Transcript 小型冷凍機（GM,パルス管）

特定領域シンポジウム
計画研究 CLIO～低温懸架系・低振動冷凍機の開発～
高エネルギー加速器研究機構
都丸隆行 鈴木敏一 佐藤伸明 新冨孝和
春山富義
宇宙線研
内山 隆 三代木伸二 山元一広
要求される技術とこれまでの開発研究経緯
今後の開発方針
2005．2.16-19 第4回TAMAシンポ・冬の学校 大阪市立大学
要求される技術とこれまでの開発研究経緯
サファイア鏡を20Kに冷却
小型冷凍機を使用
液体寒剤使用しない
振動は神岡地面振動レベル
ナノレベルまで振動を低減した小型パルス管冷凍機システム
世界での重力波検出プロジェクト
欧米日で競合（低温・地下は日本独自の提案）
Project
TAMA300
LIGO
VIRGO
CLIO(Proto type)
LCGT
Leading
Group
Japan
USA
EC
Japan
Japan
LIGO（USA)
LIGO Laboratory’s photo
Arm length
Status
300m
4000m
3000m
100m
3000m
Data taking
Data taking
Under construction
Under construction
Plan
VIRGO(EC)
© Eurelios 2000
小型冷凍機による反射鏡の冷却
‘静かな’冷凍機が必要
静かな冷却の要請
小型冷凍機による長期安定連続運転
↓
GMかパルス管冷凍機か？
↓
低振動か??
↓
振動測定の必要性
-冷却端と冷凍機ヘッドのそれぞれの振動測定
-低温の状態で
4K（－269℃）を発生する小型冷凍機冷凍機技術
GM-Sumitomo
世界中のＭＲＩに応用
Pulse-Cryomech
Pulse-Sumitomo
従来の小型冷凍機(GM、パルス)における振動
回転機器（振動源）
Compressor
Rotary valve
≈
Motor
≈
≈
固体ピストン
Displacer
（GM固有）
Rotary valve
Pulse tube
≈
≈
≈
≈
Compressor
Regenerator
Regenerator
Compressor
圧力波（本質的振動）
GM Cryocooler
Pulse T ube Cryocooler
小型冷凍機（GM,パルス管）の振動測定
振動測定の結果
T.Tomaru et al., Cryogenics Vol.44 (2004) pp.309-317
開発の基礎となる4Kパルス管冷凍機の選択
R.V.motor
ロータリーバルブが分離
GM-Sumitomo
R.V.motor
住友重機械工業４Kパルス管 SRP-052A
0.5W(4.2K)+20W(15K) 7kW
Pulse-Cryomech
パルス管冷凍機が選択されたが…
2種類の異なる起源の振動（深刻な）が存在
（1）低温端…圧力振動による
↓
（解決策）柔らかくて高熱伝導のヒートリンク
（2）冷凍機ヘッド…ロータリーバルブ、圧縮機等による
↓
（解決策）防振ベローズ,堅牢架台などで振動絶縁
４Kパルス管冷凍機の低振動化
ロータリーバルブ架台
ヒートリンク
（無酸素銅／アルミ撚り線）
アルミナ支持棒
システムの性能試験
冷凍性能
振動測定（東京）
神岡鉱山での振動測定

冷凍性能（測定結果）
構成
各段の温度と冷凍能力
1st stage
2nd stage
SRP-052A基本機
40.8 K @20 W
4.08 K @0.5 W
連結管40cmの場合
42.2 K @20 W
4.17 K @0.5 W
最終構成
低温端
41.2 K @15 W 4.15 K @0.5 W
減振ステージ 43.7 K
4.43 K
Operated by 7 kW GM type compressor @60Hz
振動測定結果（X,Y, Z 軸の定義）
振動測定結果：低温端と減振動ステージ
冷凍機低温端
減振ステージ
神岡鉱山内での振動測定結果
Compressor inside
冷凍機運転時も神岡地面振動と同程度
CLIOクライオスタットへの小型冷凍機システムへの組み
込みと冷却性能試験
４Ｋ冷凍機システム
CLIOクライオスタット冷却試験（＠東芝）
CLIOクライオスタット配置
（神岡）
神岡CLIO#3クライオスタット（冷凍機3システム）
＃1クライオスタットでの振動測定
室温部光学定盤上
ミニレーザー干渉計
クライオスタット内真空
PTR,真空ポンプ運転
詳細は本シンポジウム
山元のポスター発表
“CLIO真空タンク内の振動測定”
PT
まとめ
低温鏡重力波検出の要素技術となる、低温端でナノレベルま
で振動を低減した４Kパルス管冷凍機システムを開発
振動が50nmの低温減振ステージの冷凍性能として、0.5W
（4.4K)＋15W（44K）が得られた（7kW圧縮機）
冷凍機運転時、ミラークライオスタット内でも神岡鉱山地面振
動レベルの低振動が達成された
低温懸架系の“極低振動冷却源”技術が確立された
懸架系全体構成の設計・試作中
LCGT対応の大冷凍能力パルス管冷凍機開発中
ナノレベル振動パルス管冷凍機システム成果の公表
本件特許1件（関連特許2件）
国際会議発表
国内学会発表
学術誌（英文、和文）発表
産学官技術交流展示
本システム応用分野
電子顕微鏡の試料冷却
ミリ波検出用超伝導センサーの冷却
低振動下での低温物性測定
SQUID冷却
MRI,NMR超伝導マグネットの冷却
その他（極低温と低振動がキーワード）
End
重力波検出装置の感度
鏡の振動を極力抑える→鏡の冷却効果
Vibration -real time