KAGRAの低温技術
Cryogenics for KAGRA

第二回可視赤外線観測装置技術ワークショップ
2012年12月18日
鈴木敏一
KEK / KAGRA ICRR

＜内容＞
• KAGRA Project• 冷却の特徴• 低温系の構成（冷却系の構成機器）– クライオスタット– 冷凍機ユニット– ダクトシールド• まとめ

KAGRA Projectic
Seism

3k

Thermalm3km

•••
•
•

重力波の直接検出と重力波天文学の創成をめざす
神岡 池ノ山の地下に大出力高安定レーザーを光源とする腕長3kmの干渉計を設置
干渉計の鏡を20Kに冷却して熱雑音を低減する
1年間あたり数回の重力波イベントを検出できる感度を達成
2010年度半ばから建設がスタートした。2017年度の運用開始を目指している。

KAGRA Cryogenics 冷却の特徴•••••••••

高出力レーザーのあたる鏡での発熱、レーザー光散乱に抗しての冷却。
300K空間への開口（主ビームダクト、SASとの結合）を持つクライオスタットでの熱輻射の防止。
鏡の高真空(p~10-7 Pa)中での冷却。（実験スペースの真空と断熱用の真空が分離できない。そのため真空に接する素材は冷却無しでも高真空仕様を満たすものに限られる。）
神岡地下トンネルの静粛性を損なわず、トンネル内での長期連続運転に適した冷却方法の実現。 ー＞ 防振装置付き小型冷凍機による低振動冷却＋高純度金属による伝導冷却
初期冷却速度を上げ、観測の待ち時間を短縮する
高真空実現のための低脱ガス断熱材の使用
光学系の汚染防止のためクリーン度を維持計測系への電気的ノイズ、音響ノイズの防除。
サファイア鏡をサファイア細ロッドで懸架する。低機械損失、十分な伝熱、を両立する構造の実現。

KAGRA Cryogenic Components
Seismic Attenuation System (SAS)View Ports

Cryogenic Payload
Radiation Shields

4.4m

Cryostat
Cryo-chamber

Sapphire Mirror(α-alumina crystal)
D uct Shi el dMain
L

4K cryocooler unit

aser

Beam

φ2.6m
S.Koikeクライオスタット熱負荷推定
1段冷却ステージ

80 K

2段冷却ステージ

80 K輻射シールド◦ ダクトシールド◦ 可視化窓◦ 輻射◦ 支持機構
◦ 計測線

(W)
8.2
7.8
80
7.6
3 x 10-4

合計
冷凍ユニット1台当たり103•(散乱光の無い場合)•

33

8 K輻射シールド◦ ダクトシールド(Beam and SAS)
◦ 可視化窓◦ 80 K輻射◦ 支持機構◦ 計測線◦ 鏡吸収◦ 高角度散乱

合計
冷凍ユニット1台当たり
1.48K
(W)
0.3
0.8
2.00.33 x 10-4
0.9?
4.4

N.Kimura 2011CSJ

6

クライオスタット運転温度 （散乱光のない場合）
8Kと80K冷却部への熱負荷と運転温度の予想
80 K 外側シールド
80最高温度W （80K →外部シー
94 K
ルドの輻射熱負荷）
8 K 内側シールド
2.0 W （8 K 内部シール→ 最高温度 9 K
ドの輻射熱負荷）
0.3 W （サポートポストと支持低温懸架熱リンク接続点ロッドによる8 K への熱負荷）
7.6 W （サポートポストと支持冷凍機1段の運転温度
ロッドによる80
K への熱負荷）
冷凍機2段目の運転→ 53
K
温度 → 7.1 K
dT1st = １７ K

dT2nd=１.5 K
8K用高純度アルミ冷却体（５N8)
防振装置付冷凍機ユニット

7N.Kimura 2011CSJ

冷却系の散乱光対策 - 冷却の2系統化 -Cryo-Payload冷却~1W

Main Beam
400kW

4W?
Duct Shield
8K Shield冷却••

クライオスタット1台あたり4台の冷凍機ユニットを2台ずつ2系統に分けてCryo-Payloadと8Kシールドの冷却を行う
広角散乱抑止バッフルは8Kシールドを経由して冷却する

Cryogenics : Cryostat assembling and performance test

Dressing partition ofNo.1 Cryostat

Ceiling part of 8K shield•••Al sphere for an initial coolingtest of mirror suspension

Assembling of cryostats and preparation of performance tests arein progress in the TOSHIBA Keihin Factory.
Basic test items– Cooling time, minimum attainable temperature under various
heat loads.
Specific test items– Cryostat No.1 : Cooling test of φ105 Al sphere without DLC.
– Cryostat No.2 : Cooling test of φ105 Al sphere with DLC.
– Cryostat No.3 : Vibration measurement of 8K shield usinginterferometer(ICRR) and accelerometer(Roma Univ.)– Cryostat No.4 : Cooling test of a scaled preliminary model ofcryogenic payload.

4K Cryocooler Unit 防振構造•••••
ユニット3D断面図•••
ユニット外観（振動測定用治具付き）

市販の4Kパルスチューブ冷凍機をベースにコールドステージの防振を施す。
コールドヘッドとバルブユニットを分離。
コールドヘッドを床面に固定
冷却路側はコールドヘッドと別の支持構造体で床面に固定。
コールドヘッドと冷却路を柔軟なヒートリンクで結ぶ。
真空気密を保つため、コールドヘッド固定構造と冷却路固定構造はベローズで結ぶ。
ガス配管（コールドヘッドーバルブユニット、バルブユニットー圧縮機）は出来るだけ固定配管を用いる。
この方式による防振は設置した地盤の振動レベルによって限界が決まる。

4K Cryocooler Unit
バルブユニット
コールドヘッド

80K冷却路 A1050
8K冷却路

5N8 Al薄板を重ねた柔軟構造
クライオスタットへの接続端

コールドヘッド固定構造

高純度金属製ヒートリンク

減振ステージ支柱

4K Cryocooler Unit

減振ステージとヒートリンク

減振ステージ支柱 baked CFRP

80K冷却路 A1050

8K冷却路 Al 5N8

4K Cryocooler Unit 振動試験•••

Ch.1 Displacement [m/Hz1/2]••

クライオスタットへの接続端の3方向の振動をレーザー変位計で測定。
レーザー変位計は床にアンカー固定した台に設置。
各レーザー変位計の台に加速度計を置いて、台の動きをモニターする。
パルス管冷凍機のコールドステー
ジ振動は、1.7Hzのガス圧の変化によって起こるパルス管の伸縮から生じる成分（とその倍波成分）が大きい。
減振ステージ支柱の剛性を上げ、80Kラインと8Kラインの間の支持補強を行って防振効果が改善された。（左図の灰色線が改造前、青線が改造後）

4K Cryocooler Unit 冷却能力試験• クライオスタットとの連結部である冷却路の先端にヒーターによる熱負荷を与えた時の到達温度を測定する。
• 仕様値は、– 1st stage 熱負荷35Wで70K– 2nd stage 熱負荷2.5Wで9K• Unit No.7 の冷却能力は仕様を満足した

Duct Shield• 冷却鏡を収めるクライオスタットと300Kの真空ダクトをつなぐ部分にパイプ状の冷却したシールドを設ける(8ヶ所)• 300Kダクト部から冷却部への熱輻射侵入を阻止• 300Kの真空部からのガス分子を阻止• 鏡表面の散乱光の一部を吸収• 初期デザインでの長さ：17m

Cryogenics : Duct shield(17m vacuum duct + cryo-pipe)

17m

5m
6m

Design of 17m duct shield

6m
Y.Sakakibara

TOSHIBA•••

Cryocooler 取付部

Duct shield has been designed with 17m
vacuum duct and 17m cryo-pipe.
One set of 17m duct shield ismanufactured by TOSHIBA in 2012FY.
Vacuum duct and cryo-pipe are separated
by 3 sections. Each section is cooled by asingle stage pulse tybe cryocooler.
An investigation for shorter cryo-pipe isstarted by the requirement of costreduction.

まとめ• クライオスタットは2系統冷却で散乱光による余剰入熱に備える。
• 防振機構付きの冷凍機ユニットのよる冷却– 高真空中での低振動冷却：クライオスタットとの連結端に於いて、冷凍機の駆動周波数での振幅が~100nmに抑えられる。
– 冷凍能力：80K冷却路において70Kで35W以上、8K冷却路において9Kで2.5W以上が得られている。

• クライオスタット4台、冷凍機ユニット合計16台を製作中。
• ダクトシールドは2013年度以降に実機製作。

iKAGRA bKAGRAExample of Thermal Conductivity of
6N-class Very High Pure Aluminum*
40,000 W/m/K @ 6K
6N Aluminum
5N up Al
RRR=3000
2N Aluminum~Type A-1070

For outer shield
For inner shield

Cost:
5N8 > 2N Aluminum
We must put the right material in the right position.

Sapphire(単結晶アルミナ)熱伝導率比較

Vibration on the 8K cooling path

100nm

Displacement

4K Cooler Unit No.7

クライオスタットシールドの周波数応答
床からクライオスタットシールドの周波数応答
冷却路

内圧によるパイプの変形とPTCの振動モデル

Cryogenic payload
Initial cooling time
Initial cooling time with DLC (shield and mass)

Calculation
by Y. Sakakibara
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