[論文レビュー] An assembly line for the construction of ultra-pure detectors

A. Buccheri, M. Capodiferro+4 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2014

Particle Detector Development and Performance参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、CUORE実験用の超電波純度ボロメトリック検出器を構築するためのゼロコンタクト、気密性の高い組立ライン（CTAL）を提案する。このシステムは窒素洗浄済みのグローブボックス、認定された低放射能工具、モジュール式クリーンルーム対応作業台を用いる。このシステムにより、19基のタワーを1基あたり5日間（接着工程を除く）の期間で、汚染を制御した状態で正常に組立可能となり、CUORE-0は稼働開始から数か月で顕著なバックグラウンド低減を示した。

ABSTRACT

The 19 towers constituting the CUORE detector are an assembly of ultra-radio-pure components made of copper and PTFE plus tellurium dioxide crystals for a total of more than 10,000 pieces. A dedicated assembly line is mandatory to handle and assembly those parts minimizing the risk of recontaminations induced by external agents both during their construction and their storage prior to installation inside the cryostat. The assembly strategy and the tools design, proposed in this paper and developed for CUORE, offer solutions that can be extended to the construction of similar-size detector with strict requirements on contamination.

研究の動機と目的

• 超低放射能背景を有する希少事象探索用に、超純正ボロメトリック検出器を汚染を最小限に抑えたプロセスで組立すること。
• 超低放射能背景を有する部品の組立および保管中に再汚染が生じるという重要な課題に対処すること。
• 放射能純度を全構築プロセスにわたり維持できる、モジュール式で逆転可能かつクリーンルーム対応のシステムを設計すること。
• 本格稼働前のプロトタイプタワー（CUORE-0）を用いて生産チェーンの妥当性を検証すること。
• 冷温温度下での検出器の構造的剛性および機械的安定性を確保すること。

提案手法

• 組立ライン（CTAL）は、独立した2つの気密性で窒素洗浄された空間で稼働する：固定式の『ガレージ』（保管および移動用）と、特定の作業に交換可能なグローブボックス。
• ガレージに設けられたユニバーサル作業平面（UWP）は、4種類の異なるグローブボックス（機械的組立、ケーブル接続、接着、被覆）と機械的に結合可能である。
• すべての取り扱いは、認定された低放射能工具およびグローブポートを介して行い、非純正材料や大気中汚染物質への直接接触を回避する。
• 密封された保管カンテナには二重Oリング密封構造と連続的な窒素洗浄（4000 l/h）が採用され、搬送および保管中における純度を維持する。
• アルミ押출部材で作られたポータブルで折りたたみ式のポータル cranes（耐荷重85 kg）により、UWPからタワーを安全かつ低振動で取り外すことが可能である。
• 全プロセスは逆転可能であり、放射能純度を損なわずに品質確認が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気中や表面由来の放射性源による再汚染を回避して、超純正検出器部品をどのように組立できるか？
• RQ2 どのようなモジュール式で気密性があり、逆転可能なシステム設計が、大規模な冷温検出器の安全かつ迅速で汚染制御された組立を可能にするか？
• RQ3 ゼロコンタクトでグローブボックスを用いた組立ラインは、CUOREのような19基のタワーを有するボロメトリック検出器に必要な放射能純度を達成できるか？
• RQ4 窒素洗浄と密封された保管カンテナは、搬送および中間保管中における検出器純度の保持にどの程度効果的か？
• RQ5 プロトタイプのCUORE-0は、本格的なCUORE実験のバックグラウンド要件をどの程度満たしているか？

主な発見

• CTAL組立ラインは2011年夏に稼働を開始し、初のプロトタイプタワーであるCUORE-0を5営業日（ワイヤーボンディングを除く）で正常に組立した。
• 13 mKで稼働したCUORE-0は、Cuoricino実験と比較して、関心領域におけるバックグラウンド低減が顕著に改善された。
• ガレージ内の大気中の酸素濃度は、ドアを開けた際の最大で13%に上昇したが、1%未満に低下した時間は3分未満にとどまり、空気露出リスクが最小限に抑えられた。
• 保管カンテナは、二重NBR Oリング（90 Shore A）を用いて、カンテナ本体とタワーの組立プレートとの間に密閉性を確保した。
• ポータルクレーンはFEM（ANSYS）を用いて静的解析が行われ、動的荷重下で最大応力58 MPaが発生したが、降伏強度（190 MPa）をはるかに下回り、安全係数1.5を達成した。
• 論文作成時点では、必要な19基のタワーのうち18基が問題なく組立済みであり、CUOREの建設マスタープランに沿っており、全構築は2014年6月までに完了見込みである。