2021 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
別途得た実験結果に基づく解析式により結合損失を、臨界電流に基づく解析式によりヒステリシス損失を計算し、その和として、周波数200 Hz、振幅1 Tの磁界下における様々な諸元のSCSCケーブルの交流損失を評価した。SCSCケーブルの適用性を評価する目的で、ケーブルの交流損失を積算し、発生磁界1 T、幅110 mm、長さ330 mmの電磁石のコイルの交流損失を評価し、約1.2 kWという値を得た。
②集合導体で構成した電磁石の電磁現象解明
SCSCケーブルの電磁界解析を実施し、交流損失を求めた。素線幅2 mm、フィラメント幅0.2 mm、銅層厚さ10 μmのマルチフィラメント線を用いたコア径2.5 mm、層数13のSCSCケーブルの交流損失は、磁界振幅1 T、電流負荷率0.5、周波数200 Hzという使用条件で、モノフィラメント線ケーブルの約1/10であった。マルチフィラメント化によりヒステリシス損失は有効に低減され、結合損失も十分小さいことを確認できた。また、汎用電磁界解析ソフトウェアによる近似的方法で遮蔽電流磁界の大きさについて検討し、鉄ヨークがあるスキャニング電磁石における遮蔽電流磁界は十分小さいことを確認した。動的抵抗を測定するための実験装置を構築し、直線状・スパイラル状のモノフィラメント線・マルチフィラメント線の動的抵抗を測定し、SCSCケーブルを模擬したスパイラル状マルチフィラメント線の動的抵抗が直線状モノフィラメント線の10分の1程度であることを明らかにした。
③高速変動高磁界スキャニング電磁石の設計
スキャニング電磁石に要求される性能についての調査を行い、設計対象とするスキャニング電磁石の仕様の検討に着手した。SCSCケーブルを適用した場合、銅電磁石よりも口径を大きくし、磁極幅を大きくすることが必要である。
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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
交流損失低減は、高速変動高磁界スキャニング電磁石実現の鍵であり、その設計過程において、多様な設計・運転条件のもとでの交流損失を評価する必要がある。このような観点から、実験データと解析式を用いた簡易な方法で、SCSCケーブルの交流損失のうちの重要な成分である磁化損失を評価し、スキャニング電磁石中のSCSCケーブルで巻かれたコイルにおける交流損失の定量化に成功したことは、電磁石設計への交流損失評価結果のフィードバックを可能にしたという点で大きな意義がある。
一方、学術的には、交流損失発生のメカニズムに遡ることが可能な数値電磁界解析も、上述のような交流損失の簡易評価に劣らず重要である。この側面では、高速変動高磁界スキャニング電磁石における使用条件のもとでのSCSCケーブルならびに比較用のモノフィラメント線によるケーブルの電磁界解析を実施し、それらの交流損失を、発生メカニズムが異なるヒステリシス損失と結合損失に分離して比較したことの意義は大きい。
また、高温超伝導線単線ではなくケーブルで巻かれたコイルと鉄ヨークで構成される電磁石における、遮蔽電流磁界が磁界精度に与える影響についての研究は、先行研究例は見当たらないオリジナリティの高い研究成果である。
高温超伝導線をスキャニング電磁石のような交流磁界で使用する際に、線は交流磁界中で電流を輸送せねばならず、このような電磁条件下における損失のひとつという点で、動的抵抗の評価は重要である。マルチフィラメント線における動的抵抗の研究例は先駆的であり、今後、研究を発展させていくことが強く期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、ターンアラウンドが短く電磁石設計にフィードバックをかけやすい解析式を用いた方法と、電磁現象を詳細に解明できる電磁界解析による方法を併用して、ケーブル・コイルの交流損失を評価していく。
スキャニング電磁石に要求される磁界発生領域、発生磁界振幅をもとに、汎用電磁界解析ソフトウェアを使用してスキャニング電磁石を設計し、設計した電磁石の交流損失を評価し、温度に依存した超伝導体の臨界電流特性・交流損失特性、ならびに、温度に依存した冷却効率を考慮して、電磁石の運転温度を検討する。
動的抵抗の測定を進め、さらに一般的な使用条件として、交流磁界下で交流電流を輸送するSCSCケーブルの交流損失測定を行う。
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