Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 THP14

J-PARC MR 8GeV 運転時における主電磁石への磁場ヒステリシス影響
EFFECT OF MAGNETIC HYSTERESIS ON THE MAIN MAGNET WHEN
OPERATED AT 8 GeV IN J-PARC MR三浦一喜#, A), 下川哲司 A) , 森田裕一 A), 吉井正人 A) , 吉成柾 B), 冨澤正人 A) , 武藤亮太郎 A)
Kazuki Miura #, A), Tetsushi ShimogawaA), Yuichi MoritaA), Masahito Yoshii A), Masaki Yoshinari B),
Masahito Tomizawa A) , Ryotaro Muto A)A)
KEK, B) NAT Corporation

Abstract

J-PARC main ring (MR) is a circular accelerator that extracts beams by switching between two operation modes, fastextraction (FX) operation and slow extraction (SX) operation. Extraction energy of both operation modes is 30 GeV.
However, the ongoing COMET project requires beam extraction at 8 GeV for SX operation. The 8 GeV beam study wasconducted from January to February 2023, then, the 8 GeV beam was successfully extracted to the Hadron ExperimentalFacility. On the other hand, it was observed that the beam conditions were not reproducible before and after the shortmaintenance that were carried out during the beam study, which involved equipment shutdown. In order to investigate
the cause of this event, the parameters and other settings of each device were checked, but it was confirmed that they
were the same as before maintenance. The influence of the magnetic field hysteresis of the main magnet was pointed out,
and the beam state before maintenance was reproduced when the 8 GeV pattern excitation was performed after the 30
GeV pattern excitation in the main magnet as before the maintenance. The results of measuring the magnetic field of themain magnet to observe the hysteresis effect on the magnetic field is reported.

1.

はじめに

2.

J-PARC 主リング(MR)は、速い取り出し(FX)運転および遅い取り出し(SX)運転の 2 種類の運転モードを切り替えてビームの取り出しを行う円形加速器であり、FX 運転、SX 運転 い ずれ も 加速 エ ネ ル ギ ーを Flat Bottom の3 GeV から Flat Top の 30 GeV まで加速して取り出しを行うパターン運転を通常行っているが、現在進められている COMET 計画では SX 運転で Flat Top が 8 GeV でのビーム取り出しが求められている[1]。2023 年 1 月～2 月に行われた 8 GeV ビーム試験では、無事に 8 GeV のビームがハドロン実験施設に取り出されたが、そのビーム試験中に行われた半日程度の機器停止を伴うメンテナンスの前後でビームの状態が再現しない事象が確認された。この事象に対して各機器のパラメーター等の設定確認が行われたものの、メンテナンス前の状態と同設定であることが確認されたことから、電磁石の磁場ヒステリシスの影響が懸念され、メンテナンス前と同じく電磁石で 30 GeV パターンで 10 cycle 通電後に 8 GeV パターン通電を行ったところ、メンテナンス前のビーム状態を再現し、8 GeV ビーム試験は継続された。
このことから、電磁石のヒステリシス影響によって磁場が変わることが想定されたため、ビーム試験終了後に電磁石の磁場測定を行い、運転パターン等の条件による磁場へのヒステリシス影響を確認した。本報告ではその確認結果および次回の 8 GeV ビーム試験に向けた検討結果を紹介する。

8 GeV ビーム試験での再現性不良

2023 年 1 月～2 月に行われた 8 GeV ビーム試験では、無事に 8 GeV のビームがハドロン実験施設に取り出されたが、そのビーム試験中に行われた半日程度の機器停止を伴うメンテナンスの前後でビームの状態が再現しない事象が確認された。K1 入射タイミングからのメンテナ
ンス前後のビーム運動量の違いを Fig. 1 に示す。

(a) Before maintenance(b) After maintenance___________________________________________# kazuki.miura@kek.jp

Figure 1: Fractional momentum before and after thescheduled maintenance.

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メンテナンスの前後でビーム状態が再現できていないことが分かる。このずれは Flat bottom 運動量で 0.07%の違 い で あ り 、 偏 向 電 磁 石 （ BM ） の 磁 場 に 換 算 す る と0.1 mT の違いとなる。
この再現性不良の原因調査として、電磁石電源の出力電流設定値を始めとした各機器のパラメーター確認などが行われたが、いずれのパラメーターもメンテナンス前と同様であることが確認された。これに対し再現性不良の原因として新たに電磁石のヒステリシス影響が懸念されたため、確認のために Flat top が 30 GeV パターンを10 cycle 運転した後に Flat top が 8 GeV パターンに戻すことを試験した。この試験結果を Fig. 2 に示す。

3.

磁場測定によるヒステリシス影響確認

8 GeV ビーム試験終了後、先に示したヒステリシス影
響を磁場の面から確認するために磁場測定を実施した。
測定方法としては電磁石内に磁場測定用プローブを挿入、固定した状態（測定系を変化させない状態）で、パターンの変更や電源停止、立ち上げを行う形式で行った。
測定対象の電磁石は BM116 および BM117 の 2 台とし、各条件でパターン Flat Bottom の DC 磁場 100 点の磁場データを測定、平均化することで測定エラー（標準誤差）を測定に用いたガウスメーターの分解能である 0.01 mT未満に抑えている。測定結果を Table 1 に示す。
Table 1: Average Magnetic Field Under Each PatternCondition
Pattern condition

Average magnetic field at flatbottom (DC)BM116(a) Before maintenance

BM117

30 GeV → PS OFF → 30 GeV 133.99 mT

134.61 mT

30 GeV → PS OFF → 8 GeV

134.01 mT

134.62 mT

8 GeV → PS OFF → 8 GeV

133.88 mT

134.45 mT

今回、8 GeV ビーム試験で再現性不良が問題となった条件である 8 GeV パターン→電源停止→8 GeV パターンの場合（赤字部分）でのみ DC 磁場が有意（BM116：0.13 mT、BM117：-0.17 mT）に下がっている。また、下がり幅としても前項で示した「磁場で-0.1 mT のずれ（FB 運動量で-0.07 %）」に近い値であり、運転パターン条件による磁場ヒステリシス影響を観測できたものと考える。この原因については、30 GeV を越えたあたりから飽和現象が起こる J-PARC MR 電磁石[2]に対して、8 GeV パターン時の磁場が小さいことに起因していると推測される。

(b) After maintenance (30 GeV→8 GeV)
Figure 2: Fractional momentum before and after thescheduled maintenance(30 GeV→8 GeV).
先に示した Fig. 1 と比較して、メンテナンス前の状態をよく再現している。このことから、このビーム再現性不良の原因は 8 GeV パターン後に電磁石電源を停止し、8 GeV パターンで電源を立ち上げたことによる電磁石のヒステリシス影響であったことが分かる。これまでにも MR
では 2018 年 1 月、2018 年 2 月、2021 年 5 月の 3 回に渡り 8 GeV ビーム試験は行われてきたが、いずれも直前まで 30 GeV パターンで運転していた状態からメンテナン
スを挟まずに 8 GeV パターン運転に移行しており、今回のように 8 GeV パターン→半日メンテナンス（電源停止）→8 GeV パターン立ち上げという流れはなかったことから、今回初めてこの事象が確認されたことになる。この事象の発生条件等を確認するために行った各種測定結果を次項以降にまとめる。

4.

8 GeV ビーム試験時の初期条件検討

4.1

8 GeV パターン→8 GeV パターンヒステリシス影響を磁場で確認できたことから、磁場で確認しながら、次回 8 GeV 運転時の初期条件を検討することとした。先の磁場測定で再現性が確認された
30 GeV パターン→電源停止→8 GeV パターンの場合、
30 GeV パターンと 8 GeV パターン運転時に全部で 24 台ある電磁石電源の制御パラメーターを変更する必要があり、立ち上げ時の時間ロスとなる。また、8 GeV パターン
運転中に機器故障などが発生した場合も、再度 30 GeVパターンから立ち上げおよび電源制御パラメーター変更が必要となることから、初期の立ち上げ手順、故障復旧時の時間短縮を目的として、運転初期条件を 8 GeV パターン→8 GeV パターンにできないか検討した。各パ
ターン条件での磁場再現性を四極電磁石（QFN117）で時系列順に測定した結果を Table 2 に示す。なお、いずれのパターンも 10 Cycle 以上の運転を行っており、測定平均値はパターン運転後の Flat Bottom DC 通電状態で行っている。

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Table 2: Magnetic Field Measurement for Investigation ofInitial Conditions (QFN117)

Table 3: 30 GeV → 8 GeV Reproducibility Confirmation(QFN117)

Pattern condition

Average magnetic field at flatbottom (DC)Pattern condition

Average magnetic field at flatbottom (DC)30 GeV → PS OFF → 8 GeV

110.27 mT

30 GeV → PS OFF → 8 GeV

112.11 mT

8 GeV → PS OFF → 8 GeV

110.09 mT

30 GeV → PS OFF → 8 GeV

112.12 mT

8 GeV → PS OFF → 8 GeV

110.04 mT

30 GeV → PS OFF → 8 GeV

112.12 mT

8 GeV → PS OFF → 8 GeV

110.00 mT

8 GeV → DC → 8 GeV

112.12 mT

8 GeV → PS OFF → 8 GeV

109.99 mT30 GeV → PS OFF → 8 GeV

110.24 mT

8 GeV パターン用電源制御パラメーターのままで初期条件となる 30 GeV パターン通電をした場合でも、8 GeV
30 GeV → PS OFF → 8 GeV 110.25 mT
パターン時の平均磁場はよく再現しており、懸念された初期条件 30 GeV パターン通電のリップル状態は本件の電源停止状態から 8 GeV パターン→電源停止→ 磁場再現性には影響しないことが確認された。また、
8 GeV パ タ ーン を繰 り 返し て再 現 性を 確 認し た 結果 Table 3 に赤字で示した通り、電源停止を挟まなければ（Table 2 の赤字部分）、繰り返す度に DC 磁場が徐々に 8 GeV パターン通電を一旦 DC 通電に変更し、再度下がっていき、繰り返し 3 回目から 4 回目程度で下げ止 8 GeV パターン通電しても磁場が再現することを確認でまる結果が確認された。この時の値は 30 GeV→8 GeV の きた。ビーム試験中のパターン変更は電源停止せずに時の値とも異なっていることから、8 GeV ビーム試験で確 DC 状態で行うことが可能であるため、8 GeV ビーム試験認された再現性不良時と同様の事象であると考えられる。 中でも電磁石のパターン変更が電源再立ち上げの必要
PS OFF 時の残留磁場は各測定で再現していることから 無く行えることが確認できた。このことから、次回以降の測定系のウォームアップなどの影響は考えにくい。この 8 GeV ビーム試験では、立ち上げ時と故障などで電源が結果から 8 GeV ビーム試験時の初期条件を 8 GeV パ 停止した時のみ、電源制御パラメーターは 8 GeV パターターン→電源停止→8 GeV パターンとする場合、全ての ン 用 の ま ま で 、 30 GeV パ タ ー ン を 初 期 条 件 と し て電磁石で下げ止まりを確認する必要があり、ビーム試験 10 cycle パターン通電した後、8 GeV パターンに変更すに採用することは現実的でないということ結論に至った。 る手法が有効であることが実証された。
一方で 30 GeV パターン→電源停止→8 GeV パターンの場合では、磁場が良く再現することが改めて確認され、8まとめGeV ビーム試験に際しては今回の 8 GeV ビーム試験と 5.
同様に、電磁石立ち上げ時に 30 GeV パターン→電源
J-PARC MR では、現在進められている COMET 計画停止→8 GeV パターンの手順を踏む必要があることが再 において SX 運転で 8 GeV でのビーム取り出しが求めら確認された。
れている。2023 年 1 月～2 月に行われた 8 GeV ビーム試験では、無事に 8 GeV のビームがハドロン実験施設に取り出されたが、そのビーム試験中に行われた半日程度
4.2 30 GeV パターン→8 GeV パターン
前項の測定結果から、電源停止からの立ち上げ時に の機器停止を伴うメンテナンスの前後でビーム状態が再は 30 GeV パターンで電磁石を励磁する必要があること 現しない事象が確認された。その際に電磁石の磁場ヒスが分かった。この場合におけるデメリットは立ち上げ時に テ リ シ ス の 影 響 が 懸 念 さ れ 、 メ ン テ ナ ン ス 前 と 同 じ く
電源制御パラメーター変更を行うことによる時間ロスであ 30 GeV パターンで通電後に 8 GeV パターン通電を行っる。そこで、30 GeV パターン→電源停止→8 GeV パター たところ、メンテナンス前のビーム状態を再現した。
ンの立ち上げを効率的に行う方法として、8 GeV パター
このビーム再現性不良事象に対して原因調査を行う
ン用電源制御パラメーターのままで 30 GeV パターン運 ため、ビーム試験終了後に電磁石の磁場測定を行い、転する方法を検討した。この場合、電磁石電源のパター 運転パターン等の条件による磁場へのヒステリシス影響ン変更のみの立ち上げ手順で済むため、時間ロスを大 を確認した結果、8 GeV パターン→電源停止→8 GeV パ幅に減らすことが可能である。電源制御パラメーターは ターンの手順で電磁石電源立ち上げを行った場合に、運転するパターンの強度や時間構造に合わせて、電磁磁場が再現しないことが確認され、8 GeV のビーム試験石電源の動作を最適化してリップル低減や電源の長時時の立ち上げには、30 GeV パターンを初期条件として間安定動作を目的として、本来パターンごとに変更すべ
10 cycle パターン通電した後、8 GeV パターンに変更す
きものであるが、今回のように初期条件 10 Cycle 程度の運転であれば、変更せずに動作させることが可能である。 る手順が必要であることが分かった。この手順での立ち電源制御パラメーターを変更しない場合のリップル悪化 上げ時間ロス低減に向け、8 GeV パターン用の電源制御などが磁場の再現性に影響しないかを確認するため、 パラメーターでの 30 GeV パターン運転が全ての電磁石電源 で行え る よう に通電 試 験を実 施し 、 次回 以降のQFN117 で測定した結果を Table 3 に示す。

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8 GeV ビーム試験に向けて準備を進めていく予定である。

参考文献[1] M. Tomizawa et al., “8 GeV Slow Extraction Beam Test for
COMET Experiment” J. Particle Accelerator Society ofJapan, Vol. 15, No. 3, p117-125, 2018.
[2] H. Kobayashi et al., “J-PARC 加速器の現状と MR の課題･展望”,https://www.jahep.org/hepnews/2010/
113kobayashi-03.pdf- 715 -