高エネルギー加速器セミナー OHO’22

COMETと耐放射線超伝導電磁石開発（2）2020/09/09

飯尾 雅実

目次

５. 実際の設計例
５．１．パイオン捕獲ソレノイドの構造５．２．有限要素法によるシミュレーション

６. さらなる大強度化に向けて
６．１．将来の耐放射線超伝導磁石
６．２．REBCO線材の照射効果
６．３．無機絶縁コイルの開発

耐放射線超伝導磁石の特徴

 放射線遮蔽➢コイルサイズの増加

 放射線による発熱➢磁石の軽量化➢伝導冷却方式 材料特性の変化（劣化）➢耐放射線材料➢温度上昇とクエンチ保護性能の低下➢サイクル運転・短寿命 放射化➢難しい保守作業

・外径:2.3 m、全長:6.5m、重量:45 t (本体)・コイルの最大磁場:5.4 T、負荷率：0.19
・蓄積エネルギー:47 MJ
・放射線シールド重量: ~40 t (W-alloy + Cu)
・設計線量: ~1 MGy、核発熱: 250 W

耐放射線超伝導磁石の特徴

 放射線遮蔽➢コイルサイズの増加

 放射線による発熱➢磁石の軽量化➢伝導冷却方式 材料特性の変化（劣化）➢耐放射線材料➢温度上昇とクエンチ保護性能の低下➢サイクル運転・短寿命 放射化➢難しい保守作業

Cooling Pipe(2-phase He)
Pure Al Strip
BT+Epoxy
Resin
BT-GFRPResin
Al-stabilized
SC cable[Al-stabilized Superconductor]
・Thickness ：4.70±0.05 mm
・Width：15.0±0.05 mm
・RRR：>400
・Proof stress@4.5 K: >95 MPa

耐放射線超伝導磁石の特徴

 放射線遮蔽➢コイルサイズの増加

 放射線による発熱➢磁石の軽量化➢伝導冷却方式 材料特性の変化（劣化）➢耐放射線材料➢温度上昇とクエンチ保護性能の低下➢サイクル運転・短寿命 放射化➢難しい保守作業

Cooling Pipe(2-phase He)
Pure Al Strip
BT+Epoxy
ResinBT-GFRP Resin
Al-stabilizedSC cable[Al-stabilized Superconductor]
・Thickness ：4.70±0.05 mm
・Width：15.0±0.05 mm
・RRR：>400
・Proof stress@4.5 K: >95 MPa

6. 1. 将来の耐放射線超伝導磁石

将来の加速器建設計画

FCC magnet: 20 T, 250-350 MGy?
- 積分ルミノシティ：20-25 ab-1（FCC）> 3-4 ab-1(HL-LHC)

MC magnet: 20 T, 400 MGy?
- 陽子ビーム：3 MW

4-3-2. 増強案概要

J-PARC MLF第2ターゲットステーション

4-3-2-0. TS2 の基本概念

図 4.21 に、TS2 の基本概念を⽰す。中性⼦源とミュオン源を共通化し、コンパクトで、⼤強度化を⽬指す。また、⻑寿命化、⻑波⻑側の活⽤、⾼輝度化がキーとなる

January 22,2016

図 4.21：TS2 基本概念

4-3-2-1. TS2 における中性⼦源

Pion Capture Solenoid (PCS)

⼤強度陽⼦加速器における中性⼦源としては、現段階では⽔銀標的、鉛ビスマス標的、タID=1.6 m

ングステン回転標的を候補として挙げており、それぞれの検討を継続していくが、⾼寿命化、⾼強度化が期待できるタングステン回転標的を主案に置く。RCS で、1.5 MW 相当の運W-shield

転を⾏い、TS1 へは 25*2/3 Hz（1 MW）、TS2 へは 25/3 Hz（500 kW）を送ることを考えている。ただし、この実現には、TS1 における⽔銀標的のピッティング問題の克服が必須である。
克服できない場合は、TS1、TS2 とも、1 パルスのうち 2 バンチを分岐して、それぞれ 25Hz(750 kW)を⾏う選択肢しかない。

4-3-2-2. 中性⼦⽣成効率

W-shield

ProductionTarget

中性⼦⽣成効率の観点からはタングステンは密度も⾼く他の⼆⽅式よりも優れている。
陽⼦ビーム形状、標的形状、標的と減速材の位置関係、減速材の最適化など進めることによ85- 陽子ビーム：1 MW

South to North

J-PARC Facility(KEK/JAEA)REBCO (rare-earth barium copper oxide)
High temperature margin (TC=93 K)- Conduction cooling operation in
the temperature range of 20 K
High magnetic field tolerance of Ic- Potential for 20T class high field magnet

cab

設計研究（小型ミューオン源 COMET-Phase-I）

600- 1/100 (45 t → 0.43 t)
2. 冷却条件の改善- 発熱密度：0.43 W/kg (x10)- 発熱量： 7.1 W (1/10)- コイル温度： 21.6 K (20K冷却)
3. 高磁場化?
- 10 T? (x2)

Critical Current Ic [A]

1. サイズ縮小

FYSC-SCH04 Ic=261 [A] (77K, S.F.)
4.2 K
10 K
20 K

500//c400300
200100002468 10 12
Applied Field [T]141618

R. Fuger et al., Physica C 468 (2008) 1647., M. Eisterer, RESUMM2015.

Secondary BeamTransportation

IC of REBCO degrades from 1 x 1022 n/m2

Target fluence

PHITS CodeMagnet designed to reach 7.8×1020 n/m2 fluence in 10 years(~130 MGy, 650 W)
AVG. flux at the top
100 mm of the coil

Massive tungsten alloy
radiation shield is required

Integrated flux：
7.74×1020 n/m2/y(@1 MW)

TS2-PSC➢ ID=1600 mm, T=21 mm, L=10 mm, 70 turns/layer➢ Number of double pancake coils: 60 (20 x3)➢ Conductor : REBCO, W=4 mm, T=0.1 mm➢ Insulation: Mineral, t=0.1 mm➢ Operation Temperature: 20 K (He gas cooling with pipe)➢ Transport current: 200 A (Load line ratio: 0.48)➢ Peak Field: 1.11 T at center, 2.25 T (B//c) at coil (200 A)
SuperPower SCS4050 (enhanced 7.5% Zr AP)• Current density:128 A/mm2• Load line ratio:48%Cable Current [A]

700

4.2 K
10 K
20 K
30 K
50 K

600
500
400300200 21%48%

10000123456789

Applied magnetic field (B//C) [T]10R&Dプログラム-, セラミックコーティング試料, BT-GFRP- REBCO線材, セラミックコーティング試料➢冷却・励磁試験

REBCO線材の中性子照射

中性子照射効果
 人工ピン導入を目的とした低線量照射（バルク、線材）

T. Aoki et al., IEEE Trans. Appl.
Supercond., 21, (2008) 3200.

 核融合への応用を目指した線材への高線量照射（ウィーン工科大）
77 K, S. F.

R. Fuger et al., Physica C 468 (2008) 1647., M. Eisterer, RESUMM2015.

中性子照射の目的・再現性の確認、現象の理解, データ取得(フルエンス, 温度, 磁場)~1019 [m-2]?

中性子照射の流れ

東北大学金属材料研究所附属量子エネルギー材料科学国際研究センター
Samples• 目標フルエンス:(En>1 MeV, T < 100℃)➢ TS2-PCS < 1 x 1022 (n/m2)
BR2 @Belgian nuclear
research center

REBCOの放射化測定片（ガンマ線解析）中性子フラックス：7.92×1022 n/m2
照射終了日：2015.05.18
γ線測定日：2021.05.12
等価線量：0.466 mSv/h (表面から15㎝)

Number of counts

32 mm

Co-60 Co-60

104
103

102101100222MC-132 (2.58x10 n/m )Sample: SCS4050-AP (SP)Live Time: 500 [s]

200

400

600

800

1000
1200
Energy [keV]

Cut Cut

1400

1600

1800

~1 mm ~1 mm

Element

Half-life

E (keV)Counts

Retio

Ag-110M

250.4 d658.15

4342

0.043

Ag-110M

250.4 d677.69528

0.005

Ag-110M

250.4 d687.214290.004

Ag-110M

250.4 d706.757850.008

Ag-110M

250.4 d764.37937

0.009

Ag-110M

250.4 d818.03716

0.007

Ag-110M

250.4 d885.12

2326

0.023

Ag-110M

250.4 d937.73

1534

0.015

Co-60

5.271 y1173.71

46856

0.466

Co-60

5.271 y1332.540.409

Ag-110M

250.4 d1384.6441098
561

Ag-110M

250.4 d1475.83

1050.001

Ag-110M

250.4 d1505.392800.003

0.006残留放射能➢ Co-60の半減期：5.3年➢ Ag-11０Mの半減期： 0.7年
→残留放射能の減少は緩やかである…

Radioactivity [GBq]100

Flux:2.53e22 [n/m2], Finish Date: 2018.05.25 (SCS4050-AP)

2021.05.12

10-1

10-2
Ag-110M
Co-60
Total

10-30123Time [Years]

45

照射後の超伝導特性の評価
0.25• 可変温度インサート• 15.5 T 超伝導磁石
Temperature Range

4 ~ 80 K

Max. Current

500 A

Max. External Field

15.5 T

Resistance [m/cm]

0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
-0.0570

VTI8090
Temperature [K]1001103.015.5 T
MagnetVoltage [V/cm]

2.52.01.5
1.00.50.0-0.5020406080
Current [A]100120140

可変温度インサート（VTI）
GM冷凍機 → 冷却ロッド（Pure-Al）→ バスバー (OFHC)→ 電極 (OFHC) → REBCO試料

被ばくの最小化のための単純で素早い試料の交換方法→機械的な締結（ボルト）ジュール発熱による温度上昇

到達温度と温度制御
908.0

Sample (+)
Sample (-)
Sample Temp.

7.5

78.2

80

78.0

6.5
6.0
5.5
5.0

77.8

Temperature [K]Temperature [K]Temperature [K]

70

7.0

60
504030Sample (+)
Sample (-)
Sample Temp.

104.0
3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5077.4
77.2
77.0
76.8

204.577.630Time [h]➢ 電極間に温度差がある➢ 温度変化に伴い温度差も変化する→絶縁による熱抵抗に差が生じている

4050607080

90

Sample (+)
Sample (-)
Sample Temp.

76.676.46070電圧タップ(銅パイプ)

絶縁テープ

90100

Time [min]Time [min]セラミックコーティング

80Cu

110120超伝導転移温度への影響

Resistance [m/cm]

0.40.3B = 0 [T], I = 0.1 [A], SCS4050-AP

D. X. Fischer, et al., Supercond. Sci. Technol. 31 (2018) 044006

Unirradiated8.32 X 1021 n/m2 (E>0.1MeV)
222
4.11 X 10 n/m (E>0.1MeV)
7.92 X 1022 n/m2 (E>0.1MeV)

0.20.1-5K0.00

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Temperature [K]• No significant degradation in shielded HTS tapeat.
• Reduction of Tc byin unshielded sample.
• Reduction of Tc byin shielded sample at.

4.11 x 1022 n/m2以上でGdBCOの超伝導性が消失
ウィーン工科大のデータと同じ傾向である

ジュール発熱による温度上昇➢ Icの定義: 1 V/cm(電圧タップ間距離: 1.4 cm)➢ 温度上昇を見込んでベース温度を調整している
Temperarure [K]

21.5
21.0
20.5
20.0
19.5
19.0
18.5
050

100

150Current [A]200250Critical Current [A]Critical Current [A]臨界電流 (IC)の劣化
500
400300Unirradiated2128.23 X 10 n/m

Unirradiated2128.23 X 10 n/m

20 K40 K

Unirradiated2128.23 X 10 n/m

Unirradiated2128.23 X 10 n/m

2001000500

40030077 K50 K200
1000051015 0
External Magnetic Field [T]51015
External Magnetic Field [T]Fitting Function: C. Senatore, et al., Supercond. Sci. Technol, vol. 29, Dec. 2015, 014002.

劣化率と温度の関係
D. X. Fischer, et al., Supercond. Sci. Technol. 31 (2018) 044006

1.00.9 B//c, SCS4050-AP
2128.32 X 100.8IC / IC00.7n/m (E>0.1MeV)

0T2T
4T
5T
10 T
15 T

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0010 20 30 40 50 60 70 80
Temperature [K]

劣化率は温度に対して一定ではない
温度が低い方が影響が小さい(0.6@20K  0.02@77K )ウィーン工科大のデータと同傾向にある

課題と今後の照射計画
中性子照射によるGdBCOの劣化は1021 n/m2 オーダーで起こる。
ウィーン工科大のデータによると熱中性子の寄与が大きい。

Gdは中性子反応の断面積が極めて高いがその影響はあるのか？
[Gd: 49000 barn, Eu: 4600 barn, Y 8.9 barn]

人工ピンの影響は？

６．３．無機絶縁コイルの開発

セラミックの成形
セラミック絶縁- 樹脂材料と比較して高い放射線耐性- 樹脂材料と比較して高い熱伝導率 (Al2O2:32, SiO2:10 >> エポキシ:0.3 [W/m・K @300K])- 線材や磁石材料と近い線膨張係数

セラミックの焼成温度＞１０００℃→ＲＥＢＣＯの超伝導性が消失

温度高い？

セラミックコーティング技術の応用

セラミックコーティングの最適条件- コーティング剤: Al2O3 : SiO2 = 1 : 1 (G-92-5, NIKKEN .Ltd)- 乾燥温度80℃、~10 m厚の重ね塗りによる膜厚調整- 最終熱処理: 100℃, 20 min短尺REBCO試料によるコーティング試作
SCS4050-AP (SuperPower)

Applied load with AC voltage(50 Hz)
0.20
0.18t= 38 m

t= 24 m

0.5

1.5t= 16 m

0.16

Withstand voltage- t=16 m : 0.679 kV- t=24 m : 2.006 kV- t=38 m : 2.693 kVCurrent [mA]

0.140.120.100.080.060.040.02012Applied Voltage [kV]

 REBCO表面にセラミック絶縁層の成形に成功
 耐電圧は膜厚30 mで2 kV以上
液体窒素を用いた熱サイクル試験で剥離は無し
 コーティングによるIcの劣化は観測されな かった。

2.53

セラミックコーティングの現状➢ 線材: 長尺REBCOテープへの連続施工➢ 部品: センターボビン, サポート, スペーサー、電極等の部分施行

172524191716232527

1740m長のテープ線材の両面に厚さ 25 ± 4.7 (σ) μm のセラミック絶縁膜の成形に成功している。

検証コイル
セラミック接着剤を用いたウェット方式で、小型の円形ダブルパンケーキコイルの試し巻が行われた。

Tape: L=14 m, W= 4 mm (Full surface coating)ID = 80 mm, 1st: 26 turns, 2nd: 24 turns

超伝導特性の劣化はみられない。

アロンセラミック タイプＣ （東亜合成)）
Main Ingredients

Silica (SiO2)

Viscosity

70,000 mPa･sCTE

13 X 10-6 (0-600℃)

Heat Treatment

16 h at R.T.
→1 h at 90 ℃
→1 h at 150 ℃

冷却・励磁試験＠BNL➢ 温度: 4.2 Ｋ（液体ヘリウムによる浸漬冷却）➢ 外部磁場：~10 K➢ インサート開口部：31 mm×335 mm➢ Nb3Snコイルの直線部長さ：305 mm
303031335

インサートコイルの設計➢ Type: EuBCO, IC (77K, S.F.): 201 A➢ Thick. of Hastelloy: 50 m, Thick. of Cu: 40 m (one side)➢ Width (Avg. of meas.): 4.08 mm➢ Thickness (Avg. of meas.): 0.16 mm➢ Thickness of coating: 0.025 mm (one side)➢ Thickness per turn: 0.25 mm (Tape + Coating+ Adhesive)➢ Number of turns per layer: 24 turns

GdBCO

EuBCO

インサートコイルの試し巻

Aron Ceramic Type C (Toagosei Co., Ltd)

➢コイル巻き線技術の習熟➢コイル部品や巻き線治具の改良➢実コイル設計へのフィードバック

Main Ingredients

Silica (SiO2)

Viscosity

70,000 mPa･s

CTE

13 X 10-6 (0-600℃)

Heat Treatment

16 h at R.T. →1 h at 90 ℃
→1 h at 150 ℃

試し巻の結果

ターン間の接着剤の平均厚さ： 0.1 mm.

コイル周回部では直線部より厚さがする。

SummarySummaryThank you