The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

J-PARC 50GeV-MR 電磁石の実機１号機の磁場測定について
仁木和昭、江川一美、武藤正文、森義治、柳岡栄一

高エネルギー加速器研究機構 〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

概要
大強度陽子加速器計画（J-PARC）50GeV-MR の主電磁石の量産が始まっている。偏向電磁石と４重極電磁石については実機１号機が製作され、NMR やホール素子を用いた磁場測定が行われている。その結果 50GeV-MR の電磁石として必要な BL 積や GL 積がほぼ得られている。また磁場分布は設計のために用いた POISSON の磁場計算と良い一致を得ている。

1

磁場測定方法

実機１号機の磁場測定は偏向電磁石については NMR とホール素子を用いて行った。ホール素子は３軸駆動装置に取り付けて、電磁石開口部付近である磁石端部から軸方向に±70cm の領域の X-Y 平面上をマッピング測定した。
NMR ではビーム軌道中心に沿って磁石端部から 50cm、100cm、150cm、200cm、250cm と磁石の中心（端部からは292.5cm）の位置で測定した。またフリップフロップコイ
ルによる測定も始めている[1]。４極電磁石については
R&D 機は回転コイルによる測定を行ったが[2]、実機用の回転コイルは現在製作中[1]のため今はホール素子を用いたマッピング測定を行っている。

2

R&D 機と実機１号機

R&D 機の磁場測定の結果は[2]で述べているが、R&D 機と実機の構造上の大きな違いは偏向電磁石においては磁極端部の形状がロゴスキーカットであったものが単純な直角のまま（スロープカットなし）となっていること、そして側板を鉄から SUS に変えたことである[3]（図１）。４極電磁石においては R&D 機はボア直径が 126mmφの設計であったが、実機では 130mmφとなった。また R&D 機は磁極長がもっとも短い 86cm であったが、実機１号機は短い方から２番目の 126cm である。

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実機１号機の磁場測定結果

2.1偏向電磁石

図２に NMR で測定した偏向電磁石の Excitation Curve を示す。30GeV に相当する約 1600A 以上で飽和が起こっている こ とが 分 かる 。 飽和 の効 果は 2 次元 の 計算 コー ド
POISSON の計算でも十分考慮に入れていたが、電流 3015Aでの磁場は POISSON の計算結果 1.9T に対して、実測では約 0.3%小さい値となった。これは軸方向の飽和が磁極長約6m の長さがあっても効いてくるためであると考えられる。
図３に NMR で測定した軸方向の磁場分布を示す。縦軸は磁石の中心の磁場で規格化してある。横軸は磁石端部からの距離である。30GeV までは飽和があまり起きていないがそれをこえると急速に飽和が起きていることが分かる。BL積で 50GeV の仕様 1.9T×5.85m を満たしているかを見るた
め、磁石端部の磁場分布をホール素子で測定して NMR とのデータを繋いだのが図４である。漏れ磁場が磁極から50cm 以上のところまで延びている。リングで隣におかれる４極電磁石までの距離は約 80cm でそこでの漏れ磁場は約 50 ガウスほどになる。この軸方向の分布を全て積分す
ると BL 積は 11.236Tm となり 50GeV の要求仕様に対して1%のマージンとなる。これ以上は電源でのマージンを求めることになる。
(BM1625)(03-01-29)

250 GeV
1.848 GeV
45 GeV

1.640 GeV

1.230 GeV

B(T)

1.4

1Calculation (T)L=50 (cm)
L=100 (cm)
L=200 (cm)
L=292.5 (cm)

0.820 GeV

0.60.4500

10 GeV
1000

15002000I

図 1：偏向電磁石実機１号機

2500

3000

3500

(A)

図 2：偏向電磁石の Excitation Curve (NMR)

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(NMR + Hall element)(03-01-29)

20000

1.01(G)

15000

0.99
r568(10GeV)
r1103(20GeV)
r1633(30GeV)
r2210(40GeV)
r2599(45GeV)
r2886(48GeV)
r3015(50GeV)

0.98

0.97

0.96

I = 3015 A

CenterB

Ratio_B

1050

100

150

200

NMR (G)
Hall-1 (G)Hall-2 (G)

10000

5000

core edge

250

300

0-1000-500

0500

1000

1500

2000

2500

3000

Longitudinal Position (mm)Position (cm)

図 3：偏向電磁石の軸方向磁場分布 (NMR)±(x=700, z=0)(03- 02- 12)

900.1
B/ Bo (%) 30GeV
B/ Bo (%) 50GeV
B/ Bo (%) Calc. (30GeV)
B/ Bo (%) Calc. (50GeV)

0.0580

B/ Bo (%)

70060-0.05

3GeV
30GeV
40GeV50GeV
Rightangle :TOSCA 30
Rightangle :TOSCA 50

50-0.1- 80- 60- 40- 20
y0(mm)

2040608040- 100- 50050

次に横方向の分布を図５に示す。データは磁石端部から中に 70cm 入ったところをホール素子で測定した。同様の測定を 30cm と 0cm のところでも測定したが、30cm のデー
タは 70cm の場合と分布の形はほとんど同じであった。図から分かるように POISSON の計算結果と測定データは良く一致している。ビーム軌道の左が右に比べてわずかに持ち上がっているのは磁石が 3.75°の曲率をもって曲がっているため内側（図の左側）と外側（図の右側）で非対称になっているためと考えられる。図６は有効長の磁極端部からの伸び分の横方向依存性を示す。TOSCA はメッシュの関係で鉄芯長が 1.6m と短い磁石で計算したので絶対値は違っているが傾向は合っている。50GeV 励磁の場合でも軌道軸上と軌道から 8cm 離れたところでの有効長の違いは4mm 程度であった[3]。

2.2４極電磁石

図７は４極電磁石実機１号機である。まず磁極端部から63cm の軸方向中心位置と 30cm と 0cm の位置での横分布の測定を行った。軸方向中心の 50GeV（約 1500A）での結果を図８に示す。左の図は測定データ、右は POISSON での

図 7：４極電磁石実機１号機

100

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1500A (x=630, z=0/ measured)(Hall element)
2 10

50Gqm2103

1507A((03-02-04)

4/Poisson )20000

B (G )

4150004B

1 10B (G)(G )1.5 10y = m1*(x+0.008815)+m2*(x+0....
エラー
値
0.11443
1750.30.0001073-0.0024404
2.518e-08
7.9217e-07
1.6114e-12-1.4137e-10NA74.244R
1NA500010000

y = m1 * M0 + m2 * M0^ 5 + m...
値
エラ ーm11800.20.10662m2-0.0015339
0.00010175
m3
5.3559e-07
2.4425e-08-1.2928e-10m4
1.607e-12
カイ２乗
NA63.772R1NA5000

m1(4極)
m2(12極)m3(20極)m4(28極)
カイ２乗000246y810012246(cm )y (cm)

81012yX (cm)(cm)

図 8：４極電磁石の横方向磁場分布 （左）実機１号機測定結果（ホール素子）、（右）POISSON の計算結果

4まとめ(x=630mm, z=0mm)(03-02-04)

20(T/m )1510G

計算結果（計算は設計値電流 1507A）である。偏向電磁石と同様に飽和による軸方向のもれのため磁極中心での４極成分が十分に出ていないが、Allowed Multipole だけで展開した各係数の値は大きく違ってはいない。この４極成分を励磁レベルごとにプロットしたものが図９である。
30GeV の約 770A 以上で飽和が始まっている。POISSON の計算と比べて 50GeV の場合約 2%低い値となった。軸方向の広がりも考えると 50GeV での有効長は 129.75cm あるので（図 10）、ほぼ 18T/m×1.26m の要求仕様と同じになる。
図 10 にビーム軌道軸から 3cm と 7cm の位置での軸方向分布を測定して求めた有効長を示す。30GeV から 50GeV まで励磁することで有効長は 132.1cm から 129.75cm まで変化するが、横方向 3cm と 7cm の位置での有効長の違いは0.5mm 程度である。これは GL 積の横方向の依存性の内の有効長が効く分は 0.04%以下であることを示す。

G -m eas.(T/m )G -calcu.(T/m )500200400600800I1000120014001600(A )図 9：4 極電磁石の Excitation Curve (ホール素子)

J-PARC 50GeV-MR の主電磁石の偏向電磁石と４極電磁石の実機１号機の磁場測定を行った。横方向の磁場分布はPOISSON の計算結果と良く一致した。50GeV 励磁時の磁場の絶対値は有効長を考慮すると要求仕様を満たすことができる。今後はフリッププロップコイル、回転コイルを用いた測定試験や長時間運転試験をする予定である。

参考文献[1] 柳岡栄一 他, This Proceedings.
[2] M. Muto, et al., Proceedings of the 13th Symposium on
Accelerator Science and Technology, Osaka, Oct. 29-31,
2001, p.277.
[3] 仁木和昭 他, This Proceedings.

図 10：4 極電磁石の有効長の励磁レベル依存性(ホール素子)