加速器超伝導磁石技術の現状と展望

加速器超伝導磁石技術の現状と展望
高エネルギー研
山本
明
連続運転にあっても、超伝導線のロードライン
1. はじめに
比で 80 %に達する高水準での安定した性能が
高エネルギー粒子加速器では、装置の高エネ
求められる。[1, 2]
ルギー化、大型化に伴い、超伝導磁石が不可欠
な基盤技術となっている。加速器分野における
超伝導磁石技術の進展と今後の展望を紹介す
る。
2. 加速器における超伝導磁石技術の現状
米国・フェルミ国立加速器研究所(FNAL)にお
いて、1985 年にはじめて実用化された超伝導
加速器の完成以来、20 年を経過した現在、国
際的に、３つの大型粒子加速器が超伝導磁石を
主要構成要素として稼働している。また、2007
年完成を目標に、欧州原子核共同研究機関
(CERN)にけるラージハドロンコライダー(LHC)
加速器の建設が進んでいる（表１、図１）。 LHC
計画では、NbTi 超伝導体の性能を最大限に引
図 1. 加速器用超伝導磁石
き出すため、超流動ヘリウム冷却によって、9T
級超伝導磁石を実用的に用いる。超伝導磁石の
3. LHC 加速器計画における国際協力
設計にあたって、超伝導体内での臨界電流密度
LHC 計画では、ヨーロッパの各国はもとより、
への要求は~ 3kA @ 8 T, 1.9 K となり、長期
表 1.
アメリカ、日本、ロシア等が LHC 計画に対する
加速器名
超伝導技術による高エネルギー粒子加速器の発展
TEVATRON
HERA
RHIC
LHC
研究所（国）
粒子エネルギー
加速器周長
加速リング数
双極磁石磁束密度
コイル内径
長さ
個数
FNAL (USA)
0.98
6.3
1
4.4
76
6.1
774
DESY (G)
0.82
6.3
1 (+1)
4.7
75
8.8
422
BNL (USA)
0.1/amu
3.8
1
3.5
80
9.7
288
CERN (Int.)
7
26.7
2
8.3
56
15
1232(x2)
NbTi (4.2 K)
300 K
1985
NbTi (4.2 K)
4.2 K
1990
NbTi (4.2 K)
4.2 K
1998
NbTi (1.9 K)
1.9 K
(2007)
(TeV)
(km)
(T)
(mm)
(m)
超伝導体（温度）（(K)
鉄ヨーク温度
完成年（予定）
38
準メンバー国として協力をしている。日本は、 4. 将来計画、高磁場磁石開発にむけて
LHC 加速器における４カ所のビーム衝突点（図
今後、CERN/LHC 加速器の完成後、さらなる高
２）におけるビーム収束用四極超伝導磁石（表
輝度（高頻度衝突）化、エネルギーアップグレ
２、図３）の開発を分担し、約５年間に亘る、
ードをめざした開発が求められている。10~15T
基礎開発と、３年間に亘る実機製作、低温での
領域における加速器用・精密磁場高磁場超伝導
性能試験期間を経て、昨年度、計画を完了した。
磁石の開発が求められ、
A15 系超伝導体（Nb3Sn,
[3, 4]
Nb3Al）等を用いた磁石技術への取り組みが今
後の重要な課題となる（図 4 参照）
。超伝導線
CMS
材への要求は、臨界電流密度 2000 A/mm2 @ 12
Spare
Dump
T,
4.2 K が大きな目標となる。[1, 3]
5
4
Cleaning
6
3
Cleaning
7
2
LOADING / SURVEY FLAT
LAMINATED IRON YOKE
COIL
8
1
SPACERCOLLAR
ALICE
LHC-B
KEY
A TLA S
Low-β Quadrupoles
Inner Triplet
Inner Triplet
HELIUM
PASSAG
図２．LHC 加速器、衝突点、実験のレイアウト。
HELIUM VESSEL
ELECTRICAL BUS
図３．衝突点用四極電磁石断面図（KEK）。
表 2. 衝突点四極磁石のパラメータ(KEK)
4000
(T/m)
(mm)
(mm)
(m)
(T)
(A)
215
35
235
6.37
8.63
7149
0.80
(mH)
87.9
(MJ)
2.24
(MN/m) 1.19(rad)
1.37 (az)
NbTi(4.2K)
NbTi(1.9K)
(NbTa)3Sn(PIT)
Nb3Sn(RRP)
Nb3Al(RHQT)
Nb3Al(RHQT)
3500
3000
2500
Jc (A/mm2)
Field gradient
Coil inner radius
Yoke outer radius
Magnetic length
Peak field in coil
Excitation current
Superconductor load line ratio
Inductance
Stored energy
Magnetic force / octant
2000
1500
1000
500
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
B(T)
図 4．NbTi, Nb3Al, Nb3Sn の臨界電流密度の比較。
39
5. 加速器における超伝導高周波技術
粒子加速の為の高周波(DF)空洞の超伝導化
は、高エネルギー研・トリスタン計画における
超伝導空洞の実用化、長期連続運転以来、国際
的な流れとなり、超伝導技術による『高電界、
省電力』化が進展している。今後、国際リニア
コラーダ計画、また、放射光加速器施設におけ
る、Energy Recovery Linac (ERL)等での超伝
導加速空洞の大規模な開発が期待される。最近、
これらの基礎開発で、加速電界、50 MV/m が
KEK において達成された。
１．
まとめ
高エネルギー加速器の分野では、加速器用超
伝導磁石および加速空洞技術が不可欠な基盤
技術となっている。超伝導磁石においては、
NbTi を 1.9K で用いて 9T 級の磁石が実用化さ
れようとしている。
また今後は、 Nb3Sn,
Nb3Al 等を活用した 12~15T 級の磁石開発が進
む。
超伝導加速空洞では、Nb を用い形状、
表面処理技術の向上により、50MV/m の加速電
界記録が達成されている、今後、国際リニアコ
ライダー計画の進展により、さらに超伝導技術
の進展が期待される。
文献
1) A. Yamamoto, “Advances of superconducting magnets
in particle physics”, IEEE Trans. Applied
Superconductivity, Vol. 14, No. 2, (2004) pp.477 –
485.
2) 新冨孝和，“大型超伝導加速器の現状と展望”、応用
物理、66 巻、4 号 (1997) pp.365 – 368.
3) 山本明、”CERN との国際協力-LHC 加速器用超伝
導自社 k うの開発協力“、加速器、Vol. 2, No. 2,
(2005) pp.263-269.
4) http://lhc-new-homepage.web.cern.ch/
40

Download Report