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

27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center 1

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

DivisionMagnet Technology Group


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


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


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


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 Bohrium（ボーア）108 Hassium（ヘッセン）109 Meitnerium（マイトナー）110 Darmstadtium（ダルムシュタット）111 Roentgenium（レントゲン）112 ?


FAIR について• 既存の加速器を入射器として活用

SIS 100/300SIS 100/300

Super-FRSSuper-FRS


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


SIS 100 / J-PARC• 陽子加速器として比較

SIS100 50GeV Main ring

Circumference 1083.6 m 1567.5 m

Injection 2.7 GeV 3 GeV

Extraction 29 GeV 50 GeV

Particles/pulse 2.5 x 1013 3.3 x 1014

Repetition 0.2 Hz (1 Hz for U)

0.3 Hz

Bending radius 52.632 m 89.831 m

Magnetic field 1.9 T 1.9 T

Magnetic rigidity

100 Tm 170 Tm


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


FAIR について

• 02　政府が認定• 05　国際協力プロジェクトとしてスタート• 06 Baseline Technical Report• 07 Kick-off event (MoU に各国がサイン )

• 08 Technical Design Report• 09 …近く FAIR GmbHが設立。。予定。


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、、。


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


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


超伝導マグネット• SIS 100 main magnets

– 2-layer straight dipole•Successfully tested.

– New requirement --> triangle cycle•Single layer, thicker sc wire.

– Quadrupole prototype (Dubna)

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超伝導マグネット• SIS 100 sc correctors

– Multipole(quad, sextu, octu: nested)

– Steerer(H/V) nested– Chromaticity sextupole

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SIS 100 Corrector Cable

• Nuclotron cable with insulated strands

• Wires are connected in series

CuNi tube I.d. 4 mm 1-layer 50% overlapped 50μm Kapton

2-layer 50% overlapped 50μm Kapton

CrNi wire

1-layer 50% overlapped 70μm Kapton

Enamel insulated superconducting wire

magnetcurrent leadssoldering


SIS 100 Sc. Correctors

• Requirements

Multipole Corrector SteererChrom.

Sextupole

Winding Quad. Sext. Octu. 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

0.75x0.04

0.75x0.02

0.5x0.3 0.5x0.28

Ramp time [Seconds] 0.15 0.23 0.23 0.2 0.175

Power converter and connection

bipolar, individual

bipolar, individual

unipolarseries, 2 families


Multipole Corrector

• Design


Multipole Corrector• Computation results

Quadrupole Sextupole Octupole

Effective length [mm] 760 730 700

Bn@straight section [T@ref] 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

Stored energy [J] 11 141 176

Hysteresis loss [J/cycle] 0.73

Inter fil. coupling loss [J/cycle]

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

Integral field error [%]a2=0.44, a3=0.66 (from end)

b10=0.15 (2nd Quad), b12=0.08 (1st Oct.)

Lorentz force [kN/m] 2.2 16 16


Multipole Corrector• Coupling (magnetization field)

-1.0E-06

-5.0E-07

0.0E+00

5.0E-07

1.0E-06

1.5E-06

2.0E-06

5 6 7 8 9 10 11 12Bn

[T] at reference

QSOA

-8.0E-06

-6.0E-06

-4.0E-06

-2.0E-06

0.0E+00

2.0E-06

4.0E-06

6.0E-06

2 3 4 5 6 7 8 9Bn

[T] at reference

QSOA

-4.0E-06

-3.0E-06

-2.0E-06

-1.0E-06

0.0E+00

1.0E-06

2.0E-06

3.0E-06

4.0E-06

[T] at reference radius

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

Current factor

B2B3B4Current factor

Ramp up Ramp down Degaussing

Remanent fieldNominal

Remanent

Degaussing

ExcitationQ,S,O: Only Quad., Sext., Octu. winding.A: All windings


Steerer & Chrom. sextu.

• Design

1 7.2°

2 22°

338.7

°

4 61°


Steerer & Chrom. sextu.

• Computation resultsRoxie 3D model

SteererChrom.

Sextupole

Effective length [mm] 411 538

Bn@straight section [T@ref]

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]

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

Integral field error [%]a1=0.23b3=0.64

a3=0.06b6=0.05

Lorentz force [kN/m] 2.2 16


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

•GSI, IHEP

– IHEP: 来年、プロトタイプ？

4.5T, 1T/sec.


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。


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。

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