ヘルムホルツコイル(U1A-LC)の健全性確認およびインターロックの最適化〇湯浅 貴裕、神田 聡太郎、手島 菜月、藤森 寛、池戸 豊、河村 成肇
高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所

１．はじめにJ-PARC 物質・生命科学実験施設（MLF）の超低速ミュオンビーム輸送系(U-Line)の U1A 実験エリアに設置されているヘルムホルツコイル(U1A-LC, タカノ技研製)に冷却水が流れていない状態で通電したことにより、樹脂製フレキシブルチューブ(シンフレックスチューブ)が破れ、コイル内に残っていた水が漏れるという事象が発生した。本件事象に至った経緯および要因を精査すると共に、熱によるコイルへのダメージが懸念されることからコイルの健全性確認ならびに復旧作業、および運用に向けてインターロックの最適化を行った。
２． U1A-LC についてヘルムホルツコイル(以下、U1A-LC と称す)は U-Line の U1A 実験エリアに設置されている (図 1、2)。
U1A 実験エリアでは超低速ミュオンを用いたミュオンスピン回転・緩和(μSR)実験が行われており、
U1ALC は μSR 実験を行う上で必要不可欠な縦磁場コイルである。

図 1 U1A-LC (左)と電源(右奥)

図 2 U1A-LC コイル図面(製図製作：タカノ技研)

３．漏水事象の発生
2022 年 11 月 11 日、電源の定期メンテナンスのため U1A-LC 電源の定格電流 412A を流してリップル測定を行っていた。定格通電から約 10 分後に電磁石温度異常のインターロックが発報して電源が遮断され、ほぼ同時に U1A-LC のシンフレックスチューブからの漏水が発生した。
（図 3）
事象発生後に漏水の原因調査を行ったところ、別の装置点検のため U1A-LC の冷却水を一時的に外している状態にもかかわらず通電を行っていたことが原因であると判明した。冷却水が接続されていない状態で通電を行い、コイルの中に残っていた冷却水が過熱され沸騰したことによって、水蒸気によりシンフレックスチューブ（ニッタ製ナイロンチューブ N2-1-3/8、水での使用範囲は 0～70℃）が軟化、チューブの一部に穴が開き、コイル内に残っていた水が漏れたと推測された。なお、漏れた水は 1 リット
ル程で放射化は確認されなかった。ミュオンが保有する他の電磁石電源では、通水されていない場合は流量計からのインターロックにより「電磁石流量異常」が発報して電力を遮断する。しかし、U1A-LC お
よび電源は高電圧ケージ（30kV）内にあり、ケージ外の流量計と短絡を防ぐため配線を行わず、流量インターロックについては電源側でマスクし、ケージ内のコイルに直接取り付けられた温度インターロッ
クのみによって運用されていた。

図 3 水漏れが発生した箇所のシンフレックスチューブ(左：全体図、右：拡大図)
４．U1A-LC 再開に向けた動き
冷却水が通水されていない状態で定格通電を行ったことにより、熱によるコイルへのダメージが懸念された。そのため、コイルの健全性確認を行うと共に、インターロックの多重化と全シンフレックスチューブについて交換を行った。
４.１ コイルの健全性確認
コイルの健全性は上下コイルの電気特性(絶縁抵抗、インダクタンス)比較と磁場評価の両面から診断を行った。絶縁抵抗測定では上下コイル共に無限大であることが確認された。また、表 1 に示すように長岡係数から求めたインダクタンス、3 次元磁場計算プログラム(OPERA-3d)で磁場計算と storedenergy からインダクタンスを計算したので、計算値と実測値の比較も行い、計算値と実測値が概ね一致することを確認した。以下に長岡係数からインダクタンスを求める計算式を示す。
𝐴𝐴 × 𝜇𝜇0 × 𝜋𝜋 × 𝑎𝑎2 × 𝑁𝑁 2[𝐻𝐻]𝑏𝑏
ここで、A は長岡係数、𝜇𝜇0 = 4𝜋𝜋 × 10−7 は(真空中の透磁率)、a はコイルの半径、N は巻き数、b はコイルの長さである。
磁場測定については図 4 に示す位置で図 5 のようにプローブを当てて測定を行った。各地点での測定値と OPERA-3d による計算値との比較を表 2 と図 6 に示す。なお、今回の磁場測定ではビームダクト(φ203mm)の外側の磁場を測定した。コイル押さえ板(SUS304)の表面におけるコイル中心からビーム半径方向に沿った磁場(B)について計算値と実測値の比較を図 7 に示す。
今回の健全性確認によってコイルにダメージが無いことが分かり、今後も問題無く使用可能であることが示された。
今回使用した測定器は以下の通りである。
LCR メータ：Wayne Kerr 社 PMA3260A
磁場測定器：F.W.BELL 社 model8030
𝐿𝐿 =表 1 インダクタンスの計算値との比較
インダクタンス算出方法
インダクタンス[mH]
OPERA-3d の stored energy から算出
4.77
長岡係数を使って算出
4.87
実測値(50Hz)
4.26(上流コイル)
4.19(下流コイル)

磁場測定プローブ

図 5 磁場測定風景

図 4 磁場測定位置

試料挿入ポート側面
コイル押さえ板(SUS304)表面
コイル外側のマーキング位置

表 2 磁場測定結果(412A 通電時)
B(上流コイル)[G]B(下流コイル)[G]
1429
1467
1473
1472
917
944
1800

1600
1400

1600

1200

B[Gauss]

B[Gauss]

B(OPERA)[G]
1470
1480
933

1000
800

1400
1200600
400-400

1000-20002004000

上流コイル

下流コイル

図 6 ビーム進行方向に沿った磁場(B)分布の計算値と実測値比較

100

150

200

r[mm]

Z[mm]
OPERA

50OPERA

上流コイル

下流コイル

図 7 ビーム半径方向に沿った磁場(B)分
布計算値と実測値比較

４.２ U1A-LC 復旧作業
本事象の再発防止のため新たにクランプオン式流量計の追加を行った。クランプオン式流量計は電源と同じ高電圧ステージ内に設置されている。加えて、冷却水戻りの温度をモニターするセンサーと高圧ステージ外のマニホールドに設置されている面積式流量計のインターロック信号を EPICS に送り、インターロック発報時に EPICS からネットワーク経由で電源を遮断する機構も導入した(図 8、表 3)。これら 4 つのインターロックは 1 つでも発報すると電源は遮断されるようになっている。
U1A-LC のシンフレックスチューブについては全て交換を行い、通水試験、耐水圧試験、負荷インターロック試験(電磁石温度異常、電磁石流量異常)を行った後、定格電流 412A まで 10A ピッチで通電を行い問題無く通電できることを確認した(図 9)。定格通電時の各種パラメータについて計算値と実測値の比較を表 4 に示す。計算結果と非常に良く一致することが確認された。

U1A-LC通電試験
50電圧[V]4030201000100200300

400500電流[A]図 8 U1A-LC インターロック概略図

事象発生前
温度スイッチ(バイメタル)

図 9 U1A-LC 通電試験結果

表 3 U1A-LC インターロック一覧
事象対策後
設置個所
U1A-LC 本体
温度スイッチ(バイメタル)(高圧ステージ上)Hard-wiring
冷却水流量
高電圧ステージ上(クランプオン式)
Hard-wiring冷却水温度
高電圧ステージ上(熱電対)
Hard-wiring
冷却水流量
高電圧ステージ外(面積式)
Network (FL-net)

閾値70 度

12L/min
50 度
12L/min

表 4 定格通電時(412A)のコイルパラメータ
実測値
計算値
流量[L/min]1515
流速[m/s]1.1
1.1
冷却水の温度上昇[℃]
1718.2
５．まとめ
今回の漏水事象は冷却水が流れているかの確認を怠ったこと、諸事情により電源側で冷却水に関するインターロックをマスクしたまま運用していたことが原因で発生した。事象発生後のコイルの健全性はコイルの電気特性および磁場測定よって詳細に評価され復旧がなされた。また、インターロックの多重化によって安全機能を強化し再発防止対策が施され、異常時にはいずれのインターロックが働いても、安全かつ迅速に電源を遮断できるように運用されている。
謝辞
U1A-LC 復旧作業を行うにあたり、作業に関するアドバイスを頂いた有限会社タカノ技研・高野光司氏に深く感謝申し上げます。また、コイルの健全性評価について議論に加わっていただいた高エネルギー加速器研究機構名誉教授・入江吉郎先生に深く感謝申し上げます。