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

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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 ? 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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 Magnetic rigidity 100 Tm 170 Tm 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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。 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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) 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center

Seminar KEK Cryogenics Science Center 超伝導マグネット SIS 100 sc correctors Multipole(quad, sextu, octu: nested) Steerer(H/V) nested Chromaticity sextupole 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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 current leads magnet soldering 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center

Seminar KEK Cryogenics Science Center SIS 100 Sc. Correctors Requirements Multipole Corrector Steerer Chrom. Sextupole Winding Quad. Sext. Octu. H/V dipole Sextupole Number of magnets 12 84 48 Aperture diameter [mm] 150 120 (pole tip) Effective length [m] x Magnetic strength [T] at 40 mm reference 0.75x 0.03 0.04 0.02 0.5x0.3 0.5x0.28 Ramp time [Seconds] 0.15 0.23 0.2 0.175 Power converter and connection bipolar, individual unipolar series, 2 families 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center

Seminar KEK Cryogenics Science Center Multipole Corrector Design 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center

Seminar KEK Cryogenics Science Center Multipole Corrector Coupling (magnetization field) Excitation Q,S,O: Only Quad., Sext., Octu. winding. A: All windings Degaussing Nominal Remanent 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center

Seminar KEK Cryogenics Science Center Steerer & Chrom. sextu. Design 1 7.2° 2 22° 3 38.7° 4 61° 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center

Seminar KEK Cryogenics Science Center Steerer & Chrom. sextu. Computation results Roxie 3D model Steerer Chrom. 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 Peak field in the iron [T] 1.2 1.9 Integral field error [%] a1=0.23 b3=0.64 a3=0.06 b6=0.05 Lorentz force [kN/m] 2.2 16 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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. 27 October 2009 Seminar KEK Cryogenics Science Center

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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

Seminar KEK Cryogenics Science Center 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