[論文レビュー] Test of a 1.8 Tesla, 400 Hz Dipole for a Muon Synchrotron

D. J. Summers, T. Hart+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2012

Superconducting Materials and Applications参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、マイオン加速に適した1.8 T、400 Hzのデュアポール磁石プロトタイプを提示する。薄い結晶配向シリコン鋼板を用い、ミートド・ジョイントを採用することで磁気透過率を最大化し、エネルギー損失を最小化する。IGBTスイッチ制御のLC回路を用いることで、低電圧（315 V）かつ低損失（1サイクル半周期あたり10%）で高速ランピングを実現し、高繰り返しレートでのマイオン加速の実現可能性を示している。

ABSTRACT

A 1.8 T dipole magnet using thin grain oriented silicon steel laminations has been constructed as a prototype for a muon synchrotron ramping at 400 Hz. Following the practice in large 3 phase transformers and our own Opera-2d simulations, joints are mitred to take advantage of the magnetic properties of the steel which are much better in the direction in which the steel was rolled. Measurements with a Hysteresigraph 5500 and Epstein frame show a high magnetic permeability which minimizes stored energy in the yoke allowing the magnet to ramp quickly with modest voltage. Coercivity is low which minimizes hysteresis losses. A power supply with a fast Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) switch and a capacitor was constructed. Coils are wound with 12 gauge copper wire. Thin wire and laminations minimize eddy current losses. The magnetic field was measured with a peak sensing Hall probe.

研究の動機と目的

• 2.2 μsの短いマイオンの平均寿命に適合する400 Hzで動作する高速ランピング型デュアポール磁石の開発。
• 磁気的異方性を考慮した最適化されたジョイント形状を用いて、ヨーク部に蓄えられる磁気エネルギーを最小化する。
• IGBTスイッチとコンデンサで駆動されるコンactなLC回路を用いて、低電圧かつ低損失で高速な磁場ランピングを実現する。
• 実験的測定と2次元有限要素シミュレーションを用いて、ミートドジョイントとバットジョイントの磁束漏れ低減および磁場均一性への影響を検証する。
• 実用的なマイオンシンクロトロンにスケーリング可能な、高精度な磁場品質とビームパイプ適合性を有するかを評価する。

提案手法

• 磁気異方性を磁束方向と一致させるために、ミートドジョイントを採用した0.011インチ厚の結晶配向シリコン鋼板を用いてデュアポール磁石を製作した。
• 52 μFのポリプロピレンコンデンサとIGBTスイッチ（Powerex CM600HX-24A）を用いたLC共振回路により、400 Hzで高速な磁場ランピングを実現した。
• 12 AWGの銅線を巻き、54 Aの電流を流すように設計し、将来の運用に備えて水冷式ステンレス鋼チューブを計画した。
• 磁場測定には、Tektronix TDS3054Bオシロスコープに接続されたピーク検出型ホールプローブ（F. W. Bell 5180）を用いた。
• B&K Precision 1794電源を用いたDCおよびAC試験を実施し、鋼材の特性はエプスタインフレームとHysteresigraph 5500を用いて検証した。
• 2次元のOpera-2dシミュレーションを実施し、角度依存の透磁率を考慮するため、独自のサブルーチンを用いて異なる角度におけるBH曲線を補間した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低電圧・高透磁率材料と共振LC回路を用いて、1.8 Tのデュアポール磁石を400 Hzで効果的にランピングできるか？
• RQ2 結晶配向鋼板のミートドジョイントは、バットジョイントと比較して磁束漏れをどれほど低減し、磁場均一性を向上させるか？
• RQ3 結晶配向シリコン鋼板の異方性磁気的特性が、シミュレーションの正確性および実際の性能に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 1.8 T、400 Hzで動作するプロトタイプデュアポール磁石におけるヒステリシス損失およびエディシィントルス損失は測定でどの程度か？
• RQ5 12 mmのギャップを有する実用的なマイオンシンクロトロンにおいて、磁場品質とビームパイプインピーダンスを最適化できるか？

主な発見

• ミートドジョイント磁石は、430 V、53ターンで425 Hzで1.81 Tのピーク磁場を達成し、目的の400 Hz周波数で安定した動作を示した。
• 53ターン構成では、1サイクル半周期あたり10%のエネルギー損失が測定され、ヒステリシス損失およびエディシィントルス損失が低いことが示された。
• ローリング方向に整列した鋼材の透磁率は、1.7 Tで17,000、1.81 Tで9,000に達し、高い性能が確認された。
• ヒステリシスループ測定では、低コーキング（0.09 Oe）と高い透磁率が確認され、コア部のヒステリシス損失が最小限に抑えられていた。
• ミートドジョイント設計では1.7 Tで非線形挙動が観測されたことから、安定動作の限界は1.8 T付近であると示された。
• IGBTベースのLC回路は、理想的な電圧315 Vで必要な電流ランピングを効果的に供給し、制御されたリバーブを示したことがオシロスコープ波形で確認された。