HL-LHC計画とKEKにおける超伝導磁石開発
高エネルギー加速器研究機構
超伝導低温工学センター
中本 建志

2022年9月7日 高エネルギー加速器セミナーOHO'22『超伝導電磁石技術』

講義内容
前半： 基礎的な“いろは”• 加速器用超伝導電磁石の設計、構造、製作
後半： ケーススタディ• LHC最終ビーム収束用4極磁石： MQXA
• J-PARCニュートリノビームライン磁石： SCFM
• HL-LHCビーム分離用大口径双極磁石： MBXFLHC最終ビーム収束用4極磁石： MQXACERN-LHC: Large Hadron Collider

周長27kmCERN-LHC: Large Hadron Collider

ATLAS実験：日本が参加

陽子と陽子の衝突

質量の起源：ヒッグス粒子の発見
宇宙の起源：暗黒物質の発見

周長27kmCERN-LHC: Large Hadron Collider• 周長: 26.7 km• 入射エネルギー(SPS): 450 GeV• p + p Collision Energy:• 7 + 7 TeV (design)
ヘリウム漏洩事故 (2008)• 4 + 4 TeV (2012)
磁石間接続、安全対策 in LS1 (2013-2014)• 6.5 + 6.5 TeV (2016)• 設計ルミノシティ: 1 x 10 34 cm-2 sec-1• キーテクノロジー： 超伝導磁石、低温技術• 2 in 1 main dipole at 8.3T: 1232 magnets• 超流動ヘリウム冷却： 100トン, 1.9 K• 冷却重量: 35,000トン• ヘリウム冷凍機プラント： 40MW
• LHC建設費： > 5000 MCHF
• 日本は1995年からLHC建設参加• ビーム衝突点四極磁石• ATLAS検出器

LHC: アーク部と直線挿入部（衝突点）•8 Arcs– 23 * a single cell: a FODO lattice (90° phase advance)– A single cell includes: 6 dipoles + 2 quads.
– Two beams separated by 194 mm.
• Concept of “2 in 1” dipole and quadrupole magnets••

Dispersion Suppressor
8 LSS (~530 m)– 4 experimental insertions– 1 for beam accelerations (RF)– 2 for beam collimation– 1 for beam dump

日本の貢献
最終ビーム収束用四極磁石
Q1 & Q3 (MQXA): 高エネ研（16台）
Q2a & Q2b (MQXB):米国フェルミ研（16台）
磁場勾配 = 215 T/m, コイル口径 = 70 mm
磁石長さ= 5.5 or 6.37 m, 運転温度=1.9 K
誤差磁場 < 1 unit (10-4)
ビームからの入熱（放射線）： ~ 10 W/m~9T

量産磁石製造：東芝
超伝導ケーブル：古河電工
精密打ち抜き：アキタファインブランキング
電気絶縁： 有沢製作所

高エネ研担当磁石の名称
TASB

Q3
DFBX

MCSOX
a3a4
b4

Q2

Q1

MQXA

MQXB

MQXB

MQXA

6.37

5.5

5.5

6.37

MCBXA
MCBXH/V
b3b6

2.985

MQSX

1.0

2.715

MCBX

MCBX

MCBXH/V

MCBXH/VIP

Inner Cable

MQXA磁石の特徴• ４層コイル構造– ２層のダブルパンケーキコイル– ２種類の超伝導ケーブル• Inner & outer SC cables• 磁場の低い外側の電流密度を高く• 非磁性鋼スペーサーカラー– High-Mn 鋼（JFE）• 透磁率が低い＆安定• 鉄ヨーク– 水平分割構造– キー止め構造• 超伝導コイルへの予備応力 & 機械支持構造• シンプルかつ経済的な組立→ EFE-X（JFE）• 低炭素鋼＋高強度（耐力220MPa以上）• 高精密打ち抜き（アキタファインブランキング）– スペーサーカラー＆鉄ヨーク
公差20~50µm以下での大量打ち抜き

Outer Cable

In InOutOutOutIn

主要設計パラメーター

定格磁場勾配215 T/m
コイル内径70mm
鉄ヨーク直径470 mm
ヘリウムベッセル 490 mm
磁場長6.37 m
コイルピーク磁場 8.63 T
定格電流7150 A
運転負荷比
81 %
インダクタンス
87.9 mH
磁気エネルギー 2.24 MJ
電磁力（1/8コイル）
ΣFx
1.19 MN/mΣFy-1.37 MN/m

1mモデル磁石（5台）の所内開発

所内開発
設計、部品調達、治具開発、モデル磁石製作、試験量産メーカーへ技術供与・量産※構造仕様

KEK内部での協力体制
・超伝導低温工学センター
・機械工学センター
・加速器研究施設

モデル磁石の試験結果：トレーニングクエンチ• Reach to 250 T/m for 1st model.
• Exceeding 230 T/m for all models.
• Coil design change for 3rd model and later.
• Training memory after the thermal cycle.

・誤差磁場を10-4まで抑える・優れたクエンチ性能

モデル磁石のまとめ
1-m Model

Full-scale
Proto#Electromagnetic
DesignNotes

b61

Original

Reach
250 T/m-0.79 -0.93

2

Repeat3

Re-optimize

b10
Reoptimized(0.32)

b10
KEK(-0.98)-1.62 -0.90

KEK-0.72 0.03

KEK(Toshiba)(0.15)(0.00)

4

Reproducibility-0.77 0.00

KEK

5

Reproducibility-0.81 0.01

Toshiba-0.56 0.01

Toshiba12

RepeatProduction 1- Shim correction
19両立！！

Toshiba

b6

0.13

0.00

ToshibaRe-tuned

Achievement

1-m model reached: 250 T/m
Full-scale prototypes: Multiple tuned << 10-4

MQXA量産機： コイル巻き
線”構造仕様”による製造

Courtesy of TOSHIBAMQXA量産機： カラーリング

Courtesy of TOSHIBAMQXA量産機： カラーリング

Courtesy of TOSHIBAMQXA量産機： ヨーキング

Courtesy of TOSHIBAMQXA量産機： シェル溶接

Courtesy of TOSHIBAMQXA量産機： 磁石の完成

Courtesy of TOSHIBAMQXA量産機： 冷却励磁試験
・1.9K超流動ヘリウム冷却試験
・トレーニングクエンチ
・磁場測定
・耐電圧試験
Bore Inner Tube
Insulation in Vacuum
Bore Outer TubeHe I 4.2K
λ-Plate1m Model Magnet
Heat Exchanger
Void Capacity
Rotating Coil
Pressurized
He II 1.9K
Insulation in VacuumMQXA量産機でのクエンチ特性のまとめ
Bore modification

8000

Quench Current (A)230 T/m

7000 215 T/m
Thermalcycle

Thermalcycle

Thermalcycle

6000
QuenchNo Quench

MQXA-12354 2b 7

69810

5000

11
1st T.C.

121311 15 16 17 18 19
2ndT.C.

14

Quench Sequence

12Straight-Section
Lead-End
Return-End

108.0
6.0
4.0

All magnets reached 230 T/m.

#19

#18

#17

#16

#15

#11

#14

#13

#12

#10#8#9#6#11(1st)Magnet Number

#7

#4

#5

#3

#20.0

#2b2.0#1

Number of Quench Training

14

MQXA量産機： 磁場勾配、磁場長19 units of MQXA
Current(A)

Field Gradient (T/m)

Magnetic Length (m)AverageStandard
Deviation

AverageStandard
Deviation

392.3

12.4450.00966.36320.00482011.363.4750.02006.36420.00103207.9101.010.0341

6.36420.00096134.4186.530.0581

6.36700.00096677.3201.730.05876.36750.00107227.9217.070.0651

6.36790.0012

再現性の高さ（10-4程度）＝部品や組み立ての精密さ

MQXA量産機： 誤差磁場（多極成分）@216T/munits : 10000 ´
0.2

10.1

00-1-0.1

Multipole-coefficientsan, units

Skew 2-2-0.2
a3a4

a5

a6An , Bn
Quadrupole（B2）

a7a8

a9

a10

b7

b8

b9b10

Multipole coefficientsbn, units

Normal20.2

10.1

00-1-0.1-2b3

楕円変形に起因

b4b5b6-0.2•ノーマル８極成分のみ大きい•要求よりも充分小さい•コイル形状の標準偏差は20µm以下を達成

LHCが設計以上の性能を発揮する一因

トラブル1: ターンショート

Turn short at 1st turn of 2ndlayer: Proto #2

Quench History of Proto#1

Turn & layer short of Proto #1

同じ問題？

アクション： エンドスペーサーの設計変更
2.02°

8°

End spacer for
1st turn, 1st layer
Old

内径面周長が外径より短い（等周条件を満たさない）
ケーブルがポップアップ
2層目コイルにダメージ

New

等周条件を満足するエンドスペーサー以降は再発していないトラブル2: 対地電気絶縁の損傷
クエンチの際、ガスが絶縁フラップで封じられ、圧力上昇 → 損傷

Heガス

積層カラースタック：
ガス抜け用狭隘なギャップ

Cold Tube
ガスが周方向に移動できるよう改良

He
ガス

冷却試験後のMQXA02のボア内の様子

アクション: 対地絶縁にガス用抜け穴を導入•縁面距離、耐電圧試験の仕様を考慮。
•全ての磁石は耐電圧試験に合格。
•適用以降、 問題再発はない。

絶縁の改造： コイル側絶縁シートにガス用抜け穴を導入

トラブル3: ボアチューブの変形によるクエンチ増加
Bore modification

8000

Quench Current (A)230 T/m7000215 T/m
Thermalcycle

Thermalcycle

Thermalcycle

6000
QuenchNo Quench

5000

MQXA-12354 2b 76981011
1st T.C.

12Quench Sequence

Cold tube(anti-vessel)1314

11 15 16 17 18 19
2ndT.C.

Bore Tube Modification

Spacer b/w
Warm &Cold Tube

Warm Tube
強力な磁場勾配のため僅かな芯ズレをきっかけにチューブ(SUS316L)に偏心力が発生： 100N/m (at 3mm, 215T/m)
常温部からコイルに熱流入し、クエンチ

Fixing Bracket
for Cold Tube

J-PARCニュートリノビームライン磁石： SCFM

Tokai-to-Kamioka (T2K) Long Baseline
Neutrino Oscillation ExperimentJ-PARC and Neutrino Beam Line for T2K exp.
SC Magnet System forProton Beam Transport

MRP Beam
0.75MW, 50GeV

Target Station and Decay
Volumen to SK•『建設費削減』、『開発・建設期間の短縮』の強い要請
Original optics based on FODO latticevs.
New optics with ”Combined Function” magnets

Sc Combined Function Magnet, SCFM
第1案
• BNL-RHICタイプの二極、四極超伝導磁石• 20 Dipole• 20 Quadrupole>> 40 magnets>> 120 coils• 2種類の製造ライン

FB

DBeam

RHIC like Dipole

RHIC like Quadrupole

SC Busbar
Iron Yoke

第2案• 機能結合（複合磁場）型超伝導磁石: SCFM• 28 magnets, 56 coils• 1種類の製造ライン

Stainless
Steel Shell(SHe Vessel)
Lock Key

B+DBeam

Yoke StackTube

コスト削減と工期短縮を実現

B+F

L/R Asymmetric
CoilPlastic Collar

SC Combined Function Magnet

Neutrino Beam Line with SCFM
• 14 Doublets• 13 Interconnets• 4 Profile Monitors• 5 Position Monitors• 3 Steering Magnets• 4 Quench Valves~150m

SC Combined Function Magnet

Pole

2+5 Blocks, 41turns

Spec. for 50 GeV proton beam
Coil ID.:
173.4mm
Op. Current:
Mag. Length:3300 mm
Op. Margin:
Mech. Length: 3630 mm
Inductance:
Tmax:< 5.0KStored Energy:(Supercritical Helium Cooling)# of Magnet:
Dipole Field:
2.59 TSC Cable:
Quad. Field:
18.6 T/m
Field Error:< 10^-3 @ 50mm
• コイル内ピーク磁場： 4.6 T at 50 GeV.

7345 A
72%
14.3 mH
386 kJ
28
NbTi/Cu
Rutherford Type Cable
for LHC Dipole Outer-L•”1パス”のビームライン用磁石であるため、磁場精度は10-3 程度。

•30GeV運転では、負荷率50%以下。

ロードラインカーブとB1/B2比の電流依存性

磁石開発

BNL RHIC磁石を参考＜方針＞• 予備応力、機械支持： 鉄ヨークをキー止め• 左右非対称コイル• プラスチックカラー（フェノール樹脂）の採用。対地絶縁用ポリイミドは使用しない。
＜設計＞• ピンにより巻線マンドレルに位置決め• プラスチックカラーにより、鉄ヨークに対するコイルの位置決め（三角ノッチ、ピン形状）
Ø ヤング率、周長の違いØ 非対称コイルサイズ制御

磁極周長短
ヤング率低

高磁場側コイル

周長長
ヤング率高低磁場側コイル

ShimOversize@LowField
1.0 mmプラスチックカラー
ガラス繊維強化フェノールプラスチック（モールディング成形）

ShimOversize@High-Field
0.7 mmフォーミングブロック
巻線マンドレルとピンで位置決め

鏡対称となる上下コイル

Test Results
Iop = 7345 A @ 50 GeV (and Imax = 7,700 A) reached with no quench.
Installation into
vertical cryostat

Record of Excitation
current
I = 7435 A, 7700 A

Field quality meets optics
requirements.
No feedback to the design forseries production.
Measurement Computation
Current (A)74607345
B1 (T•m)
8.906
8.712
B2 (T•m)
3.127
3.120-4B3 (T•m)-220.6*10-293.6*10-4-4B4 (T•m)-5.9*10-20.1*10-4-4B5 (T•m)-51.9*10-30.6*10-4B6 (T•m)-75.2*10-4-62.8 *10-4-4B7 (T•m)-44.6*10-20.9*10-4B8 (T•m)-74.5*10-4-32.0*10-4-4B9 (T•m)-79.9*10-73.4*10-4-4B10 (T•m)-13.8*10-0.3*10-4• Fast ramping up to 7345A: No quench at 1000 A/s (P/S limit).
• No training quench at the 2nd cold test after thermal cycle.
Participating members•••

32台の実機磁石を製造、試験。
7700 Aまでクエンチなしで到達仕様を満足する磁場性能。高い再現性。

J-PARC Neutrino Beam Line••

28台のSCFM磁石をニュートリノビームラインに設置。
これまで安定したビーム運転

Construction Completed in Dec. 2008
Hardware Commissioning Jan~Mar. 2009
Cryogenics Building

SC Magnet Beam Line

Cryogenic System

HL-LHCビーム分離用大口径双極磁石： MBXF

Technical limits tolumi increase(Machine &Experiments)

HL-LHC Design Study(FP7-HiLumi) started in2011.

HL-LHC: High Luminosity LHC
Target: 3000 fb-1, 5x1034 cm-2 sec-1(Nominal LHC: 300 fb-1, 1x1034 cm-2 sec-1)Ultimate: 4000 fb-1, 7.5 x 1034 cm-2 sec-1

現行最終ビーム収束4極磁石の放射線ダメージ
Prediction fornominal LHC
at 300 fb-1
外部HeII熱交換器
ルミノシティをリミット

IPQ1

Q2aQ2bQ3

ルミノシティ増強のためのシナリオ
July 20, 2015

N n f
L =γ
R
4πε β

• New IR magnets• 大口径超伝導4極磁石： Nb3Sn（世界初）• ビーム分離用超伝導2極磁石 D1• 新しいビーム光学、レイアウト• Achromatic Telescopic Squeeze• ビーム公差角の拡大• 幾何的衝突効率の向上 If not, x 1/2.8
Fig. 28. HL-LHC luminosity evolution as a function of time, for a single fill, without (red), and with• upクラブ空洞の導入（陽子では世界初）
leveling at a pileof 140 events per crossing (blue), compared with the LHC design (black). An
inelastic pile-up cross-section of 85 mbarn is assumed for the mapping between number of pile-up
events and luminosity, while a total cross-section of 100 mbarn is adopted for evaluating the protonburn off rate during the store.

• パイルアップ対策• ルミノシティを5x1034にレベリング
Luminosity (1034 cm-2 sec-1)

High Luminosity Large Hadron Collider Downloaded from www.worldscientific.com
Y ACCELERATOR HIGH ENERGY ACCELERATOR (KEK) on 11/07/15. For personal use only.

IT quads and D1page 8989

• ビームサイズの縮小 x 3.7

Geometric reduction factor

IP

Chap04-section4

The HL-LHC Accelerator Physics Challenges

2IT quads and D1

World Scientific Review Volume - 9.75in x 6.5inx 5.5• ビーム電流の増強• LHC Injectors Upgrade (LIU)• エミッタンスを小さいままで

Beam current2
b b revr*nBeam Size
Energy$θ σ !
R = 1 / 1+ && c *z #% 2σ "10:28

Fig. 29.

“Levelling Scheme”

Ope. Time (hour)

HL-LHC luminosity evolution as a function of time, during several length-optimized fills

HL-LHC最終ビーム収束部超伝導磁石システム

Connection to LHC (UL)

Service gallery (UR)

DFHM

DFHX

SC Links

Q2b

DFX
DFM

D1CPQ3

Q2aQ1

TAXS

突点衝ムービ

MBXF for D1• ATLAS, CMS衝突点の磁石システムをアップグレード• 超伝導磁石の高性能化： 大口径（70mm à 150mm）、強磁場• 最先端技術: Nb3Sn超伝導線, 超伝導クラブ空洞• 日本の貢献： ビーム分離用二極磁石（MBXF）を7台製造、試験評価しCERNに提供

Design Parameters
A series production (7m) MBXFS3 (2 m)Coil aperture
150 mmField integral
35 T m
9.5 T mField (3D)
Nominal: 5.60 T, Ultimate: 6.04 T
Peak field (3D)
Nominal: 6.58 T, Ultimate: 7.14 T
Current
Nominal : 12.11 kA, Ultimate 13.23 kA
Operating temperature
1.9 K-4
Field quality<10 w.r.t B1 (Rref=50 mm)
Load line ratio (3D)
Nominal: 76.5%, Ultimate: 83.1% at 1.9 K
Differential inductanceNominal: 4.0 mH/m
4Conductor
Nb-Ti: LHC-MB outer cable
8← NbTiダイポールで最高Stored energy
Nominal: 340 kJ/m13
Magnetic length
6.26 m1.67 mCoil mech. length
6.58 m2.00 m
4 blocks
12ton
Magnet mech. length
6.73 m2.15 m44 turns 19135 W (Magnet total)
Heat load← 瞬間ルミノシティと相関
2 mW/cm3 (Coil peak)Radiation dose
← 積分ルミノシティと相関> 25 MGy

技術的チャレンジ• 大口径： コイルサイズ、予備応力の制御• 鉄の飽和による磁場性能への影響• 耐放射線性能、除熱性能： 素材開発。冷却の確保。

トレーニングクエンチ
7mプロトタイプ

2mモデル磁石70
MBXFS1.QA043

60

Inom Iult

Variation of coil stressat collar pole (MPa)

Variation of coil stressat collar pole (MPa)6050Pre-stress=65 MPa

4030
20100050

2Pre-stress=65 MPa

4030

100

2150

30
201010050

100

150

70
MBXFS1b.QA147
MBXFS2.QA11560

MBXFS260

Inom Iult

10102222200160

I (kA I) (kA )Inom Iult
組み立て時の予備応力が不十分な予備応力を改善し、目標電流に到MBXFS3.QA028
MBXFS2.QA115MBXFS260ため、励磁途中で抜けてしまった。
60達しても余力が残っている。
7070

MBXFS2200

MP3050150120160401040 100 80

2100200 50

120

ANSYSによる応力計算結果

50200260

20080

15030040

MBXFS3.QA028

302000I (kA )

70

Pre-stress
40=111MPa

4002005050

I (kA )

tressa)40

常温までの昇温

2070

MBXFS16050

トレーニング性能が改善
22
I (kA )

70
MBXFS1.QA043

Inom Iult

MBXFS1b.QA147

受け入れ基準500

トレーニング性能に問題

MBXFS1Stress (MPa)

Variation of coil stressat collar pole (MPa)70200000

MBXFS150Yoking

Pole100150200
Ke2yCooSheE2liilnse ) lng xcitatio
I (kArt.
nMBXFS1の課題： 端部コイルの変形
Oversize
Wet-winding
Cable deformation

MBXFS1RE9 RE8Max displacement
3.4 mm in MBXFS1
à ~1 mm in MBXFS2RE7 RE6 RE4 RE2 RE1RE5 RE3Taper shim

Axial pre-load

Gap filling

MBXFS1MBXFS1b

MBXFS2MBXFS3

Oversize of end spacers
wrt MBXFS1 (mm)

–0.9

1.14

1.14

Wet-winding

NoNoYesYes

Tightening torque of bullets (Nm)14142024

Axial pre-load per coil end (kN)––30 – 43

25 – 40

Additional shim on end saddle–––t0.7 mm at max

Gap filing with epoxy resin

NoNoNoYes

MBXFS1の課題： 端部コイルの変形
Oversize
Wet-winding
Cable deformation

試験後の目視観察
MBXFP1RE7 RE6 RE4 RE2 RE1MBXFS1 Top coil

RE9 RE8RE5 RE32B

2A
1A

1B

3A 3B

Taper shim

Axial pre-load

Max displacement
3.4 mm in MBXFS1
LEà ~1 mm in MBXFS2

4A

Gap filling
3A
2B

1A

3B

2A

1B
MBXFS1MBXFS1b

Oversize of end spacers
1Awrt MBXFS1 (mm)–1B

0.9Wet-winding

NoNo3AYes 3B

Tightening torque of bullets (Nm)14142024

Axial pre-load per coil end (kN)––30 – 4325 – 40

Additional shim on
1Aend saddle– 1B–NoNo

REGap filing with epoxy resin

2A

2A

MBXFS2MBXFS3

2B
1.14

1.14
Yes

– 3B t0.7 mm at max
2B
3A
NoYes

磁場特性： 鉄の飽和の影響
MBXFP1の磁場測定結果
Magnet Center

OPERA3Dによるb3の長手方向分布
ROXIE2Dによるb3の電流依存性~9 unit• 低電流ではコイル配置を反映。
• 4kAを超えると鉄の局所的な飽和の影
響で変動する。

• 3kAでは、 b3の分布がコイルの端部形状を素直に反映される。ピークは端部に限定。
• 定格電流12kAでは、磁化の飽和する範囲が3次元的に拡大するため、端部から2m近くまで b3が侵食してくる。

Integral

Cal.

Meas.

Cal.

Meas.

b3-4.92-8.51-6.54-12.66

b54.88

6.68

4.77

6.45

b70.75

0.98

0.30

0.50

b90.981.35

0.460.75

b110.04-0.06-0.17-0.24

b13-0.78-1.03-0.80-0.96

b15-1.33

-1.52

-1.30

-1.38

• b3では計算との不一致が残ってしまう。3次元の飽和の影響を正確に予測することは困難。
• b7以上の多極成分では、非常に良く一致している。
• 実機磁石向けにコイル設計を微調整し、b3及びb5を修正する。

耐放射線素材の開発••

G10CEBTBMIJAEA Takasaki. 60Co at 14-16 kGy/hr.
Irradiated in vacuum at RT, evaluated at RT.

After irradiation of 13 MGy

BT GFRP製ウェッジ部品• 通常使用するG10 (エポキシベース)は10 MGyにおいて、すでに顕著な劣化が見られる。.
• 新規開発したGFRP(CE&Epoxy, BT, and BMI) はいずれも、100 MGyまでほとんど劣化が見られなかった。

MBXF磁石開発には BT樹脂S2ガラスGFRPを採用

Flexural strength test （G10, 30MGy）

冷却設計

ヨークスタック
積層率98%

HL-LHC
4極磁石Q2ビームシールド（タングステン）~3mW/cm3

HeII共通冷却チャンネル（カラーとヨークの層間をつなげる役割）

HeII
HX 1.9K

カラースタック
積層率96%
径方向ギャップ
1.9mm ビームチューブ

絶縁、ブラスシュー→冷却をブロック• 衝突点からのデブリによる入熱： ~2 mW/cm3 at 5 x 1034 cm-2 s-1 for D1• 目標： コイル温度をHeII冷却が期待できるラムダ点（2.17K）以下に抑える• HeII熱交換器までのコンダクタンス確保が重要
Ø 積層率： 96-98%
Ø 径方向ギャップ1.9mmでのHeII冷却が期待できる単層コイルを採用• 連結する他の磁石とも熱負荷をバランスさせる必要
Ø 長手方向へのフリーエリアの確保： >100cm2 for D1

180 cm2を確保