Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

EARTH MAGNETIC FIELD AND DEMAGNETIZATION OF STEELSTRUCTURE IN THE XFEL ACCELERATOR TUNNEL
Sakuo MatsuiA), Hirohumi HanakiB), Shinsuke SuzukiB) ,Takahiro InagakiA), Hideki TakebeA), Yasuyuki TajiriC), Keita
YamazakiD), Shigetaka HirosatoD), Masafumi YamashitaC), Yusuke MaedaC), Yoshifumi TsukamotoC), Takashi OtsukaA), Noritaka KumagaiA)A)
RIKEN , 1-1-1, Kouto, Sayo, Sayo, Hyogo,679-5148
B)Japan Synchrotron Radiation Research Institute, 1-1-1, Kouto, Sayo, Sayo, Hyogo, 679-5198
C)
SPring-8 Service Co.,Ltd, 2-23-1, Kouto, kamigori, Ako, Hyogo, 678-1205
D)
TAKENAKA Corporation, 1-5-1, Ohtsuka, Inzai, Chiba, 270-1395

Abstract
The earth magnetic field was measured in the XFEL accelerator tunnel with a fluxgate magnetometer. The variationof vertical field was from –0.1G to 0.4G against the 4m length. This change was too large to cancel at the injection
section especially around an electron gun. Thus the magnetization of iron reinforcing rod was demagnetized using adegaussing system consisted of a high voltage supply, a condenser of large capacity and a coil. The variation of verticalmagnetic field was smoothed within 0.1G. The iron reinforcing rod is easy to be magnetized because the strong
electromagnet is usually used as the lifting and carrying.

XFEL 加速器トンネル内の地球磁場と鉄筋の消磁
1.

はじめにXFEL の加速器トンネルの断面内部はほぼ 4m の矩形でその外は厚さ 2m のコンクリートがあり表面から 10cm の深さなどに太さ 16mm や 32mm の鉄筋などが使われている。建設終了後フラックスゲート型磁力計で床や壁表面など測定すると向きも一定でなく強さも 1G 程度（地球磁場 0.5G）のところも多く、鉄筋などの磁化が推測された。その中で電子銃を設置する付近の上下方向の磁場が高さ 80cm のビーム軸上、長さ 4m にわたり-0.1G から+0.4G まで大きく変化していたため電子銃付近の磁場は平滑化することが求められた。そこでまず所有している空芯のコイルと直流電源で鉄筋の磁化が変化可能なことを確かめた。さらに鉄筋などの消磁専用に作られた電源とコイルにより床、壁に消磁を施した。この消磁機の基本性能や鉄筋の磁気特性などを調べ、また原因調査として工場段階での磁化も測定した。

2.

図 1.

加速器トンネル断面図と鉄筋。

屋外、トンネル内の地球磁場磁性体が近くにない場合は本来の地球磁場が観測される。加速器棟の北側屋外で１軸のフラックスゲート型磁力計（（株）ガウス製 TO-828）で測定すると磁石の北、水平から 42 度ほど下に傾けると0.49G 程度と最大になり理科年表の値に近かった。
（理科年表：姫路 大きさ=0.47G、偏角=西に 7°、伏角=48°）
図 2．トンネル内上床（40cm 分）の鉄筋。
トンネルの断面は図 1、2 に示すように鉄筋は表面に近いところにメッシュ状に埋め込まれている。
トンネル長手方向である。
加速器トンネルは東西から東回りに約７°回転し長手方向の変化を調べるため長さ 400m にわたりている。そのため図１に示す座標系 X は磁北から 高さは電子ビーム高さと同じ 0.8m、南側の壁からみると約 14 °東に回転している。Y は上向き Z は１ｍのところを 20cm おきに３軸のフラックスゲー-268-

ト 磁 力 計（MEDA 製）で測定した。（図4）上下方向の磁場は場所により 3m で 0.9G も変化しているところもある（図5）。フーリエ変換してみると 図 4．トンネル内での測定。
通り芯間隔 7.5mの倍数のところで大きくなっているのがわかる。
（図 6）

B（G)

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0.2
0.1
0-0.1
-0.2-0.3-0.4-0.5

Z=4m

BxBz
By02010.3.8. 測定

0.511.5

高さ（ｍ）

図 8．上下方向の磁場変化。

3.

鉄筋の消磁

3.1

消磁方法

マンションなどで鉄筋の磁化によりテレビのブラウン管の色ずれが発生し消磁を施すということが実際に行われていた。そのための機器として大容量のコンデンサーに高電圧で充電しコイルとのあいだで共振回路をつくり抵抗による減衰する交流電流の磁場で磁化を消すものが市販されている。今回用いたのは、東洋磁気工業（株）製(X0-A)で図 9 の設定でコイルによる磁場を測定した。

図 5．加速器棟上下方向磁場。

表 2：着脱磁電源装置、コイル。
コンデンサー

5000μF 電圧最大 900V

コイル

1m×0.7m 20 ターン
インダクタンス 0.9mH図 6．上下方向の磁場 By の周期性。
.
トンネル 400m にわたり平均した磁場と本来の地球磁場を比較した。（表１）今回の測定場所では大きさは２割程度鉄筋などにより減衰している。
表１

加速器トンネル内の磁場と地球磁場、減衰

Bx(G) By(G) Bz(G)平均（G)0.25 -0.16 0.07
地球磁場（G) 0.31 -0.32 0.08
減衰
0.2
0.5
0.1

B(G)
0.37
0.48
0.2

さらにトンネル内で南北方向（図７）、上下方向でも測定した。（図８）壁に近いと大きくなっている。測定した場所では上下の変化は小さかった。

図 9．消磁電源、コイルと電流・磁場測定装置。
0.014s1000

充電電圧設定 400V
(デジタル値 386)

711A

BxBz
By

Current(A)

B（G)

500

189G

200

Curent(A)0100‑5000B(G)B(G)

21.5Z=4m 高さ 0.8m
10.50-0.5-1 2010.3.8. 測定-1.5-2.5-1.5-0.5
0.5
1.5
南北位置X（ｍ） −南 ＋北 X=0 はビーム位置‑100‑124G0

図 7.トンネル内の南北方向の磁場変化。

図 10．

-269-

0.02

0.04
0.06
Time(s)0.08

電流と発生する磁場波形。

‑2000.1

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2 辺の長さ 2a、2b 矩形コイルの中心付近の磁場は電流を I として
I a2 + b2
B = µ0πabから 711A の時に 198G となるが実際にも 189G と近い値になっている。１回目のピークから逆方向のピークはすでに 124/189=66%と 2/3 に減衰するので場合により磁化は残ることも考えられる。
直径 10mm 長さ 140cm の鉄筋に強い永久磁石を吸着、磁化させ、図 11 のように表面から 10cm 奥に鉄筋がある想定でコイルの端面から 10cm 離して置いて消磁した。ホール素子を鉄筋に接触させて消磁前後で測定した２本の結果を図 12 に示す。鉄筋は、コイル幅 0.7m より長いが大幅に消磁できている。
ただし充電電圧が例えば 400V 程度では消磁の効果はあるが減衰の程度は低かった。

図 13. 入射部垂直方向磁場。

図 14 コイルの置き方

図 11．

着磁後１消磁後１着磁後２消磁後２806040B(G)し床に記録することで、変化を把握しながら作業をすすめることができた。
まずトンネルの南側 1/3、次に北側 1/3 を調整、さらに中央の筋を行うと調整したはずの北側、南側が少し戻っていた。正確な磁気回路が把握できない、コイルの大きさが磁気回路に比べ小さい、コイルの中に鉄筋を通すことができない、などの困難さがあり床だけでは難しくコイルをクレーンでつったりしながら北側の壁も消磁を施した。
By ばかり修正していると Bx
図 15. 壁の消磁。
が変化し再度床を調整した。

鉄筋の消磁実験。

100200-20-40-60-80-100

図 12．
3.2102030405060 70 80
位置（ｃｍ）(a)縦置き(b)横置き。

90 100 110 120 130 140 150

消磁前後の鉄筋の表面磁場。

消磁作業

入射部のイレギュラーな 1m×3m の床の By を10cm メッシュで測定したのが図 13 である。通常、磁場は床下に向かうがこの青い領域は逆であった。
当初この付近を含む領域 2m×4m を主にコイルをZ 方向に床に立てて消磁し（図 14.a）、ビーム軸である床上 80cm での磁場の改善を試みた。しかし、難しく、そこでコイルを床に密着させる横置きに変更した（図 14.b）。 消磁 と言うが実際には少し磁化が残る。この磁場は印加電圧によるのでこの電圧を細かくコントロールすることで正常なところの床の垂直方向磁場を目標にコイルをずらせながら作業をすすめた。この時、一軸のフラックスゲート型磁力計（（株）ガウス TO-828）で垂直磁場を測定

4.

結果

4.1

消磁直後

結果は図 16 のように By が大きく改善された。
Bz は変化するがビームへの影響は考えにくいので無視している。5m にわたり上下方向（By）-0.3±0.03G、水平方向（Bx）0.22±0.03G まで平滑化した。
これによりコイルで入射部数 m にわたり磁場をキャンセルすることができる。
実際には高さ Y 方向は床面、0.4、0.8、1.2m、X方向、1、0.5、0、-0.5、-1m、Z 方向は-4m から 6mまで 0.5m ごとこれらを３軸のフラックスゲート磁力計（Bartington 社 Mag-03）で測定した。XY 平面に投影した磁場の消磁前を図 17 上段、消磁後を同下段に示す。各塊の左端は Z=-4m で右に行くにつれ Z 方向下流になり右端は Z=6m の磁場を示す。

-270-

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図 18. 高さ 1.2m(a)と床面(b)での測定。

図 16. ビーム軸上の消磁前後の磁場。
高さ 0.4m 以上幅 1.5m にわたり平滑化できたことがわかる。X=1.0m の北側の壁に吸われていた部分が壁の消磁により改善できている。図 16 に示したのはこの内 X=0m、Y=0.8m の 21 本である。

図 19.

床面での消磁前、直後、2.5 ヶ月後。

-4m6m10mn

図 20.

高さ 1.2m での消磁前、直後、2.5 ヶ月後。

５．磁化の原因と非磁性鉄筋5.1 購入した鉄筋
ホームセンターで購入した鉄筋 20 本の内、端部表面の磁場が 43G あった例を図 21 に示す。

図 17. 幅 2m 高さ 1.2 m 長さ 10m の領域での消磁前後の磁束密度。
4.2

図 21

消磁後の変化

消磁後まもなく機器が据えられたため測定困難となり、また磁石など磁性体も設置されているが、測定できた点について消磁直後の値と比較した。
図 18 は高さ 1.2m と床面で測定している写真である。すでに磁場キャンセル用のコイルが設置されている。図 19 は床面で消磁直後、2.5 ヵ月後の By が赤の実線と点線で示されており改善された分がやや戻っているようにも見えるが大きな変化は見られな
い[1]。1.2m の高さでも同様である。（図 20）

鉄筋端部の砂鉄の流れでみる磁場の様子。

5.2 鉄筋の磁化特性
直径 10mm、長さ 140cm の鉄筋を円形に曲げエナメル線を 1340 回巻きギャップ 1.5mm にホール素子を挿入し１回目電流 5A（CT で測定）２回目 10Aまで流し BH カーブを測定した。直流 B-H カーブは環状鉄心法などで測定されるが鉄筋は比透磁率が低いのでギャップの影響は少なく図 22 の設定で行った。結果の図 23 で 4A での B と原点を結ぶ直線で-271-

Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)の 比 透 磁 率 は 60 程 であった。実際にはギャップを 2.0、2.5mm と拡げると 0.5mm で B は１割以上減少するので正確には磁束の拡がりを無視できないが、珪素鋼板のような電機用ではないので低く、また 0.4-0.5T の低磁場で飽和に近づいているのがわかる。

ギャップ中のホール素子

図 22. B-H カーブ測定。

図 25. 鉄筋の束の磁場測定。
が気になるところではこのような製品を使うのが得策と考えられる。SPring-8 での使用実績もある。

青 ： ± 5A
赤：±10A５．まとめ

図 23. 鉄筋の B-H カーブ。
5.3 工場での磁化工場で鉄筋を製造した後扱いやすい数ｍに切断しその後の運搬にはリフティングマグネットが一般的に使用されている。今回鉄筋工場を見学させていただき束になって運搬された後磁化の状態を測定する機会を得た。この工場ではクレーンの下部に２つの電磁石が取り付けられており鉄筋の束４つを一度に吸着し移動していた。直径 16mm 長さ 4.5m の鉄筋が移動後置かれている状態で、図 24(a)は束の表面をホール素子（F.W.BELL 社 Model 4048）で、また束の 30cm 上をフラックスゲート型磁力計で測定している様子である。（図 24(b)）

図 24.(a)鉄筋の束表面(b)束から 30cm 上で測定。
図 25 はその結果でグラフからも電磁石が吸着していた２箇所が推測できる。また直径 32mm の鉄筋の束の端部で 12 本計ると、隣だから近い値という傾向もみられず 15G から 55G までばらついた。
5.4 非磁性鉄筋
マンガン系の鉄筋で透磁率が 1.1 以下という製品があり、またステンレス鉄筋というのもある。磁化

１．加速器トンネル内で地球磁場が数 m で 0.4G 程度変化していた領域で鉄筋の消磁により 0.1G 以下まで平滑化できた。
２．２ヶ月後も大きな変化はみられない。
３．消磁作業に用いたコイルは鉄筋の磁気回路にくらべ小さく、移動して使うと先に調整したところで元に戻る傾向にあり収束に時間がかかる。
４．当初溶接による磁化を疑ったが（スタッド溶接のような場合は磁化が考えられる）、多くの鉄筋の工場ではリフティングマグネットを使って運搬する、
またその後も同様の作業が繰り返されることから建設に使用する前の段階でもすでに磁化している。
５．設計時に鉄筋の磁化が問題になるとわかっていれば非磁性の、またはステンレスの鉄筋を使用するのが得策と考えられる。
６．加速器棟の鉄筋によるシールドの効果は壁から１ｍの所で平均で大きさは２割程度減衰している。
７．鉄筋の比透磁率は測定した例で 100 程度と電機用の珪素鋼板などに比べかなり低く、飽和磁化も0.5T 程度（珪素鋼で高いもの 1.7T）と小さかった。
８．加速器棟で今回入射部で問題になるような数 mで磁場が 0.5G 程度変化する所は多い。
９．フラックスゲート磁力計はホール素子のようなドリフトなどがなく、もれ磁場など弱い磁場の測定に便利である。
フラックスゲート磁力計は消磁作業などに非常に便利な測定器でした。借していただいた JASRI 大橋裕二氏、理研 大竹雄次氏に感謝します。

参考文献[1]笠井泰彰,山本恭, 磁界の向きによるテレビ画面の色ずれ障害調査とその対策
大林組技術研究所
報 ,No66,2003.
[2]梶原曉, 消磁システムの開発 ,”清水建設研究報告”,86号平成 19 年 10 月.
[3]山崎慶太,加藤和夫, 磁界解析による鉄筋・鉄骨の脱磁方法の研究 ,”日本建築学会大会学術講演梗概集”,（北海道）,2004 年 8 月.

-272-