GSI および FAIR プロジェクトと、 加速器用超伝導マグネット開発の現状について 杉田 圭 GSI, FAIR Technical Division Magnet Technology Group 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 1 Contents • GSI について • FAIR について • 超伝導マグネット開発 – SIS 100 – SIS 300 • まとめ 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 2 GSI について • GSI, Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH. • 1969年設立 • 連邦政府90%, ヘッセン州10%が出資 • 職員数 約1100人 • 研究学園都市ダルムシュタット – フランクフルトから南へ25km – GSI の他 • 製薬大手 メルク • ダルムシュタット工科大学 • ESA/ESOC – European Space Agency/Operation Center など多くの研究機関、高等教育機関 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 3 GSI について 現在の施設 • • • • • • • Linear accelerator UNILAC Heavy ion (Schwerionen) synchrotron SIS 18 Experiment storage ring ESR Fragment separator FRS High-energy/high-efficiency laser PHELIX Several large systems of spectrometers and detectors Medical irradiation unit for cancer therapy 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 4 GSI について • Heavy Ion Therapy – HIT (Heidelberg Ion-beam Therapy Center)など – ドイツ国内にいくつかの施設を建設予定 • New element 107 108 109 110 111 112 Bohrium（ボーア） Hassium（ヘッセン） Meitnerium（マイトナー） Darmstadtium（ダルムシュタット） Roentgenium（レントゲン） ? 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 5 FAIR について • 既存の加速器を入射器として活用 SIS 100/300 Super-FRS 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 6 FAIR について • SIS 18と比べて – Heavy ion beam • intensity x 100 • energy x 20 – IR beam • intensity x 10000 • 引き続き – Parallel operation – Electron cooling 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 7 SIS 100 / J-PARC • 陽子加速器として比較 Circumference SIS100 1083.6 m 50GeV Main ring 1567.5 m Injection 2.7 GeV 3 GeV Extraction 29 GeV 50 GeV 2.5 x 1013 3.3 x 1014 0.2 Hz (1 Hz for U) U) 0.3 Hz Bending radius 52.632 m 89.831 m Magnetic field 1.9 T 1.9 T 100 Tm 170 Tm Particles/pulse Repetition Magnetic rigidity 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 8 FAIR について • 総工費 1.2B€ (1630億円) – 75% ドイツ政府、ヘッセン州 – 25% international partners • Austria, China, Finland, France, Greece, India, Italy, Poland, Slovakia, Slovenia, Spain, Sweden, Romania, Russia, UK, Saudi Arabia, Hungary. • In-kind contribution(現物支給)or出資 • 予算管理などはFAIR GmbH – GSIとは別の会社組織 (研究者なし） – メンバーカントリーが株主 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 9 FAIR について • • • • • • 02 05 06 07 08 09 27 October 2009 政府が認定 国際協力プロジェクトとしてスタート Baseline Technical Report Kick-off event (MoU に各国がサイン) Technical Design Report …近くFAIR GmbHが設立。。予定。 Seminar KEK Cryogenics Science Center 10 FAIR について • 問題 – 合意文書を各国の言語でつくる. – 予算の増大。(05年ベースの予算) – PhaseA,B --> Phase1,2 --> Module化 • 0-3を今後8年以内に。 • 10/20(AFI)、22(STI)、 29(ISC) • Module化が承認されれば、、。 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 11 FAIR について • 加速器のコンポーネントをworkpackage化。 • EoI(Expression of Interest)を表明したところ が担当。 • 応募がなかった場合にはドイツのin-kindとな る予定。 • GSI の仕事 – 各コンポーネントの仕様決定 – Quality assurance/Acceptance test – ドイツのin-kind 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 12 超伝導マグネット • SIS 100 – Dipole GSI, Babcock noell, JINR(Dubna, R&D) – Quadrupole JINR – Correctors JINR, India?, GSI • Super-FRS – Dipole China, India – Multiplet (Q+Sext.+Oct.) • Spain-superferric, France-costheta • SIS 300 – Dipole INFN(Genova) – Quadrupole IHEP(Protovino) – Corrector IHEP, GSI 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 13 超伝導マグネット • Successfully tested. – New requirement --> triangle cycle • Single layer, thicker sc wire. – Quadrupole prototype (Dubna) 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center Quic kT i meý Dz êLí £É vÉ ç ÉOÉ âÉ Ä Ç ™Ç ± Ç Ã É s É N É `É É Ç ¾å© Ç È Ç žÇ ½Ç …Ç ÕïK óvÇ Ç • ÅB – 2-layer straight dipole QuickTimeý Dz êLí£Év ÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóv ÇÇ• ÅB • SIS 100 main magnets 14 超伝導マグネット • SIS 100 sc correctors – Multipole(quad, sextu, octu: nested) – Steerer(H/V) nested – Chromaticity sextupole QuickTimeý Dz êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB QuickTimeý Dz êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ•ÅB 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 15 SIS 100 Corrector Cable • Nuclotron cable with insulated strands CrNi wire Enamel insulated superconducting wire CuNi tube I.d. 4 mm 1-layer 50% overlapped 70μm Kapton 2-layer 50% overlapped 50μm Kapton 1-layer 50% overlapped 50μm Kapton • Wires are connected in series current leads 27 October 2009 soldering magnet Seminar KEK Cryogenics Science Center 16 SIS 100 Sc. Correctors • Requirements Multipole Corrector Winding Quad. Sext. Octu. Steerer Chrom. Sextupole H/V dipole Sextupole Number of magnets 12 84 48 Aperture diameter [mm] 150 150 120 (pole tip) Effective length [m] x Magnetic strength [T] at 40 mm reference 0.75x 0.03 0.75x 0.04 0.75x 0.02 0.5x0.3 0.5x0.28 Ramp time [Seconds] 0.15 0.23 0.23 0.2 0.175 bipolar, individual unipolar series, 2 families Power converter and connection 27 October 2009 bipolar, individual Seminar KEK Cryogenics Science Center 17 Multipole Corrector • Design 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 18 Multipole Corrector • Computation results Quadrupole Sextupole Octupole 760 730 700 0.029 0.041 0.022 Number of wires per cable 10 22 19 Wire current [A] 249 245 251 Self inductance [mH] 0.35 4.70 5.58 Inductive voltage [V] 0.58 5.01 6.10 11 141 176 Effective length [mm] Bn@straight section [T@ref] Stored energy [J] Hysteresis loss [J/cycle] 0.73 Inter fil. coupling loss [J/cycle] [J/ cyc le] 0.27 Peak field on the cable [T] 0.5 Margin on the load line [%] 44 Temperature margin [K] 2.1 Peak field in the iron [T] 0.78 a2=0.44, a3=0.66 (from end) Integral field error [%] 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Center b10=0.15 (2nd Quad),Science b12=0.08 (1st Oct.) 19 Multipole Corrector • Coupling (magnetization field) Q S O A 1.5E-06 1.0E-06 5.0E-07 0.0E+00 -5.0E-07 -1.0E-06 5 6 7 8 9 10 11 12 Excitation Q,S,O: Only Quad., Sext., Octu. winding. A: All windings Degaussing Bn Nominal Remanent field 4.0E-06 B2 B3 B4 Current factor 3.0E-06 6.0E-06 [T] at reference 2.0E-06 0.0E+00 -2.0E-06 -4.0E-06 2.0E-06 [T] at reference radius Q S O A 4.0E-06 0.50 1.0E-06 0.0E+00 0.00 -1.0E-06 -2.0E-06 -6.0E-06 -8.0E-06 1.00 Current factor [T] at reference 2.0E-06 -0.50 -3.0E-06 2 3 Remanent 27 October 2009 4 5 6 Bn 7 8 9 -4.0E-06 Ramp up Ramp down Seminar KEK Cryogenics Science Center Degaussing -1.00 20 Steerer & Chrom. sextu. • Design 1 7.2° 2 22° 38.7° 3 ° 27 October 2009 4 Cryogenics 61° Science Center Seminar KEK 21 Steerer & Chrom. sextu. • Computation results Steerer Chrom. Sextupole 411 538 0.365 0.26 Number of wires per cable 26 28 Wire current [A] 249 243 Self inductance [mH] 17.5 63 Inductive voltage [V] 21.8 87.5 Stored energy [J] 542 1860 Hysteresis loss [J/cycle] 0.12 0.47 Inter fil. coupling loss [J/cycle] [J/ cyc le] 0.17 1.91 Peak field on the cable [T] 0.58 1.4 Margin on the load line [%] 44 30 Temperature margin [K] 2.1 1.4 Peak field in the iron [T] 1.2 1.9 Roxie 3D model Effective length [mm] Bn@straight section [T@ref] a1=0.23 a3=0.06 Integral field error [%] 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center b3=0.64 b6=0.05 22 SIS 300 • Main dipole magnet – INFN Genova が設計 – プロトを作る予定 • 来年末には完成？ • Quadrupole magnet – IHEP が設計 • Corrector – Design 4.5T, 1T/sec. • GSI, IHEP – IHEP: 来年、プロトタイプ？ 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 23 まとめ • GSIと共同研究機関において、FAIRに向けた 超伝導マグネット開発が進められている。 • モジュール化とそれに基づくスケジュールが 各評価委員会において承認されれば、すぐに FAIR GmbH(会社組織)が設立される予定であ る。 • マグネット開発はロシアDubna, Protovinoイ タリアINFNGenovaを中心に進められている。 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 24 まとめ • SIS 100 dipole は Single layer の仕様を検討 中。来年プロトタイプ製作。 • Corrector は 基本的なデザインが終わり、 ケーブルの試作、テスト、プロトタイプマグ ネットの製作、試験が急がれる。 • Super-FRS や SIS 300 の超伝導マグネット についてもプロトタイプ製作を含め、研究が 進められている。 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 25
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