67■研究紹介

LHC ビーム最終収束超伝導四極磁石の開発とコミッショニング高エネルギー加速器研究機構 超伝導低温工学センター

中 本

建 志

tatsushi.nakamoto@kek.jp

佐 々 木

憲 一

ken-ichi.sasaki@kek.jp

2008 年 8 月 22 日

1.

はじめに

CERN LHC 加 速 器 は ， 陽 子 を 世 界 最 高 エ ネ ル ギ ー

7 + 7 TeV で 衝 突 さ せ ， ピ ー ク ル ミ ノ シ テ ィ がから供給された。すべての磁石の断熱真空容器(クライオスタット)は Fermilab が開発し，磁石の挿入組立を行った。
この他に，超伝導磁石システムに超流動ヘリウムや励磁用
バスラインを供給するための容器(DFBX)は LBNL が開発

10 cm sec にまで達する世界最高水準の加速器である。

を担当した。このように Low-Beta Insertion System の開発

LHC は旧 LEP 加速器用地下トンネル(深さ約 100 m )を再は，CERN，Fermilab(と LBNL)，KEK の三極が力を一つ利用して建設されているが，陽子を 7 TeV にまで加速するにした国際協力プロジェクトといえる。

34

−2

−1

には， 8 T を越える超伝導磁石が必要不可欠となる。加速

KEK での MQXA 磁石開発は，超伝導低温工学センター

器の周長は 27 km にもなるため，おもだったものだけでもを中心として，機械工学センターや加速器研究施設が参加

1232 台の主双極磁石(長さ 15 m )ならびに 386 台の主四極磁して，1996 年からスタートした。磁石の設計， 1m モデル

石(長さ 3.5 m )が設置される。超伝導磁石を用いた衝突型加磁石の開発，性能評価はすべて KEK の所内開発で進めら

速 器 と し て は ， こ れ ま で に Tevatron(Fermilab) ，れた。これらの成果を基に，メーカー(東芝)において 1999

HERA(DESY)， RHIC(BNL)が建設されたが，いずれもNbTi 超伝導線を 4.5 K 程度に冷却して約 5 T の磁場を発生するものだった(SSC では 6.6 T だったが，計画自体がキャンセルされた)。一方，LHC では磁場を 8 T 以上に飛躍的に増加させる必要があった。検討の結果，NbTi 超伝導線の性能を極限まで発揮させるため，超流動ヘリウム(He II)により 1.9 K まで冷却する方法を採用した。つまり LHC は 8 T 級の高磁 場＋ 高 精度超 伝導 磁 石の量 産の み ならず ，周長

27 km にもわたって， 34000 トンを超える加速器磁石を1.9 K まで冷却するという，超伝導・低温技術の観点からは途方もない大型プロジェクトといえる。
日本政府は 1995 年に LHC 計画に参加協力することを決定した。それに伴い，加速器建設や物理実験に大学や研究所，また企業などが様々な形で参加，貢献してきた。KEKにおいても，LHC にある四つのビーム衝突点の直前に設置されるビーム最終収束四極磁石のうち，16 台(全数 32 台の半分)の開発を担当することになった。図 1 に LHC 加速器
図 1 LHC の概略図

全体，また図 2 に Low-Beta Insertion System の概略図を示す。Low-Beta Insertion System の Inner Triplet(Q1, Q2,

Q3)を構成するビーム最終収束四極磁石は，衝突点でビームを強力に絞り込む役割を持ち，ルミノシティに直接的に寄与するため，LHC 加速器の中でも特に重要な超伝導磁石といえる。このうち，Q1 と Q3(MQXA)をわれわれ KEKが担当し，Q2(MQXB，実際には磁石 2 台で構成される)は

Fermilab が担当した。また各種補正用超伝導磁石は CERN

TASB

Q3
DFBX

MQXA
6.37

MCSOX
a3
a4
b4

MCBXA
MCBXH/V
b3
b6

Q2

Q1

MQXB

2.985

MQSX

MQXB

5.5

5.5
1.0

MQXA

2.715

MCBX

MCBX

MCBXH/V

MCBXH/V

6.37

図 2 Low-Beta Insertion System の概略図

IP

68から 2000 年にフルスケールプロトタイプ 2 台の製作，2001

この磁石に求められたおもな仕様は以下の通り。

年からは実機生産がスタートした。製造された実機磁石は，

1 He II 冷却下 1.9 K において，コイル内径 70 mm で

順次 KEK において冷却，励磁試験を行った。2004 年まで

定格 215 T/m の四極磁場勾配を発生すること。

にスペア機を含む全 20 台の生産が完了した。磁石は試験完了後に Fermilab に輸送され，クライオスタットに組み込まれた後，最終的に CERN に輸送された。2006 年からは LHC
トンネルへの組み込みが始まり，2007 年からはハードウェ
アコミッショニングが始まった。

2 高調波成分の誤差磁場を，参照半径 17 mm で 10−4以下に抑えること。

3 ビーム衝突によるデブリに起因する 5 W/m の発熱にも耐えられること。

2006 年 10 月から 2007 年 9 月にかけて，コミッショニン

大口径で高磁場勾配を発生するため，コイルのピーク磁グに参加するために筆者(中本)は CERN に常駐した。しか場は 8.6 T に達することになる。これらの条件は，LHC のし残念ながら，4 章で述べるように多くのトラブルが発生

超伝導磁石の中でももっとも厳しいものだった。KEK の所したため，MQXA 磁石の励磁が始まる前に帰国することに

内開発は，超伝導低温工学センターの新冨，山本，土屋をなってしまった。しかし，入れ替わりに佐々木が MQXA の中心に，1996 年から開始された。そこでは，SSC，LHC 用

最初の励磁に参加することができた。
本稿では，MQXA 磁石開発の経緯や概要，磁石性能のまとめ，現地でのコミッショニングの様子などについて紹介する。先に述べた理由で，中本が 2 ∼ 4 章の磁石開発から初期のコミッショニングまでを，佐々木が 5 章の現地での励磁成功について報告する。
なお，MQXA 磁石の設計，製作，磁石性能の詳細については，文献[1]に報告されている。

KEK の TRISTAN や KEKB
超伝導双極磁石モデル開発や，におけるビーム最終収束超伝導四極磁石実機開発で得られた経験，ノウハウが注ぎ込まれた。
この MQXA 磁石の設計上の特徴は，(1) 4 層コイルにして電流マージンを大きくする一方で，機械構造的にはインナーコイルとアウターコイルの 2層構造に単純化した。

(2) コイル内に 2 種類の NbTi 超伝導ケーブルを用い，電流密度を変えることで，ロードライン比をほぼ等しく

2.

1m モデル磁石開発した。またクエンチ時のコイル保護の観点から，それぞれの銅比を決定した。

1m モデル磁石開発は KEK の所内開発で進められ，設計(3) 鉄ヨークからの磁場への寄与をできるだけ大きくする製作の詳細は文献[2]に報告されている。本稿では概要を紹ために超伝導コイルを拘束するカラーの径方向厚さを介するにとどめる。

できるだけ薄くした。

図 3 に磁石の断面図，主要設計パラメータを表 1 に示す。

(4) このため，電磁力の支持構造は，鉄ヨークそのものをキー留めすることで達成する。

(5) カラーには，透磁率が真空に近いオーステナイト系高マンガン鋼を採用した。一方，鉄ヨークには，冷間加工により強度を改善した電磁鋼板を用いた。
表 1 MQXA 磁石の主要設計パラメータ

Field gradient (T/m)

215

Coil inner radius (mm)35

Yoke outer radius (mm)235

Magnetic length (m)6.37

Peak field in coil (T)8.63

Operation current (A)7149

Superconductor load line ratio

0.80

Inductance (mH)87.9Stored energy (MJ)

2.24

Magnetic force/octant (MN/m)
図 3 MQXA 磁石の断面図

1.19 (radial)
1.37 (azimuthal)

69
よく知られているように，超伝導磁石では，超伝導線に性や強度の観点からボルト留めなどは使用されず，鉄ヨー

何らかの擾乱が生じると，局所的な温度上昇→常伝導へ遷

クそのものをバネに見立て，スロットにキーを挿入するこ

移し電気抵抗が発生→電流によりオーム発熱→周囲からのとで，コイルにプリストレスを与える構造になっている。

冷却が負けてさらに常伝導領域が発展・暴走，といった流最外周は，ヘリウム容器を兼ねる半割れのステンレス曲げれでクエンチが起きてしまう。これを防ぐためには，超伝板 2 枚により長手溶接され，さらに径方向に圧縮，拘束し導線自体の設計も当然重要だが，磁石構造的にはメートルて構造強度を高める。もちろん 1.9 K まで冷却するため，各当り数百トンにもなる強大な電磁力下においても，超伝導部品の熱収縮による影響も十分考慮される。

コイルが動かない様にしっかりと支持する構造設計や高強度の材料選択が重要となる。

設計の段階では，磁場分布を決定する最適な超伝導コイ
ルの形状を求め，並行して機械構造的には，四極磁石対称

常伝導磁石においては，導体は起磁力のみを担当し，ビ性を保ちながら(図 3 を見ると 45°対称性が保たれているームボア内の磁場分布は鋼板(磁極)の形状，電磁特性で決様子が分かる)各部品の安全強度を越えない様な注意深い定される。一方，加速器用超伝導磁石では，鉄の透磁率が設計がなされた。ANSYS 構造計算により，たとえば，鉄ヨ

飽和しきってしまう 2 T 以上に励磁されるため，超伝導コーク median plane 左右にあるキー挿入スロットや，油圧プ

イルの形状(つまり電流分布)そのもので磁場分布が決定さ

レス用段付き肩の形状や数が決定された。カラーや鉄ヨー

れる。つまり，求められる磁場(MQXA 磁石では四極磁場)

クには，鋼板(カラー：厚さ 2 mm ，ヨーク：厚さ 6 mm )をを発生する理想的な電流分布に近付けるように超伝導コイ

高精密打ち抜き(ファインブランキング)し，積層パックすルを設計，製作，制御することになる。MQXA 磁石の場合，る方法を採用した。この方式により，部品寸法精度を確保

誤差磁場を 10−4 以下に抑えるということは，超伝導コイル

しながらコスト削減や量産スピード向上を達成できた。

やそのサポート部品(カラー)などを 50 μm 程度の寸法精度

MQXA 磁石設計では，その他にも，クエンチ保護，電気絶で制御しなければいけないことを意味している。

縁，圧力容器コード，溶接方法など，様々な観点から設計

NbTi 超伝導線(ケーブル)に求められるものは，第一義的検討が行われたが，ここでは説明を割愛する。

にはもちろん電気的特性だが，日本のメーカーは世界的に1m モデル磁石開発は KEK 第 3 低温棟で進められた。開もトップレベルにあり，仕様を充分満足する製品を安定し発の肝となる製作治具，部品などの製図は，もちろんすべて供給して頂くことができた。一方で，自身が構造体の一て開発グループで行った。磁石製作は，（1）ターンテーブ

部となるため，ケーブルの寸法制御も大変重要となる。コルの鞍型マンドレルに超伝導ケーブルを巻き線(インナーイルは 10 ∼ 20 ターンを繰り返すので，ケーブル厚さの系統

およびアウターコイル巻き線，図 4)，

誤差は，そのまま組立時のコイル予備応力(プリストレス)や磁場精度に影響してくる。このため，約 1.4 mm 程度のケーブル厚さに対して，仕様で求められた寸法精度は ±6 μmと非常に厳しいものだった。なお，ケーブル絶縁には，ポリイミドテープを 2 層にラップしたが，最外層はギャップを設けて，超流動ヘリウムが透過してコイルから除熱できるように工夫した。
常温での磁石組み立て段階で，超伝導コイルには適切なプリストレス(具体的には，コイル周方向で 70 MPa 程度)が掛けられる。もし磁石を冷却，通電した際に，プリスト
レスが不足していると，超伝導コイルは自らの電磁力で変位，変形してしまい，支持不安定になってクエンチ発生の原因となる。また設計した電流分布からコイルの形状や位

図41m モデル磁石開発の様子：コイル巻き線

置がずれることで誤差磁場が誘発されることになる。一方（2）ケーブル絶縁表面にあらかじめ塗布したエポキシによで，過剰なプリストレスは，電気絶縁や超伝導線そのもの

り，巻き線コイルを成形ブロック中で 130 °C ，2 時間で反を傷めることにつながる。以上の理由から，プリストレス応させる成形(キュアリング)，（3）インナーおよびアウタ

制御(＝コイルサイズや部品寸法の制御)は，大変重要なプーコイルの一体化(第二次キュアリング)，（4）1/4 コイル

ロセスといえる。MQXA 磁石では，コイルにカラーを装着する(カラーリング)際にはほとんどプリストレスは与えられず，ほとんどは鉄ヨークによって与えられる。製作再現を 4 個とも縦に立てた状態で電気絶縁シートを取付け，カラーを油圧プレスでピン留め装着(カラーリング，図 5)，

70(厚さ 125 μm )を正確に 4 ∼ 8 層に重ね合わせる作業で，見えない部分の折り返しや不適当なオーバーラップ(組立時に過剰なプリストレスとなりコイルを傷めてしまう)防止などに，大変気を遣った。
なお，モデル磁石には，各種センサー(クエンチ場所同定用の電圧タップ，コイルプリストレスや機械構造測定用の歪みゲージやキャパシタンスゲージ)を取付け，製作時や励磁試験中の磁石挙動を観察した。1m モデル磁石は全部で 5台製作し，KEK の縦型超流動ヘリウム冷却試験用クライオ
スタットで 1.9 K に冷却後，クエンチ特性，磁場測定などの励磁試験を行って性能を評価した。
初期の 1m モデル磁石 2 台では，基本的なクエンチ特性(トレーニング特性)に重点を置き，必要とされる磁場勾配を達成できることを確認した。磁石の基本構造に問題がないことを確認した上で，3 号機からは磁場精度を改善するためにインナーコイルの改良(直線部と両エンド部)に着手した。四極磁場対称性からは，四極の他に，12 極と 20 極の高調波成分磁場が発生するが，特に 20 極成分に関しては，
図51m モデル磁石開発の様子：カラーリング

ほとんどゼロ近くまで減少させることが出来た。また，この 3 号機の製作には，フルスケールプロトタイプおよび実（5）鉄ヨークでカラードコイルを上下から挟み込んだ状態

機量産を担当するメーカー(東芝)の技術者が実際に参加し，で油圧プレスし，キーの挿入(ヨーキング，図 6)，

KEK から技術移転を行った。なお，実機製作のため，メーカーに対しては， 1m モデル磁石に関する図面はもちろんのこと，油圧プレス，計測機器，高精密打ち抜き金型などが KEK から支給，貸与された。

1m モデル 3 ∼ 5 号機の開発を通じて，磁石性能の再現性を確認し，メーカーでのプロトタイプ製作を開始した。プ
ロトタイプでは，コイル直線部の長手方向長さのみを実機相当まで延長しているが，直線部断面や両端部の形状はそのままである。プロトタイプでは，コイルエンドでのエン
ドスペーサー部品設計に不具合が見つかり，励磁試験中にコイル層間で電気ショートが発生するトラブルに見舞われた。しかし，適切に設計改善を行い，実機では同様のトラ
図61m モデル磁石開発の様子：ヨーキング

ブルは発生していない。なお，次章で述べる実機製造に際しては， 1m モデルおよびプロトタイプで系統的に現れた（6）ステンレスシェルの溶接，（7）リード部のハンダ接続，

12 極成分を改善するため，インナーコイルのポール部に調という流れで進む。これらすべての製作工程を，実際に自整用シムを追加した。この結果，実機では 12 極成分を系統

分たちの手を動かして行い，重要なポイントは入念にチェ的に改善することができた。

ックし，問題が発生すればその一つ一つを解決していった。
例を挙げると，コイル巻き線とキュアリング作業は，コイ
ル形状と寸法を決定するもっとも重要な作業であるため，

3.

MXQA 実機磁石の量産

超伝導ケーブルや CNC 加工した GFRP 製ウェッジやエン

MQXA 実機磁石は東芝京浜事業所で製造されたが，このドスペーサーの寸法管理はもちろんのこと，キュアリング

ために工場内に新しく専用製造ルームが建設された。KEK

後の超伝導コイルに荷重( ∼ 100 MPa )を掛けて機械特性における 1m モデル磁石開発の成果を継承しつつも，長尺を測定し，コイル毎の再現性や傾向を把握した。また，電化(実機磁石は 7 m 余り)のために，半自動巻き線機，カラ

気絶縁の取付けは，複雑に折れ曲がったポリイミドシート

ーリング治具，ヨーキング治具などが東芝で開発された。

71
実機長プロトタイプ開発による製作技術のバグ出し，確場や高調波成分の異常や変化をチェックした。また試験ベ認を経て，実機製造は 2001 年 6 月から始まり 2004 年 6 月

ンチに設置した磁石を光学測量し，磁場性能に影響する磁まで続けられた。多少のトラブルはあったが，生産はほぼ石の形状(直線性，ねじれ，たわみ)を確認した。

計画通りのペースで進めることができ，スペアを含め 20 台が完成した。工場で完成した実機磁石は，順次 KEK に送り，性能評価試験を行った。なお，CERN とは当初，2 台のスペアを含む 18 台の実機を納入することで合意してい1.9 K での冷却励磁試験は，（1）磁場勾配 230 T/m まで
トレーニングクエンチ，（2）定格磁場勾配 215 T/m での全エネルギーダンプ試験(磁気エネルギーをすべて磁石内部で吸収させる)，（3）磁場測定，（4） 220 T/m までの最終た。しかし，製造と試験が比較的順調に進んだため，予算確認励磁などといった試験内容だった。ちなみに，Fermilab

やスケジュールに若干余裕を持たせることに成功し，最終の MQXB 実機磁石についても同様の試験が行われた。磁石

的に 20 台の実機磁石を製造し，うち 19 台を冷却試験した。

1 台を試験するには，循環精製運転から 1.9 K までの冷却，

KEK では，実機試験の準備として，超流動ヘリウム冷却

そして励磁試験のために約 2 ∼ 3 週間必要だった。この間

試験用 9 m 縦型クライオスタットを新たに製作した。または 24 時間運転となり，1 日 2 交代制で，2 名のシフト(励磁クライオスタットを地下に格納し，磁石の起立や吊り替え試験担当と冷凍機運転担当)を組んで試験を行った。もとも作業が可能な揚程を有する新しい実験棟(第 4 低温棟)も建と超伝導低温工学センターのスタッフ数は少ないため，シ設した。一方でコストを抑えるため，TRISTAN AMY 実験

フト当番に当たる頻度は高く，苦労が多かった。常温へので使用されていたヘリウム冷凍機を第 4 低温棟に移設し，昇温や磁石吊り替え作業なども考慮すると，磁石 1 台当り

MQXA 試験専用の冷凍機として再整備した。このようにし冷却試験に約 1.5 ヶ月必要だった。しかも，冷却試験の前て，実機磁石試験のための環境を整えた。

2001 年春からの 3 年間は，後に常温試験も行っていたため，

KEK での性能評価試験は，大別すると 1.9 K 縦型クライ
オスタットでの冷却励磁試験(図 7)と，その前後に行う常明けても暮れても MQXA 磁石の試験を行っていたことになる。

温試験の 2 種類に分けられる。常温試験では，微小電流試験中，様々なトラブルも経験した。図 8 に，冷却試験( 1 ∼ 10 A )を通電して磁場測定を行い，冷却前後での主磁を行った MQXA 磁石 19 台すべてのトレーニングクエンチの履歴を示す。上図は，クエンチした時の電流を表しており，下図はリード側端部，直線部，コイルリターン側端部の各領域で発生したクエンチ回数を示す。いずれも試験した磁石毎に，左から時系列順で並べている。初期の 10 号機
までの試験では， 2 ∼ 3 回程度のクエンチで定格電流を超えており，その後も 230 T/m まで比較的少ないクエンチ回数で到達している。クエンチ発生箇所が磁石端部に集中しているのは，磁場のピークがあり，しかも直線部と比べて支持構造が弱いためだと類推できる。ところが，11 号機以降は，合格基準となる 230 T/m に到達するまでのクエンチ
発生回数は増加し，トレーニングによるクエンチ電流増加も明らかに鈍化してきた。特におかしかったのは，クエン
チがほとんど直線部で発生した点だった。そして，ついに14 号機では，一旦 230 T/m に到達したにも関わらず，定格付近から一向に電流が上昇できない事態となってしまった。
様々な調査の結果，磁石のビームボアに挿入した磁場測定のためのボアチューブに原因があることを突き止めた。
冷却中にも常温部から磁場測定用プローブを磁石ボア内に挿入できるように，ボアチューブは二重管のアンタイクラ
イオスタット構造になっていて，外管と内管の隙間は断熱
真空槽になっている。内外管には共に透磁率が真空に近い

SUS316L を用いたが，それでも強力な四極磁場勾配中で少図 7 MQXA 実機磁石の励磁試験準備

しでも偏芯すると，磁石側に引っ張られてしまう。断熱真クライオスタットに縦吊りした磁石を挿入している。

空槽には内外管が接触しないためのスペーサーが取付けら72

Quench Current (A)8000

Bore modification
230 T/m

7000 215 T/m
Thermalcycle

Thermalcycle

Thermalcycle

6000
QuenchNo Quench

5000

MQXA
-1

2

3

5

4

2b 7

6

9

8

10

11
1st T.C.

13

12

11 15 16 17 18
2nd
T.C.

14

Quench Sequence

19

12

Straight-Section
Lead-End
Return-End

10
8.0
6.0
4.0

#19

#18

#17

#16

#15

#11

#14

#13

#12

#11(1st)Magnet Number

#10

#8

#9

#6

#4

#5

#3

#2

#1

0.0

#7

2.0
#2b

Number of Quench Training

14

図 8 MQXA 実機磁石のトレーニングクエンチ：各磁石毎のクエンチ電流（上）と発生場所（下）れていたが，磁石直線部付近では不十分だったため，超伝は，それぞれ skew と normal の高調波成分に相当し，図中

導コイルに内管と外管が引っ張られてたわみ，接触してしの誤差棒は，ビーム光学計算に基づいて許容される系統誤まった。このため，常温の外部からの侵入熱によりコイル

差と偶然誤差の合計を示す。高調波成分は主四極磁場で規温度が上昇したことが，クエンチ多発の原因だと分かった。

格化しているが，元々小さな値であるため，さらに 10000

ボアチューブを改造してスペーサーの形状と数を改良して倍して表記されている。まず先に説明した 12 極および 20

からは，14 号機の 2 回目の冷却試験以降，劇的にクエンチ

極成分について見ると， 1m モデル磁石からの改良の成果

回数が改善された。また直線部におけるクエンチもほとんがよく現れており，系統的に低く抑えることができた。そど見られなくなった。このことから，11 ∼ 14 号機で見られの他の各高調波成分については，normal 8 極成分（b4）をたクエンチ特性の悪化も，磁石自身の問題ではなく，ウォ除くと，許容値よりも十分小さいことが分かる。一方 normal

ームボアが原因だったと考えている。

8 極成分は，許容値を大きく超えることはないものの，最その他にも，2 号機において，磁石ボア内にフラップ状

初の設計値よりも明らかに大きい値を示した。検討の結果，に突き出た電気絶縁シートが，クエンチ発生時の突発的な鉄ヨークを左右でキー留めする際に，上下方向に約 0.1mm

ヘリウムガスにより引き裂かれてしまうトラブルにも見舞楕円変形することが主な原因だと分かった。しかしながら，われた。フラップに等間隔で孔を開けることで，コイルと総じて MQXA 磁石の磁場性能は良好で，LHC で求められウォームボアの狭い空間からヘリウムガスの逃げ道を作る

る仕様を充分満足することを確認できた。

工夫をした。その場合でも，必要な耐電圧性能を保持する

表 2 MQXA 磁石の磁場特性

ことは実際に確認した。本施工後は，電気絶縁シートが破

直線部の磁場勾配および磁場長れるトラブルは起きていない。

MQXA 磁石の磁場測定では，コイル半径 21mm ，長さ

Current(A)

25 mm と 600 mm の 2 種類の回転コイルを用いた。LHC で

Field Gradient (T/m)

Magnetic Length (m)AverageStandard
Deviation

AverageStandard
Deviationの運転範囲をカバーするように複数の電流値において，磁392.3

12.4450.00966.36320.0048

石全長をスキャンしながら磁場測定を行った。表 2 は，各2011.363.4750.02006.36420.0010電流における直線部の磁場勾配と磁場長さについて，全 193207.9101.010.0341

6.36420.0009台の平均値とその標準偏差を示している。これらの磁場特6134.4186.530.0581

6.36700.00096677.3201.730.05876.36750.00107227.9217.070.0651

6.36790.0012性は全 19 台にわたって大変よく揃っており，10−4 以内の再現性を示していることが分かる。図 9 に，各磁石の参照半
径 17 mm における高調波成分(誤差磁場)を示す。上下の図Multipole-coefficientsan, units

73

2

0.2

1

0.1

0

0

-1

-0.1

-2

-0.2

Multipole coefficientsbn, units

a3

a4

a6

a5

2

0.2

1

0.1

0

0

-1

-0.1

-2

a7

a8

a9

a10

b7

b8

b9

b10

-0.2
b3

b4

b5

b6

図 9 MQXA 磁石の磁場特性：高調波成分

4.

コミッショニングでのトラブル

験において，8L(LHC 中心から見て Point 8：LHC-B 実験の左側)に設置された Inner Triplet クライオスタット内の

MQXA 磁石は，高エネ研での励磁試験に合格すると東芝

超流動ヘリウム熱交換器の一部が座屈，破断するトラブル

へ一旦返送され，出荷準備を経て Fermilab へ輸送された。

が発生した。Fermilab において純銅製コルゲート管の端部

Fermilab でのクライオスタット組立後，磁石はようやくにステンレスフランジをロウ付けした際に，接合部以外の

CERN に輸送され，2006 年からは，いよいよ LHC トンネ

広い範囲がバーナーで炙られてアニールされてしまい，純ルへの設置作業が始まった。LHC トンネル内に設置された，銅の機械強度が急激に低下したことが主な原因だった。

Inner Triplet クライオスタットの写真を図 10 に示す。

Fermilab と CERN は協力して設計を見直し，強度を増すた
めに厚さやピッチを変更した純銅製コルゲート管を新規製作し，またフランジとの接合には電子ビーム溶接とロウ付けを組み合わせる方法を採用して，新しくすべての熱交換器を作り直した。事前の単独での圧力試験では，熱交換器の外側から水圧を掛けて，八十数気圧まで破壊されないことを確認した。トラブル発生時点で既に LHC トンネル内への Inner Triplet の設置は完了していたため，新しい熱交換器への交換作業はすべてトンネル内で行った。交換作業は無事終了し，全体のコミッショニングスケジュールにも大きな遅れが出ないだろうと，この時点では予想された。
ところが， 2007 年 3 月末に 5L(LHC 中心から見てPoint 5：CMS 実験の左側)の Inner Triplet において，熱交
図 10 LHC トンネルに設置された Inner Triplet

換器を交換してから初めての圧力試験を行ったところ，20

写真右奥がビーム衝突点

気圧まで加圧した際に，大きな破裂音とともに Q1 と Q2 のLHC 加速器は，8 セクターから構成されており，磁石の接続ベローズが破断してしまった。事故直後の観察では，冷却，励磁の際は，それぞれのセクターが独立に運転され圧力上昇とともに磁石に長手方向へ荷重が掛かり，クライ

る。2006 年 11 月末からは，セクター 7 − 8 に含まれるすべ

オスタットから磁石を支持する『スパイダー』と呼ばれるての超伝導磁石に対して，LHC 加速器としても初めてのハ

GFRP 製部品が耐えきれず破断され，最終的に磁石がードウェアコミッショニングが始まった。通常，超伝導磁10 cm 以上も動いたためと判った。ただし，上記の熱交換

石や冷却配管は，溶接箇所の安全性を確認するため，初め器には異常はなかった。その後の詳細な調査の結果，磁石ての冷却の前に必ず圧力試験を行う。しかし，その圧力試に接続された冷却配管と超流動ヘリウム熱交換器容器の構

74
造上，もともと磁石の前後方向への荷重は不平衡で，定格題だったのは，コールドリークだった。磁石や冷却配管はの圧力試験を行うとスパイダーは確実に破断することが判

溶接接合されているが，常温では見つからなくても，極低明した。このことは Fermilab の設計に本質的な問題があっ温になって初めて漏れ（コールドリーク）が生じる場合がたこと を意 味 し，関 係者 に 大きな ショ ッ クを与 えた。

あった。溶接の施工や常温でのリーク検査を適切に行った

Fermilab では Director General が自ら陣頭指揮を執って，としても，溶接箇所は何千ヵ所にものぼり，完全にリーク問題の解決のためにあらゆる努力を惜しまないことを宣言を防ぐことは難しい。一旦コールドリークが見つかり，修し，実行した。Fermilab のホームページではトラブルの責理するとなると，セクター全体の磁石を室温に戻す必要が任を認め，調査結果はもちろんのこと，改修案の説明やそ生じ，月単位でスケジュールが遅延することになってしまの後の経過についても，きちんと報告された。

う。最初に述べた様に，『周長 27 km に渡り 34000 トンを

LHC トンネルに既に設置された 8 セットの Inner Triplet

1.9 K に冷却する』ことが如何に難しいことか，実感した。

を地上部に移動して修理することは，実験開始スケジュー
ルの大幅な遅延を意味した。このため，事故発生直後から，

5.

MQXA 磁石の励磁成功

どうにかしてトンネル内に磁石を置いたままで改修できな
いか，Fermilab と CERN は協力してあらゆる方法を検討し2008 年 4 月，Low-Beta Insertion System の初めての励磁た。事故から 1 ヶ月後には CERN 内外から専門家を招いて試験が行われた。今回初めて励磁が行われたのは図 1 に示

公式なレビューを開き，事故の原因調査や再発防止，今後された概略図において 5R，つまり CMS 実験装置の右側にの改修方法について協議した。その結果，新たに『カートあるシステムである。

リッジ』方式と呼ばれる支持構造を採用することが決まっ

図 11 は Inner Triplet の電源接続図およびクエンチ検出のた。『カートリッジ』は，アルミパイプの内側にインバーための電圧信号を示したものである。すべての磁石は直列棒を挿入して片端で機械接続した構造になっていて，アルに接続されているが，Fermilab が開発した MQXB の定格

ミパイプのもう片方の端部を磁石端部と，インバー棒の片運転電流は 12000 A であり，KEK 開発の MQXA とは運転

端を真空容器フランジ面と固定する。こうすることで，冷電流が異なる。そのため，電流供給部は三つの電源から構却に伴う磁石の長手方向の熱収縮も考慮しつつ，真空容器成される。すべての磁石と直列接続されている電源 RQX

フランジ面から直接磁石端部を固定することができる。

によって MQXA の定格運転電流が供給され，MQXB の定

まず地上部において，スペアの Inner Triplet にカートリ

格運転に足りない電流(約 4600 A )は電源 RTQX2 によってッジを取付けて荷重試験を行い，基本的なコンセプトや機供給される。電源 RTQX1 は，トリム電源と呼ばれ，衝突器の状態に問題がないことを確認した。次にトンネル 8R

点側の Q1(MQXA)にのみ ±550 A のトリム電流を供給する。

の Inner Triplet にカートリッジを取付け，本番同様の圧力試験を行った。試験は成功し，関係者はようやく安堵することができた。これが 7 月中旬で，3 月の事故発生から如何に素早くアクションを起こして問題を解決したかが判る。
引き続き，他の Inner Triplet についても同様の改修が施され，9 月中旬にはすべての改修を完了した。
筆者は熱交換器とスパイダーの両方の改修に参加したが，起こってしまったトラブルはトラブルとして，情報をオー
プンにしながら，如何に問題に対して冷静に対処し，迅速に行動することが大切なのか，学ぶことが出来た。Fermilabと CERN の協力体制も見事だったが，特に感心したのは，それぞれの研究所にいる構造解析や機械設計のプロフェッ
ショナルたちで，限られた時間の中で適切な解析結果や改修案を出してみせた。翻って KEK を顧みると、安全面から最重要であるにもかかわらず、この分野の専門家は充分とはいえない。

図 11 電源接続図およびクエンチ検出用電圧信号
基本的なクエンチ検出はバランス信号 Vb1，Vb2，Vb3
によって行われる。これら電圧が 0.1V 以上になると磁石がさて，このように Inner Triplet はトラブル続きだったが，クエンチしたと見なされ，磁石に取付けられているクエン

LHC 加速器の大部分を占めるアーク部に目を向けても，初チ保護ヒータが作動する。その他，クエンチ検出システム

期のコミッショニングは一筋縄にはいかなかった。特に問の冗長性を確保するため，各磁石の全電圧 Vt1，Vt2，Vt3

75
が 5 V 以上になった場合にも磁石クエンチが発生したと見るとクエンチと判定されるため，電源立ち上げ時に遮断回なされる。これはビーム起因によって磁石が均一にクエン路およびクエンチ保護が作動してしまうという問題が生じチした状況を想定したもので，すべてのシステムが完成した。電流制御の回路上の問題ではないかと推測されたが，た後で追加された機能である。

明確な理由は特定できなかった。また，この時点では少な

前述のように複雑な電源構成のため，実際のコミッショ

くとも RQX と RTQX2 の 2 台の電源は同時運転が可能でニングにおける電流励磁は慎重に行う必要がある。図 12 に

RTQX1 は微調整のためのトリム電源であったため，あり，

Insertion System の通電試験プランを示す。この手順は大き当面は RTQX2 と RQX のみでコミッショニングを進める

く四つに分けられる。まずシステムのインターロックをチこととした。

ェックする PIC 試験(Power converter Interlock Control)，

二つ目の問題は電源と磁石をつなぐ常伝導ブスバーでの電源に よ る 電 流 制御 の 可 否 を チ ェ ッ ク す る PCC 試験

電圧降下である。磁石クエンチ以外の何らかの原因によっ(Power converter Control Check)，電流通電と遮断またはて電源が遮断されると，電流通電部は短絡状態になり，フスローダウンを繰り返す PLI 試験(Power converter cur-

リーホイールダイオード(FWD)と常伝導ブスバー部でのrent(I) Loop)，最後に電流を定格値まで上げる PNO 試験

電圧降下によって電流値はゆっくりと減少する。ところが(Power converter Nominal Operation)である。これらにつ電流値が約 3000 A 以上になるとブスバーでの電圧が増加

いて，三つの電流源を様々に組み合わせて上記試験を行うすることによって，磁石全電圧Vt が 5 V 以上になってしまため，一つのシステムに対するコミッショニングとしては，

い，意図しないにもかかわらずクエンチ保護ヒータが動作

試験項目の数は LHC の他の磁石と比較しても多い。しかししてしまうことがコミッショニング中に判明した。冷却シ

実際には以下に述べる問題のために，いくつかの試験を今ステムへの過大な負荷や，電源遮断の度にクエンチ保護ヒ

回はスキップした。

ータが繰り返し使用される状況は好ましくない。クエンチ検出からは電圧閾値をむやみに上げることは出来ないため，
最適な閾値の検討は後日とし，今回のコミッショニングでは 3000 A 以上の電流値における電源遮断試験はすべてス
キップされた。
以下，時系列でコミッショニングの様子を説明する。最初の試験 PIC1 は 2008 年 4 月 9 日から開始された。この試
験は電源と磁石システムを接続せずに，電源をチェックモードで立ち上げてインターロック信号の入出力のみチェッ
クするものである。ソフトウェア上のロジックにいくつかの不備があったため，3 日間の試験期間を要した。

PIC1 の後，電流リードの接続作業が行われ，LHC における Insertion System の最初の通電試験 PCC1 は 4 月 15 日から開始された。まずは電源接続の最内側のループとなる

RTQX2 の電流源のみで試験が行われ，150 A までの通電と遮断試験に引き続いて， 420 A までの励磁を行った。その後 150 ⇔ 420 A と電流値を繰り返し変化させ，モニターしている電圧値が正常であることを確認した。電流源を RQXへと接続変更，PCC1 と同様の試験 PCC2 が 4 月 17 日に，

RQX と RTQX2 を接続して行われる PCC3 が 4 月 22 日に
図 12 Inner Triplet の通電試験プラン
上 RTQX2，下 RQX

一つ目の問題は RTQX1 の電流通電開始時に生じる電圧スパイクである。これは三つの電源を同時に動作させる試験 PCC4 を行う際に判明したことであるが，RTQX1 の電流が流れ始める際に，クエンチ検出のために測定している
磁石全電圧信号に数ボルトの電圧が発生する現象が観測された。前述のように全電圧信号に 5 V 以上の電圧が発生す行われ，両方とも問題なくクリアした。実は 4 月 18 日から20 日にかけて，冷凍機コンプレッサーが 2 度トリップし，磁石温度が上昇するというトラブルがあった。しかし，週末にもかかわらず冷却グループが迅速に対応したおかげで，一日程の遅れで温度を回復することができた。

4 月 22 日の夕方に行われた PCC4 においては，前述のRTQX1 の問題が明らかになり，4 月 23 日の午後まで原因究明がなされたが，結局今回はスキップすることとなった。

76
4 月 23 日の夕方には PIC2 が行われた。この試験の主な帰国間際で何とか通電成功のシャンパンを味わうことがで目的は通電時におけるクエンチ保護ヒータとその他インタ

きた。LHC という大プロジェクトにおいて，コミッショニーロック信号入出力の確認である。冷却システムへの余分

ングにおける組織運営や，多くの優秀なスタッフが様々なな負荷を減らすことで通電試験を円滑に進めるため，クエ問題を対処していく様子を直接現場で見聞し，とても貴重

ンチ保 護ヒ ー タによ って 磁 石がク エン チ しない 電流値

な経験をさせていただいた。

(RQX： 150 A ，RTQX2： 100 A )でテストが行われ，問題がないことを確認した。その次に行われたのは PLI-RQXである。PLI-RTQX2 については，インターロック動作についてはすでに確認済みであり，磁石に 1000 A 以上通電するという観点からは PLI-RQX とほぼ同等なため，スキッ
プされている。この PLI-RQX においては 3050 A までの通電およびスローダウンで問題がないことが 4 月 24 日の午前中に確認された。

PLI-RQX+RTQX2 は 4 月 24 日の午後に行われた。
RQX ・ RTQX2 の電流値がそれぞれ 415 A i 350 A, 1500 A
i 1000 A の組み合わせで遮断試験，3050 A i 2000 A において
スローダウン試験が行われた後，中央制御室からクエンチ
保護ヒータへの放電リクエストが正しく出力されているかどうかを調べる試験が行われた。余計なクエンチは起こさ

図 13 初めて定格電流まで通電した時の電流プロファイル

ないように，実際には技術者が放電回路への信号をトンネ

上 RTQX2，下 RQXル内でブロックし，放電リクエストが出力されたかどうかのみを確認した。

4 月 24 日夕方，今回の通電試験でもっとも重要となる定格運転電流までの通電が行われた。この Insertion System
における 7 TeV での定格運転電流は MQXA が 6778 A,

MQXB が 11315 A であったが，今回の目標値はそれを若干上回る 6800 A と 11400 A にした。図 13 に，この励磁試験の
電流プロファイルを示す。現地時間 4 月 24 日 19 時 50 分に，いったん RQX： 150 A, RTQX2： 100 A まで上げた後，同19 時 53 分に目標電流までの励磁を両電源同時に指示，同20 時 12 分に RTQX2 に若干遅れて RQX が目標電流まで無事到達し，中央制御室で様子を見守っていた関係者の間で拍手が起った(図 14)。その後約 10 分間電流を保持してから，スローダウンしている様子が図 13 にプロットされている。この成功に引き続き，同 20 時 53 分から再度目標電流

図 14 CCC(CERN Control Centre)で定格通電を祝う
スタッフ

値まで通電，10 分間の保持の後，クエンチ保護ヒータを用
いて磁石をクエンチさせた。クエンチ時の信号解析の結果，今回のコミッショニングには KEK と Fermilab から関係問題となるような異常信号はなく，磁石システムが安全に者が参加したが，中でも Sandor Feher 氏は 1 年半以上前か保護されていることが確認された。翌日 4 月 25 日の朝，確ら CERN に常駐し，コミッショニングを成功させるために認のためもう一度目標電流まで励磁，約 1 時間保持して各様々な尽力をしてきた。特に最終段階にあたる通電試験で部の温度などに問題がないことを確認し，5R の Insertion

は正に陣頭指揮を執られ，帰国日が刻一刻と近づいている

System における今回の通電試験は終了した。

一部関係者（筆者を含む）のために，他のコミッショニン

今回，KEK が開発した磁石の LHC での初励磁という大ググループとスケジュールについて協議・折衝し，機器のきなマイルストーンに筆者(佐々木)が立ち会うことが出来不具合などにもかかわらず，なんとかタイムリミットであたのは，かなり幸運であったと思う。2008 年 3 月の出張でる 4 月 25 日までに定格通電試験まで漕ぎ着けていただいた。

は様々な要因によりスケジュールが遅れ，2 度目の出張のこの場を借りて感謝の意を表したい。

77

6.

おわりに

マイナートラブルは相変らずだが，LHC 加速器のハード
ウェアコミッショニングは順調に進行している。この原稿を書いている 2008 年 8 月現在，すべての超伝導磁石が 4.5 K
以下にまで冷却されており，各部での通電試験の完了を急いでいる。また，8 月 8 日には初めてのビームがセクター
2 − 3 に入射されて，いよいよ LHC のビームコミッショニングも開始された。今秋に予定されている最初のビーム衝突が待ち遠しい。

文献[1] Y. Ajima et al., “The MQXA Quadrupoles for the LHC
Low-Beta Insertions,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A550, 499-513, 2005
[2] 寺島昭男ら, “LHC ビーム衝突点用・超伝導四極磁石の基礎開発,” KEK Report 2001-23, 2002
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LHC ビーム最終収束超伝導四極磁石(MQXA)の開発においては，関係諸機関ならびに多くの方々に御支援，御協力をいただきました。心から感謝申し上げます。
本プロジェクトには，以下のスタッフ，学生が参加しました(順不同)。
新冨孝和，山本明，土屋清澄，大内徳人，荻津透，

木村誠宏，中本建志，佐々木憲一，寺島昭男，安島泰雄，
東憲男，菅原繁勝，田中賢一，大畠洋克，飯田昌久，

平野裕之，杉田圭