Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 1-3, 2017, Sapporo, Japan

PASJ2017 WEP074

J-PARC ハドロン実験施設における総重量３００トンスペクトロメータ電磁石の設置
INSTALLATION OF A GIANT SPECTROMETER MAGNET WITH A WEIGHT OF 300
TONS AT J-PARC HADRON EXPERIMENTAL FACILITY広瀬 恵理奈#, A), 髙橋 仁 A), 青木 和也 A), 小澤 恭一郎 A), 武藤 亮太郎 A), 上利 恵三 A), 家入 正治 A), 加藤 洋二 A), 倉崎 るり A), 里 嘉典 A), 澤田 真也 A), 白壁 義久 A), 田中 万博 A), 豊田 晃久 A), 皆川 道文 A),
森野 雄平 A), 山野井 豊 A), 渡辺 丈晃 A)
Erina Hirose #, A), Hitoshi Takahashi A), Kazuya Aoki A), Kyoichiro Ozawa A), Ryotaro MutoA), Keizo Aagari A),
Masaharu Ieiri A), Yohji Katoh A), Ruri Kurasaki A), Yoshinori Sato A), Shinya Sawada A), Yoshihisa Shirakabe A),
Kazuhiro Tanaka A), Akihisa Toyoda A), Michifumi Minakawa A), Yuhei Morino A), Yutaka Yamanoi A), Hiroaki
Watanabe A)A)

KEK

Abstract
Construction of a new primary proton beam line, which is called high-p/COMET beam line [1], started in 2013 at theJ-PARC Hadron Facility. The new beam line is branched from the existing primary beam line at the middle of thebeam-switching yard (SY) between the Main Ring (MR) and the Hadron experimental hall (HD-hall). A large magnet,
called the FM magnet, had been used as a spectrometer at the Tsukuba campus of KEK (with the width of about 5 m,
the height of about 4 m, the depth of about 2 m, and the weight of about 300 tons). And the FM magnet was relocatedafter expanding its gap to 1 m and adding a pole of the cone type as a spectrometer magnet of high-p beam line. I report
here the successful assembly of the FM magnet with the position precision of ±1mm.

1.

はじめに

J-PARC ハドロン実験施設において、現在、高運動量(high-p)ビームラインの建設が進んでいる。この high-pビームライン実験のスペクトロメータ電磁石として、ＦＭ電磁石が使用される[2]。この FM 電磁石は、第二次世界大戦後 1955 年に、田無核物理研究所のサイクロトロン電磁石として製造された。その後 1990 年代にＫＥＫ北カウンターホールに、スペクトロメータ電磁石として移設・改造され、実験に貢献した[3]。そして今回、さらに改造されて、J-PARC の high-p ビームラインのスペクトロメータ電磁石として活用されることになったのである。
図１にハドロン実験施設の平面図を示す。high-p ビー
ムラインは、ハドロンスイッチヤードの中間地点で分岐され、ハドロン実験ホールまで輸送される。本件の FM 電磁石は、high-p ビームライン最下流（図中の丸印）に設置され、その下流はビームダンプである。
high-p ビームライン用のスペクトロメータ電磁石の主なスペックを、表１に示す。また、完成図面を図２に示す。
FM 電磁石は、４本組の上下ヨーク、上下ポールサイドヨークが主な部品であるが、田無からＫＥＫ北カウンターホールに移設されたときに、黄色の部品のポールとサイドヨークが追加された。また、今回 high-p 用として、オレンジ色の円錐型ポールとサイドヨークが追加された。これらを表２に示す。これらの部品は、重量が一番重いもので最大２６トンである。すべての部品がクレーンを必要とする。
___________________________________________# erina@post.kek.jp- 1046 -Figure 1: The floor plan of the Hadron Facility.
Table 1: Spec of the Remodeled FM Magnet
大きさ

幅約 5m×高さ約 5m×奥行約 2m

定格電流2500 A

定格電圧500 V

巻き数168 ターン ／ 極

最大磁場1.75 Tesla

磁極間隔400 mm

磁極直径400 mm

総重量約 340 トン

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Figure 3: Setting the anchor bolt.

Figure 2: The FM magnet.
Figure 4: Installation of iron plates.

Table 2: Main Pieces of the Magnet
幅[mm] x 長さ[mm] x 高さ[mm]

重量[ton]数量

上下ヨーク530 x 5395 x 830

18.78

上下ポール青φ2120 x 399

11.12上下ポール黄φ1760 x 306

5.82コイルφ2588 x 300

2.52Ｘ

水平方向

南北南が＋、北が－サイドヨーク

1755 x 1060 x 1850

26.42Ｙ

垂直方向

上下上が＋、下が－サイドヨーク黄910 x 2120 x 235

3.34

東西

上流（西）が＋、下流（東）が－3.

電磁石組立及び設置では、方向Ｘ、Ｙ、Ｚについて、以下の表３のように定義する。
Table 3: Definition of the Direction

ビーム高さ
Ｚ

追加部品
上下ポールオレンジ

φ1560 x 714

6.32

サイドヨークオレンジ

910 x 2120 x 460

6.24

電磁石組立及び設置

ビーム方向

水平方向ビーム中心は、Z 方向中心は、床のケガキを中心として、目標精度を±1mm とする。
3.1

下ヨーク

下ヨークは、幅 5395mm × 奥行 500mm × 高さ830mm、重量が約18 トンの鉄ブロック４本から成り、おハドロン実験ホールの床の耐荷重は 30ton/m2 である。 互いがピン勘合、長さ 2m のボルト締結となっている。
総重量約 336 トンであるので、電磁石単体の面積では、 よって、Z 中心に置かれることとなる１本目が、電磁石の床 の 耐 荷 重 が 耐 え ら れな い た め 、 面 積 4520mm × 位置を決めてしまうことになるので、１本目について精度5600mm、厚さ 100mm の鉄板を敷き、床への荷重が よく設置することが必要である。図５のように、クレーンで30ton/m2 以下に分散されるようにした。この鉄板を床に 荷重を抜き、望遠鏡でＸ中心とＺ中心を見ながらジャッキ止めるため、φ42-360mm のコア抜き 24 か所を行い、 ボルトで押引きし、レベルで水平を見ながら、スペーサーM36 のケミカルアンカーを施工した（図３）。鉄板の水平 調整で水平を出した。１本目を設置した後は、１本目がを出すためにスペーサー調整を行い（図４）、床面積を 動かないようにして、他３本についてレベルを出し、ピン稼ぐため、隙間にモルタルを注入した。ＦＭ電磁石設置 勘合を行い設置した。最後に４本を連結するボルトを締場所は、400mm 深さの掘り込みとなっている。この電磁 めた。図６に設置精度を示す。どうしても最後ボルト締結石をビーム高さが 2.5m になるように設置すると、床まで すると位置が動くが、X 方向中心は、ヨークの上流端、下の高さが足りないため予め掘りこんである。よって、容易 流西端共に 0.0mm、Z 方向中心は、北端で-0.4mm, 南にモルタルを注入でき、床面積を稼ぐことができた。
端で-0.6mm の精度で設置することができた。ビーム高さについては、+0.2+0.7mm の精度となった。レベルに関しては、重量 330 トンに対して、1mm 程度床が下がることを見越して、+1mm 程度を目標に設置し、下ヨーク上面の何点かで測定して、+0.2～+0.7mm となった。

2.

床の補強- 1047 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 5: Alignment of the bottom yokes.

Figure 7: Installation of the side yokes.

3.3

Figure 6: Alignment of the bottom yokes.

3.2

サイドヨーク設置

サイドヨークは、田無核物理研究所時代は、表２のサイドヨークのみであったが、KEK 北カウンターホールに移設された際、スペクトロメータとしてギャップを拡げ、ヨーク黄が付加された。さらに今回ハドロン実験施設のhigh-p のスペクトロメータとしては、円錐型の上下ポールオレンジを付加するため、ギャップを拡げざるを得ず、サイドヨークオレンジ（高さ 460mm × 2）が付加された。位
置決めピンのない３個（サイドヨーク、黄、オレンジ）のサイドヨークを精度よく組み立てるため、分解する前に予め垂線を引いておき、その線を目安としてサイドヨークを組み立てた。最終的には、磁極側になる面について、基準となる鉄ブロックを押し当てて合わせ面を調整し、段差のないように組み立てた。
下ヨークとサイドヨークのＸ方向については、ビーム中心から、サイドヨーク内面の寸法をケガき、ケガキにサイドヨーク内面端を合わせた。また、サイドヨークのＺ中心については、図７の矢印のように、サイドヨーク上面が見える位置に南北に望遠鏡を置き、サイドヨークの上面の Z中心ケガキと、側面のＺ中心ケガキ、下ヨークのＺ中心を合わせた。サイドヨーク設置精度は、下ヨークを基準として、0～0.1mm, サイドヨーク間距離は、3898.5mm に対し、0～+0.2mm で設置できた。

ポール組立

ポールについては、北カウンターホールのスペクトロメータ時代に、高さ 399mm, φ2120mm 円形（青色）と高さ 306mmφ, 1760mm の円形（黄色）の組み合わせとして使用していたが、今回、high-p 実験からの要請で、円錐型のポールオレンジを付加することになった。円柱の場合は、それほどの精度は必要ないが、円錐になったことで、中心を精度よく合わせる必要がある。また、ヨークとポール青の間でピン勘合になっているため、ポール青で上下ヨークとのビーム中心が決まってしまう。よって、少なくともポール青とポールオレンジの中心を精度よく合わせる必要があった。そこで、ポール青については、あらかじめ上下ヨークとのピン勘合しているときにケガキ線を東西南北の十字にとっておいた。ポール黄・ポールオレンジについては、十字にケガき、ポール青・ポール黄・ポールオレンジを十字に合わせることとした。下ポールは、
図８のようにポール青についてレベルを出し、ポール黄・ポールオレンジを載せ、東西南北に望遠鏡を置き、ケガキを合わせた。クレーンで荷重を抜き、４方向に鉄ブロックを置き、鉄ブロックを重りとしてジャッキボルトで押すようにしたが、円なので、調整が非常に難しかった。上ポールの場合は、図９のように上下が反転する形で、調整を行った。
上下ポール組立精度は、図８，９の右図のように、レベ
ルは 0+0.1mm、東西南北精度は、ともに±0.4mm 以内で合わせることができた。

Figure 8: Alignment of the bottom poles.

- 1048 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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2.

3.
4.

Figure 9: Alignment of the upper poles.
3.4

下ポール・ヨーク位置合わせ3.3 で組み立てた下ポールを下ヨークにピン勘合でインストールした。Ｘ方向はピンで精度よく合わせられるが、Ｚ方向は自由度がある（図１０左下参照）。ポールオレンジの磁極中心には、φ10 深さ 15mm の孔があいていたので、図１０の中央下に示すような嵌め合いφ10 の、中心にケガキを引いたアルミ棒を立てて、先端ケガキと、下ヨークのＺ中心線を望遠鏡で合わせた。どの位置から見てもケガキが中心を示すように、アルミ棒の先端のケガキは半割とした。
最終的にビームライン中心と Z 方向中心を測定したところ、図１０右のようになり、ここまでで±0.3mm の精度で設置できた。同時に、サイドヨーク、ポールの組み立てた段階での相対的なレベルも測定しており、-0.1～+0.4mmの範囲で設置できた。

5.
6.
7.

ルは、φ2588mm、高さ 300mm の円形のコイルで重量は 2.5 トンであり、３層構造となっている。
上ポール（約 24 トン）を支えるための治具を組み立てる。治具上に上ポールを載せサイドヨークのＺ中心とだいたい合うように上ポールを合わせて置いた（図１３）。
上ヨークのＺ中心に近い２本をサイドヨークのＺ中心を合わせて設置し、サイドヨークとボルト固定する。
その状態で、上ポールを、上ヨークのサイドからクレーンで吊り、ぶら下げるようにして、上ヨークを貫通するピンを上ポールに差し込み、ピン勘合する。その後に、上ヨークからの貫通したボルト止めを行う。
そして最後に残りの２本のヨークを設置し、上ポールを完全に固定する。
上ポール支え治具を解体する。
上コイルを吊り、コイル押さえで上ポールに固定する。

ここで難しいのは、組み立てた上ポールの総重量は約 23 トンであり、これを一時支える治具を製作しなければならない。さらに、下ポールとコイルがついている状態で、治具を設置しなければならない。そこで、350mm × 150mm ×t24mm の I 型鋼で、3000mm× 2000mm の枠を作り、下ヨークに４本の足を立てて支えとした。また、円錐ポールになったということもあり、上ポールを支えるフラットな面が限られ、青ポールφ2120mm と黄色ポールφ1760mm の間の 180mm のリング状の面積に対し、同じく I 型鋼を、枠に組み立てポールを支えるようにした。さらに、上ヨーク、上ポールを組み立てた後に、最後に鋼材を外せるような構造にした。図１２に治具図面の側面図を示す。
ポールと上ヨーク、ポールと下ヨークは、位置決めピンで相対位置が決まるので、サイドヨークと上下ヨークの設置精度で、ポールの位置精度は決まる。最終的な上ヨークの、ビーム中心、Ｚ方向中心の位置精度は、図１４の通りになり、Ｘ方向ビーム中心は、Ｚ方向ヨーク端で-0.2+0.2mm, Ｚ方向中心は、ヨーク端で±0.0mmとなった。

Figure 10: Install of the bottom poles.

3.5

上ポール・上ヨーク・上コイル

上ヨークは、下ヨークと作りが同じで、幅 5395mm ×500mm × 830mm、重量が約 15 トンの鉄ブロック４本から成る。ただ、下ヨークと下ポールの場合は、下ポールを下ヨークの載せるだけのピン勘合であったが、上ヨークと上ポールは上ヨークを貫通したピンを上ポールに差し込む構造となっている。よって、次の手順で組立を行った。
1. 下コイルを設置。上コイルを下コイルの上に載せておく。図１１に上コイルを示す。表２の通り、コイ- 1049 -Figure 11: Upper coiles.

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 ビーム高さ：
高さ寸法 2500mm に対し、-0.1～+0.4mm
 Ｘ方向ビーム中心：
床ケガキ線に対し、ヨーク上流端で、+0.3mm
ヨーク下流端で、-0.3mm＋は南側、－は北側を示す。
 Ｚ方向中心：床ケガキ線に対しヨーク南端で-0.6mm
ヨーク北端で-0.4mm－は上流側を示す。

Figure 12: The front view of the pole support.

 上下ポールのギャップ寸法：
φ400mm の円の東西南北端を測定し、それぞれ基準
寸法 400mm のギャップに対し、+0.40, +0.32, +0.38, +0.36[mm] サイドヨーク間距離：
サイドヨーク間寸法 3898.5mm に対し、
0～+0.2mm
ビーム高さについては、床が 1mm 程度沈むことを予測して高めに組み立てていったところ、いいところで、落ち着いてくれた。

Figure 13: Installation of the upper yokes, and theupper poles.

図１５のように、幅約５ｍ、奥行き約２ｍ、高さ約５ｍ、総重量約３３６トンの大型電磁石に対し、Ｘ，Ｚ方向中心、ギャップ共に目標精度よりもよい精度で設置することができた。
今後は、この電磁石の詳細な磁場測定を行い、実験機器を取り付けていく予定である。

Figure 14: Pin between the upper pole and the upperyoke. And alignment of the upper poles.

4.

まとめ
幅約５ｍ、奥行き約２ｍ、高さ約５ｍ、総重量約３３６トンのＦＭ電磁石について、目標±1mm の設置精度
Figure 15: Installation of the FM magnet for the high-pを目指し、移設を行った。工事期間約５か月に渡って、 beam line.
主要な部品２６部品に対し、１つ１つを組み立てるごとに、ビーム軸、Ｚ軸、レベルを確認しながら注意深く組参考文献み立てていった。
最終的な設置寸法を測定したところ、以下の通りと [1] H.Takahashi, Nuclear Physics A 914 (2013) 553–558.
[2] http://j-parc.jp/researcher/Hadron/en/pac0606/pdf/p16-Yokkaichi
なった。
2.pdf
[3]

- 1050 -M. Sekimoto et al, Nucl. Instrom. Meth. A516 (2004) 390-405.