| Item type |
学位論文 / Thesis or Dissertation(1) |
| 公開日 |
2010-02-22 |
| タイトル |
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タイトル |
超低振動クライオクーラの開発研究 |
| 言語 |
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言語 |
jpn |
| 資源タイプ |
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資源タイプ識別子 |
http://purl.org/coar/resource_type/c_46ec |
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資源タイプ |
thesis |
| 著者名 |
幾島, 悠喜
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| フリガナ |
イクシマ, ユウキ
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| 著者 |
IKUSHIMA, Yuki
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| 学位授与機関 |
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学位授与機関名 |
総合研究大学院大学 |
| 学位名 |
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学位名 |
博士（工学） |
| 学位記番号 |
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内容記述タイプ |
Other |
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内容記述 |
総研大乙第188号 |
| 研究科 |
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値 |
高エネルギー加速器科学研究科 |
| 専攻 |
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値 |
12 加速器科学専攻 |
| 学位授与年月日 |
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学位授与年月日 |
2008-09-30 |
| 学位授与年度 |
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値 |
2008 |
| 要旨 |
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内容記述タイプ |
Other |
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内容記述 |
クライオクーラーは、120 K以下の極低温まで冷却可能な冷凍機である。MRIやNMRなど超伝導現象を用いた機器や熱雑音を嫌う高感度センサなどの冷却に利用されている。CLIO(Cryogenic Laser Interferometer Observatory)は、レーザー光を反射するミラー部を極低温まで冷却することで検出感度の向上が図られた重力波検出器である。クライオクーラーは長期観測に対する利便性からその冷却手段として利用が検討されたが、クライオクーラーの動作振動が懸念されていた。CLIOがクライオクーラーに要求する性能は、冷却インターフェースにおける振動変位として1 μm以下、冷凍能力は4.5 Kにおいて熱負荷0.5 Wであった。<br /> 現在、クライオクーラーとしてギフォードマクマホン(GM)冷凍機が普及している。GM冷凍機は、取扱いが容易であり、4 Kにおいて1 W程度の冷凍能力が得られることが特徴である。しかし、GM冷凍機は、低温生成部にある蓄冷器（ディスプレーサ）が往復運動するため加振力を発生し、冷却物へ伝播する振動が大きいという欠点があった。一方、近年実用化されたパルス管冷凍機は、低温生成部に機械的な可動部品を持たないため、GM冷凍機より振動が小さいことが特徴である。都丸らは、パルス管冷凍機の振動を調査し、常温部（コールドヘッド）の加振力はGM冷凍機に比べ1/10も小さくなるものの、低温端部（コールドステージ）の振動は10～20 μm程度とGM冷凍機とほとんど変わらないことを明らかとした。このコールドステージ振動は、作用ガスの圧力振動によってパルス管が弾性変形するために引き起こされることが指摘されていた。<br /> 過去のコールドステージの振動低減策として、冷凍機外部に減振機構を設ける方法がWangらにより試みられている。FRPロッドで支持された新しい冷却インターフェースであるVR(Vibration Reduction)ステージを設け、パルス管低温端とコールドステージを可撓性のヒートリンクで接続することで振動低減を図る方法が取られている。しかし、この方法ではコールドステージ振動は3 μm程度に留まり、CLIOへのクライオクーラーの導入には更なる振動低減が必要であった。<br /> 本研究では、低振動クライオクーラーの開発として、過去の成果の分析から振動低減策を徹底し、それに基づいた冷凍機システムを設計・製作と性能評価をおこなった。本研究で導入した振動低減コンセプトの特徴は、<br /> (1) コールドステージへの振動伝播を防ぐVRステージの導入<br /> (2) 振動源となる圧力切り換えバルブユニットの分離<br /> (3) ベローズよるクライオクーラーとクライオスタットの分離である。また、振動低減効果を高めるため、材料面での検討も加え、FRPロッドにアルミナFRP、ヒートリンクに高純度アルミニウム撚り線を候補とした。設計検討では、材料特性の測定を行い、振動変位および冷凍能力の性能予測を行った。材料特性を評価した結果、アルミナFRPは G-FRPに比べヤング率が３倍高いこと、高純度アルミニウム撚り線を用いたヒートリンクは バネ定数が小さいうえ、熱抵抗が小さくなることが分かった。また、バネ系および熱抵抗系を用いた性能予測の結果から、VRステージへの振動変位の伝播は数十ピコメートルオーダの振動変位に抑えられること、冷凍能力についても目標とする冷凍性能（第2段ステージ：4.5 K において0.5 W、第1段ステージ：50 K において20 W）となることの見込みが得られた。<br /> これらの設計をもって製作された低振動クライオクーラーの性能を確認するため、振動変位測定および冷凍能力測定を実施した。実施の結果、振動測定においては目標である1 μm以下、特にz軸方向(クライオクーラーのシリンダ軸方向)では、60 nmとなる結果が得られた。この値はパルス管冷凍機本体のコールドステージ振動変位から2桁小さく、本研究の方式による振動低減効果が大きいことが示された。また、VRステージにおける冷凍能力測定については、第2段ステージに熱負荷0.5 Wを加えた場合の到達温度は4.34 Kとなり、また第1段ステージに熱負荷20 Wを加えた場合の到達温度は50.5 Kとなる結果が得られた。これにより、目標の冷凍能力以上の性能が得られたことを確認した。<br /> 考察では、測定値との比較からモデルによる予測が実用上の範囲で定量性を有すること、VRステージのx, y軸方向の変位が相対的に大きいことが構造上の理由によるものであることを示した。さらに、低振動クライオクーラーの更なる向上として、VRステージ構造の改良とヒートリンクの熱接触対策について議論した。<br /> 以上、本研究により世界最高レベルの低振動性を有する4Kクライオクーラーが実現した。本研究で開発された低振動クライオクーラーは、重力波検出器に限らず、今後低振動が要求される低温機器に広く応用されることが期待できる。 |
| 所蔵 |
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値 |
有 |
要旨・審査要旨 (310.9 kB)
