１．超伝導電磁石加速器応用全般

高エネルギー加速器研究機構
荻

津

透

目

次

超伝導電磁石加速器応用全般
１

はじめに … …………………………………………………………………………………………………… １－１

２

超伝導の発見と超伝導電磁石の実現 … …………………………………………………………………… １－１
超伝導の発見… ………………………………………………………………………………………… １－１

２．２

超伝導現象の理解の進展… …………………………………………………………………………… １－２

２．３

実用超伝導電磁石の実現に向けて… ………………………………………………………………… １－３

３

２．１

巨大加速器用超伝導電磁石の歴史 … ……………………………………………………………………… １－３
３．１

加速器超伝導電磁石の実現… ………………………………………………………………………… １－３

３．２

HERA, SSC, そしてRHIC… ………………………………………………………………………… １－６

３．３

LHC……………………………………………………………………………………………………… １－８

３．４

HL-LHC… ……………………………………………………………………………………………… １－８

ハドロン加速器での応用…………………………………………………………………………………… １－９

４

４．１

J-PARC… ……………………………………………………………………………………………… １－10

４．２

GSI/FAIR… …………………………………………………………………………………………… １－11

４．３

医療用シンクロトロン… ……………………………………………………………………………… １－12

４．４

サイクロトロンの超伝導化… ………………………………………………………………………… １－13４．５

イオン源の超伝導化… ………………………………………………………………………………… １－13

電子加速器 … ………………………………………………………………………………………………… １－14５電子・陽電子衝突型加速器…………………………………………………………………………… １－14

５．２

放射光施設… …………………………………………………………………………………………… １－14

６

５．１

まとめ … ……………………………………………………………………………………………………… １－16

参考文献 … ………………………………………………………………………………………………………… １－16

電磁石の加速器応用に関して紹介しその応用の超伝導電磁石加速器応用全般
1.

広がりやそれぞれの応用における技術的課題などに関して詳述する。最後に今後の加速器計画にはじめにおいて求められている超伝導電磁石技術とそれ1983 年 に 米 国 イ リ ノ イ 州 の Fermi National
Accelerator Laboratory （FNAL）に世界で初めて全に応えるための研究開発の状況に関して述べていく。ここで述べる記述の多くは 2011 年度の面的に超伝導電磁石を利用した大型陽子シンク

OHO の講義ノート[5]、2019 年に電気学会が出版

ロ ト ロ ン TEVATRON[1] が 完 成 し た 。 こ のした調査報告書[6] 、2020 年に加速器学会が出版

TEVATRON の成功は、その後ドイツ・ハンブルグした特集号[7]を引用している。また 2022 年度のに あ る Deutsches Elektronen-Synchrotron 研 究 所

OHO は超伝導電磁石にテーマを絞っているため(DESY) のAccelerator

各応用例に沿ったより詳細な記述が他の講義ノ（HERA）[2]や米国ニューヨーク州の Brookhaven

ートには記述される。これらの参考文献を参照さ

National Laboratory（BNL）の Relativistic Heavy Ion

れたい。ここで議論する磁石の多くは、シンクロ

Collider （RHIC）[3]に繋がった。そして欧州原子トロンの磁石であるが、シンクロトロンについて

核研究機構（CERN）に 2008 年に完成した世界最は OHO に多くの講義ノート（例えば[8][9]など）

大の衝突型加速器である Large Hadron Collider（LHC）[4]に結びついている。

あるので参照されたい。

Hadron-Electron

Ring

これらの巨大加速器実現のためには、多くの研究資源が超伝導電磁石の開発に費やされ、超伝導電磁石技術の発展に多大なる貢献をした。また多2.

超伝導の発見と超伝導電磁石の実現

2.1. 超伝導の発見

くの超伝導電磁石技術者を育て超伝導電磁石の1911 年に超伝導が発見されてから 50 年間の間研究開発コミュニティに一大勢力を作り上げ、そに、超伝導現象に関して多くの物理的研究がなさ

こからさらに中小規模の加速器への超伝導電磁れ様々な発見があった。しかしながら、超伝導磁石応用へと発展していった。

石の実用化が大きく進んだのは 1961 年の NbTi の現在では、超伝導電磁石は放射光施設、サイク
ロトロン、医療用ガントリー、またイオン源など発見以降である。ここでは、超伝導の黎明期であ様々な加速器応用へと広がりを見せている。また

紹介していく。
超伝導の発見の 3 年前、1908 年オランダ•ライ

近年急速に発展している高温超伝導材料（HTS）
技術などの先進的な超伝導技術の発展は更なる応用の広がりの可能性を示している。実際、現在る最初の 50 年間になされた発見について簡単に

デン大学のカマリン•オネス（Heike Kamerlingh
Onnes）はヘリウムの液化に世界で初めて成功し0.9 K という極低温状態を作り出すことに成功し

LHC では実験の更なる効率化を目指して高輝度化アップグレードを行っているが、ここでは、こている。オネスはこの極低温状態を利用して各種れまで NMR などの一部の超高磁場応用でしか使金属の電気抵抗を測定し、1911 年に水銀が約4.2 K で突然電気抵抗がなくなること（完全導電

われなかった Nb3Sn という超伝導材料を使った超伝導電磁石が加速器応用として初めて実用化されようとしている。この様に加速器応用においても超伝導電磁石技術の大きな転換期がやってきている。
本講義では、巨大加速器における超伝導電磁石
応用の歴史を紐解きながら、加速器用超伝導電磁石技術の基礎を講義する。その後、様々な超伝導性）を発見しこの現象を超伝導と命名している[10]。オネスはこの後スズや鉛でも超伝導現象が起こることを発見している。
またオネスは 1913 年に鉛線を使って超伝導電磁石の試作を試みるが非常に低い磁場で超伝導が破れてしまい高磁場を発生することができなかった。このことを受けてオネスはさらに詳細な研究を進め、超伝導状態が一定以上の磁場をかけ

１－ 1

ると消滅してしまう臨界磁場があることを発見

同じく 1957 年に、ロシアのアブリコソフ（Alexei

している。当時発見されていた超伝導物質は、皆非常に低い臨界磁場を持っていたため超伝導にAlexeevich Abrikosov）が GL 理論を用いて完全反磁性ではない混合状態(Mixed State)を作る第 2 種よる磁石というアイデアはしばらく封印される超伝導体の存在を理論的に予言する[15]。混合状こととなる。
1933 年 に はヴ ァ ル タ ー • マ イ ス ナ ー （ Fritz

態は、ウクライナ（当時ソ連）のハルキウ物理科学研究所の Lev Shubnikov によって 1935 年に実験

Walther Meißner）とローベルト・オクセンフェル

的に発見されていたが、Shubnikov がスターリン

ト（Robert Ochsenfeld）によって超伝導体が完全反の大粛清の犠牲になったため、1957 年に名誉回復

磁性を持つことが発見される[11]。この効果はマされるまで発見が表に出ることはなかった。

イスナー効果（Meissner effect）と呼ばれ、現在で2 種超伝導体では ξ<<λ（正確には√2ξ<λ）で前は完全導電性とともに超伝導体を決定するため述の界面エネルギーが負となっている。この場合の 2 大特徴となっている。

超伝導と常伝導の界面は多ければ多いほど安定になる。従って磁場が超伝導体にかけられると磁2.2. 超伝導現象の理解の進展

場は超伝導体内部に小さな常伝導の「島」を作っ1950 年になると熱力学的視点で超伝導現象をて侵入して行く。このとき界面の量は多いほど安説明するギンツブルグ•ランダウ理論（GL 理論）

定なので「島」は（原理的には）磁束の最小単位[12]がギンツブルグ（Vitaly Lazarevich Ginzburg）とランダウ（Lev Landau）によって導出される。

まで分割される。このときの磁束の最小単位はク

GL 理論では、既に London 兄弟によって提案されこの第 2 種超伝導体の発見が、超伝導磁石の実ていた超伝導体への磁場侵入の特性長を示すロ

現に向けて非常に重要になった。１つは実質的なンドン侵入深さ（London Penetration Depth）λ[13]臨界磁場の違いである。主要な超伝導物質の臨界の他に、もう一つ超伝導の特性長を示すパラメー

磁場を Table 1 にまとめている。第１種超伝導体

ターとしてコヒーレンス長（Coherence length）ξ とでは Bc がかなり低いのに対して、多くの第 2 種超伝導体にとって実用上の臨界磁場である Bc2 は非呼ばれるパラメーターを導入した。

ーパー対が作る磁束となる。

GL 理論では超伝導体の界面でロンドン侵入深常に高い値を取っている。また第１種超伝導体でさが負のエネルギー与える一方、秩序長さが正のエネルギーを与えることを示した。完全反磁性を

は完全反磁性のために、超伝導体の極薄い表面にしか電流が流せず臨界電流も非常に低い。それに示す超伝導体では ξ>>λ であるため界面エネルギ

対して第 2 種超伝導体の混合状態では、超伝導体

ーは正となり、界面を極力減らした方がエネルギ
ー収支的に有利である。超伝導とそうでない部分

全体に分散して電流が流せるため臨界電流が高くすることができる。

の界面を極力減らす解は超伝導体表面だけを界
Table 1 超伝導体の臨界温度と臨界磁場面とする解となるため、必然的に磁場は超伝導体から追い出される形になる。このような超伝導体

種類

材料

Tc

Bc(Bc2)を、後述の第 2 種超伝導体に対して、第１種超伝

１種

Hg

4.2K

~0.04TPb

7.2K~0.08T

Nb*

9.25K

~0.3T

NbTi

9.1K

11.5T

導体という。
1957 年には超伝導の微視的な説明を与える

2種

BCS 理論[14]がバーディーン（John Bardeen）、クーパー（Leon Neil Cooper）、シュリーファー（Robert
Schrieffer）によって提唱され、クーパー対（Cooper
Pair）と呼ばれる電子対が超伝導現象の担い手と

Nb3Sn
18.3K
22.5T
*非常に純度が高くよくアニールされた Nb は、限りなく１種に近い特性を示す。

なっていることが示された。

１－ 2

2.3. 実用超伝導電磁石の実現に向けてったにもかかわらず、今日の超伝導磁石応用の主カマリン•オネスが超伝導発見当初、既に超伝役となる。

導磁石を試作したことは既に述べたが、その後超1960 年代に入って超伝導磁石やその線材は著伝導磁石の進展は止まってしまう。
しかし 1954 年

しい進展を遂げた。しかしながら初期に開発されに米国で G.Yntema が温度 4.2K で 0.71T を達成す

た磁石は非常に不安定で、度々極端に低い電流値

る超伝導磁石を開発すると状況は一変する。このでクエンチと呼ばれる突発的な常伝導転移を起磁石に使った超伝導線は冷間加工した Nb 線で線としては 1.7 K, 0.5 T で 1000A/mm2 を達成していこしてしまうことがあった。この不安定生の原因る。
第 2 種超伝導体の混合状態では、超伝導体の中の一つとなっていたのが磁束跳躍（Flux Jump）と呼ばれる現象である。磁束跳躍は、超伝導体に流れる遮蔽電流によって生じる交流損失が材料のかり磁束を止めておく力が無いと磁束は動いて温度上昇を引き起こすことによって生じる熱磁
気不安定性で交流損失と同じく材料をより細くしまう。このような状態を磁束フロー状態（Flux

することで妨げることができる。これを現実的なFlow State）と言い、この状態では損失が生じる。

超伝導線で実現したのが極細多心線と呼ばれるに磁束と電流が混在するため、磁束に電磁力がか

実際の第 2 種超伝導体では、ピン（pin）と呼ばれる格子欠陥や不純物などによって超伝導状態が破れる可能性の高い場所が存在し、そこに磁束が複合線である。極細多心線は、NbTi などの超伝導材料を細いフィラメント状にして銅の母材に埋め込んだもので 1970 年代に実用化されている

補足され動かなくなる。この磁束を補足する力を[17]。

ピン止め力（pinning force）と呼び臨界電流密度を決める重要なパラメーターになる[16]。Yntema の3.

Nb 超伝導線は、冷間加工をしたことによってピ

1960 年代に入り高磁場を実現できる超伝導電磁石が研究室レベルで実現される様になると、素ンの要因となる格子欠陥が多く材料内に導入され結果的に臨界電流が向上したと考えられる。
Yntema の結果を受けて米国 Bell 研究所のJ.E. Kunzler 達が精力的な研究を行い、1959 年にMo3Re で 1.5K, 1.5T, 500A/mm2 の超伝導線を開発
し翌年には同じ線を使って 1.5T の超伝導磁石を開発して世界で初めて超伝導磁石の特許を取得
し て い る 。 1961 年 に は Nb3Sn で 1.5K, 9T,
2

1000A/mm を達成し、これで 6.8T の超伝導磁石を開発している。
臨界磁場や臨界電流の点では良好な性能を発揮した Nb3Sn であるが金属化合物であるために脆く電導線としては扱いづらい物であった。このため 1962 年に J. Hulm と T. Berlincourt によって合金系の NbTi 線(440 A/mm2 @ 3 T, 4.2 K)が開発されると、10T を超えるような高磁場応用をのぞくと、主役の座を NbTi に明け渡してしまう。NbTi
は合金である為に延性があり扱いやすかったた
め、臨界磁場、臨界温度ともに Nb3Sn よりも低か

巨大加速器用超伝導電磁石の歴史

粒子物理の研究者たちがこの技術に着目する様になる。この頃、素粒子物理の世界ではより高度な物理の発見を求めて、粒子加速器の高エネルギ
ー化が求められる様になっていたが、この頃主流のシンクロトロンでは、高エネルギー化のためには、加速器の大型化と磁石の高磁場化が必須であった。そこで素粒子物理学者や加速器技術者の間で磁石の高磁場化のために超伝導電磁石を利用することが真剣に議論される様になる。
3.1. 加速器超伝導電磁石の実現
3.1.1.

開発競争の始まり

1970 年代に入ると、米国では TEVATRON とISABELLE という２つの超伝導シンクロトロンの計画が提案され、それぞれの計画を 提案した
FNAL と BNL がこれらの加速器実現に向けて重要な部分となる超伝導磁石の開発を競い合う様に行った。またヨーロッパでもシンクロトロンの超伝導化を目指した開発が進められる。これらの１－ 3

開発が超伝導磁石技術の進歩を著しく加速し、前述の極細多心線の量産技術の確立など超伝導電磁石の量産化技術の確立に向けて大きな貢献をした。これにより超伝導電磁石技術は、MRI のような一般利用も現実的に実現できるレベルになる。事実 TEVATRON の最初のプロトタイプ磁石
は 1977 年に開発されたが、最初の超伝導 MRI は
ほぼ同じ時期の 1979 年に実現された。加速器分野での開発がなければ超伝導 MRI の実用化は、10年程度遅れたであろうと言われている。
米国の２大研究所の開発競争は超伝導ケーブ
ルの選択の違いから大きく明暗が分かれる。
FNAL はイギリスで開発された Rutherford Cable と呼ばれる 1 mm 弱程度の極細多心超伝導素線を数

Fig.1 cosθ分布コイル

十本矩形に撚り合わせたケーブルを選択したのに対し、BNL はより細い極細多心超伝導素線をブ環状の磁場が生じる。この 2 つの導体を重ね合わせると重なった場所では電流が打ち消しあってレード状に編み合わせたケーブルを採用した。
Rutherford cable は機械的な安定性が高く製作され電流のない領域ができ、その両側には三日月状のた磁石も比較的安定した性能を示したのに対し、
ブレード線は素線がキレやすく機械的な安定性も低かった。このため磁石製造時に素線が切れて絶縁不良を起こすことが多く、また製造後の性能もあまり安定しなかった。このため BNL は途中から Rutherford cable に切り替えて開発を進めた

電流分布が生じる。また中央の電流のない領域の磁場を計算すると Figure 1 に示されるように均一な磁場が発生していることがわかる。この時両側の三日月状の電流分布は三日月を薄くした極限
では電流の厚さが cosθで表されるためこの様な分布を模擬したコイル形状を cosθ分布コイルとが、開発は大幅に遅れ ISABELLE 計画は中止され呼ぶ。またそこに発生された均一な磁場は、2 極磁場と呼ばれ、その中を通る荷電粒子を一定の曲てしまう。

げ半径で偏向させる。また電流分布を cos 2θで発一方 TEVATRON 用の超伝導電磁石の開発は順調に進み、1977 年に最初のプロトタイプが完成し、1983 年には加速器が完成、1984 年に運転が開始される。
3.1.2.

cosθ分布コイル

ここでシンクロトロンにおいて主要な磁石である 2 極磁石と 4 極磁石について簡単に説明しておく。超伝導電磁石において 2 極磁石は、一般にcosθ分布コイルを用いて実現される。Figure 1 にcosθ分布電流によって作られる均一磁場の模式図を示す。ここでは、2 つの均一電流を流す円筒形の導体を考える。2 つの導体の電流は同じ値で逆向きとする。それぞれの導体の中には導体の中
心から中心からの距離に比例して大きくなる円

生させるとその内側には磁石中心からの距離に比例して大きくなる磁場：4 極磁場が発生する。4極磁場は、ビームを収束もしくは発散させる効果を持つ。この 2 極磁石と 4 極磁石は、シンクロト
ロンの主要な磁石で、例えば TEVATRON では 4
極磁石 1 台と 2 極磁石 4 台で FODO と呼ばれる加速器の基本セルの半分（ハーフセル）を構築した。
最初のハーフセルの 4 極磁石が収束（Focusing）
であれば次のハーフセルの 4 極磁石は極性を反転して発散（De-focusing）となる。シンクロトロン
はこの FODO セルを連続的に並べることで、2 極磁石でビームを偏向させながら 4 極磁石でビームを収束させて軌道内を安定的にビーム移送する
[8]。

１－ 4

3.1.3.

TEVATRONTEVATRON は、既存の周長 6.3 km、400 GeV の
常電導 Main Ring のアップグレード版で磁場 4.4 T
長さ 6.12 m の超伝導 2 極電磁石 774 台および磁
場勾配 76 T/m 長さ 1.68 m の 4 極超伝導電磁石
216 台を併設し、エネルギーを倍以上の 1 TeV に上げたため Energy Doubler と呼ばれた。常電導のMain Ring は入射加速器として 150 GeV までの加速に利用し、そこから 1 TeV まで TEVATRON で加速した[18]。
Fig.2 TEVATRON 用超伝導 2 極電磁石

TEVATRON は、固定標的実験モードと陽子・反陽子衝突実験モードの 2 つの運転モードがある。
固定標的実験モードでは運転サイクルが約１分と比較的早かったため、超伝導電磁石で生じるる
交流損の低減が必須となった。超伝導素線は、直径 0.68 mm、銅比 1.8、NbTi フィラメント数 2050
本、NbTi フィラメント平均直径 8.7 μm、ツイスト
ピッチ 12.7 mm で設計された。また素線 23 本を幅 7.8 mm、平均厚さ 1.26 mm、キーストン角度 9.13
度、ツイストピッチ 57 mm のラザフォード形状に撚ったケーブルは、酸化銅で表面を覆った素線と銀錫メッキで表面を覆った素線を交互に並べた
ゼブラケーブルと呼ばれるものが利用された。こーチ形状に巻いた鞍型コイルを作った。
TEVATRON ではこの鞍型コイルを 2 層にして後述する cos θ コイル形状を作っている。内層コイ
ルは、ミッドプレーンからポールまでの角度が 72
度で、外層コイルは 36 度となっている。このコイルをステンレスのカラーで拘束して予備応力をかけて電磁力に対して保持した。ここまでの構造をカラードコイルと呼ぶが、TEVATRON で開発されたカラードコイルの概念はその後ほとんどの加速器用超伝導電磁石の構造に引き継がれている[18]。

れは、交流損を減らしながらケーブルのクエンチ

一方リターンヨークとなる鉄は室温側に取り安定性を確保することをめざしたものであった。
これらの工夫の結果、固定標的モードでの運転サ付けられるウォームアイアン方式がとられた。こイクル周期 60 秒あたりの交流損は電磁石１台あたり約 500 J だった[19]。
超伝導ケーブルには電気絶縁として 50 %オー
バーラップで 25 μm 厚のカプトンテープがスパイ
ラル状に巻かれさらにこの上にエポキシ樹脂を染み込ませたガラステープがスパイラルギャッ
プ巻きされていた。巻線後は、このエポキシ樹脂
を反応させることによってコイルを成形した。このためコイル内部には液体へリウムが入り込める隙間ができそれによって超伝導線が液体ヘリウムで直接的に冷却することで安定性を増すことをめざした。
TEVATRON 用の超伝導 2 極電磁石の断面図を
Figure 2 に示す。コイルは、適度なキーストーンア
ングルがあるケーブルを積み重ねてローマンアの場合鉄とカラードコイルの間には断熱真空層が必要となり、カラードコイルを重力や電磁力に対して支持する断熱サポートが必要になる。この方式では断熱サポートの調整次第でカラードコ
イルのリターンヨーク内での位置が変わるためそれによる磁場誤差が生じることになる。
TEVATRON では、この事実を逆手にとって製作時にカラードコイルに生じた 4 極磁場の誤差をアライメントによって補正することをした[19]。一方で 2000 年代の運転では断熱サポートの経年劣化によってカラードコイルがリターンヨークに対して落ちてしまい、スキュー4 極磁場が生じ加速器運転に支障をきたす事態を生じさせている[20]。
TEVATRON 用の超伝導 4 極電磁石の断面図を
Figure 3 に示す。磁石の機械的な基本構造は 2 極磁石と同じカラードコイルをクライオスタット

１－ 5

記の消費電力は固定標的モードでの比較であり、フラットトップで保持する時間が圧倒的に長くなる衝突実験モードではさらに開いて全体では10 倍程度の差が開くと考えられる。
3.2. HERA, SSC, そして RHICTEVATRON の 成 功 を 受 け て 世 界 中 でHERA,SSC, RHIC などの新たな超伝導シンクロ
トロン計画が立ち上がった。この章ではこれらの計画で開発された超伝導 2 極電磁石について説明していく。
3.2.1.

Fig.3 TEVATRON 用超伝導 4 極電磁石

HERA

HERA は、ヨーロッパで最初に作られた大型の介してウォームアイアンで囲んだ構成となって超伝導加速器で 1992 年に完成した。超伝導電磁いる。ただし、超伝導 4 極電磁石では、コイルの石を利用した 920 GeV の陽子リングと常伝導電構成が後述する cos4θ分布を模擬したものにな

磁石による 27.5 GeV の電子リングにより電子陽る。カラードコイルとウォームアイアンの芯ズレ

子の衝突実験を行なった。周長は 6.3 km で磁場が誤差磁場を生むことは 2 極磁石と同様であるが4 極磁石の場合例えば上下方向の芯ズレは、スキ

4.7 T で長さ約 9 m の超伝導 2 極電磁石が 422 台
トンネル内に並んだ。HERA 用の超伝導 2 極電磁ュー2 極磁場やスキュー6 極磁場に誤差磁場を生石 の 断 面 を Figure 4 に 示 す 。 HERA で は 、む。
超伝導電磁石システムにおいて消費電力のほ

TEVATRON と同じようなカラードコイル構造がとんどは磁石を極低温に冷やすための冷凍機に採用されたがリターンヨークとなる鉄はカラー
ドコイルに直接取り付けられたコールドアイア

よって費やさられる。TEVATRON では、消費電力

ン 構 造 を 取 っ て い る [22] 。 こ の 構 造 で は

約 300 kW のサテライト冷凍機 24 台と 3.6 MW のCentral Helium Liquefier (CHL)が磁石冷却のために使われた[21]。TEVATRON を 800 GeV で運転した
場合の Main Ring と TEVATRON の合算消費電力
は Main Ring 単体での 400 GeV 運転時の約半分で

TEVATRON で行ったようなサポート構造の調整
による磁場補正はできなくなるが、構造は安定するため誤差磁場が経年劣化で生じてしまうリス
クは避けられる。HERA 以降の加速用超伝導電磁石の多くはコールドアイアン構造を取っている。

月に 15 GWh (10 M$相当)程度の電力が節約された[19]。ここでは液体窒素がヘリウムのサテライ
ト冷凍機や CHL でのヘリウムの一次冷却やクライオスタットのシールドの冷却に使われていたが、その経費や冷凍機運転の人件費などを考慮しても 3.3 M$程度の運転経費節約になったと考えられている。またビームエネルギーが倍になったことを考えると常電導電磁石で 800 GeV を実現す
るには倍のサイズの加速器が必要になり消費電力も倍になったと考えられ消費電力だけで考えれば 4 倍程度の差があると考えられる。さらに上

１－ 6

Fig.4 HERA 用超伝導 2 極電磁石

電磁石は励磁中に励磁速度に比例した大きな誤差磁場を生じさせた。
この現象は、その後の研究で素線間の接触抵抗が異常に低くなってしまったことによることで生じた不均一で異常に大きな素線間結合電流が原因であることがわかっている[24]。現在ではケーブルの素線間抵抗値の制御の重要性は十分に認識され、素線にかけた銀錫メッキに酸化膜を導入したり、ラザフォード・ケーブルの中心にステンレスのフォイルを挿入したりすることで制御

Fig.5 SSC 用超伝導 2 極電磁石
3.2.2.

する努力がなされている。今後、ラザフォード・
ケーブルを用いた cos θ コイルによる超伝導電磁

SSC（Superconducting Super Collider）

石が早い運転サイクルの加速器に応用されていSSC は米国テキサス州に計画された周長 87km

くかどうかはこの素線間抵抗の制御技術がどこの巨大な加速器で磁場 6.8 T で長さ 15 m の超伝導
2 極電磁石が 4000 台程度加速器内に並ぶ予定で完成していれば、LHC をはるかに超える重心エネまで確立されていくかにかかっている。
3.2.3.

RHIC

ルギー40 TeV の陽子陽子衝突実験が実現するは

RHIC は ISABELLE 用に建設した加速器トンネずであった。しかしながら 1988 年に建設が開始

ルに磁場 5.1 T で長さ 9.4 m の超伝導 2 極電磁石

された SSC は、建設経費の高騰を理由に 1993 年

が約 400 台並んだ重イオン加速器で 1998 年に完に米国議会によって中止が決定されてしまう成した。RHIC 用の超伝導 2 極電磁石の断面図を[23]。

Figure 6 に示す。RHIC では、超伝導電磁石の SSC

SSC 用超伝導 2 極電磁石の断面図を Figure 5 に示す。SSC 用の超伝導電磁石は、HERA と同じカの反省から構造の徹底した合理化が図られる[25]。ステンレスカラーは廃止されカラーが入る

ラードコイルをコールドアイアンに収めた構造べきスペースに絶縁を兼ねる射出成形されたガになっている。SSC 用の磁石では、かかる磁場の低い外層コイルの超伝導線の厚さを内層コイル

ラス強化フェノールプラスチックが採用されその周りにプラスチックカラーとコイルを拘束すのものより薄くすることによって電流密度を上るヨークカラー構造が採用された。これによってげ撚り効率よく磁場を発生できる様にしている。
技術面で SSC の超伝導電磁石が直面していた

電磁石製作工程は大幅に合理化された。同様の構

Magnet System

June 1993

問題の一つに電磁石の励磁速度依存性があった。
SSC の超伝導電磁石は最終段の衝突型加速器だけでなくその前段の HEB (High Energy Booster)にも用いられる予定であった。HEB は入射加速器の特性上 2~3 分程度の比較的早い運転サイクルが求められていたため、電磁石の励磁速度もそれに相応した速さが求められた。そこで開発された超伝導
2 極電磁石について速い励磁速度での試験が行われた。しかしながら多くの電磁石が比較的大きな
クエンチ電流の劣化を示したと同時に、幾つかのFig.6 RHIC 用超伝導 2 極電磁石

１－ 7Fig. 1-3. Standard-aperture dipole cold mass cross-section(coil i.d. = 80 mm).

造は後述する KEK で開発された J-PARC ニュー

ビームを絞り込むための最終収束 4 極超伝導電磁トリノ実験施設の陽子ビームライン用超伝導電磁石に採用された。

石が設置されている。この中でも最も衝突点に近く最も磁場の高い磁石が KEK によって開発され、LHC で現在も稼働している (Figure 7)[27]が3.3. LHCLHC は 2008 年から稼働している陽子・陽子衝

使用されている。この電磁石は 4 層の cos 2θコイ
ルで最大経験磁場 8.63 T を発生させ、運転中の加突型加速器で素粒子 Higgs 発見に大きな貢献を

速器用電磁石としては世界最高磁場を誇っていしたことは記憶に新しい。この加速器は 8 つのアる[27]。

ーク部と直線部から構成され全長で周長 27 kmの加速器リングが構成されている。
3.3.1.

LHC アーク用超伝導 2 極電磁石

LHC のアーク部は、長さ 14.2 m で磁場 8.36 Tの超伝導 2 極電磁石 6 台と磁場勾配 223 T/m の

超伝導 4 極磁石２台（それぞれビームの収束と発散を担う）セットになって FODO セルを構成し、このセル 23 個で 2.45 km のアークを構成する。
LHC アーク用の超伝導 2 極電磁石(Figure 7)[26]は、温度 1.9 K で 1 気圧の加圧超流動ヘリウムで冷却することで、磁場 8.3 T での定格運転を可能にしている。
また 1 つの鉄ヨークの中に 2 つの cos
θコイルが入った Two-in-One 構造をとることでFig. 8 LHC 衝突点用超伝導 4 極電磁石

お互いのコイルが相手の磁束リターンとして効率的に磁場を発生する設計になっている[26]。

3.4. HL-LHC
LHC は、2008 年の運転開始以降、ハンダ不良による事故などもあったが、順調に実験成果をあげ
Higgs の発見などに貢献した。しかしながら、2020
年代に入ると実験統計の積み上げ効果が鈍ってくることと、衝突点近傍の超伝導電磁石群が放射線劣化により交換が必要になるなどの理由から、
LHC 高輝度化アップグレード計画（HL-LHC）が提案・承認され現在建設に向けて開発が進められている。これは、衝突点近傍の磁石群を中心に加速器の一部を改良することで陽子衝突確率を上Fig. 7 LHC アーク用超伝導 2 極電磁石
3.3.2.

げ実験精度の向上をめざす計画である[27]。
3.4.1.

LHC 衝突点用超伝導 4 極超伝導電磁石

衝突点 4 極超伝導電磁石

ここで最も重要な役割を果たすのが衝突点用

直線部のうちの半分の４つは衝突実験を行う
ための衝突点を含みそこには、衝突点に向かってビーム収束磁石 MQXF （Figure 9）[28]で、磁石の口径を現状の倍以上の 150 mm とすることで衝突

１－ 8

3.4.2.

ビーム分離用 2 極超伝導電磁石

また収束電磁石の手前には衝突点で一つのビームチューブに合流されているビームを 2 つのビームチューブに分離する 150 mm 口径で 5.6 T の
2 極電磁石（Figure 10）[29]が必要で、KEK において開発が進められている。この電磁石は NbTi
だが大口径ゆえの難しさがあり、ニュートリノビ
ームラインで培われた大口径加速器超伝導電磁石の技術が生かされている。

Fig. 9 HL-LHC 衝突点用超伝導 4 極電磁石
確率を大幅に向上することをめざす。磁場勾配は132.6 T/m でコイル最大経験磁場は 11.4 T となり、加速器応用では初めて Nb3Sn 線が実用される。コ
イルの応力制御のため、肉厚のアルミシェルを用いて冷却時にコイルの予備応力が増強される特殊な構造をとる。この Nb3Sn 超伝導電磁石の開発においては、米国が大きな役割を果たしている。
米国では、LHC において将来アップグレードが必Fig. 10 HL-LHC 衝突点ビーム分離用
超伝導 2 極電磁石

要 に な る と 考 え 2005 年 か ら LARP (LHC
Accelerator Research Program)を立ち上げ LHC アッ
プグレードに向けて加速器関連の研究開発をリードした。その中で Nb3Sn を用いた高磁場超伝導電磁石の開発は、主要な開発課題と捕らえられた。超伝導電磁石の開発は BNL、FNAL、 LBNLの 3 研究所と Oxford Instruments などの民間企業などが協力し Nb3Sn 超伝導線の高磁場での臨界電流密度の向上とその線を用いた超電動電磁石の開発が精力的に行われた。10 年以上の期間に渡って総額 200 億円近い開発費を投入し開発を進め、今日の HL-LHC に用いる MQXF の基盤となる技術を確立した。実際 MQXF の設計は、LARP において開発された超伝導 4 極電磁石 HQ に対して口径を 120 mm から 150 mm に広げそれに伴って外径を 570 mm から 630 mm に大きくしている他は
構造的にはほぼ相似形となっている。

4.

ハドロン加速器での応用

高エネルギーの巨大加速器で超伝導電磁石の応用が進むと一般の加速器応用においても徐々に超伝導電磁石の応用が進む様になる。特に陽子や重イオンといった比較的重い粒子を扱う加速器においては高磁場化が必要になるケースが多く応用が進む。しかしながら、TEVATRON の例で既に述べたように、粒子の取り出しを伴うシンクロトロンにおいては加速器の早いサイクルの運転が必須となるため、加速器本体に超伝導電磁石を利用するためには早い運転サイクルに伴う交流損失や結合電流による誤差磁場の問題などを解決しなければならず、シンクロトロン本体への応用は進まなかった。一方ビームを取り出してから後の利用においては、ビームのエネルギーが固定されているケースが多く磁石も直流運転で良１－ 9

いため超伝導電磁石の応用が進んだ。ここでは、ビーム取り出し後の応用例として、J-PARC での各種固定標的実験での超伝導応用の利用に関してまず紹介する。また超伝導電磁石技術の進展に伴い徐々に早いサイクルに対応できる超伝導電磁石の開発も進めそれを利用したシンクロトロ
ンでの応用例も増えてきている。代表的な例とし4.1.1.

Neutrino 実験施設用ビームライン磁石

Neutrino 実験施設の陽子ビームラインは JPARC MR から取り出した 30 GeV 陽子を神岡の方向へ向かって約 90 度曲げる機能を持つ。ビー
ムラインは施設の土地の制約から MR からリングの内側に取り出すことが求められた。このためこてドイツ GSI の FAIR 計画の例を紹介する。またのビームラインには比較的高磁場を高効率に発生できる超伝導電磁石システムが求められた。一早いサイクルに対応した例として炭素線による方で建設の為の予算と予定には非常に厳しい制ガン治療装置におけるガントリーの超伝導化及びその発展形で現在開発が進む医療用シンクロ

約があり、非常に短い期間に安価にシステムを建設することが求められた。そこで超伝導電磁石建

トロンの超伝導化についても紹介する。

設の合理化を図るため cosθ分布と cos2θ分布をビームの加速に磁石の磁場を上下しなければならないシンクロトロンに対してサイクロトロンは磁場を固定したままビームの加速ができる。
このためサイクロトロンの磁石は固定磁場でいいので超伝導化に向いており、実際かなり早い時期からサイクロトロンへの超伝導電磁石応用は進んだ。また近年では、イオン源の収束系に超伝足し合わせた左右非対称な電流分布を１層のコイルで実現することで 2 極 4 極複合磁場をもった
超 伝 導 結 合 機 能 型 電 磁 石 （ Superconducting
Combined Function Magnet: SCFM ）（Figure 11）を開発した[30]。これによってこの電磁石は偏向と集束の両方の能力を兼ね備えることになり１種類の電磁石でビームラインを実現

導電磁石を使う例も出てきている。これらについても簡単に紹介したい。

a) Cross Section
SC Busbar
Iron Yoke

4.1. J-PARC

Stainless
Steel Shell(SHe Vessel)
Lock Key

J-PARC に は 3 GeV Rapid Cycle Synchrotron（RCS）と現在 30 GeV で運転中の Main Ring（MR）の 2 つのシンクロトロンがある。RCS は 25 Hz で
MR は約 1 Hz での運転をするため、磁石もそのサイクルで磁場を上下することが求められ、シンク
ロトロン本体に超伝導電磁石を用いるのは、交流損失や結合電流による誤差磁場の問題などから

Yoke Stack
Tube
L/R Asymmetric
Coil
Plastic Collar

困難と考えられ、超伝導化は見送られた。一方、ビーム取り出しを行った後であればビームのエ
ネルギーが一定であるため、ニュートリノ実験施b) Tunnel Overview

設でのビームライン磁石や陽子を標的に当てた
後の二次粒子であるミュオンの捕獲・輸送などに超伝導電磁石が使われている。本章では、これら
J-PARC で現在利用中及び建設中の超伝導電磁石システムについて簡単に紹介していく。

Fig.11 J-PARC Neutrino BL SCFM System

１－ 10できる。このような超伝導電磁石は世界で初めて使う実験である[35]。この実験の Phase 1 では最大の試みであった。またさらなる経済性の最適化のため、RHIC で採用されたプラスチックカラーと中心磁場 5 T の捕獲ソレノイドの中にある標的に
J-PARC MR からの 8 GeV 陽子ビームを当て世界

鉄ヨーク支持構造を採用している。またその他に最大強度の Muon ビームを生成、それを中心磁場も同時期に建設が進んでいた LHC の部品を極力利用する等のコスト最適化を図った。システムは

3 T の 90 度湾曲ソレノイドで移送し、その先にある検出機ソレノイドの中にある検出機で Muon 電2008 年末に完成、３ヶ月のシステム試運転の後子の稀崩壊過程の観測を行う。COMET の超伝導[31]、2009 年 4 月に無事ビーム試運転に成功し[32]、現在まで問題なく物理実験に供与している。

ソレノイドシステムは、2022 年 8 月現在建設が推進中である。

4.1.2.

4.1.4.

MLF Muon Beam Lines

g-2/EDM

J-PARC の Material and Life science Facility (MLF)

g-2/EDM 実験は、Muon のスピンの歳差運動をでは、中性子ビームラインと Muon ビームライン

使って異常磁気能率（g-2）や電子双極子能率があり、Muon ビームラインには超伝導ソレノイ
ドのシステムがミュオンビーム輸送のために設（EDM）を非常に高い精度で測定する実験である[36]。この実験では、J-PARC MLF Muon 施設の H-置されている。最初に設置された軸収束超伝導ソLine で生成される超低速 Muon を 300 MeV/c の運

レノイドは、崩壊 Muon ビームライン（D-Line）に設置されたもので 1980 年から KEK つくばキャ

動量まで加速して非常に指向性の高い Muon ビー
ムを作り、それを 3 T で磁場均一度が 1 ppm 以下

ンパスで利用されてきたものを移設したものでの超伝導蓄積ソレノイドに入射し、半径 333 mmあった。その後超低速ミュオンビームライン（ULine ） に S 型 の 湾 曲 ソ レ ノ イ ド Super Omegaの軌道に蓄積する。蓄積された Muon は、再差運動をしながら崩壊しそのスピンの方向に従って（Figure 12）が設置されている[33]。最初に設置さ陽電子を放出する。その陽電子の飛跡を検出する

れた D-Line のソレノイドも 2016 年に新しいソレことで測定を行う。ここで蓄積ソレノイドの磁場
制度は、物理実験の精度を決定する非常に重要なノイドに交換されている[34]。

パラメーターとなるため高精度なソレノイド及びその磁場を即成する磁場測定システムの開発が精力的に続けられている[37]。
4.2. GSI/FAIR
ドイツのイオン研究所 GSI は 、線形加速器（UNILAC）とシンクロトロン（SIS18）により、ウラニウムまでの重イオンビームを加速・利用する施設である[38]。
GSI では FAIR （Facility for Antiproton and

Fig.12 J-PARC MLF ultra-slow muon beam line
curved solenoid
4.1.3.

Ion Research in Europe ） 計 画 が 進 行 中 で 、SIS18 を入射器とする重イオン加速器 SIS100 が建設中である。この加速器は、1.9 T の超伝導偏向

COMET

COMET（COherent Muon to Electron Transition）

電磁石を 1 Hz （4 T/s）の比較的速いサイクルで運転することで、効率的な重イオン加速を実現す

実験は、J-PARC のハドロン実験施設で建設中のる。この電磁石は、ウィンドウフレーム型の鉄ヨ実験設備で大型の超伝導ソレノイドシステムをークを用いたスーパーフェリックと呼ばれるタ

１－ 11

イプの電磁石で、超伝導ケーブルは冷却管の周り[43]、これらビーム輸送機器は全て円筒形状の回に超伝導線を巻きつけたもので、運転電流は13.1 kA である（Figure13）[39]。

転構造体上に搭載されている。これにより、炭素
イオンビームを患者に対し±180 度の如何なる方

また GSI では、将来計画として cosθ巻きの向からも照射を行うことができる。また、小型・4.5 T の超伝導 2 極電磁石を 1 T/s で励磁してSIS100 の 3 倍のエネルギーの加速器を実現する

軽量な超伝導電磁石を採用したことで、全長 14 m
（両端エンドリング間の距離）、ビーム軌道半径

SIS300 も計画している[40]。

5.45 m、重量 300 t 台と従来の超伝導電磁石を採用した炭素線治療用回転ガントリーに比べ、重量・サイズ共に半分以下となる大幅な小型・軽量化を実現している。
回転ガントリーに搭載される超伝導電磁石は回転させる必要があることから、冷却には 4 K,
1.5 W の GM 冷凍機をガントリー全体で合計 34台用いた伝導冷却方式を採用している。
現在、更に小型化された超伝導回転ガントリーが開発され[44]、山形大学や、台湾の台北栄民総病院に建設中の重粒子線がん治療装置に導入されるべく、製作が進められている。

Fig. 13 FAIR SIS100 2 極磁石 (1.9 T, 4.5 K)

4.3.2.

4.3. 医療用シンクロトロン
炭素線など重イオンを使った医療用シンクロ
トロンは、その治療実績から日本では応用が進んできているが、比較的高エネルギーの重イオンを制御する必要性から加速器やビーム取り出しラインなど施設が大型化しやすい欠点があった。このため放医研では、磁石を超伝導化することで施設の小型化を目指し、その手始めにガントリー超シンクロトロンの超伝導化

既存の全ての重粒子線がん治療装置は、主加速器として直径 20 m 程度のシンクロトロン加速器を採用していることから、このサイズとコストの低減は、最も重要な課題である。シンクロトロン
加速器の電磁石を超伝導化することで、従来、
1.5 T 程度に留まっている磁場を 4 T 程度まで増加させ、加速器のサイズを大幅に小型化すること伝導化を実現した。現在では施設のさらなる小型化を目指してシンクロトロン本体の超伝導化に向けた開発も行なっている。本章ではこれらの磁石の開発について簡単に紹介する。
4.3.1.

超伝導ガントリー

炭素線治療用回転ガントリーは、常伝導電磁石を用いたものがドイツにおいて開発されていたが総重量 600 t の巨大なもの[41]で普及には向いていなかった。そこで普及に向け、超伝導回転ガン
トリーの研究開発が放医研にて行われた[42]。この回転ガントリーは、10 台の超伝導電磁石、1 対のスキャニング磁石、3 対のステアリング磁石及びビームプロフ ァイルモニタにより構成され

１－ 12

Fig.14 超伝導シンクロトロン加速器の概略図

が可能となる[45]。Figure 14 には、超伝導電磁石

また、日本においても理化学研究所の仁科加速を使用したシンクロトロン加速器のレイアウトが示されているが、平均直径はおおよそ 7 m まで

器科学センターで、世界最大の超伝導リングサイ
クロトロン（K=2600、磁場 3.8 T、重量 8300 t）が低減されており、従来の約 1/3 （面積では約 1/10）

稼働している[55]。

程度まで小型化が可能となる[46]。現在、放医研
では、このような加速器の実現に向けて精力的に

4.5. イオン源の超伝導化開発が進められている。
4.4. サイクロトロンの超伝導化
サイクロトロンの小型化を目的にコイルを超伝導化して高磁場を発生させる技術開発は 1970
年代に米国ミシガン州立大学（MSU）とカナダのChalk River で始まり、1980 年代後半に実用化されている。第一世代の代表的な超伝導サイクロトロンである Chalk-River のサイクロトロン（K=520）のコイルは NbTi のパンケーキ巻で、最大磁場強度は 3.8 T である[47][48]。また、MSU では K1200のサイクロトロン（重量 280 t、蓄積エネルギー60
MJ、最大磁場強度 5 T、外径 4.4 m）が建設され、1988 年に運転が開始されている [49]。
これらのサイクロトロンは原子核実験用として陽子あるいは重陽子から重イオンまでを加速するように設計されたが、一方で医療応用として
テーブルトップ型の低エネルギーサイクロトロンの開発もこの時期に始まっている。
MSU で開発された、中性子がん治療用の重陽子
サイクロトロン（ビームエネルギー50 MeV、最大
磁場 5.5 T）は、回転ガントリーに組み込むために超伝導による軽量化を図った [50]。 また、PET 用
同位体生産用にも 12-12.5 MeV の陽子サイクロト
ロンが Oxford Instruments や Ionetix 社によって開発されている[51][52]。
2013 年には IBA 社が陽子線ガン治療装置として直径 2.5 m で中心磁場 5.7 T の超伝導シンクロ
サイクロトロンを開発した[53]。また、Nb3Sn を使って 9 T という高磁場を発生させる超伝導シンク
ロサイクロトロン Mevion S250 も Mevion Medical
Systems により開発されている[54]。このマシン
は、回転ガントリーに組み込まれており、極めてコンパクトな陽子線治療施設を実現している。

加速器の大強度化など性能の高度化に伴いイオン源は、より高い電荷数、高強度のイオンビームが要求されている。高い電荷数で高強度のイオンビームが得られるイオン源として電子サイクロ
トロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance; ECR）を利用した ECR イオン源（ECRIS）が開発されてきた。ECRIS で高電荷数、高強度のイオンビームを発生させるためには、高い磁場強度を使ったプ
ラズマ閉じ込め磁場が必要で、そのためのソレノ
イドコイルに超伝導コイルが使われるようになった。使用するマイクロ波が 28 GHz の場合、ビーム軸方向磁場強度の最大値としては 4 T 程度が必要である。また、6 極磁場も必要となるが、それも超伝導電磁石が使われている[56]。また ECR
イオン源の高性能化には、高磁場、高周波数が必須になる。例えば、45 GHz で最大垂直方向磁場が6.5 T、6 極磁場はプラズマチェンバー壁で最大
3.3 T となる[57]。これまでに開発された主なイオン源について以下にまとめる。
米国ローレンス・バークレイ国立研究所で開発された超伝導 ECRIS ”VENUS”は、88 インチサ
イクロトロンのイオン源として 2006 年から使われている[58]。NbTi ワイヤーで巻かれたソレノイ

ドコイルと 6 極コイルが 4.2 K 液体ヘリウムベッ
セルの中に置かれている。ビーム軸方向の最大磁場強度は 4 T で、半径方向磁場のチェンバー壁での最大値は 2.1 T である。マイクロ波は 28 GHz＋18 GHz が加熱用として用いられており、2011
年には 450 eµA の U33+、400 eµA の U34+が取り出されている。
SuSI は、国立超伝導サイクロトロン研究所/ミシガン州立大学(NSCL/MSU)で設計製作された。
ビーム軸方向磁場はミラー磁場強度やミラー距
離、最小磁場強度や位置、両 ECR 点での磁場勾配や磁場分布を変えられるように設計された。軸方向最大磁場強度は 3.4 T で最大半径方向磁場は
直径 10.1 cm のプラズマチェンバー壁で 2 T であ

１－ 13

ing quenches (40 of these) to reach the design current of
600 A. However, it showed no retraining after a thermal
cycle. The performance of S-L magnet was excellent. The
current reached 600 A, 120 % of the design current, without
quenching. The reasons of these different training behavior
between S-R and S-L are not clear yet.

3
4
5
6
7
8
9
10

3.2 Quadrupole magnet with trim coils

る。また、マイクロ波周波数は18 GHzThe quadrupole magnets was designed
and である。
constructed on

the basisof33+
experience
with the TRISTAN mini-beta inserを取出している[59]。
196 eµAのUtion quadrupole magnets. They are iron-free superconduct理研で開発された
ing magnets. TheyRIKEN
produce aSC-ECRISÞeld gradientは、ミラof 21.26 T/mwithin a coil aperture with
260 mm. The
ー磁場最大値が入り口で3.8diameter
T、取出し側で2.2coilT de-sign is based on a set of cos 2θ windings that are clamped
by stainless steel collars. Table 2 gives the main parameters
径 15ofcm
2.1 T cross
であsecthe のプラズマチェンバー壁でquadrupoles and Fig. 2 shows a transverse
tion
of
QCS-R
in
its
horizontal
cryostat.
The
main
compoる。マイクロ波は 28 GHz/10 kW である。2 台のnents are, from the innermost part: warm bore, inner therGM-JT
1 wall台のofGM
4.2 K
冷凍機が取りmal冷凍機とshield, inner
the helium
vessel,trim coils, main
coil,
316LN
stainless-steel
collar,outerwall of the helium
付けられており、ホットプラズマから放射される
vessel, outer thermal shield and vacuum vessel. The super制動放射による
8 Wis NbTi/Cuの熱負荷に対応している。
conducting cable
Rutherford-type cable, con33+multiÞlamentary
sistingofを取出して0.59 mm diameと 180 eµA strandsの U35+
230 eµAのofU24ter (copper/superconductor ratio 1.8) twisted with a pitch
いる[60]。
of about 60 mm (Þlament size 6 µm). The cable is insulated with two kinds of Upilex tape; 25 µm- and 50 µmthick tapes.

の超伝導 ECRIS である。半径方向磁場強度は直

5.

bn
-1.15
0.64
0.06
-0.19
0.01
-0.01
0.0
-0.02

an
0.38
0.33
0.06
-0.06
0.02
0.01
0.0
0.0

bn
0.99
1.79
-0.52
-1.08
0.50
0.79
-0.43
-0.55

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

an
0.72
0.45
1.55
-0.54
-0.89
0.44
0.67
-0.36

Table 3: Multipole components of QCS magnets at the radius of 48 mm.
behavior at 4.2 K. During this test, the main coil and trim
coils were Þrst excited independently up to 110 % of theirdesign currents. Then the various combination tests were
performed. The performance was very good. No quench
had occurred during the tests. Field measurements werealso performed with a rotating coil system[3]. The measured values of the Þeld gradient and the effective magnetic
length of each magnet were shown in Table 2. The allowed
and unallowed harmonics at the current of 2966 A are listed
in Table 3.

b) KEK-B QCS (22T/m, 4.5K)
He Vessel

80K Shield 0100mm

Collar

電子加速器

QCS-R
QCS-L
0
φ18
I.D.
Field
gradient
21.26(21.80)21.26(21.68)T/m
電子加速器においては、電子が非常に軽く強い
Current2963
2963
A
磁場で曲げると放射光によってエネルギーを失Effective length
385 (387.8)
483 (487.6)
mm
Max.
Þeld
on
4.3
4.3
T
Vacuum
うため、一般的には、磁石の高磁場化はそこまで
Vesselthe conductor
Quadrupole Coil
求められない。ただし放射光源など積極的に工事
Multilayer
Trim Coil Assembly
Ic load line ratio
70
70%
Insulation
Main coil
場を利用して放射光を得る場合や衝突型加速器
Inner radius
130
130
mm
の衝突点などで狭い空間に極力コンパクトな磁Figure 2: Cross section of the QCS-R magnet.
Outer radius
144.9
144.9
mm
Fig.15 KEK-TRISTAN と KEK-B の QCS
Overall length
521
617
mm
石で磁場を発生させたいなどいくつかの特殊なCollars outer dia. 340
340mm
4 CRYOSTAT
ケースでは超伝導電磁石が利用されている。本章
Stored energy
69.7
87.5
kJ に強力な集束力を生じさせることによってビー
Two compact cryostats in which the magnets are cooled by
では、応用例として KEK での電子・陽電子衝突
single phase LHe of 4.5 K were constructed for each side
Table 2: Main parameters of the quadrupole magnets. ムを極限まで絞り込んだ[61][62]。
型加速器での応用例及び放射光施設での応用例
Numbers within parentheses are measured values.
of the interaction point taking into account the following
SuperKEKB は、KEKB の 40 倍のルミノシティ
について紹介する。
constraints and requirements: small outer diameter and a
KEKB
をアップグレードして作られIn side the quadrupole winding, three kinds of trim coils を目指して
large warm bore,sufÞcientmechanical strength to sustain(horizontal
andverticalsteering,
andskew
quadrupole)aretheforcesactingonthemagnets,a small heat4load,
etc.
5.1. 電子・陽電子衝突型加速器
た加速器で、衝突点のQCS は超伝導
極電磁石
8embedded. The Þeld strength of the steering coil is about
Fig. 3 shows the right side cryostat just arrived at the in43 台そして
台の超伝
0.05
T and the gradient of the skew quadrupole
is about 台、補正用超伝導電磁石
teraction region. The cryostat consistsof three4parts:
horiKEKのつくばキャンパスでは、1980
年代に建0.4 T/m. These are considered enough to steer the beam 導ソレノイドが狭い衝突点クライオスタットの
zontal annular vessel containing the magnets, vertical ves設された陽子・陽電子衝突型加速器
about 3 mm, and to rotate the quadrupoleTRISTANÞeld by about sel called connection box, and a bent pipe connecting both
中に設置された非常に複雑なシステムが構築さ
12
mrad.
The
ßat
coils
were
made
at
BNL
by the multivessels. The major components of the annular part are a（Transposable Ring Intersecting Storage Acceleratorinwiring technique, and they were assembled on the helium れた[63]。
helium vessel, a thermal shield, suspension system, and a
Nippon）に始まって、同じ加速器トンネルを利用
inner cylinder in the company.
vacuum vessel. The helium vessel is made of 316L stainAfter及びÞnishing
the assembly
quadrupole, the・
mag- less steel and the sizes of the cylinders enclosing solenoid
した KEKB
SuperKEKBとof3 theつの大きな電子5.2. 放射光施設
nets were tested in a vertical cryostat to see the quench and quadrupole are different. In case of the left side cryo-

陽電子衝突型加速器が建設され運転された。これ

らの加速器の衝突点近傍でビームをしぼって実験の統計を上げるという重要な役目を担ったのが QCS と呼ばれる 4 極磁石である。Figure 15aに TRISTAN の QCS、Figure 15b に KEKB のQCS の断面を示す。どちらも空芯で極力薄く作られていて、実験室の検出器群の中に潜り込む様に設置された。これによって衝突点に極力近い場所

1947 年 General Electric 社の 70 MeV シンク
ロトロン電子加速器で、電磁波としての放射光が世界で初めて実験的に観測された[64]。この時観測された電磁波は特性波長が 480 nm の紫外線であった。この加速された荷電粒子からの電磁放射の理論的裏付けは、実験的観測の 2 年後の 1949
年に、後にノーベル物理学賞を受賞する理論物理学者 Schwingler により放射光スペクトル及び角

１－ 14

度広がりなどの計算とともに示された[65]。1956

偏向磁石で偏向角を実現することが求められて年コーネル大学のシンクロトロン加速器を使って、この放射光が、実は物質構造のミクロな世界いるため、超伝導偏向電磁石利用は必ずしも必須ではない。

を見る放射光プローブとして活用できると実証された[66]。
これ以降、これまで高エネルギー実験加速器に5.2.2.

挿入光源の超伝導化

挿入光源には正極・逆極のポールを交互に数極付随して様々な利用制限がある中で放射光利用

並べたウィグラーと 20~30 mm 角の 1.2 T 程度のがなされてきた状況から、放射光専用の電子蓄積

永久磁石（ネオジム、サマリウムコバルト）を多リングが必要であるとの新しい潮流が生まれる

数直線上に N 極・S 極交互に並べたアンジュレーことになった。元となる加速器技術は高エネルギ

ターがある。ウィグラーでは強い磁場によりエネ

ー物理実験での加速器技術の転用が可能である

ルギーの高い光が生成されることに重点が置かため、その後飛躍的に放射光専用加速器、つまりれるのに対し、アンジュレーターでは各極からの放射光源加速器の発展と普及が進むことになる。

光の重ね合わせによる高輝度化が期待される。こここでは、放射光加速器における超伝導電磁石のため、ウィグラーでは、早い段階から超伝導電利用に関していくつかの例に分けて簡単に紹介

磁石による高磁場化が図られ、最初の超伝導ウィしていく。

グラーはロシアの Budker Institute of Nuclear

5.2.1.

Physics （BINP）で 3.5 T で 20 極のウィグラー
が 1979 年に完成している。その後多くの超伝導

超伝導偏向電磁石

偏向電磁石は原理的な放射光生成装置であり、ウィグラーやアンジュレーターが世界中で製作

電子ビームを急峻に偏向することでその偏向角に基づきより高いエネルギーの X 線を生成するされている。2000 年には BINP と理研が共同で10 T の 3 極 超 伝 導 ウ ィ グ ラ ー が 開 発 さ れ 、ことができる。このため、強磁場の強い曲げ角でSpring-8 で実際に使用されている[70]。

電子ビームを偏向できる超伝導偏向電磁石は、電子ビーム自体のエネルギーが低くとも硬 X 線を

いスペクトル光を得るためには、磁石列の間隔を生成することができる装置として有用である。常狭めることが重要だが、一方でそれによる磁場の伝導電磁石では 1.5 T 程度、永久磁石では 2.0 T程度の磁場強度に対して、超伝導電磁石では相殺による磁場中心強度の低下を補うことも必要となる。磁場強度の補正は、磁極間ギャップを

2.0 T 以上の磁場強度を実現できる。磁石を小型狭める方法と磁石本体の磁場強度を上げる方法

化でき、周長の短い小型リングでも設置が容易である。実際に、アメリカの放射光施設 ALS では超とがある。ギャップを狭め磁場強度を上げる方法
は、簡単だが電子ビームからの放射線損傷やビー

伝導偏向電磁石（5.0 T）をいち早く蓄積リングにムの不安定性が起きやすくなるなどの問題があ

導入し[67]、日本では AichiSR で超伝導偏向電磁石（5.1 T）を放射光生成装置として主体とする放る。磁石本体の磁場強度を上げる手法としては、永久磁石を液体窒素温度（150 K）まで冷却し保磁

射光源加速器の運転に世界で初めて成功してい力を 1.5 倍に向上させるクライオアンジュレータ

る[68]。シンガポールでは HELIOS2 にて 4.5 T
超伝導偏向電磁石を用い低い 700 MeV の電子ビー[71]、超伝導電磁石を用いた超伝導アンジュレーター[72]とがある。

ームエネルギーながらも 10 keV 以上の硬 X 線の

超伝導アンジュレーターは、電子ビームからの取り出しが可能である[69]。以上のことから、超伝導偏向電磁石は有用性が高い技術であるが、近入熱、放射線からの入熱などの課題があるものの、磁場は永久磁石よりも圧倒的に高いものが実

年要求が増えている極低エミッタンス化をめざ現可能なため期待されている技術である。一方、

す次世代放射光光源では、「緩やかに」「多数の」現状の課題として、磁極の周期長の短周期化があアンジュレーターにおいては、エネルギーの高１－ 15

り、そのためには巻線技術の微細化などの技術開導体製造には、別の技術が優勢となってしまった

発が必須な状況にある。現在、巻線技術の改善、超伝導材料の高度化（NbTi 線から、高温超伝導バ

ためこれらの超伝導小型 SR 装置は産業用には普及しなかった。しかしながら、近年の集積回路のルク材 REBaCuO、電流密度の高い Nb3Sn 線）な細密化に伴って加速器を使った EUV（Extra

どの微細化に向けた開発が進んでいる。

Ultra Violet）リソグラフィーが注目されるように

5.2.3.

なり、それをコンパクトな加速器で実現するため収束系磁石の超伝導化に前述の超伝導アンジュレーターを使った小型加速器リングは電子ビームを偏向する磁石とビームサイズ・エミッタンスを制御する収束系磁SR 装置の実現が期待されるようになってきている。

石で構成されるが、電子ビームサイズを小さく絞
Table 2

るためには強収束な磁石が必要となる。特に、極超伝導小型 SR 装置

低エミッタンスをめざす次世代放射光光源では、

装置名

より高度にビームサイズ・エミッタンスを制御す

AURORA
COSY

E
[MeV]
650
550

HELIOS

700

4.5

0.52

2

cold

Air

MELCO

600

3.5

0.59

2

cold

Iron

NIJI III
SuperALIS

615
600

4.1
3.0

0.5
0.66

4
2

cold
warm

Air
iron

るために磁石数が増加し、限られた周長の狭い空間に多数の磁石を配置する必要がある。
これらの要求を満たす為の一つの解として収束磁石の超伝導化による強収束化が考えられる。
特に超伝導電磁石を使った場合磁石本体での磁

B
[T]
4.34
4.47

Size
[m]
0.5
0.44

BM
数
1
2

bore

core

warm
cold

Iron
Air

場強度の制限が大きく上がるために磁石口径を大きく取ったまま強収束化することが可能になり、さらにより短い磁石で必要な収束力を得られ6.

るようになる。

本稿では、超伝導電磁石の加速器応用に関してそまとめの歴史と応用例について広く浅さく解説してき5.2.4.

産業用小型放射光施設た。本稿で述べたように、加速器は超伝導電磁石

半導体集積回路の高密度化は、ムーアの法則と応用の先鞭をつけその後、常に超伝導電磁石応用

呼ばれる経験則から 18 か月で 2 倍の容量のメモ
リチップが登場してきた。その法則から、1980 年の大きな柱として機能してきた。また応用が広が代にはそれまでの光を使ったリソグラフィでは限界があると考え X 線を用いたリソグラフィ技術の研究が行われるようになった。その X 線発生源として有力視されたのは、超伝導 2 極電磁石を使った小型の SR （Synchrotron Radiation）リ
ングであった。
SR リングのタイプとしては、最も小型化できる円形軌道、超伝導電磁石 2 台を使ったレースト
ラック軌道、超伝導電磁石 4 台を使った 4 角形が開発されたが、殆どがレーストラック形であった。Table 2 に主な超伝導小型 SR リングのパラメータを示す[73]。これらの装置は X 線リソグラ
フィ―による半導体集積回路の作製の実用研究

るにつれて、加速器応用における超伝導電磁石技術の幅も広がりを持つようになり、MRI など他分野での超伝導電磁石技術とのシナジーも生まれてきている。OHO’22 では、このような加速器分野における各種応用に関してそれぞれの講師が詳細に述べているので是非とも参照されたい。
参 考 文 献[1] https://www.fnal.gov/pub/tevatron/tevatronaccelerator.html[2] https://www.desy.de/research/facilities__projects/
hera/index_eng.html[3] http://www.bnl.gov/rhic/[4] https://home.web.cern.ch/science/accelerators/large-hadron-colliderに供されていた。X 線リソグラフィは、当時の半

１－ 16

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