LHCアップグレード計画（HL-LHC, LIU）と 日本の貢献

LHCアップグレード計画（HL-LHC, LIU）と
日本の貢献
KEK 超伝導低温工学センター
中本建志
12.1.7
先端加速器LHCが切り拓くテラスケールの素粒子物理学 於神戸大
1
発表内容
• LHC加速器アップグレードの概要
– HL-LHC
– LIU
• 日本（KEK）の参加、貢献
– 磁石以外の分野
– ビーム最終収束部超伝導磁石システ
ム
– D1磁石R&D
• まとめ
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HL-LHCの目標
•Interconnect
repair
•Linac4
commissioning
•Collimation, 11T
Nb3Sn dipole
•New installation:
PSB, PS, SPS
※１年ずれている
ことに注意
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2022
Installation
HL-LHC
3
ビーム最終収束四極磁石の
大口径化、高磁場化が必要
クラブ空洞の採用
→衝突の効率化、レベリング
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150 days of Physics /y of this cycle
with 60% efficiency will give 250 fb-1
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HL-LHC: LHC Ringのアップグレー
※2015の承認を目指す
ド：設計スタディ
EC FP7 HiLumi LHC
LHC
Injectors
Upgrade:
LIU
KEKが参加
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ヨーロッパ
日本
米国
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発表内容
• LHC加速器アップグレードの概要
– HL-LHC
– LIU
• 日本（KEK）の参加、貢献
– 磁石以外の分野
– ビーム最終収束部超伝導磁石システ
ム
– D1磁石R&D
• まとめ
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HL-LHC: Crab Cavity開発
•
•
KEK加速器・森田（欣）他
超伝導クラブ空洞：高キック電圧、トリップの抑制、小型化 → 『表面処理技術』による貢献
– 電解研磨設備：KEKB超伝導空洞（HER加速用及びクラブ）での実績、技術の応用。
– 超純水洗浄設備
※ いずれもKEK所内での設備で実施が可能
低温での性能評価試験も可能（ただし一部改修は必要）
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LIU: 高周波加速空洞の高性能化
•
KEK加速器・大森
高インピーダンス金属磁性体コア（FT3L）の開発： J-PARCパワー増強
– 従来の高周波加速空洞での加速勾配が２〜４倍以上 → 高エネルギー化、高パワー化
– PS-Boosterに応用（1.4GeV → 2GeV）
• ２０１１年１２月 試験空洞システムの設置
外部磁場により微小結晶の磁化を揃えな
がら熱処理@J-PARCハドロンホール
FT3L
フェライトコア
（現行J-PARC）
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HL-LHC&LIU: ビームシミュレーション
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KEK加速器・大見、
Molodozhentsev
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発表内容
• LHC加速器アップグレードの概要
– HL-LHC
– LIU
• 日本（KEK）の参加、貢献
– 磁石以外の分野
– ビーム最終収束部超伝導磁石システ
ム
– D1磁石R&D
• まとめ
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HL-LHCに向けた開発分担（磁石）
•
•
•
•
•
KEK低温センター・中本、
徐、飯尾、山本他
EC FP7-HiLumi LHCへKEKは公式に参加（2011~2015）
– ビーム光学、磁石、クラブ空洞、その他の概念設計、基礎開発
– 『概念設計報告書』を提出 → HL-LHC建設の判断
ATLAS、CMSのビーム最終収束部磁石システムを交換 ※IT Quadsの大口径化φ140、高磁場化~11T
KEKの開発分担（磁石）：ビーム分離用大口径超伝導双極磁石（D1）
D1の仕様、開発要素
– 6T級＋大口径（φ130~150）＋外径の制限 → コイル応力、磁場精度（鉄の飽和、漏れ磁場）
– 大量の放射線、入熱（1022n/m2, 数10MGy,~数10W/m）@5*1034 cm-2sec-1, 3000fb-1
→ 耐放射線性材料の開発・評価、冷却・除熱性能の向上
– NbTi超伝導線@1.9Kが最有力（バックアップNb3Sn）
※ Nb3Al：優れた特長を持ち基礎開発は継続するが、工業化が間に合わないと判断。
頭脳循環プログラムにより徐が2011年3月からCERNで概念設計を開始。
衝突点
Q1-3:
D1: KEK
US-LARP(Nb3Sn) or
CERN(NbTi)
D2:
BNL
Q4-6:
CEA/Saclay
現行LHCビーム最終収束部磁石配置とHL-LHCでの磁石開発分担
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D1磁石開発指針
• NbTi SC cable for MQXC (leftover of the LHC main dipole cable with new insulation
system enhancing cooling capability) is the baseline.
• Reuse of tooling, jigs, and facilities of the J-PARC T2K SC Magnets.
• Yoke OD of 550 mm, same as the LHC main dipole and J-PARC magnets. Yoke inner
shape could be modified.
• Press jig for collaring-yoke (3.6 m long) can be used as is.
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D1磁石の概念設計w/ NbTi
Item
Value
Ratio
Bore diameter
150 mm (MBXE)
130 mm (MBXD)
1.15
Nominal field (dipole)
6.35 T
6.48 T
0.98
Operating current
9.3 kA
9.2 kA
1.01
Field homogeneity
<0.01% (Rref=50/43 mm)
Peak field in the coil
7.06 T
7.08 T
0.997
Load line ratio at 1.9 K
(Inner / Outer layer)
70% / 63.7%
70% / 64.8%
1
Stray field @ 0.5 m from center
102 mT
64 mT
1.6
Inductance (low/nominal)
16.1/13.6 mH/m
12.8/10.6 mH/m
1.28
Stored energy
588.1 kJ/m
448.6 kJ/m
1.31
Peak field/central field
1.11
1.09
1.02
Lorenz force X/Y
2.1/0.97 MN/m
1.96/0.86 MN/m
/
Average coil stress in mid plane
71 MPa
57 MPa
1.25
/
Outer diameter of iron yoke
550 mm
/
Strand diameter
1.065
/
Supercon. current density
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1000 A/mm
2
Bore diameter 150 mm
989 A/mm
2
Bore diameter 130 mm
1.01
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磁場精度： 鉄の飽和、漏れ磁場による影響
Transfer function of the 2 cases with
the collar width of 20 mm.
The dependence of b3 on the operating
current caused by iron saturation and
filament magnetization.
0.78
25
Multipole coefficients b3
0.76
Transfer function (T/kA)
Bore diameter 150 mm
Collar thickness 20 mm
Bore diameter: 130 mm
0.74
0.72
Bore diameter: 150 mm
0.7
20
Bore diameter 130 mm
Collar thickness 25 mm
15
10
5
0.68
0.66
0
0.64
-5
0
2
4
6
8
10
Bore diameter 130 mm
Collar thickness 20 mm
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Operating current (kA)
12.1.7
Operating current (kA)
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漏れ磁場による影響
(A) Optimized
without iron cryostat
(B) With an centered
iron cryostat.
(C) With an offcentered iron cryostat.
•
•
•
Stray field will be issues of environment.
Magnetic force between the cold mass and the iron cryostat must be considered.
Off-centered cold mass position in the current MB cryostat affects the field quality.
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極低温中性子照射試験
Neutron fluence at HiLumi LHC: ~1022 n/m2
超伝導線安定化材（銅、アルミ）の電気抵抗増加：1020 n/m2.
>> 超伝導磁石の安定性、クエンチ保護の劣化
>> 磁石の焼損
京大原子炉低温照射施設： ~10 K
Collaboration with COMET-Mu2e experiment.
Copper and 5N-Aluminum samples
•
•
•
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Observed Drirr = 0.022 nΩ.m for
2.7x1020 n/m2 (>0.1MeV)
– Agreed with the previous work
within a factor of 2.
Estimation: initial RRR of 200 would
be degraded to be:
RRR of 160 – 190 @1020 n/m2
RRR of 50 – 120 @1021 n/m2
Recovery by annealing in cooper
sample and its multiple irradiation
are planned in 2012.
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耐放射線材料の開発・評価
•
•
•
New Cyanate Ester base resin for accelerator
HFM application (LHC upgrade)
– 60 Cyanate Ester / 40 Epoxy
– low viscosity, reaction < 150 °C
– pot life: 24hr@ 60 °C, < 20 cP
Development of insulation coating technologies
on metallic parts (i.e. end spacers, wedges)
– Ceramic spray
– Polyimide coating by Vapor Deposition
Polymerization technology.
Materials development using BT (Bismaleimide
Triazine) resin and Cyanate Ester/Epoxy resin.
– Epoxy: NG!!
BT resin: e irradiation
– Necessary for the new D1!!
(T. Sasuga, Polymer
– Prepreg tape (curing at 150 °C)
Vol. 27, 1986, 681)
– GFRP
JAEA高崎での低温・常温γ線照射試験を予定
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設計・研究開発のスケジュール
※新学術領域：先端加速器ＬＨＣが切り拓くテ
ラスケールの素粒子物理学～真空と時空への
新たな挑戦（東大浅井）
開発項目
予算
HL-LHC向け基礎開発
研究
科研費※
モデル磁石の設計
CERN-KEK
Collaboration
•HL-LHC設計報告書を提出
•HL-LHC建設の判断
FP7 HiLumi-LHC
JFY2012
JFY2013
JFY2014
モデル磁石用NbTi超
伝導線
•
•
•
•
12.1.7
2016以降
耐放射線材料の開発、極低温中性子照射、Nb3Snコ
イル基礎開発、応力・歪み依存性研究など
概念設計（KEK）
工学設計、要素開発等（企業+KEK）
モデル磁石試作（企業）
性能評価試験（KEK）
γ線照射試験等（KEK）
JFY2015
未定
（予算要求）
FP7
HiLumiLHC
へ提出設
計報告書
を提出
実機磁石
製作
５セット
（未定）
In-kind
contribution by
CERN
1.5m長モデル磁石を１台試作、性能評価試験@1.9Kを想定。
J-PARCニュートリノ超伝導磁石の治具、工具などの再利用によるコスト節約。
モデル磁石の工学設計、試作は主に企業で実施。概念設計、性能評価試験はKEKで実施。
Nb3Sn磁石？ → 2012年中に判断
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発表内容
• LHC加速器アップグレードの概要
– HL-LHC
– LIU
• 日本（KEK）の参加、貢献
– 磁石以外の分野
– ビーム最終収束部超伝導磁石システ
ム
– D1磁石R&D
• まとめ
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まとめ
• 2011からLHCアップグレード（HL-LHC, LIU）の設計検討、R&Dが本
格化。
– 3000fb-1, 250fb-1/year, 5*1034 cm-2sec-1
– KEKはFP7 HiLumi LHC（2011~2015：ビーム光学、磁石、クラブ空
洞）での設計スタディやLIU R&Dに参加。
http://hilumilhc.web.cern.ch/HiLumiLHC/
https://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?ovw=True&confId=150474
http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=160434
• 2015までにTDR提出、HL-LHC建設を判断。2022(?)に設置作業。
• ビーム分離大口径双極磁石D1の概念設計、要素技術開発を開始
– 耐放射線材料の開発、評価
– 冷却・除熱特性の改良
– コイル応力制御、磁場性能（鉄の飽和、漏れ磁場）
加速器開発、建設についても、ユーザー、コミュニティの理解と支援が必要不可欠
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Backup
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Motivation to Develop Nb3Al
Nb3Al
Nb3Sn
IEEE Trans. Appl. Supercond., 18 (2008) p. 1026,
by A. Kikuchi et al.
•Less sensitivity to strain/stress in Nb3Al.
•KEK & NIMS has developed RHQ-Nb3Al for accelerator HFM application with
support by CERN.
>> Complementary to Nb3Sn technologies developed by US-LARP and CERN
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先端加速器LHCが切り拓くテラスケールの素粒子物理学 於神戸大
IT-Quads: Nb3Sn (US-LARP)
• US-LARPで圧倒的に開発が進んでいる。
– Nb3Sn-Quadに関してはCERNも完全に任せて
いる？
• φ120 – 140mm, SHe冷却(1.9K)
• トレーニング最高到達磁場（実績）は11T程度
• 懸念材料
– 磁場特性（特に再現性）、低磁場不安定性。
（特に1.9Kで顕著）
– 放射線による樹脂含浸（応力分担）への影響。
– 含浸コイルからの熱除去
12.1.7
Nb3Snコイル（６５０℃＋エ
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ポキシ含浸）
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Nb3Sn超伝導四極磁石開発＠US-LARP
•2000年代初めから継続的に開発
•LBL, Fermilab, BNL
TQSでの磁場測定結果
Length
scale-up
High field,
Accelerator
features
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加速器用A15系超伝導磁石の特徴
NbTi
Nb3Al, Nb3Sn
Remarks
巻き線方法
Wind & Cure
Wind & React
反応後は非常に脆
い
熱処理温度
~150℃ for Cure
絶縁方式
ポリイミドテープ
＋プリプレグ・エ
ポキシ
コイル磁場
9 T @ 1.9 K
11 T @ 4.2 K
(load line ratio of 80%)
(load line ratio of 80%)
コイル応力
その他のコイル
構成材料
100-130 MPa
GFRP(G10, G11)
Ar-gas, 800℃
(~650℃)
セラミックテープ＋
シアネートエステル
（エポキシ）真空含
浸
150-200 MPa
超伝導線と構造材
の熱膨張に注意
ボイドの抑制
線材が脆いため、製作、
冷却、励磁までの応力制
御、構造設計が肝要
ステンレス、アルミブ
ロンズ等
※No GFRP
※ 温度特性、機械特性、耐放射線性など、多くの
観点からの適切な材料選択、構造設計が必要
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LIU
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