Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9 - 12, 2021, QST-Takasaki Online, Japan

PASJ2021 MOP010

溶接ステンレス板を使った大口径ピローシールの開発
DEVELOPMENT OF A LARGE-DIAMETER PILLOW-SEAL USING WELDEDSTAINLESS-STEEL PLATES
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 beamline is now under construction for the COMET experimentusing 8 GeV protons, in which a large diameter superconducting solenoid magnet with an inner diameter of 1200 mm isadopted. Since a target for muon production is installed in the center of the solenoid magnet, radiation level is expected
to be very high around the magnet. In order to reduce the radiation exposure of workers, we plan to employ a largediameter all-metal pillow seal for the vacuum connections around the magnet. To fabricate such a large-diameter pillowseal, a stainless-steel plate with a radius of 1.5 m and a thickness of 0.2 mm is necessary. However, as of now, it is notable to procure such a large “seamless” plate. Thus, we have examined two types of a “welded” plate using a small-size
pillow-seal to measure an airtightness performance. The results show that the airtightness of the welded-plate pillow-sealmeets our requirement. We are now preparing a real-size pillow-seal using a welded plate to establish a fabrication
procedure and to evaluate the performance.

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、Fig. 1 のように新たなビームラインとして、COMET ビームラインの建設を進めている。
COMET 実験[2]は、J-PARC の主リングからの 8 GeV陽子ビームをパイ中間子生成標的に照射し、後方へ発生したパイ中間子をソレノイド磁場で捕獲し、下流のミューオン粒子静止標的まで輸送し静止させる。
この捕獲ソレノイド電磁石は超伝導電磁石となってお Figure 1: Plan view of the Hadron Experimental Facility at
り、中心部にはパイ中間子標的が置かれ、超伝導状態 J-PARC.のクエンチ防止のためにソレノイド遮蔽体が設置される。
ソレノイド遮蔽体は 8 GeV 陽子ビーム下流（Fig. 2 の右）に退避できる構造となっており、ソレノイド電磁石とソレノイド遮蔽体を真空接続する必要がある。ビーム前方となる接続部周辺は高放射化が予想されており、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・切り離しが可能なピローシールを採用する[3-6]。
Figure 2 のように、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径はφ1200 mm である。そのため、従来にない大口径のピローシール装置が必要となった。
大口径ピローシールの開発で最大の懸念事項は、ダイヤフラムのための継目のないステンレス材を製造また Figure 2: Drawing of a large-diameter pillow-seal and aは入手が困難なことである。ダイヤフラムは極めて平滑な solenoid magnet with a radiation shielding unit.
金属表面同士が接触して真空気密性を発揮する。そこで、複数のステンレス板を溶接で繋いで製造したダイヤフラムを小型のピローシールに組み込んで気密試験を 2.
大口径ピローシール実施することにした。本論文では、溶接型ダイヤフラムを使った小型ピローシールの気密性能の結果を報告する。 2.1 ピローシール
ピローシールは Fig. 3 のように、鏡面研磨された金属ダイヤフラムを圧縮空気で空気枕（ピロー）のように膨ら___________________________________________# ruri.kurasaki@kek.jp- 243 -

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ませ、同じく鏡面研磨されているミラーフランジへ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。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（有機材料を使用していない）で構成されている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。

すいようにダイヤフラムは 1 重とした。
溶接後および固溶化熱処理後にマイクロビッカース硬度計で硬度測定を行った結果を Table 1 に示す。なお、ステンレス板（母材）の硬度は 370 から 400 である。
Figure 6 は口径 110 mm のダイヤフラム評価用のピローシールである。加圧や減圧によりピローシールを伸縮させてみたところ動きに問題がないことを確認した。

Figure 4: Schematic drawings of the welded plate for thediaphragm.

Figure 3: 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。伸縮長は10 mm 程度になるように、ベローズは成形ベローズ 4 山とした。
また、ピローシール全体としての要求されているヘリウ
ム気密性能は 1E-8 Pa・m3/sec 以下である。
大口径ピローシール実機を製作する前段階として、溶接ステンレス板のダイヤフラムを使った小口径のピローシールを製作し、性能の確認を行った。その詳細は次節で説明する。

3.

溶接ステンレス板ダイヤフラム試験

3.1

溶接ステンレス板ダイヤフラムの 1 重ピローシール

Figure 5: Photographs of the diaphragm made from a 45degree welded plate.
Table 1: Results for Hardness Measurement by a Micro
Vickers Hardness Tester, Where the Unit is HV
Hardness measurement（HV）

Base plate

Welded seam

After the welding

372244After the heat treatment

129135

溶接ステンレス板を使ったダイヤフラムの性能を確認するために、口径 110 mm サイズのダイヤフラムを作って1 重ピローシールを製作した。Figure 4 のようにステンレス板を 2 種類の配置で溶接後、固溶化熱処理を行い、内外径加工後に電解複合研磨してダイヤフラム材として使用した。出来上がったダイヤフラムは Fig. 5 である。試験用のピローシールはダイヤフラム材の性能が測定しや- 244 -Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 6: Photograph of the pillow seal
diaphragm made from the welded plate.
3.2

with theFigure 8: Results of the helium-leakage rate as a functionof the diaphragm pressure, where the bellows pressure isfixed to be 0.35 MPa.

ヘリウムリーク試験

用意したダイヤフラムサンプルは、（A）継目なし、（B）溶接部 90 度、（C）溶接部 45 度の 3 種類である。
それぞれに対して、ヘリウムリーク試験は 2 通りの条件で行った。（1）ダイヤフラム圧力一定でベローズ圧力を変化させる方法と、（2）ベローズ圧力一定でダイヤフラム圧力を変化させる方法である。
実機の運用と同じように、加圧順序は、先にダイヤフラムを加圧してからベローズ加圧を行い、真空排気したのち、ヘリウムを吹きかけてヘリウムリーク試験を実施した。
溶接ステンレス板を使ったダイヤフラムの場合は溶接部にヘリウムを吹きかけている。
ヘリウムリーク試験の結果を Fig. 7 および Fig. 8 に示す。（1）ダイヤフラム圧力一定でベローズ圧力を変化させたときの結果が Fig. 7 で、（2）ベローズ圧力一定にしてダイヤフラム圧力を変化させたときの結果が Fig. 8 である。
結果より、（B）と（C）の溶接継目ありのダイヤフラムは（A）継目なしダイヤフラムと比べて、ヘリウムリーク量が約10 倍大きい。
また、Fig. 7 からベローズ圧力は気密性能には大きな影響を与えていないのに対し、Fig. 8 からダイヤフラム圧力は気密性能に一定の影響があることが確認された。

3.3

プレスケールによる接触幅の測定

FUJIFILM 社製の圧力測定フィルムプレスケール[7]を使ってダイヤフラムの接触幅の測定を行った。
ヘリウムリーク試験と同様に、用意したダイヤフラムサ
ンプルは、（A）継目なし、（B）溶接部 90 度、（C）溶接部45 度の 3 種類、ヘリウムリーク試験は、（１）ダイヤフラム圧力一定と（２）ベローズ圧力一定の方法である。
Figure 9 は（C）溶接部 45 度でダイヤフラム圧力が0.35 MPa でベローズ圧力が 0.35 MPa の時のプレスケールの結果である。接触幅の測定結果を Fig. 10 およびFig. 11 に示す。（1）ダイヤフラム圧力一定のときの結果が Fig. 10、（2）ベローズ圧力一定のときの結果が Fig. 11である。接触幅は赤色化したドーナツ形状部分の 4 カ所の平均値である。（A）継目なしは（B）と（C）の溶接継目ありに比べて接触幅が大きい。また、（1）ダイヤフラム圧一定の時、ベローズ圧力がダイヤフラム圧力以上になると接触幅は大きくならない。また、接触幅の大きさはヘリウムリーク量には大きく影響がしないことが分かった。

Figure 9: An example of pressure distribution in case (c).
The pressures on the diaphragm and bellows are 0.35 MPa
and 0.35 MPa, respectively. The dark red area indicateshigh pressure.
Figure 7: Results of the helium-leakage rate as a functionof the bellows pressure, where the diaphragm pressure isfixed to be 0.35 MPa.

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ダイヤフラムの面粗度 A、使用条件である押し付ける圧力 F、フォルム材質の塑性変形耐力 R は同じとする。
𝑒𝑥𝑝はおよそ 1 となるため、ダイヤフラム周長 L と幅 w は形状サイズで比例させることとする。
今回の試験装置のコンダクタンスを𝐶 110 、実機のコンダクタンスを 𝐶 1200 とする。それぞれのダイヤフラムの幅 w は 20 mm と 30 mm、周長 L は 570 mm と 4340 mmであるから、
4340 20
𝐶 1200 ∝𝐶 110
5.1 𝐶 110
30 570Figure 10: Results of the contact width of the diaphragm as
a function of the bellows pressure, where the diaphragmpressure is fixed to be 0.35 MPa.

ダイヤフラムサンプル（A）継目なしの場合、
𝑄１
1.0𝐸 7＝
𝐶 110 ＝101325 0.93
𝑃𝑃
9.9𝐸 13 m /𝑠𝑒𝑐
𝐶 1200 ＝5.0E 12 m /sec
𝐶 1200 𝑃
5.0𝐸 121𝐸5𝑄
3.0𝐸 5𝑆

Figure 11: Results of the contact width of the diaphragm as
a function of the diaphragm pressure, where the bellows
pressure is fixed to be 0.35 MPa.

3.4 大口径ピローシールの場合
今回の試験結果を実機の口径 1200 mm のピローシールに適用した場合の気密性能を求めた。今回の口径
110 mm のピローシールのヘリウムリーク量（ベローズ圧力 0.35 MPa, ダ イ ヤ フ ラ ム 圧 力 0.35 MPa ） か ら 口 径1200 mm のピローシールのヘリウムリーク量を予想する。
外部からのリーク量𝑄 が気密性能を示す。𝑄 は形状因子であるダイヤフラムのコンダクタンス C により、次のように表せる[3]。
𝑄
C：ダイヤフラムのコンダクタンス
P0：大気圧S1：中間排気速度

8.3𝐸 14 Pa・m /secと見積もられる。同様に継目の有るサンプル（B）、（C）の𝐶 1200 を求めると、(B)は 8.3E-12 Pa・m3/sec、（C）は1.3E-10 Pa・m3/sec と予想され、いずれの場合も設計基準性能 1E-8 Pa・m3/sec 以下を満たしている。従って、溶接継ぎ目のあるステンレス材を使ったダイヤフラムによる大口径ピローシール実機の製造可能性が得られた。
しかし、これまでの口径 300 および 500 のピローシール実機では、リーク量はもっとも良い結果で 1E-11 台であった。そのため、上記の(A)継目なしで 2 桁悪くなる可能性がある。他の(B)および(C)においても同様に 2 桁悪くなる可能性があるが、設計基準性能 1E-8 Pa・m3/sec 以下を満たせる可能性はまだ十分ある。そのためにも、口径 1200 mm の実機サイズのピローシールで性能を検証する必要がある。

4.

まとめ

溶接ステンレス板を使った大口径ピローシールの開発のために、口径 110 mm サイズのピローシールにより、溶接ステンレス板ダイヤフラムの性能確認を行った。
溶接ステンレス板を使うことにより、これまで使用してきたシームレス板と比べて平滑度が悪くなり、その影響で気密性能の悪化が懸念されていたが、要求されたヘリウムリーク性能はクリアしているという結果が得られた。この結果より、実機に適用可能であることが示された。
今後は実機である口径 1200 mm の大口径ピローシー
ルを製作し、製作方法の確立および気密性能の検証を実施する予定である。

ここでコンダクタンス C は、面粗度 A（算術平均粗さRa）、ダイヤフラム周長 L、ダイヤフラム幅 w、押し付ける
参考文献
圧力 F、フォルム材質の塑性変形耐力 R を用いてRoth[8]により、次のような関係があることが示されている。 [1] A list of experiments in the J-PARC Hadron-hall;
http://research.kek.jp/group/nuclpart/HDeppc/Exp/𝐶 34𝐴
exp[2] COMET experiment; https://comet.kek.jp[3] Y. Yamanoi et al., “Development of Pillow Sealing for J-- 246 -Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PARC 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 the3rd 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 pillow-seal
for the J-PARC Hadron High-P beamline”, Proceedings ofthe 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, 2019, pp. 302-306, WEPH013.
[7] https://www.fujifilm.com/products/measurement_
film/en/prescale/product/[8] A. Roth, Vacuum technology, Fourth impression 1998, ISBN
0-444-88010-0 (Elsevier).

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