Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

ESTABLISHMENT OF ULTRAHIGH VACUUM TECHNIQUE AT
HEAVY ION ACCELERATORS
Katsuhisa Chida1
Abstract
Ultrahigh vacuum techniques for heavy ion cooler/storage-rings, the TARN (Test Accumulation Ring for Numatronproject)1, theTARN2 and the Electrostatic Storage Ring are described. These rings had been maintained at a vacuum
pressure of the order of 10-11Torr for the experiments of stochastic cooling, electron cooling and high mass molecularion storage.

重イオン加速器における超高真空技術の確立
１．核研黎明期
１９５３年学術会議は政府に大型加速器の建設を勧告し東京大学に設置することが決まった。設置場所の田無町の住民からは原爆の研究をするのではないかと懸念され反対運動がおこった。朝永振一郎原子核特別委員会委員長、菊池正士核研初代所長、熊谷寛夫教授らは田無町の町長、議会議長宛に原子核研究者の総意として、次のような見解を表明した[1]。
「原子核研究所に関する原子核物理学者の基本的態度」
私達は研究を遂行する義務と責任を持って居り、原子核研究所をその本来の目的に従って設立する必要性を痛感する。そして現在の所その研究所を学術会議の原則にもとづいて建設するという私達の既定の方針を変更せねばならぬとは考えないが、将来この目的が外部からの圧力等によってゆがめられぬかどうか、またその原則が果して守りぬけるかどうかという田無町民を始めとする国民の深く危惧するところについては、私達も安易に楽観しているのでなく、同感しかつ重大な責任を感ずるのでそのような事態の生まれた場合には私達一同は国民と共に職をとしても斗う決意である。
＊原子核研究所の目的は原子核物理学の基礎研究であって原子力の研究を含まない。
１９５５年東京大学附置として原子核研究所が設立された。１９５６年に坂井光夫教授の下で同位体分離器の建設が進められた。当時は研究棟の完成前で同位体分離器が設置される予定の部屋に雑居して、佐々木寛さん達がモンロー計算機で計算をしていた。熊谷寛夫先生は若い技術員に電磁気学の講義を１年ほど続けられた。研究者と若い技術者が一体となり希望に燃え建設を進めた。

2.

同位体分離器

図１に分離器の写真を示した。同位体分離器は偏向角６０度、軌道半径９００ｍｍ、電磁石重量１７トンであ1る。完成後は金子粂太郎先生の運営で共同利用研究者に様々な分離同位体を供給してきた。ハロゲン化合物等の適当なイオン源物質を選ぶことにより多数の元素のイオンを生成することで鉛に至る元素の同位体分離を行った[2]。表１に分離した元素を示した。

図１：安定同位体分離器
表１：核研同位体分離器で分離した元素----------------------------------------------------------2He, 3Li, 4Be, 5B, 6C, 7N, 8O,10Ne, 11Na, 12Mg, 14Si, 15P, 16S, 17Cl,18Ar, 24Cr, 25Mn, 26Fe, 30Zn, 32Ge, 34Se,36Kr, 38Sr, 40Zr, 47Ag, 48Cd, 49In, 50Sn, 51Sb, 52Te,54Xe, 60Nd, 62Sm, 72Hf, 74W, 76Os, 82Pb----------------------------------------------------

SFサイクロトロン完成後はオンライン放射性同位体分離器を設置しZnを分離する研究に発展した[3]。これらのイオンビームの通路は10-6Torr の真空度であった。

3．ニューマトロン準備研究
１９７６年高エネルギー重イオン加速器計画―
NUMATRON Projectが発足し、平尾泰男教授の下に基礎的デ ー タ 集 積 を 目 的 と し た テ ス ト リ ン グ ー TARN(TestAccumulation Ring for the NUMATRON Project)の建設のための準備研究が開始された[4]。溝渕明教授の真空グルー
プでは重イオン蓄積リングに必要な超高真空を実現するための予備実験を開始した[5]。

E-mail: k-chida@mrj.biglobe.ne.jp-1227-

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図２に蓄積されるイオンビームの生存する割合と真空度 の 関 係 を 示 し た [5] 。 サ イ ク ロ ト ロ ン か ら の N5+(10MeV/u) ビームを入射する場合、その生存率を高めるには1×10-10Torr 以下の超高真空が要求される。

はイオンポンプとターボ分子ポンプの組み合わせで実施した。電磁石部のチャンバーは直接通電方式で加熱した。
これは真空槽内壁に付着しているガスを除くため、アルゴンガスを導入して放電させる放電洗浄である。このべーキングと放電洗浄により、3×10-11Torrの真空度を実現した[6]。

図２：イオンビームの生存する割合と真空度
課題は加速器真空槽の１部分に相当する大きさのテストチャンバーを作り、実際に10-11Torrの真空にすることであった。そのために、以下の項目を検討した。
１） 材質の選定：SUS316L、アルミニウム、
図３：直接通電と放電洗浄テスト模式図２） ポンプの選定：イオンポンプ、チタンゲッターポ
ンプ、ターボ分子ポンプ、ソープションポンプ、
4．TARN１
油拡散ポンプ、
３） フランジガスケットの選定：銅ガスケットのコン各グループの準備研究を基礎に周長３２ｍのＴＡＲＮ
フラットフランジ、メタル O－リングガスケット、１が建設された。ＳＦサイクロトロンとビーム輸送系及アルミフオイル、びＴＡＲN１を図４に示した。表２にその諸元を示した。
４） 脱ガス方式の選定：電熱線による加熱脱ガス、直接通電による加熱脱ガス、放電洗浄による脱ガス、その結果、次の方針で進めた。
１）チャンバーは高温加熱脱ガスが可能な金属、及びセラミック製にし、有機物は一切使用しない。
２）ポンプはイオンポンプ、チタンゲッターポンプ、ターボ分子ポンプを採用し、ソープションポンプ、油拡散ポンプは使用しないこととした。

3.1 テストスタンド１
真空チャンバーは直径３００ｍｍ、長さ２０００ｍｍのステンレス鋼(SUS316L)のパイプで、X線による溶接部のブローホールの点検をした。両端にはアルミフオイルガスケット用フランジを付け、それに真空ポンプ、真空計取り付け用の銅ガスケット用コンフラットフランジの枝管を取り付けた。
内部は水洗、脱脂のためフロンによる内面の超音波洗浄を行い、チタンゲッターポンプとターボ分子ポンプにオールメタルバルブを組み合わせた排気系で排気した。
吸着ガスの焼き出しにはチャンバーにヒーターを取り付け、保温材としてグラスウールを使用した。この断熱と絶縁に優れたグラスウールによる保温は本番のTARN１、TARN２にも採用した。
真空度は全圧をB-Aゲージ、分圧を四重極質量分析計を用いて測定した。
テスト結果は２４時間４００℃のベーキングを行い、チタンゲッターポンプ（液体窒素温度）と分子ポンプで排気して、最終的に2×10-11Torrの真空度を得た[5]。
3.2 テストスタンド２
次にTARN1の偏向電磁石部の真空槽に模したテストス
タンド２を試作した。この模式図を図３に示した。排気-1228-

図４：ＳＦサイクロトロンとＴＡＲＮ１
表２

TARN１の諸元

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リングは８か所の偏向電磁石部と直線部から成る。直線部には四重極電磁石、ビーム入射装置、高周波加速空胴、確率冷却用のピックアップとキッカー、バンプ電磁石部のセラミックチャンバーおよび各種モニター類が設置されている。真空槽はSUS316Lとセラミックで製作し、シールはコンフラットフランジ用の銅ガスケットと銀メッキをしたメタルＯ－リングを使用した。この特徴は３００℃まで高温脱ガス可能なシステムである。
リングの１/８部分の真空槽を図５に示した。加熱脱ガスのために直線部は抵抗線を巻き、偏向電磁石部は約1000Aを 通 す 直 接 通 電 方 式で 加 熱 し た 。 保 温 の た め に20mm厚のグラスウールをまいて加熱効率を高めている。

図７：ＴＡＲＮ１の排気曲線

図５：ＴＡＲＮ１の真空槽

図８：28 MeV アルファ粒子の確率冷却
TARN解体前遅延線電磁石図６：ＴＡＲＮ１の真空系

加速空洞

図９：ＴＡＲＮ１の写真

図６に真空系全体の構成を示した。ポンプはイオンポンプ、チタンゲッターポンプ、ターボ分子ポンプを使用
TARN１における超高真空の実現、確率冷却、多重入射した。特に、大気圧からの粗排気時間を減じ粘性流からなどの実験目的を達成後、ＴＡＲＮ１は解体された。図分子流に移る領域での油の逆流を避けるために、メカニ
９に解体前の写真を示した。それを基礎に、電子冷却、カルブースターポンプを用いた。
ビーム加速、ビーム取り出し、などの実験を目的として、典型的な排気曲線を図７に示した[6]。排気には大気圧周長78mのTARN2の建設が開始された[8]。
からの排気、リークテスト、ベーキング、リークテスト、
図１０にＴＡＲＮ２の真空系を示した。リングは六回イオンポンプ作動、チタンの蒸発等があり、全過程で約対称で長直線部は６箇所ある。真空槽は２個の偏向電磁１００時間後には10-11Torrに達した。
石部を一体の真空槽で作る形とした[9]。ビーム加速では
TARN1 では超高真空の下で確率冷却実験が実施され、繰り返しが0.1Hzなので偏向電磁石部の真空槽はTARN1と成功した。その写真を図８に示した[7]。SFサイクロトロ
同じSUS316Lを用い、４ｍｍ厚とした。
ンから28MeV のアルファ粒子を入射し、約400秒の冷却真空系の設計思想は基本的にTARN1と同じである。ポ時間で初期運動量幅が１％から0.06％まで減少した。
ンプはＴＡＲＮ１に使用していたイオンポンプ、チタン

5．TARN２ゲッターポンプにポンプを増強して取り付けた。表３にポンプと総排気速度を示した。

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図１１：20 MeV 陽子の電子冷却

図１０：ＴＡＲＮ２の真空系
表３：ＴＡＲＮ２の真空ポンプ

図１２：ＴＡＲＮ２入射部付近

真空系は組み立て後、排気、ベーキングを実施し、イオンビーム実験に必要な真空度を得た。ビームを入射して測定した真空度と寿命を表４に示した[10]。
表４：各種イオンの真空度とビーム寿命

図１３

電子冷却装置

１９９４年にＴＡＲＮ２は電子冷却ビームを用いた原子物理の実験に専用することになり、ビーム取り出し用の静電セプタムとセプタムマグネットは真空槽の外に取り出された。新たに超伝導磁気を利用した微弱電流測定装置、パーマロイモニターが設置された。同時に真空系は真空度向上を目指し、真空槽外部から加熱するタイプの非蒸発型ＮＥＧポンプで強化した[11]。
図１１に20 MeV 陽子の電子冷却の写真を示した。SFサ
図１４：ＴＡＲＮ２真空度の向上
イクロトロンから20 MeV の陽子を入射し約５秒でビームの運動量巾が10-3 から10-4 に改善されている。図１２に上部の黒色▲は大気に曝した時で長矢印はそれぞれ電子ＴＡＲＮ２の入射部付近、図１３に電子冷却装置の写真
冷却[13]、ビーム取り出し[14]、ビーム加速が成功した時を示した。
点を示す。真空度の向上と共にさまざまなビーム物理実
図１４にＴＡＲＮ２の真空度の推移を示した[12]。図中、 験が成功裏に進行した。

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るために可能な限り高温度のベーキングを実施することであった。

6．静電蓄積リング
原子核研究所の改組にともない高エネルギー加速器研究機構が発足し研究基盤はつくば地区に移された。そこでは田辺徹美教授の下で生体分子イオンを蓄積する静電蓄積リングの設置、真空度の改善が進められた[15],[16]。

図１５：静電蓄積リング

8．謝辞
坂井光夫、金子粂太郎先生には同位体分離器の建設、共同利用でご指導頂きました。荒谷美智、水谷道雄、菅井勲、岩田克彦、大城幸光、渕好秀氏の同位体室各氏には共同利用でご尽力をいただきました。
平尾泰男先生にはニューマトロン計画に参加する機会を作って頂きました。片山武司、山田聡、野田章、服部俊幸、渡辺伸一のニューマトロン準備室のメンバーや放医研の野田耕司氏には一緒に仕事をする中で色々と教えられました。
真空グループのリーダー溝渕明先生には測定の厳しさについて教えられました。吉沢盛男、新垣良次氏には真空計の記録に関しお世話になりました。
田辺徹美氏の電子冷却ビームを用いた実験では古いペンレコーダーを使い世界で初めて見るピークを測定していた姿を思い出します。一連の研究に参加させてもらったことを記して、関係された皆様に感謝いたします。

図１５に静電蓄積リングの写真を示した。これは4m×1mのレーストラック型で周長８mの電場のみを使用するリングである。特に生体分子イオンを蓄積するため、真空に対する要求は厳しく10-11Torrの超高真空が要求される。
文献
真空槽はSUS316LNのパイプで中には偏向用の静電デフ[1] 核研２０年史、西東京市資料室所蔵資料、レクター、収束用静電四重極電極、位置モニター等が組ＫＥＫ資料室所蔵資料。
み込まれる。真空槽は溶接加工後に真空炉中で950℃の加[2] 坂井光夫、INS-TL 17 (1955), INS-TL 19 (1955), INS熱脱ガスを実施した。ポンプは100l/sのイオンポンプ４TL 24 (1955). 坂井光夫、質量分析、No14,p27(1960).
台,1000l/sのチタンゲッターポンプ６台である。リングのK.Kaneko, INS-J- 92 (1965). K.Kaneko, INS-J -145 (1974).
真空計はB-Aゲージとエキストラクターゲージを用いた。
K.Chida, Mass Spectroscopy, 19 pp49-74 (1971).
イオンはリング上流約９mの位置に設置されたECRイオ[3] Y.Yoshizawa, N.I.M, 134 pp93-100 (1976).
ン源から入射される。そこからリングまでの運動量分析[4] Y.Hirao, INS-NUMA-5, August 1977.
用電磁石を含む輸送系には３か所に20mm×20mmのオリニューマトロン通信No.1 1980.
フィスを設けイオン源からのガス負荷を順次低減した。
[5] 溝渕 明、真空、第22巻第６号p213 (1979).
その間はターボ分子ポンプ、チタンゲッターポンプ、イ[6] 千田勝久、加速器科学、第2巻第2号 p55 (1987).
オンポンプ、クライオポンプを用いて排気した[17]。
[7] 片山武司、日本物理学会誌第38巻第6号p481(1983).
リングの真空槽はシ―ススヒーターで加熱され、熱電「重イオン蓄積リング」研究の経緯と成果 東大原子核対で温度を検出しながら調節した。リングは最高300℃で研究所 (1985).
-1111日間の加熱脱ガス排気により3×10 Torrの真空度に到[8] A.Mizobuchi, 6th Symposium on Accelerator Science and達した[16]。
Technology, Tokyo, p42 (1987).
その後ECRイオン源の上流に生体分子イオンを生成す[9] K.Chida, 7th Symposium on Accelerator Science andるためのエレクトロスプレーイオン源と静電分析器を設Technology, Osaka, p139 (1989).
置し、高質量生体分子イオン蓄積実験は開始された。
[10] K.Chida, 9th Symposium on Accelerator Science andTechnology, Tukuba, p181 (1993). K.Chida, Vacuum, 44, 539
7．まとめ(1993)[11] K.Chida, 11th Symposium on Accelerator Science and
初期に安定同位体分離器の建設を進め、完成後保守運Technology, Hyogo, p365 (1997)
転に携わり全国の核物理研究者にターゲット用の同位体[12]K.Chida, 12th Symposium on Accelerator Science andを供した。ニューマトロン計画の真空グループに移ってTechnology, Saitama, p287(1999)-11
からは準備研究に続き、ＴＡＲN１では10 Torr 領域の超
[13] T.Tanabe, N.I.M, A307 7 (1991).
高真空を実現し、確率冷却実験を成功させた。
[14] M.Tomizawa, N.I.M, A326 399 (1993)-10-11ＴＡＲＮ２では10 Torr から10 Torr 領域でビーム加[15] T.Tanabe, 7th Europian Particle Accelerator Conference,
速、ビーム取り出し、電子冷却実験を成功させ、分子物
Vienna,,June(2000)
理の研究を支援した。つくば地区への移転後は静電蓄積[16] 田辺徹美、卓上シンクロトロンによる分子科学の研-11
リングの設置、その真空系の保守を行い10 Torr 領域の究 平成１１年度―平成１３年度科学研究費補助金 基超高真空を維持して生体分子イオンの研究を可能にした。
盤研究(A)(2)研究成果報告書.
この一連の仕事の成功には超高真空が不可欠であり、[17]
千田勝久、真空、 Vol.44,No.3,p237 (2001).
この実現のために我々が選んだ方針はガス放出率を下げ-1231-