大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、周囲26.659kmの大きさを持ち、現在世界中の研究者が利用できる粒子加速器の中で最大のものです。LHCは、例えば、2013年にフランソワ・エングレールとロバート・ヒッグスがノーベル物理学賞を受賞したヒッグス粒子の存在を確認するために使用されました。しかし、発見のたびに新たな疑問が提起され、それに答えるためには装置のさらなる開発が必要です。LHCでは、陽子の束を光速の99.99999991%まで加速します。これは、質量中心のエネルギーである14テラ電子ボルト（TeV）に相当します。すごいと思いませんか？しかし、それだけでは十分ではありません。
ダークマターやバリオンの非対称性など、標準模型では説明できない素粒子物理学の研究には、もっと高い質量中心エネルギーが必要です。このような状況を改善するために、新しいリング型加速器「未来型円形加速器（FCC）」が計画されています。初期の理論的考察によると、この施設は約100kmの広さがあり、最大で10倍の質量中心エネルギーを発生させることができると期待されています。具体的な数値は、2026年に予定されているフィージビリティ・スタディが完了するまでわかりません。それまでの間、プロジェクトチームは、異なる技術開発を必要とするいくつかのバリエーションを検討しています。例えば、さらに大きなハドロン加速器を作るには、2倍の強度の超伝導マグネットが必要になります。
粒子加速器の真空中では何が起こっているのか？
粒子加速器は、双極磁石のリングが、直径数センチの2本の管を平行に囲んだ構造になっています。ビームパイプと呼ばれるこの管の中では、陽子の束がお互いに衝突するように反対方向に周回しています。加速された粒子が残留空気中のガス分子と衝突しないように、管内の真空度は可能な限り完璧でなければなりません。
そのため、すべての粒子加速器では、重要な部品を超高真空にしています。場所によっては、この真空度は機械そのものと同じくらい極端になります。最良のケースでは、10-16バールの圧力が達成されます。これは、大気がないと思われている地球の月面の気圧に相当します。
また、高真空ではありますが、粒子ビームを誘導・集束するための多数の超伝導電磁石を作動させるためにも真空が必要となります。最後に、磁石を絶対零度に近い温度まで冷却し、超伝導を可能にする液体ヘリウムを、真空に囲まれた供給ラインから運びます。磁石を絶対零度に近い温度まで冷却し、超伝導を実現するための液体ヘリウムを、真空に囲まれた供給ラインで運びます。
バルブの課題は大きい
粒子線加速器の中でこれだけの真空を作り出すためには、いたるところにバルブが必要です。バルブは、ガスの流入・流出を制御するだけでなく、セクターバルブとして、メンテナンスのために加速器の一部を封鎖したり、ビームストッパーとして、加速器システム内の粒子やエネルギーの放射を迅速に停止させたりすることもできます。これらはすべて、粒子加速器内で常に発生する極めて低い真空度、局所的な高温、強い放射線から生じる非常に高いストレスに耐えなければなりません。そのため、エラストマーは乾燥して崩壊してしまうので、加速器用のシールとしては適していません。そのため、全金属製のバルブが必要となります。
オールメタルバルブは、エラストマーを一切使用せず、「ハードオンハード」でシールします。つまり、プレートシールとボンネットシールにメタルシールを採用しているのです。これにより、過酷な環境条件に耐えられるだけでなく、非常に高いベークアウト温度を実現し、バルブの表面に残っている可能性のある吸着物質を除去することができます。ベークアウト温度は、バルブの開閉状態にかかわらず、300℃にもなります。
ボンネットシールやフランジシールとしてVATが使用している特殊なVATSEALシールは、特に優れた成形性を持っています。銀メッキされた銅製のシールは、弾性があり、シール面の輪郭によく適合するため、非常に高い差圧でも最適なシールを実現します。
プレートシールには、VATが開発した特殊なVATRINGシール技術が使用されています。このダイナミックな全金属製のシーリングシステムは、長期にわたって信頼性の高いシーリングを実現し、一定の閉鎖力を発生させることができます。比較的低い軸力で高いシール力を実現します。