C-band 矩 形 導 波 管 用 フ ラ ン ジ の 検 討
柿原和久1,A)、大Ѡ 隆夫A)、池田 光男A)、紙ૌ 琢哉A)、山口 誠哉A)、杉村 ‫ݗ‬志A)、大沢 哲A)A)‫ݗ‬エネルギー加速器研究機構 加速器研究施০
〒305-0801 茨城県つくば市大穂1-1

概要
KEK஢子ຨ஢子リニアック（S-band：2856MHz,
஢子：8GeV,ຨ஢子：3.5GeV）では、ຨ஢子エネル
ギ ー 増 強 を 見 据 え た 加 速 ユ ニ ッ ト の C-band（5712MHz）化について検討を進めている。8月には現在製作中の加速管をビームラインに০置し、その後加速ࠟ験を行う‫ڐ‬画で、現在は加速管、導波管、ダミーロード等各コンポーネントの製作と評価ࠟ験が行なわれている。本報告では、このC-band加速ࠟ
験の加速管及び導波管に採用することになったSLAC型矩形導波管用フランジ（メルディニアンフランジ）の০‫、ڐ‬性能評価について述べる。

１．はじめに現在検討が進められているSuperKEKB‫ڐ‬画の中で、KEK஢子ຨ஢子リニアックは3.5GeV஢子、8GeVຨ஢子の入射を求められている。すなわち現在のຨ஢子エネルギー3.5GeVに4.5GeVを積み上げる必要があり、その実現のために、S-band加速ユニットを約２倍の加速勾配が期待できるC-bandユニットに置き換えることが提案された。そして昨年、C-band加速ユニットを今年の夏季保守期間（7、8月）に建০し、ビーム加速ࠟ験を行うことを決定した。
C-band加速ユニットを構成する加速管、導波管、ダミーロードの開発に先立ち、まずこれらを接続するためのフランジの仕様を決定することになった。
与えられた数カ月間で、「十分な真空気密性」と「ロスの極めて少ない安定した大஢力‫ݗ‬周波伝送」という‫ݗ‬周波対応真空フランジに要求される基本的な２つの項目を満ੰする新型フランジを開発することは困難であったことと、使用数量が比Ԕ的少ないことから、現在既にある‫ݗ‬周波対応真空フランジの中でସ期間の実績のあるSLAC型矩形導波管用フランジを選択し、C-band用としての০‫ڐ‬と評価ࠟ験を行うことにした。

２．矩形導波管用フランジの現状
S-bandシステムの大஢力‫ݗ‬周波伝送経路には２種་のフランジが使用されている。クライストロンの‫ݗ‬周波出力൉には、40年程前にSLACで開発され実績のある矩形導波管用フランジ（図1）が、それ以外の導波管と加速管にはKEK஢子ຨ஢子リニアック建
০時にKEKと三菱重工(株)で開発した矩形導波管用
1E-mail: kazuhisa.kakihara@kek.jp

円形フランジ（図2）が使われている。
C-band用矩形導波管用フランジとしては、KEK松本氏が開発したＭＯフランジ[1] がある。それぞれの主な特徴を以下に記す。

2.1 SLAC型矩形導波管用フランジ
௷ガスケットオ ス -フ ラ ン ジ

メ ス -フ ラ ン ジ

図１：SLAC型矩形導波管用フランジ(1) ସ期間に及び大஢力‫ݗ‬周波伝送経路に使用されてきた実績がある。
(2) 550℃の温度下で1週間以上保持しても真空シール性が維持できる。
(3) オス-メス一対のフランジで௷ガスケットを圧縮する構造のため、導波管としての寸法、組み合わせの管理が面倒。
(4) オス-フランジのシール面及びԒが無ේ備に出ているため傷付け易い。
(5) 構造が複ߙなためコスト‫ݗ‬になる。

2.2 KEK矩形導波管用円形フランジ
ヘリコフレックス
RFガスケット

ヘリコフレックス
フランジ

図２：KEK矩形導波管用円形フランジ(1) ସ期間に及び大஢力‫ݗ‬周波伝送経路に使用されてきた実績がある。
(2) ヘリコフレックスシール（ル・カーボン・
ローレ ンヌ 社製、 アル ミニウ ム被 覆、 φ3.5）を使用しているため、真空シール性を維持できる温度は200℃以下まで。

0.7a=1.6Ｂ

௷ガスケットガスケット固定、位置決め用ピンフランジ

図３：ＭＯフランジ(1) 大஢力‫ݗ‬周波伝送経路に使用されてきた実績は短期である。
(2) 550℃の温度下で1週間以上保持しても真空シール性が維持できる。
(3) オス-メスの無いフランジのため管理が容易。
(4) シール面はフランジ表面より下がった構造なので傷が付き難い。
(5) 真空シールとRFコンタクトが一体で、且つ導波管内表面の位置で行なわれているため、஢気的接触は十分であると考えられる。

３ ． C-BANDSLAC 型 矩 形 導 波 管 用 フ ランジの০‫ڐ‬
3.1 ০‫ڐ‬方針C-bandSLAC型矩形導波管用フランジの真空シー
ル൉及びRFコンタクト൉の形状と寸法はS-bandのものと極力同一とし、ガスケット圧縮応力やフランジの強度が同程度となるように০‫ڐ‬を行なうことにした。

3.2 S-bandフランジ真空シール൉とガスケット圧縮応力Ａ

2.05 2.55

真空側

Ａ'

1.3

メスフランジ1.1

ボルト締め付け前オスフランジ
大気側

ボルト締め付け後

図４：真空シール൉詳細
め付けトルクから14000N程度と見積もった。そしてフランジのボルト数量（10本）、真空シール൉の周ସ（247mm）とその幅（0.5mm）からガスケット圧縮応力を1140N/mm2、線荷重を570N/mmと算出した。

3.3 ボルト
導波管がWRJ-3からWRJ-5に小型化することにより、
C-bandフランジ真空シール൉の周ସも141mmに短くなる。ガスケット圧縮応力をS-bandフランジと同等にするには、141mm 0.5mm 1140N/mm2＝80370Nのガスケット圧縮力が必要になる。ボルト数量が6本、8本、10本のとき、ボルト1本当たりのࡃ力は各々13395N、10046N、8037Nとなるが、仮にM8ボルトの使用を考えると、6本の場合は適正締め付けࡃ力の最大値 （＝0.7 耐力 :450N ボ ルトの 有効断 面積:36.6mm2）11529Nをଵえてしまうので、8本が適当であるとした。同様にM6、M10ボルトの場合は14本、6本となる。

3.4 ࠟ験用フランジ
ࠟ験用フランジはSUS316L板材を使用し製作した、仕様の異なる3組のフランジ1~3とＭＯフランジである。図５に例としてフランジ1を表す。
フランジ1 ボルト数：8、真空シール幅：0.5mm
フランジ2 ボルト数：10、真空シール幅：0.5mm
フランジ3 ボルト数：8、真空シール幅：0.4mm
フランジ4 ＭＯフランジ

4-R3.54-R3.54-R3.5

4-R265

2.3 ＭＯフランジ

0.5(3) オス-メスの無いフランジのため管理が容易。
(4) シール面はフランジ表面より下がった構造なので傷が付き難い。
(5) 真空シールとRFコンタクトが独立になっているため൉品数が多い。フランジの接続にはRFガスケット1枚とその両側にヘリコフレックスシールを各1個使用する。

2.65 2.05

௷ガスケット

47.55

47.55

52.65

51.65

56.75

56.95
64.2

9090

S-bandフランジのボルト締め付け前後におけるオ
オ ス -フ ラ ン ジ
メ ス -フ ラ ン ジス-メスフランジの位置関係とガスケット変形状態
図５：C-bandࠟ験用フランジ1を図4に示す。オス-フランジとメス-フランジがガスケットを挟んで重なるAの൉分の間隔aが1.6mmか
４ ． C-BANDフ ラ ン ジ ࠟ 験ら小さくなるに従い、そこに生じる圧縮応力、剪断応力が増加し、ガスケットの変形が大きくなっていC-band矩形導波管用フランジࠟ験は、まずボルトく。基本的に真空シールはA’で、RFコンタクトはBのの締め付けトルクとࡃ力の関係を把握するためにࡃ൉分で確保する構造である。
力測定を行なった後、真空シールࠟ験、耐熱ࠟ験をフランジのガスケット圧縮応力を求めるに当たり、 行なった。
使用されるステンレス‫ݒ‬製M10六Ԓ穴付きボルト（‫ݒ‬種区分-強度区分：A2-70）のࡃ力を、ボルト締

4.1!!ࡃ力測定

線荷重(N/mm)

(1)

(2)

(3)

SUSナット、デフリックスプレー塗布
チタンナット、潤滑剤なし

線荷重(N/mm)＊他はSUSナット、潤滑剤なし

6003040020

リーク止まらず

200

フランジ１

フランジ210MOフランジ3
フランジ300(4)014000ボルト締付トルク(Nm)ボルトࡃ力‫([ڐ‬株)東日製作所:1.3B-BTM]とトル
ク測定器[新日本ツール(株):MTQ-045N]を用いて、ステンレス製六Ԓ穴付きボルト(A2-70)、平座金、バネ座金、六Ԓナットの組み合わせによるボルトࡃ
力-締め付けトルクの関係を求めた。以下の4条件で測定を行なった結果が図6である。
(1)SUS小型六Ԓナット 潤滑剤なし(2)チタン製六Ԓナット 潤滑剤なし(3)SUS小型六Ԓナット MoS2塗布(4)SUS小型六Ԓナット デフリックスプレー塗布(株)川຅研究所

ボルト締付トルク(Nm)40800

51015202530

測定回数

ボルトࡃ力(N)12000

図８：真空シールに必要な線荷重

10000

8000

6000

4000

2000
051015202530

ボルト締め付けトルク(Nm)

図６：ボルトࡃ力−ボルト締め付けトルク
ボルトの適正締め付けࡃ力の最大値:11529Nを得
るには、潤滑剤が必要であることが分かる。

4.2 真空シールࠟ験ࠟ験用フランジとICF070フランジを図7のようにWRJ-5֩格の導波管にロウ付けして、ボルト締め付けトルク、ヘリウムリーク量、真空圧力の測定と௷ガスケット、フランジの表面状態、形状を観察した。
ࠟ験は次の手順で行なった。1)ガスケットをフランジ間にセットした後ボルトを通し、均等にバネ座金がつぶれる程度に締め付ける。2)ࡃ力測定を行なったボルトࡃ力測定器を用いて5Nmから1Nm毎にボルト締め付けトルクを上げる。3)そのற度ヘリウムリークディテクタによるリーク量の測定とノギスによるフランジ間隔の‫ڐ‬測を行なう。4)リーク量が検知されなくなる2 10-12Pam3/sまで2)、3)を繰りඉす。
5)取り外したボルト、ナット་は毎回新品と交換する。
ࠟ験及び測定結果(図8)から分かった主な点を上げる。
ICF070(真空ゲージ用）
メス-フランジ
オス-フランジ1) フランジ1、2、3全てで、測定回数が増える毎に真空シールの確保に要する線荷重が増えた。
数回の使用で発生したオス-フランジシール൉
コーナーの変形と関連があると考えられる。
2) C-bandSLAC型矩形導波管用フランジが必要とする真空シールのための線荷重は600N/mm程度であった。
3) 使用ボルト数が8本と10本を比Ԕして、真空シール性に大きな違いは見られなかった。ただしボルト1本当りの締め付けトルクを小さく、ࡃ力に余裕が持てる。
4) ステンレスボルト、ナットの組み合わせでは、16Nmの締め付けトルクでもかじりが発生した。
この組み合わせの場合は、十分なボルトࡃ力を得るためにも潤滑剤の使用が必অである。チタンナットにすると23Nmでも問題はなかった。
5) シール幅を0.4mmにして20％少ない線荷重での真空シールを期待したが、この結果から0.5mmの方が適していると判断した。
6) ＭＯフランジは400N/mm以下の線荷重で真空シールが可能であった。

５．まとめC-bandSLAC型矩形導波管用フランジを০‫、ڐ‬製
作、ࠟ験(200℃の加熱ࠟ験含む)を行なった結果、性能に関する根本的な問題は発生しなかった。レゾ
ナントリングでの大஢力ࠟ験では240MW、0.5μs、10pps(peak)に達している。ただし実際に使用してみてデメリットも少なくないため、今後大量に扱う際にはＭＯフランジのように優れた点の多いフランジの採用が望ましい。そのための検討を今後更に進めていく予定である。

ICF070(真空排気用）参考文献
図７：真空ࠟ験用供ࠟ体[1] H.Matsumoto and M.Ohtsuka, Proceedings of the 24th
Linear Accelerator Meeting in Japan, Jul., 7-9, 1999