粒子検出器用超伝導電磁石
2022/9/8
KEK 槇田康博

テキスト訂正• 8-15ページ

式（23）𝑗𝑒𝐿0 𝜃𝑠𝑣𝜙 =𝛾𝐶 𝜃𝒕 − 𝜃012

𝑗𝑒𝐿0 𝜃𝑠𝑣𝜙 =𝛾𝐶 𝜃𝒔 − 𝜃012

𝛾

はじめに𝛾

• 新しい素粒子の発見には• 高いエネルギー粒子の衝突によるエネルギー塊から素粒子を生成する（加速器）。
• 様々な素粒子のシャワーを観測（粒子検出器）。

• 磁場を使った検出器は有用。
• 荷電粒子の運動量• 電荷の極性（物質-反物質）𝛾𝛾

ID 4.7ｍ
5700 A
3.5Ｔ
800 MJ• 磁場1 Tを超える広い磁場空間は超伝導磁石で実現。
• 始まりは、水素泡箱のために磁場空間を生成。
BEBC SC coil

From CERN Courier December 2005

Belle@SuperKEKB

はじめに• 検出器用SC磁石の展開• EF領域の加速器実験向けに巨大な超伝導磁石が建設。
CMS @LHCATLAS solenoid & toroid @LHC

https://www2.kek.jp/ja/newskek/2007/sepoct/kekb3.html

Physical Review Special Topics Accelerators and Beams 18(11)TREK

SKS@J-PARC

はじめに• 検出器用SC磁石の展開
J. Imazato, et al, Proceedings of MT-11• EF領域の加速器実験向けに巨大な超伝導磁石が建設。
• その他の加速器実験にも採用。小
COBLA@MEG/PSI型冷凍機の発達も後押し。
• 宇宙線観測などフィールド実験にも永久電流モードによって励磁されたSC磁石が採用。

青木香苗他 低温工学, 45巻4号• 本講義は検出器用SC磁石を特徴づける技術要素の解説をする。
BENKEI

T. Inagaki et al. : Cryogenics, Feb. (1984) 83

W. Ootani et al. : IEEE Trans. on Appl.
Super. 14 2 (2004) 568

太陽AXION@東大BessPolar@南極https://www2.kek.jp/ja/newskek/2005/j
anfeb/bess4.html

Y. Sato et al. : Proc. of the 15th Int. Conf. on
Magnet Technology (MT-15) (1998) 262

はじめに
KEKにて稼働中、保管中、展示中、放置中の検出器用SC磁石
Belle

TOPAZ
Belle
TREK

AMY

VENUS

目次
1. マグネットスペクトロメータ―の基礎
2. マグネットスペクトロメータ―の特徴、タイプ
3. 薄肉ソレノイドをめざした技術開発
1.
2.
3.
4.
5.
6.

指標E/M比アルミ安定化超伝導線コイルの製作（直接内巻き）
伝導冷却コイル構造
クエンチ保護クライオスタット

4. 将来計画

マグネットスペクトロメータ―の基礎(1)• どのように粒子のシャワーを分析する？
• 飛跡の追跡• エネルギーの測定byカロリーメーター• 電荷の極性in磁場• 運動量in磁場• 検出器磁石は粒子を分光する。
• 左旋回 > 正電荷粒子• 右旋回 > 負電荷• 曲率 > 運動量𝛾𝛾𝛾𝛾

マグネットスペクトロメータ―の基礎(2)• 荷電粒子の磁場中の飛跡
𝑭 = 𝒑 = 𝑚𝒗 = 𝑞 𝒗 × 𝑩

𝑅=𝒗=𝑝𝑇𝑝𝑇, sin 𝜃 =𝑞𝐵
𝑝𝑞𝒗×𝑩
𝑚𝑝𝑇 :磁場に垂直な運動量、 𝑝𝑇 𝑞 : 𝑅𝑖𝑔𝑖𝑑𝑖𝑡𝑦
ここで運動量の単位を加速器物理でよく用いられる[GeV/c]を利用できるようにする。
電荷量も電荷素量単位として𝑞 = 𝑞 𝑒𝑝𝑇 = 0.3 𝑞 𝐵𝑅

• 小さな偏向角αでの曲率半径𝑅とサジッタ𝑠 とアーム𝐿𝑝 の関係
1 𝐿2𝑝𝑠≈8𝑅• サジッタの測定から運動量へ
0.3 𝐿2𝑝 𝐵
ここで𝑝𝑇 GeV c , 𝐿𝑝 m , 𝑠 m , 𝐵 T𝑝𝑇 =8 𝑠
サジッタ𝑠を小さくすること, 𝐵が大きくなることに限界があるとすると、より高い運動量の粒子の識別には大きな𝐿2𝑝が必要になる。大きな磁場空間が必要。

𝑝𝑇 (GeV/c)
1000
100
10
1𝑠 (mm)
0.037
0.37
3.7
37

𝐵 =1𝑇
𝐿𝑝 = 1 𝑚

目次
1. マグネットスペクトロメータ―の基礎
2. マグネットスペクトロメータ―の特徴、タイプ
3. 薄肉ソレノイドをめざした技術開発
1.
2.
3.
4.
5.
6.

指標E/M比アルミ安定化超伝導線コイルの製作（直接内巻き）
伝導冷却コイル構造
クエンチ保護クライオスタット

4. 将来計画

マグネットスペクトロメータ―のタイプ(1)典型的な構成（磁石の形状で分類）
ソレノイド型及びダイポール型、トロイダル型

ソレノイド型• 入射ビームとソレノイド磁場が平行。
• ビーム衝突点がソレノイド磁石の中心。
• 衝突点周囲をトラッカーが囲み、偏向する生成粒子の飛跡や2次崩壊の様子
を全方位（4π）で追跡。
• 鉄ヨークで囲まれ、磁気回路を形成。
重量大。

ミューオン

ハドロンカロリーメーター
電子

全長43 m, 全高22 mのATLAS総重量（7,000トン）が全長22 m, 全高15 mのCMS 総重量 ジェット（14,000 トン）の約1/2 。

• 多くの衝突型加速器（コライダー）実光子
験で採用• VENUS,TOPAZ, AMY, Belle• CDF, D0
ニュートリノ• ALEPH, DELPHI, ATLAS CS, CMS

ミューオン検出器

電磁カロリーメーター
ソレノイド電磁石
粒子識別検出器

中央飛跡検出器
バーテックス検出器
荷電パイ中間子
荷電K中間子陽子

ビームパイプマグネットスペクトロメータ―のタイプ(2)ソレノイドコイルの特徴• コイル巻線中の最大磁場𝐵𝑝𝑒𝑎𝑘 は中心磁場𝐵0 の1.2倍程度。トロイドダルは𝐵𝑝𝑒𝑎𝑘 /𝐵0 ≈ ~4程度になる。
• 円筒状の巻線はシンプルで自立構造。
• 電磁力はフープ力と軸圧縮力となり、基本的にコイル内部で力は閉じている。
• コイルは薄く、軽く、透明性を持たせることができる。
• ビーム軸方向に近い粒子に対しては感度が落ちる。

マグネットスペクトロメータ―のタイプ(3)ダイポール型（フォーワード型とも言われる）• 固定実験標的を使用する実験で主に採用• 固定標的の先方にダイポールマグネットが配置され、入射ビームとは垂直方向の磁場領域を生成。
• 前方に出てくる粒子に限定• Bmax/Bo > 2• 磁石や検出器は床配置。

ダイポールコイルの特徴• 2コイル間の電磁力や鉄ヨークとの引力など電磁力がコイル内にとどまらないので付加構造が必要。
• 立体角を広げるため扇型や鞍型コイルとすることもあるが形状を維持するために補強構造が必要• 有効磁場空間の磁場分布は磁極鉄の影響大。

Hyperon Spectrometer @ J-PARC

SC. Kaon Spectrineter @ J-PARC

マグネットスペクトロメータ―のタイプ(4)トロイダル型• ビーム軸と垂直方向に飛翔する粒子を大立体角で測定する。
• 標的や衝突点そのものや直近への磁場の印加は難しい。標的や入射ビームラインに磁場をかけず、大立体角で粒子検出をしたい場合に適する。
• 衝突点周辺はソレノイド磁場で、遠方はトロイダルによって大きな磁場空間を創出している実例もある。

トロイダルコイルの特徴• コイルだけで磁気回路が形成され鉄ヨークが不要。
• トロイダル磁場は外周に行くほど下がり均一度が低い。
• 電磁力はコイル内部に留まらないので、強固な付加構造が必要となる。

ATLAS Barrel Toroid
Solenoid
BarrelToroid𝐵𝐵

Solenoid𝐵

ATLAS Endcap Toroid
End CapToroid

検出器用磁石の特徴（要求）• 広い室温磁場空間𝐵𝐿20 の確保、大口径のコイル。
• 粒子散乱最小化、物質量の最小化。薄肉ソレノイ
ドタイプでは特に重要。
• 無いが如く、寸法最小化。コイルへのサービスライン（電流、冷媒)も。
• 内部検出器の支持構造の一部となる。
• 1台限り、バックアップ無。検出器群に埋もれてアクセス不可。堅牢性と冗長性。安全率。
• 磁場の高さはせいぜい5 T。4.5 K冷却のNbTi線。
特に断らない限り薄肉ソレノイドタイプを前提として講義をすすめる。

目次
1. マグネットスペクトロメータ―の基礎
2. マグネットスペクトロメータ―の特徴、タイプ
3. 薄肉ソレノイドをめざした技術開発
1.
2.
3.
4.
5.
6.

指標E/M比アルミ安定化超伝導線
コイルの製作（直接内巻き）
伝導冷却コイル構造
クエンチ保護クライオスタット

4. 将来計画低物質量を目指すコイルと指標：E/M比(1)• 大きな磁場空間をできる限り少ない物質量で生成。
• 評価する指標：
蓄積エネルギー
𝐸/𝑀比 =[𝑘𝐽/𝑘𝑔]
コイル質量
コイル質量 = コイル巻線+電磁力支持構造（サポートシリンダー）＋冷却構造（液体ヘリウム容器）• 電磁応力からの考察
𝐵02
𝐸=𝜋𝑅𝑖2 𝐿𝑐𝑜𝑖𝑙
2𝜇0
𝐵0 2 𝑅𝑖𝜎𝜙 =2𝜇0 𝑡ℎ
𝑀 = 2𝜋𝑅𝑖 𝐿𝑐𝑜𝑖𝑙 𝑡ℎ 𝛾0𝐸𝜎𝜙
𝑀 = 2𝛾0𝐿𝑐𝑜𝑖𝑙• 高い許容応力𝜎𝑎 > 𝜎𝜙 を持つ軽い材料→高E/M

ソレノイド電磁力、応力分布• 空芯ソレノイドでの概略値
𝐵0 2 𝑅𝑖
𝐵0 2 𝑅𝑖𝜎𝜙 =,𝜎 =2𝜇0 𝑡ℎ 𝑍 4𝜇0 𝑡ℎ•

通常は、等価応力やミーゼス応力をCAE（ComputerAided Engineering）で計算し使用している材料の許容応力以下であること確認
等価応力 Stress Intensity 𝜎𝑖𝑛𝑡 ≈ 𝜎𝜙 − 𝜎𝑍
ミーゼス応力𝜎𝑒𝑞 =122𝜎𝜙 − 𝜎𝑍

12+ 𝜎𝑍 + 𝜎𝜙2Equivalent StressStress (MPa)60
Hoop Stress

200Axial Stress-2000.5
コイル中心

1.01.5Z (m)コイル端2.65 m
2.02.53.0

Shear stressin coil – support cylinder (MPa)ATLASソレノイドの電磁応力分布

804020.30.20.10.000.5
コイル中心1.01.5Z (m)

2.0

コイル端
2.652.5m 3.0低物質量を目指すコイルと指標：E/M比(2)• 熱的な視点から考察
全磁気エネルギーが熱エネルギーとしてコイルが均等に吸収した時の温度上昇に相当。
𝐸 = 𝑀 ℎ(𝜃𝑄 ) − ℎ(𝜃0 )• E/M = 10 kJ/kgは80 Kに相当。
• 実際には温度分布形成• Hot Spot出現• クエンチ保護の重要性増。

低物質量を目指すコイルと指標：E/M比(3)浸漬冷却

Al安定化材高強度化 PEP4/TPC
高電圧ショート、焼損発生
その後のアルミ安定化線普及につながる

CMD
実機にならず。

低物質量を目指した技術要素-薄肉ソレノイドの特徴（1）低物質量のために導入された技術要素
技術要素

サービスポート

導入機

アルミ安定化超伝導線輻射シールド

伝導冷却

ISR, CELLO

同時押出法によるアルミ安定化線

CDF

直接内巻き法

TOPAZ

サーモサイフォンによる冷媒供給

ALEPH, DELPHICFRP真空容器外筒

VENUS

チムニー
信号導入端子

純アルミ板によるクエンチ伝播
アルミハニカム真空容器外筒

BESS

Zn添加によるアルミ材強化

SDC-P

無絶縁巻線

CMD-2

Ni添加によるアルミ材強化

ATLAS

アルミ合金付加による強化

CMS

サポートシリンダー無BessPolar

アルミ安定化線で巻線されたコイル外周をシリンダーで囲み樹脂含侵で一体化。シリンダー上の冷却配管から伝導冷却される。

真空容器
サポートシリンダー
SCコイル

低物質量を目指した技術要素-薄肉ソレノイドの特徴(2)• 純アルミで被覆されたNbTi/Cuケーブル（アルミ安定化超伝導線）• 巻線外周をサポートシリンダーで補強する。冷却配管はサポートシリンダー外面に配置され、コイルは伝導冷却される。
ヘリウム容器は無くなる。
• 巻線内側には巻枠など構造物は無い。
• 巻線はエポキシ樹脂で含侵され、サポートシリンダーも含めて、機械的・熱的に一体化させている。
結果として• 軽量なコイルとなり、その耐震性も含め支持材の負担が減る。
予冷時間が短縮される。
• 伝導冷却のため、浸漬冷却のようにクエンチ時の液体ヘリウ
ム突沸が起きず、圧力上昇が緩慢で、冷却系の保護が容易。
• コイル温度が把握できるので、冷却系の運転制御に正しく反映することができる。

目次
1. マグネットスペクトロメータ―の基礎
2. マグネットスペクトロメータ―の特徴、タイプ
3. 薄肉ソレノイドをめざした技術開発
1.
2.
3.
4.
5.
6.

指標E/M比アルミ安定化超伝導線
コイルの製作（直接内巻き）
伝導冷却コイル構造
クエンチ保護クライオスタット

4. 将来計画

アルミ安定化超伝導線
純アルミを高い断面比率（5以上）で銅マトリックスNbTi複合多芯線を被覆。
• 安定化：ヘリウムへの熱伝達による冷却安定性は期待できないので、擾乱を吸収は線材の熱容量に依存。エンタルピー安定性。
• クエンチ保護：クエンチに発展した時のジュール発熱と温度上昇・電圧上昇を緩和。保護動作の時間的余裕を与える。
• 純銅と比べ物質量が1/3以下。物質量増加を抑えつつ、安定化材の比率を上げる。
• アルミマトリックスのNbTi複合多芯線は製作困難。
• 電磁力支持：機械強度の向上によって実現。自己支持コイル。

アルミ安定化超伝導線の製造(1)① 銅マトリックスNbTi複合多芯線• 撚線化（1本の時もあり）。
• 銅比は低い0.8~1.2。
② アルミ被覆• 静水圧式同時押出機やコンフォーム機を使用。
• NbTi/Cu線表面の銅と純アルミの剪断摩擦接合。
• AlCu金属間化合物の生成防止• AlCu脆く電気抵抗高い• 高温時間<10 min,
• AlとCu境界1μm程度の拡散層,> 30 MPa剪断強度、~10-11Ω-m抵抗率• NbTi/Cuの余熱、表面洗浄
CuAl
0.5~1μm

アルミ安定化超伝導線の製造(2)アルミロッド アルミロッド
送り出し機 洗浄ユニット化学洗浄とショットブラスト

7 m/min

送り出し機 洗浄ユニット 加熱機
回転ブラシ
研磨

N2シールドドラムバンドヒー
ターにて250℃加熱
酸化防止のため窒素雰囲気

冷却槽

コンフォーム機
480℃まで上昇

ダンサー
キャタピラー

超伝導劣化の防止

巻き取り

アルミ付加-物質量増を抑えつつ安定化・保護
安定性の指標：MPZ-MQE• LHeへの熱伝達は期待しない。
• 擾乱によって発生した常伝導領域の発熱と導体に沿った方向への伝導冷却のバランス
𝜌𝑙𝑀𝑃𝑍
𝜃𝑐 − 𝜃0𝐼2= 2𝐴𝑘0𝐴
𝑙𝑀𝑃𝑍
1 𝐴
𝑙𝑀𝑃𝑍 = 2𝐿0 𝜃0 𝜃𝑐 − 𝜃0 2
𝜌𝐼
1𝐴2𝐸𝑀𝑄𝐸 = 2𝑘0 𝜃𝑐 − 𝜃0 2 𝛾0 Δℎ
𝜌𝐼

クエンチ保護：断熱温度上昇抑制• 常伝導転移をした箇所の温度上昇を断熱状態（最悪）で検討。
∞22𝜃𝑚𝐼 𝑡 𝑑𝑡 = 𝐴 𝛾00𝜃0𝐶 𝜃𝜌 𝜃𝑑𝜃アルミ付加-機械強度向上(1)83-OA50180140)/AluC/bTiN(rctoudCon

120ppmAl with Ni 1000

160

Stress [MPa]100
Reinforcement>3 times

8060Pure Al ( 4N～5N )40
2000.0Stress in the Coil
0.1

0.2

0.3 0.4
Strain [%]0.5

ATLAS with highstrength conductor< ６７<672/3４５• 電磁力（フープ力）は線材自身の張力とアルミ合金（A5083など）製のサポートシリンダーで保持。
• 99.999 %純度純アルミの降伏強さ（0.2 %耐力）は30 MPa程度。
• 180 MPaのサポートシリンダー及びNbTi-Cuのケーブルが主体。
• アルミ安定化材の強度が増すと、外周のサポートシリンダーを薄くできる。→ 薄肉化• 純アルミの低抵抗率を維持したまま、機械強度を上げる手法の確立。
• ATLASソレノイド
1. 純アルミ材（ 純度>99.999%）にNi を微量（1,000 ppm）添加
2. 同時押し出し法によって被覆後、20 %減面積の冷間加工を加える。

200

Design based onTOPAZ, Belle

0.6

アルミ付加-機械強度向上(2)• ア ル ミ 材 に 添 加 し た Ni が ， 析 出 後
Al3Ni金属間化合物として粒状に晶質化し，機械加工硬化を加える（加工により細くする）過程で繊維状に絡み合い，アルミニウム母材との複合構造が形成される。
• 前者が機械強度を、後者が低い抵抗率の保持に寄与している。
4.3

30

0.8

1.1

ATLAS ソレノイド

BessPolar

アルミ付加-機械強度向上(3)
別のアプローチ

アルミ合金の付加（CMS）• 高強度アルミ合金構造材（AW6082）
を連続電子ビーム溶接。
• 全体として強度が250 MPaに達する。

目次1. マグネットスペクトロメータ―の基礎
2. マグネットスペクトロメータ―の特徴、タイプ
3. 薄肉ソレノイドをめざした技術開発
1.
2.
3.
4.
5.
6.

指標E/M比アルミ安定化超伝導線コイルの製作（直接内巻き）
伝導冷却コイル構造
クエンチ保護クライオスタット

4. 将来計画

コイルの製作(1)コイルの製作(2)目次
1. マグネットスペクトロメータ―の基礎
2. マグネットスペクトロメータ―の特徴、タイプ
3. 薄肉ソレノイドをめざした技術開発
1.
2.
3.
4.
5.
6.

指標E/M比アルミ安定化超伝導線コイルの製作（直接内巻き）
伝導冷却コイル構造
クエンチ保護クライオスタット

4. 将来計画

伝導冷却超伝導コイル（1）• サポートシリンダーの外面に飽和液体ヘリウム（2相流）が流れる冷却配管を配置してシリンダー内面の巻線を伝導冷却する。
• 2相流は、圧縮機による強制循環と重力を利用するサーモサイフォンが採用されている。
• 配管径は室温での圧力損失で必要流量確保。
Belle

f25
強制循環

伝導冷却超伝導コイル（2）• サポートシリンダーの外面に飽和液体ヘリウム（2相流）が流れる冷却配管を配置してシリンダー内面の巻線を伝導冷却する。
• 2相流は、圧縮機による強制循環と重力を利用するサーモサイフォンが採用されている。
• 配管径は室温での圧力損失で必要流量確保。

CMS

f24 マニホールド
f14 フィッシュボーン

サーモサイフォン貯液分は冷却保持可能伝導冷却超伝導コイル(3)• ATLASソレノイドでは強制冷却とサーモサイフォンをバルブ操作で切り替えることができる。
• これまで強制冷却で運転してきたが、次期運転からサーモサイフォンで運転する。（冷凍機制御はATLASトロイドに集中）

少し上向きの勾配をつけている。

伝導冷却超伝導コイル（4） トロイダル
ATLAS

Barrel Toroid

幅5 m 長さ25 m, トロイド内径 9.4 m
3.9 T @ 20.5 kA

TREK @ KEK
幅4.5 m 長さ5 m 内径
4.1 T @ 20.5 kA

1988

1.65 m
冷却管

真空容器

φ1.1m

いずれも冷却配管から伝導冷却される。
2×ダブルパン
ケーキコイルATLAS End Cap TroidATLAS BT クライオスタット断面図

伝導冷却超伝導コイル(5) 小型冷凍機冷却
高温超伝導リードと4 Kギフォードマクマホン小型冷凍機の展開によってクライオクーラーによる無冷媒超伝導磁石の実用化が進む。

太陽AXION観測用超伝導ダイポール@東大0.5W-4K-GM(2台)による伝導冷却仕様• 20 mm ギャップの2個のレーストラック• 直線部長 2.1 m, 曲線内半径 50 mm• コイル幅 100 mm, コイル厚さ 64 mm• Bo 5.0 T, Bm 7.18 T, 336 A, 875 kJ
特徴• 2台のGMの伝導冷却で伝導冷却
ヘッド3.8 K, コイル 5.1 K• 熱伝導体は銅バーや銅板• PCモードで励磁• 予冷時間 300 hourfrom Y. Sato et al. : Proc. of the 15th Int. Conf. on Magnet Technology (MT-15) (1998) 262

伝導冷却超伝導コイル(6) 小型冷凍機冷却
μ粒子崩壊精密測定用薄肉ソレノイド
1W-4KGM (2台)

中心磁場 1.27 T @ 360 A
コイル温度4.2-4.4 K
予冷時間 120 hour
By W. Ootani et al. : IEEE Trans. on Appl. Super. 14 2 (2004) 568

伝導冷却超伝導コイル(6) 小型冷凍機冷却
BESSソレノイドの無冷媒改造
54W@40K-GM(1台)+1.5 W@4K-GM(1台)
検出器の校正小規模な素粒子実験
KEK 1台、DESY 1台

1 T @ 400 A
CL用に40 K GMが増

マグネット
冷凍機ポート伝導冷却ソレノイド

伝導冷却超伝導コイル(7) 小型冷凍機冷却の要点
巻線部を通らない熱の流れ
巻線部への熱の遮断
電気絶縁と熱伝達の両立
接触熱伝達面の確保、AlNの使用

HTS故障時の補償：
バックアップ線（SUSストリップなど）

電流リードサポート

純アルミ4000 W/m·K

小型冷凍機

コイル
輻射 0.15W/m2

口出し線の冷却+熱容量のため銅補強
コイル

小電流、大インダクタンスのコイル
ヒーターによるクエンチ保護

接触熱伝達面••

有効な面圧の範囲はワッシャの2倍くらい。
ばねワッシャなどで面圧を保証しないと経年劣化を起こす。インジウムは塑性変形して弾性は期待できない。

目次
1. マグネットスペクトロメータ―の基礎
2. マグネットスペクトロメータ―の特徴、タイプ
3. 薄肉ソレノイドをめざした技術開発
1.
2.
3.
4.
5.
6.

指標E/M比アルミ安定化超伝導線
コイルの製作（直接内巻き）
伝導冷却コイル構造
クエンチ保護クライオスタット

4. 将来計画

クエンチ保護（1）••••

クエンチ源の温度θ_mが許容値（例えば300 K）に収まる
よう電流I(t)を如何に早く下げるかが基本的方針励磁電流は時定数𝜏𝑚 = 𝐿 𝑅𝑝 + 𝑅𝑚 で減衰する。
端子間電圧𝑅𝑃 𝐼𝑜𝑝 の制限から大型化による貯蔵エネルギー増加（インダクタンスの増加）に合わせて保護抵抗𝑅𝑝 を大きくすることはできない。
常伝導拡大を促して抵抗𝑅𝑚 を早く立ち上げる。

• 純アルミストリップによる高速クエンチ伝播

𝑗𝑒𝐿0 𝜃𝑠𝑣𝜙 =𝛾𝐶 𝜃𝑠 − 𝜃0

12𝑘𝑧𝑣𝑧 =𝑘𝜙

12𝑣𝜙𝑣𝑧𝑣𝜙クエンチ保護(2)• ATLASソレノイドでは純アルミストリップに加え、ヒーターによる強制クエンチ。
• クエンチ伝播よりもより遠くの超伝導領域をより早く強制的に常伝導転移。
• 不連続のソレノイドやトロイダル、ダイポールのように分割されたコイル間ではクエンチ伝播は期待できない。
• ヒーターによる強制クエンチが必要。ATLASトロイド。
• 個別の消磁は、電磁力の向きの変化や均衡の崩れに注意。

クエンチ保護(3) 小型冷凍機冷却検出器磁石で導入
COMET検出器磁石の例

Transfer TubeaBem

Pion Capture
Solenoid

Bridge Solenoid
Detector Solenoidm

Muon Transport
Solenoid

56.

Bore φ2.14 m, L 1.9 m, t 8 mm
1 T @ 189 A、236 H
14個のL170 mmのコイルで構成
クエンチ保護 全てのコイルの外周側にφ1.5 mmの銅線をヒーターとして無誘導巻
 クエンチ時、電源を遮断すると励磁電流がヒーターに転流し、全体が常伝導転移。ヒーター電源不要。

Current Lead
BoxnotoPr••••

Helium refrigerator

Productiontarget

目次
1. マグネットスペクトロメータ―の基礎
2. マグネットスペクトロメータ―の特徴、タイプ
3. 薄肉ソレノイドをめざした技術開発
1.
2.
3.
4.
5.
6.

指標E/M比アルミ安定化超伝導線
コイルの製作（直接内巻き）
伝導冷却コイル構造
クエンチ保護クライオスタット

4. 将来計画

クライオスタット-真空容器外筒(1）• 真空容器外筒は100 kPaの外圧円筒となるので、座屈モードの応力を受けそれに耐える曲げ剛性が必要。厚肉の円筒。
• アルミハニカムは剛性を確保しながら物質量を低減できる板材。SSC向けの超伝導ソレノイド（SDC）デモ機の真空容器に試作された（直径4.1m,長さ2.1 m）。
Honeycomb Elements
Preparation

Brazing

Bending Process
Completion ofCurved shell

Assembly

Completion

I. Ohno et al.,” Brazed honeycomb vessel r&d for the SDC solenoid magnet,” Supercollider 5,
New York, 1994
H. Yamaoka et al.,”Development of a brazed-aluminum-honeycomb vacuum vessel for athin superconducting solenoid magnet,” Adv. Cryogenic Eng., Vol. 39, p.1983, 1994.

クライオスタット-真空容器外筒(2）ハニカム円筒は理論通りの剛性を示した。
••

E. H. Baker et. al.;“Structural Analysis of Shells,” McGraw-Hill
Book Company”Buckling of thin walled circular cylinders,” NASA SP-8007, 1968.
High rigid bar

Measured
Horizontal displacement
Vertical displacement
TheoryFEM

40

Load

Displacement (mm)3020
100-10-20-30

Chain block
Honeycomb outer cylinder-400400

100200 300 400 500 600
Applied load (tonf)

Jig
End flange
Honeycomb vessel

Axial stress (MPa)10End flange

8642PrHoop stress(MPa)Fz

600 800 1000 1200
Load (kgf)

2000-2-40アイソグリッド構造。
••

ハニカムには及ばないものの曲げ剛性を確保しながら物質量の低減。
端部フランジやサポートの取り付け座、配管貫通部などはアイソグリッド構造で、それ以外はハニカムでという適材適所。

CFRPやGFRP高分子材料•

VENUSなどでの実績があり

クライオスタット-真空容器外筒の省略

目次
1. マグネットスペクトロメータ―の基礎
2. マグネットスペクトロメータ―の特徴、タイプ
3. 薄肉ソレノイドをめざした技術開発
1.
2.
3.
4.
5.
6.

指標E/M比アルミ安定化超伝導線コイルの製作（直接内巻き）
伝導冷却コイル構造
クエンチ保護クライオスタット

4. 将来計画

将来計画の検出器磁石(EF領域）

Projects Energy Magnet
(GeV)

B0(T)

Inner D Length E/M
Stored(m)(m)(kJ/kg) Ene.(GJ)

ILC
CLIC
European Strategy
Laboratory Directors Group250500

ILD47.2

7.35

132.3

SID

55.05121.4

380 →
3000

CLICdet 47.3

7.8

132.3

IDEA

24.55.8

140.17

CLD

28.57.2

120.641020

11.9

13.8

FCC-ee 88-95→365
FCC-hh 100 TeV

将来計画の検出器磁石の線材• 強化純アルミ＋アルミ合金補強で 400 MPaの引っ張りき強度の線材を目指す。
• 合金をAW-7020• 大断面の同時引き抜き加工可能か❓
• 試作時に失敗• メーカの協力-関心薄？市場としての魅力は低い
Aluminum AlloyHigh Strength Pure Aluminum

10 mm

Pure Aluminum
NbTi/Cu cable

ATLAS CSCMSATLAS BTLHCILD (ILC)

SID(ILC)

ILC

IDEA

CLDCLICFCC-ee

CLIC

FCC-hh Main

FCC-hh Forward

FCC-hh将来計画の検出器磁石 薄肉・軽量の視点• FCC-eeで検討されている2種類の検出器磁石の例
B0(T) 内半径(m) 長さ(m)CLD

24.027.2

IDEA

22.245.8• コスト、特に線材分の増大を抑える。
• 薄肉化を生かして、本来磁場を必要とするトラッカーのサイズに内半径をとどめる。
• 軽量化による支持構造の簡素化。
• コスト減CLDIDEA

講義のまとめ検出器用超伝導電磁石について、その役割、特徴及び主要な技術要素について解説した。
• 荷電粒子の運動量、極性の判定に利用する磁場空間を提供。
• ソレノイド型、ダイポール型、トロイダル型がある。
• 共通して：広い粒子検出用室温磁場空間𝐵𝐿20 の確保、広い立体角のコイル。
• 特にEnergy Fronterの衝突型実験には有効立体角4πのソレノイド型が開発されてきた。
薄肉ソレノイドタイプ。

薄肉ソレノイドの技術要素• 粒子散乱最小化、物質量の最小化。
• アルミ被覆による高い安定化材比を持つNbTi超伝導線で巻かれた伝導冷却コイル。

• 高速常伝導伝播や強制ヒーター常伝導転移によるクエンチ保護。
• 真空容器外筒の透明性向上。
今後、Energy Fronter加速器実験に向けた巨大な検出器磁石に向けた技術要素開発に取り組む一方、小型冷凍機を使用した身近な検出器磁石の普及にも貢献したい。