高エネルギー加速器セミナー OHO’19
真空システム石橋拓弥*12019 年 9 月 27 日

*1 高エネルギー加速器研究機構・加速器研究施設、総合研究大学院大学・高エネルギー加速器科学研究科、

e-mail: takuya.ishibashi@kek.jp

目次

1
1.1

1.5.4

シール剤 . . . . . . . . . . . . .

52

1.5.5

ベローズ . . . . . . . . . . . . .

52

1.5.6

真空バルブ

. . . . . . . . . . .

53

はじめに

7

1.5.7

電流導入端子 . . . . . . . . . .

54

超高真空入門9

1.5.8

ビューポート . . . . . . . . . .

54

真空の基礎 . . . . . . . . . . . . . .

9

1.5.9

配線材料 . . . . . . . . . . . . .

55

1.1.1

真空の定義

. . . . . . . . . . .

91.5.10ボルト類 . . . . . . . . . . . . .

55

1.1.2

圧力の単位

. . . . . . . . . . .

10

1.5.11

ガス導入ライン . . . . . . . . .

55

1.1.3

圧力が及ぼす力 . . . . . . . . .

10

1.5.12

潤滑剤 . . . . . . . . . . . . . .

55

1.1.4

圧力と気体分子数 . . . . . . . .

10

1.1.5

気体分子の平均速度 . . . . . . .

11

1.1.6

気体分子の平均自由行程 . . . .

12

1.1.7

入射頻度 . . . . . . . . . . . . .

12

1.1.8

気体分子と真空容器表面との衝突 121.1.9

粘性流と分子流 . . . . . . . . .

13

1.1.10真空排気 . . . . . . . . . . . . .

14

1.1.11

表面滞在時間とベーキング . . .

15

1.1.12コンダクタンス . . . . . . . . .

17

1.1.13真空システムの構成例. . . . .

18

1.1.14

超高真空システム製作の要点 . .

SuperKEKB の真空システム

57

2.1

概要 . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

2.2

各種真空機器 . . . . . . . . . . . . .

59

2

2.2.1

アンテチェンバー付きビームパ
イプ . . . . . . . . . . . . . . .

59

2.2.2

MO フランジ . . . . . . . . . .

61

2.2.3

ベローズチェンバー・ゲートバ
ルブ . . . . . . . . . . . . . . .

62

2.2.4

真空ポンプ

. . . . . . . . . . .

64

20

2.2.5

コリメータ

. . . . . . . . . . .

66

真空計と計測原理 . . . . . . . . . .

21

2.2.6

IR の真空機器 . . . . . . . . . .

68

1.2.1

機械的現象に基づく全圧計 . . .

21

2.2.7

DR の真空機器 . . . . . . . . .

71

1.2.2

気体の輸送現象に基づく全圧計 .

22

電子雲不安定性と対策 . . . . . . . .

74

1.2.3

電離現象に基づく全圧計 . . . .

23

2.3.1

ECE 対策 . . . . . . . . . . . .

74

1.2.4

分圧計 . . . . . . . . . . . . . .

26

2.3.2

Phase-1 における ECE . . . . .

82

1.2.5

リークテスト . . . . . . . . . .

29

2.3.3

Phase-2 における ECE . . . . .

83

1.2.6

気体の流れと圧力測定. . . . .

31

2.3.4

Phase-3 における ECE（速報）

84

1.2.7

熱遷移 . . . . . . . . . . . . . .

31

1.2.8

熱的適応係数 . . . . . . . . . .

32

真空ポンプと排気原理 . . . . . . . .

33

1.3.1

気体輸送式ポンプ . . . . . . . .

33

1.3.2

気体溜め込み式ポンプ. . . . .

35

真空用材料 . . . . . . . . . . . . . .

1.4.1

1.2

2.3

インピーダンス. . . . . . . . . . .

85

2.4.1

ロスファクター . . . . . . . . .

85

2.4.2

キックファクター . . . . . . . .

87

制御システム . . . . . . . . . . . . .

90

2.5.1

システム構成 . . . . . . . . . .

90

39

2.5.2

各種制御機器 . . . . . . . . . .

93

無機材料 . . . . . . . . . . . . .

39

2.5.3

インターロックロジック . . . . 101

1.4.2

有機材料 . . . . . . . . . . . . .

43

2.5.4

CCG Patrol . . . . . . . . . . . 105

1.4.3

表面洗浄 . . . . . . . . . . . . .

45

2.5.5

DR の真空機器制御 . . . . . . . 108

真空用部品 . . . . . . . . . . . . . .

47

1.5.1

永久固定シール . . . . . . . . .

47

2.6.1

焼き出し状況 . . . . . . . . . . 111

1.5.2

着脱可能シール . . . . . . . . .

49

2.6.2

コリメータの稼働状況

1.5.3

軸シール . . . . . . . . . . . . .

51

2.6.3

ダストイベント . . . . . . . . . 116

1.3

1.4

1.5

2.4

2.5

2.6

1

コミッショニングの状況 . . . . . . . 111. . . . . 112

2.6.4

真空機器の異常等 . . . . . . . . 118

2.6.5

真空とバックグラウンド . . . . 120

付録 A

おわりに

123

ビームと残留ガスの相互作用

124

A.1

ラザフォード散乱 . . . . . . . . . . 124

A.2

メラー散乱 . . . . . . . . . . . . . . 124

A.3

制動放射 . . . . . . . . . . . . . . . 124

A.4

ビーム寿命 . . . . . . . . . . . . . . 125

A.5

イオントラッピング . . . . . . . . . 125

付録 B

シンクロトロン放射光

126

参考文献

127

2

図目次
1

余弦則の模式図 . . . . . . . . . . .

132

真空排気過程のモデル . . . . . . .

143

各種ガス放出がある場合の圧力の推移 . . . . . . . . . . . . . . . . .

154分子が排気されるまでのモデル . .

165導管で接続された 2 つの容器

. . .

18

6

超高真空システムの構成例 . . . . .

19

7

代表的な全圧計の測定圧力範囲 . .

21

8

ブルドン管真空計の概略構造

. . .

22

9

絶対圧型隔膜真空計の概略構造 . .

2210ピラニ真空計の概略構造 . . . . . .

23

11

ピラニ真空計のガス種依存性

2312水晶摩擦真空計の音叉型振動子と

. . .

32

ベントシステムの構成例 . . . . . .

33

Phase-3 初 期 に お け る SuperKEKB MR の概略 . . . . . . .

58

34

MR 東トンネルアーク部 . . . . . .

59

35

アンテチェンバー付きビームパイプの概略 . . . . . . . . . . . . . .

36
37. . . . . . . . .

ビームパイプの BPM 部 . . . . . .

61

39

MR における MO フランジ . . . .

61

40

MO フランジにおける真空シール

41
24

13

熱陰極電離真空計の概略構造

. . .

24

14

逆マグネトロン型 CCG の概略構造

26

15

リークがある場合のマススペクト
ル例 . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

16

ヘリウムリークディテクタの構成例

29

17

真空法（スプレー法とフード法） .

3118真空計の取付位置. . . . . . . . .

31

19

温度の異なる真空容器 . . . . . . .

31

20

代表的な真空ポンプの動作圧力範囲

34

21

KEKB で観測されたアルゴン不安

ンガー型 RF シールドの概略図 . .

42

ドの実例 . . . . . . . . . . . . . .

63

43

櫛歯型ベローズチェンバーの概略図

6344

アンテチェンバー付きビームパイ
プ用櫛歯型ベローズチェンバー . .

45
46. . . . . . . . .

と光子数線密度 . . . . . . . . . . .

65

47

LER 1 セルの圧力分布 . . . . . . .

65
66

HER アーク部のコリメータ . . . .

22

スパッタイオンポンプの概略

37

49

LER および HER 筑波直線部の新23オーステナイト系ステンレス鋼の圧力に応じた表面洗浄のフローチ
ャート . . . . . . . . . . . . . . .

46

25

金属とセラミックの接合概略

. . .

48

26

フランジとシール材の概略 . . . . .

27

64

LER 1 セルの放射光パワー線密度

48

24

63

アンテチェンバー付きビームパイ
プ用ゲートバルブ41

63

損傷したフィンガー型 RF シール

36

系統図 . . . . . . . . . . . . . . .

62

ベローズチェンバーにおけるフィ

定性 . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . .

60

無酸素銅製アンテチェンバー付きの模式図 . . . . . . . . . . . . . .

ンス . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

ウィグラー部のアンテチェンバー
付きビームパイプ38

59

ビームパイプと四重極電磁石コアの取り合い . . . . . . . . . . . . .

共振状態における交流インピーダ

55

型コリメータ . . . . . . . . . . . .

67

50

新型コリメータのヘッド . . . . . .

68

51

CST による新型コリメータの固有値解析結果 . . . . . . . . . . . . .

68

52

IR の概略 . . . . . . . . . . . . . .

69

49

53

衝突点チェンバー. . . . . . . . .

70

テーパーシールの概略 . . . . . . .

50

54

BPM 付きベローズチェンバー . . .

71

28

ボルト締結の順序. . . . . . . . .

51

55

QCSL クライオスタットとビーム

29

バルブの形式 . . . . . . . . . . . .

53

30

ティップオフの構成 . . . . . . . .

54

31

コンダクタンス調整方式 . . . . . .

54

パイプ . . . . . . . . . . . . . . .

56

QCSR クライオスタット先端部のRVC . . . . . . . . . . . . . . . .

3

71
71

57

DR の概略 . . . . . . . . . . . . .

72

58

DR アーク部の構成 . . . . . . . .

72

59

Synrad3d による DR ビームパイ

79

Phase-1 コミッショニングにおけるビーム電流に対する D03 アーク部の P/I . . . . . . . . . . . . . .

Phase-1 コミッショニングにおけプ内の光子分布 . . . . . . . . . . .

7360

電子雲発生のプロセス . . . . . . .

74

る電流線密度に対する垂直方向

61

電子雲による不安定性 . . . . . . .

74

ビームサイズ . . . . . . . . . . . .

62

試験用アンテチェンバー付きビー
ムパイプにおける RFA

63. . . . . .

80

81

Phase-2 コミッショニングにおけ
ビームサイズ . . . . . . . . . . . .

82

アンテチェンバー付きビームパイ

64

83
76

る電流線密度に対する垂直方向

65

TiN コーティング設備 . . . . . . .

77

ビームサイズ . . . . . . . . . . . .

66

TiN コーティング装置の概略 . . .

78

67

TiN コーティングを施した表面の様相 . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

79

69

SEY 測定部の構成 . . . . . . . . .

7970

ベーキング装置 . . . . . . . . . . .

79

71

グルーブ構造 . . . . . . . . . . . .

80

72

KEKB LER におけるグルーブ有
無による電子電流. . . . . . . . .

88Phase-1 に お け る 水 平 方 向 コ リ
メータのアパチャによる水平方向

80

チューンシフト . . . . . . . . . . .

89

89

制御システムの構成概略 . . . . . .

91

ける縦方向磁場の有無による電子

90

真空システムのメイン OPI. . . .

91

91

制御機器間の接続概略 . . . . . . .

92

92

CAMAC と cRIO の比較 . . . . .

92

93

19 インチラック内の PLC ユニット

93

94

19 イ ン チ ラ ッ ク 内 の IP コ ン ト

80

LER ドリフト部のビームパイプに
81

CLOUDLAND による LER ドリ
フト部の電子密度. . . . . . . . .

81

76

クリアリング電極付きビームパイプ

81

77

KEKB LER ウィグラー電磁石内

ローラ . . . . . . . . . . . . . . .

95

におけるビームドーズに対するビーム近傍の電子電流 . . . . . . .

78

バンチ長に対するコリメータのロ
スファクター . . . . . . . . . . . .

8888を設置した円形ビームパイプにお設置した永久磁石と縦方向磁場分布

75

87

86

アパチャに対するコリメータのキックファクター . . . . . . . . . . .

KEKB LER でソレノイドコイル

電流 . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

86

86

バンチ長に対するコリメータのロ
スファクター . . . . . . . . . . . .

TiN コーティングしたアルミ合金
サンプルの SEY . . . . . . . . . .

73

85

84

アパチャに対するコリメータのロ
スファクター . . . . . . . . . . . .

7884

Phase-3 コミッショニングにおけ

. . .

84

84

ビーム電流に対する D03 アーク部の P/I . . . . . . . . . . . . . . .

76

KEKB LER における TiN コーテ
ィング有無による電子雲密度83

る電流線密度に対する垂直方向

75

KEKB LER における円形およびプ内の電子電流 . . . . . . . . . . .

82

82

ビームサイズ . . . . . . . . . . . .

82
4

19 インチラック内の CCG コント
ローラ . . . . . . . . . . . . . . .

9496

CCG 接続導管の永久磁石 . . . . .

95

97

19 インチラック内の NEG ポンプ
活性化用電源 . . . . . . . . . . . .

95

98

19 インチラック内の DA100 . . . .

96

99

19 インチラック内の MW100 . . .

96Phase-1 コミッショニングにおけるビーム電流に対する垂直方向

94

100

加速器トンネル内で使用している流量計の内部写真

124. . . . . . . . .

97

101

19 インチラック内の流量検出器 . .

97

102

コリメータ制御システムの概略 . .

98

103

コリメータ駆動部構成 . . . . . . .

98

104

19 インチラック内のコリメータ制

メータスタディの例 . . . . . . . . 113

123

98

105

コリメータ制御の OPI . . . . . . .

99

106

コリメータおよびクロッチ部におタスタディの例 . . . . . . . . . . . 114

125
126

127

ヘッド . . . . . . . . . . . . . . . 116

128

SuperKEKB MR における粗排気110

ラダープログラムにおけるイン

111

129
130

トロジックの模式図 . . . . . . . . 104

113

CCG Patrol の概略図 . . . . . . . 106

114

ネットワークトリガー処理のシー

CCG Patrol の OPI . . . . . . . . 107

116

ビームアボート時の圧力跳ねとビームパイプ内から採取されたカ131

ビーム運転時間とダストイベント . 118

132

HER において発熱が見られる衝突
点下流ビームパイプの位置 . . . . . 118

133

Phase-2 後に取り外した若干の発熱が見られたベローズチェンバー . 119

ケンス . . . . . . . . . . . . . . . 107

115

CCG の指示値から推定したダスト

プトンシート上のダスト . . . . . . 117

ラダープログラムにおけるアボー

ビームストッパーの制御システム . 105. . . . . . . . . 117

イベントの発生箇所 . . . . . . . . 117. . . 103

112

EGS による各材料にビーム照射したときの到達温度の例 . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
主ポンプ立ち上げ時の圧力推移の例 102

Phase-2 コミッショニング終了後に取り外した D02V1 コリメータ

インターロックの構成 . . . . . . . 100

109

D02V1 コリメータにおけるヘッド
および ECL によるバックグラウンド 115

QCS ビームパイプにおける冷却水

ターロックロジックの模式図

Phase-3 に お け る コ リ メ ー タ と位置、水平方向ビームポジション

ける冷却水インターロックの構成 . 100

108

Phase-3 における LER のコリメー

QCS のアパチャ . . . . . . . . . . 115

御機器 . . . . . . . . . . . . . . .

107

Phase-2 に お け る HER の コ リ

134Phase-3 において発熱の見られた
ベローズチェンバーの温度 . . . . . 119

135

LER 日光直線部・ウィグラー区間

LER ビーム電流 . . . . . . . . . . 108

におけるビーム電流に対するフラ117

圧力跳ねによるビームアボートの例 109

ンジの温度 . . . . . . . . . . . . . 119

118

DR 東アーク部における主ポンプ
立ち上げ時の平均圧力の推移

119
120

136

. . . 110カー近傍にある CCG で観測したSuperKEKB MR における焼き出

圧力跳ね . . . . . . . . . . . . . . 120

し状況 . . . . . . . . . . . . . . . 112

137

ZDLM チェンバーの概略図 . . . . 120

KEKB MR と 比 較 し た Su-

138

改良型 ZDLM チェンバーの概略図

perKEKB MR における焼き出し139

HER 富士直線部のテーパー型ビー

状況 . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

121

120

ムパイプ . . . . . . . . . . . . . . 121

LER の 筑 波 直 線 部 に 設 置 し た

140

RGA による Phase-3 における分Phase-3 に お け る LER vacuum
bump study . . . . . . . . . . . . 122

圧の推移 . . . . . . . . . . . . . . 113

122

HER の横方向フィードバックキッ141

SuperKEKB DR における焼き出
し状況 . . . . . . . . . . . . . . . 113

5

Phase-3 における MR の圧力分布 . 122

表目次1

圧力による真空の区分 . . . . . . .

92

真空工学における流れの分類

. . .

13

3

各温度における水分子の排気時間 .

164

熱陰極電離真空計の比感度係数 . .

25

5

真空装置内の主なガス種 . . . . . .

28

6

各種真空装置における許容リーク量の目安 . . . . . . . . . . . . . .

7

タングステン表面に対する希ガス
分子の熱的適応係数 [6]830. . . . . .

32

種々の表面に対する He の熱的適応係数 [6] . . . . . . . . . . . . . .

32

9真空ポンプの性能指標 . . . . . . .

33

11

真空用金属・合金材料のガス放出
速度 . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

10

真空用金属・合金材料の性質

. . .

40

12

真空用セラミック材料の性質

. . .

43

13

真空用セラミック材料のガス放出
速度 . . . . . . . . . . . . . . . . .

4314

真空用有機材料の性質 . . . . . . .

4415

真空用有機材料のガス放出速度 . .

4416

固体潤滑剤の機械的性質 . . . . . .

56

17

SuperKEKB のパラメータ（設計値） . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

SuperKEKB LER における ECE
対策 . . . . . . . . . . . . . . . . .

1975

SuperKEKB LER におけるロスファクターの概算

2058. . . . . . . . .

87

SuperKEKB MR における真空関
連機器の入出力点数 . . . . . . . .

90

6

等を紐解いていただきたい [4–13]。また、日本表面

はじめに真空学会 [14] への入会、および学会が開催する各種本テキストは大きく分けて 2 つの章から構成され

講座 [15] への参加も理解を深める一助になるため、ている。

おすすめできる。

1 章は加速器の真空に限定することなく、超高真2 章は SuperKEKB の真空システムに的を絞っ空システム全般を取り扱う上で持っていたい知識・て解説している。特に、OHO シリーズでは真空シ

事柄についてまとめた。

ステムにおけるコリメータ、電子雲不安定性への具

私は日本表面真空学会で真空工学関連講座の講師

体的な対策、制御システムについて書かれたものが等を務める機会があるのだが、そこで受講生から、少ないため、これらについては重点的に解説してい「今使用している真空システムは研究室や部署に配る。この章は OHO シリーズのテキストでこれまで属された時点で既に存在しているもので、マニュアに書かれた事柄とはできる限り重複しないように書ル通りボタンを押せば目標の圧力が実現されるよういたつもりである。SuperKEKB の真空に関するになっていた」という話をよく聞く。そのような境ビーム寿命やシンクロトロン放射光についての話

遇で真空システムのトラブルや、新たに真空システ

題は、OHO’94 末次 [16]、OHO’04 柴田 [17] におムを設計するような機会に遭うと、どこからどう手

いて、KEKB の真空についてではあるが述べられをつけて良いのか、何に配慮して事を進めれば良いており、基本的にこの内容を SuperKEKB にも同のか分からないということが当然起きてしまう。そ様に適用することができる。そのため、これらの事して、これが動機となって講座に参加したという方柄については付録で簡単にまとめるだけに留めてが少なくない。

いる。

また、過去の OHO のテキストを改めて読み直し

その他、加速器に関する真空をさらに勉強したい

たところ、実務を念頭に置いて書かれた内容が少な

方は、これまでの OHO のテキストを web からダい印象を受けたため、この章では私が講師を務めた

ウンロードできるので [18]、これらを参照していた

真空工学関連講座（例えば、[1–4]）で使用しているだきたい。ごく簡単にではあるが、過去の真空に関スライド等を参考に、実務を意識した実践的な内容

わるテキストを紹介すると、OHO’15 谷本 [19] でを目指した。

は cERL における真空システムについて実例を交

当セミナーは「高エネルギー加速器セミナー」のえながら解説されており、光刺激脱離の理論モデル

ため、加速器に限らない内容を書くことには少し躊や真空容器の 3D モデル内の圧力分布を計算するソ躇したが、このような内容は真空に関わっているよ

フトウェア Molﬂow+ [20]、NEG コーティングにり多くの方々に役立つかと思い、書き進めた。このついても記述されている。OHO’15 魚田 [21] では章を一読しておくと、次の SuperKEKB に関する

J-PARC の主リングにおける真空システムについ真空システムの章もスムースに読み進めることがでて実例を交えながら解説されている。OHO’09 金

きるだろう。

澤 [22] では蓄積リングにおける真空工学全般に関また、この章にはいくつか問題を載せた。どの問して解説されており、表面に吸着している分子の排題も本文に登場する式等を使って、それほど時間も気過程を理論モデルによって理解する試みがされてかけずに解くことができるかと思う。実際に手を動いる。OHO’01 齊藤 [23] では加速器における真空かさないと知識はなかなか定着しないので、ぜひ一

工学全般に関する解説、特に真空用材料および表面

度解いてみて欲しい。

でのガス吸着・放出について詳しく書かれている。

なお、この章の内容は真空工学を広く浅く解説しOHO’01 金正 [24] では大強度陽子加速器におけるたものであり、各論はどれを取っても深淵である。

ビームパイプ、特にセラミック製ビームパイプの設さらに勉強を進めたい方は真空工学に関する教科書

計について詳しく書かれている。OHO’93 堀 [25]7では放射光リングにおける真空システムについて実例を交えながら解説されており、光刺激脱離および
電子刺激脱離を実験ラインで測定した例等が紹介されている。OHO’90 齊藤 [26] では真空中の放電について解説されている。OHO’87 小林 [27] では蓄
積リングにおける真空システム全般について解説されており、特に圧力特性曲線の計算方法や、これによる真空システムの総合的評価について詳しく書かれている。低エミッタンスリングにおけるビー
ムと残留ガスの相互作用、ビーム寿命については、

OHO’91 中村 [28] や OHO’86 坂中 [29] を参照していただきたい。ビームと残留ガスの相互作用によるビームエミッタンスの増加については、OHO’91 金
澤 [30] を参照していただきたい。

8

ている通り、標準大気圧以下の圧力でも環境によっ

1 超高真空入門ては真空とは呼べないことがある。例えば、富士山

この章では加速器における真空に限定せず、超高頂における気圧は通常 630 hPa 程度であり、これ

真空システム全般を取り扱う上で最低限必要と思わより低い圧力の気体で満たされた空間の状態が真空れる事柄を解説する。

と呼べる。
さらに JIS では表 1 のように真空を圧力によっ

1.1 真空の基礎て区分けしている（大まかにではあるが各区分にお1.1.1 真空の定義

ける利用分野も併記した）。少しややこしいが、圧一 般 に 産 業 等 で 利 用 さ れ て い る 真 空 は 、JIS

力が低くなるにつれて空間の残留気体数は少なくな（Japanese Industrial Standards、日本工業規格）

り、言わば真空の純度が高くなると一般的には言えで、「通常の大気圧より低い圧力の気体で満たされるため、区分名に「高」や「high」という言葉が入った空間の状態」と定義されており [36]、圧力が真空てくる。必要なビーム寿命等の条件にもよるが、一を測る指標として使用される。

般的に加速器では超高真空以下の圧力領域を利用

圧力とはある物体に単位面積あたりに働く力で
−1

あり、L

−2

する。

の次元を持つ。SI（international

日常、真空度という言葉をよく耳にすることがsystem of units、国際単位系）では長さ L、質量あるが、真空度という物理量はない。「真空度が高M、時間 T の各次元はそれぞれ、m、kg、s に対応い」と言われると、それが「圧力が高い」と「真空し、圧力の単位は Pa（パスカル）である。この単の純度が高い」のどちらの状態を指しているのか分

位名はパスカルの原理等で知られる Blaise Pascal

からず、混乱してしまうこともある。そのため、用(1623–1662) に由来し、1 Pa = 1 N · m−2 である。

語は真空度ではなく圧力に統一して議論するべきでMTある。
問）SI 単位系における圧力の単位 Pa の次元が、現在は JIS と ISO（International Organization

L−1 M T−2 であることを確認せよ。

for Standardization、国際標準化機構）規格で超高真空（ultra high vacuum、UHV）の定義が同一でこの圧力は、空間を運動する膨大な数の気体分子あるが、かつては UHV の定義がアメリカ合衆国でがある物体へ衝突した際の力の総和に由来してお10−7 –10−10 Pa、ヨーロッパで 10−6 –10−10 Pa と異り、温度一定の環境下で気体分子数が減れば圧力がなっていた。また、JIS では定義されていないが、下がることが直感的にも推測できる。標準大気圧は

日本国内では 10−9 Pa 以下を極高真空（extreme

1 atm = 101325 Pa = 1013 hPa と定義される（単high vacuum、XHV）と呼ぶことがあり、アメリカ合衆国では 10−10 Pa 以下の圧力で定義されてい2位の接頭辞 h はヘクトと読み、10 を表す）。JIS
による真空の定義で、「通常の大気圧」と記述され
表1

圧力による真空の区分

区分名

対応する英語名

圧力範囲

主な利用分野低真空

low (rough) vacuum (LV)

105 –102 Pa

空調機器

中真空

medium vacuum (MV)

102 –10−1 Pa

掃除機、真空乾燥、真空包装

高真空
超高真空

high vacuum (HV)
ultrahigh vacuum (UHV)

10

−1

–10

−5

Pa 以下

10

9

−5

Pa

蛍光灯、放電管、蒸着
ブラウン管、電子顕微鏡、加速器る。このように UHV/XHV の定義は国によって異単位変換ができる。

なる場合もあるため、論文や海外製品のカタログ等を参照する際は注意が必要である。

問）Torr、bar、psi を Pa に変換せよ。水銀の比重を1.3595 × 104 kg · m−3 、重力加速度を 9.8 m · s−2 、
1.1.2 圧力の単位

1 ポンドを 0.4536 kg、1 インチを 0.0254 m とす

前述の通り、国際標準では圧力の単位として Paる。

を用いることになっているが、この単位の他にも歴史的理由等から次の非 SI 単位系が現在も使用され

1.1.3 圧力が及ぼす力
質量 m、重力加速度 g = 9.8 m · s−2 とすると、ている。

運動方程式は F = mg であることから、標準大気

Torr 水銀柱 1 mm の質量を基準にした単位。読圧 1.013 × 105 Pa で単位面積あたりにかかる力は、

み方はトルで、トリチェリの真空等で知られる Evangelista Torricelli (1608–1647) に由来。
水銀柱ミリメートルと完全に同一の定義で、

1 Torr = 1 mmHg = 133 Pa。
ける単位で、1 bar = 1 dyn · cm−2 = 105 Pa。

dyn（ダイン）は CGS 単位系における力の単

ビューポートを使用している真空容器を加圧するとを意味する atmosphere に由来。標準値として簡単に窓が破損してしまうので注意が必要である。

1 atm = 101325 Pa = 760 Torr と定義されている。

psi FPS 重力単位系（長さ in、重量 lbf 、時間 s）における単位。1 平方インチあたりに 1 ポンド

し、この装置で使用している直径 400 mm のフラに相当する質量はいくらか求めよ。

6895 Pa。
この他にも圧力の単位として、CGS 重力単位系の1.1.4 圧力と気体分子数（pdl は FPS

気体分子数 N [molecules] は次の理想気体の状態

単位系における力の単位で、パウンダルと読む）、

MKS 重力単位系の kgf · m問）真空装置の外部が 1 atm、内部が 0.01 atm とンジに大気圧よりかかる力を求めよ。また、その力

重の力が作用する圧力。1 psi = 1 lbf · in−2 =−2は窓の直径が約 100 mm で、ここには 81.2 kg の質

ただし、ビューポートは逆方向からの力には弱く、

atm 海面での大気圧を基準とした単位で、大気、FPS 単位系の pdl · in

例えば、ICF152 規格のビューポート（view port）

耐えられるようにビューポートは設計されている。

でよく使われていた。

gf · cmとから、真空容器等を設計する際には強度（容器の量に相当する力が加わる。そのため、この力に十分位。10−3 bar である mbar はかつて気象分野−2

圧によって非常に大きな力が真空容器には加わるこ
厚さや固定方法等）を十分に検討する必要がある。

bar CGS 単位系（長さ cm、質量 g、時間 s）にお−2

約 10523 kg もの質量に相当する。このように大気が使われることが方程式で計算することができる。

pV = N kT

ある。

(1)

非 SI 単位系の中でも Torr 、mbar が真空機器にこ こ で 、圧 力 p [Pa]、体 積 V [m3 ]、ボ ル ツ マ

おいては現在でもよく使用される。Torr、mbar の

ン 定 数（Boltzmann constant） k = 1.381 ×

指示値に 10 を掛ければ、おおよそ Pa に換算で10−23 [J · K−1 · molecules−1 ]、温度 T [K] である。

きることを覚えておくと便利である（この換算にお圧力 1.0 × 105 Pa、温度 298 K (25 °C)、体積 1 m3

いて mbar では誤差はないが、Torr では約 33% のとすると、この容器（空間）の中にある気体分子の誤差が出る）。また、関数電卓や web（例えば [37]）

数は 2.4 × 1025 molecules となる。先で述べた大き等にある単位換算ツールを利用すると簡単に正確なな力は、この膨大な数の気体分子が及ぼす力の総和210に起因している。また、温度と体積を一定として圧されるフローメーターやバリアブルリークバルブ

力を 1 Pa まで排気すると、式 (1) で圧力と気体分（variable leak valve）等の機器では、sccm（standard

子数が比例関係にあることからも、容器内の気体分

cubic centimeters per minute）や slm（standard

子数は 2.4 × 10

liter per minute）が製品仕様として用いられるこ

20

molecules に減少する。

なお、個数は無次元量のため通常は書かかないとがある。これらの流量は標準状態（0 °C、1 atm）

が、本テキストでは明示的に単位に個数を書いておにおいて、1 分間にある面積を通過する体積で定義

り、気体分子数は [molecules]、光子数は [photons]、

される。温度 T [K] における sccm は、

電子数は [electrons]、イオンの数は [ions] と区別しT
101325 Pa × 10−6 m3
60 s
273.15 K(3)≈ 6.18 × 10−6 T [Pa · m3 · s−1 ]1 sccm =ている。
物質量（mol、モル）を使って議論する場合、物質量 nM [mol]、気体定数 R = 8.315 J · K−1 · mol−1であり、1 slm はこれの 103 倍である。フローメーを使った次の状態方程式を使った方が便利である。

pV = nM RT

タ等は室温で使用することも多いため、25 °C、

1 atm での流量を表示する機種もあり、注意が必要

(2)

である。
気体分子数を使った式 (1) では単位の分母に個数（molecules）が入ったボルツマン定数が、物質量を問 ）式 (1)、(2) を 用 い て 、1 Pa · m3 · s−1 を使った式 (2) では単位の分母に物質量が入った気体

molecules · s−1 および mol · s−1 に換算せよ。温定数が現れる。

度は 25 °C とする。

問 ）ボ ル ツ マ ン 定 数 k と 気 体 定 数 R は 、ア ボ

1.1.5 気体分子の平均速度

ガドロ定数（Avogadro constant） NA = 6.02 ×

熱平衡状態にある気体分子の速度は、マクスウ

1023 molecules · mol−1 を使って R = kNA とかけェル–ボルツマンの速度分布（Maxwell-Boltzmannる。これにより式 (1) から式 (2) を導け。

velocity distribution）と呼ばれる、速度空間における確率密度分布に従う。この統計平均は平均速度

真空工学における流量は、単位時間にある面積v̄ [m · s−1 ] と呼ばれ、気体分子速度の代表値としてを通過する pV 値 で定義し、これにより議論さ使用される。

れることが多い。pV 値 は式（1）の左辺等に現√の次元を持つ。SI 単位系における pV 値による

8kT
=
πm

流 量 は Pa · m3 · s−1 で あ る が 、非 SI 単 位 系 のこ こ で 気 体 分 子

れ、平衡状態の系では一定値をとり、エネルギー−1mbar · L · s

や Torr · L · s

−1

v̄ =

m [kg · moleculesが使われることも

−1

√

1

√
8RT
∝
πM

温度
質量

(4)

個 あ た り の 質 量]、物 質 量 あ た り の 気 体 分ある。本テキストにおける流量は SI 単位系の pV

子質量（モル質量）M [kg · mol−1 ] である。298 K

値 による定義を使用する。

(25 °C) における水素分子及び窒素分子の平均速度はそれぞれ 1773 m · s−1 、475 m · s−1 であり、こ問 ）1 mbar · L · s−1 お よ び 1 Torr · L · s−1 をれは標準大気中の音速 340 m · s−1 よりも早い。

Pa · m3 · s−1 に換算せよ。

1.1.11 項でも述べているが、このような高速度で気体分子は運動しているため、空間に存在している

この他に、単位時間にある面積を通過する体積、気体を排気するために要する時間は短い。超高真空

気体分子数、物質量等で定義した流量が使用されを実現する上で問題になるのは、容器等の表面に吸ることもある。例えば、ガス導入システムで使用着した分子や、材料内部から空間へ拡散する分子で

11

ある。

によりおおまかに求められる。この式を覚えておくと真空計の指示値から、現場でも簡単に平均自由行

問）温度 25 °C の水素分子の平均速度を求めよ。水程を見積もることができ、現状が真空容器の寸法か素の分子量を 2.02 とする。

らして粘性流領域なのか分子流領域なのか（1.1.9
項を参照）等の見当がつけられる。

1.1.6 気体分子の平均自由行程
空間を運動している気体分子は他の気体分子とも問）式 (6) から温度 25 °C、空気の平均自由行程を

絶えず衝突を繰り返している。ある分子が他の分子求めよ。

と衝突した後、次に他の分子と衝突するまでの移動
距離の平均を平均自由行程 λ [m] と呼ぶ。

1.1.7 入射頻度ある気体分子が速度 v̄ で進行しているとすると、

真空容器表面の単位面積に毎秒衝突する気体分子

この気体分子は時間 dt の間に距離 v̄ dt だけ進む。

数は入射頻度 Γ [molecules · s−1 · m−2 ] と呼ばれ、気体分子の直径を σ [m] とすると、気体分子間の最次式で与えられる。

近接距離は σ であるため、今着目している気体分Γ =子は体積 πσ 2 v dt の円筒内に存在する気体分子と衝突することになる。ただし、ここでは他の気体分(8)

入射頻度は開口のコンダクタンスや、表面での単分子は静止していると仮定している。したがって、気子層形成時間等を見積もる際に使用する。入射頻度

体分子の密度を n = N/V [molecules · m−3 ] とす

を気体分子数ではなく、体積で表した量を体積入射ると、平均自由行程は、

頻度 ΓV と呼び、気体分子 1 個の占有する体積が分子の移動距離λ :=分子の衝突回数v̄ dt
nπσ 2 v̄ dt
1=
πσ 2 n1p
nv̄ = √
42πmkT

1/n であることから、

=

ΓV =

1
v̄
4

(9)

(5)

となる。例えば、298 K (25 °C) の空気の体積入射で与えられ、分母の πσ 2 [m2 ] は円筒の断面積に相頻度は 117 m3 · s−1 · m−2 （=11.7 L · s−1 · cm−2 ）であり、この値を記憶しておくと開口のコンダクタ

当する。

ンスや理想排気速度を概算することができる。

実際は他の気体分子もマクスウェル–ボルツマンの速度分布にしたがって運動しており、これを考慮

問）式 (4) と式 (9) から体積入射頻度を求めよ。空すると平均自由行程は次式で与えられる。

1λ= √2 πσ 2 nkT=√
2 πσ 2 p気のモル質量は 28.98 g · mol−1 とする。

1.1.8 気体分子と真空容器表面との衝突(6)

気体分子が容器表面に衝突すると、ある分子は表

ここで、式（6）の導出に式（1）を使用している。

面で直接的に散乱され、ある分子は表面に吸着す

空気の分子直径を 0.376 nm とすると、298 Kる。直接的な散乱により、気体分子のエネルギーや(25 °C) 、1 Pa における空気の平均自由行程は 6.6

速度分布は変化する。また、吸着した分子は表面をmm である。式 (6) で λ ∝ 1/p であることからも、拡散し、ある時間が経過したのちに表面から脱離す

室温における空気の平均自由行程は、

るか、表面から固体内部へ拡散する。拡散している

6.6
[mm]
λ≈
p

うちに表面にある別の分子と反応し、分子の種類が(7)変化することもある。

12

表2

q

真空容器

真空工学における流れの分類

分類

判定範囲

分子流

0.3 < Kn中間流

0.01 < Kn < 0.3

粘性流

Kn < 0.01

図 1 余弦則の模式図 [1]。矢印の長さは気体が放出される方位角方向の確率に相当する。例えば、

1.1.9 粘性流と分子流容器に対して垂直な方向（θ = 0、cos 0 = 1）へ放圧力が高く、空間を運動する気体分子同士の衝突出される確率が最も高く、平行な方向（θ = π/2、

cos π/2 = 0）へ行くにつれて放出される確率が低が主となる流れは粘性流と呼ばれ、これは液体の流くなる。

れに近く、気体分子は流れやすい。一方、圧力が低く、気体分子と容器表面との衝突が主な流れは分子表面で散乱されて空間へ放出される分子数の方向流と呼ばれ、表面から散乱された分子の方向分布が分布は余弦（cos θ ）則に従う（図 1）。余弦則では余弦則に従うことからも流れにくい。超高真空シス

方位角 θ 方向へ散乱される頻度が cos θ に比例す

テムでは分子流領域の流れを扱うことになる。

るため、表面に対して浅い角度へ散乱される頻度は着目する流れがどちらなのかを判定するには、平低く、表面に対して垂直方向へ散乱される頻度は

均自由行程と真空容器の代表的寸法 d [m] を比較す高い。

ればよく、これらの比はクヌーセン数 Kn （無次元量）と呼ばれている。

日常目にする現象（ビリヤードの玉がクッションで反跳する様子等）を思い描くと、余弦則は直感的Kn :=に理解し難いのだが、余弦則では気体分子が表面に

平均自由行程代表的寸法

λd

衝突する前の入射角度の情報はリセットされ、どの=角度から入射されても気体分子が散乱する方位角方kT=√
2 πσ 2 pd

向は余弦分布にしたがうことを意味している。空間を運動する分子は等方的な速度分布を持っており、気体と表面の間に熱的平衡が成り立っていれば、表(10)

ここで、式（10）の導出に式（6）を使用している。
真空工学ではクヌーセン数を用いて流れを表 2 の面から放出される分子の方向分布は表面がないとき

ように分類している。粘性流と分子流の中間の流れの速度分布と同じになる。角度 θ 方向の立体角はは中間領域と呼ばれている。なお、他の分野では分cos θ に比例するため、方向分布は cos θ に比例す

類名やクヌーセン数の判定範囲が異なる場合がある

ると直感的に理解することができる。

ので、注意が必要である。

余弦則は実験的にも検証されており、例えば、鉄鋼とアルミニウム表面での窒素分子の散乱分布は余問）直径 220 mm の真空容器内で、温度 298 K

弦則と一致している [38]。このように通常使用され(25 °C) の空気の流れが分子流領域に入る圧力を求る真空容器のような材料表面では余弦則が成り立つ

めよ。流れの分類は表 2 に従うものとする（式 (7)と考えて良いが、清浄で均質な金属表面では表面のを使うとより簡単に計算できる）。

原子配列等を反映し、散乱後の方位角方向分布が余弦則に従うとは限らない [39]。

13容器(密度：𝑛 )箱(体積：𝑣 )(1)

𝑡 = 𝑡#

(3)

(2)
図2

𝑡 = 𝑡# + 𝑑𝑡

真空排気過程のモデル [1]S [m3 · s−1 ]、真空容器表面等からの総ガス放出量1.1.10 真空排気

Qs [Pa · m3 · s−1 ] である。t = 0 での圧力を定数

真空排気とはどのような過程なのか考える。図 2のようなモデルを考える。

p0 [Pa]、Qs を一定として、式 (11) を圧力 p(t) について解くと次式が得られる。

(1) あ る 時 刻 t0 [s] に 真 空 容 器（ 分 子 密 度
n [molecules · m−3 ]）に箱（体積 v [m3 ]）が取

p(t) =り付けられる。このとき、箱の中は空とする。

(2) 箱と中が気体分子で満たされる。このとき、箱

)
)
(
(
Qs
S
Qs
exp − t +
p0 −
S
V
S

(12)

このことから、排気開始直後は圧力が時間とともにの中の分子数は nv となる。

指数関数的に減少し、時間が十分経過すると p =(3) 短い時間 dt 後に箱を取り除くと、真空容器の

Qs /S [Pa] に近づくことがわかる。ここでは Qs を

気体分子数は nv 減る。

一定としたが、実際には時間の関数であり、式 (12)(4) (1)–(3) の過程が繰り返される。

よりも複雑な振る舞いとなる。なお、τ := V /S は排気の時定数と呼ばれる。

このモデルにおいて、箱に相当するものが真空ポンプである。真空ポンプの排気能力は単位時間に持ち去ることのできる（排気できる）気体の体積で問）排気速度 60 L · min−1 の真空ポンプを使い、体表され、排気速度と呼ばれる。単位は m3 · s−1 や積 0.1 m3 の容器を大気圧から 1 Pa まで排気するのに要する時間を式 (12) から求めよ（排気速度のL · s−1 等で与えられる。

単位に注意）。ガス放出はないもの（Qs = 0）とす

当然のことではあるが、排気を開始して真空容器

る。

内の密度が下がると、この一過程で箱が持ち去ることのできる気体分子の数は少なくなる。 また、こ理想的な排気システムにおいて、各種ガス放出がのモデルからも分かるとおり、排気の過程はあくま
で受動的であり、箱を取り付けた場所（真空ポンプ）程は次のとおりである。

にたまたま入り込んできた気体分子のみが容器外へ持ち去られることになる。

(1) 真空容器空間中を運動する気体分子の排気。圧

真空容器内の圧力の時間変化は、次の排気の式と力は時間 t に関して指数関数的に減少。

呼ばれる微分方程式を解くことにより得られる。

Vある場合の圧力の推移を図 (3) に示す。図中の各過dp= −Sp + Qs
dt(2) 真空容器表面に吸着した分子（主に水分子）の排気。圧力は t−1 に比例して減少。

(11)(3) 真空容器材料内から拡散してきた気体分子の排気。圧力は t−1/2 に比例して減少。

3

こ こ で 真 空 容 器 の 内 容 積 V [m ]、排 気 速 度

14で、図 (2) の場合は i = 6 である。このとき、気体分子が真空ポンプへ入るまでの時間 tp [s] は次式で与えられる。

tp =

∑

ti +

i

∑

τi

(15)

i

真空容器の代表的寸法を d [m]、分子の平均速度をv̄ [m · s−1 ]、表面における分子の平均滞在時間 τ [s]とすると、(
tp ≈ i

図3

各種ガス放出がある場合の圧力の推移 [1, 40]

d
+τ
v̄

)
(16)

と近似できる。
平均滞在時間は脱離に要する活性化エネルギー

Ed [J · molecules−1 ] によって次式で与えられる。
)
(
Ed
(17)
τ = τ0 exp
kT(4) 大気から真空容器材料を透過してきた気体分子の排気。排気システムの排気速度と透過による気体放出速度が平衡状態となり、圧力は時間に関して一定値を取る。

ここで、τ0 は固体表面での分子の熱運動による振このように、排気を開始してから十分時間が経過し動周期と同程度の大きさで、一般には τ0 = 10−13 s

た後にはガス放出は時間に関して緩やかに変化するとされる（Afreq = 1/τ0 は頻度因子とも呼ばれる）。

ため、また、式 (17) から分かる通り、τ は活性化エネル

Qs (t)
p(t) =
S

ギー Ed と温度 T に強く依存することがわかる。

(13)

超高真空システムにおいて目標圧力への到達を妨とすることができる。

げる主なガス種は、平均滞在時間の長い水と油であ

単位面積あたりから放出されるガス流量はガスる。大気の成分は N2：78.08%、O2：20.95%、Ar：

放出速度と呼ばれ、単位は Pa · m3 · s−1 · m−2 や0.93%、CO2 ：0.03 %、水蒸気：0.5–3%、油蒸気：

Pa · m · s−1 で表記される。真空容器内の平均ガス

0–0.0001% であり、油については努力により真空容

放出速度 qave [Pa · m3 · s−1 · m−2 ] = 一定、真空容器内に持ち込むことを防ぐことができる。しかし、器内の表面積 A [m2 ] とすると、式 (13) から到達圧

大気中の水の分圧は（水の飽和蒸気圧）×（相対湿力 pf [Pa] は次のように書くことができる。

度）で与えられる通り、真空容器を大気に晒す以上

pf =qave AS

は水分子の持ち込みを防ぐことはできず、これが目(14)

標圧力の達成を妨げる主要因となる。ちなみに、大気の成分がおおよそ N2 : O2 = 4:1 であることを覚えておくと大気リークの有無を判定できることが1.1.11 表面滞在時間とベーキングあり、便利である（1.2.4 項では具体例を紹介して真空容器表面に吸着していた分子が排気されるまいる）。

でのモデルを図 4 に示す。表面に吸着していた分子が表面滞在時間 τi [s] 経過後に脱離し、空間を飛ステンレス表面の場合、水分子は酸化クロム表面

行時間 ti [s] 進行し、真空表面に再び衝突すると吸に化学吸着しており、脱離に要する活性化エネル

着する、という過程を気体分子が真空ポンプへ突

ギーは約 890 meV · molecules−1 である。また、ガ入して排気されるまで i 回繰り返す。ここで、i はラス表面の場合、水分子は酸化シリコン表面に化

1.1.12 項で述べるコンダクタンスに反比例する量

学吸着しており、脱離に要する活性化エネルギー15𝜏 & 真空容器仕様にしておく。ただし、ガス導入ラインで使用しているバルブ等の機器には耐熱温度が低いものもあ

𝜏$

真空ポンプ

𝑡"
𝑡% 𝑡&
𝑡(
𝑡'

𝑡$
𝜏(

るため注意する。

𝜏"問）温度 150 °C のステンレス表面における水分子の平均滞在時間を求めよ。

𝜏'𝜏%

ヒーターを使った標準的なベーキングの手順は次

図 4 分子が排気されるまでのモデル [1]の通りである。

表 3 各温度における水分子の排気時間(1) ベーキングを始める前に、テスター等でヒー
ターに地絡がないこと、ヒーターが断線してい

25 °C

100 °C

ないことを確認する。可能であれば漏電ブレー

総飛行時間 [s]0.01520.0136カーを使用する。

総表面滞在時間 [s]1162

0.6135(2) 常用温度が 150 °C 以下の機器（ターボ分子ポ

排気までにかかる時間 [s]1162

0.6273ンプやトランスファーロッド等）には熱電対を設置して温度を常時モニターする。可能であれ
ば異常な温度上昇の検出でベーキングを自動中−1は約 920 meV · molecules

止するインターロックシステムを構築する。

である [41]。図 4 のモデル（i = 6）において、ステンレス表面におけ(3) 真空容器に可能な限り均一にヒーターを巻く。

る水分子の脱離に要する活性化エネルギー Ed =さらに真空容器全体をアルミホイルで覆い、可890 × 10−3 × 1.6 × 10−19 J · molecules−1 として、能であればこの周りをスパッタシート等の断熱

排気されるまでの時間 tp [s] を各温度について計算

シートで包む。

すると、表 3 になる。この結果からわかるように、(4) ヒーターへの通電を開始した後、クランプメー

真空容器の温度を上げることにより水分子の排気にタ等で漏洩電流が 1 mA 以下であることを確認要する時間を大幅に短縮できる。

する（漏電はないに越したことはないが、電気

真空装置を加熱し、水分子を短時間で排気する工設備技術基準等では低圧電路の許容漏洩電流が程はベーク（bake）またはベーキングと呼ばれる。

1 mA 以下とされている [42]）。異常発熱、漏ベーキングは真空装置全体を均一に 100–150 °C 程

電、発煙、異臭等がないか定期的に確認しなが度まで加熱し、経験的にはその温度を 24 時間程度

ら 150 °C 程度で均一に 24 時間程度加熱する。

保持する。水を短時間で排出するために、超高真空(5) ベーキング終了後の水分子の再吸着を避けるた

装置ではこの温度範囲でベーキングができる仕様にめ、真空容器が冷めないうちに熱陰極電離真空する。定量的には RGA（Residual Gas Analyzer、計等の脱ガスを伴う装置を立ち上げる。

残留ガス分析計。1.2.4 項を参照）を用いて、水分油については種類によって表面滞在時間が大きく子の強度が十分に下がったことを確認した後にベー異なる。Octoil と呼ばれる油拡散ポンプ（Diﬀusion

キングを終える。ベーキング対象の真空容器は均一

Pump、DP）用のエステル系作動油では温度 25 °Cに加熱することが望ましく、温度が低い領域があるで約 3 s、DC705 と呼ばれるシリコン系作動油ではとそこへ水分子が吸着し、ベーキング後にそこから

温度 25 °C で約 5 ×104 s の平均滞在時間と見積も水分子が再放出されてしまう。また、ガス導入ライられている [43]。 また、油やプラスチックは熱分解ンを使用する場合、これもベーキングできるようなすると質量が大きく、平均滞在時間の長い炭化水素16分子が生成される。例えば、鎖長 9 の炭化水素分子

1.1.12 コンダクタンス−1における物理吸着のエネルギー約 75.2 kJ · mol

ある真空容器 1 と 2 の間を導管で接続した場合を使うと [44]、平均滞在時間は温度 25 °C で約 2.6 sを考える (図 5)。容器 1 から 2 へ流れる正味の流量と見積もられ、このような質量の大きい炭化水素分

Q = Q1 − Q2 [Pa · m3 · s−1 ] と圧力の関係は、比例子を排気するためにもベーキングが必要となる。そ係数 C [m3 · s−1 ] を用いて次のように書くことがでのため、真空容器内に潤滑油や 150 °C 以下で熱分きる。

Q = C(p1 − p2 )解するプラスチックを入れてはいけない。
真空容器内に油等を持ち込まないためにも、次の(18)

この比例係数 C [m3 · s−1 ] は導管のコンダクタン

事項を守って作業をする。

ス（conductance）と呼ばれ、排気速度と同じ単位• 真空装置を設置する部屋は清浄に保つ。油蒸気を持つ。コンダクタンスは導管または開口での気厳禁。禁煙。

体の流れやすさを表し、電気回路における抵抗の• 作業台および周辺は純度 95% の特級エタノー

逆数に相当する。このことからも、導管 1（コンダルを染ませたワイパーで洗浄しておく。ワイ

クタンス C1 [m3 · s−1 ]）と導管 2（コンダクタンス

パーは塵を発生しない製品（キムワイプやベンC2 [m3 · s−1 ]）を並列または直列に接続した場合のコット等）を使用する。純度 99.5% のエタノー

合成コンダクタンス C [m3 · s−1 ] は、

ルには微量のベンゼンが残留しているため、使用しない（ベンゼンの吸着エネルギーは 48–

77 kJ · mol−1 で平均滞在時間が長い [45–47]）。
• 真空内部品はワイパーあるいは清浄なアルミホ(並列接続) C = C1 + C2
1
1
1
=
+
(直列接続)
C
C1
C2

(19)
(20)

イルの上に置く（アルミホイルにも油が付着しで与えられる。なお、直列接続で C1 > C2 とするていることがあるため、使用前にエタノールとC2と、C = CC11+C= 1+CC22/C1 < C2 となり、合成コ
2

ワイパーで洗浄しておくと良い）。

ンダクタンス C は小さい方のコンダクタンス C2
よりも必ず小さくなることに注意が必要である。

• 真空内部品、真空容器内を触るときは手をよ
く洗い、清浄な使い捨てビニール手袋を着用す

また、図 5 において容器 2 を真空ポンプに見る。喫煙直後の呼気で真空容器内を汚染する可立て、この排気速度を S2 [m3 · s−1 ]、容器 1 の導能性があるため、喫煙者はマスクを着用する。

管接続口での排気速度を S1 [m3 · s−1 ] とすると、

Q = S1 p1 = S2 p2 であることと、式 (18) から、• 真空内部品を扱う工具は全て脱脂洗浄してお
く。

S1 =

• 脱脂には原則として試薬瓶に入った純度 95%の特級エタノールを使用する。

S2 C:= Seﬀ
S2 + C(21)となる。Seﬀ は実効排気速度と呼ばれる（式 (11)

かつては脱脂洗浄にアセトンを使用することが等で出てくる S にはこの Seﬀ が実際には入る）。

あったが、アセトンは「有機溶剤中毒予防規則」に

S2< S2 であることからも、実効排気Seﬀ = S2 /C+1

より第 2 種有機溶剤に指定されているため、原則と速度は真空ポンプ単体が持つ排気速度 S2 よりも必して使用しない。また、アセトンは爆発物の原料とず小さくなる。真空ポンプがコンダクタンスの小さなり得る化学物質であるため、管理・取扱は厳しくい導管を介して真空容器に接続されていると、実効なってきている。やむを得ずアセトンを使用する場

排気速度はコンダクタンスで制限され、排気速度の合は、ドラフト内で使用し、廃液は適正に処理する

高い真空ポンプを使用しても（次の問題の解答のこと。洗浄瓶に入ったアセトンにはプラスチックがように）無意味になってしまう場合がある。そのた溶け込んでいることがあるため使用不可である。

め、真空排気システムを構築する上でコンダクタン

17

1.1.13 真空システムの構成例

容器1
容器2

導管
𝐶

𝑝"

超高真空排気システムの典型的な構成例を図 6に示す。真空容器を目標の圧力まで排気し、その圧𝑝#力を維持するためのポンプを主ポンプと呼び、この𝑄"ポンプが動作可能な圧力領域まで大気圧から排気す𝑄#るポンプを粗引きポンプと呼ぶ。この構成例では、主ポンプとしてターボ分子ポンプ (Turbomoleculer

図5

Pump、TMP) を使用しているが、TMP は吸気側圧導管で接続された 2 つの容器 [1]

力が 1 Pa 以上になると排気速度が大幅に低下する。
このため、TMP は油回転ポンプ（Rotary Pump、スを評価することは非常に重要である。

RP）等の粗引きポンプと組み合わせて使用する。
なお、粗引きポンプと似た言葉に補助ポンプとい問）真空容器と排気速度 0.5 m3 · s−1 の真空ポンプ

うものがある。補助ポンプは主ポンプが正常に動作を、コンダクタンス 0.3 m3 · s−1 の導管を介して接続した。真空容器における実効排気速度を求めよ。
また、真空容器と排気速度 0.2 m3 · s−1 の真空ポン指す。例えば、TMP や DP は補助ポンプがなければ定常的に動作できない。これに対して、主ポンプ

プを、導管を介さずに直接接続した場合の実効排気にイオンポンプ（Ion Pump、IP）、チタンサブリ

速度と比較せよ。

メーションポンプ（Titanium Sublimation Pump、

TSP）、クライオポンプ（cryopump）、非蒸発型ゲッコンダクタンスは流れやすさを表す量であること

タ (Non-Evaporable Getter、NEG) ポンプ等を使からも、同じ導管であっても粘性流と分子流で異用する場合、粗引きポンプで臨界値以下の圧力に到なる値をとり、前者におけるコンダクタンスは後達させた後、主ポンプを一度動作させてしまえば、者のものより大きいことが推測される。実際、温度それ以降は粗引きポンプを動作させる必要が通常

293 K (20 °C) の空気における、長い円筒導管のコ
ンダクタンス C [m3 · s−1 ] は次式で与えられる [9]。
4

d
p̄
L
3
d
(分子流) C = 121
L(粘性流) C = 1349

できる臨界値以下の圧力を維持するためのポンプをはない。そのため、これらの主ポンプに補助ポンプは必要ない（IP や NEG ポンプ単体使用での到達圧力より、粗引きポンプの到達圧力が高い場合もあ(22)り、粗引きポンプが到達圧力を上げてしまうこともある）。ただし、圧力がこれら主ポンプの動作範囲(23)より高くなってしまった場合等には、再度粗引きポ

ここで、円筒導管の直径 d [m]、円筒導管の長さンプを使用する必要はある。

L [m]、円筒導管の平均圧力 p̄ [Pa] である。したRP は圧力差の維持や潤滑のためにオイルを使用

がって、コンダクタンスを大きくするためには可能
な限り真空配管を太く短くする必要がある。また、粘性流でのコンダクタンスは平均圧力 p̄ [Pa] に比しており、このオイルで吸気側および排気側を油蒸気等で汚染する。そのため、RP と TMP の間には
油蒸気や水蒸気を捕獲し、真空装置側にこれを拡例するのに対し、分子流でのコンダクタンスは圧力散させないためのフォアライントラップ（forelineに依存しない。これは分子流領域で分子の移動量がtrap）と呼ばれる装置を設置する。フォアライント

容器表面との衝突だけで決まることを意味していラップの中には乾燥した活性アルミナが充填されてる。

おり、これが汚れた場合は捕獲能力が下がるため、定期的に交換する必要がある。
停電等で RP が停止した場合、ポンプ内のオイ

18



ゲートバルブ
ターボ分子ポンプ
アングルバルブcv

cv

アイソレーションバルブ
フォアライントラップ

オイルミストフィルタ

ピラニ真空計油回転ポンプフレキシブルチューブ
cv

cv

cv

油吸収シート図6

超高真空システムの構成例 [1]ルが圧力差で空容器へ上がってしまうことがある。

する必要がある。フィルタに吸着したオイルが酸化

このオイルの逆流を防止するために、フォアライン

するとフィルタが目詰まりし、内部の圧力が上昇しトラップと RP の間にアイソレイトバルブ（isolateてオイルミストトラップが破損することがある（実valve）と呼ばれる装置を取り付ける。アイソレイ

際、私もオイルミストトラップを破裂させたことがトバルブは、油回転ポンプが停止した後に自動で真あるが、非常に大きな破裂音がして腰が抜けた）。

空容器側を真空封止し、さらに油回転ポンプ側を大さらに、RP からのオイル漏れ等で部屋の床を汚気開放（ベント、vent）するため、オイルの逆流を染しないためにも、ポンプの下には油吸収シートを防止することができる。このバルブは RP の真空排敷いておくと安全である。油汚染が厳禁な環境等に気を使って駆動するため、圧縮空気は不要である。

おいては粗引きポンプに RP 等ではなく、オイルフ

また、バルブ付属の電磁弁への電力供給をポンプのリーのドライポンプ（dry pump）を使用する。

電動機と連動させて行うため、特別な制御回路は不

ここでは TMP の背圧側圧力をモニターするた要である。なお、アイソレーションバルブは真空グ

めにピラニ真空計（pirani gauge）を使用していリースを使用しているため、これを設置する場合はる。RP で排気を開始してからこの真空計で圧力が真空容器側にフォアライントラップが必要となる。

TMP の動作範囲に入ったことを確認した後、TMP

RP は油蒸気が排気側から排出されるため、排気を立ち上げる（教科書的ではないが、実際は圧力が口にはオイルミストフィルタ（oil mist ﬁlter）と呼動作範囲に入っていない状態で TMP を立ち上げてばれる装置を設置する。ただし、このフィルタではもコントローラが自動制御し、不具合があればイン油蒸気の 90% 程度しか取り除くことができないた

ターロックで動作を止めるため、そこまで神経質にめ、たとえこのフィルタを使ったとしても室内に油ならなくても良い）。

蒸気を放出し、同じ部屋に置いてある他の真空機器

メ ン テ ナ ン ス 性 を 確 保 す る た め 、こ の 例 で は等を汚染する可能性がある。そのため、オイルミス

TMP の吸気側にゲートバルブ（gate valve）、背トフィルタの排気側に塩化ビニル製のチューブ等を圧側にアングルバルブ（angle valve）を取り付けて接続して、排気を室外へ誘導することによりこれをいる。例えば、真空ポンプのメンテナンス等で真防ぐことができる。また、フィルタは定期的に交換

空容器内をベントせずに TMP を取り外したい場

19

合にこのゲートバルブを使用する。リークテスト

オイルフリーの真空ポンプを使用する。

（leak test、漏れ試験）を行うためのリークディテ– 潤滑油、真空グリースは使用不可。摺動部

クタ（leak detector）と呼ばれる装置等を取り付けには固体潤滑剤を使用する。

るため、TMP とアングルバルブの間に T 字管を取

– ガス導入ラインもオイルフリーとする。

付、ここにバルブをもう 1 台設置する場合もある。

– 実験室内の空気をオイルフリーに保つ。
– リークを完全になくす。封じ切りではない
超高真空装置における全リーク量は 1 ×

1.1.14 超高真空システム製作の要点−8

ここでは到達圧力 10

10−11 Pa · m3 · s−1 以下が望ましい（1.2.5

Pa 台の超高真空システ

ムを製作する際に留意すべきポイントをまとめる。
要は式 (14) の分子を小さく、分母を大きくする。

項を参照）。

• 実効排気速度 Seﬀ を大きくする。
– TMP、NEG ポンプ、IP 等の超高真空領• 超高真空装置内の平均ガス放出速度 qave と表域で高い排気速度を持つ真空ポンプで排気面積 A を小さくする。

する。

– 室温でガス放出が少ない材料を使用する。
– 真空容器内の水分子を排気できるように、
150 °C 程度でベーキングできる仕様に– 排気システムに使用する配管は太く・短くして、コンダクタンスを可能な限り大きく
する。

する。

– 半田、真鍮、亜鉛など 150 °C での蒸気圧が高い金属は使用しない。

– 150 °C で熱分解する高分子材料等は使用しない。

– 多孔質（ポーラス、porus）構造を持つ材料
はガス放出量が多いため、使用を避ける。

– ガス導入ラインを使用する場合、これもベーキングできる仕様にする。ただし、機器によっては耐熱温度が低いものがあり、このような機器を使用する場合は 80 °C 程
度の少し低い温度で長時間ベーキングしても効果的である。

– 水を含んだ材料は使用しない。大気圧ベントは乾燥窒素で行う。

– 真空容器表面と真空容器内部品は電解、あるいは化学研磨して純水洗浄する。

– ベアリング、配線材料等は特級エタノールで脱脂洗浄する。

– 真空内部品は清浄なビニール手袋を着用して扱う。

– 真空内部品を扱う場合は脱脂洗浄した工具を使用する。

– 磁気浮上型 TMP、NEG ポンプ、IP 等の20

1.2 真空計と計測原理

ブルドン管真空計

真空計は全圧計と分圧計に分類できる。真空容器

ブルドン管真空計（Bourdon tube gauge）は弾

内には様々なガス種が存在しているが、前者はそれ性真空計の一種で、図 8 のような構造を持つ。ブ

らを区別せずに全ての気体分子の圧力を測定し、後ルドン管は弾性体で作られた断面が楕円形の中空管

者は気体の種類ごとの圧力を測定する。全圧計は測を指し、ブルドン管の内部が減圧または加圧される定に利用している現象により分類され、機械的現と、外部との圧力差でブルドン管が変形する。この

象、気体の輸送現象、気体の電離現象に基づいて圧変形量を指針の動きに変換して圧力値を指示する。

力を測定する。図 7 の通り、各種全圧計はいずれもこのようにブルドン管は測定対象の圧力と大気圧測定できる圧力範囲が限られている。分圧計は気体の差を測定しており、指示値 0 は大気圧に相当するの電離現象を利用しており、イオン化したガスの分（これは相対圧力、ゲージ圧力等と呼ばれる）。測定

析方式で分類される。

圧力が大気圧以下の場合は真空計、大気圧以上は圧力計、どちらも測定できる場合は連成計と呼ばれて本節では代表的な真空計について解説する。圧力の計測をする上で注意する事柄として、真空計の取いる。
ブルドン管真空計の特徴は以下の通りである。

付位置と熱遷移ついても簡単に触れる。

• 圧力の測定範囲は絶対圧力で大気圧以上から

1.2.1 機械的現象に基づく全圧計

100 Pa 程度である。

弾性体を隔壁媒体とし、差圧による弾性体の変位• ガス種依存性がない。

から圧力を求める真空計は弾性真空計と呼ばれ、大• 設置姿勢の影響があり、メーカーで取り付け姿

気圧から中真空領域の圧力測定に使用される。

勢を指定している場合がある。

• 温度依存性があり、メーカー指定の使用温度範

]

P
BA
AT



図7

















代表的な全圧計の測定圧力範囲 [1]。測定圧力範囲は機種にもよるため、詳細はメーカーのカタログ等を参照。

21[










図8

 

ブルドン管真空計の概略構造 [1]
図 9 絶対圧型隔膜真空計の概略構造 [1]囲がある。
囲の異なる複数の隔膜計を組み合わせて使用• 相対圧力計のため、指示値に環境大気圧の依存

する。

性がある。

• 真空系に電気的・熱的影響を与えない。

• 真空系に電気的・熱的影響を与えない。

• 信頼性が高く、校正基準に使用されることが
隔膜真空計

ある。

隔膜真空計（diaphragm gauge）は弾性真空計の1.2.2 気体の輸送現象に基づく全圧計

一種で、内部はダイアフラムと呼ばれる圧力差によ熱伝導や、運動する個体の表面と気体分子との運り弾性変形する薄い金属製またはセラミック製の膜

動量授受が気体の圧力に依存することを利用した真によって空間が隔たれている（図 9）。一方の参照側
空間は真空封止され、内部に固定電極を設置する。

空計であり、中真空から高真空領域の圧力測定に使用される。

他方の空間は測定側空間で、真空容器等の測定対象

ピラニ真空計に接続する。ダイアフラムの変形量は両空間の圧力差に比例し、この変形量を固定電極とダイアフラム

ピラニ真空計は熱伝導真空計の一種で、図 10 に間の静電容量の変化量として測定する真空計であ示しているように、内部は Pt や金メッキしたタンる。参照側空間の圧力を低く保つために、ゲッター

グステン等で作られたフィラメント（直径 10 µm程度の金属細線）を張っただけの簡単な構造をして材（気体を吸着する材料）を封入している機種もある。図 9 の参照側を真空封止せず、測定側と同様、おり、粘性流から分子流領域においてフィラメント
に気体分子が衝突して持ち去る熱量を測定して圧力接続配管を配置して両空間の差圧を測定する差圧型を求める。

隔膜真空計もある。

ピラニ真空計を動作させる電気回路には定温度型

隔膜真空計の特徴は以下の通りである。

と呼ばれるものが一般的には採用されている。この−2• 圧力の測定範囲は大気圧以上から 10

Pa で方式ではフィラメントをブリッジ回路に組み込み、ある。

フィラメントの温度（抵抗）が一定になるように• ガス種依存性がない。

ジュール加熱電流を制御する。フィラメント温度を• 温度依存性があり、通常カタログにデータが記一定にするために要する電力が圧力に依存して変化載されている。

することを利用して圧力を求める。

• 1 台の隔膜真空計で測定できる圧力範囲は 3 桁

測定範囲の上限を広げるため、フィラメントと程度。幅広い圧力を測定するためには測定範

22

フィラメント

ブリッジ回路
図 10

真空容器

ピラニ真空計の概略構造 [1]ケースの間に中間円筒等を入れて対流を促進した形
式では大気圧まで測定可能なコンベクトロン真空計（Convectron® gauge）等の製品もある。ただし、対流を利用する場合は真空計の取り付け姿勢が測定
図 11 ピラニ真空計のガス種依存性 [1, 48]

値に影響する場合がある。
ピラニ真空計の特徴は以下の通りである。

が目標に達していても、実際のヘリウムの圧力は低• 圧力の測定範囲は 103 Pa から 10−2 Pa であいということが起こりうる。

る。コンベクトロン真空計は大気圧から測定

水晶摩擦真空計可能。

水晶摩擦真空計（crystal gauge）は粘性真空計の• 熱的適応係数に応じたガス種依存性がある

一種で、水晶振動子を共振周波数で発振させ、気体（1.2.8 項を参照）。

分子との摩擦によって生じる交流インピーダンスの• フィラメントが汚れると正しい圧力を示さなく変化を利用して圧力を測定する（図 12）。気体の抗なる。

力によるインピーダンスは分子流領域で分子量の• 真空系に電気的・熱的影響がわずかにある。

1/2 乗と圧力に比例し、粘性流領域では気体の密度

ピラニ真空計におけるガス種依存性の例を図 11と粘性係数の積の 1/2 乗に比例する。

に示す。ピラニ真空計に限らず、通常真空計は窒素

水晶振動子の寸法は長さ数 mm、幅 1 mm 程度

分子に対して校正されており、 他のガス種に対しと小さいため、CCG 等の真空計と組み合わせた複て圧力を測定する場合には測定値を補正する必要が合真空計として大気圧から超高真空領域の圧力まである。感度が低圧力側で高くても、高圧力側で低い測定できる製品もある。

ガス種があることに注意が必要である。

水晶摩擦真空計の特徴は以下の通りである。

真空計の指示値が大気圧以下でも、実際の圧力が• 圧力の測定範囲は大気圧から 10−2 Pa である。

大気圧以上になっていることがある。例えば、ピラ• 分子流領域では分子量、粘性流領域では分子量

ニ真空計の指示値を見ながら真空容器をアルゴンガと粘性係数に応じたガス種依存性がある。

スパージ（purge、置換の意）する場合、実際のア• 温度依存性があるが、補正機能を持つ製品もルゴンの圧力が 1 kPa 以上になっていてもピラニある。

真空計の指示値は変化しない。このとき、ピラニ真• 真空系に電気的・熱的影響を与えない。

空計の指示値を鵜呑みにしてしまうと真空容器内は高圧となり、最悪の場合ビューポート等が内側から

1.2.3 電離現象に基づく全圧計

破損する可能性があり大変危険である。同様にヘリ気体分子を電離（イオン化）し、イオン電流（気ウムガスでパージする場合、ピラニ真空計では圧力体密度）を測定して圧力を求める真空計は電離真空

23



10


(Au/Cu)   1
10-1
10-2




10-3
10-4

10-3

粘性流
Z-Zo ∝ ( ρη)1/2∝ (M Pη)1/2

分子流
Z-Zo ∝ M 1/2P

N2



102

[kΩ]

103

10-2

10-1

1

10

圧力 P (Pa)

102

103

104

105

 [Pa]

図 12 水晶摩擦真空計の音叉型振動子（左）と共振状態における交流インピーダンス（右） [1, 48]

ることによりイオン化する。カソードからアノードへ到達する電子電流 Ie [A]、電離により生成された
イオン電流 Ii [A] とすると、

Ii = Sh Ie p

(24)となり、比例係数 Sh [Pa−1 ] は感度と呼ばれる。感度は気体のイオン化断面積に比例し、イオン化断面積は電子エネルギー 100–150 eV にピークを持つことから、アノードには 100–150 V を印加するのが
図 13

一般的である。また、ガス種によってイオン化断面熱陰極電離真空計の概略構造 [1]積は異なるため、感度にはガス種依存性がある。電離真空計も通常は窒素で校正されており、窒素の感計と呼ばれ、超高真空領域の圧力測定ができる唯一度 SN2 、ガス種 x の感度
Sx 、ガス種 x の真の圧力の真空計である。イオン化には電子を利用する方式が一般的である。

px [Pa] とすると、真空計の指示値 p′ [Pa] は次式で!" 与えられる。

熱陰極電離真空計

p′ = px

熱 陰 極 電 離 真 空 計（hot cathode ionization

Sx
#
SN2

(25)

gauge）は図 13 に示している通り、電子源のカ

ここで、Srx := Sx /SN2 は比感度係数と呼ばれてソード（cathode、陰極）、集電子電極のアノードいる。

（anode、陽極）、集イオン電極のイオンコレクタの

参考にメーカーの取扱説明書に記載されている比三要素から構成されている。

感度係数を表 4 に示す。電離真空計の種類が変わっ

一般的に熱陰極にはタングステン製のフィラメンても比感度係数は 10% 程度で一致するため、測定トが使用される。フィラメントに通電・ジュール加するガス種がわかっていればこの表を元に指示値を熱して放出された熱電子はアノード電圧 VA によ

補正しても大きな差異は出ない。正確には製品ごとり加速される。アノードには 100–300 V が印加さの比感度係数を使って補正する必要がある。

れ、これが気体をイオン化する電子のエネルギーを

熱陰極電離真空計の特徴は次の通りである。

決める。熱電子が周囲のアース電位へ逃げないよう• 熱陰極電離真空計を構成する三要素の形状・にするため、カソードには 10–100 V のカソード電配置により、複数種類の真空計がある。これ

圧 VC が印加される。印加され気体分子に衝突させらを総合すると圧力の測定範囲は 10 Pa から24

10−11 Pa である。

表4

熱陰極電離真空計の比感度係数 [49]

• イオン化断面積に応じたガス種依存性がある。
ガス種

比感度係数

ガス種

比感度係数

ト等をした後にフィラメントに通電するとそこ

He

0.18

O2

1.01

からガスが放出されるため、正確な測定には十

Ne

0.30

CO

1.05

分時間を置く必要がある。

H2

0.46

H2 O

1.12

• ア ノ ー ド 表 面 で の 電 子 刺 激 脱 離（Electron

N2

1.00

Ar

1.29

Stimulated Desorption、ESD）等があるため、

Air

1.00

CO2

1.42

• 真空系に電気的・熱的影響を与える。大気ベン

超高真空領域での正確な圧力測定には十分に脱ガスする必要がある（アノードとイオンコレク
タを 500 °C まで加熱できる製品もある）。た

メーカーによっては真空計の電極類を囲うケース

だし、脱ガスを過度に行うと電極を変形させるがなく、真空計を直接真空装置に取り付けるヌードことがあるため、注意が必要である。

型熱電離真空計と呼ばれる機種が用意されている場• フィラメントには寿命がある。特に、水や酸素合がある。これを使用すると、測定対象と真空計をの分圧が高い環境下での使用や、通電を止めず繋ぐ導管による圧力の測定誤差を無くすことがでに大気ベントするとフィラメントが酸化して断きる。

線する場合がある。また、通電を止めた直後も冷陰極電離真空計

フィラメントは高温になっているため、1 時間

ガラス管の両端に電極を取り付けて高電圧（High

程度待ってからベントする。

Voltage、HV）を印加すると、ガス管内部の気体の• 長寿命の熱陰極電離真空計として、アノードと種類と圧力によって様々な色やパターンの放電が観イオンコレクタに白金クラッドモリブデンを使察される。この色やパターンからガラス管内の圧力用した製品もある。

を見積もる真空計はガイスラー管（Geissler tube）と呼ばれている。ガイスラー管では圧力を数値とし

熱陰極電離真空計で加速された熱電子がアノードて得ることはできないが、圧力と放電電流の相関をに衝突すると、そこから制動放射により軟 X 線が取ることで定量的に圧力を求めることができる。

放出される。この軟 X 線がイオンコレクタに入射すると、光電効果により電極から光電子が放出し、これによりイオンコレクタには正の電流が流れる。

しかし、分子流においてガイスラー管では放電が持続せず、圧力は測定できない。分子流領域で放電を持続させるため、永久磁石により外部から磁場

これは軟 X 線効果と呼ばれ、熱陰極電離真空計のを加えて電子を螺旋運動させ、気体との衝突確率測定下限を決める。
三極管型電離真空計はイオンコレクターの面積がを高めた真空計が冷陰極電離真空計（Cold Cath-

大きいため、軟 X 線による光電子電流は 10−10 A

ode Gauge、CCG）である（図 14）。アノードに（圧力に換算して 10−5 –10−6 Pa）にもなり、測定は 3–6 kV が印加される。放電電流 Id [A]、感度圧力の下限は 10−5 Pa 程度である。軟 X 線効果がSc [Pa · A−1 ] とすると、圧力は次式で与えられる。

小さくなるように電離真空計を構成する各要素のp = Sc Idl(26)

形状・配置等に工夫が施された機種に BA 真空計（Bayard-Alpert gauge）やエクストラクタ真空計

ここで、l = 1–4 の値をとり、これは電極の構造や（extractor gauge）があり、測定圧力の下限が前者

圧力に依存する。このため、熱陰極電離真空計と比は 10−8 –10−9 Pa、後者は 10−10 Pa 程度まで下げ

べて放電電流 Id と圧力の線型性は劣る場合が多い。

CCG においても式 (25) が適用でき、測定するガられている。

ス種がわかっていれば表 4 を元に指示値を補正し25

ても大きな差異は出ない。正確には製品ごとの比感

電極度係数を使って補正する必要がある。

𝑉"

CCG の特徴は次の通りである。

𝐵• 電極配置等によりぺニング型、マグネトロン型、逆マグネトロン型がある。これらを総合す
ると圧力の測定範囲は 1 Pa から 10−10 Pa で

真空計ケースある。

• 熱フィラメントを持たないため、大気圧で高電

図 14

逆マグネトロン型 CCG の概略構造 [1]圧を印加しても壊れない。

• イオン化断面積に応じたガス種依存性がある。

1.2.4 分圧計

• 高真空以上の圧力領域では CCG に高電圧を印

全圧が同じでも真空容器内に含まれるガス種に加するとすぐに放電が始まるが、超高真空ではよっては真空の性質が異なる場合がある。この真空放電が始まらないことがある。一度放電が始まの質を判断するために、ガス種ごとの圧力を測定ればそれはしばらく持続する。

する分圧計を使用する。気体を質量分離（正確には• 真空系に電気的・熱的影響を与える。放電が始

m/z 分離）して測定することから、質量分析計とも

まるとガス放出があり、正確な測定には十分時呼ばれる。また、真空容器内の残留ガス分析に用い間を置く必要がある。

られることから、RGA とも呼ばれる。

• IP と同じ構造をしており、10−5 –10−6 m3 · s−1

基本的な構造は熱陰極電離真空計に類似してお程度の排気速度を持つ。

り、熱フィラメントから放出した熱電子により気体• 電極に汚れが蓄積すると実際の圧力より低い値をイオン化し、生成されたイオンをコレクタに集めを示す。汚れの蓄積を避けるため、高真空領域てイオン電流として気体密度を測定する。分圧計の以上での使用を避ける。

場合は、これらイオン化部と検出部の間にイオンの• 軟 X 線効果がない。

質量を分離する質量分析部が配されていることに熱• B ≈ 0.2 T の磁束密度を印加するため、真空

陰極電離真空計と違いがある。イオン化部には熱陰計周辺に磁場の影響がある。例えば、KEK の

極電離真空計と同様の構造をした開放型イオン源がcompact ERL（Energy Recovery Linac、エネ

一般的には使用されている。質量分析の方式には四ルギー回収型リニアック）では CCG の漏洩磁極子型（Quadrupole Mass Spectrometer、QMS。

場がビームに悪影響を及ぼした事象が報告され

通称キューマス）、磁場偏向型、飛行時間型、イオンている [50]。

トラップ型等に大別される。分圧計では検出部での逆マグネトロン型は放電空間ほぼ全域にわたっ

電流が微小となる場合があることから、ファラデーて一様な磁場が得られ、l が 1 に近い値をとる。まカップ（Faraday cup）だけでなく二次電子増倍管

た、イオンはアース電位の真空計ケースへ、電子は（Secondary Electron Multiplier tube、SEM）等を棒状電極へ加速・衝突するため、棒状電極がスパッ備える機種もある。また、リークテストに使用する

タされて細くなってくることがない。このような理ヘリウムリークディテクタは、ヘリウムの測定に特由から、現在は逆マグネトロン型が多く使用されて化した分圧計である。

いる。

分圧計の特徴は次の通りである。

• 測定範囲はおよそ 10−2 Pa から 10−12 Pa であるが、1 Pa 付近まで測定できる製品もある。

26

イオン電流 [arb. unit]• イオン化断面積に応じたガス種依存性がある。
• 真空系に電気的・熱的影響を与える。フィラメ
ントに通電するとそこからガスが放出される
ため、正確な測定には十分時間を置く必要がある。

• 動作させるためには PC が必要で、通常メー
カーにより製品専用のソフトウェアが用意され

m/z

ている。

• 四極子型とイオントラップ型は残留ガス分析に、磁場偏向型はヘリウムリークディテクタに、

図 15

リークがある場合のマススペクトル例 [1]

飛行時間型は高分子ガス分析に使用される。
種の分子量にピークが出現するが、これら以外にも

横軸を m/z （m over z と読む。イオンの質量ピークが現れることがある。例えば、 m/z 44 はを統一原子質量単位で割り、さらにイオンの価数で

2+
+
+
CO+
2 であるが、これに対応して CO2 、CO 、C 、

割って得られる無次元量）、縦軸をイオン電流や分圧で示したグラフをマススペクトル（mass spectrum）と呼ぶ。

O+ のような CO2 が解離して生成されたイオンも観測されることがある。図 15 では N+ や O+ が検出されているが、これらはそれぞれ窒素分子と酸

m/z は質量電荷比と呼ばれることがあるが、日本素分子が解離して生成されたイオンである。これら

質量分析学会ではこれを推奨していない [51]。なぜはクラッキングパターン（cracking pattern）またならこれを文字通り取ると、質量電荷比はイオンの質量をイオンの電荷数で割った値であり、例えば、窒素（分子量 28.01）の 1 価イオンの質量電荷比ははフラグメンテーションパターン（fragmentation

pattern）と呼ばれる。クラッキングパターンの各ピーク比は、質量分析部の種類や RGA の機種にも28.01 u ÷ 1.60 × 10−19 C 等となり、m/z の定義と依存する。

は全く異なるためである（単位 u は統一原子質量m/z 28 の信号のみを見ていると、CO+ と N+
2

単位で、1 u = 1.66 × 10−27 kg）。また、例えば窒素の 1 価イオンは厳密には m/z ≈ 28 であるため、

m/z = 28 と表記することは非推奨で、m/z 28 とを区別することができないが、一酸化炭素であればC+ の m/z 12 と O+ の m/z 16 に、窒素分子であれば N+ の m/z 14 に子ピークが現れる。この表記することが推奨されている（本テキストもこれようにクラッキングパターンを調べることによってを踏襲している）。

m/z 28 のガス種を特定することができる。残留ガマススペクトルの例を図 15 に示す。ここでまず

ス分析で検出される主なガス種や子ピークを表 5 に目に留まるのは m/z 18 の H2 O+ による高いピー示す。

クである。m/z が 39 以上における主なピークはヘリウムリークディテクタは、ヘリウム専用の質

炭素数が 3 以上の炭化水素であることからも、この真空容器はベーキング不足であることがわかる。
+
m/z 28、32 のピークはそれぞれ N+
2 と O2 による量分析計と排気システムが一体となった漏れ検査装置であり、真空容器の容量にもよるが、リークディ
テクタ 1 台で排気からリーク試験までを行える。ヘ信号であり、1.1.11 項でも述べた通り、その強度比

リウムリークディテクタの構成例を図 16 に示す。

が 4 : 1 であることから、真空容器内部に大気が入

一般的に質量分析部には磁場偏向型、排気システム

り込んでいる状態、つまり大気リークがあることをの主ポンプには TMP が用いられる。校正するため示している。

にヘリウム標準リークが内蔵されている。イオン化

このようにマススペクトルの横軸には概ね各ガス

27

表5

真空装置内の主なガス種

m/z

イオン

残留ガス種

備考

1

H+

H2 、H2 O、炭化水素

-

2

H+
2

H2 、H2 O、炭化水素

主な発生源は真空容器材料内からのガス拡散ま

12

+

C

CO、CO2 、炭化水素

-

14

2+
N2+
、CH+
2 、CO
2
+
CH3
+
+
O2+
2 、O 、CH4

N2 、CO、炭化水素

-

炭化水素

-

O2 、酸素化合物、CH4CH4 であれば m/z 15、14、13 に子ピークが現

たはガス分子から解離した水素の再結合。

1516れる。TSP や NEG ポンプは CH4 を排気しにくいため、これらを使用した真空容器では多く検出されることがある。

17

+

H2 O

H2 O の子ピーク。

+

H2 O

ベーキング不足の真空容器で多く検出される。

OH

18

H2 O

20

2+

Ar

22

CO2+
2
+

m/z 17、16 に子ピークが現れる。

28

CO

+
、N+
2 、C2 H4Ar

Ar の子ピーク。

CO2

CO2 の子ピーク。

CO、N2 、炭化水素

炭化水素であれば、m/z 27（C2 H+
3 ）も子ピー
クとして検出される。N2 であれば m/z 14 に子ピークが現れる。m/z 28、32 に対して 4:1 で検出されていた場合は大気リークの可能性あり。

CO2 の子ピークでもある。
32

O+
2

39

C3 H+
3
+

40

Ar

、C3 H+
4

O2

-

炭化水素

-

Ar、炭化水素Ar であれば m/z 20 に子ピークが現れる。クライオポンプ以外の気体溜め込み式ポンプは Ar
を排気しにくいため、これらを使用した真空容器では多く検出されることがある。また Ar は
大気に約 1% 存在するため、大気リークの可能
性あり。

41
42
43
44

C3 H+
5
C3 H+
6
C3 H+
7
CO+
2

炭化水素

-

炭化水素

-

炭化水素

-

CO2

ベーキング不足の真空容器で多く検出される。

m/z 28、16、12 に子ピークが現れる。

28

質量分析計

1.2.5 リークテスト

真空容器

真空装置を組み上げた後、その気密性を調べるためにリークテストを行う。許容できる漏れの大きさ

標準リーク

バルブ1

吸気側

は目標到達圧力や装置構成等にもよるが、基本的にTMP

は真空装置内の全ガス放出量に比べてリーク量が無視できる（2 桁）ほど小さければ許容できると考え

排気側
バルブ2

る。例えば、排気速度 0.5 m3 · s−1 のポンプで排気

ベントバルブしている超高真空システムにおいて、全ガス放出量

フォアバルブが 1 × 10−8 Pa · m3 · s−1 であると、ガス放出由来の圧力は 2 × 10−8 Pa となる。全リーク量がこれ

バルブ3

より 2 桁小さい 1 × 10−10 Pa · m3 · s−1 であれば、ピラニ真空計リーク由来の圧力は 2 × 10−10 Pa となり、このリー

粗引きポンプクは許容できるであろう。
し た が っ て 、最 大 許 容 リ ー ク 量

図 16 ヘリウムリークディテクタの構成例 [1]Lmax [Pa · m3 · s−1 ] は 、平 均 ガ ス 放 出 速 度
qave [Pa · m3 · s−1 · m−2 ] と 真 空 容 器 内 表 面 積

部ではフィラメントを使用しているため、 10−2 Pa

A [m2 ] により、以下にならないと動作できない。しかし、検査時間

Lmax = 10−2 qave Aを短縮したい場合や、ガス放出が大きくて圧力が下がらない場合でもリーク試験ができるよう、ヘリウ

(27)

と書ける。

ムが TMP を逆拡散（カウンターフロー、counter

気体輸送式ポンプを使用した真空システムではこﬂow）することを利用した漏れ検査ができるようにの許容リーク量でほとんど問題になることはない

なっている。

が、気体溜め込み式ポンプを使用した封じ切りの真TMP の圧縮比は He や H2 等の質量の小さい

空システムでは、装置の内容積 V [m3 ]、装置が稼ガスに対して小さく、これより質量の大きいガス

働できる最大圧力 pmax [Pa]、装置の想定稼動時間に対しては大きい。そのため、真空容器の圧力がT [s] により、100 Pa 程度のとき、バルブ 1 と 2 は閉じ、バルブ 3

Lmax =とフォアバルブを開けると水や窒素などの残留ガ

pmax VT(28)

スは TMP を逆流せず、粗挽きポンプで排気されると書ける。一般的にこのような封じ切りシステムのが、ヘリウムの場合はある程度の割合で TMP を逆方が許容リーク量は小さく、リークテストの合否水

拡散して質量分析計へ到達する。これにより真空容準が厳しくなる。

器の圧力が高くてもリークテストを実施できる。

許容リーク量のおおよその目安を表 6 にまと

この場合、テストができる下限のリーク量は高くめる。

なるため、微小リークの検査は難しい。真空容器のリークテストは、減圧されている真空容器のフラ

圧力を下げ、バルブ 2、さらにバルブ 1 からガスをンジや溶接部等のリークが疑わしい箇所へガス等を導入して試験した方がより微小なリークを検出でき

吹きかけ、このガスが容器内に侵入しているかを調る。通常、どのバルブを用いて試験をするかはリー

べる方法（真空法）が一般的である。このとき、吹クディテクタが判断し、真空容器の圧力に応じて自きかけるガスはプローブガス（probe gas）と呼ば動でバルブの切り替えが行われる。

れ、このような漏れ探しの手法をプローブガス法またはサーチガス法と呼ぶ。プローブガス法の中で

29

表6

各種真空装置における許容リーク量の目安

イントで特定することが難しい場合がある。また、
リークディテクタとは別に粗排気を並行して稼働さ装置

小型封じ切り超高真空大型封じ切り超高真空小型超高真空大型超高真空大型高真空

許容リーク量

せている場合、ヘリウムは粗排気のラインで使用しPa · m3 · s−1ているバイトン製 O リング等を透過し、TMP 等を−13≈ 1 × 10

逆拡散してリークディテクタで検出されてしまうこ（検出限界）とがある。さらに、ガラス製のビューポート等もヘ

−12

以下

リウムが透過しやすく、透過したヘリウムがリーク

−12

以下

ディテクタで検出されてしまうこともある。

−11

以下

フード法は試験対象をビニル袋等のフードで囲

以下

い、その中にプローブを挿し入れてヘリウムガスを

1 × 101 × 101 × 10−7

1 × 10

局所的に充満させる手法である。フードを設置する必要があるが、フードによりバイトン等からのヘリも、プローブガスにヘリウムガスを適用した真空吹

ウム透過を避けることができ、リーク箇所の特定が付け法（スプレー法）または真空外覆法（フード法）

容易になる。また、図 17 のように試験対象全体をがよく用いられる。ヘリウムは次のようなプローブ

フードで囲わず、リークの疑わしいフランジ等のみガスに適した特徴を持つ。

にビニルテープを巻きつけ、その中にヘリウムガ
スを吹きかけることにより、さらに局所的に漏れ• ヘリウムイオンは m/z 4 であるが、m/z 4 に探しをする場合もある。この場合、プローブをビニなるガス種はヘリウムの他にはほとんどなく、
また m/z 3, 5 になるガス種も少ないため、ヘ

ルテープ内へ挿し入れることが通常はできないた
め、注射器のようなものにヘリウムを充填し、針先リウムイオンは識別がしやすい。

をビニルテープに挿し入れてガスを注入する方法も• 分子直径が小さいため、リーク箇所から真空容ある。

器内へ容易に侵入する。

この他に、真空容器内をヘリウムガスで加圧し、• 毒性、引火性がなく、不活性で取り扱いが容易

リーク箇所から外部へ噴出してくるプローブガスをである。

スニファー（sniﬀer）と呼ばれる吸い込みノズルに• 吸着エネルギーが小さいため、真空容器内へ侵より漏れ探しをする方法（スニファー法）もある。

入しても短時間で排気できる。

スニファー法はリーク箇所を通して外部に噴出する• 質量が小さく、分子速度が速いため、リーク箇

ガス量が微量で、ガスの分布もリーク箇所の近傍に所から真空容器内へ短時間で侵入し、遠方にも限られることから前述の真空法より感度が低いが、短時間で到達する。真空容器内へ侵入しても短耐圧性の低い容器の気密性を調べる場合にはこの方

時間で排気できる。

法を使うしかない。このテスト方法は冷却水配管・• 大気中に極微量にしか存在しないため、バック

継手等のリークテストにも使用できる。

グラウンドが小さい。

リークディテクタがない場合は熱電離真空計とエ

小型真空容器において、リークディテクタのみでタノールで簡易的にリークテストを行うことができ

排気および漏れ探しする場合の構成を図 17 に示す。

る。熱電離真空計の指示値をモニターしながらリー

スプレー法はスプレープローブから射出されるヘリクが疑われる箇所にエタノールを吹き付けると、熱ウムガスを真空容器へ吹き付けるため、簡単にリー

電離真空計のエタノールに対する感度は窒素の約クテストすることができる。ただし、射出されたガ2.9 倍であるため、リークがあれば熱電離真空計のスは大気中で拡散するため、リーク箇所をピンポ

指示値が上昇する。なお、ヘリウムを吹き付けた場
合、熱電離真空計のヘリウムに対する感度は窒素の

30

真空容器

真空容器
気密容器
ビニル袋等

He

リークディテクタ

He

スプレー法

リークディテクタ
フード法

図 17

真空法（スプレー法とフード法） [1]

約 0.17 倍であるため、リークがあれば熱電離真空計の指示値は低下する。

1.2.6 気体の流れと圧力測定
通常、真空容器は真空ポンプで連続的に排気しているため、容器内には圧力に分布が生じている（例
えば、真空ポンプ近傍は圧力が低い）。真空計が測定している圧力は、それが取り付けられたフランジ近傍の圧力 pg [Pa] を測定しており、実際に圧力測定したい場所の圧力 p [Pa] はその間のコンダクタ
ンス C [m3 · s−1 ] と 流量 Q [Pa · m3 · s−1 ] を使って次のようにかける。

p = pg +

Q
C

図 18

真空計の取付位置 [1]

𝑝" 𝑇"

𝑝# 𝑇#

(29)

Γ"

Γ#

したがって、コンダクタンスが大きく（真空計設置
場所と測定したい場所の距離が短く、配管を太く）するほど pg と p の差を小さくできる。また、図 18

図 19

温度の異なる真空容器 [1]の (2)、(3) のように、ほぼ同じ位置に真空計が設置されていても、気体の流れ方向に口が向いている

λ >> D で分子流の場合(3) は流れの影響が大きく、指示値が高めに出る。

開口を通過する気体の温度は直前に脱離した側の真空計の設置位置は、図中 (1) のように、圧力を測

容器温度であり、開口両側からの入射頻度には次の定したい場所近くで気体の流れ方向と垂直方向に口平衡条件が成り立つ。

を向けることが望ましい。

p2
p
√ 1
=√
2πmkT12πmkT2

1.2.7 熱遷移(30)

これにより次式が得られる。

√

図 19 に示すような真空容器があり、内部が直径

p1 =D [m] の穴が空いている壁で隔てられている。左右
空間の圧力を p1 [Pa]、p2 [Pa]、温度を T1 [K]、T2 [K]
とする。

31

T1
p2
T2

(31)

表7

λ << D で粘性流の場合

タングステン表面に対する希ガス分子の熱的適応係数 [6]開口周辺の温度に分布が生じ、分子流領域のような入射頻度の平衡条件が成り立たない。気体同士の衝突と比べて開口の空間的スケールは十分大きいた

He

Ne

Ar

Xe

め、局所的に圧力が釣り合って次式が成り立つ。

0.029–0.067

0.059–0.094

0.3–0.44

0.61–0.67

p1 = p2(32)
表8

このように平均自由行程 λ が長くなると温度差により圧力差が生じる現象を熱遷移（thermaltranspiration）という。分子流領域において、測定対象と真空計に温度差がある場合、熱遷移を考慮し種々の表面に対する He の熱的適応係数 [6]

Be

Al

W

Pt

0.145

0.073

0.029–0.067

0.03

た補正が必要になる。特にガスが堆積することを防ぐためにセンサー部を昇温した隔膜真空計や、熱これに対して m < M の範囲で m が大きくなる

フィラメントを使用する熱陰極電離真空計、クライと |vout | は徐々に小さくなる。これは入射分子の質

オポンプ内部等の圧力を測定する際には熱遷移の補量が大きくなると衝突によってエネルギーを失い、正が必要になる場合がある。

これにより衝突後の速さが小さくなることを意味しており、表面になじみやすいことに対応する（直感

1.2.8 熱的適応係数

的には、質量の大きい壁に質量の小さいピンポン球

温度 Tin [K] の気体が、温度 Ts [K] の固体表面で散乱された後、温度が Tout [K] になったとすると、
熱的適応係数 α は次式で定義される。

Tout − Tin
α :=Ts − Tin

的適応係数を表 7 に、種々の表面に対する He の熱(33)

的適応係数を表 8 に示す。前者では He、Ne、Ar、Xe の順に質量が大きくなり、それとともに熱的適なじみやすさの度合いを 0 から 1 までの値で表し

応係数も大きくなり、後者では基盤原子の質量が大たものである。例えば、散乱後の気体の温度が固体きくなるにつれて熱的適応係数が小さくなっている

表面の温度と等しい場合（Ts = Tout ）は α = 1、散ことがわかる。

乱後の気体の温度が入射前の温度と変わらない場合（Tin = Tout ）は α = 0 となる。
なじみやすさを決める重要な要素は気体分子と表面を構成する分子の質量である。表面分子の質量をM [kg]、入射気体分子の質量を m [kg] とし、気体分子が速度 vin [m · s−1 ] で静止した表面へ垂直に弾性衝突する場合を考える。
衝突前後の運動量保存とエネルギー保存より、衝突後の気体分子の速度 vout [m · s−1 ] は、

M −m
vin
M +m

ね返りの違い等から想像できる）。
参考にタングステン表面に対する希ガス分子の熱熱的適応係数は気体分子が散乱される際の温度のvout = −や、質量の大きいボーリング球をぶつけた場合の跳(34)で与えられる。m << M のときは vout ≈ −vin となり、気体分子は入射とほぼ同じ速さで跳ね返る。

32

1.3 真空ポンプと排気原理

明動画が公開されており、これらは直感的で非常に分かりやすいため、ぜひ参照していただきたい。

真空ポンプは排気原理から気体輸送式と気体溜め込み式の二種類に大別される。気体輸送式ポンプは真空容器内の気体分子をポンプで大気側へ輸送し、

1.3.1 気体輸送式ポンプ

系外へ排出する。このポンプに固有の性能指標に圧油回転ポンプ

縮比 K がある。圧縮比は吸気側圧力 pin [Pa] と排RP は圧縮比が 105 以上にもなるポンプで、低圧

気側圧力 pout [Pa] により次のように定義される。

の気体を大気圧以上の圧力に圧縮し、大気中へ吐出

pout
K :=
pin

することで排気する。通常は真空容器を大気圧から(35)

1 Pa 程度まで粗引きするために使用される。

気体溜め込み式ポンプはそこへ入射してくる気体

RP の形式には回転翼型（ゲーテ型）、カム型（セ分子を吸着作用によって溜め込むため、気体分子はンコ型）、揺動ピストン型（キニー型）の三種類があ系外へ排出されない。このポンプ固有の性能指標はる。シリンダ内には溝付きのローターがあり、回転最大吸着量 Nmax [Pa · m3 · g−1 ] 等で表される。多翼型の場合はそこにベイン（vane, 翼）が取り付け

層吸着させるクライオポンプや、ゲッター材内部へられている。ベインはバネによって常にシリンダ内の拡散を伴って吸着させる NEG ポンプでは最大吸面へ押し付けられており、この状態のままローター

着量は大きな値をとる。

が回転する。シリンダ部全体はオイルに浸されてお代表的な真空ポンプの性能指標を表 9 に示す。真り、これは圧力差を維持するシール、摺動部の潤滑、空ポンプにはその種類によって動作可能な圧力の範

最終圧縮死容積の充填と気体の放出、放熱の役割を囲がある。図 20 には代表的なポンプの動作圧力範している。RP の到達圧力は使用するオイルの蒸気囲を示す。

圧や状態に影響されるため、脱ガスされた真空ポン

なお、本テキストにおいて複雑な構造の真空ポン

プ用オイルを使用する必要がある。また、水分子のプについては構造概略図を掲載していない。これら

ような凝縮性の気体を排気するとオイル中に水が混の具体的な構造図については真空機器メーカー各社

入して到達圧力が高くなってしまう。このような凝のカタログ等に掲載されているため、そちらを参照

縮性気体の圧縮過程のおいて、ガスバラスト（gas

していただきたい。また、YouTube 等の動画配信

ballast）弁から空気または乾燥気体を圧縮空間内へ

サイトでは真空ポンプメーカーにより動作原理の説
表 9 真空ポンプの性能指標。性能は機種にもよるため、詳細はメーカーのカタログ等を参照。圧縮比と最大吸着量で括弧書きがない場合は N2 に対する値である。

気体輸送式ポンプ

RP

ドライポンプ

TMP

DP

排気速度 S [L · s−1 ]0.1–250

0.1–2500

10–6000

102 –105

圧縮比 K

104 –106

102 –106200 (H2 )–1011 (N2 )103 –107

到達圧力 [Pa]10−1 –101

10−1 –104≈10−8

10−6 –10−4

回転数 [min−1 ]300–1500

1500–10000

13000–90000-

気体溜め込み式ポンプ

クライオポンプ

TSP

NEG ポンプIP

102 –104

104 –105

102 –104

10–1032.7 (H2 )–0.3 (CO)-希ガス、CH4

希ガス

排気速度 S [L · s−1 ]最大吸着量 [Pa · m · g
3

排気しにくい気体−1]

10 –10 Pa · m
46

H2 、He

3

−3

10

−2

–10

希ガス、CH433

油回転ポンプ
多段ルーツポンプ
スクリューポンプ
スクロールポンプ
ピストンポンプ
ダイアフラムポンプ
ターボ分子ポンプ
油拡散ポンプクライオポンプ
NEGポンプ
チタンサブリメーションポンプ
スパッタイオンポンプ
10-9

10-7

10-5

10-3
10-1
圧力 [Pa]

10

103

105

図 20 代表的な真空ポンプの動作圧力範囲 [1]。動作圧力範囲は機種にもよるため、詳細はメーカーのカタログ等を参照。

導入し、凝縮性気体の分圧が凝縮圧以上になること• 到達圧力が低い。3 × 10−1 Pa 以下が望ましい。

を防いで気体の状態でポンプ外へ吐出させることが• 長期間にわたりオイル漏れを起こさない。シャある。

フトシールがないマグネットカップリングを採RP を使用する際は次のことに注意する。

用している機種が望ましい。

• 消費電力が少ない。

• オイルは劣化するため、定期的に交換する必要• 水蒸気を排気できるようにガスバラスト弁を備

がある。

えている。

• 過電流保護機能付き漏電ブレーカーに接続して• オイル逆流防止弁を備えている。

使用することが望ましい。

• コンパクト、静音、低振動である。

• 排気口と吸気口は同じ形式の取り口になってい• 腐食性ガスを排気する場合はケミカル仕様を選ることが多く、排気口を超高真空容器側へ接続できてしまう。この状態で RP を始動すると、真空容器側を加圧するだけでなくオイルミスト

定する。
ドライポンプで汚染してしまうため、接続状態が間違っていドライポンプは特定のポンプの形式ではなく、圧ないか排気前に十分確認すること。

縮室内および気体流路内でオイルまたは液体を使• RP が停止した場合は吸気口側を大気圧に戻す

用しない気体輸送式ポンプの総称である。JIS Z-

必要がある。アイソレイトバルブを使用するこ

8126-2 では、「油または液体を運動する部分の隙間とが望ましい。

を密閉する目的に使用しない容積移送式真空ポン• フォアライントラップ、オイルミストフィルタ

プ」と規定されている。ドライポンプはオイルミスを使用する。

トの逆流を嫌う半導体産業、液晶産業等の分野で、製品の歩留まり改善やメンテナンス作業の低減のた

超高真空用の RP を選定する際に留意すべきポイ

めに RP の代わりに使用される。

ントは次の通りである。

ドライポンプは大きく分けて回転式と往復動式の

34

二種類に分けられ、前者にはルーツ型、スクリュー• 水素分子のような質量の小さい気体分子に対し型、クロー型、スクロール型等、後者にはピストンて圧縮比が低い。

型、ダイアフラム型、ベローズ型等がある。一般的• 気体溜め込み式ポンプではないため、高真空のに RP と比べるとドライポンプは高価である。

環境下でも長時間連続運転ができる (中真空でドライポンプを使用する際は次のことに注意すは発熱により長時間運転できないことがある)。

る。

• クライオポンプ等に比べて起動時間が短い。
• 質量の大きい気体分子ほど圧縮比が高いため、• 過電流保護機能付き漏電ブレーカーに接続して潤滑油が使用されていてもオイルミストの逆流

使用することが望ましい。

による汚染の可能性は低い。

• 排気口と吸気口は同じ形式の取り口になっていることが多いため、間違って排気口と真空容器

TMP を使用する際は次のことに注意する。

を接続しないよう注意する。

• 運転中の急な大気突入や異物侵入により容易• ドライポンプでも潤滑油を使用している場合がに故障する。このとき、TMP には大きなトルあるため、慎重を期するのであればメーカーにクが発生することがあり、非常に危険なため、潤滑油による汚染可能性について問い合わせる

TMP 本体は真空装置等に強固に固定する。まか、油蒸気対策（フォアライントラップ等の設

た、異物侵入防止用のメッシュを使用する。

置等）を行う必要がある。

• 運転中に電源を切らない。

ターボ分子ポンプ• 大気圧に戻す際は TMP が完全停止した後に乾動いている固体表面に入射した分子が再放出され燥窒素を導入する。

る際、温度に対応した分子速度に表面の運動方向の• 移動、取り外しは動作が完全に停止した後に速度成分が加わる。表面の運動速度が分子速度と同行う。

程度であれば、この速度合成による運動方向の変化

TMP は取り付け姿勢の自由度が高いものを選ぶ

は有意となり、静止系から見ると表面の運動方向とと、設置方法の融通が利くので便利である。その同一方向へ気体分子が放出しているように見える。

他、超高真空用の TMP を選定する際に留意すべき

TMP は 13000–90000 min−1 で 高 速 回 転 す る

ポイントは次の通りである。

タービン翼（動翼）と回転しない固定翼が交互に多段で配されており、これにより吸気側から排気側• 到達圧力が 10−8 Pa 台である。

への気体分子の透過確率と、排気側から吸気側への• オイルフリー。

透過確率に差を作る。動翼に乗った座標系から見• 高圧縮比。

ると、固定翼は高速回転しているように見えるた• 吸気口側が 80 °C 程度までベークキング可能。

め、固定翼においても排気側へと向かう確率が高く• 長期間メンテナンスフリー。

なる。

1.3.2 気体溜め込み式ポンプ翼の支持方式には様々なものがあるが、オイルミ

クライオポンプ

ストの逆流を嫌う場合は潤滑油フリーの磁気浮上

クライオポンプは低温に冷却した表面に気体分子型 TMP が使用されることが多い。また、低真空かを凝縮、吸着させて排気する。冷却する方法として

ら中真空で良好な排気特性を持つねじ溝ポンプ（ド液体ヘリウムを使用する場合もあるが、通常の真空ラッグポンプ、drag pump）を TMP の背圧側に配装置で使用される機種は小型ヘリウム冷凍機を使用

して、1 つの筐体に収めた複合分子ポンプと呼ばれする。冷凍機の第 1 段ステージに取り付けられている機種もある。

る輻射シールドとバッフル（buﬄe）は 80 K 程度まTMP の特徴は次の通りである。
35

で冷却され、H2 O や CO2 等を凝縮して排気する。
冷凍機の第 2 段ステージに取り付けられているソー
プションパネル（sorption panel）とコンデンセー
ションパネル（condensation panel）は 15 K 程度まで冷却され、H2 、O2 、Ar 等を凝縮して排気する。
ソープションパネルには活性炭等の吸着剤が使用されており、H2 、Ne、He 等の 15 K においても蒸気圧が高いガス種はこれにより吸着して排気する。
クライオポンプの消費電力、騒音、振動は機種に依存するため、機種選定の際はこれらに留意する。
また、ベーキングが可能な機種は少ない。

図 21 KEKB で観測されたアルゴン不安定性（金澤健一先生提供）。この圧力を測定している場所

クライオポンプの特徴は次の通りである。

の近傍でリークがあったため、大気からアルゴン• 排気速度が大きい。

がビームパイプ内へ供給されていたと考えられる。

• オイルフリーで、ほとんどのガス種を排気できる。

排気速度はガス種によって大きく異なり、特に希ガ• ポンプ内面の大部分が低温であるため、ポンプ

スに対する排気速度は非常に小さい。

からのガス放出が少ない。

IP で He を排気すると、He はイオンとしてカ• オイルミスト等の質量の大きい分子は低温面ソードに入り込み、後から飛来したチタンによってから放出されないため、オイルによる汚染を防埋め込まれる。そのため、カソードの温度上昇や、げる。

後続イオンのカソードへの打ち込みによって He と

• クライオポンプ運転中に粗引きポンプを停止でチタンが同時に放出される。これは履歴現象と呼ばきる（補助ポンプ不要）。

れ、同様な現象は He 以外のガスでも見られる。

• 一定量の気体を排気すると排気性能が低下する

IP で Ar を排気した場合は He と同様にカソーため、室温に戻して吸着している気体を排出さドに入り込んで埋め込まれるが、原子直径が大きい

せる再生操作が必要になる。

ため、カソードへ深く入り込みにくく、排気速度が小さい。特にチタン製カソードの二極型 IP で Ar

スパッタイオンポンプ

IP は超高真空から高真空領域で排気性能を持つを一定量排気すると、Ar の分圧が周期的に上昇すポンプで、図 22 のような CCG と同様の構造を持ることがある（図 21）。この現象はアルゴン不安定つ。円筒状のアノードと板状のカソードの間には性と呼ばれ、Ar 以外の希ガスでも同様の現象が発

3–7 kV 程度の高電圧を印加する。この高電圧でカ生することがある。

ソードから放出された電子は、磁場により螺旋運動

このような現象および希ガスに対する低い排気速

しながら対向するカソードとの間を往復運動する。

度への改善策として、カソードの一方をタンタルにこの空間に飛び込んだ気体分子、原子の一部は電子した二極型 IP がある。このポンプではカソードにと衝突してイオン化し、電場により加速されてカ打ち込まれた Ar を質量の大きいタンタルで埋め込

ソード表面に打ち込まれて排気される。カソードはんで再放出を防ぐ。この他には三極型 IP があり、チタン製であり、このイオンの衝撃によってチタン

ノーブルポンプ（noble pump）やエクセルポンプ

原子がスパッタされてポンプ内面に活性な表面が生（excel pump）とも呼ばれる。このポンプはアノー成される。ここに気体が化学吸着する効果によってド、カソード、コレクタ（ポンプケース）から構成も排気される。このような排気原理のため、IP のされており、カソードはすのこ形状になっている。

36


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 

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 






図 22

スパッタイオンポンプの概略 [1]10 -1 Pa
イオン化した一部の希ガスはカソード近傍で電荷交のまま深く打ち込まれることが期待される。また、
ポンプケース表面はカソードに比べて高速粒子の衝

撃を受ける確率が低いため、打ち込まれた気体の再作用（ゲッタ作用）により排気するポンプである。
固体表面に吸着されるガスの総量には限度があるた







め、連続して排気作用を持たせるためにはこの吸着• 機械的に動く箇所が全くなく、信頼性が高い。
Pa 台まで排気が可能。

活性な金属表面は気体分子を吸着し、排気作用を!

 プ内壁面等に活性な膜を常時作り、その薄膜の吸着

!

IP の特徴は次の通りである。

• 10



チタンサブリメーションポンプpump）はゲッタ材を蒸発・昇華させ、周囲のポンこ形状で面積が小さいため、窒素等に対する排気速−9

履歴に依存する。

有する。蒸発型ゲッタポンプ（evaporatable getter

放出を防ぐことができる。ただし、カソードがすの• オイルフリー、無騒音、無振動である。

10 -6 Pa

• 放電開始時にガス放出があり、放出量は IP の
換をして電気的に中性となり、ポンプケースへ高速

度は二極型に比べて若干劣ることがある。

10 -4 Pa

気体分子を除去するか、活性な金属表面を作り続ける必要がある。


ゲッタ材としてはチタン、モリブデン、タンタル、• 放電電流からポンプ内の圧力をモニターでき

ニオブ等が使用され、特にチタンを使用したポンプる。

• 大流量の気体の排気には適さない。電極の汚染


を TSP と呼んでいる。フィラメント式
 TSP ではを防ぐため、10−6 Pa 以下の圧力で使用するこチタン製フィラメントに直接通電、加熱してチタンとが望ましい。

を昇華させる。ポンプケースも温度上昇するため、通水等により冷却する。

• 希ガスのような不活性な気体に対する排気速度

TSP の特徴は次の通りである。

が小さい。

• 漏洩磁場、スパッタされたチタンによる汚染に• 排気速度は 1 cm2 あたり
3–9 L · s−1 である。

注意が必要。

• 小型、軽量である。

• 一定のガス負荷で使用を続けると排気速度が• オイルフリー、無騒音、無振動である。

減少する。排気速度を回復させるにはベーキ• ポンプの大きさに比例して排気速度が大きい。

ングが必要。大気ベントした後も排気速度は低• 希ガスのような不活性な気体に対する排気速度下するため、再立ち上げの際にもベーキングが

が小さい。

必要。

37

!

• メタンは金属表面に極めて弱く吸着するため、• 小型、軽量である。

排気しにくい。さらに、後から来るより強く吸• オイルフリー、無騒音、無振動である。

着するガスによってメタンは置き換えられ、メ• ポンプの大きさに比例して排気速度が大きい。

タンが真空中へ再放出される（これは置換脱• 希ガスのような不活性な気体に対する排気速度

離と呼ばれる）。メタンを排気するには IP やが小さい。

TMP を併用する。

• メタンは排気しにくく、置換脱離が見られる。

• 昇華されたチタンによる汚染の可能性がある。

メタンを排気するには IP や TMP を併用する。

• 活性化を行う必要がある。

非蒸発型ゲッターポンプ• 無電力でも排気作用が持続する。

TSP では活性な表面を常時作成するが、NEG ポ• 活性化やベントの過程でダストが発生する。

ンプでは吸着気体をゲッタ材中に拡散していくこ

ダストの発生を低減したゲッタ材（例えば、とで表面での排気能力を持続させる。ゲッタ材としては Zr-Ar 合金や、Zr-V-Fe 合金等が使用される。

NEG ポンプで水素を排気する場合、合金内に固溶体を形成して可逆的に収着する。この水素の収着はゲッタ材内部の水素濃度が周囲の水素分圧と平衡になるまで継続し、平衡圧はゲッタ材の種類や温度によって決まる。

NEG ポンプに排気作用を持たせるには活性化（activation）と呼ばれる工程が必要になる。NEG
ポンプには通常ヒーターが設置されており、これに通電することによりゲッタ材を高温にすると（Zr-

Ar 合金では約 400°C、Zr-V-Fe 合金では約 280°C）、
吸着分子のゲッタ材内部への拡散速度が増し、吸着
分子を固体内部に取り込んで蓄積できるため、表面の排気作用が回復する。
さらに高温にすると（Zr-Ar 合金では約 700°C、

Zr-V-Fe 合金では約 550°C）、固体内部に取り込まれた気体の大部分を再放出して排気作用が回復する。活性化により放出する気体は他の IP や TMP
により排気する。CO2 等のガスは高温にしても再放出されにくいため、徐々にこれらの気体がゲッタ
材内部に蓄積されていき、これが NEG ポンプの寿
命につながる。

NEG ポンプはメタンを排気しにくいため、IP や
TMP と併用されることがある（NEG ポンプと IPを組み合わせた NEXTorr® [52] 等の製品もある）。

NEG ポンプの特徴は次の通りである。
• 排気速度は 1 cm2 あたり 0.1–0.3 L · s−1 である。

38

ZAO® [53]）を使用した製品もある。

表 11 真空用金属・合金材料のガス放出速度 [58]。

1.4 真空用材料
真空用材料を選定する際は、目標圧力、化学、熱源・レーザー光・荷電粒子・放射線・磁場等の有無、温度、残留ガス成分等の諸使用条件を決めた上で検討する。特に、熱源やレーザー光等が真空装置内に

q1 、q10 は そ れ ぞ れ ベ ー キ ン グ な し の 排 気 1
時 間 、10 時 間 後 の ガ ス 放 出 速 度 で 、単 位 は×10−7 Pa · m3 · s−1 · m−2 である。

材料

q1

q10

SUS30427

3.3

SUS304（酸洗）

40

2.0

純アルミニウム

130

13

A6061

530

53

純銅

530

55

純銅（機械研磨）

47

4.8

無酸素銅

250

17

無酸素銅（機械研磨）

25

2.2

真鍮

5300

130

軟鋼

7200

670

ニッケル

8000

2000 (4h)

ニッケルメッキ/アルミ

2500

240

ニッケルメッキ/軟鋼

110

9.4

金

2100

6.8

モリブデン

69

4.9

チタン

53

4.9

存在する場合、昇温脱離（thermal desorption、熱的なガス放出）や光刺激脱離（Photon Stimulated

Desorption, PSD）によりガス放出が増大することを考慮に入れる必要がある。
次に、大気圧に対して十分な機械的強度を有し、半永久的にリークの発生しない真空装置を目指して
材料・構造を検討する。超高真空システムの場合はベーキングが必須であるため、温度による強度の変化も考慮して検討する必要がある。
使用材料の蒸気圧やガス放出特性を把握しておく必要もある。各元素の温度と平衡蒸気圧の関係は各種ハンドブック等にまとめられている（例えば [40]等）。ベーキング温度付近で蒸気圧の高い元素には

Mg、Zn、Cd 等があり、これらが存在する真空容器をベーキングする際には注意が必要になる。
この項では各種材料の物性値等を掲載しているが、これらは製品のグレードや製造ロット等によっても異なるため、あくまで参考値として捉えていた
だきたい。正確な値は、各メーカーのカタログや、
ミルシート（mill test report、金属材料等の質を証

ステンレス鋼ステンレス鋼は強度、溶接性、耐食性に優れ、ガ明する添付書類）等により確認していただきたい。

ス放出も小さくできることから、広く使用されている。真空容器に用いられるのは Cr を 18%、Ni を

1.4.1 無機材料

8% 含み、非磁性のオーステナイト系（SUS300 番

真空容器や内部部品に使用される金属・合金材料

系）ステンレス鋼である。図 23 には SUS302 を起の性質を表 10 に、ガス放出速度を表 11 にまとめ点とした特性改善の系統図を示す。真空用材料としている。真空機器に使用される材料はステンレス綱て最もよく使われている材料は SUS304 と SUS316とアルミニウム合金が主である。加速器等の特殊なの系列である。これらは TIG 溶接（Tungsten Inert

分野では銅やチタンが使用されることもある。真鍮

Gas welding、タングステン-不活性ガス溶接の意）と鋳鉄は内部に金属が固化する際にできる、細く長において気密性が高く、リークのない接合ができ、す

い穴（鬆）ができやすいため、高真空から超高真空

電解 研磨処 理とベー キング によりガ ス放出 速度

では使用しない。軟鋼は安価で加工性も良いが、耐を 10−10 Pa · m3 · s−1 · m−2 以下にすることもで食性に乏しく、さらにガス放出速度も大きいことかきる。

ら使用しない。また、真鍮は蒸気圧の高い亜鉛を含

ただし、冷間加工等によりオーステナイト組織のみ、鋳鉄と軟鋼は酸化しやすく水を吸着し、水素も一部がマルテンサイトに変態すると透磁率が上昇

吸蔵しやすいため、使用しない。

39

表 10 真空用金属・合金材料の性質 [54–57]。AL-15 は GLIDCOP のグレード名である。
密度

融点

線膨張係数

熱伝導率

固有抵抗

引張強さ

[g · cm−3 ][°C]

×10−6 [°C−1 ][W · m−1 · K−1 ][µΩ · cm][MPa]

SUS304

7.93

1400–1427

17.3

16.7

72

≥ 520

SUS316

7.98

1371–1400

16.1

16.7

74

≥ 520

A1100

2.7

660

24

237

2.7

89.2

A2014

2.8

507–638

23

150

2.3

482

A5052

2.68

595–640

23

140

5

191

材料

A6063

2.71

605–650

23

200

3.1

241

銅

8.9

200–250

16.5

390

1.7

200–250
490–635

0.2% BeCu

8.75

1004–1070

17.6

205–260

2.9–3.4

AL-15

8.9

1083

16.6

365

2.21

441

ニッケル

8.9

1455

13.3

82.8

8.7–9.5

290–780

Inconel625

8.44

1290–1350

12.8

9.8

129

950

金

19.3

1064

14.2

300

2.4

120–200

白金

21.5

1768

10.2

71

10.6

180–200

銀

10.5

962

18.9

428

1.47

220

チタン

4.5

1663–1673

8.5

23–25

50

510–720

タングステン

19.3

3387

4.5

174

5.65

1080

モリブデン

10.22

2623

4.9

138

5.78

690–980

タンタル

16.65

3017

6.5

58

12.4

980

パイレックス

2.23820（軟化点）

3.6

1.1

1022

44–69

バイコール

2.2

1050（転移点）

0.55

1.5

1017

34–62

する。合金中の Ni 量を増加させるとオーステナイ

来）がある。ステンレス鋼は 600 °C 程度に加熱しトが安定化し、マルテンサイト変態しにくくなる。

ても機械的強度は低下しないが、銅ガスケットを用SUS304 に比べて SUS316 と SUS310 は Ni を多くいた ICF フランジの場合、銅の焼き付きが生じるこ含むため、冷間加工等により透磁率はあまり変化しとからベーキングの温度は 450 °C に限定される。

ない。特に非磁性が強く要求される静電アナライ

なお、押し出し成形されたステンレス丸棒には押ザー等の装置には、オーステナイトの安定性が高い

し出し方向に鬆が入っていることがあり、リークのSUS310 を使用するのが良い。

原因になるため、原則丸棒材でフランジ、パイプをステンレス鋼を 550–700 °C 付近まで加熱すると製作しない。

粒界に炭化物が析出し、その近傍にクロム欠乏層がアルミニウム合金

形成されて粒界が腐食されやすくなる。その防止のアルミニウムは完全非磁性、軽量、熱伝導率が大ために炭素量を 0.03% 以下にした L 種（SUS304L

きく、ガス放出もステンレス鋼と同程度に小さくでや SUS316L。Low carbon に由来）や、チタンやニきる。また、加速器においては残留放射能の減衰がオブを少量添加した SUS321 と SUS347 が用いられ早いことからも採用されることがある。ステンレスることもある。炭素量を低くすると強度が下がるた鋼に比べると強度、硬さ、溶接性で劣る。真空用材

め、窒素を添加して強度を上げた LN 種（SUS304LN

料として用いられるアルミ合金は純アルミニウム

や SUS316LN。Low carbon Nitrogen added に由（A1000 番系）、Al-Cu 系合金（A2000 番系でジェ

40

302

304
低炭素化：
耐粒界腐食向上(C < 0.08%)

321
Ti添加：
耐粒界腐食向上347
Nb添加：
耐粒界腐食向上

304L
低炭素化：
溶接性向上
(C < 0.03%)

316
Mo添加：
耐粒界腐食向上
耐孔食向上

310
Cr・Ni増加：
耐酸性向上
耐熱性向上
(Cr > 24%, Ni > 19%)

316L
低炭素化：
耐粒界腐食向上
溶接性向上(C < 0.03%)

図 23 オーステナイト系ステンレス鋼の系統図 [1]ラルミンとも呼ばれる）、Al-Mg 系合金（A5000 番

下で取り除くことが難しく、酸素が存在するとろう系）、Al-Mg-Si 系合金（A6000 番系）である。一般

付けの際に水素脆化の原因となるため、ろう付けす

的に真空容器には A6063、フランジには CrN イオ

る場合は無酸素銅を使用する。

ンプレーティング被覆して耐摩耗性、耐腐食性を高ベリリウム銅は熱伝導性・強度に優れているためた A2219 が使用される。

め、電子増倍管等に用いられる。また、ステンレ

アルミニウム合金は 200 °C 以上で強度が著しスの輻射率（0.36）と比べてベリリウム銅の輻射率く低下するため、ベーキング温度は最高 150 °C 程

（0.05 以下）は低いため、熱フィラメント等の近く度に留める。また、アルミニウム自体の蒸気圧はで用いると材料の温度上昇が抑えられ、結果ガス放−26

1 × 101 × 10−7

Pa と低いが、合金元素である Mg は
−6

Pa、Zn は 1 × 10

出も抑えられる。加速器ではベローズチェンバーにPa と高いため、注意

おけるコンタクトフィンガー（contact ﬁnger、ベが必要である。高湿度大気中への放置や加工後の水ローズの蛇腹構造等を高周波電磁場からシールドす洗により、表面に多孔性の水酸化物層を形成しやするための部品。図 41 を参照）等の真空機器の材料

く、水の吸着量が多くなる。このため、特殊押出しに採用されることがある。

や特殊切削により、表面に緻密で安定した酸化層をグリッドコップ（GLIDCOP®）は銅・アルミニ

形成させる必要がある。

ウム合金にアルミナ粒子を分散強化した材料で、高ステンレス同様、押し出し成形されたアルミニウ

温においても軟化することなく、高強度・高熱伝導

ム丸棒には押し出し方向に鬆が入っていることがあ

性・高電気伝導性を保持するため、ヒートシンク、り、リークの原因になるため、原則丸棒材でフランX 線管等に使用される。加速器ではミラーやクロッジ、パイプを製作しない。

チ（crotch、ビーム路と放射光路が分岐する箇所）

銅等の放射光を直接受けて発熱する機器等でグリッド
銅は熱伝導・電気伝導性に優れているため、バッ

コップが採用されることがある。

フル、冷却配管、電子菅、加速器等に使用され、放ニッケル

射線のシールド効果も高い。ステンレス鋼に比べるニッケルは加工がしやすく融点が高い。蒸気圧もと強度、硬さ、溶接性で劣る。真空用材料として無低いため、カソード、アノード、熱遮蔽板等に使用

酸素銅（Oxygen Free High Coductivity copper、される。また、インコネル（Inconel®）やモネル

OFHC）の C1020（純度 99.96% 以上、酸素含有量（MONEL®）等のニッケル合金は高い強度と耐熱0.02% 以下）等が用いられる。銅中の酸素は融点以性を有することから、ガスケット、ヒーター、耐熱41

部材として使用される。ニッケルは水素溶解度が高

ただし、高温では水蒸気がタングステン表面で分いが、400–500 °C に加熱することによって機械的解して蒸気圧の高い酸化タングステン（WO2 ）と強度を低下させることなく水素を排出することがで

原子状水素が形成され、酸化タングステンは蒸発、きる。

原子状水素は酸化タングステンから酸素を奪ってインコネルはニッケルをベースとした鉄、クロ

水蒸気に戻るというプロセスを繰り返す。これはム、炭素等の合金で、高温における耐熱性、耐腐食

ウォーターサイクル（water cycle）と呼ばれ、フィ性、耐酸化性、耐クリープ性に優れている。高温にラメントの消耗を早めるため、酸素や水には注意

おいても高い弾性性能を有し、種類によっては非磁が必要である。また、タングステンは粒界脆性があ性であることから、加速器ではベローズチェンバー

り、1200 °C 以上の高温に晒すと再結晶脆化し、さにおけるスプリングフィンガー（spring ﬁnger、コらに放射線照射により照射脆化することが知られてンタクトフィンガーを内筒へ押さえつけるための内いる [59]。

筒裏側に設置する部品。図 41 を参照）等の真空機

モリブデンはタングステンより柔軟で加工しやす

器の材料に採用されることがある。ただし、熱伝導

く、熱遮蔽板、反射板、高温部の指示材、グリッド率は悪く、加工性が劣る。

等に用いられる。ただし、600 °C 以上で酸化され貴金属やすいため、注意が必要である。

金、白金、銀は酸化雰囲気でも安定で、加工が容

タンタルは耐腐食性に優れており、延性が高いた易である。銀は固体潤滑材、白金は高温用るつぼ、め曲げ、打ち抜き、プレスといった成形加工が容易

熱電対、フィラメント等に使用される。また、ベーである。ただし、タンタルは高価であるため、他のキング中の酸化膜形成を抑え、メタルガスケット取材料では耐腐食性等の観点から不適合な場合に採用

り外し時に剥離した酸化膜がチェンバー内へ飛散すが検討される。

ることを防ぐためにガスケットに金または銀メッキ

ガラスを施すことがある。これによりシール面の密着性を

現在では真空用構造材料としてガラスを使用する向上させる効果も得られる。

ことはほとんどないが、真空容器内部の状態を確認

チタン等するためのビューポートや、導入金属端子の封着

チタンは軽量、高強度、低ガス放出速度、非磁性、等に使用されている。ビューポートにはパイレッ

低放射化材料で、真空容器に使用されることもあクス（Pyrex®）で知られるホウケイ酸ガラスや、る。ステンレス鋼に比べると強度、硬さ、溶接性でバイコール（Vycor®）で知られる石英ガラス、コ劣る。活性な金属で気体と反応しやすいため、ゲッ

バール（Kovar®）ガラスが用いられる。使用温度

タ材として使用される。

や観測したい波長領域を考慮して材質を選定する必

高融点材料

要がある（1.5.8 項を参照）。

試料周りや高温になる箇所に使用する高融点材

封着用には相手の金属に応じてコバール・ホウケ

料としてタングステン、タンタル、モリブデン等がイ酸ガラス、パーマロイ・ソーダライムガラス、モある。

リブデン・ホウケイ酸ガラス等を使い分ける。ガラ

タングステンは融点が最も高く、高温でも強度

スは蒸気圧が低いが、ヘリウムを透過するのでリーが高い。蒸気圧も低いため、ガス放出速度も小さい

クテストの際には注意が必要である。

ことからフィラメント、ヒーター等に使用される。

セラミック

真空計のフィラメント等には蒸気圧の低いトリア

セラミック材料の性質を表 12 に、ガス放出速度（ThO2 、二酸化トリウム）を含有させ、高温での再を表 13 にまとめている。セラミックは真空中のる結晶化を抑制し、トリウムによる仕事関数の低減効

つぼや、潤滑材、絶縁材、スペーサー、ヒーター用

果で熱電子放出を容易にしたワイヤが用いられる。

サポート等に使用される。セラミックは粉体原料に

42

表 12

真空用セラミック材料の性質 [60]

密度

融点

熱伝導率

絶縁耐力

体積抵抗率

曲げ強さ

[g · cm−3 ][°C][W · m−1 · K−1 ][kV · mm−1 ][Ω · cm]

[MPa]

SiC

3.2

3000

200

-

105

540

AlN（高密度材）

3.4

1900

150

14

> 1014

310

サファイア

3.97

2050

41

48

> 1014690

アルミナ（99%）

3.8

1700

29

15

> 1014310

材料

表 13 真 空 用 セ ラ ミ ッ ク 材 料 の ガ ス 放 出 速助剤を添加し、常圧または高圧環境下で高温焼結し度 [61–65]。q1 、q10 はそれぞれベーキングなして製造される。そのため、助剤や不純物偏析が存在の排気 1 時間、10 時間後のガス放出速度で、単位する多結晶体になり、セラミック粒子自体からのガは ×10−5 Pa · m3 · s−1 · m−2 である。

ス放出は少なくても、粒界に存在する不純物に起因するガス放出や、気孔内に残存するガス放出が大きい場合があるため、注意が必要である。
、窒化ア
非酸化物セラミックの炭化ケイ素（SiC）
ルミ（AlN）は高融点、高硬度で化学的に安定で、ガス放出速度も小さい。セラミックとしては高い熱伝導率を持つことから、高周波電磁場（RF）を吸収するための吸収体として使用されることがある。

材料

q1

q20

SiC（黒鉛被覆）

15

0.48

AlN（高密度材）

3.2

0.19

アルミナ（96%）

67

11

ジルコニア

160

6.7

マコール

11

0.69

酸化物セラミックはガラスに比べて熱衝撃に
強 く 、電 気 絶 縁 性 に 優 れ て い る 。特 に ア ル ミ ナ（Al2 O3 ）は真空用材料として最もよく使用される。
アルミナは純度が高いものほど機械的特性、絶縁性料が使用されている。有機材料は金属材料に比べて使用可能温度が低く、気体の透過率も高い。ガス放出速度も大きいため、使用条件を十分考慮して選定に優れる。アルミナの単結晶であるサファイアは特する必要がある。特に、有機材料は放射線により劣に高温での絶縁性に優れ、熱伝導率も高い。光の透化するため、放射線環境下での長期使用には適さな過率が広い波長領域で高いため、紫外光用の窓材とい。真空機器に使用される有機材料の性質を表 14

して使用される。

に、ガス放出速度を表 15 にまとめている。有機材

酸化物セラミックは一般的に二次電子放出率

料は充填剤や可塑剤、硬化剤の使用量により性質に（Secondary Electron Yield、SEY）が高く、真空ばらつきが出るため、注意を要する。

中での高電圧印加や電子衝撃等によりチャージアッ

プラスチックプや沿面放電が誘起される。特に RF 中ではマルチ高真空から超高真空ではテフロン（Teﬂon®）に

パクタ（multipactor）と呼ばれる、二次電子の共鳴代表されるフッ素樹脂や、カプトン（Kapton®）

増殖現象が起き、材料を破壊することもある。SEYで知られるポリイミドが用いられる。テフロンはを低減させるため、窒化チタン（TiN）等で酸化物

四フッ化エチレン樹脂（polytetraﬂuoroethylene,

セラミックをコーティングすることもある。

PTFE）で、使用温度範囲は −80–200 °C と広く、またガス放出が低い。テフロンは真空中での摩擦係

1.4.2 有機材料

数が低いため、軸受や摺動部にも使用される。ただ

高弾性、低摩擦係数、電気絶縁性、加工性からガスし、耐放射線性が低い（使用上限線量は 103 Gy 程ケット、O リング、絶縁部品、摺動部品等で有機材

43

表 14

材料
ケル–F
テフロン

密度

[g · cm

耐熱温度
−3

2.1
2.13–2.22]

真空用有機材料の性質 [66]

伸び

絶縁耐力
−1

体積抵抗率

引張強さ

[Ω · cm]

[MPa]
40

[°C]

[%]

[kV · mm200

100–200

19

1.2 × 1015

19

18

> 10
14

280

200–400

]

13–34
15

カプトン

1.36–1.43

275

5–7

20

10 –10

73–87

バイトン

1.80–1.92

150

100–500

201012

6.9–19カルレッツ

1.9–2.0

275

140

-

-

13

表 15

真空用有機材料のガス放出速度 [58, 67]。
q1 、q10 は そ れ ぞ れ ベ ー キ ン グ な し の 排 気 1
時 間 、10 時 間 後 の ガ ス 放 出 速 度 で 、単 位 は×10−5 Pa · m3 · s−1 · m−2 である。

度 [68]）ことに注意が必要である。
カプトンは実用化されているプラスチックの中 で 最 も 耐 熱 性 に 優 れ 、短 時 間 で は 最 高 使 用 温
度が 482 °C、連続では 260 °C で使用可能である 。そ の た め 、ベ ー キ ン グ に 対 応 し た バ ル ブ のシ ー ル と し て も 使 用 さ れ る 。た だ し 、吸 水 率 が0.24% と 高 く 、ベ ー キ ン グ 前 の ガ ス 放 出 速 度 も10−4 Pa · m3 · s−1 · m−2 と高いが、ベーキングにより 4 × 10−8 Pa · m3 · s−1 · m−2 程度まで低減することができる。
エラストマー
エラストマー（elastomer）は弾性、伸縮性がある
高分子材料の総称で、ガスケットや O リングに使

材料

q1

q10

エポキシ

1500

-

塩化ビニル

110

2.7

ケル-F

5.3

2.3

テフロン

470

250

カプトン

11

-

バイトン A

150

-

カルレッツ

0.4

-

用される。高真空から超高真空ではバイトン（Vi-ton®）で知られるフッ化ビニリデン（vinylidene

クの際にはヘリウムを透過するため、注意が必要で

ﬂuoride, FKM）、ケル–F（Kel-F®）で知られるポある。

リクロロトリフルオロエチレン（polychlorotriﬂuo-

roethylene, PCTFE）、カルレッツ（KALREZ®）で知られるパーフロロエラストマー（perﬂuooroe-

カルレッツはベーキングなしでもガス放出が 4 ×

10−6 Pa · m3 · s−1 · m−2 と低いが、バイトン A と比べると高価で、カルレッツ 4079 のヘリウムに対

lastomer, FFKM）が用いられる。

するガス透過率は約 4 倍高い [70]。

バイトン A のガス放出速度はベーキング前
で 10−3 –10−4 Pa · m3 · s−1 · m−2 と高いが、真空脱 ガ ス に よ り 10−7 Pa · m3 · s−1 · m−2 台 に 低 減
さ せ る こ と が で き る 。ま た 、空 気 に 対 し て 約

5 × 10−13 Pa · m3 · s−1 · m−2 · Pa−1 のガス透過があり、空気はおよそ 5 × 10−8 Pa · m3 · s−1 · m−2 の速度で大気から真空容器側へ透過する。この容器を排気速度 0.1 m3 · s−1 のポンプで排気していると、空気分圧は 5 × 10−7 Pa となる [69]。リークチェッ

44

1.4.3 表面洗浄

すすぎと乾燥

材料は通常鍛造、圧延等の工程を経ており、これ

湿式の洗浄、研磨ではすすぎ洗いと乾燥が重要に切削、研磨、塑性加工、溶接等の加工をして真空な工程となる。最終的なすすぎには純水、温純水洗

容器や部品を製作する。そのため、未洗浄の表面に浄、超音波洗浄等が行われ、乾燥には熱風や乾燥窒

はオイルや粉塵等の多量の汚染物質が付着してお素によるブローが行われる。

り、ガス放出速度も大きい。そのため、目標とする
圧力領域と材料に応じた表面処理をし、ガス放出を低減させる必要がある。目標圧力に応じた洗浄工程のフローチャートを図 24 に示す。
予備洗浄（機械研磨）
ブラシ、砥石、バフ等による研磨や、サンドブラ
スト、ガラスビーズブラストにより厚い酸化膜や大きな傷を除去する。この工程で表面に小さな傷が形成され、研磨剤等が表面に埋め込まれてしまう。例
えばサンドブラストで表面に付着する粉体は水蒸気洗浄や酸洗で除去する。
脱脂洗浄
機械加工等で表面に付着したオイル等の汚染物を除去する工程で、従来は有機溶剤による蒸気洗浄や超音波洗浄が実施されていたが、環境保全の観点から、より安全な薬品（主にアルカリ洗浄剤）による洗浄に切り替えられている。
化学研磨
脱脂洗浄後に材料表面に形成されている自然酸化膜を除去し、緻密な酸化膜を形成させるとともに、脱脂工程で除去しきれなかった汚染物質を除去するための工程。酸洗浄やアルカリ洗浄により研磨する。
電解研磨
酸中で電解により表面層を溶解させ、汚染物質や変質層を除去する工程。仕上がりは研磨前の表面粗さに左右されるため、バフ研磨等を実施して平坦にした表面に対して実施することが多い。最大表面高さ Rz で 0.2–0.4 µm 程度が得られる。
放電洗浄
真空中でのガス放電により、表面の不純物をス
パッターして除去する。ガスには Ar、Ar + O2 等が使用される。Ar では物理的スパッター、Ar + O2
は物理的スパッターに加えて化学反応による洗浄効
果も得られる。

45

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10 -1 Pa

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図 24 圧力に応じた表面洗浄のフローチャート [71]。括弧書きの工程はオプショナル。

46

1.5 真空用部品

ろう付けや EBW に劣る。

1.5.1 永久固定シール

ろう付け

大気圧からガスの侵入を止め、ある空間の真空状

ろう付けは母材よりも融点の低いろう材と呼ばれ態を維持することを一般的に真空シール（vacuum

る合金を溶かし、母材自体はほとんど溶融させずに

seal）と呼ぶ。真空シールは固定シールと軸シール

複数の部材を接合させる接合方法である。異種金属に大別され、固定シールは永久固定シールと着脱可の接合も可能で、あらかじめ部材にろう材を組み込

能シールに分けられる。

んだ状態で炉へ入れて加熱し、ぬれと毛細管現象に永久固定シールは材料同士の接合により真空容

よって接合部の隙間に溶融したろう材を浸透させて器・部品を密封する方法で、TIG 溶接、ろう付け、電接合する。材料の酸化を防ぐために炉内を高真空に

子ビーム溶接（Electron Beam Welding、EBW）、した真空炉、炉内を 10−2 Pa 程度まで排気した後摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding、FSW）、熱に不活性ガスで置換した不活性ガス炉、炉内を同じ間等方圧接合（Hot Isostatic Pressing、HIP）、ガ

く 10−2 Pa 程度まで排気した後に水素ガスで置換

ラス封着、セラミック封着等が使用される。

した水素ガス炉等で処理される。

TIG 溶接ろう付けは数百℃で処理されるため、ベーキング

TIG 溶接は電気を用いたアーク溶接の一種で、主効果も期待できる。また、寸法精度が良く、ぬれとに同種金属同士を接合する際に用いられる。TIG

毛細管現象によってろう材が母材の隙間へ入って溶接ではアーク放電による高温にも耐え、ほとんどいくため、複雑な形状で接合部が多数ある部品の接溶融しないタングステンが電極に使用される。この合が可能である。接合する部材間の隙間が大きいと電極とは別に溶接棒（溶加材）をアーク中で溶融しリークの原因になり、狭いとろう材が接合部へ十分て母材を接合する。溶接時は母材が高温になるた

浸透しないため、ろう材の仕掛け方や寸法管理等にめ、大気を遮断して表面の酸化等を防止する目的で対するノウハウが必要となる。

不活性ガスを多量に吹き付ける。通常、不活性ガス

ろう材は半田付けに用いる溶融材とは融点によっにはアルゴンが使用される。

て区別され、融点が 450 °C 以上の場合をろう材とアルミニウム合金や銅等は熱伝導率が高く、加え呼ぶ。真空機器のろう付けには Au を主成分としたられた熱が急速に母材へ拡散することにより接合不金ろうや、Ag を主成分とした銀ろうがよく使用さ良等の欠陥が発生しやすい。さらに、線膨張係数がれる。一般のろう材は蒸気圧の高い素材（Zn、Pb、

大きく、溶接時の変形量も大きいことからも、溶接

P、Cd 等）が含まれているため、真空機器の接合にが非常に難しい材料である。

はこれらの含まれていないろう材（BVAu、BVAg

大気側から溶接した場合、真空側溶接部に小さな等）を使用しなければならない。

隙間ができてしまうことがある。この隙間はコンダ

ろう材の融点は種類によるが、金ろうの融点はクタンスが小さいため、中にある気体を排気しにく890–1010 °C、銀ろうの融点 620–900 °C 程度であい。これはスローリーク（slow leak）と呼ばれ、目る。複数回ろう付けすることにより、部材を順次接標圧力への到達を妨げることがあるため、原則真空合していく工程の場合、通常は一次ろう付けでは融側から溶接する必要がある。止むを得ず大気側から点の高いものを選択し、二次、三次とろう付け工程

溶接する場合は、溶接ビードが真空側まで繋がるよ

を重ねるに従って融点の低いものを使用していく。

うに開先を大きくする等の処置をする必要がある。

電子ビーム溶接

また、この場合は溶接面の反対面からも不活性ガス

EBW は母材溶融のために加速した電子ビームをを吹き付ける必要がある。

接合箇所へ照射する接合方法であり、ステンレス

TIG 溶接は比較的安価であるが、局所的に加熱さ鋼、アルミニウム合金、銅などの薄い板や小型の部れるために歪みが発生する場合があり、寸法精度は材の接合に適している。真空下で処理され、溶接部

47

はほとんど酸化しない。EBW は接合箇所にパワーセラミックが集中するため、溶接ビードを小さくかつ短時間で（メタライズ層）

処理できる。また、溶接部に加えられる入熱が少な（メッキ）

く、溶接後の歪みが少なく、寸法精度に優れている。

EBW は溶接深さよる電子エネルギーの選択や部材

ロー材のセッティング等に対するノウハウも必要で、処理費も高価である。

（メッキ）

摩擦攪拌接合金属

FSW は高速で回転するロッドを接合箇所へ強い力で押し付け、これによって摩擦熱（400–500 °C）を発生させて母材を軟化させるとともに、ロッドの図 25 金属とセラミックの接合概略。括弧書きの工程はオプショナル。

回転力によって接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることで複数部材を一体化させる接合方法であ

そのため、封着には線膨張係数の温度変化がガラスる。接合可能な部材は軟化温度の低い金属が多く、に近い特殊な合金が使用され、特に Fe、Ni、Co の

主に溶接の難しいアルミニウム合金や銅等の接合に合金であるコバールがよく使用される。ただし、コ適用される。部材の溶融を伴わないため、溶接で発バールは磁性体のためアナライザー部等でガラス封生するブローホール（blow hole）や割れ等の欠陥着する場合はハウスキーパーシール（housekeeperが起こりにくく、シールドガスも不要である。ただseal [72]）やコンプレッションシール（compression

し、複雑な形状の部材を接合するのは不向きで、接seal [73]）等の封着方式が採用される。

合可能な材質や板厚にも制限がある。

セラミック封着

熱間等方圧接合

金属とセラミックの接合は図 25 に示すように、

HIP は複数部材をカプセルにパッケージングしたセラミックと金属をろう付けする方法が一般的であ後に内部を排気し、これを炉に入れて 100–2000 °Cる。セラミックの表面改質（主にぬれ性の改質）のに加熱、同時にアルゴンガス等で被処理体を 10–

ため、メタライズ（metalize）と呼ばれる工程によ200 MPa で等方的に加圧することにより拡散接合

り金属面（メタライズ層）をセラミック表面に形成する。異種材料の接合や、粉体の焼結とバルクへのしてろう付けする方法（メタライズ法）と、メタラ接合を同時に行うことも可能である。また、被処理

イズ層を形成せず、Ti、Zr 等の活性金属合金をろ体内に存在する空孔等の欠陥を等方的圧力により拡う材として用いた直接ろう付け法が適用される場合

散、除去することができる。複雑な形状でも接合すが多い。

ることができ、信頼性も高い方法であるが、高価でセラミック、金属、ろう材、メタライズ層、メッある。

キ等の種類や、ろう付け時の温度・昇温・降温速度

ガラス封着等、非常に多くの組み合わせ・パラメータがあり、ガラス封着は金属とガラスを接合する技術で、セラミックと金属の接合には残留応力等のシミュ

ビューポートや真空計等に使用される。金属とガラ

レーションや試作・試験を繰り返し行ってようやく

スの接合では両者の熱膨張差が問題となる。金属のモノになるため、各メーカーが独自のノウハウを蓄

線膨張係数は温度に対してほぼ一定値をとる。一般

積していることが多い。特に、ろう付け時の高温で的にガラスの線膨張係数は室温で金属より小さい値

ガス放出の大きいセラミックや、接合するセラミッをとり、転移温度を超えるとこれが金属より大きい

クと金属の熱膨張率差が大きく異なる組み合わせで値となる。この熱膨張差により、封着処理した後のは接合が困難となる。

冷却過程で接合部が破壊されてしまうことがある。

48

1.5.2 着脱可能シール

選定条件では仕上げの粗いフランジで接触圧が不十

着脱可能シールの基本部品はフランジとシール材分のためにリークすることがあるため、フランジ面である。フランジは配管等を接続する際に用いる円及び溝部の仕上げを良くする必要がある（Rz で 6S

盤形状部品を一般的には指すが、矩形形状等であっ程度）。また、エラストマー材の劣化によるひび割てもフランジと呼ばれることがある。シール材はフれはほぼ確実にリークを起こすため、使用前にシーランジ間に気密性を持たせるための部品で、本来はル材を湾曲させながら表面状態を目視で確認した方

形状・材質に関わらずガスケットと呼ぶ（実務の現が良い。

場では、断面形状が円形のシール材は O リング、平粗排気システム等における低真空から高真空領域

形・矩形のシール材はガスケットと呼ばれる傾向にの配管では NW/KF（Klein Flange）規格が最もよある）。

く使用される。この規格のフランジにはガスケット

使用するシール材がエラストマーシール（elas-

溝がなく、シール材は O リングとその支持金具でtomer seal）かキャプチャーシール（capture seal）

あるセンターリングから構成されている。一対のフかでフランジの形状が大別される。フランジとシー

ランジは平形で全く同形のため、互換性が高い。フ

ル材の概略を図 26 に示す。

ランジの締結部はテーパー構造になっており、接続

エラストマーシールと締め付けはクランプ（clamp、締金の意）を用いてほぼワンタッチで行うことができる。

エラストマーシール用フランジは、二枚のフランジのシール面間にバイトン等のエラストマー製シー

腐食性ガス・放射線による劣化やガス透過を避ル材を仕込み、これをボルト・ナット等で締め込む。

けるため、金属製のシール材を用いる場合もある。

シール面にシール材を閉じ込めるための溝（ガス材質や形状により様々な種類のものがあるが、中ケット溝）が加工がされている場合もある。

空 O リング（メタル O リング）とフレキシブルメ

シール材は材質や形状により様々な種類のものがタルシール（ﬂexible metal seal）がよく使用されあるが、高真空から超高真空にはバイトン製 O リる。フレキシブルメタルシールは断面が C 字型で、ングが最も多く使用されている。150 °C を超える

中にスプリングを仕込んでシール材の弾性復元量

ような高温環境下で使用する場合は、ポリイミドやを増すことにより、金属でエラストマーのようなパーフロロエラストマー製の O リングが使用され弾性の実現を目指したシール材である。ヘリコフる。耐放射線性を要する場合はポリイミドが用いらレックス（HELICOFLEX®）やユータイトシール

れることもある。

（U-TIGHT SEAL®）の商品名でも知られている。
キャプチャーシール

シール材の太さは極端な体積圧縮を受けないよ
う、ガスケット溝の断面積とシール材の断面積がほキャプチャーシール用フランジのシール面はシー

ぼ等しくなるように選択する。ただし、このような

ル材を閉じ込めるための特殊な加工が施されてお

A面
フランジ

フランジ

ガスケット

ガスケット
B面
フランジ

フランジ
エラストマーシール

キャプチャーシール
図 26

フランジとシール材の概略

49

り、二枚のフランジに金属製のシール材（メタルガ

フランジ

スケット）を仕込み、これをボルト・ナット等で締

ガスケット

め込む。
キャプチャーシールで最も良く使用されているのは ICF フランジである。ICF フランジは国際標準

フランジ

規格に準じたコンフラット（ConFlat®）フランジ

テーパーシールのことで、コンフラットは Varian 社の商品名だが、図 27 テーパーシールの概略

現在では一般名称のように用いられている。ICF
フランジのシール部にはナイフエッジ（knife edge）
が加工されており、これがガスケットを押しつぶすとがある。特に、アルミ合金製フランジ等に銅ガスと、ナイフエッジ周辺面（図 26 の A 面）で高い面ケットを使用した場合にナイフエッジが鈍ってしま圧が得られる。また、ガスケットは変形して図 26

うことがあるため、アルミ合金製ガスケットが使用の B 面に押し付けられ、そこでも高い面圧が得らされる。ステンレス製フランジ等とアルミ合金製ガれるため、信頼性の高い真空シールが実現される。

ICF フランジは 350 °C 程度での繰り返しベーキン

スケットを組み合わせて使用した場合、ベーキング
で熱膨張差によるリークを起こすことがあるため、グにも耐えることができる。

注意が必要である。

ナイフエッジを横切るような傷はリークに直結す

ガスケットは使い捨てで、原則 1 回しか使わなるため、取り扱いには十分注意する。特に、回転フい。また、テーパーシール型と呼ばれるガスケット

ランジはナイフエッジを剥き出しの状態にでき、傷があり、これはコンフラットフランジのテーパー部をつけやすいので注意が必要である。なお、ナイフ分を利用してシールするガスケットである（図 27）。

エッジ周方向の傷は、大気から真空容器内へ通じる

通常のガスケットより信頼性は若干劣るが、ナイフまでの流路が長く、コンダクタンスが小さいため、致命的でないことがある。

エッジが傷ついた場合でもシールができ、便利である。

ICF フランジの側面に突っ切り加工の痕がある

フランジの取り扱い

ものは板材から、痕のないものはパイプ材から製作

フランジの種類に関わらず、ボルトとナットでフしたフランジである。ICF フランジにはリークテ

ランジを推奨締め付けトルクまで均一に締め付けなストの際にヘリウムガス等を導入するための溝が加ければいけない。締め付けトルクはフランジの種類

工してある。フランジのサイズが ICF356 以上になや口径による。金属製ガスケットで、特に口径の大ると規格がメーカーによってまちまちになるため、寸法等を十分確認する必要がある。また、ICF フラ

きなフランジにおいて締め付けが均一でない片締めの状態になると、推奨締め付けトルクで締めてもンジに適用する導管（パイプ）のサイズはメーカー

シールが不完全になってしまう場合がある。

によって異なる。

これを避けるため、はじめはレンチで締める前にガスケットには無酸素銅製を使用するのが一般的

ボルトとナットを手で一周締め、次にトルクレンチである。ベーキング中の酸化膜形成を抑え、メタルを使って推奨締め付けトルクの 1/3 程度で一周締ガスケット取り外し時に剥離した酸化膜がチェンめ付ける。このとき、ボルトは図 28 に示す通り、

バー内へ飛散することを防ぐために金または銀メッ

対角線上に締めていく（対角線ルールと呼ばれる）。

キを施したガスケットを使用することがある。これ

推奨締め付けトルクの 1/3 程度ずつトルクを小幅によりシール面の密着性を向上させる効果も得らに増やしながら、トルクレンチを使って三巡程度でれる。

推奨締め付けトルクまで締めていく。締め付けの過この他にもアルミ合金製ガスケットを使用するこ50程でも適宜、フランジ面間の距離等に偏りがないか

1

等を確認しながら作業をする。

7

5

推奨締め付けトルクでもリークが止まらない場
合、さらにトルクを大きくして締め付ける（増締4め）とリークが止まることがあるが、トルクを大き3くし過ぎるとナイフエッジが鈍ってしまったり、ボルトが噛んでしまうこともあるため、注意が必要で6ある。特に、フランジ面同士が接触（面タッチ）し8
2てもリークしているようであれば無理はせず、一度ボルトを外して、ガスケットについたナイフエッジ

図 28 ボルト締結の順序（ボルト 8 本の場合）の食い込み痕等からリーク原因を探り、ガスケットを交換してやり直した方が良い。1.5.4 項のシール

達する機器には回転導入器、直線導入器、トランス剤を使って応急処置的にリークを止める方法もある

ファーロッド（transfer rod）等がある。軸シール

が、基本はできる限りこれらには頼らずにリークをは接触シールと非接触シールに大別され、前者には止める。

ウィルソンシール（Wilson seal）、O リングシール、

トルクの管理には通常トルクレンチを使用する

リップシール（lip seal）、後者にはベローズシール

が、ボルトやナットの仕上げ具合や材料で摩擦係数（bellows seal）、磁気カップリングシール、磁気流が異なるため、トルクレンチの設定トルクが同じでも実際のボルトの締め付け力は異なることがある。

体シールがある。
接触シールはエラストマー製 O リングや真空グ

そのため、ボルト、ナットは ICF フランジ用等とリース、オイルを使用しており、また磁気流体シーして市販されている信頼性の高い製品に統一して使ルはシール部が耐えられる圧力差に限界があるた

用し、ネジ部には潤滑剤を少量塗布する。潤滑剤はめ、これらの軸シールは中真空から高真空で使用さベーキングしても性能が劣化しない、二硫化モリブれる。ベーキングを行う超高真空システムに使用でデン（MoS2 ）と鉱油を含むペースト状潤滑剤（モ

きるのは非接触シールのベローズシールと磁気カッ

リコート、MOLYKOTE®）を使用するのが一般

プリングシールである。

的である。ただし、モリコートは真空容器内で使用

ベローズシール

不可のため、真空容器内をこれで汚染しないようにステンレス製の薄い板で作られた金属ベローズを注意して取り扱う。

用いた軸シールで、ベローズカップリングシールとガスケットの取り付け姿勢がガスケット溝から脱も呼ばれる。ベローズの伸縮を利用した直線導入器

落しやすい場合、ガスケットクリップと呼ばれる市や、傾き（みそすり運動）を利用した回転導入器が販のガスケット転落防止用治具を使用すると便利ある。真空容器側と大気側が溶接ベローズで隔たれである。板ナットまたは一体型ナット等と呼ばれるており、エラストマーや真空グリース等を使用しナット（例えば、[74]）を使用すると、ナット 1 個ていないため、ベーキングを行うことができる。ベ

1 個を工具で押さえながらボルト締結作業をする必ローズには疲労破壊による寿命があるため、注意が要がないため、作業効率が向上する（特に口径の大必要である。

きいフランジでは効果絶大である）。

磁気カップリンングシール
大気側に置かれた磁石で、真空中に置かれた強磁1.5.3 軸シール性体や磁石を隔壁を通して動かすことで運動を伝達

真空シールしながら大気側から真空容器内へ運動する軸シールである。隔壁は非磁性のステンレスやを伝達する機構に軸シールが用いられる。運動を伝51

アルミニウム合金が使用される。磁気結合力を大きにより劇物該当となっており、毒物劇薬一般販売

くするために隔壁の厚さは薄く設計されている。エ

業登録票のない販売店からは購入することができラストマーや真空グリース等を使用していないたない。

め、ベーキングを行うことができる。

バックシールの主成分はシリコン樹脂で、ガス

磁気カップリングシールは回転運動と直線運動

ケット等にあらかじめ塗布してリークを防いだり、が 1 つのマグネットペアで行える。また、ベローズ

発生したリークを止めるために使用される。圧力はシールのような疲労破壊による寿命がなく、直線運

1.3 × 10−10 Pa まで使用可能である。使用温度範囲

動の可動範囲に制限がない（機器全長を長くするこは −200 °C から 450 °C であり、ベーキングが行えとにより可動範囲を広げることができる）。強磁性

る。使用方法は液をリーク箇所周辺に塗布して、乾体や磁石を使用しているため、アナライザー部付近燥させる。トールシール同様、塗布する箇所に付着等での使用には適さない。負荷が大きい場合は空回している汚れ等はあらかじめ除去し、乾燥させておりすることがあるため、注意が必要である。

く必要がある。粘度が低いため、リーク箇所へ塗布すると毛細管現象による浸透が期待できる。ビンに1.5.4 シール剤

入ったブラシ塗り型と、スプレー缶に入った吹き付

接合箇所やフランジ間、ビューポートの窓材等でけ型が販売されている。

リークが発生した場合、これを止めるために当該部材を交換または修復することが最善ではあるが、対1.5.5 ベローズ

処に時間がかかることもあり、真空システムの稼働

真空システムを構成する各部品は必ず製作誤差を率という観点からは応急処置的にこれらのリークを持っており、また機器をベーキング等で高温にする

止めたい場合がある。このような状況では真空シー

場合は熱膨張・収縮により各機器が動く。この変位

ル用接着剤のトールシール（Torrseal®）やバック量を吸収するためにベローズを使用する。ベローズ

シール（VACSEAL®）で処置することがある。

には製作方法によって成型ベローズと溶接ベローズ

トールシールは主成分がエポキシ樹脂で、リークに大別される。

を止めるだけでなく、真空中の接着剤としても用−7いられる。大気圧から 1.3 × 10

成型ベローズは油圧により薄肉金属材料に蛇腹形

Pa まで使用でき状を成形した後、両端にフランジを溶接する。断面る。使用温度範囲は −45 °C から 120 °C であるた

形状は円筒型だけでなく、レーストラック型等も製

めベーキングも行えるが、高温になりすぎないよう

作可能である。製作する数が多い場合は安価であるに注意する必要がある。

が、伸縮量が ±10% 程度と小さく、硬いため取り回使用方法は白色の主剤と灰色の固化材を 2 対 1

しが悪い（ただし、チタン製の成形ベローズは非常の割合で混ぜ、処置箇所に塗布する。また、銃型のに柔らかい）。また、製作できる長さに制限がある。

ミキシングシステム（mixing system）が販売され溶接ベローズは薄肉・ドーナツ型金属材料 1 枚ており、これにトールシールのカートリッジを装着

1 枚を溶接によって接合して蛇腹構造を作り、両端してトリガーを引くと、正しい割合で二液が混合さにフランジを溶接する。高価であるが、伸縮量がれて射出される。二液を混合したのち、80 °C 程度±50% 程度と大きく、軟らかいため取り回しが良まで加熱すると粘度が下がるため、この状態でリーい。製作できる長さに制限がない。蛇腹内の構造はク箇所へ塗布すると、毛細管現象による浸透が期待狭小であるため、内部の洗浄性は成形ベローズに劣できる。また、塗布する箇所に付着している汚れ等る。また、溶接不良や異物混入する可能性がある。

はあらかじめ除去し、乾燥させておく必要がある。

ベローズの繰り返し耐久寿命は材質と、一山あた

トールシールの硬化時間は室温で 1–2 時間である。

りの伸縮限界値に対する使用伸縮量の割合による。

トールシールは 2018 年の毒物及び劇物取締法改正

最もよく使用される SUS304、SUS316 の場合、伸52縮量に余裕を持たせて使用すると、寿命は成形ベ

L型バルブ

ローズで 10 万回、溶接ベローズで 50 万回程度となる。インコネルやハステロイ（HASTELLOY®）の場合、寿命は SUS の約 10 倍程度になる。また、ベローズは伸縮性はあるが、ねじれに対しては融通

ガスケット性がないため、ねじれの吸収に回転フランジと併用することがある。

超高真空装置側フランジ

ベローズの内外で圧力差がある場合、ベローズは力を受けて変形する。これを避けるため、タイロッ

ゲートバルブド（tie rod、ベローズ両端のフランジ間に取り付ける治具。長尺のスタッドボルトがよく使われる）を用意しておくと良い。

超高真空装置側

1.5.6 真空バルブ
真空バルブはカットオフバルブ（cut-oﬀ valve）

ストレートバルブとコンダクタンス可変バルブに大別される。
カットオフバルブ
カットオフバルブは真空配管の途中に設置し、真超高真空装置側

空と大気を隔離するためのバルブである。バルブは
図 29 に示すように形式によって L 字型バルブ（アングルバルブ）、ゲートバルブ、ストレートバルブ、バタフライバルブ

バタフライバルブ（butterﬂy valve）に分類される。
バルブのシール材にはバイトン製 O リングが最もよく使われる。金属製シール材を使用したバルブもあるが、開閉の繰り返し寿命が短い。バルブの開閉

図 29 バルブの形式

操作は手動または圧空で行う。バルブの締め過ぎはシール材の寿命を縮めてしまうため、手動バルブはすることがある。ティップオフは図 30 に示すよう

トルク管理して使用することが望ましい。

に、主バルブを閉じた状態で、主バルブの大気側をバルブの軸シールに O リングを使用している機

導管と補バルブを取り付けたフランジで封止する。

種は中真空から高真空での使用に限られ、ベーキン

導管をドライポンプや RP 等に接続して補バルブをグを必要とする超高真空システムでは軸シールにベ開け、真空ポンプでしばらく排気した後、補バルブ

ローズを使用した機種を使用する。また、潤滑剤フを閉じて真空ポンプを停止・撤去する方法である。

リーの機種を選定する。真空装置側にはバルブ内の主バルブと補バルブの間は低真空から中真空程度の体積が小さくなる方を接続する。

圧力ではあるが、直接大気と超高真空装置が通じて

カットオフバルブは通常、単体で真空装置とそのしまうような大事故を防ぐことができる。

外界の大気圧を隔離できる仕様になっているが、金コンダクタンス可変バルブ

属製シール材と比べてエラストマー製シール材の信特定のガス種を真空装置に導入し、その分圧を一

頼性は劣り、シール材の劣化等が起きた場合は真空定に保ちたい場合にコンダクタンス可変バルブを装置と大気が直結する可能性がある。これを防止す使用する。真空ポンプの吸気側にコンダクタンス可るためにティップオフ（tip-oﬀ）と呼ばれる処置を

53

導管

テーパーピン型

補バルブ
超高真空装置側

図 30

主バルブ

ティップオフの構成

変バルブを設置して実効排気速度を制御する方法

平行平板型と、ガス導入ラインにコンダクタンス可変バルブを組み込んでガス導入量を制御する方法がある。前者

図 31

コンダクタンス調整方式

はバタフライ型やフラップ型（ﬂap、窓のブラインドのような構造）のバルブが用いられ、後者はバリであるが、外部からの衝撃に弱い。一般的に、ガラ

アブルリークバルブとも呼ばれ、主にテーパーピン

ス封着に比べてセラミック封着は丈夫ではあるが、（taper pin）型と平行平板型がある（図 31）。

強い衝撃には弱いので注意を要する。

バリアブルリークバルブは大気圧に近い圧力から真空容器へガスを導入するため、コンダクタンスを

1.5.8 ビューポート

絞り込む必要がある。このため、バルブ弁と弁座間

中真空から高真空用ビューポート（真空窓とも呼の非常に狭い間隔を微調整する。弁座にはテフロン

ばれる）の真空シールには、窓材とフランジとの間等の軟らかい有機材料が使用されることもあるが、このような機種ではバルブを閉めすぎると弁座が変にエラストマー製 O リングを挟み込み、大気圧で押し付ける方式が一般的に用いられている。超高真形し、流量の再現性が劣化してしまうので注意が必

空用では窓材と金属を封着する方式が用いられる。

要である。

ビューポートは外部の大気圧に耐えられるよう設計

バルブ弁の制御には小ピッチのネジを使う手動方されているが、内部からの圧力には弱いため、加圧式と、圧電素子を使う電動方式がある。圧電素子をしないよう注意が必要である。

使ったバリアブルリークバルブとマスフローメー透過させたい光の波長に合わせて窓材を選定する

ターを組み合わせ、マスフローコントローラ（mass必要がある。コバールガラスは可視光領域で 90%

ﬂow controler）としても販売されている。

程度の透過率であるが、紫外領域に吸収端がある。
紫外領域で高い透過率が必要な場合は石英ガラスか

1.5.7 電流導入端子

サファイアを使用したビューポートを選定する。そ真空容器で隔離された大気と真空間で電気信号等の他、RF 用のセラミック窓や、X 線用のベリリウを伝達する機器は電流導入端子、フィードスルー

ム窓等がある。ヘリウムはガラスを透過するため、（feedthrough）等と呼ばれる。気密を保ち、電極とリークテストの際には注意する。

フランジ間を電気的に絶縁するため、1.5.1 項で述

ガラス封着は熱衝撃に弱く、特に大口径の窓は熱べたガラス封着とセラミック封着が使用される。電的破壊の危険性がある。ベーキング等の熱サイクル

流導入端子は高電圧用、高電流用、弱電用等があり、BNC や N 型等のコネクターが使用されている製品に晒す場合は、熱的負荷が均一にかかるようにガラス部分を金属で覆うカバーが市販されている。

もある。ガラス封着を使用した電流導入端子は安価

541.5.9 配線材料

度でベーキングして、ダストと水分を除去する。

超高真空装置内で使用する配線材料は、定格電流

通常はベローズバルブとレギュレータ間の接続にを十分考慮して超高真空環境下で使用可能な材料でフレキシブルチューブ等を使用するが、すでに排気製作された品を選定する。最高使用温度が 150 °Cされている真空容器にボンベを後付けしてベントす

以下の場合は超高真空使用のポリイミド絶縁被覆電る場合、バルブとレギュレータ間に存在する水を含線がよく使用される。

んだ空気もベントの際に真空容器へ導入されてし超高真空中で配線等を電気的に接合する場合、一まう。これを避けるためには窒素ガスを吹き出しな

般的な半田は蒸気圧が高く、使用できない。圧着等

がらフレキシブルチューブをベローズバルブに接の物理的接合方法か、スポット溶接を用いる。

続し、その空間の空気を追い出す必要があり、特にベーキングされた真空容器をベントする際にはこれ

1.5.10 ボルト類に留意する。

超高真空装置内で使用するボルト、ナット、ワッ
シャ等は、超高真空用として市販されている純チタ

1.5.12 潤滑剤

ン製、チタン合金製、SUS304 製の製品を使用する。

大気環境下に比べて真空中では物質間の摩擦係

特に、チタン製は機械的強度があり、低ガス放出で数が増加する。これは界面に存在する酸化物、オイある。電気的絶縁が必要な箇所には高純度アルミナ

ル、水等が摺動によって押しのけられ、その後真空製の部品を使用する。使用する前には特級エタノー

中ではそれらの物質が供給されないことと、摩擦

ルで脱脂洗浄後、乾燥させる。

熱により表面の清浄化が進むことに起因している。

タップ穴とボルト間に密閉空間ができる場合、そ真空中で可動機構を設計する際、次のことに注意の空間内に閉じ込められた気体は、ネジ山で作られする。

た小さいコンダクタンスの流路を通じて真空容器内• できる限り摺動機構は避け、転がり接触とする。

へ放出されるため、通常のボルトはスローリークの• 摩擦が起こる接触部は異なった材質の組み合わ原因となり使用できない。このような場合はガス抜せにする。

き用穴付きボルトを使用する。

• 真空中での力の方向転換をなくす。
• 摺動機構はできる限り大気側に設置する。

1.5.11 ガス導入ライン• 潤滑剤（材）を使用する。

ガス導入ラインのレギュレータ、継手等には高真空排気ができる製品を使用する。Swagelok 社の摩擦係数を下げ、摺動部でのダスト発生を抑える

VCR 規格継手がよく使用される。継手は使用前に特級アルコールで脱脂洗浄する。ガス導入ラインに真空容器

も水が存在するため、コードヒーター等を使ってインで使用しているバルブ等の機器には耐熱温度がゲートバルブ低いものもあるため注意する（このような機器を使TMP用する場合、80 °C 程度の少し低い温度で長時間

フィルター

NW-VCR変換継手

ベーキングしても効果的である）。
大気圧乾燥窒素導入（ベント）システムはベローズ

RPバルブ、フィルター、NW-VCR 変換継手、VCR 継手付きフレキシブルチューブ等から構成する（図 32）。
ベローズバルブ、フィルターは排気時に 100 °C 程

55

図 32

ベローズバルブ

ベントシステムの構成例

乾燥窒素

ベーキングできるようにする。ただし、ガス導入ラ表 16 固体潤滑剤の機械的性質 [75]

材料

引張強さ

曲げ強さ

圧縮強さ

[kgf · mm−2 ][kgf · mm−2 ][kgf · mm−2 ]MoS2 + WS2

-

14–20

35–50

Si3 N4-60–70

170–190

Ag

12–15

-

-

MoS2

-

-

-

ポリイミド

7.4–8.9--

ためには潤滑剤を用いる。中真空から高真空において、蒸気圧の低いオイルやグリースはそのまま真空装置内で使用することができ、真空グリースとして市販されている。超高真空では真空グリースは使用不可で、軟質金属や高分子材料等の固体潤滑剤を使用する。固体潤滑剤の機械的性質を表 16 にまとめる。
軟質金属（Au、Ag、In）は摺動部へコーティング
して用いられることが多く、これにより摩擦係数を減らすことができる。この接触相手となる金属には
真接触面積が小さい、硬度の高い物質（Si3 N4 に代表されるセラミックや Rh 等の金属コーティング）がよく用いられる。

PTFE やポリイミド等の高分子材料は大気中と真空中での摩擦係数がほとんど変わらないため、潤滑剤として用いられる。後述の層状固体と呼ばれる材料を混合して摩擦係数を低減した高分子材料もある。
層状固体の摩擦係数は小さいことが知られており、二硫化モリブデンや二硫化タングステン（WS2 ）等は摺動部品へコーティングや焼結処理等をして用いられる。
コーティングした固体潤滑剤は長時間の使用で剥離が発生することがあるため、注意が必要である。

56

摩擦係数 µ

0.1–0.16
（真空中）

0.6
（大気中）

0.3
（大気中）

0.02–0.1（真空中）

0.15–0.5
（大気中）

使用温度

硬さ

[°C]
95 HRB

850

1500 HV

1000

26 HB

-

-

1100

-

275

SuperKEKB の 要 で あ る ナ ノ ビ ー ム ス キ ー ム

2 SuperKEKB の真空システム（nano beam scheme [95]）のためには、ライナック

2.1 概要から MR へエミッタンスの非常に小さいビームをSuperKEKB は電子と陽電子の非対称エネルギー

入射する必要があり、陽電子ビームに関してはライ

衝突型加速器である。衝突実験を行うメインリング

ナックの途中に DR（Damping Ring）が新たに建（MR）は陽電子蓄積リングと電子蓄積リング、2 つ設され、電子ビームに関しては RF 電子銃が開発・のリングから構成されており、ビームエネルギーの導入された [97, 98]。

大小からそれぞれ LER（Low Energy Ring）、HER

DR はレーストラック（race track）形状をした周（High Energy Ring）と呼ばれている。MR の概

長 135.5 m の陽電子蓄積リングである。ライナッ

略を図 33 に示す。MR は 4 箇所のアーク部（arcクで 1.1 GeV に加速された陽電子ビームが DR にsection、ビームがリングの主円弧を描く区間）と 4入射され、40 ms 以上蓄積して十分に放射減衰され箇所の直線部から構成されている。

た後、DR から出射される。出射されたビームはラ筑波直線部はビーム衝突およびローカルクロマテ

イナックで 4 GeV まで加速され、BT で輸送されィシティ（local chromaticity、ビーム衝突近傍におた後、LER へ入射される。

ける色収差）補正のための区間であり、Belle II 検出

真空システムの観点から SuperKEKB に特徴的器と QCS（超電導最終収束電磁石）もこの区間に設なパラメータを表 17 に示す。SuperKEKB MR は置されている。大穂直線部は放射光の放出によってアンペア級の大電流ビームを自由空間中に蓄積するビームが失ったエネルギーを補充する ARES（Ac-ことから、ビームから放出されるシンクロトロン放

celerator Resonantly coupled with Energy Stor-

射光（Synchrotron Radiation、SR）のパワーが強age）空洞とビームエミッタンス（emittance、位相く、光子数も多くなる。この大強度放射光は真空容

空間でのビームの広がり）および放射減衰時間を低器に照射されるため、真空システムには高い熱的強減するためのウィグラー（wiggler）電磁石が置かれ度が要求され、熱を取り除くための冷却構造も必要ている。富士直線部は、ライナック（linear accel-になる。また、MR・DR 共にバンチ長が短いこと

erator、 linac）および BT（Beam Transport、ビー

によりインピーダンス（真空容器からビームが受けム輸送路）からのビームを MR に入射するためのる電磁相互作用）が大きくなる。リングが持つインセプタム（septum）やキッカー（kicker）電磁石や、

ピーダンスが大きくなると、シングルおよびマルチ

フィードバックキッカー（feedback kicker）、HER

バンチ不安定性（sigle/multi bunch instability）にには ARES 等の機器が設置されており、また、こより、ビームエミッタンス劣化等が生じてしまうたの区間で陽電子ビームと電子ビームは互いに上下にめ、真空容器内側に段差を極力なくす等の対処が必交差する。LER の日光直線部にはウィグラー電磁要になる。さらに、陽電子リング固有の問題に電子石が、HER には電子ビームにエネルギーを補充す

雲効果（Electron Cloud Eﬀect、ECE）によるビー

る超電導空洞（SC、Superconducting Cavity）等

ム不安定性があり、これの対策が必要となる。

が設置されている。

なお、加速器物理の分野において縦方向はビームSuperKEKB で 目 標 と し て い る ル ミ ノ シ テ ィ

進行方向、横方向はそれに垂直な方向を一般的には（luminosity、素 粒 子 反 応 が 起 き る 頻 度 ）は 8 ×
35

10

cm

−2

·s

−1

指し、本テキストでもこれを踏襲している。

であり、これを実現するにはビー

ムエミッタンスを小さくする必要がある。そのため、IR（Interaction Region、衝突点領域）およびその近傍と、LER アーク部の電磁石の種類と配置
は KEKB から大幅に変更された。

57

図 33 Phase-3 初期における SuperKEKB MR の概略。D03V1 および D06V1 コリメータについては2020 年に設置予定。

表 17 SuperKEKB のパラメータ（設計値）。DR のバンチ長は加速空洞電圧が 1.4 MeV での値。

HER

LER

DR

ビームエネルギー [GeV]

7.0

4.0

1.1

ビーム電流

2.6 A

3.6 A

70.8 mA

バンチ数

2500
−1

バンチ電流 [mA · bunch]

バンチ長 [mm]2 bunches/train × 2 trains

1.04

1.44

17.7

5

6

6.57

3016

135.5

周長 [m]
偏向電磁石曲率半径 [m]

104.4674.68 62.632/2.967

1 リングあたりの放射光全パワー

5.3 MW

1.1 MW

7.2 kW

放射光の臨界エネルギー [keV]

7.3

1.9

0.93/0.82

58

:Gate Valve

2.2 各種真空機器

合うようにビームパイプの断面形状が決められた。

LER は約 93%、HER は約 18%、DR は全ての真LER の標準的なビームパイプの断面形状は、ビー

空機器が新規に製作された。本節ではこれらの中でムチャネルの直径が 90 mm、アンテチェンバー部

主要な機器について解説する。

の高さが 14 mm、アンテチェンバー部を含む全幅
が 220 mm である。HER、LER 合わせて合計約

2.2.1 アンテチェンバー付きビームパイプ

1230 本のビームパイプが新たに製作された。

MR アーク部の写真を（図 34）に示す。

なお、HER の標準的なビームパイプの断面形状

MR で新規に導入されたビームパイプのほとんど

は高さ 50 mm、全幅 104 mm のレーストラック型

は、ビームが通るビームチャネル（beam channel）

である。KEKB の時代から、HER では TRISTANの両側にアンテチェンバー（antechamber、側室の（Transposable Ring Intersecting Storage Acceler-意）を持つ構造が採用されている [76]。LER アー

ator in Nippon）で使用していた電磁石を再利用しク部のアンテチェンバー付きビームパイプを図 35ており、偏向電磁石の磁極間距離によりビームパイに示す。

プの垂直方向のアパチャが制限されている。ビーム

ビームパイプのアパチャ（aperture、口径）は大

入射時には水平方向に振動があり、さらにアーク部

きいほどコンダクタンスが大きく、インピーダンス

では水平方向にディスパージョン（dispersion）がも小さくなるが、加速器においては、電磁石のコアあることから、水平方向のビームパイプのアパチャの寸法によってビームパイプのアパチャが制限さ

は四重極電磁石の磁極と干渉しない範囲で広げられることが多い（図 36）。SuperKEKB MR の場合れている。また、レーストラック型ビームパイプ

は、KEKB の電磁石を再利用しているため、これには BPM の取り付けが容易であるという利点がある（詳細は [16, 17] の beam stay clear に関する記述
を参照）。

Sext.

リング外側のアンテチェンバーは放射光チャネ

Cartridge type NEG

TSUKUBA

Sext.
Steering

IP

Q

ル（SR channel）と呼ばれ、放射光を受ける目的

Strip type NEG

Q
IP

で使用される。放射光による熱負荷を取り除くた

Bend

め、その大気側には冷却水路が設けられている。通e−常のビームパイプと比べてアンテチェンバー付き
ビームパイプは、放射光の発光点から照射面までの距離が長いため、放射光がアンテチェンバー内壁にStrip type NEG

到達するまでに空間的に広がり、放射光のパワー

e+
Bend

SR Channel

Transformer
for NEG heater
OHO

Rectifierfor NEG heater
Feedthrough図 34 MR 東トンネルアーク部。東トンネルは
図 33 中 D03 の地下に位置している。写真左側の
図 35

リングが LER、右側が HER。

59

アンテチェンバー付きビームパイプの概略 [76]

密度を低減できる。LER アーク部（ビームパイプのビームパイプではアンテチェンバー内の垂直方

断面の半幅 110 mm）における放射光のパワー密度

向に RF スクリーンを通してカートリッジ型 NEG−1

ポンプが設置されている（図 37）。LER のウィグ

は、ビーム電流 3.6 A のとき、最大約 2.3 kW · m−2（2.2 W · mm）である。

ラー電磁石から放出される放射光のパワー密度は放射光チャネルのビーム進行方向下流側には、放約 14 kW · m−1 （3 W · mm−2 ）と高いため、ビー

射光マスクと呼ばれる下流にある真空機器を放射

ムパイプの材質には無酸素銅（C1011 相当）が採光から守るための突起構造がある。このような突起用されている。放射光マスクでのパワー密度は約

構造は通常、インピーダンスを増やす要因となる

50 kW · m−1 （9 W · mm−2 ）であるため、耐熱性が、これをアンテチェンバーの中に隠すことによっに優れるクロム銅（CrCu、C18200）が使用されててインピーダンスが低減される。また、放射光の反いる。

0.3 

射光や、放射光によって放出される光電子がビーム

ビームパイプの全長は約 0.6–6 m で、多種多様

チャネルへ侵入する確率を下げることができるたなものが製作されている。偏向電磁石内のビームパ

め、LER については電子雲不安定性を低減するこ

イプはビーム軌道に合わせた曲率で曲げられていとができる（2.3.1 項を参照）。

る。ビームパイプの材質は、基本的には設置場所のリング内側のアンテチェンバーは、ストリップ型

放射光強度によりアルミ合金（A6063）と無酸素銅（strip type、細い帯状の）NEG ポンプを収めるポで使い分けている。前者は押し出し、後者は冷間引ンプチャネル（pump channel）として使用され、ポき抜きで製作された。また、アルミ合金製ビームパ

ンプチャネルとビームチャネルの間には、ビームにイプから漏れ出す放射線量は無酸素銅製ビームパイ

より励振された RF の侵入を防ぐための RF スク

プの 100 倍以上であるため、外へ漏れ出す放射線

リーン（ϕ 4 mm の穴が 6 SRmm
ピッチで多数開い
Channelを小さくする目的で無酸素銅を採用している場合た板）が設置されている。このような構造物もインもある。例えば、放射線量及び放射光パワーの高い

ピーダンスを増加させる要因となるが、これもアン

HER は、全周にわたって無酸素銅製ビームパイプ

テチェンバーの中に隠すことによってインピーダンが使用されている。ビームパイプから漏れ出た放射スを低減している。ICF70 フランジには、NEG ポ

線が Belle II 検出器のバックグラウンド源になってンプ活性化用ヒーターへ大気側から通電するためのしまうため、検出器近くの領域でも無酸素銅製ビーフィードスルーが取り付けられる。

ムパイプが使用されている。

なお、ウィグラー電磁石の中でビームは左右に蛇行運動するため、放射光はリング両側へ照射される。そのため、ウィグラー部のアンテチェンバー
は両側共に放射光チャネルとして使用される。こSR Channel

NEG pump

Feedthrough

図 37

ウィグラー部のアンテチェンバー付きビー

ムパイプ

図 36 ビームパイプと四重極電磁石コアの取り合い

Stainless rib

60
BPM block

Flange for pick-up electrodeNEG pump

Stainless rib

BPM block

Flange for pick-up electrode

図 38 無酸素銅製アンテチェンバー付きビームパ
イプの BPM 部

四重極電磁石に据え付けられたビームパイプにはビーム軌道を測るための BPM（Beam Position

Monitor）が設置されている。図 38 に示すように、
BPM ブロックは二枚の板材により固定されている。この板材は測量にも利用している。ICF034 のフランジには BPM のピックアップ電極が取り付け

図 39 MR における MO フランジ。上：銅合金

られ、シール材はヘリコフレックスデルタを使用し製アンテチェンバー付きビームパイプ用 MO フラている。

ンジ、下：アルミ合金製レーストラック型ビーム
パイプ用 MO フランジ。

2.2.2

MO フランジSuperKEKB におけるビームパイプの接続フラン状のビームパイプにも適応できなければならない。

ジには、1）ビームの通過に伴う壁電流（wall current、SuperKEKB の MR では、導波管用に開発された

ビーム電場によって金属製ビームパイプ表面に誘起MO（Matsumoto-Ohtsuka [77–79]）フランジを加される鏡像電荷（image chage）による電流）に対

速器ビームパイプに適用するべく、開発研究がされ応した確実な電気的接触を持つこと、2）ビームがてきた（図 39）
。これまでにステンレス（SUS316L）

誘起する高次高周波（HOM、Higher Order Mode）

製、銅合金（C18200）製、アルミ合金（A2219-T851）の励振を防ぐために接続部の内面にできるだけ段差

製のフランジが開発され、これらをアンテチェン

なしで滑らかに接続すること、が要求される。

バー付きビームパイプやベローズチェンバー等に適従来の標準的な加速器用接続フランジは、ビーム用している。

パイプの断面形状に合わせた金属製のフィンガー

MO フランジのシール部の模式図を図 40 に示（RF コンタクト）を組み込んだり、シール材に金属す。このフランジの縁には、真空容器側の断面に製 O リング等を使用して電気的な接触を取ってい沿った凸状の平面（シール面）が加工してあり、こる。しかし、SuperKEKB のように大電流・短バン

れにより金属製ガスケットを潰してシールするたチ長ビームで運転される加速器は、より確実で段差め、真空容器側内面の段差は 0.3 mm 以下と、非常の少ない接続が要求される。これに加えて、アンテに小さい。また、MO フランジはコンフラットのよチェンバー付きビームパイプのように複雑な断面形

うなエッジではなく面でシールするため、複雑な断61

金製ボルトで約 18 N · m、ステンレス製ボルトで約20 N · m 程度までは増し締め可としている。
2.2.3 ベローズチェンバー・ゲートバルブ
ベローズチェンバーはビームパイプ等の製作誤差を吸収し、それらの接続を容易にする真空機器であ

0.3 

る。ビーム運転中はビームパイプの熱膨張/収縮を吸収する役割も担っている。ベローズチェンバー

図 40 MO フランジにおける真空シールの模式図 [79]の内部には、インピーダンスを低減し、ビームの通過により励振される HOM の発生を防ぐための面形状でも製作が可能である。

RF シールド（RF shield）と呼ばれる機構があり、ガスケットはノックピンにより固定することがで

従来のベローズチェンバーではフィンガー型の RFき、フランジ合わせ面の位置決め精度を上げられ、シールドが使用されてきた（図 41、[80, 81]）
。このフランジ締め付け作業時のガスケットの脱落も防止タイプの RF シールドは、内筒に接触して電気的できる。さらに、金属製ガスケットにより確実な電コンタクトを取るためのコンタクトフィンガーと、気的接触が得られ、RF コンタクトを取り付ける必コンタクトフィンガーを内筒へ押さえつけて電気的要もない。LER、HER 合わせて合計約 4200 個のコンタクトを確実にするためのスプリングフィン

フランジが製作された。

ガーで構成されている。蓄積電流が高くなるとフィ

MR の た め に 開 発 さ れ た MO フ ラ ン ジ は 、
締 め 付 け ト ル ク 13–20 N · m 程 度 で リ ー ク 量

ンガーの隙間から侵入する HOM、特に TE モード（Transeverse Electric mode）によって発熱しやす

1 × 10−11 Pa · m3 · s−1 以下のシールが可能である。複数回のベーキング（ステンレス製は 250 °C、それ以外は 150 °C）も可能である。ただし、銅合に図 42 のように損傷することがあった。

SuperKEKB MR では、図 43 に示す櫛歯型と呼金製とアルミ合金製フランジの組み合わせでは、熱ばれる RF シールドを採用している [82, 83]。この

膨張率の違いによってベーキング後にリークが発生

RF シールドは従来の薄いフィンガーを使用せず、してしまう。

櫛歯が互いに噛み合った構造をしている。標準的フランジの締め付けに使用するボルトとガスケッ

な櫛歯の寸法は、長さ 10 mm、幅 1 mm、櫛歯間トの材質は、フランジの材質に合わせたものを使隔 2 mm、櫛歯の径方向の厚みは 10 mm である。

用している。例えば、アルミ合金製フランジ同士ビームが励振する壁電流の高周波成分は、主に噛みの締め付けにはアルミ合金（A5052）製ガスケットとアルミ合金（A2024）製ボルトを使用している。
銅合金製フランジ同士、ステンレス製フランジ同合った櫛歯間の静電容量で、低周波成分は櫛歯の外側（ビームチャネル側ではなくベローズ側）の RF
フィンガー（outside-shield）を通して流れる。

士、銅合金製およびステンレス製フランジの接続に
NEG pump

櫛歯型 RF シールドはフィンガー型に比べて、1）は、無酸素銅（C1020）製のガスケットとステンレ

TE モードの HOM が漏れにくい、2）櫛歯は 1 mm

ス（SUS316L）製ボルトを使用している。ボルトに厚の銅であるため、耐熱性に優れる、3）ビームチャ

はモリコートを塗布し、最初は 5 N · m 程度の小さ

ネル内面に段差が少なく、インピーダンスが小さ

Stainless rib
いトルクで締め、徐々にトルクを上げて締め込んでい、4）ビームチャネル内面に摺動部がなく、伸縮いく。標準的な締め付けトルクは、アルミ合金製で約 13 N · m、銅合金製で約 15 N · m としている。
このトルクでもリークが発生する場合は、アルミ合
BPM block

Flange for pick-up electrode

く、また、フィンガー部は薄くて熱的にも弱いため時のダストの発生が少ない、等の特長がある。アン
テチェンバー付きビームパイプに使用する櫛歯型
ベローズチェンバーを図 44 に示す。通常は自然長

62図 43 櫛歯型ベローズチェンバーの概略図 [84]

図 41 ベローズチェンバーにおけるフィンガー型

RF シールドの概略図 [81]図 44

アンテチェンバー付きビームパイプ用櫛歯型ベローズチェンバー

定し、また、リーク等のトラブルが発生した際にはゲートバルブを閉じて当該箇所を閉じ込め、被害の影響を最小限に抑える役割を担っている。ゲート
バルブもベローズチェンバーと同じく、櫛歯型 RF

図 42 損傷したフィンガー型 RF シールドの実例

シールドを使用している。アンテチェンバー付き
ビームパイプに使用する櫛歯型ゲートバルブの外観から ±4 mm の範囲内で使用するが、機構的にはを図 45 に示す。ゲートバルブの場合、本体はステ±6 mm が可動範囲である。接続するビームパイプ

ンレス製であるが、櫛歯は銅製で、ステンレス部分の材質や断面に合わせ、複数種類の櫛歯型ベローズのビームチャネル側内面には銀メッキが施されていチェンバーを製作している。HER、LER 合わせて
合計約 1240 台のベローズチェンバーが製作された。
ゲートバルブはリングの真空をいくつかの区間に分け、真空作業する際に大気開放する領域を限63

る。HER、LER 合わせて合計約 40 台のゲートバ
ルブが製作された。

る。したがって、式（1）からも動的圧力は、

QPSD
S
kT nph η
=
S

pd ≈

(37)

で与えられる。ここで、PSD によるリングの平均
ガス放出量 QPSD [Pa · m3 · s−1 ]、放射光によるリ
ング内の光子数 nph [photons · s−1 ]、リングの平均
光刺激脱離係数（光子 1 個あたりに放出される気体分子数）η [molecules · photons−1 ] である。
実際には放射光がビームパイプ表面に照射された際に発生する光電子や、この電子がビームパイプ
表面に衝突して発生する二次電子も存在するため、
光刺激脱離と電子刺激脱離によるガス放出が共存している。特に、ECE が発現すると電子刺激脱離によるガス放出 QESD の寄与が大きくなり、場合
図 45 アンテチェンバー付きビームパイプ用ゲー

によっては光刺激脱離よりこちらが支配的になる

トバルブ（2.3.2 項では具体例を紹介している）。本テキスト
では、特に断らない限り、光刺激脱離係数 η は ESDの寄与を含んでいるものとする。

2.2.4 真空ポンプ
リング全体（または着目するある区間）の排気速

η はビームダクトの材質や表面状態等にも依存度が一様に分布していると仮定すると、静的な系する。放射光を見ていない新規のビームパイプににおけるリングの平均到達圧力は式（13）で決まる

おいて、η は 10–10−2 molecules · photons−1 程度

が、加速器の真空システムのようにイオンや電子、の値をとる。η はビームパイプに照射された光子数

放射光等が存在する系では、これに動的なガス放出の積算（photon dose、単位長さあたりの積分光子−1

Qd [Pa · m · s
3数] が加わる。つまり、∫

nph dt/L 。ここで、L はビームパイプ内で光子が照射されるリングに沿った長さである。フォトp=

Qs + Qd= ps + pd
S

ンドーズを単位面積当たりの積分光子数で定義しな(36)

いのは、実際上、放射光はビームパイプの片側に一

ここでの Qs は静的なガス放出（static gas desorp-

次元的に照射され、この他のビームパイプ内の領域

tion）、Qd は動的なガス放出（dynamic gas desorption）、これらによって決まる圧力 ps = Qs /S 、
pd = Qd /S はそれぞれ静的圧力（static pressure）、
動的圧力（dynamic pressure）と呼ばれる。

には散乱・反射した光子のみが照射され、一般的にこれらによる寄与は非常に小さいと考えられるためである）とともに減少する。この放射光によるビー
ムパイプのエージングは焼き出し（SR scrubbing、加速器の真空システムにおける動的なガス放出源

SR conditioning）等と呼ばれており、この焼き出には、熱的ガス放出やイオン刺激脱離（ion stimu-

しにより η を 10−6 molecules · photons−1 以下にlated desorption）等があるが、SuperKEKB の真することも可能である。

空システムにおける到達圧力は、主に放射光に起因

放射光によるガス放出には、ビームパイプに沿っするガス放出、すなわち PSD によって決まっていた排気システム（これは分布型排気システムと呼ばれる）がビームパイプ内の平均圧力を下げるのに

64

B

B

B

B

B

(a)

B

B

B

(b)

図 47 LER 1 セルの圧力分布 [89]図 46 LER 1 セルの放射光パワー線密度と光子
B
B
B
B
数線密度 [89](b)Belle II 検 出 器 に お け る バ ッ ク グ ラ ウ ン ド を 低
効果的であるため、MR ではアンテチェンバーの減するために、LER の目標圧力はビーム運転時

片側をポンプチャネルとして使用し、ここにスト

で 10−7 Pa としている。アーク部の平均光子密リップ型 NEG ポンプを設置する方策が採られてい度は 5 × 1018 photons · s−1 · m−1 であり、η を焼る [89]。DR では放射光がビームパイプの両側に照き出しにより現実的に十分達成可能な値として、射されることから、分布型排気システムを採用して

1 × 10−6 molecules · photons−1 、温度を 25 °C といない（2.2.7 項を参照）。

すると、ガス負荷は 2 × 10−8 Pa · m3 · s−1 · m−1

図 46 には LER の典型的な 1 セル（光学系の 1となる。 ビームパイプに沿って、単位長さあたり単位）の放射光パワー線密度と光子数線密度を示し

平均実効排気速度が 0.1 m3 · s−1 · m−1 であれば、ている。各偏向電磁石（図中 B）の直下流が最もパ

10−7 Pa の平均圧力を実現できる。

ワー線密度が高い。ビームパイプ中心に向かって

図 47 に は 各 ビ ー ム パ イ プ に 平 均 排 気 速 度

高く突き出た放射光マスクを置くことにより、こ0.12 m3 · s−1 · m−1 のポンプを使用した場合の圧のパワー線密度を局在化させ、その近傍に排気速力分布を示している。この場合、2.3 × 10−7 Pa の度の大きいポンプを設置する方法もあるもあるが、平均圧力が得られている。

SuperKEKB の MR では、ビームパイプのインピー

MR のアーク部等では、前述の通り、分布型ポンプ

ダンスの小さい、単純な断面形状のビームパイプがとしてリング内側のポンプチャネルに入るストリッ

好ましいことから、大部分の放射光をビームパイプ

プ型 NEG ポンプを使用している。このポンプは 3に沿ったアンテチェンバー内で受け止め、分布型の層の NEG ストリップ（ST707、SAES GETTERS

ポンプを配置する方法を採っている。なお、ビーム

Co. Ltd.、幅 3 cm）で構成され、それらの間にはパイプ下流のベローズチェンバーと真空シール部

活性化時に使用するマイクロヒーターが組み込まれ（ガスケット）を守るため、ビームパイプ中心に向ている。マイクロヒーターの端末はフィードスルー

かって小さく（5 mm 程度）突き出た放射光マスクと接続される。活性化の際はこのヒーターに通電すをビームパイプ下流側のアンテチェンバー内に置いることにより、約 400 °C まで加熱することができている。

る。通常は NEG ストリップに直接通電してジュー

残留ガスとビームとの衝突で決まるビーム

ル加熱する方法が採られるが、この方法では加熱中

ライフタイム（beam life time、ビーム寿命。付

に NEG ストリップがビームパイプ内壁と接触し、録 A を 参 照 ）を 十 分 長 く 確 保 す る た め 、ま た 、

短絡する可能性があることから、マイクロヒーター

65

を使用している。
この NEG ストリップの窒素に対する排気速度
は、活 性 化直 後 で約 0.2 m3 · s−1 · m−1 であ る 。

PSD で放出される主要なガス種は一酸化炭素であるが、これに対しては約 2.0 m3 · s−1 · m−1 に相当する。実際は RF スクリーンが 1 m あたり約

0.2 m3 · s−1 のコンダクタンスを有するため、実効排気速度は窒素に対して約 0.1 m3 · s−1 · m−1 、一酸化炭素に対して約 0.18 m3 · s−1 · m−1 となる。

HER、LER 合わせて合計約 1130 本の NEG ポン
プが製作された。

2.2.5 コリメータ
MR にはコリメータ（collimator）と呼ばれる真図 48 HER アーク部のコリメータ

空機器が設置されている。コリメータの目的は、1）大電流ビームから加速器および Belle II 検出器の各コンポーネントを防護する、2）Belle II 検出器

して、±10 mm 程度の範囲を可動する。この動き

におけるバックグラウンドを低減する、3）QCS クを吸収するため、コリメータの上下流にそれぞれ 2

エンチ（quench）を防ぐ、ことである。コリメータ

台のベローズチェンバーを設置している。これらはは、可動の金属製ブロックが周回ビームにアプロー

ビームパイプと同じくレーストラック型の断面形状

チして不要なビーム成分を除去するため、可動マスをしたベローズチェンバー（フィンガー型 RF シーク（movable mask）や可動コリメータと呼ばれるルド）である。これらベローズチェンバーも含めたこともある。本テキストでは、実際にコリメートすコリメータの全長は約 2000 mm である。

る部品をコリメータヘッド等と呼んでいるが、論文

LER や HER の筑波直線部ではアンテチェン

等では jaw（顎、狭い入り口等の意）と一般的には

バー付きビームパイプが使用されているため、この呼ばれているようである。コリメータは水平または断面形状に対応したコリメータを新たに開発した

垂直方向からビームへアプローチするものを用意し（図 49、[85–87]。このコリメータは 1 台のチェンている。

バー内に対向する二枚の可動コリメータヘッドが収HER のアーク部は KEKB から変更がないため、められている。チェンバーとコリメータヘッドは主に無酸素銅で製作されている [88]。

コリメータも KEKB で設置されたものを引き続き使用している（図 48、[90, 110]）。HER の標準的なビーム軌道とコリメータヘッド先端間の距離は水ビームパイプの断面形状は、高さ 50 mm、全幅 104

平方向型で 2–30 mm、垂直方向型で 0.5–25 mm 程

mm のレーストラック型であり、コリメータの断面度の範囲で使用することを想定している。コリメー

形状もこれに適合している。コリメータチェンバー

タヘッドの寸法は長さ 360 mm, 厚さ 12 mm で、内には傾斜がつけられており、その一部（図 48 中のビームにより損傷した場合には新しいものに交換で

Mask Head 部）がコリメータとして機能する。コ

きる構造になっている。垂直方向型の下側に設置しリメータヘッド部は長さ 40 mm のチタンで製作さているコリメータヘッドは、通常姿勢では交換できれており、交換することができる。コリメータヘッ

ないため、チェンバー両脇に取り付けた円盤形状のド部以外はアルミ合金で製作されている。ビーム軌

治具を使い、コリメータ全体を回転してヘッドを交道とコリメータヘッド間の距離は 10 mm を基準と換することになる。

66

は放射長の 2 倍以上である 10 mm としている。なHorizontal type

お、Phase-2 および Phase-3 コミッショニングではコリメータヘッドにビームが直撃する事故が発生した（2.6.2 項を参照）。Phase-3 前のシャットダウン
期にヘッドを交換した際、損傷したタングステンの先端は照射脆化により粉状でポロポロ落ちる状態になっていたため、ヘッド先端部の材質を脆化しにく
いタンタルに変更したものも現在開発している。
コリメータはビームに対して非常に大きな突起物

Vertical typeであるため、リングにインストールされている各種機器の中でも主要なインピーダンス源の一つである（2.4 項を参照）。インピーダンスを低減するためには、一般的にコリメータの壁がビームへアプローチ
するスロープを緩やかな角度にするが [91]、この方法ではコリメータの全長が大きくなってしまい、リ
ング内で設置できる場所が限られてしまう。この問題に対処するため、新型のコリメータはスロープのHorizontal collimator in tunnel

一部をアンテチェンバー内に納めることにより、コリメータ全長が 800 mm とコンパクトながらも低いインピーダンスを実現している。
また、このスロープは放射光のパワー密度を低減する役割もある。例えば、コリメータの場所に垂直壁があると仮定すると、そこに照 射される放射光のパワー線密度は 19.3 kW · m−1 となる。 新型コ
リメータは、スロープの角度が約 23° であり、 これによりパワー線密度は 7.5 kW · m−1 にまで下がる。 これは冷却水を使用すれば問題にならない値である。
ビームはヘッド近くを通過するため、HOM が励

図 49 LER および HER 筑波直線部の新型コリメータ

振される。特に捕捉モード（trapped mode）の励振を避けるため、コリメータチェンバーはテーパー

ビームによるヘッドの損傷を避けるため、ヘッド構造にしている（LER 標準のビームチャネル直径の先端部には融点の高いタングステンを使用してϕ 90 mm が、ヘッド部に向かって ϕ 27 mm まで絞いる。タングステンは HIP 接合により銅製ヘッドられている）。さらに垂直方向のコリメータでは捕と接合する。この行程では同時に、ヘッド内にステ捉モード励振を避けるため、水平方向両サイドのア

ンレス製冷却水配管が組み込まれる。また重金属でンテチェンバー内もテーパー構造にしている。

あるタングステンの放射長（radiation length、物

また、ヘッドの周辺には RF シールドを置くこと

質中で電子のエネルギーが平均して 1/e になる長により、ヘッド背後にある空洞構造（ヘッド収納室）

さ [96]。）は約 3.5 mm と短く、これによる遮蔽効

への HOM の侵入を防いでいる（図 50）。コリメー

果が期待できる。ヘッド先端のビーム軸方向の長さ

タヘッドの長辺には従来型のフィンガー型 RF シー

67

直の方向（y 軸方向）へ電界成分を持つ TE111,y である。続いて、 TE112,x/y （2.00661 GHz/2.01287

GHz） 、 TE113,x/y（2.06278 GHz/2.08390 GHz）
、TE114,x/y（2.13454 GHz/2.15322 GHz）と続く。

TE111,x に お け る 最 大 電 界 強 度 は 1.7 ×
107 V · m−1 であり、これに対してコリメータヘッ

図 50 新型コリメータのヘッドドと チェン バー壁間 の隙間 における 電界強 度は10 V · m−1 程度と 6 桁ほど低い。図 51 においてルドが、短辺には櫛歯型 RF シールドを採用していもヘッド収納室内の薄い青色で確認できるが、ビーる。このフィンガーにはインコネルに銀メッキした

ムパイプ側で励振している電磁場がヘッド収納室へものを、フィンガーが接触する相手側の板にはステ侵入し、ヘッド収納室でも共振モードが励振されてンレスにロジウムメッキしたものを使用している。

いる様子が見える。ただし、ビームパイプ側との結

CST Studio [103] の Eigenmode Solver によっ合は弱く、ヘッド周辺の RF シールドは機能していて RF シールドの有効性を評価した例を図 51 にる。

示す。ヘッド収納室は共振器として機能するため、共振周波数は 1.10141 GHz から高い周波数まで、

2.2.6

IR の真空機器

多数の共振モードが存在する。ビームパイプの基

電子および陽電子ビームが互いに衝突する場所は

本モードは共振周波数が 1.95571 GHz のヘッドが衝突点（Interaction Point、IP）と呼ばれ、この周ある方向（x 軸方向）へ電界成分を持つ TE111,x辺の領域を IR と呼んでいる。IR の概略を図 52 にで、次に共振周波数が 1.98486 GHz のヘッドと垂(a) (b) 


1.10141 GHz(c)  


TE 111:1.95571 GHz

図 51 CST による新型コリメータの固有値解析結果（渡邉謙先生提供）

68Belle II
QCS beam pipe

QCS beam pipe
IP chamberIPelectro n
Moving stage

po sitro n

QCSL

QCSR

Moving stage

BPM-bellows with RVC

図 52 IR の概略 [92, 93]示す。なお、本テキストではイオンポンプの表記にがステンレスの代わりに採用された。ベリリウムとIP を使用しているため、混同を避けるため、衝突点

チタンはろう付けされる。直線型チェンバーには約の表記には極力これを使用していない。

10 µm 厚の金メッキが施されており、これにより衝突点チェンバーは、図 53 に示している通り、光子を吸収する。

二股形状と直線形状のビームパイプを組み合わせた

直線部両側の二股チェンバーは，できる限りバッ

X 字型の真空容器である。衝突点の前方 5 cm かクグラウンド源となる粒子をビームパイプ外へ透ら後方 3 cm の領域は検出器の受容領域で，ここは過させないため、物質量の大きいタンタルで製作さ衝突点で生成された粒子を透過させる必要があるた

れている。二股チェンバーのうち、衝突点に入ってめ、物質量の小さいベリリウムで製作されている。

くるビームのチェンバーは ϕ 20 mm から ϕ 10 mm

直線部分の主な熱負荷は壁電流によるもので、そのへ絞られたテーパー構造になっており、衝突点直前

パワーは 80 W 程度である [94]。この熱負荷を冷の偏向電磁石で生成された放射光はこの内壁に照射却するため、ベリリウム部は二重管になっており、される。また，衝突点上流側のビームパイプ内壁に管の間には液体パラフィン（paraﬃn、C10 H22 ）をはリッジ構造が加工されており、これにより光子が流す（ベリリウムは反応性があるため水は使用しな

直線部分に向かって散乱されないようにしている。

い）。内筒と外筒の肉厚はそれぞれ 0.6 mm と 0.4

直線部と二股部は HIP 接合される。細いベリリウ

mm で、内筒と外筒間の 0.5 mm の隙間をパラフィ

ムの両端に重いタンタルが接合されるため、タンタンが流れる。

ルの重心近くを保持するサポート構造が置かれてい当初、直線部分はベリリウムとステンレスを接合る。タンタルは抵抗率が高いため、二股チェンバー

して製作される設計であったが、両材料の熱膨張のの内面には銅メッキが施され、チェンバーは水冷さ差により接合部分への応力が問題となることが判明れる。

したため、ベリリウムとの熱膨張差が小さいチタン

衝突点チェンバーと QCS の間には BPM 付きベ69



図 53 衝突点チェンバー [92, 93]

He vessel 54）
ローズチェンバーが設置される（図。このベ

TiN コーティングを施している。

ローズは径が小さく、櫛歯型 RF シールドでは十QC1LP
He vessel
QCSのクライオスタット先端部には作業スペー

分な柔軟性が得られないため、従来のフィンガーをス が ほ と ん ど な く 、手 で ボ ル ト を 締 め て ビ ー ム

使ったシールドを採用している。ベローズを伸ばし

パ イ プ を 接 続 す る こ と が で き な い た め 、DESY

過ぎるとフィンガーが脱落する可能性があるため、（Deutsches Elektronen-Synchrotron、ドイツ電子

それを防止するためのリミット機構を備えている。

シンクロトロン）が開発した RVC（Remote Vac-

QCS の中のビームパイプ（以下、QCS ビームパ

uum Connection）と呼ばれるリモートでフラン
O-ring seal between beamイプ）とクライオスタット（cryostat
QC2LE ）の取り合いを

pipes and cryostat
ジ間を接続するシステムが設置されている（図56、

図 55 に示す。QCS ビームパイプは 4 mm 厚のス[92]）。衝突点チェンバーと BPM 付きベローズチェ

テンレスで製作され、その中に冷却水チャネルが組

ンバーのユニットを QCS ビームパイプへアプロー

Bellows RF finger
み込まれている。ステンレスは抵抗率が高いため、チさせ、RVC の回転式ロックシリンダーでこれをBPM pick-upLER
内面に銅メッキが施されている。
のビームパ
CrCu
CrCu

捕捉し、乾燥窒素ガスでフランジ部に圧力をかけてイプについては、さらにその上に電子雲対策として真空シールをする。

QC2LP

QC1LE

Bellows with O-ring seal70

O-ring seal between beam
pipes and cryostat

QC1LE

QC2LE
Bellows with O-ring seal
Bellows contact finger
BPM pick-up

CrCu

CrCu

spring finger



Coolling channel
IP

QCS

図 54

BPM 付きベローズチェンバー [92, 93]

He vessel
QC2LP

He vessel

QC1LP

QC1LE

QC2LE

O-ring seal between beam
pipes and cryostat

Bellows with O-ring seal
Bellows
CrCu

RF finger

図 55

QCSL クライオスタットとビームパイプ [92, 93]

BPM pick-up

CrCu

2.2.7 DR の真空機器
DR の概略を図 57 に示す。DR はゲートバルブ
で区切られた 5 つの領域から構成されている。主要な区間は合計約 118 m ある東・西アーク部である。北直線部には入射セプタムが、南直線部には出射セプタムが設置されている。西アーク部と南直線部の間には RF 空洞が設置された区間があCoolling channel

る [101, 102]。西アーク部の上流側と下流側にはそれぞれ、入射キッカーおよび出射キッカーが設置されている。東アーク部には SRM（Synchrotron

Radiation Monitor、放射光を用いたビームサイズ
モニター）、DCCT（ビーム電流モニター）
、フィー
図 56

ドバックモニターおよびフィードバックキッカーが

QCSR クライオスタット先端部の RVC [93]設置されている。
アーク部では reverse FODO（reverse forcusing

71

IP

Angle valve

Sext.
B2

B1
Q

Q

CCG
IP

図 57 DR の概略 [104, 105]drift deforcusing drift [99]）と呼ばれる特殊なラティス（lattice）が採用されており、このラティス
では陽電子ビームを逆方向へ曲げる二種類の偏向電磁石（B1, B2）が主に設置され、これに合わせてビームパイプも Type I と Type II の二種類を用意している（図 58）。MR 同様、アンテチェンバー
付きビームパイプが採用され、アルミ合金で製作されている（押し出し材：A6063-T6、フランジ：

A2219-T815、ポンプポート：A5052、BPM ブロッ
ク：A5083）。reverse FODO ラティスではビームが左右に振られ、放射光はビームパイプの左右に

図 58 DR アーク部の構成 [104, 105]照射されるため、2 つのアンテチェンバーは放射光チャネルとして使用される。
いて活性化している。

DR の主ポンプである IP と NEG ポンプは、ポゲートバルブで区切られた各区間には CCG：

ンプポートに設置される。IP が接続されるポンプ

1 台、真空スイッチ：1 台が設置されている。東ポートには十字管が接続され、1 ポートは IP、1

アーク部には RGA を 1 台設置している。また、電ポートは粗排気セット等を接続するためのアングル

子雲対策として、DR のビームパイプは長手方向にバルブ、1 ポートは CCG/RGA/真空スイッチに使グルーブ（groove、溝）構造を有しており、TiN コー

用している。各アーク部には約 6 m おきに、合計

ティングを施している（2.3 節を参照）。

11 台の IP が設置されている。

アンテチェンバー内のグルーブには放射光を散乱

図 58 に示している通り、ビームパイプの断面積させる効果があり、これによりできるだけ光子が（コンダクタンス）が小さく、NEG ポンプの活性化

ビームチャネルへ入らないようにしている。Syn-

時に放出されるガスの排気に長時間を要する（2.5.5

rad3D [100] によりビームパイプ内の光子分布を評

項を参照）。各アーク部には最大 11 台の粗排気を取価した例を図 59 に示す。シミュレーションにおけり付けることができ、ビームパイプを設置してからるビームパイプの RMS 表面粗さ Rq と自己相関長

初回の NEG 活性化では多くのガスが放出されるたは実測から算出している。アンテチェンバー内で放め、11 台の粗排気を使用した。2 回目以降の活性化

射光が照射される面がフラットな場合、散乱されたでは、使用する粗排気セットの数を 6 台程度に間引72

(a) 


Stopper controller





!
PLC (DO)

光子がビームチャネル内にも侵入してしまう。放射

光の照射面がグルーブになっている場合、放射光はアンテチェンバー内で散漫的に散乱され、光子がPLC (DI)

open request

ビームチャネル内へ侵入することを防いでいる。
and not close requestand E1

DR は 2018 年 1 月に完成し、Phase-2 コミッショ
ニングから DR が導入された（2016 年の Phase-1
1: SP15W2Counts = 3775

では DR なしで、MR のみでビーム運転がされた）
Control unit
In tunnel[105, 216]。

300

300

250

250

D-SUB 25S



150

200

150

100

100

50

50

0

0
0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Scaled Polar angle(a) 

"$3775#

1: SP15W2Counts = 3707
1500
1500
1000

CountsCounts(b)

CountsCounts

200

500

500

0

0
0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Scaled Polar angle(b) "$3705#

図 59 Synrad3d による DR ビームパイプ内の光子分布。このシミュレーションにおいて放射光はリング外側にのみ照射されている。横軸 0 はリン
グ外側、0.5 はビームパイプの上方向、1 は内側を表している。黄色塗りつぶしはアンテチェンバー
内の領域を示している。Rq ：508 nm、自己相関
長：10 µm。

73

1000

2.3

電子雲不安定性と対策で抑えることが非常に難しい。単バンチ不安定性

図 60 に電子雲が発生する様子を示す。偏向電磁によるビームサイズの増大はルミノシティ低下に石等で曲げられた高エネルギービームは放射光を発直結するため、SuperKEKB では ECE 対策が徹し、その放射光はビームパイプ内壁へ照射される。

底的に行われている。なお、SuperKEKB におけ放射光が照射された場所からは光電子（photoelec-

る ECE の閾電子密度は、シミュレーションによtron）が発生し、さらにこの光電子がビームパイプ

り約 3 × 1011 electrons · m−3 と見積もられていに衝突すると、二次電子（secondary electron）がる [108, 109]。

発生する（実際にはビームパイプ表面での光子の反射や、ビームが作る電場で加速された電子の表面衝

2.3.1 ECE 対策
こ れ ま で に KEK [110–128]、CERN [129–

突による二次電子の発生等もある）。
周回している荷電粒子が正電荷を持つ陽電子や陽137]、コーネル大学 [138–141]、SLAC [142–145]、子の場合、このプロセスで発生した電子がビーム

INFN [146, 147]、BNL [148, 149]、BINP [150] 等の周りに雲のようにまとわりつく。ビームパイプの研究所で様々な ECE の対策方法が研究されてい内の電子数が増え続けて電子雲の密度がある閾値

る。これらの研究結果を踏まえて SuperKEKB でを超えると、真空容器内の圧力上昇や、ビームサイ

は、1）アンテチェンバー、2）TiN コーティング、ズおよびエミッタンス増大をもたらす。このビー

3）縦方向磁場、4）グルーブ構造、5）クリアリング

ム不安定性は ECE または ECI（Electron Cloud

電極（clearing electrode、電子雲除去電極）、の対

Instability）と呼ばれ、近年の大電流陽子リングま策が施されている。表 18 には SuperKEKB LER

たは陽電子リングで深刻な問題となっている。
これまでの OHO シリーズでも電子雲不安定性
bunchについて述べられているため、OHO’00 家入 [32]、

OHO’06 陳 [33]、OHO’11 大見 [31] 等も参照していただきたい。

electron cloud

ECE では、電子雲が媒体となって先行バンチの変位が後続バンチに影響を与える結合バンチ不安定性（coupled bunch instability、図 61(a)）と、電子雲が媒体となってバンチ内後方の正電荷粒子(a) 

に影響を与える単バンチ不安定性（single bunchinstability/head tail instability、図 61(b)）が引き起こされる。前者はフィードバックシステムによりある程度は抑え込むことが可能であるが、後者はバンチ内の現象であるため、フィードバック(b) 

図 60

電子雲発生のプロセス

図 61 電子雲による不安定性
Horizontal coating station74

表 18 SuperKEKB LER における ECE 対策。各対策の括弧内は、コーティング等の対策を施していない銅製丸型ビームパイプの場合と比べた電子雲密度の低減率。ウィグラー区間において、TiN コー
ティングはクリアリング電極のないビームパイプに対してのみ施している。CE はクリアリング電極
の意。

区間

長さ

電子密度

アンテチェンバー

TiN

縦方向磁場

グルーブ

CE

[m]

[electrons · m−3 ]

(1/5)

(3/5)

(1/50)(1/2)(1/100)

ドリフト

1629

2 × 10

◦

◦

◦

補正電磁石

316

2 × 1010

◦

◦

◦

偏向電磁石

519

6 × 1010◦◦

ウィグラー電磁石154

5 × 109◦◦

四極・六極電磁石254

5 × 109

◦

◦

RF

124

1 × 109

◦

◦

IR

20

6 × 109

◦

◦

合計

3016

平均

10

◦
◦

2.4 × 1010の各区間において適用している ECE 対策についてまとめている。
本項で紹介しているビームパイプ内の電子電流および電子密度は、試験用ビームパイプに設置した

RFA（Retarting Field Analyzer [151]）により測定されている（図 62）。RFA はビームチャネルの真下にあり、電子コレクターには DC+100V を印加している。電子コレクターの前にはエネルギーを弁別する retarting grid が置かれている。retarting grid
で高いエネルギーの電子のみを測定することで、ビーム軌道近くの電子密度を測定することができる（ビーム軌道近くの電子はバンチが作る電場から力図 62を受けるため、高いエネルギーを持つ） [110, 151]。

試験用アンテチェンバー付きビームパイプ

における RFA

アンテチェンバー

LER のほぼ全周にわたって、2.2.1 項でも述べた効果は、100 mA 以下の低ビーム電流で ≈ 1/100、

アンテチェンバー付きビームパイプを使用してい1000 mA 以上の高ビーム電流で ≈ 1/5 である（低る。アンテチェンバーには、アンテチェンバー内でビーム電流では光電子が支配的であり、アンテチェ

反射された光子と、アンテチェンバー内で発生した

ンバーはこれらに対する低減効果が高いことを意味

光電子がビームチャネルへ侵入することを防ぐ効果

している）。

がある。放射光が乱反射されるよう、放射光が照射

なお、本テキスト中のフィルパターン（ﬁll pat-

される面は Ra = 7–20 と粗くしている。

tern(a)）は「トレイン数/バンチ数/RF バケット（1KEKB LER において、RFA により測定した円

RF-bucket = 2 ns）」で表されており、1/1284/3.06

形断面チェンバーとアンテチェンバー付きビームパ

はリング内のバンチトレインの数が 1 で、そのトレ

イプ内の電子電流を図 63 に示す。円形断面チェン

インの中に 1284 のバンチがあり、その各バンチのバーと比べたアンテチェンバーの電子雲密度低減75(b) 



antechamber

D(D7)[4,200,3]Cu
D(D7)[4,200,3]Cu+TiN(BNL)
D(D7)[4,200,3]Al
D(D7)[4,200,3]Al+TiN(KEK)

Near Beam Electron Cloud Density [m-3](a) 

circularantechamber

1013

Al
12

10

Cu

1011

Al+TiNCu+TiN1010

0(b) 

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

LER Bunch Current [mA]
D(D7)[4,200,3]Cu
D(D7)[4,200,3]Cu+TiN(BNL)
D(D7)[4,200,3]Al
D(D7)[4,200,3]Al+TiN(KEK)

図 64 KEKB LER における TiN コーティング

Al and Cu

有無による電子雲密度 [110]。フィルパターン：

図 63 13 KEKB LER における円形およびアンテ
10

4/200/3。

チェンバー付きビームパイプ内の電子電流 [115]。

Near Beam Electron Cloud Density [m-3]

Al and Cu

フィルパターン：1/1284/3.06、円形ビームパイ
Al
プの半径：47 mm、retarding bias Vr : -30 V。

本は TiN コーティングを施す必要があり、また、多1012

くのビームパイプは全長 2–5 m と長尺であるため、

Cu

間隔が（平均すると）3.06 RF バケットであること

KEK の大穂実験棟に 4 台のベーキング装置と 7 台を示している（RF バケットが整数でないのは、バ
10のコーティング装置が新たに建設された（図 65）。

11

Al+TiN

ンチ間隔を不均等にしているためである。このようビームパイプを加速器へ設置する前には次の前作

Cu+TiNにしている理由は、ライナックからの 2 バンチ入業が行われる。

1010
射に対応するためである。2 バンチ入射00.2
0.4 [152,
0.6 153]0.8
1
1.2(1) KEK つくばキャンパス内の倉庫に保管されてにおいて、ライナックからへ入射できるのは
LER BunchMR
Current[mA]

いるビームパイプをトラックで大穂実験棟に搬

96.3 ns に 1 回で、これは MR の 49 RF バケット入する。

に相当する。これを 3 RF バケット ×15+ 4 RF バ

(2) 大穂実験棟のクリーンルームでビームパイプのケット ×1 の繰り返しパターンで実現すると、平均目視検査を行う。

3.06 RF バケットになる）。

(3) 目視検査が合格であれば、TiN コーティングを

TiN コーティング

施す。不合格であれば職員で手入れをするか、

LER のほぼ全てのビームパイプには、SEY 低減

製造業者に対処依頼をする。

効果のある TiN コーティングを施している [116,(4) ビームパイプに NEG ポンプや BPM 電極を取117, 154–156]。偏向電磁石内のビームパイプにおり付ける。

いては上底面長手方向にはグルーブ構造が置かれて(5) ベーキングする。

おり、この上から TiN コーティングを施している。

(6) ビームパイプに乾燥窒素を充填し、倉庫等へ移KEKB LER において、RFA により測定した TiN送する。

コーティングの有無による電子雲密度を図 64 に示す。TiN コーティングによる電子雲密度低減効果

コーティング装置の概略を図 66 に示す。ビームは ≈ 3/5 である。

ダクトの中心軸上にチタン電極を設置し、アルゴンSuperKEKB MR の建設時、2 年間で 1200 本以（窒素換算 ≈ 2 Pa）および窒素（≈ 2 Pa）雰囲気中

上のビームパイプにベーキングを、その内約 1000

でマグネトロン放電を起こすことでコーティングす76

Horizontal coating station

Baking station

Clean room

Vertical coating station

図 65 TiN コーティング設備 [156]る。このとき、チタン電極には −400 V が印加されコーティング中はビームパイプの温度が約 150 °Cる。ビームパイプはソレノイドコイル（≈ 16 mT）になるように温度調整を行なっている。ビームパイの中に設置され、ビームパイプの一端は排気ポンプ

プの設置から取り外しまでに約 4 日を要する。

に、もう一端はガス導入ラインに接続される。パイ

コーティング装置には縦置き型 5 台と横置き型 2プ状のチタン電極（外径 ϕ 27.2 mm、長さ 5–6 m）

台がある。縦置き型では、ビームパイプおよびチタを介して、ガスはビームダクト内にほぼ均等に供給

ン電極は垂直に立てて設置され、高さは約 8 m あされる。導入ガスの分圧は排気システムのオリフィる。横置き型では、ビームパイプおよびチタン電極

スと、ガス導入ラインのマスフローコントローラー

は水平方向に置かれ、チタン電極はセラミック製ので制御される。放電電流 6.3 A で約 70 分間放電をサポートを用いて設置される。横置き型の全長は約行うことで、ビームパイプ内面に厚さ約 200 nm の

10 m である。主に縦置き型は直線型のビームパイ

TiN 薄膜がコーティングされる。

プ、横置き型は偏向電磁石用の曲率を持ったビーム
パイプに使用される。

コーティング装置には熱風によるベーキング機構が備わっており、ビームパイプはコーティング前に

1 台のコーティング装置にはビームパイプを最大

150 °C で 24 時間以上ベーキングする。コーティ

2 列まで設置できる。最長 5.5 m 程度のビームパイ

ング前のビームパイプ内圧力は、温度 150 °C でプをコーティングすることができ、長さの短いビー

10−5

ムパイプは数本連結して、複数本を同時にコーティ

Pa 台以下となる。コーティング作業では、アルゴンと窒素雰囲気中で TiN コーティングを行う。

77

ングすることも可能である。

(a) TiN

(b) TiN



!



図 66 TiN コーティング装置の概略 [156]

この装置でコーティングされたアルミ合金製ビー
ムパイプの写真と、銅サンプル表面の電子顕微鏡画
Horizontal coating station
像を図 67 に示す。TiN コーティングした表面は黒

図 67色になり、図 67 のような 100 nm のスケールでギ"

TiN コーティングを施した表面の様相ザギザした構造を持つ。この構造により二次電子が捕捉され、実効的に SEY が低くなると考えられてドーズ量 10−1 C · mm−2 まで進めると、どのエネいる。

ルギーでも SEY は 1 以下に減少しており、SEY の

厚さ 200 nm の TiN コーティングを施したアル低減に効果的であることがわかる。

ミ合金サンプルの SEY 測定結果を図 68 に示す。

大穂実験棟のベーキング装置の写真を図 70 に示

ここでの SEY 測定には実験室内の SEY 測定装置

す。ビームパイプを断熱材で包んだオーブンの中にを使用している [123]。この装置の電子銃で生成さ入れ、オーブン内に熱風を循環させることでベーキれる電子ビームのエネルギーは 100–2000 eV の範ングを行う。7.5 kW の熱風発生器を使用し、約 2囲で掃引でき、ビーム電流は ≈ 20 µA 程度である。

時間でビームパイプの温度を 150 °C まで昇温でき

SEY 測定部はサンプルとコーン（cone）で構成さる。排気ポンプはオーブンの外に設置されており、れている（図 69）。通常のサンプルサイズは直径 15

これらはリボンヒーターを用いてベーキングされ(a)  mm 程度である。

る。一部のベーキング装置には RGA を設置してお図 68(a) は入射エネルギーを 250 eV 、照射面積

25 mm の電子ビームを照射し続けた場合のドーズ（照射された電荷量の積算、C · mm

−2

きる。ベーキングは約 150 °C で 26 時間行われる。

）による SEY

ビームパイプに NEG ポンプを設置している場

Verticalcoating station
68(b) はビームエネルギーに対するの変化を、図合、ベーキングと併せて NEG ポンプの活性化を行

SEY のスペクトルを示している。スクラビングをう。ベーキング終了後の目標圧力は 1 × 10−7 Pa 以

78(b) 



Near Beam Electron Cloud Density [m-3]

り、ベーキング後の残留ガス成分を調べることがで2circular

antechamber

D(D7)[4,200,3]Cu
D(D7)[4,200,3]Cu+TiN(BNL)
D(D7)[4,200,3]Al
D(D7)[4,200,3]Al+TiN(KEK)

Near Beam Electron Cloud Density [m-3](a) 

Al and Cu

1013

Al
12

10

Cu

11
10
図 70

ベーキング装置

Al+TiNCu+TiN

下としている。ベーキング終了後、ビームパイプに
1010
0circular

状態で保管される。

図 68 TiN コーティングしたアルミ合金サンプ

0.4

0.6

0.8

1

LER Bunch Current [mA]グルーブ

ルの SEY。flat：平らなサンプル、groove：グルーB
ブ構造付きサンプルの意。

0.2

は乾燥窒素が充填され、封止フランシで封じ切った(b) 

B

ソレノイドコイルや永久磁石を置くスペースのない偏向電磁石用ビームパイプでは、ビームパイプの
antechamber
上底面・長手方向にグルーブと呼ばれる溝構造を押し出し加工の際に形成している（図 71）。偏向電磁
石内のダイポール場に沿って電子は螺旋運動し、グ(a) 



D(D7)[4,200,3]Cu
ルーブ構造内に電子が入ると、その中で電子は繰り
D(D7)[4,200,3]Cu+TiN(BNL)

Al and Cu

D(D7)[4,200,3]Al

D(D7)[4,200,3]Al+TiN(KEK)
返し衝突して吸収される確率が高まる。これにより

1013

Near Beam Electron Cloud Density [m-3]

実効的にビームパイプの SEY を低減することができる。

Al

図 7212 には、グルーブの対向にある電子モニター
10で測定した電子電流を示す。グルーブ付きビームパ

79(b) 

Cu

イプの電子雲密度低減効果は ≈ 1/2 である。

図 69 SEY 測定部の構成 [123]1011

Al+TiNCu+TiN
1010

0

0.2

0.4

0.6

0.8

LER Bunch Current [mA]

1

1.2

1.2

D(D6-S1)[8,100,2]
D(D6-S3)[8,100,2]
D(D6-C1)[8,100,2]
D(D6-C2)[8,100.2]

B-3

Near Beam Electron Cloud Density [m ]B

B

EM1May09d1_d1013

図 71 グルーブ構造

1012

Solenoid off(Bz = 0 G)

11

10

1010
109
108

Solenoid on(Bz = 50 G)

7

10

106

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

LER Bunch Current [mA]
図 73 KEKB LER でソレノイドコイルを設置した円形ビームパイプ（半径：47 mm）における縦方向磁場の有無による電子電流 [110]。フィル
パターン：8/100/2。

方向に磁場を印加している（図 74）。この永久磁石
は長さ 160 mm の鉄ヨーク（yoke）に ϕ 30 mm のD(D6-S1)[8,100,2]
D(D6-S3)[8,100,2]
KEKB
LER に お け る グ ル ー ブ 有 無D(D6-C1)[8,100,2]
D(D6-C2)[8,100.2]
EM1May09d1_d

図 72

永久磁石を 8 個取り付けている。電磁石近傍には非磁性のアルミ板を使った永久磁石を設置している。

Near Beam Electron Cloud Density [m ]に よ る 電 子 電 流 [110, 123]。フ ィ ル パ タ ー ン：
1013
1/1585/3.06、Vr = −1 kV、ビーム電流 1450–

この永久磁石の有無による、ドリフト部チェン-31560 10mA
12 。

バーの電子密度を図 75 に示す。この電子密度はSolenoid off(Bz = 0 G)

1011

CLOUDLAND [158] により計算された。ビームパ

縦方向磁場

イプ中心から半径 8 mm 以内における電子密度は1010

縦方向（ビーム軸方向）に磁場を印加すると、低磁場なし 4.5 × 1011 electrons · m−3 、永久磁石あり

エネルギーの電子は磁場に捕捉され、ビーム近傍
109

4.0 × 1010 electrons · m−3 であり、これは ECE のの電子雲密度が低減する。
KEKB LER において、
8閾値より 1 桁程度小さく、電子密度の低減に効果的

Solenoid on
RFA により測定した縦方向磁場の有無による電子D(D6-S1)[8,100,2]

であることがわかる。

10

D(D6-S3)[8,100,2] (Bz = 50 G)

7

クリアリング電極

10 73 に示す。この磁場による電子雲密度
雲密度を図
D(D6-C1)[8,100,2]
D(D6-C2)[8,100.2]

EM1May09d1_d

低減効果は
10136 < 1/1000 である。隣り合うソレノイド

クリアリング電極は、ビームパイプ内に薄い電極

コイルまたは永久磁石間のギャップと、磁場極性がを置き、そこに DC 電圧を印加することで電子を正-3Near Beam Electron Cloud Density [m ]

10 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

LER Bunch Current [mA]
10
反転する領域を考慮すると、実際には、縦方向の磁Solenoid off(Bz = 0 G)≈ 1/50 程度として場による電子雲密度低減効果は
11
10
12

電荷ビームから排除し、電子雲密度を低減する装置である（図 76、[110, 120–122]）。低インピーダンス
かつ、良好な熱伝導を実現するため、非常に薄い電

いる。
1010

極を絶縁物状に形成する必要がある。

KEKB LER では、ドリフト区間にソレノイドコ
イルを置いていたが、SuperKEKB のアンテチェン
109

SuperKEKB のクリアリング電極では、絶縁体とバー付きビームパイプでは、Phase-2 コミッショニ

なるアルミナ（0.2 mm 厚）とその上の電極となる

Solenoid on
ングから永久磁石をビームパイプ上下に設置して縦タングステン（0.1 mm 厚）が溶射により作られてお108(Bz = 50 G)

7

10

106

80
0

0.2

0.4

0.6

0.8

LER Bunch Current [mA]

1

1.2

B

(a) (b) 

図 75 CLOUDLAND に よ る LER ド リ フ ト

D(D6-S1)[8,100,2]
D(D6-S3)[8,100,2]
D(D6-C1)[8,100,2]
D(D6-C2)[8,100.2]

部 の 電 子 密 度（ 福 間 均 先 生 提 供 ）。単 位 は[electrons · m−3 ]。SEY ピーク値：1.2、ビーム
電流：3.6 A、フィルパターン：1/2500/2。

EM1May09d1_d

13-3

Near Beam Electron Cloud Density [m ]

10

1012



Solenoid off(Bz = 0 G)

1011
1010
109
108

Solenoid on(Bz = 50 G)

107
106

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

LER Bunch Current [mA]
図 76

クリアリング電極付きビームパイプ

り、ビームパイプと一体の構造をしている。電極の幅は 40 mm である。SuperKEKB では LER の直線部にあるウィグラー電磁石部（全長 120–140 m）

d
図 74 LER ドリフト部のビームパイプに設置しにクリアリング電極付きビームパイプを設置してた永久磁石と縦方向磁場分布 [157]いる。
図 77 には、ビームドーズ（beam dose、積分ビー
ム電流∫I dt）に対するクリアリング電極の対向にある電子モニターで測定した電子電流を示す。

81

1.2

(b) 





 
図(a)77KEKB LERウ ィ グ ラ ー 電 磁 石 内（≈

図 78 Phase-1 コミッショニングにおけるビー

0.78T）におけるビームドーズに対するビーム近傍(a) 
 の電子電流 [120]。フィルパターン：1/1585/3.06、
Velec はクリアリング電極への印加電圧。Vr =−1 kV、ビーム電流：1450–1560 mA [120]ム電流に対する垂直方向ビームサイズ [125]。フィルパターン：1/1576/3.06、PM は Permanent

Magnet（永久磁石）の意。

Velec > 300 V での電子電流は、TiN コーティング
された平面の場合と比べた電子電流は ≈ 1/100 で
ある。

2.3.2

Phase-1 における ECE

Phase-1
では当初、全てのビームパイプおよびベ(b) 
 
ローズチェンバーに永久磁石を設置していなかっ(b)   
た。Phase-1 で標準的に採用していたバンチフィ
ルパターン（1/1576/3.06）におけるビーム運転時、ベローズチェンバーに永久磁石を取り付ける前は、

図 79 Phase-1 コ ミ ッ シ ョ ニ ン グ に お け

ビーム電流約 600 mA から垂直方向のビームサイる ビ ー ム 電 流 に 対 す る D03 ア ー ク 部 のズ増大が観測された（図 78）。

P/I [Pa · mA−1 ] [125]。P/I はアーク部の平均圧力をビーム電流で割った値。フィルパターン：

ビームエネルギーが一定の場合、光子数はビーム1/1576/3.06、PM は Permanent Magnet の意。

電流に比例する（付録 B を参照）。ガス放出量が放射光による PSD で決まっているとすると、P/I は
ビーム電流に対して一定値をとるが、ベローズチェ

これらのビーム電流に対するビームサイズの増ンバーに永久磁石を設置していない場合、アーク部

大や圧力の非線形的上昇は ECE による典型的な現ではビーム電流が約 600 mA 以上でビーム電流に象である。ECE が比較的低ビーム電流で発現した

対する圧力の非線形的な振る舞いが観測されているのは、LER のアルミ合金製ベローズチェンバーに（図 79）。これは電子のマルチパクタ現象により、は TiN コーティング等の ECE 対策を施していな

ESD によるガス放出の寄与が大きいためである。

かったことに原因があると考えられた。このベロー

なお、図 79 において、低ビーム電流領域で P/I がズチェンバーは全長 200 mm で、リング内に合計高いのは、静的圧力（ビーム電流 0 mA での圧力）

830 台ある。これはリング周長に対して 5.5% 程度の影響による。

であるため、当初は ECE への寄与は小さいと考え、

82

TiN コーティングを施していなかった。しかし、SuperKEKB LER の RFA で TiN コーティングを施していないビームパイプ内の電子密度を測定した
ところ、電子密度は 1012 electrons · m−3 であった。
これは ECE の閾値である 3 × 1011 electrons · m−3
よりも 1 桁高く、ベローズチェンバーの ECE に対する寄与が想定より非常に大きいことが判明した。
ベローズチェンバー内の ECE 対策として、永久磁石（2.3.1 項を参照）を設置したところ、ビーム電流600–900 mA でのビーム電流に対するビームサイズ
増大と圧力の非線形的上昇は見られなくなった。
各 フ ィ ル パ タ ー ン に お け る 、電 流 線 密 度

Id [mA · bunch−1 · RF-bucket−1 ] に 対 す る 垂 直
方 向 ビ ー ム サ イ ズ を 図 80 に 示 す 。電 流 線 密
度 は バ ン チ 電 流 Ib [mA · bunch−1 ] を バ ン チ 間
隔 で 割 っ た 値 と し て 定 義 さ れ 、リ ン グ 内 のビーム電流の密度に相当するような値である。

ECE に よ る ビ ー ム サ イ ズ 増 大 が 発 現 す る 電 子
線密度の閾値 Idth [mA · bunch−1 · RF-bucket−1 ]は 、ど の フ ィ ル パ タ ー ン で も ほ ぼ 同 じ 値 を取 り 、ベ ロ ー ズ に 永 久 磁 石 を 設 置 す る 前 は

Idth = 0.1–0.12 mA · bunch−1 · RF-bucket−1 であるが、永久磁石を設置したことにより、Idth ≈0.2 mA · bunch−1 · RF-bucket−1 に引き上げられている。
な お 、KEKB LER（ 銅 製 ϕ 94 mm 丸 型
パ イ プ) の 初 期 段 階 (2000 年 頃) に お け る 、
ビーム軸方向の磁場がない場合の閾値はIdth ≈ 0.04 mA · bunch−1 · RF-bucket−1 であり（図 78(c)）、SuperKEKB のベローズチェンバーに永久磁石を設置した場合の閾値はこれより約 5 倍高
く、ECE 対策の効果が現れている。

2.3.3

Phase-2 における ECE

図 78 から、ベローズチェンバーに永久磁石を設置した後でも、ビーム電流が 900 mA を超えたあた

図 80 Phase-1 コミッショニングにおける電流線

りからビームサイズのブローアップが始まっている

密度に対する垂直方向ビームサイズ [125]

ことが見て取れる。そのため、Phase-2 開始前にドリフト部のビームパイプの約 86% に永久磁石を設置した（図 74 参照）。

83

:Gate Valve

図 82 ビ ー ム 電 流 に 対 す る D03 ア ー ク 部 のP/I [Pa · mA−1 ] [125]。P/I はアーク部の平均

図 81 Phase-2 コミッショニングにおける電流線
密度に対する垂直方向ビームサイズ [125]圧力をビーム電流で割った値。フィルパターン：

4/120/2、PM は Permanent Magnet の意。

Phase-2 コ ミ ッ シ ョ ニ ン グ に お け る 、電流線密度に対する垂直方向ビームサイズを図81 に 示 す 。Phase-2 で は Id
−1

0.4 mA · bunch−1· RF-bucket=までの間でビー

ムサイズの増大は観測されず、これはベローズチェ
ンバーのみに永久磁石を設置していた Phase-1 の状況と比べて、閾値は少なくとも 2 倍大きくなっている。
図 82 は D03 アーク部における P/I の推移を示している。Phase-1 ではビーム電流が 300 mA を超えたあたりから P/I の増大が見られるが、Phase-2

図 83 Phase-3 コミッショニングにおける電流線

では 300 mA を超えてもそれが見られず、Phase-2

密度に対する垂直方向ビームサイズ（福間均先生
提供）

では電子によるマルチパクタ効果がより低減されていることがわかる。Phase-2 では縦方向のビーム不0.72 mA · bunch−1 RF-bucket−1 （ビーム電流：3.6

安定性の発現により、Id の最大値が制限された。

A、フィルパターン：1/2500/2）まであと一歩である。
2.3.4

Phase-3 における ECE（速報）

Phase-3 コミッショニング開始前には、ドリフ
ト部の約 91% を永久磁石で覆っている。Phase-3 に お け る 、電 流 線 密 度 に 対 す る 垂 直 方 向 ビ ー
ム サ イ ズ を 図 83 に 示 す 。ど の フ ィ ル パ タ ー(a) (b) 

ンでも Id = 0.55 mA · bunch−1 RF-bucket−1 まで垂直方向ビームサイズの増大は見られない。

Phase-3 に お け る Id は HOM Limit（2.4.1 項を 参 照 ）で 制 限 さ れ た が 、デ ザ イ ン 値 の Id =84



2.4 インピーダンス

田 [34]、OHO’11 陳・菖蒲田 [35] 等も参照していた

通常、ビームは金属製のビームパイプに囲まれてだきたい。

進行しており、バンチからは電気力線がビームパイ
プに向かって生じている。そのため、バンチと共に

2.4.1 ロスファクター

ビームパイプ表面には鏡像電荷が進行し、ビームパバンチが構造物を 1 回通過する際に、ウェイク場

イプが完全導体で滑らかに繋がっていれば、鏡像電によりバンチが損失するエネルギー ∆E [J] は、バ流もバンチと共に滑らかに進行する。

ンチの電荷量 q [C] とすると、

しかし、実際の加速器ではビームパイプの一部∆E = kL q 2に段差があり、この段差で鏡像電流は進行方向を(38)

変え、これにより電磁波が放出される。この電磁波と表される。ここで、比例定数 kL [V · C−1 ] （添字は、これを励起させたバンチが通過した後にもその L は longitudinal の頭文字）はロスファクターの構造の周辺に存在し、時間の経過とともに減衰と呼ばれ、ビーム周辺の構造物の形状とバンチ長する。

σz [m] で決まる量である。ビームの進行方向におけこのように、ビーム周辺のコンポーネント（ビーる電荷線密度がガウス分布している場合、ロスファ

ムパイプ、ベローズチェンバー、加速空洞、コリメー

クターは縦方向インピーダンス ZL (ω) の実部によタ等）とビームが相互作用することで放出される電り次のように表される。

磁場はウェイク場（wake ﬁeld）と呼ばれる。水上を1kL (σz ) =2π

航行する船の後の航跡になぞらえて、航跡場とも呼ばれる。ウェイク場は真空機器の発熱だけでなく、∫ ∞−∞ℜZL (ω) exp(−ω 2 σz2 ) dω (39)ビーム電流を I [A]、バンチ間隔を Tb [s] とする船の航跡が後続する船に影響を与えるように、ウェと、バンチあたりの電荷量は q = ITb であるため、イク場を励起させたバンチに後続するバンチにも影ある機器でそのロスファクターにより損失するビー

響を与える。また、バンチ内の先頭電荷が励起した

ムパワー P [W] は、

ウェイク場が、バンチ内後方の電荷にも影響を及ぼす。このウェイク場とインピーダンスはフーリエ変P =換（Fourier transform）によって結び付いており、
これらはビーム不安定性とも強く関係している。

∆E= kL I 2 Tb = I 2 Zp
Tb

(40)

で与えられる。ここで、Zp := kL Tb はパラスティッ

ウェイク場を解析的に計算できる構造物の形状はクモードロスインピーダンス（parasitic mode loss

非常に限られており、通常は CST Studio の Wake-

impedance）と呼ばれる。なお、バンチの周回時間

ﬁeld Solver や ABCI [106] 等の計算機コードを使を T0 [s]、バンチ数を Nb とすると、Tb = T0 /Nb

用して計算する。SuperKEKB では、各種機器のであるため、損失するビームパワーはビーム電流のウェイク場を計算するために GdﬁdL [107] と呼ば2 乗に比例し、バンチ数に反比例することがわかる

れる高周波電磁場シミュレーターが広く使用されて（∝ I 2 /Nb ）。

いる [107]。

ここでは具体例として、リングを構成する機器の本テキストでは、バンチにより励起されたウェイ

中でも主要なインピーダンス源であるコリメータ

ク場により、そのバンチ自身が受けるキックの大き（2.2.5 項を参照）を挙げる。GdﬁdL により計算しさを表す、ロスファクター（loss factor、縦方向ロ

たコリメータのロスファクターを図 84 に示す。コ

スファクター）とキックファクター（kick factor、

リメータヘッドをビームに近づけるほど、ロスファ

横方向ロスファクター）について紹介する。

クターが増加する傾向にある。例えば、新型水平方ビームパイプのインピーダンスとビーム不安定性

向コリメータのアパチャ 8 mm におけるロスファの詳細については、OHO’06 陳 [33]、OHO’10 菖蒲

クターの計算値は約 0.04 V · pC−1 であり、ビーム

85Horizontal collimator in tunnel

図 84 アパチャに対するコリメータのロスファク
ター [86]。d [mm] はコリメータヘッド先端とビー

図 85

ム間の距離。SKEKB：新型コリメータ、KEKB：

ター [86]。SKEKB：新型コリメータ、KEKB：従従来型コリメータ、hori:水平方向コリメータ、

来型コリメータ、hori:水平方向コリメータ、vert：

vert：垂直方向コリメータ、sz：バンチ長 [mm]

垂直方向コリメータ、d: コリメータヘッド先端との意。

ビーム間の距離の意。

バンチ長に対するコリメータのロスファク

電流 3.6 A、バンチ数 2500（Tb = 4 ns）の場合、式ファクターについて先と同様にビームが損失するパ（40）から、このコリメータ 1 台でビームが損失すワーを計算すると約 740 kW である。

るパワーは、

SuperKEKB MR では、最大ビーム電流と HOM

P = 0.04 × 1012 × 3.62 × 4 × 10−9 ≈ 2.1 kW (41)

Limit と呼ばれる 2 つの上限を設定して運転していである。この損失したビームパワーは、最終的にはき、各種機器の健全性等を見定めるための大電流

周辺の真空機器の発熱に費やされる。

スタディ（high current study）の結果等により決る。これらの制限値は、ビーム電流を積み上げていバンチ長に対するロスファクターを図 85 に示す定される。真空機器の発熱が ∝ I 2 /Nb であること（縦軸が対数であることに注意）。バンチ長が短くなから、通常 HOM Limit は、安定にビーム運転でき

るにつれてロスファクターは急激に増加することかた最大ビーム電流の 2 乗を、そのときのバンチ数らも、バンチ長の短い加速器では、各種機器のインで除した値に設定される。HOM Limit があること

ピーダンスを低減することが重要であることがわ

により、リング内のバンチ数が変更された場合でかる。

も、ビームの損失パワーによる発熱を基準とした

GdﬁdL により計算した、SuperKEKB LER に制限をかけることができる。例えば、HOM Limit

おける各機器のロスファクターを表 19 にまとめを 635 mA2 · bunches−1 と設定すると、バンチ数ている。resistive wall（抵抗性壁インピーダンス）

1576 ではビーム電流が約 1000 mA、バンチ数 789

は、ビームパイプが非完全導体でできていることにではビーム電流が約 707 mA でビームの入射が止起因するインピーダンスで [159, 160]、断面形状がめられる。

円形のビームパイプについて計算している。LER

また、縦方向インピーダンスのビームに対する効の RF システムが許容できる合計ロスファクター

果に、potential well distortion によるバンチ長の−1

は 25 V · pCとされており [161]、これに比べて概算値は約 14.2 V · pC

−1

伸延（bunch lengthening）がある。ビーム電流がと十分小さい。このロス86

表 19 SuperKEKB LER におけるロスファクターの概算（バンチ長：6 mm） [162, 163]。MO フランジ接続部は、幅 1 mm のガスケットがビームチャネル側へ 0.2 mm 出ているとして計算。

機器

kL [V · C−1 ]数量

kL,total [V · pC−1 ]Resistive wall （Al）

1.03 × 109

2200 m2.26

排気ポート（RF スクリーン）3.65 × 102

2200 m8.04 × 10−7

MO フランジ接続部

1.28 × 107

2000

0.03

櫛歯型ベローズチェンバー

3.00 × 10

1000

3.00

ゲートバルブ93.00 × 10

30

0.09

−3

9

放射光マスク1.82 × 10

1000

1.82 × 10−12

垂直方向コリメータ（d = 2 mm）

3.37 × 1010

3

0.10

水平方向コリメータ（d = 5 mm）

4.10 × 10

10

0.41

テーパー管

3.83 × 10

16

6.13 × 10−3

BPM

1.63 × 108

440

0.07

フィードバック用 BPM

5.90 × 10

10

5.90 × 10−3

横方向フィードバックキッカー

5.01 × 1011

1

0.50

衝突点チェンバー

8.00 × 10

18.00 × 10−4

RF 空洞（ARES）

4.35 × 1011

18

7.83

10
8

8

8

合計

14.2

ゼロにおけるバンチ長はリングの光学系によって決いる。

定されるが、ビーム電流が有限になると、バンチのSuperKEKB で採用されているナノビームスキー

形状はバンチ自身のポテンシャルによって決まる。

ムでは、衝突点における電子ビームと陽電子ビーム

縦方向のインピーダンスはこのポテンシャルを歪めの水平方向の交差角を 2ϕc とすると、衝突点におけるため、これによりバンチ長が変化する。バンチ長る水平方向の有効ビームサイズは σx,eﬀ = σz sinϕcの変化は次式から得られる [164]。

となり、バンチ長が伸びると有効ビームサイズが増
大してルミノシティが減少する。そのため、ルミノ

(

σz
σz0

)3

(
−

σz
σz0

)
−

αIℑ(ZL (ω)/n)√2π Eνs

(

R
σz0

)3

シティを増やす上で bunch lengthening は将来的=0に問題になる可能性がある。

(42)
こ こ で 、bunch lengthening 前 の バ ン チ 長

2.4.2 キックファクター

σz0 [m]、bunch lengthening 後のバンチ長 σz [m]、横方向のロスファクターは、バンチが励起した

モーメンタムコンパクションファクター（momen-

ウェイク場により、そのバンチ自身が横方向に受け

tum compaction factor）α、シンクロトロンチュー

るキックの大きさを表し、キックファクターとも呼ン νs 、リングの平均半径 R [m] である。円形加速ばれる。キックファクター kT [V · C−1 · m−1 ] (添器の中でビームは周回周波数の整数倍の周波数での字の T は transverse の頭文字) は、ビームの進行方

みインピーダンスを誘起するため、リングの角周回

向電荷線密度がガウス分布している場合、横方向イ

周波数 ω0 [Hz]（= 2π × 周回周波数）、整数 n とし

ンピーダンス ZT (ω) の虚部により次のように表さて、ω = nω0 を使ってインピーダンスが表記されて

87

図 86

アパチャに対するコリメータのキックファクター [86]。d [mm] はコリメータヘッド先端

図 87とビーム間の距離。SKEKB：新型コリメータ、

ター [86]。SKEKB：新型コリメータ、KEKB：従バンチ長に対するコリメータのロスファク

KEKB：従来型コリメータ、hori:水平方向コリ
メータ、vert：垂直方向コリメータ、sz：バンチ長[mm] の意。

来型コリメータ、hori:水平方向コリメータ、vert：
垂直方向コリメータ、d: コリメータヘッド先端とビーム間の距離の意。

は約 430 V · pC−1 · m−1 となり、このコリメータれる。

1kT (σz ) =
2π

∫ ∞
−∞

でのベータ関数（設計値）は 110 m であるため、ℑZT (ω) exp(−ω 2 σz2 ) dωIb,th = 1.67 mA · bunch−1 となる。SuperKEKB(43)

LER のバンチ電流の設計値は 1.44 mA · bunch−1

GdﬁdL により計算したコリメータのキックファであるため、このコリメータ 1 台では TMCI は発クターを図 86 に示す。コリメータヘッドをビーム現しない。

に近づけるほど、キックファクターは急激に増加すSuperKEKB LER では最終的に 3 台の垂直方向る傾向にある。

コリメータを設置する予定だが、例えば、これら全

キックファクターにより誘起されるビーム不安てについてアパチャを 2 mm まで絞ると、前述以定性に TMCI（Transverse Mode Coupling Insta-

外のコリメータでのベータ関数を 17 m とすると、

bility、横方向モード結合不安定性）がある。TMCI

Ib,th = 1.28 mA · bunch−1 となり、TMCI によりはバンチ電流を制限する要因の一つで、この不安定

バンチ電流が制限されることになる。

性が発現するバンチ電流の閾値 Ib,th [A · bunch−1 ]バンチ長に対するキックファクターを図 87 に示

は次式で与えられる [164]。

Ib,th = ∑す。ロスファクター同様、バンチ長が短くなるにつ

C1 fs Eβi i kT,i (σz )れて急激に増加することがわかる。

(44)

キックファクターによるビームのコヒーレントな
ベータトロンチューンのシフトは、

ここで、C1 ≈ 8、シンクロトロン周波数 fs [Hz]、機器 i のキックファクター kT,i (σz ) [V · C

−1

−1

·m

]、

機器 i におけるベータ関数 βi [m] である。GdﬁdL∆νT =kT Ib T0 βi
4πE

(45)

による計算結果から、衝突点上流の垂直方向コリで与えられる。ここで、横方向のベータトロンチ

メータ 1 台（機器名称：D02V1、図 33 を参照）のューン νT 、ビームエネルギー E [eV] である。

アパチャを 2 mm まで絞ると、キックファクター

88コミッショニングでは、コリメータのアパチャによるチューンシフトを測定している。ここでは例
として、Phase-1 コミッショニングにおける新型水
平方向コリメータ 2 台のアパチャによるチューン
シフトの測定を挙げる（図 88）。このコミッショニ
ングでは、LER に設置されていたコリメータはこの 2 台のみであった。2 台のコリメータのアパチャ
を 25 mm から 5 mm へ絞った際のチューンシフト
を約 1 A−1 、このときのコリメータでのベータ関
数 24.2 m、T0 = 1 × 10−5 s、E = 4 × 109 eV として、式（45）から、アパチャ 5 mm でのコリメー
タ 1 台あたりのキックファクターを計算すると、

kT = 103.85 V · pC−1 · m−1 となり、GdﬁdL によるバンチ長 6 mm での計算値約 78 V · pC−1 · m−1と同程度の値となっている。

図 88

Phase-1 における水平方向コリメータのアパチャによる水平方向チューンシフト

892.5 制御システム

ンス性および再入手性が低下していることから、

SuperKEKB における真空関連機器の制御シス

NI（National Instruments）社 製 の cRIO（com-

テムは、10 年以上にも渡るコミッショニングでも

pactRIO [168]）へ置き換えた。システムの構成と健全かつ堅牢に稼働する必要がある。そのため、各機器の接続をそれぞれ図 89、91 に示す。ただし、

KEKB から SuperKEKB へアップグレードする際

ビーム運転を開始してから、F3RP61 への CPU 負に制御機器も全て更新することが望ましかったが荷が想定以上に大きいことが判明したため、その後（実際は最新が最良でないことも多々あるが）、表 20継機である F3RP71 に順次置き換えていく予定でに示す通り SuperKEKB MR の入出力点数は膨大ある。

であり、建設スケジュールおよび予算の観点からも真空関連機器の制御システムは、SuperKEKB の全てを更新することは困難であった。

地上部に分散的にある 12 の電源棟（図 33 等におそこで、再入手性が著しく低下している機器や劣ける D01–D12）に設置している。電源棟には制御化している機器を選定・更新し、これら以外についネットワーク、ビームモニター関連機器、電磁石ては TRISTAN または KEKB で使用していたもの

電源、RF 関連機器棟が設置されている。全てのを引き続き使用することとなった [165]。そのため、

F3RP61 は SuperKEKB の制御ネットワークに、現在でも使用している機器の中には 1980 年代に製cRIO は制御ネットワークの真空関連機器専用の作されたものもある。

Virtual LAN に接続されている。

2.5.1 システム構成

trol System Studio [206]）により構築されている

なお、OPI（OPerator Interface）は CSS（Con（図 90）。

KEKB では、EPICS（Experimental Physics andindustrial Control System [166]）の IOC（Input

cRIO

Output Controller）として VME 計算機が、デー

1 つの電源棟に cRIO は 2 ユニットあり、1 ユ

タロガーとして CAMAC（Computer Automated

ニット（cRIO-9025 [169]）は主に各機器からのア

Measurement And Control）が使用されていた。

ナログ出力信号を集録しており、VME 計算機は横河電機社製 PLC（Programmable• CCG の圧力値のモニター

Logic Controller）の Linux CPU モジュールであ• IP の放電電流値のモニター

る F3RP61 [167] に置き換えることにより、シス• IP の HV ステータスのモニター

テム構成が簡略化された。CAMAC はメンテナ

表 20 SuperKEKB MR における真空関連機器の入出力点数

機器

アナログ入力アナログ出力デジタル入力デジタル出力真空スイッチ

-

-

67

-

ゲートバルブ

-

-

501

167

ビームストッパー

-

-

16

10

CCG

605

-

677

240

IP

605

-

677

240

NEG ポンプ活性化用電源

488

40

200

400

流量計

≈ 700

-

-

24

温度計

≈ 4000

-

-

48

90

control networkLAN

open, close, air ok, remote

LAN

Thermo meter
MW100

Serial Device Server
NPORT5610

abort

LAN

LAN

cRIO

IOC

optical fiber 400m

PLC

optical fiber 400m

BMAG status for NEG Activation

GV local
controller

aux. room D -1

KEKB Tunnel
aux. room D +1

GPIB

BMAG PS

Alarm module

Magnet Control

Thermo meter
DA100

Uniwireoutput module
PLC

NEG Control Rack

図 89 制御システムの構成概略

Pressure

DC24V
NIM
BIN

CCG
controller

cRIO (AI, NI9205)

HV status

PLC (DI, F3XD64)

HV request

Flow
F-V module
FlowmoduleFlow rate
Flow rate

cRIO (AI, NI9205)
cRIO (AI, NI9205)

Alarm
Discharge current

IP
controller &PS

PLC (DO, F3YD64)

HV , interlock status

PLC (DI, F3XD64)
cRIO (AI, NI9205)
cRIO (DIO, NI9476)

HV request

External interlock

AVR
AC100V

DC24V

AC100V
AC100V
AC200VIP controller(4UHV)

GV local
controller

Temperature
data logger(DA100)
NEG PS
Abort system

External interlock

to cRIO

PLC (DO, F3WD64)

PLC (DO, F3YD32)

Open request

GPIB
Warning, alarm
External interlock (UNIWIRE)
Beam abort trigger

AVR
AC100VIPPS

PLC (DO, F3YD32)

RS232C
Open, close, air, remote status

IPPS

NPORT5610
PLC (DI, F3XD32)
PLC (DO, F3YD32)
PLC (F3GB01)
PLC (DI, F3XD64)
PLC (F3SVH64)
PLC (DO, F3YD32)

図 90

真空システムのメイン OPI• 冷却水流量値のモニター• 主電源の on/oﬀ 制御およびモニター。

• CCG Patrol と圧力跳ねによるビームアボート• 制御モード（local/remote）の制御およびモニリクエスト（beam abort request、周回ビームター。

を捨てる要求。詳細は 2.5.4 項を参照。）• 出力電流のモニター。
• 出力電圧の制御およびモニター。

を行なっている。このユニットはセカンドイーサネ• 各種ステータス（ファン異常や温度異常）のモ

ットポートを有しており、これを使って EtherCAT

ニター。

ユニット（NI-9144 [170]）を 1 台を追加してスロット拡張している。

を行なっている。

他方のユニット（cRIO-9073 [171]）は NEG ポン

cRIO で構築したシステムは、図 92 からも見て取れる通り、CAMAC のものに比べて非常にコンパ

プ活性化用電源の制御に使用しており、

91

BMAG PS

Pressure

DC24V
NIM
BIN

CCG
controller

cRIO (AI, NI9205)

Flow rate

cRIO (AI, NI9205)

Alarm

PLC (DI, F3XD64)

Discharge current
HV , interlock status

cRIO (AI, NI9205)
cRIO (DIO, NI9476)

HV request

PLC (DO, F3WD64)

External interlock

AVR
AC100V

DC24V

AC100V
AC100V
AC200V

External interlock

IP controller(4UHV)PLC (DO, F3YD32)

Open request

PLC (DI, F3XD32)

PLC (F3GB01)

Warning, alarm

Beam abort trigger

図 91

AVR
AC100VPLC (DO, F3YD32)

GPIB

External interlock (UNIWIRE)

NEG PS
Abort system

IPPS

NPORT5610

Open, close, air, remote status

Temperature
data logger(DA100)to cRIOIPPS

PLC (DO, F3YD32)

RS232CGV local
controller

NEG Control Rack

PLC (DO, F3YD64)

Flow rateIP
controller &PS

output module
PLC

PLC (DI, F3XD64)

HV request

Flow
moduleUniwirecRIO (AI, NI9205)

HV status

Flow
F-V module

Alarm module

Magnet Control

Thermo meter
DA100

PLC (DI, F3XD64)
PLC (F3SVH64)
PLC (DO, F3YD32)

制御機器間の接続概略

クトで軽量であり、アナログ入力のチャンネル密度が高い。例えばアナログ入力モジュールである NI-

9205 [172] は 32 channel/module ものデータを集録することができる。また、全ての cRIO ユニットは制御ネットワーク上にある NTP（Network Time

Protocol）サーバーと同期させている。

図 92 CAMAC と cRIO の比較（上：CAMAC、
下：cRIO）

cRIO 上では RTOS（Real-Time Operating System）が走っており、LabVIEW で作ったプログラ
ムを RTOS 上で実行できる。LabVIEW2011 以降

ステムが存在し、システムが複雑化して保守性や堅のバージョンから EPICS がサポートされており、牢性の低下が懸念されたことから、流量測定システ

CA サーバー（Channel Access Server）と CA ク

ムのために別途、周波数–電圧変換器（Frequency to

ライアント（Channel Access Client）を cRIO 上

Voltage converter, F-V converter）を使った NIMに実装できる。cRIO のシャーシは FPGA（Field-ビン（Nuclear Instrument Modules bin）を開発

Programmable Gate Array）を備えており、Lab-し、これを使用して流量測定をしている（2.5.2 項

VIEW により作成した FPGA のプログラムをコン

を参照）。

パイル・実行することができる。これらの機能に

PLC

より 2.5.4 項で述べる CCG Patrol は構築されて横河電機社製の PLC ユニットを使用しているいる。

（図 93）。このユニットは主にデジタル入出力を流量測定システムとして、この FPGA 上に構築し担っており、た RMS 変換機能（Root Mean Square converter）• CCG の HV on/oﬀ 制御およびモニター。外部により、流量計からの AC 信号を DC 信号に変換し、さらにこれを流量へ変換する機能も開発した。

インターロックの制御およびモニター。

• IP の HV on/oﬀ 制御。外部インターロックの

しかし、FPGA のリソースが不足していることと、1制御およびモニター。

つの cRIO 上に CCG Patrol と流量測定の 2 つのシ92

図 93 19 インチラック内の PLC ユニット• ゲートバルブの開閉制御および開閉ステータス

している [178]。この電源のサイズは NIM ビンののモニター。制御モード（local/remote）の制

2/12 であり、この電源により 10−4 –10−6 Pa レン

御およびモニター。圧空系統の圧力ステータス

ジの放電電流を測定することもできる。電源の動のモニター。

作圧力は定常時で 10−4 Pa 以下であるが、IP に• UNIWIRE モ ジ ュ ー ル（F3SVH64）に よ る

HV を印加し始めてしばらくは自身からのガス放NEG ポンプ活性化電源の外部インターロッ

出があるため、一時的にインターロックを無効に

ク制御およびモニター。

することによって 10−3 Pa 台の圧力でも HV を印• 光 リ ン ク モ ジ ュ ー ル（optical link module、加することができる。この電源はマルチビット操

F3LP12-0N [173]）による各電源棟に設置した作によって外部インターロック制御することがで

PLC 間での各種ステータス情報のやりとり。

き、この制御には PLC のデジタル出力モジュール• GPIB モジュール（General Purpose Interface（F3WD64 [179]）を使用している。出力電圧と容量

Bus module、GB01-0N）による温度計データ

はそれぞれ +5 kV と 25 mA である。

ロガー（横河電機社製 DA100）の制御およびこのコントローラは老朽化が進んでいるため、こモニター。

れらの一部は Agilent Technologies 社製 4UHV コ
ントローラ [180] に置き換えている。このコントを行なっている。F3RP61 は FA-M3V シリーズのローラは 19 インチラックのハーフサイズで、1 台

Linux CPU モジュールで、この Linux OS 上にの電源で最大 4 台の IP を制御することができる。

EPICS を実装している [174,175]。インターロック

最大出力電圧は +7 kV で、全ての出力チャンネル

ロジックの構築は WideField3 [176] のラダープロ

を使用した場合、1 チャンネルあたりの最大容量グラムによって構築し、これをシーケンス CPU モ
ジュール（sequence CPU module, F3SP71 [177]）にデプロイして運用している。Linux CPU モジ

は 40 mA である。HV 出力のコネクターはデフォ
ルトで Fischer タイプであるが、SuperKEKB MRの IP はコントローラ側に SHV コネクタを使用しュールとシーケンス CPU モジュールは、PLC ユているため、特注でコネクターを SHV に変更してニットのバックプレーンを介して、共有メモリへアいる。これに伴い、SHV コネクターの定格電圧はクセスすることで簡単に互いに情報をやりとりする

5 kV であるため、コントローラ側で最大出力電圧ことができる。

が +5 kV に制限している。4UHV コントローラでは放電電流から 10−8 Pa 台の圧力が測定可能とさ2.5.2 各種制御機器

れている。

IP コントローラ

このコントローラはシリアルインターフェースをIP のコントローラのほとんどは TRISTAN で有しており、RS-232C か 2 線式 RS-485 でリモー作られた図 94 に示しているものを引き続き使用93

図 95 19 インチラック内の CCG コントローラ

トローラを制御している。
しかし、NEG ポンプ活性化等の高圧力環境下（10−4 Pa 台）で 4UHV を使用していると、非常に稀ではあるが、電源ボードの抵抗の 1 つが焼損するという問題を抱えており、この原因は今なお解明されていない。

CCG コントローラ
MR の圧力を測定する CCG の測定子とコント
ローラには、それぞれ大亜真空社製 C-5 と CG-28
を使用しており、これらは KEKB 建設時に導入された（図 95）。CG-28 は 1 枚のモジュールで最大 2台の CCG を制御することができ、1 台の電源ラッ
クに 14 枚挿すことができる。出力電圧は +3 kVで、測定圧力範囲は 10−2 –10−8 Pa である。CCGの汚染を避けるため、1×10−3 Pa 以上になると内部
インターロックで HV oﬀ にするよう設定されている。2.5.4 項の CCG Patrol は、このコントローラからのアナログ出力を cRIO で高速集録している。
なお、MR ではビームパイプ内の電子数が多く、これが CCG の測定値に影響を及ぼす。そのため、CCG を接続している導管に永久磁石を設置し、図 94 19 インチラック内の IP コントローラ

CCG 測定部への電子の侵入を防いでいる（図 96）。
NEG ポンプ活性化用電源ト制御することができる。当初は、イーサネットと RS-485 の変換機器（MOXA NPort5150 [181]）

1 台を使用して、制御ネット経由でシリーズで複数

KEKB 建設時に導入された CHINO 社製のサイリスタ（Thyristor）電源を使用している（図 97）。この電源は 40 kW と 2 kW の二種類があり、最大出台の 4UHV コントローラをリモート制御するシス

力電圧は 200 V である。活性化電源と各 NEG ポン

テムを構築したが、電文の値が抜けることが度々あプのヒーターは並列に接続している。SuperKEKB

り、実用に耐えないことが判明した。そのため現在

MR では機種や全長により多種多様な NEG ポンプ

は、イーサネットと RS-232C の変換機器（MOXA

を使用しており、それに伴って活性化用ヒーターのNPort5610-16 [182]。RS-232C ポートを 16 口有す

抵抗値も多種多様となっている。これに対応するたる）を使用して、パラレルに複数台の 4UHV コン

94

CCG


equest

図 96 CCG 接続導管の永久磁石

図 97 19 インチラック内の NEG ポンプ活性化用電源

め、NEG ポンプの種類・全長に応じた変圧器を多再開に際して電磁石の初期化が必要となることから種類用意し（図 34 中の Transformer）、これの一次運転時間をロスしていた。

SuperKEKB LER では、四重極電磁石と偏向電側を電源に、二次側を NEG ポンプ（ヒーター）に磁石の中に設置された NEG ポンプについてはそれ接続している。
この電源の出力電圧は、電源内蔵のコントロー

ぞれ整流器（図 34 中の Rectiﬁer）を取り付けるこラによりローカル制御、0–10 V の外部入力によりとにより DC 電圧で通電し、これにより電磁石の通リモート制御することができる。リモート制御に電を止めなくても NEG ポンプの活性化が行えるよ

は cRIO の ±10 V アナログ出力モジュール（NI-うになった。

9269 [183]）を使用している。外部インターロック

LER の偏向電磁石は磁束密度は最大 0.3 T 程度

は PLC の UNIWIRE モジュールによって制御しで、整流器に使用するコンデンサーの静電容量がており、これによりゲートバルブに区切られた領域

4700 µF であると、電圧のリップルは約 3% になに対して、どの区間を活性化するかを選択すること

り、このリップルで NEG ポンプが振動しないこともできる。

が実験によっても確かめられた。HER では偏向電

NEG ポンプ活性化中には各ヒーターへ AC 電圧

磁石は磁束密度は最大 0.8 T 程度であり、リップルが印加されるため、通電中の電磁石内に設置されたを数 % に抑えるには、整流器に静電容量 15000 µF

NEG ポンプを活性化するとヒーターが振動し、最のコンデンサーを使用する必要があるため、HER

悪の場合はヒーターが破損してしまう。そのため、では NEG 活性化電圧は現状直流化していない。

KEKB では NEG ポンプを活性化する際に電磁石

温度データロガー
温度のデータ収集には KEKB から使用しているへの通電をその都度止めていたが、これにより運転

横河電機社製 DA100 [184] を使用している（図 98）。

95

温度計の測定子は Pt100 の測温抵抗体（Resistance

Temperature Detector, RTD）を主に使用している。DA100 のインターフェースはデータレートの
遅い GPIB で、モニターする点数も非常に多いことから、PLC の GPIB モジュールについて EPICSの非同期デバイスサポート（asynchronouse device

support）を開発し、これを使用して DA100 を制御・モニターしている。IOC は最大 300 点の温度データをスキャン周期は 5 秒で取得する。非同期のシステムであるため、このデータ取得のプロセスにおける遅延発生や、DA100 がエラーや無効値を返してきても、IOC は構わず 5 秒周期でデータの取得
図 98 19 インチラック内の DA100を試みる。DA100 には温度集録用モジュールだけ
でなく、デジタル出力モジュールも使用しており、このモジュールは温度上昇によるビームアボートリ
クエスト等を担っている。

SuperKEKB MR の大穂および日光直線部にはウィグラー電磁石が追加された。この区間ではビー
ムパイプ等へ大強度の放射光が照射されることか
ら、そこの温度をモニターすることが非常に重要

図 99 19 インチラック内の MW100である。そこで、SuperKEKB へのアップグレー
ドに際し、ウィグラー区間には合計 400 個もの測強された。ウィグラー区間には約 8 m 間隔で純水

温抵抗体を追加した。前述の DA100 はすでに販売系統のバルブが設置され、1 つのバルブから最大約を終了しているため、この温度計には横河電機社

120 L · min−1 の流量が供給される。この大流量を製 MW100（図 99、[185]）を採用することとなっ通水するためには、このバルブの往還で圧力損失をた。MW100 はイーサネットポートを有しており、

約 0.8 MPa 以下にする必要があったため、1 つの制御ネットワークに直接接続して制御している。

バルブに対して 1 台のヘッダーを設置し、そこから

StreamDevice [186, 187] を使った非同期デバイス

系統を最大 10 分割して冷却水を供給している。

サポートを開発し、MW100 を制御・モニターし流量の測定には電子回路が載っておらず、耐放ている。DA100 同様、MW100 にも温度集録用モ

射線 性に優 れた水車 型の流 量計を使 用して いる

ジュールだけでなく、デジタル出力モジュールも使用しており、このモジュールはビームアボートリク（図 100）。この流量計の中にはピックアップコイルと羽根車が収められており、羽根車の先端には永久エスト等を担っている。

磁石（ϕ 3 mm × 10 mm のサマリウムコバルト磁石）

ここ数年、DA100 に不具合が出ることが稀にあが埋め込まれている。通水により羽根車が回転する

り、一部は MW100 に置き換えている（ただし、残とピックアップコイルに交流起電力が発生し、この念なことに MW100 は 2019 年 3 月 31 日で販売終信号を計測することによって流量を測定している。

了となった）。

各流量計の出力にはバラツキがあるため、トンネル

冷却水流量測定に設置する前に実験室で全数が校正されている。

大強度放射光による熱負荷の増加に対応するた

ウィグラー区間の流量計測定点数は合計約 400、め、ウィグラー区間は冷却水システムが大幅に増

96

ask

図 101 19 インチラック内の流量検出器。左 2 台
図 100

は旧来の流量測定モジュール、右 1 台は WFD-

加速器トンネル内で使用している流量計

320 [188]。

の内部写真

それ以外のアーク部等区間では合計約 300 ある。
アーク部の測定点数は KEKB から変更がないた

リ ク エ ス ト の 信 号 を 出 力 す る DO モ ジ ュ ー ル（F3YC16 [190]）、リミットスイッチ信号やホーム
スイッチ信号のステータスを取得する DI モジュー

め、引き続きこのシステムを使用している。このシル（F3XD16 [191]）、コリメータヘッドの位置測定

ステムでは流量計の AC 電圧を DC 電圧に変換する

用 DMM（Keysight Technologies 社 Digital Multi

NIM ビンモジュールが用いられており、この出力

Meter 34970A [192]）、これと接続するための GPIB

を cRIO のアナログ入力モジュールで測定し、IOC

モジュール（F3GB01 [193]）という構成である。

上で流量に換算している。ウィグラー区間に追加さDMM にはポテンショメータ（potentiometer、可れた流量計については、F-V 変換する NIM ビンモ

変抵抗）が接続され、4 線式抵抗測定でコリメータ

ジュールを開発した（図 101）。このモジュールかの位置を算出している。ここでの位置決めモジュー

らの電圧出力を cRIO のアナログ入力モジュールでル 1 台で、最大 2 軸を制御することができる。

測定し、これを IOC 上で流量に換算している。こ新型コリメータの制御システムの概略、駆動部ののモジュール 1 台で最大 32 点の流量測定が可能で構成、制御機器の写真をそれぞれ図 102、図 103、ある。

図 104 にそれぞれ示す。この構成では、 CPU とまたここ数年、旧来の NIM ビンモジュールに不位置決めモジュールのみという簡単な構成となっ具合が出ることが稀にあり、一部は WFD-320 に置ている。位置決めモジュールには 1 台で 15 軸のき換えている。

モーター制御が可能で、MECHATROLINK-III 通

コリメータ

信の機能を持つ（F3NC97 [194]）を採用している。

コリメータ制御システムには横河電機社のMECHATROLINK-III はターゲットへの伝送速度

PLC を使用しており、コントローラの CPU と

100 Mbps（12.5 Mbyte · s−1 ）、伝送周期 31.25 µs

して F3RP61 モジュールを使用している。従来の高速通信が可能な通信方式である [195]。

の KEKB コ リ メ ー タ 制 御 機 器 の 構 成 は 、こ のモーター側にも MECHATROLINK-III をイン

Time
CPU モ ジ
ュ ー ル 以 外 に 、モ ー タ ー を 制 御 す る

ターフェースとするネットワークコンバータ（オ位置決めモジュール（F3NC01 [189]）、緊急停止

97

図 102コリメータ制御システムの概略

図 104 19 インチラック内のコリメータ制御機器のシグナルコンディショナー（signal conditioner、

measurement SPECIALITIES 社 ATA2001 [200]）からのアナログ出力を DMM で測定し、ヘッドの位置を算出している。これにより GPIB モジュー
ルも不要となり、また伝送速度も 1 Mbyte · s−1 から 10 Mbyte · s−1 以上へと向上した。これら新しい構成は、高い拡張性も有することとなった。
加速器運転中の加速器トンネル内は放射線レベルが高く、位置決めモジュールやモータードライバー
をコリメータ本体近傍に設置することができない。
そのため、これらの機器は地上にある電源棟の制御図 103室に設置している。モータードライバーからコリコリメータ駆動部構成

メータ部へは最長 300 m に渡ってケーブルを敷設しており、電圧降下を防ぐため 5 芯 × 8 mm2 のケー

リエンタルモーター社 NETC01-M3 [196]）およブルを使用している。モーターはオリエンタルモー

びモータードライバー（オリエンタルモーター社

ター社の 5 相ステッピングモーター CRK564BKD-

CRD-514KD [197]）を用意する必要があるが、 従H50 を使用している [201]。メーカー仕様ではこの来の構成に比べて 1 台の位置決めモジュールで多ようにモーターとドライバー間を離して使用するこ軸の制御が可能となった。リミットスイッチ、ホーとは保証されていないため、実験室で約 300 m のムスイッチ、緊急停止などの DI/DO もモータドラ

ケーブルを使用して事前に試験をし、問題なくモーイバーに既に搭載されているため、これのためのターが駆動可能なことを確認している。

PLC モジュールを別途用意する必要は無くなってボールねじは THK 社の BIF2805-10G0 を耐放いる。

射 線 グ リ ス（ モ レ ス コ 社 Gk-1 ま た は RG-42R-

コリメータヘッドの位置を測定する DMM は、

1 [202]）で 置 換 し た も の を 使 用 し て い る 。リ ー

イーサネットによる通信が可能な Keysight Tech-

ド 長 は 5 mm で モ ー タ の ス テ ッ プ 角 は 0.0144°

nologies 社 34972A に変更した [198]。変位計は、に 設 定 し て い る た め 、可 動 ヘ ッ ド は 計 算 上 最 小measurement SPECIALITIES 社の LVDT（Linear

0.2 µm · step−1 で動く。また、耐放射線性の観点

Variable Diﬀerential Transformer、線形可変差動変からオールメタルのリミットスイッチ（オムロン社

圧器)、HCA2000-4019 [199] を使用しており、これ

XE-Q22-2 [203]）を使用している。

98

標値まで動作させる auto set と呼んでいる機能がある。オペレータが入射用、物理ラン用、手動用の設定ファイルをロードまたはセーブの操作を実行す
ると、ソフトウェアではその時点での設定ファイルのパス情報をログとして毎回保存するようにしている。ソフトウェアが外部トリガー（入射モードまたは物理ランモードの）信号を感知すると、保存されているパス情報から各々のコリメータ用の設定値を抽出し、モーター制御用ソフトウェアにパラメータ
として渡している。このとき運転開始リクエストも図 105

併せて発行する仕組みにしているため、オペレータ

コリメータ制御の OPIは一切の OPI 操作をせずに、コリメータヘッドを自動で入射または物理ランに合せた目標位置に移動

コリメータ制御の OPI は、コミッショニングのさせることができる。

状況に合わせて、またユーザーらからのリクエス

位置決めの速度は通常 2000 Hz で行っている。

トを元にソフトウェアに順次機能を追加している

これは 1 秒間位置決め動作をさせるとモーターは（図 105）。この OPI では各コリメータの目標位置
設定、位置決め開始リクエスト、位置決めの中止、
ホームポジション（ホームスイッチ）探索、エラー
クリア等の制御が行える。また、変位計（LVDT）の指示値の確認、リミットスイッチのステータス、
エラーのステータス等を常時監視している。さらに2000 ステップ回転し、コリメータヘッドが 0.4 mm
移動することを意味する。EPICS のシーケンサー
では、このうち 1 秒間に移動するステップ数と、実際に移動させるステップ数を設定して位置決め開始のリクエストを発行する。
例 え ば 、目 標 位 置 と LVDT の 読 み 値 の 差 がコリメータ近傍に設置したロスモニターの電圧値

0.1 mm であれば、EPICS シーケンサーは「0.25や、ビーム電流、ライフタイム、コリメータ近傍の秒間、500 ステップ」という動作仕様書をモーター

BPM を使って計算したコリメータでのビーム重心

ドライバーに渡し、その後に位置決め指令を出す。

位置等のコリメータ調整時に使用する情報も表示し

LVDT
Belle IIの指示値と目標位置の差が 0.5 mm 以内にている。なお、図 105 では OPI を一部抜粋してい入った場合は速度を 1000 Hz QCSに落としている。な
beam pipe

QCS beam pipe

るが、実際の OPI では両リング全てのコリメータ

お、Phase-3 運転からコリメータの変位に対してを 1 枚のパネルで制御・監視できる。またコリメー

IP chamber
Belle
II 測定器のバックグラウンドが非常にセンシタの設定をテキスト形式で保存、読み出せるようにティブになることから、
1 パルスのみヘッドを動かIPなっている。

すといった制御方法を実装している。

コリメータ制御ソフトウェアは大きく分けてモー

OPI の裏では位置決め操作を実行するたびに操ター制御用と OPI 用の 2 つで構成されている。後

作対象のリング名、操作した日時をファイル名にし者は、1）全てのコリメータに対して同時に位置決

po sitro n
たコリメータ目標位置のリストを自動的に保存する
electro n
QCSR
め操作をする一括指令制御、2）外部トリガー信号QCSL
Moving stage
アーカイブ機能が動いている。 Moving stage
やオペレータ操作の監視、3）設定ファイルの読み
BPM-bellows
with RVC
冷却水インターロック
書きおよび自動ログ出力等のファイル制御、を担っ放射光等からの熱負荷を取り除くためにコリメーている。
タヘッドにはステンレス製パイプが仕込んであり、
これらを連動させた機能の 1 つに、外部トリガー
運転時はそこに常に冷却水を流している。ビームがを基にコリメータヘッドを自動的に予め指定した目衝突して可動ヘッドが溶融し、そこから漏れ出た冷99

図 106

コリメータおよびクロッチ部における冷却水インターロックの構成

却水がビームパイプや真空機器を汚染する、という
図 107 QCS ビームパイプにおける冷却水イン

最悪のケースを想定し、ヘッドの冷却系は図 106 に

ターロックの構成

示すようなインターロック機構を備えている。冷却水の往側側に励磁時開のソレノイドバルブ（SMC10 -6

社 VXD242KB [204]）を、還側に逆止弁（SMC 社

却水配管が破裂してしまうため、QCS ビームパイ

INA-14-85-04 [205]）を取り付けている。

プの冷却水系統では、凍結防止のインターロックシ

Current

ステムを構築している（図 107）。

Beam Current [mA]

Pressure [Pa]ソレノイドバルブは AC100 V/DC24 V を変換す

通水を開始する前に、図中のソレノイドバルブ

る中継盤を介して、PLC のデジタル出力（DC24 V）
CCG
D07_H04Aと接続されている。コリメータが設置されている区

E3 と E4 が開、E1 と E2 が閉の状態で、まずは冷間の真空ステータス（2.5.3 項を参照）が正常であ却水配管に乾燥窒素を 3 時間以上流してビームパ

れば、ソレノイドバルブを自動的に励磁して通水す

イプを室温近くに戻す。その後、E3 と E4 を閉め、る。水漏れ等により真空ステータスが異常となればE1 と E2 を開けて冷却水を QCS ビームパイプへ

ソレノイドバルブおよび当該区間を挟む 2 台のゲー通水する。通水をモニターするために流量スイッチ

トバルブを閉じ、被害を最小限に止める。このイン（図中の Flow switch）を設置しているが、通水開

ターロックシステムは、コリメータヘッドと同じく始時は配管内に窒素が入っており、これにより流量

冷却水が真空容器内に漏れ出る可能性がある SRM

スイッチがしばらくは正常に動作しないため、通水のクロッチ部（MR から放射光を取り出す箇所で、を開始してから約 5 分はインターロックを無効に大強度の放射光が二股構造したビームパイプに照射する。しばらく通水して流量が安定したのちにインされる）でも使用されている。

ターロックを有効にする。

また、少し特殊な例として、QCS ビームパイプ

なんらかの理由で通水が止まって流量スイッチの冷却水インターロックを紹介する。2018 年 2 月が離れた場合、アボートリクエストの発行ととも

16 日に QCSL のビームパイプに冷却水を流そうとに E1 と E2 が閉まり、E3 と E4 が開いて乾燥窒

したが、両リングの系統共に通水しなかった。ビー

素が冷却水を押し出してピットへ捨て、水の凍結を

ムパイプが低温になっており、冷却水が凍結したこ防ぐ。

Temperature [℃]

1/1576/3.06とが原因である。通水する前、各系統に乾燥窒素をソレノイドバルブには、使用方向と逆方向に対す

5 分程度流していたが、これでは不十分であった。

る流れを止める能力はないため、乾燥窒素が冷却水

1/789/6.12

対処として、このときは QCSL を一度加温して系統へ逆流しないようにチェックバルブ C1 を設置

水を溶かし、その後、通水しながら QCSL を冷却している。同様の理由から、バルブ E2 はその下流した（通水していれば、冷却水は凍らない）。QCSLの冷却水を止める能力がないため、チェックバルブ

が冷やされている状態で通水が止まった場合は、再C2 を設置している。

び水は凍結してしまい、最悪の場合はこれにより冷Beam Current [mA]100

ブ（ICF152 規格の L 字型バルブ）に粗排気$

セットを図 108 のように接続する。

(2) アングルバルブを開けた後、粗排気セットにより CCG と IP が動作可能な圧力範囲まで排気NEG#

し、順次 CCG と IP に HV を印加する。

(3) その後、圧力が安定に減少してきたのを見計ら#  い、IP のベーキングを開始する。

(4) 24 時間程度 IP をベーキングした後、NEG ポ
ンプ活性化を開始する。なお、活性化開始時に
おいて NEG ポンプおよびその周辺から放出さ$%)#

れた水分子が IP に付着しないよう、IP のベーキング工程は活性化開始から 2 時間程度重ねて

"$ #

いる。

図 108 SuperKEKB MR における粗排気の例(5) NEG ポンプが活性化前に置かれていた状況にもよるが、活性化には 8–12 時間程度を費やす。
通常は活性化用電源の出力電圧を 5 時間かけて

2.5.3 インターロックロジック
SuperKEKB MR の真空システムにおける主ポ

徐々に 120 V まで上げていき、その電圧で 0.5

ンプは NEG ポンプと IP で、真空計は CCG を使用

時間程度保持する。その後、0.5 時間程度かけしている。各リングにはおよそ 10 m おきに CCGて徐々に 160 V まで上げていき、その電圧でと IP が 1 セット設置されている。真空機器のメン

1.5 時間程度保持して活性化終了となる。このテナンス性確保や、リーク等のトラブルが発生した

シーケンスは圧力上昇によって CCG の HV が場所の隔離のため、ゲートバルブにより真空領域がインターロックで落ちないよう、経験的に決め区切られている。

られている。

主ポンプを立ち上げるために可搬式の排気システ(6) 活性化終了後、アングルバルブを閉じ、粗排気ム（我々はこれを粗排気セットと呼んでいる）を用

セットを撤収して主ポンプの立ち上げ工程が完意している。粗排気セットのポンプは取付姿勢自在了となる。

の TMP（磁気浮上ではなくセラミックボールベア

実際に主ポンプを立ち上げた際の CCG 指示値のリング型だが、取付姿勢自在の製品）とドライポン

推移を図 109 に示す。

プ（スクロールポンプまたはルーツポンプ）から構

真空関連機器のインターロックロジックはノーマ

成され、その他にリークディテクタやコンベクトロ

リークローズ（Normally Close、NC）を原則としン真空計等を取り付けるための手動バルブと、ドラて、PLC のシーケンス CPU モジュールとデジタ

イポンプを切り離すための電磁バルブ、ポンプとバ

ル入出力モジュールで構築している。図 110 にはルブのコントローラを備えている。TMP でエラー

ラダープログラムによるインターロックロジックのが発生すると、ドライポンプ吸気側に設置した電磁例を示している。

バルブが閉じるようになっている。

ゲートバルブに区切られた各領域に真空スイッチ

SuperKEKB MR で大気圧から主ポンプを立ち（vacuum switch）が 1 台ずつ設置されている。真

上げる手順は次のとおりである。

空容器内の圧力が「（大気圧）−10 kPa」程度にな(1) 粗排気セットを加速器のトンネルに搬入し、ると真空スイッチの接点は閉じ、これによりその区

IP・CCG の傍に設置されているアングルバル

間が真空状態になっていることを最低限保証して101

閉じると、IP への HV 印加、NEG ポンプ活性化が行えるようになる。
ゲートバルブを開けるためには、着目する真空領域が定常状態になっており（I00301 が閉じており）、開けようとするゲートバルブの向こうにある真空領域が定常状態になっている必要がある。この隣り合う真空領域が共に同じ PLC ユニットに管理されていれば、この「向こう側」の定常状態は内部リレーが使用される。隣り合う真空領域がそれぞれ
図 109

主ポンプ立ち上げ時の圧力推移の

別の PLC ユニットに管理されていれば、図 110 の例 [165]。Heater Voltage は活性化電源の最大例のように、「向こう側」の定常状態には FA-Link

出力電圧 200 V に対する出力電圧の割合。

モジュールによるリレー（L00002）が使用される。
ゲートバルブを挟んだ 2 つの真空領域が定常にないる。真空スイッチの接点（X00301）が閉じると、CCG に HV を印加できる状態になる。CCG のコり（I00301 と L00002 が閉じ）、クローズリクエス
トが oﬀ（E04101(NOT) が閉）、オープンリクエス

ントローラーは約 5 × 10−5 Pa 以下になると、定常

トが on（E04001）になると、ゲートバルブをオー

圧力のセットポイント（X00317）が閉じるが、CCG

プンする信号（圧空系統のソレノイドバルブを開は放電開始時にガス放出があるため、これを勘案しける信号）が Y00803 のリレーから出力される。こて 60 s の時間窓（T00201）を設けている。CCGのロジックにクローズリクエストを入れている理

HV on のリクエストを出すと E00201 が閉じ、前由は、このリクエストを優先するためである。つ

述の窓が 60 s 開き（T00201(NOT) のリレーが閉

まり、クローズリクエストを出して E04101(NOT)じ）、HV を on する信号が Y00601 から出力される。

HV on のリクエストを出してから 60 s 経過してものリレーが離れると、オープンリクエストを出して

E04001 が閉じていても、ゲートバルブをオープン

圧力が高く、CCG のセットポイント（X00317）がする信号（Y00803）は遮断される。

閉じなければ、T00201(NOT) の接点が離れて HV

IP 電源の HV を on するためには、まず外部イン

を oﬀ する（Y00601 のリレーが離れる）。定常圧

ターロックを解除する必要があり、この解除信号を力で CCG に HV を印加でき、X00301、E00201、X00317 のリレーが全て閉じると、HV を on する

Y00813 のリレーが担っている。前述の真空領域が定常状態になっていると（I00301 が閉じていると）、信号が Y00601 から出力され続ける。

IP の外部インターロックは解除され、各 IP に HV

ゲートバルブに区切られた領域内にある複数台のを印加することができる状態となる。NEG 活性化

CCG のセットポイントを使って、その真空区間の時等に、CCG のセットポイントが離れていても IP定常状態を定義している。真空スイッチ（X00301）
が閉じていることを大前提とし、隣接する 3 台のに HV を印加したい状況があるため、真空領域が定常状態になっていなくても、外部インターロックをCCG（約 30 m の領域）のセットポイントで AND解除できるリレー（E00501）を入れており、I00301

を取っている。図 110 の例では、ゲートバルブに区とは OR の関係になっている。しかし、圧力測定で切られた領域内に合計 9 台の CCG を設置している

きない状況で IP を使用するのは危険なため、最低ことになる。約 30 m 毎の領域内で少なくとも 1 台

限真空スイッチ（X00301）でインターロックをかの CCG がセットポイントを閉じると、このゲート

けるようにしている。

バルブで区切られた領域内の真空状態は定常と判定

NEG ポンプ活性化用電源からヒーター電圧をされ、内部リレー（I00301）が閉じる。この信号が出 力 す る た め に は 、ま ず 活 性 化 用 電 源 の 外 部 イ

102

CCG

ン タ ー ロ ッ ク を 解 除 す る 必 要 が あ り 、こ の 解 除
信号を UNIWIRE モジュールの U00001 リレー

	が 担 っ て い る 。活 性 化 対 象 の 真 空 領 域 を 制 限 できるよう、E00701(NOT) のリレーを入れている。

LER の場合は活性化電圧が直流化されているため、
E00701(NOT) のリレーが閉じていれば活性化対象






	
	
 	

の真空領域が定常状態で活性化が行える。HER の



	
	

	
	

	
	

	
	

	
	

	
	

	
	

	
	

	

	
	

	
	
 	

	
	
	

場合は直流化されていないため、電磁石の通電信号が oﬀ になって X00529(NOT) のリレーが閉じない
限り、活性化は行えない。CCG のセットポイントが離れていても IP に HV を印加したい状況がある
ため、真空領域が定常状態になっていなくても、外

部インターロックを解除できるリレー（E00601）を

	

	
 	
	

入れており、I00301 とは OR の関係になっている。

	
	
 	

	

	
	
	
	

	
	
 	

	
	
	
 	

しかし、やはり圧力測定できない状況で NEG ポン
プを高温にすることは非常に危険であるため、最低IPNEG

限真空スイッチ（X00301）でインターロックをか00021

I00301

Y00813steady state

けるようにしている。
ビームアボート

ion pump HV readyX00301E00501

vacuum switch statusinterlock kill request
HER only

加速器の運転中に何らかのトラブルが起きた

X00529I00301

E00701U0000100022

場合、シーケンス CPU がこれを判定してデジタ

magnets state restrict output request NEG activation readysteady state

ル出 力モジュ ールか らアボー ト要求 信号を 出す

X00301

E00601

vacuum switch status interlock kill request（図 111）。このロジックもノーマリークローズで構築されている。直接的にビームアボートのトリガー

図 110となる機器は、温度計、流量計、ゲートバルブ、ビー

ラダープログラムにおけるインターロッ

クロジックの模式図。E: 共有リレー（シーケンス

ムストッパーである。

CPU と Linux CPU が共有するリレー）、I: 内部

DA100 で温度異常の判定がされており、二種類

リレー、X: デジタル入力リレー、Y: デジタル出の閾値を設けている。低い方の閾値は通常の温度異力リレー、L: FA-Link リレー、U: UNIWIRE リ
レー、T: 遅延タイマーリレーの意。

常で、100 °C を超えるとデジタル出力から接点信号が出力される（X00312 のリレーが閉じる）。高い方の閾値は温度計の誤動作を知らせるもので、測X00311(NOT) のリレーが閉じていたら、T00201

温抵抗体の場合、コネクタの酸化やケーブルの破断のリレーが閉じてアボートリクエストが I01005 にで温度計の指示値が数千℃等となるため、閾値は出力される。

500 °C に設定している。温度計の指示値がこの閾

流量計は誤作動することが多いため、単独でア値を超えると、デジタル出力から別の接点信号が出

ボートリクエストを出すことはせず、温度計のマ力され（X00311(NOT) のリレーが開き）、この信

イナーアラームと組み合わせてアボート判定をし号ではアボートは出さない。温度計指示値の一時的ている。前述の温度異常はハードワイヤによるもなふらつきを勘案して 5 s の時間窓（T01001）をのであるが、ここでの温度異常は EPICS で設定設けており、X00312 と X00311(NOT) のリレーがしたソフトウェア上のアラーム情報である。温度

最初に閉じてから 5 s 経過してもなお、X00312 と計のマイナーアラームは通常 80 °C に設定してい

103



る。流量異常も EPICS 上のアラーム情報で、マイX00312

X00311

TIMER

00101

ナーアラームは定格流量の 40% 以下、メジャーア

alarm
warning(cable disconnection) (major threshold excess)ラームは 30% 以下に設定している（ここでいうマ

T01001

5 sec.

(close after 5 sec.)

X00311

X00312

T01001

I01005

warningalarm

delayed timer statustemperature alarm

00102

イナー、メジャーとは EPICS におけるアラームの深刻度を分ける用語で、マイナーに比べてメジャーがより深刻な状態を指す）。温度計がマイナーア

00103

ラームを発報し（E01001 のリレーが閉じ）、流量E01001

E01101temperature warning(minor threshold excess)flow rate warning

TIMER

T01101

5 sec.

(close after 5 sec.)

E01102flow rate alarm

計がマイナー/メジャーと問わずアラームを発報す
ると（E01101/E01102 のリレーが閉じると）、測E01001

E01101

T01101

I01006

warning

warning

delayed timer statusflow rate alarm

00104

定値の一時的なふらつきを勘案した 5 s の時間窓

E01102（T01101）が作動する。E01001 と E01101/E01102

alarmのリレーが最初に閉じてから 5 s 経過してもなお、

E01001 と E01101/E01102 のリレーが閉じていた

	
	
 	

	
	

	
	

	
	

	

	
 	
	

	
 	
	

	
	

ら、T01101 のリレーが閉じてアボートリクエストが I01006 に出力される。

図 111

ラダープログラムにおけるアボートロ

最終的には、図 111 の 00105 行でアボートの判

ジックの模式図。E: 共有リレー、I: 内部リレー、定がされる。ゲートバルブには開閉、両方の状態に

X: デジタル入力リレー、Y: デジタル出力リレー、
T: 遅延タイマーリレーの意。

対してリミットスイッチが設置されており、開方向のリミットスイッチが叩かれていると、ゲートバル
ブがオープン状態の接点（X00417、X00421）が閉に周回ビームが確実にないことを担保するための人じる。なお、クローズ状態信号の NOT をこの判定

的安全装置である。ビームストッパーは Belle II 検に使用していないのは、ゲートバルブは開でも閉で出器を挟んで、各リングに 1 台ずつ、合計 4 台が筑もない中間状態があり、安全サイドでオープン状態

波直線部に設置されている。

でなくなったらアボートリクエストを出すようにしビームストッパーは安全システムに関する機器でているためである。

あるため、真空機器の制御系統とはインターロック

ゲートバルブがオープン状態（X00417、X00421

システムを構築している（図 112）。トンネル内のが閉）かつ、温度異常なし（I01005(NOT) が閉）か

ビームストッパー傍にはソレノイドバルブ、圧力

ると、アボートリクエストが解除され、Y00819 の

A BIE

FIBD

つ、流量異常なし（I01006(NOT) が閉）の状態とな

F0, E EF計（図B C112(b)中の ch23、24）、リミットスイッチ
1

BI ,A ,AF D

E

1 D
D
) , 1
（ch19–22）等で構成されたコントロールユニットが:BD D
D ,A:B
1 D D
1

リレーが閉じられる。これらのアボート判定に使用

D

D

:BD D
D ,A:B設置されており、これとストッパーコントローラがしているステータスのうち、どれか 1 つでも接点が接続されている。
(

離れれば Y00819 のリレーは離れ、ビームはアボー

1FBD
1FBD
図 112 中の PLC は真空グループが管理・運用
1

A ,AF DE

D G D G:: Dトされる。

しているもので、D-SUB コネクタを介してストッ

ビームストッパー

パーコントローラと接続されている。この PLC の

こ れ ら 真 空 機 器 と は 別 に 、ビ ー ム ス ト ッ パ ー

DO モジュール（ch5–8）でビームストッパーの開（beam stopper）によるインターロックシステム

閉リクエストを、DI モジュール（ch9–16）でストッを構築している。ビームストッパーはゲートバルブ

パーの状態監視（O1、C1、A1、E1）を行っている。

と構造的に似た真空機器だが、真空シールを目的と

D-SUB の ch1–4 は安全グループが管理しているしたものではなく、金属製の板をビームパイプ内にシステムに接続されている。クローズリクエストの挿入してビーム周回路を遮ることにより、リング内

104

否定（ch7、8）、オープンリクエスト（ch5、6）、安全システムからのオープン許可信号（ch1、2）で論理積（AND）をとっており、これら全てのリレーが閉じるとソレノイドバルブ（ch17、18）が作動してビームストッパーが開く。ストッパーコントローラ
から安全システムへはストッパーのクローズステー
タスの信号（ch3–4）のみを渡している。
また、図 112 には書かれていないが、ビームス
トッパーのオープンステータスのリレーが開くと（not open になると）、ストッパーコントローラからアボートリクエストが出力される。

2.5.4

CCG Patrol

加速器の運転中にビームロスや軌道の急変、CCGの異常放電に起因する圧力の跳ねが発生した場合、

(a) 





通常のデータ収集システムではそれが発生した場所

Stopper controller

や CCG の個体を即座に特定することが困難な場合がある。そこで圧力を常時監視し、圧力の跳ねが起きた場合にはその CCG を即座に特定してオペレー
タ等にその情報を知らせるシステム、CCG Patrol

PLC (DO)を開発した。

CCG Patrol システムの概略を図 113 に示す。
CCG Patrol は、1）cRIO に実装されている FPGAPLC (DI)による圧力およびビーム電流の高速データ収集、

2）cRIO 上の RTOS による循環バッファ（circular

open request
and not close requestand E1

buﬀer）実装および cRIO 間でのシェア変数（sharedvariable）によるトリガー情報のやりとり、3）WinControl unit
In tunnel

dows PC での圧力データの取得および表示、により実現している。

CCG の圧力値については 1 ユニットの cRIO に対して 64ch 分用意し、SuperKEKB MR 全周で合D-SUB 25S

計 768ch 分のデータを集録している。CCG Patrol(b) 



サーバーが構築されており、ここが発行している

図 112

ビームストッパーの制御システム。O1：

PV（Process Variable）に各種真空関連機器のアナ

オープンステータスのリレー、C1：クローズスと並行して、cRIO の RTOS 上では EPICS の CA

テータスのリレー、A1：圧空ステータスのリレー、ログ出力値を 1 秒間隔で渡している。真空機器、特E1：オープン許可のリレーの意。

に CCG や IP の放電電流値は通年に渡りデータ収集する必要があるため、このような長いスキャン間隔にしてデータ量をできるだけ小さくしている。また、各 cRIO は NTP サーバーと同期しており、サ

105

FIBD
B C

F0,

1

A ,AF D
) , 1
1 D

BI ,

A BIE

に渡る安定的な運用には適さないと判断した。

E EF
E
1 D
:BD D

D

そこで cRIO の FPGA モードを CCG に割り当DD ,A:B
1 D:BD D

DD ,A:B

てられたチャンネルのみに適用して 10 ms 間隔で
データ収集することにした。これにより最終的なシ

(
1FBD
1

A ,AF DE

ステムにおける CPU 使用率は約 40% となってい

1FBD

D G D G:: Dる。なお、できる限りビーム電流と圧力値との間の時間同期を取るために各リングに対する DCCT の

図 113 CCG Patrol の概略図

アナログ出力も CCG に割り当てたチャンネルの 2つに入力している。
ブミリ秒の同期精度で cRIO 間の時刻を合わせてRTOS 上での循環バッファとトリガーいる。

10 ms 間隔で収録した圧力値を cRIO 上に全て保F3RP61 上に構築した IOC が cRIO 上の PV に存することは現実的でないため、RTOS 側に一時保CA（Channel Access）し、取得したデータを IOC

管場所である循環バッファを用意し、そこに FPGA

上で各種物理量に換算等している。この物理量をで集録したデータを保存する。循環バッファには直IOC 上で発行している PV に渡しているが、IOC

近 3 分間のデータを保存し続ける。データの保存量

上の PV 名はその名前から値がどの機器の何の物理は可変である。

量を指しているのか直感的に理解しやすいように名

圧力値が 1 × 10−7 Pa 以上、かつ 1 秒前の圧力付けられている。

値と比べて現在の圧力値が 20% 以上、上昇した

FPGA による圧力値の高速集録

場合にトリガーがかかる（これらの値は可変であ加速器の運転中に圧力跳ねを伴うビームアボートる）。RTOS 上でトリガー情報を受け取ると、それが発生した場合、圧力跳ねによりビームロスが発生を受け取った後の 3 分間のデータを集録する。トリ

してアボートしたのか、または何らかの原因でロス

ガー後のデータ収集が終了した後にこれと循環バッ

したビームがビームパイプ等に衝突し、圧力跳ねがファに入っているデータとマージして合計 3 分間分発生したのか等を判定したい場合がある。しかし、のデータとして cRIO に TDMS（Technical Data

通常の１秒間隔のデータ収集では事象が発生した

Management Streaming）形式でファイル保存され順序を判定することが困難である。また圧力跳ねがる。なお、集録する圧力値のデータ量（データ収

観測された CCG の順序から圧力跳ねが発生した場

集時間）も可変である。また各 CCG の個体名称と所を推測したい場合があるが、この場合も通常のス

それらにそれぞれに対するトリガー閾値等の情報

キャン間隔では順序を決定することが困難なことがは cRIO 上に保存された CSV（Comma-Separated

ある。

Values）形式のファイルで管理されている。

圧力の高速データ収録のため、cRIO のスキャントリガー情報にはローカルトリガー（local trig-

モードによる 10 ms 間隔のデータ収集を試験したger）とネットワークトリガー（network trigger）のところ、CPU 使用率が常に約 100% に張り付いて二種類ある。前者は cRIO 内で検出されたトリガー

しまった。高速データ収録は圧力データを集録してである。後者はネットワークを介して接続された他いる 64ch に対してのみ適用すれば良いが、cRIOの cRIO で検出されたトリガーで、各 cRIO およのスキャンモードではスキャン間隔をチャンネルごび Windows PC でシェア変数を用いて共有されてとに設定することができず、cRIO の 1 ユニットでいる。

データ収集している全 416ch に対してスキャン間

ネットワークトリガーはネットワーク内の各隔が適用されてしまう。このモードによる高速デー
タ収録は非常に高負荷であるため、システムの長期

cRIO の IP アドレスを取得し、cRIO 同士の順番（指標）を決める (図 114(a))。ローカルトリガー

106

231

! ! !
231

! ! !
231

0

0

(a)
.
.
.

(b)

.

.

! ! !
120

3

(a)



図 115 CCG Patrol の OPI
! ! !
! ! !

(c)

ガーをかけた CCG の名称と共に加速器のオペレー
.

! ! !

.

ターに知らせる。トリガー発生後のデータ収集が終231了すると、Windows PC は各 cRIO から当該データが納められている TDMS ファイルをローカルに保存し、cRIO からはそれらファイルを削除する。

! ! !
231

図 114

! ! !
231

その後、CCG の名称から LER, HER どちらで圧力跳ねが発生したかを判断し、トリガーを最初にか00

けた CCG およびその近傍の圧力値と当該リングのネットワークトリガー処理のシーケンス

ビーム電流を自動的にプロットする。トリガーが発生した時刻、トリガーをかけた CCG の名称はアーが発生すると、ネットワークトリガーの自分の指カイブされ、これらをプロットすることもできる。

標にタイムスタンプ、トリガーステータス、最初

また、cRIO の状態を監視するため、ネットワーにトリガーをかけた CCG の個体名称を入力する

クハートビート（network heart-beat）を実装して

図 114(b))。ネットワークトリガーにデータが入力いる。Windows PC はメッセージの受信者、cRIO

されたことが他の cRIO で確認されたら、各 cRIO

は送信者となっており、受信者はハートビート周期

は現在のローカルトリガーの状況を確認し、ローカで指定した周期内にメッセージが届かなかった場合

ルトリガーがかかっていなかった場合はトリガー

はカウンタを増分し、これがタイムアウトとなるとステータスのみネットワークトリガーに入力する

そのことをオペレータに知らせるようにしている。

図 114(c))。ネットワークトリガーのトリガース(a)圧力跳ねの実例


テータスが全ての cRIO に対してアクティブになっ

Phase-2 コミッショニング中の 2018 年 6 月 25

たら、ネットワークトリガーの各指標間のタイムス

日 11 時 20 分頃に LER で発生した QCS クエンチ

タンプ情報を比較し、各 cRIO と Windows PC はを伴ったビームアボートにおける、ビーム電流とネットワークトリガーの最も古い情報を共有する。

圧力跳ねの様子を図 116 に示す。通常のデータ収

Windows PC によるファイル取得とデータ表示

集（1 s 周期、図 116(a)）ではビームがアボートさ

CCG Patrol の OPI を図 115 に示す。トリガー

れた後に圧力跳ねが起きたように見えるが、CCGが発生すると Windows PC 上ではそのことをトリ

Patrol によるデータ収録（10 ms 周期、図 116(b)）
ではビームがアボートされる約 2 秒前から CCG

107(b) CCG Patrol

(b) CCG Patr

! ! !
231

! ! !
231

0

0

D02 L28 の圧力値が上がり始めているのがわかる。
通常のデータ収集においてビームアボートより後Currentに圧力跳ねが起き始めているように見えてしまうのは、1）ビーム電流の PV を発行している IOC と

CCG L18

CCG の PV を発行している IOC との間で時間同

CCG L19

期が取れていない、2）スキャン間隔が 1 秒のため

CCG L20に圧力の立ち上がりを捉えられていない、3）IOC
上では並行して他の処理も走っていることから厳密(a)に 1 秒間隔で PV の値が更新されておらず、アーカ

イバーが周期的にデータを取得した場合にタイミングによっては同一の値を記録してしまう、という複合的な原因が考えられる。

Current

この圧力跳ねが起きた CCG は垂直方向コリメー

CCG L18

タ近傍に置かれたものであり、ビーム軌道が何らかの原因で動き、ビームがコリメータに直撃して圧力が上昇したと推測している（2.6.2 項を参照）。また
CCG L19

ビームがコリメータに衝突したことにより発生した
CCG L20

シャワーが QCS に突入し、QCS クエンチが起きたと考えられている。この事象の後にビームコリメー
タ先端のタングステン部に傷が入っていることを目(b) CCG Patrol

視で確認している。

図 116

圧力跳ねによるビームアボート

ビ ー ム ア ボ ー ト 時 の 圧 力 跳 ね と LER

ビーム電流

Phase-2 において前述のビーム衝突によるコリメータ損傷が起きたことを受け、これを少しでも緩和するため、コリメータ近傍の CCG で圧力値が跳システムがアボートリクエストを出すこともあり、ねた際に即座にビームアボートするシステムを開また、ダストイベントによりビームが縦方向に異常発した。特に図 116 において、ビームアボートのな振動を始めてから 2 ターン後にアボートしている

約 2 秒前から圧力上昇が見られることが、このシ例もあるため、一定の効果はありそうである（確かステムを開発する動機となった。アボートリクエ

めようがないが、図 117 の例でも、ビームアボー

ストを出すモジュールは cRIO のリレーモジュー

トしていなかったらコリメータは損傷して圧力はさル（NI-9485 [207]）を採用している。このリレーモらに上昇していた、ということがあるのかもしれな

ジュールの接点開にかかる時間は 0.5 ms で、圧力い）。

跳ねを検知する時間より十分早い。アボートリクエ
ストを出すように設定した CCG で圧力跳ねが検知

2.5.5

DR の真空機器制御

DR における真空関連機器の制御システムは、されると、RTOS 上でリレーモジュールに FALSE

MR におけるそれと基本的には同じである。MR とを書き込み、接点が離れる。

異なる主な点は次のとおりである。

このシステムは Phase-3 から導入され、これによるアボートが数回起きている（図 117）。当初は圧(1) 周長 135.5 m のリングであり、MR と比べて力計の指示値に変化が出てからアボートをしては遅制御点数が格段に少ない。

すぎるかと思われたが、ロスモニターより早くこの

108

(a)



1 台の筐体で 4 台の IP を制御することができ、10−8 Pa 台の圧力まで測定することができる。MRでは CCG のセットポイントにより真空領域の定常状態を定義していたが、DR では IP のセットポイ
ントによりこれを定義している。

NEG ポンプの活性化用電源には菊水電子工業社
製の直流電源 PAG600-4 [217] を使用している。この直流電源 1 台に対し、最大 29 台の NEG ポンプが(b) CCG Patrol

直列に接続される。NEG ポンプは SAES Getters
図 117

社の GP50 を使用している。実験室で実際のビーム

圧力跳ねによるビームアボートの例

パイプの構成を組み、MR と同様の活性化シーケン
スで NEG ポンプ活性化試験を行ったところ、NEG(2) IP の放電電流から圧力を測定している（MR に比べてビームパイプ内の電子数が少ないため、

IP で圧力測定ができる）。CCG はゲートバル

ポンプのゲッター材は黒く、SUS のサポートは青く変色して排気性能が失われてしまった。NEG ポン
プ活性化中の許容圧力は 1 × 10−1 Pa 以下とされてブで区切られた真空区間に 1 台ずつ設置していいるが、これを超えてしまったものと考えられる。

るが、これは圧力の校正等に使用している。

特に、DR のビームパイプはコンダクタンスが小さ(3) NEG 活性化には直流電源を使用し、各 NEG

いため、IP で測定している圧力に比べて NEG ポ

ポンプのヒーターはこれと直列に接続されてンプ部の圧力は 20–30 倍にもなることがわかった。

いる。

NEG ポンプ活性化中は NEG ポンプ部の圧力が(4) ビームパイプの断面積が小さい（コンダクタン

許容圧力以下になるように注意しながら、ヒーター

スが小さい）ため、NEG ポンプの活性化に長の温度を徐々に上げなければならない。そのため、時間を要す。

IP での圧力値が 3 × 10−5 Pa を超えた場合はシーDR とライナックの間には BT があり、DR の入ケンスをポーズし、 5 × 10−5 Pa を下回ったらシー

射側を LTR（Linac To Ring）、出射側を RTL（Ring

ケンスを再開する制御を実装した（圧力の閾値は可To Linac）と呼んでいる。DR にはゲートバルブに変）。この活性化工程は 1 週間以上かかり、その間区切られた領域が 4 つあり、LTR と RTL もゲートに人が常時監視することも難しいため、粗排気セッバルブによって DR およびライナックと区切られ

トの TMP や真空計のアラーム発報により活性化をている。DR の真空関連機器はゲートバルブ：7 台、終えるインターロックシステムを構築した。

真空スイッチ：6 台、CCG：6 台、IP：44 台、NEG

DR 東アーク部における主ポンプ立ち上げ時の圧ポンプ：124 台、流量スイッチ：10 台、温度計：30

力推移を図 118 に示す。この区間には NEG ポン

台、NEG ポンプ活性化用電源：6 台、RGA：1 台、プ：57 台、IP：11 台がある。粗排気セットを 11 台

ビームストッパー：1 台を使用している。IP が設設置し、2017 年 10 月 25 日から 2017 年 11 月 10

置された箇所には粗排気セットを取り付けるための日まで活性化を行なった。圧力が 1 × 10−4 Pa をアングルバルブが 1 台ずつ設置されている。なお、

超えないよう、IP の放電電流等をモニターしながLTR と RTL は NEG ポンプを設置しておらず、IPら慎重に長時間かけて活性化を行った。活性化終了

のみで排気している。

後、IP で測定した圧力の平均値は 1 × 10−8 Pa まで下がっている。

DR の IP コントローラには Gamma Vacuum
社製 QPCe [208] を使用している。4UHV 同様、

DR の真空システムに重大な異常が起きた場合
は、アボートリクエストではなく入射禁止リクエス

109

トを出す。この入射禁止システムは基本的に MRのアボートシステムと同じ構成になっており、GVの not open、温度計異常で PLC または MW100 のDO から入射禁止リクエストを発行する（リレーを開く）。

0.3 

図 118 DR 東アーク部における主ポンプ立ち上げ時の平均圧力の推移 [105]

SR Channel

NEG pump

FeedthroughStainless rib

110
BPM block

Flange for pick-up electrode2.6 コミッショニングの状況

空機器の焼き出しであり、大電流で継続的に長時間加速器の構成および運転目的の別により、Su-

ビーム運転していたため、この期間のビームドーズ

perKEKB のコミッショニングは Phase-1–3 の 3は大きい。この運転期間において、LER で目標の 1

期に区分けされている。

つとしている η = 1 × 10−6 molecules · photons−1に近い値が達成されている。

Phase-1 DR なし、QCS なし、Belle II なし、ビーPhase-2、3 の開始直後に dP/dI および η が一

ム衝突なしでの運転 [209–212]。主目的は真空

時的に上昇しているが、これはコミッショニングの機器の焼き出し、加速器の調整（ハードウェ

前にリングの一部区間で大気開放して真空作業を行

アの健全性確認等）、バックグラウンド等の各い、そこで焼き出しの状況が若干巻き戻されたこと

種スタディ等。最大ビーム電流は LER：1010と、焼き出しのされていない新しい真空機器が追加

mA、HER: 870 mA。実施期間は 2016 年の 2されたことによる。2.2.4 項でも述べた通り、ここ

月 1 日から 6 月 28 日。

での η は ESD による影響も含んでいる。

Phase-2 QCS あり、Belle II あり（一部検出器は

KEKB MR と比較した SuperKEKB MR の焼きなし）でのビーム運転 [213–215]。この運転か出し状況を図 120 に示す。HER は大部分の真空機

ら DR が導入された [105, 216]。主目的は光学器を再利用しているため、すでに η は KEKB よ系の調整、衝突調整、ナノビームスキームの検りも小さい値となっており、これはメモリー効果

証、バックグラウンド等の各種スタディ、入射システムの確立等。最大ビーム電流は LER：

（memory eﬀect）等と呼ばれる [218, 219]。一方、

860 mA、HER: 800 mA。実施期間は 2018 年

LER では大部分の真空機器がアップグレードされたため、η は KEKB より大きい値で、まだまだこの 3 月 19 日から 7 月 17 日。

れは下がる余地があることが伺える。

Phase-3 2019 年春季運転 Belle II ありでのビーム

Phase-3 におけるビーム電流で規格化した分圧の運転。主目的はルミノシティを増大させながら推移を図 121 に示す。運転時間の経過とともに残（衝突調整、衝突点における β 関数の絞り込
み、ビーム電流増強を行いながら）、衝突実験。
最大ビーム電流は LER：830 mA、HER: 940

留ガスの分圧が下がっており、焼き出しが進んでいることがわかる。この分圧を測定している RGA は

LER の衝突点上流・筑波直線部のイオンポンプ直mA。実施期間は 2019 年の 3 月 11 日から 7上に設置されている。分圧の測定には SEM を使用

月 1 日。

している。ビーム運転中の主なガス種は水素、一酸

本テキストでは、Phase-3 コミッショニング休止時

化炭素、水、メタン、二酸化炭素であり、これらは（2019 年春季運転終了後）までの真空システムに関

PSD によって放出されるガス種として典型的なもするコミッショニング状況について紹介する。

のである。Phase-3 開始前、真空作業のためにこの区間は大気開放されており、この影響で水の分圧が2.6.1 焼き出し状況

比較的高い。

SuperKEKB MR のこれまでの焼き出し状況をDR の Phase-2 からこれまでの焼き出し状況を

図 119 に示す。リング内の平均圧力をビーム電流

図 122 に示す。MR と比べて DR ではビーム電流−1で規格化した値を dP/dI [Pa · A] とすると、真空が小さく、またビームが蓄積されている時間も短機器が見たビームドーズおよびフォトンドーズの増

いため、ビームドーズは少ないが、焼き出しは順調

大と共に、dP/dI と光刺激脱離係数 η が減少しておに進んでいることがわかる。DR の東アーク部にはり、順調に焼き出しが進んでいることがわかる（フォRGA を設置しており、ビーム運転中の主なガス種

トンドーズや η の算出方法については付録 B を参は MR 同様、PSD によって放出される典型的なも照）。Phase-1 コミッショニングでは、主目的が真のが観測されている。

111

(a) LER(a) LER(b) HER(a) LER(b) HER(a) LER(b) HER(b) HER
図 120 KEKB MR と 比 較 し た SuperKEKB

図 119 SuperKEKB MR における焼き出し状
況。排気速度を LER：0.06 m3 · s−1 · m−1 、HER：

MR における焼き出し状況。排気速度を LER：
0.06 m3 · s−1 · m−1 、HER：0.03 m3 · s−1 · m−1

0.03 m3 · s−1 · m−1 と仮定。

と仮定。

2.6.2 コリメータの稼働状況

バックグラウンドの低減

コリメータはこれまでのところ異常な発熱等は2019 年 5 月 9 日（Phase-3）にバックグラウンド

H2
見られず、順調に稼働している。
コミッ
H2
CH
4
ショニング以降、コリメータはほぼ絶えずに調整が
CH 4
H O

スタディの一項目として行われた、コリメータスタ

Intensity [arb. unit]

Intensity [arb. unit]

Phase-2ディの例を図 123 に示す。現状、バックグラウンド

2

行われ、QCS のビームからの防護、衝突実験時のH 2Oに最も影響している D02V1 コリメータについて、Belle II 検出器におけるバックグラウンドの低減に
N 2/CO上下にあるヘッドを 2 mm から 2.5 mm へ広げる

N 2/CO

CO 2
多大な貢献をしており、コリメータ無くしてビーム
O2
CO 2
O2

と、ビームライフタイムと Belle II 検出器の VXD

運転ができない状況にある。ここではコリメータの（Vertex Detector、崩壊点位置検出器）システムの稼働状況について簡単に紹介する。

一部にあるダイヤモンドセンサー [221] で測定してDate

いるバックグラウンドが増加していることがわか

Date

112

(b)

 


1.10141 GHz(c)(b) HER  


D01H4 OUT

D01V1 TOPTE 111:1.95571 GHzBG

D01V1 BTM

H2

H 2O

D01H4 IN

N 2/CO

図 124 Phase-2 における HER のコリメータ
スタディの 例。コリメータ位置は LVDT で測

CO 2
D02V1
TOP

定 し た 値 で 、ビ ー ム パ イ プ 中 心 と ヘ ッ ド 先 端
CH 4Collimator Position [mm]間の距離を表す。バックグラウンドは VXD のBackground [mRad/s]

Beam Lifetime [min.]Beam Current [mA]

ダイヤモンドセンサーで測定した値。このときの衝突点におけるベータ関数は両リング共に

図 121 LER の筑波直線部に設置した RGA による Phase-3 における分圧の推移。縦軸の分圧（強BG度）はビーム電流で規格化している。下向き矢印
Lifeは NEG ポンプ活性化の実施日を表している。 Current
D02V1 BTM

(βx∗ , βy∗ ) = (200 mm, 4 mm)。フィルパターンは
1/789/6.12、ビーム電流は LER：0 mA、HER：
230 mA。

tip-scattering と呼ばれ、これまでのコリメータス
タディでも度々観測されている。図 124 には、2018
年 6 月 9 日（Phase-2）における HER のコリメー
1 では衝突点上流にタスタディの例を示す。図中○設置された垂直方向コリメータ D01V1（図 33 を参照）の上下にあるヘッドを 2.2 mm まで閉めたところ、バックグラウンドが大きく減少していることがわかる。
2 では同じく衝突点上流に設置された水平
図中○方向コリメータ D01H4 のリング内外のヘッドを 15mm 程度まで閉めていったところ、バックグラウン
ドが急増した。これは tip-scattering に起因していると考えられる。

Phase-2 コミッショニングの中盤頃までは、ビー

図 122 SuperKEKB DR における焼き出し状況 [105]ム入射時と衝突実験時（ビーム蓄積時）のコリメー
タ設定をその都度、自動的に変えていた。入射時のる。この 0.5 mm のアパチャの違いにより、ビーム

コリメータは、Belle II 検出器における入射ビーム

ライフタイムおよびバックグラウンドは約 20% 変によるバックグラウンド低減と QCS 防護のために化しており、ヘッド位置に対してバックグラウンド

使用されるが、入射効率を落とさないようにアパが非常に敏感に反応していることがわかる。

チャは開き気味に設定される。一方、衝突実験時のただし、コリメータを挿入しすぎると、ヘッド先

コリメータは、蓄積ビームによるバックグラウンド端で散乱した粒子が Belle II 検出器に到達し、バッ低減と QCS 防護のために使用され、各種検出器にクグラウンドを増やしてしまうことがある。これはHV の印加が可能な限りビームライフタイムを落と
113

Background [mRad/s]

Current

Beam Lifetime [min.]

BG
Life

Beam Current [mA]

Collimator Position [mm]D02V1 TOP

D02V1 BTM

図 123 Phase-3 における LER のコリメータスタディの例。コリメータ位置は LVDT で測定した値
で、ビームパイプ中心とヘッド先端間の距離を表す。バックグラウンドは VXD のダイヤモンドセン
サーで測定した値。このときの衝突点におけるベータ関数は LER (βx∗ , βy∗ ) = (200 mm, 3 mm)、HER(βx∗ , βy∗ ) = (100 mm, 3 mm)。フィルパターンは 1/789/6.12、HER のビーム電流は 0 mA。

さないようにアパチャが調整される。また、光学系

クエンチの発生頻度は劇的に下がった。

の変更（主に衝突点におけるベータ関数の絞り込

ヘッド損傷み）の度にコリメータの再調整を行なっている。

2018 年 6 月 25 日 11 時 20 分頃（Phase-2）に、Phase-2 の中盤以降は、日々の入射調整の成果に

LER の衝突点上流に設置された垂直方向コリメー

より衝突調整用のアパチャの絞ったコリメータ設定

タ D02V1 において、急激な圧力上昇を伴うビームでも問題なく入射ができるようになった。Phase-3

アボートがあり（図 116）、ほぼ同時に QCS クエ

コミッショニングから連続的に入射（continuous

ンチが発生した。ビーム電流は 728 mA であった。

injection）をしながら衝突実験することが可能にな

QCS を再立ち上げし、入射調整・衝突調整等を実り、入射と衝突実験でコリメータの設定を変えるこ施した後、6 月 26 日の早朝に衝突実験を試みたが、とはなくなっている。

Belle II 測定器でのバックグラウンドが非常に高QCS の防護く、各検出器に HV を印加できなかった。LER 単

コリメータの調整が十分されていなかった

独で運転してもバックグランドは高く、またコリ

Phase-2 コミッショニング初期において、入射調

メータの位置を調整してもバックグラウンドが下が整、RF 位相調整、衝突点のベータ関数の絞り込みることはなかった。

等を試みた際、ビームロスによる QCS クエンチがその後、現場で D02V1 コリメータのヘッドを度々発生した。クエンチが発生してしまうと再立ちビューポートから確認したところ、下側ヘッド先端

上げに 1–2 時間を要し、大変なタイムロスとなる。

タングステン部において、ビーム進行方向に傷が2019 年 5 月 8 日の運転時（Phase-3）において、入っていた。また、上側ヘッドの先端には下側ヘッ

ビームの空間的広がりがガウス分布していると仮定

ドでスパッタされたタングステンが蒸着したと見らして、各コリメータと QCS のアパチャがビームサれる突起形状が確認された。何らかの原因でビーム

イズ（σ ）の何倍に相当しているかを図 125 示して軌道が急変し、ビームがコリメータに直撃したと推いる。このように、QCS よりもアパチャが小さく測されているが、アボート直前にビーム振動や軌道なる場所をコリメータで作ることにより、ビームは

逸脱は観測されておらず、原因はわかっていない。

まずコリメータでロスする確率が高いため、QCS

この問題への対処法を検討するため、ヘッドの損

114

200
180
160

Number of Sigma

140
120
100
80

QC

60

QC1

180

20
0

140

Beam position at D02V1

120(a) LER

100
80

QC2

180

60

vertical

40

160
140

20
D02V1BTM

D02V1TOP

D06V1BTM

D06V1TOP

D02H4IN

D02H4OUT

D02H3IN

D02H3OUT

D02H2IN

D02H2OUT

D02H1IN

D02H1OUT

D03H1IN

D03H1OUT

D06H3IN

D06H3OUT

D06H1IN

D06H1OUT

水平方向ビームポジションおよび ECL によるバックグラウンド（hit rate）

Collimator Name(a) LERター（Electromagnetic Calorimeter、ECL [222]）180により測定したバックグラウンドを図 126 に示す。

160

D02V1 コリメータにおいてビーム軌道をリング内
140

Number of Sigma

120

D02V1 コリメータを 3.5 mm から 2.6 mm まで閉

QC1

100

めると、ECL のバックグラウンドレベルが急落し80ていることがわかる。

60

この水平方向バンプでも運転可能なことは分かっ

vertical

QC2

たが、ルミノシティを減少させてしまう可能性があったことから軌道は元に戻し、現場で D02V1 コ

0

リメータ本体をリング外側に 1.5–2 mm 程度シフト

D01V1BTM
D01V1TOP
D12V4BTM
D12V3TOP
D12V2BTM
D12V1TOP
D09V4BTM
D09V3BTM
D09V2BTM
D09V1BTM
D01H5IN
D01H5OUT
D01H4IN
D01H4OUT
D01H3IN
D01H3OUT
D12H4IN
D12H3IN
D12H2IN
D12H1IN
D09H4IN
D09H3IN
D09H2IN
D09H1IN20

することで損傷箇所を回避させた。運転中のヘッド交換も検討したが、これを行う場合、加速器が運転

Collimator Name(b) HER

可能な状態になるまでに、1) 当該区間の窒素パー

図 125 Phase-3 に お け る コ リ メ ー タ と QCSジ、2) コリメータの切り離し、3) ヘッドの交換、4)の ア パ チ ャ 。赤 色 の 横 線 が QCS の ア パ チ ャ

コリメータのつなぎ込み、5) 粗排気、6) リークテ

を 表 す 。衝 突 点 に お け る ベ ー タ 関 数 は LERスト、7) IP のベーキングおよび NEG ポンプの活(βx∗ , βy∗ ) = (200 mm, 3 mm)、HER (βx∗ , βy∗ ) =(100 mm, 3 mm)。

性化、という行程が必要となる。2) は垂直方向コリ
メータ下側のヘッドを交換する際に必要な作業で、ビームラインからコリメータを切り離した後、架台傷箇所を回避するように D02V1 コリメータにおいに取り付けられた回転機構を使ってコリメータ本体て、水平方向にビーム軌道のバンプ（bump）を立てを回転させ、ヘッドを交換する作業である。これらることにより、損傷したラインからオフセットしたは多大なタイムロスになることから、ヘッドの損傷領域がコリメータとして機能しているか調査した。

については Phase-2 コミッショニングの最後まで
コリメータ本体のシフトで対応した。

D02V1 コリメータ近傍の BPM を使って計算した D02V1 コリメータでの水平方向ビームポジ

Phase-2 終了後に取り外した、D02V1 コリメー

ション、コリメータヘッドの位置、電磁カロリメー

タヘッドの写真を図 127 に示す。タングステンの

115

120
100
80
60
40

QC

20
0

D09H2IN
D09H1IN側へ約 1.2 mm、2 段階で動かしている。その後、horizontal

Number of Sigma

図 126 D02V1 コリメータにおけるヘッド位置、

040

D06H1INhorizontal

D06H1OUT

ECL

160

Number of Sigma

40

D02V1 TOP

200(b) HER

beam

beam

(a) (b) 

図 127 Phase-2 コミッショニング終了後に取り外した D02V1 コリメータヘッド

放射長は約 3.5 mm であり、下側ヘッドにはこの動させず、軌道バンプを作った状態で 2019 年夏の長さを過ぎてから傷が拡大している様子が見える。

シャットダウンまでビーム運転をした。2019 年夏

上側ヘッドの表面には蒸着したタングステンが見えのシャットダウン中に損傷したヘッドを交換する予る。また、2.2.5 項でも述べたが、脆化により表面定である。

からはポロポロとタングステンの粉が落ちるような

なお、Phase-3 コミッショニングの事象では、ビー状態になっていた。

ムアボート前に圧力跳ねに伴うビームエネルギーロ

また、2018 年 7 月 9 日 11 時 20 分頃（Phase-スが観測されたことから、ビーム軌道を急変させる

2）に、同様の事象（前触れのない圧力急上昇を伴原因候補の 1 つとして、2.6.3 項で述べる、ダストイ

う QCS クエンチ）が HER の垂直方向コリメータ

ベントが挙げられている。EGS（Electron Gamma

D01V1 でも発生した。ビーム電流は 766 mA でShower [223]）で評価したビーム照射時の到達温度あった。その後、現場で D01V1 コリメータの上を図 128 に示す。バンチ電流 16 mA · bunch−1 の側ヘッド先端をビューポートから確認したところ、ビームが衝突すると、ほぼ全ての材質で最大到達温

ビーム進行方向に傷が入っていた。ただし、この損度が融点を超えていることがわかる。リングを周回

傷による Belle II 測定器でのバックグラウンド増大

しているビームがヘッドに直撃した場合、ヘッドのは確認されなかったため、Phase-2 の最後まで対処

損傷は免れない。これを回避するには、異常なビーしなかった。LER と同じく軌道が急変してビームム軌道を引き起こしている原因を取り除くか、異常がヘッドに直撃したと推測される。Phase-2 コミッの検知で即座にビームをアボートするシステムが必ショニング終了後、D01V1 および D02V1 コリメー要となる。

タのヘッドは予備品と交換した。
さらに、2019 年 7 月 9 日 22 時 11 分頃（Phase-

2.6.3 ダストイベント

3）に、またも同様の事象（前触れのない圧力急上

Phase-1 コミッショニングから現在に至るまで、昇を伴う QCS クエンチ）が LER の垂直方向コリ

MR ではビームロスを伴う 1 × 10−5 Pa 程度までのメータ D02V1 で発生した。ビーム電流は 660 mA

圧力跳ねが度々発生している。なお、CERN（欧州であった。その後、現場で D02V1 コリメータの下原子核研究機構）の LHC（Large Hadron Collider）

側ヘッド先端をビューポートから確認したところ、においても、UFO（Unidentiﬁed Falling Objects）

ビーム進行方向に傷が入っていた。バックグラウンと名付けられた類似の事象が発生している [224]。

ドが高く、衝突実験が行えなかったため、やはりこ

図 129 に示しているように、上昇した圧力の分布のコリメータ部で約 1 mm の軌道バンプを作ってから、特に LER の偏向電磁石内のビームパイプで傷を回避した。Phase-3 では、コリメータ本体は移頻発していることがわかった（頻度は低いが、HER

116




beam

50
0
0.0

(a) 

0.2(b) 

0.4

0.6

0.8

1.0

Scaled Polar angle(a) 

(

*3775)

1: SP15W2Counts = 3707
1500

Counts(b) 

Temperature [℃]

Temperatur

(b)

!#

1000

500

'$

0
0.0

0.2

0.4

0.6

Scaled Polar angle(b) (*3705)

図 128 EGS による各材料にビーム照射したときの到達温度。1 × 1012 electrons · bunch−1（16mA · bunch−1 ）、実効バンチ半径：50 µm、0.5 ×

図 130（放射長）。

ビームパイプ内から採取されたカプトン

シート上のダスト。ビームパイプ内にカプトン
シートを敷いた状態でノッカーを作動させ、カプ
トンシートを引き抜いた。

とがわかった。
実験室に保管している予備のビームパイプにも同様の衝撃を与え、落ちてきたダストを採取したところ、図 130 のように、アルミ合金を主成分とする金属片が多数確認されたことからも、この事象を起こしている原因は、ビームダクト内にあるダストが有力となっている。

図 129 CCG の指示値から推定したダストイベ

LER における、Phase-1 から現在までのダストントの発生箇所

イベントの発生頻度および場所を図 131 に示す。

Phase-1 ではビーム電流を増強する度にダストイベでも発生している）。このビームパイプは上下にグントが発生し、到達した最大ビーム電流付近でしばルーブ構造があり、この構造に洗浄では取り除けな

らく運転すると、徐々に発生頻度が下がっていった

かったダストがあり、これがビームによる熱負荷が（エージング効果がある）。Phase-2 開始前には、ダ影響して落ちてきていることが原因として推測さストを落とすために、ダストイベントが頻発していれた。

たビームパイプを叩いて回った。Phase-2 以降の運検証のため、ノッカー（knocker。圧縮空気を動転では、ダストイベントの発生頻度は激減した。

力として対象に衝撃を与える装置で、通常は食品工発生頻度が減った要因として、1) ノッカーによ

場の粉落とし等に使われる）を偏向電磁石内のアルりダストが落ちた、2) Phase-2 以降は衝突調整・実

ミ合金製ビームパイプに取り付け、これによりビー

験が主目的であり、300 mA 以下の比較的低い電流

ム運転中にビームパイプへ衝撃を与えたところ、7での運転時間が長かった、3) Phase-2 以降からダイ

回中 7 回、ビームロスを伴う圧力跳ねが再現されヤモンドセンサー等でアボートを出すようになり、た。また、ドリフト部におけるグルーブ構造のない

これによって圧力跳ねが発生する前にアボートされアルミ合金製ビームパイプでも同様のことを実施している、等が考えられる。2020 年秋季運転前にもたが、ここでは事象が再現されなかった。さらに、
偏向電磁石内の同仕様のビームパイプであっても、製造メーカーによって事象の起きる頻度が異なるこ

117

ノッカーでダストを落とすこと試みる予定である。

0.8

1.0

beam

(b) (b) 



図 132 HER において発熱が見られる衝突点下流ビームパイプの位置(a) 



ジ部で合計 3 回リークが発生し、うち 2 回は増し締
めとバックシールで、1 回はガスケット交換で対処した。
ビームパイプに取り付けた温度計の指示値では最大ビーム電流でも 50 °C 程度であったが、フランジの材質がステンレス製と、クロム銅製の組み合わせであったため、線膨張率の違い、熱伝導率の違い（ステンレス製フランジ側で局所的に温度上昇した）、熱サイクル等の理由でリークしたものと思われる。対策として、Phase-3 開始前に、当該ビーム(b) 

図 131



パイプの上流側 2 箇所に放射光マスクを設置した。

ビーム運転時間とダストイベント

この対策による発熱の低減効果は限定的であったが、現在までにリークは発生していない。また、将来的にはステンレス製フランジをクロム銅製にした

2.6.4 真空機器の異常等

ビームパイプに置き換える計画もある。

SuperKEKB で導入された新規の基本的真空機

衝突点においては、衝突点ベローズチェンバーの器（MO 型フランジ、櫛歯型の RF シールドを採用

発熱が見られた（2.2.6 項を参照）。Phase-2 コミッ

したベローズチェンバーやゲートバルブ、コリメー
タ等）では、今のところ異常な発熱等は見られず、ショニング開始前の設置作業で、4 台中 1 台のベ
ローズチェンバーのフィンガーが外れ、これを元に健全である。フランジやベローズチェンバー、ゲー

戻してビーム運転に入ったところ、他のベローズ

トバルブの温度上昇は、LER の最大ビーム電流約1 A（フィルパターン：1/1576/3.06）においても、
1–5 °C であり、問題ない。ここでは、これら以外と比べて温度が若干高かった（ビーム電流 800 mA
で当該ベローズは ∆T ≈ 2 °C、その他のベローズ
は ∆T ≈ 1 °C）。Phase-2 の後、このベローズチェの発熱等が見られた機器について紹介する。

ンバーを外したところ、フィンガー部に放電痕が発熱確認された（図 133）。このベローズチェンバーは

HER において、QCS で発生した放射光が、下流
15–20 m にあるステンレス製ビームパイプ（図 132）に照射され、発熱が起きている。当該箇所のビーム
パイプをリング外側へ約 15 mm ほど傾け、また、
温度が下がるようにビーム軌道を調節してビーム運Phase-3 前に予備品と交換したが、Phase-3 コミッ
ショニングでも同じ場所のベローズチェンバーで発熱が見られた（4 台中 1 台）。
図 134 にはベローズ外側に取り付けた温度計の指示値を示す。フィルパターンにより、温度上昇の転した。Phase-2 コミッショニング中には、フラン

118

PressPressure [Pa]Beam Current [mA]
rrent [mA]

CCG
D07_H04A



1/1576/3.06

Temperature [℃]

図 133 Phase-2 後に取り外した若干の発熱が見
1/789/6.12

られたベローズチェンバー（写真右側）

Temperature [℃]

1/1576/3.06

1/789/6.12

図 135 LER 日光直線部・ウィグラー区間におけるビーム電流に対するフランジの温度

Beam Current [mA]

圧力跳ね
ビーム電流を増強していく過程で、圧力跳ねが観測される箇所がいくつかある。例として、HER のBeam Current [mA]

横方向フィードバックキッカー近傍での CCG によ

図 134 Phase-3 において発熱の見られたベロー

る指示値を図 136 に示す。ビーム電流を増やしてズチェンバーの温度

いき、ある閾値を超えると圧力跳ねが発生する。しばらく、その電流を維持していると、次第に圧力跳様子が異なるため、フィンガー部の電気的コンタクねが収まるが、ビーム電流をそこからさらに増強

トが不十分であることが原因と推測される。

すると、再び圧力跳ねが発生する。このような圧力

LER 日光直線部のウィグラー区間のフランジ温

跳ねは LER 入射部（入射キッカーとアボートキッ

度を図 135 に示す。このように、ウィグラー区間カー）のセラミックチェンバー等でも見られ、電子のフランジにおいても、放射光による発熱（温度のマルチパクタ現象が起きていると推測されていの高いところで、ビーム電流約 800 mA においてる。今のところ、圧力跳ねが観測される箇所はいず∆T = 30°C 程度）が見られている。ビーム軌道にれも前述のようなエージング効果が見られるため、

垂直方向の傾きがあると、放射光がアンテチェン

ビーム電流を増強する際には、圧力跳ねが収まった

バーの上側または下側に照射される。特に、LERのを見計らって電流を増やしている。

日光直線部のウィグラー区間は全長が 150 m 程度

LER の衝突点下流にある ZDLM（Zero Degreeと長いため、上流で発生した放射光が広がり、これ

Luminosity Monitoring [225]、ルミノシティを測がアンテチェンバー内に収まっていないものと考定するモニター）用チェンバーでも発熱および圧えられる。対策として放射光マスク付きのベローズ

力跳ねが観測されている。ZDLM チェンバーはチェンバーを設置した。また、ビームの軌道をでき

図 137 に示すように、ZDLM を設置する箇所がるだけ水平にし、フランジに冷却ブロックを取り付ビームに向かって凸の構造になっている。これにけることを検討している。

より ZDML チェンバーのロスファクターは約 0.2

V · pC−1 と高く、これは新型水平方向コリメータ
119から、下流側の幅 60 mm、高さ 40 mm のレースト
ラック型へ絞られている。このビームパイプの上流

CCG
D07_H04Aにある偏向電磁石で発生した放射光は、図 139 の下

Beam Current [mA]

Pressure [Pa]Current

側に照射されるため、このビームパイプ下流側には放射光マスクが置かれている。
このビームパイプでは、アボート時に圧力跳ねが度々観測されていた。また、このビームパイプにおける残留放射線レベルが高いという報告もあり、さらに、リークの発生したフランジ内面を観察する

図 136 HER の横方向フィードバックキッカーと、ビームが照射されたと思われる痕が目視で確認

近傍にある CCG で観測した圧力跳ねされた（図 139(b)）。このリーク発生後、コリメータを調整してアパチャを絞ったところ、圧力跳ねの最大値が小さくなった。これらの事柄から、アボー

Beam Current[mA]
Beam Current[mA]10 -6

ト時に正規軌道から外れたビームがビームパイプに衝突し、リークが引き起こされたと推察している。
このリークを防ぐため、Phase-2 開始前に改良したビームパイプ（図 139(c)）に置き換えた。このビームパイプでは、下流側フランジのリークが発生

図 137 ZDLM チェンバーの概略図

した側にビームマスクを設置している。また、放射光マスクからの反射光がシール部に照射され、リークを引き起こした可能性も指摘されていたため、放図 138

射光マスク部にはリッジ構造を加工し、これにより改良型 ZDLM チェンバーの概略図

放射光の反射光を散乱させている。今のところ、このビームパイプで問題は起こっていない。

のロスファクター（≈0.04 V · pC

−1

）より大きい値である。また、CST Studio の Eigenmode Solver

2.6.5 真空とバックグラウンドによると、ZDLM チェンバーには 2.1 GHz 付近にPhase-3 コミッショニングにおけるバックグラウ

Q 値が 1.6 × 10 程度の捕捉モードがある。これら

ンドスタディの結果、Belle II 検出器におけるバッは将来的には問題になる可能性があるため、対策とクグラウンドは LER のビーム–ガス散乱（ビームとして、1) ZDLM チェンバー下流に SiC の高周波吸残留ガスの相互作用）による成分がバックグラウン

収体を設置し、基本モードの Q 値を 20 程度まで下

ド全体の約 70% を占めており、これが支配的であげる、2) 図 138 のようにビームパイプ断面に丸みることが分かっている。

4を付け、基本モードの励振を回避すること、が検討

加速器単独で見ると、ビーム電流 1 A 程度までのされている。

運転も可能で、KEKB と同程度のピークルミノシ

リーク

ティである 1.22 × 1034 cm−2 · s−1 が既に実現されPhase-1 において、HER 富士直線部のテーパーている。しかし、Belle II 検出器における高いバッ型ビームパイプ下流側フランジ（図 139(a) の右側

クグラウンドレベルのため、Phase-3 における衝突にあるフランジの上側）でリークが発生した。この

実験時のビーム電流は 500–600 mA 程度までにしビームパイプは全長 1062 mm で、断面形状が上流

か上げることができず、これによりピークルミノシ

側の幅 104 mm、高さ 50 mm のレーストラック型

ティが 0.5 × 1034 cm−2 · s−1 程度に制限されてお120

が、同程度の圧力上昇でも区間によってダイヤモン
ドセンサーの応答は異なることがわかる。
このスタディの結果、バックグラウンドは D02、

SR mask(a) 



D06、D12 の圧力に敏感であることが分かった。

2020 年に設置を計画している D06V1 と D03V1 のコリメータにより、D03–D12 および D01 の圧力に起因したバックグラウンドは低減される予定である。最もバックグラウンドに敏感な D02 区間の圧力については、動的圧力が下がる（焼き出しが進む）のを待つしかないのが現状である。

Phase-3 における MR の CCG 指示値の分布を
図 141 に示す。Phase-3 前に大気開放をして真空作業を行なった区間の圧力が比較的高く、特に LER(b)

の D02V1、D02H1、D02H2 コリメータを設置した区間の圧力が高い（悪いことに、バックグラウンドに敏感な LER D02 区間の圧力が高い）。D02H1 コ
リメータは、設置後にヘッドからチェンバー内へ冷却水が漏れ出た事故が発生しており、このコリメー
タ近傍に水が残っている可能性もある。2019 年秋の運転前には、この区間の圧力を下げるべく、これらコリメータの in-situ でのベーキングを試す予定である。また、HER についてはメモリー効果により総じて圧力が低いことがわかる。

(c) 



図 139 HER 富士直線部のテーパー型ビームパイプ

り、現状では LER のビーム–ガス散乱による成分を低減することが大きな課題となっている。
これまでに、NEG ポンプ活性化用ヒーターへ通電することにより人為的に圧力を上げ、リングのどの区間の圧力がバックグラウンドに効いているか
スタディを実施している（vacuum bump study と呼ばれている）。Phase-3 における LER でのスタディ結果を図 140 に示す。リング内の各区間（D01から D12、図 33 を参照）の圧力を上昇させるに従い、VXD のダイヤモンドセンサーも上昇している

121
Time

(c) 





Time

図 140 Phase-3 における LER vacuum bump study（中山浩幸先生提供）。圧力は各区間に設置された CCG 指示値の平均。

:Gate Valve

図 141 Phase-3 における MR の圧力分布。ゲートバルブで区切られた各領域には、それを特徴付ける
次の名称が付けられている。IR：interaction region、STP：stopper、WKB：weak bend、ARC：arc、

WIG：wiggler、TST：test、INJ：injection、CRS：cross、FBK：feedback kicker、MON：feedback
monitor、ABT：abort、STR：straight、HOM：HOM absorber、SRM：synchrotron radiation monitor、
ARES：RF-cavity、SCC：superconducting cavity。LER D07-INJ の CCG-06、07 と HER D08-INJの CCG-17、18、19、20 はセプタムチェンバー内を測定しているため、圧力が高い。

122

じられなかった」という話を伺った（実際の KEKB

おわりに

は LER：1.7 A、HER：1.4 A 程度まで蓄積して定1 章は、理想的にはちょっとした研修の代わりに常運転していた）。それを聞くと、SuperKEKB はなるようなテキストを目指して書いた（これが達成

運転を開始してから日を経たずして 1 A 程度のビーできているのか自信はないが）。企業の方等とお話

ム電流を蓄積しており、とても快調にコミッショニ

しさせていただくと、どうやらリーマンショックをングが進んでいると思える。山は険しいように感じ

境に企業の教育体制が大きく変わったようである。

るが、今年の OHO を受講された方々、本テキスト

経費削減で最初に注目されるのが教育費のようで、を読んでくださった方々はこれを機会にぜひ、今後不景気が長引いたことにより教育費の削減が常習のルミノシティの動向に目を向けていただきたい。

化してしまい、ようやく景気が上向いてきたところ

この章で書いた内容のかなりの部分は、KEKB

で、教育費削減をしていたおよそ 10 年間に知識やグループの諸先輩方ならびに同僚の仕事の成果であ技術を教育・継承できる人材が社内に居なくなってる。特に、KEKB 真空グループの金澤健一先生、末しまっているというケースが多いようである。企業

次祐介先生、柴田恭先生、久松広美氏、白井満氏、照に限らず、大学や研究所でも同様のことが起きてお井真司氏、モニターグループの福間均先生、RF グ

り、このことは先人の方々がこれまで積み上げてき

ループの渡邉謙先生、Belle II の中山浩幸先生、並たものが消え去ってしまいかねない、非常に危機的びに KEKB コミッショニンググループの皆様に、な状況である。このテキストがその代わりになるとこの場を借りて深謝いたします。

は全く思わないが、ほんの少しでもその空いた穴を埋めることができれば、幸いである。
この章では私が講師を務めた真空工学関連講座（例えば、[3]）で使用しているスライド等を参考にしながら書いたが、その基礎は高エネルギー加速器研究機構・物質構造科学研究所の間瀬一彦先生とKEKB 真空グループの柴田恭先生により作成された。この場を借りて先生方には深謝いたします。また、この章の一部の図に関しては日本表面真空学
会・教育委員会の許可を得て、営業職・文系にも役立つ真空技術講座のテキストから転載している。転載の許可を下さった日本表面真空学会・教育委員会に感謝の意を表します。

2 章では、SuperKEKB における各種真空機器の紹介から始まり、Phase-3 2019 年春季運転終了時点における真空システムの状況に至るまで概略的に書いた。SuperKEKB の設計ビーム電流に到達するまで、現状 LER は実績値の約 4 倍、HER は約

3 倍もあり、正直なところ、こんな大電流を定常的に蓄積することが本当にできるのか想像がつかない。しかし、KEKB 時代からコミッショニングに携わっている先輩から雑談で、「KEKB が始まった
当初はビーム電流 1 A を達成するなんてとても信

123

付録 A

• 制動放射（bremsstrahlung）

ビームと残留ガスの相互作用

A.1 ラザフォード散乱

蓄積リングにおけるビーム中の荷電粒子（Su-

原子核のクーロン場による散乱で、電子/陽電子

perKEKB の場合は電子/陽電子）は、縦方向とそれは原子核に比べて質量が小さいため、これらはエネに垂直な横方向に働く復元力により、振動しながらルギーは変化せずに進行方向が変わる。この過程にリング内を周回している。横方向の振動はベータト

おける散乱断面積を σR (Z) [m2 ] とすると、

ロン振動（betatron oscillation）、縦方向の振動は(シンクロトロン振動（synchrotron oscillation）とσR (Z) ≈ 4π

呼ばれている。

re Z
γ

)2

θc−2

(46)

ビーム中の荷電粒子と気体分子が衝突すると、荷電粒子の運動量が変化して振動が励振される。こので与えられる。ここで、古典電子半径 re = 2.82 ×

振幅が加速器を安定に周回できるアパチャより大10−15 m、原子番号 Z 、ビームのローレンツファク

きくなると、荷電粒子は安定に周回することができ

ター γ = E/me 、電子の静止質量 me = 0.51 ×

なくなって失われる。横方向にはビームパイプの寸106 eV、臨界角 θc である。

法によって決まるアパチャがあり、これはフィジ

臨界角は、散乱により進行方向が変わった荷電粒

カルアパチャ（physical aperture）と呼ばれる。縦子がビームパイプ内壁と衝突する限界角度で、ビー

方向にはシンクロトロン振動の位相安定性から決

ムパイプの最小アパチャの半幅 amin [m] と ベータ

まる、RF バケットハイト（RF bucket height）と関数の代表値 β [m] により、呼ばれるアパチャがある。さらに、主に非線形な

θc =磁場の効果によって決まるダイナミックアパチャ

amin
β

(47)

（dynamic aperture）と呼ばれるアパチャがあり、で与えられる。

SuperKEKB ではこのアパチャが支配的である。
SuperKEKB MR の場合、このダイナミックアパ

A.2 メラー散乱

チャから荷電粒子を飛び出させる過程は、1）バン
チ内粒子同士のクーロン散乱（Touschek 効果）、2）

ビーム中の荷電粒子が残留ガスの原子核外電子とビーム・ビーム効果による制動放射、3）ビームと衝突する過程で、これにより電子/陽電子には大き

残留ガスの相互作用（特に制動放射）、が主なもの

な散乱角とエネルギーロスが加わる。この過程におである。3 つ目の過程は、SuperKEKB に限らず一ける散乱断面積を σM [m2 ] とすると、般的な加速器でも問題になる可能性があり、これを

r2
σM ≈ 4π eγc

防ぐためにビームパイプ内に気体分子数の少ない環境を作り、そこへビームを通すことによって荷電粒(γc << γ)(48)

子と気体分子とが相互作用する確率を極力下げる。

ここで、エネルギーロスの臨界値 γc = γ ∆E/E 、

これが加速器における真空システムの基本的な役割

RF バケットハイト ∆E [eV] である。

である。

A.3 制動放射

ビーム中の電子/陽電子と残留ガスが相互作用す

原子核のクーロン場による散乱の高次の効果で、る際の散乱断面積は、主に次の 3 つの過程における荷電粒子が電場の中でエネルギーロスおよび進行断面積の和となる [27, 29, 226]。

方向が変えられた際に、電磁波を放射する過程であ• ラザフォード散乱（Rutherford scattering）

る。質量の小さい電子/陽電子ビームにおいて、3 つ• メラー散乱（Möller scattering）の散乱過程中で最も断面積が大きい。この過程にお124

ける散乱断面積を σB (Z) [m2 ] とすると、(σB ≈ 4αre2 ln

183
Z 1/3

)

{
Z(Z+1)

4
ln
3

(

γ
γc

この現象はイオントラッピング（ion trapping）)}と呼ばれ、これによりビーム周辺が局所的に圧力が

5
6
(49)

−

高まった状態となるため、ビーム寿命が縮められ、さらにエミッタンスが増大されることもある。

ここで、微細構造定数 α = 1/137 である。

イオントラッピングを起こす臨界質量数 Ac は、

Ac =A.4 ビーム寿命
時刻 t [s] におけるビーム電流を I(t) [A] とする

I(t)rp = 1.53 × 10−18 m、バ ン チ あ た り の 電 子 数
ne /Nb [electrons · bunch−1 ]、水平/垂直方向ビーム(50)− dI(t)dt(53)

で 与 え ら れ る 。こ こ で 、古 典 陽 子 半 径と、ビーム寿命は次の通り定義される。

τ=

πR
ne rp
Nb Nb (v/c)2 σy (σx + σy )サイズ σx/y [m]、光速度 c = 3 × 108 m · s−1 である。

ビームと残留ガスの相互作用により、短時間あたりに失われるビーム電流 dI(t)/dt [A · s−1 ] は、次

ビームおよび捕捉されたイオンの分布にガウス分布を仮定すると、イオンとの衝突によるビーム寿命式で表される。

∑
dI(t)= −vI(t)nZ σT (Z)dtτion は、
(51)

1

Z=1

τion

2

こ こ で 、全 散 乱 断 面 積 σT (Z) [m ] = σR (Z) +=∑v
Nion,Z σion,T (Z)
4πσx σy C

(54)

Z=1

ZσM + σB (Z) 、残留ガスの各原子（原子番号 Z ）で与えられる。ここで、リング周長 C = 2πR [m]、の 密 度 nZ [molecules · m−3 ]、ビ ー ム の 進 行 速 度

リング内でトラップされたイオンの各原子（原子番v [m · s−1 ] である。ガス種についてではなく、各

号 Z ）の数 Nion,Z [ions]、トラップされたイオンの原子について和を取ることに注意する。例えば CO

全散乱断面積 σion,T (Z) [m2 ] である。先と同様、トの場合、CO（Z = 14）ではなく、C（Z = 6）と O

ラップされたイオン種についてではなく、イオンの（Z = 8）について和を取る。

各原子について和を取ることに注意が必要である。
式（52）と見比べると、イオントラッピングは密度式 (50)、(51) から、真空に関するビーム寿命 τv [s]
は、

1
=v
τv

∑

nion,Z = Nion,Z /4πσx σy C [ions · m−3 ] の残留ガス
nZ σT (Z)との散乱によるビーム寿命と等価であることがわ

(52)

かる。

Z=1

と表される。

A.5 イオントラッピング
ビームパイプ内の残留ガスは、ビームや放射光等との相互作用により、ある確率でイオン化される。

HER のような電子蓄積リングの場合、このイオンが負電荷バンチの作るポテンシャルに引き寄せられる。質量の小さいイオンの場合、このポテンシャル
によって得る加速度が大きいため、次のバンチが来るまでにイオンはビーム軌道から逸脱する。一方、質量が大きいイオンの場合、ビーム軌道付近に捕捉されてしまう。

125

付録 B

ま た 、長 さ L [m] に お け る フ ォ ト ン ド ー ズ

シンクロトロン放射光

Dph [photons · m−1 ] は、式（55）から、∫
nph dt
Dph =
L
∫
E
I dt
(61)
≈ 2.9 × 1015
L∫となる。ここで、ビームドーズ I dt の単位を [A h]

真空システムに関連する放射光の性質について簡単にまとめる。
リング内で単位時間あたりに放出される放射光の
光子数 nph [photons · s−1 ] とエネルギー Wph [W]は、

nph = 8.08 × 1011 IE
Wph =8.84 × 10−32 IE 4ρとしている。

(55)(56)

で与えられる [220]。ここで、ビーム電流 I [A]、ビー
ムエネルギー E [eV]、電子/陽電子の曲率半径 ρ [m]である。
放射光は様々なエネルギーの光子を含んでおり、これを特徴付けるものとして臨界エネルギーϵc [eV] があり、
∫ ϵc
Wph (E) dE =
0

1
Wph
2

(57)

と、放射光の全パワーを 2 分するエネルギーと定義され、

ϵc = 2.22 × 10−24

E3
ρ

(58)

である。
光刺激脱離係数 η の算出方法について、式（36）および式（37）から、

η=S(p − ps )kT nph(59)となり、式（55）から、S
dp
8.08 × 1011 kT E I
S dp≈ 3 × 108
E I

η=

(60)

となる。ここで、dp = pd = p − ps と置き、T =300 K とした。
したがって、リングの排気速度 S がわかれば（または仮定すれば）、ビーム運転時とそうでないときの圧力差 dp をビーム電流 I で割ることにより dp/Iを求め、これらにより η を見積もることができる。

126

[20] Molﬂow+, A Monte-Carlo Simulator pack-

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http://rcwww.kek.jp/research/egs/[224] P. Belanger et al., CERN Re-port No.
CERN-ACC-2018-0009, 2017.
[225] T. Hirai et al., Nucl. Instrum. Methods A,
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[226] S. Kamada, Proc. of the Meeting on Ultra
High Vacuum Techniques for Photon Factory Project, (1979) 1.

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