「匠」プロジェクト	
  研究報告書	 2016 年 11 月 7 日	
 １．所属、氏名	 加速器部門、小路正純	
 	
 ２．研究課題名	 	
 NEG、TSP 共存排気装置の性能試験（T25-1）	
 	
 ３．研究の目的	 本 研 究 は 、 放 射 光 用 電 子 蓄 積 リ ン グ に お い て 光 刺 激 脱 離 (PSD:Photon	
 Stimulated	
 Desorption)ガスの主たる発生源であるフォトンアブソーバ（放射光受光体）の近傍に「近接配置した非蒸発型ゲッターポンプ(NEG:Non	
 Evaporable	
 Getter	
 Pump)とチタンサブリ
メーションポンプ	
 (TSP: Titanium	
 Sublimation	
 Pump)」を設置することにより、SPring-8
次期計画での蓄積リング改修（アップグレード）時に真空機器の放射光による焼き出し・立ち上げ期間を短縮するとともにコミッショニングからユーザー運転への移行時に NEG
再活性化のためのシャットダウン期間を必要としない NEG と TSP の近接配置を取り入れた真空排気系の構築の可能性を追求することを目的とする。	
 
	
 
４．概要	
 
従来 NEG と TSP を近接配置すると、NEG 再活性化時の放出ガスを TSP が吸着する、TSP
フラッシング時の放出ガスを NEG が吸着するため共存が困難であると言われている。本
研究では、NEG、TSP 単独使用での排気速度、ガス吸収量と、NEG と TSP を直近に配置した場合の排気速度、ガス吸収量の変化などを調べることにより、共存可能な近接配置の手法を見いだす研究を行った。以下では、そのために行った他施設を含めた真空系の現状調査、研究遂行のための実験装置の構築、様々な条件下での排気速度測定、NEG と TSPの干渉についての測定と考察、本研究の結果を考慮して提案する次期計画の排気系案について報告する。	
 
	
 
５．背景	
 
（１）SPring-8 次期計画において求められる真空排気系	
 蓄積リングにおいて、新規製作した真空チェンバーや放射光受光体に放射光が照射され た と き 、 物 質 界 面 に 強 く 吸 着 し て お り ベ ー キ ン グ に よ る 熱 脱 離 （ TD:Thermal	 Desorption）では除去できない大量の水素や酸化炭素が PSD により発生して、蓄積電子との衝突によりその寿命を短くする。SPring-8 蓄積リングは NEG を主排気ポンプとする真空系であるため、コミッショニング時には多量に放出されたガスの大部分を NEG のみで排気することとなり、運転開始半年後には NEG ポンプの排気速度が低下して夏期シャットダウンに全周の NEG 再活性化を行い、排気速度を回復させる必要があった。	
 SPring-8 次期計画においても主ポンプは NEG とする予定である。到達圧力の目標はSPring-8 と同様に 3e-7Pa 程度であるが、第 1 図に示すように電磁石が小型化されボア径	
 1

が 40mm 弱になったため、真空チェンバーも小型化する必要があり、分散型ポンプを挿入することができなくなった。その上電磁石架台の設置間隔が 100mm 程度と狭くなったことが影響し、大型の集中型ポンプを挿入するスペースもないため、小型の NEG カートリ
ッジをフォトンアブソーバ近傍の磁石の隙間に分散配置して対応することが求められる。また計画されている建設、立ち上げ期間が 1 年程度と非常に短いため、立ち上げ後に NEG 再活性化のためのシャットダウンを行うことは困難である。コミッショニングからユーザー運転に移行後のしばらくの期間は NEG 再活性を行わずに小型 NEG の排気速度を保つことが出来るように乗り切ることが望ましい。	
 	 （２）様々な真空ポンプの特性	
 次期計画において主ポンプとする NEG は Zr などで形成される合金表面が持つ化学吸着作用により活性ガスを排気するポンプである。水素に関しては表面で吸着後、直ちに内部に拡散させて溜め込むことにより長時間安定した排気能力を持続することができる。
また窒素、酸化炭素など水素以外の活性ガスに関しては、表面で固溶体を形成して留めることにより排気を行う。オイルフリーで、常温、無電源で排気できるため、振動や電磁波等の他装置への干渉が無いという利点がある。ただしポンプ立ち上げ時にポンプ素子を昇温し、内部に溜め込んだ水素を放出させ、固溶体を内部拡散させて表面を活性化する必要があるため（SPring-8 で使用中の St707 は摂氏 450 度で 45 分以上保持が必要）、
真空中でポンプを加熱する電源、放出したガスを真空チェンバー外に排気する粗排気ポ
ンプ設備や、NEG 近傍の真空チェンバーの温度上昇を防ぐ冷却設備が不可欠であり、それに伴う多くの電力、労力、メインテナンス時間を要するという欠点がある。	
 
TSP は、チタンを真空中で加熱昇華（フラッシング）させて作った清浄な蒸着膜表面のゲッター作用で活性ガスを化学吸着するポンプである。NEG とは異なり膜表面でしか吸着できないため排気能力が短時間しか続かず、NEG のように安定した排気速度は得られない。またフラッシング時に加熱されたフィラメントやチェンバー内壁から大量のガスやチタンを放出するため、近接するポンプやチェンバーを汚染する恐れがあるが、補助ポンプを接続することなくフラッシングすることでただちにゲッター面を形成し、短時間で排気能力を再生できるという大きな利点がある。	
 PSD ガスを排気するその他のポンプとしては、粗排気に使用するターボ分子ポンプ（TMP: Turbo	
 Molecular	 Pump）が考えられる。水素以外の PSD で発生するガスに対する
排気速度は大きいが、全周に渡り配置するには数百台の TMP が必要で大きなコストがかかること、装置本体が放射線環境下の運転に適していないことや、瞬時電圧低下や故障発生時にリング内に外気が逆流する事を防ぐためのインターロック機器を個々の TMP に設けなければならないという大きな欠点がある。これに対して NEG や TSP は外気から切り離された溜め込み式のポンプであるため、大気流入の心配は全く無い。さらに TSP は
NEG の 1/10 程度の価格で、NEG のような長期間安定した排気速度は維持できないが、活性な清浄面を広く形成することにより短時間の排気能力は大きく、補助ポンプなしでフラッシングを繰り返せば排気能力を回復させることができる。これまでは前述した理由
により TSP を NEG に近接して配置することは避けられてきた。実際、NEG を主排気ポンプとした加速器真空系ではほとんど例がない。しかしながら、TSP と NEG の共存系で NEG	 2

ポンプの性能を劣化させないために、運転初期に発生する大量のガスは TSP で排気を行い、焼き出し運転終了時に NEG 活性を実施するという方法も考えられる。この場合は、焼き出し、調整運転完了後に SPring-8 のような規模で考えると、蓄積リングを一カ月以
上シャットダウンして全周の NEG を活性化させる作業が必須となる。	
 	 （３）他施設の真空排気系	
 海外においては、CERN で真空チェンバー内面に NEG 素子をコーティングする開発が行われてきた。放射光リングでは、ESRF の挿入光源チェンバーに初めて NEG コーティングが使われ、その後 Elletra、Diamond などでも採用された。また SOLEIL では、全周に渡って NEG コーティングしたチェンバーが採用されている。NEG コーティングは、近年の低エミッタンス化による磁石配列によりチェンバースロット部が小さく NEG 素子を内蔵できないチェンバーや、磁石間に排気ポートが付けられないチェンバーに有益な手法とされる。NEG コーティングチェンバーはチェンバー全体をベーキングすることで排気能力が生じる。リングの場合、ゲート弁で仕切られた範囲すべてをベーキングしなければならないため、ゲート弁の台数を増やすか、大量のベーク機材が必要となる。また活性化のためには高温（150℃以上）でベーキングを行う必要があり、チェンバー近傍の電磁石のコイル等の周辺機器への断熱処理が不可欠となる。さらに、NEG 焼結素子に比べてコーティング膜は薄いため水素の排気量は少なく、ガスの溜め込み量も少ないためベー
キングによる再活性化には限界があり、排気特性を回復するにはコーティングのやり直しが必要という大きな欠点がある。	
 SOLEIL では NEG コーティングされたチェンバーのポート各所に、TSP 付きのチェンバーとスパッタイオンポンプ（SIP:Sputter	
 Ion	
 Pump）がそれぞれ接続されている。NEGと TSP は共存しているものの、あくまで主ポンプは TSP と SIP であり、焼きだし完了後も頻繁に TSP フラッシングを全周で行っている。	
 SSRF においては NEG カートリッジと TSP 付チェンバーを近接配置しているが、NEG の劣化を防ぐため立ち上げ初期は TSP、焼きだし完了後は NEG（NEG 活性後は原則として TSPのフラッシングをしない）と使い分けを行った。設置後のベーキングを実施しなかった
影響もあるが、焼き出しに時間がかかり、通常運転に移行するまでに 1 年以上必要とした原因の一つであると考えられる。	
 	 （４）本研究の位置づけ	 以上の事例を参考に検討して、TSP を補助ポンプ（立上げ初期は主排気ポンプとして使用する）、NEG を定常状態の主排気ポンプとして同時使用する有効な近接配置の手法を開発した排気システムを構築して最初に活性化した NEG の寿命を延長することができれば、少なくとも焼き出し運転直後の再活性化のみに要するシャットダウンを省くことができ、次期計画に対して非常に有益と考える。	
 本研究で得られた結果により NEG の排気能力を極力劣化させぬようにした場合でも、コミッショニング時に排出される大量のガスと近接配置した TSP の繰り返し使用によりNEG の性能劣化を完全に避けることは困難であり、いずれ再活性化が必要となる。通常の活性電流で再活性化を行った場合、吸蔵した活性ガスは排出されるが、表面のチタンが	
 3

除去できない場合は再活性を行っても排気性能が十分に復活せず、最悪の場合 NEG を交換する必要が生じると考えられる。NEG 表面へのチタン付着の影響を調べることも、本研究の重要な課題である。	
 
	
 
	
 
６．実験装置	 （１）装置構成	 NEG を主ポンプとした排気系に TSP を共存させた排気系を試作し、TSP の繰り返しフラッシングにより清浄表面の再生を実施することでガスの吸収量を増大できることを確認する目的のために、オリフィス法により排気速度を測定できる真空チェンバーを製作した。第 2 図に装置の外観を、第 3 図に機器配置の概略を示す。真空チェンバーは、測定ドーム、ガス導入系、ポンプ室、粗排気系で構成されている。測定ドームは内径 150mm、高さ 240mm の SUS304 製円筒 2 個で構成されており 1）、2 つのドームの間には導入ガスの微少流量を測定するために必要なオリフィス（孔直径 15mm）を挿入した。オリフィスのコンダクタンスは、付録(5)式と 300K の窒素ガスを導入したことから、0.02（m3/s）と見積もった。ドーム 1（上側）には、導入ガスの流量をコントロールする可変リーク弁（キャノンキャノンアネルバ製 951-7172）を取り付けた。可変リーク弁には金属配管で純窒
素ガスを 1 気圧封入したボンベを接続した。ドーム内の圧力測定には、あらかじめスピ
ニングローターゲージ（MKS 製 SRG-3CE）で校正した電離真空計（キャノンアネルバ製	
 NIG-2F と M-832HG）を使用し、排気速度測定中の圧力は真空計からの複合電圧出力をタッチ画面式ペーパーレスレコーダ（キーエンス社 TR-W1050）で記録した。	
 ポンプ室は内径 200mm、高さ 360mm の	
 SUS304 製円筒で、ポンプ類の配置を変えることができるよう、ICF114 ポートを対向に 4 箇所取り付けた。ポンプ室の圧力は、測定ヘ
ッ ド か ら の ガ ス 放 出 が 少 な い コ ー ル ド カ ソ ー ド ゲ ー ジ （ CCG:Cold	  Cathode	  Gauge ）（Pfeiffer 社 IKR070 と TPG300）でモニタした。ただ CCG ヘッドは動作中にガスを吸着（排気）することが判明したため、排気速度測定中は使用できなかった。	
 ポンプ室に取り付けて測定を行う NEG はゲッター材として St707 を使用した ICF114
対応カートリッジ NEG（SAES	 Getters 製 GP100MK5）で、活性条件は NEG 内蔵の熱電対で温度を測定しながら、スライダックで通電電圧を手動制御した。また TSP はタイバック
ポンプ（キャノンアネルバ製 956-7040）を使用し、チタンの蒸発速度は専用電源（キャノンアネルバ製 922-9119）を用いて手動制御した。	
 装置の粗排気は 0.25m3/s の TMP（大阪真空製 TH250）と 0.3m3/min のスクロールポン
プ（アネスト岩田製 ISP250C）で行った。ポンプ室下部にはメタン系のガスを排気してバックグラウンドを下げる目的に 0.06m3/s の排気速度を持つ 3 極型 SIP（キャノンアネル
バ製 912-7165）を取り付けた。3 極型 SIP は高真空領域において安定したガス排気能力を有するために、ガス導入系の流量校正（排気速度校正）の基準ポンプとしても使用した。	
 大気開放して装置の組み替え等の作業を実施する際には、装置内を純窒素で置換した
後に開放し、作業完了後は加熱脱ガス（200℃×12 時間）を実施した。	
 
	
 
	
 

4

（２）ポンプ室内面の放出ガス	 製作した真空チェンバーにおいて、内表面からの放出ガスは排気速度測定の誤差となるため、はじめにポンプ室内表面からの放出ガス量を測定した。	
 
NEG と TSP をポンプ室に取り付けずに（SIP は取り付け済み）ベーキングを実施し、粗排気ポンプのみで到達圧力を測定したところ、ベーキング終了から 24 時間後のポンプ室の到達圧力は 4e-7Pa 程度であった。	
 この後、ポンプ室の粗排気弁を閉じてドーム 1 からのみ排気することで（SIP は常時OFF）、ポンプ室のガス放出速度を測定した。このときの回転シャッター3 の状態は最もコンダクタンスに影響のない垂直（開）状態として、その影響は無視できるとした。ポン
プ室壁面からの放出ガスが全てオリフィスで仕切られたドーム 1 より排気されると仮定した場合、ポンプ室のガス放出率 q（Pa	
 m3/(s	 m2)）は(1)式のように定義できる。	
 	 	  q = C

(Pdb − Pub )・・・(1)	
 A	 (1)式において C（m3/s）はオリフィスのコンダクタンス、A(m2)はチェンバー内面の表
面積、Pub(Pa)はドーム 1、Pdb(Pa)はドーム 2 の到達圧力である。ポンプ室の表面積はおよそ 0.1m2 で、測定時の圧力は Pub:4.08e-7	
 Pa、Pdb:4.68e-7	
 Pa であったため、(1)式より得られたガス放出速度は 1.2e-8	
 Pa	
 m3/(s	 m2)となった。排気速度測定の際は、この状態のポンプ室を初期実効排気速度 0.05m3/s（初期実効排気速度の計算は後述）を有する
NEG 等で排気することになる。ガス導入無しの場合に放出ガスのみを排気すると仮定すると、予想される圧力は（6）式より 2.4e-7	
 Pa となる。ガス導入時に 1e-4	
 Pa 台の圧力において排気速度を測定するので、このガス放出量による圧力上昇は 1％以下となり、十分小さい圧力上昇である。	
 	 （３）ポンプの排気速度	
 真空ポンプの排気口での排気速度 S（m3/s）は、排気口に入射した分子がポンプに捕獲される確率を H、排気口の面積を Ai、排気するガス分子の平均速度を ν とすると(2)式より求められる。	
 
	
 
	
 

S=

HAi ν
・・・(2)	
 4

	
 NEG などの吸着式ポンプの場合、ポンプの活性面が使用するにつれて劣化することや活性面付近の気体分子の種類や密度により H が変化する。	
 実際の排気系では真空ポンプはパイプを介してポンプ室に接続されているため、ポンプ室で測定できる排気速度は、ポンプ入り口の排気速度を接続パイプのコンダクタンスで補正した実効排気速度 Seff（m3/s）である。	
 
	
 
	
 

5

1
L
1
=
+ ・・・(3)3Seff 1000 × r S	 	 (3)式において、r（m）はパイプの半径、L（m）はパイプの長さを示す。	
 実際に測定した排気速度に関しては、真空計の誤差、真空チェンバー内面の放出ガス量の誤差、温度変化によるオリフィスのコンダクタンス誤差、ポンプ入り口付近での分子密度の違いによる吸着係数の誤差などが含まれるため、測定結果に 10%程度の誤差が含まれると考えられる。	
 	 （４）排気速度測定方法	
 ポンプの排気速度は、ポンプ立ち上げ後にドーム 1 より純窒素ガスを導入し、ドーム
1 とドーム 2 の圧力を測定することにより得た。	
 ドーム 1 よりガスを導入した場合、ドーム 1 からドーム 2 に流れ込む単位時間あたりのガス流量 Q（Pa	
 m3/s）は、(4)式から以下のように表せる。	
 	
 Q = C((Pu − Pub ) − (Pd − Pdb )) ・・・(4)	
 	 (4)式において、Pu、Pd はそれぞれドーム 1、2 ガス導入時の圧力測定値（Pa）、Pub、

Pdb はそれぞれドーム 1、2 のガス導入無しの場合の到達圧力測定値（Pa）を示す。ガス
導入時の圧力から到達圧力を差し引くことで、ドーム壁面からのガス放出の影響を除いた。ドーム 2 の下流に真空ポンプを接続し、ドーム 1 から導入したガスが全て真空ポン
プに流れ込むとすれば、ドームの圧力差から計算できる真空ポンプの排気速度 S（m3/s）は以下のように定義できる。（付録(7)式参照）	
 
	
 

S=
	
  	
 

Q
(P − P ) − (Pd − Pdb )・・・(5)	
 = C u ub
(Pd − Pdb )(Pd − Pdb )	 排気速度測定の手順を第 4 図に示す。ガスの流量に関しては、測定中のドーム 1 内圧
力が（イオンゲージの指示値が）スピニングローターゲージで校正した範囲内になるべく収まるように調整した。またアネルバのイオンゲージ出力は、桁代わりが起こるとこ
ろで不連続になるため、桁代わりが発生しないようにガス流量を調整するとともに、桁代わりが発生した時点で測定を打ち切ることとした。	
 各測定においてポンプの立ち上げは下記の点に注意して実施した。	
 ・NEG 活性化中は粗排気ポンプのみで排気し、ポンプ室圧力は CCG で監視した	
 ・NEG 活性条件は摂氏 450 度を 1 時間保持	 ・NEG 活性化終了後は、NEG 素子の温度による排気速度への影響を除くため、12 時間の冷却期間をおいた	 ・NEG 冷却中は粗排気ポンプと SIP でも排気し、メタン等のバックグラウンドを極力
排除した	
 
	
 

6

・TSP の計測前フラッシング時には、NEG への影響を排除するため、NEG 側の回転式シ
ャッター1 を閉じた	 ・TSP フラッシング中は SIP で排気し、ポンプ室圧力は CCG で監視した	
 ・フラッシングの手順はウォームアップ 3 分（30A で 1 分間、35A で 1 分間、40A で 1
分間通電）、フラッシング 3 分（47A で 3 分間通電）、クールダウン 2 分（40A で 1 分
間、30A で 1 分間通電後、電源 OFF）とした	
 ・フラッシング中のポンプ室と TSP 専用チェンバーの外表面温度は熱電対で監視（ポンプ室の温度変化は無かった。TSP 専用チェンバーの外表面は最高で 50℃まで上昇したが、排気速度を測定する時には 40℃以下まで下がった。）	
 	
 ７．理想的なポンプ配置での排気速度測定	
 （１）TSP 単独の排気速度測定	
 チェンバーを大気開放し、NEG と TSP の干渉が極力無い配置（理想的配置と定義）になるように各ポンプを取り付けた。第 5 図にポンプ室の機器配置を示す。NEG ポンプはゲッター材が直接ポンプ室に入ることがないように、短管を介してポンプ室に接続した。
TSP は TSP 専用チェンバーに収納した上で、ポンプ室に接続した。TSP 専用チェンバーに収納することで、チタンの付着範囲を制限すると共に、TSP 専用チェンバーから流れ出た
チタン粒子がどこにも当たらず NEG ポンプに入射することがない配置とした。さらに、測定ドームとポンプ室の間と各ポンプの接続ポートには、TSP フラッシング時にガスやチタン粒子の動きを制限するための手動回転式シャッターを取り付けた。	
 理想的配置で TSP の実行排気速度を(2)、(3)式から見積もると、窒素の捕獲係数が H＝0.3（ポンプのカタログに記載されたデータより算出より）、TSP 専用チェンバーを取り付けたパイプ半径が 0.033 で Ai=3.4e-3m2 となることから、ポンプ入り口での理想的な初期排気速度は 0.12	
 m3/s となる。ポンプ室から TSP 専用チェンバー入り口までのパイプのコンダクタンスを補正すると、ポンプ室入り口での TSP の初期実行排気速度は 0.07	
 m3/s と見積もることが出来る。	
 理想的配置で真空立ち上げ完了後、NEG は活性化せずに TSP のフラッシングのみを実施し、TSP 単独の排気速度を測定した。	
 
測定の結果を第 6 図に示す。TSP の初期排気速度は 1e-4P 台の圧力において、0.07	
 m3/sであった。この値が(8)式より見積もった 0.07m3/s と等しくなったことから、測定装置に問題はないことが確認できた。ドームの圧力が桁変わりする可能性があったため、排気速度が 0.03m3/s 程度まで落ちた時点で測定を途中で打ち切ったが、得られた測定結果を外挿すると、0.01m3/s 程度に排気速度が落ちるまでにこの系での窒素ガスを 7e-3Pa	
 m3
程度排気できることがわかった。	
 	 （２）NEG 単独の排気速度測定	
 次に TSP の追加フラッシングを行わずに、NEG 単独での排気速度を測定した。NEG の単独実効排気速度を見積ると、窒素の捕獲係数が H＝0.2（ポンプのカタログに記載されたデータより算出より）、NEG カートリッジを収納したパイプ半径が 0.033m なので入り口の断面積 Ai=3.4e-3m2 であることから、ポンプ入り口での理想的な初期排気速度は
	
 7

0.08m3/s となる。接続パイプのコンダクタンスを補正すると、ポンプ室入口での NEG の
初期実行排気速度は 0.05	
 m3/s となる。	
 NEG 単独測定の前に実施した活性化作業の際には、NEG より放出されるガスで TSP を飽和させることを目的に、TSP 専用チェンバー側の回転式シャッター2 を開いた	
 測定の結果を第 7 図に示す。NEG の初期排気速度は 1e-4P 台の圧力において、0.05m3/sであった。この値が（8）式より見積もった 0.05m3/s と同じであったことから、NEG に関しても測定装置に問題はないことが確認できた。また、NEG 単独使用で排気速度が低下する（0.01m3/s 程度）までには、ポンプ室の全圧が 1e-4Pa 台の時に窒素ガスを
4e-2Pa・m3 程度排気できることがわかった。	
 	 （３）TSP の繰り返しフラッシングを実施した際の排気速度測定	
 理想的配置において各ポンプ上流に配置した回転式シャッター1、2 を使用して NEGと TSP の互いの干渉を極力避けて、NEG と TSP の同時使用による排気速度測定を行った。
結果を示す図中では「理想的配置」と記述する。	
 NEG 単独の排気速度を測定した後、再び粗排気ポンプを接続し、450 度を 1 時間保持
で NEG の再活性化を実施した。ここでの測定では NEG の再活性化はこの 1 回のみである。
これ以降の実験では、大気開放しない限り NEG の再活性は摂氏 450 度を 45 分保持で行った。NEG の温度が下がったことを確認後、第 8 図に示す手順で TSP のフラッシングを繰り返して NEG と TSP 同時使用時の排気速度を測定した。なおこの測定では、TSP フラ
ッシング時に TSP から排出されるチタンとガスの影響を極力小さくするため、フラッシ
ング中は NEG ポートにつけた回転式シャッター1 を閉じた。TSP 再フラッシングのための排気速度測定の中断時間は、加速器調整中の電磁石初期化中にフラッシングを実施することを模擬して、30 分とした。	
 
測定結果を第 9 図に示す。初期排気速度は、NEG と TSP 単独使用時の排気速度の和よ
り 15％程度少なかった。2 台のポンプを同時に使用したためガスの流量が大幅に増えたことにより、ポンプ室入り口付近のガス分子密度がポンプ単独使用の際と異なり、各ポンプの初期付着係数が変化したためと推測される。TSP をフラッシングする度に初期排気速度をほぼ回復できたこと、排気速度が半分に落ちるまでに吸収したガス量は毎回ほぼ
TSP 単独使用の値（1.0e-2	
 Pa・m）に等しい 1.1e-2	
 Pa・m3 であったことから、NEG と TSPを同時使用した際は TSP のチタン面が清浄な初期段階では TSP が主に排気していると思われる。TSP を 6 回目にフラッシングし、その後系全体の排気速度が初期の 1/10（0.01	
 m3/s）に落ちるまで測定を続けたところ、ガスの吸収量は 9.0e-2	
 Pa・m に達した。TSP
を 6 回フラッシングすることにより TSP で 4.2e-2	
 Pa・m3	
 （単独排気実験でのフラッシ
ング 6 回分）排気し、NEG 単独使用の際の吸収ガス量が 4.0e-2Pa・m3 であったことから、
NEG と TSP を理想的に配置した場合には NEG の寿命を損なうこと無しに TSP のフラッシングを続けた分ガス吸収量を増やすことができることがわかった。	
 	
 ８．実用的なポンプ配置での排気速度測定	
 この実験ではポンプの配置を変えずに回転式シャッターも使用せず、NEG と TSP の互いの干渉がある程度実際の使用状況に近いと考えられる状態（実用的配置と定義）での、
	
 8NEG と TSP の同時使用による排気速度測定を行った。結果を示す図中では「実用的配置」と記述する。シャッターを閉じなかったことにより、ポンプ配置の関係で TSP からのチタンは届きにくいが放出されるガスは NEG にも吸収される、より実用に近い配置を模擬している。	
 ７．
（３）の測定終了後、再び粗排気ポンプを接続し、NEG の再活性化を実施した。こ
こでの測定では NEG の再活性化はこの 1 回のみである。NEG 再活性終了後、第 10 図に示す手順で TSP のフラッシングを繰り返して NEG と TSP 同時使用時の排気速度を測定した。	
 
この測定においても、6 回フラッシングを実施した後は NEG の寿命測定のため、TSP
はフラッシングせずにそのまま排気速度測定を続行	
 
測定結果を第 11 図に、NEG 単独、理想的配置による測定結果との比較を第 12 図に示す。実用的配置で TSP をフラッシングした場合の初期排気速度は、NEG と TSP 単独使用時の排気速度の和より 10%程度低い 0.12	
 m3/s を得た。窒素ガスの流量は６．（３）の測定と同様の傾向が見られたことから、こちらでもポンプ室入り口付近のガス分子密度がポンプ単独使用の場合から変化しているものと推測される。理想的配置のほうが実用的配置に比べて初期排気速度が遅く、総吸収ガス量も少なくなったことに関しては（1.0e-2	
 Pa・m3 と 1.2e-2	
 Pa・m3）、理想的配置の実験時はフラッシング終了直後に TSP からのガスが NEG に届かないよう、TSP 側のシャッターを閉じていたために、TSP 自身で出したガスを再吸収してしまい、排気速度測定開始時の排気能力がすでに低下していた可能性が考えられる。	
 上記の条件に違いはあったものの、フラッシング 1 回あたりに吸収するガス量はどち
らも毎回ほぼ同じ 7e-3	
 Pa・m3 であったことと、6 回フラッシングを終えた後のガスの吸収量もポンプ単独使用時の吸収量の和であったことから、実用的配置でも理想的配置同様 TSP のフラッシング回数分だけガス吸収量を増やせることがわかった（第 12 図参照）。
また、初期排気速度が回復していたことから、この時点での NEG の劣化はほとんどないと推測される。	
 	
 ９．NEG と TSP が干渉しあう配置での排気速度測定	
 ここでは NEG と TSP が向き合うように配置して、互いの干渉がある状態での NEG と TSPの同時使用による実行排気速度測定を行った。結果を示す図中では、「近接配置」と記述する。	
 （１）排気速度見積	
 ８．の測定終了後にチェンバーを大気開放し、ポンプ室での NEG と TSP の配置を変更した。第 13 図に機器配置を示す。NEG ポンプはゲッター材がポンプ室でむき出しになる
ように、直接ポートに接続した。TSP は TSP 専用チェンバーから外してポンプ室にチタンのヘッドが直接入るように接続した。測定ドームに直接チタン粒子が入ることを防ぐ手
動回転式シャッター3 はそのまま残した。	
 近接配置にした場合、TSP からのチタンはポンプ室内面に付着するため、ポンプ室全体がゲッターポンプとなる。この配置でのポンプ室入口における排気速度は、下記のように見積もった。	
 
NEG の場合、製品カタログに記載されたデータより、むき出しになったゲッター材の	
 9窒素ガスに対する初期排気速度は 3e-6Torr 台の圧力で 0.1m3/s であるという値を得た。
ポンプ室入口からゲッター素子までは内径 150mm のパイプが 220mm 続いていると仮定す
ると管のコンダクタンスはおよそ 1.9	
 m3/s となり、カタログと同等の圧力で測定する場
合のポンプ室入口での NEG 単独での初期実行排気速度は 0.09m3/s と見積ることができた。一方 TSP の場合はポンプ室そのものがポンプとなるので、(3）式よりポンプ室入口の断面積 A が 0.018	
 m2 であることと、窒素の捕獲係数が 0.3 であることから、TSP の初期実行排気速度は 0.6m3/s と見積った。	
 	 （２）TSP 単独の排気速度測定	
 近接配置で TSP 単独の排気速度を測定するために、NEG はポンプ室に取り付けずに TSPのみを取り付け、真空立ち上げを実施した後 TSP のフラッシングを実施した。	
 フラッシング後の排気速度測定結果を第 14 図に示す。TSP の初期排気速度はポンプ
室内圧力が 1e-4P 台において、0.7	
 m3/s 弱であった。この値が（3）式より見積もった
0.6m3/s から大きくずれていなかったことから、測定装置に問題はないことが確認できた。また初期排気速度の半分以下に排気速度が落ちるまでに、この系での窒素ガスを
2e-3Pa・m3 程度排気できることがわかった。TSP 専用チェンバーと比較すると排気速度を維持できる寿命が短いが、これはゲッター面の面積の差によるもので、専用チェンバーに対しポンプ室内表面の面積は 7 割程度なので、吸収できるガスの総量も 7 割程度となったと考えられる。実際に TSP 専用チェンバーの場合では、第 6 図より初期排気速度の半分である 0.035m3/s 程度に排気速度が落ちるまでに排気したガス量を求めると
2.7e-3Pa・m3 程度であり、ほぼ結果が整合している。	
 	 （３）NEG 単独の排気速度測定	
 次にポンプ室を大気開放し、TSP は接続したままで、TSP と向かい合ったポートに NEGを取り付けて真空立ち上げを実施した。大気開放した後のベーキング温度は最高 200℃であったため、上記の（２）の排気速度測定時にポンプ室に付着したチタンから吸着ガスが放出され、チタン表面が清浄になって排気能力を回復することは無いと考える（300を超℃えないと放出されないとされている）。真空立ち上げ完了後、NEG を活性化して排気速度を測定した。	
 
測定結果を第 15 図に示す。NEG の初期排気速度は 1e-4Pa 台のポンプ室内圧力において、0.08m3/s であった。この値が（3）式より見積もった 0.09m3/s から大きくずれていなかったことから、NEG をむき出しに配置した場合でも測定装置に問題はないことおよび、これまでの実験で NEG が劣化していないことが確認できた。ただ、0.01m3/s 程度まで排気速度が落ちる間にこの系での窒素ガスを 6e-3Pa・m3 程度までしか排気できなかった。収納パイプに納めた場合に比べて排気速度が急速に落ちていった原因は、初期の排気速度を上げた分、早い段階で NEG 表面がガス分子で覆われて排気能力が低下したことと、ガスの流量が多くて測定時間が短くなった分、NEG 表面から内部へ固溶体が拡散する時間がなかったためであると思われる。	
 
	
 
	
 

10

（４）TSP の繰り返しフラッシングを実施した際の排気速度測定	
 NEG 単独の排気速度を測定した後、ポンプ配置を変更せずに粗排気ポンプを接続してNEG の再活性化を実施した。この測定においても、NEG の再活性化はこの 1 回のみである。NEG の温度が下がったことを確認後に第 10 図に示した手順と同等の手順で TSP のフラッシングを繰り返して NEG と TSP 同時使用時の排気速度を測定した。なおこの測定
では、TSP フラッシング時に TSP から排出されるチタン粒子がドームに付着することを避けるため、フラッシング時のみ回転式シャッター3 を閉じた。TSP 再フラッシングのための排気速度測定の中断時間は理想的な配置の時と同様に、加速器調整中の電磁石初期化中にフラッシングを実施することを模擬して 30 分とした。	
 
測定結果を第 16 図に、理想的配置による測定結果との比較を第 17 図に示す。近接配置で NEG と TSP を同時使用した場合の初期排気速度は、NEG と TSP 単独使用時の排気速度の和よりもかなり小さかった。単独測定の際に比べてガス流量が増えたことによりポンプ入り口での分子密度が違ったこと以外に、ガスの流量が多かったためにガスの流量を調節してポンプ室の圧力を確認し、測定開始するまでに TSP の排気能力が劣化していた可能性がある。繰り返しフラッシングの際の初期排気速度が安定して計測できなかったことや、排気速度測定開始から数秒の間に 1/3 程度まで排気速度が落ちることからも、ガス流量が多いと測定開始直後に急速にチタン表面がガスに覆われてしまったと推測される。	
 ポンプ寿命に関しては、系全体の排気速度が 0.02m3/s	
 を切るまでに吸収するガス量が NEG 単独では 3e-3	
 Pa・m3 であったものが TSP のフラッシングを繰り返すことにより
7e-2	  Pa・m3 まで延ばすことができたが、フラッシングを重ねる度にフラッシング 1 回あたりのガス吸収量が 10%程度減っていくことがわかった。この影響により排気速度が0.02m3/s 未満に低下するまでに吸収できるガス量は、理想的な配置で吸収できるガス量の 7 割程度となってしまった。	
 	
 １０．考察	
 TSP からのチタン粒子が NEG に極力入射しない配置にした場合、理想的配置、実用的配置にかかわらず TSP をフラッシングする度に TSP の初期排気速度が上乗せされたことから、数回の TSP フラッシング実行時に出るガスでは NEG は大きく消耗しないことがわかった。また実用的配置から近接配置に変更した直後の NEG 再活性時に、NEG 単独の排気速度を測定すると計算に近い初期排気速度が測定できたことから、シャッターを使用しない実用的配置でも TSP から影になる位置に NEG を設置したためにチタンの付着を防ぐことができたことがわかった	
 近接配置した場合、ガス吸収量は NEG と TSP の合計ガス吸収量にはならず、今回の実
験では 7 割程度の値しか得られなかった。また TSP のフラッシングを実施するごとに 1
回あたりのフラッシングでのガス吸収量が減っていくことから、NEG の表面がチタンで汚染されたために排気能力が徐々に低下していったものと推測される。	
 近接配置の測定において初期排気速度の測定結果が不安定であったことを改善する
ためには、今後可変式のオリフィスを使用してコンダクタンスを変調する、アナログ出力にジャンプが無い真空計で長時間計測を可能にするなどの装置の改造を行い、各実験	
 11においてポンプ室の真空度のみならず、ポンプ室内のガス流量を一定に保つことが必要である。	
 ９．（４）の測定終了後にどの程度 NEG が劣化したかを調べるために、ポンプ配置を変更することなく NEG 単独で再活性化を行い排気速度の測定を行った。測定結果と９．
（３）の測定結果を第 18 図に示す。測定結果を比較したところ、TSP の繰り返しフラッ
シング後は約 40％程度初期排気速度も寿命も低下していた。チタンの付着量に関しては
排気速度の低下からだけでは見積もることができず、目視でも NEG 表面に汚染を確認できない程度であった。	
 これまでの測定結果から、コミッショニング期間の短縮には繰り返しのフラッシングにより排気能力を維持できる TSP の使用は有効であり、本研究で使用した TSP のチェン
バーでは、フラッシング 1 回あたりに 1e-2	
 Pa・m3 程度ガス吸収量を増やすことができることがわかった。また、NEG と TSP の互いの干渉が大きい配置（本研究における「近接配置」に相当）では、コミッショニング初期の大量の PSD ガスと TSP による NEG の排気速度低下は避けられず、実用的ではないことが明らかになった。	
 	
 １１．SPring-8 次期計画におけるポンプ配置検討	
 （１）本研究を終了した 2014 年時点での計画案	
 SPring-8 次期計画においては、真空チェンバーの材質をステンレス鋼に変更し、現
在 PSD ガスの量と電子の蓄積寿命を維持するために必要なポンプ能力、配置の再検討を行っている。第 19 図に現時点までに検討した SPring-8 次期計画の標準の 1 セルあたりのアブソーバー配置を示す。次期計画では真空チェンバーが小型化することから、真空
チェンバー内面を放射光から守る光アブソーバーを多数配置する必要があり、ビーム運
転時のガス放出源を増やすこととなる（SPring-8 では 1 セルあたり挿入光源部を除くと5 台であったが、次期計画では 15 台）。また冒頭でも述べたように、磁石が小型化された上に電磁石間隔が狭いことから SPring-8 で使用したアブソーバー部の排気を強化した Lumped	
 NEG のような集中排気系を挿入することや、チェンバー内に分散型 NEG や分散型 SIP を挿入することも出来ない。そこで次期計画においては、ガス源である光アブソーバーの直近に局所型ポンプを配置することを計画している。	
 第 20 図に現時点でのカートリッジ NEG と小型 SIP のみで構築したアブソーバーチェ
ンバーの排気系案を示す。電磁石のコイル間が 100mm 程度になることを考慮し、主ポンプは本研究で使用したものより小さい ICF70 型のカートリッジ NEG（St.172）を採用している。アブソーバーと NEG 間のコンダクタンスを改善するために、NEG 収納パイプの外径は 70mm のものを使用し、アブソーバーチェンバーと NEG 収納パイプ側面を内寸 40mm
角の角管で接続した。本研究で得られた NEG の排気速度と計算されるコンダクタンスから、NEG 収納パイプ開口部での窒素の対する初期排気速度は 0.04m3/s、アブソーバーチ
ェンバーの排気口から NEG 収納パイプ開口部までの管の長さが約 0.05m で管のコンダク
タンスが 0.2m3/s であるため、アブソーバーチェンバー排気口での窒素に対する初期実
行排気速度は 0.03	
 m3/s 程度を得られる。NEG 収納パイプの下部には、NEG では排気出来ないメタン等を排気するために 2 極型 SIP（希ガス排気強化型）を接続した。SIP は市販品で電磁石間隔内に収まるものでは最大の排気速度（ポンプ開口部での N2 排気速度	
 12

0.03m3/s、酸化炭素、メタンに対する排気速度も 0.03m3/s）を有するものを選択した。
アブソーバー排気系の幅は電磁石共通架台の 700mm 以内とし、奥行きも支持架台を含めて電磁石のコイル間隔である 100mm 以内に抑えてある。	
 この排気系を各アブソーバーチェンバーに接続してビーム運転を行った際の、到達予想圧力と NEG の寿命について検討を行った。ビーム運転開始当初にリングの真空度を主に悪化させるものは、アブソーバーからの散乱光などの刺激によりアブソーバー近傍の真空チェンバー内面から放出される PSD ガスである。チェンバー内面からの PSD ガスの
放出量の目安として、光子 1 個当たりに放出される気体分子数で定義される光刺激脱離係数η（molecules/photon）を用いる。ηを求めるに当たっては、2012 年に実施したセル 31 での真空チェンバー入れ替え時に得たアブソーバー3（AB3）近傍での水素、一酸
化炭素、二酸化炭素、メタンの圧力データを使用した。また、SPring-8 ではアルミ合金
チェンバーのデータしかなくステンレスチェンバーについてのデータがないため、Mathewson らが CERN で行った同じ条件でのアルミ合金とステンレスのガス放出率比較実験結果４）と SPring-8 のアルミ合金データから次期計画のステンレスチェンバーに対す
る光刺激脱離係数を推測した。第 21 図に入射光子数と次期計画のステンレスチェンバ
ーで予想されるηとの関係を示す。	
 SPring-8 立ち上げ時の実績から、コミッショニング終了時までのビーム運転で 20Ah程度まで蓄積電流の積分値が増加すると考えられる。20Ah 時点での蓄積リングの平均圧力を求めるためには、各アブソーバー近傍から放出される PSD ガスの量を計算する必要がある。アブソーバーが受ける光子量は光源からの距離の違いによる受光角度の違いと光源強度の違いにより第 1 表に示すようにアブソーバーごとに異なる。このため同じ運
転時間でもアブソーバーごとに光刺激脱離係数が異なり、蓄積リングの平均圧力を求める際は、光子 Dose の補正が必要である。第 2 表に 20Ah 時の各アブソーバーにおける光刺激脱離係数を示す。時刻 ta から tb の間に電子ビームドーズ D	 [Ah]が 0.001Ah から 20Ahまで増えた場合、その間に発生する PSD 放出ガス量は光刺激脱離係数を積分することで得られ、下記の(6)式より求められる。	
 
	
 
!!

	
 	
 	
 	
 	
 	
 	
 	
  ! 𝑄 𝑑𝑡 =
!

!!
!"
!"
𝑁 ′𝑘𝑇𝜂 𝑑𝑡 = !.!!" 𝑁! 𝑘𝑇𝜂 𝑑𝐷 = 𝑁! 𝑘𝑇 !.!!" 𝜂 𝑑𝐷・・・(6)
!! !

	
 
(6)式より各アブソーバーのガス放出量を計算し、接続した排気系の平均実効排気速
度を 0.05m3/s（メタンに関しては SIP のみの 0.02	
 m3/s）で一定と仮定し、放射光の照射部近傍での温度上昇による TD ガスに関しては、ステンレス試験片を用いた熱脱離ガス測定から得たステンレスチェンバー内面のガス放出量 3.5e-9	
 Pa・m3/s/m2 を使用すると、第 22 図に示す圧力分布を得ることが出来る。蓄積リングの平均圧力は 1.2e-6Pa 程度となり、次期計画の CDR5)で目標とされている圧力に到達している。	
 第 220 に示すように、PSD により放出されて NEG の寿命を縮める主なガスは一酸化炭
素（CO）である。CO のみの放出量を積分すると、最もガス放出量の多い AB5 部でおおよそ 4.0e-2	
 Pa・m3 となった。NEG の下部に接続した SIP が 3 割程度の CO を排気したとしても、3.0e-2	
 Pa・m3	
 程度 NEG で排気したこととなる。ICF114 サイズの NEG カートリッ	
 13

ジが排気速度を 1/3 近くまで落とすまでに吸着できる窒素（N2）の量は、本研究より（第7 図参照）3.0e-2	
 Pa・m3	
 程度であった。ICF70 サイズの NEG 素子の表面積が ICF114 サ
イズの約 1/3 であることと、カタログ上 CO の総吸収量は N2 の 3 倍程度であることから、ICF70 サイズの NEG 素子が 3.0e-2	
 Pa・m3	
 程度の CO を排気すると排気速度が 1/3 程度に落ちることが推測され、第 20 図の排気系ではコミッショニング終了時に NEG 再活性化を実施する必要が生じる。コミッショニング終了後に最低 1 ヶ月程度の運転時間（ビーム Dose；100Ah）まで伸ばした場合、AB5 部での CO の総放出量は 8.0e-2	
 Pa・m3 と予想される。100Ah 運転時まで NEG 再活性化を防ぐには、NEG 素子の量を増やすことにより
CO の総吸収量を増やすことが考えられるが、AB5 付近は電磁石間隔が特に狭いため、ICF70 より大きいカートリッジは直近には挿入できない。また NEG カートリッジの本数を増やすことにより CO の総吸収量を増やすことが考えられるが、大幅なコストアップが必要となり現実的ではない。そこで排気量は大きいがコストの低い他のポンプを接続
して 3.0e-2	
 Pa・m3 程度の CO を排気することを検討した。	
 	 （２）本研究の結果から TSP を追加した提案	
 ポンプの排気速度増大と NEG の負担軽減のために TSP チェンバーを増強した排気系の案を第 23 図に示す。本研究における測定結果から、TSP フラッシング時に放出されるチタン粒子が NEG に付着すると NEG の排気能力が劣化するが、チタンの飛散を防ぐシール
ド材を取付ける、NEG 素子からチタンボールが隠れるようなポンプ配置にするなど工夫をすれば NEG の性能を損なわずにガス吸収量を増やせることがわかっている。排気速度を大きくするためにはなるべく NEG も TSP もガス発生源の直近に置きたいが、チタンの付着範囲は何かの方法で制限する必要がある。そこで、SIP の側面に排気ポートの増設を行い、TSP のチェンバーを接続することとした。TSP チェンバーは他の真空機器に比べ大きめの円筒を採用することでチタンの付着面積を増やしている。また排気するガス
は SIP のチェンバー内を通過させているために実効排気速度が落ちるものの、チタン蒸発時に発生するガスは SIP で排気出来る上、チタン蒸気が NEG に流れ込むことを防ぐ構造をしている。SIP 部のコンダクタンスが不明のため正確な排気速度を見積もることはできないが、接続パイプの径と長さからコンダクタンスを見積ってアブソーバーチェン
バーの排気口付近の排気速度を計算すると、アブソーバーチェンバー排気口での初期実
行排気速度は 0.01	
 m3/s 程度の値が得られる。コンダクタンスの影響で実効排気速度の上昇には繋がらないが、ガスの総排気量は本研究で使用した TSP 専用チェンバー内面積の 3 割程度の内面積を有するため、フラッシング 1 回あたりにつき窒素に対しておおよそ 3e-3Pa・m3 の増量を期待できる。単位面積あたりのガス吸蔵量が窒素と一酸化炭素で等しいと仮定すると（カタログ上、TSP は一酸化炭素に対して窒素の 2 倍の排気速度を有するが吸収量に関しては不明のため）、3.0e-2	
 Pa・m3 程度の CO を排気するために必要なフラッシング回数は 10 回程度となり、実行可能な回数であると考える。	
 今後は本提案の有効性を検討するより詳細なシミュレーション等を行い、実現可能な案にブラッシュアップすることを考えている。	
 
	
 
	
 

14

１２．追加実験	 これまでの測定から、NEG にチタン粒子が付着した場合性能劣化が起こること、通常の NEG 再活性化温度（St.707 の場合摂氏 450 度）では付着したチタンが再昇華しないことがわかった。St.707 の最高使用温度は製品カタログから摂氏 700 度であることがわかっている。一方チタンの融点は摂氏 1,680 度であることから、チタンの融点まで NEG の温度を上げることもできない。	
 
NEG の使用温度範囲内で NEG に付着したチタンを再昇華させることができないかを確かめるために、第 24 図に示す手順でチタンボールの温度を測定した。温度測定に関しては、はじめに真空外から放射温度計を用いてみたが、真空チェンバー内面での赤外線反射の影響でボールの温度が測定できなかった。そこで、チタンボールの温度を直接測定できるようにボールを加工してシース熱電対を取り付けた。またキャノンアネルバのチタンサブリメーションポンプ専用電源（922-9119）を使用したが、電源投入時に最低でも 25A 流れてしまうため、25A 以下の電流での温度変化は観測できなかった。	
 通電した電流とボールの温度の関係を第 25 図に示す。35A 通電時にチタンボールの温度が K 型熱電対の測定限界である摂氏 1,200 度に到達したため、35A で測定を終了した。
通常 TSP は 45A 以上通電してチタンを蒸発させる。今回の測定結果を外挿すると 45A で
摂氏 1,600 度になりほぼチタンの融点に達することから、測定はほぼ正しいと思われる。
35A で 5 分程度通電した後の圧力は、測定を開始する前の圧力とほぼ同じであったことから、摂氏 1,200 度程度ではチタンの飛散はほとんど無く、NEG の表面温度を摂氏 1,200
度まで上げることができたとしてもチタン粒子を取り除くことができないことがわかっ
た。	
 
	
 
１３．今後の展開	
 今回の NEG および TSP の測定では、まだ不十分な点が多く残っている。例えば、回転式シャッター3 で吸気口のコンダクタンスを変えることによる実用的配置に対する知見を深めることのできる可能性があると考えられる（コンダクタンス変調の測定実施）。また、TSP の繰り返しフラッシング後の NEG の排気速度の定量的な測定も十分ではない。今回製作した測定装置は、それ以外にも実用的な排気系の測定ができる汎用性を有していると考えている。さらなる研究を進めるつもりである。	
 現在 SPring-8 次期計画で使用する機器について、詳細な仕様の検討を進めている。
2015 年 5 月にはチェンバーの材質をアルミ合金からステンレスに変更し、チェンバーの
おおよその外形を決定した。電磁石の詳細な設計ができた時点で真空チェンバーの最終形状を確定させ、クロッチチェンバーの設置場所と排気系の機器配置もあわせて決定した上で、2017 年度には 1 セル分の機器を試作する予定である。排気系に関しては、あらかじめ何通りかの試作を行い、排気速度測定装置により実際の排気速度とポンプ寿命を測定して、より実用的で長寿命な排気系を構築していく。次期計画において TSP の採用は決定されたものではないが、本研究のこれまでの成果、今後の進展を踏まえて TSP の採否を判断する際の知見とするつもりである。	
 
	
 
以上	
 
	
 

15

付録	
 
１．オリフィスのコンダクタンス	 測定ドーム 1 と 2 の間に挿入したオリフィスのコンダクタンスは、下記のように求めた。	
 オリフィスで仕切られたドーム 1 よりガスを導入した場合、ドーム 1 からドーム 2 に流れ込む単位時間あたりのガス流量 Q1（Pa	
 m3/s）は、オリフィスの面積 A に入射する入射頻度と分子の密度 n より、(1)式のように表せる。２）	
 
	
 

1
1
1
Q1 = A × nν × × P1 = ν AP1 ・・・(1)	
 
4
n
4
	
 
(1)式において P1 はドーム 1 の圧力（Pa）、 ν は導入したガス分子の平均速度（m/s）
を示す。また、ドーム 2 からドーム 1 に逆流するガス流量 Q2 は、ドーム 2 からドーム 1への入射頻度と等しいため、(2)式のように表される。	
 	 1
Q2 = ν AP2 ・・・(2)	
 4
	
 (2)式において P2 はドーム 2 の圧力（Pa）を示す。(1)、(2)式より、オリフィスを通過してドーム 2 よりポンプ室に流入するガス流量 Q は、ドーム 1 からドーム 2 に流れる
ガス量とドーム 1 に逆流するガス量の差で定義できる。	
 	 1
Q = Q1 − Q2 = ν A(P1 − P2 ) ・・・(3)	
 4
	
 一方オリフィスを通過するガス量は、オリフィスのコンダクタンスを C（m3/s）と定義すれば、ドームの圧力差に比例するため(4)式のように表すことができる。	
 	 Q = C(P1 − P2 ) ・・・(4)	
 	 (3)式と(4)は等価であるため、オリフィスのコンダクタンスは(5)式のように定義でき、計算で求めることができる。	
 
	
 

1
1
8KT
C = νA = ×× A ・・・(5)	
 
4
4
πm
	
 
(5)式において、k はボルツマン定数（1.38e-23	
 J/K）、T は導入ガスの温度（K）、m は2導入したガス分子 1 個あたりの質量（kg）、A はオリフィスの面積（7.1e-4m（直径0.015m））
である。	
 
	
 

16

	
 
２．ポンプの実効排気速度	
 真空ポンプの入り口での排気速度 S（m3/s）は、入り口に入射した分子がポンプに捕獲される確率を H、入り口の面積を Ai、排気するガス分子の平均速度を ν とすると(8)式より求められる。	
 
	
 

S=

HAi ν
・・・(6)	
 4

	
 実際の排気系では真空ポンプはパイプを介してポンプ室に接続されているため、実効排気速度は配管のコンダクタンスを補正する必要がある。	
 P1 はポンプ室の圧力（Pa）、P2 はポンプ入り口の圧力（Pa）、パイプのコンダクタンス
を Cpipe（m3/s）と定義すれば、(4)式よりポンプに流れ込むガス流量 Q（Pa	
 m3/s）は以下のように表せる。	
 	 Q = Cpipe (P1 − P2 ) = SP2 ・・・(7)
	
 

	
 

実効排気速度 Seff（m3/s）はポンプ室からポンプに流れ込んだガス流量 Q（Pa	
 m3/s）と以下の関係にある。	
 	 Q = Seff P1 ・・・(8)
	
 

	
 

(7)、(8)式よりポンプ室での実効排気速度は、以下の式で得られる。	
 
	
 

1
1
1
=
+ ・・・(9)Seff Cpipe S	 	 分子流の場合、円形断面パイプのコンダクタンスは下記の式で定義できる。	
 	
 Cpipe =

2π
r 3 4 2π kT r 3
×ν × =
× ・・・(10)	
 
3
L 3
m
L

	
 
(10)式において、r（m）はパイプの半径、L（m）はパイプの長さを示す。300K の窒素ガスを流す場合(10)式の係数がほぼ 1,000 となるため、コンダクタンスは(11)式で得られる値に近似できる。	
 	
 Cpipe = 1000 ×r3・・・(11)	
 
L

	
 
	
 

17

以上のことより、窒素ガスに対するポンプの実効排気速度は下記の式で得られる。	
 
	
 

1
L
1
=
+ ・・・(12)3Seff 1000 × r S
	
 
	
 
	
 
３．PSD ガス放出量の計算	
 チェンバー内面からの PSD ガスの放出量の目安として、光子 1 個当たりに放出される
気体分子数で定義される光刺激脱離係数η（molecules/photon）を用いる。ηは入射された光子数の積算（光子ドーズ）に対して対数スケールで減少することから、電子ビー
ムドーズ D	 [Ah]までにある受光体に照射された光子ドーズを N	 [photons]とすると、Nに対するイールド係数 η はα、βを定数とすれば	 	 η = α N β ・・・(13)	
 	
 と定義できる。	
 6GeV の蓄積リング全体において、1Ah あたりの光子数 Ntotal	
 [photons/(A・hr)]は	 	 N total =8.08 ×1017 ×1000[mA]× 6[GeV]× 3600[sec] ・・・(14)	
 	
 で与えられ、単位角度あたりの光子数 N0	
 [photons/(Ah)/mrad]は、	
 
	
 

N0 =

N total・・・(15)	
 2π ×10 3	 と表せる。アブソーバーの受光角度をθ[mrad]とすると、光子ドーズ N は	 	 N = N 0θ D = N P D ・・・(16)	
 	 と表せる。ここで Np は 1Ah あたりにアブソーバーが受光する光子数と定義する。
（13）式と（16）式より η は	 	 βη = α ( N p D) = α ' D β ・・・(16)	
 Cpipe =

2π
r 3 4 2π kT r 3
×ν × =
× 	
 
3
L 3
m
L

	
 
となり、η を電子ビームドーズの関数として表すことは出来る。また、α、βは第 21
図に示すデータをフィッティングすることでガス種ごとの値を得ることが出来る。	
 PSD ガス放出量 Q	
 [Pam3/s]は、蓄積ビーム電流 1A あたり、単位時間あたりの照射光子
数 Np’	
 [photons/s/A]を用いて	
 
	
 
	
 	
 𝑄 = 𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 =

!! !
!!

!

𝜂𝑅𝑇 = 𝑁! ′ ! 𝜂𝑇 = 𝑁! ′𝑘𝑇𝜂 ・・・(17)	
 !

	 と表せる。ここで、	
 
	
 

18

	
 
	
 	
 𝑛 =

!! !
!!

𝜂	
 

	
 
	
 	
 𝑘 =

!
!!

	
 

	
 
	
  k	
 =1.38e-23（ボルツマン定数	
  J/K）、R	
 =8.314（気体定数	
 J/K/mol）、	
 
	
  NA	
 =	
 6.022e23（アボガドロ数 1/mol）。	
 時刻 ta から tb の間にビームドーズが Da から Db まで変化する場合、その間の PSD 放
出ガス量の積分は以下となる。	
 
	
 
!!

	
  ! 𝑄 𝑑𝑡 =
!

!!
!
!
𝑁 ′𝑘𝑇𝜂 𝑑𝑡 = ! ! 𝑁! 𝑘𝑇𝜂 𝑑𝐷 = 𝑁! 𝑘𝑇 ! ! 𝜂 𝑑𝐷・・・(18)	
 
!! !
!
!

	
 
ここで、Np＝3600Np’である。イールド係数の積分は(16)式より以下のように表せる。	
 
	
 
!!
!!
!! ! !
!
!
!!!
𝜂
𝑑𝐷
=
𝛼
𝐷
𝑑𝐷
=
𝛼
𝐷
・・・(19)	
 
!!
!!
!!!
!
!

	
 
参考までに AB5（受光角度 20.72mrad）に対する各定数を計算すると、下記のように
なる。	
 

H2

CH4

CO

CO2

α

1.8471E07

2.0367E07

5.0123E08

5.8537E11

β-0.49404-0.5729-0.58834-0.73847

α’

1.0522E-07

1.8607E-06

2.0388E-05

9.1159E-09

	
 

	
 

19

	
 
参考文献	
 
	
 
１）	
 ドームの形状とポートの位置に関しては、JIS	
 B	
 8316 に準拠した	
 ２）	
 株式会社アルバック編,	
 真空ハンドブック,	
 オーム社（2002）	
 ３）	
 先行 1 セル設計・製作報告書	
 
４）	
 A.	
 G.	
 Mathewson	
 et	
 al.	
 AIP	
 Conf.	
 Proc.	
 236,	 313	 (1991)	
 ５）	
 SPring-8-II	
 Conceptual	
 Design	
 Report,	
 RIKEN（2014）	
 

	
 

20

	
 
第 1 図	  SPring-8 次期計画で検討されている四極電磁石断面と真空チェンバーの関係。四極電磁石のボア径は 34mm、真空チェンバーの電子ビーム通過部は幅30mm、高さ 16mm でレーストラックに近い形をしている。	
 
	
 
	
 

	
 
	
 
第 2 図	
  排気速度測定装置の外観。右手に粗排気ポンプとガス導入系、左手に測定系を配置している。	
 

	
 

ドーム1

VLV

B-A
オリフィス
15mm径

N2

ドーム2
B-A

TSP

回転シャッター3
150mm径

CCG
NEG

ポンプ室
0.25m3/s
TMP

0.06m3/s
SIP

	
 

	
 
第 3 図	
  排気速度測定装置の概略図。VLV:	
 可変リーク弁、B-A:	
 校正済み電離真空計、CCG:	
 コ ールドカソードゲージ、TSP:	
 チ タンサブリメーションポンプ、NEG:	
 非蒸発型ゲッターポンプ、TMP:	
 ターボ分子ポンプとスクロールポンプで構成される粗排気系、SIP:	
 3 極型スパッタイオンポンプ。	
 
	
 

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357

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357

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 第 4 図	
  排気速度測定の手順。	
 
	
 
	
 

回転式シャッター3
回転式シャッター1

ポンプ室

NEG素子
粗排気系へ
V3

CCG

SIP

TSP
回転式シャッター2

200mm

	
 

	
 
第 5 図	
  NEG と TSP を極力干渉しないように取り付けた場合の配置（理想的配置）
図。NEG と TSP の各ポートにはガスの行き来を制限するための手動回転式シャッターを挿入した。	
 	
 3

排気速度 (m /s)

TSP 専用チェンバー

10-1

10-2
10-4

10-3
10-2
3
ガス吸収量 (Pa・m )

10-1

	
 

	
 
第 6 図	
  理想的配置にて、TSP を専用チェンバー内で単独にフラッシングした後の排気速度計測結果。	
 3

排気速度 (m /s)

10-1
NEG + 収納パイプ

10-2

10-4

10-3

10-2

10-1

3

ガス吸収量 (Pa・m )

	
 

	
 
第 7 図	
  理想的配置にて、収納パイプ内の NEG を単独で使用した際の排気速度計測
結果。	
 
	
 
	
 

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ABG

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ABG

<E

	
 

	
 
第 8 図	
  理想的配置において、TSP の繰り返しフラッシングを実施した際の排気速度測定手順。	
 	 3

排気速度 (m /s)

NEG + TSP（理想的配置）
NEG 単独

10-1

10-2
10-4

10-3

10-2

10-1

3

ガス吸収量 (Pa・m )

	
 

	
 
第 9 図	
  理想的配置にて、回転式シャッターを使用して TSP を 6 回繰り返しフラッ
シングした際の排気速度計測結果と NEG を単独で使用した際の排気速度測定結果
比較。	
 
	
 
	
 

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第 10 図	
  実用的配置において、TSP の繰り返しフラッシングを実施した際の排気速度測定手順。	
 
	
 

	
 

3

排気速度 (m /s)

NEG + TSP（実用的配置）
NEG 単独

10-1

10-2
10-4

10-3

10-2

10-1

3

ガス吸収量 (Pa・m )

	
 

	
 
第 11 図	
  実用的配置にて、回転式シャッターを使用せずに TSP を 6 回繰り返しフラッシングした際の排気速度計測結果と NEG を単独で使用した際の排気速度測定
結果比較。	 	
 3

排気速度 (m /s)

NEG + TSP（実用的配置）
NEG + TSP（理想的配置）

10-1

10-2
10-4

10-3

10-2

10-1
3

ガス吸収量 (Pa・m )

	
 

	
 
第 12 図	  理想的配置と実用的配置で NEG と TSP を同時使用した際の排気速度計測
結果比較。	
 
	
 

CCG

Φ 150

回転式シャッター3
ポンプ室
V3
粗排気系へ

NEG素子

TSP
30 mm

3

排気速度 (m /s)	 	
 第 13 図	  ポンプ室において NEG と TSP を近接させた場合の配置（近接配置）図。
NEG と TSP ヘッドとの間隔は設計上約 30mm である。	
 
	
 
	
 

10-1
TSP（近接配置、単 独排 気）

10-2

10-4

10-3

10-2

10-1

3

ガス吸収量 (Pa・m )

	
 

	
 
第 14 図	  近接配置（NEG はこの時のみ装着せず）において、TSP 単独でフラッシン
グして排気した際の排気速度計測結果。	
 	 NEG（収納パイプあり）

3

排気速度 (m /s)

NEG（近接、Ti付着前）

10

-1

10-2

10-4

10-3

10-2

10-1
3

ガス吸収量 (Pa・m )

	
 

	
 
第 15 図	  近接配置において、NEG を単独で使用して排気した際の排気速度計測結果と理想的配置で NEG を単独で使用して排気した際の排気速度計測結果比較。	
 
	
 
	
 

3

排気速度 (m /s)

NEG + TSP
（近接配置）

10-1

10-1

NEG単独
（近接配置）
10-2
-4

10

-3

10

-2

10

10-2
-1

10

3

ガス吸収量 (Pa・m )

	
 

	
 
第 16 図	  近接配置において、NEG と TSP を同時使用した際の排気速度計測結果とNEG を単独で使用した際の排気速度測定結果比較。	
 
	
 
	
 

3

排気速度 (m /s)

10-1

10-2
10-4

NEG + TSP（近接配置）
NEG + TSP（理想的配置）
10-3

10-2

10-1
3

ガス吸収量 (Pa・m )	 NEG（Ti付着前）NEG（Ti付着後）

3

排気速度 (m /s)	
 第 17 図	  理想的配置と近接配置した場合の測定結果を比較。	
 
	
 

10-1

10-2
10-4

10-3

10-2

3

10-1

ガス吸収量 (Pa・m )	
 第 18 図	  チタン付着前後における NEG 単独の排気速度を比較。	
 
	
 
	
 

	
 

	
 
	
 
第 19 図	  SPring-8 次期計画における 1 セルあたりのアブソーバー配置図。1 セル
あたり 15 台のアブソーバーが必要である（ID 部のアブソーバーは検討中）。CR；
クロッチ（2 台）、AB；アブソーバー（8 台）、BCA；偏向磁石チェンバーアブソーバー（5 台）。	
 
	
 
	
 

	
 
	
 
第 20 図	  現時点での次期計画アブソーバー真空槽の排気系構成案。	
 	 η [molecules/photon]100
y = 1.8471e+7 * x^(-0.49404) R= 1
y = 2.0367e+7 * x^(-0.5729) R= 1

-2

10

y = 5.0123e+8 * x^(-0.58834) R= 1
y = 5.8537e+11 * x^(-0.73847) R= 1

10-4
10-6
10-8

10-10 2010

H2_SUS estimated
CH4_SUS estimated
CO_SUS estimated
CO2_SUS estimated

1021

1022

1023

1024

1025

photons

1026

1027

	
 
第 21 図	  SP-8 アルミ合金チェンバーのデータと Mathewson らが実施したアルミ合
金とステンレスの比較実験データより求めた次期計画ステンレスチェンバーの入射光子数と光刺激脱離係数の関係。	
 
	
 
	
 

1028
	
 

第 1 表	 SPring-8 次期計画の蓄積リング 1 セルあたりの各アブソーバーに対する受光角と光子数。ID 部の受光体に関しては配置、形状ともに現在検討中。	
 
	
 

	
 

	
 

受光角θ	
 
(deg)	
 光子数	 Photon	 Dose	
 (photons/s)	
  (photons/Ahr)	
 

CR1	
 

12.63	
 9.75E+17	
 3.51E+22	
 

AB1	
 

9.08	
 

7.01E+17	
 2.52E+22	
 

BCA2	
 

5.04	
 

3.89E+17	
 1.40E+22	
 

AB2	
 

18.02	
 1.39E+18	
 5.01E+22	
 

AB3	
 

12.01	
 9.27E+17	
 3.34E+22	
 

BCA3	
 

2.86	
 

2.21E+17	
 7.94E+21	
 

AB4	
 

5.98	
 

4.61E+17	
 1.66E+22	
 

CR2	
 

10.68	
 8.24E+17	
 2.97E+22	
 

BCA4	
 

5.46	
 

4.21E+17	
 1.52E+22	
 

AB5	
 

20.72	
 1.60E+18	
 5.76E+22	
 

AB6	
 

9.37	
 

7.23E+17	
 2.60E+22	
 

BCA5	
 

5.1	
 

3.94E+17	
 1.42E+22	
 

AB7	
 

10.49	
 8.09E+17	
 2.91E+22	
 ID	
 13.71	
 1.06E+18	
 3.81E+22	
 

AB8	
 

0.4	
 

3.09E+16	
 1.11E+21	
 

BCA1	
 

1.25	
 

9.65E+16	
 3.47E+21	
 Cell	
 Total	 142.8	
 1.10E+19	
 3.97E+23	
 Ring	
 Total	 6283.2	
 4.85E+20	
 1.75E+25	
 第 2 表	  20Ah 時の各アブソーバーにおける一酸化炭素に対する光刺激脱離係数	
 
	
 
受光角θ	
 
(deg)	
 Photon	 Dose	
 (photons)	
 η（CO）	
 CR1	
 12.63	
 7.02E+23	
 4.68E-06	
 

AB1	
 

9.08	
 

5.04E+23	
 5.69E-06	
 

BCA2	
 

5.04	
 

2.80E+23	
 8.04E-06	
 

AB2	
 

18.02	
 1.00E+24	
 3.80E-06	
 

AB3	
 

12.01	
 6.67E+23	
 4.82E-06	
 

BCA3	
 

2.86	
 

1.59E+23	
 1.12E-05	
 

AB4	
 

5.98	
 

3.32E+23	
 7.27E-06	
 

CR2	
 

10.68	
 5.93E+23	
 5.17E-06	
 

BCA4	
 

5.46	
 

3.03E+23	
 7.67E-06	
 

AB5	
 

20.72	
 1.15E+24	
 3.50E-06	
 

AB6	
 

9.37	
 

5.21E+23	
 5.58E-06	
 

BCA5	
 

5.1	
 

2.83E+23	
 7.98E-06	
 

AB7	
 

10.49	
 5.83E+23	
 5.22E-06	
 

AB8	
 

0.4	
 

2.22E+22	
 3.57E-05	
 

BCA1	
 

1.25	
 

6.94E+22	
 1.83E-05	
 

	
  	
 

	
 
	
 

	
 

	
 
-5

10

PSD_H2

PSD_CO

PSD_CH4

PSD_CO2

PSD

TD

-6

Pressure (Pa)

10

-7

10

-8

10

@100mA_20 A･hupper stream

-9

10

30

25

20

15

S (m)

10

5

0

	
 

第 22 図	  次期計画における 20Ah 時点での 1 セルあたりの圧力分布予測（ID 部を
除く）。	
 
	
 

	
 
第 23 図	
  本研究の結果から提案するチタンの影響を極力排除して NEG と TSP を近接配置した排気系案。	
 
	
 
	
 

	
 
0/3142+  *142+

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第 24 図	  チタンボールの温度計測手順。	
 
	
 
	
 

温度(℃)

103

8
Y = M0 + M1*x + ... M8*x
+ M9*x9
M0
25.232
M1
25.295M2
0.15978R
0.99989

102

Tiボール温度（℃）
101

0

10

20

30

TSPヒーター電流(A)	 第 25 図	  チタンボールへの通電電流と温度との関係。	
 40