High-temperature-superconductor technology toward high-speed and high-field beam scanning magnets for heavy-ion cancer therapy

• Project/Area Number: 20H00245
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 雨宮 尚之 京都大学, 工学研究科, 教授 (10222697)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 曽我部 友輔 京都大学, 工学研究科, 助教 (40847216)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥44,720,000 (Direct Cost: ¥34,400,000、Indirect Cost: ¥10,320,000); Fiscal Year 2023: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000); Fiscal Year 2022: ¥13,390,000 (Direct Cost: ¥10,300,000、Indirect Cost: ¥3,090,000); Fiscal Year 2021: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000); Fiscal Year 2020: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
• Keywords: 超伝導 / 電磁石 / 加速器 / がん治療 / 交流 / 交流損失 / 遮蔽電流磁界

Outline of Research at the Start

高温超伝導線を用いて重粒子線がん治療用スキャニング電磁石を実現する高速変動高磁界発生技術を構築する。マルチフィラメント化し銅分流層を複合した薄膜高温超伝導線を円形コアに多層巻きするSCSCケーブルを用いてコイルを巻くことにより、交流損失、磁界精度劣化、高い端子電圧というボトルネックを解決する。SCSCケーブルで巻いたコイルと鉄ヨークにより構成した電磁石の電磁現象を解明し、交流損失・遮蔽電流磁界低減指針を構築する。これに基づき、重粒子線がん治療用スキャニング電磁石に適用可能な高速変動高磁界電磁石技術を構築し、200 Hz, 1 T,磁界精度0.2%のスキャニング電磁石の概念設計を行う。

Outline of Annual Research Achievements

②集合導体で構成した高速変動電磁石の電磁現象解明：これまでに構築したSCSCケーブルを対象とした大規模数値電磁界解析プログラムを使用し、SCSCケーブルの全損失を評価した。SCSCケーブルの構成・形状、また、電流振幅や磁界振幅などの運転条件と全損失の関係について評価した。結果として、ケーブルの層数や層間距離は実用上問題となるような大きい振幅の外部磁界下ではほぼ影響しないことが明らかになった。また、SCSCケーブルの全損失は外部磁界によってほぼ支配され、実用的な高磁界下ではほぼ外部磁界振幅によって損失特性が決定されることを確認した。
③高速変動高磁界スキャニング電磁石の設計：昨年度に引き続き高速変動高磁界スキャニング電磁石の設計を進めた。常伝導スキャニング電磁石よりも発生磁界強度を高くした設計やスキャニング電磁石の鉄芯がない構成についての検討を行い、電磁石における損失及び磁界精度について評価した。また、昨年度行った設計も含め、照射システム全体が、現在の常伝導電磁石を使用している場合と比較してどの程度小型化可能であるかの検討を進めた。
④スキャニング電磁石の交流損失・磁界精度評価：③で設計された電磁石の損失並びに磁界精度を評価した。損失評価時には鉄芯及び鉄ヨークにおける損失評価も併せて行った。損失・磁界精度に関しては鉄芯付きかつ発生磁場の小さい設計が最も小さくなり、照射システム全体のサイズは鉄芯付きかつ発生磁場の大きい設計が最も小さくなることを確認した。また、冷却方法については、常圧の液体窒素、減圧した液体窒素、伝導冷却について検討し、発生する交流損失の大きさと超伝導線の臨界電流の点で、減圧した液体窒素による浸漬冷却（約65 K）が妥当であると判断した。この場合、一日当たりに消費される液体窒素の総量は現実的な量であることを確認した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ローレンスバークレー国立研究所/ブルックヘブン国立研究所(米国)
• [Int'l Joint Research] ローレンスバークレー国立研究所/ブルックヘブン国立研究所(米国)
• [Journal Article] Conceptual Design of Scanning Magnets Using HTS Coils Wound With Spiral Copper-Plated Striated Coated-Conductor (SCSC) Cables for Carbon-ion Radiotherapy (2023)
  • Author(s): Li Yang、Sogabe Yusuke、Iwata Yoshiyuki、Amemiya Naoyuki
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 33 Issue: 5 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3243874
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influence of Shielding Currents in Coated Conductors on Field Quality of Iron-Dominated HTS Magnets Estimated by Numerical Analyses (2023)
  • Author(s): Li Yang、Sogabe Yusuke、Amemiya Naoyuki
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 33 Issue: 5 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3251300
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetic Field Drifts of Small HTS Dipole Magnet Under Repeated Excitation (2022)
  • Author(s): Yusuke Sogabe, Koki Wakabayashi, Naoyuki Amemiya
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 32 Issue: 4 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1109/tasc.2022.3141967
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simplified Numerical Electromagnetic Field Analysis Method of Coils Wound With Spiral Coated-Conductor Cables (2022)
  • Author(s): Yusuke Sogabe, Rikito Takahashi, Naoyuki Amemiya
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 32 Issue: 4 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2022.3141974
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Fabrication, characterizations, and design studies of SCSC cables (2023)
  • Author(s): N. Amemiya
  • Organizer: International Workshop on Coated Conductors for Applications (CCA 2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Numerical electromagnetic field analyses of SCSC cables carrying dc current under ac magnetic fields aiming to flux pump applications (2023)
  • Author(s): Y. Sogabe, S. Honda, N. Amemiya
  • Organizer: The 36th International Symposium on Superconductivity (ISS 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Conceptual design of scanning magnets using HTS coils wound with spiral copper-plated striated coated-conductor (SCSC) cables for carbon-ion radiotherapy (2022)
  • Author(s): Y. Li, Y. Sogabe, Y. Iwata, N. Amemiya
  • Organizer: 2022 Applied Superconductivity Conference (ASC 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Influence of shielding currents in coated conductors on field quality of iron-dominated HTS magnets estimated by numerical analyses (2022)
  • Author(s): Y. Li, Y. Sogabe, N. Amemiya
  • Organizer: 2022 Applied Superconductivity Conference (ASC 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Large-scale electromagnetic field analysis for a finite-long spiral copper-plated striated coated-conductor cable without translational symmetry and its applications (2022)
  • Author(s): Y. Sogabe, T. Hattori, N. Amemiya
  • Organizer: 2022 Applied Superconductivity Conference (ASC 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] AC loss measurements of copper-plated multifilament coated conductors carrying ac transport current and exposed to ac magnetic field (2022)
  • Author(s): M. Shigemasa, A. Takahashi, Y. Sogabe, N. Amemiya
  • Organizer: 2022 Applied Superconductivity Conference (ASC 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experiments and numerical analyses of dynamic resistivities in copper-plated multifilament coated conductors (2022)
  • Author(s): Y. Sogabe, N. Amemiya
  • Organizer: 2022 Applied Superconductivity Conference (ASC 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SCSC ケーブルで構成されるスキャニング電磁石の概念設計 (2022)
  • Author(s): 李陽，曽我部友輔, 岩田佳之, 雨宮尚之
  • Organizer: 第103回2022年度春季低温工学・超電導学会
• [Presentation] 銅分流層複合マルチフィラメント薄膜高温超伝導線の動的抵抗測定 (2022)
  • Author(s): 曽我部友輔，陳妙しん，雨宮尚之
  • Organizer: 第103回2022年度春季低温工学・超電導学会
• [Presentation] 遮蔽電流が鉄支配型高温超伝導マグネットの発生磁界に与える影響の解析的評価 (2022)
  • Author(s): 李 陽, 曽我部 友輔, 雨宮 尚之
  • Organizer: 第104回2022年度秋季低温工学・超電導学会
• [Presentation] Magnetization loss measurements of various copper-plated multifilament coated conductors (2021)
  • Author(s): Mao Shigemasa
  • Organizer: The 15th European Conference on Applied Superconductivity
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical electromagnetic field analyses and measurements field quality of HTS dipole magnets under repeated excitation (2021)
  • Author(s): Yusuke Sogabe
  • Organizer: The 15th European Conference on Applied Superconductivity
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simplified numerical electromagnetic field analysis method of coils wound with spiral coated conductor cables (2021)
  • Author(s): Yusuke Sogabe
  • Organizer: The 15th European Conference on Applied Superconductivity
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CORC 導体で構成されるコイルを対象とする数値電磁界解析における簡略化手法に関する検討 (2021)
  • Author(s): 曽我部 友輔
  • Organizer: 第101回2021年度春季低温工学・超電導学会
• [Presentation] Comparison of AC loss of superferric magnets consisting of HTS coils wound with stack cables and wound with CORC wires by using 3D electromagnetic field analyses (2020)
  • Author(s): Y. Sogabe, M. Yasunaga, Y. Li, Y. Ishi, and N. Amemiya
  • Organizer: 2020 Applied Superconductivity Conference (ASC 2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A quasi-3D model for SCIF calculations of accelerator magnets wound with CORC wires (2020)
  • Author(s): Y. Sogabe and N. Amemiya
  • Organizer: The 33rd International Symposium on Superconductivity (ISS 2020)
  • Int'l Joint Research