メインリング電磁石システム0. はじめに電磁石は加速器要素の中でも荷電粒子の軌道制御するうえで欠かせない重要な要素の一つである。本講義では、SuperKEKB の主リング(MainRing : MR) の常伝導電磁石システムについて紹介する。
SuperKEKB では KEKB の約 40 倍のルミノシ
ティ―を達成するために、「ナノビーム衝突」方式が採用された。これに伴い、MR の一部の電磁石が新規に製作されトンネル内に据え付けられた。
また、ラティスの変更に伴う電磁石のレイアウト
変更も行われた。第 1 章では、SuperKEKB の仕様要求を満たすため、KEKB 時から大きく改修された箇所を中心に紹介する。
MR には 2000 台を超える電磁石が配置されている。ナノサイズのビームを制御するためには、
これらの大量の電磁石を指定された場所に精度
よ くア ライメ ント する必 要が ある。 しか し、SuperKEKB トンネルは 1 周 3 km の円形トンネルであるため、全部の磁石を一度に見渡すことはできない。第 2 章ではこのような大規模な電磁石システムのアライメント方法について紹介する。
第 2 章は SuperKEKB 電磁石グループの増澤美佳氏に執筆をお願いした。
MR に設置されている電磁石の内 1750 台は水冷式電磁石磁石である。電磁石の温度を一定に保つことは、安定した磁場の励起という点において非常に重要である。1750 台の電磁石へ安定した冷却水供給を可能にするのが電磁石冷却水システムである。第 3 章では、大規模な冷却水システ
ムを運転するにあたり気を付けるべき事項を中心に紹介する。

10－ 1

1. メインリング電磁石の実現のため[5]、以下の 4 つの大規模なアップグ

SuperKEKB[1, 2, 3]は次世代の電子陽電子 B ファクトリーマシンで、「ナノビーム」方式[4]を使用
して KEKB の 40 倍のピークルミノシティーの達成を目指している。KEK の敷地内の地下 11 m に建設された直径約 1km、周長 3km の円形トンネ
ル内に、7GeV の電子リング(HER)と、4GeV の陽電子リング(LER)が設置されている。Fig. 1.1 はSuperKEKB のトンネルの全体図である。トンネ
ルは実験室両側約 100m の「直線部」と各直線部をつなぐ「アーク部」から成り立っている。トンネル内には、直線部とアーク部がそれぞれ 4 カ所あり、2500 台以上の常伝導電磁石が設置してある 。筑 波直線 部に 設けら れた 衝突エ リア にはBelleⅡ検出器が設置されており、電子陽電子ビー
ムの衝突が行われる。

レードが行われた[6]。
1）衝突エリア全体の新しいビームラインの新設
2）陽電子リング内の主偏向電磁石の交換
3）LER リングのウィグラー区間のレイアウト変
更とＨＥＲリングのウィグラー区間の新設
4）LER リングへの回転六極電磁石の導入
これらの変更に伴い 400 台を超える主電磁石が新しく設計・製造された。Table 1 は SuperKEKB
で新規に作製された主要電磁石のパラメータの情報である。g/2 は、偏向電磁石のハーフギャッ
プもしくは磁石のボア半径、Leff は磁石の有効長を示している。
この他にも HER および LER には 800 個を超える垂直および水平補正電磁石があり、LER のア
ンテチェンバー(電子雲対策用に製作された新しいビームチャンバー)に合わせて、約 250 個の垂直補正電磁石を新しく設計し製作する必要があった。Fig. 1.2 は、電子リング（HER）と陽電子リング（LER）の再利用された電磁石と新規に製作された電磁石の割合を示している。

Fig.1.2 新規電磁石と再利用電磁石の数の比率

Fig. 1.1 SuperKEKB トンネルの概略図
SuperKEKB 加速器はピークルミノシティー8
×1035cm-2s-1 を実現するためには、KEKB の MR
電磁石システムを大幅にアップグレードする必要があった。しかし、MR すべての電磁石を新規に製作するには莫大なコストがかかるため、できる限り KEKB 電磁石を再利用することを前提として、SuperKEKB のラティスが考えられた。しかし、低エミッタンスラティスやナノビーム衝突

10－ 2

Table 1.1 新規に製作された電磁石のパラメータ
Ring
HER

LER

Magnet(main locations)
B (LCC sections)
B (IR)Q (LCC, etc.)
Q (Arc sections)
Q (IR)Sx (LCC sections)
B (Arc sections,etc.)
B (LCC sections)
B (IR)
Wiggler
Q (LCC, etc.)

g/2
(mm)
55
49
50
50
55
56
55
55
55
55
83

Leff (m)3.96
3.60/2.23
1.12/0.57
0.82
0.53
0.608/0.509/0.335
4.19

Max. B, B’, B’’(T),(T/m),(T/m2)
0.3
0.112
18.0
12.8
2.0
472/465/447
0.19

I(A)#
turns/pole13251050010700265002650066002284010# of magnets(Phase I)
11
1/1
2/33
8
2
4/4/2
114

3.96
2.2/1.6
0.34/0.22
0.58

0.3
0.223
1.18/0.76
6.3132510100010140036500(600) 35

5
3/1
56/11212

石はスキュー四極電磁石である。これらの磁石

1.1. 衝突点周辺のレイアウト変更

は、0.5 mm または 1.0 mm の珪素鋼鈑を積層さSuperKEKB では、ナノビーム衝突を実現するせ製作した。BL 磁石は 1500 mm、2130 mm、

ために、最終集束超伝導電磁石の大幅な変更が行

3500 mm の異なった 3 種類の長さ電磁石が必要われた。これに伴い衝突点周辺の常伝導電磁石もとされたが、コスト削減のため同じ形の珪素鋼鈑

大きくレイアウトが変更された(Fig. 1.3)[7]。衝突が使われている。衝突点の両側では、両リングの点近傍における両リングの間隔は非常に狭く、空ビームラインが接近しているため、衝突点付近に間的制約が他の電磁石よりも厳しい。このような配置される磁石に与えられる幅の空間スペース

状況で要求される磁場品質を満足する電磁石がは 440 mm と非常に狭い。さらに、真空ポンプや新規に設計・製作された。

ベローズの設置スペースを確保するため、磁石長手方向に関してコイルは鉄ヨークから 90 mm 以
内の空間に収まるように設計する必要があった。
Table 2 に各種の磁石の機械的パラメータを示す。

Table 1.2 各磁石の機械的パラメータ

Fig. 1.3 筑波衝突点付近のレイアウト
このような空間的な制約に加えオプティクスか
筑波エリアの衝突点近傍には 4 種類の常伝導電ら要求される磁場品質も満たさなければならな磁石(BL、BC、QL、QK 電磁石)が配置されていい。マルチポールエラーの許容範囲はダイナミッ

る。BL 電磁石は水平方向、BC 電磁石は垂直方向

クアパーチャーのシミュレーションから決定さの偏向電磁石である。QL 磁石は四極磁石、QK 磁れる。シミュレーションの結果からマルチポール

10－ 3

エラーは BL で 1%、QL で 0.5 %以下という要求

Fig. 1.5 に QL 磁石の側面図と断面図を示す。

がなされた。Table 3 は磁場とコイルに関するパ

全幅は 338 mm、一番長い場所での鉄ヨークの長ラメータである。

さは 500 mm になる。

Table 1.3 各磁石の磁場とコイルのパラメータ

Fig. 1.4 に BL 電磁石の図面を示す。電磁石のア

Fig. 1.5 QL 電磁石の図面

パーチャは、真空ビームダクトを収めるのに十分な大きさが必要である。一方、IR におけるスペー
スの制限のために、磁石の全幅は 440 mm 以下とされた。その結果、27 mm という非常に薄いリタ製作された電磁石の磁場品質をロングフリッ
プフロップコイルとローテ―ティングコイルを用いて評価した。Fig. 1.6 は BL 磁石のビーム進ーンヨーク幅で磁石を設計することを強いられ

行方向に対して垂直な水平方向の磁場プロファた。しかし、磁場シミュレーションソフト

イルである。X = 0 mm における積分磁場で規格

Opera3D を使用してフィールド計算した結果、鉄化してある。BL 磁石は窓枠型の偏向磁石であるのサチレーションはなく、必要とされる最大磁場ため、対象な磁場分布を持っていると思われた

強度が得られることが確認された。このように、が、図に見られるように長さ 1500 mm の BL 磁

大規模な加速器においては他の要素の兼ね合い石において x プラス方向で磁場の非対称性が確認などもあり必要な磁場強度や磁場品質を満たしされた。考えられる原因は、磁石にコイルに電流つつ、空間的制約をクリアするように磁石の設計を供給するための電極プレートが原因と考えらを行う必要がある。

れる。Fig. 1.6 から x プラス方向はこの電極側であることがわかる。BL(1500 mm)磁石は、電極から何らかの影響を受けて磁場の非対称性が生じたと考えられる。一方、3500 mm 磁石は磁石が長い分積分磁場が強くなり、電極の影響が小さくなったと考えられる。ただし、どちらの磁石も要求された均一領域は満たしている。

Fig.1.4 BL 電磁石の図面

Fig. 1.6 BL 磁石の積分磁場の横方向分布10－ 44 極磁石の磁場評価はハーモニックコイルを用いて行われた。
Fig. 1.7 に主成分の 4 極成分 (n=2)

たビームの進行方向の変化であるためビームに対して問題を起こすほどではない。

で規格化されたマルチポールの大きさを示す。4極成分の allowed multipole は 12 極、20 極、{4×(2n+1)} 極である。図の赤い点線は磁場品質か
らの要求値で、各マルチポールはこの点線以下に抑える必要がある。測定の結果、12 極成分を含めすべての高次のマルチポール成分が要求を満たしていることがわかる。

Fig. 1.7 QL 電磁石のマルチポールエラー
Fig. 1.8 上：BL 電磁石のビーム軸方向の磁場プ
ロファイル、中：フラットトップの拡大図、下：BL 電磁石のボルト位置

ビーム軸方向の磁場のプロファイルは、小型のフリップフロップコイルを z 軸に沿って移動させる
ことで得ることができる。BL1500 磁石のマッピ
ングデータを Fig. 1.8 (上) に示す。Fig. 1.8 (中)磁場有効長は、マッピングデータから求められは中央部分を拡大したもので、凸凹した構造が見た積分磁場と NMR で測定された磁石中心の磁場られる。これは、電磁石ヨークの上半分と下半分を用いて計算される。Fig. 1.9 に BL 磁石と QLを接続するサイドアイアンボルトの位置に対応

磁石の中心磁場と有効長をプロットしたグラフ

しているように見える(Fig. 1.8 (下))。ボルトの数と凸凹の山の数は一致しており、他の BL 磁石
BL2130 と BL3500 にもこのような凸凹構造が見を示す。大電流において線形の励磁曲線が得られていることから、鉄ヨークは飽和していないことがわかる。また、有効長は励起電流にわずかに依られる。磁場のシミュレーションにおいても磁石

存 す る こ と が わ か っ た 。 Table 1.4 は 、の上半分と下半分との間の周期的なギャップがSuperKEKB IR 用の IR 近傍電磁石の磁場測定結このようなプロファイルを作り出す可能性が示果をまとめた。電界強度と有効長は、Opera 3D のされたことからサイドボルトにより上下の鉄ヨ

計算とよく一致しており、磁場品質は要求されたークの不均一な接触が作り出すものであると考許容範囲を十分満たしていることがわかる。

えられる。この不均一性は 10-3 未満と小さく、ま10－ 5

Fig. 1.9 BL 及び QL 磁石の有効長

Table 1.4 IR 電磁石の磁場測定の結果
Magnet
BL1500
BL2130
BL1500QL

Max. B or B’
Required
Actual0.223 T
0.254 T
0.112/0.223 T
0.127/0.254
T
0.112 T
0.127 T
2.04 T/m
2.49 T/m

Effective length
Required
Actual1600 mm
1599.6 mm
2230.0 mm
2231.6 mm

Field quality
Requirement
Actual1%@50 mm
<0.1%@50mm
1%@50 mm
<0.1%@50mm

3600.0 mm
3609.0 mm
560.0 mm
538.1 mm

1%@50 mm
<0.1%@50mm
0.5%@50mm
0.2%@50mm

10－ 6

1.2. LER 偏向電磁石とウィグラー電磁石

さらにエミッタンスを小さくするために LER のSuperKEKB の水平方向のデザインエミッタン
スは、𝜀𝜀𝑥𝑥 = 3.2/4.6 nm (LER/HER) に設定されており、KEKB 設計値に比べてそれぞれ 1/5~1/6 に小さくする必要がある。リングのエミッタンスを小 さく するた めに 行われ たア ップグ レー ドがLER の主偏向電磁石の入れ替えと LER のウィグ
ラー区間のレイアウト変更、HER のウィグラー区間の新規導入である。リングの𝜀𝜀𝑥𝑥 は、式(1)で表される。

𝑐𝑐𝛾𝛾 𝛾𝛾2𝜀𝜀𝑥𝑥 = 𝐽𝐽

𝑥𝑥

グラー区間の新設も行われた。ウィグラー区間はリングのエミッタンスを小さくするうえで重要な区間である。Fig. 1.11 は KEKB で使用されていた double pole ウィグラー電磁石の写真と OPERA3D で計算された各ポールの磁場強度である。このように非常に短い距離に反対の極性を持った
垂直磁場を発生させ、ビームを左右に揺らすことで意図的に放射光を発生させる。ビームは複数のウィグラー電磁石を通過する間に連続的に揺さ1∮2𝜋𝜋𝜌𝜌02 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏

55

ウィグラー区間のレイアウト変更、HER へのウィℎ(𝑐𝑐𝛾𝛾 = 32√3 𝑚𝑚𝑐𝑐 2)

𝐻𝐻𝐻𝐻𝑠𝑠(1)

ぶられる。このときの放射減衰の効果と空洞による加速を利用してビームのエミッタンスを下げることができる。

ここで、γは Lorentz factor、𝐽𝐽𝑥𝑥 は水平方向の damping
partition number、𝜌𝜌0 は主偏向電磁石の曲率半径、∮𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻は主偏向電磁石での積分である。円形加速器において必ずビームを 360 度回転させる必要Fig.1.11 左：double pole ウィグラー電磁石、右：磁場シミュレーションがある。この役割を果たすのがアーク部に設置されている主偏向電磁石である。式(3)から主偏向電磁石の曲率半径を大きくすることで水平エミッ
タンスが小さくなることが分かる。SuperKEKB では LER のアーク部の偏向電磁石の励起磁場強度を 0.8 T から 0.2 T に下げ、有効長を 0.9 m から 4.2
m に変更し、トータルの積分磁場は変えず、曲率
半 径 を 約 4 倍 に 大 き く し た 。 Fig. 1.10 はSuperKKEB 用に新規に製作された LER 用偏向電磁石である。

KEKB では、大穂直線部および日光直線部でdouble pole ウィグラー電磁石のみで構成されていた。しかし、SuperKEKB では KEKB に比べより低いエミッタンスが要求されるため、LER リングでは、より磁石長の短い single pole および half pole
ウィグラー電磁石が新規に製作し、既存の double
pole ウ ィ グ ラ ー 電 磁 石 の 間 に 挟 み 込 ん でSuperKEKB ウィグラーシステムに改造した。このような改造が大穂直線部および日光直線部で行われた。Fig. 1.12 は新規に設計されたウィグラー
電磁石と 1 セルあたりの磁石配置図である。ビームの蛇行周期を短くすることでエミッタンスのFig. 1.10 新規に製作された LER 用主偏向電磁石

より一層の低減が可能となる。

10－ 7

リング全周に配置された 108 台の主偏向電磁石は、
1MW 級の電源 1 台で励磁される。また、ウィグ
ラー電磁石も数台まとめて 1 台の電源で励磁される。そのため、同じ電流を印加した際の各磁石の

磁場強度のばらつきは小さくなくてはならない。
Fig. 1.14 は LER 偏向電磁石の積分磁場強度の分布を表している。磁場強度は平均値で規格化している。108 台の磁場強度分布の標準偏差は 2.1×104と非常に低い値であった。

Fig. 1.12 half pole 磁石(左上)と single pole 磁石(右上)、LER ウィグラー区間のレイアウト(下)HER ではデザインビームエネルギーが 8 MeVから 7 MeV に変更されたため、要求されたエミッタンスに近い値になっているが、さらにエミッタ
ンスを小さくするために KEKB で使用していた

Fig. 1.14 LER 偏向電磁石の積分磁場のばらつきdouble pole ウィグラー電磁石を再利用して大穂直線部に新しくウィグラー区間を建設した。
 磁石の磁場強度と均一性はロングフリップフ

Fig. 1.15 はウィグラー電磁石に関する磁場強度のロップコイルとハーモニックコイルを使って評ばらつきである。ウィグラー電磁石は～1×10-3 と価した。また、磁石の有効長はマッピング用の小偏向電磁石に比べて大きな値となった。これは、

さなフリップフロップコイルを用いて評価した。

ウィグラー電磁石の磁極長が短いためであると Fig. 1.13 はロングフリップフロップコイルで測考えられる。しかし、ビーム運転のときのオプテ

定した LER 偏向電磁石の積分磁場の磁石横方向

ィクス補正によりこのエラーは補正されるため、の分布である。磁石の中心から±50 mm の範囲で大きな問題にはならない。

の積分磁場のばらつきは 0.05 %と非常に小さく、磁場均一な領域が十分に確保されている。

Fig. 1.15 ウィグラー電磁石の磁場強度のばらつきFig. 1.13 LER 偏向電磁石の積分磁場(横方向)

10－ 81.3. 回転六極電磁石

治療用のガントリーや小さな永久磁石を回転さ

LER 偏向電磁石の入れ替えやウィグラー区間のレイアウト変更により、低エミッタンスのラテ
ィスの設計が粛々と進められる中、次に重要になるのが、衝突点におけるビームの調整である。いくつかあるビーム衝突調整パラメータのなかで色収差の補正がルミノシティ向上に大きく寄与

せるシステムはその一つである。しかし、今回のように重さが 700 kg にもおよぶ電磁石を±30 度という大きな回転角度で、しかも 0.1 mrad 精度
で遠隔制御できるシステムの開発は世界でも初めての試みであった。ここでは、その構造と製作過程における重要な点において説明する。
回転六極電磁石の製作において考慮すべき事することが、KEKB 運転中に確認されている。この調整に大きく貢献したのが skew 六極電磁石である。SuperKEKB では、
skew 六極成分と normal
六極成分の比率を磁石の回転角度によってコントロールすることができる回転六極電磁石が導入された(Fig. 1.16)[8]。KEKB で使用されたていた 24 台の六極電磁石を、新規に製作した回転架台に取り付け、衝突点を挟んで約 400 m の範囲の
LER ビームラインに設置されている。回転精度は0.1 mrad、回転レンジは‐30 度から+30 度（-

項の１つが磁石に取り付けられるアクセサリーの大きさや取り付け位置である。磁石の回転を妨げないように、また回転した際に磁石本体はもちろん、電源ケーブルや冷却水配管などが隣接する
電磁石やそのほかの加速器要素と干渉しないよう構造が見直された。Fig. 1.17 は改造前後の六極電磁石の断面図である。水平方向に出っ張っていた様々なアクセサリーを出来るだけコンパクトに納めるよう改造されていることが分かる。

523.58 mrad から+523.58 mrad）である。

Fig .1.17 改造前後の六極磁石の断面形状(左：改造前、右：改造後)
次に回転六極電磁石の回転機構について説明する。磁石の回転架台は大きく分けて 2 個のパーツから構成されている。1 つは磁石が固定され磁石と共に回転する回転テーブル、もう 1 つはその回転テーブルを駆動させるための駆動架台である。Fig. 1.18 にこれらの詳細な図面を示す。回転Fig. 1.16 LER ビームラインに設置された回転六極電磁石

テーブルの下方には半径 450 mm ヘリカルギアが取り付けられている。一方、駆動架台上部には加速器分野において、磁石を回転させる機構を持ったシステムはいくつか報告されている。粒子線ストレートギアが取り付けられており、このギアを回転させることで、ヘリカルギアに動力をつた

10－ 9

え磁石を回転させる。700 kg もの重量物をなめら面に径 0.1 mm の BeCu ワイヤを 3 本張りこの交かに精度よく動かすために、十分なパワーを持っ点を磁石の機械的中心とした(Fig. 1.19 (中))。磁

たモーターとギアの選定を行った。また、ギアの石を回転させた前後でこの交点のずれをセオド

位置や回転機構への取り付けを工夫し、全体がよ

ライト(E2:Laica)で測量し(Fig. 1.19 (左))、回転前

りコンパクトンになるよう設計されている。２つ後で出来るだけずれないように調節ネジで磁石のギアは一つの金属ブロックから削り出したもの位置を調整した。具体的な手順を以下に示す。

ので、高精度の加工が施されており、磁石の高い

1) レベリングブロックの上に磁石を設置し、ベ回転精度さらに回転したときの中心軸のズレをースプレートに乗せた高精度の傾斜計を参小さく抑えることに貢献している。

考にしながら磁石のレベルを調整する。
2) 磁石の両側のクロスヘアに沿ったラインを光軸としてセオドライトの位置と角度を調整する。
3) 磁石を+30 度回転させ、２カ所それぞれのク
ロスヘアの位置を測量する。
4) 磁石を-30 度回転させ、２カ所それぞれのク
ロスヘアの位置を測量する。
5) 下の式を使い回転中心と磁石の中心のずれを計算し、調節ネジを使って磁石位置を調整す

Fig. 1.18 ギアを使った回転機構

る。
dX = (𝑌𝑌+ + 𝑌𝑌− )/2sin(K)

回転架台に六極電磁石を組み付ける際、磁石を回転させたときに磁石の中心のズレが出来るだ
け小さくなるように回転中心と磁石の中心を合わせる作業が必要となる。磁石の中心にはビーム
チェンバーを据え付けるための空間が開いているため、回転軸を持っていない。そこで磁石の中心位置を視覚的に表現するため、各磁極の合わせ

dY = −(𝑋𝑋+ + 𝑋𝑋− )/2sin(K)K は回転角、X，Y はそれぞれ水平方向と垂直方向の座標である。1)～5)の作業を繰り返し行い、最終的に磁石を±30 度回転させたときにクロスヘアの位置のずれが 0.1 mm 以内に収まるよう調整を行った(Fig. 1.19 (右))。

Fig 1.18 左：回転中心の調整の様子、中：磁石に張ったワイヤ、右：回転中心からの電磁石中心のズレ

10－ 10磁石には回転角度をモニターするための傾斜計が設置してあるが、0.1 mrad の精度で磁石の回転を制御するためには、この傾斜計の校正も重要となる。校正の手順を以下に示す。
アライメントに使用される傾斜計は非常に高精度で角度を測定できるが、測定レンジは狭い。そこで 30 度近い大角度を正確に測るために sinebar tool と呼ばれるジグを用いた。水平方向のプ
レートの長さとプレートを支えるバーの長さを精度よく製作・測定することにより大きな角度を精度よく測定できる。ジグのプレートの上に高精度の傾斜計をおき、小さな角度を測定しこれらの値を足し合わせることで正確な磁石の傾きを知ることができる。角度を 5 度ずつ変えながら、そのときの角度と傾斜計の電圧から校正を行うことで精度の高い角度制御を可能にした。Fig. 1.20
は sine-bar tool を使った角度測定の様子である。
このようにして組みあがった磁石を加速器トン
ネルに搬入しビームラインへ据え付ける作業をFig. 1.20 sine-bar tool を使った角度測定の様
子 (左：sine-bar tool、右：測定の様子)
イメントを行うのが、回転六極に関してはすでに
回転中心と磁石中心を合わせてあるため、またビームラインに据え付けた後にこのような回転軸の調整ができないため、磁石と架台の位置関係が変わらないように Fig. 1.21 のような磁石と架台の両方を吊り下げる籠のような特別な治具を製作し作業を行った。特に磁石と回転機構の取り合い部分が離れないように十分注意しながらビー
ムラインへの設置を行った。

おこなった。通常の電磁石は磁石と架台を別々に搬入しビームラインに据え付けた後、磁石のアラ

Fig. 1.21 吊り籠(左)とビームラインへの設置の様子(右)10－ 11 トンネル内に据え付けられた後の電磁石には2016 年 2 月からスタートした Phase-1 コミッ

電流を供給する電力ケーブルや冷却水配管が接ショニングにおいて磁石中心のミスアライメン

続される。通常の電磁石は位置が固定されている

トがないかの確認と回転の動作確認を行った。まため、使用される電力ケーブルはどちらかというずは 10 台の磁石についてビームがない状態でリと剛体に近い感じのものである。いかに滑らかなモート制御により 0 度から‐30 度まで回転させ、回転を妨げないような接続が出来るかを考え、素正 確に 目標値 まで 動くこ とを 確認し た。 次に

線が細くて編み込み方も特別な電線とフレキシ

Beam Based Alignment (BBA)という方法を用い

ブルホースを採用した。通常の電力ケーブルと冷て 40 mA の低電流で磁石の中心のズレの確認を

却水配管を中継盤で受けて力が直接回転機構に行った。ビームを蓄積した状態で磁石を‐30 度かかからないようにして、中継盤と回転機構の間は

ら０度まで回転させ、‐30 度と 0 度の時のビー

これらの柔らかい特殊ケーブルとホースを使用

ム軌道の差を測定した。磁石の回転前後で x およして極力回転機構に力が加わらないように繋いび y 方向とも軌道の大きな変化は見られなかっだ（Fig. 1.22）。

た。Fig. 1.23 は‐30 度と 0 度のときの磁石中心の差を示している。ほとんどの磁石でその差は0.5 mm 以内で平均はほぼ 0 mm、シグマは 0.14
mm であった。

Fig. 1.22 電力ケーブルと冷却水配管

Fig. 1.23 回転前後の軌道の差(左)と各回転六極電磁石の中心のズレ(右)10－ 12

2. SuperKEKB アライメント

SuperKEKB 建設の第一歩として 2010 年の秋にKEKB 主リングの解体作業を開始した。これと同2.1. SuperKEKB トンネル時に SuperKEKB アライメント用に測量基準点

 SuperKEKB 建設では加速器トンネルをはじを測量し精密測量網を完成させる作業、すなわちめ、電磁石等の加速器コンポーネントなるべく多一周 3km に及ぶ主リングにある数百もの測量基

く再利用して建設コストの削減及び建設期間の準点座標と KEKB 運転によって確立された加速短縮を図った。SuperKEKB トンネルは、1980 年

器座標系を 100 m 以下の精度で合わせる作業を代のトリスタン加速器の建設時に造られたもの進めていた。ところが、このタイミングで東日本であり、今回の SuperKEKB で、その前身である大震災が発生し、完成したばかりの精密測量網は

KEKB 加速器を入れて３世代の加速器を経験す破壊されてしまったのである。余震が続く中、限ることになる。Fig. 2.1 は SuperKEKB 主リングられた作業時間の中で簡易的な測量を行なった全体を上から見たものである。SuperKEKB 主リ

ところ、エキスパンションジョイントのところでングは周長約 3km で、トンネル床は地表から約大きな変化が見られ、特に実験室とアーク部の境

11m の地下に位置している。主リングは北側から目で段差ができてしまったことを確認した。Fig.

時計回りに筑波、大穂、富士、日光と呼ばれる４2.2 はミリ単位で開いてしまったエキスパンショ

つの実験棟とその両側に約 100m 伸びる直線部、

ンジョイントの一例である。

各直掩部をつなぐアーク部から成っている。このうちの筑波実験棟に電子・陽電子の両ビームが衝突する衝突点があり BELLE II 検出器が設置され様々な物理現象を捉える。
それぞれの実験棟については杭打ち基礎が施されているが、アーク部については杭打ちなしで地中にフリーの状態で置かれている。またトンネルの熱膨張・収縮を吸収するため約 60~70m おきにエキスパンションジョイント(Fig. 2.1 にある切れ目)が設けられている。

Fig. 2.2：ミリ単位で開いたエキスパンションジ
ョイント。

Fig. 2.1：KEKB トンネル

10－ 13

2.2. Strategy
東日本大震災によりトリスタン加速器、KEKB
加速器と引き継いだ精密測量網が崩れ、基準点座標の情報を失ってしまった。そこで、SuperKEKBでは１）局所的な測量基準点を用いて電磁石をアラインメントする、
２）通し測量を行い、その結果をもとにまた電磁石をアラインメントするという作業を繰り返して各電磁石の最確値を求め、全周の電磁石が滑らかにつながるように修正をかける作戦に変更した。 具体的にはトンネ

Fig. 2.4：レーザートラッカー校正の様子

ル壁や床の測量基準点と電磁石を同時にレーザ

今 回 の SuperKEKB 主 リ ン グ 測 量 で は 主 にートラッカーで測量し、Fig.2.3 にあるような測FARO 社製のレーザートラッカーION を使用し、量網を組んで行く。一回の測定では図３の枠で建設の後半では後継機でもあるより軽量な示されているように左右~16m の範囲にある測VANTAGE を投入している。一点の測量について

量基準点を測量する。枠内全ての測量が終了し1kHz のサンプリングで 5000 点測量し平均値をたら、レーザートラッカーを~8m 離れている隣真の値、として使用した。また、5000 点のバラツの測量ポイントに移動する。このようなレーザ

キが大きい場合には再測定を行うようにした。バートラッカー設置ポイントは主リング全周にラツキが大きい原因の一つに空気の揺らぎがあ

400 箇所近くある。このように~8m ずつレーザる。この場合にはトンネル内空調を測定中だけ停ートラッカーを移動し、測量網をオーバーラッ

止する、人の出入りを制限する等の対策をとっプするように衝突点を挟んで主リング~3km をた。また全周測量期間は長期に及ぶため、この期回る。~400 セットの枠内データを重ね合わせる

間の温度が大きく変化しないよう施設側にも協解析をすることから、系統誤差には特に注意を力して頂いた。

測った。実際には２ないし３グループで測量を行ったので、それぞれのグループが使うレーザ
ートラッカー間の系統誤差がないことを確認す

2.3. 測量(レーザートラッカー)

るための校正作業も行っている（Fig. 2.4）
。測量

SuperKEKB 主リングには 2000 台以上の電磁網計算の際には観測点を信頼した固定点を持た石があり、それぞれ２ないし３個の測量用基準面ない計算手法（フリーネット）で設計値に対してを 持っ ている 。基 準面は 精度 よく加 工さ れた

最小二乗法により最確値を求めた。この方法で~10cm 四方の面（例：平行度、平面度共に±0.01

求めた新点（すなわちアラインメントすべき電mm 以内）で、その面を水平面からのズレを水準

磁石の目標値）については~0.02mm の精度で求器で測量することができる。またこの基準面中央

めることができた。

部にはレーザートラッカー用のターゲット（球面ターゲット）用のホルダーを差し込むために孔があけられている。この孔はガタがないように精度よく、例えばφ24.96 H7 という精度で加工されているので磁極中心位置を±0.05 mm 以上の精度

Fig. 2.3：レーザートラッカー測量網例。

で決定することができる。電磁石の基準点とトンネル内の壁や床にある測量基準点を入れるとレ

10－ 14

ーザートラッカーで測量すべき点数は優に 5000

KEKB 開始時のアラインメントをそのまま引き点を超える。

継いでいる。実際にこのような大きなうねりは加速 器の 運転上 、そ れほど 問題 にはな らな い。
SuperKEKB では、もちろん、全数の電磁石を設

2.3.1 測量結果
電磁石アラインメント後に初めて行なった主計値どおりに設置することも可能ではあったが、リング全周測量の測量網計算結果を Fig. 2.5 に示

その場合 KEKB から現場に残り SuperKEKB です 。 こ の 図 に あ る 測 量 網 構 築 に は DESY のも再利用される電磁石以外の加速器コンポーネPETRA 加速器で実績のある PANDA（Program

ントの再アラインメント作業も同時に行わなけ

for

ればならなくなる。加速器光学グループとの相談

theAdjustmentof

Networks

andDeformation）を用いた。最近では測量網構築用の上リングの大きなうねりは修正しないことにのソフトウエアは多種あり、加速器業界で人気のした。

あるソフトウエアは SA (SpatialAnalyzer:New
Rivwe Kinematics 社 製 ) で あ ろ う 。 今 回 の2.3.2 目標値の設定と修正アラインメント対象電SuperKEKB での測量にこのソフトウエアを使わ磁石の選定方法

なかった最大の理由は、大型加速器での実績がな

目標とすべき座標（関数）については、リング一

かったことと、データの重ね合わせの際の累積誤周してスムーズに閉じる周期的な関数であるこ差の評価がブラックボックスであったことであとが条件であることから n 次のフーリエ関数を選る。SuperKEKB 測量網の大きさが周長 2.3km のんだ。次数については、修正すべき電磁石数とのPETRA に近かったこと、そして加速器に携わっ関係から 60 次を選んだ。電磁石の並びの周期をているアラインメントチームがソフトウエアの

ベータトロン振動よりも大きなうねりにしたか

開発に参加していること、中身がブラックボック

ったが例えば 30 次を選ぶと修正する電磁石数がスでないこと、等の理由で PANDA を選定した。

多くなることから、これも光学グループとの相談で 60 次に落ち着いた。
Table 2.１に今回（SuperKEKB Phase1）の電磁石アラインメント許容値をまとめた。ビーム進行方向については特に偏向電磁石とウィグラー電
磁石については緩めに設定されている。これについては Phase1,2 以降必要に応じて再アライメン
トすることは可能である。
Table 2.1 アライメント許容値
Magnet typedt (mm)ds (mm)

偏向電磁石

0.4

0.8

0.2

0.4

ウィグラー電磁石
四極電磁石
六極電磁石
Fig. 2.6 と 2.7 に各電磁石基準面の目標値からのFig. 2.5：測量網計算結果

図 5 より、SuperKEKB リングが大きくゆがんでいることがわかる。例えば、日光と富士の間のアーク部では実際の電磁石はリング外側に膨れる形で置かれている。このような大きなうねりはズレを LER と HER についてそれぞれプロットした。３次元座標をビーム進行方向のズレ（ds）とビーム直角方向のずれ（dt）に分けてある。
Table１の許容値を満たすために、LER/HER 両リ

10－ 15

ング合わせて約 400 台の電磁石の修正アラインメ
ントが必要となった。工程期間からくる制約からこの作業を２つのグループで行なっている。また、修正アラインメント作業そのものをチェックするための測量チェックグループを編成し、各ア
ラインメントグループの後を追う形でチェック及び再修正を行なって工程内に必要作業が終了するようにした。
Fig. 2.8 は HER の修正アライメント前後の電磁
石位置ズレをプロットしたものである。アライン
メントチェックグループにより下の図にあるよう大きく位置ズレが見つかった電磁石もあり、これについてはすぐさま再修正を行なっている。

Fig. 2.8：修正アラインメント前後の電磁石位置
Fig. 2.６：LER 電磁石の目標値からのズレ。

のずれ(HER を例にして)。

2.4. 周長の評価
 このようにして、主リング電磁石がスムーズな周期関数に従って設置されているかどうかの判断をし、凸凹している箇所については修正アライ
ンメントを行った。次にチェックすべき重要なポイントは周長である。周長の絶対値を求めることは容易なことではない。同じ測量を何百回と繰り返して一周データとするので、測定誤差が例え小さいものであっても系統的に載ってくる場合にはその累積誤差はそれなりに大きくなる。測量網を作ることで、例えば図 8 にあるように、とりあ
Fig. 2.7：HER 電磁石の目標値からのズレ。

えず『閉じたリング状』にすることはできてもそのリングが設計値に対して少し大きめになっているのか、小さめになっているのか、が周長の絶10－ 16

対値を知る上で重要である。これを調べるため

は、 “good enough”を目標とし、必要に応じて修に、ある四極電磁石抽出しその電磁石間の距離を正などの作業を行うという作戦をとった。

直接測量したものと、測量網計算から求めた四極2016 年 2 月から始まった SuperKEKB 運転

電磁石の座標から求めた電磁石間の距離の比較（Phase 1）では我々の出した周長予測値を初期値を行った。Fig 2.9 は、抽出した四極電磁石同士のとして加速器の調整を行った。結果周長予測は距離と設計値との差を衝突点から反時計回りに1mm 程度で合っており、また LER・HER 両リン

積算し、衝突点からの距離に対してプロットしたグの周長差は 0.2mm 程度で互いに一致していた。

ものである。もし設計値通りであれば、差の積算

2018 年 3 月から主リング入射が始まった Phase

量はゼロである。直接距離を測った場合（丸マー

2 では、初めて衝突実験を行ったが、この際にもク）と PANDA による測量網計算結果（四角マー

HER ビームを垂直方向に 0.03mm 程度 LER 側ク）で良い一致が確認された。また、実際には、に寄せることで衝突信号を得ることが出来た。

Fig. 2.5 でいうと左側の半円で周長が伸び気味に

KEKB 運転終了後の東日本大震災で絶対的な測なっている傾向があることも確認され、周長とし量網は崩れてしまったが、新しい精密測量網を構ては設計値に対して 17mm 程度長めになってい

築し系統誤差の累積に注意することでるという結果が得られた。因みに、KEKB でも運SuperKEKB 主 リ ン グ の 立 ち 上 げ に は “good転終了間際では周長は設計値よりも~10mm 伸びenough” なアラインメントをすることが出来た。

ていることがわかっている。また、東日本大震災

本稿ではアライメントやデータ処理等につい後に先に述べたようにエキスパンションジョイ

て詳細は省いた。関心のある方は IWAA

ントが開いたことにより、KEKB トンネル周長が(International Workshop on Accelerator
Alignment)サイト等を参照してください。

一時的に 30mm 程度も伸びたことが報告されている。

Fig.2.9：周長の評価

2.5. 運転
これらの測量結果については随時光学設計グ
ループにフィードバックされ意見交換をすることにより限られた時間と予算内で目標を達成するための “good enough”アラインメントである
ことを確認した。もちろん、時間とお金をかければアラインメント誤差を更に小さくすることも可能ではあったが、SuperKEKB 建設にあたって

10－ 17

3. 電磁石冷却水システム
3.1. 冷却水システム
電磁石システムの中で重要な要素の一つが冷却システムである。冷却水システムに要求される性能は~1750 台の水冷式電磁石全てに (1) 必要
流量を安定に供給すること、 (2) 冷却水の温度を一定に保つこと、である。
Table 1.1 で示したように SuperKEKB MR 内で使用される電磁石の多くは数百アンペア、磁石
によっては 1 kA を超える電流が印加され、励磁が行われる。そのため、コイルから発生するジュール熱は数 kW～十数 kW と非常に大きい。Fig.
3.1 は 4 極電磁石のコイルの断面写真である。加速器に使用される電磁石の多くは導体内に空いた孔に冷却水を流し冷却する直接冷却と呼ばれる方法がとられている。一方、補正磁石用コイルや補助巻線などの印加電流の小さいコイルは自然放熱を利用した空冷が採用されていることが多い。トンネル内の各電磁石には、地上部に設置された冷却水循環ポンプを用いて純水が供給される[9]。

式電磁石が追加されたため、KEKB の冷却システ
ムでは現在設置されている 1750 台の水冷式電磁石の冷却は不可能であった。そのため、2013 年から 2014 年にかけて冷却水システムの増強工事が行われた。これまではリング一周 3 km を 4 分割
し、筑波、大穂、富士、日光の 4 つの実験棟にそれぞれ備え付けられていた冷却水循環ポンプにより各エリア内の電磁石に冷却水を送っていたが、SuperKEKB では Fig. 3.2 に示すように 4 つの実験棟の中間に位置する場所に 3M、6M、9M、12M と呼ばれる新機械棟を建設し、各機械棟に実験棟と同等の能力を持った循環ポンプが備え付けられた。これにより、冷却能力は以前の約 2 倍となり、余裕を持って電磁石の冷却を行えるようになった。現在はリングを 8 エリアに分割し電磁石の冷却を行っている。1 エリアあたりの電磁石の数はおよそ 200 台で必要流量は 2000 ~ 3000
L/min である。また、冷却水の供給範囲は機械棟
から左右 200 m と広く、巨大な冷却水循環システ
ムとなっている。ここでは SuperKEKB の冷却水システムの簡単な仕組みとどのように維持管理しているかを説明する。

Fig. 3.1 電磁石に使われるホローコンダクター
MR 内に設置されている水冷式電磁石は全部で1750 台にもおよぶため、これら全部の電磁石を十分に冷却するためには、約 20000 L/min の膨大な冷却能力が必要となる。KEKB で使用していた
冷却水システムは、その前身であるトリスタン時代に建設されたシステムを再利用したものである。KEKB MR に設置された電磁石はトリスタン時に比べ約 2 倍に増加したため、冷却水容量としては余裕のない状態で適時調整して運転を行っていた。前章で述べたように SuperKEKB では偏向電磁石やヴィグラー電磁石など約 400 台の水冷

Fig 3.2: Schematic image of cooling water
system.
3.2. ホローコンダクターの設計
電磁石の冷却を考えるうえでホローコンダク
ターの設計が重要になる。ここでは、電磁石コイ
ルの発熱とこれに必要な冷却水流量の計算方法

10－ 18

を示し、それをもとにしたホローコンダクターの設計方法について説明する。一般的に電磁石コイ
ルには、無酸素銅が使用される。銅の電気抵抗率をρ、1 ターン当たりのコイルの平均長をL𝑐𝑐 、コイルの導体面積をSとするとNターンのコイルの抵
抗は，R=𝜌𝜌𝜌𝜌𝐿𝐿𝑐𝑐
   (2)𝑆𝑆で表される。ここでコイルの導体断面積は、印加
電流I、電流密度iにより𝐼𝐼
S=  
𝑖𝑖

60 × 10−3 × 𝑊𝑊
4.2 × 𝑑𝑑𝑑𝑑(7)となる。これから、必要なホローコンダクター径を求める。冷却水流量Qは、流速ν [m/sec]と導体の孔の面積𝐴𝐴𝐹𝐹 [𝑚𝑚𝑚𝑚2 ]を使って60 × 𝜈𝜈𝐴𝐴𝐹𝐹
103

(8)

103 × 𝑄𝑄
𝑑𝑑𝐹𝐹 = √15𝜋𝜋𝜋𝜋(9)Q=コイルからの発熱量Wは、

(5)

(6)

と書ける。これから、必要冷却水流量はQ=𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝐿𝐿𝑐𝑐
   (4)𝐼𝐼

W = R𝐼𝐼 2 = 𝜌𝜌𝜌𝜌(𝐼𝐼𝐼𝐼)𝐿𝐿𝑐𝑐

60 × 𝑅𝑅𝐼𝐼2
4.2𝑄𝑄 × 103

dT =

 (3)

と表されるため、コイルの抵抗は、R=

冷却水が流れにくくなる。このようにコイルを設計する場合は、様々な要素を総合的に考慮し電流、ターン数等を決定する必要がある。
次に、この発熱を取り除くための必要冷却水流量とホローコンダクター径の計算方法を示す。
冷却水の温度上昇dT [K]は、冷却水流量をQ [L/min]とするとと書くことができ、電流密度と起磁力、コイル長に比例する。通常電磁石コイルの設計では、電流密度を数 A/mm2 から 10 A/mm2 程度、流速を大きくすると銅の浸食を引き起こす恐れがあるた
め、原則として 2 m/sec 以下に設定して計算している。電流密度を小さくすると電源の観点からは印加電圧が小さくなるので有利である。しかし、その分コイルの導体断面積を大きくしなければならない。SuperKEKB は、電子-陽電子ダブルリ
ング加速器であるため、両チェンバー間の距離に制約がある。筑波の衝突点および富士のリング交差点以外で両リングが一番接近しているところ
は約 1 m ほどである。この間に収まるように磁石を設計する必要があるため、コイルの断面積をやたらに大きくすることは出来ない。コイル断面積を小さくするため印加電流を小さくすると同じ起磁力を得るためにはコイルのターン数を増やす必要がある。しかし、ターン数が増えるとコイ
ル全長が長くなり圧損が大きくなる。このため、と書ける。実際に通水している流量はマージンも含めるためこれより多くなる。導体の孔の直径を𝑑𝑑𝐹𝐹 [𝑚𝑚𝑚𝑚]とすると、と表され、必要なホロコン径が求められる。
流量と並行して考慮しなければならない事項が圧力損失である。流体が管内を通過するとき、流体の摩擦などのよって圧力低下が引き起こされる。それを圧力損失と呼ぶ。ホロコン中に水を流す場合もこの圧力損失を考慮しなければならない。コイルの圧力損
失∆𝑃𝑃𝑤𝑤 は、乱流領域の場合
𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘1∆𝑃𝑃𝑤𝑤 [ 2 ] = 0.18𝐿𝐿𝑐𝑐 𝜈𝜈1.75 𝜋𝜋
(10)
𝑐𝑐𝑐𝑐
( )1.75 𝑑𝑑𝐹𝐹1.254と書ける。KEKB および SuperKEKB で使用されている電磁石は、どの電磁石も出来るだけ均等に冷却水

10－ 19流量が確保できるようコイル入り口と出口での圧力損
失は 5 kgf/cm2 に設計されている。実際のシステムでは循環ポンプにより差圧が制御されており、現在は 7
kgf/cm2 程度である。
実際に SuperKEKB で使用されている LER 偏向電
磁石のコイルの場合を例にとってみる。磁石の仕様
は Table 3.1 のとおりである。電流密度を 5 A/mm2、コ
イルの温度上昇を 30 ℃以下、圧力損失を 5 kgf/cm2、流速~2 m/s とし、この条件の下で適当な値を選ぶ。
電流密度、温度上昇、コイル抵抗、発熱量、流量、流速を計算・比較し、最終的なコイル断面は 16 mm 角、
ホロコン孔径は 7.5 mm と決められた。
Table 3.1 LER 偏向電磁石のパラメータ
導体面積

LER_B_arc
840 A

コイル抵抗

~10 mΩ

コイル長

88 m

ターン数

10

却水の温度が 30 ℃を超えると、この三方弁が動作し一部の冷却水を屋外に設置されているクーリングタワ
ーを経由させて冷却水の温度を下げて再び主流路に戻す仕組みになっている。トンネルから戻ってきた
温度により三方弁の開度を調節し、トンネル内の電磁石に供給する冷却水の温度を 30 ℃になるように制御している。
また、各電磁石にはコイル入り口の配管にストレーナーが設置してある。これは、配管内に入り込んだ異物が電磁石コイル内に詰まることを防ぐためである。
コイルが詰まるとコイルの冷却不足によるコイルの破損を引き起こす。最悪の場合はコイルの交換を行わなければならない。もし、このような事態になれば復旧に多くの時間がかかり、その間加速器の運転を行うことができなくなってしまう。そのため、各電磁石の冷却水入り口と各実験棟、機械棟の数カ所にストレーナーを設置している。

3.3. 冷却水システム
3.3.1 冷却水の循環
Fig. 3.3 に冷却水循環のフローチャートを示す。各
機械棟には冷却水循環用のポンプが 3 台設置されている。SuperKEKB の冷却水システムはポンプ出口と入り口の水圧を一定に保つ差圧制御によって水の循環を行っており、ポンプ出口の圧力はおよそ 10
kPa、ポンプ入り口の圧力はおよそ 0.3 kPa である。そのため、3 台のポンプのうち 1 台は常時運転されており、もう 1 台はポンプ前後の差圧を一定に保つために
インバータ制御されている。残り 1 台は予備としてスタンバイされ月ごとに使用するポンプをサイクルさせ、3台のポンプの劣化が均等になるように使用している。
ポンプから送り出された冷却水は縦配管を通ってトンネルに送られる。トンネルまで下りてきた冷却水は細い配管で分岐され各電磁石に送られる。コイルを通過した冷却水は再び 1 つの配管に集約され地上部へと戻ってくる。このとき、母管の差圧が一定になるよ
うに、リバースリターン方式が採用されている。配管の途中には三方弁と呼ばれるバルブがついており、冷Fig. 3.3 電磁石冷却水のフローチャート
3.3.2 インターロックシステム
電磁石システムでは、ビーム運転中の電磁石の重大な故障を防ぐため、様々なインターロック(I/L)を仕掛けている。そのうち冷却水関係では、各電磁石に供給している冷却水の流量低下および電磁石コイルの温度上昇に伴って I/L が動作するようシステムされている。I/L が動作するとアラームが発報され、リング周回中のビームがアボートされる。一方、電磁石は電源からの電流供給が停止され、磁場の励起が停止される。冷却水の流量低下は、フロースイッチにより感知される。各水冷式電磁石には、出口側の冷却水配10－ 20管にダイアフラム式のフロースイッチ(SMC:株式会社)が装備されており、設定流量の 3 分の 2 以下に低下
すると I/L が動作する。これにより、冷却不足によるコ
イルの温度上昇を防ぐ。万が一、フロースイッチの I/Lが動作しなかった時のために、電磁石コイルに取り付けてあるバイメタル温度スイッチが 80 ℃ (一部の磁石は 60 ℃) を超えると I/L が動作する仕組みになっている。このように 2 重の I/L で電磁石の異常を感知し、故障を防ぐシステムとなっている。多くの場合はフロースイッチによる冷却水低下の I/L が動作しコイ
ル温度が上昇する前に通電を OFF することができる。

酸化が進んで黒色に変色しているホロコン内表面の写真である。このように、ホロコン内表面で銅が酸化していることがわかる。たとえ酸化したとしても表面が安定していれば問題ないが、酸化膜が表面からはがれ冷却水中に混入し、これがストレーナーに堆積していると考えられる。

3.3.3 安定したシステムの運用

Fig. 3.5 ホロコン内表面の写真

冷却水システムを安定に運用するためには、日々のメンテナンスも重要である。ビーム運転中、停止中に関わらず、停電等の特別な理由がない限り MR の
冷却水は循環させている。この理由のひとつが不純物の除去である。Fig. 3.4 は、電磁石のコイル入り口に取り付けられているストレーナーの写真である。新品のストレーナーはメッシュが透けているのに対し(左)、不純物が堆積したメッシュは黒くなっていることが分かる(右)。この物質を走査電子顕微鏡の EDX を使って分析したところ、その大半は銅と酸素であった[10]。このことから堆積物は酸化銅Ⅱであるとわかった。
また、他の堆積物を X 線回析装置で分析した結果、酸化銅Ⅱのほかに酸化銅Ⅰも検出された。

このような冷却水中の不純物は配管中のバルブやフロースイッチの軸などに付着して流量低下を引き起こす。そのような事態になる前にストレーナーでこれらの不純物を取り除くことが重要である。より確実に不純物を取り除くため、機械棟に設置してあるストレー
ナーのメッシュは#100 を使用している。メッシュに堆積した不純物は、定期的に除去しなければ冷却水の流量が低下してしまう。Fig. 3.6 の赤で示したプロット
は日光実験棟のストレーナー清掃前後の流量のトレ
ンドグラフである。清掃前は流量が低くばたつきも見られる。しかし、清掃後は流量が回復し安定している
ことがわかる。そのため、加速器運転中であっても 2
週間に 1 回のメンテナンス日にメッシュの清掃を行っている。また、冷却水の温度が高いと不純物が多く堆積する傾向が見られるため、最近では加速器停止中の夏期シャットダウン中はわざと冷却水の温度を上げ循環を行っている。これ以外にも、冷却水中に混入した空気を抜くための自動エア抜き弁や空気だまりの新設など KEKB 時代から冷却水システムを安定に運用するための改善が行われてきた。過去に起こったトラブルと対策に関しては加速器学会などで報告されているのでそちらを参考にして頂きたい。

Fig. 3.4 新品のストレーナー(左)と不純物が堆積したストレーナー(右)電磁石のコイルは無酸素銅を使用されている。特に表面処理等は施していないため、ホロコンの内表面では無酸素銅と純水が常に接している状態となる。そのため、純水に含まれる酸素と銅が反応しホロコン内
表面に酸化銅が生成されたと考えられる。Fig. 3.5 はあまり酸化が進んでいないホロコン内表面 (左) と、

Fig. 3.6 実験棟の冷却水の流量変化

10－ 21

4.

さいごに

参考文献

今 回 は SuperKEKB 電 磁 石 システム と 題 し て 、SuperKEKB における変更点を中心に話を進めてきました。しかし、電磁石システムの歴史は古く、前身の KEKB はもちろん、その前のトリスタン時代の電磁石や冷却水システムが今も使われています。この長い歴史の中でより安定なシステムを構築・運用するために様々な改善が行われてきました。SuperKEKB の電磁石システムは、諸先輩方が脈々と受け継いでこられたノウハウの上に成り立っています。特に KEKB時代のシステムは、現在の電磁石システムのベースになっており、現システムが安定に運用されている大きな要因です。ぜひ KEKB に関する資料にも目を通して頂き、少しでも多くの方に「電磁石」およびこれに関するシステムに興味を持って頂けると幸いです。
最後に原稿を製作するにあたり、電磁石グループのメンバーの方には多くのご助言・ご指導を賜りました。ここに深く感謝の意を表します。

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2010-1[2] M. Masuzawa, “Next Generation B-factories”,
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[3] Y. Ohnishi et al., “Accelerator Design at
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Italy, Mar. 16-18, 2006.
[5] Y. Ohnishi, “Lattice Design of Low Emittance and
Low Beta Function at Collision Point forSuperKEKB”, IPAC 2011, San Sebastian,
September 2011, THPZ007, p. 3693, 2011[6] M. Masuzawa et al., “Newly Fabricated Resistive
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[7] M. Masuzawa et al., “SuperKEKB MAIN RINGMAGNET SYSTEM”, IPAC2016, Busan, Korea.
[8] R. Sugahara et al., “Sextupole Magnets With
Variable Tilting Angle for SuperKEKB”, IEEE
Transactions on Applied Superconductivity, Vol.
26, No. 4, JUNE 2016.
[9] Y. Ohsawa et al., “Status of The KEKB Magnet
Cooling Water”, Proceedings of the 4th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,
Wako, Japan (2007) FP65.
[10] R. Ueki et al., “Report of magnet system forSuperKEKB”, Proceedings of the 13th Annual
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10－ 22