76■研究紹介

J-PARC ニュートリノビームライン用超伝導複合磁場電磁石システムの開発
高エネルギー加速器研究機構
超伝導低温工学センター

荻 津透

toru.ogitsu@kek.jp

素粒子原子核研究所

槇 田康 博yasuhiro.makida@kek.jp

2009 年 8 月 21 日

1. はじめに

2. システム構成

J-PARC[1]ニュートリノビームライン[2]ではメインリンシステムの概要を図 1 に示す。超伝導複合磁場磁石[5,6,7]

グから出射された陽子ビームを神岡方向に曲げるためのビーは左右非対称な単層コイル一対を上下に組み合わせてムラインに全長 150 m の超伝導磁石システム[3]を用いてい7350 A の 運 転 電 流 で 偏 向 磁 場 2.6 T，収 束 磁 場 勾 配る。このシステムでは実用超伝導磁石では世界初となる単1.86 T/m の複合磁場を作り出す。コイルはプラスチックカ層の左右非対称コイルを用いた複合磁場磁石が用いられてラーで絶縁された後，鉄ヨークによって機械的に支持されいる。システムは 2008 年の 12 月に現地工事を完成し[4]，る。鉄ヨークの外側には，ヘリウム容器となる厚さ 10 mm

翌年 1 月から 3 月の間にハードウェアコミッショニング，4の SUS304L のシェルが取り付けられる。磁石は一つのクラ月から 5 月にかけてビームコミッショニングを行った。コ

イオスタットに二つずつ左右の向きを逆転して設置される。

ミッションニングの結果，ほとんどのハードウェアがほぼこれによって偏向磁場は同じ向きだが，収束磁場が逆転す期待通りの振る舞いをしていることが確認され，秋以降かる様になり，二つで水平方向に逆収束/収束の光学的ダブらの本格運用に向けて必要な性能確認を行うことができた。

レットを構成する。ダブレットクライオスタットはビーム

図 1：システムの概要；左にビームライン概要，右に磁石断面，下にダブレットの構成を示す。

77
ラインに沿って 14 機設置される。またクライオスタットの励磁回路の概要を図 3 に示す。すべての複合磁場磁石は間にはインターコネクトと呼ばれる長さ約 40 cm のクライ一つの電源( 8 kA,10 V )によって直列に励磁される。超伝導オスタットが入り，場所によって中に入る構成要素が変わ

磁石はクエンチによるオーバーヒートから保護される必要る。構成要素は，クエンチ放出弁，ビームモニター，ステがあるが，それはコールドダイオードによる励磁電流のバアリング磁石などとなり，その位置は図 1 に示される通りイパスと，そのバイパスを補佐するクエンチ保護ヒーターである。クエンチ放出弁は，上流から見て，2，5，9，12によって行われる。クエンチ保護ヒーターによってコイル番の位置に設置し，クエンチ時の圧力分散を図っている。のクエンチは加速され，磁石両端の電圧上昇が加速される

ビームモニターは 1，4，6，10，13 番の位置に入るが，こことによって，より早いバイパスが実現される[9]。これにのうち 6 番にはビームポジションモニターだけが入り，そよって磁石電流は約 1 秒で減衰する。また電源側にはコーの他にはビームポジションモニターとビームプロファイル

ルドダイオードや超伝導ブスバーの保護を行うための遮断モニターが入る。ステアリング磁石は 3，8，9 番の位置に回路が取り付けられている。この遮断回路は約 20 秒の時定入り，それぞれの位置に水平垂直それぞれの方向に対する数でシステムに流れる電流を落とす。

ステアリング磁石が入る。
冷却系の概念図を図 2 に示す。すべての磁石は冷却配管

Protection

Protection

Protection

Protection

HeaterHeaterHeaterHeater

D

F

D

Fで直列接続され，その中を超臨界ポンプで圧送される超臨界ヘリウムが 300 g/s で流れる。超臨界ヘリウムはクロードサイクル冷凍機でサブクーラーの中に生成される液体ヘリウムの中で 4.5 K に冷却される。またステアリング磁石は超臨界ヘリウム配管から間接的に冷却される[8]。また磁石クライオスタットで 60 K 近傍の中間温度での熱絶縁をとる
Extraction Circuit

シールドのために 60 K のシールド用ヘリウムガスも冷凍機から供給される。冷凍機システムと地下部の磁石システム

Vの間は約 100 m のトランスファーラインと呼ばれる断熱真8kA 30V

空配管によってつながれている。この中には超臨界ヘリウ

図3ムおよび 60 K シールドガスの往復用のラインが存在する。

励磁回路概念図

またトランスファーラインの地上部にはカレントリードボックスと呼ばれる 8 kA の電流導入端子を持つ接続ボックスがある。カレントリードボックスから導入された電流は超臨

3. システム単体性能試験

界ヘリウムの往路に設置された超伝導ブスバーによって複3.1 冷却性能試験

合磁場磁石システムまで供給される。

システムの単体性能試験はまず冷却性能試験[8,10]から行われた。冷凍機は超臨界ヘリウムを 300 g/s 流した状態で実効的に約 1.2 kW の冷却能力(冷凍機単体能力 1.5 kW −超臨界ポンプロス 300 W )を保持することが確認された。これに対してシステムの全熱負荷は約 280 W (熱負荷 220 W +カレ
ントリード流量 0.5 g/s )で十分なマージンがある。室温から極低温の定常状態までの冷却時間は 10 日以下であった。
また，超臨界ヘリウム流路の圧力損失もほぼ想定通りであった。

3.2 クエンチ保護試験
クエンチ保護試験[9]は，複合磁場磁石において強制トリガーをクエンチ検出システムに入力することによって行った。通常クエンチはシステムの中の 1 台だけに発生する場合が多いが，この場合はシステムはその磁石を含む 4 台の磁石のクエンチ保護ヒーターを焚いて 4 台まで強制クエンチを行う。クエンチ保護システムは予定通りクエンチ保護
図2

冷却系概念図78
操作を行い，磁石はクエンチに対して安全に保護されてい運転では磁石クエンチに必要なビームロスは 400J からることが確認された。クエンチ後のシステムの再冷却は，1.2 kJ の間と考えられる。この値は 3.6 秒周期の運転では定常状態に復帰するまでに約 2 時間かかった。またビーム100 ∼ 300 W 程度のロスとなり，計算から推定された値[11]が全長にわたってばらまかれるような極端な場合においてと矛盾しない。上記結果は，複合磁場磁石のクエンチはビーは 28 台の磁石全体がクエンチすることも考えられる。これムロス次第であることを示す。クエンチによる実験時間のを模擬した試験も行ったが，クエンチ保護に問題はなかっ

ロスを防ぐためには安定な加速器および一次ビームラインた。
またこの場合における再冷却時間は約 6 時間であった。の運転が必須となる。

複合磁場磁石システムにはクエンチ時の圧力上昇を抑えるためにクエンチ放出弁(KIMURA 弁)が 5 個取り付けられて30いる。クエンチ試験では，4 台クエンチでも全数クエンチ

20

4. ビームコミッショニング

Beam Center X (mm)でも，放出弁は予定通り機能し，圧力上昇も想定内に抑えられたことが確認された。

4436A
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4350A
4320A
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4200A
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Doublets

100-104.1 ビーム特性の複合磁場磁石電流依存性-2050100

われた。ビームはほとんどの場合において単発での入射が2行われ，その強度は約 1.8 kJ 相当であった。ビーム試験に

1

電流依存性を調べた。ここでは複合磁場磁石の運転電流を4436 A から段階的に下げながらビームを通して，それぞれ200x10150200x1030
Beam Center Y (mm)

おいては，ビームの中心位置およびサイズの複合磁場磁石

150Position (mm)ビーム試験は MR からの 30GeV の陽子ビームを用いて行

4436A
4406A
4376A
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4160A
Doublets-1-2-3の電流値でビームの中心位置およびサイズが超伝導部にお-4いてどう変化したかを測定した。図 4 にビーム位置，図 550100

3Position (mm)にビームサイズの複合磁場磁石電流依存性を示す。
図 4：ビーム位置の複合磁場磁石電流依存性

図 4 から水平方向(X)でのビーム位置は運転電流約4360 A でほぼ軌道の真ん中を通っていることがわかる。また図 5 から運転電流 4360 A 付近ではビームサイズの超伝導部での変化が比較的少なく収束磁場のマッチングがとれて5いることを示唆している。これらの結果から複合磁場磁石ていると現段階では推測される。

Beam Size X (mm)の偏向磁場と収束磁場の比率は光学的に望ましい値をとっ4

今回の試験結果はあくまでペインティングする前の非常321に細い，定格の 1/1000 という強度での試験である。定格運

4436A
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4376A
4360A
4350A
4320A
4280A
4240A
4200A
4160A
Doublets050

転で超伝導部に問題が出ないかどうかは，この秋以降の，200x10

150

200x1035

結果を待つ必要がある。

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4350A
4320A
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Doublets

Beam Size Y (mm)4

上記試験は複合磁場磁石の運転電流を下げていって，最150
Position (mm)ペインティングした強度定格 1/10 程度のビームでの試験の4.2 ビームロスによるクエンチ試験

100321

終的にはビームが超伝導部でビームチューブにあたって完全に失われるまで行った。ビームが完全に失われた電流は0501003Position (mm)4160 A で，ロスモニターなどからビームロスは 2 番目のダブレットの収束磁石部(下流側)で約 400J 程度，3 番目のダ

図 5：ビームサイズの複合磁場磁石電流依存性

このビーブレットの収束磁石部で 1.2 kJ 程度と推定された。

図の上部の目盛りを刻んだ横線(赤色)が超伝導部を示し，その目ムロスによって 3 番目のダブレットの収束磁石がコイルの高磁場側のサイドからクエンチをした。ここから，30GeV

盛りはダブレットの境界を示す。

79

5. 結論

[6] T. Nakamoto et al., “Development of Superconducting

ニュートリノビームライン超伝導複合磁場磁石システム

Combined Function Magnets for the Proton Transport

は 2008 年末に予定通り建設を完了し，直ちにハードウェア

Line for the J-PARC Neutrino Experiment,” Proc. of

コミッショニングに入った。システムはほぼ予定通りの性2005 Particle Acc. Conf., pp. 495-499 (2005).

能を満たしていることが確認できた。2009 年 4 月からは予

URL: http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/p05/PAPERS/TOAA006.PDF

定通りビーム運転に入り，その中での性能試験に置いてもほぼ予定通りの性能を満たしていることがわかった。シス[7] T. Nakamoto et al., “Development of Superconducting

テムはこれらの性能試験の中で確認されたいくつかのマイ

Combined Function Magnets for the J-PARC Beam

ナーな瑕疵について夏の間に改修を行い，2009 年 10 月かLine,” 第 3 回加速器学会年会プロシーディングス, pp.

10 月からのビーら始まるビーム運転に向けて準備中である。

67-69 (2006).

ム運転ではペインティングされた大強度ビームの受け入れ[8] Y. Makida et al., “Cryogenic system for J-PARC neu-も始まり，2010 年夏までには 100 kW ビーム受け入れを目

trino superconducting magnet beam line – Design,指す。

construction and performance test,” to be submitted
to CEC/ICMC 2009, Tucson USA, June 28 – July 2,

6. 謝辞

2009.

このシステムの開発にあたっては KEK，JAEA，BNL,[9] K. Sasaki et al., “Commissioning Results of Supercon-

CERN の数多くの人々から，ご支援，ご助言をいただきま

ducting Magnet System for the Neutrino Beam Line,”

した。またシステムの建設には三菱電機，大陽日酸他多く

to be submitted to MT-21, HeFei China, Oct. 18 – 23,の民間会社の大きな努力がありました。ここに感謝の意を2009.

表したいと思います。

[10] T. Okamura et al., “Cryogenic performance of superconducting magnet system for the J-PARC neutrino
beam line,” to be submitted to CEC/ICMC 2009,

参考文献

Tucson USA, June 28 – July 2, 2009.

[1] M. Furusaka et. al., “The joint project for high-intensity

protonaccelerators,”

KEK

Report99-1;

JAERI-Tech 99-056; JHF-99-3 (1999).
[2] Y. Itow et. al., “The JHF-Kamioka neutrino project,”
hep-ex/0106019 (2001).
[3] T. Ogitsu et. al., “Superconducting Combined Function Magnet System for J-PARC Neutrino Experiment,” IEEE Trans. on Appl. Superconductivity, 15,1175-1178 (2005).
[4] T. Nakamoto et. al., “Construction of Superconducting
Magnet System for the J-PARC Neutrino Beam Line,”
to be submitted to MT-21, HeFei China, Oct. 18 – 23,
2009.
[5] T. Nakamoto et al., “Design of Superconducting Combined Function Magnets at the 50 GeV Proton BeamLine for the J-PARC Neutrino Experiment,” IEEE
Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 14,
No. 2, 616-619 (2004).

[11] Y. Iwamoto et al., “Quench Stability against Beam-loss
in Superconducting Magnets at the 50 GeV Proton
Beam Line for the J-PARC Neutrino Experiment,”
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.
14, No. 2, 592-595 (2004).