光は、人類が自然への理解を進める上で、常に最も重要なツールです。私たちは、目に見えるものだけを信じがちです。興味をそそる光源として、放射光があります。科学者たちは、その高い強度と輝き、明確な特性、そしてX線から可視領域を経て赤外線までの広い周波数範囲のために、放射光を好んでおり、これによって、物質、材料、医療用医薬品などの全く新しい研究開発が可能になります。各国政府は何十億ドルもの予算を投じて研究施設を建設し、科学者たちが利用していますが、その仕組みはどのようなものなのでしょうか？

アインシュタインの特殊相対性理論に基づき、放射光は、電子の束が相対論的速度、すなわち光速に近い速度で円周上を移動することにより、大きな蓄積リングの中で発生します。「円形のレース場のスタンドにいることを想像してみてください。車が通り過ぎるたびに、車の自慢げな音が聞こえてきてドキドキしますが、シンクロトロンも同じです。競馬場は、直径100メートルほどの蓄積リングです。車がレース場で音を出すのと同じように、電子の束がリングの中をぐるぐると飛んでいきます。電子はビームラインを通過するたびに、科学者たちが実験に使用する鮮やかな放射線を放出します。」LNLS(ブラジル放射光研究所)の真空グループの責任者であるRafael Molena Seraphim氏は、答え、「しかし、電子はF1レースカーの約500万倍の速さで移動します。」と説明しました。

リングは金属製のチューブで構成されており、その中で電子は磁石によって誘導され、道を切り開いていきます。電子に空気分子が衝突して相対論的な動きを妨げることがないように、チューブは10-12mbarのUHV(超高真空)に保たれています。この雰囲気は月面に匹敵する。一言で言えば、シンクロトロンとは、月面のような雰囲気の中で行われるアインシュタインの相対論的な粒子のレース場なものなのです。

ブラジルのSIRIUSリングは、最新の第4世代シンクロトロンの一つです。その建設は2015年に始まり、同国内で最も洗練された複雑なインフラを構築しており、周囲518mの蓄積リングの中で、電子を相対論的エネルギーである3GeVまで加速します。大きな蓄積リングから空気を抜くのは大変な作業で、ポンプ作業に多くの時間を要します。さらに、複数の科学者が同時に実験を行っているにもかかわらず、クリーンな環境を維持しなければなりません。

電子を逃さない付加価値の高いVAT製ハイテクバルブ

複雑なUHVシステムを構築するための主な戦略は、セクションバルブで区切られた明確なセグメントに分割することです。これにより、メンテナンス作業のためにリングの個々の部分を排気しながら、残りの部分をUHV圧力に保つことができます。しかし、セクションバルブの重要な点は、バルブが閉じているときではなく、シンクロトロンの運転中にバルブが開いているときです。電子は小さなパッケージに入って、RF(高周波)の交流電流を運ぶリングの中を飛んでいきます。Rafael Seraphim氏は、「電子の流れがRFの影響を受けないようにするためには、バルブをできるだけ真空管と同じように設計しなければなりません」と強調し、「そうでなければ、レース場のカーブにオイルが入っているようなものです。車が高速でクラッシュするか、電子が最適な軌道を失うことになるでしょう。」と説明しました。

VAT社は長年にわたり、ストレージリングの操作に特化した真空バルブを提供してきました。シリーズ54.1の全金属製アングルバルブは、ベントやポンプの目的で使用され、シリーズ47および48のゲートバルブにも使用されています。「当社のオールメタルバルブは、エラストマーを使用しておらず、特にストレージリング内の厳しい放射線環境に適しています。しかし、私たちは常にお客様の特定のニーズに合わせてバルブを柔軟に対応しています。2012年のSIRIUS計画初期段階から、私はプロジェクトの具体的な構造や要件を理解するためにブラジルに飛んでいました。」Jürg Öhri氏は話し、次のように振り返っています。「「私たちは、非常にオープンで建設的なコラボレーションを開始しました。」

その後、VAT社は、特殊な高周波ブリッジを搭載した全金属製ゲートバルブ47シリーズ「XHV RF」を開発しました。開放時には、特殊な金属バネによってリングの2つの真空管をブリッジし、SIRIUSリングの電気的特性と正確に一致した接続を実現しています。開いたバルブによって飛ばされた電子は、もはやリングの他の部分で使用されているプレーンチューブとの違いを感じることはありません。

シンクロトロンの複数のユーザーが利用する環境は、さらなる安全対策を必要とするもう一つの課題です。「ビームラインは、創造的で斬新な実験を行う多くの研究者によって予約されています。ビームラインには、創造的で斬新な実験を行う多くの科学者が予約しています。万が一、何か問題が発生した場合には、ビームラインで故障した実験から侵入する可能性のある汚染からシンクロトロンを保護する必要があります」と、ビームラインエンジニアのGustavo Rodrigues氏は課題を定義しています。これを実現するために、VAT社は、誤動作検出器と、わずか10ミリ秒でビームラインを蓄積リングから切り離す超高速77.3シリーズのシャッターバルブで構成される安全システムを用意しました。つまり、レーストラックには汚染がない状態が保たれているのです。

SIRIUSのレーストラックを科学者に開放するVAT製ゲート

真空バルブは、シンクロトロンの中でも最も複雑な部品の一つです。2021年までに、LNLSのエンジニアはSIRIUSリングに約300個のVAT製バルブを設置しました。SIRIUSの最初のビームラインが稼働し、科学者たちが実験を行っているのは、VAT社のハイテクソリューションのおかげでもあります。最終的には、最大38本のビームラインを設置することが可能になります。Rafael Seraphim.市は、「VAT社は、シンクロトロンの真空設計に関する深いノウハウと、特定のユースケースにコンポーネントを適合させる柔軟性によって、2020年内のSIRIUS稼働を実現するための強力な技術パートナーとなってくれました。」とまとめています。

「このような複雑な科学インフラが成熟していく様子を見るのは、いつも興味深いものです。当社は、シンクロトロンリングに搭載されているUHVバルブの約90％を製造しており、複雑な科学的真空設備の世界的なマーケットリーダーです。しかし、プロジェクトにはそれぞれ特有の課題や要求がありますが、私たちは常にそれらに取り組む準備ができています」とVAT社セールスエンジニアのJürg Öhri氏は説明します。「SIRIUSを実現し、研究者に最新の科学インフラを提供するための重要なパートナーの一人であることを誇りに思っています。」と彼は締めくくりました。

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