Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

SuperKEKB ビーム衝突点用超伝導 4 極電磁石プロトタイプの製作と試験結果
CONSTRUCTION AND COLD TESTS OF THE PROTOTYPES OF THE
SUPERCONDUCTING QUADRUPOLE MAGNETS FOR THE SUPERKEKB IR
有本 靖，大内 徳人, 東 憲男, 山岡 広, 土屋 清澄, 宗 占国, 大木 俊征
Yasushi Arimoto, Norihito Ohuchi, Norio Higashi, Hiroshi Yamaoka, Kiyosumi Tsuchiya, Zhanguo Zong, Toshiyuki Oki,Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization

Abstract
In SuperKEKB, upgrade of KEKB is in progress to increase collision frequency (luminosity) between an electron
and a positron beam by 40 times from KEKB. Beam-ﬁnal-focus system consists of four doublets of the superconducting
quadrupole magnets and eight sets of superconducting quadrupole magnets are installed into a beam collision region.
QC1P (installed on a positron beamline) and QC1E (installed on an electron beamline) nearest to the colliding point has
a small inner radius of superconducting coil and high ﬁeld qualities are required. In High Energy Accelerator Research
Organization, prototypes for these two quadrupole magnets were manufactured and excitation examination and magnetic
ﬁeld measurement were performed. Here, we report manufacture of this prototype and the test result under liquid heliumtemperature.

1.

はじめにQC1E

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である KEKB の性能を 40 倍まで高めた SuperKEKB 加速器の建設が進められている [1] 。
SuperKEKB では電子・陽電子ビームの衝突点においてそれぞれのビームが鉛直方向に約 50 nm まで収束される。このビームの収束は衝突点近傍に設置される 8 台の超伝導 4 極電磁石によって行なわれる。SuperKEKB のアップグレードではこれら 8 台の最終収束超伝導 4 極電磁石が新たに設計・製作される [2] 。現在、設計は完了し、実機の製作が進められている。今回、実機の製作に先立ち、最終収束系超伝導 4 極電磁石である QC1P 及び QC1E のプロトタイプ機を製作し、低温試験を行なったのでこれらの試験結果について紹介する。

2 . QC1 プロトタイプ機
衝突点用超伝導電磁石システム (QCS) は電子・陽電子ビームラインに組み込まれる超伝導 4 極電磁石ダブレットから構成されている (図 1)。今回製作したのは衝突点に近い電子ビーム用 QC1LE(または QC1RE) 及び陽電子用 QC1LP(または QC1RP) のプロトタイプ機である。ここで、それぞれのプロトタイプ機を QC1E 及び QC1P と呼ぶ。QC1E 及び QC1P の断面図を図 2に示す。QC1E にはカラーの外周に磁気遮蔽のための鉄ヨークが組込まれる。これらは QCS の 4 極電磁石の中で内半径が 33 mm, 25 mm と小さいため、特に高い製作精度が要求される。
磁場性能を評価するため、電磁石サイズ、コイル形

Figure 1: Schematic layout of the ﬁnal-focus-quadrupolemagnet system (plan view).

QC1PFigure 2: Cross sectional views of QC1E (left) andQC1P(right). QC1E has iron yokes outside of colors but
it is not drawn in this ﬁgure.
状、発生磁場勾配は実機と同じ設計となっている。
プロトタイプ機の製作は KEK において行なわれた。
製作は主に以下の工程で行なわれた。

1. 巻線
2. キュアー
3. カラーリング
4. スプライス処理
巻線工程において超伝導ケーブルをマンドレルと呼ばれる型枠に巻き付け、キュアー工程でマンドレルに巻線されたケーブルを型に羽目込み、加温、圧縮をして成型した。巻線工程、キュアー工程を 4 極分繰り返した後、これらを円筒ボビンへ円筒形状に組み込み、その外側にカラーを組み込んで外側から加圧することにより 4 極電磁石の円筒形状にした。QC1E においてはさらにその外側に鉄ヨークを組み込んだ。最後にスプライス処理で、各磁極間のリード部をはんだ付けにより結線した。
磁場精度を高めるためにコイルの各部品は 50 µm の精度で製作された。特にコイル断面でのスペーサーであるウェッジについては直線部の多極成分に影響するため、3 次元測定器 ( FARO Gage Plus) を用いて寸法を測定した上で使用した。図 3 は QC1P に用いられたウェッジの典型的な寸法測定の結果である。実線と点線はウェッジの寸法測定位置の違いを表わし、マーカーの色と形状の違いはウェッジのシリアル番号の違いを表わしている。

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Figure 3: The typical measured sizes of cross section ofQC1P wedges. A left-upper ﬁgure is a schematic cross section of a wedge and a deﬁnition of axis in a right plot. Here,x and y are radial and azimuthal-angle direction when thewedge installed in a magnet, respectively. A left-lower ﬁgure shows measured position of a wedge height. The rightplot shows measured height of wedge surface as a functionof x. Differences in color and symbol indicate serial number of the wedges. A solid-thick-black line indicates design
value.

Figure 5: A photograph of QC1P prototype superconducting magnet.

Figure 4: Photograph of QC1E prototype superconductingmagnet.
また黒の太い実線は設計値を表わしている。この図より、y 方向の厚みの最大値-最小値の差はおよそ ±50µmであることがわかる。
完成した QC1E と QC1P プロトタイプ機の外観写真を図 4-5 に示す。1 台の電磁石の製作期間は約 1ヶ月であった。

3.

低温試験結果完成した QC1E、QC1P プロトタイプ機は縦型液体ヘリウムクライオスタット内に設置され、液体ヘリウム温度 (4.2 K) に冷却、励磁試験、磁場測定が行なわれた。磁場測定はハーモニックコイルを用いて行なわれた。ハーモニックコイルはロングタイプ (長さ：600 mm) とショートタイプ (長さ: 40 mm) の 2 種類を使用した。

3.1

QC1E

図 6 は電流の関数として QC1E の発生する最大磁場(◦)、温度 4.2 K(⋄) 及び 4.7 K(•) の時のケーブルが超伝

Figure 6: A load line of QC1E prototype (open squares). Bﬁelds as a function of critical current for superconducting
cable at temperature of 4.2 K (open diamonds) and 4.7 K(closed circle).

導状態を保持出来る最大磁場をプロットしたものである。4.2 K は本測定でのクライオスタット内温度であり、4.7 K は SuperKEKB 運転時の最大温度である。今回の励磁試験では (電源リミットである)2157 A までクエンチなしで励磁できた。この電流値は SuperKEKB における運転温度 4.7 K での臨界電流値に対して 13%のマージンを持っている。 次にショートタイプのコイルを用いてビーム軸 (z 軸) 方向の磁場分布を測定した (Z スキャン)。Z スキャンで得られた 4 極成分の磁場分布を図 7 に示す。この時の励磁電流は定格通電電流である 1561 Aとした。コイル直線部において磁場勾配は G=70.07 T/mであった。これらの磁場測定結果と励磁試験結果を合わせると QC1E が加速器運転上必要とされる 4 極磁場を十分な運転マージンをもって発生出来ると言える。しか- 1012 -Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

Table 1: Measured multipole components for QC1E prototype with the long coil. Excitation current: 1561.7 A.
Reference radius: 15 mm.
Measured gradient = 70.07 T/m(Design = 70.63 T/m)nFigure 7: The proﬁle of quadrupole components for QC1E
as a function of a beam-axis position.

anbn20.00

10000

31.78

8.59

40.44-0.68

50.23-1.83

6-0.39-1.85

7-0.090.10

80.69-0.02

90.51-0.09

10-0.10-0.62

Coil straight section

Figure 8: Proﬁles of sextupole components for QC1E asa function of a beam-axis position. Open circles andopen squares indicate skew components and normal components, respectively. Reference radius=15 mm. an =An /B2z=0 × 10000, bn = Bn /B2z=0 × 10000.
し磁場勾配の測定値は設計値よりも約 0.1%小さめの値となっている。
図 8 に参照半径を 15 mm とした時の Z スキャンで得られた 6 極磁場成分を示す (◦ :スキュー 6 極、¤:ノーマル 6 極。)。ノーマル成分はコイル直線部において、7∼10、エンド部においてはスキュー成分は 17 と大きな値を示している。
次に、ロングコイルを用いた積分磁場の測定結果を
表 1 に示す。Z スキャン測定でも見られたように、高次の磁場エラー成分のうち 6 極磁場成分は大きく、その大きさはスキュー、ノーマル成分についてそれぞれ
a3 = 1.78、b3 = 8.59 である。

3.2

QC1P

図 9 に QC1P の励磁試験結果を表示する。励磁試験
では、QC1E と同様に 2100 A までクエンチなしで励磁できた。この電流値は SuperKEKB における運転温度
4.7 K での臨界電流値に対して約 32%のマージンを持っている。
ショートコイルによる Z スキャン測定では通電電流

Figure 9: A load line of QC1P prototype (open squares). Bﬁelds as a function of critical current for a superconducting
cable at temperature of 4.2 K (closed squres) and 4.7 K(open triangles).

1626 A において、G=68.38 T/m が得られた (図 10)。コ
イル直線部では一様な分布が得られている。測定値は設計値よりも約 0.1%小さめの値となっているが、これらの磁場測定結果と励磁試験結果を合わせると QC1P が加速器運転上必要とされる 4 極磁場を十分な運転マージンをもって発生出来ると言える。
一方、6 極成分については図 11 に示されるように、コイル直線部では 4 極磁ノーマル成分 10000 に対し a3 =1、b3 = −2 であり、エンド部では a3 = −10、b3 = −20と大きな値を示している。このプロットにおいて参照半径は 10 mm とした。また、ロングコイルで測定した積分磁場の多極成分を表 2 に示す。この結果においても、
6 極磁場成分は an = 2.82, bn = 3.66 であり、大きなエラー成分を示している。

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Table 2: Measured multipole components for QC1P prototype with the long coil. Excitation current is 1701.66 A andreference radius is 9.54 mm.

Measured gradient = 68.384 T/m(Design = 68.844T/m)

nFigure 10: A proﬁle of quadrupole components for QC1P
as a function of a beam-axis position.

anbn20.00

10000

32.82

3.66

42.08

0.24

50.35

0.23

60.03

-0.59

70.07

0.13

80.03

0.01

9-0.080.05

100.020.01の結果が反映されたものとなっている。

5.

Coil straight section

謝辞

本研究を行なうに当たり、励磁試験、磁場測定に於いて三菱電機システムサービス株式会社田中学氏、株式会社日立プラントテクノロジー遠藤友成氏の高い技術サポートを受けることが出来、感謝致します。

参考文献
Figure 11: Proﬁles of sextupole component for QC1P asa function of a beam-axis position. Open crosses andclosed squares indicate skew components and normal components, respectively. Reference radius=10 mm. an =An /B2z=0 × 10000, bn = Bn /B2z=0 × 10000.

4.

[1] Y. Ohnishi, et. al., Accelerator design at SuperKEKB,
Progress of Theoretical and Experimental Physics 2013 (3).
doi:10.1093/ptep/pts083.
[2] N. Ohuchi, et. al., Design of the superconducting magnet system for the SuperKEKB interaction region, in: Proceedingsof the 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan, 2012, p. 21.

まとめと考察SuperKEKB において衝突点でのビーム収束には 8 台の超伝導 4 極電磁石が用いられる。
今回ここで用いられる QC1E、 QC1P のプロトタイプ電磁石の製作及び低温試験を行なった。電磁石の製作はKEK で行なわれ、製作期間は一台当り 1ヶ月であった。
励磁試験においては運転電流以上でもクエンチ無しで励磁された。ノーマル 4 極磁場の大きさ、ビーム軸方向の分布はビーム光学設計において要求される仕様を満たしていることが確認された。
しかしながら、磁場勾配は設計値に対して 0.1%小さい値となった。この原因は設計段階で超伝導ケーブルのヤング率を 1 桁小さく見積っていたためコイル半径が、QC1E は 280µm, QC1P は 250µm、大きくなってしまったことが原因と考えられる。
また 6 極成分についてはコイル半径が大きくなった
ことにより、コイルと円筒形のボビンとの間に間隙が生じ、コイル断面がダイポール変形してしまったためと考えられる。実際に変形量を 36µm とすると測定された大きさの誤差 6 極成分が発生することが計算によって確認された。
現在、製作が進められている実機の設計にはこれら- 1014 -