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>ホーム >ニュース >News@KEK >この記事 |  |
last update:07/03/15 |
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 匠の技 2007.3.15 |
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〜 平成18年度KEK技術賞から 〜 |
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ひとつの研究を遂行するには、数多くの技術の集積が必要です。KEKでもさまざまな研究が行われていますが、各研究所・施設に技術を専門に扱うスタッフが配され、超精密機器である加速器や測定器、関連する周辺機器などが研究成果を産み出すことに欠かせない存在となっています。そのような「技の職人」達が開発した技術を讃えるKEK技術賞表彰式が３月１日に行われました。今年度は、素粒子原子核研究所・技師の近藤良也氏、同・技師の村上武氏、物質構造科学研究所・技師補の内田佳伯氏、共通基盤研究施設 機械工学センター・技師の安島泰雄氏の４名が受賞しました。受賞者の技術の一端を紹介しましょう。 ニュートリノを見逃さない [K2K実験サイバー検出器用フロントエンド読出し回路基板の開発] 素粒子原子核研究所 物理第三研究系・技師 村上武氏 村上氏が開発したのは、K2K実験で活躍したサイバー（SciBar）検出器のフロントエンド読出し回路用の基板（FEB）です（図１）。サイバー検出器については、以前のNews@KEKでも紹介しましたが、縦・横16000本のシンチファイバーと250個のマルチアノード型フォトマル（光電子増倍管：MAPMT）で構成されています（図２）。このシンチファイバーを64本ずつ束ね、それをフォトマルに入れ、更に読出し回路基板に接続します（図３）。ニュートリノ反応でできた粒子を捕らえたフォトマルからの信号は、シンチファイバーを通って読出し回路基板上に実装されたASIC（Application Specific Integrated Circuit）と呼ばれる読出しチップ（VATA Chip）で処理され、１つはトリガー信号として、もう１つは入力されたチャンネルのフォトマル信号がシリアルに出力され読み出されます。 開発を担当した村上氏に課せられた要求は、まずもって64の多チャンネルの読み出し回路を開発すること、全チャンネルでノイズ（余計な信号）レベルを低く抑え読み出すこと、粒子識別のため200光電子程度までのダイナミックレンジを確保すること、検出器内の限られた空間に配置しやすいコンパクトな基板とすること、でした。「ASICに個体差があり、回路にかけるバイアス電圧の値の決定に難しさがありました。実験に入った際には、ただただ上手くいくことを願いました。」と、村上氏はこの要求をすべて満たす読出し回路基板の開発を振り返ります。 村上氏の開発した読出し回路基板を配したサイバー検出器は、K2K実験においてニュートリノ振動現象を感度よく捕らえることができました。K2K実験後も、村上氏の技術は日米科学技術協力事業の一環でサイバー検出器とともに海を渡り、フェルミ国立加速器研究所（Fermilab）で2007年夏頃から行われるSciBooNEというニュートリノ実験に備えています。 強い放射光による熱変形を克服 [マイクロチャンネル結晶の開発] 物質構造科学研究所 放射光科学第一研究系・技師補 内田佳伯氏 内田氏が開発したのは、フォトンファクトリー（PF）のマルチポールウィグラー（MPW）#16という挿入光源から、Ｘ線領域の大強度放射光を導くビームライン（BL-16）の分光器に導入されたマイクロチャンネル結晶です。放射光のＸ線ビームラインでは、シリコンなどの結晶を用いた結晶分光器と呼ばれる装置で、必要なエネルギー（波長）のＸ線を取り出して実験に使用しています。通常は、結晶の角度を変えても出てくるビームの方向が変わらないように、２枚の結晶を使った二結晶分光器が使われています（図４）。この二結晶分光器の第1結晶には、広いエネルギー領域のＸ線すべてを含んだ強い放射光が直接照射されるため劣化しやすく、結晶（第1結晶）の冷却効率が不十分で熱変形が生じると、放射光源から本来得られるべき性能のビームが得られなくなります。特に、挿入光源からの強度の高い放射光を導くBL-16では、発生する全放射熱量が高いので、結晶の劣化は顕著になります。 この「熱問題」を解決するために開発されたのが、マイクロチャンネル結晶です。BL-16のような熱量の高いビームラインでは、熱変形を防ぐために、分光結晶に直接冷却水を流して冷却することが必要です。冷却水を流すには、分光結晶裏面の結晶を研磨して水路を作成するのですが、その水路は「フィン（仕切り板）」で仕切られた「溝」を冷却水が流れる構造になっています（図４）。従来の構造では溝幅0.6mm、フィン幅1mmであったものを、新規開発したマイクロチャンネル結晶では、溝幅0.1mm、フィン幅0.2mmとして、単位面積あたりの水路の数を増やし冷却効率を上げました（図４）。その他にも、水圧による変形の除去や、接合・研磨などによる変形の除去など、技術上の課題を克服したマイクロチャンネル結晶は、BL-16において10年にも及ぶ使用実績を上げています。 内田氏は今回の開発について、「マイクロチャンネル結晶は、構造上２つの結晶を接合することから、接合時と結晶研磨時に変形するという問題があり、材料選びから接合方法及び研磨手順など試行錯誤を重ねて今の形になりました。」と述べています。 ねじれず歪まず、まっすぐに [粒子加速器・物理実験用超伝導低温機器におけるTIG自動溶接技術の開発] 共通基盤研究施設 機械工学センター・技師 安島泰雄氏 安島氏が開発した自動溶接技術は、J-PARCのニュートリノビームライン用超伝導磁石に用いられました。安島氏が担当したのは、「シェル」と呼ばれるステンレス製の外筒の溶接です。 シェルは、半円状にロールした長さ4m、厚さ10mmのステンレス板2つを縦継ぎ溶接します（図５）。これを均一で安定に、つまりねじれずに真っ直ぐ溶接しなければ、超伝導磁石の安定した性能を確保できません。この要求に対しては、2箇所ある溶接線を同時に溶接することに挑み、超伝導磁石の組立精度を示す軸方向真直度並びにねじれを0.3mm以下に抑えることに成功しました。 また、高圧ガス保安法の制約により、縦継ぎ溶接部は「裏当て金無しの完全溶け込み片側突合せ溶接」としなければなりませんでした。溶接部に裏当て金の使用が可能であれば、シェルのロール歪みや平板圧延許容誤差という素材固有の問題が溶接に直接影響することはありません。実際、法律の異なるヨーロッパではこの裏当て金の使用が可能で、やはり安島氏が携わった欧州合同原子核研究機関（CERN）のLHC加速器用超伝導磁石のシェル溶接には裏当て金を使用しました。それが、法律により裏当て金が使用できなかったところに今回の溶接の難しさがありました（図６）。 これらの課題をさまざまな工夫により克服した溶接技術に基づき、溶接電流、電圧、溶接速度、パルス周波数、溶接棒の供給量、溶接終始点など、精緻にパラメータが設定された自動溶接機で成し遂げられた溶接作業は、1台の超伝導磁石につき4時間、製作数全体では128時間という作業効率と経済性をも実現しました。 安島氏は、KEKでの多年に渡る経験を踏まえ、粒子加速器や物理実験用の超伝導低温機器には「常に極限の性能と先進的な技術力が求められ、日頃の研鑽と経験の蓄積が必要」と強調します。そして、今回の技術開発については、「シェルの縦継ぎ溶接は、長年に渡りTIG（※）溶接に携わった経験に裏打ちされた技術の集大成と考えています」と語ります。
６万時間の見張り番 [音波を用いたガス検出器] 素粒子原子核研究所 物理第一研究系・技師 近藤良也氏 2006年10月19日のNews@KEKで詳しく紹介した近藤氏の開発したガス検出器技術もまた、今年度の技術賞に選ばれました。 （詳しくは、/ja/newskek/2006/sepoct/helium.html をご覧ください。） 大きな実験プロジェクトも、それを支える技術の側から光を当てるとまた違った色彩を帯びて見えませんか？ KEKの匠の技、今後も折に触れて紹介していきます。
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