Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SAP013

J-PARC MR における八極電磁石および電源
OCTUPOLE MAGNETS AND POWER SUPPLIES IN J-PARC MR
五十嵐進#, ファン カンジュン, 染谷宏彦
Susumu Igarashi #, Kuanjun Fan, Hirohiko Someya
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)

Abstract

We have designed and produced six octupole magnets and six power supplies for the main ring (MR) of the Japan
Proton Accelerator Research Organization (J-PARC). They are anticipated to suppress the beam instabilities those havebeen observed during the injection period and in the beginning of acceleration. The octupole fields may, however,reduce the dynamic aperture and result in the beam loss. To minimize the undesirable beam loss, the octupole fields
have to be ramped up and down quickly. A typical pattern of the current is a trapezoidal pattern of ramp up of 5 ms andflattop of 5 ms and ramp down of 5 ms. The magnets were produced with laminated steel sheets of the thickness of 0.35
mm. The power supplies were produced to have the voltage rating of 300 V for quick ramping of the magnetic fields.
We have tested the power supply for the typical pattern of the current with the choke transformer with the inductancesame as the magnet.

1.

はじめに大強度陽子加速器施設(J-PARC)の主リング(MR)では、速い取り出しモードで最大 240 kW のビーム強度で利用運転を行っている。大強度運転時では、入射直後、入射期間中、および加速初期で、横方向のビーム不安定性が観測されている [1]。不安定性を抑制しないままにすると、ビームロスにつながる。現在これらの不安定性は、バンチバイバンチフィード
バック [2] とイントラバンチフィードバック [3] 、および、クロマティシティを負の値に設定することにより、抑制している。ただし、クロマティシティをゼロに補正することにより、クロマティックチューンスプレッドを小さくして、特に加速初期でのビームロスを減らすことも必要となっている。クロマティ
シティの値の設定により、これら２つの効果を両立させる必要があり、ビーム強度が増えていくと設定が難しくなることが考えられる。
八極電磁石磁場を使って、チューンがベータトロン振動振幅に依存するようにすることにより、ランダウダンピング効果で、不安定性を抑制することができる。2011 年に MR の 3 回対称性を保つように、3 つの直線部に八極電磁石を 1 台ずつ設置した。電磁石は KEK PS のために 35 年以上前に製作されたものを移設してビーム試験を行った。それにより、不安定性を抑制する効果が観測されたが、同時に力学口径を縮小させることによるビームロスも観測された。力学口径の縮小は、2νx − 2νy = 3 と 4νx = 90の構造共鳴の影響と考えられる。このため、2012 年にアーク部の最適なベータトロン振動位相位置に八極電磁石を 3 台設置した。6 台の八極電磁石を用いビーム試験を行い、ビームロスの低減に効果があることが分かった [4]。ただし、ビームロスを完全になくすことはできず、長い時間励磁を続けると不安定性抑制効果よりも力学口径の縮小によるロスのほうが大きくなる場合がある。そこで、必要な時間、例えば 5 ms 程度のパターンで励磁できるように、電磁石と電源を製作した。

2.

八極電磁石

電磁石のサイズは、KEK PS の八極電磁石と同じ、ボア半径 70 mm 、磁極長 200 mm とする。磁場勾配 𝜕𝜕 3 𝐵𝐵 ⁄𝜕𝜕𝑥𝑥 3 = 2270 𝑇𝑇/𝑚𝑚3 で、磁極表面での磁場は0.13 T を想定する。起磁力は 1800 ATurn/pole となり、極あたりのコイル巻数を 40 turn とし、電流は45 A となる。電磁鋼板は 0.35 mm 厚の無方向性電磁鋼板で、無機質の絶縁皮膜をもつものとした。磁場が比較的速いパターンに追従させるために、うず電流についての考慮が必要で、電磁石の構造を保つために溶接する側板等は SUS とした(Figure 1)。

___________________________________________

Figure 1: Octupole Magnet delivered to J-PARC MR.

# susumu.igarashi@kek.jp- 472 -

Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SAP013

磁極形状は、八極磁場の一様性のために、つまり鉄心にコイルを設置し、電磁石として完成させた他の多極成分の混入を最小にするように最適化した。 後、導体抵抗測定、電圧インパルス試験、絶縁抵抗他の多極成分の混入を r = 60 mm で 1 % 以下にす 測定、耐電圧試験、インダクタンス測定を行った。
るように、OPERA の 3 次元計算を行った。また磁 Figure 4 にインダクタンス測定結果を示す。50, 55,
場を 1 %以内で会わせるためには、ボア半径 70 mm 100, 500, 1000 Hz の周波数で測定した。50 Hz では想について 0.5 mm の精度とする必要がある。
定していた 25 mH となっており、周波数が上がる電磁鋼板は打ち抜き加工で電磁石の半分の形状を と、うず電流効果でインダクタンスが下がることが製作した。磁極部は 30 µm の精度で加工が行われた。 分かった。
鋼板を加圧積層し、端板、側板の溶接を行い、磁極部の通しボルトを固定する。鉄心組み立て後に、出来上がり寸法の測定を行った。Figure 2 にボア直径の測定結果を示す。相対する極の 4 つの測定を長手方向に表面、中間、裏面で行った測定値を、6 台の電磁石について示している。140 mm を基準値として、±0.1 mm を公差とし、全ての測定がその公差内となっている。Figure 3 に鉄心長の測定結果を示す。
基準 200 mm、公差±0.5 mm で、全ての測定は公差内となっている。この他、鉄心の寸法測定としては、磁極間のギャップ測定、基準面の高さ、平行度などを測定して、公差内となっていることを確認した。
Figure 4: Results of inductance measurements for theoctupole magnets OM1~6 at the frequencies of 50, 55,100, 500, 1000 Hz.

3.

Figure 2: Results of the bore diameter measurements forthe poles facing each other at the three places in thelongitudinal position of the octupole magnets OM1~6.

Figure 3: Results of the magnet iron length measurementsof the octupole magnets OM1~6. Measurements are doneat the pole centers (i1~i4), four points outside of the iron(i5~i8) for the top half of the iron, at the pole centers(i9~i12) and four points outside of the iron (i13~i16) forthe bottom half of the iron.

電源

電磁石 1 台の電流供給のために電源 1 台とし、全6 台製作した。負荷は、インダクタンスとして 25mH、コイルおよびケーブルの抵抗として 1.6 Ωを想定した。典型的な電流パターンとして 5 ms で立ち上がり、5 ms のフラットトップ、5 ms で立ち下がる台形波とし、フラットトップ電流 45 A の電流供給を可能にするためには、最大電圧 300 V が必要となる。このパターンに追従し、リプルが 1%程度以下となるような電源を製作し、試験を行った。電源の試験は、模擬負荷として 25 mH のリアクトル、1.6Ωの抵抗を用いて行った。
Figure 5 に 45 A の台形波パターンを設定としてファンクションジェネレーターの波形(FGout)を電源の電流設定に入力とした場合の、模擬負荷に流れる電流と模擬負荷の両端の電圧の測定結果を示す。電圧は想定どおり最大 300 V となっている。電流値も概ね設定どおり最大 45 A となっている。電流の測定値が FGout に比べ電流は 1.3 ms 遅れているが、これは毎回同じ時間遅れていた。また、フラットトッ
プも 4 ms 程度となっていた。これらのことをあらかじめ考慮してパターンを作成すれば問題はない。
Figure 6 に同じ測定でのフラットトップでの拡大図を示す。電流値はフラットトップで 4 %(peak topeak、時間領域)のリプルが観測された。周波数としては主に 100 kHz であった。これは電源のスイッチング周波数である。同時にリアクトルのギャップに設置した磁場測定のためのピックアップコイルの信号を測定・記録しており、その信号を積分し、コイルの面積を割ることにより、磁場の測定値となる。

- 473 -

Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, JapanPASJ2014-SAP013

Figure 6 では、この磁場測定値を電流にスケールするようにプロットした。電流で見られた 100 kHz のリプルは、磁場では小さくなっている。フラットトップの 4 ms の間での時間領域での磁場の変動幅は 1.3 %(peak to peak)であり、目標を概ね達成している。
フラットトップでのリプルの周波数分布を観測するために、励磁パターンを立ち上がり 50 ms、フラットトップ 50 ms、立ち下がり 50 ms として測定を行った。フラットトップ部分での電流と磁場の測定値を FFT したものを figure 7 に示す。フラット
トップ電流または磁場の値に比較してのそれぞれのリプル振幅値を示している。電流リプルについては
100 kHz で最大振幅となっており、0.86 %(0-peak)であった。また 100 kHz での磁場リプルは 1.2e-4 と小さくなっている。周波数が 1 kHz 以上の場合、磁場リプルは電流リプルに追従せずに、小さくなっている。1 kHz 以下の周波数帯域では電流リプルも磁場リプルも概ね同程度で 1e-3 以下となっている。

Figure 7: Current ripple and magnetic field ripple as afunction of the frequency for the flattop current of 45 A.

4.

まとめ

J-PARC MR の大強度運転でのビーム不安定性を抑制するために、八極電磁石 6 台とその電源 6 台を製作した。八極電磁石の鉄心の製作精度は想定した公差の範囲内となっていることが分かった。また、コイルを付けて電磁石として完成した後のインダクタンスの測定結果は OPERA3d 計算どおりであった。
電源は、立ち上がり 5 ms、フラットトップ 5 ms、立ち下がり 5 ms の電流パターンでフラットトップ電流 45 A を電磁石に流すことができることを確認した。フラットトップでの磁場変動は 1.3 %(peak topeak)で概ね要求精度内となっている。

参考文献
Figure 5: Measured current and voltage for the simulatedload of 25 mH and 1.6 Ω for the pattern of 5 ms of ramp
up, 5 ms of flat-top and 5 ms of ramp down.

[1] Y. Sato, et al., “J-PARC Main Ring における大強度運転”, these proceedings.
[2] Y. Kurimoto, et al., “The bunch by bunch feedback system
in J-PARC Main Ring”, Proceedings of DIPAC2011,
Hamburg, Germany, May 16-18, 2011.
[3] Y.H. Chin, et al., “J-PARC MR におけるイントラバンチ
フィードバックシステムによるビーム振動の安定化”,
these proceedings.
[4] S. Igarashi, et al., “J-PARC MR におけるビーム不安定性抑制のための八極電磁石”, Proceedings of the 10th
Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,Nagoya, Aug. 3-5, 2013.

Figure 6: Measured current and magnetic field for thesimulated load of 25 mH and 1.6 Ω for the pattern of 5 msof ramp up, 5 ms of flat-top and 5 ms of ramp down.

- 474 -