エネルギー効率30％のRI製造用省エネ高強度小型加速器実現のための要素技術開発

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H04454
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 福田 光宏 大阪大学, 核物理研究センター, 教授 (60370467)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

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

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。

今後の研究の推進方策

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。

研究成果

• [雑誌論文] Numerical evaluation of screening current-induced magnetic field considering variable output energy in REBCO coil system of Skeleton Cyclotron for cancer therapy (2021)
  • 著者名/発表者名: Takamitsu Ogata, Kodai Shirai, Atsushi Ishiyama, Hiroshi Ueda, So Noguchi, Tomonori Watanabe, Shigeo Nagaya, Mitsuhiro Fukuda
  • 雑誌名: IEEE Trans. on Applied Superconductivity 巻: 31 ページ: 4400105-
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical Evaluation on Electromagnetic and Thermal Stresses in Non-Circular REBCO Pancake Coils of Multi-Coil System for Skeleton Cyclotron (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ueda, Yuta Miyake, Yuta Awazu, Ryota Inoue, SeokBeom Kim, So Noguchi, Tomonori Watanabe, Shigeo Nagaya, Mitsuhiro Fukuda, Atsushi Ishiyama
  • 雑誌名: IEEE Trans. on Applied Superconductivity 巻: 31 ページ: 4603705-
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study for improving the energy efficiency of cyclotron (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Proc. of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2021 ページ: 466-
• [雑誌論文] Development of beam energy and position monitor system in the beam transport line for RI production at the TIARA AVF cyclotron (2021)
  • 著者名/発表者名: Nobumasa Miyawaki, Shigeki Watanabe, Hirotsugu Kashiwagi, Noriko Ishioka, Satoshi Kurashima, Mitsuhiro Fukuda
  • 雑誌名: Proc. of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2021 ページ: 302-
• [雑誌論文] Table-Top MeV Proton generator using Nanogan (2021)
  • 著者名/発表者名: Tetsuhiko Yorita, Yasuyuki Morita, Hiroki Kanda, Keiji Takahisa, Tatsushi Shima, Mitsuhiro Fukuda
  • 雑誌名: Proc. of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2021 ページ: 607-
• [雑誌論文] Development of an electron test bench for proton CARA (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Proc. of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2021 ページ: 653-
• [雑誌論文] Improvement of energy efficiency of high intensity compact cyclotron (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Proc. of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2021 ページ: 795-
• [雑誌論文] Development of high temperature superconducting mirror coils for 10GHz ECR ion source (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Proc. of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2021 ページ: 801-
• [学会発表] サイクロトロンの高エネルギー効率化に向けた検討 (2021)
  • 著者名/発表者名: 武田 佳次朗，福田 光宏，神田 浩樹，依田 哲彦，篠塚 勉，伊藤 正俊，倉島 俊，宮脇 信正，涌井 崇志，松田 洋平，中尾 政夫，安田 裕介，原 隆文
  • 学会等名: 第18回日本加速器学会年会
• [学会発表] TIARA AVF サイクロトロンRI製造用ビームラインのビームエネルギー・位置モニターの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 宮脇 信正，渡辺 茂樹 ，柏木 啓次，石岡 典子，倉島 俊，福田 光宏
  • 学会等名: 第18回日本加速器学会年会
• [学会発表] ナノガンを利用したMeV領域の陽子生成装置 (2021)
  • 著者名/発表者名: 依田 哲彦，森田 康之，神田 浩樹，高久 圭二，嶋 達志，福田 光宏
  • 学会等名: 第18回日本加速器学会年会
• [学会発表] 自動サイクロトロン共鳴加速法を用いた陽子加速実現に向けてのテストベンチ開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 原 隆文，福田 光宏，神田 浩樹，依田 哲彦，安田 祐介，武田 佳次朗，篠塚 勉，伊藤 正俊，倉島 俊，宮脇 信正，涌井 崇志，中尾 政夫，松田 洋平
  • 学会等名: 第18回日本加速器学会年会
• [学会発表] 高強度小型サイクロトロンのエネルギー効率向上を目指した要素技術開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 福田 光宏，依田 哲彦，神田 浩樹，安田 裕介，武田 佳次朗，原 隆文，大本 恭平，森田 泰之，荘 浚謙，趙 航，篠塚 勉，伊藤 正俊，涌井 崇志，倉島 俊，宮脇 信正，中尾 政夫，松田 洋平
  • 学会等名: 第18回日本加速器学会年会
• [学会発表] 10GHz高温超伝導ECRイオン源のためのミラーコイルの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 荘 浚謙，福田 光宏，依田 哲彦，神田 浩樹，畑中 吉治，斎藤 高嶺，安田 裕介，Koay Hui Wen，森田 泰之，武田 佳次朗，原 隆文，Zhao Hang，石山 敦士，野口 聡，植田 浩士，福井聡、吉田潤，長屋 重夫，渡部 智則
  • 学会等名: 第18回日本加速器学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical evaluation of screening current-induced magnetic field considering variable output energy in REBCO coil system of Skeleton Cyclotron for cancer therapy (2021)
  • 著者名/発表者名: Takamitsu Ogata, Kodai Shirai, Atsushi Ishiyama, Hiroshi Ueda, So Noguchi, Tomonori Watanabe, Shigeo Nagaya, Mitsuhiro Fukuda
  • 学会等名: 27th International Conference on Magnet Technology
  • 国際学会