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1 小島 平林記念機械工学 超伝導低温シンポジウム第 10 回高エネ研メカ ワークショプ KEK 電子陽電子入射器の真直度測定 ~10 久米達哉 * 佐藤政則 * 諏訪田剛 * 古川和朗 * 奥山栄樹 ** (*KEK ** 秋田大学 ) 1

2 研究の背景 1.KEK 電子陽電子入射器 (Linac) では 下流の蓄積リングの高度な安定化を達成するために 電子 陽電子ビームの同時入射運転の開発が行われ それに伴い 既存技術では達成することが困難な サブ mm レベルでの高精度なアライメントが約 600m の全長において要求されている 2. 精密形状測定や真直度測定分野において 測定時に加わる走査誤差などの誤差要因を 複数の測定器による同時測定値 もしくは 走査方法を変えた複数回の測定値などをもとに ソフトウェア的な手法で分離し除去することで 高精度な測定を実現する ソフトウェアデータムに基づく形状測定方法が検討されている 2

3 既存の真直度測定器の性能 直定規 2 波長レーザ式測長器 (short range) 2 波長レーザ式測長器 (long range) 光学式測位器 ( トータルステーション ) GPS 式測距位器 測定精度 (= 測定値のばらつき )[μm] 既存の測定法では 望まれる性能が得られない ,000 10, 測定距離 [m] 3

4 ソフトウェアデータムの手法を用いた形状測定 Scanning 2-Displacement error meters 例 多点法に走査型形状測定 3-Displacement meters Pitching error 形状の差を検出 形状の 2 階差分を検出 profile:f(x) 走査誤差 ( 基準 ) の影響を受けない 走査誤差 姿勢変化の影響を受けない 2 点法 2 点間の形状の差を測定する 3 点法 3 点の形状の 2 階差分値を測定する 走査型の形状測定における走査誤差や姿勢変化などの誤差要因を演算処理により ( ソフトウェア的に ) 分離 除去することで高精度化 走査基準など 実在する基準 =( ハードウェア ) データムによらない測定 4

5 研究の目的と検討内容 目的全長 m の KEK 電子陽電子入射器 (Linac) の真直度を 1mm(2) の繰り返し性で評価する 検討内容角度測定器 ( 水準器 オートコリメータ ) を用いた ソフトウェアデータムに基づく形状測定法の適用を検討する ソフトウェアデータムに基づく形状測定直定規や送り機構など実在する基準 : ハードウェアデータムによらない 計算などのソフトウェア的な手段により得られる実在しない基準 : ソフトウェアデータムに基づく形状測定 5

6 Linac の加速器トンネル ( 上面図 ) KEK 放射線科学センター HP より 125m 直線部 ( セクター A,B) 陽電子生成ユニット 473m 直線部 ( セクター C,1,2,3,4,5) 6

7 Linac の構成 ( 側面図 ) 7

8 加速ユニットのアライメント基準 A: 加速管両端フランジ外周 加速管 4 極マグネット レーザパイプ B: 基準レール B: 基準プレート C: レーザパイプ中の 4 分割 PD( 電気的中心 ) それぞれの相対位置を加速ユニット (10m 長 ) 組み立て時に, 精度 50mでアライメント ユニットの据え付け後 相対位置を レーザパイプ中のレーザを基準に調整 長距離でのレーザの広がりと不安定さにより 1mmでのばらつき保証が困難 現状では 分解能約 1mmのアライメントが達成されているものと見込まれる 8

9 水準器を用いた真直度測定測定長は無制限 真直度測定は鉛直面内のみ可能 導出形状への誤差伝播 : LV 測定間隔 :s, 測定長 :l, 水準器の誤差 : ma LV s l ma 9

10 角度測定値に基づく形状導出測定値を積分することで形状を導出する 10

11 電子式精密水準器タリベル 4 角度検出部 ( 水準器 ) 測定範囲 :±600sec, 分解能 :0.1sec(0.5rad), 精度 :0.2sec± 読み値 3% 読み取り部謝辞 タリベル4はKEK 物質構造研究所放射光源研究系小林幸則氏に貸していただきました 当該機器を貸していただくにあたり 分子研加藤政博氏をはじめ KEK 物質構造研究所放射光源研究系の皆様にお世話になりました あわせて感謝いたします 11

12 タリベルを用いた基準プレートの真直度測定 差分角度測定値 (B-A) による導出形状 ( 傾斜 オフセット補正無し ) 導出形状 [mm] st 2nd 3rd 測定位置 [mm] 導出形状 ( 傾斜 オフセット補正なし ) 角度測定値 (B) による導出形状 ( 傾斜 オフセット補正あり ) 0.02 測定状態 セクター C-4 中央部真直度繰返し性 ( 測定長 :~629mm,3 回 ) 角度:14rad()-avg, 60rad()-max, 形状:2m()-avg, 5m()-max 導出形状 [mm] 測定位置 [mm] 導出形状 ( 傾斜 オフセット補正あり ) 1st 2nd 3rd 12

13 差渡し棒を用いた連続性の保証 基準プレート レールの連続性が期待できない場合 差渡し棒を用いた連続性の保証 13

14 基準プレート中心間隔の分布 準備すべき差渡し棒の種類 ( 数 ) に関わる プレート中心距離分布 プレート中心距離分布 A-B セクター C セクター 1-5 セクター B-1-0toB-8-4 C-1-0toC 頻度 30 頻度 プレート中心距離 (mm) プレート中心距離 (mm) 全測定範囲についてセクタ毎にまとめたプレート中心間隔の分布ヒストグラム (100mm 毎 ) 当面の測定対象と考える B-1~B-8, C-1~C-7 におけるプレート中心間隔の分布ヒストグラム (50mm 毎 ) 最低でも1300±200mm 程度 および 2100±200mm 程度の2 種類の可変長さ差し渡し棒が必要と見込まれる 障害物の回避方法の違い (Ex. またぐ / くぐる, etc.) により さらなる種類が必要となる可能性がある 14

15 差渡し棒を用いた真直度測定 ( 例 ) パイプ型架台間 (s 1300mm) 幅 50mm 厚さ 25mm アルミ角棒材 パイプ型架台上 (s 2100mm) 幅 50mm, 厚さ 15mm アルミ角棒材 水冷パイプ等の障害物の回避方法が課題となる 15

16 測定長 l= 500m での繰返し性の見積り 誤差伝播 σ[m] サンプリング間隔 s[m] LV s l ma 導出形状への誤差伝播 : LV 測定間隔 :s, 測定長 :l, 水準器の誤差 : ma ma =14rad とすると s=2m で測定すれば l=500m 時において LV <0.5mm(2 LV <1mm) の繰返し性での測定が可能となる 16

17 まとめ 1. 全長 m の Linac の真直度を 1mm(2) の精度 ( 繰り返し性 ) で評価するため 角度計 ( 水準器 オートコリメータ ) を用いた方法の実現可能性を検討し 部分的に高精度水準器 ( タリベル ) を用いた真直度測定を行った 2. 高精度水準器 ( タリベル ) と 2m 程度の差渡し棒を用いることで 500m の測定長において 1mm(2) の繰返し性で 鉛直面内での真直度測定が可能と見込まれる 課題 1. Linac 全長への具体的な適用方法 ( 障害物の回避方法 ) の検討 2. 水平面内での真直度測定方法の検討 参考 1~3 17

18 参考 1 オートコリメータを用いた真直度測定水平面内での真直度測定が可能 測定長に制限 (10~100m) 導出形状への誤差伝播 : AC 測定間隔 :s, 測定長 :l, 誤差 : ma AC s l ma 18

19 19 参考 2 測定形状のつなぎ合わせ ( スティッチング ) 測定形状のオーバーラップ部分の近似直線を用いたつなぎ合わせの例 d e s L k l L k s L k s L k k L L k l s ステッチングで得られた形状への誤差伝播量 e 測定間隔 :s, 分割測定長 :L, 全測定長 :l, オーバーラップ部分の割合 :k, 個々の測定点での誤差 : d

20 参考 3 オートコリメータを用いて求めた形状をスティッチングした場合の誤差伝播 2 4s l k L 6 l k L s s L ma k k L s k L s k L e 1 L ステッチングしたオートコリメーション誤差見積りパラメータは単位測定長 :L[m] 総測定長 :l=500m, サンプリング間隔 :s=2m オートコリメータ誤差 : ma =0.25sec 保有する DA-200 のもの 誤差伝播 :σe[m] LV =0.5mm(2 LV =1mm) が満たされる条件がある オーバーラップ割合 :k ただし 単位測定長 :L を長め ( 90m) にとる必要あり 20

21 参考 4 Linac トンネル内での温度 角度出力安定性 温度 ( ) base plate air 経過時間 ( 分 ) 温度安定性 (4 時間 ) 基準プレート上 :23.2±0.10() (0.65p-v), 50mm 上の空気温 :23.0±0.15 () (1.05p-v) 測定値変化 [m-rad] A B B-A 測定状態 セクタ C-4- 最下流 経過時間 [ 分 ] 角度計出力安定性 (160 分間 ) 出力平均値の安定度 :1rad() 21 生出力の振動幅: 最大 :20~30rad(), 安定時約 5rad()

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