1超伝導電磁⽯加速器応⽤全般
⾼性能で効率的な加速器を実現する先端技術

CERN LHC2

⽬次• はじめに• 超伝導の発⾒と超伝導電磁⽯の実現• 巨⼤加速器⽤超伝導磁⽯の歴史• ハドロン加速器での応⽤• 電⼦加速器• 検出器磁⽯• 将来計画
• まとめ

3

⽬次
• はじめに• 超伝導の発⾒と超伝導電磁⽯の実現（有本、鈴⽊）• 巨⼤加速器⽤超伝導磁⽯の歴史（中本、⼤内、つくば⾒学）• ハドロン加速器での応⽤（中本、阿部、吉⽥、飯尾、奥野、⽔島、東海⾒学）• 電⼦加速器（⼤内、つくば⾒学）• 検出器磁⽯（槙⽥、つくば⾒学）• 将来計画（菊池、飯尾）• まとめ• 極低温技術（中⻄、⽊村）4⽬次• はじめに• 超伝導の発⾒と超伝導電磁⽯の実現• 巨⼤加速器⽤超伝導磁⽯の歴史• ハドロン加速器での応⽤• 電⼦加速器• 検出器磁⽯• 将来計画
• まとめ

核融合

発電

超伝導応用
（加速器以外）発電機

超伝導の特徴
抵抗ゼロ、高電流密度、高磁場
医療
MRI

送電
SMES

蓄電

フライホイール

変電
限流

半導体
MCZ

輸送
リニア
新幹線

分析
NMR

モーター

加速器における
超伝導電磁⽯応⽤

Japan
J-PARC
Neutrino
Beamline

EU CERN/LHC

Japan
SuperKEKB
QCS
Belle2 Solenoid
LHC Arc
ATLAS Solenoid

USA FNAL/Tevatron

7

⽬次
•

はじめに

•

超伝導の発⾒と超伝導電磁⽯の実現•

超伝導の発⾒

•超伝導現象の理解の進展•

実⽤超伝導電磁⽯の実現に向けて•巨⼤加速器⽤超伝導磁⽯の歴史•

ハドロン加速器での応⽤

•

電⼦加速器

•

検出器磁⽯

•

将来計画

•

まとめ

1911年 超伝導発⾒!
• 1908年液体ヘリウムの液化• 1911年4⽉8⽇⽔銀の超伝導発⾒• 1913年10T鉛磁⽯開発の提案→断念(臨界磁場:0.08T)
Heike Kamerlingh Onnes(1853-1926)

http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/cold/cold.html

«+"×¬r-¥¢*

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1933年
 マイスナー効果 -j 3?6(À³ªFig. 2-2 D0 6>N d
1935年 ロンドン侵⼊⻑¯-Ê$ÇTy
Fritz Meißnerとロンドン兄弟によって導出

OvSP¬r-"¶¤¬r
Robert Ochsenfeld

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*¥¼+ÇTyÅ§Õによって発⾒|U¶¤¬r-$ÇTy'
完全反磁性*¬©/0;/(
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Fritz Walther Meißner (1882 –1974)

JK=K¡Ã'*yV
マイスナー効果の現象論的説明(2-1)»¾+

&"'YZHZhpenetration!depth)"(1! ! ! !! ! !

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Fritz London (1900-1954)

! m, e, ns '11àd
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2.1.3. ¾Û&Á
Robert Ochsenfeld (1901-1093)

1950 %$0"YZHZ¾Û
Heinz London (1907-1970)
Ô;ZEPW=UZD8¾

1937年 Shubnikovの悲劇• 1935：TypeII超伝導体の混合状態
Shubnikov Phaseを発⾒• 1937：スパイ容疑で逮捕、11⽉に処刑• スターリン⼤粛正• 学術的功績も消される• 1957：名誉回復

è4ÇLUS[C[">M[XZ@è

1950年 GL理論
第１種超伝導体(Coherence
length)"(10LUS[C[4j>M[XZ@è'(2-3)!Ç10• ロンドン理論の補完[11]

2008 %J[Q0ÏÁÂ

.MZG4$Ù! 0

• コヒーレンス⻑

<[L[!'

1-2-3 第 1 種超電導体と第 2 種超電導体

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超電導体は磁場に対する振る舞いによって第１種超電導体と第２種超電導体の二種類に分けられる。

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(2-3)
第一種超電導体では、外部磁場が臨界磁場に達するまでマイスナー状態を維持し、臨界磁場を境に常éq&b!

電導状態に転移する (図 1-5 参照)。一方、第二種超電導体では、下部臨界磁場 (Hc1) と上部臨界磁場qi1%(Hc2) が存在し、Hc1 までは完全反磁性を示すが、この磁場を境に外部磁場が部分的に侵入し始める。
このとき侵入した磁場は量子化され、量子化磁束と呼ばれる。量子化磁束の中心部では超電導体は常!O9WR½

電導状態であり、コヒーレンス長 (ξ) 程度で常電導状態から超電導状態に変化し、磁場は磁場侵入長!!! 'àdf&ÎÀÆ! 0(λ) にわたって広がっている。このとき磁束の周りを、ほぼ半径 λ の範囲で遮蔽電流(渦電流) が還流µ0ë

している。この遮蔽電流は超電導電流となっている。

GL ¾Û!'àdf&Àì!YZHZhj²&|%$0
Vitaly Lazarevich Ginzburg

超電導体内に磁束が侵入した状態では、超電導状態と常電導状態が共存しているので、混合状態と呼ばれる。量子化磁束0 の大きさは前述のとおり(1916~2009)  <[(1.4)
Ý&:IW;[] 0\©Èè°&φ 0 = 2.07 × 10 −15 [Wb]であり、外部磁場が強くなるに従い、磁束の数が増え、反磁性が弱くなる。混合状態は超電導体が磁$0*<[

束で埋め尽くされるHc2 まで続く。一般にHc2 は非常に高いので、強い磁場のもとでも超電導状態を利用できることになる。

!<[L["0",Ø

tq!\Õ·È¼1

Lev Vasilyevich Shubnikov(Sep.9 1901~Nov.10 1937)

0

2.1.4. Ë 2 Êà

図 1-5 超電導体の超電導体の磁化曲線
磁化曲線 (a) 第 1 超電導体 (b) 第 2 種超電導体

Lev Davidovich Landau(1908~1968)

Bardeen, Cooper, Schrieffer

11

1957年

BCS理論

• クーパーペアーをもとに構築

12

V = RI

常伝導

W = VI = RI2 : 電気抵抗による発熱

13

超伝導（クーパーペアー）

ペアーが運動量を交換し合いながら進む：損失が無い

Nb

9.25K
~0.3T
Table
2-1 :CMJL<²$DBM?(A.B.Pippard)¬SrT#£y£hwg¤¥ ! $P¢#!

¸9.1K "-+ 11.5T
NbTi-p'+P/2
Tcx"e1$
Bc(Bc2)
p+P/2
p P/2
1953
JL<²
BCS
ª"-0y-p-p'

4.2K~0.04T
Nb3ボーズアインシュタイン凝縮Sn »18.3K Hg
22.5T
! !!
!7.2K
!
リア充クーパーペアたちの談合
Pb
!
!
!
!

pp'

! 

2
• クーパーペアー（電⼦対：ボソン）がボーズアイン
Nb
9.25K

!!!~0.08T!~0.3T(2-4)

p'p'+P/2

-p

q

-p
p+P/2
シュタイン凝縮する
MJL<²$DBM?(A.B.Pippard)
Fig. 2-7 .
-p-p'
!0
1[11][18]!$¶m#
NbTi
9.1K
11.5T

Δp = mhν L / pF
pF
P/2
wg¤¥
!
$P¢##:CM
!0!
$E5IG·#
Nb
Sn
18.3K
22.5T
!
3
!
（電⼦はフェルミオンなのでバラバラ）• 全てのクーパーペアーの運動量が同じ

+ 1953 x"e1$p'+P/2

+
€
JL<²
BCS
ª"-0y0K
• ⼤きなエネルギーギャップができる  0 $¬Sr#6AI7M7H=-p'+P/2
!$
]
p'
pp'
p
1
-p+P/2:CMJL<²$DBM?(A.B.Pippard)• Cooper対のサイズ(2-4)$¶m#wg¤¥!
!
!!(2-4)
!
pµ#
2
¬S
!
fo
!!
! ＝コヒーレント⻑：
!

(2-5)
"-+ 1953
 x"e1$!!/ 2 ¬SrT"!/,
\qyRO#W!$• Pippardのコヒーレント⻑0#* »¬SrT$w
! !!
!
!
(2-4)
pµ#
.!0*"
!0!
$E5IG·#¶m#°y!
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：電⼦の平均⾃由⾏程!
 1[11][18]!$¶m#!
²¢±s ¨.1b±0qyRO#
 0 $¬Sr#6AI7M7H=F0zp³,m´¬Sr
`f 2 "!¥ !! $P¢##:CM
.!0Fig. 2-4 u 2 s 4U7 l [18]) GL ¾Û4¿

Fig. 2-6 4 U7 qC [18]Table 2-1 ¬SrT#£y£h

kx

4UW(89<xN

(Mixed State)4g0Ë
2
1957年 第2種超伝導体¾ÛÂ%_Ø0[19]
• アブリコソフがGL理論から導出<<í°Å%'2<î

W;[Ý"$
0• 超伝導界⾯エネルギー；負àd"d&Àì'• 磁束が侵⼊；混合状態$0 Æàdf• 2つの臨界磁界; Hc1, Hc2

¸



l

Tc L(

Bc(Bc2) ]%w

q`_VD5*,+,T

Fig.2-5 Su 2 s4U7}e&d2

Hh\(r%q`Nb9<?

%

p&%qL(vlqL(Bc)

9.25K
~0.3T
&Tu 2 s4U7Fig.2-6b

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4U7>9<Q=Fq[p&%Y.vlqL(Bc2)K&%:CMJL<²$DBM?(A.B.Pippard)
qL!4Uh\

Fig. 2-7 EKM
:&4U

Q=p&%Fig.2-6 1ql k#&"-+ 1953 x"e1$Bc=µ0HcBc1=µ!$
%0Hc1Bc2=µ0Hc2]°y0u2s4U7m{4UqoSi! !! ! !
(2-4)
pµ# 2 ¬SrT$N!
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J Xz%S~nvl
qyRO#Wt"qL%2z4Ug~vlqL

( Table 2-1 !"%us4U7
.!0*"$ ]!0 1[11][18]!$¶m# Bc
$6TN u 2 s4wg¤¥ ! $P¢##:CM ¬Sr p0#!

U7Sk.vlqL% Bc2 X+$DL@L9;4>(pinn
JL<² BCS ª"-0y0K ;(G%!us4U713¦­0\3DL
Q=Fq["-M4U7y
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2 s4U7
force)d'¯"#DL*(2-5)

dHh\4U7=7?^\0EKM"c c%
AlexeiAlexeyevich
Abrikosov00hQEK
(1928~)
!0!! $E5IG·#¶m#°y%q `[20]!/ 2 ¬SrT"!/,3
0#* »¬SrT$wg¤¥#²¢±s ¨.1b±s+P¢,m´ `f 2 "!) 0)a±,^a$}" 2 ¬Sr

bu 2 s4U7bu 2 s4U7
Fig. 2-6 4 U7 qC [18]Fig. 2-6 4 U7 qC [18]

%Q

11.5T
% 9.1Kra_@usIa_@Q=Fq[(r22.5T/vlqL(Bc1)K&%qL!
us4U7u 2 s4U7Zfnq
Nb3Sn
18.3K
b

4U710)%NbTi
'

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tf4U

(2-4)$¶m#wg¤¥ (  

Fig. 2-4 u 2 s 4U7 l [18]Fig. 2-4 u 2 s 4U7 l [18]us~0.04TFig.2-6a aqL(
 4.2K4U7
=Fq[(r%-R3.qL
8%q`%
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7.2K~0.08T 0 $¬Sr#6AI7M7H=F0z(a)us4U7(a)us4U7

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q`_VD5!?B&%

Fig. 2-5 dH h\'àdflæ%$PRWEjn

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2.1.5. EKMDL*\[11][18]$vSr"!/,hi"Z¥"$-/vSr

2 ¬SrT$h¶3¬Sr"®0}§ 

10"¶\/3*-!0¬Sr30#"\ $]) #- !

16

⽬次
•

はじめに

•

超伝導の発⾒と超伝導電磁⽯の実現•

超伝導の発⾒

•超伝導現象の理解の進展•

実⽤超伝導電磁⽯の実現に向けて•巨⼤加速器⽤超伝導磁⽯の歴史•

ハドロン加速器での応⽤

•

電⼦加速器

•

検出器磁⽯

•

将来計画

•

まとめ

17

超伝導の歴史磁⽯応⽤の始まり（1960年代）• 1961 MIT Conference• J.E.Kunzler (Bell研): Nb3Sn 6.8T 勝利!

• 初めての磁⽯• J.Hulm (Westinghouse): NbZr 6T おしい！

• First1954 G.superconducting
Yntema 0.71 T
magnetKunzler:10T Nb3Sn 磁⽯
ボスとの約束でスコッチ2ケースゲット！
でも Bell研は超伝導磁⽯から撤退。。。

J. Hulm: NbTi 発⾒!
Phys. Rev. 98 (1955) 1197

0.71 T at 4.2 K

Kunzlerによる最初の特許

4000
NbTi(4.2K)
NbTi(1.9K)(NbTa)3Sn(PIT)
Nb3Sn(RRP)
Nb3Al(RHQT)
Nb3Al(RHQT)

3500

NbTi (合金) 対 Nb3Sn (化合物)Jc (A/mm2)

18

3000
2500
2000
1500
1000
500

• 臨界電流特性：Nb3Snのが良い• 機械的特性• NbTi：合金→延性•展性→磁石製造楽• Nb3Sn：もろい、歪で劣化→磁石製造が難しい• 8T程度までの応用

•NbTi

0
0

2

4

6

8

10

12

14
B(T)

16

18

20

22

24

26

!! ! ! !

4)$¶m#wg¤¥(¸A5D"g('Pinning

potential[11]

Fig. 2-9 :G FEF 6FA 5D/ 192 ¬SrT"!/,3
超伝導の臨界電流'($«` Fig.2-9e ¬
l0#*!! ! !! !

904C/0)<E10m')¬zµz!! ! !! M!!! «i)

m»¬SrT$wg¤¥#(2-13)! ! !! !! !

a)¢²ip(¬+6;$Q «!¢^ H c2 j§SI• 磁束フロー状態¨.1b±s+P¢¢±s
T#£y£h'm!«`!Yzb!T'

Tc
Bc(Bc2)m´`f
2 "!)• 電圧が⽣じ損失が出る'

²§£A5D-@(Y.B.Kim[24][25])#*F3G2F(P.W.Anderson[26])$ 1963 {0)a±,^a$}"7.2K~0.08T• ピン⽌め⼒'!!

Å;FX'«¢_º('ª¤;F)Ã\Fig.2-10 "!0
9.25K • 超伝導体内部に常伝導転移しやすい~0.3TÃ\ª¤y\'®M$Á"«`!

±e!«±e$;F>4F/BD

9.1K

場所を作りそこに磁束を⽌める
11.5T



P¢¡"-



2.2.1. ¨w]»Nt«©À¨[11][27][28][29][30]2 ¬Sr^%(«.G8G=*$'uaP;FX'

Fig. 2-10 «i K ;F >4F /BD

2.2. q ¥ °   d«i$W,?CF+70

0 2 ¬S»Nt¨·~]»Ntb)¢²ip»N«©)¹S½

t«©¾w!!¯h G.Yntenna

 1954 {#0h¡| 4.2K  0.71T )¿'»Nt«©)À¨'£Hk'

$vSr"!

• ピン⽌め⼒を超える電磁⼒を与える
電流密度＝臨界電流密度22.5T.5. 18.3K
EKMDL*\[11][18]$DBM?(A.B.Pippard)
2 ¬SrT$he1$´I§SI

DL"!0

R

"' m#«` v ')¬f• 電磁⼒で超伝導体内部の磁束が動く

V

«!6;$Q

(cQ­z"bÅ$&"³z

4.2K • 磁束を⽌める必要性~0.04T



i"Z¥Fig. 2-8 NbTi

Fig.¶
2-7  EKM  [7]ip

6 ;$ Q¢ ² ip[21]

3¬Sr"
^Fev!^VE*!

6;$Q

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TO

^¢²ip

*

(

R



h±!¢p{Z+nY^ 800~900 A/mm2 y^Fig. 2-17 A ZC s[32]%AZgsnY^o^EVa

20

wUEVa}M}

MB_?
 AZwu%AZgsnY^o^

臨界⾯
c$ h]|EVa
wUEVa}MRsnY^o^wUEVa'!#kv}MB_?
 AZwu $B_`$qT
NbTi 
• 臨界電流密度は
 LHC D&%$B_'@>x

c$


h]|

• 温度

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RsnY^o^wUEVa'!#kv!! !! ! !!!
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• 磁場
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 •$B_`$qT
NbTi 
(2-17)の関数
 LHC D&%$B_'@>x

2
!"#

 !!

• NbTiは4.2K,

4.2K, 5T  5Tで3000A/mm
snY^! !!!

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o^ T =
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(2-17)!! ! !"!!"!! ! ! !!!"! ! ! !!!! ! ! !!!" D&%
[21] !"# !!  4.2K, 5T    s  n Y ^ 
qT<tKQrAZwur"%! !!!

実際の超伝導線：
21 極細多芯線の製造工程

Cu CanMulti Billet

NbTi/Cu
Hydrostatic
Extrusion

Nb/Bronds

Nb
Nb

Cu Stabilizer
Stabilizer
Cu

dice

Drawing

Hydrostatic
Extrusion

Nb/Al/CuHeat Treatment

BilletTwist
Insulation

WireDrawing

Rutherford Cable

NbTi

Al stabilized Cable
Cabling

Nb3Sn

CICC

Soldered Cable

Cable

22

フィラメント間で⾮常に⻑い時定数のカップリングが起きる

極細多芯線
超伝導体の磁化特性
超伝導フィラメントに臨界電流密度で遮蔽電流が流れる

–M
+Jc

+Jc

第⼀種超伝導体
第⼆種超伝導体（ピンなし）
第⼆種超伝導体（ピンあり）

H
この幅が臨界電流密度と超伝導フィラメントの⼤きさによる＝ヒステレシス損失が超伝導フィラメントの⼤きさによる

ツイストしてカップリングをの時定数を下げる〜10-10 Ωm

23

クエンチとクエンチ保護

Current

Copper
NbTi• 臨界⾯を超えれば常伝導転移• 電流は安定化銅に移る→それでも急速な温度上昇• 温度上昇の指標：MIITs• MIITsをI2で割ると温度上昇にかかる時間
Cu/NbTi=1, 400 A/mm2の場合 →素早くクエンチを検出して電流を遮断しないとコイルが⾼温になる。

〜10-7 Ωm

PS

Extraction R

PS

Magnetクエンチ保護• 電流の素早い遮断が必要

Magnet24• 外部抵抗⽅式• 外にエネルギーを取り出すので復帰が早い• 磁⽯の両端に⾼電圧が⽴つ• クエンチ保護ヒーター⽅式• 磁⽯内部でエネルギーや電圧を分散させる• この2つの⽅式の組み合わせで落とす

Heater• エネルギーは低温部に⼊ってしまうQuenchProtectionof Large
Accelerator
MagnetSystem:Neutrino
Beam Line•

Quench Protection Heater– Powered by Capacitor Bank
– Magnet Current τ≈1 sec•

Cold Diode– Turn On Voltage: 6V– Forward Voltage: 1V

triggertrigger•

Dump Circuit– Protect Cold Diodes
and SC Bus Bars
– Time Constant: 20 sec•

Quench Detector

Protection Circuit for Accelerator String

LHCでの故障• 原因• 接続部のハンダ施工不良• クエンチ検出に不備• 巨大な蓄積エネルギー

損害：300MJ近いエネルギーが放出：⼗数台のmagnetが損傷
修理：２年間かけて数千か所の接続を全て補修

27

⽬次
•

はじめに

•

超伝導の発⾒と超伝導電磁⽯の実現•

巨⼤加速器⽤超伝導磁⽯の歴史•

加速器超伝導電磁⽯の実現•

HERA, SSC, RHIC•

LHC, HL-LHC•

ハドロン加速器での応⽤

•

電⼦加速器

•

検出器磁⽯

•

将来計画

•

まとめ

加速器の発展と超伝導応⽤
1895
1911
1931
1933
1947
1952
1957
1965
1970
1977
1979
1983
1986
1988
1989
1990~
1992
1998
2001
2008

クルックスのX線菅
超伝導発⾒ (Hg：K. Onnes)
サイクロトロン(Lawrence)
マイスナー効果 (W.Meissner)
電⼦シンクロトロン
陽⼦シンクロトロン
BCS 理論 (J.Bardeen L.Cooper J.Schrieffer)
MT1 (Magnet Technology Conf. SLAC)
NbTi超伝導線の製造技術
FNAL/Tevatron プロトタイプ磁⽯
MRI 磁⽯の産業化
FNAL/Tevatron: 6.3km (4.4T, 6.1m, 774)
⾼温超伝導 (K.Muller, J. Bednorz)
超伝導トカマク （TORE SUPRA）
超伝導空洞 (KEK/TRISTAN)
MCZ 磁⽯の産業化
DESY/HERA: 6.3km (4.7T, 8.8m, 416)
BNL/RHIC: 3.8km (3.5T, 9.7m, 288)
MgB2 (J. Akimitsu)
CERN/LHC: 26.7km (8.3T, 14.2m, 1232)

V

29

加速器って何？
d• 荷電粒⼦を加速する。

𝐹 = 𝑞×𝐸
𝐹:力
q:電荷
𝐸: 電場（E=V/d）30

𝐹 = 𝑞×𝑣×𝐵

円形加速器
シンクロトロン

電磁⼒= 𝑞×𝑣

磁場で荷電粒⼦を曲げる• 円形の軌道に荷電粒⼦を回しながら加速• 加速装置を使い回す• 磁場は粒⼦の速度に合わせて強くする

𝒓=

!
"

𝒗

𝒑

𝑩

𝒒𝑩

× =

⾼運動量（⾼エネルギー ）の粒⼦を限られた半径で曲げるには⾼磁場が必要

𝑩𝒓 =

𝒑
𝒒

∶ rigidity

電場で荷電粒⼦を加速する

𝑚×𝑣×𝑣
=
𝑟
遠⼼⼒

31

シンクロトロンに必要な磁石• 偏向磁⽯• ノーマル２極磁⽯• ビームを曲げる• 均⼀磁場N

S• 収束（発散）磁⽯• ノーマル4極磁⽯• ビームを収束させる

S

N• 勾配磁場32

均⼀磁場を作る
円柱に均⼀電流が流れる
𝐵! 𝑟 ="!#$ "%&#$

𝐵' 𝑥, 𝑦 = −𝐵( 𝑥, 𝑦

=

"!$%

y

𝑟 𝑗
𝜋
=
&

𝐼

"!$%
&

" (%

sin 𝜃 = − !

&
&
"!$%
"!'%
=
cos 𝜃 = −
&
&

x

33

均⼀磁場を作る

左導体（電流密度=+ j ）𝜇) 𝑦𝑗
𝐵' 𝑥, 𝑦 = −2𝜇) 𝑥 + 𝑑72 𝑗
𝐵( 𝑥, 𝑦 =
2

𝑑
2

34

均⼀磁場を作る
右導体（電流密度= − j ）𝜇) 𝑦𝑗
𝐵' 𝑥, 𝑦 =2𝜇) 𝑥 − 𝑑72 𝑗
𝐵( 𝑥, 𝑦 = −2

左導体（電流密度=+ j ）𝜇) 𝑦𝑗
𝐵' 𝑥, 𝑦 = −2𝜇) 𝑥 + 𝑑72 𝑗
𝐵( 𝑥, 𝑦 =
2

𝑑 𝑑
2 2

35

均⼀磁場を作る

左導体（電流密度=+ j ）𝜇) 𝑦𝑗
𝐵' 𝑥, 𝑦 = −2𝜇) 𝑥 + 𝑑72 𝑗
𝐵( 𝑥, 𝑦 =2

導体が重なり合ったところ（電流密度=0）
𝐵' 𝑥, 𝑦 = 0𝜇) 𝑗𝑑𝐵( 𝑥, 𝑦 =右導体（電流密度= − j ）2𝜇) 𝑦𝑗
𝐵' 𝑥, 𝑦 =2𝜇) 𝑥 − 𝑑72 𝑗
𝐵( 𝑥, 𝑦 = −
2

𝑑 𝑑
2 2

36 cosθ分布
𝐵' 𝑥, 𝑦 = 0𝜇) 𝑗𝑑𝐵( 𝑥, 𝑦 =2θ𝑡 ≈ 𝑑× cos 𝜃
d→0の極限では電流領域の厚さt = d・cos 𝜃
偏向磁⽯（2極磁⽯）：cos 𝜃分布

収束磁⽯（4極磁⽯）：cos2 𝜃分布

I_247410

6.12.2005

9:49 Uhr

Robert P. Crease37

Seite 410

加速器における超伝導磁⽯応⽤の歴史：BNL vs FNAL

03_crease_II_247

6.12.2005

9:49 Uhr

Seite 406

Phys. perspect.
406

Robert P. Crease

Phys. perspect.

1970 年代から1980年代初頭に
2つの⽶国研究所が熾烈な競争

Fig. 2. Beginning of tunnel construction, in Spring 1979, showing cleared ground and beginning of theFig. 3. Artist’s conception of a cross section of the proposed ISABELLE tunnel with superconducttunnel arch. Source: Brookhaven National Laboratory.
ing magnets and dewars in place. Source: Brookhaven National Laboratory.

winnermagnet, tested in March, quenched first at 38.5 kG, also trained poorly, and was dam-gets and stiff competition it would surely die. Far safer to redouble the lab’s effortsonaged beyond repair in the sixth quench. The magnets in the Mark series were perthe current magnet until the problems were cured. After all, wasn’t Brookhaven’s
forming somewhat better, reaching 50 kG in about 40 quenches. But quenches were
design simpler and better than Fermilab’s – and hadn’t Fermilab gotten its clearly
infetime-consuming
and expensive, owing to lost power and lost helium, and to have torior design to work? And hadn’t the High Energy Unseparated Beam (HEUB)
quenchanda magnet more than 2 or 3 times in a project requiring over a thousand – theMark V magnets shown that the ISABELLE magnet’s basic design was sound
– of
that
worst
which had to quench at over 50 kG – was unacceptable.
the solution was out there?
Sanford initially blamed the slow progress on lack of enough technical support. The
MagnetGroup was “under enormous pressure,” he pointed out, and the lab’s “closing
Vineyard responded to the bind by presenting a misleadingly optimistic poseto theranks”
outside. This is a not uncommon and even wise move as a temporary measure ofwhen
try-around the project would help. But he was still confident – even buoyant –with adequate support, the magnet problems could be solved. “[W]e have had ouring to rescue a troubled project – but as the troubles deepened the pose grewthat,
progrespast successes,”
he told the group, “and will have them again.”3 At a High Energy
sively more misleading. Still, it was impossible to act as though nothing were amiss,andPanel (HEPAP) review in March, representatives of the Department
at the end of August Vineyard took the traditional approach for buyingPhysics
time: Advisory
heof Energy (DOE) expressed concerns about Brookhaven’s and Fermilab’s superconappointed a committee. Its charge had to be carefully formulated. DOE project
offiducting magnet problems, and the difficulty of maintaining funding even at the Deutch
cers, such as Frank Zito, were always looking over the scientists’ shoulders, checking
floor level.* At the Magnet Group’s next meeting, Sanford – his eye on the DOE
how the money was being spent. Vineyard and Sanford were afraid to convey any hint,in the committee’s charge, that reflected doubt in the basic magnet design. Thus the* The Deutch floor was the informal name of a plan proposed by the DOE’s Director of the Officegroup was charged with “perfecting the techniques for producing the ISABELLE
magof Science John Deutch to fix the budget for high-energy physics, in real dollars, at $300 million
out- Year (FY) 1979 funds.
nets on a large scale.” 19 Finding a committee head was another delicate task. A lab
at Fiscal
sider might spread news of the severity of the problems, but a lab insider would haveto be someone familiar with superconductivity but not closely associated with any ofthe magnet factions. The person selected was Eric Forsyth.

ISABELLE/CBA (BNL) 3.8km, 400GeVTEVATRON(FNAL): 6.3km, 1TeV

(Magnet: 5.28T)(Magnet: 4.4T, 6.1m, 774台)

TEVATRON• Energy Doubler (1TeV)• Higher Field Magnet 4.3 T• Energy Saver• ~1/2 Overall Power Saving

Warm Iron Magnet
Tunnel is given (main ring)

SCMs are installed in the same tunnel

Mis-alignment of iron to coil
= unwanted field harmonics

lt isby definitionperpendicularto the directionof curvatureof the curveat everypoint. The cable ismodeledby an infinitelythin stripin thissurfacealong the curve.

TEVATRON Coil Structure3.) The cables are trimmedat the appropriatecablewidth (L). The
trimmed edge is defined as the "free edge" of the stnp.
lm• Rutherford Cable• Saddle Shape End• cosθ CoilI

Fi0ure 6. The DevelopableSurface
We now have a surface which is subject only to stressesdue to thebend the easy way and the twist.
*See reference 1, section 3.

ISABELLE／CBA• PP Collider (400 GeV)
• Higher Field Magnet 5.28 T

ISABELLE Bladed Cable• Cold Iron Structure

I_247

6.12.2005

406

9:49 Uhr

Robert P. Crease

Seite 406

• Additional Support

03_crease_II_247

9:49 Uhr• Two in One was also410proposed
Robert P. Crease
Phys. perspect.

Fig. 2. Beginning of tunnel construction, in Spring 1979, showing cleared ground and beginning of thetunnel arch. Source: Brookhaven National Laboratory.

1983年

6.12.2005

キャンセル

Seite 410

Phys. perspect.


    
      
        

       

            
         











Fig. 3. Artist’s conception of a cross section of the proposed ISABELLE tunnel with superconducting magnets and dewars in place. Source: Brookhaven National Laboratory.

         

41

⽬次
•

はじめに

•

超伝導の発⾒と超伝導電磁⽯の実現•

巨⼤加速器⽤超伝導磁⽯の歴史•

加速器超伝導電磁⽯の実現•

HERA, SSC, RHIC•

LHC, HL-LHC•

ハドロン加速器での応⽤

•

電⼦加速器

•

検出器磁⽯

•

将来計画

•

まとめ

HERA

HERA Dipole
Cold Iron to eliminate iron-coil mis-alignment
But no additional mechanical support"The p-ring was easier
to maintain, because
no water in tunnel"
Holger Lierl@DESY43

加速器における超伝導磁⽯応⽤の歴史
SSCの悲劇• 1988年建設開始 > 1993年中⽌• コスト制御に失敗：4.4B$→12B$• 2B$は既に投資“Contrary to all the hype, the SSC will not cure cancer, will no provide a solution to the problem of male-pattern baldness,
and will not guarantee a World Series victory for the Chicago Cubs”. Congress Man Sherwood Boehlert

RHIC

 Given tunnel 3.8 km
 Medium field 3.5 TtYoke Collar
Structure
Plastic Collar
Low Cost

45

⽬次
•

はじめに

•

超伝導の発⾒と超伝導電磁⽯の実現•

巨⼤加速器⽤超伝導磁⽯の歴史•

加速器超伝導電磁⽯の実現•

HERA, SSC, RHIC•

LHC, HL-LHC•

ハドロン加速器での応⽤

•

電⼦加速器

•

検出器磁⽯

•

将来計画

•

まとめ

46

LHC: Large Hadron Collider
１セル：偏向磁⽯６個＋収束磁⽯１個＋発散磁⽯１個

ル

1ア

たり

あ
ーク

８個の 2.45 kmアークと８個の 545 m直線部

セ
２３

収束磁⽯

偏向磁⽯

47

加速器における超伝導磁⽯応⽤の歴史
LHC

2008年：CERN/LHC: 26.7km (8.3T, 14.2m, 1232台)

48

LHCへの⽇本の貢献
MQXA:衝突点４極磁⽯• 衝突点近くでビームを集束（衝突確率を上げる）• 磁場勾配280T/m, 最大磁場 8.7 T

49

将来に向けてHL-LHC• LHCを⾼輝度化して実験を効率化• 統計が貯まるのが早くなる• 今まで⾒えなかったものが⾒える#/((%)81/(.8/.!"#.:?!B50

将来に向けてHL-LHC

E%'[1)%.;AGG%'> :?$B

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kFg

kU

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kF6

HX hole! ^(0%'81/(.'%;1/(0.&/'.^MU.Z.O.p1GG.C%.8/8AGG>.'%@GA)%4.&/'.7@;'A4%! ,%p.=A;(%8.0>08%=.:^3.f7A4-2.kU2.#/''%)8/'0B..KP== " UOP==! ,%p.3%)<(/G/;>H.,CDE(.f7A4-2.E#.#'AC9)A[181%0.

Iron yoke

Main
Magnets• 衝突点のアップグレードƓƑƒƘƐƙƐƒ
Aluminum alloy ring

MQXF
Inner triplet quadrupole (Q1-Q3)

MBXF
Beam separation dipole (D1)

MBRD
Beam recombination dipole (D2)MQY
2-in-1 quadrupole (Q4)ƥƦơƟƢƑƓƎƍėƒƕX¶Â8ţVmȭ>èũfmȮ

• 衝突点のビームサイズを⼩さくする• 4極磁⽯の⾼性能化（Nb3Sn）• クラブキャビティを⼊れる• ビーム分離磁⽯の⾼磁場化
MCSX/MCSSX
Sextupole

Corrector
Magnets• 常伝導磁⽯から超伝導磁⽯へ

MCDX/MCDSX
Decapole• これらの更新で衝突確率を上げる
MCBXF
Orbit corrector at Q2 and CP

MCQSXSkew quadrupole
corrector at CP

MCOX/MCOSX
Octupole

MCTX/MCTSX
Dodecapole

Non-linear correctors at CP

MCBRD
Orbit corrector at D2

35gE

51

衝突点4極磁⽯の更新
Nb3Snによる⾼磁場化• Nb3Snを使い最⾼磁場11.4T実現• Wind and React 法

OST RRP strand,
132/169

52

超伝導送電線• Transmission line system for HL-LHC.
• Default MgB2
• Option HTS“Development of superconducting links for the Large Hadron Collider
machine,” A. Ballarino, Supercond. Sci. Technol. 27, 2014, 044024.

53

ビーム分離磁⽯の更新
KEKでの開発• ビーム分離磁⽯の超伝導化：⼤⼝径150mm, 6Tの2極磁⽯の開発

HL-LHC D1 Magnet

協定書に署名したファビオラ・ジャノッティ
CERN所⻑と⼭内正則KEK機構⻑

54

⽬次
•

はじめに

•

超伝導の発⾒と超伝導電磁⽯の実現•

巨⼤加速器⽤超伝導磁⽯の歴史•

ハドロン加速器での応⽤•

J-PARC, GSI/FAIR•

医療⽤シンクロトロン•

サイクロトロン

•

イオン源

•

電⼦加速器

•

検出器磁⽯

•

将来計画

•

まとめ

⼤強度ハドロン加速器
J-PARC加速器• J-PARCなど取り出し加速器が多い• シンクロトロンだと運転サイクルが速くなるため超伝導が難しい。
• J-PARC RCS (3GeV 1MW)：25 Hz• J-PARC MR (30GeV 1MW): ~1 Hz• 取り出した後はエネルギー⾏って＝
磁場⼀定なので超伝導が使いやすい• J-PARCニュートリノ施設

常電導磁⽯システム：⼤量に⽔を使うので⽔のトラブルは多い
J-PARC RCS Magnets

J-PARC MR Magnets

56

⼤型ハドロン加速器
J-PARCニュートリノ施設• ニュートリノ実験施設：場所が狭く超伝導が必要

超伝導結合機能型磁⽯（2.6T+19T/m, 28台）で予算と⼯期を最適化

Super-ΩSuperconducting Focusing Solenoids

Superconducting Curved Solenoid

Support to J-PARC Projects

COMET at J-PARC

COMET SC Magnet System: Helium Transfer Line to
Muon Transport Solenoid is under construction.

Transfer Line

標的からの⼆次粒⼦(Muon)を
ソレノイド磁場で⼤⽴体⾓で捕獲し⼤強度⼆次粒⼦を得る
ColdBoxTransferTube
to PCS

CurrentLeadBox
TransferTube
to MTS

Muon
Transport
Solenoid

Detector
Solenoid

Pion
CaptureSolenoid

HeliumRefrigerator

Muon
Transport
SolenoidJ-PARC g-2/EDM

⾼磁場精度(sub-ppm)のソレノイドにMuonを蓄積しMuonの磁気能率や電気能率を超⾼精度で測定する

Cold box

2900 mm

59

Muon storage orbit
Dia. : 666 mm

NMR probe system R&D

60 HTS線材応⽤の可能性
Instruments 2019, 4, x FOR PEER REVIEW

264

⾼放射線環境での応⽤
9 of 12Figure 10. Proposed muon beam line for J-PARC MLF second target station TS2.

Preliminary
Capture coil design265
266

Figure 10. Muon production solenoid design J-PARC MLF TS2.

Parameter
Coil Size
Number of turns per layer
Number of double pancake coils
Transport current
Peak field @solenoid axis
Peak field @coil
Load line ratio
Peak radial magnetic force of coil
Axial magnetic force of cold mass
Peak Stress @coil
Conductor length per double pancake coil
Total cable length
Conductor cost ($80/m)

267
268
269
270
271
272
273
274
275
276

HTS Tape
12mmValue
wide tape: ID=1600
mm, t=21mm, Hastelloy
L=600 mm
30µm
thick
70
5µm thick
Copper Plating60
200 [A]
4µm thick
Solder Plating
1.12 [T]Table 3. Main Parameters of the muon production solenoid for J-PARC MLF second target TS2.

2.41 [T] (B//ab: 2.09 [T], B//c: 2.25 [T])48 [%]
78 [kN]694 [kN]
38 [MPa]733 [m]44 [km]3.52 [M$]

Copper Clad Aluminum
Copper: 60µm thick each
Aluminum: 1.1 mm thick
Solder Plating: 4µm each

The yearly integral neutron flux is estimated as about 8x1020 n/m2/y. Since the neutron irradiation
test by TU Wien indicated that most of the ReBCO superconductor can withstand a few times 1022
n/m2 neutron flux, the solenoid may survive more than 10 years. However, the spectrum of theradiation for the solenoid can be different from that of the reactor and that the degradation threshold
can be altered. The spectrum may be changed by shield shape and materials combination. Careful
design of the shield that avoid an earlier degradation of the ReBCO conductor should be performed.
Choice of the ReBCO rare earth material is also important factor. Since gadolinium base ReBCO has
high sensitivity to thermal neutron[23], the other material such as YBCO or EuBCO could be the better
choice. More study on irradiation test for various ReBCO conductors should be performed.

Preliminary conductor design

Parameter

Value

Coil Inner Diameter

1600 mm

Coil Thickness

55 mm

Coil Length

600 mmOperation Current

1200 A

Peak Field @solenoid axis

1.12 T

Peak Field @coil

2.41 T

Peak Field B//ab

2.09 T

Peak Field B//c

2.25 T

Inductance~4 H

Total conductor length~7km

Secondary Particle Capture Solenoid

MLF第2ターゲット• LTSでは使えなかった⾼熱負荷条件での応⽤＝⾼放射線環境での⾼磁場磁⽯• コライダーの衝突点磁⽯（FCC)• 固定標的での⼆次粒⼦捕獲（J-PARC）

GSI/FAIRTEVATRON, GSI SIS100, RIKEN SRC• SIS100• TEVATRON (800GeV ~70kW)
 ./%2( 1Hz
 (4T/s)を実現
1)
• スーパーフェリックで1.9T

EM design and coil end of SIS300 dipole magnet• ZEBRA!>
AC"
3,  • COSθ, 4.5T, 1T/s (Flattop 10sec)• !=< ;'75

• SIS300• GSI SIS100 (30GeV ~100kW)•   1.9T, 1Hz(4T/s)-*• RIKEN SRC (0.4GeV 80kW)• 0&+469:""#• DC$8GSI SIS100 Main Dipole Magnet

62

⽬次• はじめに• 超伝導の発⾒と超伝導電磁⽯の実現• 巨⼤加速器⽤超伝導磁⽯の歴史• ハドロン加速器での応⽤•

J-PARC, GSI/FAIR•

医療⽤シンクロトロン•

サイクロトロン•

イオン源• 電⼦加速器• 将来計画• まとめ

63

放射光・医療⽤・⼩型加速器応⽤
医療⽤加速器• 重イオン加速器ではシンクロトロンが主流• 取り出しシンクロトロン：エネルギー可変が容易、取り出しでのロスが少ない• サイクルは速くなるのでACロス等から超電導化が難しい

世界初の重イオン加速器治療を⾏なったLBNLのBevalac

放医研のHIMAC

64

医療⽤加速器
超電導ガントリー
⼩型軽量化を⽬指して超電導化を実現
エネルギー可変に対応するためAC対応超電導線を利⽤

65

技術開発の⽅向性
普及型医療⽤加速器• ⼩型化に向けた超電導化• ⼩型冷凍機が必須• 建設費、維持管理費の削減

放医研の超電導回転ガントリーと、
超小型超電導回転ガントリー

次世代ガン治療⽤重イオン加速器システムのイメージ

技術開発の⽅向性
66 医療⽤加速器
エネルギー
スキャン
• シンクロトロンもガントリーも早い
繰り返しが必要• シンクロは⼀回の⼊射で治療が完了
しないと2倍のサイ
クルが必要• ACロスや誤差磁場の制御が必要67

技術開発の⽅向性
速いサイクルへの対応• ⼤強度ハドロン加速器や医療⽤重イオン加速器など• ⾼磁場化による⼩型化メリットが⼤きい• ⾼繰り返し運転に対応できる超電導加速器電磁⽯?
• GSI SIS100や放医研のガントリーなど• ⾼温超伝導の可能性？
Ø 温度マージンが⼤きい：⾼熱負荷に強い
Ø ⾼い運転温度による冷凍機の⾼効率化
ü ACロスを適切に制御できるか？
ü 遮蔽電流による誤差磁場の制御

68

⽬次• はじめに• 超伝導の発⾒と超伝導電磁⽯の実現• 巨⼤加速器⽤超伝導磁⽯の歴史• ハドロン加速器での応⽤•

J-PARC, GSI/FAIR•

医療⽤シンクロトロン•

サイクロトロン•

イオン源• 電⼦加速器• 将来計画• まとめ

RIKEN SRC• RIKEN SRC (0.4GeV 80kW)• 世界最⼤の超電導サイクロトロン• DC運転70

⼩型加速器など
超電導サイクロトロン• DC運転なので超電導にあう。
• ⾼磁場化による⼩型化• ビームセパレーションが⼩さくなって取り出しが難しくなる:ビームロスが多い

同位体生産用超小型サイクロトロン
Beta Installation at the

ガントリー搭載型超電導シンクロ
サイクロトロンMevion S250

IBAで開発された超電導シンクロサイクロトロン

71

⼩型加速器など
ECRイオン源 、Klystron• ⼤強度イオンを得るために⾼いプラズマ閉じ込
め能⼒を持つソレノイド磁場と6極磁場を利⽤

CERN CLIC Klystron用
超伝導収束ソレノイド

GyroSERSEのソレノイドと六極コイルのOPERA-3Dモデル

バークレー研究所のVENUSイオン源の
断面図

72

⽬次
• はじめに• 超伝導の発⾒と超伝導電磁⽯の実現• 巨⼤加速器⽤超伝導磁⽯の歴史• ハドロン加速器での応⽤• 電⼦加速器•

電⼦・陽電⼦衝突型加速器

•

放射光施設

• 検出器磁⽯• 将来計画• まとめ

KEK  cos:7J5Z±°d#{¬i
%& KEK 12GeV PS %1 CMEH7K% 2
±°(Fig.3-15a)2%±°& 1980 W

73 ⽇本の衝突型加速器と超電導電磁⽯#¡Ð±°2[7]

b) TRISTAN QCS(70T/m, 4.5K)

1987  0 2010  #   KEK  &TRISTAN, KEKB,
S-KEKB
TRISTANKEK-B  2 %xu e e Ä¶
+ –

uhÔq

¡Ð%hÔq%Ä¶¥Ó^

⽇本では電⼦ー陽電⼦衝突型だけ：超電導は衝突点だけ
CME5){å%¾È5O2 ÚÇ"¯5%QCS

n'32è±°2Fig.3-15b # TRISTAN % QCSFig.3-15c# KEK-B % QCS %â5²!0.µÂfÃY03{å|%bqÀ%S#¤1Ò,#É¿33#/Ä¶¥#c) KEK-B QCS(22T/m, 4.5K)

fÓv#f"Þf5«2
#/CME5Ý*½1Ò6[5][6]
#ºU2%

2009 #×Ñ5ÜyJ-PARC AFM@IBCMEH7K¬%ÎX±°2(Fig.3-15d)%±°%¨& czc
cos2c5Ïk4já~³"à¢c5æ%:7J{©2

 2  4 Æ

k±v5.ÎX¼k

Áu±°(Superconducting Combined Function Magnet:

SuperKEKB
衝突点⽤超伝導磁⽯システム
SCFM)5{© 23#/%d) J-PARC Neutrino BL ¬ SCFM

ILCと
超伝導磁⽯

衝突点４極磁⽯

アンジュレーター

ILCにおける磁⽯
ビームを細く保つ
ために重要な働き
⾼磁場は必要ない
直線部４極磁⽯75

⽬次• はじめに• 超伝導の発⾒と超伝導電磁⽯の実現• 巨⼤加速器⽤超伝導磁⽯の歴史• ハドロン加速器での応⽤• 電⼦加速器•

電⼦・陽電⼦衝突型加速器

•

放射光施設

• 検出器磁⽯• 将来計画• まとめ

76

放射光加速器• Super-Bend• 古典的• ⾼輝度化、低エミッタン
ス化、⾼コヒーレンス化などで不利？

77

放射光加速器• ウィグラー• 超電導化による
⾼磁場化

78

放射光加速器• 超電導アンジュレーター
• 競合技術（永久磁⽯）に
勝てるか？

79

放射光加速器• 収束系電磁⽯の⾼密度化が求められている。
• 超電導化による⾼磁場化に可能性

80

⽬次• はじめに• 超伝導の発⾒と超伝導電磁⽯の実現• 巨⼤加速器⽤超伝導磁⽯の歴史• ハドロン加速器での応⽤• 電⼦加速器• 検出器磁⽯• 将来計画• まとめ

検出器磁⽯スペクトロメーター・検出器ソレノイド・トロイド• 粒⼦の電荷と運動量を磁場で仕分ける

検出器磁⽯超伝導スペクトロメーター

J-PARC SKS

理研仁科センター SAMURAIKEK BENKEI

検出器磁⽯アルミ安定化超伝導薄⾁検出器ソレノイド• ⼤型ソレノイドの安定化とクエンチ保護をアルミ安定化で実現し粒⼦透過性を確保

検出器磁⽯アルミ安定化超伝導薄⾁検出器ソレノイド• CDFソレノイド：⽇本で最初に作られたアルミ安定化超伝導検出器ソレノイド• FNAL TEVATRONで陽⼦反陽⼦衝突実験に使われた

検出器磁⽯アルミ安定化超伝導薄⾁検出器ソレノイド• ⽇本でのアルミ安定化検出器ソレノイド

TOPAZ検出器ソレノイド

VENUS検出器ソレノイド

BELLE検出器ソレノイド

検出器磁⽯アルミ安定化超伝導薄⾁検出器ソレノイド• LHCのアルミ安定化検出器ソレノイド

ATLAS検出器ソレノイド
CMS検出器ソレノイド

検出器磁⽯トロイド検出器磁⽯

J-PARC TREC実験
トロイダルスペクトロメーター
LHC ATLAS TROID 検出器磁⽯（世界最⼤の超伝導磁⽯）

88

⽬次• はじめに• 超伝導の発⾒と超伝導電磁⽯の実現• 巨⼤加速器⽤超伝導磁⽯の歴史• ハドロン加速器での応⽤• 電⼦加速器• 検出器磁⽯• 将来計画• まとめ

The FCC-hh: a next energy frontier.
89

将来に向けてFCC
GenevaFuture Circular Collider (FCC)
将来の100 TeVマシン
ジュネーブの周りに100km級の加速器を建設
HE-LHC(High Energy LHC)も今後の物理次第では可能性
どちらも20T HTSバージョンと
16T Nb3Snバージョンが検討されている。

PS
SPS
LHC

L. Bottura at
WAMHTS-1

HE-LHCFCC-hh
FCC-hh
LHC
27 km, 20 T
80 km, 20 T
100 km, 16 T
27 km, 8.33 T
14 TeV (c.o.m.) 33 TeV (c.o.m.) 100 TeV (c.o.m.) 100 TeV (c.o.m.)
L Rossi @ WAMHTS-2 Kyoto

L. Bottura at
WAMHTS-1

90

FCC
Magnet Designs

16T version

4300 tons of Nb3Sn +10200 tons of Nb-Ti
1400 tons of HTS +6600 tons of Nb3Sn +11300 tons of Nb-Ti

20T version

91

Nb3Sn線材開発
CERNが中⼼に世界で共同開発

91

World Wide 16 T Magnet Developments
Programs:

Institutes and companies:• Bruker, Germany/USA• Technical University Freiberg, Germany• Consiglio Nazionale delle Ricerche - SuPerconducting
and other INnovative materials and devices institute,
Italy• Lawrence Berkeley National Laboratory, USA• University of Twente, Netherlands• INFN Milano, Milano, Italy• INFN Genova, Genova, Italy• Tampere University of Technology, Finland• IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, France• CIEMAT, Spain• PSI, Switzerland• Columbus Superconductor, Italy• Technical University Vienna, Austria• University of Geneva, Switzerland• Fermi National Accelerator Laboratory, USA• Bochvar Institute, Russia• TVEL, Russia• Kiswire (KAT), Corea• KEK, Japan• Jastec, Japan• Fukurawa Electric, Japan

MDP 15 T technological model

CERN’s first ERMC coil is wound各種超伝導線材の臨界電流密度

93 高温
超伝導

Bi2212Ion Beam Assisting Deposite (IBAD)

ReBCO Coated Conductor

94Europe⾼温超伝導磁⽯開発

USA

JAPAN
A4

Fabricated coils@ Toshiba Keihin Factory

A3
A2
Acrylic
cylinderMuon Collider: Magnet Zoo
Muon%collider%design%is%driven%by%ﬁnite%muon%life4me%
MAP%collabora4on%

Short,%intense%proton%bunches%to%produce%
hadronic%showers%

Muon%are%captured,%bunched%and%then%cooled%by%ionisa4on%cooling%in%ma\er%Protons%produce%pions%
Pions%decay%to%muons%Collision%Accelera4on%to%collision%energy%accumulator'and'combiner'complex'

Front End: Muon Production
SolenoidO(15'T)'large'aperture'superconduc4ng%
solenoid%with%shielding%and%resis4ve%insert%
large aperture, high field,
high radiation
ITER%Central%
Solenoid%Model%Coil%
13%T%in%1.7%m%(LTS)%

2'MW'proton'beam'target'• liquid%mercury%demonstrated%(MERIT)%
but%safety%concerns%• experts%think%graphite%target%is%possible%• alterna4ves%are%considered,%e.g.%
ﬂuidized%tungsten%

Mercury%design%shown%

(Final)%Cooling%Concept%
Cooling: Focusing
Solenoid: very high field, high radiationenergy loss

re-acceleration

Principle%has%been%demonstrated%
MICE'(UK)%Muon%cooling%principle%

High%ﬁeld%solenoids%minimise%betaQ
func4on%and%impact%of%mul4ple%sca\ering%
32%T%reached%
next%goal%is%40%T%
up%to%60%T%appear%possible%%
NHFML'
32%T%solenoid%
with%HTS%HighQenergy%Accelera4on%
Acceleration: RCS
or FFA?
Rapid&cycling&synchrotrons&(RCS)&• Combine%sta4c%and%ramping%magnets%•

Fast?ramping'magnets'to%follow%beam%energy%• normal%conduc4ng%or%novel%HTS%• O(kT/s)%required%•

Main%challenge%is%cost'and'eﬃciency'of'magnets'and'power'converters'• O(95%)%energy%recovery%

RF&system&• Important'single?bunch'beam'loading'• 2%x%10%12%par4cles%in%O(mm)Qlong%bunch%at%5%TeV%
Alterna4ve&FFA&• Fixed%(highQﬁeld)%magnets%but%large%energy%
acceptance%• Challenging%la\ce'design'for%large%bandwidth%
and%limited%cost%• Complex'high?ﬁeld'magnets'• Challenging%beam%dynamics%

FNAL'290%T/s%HTS%magnet%
Test%of%fast?ramping'normal?
conduc=ng'magnet%design%

EMMA'proof%of%
FFA%principle'%
Nature%Physics%8,%
243–247%(2012)'!

een magnets and combined function
by minimising the path with no bending

Collider Ring:
Highluminosity
Field, High Radiation, Combined Function
ng size and maximise
Combined function magnet design

High Field Version: 2 layer, Nb3Sn
structure needed to be optimized
SC Busbar• Conductor: LHC arc
outer like Nb3Sn?
Stainless
Steel Shell(SHe Vessel) • Coil: 2 layer L/R asy.
Lock Key• Coil ID: ~ 140 mm• Operation Current:~1100 A
• Dipole: ~ 7.5 T
Yoke Stack • Quad: ~ 68 T/m
Tube
L/R Asymmetric• Peak Field: ~ 12 T

Iron Yokemm

V.V. Kashikhin et al.

Coil
Plastic Collar

100

⽬次
• はじめに• 超伝導の発⾒と超伝導電磁⽯の実現• 巨⼤加速器⽤超伝導磁⽯の歴史• ハドロン加速器での応⽤• 電⼦加速器• 検出器磁⽯• 将来計画• まとめ

101

Who's next
YOU?

まとめ
• 加速器と超伝導磁⽯• 補完し合うように発展してきた

Kamerlingh Onnes
超伝導発見• NbTiでは限界に達してきている。
• Nb3Snによる⾼磁場化• FCCに向け世界的な開発• HTS（⾼温超伝導）線材• ⾼性能だがまだ⾮常に⾼価• まずは特殊⽤途での利⽤？
• ⾼熱負荷（⾼放射線、⾼繰り返し）環境• 超⾼磁場（20T以上）• テクノロジーの転換期 ⇨ 新しいチャンス

Alvin Tollestrup
TEVATRON磁石開発