Transcript 液体キセノンカロリメータの パルス管冷凍機による冷却 - JLC

液体キセノンカロリメータの
パルス管冷凍機による冷却
素核研 低温グループ
春山富義




1.
2.
3.
4.
キセノンとその液化
MEG実験とパルス管冷凍機の開発
キセノン循環精製純化
他領域への冷凍機応用
2006.9.6MEG-PET検討会
キセノンの物性（沸点、潜熱、密度）
Property
T(K): temperature
P(MPa): pressure
lv(J/kg): latent heat (liquid)X103
ls(J/kg): latent heat (solid) X103
Cp(J/kgK): specific heat X103
(kg/m3): density
(W/mK):thermal conductivity
Triple point
LXe
(saturated)
● 164.78
0.100
95.8
● 1.2
0.3484
2947
● 0.108
161.36 K
0.0815 MPa
・融解熱が極めて小さい→固体になりやすい
→固体では検出器にならず、PMT破損の恐れ
GXe
(saturated)
LN2
(saturated)
164.78
0.100
--0.1734
9.883
0.0034
(173 K)
77.35
0.1013
199.1
28.4
2.03
804
0.1398
63.148 K
0.0125 MPa
First xenon liquefaction by a pulse tube
cryocooler
●14W@165K pulse tube cryocooler
For xenon property research
● Density, Boiling Heat transfer
● Refractive index at 174 nm VUV light
キセノンは融解熱が極めて小さい→固体になりやすい
（164Kから減圧して161K）
液体キセノン
MEG実験低温システムとパルス管冷凍機
MEG Detector



Liquid xenon photon detector
COBRA spectrometer – Magnet, DC, TC
All detector waveforms are recorded.
MEG LXe Detector
-800 liter liquid xenon with 1000 PMTs
-Impurity level of H2O to ~10ppb
高感度液体Xeカロリーメータとして解決すべき課題

液体Xeの高精度温度制御
-光電子増倍管特性の温度依存性（850本のPMT浸漬）
-無冷媒による長期実験（1年～）
⇒パルス管冷凍機

不純物（水分）の除去
-172nm真空紫外光の吸収特性
-酸素ではなく水の吸収特性と重なる
⇒液相ポンプによる循環高純度精製
温度変動によるPMT出力の影響（冷凍機による改善）
キセノン中の水分や酸素による光の吸収
Xe flow scheme for MEG system
GXe pump
(10-50L/min)
1000L低温容器
Heat exchanger
GXe storage tank
Getter+Oxysorb
静かな冷却
Cryocooler
(100W)
LN2
LN2
Cryocooler
(150W)
Liquid pump
(100L/h)
Purifier
LXe Calorimeter
Liquid circulating
purifier
液相循環純化
1000L storage dewar
同軸（蓄冷器内挿）パルス管冷凍機（KEK-日大）
120
To buffe r
r e se r voir
To com pr e s s or
・パルス管長さ
・パルス管外径
・蓄冷器長さ
・蓄冷器外径
44
Cooling w ate r
tube
Re ge ne ra tor
φ 40mm
Oute r thin tube
Cold e nd
he at e xc hange r
60
160
80
Hot e nd
he at e xc hange r
・圧縮機（水冷）
・運転周波
・動作ガス
180mm
60mm
80mm
44mm
2.2kW
2.2Hz
ヘリウム
Large Prototype LXe Detector
LXe volume : 120 L
PMT: ~250
PT cryocooler for LN2 free operation
MEG大型プロトタイプカロリメータ
ロータリーバルブ
ＫＥＫでのＰＭＴ低温テスト実証試験
（パルス管冷凍機で初めて長時間保持冷却
に成功）
液体キセノン温度，圧力の高精度安定制御
（Pt温度 + ヒーター制御）
パルス管冷凍機スタート
液体窒素による従
来の液体保持
パルス管冷凍機
による液体保持
Technology Transfer to Iwatani
-Cooling power, Reliability…
Cooling power (W)
Cooling power (PC150)
200
150
Qiwa(W)
Qpsi(W)
100
50
0
50
100
150
200
Cold end temperature
(K)
Cryocooler installed in MEG large prototype calorimeter
Buffer Tank
Rotary valve
42-day operation scheme of large prototype calorimeter
by cryocooler
-2004.9.18~21 Pre-cooling (72 hrs)
-2004.9.21~24 Liquefaction (79 hrs,1.5L/hr)
-2004.9.24~ Circulation (1.5L/hr rate)
-2004.10.30 Xenon recovery
LN-free operation MEG calorimeter
~Monitor panel~
LXe temperatures
GXe circulation flow
CH heater power
LXe inner pressure
Pressure stability of LXe during LN-free
operation
Pressure in LXe calorimeter
20kPa
Data at 800 hours elapsed after the pre-cooling started
Temperature stability of LXe during LN-free
operation
LXe temperature
1K
Cryocooler cold end temperature
Data at 800 hours elapsed after the pre-cooling started
キセノン循環精製純化、周辺装置
Xe flow scheme for MEG system
気相循環純化
GXe pump
(10-50L/min)
Heat exchanger
GXe storage tank
Getter+Oxysorb
静かな冷却
Cryocooler
(100W)
LN2
LN2
Cryocooler
(150W)
Liquid pump
(100L/h)
Purifier
LXe Calorimeter
Liquid circulating
purifier
液相循環純化
1000L storage dewar
気相純化から液相純化へ
（実機では850Lの液体キセノンが必要）
→液相ポンプによる純化の実証
液体キセノン用液相ポンプ
-Barber Nichols
-Pin = 0.1014MPa
-Pout = 0.3014MPa
-Top = 165K
-Flow rate = 100L/h
-Rotating speed = 3175 rpm
[MPa]
液相ポンプの特性
（実験結果）
0.3
Cryostat Pressure
Purifier output Pressure
0.25
0.2
0.15
0.1
0
1000
2000
3000
4000
[K]
[RPM]
220
Cartridge Temperature
210
200
190
・ポンプ吸入口上と精製筒
のPt100で温度モニター
・吐出圧力は精製筒出口
・MS13で水分除去
180
170
160
0
1000
2000
3000
4000
[RPM]
液相ポンプ試験のセットアップ

Pump specification
Δp=0.2MPa
 100liter/hour
 53Hz operation

液相ポンプによる循環精製試験結果
←３００ｃｍ
[液相循環運転時間と光量減衰（吸収長）]
・精製初期は純化停止すると吸収長が戻る
・物質表面からの湧き出しと平衡
[水分等価不純物濃度の変化]
・5時間で250ppb→40ppb
・9時間で数ppb
Xe flow scheme for MEG system
GXe pump
(10-50L/min)
Heat exchanger
GXe storage tank
Getter+Oxysorb
Cryocooler
(100W)
LN2
LN2
Cryocooler
(150W)
Liquid pump
(100L/h)
Purifier
LXe Calorimeter
Liquid circulating
purifier
1000L storage dewar
１０００LLXe容器
-１０００LLXeバッファ容器の冷凍機冷却
・キセノン緊急回収（常時冷却）
・事前液化
・キセノン保管（液体状態）
1000L容器
パルス管冷凍機
キセノン循環精製純化、周辺装置
Application to XENON
detector
-XENON-1T design modular
-Target cooled by shield LXe
at ~ 165 K by cryocooler
Application to XENON
detector
~detailed setup of isolation flange~
Pulse tube cryocooler
Re-condenser
LXe chamber
Application to XENON
detector
PET用高感度γ線検出器（プロトタイプ）
→フランスNantes大学(CNRS)
KEK-岩谷パルス管冷凍機
液体キセノンチェンバ
まとめ
●液体キセノンカロリメータ低温システム
・パルス管冷凍機による液体Xeの高精度温度制御
・液体窒素フリー運転
・液相ポンプによる高純度純化精製
・1000L低温容器の常時保冷運転
●他分野への応用（LXe)
・XENON（ダークマター探索）
・PET