Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[12P-49]

The 324MHz-DTL Focusing Magnets for the KEK/JAERI Joint Project
Kazuo YOSHINO*), Eiichi TAKASAKI, Fujio NAITO, Takao KATO, Yoshishige YAMAZAKI
Keisuke TAJIRIA), Tosihiro KAWASUMIA), Yasuhisa IMOTOA), and Zensaburo KABEYAA)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, 305, JAPANA)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd, Nagoya Aerospace Systems
10 Oye-cho, Minato-ku, Nagoya-shi, Aichi-ken, 455-8515, JAPANABSTRACT
The quadrupole magnets with a hollow coil made by the improved electroforming method have been developed.
They will be installed in the each drift tube of the DTL ( 324 MHz ) for the KEK/JAERI Joint Project for high-intensity
proton accelerator facility. The properties of the model magnet have been measued. The results of the measurement areconsistent with the estimated values calculated using the computer code. In this paper, we describe the measured resultsof the model magnet and the specifications of all the Q-magnet.

KEK/JAERI 統合計画 における 324MHz-DTL 用収束電磁石
１． はじめにKEK と JAERI による大強度陽子加速器の為の統合計画において、共振周波数が３２４ＭＨｚのアルバレ型加速空洞（ＤＴＬ）のドリフトチューブ（ＤＴ）用収束電磁石を開発した。本磁石に求められた機能として、（１）収束力が可変な電磁石にする事。
表１

磁石、電鋳コイル及びＤＴの各特性値

測定値
磁極内径（ボア直径）［ｍｍ］ １５．６
磁極軸長［ｍｍ］ ３３．０
定格磁場強度（Ｇｑ×Ｌｑ）［Ｔ］
４．１
実効長（Ｌｑ）［ｍｍ］ ３９．２
鉄心材料（ケイ素鋼板を主に０．５mm厚使用）
ヨーク外周直径［ｍｍ］ φ１１５
コイル外寸（軸垂直方向）［ｍｍ］ ５×５．５
軸方向水路断面寸法［ｍｍ］ φ３．３
軸垂直方向水路断面寸法 ［ｍｍ］ ３×３．５
コイル巻数［Ｔｕｒｎ／Ｐｏｌｅ］
３．５
コイル全長（計算値）［ｍ］ ３６．２
定格励磁電流（パルス）［Ａ］ ７８０
電流密度［Ａ／ｍｍ２］ ３４．９インダクタンスＬ［μＨ］ １８電圧［Ｖ］
１．８抵抗［ｍΩ］
２．３
電力
［ｋＷ］
１．４
冷却水量
［Ｌ／ｍｉｎ］
１．０
水温上昇
［℃］
３．０
１．８
圧力損失
［ｋｇ／ｃｍ２］
ドリフトチューブ外周直径［ｍｍ］ φ１４０
ドリフトチューブ内周直径［ｍｍ］ φ１３
ドリフトチューブ軸長［ｍｍ］ ５２．５（２）従来(200MHz)より小さな（DT とそれを保持するステム）空間内に磁石及びコイルを封入する事。
（３）ビームに対して十分大きなボア径と高磁場を確保する事。
（４）十分な冷却能力を確保して、DTの熱変形を最小にする事、等があった。これらに対応する為、厚肉電鋳と機械加工によるホローコイル（１）（電鋳製コイル；前回の研究会にて発表）の開発や、パルス励磁の選択、材質や形状の十分な検討等を行った。本稿では、既に開発した入射エネルギー（3MeV）用の磁石及びＤＴの特性及び、現在製作中の全磁石の仕様等について記述する。

図１−273−

ＤＴ用冷却水ジャケットで焼ばめ後の写真

２．入射エネルギー（3MeV）用の磁石及びＤＴの特性入射エネルギー（3MeV）用の磁石及びＤＴについて、実機と同じ仕様にて開発した。表１に、その特性値を、図１に磁石の写真を示す。パルス励磁は、繰り返し５０Ｈｚで、フラットトップ２ｍｓとし、立上がり及び立ち下がり部は、うず電流による効果を少なくするために、ゆっくり（５ｍｓ）と行う。
コイルの流量（図２）に関しては、定格の１ L/min（2m/s）は圧損２ Kg/cm ２程度で確保できており、負荷が多くなったり、長尺モデルのコイルで圧力損失が大きくなっても対応できる程度の余裕がある。
磁場特性に関しては、ホール素子で測定した磁場強度と３次元の磁場解析結果を図３に示す。高励磁領域で解析結果より若干（約２％）低くなっているのは、ケイ素鋼板間の絶縁材部分相当の、コア体積が少なくなっている為で、予想していた現象である。又、回転コイルで測定した磁場中心における多極成分（図４）は、四極成分に比べ0.11%以下となっており、十分小さい事が確認できた。 ４極磁
場中心と（ポール先端間の）機械中心のずれも４μｍ程度と僅かであった。
コイルの水温については、磁石を組込んだＤＴを、ＤＴＬタンク内に取付け、真空中での励磁電流との関係を測定した（図５；高周波発熱は無し）。コ
イルの定格流量(1 L/min)、定格磁場(780A)では３℃の上昇にとどまっており、問題無い事が確認できた。ＤＴ流量差による水温の違いは、熱負荷が小さ

100

Measured data

65432Amplitude (r=6.5 mm)

Pressure drop [kg/cm2 ]

7

100.0
図２

mesured data;(DC current=179.9A);(GL=0.60456 T)

10- 110- 210- 310- 410- 500.5
1.0
1.52.0Water flow in coil [liter/min]
電鋳コイルの流量と圧力損失の関係

図４123 45 6Harmonics number n(quadrupole;n=2)78回転コイル中心が磁場中心の場合の（半径6.5mmの位置における）各成分の振幅比

120
5.0

80
6040(Analyzed data)(Measured data)

200

水温差ΔT [℃]Gy(x=2) [T/m]

100
4.0
3.0
2.0
1.00.00200 400 600 800 1000
Excitation current [A]

図３ 励磁電流と磁束勾配（磁石中心付近）Ｇの関係（測定値と３次元解析MAFIAの値の比較）(Qmag:1L/min, DT:6L/min)(Qmag:1L/min, DT:2L/min)(Qmag:1.3L/min, DT:6L/min)

0200400600
800 1000
励磁電流[A];（DT真空中）

図５ 励磁電流（パルス励磁）とコイル水温上昇値の関係（ＤＴは真空中）

表２．全磁石１４９台の構成（断面形状A〜F に関しては図６を参照）

DTL tank No
Number of the DTs

177

244

328

DT outside diameter
Qmag outside diameter

[mm]
[mm]

140115

Qmag core length
DT bore diameter

[mm]
[mm]

3313351350
1376
13〜1880
1880
2290
2212526

Qmag bore diameter
Number of the magnets

[mm]

15.6
6

16171633

211212025125442928Type of the cross section form

AB

CDDEEF

51000

4800

3600
Excitation
Current [A]

21400
200

00図６50100Q-magnet No.

Excitation Current [A]|GL| [T]|GL| [T]0150

全磁石の定格要求磁場（絶対値）と励磁電流値（磁場飽和が無い場合の計算値）

くて見えていない。

Aのみ(25,10)
B〜Fは(26,10) (42,10) (44.09,9) R57.5

Yab c
(0,0)

R45

X

(45,0)(57.5,0)

aX,Yb
X,Yc
X,YA

7.58 , 4.01

9.83 , 2.81

10.63 , 2.81

B

8.69 , 3.68

11.31 , 2.63

12.62 , 2.63

C

9.62 , 3.33

11.73 , 2.57

13.18 , 2.57

D

11.48 , 4.80

14.72 , 3.52

16.00 , 3.52

E

13.68 , 5.71

17.13 , 4.2218.12 , 4.22

F14.19 , 7.41

18.68 , 5.15

19.64 , 5.15

図７

全磁石（Type A〜F)の断面形状（磁極先端は双曲線；mm）

３．全磁石の仕様
全磁石１４９台の構成を表２に示す。タンク毎の磁石数、ＤＴ外径･内径･軸長、必要な磁場強度等（図６）は、ビームダイナミクスから決めた値である（２）。
それらの値と開発した入射部磁石の仕様を基に全磁石の仕様を定めた。コアの断面形状は、２・３次元の磁場解析コード(POISSON,MAFIA)を使って決めた（図７）。又、コイルの断面形状は全て同一にしている。当初磁石軸長の種類数は、断面形状の種類数と同じ６種であったが、軸長だけを変えた２種類｛（Type D(80から76mm)とType E(90から80mm)のそれぞれ１台｝を、製作上の都合により増やしている。

分相当の、コア体積が少なくなっている為、解析結果より低くなっているが、予想の範囲内である。
２）
磁場中心における多極成分は、四極成分に比べ0.11%以下と十分小さく、 ４極磁場中心と機械中心のずれも４μｍ程度と僅かであった。
３）コイルの流量は、定格の１ L/min（2m/s）は圧損２Kg/cm２程度で確保できており、圧力損失が大きくなる長尺モデル等にも対応できる。
４）磁石を組込んだＤＴにおける、コイル水温の上昇幅は、コイルの定格流量、定格磁場では３℃の上昇にとどまっており、問題無かった。
５）全磁石の仕様を確定した。

４．結論
今回、324MHz の DTL 用収束電磁石を実機と同じ仕様で試作し、各特性を測定した。結論として、
１）磁場強度に関しては、ケイ素鋼板間の絶縁材部

参考文献（１）K. Yoshino et al., Proceedings of the 24thLiner Accelerator Meeting in Japan, 353 (1999).
（２）KEK Report 97-16 (1998) chapter 4.