J-PARC 崩壊ミュオンビーム輸送系における偏向電磁石（DB2）のコイル換装及び磁場測定○湯浅A)

貴裕 、 藤森
坂田A)

寛 A)、 池戸茂雄 B)、目黒

豊 A)、 河村学 B)、川端成肇 A)、 Patrick

公貴 B)、砂川StrasserA)、

光 B)

高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所、 B)株式会社 NAT

1.はじめにJ-PARC 物質・生命科学実験施設（MLF）における崩壊ミュオンビーム輸送系（D-Line）に設置されている偏向電磁石(DB2)は製作から 40 年以上が経過しており、コイルの経年劣化が懸念されるため、コイル線材の選定、予備コイルの製作および、既存の磁極への組み込みを 3 年計画で実施した。また、コイル製作時に冷却水路を増設することによって冷却機能を強化し、高運動量ミュオンの輸送に対応できるように電磁石の高度化も行った。そして、コイル換装後に磁場測定を行い、コイル換装前後での磁場測図 2

定結果と磁場計算との比較することで整合性を確認

DB2(実物)した。
2.偏向電磁石(DB2)
図 1 に示すように DB2 はミュオン標的から D-Lineに導かれたミュオンビームを 40 度偏向させて実験エリアに導く偏向電磁石である。
実際に D-Line から取り出した DB2 を図 2、計算に用いた三次元磁場解析プログラム(OPERA-3d)モデルを図 3 に示す。

図 3

DB2 の磁場解析モデル

3.コイル線材の選定(1 年目)とコイル製作(2 年目)
コイル更新にあたり、既存の Yoke と Pole, Endguard を使用して、コイルのみを交換することから、使用するコイル線材 hollow-conductor(ホロコン)は同一外寸を有し、公称断面積が同等である必要があった。しかし、交換前のホロコンと同じ断面形状のホロコンが入手困難だったため、図 4 のような□12mm×12mm の同一外寸を有し、公称断面積が同等
図 1

崩壊ミュオンビームライン(D-Line)のホロコンを選定した[1]。
選定したホロコンを用いてコイルを製作した(図5)。

図 4 ホロコン断面(左：旧コイル、右：新コイル)

図 7 コイル換装後の DB2コイル換装作業終了後に性能検査と磁場測定を行った。表 1 に既存電源の定格(400A)での性能検査の
図 5 製作したコイル
4.コイル換装作業(3 年目)
コイル換装作業は End-guard を外した後、クレーンを使い DB2 を上下分割して行った。図 6 にコイル換装作業中の風景、図 7 にコイル換装後の DB2 を示す。

結果を示す。実測値と計算値で概ね一致していることが確認された。
表 1

新コイルを実装した DB2 の性能検査結果
計算値

実測値

□12×12-φ6.5□12×12-φ6.5

電流[A]

400

400

電圧[V]

4344.9インダクタンス

0.2040.299(120Hz)

0.11460.1051

中心磁場[T]

0.5990.598

冷却水路数1212電磁石での差圧[MPa]0.10.1流量[L/min]2121

流速[m/s]0.870.87

温度上昇[℃]

12.510ホロコン形状[H](電磁石全体)
上下コイルの合計抵抗(20℃)[Ω]図 6 コイル換装作業中の風景

5.磁場測定磁場測定は図 8 で示す磁極中心で励磁特性の測定、400A を流した状態で Pole edge を基準点にしてビーム軸方向(z 軸方向)に±250mm の磁場を測定、直交する水平(x)方向にはピッチ dx=25mm で±75mm まで測定を行った。
図 9 に励磁特性の測定結果とアンペールの法則に沿った磁場、OPERA-3d モデルから求めた計算値を示す。実測値は計算値と良く一致していることが確

表 2 B𝑙𝑙積

認された。

旧コイル

新コイル

0.2020.197

図 10 に z 軸方向に沿った磁場についてコイル換

B𝑙𝑙積[T・m]

装前後での比較を示す。旧コイルでの測定結果はOPERA-3d の結果と良く一致するが、新コイルでは今回交換したコイルは旧コイルと同じ外寸で巻きFringe 部分で相違が見られた。その際の測定経路に数も同じだったことから、磁場測定結果は一致する

沿った磁場の積分(B𝑙𝑙積)を表 2 に示す。旧コイルでと予想していた。一致しなかった原因を考えていくの B𝑙𝑙積と比べて約 2%低い結果となった。

中で、基準点となる Pole edge を CAD 図のダクトフランジの中心位置から設定したが、電磁石とダクトのミスアライメントを考慮していなかった。電磁石とダクトがビーム方向に 10mm ずれていたと仮定した場合、旧コイルでの測定結果と良く一致していることが確認された。
図 11 に実測値の測定位置を-10mm した場合の磁場と旧コイルでの測定結果を示す。
また、中心軌道および水平方向に±75mm の軌道において、新コイルと旧コイルで B𝑙𝑙積の一致も確認された。表 3 に x=-75mm, 0mm, 75mm での B𝑙𝑙積を示

XZす。

図 8 磁場測定の位置

pole edgeより10mm前から測定していたと仮定した場合

Excitation curve(pole中心軸)0.7

0.80.60.5
By[T]

By[T]

0.60.40.4
0.3

0.20.2

00.1
0100

200

Measurement

300

400

I[A]

Ampere's law

500

Caluculation

0-300-100100

新コイル

図 9300Z[mm]

励磁特性の測定結果
図 11

旧コイル

Pole edge が 10mm ずれていたと仮定した場

合の磁場測定結果
ビーム軸方向に沿った磁場(コイル換装後での比較)

0.7

表 3 B𝑙𝑙積の比較(x=-75mm, 0mm, 75mm)

0.6
By[T]

0.50.40.30.20.10-300-100100Z[mm]

新コイル

旧コイル

300Calculation

図 10 中心軸に沿った引き抜き

X=-75mm
X=0mm
X=75mmB𝑙𝑙積(旧コイル)

B𝑙𝑙積(新コイル)

[T・m]

[T・m]

0.215
0.202
0.188

0.215
0.203
0.188

以上のことから、今回の磁場測定では電磁石とダクトのミスアライメントにより測定値が旧コイルと一致しなかったと推測される。また、旧コイルでの測定結果が OPERA-3d の計算結果と良く一致していたのは、電磁石単体(ダクト無し)での測定であったため、Pole edge の位置を合わせやすかったからである。
6.高運動量(250MeV/c)のミュオンを輸送する場合の評価
新コイルでは 250MeV/c という高運動量のミュオンを輸送できるように冷却水路数を 3 水路/コイルから 6 水路/コイルに増設した。250MeV/c のミュオンを輸送するために必要な電流値である 510A を流した際の冷却水の温度上昇を計算した結果を表 4 に

図 12

median plane(Y=0)での磁場分布

図 13

Pole 表面(Y=100)での磁場分布示す。J-PARC においては冷却水の流速は 2 m/s 以下、冷却水の温度上昇が 25 ℃以下と運用条件が定められている。旧コイルでは冷却水の温度上昇が条件をオーバーするのに対して、新コイルでは条件を満たしており、J-PARC で使用可能であることが分かる。
表 4

250MeV/c のミュオンを輸送する際の計算

ホロコン形状
公称断面積[mm2]
コイル全体の旧コイル

新コイル

条件

□12×12□6×6108□12×12φ6.5
110.8-

0.1176

0.1146--7.まとめ
ホロコン選定からコイル換装作業までを 3 年で行抵抗(20℃)[Ω]
冷却水路数612-

う計画を立て、今年度は最終年度としてコイル換装

電磁石での差0.10.1-作業と磁場測定を実施した。
コイル換装後の性能検査において、各パラメータ圧[MPa]
流量[L/min]1521-流速[m/s]1.260.88<2電流[A]510510-発熱量[cal/s]

7.31×1037.12×103-

温度上昇[℃]

2920< 25また、510A を流した際の磁場分布を図 12 と図 13に示す。純鉄の飽和は 2T 付近から顕著になると言われているが、Median plane と Pole 表面のどちらでも磁場は 2T に達しておらず、磁極の飽和は見られないので、250MeV/c のミュオンを問題無く輸送可能が計算値と概ね一致していることが確認された。
磁場測定から得られた結果は、旧コイルと fringe部分で一致しなかったが、電磁石とダクトのミスアライメントを仮定すると、旧コイルと良く一致したため、当該ミスアライメントが原因ではないかと考えられる。
さらに、冷却水路数の増設により、高運動量のミュオン(250MeV/c)を輸送できるように電磁石の高度化も併せて実施した。
新コイルを実装した DB2 はビームラインに再設置され、再チューニングすることなく、現在順調に稼働中である。

であることが磁場計算からも示された。
参考文献[1] T. Yuasa and H. Fujimori et al., Optimization of spare coils

and magnetic field for dipole magnet (DB2) at decay muon
beamline in J-PARC, KEK Proceedings 2019-13 (March 35 2020, Chiba University, Japan), P57-60 (in Japanese).