〜 第4回KEK技術賞報告 〜

「"脱泡"のために容器の中を真空にしはじめると、樹脂の中の泡がばーっとのぼっていくのが見えて。本当に全部抜けるのかな、って思うくらいの数なのです。」

KEK物質構造科学研究所の上田明（うえたあきら）氏が悩まされたのは「抜けない泡」でした。樹脂の中にできた気泡を真空ポンプを使って抜く作業を「脱泡」といいます。満足いく脱泡ができるまで、試行錯誤の日々が３年間続きました。その成功が現在の放射光加速器の性能を確実に上げたのです。

今回と次回は、2003年度のKEK技術賞を受賞された皆さんからお話をうかがいます。今回は放射光加速器の磁石と電源装置を開発して性能の向上に貢献された上田さんです。

もっと明るい光を作るには
  〜ポイントは“蹴る”時間〜

放射光とは電荷をもった粒子が曲がるときに発生する光のことで、物質を調べる上で大変重要なツールになっています。KEKの放射光加速器では、円形の加速器に電子を蓄積することで強力な放射光を発生させることができます。

1997年、放射光加速器グループは加速器の改造を行いました。加速器に沿って並べる磁石を増やし、エミッタンス（ビームの質を表す言葉。値が小さいほどビームが絞れて放射光が明るい）を従来の５分の１にすることを目指したのです。この磁石の並び方から理論的に可能になる最低のエミッタンスを達成するためには、今までにない新しい「キッカーマグネット」の開発が必要でした。

「キッカーマグネットとは文字通り、ビームを蹴る（キックする）電磁石のこと。ビームを蹴って、ふくらみをもたせるのです。」

放射光を発生させる電子を蓄積する円形加速器には、１日に１度10分程度、１秒間に25回の割合で直線型の加速器から電子の固まりを入射します。入射したビームが円形加速器の中に蓄積されるには、入射のタイミングに合わせて、すでに安定した軌道をとって蓄積されているビームを入射点に近づけるようにふくらませることが必要です（図２）。

このビームのふくらみを作るのが加速器に沿って設置された４つのキッカーマグネットです。K1、K2で蓄積ビームを外側に膨らませ、K3、K4で入射されたビームと共に元の軌道にもどします。こうすることで入射されたビームが安定した中心軌道にのることができるのです。

「しかしここで大きな問題がありました。高輝度化改造が目指す最低エミッタンスでは、ビームが安定して蓄積される加速器内部の領域が非常に狭いのです。旧型のキッカーマグネットではこの領域内にビームを入射することができませんでした。」

電子は円形加速器を約624ナノ秒で１周します。ところが旧型のキッカーマグネットは、ふくらませたビームが元にもどるのに１回2.5マイクロ秒かかっていました。これはビームのふくらみを作るキッカーマグネットの磁場パルスが、ピークから元にもどる時間に相当します。

１マイクロ秒は1000ナノ秒ですので、入射されるビームは１回蹴ればよいところ、電子が２周、３周と加速器を回る間もキッカーマグネットの影響を受け続けてしまいます（ビームの入射は0.04秒に１回）。エミッタンスが大きいときにはそれでもよかったのですが、最低エミッタンスを目指すときには、ビームが蓄積されるべき加速器内部の領域からとびだしてしまって、蓄積することができませんでした。

そこで新しいキッカーマグネットでは、入射したビームが１周して戻ってくるまでに、磁場パルスが立ち下がっていることが要求されたのです。つまりパルスの立ち下がりが、電子が加速器を１周する624ナノ秒より短くなくてはなりません。そのために、短い時間でパルスが立ち下がるキッカーマグネットの開発が必要でした。

パルスの立下りを早くするために、電荷をためておくケーブル（図３(Ａ)）と同じ電気特性をもったマグネット形式（図３(B)）を使うことにし、これをもとに上田さんによって新しいキッカーマグネットがデザインされたのです。

泡の上手な消し方 〜放電との闘い〜

「誘電体に使ったアルミナセラミックスの公称耐電圧は１ミリあたり１万４千ボルトでしたが、実際には１ミリあたり１万ボルト以下で放電がおきて絶縁破壊してしまいました。なぜか。ここからが大変だったのです。」

空気中にある電極板を絶縁するのには樹脂（エポキシ）が使われました。樹脂で固める際には脱泡をして、樹脂の中に放電を起こす気泡が残らないようにしなければなりません。というのは、誘電体の中に気泡があるとその部分に電場が集中して部分放電がおこってしまうからです。部分放電は誘電体を侵食し、最終的には絶縁破壊をおこす原因になってしまいます（図４）。

しかし最初のころは、いくら脱泡をしても気泡が残ってしまいました。
「その場所を調べると、位置決めをするスペーサーに気泡がひっかっかっていたことがわかりました。」

さっそくスペーサーを抜いてテストしてみると、今度は新たに電極板に沿ってセラミック板が割れたのです。補強のためスペーサーを一部に入れ、さらに電極板の底面に気泡が残りやすいことから、底面に傾斜をつけて気泡が抜けやすくしました。

気泡は直径が１mm程度の穴として残りますが、このほかにも樹脂が収縮するときに非常に小さな穴ができ、絶縁破壊の原因になりました。そこで色々な樹脂を調べ、従来の体積収縮率３％のエポキシから0.3％のシリコンラバーに換えました。これによって使用電圧で絶縁破壊が起きないようにしたのです。

「１万５千ボルトを25時間かける通電テストのときは、パルス波形を見ながら緊張のしっぱなしです。でもテストの時間が長いので、ある程度時間がたって壊れないかなと思ったときは、徐々に安心して眠くなってしまいました（笑）。」

放射光を支える技術

こうして新しいキッカーマグネットとその電源システムは、磁場パルスの立ち下がり時間が600ナノ秒の目標を達成し、2000年に放射光加速器に設置されました（図５、６）。現在の放射光加速器は、現在の磁石の並びから理論的に考えうる最高の放射光輝度を達成することができます。今回の受賞はこのキッカーマグネットと電源システムの開発実績が評価されたものです。

趣味はスキーと読書という上田さん。
「"泡"にさんざん悩まされても、泡風呂は好きなんです。3歳になる子供も喜んで入ってくれますしね。入浴剤を入れて時々入ります。」

（サイエンスライター  横山広美）

※もっと詳しい情報をお知りになりたい方へ →放射光研究施設のwebページ   http://pfwww.kek.jp/indexj.html →キッズサイエンティスト：放射光実験用加速器のページ   http://www.kek.jp/kids/accelerator/system.html →関連記事     平成13年度KEK技術賞決まる     10編の技術報告が支える１編の論文     ニュートリノの作り方〜第３回KEK技術賞報告〜