DEVELOPMENT OF LARGE-CURRENTINDIRECTLY COOLED RADIATION-RESISTANT MAGNETS
Hitoshi Takahashi#,A), Keizo Agari A), Erina Hirose A), Masaharu Ieiri A), Yoji Katoh A),
Michifumi MinakawaA), Ryotaro Muto A), Megumi Naruki A), Hiroyuki Noumi B),
Yoshinori Sato A), Shin’ya Sawada A), Yoshihisa Shirakabe A), Yoshihiro Suzuki A), Minoru Takasaki A),
Kazuhiro Tanaka A), Akihisa Toyoda A), Hiroaki Watanabe A), Yutaka Yamanoi A)
A)
Institute of Particle and Nuclear Studies, KEK
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
B)
Research Center for Nuclear Physics, Osaka University
10-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka, 567-0047

Abstract
We have been developing indirectly cooled radiation-resistant magnet coils which can be loaded with DC2000A.
They are required for upstream magnets of high-momentum beam lines to be constructed at the Hadron experimental
facility in J-PARC. The indirectly cooled coils are made of solid-conductor-type mineral-insulation cables (MICs) andstainless-steel pipes. In order to realize such a large-current indirectly cooled coils, heat problem at the end parts of thecoils must be solved. For this purpose, we have carried out load tests using a test sample of the end parts, whichconsists of MIC current leads and a copper bus bar connecting the MIC conductors, instead of a whole MIC coil. We
have succeeded to load DC2000A to the test piece in atmospheric environment, and DC1800A in vacuum.

間接水冷型超耐放射線電磁石の大電流化（Mineral Insulation Cable、MIC）を用いた間接水冷方式の耐放射線コイルを開発、実用化してきた。
[1]
J-PARC ハドロン実験ホール の拡充計画として、 MIC には図１にあるように、中心に冷却水チャン
現在２つの計画が進行している。一つは、今年度概 ネルがあけられている中空 MIC と、それがない中算要求を出すことが決まっている高運動量ビームラ 実 MIC とがある。中空 MIC を用いたコイルは、導イン＋COMET ビームラインの建設、もう一つは実 体でのジュール発熱をその内側を通る冷却水で直に験ホールの拡張（第 2、第 3 ターゲットステーショ 除熱する直接水冷方式である。しかし、この中空ンとそこから取り出される二次ビームライン群の建 MIC コイルでは、導体の中を流れる冷却水を電気回設）である。どちらの計画においても、既存のハド 路から分離するためにセラミック絶縁チューブが必
ロン実験施設と質的に異なるポイントとして、「高 要となる。このセラミックチューブは、強度的に弱運動量」が挙げられる。前者の高運動量ビームライ く水漏れのリスクが高い上、内部に腐食物が堆積しンは文字通りで、最大 30.9 GeV/c のビームまで輸 て絶縁性能が悪くなる危険性もあり、MIC コイルの送できるビームラインであるが、後者のホール拡張 最大の弱点となっていた。一方、中実 MIC を使っにおいても、目玉の一つとして最大 10 GeV/c まで たコイルでは、図２のように、水配管の層と MICの粒子分離型高運動量二次ビームラインの建設が計 の層とを交互に SUS ケース内に積み、最後にケー画されている。これらのビームラインにおいては、 ス内を半田で充填することにより、導体から水への必然的に既存のものよりも大きい積分磁場が必要と 熱伝達を行う。この構造のおかげで、電気回路と冷なり、電磁石の大型化が必須となる。特に、生成標 却水路がはじめから完全に分離されるので、中空的近傍の高い放射線環境に置かれる電磁石の大型化 MIC コイルの弱点だったセラミック絶縁チューブが不要となり、最高の耐久性が実現される。また、電が技術的課題の一つである。
本論文では、この耐放射線性の高い電磁石の大型 気回路と独立に水配管の巻き数を減らすことで、ト化を目的として行っている R&D の現状について報 リチウムの生成量を減らすことも可能となる。ところが、除熱効率は中空 MIC を用いた直接水冷型コ告する。
イルよりも劣り、特に半田に埋められない導体接続部が高温になってしまう問題があった。しかし、問2. 間接水冷型 MIC 電磁石コイル
題箇所の構造の見直しや輻射率の向上等の改良を生成標的直下流という極度の放射線環境下に置か 行った結果、十分実用的な温度で安定に運転するこれる電磁石には、特に高い耐放射線性が求められる。 とが出来るようになった[2]。
そのために我々はこれまで、無機絶縁電磁石導体

1.

はじめに

____________________________________________#

hitoshi.takahashi@kek..jp- 485 -

中実 MIC

銅被服
絶縁体
（MgO）

中空 MIC

冷却水

銅導体
冷却水路

フィードスルー

図１：MIC の断面図。
SUS ケース
中実 MIC
水配管

真空容器
ダミー
ロード用
電磁石

テストピース
電源

半田
図２：間接水冷型 MIC コイルの断面図。
こ れ ま で 実 用 化 さ れ た の は 、 導 体 断 面 積 78.4mm2 の 1000 A 級中実 MIC を用いたコイルで、真空中で DC 1000 A までの安定な通電に成功している。
ここで、真空中としているのは、標的直下流では熱負荷も非常に大きく、特に真空ビームパイプの除熱が困難になるため、大型真空漕の中に磁石全体を丸 図３：通電試験のセットアップの模式図と写真。別ごと収納してビームパイプを無くしてしまう運用方 の電磁石をダミーロードとして直列に接続した。
法 [3]を取るためである。しかしながら、実際に製造、運転している中実 MIC コイルのうち最大のもの[4]で ら剥き出しになる MIC 端末と導体同士を接続する
1000 A 通電時の電圧が 140 V と、他のビームライン 銅ブスバーだけを切り出したような形で、これにコ磁石に比べて抵抗が大きくなっており、同サイズの イルとフィードスルー間をつなぐ電流リードを接続
MIC を使う限りこれ以上の磁石の大型化が難しい。 した物である。ブスバーのサイズは幅 200 mm、厚MIC そのものとしては、我々のグループですでに導 さ 10 mm、長さ 136 mm で、これまで 1000 A 級で体断面積 168.4 mm2 の 2000 A 級中実 MIC を開発済 用いていたものの倍の断面積と表面積を持っている。
みであるが、これを用いた間接水冷型コイルを実用 これは、ジュール発熱は電流の 2 乗に比例するため、化するにあたっては、その冷却効率が問題であった。 電流が 2 倍なら発熱は 4 倍になるのを、断面積 2 倍
これまでの経験から、最も問題となるのは、SUS 配 で電気抵抗を 1/2 にし、表面積 2 倍で放熱量を 2 倍管と共に半田中に埋められるコイル本体ではなく、 にすることで温度上昇を同程度に抑えようとして決そこから剥き出しになる端末リード部であることが めたものである。電流リードも中実 MIC と SUS パ分かっている。そこで我々は今回、コイルの端末 イプを用いた間接水冷型で、今回は、中実 MIC とリード部だけを切り取ったような試験サンプルを用 SUS パイプとを銅条で巻いて熱伝達させるタイプと、意して、通電試験を行った。目標は、真空中で従来 コイル本体と同様に SUS ケースに MIC と SUS パイプを入れて半田で充填したタイプの 2 種類を用意しの倍となる DC 2000 A の通電である。
た。冷却効率としては当然半田充填タイプの方が勝っているが、実機においてはこの電流リードが片3. 通電試験のセットアップ
道 5 m 以上と長くなるので、安価に製造できる銅条図３に今回の通電試験の全体セットアップの模式 巻きタイプでも 2000 A まで対応できるのであれば図と写真を示す。場所は、KEK つくばキャンパス コストメリットが大きい。このテストピースを、真の北カウンターホールである。
空フランジに設けた大電流フィードスルーに接続し、試験サンプルとして用意したテストピースだけで それらを架台上に固定して、真空容器内に収納した。
は抵抗が小さすぎて安定に電流が流せないため、既 架台上でフィードスルーと接続された状態のテスト
存の別の電磁石をダミーロード代わりに直列に接続 ピースの写真を図４に示す。温度測定のため、各所した。こうすることで、実際に間接水冷コイルその に熱電対を取り付けた。後に実コイルの通電・通水ものを製作せずとも、問題部分のみを切り出して安 も可能となるよう、真空フランジには、冷却水を通価に試験することが可能となった。真空容器や電源 すためのポートも複数用意してあり、フランジ上のも、先の 1000 A 級 MIC コイルの開発で使用してき マニホールドから給排水できるようにしてある。
た物をそのまま利用している。
テストピースは、半田充填されたコイルケースか- 486 -

冷却水
マニホールドフィードスルー付き真空フランジ

銅条巻き型
間接水冷 MIC
電流リード

半田充填型
間接水冷 MIC
電流リード

MIC
剥き出し導体銅ブスバー
200 mm
間接水冷 MIC
テストピース

136 mm

図４：通電試験に使用した間接水冷 MIC テストピースの写真。

4.

①

試験結果

通電試験は、下記の順に、測定条件を変えながら複数回行った。
300 mm

200 mm図５：黒塗りした放熱板をテストピースの銅ブスバーに取り付けた様子の写真。（上: 表、下: 裏）

銅ブスバーに何も塗らない状態で、大気中と真空中とで通電。
② 輻射率を上げるため銅ブスバーをコロイド黒鉛で黒塗りした状態で、真空中で通電。
③ さらに輻射面積を大きくするために黒塗りした銅製の放熱板（200 mm×300 mm、厚さ 1 mm、図５参照）をブスバーに張り付けて、真空中で通電。
真空度は通電開始時に約 0.2 Pa で、温度が上がるにつれアウトガスが増えて最大 1 Pa 程度まで悪化した。
それぞれの場合について、各部の飽和温度の測定結果をまとめたのが表 1 である。テストピースを大気雰囲気中に置いた場合は、特に黒塗りなどの処理を施さなくても、十分安定な温度で 2000 A まで通電することができた。 同じ真空中での 1400 A 通電の場合を比べると、黒塗りありの場合はなしの場合よりも約 40℃温度が低下しており、黒塗りによる輻射率の向上の効果がとても大きいのが見て取れる。
一方、同じ黒塗り有りで真空中 1800 A 通電の場合を比べると、放熱板有りの場合は無しの場合よりも20℃強しか温度が下がらず、その効果は期待したほどではなかった。これは、今回発熱条件を同じにするためにブスバーの電気抵抗を変えたくなかったので、放熱板として 1 mm という薄いものを用いたた
めに、放熱板端部までの熱伝導が悪く、放熱の効果があまり上がらなかったものと考えられる。結果、真空中でも 1800 A までは十分安定な温度で通電することができたものの、残念ながら目標としていた2000 A までは至らなかった。

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温度（入水温との差）[℃]

表 1: 測定結果。温度の括弧内の数字は入水温からの温度上昇を示す。
雰囲気

大気

大気

真空

真空

真空

真空

真空

黒塗り××××○○○

放熱板××××××○

電流 [A]

1000

20001000

1400

1400

1800

1800

銅ブスバー52 (26)149 (123)

82 (54)149 (120)

102 (78)156 (133)

138 (107)

MIC 剥き出し導体（銅条側）

57 (31)183 (157)

89 (61)167 (138)

122 (98)

198 (175)

182 (151)

MIC 剥き出し導体（半田側）

53 (27)157 (131)

79 (51)143 (114)

101 (77)

158 (135)145 (114)

銅条表面

34(8)

68(42)

51 (23)81(52)

70(46)

113(90)121(90)半田ケース表面29(3)37(11)

2934(5)28(4)33(10)

41(10)

入水温

26262829242331

室温26252929242431(1)いずれの場合も、温度が最高を記録しているのは、つなぎの銅ブスバーではなくて、銅条巻き電流リー 謝辞
ド側の MIC から剥き出しになった導体部である。
この研究は、文部科学省科学研究費補助金若手研
そこで現在、銅条巻き電流リードの MIC と SUS パ 究(B) No.23740217 の支援を受けて行われた。
イプとが分かれる端部だけ、SUS ケースで囲んで半田を充填し、冷却効率を上げることを検討している。 参考文献
このような改良を施し、再度通電試験を行う予定である。
[1] H. Takahashi, et al., “Construction and beam

5.

まとめ

J-PARC ハドロン実験ホールにおいて建設が計画されている高運動量ビームラインのため、中実 MICを用いた間接水冷型耐放射線コイルの大型化を目的とした R&D が進行中である。通電時最も高温となる導体接続部だけを切り出したテストピースを用意し、通電試験を行った。大気中では、特に表面処理等を施さなくても DC 2000 A まで通電が可能であった。真空中においても、ブスバーの輻射率を上げることで DC 1800 A までの通電に成功した。従来までは 1000 A が限界であったので、これだけでも十分な大電流化を達成したと言えるが、目標とする真空中での 2000 A 通電を実現するため、さらなる改良を施す予定である。

commissioning of hadron experimental hall at J-PARC”,
Journal of Physics: Conference Series, vol.312 (2011),
052027.
[2] H. Takahashi, et al., “Development of Indirect-Cooling
Radiation-Resistant Magnets”, IEEE Trans. Appl.
Supercond. Vol.18 No.2 (2008) pp.322-325.
[3] H. Takahashi, et al., “Magnet Operation in Vacuum forHigh Radiation Environment near Production Target”,
IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol.16 No.2 (2006)
pp.1346-1349.
[4] H. Takahashi, et al., “Indirectly Cooled Radiation-Resistant
Magnet with Slanting Saddle Shape Coils for New
Secondary Beam Extraction at J-PARC Hadron Facility”,
IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol.22 No.3 (2012)
pp.4101504.

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