2022 Fiscal Year Final Research Report

Development of the underlying technology for realization of energy saving, high intensity compact accelerator with 30 % energy efficiency for RI production

Research Project

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Project/Area Number	20H04454
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 80040:Quantum beam science-related
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	Fukuda Mitsuhiro 大阪大学, 核物理研究センター, 教授 (60370467)
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)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	高温超伝導コイル / エネルギー効率 / 加速器 / サイクロトロン / 高温超伝導加速空洞 / 負イオン源 / 永久磁石 / 荷電変換フォイル
Outline of Final Research Achievements	High temperature superconducting REBCO coils of circular and race-track type, required for development of a high intensity compact cyclotron realizing better power-saving and lower running cost, were fabricated and their high soundness and reproducibility were demonstrated by a performance test at very low temperature. A 3.8 mA, 30 keV negative deuteron beam was injected into an AVF cyclotron and we succeeded to extract a 50 micro-A 25 MeV deuteron beam from the cyclotron. We developed a rapid measurement system of a particle distribution in four-dimensional phase space and a magnetic coil for clearing electrons removed from a negative ion beam. Feasibility of a high temperature superconducting cavity for a cyclotron was clarified for the first time by shielding a stray field of a cyclotron sector magnet with permanent magnets placed at the edge of the sector magnets, and by cooling a cavity surface, consisting of a more than 1 micro-m thick MgB2 layer, down to 18 K.
Free Research Field	量子ビーム科学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	高温超伝導REBCOコイルの実用性が実証されたことは、コイルのスケールアップによる高温超伝導加速器開発の実現性を高めるものとして学術的な意義は大きい。mA級の重陽子負イオン源開発、空間電荷効果を考慮した入射ビームの輸送効率向上、サイクロトロンにおける負イオン取出し用荷電変換フォイルの耐久性向上は高強度化の要素技術として極めて価値は高い。永久磁石と高温超伝導加速空洞を組み合わせることにより30％以上のエネルギー効率が達成しうることを示せたことは学術的なインパクトが大きいだけでなく、省電力・低運転コストが求められる産業用加速器の発展にも寄与することになり、社会的な意義も極めて大きい。