2014 Fiscal Year Annual Research Report
次世代医療用サイクロトロン開発のための５Ｈ超伝導コイルシステムの基盤技術の確立
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26249036
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
石山 敦士 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00130865)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山川 宏 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00097263)
植田 浩史 大阪大学, 核物理研究センター, 助教 (10367039)
野口 聡 北海道大学, 情報科学研究科, 准教授 (30314735)
金 錫範 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (00287963)
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| Project Period (FY) |
2014-06-27 – 2018-03-31
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| Keywords | 加速器 / 超伝導材料 / 電気機器工学 / 量子ビーム / 癌 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、小型・高効率の次世代重粒子線がん治療用超伝導加速器（サイクロトロン）実現の鍵となる「高機械強度・高電流密度・高安定・高磁場・高磁場精度」という「5つの高：5H（High）」の全てを可能とする高温超伝導コイルシステム開発のための基盤技術の確立を目指している。以下に、2014年度の主な成果をまとめる。
1) 高機械強度化・高磁場化：等時性磁場発生用円形スプリットコイルとビーム集束AVF(Azimuthally Varying Field)発生用非円形スパイラルセクターコイルに、研究代表者らが提案したYoroi-coil構造を採用した場合の効果を数値解析により評価した。また補強時の電磁力による変形量を算出し、発生磁場精度への影響を評価するとともに、構造材形状の最適化を試みた。
2) 高電流密度化・高熱的安定化：高電流密度と高安定を両立するため、ここでは超伝導REBCOテープ線材に電気絶縁を施さずにコイル巻線を行う方法（以下「無絶縁コイル」と呼ぶ）の適用を前提とした。そして、無絶縁コイル巻線内の電流分布と温度分布の時間変化を詳細に解析可能な計算機プログラムを新たに開発した。そして無絶縁コイルの励磁・遮断・過電流通電・局所的常伝導転移時の巻線内電流分布および発熱・温度分布の時間変化を可視化し、その振舞を明らかにした。
3) 高磁場精度化：コイル内の超伝導線材（テープ形状）に加わる磁場の変化により、線材中には長時定数の遮蔽電流が誘導され、この電流により生じる磁場は、コイル発生磁場の空間分布や時間安定性に大きな影響を与える。研究代表者らが開発した遮蔽磁場を高精度で解析可能な計算機プログラムを用いた解析と小型コイルによる評価実験を行い、遮蔽磁場の影響を定性的・定量的に明らかにするとともに、細線化やコイル形状の最適化による遮蔽磁場の低減効果を評価した。
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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
1) 高機械強度化・高磁場化：計画通り進めているが、外部磁場印加用伝導冷却超伝導マグネット（発生磁場5T、室温ボア径220mm）が故障したため、当初予定していたYoroi構造を適用した小型モデルの強度評価試験を行うことができなかった。補修が難しい場合は、室温ボア径が100mmと小さいが、10T発生の伝導冷却超伝導マグネット（現有）を使用して、小ボア径に合うコイルを試作して実験・評価を行う。
2) 高電流密度・高熱的安定化：当初計画以上に順調に成果が得られている。すなわち、これまで明らかにされていなかった無絶縁コイルの電磁的・熱的振舞いを再現可能な計算機プログラムの開発を行い、当初の計画に加えて、巻線層間の接触電気抵抗の大きさやばらつきが、励磁・遮断特性に与える影響等を明らかにすることができた。
3) 高磁場精度化：計画通り、発生する線材内の遮蔽電流の可視化や、遮蔽電流による不整磁場の分布・時間変化等の評価を、使用超伝導線材の特性データが与えられれば、これまでにないかなりの精度で行うことができるようになった。また、当初の計画に加え、使用線材の超伝導特性のばらつきが遮蔽電流分布に与える影響等を評価することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
1) 機械強度化・高磁場化：目標とする重粒子線がん治療用超伝導加速器（サイクロトロン）を想定し、複数組の円形スプリットコイルと非円形スパイラルセクターコイルから成る実規模のコイルシステムの支持構造（コイル間に働く電磁応力を考慮する必要がある）について、各コイルにYoroi-coil構造を採用した場合を前提に数値解析に基づく設計を進めていく。
2) 高電流密度化・高熱的安定化：これまでの成果を踏まえ、無絶縁コイル巻線内に局所的常伝導転移が発生したときの電流再配分現象とコイル内発熱・温度上昇について、試作モデルコイルによる実験と数値解析の両面から検討していく。そして無絶縁コイル採用により、高電流密度化がどこまで可能か、最もハードルの高い数値目標として設定した600A/mm2（従来値の3～4倍）にどこまで近づけることができるか、その可能性を探っていく。また、無絶縁コイル採用による熱的安定性の向上を検証するとともに、常伝導転移事故の早期検出法と保護法（蓄積エネルギー回収法）を確立する。
3) 高磁場精度化：遮蔽電流による不整磁場低減の方策（線材・コイル構造の最適化）を見出すとともに、スプリットコイルとスパイラルセクターコイルから成る実規模のコイルシステムにおける遮蔽電流による不整磁場評価と、コイル励磁法も含めた低減策を探っていく。そして、巻線精度の向上と合わせ、目標とする磁場精度（誤差0.01%以下）の実現可能性を検証する。
最終的に、上記1)～3)の成果に基づき、超伝導コイルシステムの高磁場化・小型化を実現する設計最適化を行い、目標とする次世代重粒子線がん治療用超伝導加速器（サイクロトロン）の成立性・有効性を検証する。
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