13．サイクロトロンの超伝導化

理化学研究所
奥

野

広

樹

目

次

サイクロトロンの超伝導化
１

はじめに……………………………………………………………………………………………………

13－１

２

MSU の超伝導サイクロトロン ……………………………………………………………………………

13－２

３

２．１

超伝導サイクロトロンの誕生まで… ………………………………………………………………

13－２

２．２

K500 のコイルの詳細… ……………………………………………………………………………

13－３

２．３

K500 後の超伝導サイクロトロン… ………………………………………………………………

13－４

理研のリングサイクロトロン？ … ………………………………………………………………………

13－５

３．１

リングサイクロトロンの台頭… ……………………………………………………………………

13－５

３．２

理研RI ビームファクトリー…………………………………………………………………………

13－７

３．３

超伝導リングサイクロトロン(SRC)の概要… ……………………………………………………

13－７

３．４

SRC 超伝導コイルの詳細……………………………………………………………………………

13－８

３．５

SRC の長期運転………………………………………………………………………………………

13－11

４

完全なる超伝導サイクロトロン … ………………………………………………………………………

13－12

５

まとめ … ……………………………………………………………………………………………………

13－13

６

参考文献 … …………………………………………………………………………………………………

13－14

1970 年代に MSU の Henry Blossor らが初め

サイクロトロンの超伝導化て作った超伝導サイクロトロン 3)は、原子核物理

1. はじめに学者達の要求に応えるべく様々なイオンを高エネルギーまで加速できる物であったが、コンパク

サイクロトロンとは、一様磁場中での荷電粒子

トなものだった。2000 年代には理化学研究所のの回転周期が粒子の運動エネルギーによらず一

RI ビームファクトリー(RIBF)4)において、大型で定であることを利用した円形加速器である。この

複数の非円形超伝導コイルを組み合わせた分離

原理は、Ernest Lawrence によって見いだされ、セクター型のリングサイクロトロンが世界で初1932 年に実証された 1)。この発明以来、サイクロめて製作され、ビーム加速に成功した 5)。このサ

トロンは、数多く製作され、基礎科学は勿論のこ

イクロトロンに要求される磁場は、常伝導磁石でと、RI 製造等の応用分野においても用いられてきは巨大になりすぎて、実現が極めて困難なものでた。Fig.1 はサイクロトロンの概要を示すものであるため、超伝導磁石で製作されたが、直径が 20ある 2)。サイクロトロンでは、ビームを円形に閉ｍにも及ぶ大型のサイクロトロンである。このサ

じ込めて加速するため、加速器全体がコンパクト

イクロが実現されたのは、高エネルギー物理学のになることが利点である。Lawrence と当時彼の検出器 6)や核融合装置 7)で培われた大型超伝導コ学生だった Livingston が最初に作ったサイクロ

イルの製作技術が発達したおかげとも言える。

トロンは、4 インチで手のひらに乗るくらいのも

これまで述べてきた超伝導サイクロトロンののだった。その後、要求される加速ビームのエネ

超伝導化されている部分は、ビームを閉じ込める

ルギーやビーム強度を増えていくにつれて、ビー

磁石部のみであって、ビームを加速する共振器部

ムを円形に閉じ込めるための磁場も高くなり、そは超伝導化されていない。文字通り考えると超伝の磁場を実現する為の磁石が大きくなる。抵抗ゼ

導サイクロトロンは、磁石も加速共振器も超伝導ロでコイルの電流密度をあげて、高磁場を発生す化されていないといけない。また、大強度で高エる事の出来る超伝導磁石は、世の中のサイクロト

ネルギーのサイクロトロンになると加速共振器

ロン開発者にとっては、魅力的な技術であることの 1 基あたりの消費電力は１MW を優に超えるは間違いなく、実際、超伝導コイルを用いたサイ

ため、省エネルギーと言う観点からも、超伝導キクロトロンは、多数製作されビーム加速を実現しャビティを用いた超伝導サイクロと言うのは興てきた。

Fig. 1 サイクロトロンの概要 2)

13－ 1

味深い。実は 1980 年代にミュンヘン工科大学のTrinks のグループは、それに挑戦していた 8)。残念ながら、加速試験の段階でこの Tritron 計画は終わってしまったが、超伝導加速空洞の技術が進んできた現在、この様な「完全なる」超伝導サイ
クロトロンを実現できるタイミングにあるのでは無いかと思う。
現在も、様々なタイプの超伝導サイクロトロンは提案されており、実現に向けて要素技術開発が行われている。高温超伝導体のコイルを使うもの
9)や、「芸術的な」コイル形状により、イオン源から出た陽子ビームをひとつのサイクロトロンで800MeV まで加速しようと言うもの 10)などである。いずれも、サイクロトロンの性能をあげ、よりコンパクトなものを作るという気持ちに変わりは無い。
以下 2 章では、H. Blossor らの作った MSU のサイクロトロン、3 章では理研のリングサイクロ
トロン(SRC)、4 章では Tritron について述べ、最後に最近設計されている新しいタイプの超伝導Fig. 2 超伝導サイクロトロン(K500)の構造図。鳥瞰図(上部)断面図（下部）3)

サイクロトロンについて触れる。

2. MSU の超伝導サイクロトロン

を始めることを決定し、1974 年には超伝導サイ

2.1. 超伝導サイクロトロンの誕生まで

クロトロンの設計を発表した。

最初に超伝導コイルを用いたサイクロトロンのコンセプトを打ち出したのは、カナダ
Chalkriver 原子核研究所の Bigham だった 11)。
超伝導サイクロトロンを最初に作った MSU のBlossor は、1972 年にバンクーバーで行われたサイクロトロン国際会議で、このコンセプトに対し“Superconductivityて次の様に反論している 12)。
then seems unlikely to make a contribution tocyclotrons in the foreseeable future, primarily
because there is no overriding problem which
would thereby be solved such as it is the case forsynchrotrons and linacs.” Blossor の主な心配は、超伝導磁石によりサイクロトロンが小さくなる事により、ビームの質や取り出しに問題が出てくるのでは無いかという事である。しかし、程な
く、Blossor は、その考えを改め、1973 年に超伝導サイクロトロンの超伝導磁石の実証機の検討

世 界 初 め て 作 ら れ た 超伝 導 サ イ ク ロ ト ロ ン(K500)の構造を Fig.2 に示す 3)。ポール（磁極）を囲う様に設置されたクライオスタットの内部には一対の円形のコイルがあり、コイルの生成する磁場の対称面においてビームが閉じ込められ加速される。ポールは鉛直方向の収束を得るために、方位角方向に凹凸がつけられていて、フラッター磁場を生成する。ポールが凹んでいて、広い間隙が出来たところに加速共振器が設置される。
共振器は半波長共振器になっており、同軸管の部分を通すためにヨークには大きめの穴が開いている。
最初の K500 の製作や運転においては、様々な問題が生じ、苦労したようだ。当初はアルゴンヌ
国立研究所(ANL)と共同で超伝導磁石を開発する予定だったが、ANL の内部事情で、ANL がこの
プロジェクトから降りたため、MSU は単独で、

13－ 2

ゼロからこの超伝導磁石を作らなければならなくなった。しかしながら、この予期せぬ出来事は、後の MSU には良い方向に働いた。超伝導磁石を製作する技術が MSU に蓄積され、サイクロトロ
ンの後のビームラインや実験装置の超伝導磁石
は自前で安価に設計製作出来る様になった。
K500 のコイルは、サイクロトロンの電磁石として初めて作られ、当時、MSU の超伝導磁石の製作についての経験も浅かったこともあり、数々の想定外のトラブルを経験した。それらを乗り越えていくことにより超伝導サイクロの技術を培ってきた。詳細については、2004 年、東京で行われたサイクロトロン国際会議のサマリートーク”30years of superconducting
cyclotron technology”を参照されたい 13)。保護
抵抗が燃えた話やコイルサポートリンクが壊れ

Fig.3 MSU K500 超伝導導体 14)
はんだで固定されるという大分複雑なものである。銅比は 21 である 14)。

た話などが書いてある。この K500 のコイルに上記の導体は、裸線のままソレノイド巻きさ

はショートしている箇所があり、初期のオペレ

れ、浸漬冷却される。各レイヤーには、導体の表ーションでは深刻な問題を抱えていたようだ

面の 50％が液体ヘリウムに露出するように短冊が、その「古傷」を庇いながらも運転は続き、この名機は、2020 年 11 月に役目を終えた。

状のスペーサーで絶縁をとってある。導体が直接2.2.

子などの混入により、レイヤー間がショートする

液体ヘリウムに触れるため冷却特性は良いが、切K500 のコイルの詳細 3)

ここでは、少し踏み込んで K500 の超伝導コイルの設計と見舞われたトラブルについて述べる。
Fig.2 には磁石の構造が描かれていて、コイルの断面を表す青い部分が二つに分かれているよ
うに書かれている。これは、実際コイルが分かれて疲れていて、ビーム軌道面に近いコイル側のコ
イルと遠い側のコイルが作る半径方向への形状が違う事を利用して、様々なイオンと取り出しエネルギーに応じた等時性磁場を容易に生成することを可能にしている。重イオンサイクロトロン
特有のコイルの作り方と言える。勿論これにより、コイルの絶縁の構造が複雑になることは否めない。
超伝導線は Fig.3 の様な構造のものが使用されている 14)。長方形の銅の導体に直径 40 ミルの銅線 9 本に、NbTi のフィラメントが 114 本埋め込
まれている銅線 3 本が巻き付けられ全体では、
0.110”ｘ0.196”の銅線となっている。それぞれはリスクがあるため、巻き線の時には細心の注意が払われる。
Fig.4 はコイルブロック、巻枠、外側バンドに掛かる内部ストレスを冷却、励磁の場合でどのように変化していくかを計算で示したものである。点線が SUS の外側バンド、実線がアルミのバンドを想定したものである。”warm”と記されたもの
が巻き線が終わった時のもので、巻き線やbanding のテンションのために、巻枠やコイルブ
ロックは圧縮応力が維持されている。コイルを冷却すると、構成する部位の熱収縮差により、各部位の応力が変化し、励磁によりコイルにより生じる電磁力により再び各部位の応力が変化する。これらの計算に基づいて、K500 では、最終的なコ
イルに生じる応力が小さくできるという理由か
らアルミのバンディングが採用された。アルミの熱収縮率は SUS や銅よりも 0.1%小さいことに起因する。ここで気を付けたいのは、field-on の状
態でコイル内のストレスが正を示すが、巻枠は圧13－ 3

縮されている。このことはコイルはボビンを押し2.3. K500 後の超伝導サイクロトロンていることを示唆する。コイルに対する位置の変化は起きない。
Blossor は文献 15 で K500 では、以下の 3 つのトラブルがあったと記している。
（１）コイル容器
内の液体ヘリウム低で最大励磁からのクエンチ（２）断熱真空の破れ（３）断熱支持棒の損傷。超伝導コイルにとって起こり得るトラブルを一通

K500 で培った技術のおかげで次につくった
K120016)のサイクロトロンは、非常にスムーズに作れたとのことである。K1200 の単独運転でのファーストビームは、1988 年である。元々、K500と K1200 は連結して主に重いイオンを高エネル
ギーまで加速する予定だった。すなはち、K500 から来たビームを K1200 の中心近傍まで導きそこり経験したことになる。また、コイル内には小さでチャージストリッピングする事により入射しな切子がある様で、ショートがあり、定常状態でK1200 で加速するというものである。この計画はは問題にならないが、励磁や減磁の際には“ミニクエンチ“という興味深い現象が起きていたよう1990 年に認められ、2001 年にファーストビームが得られた 17)。

である。
ここでひとつ言っておきたいことは、ビーム軌

K500 での成功以降、この設計を基に以下記す
様な超伝導サイクロトロンが作られた。

道面を挟む形で設置されている一対のコイルは互いに引き合うが、コイル全体は不安定な位置に置かれているという事である。つまり、コイル全体の位置の微小なずれに対して復元力が働くわ
けではなく、そのずれを助長するような向きに力が働くという事である。そのため、鉛直方向の支
持棒は、その負のばね定数より十分大きいばね定数を持っている必要がある。この設計を誤るとコK500 MSU (USA)3)
K520 Chalk River ( Canada )18+)
K1200 MSU (USA)16)
K800 Milano (Italy)19)
K500 Texas AM (USA)20)
K600 AGOR (Netherland)21)
K500 Calcutta (India)22)

イルを損傷することになるため、気を付ける必要がある。

Fig.4 MSU K500 のコイル応力解析 3)

13－ 4

ここに挙げたものは、主に原子核物理の研究用のものであるが、RI 製造やがん治療用の超伝導サイクロトロンも H.Blossor の指導の下、製作された。Fig.5 の写真はデトロイト病院に納められた
中性子がん治療用の回転可能な超伝導サイクロ
トロンである 23)。超伝導サイクロトロンがガント
リー上に乗っかっていてともに回転するというものである。二人がサイクロの上に立っているが、左側が H. Blossor である。
この章の最後にサイクロトロンを超伝導化する事によってどれほどサイクロトロンが軽くなったかを Fig.6 を用いて説明する。サイクロトロ
ンの K 値は、サイクロトロンの性能を表す指標のひとつであり、�𝑀𝑀
𝐾𝐾 𝐾 � � 𝐸𝐸
𝑄𝑄と表される。ここで、M は加速粒子の質量数、Q は価数、E が取り出したビームの核子当りのエネルギー(MeV)である。1986 年に世の中に存在しFig.6 サイクロトロンの重さと K 値の関係。超伝導サイクロトロンと常伝導サイクロトロンの比較 24)

3. 理研のリングサイクロトロン？
3.1. リングサイクロトロンの台頭ていた各サイクロトロンの重さをプロットしてみると超伝導サイクロトロンの方が、常伝導サイ
クロトロンより、ほぼ 15 倍軽くなっているという結果が得られた 24)。

サイクロトロンで加速する粒子のエネルギーが高くなると、相対論的な効果、粒子が重くなる
効果が無視できなくなる。等時性を保つために
は、速さが増す外周ほど、粒子が重くなる効果を補って磁場を増やしてやる必要がある。この様な等時性磁場は、平均半径に対して増加する磁場分布であるため、ビームの鉛直方向について発散力となる。その発散力を打ち消して収束力を与える

Fig.5 中性子治療用の超伝導サイクロトロン 23)
Fig.7 PSI リングサイクロトロン平面図 25)

13－ 5

ために、方位角方向に磁場の強弱をつける(フラッ

強度のビームを出すことに本質的である。実際、

ター磁場)。前章にも述べたが Fig.2 の MSU の超1974 年代に製作され当初は陽子 100μA 程度だ

伝導サイクロトロンの中にあるポールに凹凸がった PSI のサイクロトロンは、30 年余りの年月ついているのはその収束力をつけるためである。

をかけ共振器の電圧を増やし、ビーム強度を増やまた、ポールの形状がスパイラルになっているのし、2010 年には、世界で初めて 1.3 MW(2.2mA)

も鉛直方向の収束を与えるものである。この収束のビームを出すことに成功した 25)。2018 年に米

力は磁場の強弱に比例して増えるため、扇型のセ

国 SNS のリニアック 26)が 1.4MW のビームパワ

クター電磁石を並べてれば、磁場の弱いところがーを達成し、それを超えるまでは、世界一のビーゼロとなり、より強い鉛直収束力が得られる。こムパワーを誇っていた。

の考えのもと作られたのが分離型セクターサイ

1980 年代から、
リングサイクロトロンで主に重クロトロンである。この場合、あらかじめ前段加

イオンをより高いエネルギーまで大強度で加速

速器で粒子のエネルギーを上げてから入射するする事を目指して、セクター電磁石を超伝導する

場合がほとんどで、ゼロエネルギーからの加速で事を検討されてきた。エネルギーは最大でない。よって、真ん中が空いていてリングの様に400MeV/u 程だが、ウランの様な M/Q が大きい見えるという意味も含めてリングサイクロトロ

重イオンを加速するために、必要となる磁場が超ンと呼ばれることが多い。リングサイクロトロン

伝導磁石でないと到達できない領域に達してしの大きな利点はセクター電磁石とセクター電磁

まう。このような超伝導リングサイクロトロンの石の間、磁場の無い領域（バレイ領域）に大型の検討は、欧米(独 27)、仏 28)、米 29))でなされたが、共振器を入れる事が出来る所にある。Fig.7 にス

結局建設不可能という結論に至り、現実のものとイスの PSI のリングサイクロトロンの例を示す

なっていなかった。この幻のサイクロトロンが世が、大型の RF 共振器がその様に配置されている界で初 めて現実のものと なったのは、理 研のことがわかる 25)。この一つの共振器で 1MV の加RIBF においてである 4)。以下、この RIBF と超速をすることが可能である。共振器は 4 基あり、伝導リングサイクロトロン(SRC)5)の概要を述べ

1 周当り 4MV である。1 周当りの加速を増やし、る。

サイクロトロン内での周回数を減らすことが、大Fig.8 RI ビームファクトリー(RIBF)鳥瞰図

13－ 6

3.2. 理研 RI ビームファクトリー
RIBF は、水素からウランまでの全元素に渡る
RI ビームを世界のトップレベルの強度で生成することが可能である。不安定な原子核（不安定核＝RI）が前方集中したビームとして生成されるため、この RI ビームを用いて、多種多様な性質を示す原子核の新たなモデルの構築、ウランの様に重い元素の起源の解明といった根源的な研究が可能となった。また、RI がある寿命を持ち、α、β、γ線を放出するという放射性の性質を利用した、工業、医学、化学、生物への応用も幅広く展開されている。このような RI ビームは自然界に安定に存在する原子核の大強度イオンビームを
入射核破砕反応や核分裂させることによって生成されるため、この種の施設には大強度の重イオン加速器が必要不可欠である。Fig.8 に RIBF の鳥瞰図を示す。RIBF は、1986 年より稼働している K540-MeV リングサイクロトロン(RRC)30)の後段加速器として、3 つのリングサイクロトロン、
fRC（固定周波数リングサイクロトロン）31)、IRC（中間段リングサイクロトロン）32)、SRC（超伝導Fig.9 超伝導リングサイクロトロン(SRC)平面図 5)

リングサイクロトロン）33) を開発し建設した。この新しい多段加速器系は質量数 40 以下の軽いイ
オンなら 400MeV/u まで、そして、ウランのような重い元素のイオンでも 345MeV/u まで加速できるように設計されており、目標の電流値は 1pμ
A (6×1012 ions/s)である。こうして加速された重イオンビームは BigRIPS (超伝導 RI ビーム分離

SRC の中の超伝導磁石は、6 基のセクター電磁石 33)と入射用偏向電磁石 35)の 2 つである。まずFig.11 にセクター電磁石の断面図と平面図を示す。この磁石の全長は 7.2m、高さは 6m、重さは800 トンである。セクター角は 25 度で、238U86+のイオンを 345MeV/u まで加速する為には、軌道生成装置)34)において RI ビームに変換される。
3.3. 超伝導リングサイクロトロン(SRC)の概要
SRC はこの RIBF の最終段加速器として、最大640MV 加速する必要がある。Fig.9 に SRC の平面図、Fig.10 にその鳥瞰図を示す。SRC の K 値
は 2600MeV と従来の最高値の 2 倍以上となる「史上最強のサイクロトロン」とでも言える。SRC
は、主に 6 基の超伝導セクター電磁石、4 基の高周波加速共振器、1 基のフラットトップ共振器、入射取出し機器から構成されている。超伝導磁石
最大蓄積エネルギーは 235MJ、全重量は 8300 ト
ン、直径 19m、高さ 8 m である。

13－ 7

Fig.10 SRC 鳥瞰写真。黄緑色がセクター電磁石、薄紫色がシールド。

平面上での最大磁場、3.8T が要求される。セクタ
ー電磁石の主に 1 対の超伝導主コイル、4 対の超15mm

伝導トリムコイル、クライオスタット、断熱支持
8mm

棒、22 対の常伝導トリムコイル、常温のポールそしてヨークで構成される。
この SRC は、前章で述べた H. Blossor が作った超伝導サイクロトロンより規模が 1 桁以上大き

Rutherford type Nb-Ti SC Cable

Stabilizer (AL-alloy with 1000ppm Ni)

い。また、超伝導コイルが円形でなはなく、複数の扇型のコイルを作る必要がある。さらに等時性磁場を作るための超伝導トリムコイルは、あばらの様な形状をしており、入射の磁石 SBM はバナ
ナ型の曲がったコイルが必要となる。これら非円形超伝導コイルの製作は大変チャレンジングであった。また、この SRC は通常のリングサイク
ロトロンとは違って、約 1m の鉄のスラブによっ

Fig.12 SRC 超伝導線材の断面 5)クター電磁石からの漏れ磁場は劇的に減少し、定格磁場を生成するための起磁力を減らすことができた。
3.4. SRC 超伝導コイルの詳細て、セクター電磁石の間のバレー領域が覆われている。こうした構造を採用することにより、磁気シールドと放射線シールドの機能が増強され、セ超伝導主コイルとトリムコイルには、Fig.12 に示すようなアルミ安定化導体 36)が用いられた。8×15 ㎜ 2 のアルミ合金の中心にラザフォード型のNbTi の超伝導ケーブルが埋め込まれている。アルミ合金は極低温状態で低い抵抗を保ちつつ機械強度を強くするために、純アルミに 1000ppmのニッケルが含まれている。これにより降伏応力が常温で 55MPa(純アルミは 40MPa)、RRR は800 以上が得られている。SBM はモノリスの
NbTi フィラメントが Cu に埋め込まれたモノリスの導体が使われた。
主コイルの周長 10 m であり、その形状は、Fig.
11 に示す様に円形ではなく、おむすび型をしている。コイルブロックは 4 MAT（メガアンペアター
ン）の起磁力を生じさせるために、Fig. 13 の様に 396 ターンのソレノイド巻きから成っている。
主コイルは電気絶縁を保つために FRP のスペー
サーによってそれぞれの導体間に間隙が作られており、その間隙のサイズは、水平方向が 0.8mm、鉛直方向が 1.5 mm である。コイルは、容器内の液体ヘリウムに浸されて冷却されるが、短冊状の鉛直方向スペーサーを、間隔を空けて設置

Fig.11 セクター電磁石の平面図と立面図 5)することにより導体の鉛直方向の表面が約 50％
液体ヘリウムに直接触れていることが保証されている。この冷却チャンネルによりマドックの安定化電流 37)は、別途小さなモデルで測定された熱13－ 8

一番手のかかるところはターンとレイヤーの変
わるところで、モデルのコイルを作った時は、そ18 layers (Vertical gap: 1.5 mm)

22 turns (Horizontal gap: 0.8 mm)の部分でのレイヤーショートが多発した。原因はそのトランジションでの磁場の擾乱が発生するのを嫌って大トランジションの長さを大分短くしたためと思われる。これらの経験をもとに、実機ではビームへの影響の少ないところで 2m ほどかけてトランジションを行った。
電磁力について述べる。SRC においては Fig.9にあるように 6 基のセクター電磁石が 6 回対称に設置されている。6 対の超伝導コイルはがお互いBath Coolingに反発しあって広がろうとする。このコイルの移
動力は、外周部に置かれた各セクター1 本ずつのFig.13 SRC 主コイルのコイルブロックの断面図

断熱支持棒で支持される。このコイルに掛かる移5)

動力は、差分力であるため計算精度が出るか不安

流束のデータから 6300 A 以上と見積もられ、こがあった。計算値が最大 40 トン程度であること

れは最大運転電流の 5000 A より十分大きい値でを予想したが、支持棒の設計としては 90 トンとある。この安定化電流は小さなモデルコイルを用

2 倍以上の安全率を想定した。Fig.14 は、その移いた実験によっても確認された。主コイルのコイ

動力の計算と測定結果である。結果的には計算値

ル容器は全て SUS である。前章で MSU K500 のは測定値を良く予測していたことになる。

コイルのところで述べた様にこのコイルが常に極低温部ではないが、電磁力の扱いが厄介だっ

コンプレッシブにはなっていない。一回冷却するたものがポールであった。通常、常伝導の双極磁とアルミの熱収縮が SUS のそれよりも 0.1%小さ石で、ポールは、励磁するとヨーク側に引っ張らいので十分降伏すると考えられる。そのあと昇温れ、安全な向きに力が働くと思われている。しかして再冷却すると、コイルが緩んでしまうのではしながら、今回の場合は、最高励磁の際にポールという事が危惧された。また、ターンやレイヤー

はビーム面の方向、ヨークから離れる方向に力がの移り変わりの処理をする段階で、巻き線のテン働くことが判明した。ポールに働く力は、ヨークションは抜ける。これらの事より、実際励磁する
際には導体は動きやすく、導体の安定性のおかげ
50目に励磁する時は緊張したが、これまで一度もク40

エンチを起こしたことはない。このように、普通

30

巻き枠と線材の熱収縮率はなるべく同等にするのが基本であるが、この主コイルは、その基本を

Fr (ton)

で、クエンチには至っていないと考えられる。2 回

20
10

破っている。「あのコイルはなんで上手くいって0いるんだっけ？」と、超伝導磁石の専門家から問-10い合わせが来ることがある。実際の巻き線では、導体の降伏応力が高いものであるとは言え、やわらかく巻きにくいという話を現場からよく聞いたが、三菱電機や日立製作所のコイルの巻き線のプロたちはしっかり仕事をしてくれた。巻き線で

13－ 9

測定
計算

0

1000

2000 3000 4000
Current (A)

5000

6000

Fig.14 SRC 主コイルの半径方向移動力 5)

側の面の磁束密度とビーム面側の磁束密度の大小で決まる。この SRC の超伝導コイルとポール面の位置関係からビーム面側の磁束密度の方が大きい。そのため、ポールには 760 トン近い力でヨークから離れようとする。これに気づいたのは、設計の最終段階で、急遽このポールを長いボ
ルトでヨークの外側から引っ張る構造とした。
主コイルは浸漬冷却のコイルであるため、液面さえしっかりあれば励磁できるという安心感はある。先ほど述べた MSU の K500 が液面低で運転してしまいクエンチしたという事を書いたが、SRC の主コイルも似たような事をしたかもしれないことがあった。インターロックをしっかりかけていない初期の運転で、泡抜きのバルブを開け
忘れて励磁しようとしたことがあった。この状態
では、超伝導コイルの一部が気相にさらされているためクエンチするリスクは高かった。今思えば冷や汗ものであるが、その時に横にいて指摘してくればオペレータの方には今でも感謝している。
超伝導トリムコイルの構造を Fig.15 に示す。セクター電磁石のビーム加速領域をカバーするものである。これらのコイルは加速条件によってさ
まざまな等時性磁場を生成できるように 4 つのコ
イルからなり、最大電流値は 3000 A である。このように薄くて広いコイルを作るためにダブル
パンケーキ巻きが採用され、コイル全体は主コイ

Fig.15 SRC 超伝導トリムコイルの平面図と断面
図 5)
ル容器に取り付けられている。コイルブロックは
2 枚のアルミ合金の板によってサンドウィッチ
され、エポキシ接着剤とボルトによって固定されている。コイルはアルミ合金の板に溶接されたア
ルミチューブ中を通る気液 2 相流ヘリウムによって間接的に冷却され、温度マージンは約 2.1 K に設定された。接着で冷却を保っている。接着材のエポキシが放射線でやられるとコイルが冷えなくなる。ボルトで抑えているから大丈夫であるという意見もあるが悲観的に考えると、個々の接着がれっかして冷えなくなるというが SRC の寿命を決めると考えられている。

Fig.16 SRC 入射用超伝導変更電磁石の平面図と断面図 35)

13－ 10きれいなコイルを製作する事が出来た。巻き線
後、コイルはエポキシ含侵される為、コイルの冷却は、導体に液体ヘリウムが触れない間接冷却と言うことになるが、冷却性能を向上させるため、鉛直方向のクーリングチャンネルが約 20 層ごとに入れられている。初回の励磁試験の際に、定格磁場に行くまでに一度クエンチしたが、実際の加速器の運転では一度もクエンチしていない。
Fig.17 SRC SBM 超伝導コイルの巻き線方法

35)

曲がったコイルを使用しているため、コイルに掛かる移動力が、約 30 トンとかなり大きかった。

SRC の中にはセクター電磁石の他にもう一つ

しかし、Fig16 の様にヨークの一部をコールドヨ

入射用偏向電磁石(SBM)という超伝導磁石があークとし、対称に配置することにより、室温部にる。
（Fig.16）これは前段の加速器群によって加速出ていくフラックスが減り移動力は大幅に減少された重イオンビームを SRC の中心領域においした。

てセクター電磁石の内部に引き込むための磁石

3.5. SRC の長期運転である。セクター電磁石に比べれば大分小さいものだが、SBM はスペースや要求磁場（軌道上最大
磁場：3.8 T、コイル内最大磁場：4.2 T）の関係か
ら、曲がったコイル（曲率半径 1.2 m、曲げ角 76

2006 年末に SRC からファーストビームが得られ、2007 年から本格的な運用が開始された 38)。
これまで加速された、イオン種と強度を Fig.19 に度）を使用せざるを得ず、セクター電磁石とは違示す。軽いイオンについては既に目標の 1pμA をった難しさがあった。巻き線は安定な超伝導コイ

達してカルシウムについても順調に目標に近づルを作る基本は、しっかり巻く事であるので、こきつつある。ウランについては、オペレーションの様に曲がっていて、負曲率の場所がある形のコ

初期ではビーム強度が少なく、ウランイオンのビ

イルをどのように巻くかは設計上の最大の課題

ーム強度を 100pnA まで増やす事が、当面の目標だった。Fig.17 に示すように最終的には負曲率のであった。運転開始直後からウランのビーム強度

無い形で何層か巻いてから、本来のコイルの形にを増やすために、加速効率の向上、イオン源の強層ごとに重ねて行く方法を採用し、Fig.18 の様に

Fig.18 SRC SBM の超伝導コイルの仕上がり 35)

Fig.19 2007 年から 2022 年までの加速実績。ビームエネルギーを明らかに書いていないもの
は、345MeV/u を示す。43）

13－ 11

化 39)、チャージストリッパーの開発 40)41)42)、RF
電圧の増強等が行なわれ、2020 年の秋の運転では、117pnA にまで達した。
SRC が実現不能と言われつつも完成し、16 年
も順調に運転できた要因は、いくつかあるが、基本的には、超伝導に頼りすぎなかった事にあるのでは無いかと思っている。我々は設計の最終段階
において、どうしても超伝導でなければいけないものを除いては、当初超伝導コイルを用いて設計されていたものを鉄や常伝導コイルを用いて設計しなおした。例えば、上述の SRC のバレー領
域の磁気シールドは、当初は SRC 全体を囲うア
クティブシールドコイルが検討されていた。アクティブシールドコイルは、外側の磁場は打ち消すが内側の漏れ磁場をより増やすことになり、必要な起磁力を増やす方向となる。また、EBM も当
初は 2 つの磁石を繋いで取り出しビームの軸出しが出来る様になっており、超伝導磁石を採用してFig.20 Tritron 構造図。8)いたが、1 つにまとめて、補助コイルにより、軸出し機能がつけられるようにして、2.1T 程の常伝
導磁石とした。EBM 近傍は取り出し条件が理想的でない場合が多く、ビームロスが多いところであり、ビームロスによるクエンチが誘発されることを嫌った為である。
Fig.6 のサイクロトロンの重さのプロットを作り、サイクロトロンの重さの公式を作ったのは、
PSI の W. Joho である。彼から「君たちの超伝導
サイクロトロンの重さは、僕の公式から大きく外れていて、重過ぎる。本当に超伝導サイクロなのし、ターンセパレーションを通常数ミリの所を 1㎝程度まで増やすことが必要である。こうする事が必要な理由は主に 3 つある。まず、longitudinal
方向の空間電荷効果によるカレントリミットは
加速電圧の 3 乗で増えていく。次にビームの取り出しには、ターンセパレーションを大きくすることでビームロスを減らすためには必要である。3つ目は、大きなターンセパレーションにより、各ターンを独立にマグネティックチャンネルで輸か？」と言われたことがある。SRC が鉄を沢山使って、「らしくない」超伝導サイクロトロンとなったのは、過度に超伝導に頼りすぎないで安定に運用できるサイクロトロンを目指したからである。

4. 完全なる超伝導サイクロトロン
サイクロトロンを構成する磁石も共振器も超伝導化する事を最初にめざしたのは、Trinks らのグループである。彼らは SOC (分離軌道型のサイ
クロトロン)を提唱している 8)。ハイパワー低ビー
ムロスのサイクロトロンの運転を実現させるためには、1 ターン当たりの加速電圧を大幅に増やFig.21 スケルトンサイクロトロンの構造図 9)13－ 12

送する事が出来る。マグネティックチャンネルを用いる事により、Alternating Field gradient の強収束が可能となる。
この SOC は、Fig.20 に示す様に、大型の超伝導キャビティと超伝導マグネティックチャンネ
ルで構成される。1993 年に完成しビームコミッ
ショニングが開始されたが、取り出しまで 20 ターンするところ、6 ターン位しか回らない状態で計画は終わりを迎えた。ビーム調整が難しかった
理由は、マグネティックチャンネルのボア径が 1㎝程度だったこともあるが、各チャンネルへビームを通すために共通の加速空洞を使っているという、この加速器の基本的な構造に起因するとこ

Fig.23 Stacked Cyclotron45)

ろもある様に思われる。最近の機械学習の技術等を使えばもう少し調整しやすくなるのではと思うが、この TRITRON も世の中に存在しないのでまず、MSU の超伝導サイクロトロンタイプの発後の祭りである。また、加速空洞の機械的な強度

展形としては、総じて更なる軽量化というのが目が不足していて、「人が部屋に入ってくるとビー的のようで、ヨークを使わないで超伝導コイルのムがぶれる。」という噂を聞いたことがある。

みで磁場を作るサイクロトロンが提案されている。大阪大学のグループが提案している高温超伝

5. まとめ導体を使ったスケルトンサイクロトロン(Fig.21)

超伝導サイクロトロンの歴史を振り返る為に、と呼ばれるもので、鉄は一切使わない 9)。更に高MSU の超伝導サイクロ、理研の SRC、そして、

温超伝導体を使うため、ヘリウムフリーとなって共振器も超伝導化することに挑んだ TRITRONいる。ヘリウム不足の危機と言われている昨今にについて述べてきた。現在、まだ実現はされていおいては、実現が待望される。理研の SRC タイ

ないが、新しいコンセプトに基づく超伝導サイクプのものでは、Daedalus と言うニュートリノをロトロンが提案されてきている。これらは、これ用いて CP 対称性の破れを観測するためのプロジまでに述べてきた 3 つのタイプの超伝導サイクロ

ェクト 44)で、5mA 核子当たり 600MeV の H2+をトロンの発展形といえる。

加速するという非常にチャレンジングなものである（Fig.22）。3-4 個超伝導リングサイクロトロンが必要との事である。最後の Tritron タイプの発展形としては、TexasA&M の方々提案した
Stacked cyclotron である(Fig.23)。基本的にはTritron に似ているが、サイクロをスタックして強度を増やそうというアイディアが加えられているものである 45)。
昭和のテレビ CM で「おおきいことはいいことだ！！」と歌いながら気球に乗った山本直純が指揮をするチョコレートの宣伝があったが、私は、

Fig.22 Daedalus 計画の超伝導リングサイクロト
ロン 44)

理研の SRC の前に立った時は、必ずこの曲を思い浮かべることにしている。平成、令和の世では、

13－ 13

同じ性能だったらなるべくコンパクトかつスリ
ムな物が美徳とされる時代なので、この CM は流行らないのかもしれない。サイクロトロンは、加速器の歴史の中でも古い部類に入るものである
が、コンパクトな加速器であることが利点である。そのため、病院等の「日常生活」にも導入されるようになっている。最近ではご自宅のリビン
グでサイクロトロンを作ったというようなニュースがあるくらいである 46)。サイクロトロンがコ
ンパクトであり続けるために、超伝導技術が一役買っているのは間違いではない。今後も超伝導技術の発展に伴って、様々なタイプの超伝導サイクロトロンが広く製作されていくと期待される。

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