2020 Fiscal Year Annual Research Report
High-temperature-superconductor technology toward high-speed and high-field beam scanning magnets for heavy-ion cancer therapy
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20H00245
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
雨宮 尚之 京都大学, 工学研究科, 教授 (10222697)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
曽我部 友輔 京都大学, 工学研究科, 助教 (40847216)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
①高速変動高磁界スキャニング電磁石へのSCSCケーブル適用性評価
SCSCケーブルによって交流損失や遮蔽電流磁界を減らせるかどうかを調べるために、SCSCケーブルモデルを構成するマルチフィラメント薄膜高温超伝導線ならびにSCSCケーブルモデルについての、高速変動高磁界スキャニング電磁石へのSCSCケーブル適用に向けた要件・課題の抽出に着手した。別途測定された磁化損失評価結果を分析し、SCSCケーブルにおけるマルチフィラメント薄膜高温超伝導線のスパイラル化により、マルチフィラメント薄膜高温超伝導線のフィラメント間の電磁結合が数百ヘルツの周波数でも十分解けることを確認した。ただし、銅分流層の厚さを厚くすると結合損失が目立ってくるため、銅分流層の厚さも含めた、高速変動高磁界スキャニング電磁石の想定運転条件を踏まえた、線材構造の最適化が必要なことも明らかになった。
②集合導体で構成した電磁石の電磁現象解明
別途開発を進めている電磁界解析アルゴリズムを適用して、集合導体で構成した電磁石の電磁現象解明を行うための方法の検討に着手した。まず、マルチフィラメント化されていないスパイラル導体であるCORC導体で構成されたコイルを対象として、数値電磁界解析における簡略化手法に関する検討を行った。例えば、スパイラル導体で巻いたコイルにおける隣接するスパイラル導体中の遮蔽電流を考慮しない簡略化を行い、その影響を評価した。その結果、スパイラル導体で構成されたコイルの交流損失の評価を行う上では、隣接スパイラル導体中の遮蔽電流を無視しても、その影響は小さいことがわかった。
また、スパイラル導体で巻かれた電磁石における遮蔽電流磁界の解析に着手し、仮に遮蔽電流がない場合でも、スパイラル導体のスパイラル構造自体も電磁石発生磁界の分布に影響を与えることを指摘した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
SCSCケーブルに外部磁界を印加した場合の交流損失測定結果をもとに、SCSCケーブルにおけるマルチフィラメント薄膜高温超伝導線のスパイラル化によって、数百ヘルツの周波数でもマルチフィラメント化による交流損失低減効果が十分得られることを実験的に明らかにすることができた。これは、本研究で狙う周波数200 Hzの高速変動電磁石をSCSCケーブルで構成した場合に、SCSCケーブルにおけるマルチフィラメント薄膜高温超伝導線のスパイラル化によって交流損失低減を実現することが可能であることを示す重要な成果である。
スパイラル導体で構成されるコイルの電磁界解析において、複雑な三次元的形状をもつスパイラル導体の構造を考慮することは、消費メモリ・計算時間などの計算コストの観点から非現実的であり、これを実現するためには精度を犠牲にしない適切な近似が必要不可欠である。スパイラル導体で構成されるコイル全体の電磁界解析ではなく、コイル内の一部の磁界環境に晒されている単体のスパイラル導体の電磁界解析によって全体の特性を推察することが可能であるという知見が得られたことは、今後の電磁石設計に向けた大きな成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
CORCケーブルに比べてSCSCケーブルは交流損失の低減が図れるが、CORCケーブルと鉄ヨークを組み合わせた電磁石において、予想以上に交流損失が大きくなることが判明した。SCSCケーブルにおいてはこの交流損失を線材のマルチフィラメント化により低減するものであるが、そのためのフィラメント幅は当初想定したものより小さくしなければならない可能性がある。一方、鉄ヨークと超伝導コイルを組み合わせた電磁石においては、超伝導コイルの内部において、高温超伝導テープ線材の幅広面の向きを揃えた方が有利であることがわかった。そこで、CORCケーブルと同様なケーブル構造で、素線である高温超伝導テープ線をマルチフィラメント化したSCSCケーブルに加えて、超伝導テープ線材の幅広面の向きが揃ったRoebelケーブルと呼ばれるケーブルも検討対象に加えることを検討する。
また、超伝導コイルに交流を通電したときに発生する損失のうち、動的抵抗と呼ばれるものによる損失が近年注目されている一方、マルチフィラメント高温超伝導線についての動的抵抗損失の検討例はない。研究計画調書の中では明示的には書いていなかったが、交流損失のひとつとして、動的抵抗損失についても研究の対象としていく方針である。
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