Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 THP038

電磁石コイルのインピーダンス測定による健全性評価の検討
EVALUATION OF THE INTEGRITY OF ELECTROMAGNET COILS BY IMPEDANCEMEASUREMENT
門脇琴美 ∗,A) , 白形政司 A) , 高野淳平 A)
Kotomi Kadowaki ∗ , A) , Masashi Shirakata A) , Junpei Takano A)
A)
KEK/J-PARC

Abstract
At J-PARC, breakdown of bending magnet in 3-50 beam transport line (3-50BT) caused more than 2 months beamstop. This trouble was caused by water leak from coil of the magnet. In 3-50BT, there are some magnets of the same typeas the breakdown one. It is important to evaluate the integrity of the electromagnets for stable beam operation. Fromprevious results, it was shown that the integrity of electromagnet can be evaluated by impedance measurement for itscoils. However, there are some problems for measurement. At first, some magnets have difficulty to approach. Second,
it takes time for enter accelerator tunnel if beam is operated. To solve these problems, indirect impedance measurement
via a power supply cable was conducted. We compared the results of indirect measurement and direct measurement tocheck whether indirect measurement could be used for evaluation of magnets. As a result, it showed that the indirect
measurement was effective and it can detect short circuit of the coil. In annual impedance measurement, the results were
not changed for 2 or 3 years. It indicates that this data can used for years as reference data for evaluation of magnets
integrity.

1.

はじめにJ-PARC に は LINAC、 Rapid Cycling Synchrotron(RCS)、Main Ring (MR) の 3 つの加速器が設置されており、RCS と MR を繋ぐビーム輸送路は 3-50 beamtransport line (3-50BT) と呼ばれている。3-50BT には振り分け電磁石 1 台、偏向電磁石 5 台、四極電磁石 38 台、ステアリング電磁石 16 台が設置されている [1]。これらの電磁石には、地上にある MR 第一電源棟（D1）から約 450m の電力ケーブルを通して電力を供給している。電力ケーブルのサイズは消費電力に合わせて 150, 325, 400 sq としている。Figure 1 に
3-50BT および D1 の位置を示す。

Figure 1: Location of 3-50BT and D1.
2019 年、 3-50BT に 設 置 さ れ て い る 偏 向 電 磁 石
B15D がコイルからの漏水により故障し、ビーム運転が停止した [2–5]。応急処置や修理等の対応がとられたが、ビーム停止期間は 2 ヶ月以上となった。
3-50BT には漏水を起こした電磁石と同様の設計の電∗ kadowaki@post.kek.jp

磁石が複数設置されており、今後同様の故障が起こることが懸念されている。
故障した B15D について調査を行った結果、コイル内部にあるホローコンダクターの継ぎ目からの漏水が故障の原因であることが分かった。外観検査や各種測定など様々な調査が行われたが、正常な状態からの変化を捉えるために最も有用な手法なのはコイルのインピーダンス測定であった。故障したコイルでは正常なコイルと比較して共振周波数が大きくなり、インピーダンスが小さくなっていた。この波形の変化は明確であり、インピーダンス測定が電磁石の健全性評価に有効であることが示された [2–5]。
電磁石の健全性を確認するため、現在は 3-50BT 全ての電磁石について定期的にコイルのインピーダンス測定を行っている。しかし、場所によっては直接測定が困難な電磁石があること、また電磁石の台数が多いため測定には最低数日かかる点が課題となっている。さらに、電磁石の不具合調査のための測定を行う場合、加速器トンネル内に入域できるまで時間がかかることも課題である。これらの課題に対応するため、D1 に設置されている各電磁石用の電源から電力ケーブルを通してコイルのインピーダンスを測定することについて検討した。D1 は地上部にあるため加速器トンネルに入域する必要がなく、さらに各電磁石電源からのケーブルが 1 箇所に集約されているため効率的に測定を行うことができる。本発表では、加速器トンネル内で行った直接測定と電力ケーブルを通した間接測定の比較結果について報告する。

2.

測定方法

電磁石のコイルのインピーダンス測定は、加速器トンネル内で直接コイルに測定端子を接続する直接測定と、D1 から電力ケーブルを介して行う間接測定の 2 つの方法で行った。測定方法の概要を Fig. 2 に- 811 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 THP038示す。各電磁石には複数のコイルが設置されており、 囲は 400 kHz から 1 MHz である。
その数は偏向電磁石およびステアリング電磁石が 2つ、四極電磁石が 4 つである。これらのコイルは通 3 . 結果と考察常全て接続されている。特に断りがない場合、以降 3.1 直接測定と間接測定の比較の測定結果はコイル全体をまとめて測定したものでFigure 3 に偏向電磁石および四極電磁石のインピーある。測定は全ての偏向電磁石および四極電磁石にダンス測定の結果を示す。上段が直接測定、下段がついて、2019 年から 2022 年にかけて行った。
間接測定の結果である。間接測定では直接測定に比べて共振周波数 f およびピークにおけるインピーダンスの値 Z が小さくなっていた。四極電磁石を含む全ての電磁石で同様の傾向が見られた。直接測定では同型の電磁石グループではほぼおなじ周波数特性をもっていたが、間接測定では同型の電磁石グループでもばらつきがあった。例として、QDA, QFA,QDI, QFI の 12 台の電磁石グループでは直接測定でf =102.2 (2.6) kHz, 間接測定で f =17.3 (5.2) kHz となり、間接測定の方がばらつきが大きい。このばらつきは電力ケーブルの長さの違いが影響していると考えられる。間接測定では電力ケーブルが長いほど f
Figure 2: Configuration of impedance measurement.
は小さくなっていると推察したが、電力ケーブルの詳細な長さが分からなかったため、電力ケーブルと直接測定では、電磁石に繋がっている電力供給用 の関係を定量的に評価することは出来なかった。のケーブルを切り離して測定を行った。直接測定では電磁石のコイル全体の測定だけでなく、コイル毎の測定も行うことができる。各コイルの健全性評価を個別に行うことができるのが直接測定の利点である。ただし前章で述べた通り欠点もあり、遮蔽体の中に設置されている四極電磁石 7 台については測定を行わなかった。
間接測定では、電磁石に電力を供給している電力ケーブルを介して測定を行った。電源側からの測定であるため、遮蔽体の中にある四極電磁石も測定することができる。ただし、1 つの電源で複数の電磁石に電力を供給している場合はそれらの電磁石をまとめて測定することになる。電磁石と電源の一覧をTable 1 に示す。
Figure 3: Results of impedance measurement. Upper panels indicate direct measurement and lower panels indicate
Table 1: Power supply system of electromagnets. The star indirect measurement.
(*) shows the magnet that could not measure by direct measurement.
BVD1, BVD2, B15U, B15D, BFIN
QDE1, QDE2, QFE1, QFE2,
Single load

QDA1, QDA2, QFA1, QFA2,power supply

QDB1∗ , QDB2, QFB1, QFB2,QFC1, QFC2, QDC1,QDI1, QDI2, QDI3, QDI4,
QFI1, QFI2, QFI3, QFI4,Figure 4: Equivalent circuit of electromagnet coils.

QDS (QDS1∗ , QDS2∗ , QDS3∗ )Serial loads

QFS (QFS1∗ , QFS2∗ , QFS3∗ )power supply

QDT (QDT1, QDT2, QDT3, QDT4, QDT5)QFT (QFT1, QFT2, QFT3, QFT4)

測定にはインピーダンスアナライザー (IM3570,HIOKI E.E. CORPORATION, Japan.) を用いた。測定範

次に、コイルの等価回路を Fig. 4 に示す LCR 共振回路とし、共振周波数 f 、電磁石のインダクタンス
L、電磁石およびケーブルの抵抗値 R から C の値を算出した。f は測定値、L, R は電磁石およびケーブルの設計値を使用した。また、計算結果を用いてLTSpice® によるシミュレーションを行い、計算の妥- 812 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 THP038

当性を確認した。計算結果は偏向電磁石のみ、四極電磁石のみの 2 通りで平均値を計算した。計算結果
を Table 2 に示す。間接測定では電力ケーブルの影
響から、直接測定よりも C が数十倍大きくなっていた。そのため、直接測定で見られる偏向電磁石と四極電磁石の違いが間接測定では見えなくなっている。すなわち、直接測定では電磁石の構造による違いが測定結果に反映されるのに対し、間接測定では電力ケーブルによる影響が反映される。

じである。時間変化はほとんどないことから、あらかじめ測定しておいたデータは比較対象として有用であり、波形に変化があった場合は電磁石のコイルに異常が生じている可能性があると判断することができる。

Table 2: Calculated C value. Parentheses indicate standarddeviation.
Direct meas. [pF]
Indirect meas. [nF]

Bending magnet

Quadrupole magnet

76.9 (23.6)
2.38 (1.20)

39.5 (5.4)
2.31 (1.42)

各パラメータの直接/間接測定における相関関係をFig. 5 に示す。f は強い正の相関、Z , C は相関なしとなった。直接測定の共振周波数を fD 、間接測定の共振周波数を fI とすると、次式で表すことができる。
fI = 0.119 × fD + 3.11

(1)

インピーダンス測定による健全性の評価には共振周波数の情報が重要である。共振周波数について直接測定と間接測定で線形性が保たれていることから、間接測定による健全性評価が可能だと考えられる。

Figure 6: Results of impedance measurement. Color linesshow the results of normal coils. Black line shows the results of shorted coil.

4.

インピーダンス測定による電磁石の健全性評価

2019 年の B15D 電磁石の故障から、インピーダンス測定により電磁石のコイルの健全性を評価することができることが分かった。その後に生じた 2 件の電磁石のトラブルおよび 1 件の電源のトラブルについて、インピーダンス測定による健全性評価を行ったのでそれぞれ報告する。
Figure 5: Relationship of direct/indirect measurement.
Each correlation coefficient is 0.80, 0. 05 and 0.19.

4.1

QFB2

2019 年 12 月、3-50BT のビーム軌道が水平方向に0.7 mm、鉛直方向に 0.2 mm ずれていることが判明した。該当する区間の電磁石を調査したところ、四極3.2 模擬コイルの測定
電磁石 QFB2 のコイルから水が滴っていることが分間接測定により故障によるコイルの状態変化を捉 かった。原因はホローコンダクターと通水パイプのえることができるかを確認するため、故障を模擬し 継ぎ目からの漏水であり、漏水部からコイルの口出たコイル（以下模擬コイルとする）の測定を行った。 し部分を通してコイル本体まで水が到達していた。
模擬コイルは偏向電磁石の一部にジャンパー線を取 コイルの内部まで浸水しているかは外観からは不明
り付けショートさせたものである。測定結果を Fig. 6 であったため、直接測定によるインピーダンス測定の黒線に示す。直接測定、間接測定どちらも正常な によるコイルの健全性評価を行った。比較のため、コイルと比べて f が大きくなり、Z が小さくなって QFB2 と同様の構造を持つ健全な電磁石 QDB2 についた。これは故障したコイルと同様の変化であり、 いても測定を行った。QDB2 および QFB2 は四極電間接測定でもコイルの故障を捉えることができるこ 磁石であるため、それぞれ 4 つのコイルが設置されている。とが示された。
Figure 7 に各コイルのインピーダンス測定結果を3.3 経年変化示す。赤線で示した QFB2-3 が漏水していたコイル
3-50BT では電磁石の健全性確認のため、定期的 である。QFB2-3 以外はほぼ同様の周波数特性を示すにインピーダンス測定を行っている。2020 年から のに対し、QFB2-3 は明らかに異なる結果を示してい2022 年の測定結果を Fig. 6 に示す。どちらの測定方 る。このことから QFB2-3 は異常がある、すなわち法でも波形がほとんど重なっており、結果はほぼ同 内部まで浸水が及んでいると判断された。

- 813 -

Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 THP038

り、定期測定で問題がないことが確認されている。
不具合が起こった時にもインピーダンス測定が行われており、適用例 3 件を挙げて実用性を示した。今後も故障の早期発見のため、直接測定と間接測定を組み合わせた定期測定を続ける予定である。

参考文献
Figure 7: Results of impedance measurement. The dashedline shows the results of normal operated magnet coils. The
red line shows the result of broken coil.

4.2

QFC1

2022 年 4 月、四極電磁石 QFC1 全体に泥水状の汚れがあることが発見された。発見された時点で汚れは乾いていた。調査の結果、1 年以上前に汚れが生じていたことが分かった。記録によると汚れが生じた後も加速器は運転されており、QFC1 の動作に異常はなかった。しかし、電磁石全体が水を被ったことが予想されたため、念の為直接測定によるインピーダンス測定を行った。2020 年の結果と 2022 年の測定結果を比較したところほとんど変化はなかったた
め、コイル内部に異常がないと判断した。
原因ははっきりとは分かっていないが、QFC1 付
近の天井には地震等によるひび割れがあり、そこから地下水の漏洩が起こった可能性がある。また、付近には排水溝があり、地震により排水溝から水がはねた可能性がある。QFC1 の健全性が確認された後に本体および床面の清掃を行い経過観察を行っているが、2022 年 7 月現在までこの汚れは再現していない。
4.3[1] Acc. Group JAERI/KEK, KEK-Report 2002-13, JAERI-Tech
2003-044, J-PARC 03-01 (2003). https://cds.cern.ch/record/747209/files/34072617.pdf[2] M. Shirakata et al., Proceedings of the 16th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan, Kyoto, Japan, Jul.
31-Aug. 3, 2019, pp. 90-94.
[3] J. Takano et al., Proceedings of the 16th Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan, Kyoto, Japan, Jul. 31Aug. 3, 2019, pp. 394-398.
[4] J. Takano et al., Proceedings of the 3rd J-PARC Symposium(J-PARC2019), JPS Conference Proceedings 33, 011037(2021); https://doi.org/10.7566/JPSCP.33.011037[5] K. Kadowaki et al., Proceedings of the 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019), JPS Conference Proceedings 33,011038 (2021); https://doi.org/10.7566/JPSCP.33.
011038QFS

2022 年 6 月、四極電磁石 QFS 電源の温度異常等が発報し、電源が入らなくなった。電源側の異常だと考えられたが、念の為間インピーダンス測定を行った。当時は RCS が運転中であり加速器トンネル内に入域できなかったため、地上から間接測定を実施した。2021 年と 2022 年の結果を比較したところほとん
ど変化はなかったため、故障したのは電源のみであると判断した。その後予備電源への切り替えを行ったため、ビーム運転が停止することはなかった。この事例では 2021 年の間接測定の結果があったため、加速器トンネル内への入域や他の電磁石の測定を行う必要がなく、迅速に対応することができた。

5.

まとめ

本発表では、電磁石のコイルのインピーダンス測定による健全性評価を行った。加速器トンネル内でコイルを直接測定する方法と電力ケーブルを介して地上から間接で測定する方法を比較した結果、間接測定でも問題なく健全性評価を行うことができることが示された。また、3-50BT では定期的なインピーダンス測定による電磁石の健全性評価が行われてお- 814 -