KAGRAの低温技術

木村 誠宏
東京大学･宇宙線研究所
重力波観測研究施設

2022年9年9日 高エネルギー加速器セミナー OHO’22 “KAGRAの低温技術”

目次
1．はじめに
2．KAGRA低温設備
2.1. 概 要2.2. 低温鏡懸架装置
2.3. 超低振動冷凍機ユニット
2.4. クライオスタット
3.

低温設備の組立と総合試験

4.

鏡冷却

5.

まとめ

謝

辞

参考文献
2022年9年9日 高エネルギー加速器セミナー OHO’22 “KAGRAの低温技術”

2

1. はじめに極低温鏡システム

KAGRA
世界で KAGRAだけのオリジナル技術

地下サイト• 重力波の直接検出• 基線長3kmのレーザー干渉計型重力波望遠鏡• 岐阜県飛騨市神岡町池ノ山地下に建設

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3

KAGRAの場所

池ノ山

茂住坑口
Kamland

CLIO

1000m 地下

3km

XMASS

SuperKamiokande
3kKAARGm
富山空港

神岡 ◎

◎ 東京50min.
by car

新跡津坑口

4

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2．KAGRA低温設備
2.1. 概要

Y-end鏡室軸Y-mk3©

X-軸

X-end鏡室

3 km(c) KAGRA Collaboration / Rey.Hori

KAGRA低温設備の配置
Fig. 2 KAGRA低温設備配置

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KAGRA 低温設備の要求• 要求への回答
鏡/干渉計試験質量の冷却温度 < 20 K
内層側輻射シールドの温度 < 8 K• CLIOタイプ冷凍機を基本とする防振ステージ付パルス管式• 冷凍機の採用
鏡を静かに冷却• • 冷凍機に起因する振動など、過剰なノイズを発生させない鏡と防振ステージの取り付け作業のため、クライオスタット• の真空容器の胴内径をφ2200にアクセスしやすく、設置作業に十分なスペースを確保
神岡鉱山の地面振動を使ったクライオスタットの応答解析• •道路の輸送規制、KAGRAトンネルが許容できる最大の大きさ
機器の熱負荷を可能な限り小さく• •超高真空対応であること< 10-7 Pa• 輻射熱対策として、超高真空(~10-7Pa)で使用可能な低脱ガス多層断熱膜(SI)の開発

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KAGRA 低温設備の構造
2階防振室
軸
Y-

2階から防振系を懸架

3km

X-軸

3 km(c) KAGRA Collaboration / Rey.Hori

5段のGAS filters （常温）Fig. 2 KAGRA低温設備配置

13.5m

Type-A tower (常温)

多重バッフル付きダクトシールド（低温）クライオスタット＋鏡懸架系（低温）特徴：
1階鏡室 20Kへの常温開口部の存在
最大のものは、レーザー光の貫通穴
穴の直径は20cmの鏡と同じ
ここからの300K輻射は約20 W!
クライオクーラー（8K）の能力より大きい

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KAGRA低温設備の構成
Cryostat Chamber Dimensions:
Diameter: 2.6 m, Height: ~4.3 m, Mass: ~ 12 ton
I/O shields Mass: 8K: ~460 kg, 80 K: ~590 kg

Cryogenic payloads:
SOLBLACK coating－low cost, can be coated on large area－some magnetism, higher outgas

Cryocoolers: 2 stage Pulse tube type
Cooling power: 0.9 W at 4K (2nd)
36 W at 50K (1st)

5-m Radiation shield Duct :Diamond Like Carbon (DLC) coatings－low outgas, no magnetism－only small area, expensive

参考文献 [3]から引用
CRY Group

クライオスタット内に、外側(~80 K)と 内側(~8 K)の 2 層構造の輻射シールドを設置
鏡のHR側とAR側には、ビームダクト開口部からの熱輻射を低減させるための多重バッフル付ダクトシールドの設置

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2.2 低温鏡懸架装置
シールド内面を黒化処理(DLC)

懸架装置表面を黒化処理(ソルブラック)
Platform

Marionette &Recoil massIntermediate mass
& Recoil mass

Mirror &Recoil mass

•低温懸架装置は2層輻射シールドの内側に設置

サファイア鏡(放射率~0.5)•4段振り子構造の鏡懸架装置を採用•鏡を冷却する熱リンク(Heat Link Wires)は鏡懸架チェーンを利用• クライオスタット内の高純度アルミ製冷却導体の先端(Cooling Bar)から縦防振装置(HLVIS),
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マリオネット反跳マス, 2022年9年9日
そこから各ステージ熱リンクを接続して伝導冷却のパスを形成

92.3 超低振動冷凍機ユニット
冷凍機ユニット
防振ステージの思想•基本構造はCLIO向けとして開発された
参考文献 [5]から引用
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冷凍機ユニット
防振ステージの基本式

ヤング率の大きい素材
・ALFRP → CFRP

ヤング率が小さい素材のバネ定数〜地面振動

ヤング率が小さい素材
・5Nアルミ→7N銅地面振動• 神岡地下••

𝑍! = 𝑍" +#!
#"𝑍$

実機の防振ステージは2段のカスケード構造
神岡の地面振動（都会よりも2桁下） ←地下の長所を活かす

ヤング率が大きい素材のバネ定数

参考文献 [5]から引用

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KAGRA超低振動冷凍機ユニットの仕様
冷凍能力
・8K伝導冷却路端において9Kで2.5W・80K伝導冷却路端において70Kで35W
振動特性
・8K伝導冷却路端において東大・柏キャンパスで試験中の冷凍機ユニット 最大±100nm以下
・80K伝導冷却路端において最大±100nm以下
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冷凍機ユニット：パルスチューブ冷凍機＋防振機構
熱リンク（7N銅の撚り線）

フレキシブル部（5N8アルミシート）

1段防振ステージ
冷凍機コールドヘッド
2段防振ステージ

バルブユニット

冷凍機ユニット重量：1200 kg
80K伝導冷却パス：150 kg
8K伝導冷却パス：23 kg
熱リンク：7N銅
8K伝導冷却パス：5N8アルミニウム
80K伝導冷却パス：A1000台
フレキシブル部：5N8アルミニウム
サポート構造：CFRP/GFRP

サポート構造フレキシブル部

80K伝導冷却パス
熱リンク部（A1050/1070）
真空容器
サポートフレーム
バルブユニットマウント
8K伝導冷却パス（伝導パスを支える） （コールドヘッドを支える）（バルブユニットを支える）（5N8高純度アルミ）
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伝導冷却路の使用素材の選択
40,000 W/(m·K) @ 6K
6N Aluminum
5N up Al
RRR=3000
2N Aluminum~Type A-1070• 80 K伝導冷却路• 外層輻射シールド• 8 K伝導冷却路• 内層輻射シールド

コスト:

5N8 > 2N Aluminum
使用する温度域により伝導冷却路の素材の選択が必要
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振動試験• レーザ変位計を用いて、伝導冷却路先端部の3軸方向を同時に測定• 冷凍機ユニットは床にアンカー固定• レーザ変位計はユニットとは別に床に固定

Ch3

Ch1

振動測定

Ch2

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ハンマリングテスト（打撃試験）

周波数応答関数• ハンマーで打撃を加え、その応答をレーザ変位計で計測• 共振の様子を調べながら、防振ステージ部の剛性変化を調べる（共振周波数が上がると、剛性も上がる）• 支持構造の改良を重ねる
共振周波数が高＝剛性が高Ch1（軸）方向

振動測定

周波数 (Hz)

7カ所で周波数応答関数を測定して平均をとる

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冷凍機ユニット振動試験（時系列データ）

振幅• 運転温度での振動測定（8K伝導冷却パス・80K伝導冷却パスそれぞれ測定）•冷凍機ヘッドの振動（約1.7Hz）が最大• 変位は軸方向（Ch1）で<100nm (peak to peak)• 振動性能が低温で仕様を満たすことを確認<100nm (pp)Ch1 : 軸方向
Ch2 : 水平方向
Ch3 : 垂直方向

Ch3

Ch2
Ch1時間
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冷凍能力• 全ての窓を閉止し、伝導冷却路先端の温度を測定• 伝導冷却路先端に組み込んだヒータで熱負荷を与えて冷凍能力を測定

到達温度測定ヒータによる熱負荷
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Load map
Temperature at the far end of 8 K path [K]• 冷凍能力が仕様（9K@2.5W,70K@35W）を満たすことを確認
参考文献 [7]から引用• 全数試験を実施
12Cryo-unit load map

Unit 7108(3.0W, 0W)

仕様値
9K@2.5W
70K@35W(3.0W, 50W)

64(0.9W, 0W)(0.9W, 35W)

2(0W, 0W)

01020(0W, 35W)

30

40(0W, 50W)

5060

70

80

Temperature at the far end of 80 K path [K]2022年9年9日 高エネルギー加速器セミナー OHO’22 “KAGRAの低温技術”

2.4. クライオスタット
Seismic Attenuation System (SAS)View Ports

Radiation Shields

Cryogenic Payload
4.3 m

Stainless steel t=20mm
Diameter 2.6 m
Height ~4.3 m
M ~ 12 ton
Cold Mass:
8K shield ~460 kg
80 K shield ~590 kg

Sapphire Mirror(a-alumina crystal)
Du ct Sh
ield

Main
Laser

Four Cryocooler UnitsKAGRA クライオスタットの構造

f2.6m

B

ea m
Cryocoolers
Pulse tube, 60Hz
0.9 W at 4K (2nd)
36 W at 50K (1st)
S.Koike

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地面振動への応答解析

Jan. 31st,2011
H. Yamaoka

Input to peripheral of bottom
Mozumi 50m K.Y. 2005

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地面振動応答

Cryo-top
Cryo-F
Cryo-L

Cryo-R

共振周波数
Y方向

X-軸

X方向

Y-軸

Input

モーダル解析の結果：真空容器

共振周波数

S.Koike
参考文献 [15]から引用

境界条件：底面の外周を固定

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モーダル解析の結果：外層輻射シールド
支持構造材有Mode frequency

S.KOIKE

Mass=支持構造材無Mass=
参考文献 [15]から引用

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低温設備の初期冷却時間のシミュレーション

放射冷却無：熱リンクのみ

放射冷却有** シミュレーションから約 150 [K] 以上では鏡は放射伝熱により冷却，150 [K] 以下では, 熱伝導による冷却が支配的であることが示唆** 放射伝熱と伝導冷却を組み合わせた複合冷却法により,鏡の初期冷却時間が伝導冷却路だけの場合に比べて約1/2に短縮
参考文献 [17]から引用
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多層断熱膜の開発： アルミ蒸着PETの脱ガス特性
アルミ蒸着された薄いPET（ポリエチレンテレフタレート）フィルムは熱シールドに適した素材
但し、金属表面に比べて脱ガスの発生率が高くる** 厚さ12 μmのPETフィルムのアウトガス発生率を測定。
** 10時間程度で10-6 Pa m3 s-1 m-2まで低**下し，200時間で10-8SIに用いる薄膜フィルムのフィルム厚さを25μmから5 μmに変更し、Pa m3 s-1 m-2のオー
SI表面からの脱ガス特性を改善
ダーとなった100時間程度の初期排気で電界研磨したステンレス板と同程度の桁まで
その後、200時間で10-8Pa
m3 s-1 m-2の気体放出速度を減少
オーダーになるフィルムに吸着した水分子が表面に拡散し、****層間セパレーターについてもポリエステル製ネットからアルミ蒸着された薄膜フィルム長い時間をかけて脱着している可能性がある。の片面に不織布を融着に拡散し、100時間という長い時間をかけて脱フィルムの薄膜化による強度補償と使用する有機材料の総量を減少←熱負荷の減少
着したものと考えられる
参考文献 [19,20]から引用

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熱負荷の見積と実際
80 W by the radiation
94 K at the top of
at 80 K outer shield
the 80 K outer shieldat thetop of the2.0 W 9byKthe
radiation
K innershieldat 8 K 8innershield
0.3 W bythe withradiation
Connection
point
IM andconduction (support posts andtension rods) at 8 K
st cold537.6
K at
stage
W 1by
the radiation
andofconduction
Cryo-cooler(support posts andtension rods) at 80 K
7.1 K at 2nd cold
stage of CryodT1st = 17 K
coolerdT2nd=1.5 K
Very High Purity Aluminum
Conductor (5N8)Low Vibration Cryo-cooler unit
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Cryo-payload

工場内試験の結果◦ Payload◦ Mirror Deposition
Total
W/unit8K Shield

Esti. (W) Meas. (W)
1.0(1.0?)
1.0 (2.0 ?) 0.5 (1.0 ?) 0.4
Esti. (W)

Meas. (W)

View Ports(0.4)*
Radiation From 80 K
2.0
Support post and Rods 0.3
Electrical wires
3 x 10-4
Scattering Light( < 4.0 ?)Performance test
Total
2.3 (6.7 ?) <2.0at Toshiba Keihin ProductW/unit1.15 (3.4 ?)
<1.0◦
◦◦
◦
◦

80K Shield

Est. (W)

Meas. (W)◦ Eleven View Ports(22)◦ Radiation From 300 K 80
• 300Kから8Kまで冷却する時間は12.5日◦ Support post and Rods 7.6• クライオスタットの冷却時間は、予測モデルで予測された◦ Electrical wires
3 x 10-4冷却時間と一致した。
Total
88 (110) 125
2022年9年9日
W/unit 高エネルギー加速器セミナー
22 (27.5) 31OHO’22 “KAGRAの低温技術”

KAGRA極低温設備建設の流れ
2011 Jfy
Apr./’11.

2012 Jfy

Apr./’122013 Jfy

Apr./’13

2014 Jfy

Apr./’14

2015 Jfy

Apr./’15

鏡用クライオスタット
神岡へ輸送・保管基本設計（KEK）
初年度部品製作

組立てと性能試験

鏡用冷凍機ユニット

クライオスタット組立て’14.11~’15.1

基本設計（KEK）
X&Yエンド
７台の製作と性能試験’15.2~’15.4

X&Yフロント
９台の製作と性能試験

断熱真空設備用冷凍機ユニット８台の製作と性能試験

断熱真空設備基本設計（KEK）

８台の断熱真空設備製作と性能試験

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3. 低温設備の組立と総合試験

組立と性能試験スケジュール

2016
JuneSep.

2017
Nov.

Jan.

‘16/7/20

Type-A 防振装置据付期間
機材輸送と両鏡室清掃〜July 9May 30 ~July 8
EXC & EYC クライオスタット組立（冷凍機、断熱真空設備等接続）July 8~ 16

防振系真空チャンバー（縦真空ダクト）接続
7月末から8月末に掛けて真空引き
真空リーク試験
圧縮機配管・モニターケーブル等配線据付
冷却性能試験 ~’16/10月末

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機材のトンネル内輸送（参考）** エンド鏡室への輸送機材総重量15 ton （X-end→ 8.5 ton、Y-end 7 ton）
（圧縮機、フレキシブル配管、断熱真空設備、冷却水循環装置等）** 断熱真空設備を除く主要な機材は、KAGRAから約30 km離れた倉庫で保管全ての機材は長さ3 kmのトンネルを経由して両エンド鏡室に搬入された
Cryo-chamber
weight; 12 theight; 3150 mm
width; 2700 mm

Side ports box
3.4 t, 2480x2480x2230
R 2000ventilating ductf 600 mmf 800
500

1000500~1600
2000

f 4001200500

トンネル内輸送中の機材

200

31

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4000 “KAGRAの低温技術”

組立を完了した低温設備
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KAGRA抗内での冷却試験の結果(2017.Feb.6~Mar.13）

Feb. 6 Operation start

工場試験
KAGRA 抗内工場試験の結果を再現
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KAGRA抗内でのクライオスタット温度分布~82 K at the top of
the 80 K outer shield
13.2 K at the side of
8 K inner shield
４７~5６ K
@ 1st cold stageof Cryo-cooler

3.9 & 5.7 K@ cryo payloadsystem

10 & 12 K@ 8 K shield

6.1 & 6.8 K@ cryo payloadsystem

12.5 K @shield sysytem

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34

4. 鏡冷却鏡懸架装置の冷却特性

参考文献 [16]から引用** 100K以上の冷却は放射伝熱が支配的であるため, 内層輻射シールド(Internal radiation shield), 鏡(Mirror),マリオネット反跳マス (Marionette recoil mass), HLVISが同時に冷却されている** 100K以下では5N8超高純度アルミ製撚り線による伝導冷却が支配的なため,冷凍機に近い冷却要素から, HLVIS, マリオネット反跳マス, 鏡の順で冷却が進む** 低温設備の冷却開始から27日目に鏡は22Kに到達** 100 K以下で鏡の冷却速度が急激に変化しているのは,温度の低下に伴ってヒートリンクの熱伝導率が上昇したこと,
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鏡や懸架装置の素材の比熱が低下したため

35

冷却完了後のクライオスタット内温度分布
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36

鏡の着霜問題とその対策
着霜した鏡•

着霜を防止しつつ、鏡を〜20Kまで安定的に冷却させるため、2020年末から2021年初めまでクライオスタットを用いた冷却実験を実施

着霜

参考文献 [23]から引用

写真は、TM温度〜25Kでの着霜の例(@EXC 2020/08)
O2、N2、H2Oの氷結により霜が形成されたと推定
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37

着霜しない冷却法の確立
Turn On2 ductcoolers

Turn On
2 radiation
coolers

Turn On
2 payload
coolers

76 days

Step2

Step
3

Final
StepGoalStep
1~ 21 daysü Vacuumpumpingü Internalpressure< 10^-4 Pa
ü No leakage> 10^-10Pam^3/s~ 28 days

ü Cooling
down
duct shields.
ü Ductshields
Temp.
90 K ~150 K
ü Trap H2O> 21 days

ü Cooling
down
inner/outershields
ü Radiation
Temp.
20 K ~30K
ü Trap O2
and N210 daysü Cooling
down
Test
Mass

ü TTM=~20 K

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12/25 9:45
Two cryostat shield cooler“ON”
Tduct=150~200 K
2021/1/18 10:52
TTM ~ 230 K
Two payload cooler “ON”
T8Kside < 30 K
TTM > 150 K

11/21 13:32
One root pump“ON”

> 140 K
11/23 8:49~50
Two turbo molecule pumps“ON”> 30 K

12/14 10:32
Two ductshield cooler“ON”

T8Kside=~25K

提案された冷却法の結果
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TTM=~75
K
2/16 9:25
8 KTop ｈ ヒーター
“OFF”

T8K shield=~45K

2/17
IM ヒーターr“ON”, QIM=2.5
W~two days

2/12 8:46
除霜ヒーター“ON”
Qdh=~5 W~two days

2/15 9:15
8 KTop ヒーター
“ON”, QTh=~31 W

除霜ヒータによる鏡と内層輻射シールドの加温特性
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5. まとめ• KAGRA低温設備は加速器関連技術の応用例の一例• 今後も加速器超伝導技術の多方面への応用を期待

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41

謝 辞
• 2011年4月以来, 多くの方の協力によりKAGRA低温設備の設計・製作が進められ, 観測開始までたどり着くことができました.
• 内山 隆氏（東大宇宙線研）, 大橋 正健氏（東大宇宙線研）,大森 隆夫氏（帝京大学）,久米 達哉氏（KEK）, 小池 重明氏（KEK）,榊原 裕介氏（東大宇宙線研）, 斎藤 芳男氏(KEK),鈴木 敏一氏（KEK）, 陳たん氏（東大宇宙線研）,東谷 千比呂氏（東大宇宙線研）, 山岡 宏氏(KEK),
山元 一広氏（東大宇宙線研） ,の皆様から低温設備の設計と関連するR&Dでご協力頂きました.
ここに感謝いたします. （五十音順. 括弧内はKAGRA低温設備設計開始時の所属）• 2011年4月のプロジェクト開始に当たって山本 明前KEK超伝導低温工学センター長から• 多大なサポートを頂きました. ここに感謝いたします.

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42参考文献[1] 特集｢重力波検出と極低温冷却技術｣ J. Cryo. Soc. Jpn., 46 (2011)[2] 特集｢KAGRA~時空のさざ波をとらえる~｣日本機械学会誌, 120 (2017)[3] R. Bajpai, et al., A laser interferometer accelerometer for vibration sensitive cryogenic experiments,
Meas Sci. Technol. 33 (2022) https://doi.org/10.1088/1361-6501/ac6d46[4] 都丸 隆行、他「KAGRAの防振系」日本機械学会誌 120 (2017) pp.16-19[5] 幾島悠喜、「超低振動クライオクーラーの開発研究」総合研究大学院大学 学位論文(博士) (2008)https://ir.soken.ac.jp/?action=pages_view_main&active_action=repository_view_main_item_detail&item id=652&item_no=1&page_id=29&block_id=155[6] 幾島悠喜、他「超低振動パルス管冷凍装置–冷凍能力と振動–」 J. Cryo. Soc. Jpn., 43 (2008) pp.7-14[7] C. Tokoku, et al., Cryogenics System for the Interferometric Cryogenics Gravitational Wave Telescope,
KAGRA –Design, Fabrication, and Performance Test -, Adv. Cryog. Eng., 59 (2014), pp.1254-1261.
[8] 都丸隆行、他「超高純度金属細線による伝導冷却I –高純度アルミニウム–」J. Cryo. Soc. Jpn. 46 (2011) pp.415-420[9] 低温工学・超電導学会 物性データより, https://www.csj.or.jp/handbook/index.html[10] 新冨孝和、他「超高純度金属細線による伝導冷却II –高純度銅–」 J. Cryo. Soc. Jpn., 46 (2011) pp.421-425[11] 榊原 祐介、「A Study of Cryogenic Techniques for Gravitational Wave Detection」東京大学大学院 学位論文(博士) (2014)
https://repository.dl.itc.u-tokyo.ac.jp/records/8069#.YwL1cy_3LSw[13] 西嶋 茂宏、他「クライオスタットの支持材に関する研究」大阪大学研究センターだより 57 (1987) pp. 17-19[14] T. Kume, S. Koike, et al., Development of the low vibration cryocooler unit for large-scale cryogenic gravitational wave telescope,KAGRA, Proc. of ICEC 24 (2012), pp.399-402.
[15] 小池 重明、他「KAGRAクライオスタットの設計 –振動解析について–」平成25年度 核融合科学研究所技術研究会報告 (2014) pp.28-31.
[16] T. Yamada, et. al, High Performance Heat Conductor with Small Spring Constant for Cryogenic Applications, Cryogenics, Vol. 116 (2021), 103280.
[17] 榊原 祐介、他「大型低温重力波望遠鏡（LCGT）熱シールド用金属の低温における波長10µmでの反射率測定」J. Cryo. Soc. Jpn 46 (2011) pp.434-440[18] Y. Sakakibara, et. al, A study of cooling time reduction of interferometric cryogenic gravitational wave detectors using a high-emissivity coating,Adv. Cryog. Eng., 59 (2014), pp.11176-11183.
[19]大森 隆夫他、他「大型重力波望遠鏡(LCGT)における真空技術と断熱技術」J. Cryo. Soc. Jpn. 46 (2011) pp.408-414[20] 高田 聡他、他「真空多層断熱材用アルミ蒸着ポリエステルフィルムの気体放出速度の測定」、J. Vac. Soc. Jpn, 57 (2014) pp.1-6[21] 齊藤 芳男、他「KAGRAの真空装置」, 日本機械学会誌 120 (2017) pp.16-19.
[22] D. Chen, et al., Vibration measurement in the KAGRA cryostat, Class. Quantum Grav. 31 (2014),doi:10.1088/0264-9381/31/22/224001.
[23] H. Abe, et al., The Current Status and Future Prospects of KAGRA, the Large-Scale Cryogenic Gravitational Wave Telescope Builtin the Kamioka Underground, Galaxies 2022, 10, 63, https://doi.org/10.3390/galaxies10030063[24] R. Bajpai, et al., Vibration analysis of KAGRA cryostat at cryogenic temperature, Class. Quantum Grav. 39 (2022)
https://doi.org/10.1088/1361-6382/ac7cb5[25] K. Hasegawa, et al., Molecular adsorbed layer formation on cooled mirrors and its impacts on cryogenic gravitational wave telescopes,
Phys. Rev. D, 99 (2019), 022003.
[26] 麻生 洋一、他「超高感度重力波検出器のための光学設計と制御」 J. Vac. Soc. Jpn., 54 (2011) pp.597-603[27] K. Yamamoto, Cryogenics, Amaldi Research Center Summer School, 6-7 September 2022

2022年9年9日 高エネルギー加速器セミナー OHO’22 “KAGRAの低温技術”

43Appendix

2022年9年9日 高エネルギー加速器セミナー OHO’22 “KAGRAの低温技術”

44

KAGRA干渉計構成
Dual Recycled Fabry-Perot
Michelson Interferometer

ETM

主干渉計

3km

モードクリーナーl 26 ml フィネス: 500l Resonant sideband extraction
with detuning
l パワーリサイクリングゲイン: 11l シグナルリサイクリングゲイン: 15
この鏡が低温~20 K

ITM

PRM
BS

レーザー

この鏡が低温~20 K

80 W

ITM

ETM

3km

825 W

l 波長: 1064 nm
l パワー: 180 W
l NPRO + Fiber amp. + laser
module400 kW

Signal Extraction Mirror
この鏡が低温~20 K

この鏡が低温~20 K

アウトプット モードクリーナー
45

2022年9年9日 高エネルギー加速器セミナー OHO’22 “KAGRAの低温技術”

H. Displace. (m)V. Displace. (m)Axial Displace. (m)Vibration Level at edge of AL thermal conductor
4.0 10-7

Cryo-cooler ON
Cryo-cooler OFF-7

2.0 100.0-2.0 10-7-4.0 10-7
4.0 10-7

2.0 10-7
0.0-2.0 10-7-7-4.0 10-7
4.0 102.0 10-7
0.0-2.0 10-7-4.0 10-7

0.0

1.0

Axial
Horizontal

2.0

3.0Time (s)Vertical

4.05.0

PTC connection

L=2 m

2022年9年9日 高エネルギー加速器セミナー OHO’22 “KAGRAの低温技術”

“START” evacuation of IXC
23/Dec./2021
Duct shield coolers “ON”
@1 x 10-4 Pa
Start cooling
15/Feb./2022

One week/Div.

10-4
10-5

Three weeks

10-6

6/Dec./2021/
0:00

P=6.6 x 10-6 Pa
9/Mar./2022

7

One week/Div.

クライオスタット内圧力の変化
2022年9年9日 高エネルギー加速器セミナー OHO’22 “KAGRAの低温技術”

多重バッフル付きダクトシールド

Power of 300K radiation is proportional to solid
angle of hole (inversely proportional to ductlength).So, 300 K radiation should be small.
But actually,…..
参考文献 [27]から引用

48多重バッフル付きダクトシールド

T. Tomaru et al.,Journal of Physics:Conference Series 122 (2008) 012009.

But actually, cryo duct can transmits 300K radiation
well (!) because inner surface of cryo duct reflects
参考文献 [27]から引用
radiation !
49

多重バッフル付きダクトシールド
Cryo duct for KAGRA

Y. Sakakibara, Ph.D. thesis (2015).
Cryostat

Scattered light

Duct
BaffleMirrorBaffle
DuctBlack coating on inner surface and baffles
参考文献 [27]から引用
Only 0.1 W radiation can pass through.

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