Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 WEP57

超伝導空洞の組み立てに使用するボルトの調査
STUDY OF BOLTS USED TO ASSEMBLE SUPERCONDUCTING CAVITY
山田浩気#, A), 阪井寛志 B), 山本将博 B), 荒木隼人 B)
Hiroki Yamada#, A), Hiroshi SakaiB), Masahiro YamamotoB), Hayato ArakiB)
A)
NAT, B) KEK, High Energy Accelerator Research Organization

Abstract

One of the things to be careful about when assembling a superconducting cavity is the contamination of dust that causes
field emission. At KEK, superconducting cavities and vacuum parts are assembled in a clean room (ISO class 4). In
addition a simple clean booth is installed for clean assembly of superconducting cavities, and a slow pump system is used
to control dust while pumping. As a result, we were able to suppress field emission and realize high gradient operation.
On the other hand, there are still improvements to be made, and this time we will focus on the bolt. Until now, we usedsilver-plated stainless steel bolts to prevent seizure and galling, but there was also concern about the possibility of dust
contamination due to peeling of the plating. In this paper, we will report that we have investigated bolts that can be usedin clean rooms and also prevent seizure and galling.

1.

はじめに

KEK の STF 棟では ILC のための基本技術を確立するために、クライオモジュールの大電力試験による性能試験や、空洞性能試験が行われている[1]。これらの真空に関係する作業工程中に空洞内部にパーティクルが混入することでフィールドエミッションによる空洞性能の劣化が起こる[2, 3]。パーティクルの理由は様々な要因があるためクリーン環境を整備する必要があり、尚且つ作業者も細心の注意を払う必要がある。パーティクルの混入を極力少なくするために、様々な対策や原因究明を行っている[4-6]。今回は組み立てに使用するボルトについて述べる。
超伝導空洞に使用するボルトを選定する上で重要なことが 3 つある。1 つ目は非磁性であること。磁性体である鉄のボルトを使ってしまうと超伝導状態に転移する際の残留磁場が表面抵抗を増加させてしまうため、周りの部品には非磁性であるチタンやステンレスを使用しており、ボ ルトに関してはステン レスで透磁率が特に低いSUS316L を使用している。[7]2 つ目は高強度であること。空洞を組み立てる時に最も高い軸力が必要な個所は DESY 特注のアルミガスケッ
トを M8 のボルトで 30 N・m の高トルクで締めている。もと
もとこの個所はヘリコフレックスを使用していたが発塵が多かったためアルミガスケットに変更し、空洞側が柔らかいニオブチタン製フランジということや縦測定時は外側が超流動ヘリウムなのでスーパーリークを防ぐ為に高トルクで締めている為、高強度のボルトが必要である。
また別の箇所では、SUS316L(強度区分 A4-70)の六角穴付ボルト(M6)を 20 N・m のトルクで締めているが頻繁に穴の潰れが起きている、Fig. 1 にその写真を載せる。
潰れの理由のほとんどがリークを起こさないように強固に締め付けたせいである。素材の強度不足が原因なら現在の強度区分 A4-70 より強度を上げる必要がある。
3 つ目はステンレス製のボルトナットを繰り返し付け外しによって起こる焼き付きカジリを防ぐため、メッキやコー___________________________________________

ティング等の表面処理を施したものを使用すること。しかし一般的な対処法である二硫化モリブデン潤滑剤はパーティクルの元であり、メッキやコーティングは簡単に剝がれやすくパーティクルとして空洞内部に混入する可能性がある。Figure 2 に現在採用しているテフロンコー
ティング銀メッキのメッキ前のボルト、メッキ後の未使用のボルト、複数回の使用によりメッキが剥がれたボルト、メッキが剥がれて長期間放置されたボルトの写真を載せる。
写真からわかるように、複数回使用によりメッキが剥がれている個所がある。このような個所があった場合はここからメッキが剥がれる可能性があるため、廃棄してゴミ混入のリスクを無くすようにしている。

Figure 1: Hex socket head bolt with broken socket hole(strength class A4-70).
以上 3 点のうち非磁性は材質に注意していれば問題ないが残りの 2 点は調べないと不明な点が多く、リークを起こしたくないという考えから必要以上の強いトルクで締め付けてボルトの劣化を早めていた可能性がある。また表面処理によって軸力も変わるため、ボルトの材質・表面処理の組み合わせによる締め付けトルクと軸力の関係、そしてゴミの出にくさを調べる必要があった。今回は 2 種
類のボルトの素材と 4 種類の表面処理を施した計 7 種類ボルトを用意し、軸力測定とパーティクル測定、SEM による表面観察を行ったのでその結果を述べる。

# nat-hiro@post.kek.jp- 657 -

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PASJ2023 WEP57Figure 2: From the left: normal bolt, new, used severaltimes, and used several times and left in the air for a longtime Teflon-coated silver-plated bolt (SUS316L).

2.

測定方法

2.1

用意したボルト、表面処理

Figure 4: (Left) Hydraulic axial force meter. (Right) Preset
type torque wrench.

今回の試験では M8×45 のボルトを使用する。ボルトの素材はオーステナイト鋼の SUS316L(強度区分 A4-70)と、SUS316L 材を使用し熱処理を行わず加工硬化された材質の BUMAX (強度 88)という 2 種類のボルトを使用する。BUMAX はベースの SUS316L より強度が高い・透磁率が低い・摩擦係数が低いと性能に関しては全てにおいて優れている。表面処理には未処理・銀メッキ・テフロンコーティング銀メッキと 3 種類と、素材は SUS316L のみの株式会社 SDC 田中の SDC クリーンボルトを使用する[8]。このボルトは「S D C プラズマ表面硬化処理を施すことにより、潤滑剤を全く使用せずに焼付固着を防止し、メッキのような剥離もない」という広告文で、クリーン環境の使用に相応しいと考え今回の測定に取り入れた。
Figure 3 に全ボルトの写真を載せる。

2.3

パーティクル測定

ISO class 4 (class 10)のクリーンルームでの測定器の写真 を Fig. 5 に 載 せ る 。 パ ー テ ィ ク ル カ ウ ン タ ー は28.3 l/min の 吸 引 量 で 、 0.1 µm, 0.15 µm, 0.2 µm,0.25 µm, 0.3 µm, 0.5 µm, 0.7 µm, 1.0 µm の 8 種類の粒径を測定できるものを使用する。イオンガンから吹き出す
エアーは 0.7 MPa に設定されたコンプレッサーから供給され、イ オン ガンのエアー供給口の直前に濾過精度0.0015µm のガスフィルターを取り付けてある。全てのボルトは測定前に超純水のみの超音波洗浄を行い、ISOclass 4 で一晩中乾かした物を使用する。イオンガン、ボルト、パーティクルカウンターの吸引口の位置を固定して1 分間イオンガンで吹いたものをそれぞれのボルト 3 本ずつ測定した。イオンガンで吹くときはエアーがボルトから外れないように注意しながらボルト全体を吹くように心がけた。

Figure 3: (Upper) From left: normal, silver-plated, Tefloncoated silver-plated, SDC clean bolt (SUS316L). (Bottom)
From left: normal, silver-plated, Teflon-coated silverplated, (BUMAX).
2.2

軸力測定

軸力計には油圧式のものを使用する、測定で使用した機材を Fig. 4 に載せる。軸力計下部の穴に手前側からワッシャーを入れたボルトを差し込み、反対側からナットを入れて締めつける。ワッシャーとナットは共にSUS316L 製を使用した。アナログ式のメーターなので 2人の人間が目測で小数点二桁まで読む。プリセット型トルクレンチを使用し、5~30 N・m の範囲で 5 N・m 刻みで締めて軸力を計測した。なお軸力計の上限が 13 kN であるため超えそうな場合は途中で測定を切り上げる。設定トルクで締めた際に軸力計の指針が下がっていく事象があったため、締めた後 1 分間待ってから値を読んだ。

Figure 5: Photo of particle measurement at ISO class 4(class 10).

3.

測定結果

今回の測定では軸力とパーティクル測定は未使用ボ
ルトをそれぞれ 3 本ずつ使い、SEM は 1 本で行った。
3.1

軸力測定

Figure 6 に軸力結果を示す。素材が SUS316L のボルト（黒）に注目するとテフロンコーティング銀メッキボルト- 658 -

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PASJ2023 WEP57（紫）が最も軸力を上げるコーティングで、銀メッキ（赤）もSUS316L なら効果がある。一方で SDC クリーンボルト（緑）の表面処理は軸力を上げる効果が無いよう見える。次にBUMAX の場合は素材の摩擦係数が低いせいもあり、軸力は高い順にテフロンコーティング銀メッキ（ピンク）・未処理（水色）・銀メッキ（茶色）という結果になった。また
全ての BUMAX ボルトは SUS316L のテフロンコーティン
グ銀メッキボルトより高い軸力を示した。
また、軸力計の説明書にあった数式(1)からトルク係数を計算した平均値を載せる。K: トルク係数, T: 締め付けトルク, d: ボルト呼び径, N: 軸力。算出されたトルク係数からボルトの大きさに関わらず、大まかな必要軸力や必要トルクが計算できる。例えば SUS316L のテフロンコー
ティング銀メッキ M8 を 30 N・m で締めていた時の軸力を計算すると約 16.3 kN となり、今後のボルト査定の一つの基準になる。
(1)
K = 𝑇𝑇⁄�𝑑𝑑・𝑁𝑁�

SUS316L と BUMAX の写真（一番左・真ん中）を載せる。
目視でわかるくらいに締結部分のメッキが剥がれており、すべてのボルトで確認できた。写真はないが銀メッキも同じ結果で、写真一番右の SDC クリーンボルトは目立ったものがなかった。また写真はないが未処理のボルトも何も確認はできなかった。両方のメッキ処理のボルトで同じ試験を複数回行えばメッキは剥がれていき、軸力が下がっていき最終的には未処理のボルトと同じになると予想される。
3.2

パーティクル測定

Figure 8 に各ボルト一本ずつの各パーティクル数の総和を示す。SUS316L と BUMAX に素材による差は未処
理には少し見られるが、他の表面処理の物を見ると違いはなくパーティクルを抑えられている様子がみられるので、未処理でのクリーンルームの使用は控えた方がいい。
SDC クリーンボルトが最もパーティクルが少ないボルトではあるが、テフロンコーティング銀メッキ・銀メッキ共にクリーンルーム内での使用は総数がほぼ 20 カウント未満ということもあり問題ないレベルである。なおこの測定は全て未使用品であるため、複数回使用の締結時によるメッキ剥がれがある場合の検証が必要と思われる。

Figure 6: Graph of axial force and torque (horizontal axis:
tightening torque, vertical axis: axial force).

Figure 8: Total particle count for all bolts (Top: SUS316L
bolts, Bottom: BUMAX bolts).
3.3
Figure 7: From the left: Teflon-coated silver-plated bolt
(SUS316L), Teflon-coated silver-plated bolt (BUMAX),SDC clean bolt (SUS316L) after measurement.
Figure 7 に測定後のテフロンコーティング銀メッキのSEM 画像

Figure 9 に撮影した SEM 画像を載せる。表面が綺麗なのが SDC なのがわかる。またメッキをした 316L と
BUMAX の表面を比べると差が無いことがわかる。
Figure 10 に軸力測定前後の SDC クリーンボルトのSEM 画像を載せる。目視ではわかりにくかったがナット- 659 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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側の SUS316L が融着しているように見える。これは 30N・m の高トルクで締め付けているせいだと思われる。
Figure 11 に軸力測定前後の銀メッキボルトの SEM 画像を載せる。目視でもわかっていたが締結部分のメッキの剥がれが明確である。ここからゴミの混入の可能性があると考えると代替品を考える必要がある。

Figure 9: SEM images of all bolts (magnification 30, 300,1000)

Figure 10: SEM image of SDC clean bolt before (left) andafter (right) axial force measurement (magnification 1000).

4.

まとめと今後の展望

今回測定で不明瞭だった表面処理と軸力の関係が明確にできた。軸力が高くなる表面処理を行ってなお六角穴が潰れるほど強いトルクで締めていたという現状が理解でき、リークを起こさないための必要最低限の軸力とその時の締め付けトルクの再検討に繋がることができた。
SDC クリーンボルトに関しては、ゴミが最も出にくくメッキ剥がれの心配がないボルトとして魅力的ではあるが我々の使用環境では通常より高い軸力も必要と予想されるので、現段階ではトルク管理を必要としない箇所での使用が主になるだろう。
今後は測定で得られたトルク係数を基に、各箇所の現段階での軸力を計算し、トルク管理の見直しを行う。特に各箇所の DESY 特製アルミガスケットの必要軸力を調査し直す必要がある。現段階での情報としては、DESY のテストでは電解研磨した SUS316L ボルトに CuNiSi（キュプロニッケル）製のナットで試験したということしかないので情報を集める必要がある。また別の試験としては 2 つの銀メッキボルトは複数回締結を行った時の軸力の変化の検証や、パーティクルが出やすくなるのかという検証をすればボルトの廃棄時期についての目安ができる。あとは作業者の負担が減るような対応を行う、例えばテフロンコーティング銀メッキ BUMAX ボルトに変え必要トルクを下げるように改善する。
以上とは別に軸力が上がって繰り返し使用してもパーティクルが出にくい表面処理で未検討のものもあるので引き続き検討を行う予定である。

参考文献[1] Y. Yamamoto et al., “Report on the Operation of STF-2Cryomodules for ILC”, Proc. of PASJ2023, THP58 (2023).
[2] H. Padaesee et al., “RF Field Emission in SuperconductingCavities”, Proc. of the 3rd Workshop on RF
Superconductivity, Argonne National Laboratory, IL, USA,1987, pp. 251-272.
[3] Y. Yamamoto et al., “High Gradient Cavity Performance inSTF-2 Cryomodule for the ILC at KEK”, Proc. of IPAC’16,
Busan, Korea, p.2158 (2016).
[4] H.Sakai et al., “Improvement for Clean Assembly work
about Superconducting RF Cavity & Cryomodule toSuppress Field Emission” Proc. of PASJ2017, Sapporo,Japan (2017).
[5] H.sakai et al., “Development of modified slow pumpingsystem”, Proc. of PASJ2023, TUP29 (2023).
[6] M. Omet et al., “Efforts to improve the assembly work ofSRF cavities in the clean room to suppress field emission”,
in proc. of PASJ2022 (2022).
[7] K. Umemori et al., “Improvement of magnetic condition for
KEK-STF vertical test facility toward high-Q study”, in proc.
of SR2017, TUPB028, (2017).
[8] SDC Tanaka Inc.
http://www.sdc-tanaka.co.jp/html/product-clean.html

Figure 11: SEM image of silver-plated bolt before (left)
and after (right) axial force measurement (magnification1000).

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