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2020 年度 実施状況報告書

簡易型・小型の核磁気共鳴装置の開発に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 18K04104
研究機関岡山大学

研究代表者

金 錫範  岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (00287963)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2022-03-31
キーワード小型核磁気共鳴装置 / NMR信号測定回路 / NMR Relaxometry / 高温超伝導バルク体 / 次世代高温超伝導線材
研究実績の概要

本研究では,簡便な方法でNMR信号が計測できる小型の磁気共鳴装置を開発するためのハードウェアとソフトウェアの両方について電磁場数値解析と実証実験に基づいた検討を行っている。開発する核磁気共鳴装置の発生磁場強度は1.5 Tの小型NMR Relaxometryであり,本年度の研究実績は次のようになる。
① 小型NMR Relaxometry用マグネットの開発:磁場源として高温超伝導バルク体と次世代高温超伝導線材によるマグネットを提案しており,発生磁場強度1.5 Tと磁場補正無しの状態で磁場均一度100 ppm/cm3以上を得るためのマグネットの形状設計と実験的な検討を行った。そして,永久磁石を用いた装置との明確な差別を図るために発生磁場強度を3 Tまで引き上げるための検討を昨年から行っている。そこで,運転温度を40 Kに想定した電磁場数値解析による高温超伝導バルク体マグネットの形状設計を行った。そして,次世代線材によるNMR Relaxometry用のマグネットと人指用のMRI用マグネットを形状設計においては,磁場均一度に大きく影響する遮蔽電流分布が考慮できる解析プログラムを開発した。
②NMR信号検出用のコイルと制御・駆動回路の開発:NMR信号を検出するためには, 検出コイルと励磁(送信),駆動回路などが必要であり,デジタル式とアナログ式の2種類の信号測定回路について同時に検討している。また,MRI装置においては傾斜磁場コイルも必要であるので,測定対象に対して垂直磁場印加型と水平磁場印加型の2種類の傾斜磁場コイルの形状設計を行い,銅線と銅箔を用いた傾斜磁場コイルを試作した。試作した傾斜磁場コイルの発生磁場精度について室温で測定を行い,設計通りの磁場精度を示していることを確認したので提案した形状設計方法の妥当性を確認している。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

①小型NMR Relaxometry用マグネットの開発:昨年に続いて励磁用超電導マグネットによる磁場強度1.5 Tと磁場均一度を向上させるための磁性体の形状と配置について検討し,高温超伝導バルク体の形状最適化について検討した。特に本年度は,実用化を想定して高温超伝導バルク体内の臨界電流密度の相違を考慮したバルク体の形状設計を行った。次世代高温超伝導線材を用いたマグネットの場合,非常に高価である線材の使用量を抑える形状のみならずテープ形状の線材構造から起因する遮蔽電流による影響を正確に考慮・評価する必要がある。しかしながら,既存の電磁場数値解析では遮蔽電流について簡易的なモデルを用いて形状設計を行った。そこで,本年度は遮蔽電流を影響について正確に考慮できる3次元電磁場数値解析法を提案して最適形状設計を行った。
②NMR信号検出用コイル・傾斜磁場コイルと制御・駆動回路:NMR信号を検出するためには,検出のコイルと励磁(送信),駆動回路などが必要であり,MRI装置においては,検出コイルと共に傾斜磁場コイルが必要となる。提案する高温超伝導バルク体マグネットと次世代高温超伝導マグネットの場合は,測定対象に対する印加磁場の方向が異なるので,2種類の傾斜磁場コイルを設計する必要がある。そこで,本年度には2種類の傾斜磁場コイルの形状設計を行い,それぞれ試作した。試作した傾斜磁場コイルの発生磁場分布と精度について室温空間で測定して評価した。その結果,設計通りの性能を示すことが確認できたので提案手法の信頼性が証明された。
③ 3 T級のNMR/MRIマグネットの開発:本研究の提案時には磁場強度を1.5 Tにしていたが,さらに磁場強度を3 Tに引き上げるための研究を行っている。研究対象はNMR Relaxometryと人指用のMRI用マグネットを想定している。

今後の研究の推進方策

高温超伝導バルク体と線材による1.5 T級の小型NMR/MRI用マグネットにおいては,ほぼ予定通りに研究が進んでおり,概念設計が終わり具体的な最終形状設計段階に入っている。信号検出コイルと傾斜磁場コイルの設計について順調に進んでおり,信号計測回路については試作した回路の性能評価を行っている。また,3 T級のNMR/MRI用マグネットの設計についても引き続き検討する。特に、次世代高温超伝導線材の消費量とテープ形状の線材構造から起因する遮蔽電流による影響を減らすための検討を進めていく。

次年度使用額が生じた理由

昨年はコロナ禍で殆どの学会がオンラインとなり,予定された学会参加費用が使用出来なかった。また,昨年の実験中に現有している10 T級超伝導マグネットが修理不可の故障を起こして高温超伝導バルク体による実験ができなくなったので,次年度使用額が生じている。そこで,次年度の物品購入と学会参加および装置の移転費用に充てる。

  • 研究成果

    (34件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (31件) (うち国際学会 7件)

  • [雑誌論文] Numerical evaluation of the deformation of REBCO pancake coil, considering winding tension, thermal stress, and screening-current-induced stress2021

    • 著者名/発表者名
      Ueda Hiroshi、Awazu Yuta、Tokunaga Keisuke、Kim SeokBeom
    • 雑誌名

      Superconductor Science and Technology

      巻: 34 ページ: 024003~024003

    • DOI

      10.1088/1361-6668/abcd24

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Turn-to-Turn Contact Resistance Measurement of No-Insulation REBCO Pancake Coil at DC Current Operation2020

    • 著者名/発表者名
      Noguchi So、Tatsuta Takahiro、Nishikawa Daisuke、Ueda Hiroshi、Kim SeokBeom
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      巻: 30 ページ: 1~5

    • DOI

      10.1109/TASC.2020.2970381

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Study on the Effect of Metal Protection Rings in No-Insulation HTS Coils2020

    • 著者名/発表者名
      Kim SeokBeom、Tatsuta Takahiro、Nishikawa Daisuke、Miyamoto Kohei、Ueda Hiroshi
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      巻: 30 ページ: 1~4

    • DOI

      10.1109/TASC.2020.2976066

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Fundamental shape design of 2G-HTS magnet for compact finger MRI using a genetic algorithm2020

    • 著者名/発表者名
      S. Ishii, Y. Ohsawa, H. Ueda, S.B. Kim
    • 学会等名
      10th ACASC/2nd Asian-ICMC/CSSJ Joint Conference
  • [学会発表] Numerical evaluation of mechanical behaviors in small-scale HTS coil system of Skeleton Cyclotron2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Awazu, Y. Miyake, SB. Kim, H. Ueda, S. Noguchi, T. Watanabe, S. Nagaya, M. Fukuda, Atsushi Ishiyama
    • 学会等名
      10th ACASC/2nd Asian-ICMC/CSSJ Joint Conference
  • [学会発表] Numerical evaluation on the stress and strain distributions due to screening current in REBCO coil2020

    • 著者名/発表者名
      H. Ueda, Y. Awazu, K. Tokunaga, E. Morikawa, SB. Kim
    • 学会等名
      10th ACASC/2nd Asian-ICMC/CSSJ Joint Conference
  • [学会発表] Design and Performance Test of Magnetic Filter for High Gradient Magnetic Separation of Magnetic Nanobeads2020

    • 著者名/発表者名
      M. Mori, R. Hazama, S.B. Kim, H. Ueda
    • 学会等名
      10th ACASC/2nd Asian-ICMC/CSSJ Joint Conference
  • [学会発表] Numerical evaluation on field inhomogeneity and temporal instability due to screening currents in LTS/REBCO and LTS/Bi2223 NMR magnets operated at 500 MHz (11.7 T)2020

    • 著者名/発表者名
      H. Ueda, K. Tokunaga, SB. Kim, Y. Yanagisawa, H. Maeda
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference 2020
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical evaluation on reinforcement against thermal and electromagnetic stress in no-insulation REBCO coils2020

    • 著者名/発表者名
      K. Tokunaga, SB. Kim, H. Ueda
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference 2020
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermal Characteristics of REBCO Wire by kHz-class AC Current in Liquid Nitrogen for a Wireless Power Transmission System2020

    • 著者名/発表者名
      R. Inoue, H. Ueda, SB. Kim, M. Tsuda
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference 2020
    • 国際学会
  • [学会発表] Turn-to-turn contact resistance measurement of no-insulation REBCO pancake coil: dependence on temperature and external magnetic field2020

    • 著者名/発表者名
      S. Noguchi, S. Mori, T. Mato, T. Tatsuta, D. Nishikawa, K. Miyamoto, H. Ueda, SB. Kim
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference 2020
    • 国際学会
  • [学会発表] Study on the current bypassing and mechanical properties of no-insulation HTS coil with metallic protection ring2020

    • 著者名/発表者名
      D. Nishikawa, SB. Kim, T. Tatsuta, K. Miyamoto, H. Ueda
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference 2020
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical evaluation on electromagnetic and thermal stresses in no-insulation REBCO pancake coils of multi-coil system for Skeleton Cyclotron2020

    • 著者名/発表者名
      H. Ueda, Y. Miyake, Y. Awazu, SB. Kim, S. Noguchi, T. Watanabe, S. Nagaya, M. Fukuda, A. Ishiyama
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference 2020
    • 国際学会
  • [学会発表] Study on the current bypassing and turn-to-turn contact resistance characteristics of HTS coil with smart insulation method2020

    • 著者名/発表者名
      SB. Kim, D. Nishikawa, K. Miyamoto, H. Ueda, HW. Kim, YS. Jo, SW. Kim
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference 2020
    • 国際学会
  • [学会発表] サイクロトロン応用に向けた非円形コイルの 熱応力を考慮した補強構造の検討2020

    • 著者名/発表者名
      三宅 雄大, 仲井 悠貴, 金 錫範, 植田 浩史, 野口 聡, 渡部 智則, 長屋 重夫, 福田 光宏, 石山 敦士
    • 学会等名
      令和2年度(第71回)電気・情報関連学会中国支部連合大会
  • [学会発表] サイクロトロン応用に向けた非円形高温超電導コイルの補強構造に関する検討2020

    • 著者名/発表者名
      仲井 悠貴, 三宅 雄大, 金 錫範, 植田 浩史, 野口 聡, 渡部 智則, 長屋 重夫, 福田 光宏, 石山 敦士
    • 学会等名
      令和2年度(第71回)電気・情報関連学会中国支部連合大会
  • [学会発表] 医薬用タンパク質の高勾配磁気分離用磁性フィルターの開発2020

    • 著者名/発表者名
      KIM Uiyeong, 森 優輝, 金 錫範, 植田 浩史
    • 学会等名
      令和2年度(第71回)電気・情報関連学会中国支部連合大会
  • [学会発表] 小型 MRI 用高温超電導マグネットの線材使用量を考慮した基本形状設計に関する研究2020

    • 著者名/発表者名
      井上 雄太, 大澤 慶博, 井上 良太, 植田 浩史, 金 錫範
    • 学会等名
      令和2年度(第71回)電気・情報関連学会中国支部連合大会
  • [学会発表] 高温超電導コイルにおける遮蔽電流に起因する不均一電磁応力の分布解析2020

    • 著者名/発表者名
      内藤 敬介, 徳永 佳佑, 金 錫範, 植田 浩史
    • 学会等名
      令和2年度(第71回)電気・情報関連学会中国支部連合大会
  • [学会発表] 新開発柔軟性極細 Nb3Al 超電導線材の臨界特性測定2020

    • 著者名/発表者名
      福田 響, 木村 諒, 井上 良太, 植田 浩史, 金 錫範, 菊池 章弘, 飯嶋 安男
    • 学会等名
      令和2年度(第71回)電気・情報関連学会中国支部連合大会
  • [学会発表] 交流通電による無絶縁高温超電導コイルの巻線間接触抵抗測定2020

    • 著者名/発表者名
      小林 大剛, 宮本 康平, 西川 大亮, 井上 良太, 植田 浩史, 金 錫範, 野口 聡
    • 学会等名
      令和2年度(第71回)電気・情報関連学会中国支部連合大会
  • [学会発表] 小型 NMR 用高温超電導バルク体マグネットの磁場特性向上に関する基礎研究2020

    • 著者名/発表者名
      佐々木 晟人, 河村 康平, 金 錫範, 植田 浩史, 井上 良太
    • 学会等名
      令和2年度(第71回)電気・情報関連学会中国支部連合大会
  • [学会発表] 高温超電導体移動子を用いた三次元アクチュエータの駆動電流波形による動的特性2020

    • 著者名/発表者名
      木庭 駿, 前田 裕貴, 井上 良太, 植田 浩史, 金 錫範
    • 学会等名
      令和2年度(第71回)電気・情報関連学会中国支部連合大会
  • [学会発表] 高温超電導コイルを用いた非接触給電システムの商用周波数における電力伝送特性2020

    • 著者名/発表者名
      高宮 裕志, 井上 良太, 植田 浩史, 金 錫範
    • 学会等名
      令和2年度(第71回)電気・情報関連学会中国支部連合大会
  • [学会発表] 小型単板磁気試験器による炭素鋼鋼管材の磁気特性測定2020

    • 著者名/発表者名
      SONG CHAE EUN, 久米 一輝, 井上 良太, 植田 浩史, 金 錫範, 廿日出 好
    • 学会等名
      令和2年度(第71回)電気・情報関連学会中国支部連合大会
  • [学会発表] 積層REBCO導体で巻線された高温超電導コイルの結合電流・遮蔽電流分布解析2020

    • 著者名/発表者名
      植田 浩史, 徳永 佳祐, 内藤 敬介, 金 錫範
    • 学会等名
      2020年度秋季低温工学・超電導学会
  • [学会発表] 分散型遺伝的アルゴリズムを用いた小型MRI用HTSマグネットの基本形状の検討2020

    • 著者名/発表者名
      大澤 慶博, 井上 雄太, 井上 良太, 植田 浩史, 金 錫範
    • 学会等名
      2020年度秋季低温工学・超電導学会
  • [学会発表] 無絶縁高温超電導コイルの反復窒素窒素冷却による巻線間接触抵抗測定に関する検討2020

    • 著者名/発表者名
      宮本 康平, 小林 大剛, 西川 大亮, 井上 良太, 植田 浩史, 金 錫範, 野口 聡
    • 学会等名
      2020年度秋季低温工学・超電導学会
  • [学会発表] コイル最外層に金属リングを施した無絶縁高温超電導コイルの熱的安定性に関する研究2020

    • 著者名/発表者名
      西川 大亮, 小林 大剛, 宮本 康平, 井上 良太, 植田 浩史, 金 錫範
    • 学会等名
      2020年度秋季低温工学・超電導学会
  • [学会発表] 巻線・冷却・励磁過程を考慮した高磁場REBCOコイルの応力・ひずみ分布の数値解析評価2020

    • 著者名/発表者名
      植田 浩史, 徳永 佳祐, 内藤 敬介, 金 錫範
    • 学会等名
      2020年度秋季低温工学・超電導学会
  • [学会発表] 高磁場REBCO無絶縁コイルの電磁・熱応力解析による補強構造評価2020

    • 著者名/発表者名
      徳永 佳祐, 内藤 敬介, 井上 良太, 金 錫範, 植田 浩史
    • 学会等名
      2020年度秋季低温工学・超電導学会
  • [学会発表] 高温超電導スケルトン・サイクロトロンにおける非円形無絶縁REBCOコイルの補強構造に関する検討2020

    • 著者名/発表者名
      三宅 雄大, 仲井 悠貴, 金 錫範, 植田 浩史, 野口 聡, 渡部 智則, 長屋 重夫, 福田 光宏, 石山 敦士
    • 学会等名
      2020年度秋季低温工学・超電導学会
  • [学会発表] 伝導冷却超電導応用機器に向けた柔軟性極細Nb3Al超電導線材の臨界特性測定2020

    • 著者名/発表者名
      木村 諒, 福田 響, 井上 良太, 植田 浩史, 金 錫範, 菊池 章弘, 飯嶋 安男
    • 学会等名
      2020年度秋季低温工学・超電導学会
  • [学会発表] HTSコイルを用いた鉄道用非接触給電システムの熱的安定性を考慮した運転条件の検討2020

    • 著者名/発表者名
      井上 良太, 植田 浩史, 金 錫範, 津田 理
    • 学会等名
      2020年度秋季低温工学・超電導学会

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公開日: 2021-12-27  

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