「超音速渦の窓」で大気と真空をつなぐための新技術－新しい運転モードが生み出す自己適応渦－

2026.08.27

概要

理化学研究所（理研）仁科加速器科学研究センター次世代加速器システム開発チームの今尾浩士チームリーダー、加速器高度化チームの三宅泰斗技師、加速器基盤研究部の奥野広樹副部長、長岡技術科学大学技学研究院電気電子情報系の高橋一匡准教授らの共同研究グループは、固体の仕切りのない窓でガス空間と真空空間の圧力差を保ち、物質を通せる「超音速渦の窓」で、圧力差を大幅に広げる新たな運転方法の開発に成功しました。
本研究成果は、理研の重イオン加速器施設「RIビームファクトリー（RIBF）（注釈1）」の荷電変換リング（CSR）（注釈2）に用いるガスストリッパー（ガスを使ってイオンから電子をはぎ取る装置）の小型化への貢献だけでなく、半導体製造などの真空を利用するさまざまな装置開発や、宇宙船・宇宙実験装置への応用が期待されます。
ガス空間と真空空間を仕切る固体の窓は、物質を通せないのはもちろんのこと、高出力レーザーや粒子ビームでは加熱や損傷を引き起こします。一方、超音速ガス流（ガスジェット）を利用した「空力窓（注釈3）」の一種である超音速渦の窓は、ガスジェットの渦が生む圧力差でガス空間と真空空間を隔てますが、より低圧の真空空間との間に大きな圧力差を生む理想的な渦をつくれないことが課題でした。
本研究では、理想的な渦をつくろうとする従来の考え方から発想を変え、あえて両空間の圧力差を広げることで、渦が自ら流れを変えて圧力差に適応することを発見しました。この性質を利用した超音速渦の窓の新たな運転方法により、15mm径の開口を保ったまま窓の両側で約200もの圧力比を実現しました。
本研究成果は科学雑誌『Review of Scientific Instruments』オンライン版（8月6日付）に掲載されました。

補足説明

（注釈1）RIビームファクトリー（RIBF）：理研が有するRIビーム発生装置と独創的な基幹実験設備群で構成される重イオン加速器施設。ウランなどの重い原子核から成るイオン（重イオン）を加速し、標的に衝突させることで、自然界ではほとんど存在しない不安定な原子核をビームとして生成することができる。RIBFでは、世界初の超伝導リングサイクロトロン（SRC）と呼ばれる大型加速器を中核として、非常に高いエネルギーと強度の重イオンビームを安定して供給できることを特長としており、原子核の構造や元素がどのようにつくられてきたかといった基礎的な問いに迫る研究が進められている。こうした研究は、宇宙の進化の理解や、物質科学・医療などへの応用にもつながっている。

（注釈2）荷電変換リング（CSR）：2030年頃の完成を目指して理研で開発が進められているリング型加速器。リング内部に設けられたガスストリッパーをイオンが何度も通過し、価数を繰り返し変化させることで、目的の価数のイオンを効率よく得る。CSRはCharge Stripper Ringの略。荷電変換リングの概念および基本設計の詳細については次の論文を参照。
H. Imao, JINST 15, P12036 (2020) DOI: 10.1088/1748-0221/15/12/P12036

（注釈3）空力窓：固体の板や膜ではなく、ガスの流れそのものを「窓」にする技術。1960年代後半、高出力ガスレーザーの光を低圧の装置内部から大気中へ取り出すために考案された。レーザーが強力になると、通常の透明な窓は光の一部を吸収して加熱・変形し、やがて破損するため、「いっそ固体の窓をなくせないか」という発想から生まれた。超音速ガス流（ガスジェット）などを使って開口部の圧力差を支えることで、光や粒子が何にも触れずに通れる開いた窓をつくることができる。現在まで、高出力レーザーや減圧下でのレーザー加工などを中心に研究されている。

論文情報

論文タイトル：High-pressure-ratio vacuum sealing by a perturbed free-vortex aerodynamic window
著者名：Hiroshi Imao, Kazumasa Takahashi, Yasuto Miyake, Kazuyuki Oyamada, Hiroki Okuno, Kazuhiko Horioka
雑誌：Review of Scientific Instruments
DOI: 10.1063/5.0336979

研究内容の詳細（プレスリリース本文）

本学の研究者

電気電子情報系 高橋 一匡 准教授