11．KAGRA の低温技術

東京大学 宇宙線研究所
木

村

誠

宏

目

次

KAGRA の低温技術
１

はじめに …………………………………………………………………………………………………

11−１

２

KAGRA低温設備 …………………………………………………………………………………………

11−１

概 要 …………………………………………………………………………………………………

11−１

２．２

低温鏡懸架装置 ……………………………………………………………………………………

11−４

２．３

超低振動冷凍機ユニット …………………………………………………………………………

11−４

２．４

クライオスタット …………………………………………………………………………………

11−12

３

２．１

……………………………………………………………………………

11−15

３．１

工場内試験 …………………………………………………………………………………………

11−15

３．２

伝導冷却路の評価 …………………………………………………………………………………

11−16

３．３

低温設備の再組立と試験 …………………………………………………………………………

11−17

鏡冷却………………………………………………………………………………………………………

11−18

４

低温設備の組立と総合試験

４．１

鏡の冷却特性 ………………………………………………………………………………………

11−18

４．２

鏡の着霜問題 ………………………………………………………………………………………

11−19

４．３

新たな鏡冷却法の提案 ……………………………………………………………………………

11−19

４．４

新冷却法の実証 ……………………………………………………………………………………

11−20

５

まとめ

……………………………………………………………………………………………………

11−21

６

謝辞…………………………………………………………………………………………………………

11−21

７

補遺…………………………………………………………………………………………………………

11−21

７．１

Fineness ……………………………………………………………………………………………

11−21

７．１

真空ダクト内の圧力 ………………………………………………………………………………

11−22

参考文献

………………………………………………………………………………………………………

11−22

>A1AxÂeÏSÊÑÑJKAGRA  

V¿ +:<-#;A?37Ã('FIÏSQa µCFIÏSQ

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2. KAGRA

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2010 y KAGRA Í°m¬$&

2.1. Á

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TelescopeßËp(, {Ä Ók(OÍ¡×Ú*R, Ðl×Ú>8=Â

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- 34, .234ÄÂ234"A)4v·ÍØÄ¹}º¼½'.

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11㸫 2




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'. KAGRA  4  &lÎÑ~µ¹ u¥('. D %Ý%.34

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'<534, 1Ø'2

PC- 34, U=¨' U
Y¥D U¹'6sdEdÙ
U>8=7EJ' "%($Ñh@*¸$ZÅ'2(Recoil mass)P('ÃÐ _~('.ZÅ'2'. Á*", PC-,,A=\&6 8A2
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8^Jbm/A
KAGRA %?4
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234OÝ«z+=(¶PX^<K´(Cooling Bar) %³Ù µ¹(HLVIS), '<O

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2A*® N)Î'.

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Stage)%f9'8^PXÄÔ`z

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0.9 [W] @4. 2 [K])*Ëp, PC- 34
>¥'7=2¨PC 16 ^ByPP X  ' 8 K 8 ^ P X Ä (8 K Thermal
Conduction Bar)e 50 mm, Ý 75

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Ý«zÔ` tÝ¡8^Þ6N +=( 40, 000 [W/m/K] @ 6 [K], 5N +=(2.3.2.1. ¡</¥w&¸Ã20, 000 W/m/K @ 10 Kß$&PX]ÁPCØ¡ÈÌ %'zc*_Ù2A®

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, k !5py(N/m), K j#y, E 

A1070 «+=(*u¥'.
(, Fig. 8 £('$+=(¡8+/[GPa], L !5Ò[m], D w&¸¬¸[[m]'.

^ z 300 K% 60 K 6Æ!«z[PC-%"'. [9]5, PC- 34ÄÂÐ± 3 34ÄÂÓk¡</>¥;ºÝ«zÔ`¶¬¸,7N ÅÝ«zÕÞ«z 99.99999 %ß . [10]
B}, 7N Õ 5N +=(+/ÄÂD¾Þ E~.

117(1) CLIO O ÅJ UPCÓ¨ %Ø¯Ð, Ù 2A¡</>¥[GPa] 69 [GPa]&, CLIO  5N +=(¶w&¸Þ¬¸[ 0.15 [mm]ß!5py7EÝ«z 5N +=(¶w&¸¿'", 7N ÅÝ«zÕ¬¸[*¶5D

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Table 1 PC-

34¡</^<w&¸{Ù*£. PCPXÙ2A*v·'¡</Î, Fig.9 ¶N?A%w&¸Î'.
¶N?A%w&¸, 1 w&(0.08 [mm]*22 ), 2 w&(1 w&¸* 7[]), w&(2w&¸* 19[])*w&N)Î'.
!, w&N)

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('. w&¸ÎJUPCÓ¨, CLIO O&$¶N?A%w&¸{ÙÎÅ%l¡¹f

'.[11]¡</´=4Rp¥´w(7N $?3)*\&6 \, TbÒ7ª2** ¥1z 500 [] 3ØÎ.¤*Yq'. Fig.10 ¡.
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B}, !=¹('j 500 []7D¡.¤¡8^ %'D ¹Ê
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2.3.2.2.

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&$ /(( Õ¬¸¡8^p°I)'¬+/ 117 [GPa]-A/´²hV%.23(CFRP)*Ù 2Axt?3Ëp.
(ALFRP +/ 100 [GPa])11㸫 7  



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0.6 W
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Ù 2A
0.02 W
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        , Z2 Ù 2AU:Ð[m], kr Ù
2Axt?3!5py[N/m], kh 

t?3j>¥y*7.:A
Â§V|oJ\, 2nd Ù 2A U .

¡</!5py[N/m], Z3 Ù

2AÙ  1:4300  4.8 x 10-9 [m]!´'

2A\6ÍU £A(.
Fig.12 £$ CFRP ¡8^

2A!5pyU:ÐÂ§°

ALFRP (  50 [K]6Æ$&Di* Table 2 £. Â§.23

 , 50 [K]6Æ7E_. [12]1st Ù 2A CFRP ¶xt?3U:Ð[m], Z1 Ù:Ð[m]'.
Ù

%<¡8^DgT$'¡À¯*%
", ALFRP *>¥IN_±z¡À¯'$ CFRP 7%©6*Ëp'.
PC- 34Ù 2Axt?3¡À¯Â§° *8§ Table 3 £.
2.3.2.3. 8 K 8^PXÄÄÂ
Fig. 13  KAGRA ­vgebc©TL
Rw{LP 8K 8^PXÄj*£.
8 K 8^PXÄ, e 50 mm, Ý 75 mm, Ò 947 [mm]¸Íe 75 [mm], 6 0.5
&$ M  z¡8^z M}  11㸫 8[mm]*a;j^<Í(Q<@ R60 sÍD) %('.

Fig. 13 8 K 8^PXÄ (8 K Thermal Conduction Bar);j^<Í®Ê«©, PX¡[¤`[*¢¿'. !, *3+3%¾Û8^PXÄÄ}O8k' U`["'.

, PC- 34É¥18^PXÄvNÍÀ¯('¡ =Z× §a,¸Í»;j^<Í¬ 5N8 Å*3+3%¾<w<¬zÝ«z+=(*>¥'.
;j^<Í¸Íj^<ÍK´¡ =*TvNÍ=4¢"6Í£  ¨ ¢¿'.

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=4vNÍ Mc'. (%vNi¬§uV¨ªSW, ¨£VyZ"'EÕ&, !, v#¢"6Ù'^('¡ec*¼y©_¤M]PYU§uT_B¬ %\&QN*v# .A>¥

$¡ec% '§%('. ", _8^PXÎ*t'IN '. 8 K 8^PXÄvvN

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8 K 8^PXÄÙ 2A9.
2348^PXÄvN=4¢°YH©¡8^ 5N +=(¡8^Å, vvN#=4vNÍ*?"$'ÙvN'. 8¡ÙÙvNvNÙ¬¡8^Rz*. °YH©v¹Ù 8^PXÄ¡ecZ×'. ", =4vNÍ*3+, 8 K 8^PXÄYH©¡8^¬t¡8^ 1/4 ±z!'3%¾<*¶=, _S# =)*>¥(. ", PC- 34.

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PXÄ Tb Ò7ª2** ¥1z 500 [] 3 ØÎ.
¤*Yq'.
2.3.3. PC- 34 U}PCºS­vgebcVUp, PC-

3

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22K 1Ñ'. 100K 7EÑPXÇ
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(. Fig.28 , ÑÙj j(`Þ<ßj(`Þ-ßX­>A1A* rÑÙ- *£. [22]", ÑÀÙ2 j , Ñ
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4.3. |ÑPX9, xÂ}ºJÑj$' Finesse JE

8FB' Finesse O¶ 1500 Vz %yP7E!JE.

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jj*Ù|PX} Ã(, JÄAMPXÁ¬*Ó©PX, ¥EO2Dl*Ñ!, Ñj2D, Ñ*TÚz Finesse UV % N2  O2
2' g(.

ÀÙ, ÉrA=ÀÙ`

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KAGRA  Finesse * 1400 2\ &, Finesse JE KAGRA ¸ÉÃJÞ'. [25]11㸫 19}* Fig.29 £.Step 1:¥ZaO ¥fØ* 21 =7D, ZPX$&, ÑaOSS* 1x10-4 [Pa]7E'.

22 [K]1Ñ'ÁØ 49 =.
Þ ¥fØÞ21 =ß*Ò ß
Fig.26 PXØ 27 =Å¶ 2 ÑStep 2:¥f\Yq' He <A¾ÛEp&

PXØ

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Step 3:

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.234v·(' 2 ^VÏ

AATÑÞQ1 TMß!3#=64A=PX*Ók,¶ 11 =PXØ21 D(H2O)

OaÉrA=ÞQ1 8 K top : 8 K
sideßT}* Fig.25 £.

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TAA$& N2  O2 Òjz

4A=OÀÙWGz 140 [K]7
E D(H2O)DSl±Sz %40 [K]7D!TØ 1 =, +PXpÁØ 1 =' ¢¿(.

1x10-6 [Pa]^.

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Step 4:¦j 6 ¶ 2 =Òj ;º'*Y¼. !, KAGRA ¸ÉÃ?

ÉrA=PX¥PC- 34 2 ^(Fig. 3'vØ*F¥pv©Òj'¸ PTC for Cryostat Radiation Shields)$&.234Oa@ha@ÉrAvØ1%, ÑÀÙ9ÉrA=Lm

Finesse JE*Ù .

=PX*Ók'. ¶ 24 =PXØ21 D(H2O), N2, O2 *OaÉrA=OÀÙ`'. OaÉrA=ÀÙWGz20 K 7E N2  O2 DSl±Sz % 1x10-8 [Pa]^.
Step 5:JÑ~µ¹PX*Ók'.
ÞPXØ¶ 10 =ß5, Step 1~4 PXvØ1, 2Dya(Qmass)*>¥2DSp*±·¾, 2DSUV*¢¿'.
4.4. |PXY¼

2020 y 11 u % 2021 y 2 u
KAGRA JÄA*>¥PXY¼¾Û/-  }Sr¾)(. PXPX(JÄA

11㸫 20LPJÄAPX}
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