循環経済の輪

「もったいない」とは、環境保護活動家が資源や食料、材料などを無駄に廃棄してしまうことを表す日本語です。近年、日本だけでなく国際的なサステナビリティ・ムーブメントのバズワードにもなっています。日本の文化は、欧米諸国と比較して、個人よりも社会の利益を重視してきました。そのため、エレクトロニクスや材料設計などの産業分野で日本が技術的なリーダーシップを発揮していることを考えれば、持続可能な技術や材料に対する日本の新しい努力は驚くことではありません。この新しい3GeV放射光施設は、その努力の結果でもあります。日本の中心にある世界5大シンクロトロンの一つである大型放射光施設SPring-8の「A Low Cost Brother(安価な兄弟機)」として設計され、東日本の研究インフラ密度を強します。これは、放射光をもっと利用したいという日本企業の高い要望を反映したものです。

シンクロトロンは、大口径の円周上で電子を加速・誘導し、特定の放射線を発生させる高度な真空施設で、3GeVの施設は円周349m。軟X線領域は、有機機能性材料、磁性材料、炭素系分子など、創薬や食品、医療への応用が期待される領域です。またこれらは、持続可能な経済のための主要材料であり、コア技術です。例えば、機能性有機分子、生分解性プラスチック、新しい太陽電池材料は、大規模な循環型持続可能経済への参入を約束するもので、加えて磁気スピントロニクスデバイスの研究では、スピードとエネルギー効率の向上により、シリコンベースのチップへの代用品となることを目指しています。これは、世界の電力消費量に占めるITシステムの割合が増加しているデジタル化時代の大きな問題に取り組むものです。

放射光を生み出すには、管で作られたリングの中を超高真空にし、それを維持する必要があります。3GeV施設は、民間企業への放射光供給を目的としており、通常は厳しい事業計画の中で進められているため、時間効率の良いメンテナンスが重要な要素となります。

蓄積リングで列車に乗る電子を慰める

VAT社は、テーラード真空バルブソリューションのエキスパートとして、3GeV施設の兄貴分であるSPring-8用の真空バルブやコンポーネントをすでに製造しています。大規模な真空システム管理戦略の1つは、全金属製のRFセクターバルブによって異なる真空ゾーンに区分することです。あるゾーンで漏れやメンテナンスが必要になった場合、他のゾーンは真空に保ったまま、漏れやメンテナンスが必要な部分のみを排気してメンテナンスができます。また、この解決方法では、影響を受けるセクションに周囲の空気が入り込むことで、漏れによる汚染を制限することができます。

さらに、実験用のエンドステーションは、新しい実験のセットアップのために定期的に排気する必要があるため、同様にゲートバルブで分離します。これらのバルブは、設置面積が小さく、長期的に信頼できる性能を持ち、粒子性能を最適化したものになります。

一般的に、シンクロトロン蓄積リングのセクターバルブは、電子ビームが通過するため、真空システム内でもより複雑なコンポーネントの一つであり、各バルブはシンクロトロンリングの電子を動かし続ける高周波誘導の中断するものです。これらの中断を補わなければ、放射光の減衰や強度損失につながり、ビームの寿命を縮めることになります。

VAT社のシニアセールスマネージャーである小林孝樹氏は、「これは弊社のコアビジネスであり、RF誘導を必要な精度で橋渡しできるRF全金属セクターバルブを設計、製造できるのは、おそらく世界で当社だけでしょう。」と説明しています。RF用全金属製ゲートバルブ「XHVシリーズ47」は、世界中のほぼすべてのシンクロトロン蓄積リングのセグメント化において、VAT社における主力製品となっています。このバルブは真空を密閉することができ、その再現性の高い閉鎖は、10,000回以上の開閉サイクルでテストされています。金属部品だけでこれを実現するのは難しいですが、シンクロトロンで遭遇する108グレイまでの過酷な照射環境下での耐久性を確保し、蓄積リング内の低真空圧をサポートするために必要なことなのです。「しかし、最大の難関は、RFブリッジの開口部の設計で、各シンクロトロンに個別に対応する必要があります。」と小林氏は続けており、RFブリッジは、バルブを通して電気的接触だけでなく、高周波誘導も維持することができます。これにより、バルブがリングの高周波特性に適合し、電子の軌道と速度を維持することができるのです。

それによって、3GeV施設のエンジニアは、計画の初期段階からVAT社と連絡を取り合いながら、セクターバルブのカスタマイズを依頼したのです。スイスのエンジニアと直接詳細を話し合い、要件を特定し、VAT社がテスト用にプロトタイプを納品したところ、バルブの性能は素晴らしいものでした。しかし、3GeV施設に導入されたVAT社の技術は、まだ半ばです。「当社の高速シャッターは、実験用エンドステーションの誤動作による真空破壊からリングのメイン真空システムを保護します。これは、マルチユーザー環境で運用されるシンクロトロンでは非常に重要な機能です。」と、小林高樹は説明します。10ミリ秒以内に、シャッターが漏れた実験ステーションを蓄積リングの真空システムから切り離し、フロントエンド・バルブがステーションを密閉する時間を与えるのです。

サステナビリティへの道へと進化する輪

3GeVシンクロトロンリングは現在、建設の最終段階に入ってており、最終的には800個以上のバルブやVAT製の部品が搭載される予定です。立ち上げは2023年と予想されており、すでに多くの日本の官民パートナーシップが、最初の実験に向けて準備を進めています。「このような複雑なプロジェクトに参加し、技術主導の持続可能性を目指す我が国の野心を育むことができるのは素晴らしいことです。VAT社のシンクロトロン設計の技術的なノウハウは、日本で非常に高く評価されています。」と、小林高樹は述べています。しかし、それ以上にVAT社は、持続可能な未来のための技術的解決策における日本の先駆的な役割を認めているのです。

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