Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, JapanPASJ2015 WEP124

SuperKEKB 真空システムの建設−IVCONSTRUCTION OF THE SUPERKEKB VACUUM SYSTEM − IV
末次祐介#, 金澤健一, 柴田恭, 石橋拓弥, 久松広美, 白井満, 照井真司
Yusuke Suetsugu #, Ken-ichi Kanazawa, Kyo Shibata, Takuya Ishibashi,Hiromi Hisamatsu, Mitsuru Shirai, Shinji Terui
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)

Abstract
The construction of the SuperKEKB has been ongoing since 2010. Most of the vacuum components required for thefirst (i. e., Phase-1) beam operation of the main ring have been already delivered. Following the pre-baking and/or theTiN coating, approximately 99 % of the new beam pipes have been installed into the KEKB tunnel, including the special
beam pipes for beam injection/abort sections, beam collimators, and so on. The in-situ baking of ion pumps and theactivation of NEG pumps have finished at approximately 73 % of the ring. The vacuum system will be almost ready until
the end of this year, 2015.には基本的に熱的に強い櫛歯型を採用している [9]。
新規ビームパイプ等の接続フランジには、内面の段[10]SuperKEKB は、7 GeV 電子リング(High Energy 差やギャップが小さい MO 型を使用している 。新Ring, HER)と 4 GeV 陽電子リング(Low Energy Ring, 規ビームパイプおよびベローズチェンバーの製作総LER)からなる周長約 3 km の電子・陽電子衝突型加 数はそれぞれ約 1200 本である。
真空ポンプは、主ポンプとしてストリップ型 NEG速器で、2010 年から建設が進められている[1]。主リ[11, 12]。
ングの真空システムでは、主にビームパイプ、ベ (Non-evaporable getter 、 ST707) を 使 用 す る
ローズチェンバーや真空ポンプ等各種真空機器の新 NEG ポンプは基本的に片側のアンテチェンバー内に規製作、制御システムの刷新、電源系・冷却水系等 挿入され、分布型排気システムを構築している。粗の更新等が進められている[2−4]。第一段階(すなわち 排気後など高い圧力領域での排気用、および希ガス
Phase-1)のビーム運転に必要な真空機器は、ほぼす の排気用に、スパッターイオンポンプも約 10 m おき
べて購入あるいは製作済みである。2015 年 7 月の時 に設置された。ターボポンプとスクロールポンプか点で、約 99%のビームパイプが既にトンネル内へ設 らなる粗排気装置は可搬式で、粗排気中や NEG 活性置された。Figure 1 は主リングトンネル内に設置さ 化時等に、約 40 m おきにある粗排気ポートに取り付れたビームパイプの様子である。最終的な真空立ち けて使用される。NEG 活性化終了後は取り外される。
上げ作業、すなわちイオンポンプのベーキングや 真空計(Cold Cathode Gauge, CCG)はほぼすべて KEKB
NEG 活性化は、リングの約 80%が終了した。冷却 のものを再利用する。CCG とイオンポンプの総数は水・圧空系の更新作業もほぼ終了した。ここでは、 それぞれ約 600 個である。リングには質量分析計をPhase-1 運 転 に 向 け て 建 設 の 最 終 段 階 に 入 っ た 2 個取り付け、残留気体成分を測定する。また、数SuperKEKB 主リング真空システムの現状を報告する。 か所に熱陰極型真空計を取りつけ、CCG による測定値と比較する。
真空機器の制御システムは、基本的に KEKB のも
2. 真空機器の準備状況のを踏襲するが、古い機器は最新式のものに変更さ
新規ビームパイプは、基本的に、ビームが通る れる。例えば、主にデータロガーとして使用していビームチャンネルの両側にアンテチェンバーを持つ た CAMAC を全撤去し、NI の cRIO に置き換えた。
構造である[2]。場所により、アルミ合金（主に放射光パワーが弱い区間）や無酸素銅（HER およびウィグラー部等主に放射光パワーが強い区間）を用いている。LER の新規ビームパイプ内面には、電子雲不安定性対策として、二次電子放出率が小さい TiN 膜を原則としてコーティングする[5, 6]。さらに、ウィグ
ラー電磁石内のビームパイプにはクリアリング電極が、偏向電磁石内にはグルーブ構造が採用されている[2, 7, 8]。ビームパイプ間を接続するベローズチェン
バーや、リングを区切るゲートバルブもビームパイ
プと同じ断面を持ち、また、それらの RF シールド

1.

はじめに___________________________________________# yusuke.suetsugu@kek.jp

Figure 1: New beam pipes installed in the main ring.

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同時に、新規制御ソフトウェアの開発も進めている。 Table 1: Types, Materials, Cross Sections and Production
主リングの真空機器以外に、陽電子ダンピングリ Number of MO-type Flanges
ングのビームパイプ等も大部分が既に製作されていTypeMaterial
Cross section Production
る。真空機器のトンネルへの設置は来年度の予定でnumberAl
Antechamber
3328ある。ここでの報告は割愛する。
f90×2203.

f90×220f90×220H24
f80×220

トンネル内への設置状況

CuAlCuAntechamber
Antechamber
Antechamber

760
64320

製作されたビームパイプは、トンネル内に設置す
Cu
Antechamber
140
f50×190
る前に、KEK 内の施設にて NEG ポンプを組み込み、Al
Racetrack16122×50
プリベーキングを行い、各ビームパイプの真空特性
f90
AlCircular24[5](到達圧力)が確認される 。また、LER のビームパ
f90
Cu, SUS
Circular52
イプ内面には、前述したように TiN がコーティング
f80
Cu
Circular100
される。これらのインストール前作業については別
Total
4804
途報告されている[5, 6]。
トンネル内へのビームパイプ設置は 2012 年度から始まり、まずはウィグラー部のビームパイプが設置された[13]。2013 年度からはアーク部のビームパイプの設置が始まり、2014 年度には、ビームアボート部や偏向電磁石からのシンクロトロン放射光(Synchrotron Radiation, SR)や X 線を使用したビームサイズ測定用のビームパイプ、ビームコリメータ等特殊な部分のビームパイプが設置された。2015 年 7Figure 3: Typical MO-type flanges with antechambers.
月の段階で約 99%のビームパイプが設置された。こ(a) f90×220 and (b) f50×190, here f90 and 220, for
れまでのプリベーキング、トンネル内設置作業の実
example, mean the diameter of central beam channel and績を Figure 2 に示す。
the total width, respectively.
ビームパイプ設置後、その間にベローズチェンバーを接続する。ゲートバルブで区切られた区間の3.1 MO 型フランジ
ローズチェンバー接続後、He リークテストのために、アンテチェンバーがあるような複雑な断面の MO
その区間は粗排気装置で一旦排気される。
トンネル内の NEG 活性化ヒータ用や機器制御用の 型フランジを大規模に使用するのは今回が初めてで[10, 14]。Table 1 に使用するフランジの個数を、配線、流量計(約 1000 個)や温度計(約 4000 個)など監 ある視機器の配線はほぼ終了した。ビームパイプやベ Figure 3 に典型的なフランジ断面を示す。f90×220 型
ローズチェンバーの冷却水配管作業も進んでいる。 (これはφ90 mm のビームチャンネル、全幅 220 mm
ウィグラー部では、冷却水流量を稼ぐためにヘッ を意味する)を中心として，計約 4800 個を使用した．
ダー方式を用いた。ゲートバルブ駆動用の圧空配管 フランジの締め付け力は各ボルトのトルクで管理した。初回締め付け時の標準トルクは，銅合金製フラの復元も現在行われている。
以下、いくつか特徴的な機器の設置状況等を述べ ンジでは約 15 Nm，アルミ合金製フランジでは約 13Nm とした．
る。
トンネル設置前のプリベーキング・コーティング作業では，1 回目の締め付け(増し締めを含む)でリークが止まらなかったものは平均して全体の 2～3 %であった．当初リークが頻発することがあったが，作業前にフランジシール面を検査し，必要であれば手入れ(つまり磨き)を行うことで，リークの頻度は減った．増し締めでもリークが止まらなかった場合は一旦フランジを緩め，フランジシール面やガスケット面を調査し、必要ならシール面の手入れを行い、ガスケットを交換した．
一方、トンネル内据付後のビームパイプ、ベロー
ズチェンバー接続作業では，作業開始当初は増し締めを含む 1 回目の締め付けでリークが発生する割合は約 10 %と，設置前作業での締め付け時より高かった．しかし，ビームパイプとベローズチェンバーの位置合わせを容易にする治具を使用する，また，接Figure 2: Achievements of installation processes, that is,
続前のベローズチェンバーのシール面検査を強化し、
pre-baking, installation and NEG activation, until
必要であれば手入れする，という方策を取り，リー
2015/7/24.

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ク発生率は平均して 5%未満となった。
3.2

ビームコリメータ

リング内には、素粒子測定器のバックグラウンドを低減するためのビームコリメータが設置される[15]。
Phase-1 運転では、LER に水平方向型が 2 機設置され、実際にビーム運転に供して発熱の有無、動作特性や制御システムの確認等が行われる。ビームハローを削るヘッドはリングの内側と外側に装備され、位置精度 0.05 mm でリモート制御される。ヘッド先端部は熱的に強いタングステン、ヘッド本体は無酸素銅である。また、ヘッド周囲には RF シールドフィンガーが取り付けられている。コリメータもアFigure 6: Beam pipe for beam injection point. The small
ンテチェンバーを持つ。ヘッドをアンテチェンバー
channel for the injection beam has four strip-line type部から挿入し、さらにチェンバー内部をテーパー状
beam position monitor inside.にすることでインピーダンスを低減し、捕捉モードの発生を避けている。リング内に設置された水平方向型コリメータとその内部、ヘッドを Figure 4 に示している。コリメータの全長は 800 mm である。コ
リメータに関連して、高次高周波(HOM)アブソーバの開発も進めている[16, 17]。
3.3

ビームアボート部用ビームパイプ

周回するビームを捨てる(アボートする)際には、キッカーマグネットによってビームを横方向および垂直方向に蹴り、ビームアボート窓からビームを取り出し、ダンパー(コンクリートと鉛のシールドで囲まれた鉄のブロック)で吸収する[18]。Figure 5 に電子
Figure 7: Beam pipe for X-ray extraction with a crotch
absorber.
リングに設置されたビームアボート部用のビームパイプを示す。ビームが大気側に出てくる部分(アボート窓)は厚さ 1 mm の純チタンである。アボート時にビームサイズを大きくし、さらに垂直方向にスイープさせることで、チタン窓の溶融を避けている。大気側に取り出されたビームは、アボート窓下流のランバートソンマグネットによって大きく下方向に蹴られ、ダンプに飛び込む。その部分のビームパイプ断面はランバートソンマグネットの形状に合わせた形状となっている。
Figure 4: Horizontal-type beam collimator.

Figure 5: Beam pipe with abort window.

3.4

ビーム入射部用ビームパイプ

入射ビームが周回するビーム軌道に入る部分のビームパイプを Figure 6 に示す。図中左の小さい
レーストラック断面の孔(12×5 mm)が入射ビームが、右の大きい開口(65×48 mm)が周回するビームが通るチャンネルである。構造は KEKB のものと基本的に同じであるが、今回はその入射ビームのチャネル内に、入射ビーム位置を測定するビーム位置モニター(BPM)が備えられている。予想される信号強度が弱いため、感度の良いストリップライン型電極を用いている。ストリップライン電極の幅は 1.2 mm、長さは 30 mm である。水平方向の位置測定感度を上げるため、ビーム軸に対して非対称に配置されている。
BPM の活用により入射の安定性向上が期待される。

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3.5

X 線取り出し用ビームパイプ

SuperKEKB では、小さいビームサイズを測定するために、ビームから発生する X 線を使ったビームサ
イズモニターが設置される[19]。偏向電磁石内から放射される X 線を取り出すためのビームパイプが LER、HER にそれぞれ 1 台必要となる。リングに設置された X 線取り出し用ビームパイプを Figure 7 に示す。
X 線ラインとリング周回ビームラインとの間、いわゆるクロッチ部(二股部)には、直上流の偏向電磁石から強烈な SR が照射されるため、複数の水路を持つアブソーバが取り付けられている。アブソーバ表
Figure 9: Beam pipe with clearing electrode inside for
面には、ビームラインに平行にグルーブがあり、SRLER wiggler magnets.
パワーの面密度の低減を図っている。ビームパイプ
はアンテチェンバーを持ち、アブソーバはリング外側のアンテチェンバー部にある。アブソーバの直下には NEG ポンプが備えられている。
3.6

SR 取り出し用ビームパイプ

SuperKEKB では KEKB の時と同様、SR を用いたビームサイズモニターも設置される。リングに設置された SR 取り出し用ビームパイプを Figure 8 に示す。ビームパイプはやはりアンテチェンバーを持つ。
SR を反射させるミラーは金メッキされたダイアモンド製である。ミラーはリング外側のアンテチェンバー内にあり、インピーダンスの低減が図られている。ミラーはビームパイプ下から挿入され、その角度、位置は微調可能である。また、ミラーは冷却水
Figure 10: Example of the conditioning process of a路が組み込まれたサポートに固定されている。ビーclearing electrode.
ムパイプ側面にある窓から取り出された SR は遮光された円筒によってトンネル内から地上の測定系ま の直流電源で、2015 年 7 月までに電源の設置、ケーブル敷設が終了した。N 型導入端子への接続後、電で導かれる。
圧印加試験を行った。圧力は 10−6～10−8 Pa 台であっ3.7 電子除去電極への電圧印加た。設置時の絶縁抵抗は 1 MΩ以上であった。112 本
LER のウィグラー部には、電雲不安定対策として、 の内 110 本は問題無く 700V 印加できたが、2 本につビームパイプ内に電子除去電極(クリアリング電極) いては数百 V で数 mA のリーク電流が流れることがが組み込まれている。電極は、銅ブロックにアルミ あった。これらは電圧を徐々にあげ、コンディショナとタングステンを溶射して形成され、ビームチャ ニングによって最終的に 700V を維持することがでンネル内径 90 mm に対して厚み 0.3 mm と非常に薄 きた。コンディショニング時の電圧、電流の一例をくビームへの影響が少ない[7, 8]。SuperKEKB では、 Figure 10 に示す。
56 本のビームパイプに計 112 本の電極が装備された。
Figure 9 はウィグラー電磁石内に設置された電極付 4.
真空立ち上げ作業
ビームパイプである。電極用の電源は 1 kV 100 mA
ビームパイプ設置およびベローズチェンバー接続、リークテストが完了した区間から、真空の立ち上げ、すなわち、イオンポンプのトンネル内でのベーキング、NEG ポンプの活性化、粗排気装置切り離しを2014 年度から開始している[2, 20]。
真空の立ち上げは Figure 11 に示すような操作パターンで行われる。この作業では、区間内のすべての粗排気用ポートに粗排気装置が取り付けられる。
大気にさらされた後では、まず大量に気体を吸着している NEG 素子から気体を脱離させるために、約50 %の電圧で NEG を加熱する。温度は約 150℃程度と推定される。ガス出し時間は約 8 時間である。このガス出しは次の NEG 活性化時の圧力を低減し、活性化の効率を上げるためである。ガス出し後、イオ
Figure 8: Beam pipe for SR extraction. A diamond mirror
ンポンプのベーキングを約 1 日行い、その後半から
is set in an antechamber to reflect SR.

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Figure 11: Basic operation patterns of NEG activation andin-situ ion pump baking.

Figure 13: Top control panel for various vacuum
components of LER (left) and HER (right).
LER、HER 両リングの状態(平均圧力、最高温度、ゲートバルブの状態、など)が一目で監視できるようになっている。2015 年末には、Phase-1 に向けた準備をほぼ終える予定である。

謝辞
真空システムの建設作業において、KEKB 加速器
マグネットグループをはじめ、各グループの多くの方々にご協力いただいております。ここに深謝いた
しますFigure 12: Typical trends of measured pressures during
NEG activation and in-situ ion pump baking.

参考文献[1] N. Ohuchi et al., Proc. IPAC2014, Dresden, une 15−20,2014, p.1877.
NEG の活性化を始める。最終的には約 80～90 %の [2] Y.
Suetsugu
etal,Vacuum,inpress,
電圧で 5 時間程維持する。NEG の温度は 400～500℃
doi:10.1016/j.vacuum.2014.12.010 (2014)である。ただし、活性化に必要な時間は、その時の [3] Y. Suetsugu et al., J. Vac. Sci. Technol. A 30, 031602 (2012).
圧力に依存する。活性化終了後、粗排気ポートの L [4] Y. Suetsugu et al., Proc. of the 11th Annual Meeting ofParticle Acc. Soc. of Japan, Aomori, 9−11 August, 2014,
型弁を閉め、粗排気装置とビームパイプを切り離す。
p.1342.
Figure 12 は実際の活性化時時の圧力変化の例である。 [5] K. Shibata et al., Proc. of the 10th Annual Meeting of Particle
ガス出し作業前の圧力は 10−4～10−5 Pa であるが、Acc. Soc. of Japan, Nagoya Univ., 3−5 August, 2010, p.1168.
NEG のガス出しを行うことで 10−6～10−7 Pa 台になる。 [6] K. Shibata et al., Proc. of the 11th Annual Meeting of Particle
Acc. Soc. of Japan, Aomori., 9−11 August, 2014, p.1347.
さらにイオンポンプベーキングおよび NEG の活性化
後、圧力は 10−8 Pa 台になる。ただし、特殊なビーム [7] Y. Suetsugu et al., Nucl. Instrum. Meth. A 598, 372 (2008).
[8] Y. Suetsugu et al., Nucl. Instrum. Meth. A 604, 449 (2009).
パイプでポンプの配置が疎となっている部分やゲー [9] Y. Suetsugu et al., Rev. Sci. Instrum. 78, 043302 (2007).
トバルブの近くでは 10−7 Pa 台となる場合がある。 [10] Y. Suetsugu et al., J. Vac. Sci. Technol. A 27, 1303 (2009).
Figure 2 には、これまでの NEG 活性化終了区間の実 [11] Y. Suetsugu et al., Nucl. Instrum. Meth. A 597, 153 (2008).
績も示している。トンネル内でのビームパイプの [12] K. Kanazawa et al., Nucl. Instrum. Meth. A 499, 66 (2003).
th
ベーキングは行わない。NEG のコンディショニング [13] Y. Suetsugu et al., Proc. of the 10 Annual Meeting ofParticle Acc. Soc. of Japan, Nagoya Univ., 3−5 August, 2013,
時は、イオンポンプのみで区間を排気する。
p.1186.
[14] Y. Suetsugu et al., J. Vac. Soc. Jpn. 58, 150 (2015).
5. 今後の予定[15] T. Ishibashi et al., Proc. of the 10th Annual Meeting ofParticle Acc. Soc. of Japan, Nagoya Univ., 3−5 August, 2010,
Phase-1 運転は 2016 年早々にも始まる予定である。
p.1191.
真空システムの今後の作業として、残っている HER [16] S. Terui et al., Proc. of the 11th Annual Meeting of Particle
ビーム入射部・アボート部ビームパイプの設置、真Acc. Soc. of Japan, Aomori., 9−11 August, 2014, p.1351.
空立ち上げ、冷却水量調整、コリメータの動作確認、 [17] S. Terui et al., this proceedings.などがある。また、マグネットの最終アラインメン [18] T. Mimashi et al., Proc. Of IPAC2014, Dresden, June 15−20
p.116.
トの後、ビームパイプの再アラインメントを行う予 [19] J. W. Flanagan et al, Proceedings of DIPAC2011, Hamburg,定である。平行して、制御システムの確認(温度計等
May 16−18, p.561.のモニター、アラーム、インターロックシステム、 [20] T. Ishibashi et al., J. Vac. Soc. Jpn. 58, 126 (2015).

データロギングなど)を行う。Figure 13 は、製作中の真空機器制御用パネルの一例(トップパネル)である。

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