吉田 誠

飯尾 雅実

岡村 崇弘

COMET実験用超伝導磁石システム

インタビュー

槙田 康博

大畠 洋克

佐 々 木 憲一

ノーベル賞級の硏究を支える
ニュートリノ超伝導ビームラインの建設と維持
荻津 透

大畠 洋克

J PARCでの低温実験を可能にする
液体ヘリウム回収・供給設備の建設と維持

飯田 真久

J-PARCの実験を支える
極低温技術

特 集2020

15

J-PARC の実験を支える

極低温技術

COMET 実験用
超伝導磁石システム（左から）飯尾 雅実 氏、吉田 誠 氏、岡村 崇弘 氏

連続した超伝導ソレノイドで発生する磁場を利用する。標的から放出されるパイオンは、超伝導ソレノイドが発生する最大5テスラの磁力線に絡みついて集められ、後続の低い磁場の方に流れていく。
輸送部は90度曲がった形状で、磁場をJ-PARC のメインリングで加速された陽子は、る必要があります。またニュートリノビームライン

感じない中性子は除外される。また曲が300km 先のニュートリノ検出器・スーパーカミオ

用超伝導磁石のように負荷の大きな大型の超伝導磁りながら輸送されるうちにプラスの電荷カンデへと向きを変えニュートリノを生成するター

石システムでは、ヘリウム液化機タイプの冷凍機がとマイナスの電荷の粒子がその運動量にゲットステーションに入射されます。このニュート専属で整備されています。ヘリウム液化機は圧縮機、応じて上下に分離するので、マイナス電リノビームラインには超伝導磁石が150m にわたっ

膨張タービン、熱交換器、貯液槽、精製器及び自動荷の低速ミューオンだけを選別することて配置されていますが、そこでは絶対零度近くま弁などの様々な計装品で構成される複雑な設備で、ができる。

で冷却された超伝導磁石が30GeV の陽子ビームをその運転と保守には熟練を要します。

COMET 超伝導磁石は、耐放射線性の10cm に満たない距離で囲み、メインリングより小液体ヘリウムの需要は超伝導磁石だけに限りませ

強化を特徴とする。ソレノイド内部の生さな曲率でビームの向きをコントロールしています。

ん。様々なビーム利用実験の現場では、極低温下ま成標的からはパイオンだけでなく中性子

電気抵抗がゼロの超伝導コイルは、銅コイルより大で試料検体や高感度のセンサー を冷却するためにきな電流が流れて強い電磁石になる上、励磁電源の液体ヘリウムが必要とされています。実験装置によっ電力も小さくてすむのでニュートリノビームラインては、供給された液体ヘリウム温度（‒269℃）を

宇 宙 線 観 測 の 中 で 発 見 さ れ た 素 粒 子「 ミュー オ ン

超伝導コイルの機械強度、伝熱性能等の劣化が心配されに採用されました。

基点に減圧、希釈や断熱消磁など様々な手法を用い（μ ）」は、真空中では約2マイクロ秒の寿命で崩壊し、る。そこで放射線耐性を向上させるための様々な工夫をこのように効率的に高磁場を発生する装置としててさらに低い温度「超低温」環境を作りだしていま

ニュー ト リ ノ と 電 子 を 放 出 す る。J-PARC で は こ の施した。中性子が透過しやすいアルミ安定化超伝導ケー

超伝導磁石は、卓上サイズからメインリング全体をす。J-PARC では様々な用途での液体ヘリウムのミューオンを物質の構造を探るためのプローブとしてブルを採用し、ケーブル以外のコイル構造もアルミ主体超伝導化したものまで幅広く普及しています。ここ

需要が年間20000リットル程度ほどあり、ヘリウ活用するとともに、その崩壊過程を精査する基礎実験として、発熱を抑えている。さらに、放射線による発熱

J-PARC でも、ニュートリノ以外の場所、物質・ム液化供給システムを整備して、昨今のヘリウム不COMET 計画を推進している。そこでは「標準理論」にを素早く取り除くため、コイル内部に純アルミ伝熱板が生命科学実験施設やハドロン実験施設でビーム輸送足にも動じること無く、その需要に応えています。

則るニュートリノ放出を伴うミューオン崩壊ではなく、挿入された特殊なコイル構造とした。また、超伝導コイ用や測定器用として超伝導磁石が活躍しています。

本号では、超伝導磁石をはじめとする極低温で1016回に1回という極めて稀なニュートリノ放出を伴わルを成型する樹脂は、エポキシ樹脂に代えて放射線耐性

一方で、超伝導磁石は、コイルを超伝導状態とな性能を発揮する装置の開発者、極低温環境をつくない崩壊過程の探索を目指している。その実測は標準理の高いビスマレイミドトリアジン樹脂を主成分とした。

る極低温まで冷却しなければいけません。スイッチる大規模で複雑なインフラの維持に精力を注ぐ論を超える物理法則の解明へと展開するであろう。

を入れるだけの畜冷式冷凍機を内部に組み込んだ超J-PARC 低温セクションの技術者にフォーカスを伝導磁石がある一方、冷凍機の振動を嫌う実験装置あてます。

※の超伝導磁石では、液体ヘリウムを外部から供給す※例 えば超伝導量子干渉計（superconducting quantum interference device, SQUID）は非常に感度の高い磁気センサーとなる。他に超伝導相の転移を利用した熱量センサー（Transition Edge Sensor, TES）や常磁性体の磁化を測定する金属磁気カロリーメーター（Metallic MagneticCalorimeter, MMC）
、超伝導のインダクタンス変化を利用する光センサー（Kinetic Inductance Detector, KID）などがある。など大量の放射線が放出され、タングスCOMET 超伝導磁石システム−テン合金等の遮蔽体で軽減したとしても、現在輸送ソレノイドと冷凍機は設置済みで、冷媒、励探索精度を上げるためには大量の負電荷ミューオンが磁電流を導入する装置の製作を進めている。捕獲ソレノ必要とされ、COMET 実験では世界最大強度となる毎秒イドとなる超伝導コイルはすべて完成しており、今後210 個のミューオンを生成する計画である。ミューオ

年をかけて組立てられる。以上のように、低温セクションは、8GeV 陽子ビームを生成標的に入射し、パイオンでは、世界最大強度の負電荷ミューオンビームを供給ンの発生・崩壊を経て生成される。ミューオンを検出器することを目指した、超伝導磁石システムの建設を進めまで効率よく輸送するために、生成標的から検出器までている。

11（吉田誠）ノーベル賞級の硏究を支えるニュートリノ超伝導ビームラインの建設と維持
J-PARC 低温セクションの象徴ともいえるニュートリノ超伝導ビームライン─ J-PARC でつくったニュートリノを岐阜県神岡町にある検出器「スーパーカミオカンデ」に向けて飛ばすた（後列左から）大畠 洋克 氏、佐々木 憲一 氏
（前列左から）槙田 康博 氏、荻津 透 氏

めに、加速した陽子ビームをニュートリノ生成ターゲットに当てる前に神岡の方向に向ける、全長150m に及ぶビームラインだ。ビームを大きく曲げる必要があるので、強い磁場を発生できる超伝導磁石が採用された。超伝導磁石を冷却するシステムの構築から、継続した安定運転によりニュートリノ実験を支える現在までのお話を伺った。（聞き手：J-PARC 広報セクション）

安もあった。しかし、大畠氏は「それまでやってきたこた安定運転への貢献が評価され、2020年に文部科学大との集大成だ」と思ったという。移動式ヘリウム液化機

臣表彰「研究支援賞」を受賞した。の整備やヘリウム液化機を超伝導電磁石性能試験装置にタイトに決まった予算とスケジュールの条件の中でことができる。一方で、リスクもあったと荻津氏はいう。

改造した経験から、初めての機器でも試行の中で特性を「ビームを曲げるのと収束するのを別の磁石が担ってい理解し、その性能を引き出せるようになると前向きに考れば、設計が多少間違っていても運転時に調整できるのえた。

建設時の大きな検討要素の1つが、超伝導磁石のコイですが、機能結合型の磁石を用いるとそうは行かず、設ルの巻き方だった。当時、中心となって検討に当たった計の要求が厳しくなります。またこのような設計の超伝荻津氏によると、「ビームを曲げるための2極の磁石と、導磁石は世界初の試みで、当然リスクがあったのでチー広がったビームを収束させるための4極の磁石を交互にム外部の専門家も含めたレビュー委員会で徹底的にリス並べる一般的な設計では、お金と時間の面で成立性が低ク分析を行って採用を決断しました。」

かったのです。折しも、海外の加速器研究施設との共同研究などから、それを解決する候補となりうる、2極磁石と4極磁石の機能を1つの磁石に組み込んだような機能結合型の磁石のアイディアが舞い込んできました。」

国内有数規模のビームラインをどうやって冷やすか？

省エネにもチャレンジ！
ニュートリノ超伝導ビームラインのもう1つの特徴は、省エネ運転モードがあることだ。
「常温から10日以内に継続した安定運転でニュートリノ実験を支える冷却できるように、それなりの冷却能力を持たせて設計していますが、連続運転時には余分な液体ヘリウムはヒーターで気化させ、再び圧縮して液化することになり、2009年に超伝導ビームラインは完成し、運転を開始余計な電力を使うことになります。これを削減するためした。初期にはインターロックの誤動作が発生したが、には、タービンの弁を絞って流入するヘリウムガスの量

その解決以降安定してニュートリノビーム運転に貢献しを減らせばよいのですが、せっかく安定運転している条ている。徹底した安定運転の継続を可能にするカギは、件をいじることは、タブーに近いのです。だから、チャ大きく3つあるという。1つ目は不純物管理。「ヘリウムレンジングなことではありました。
」と、大畠氏。省エ

この機能結合型磁石の断面写真をご覧いただくと、2個150m にわたって並ぶ28台の超伝導磁石に冷え残りガスを油と混ぜて圧縮し、油を分離してから熱交換器にネ運転モードにより、圧縮機の消費電力を600kW からのコイルが左右非対称に置かれている。この磁石で発生があってはならない。どのような方法で冷やせばよいの送るのですが、油が混ざっていると、低温下で凍り付430kW に削減できるという。

する磁場は不均一で、コイルが寄っている側のほうがか？

ブクブクと沸騰している状態で、液体ヘリウムはき、液体ヘリウムがうまく流れなくなってしまいます。

磁場が大きい。この磁石の中に荷電粒子のビームを通す沸点の ‒269℃に保たれている。これを配管の中に流しKEK で蓄積されてきた超伝導システムの長期連続運転、と、「フレミングの左手のて超伝導磁石を冷却すると、どんどんヘリウムガスに変特に不純物の除去および監視のノウハウが生かされて大畠氏のさらなる挑戦法則」に従いビームは曲わっていくので、ガスだまりができて電気絶縁の低下やいます。」と、槙田氏が説明してくれた。2つ目は制御。

「これから設備の老朽化が始まる中で、超伝導磁石シがるが、曲がり方は、磁冷え残りが起きる。そこで考えられるのが、圧力を上げ冷凍機の制御プログラムをメーカー任せではなく、大畠ステムの不具合によるトラブルを未然に対処し、ニュー場が強い側のほうが大きることで液体と気体の境目のない超臨界状態になったヘ氏は独学で学び常に改善している。制御プログラムの信トリノの実験が終わるまでのビーム運転稼働率99.9％くなる。ここで、次にビーリウムの使用である。液体ヘリウム貯槽内の熱交換器で頼性は増し、オペレーターの誤操作を防いでいる。3つ以上を維持したい。」と大畠氏は意欲を燃やす。ニュームが通る磁石を、コイル冷やされた超臨界ヘリウムは、ポンプを使って超伝導磁目は、予防保全。トラブルを予測してメンテナンスを入トリノ実験のデータの蓄積に世間の期待が高まる中、設が寄っている側を逆にし石に送られる。沸騰状態の液体ヘリウムと異なり、超伝れたり、必要になりそうな交換部品等をあらかじめ購入

備が古くなっていくことは免れない事実だが、「中古て置き、発生させる磁場導磁石を冷やすうちに超臨界ヘリウムの温度は上がってしておいたり、常に先手を打っている。また、経験値にのものを扱うことをたくさん行ってきた大畠氏の経験の 向 き は 同 じ に す れ ば、いくが、必要な流量を確保して ‒268℃以下に冷却して基づく勘所により、故障の兆候をとらえて未然に防いでが、まさに生きてくるときだ」との佐々木氏の言葉に、ビームを同じ向きに曲げいる。超伝導磁石の冷却への超臨界ヘリウムポンプの本

きた大畠氏を、荻津氏、佐々木氏、槙田氏は、口をそろ

J-PARC の最先端の科学成果を支える低温セクションながら、広がりを抑える格的な採用は KEK では初めてで、使いこなせるのか不えて称賛した。大畠氏は、超伝導ビームラインの継続しの底力が感じられた。

機能結合型磁石の断面写真
上半分に、磁場の強さの分布を色で示している。緑→黄色→赤の順に磁場が強くなる。

J-PARC での低温実験を可能にする液体ヘリウム回収・供給設備の建設と維持
J-PARC における低温セクションのもう1つの重要な貢献が、J-PARC で低温環境下での実験を行いたい
J-PARC ユーザー達に液体ヘリウムを供給する設備の建設と運用だ。ユーザーが液体ヘリウムを実験に使用後、ガスとして回収するためのラインが、J-PARC の諸施設に張り巡らされており、戻ってきたガスを液化して再び供給する。この設備があるおかげで、昨今の世界的なヘリウム入手難の状況にあっても、J-PARC では液体ヘリウムを用いた実験が継続できている。それを支えるスタッフに、お話を伺った。

（聞き手：J-PARC 広報セクション）たそうだ。飯田氏は立体化することで、その中に設備をが入っていることだ。J-PARC のユーザーは、回収に押し込んだ（写真）。

非常に協力的であるという。一般に回収率が下がりがち

こうして回収設備と液化設備は設置されたが、まだ “ シな小口ユーザーが多い使用状況であるにもかかわらず、ステム ” として完成はしていないという。ユーザーから回収率は95％程度と非常に高い。これは、例えば、一回収したガスをためておくカードルの数が足りないとい

旦液体ヘリウムを回収しきってから次の試料に交換するうのだ。しばらく液体ヘリウムを用いた実験が行われななど、ロスを防ぐポイントをユーザーが押さえていないい場合には、ガスとしてためておくべき量が多くなる。と、達成できない数字であるそうだ。

カードルの容量を超えてしまうと、実験に使用するわけ「昨今の世界的なヘリウム入手難の状況にあっても、ではないのに、液化機を運転して、液化しなければならJ-PARC では液体ヘリウムを用いた実験が継続できてなくなる。また、運転する側の都合で運転してためておいるのは、建設時、およびその後の長年にわたる設備維くことに限界があるので、実験に使用するタイミングに持におけるスタッフの努力と、回収に協力してくれるユー合わせて運転せざるを得ない大変さもある。今年度の予ザーのおかげにほかならない。
」と、槙田氏が強調した。

算で、ようやくカードルを買い足す予定である

予算難の中での建設前で液化し、再供給がという。

ユーザーの研究を全力で支えたいできるようになった。

2000年初頭の J-PARC 建設当初、ヘリウム回収・予算不足の中で、段供給設備を構築する必要があるか否かの議論があった。

階的に設備を増やして当時、世の中では、液体ヘリウムの需要が多く、主要なきた飯田氏と大畠氏保有国であるアメリカは広く備蓄を放出しており、価格に、「最初に一括で建設備をつくった先の運用においては、「技術力」

ガソリンスタンドの店員だと思っています。無かったらは安かったので、買って捨てればよいという向きがあっ設するのと比べ、大変に加えて「マネージメント力」がカギを握る、困る。一方で、お客さんには、他店に行くという選択肢た。一方で、荻津氏は、ひとたび保有国が放出を締めれだ っ た か ？ 」と 尋 ねと大畠氏は言う。
「限られた予算をどこにどうもある。液体ヘリウムは買って捨てればよい、と思うかば入手難の状況が訪れることを、ある程度は見越していると、「全然大変です」

割り当てて、より安定してシステムを維持するもしれない。そういうことのないように、与えられた環た。また、ヘリウムが枯渇する資源であるという観点かと、間髪入れず返ってか、常に考えることで、高い稼働率を維持して境の中で、与えられた物を使って、ユーザーの要望に応ら、再利用すべきとの見方もあった。そんな中、物質・きた。
「最初に一括できています。」との大畠氏の発言に、槙田氏が「一えることに力を尽くしています。
」と飯田氏。大畠氏も、生命科学実験施設のユーザーにアンケート調査を行った

建設すれば、我々は構方で、設備が止まる前に兆候に気づいて対処す「緊急の使用希望にも、どうしても物理的に不可能な場

ところ、設備の使用を希望する声が多く、液体ヘリウム想を示すだけで、業者るところが、技術者としての大畠氏と飯田氏の合を除き、柔軟に対応し、液体ヘリウムを供給します。
」の希望使用量は年間1万リットル以上であることが分かが責任を持ってやってすごいところ。老朽化が進む今後、中古品を多と付け加えた。

り、設備を建設する構想となった。

くれます。中古をもらってきて段階的に増やしていく場

く使っている我々の設備にとって、そうした技術力もまそして、2人は口々に、せっかくあるこの設備をぜひ

しかし、J-PARC の建設初期には加速器設備が優先で、合は、トラブルがあったときの責任は、我々が持つことすます重要になってくる。」と、すかさず付け加えた。

活用してほしいと強く訴えた。J-PARC では、回収さ予算がつかなかった。そこでまず、回収設備だけを設置が前提になります。また、増設設備の設置場所も最初かし、回収したヘリウムガスは高圧ボンベに詰めて原子力ら計画されていないので、設置可能な場所を探し出して、科学研究所が保有する液化機へ運び、液化することで運当該施設の担当者と相談しなければなりません。
」加えて、用が始まった。そこに、筑波大学の液化機設備更新に伴J-PARC 建設時に削った森林を元に戻す措置により、設この設備が、前の見開きで紹介したニュートリノ超伝い、中古の液化機を譲り受けることとなり、ようやく自備を入れるために小さな建屋しかつくれない制約もあっ導ビームラインと大きく違うところは、途中にユーザー「設備を止めずに安定に運用して、研究者に良い論文安定した運転を可能にする技術力とマネージメント力（左から）大畠 洋克 氏、飯田 真久 氏

膨張気液混合体凝縮

フロン等冷凍機蒸発す。
」と、飯田氏と大畠氏は口をそろえて語る。
「我々は、えきちんとしてもらえれば、液体ヘリウムを無償で供給している。そのことが、まだあまり知られていないのユーザーの協力があってこそヘリウム冷凍機

冷蔵庫や空調用の冷凍機
液体を書いてもらうバックアップをするのが、我々の仕事で室温ガス
気体

ヘリウム冷凍機

圧縮

高温ガス

圧縮貯液・蒸発熱

膨張（液化）

冷熱

ヘリウム冷凍機

貯液・蒸発
熱交換貯液・蒸発

液体ヘリウムのユーザー供給するシステム

精製

ヘリウム冷凍機

熱交換

液ガス混合

通して知ってもらい、ぜひ活用してほしい。

（前の見開き参照）

タービン膨張熱J-PARC ユーザーになりうる研究者に、この季刊誌をニュートリノ超伝導磁石の冷却システム

熱交換

気体

身近にあるエアコンや冷蔵庫に組込まれている冷凍機と同様にヘリウム冷凍機も冷媒の圧縮・膨張で低温を発生する。一般の冷凍機は1つのサイクルで構成されているが、ヘリウム冷凍機はタービン膨張サイクルが加わり2つのサイクルで構成されている。
また蒸発した低温ヘリウムガスと熱交換も必要になる。

放熱かもしれない。現 J-PARC ユーザー、およびこれから低温ガス

超伝導磁石

ポンプ
暖圧縮
貯蔵

液体ヘリウムユーザー利用

室温ヘリウムガス

熱液取り
液体ヘリウム

ヘリウム冷凍機で発生する寒冷によって、ニュートリノ超伝導磁石を超臨界ヘリウム経由で冷却し、供給用ヘリウムを液化している。

2020 No. 15
表紙：陽子ビームを輸送する超伝導磁石のイメージ図

低温セクションのスタッフご意見、ご感想をお待ちしております。

web-staﬀ@j-parc.jp＜ 編集後記 ＞
J-PARCの最先端の科学成果を支える極低温技術、そして設備の安定運転、さらには省エネ運転を可能にする低温セクションの技術スタッフの熱い思いに、感動しました。
J-PARCには、まだまだ知られていない魅力が、たくさんあります。これからも、この季刊誌でお伝えしていきます。

季刊誌 J-PARC No.15

2020年8月発行

発行／J-PARCセンター 〒319-1195 茨城県那珂郡東海村大字白方2-4

企画・編集／J-PARCセンター広報セクション CG制作／宮崎 剛（カシカガク） デザイン／遊文舎

http://j-parc.jp