Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

APPLICATION OF MO-TYPE GAPLESS FLANGE TO BEAM DUCTFOR HIGH-CURRENT ACCELERATORSY.Suetsugu1,A), M.ShiraiA), M.OhtsukaB)
A)High Energy Accelerator Research Organization (KEK), 1-1 Oho, Tsukuba, 305-0801
B)
OHTSUKA Co.,Ltd. 607-1 Ohsone, Tsukuba, 300-3253
Abstract
The MO-type flange, which can provide a gapless connection between flanges, was studied experimentally aiming toapply it to the beam duct for high-current accelerators. The test flange showed a good vacuum sealing property,
although the aperture had a complicated shape, that is, the combination of a circular beam duct and a rectangularantechamber. The structural analysis well reproduced the observed deformation of flange, and utilized to optimize thestructure.
The MO-type flange is a promising one for the connection flange of the beam duct for future accelerators.

隙間のない接続フランジ(MO型フランジ)の加速器ビームダクトへの応用
１．はじめに

２．試作

加速器ビームダクトのフランジ接続部では、通常、 試作したMO型フランジ、ガスケットを図１に示す。
その隙間を埋める、いわゆるRFブリッジが装着され開口(すなわちビームダクト)断面は、ビームが通るる。RFブリッジには次のような性能が要求される。
円形ダクト(図右側)に、偏向電磁石で発生したシン(1)隙間や段差の無い、滑らかな内面：HOMの励起をクロトロン放射光が通るアンテチェンバー部(図左
防ぎ、放電・発熱・不安定性の励起を抑える。
側)があるもので、鍵穴型をしている。円形部の半(2)確実なRFコンタクト：接触不良部での放電・発径は45 mm、アンテチェンバー部の高さは14 mmで、熱を避ける。
円形部中心からアンテチェンバー部奥(左端)までの(3)熱的に高い強度：壁電流による発熱、不慮の軌距離は112 mmである。フランジの厚みは25 mmであ道変化による異常入熱に備える。
る。真空シール部とガスケットの断面構造はこれま
近年の数アンペアもの大電流を蓄積する加速器では、 でのCバンド導波管用角型フランジのものを踏襲しこのRFブリッジの重要性はさらに高まっている [1,2]。 ている[3、4]。銅ガスケットの厚みは1.5 mmで、フラ従来のRFブリッジは、薄い金属製フィンガーや、メンジ面同士が密着した場合、ガスケットの潰れは全タルOリングが使用されて来たが [2]、将来の大電流、 体で0.5 mmとなる。ガスケットの開口部寸法は、締め付けたときに内面が一致するように、フランジ開短バンチの加速器を考えると不十分な点が多い。さ口部よりも0.15 mm大きくなっている。フランジのらに、大電流加速器では、ビームから発生する強力ボルト穴の位置は、真空シール部にできるだけ均等なシンクロトロン放射光に対処するため、ビームダクトの開口面は、単純な円形や矩形ではなく、アンテチェンバー部を持つものとなる。RFブリッジも同様な形状となるが、従来のものでは構造が複雑となり、信頼性に欠ける。
最近Cバンド真空導波管用に開発されたMO型フランジは、ダクト断面形状に合わせた銅ガスケットを用い、内壁部で真空をシールする [3,4]。銅ガスケッ
トがRFブリッジを兼ねることができ、確実な電気的接触が保障され、内壁面に隙間も段差もほとんどできない。厚肉の銅であるから熱的強度も高く、大電流加速器ビームダクトの接続フランジに適していると考えられる。ただし、MO型フランジはこれまで導波管用に開発されたため、円形や矩形の開口構造では実績があるが、複雑な開口面に対してはまだ未知数である。そこで本研究では、MO型フランジが、将来のアンテチェンバー部を持つビームダクトを想定した、より複雑な開口面を持つ場合にも適応可能かどうか、実験的に調べた。また、構造解析から、フランジ構造の最適化も試みた。
図１：試作したMO型フランジとガスケット。
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またフランジの歪みも大きいためと考えられる。後に圧縮力がかかるように配置したが、後で述べるよ
述する構造解析でも同様の傾向が見られた。
うに、この試作での穴位置は最適な位置ではない。
締め付け力とリーク量との関係を図３に示してい円形部とアンテチェンバー部の奥に、ガスケットおる。測定は２回行った。16‑19 N mでリークは止よびフランジ位置決め用のピン(図中[P])が設けられている。通常、フランジ間のずれ、ねじれは無い。 まった(リークディテクターの検出感度1×10‑11 Pa
フランジの材質はステンレス(SUS316)で焼きなまm3 s‑1以下となった)。この時の真空シール部に沿っしは行っていない。ガスケットは焼きなました純銅
た線平均圧縮応力は340〜380 N mm‑1で、これまでの(C1011)である。試作品では、真空シール部表面、角型フランジでの真空シール試験での結果 (300 N
ガスケット表面とも鏡面加工は行っていない。
mm‑1)よりやや高いが同等な値となっている[4]。
使用したガスケットの潰れ量を見ると、各ボルトを同じトルクで締め付けていった時、[A]と[I]部で３．試験結果はほぼ同じ潰れ量であるが(片側250μm)、[D]部では、ガスケットを押さえる力が弱く、潰れが小さい
3.1 締め付け力とリーク量(片側150μm)ことがわかった。
試験は、まず、各ボルトの締め付けトルクを一定3.2 ベーキングとガスケットの再利用に保ちながら締めていき、フランジ間の隙間とその時のリーク量をHeリークディテクターで測定した。
上記試験において、リークが止まった後、150℃
片側フランジはブランク、もう片側フランジにはパ24時間のベーキングを行った。別のガスケットを用イプ(φ60)を設け排気している。
い計２回行ったが、ベーキング後もリークは検知さ各ボルトを均一なトルクで締め付けていった時の、 れなかった。ベーキングに対しても問題は無い。
フランジ縁での隙間(平均)を図２に示している。測再利用については、リークが止まった後、一旦フ定は３回行った。横軸の番号1‑8は、図1中の番号ランジをはずし、再度締め付け力とリーク量を測定[1]‑[8]部分に相当する。[2]‑[4]部で隙間が小さいした。隙間は初回よりも小さく、約20 N mの締め付のは、アンテチェンバー部分が締め付けられやすく、 けトルクにてリークは止まった。さらに、別の試験でリークが止まった後、一旦ガスケットをはずし、表裏を入れ替えたが、同様の結果が得られた。位置決めピンの効果により、毎回ほぼ同じ位置でフランジを締め付けられることが効いていると考えられる。
3.3 ずれがある場合

図２：均一なトルクでボルトを締め付けていった
時のフランジ間の隙間。番号は図1中の番号。

上記のように、フランジ間にずれが無い場合、このような複雑な断面を持つフランジでも真空シールが可能であった。しかし、実際に加速器ビームダクトを製作、またリングに設置する際には、ある程度の製作誤差、設置誤差を考慮する必要がある。そこ
で、フランジ間に、フランジ端で最大0.5mmのねじれ(約5 mrad)がある場合の試験も行った。ただし、ガスケット位置は片側フランジに固定されている。
フランジ開口面と同じ開口を持つガスケットを用いるとリークは止まった。フランジがずれても、真空シール部の面積が十分確保できればリークは止まると思われる。ただし、強い締め付け力が必要で(約23 N m)、現状ではフランジの歪みも大きい。また、その場合、ずれが無いときには内面に0.2 mmほど段差ができることになる。これらの点についてはより詳細な実験・検討が今後必要である。

４．構造解析
4.1 モデル

図３：均一なトルクで締めつけていった時のリーク量。

試作したMOフランジでは、上記のように良好な真空シール性が得られた。しかし、加速器ビームダク
トへの実用を考えると下記の問題がある。
(1)すべてのボルトを均一なトルクで締め付けた
場合、アンテチェンバー部フランジ([2]–[4]部)の406

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ひずみ大きい。リークは止まるが、その時フランジ
4.3 最適化
間の隙間が一部0.1 mm以下と小さい。実用ではよりこの解析結果から、より一様な圧縮力を得るため余裕を持たせたほうが良い。には、ボルト[A]部の軸力を弱く、また、ボルト[D](2) ボルト[D]部付近でガスケットのつぶれが小部付近の軸力を強くすればよいと推定できる。例え
さい、すなわち、この部分の圧縮力が小さく、締めば、ボルト[A]を使用せず、一方ボルト[D]の締め付付け力が一様ではない。安定した真空シールを得る
け力を他の1.25倍(750N)にすると、[2]‑[4]部のひためには、できるだけ一様な締め付け力にしたほうずみは小さくなり、ガスケットに働く圧縮力の差もが良い。
少なくなった。この条件で実際に締め付けたところ、そこで、フランジ構造を最適化するために、フラフランジ間の隙間はより一様となり、リークが止まンジの応力、ひずみの解析を行った。フランジ材質
るトルク16 Nmでの隙間もほぼ均一に0.2 mm程度と5‑2はステンレス(ヤング率1.97×10 N mm )とした。ガスケットは銅であるが、実際にはつぶれがあるので、 なった。
しかしながら、実際の作業を考えると、ボルトはここでは仮想的に非常にヤング率の小さい物質(ヤ同じトルクで管理した方が間違いが少なく確実で、3‑2ング率1×10 N mm )を仮定した。
迅速な作業が可能となる。そのためには、ボルトの位置を変え、また、フランジの厚みを増してフラン
4.2 試作フランジの応力、ひずみジのひずみを少なくすることが有効と考えられる。
試作フランジにおいて、各ボルトに600 Nの力を
図５はフランジの厚みを30 mmとし、ボルト[B]、均一に加えた時のフランジ部の歪みを図４に示す。
[C]を円形部に向けてそれぞれ10 mm, 5 mm近づけた
これは、締め付けトルク12 N mの場合に相当する。
場合である。図4に比べて、歪みが小さくなってい数字の符号が負であるのは、歪みがフランジ間隔をるのがわかる。
縮める方向であることを意味している。フランジの[2]‑[4]部で歪みが大きく、実測(図2)と合っている。
５．まとめ
また、ボルト[D]部では歪みは小さく、圧縮力も小MO型フランジを鍵穴型の複雑な断面を持つ加速器さいことがわかる。これもガスケット潰れ量の実測ビームダクトへ適用できるかどうか、実験的に調べと定性的に合っている。ただし、ボルト[A]付近のた。試作フランジでは、340‑380 N mm‑1の線圧縮力
真空シール部では、歪みも応力も[I]部付近より大で真空シールが可能であった。150℃ベーキングできいが、ガスケットの潰れの測定では、同程度とも問題なく、ガスケットの再利用も可能であった。
なっている。これは、計算モデルでは非常にヤング
また、約5 mradのフランジ間のねじれでも真空シー率が小さい物質をガスケットとして単純に仮定した
ルは可能であった。試作を基に、フランジの厚みをが、実際にはガスケットが潰れることによって剛性増し、またボルト位置を最適化して、より余裕をが増したためと考えられる。
持って真空シールが可能となれば、加速器ビームダクトとして十分適用できる可能が高い。今後は、最適なフランジ構造を追及し、実績を積むとともに、フランジ間にずれが生じた場合についてより詳細な考察を行っていく予定である。

６．謝辞
本研究にあたり、高エネルギー加速器研究施設松本浩氏、および柿原和久氏には大変貴重なご意見をいただきました。ここに深謝いたします。
図４：均一なトルクでボルトを600 N で締め付けた時のフランジのひずみ。

参考文献[1] Y.Suetsugu, “Vacuum System for High Power LeptonRings”, Proceedings of Proc.PAC2003, Portland (OR),May 12-16, p.612, 2003.
[2] K.Kanazawa et al., “The Vacuum System of KEKB”, NIMPR-A, Vol.499, p.66, 2003.
[3] H.Matsumoto et al., “Development of the Vacuum Flange
for the High Power RF Applications”, Proceedings of the24th Linear Accelerator Meeting in Japan, Sapporo, Jul. 7-9,
p.271, 1999.

図５：図4と同じ締め付け条件で、フランジの厚みを30 mm、ボルト[B]と[C]をそれぞれ10 mm、5mm円形部に近づけた場合のひずみ。

[4] K.Kakihara et al., “C-band矩形導波管用フランジの検討”, Proceedings of the 28th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Tokai, Jul 30 - Aug. 1, p.294,
2003.

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