要約:
欧州原子核研究機関である CERN は、大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) の次期アップグレードに向けて、新世代の超電導磁石を開発しています。新しい材料と製造プロセスを使用したこれらの磁石は、テストで11.3テスラの磁場強度に達しており、将来の高輝度大型ハドロン衝突型加速器の重要な部分となるでしょう。
大型ハドロン衝突型加速器は、非常に強力な磁場を使用して粒子ビームを制御し、粒子が光速に近い速度で移動して衝突できるようにすることで、科学者が物質の基本組成を研究するのに役立ちます。現在、LHC は 1 回の実験で毎秒約 4,000 万回の衝突を行うことができ、各衝突に含まれる粒子の数は約 60 個です。衝突の頻度と粒子の数を継続的に増やすことで、科学者は希少な粒子やこれまで観測されていなかった物理現象をより効果的に探索できるようになります。
CERN が進めているアップグレード プロジェクトの次の段階は、高輝度大型ハドロン衝突型加速器 (高輝度 LHC) と呼ばれ、2030 年以降に新たな実験が開始される予定です。アップグレード後の目標は、毎秒約 4,000 万回の衝突頻度を維持しながら、各衝突に関与する粒子の数を 140 ～ 200 個に増やすことです。いわゆる「高輝度」とは、単位時間当たりにより多くの粒子の衝突が起こり、珍しい物理現象を発見できる可能性が高まることを指します。
これを達成するには、衝突型加速器には、より強力な磁場を備えたコンパクトで信頼性の高い磁石が必要です。従来の LHC 双極子磁石はニオブチタン (NbTi) 超電導コイルを使用しており、磁場強度は地球の磁場強度の約 166,000 倍である 8.3 テスラに達することがあります。しかし、ニオブチタン材料の性能は、達成できる磁場強度の上限に近いため、新世代の四極磁石では、目標磁場強度を 12 テスラに近づけて、ニオブ錫 (Nb₃Sn) 超電導材料が使用され始めました。
この技術アップグレードが直面する主な問題の 1 つは、ニオブ - 錫材料が従来のニオブ - チタン材料とは機械的特性が完全に異なることです。ニオブチタンは延性に優れており、超電導材料を形成した後に曲げたり巻いたりすることができます。ニオブ錫は非常に脆く、超電導相が形成されるとコイル巻線プロセス中に発生する大きな機械的応力に耐えることができません。
この問題を解決するために、研究者らは「Wind-and-React」と呼ばれる製造プロセスを採用しました。簡単に説明すると、最終超電導相を形成する前の材料をコイルに巻き、高温熱処理を行うことによりニオブと錫が反応し、最終的にニオブ-錫超電導材料が形成されます。
具体的な製造プロセスにおいて、研究チームはまず長さ 760 メートルの超電導ケーブルを使用し、それを中央のフレームに巻き付けて、長さ約 7.2 メートル、口径 150 ミリメートルのコイルのセットを形成しました。その後、コイルは不活性ガス環境に置かれ、厳密に制御された熱処理が行われます。
熱処理プロセスは数日間続き、温度は順次上昇し、一定期間は摂氏約 210 度、摂氏 400 度に留まり、最終的に摂氏約 650 度に達します。このプロセスの後、ケーブル内のニオブとスズが化学反応して、超電導特性を持つニオブ-スズ化合物が形成されます。
ニオブ錫材料は形成後は非常に壊れやすいため、その後のコイルの取り扱いには細心の注意を払う必要があります。過度の曲げや機械的変形は、超電導材料を損傷し、磁石の電気的性能や構造的信頼性に影響を与える可能性があります。
熱処理が完了した後、研究者らはまた、液体エポキシ樹脂を使用してコイルを処理します。これにより、樹脂が内部の空隙、亀裂、隙間を埋め、固化して硬いポリマー構造になり、コイルの機械的安定性が向上します。
この製造プロジェクトは、CERN 磁石エンジニアのスサナ イズキエルド ベルムデス率いる約 60 人のチームによって主導されています。彼女は 2012 年から新しい磁石の研究開発に携わっており、コイル巻線試験、電磁設計、機械設計、製造、性能検証に携わっています。
研究チームが IEEE Transactions on Applied Superconductivity に発表した研究結果によると、LHC アップグレード プロジェクトのために、長さ 4.5 メートルの磁石用に 120 個以上のコイル、長さ 7.2 メートルの磁石用に 70 個以上のコイルが製造されました。各四極磁石には 4 つのコイルが必要です。
プロジェクト全体の結果、250 個のコイルが生産されましたが、そのうち 25 個は製造プロセス中の人的ミスや電気的または機械的性能の欠陥により、品質要件を満たしていませんでした。研究者らは、この種の超電導磁石は非常に高い製造精度が要求され、非常に小さな欠陥でもコイル全体が使用できなくなる可能性があると指摘した。巻線と保護部品の間に金属片が挟まり、動作に影響を与える可能性があるため、廃棄したコイルがありました。
今年 9 月、チームは長さ 7.2 メートルの磁石の品質管理テストを完了し、そのピーク磁場強度が 11.3 テスラに達したことを確認しました。現在、磁石の性能は良好であり、研究者らは将来の LHC アップグレード プロジェクトのニーズを満たすために予備のコイルと磁石の製造を継続し始めています。
この成果は、単により高い磁場数の追求ではなく、CERN が実験室での研究開発から大規模で厳格な品質管理工学による製造段階までニオブ錫超電導材料を進歩させたことを意味します。高輝度大型ハドロン衝突型加速器の場合、より強力な磁場は研究者が粒子ビームをより効果的に制御するのに役立ち、衝突型加速器が所定の空間内でより高い粒子衝突能力を達成できるようになり、2030 年以降の素粒子物理学実験に重要なインフラストラクチャを提供します。
この研究は、2026 年 9 月 24 日に「IEEE Transactions on Superconducting Applications」に掲載されました。IEEE Spectrum は 11 月 10 日にレポートを更新し、各実験における粒子衝突の数を修正しました。
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