COMET と耐放射線超伝導磁石開発
1. はじめに茨城県東海村の大強度陽子加速器施設 J-PARC
で は、 ミュー オン ―電子 転換 過程を 探索 する
COMET 実験[1]の準備が進められている。
ミューオンは、真空中では 2.2 マイクロ秒の寿命でミューニュートリノと反電子ニュートリノ、電子の３つの素粒子に崩壊するが、物質中では負ミューオンは原子核に捕獲されてミューニュー
トリノが放出される。これらの崩壊過程は素粒子標準理論によって説明でき、崩壊の前後でレプト
ンファミリー数は厳密に保存される。一方、ニュートリノが有限の質量を持てば標準理論の枠内でも荷電レプトンのレプトンフレーバ非保存過程は起こりえるが、ニュートリノ質量が非常に小さいこともあって、その崩壊分岐比は 10-54 程度と、到底観測できないスケールである。したがって、もし荷電レプトンフレーバの破れを観測できれば、標準理論を超える未知の相互作用の存在を示す証拠となる。標準理論を超える物理モデルの多くは、荷電レプトンフレーバにおいて大きな破れを予言しており[2]、探索精度の向上が待ち望まれている。
COMET 実験は、過去の実験より探索精度を 1万倍程度向上することを目指しており、そのためには世界最大強度となる毎秒 1011 個の負ミューオンを生成する新しいビームラインが必要である。本稿は、COMET 実験のミューオンビームラ
インについて、その特色等について紹介し、大強度ミューオンビームを生成するための超伝導磁石の設計や、より大強度化を目指して放射線耐性を向上させるための超伝導磁石開発について述べる。

2. ミューオンビームライン
ミューオンは、高エネルギー陽子を標的に入射し、発生した 2 次粒子であるパイオンの崩壊によって得られ、ミューオン―電子転換過程探索に必要な負ミューオンは次式の崩壊で得られる。

𝜋 − → 𝜇− + ̅̅̅𝜈𝜇(2 − 1)

このとき、パイオンを生成するための標的と，標的から放出されるパイオン・ミューオンを捕獲しビームラインに取り込むための磁石，およびパイオンを崩壊させミューオンを実験室に輸送するための磁石が必要である。従来のミューオンビー
ムラインでは四重極磁石などが用いられていたが、近年はミューオンビームの大強度化，高純度化などの性能向上のため、強磁場を発生できる超伝導ソレノイド磁石が利用されている。例えば，
J-PARC 物質・生命科学実験施設内のミューオン
科学実験施設(MUSE)[3]では、標的から放出されたミューオンを集めるために標的近傍に四重極磁石または常伝導のソレノイド磁石を設置し、6m 長の超伝導ソレノイド磁石[4]によって十分な
ドリフト長を確保することで、ミュオンスピン回転/緩和/共鳴（SR）法や非破壊元素分析などにミューオンビームを提供している。
さらに大強度のミューオンビームを引き出すために、超伝導ソレノイド内部に標的を設置し、標的上に印加された強磁場によってミューオン・
パイオンをトラップする”solenoid capture system”（以下，パイオン捕獲システム）が考案された[5]。
パイオン捕獲システムは，厚い標的を超伝導磁石
内部に設置し強磁場を印加することで，従来型の1000 倍以上のミューオンを引き出すことができる。パイオン捕獲システムは、大阪大学核物理研
究センターに建設されたミューオンビームライ
ン MuSIC[6]に採用され、その高効率性が実証されている。
COMET 実験においては、より大強度のミュー
オンビーム生成を目指して、J-PARC 主リングシ
ンクロトロン(MR)の大強度陽子ビームを利用可
能な大型超伝導磁石によるパイオン捕獲システ
ムを採用した。

3. COMET 超伝導磁石
COMET ミューオンビームラインはすべて超伝導磁石で構成され、J-PARC ハドロン実験施設に新設されたハドロン南実験棟に設置される。レ流側の磁石をパイオン捕獲ソレノイド、下流側をミューオン輸送ソレノイドと呼ぶ。以下、各磁石の特徴を述べる。
3.1. パイオン捕獲ソレノイド
標的上に印加する磁場が強いほどミューオン
収量が上がるので、COMET 実験ではパイオン捕獲ソレノイドの中心に生成標的を配置し、標的上に 5 T を印加する。Fig. 3-2 において、陽子ビー
ムは横軸のマイナス方向へ向かって入射し、前方へ散乱された陽子などの高エネルギー粒子は磁石外でダンプする。すなわち、ミューオンビーム
ラインを構成する超伝導磁石や後続の実験装置
Fig. 3-1 COMET（Phase-I）ミューオンビー
ムラインのレイアウトの被ばく量を減らすため、生成標的の後方に放出されたパイオンのみを収集する。8 GeV 陽子ビー
ムを標的に入射したときに放出されるパイオン

イアウトを Fig. 3-1 に示す。J-PARC MR で 8 GeVは、陽子ビーム前方に向かって放出されるものがまで加速されたパルス陽子ビームを、超伝導ソレ

多いが、最終的に実験に必要になるおおむね 50

ノイド磁石のボア内に設置した標的に入射し、生MeV/c 以下の低運動量負ミューオンに関しては、成したミューオンビームを遮蔽壁で隔てられた後方に放出された低運動量パイオンのみを捕獲

隣の実験室へ輸送する。ミューオンをロスしない

しても大きな差は生じない。
強磁場によって捕獲したパイオンは、下流に向かって漸減する磁場勾配を利用して収束される。
ドリフト中のパイオンにおいて、ソレノイド磁場
を B、ソレノイド軸に垂直な運動量をp𝑡 , 軌道半
径を R とすると以下の式が成り立つ。

ために、標的から検出器まで連続したソレノイド
磁石で構成する。このミューオンビームラインは
強磁場、大口径の超伝導ソレノイドによって、以下に挙げる機能を実現する。
１) 生成標的から放出される負パイオンを捕獲し、下流に向かって収束させる。

p2𝑡 ⁄𝐵 ∝ p𝑡 × R = const.

(3 − 1)

２) 長いドリフト距離を確保してパイオンを崩壊させ、低運動量の負ミューオンのみを選別する。
Fig. 3-2 に COMET ミューオンビームラインの軸上磁場分布を示す。超伝導磁石によって 5 Tの強磁場を発生し、その磁場ピーク上(z=0)に生成標的を配置する。パイオンは 5 T から 3 T へ漸減する磁場勾配(z=0 から z=500 cm)によって下流方向へ収束され、3 T の湾曲したソレノイド磁場（トロイダル磁場）(z=500 cm から z=1000 cm)中で崩壊し、実験室へ輸送される。COMET ではこのミューオンビーム生成のための磁場を、大きく分けてふたつの超伝導磁石によって発生させ、上Fig. 3-2 COMET Phase-I 用超伝導磁石の軸上
磁場分布すなわち、垂直運動量p𝑡 は√𝐵に反比例して小さくなるので、ソレノイド磁場を徐々に下げることでp𝑡 を軸方向運動量pℓ に変換し、並行ビームに近づけることができる。ただし、このとき軌道半径は√𝐵に反比例して大きくなるため、ドリフトスペー
スを徐々に広げていく必要がある。COMET パイ
オン捕獲ソレノイド磁石の詳細設計については後述するが、巻き数の異なる複数の超伝導コイル（Fig. 3-1 の CS0 コイルから TS1 コイル）を組み合わせることで、このような磁場分布を実現する。コイル構造体の詳細設計に関しては、5 章で紹介する。
3.2. ミューオン輸送ソレノイド
パイオン捕獲ソレノイドで捕獲されたパイオン は、 ソレノ イド 磁場に 沿っ て輸送 され る 。
COMET では、5 メートル長（Phase-II では 10メートル長）の 3 T ソレノイド磁場中でパイオン

Table 3-1 ミューオン輸送ソレノイドの諸元
Value

Item
Conductor

NbTi/Cu monolith wire

Cable dimensions

1.5 mm (without insulation)(Solenoids)1.56 mm (with insulation)

Cable dimensions

1.2 mm (without insulation)(Dipole coils)

1.3 mm (with insulation)

Cable insulation

Polyamide-imide enamel (AIW),

Cu/NbTi = 6

PVF (TS2-15,16, TS3)
Magnet length~6 meters

Curvature Radius

3 meters

Num. of solenoid coils

18

Num. of dipole coils

16 pairs

Operation current

210 A (solenoids)
175 A (dipole coils)

Field on axis

~3 T (solenoid)~0.056 T (dipole)を崩壊させる。さらに、この長いソレノイドを曲Stored energy

5.6 MJ率半径 3 メートルの湾曲した形状とすることで、

Total inductance

254 H

湾曲内側の磁場が強く、外側が弱いトロイダル磁

Coil inner diameter

468 mm (TS2a~TS2-16)場を形成する。この湾曲ソレノイドによる磁場中を荷電粒子が輸送される際、らせん軌道の回転中
心は、湾曲面に対して垂直方向にドリフトする。

600 mm (TS3)
Refrigeration

conduction from forced flow 2phase LHe piping (7~10 g/s)

Quench protection

semi-active quench back heater

ドリフト量は荷電粒子の運動量とピッチアング
ルによって次式で表される；
D=

1 𝑠 𝑝
1
( ) ( ) (cos 𝜃 +)𝑞𝐵 𝑅 2cos 𝜃(3 − 2)

ここで、p、q は輸送する粒子の電荷、運動量、
はソレノイド軸に対するピッチアングル、s はソ
レノイド軸に沿って輸送された距離、R は湾曲ソ
レノイドの曲率半径である。すなわち、ドリフト
量が運動量に比例し、さらに電荷の正負によってドリフト方向が逆になることから、低運動量の負
ミューオンを、実験のバックグランドとなりうる
正電荷ミューオンや高運動量ミューオンなどから分離することが可能となる。ただし、欲しいミ
ューオンが過度にドリフトすると磁石内筒に当たって消失してしまうので、次式で表すダイポー
ル磁場を追加してドリフトをキャンセルする必要がある。
B𝑐𝑜𝑚𝑝 =1 𝑝
1( ) (cos 𝜃 +
)
𝑞𝑅 2
cos 𝜃

(3 − 3)

ミューオン輸送ソレノイドは、Fig. 3-1 に示すよ
うに、内径約 46 cm、軸長約 20 cm の短い超伝導
ソレノイドコイルを曲率半径 3 メートルの周上に連ねた構造をしており、各ソレノイドコイルに超伝導ダイポールコイルを併設することで、低運動量の負ミューオンを磁石中心に保持したまま輸送することができる設計となっている。その他、
磁石諸元を Table 3-1 に示す。
以上のように、COMET ミューオンビームライ
ンは、ミューオンビームの大強度化のみならず、
バックグランド粒子の低減も図って最適化されている。次章では、大強度化に伴う高い放射線に対応するための設計について述べる。

4. COMET 超伝導磁石の放射線耐性
COMET は J-PARC MR の 8 GeV/56 kW 陽子
ビーム(Phase-I では 3.2 kW)を使って大強度ミューオンビームを供給する計画である。パイオン捕獲ソレノイドでは、パイオン捕獲効率を最大化するため、生成標的を 5 T 磁場を発生する CS1 コ

イルのほぼ中心に設置する。生成標的からはパイオンのみならずガンマ線や中性子など様々な放射線が発生し、超伝導コイルが被ばくすることになる。そのため、標的の周りには最大 44 cm 厚のタングステン合金の遮蔽体を挿入し超伝導コイ
ルを保護する設計であるが、それでもなお遮蔽体を透過してくる中性子等があるため、パイオン捕獲ソレノイドは高い放射線環境下で運転できることが要求される。
特に、極低温では金属材料の熱容量が極端に小さくなるので、放射線による発熱や熱伝導率の劣化などによってコイル温度が上昇しないように、
特別な対処が必要となる。
COMET パイオン捕獲ソレノイドと輸送ソレ
ノイドは、実験棟地上階に設置したヘリウム冷凍機から供給される 2 相流液体ヘリウムによって冷却されるが、ヘリウムに中性子が照射されるとトリチウムが発生し、放射能が廃棄限度を超えるなど取り扱いが困難になることが予想される。そのため、これら超伝導磁石の冷却方式は、大量の液体ヘリウムが必要な浸漬冷却ではなく、磁石内部に配管した冷却管に液体ヘリウムを循環させて冷却管から伝熱板を介してコイルを冷却する間接冷却方式とした。
パイオン捕獲ソレノイドで予想される中性子
フラックスは、ピーク位置で 4×1021 n/m2 に達する。超伝導コイルと中性子との反応による発熱を最小限にするため、超伝導コイルを含むコールド
マスは原子番号が小さく中性子反応断面積の小さいアルミで構成される。超伝導線に高強度アル
ミ安定化材を使用することでコイル自体の剛性を上げ、さらに冷却管からの伝導冷却とすること
で、コールドマスを最小限の構造体で構成することとした。
超伝導コイル内部の核発熱は最大 40 mW/kg に達すると予想されており、コイル表面を冷却するだけでは内部温度が上がってしまい NbTi の臨界温度を超えることが懸念される。そこで、Fig. 41 のように、ソレノイドコイルの層間に純アルミ
伝熱板を挿入し、この伝熱板を冷却管に接続することで、コイル内部を直接冷却する構造とした。
1020 n/m2 を超える中性子が照射されると伝熱板の金属結晶が乱されて熱伝導率が劣化し[7]、コ
イル温度が上昇することが予想される。熱伝導率の劣化を考慮したシミュレーションスタディ[8]によると、56 kW ビームで 100 日運転すると、コ
イル内温度が 6.4 K を超えて温度マージンを確保

Fig. 4-1 COMET パイオン捕獲ソレノイド CS1コイルの構造できなくなるが、いったん昇温して欠陥をアニー
ルすれば再度運転可能となる。
その他、ポリイミド基材の多層断熱フィルムやBT 樹脂とホウ素を含まないガラスクロスを使った絶縁テープ[9]、GFRP[10]を採用し、高放射線環境に対応している。

5. 実際の設計例
この章では、これまでに述べられた基本コンセ
プトや基礎研究データを基に実際に行った設計の例として、J-PARC COMET 実験用パイオン捕獲ソレノイド（Pion capture solenoid: PCS）の機械設計について簡単に紹介する。
本章は 2017 年に雑誌に掲載された[11]を基に執筆されているが、2022 年において PCS の製作は進行中であり、本章の記述からの変更点が多数存在する。変更点の更新には追加の検討と解析が行われており、それらを全て網羅すると煩雑になる。本章の目的は実際の設計の基本的な流れを紹介するものであるため、更新されていない部分が多数含まれていることに注意をして頂きたい。
5.1. パイオン捕獲ソレノイドの構造
PCS の設計・製作は非常に挑戦的な課題である。内径 1300 mm の大口径ボア中心に約 5 T の
強磁場を発生させ、47 MJ にも及ぶエネルギーを

安全に回収し、更に中性子フルエンスが 1021 n/m2

コイルや磁石部品への放射線の影響を低減すに達する高放射線環境下で安定に運転しなけれるため PCS のボア内部に重量約 40 t のタングスばならない。したがって、通常超伝導磁石で考慮

テン合金製と約 9 t の銅製（最終設計では SUS

すべき、力学的条件、電磁気学的条件、熱力学的製）の 2 つの水冷方式の放射線シールドが配置さ条件に加えて、放射線による発熱や特性劣化を考れる。様々な制限により現地での挿入が困難なこ慮する必要がある。

とから、銅製の放射線シールドは真空容器と一体

Fig.5-1 に PCS の構造を示す。口径の大きな 4化しすることにし、設計にはシールドの構造も考

つのコイル（CS0, CS1, MS1, MS2）と口径の小慮した。また、タングステンシールドは、PCS 設

さな 6 つのコイル（TS1a, TS1b, TS1c, TS1d,

置後に挿入されるが、銅シールドと結合されるたTS1e, TS1f）はサポート構造で一体化され、それめ荷重の半分を真空容器が受け持つことになる。

ぞれ CS コールドマス、TS1 コールドマスと呼ばれている。コールドマスは、コイルを機械的にサ5.2. 有限要素法によるシミュレーション

ポートするだけでなく伝導冷却構造も担ってお有限要素法（Finite Element Method, FEM）

り、構造部材は強度だけではなく液体ヘリウム配とは数値解析手法の一つで、複雑な形状・性質 を管や伝熱板の施工性も重要である。また、放射線持つ対象を小領域（メッシュ、要素）に分割するによる熱負荷を最小限にするために密度を低くことで近似し、全体の挙動を予測しようとするもする必要があり、それらを考慮してコールドマスのである。超伝導電磁石の設計は非常に複雑な要用構造部品の材料は A5083 アルミニウム合金が素が絡んでいるため、FEM 解析は非常に強力な採用されている。

ツールとなる。本節では PCS の全体設計のためコールドマスは、室温からの熱負荷を最小化するためにロッドによって真空容器に固定される。
ロッドには非磁性で低熱伝導率が要求されるたに FEM による連成解析を紹介する。
5.2.1. 解析用モデル作成

め、一般的な超伝導磁石ではガラス繊維強化プラ

実際の設計では、限られた時間内で FEM 解析

スティック（GFRP）が用いられることが多い。

を繰り返し、その結果を基に形状、構造部材、施しかしながら、PCS の運転環境においてプラスチ

工方法を最適化していくことになる。したがっックの放射線により劣化が予想されるため、サポて、結果の妥当性と信頼性及び解析の効率性が重ートロッドは Ti-6Al-4V チタン合金で製作するこ要である。構造を細部まで定義しメッシュも細かとにした。

く切る事により現実的なシミュレーションが可能であるが、計算時間が膨大となり評価に時間を要する。一方モデルを簡略化しすぎると短時間の計算で結果が得られるが、解析結果の妥当性と信頼性が低下する。状況に応じて相反するそれらをうまく整合させたモデル作成が必要となる。
具体例として、CS コイルのモデル作成について記述していく。CS1 は内径 1344 mm、厚さ 152mm、長さ 1391 mm と非常に大きなコイルで、構成は Fig. 4-1 で示されている様にポリイミドフ
ィルム＋BT 樹脂で絶縁されたアルミニウム安定化超伝導ケーブルが 270 ターンの 9 層構造になっている。層間には伝熱用に幅 75 mm、厚さ 1

Fig. 5-1 COMET-PCS の構造

mm の 5N（99.999%）純アルミニウム冷却板が周期的に差し込まれており、隙間は BT＋エポキシの混合樹脂で埋められている。また、幅 4.7 mm、厚さ 15 mm のアルミニウム安定化超伝導ケーブ
ルは、直径 1.2 mm、銅比 0.9 の NbTi-Cu 超伝導線 14 本から成るラザフォード撚線と純アルミニ
ウム安定化材で構成されている。鉄ヨークを含む
磁石全体の大きさは、幅 3560 mm、高さ 3560
mm、長さ 6370 mm であり、直径 1.2 mm の導体や厚さ 0.2 の電気絶縁層からなるモデルを定義するのは非現実的である。そこで、まずはコイル
を一つの複合材料として定義して解析を進め、最終的に影響の大きい一部分にのみ簡易的なケー

Fig. 5-3 コイル複合材の線膨張係数

ブル構造を定義した解析を行った。
Fig. 5-2 にコイルを複合材料として定義する際の計算に用いたケーブル周辺の断面構成を示す。
コイル複合材は、NbTi、銅、アルミニウム、樹脂で構成されており、その体積比 1.0:0.9:7.0:1.3 より求められた合成密度は 3515 kg/m3 である。また、このコイル複合材は異方性を持っており、複合材料の複合則[12]を用いて、直交座標系及び円筒座標系のそれぞれの方向に対して、EX(R)=43.2
GPa, EY()=73.7 GPa, EZ=37.8 GPa の弾性係数を定義している。線膨張係数、熱伝導率も同様の複合則で計算されており、Fig. 5-3, 5-4 に示すような温度依存性をもった線膨張係数と熱伝導率をそれぞれの座標方向で定義している[13]。PCS の
コイルは高放射線環境に配置されるため、コイルを構成する金属材料の熱伝導率は、4 章で記述された中性子による劣化を考慮する必要がある。特にコイルの層間に挿入される伝熱板の材料は、残Fig. 5-2 コイル複合材の構造

Fig. 5-4 コイル複合材の熱伝導率
留抵抗比（Residual Resistivity Ratio: RRR）が数千の超高純度アルミニウムであるが、コイル内のアルミニウムの熱伝導率は全て RRR=30 の値で設定されている。
詳細は 5. 2. 3. 項で記述されるが、円筒型の複合材で定義されたコイルモデルで解析を行い、コ

Fig. 5-5 一部分だけ詳細構造のモデル

イルの内部応力が許容値以下になる様にサポート構造などの形状を最適化した。しかし、複合材モデルでは、超伝導ケーブル、安定化材、絶縁材など個々の構造部材に対して判断が難しい。そこ
で、Fig. 5-5 に示されるように応力が高くなる一部分に実際のコイル構造に近い形状でモデルを再定義して解析を行った。
5.2.2. 電磁場解析
コイルの及び鉄ヨークの配置、コールドマス部
品の基本形状最適化のために 2 次元円筒モデルにFig. 5-6 コイル複合材の熱伝導率

よる磁場解析を行った。鉄ヨークに関して、実際の製作において部品を組み合わせる構造になる

れ十分低い値となっているが、運転を継続するにため、モデルでは鉄ヨークを分割し隙間（空気層）

つれて、放射線による熱伝導率の劣化によってコ

を 1 mm 設けている。また、モデルにはミューオ

イル温度が上昇し負荷率が増加するので注意がン 輸 送 ソ レ ノ イ ド (Muon transport solenoid:

必要である。

MTS)の影響を考慮するために、上流 10 個のコイ

Table 5-1 にコイルのデザインパラメータとコルと MTS 用の鉄ヨークもモデルに定義されていイルに作用する電磁力がまとめられている。磁場る。実際の MTS は 90 度湾曲した形状をしているが高くなっている CS コールドマスのコイルに大が、PCS の解析において、その影響は無視できるきなフープ応力（R 方向）が発生している。特にものとして直線構造にしている。Fig. 5-6 （A）

CS1 には非常に大きなフープ力が発生するため、に 2 次元円筒対称モデルの磁場分布と（B）にソコイルが破壊されないような強力なサポート構

レノイド軸上の磁場の強さを示す。磁場の最大値

造が必要になる。一方、TS1 コールドマスは軸方

は 5.4 T となり、CS1 コイルの内側中央に位置し向の成分が非常に高くなっており、PCS を単独でている。超伝導素線の負荷率は 20%程度と見積ら励磁した場合、CS コールドマス側に 100 kN のTable 5-1 コイルの設計パラメータと電磁力の結果
PCS: ”ON”, MTS: ”ON”

設計パラメータID

PCS: ”ON”, MTS: ”OFF”

Cold mass

Cold mass

内径

厚さ

長さ

電流値

FR

FZ

FZ

FR

FZ

FZ

[mm]

[mm]

[mm]

[A]

[kN]

[kN]

[kN]

[kN]

[kN]

[kN]

152

180

5568

5762

5568

5762

152

1391

60404

2371

60403

2370

84

1468

26467

-3108

26463

-3112

MS2

118

721

15139

-4943

15117

-4969

TS1a

16

200

2700

194

-3

194

-3

TS1b

48

240

2581

1056

-53

1052

-55

64

200

2700

1148

-8

1137

-13

TS1d

64

320

2619

1686

-42

1648

-66

TS1e

48

200

2538

853

58

818

20

96

350

2916

3001

-321

2894

-806

CS0
CS1
MS1

TS1c

TS1f

1344

500

820

2700

81

-368

51

-923

力で引き込まれる。特に TS3 コイルの力が強いた

縮量は、Nb 成分が入っているため、外側のアル

め、口径の異なるコイル間のサポートが変形しなミニウム製シェルよりも若干小さくなっている。

いような強力なリブ構造が必要となる。また、ここれは冷却によりコイルを締め付けることになの大きな軸方向電磁力は、真空容器からコールド

るので、励磁時のコイルのプ―プ応力を 9 MPa 程マスを支えるサポートロッドや真空容器にも影度緩和させる。しかし、この冷却による効果は設響を及ぼすので十分に考慮する必要がある。

計の裕度として扱い、サポートシェルはその構造シミュレーションは、2 次元円筒対称モデルでのみで許容応力以下になる様に設計されている。

の調整の後に 3 次元モデルに拡張された。３次元

Fig. 5-7 に冷却と電磁力の両方を考慮した CSモデルでは、コイルの形状、配置、電流密度等はコールドマスのミーゼス応力分布を示す。
（A）は2 次元モデルと同様で、鉄ヨークの形状だけが円コイル複合材モデルの結果を示しており、厚さ 50

筒から箱型に変わっている。Fig. 5-6 （B）に 2 次

mm のシェルの外側中央に、厚さ 70 mm、長さ

元モデルと 3 次元モデルのソレノイド軸上の磁場

700 mm のリブを追加することで、CS1 コイル応の強さを比較しているが、ほとんど変化が見られ力を許容値以下の 54 MPa にすることができる。

ない。3 次元モデルでの連成解析を行うために、冷却を考慮しない場合の応力は許容値と同等の計算されたコイルの電磁力節点解を次節の構造

63 MPa 程度である。（B）と（C）は応力が最も解析に入力している。

高い CS1 コイルの内側中央に一部分だけ現実的

5.2.3. 構造解析なモデル（3 ターン、3 層）を定義した計算の結果を示している。コイル構造において、NbTi ラザフ

PCS の実製作に向けて、CS コールドマス、TS1ォードケーブルの応力が最も高くなり、最大値はコールドマス及び放射線シールドを含む真空容

110 MPa である。組成にもよるが一般的な NbTi

器の 3 次元構造解析を行った。

の引張強さは 1 GPa 以上であり、ケーブルは十分な裕度を持っていることが分かる。また、アルミ

A. CS コールドマス
CS コールドマスは 5. 2. 1. 項で述べられたよ

ニウム安定化材の応力は 60 MPa 程度となり許容値に近い。

うにコイルを異方性複合材料で定義し、サポート形状を行った。コイルのサポートも非常に大きなCS1 のフープ力に対してコイルが破壊されない
ような強力なサポートが必要であるが、サポート
も放射線による発熱源になるため軽量化も求められる。5. 1. 節で述べたように、コイルの冷却も考慮してサポートシェルは A5083 アルミニウム
合金で製作することにし、その形状はコイルの内部応力が許容値以下になる様に最適化された。その際の許容応力は、アルミニウム安定化材の 4.5
K での 0.2%耐力の実測値を基準とし、その 3 分の 2 である 63.3 MPa に設定された。
次項で熱解析の詳細について述べるが、本構造解析でも温度分布と熱収縮が及ぼす影響は考慮されている。コールドマスの主要部品は冷却管も含めてアルミニウムで構成されており、冷却による応力は小さくなっている。コイル複合材料の収Fig. 5-7 CS コールドマスのミーゼス応力分布

実際の CS1 用のサポートシェルは、組立や製造方法を検討し、溶接試験等も行ったが、最終的に追加リブ分が一体化された中央部の厚みが 120
mm リング鍛造品を基に製作された。

B. TS1 コールドマス
TS1 コイルのフープ力は小さくシェルの外側に補強構造を必要としないが、非常に強い長手方向の電磁力を考慮した設計が必要である。Fig. 58 に形状最適化された TS1 コールドマスサポートの応力分布を示す。50 MPa 程度のやや高い応力がみられるが、A5083-H113 材の 0.2%耐力 280
MPa よりは十分に小さくなっている。
応力の高い部分の一つは長手方向ロッドの支持台座である。長手方向ロッドは、2 番目のコイル（TS1b）のシェル外周部に設けられる台座に固定される。この台座部分に非常に大きな応力が発生し、シェルと台座間のボルトや溶接での締結では強度が不足した。そこで、TS1b シェルはリン
グ鍛造品を基に台座部分を残すような削り出し加工により製作された。もう一つの応力の高い部
分は、最後のコイル（TS1f）のフランジ側のフィン構造の根本である。ソレノイド軸方向の電磁力は一つだけ内直径が大きい TS1f コイルが支配的であるため、TS1f と TS1e コイル間のフランジには大きなせん断力が作用し、変形及び応力が高くなる。そこで、梯子の様な形状のフィン構造で
TS1b シェルのサポート台座と連結させることにより構造を強化している。

Fig. 5-9 真空容器の解析モデル

C. 真空容器
真空容器は、コールドマスや熱輻射シールドを格納する断熱真空と標的に陽子ビームを当てパ
イオンやミューオンを生成するビーム真空の隔離された 2 つ空間がある。Fig. 5-9 に真空容器解析用の 3 次元モデルを示す。断熱真空層において、
CS コールドマスと TS1 コールドマスの間には中間フランジと呼ばれる構造体があるが、機械的な強度を補うための物であり、気密構造にはなっていない。内蔵される約 9 t の放射線シールドの荷重は中間フランジと真空容器内筒で受け持っており、更に現地で挿入される 40 t のタングステン
合金製の放射線シールドの先端は内蔵シールドに接続されるため、稼働架台のも含めた約 80 t の荷重の半分も負荷される。ビーム真空の両側真空
気密は、それぞれピローシールと呼ばれる 0.6
MPa 空気圧で枕の様に膨らませたダイアフラムとフランジの接触によって行われので、長手方向に圧縮力が作用する。Fig. 5-9 において、モデルには放射線シールド側のフランジには 18.2 t で左向き、MTS 側は右向きに 6.5 t の荷重を定義している。構造解析では地震も考慮し最大の荷重として鉛直下向きに 2G の加速度与えている。
Fig. 5-10 （A）に加速度、大気圧、ピローシー
ル圧力、電磁力を考慮した真空容器全体のミーゼス応力分布を示す。真空容器は SUS304 ステンレ
ス鋼で製作予定であり、許容応力は引張で 130
MPa、溶接部で 80 MPa としている。2 つの放射線シールドの荷重を受け持つ CS コールドマス側

Fig. 5-8 TS1 コールドマスの応力分布のセンターリングには高い応力が発生している

冷却管の影響を最小化している。コールドマスサ
ポートの材料である A5083 は、他のアルミ材料と比較しても熱伝導率が低い。(Fig. 5-4 参照) コ
ールドマスサポートの伝熱はコイルの冷却にも寄与するため、冷却管とサポート台座の間に４N
純アルミニウム製の冷却台座を設けて、コールドマスサポートの温度差を小さくしている。
冷却による温度分布、熱収縮による変位や応力の影響を調べるために熱解析を行った。Fig. 5-11に CS コールドマスの熱解析条件を示す。チタン
合金製のサポートロッドの先端は真空容器に固定されるため 300 K の温度を定義している。ロッドは室温からの熱を直接コールドマスに伝えないために、70 K の熱輻射シールドに熱的にアンカーされている。コールドマス表面への輻射による
Fig. 5-10 真空容器の応力分布
が、許容値以下となっている。一方 TS1 コールド
マス側はソレノイド軸方向の高い電磁力の影響
で許容値よりも高い応力が発生している。そこで、真空容器の TS1 側だけのモデルを製作しリブの形状最適化を行った。
その結果を Fig. 5-10（B）と（C）に示す。
（B）の場合、真空容器外側と中間に非常に屈強なリブを多数取り付ける必要があり、最内層のフランジと内筒の付け根は、空間的制限より一体物を湾曲に切削した様な形状が必要になる。
（C）は鏡板を使って最適された形状である。両方の構造で応力は許容値を下回ってい
るが、どちらの形状を採用するかは製造メーカーに一任することにした。
5.2.4. 熱解析
4 章で述べられたように PCS のコイルは様々

熱負荷は 1.25 W と見積られている。放射線による発熱がコールドマスへの熱負荷の最大となっており、放射線シミュレーションにより CS コー
ルドマスの発熱量は 190 W と見積られている。
放射線による高純度アルミニウム冷却板の熱伝導率の劣化を考慮し、残留抵抗比 50 の熱伝導率を定義している。これは 4.5 K での熱伝導率が95%異常低下していることを示している。また、流体や管内の条件に大きく依存するため冷却条件の定義は難しいが、本モデルでは冷却管の内側に裕度を持った 4.5 K で 600 W/(m2・K)の熱伝達係数を定義している。
Fig. 5-12 に CS コールドマスサポートの温度分布を示す。熱アンカーの効果でサポート構造による室温からの熱流入量は小さくなり、コールドマ
スのサポート台座部分でも温度は 6.4 K 程度である。冷却管の経路と冷却台座の最適化により、発な放射線の影響を最小化するために、冷却管を用いた伝導冷却法式が採用されている。PCS と
MTS は、直列に接続された冷却管を介し冷凍機から供給される 2 層流ヘリウムにより冷却される[14]。アルミニウム製の冷却管はサポートシェルの外側に溶接で取り付けられ、コイル層間に差し込まれている高純度アルミニウム伝熱板は、まとめて冷却管の根元に溶接される。本磁石では溶接
台座付き冷却管を用いることで、溶接固定によるFig. 5-11 CS コールドマスの熱解析条件

Fig. 5-12 CS コールドマスサポートの温度分布

Fig. 5-13 CS1 コイルの温度分布

熱量が最も大きい CS1 シェルの中央部でも温度最大値は 4.9 K であり、90 日間の放射線による影は 6 K 以下となっている。

響で 6.3 K まで温度が上昇する。冷却管から遠い

熱収縮に関して、変位分布より得られた収縮量

シェル外周中央の温度は 6.2 K となっており、そは、径方向で最大 4 mm、長手方向で 17 mm との影響でコイルの外層も中央の温度が高めにななった。PCS のコイル配置精度は、加速器磁石よっている。実際の CS1 シェルは、コイルのフープ

りも低く数ミリ程度であるので、冷却前後で精密力による内部応力を低減するためにシェルの中な位置調整機構等を設ける必要はないが、これら央部分の厚みを 120 mm に増加しており、この計の熱収縮量を考慮した設計が必要となる。また、算モデルよりも核発熱は増加し更に伝導距離もコールドマスを室温で完全に真空容器に固定し長くなっている。コイルの温度上昇が懸念される

た場合、長手方向 17 mm の収縮量は非常に大きため、冷却管の 4 経路に増加させ、純アルミニウ

な応力を発生させる。回転座金やばね等を用いてム冷却台座を配置することで、Fig. 5-12 の様にシコールドマスやサポートに過剰な負荷を逃がす

ェルの表面温度を 6 K 以下まで抑えている。

ことが重要である。
超伝導磁石の設計において、コイルの内部温度を正確に見積ることが極めて重要であるが、複合材料モデルでは難しい。そこで、CS コールドマスのコイルに関して 2 次元円筒対称モデルによる差分法解析により評価された[15]。本モデルは、放射線のモンテカルロシミュレーションと連携されており、線量に依存した核発熱量や物性値の考慮されている。
Fig. 5-13 に COMET Phase-II の実験条件（陽子ビーム：８GeV, 56 kW）で 30 日間運転した後の CS1 コイルの温度分布を示す。Fig. 5-13 において、高純度アルミ冷却板の先端が 4.5 K に冷やされている。コイルの外側には厚さ 70 mm のA5083 製のサポートシェルが配置されており、冷却管を想定した 4.5 K の冷却部がシェル外側の上流と下流の 2 箇所に設けられている。熱伝導率が劣化していない実験開始時の CS1 コイル温度の6. さらなる大強度化に向けて
超伝導磁石はミューオンビームラインに応用され，高品質化，大強度化に大きく貢献しているが、ミューオン稀崩壊探索などのためには、さらなる大強度化が切望されている。
大強度化のためには、コイル含侵や構造体などに使われる有機材料などの磁石材料において放射線対策が不可欠である。超伝導線材について
は、COMET パイオン捕獲ソレノイドのように厚い遮蔽体を磁石内部に挿入し、冷却板をコイル内部に導入するなど様々な工夫を取り入れたとしても、NbTi を使った超伝導磁石には COMET を超える大強度陽子ビームの受け入れや強磁場化は難しいと考えられる。
そこで，次世代のミューオンビームラインには
高温超伝導体（HTS）を使用することが検討されており、HTS を使って捕獲ソレノイドを実現でき
れば、大強度化のみならずパイオン捕獲システムのコンパクト化も期待できる[16]。HTS コイルは
NbTi に比べて高い温度領域で運転できるので、

運転温度を 20 K 程度にすれば，アルミや銅などの比熱が 4 K に比べて一桁以上大きくなるため
核発熱による温度上昇を緩和でき、さらに熱伝導率も数桁改善するので、十分な温度マージンを保って運転できる。ただし，ガンマ線などによる有機材料の劣化は避けられないので，線材をセラミックスでコーティングするなど無機絶縁を使った巻き線技術の開発が進められており、大強度化のみならず、既存ビームラインの常伝導ソレノイ
ドの置き換えにも期待されている。本章では、これらの開発状況について紹介する。

めた各超伝導線材の臨界電流密度の磁場特性を

6.1. 将来の耐放射線超伝導磁石

れ [19]、Muon Collider のパイオン捕獲ソレノイ

原子核・素粒子物理学の発展は、粒子加速器や検出装置の高度化と共に歩んでおり、その中でも磁石技術の発展は欠かすことができないものの一つである。現在 CERN より提案されている周長 100 km にもなる超大型の円形衝突型加速器の 建 設 計 画 Future Circular Collider (FCC,
https://fcc.web.cern.ch ) では、究極の目標である
エネルギー100 TeV の陽子ビームをコントロール
するために 20 T 級の高磁場磁石が要求されている[17]。更にその先の Muon Collider 計画では、
20 T のパイオン捕獲ソレノイドや 40~60 T のミューンビーム冷却用ソレノイドなど、非常に挑戦的な性能を要求しているものがある[18]。この様な 高磁 場では 、現 在一般 的に 使用さ れて いる
NbTi は、超伝導状態を維持でいないため新たな超伝導線材を用いた磁石の開発が必要になる。
Fig. 6-1 に米国の National High Magnetic Field
Laboratory（https://nationalmaglab.org/）がまと示す。候補となるのは、Nb3Sn や Nb3Al といった
A15 型超伝導体とイットリウム系及びビスマス
系の HTS である。
放射線の問題も非常に重要であり、衝突点近傍に配置される磁石やパイオン捕獲ソレノイド等の高輝度 2 次ビームライン用磁石にも非常に高い
放射線耐性が要求される。FCC の目標ルミノシテ
ィは高輝度 LHC より一桁高いため、衝突点付近の機器の総線量は数百 MGy に達すると予想さ
ドはさらに厳しい放射線環境下で運転されることが予想される。
J-PARC の将来計画において、物質・生命科学
実験施設（MLF）では第 2 ターゲットステーション（TS2）の建設が提案されており、そのミュー
オンビームライン用のパイオン捕獲ソレノイド（TS2-PCS）の検討が行われている[20]。TS2-PCSは、ミューオンビーム収量を最大化するため、3
GeV、1 MW の陽子ビームが照射される 2 次粒子生成標的の近傍に配置されるため、吸収線量は10 年間で 130 MGy に達し、核加熱は遮蔽構造にもよるが 650 W と見積もられている。この様
な大きな入熱に対する冷却は簡単ではないが、HTS 線材は冷却に関しても非常に有利に働く。
HTS の臨界温度は約 90 K と高いため、NbTi に比べてコイルが超伝導性を維持できる温度裕度が格段に大きい。また、放射線の影響を考慮した
軽量化のために、伝導冷却方式による冷却になるが、アルミニウムや銅の熱伝導率の非常良い温度
領域 20 K でコイルを運転することができ、効率の良い運転と冷媒の放射化も最小化できる。
我々は、TS2-PCS の実現に主軸を置き、HTS
線材である REBCO (rare-earth barium copperoxide)に着目して、基礎的な研究開発を行っている。本章では、REBCO 線材の照射効果と無機絶縁
REBCO コイル研究開発について紹介する。
6.2. REBCO 線材の照射効果
本稿では、文献[21]を基に REBCO 線材に対するガンマ線照射と中性子照射に関して紹介する。

Fig. 6-1 各線材の臨界電流密度の磁場特性

6.2.1. 背景・目的
PCS のコイルは様々な放射超伝導材料の分野

プルの写真を示す。サンプルには、平均線量率 8.4
kGy/h で 14.9 MGy までガンマ線が照射された。

では、新しい人工ピンニングセンターの導入によ

1 つサンプルセットは、更に平均線量率 5.7 kGy/h

る超伝導特性改善を調べるために、低照射線量でで 27.4 MGy まで照射された。照射されたサンプ

さまざまな粒子を用いた照射が行われた [22-ルは、IC 測定による評価試験まで、照射以外の影

24]。さらに、イットリウム 系(YBCO) 超伝導体

響を最小限に抑えるために真空中で保存された。

に対するガンマ線照射の影響に関するいくつかの研究活動が行われている [25-27]。 ガンマ線照射によって YBCO バルクサンプルの臨界温度

A. ガンマ線照射による臨界電流の影響
ガンマ線照射による超伝導特性への影響を評（TC ）の大幅な低下は観察されなかったが、0.4価するために、照射された REBCO サンプルの IC

MGy を超える線量で臨界電流 (IC) の低下が報

は、液体窒素を用いて外部磁場がない状態で測定

告されている。そこで、我々は実用線材に対するされた。Fig. 6-3 に IC 測定用治具の構成を示す。

照射効果の理解を深めるために、市販の REBCO

テープは無酸素銅の電極板挟まれ機械的に治具

テープ線材の IC に対するガンマ線照射の影響をに固定される。組み立てられた治具は液体窒素に調べることにした。
人工衛星に搭載する観測装置や核融合炉への応用を目指した HTS に対する中性子照射の研究も行われている [28-30]。MLF-TS2 の設計において、文献[28]を参考に高速中性子照射による ICの劣化を裂けるために TS2-PCS への中性子フルエンスの上限を 1×1023 n/m2 に設定した。そこ
で、我々は TS2-PCS 開発のためのデータを取得するため 1021～1023 n/m2 の中性子フルエンスの範囲で REBCO テープ線材への中性子照射を行った。
6.2.2. ガンマ線照射
ガンマ線照射は、量子科学技術研究開発機構
高崎量子応用研究所のコバルト 60 照射施設で行Fig. 6-3 評価用 IC 測定用治具の構成

われた[31]。TS2-PCS の吸収線量の推定値は 130
MGy であるが、照射時間が長期に及ぶため最初の目標線量は 20 MGy に設定された。照射用のサンプルは、幅 4 mm、厚さ 0.1 mm、長さ 200 mmの人口ピン入り GdBCO テープ（SCS4050-AP）
であり、ガラス製アンプルに真空で密閉された。
Fig. 6-2 にガラスアンプルに真空封入されたサンFig. 6-2 真空封入された照射用サンプル

Fig. 6-4 ガンマ線照射による IC の劣化率

ゆっくり沈められ、十分に冷却した後に通電された。電圧はテープ表面に接触している 70 mm 離れた 2 本のばね式のコンタクトプローブの両端で測定される。本測定では、電流を掃引し抵抗成分
による電圧が 1 V/cm に達した電流値を IC と定義している。Fig. 6-4 に線量と照射されたサンプ
ルの IC を未照射の IC0 で除した劣化率の関係を示す。結果として、27.4 MGy までのガンマ線照射による IC の劣化は観測されなかった。
6.2.3. 中性子照射
中性子線照射は、東北大学金属材料研究所の共同利用研究プログラムを利用して、量子エネルギ
ー材料科学国際研究センター（IRCNMS）で行われている。IRCNMS でサンプルが装填されたカ
プセルは、ベルギー・モル研究所に送られ、実験
原子炉 (BR2) 内で 100℃未満の温度で目標の中性子フルエンス (1021～1023 n/m2、En> 0.1 MeV)
まで中性子を照射される。 照射されたキャプセ
ルは、輸送可能な線量に達するまで BR2 で冷却され後に返還される。
その後サンプルは IRCNMSの放射線管理区域で厳密に管理される。

A. 超伝導特性評価装置
照射された REBCO サンプルの超伝導特性は、Fig. 6-5 VTI とサンプルホルダーの構造

IRCNMS のホット実験室内に設置されている可はテープ表面に接触されるプローブで測定され、変温度インサート (VTI) と 15.5 T 超伝導磁石

プローブ間の距離は 1.4 cm である。SD タイプのからなる評価装置を利用して調べられている。評

Cernox®温度計（CX-SD）は、電圧プローブの間

価装置は、それぞれのサンプルに適したホルダー

で REBCO サンプルに直接接触するように取り付を交換することで、さまざまな超伝導線材と外部けられており、更に CU タイプの Cernox®温度計

磁場配向に対応している。

（CX-CU）がサンプルホルダー電極の両端にそれFig. 6-5 に VTI と REBCO テープ用サンプルホ

ぞれ取り付けられている。サンプルホルダーの温

ルダーの構造を示す。冷媒の放射化を防ぐため

度は、アルミニウム冷却ロッドの先端にあるヒーに、サンプルの冷却は 2 台の Gifford-McMahon

ターによって 5～77 K の範囲で±0.1 K の安定(GM) 冷凍機による冷媒フリーの伝導冷却方式が性で制御される。

採用されている。サンプルホルダーは、GM 冷凍

本セットアップにはサンプルホルダー電極間機ヘッドから無酸素銅（OFC）の冷却ステージ、の温度差があり、サンプル温度の不定性の一つに高純度アルミニウム冷却ロッド、OFC 製のバスバなっている。アルミニウム冷却ロッドとバスバー

ーを介して冷却される。Fig.6-5 （B）に示されての間には電気絶縁のためにポリイミドフィルム

いるサンプルホルダーの場合、REBCO の c 軸挟んでいるが、それぞれの接触条件に起因した熱が外部磁場と平行に設定される。サンプルの電圧抵抗が異なることで生じていると推測している。
そこで、サンプル温度の中央値は、直接接している CX-SD センサーで求め、電圧測定区間の温度勾配による不正確さは、両電極の CX-CU センサ
ーの測定データから推定している。
サンプル温度の不定性のもう１つの要因は、電流輸送による抵抗発熱による温度上昇である。放射化したサンプルからの被ばくを最小限に抑えるために、ボルト固定による簡単で迅速なマウン
ト方法が採用されており、この方法は一般的なはんだ接続よりも接触抵抗が高くなる。サンプル温
度は電流掃引中上昇していくが、IC に到達した時にちょうど目標温度の±1 K の範囲になる様に
印加前のベース温度を下げることで調整していFig. 6-7 超伝導転移温度の測定結果る。例として、Fig. 6-6 に電流掃引時の電圧とサ測定された。Fig. 6-7 に SCS4050-AP サンプルのンプル温度を示す。目標温度 20 K 付近の場合、

外部磁場無しでの測定結果を示す。サンプルの抵

外部磁場 5 T の場合、IC は 207A となり、その時

抗は、0.1 A の電流供給により得られるプローブの温度上昇は 0.98 K であった。印加前のベース間の電圧から導出している。灰色三角のマーカー

温度を 19 K に制御することで、IC で 20 K にな

は未照射のサンプルの物であり、90 K 付近で超伝る様に調整している。

導転移による抵抗の消失が見える。赤丸は中性子

今回の一連の測定で両方要素を含む IC の温度

フルエンス 8.23×1021 n/m2 の結果を示しておによる誤差が最大となった測定は、未照射のサンり、約 10 K の転移温度の低下が観測されている。

プルを用いた温度 20 K、外部磁場 2 T、IC 419 A

4.11×1022 および 7.92×1022 n/m2 のデータでであり、誤差は±4.1 K と見積られている。結論は、温度が下がるにつれて抵抗が単調に減少しおとして、本セットアップでは輸送電流が高いほどり、サンプルの超伝導性が消失していることを示

温度測定の誤差が大きくなる。

してる。文献[29]によると、低エネルギー中性子

B. 超伝導転移温度の中性子照射効果抑制のためにシールドされた SCS4050-AP の TCの劣化は、6×1021 n/m2 では観測されませんでし

照射された REBCO サンプルの超伝導転移温度

た。シールドされていない SCS4050-AP の TC は、は、IRCNMS の超伝導特性評価装置を使用して、外部磁場なしで 6×1021 n/m2 で約 5 K 低下する。
これらのデータは、我々の測定結果と類似しており、中性子照射による超伝導特性の劣化に対して、低エネルギー中性子の寄与が大きなことを示唆している。

C. 臨界電流の中性子照射効果
約 10 K の超伝導転移温度の低下が観測された中性子フルエンス 8.23×1021 n/m2 のサンプルの
IC-B 曲線が、温度 20〜77 K、磁場 0〜15 T の範囲で測定された。本測定において、電圧タップ間の距離は 1.4 cm であり、1 V/cm の電圧に対応する電流値を IC と定義している。Fig. 6-8 に外部
Fig. 6-6 電流掃引時の温度上昇

磁場の向きが REBCO の c 軸 (B//c) に平行でのFig. 6-8 IC-B 曲線の測定結果

Fig. 6-9 IC 劣化率と測定温度の関係

20、40、50、及び 77 K の温度に対する IC-B 曲

いる。また、高温側で劣化率が低い原因は、超伝線を示す。それぞれの温度で、灰色のマーカーは導転移温度の低下に関係していると思われる。今未照射のサンプルの測定値、色付きのマーカーは後、中性子照射による IC の劣化メカニズムを理解

中性子フルエンス 8.23×1021 n/m2 まで照射されするためには、結晶構造の解析も必要である。

たサンプルの結果を示している。文献[32]の関数で測定データをフィットした近似曲線は、測定デ

6.3. 無機絶縁コイルの開発

ータ間を補完するために点線で描かれいる。中性

一般的な超伝導磁石の電気絶縁に用いられて子照射によるの IC 劣化は、すべての温度で明確にいるエポキシ樹脂などを基にした有機材料は、10確認た。SCS4050-AP の主な組成は GdBCO でMGy を超える放射線量で、機械強度の低下が顕あり、超伝導性劣化に対する低エネルギー中性子著になる[34]。数十 MGy まで耐えうる絶縁材料の大きな寄与は、約 49 kb の高い中性子反応断面として、シアネートエステルやビスマレイミドト積を持つ Gd によるものと推測される[33]。文献

リアジンを基にした耐放射線樹脂材料の開発も[28] は、高速中性子のフルエンスが 1022 n/m2

進んでいるが[10]、100 MGy 超える放射線環境での桁で YBCO の IC が増加したことが報告されて使用することは難しい。そこで我々は、セラミッ

おり、さまざまなタイプの REBCO 線材で照射試

クコーティング及びセラミンクボンディング技

験を行えば、反応断面積と超伝導劣化との関係を術を応用した無機絶縁超伝導コイルの基礎的な明らかにできるかもしれない。

研究開発を行っている。本項では、文献[35]を基

フルエンス 8.23×1021 n/m2 の IC を未照射サ
ンプルの IC0 で除した劣化率と測定温度の関係をFig. 6-9 に示す。測定温度 20 K で約 0.6 だった劣に無機絶縁コイルの開発状況を紹介する。
6.3.1. コイルの設計研究

化率は、77 K では 0.02 に低下している。これはHTS の耐放射線磁石の可能性を探るために、劣化の影響が一定ではなく、測定温度に依存してPhase-I 実験の陽子ビーム条件（８GeV, 3 kW）

いることを示唆している。また、低い温度の劣化において、COMET-PCS と同等の性能を持つが小さい傾向にあるため、運転温度が低いほど磁REBCO テープ線材を用いたパイオン捕捉ソレ

石の寿命が延びると思われる。文献 [29] でも同

ノイドの設計研究が行われた[11]。内径 340 mm、様に、温度に依存した劣化率の低下が観察されて厚さ 25 mm、長さ 340 mm のコンパクトな PCS

は、幅 4 mm、厚さ 0.1 mm の REBCO テープをフラックスを 1×1023 n/m2 以下に設計されてお用いた 34 個のダブルパンケーキコイルをスタッ

り、コイルの内側に大きなタングステン合金製のクした構造になっており、COMET-PCS の重量を放射線シールドが配置される。Fig. 6-10 の配置よ

100 分の 1 に縮小することができる。本モデルでるモンテカルロシミュレーションの結果、中性子

は、素線絶縁として無機絶縁ではなく厚さ 25

フラックスは 7.7×1020 n/m2/y となり、放射線にm のポリイミドが REBCO に巻き付けられていよるコールドマスの発熱量は 650 W と見積られる。モンテカルロシミュレーションにより放射線ている。コールドマスは 3 台のコイルブロックか量が計算されるが、COMET-PCS よりコンパクト

らなっており、1 台のコイルブロックは、内径になったことで、生成標的を囲む立体角が増加

1600 mm、厚さ 21 mm、長さ 10 mm のダブルパ

し、放射線による発熱密度は、10 倍の 0.43 W/kg

ンケーキ円形コイルを 20 個スタックした構造にに増加する。しかし、重量は 100 分の 1 であるたなっている。2 層構造のコイルには、幅 4 mm、め、総発熱量は 10 分の 1 となり 7.1 W となる。

厚さ 0.1 mm の REBCO テープが 1 層当たり 70

また、ベース温度を 20 K で運転した場合、純アターン巻かれている。運転電流 200 A において、ルミニウム冷却板の非常に高い熱伝導率を活か

ソレノイド軸上の最大磁場は 1.1 T、コイル内のすことができ、
コイルの温度は最大でも 21.6 K ま

最大磁場は 2.3 T となり、負荷率は 48％である。

でしか上昇しない。このように REBCO を用いた

TS2-PSC の実現可能性を検証するために、

PCS は、サイズおよび冷却に関して従来のものよ

REBCO テープを用いた小型の無機絶縁コイル

り大きな優位性を持つことが確認された。

の開発を行った。 検証コイルは、内径 80 mm、

上記の先行研究を基に、
TS2-PCS の概念設計が1 層あたり約 30 ターンの円形ダブルパンケー行われた[36]。Fig. 6-10 に TS2-PCS の構造と磁キ型となっており、Fig.6-11 に HTS 検証コイル

場分布を示す。TS2-PCS は、後方に生成されるパの構造図を示す。 検証コイルは、セラミック接着

イオンとミューオンの捕獲量を最大化するため剤でセラミックコーティングされた REBCO テに、エネルギー３GeV、ビームパワー1 MW の大ープで巻かれている。ターン間に塗布されるセラ

強度陽子ビームが照射される生成標的の直下流

ミック接着剤は、電気絶縁とコイルの機械的強度に配置される。TS2-PCS は、10 年間の運用期間の強化が期待されている。 検証コイルは、機械的で 6. 2. 1. 項で記述したようにコイルへの中性子

Fig. 6-10 TS2-PCS の構造と磁場分布

Fig. 6-11 HTS 検証コイルの構造図

強度と熱伝導を強化するために、セラミック コ

ットにした施工の繰り返し回数で調整される。

ーティングされたアルミニウム製部品と純アル

SCS4050-AP の短尺サンプルを使用した試験で、ミニウム伝熱版とセラミック接着剤で一体化さ100℃で 20 分間の最適な最終熱処理条件が確認

れる。

された。

6.3.2. セラミックコーティングの応用

A. REBCO サンプルへのコーティング

Fig. 6-13 に目標膜厚 50 μm のセラミックコー
ティングを施した REBCO テープの全体および断面写真を示す。REBCO テープの表面には、厚さセラミックコーティングに関わらず、線材に何

約 40 μm のセラミック層が形成されている。コー

かしらの方法で表面処理を行う際には、ほとんど

ティング後のサンプルは、ポイントプローブを用の場合熱処理が必要である。しかし、高温環境でいた耐電圧試験により電気絶縁性能の評価が行REBCO 超伝導特性は酸素の蒸発により低下する

われた。耐電圧試験の負荷は、周波数 50 Hz の交ことが知られている。Fig. 6-12 に我々が測定した流電圧で与えられた。Fig. 6-14 に絶縁破壊電圧のSCS4050-AP の熱履歴による IC の低下を示す。

膜厚依存性を示す。 絶縁破壊電圧は、厚さ 24 m

水平軸の経過時間は、乾燥炉内の設定温度での保持時間を表している。経過時間０の場合、サンプ
ルは設定温度に到達直後に乾燥炉のヒータ出力がゼロになり自然冷却されている。例として、
180℃で 5 時間の熱処理を行った場合、IC が 10％低下する。この温度は、一般的なセラミックスの焼結温度よりも遥かに低い。そこで、我々は比較的低い温度でも成膜可能なゾルーゲル法によるセラミックコーティング技術に着目し、REBCO
や磁石部品の電気絶縁への応用を試みた。市販のいくつかのコーティング剤で、スプレー、刷毛塗
り、ディンピング等の方法で試行錯誤を繰り返した結果、現時点で最適化されている方法は、SiO2

Fig. 6-13 コーティング後のサンプルの写真と Al2O3 を 1:1 で特別に配合した日研製 G925 塗料をスプレーでの塗布である。絶縁層の膜厚は、1 回のスプレーと 80℃で 10 分間の乾燥をセ

Fig. 6-12 熱履歴による IC の低下

Fig. 6-14 絶縁破壊電圧の膜厚依存性

有られたリールに巻き取られる。テープの経路はプーリーを用いて行われるが、プーリーとの接触
面はスプレーによる塗布面と反対になる。膜厚制御のための繰り返し施工では、リールを逆回転させて、テープ位置を元に戻し再施工される。方側
コーティング完了の後、リールを取外しテープ面
表裏を逆にして、もう片方のコーティングが施工される。短尺サンプルによって最適化された熱処理条件は、10 個の滑車で パス長 7.6 m の熱処理セクションの通過時間によって調整される。例えば、80℃で 10 分間の乾燥の場合、長さ 380 mm
Fig. 6-15 コーティング前後の IC の比較のテープの一部にスプレーし、熱処理セクションに送り込む時間は 30 秒である。

(目標厚さ 30 m) で許容電圧の 2 kV 以上になっFig. 6-17 に片面 8 m にわたってコーティング

た。 Fig. 6-15 は、外部磁場なしの液体窒素中でされた REBCO テープの膜厚測定の結果を示のセラミックコーティング前後の IC の比較を示す。平均厚さ 19 m のセラミック絶縁膜を 8 mしている。コーティングされた REBCO テープのの長尺テープに形成できた。ただし、スプレーやIC は、未施工のサンプルとの有意な差はみられな

テープ送りは人の手で行われており、膜厚のばらい。熱処理時間が短いため、超伝導特性の熱履歴つきが大きい。

による劣化がない事が確かめられた。セラミック

現在、連続コーティング装置は改良され、コー被覆テープに室温～77 K の繰り返し熱負荷を 10回以上与えても、外観、絶縁抵抗、臨界電流に変化はなく、良好な絶縁膜が成形されていることが確認された。

B. 長尺テープの連続コーティング
短尺サンプルによって施工条件の最適化が行われた。次にその条件を基に長尺テープへの連続
コーティングの試行が行われた。Fig. 6-16 に開発された連続コーティングシステムの写真を示す。
REBCO テープはリールに巻かれた状態で送出し機にセットされる。テープはスプレーセクショ
ン、熱処理セクションを介し巻き取り機取り付け

Fig. 6-17 コーティングテープの膜厚測定結果
ティング剤噴射機（自動スプレー）の追加と送出し速度の一定化が図られた。その結果、長さ 40 mの REBCO テープ両面にそれぞれ±4.3 m()の均一度での絶縁膜コーティングに成功している。
6.3.3. 検証コイルの巻き線

Fig. 6-16 連続コーティングシステムの写真

無機絶縁コイルの実現性を検証するために、
Fig. 6-16 の連続コーティング装置で両面セラミックコーティングされた長さ 14 m の REBCO テって制御されるフィーダーによって、0.85～0.95

ープを使用して、セラミック接着剤を用いたウェ

kg に調整された。 1 回目の巻線試作で、1 層目

ットワインディング方式で、小型のダブルパンケ

26 ターン、2 層目 24 ターンの円形シームレスダ

ーキコイルの巻き線が行われた。いくつかの市販

ブルパンケーキコイルの製作に成功した。Fig. 6-のセラミック接着剤を用いてスタックサンプル

18 は、無機絶縁プロセスで巻かれた最初の検証

製作を繰り返した結果、検証コイル巻線用の接着

コイルの写真である。コイルの平均厚さは、1 層剤には東亞合成株式会社製アロンセラミック®タ

目で 5.71 mm、2 層目で 5.49 mm であり、コー

イプ C を採用した(https://www.toagosei.co.jp)。

ティング層と接着剤から構成されるテープ間のこの接着剤の硬化条件は、室温で 16 時間乾燥さ

絶縁層の有効厚さは、0.13 mm と推定される。

せた後、90℃で 1 時間、150℃で 1 時間の熱処理

検証コイルの健全性の確認のために、超伝導転で良く、IC の低下が起こらないと推測できる。ま

移温度が測定された。4 端子法により測定された

た、タイプ C を選定した理由は、0℃で 13×10-6

室温でのコイル抵抗は 1.57 となり、巻き線前の/℃の線膨張係数は、他タイプよりも REBCO テ

14 m 長の REBCO テープの抵抗値と同じ値であープや金属製のサポート部品の線膨張係数に近り、コイルのターン間ショートなどの問題は起こい事であり、冷却による熱収縮の影響を小さくでっていない。Fig. 6-19 に大気中で液体窒素を用いきる。

て冷却されたコイル抵抗の変化を示す。温度はコ

検証コイルは、目標膜厚 50 m でセラミックコ

イル表面に取り付けられた白金測温抵抗体

ーティングされたステンレス鋼製の円形のセン（Pt100）で測定されているが、これはコイル表面

ターボビンに接着剤を塗布しつつテープを巻きの温度と環境温度合わせた参考温度である。90 K

付けることで製作された。テープの張力は、バネ付近に超伝導転移に伴う抵抗値の急激な現象がを用いてセンターロッドとベルト間の摩擦によ見られた。これは REBCO 線材の超伝導特性が劣化していないことを示しており、無機絶縁超伝導磁石の実現に向けた大きな一歩となった。
HTS の加速器や原子核・素粒子実験装置への応用は世界中で関心が高まっており、REBCO に限らず様々な研究が行われている。我々は、HTS の応用に関して、京都大学、東北大学、ローレンスバークレー研究所（LBNL）、ブルックヘブン国立研究所（BNL）と共同研究を行っている。そのプFig. 6-18 検証コイルの写真

Fig. 6-19 試験用レーストラックコイルの構造

具体例として、COMET 実験用パイオン捕獲ソ
レノイドの機械設計を紹介し、電磁気特性、熱特性、機械特性が相互に影響を及ぼす超伝導磁石において、有限要素法を用いた連成解析は非常に有効な方法であることを示した。高放射線環境で運転される超伝導磁石の場合、上記に加えて線量に依存した材料特性の劣化や熱負荷等も考慮する必要がある。
運転環境が 100 MGy 超えるような、将来の耐放射線超伝導磁石の実現を目指した基礎開発研
Fig. 6-20 試験用レーストラックコイルの構造究の現状も紹介した。次世代耐放射線超伝導磁石

ログラム一つとして、無機絶縁 REBCO コイルのの線材候補であるイットリウム系高温超伝導体

高磁場試験が計画されている。我々は上記の手法の REBCO と呼ばれるテープ線材の照射効果の研を踏襲して Fig. 6-20 に示されているような長尺究を行っており、ガンマ線照射では 27.4 MGy まの レ ー ス ト ラ ッ ク コ イ ル を 製 作 し 、 BNL ので臨界電流の劣化は観測されなかった。一方、中Nb3Sn レーストラックで構成されている試験設

性子照射において、中性子フルエンス 8.23×1021

備で、外部磁場約 10 T、温度 4.2 K での試験を計

n/m2 で劣化が観測され、4.11×1022 n/m2 で超伝画している。現在、ダミーとして同形状の銅テー導性が消失した。低エネルギー中性子の寄与が大プを用いて巻き線を行い、コイル部品や巻き線治

きいことが示唆されており、Cd によってシール具の改良と共に技術の習熟を行っている。前項でドされたサンプルの照射を行い劣化メカニズム

記述した長さ 40 m の REBCO テープ線材へのセの理解を深め、今後の磁石開発に生かしていく。

ラミックコーティングは既に完了しており、間もセラミックコーティング及び接着技術を用いなく高磁場試験用のレーストラックコイルの巻た無機絶縁コイルの研究開発を進めており、コーき線が開始される。

ティング剤をスプレーで塗布し 100℃の熱処理することで、テープ表面に SiO2 と Al2O3 で構成さ

7. まとめと謝辞れる良好な絶縁膜を成形することに成功した。ま高い放射線環境で運用される超伝導磁石の応た、無機絶縁超伝導コイルの実現性を調べるため用例として、COMET 実験用ミューオンビームラにコーティングされたテープ線材を用いてセラインと J-PARC-MLF 第 2 ターゲットステーショ

ミック接着剤による小型の円形ダブルパンケー

ン用パイオン捕獲ソレノイドの開発及び基礎研

キ検証コイルが製作された。検証コイルの超伝導究が紹介された。近年のミューオンビームライン

特性に劣化が見られないことから、我々の手法のでは、2 次粒子生成標的をソレノイド内部に配置

有効性が確認された。次の目標として、BNL におし標的上に印加された強磁場でミューオン及びける低温、高磁場試験を目指した長尺レーストラ

パイオンをトラップするため、従来の 2 次粒子ビ

ックコイルの開発が進行中である。

ームラインと比較し、1000 倍以上のミューオン

最後に量子科学研究開発機構 高崎量子応用研を引き出すことができる。しかし、その構造に起究所のスタッフには、ガンマ線照射の際に様々な因して、超伝導磁石は、標的とコイルの間に高密便宜を図って頂いた。また、東北大学金属材料研

度の放射線シールドを配置しても、高放射線環境究所材料科学国際研究センターのスタッフには、下での運用を強いられるため、放射線による影響

中性照射に関する様々な手続きや作業だけではを最小化し、目標線量に耐えうる設計をする必要なく、測定に関する補助もやって頂いた。ここにがある。

深く感謝の意を表したい。

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