1. 山の中の超高真空装置

要求される真空の条件と装置の大きさ

干渉計の光路上に存在する気体分子は、レーザー光（波長1,064 nm）を散乱し光路長の変化の原因となる。さらに、鏡への気体分子の入射・脱離による鏡の機械的・音響的振
動も干渉計の雑音となる。したがって、干渉計はレーザーの入射から干渉信号の取り出しまでを一つの真空中に置かなければならない。

気体の屈折率が揺らぐと、そこを通る光の光路長もゆらぎ、全光路長Lに対する変位雑音δLとして干渉計に現れるが、この変位雑音は光路上に存在する気体分子密度の揺らぎ、つまり圧力p の揺らぎに比例する。残留気体の主成分を水分子と見なしその分極率を用いて圧力と変位雑音との関係を計算すると^{（1）（2）}、KAGRA の目標感度を得るためには、圧力p は2×10⁻⁵ Pa 以下が必要と見積もられる。実際にはさらに1桁の安全係数を持たせ、干渉計の運転時での圧力の条件を10^-7 Pa 程度以下とした。なお、この圧力条件は、単に変位雑音を低減するのに必要であるだけでなく、干渉計に用いられる100台程度の真空排気用のスパッタイオンポンプの保守交換頻度、つまり、MTBF（mean time between failure）を数年に1台程度以下とするためにも有効である。

10^-7 Pa 台の超高真空系を構築するためには、用いられる材料の表面処理、真空ポンプの選定、組立および排気工程の管理など、多くの点に留意が必要であるが、すでに周長が数km の加速器も超高真空装置として建設されており、既存の技術を応用すれば実現は可能である。しかしながら、干渉計では、両端の鏡から散乱される光（stray light）がダクト内壁で再び散乱され鏡に入射して雑音となることを避けるため、ダクトの直径は通常の加速器の数倍以上の0.8 ～ 1.2m が必要とされ、体積、内表面積とも加速器より1桁以上大きい。KAGRA は我が国最大の真空装置となっている。このため、各種部品を実際に製造するには、数々の試験や工夫が必要であった。

KAGRA では、地面振動を低減するため干渉計全体を山中に設置する方法を採用したが、特に、国内でも最古の部類に入る安定した地殻を持ち、干渉計の測定周波数領域で振動の少ない緻密な岩質を持つ飛騨片麻岩から構成される飛騨市神岡町の池ノ山が選択された。そこに掘削したトンネル内には3 km の干渉計の腕のダクトだけでなく、精密防振装置により懸架された鏡を組み込む真空容器が20台以上設置される。これらの真空容器を、さらに地面の振動から機械的に遮断するため、容器周囲に縁切りと呼ぶ溝（幅数ミリ、深さ400 mm）を施工し、さらに、容器内の懸架装置の支持機構は、ベローズを介して容器とつながる構造としている。なお、容器そのものは、400 mm の深さのアンカーボルトで岩盤に直接固定されている（図1）。

図1　真空容器の床への設置概念図