超伝導技術が切り拓く
粒子加速器・物理実験のフロンティア

山本 明 (KEK/CERN)
OHO-22, 「夜話」 2022-9-7

A. Yamamoto, 2022/9/7

1

アウトライン• はじめに• 加速器における応⽤• 超伝導(電)磁⽯• 超伝導⾼周波加速空洞• 粒⼦検出器における応⽤• 透明な磁⽯、応⽤の広がりーーーーー• 夜話トピックス̶宇宙観測への超伝導技術応⽤:• 「南極周回気球・超伝導スペクトロメータによる宇宙起源反粒⼦探索」• 未来への夢
A. Yamamoto, 2022/9/7

2

アウトラインOHO’22 における講義• はじめに• 加速器における応⽤• 超伝導(電)磁⽯• ⾼周波加速空洞• 粒⼦検出器における応⽤• 透明な磁⽯、応⽤の広がりーーーーー• 夜話トピックス̶宇宙観測への超伝導技術応⽤:• 「南極周回気球・超伝導スペクトロメータによる宇宙起源反粒⼦探索」• 未来への夢
A. Yamamoto, 2022/9/7

3

アウトラインOHO’22 における講義• はじめに• 加速器における応⽤• 超伝導(電)磁⽯• ⾼周波加速空洞• 粒⼦検出器における応⽤• 透明な磁⽯、応⽤の広がりーーーーー• 夜話トピックス̶宇宙観測への超伝導技術応⽤:• 「南極周回気球・超伝導スペクトロメータによる宇宙起源反粒⼦探索」• 未来への夢
A. Yamamoto, 2022/9/7

4

アウトラインOHO’22 における講義• はじめに• 加速器における応⽤• 超伝導(電)磁⽯• ⾼周波加速空洞• 粒⼦検出器における応⽤• 透明な磁⽯、応⽤の広がりーーーーー• 夜話トピックス̶宇宙観測への超伝導技術応⽤:• 「南極周回気球・超伝導スペクトロメータによる宇宙起源反粒⼦探索」• 未来への夢
A. Yamamoto, 2022/9/7

5

感謝
加速器科学・素粒子実験推進への超伝導技術開発の先駆者

n

平林洋美先生( ~ 2008)

A. Yamamoto, 2022/9/7

年

KEK:超伝導技術による達成

1983 ~

KEK-PS ビームライン（平林）スペクトロメータ磁石

1986 ~

KEK-TRISTAN 加速空洞（小島）ビーム収束磁石、粒子検出器磁石

1999 ~

KEK-B B factory 空洞、磁石

2008 ~LHC ビーム収束磁石、粒子検出器磁石
HL-LHC 偏向磁石

2009 ~

J-PARC ビームライン磁石

2010 ~KEK Compact Energy Recovery Linac
STF SC Linac (for preparing ILC)n

小島融三先生( ~ 2008)

6私自身の「加速器・物理実験への超伝導技術応用」の取り組み
Year

1980s

1990s

2000s

2010s

Project

Hosted by

KEK-PS SC (p1) beamline
TOPAZ solenoid for TRISTAN

KEK
KEK

BESS solenoid ballooning in Canada
Muon g-2 storage ring
WASA solenoid
Belle detector solenoid (assist)
MEG solenoid
LHC-IRQ,accelerator
LHC-ATLAS detector solenoid
BESS-Polar balloon in Antarctica
SC p-beamline for T2K v-beam (assist)

NASA/ISAS
BNL
Uppsala
KEKTokyo/PSI
CERN
CERN
NASA/ISAS
J-PARCSRF R&D & STF linac (S1-Global)
ILC Global Design Effort
Muon g-2 ring, moved and revived

KEK
ILC/GDE
Fermilab

A. Yamamoto, 2022/9/7

7Advances in Particle Accelerators based on SC Technology
超伝導技術を基盤とした粒子加速器の飛躍的発展：LHC

Ph. Lebrun, JUAS-2019

Lawrence

１９３２:

1st Cyclorotron

LHC: based on Superconducting Technology(LBL)

２００８; Large Hadron Collider (CERN)

-

Diam.

0.13 m,

-

Diam.

９ｋｍ,

-

Energy８０ keV-

Energy:7 à１４ TeV-

Factor: 9 km / 0.13 m :> 6.9 x 104

14TeV / 80keV :> 1.8 x 10 8

A. Yamamoto, 2022/9/7

8

Circular/Linear Collider Accelerators realized
円形・直線衝突型粒子加速器の進展

衝
突
#
$
%
&
'

Centre-of-mass collision energy (GeV)

100000
10000

Colliders withSC Magnet & RF

Hadron Colliders
Electron-Proton Colliders
Lepton Colliders
Heavy Ion Colliders

LHC p-pColliders w/ SC magnets（超伝導磁石）Tevatron

1000

SppS

100

ISR

10

SPEAR

1

ADONE
VEPP 2
PRIN-STAN

0.1
1960

1970

HERA

PETRA

DORIS

LHC lead-lead

PEP

RHIC

SLC LEP II
TRISTAN

CESR

KEKB

超伝導化
1980

1990

Super-KEKB

Colliders w/ SRF system（超伝導高周波)Courtesy, A. Ballarino

2000

2010

2020

Year
A. Yamamoto, 2022/9/7

1980年代以降、超伝導磁石、超伝導加速空洞応用が飛躍的に発展

9

E. Todesco, P. Ferracin, JUAS-2019

Particle Accelerators based on Lorentz Force
電磁気力 (Lorentz Force) を基盤とする粒子加速器• Principle of circular accelerators:• Particles accelerated n the same circular orbit, multiple times,
according to Lorentz Force: F = e( E + v x B)
• Particles accelerated ® momentum, P , increased® magnetic field increased (“synchro”) to keep the particles
on the same orbit of curvature r• Electro field accelerates particles
電場で直線加速

F=eE

LSS
Arc

LSS

Arc

＿
＿
＿
衝突

LSS

Arc

Arc
LSS

• Magnetic field steers the particles in a ~circular orbit
磁場で軌道制御
A. Yamamoto, 2022/9/7

F=evxBp = eBr
Constant12超伝導材の進展

NbTi

Material

Tc
[K]

Bc(0)
[T]

Bc1(0)

Bsh(0)

Bc2(0)

[T]

[T]

[T]

Nb

9.2

(0.25)

0.18

0.21

0.28

NbTi

9.2 ~9.5

--

0.067

--

11.5 ~ 14

Nb3Sn

18.3

(0.54)(0.05)

0.43

28 ~30MgB2

39(0.43)(0.03)

0.31

39

YBa2Cu3O7

92

0.01

100

94

0.025

>100/301100.0135>100/30(REBCO family)

Bi2Sr2Ca1Cu2O8(BSCCO-2212)

Bi2Sr2Ca2Cu3O10(BSCCO-2223)

Application

A. Yamamoto, 2022/9/7

RFMagnet13

Courtesy, CZ. Antoine, H. Padamsee

Superconducting Phases and Applications
超伝導状態に応じた応用•

Mixed state with Vortex

SC Magnet à Mixed stateby （混合域）(i.e. N. cond. flux line + screening current)• Bc2 : reaching high field•••

NbTi (Bc2, Tc) :Nb3Sn (Bc2, Tc) :11.5 T, 9.5 K
21.5 T , 18 K

BC2

超伝導磁石

SC RF à Meissner state+ （純超伝導域+）•

Bsh : Limit Meissner +•Nb (Bsh) :•Nb3Sn (Bsh) : 430 mT

Bsh
BC1

超伝導空洞

210 mT
Meissner stateTC

T

Screening current over l, no mag. field deeper

A. Yamamoto, 2022/9/7

B

E

14

アウトライン• はじめに• 加速器における応用– 超伝導(電)磁石・– 超伝導高周波加速空洞• 粒子検出器における応用– 透明な磁石、応用の広がりーーーーー– 夜話トピックス—宇宙観測への超伝導技術応用:• 「南極周回気球・超伝導スペクトロメータによる宇宙起源反粒子探索」• 未来への夢
A. Yamamoto, 2022/9/7

16

Progress in SC Magnets for Collider Accelerators

Tevatron-D.

2020

2000

1980

超伝導（ 磁石）加速器の発展

HERA-D.

RHIC-D.

LHC.D (NbTi)

Main
DipoleNot inscale

ISR-IRQTRISTAN/KEKB-IRQ

LHCC-IRQ (NbTI)

IR
Quad.
A. Yamamoto, 2022/9/7

17

KEK 加速器 における超伝導磁石応用の進展（例）日本加速器学会・
技術貢献賞
大内徳人さん（2022年）
日本加速器学会・技術貢献賞
荻津透・中本建志、東憲男さん（2008年）

A. Yamamoto, 2022/9/7

18

Courtesy, L. Rossi

CERN-HL-LHC, Nb3Sn 超伝導磁石, MgB2 超伝導送電
IR Quad. (MQXF):
Nb3Sn,IR Dipole (D1):
NbTi

Nb3S,
11 T Dipole
w/ Collimator

Service gallery (UR)Superconducting
Link;

SC Links

MgB2

DFM
A. Yamamoto, 2020/9/17b

DFX

D1

CP

Q3

Q2b Q2aQ1
20

Courtesy, L. Rossi

CERN-HL-LHC, Nb3Sn 超伝導磁石, MgB2 超伝導送電
IR Quad. (MQXF):
Nb3Sn,IR Dipole (D1):
NbTi

Nb3S,
11 T Dipole
w/ Collimator

Service gallery (UR)Superconducting
Link;

SC Links

MgB2

DFM
A. Yamamoto, 2020/9/17b

DFX

D1

CP

Q3

Q2b Q2aQ1
21

Future Energy-Frontier Colliders expected
粒子加速器の将来計画

SuperKEKB

Future//A. Yamamoto, 2022/9/7

22

22

Courtesy, M. Benedikt, L. Bottura, D. Tommasini, S. Prestemon

Multiple R&D Approaches for 16 T Dipole in Europe and US
Common coils

Cos-q

CHART2
Swiss Acc. Research & Technology

BlocksCanted Cos-q (CCT)EuropePioneering work at BNL

Cos-q

US

CCT,

Pioneering work at LBNL
A. Yamamoto, 2021/6/9

Eucard2àARIESà IFAST

24

US-MDPCT1b (Nb3Sn): Quench performance in TC1 and TC2 (July 2020)
Compared with LHC Main Dipole (NbTi)
TC2 test target: achieve ~14.5 T in magnet aperture @1.9 K
MDP-Nb3Sn 磁⽯

LHC-NbTi 磁⽯

NbTi
MDPCT1b
Quench performance in TC2 (July 2020)

A. Yamamoto, 2022/9/7•••

No retraining, all quenches in coil 5, RE, pole turn
MDPCT1b reached its conductor limit at both temperatures
18% performance degradation wrt TC1•

Nb3Sn の課題：突然の不可逆な Degradation”

⽐較：NbTi では、
Training が有効

26

Performance of series HL-LHC, 11T Dipole S1 to S4
同様な課題（Degradation)がHL-LHC, 11 T Dipole でも明らかになっている

Courtesy: A. Devred,
G. Willering
S2:
May-June 2020

• S1 met specified performance.
• S2, S4 showed degradation afterthermal cycles

Root-Cause Analysis

S2 – MBHA-001

Ap 1 Lower

S4 – MBHB-003(in progress)

Ap 2, upper
Additional quench locations related to, but
away from defect location.

A. Yamamoto, 2021/6/9

Quench location at
defect location.

28

Courtesy, L. Rossi

CERN-HL-LHC, Nb3Sn 超伝導磁石, MgB2 超伝導送電
IR Quad. (MQXF):
Nb3Sn,IR Dipole (D1):
NbTi

Nb3S,
11 T Dipole
w/ Collimator

Service gallery (UR)Superconducting
Link;

SC Links

MgB2

DFM
A. Yamamoto, 2020/9/17b

DFX

D1

CP

Q3

Q2b Q2aQ1

Installation
postponed29

Courtesy: L. Bottura, A. Devred

Mechanical Constrain to consider Operating Margin
j w

F ∝ B2w∝

Attention： Ic (Jc) reduction:

σ≈

B
J

F
∝ JB
w

•

irreversible above〜170 MPa.

~ B2

•
•

Large Impact of Strain on Jc,
reduction,
Nb3Sn superconductor
much different from NbTi

Measurement at Univ. Geneve

FCC
QXF
11T
LHC
RRP Wire

A. Yamamoto, 2022/9/7

A.Godeke, F. Hellman, H.H.J ten Kate, and
M.G.T. Mentink et al.
Supercond. Sci. Technol. 31 (2018) 105011.
36

Personal Scope for HFM Development Timeline
for reaching Accelerator Construction and Operation
Timeline

12~14T
Nb3Sn

14~16T
Nb3Sn>16 T
Nb3Sn + HTS~ 10

Short-model R&D

Proto/Pre-series

Short-model R&D

~ 20

~ 30

Construction

Operation

Prototype/Pre-series

Fundamental and Short Model R&D

Construction

Prototype/Pre-series

Note: LHC experience: NbTi (10 T) R&D started in 1980’s--> (8.3 T) Production started in late 1990’s, in ~ 15 years
à LHC Operation started in later 2000’s, in ~ 25 years
A. Yamamoto, 2022/9/731高磁場磁石におけるNbTi, Nb3Sn, HTS の複合
EuCARD2: Feather-M2(CERN),

flared Ends coil
ReBCO, Roebel cable,
stand alone tested Apr
2017:
Reached 3.37 T @4.2K (I=6500A)
IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY

ro
o

f

6

Fig. 9. Cross section of the Eucard2 reference dipole, FeatherM2. The cablein the coils (grey areas) is aligned to the field lines when inserted in the Fresca2
background field.
372

field in each point of the coils and the actual critical surface. A
quite detailed multi-physics e.m. model has been set up and is
described elsewhere [13], [14], [33]. It allows to determine thegenerated field, the peak field for each direction and the criticalsurface in each point, and in particular the non-uniformity of thecurrent distribution. This last is computed also during a quench,
which is a major breakthrough in the e.m. modelling, given the
difficulty in protecting HTS magnets. This code, has allowed todesign and optimize our EuCARD2 magnets.

373
374
375

376
377

378

379

380

B. Reference Magnet Design: AB Feather Magnets

382

The main objective of the magnet demonstrator was to be able
to validate the HTS conductor by generating a 5 T dipole field in
free cold bore of 40 mm, as required by the high field dipole envisaged for High-Energy LHC [34], the reference project when
EuCARD2 started. The design is based on rectangular coil block
dipole lay-out where conductor in each block is aligned to main
field, the Aligned Block (AB) dipole FeatherM2 [2], [13], [35],see Fig. 9.
The e.m. design is based on the numerical. model mentioned
above and should generate 5 T central field or more with a cable
capable of JE = 400 A/mm2 at 20 T. The design and the blockalignment is optimized for the configuration when the AB dipole
is inserted inside the 100 mm aperture, 13 T central field Fresca2
dipole. In such a case the total field should be around 18 T. We
count on the final conductor of the extended EuCARD2/ARIES
program, capable of 800 A/mm2 , or more, to be able to generatea field close to 20 T.
The structure is based on an external support which is a precompressed stainless steel shell [36], [37], see Fig. 10. The precompression does not need to completely counteract the e.m.
forces during magnet excitation. We think that due to the large

384
385

A. Yamamoto, 2022/9/7

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400
401
402

IEE

381

383

Fig. 10. (a) Roebel cable used for winding. (b) One-quarter cross section of
the AB coil block dipole Feather-M2 with in evidence the mechanical structure(mid-plane plate linking outer and inner shell.).

EP

Eucard2+ HTS-insert
to be tested in 2019

temperature margin of HTS, small movements of the conductor do not lead to a quench. Therefore the coil package can beinserted in the structure with some tolerance, making the assembly quite easy. The conductor under e.m. forces slightly moves
then against the structure that must be rigid enough to minimize
the deformation, to avoid to interfere with Fresca2 structure.
The structure has an easy job in standalone at 5 T, however at
18–20 T the forces are quite high. Given the little room for the
structure, various solutions were investigated. Finally a solutionthat increase the outer shell stiffness by linking it to the inner
structure has been adopted, see Fig. 10. This reduce the freebore to 30 mm, but it is a temporary solution used only for thehigh field test. At 5 T stand-alone mode the 40 mm aperture ispreserved and we are investigating how to preserve it also forhigh field mode. The e.m. model predicts a marked non-uniform
current distribution, due to peculiar shielding properties of highJc REBCO tape and the partial coupling between tapes in the cable. A detailed analysis of the stress concentration due to high J
and B, as well as to non-uniform current distribution is reported
in [37], where also the mechanical structure of FeatherM2 isdescribed.
Last remarkable characteristic is the use of copper rings in
between coil layer and the outer shell. Besides transmitting theforce between coil and shell, these rings are a well coupledinductor, rapidly extracting the energy out of the coil duringa fast ramp down following a quench. Protection following aquench is a concern, indeed, in magnets with very slow normal zone propagation. In addition to the CERN e.m. numericalmodel, the University of Tampere (Fin) has developed a model

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32

アウトライン• はじめに• 加速器における応用– 超伝導(電)磁石・– 超伝導高周波加速空洞• 粒子検出器における応用– 透明な磁石、応用の広がりーーーーー– 夜話トピックス—宇宙観測への超伝導技術応用:• 「南極周回気球・超伝導スペクトロメータによる宇宙起源反粒子探索」• 未来への夢
A. Yamamoto, 2022/9/7

33

Potential Nb and Nb3Sn Applications (@ < Bc2)forSuperconducting RF Cavity
Material

Tc
[K]

Bc(0)
[T]

Bc1(0)[T]

Bsh(0)[T]

Bc2(0)
[T]

Nb

9.2

(0.25)

0.18

0.21

0.28

NbTi

9.2
~9.5

--

0.067

--

11.5 ~ 14

Nb3Sn

18.3

(0.54)(0.05)

0.43

28 ~30MgB2

39(0.43)(0.03)

0.31

39

RF

MagnetApplication

BC2

Bsh
BC1

TC

E
A. Yamamoto, 2022/9/7

B

T

Meissner state forSRF
34

超伝導加速空洞• 高周波表皮抵抗が低く、電力効率が高い• 共振特性係数（Q0）が高く(~1010)• ビームパルス長を長くできる（~10-3秒）• 大口径化でき（> 50 mm）
Gradient

Surface

Material• 動作周波数を~1 GHzレベルに最適化• ビーム強度・衝突輝度を高め易い．

ThermalconductanceA. Yamamoto, 2022/9/7

Surface, Shape35

Courtesy: S. Michizono~ 1.3 GHz, SRF Accelerators, worldwide

LCLS-IIESSS1 Global:(under construction)

DESY, Fermilab, KEK
8-cavity string Test,
2010(under construction)-280 cavities-35 CMs- 4 GeV (CW)

European XFEL(in operation, 2017~)-800 cavities-100 CMs-17.5 GeV (Pulsed)

SHINE(under construction)- ~600 cavities- 75 CMs- 8 GeV (CW)A. Yamamoto, 2022/9/7

ILC (planned)- 8,000 9-cell cavities- 900 CMs
- 2 x 125 GeV (Pulsed)

JLab-CEBAF(in operation)
40 CMs6~12 GeV(CW)~ 2,000 1.3 GHz SRF cavities being realized, even in these 10 years !

37

Courtesy: S. Michizono~ 1.3 GHz, SRF Accelerators, worldwide

LCLS-IIESSS1 Global:(under construction)

DESY, Fermilab, KEK
8-cavity string Test,
2010(under construction)-280 cavities-35 CMs- 4 GeV (CW)

European XFEL(in operation, 2017~)-800 cavities-100 CMs-17.5 GeV (Pulsed)

SHINE(under construction)- ~600 cavities- 75 CMs- 8 GeV (CW)A. Yamamoto, 2022/9/7

ILC (planned)- 8,000 9-cell cavities- 900 CMs
- 2 x 125 GeV (Pulsed)

JLab-CEBAF(in operation)

Courtesy: S. Posen
40 CMs6~12 GeV(CW)~ 2,000 1.3 GHz SRF cavities being realized, even in these 10 years !

38

SRF: Key Technology at ILC:
Damping Ringe+ Source
e- Main Linac

e- Source
e+ Main Liinac

few GeVInteraction point
Detectors

pre-accelerator

Parameters

Value

Beam Energy

125 GeV

Beam Rep. rate

5 Hz

Pulse duration

0.73 ms

Av. field gradientsourceKeV

dampingring
few GeVfewSRF
GeV Main Linac
250-500 GeV

final focus

extraction& dump# 9-cell cavity (1.3 m)# cryomodule (12.m)

bunch
compressor
A. Yamamoto, 2022/9/7

main linac

31.5 (35) MV/m +/-20%
Q0 = 1E10 (1.6E10)~ 8,000 ( x 1.1)
~ 900

IP
collimation# Klystron

~ 240
39

KEK-STF: 超伝導加速器によるビーム加速の達成

384.9 MeV @Max.
2019-4-7~8

A. Yamamoto, 2022/9/7

40

応用展開

KEK ERL• Compact Energy Recovery
ライナック
理研重イオン超伝導ライナック

QST-IFMIF 超伝導ライナック
A. Yamamoto, 2022/9/7

41

アウトライン• はじめに• 加速器における応用– 超伝導(電)磁石・– 超伝導高周波加速空洞• 粒子検出器における応用– 透明な磁石、応用の広がりーーーーー– 夜話トピックス—宇宙観測への超伝導技術応用:• 「南極周回気球・超伝導スペクトロメータによる宇宙起源反粒子探索」• 未来への夢
A. Yamamoto, 2022/9/742磁場中での荷電粒子の動き• 基本式• ローレンツ⼒と遠⼼⼒のバランス• F = q • v • B = mv2 / r= p ・v / r
B

p=q•r•Br• P [GeV/c] = 0.3 • r [m] • B [Tesla]• 1 GeV/c = 0.3 x 3.33 m x 1 Tesla

A. Yamamoto, 2022/9/7

43

History of Detector Solenoids

A. Yamamoto, 2022/9/7

44

なぜ超伝導が必要か？
• ⼤規模磁場空間：• 運動量分析• 磁場空間：できる限り、強く、⼤きく• 物質の低減• 粒⼦軌道を乱さない、相互作⽤しない• 透明性：コイルをできる限り少ない物質で• エネルギーの節約• 課題• ⼤きな蓄積エネルギー• ⼀つの磁⽯A. Yamamoto, 2022/9/745

粒子検出器用超伝導磁石における基本式• Deflection:

dp/p ~ {B • R} -1• Sagitta:s ~ {B • R2}-1• Magnetic Field:

rot B = µ0J• Stored Energy:

E = 1/2µ0 Int. B2 dv• Coil Mass:

M = Vcoil g• Pressure:p = B2/2µ0• Hoop Stress:

shoop = (R/t) • p• Wall thickness:• E/M ratio:

A. Yamamoto, 2022/9/7

Rs [m] =r (l-cosq/2)= ~ prq 2/8= qBL2/8r= 0.3 BL2 /8r[Tm2/GeV/c]
B:µ 0:magnetic fieldmagnetic permeability

Vfield:Vcoil:

magnetic volume
coil volume.g:t = (R/sh) • p.shoop:E/M = (B2/2µ0) • R/2g
R:
= sh/2g à high-stress / material-density !! t:

effective density
hoop stresscoil radiuscoil thickness47

透明な磁場(空間）への挑戦
n

磁場を強く、磁石物質を透明に、、、
磁場 (B)：
rot B = µ0 J
透明度・輻射長(X） t µ RB2/ (E/M) µ g / shn E/M (蓄積エネルギー／コイル重量）を高く
n 超伝導線を強く、、、n

クエンチ保護：nn

伝導冷却 (冷却管からの伝導冷却）nn

伝播を速く à 均等に温度上昇（エネルギー吸収）

２層流He 強制フロー or サーモサイフォン

クライオスタットを軽く、透明に、、
A. Yamamoto, 2022/9/7

E/M à Enthalpy (H)H: Integral {Cp} dT

Entharpy----------------------20 kJ/kg à ~100 K
10 kJ/kg à ~ 80 K
5 kJ/kg à ~ 65 K-----------------------

Temp.
[K]
48

LHC計画におけるAl 安定化超伝導磁石の進展
LHC - ATLAS, – CMS

nReinforcement of Alnnwith keeping low resistivity

Uniform reinforcement
Micro-alloying and cold workn ATLAS-CSnnHybrid reinforcement
Welding Al-Alloy with pure-Aln CMS
nA. Yamamoto, 2022/9/750透明な磁場（空間）への挑戦• 磁場を強く、磁⽯物質を透明に、、、
磁場 (B)：
rot B = µ0 J
透明度・輻射⻑(X） t µ RB2/ (E/M) µ g / sh
• E/M (蓄積エネルギー／コイル重量）を⾼く• 超伝導線を強く、、、• クエンチ保護：• 伝播を速く à 均等に温度上昇（エネルギー吸収）• 伝導冷却 (冷却管からの伝導冷却）• ２層流He 強制フローor サーモサイフォン• クライオスタットを軽く、透明に、、

A. Yamamoto, 2022/9/751透明な磁場（空間）への挑戦

透明度・輻射長(X） t µ RB2/ (E/M) µ g / shn E/M (蓄積エネルギー／コイル重量）を高く
n 超伝導線を強く、、、n

クエンチ保護：n

15
Full E absorbed
Half E absorbed

BessP-Proto(kJ/kg)磁場を強く、磁石物質を透明に、、、
磁場 (B)：
rot B = µ0 J

CMS (4 T)
under construction

10

E/M

n

BessP (1 .05T)

ATLAS-CS (2 T)

5伝播を速く à 均等に温度上昇（エネルギー吸収）

BESS

ZEUS

WASA
CMD-2

伝導冷却 (冷却管からの伝導冷却）nn２層流He 強制フロー or サーモサイフォン

クライオスタットを軽く、透明に、、

A. Yamamoto, 2022/9/7

CDF

TOPAZ

BELLE

ALEPH
H1
DELPHI

CLEO-II

D0
VENUS

n

C

SDC-proto

BABAR

CMS (4T)
w/ half energy
extracted

0
0.1

1

10

100

104

1000

Stored energy (MJ)53

透明な磁場（空間）への挑戦
n

磁場を強く、磁石物質を透明に、、、
磁場 (B)：
rot B = µ0 J

透明度・輻射長(X） t µ RB2/ (E/M) µ g / shn E/M (蓄積エネルギー／コイル重量）を高く
n 超伝導線を強く、、、n

クエンチ保護：nn

伝導冷却 (冷却管からの伝導冷却）nn

伝播を速く à 均等に温度上昇（エネルギー吸収）

２層流He 強制フロー or サーモサイフォン

クライオスタットを軽く、透明に、、

A. Yamamoto, 2022/9/7

周方向クエンチ伝播速度 :Vf = (J/gC) ･ {L0Ts/(Tc-To)}1/2
軸方向クエンチ伝播速度 :Vz= (kz/kf)1/2･vf54透明な磁場（空間）への挑戦• 磁場を強く、磁⽯物質を透明に、、、
磁場 (B)：
rot B = µ0 J
透明度・輻射⻑(X） t µ RB2/ (E/M) µ g / sh
• E/M (蓄積エネルギー／コイル重量）を⾼く• 超伝導線を強く、、、• クエンチ保護：• 伝播を速く à 均等に温度上昇（エネルギー吸収）• 伝導冷却 (冷却管からの伝導冷却）• ２層流He 強制フローor サーモサイフォン• クライオスタットを軽く、透明に、、

A. Yamamoto, 2022/9/7••

LAr カロリメータと真空容器を共有
独⾃の真空容器を持たない
55

応用展開（例）アルミ安定化磁⽯技術• 宇宙観測• ミュオンビーム実験• 原⼦核実験• 理研・SC サイクロトロン

伝導冷却技術• 重粒⼦線医療ビームライン• 重⼒波探索実験
極低温鏡システム

低温鏡

冷凍機

K A GRAA. Yamamoto, 2022/9/7

57

アウトライン• はじめに• 加速器における応⽤• 超伝導(電)磁⽯・• 超伝導⾼周波加速空洞• 粒⼦検出器における応⽤• 透明な磁⽯、応⽤の広がりーーーーー• 夜話トピックス̶ 宇宙観測への超伝導技術応⽤:• 「南極周回気球・超伝導スペクトロメータによる宇宙起源反粒⼦探索」• 未来への夢
A. Yamamoto, 2022/9/7

58

南極周回気球・超伝導スペクトロメータ− による宇宙起源反粒子の探索

Balloon-borne Experiment with a Superconducting Spectrometer: BESS

A. Yamamoto, 2022/9/7

59

History to Search for Cosmic-ray Antiparticle
1979:
1981:
1985:

Fist Observation (Golden et al)
Excessive Flux? (Buffington et al)
ASTROMAG
Proposal of thin solenoid
spectrometer

1987:

BESS proposed by Prof. Orito

1993:

BESS：6 antiproton observed

Energy spectrum
1996:
Solar Minimum
Primary origin?
1998:
AMS-1
2000:
Solar maximum
2004:
BESS-Polar, PAMELA
2007/8: Solar Minimum, BESS-Polar II
20011:
A. Yamamoto, 2022/9/7

AMS-0260反粒子で探る初期宇宙の姿
反物質の謎？
•••

現在： 137億年観測されていない(He/He の存在比上限値： 7x10-7)
宇宙初期に消滅？

反陽子？
•

僅かに観測されている(陽子に対して< 10-4)•

ほとんどは、宇宙線の衝突を起源？
à 二次粒子
宇宙初期現象を起源？

•

10-34 秒à ミニ（原始）ブラックホールの蒸発？

A. Yamamoto, 2022/9/7

61

宇宙から消滅した?反物質--- 宇宙線観測を通した直接探索
宇宙は“無”から始まったとすれば、宇宙初期には物質と等量の反物質があったはず。

物

現在の宇宙には反物質は見つからない。

反

反
物

137億年

宇宙の進化の途中で反物質が消え去った !？
A. Yamamoto, 2022/9/7

消え去っていなければ星も生物も存在できなかったはず。

62

宇宙線反陽子の起源
p

反粒子

p

粒子

p
p
p

宇宙起源反陽子がみえる？

p

宇宙線の星間物質との衝突からミニブラックホール
の蒸発から

銀河

二次起源
ミニ BH起源

地球

宇宙線衝突を起源とした二次的な反陽子がほとんど。しかし
低エネルギーでは、ミニBHを起源とする反陽子が見つかるかもしれない。
反陽子の観測を通して初期宇宙の素粒子像を探る！
A. Yamamoto, 2022/9/7

63

宇宙粒子線の観測：宇宙・気球・地上・地下

南極での観測の特色：
地球地場が垂直à 電流と磁力線が並行（相互作用しない）
à 荷電粒子が地上に到達しやすい

A. Yamamoto, 2022/9/764荷電粒子を観測する
n

磁場中で軌跡を振り分ける
ローレンツ力と遠心力のバランス

F = v x B = mv2/r
運動量、極性を測る
P= m x v ∝ r x Bn電荷（数）を識別する
dE/dx ∝ Z2n

速度を計り、質量を決定

SC coilt = ~ 3 mm
d=1m

m = p/v = p/cbg

m 2 = R2 e 2 Z 2 (β −2 − 1)
A. Yamamoto, 2022/9/7

NbTi/Cu SC
Al-Ni alloy

正負の荷電粒子を左右に振り分ける
肉厚(t)／直径(d)：アルミ缶容器に相当
65

A achievment
for a cosmic-ray spectrometerfor scientific ballooning
thickness/diameter~ 0.2%

Coil thickness/diameter~ 0.34%
A. Yamamoto, 15/06/17

SR2, CEA-Saclay66磁極近くの上空（気球）で宇宙線を観測する• 低エネルギー粒子が地球に降り注ぐ、磁極近くでの観測 が有効･Lynn
Lynn Lake
Lake

大気の影響を受けにくい
上空( >30 km) での観測

1,500 km
37 km

ロッキー山脈A. Yamamoto, 2022/9/7

リンレーク
69

Progress of BESS Experiment11 scientific balloon flights over Canada and over Antarctica
1993~ 2000, BESS, North Canada
2002, BESS-TeV
1999, 2001, BESS-Ground, Japan
カナダ

2001, BESS-TeV, Fort Sumner
2004 BESS-Polar I, Antarctica
2007/8 BESS-Polar II

南極
太陽活動の極小期の観測が効果的
A. Yamamoto, 2022/9/7

71

2005年 1月より本格始動

BESS Polar-II historyNASA/
ゴダード宇宙航空センター

KEK(2007.01 - 2007.07)(~ 2007.01)★

10000km

開発・組み立て★

開発・準備
2000km

13000kmフライト! (2007.12)★

★ 噛み合わせ試験
NASA/
コロンビア科学観測気球施設(2007.07 - 2007.08)

Williams field
A. Yamamoto, 2022/9/7

72

南極•マクマード基地へ
マクマード基地•標準時：ニュージーランド時間•NZ⇔2,3便/day•フライト時間：6~8hour

昭和基地

貨物機内部は強烈な騒音
BESSコンテナ
米•マクマード基地

NZ⇒米マクマード基地

ニュージーランド
氷原を整地して滑走路にしている。
74

A. Yamamoto, 2022/9/7

フライト準備@南極Williams Field(~15km from McMurdo)

Cafeteria

User’s Bldg.

A. Yamamoto, 2022/9/7

Control

観測システムの組み上げ

Mech.

観測器の搬入78永久電流の実現

外部電源•

ヒーターを炊いて、超伝導ループを遮断•

外部から電流を供給して充電•ヒータをオフして、超伝導ループを形成•

外部からの電流をオフ、電源切り離し•

永久電流磁場の達成

ヒーター

永久電流スイッチ

超伝導コイルA. Yamamoto, 2022/9/779永久電流の実現

外部電源•

ヒーターを炊いて、超伝導ループを遮断•

外部から電流を供給して充電•ヒータをオフして、超伝導ループを形成•

外部からの電流をオフ、電源切り離し•

永久電流磁場の達成

ヒーター

永久電流スイッチ

超伝導コイルA. Yamamoto, 2022/9/780永久電流の実現

外部電源•

ヒーターを炊いて、超伝導ループを遮断•

外部から電流を供給して充電•ヒータをオフして、超伝導ループを形成•

外部からの電流をオフ、電源切り離し•

永久電流磁場の達成

ヒーター

永久電流スイッチ

超伝導コイルA. Yamamoto, 2022/9/781永久電流の実現

外部電源•

ヒーターを炊いて、超伝導ループを遮断•

外部から電流を供給して充電•ヒータをオフして、超伝導ループを形成•

外部からの電流をオフ、電源切り離し•

永久電流磁場の達成

ヒーター

永久電流スイッチ

超伝導コイルA. Yamamoto, 2022/9/782永久電流の実現

外部電源•

ヒーターを炊いて、超伝導ループを遮断•

外部から電流を供給して充電•ヒータをオフして、超伝導ループを形成•

外部からの電流をオフ、電源切り離し•

永久電流磁場の達成

ヒーター

永久電流スイッチ

超伝導コイルA. Yamamoto, 2022/9/783永久電流の実現

外部電源•

ヒーターを炊いて、超伝導ループを遮断•

外部から電流を供給して充電•ヒータをオフして、超伝導ループを形成•

外部からの電流をオフ、電源切り離し•

永久電流磁場の達成

ヒーター

永久電流スイッチ

超伝導コイルA. Yamamoto, 2022/9/7

84

BESS Polar-Ⅱ
Launch
放球場への移動

建物からロールアウト

85 Yamamoto, 2022/9/7
A.

南極フライト・打ち上げ
n Movie

A. Yamamoto, 2022/9/7

86

BESS-Polar II Launch - December 22, 2007

A. Yamamoto, 2022/9/7

87

Scientific Ballooning of BESS Detector at Antarctica- for Cosmic-Ray Observation Williams Field,McMurdo,
in Antarctica
12/23 2007

A. Yamamoto, 2022/9/7

Movie

88

BESS-Polar Long Duration Ballon Flights over ANtarctican

New Spectrometer with a ultra thin solenoid, with solar power system

BESS-Polar Thin Solenoid
B: 0.8 (~ 1.05) T
First Flight2004.12.13-22
D: 0.9 m
BESS-Polar I
L : 1.3 m
t: 3.4 mm
Launch date
Dec. 13th ,2004
X-coil: 0.06 Xo
X-total: 0.1 XoObservation time
8.5 days
E/M : 7 (10) kJ/kg
Cosmic-ray observed
9 x 108 events
LHe life: 25 days (~ 550 l)

Flight altitude
A. Yamamoto, 2022/9/7

37~39km (5~4g/cm2)

Second Flight 2007.12.23-1.21
BESS-Polar II
Dec. 23rd , 200724.5 days
4.7 x 109 events~36km (6~5g/cm2)
89

End of BESS-Polar II Flight• Flight termination January 20, 2008 ~30 days
• Location 83 ° 51.23’ S, 73° 5.47’ W• On West Antarctic ice sheet - 225 nm from Patriot
Hills Camp, 185 nm from AGO-2, 357 nm fromSouth Pole
• Data successfully recovered February 3, 2008!

A. Yamamoto, 2022/9/7

90

BESS-Polar II Recovery

A. Yamamoto, 2022/9/7

91

BESS による達成
n

ビッグバン宇宙の痕跡を探る
宇宙線反粒子をプローブとしてミニブラックホールの痕跡を探る。
n 反物質の探索を通して、物質／反物質の非対称性を探る。
nn

宇宙起源反粒子、反物質の探索
超伝導スペクトロメータにより精密な質量同定・高感度を実現
n 太陽活動の極小期(2007~8) に南極周回観測を実験。
n 宇宙線反陽子の多くは衝突起源（二次的な粒子）
n 宇宙反物質の探索： 上限比 10-8 に迫る探索（探索感度を3桁深める）nn

Before BESSTOPAZ à BESSS-Polar で開発された技術 à LHC-ATLAS への展開
n

加速器科学 à 宇宙観測への応用 à 加速器科学への再応用

A. Yamamoto, 2022/9/7

92

LHC: ATLAS Central Solenoidusing the same technology

Solenoid
A. Yamamoto, 2022/9/7

93

アウトライン• はじめに• 加速器における応⽤• 超伝導(電)磁⽯・• 超伝導⾼周波加速空洞• 粒⼦検出器における応⽤• 透明な磁⽯、応⽤の広がりーーーーー• 夜話トピックス̶宇宙観測への超伝導技術応⽤:• 「南極周回気球・超伝導スペクトロメータによる宇宙起源反粒⼦探索」• 未来への夢
A. Yamamoto, 2022/9/7

94超伝導・高エネルギー加速器の将来
Linear Colliders:
ILC e+e- ( 250 GeV à 1 TeV) ：••SRF: for High-Q (1010) and high-G (31.5 MV/m)
Highest efficiency and AC-power balance

CLIC e+e- ( 380 GeV à 3 TeV) ：•NRF: Very high G (100 MV/m) for energy frontier with compactness

Circular Colliders :FCC-e+e- ( 90 à 350 GeV):•

SRF: with staging for efficient energy extension•
Synchrotron radiation (SR) to determine the energy
Highest luminosity at Z and H,••

High-field SC magnets (SCM: 16 T) for energy frontier
SRF: for acceleration for good energy balance w/ SR

•

CLIC

ILC

FCC-pp ( 2 x 50 TeV):CEPC e+e- ( 2 x 120 GeV):•

SRF: for acceleration,•
Synchrotron radiation to determine the energy

SPPC- pp ( 75 TeV):••

High-field SCM (12 T) for energy frontier
SRF: beam acceleration

FCC-ee/-hh

CEPC/SPPC(EIC Ion•e-(275/100 GeV/n v.s. 18 GeV, under constr.)• SCM and SRF
MC µ+µ- (3 – 14 TeV)
• SRF and NRF with very high-field SCM
Yamamoto,
2022/9/7at > 3 TeV, although short life-time.
• A.Higher
efficiency

MC

EIC

95

未来への願い・夢l 全世界的な規模で加速器将来計画に向けた技術開発が進められている。超伝導技術は、その実現を先導する要となる。超伝導技術がさらに発展し、社会・産業貢献への道を切り拓くことを願っている。
l 「科学技術・教育・文化」はこれからの日本が担うべき国際的な大きな役割。高エネルギー加速器、粒子物理学の分野には、それを牽引し推進するポテンシャルがある。超伝導技術はその要となる。
l 欧州原子核研究機構（CERN）の設立理念「Science for Peace（平和のための科学）」に学び、日本に先端基礎科学・先端技術の開拓を担う国際研究機関の実現を「未来への夢」とし、次世代へと引き継ぎたい。
A. Yamamoto, 2022/9/7

96

感謝
日本における粒子加速器・超伝導技術応用の道を切り拓かれ、私達をご指導くださった「平林洋美先生」、「小島融三先生」に心より感謝を捧げます。
私が素粒子物理、加速器における超伝導技術開発・応用に取り組みを続けた半世紀、多くの研究者、技術者、企業の皆様からのご指導、協力に感謝致します。
そして、次世代を担う皆様に、「未来への夢」を託します。
A. Yamamoto, 2022/9/7

97

A. Yamamoto, 2022/9/7

98