。盛土部では横方向にも変位している事がわかり、最大で 15 mm 程度であった。
2.5. SACLA 建屋基礎構造と変位予測
SACLA 建屋に採用された基礎構造の断面図をFigs. 2-5-1、2-5-2 に示す。
コンクリート杭線型加速器部がある加速器棟は、厚い盛土部に建設される事から基礎は杭構造とし、深さ 30～52m にある中硬岩層まで直径約 1.5 m のコンクリー
ト杭を打設した。ビーム方向の杭の間隔は 7.5 m、Fig. 2-5-2 加速器棟の断面図。マシン収納部内の収納部内横幅は 4.5mで、ビームと直交方向には各々2.5 本の杭(クラインクリート底面と同じ高さになったところで、建ストロンギャラリー側の杭は 15 m に 1 本)を打屋底面の圧力と同じになるように高さ 3 ｍの余

ち、総数 136 本の杭でマシン収納部とクライスト

盛りをして 2 週間以上プレロードを行い、人工岩

ロンギャラリーを支えている。一方、屋根を含む盤を形成した。

外皮や建屋の北側の付室部は盛土部直接基礎の上に建設された（Fig. 2-5-2 参照）。

加速器棟と光源棟の境界部は、基礎構造の違い
による沈下の違いを小さくするため、砕石置換部

通常の杭構造というのは、建屋の重量を全て杭を杭の部分にまで広げている。2 つの建屋の沈下の底面で支えるのはなく、杭の側面でも周りの地の違いによるオフセット段差を避けるために、エ盤との摩擦力によって建屋の重量を支える。しかクスパンションジョイントを設けておらず、縁切し SACLA の場合は、杭を側面から支える盛土部

りをしていない。むしろ折れ曲がりになるようは沈下し続けている事から、逆に杭を押し下げるに、厚さ 40 cm の床コンクリート部でつないだ。

方向に働き、通常のコンクリート杭の乾燥収縮にさて、最終的に設計会社によって予想されたこ

よる沈下よりも、大きな沈下が予想された。

れらの基礎構造での最大沈下量は、加速器棟は 20

一方、アンジュレータが置かれる光源棟は高い

mm/10 年、光源棟は 2 mm/10 年であった。加速

アライメント精度が要求される事から、中硬岩が器棟は盛土厚さに依存して中央部が一番沈下し、表面に露出している部分は直接基礎、盛土部は高

光源棟は上流部の砕石置換部が厚いところが沈充填砕石置換による基礎が採用された。砕石置換下する。光源棟の 10 年で 2 mm という数字は、1

部は、盛土と風化岩を中硬岩部が出てくるまで(最年あたりで 200 µm になり、これは後述のアンジ

大 18 ｍ)掘削し、その後砕石を敷いて、その密度

ュレータ部の精度からすると、随分大きな数字にが理論値の 95％になるまで厚さ 2 m ごとに重機感じるかもしれない。しかし建屋全体で、上流部で転圧する作業を繰り返した。最後に建屋基礎コが 200 µm 沈むように傾くのならば、アンジュレ

－タ部のアライメントは保たれたこと(実験ハッチではビームが上がるのでそれは問題だが)になり、むしろ問題になるのは局所的な不等沈下という事になる。

3. 計測機器
今回はアライメントに使用する各種計測機器の中から、オートレベル、光波測距儀、トータルス
テーション、レーザートラッカー、そして GNSS
測量器を紹介する。
3.1. オートレベル
水準測量では、測定する 2 点に立てた標尺をそのFig. 3-1 オートレベル。左：AS
オートレベル。左：ASAS-2(オプテ2(オプティカルマイクロメータ付き)ィカルマイクロメータ付き)。右：デジタ
ルレベル DiNi0.3 と標尺中間点に設置したレベル（水準儀）を使って、水
行シフトさせるものである。レンズ直前に平行平平な視準線により標尺の目盛りを読み、2 点の高板のガラスを垂直にセットし、このガラスを光軸低差を計算する。本体をある程度水平（～15’）に対してピッチング方向に回転させる事で、視準にすれば、振り子の機構で視準線が常に水平にな線をシフトさせる。レンズ部に取り付ける時の方るものをオートレベルと呼ぶ。
位でシフト方向が決まるので注意する。通常±5使用時の注意点として、(1) なるべく、機械点(測量器を設置した点)から等距離の 2 点を測る。望遠鏡のフォーカスも変mm でシフトができ、つまみには 0.1 mm 刻みの目盛りがついている。
距離違いで測定する場合は、測定前に使用する

えずにすむ。
(2) なるべく高倍率のアイピースを使用する。
(3) 目盛りを読むのではなく、オプティカルマイ

機器の視準軸誤差の校正を行うべきで、校正には一番条件が厳しい日本式(30 m 離した標尺の中間
点と 11:1 に外分する点で校正する「杭打調整法」)

クロメータを使用して、目標の線に合致させを推薦する。この校正を繰り返す事でレベルの精て測定する。
(4) 一連の測定の間は、同じ測定者が読み取りを度（視準軸誤差のうちの固定値でない部分と測定者の視準誤差））を見積もる事ができる。又、整行う。
(5) 十字線フォーカス調整用の視度調整リングは

準時に気泡の位置を、わざと中心から望遠鏡の前後方向にずらして外分点位置での観測を行い、同動かさない。
(6) 視準線上の空気をなるべく揺らさないようにじ結果になるかどうかで視準線の自動補正範囲を確認する事ができる。実際の不等距離測定時に配慮する。特に加速器トンネル内は空調を停
は、必ず機械点を動かして観測点との相対距離を止して計測する方が良い場合が多い。
水準測量は本来等距離の 2 点を測るもので、これ逆転させて測定し、観測値の変化をチェックする。値が明らかに異なった場合は、視準軸誤差がにより、オートレベルの視準軸誤差(視準線が水平ある為なので、校正して再測定するか、測定時のでない誤差、固定値を想定)と、空気の屈折率が上機械点と観測点の距離を全て計測し、計算で補正
下方向に変化して(温度と気圧の違い）視準線が上する。視準軸誤差は 2 点の視準時の距離の差に比下に曲がる効果（高さ方向の分布は場所に寄らず例する。
一定を想定）をキャンセルする事ができる。
(3)のオプティカルマイクロメータとは、レベル

一般にオートレベルの精度は 1 km 往復標準偏差で表される。最も良いオートレベルで 0.2 mmの対物レンズ部に取り付けて、視準線を上下に平である。精度は目視の場合、観測者の技量や疲労に依存する。我々が使用している光学式のオートレベルは Nikon 社の AS-2 で、オプティカルマイ
クロメータ使用時の標準偏差は 0.4 mm である。
実際の測定では、目視の場合距離 30 m で 0.15
mm が限界と考えている。
実際の測定では、バーコードのような標尺を機
械が画像解析して、分解能 0.01 mm で高さを読み取る、デジタルレベルを多用している。高さの他に、計測距離(精度 5 cm 程度)や複数回の測定値の平均・ばらつき（分散）も表示するので測定環
境の良し悪しがわかりやすい。又、距離も同時に
図 3-2．距離測定器。左：HILTI
距離測定器。左：HILTI 社 PD32。
PD32。
右：MEKOMETOR
右：MEKOMETOR ME5000

測定するので、測定だけ行えば、視準軸誤差の校正を自動的にする事ができる。ニコン・トリンブ
ル社(旧ツアイス)の DiNi0.3、ライカ社の DNA03の往復標準偏差は 0.3 mm で、SOKKIA 社のSDL1X が 0.2 mm である。計測環境を整えれば、ほぼ熟練測定者に近い精度が短時間で得られる。

3.2. 光波測距
光波測距儀
測距儀
直尺が使えない 3 m を越える長さを簡便に測る計測器としては、精度±1 mm のライカ社やヒルテ

ただ、視準線上の空気の揺らぎを極力抑える、焦点ノブを変えずに 2 点を測定する等の目視のオー

ィ社のレーザー距離計を使用している。

トレベルと同じ注意が必要である。

き、後述の TS より 1 桁高精度の±0.2 mm＋距離

長距離測定には後述の LT より長距離が測定で

尚、3 社の機械間で標尺の互換性がないのがユ×0.2 ppm 測定可能距離 8 km 程度の Kern 社

ーザーとしては不満である。しかし、加速器建屋

MEKOMETOR ME5000 を用いている。この測定内の測定では室温が大きく変化せず距離も短い

器は、500 MHz(波長 60 cm)付近でレーザー光のので、安価な 40 cm 程度の金属製標尺で使用する

偏光面を回転させ、その回転周波数を掃引しター事ができる。
ゲットまでの往復距離が掃引波長の整数倍の時
デジタルレベルのもう一つの利点は、測定デー
タを PC に直接転送できる事である。DiNi0.3 はに戻りの光が検光子を通ることを使い、この条件

Bluetooth で Excel のセルに直接データを送る事の周波数を複数見つけて距離を計算している。その精度から、過去には国土地理院で TS の距離計ができる。これにより、測定時の読み取りミス、の検定に使われていた。また、ダムの貯水位によ聞き取り書き取りミス、入力ミスがなくなり測定
る静水圧荷重が影響した外部変形調査などの大の信頼性が大幅に向上した。
我々が DiNi0.3 を使用し、XFEL 棟内の約 640型の構造物の精密変動調査などで実績があった

m を 23 点に関して、モニュメント(後述)高さとそが、既に製造中止で持ち運び容易な後継機種はない。

の場所の床面水準点鋲の高さを別々に二路でつないで計測し、両端で高低差を計測してループにした場合の環閉合差は 0.15 mm 以下である。

3.3. トータルステーション（TSトータルステーション（TS）
TS）
ある観測点から視準する 2 点の水平角と仰角を計

高さの測定データに関して、我々はこのデジタ
測する測量機をトランシット又はセオドライト
ルレベルのデータを一番信頼している。又、0.01mm という分解能に関しても、後述の分解能 0.1µm の HLS のデータと良く一致する。

と呼び、さらに測距機能も付いたものをトータル
ステーション（TS）と言う。現場では 30 m 以上の長い直線部を計測したり、直線に並べたり、直線のポイントを床にマークする時に使用する。

精度の必要な測定を行う時の注意点は機種によって異なるが基本的な事として、(1) あらかじめ校正をしておく。
(2) 整準盤の整準作業をきちんと行う。
(3) できれば三脚は重量のある堅牢で安定な物を使用する。
(4) 正・反の両方で（一度視準して計測後、方位角と仰角を 180°ひっくり返してもう一度計測
する）計測して平均値をとる。このような測定方式を「対回観測」と言い、幾つかのエラーをキャンセルできる。
図 3-4 ． ト ー タ ル ス テ ー シ ョ ン 。 左 ：TEA5005。右上：ターゲット
TEA5005 。右上：ターゲット(S。右上：ターゲット (SMR)(SMR)。右MR)。右下：木製三脚と鋼製架台(5) 長い直線のポイントを床にマークする時は、
時間と共にずれる事を考慮にいれて、遠い所
からマークしていき。最後に方向基準点をも測距方式は、レーザーの振幅変調を使用しており、その周波数がだいたい 50MHz 程度なので前述の ME5000 より精度が 1 桁落ちる。市販の TSの最高の精度は、測角 0.5 秒、測距 0.5 mm+1 ppm

う一度計測する。
があげられる。
3.4. レーザートラッカー（
レーザートラッカー（LTラッカー（LT）
LT）

程度で、自動視準精度は 1 秒程度である。これら

TS の距離計の分解能を 1 µm 程度まであげて(その 条 件 をほ ぼ 満 たす もの と し て、 ラ イ カ社 ののかわり長距離はできない)、自動視準精度をあげ

TDA5005・TS30、ニコン・トリンブル社の S8、（目視視準はできない）、ターゲットのトラッキン

SOKKIA 社の NET05 があげられる。我々はグ機能をつけたのがレーザートラッカー（LT）で、

TDA5005 を主に使用している。風速を 0.01 m/s

3 次元座標をリアルタイムで表示するので、アラ以下に抑えた環境で 40 ｍ先のターゲットを自動イメント作業では大変便利である。又、例えばフ視準で測定した場合、標準偏差で 0.2 秒程度の再ランジの周りを 10 点ぐらいターゲットでなぞっ現性がある。ちなみに我々の経験では、普通の観て計測し、データを円柱にフィッテイングするこ

測者の視準精度は 1 秒程度、熟練観測者が最適なとで、フランジ中心軸を計測するような事もできターゲットを使用した場合は 0.5 秒程度である。

る。

但し、自動視準は短距離が不得意で、5 m 以下(機種による)になると、明らかに目視の方が精確にターゲット中心に合わせられる。TDA5005 には求心望遠鏡がついていないので、機械点を床マークに合わせる時は、ライカの鉛直器 NL を使って整準台を合わせてから TS に載せ替えて使用している。
測定するターゲットには、後述の LT と共用できる、直径 38.1 mm（1.5 インチ）の金属球である SMR(Spheroidal Mounted Reflector)（コーナーキューブリフレクター内蔵で精度は 0.01 mm
以下）を使用し、自動視準で測定している。

図 3-5．レーザートラッカー。左：T3
左：T3。
T3。右：
AT401

最初のころの測距方法はレーザー干渉計を使に近いか判断は難しい。上下位置はデジタルレベ

った相対距離測定(IFM)であったので、ターゲッ

ルで検証できる。LT には電子レベルが内蔵されトをホームポジションから測定点に移動する間ており、原点と方向基準を与えて後は内蔵レベルにレーザー光が途切れないように滑らかに移動基準で水平な座標系を設定する事ができるが、検させる必要があった。近年は高精度絶対距離計

証するとカタログスペックを満たしてない事が(ADM)を搭載する機種が出てきており、ターゲッあった。

ト移動も楽で精度も相対距離計方式と遜色がな

LT のコントロールソフトも重要である。加速い。価格も 20 年前の頃の 1/3 程度になり、高精器のアライメントには、New River Kinematics

度の TS の 1.5 倍程度で購入できるようになった。

社の Spatial Analyzer[3]が向いていると考えてメーカとしては現在、ライカ社、API 社、FAROいる。座標変換のマクロを処理したり、左手系の社の三社があり、一長一短がある。我々は、API座標も取り扱えたり、網測量後のデータ解析の平社の T3（IFM＋ADM）と OT（ADM）とライカ

均計算も充実している。このソフトはどの LT に社の AT401（ADM）を使用している。

も対応しているので、使用する機種が変わって

3 次元位置精度は、それぞれカタログでは 5も、同じ操作で各種座標変換や測定を行う事できppm ぐらいの数値があるが、これはかなりいい状る。又、各種 TS にも対応しており、LT を使用し態での測定値であるので、始業前の校正作業時のている時のように、座標変換処理後の 3 次元座標

計測値の許容量などをきちんと検証して使用すを見ながら測定ができるので、大変重宝している必要がある。分解能 1 µm 以上で計測値が表示る。

されるが、絶対位置は 5 µm/1m 程度なので、計

3.5. GNSS 測量器

測値を鵜呑みにしてはいけない。
LT は校正時に正と反の測定をしてエラーの補

屋外での地盤の変位の履歴を計測し、建屋間の相正パラメータを記憶させて、実際のアライメント

対位置の変位や、建屋の基礎部にかかっている力

時には正の面でしか使わないのが普通であるが、を 推 測 した り す るこ とは 重 要 であ る 。 その 際

アライメントの最終記録の測定には正反両方のGNSS(Global Navigation Satellite Systems)測対回観測をして平均値を求めている。

量は、天空が開けた場所であれば、陽炎・風の影

LT は使用する測定器の中で、水平位置に関しては一番精度が高いので検証が難しい。機械同士で測定値が系統的に異なる時でもどちらが真値

響を受けず、直接見通せない 2 点間でも測量でき大変便利である。
最も高精度の測量方法はスタティック法といい、相対測位の一種である。2 台以上の GNSS ア
ンテナと受信機で、5 個以上の GNSS 衛星からの信号を受信して搬送波の位相を解析することで、
地心 3 次元座標系（地球の重心を原点とした座標系）上でアンテナの位相中心間の座標差を求める
ことができる。また U.S.A 運営の GPS にロシア
運営の GLONASS も加え、国産の測位衛星 QZSS
（準天頂衛星）によって、常時 6 個以上の衛星によって測位する環境が整備され、衛星が少なくて測量ができなくなる状況が減少した。我々の所有する TOPCON 社の NeT-G3 のスペックは、水平

図 3-5．GNSS 測量器、
測量器、NeTNeT-G3。左上：
G3。左上：
アンテナ。左下：受信機。右：計測風景。

3 mm＋距離×0.5 ppm、垂直 5 mm+距離×0.5
ppm である。

実際の再現性は 15 分の測定で、水平方向±1mm、垂直方向は cm 程度であった。さらに、24時間の測定で前述の ME5000 と 200 ｍ～1 km の距離の比較では、差は大気補正後 0.0～0.3 mm に収まった。
また、直径 500 ｍ蓄積リングの外側に 17 年前に設置し、今は見通せなくなった基準点 10 点を測量した結果、その内の 3 点が 15、4.5、5 mm
移動していることがわかり、地盤との関係が理解できた[4]。

4. 全体アライメント
全体アライメント計画
アライメント計画
4.1. 据付要求精度

Fig. 4-2-1 測量用モニュメント(測量用モニュメント(オレンジのポール))。約 30m 間隔で一直線に並んでいる。
ポール(3) 建屋の床の変位がわからないので、2 ヶ月に 1加速器設計者と相談して決めた据付要求精度は回の全体計測が必要である。
以下の通りであった。
(1) 線 型 加 速 器 部 の 、 加 速 管 ・ 四 極 電 磁 石があった。その結果、一週間以内で全体測量がで(Q-Mag)・電子ビーム位置モニター（BPM）

きるような測量計画が必要になった。

の設置許容値は±0.3 mm/30m、但し全体的に4.2. ストラテジー

は滑らかにつながっていれば良い。
(2) 光源棟部の、アンジュレータ・Q-Mag・BPMの設置許容値は±0.2 mm/120m で、直線に並

アライメントするビームラインの長さは、BL1 も含めて延べ 900 m 程度である。測量に必要な時間を考慮して、約 30 m おきの 30 か所程度の測量用

べる。
(1)に関しては、これまでの普通の線型加速器と同程度と思われる。許容値の分母の 30 m は使用した LT(API 社 T3)の推奨距離から決めた。

モニュメントを置くことにした(Fig. 4-2-1 参照)。
モニュメントを並べるライン(リファレンスラ
イン)はビーム軸から水平・南側に 700 mm オフ
セットしたラインとし、全ての加速器コンポーネ

レーザー発振を得るには、電子ビームとＸ線を相互作用させるアンジュレータ部全体の 120 m

ントはリファレンスラインの視準を妨げないよにわたり 30 µm、任意の 10 m(アンジュレータ 2

うに、モニュメント側についてはビーム軸から台分)では 5 µm の精度で電子ビームをまっすぐに650 mm 以内で設計する事とした。
モニュメントの数は、加速器棟が 14、光源棟のとばす必要がある。もちろん、この精度は機器設
BL3 と BL1 でそれぞれ 9 の合計 32 個である。モ
置時のアライメントでは不可能なので、実際の電ニュメントの位置は等間隔ではなく、加速器のセ子ビームやアンジュレータからの自発光を使いクションごとの切れ目のステアリングマグネッ
最終的に調整する事とした。そのため、この部分
トの近くに置き、境目に関してはどこまでをどちの コ ン ポー ネ ン トで ある 、 ア ンジ ュ レ ータ ・BPM・Q-Mag は遠隔位置調整機構をつける。こらのモニュメントのペアでアライメントするかのような条件で、(2)のように光源棟部は加速器棟計画を立てた。

の 2/3 程度の設置許容値になった。

加速管と石定盤は近くの 2 つのモニュメントと、その中間の南側壁面に設置したレベル基準点

その他考慮すべき条件として、(1) 据付期間は 18 ヶ月間と長期である。
(2) 建屋の沈下は最も大きいところで 2 mm/年と予測された。

の 3 点で座標を作ってアライメントを行う。これは、LT の内蔵レベルの確認を兼ねている。

Fig.4
Fig.4-2-2 電子ビームのベースレベル

石定盤上の機器は、石定盤の基準を使ってアラ

置きのモニュメントに沿った多角形になり、偏向イメントする事とした。こうする事で石定盤を設

角は約 5 µrad である。加速部終端の振分マグネッ

置する時期とその上の機器を設置する時期が離ト部で、アンジュレータ部の中央を水平基準にしれていて、その間に石定盤が沈下した場合でも、た直線に切り替え、そこでの偏向角は 20 µrad で

石定盤を再アライメントする事で対応する事がある。水平基準位置での高さの補正は-0.81 mmできる。

と計算された。モニュメント調整時には、ジオイ

このモニュメントを最初から設置する事により、誰でも簡単に水平位置と高さの両方が精確な

ド基準のデジタルレベルで計測した後に、計算値分をステージで補正した。

基準点がひろえるのでアライメントの精度が向加速器棟電子ビームの G.L.（標高）は蓄積リン

上し、任意の場所でアライメント作業を行う事がグとほぼ同じで 292.397 m と計画した。尚、加速できる。又、モニュメント位置はその付近の加速器棟の電子ビームの床からの高さが 80 cm と低い

器機器の位置を表す事になるので、その変位を測のは、低い方が機器の振動対策に有利だからといる事は、加速器本体の変位を測る事になる。

う事で決められた。光源棟は、挿入光源に関してビームのベースレベルに関しては、線型加速部

狭ギャップ時の強い吸着力でも変形しない高剛は床面の沈下が避けられない事を考慮してジオ性の架台には高さが必要ということで通常の 120

イド、光源棟から後ろは直線にする事とした。計cm となった。

画図を Fig. 4-2-2 に示す。線型加速部は約 30 m
(a)

(b)

(c)

(d)

Fig. 4-3 測量用モニュメントとターゲット。(a)
測量用モニュメントとターゲット。(a)：モニュメン(a)：モニュメント。基部に床変位測定用水準鋲と床面に基準を落としたマークがある。(b)クがある。(b)：LT、TS 用ターゲット。(c)用ターゲット。(c)：目視用ターゲッ(b)：LT、(c)：目視用ターゲッ
ト。(d)ト。(d)：(d)：ME5000 用ターゲット。(e)用ターゲット。(e)：デジタルレベル用ス(e)：デジタルレベル用ス
ケール。

(e)

4.3. 測量用モニュメント

ロメータの値も記録を取っている。モニュメント

Fig. 4-3 に測量用モニュメントと各種ターゲット

ポールの傾きは横方向変位にきくので、位置計測を示す。ポール上の XYZ ステージによって、基時にはモニュメントプレートの傾きも計測して準となる 1.5 インチ球(φ38.1 mm)ターゲットのいる。

中心位置を調整して固定する。ターゲットは XYZ

4.4. 測量計画

ステージに取り付けたターゲットプレートにある 30°のすり鉢状の窪みにセットする。この窪みの底は貫通穴になっており、又ポール中心はオフ

建屋の床変位が大きい事が予想されたので、水平方向の測量は 2 日程度の量と考え、全体測量を１
日、光源棟測量を１日で終えられるように計画しセットしてあるので、上から鉛直器を使用して床た。
面に水平位置を移す事ができる。これにより、基
通常多数の計測点の水平方向位置を高精度に準線が床面上に途切れる事なく引け、又モニュメ
測量する場合は、機械点の位置を変えて、同じポントを一時的に外す時の復旧に有用である。
イントを多方向から計測し多くの観測方程式をモニュメントが表す基準位置(水平位置と高さ)を、いろいろな計測で拾えるように 1.5 インチ半設け、それらを最小二乗法で処理する厳密測量網
平均計算が使われる。これら計測点、機械点と測球を底面に持ついろいろなターゲットを製作した(Fig. 4-3 参照)。特に目視用ターゲットは、レー

辺で構成される幾何学的な三角形群あるいは多角形群を測量網あるいは測量ネットワークと呼ザー墨出し器と組み合わせると、誰でも精度±1mm でいろいろな作業ができる。

ぶ。

モニュメント基部の床面には水準点鋲を打設

全体測量に関しては、加速器棟部と BL3 のモニ

し、水準測量時にターゲット位置と床面鋲とをュメント 23 点だけとし、測定距離の長い TS を使

別々に二路で計測している。

って、前後 125 m にあるモニュメントを 4 箇所のXYZ ステージは勝手につまみをまわされない

機械点で計測する事とした。125m は TDA5005が精度良く測れる距離から決めた。この測量ネッように普段はカバーしており、ステージのマイク
全体測量

機械点

計測点

光源棟測量
BL3
ID

ID

ID

ID

ID

ID

BL1

Fig. 4-4 測量ネットワーク。上：全体測量。一直線に並んだ計測点
測量ネットワーク。上：全体測量。一直線に並んだ計測点 23 点を 4 箇所の機械点で TS を使って測量する。下：光源棟測量。230を使って測量する。下：光源棟測量。230 × 8 m2 のエリアの計測点 28 点を 9 箇所の機械点で LT を使って測定する。

トワークは一直線でほとんど三角形ではないの

合計４日で行える測量計画を立てた。

で測定精度はあまりよくない。事前に計測エラー
4.5. 高さ基準と方向基準を考慮したモンテカルロシミュレーションで誤差を見積もった結果は 0.5 mm であった。

建屋建設に先立ち、SACLA 光源棟南側の切土部

光源棟に関しては、BL1 と BL3 のモニュメン

分の 2 箇所に 1 級基準点が測量会社によって設置

トの他に BL1 の南側壁に 10 点を追加し 28 点とされ、この 2 点を基準に建屋の建設が行われた。

し、ネットワークのサイズとして 240×8 m2

を9収納部内全体の高さの最初の基準は、光源棟の箇所の機械点で LT を使い測定する事とした。三

直接基礎部で床表面から 40 cm 下の基礎コンクリ

角形が細長い網平均には不利なネットワークだート面上に打設した水準点鋲とした。場所は、Fig.

が、それを測距精度の良い LT で補うためである。

4-2-2 で、アンジュレータ部下流のジオイドライ

同じく計測エラーを考慮した誤差の評価は 0.2

ンと交差する点の近くである。この鋲を不動点とmm であった。

してモニュメントの高さを決め、その後の変位測

上下方向のレベル測量はモニュメント数の 32

量ではこの鋲を高さ基準点として計算を行って点を１日で計測、同じく距離方向の測定に１日、いる。この場所は遮蔽扉にも近いので、毎年夏か

(a)
光源棟

加速器棟

風化岩

砕石置換
中硬岩
盛土
中硬岩

(b)

(c)

(d)

この 3 箇所はあらかじめ高く設置した。
+2mm
+1mm
+1mm

基準点

Fig. 5-1 収納部内床面の高さの変化。(a)収納部内床面の高さの変化。(a)：建屋の基礎構造の断面図。
(a)：建屋の基礎構造の断面図。(b)：建屋の基礎構造の断面図。(b)：(b)：2008 年
8 月からの床面の沈下の履歴。(c)：(c)：2012 年 8 月でのコンクリート床面の実際の高さ。
(d)：モニュメントのリファレンスラインの変化。測定はデジタルレベルで行った。
(d)：モニュメントのリファレンスラインの変化。測定はデジタルレベルで行った。

ら秋にかけての測量で、設置した 1 級基準点と比ている。これは沈下に関してコンクリート杭自体較しているが、2010 年 4 月からの 3 年間の変位の収縮ではなく、予想通り周囲の盛土の沈下によは最大 0.3 mm であった。

る杭の収縮が支配的である事がわかる。

収納部内の方向基準は建築用に使われた点をFig. 5-1(c) は実際のコンクリート床面の高さ踏襲してモニュメントを並べた。モニュメント位である。床コンクリート打設時に、既にどの部分

置の精密調整後、基準線を床面に 2m 間隔でマーが沈下するかわかっていたので、その部分は厚くクした(精度 0.2 mm 程度)。マークにはビーム軸打設した。おかげで 2012 年 8 月の時点での床面

方向座標も記し、床・壁の罫書き基準や粗アライの低いところは沈下の半分の 6 mm 程度に収まっ

メント用に使用した。

ている。400 m 付近で 3 mm 高くなっているのは別理由で、5.4 で説明する。

5. モニュメント測量

Fig. 5-1(d) は実際に加速器をアライメントす5.1. レベル測量

る為の基準となるモニュメントのリファレンス

モニュメントの、レベル測量の結果を Fig. 5-1 に事がわかっていたので、コミッショニングの 2011示す。測定はデジタルレベルで行った。

年 6 月ごろに水平になるように、その部分のアラ

ラインの変化である。200 m 付近が一番沈下する

Fig. 5-1(b) は建設開始時の 2008 年 8 月からの床面の沈下の履歴を表す。最大で 11 mm 近くのイメント基準を 1～2 mm あらかじめあげておいた。

沈下があるが、直近の最大沈下量は加速器棟では1.1 mm/年、光源棟では 0.2 mm/年である。光源

5.2. コンクリート杭天端沈下測定
コンクリート杭天端沈下測定

棟の沈下量は建屋設計会社の予想とだいたい一

加速器棟部の一番長いコンクリート杭(51.5 m)に致している。注目すべきは、加速器棟の沈下グラ関して打設直後に、その天端に水準点鋲を設置しフの形状で、Fig. 5-1(a) と比較してわかるように

沈下計測を行った。その水準点鋲は Fig. 5-2 の左杭の長さではなく、盛土部の地層の形状と一致しの写真にあるように、収納部完成後の今でも穴を砕石置換

Fig. 5-2 加速器棟部の最も長いコンクリート杭天端の沈下。左上：杭完成直後に水準点鋲を設置した写真。
上：杭完成直後に水準点鋲を設置した写真。左下。左上：杭完成直後に水準点鋲を設置した写真。左中：床コンクリート打設時の沈下計測の写真。左
床コンクリート打設時の沈下計測の写真。左下：建屋完成
下：建屋完成後に収納部トンネルピット部にある水準点鋲の計測用穴の写真。右：四角は杭天端の沈下、菱形は杭付近の沈下（相写真。右：四角は杭天端の沈下、菱形は杭付近の沈下（相対値）、三角は今後の沈下予測。

固定点
固定点

Fig. 5-3 収納部床面の水平方向の変位。
収納部床面の水平方向の変位。上下流に解析の為の固定点を仮定しているが、実際はどこが固定されているかはわからない。
通して計測する事ができる。途中計測ができていデータの解析上、両側に固定点(一応、レベル測

ない期間は、収納部天井コンクリート打設時期で量では変化が小さい所)を仮定してプロットしてある。

あるが、実際にはどこが固定となって変位していこの計測により、杭天端の沈下と床・基礎コン

るかはわからない。建屋のどこが動かない部分な

クリートの収縮による沈下とを分離する事がでのかを調べる為に、両端のポイントを建屋外まできる。Fig. 5-2 右のグラフで、四角が杭天端の沈出して、GNSS 測量のデータと合わせる事で、絶下、菱形が杭付近の床面の沈下 (相対値) である。

対位置が決められるような測定ができるよう準

二つのグラフはほぼシフトしているだけなので、備している。又、変位量が BL29XUL の横変位量

床・基礎コンクリートの収縮は小さく、床の沈下に比べて小さいが、これは厚さ 2m の収納部基礎は杭天端部の沈下が支配的である事がわかる。

コンクリートで杭上部が拘束されているので違このグラフの横軸が経過日数で対数にしてあう変位になっているのではないかと考え、り、沈下の様子はほぼ直線になっているので暫減

BL29XUL ビームパイプと建屋の距離を測定するしている事がわかる。10 年で 20 mm という建屋準備もしている。

設計会社の予想は、開始日をどう考えるかである

より精度の高い測量ネットワークで行った光が、建屋引き渡し時の 2009 年 5 月からとすると、源棟のモニュメント水平変位測量結果に関して

概ね予想値の通りと考えている。

は、モニュメント上にワイヤーを張り(120 m)、

5.3. 水平変位測量
水平変位測量2009 年から 2012 年の間のモニュメントの変位結
果を Fig. 5-3 に示す。TS で単路線の結合多角測後 述の WPS を使 って検 証した ところ 、差 は0.05mm 以内であった。
5.4. ビーム軸方向の変位量網で計測した。測定を始めてから最初の 2 年間

モニュメントのビーム軸方向の変位の測定結果

は、測定時期を考慮せずにグラフを重ねていたのを Fig. 5-4 に示す。測定は ME5000 で行った。

で変化の傾向がわからず測定精度の問題かと思モニュメントは 2009 年 3 月に設置され、そのっていた。しかし昨年、夏の測定のデータだけを時の変位は全ての場所において 0 で水平な線のグ取り出してみたらはっきり年ごとの変化の傾向

ラフである。変位が正はモニュメントが下流に移がわかった。同じ季節にデータを取る事は季節変

動した事を、負は上流に移動した事を示し、Z（ビ化の影響を隠すので、経年変化を測りたい場合にーム軸方向の位置）= 430 m 付近の点を固定点と重要である事を痛感した。cb03 のあたりのデータ

してプロットしてある。グラフが水平のところはは 4 年分がほぼ均等に並んでいる事から、測定精

モニュメント間の相対距離が変わっていない事

度は事前評価の 0.5 mm よりは良いと考えていを表し、右下がりは相対距離が広がっている事をる。

しめす。Z=80 ｍ付近で変位が 0 になっていると

下流に移動
光源棟

加速器棟

光源棟
固定点

加速器棟

上流に移動

Fig. 5-4 モニュメントのビーム軸方向の変位。モニュメントは 2009 年 3 月に設置されたので、その時のグラフは 0 mm の水平な線。変位が正はモニュメントが下流に移動した事を示し、Z=430
示し、Z=430 m 付近の点付近の点を固定点としてプロットしてある。測定はの点を固定点としてプロットしてある。測定は ME5000 で行った。
ころがあるが、ここは固定点との相対距離が変わっている。このように長尺の建屋の場合は建設当っていない事を示す。

初の時期の伸縮が大きいので、できる範囲でそれグラフからモニュメント設置後 2 ヶ月の 2009年 5 月には大きく変位している事がわかる。加速器棟は 2011 年 4 月までに全体で 6 mm 程度膨張し、特に上下流のおよそ 1/3 の部分で伸びている。
光源棟は同じく全体で 3 mm 程度伸びている。

を予測することが大切である。

6. アライメント
6.1. 加速管のアライメント

2009 年 3 月にモニュメント設置後、4 月に建屋

加速管のアライメントは、個々の加速管を近くのの空調を入れたが、その時点で床表面温度は 10℃

2 個のモニュメントを座標基準にして、既にアラであった。定常状態の 25℃になったのは 10 月ご

イメント済みの隣の加速管も測定しながら滑らかにつながるように、レーザートラッカーで行っろで、それ以降の変化は小さい。コンクリートの
熱膨張係数は 12E-6 程度で、観測された伸びはそた。加速管は全部で 136 本で、床の沈下の少ない

こから計算される値の 1/10 程度であるが、コンク加速器棟下流から並べた。

リートの熱膨張がこの変位の理由と考えている。

加速管の設置許容値は 0.3 mm という事であっ加速器棟と光源棟の境界部は左下がりの大きたが、実際の加速管はそれ自体で 0.2 mm 以上の曲がりを持つ物があった。このような加速管は、な段差のグラフになっている。これはモニュメン
ト間が 5 mm 程度縮んだ事を示し、基礎構造の異なるべくビームエネルギーの高い下流に設置するが、アライメントとしては、端部を合わせるのなる加速器棟と光源棟の両側から圧縮されている事がわかる。前述の Fig. 5-1(c) で、400 m 付近

ではなく、曲がった加速管の平均位置で並べる事が 3 mm 高くなっているのはこれが理由と考えてとした。2 箇所で加速管を保持する場合、自重によるたわみ量が少ないベッセル点付近でサポーいる。
このビーム軸方向のモニュメントの位置基準に関しては、2009 年の 8 月にリセットし、そのトする(サポート間距離≒0.56 L)ので、その 2 つの位置基準でアライメントを行った。
円柱の加速管の上に載せて水準を調整すると、後の変位に関しては、補正を行わず直上流モニュ
加 速 管 中心 の 真 上で 中心 か ら 決ま っ た 距離 にメントの位置を基準に機器のアライメントを行

SMR

アライメント用治具

Fig. 6-1 加速管のアライメント
加速管調整ユニット

SMR が置く事ができる治具を製作し、目標 0.1
mm で上下左右をアライメントした。

ム軸方向の相対距離を±0.2 mm で合わせた。
6.2. 石定盤のアライメント

加速管の方位角は導波管フランジ面が基準である。フランジ側面に取り付けられる治具を作

石定盤のアライメントも、近くの 2 個のモニュメ

り、0.5 mm/m の水準器で合わせた。又、同じクントを基準にして、レーザートラッカーで行っ

ライストロンでドライブする 2 本の加速管はビーた。(Fig. 6-2 参照)

0.005

エッジ基準用SMR 台座基準面

Fig. 6-2 石定盤のアライメント。左上・左
中：方向基準面にエッジ基準用 SMR 台座を固定しているところ。右上：表面断面図。右下：脚部のレベリングジャッキ付きエアーパッド。

電子銃と加速管以外の殆どのコンポーネント

0.4 G、上方向 1.4 G とした。

は精密石定盤上に設置される。石定盤の上面の高さはビーム軸の 200 mm(入射部の一部は 300

6.3. Qmag のアライメントmm)下で、定盤の長さは 0.7～3 m である。定盤

Q-Mag は、基本的には本体底面と底板側面を基準

上面の平面精度は JIS1 級((µm)＝0.006×(対角線

面として石定盤上にアライメントする。Q-Magの長さ(mm))＋5)で、コンポーネント固定用の M6設置後、ビームパイプを接続する前に、近くの用 T 溝レールの間隔は 120 mm である。アライメ

BPM を使って振動ワイヤー法により磁場中心のント用の方向用基準面(10 mm の段差の側面)の真測定を行い、石定盤上で調整可能な横方向の修正

直度は 0.02 mm、上面との直角度は 0.005 mm でを行った。
Q-Mag の製作時の機械中心高さの公差は±ある。
設置基準は、ビーム軸方向±0.3 mm、横方向±
0.1 mm,

高さ±0.1 mm、ピッチング角±0.05mm/m、ローリング角±0.05 mm/m とした。

0.05 mm であったが、石定盤上に設置する場合は下げる調整ができない。更に高精度でアライメントを行うために、現在では指定をマイナス公差の石定盤の基準面はあらかじめアライメントし0.1 mm に変えて必要時にはアルミフォイルをシてあるので、機器据付時には定盤上流端から直尺ムにして高さの調整を行う事とした。また、機器で位置を測りながら基準面に治具で合わせる事の 本 体 の位 置 計 測基 準も ヨ ー ク部 等 の 端面 やで、設計位置に光学器械を使わずに機器を設置す

SMR 用の治具の為のピン穴を使っていたが、現る事ができる。

在は 1.5 インチ SMR 用のステンレスの台座を圧

石定盤の脚部には 4 つのレベリングジャッキ付

入でヨーク部に直接取り付ける事にし、完成検査

きエアーパッド[5]が取り付けられており、高さと時に 3 次元計測器で台座の SMR 中心位置を計測

横方向の位置を調整する事ができる。エアーパッするようにした。

ド部のコンクリート床面は,圧搾空気でパッドが浮上して(浮上量約 0.02 mm)スムーズに動くように床面研削機[6]で平坦面にしてある。
アライメント後に、エアーパッド部をブラケットで床面に固定して耐震対策をした。コンポーネント設置全般に関する耐震基準は静的荷重で横6.4. 全体のアライメント
全体のアライメント結果
アライメント結果
加速器のコミッショニングが始まる前にアライ
メントエラーが大きいものがないか LT 以外の測定器で確認を行った。
加速器棟の測定結果を Fig. 6-4-1 に示す。上下

Fig. 6-4-1 加速器棟のアライメント結果。上加速器棟のアライメント結果。上：のアライメント結果。上：上下方向
上下方向を方向をデジタルレベルで
デジタルレベルで計測
レベルで計測(計測(ジオイド基ジオイド基準)。下：横方向を TS で計測。
計測。

Fig. 6-4-2 光源棟の光源棟の上下方向の
上下方向のアライメント結果。
方向のアライメント結果。デジタルレベル
アライメント結果。デジタルレベル(
デジタルレベル(真の直線
真の直線基準直線基準)基準)で測定。
測定。
に関してはデジタルレベルでの測定でジオイド
基準、左右に関しては TS の測定である。加速器

7. モニタリングシステム

棟に関しては、上下・左右ともマクロに見ると床収納部内の計測は、加速器停止期間中に限られるの沈下や変位の影響を受けてあまり真っ直ぐでので、測定時期が限定される。床面の変位には、はないが、個々には滑らかに±0.3 mm でアライ

季節変動や日変動もあるので、それらを計測する

メントされている。尚、これらの測定後に幾つか為には、常時計測し続けるモニタリングシステムの機器は修正を行った。

が必要である。今回は高さを計測する HLS と横光源棟の上下方向の測定結果を Fig. 6-4-2 に方向の動きを計測する WPS を紹介する。

示す。測定はデジタルレベルで行い、真の直線基準である。光源棟も床変位の影響があったが、問7.1. HLS（水管傾斜計）
HLS（水管傾斜計）

題のアンジュレータ部に関しては、±0.2 mm の中水面高さを計測するセンサーを、水を入れたパイに収まっている。ここから先は電子ビーム・光ビ

プでつなぎ、センサー位置での床面の上下の相対ームを使ったアライメントで調整する事とした。

変位を水面の変位としてリアルタイムで計測すFig. 7-1-1 収 納 部 の 床 面 に 設 置 さ れ た
HLS。手前の円筒がセンサー部、後ろのHLS。手前の円筒がセンサー部、後ろの角パイプが水配管。

Fig. 7-1-2 長さ 60 m の HLS システムの両端のセンサーの出力例。

光源棟

加速器棟

Fig. 7-1-3 加速器棟と光源棟の境界部に設置された HLS のデータ。Z
のデータ。Z = 393 m 付近の計測点は、季節による変動がある事を示している。
る シ ス テ ム を HLS （ Hydrostatic Leveling

よる密度の違いでおこる液面高さの変動がない

Systems ）と呼んでいる(Fig. 7-1-1 参照)。Fig.

のでこちらを使用している。

7-1-2 は XFEL 加速器棟に設置した長さ 60 m の加速器棟と光源棟の境界部に 2011 年 10 月に設

両端の水面高さを Fogale 社製 HLS で測定した例

置した HLS のデータを Fig. 7-1-3 に示す。境界である。分解能は 0.1 µm 以下で、潮汐による傾部の Z = 393 m のところのデータは、冬に下がり

斜の変化が逆相になって捉えられている。この床

夏に戻る季節変動がある事がわかる。これは 5.4

面の傾きの変化は建屋全体で起こるので、SACLAのデータと合わせて、夏は両棟のコンクリート床のアライメントに影響はない。実際の床面の変位が膨張して境界部がせり上がり、冬は収縮して下のデータとしては、24 時間の平均値を使用していがるという理由で説明がつく。

る。
通水管は、太い 1 本のパイプ（5 cm くらい）に

7.2. WPS（
WPS（ワイヤー位置
ワイヤー位置モニター）
位置モニター）

半分ぐらいの高さの液面で水を入れてつなぐハ

床の横方向の変位を測るモニターとして、ーフフィルタイプと、2 本のパイプを使って片方

WPS(Wire Positioning System)がある。基準となを水で満たしもう片方を空気だけでつなぐフル

る長いワイヤーを張って両端を固定し、その途中

フィルタイプがあるが、前者の方が水の温度差にのワイヤーの位置をセンサーで計測して床の変位を計測する。我々は Fogale 社の 1 次元タイプ
を主に使用している(Fig 7-2-1 参照)。分解能は 0.1µm 以下である。ワイヤーには直径 0.5 mm のケ
ブラー製の縒り線を使用し、120 m 敷設する時は張力 20 kgf でサグは 30 mm 程度である。ワイヤー直径により変位と出力の比が変わるので注意が必要である。
光源棟アンジュレータ部の約 110m の区間に設置された WPS のデータを Fig. 7-2-2 に示す。2011

Fig. 7-2-1 手前：
手前：WPS センサー。
センサー。両側の角ダクトででワイヤーを
角ダクト
ワイヤーを保護している。
保護している。奥：HLS センサー
センサーと水配管。
水配管。

年 7 月からの 10 ヶ月間の変位は 0.02 mm 程度と小さかった。ビーム位置での横方向に変位する要Fig. 7-2-2 長さ約
長さ約 110m のアンジュレータ部
アンジュレータ部に設置された WPS のデータ
因としては、床の傾きもあるので現在傾斜計の設置も進めている。
参 考 文 献[1] H. Kimura, et al., “SPring-8 の 1km ビームライン
BL29XUL での地盤変位”, 加速器学会 2007 年
報告集, p859.
[2] T. Kai, et al, “SPring-8 の BL29XUL と XFEL 建屋の変位計測”, 加速器学会 2011 年報告集, p758.
[3] http://www.kinematics.com/spatialanalyzer/index.php[4] S. Matsui, H. Kimura、“Survey comparison using
GNSS and ME5000 for one kilometer range”,
Proceedings of the 10th international workshop on
accelerator alignment, KEK, Tsukuba, Japan, 2008.
[5] K. Togawa, et al., “重量物の精密位置決め用エアー パ ッド 開発 ”, 加 速器 学会 2005 年 報告 集 ,p406.
[6] T. Shintake, et al., “床面研削装置の開発”, 加速器 2005 年報告集, p202.