CERN がビームパイプの知識を共有

2015 年の重力波の直接検出により、宇宙への新たな窓が開かれ、研究者は複数の情報源からのデータを統合して宇宙を研究できるようになりました。 現在、米国の 2 か所にある LIGO、イタリアの Virgo、日本の KAGRA、ドイツの GEO600 の 4 つの重力波望遠鏡 (GWT) が稼働しています。 インドに追加拠点を設立するための協議が進行中です。 重力波の検出は、ファブリーペロー共振器を用いたマイケルソンレーザー干渉法に基づいており、原子核のサイズの1万分の1、つまり10〜19メートルのレベルでの空間の膨張と収縮が明らかになります。 検出する必要があるひずみは極めて低いにもかかわらず、地震振動や残留ガスの散乱など、考えられるすべての騒音源を研究し最小限に抑えることで、1週間の測定で平均1回の重力波が測定されます。 後者は、超高真空が生成されるパイプ内に干渉計を配置することで軽減されます。 おとめ座の場合、干渉計の長さ 3 km の 2 本の垂直アーム内の真空は 10-9 mbar 未満です。

現在の施設が運用およびアップグレードされている一方で、重力波コミュニティは、さらに優れた感度を提供する新世代の GWT にも焦点を当てています。 これは、より長い干渉計アームと、ミラーの極低温冷却が必要となる可能性のあるノイズの大幅な低減によって達成されます。 2 つの主要な研究は、ヨーロッパのアインシュタイン望遠鏡 (ET) と米国のコズミック エクスプローラー (CE) です。 ET干渉計とCE干渉計用に想定される真空容器の全長はそれぞれ120kmと160km、管径は1～1.2mである。 必要な動作圧力は、最新の加速器に必要な圧力に典型的です (つまり、水素の場合は 10 ～ 10 mbar の範囲、他のガス種の場合はさらに低い)。 したがって、次世代の GWT は、これまでに構築された最大の超高真空システムとなるでしょう。

次世代の重力波望遠鏡は、これまでに構築された最大の超高真空システムとなるでしょう。

現在の GWT 干渉計の真空システムは同程度の真空度を備えているため、これらの圧力を生成することは難しくありません。 むしろ、課題はコストです。 実際、前世代のソリューションが採用された場合、真空パイプ システムは CE の推定コストの半分に相当し、地下土木工事が大半を占める ET の 3 分の 1 に遠く及ばないでしょう。 真空システムのコストを削減するには、前世代の設備とは異なる技術的アプローチの開発が必要です。 より安価な技術の開発も将来の加速器にとって重要なテーマであり、製造方法、表面処理、設置手順の面での相乗効果はすでに目に見えています。

CERN と ET 研究の主導機関であるオランダのニケフとイタリアの INFN との間の公式枠組みの中で、CERN の TE-VSC グループと EN-MME グループは、真空、材料、製造、表面処理に関する専門知識を重力宇宙機関と共有しています。波のコミュニティ。 この活動は2022年9月に開始され、技術設計レポートと真空容器パイロットセクターの完全なテストで2025年末に終了する予定です。 3月27日から29日までCERNで開催されたワークショップ「重力波望遠鏡用ビームパイプ2023」では、加速器や重力波技術を含むさまざまなコミュニティや鉄鋼生産、パイプ製造、真空装置に注力する企業から85人の専門家が集まり、議論を交わした。最近の進捗状況。 このイベントは、2019年にLIGOリビングストンが主催した同様のイベントに続き、研究テーマについて重要な方向性を示した。

コースを計画する一連の紹介寄稿では、真空要件に関する基本的な理論要素と CE および ET 研究の状況が提示され、ヨーロッパと米国で行われている真空および材料技術の取り組みが強調されました。 現在の GWT 真空システムの詳細な説明は、進行中の開発のプレゼンテーションの出発点となりました。 効果的なコスト分析と削減を行うには、原材料の生産と処理、製造、表面処理、物流、設置、トンネル内での試運転を含むプロセス全体を考慮する必要があります。 さらに、真空パイプの技術的選択の影響を評価するには、実験エリアや土木工学、配電、換気などの他のサービスとのインターフェースが不可欠です。

パイプの構造材料の選択基準について議論され、現在は鋼が選択されています。 フェライト系鋼はニッケルを含まないため、現在加速器に使われているオーステナイト系鋼に比べて大幅なコスト削減に貢献すると考えられる。 さらに、フェライト鋼は体心立方晶系の結晶構造のおかげで、超高真空の達成にとって最初の敵である残留水素の含有量がはるかに少ないため、高価な固体状態の脱ガス処理が必要ありません。 最も安価なフェライト鋼は「軟鋼」で、腐食を防ぐための処理が施された後のガスパイプラインで一般的な材料です。 重量の 12% 以上の溶解クロムを含むフェライト系ステンレス鋼も、GWT 用途向けに研究されています。 最初の結果は有望ですが、電磁信号や誘発される機械的振動の異常な伝達を回避するには、これらの材料の磁気特性を考慮する必要があります。

3 月のワークショップでは、パイプの設計と製造、およびそのサポート システムに関する 4 つのソリューションについて議論されました。 ベースラインは、Virgo や LIGO で運用されているものと同様の厚さ 3 ～ 4 mm のチューブですが、新しいトンネル環境とより厳格な感度要件に対応するためにいくつかの変更が加えられています。 もう 1 つのオプションは、補強や拡張ベローズを必要としない厚さ 1 ～ 1.5 mm の波形容器です。 さらに、内壁が薄く加熱しやすい構造とし、外壁が構造的な役割を果たす二重壁パイプをベースとした設計も検討されました。 レーザービームの真空に課せられる清浄度と圧力の要件なしで、2 つの壁の間に断熱真空が生成されます。 圧力過渡時に内壁に作用する力は、まだ完全に設計されていない軸方向移動バルブを開くことによって最小限に抑えられます。 最後に、軟鋼製の厚さ 0.5 インチの壁によって生成されるガス パイプラインのソリューションも検討されました。 このソリューションの主な利点は、石油およびガス業界で使用されている標準的なアプローチであるため、コストが比較的低いことです。 ただし、腐食防止と超高真空のニーズには、パイプ壁の両面に表面処理が必要になります。 これらの治療法は現在検討中です。 あらゆるタイプの設計において、光学バッフル (散乱光子をブロックするためにパイプの開口部を断続的に縮小する) の統合は熱心な研究課題であり、位置、材料、表面処理、設置に関するオプションが報告されています。 トンネル構造からバッフルへの振動の伝達もまた、注目のトピックです。

金属コイルからのパイプの直接製造とその表面処理は、供給業者の施設または設置場所で直接行うことができます。 前者のアプローチはインフラストラクチャと人的資源のコストを削減し、後者は輸送コストを削減し、保管エリアが最小限に抑えられるため、世界の物流にさらなる自由度を提供します。 現場生産の研究は、コイルから地下エリアに必要な長さのパイプを直接届けることができるプロセスの概念的研究で限界に達しました。金属コイルはトンネルに到着します。 その後、専用の機械に取り付けられ、コイルを広げ、金属シートを溶接して任意の長さのパイプを形成します。

これらのトピックは今後数か月でさらに開発され、その結果は包括的な技術設計レポートに組み込まれる予定です。 このレポートには詳細なコスト最適化が含まれており、CERN のパイロットセクターで検証される予定です。 プロジェクトの残り期間は 2 年半弱ですが、成功するには多大な努力と断固たるモチベーションが必要です。 したがって、ワークショップの参加者全員が示した熱意と協力的なアプローチによって醸成された楽観主義は、非常に励みになります。