デュワー真空・冷却テスト １

May 19-24, 2002  Nishimura, Omata, Tokoku

May 31, 2002 update
May 25, 2002 reported by tokoku


□ 実験

もあくすデュワー全体が組み上がったので、以下の３つの実験を行った。
（組み上げレポートはこちら。）

１、真空引きテスト
２、リークテスト
３、冷却テスト



組み込んだものは以下の通り。



                         図１ 全体像（横から、前から）


１）本体デュワー
   （オクタゴン１、オクタゴン２、ファット、オクタゴン３）
２）ＭＯＳ部
   （焦点面デュワー、ゲートバルブ、スロート部、カルッセルデュワー、直線導入器）
３）検出器デュワー
４）光学ベンチ＋サポートプレート（Ｇ１０で吊した状態）
５）冷凍機２台
   （うち、検出器デュワーについている１台は、光学ベンチに熱パスをつないだ）



１、真空テスト

常温で真空引きを行った。
真空装置として機能するか（明らかに真空がもれる箇所がないか、壁がへこむよう
なところはないか）というチェックが目的。




２、リークテスト

ヘリウムを使ったリークテストを行った。テストには、VARIAN 956 (Portable
Turbo Leak Detector) を使用した。配管は図１の通り。


                 図２ ヘリウム・リークテスト

３、冷却テスト

真空度が2.5×10-3Torr 程度までいったところで、冷凍機をつけて
冷却実験を行った。中の光学ベンチに冷却パスがつないである。
今回の冷却テストでは、光学ベンチがだいたいどのくらいの速度で冷えるかを
簡単にチェックするのが目的。

冷却パスは、厚さ0.1mm、幅50mm、長さ約320mmの銅のストラップを5枚用意して、
冷凍機第一段（コールドヘッド）と光学ベンチをつないだ。
この熱パスの熱移動量を計算すると、5枚で約8.2Wとなる。冷凍機のパワー80Wに
比べるとはるかに熱伝導能力が小さいが、これで冷えるだろうか...？
         
Aは熱パスの断面積[m2]、Lは長さ[m]、kは熱伝導率[W/m/K]、Tは温度差[K]。
k=403[W/m/K]、T=300-40=260[K]を使用。銅の熱電導率kは材質（まざりもの）の
種類によって1/4程小さくなることもあるので注意（今回使った銅の正体は不明）。

温度測定点は、冷凍機第一段（コールドヘッド）と光学ベンチ（カメラレンズの
あたり）の2ヶ所。いずれもシリコンダイオード温度センサを用いた。測定点には、
温度センサをネジでとめて上から銅テープで覆った銅板をコールドヘッドと光学
ベンチにしっかりとネジ止めした。

  
    冷凍機コールドヘッド                光学ベンチ

 図３ 温度センサの取りつけ（銅テープで覆ってあるのがセンサ）





□ 結果


１、真空引きテスト

１回目（2002年5月19-20日）  18時間で4.9×10-3Torr まで引く。

                            ただし、真空ゲージを真空ポンプの口のところに
                            置いていたので、デュワーの中の本当の真空度が
                            わからない。いったん真空引きを停止。
                            デュワーの上部（スロート部）にも真空ゲージを
                            取りつけて再度真空引き開始。

２回目（2002年5月20日）     5時間で3.4×10-2Torr になってから
                            17時間待っても真空度は上がらず。

                            いったん真空引きを停止して、ヘリウム・リーク
                            テストのセットアップ。

３回目（2002年5月21-23日）  6時間で2.8×10-2Torr までいき、その後は21時間
                            たっても2.5×10-2Torr程度。
                            そのままリークテスト開始。

２、リークテスト

リークディテクタ周辺（V2）、真空ポンプの口周辺（V3/4）のリークチェックをした
あと、デュワーの上のほうから順番にリークをチェック（ヘリウムは上昇するから）。

直線導入器の根元部分のフランジに、他と比べてずっと大きなリークが見つかった。
リーク量は6×10-6std cc/sec。その部分はネジがゆるくなっていたので、
締め直したら、真空度が上がり始めた。
リークがあると思われる周辺を軽くテープで覆って、引き続きリークテストを
行ったが、他には目立ったリークはなかった。他の部分のリークレベルはおよそ
3×10-7std cc/sec 程度（これでリークなしと言って良いのかどうか
は不明だが、大きな漏れはないだろう）。

その後12時間ほどで8.3×10-3Torr まで真空度が上がったので
そのまま冷却テスト開始。

** コメント **
後でわかったが、ここで見つかったリーク箇所については、銅製のパッキングシール
がはいっており、そこをKerryが一度開けて同じシールを使って閉めたとのこと。
メタルシールは一度しか使えないので、それが原因ではないかと思われる。すぐに
新たなメタルシールを発注した。


３、冷却テスト

冷却開始から1時間で、冷凍機第一段の温度は40Kまで下がったが、光学ベンチは
ほとんど冷えなかった（24時間で2K程度）。
原因として考えられるのは、、、
１）ネジの緩みなどで冷却パスが浮いていて熱伝導ができていない。
２）ネジの緩みなどで温度計が浮いていて温度が測定できていない。
３）温度センサが低温でうまく動いていない。 ↓メモ３を参照
４）熱パスが貧弱。
あたりか？ ひとまず、いったん冷却を中止。

デュワーを開けて、まずは冷却パスをとめたネジが緩んでいないか、温度センサを
とりつけたネジが緩んでいないかをチェック。手でとれない程にがっちりと止まって
いた（低温でどうなってたかはわからないけど）。

次に、温度センサが壊れていないことをチェック。センサをそのまま液体窒素に
つけて Lakeshore で正しく温度表示されるかを確認。問題なかった。

最後に、冷却パス（銅のストラップ）の一端を液体窒素にひたして放置して、もう
一端がどの程度冷えるかを見てみた。ら、全然冷えない！
液体窒素に浸した部分から 10cm くらい離れた部分を、冷やしはじめて1時間くらい
たってから手で触っても、ほとんど冷えていない。
今回の実験では、ラジエーションシールドがないため、銅ストラップは常温の壁を
見ていたが、熱伝導が輻射に負けていたのかもしれない。

ということで、「熱パスが貧弱すぎた」説が有力になってきた。光学ベンチを
冷やしてみるためには、熱パスを考えなおさないといけないかもしれない。

              

             図４ 冷却パスを液体窒素に浸してみた






□ メモ

１、真空引きを行う口がない！
    現在、スロート部（口径50mm）と検出器デュワーの底面（口径25mm）しかなく、
    スロート部にある口は、ゲートバルブを閉じるたときにカルッセル側の真空を
    引くためのもの。検出器デュワーにある口は、検出器のテスト用で口径も小さい。
    どこかに作らなければ！

２、厚い板に大きなネジで締めた部分は、真空を引いてもネジが緩むことは
    ほとんどないが、小さなネジでとめた小さな部品（アクセスポートなど）は
    かなり浮く。真空引き中にネジを締め直すと真空度がよくなることがある。
 
３、CIAOチームで最近、温度センサが低温でうまく動かないことが何度かあった
    らしい。今回のうちの実験と同じ、「ダイオードセンサ ＋ Lakeshore340」を
    使ったときに、Lakeshore340 のコネクタＡにいれた温度センサが、常温では
    正常だったのに低温で表示がおかしくなったので、コネクタＢにつないでみた
    ら正しく表示できた、とのこと（未解決）。Lakeshore内のボードの問題？

４、今回の実験でわかったことは、「冷却パスは強力なものにしないと、思って
    いたよりも熱伝導能力が全然足りないかもしれない」ということ。
    特に、カルッセル部はラジエーションシールドをしないかもしれないので、
    グラファイトパスで本当に熱伝導できるかどうか、早めに実験確認したほう
    がよい。