Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, Japan

PASJ2019 FRPH038

SuperKEKB Phase-2・3 ビーム運転での最終集束用超伝導電磁石のクエンチについて
QUENCHES OF THE FINAL FOCUS SUPERCONDUCTING MAGNETS IN THE
SuperKEKB PHASE-2 AND PHASE-3 BEAM OPERATIONS大内徳人#, A), 王旭東 A), 有本靖 A), 植木竜一 A), 川井正徳 A), 宗占國 A), 山岡広 A), 土屋清澄 A), 中村衆 A),
大木俊征 A), 青木香苗 A)
Norihito Ohuchi #, A), Xudong WangA), Yasushi ArimotoA), Ryuichi UekiA), Masanori KawaiA), Zhanguo Zong A),
Hiroshi YamaokaA), Kiyosumi TsuchiyaA), Shu NakamuraA), Toshiyuki OkiA), Kanae AokiA)
A)
KEKAbstract
The beam final focus system (QCS) was installed in the interaction region of SuperKEKB in March 2017. SuperKEKB
with QCS was operated from 19th March, 2018, and the 4-month-operation was performed twice as the Phase-2 and Phase3 commissioning. During the operations, the superconducting magnets in QCS were quenched 28 times by beams, and 4
times by the power converter troubles. In this paper, these quench events are described.

1.

はじめにSuperKEKB[1]は、ルミノシテ イー（L）8×1035 cm-2s-1 を設計値とした電子リング（7 GeV: HER）と陽電子リング（4GeV: LER）からなる衝突型加速器である。SuperKEKBの設計 L は KEKB の到達最高 L の 40 倍となる。この値を達成する為に筑波実験室衝突点（IP）での縦方向ビームサイズを KEKB の 1/20 である 50 nm まで絞り込み、ビーム電流値を KEKB の 2 倍となる電子 2.6 A、陽電子3.6 A まで増加する。IP でのビームサイズは、IP 直近に設置された超伝導電磁石システム（QCS）[2]により達成される。QCS は、8 台の超伝導 4 極電磁石、43 台の超伝導補正電磁石、4 台の超伝導ソレノイドから構成され、過冷却された液体ヘリウム（4.5 K、0.16 MPa）で冷却されビーム衝突に必要な磁場を発生する。IP に QCS を建設
後、SuperKEKB は Phase-2 コミッショニング[3]として 2018
年 3 月 19 日～7 月 17 日にビーム運転を行い、電子・陽電子ビームの衝突、QCS によるビームの集束、L 調整運転を行った。Phase-3 コミッショニング[4]は 2019 年 3 月
11 日～7 月 1 日の期間行われ、衝突点でのビームサイズを設計値の 7 倍（βy*=2 mm）まで絞り込むことに成功している。この間、ビーム電流値の増加、L 調整運転を行い、到達最高 L は KEKB 加速器の設計値である 1×1034cm-2s-1 を超え、1.23×1034 cm-2s-1 まで到達した。
Phase-2 及び Phase-3 の運転期間に超伝導電磁石システムは、総数で 32 回の超伝導電磁石クエンチを経験した。本報告では、QCS 超伝導電磁石構成の説明を行い、超伝導電磁石クエンチ時の超伝導コイル内常伝導部発生とビーム運転との関連について報告する。

2.

（QCS-R）には 30 台の超伝導電磁石が組込まれている。
図１[5]には、各ビームラインに配置された超伝導電磁石が示されている。図中、QC1 及び QC2 がビームの集束・発散の機能を持つ超伝導 4 極電磁石で、磁石名にある
L/R は IP 左側/右側に設置された電磁石を示し、P/E は陽電子/電子ビーム用の電磁石である。また、素粒子検出器 Belle-II 超伝導ソレノイド[6，7]が発生する 1.5 T の磁場を積分的にキャンセルする超伝導補償ソレノイドはES で示されている。ESL/ESR1 ソレノイドボアー内には14 台/22 台の超伝導電磁石が組込まれている。
QCS-R クライオスタットの水平・垂直断面を図 2 に示した。水平断面から、ビームラインに沿って設置された超伝導 4 極電磁石には、ビーム進行方向の同じ位置に 4台～5 台の超伝導補正磁石が配置されている。垂直断面は、水平断面図の M 位置と J 位置のクライオスタット断面を示している。M 位置では QC1RP ボアー内に 3 台の超伝導補正電磁石（B1, A1, A2）と QC1RP 外周部に 2台の超伝導補正電磁石（B3, B4）が配置されている。また、同じ断面位置で HER ビームラインには、QC1RP から漏れてくる磁場をキャンセルする為の超伝導補正磁石（B3,B4, B5, B6）が配置されている。ESR1 補償ソレノイドは、これら加速器用超伝導電磁石をボアー内に固定する状態でクライオスタットに組込まれている。J 位置では、ビーム最終集束用超伝導電磁石（QCS）

SuperKEKB ビーム最終集束システムは、55 台の超伝導電磁石から構成されている。IP を挟んで左側のクライオスタット（QCS-L）には 25 台、右側のクライオスタット___________________________________________# norihito.ohuchi@kek.jp- 987 -Figure 1: Final focus superconducting magnet system.

Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, JapanPASJ2019 FRPH038

Figure 3: Number of quenches in Phase-2 and -3.

Figure 2: Cross sections of the QCS-R cryostat.

Figure 4: Types of quenched magnets in Phase-2 and -3.

QC2RE とそのボアー内に補正磁石４台が HER ビームラインに配置してあり、この外周部に補償ソレノイド ESR2が取付けられている。LER ビームライン用補償ソレノイド
ESR3 は単独でビームライン上に設置されている。

3.

超伝導電磁石のクエンチ

3.1

SuperKEKB ビーム運転と超伝導電磁石クエンチ

図 1 と 2 に示すように超伝導 4 極電磁石と補正電磁石はビームラインのほぼ同じ位置に多層配置されているため、ビームによるクエンチの場合、ほぼ同じタイミングで複数台の電磁石のコイル内で常伝導部分の発生が観測されている。この様なクエンチの事例を１回とした場合、QCS 超伝導電磁石システムは Phase-2 と Phase-3 コミッショニング運転時に各々27 回と 6 回のクエンチを経験している。
図 3 には、2018 年 3 月 19 日の Phase-2 運転開始か
Figure 5: SuperKEKB beam operation in Phase-2 and -3.
ら 2019 年 Phase-3 運転終了までの１週間単位のクエンチの発生件数を示している。2018 年 4 月第 2 週には 11回のクエンチが発生した。このクエンチは、殆どがビーム入射中に発生している。図 4 には、クエンチした電磁石のタイプと台数を示した。4 月第 2 週には、超伝導から常伝導への転移が観測された電磁石は 15 台であった。また、クエンチした電磁石は超伝導 4 極電磁石内部に配置した補正磁石が多く 13 台となっている。これに対し、
2018 年 4 月 23 日から SuperKEKB 主リングに設置のコリメータ調整を行うことにより、クエンチの発生件数を大きく低減することができた。図 5 に Phase-2 の運転開始から Figure 6: Position of number of the quenched magnets inの LER/HER のビーム電流、ビームパイプ内真空状態、 Phase-2 and -3.
ルミノシテイー等を示した。コリメータの調整を開始するま
では、QCS システムを SuperKEKB に導入後の初めての ムアボート発報の閾値を厳しくすることにより、ビーム異運転であることから、ビーム入射調整、蓄積ビーム調整 常時にビームが超伝導電磁石をクエンチさせる前にビーの試験的な運転時期でもあった。また、Belle-II 検出器 ムアボートすることが可能となり、5 月第 5 週から 6 月第 4への放射線ノイズを検知するダイヤモンドセンサーの信 週までクエンチの発生を抑えることが出来た。
2018 年 6 月 25 日に LER のビーム衝突点上流に設号をビームアボートシステムのトリガー信号として導入し置された垂直方向コリメータが損傷[8]を受けた。この時、たほか、加速器リングに設置のロスモニターによるビー- 988 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, Japan

PASJ2019 FRPH038

QC1RP 及び QC1RP 内の B1 補正電磁石がクエンチした
他、IP を抜けたビームにより QC1LP がクエンチした。このコリメータ損傷後、QCS-L 側のクライオスタット先端側に配置されている QC1LP からの漏れ磁場を消去する補正電磁石（B3, B4, B5, B6）がクエンチする事例が 3 件発生し、その結果、図 4 に示すようにクエンチした電磁石台数を増やす結果になった。
以上報告してきたクエンチは、ビームによるクエンチであるが、7 月に入ってからの気温の上昇に伴い超伝導電磁石電源には厳しい運転状態となった。ビーム運転最終日の 7 月 16 日には、QCS-L 補償ソレノイド ESL 電源異常により通電電流遮断を行った。この電源異常は、ESL 電源制御基板と PLC モジュール間の通信が不通となったことが原因している。ESL の電源遮断に伴い、
QCS-L 側の全ての超伝導電磁石電源が遮断となり、冷却システムの復旧及び超伝導電磁石の再励磁が完了するまでに 4 時間 10 分要した。これを機に、QCS 電源には専用の空調が完備され、Phase-3 から運用された。
Phase-3 では、運転開始からコリメータの位置調整が十分行われビームが原因のクエンチは 3 件であった。この期間のクエンチの件数は総数 6 件であるが、他の 3 件はQC2LE 電源の IPM 回路異常が原因で電源本体が電流遮断を行った。2019 年 6 月 9 日に発生したコリメータ損傷を伴うクエンチでは、QC1RP、QC1LP、ESR1、QC1RP
漏れ磁場キャンセル電磁石（B3, B4, B5, B6）に常伝導部分が発生し、これらの電源の電流遮断となった。ESR1 のクエンチにより QCS-R 側の全超伝導電磁石の電源が遮断となり、冷却システムの不具合も併発し、再励磁までに60 時間を要した。
図 6 にはビームが原因でクエンチした電磁石の位置と回数を示している。クエンチした電磁石は、IP に近いQC1 とその補正電磁石に集中した。また、IP への入射ビームラインの超伝導電磁石のクエンチの比率が高い。
3.2

QCS 超伝導電磁石のクエンチ対策

Phase-2 での Belle－II ノイズ・QCS クエンチの経験から、Phase-3 ではコリメータの増強（LER4 台、HER1 台）を行った。その内、LER に組込んだ 1 台は QCS のクエンチ対策として組込まれた[9]。ダイヤモンドセンサー信号によるアボートトリガー調整も最適化がなされた。また、クエンチ時の超伝導コイル内の常伝導部発生及びクエンチに至る詳細な観測を行う為、超伝導コイルの電圧測定ロガーを更新し、サンプリング速度を 10 μ 秒から 1 μ 秒とした。更にリング全体に設置のビームロスモニター、ビーム位置モニター信号との関連を付ける為にアボートキッカーのトリガー信号をロガー信号として取り込んだ。図７に、2019 年 6 月 9 日に発生した QCS クエンチ時の超伝導コイル電圧波形を示した。図の横軸は経過時間、縦軸はコイル電圧と電流値（QC1RP）が示されている。各電磁石信号の同期をとる為に、アボートキッカーのトリガー信号が示されている。アボートキッカーのトリガー信号は、ロスモニター信号が閾値を越え発報された。QC1RP にはアボートトリガーの前に前駆的な電圧信号が観測され、その結果、QC1RP 電源は電流値を下げる動作に入っている。また、アボートトリガー後に 4 極電磁石を構成する4 つの超伝導コイルに電圧が発生し、更に電流減衰による逆方向の電圧がその電圧に重畳していることが分かる。

ESR1 と QC1LP の 2 個のコイルには常伝導部による抵抗電圧が発生し、これらの電磁石は電流遮断処置を行った。今後、Phase-3 で測定されたビームによるクエンチの詳細な解析を進め、これからのビーム運転でのクエンチの対策を検討する予定である。

Figure 7: Coil voltages of QC1RP, ESR1 and QC1LP at
June 9th, 2019.

４.

まとめ

SuperKEKB は、ビーム最終集束用超伝導電磁石システムを組込み、2018 年 3 月～2019 年 7 月の期間、Phase2/3 コミッショニングを行った。その結果、ルミノシテイーを1.23×1034cm-2s-1 まで上げることに成功した。この間、超伝導電磁石は 32 回のクエンチ（28 回：ビーム）を経験した。Phase-3 では、Phase-2 の運転からクエンチの対策、測定器システムの改善がなされた。クエンチの詳細な解析は、これから進められるが、その結果は今後の運転に活用されることになる。

参考文献[1] K. Akai and H. Koiso, Proc. of the 8th Annual Meeting ofPASJ, Tsukuba, Japan, Aug. 1-3, 2011，pp. 5-9.
[2] N. Ohuchi et al., Proc. of IPAC’18 Vancouver, BC, Canada,May 2018, pp. 1215-1219.
[3] Y. Ohnishi, Proc. of the 15th Annual Meeting of PASJ,Nagaoka, Japan, Aug. 7-9, 2018，pp. 1-6.
[4] Y. Ohnishi, FSPH008, presented at the 16th Annual Meetingof PASJ, Kyoto, Japan, Jul. 31-Aug. 3, 2019.
[5] N. Ohuchi, 加速器 15，pp. 253-262 （2019）.
[6] Belle II Technical Design Report;
https://arxiv.org /abs/1011.0352.

[7] Y. Makida et al., Advances in Cryogenic Engineering, Vol.
43A, 1998, pp. 221-228.
[8] T. Ishibashi et al., Proc. of the 15th Annual Meeting of PASJ,Nagaoka, Japan, Aug. 7-10, 2018, pp.1167-1171.
[9] S. Terui et al., FRPH016 presented at the 16th Annual
Meeting of PASJ, Kyoto, Japan, Jul. 31-Aug. 3, 2019.

- 989 -