The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

J-PARC 50GeV-MR 電磁石とその製作状況について
仁木和昭、江川一美、佐藤皓、武藤正文、森義治、柳岡栄一

高エネルギー加速器研究機構 〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

概要
高エネルギー加速器研究機構と日本原子核研究所の共同プロジェクトである大強度陽子加速器計画（J-PARC）の建設が 2001 年度から始まった。この計画の 50GeV-MR の主要電磁石である偏向、４極、６極そして補正電磁石の量産も始まっている。この報告では電磁石の設計や、R＆D機による検討結果と問題点、また実機１号機での結果について述べ、現在までの量産機製作状況と合わせて鋼板磁気特性と製作精度について報告する。

1

電磁石の構成電磁石の主要パラメーターを表１に示す[1]。
表 1：電磁石主要諸元
偏向電磁石
Bending Radius
Field
Useful Aperture(horizontal)Gap Height
LengthNumber４極電磁石(１１ファミリー)
Field Gradient

Aperture
Useful Aperture(horizontal)
LengthNumber６極電磁石(３ファミリー)Max. Field Gradient
Aperture
LengthNumber
補正電磁石
Max. Field
Aperture
LengthNumber

89.381 m
0.143 T (for 3 GeV)
1.9 T (for 50 GeV)
120 mm (≤ ± 5×10-4at injection)
106 mm
5.85 m96+1

1.35 T/m(for 3 GeV)
18, 16.3, 16.9 T/m(for 50 GeV),
130, 140 mmφ
132 mm ≤ ± 5×10-4
at injection)
0.86 m～1.86 m
(７種類)
216

偏向電磁石群は最大磁場 1.9T、ギャップ長 106mm で、50-GeV 主リングを構成する 96 台と 1 台の Reference 用電磁石からなっている。４極電磁石群は 11 ファミリーの全216 台からなっている。ただし長さは 7 種類ある。また 11ファミリーの内 7 ファミリー192 台はボア直径 130mm で最大磁場勾配 18 T/m であるが、3 ファミリー18 台が 140 mmで 16.3 T/m、1 ファミリー6 台が 140 mm で 16.9 T/m の設計となっている。６極電磁石は 3 ファミリーで 72 台、補正電磁石は垂直用、水平用合わせて 186 台である。
偏向電磁石のコイルは 30 ターンで抵抗 45mΩ、インダクタンス 101mH を持っており、全 97 台が６式の最大約3000A のパターン電源で励磁される。全ての電磁石は約3.64 秒の周期でパターン励磁されるが、そのための高速のスイッチング素子 IGBT、IEGT を使った電源システムも現在製作が進んでいる[2]。

2電磁石の設計（鋼板の選択）

2.1

偏向及び４極電磁石

偏向及び４極電磁石の基本的設計については [1]で述べたが、重要なこととして電磁鋼板としては純鉄系に近く、厚みのある JIS 規格 65A1600 相当という鋼板を選択したことである。高磁場を出すには、2T 以上での鉄中での磁気特性が良いことと、また占積率も稼ぐ必要があることのためである。しかしこの鋼板は保磁力が高く、磁石の残留磁場が大きくなる。そのため保磁力のばらつきを小さくするた
めに磁石製作時に鋼板のシャッフリングをすることを考えた。シャッフリングには鋼板製造時に透磁率や保磁力などの磁気特性のデータを事前に測定して反映させる。具体的にはこの鋼板の保磁力の分布が約 120A/m を中心に±12%の広がりを持っていると予測されているので±4%の３つの領域に分け４極電磁石においては各ファミリーは±4%の領域毎の鋼板のみを使う、また偏向電磁石においてはまず真ん中の±4%の領域で製作し、あとは上と下に外れた磁気特性の鋼板を半分づつまぜて製作することにした。

2.2
230 T/m2
136 mmφ0.7 m
720.2 T
170 mmφ0.2 m
186

６極及び補正電磁石

６極と補正電磁石は偏向や４極電磁石ほど高磁場を必要としないので、高磁場特性も比較的良く保磁力も小さい鋼板である JIS 規格 50A470 を選択した。６極は３つのファミリーがあるが鋼板レベルでのシャッフリングはしない。

3R&D 機、実機１号機の製作・試験

磁気特性や機械的な精度を検証するため実機サイズのR&D 機を製作した[1]。偏向電磁石については R&D 機の結果からいくつかの変更を実機で行った。
R&D 機では磁極端The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

部の形状はロゴスキーカットをしていたが、実機では単純な直角のまま（カットなし）とした。また側板の材質を鉄から SUS に変更した。現在偏向、４極電磁石等の実機の量産を開始しており、完成した１号機の磁場分布などの詳細なデータが測定されているところである[3]。

175100.75

10G=0.057%

偏向電磁石

17500

0.7

17490

0.65

17480

0.6

174700.55

I (V)R&D 機を 50GeV でパターン励磁した場合に、端板近くの磁極先端部（図１）が外側に向かって最大で 2.2mm 程動くことが分かった。端板自身も約 0.5mm 程動く。これはR&D 機端部がロゴスキーカットの形状をしいるため端板の押さえが不十分で、高磁場によって鋼板間に働く反発力でパターン励磁運転に同期して鋼板がめくれる様に動くためであった。ロゴスキー部は無機皮膜の鋼板を接着剤で(B*1.0085)

45GeV at 1300mm from magnet-end

B (G)

3.1

All-Fe Side-Plate (Long Pattern)
Up-Sus Side-Plate (Long Pattern)

17460

00.51

1.50.5Time (s)図 2：R&D 機のパターン磁場数は秒のオーダーであると予想された。またパターンの立ち上がりを 1.9s、４s、８s と変えて測定した結果、フラットトップになった時点での磁場の遅れの大きさは、明らかに立ち上がり時間に反比例依存していることが分かった。
図 2 の実線は 45GeV 運転、1.9s 立ち上がり時での NMR（20ms の時間分解能で測定可能）で測定した磁場の変化を示す。この問題を解決するために、R&D 機の上側板のみをSUS に変更して磁場の変化を NMR で測定した。図２の点線が変更後の測定結果である。磁場の変化の大きさは SUSに変更前（実線）と変更後（点線）で 1/2 以下に改善していることが分かる。Opera-2D の計算では約 2/3 程度に改善2.2mmすると予測していたが、予想以上に改善した。これらの結果実機では上下側板、左右側板すべてを SUS に変えること
図 1：偏向電磁石 R&D 機の磁極端部（ロゴスキー形状）にした。最終的に実機１号機で得られた結果が図３の B である。電流パターン I（3.64 秒周期の標準パターン）に対固めていたがパターンを繰り返すうちに剥がれてしまっしてむしろ逆に磁場が上がってしまう傾向になった。これた。このため実機ではロゴスキーをやめ直角のままとし端は側板の渦電流の効果がなくなって、別の効果が見えてき板全体で磁極を押さえることにした。さらに端板の厚みをたものと考えられる。コイル中に流れる渦電流がこのよう増やし、渦電流を押さえる目的もあったスリットを止め、な効果を引き出すが、さらに定量的な評価が必要である。
さらに端板自身を押さえるための支持具も設けた。これにいずれにしてもこの効果を補正するには電流パターンを
よって構造計算上では 1mm 程度以下まで動きを押さえる
立ち上がりからフラットトップへ移る時に少し下げ方向ことができ、実際の実機１号機の測定結果では 0.3mm 以下にすることで可能であり、逆に上げる方向の補正より容易となった。ロゴスキーをやめたため励磁レベルに対する有と考えている。
効長の変化は TOSCA の計算結果によれば飽和していないときと 50GeV 励磁の時で 4mm 程度の変化だったものがNMR (45-1300-STD, FT) (A026, 027)40mm 程度まで大きくなると予想される。しかし BL 積の(03-03-05)
横方向依存性は励磁レベルによらずビーム軌道中心と中1.41.716 10
心から 8cm 離れたところで、ロゴスキーカットと直角のま10G=0.058%
まのいずれの場合もその差は 4mm 程度で全長 5.850m に対1.31.715 10
して 0.07%以下である[3]。
B (G) NMR(027)
B (G) NMR(026)
R&D 機をパターン励磁した場合に電流パターンに対し1.21.714 10
B (arbit.) Hallてフラットトップで、時定数約 0.5 秒の磁場の遅れが見ら
0.7s
1.11.713 10れた。大きさは 50GeV(1.9T)運転の時、1.9s の立ち上がりに対してフラットトップになった時点で約 50 ガウス程度
11.712 10であった。また 30GeV(1.15T)運転ではその遅れの大きさはI (arbit.)
I (arbit.)
２ガウス以下であった。つまりこの現象は 30GeV を超えて1.711 100.9から急激に起っている。この偏向電磁石は 30GeV を超えた
0.4
0.6
0.8
11.2
1.4
1.6
1.8
T(s)
あたりから飽和が始まり、鉄の側板に急激に磁束が入るため、側板中での渦電流がその原因ではないかと考えられる。
図 3：実機１号機のパターン磁場
実際、厚さ１cm 程度の厚みの側板に流れる渦電流の時定4(arbit.)

44I

B (G) NMR

444

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実機１号機での磁場測定・試験の結果、所定の性能がほぼ得られた[3]。NMR とホール素子で測定された 50GeV 励磁時（3015A）での BL 積は 11.236Tm となり 1.9T×5.85mにたいして約 1%のマージンであった。

3.2for Bending Magnet
sample number= 210
total w eight= 3,104 t

for Quadrupole Magnet
sample number=152
total w eight=2.091 t

40

４極電磁石

30352530

４極電磁石は磁極先端部の磁場がそれほど強くならないので磁極先端部や端板先端部の動きは 50GeV パターン
励磁時でも 40μm ほどであった。そのため実機の磁極端部の形状は R&D 機とほぼ同じスロープカットとした[1]。また端板には R&D 機と同様なスリットを入れた。また側板による渦電流はそれほど観測されなかったので実機の側板は鉄のままとした。しかし偏向電磁石実機と同様にコイルによる渦電流の効果と考えられる磁場の変化が起こっているので、電源による同様な補正が必要となる。
R&D 機は回転コイルによる磁場測定を行ったが[1]、実機用の回転コイルは現在準備中[4]である。そのためまずホール素子を使って実機１号機（130mmφ、長さ 1260mm）の磁場分布や GL 積を測定した[3]。その結果得られた GL積は測定した 1500A 励磁時（50GeV の設計値は 1507A）22.71T/m・m で、18T/m×1.26m とほぼ同じ値となっている。

4電磁石の量産状況と磁場測定

2001 年度から電磁石の量産が始まっており既に偏向電磁石が 30 台以上、４極電磁石が 40 台以上製作されている。
磁石の生産に応じて磁石の寸法精度や鋼板の磁気特性のデータが出てきている。磁石寸法精度は製作が終了したものについて、鋼板の磁気特性については必要な鋼板の製造が終了したので全データがすでに出てきている。磁石寸法
精度と鋼板の磁気特性は偏向電磁石の場合 BL 積のエラーに反映することとなり、COD 補正に必要な補正電磁石の性能に効くこととなる。BL 積のエラーは、

20

ここで g は偏向電磁石のギャップ長、Lm は磁石軌道長、場及び鉄芯磁路長である。磁石製造メーカー及び鋼板製造メーカーの標準的な実力値から磁石の仕様として寸法精度についてはギャップ長のばらつきを±50μm、鉄芯長のばらつきを±2mm とした。また電磁鋼板 65A1600 の磁気特性については Hc(1.7T)のばらつきを±12%、μr（1.5kG）のばらつきを±10%とした。この場合上の式から BL 積のエラーは入射時で 0.2%をこえることになる。COD 補正をできるだけ楽にするためにこのエラーを小さくする必要がある。そのため２章で述べたような鋼板のシャッフリングを行い Hc のばらつきを 1/3 にすることで BL 積のエラーを 0.14%以下にすることができる。この値であれば現在の補正電磁石の性能で COD を補正することができる計算になっている。今までに得られているデータでは磁石の寸法精度は仕様をほぼ満たしている。また鋼板の磁気特性も仕様を満たしている。例として Hc の分布を図 4 に示す。左は偏向電磁石用の全鋼板 3104 トン、右は４極電磁石用の151510105500100110120130140100110

保磁力Ｈc１７(A/m )+- 11.5 %average=122 A/m

120130保磁力H c17(A/m )140+- 11.9 %average=118 A/m

図 4：保磁力（Hc）の分布
全鋼板 2091 トンからのサンプルリングのデータである。
サンプリングは全ての母材コイルで行っている。また母材コイルは同じ製鋼チャージの中の一部分であるのでその中では保磁力はそれほど変わらないと考えている。
電磁石の量産に対応して今年度から実機の磁場測定を行う予定にしておりその準備をすすめている[4]。偏向電磁石用に 7m 長のフリップフロップコイルを製作し測定を始めた。12 時間の長時間 Run の結果、測定系の分解能は 2×10-5 以下であった。そして４極電磁石用に２m 長の回転コイルを AFRP（アルミナ FRP）のボビンに巻いて製作し、測定の準備に入っている。さらに長い４極電磁石用の３m長のコイルは AFRP を用いてもたわみが大きくなるので磁石の中での支えができないかも含めて現在検討中である。

5μr は鋼板の透磁率、Hc は保磁力、Bi と Li は鉄芯中の磁2025

まとめJ-PARC 50GeV-MR の主電磁石が 2001 年度から量産に入っており、偏向電磁石と４極電磁石の実機１号機の磁場測定や運転試験を行っている。R＆D 機で指摘された磁極先端部の動きや側板の渦電流等の問題点が改良されている。
また量産機の生産も順調に進んでおり、磁石寸法精度や鋼板磁気特性は予想された範囲にある。現在量産機のための磁場測定装置の準備を行っているところである。

参考文献[1] M. Muto, et al., Proceedings of the 13th Symposium on
Accelerator Science and Technology, Osaka, Oct. 29-31,
2001, p.277 .
[2] 武藤正文 他, This Proceedings.
[3] 仁木和昭 他, This Proceedings.
[4] 柳岡栄一 他, This Proceedings.