2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of the underlying technology for realization of energy saving, high intensity compact accelerator with 30 % energy efficiency for RI production
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20H04454
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
福田 光宏 大阪大学, 核物理研究センター, 教授 (60370467)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中尾 政夫 群馬大学, 重粒子線医学推進機構, 助教 (20791792)
伊藤 正俊 東北大学, サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター, 教授 (30400435)
倉島 俊 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 放射線高度利用施設部, 課長 (50370391)
松田 洋平 甲南大学, 理工学部, 准教授 (50569043)
涌井 崇志 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 物理工学部, 室長 (70359644)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | サイクロトロン / イオン源 / エネルギー効率 / 空間電荷効果 / 高温超電導コイル / 超伝導加速空洞 / 永久磁石 / 荷電変換フォイル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
RCNPにおける高温超伝導REBCO線材を用いたECRイオン源の開発においては、試作した3個の円形ミラーコイルと6個のレーストラック型六極コイルを20～30K の極低温下で個別に通電試験を行い、励磁・減磁を繰り返す耐久試験においても超伝導性能が劣化することなく優れた健全性及び再現性を実現できることを実証した。
負イオン源開発においては、東北大CYRICと住友重機械工業の共同開発により完成したマルチカスプイオン源の重水素負イオンビーム生成試験を実施し、加速電圧10kVにおいて2mAのビーム出力を得ることに成功した。また、空間電荷効果を組み込んだビームシミュレーションコードOPALを用いてmA級大強度負イオンビームのビーム輸送計算を行い、入射ビームラインにおけるビーム透過効率を評価した。
量研高崎研のAVFサイクロトロンにおいて、ペッパーポット型エミッタンスモニターを用いた入射ビームのエミッタンス測定における測定誤差を評価すると共に、OPALコードによるビーム輸送計算との比較により、ビームアクセプタンスに整合する入射条件の最適化に着手した。量研量医研におけるビーム引出系の開発においては、荷電変換フォイルの耐久性を高める性能試験を既存のスイッチング電磁石を用いた最大1.5Tの外部磁場環境下で実施する方針を固め、性能試験の詳細仕様の検討を進めた。
RCNPにおけるエネルギー効率を向上させる要素技術開発では、超伝導ライナックの加速空洞の設計仕様を参考にサイクロトロンの共振空洞を超伝導化するための技術的課題を検討し，共振空洞の外周側には断熱層を十分に確保するための距離が必要とされ、隣接するサイクロトロン電磁石とのスペースの取合いにおいて上手くバランスさせる必要があること、外部からの熱侵入を最小限に留めて極低温環境を実現するためには、冷却端子の配置が重要な鍵を握ることなどを明らかにした。
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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
試作した高温超伝導REBCOコイルの極低温下での単体性能試験を実施し、耐久性・健全性・再現性が良好であることを実証できただけでなく、重水素負イオン源の性能試験により2mAのビーム取り出しに成功するなど、30%以上の高エネルギー効率の実現を目指した要素技術開発が着実に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
正イオン源開発においては、REBCO線材を用いた2.45GHz及び10GHzのECRイオン源を開発するため、ミラーコイルとレーストラック型六極コイルを組み合わせたアセンブリを製作し、77Kでの励磁試験を実施する。
負イオン源開発においては、イオン源から取り出した重水素負イオンビームのビーム輸送試験を実施すると共に、空間電荷効果を考慮したOPALコードによるビーム輸送シミュレーション計算と比較しながら透過効率の向上を目指す。
量研高崎研のAVFサイクロトロンのビーム入射系開発においては、ペッパーポット型エミッタンスモニターによるエミッタンス測定とOPALコードによるビーム輸送シミュレーション計算によりサイクロトロンの中心領域のアクセプタンスと迅速にマッチングさせる制御手法を開発開発する。
ビーム引出系の開発においては、既存のスイッチング電磁石を用いた高磁場環境下でのストリッパーフォイルの荷電変換試験を実施し、荷電変換フォイルの改良方策を検討する。
エネルギー効率を向上させる要素技術開発として、高温超伝導材MgB2を共振空洞に適用した場合の臨界磁場を明らかにし、サイクロトロン用高温超伝導空洞の概念設計を実施する。また、分離セクター型リングサイクロトロン電磁石に永久磁石を導入して完全電力フリー化を実現するための永久磁石配置の最適化を行うと共に、共振空洞領域への漏洩磁束を最小化するための磁極構造の検討を行う。
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Research Products
(15 results)
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[Journal Article] Study for improving the energy efficiency of cyclotron2021
Author(s)
Keijiro Takeda, Mitsuhiro Fukuda, Hiroki Kanda, Tetsuhiko Yorita, Tsutomu Shinozuka, Masatoshi Ito, Satoshi Kurashima, Nobumasa Miyawaki, Takashi Wakui, Yohei Matsuda, Masao Nakao, Yusuke Yasuda, Takafumi Hara
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Journal Title
Proc. of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
Volume: 2021
Pages: 466-
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[Journal Article] Development of an electron test bench for proton CARA2021
Author(s)
Takafumi Hara, Mitsuhiro Fukuda, Hiroki Kanda, Tetsuhiko Yorita, Yusuke Yasuda, Keijiro Takeda, Tsutomu Shinozuka, Masatoshi Itoh, Satoshi Kurashima, Nobumasa Miyawaki, Takashi Wakui, Masao Nakao, Youhei Matsuda
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Journal Title
Proc. of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
Volume: 2021
Pages: 653-
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[Journal Article] Improvement of energy efficiency of high intensity compact cyclotron2021
Author(s)
Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita, Hiroki Kanda, Yuusuke Yasuda, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Kyohei Omoto, Yasuyuki Morita, Tsun Him Chong, Hang Zhao, Tsutomu Shinoduka, Masatoshi Itoh, Takashi Wakui, Satoshi Kurashima, Nobumasa Miyawaki, Masao Nakao, Yohei Matsuda
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Journal Title
Proc. of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
Volume: 2021
Pages: 795-
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[Journal Article] Development of high temperature superconducting mirror coils for 10GHz ECR ion source2021
Author(s)
T H Chong, M Fukuda, T Yorita, H Kanda, K Takeda, T Hara, A Ishiyama, S Noguchi, H Ueda, J Yoshida, S Nagaya, T Watabe
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Journal Title
Proc. of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
Volume: 2021
Pages: 801-
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