2C-a01

SuperKEKBSuperKEKB ビーム最終収束用超伝導電磁石システム（７－１）－ビーム最終収束システムの建設状況－
Superconducting Magnet System for the Interaction Region of SuperKEKB (7-1)-Construction Status of the Beam Final Focus System大内 徳人，有本 靖，川井 正徳，近藤 良也，宗 占国，王 旭東，山岡 広，土屋 清澄，青木 香苗, 植木竜一（高エネ研）；
WANDERER P., PARKER B., ANERELLA M., MARONE A., JAIN A. (BNL);金 太炫（三菱電機）；河村 郁生（日立プラメカ）
OHUCHI Norihito, ARIMOTO Yasushi, KAWAI Masanori, KONDOU Yoshinari, ZONG Zhanguo, WANG Xudong, YAMAOKA
Hiroshi, TSUCHIYA Kiyosumi, AOKI Kanae, UEKI Ryuichi (KEK); WANDERER Peter, PARKER Brett, ANERELLA Michael,
MARONE Andy, JAIN Animesh (BNL)；Kim Tae-hyun (Mitsubishi Electric Corp.); KAWAMURA Ikuo (Hitachi Plant Mechanics)
E-mail: norihito.ohuchi@kek.jp
1．SuperKEKB 電子・陽電子加速器
高エネルギー加速器研究機構では，KEKB 加速器・Belle
素粒子検出器を用いて，1999 年から電子・陽電子ビームの衝
突実験を 10 年間行い，2001 年には粒子・反粒子の対称性の破れを発見し，また「小林・益川理論」の検証を行うなどの成果をあげてきた。2010 年からは加速器の衝突性能を 40 倍向上させる SuperKEKB 加速器へのアップグレードを行っており，
2016 年 6 月には，電子・陽電子ビームを衝突点で最終形状（～50nm）まで収束する超伝導電磁石システムを除いた加速器の調整運転（Phase-1）を完了した。超伝導電磁石システム
は、衝突点左側のシステム（QCSL）が 2016 年 10 月に完成し，2 か月の冷却試験を終えた。衝突点右側のシステム（QCSR）
は，今年 3 月に完成し，Belle-II 超伝導ソレノイド・QCSL も含
めた全システム冷却運転の準備段階にある。本発表では，
SuperKEKB ビーム最終収束超伝導電磁石システムの構成，超伝導電磁石・クライオスタットの製作，システムの建設状況と今後の運転スケジュールについて報告する。
2．ビーム衝突用超伝導電磁石システム
超伝導電磁石システムは，総数 55 台の超伝導電磁石から構成され[1]， 2 台のクライオスタットに分割して組込まれている。Fig. 1 に，ビーム衝突点に設置された２台のクライオスタットの断面図を示した。電子・陽電子ビームは，8 台の超伝導 4極電磁石[2]で収束される。衝突点でビームサイズ～50nm（縦方向）のビームを衝突させる為，ビーム制御用の補正磁石が43 台組込まれている。補正磁石は、2011 年から米国 BNL 研
究所と共同開発し，2015 年 2 月には全磁石の製作を完了した。電子・陽電子ビームは 1.5T の Belle 測定器超伝導ソレノイド磁場中を 83mrad の交差角で衝突点に入射される為，ビームはソレノイド磁場の影響を著しく受ける。この磁場の影響を積分的にキャンセルする補正超伝導ソレノイド 4 台[3]が，4極磁石と補正磁石の外周部に取付けられている。

3．冷却システム
2 台のクライオスタットは，個別の同じ冷凍能力（250W @4.4K）を持つヘリウム冷凍機システムで冷却される[4]。ヘリウ
ム冷凍機は，1990 年に製作された TRISTAN 加速器 QCS の冷却に使用された 4 台の内の 2 台で、1 台は KEKB 加速器
で継続して使用されていたが、他 1 台はヘリウム圧縮機も含めて 1996 年から 20 年間保管されていたものである。
KEKB ビーム最終収束システムでは 10 台の超伝導電磁石
を 1 台の冷凍機で冷却した。SuperKEKB では超伝導電磁石が 55 台使用されることから、電流リード・クライオスタット熱負荷の増加[5]に対応する為、2 台のヘリウム冷凍機システムが用いられる。また、連続運転に対応できるよう、モニターシステ
ム[6]の増強も行っている。
4．システム建設の現状と今後の運転スケジュール
Fig. 2 に SuperKEKB ビーム衝突点に設置された 2 台のQCS クライオスタットの写真を示した。QCSL クライオスタット（加速器リング外周からの写真の為，右側）は，2015 年 12 月に KEK に納品され、ビームラインに設置される前に冷却試験を地上部実験室で 6 か月間行い，励磁・磁場・断熱性能を確認した。QCSL クライオスタットは、2016 年 8 月に SuperKEKB
ビームラインに据付け、冷凍機による冷却試験・励磁試験を完了した。QCSR クライオスタットは 2017 年 2 月にビームライ
ンに設置され，その後，低温配管・パワーケーブル配線工事
を 3 月に完了した。QCSL・QCSR システム及び Belle ソレノイ
ドを含めた複合励磁試験は、今年 5 月～8 月の期間行い，ビーム運転状態の磁石磁場の測定を行う。この試験後，ビームパイプの取付けを行い，2018 年 2 月よりビーム運転（Phase-2）
を 5 か月行う予定である。

Fig.2 Two QCS magnet-cryostats for the SuperKEKB IR

Fig.1 Beam final focus superconducting magnet systems for
the SuperKEKB Interaction Region (IR)参考文献
1. N. Ohuchi, et al.: Proc. of NA-PAC’13, Pasadena,
Sept. 2013, pp. 1232-1234; http://www.JACoW.org
2, 3, 4, 5, 6. Abstracts of CSJ this conf., 2C-a02, 2C-a03,
2C-a04, 2C-a05, 2C-a06― 94 ―

第94回

2017年度春季低温工学・超電導学会

2C-a02

SuperKEKB㻿㼡㼜㼑㼞㻷㻱㻷㻮㻌䝡䞊䝮᭱⤊཰᮰⏝㉸ఏᑟ㟁☢▼䝅䝇䝔䝮 㻔㻣㻙㻞㻕㻙㻌㉸ఏᑟ 㻠㻌ᴟ㟁☢▼䛾☢ሙᛶ⬟ 㻙㻿㼡㼜㼑㼞㼏㼛㼚㼐㼡㼏㼠㼕㼚㼓㻌㻹㼍㼓㼚㼑㼠㻌㻿㼥㼟㼠㼑㼙㻌㼒㼛㼞㻌㼠㼔㼑㻌㻵㼚㼠㼑㼞㼍㼏㼠㼕㼛㼚㻌㻾㼑㼓㼕㼛㼚㻌㼛㼒㻌㻿㼡㼜㼑㼞㻷㻱㻷㻮㻌㻔㻣㻙㻞㻕㻙㻌㻲㼕㼑㼘㼐㻌㼝㼡㼍㼘㼕㼠㼥㻌㼛㼒㻌㼟㼡㼜㼑㼞㼏㼛㼚㼐㼡㼏㼠㼕㼚㼓㻌㼝㼡㼍㼐㼞㼡㼜㼛㼘㼑㻌㼙㼍㼓㼚㼑㼠㼟㻌㻙᭷ᮏ 㟹䠈ᕝ஭ ṇᚨ䠈㏆⸨ Ⰻஓ䠈᐀ ༨ᅜ䠈ᅵᒇ Ύ⃈䠈ᒣᒸ ᗈ, ⋤ ᪫ᮾ䠈኱ෆ ᚨே䠄KEK/⥲◊኱䠅䠗 㔠㻌ኴⅡ䠄୕⳻㟁ᶵ䠅
ARIMOTO Yasushi, KAWAI Masanori, KONDOU Yoshinari, ZONG Zhanguo, TSUCHIYA Kiyosumi, YAMAOKA Hiroshi,
WANG Xudong, OHUCHI Norihito (KEK/SOKENDAI); KIM Tae-hyun (Mitsubishi Electric)
E-mail: yasushi.arimoto@kek.jp
01. ͸͡Ίʹ

QCS-L ͸ 2015 ೥ 12 ݄ʹೲ඼͞Ε, 2016 ೥ 8 ݄ (QCS-R ͸
2017 ೥ 2 ݄) ʹ, SuperKEKB িಥ఺ྖҬ (IR) ʹΠϯετʔϧ͞Εͨ. (IP Λ‫ڬ‬ΜͰՃ଎‫ث‬Ϧϯάத৺͔Β‫ࠨͯݟ‬ଆͷΫϥΠΦελοτΛ QCS-L, ӈଆͷΫϥΠΦελοτΛ QCS-R ͱ‫ݺ‬ΜͰ͍Δ.)
QCS-L ʹ͍ͭͯ͸ IR ΁ͷΠϯετʔϧʹઌཱͪ, KEK ͷ௒఻ಋ௿Թਅۭ࣮‫ݧ‬౩ʹ͓͍ͯ, 3 ݄͔Β 4 ݄ʹ͔͚ͯྫྷ٫ྭ
࣓ࢼ‫ݧ‬ɺϋʔϞχοΫίΠϧʹΑΔ࣓৔ଌఆ͕ߦͳΘΕͨ. 4‫࣓ిۃ‬ੴ୯ମͰͷॎ‫ܕ‬ΫϥΠΦελοτʹΑΔ࣓৔ଌఆͷ݁Ռʹ͍ͭͯ͸͜Ε·Ͱʹใࠂ͞Ε͍ͯΔ͕ [3]ɺࠓճ͸ 4 ‫ۃ‬ి࣓ੴ͕࣮‫ػ‬ͷΫϥΠΦελοτʹ૊Έࠐ·ΕͨηοτΞο
ϓͰߦͳΘΕ࣓ͨ৔ଌఆͷ݁Ռʹ͍ͭͯใࠂ͢Δ.

Helium vessel
Iron yoke
CollarCoils
Permendur yoke
SUS support frame

QC2LP

Permendur

Positron ring

Iron

QC2LE

Helium vessel

0

QC1LE

QC2LP

QC1LP

3. ࣓৔ଌఆ
ଌఆ͸ӷମϔϦ΢Ϝʹͯి࣓ੴΛ 4.2 K ·Ͱྫྷ٫͠ɺ1 ୆ͣͭఆ֨ిྲྀ·Ͱྭ࣓ͯ͠ߦͳΘΕͨ. 4 ‫࣓ۃ‬ੴͷ‫ࠩޡ‬੒෼Ͱ
͋Δଟ‫࣓ۃ‬৔੒෼Λଌఆ͢ΔͨΊʹ 2 ‫ ͼٴۃ‬4 ‫רۃ‬ઢͰόοΩϯά͞ΕͨϋʔϞχοΫίΠϧΛ༻͍ͨ. 4 ୆ͷ 4 ‫࣓ిۃ‬ੴͷϘΞ൒‫ͯ΂͕͢ܘ‬ҟͳΔͷͰɺͦΕͧΕʹదͨ͠ 3 ͭͷҟͳΔ൒‫ܘ‬ͷϋʔϞχοΫίΠϧΛ੡࡞ͨ͠. QC1E, QC1P ʹ͸‫ר‬ઢ൒‫ ͕ܘ‬12 mm, QC2LP ʹ͸‫ר‬ઢ൒‫ ͕ܘ‬25 mm, QC2LE
ʹ͸‫ר‬ઢ൒‫ ͕ܘ‬33 mm ͷ΋ͷΛ༻͍ͨ.

4. ଌఆ݁Ռ
QC1LP ͱ QC1LE ͷ 4 ‫ۃ‬੒෼ (࣍਺=2) ͷ‫͞ڧ‬Λ 10000 ͱͯ͠‫֨ن‬Խͨ࣌͠ͷଟ‫࣓ۃ‬৔੒෼ͷଌఆ஋Λਤ 3 ʹࣔ͢. ࠨ(ӈ) ͷਤ͸ QC1LP(QC1LE) ͷଟ‫࣓ۃ‬৔ͷ࣍਺͝ͱʹࣔͨ͠΋ͷͰ͋Δ. ࠇɺനͷόʔ͸ͦΕͧΕεΩϡʔɺϊʔϚϧ੒෼ΛදΘ͢. ϏʔϜ΁ͷӨ‫͕ڹ‬େ͖͍ 6 ‫ۃ‬੒෼ (࣍਺=3) ͸ 1
units ఔ౓΋͘͠͸ͦΕҎԼͰ͋Δ. ·ͨଞͷଟ‫ۃ‬੒෼ʹ͍ͭͯ΋ 1 unit ҎԼͱͳ͍ͬͯΔ.
2

Skew
Normal1

Skew
Normal

1
0

0
-1
-2

2

-1

QC1LP
3

4 5 6

7 8

9 10

Harmonics Order

-2

QC1LE
3 4

5 6

7 8 9 10Harmonics Order

Fig. 3. Higher order harmonics of QC1LP (left) and QC1LE(right).
5. ·ͱΊ

QC1LP

Electron ring
Iron

QC1LE

Fig. 2. Cross sections of QCS-L quadrupoles.

2. QCS-L ௒఻ಋ 4 ‫࣓ిۃ‬ੴ
ਤ 1 ʹ QCS-L ಺ͷ 4 ‫࣓ిۃ‬ੴͷฏ໘ਤΛࣔ͢. ΫϥΠΦελοτ಺ʹ͸ 2 ୆ͷϔϦ΢Ϝ༰‫͕ث‬ઃஔ͞Ε͓ͯΓɺIP ଆ(ਤͷӈଆ) ͷϔϦ΢Ϝ༰‫ʹث‬͸ QC1LE, QC1LP, QC2LP ͕ɺ൓ IP ଆͷϔϦ΢Ϝ༰‫ʹث‬͸ QC2LE ͕֨ೲ͞Ε͍ͯΔ. ·ͨ
IP ଆͷϔϦ΢Ϝ༰‫ʹث‬͸ิঈιϨϊΠυɺλϯάεςϯ੡์ࣹઢγʔϧυɺిࢠϦϯά্ʹ͸ QC1LP ͔Βͷ࿙Ε࣓৔ΛΩϟϯηϧ͢Δి࣓ੴ͕ઃஔ͞Ε͍ͯΔ.

Liquid Helium pipe

QC2LE

Amplitude (units)‫ ࡏݱ‬KEK ʹ͓͍ͯ‫ݐ‬ઃ͕ਐΊΒΕ͍ͯΔ SuperKEKB ͸KEKB ͷ 40 ഒͷϧϛϊγςΟΛ໨ඪͱͯ͠ઃ‫͞ܭ‬Εͨిࢠ/ཅిࢠԁ‫ܗ‬ίϥΠμʔͰ͋Δ [1] . ͜ͷϧϛϊγςΟΛୡ੒͢Δ্Ͱ‫ͳͱݤ‬Δཁૉͷ 1 ͕ͭ࠷ऴऩଋ௒఻ಋి࣓ੴγεςϜ(QCS) Ͱ͋Δ. QCS ͸িಥ఺ྖҬ (IR) ʹઃஔ͞Εిࢠɺཅి
ࢠϏʔϜΛ໿ 50 nm ͷαΠζʹߜΓࠐΉ໾ׂΛ୲͏. িಥ఺(IP) Λ‫ڬ‬ΜͰ 2 ୆ͷΫϥΠΦελοτ͔Βߏ੒͞ΕɺͦΕͧΕͷΫϥΠΦελοτʹ͸௒఻ಋ 4 ‫࣓ిۃ‬ੴ͕ 4 ୆ͣͭ֨ೲ
͞Ε͍ͯΔ. ֤ 4 ‫࣓ిۃ‬ੴʹ͸࣓৔ΤϥʔΛิਖ਼͢ΔͨΊͷิਖ਼ి࣓ੴ͕૊Έࠐ·Ε͍ͯΔ. ͞Βʹ Belle-II ‫ݕ‬ग़‫ث‬ͷιϨϊΠυ࣓৔ (1.5 T) ΛϏʔϜ࣠ʹԊͬͨੵ෼஋ͰΩϟϯηϧ
͢ΔͨΊͷิঈιϨϊΠυ͕ 2 ୆ͷΫϥΠΦελοτ಺ʹ‫ܭ‬
4 ୆ઃஔ͞Ε͍ͯΔ [2] .

500 mmCompensation solenoid
Tangsten radiation shieldTangsten radiation shield
Compensation solenoid1000 mmFig. 1. QCS-L quadrupole with helium vessel (plan view)֤ి࣓ੴͷஅ໘ਤΛਤ 2 ʹࣔ͢. QC1LP, QC1LE, QC2LP,
QC2LE ͸ͦΕͧΕίΠϧ಺‫ ͕ܘ‬25.0 mm, 33.0 m, 53.8 mm,
59.3 mm Ͱ͋Δ. ·ͨ QC1LE, QC2LP, QC2LE ʹ͸Χϥʔ֎प෦ʹύʔϝϯδϡʔϧ ( QC2LE ͸మ) ϤʔΫ͕૊ࠐ·Ε͍ͯΔ. ͦΕͧΕͷର޲ϏʔϜϥΠϯʹ͸ಉ͡ࡐ࣭ͷ࣓‫ؾ‬γʔϧυ͕ઃஔ͞Ε͍ͯΔ.

QCSL ΫϥΠΦελοτ಺ʹઃஔ͞Εͨ 4 ୆ͷ 4 ‫࣓ిۃ‬ੴʹର͠ϋʔϞχοΫίΠϧΛ༻͍ͯ‫ࠩޡ‬੒෼Ͱ͋Δଟ‫ۃ‬੒෼ͷେ͖͞Λଌఆͨ͠. ϏʔϜޫֶγϛϡϨʔγϣϯ͔Βཁ੥͞Ε͍ͯΔ‫ڐ‬༰஋͸ 6 ‫ۃ‬੒෼͸ 10 units ҎԼɺͦͷଞͷ੒෼
͸ 5 units ҎԼͰ͋Δ͜ͱ͔Βɺ͍ͣΕͷి࣓ੴ΋‫ڐ‬༰ൣғ಺Ͱ͋Δ͜ͱ͕֬ೝ͞Εͨ. ൃදձͰ͸ QCS-L ಺ͷଞͷ 4 ‫ిۃ‬࣓ੴͷଌఆ݁Ռʹ͍ͭͯ΋ใࠂ͢Δ༧ఆͰ͋Δ.
ࢀߟจ‫ݙ‬

1. Y. Ohnishi, et. al., Progr. Theor. Exp. Phys. 2013 (3) (2013)
03A011.
2. N. Ohuchi, et. al., Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 94.
3. Y. Arimoto, et. al., Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 89,
2014, p. 167.

― 95 ―

第94回

2017年度春季低温工学・超電導学会

2C-a03

SuperKEKBSuperKEKB ビーム最終収束用超伝導電磁石システム（７－３）-超伝導ソレノイドの保護設計とクエンチ試験結果Superconducting Magnet System for the Interaction Region of SuperKEKB (7-3)-Design and Quench Test of Superconducting Solenoid王 旭東, 山岡 広, 有本 靖, 川井 正徳, 近藤 良也, 宗 占国, 土屋 清澄, 大内 徳人（KEK/総研大）; 金太炫（三菱電機）
WANG Xudong, YAMAOKA Hiroshi, ARIMOTO Yasushi, KAWAI Masanori, KONDOU Yoshinari, ZONG Zhanguo,
TSUCHIYA Kiyosumi, OHUCHI Norihito (KEK/SOKENDAI); KIM Tae-hyun (Mitsubishi Electric Corp.)
E-mail: wanxdon@post.kek.jp
1．はじめにKEK では，電子・陽電子ビーム衝突型加速器 KEKB のア ッ プ グ レ ー ド (SuperKEKB) を 2010 年 か ら 行 っ て い る 。
SuperKEKB ビーム衝突領域の超伝導電磁石システムは，ビーム最終収束用に 8 台の超伝導 4 極電磁石（QC1, QC2），
ビーム運転調整用に 43 台の超伝導補正多極磁石が使用される[1]。また 4 台の補正用超伝導ソレノイド（ESL, ESR1-3）は，素粒子検出器 Belle-II が発生する 1.5 T のソレノイド磁場をキャンセルし，ビームライン上のソレノイド磁場の積分値をゼロとするように設計される[2]。本発表は，4 台の超伝導ソレノイドの内，蓄積エネルギーが最大の ESR1 の保護設計とクエンチ実
験結果について報告する。
2．超伝導ソレノイドの保護設計とクエンチ試験結果
ESR1 は，必要磁場と空間的制約により，15 個のコイルブ
ロック（コイル#1-#15）に分割して設計された。ESR1 のロードラ
インを Fig. 1 に示す。ESR1 の巻線に用いた NbTi 超伝導線の断面積は 1.29 mm2，銅比は 1.7 である。液体ヘリウム冷却において，定格電流 450 A で最大経験磁場が 3.2 T となる。運転温度 4.7 K での負荷率は約 0.51 で，蓄積エネルギーは約244 kJ となる。対地電圧を抑えるため，Fig. 2 に示すように
ESR1 を 2 分割し，保護抵抗の中点で接地する構成とした。保
護抵抗値（R1-R3）は対地電圧が±200 V 以内となるように設計した。クエンチ保護設計では，Fig. 3(a)の保護抵抗単独の場合と Fig. 3(ｂ)の低温ダイオード保護も施した場合について
数値解析を行い，15 個のコイルブロックがそれぞれ単独でクエンチした際の最高到達温度を Table 1 に示す。なお，熱解析では巻線のみのエンタルピーを考慮し，コイル間の熱伝播を無視した。Table 1 より，保護抵抗単独の場合はクエンチ温度が 200 K 以上となり，保護および再冷却時間の観点から望ましくない。一方，低温ダイオードの保護を追加することによりクエンチ温度は 200 K 未満に抑えることができる。低温ダイオードを追加した保護設計の検証のため，ヒーター誘導によるESR1 単体のクエンチ実験を行った。Fig. 3 に ESR1 と実験装置の写真を示す。Fig. 4 にクエンチ発生した際の測定結果の一例を示す。ただし，測定環境により ESR1 実験時は空心で行ったが，実機では内部に鉄ヨークがある構造となる。コイル#4 でヒーター投入したことにより，コイル#1-#5 間の電圧が上昇し，クエンチ検出器が作動して遮断となった。遮断後にコイ
ル#1-#5 の電圧上昇はダイオードが作動したことにより 13 V未満に抑えられ，電流がダイオード回路へ迂回して，コイルの温度上昇が約 50 K に収まっている。よって，Fig. 2(b)の保護
設計を実証し，実機 ESR1 で十分にクエンチ保護が可能と考える。ESR1 は昨年に完成し，今年中に実機の励磁試験を行う
予定である。

Fig. 1 Road line of ESR1 and Ic of NbTi wire
Table 1 Quench temperature(a)Dump resistor

Coil

Dump
resistor

Dump resistor
and diode

#1

154 K

39 K

#2

121 K

39 K

#3

87 K

39 K

#4

96 K

39 K

#5

129 K

39 K

#6

129 K

67 K

#7

155 K

75 K

#8

399 K

136 K

#9

294 K

109 K

#10

306 K

112 K

#11

152 K

84 K

#12

223 K

121 K

#13

159 K

108 K

#14

148 K

91 K

#15

270 K

144 K

(b)Dump resistor and diodeFig. 2 Dump circuit

Fig. 3 Experimental setup of ESR1 for the quench test

参考文献
1. N. Ohuchi, et al.: IEEE transactions on applied
superconductivity, Vol. 21 (2011) pp.1829-1832
2. X. Wang, et al.: IEEE transactions on applied
superconductivity, Vol. 26 (2016) 4102205
Fig. 4 Quench test result of coil #4― 96 ―

第94回

2017年度春季低温工学・超電導学会

2C-a04

SuperKEKBSuperKEKB ビーム最終収束用超伝導電磁石システム(7-4)- 冷却システム設計と建設状況 Superconducting Magnet System for the Interaction Region of SuperKEKB(7-4)- Design and Construction of Cryogenic System for Superconducting Magnets 川井 正徳，近藤 良也，大内 徳人，有本 靖，宗 占国，山岡 広，土屋 清澄，王 旭東、青木 香苗（KEK）；
遠藤 友成，河村 郁生（日立プラントメカニクス）
KAWAI Masanori，KONDOU Yoshinari，OHUCHI Norihito，ARIMOTO Yasushi，ZONG Zhanguo，
YAMAOKA Hiroshi，TSUCHIYA Kiyosumi，WANG Xudong，AOKI Kanae (KEK);ENDOU Tomonari，KAWAMURA Ikuo (HITACHI)
E-mail: masanori.kawai@kek.jp
1．はじめに高エネルギー加速器研究機構(KEK)では、電子・陽電子
衝突型加速器 KEKB のルミノシティーを約 40 倍に高めたSuperKEKB 加速器の建設が行われている。 SuperKEKB 加
速器のビーム衝突点では、ビームサイズを収束させ電子・陽電子の衝突の頻度を上げるための 8 台の最終収束用超伝導
4 極電磁石（QCS）と 43 台のビーム補正用コイル、４台の Belle
測定器ソレノイド磁場キャンセルコイルがビーム衝突点を挟んで 2 台のクライオスタットに分割され組込まれている。 これらの超伝導電磁石は、TRISTAN／KEKB 加速器で使用された冷凍能力 250W@4.4K の He 冷凍機システムを 2 基使用して冷却される。 衝突点左側のシステム(QCS-L)は、2016 年に冷却・励磁試験を行い、右側のシステム(QCS-R)は、2017 年
3 月に He 冷凍機システムが完成し、総合冷却・励磁試験の準備段階である。 本発表では、QCS 超伝導電磁石冷却シス
テムの設計と建設状況、冷却試験結果について報告する。
2．QCS 超伝導電磁石冷却システム
QCS 超伝導電磁石システムの冷却は、1990 年に製作されTRISTAN 加速器及び KEKB 加速器で使用していた冷凍能力 250W@4.4K（冷凍液化能力 160W@4K+28.4L/h）の He 冷
凍機システムを移設・改造して行う。 QCS の 4K での設計熱負荷（初期設計値）は合計 76.4W+28.4L/h（そのうち単相過冷却液体ヘリウムへの熱負荷は 23.89W）となる。 TRISTAN／KEKB 加速器では、1 基の He 冷凍機システムで QCS-L/Rの 2 台の超伝導電磁石を冷却していたが、SuperKEKB では
クライオスタットの熱負荷の増加と電流リードの熱負荷が増加にするため、1 基の He 冷凍機で 2 台の QCS を冷却した場
合 、 必 要 冷 凍 能 力 =(76.4W+28.4L/h) × 2 台 =152.8W+
56.8L/h となり、冷凍液化能力が不足する事から 2 基の He 冷
凍機システムを使用し QCS-L/R を其々単独で冷却を行う。
さらにクエンチ後の再冷却時間の短縮が加速器運転の条件となっていることから、SuperKEKB では 2 基の He 冷凍機システムを使用する。 図 1 に Belle 検出器、QCS クライオスタット、He 冷凍機の配置を示す。
QCS-R 用He 冷凍機・過冷却器

QCS-L 用He 冷凍機・過冷却器

3．ヘリウム冷凍機システムの建設
QCS-L 用 He 冷凍機システムは TRISTAN/KEKB 加速器
で使用していたものを継続して（サブクーラー及び極低温多重配管は新規に製作）使用する。 2012 年から QCS-L 用 He
冷凍機システムの建設を行い、2013 年 2 月に He 冷凍機単体の試験運転を実施し、冷凍能力の測定と制御系を含むシ
ステムの健全性の確認を行った。 2016 年 8 月に QCS-L ク
ライオスタットを SuperKEKB ビームラインに設置し、He 冷凍機
システムとの結合を行い、約 2 か月の総合冷却試験と励磁試
験を実施した。 QCS-R 用 He 冷凍機システムは TRISTAN 実
験終了後の 1996 年から 20 年間保管されていた He 冷凍機
システムを移設・整備を行い、今年 3 月に QCS-R クライオス
タットと結合をし、5 月からの総合冷却・励磁試験の準備段階である。図 2 に QCS He 冷凍機システムの冷却回路を示す。

Fig.2 Flow diagram of the QCS cryogenic system
4．QCS-L 冷却・励磁試験結果
昨年 10 月に QCS-L 用 He 冷凍機システムはクライオスタ
ットと結合し、総合冷却・励磁試験を実施した。 図 3 に冷却曲線を示す。 実施した試験内容は以下の通りである。
 自動制御運転での冷却システムの動作確認試験
 冷却試験、加温試験
 熱負荷試験 インターロック及び復帰処理試験（冷凍機膨張タービン
故障、He 圧縮機故障）
 電磁石通電試験（クエンチインターロック、電流リード冷
却ガス流量制御）
本発表で試験結果の詳細について報告をする。

Belle 検出器

QCS-L 超伝導電磁石
クライオスタット

QCS-R 超伝導電磁石
クライオスタット

Fig.1 Layout of the QCS cryogenic system

Fig.3 Cool down condition of the QCS Magnet― 97 ―

第94回

2017年度春季低温工学・超電導学会

2C-a05

SuperKEKBSuperKEKB ビーム最終収束用超伝導電磁石システム(7-5)-QCS-L 冷却システム熱設計と熱負荷測定Superconducting Magnet System for the Interaction Region of SuperKEKB (7-5)-Thermal Design of the QCS-L Cryostat and Heat Load Measurements宗 占国，大内 徳人，川井 正徳，近藤 良也，有本 靖，山岡 広，土屋 清澄，王 旭東, 青木 香苗 （KEK）；
遠藤 友成，河村 郁生 （株式会社 日立プラントメカニクス）；金 太炫 （三菱電機）
ZONG Zhanguo, OHUCHI Norihito, KAWAI Masanori, KONDOU Yoshinari, ARIMOTO Yasushi, YAMAOKA Hiroshi,
TSUCHIYA Kiyosumi, WANG Xudong, AOKI Kanae (KEK); ENDOU Tomonari, KAWAMURA Ikuo (HITACHI);KIM Taehyun (Mitsubishi Electric)
E-mail: zhanguo.zong@kek.jp
1．はじめにSuperKEKＢ加速器ビーム衝突点では、電子・陽電子ビー
ムを収束させビームの衝突頻度を上げるための最終収束用
超伝導電磁石 QCS-L・QCS-R システムが設置された。QCS
クライオスタット内には、各々4 台の超電導４極電磁石、２０台/
２３台（L/R）の超電導補正磁石及び１台/３台（L/R）の超電導補償ソレノイドが組み込まれている[１、２、３、４]。超電導電磁石は２個の液体ヘリウム容器に分割され、ヘリウム容器はサポートロッドによって真空容器に支持されている。超電導電磁石
を安定に励磁するために、圧力 0.16 MPa、流量 20 g/s の過冷却液体ヘリウム（単相流）が使用されている[5、6]。液体ヘリ
ウムは液の顕熱（＝2.06 J/g: 4.4 K〜4.7 K）により単相流の状態で約 40 Ｗの熱負荷を吸収することができる。Fig.１に、
QCS-Ｌの電磁石クライオスタット及びサービス容器内の液体
ヘリウムフロー図を示す。
2015 年 12 月に QCS-L クライオスタットは完成し、2016 年
８月に加速器ビームラインに設置した。QCS−Ｌ冷凍機・サブクーラーと接続後、2016 年 11 月〜12 月に QCS−Ｌ冷却シス
テムとしての最初の試運転を実施し、クライオスタットの熱性能を測定した。本稿では、QCS-Ｌクライオスタットの熱設計と測定結果について報告する。

Fig.1 Cooling scheme of the service cryostat and SC magnet
cryostat of QCS-L, and the temperature sensors.

Refrigeration power (W)250
Coldbox+subcooler+QCS-L
Coldbox+subcooler

200
150

Heat loads:~ 70 W (QCS-L+TRT)

100

Heater power:~110 W

50
0

0

10

20

30
40
50
Liquefaction (L/hour)

6070

Fig.2 Measured refrigeration and liquefaction capacities ofcryogenic system with and without the QCS-L cryostat.

Table 1 Heat loads of the service cryostat and the magnet
cryostat of QCS-L.
QCS-L Cryostat
Items
Service
MagnetSupport rods & pipes
19.12
13.20
Thermal radiation
1.94
6.62
TRT & Valves
22.00
Instrument wires
3.80
0.87
Sum of heat loads
46.86
20.69
Total heat loads of QCS-L
67.5 W
2．QCS-L の熱負荷の測定と分析
QCS-Ｌクライオスタットの熱負荷は、冷却システムにクライ
オスタットを接続した場合と接続しない場合の熱負荷を比較することによって計算した。Fig. 2 に熱負荷測定時の液体ヘリ
ウムの液化量と冷凍能力を示した。図中青三角はクライオスタ
ットを接続した場合の測定結果を示し、黒丸は接続しない場
合の測定結果を示す。横軸の液体ヘリウムの液化量は、25 台の超電導電磁石の電流リードの冷却流量とサブクーラー液体
ヘリウム貯槽内の液の変化量から計算した。縦軸の冷凍能力は内蔵ヒーターにより与えられた。Fig. 2 により、液化量 30
L/h（QCS-Ｌ超電導電磁石全体電流リードの定格流量[７]）の時の冷凍能力は 180 W/110 W(QCS-L クライオスタット無/有)である。この結果から、低温配管（TRT）と QCS-L クライオスタ
ットの熱負荷は約 70 W と考えられる。
Table 1 には、測定されたクライオスタット内温度分布から計算した熱負荷と低温配管の熱負荷を示す。Table 1 に示した約 67.5 Ｗの総熱負荷は、冷却システムの液化・冷凍能力測定から得られた熱負荷測定値（70 W）にほぼ一致した。
QCS-L の熱負荷は、主に液体ヘリウム容器のサポートロッド
及びサービス容器内電流リードの挿入配管からの熱伝導によるものである。また、輻射による浸入熱は、室温のビームパイ
プと液体ヘリウム容器間に液体窒素シールドを持たないため
4.3 W になり、QCS-L 全体では 8.5 Ｗである。
この熱負荷分布の評価により、液体ヘリウム供給ライン、
QCS-L の後方部液体ヘリウム容器および前方部液体ヘリウ
ム容器の熱負荷合計は約 27 Ｗであり、単相液体ヘリウムであるための最大熱負荷約 40 Ｗよりも小さいことが分かった。
以上の結果より、QCS-L 超電導電磁石は単相液体ヘリウムに浸漬され、安定に冷却されることを確認した。
参考文献
1. N. Ohuchi el al.: Proc. of NAPAC2013, WEODA1.
2, 3, 4, 5, 6. Abstracts of CSSJ this Conf., 2C-a01, 2C-a02,
2C-a03, 2C-a04, 2C-a06.
7. Z. Zong el al.:https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.06― 98 ―

第94回

2017年度春季低温工学・超電導学会

2C-a06

SuperKEKBSuperKEKB ビーム最終収束用超伝導電磁石システム（７－６）―QCS及びBELLE II冷凍システム用リモートモニタリングシステム開発状況―
Superconducting Magnet System for the Interaction Region of SuperKEKB (7-6)-Development of the remote monitoring system for the QCS and BELLE II cryogenic system青木 香苗，大内 徳人，宗 占国，川井 正徳，近藤 良也，槙田 康博（KEK）；廣瀬 雅哉（関東情報サービス）；
遠藤 友成（日立プラントメカニクス）；岩崎 昌子（大阪市大）；中村 卓也（三菱電機 SC）
AOKI Kanae, OHUCHI Norihito, ZONG Zhanguo, KAWAI Masanori, KONDOU Yoshinari, MAKIDA Yasuhiro
HIROSE Masaya (Kanto Information Service); ENDOU Tomonari (Hitachi Plant Mechanics); IWASAKI Masako (Osaka City Univ.);
NAKAMURA Takuya (Mitsubishi Electric System & Service)
E-mail: kanae.aoki@kek.jp
1．はじめに高エネルギー加速器研究機構（KEK）においては、2019 年
1 月の物理実験開始を目指して SuperKEKB 加速器及び Belle II
測定器の建設を進めている。
ビーム衝突点近傍には、Belle II 測定器用超伝導ソレノイド
電磁石（Belle ソレノイド）及び SuperKEKB 加速器最終収束
系超伝導電磁石システム（QCSL 及び QCSR）が位置する[15]。我々は、この超伝導電磁石群及びヘリウム冷凍システム
用リモートモニタリングシステムの開発を行っている[6-8]。このシステムは、オープンソースソフトウェアの集合体である
EPICS (Experimental Physics and Industrial Control)[9]をベースとしている。
リモートモニタリングシステム開発の目的は、無線 LAN も含めた一般的なネットワーク上で、関係者が note PC などから容易に超伝導電磁石群及びヘリウム冷凍システム data の利用を可能とすることである。
本発表においては、目標としていた全 data 点数を、これも目標としていた速度（1 sec cycle）で収集可能となった現状について報告を行う。

これまでの実現されたサイクルタイムは、data 点数が現状の2/3 で 10 sec と遅いものだったが、GWU との通信コマンドを変更することで、より速いサイクルの実現が可能となった。
EPICS IOCDB1

GWU

Acc. Control
LAN
Firewall
CA Gateway

CSS
monitor

Belle

QCSR

QCSL
KEK
LAN
Firewall

EX-8000 control system
DB2
Cycle time: 1 sec
Total data: 974

Internet
Fig.1 Current state of the remote monitoring system

2．超伝導電磁石群とヘリウム冷凍システム及び制御系
KEK 筑波実験棟の衝突点に Belle ソレノイド、その内部に 2台のクライオスタットに分かれて QCS 超伝導電磁石群（QCSL、
QCSR； 加速器最終収束系ビーム衝突点用超伝導 4 極電磁石と超伝導補正磁石群）が設置されている。
これら Belle ソレノイド、QCSL 及び QCSR は、3 台のクライオスタットに分かれて、それぞれが専用のヘリウム冷凍機で冷却、超伝導状態が維持される。
これらの冷凍運転は、（株）日立ハイテクソリューションズ社
製の総合計装システム EX-8000 によって制御されている。3台のヘリウム冷凍機とクライオスタットは、それぞれが EX-8000の MLC(Multi-Loop-Controller)で独立に制御されるが、これら 3 台の MLC は閉じた１つのネットワーク上にあり、EX-8000のその他の装置を共有している (Fig.1)。
我々が開発したリモートモニタリングシステムは、EX-8000
ネットワーク上の GWU(Gate Way Unit)から、3 台の MLC のデータを吸い上げて、一般的なネットワークにおいても超伝導電磁石とヘリウム冷凍機の状態をモニター可能としたものである。
3．ソフトウェアの構成とこれまでの問題点への対処
EPICS は、分散化されたプログラム構造を持つリアルタイム
コントローラーを実現するソフトウェア集合体であり、次の要素から成りたっている。

EPICS IOC (IO Controller)
データベース(CSS [Control System Studio] アーカ
イバー＋データベース管理ソフトウェア)CSS モニタークライアント

4．確認されたモニター性能
1) 目標とした全 data 点数の収集が可能となった。
（EX-8000 上の PV 値、MV 値、DI 値、DO 値の全 dataに相当する）

MLC1: Belle ソレノイド＆冷凍システム 245 点

MLC3: QCSL＆冷凍システム
381 点

MLC4: QCSR＆冷凍システム
348 点
2) 上記の全 data を、サイクルタイム 1 sec で、収集かつデータベース（DB1、DB2）に蓄積していることを確認。
（1 sec cycle は、EX-8000 の data 収集サイクルと同じ）
3) CSS monitor 上で利用するために、新たに作成した QCSL
及び QCSR のグラフとグラフィックスの動作確認
5．今後の予定
超伝導電磁石試験、加速器試験、物理実験での運転に際して、使いやすさを検証し改良を行う予定である。
参考文献
1, 2, 3, 4, 5. Abstracts of CSSJ this Conf., 2C-a01, 2C-a02,
2C-a03, 2C-a04, 2C-a05
6. M. Iwasaki, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 88(2013) p.115
7. M. Iwasaki, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 90(2014) p.200
8. K. Aoki, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 92(2015) p.85
9. EPICS, http://www.aps.anl.gov/epics/― 99 ―

第94回

2017年度春季低温工学・超電導学会

2C-a07

加速器

LHC 高輝度アップグレード用超伝導磁石の開発（9）-コイル予備応力を増加させた 2 m モデル磁石のトレーニング特性
Development of superconducting magnets for LHC luminosity upgrade (9)– Training performance of the 2 m model magnet with increased coil pre-stress
菅野 未知央, 飯田真久, 池本由希子, 榎本瞬, 大畠洋克, 岡田尚起, 岡田竜太郎, 荻津透, 川又弘志, 木村誠宏,
佐々木憲一, 鈴木研人, 高橋直人, 田中賢一, 中本 建志, 東憲男(高エネ研)；
Andrea Musso and Ezio Todesco (CERN)SUGANO Michinaka, IIDA Masahisa, IKEMOTO Yukiko, ENOMOTO Shun, OHATA Hirokatsu, OKADA Naoki,
OKADA Ryutaro, OGITSU Toru, KAWAMATA Hiroshi, KIMURA Nobuhiro, SASAKI Kenichi, SUZUKI Kento,
TAKAHASHI Naoto, TANAKA Kenichi, NAKAMOTO Tatsushi, HIGASHI Norio (KEK);MUSSO Andrea and TODESCO Ezio (CERN)
E-mail : michinaka.sugano@kek.jp

QPH,
Ground insulations,
Brass shoe

Pole

Nb-Ti/Cu cable
Coil
GFRP wedge
Iron Yoke
Mid-planeKey
SS Collar
Iron stack tube

SS shellFig. 1 Cross-section of the D1 magnet.
16

Quench current (kA)

1. はじめに
CERN-LHC 加速器では、積分ルミノシティを現行 LHCの 10 倍以上である 3000 fb-1 まで向上させることを目指した高輝度化アップグレード計画（HL-LHC）が進行中である。目標達成のためには ATLAS 及び CMS 実験衝突点近傍の加速器システムの性能向上が不可欠であり、KEK は
この中でビーム分離超伝導双極磁石（D1 磁石）の開発を担当している。D1 磁石は、衝突点付近で同一軌道上に調整された対向する陽子ビームをアーク部に向かって再び別軌道に分ける機能を果たす。衝突点で小さな*を得るために最終収束四極磁石および D1 磁石には 150 mm の大口径が必要であり、また積分磁場として 35 Tm が要求されている。主双極磁場は運転温度 1.9 K、定格運転電流 12 kA
で 5.6 T である。D1 磁石の断面は Fig. 1 に示す通りであり、Nb-Ti/Cu 超伝導単層コイルをスペーサーとしてのステンレスカラーで位置決めし、鉄ヨークが剛性を担っている。
D1 磁石製作の技術的課題として、大口径化に伴ってより顕著になる鉄ヨークの飽和を考慮した磁場設計、25
MGy 以上と想定される放射線に耐え得る絶縁材料を用いた磁石開発、大口径に起因する組み立て、冷却、励磁時のコイルの大きな変形量の正確な予測などが挙げられる。実機の機械長は約 6.7 m であるが、原理検証のために KEK
で 2 m 長のモデル磁石の製作を行っている。
2. 2 m モデル磁石 1 号機のクエンチ特性
2015~2016 年に 2 m モデル磁石 1 号機（MBXFS01, Fig.
1）を製作し、冷却、励磁試験を実施した。最大クエンチ
電流として定格電流 12 kA の 105%は達成したものの、合格条件である 108%にはわずかに届かなかった。コイルには組み立て段階で電磁力に抗するコイル断面円周方向の圧縮予備応力を負荷するが、励磁試験においてこの予備応
力が定格よりもかなり低い電流で完全に解放されていることが確認された。さらに、組み立て途中の測定から、コ
イル端部でも予備応力がかなり低いことが明らかになっていた。以上のことから、不十分なトレーニング特性はコ
イルの機械的支持が不完全であることが原因であると推定された。
3. 2 m モデル磁石 1 号機の改造とクエンチ特性
上記のモデル磁石を試験後に分解し、コイル水平面（Fig.
1 の Mid-plane の位置）にシム板を挿入した。この状態で、ヨーク組み付けを行うことで、コイルの予備応力を 35
MPa 増加させることができた。
改造後の磁石について、KEK 超伝導低温工学センター
内の深さ 9 m の縦型クライオスタットにおいて、1.9 K 冷却、励磁試験を行った。本発表で報告するトレーニングク
エンチ試験に加えて、磁場測定[1]およびクエンチ保護検討のためのヒーター試験[2]を合わせて実施した。
Fig. 2 に改造前（MBXFS01）と改造後（MBXFS01b）のクエンチ電流を示す。図中、SSL（Short sample limit）は超伝導ケーブルの臨界電流とロードラインで決まる電流上
限値、Nominal は定格電流、Ultimate は合格条件の電流を1.9 K, SSL
2.1 K, SSL

Thermal Thermal
cycle cycle

14

1.9 K, Ultimate

12

1.9 K, Nominal
4.4 K, SSL
Thermal
cycle

10
8

MBXFS01, 4.4 K
MBXFS01, 1.9 K
MBXFS01b, 4.4 K
MBXFS01b, 1.9 K
MBXFS01b, 1.9 K, No quench
MBXFS01b, 2.1 K
MBXFS01b, 2.1 K, No quench

6
4
2
0

0

5

10

15

20

25

Quench number

30

35

Fig. 2 Quench history of the first 2 m model (MBXFS01)
and the reassembled model with enhanced coil pre-stress(MBXFS01b).
示す。改造前と比較して改造機では明らかにトレーニング
特性が改善されており、2 回のクエンチ後に定格電流に、5 回のクエンチ後に合格条件電流に到達した。4.4 K では
クエンチ電流がほぼ SSL と同レベルに達することを確認した。また、最終的に最大電流は 13.5 kA に達した。励磁
中のコイル予備応力の測定結果から、改造前と比較してより高い電流値まで予備応力が残留していることも確認された。
4. まとめ
LHC の高輝度化アップグレードの一環として、D1 磁石の 2 m モデル磁石 1 号機の製作、磁石性能試験を実施した。コイル予備応力を増加させることで、1 号機で不完全だったトレーニング特性を改善できることを実証した。
参考文献
1. S. Enomoto et al, Abstract of CSJ Conference, Vol. 95, 2Ca08 (2017).
2. K. Suzuki et al, Abstract of CSJ Conference, Vol. 95, 2Ca09 (2017).

― 100 ―

第94回

2017年度春季低温工学・超電導学会

2C-a08

加速器

LHC 高輝度アップグレード用超伝導磁石の開発（10）- 2m モデル磁石 1b 号機の磁場測定Development of superconducting magnets for LHC luminosity upgrade (10)– Magnetic field measurement of the 2-m model magnet.
榎本 瞬, 菅野 未知央, 中本 建志, 鈴木 研人, 川又 弘史, 岡田 尚起, 池本 由希子 岡田 竜太郎, 東 憲男,
荻津 透, 佐々木 憲一, 木村 誠宏, 田中 賢一, 大畠 洋克, 飯田 真久 菅原 繁勝, 高橋 直人 (高エネ研)；
Andrea Musso and Ezio Todesco (CERN)ENOMOTO Shun, SUGANO Michinaka, NAKAMOTO Tatsushi, SUZUKI Kento, KAWAMATA Hiroshi, OKADA Naoki,
IKEMOTO Yukiko, OKADA Ryutaro, HIGASHI Norio, OGITSU Toru, SASAKI Ken-ichi, KIMURA Nobuhiro,
TANAKA Ken-ichi, OHATA Hirokatsu, IIDA Masahisa, SUGAWARA Shigekatsu and TAKAHASHI Naoto (KEK);MUSSO Andrea and TODESCO Ezio (CERN)
E-mail : enoshun@post.kek.jp
1．はじめに欧州原子核研究機構（CERN）の LHC 加速器では 2024 年頃にビーム衝突点近傍の超伝導磁石システムのアップグレー
ドを計画している（高輝度アップグレード：HL-LHC）。その中で高エネルギー加速器研究機構(KEK)は衝突点近くのビー
ム分離用超伝導双極磁石(D1)の開発を担っている。磁石は口径 150 mm、全長 7 m となり、超伝導コイルには NbTi 超伝導線を用い、磁場は 12 kA、1.9 K で 5.6 T、積分磁場長 35
Tm を公称値としている。
これまで KEK では、性能検証のため、実機 7m に対して直線部を短くした機械長 2m のモデル磁石の所内開発を行ってきた。2016 年最初のモデル磁石 1 号機(MBXFS01)の冷却・励磁試験を行った。その結果、励磁中にポール部分の予備応力が完全に抜けきってしまったため、クエンチ性能が所定の条件を十分に満たすことができないことが判明した[1]。このため、モデル磁石 1 号機を分解して、コイル水平面に対して0.6mm のシム板を挿入することによってコイルの予備応力を増加させた。改造されたモデル磁石 1b 号機(MBXFS01b)は、
2017 年 2 月から冷却・励磁試験を行い、クエンチ性能が大幅に改善されたことが確認できた。[2]MBXFS01b の磁場測定では、1 号機で測定できなかった
磁石中心における定格電流以上 12.2kA までの電流依存性
測定及び定格電流 12kA におけるｚ方向磁場分布の測定を行った。本講演では磁場測定の再現性、多極成分に対する大口径の影響や鉄の飽和の影響を主眼において報告を行う。

Fig. 2 b3 of z-scan measurements at several currents.

2．磁場測定・結果
冷却・励磁試験は、KEK 超伝導低温工学センター第 4 低
温棟・縦型クライオスタット（深さ 9m）で行った。磁場測定は、磁石のボア中に常温クライオスタットチューブを挿入し、回転コイルにより磁場測定を行った。
磁石中心における電流依存性の測定では、1 号機の測定を再現していることが確認できたが、その一方で、Fig. 1 に示
すようにノーマル 6 極成分(b3)などの多極成分では鉄の飽和が生じる高電流領域において計算結果と大きく異なる結果が得られた。また、ｚ方向磁場分布の測定では Fig.2 に示すようにコイル直線部（±500mm）で、電流の増加に伴い、エンド部の磁場の漏れ込みが顕著に表れることを確認した。
3．まとめ
KEK では、LHC 加速器高輝度アップグレード用 D1 磁石の開発を行っている。改造したモデル磁石 1b 号機の冷却・励
磁試験を 2017 年 2 月から実施し、磁場測定を行った。1 号機と 1b 号機で磁場測定の再現性を確認すると共に、多極成分
で鉄の飽和の影響や大口径の影響が顕著見られ、磁場計算と大きく異なる結果が得られた。本講演では、より詳細な議論
および積分磁場などの結果について報告を行う。

Fig. 1 b3 of DC loop at the magnet center after offset
cancellation. Comparison between measured and ROXIE 3D
calculation.

参考文献
1. M. Sugano, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 27,
no. 4, June 2017, Art. no. 4002409.
2. M. Sugano et al, Abstract of CSJ Conference, Vol. 95, 2CA07 (2017).

― 101 ―

第94回

2017年度春季低温工学・超電導学会

2C-a09

加速器

LHC 高輝度アップグレード用超伝導磁石の開発
LHC
高輝度アップグレード用超伝導磁石の開発 （11）(11)
2m モデル磁石を用いたクエンチ保護ヒーター試験結果
モデル磁石を用いたクエンチ保護ヒーター試験結果--2m

Development of superconducting magnets forfor LHC
LHC luminosity
luminosity upgrade
upgrade （11）(11)
Quench protection
protection study
study with
with thethe 2
2m-- Quenchm modelmodel magnet
magnet ofof beambeam separation
separation dipole
dipole
鈴木
研人、飯田
真久、池本
由希子、榎本
瞬、大畠
洋克、岡田
尚起、岡田
竜太郎、荻津
透、川又
弘史、木村
誠宏、
鈴木研人，
飯田真久，
池本由希子，
榎本瞬，
大畠洋克，
岡田尚起，
岡田竜太郎，
荻津透，
川又弘史，
木村誠宏，
佐々木 憲一、菅野
未知央、高橋
直人、田中
賢一、中本
建志、東
憲男（高エネ研）(高エネ研)；
佐々木憲一，
菅野未知央，
高橋直人，
田中賢一，
中本建志，
東憲男
MUSSO Andrea，Andrea、TODESCO
Ezio （CERN）(CERN)MUSSOTODESCO Ezio
SUZUKI Kento,
Kento, IIDA
IIDA Masahisa,
Masahisa, IKEMOTO
Yukiko, ENOMOTO
Shun, OHATA
Hirokatsu, OKADA
Naoki,SUZUKI
IKEMOTO Yukiko,
ENOMOTO Shun,
OHATA Hirokatsu,
OKADA Naoki,
OKADA
Ryutaro, OGITSU
OGITSU Toru,
Toru, KAWAMATA
KAWAMATAHiroshi,
Hiroshi,KIMURAKIMURANobuhiro,
Nobuhiro,SASAKI
SASAKIKenichi,
Kenichi,SUGANO
SUGANOMichinaka,
Michinaka,
OKADA Ryutaro,
TAKAHASHINaoto,
Naoto,TANAKATANAKAKenichi,
Kenichi,NAKAMOTO
NAKAMOTOTatsushi,
Tatsushi,HIGASHIHIGASHINorio
Norio（KEK）(KEK)；
TAKAHASHIMUSSO Andrea
Andrea andand TODESCO
Ezio （CERN）(CERN)MUSSOTODESCO Ezio
E-mail: kentsuzu@post.kek.jp
kentsuzu@post.kek.jp
E-mail:50
40

MIITs limit
MIITs w/ 2 QPHs
600
MIITs w/ 4 QPHs
Disp. energy w/ 2 QPHs
Disp. energy w/ 4 QPHs

400

30
20

200

10
0

Dissipation energy (kJ)

2 QPH
2QPHシステムシステム
QPH はクエンチが生じた際にヒーターに電流を流し、常伝導転移をコイル全体に促進させることでコイルを保 護 す る シ ス テ ム で あ る 。QPH は ス ト リ ッ プ 状 の SUS(25 µm×15 mm×2 m) であり、これが 2 枚のポリイミドフィ
ルム（厚さ 50 µm）に挟まれた構造となっている。図 1 上にモデル磁石 MBXFS01(b) で使用している QPH の写真を載せた。
経験磁場が比較的低い（つまり常伝導転移が遅い）Mid-plane側にあるコイル 9 ターン分を覆うように QPH を配置しており、上下コイルに 2 枚ずつ、計 4 枚使用している。QPH は容
量 7.05 mF の電源（最大充電電圧=800 V）につながっている。コイルバランス電圧の上昇が検知されると電流遮断が起き、同時に QPH 電源のキャパシタの放電によってヒーター部に電流が流れ、常伝導転移が促進される仕組みとなっている。

MIITs

1 はじめに
図 1 下に示したのは通電電流毎に測定した MIITs とコイル
1
はじめに
欧州原子核機構 (CERN) が次期 LHC 計画として進めてい 内で消失したエネルギーである。この図には 4 枚の QPH、まる「HL-LHC」ではビーム高輝度化を達成すべく、最終収束 たは 2 枚の QPH（上下コイル１枚ずつ配置）を焚いた場合に4 極磁石の高磁場化 · 大口径化 (70mm→150mm) を進めてい ついてプロットしており、赤点線は MIITs の設計限界値（30る。このアップグレードに伴い、ビーム分離用双極（D1）磁石 kA2 ·s）を示している。この結果より、QPH4 枚では 10.5kA、も大口径化並びに超伝導（NbTi）化が必須となっている。高 QPH2 枚では 9kA に到達した際に MIITs はその限界値に達エネルギー加速器研究機構（KEK）では CERN との国際協力 している事がわかる。すなわち現行の QPH の配置条件では定の枠組みのもと、この D1 磁石実機開発に先立ち 2m 長のモデ 格電流での運用が不可能である事を意味している。
ル磁石の開発を行っている。D1 磁石は現行 LHC と同様、超 4
4 まとめ
まとめ
流動ヘリウム温度 (1.9K) まで冷却され、定格運転電流 12 kA
HL-LHC D1 磁石のクエンチ保護システムとしての QPH
にて 5.6 T の磁場強度を生み出す仕様となっている。KEK は の実用性を評価した。その結果、現行の QPH の配置条件ではモデル磁石初号機（MBXFS01）の製作を 2015 年から開始し、 定格電流による運用はできない事が分かった。今後の２号機
その性能評価を 2016 年に行った。しかしながら、この測定中 の作成では今回の結果を踏まえ、全体的に常伝導転移を早めにコイル直線部において期待通りの予備応力を得る事ができ るような工夫、つまり経験磁場の高い領域も覆うような QPH
なかったため、測定後に初号機の改造機 MBXFS01b の製作に の配置検討を行う予定である。
踏み切った [1]。そして、この MBXFS01b の性能評価を 2017
年 3 月に行った。
磁石性能評価として、励磁試験 [1]、磁場測定 [2] の他、クエ
ンチ保護検討のための試験を行い、ここではクエンチ保護ヒー
ター（Quench Protection Heater: QPH）と呼ばれる、常伝導転移を促進させるヒーターを用いてのエネルギー回収シス
テム評価を行った。本発表では、この QPH 試験の結果について報告する。

5
10
Transport current (kA)0

3 FullDump
試験試験
3
FullEnergy
EnergyDump
加速器用超伝導磁石を運用する際、磁石とは平行に保護抵抗を接続し、クエンチ時のコイルの蓄積エネルギーを主にその抵抗によって吸収させる方法がある。HL-LHC の磁石設計で Fig. 1: Picture of a QPH that covers an outer surface of
はこういった保護抵抗を用いず、QPH のみでクエンチを保護 the coil (top). Measured MIITs and dissipation energy
するシステムを採用している。ここで注意すべきは、電流遮断
as a function of the transportation current (bottom).
時の時定数が伸びると MIITs が大きくなり最悪の場合磁石の参考文献
破壊をもたらす事である。そしてこの時定数の長短は保護抵 参考文献
抗システムにおいてはその抵抗値で決まる一方、QPH の場合 1. M. Sugano et al., Abstract of CSJ Conference, Vol. 95,
では常伝導転移を起こした領域で決まる。我々は現状の QPH
2C-A07 (2017).
配置条件が実機でうまく行くかどうかの事前確認として、改 2. S. Enomoto et al., Abstract of CSJ Conference, Vol. 95,
2C-A08 (2017).
造機である MBXFS01b を用いて QPH の実証試験を行った。

― 102 ―

第94回

2017年度春季低温工学・超電導学会

2C-a10加速器

ビーム試験用マグネットのためのＲＥ系レーストラックコイルの試作
Fabricated results of REBCO racetrack coils for beam-line-test magnet
高山 茂貴，小柳 圭，宮崎 寛史，石井 祐介，来栖 努（東芝）；岩田 佳之，野田 耕司（NIRS）；
吉本 政弘（JAEA）；鈴木 研人，荻津 透（KEK）；雨宮 尚之（京大）
TAKAYAMA Shigeki，KOYANAGI Kei，MIYAZAKI Hiroshi，ISHII Yusuke，KURUSU Tsutomu (Toshiba); IWATA Yoshiyuki,
NODA Koji (NIRS); YOSHIMOTO Masahiro (JAEA); SUZUKI Kento，OGITSU Toru (KEK); AMEMIYA Naoyuki (Kyoto Univ.)
E-mail: shigeki2.takayama@toshiba.co.jp
1．はじめに加速器システムの高機能・高効率・小型化を目指し高温超伝導の適用を検討している[1]。これまでにステージⅡとして、加速器用マグネットの高温超伝導化のために、高精度磁場発生技術[2]や 3 次元巻線技術[3]、高効率伝導冷却マグネット技術[4]などの共通基盤技術の開発をおこなってきた。次なるステージとしてＲＥＢＣＯ線材を用いた高温超伝導マグネットによるビーム試験を計画している。本計画では高温超伝導マ
グネットでビームを偏向するビーム誘導試験と、ビームロスを模擬しビームをマグネットに照射するビームロス試験とを計画している。上記ビーム試験用の高温超伝導マグネットの設計
およびコイル試作を実施したため、その結果について報告する。
2．マグネット設計
設計検討したマグネット諸元を Table 1 に、コイル諸元をTable 2 に示す。本マグネットは 4 積層の REBCO レーストラッ
クコイルを上下にスプリット配置(コイル間距離 130mm)し、外径側に鉄心を配置する構造とした。この場合 200A 励磁でビー
ムダクト中心に 2.5T を発生する。磁場解析結果を Fig1 に示す。コイルの最内周部で経験磁場が最大となりその値は約 4Tとなった。本マグネットにおいてビーム偏向試験を想定した粒子軌道計算を実施した。想定するビームは重粒子線(C6+)とし、粒子エネルギー430MeV/u において軌道計算を実施した結果、ビーム半径 2.68m で 11.2 度偏向されることが明らかとなった。この場合マグネットから下流側 5m の位置においてビームが中心軸から 0.97m ずれることになる。ビーム偏向時ビームがダクトに衝突する事を避けるため、ビームダクトは高さ 40mm、幅 264mm のレーストラック断面形状を採用する計画。
3．コイル試作
上記設計をもとにコイル試作を実施した。試作したコイルをFig.2 に示す。ここではまずダミー線(Cu,t0.1mm,w4mm)を用いて巻線し、その精度の評価を実施した。巻き上がったコイルの周方向 8 か所にて巻厚およびコイル高さを測定した結果、巻厚は peak to peak で 0.17mm、コイル高さは peak to peak で
0.22mm と±0.1mｍ程度の精度で巻線されていることが明らかとなった。

Table 1 Specifications of beam-line-test magnet
Coil configuration
Center field
Peak field
Integrated field
Effective length
Operating temperature
Operating current
Stored energy
Inductance

Split arrangement of
REBCO racetrack coil
2.5T
4.0T
1.16Tm
0.463m20K
200A
65.7kJ
3.3H

Table 2 Specifications of REBCO coil
Coil type
Wire type
Number of layers
Number of turns
Inner radius
Length of straight section
Conductor length

racetrack
REBCO
4
300
103mm
200mm
1.5km/pole

Fig.2 Photograph of the fabricated racetrack coil
4．まとめ
ＲＥＢＣＯ線材を用いた高温超伝導マグネットによるビーム試験を計画しており、そのためのマグネットの設計およびコイ
ル試作を実施している。4 積層の REBCO レーストラックコイル
を上下にスプリット配置しビームダクト中心に 2.5T を発生する
マグネットを検討した。上記マグネット用のコイルをダミー線で試作し巻線精度が±0.1mｍ程度である事を明らかにした。
謝辞
本研究は科学技術振興機構の研究成果展開事業「戦略的イノベーション創出推進プログラム(S-イノベ)」の支援によって行われた。
参考文献
1. N. Amemiya, et al.: Phys. C, Supercond. Vol. 482 (2012)p.74
2. Y. Li, et al.: Abs. of CSSJ Conference, Vol. 93 (2016) p.125
3. S. Takayama, et al.: Abs. of CSSJ Conference, Vol. 91(2015) p.80
4. K. Koyanagi, et al.: Abs. of CSSJ Conference, Vol. 93(2016) p.126

Fig.1 Result of three-dimensional magnetic field calculation― 103 ―

第94回

2017年度春季低温工学・超電導学会

2C-a11加速器

重粒子線がん治療用回転ガントリーのための低温超電導電磁石の製作
及び励磁試験結果
Manufacturing and excitation test results of the low-temperature superconducting magnets
for the heavy ion rotating gantry
高山 茂貴，高見 正平，折笠 朝文，長本 義史（東芝）；岩田 佳之，野田 耕司（NIRS）；
尾花 哲浩（NIFS）；荻津 透（KEK）；雨宮 尚之（京大）
TAKAYAMA Shigeki，TAKAMI Shohei，ORIKASA Tomofumi，NAGAMOTO Yoshifumi (Toshiba);
IWATA Yoshiyuki，NODA Koji (NIRS); OBANA Tetsuhiro (NIFS); OGITSU Toru (KEK); AMEMIYA Naoyuki (Kyoto Univ.)
E-mail: shigeki2.takayama@toshiba.co.jp

2．回転ガントリーレイアウト
回転ガントリーの外観を Fig.1 に示す[1]。今回開発した回転ガントリーはアイソセントリック型であり、軸長 13m、回転半
径 5.45m となっている。ビーム制御の観点から 5 種類 10 台の超電導電磁石(BM01-BM10)で構成され、各磁石は二極・四極機能結合型磁石となっている。さらに 1 組のスキャニング電
磁石(SCM-X,SCM-Y)と 3 組のステアリング電磁石(STR01STR03)およびビームモニター(PRN01-PRN03)が直線部に配置されている。上記機器は円筒状の構造体に固定され、本円筒を回転させることで任意の角度からの照射を可能としている。

BM10

STR03
PRN03

SCM-X

BM04

STR02
PRN02

Irradiation
Isocenter
Rotate

BM05

BM03
BM02
BM01

STR01
PRN01

BM09

5.45m

BM07
BM08

SCM-Y

BM06

13m

Fig.2 Left:LTS magnet, Right:saddle-shaped LTS coil (BM4)
Table 1 Specifications of LTS magnet
Specification

unit

Bending angle
Bending radius
Dipole field
Dipole current
Quadrupole field
Quadrupole current
Number of refrigerator

deg.
m
T
A
T/m
A
-

BM02BM05
26
2.3
2.88
136
9.3
130
3

BM07
BM08
22.5
2.8
2.37
227
4

BM09
BM10
22.5
2.8
2.37
231
1.3
200
4

4．パターン励磁試験
粒子線がん治療装置では照射深さを粒子のエネルギーで制御している。そのため超電導電磁石は照射される粒子のエ
ネルギーに応じて短い時間で励磁電流値を変更する必要がある。実際の治療を想定したパターン励磁試験を実施した。
試験結果を Fig.3 に示す。実際の照射を模擬し初期化後ステップ状に励磁電流値を下げるパターンで励磁を行った。本励
磁パターンにおいてコイル温度を測定した結果、初期温度
3.1K 程度に対し、最大温度上昇は 0.3K 程度と十分小さく、また、励磁時にクエンチも観測されず良好な結果が得られた。
Irradiation #1

Heavy
-ion

3.90

Rotatetemperature [K]Fig.1 Layout of rotating gantry#3#2

Initializing

3.70

3．機能結合型超電導電磁石搭載されている超電導電磁石の諸元を Table 1 に、外観をFig.2 に示す。二極磁場は最大で 2.88T、四極磁場は最大で9.3T/m となっており、NbTi の鞍型コイルを適用している。本磁石においては二極・四極コイルを同軸に配置することで機能結合磁場を生成しており、各コイルは独立励磁可能となっている。コイルの外径側には電磁鋼板を積層したリターンヨー
クが設置されており、電磁力支持と磁場強度の増加に寄与している。本磁石は 360 度回転に対応するために冷媒を用いな
い伝導冷却を採用している。各磁石に複数搭載された小型
GM 冷凍機(1.5W@4.2K)のコールドヘッドと超電導コイルとを高純度アルミで接続することで冷却を行っている。ガントリー
全体で 34 台の小型冷凍機を用いており、それぞれが約 30mのフレキシブルガスホースによってガントリー外部に設置された圧縮機と接続されている。

BM01
BM06
18
2.3
2.88
136
9.3
130
3

#4

160
140

3.50

120

3.30

100

3.10

80
60

2.90
2.70

coil temperature (inner)coil temperature (mid.)coil temperature (outer)
dipole current

2.50
2.30
0

300

600

900

1200

current [A]1．はじめに重粒子線(炭素イオン)によるがん治療は治療効果が高く、患者負担が軽いために近年普及が進んでいる。回転ガントリーとは粒子線を患者の周囲 360 度任意の角度から照射する事を可能にする装置で、正常細胞への線量を低減出来る事が特徴である。陽子線によるがん治療装置ではこの回転ガン
トリーが一般的に適用されているが、重粒子は陽子に比べ重たいために本装置が大型となってしまう。そこで我々は回転ガ
ントリーの小型・軽量化を目的に超電導電磁石の適用を検討してきた。これまでに超電導電磁石の設計、製造が完了しており、製造に際し冷却・励磁試験等を実施してきたため、その試験結果について報告する。

40
20
0
1500

time [s]Fig.3 Coil temperature profile in pattern excitation (BM04)
5．まとめ
重粒子線がん治療装置用回転ガントリーの小型化を目的に超電導電磁石の適用を検討し、設計、製造、据付を完了した。製造に際し冷却・励磁試験等を実施し、良好な結果が得られた。現在ビームコミッショニングが実施されている。
参考文献
1. Y.Iwata, et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 15, 044701(2012).

― 104 ―

第94回

2017年度春季低温工学・超電導学会