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

2022 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 / 高温超伝導コイル / 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

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組み合わせて3次元的に配置したアセンブリを製作し、液体窒素を用いた77K の低温下での複合同時励磁試験を実施した。3個のミラーコイルを直列に接続した状態で最大140A程度まで、6個の六極コイルも直列に接続した状態で最大70A程度まで通電し、片方のコイルが励磁された状態でもう一方のコイルを励磁してもお互いに干渉し合うことはなく、超伝導性能が維持されること、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、加速電圧30kVで3.8mAの重水素負イオンビームをイオン源から取り出してAVFサイクロトロンへ入射させ、半径155mmの位置で100μAの負イオン加速ビームを確認した。さらにグラフェン製の荷電変換フォイルによりサイクロトロンから重陽子ビームを取り出すことにより、25MeVの重陽子ビームを最大50μAのビーム電流で取り出すことに成功した。
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てストリッパーフォイルによる4He1+から4He2+への荷電変換試験を実施し、荷電変換フォイルの耐久性を高める手法を明らかにした。
エネルギー効率向上の開発では、分離セクター電磁石の間に超伝導共振空洞を配置し、共振空洞表面の高温超伝導材MgB2の厚さを1μm以上確保し、分離セクター電磁石からの漏洩磁束の侵入長を50nm程度に抑制できれば共振空洞を18Kまで冷却することによってサイクロトロンでも超伝導加速空洞が実現しうることを世界で初めて見出した。また、分離セクター電磁石の磁極端部に永久磁石を配置することによって共振空洞への漏洩磁束を最小化する新たな手法も考案した。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Beam Dynamics and Characterization of a New High-intensity Compact Air-core High Temperature Superconducting Skeleton Cyclotron (HTS-SC) (2022)
  • 著者名/発表者名: H.W. Koay, M. Fukuda, H. Kanda, T. Yorita
  • 雑誌名: Results in Physics 巻: 33 ページ: 105090-
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of ECR ion source with high-temperature superconducting REBCO coils (2022)
  • 著者名/発表者名: T H Chong, M Fukuda, T Yorita, H Kanda, Y Yasuda, H W Koay, Y Morita, K Takeda, T Hara, M Hisamatsu, H Zhao, A. Ishiyama, S Noguchi, H Ueda, S Fukui, Y Matsubara, Y Mikami, N Takahashi, J Yoshida, T Hirayama, S Nagaya and T Watanabe
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2244 ページ: 012108-
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2244/1/012108
  • 査読あり
• [雑誌論文] Developments of control system for ion source using machine learning (2022)
  • 著者名/発表者名: Y Morita, M Fukuda, T Yorita, H Kanda, K Hatanaka, T Saitou, H Tamura, Y Yasuda, T Washio, Y Nakashima
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2244 ページ: 012105-
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2244/1/012105
  • 査読あり
• [雑誌論文] Production of At-211 using a cyclotron and an import plan of Ac-225 (2022)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhiro FUKUDA, Atsushi TOYOSHIMA, Atsushi SHINOHARA, Hiroki KANDA, Tetsuhiko YORITA, Yuusuke YASUDA, Takashi NAKANO and Paul SCHAFFER
  • 雑誌名: JAEA-Conf 巻: 2022-001 ページ: 69-73
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of high temperature superconducting ECRIS with REBCO coils (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsun Him Chong, Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita, Hiroki Kanda, Yusuke Yasuda, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Shotaro Matsui, Atsushi Ishiyama, So Noguchi, Hiroshi Ueda, Jun Yoshida, Shigeo Nagaya, Tomonori Watabe
  • 雑誌名: Proc. of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2022 ページ: 418-422
• [雑誌論文] Conceptual design of the high temperature superconducting self-shielding type skeleton cyclotron (2022)
  • 著者名/発表者名: Shotaro Matsui, Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita, Hiroki Kanda, Yusuke Yasuda, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Tsun Him Chong, Atsushi Ishiyama, So Noguchi, Hiroshi Ueda, Jun Yoshida, Shigeo Nagaya, Tomonori Watanabe
  • 雑誌名: Proc. of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2022 ページ: 716-720
• [雑誌論文] Beam commissioning of the RCNP AVF cyclotron (2022)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita, Hiroki Kanda, Yuusuke Yasuda,Masao Nakao, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Tsun Him Chong, Shotaro Matsui
  • 雑誌名: Proc. of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2022 ページ: 166-169
• [雑誌論文] Numerical simulation of low energy beam transportation for a high-power compact cyclotron (2022)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiro Yamasaki, Yohei Matsuda, Masatoshi Itoh, Satoshi Adachi, Kohei Hattori, Shohei Yonekura, Tsutomu Shinozuka, Mitsuhiro Fukuda, Hiroki Kanda, Tetsuhiko Yorita, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Satoshi Kurashima, Nobumasa Miyawaki, Takashi Wakui, Masao Nakao
  • 雑誌名: Proc. of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2022 ページ: 282-285
• [雑誌論文] Status of the development of a testbench for the cyclotron autoresonant accelerator (2022)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Hara, Mitsuhiro Fukuda, Hiroki Kanda, Tetsuhiko Yorita, Keijiro Takeda, Tsun Him Chong, Tsutomu Shinozuka, Masatoshi Ito, Satoshi Kurashima, Nobusaki Miyawaki, Takashi Wakui, Masao Nakao, Yohei Matsuda
  • 雑誌名: Proc. of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2022 ページ: 511-513
• [雑誌論文] Simulation of the beam trajectory in the cyclotron accelerator incident system at CYRIC for high power negative ions acceleration (2022)
  • 著者名/発表者名: Kohei Hattori, Masatoshi Itoh, Satoshi Adachi, Shohei Yonekura, Tsutomu Shinozuka, Kanako Komma, Hiromu Hayashi, Genki Hosoya, Shumpei Yamazaki, Yohei Matsuda, Nobuhiro Yamasaki, Mitsuhiro Fukuda, Hiroki Kanda, Tetsuhiko Yorita, Masao Nakao, Satoshi Kurashima, Nobumasa Miyawaki, Takashi Wakui
  • 雑誌名: Proc. of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2022 ページ: 517-520
• [雑誌論文] Developments of intense ion sources with EPICS control at RCNP (2022)
  • 著者名/発表者名: Tetsuhiko Yorita, Yasuyuki Morita, Mitsuhiro Fukuda, Hiroki Kanda
  • 雑誌名: Proc. of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2022 ページ: 532-534
• [雑誌論文] Long term operation of table-top MeV proton generator (2022)
  • 著者名/発表者名: Tetsuhiko Yorita, Yasuyuki Morita, Hiroki Kanda, Keiji Takahisa, Tatsushi Shima, Mitsuhiro Fukuda
  • 雑誌名: Proc. of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2022 ページ: 783-786
• [雑誌論文] High-temperature superconducting cavity design for improving energy efficiency of cyclotron (2022)
  • 著者名/発表者名: Keijiro Takeda, Mitsuhiro Fukuda, Hiroki Kanda, Tetsuhiko Yorita, Tsutomu Shinoduka, Masatoshi Ito, Satoshi Kurashima, Nobumasa Miyawaki, Takashi Wakui, Masao Nakao, Yohei Matsuda, Yasuyuki Morita, Takaumi Hara, Tsun Him Chong
  • 雑誌名: Proc. of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2022 ページ: 793-797
• [雑誌論文] Status of the new RF cavity for the AVF cyclotron in RCNP (2022)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Yasuda, Mitsuhiro Fukuda, Kichiji Hatanaka, Ryoichi Seki, Shunpei Morinobu, Takane Saito, Tetsuhiko Yorita, Hiroki Kanda, Dai Tomono, Hitoshi Tamura, Keiichi Nagayama, Huiwen Koay, Yasuyuki Morita, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Tsunhim Chong, Hang Zhao, Masaki Kittaka, Shotaro Matsui
  • 雑誌名: Proc. of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2022 ページ: 836-838
• [雑誌論文] Development of ion source control system using bayesian optimization (2022)
  • 著者名/発表者名: Yasuyuki Morita, Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita, Hiroki Kanda, Yusuke Yasuda, Takashi Washio, Yuta Nakashima, Masako Iwasaki, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Tsun Him Chong, Hang Zhao, Masaki Kittaka, Shotaro Matsui
  • 雑誌名: Proc. of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2022 ページ: 868-871
• [雑誌論文] Study on high-precision beam energy control for the TIARA AVF cyclotron (2022)
  • 著者名/発表者名: Nobumasa Miyawaki, Shigeki Watanabe, Hirotsugu Kashiwagi, Noriko Ishioka, Satoshi Kurashima, Mitsuhiro Fukuda
  • 雑誌名: Proc. of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2022 ページ: 889-892
• [雑誌論文] Conceptual design of a high temperature superconducting spectroscopy-type gantry system (2022)
  • 著者名/発表者名: Hang Zhao, Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita, Hiroki Kanda, Yusuke Yasuda, Kichiji Hatanaka, Takane Saitou, Yasuyuki Morita, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Tsun Him Chong, Masaki Kittaka, Shotaro Matsui
  • 雑誌名: Proc. of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2022 ページ: 981-983
• [雑誌論文] Improvement of the brightness of ion sources at RCNP (2022)
  • 著者名/発表者名: Masaki Kittaka, Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita, Hiroki Kanda, Kichiji Hatanaka, Takane Saitou, Hitoshi Tamura, Yusuke Yasuda, Yasuyuki Morita, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Tsum Him Chong, Hang Zhao, Syotaro Matsui
  • 雑誌名: Proc. of 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan 巻: 2022 ページ: 414-417
• [学会発表] REBCOコイルを用いた高温超伝導ECRイオン源の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsun Him Chong, Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita, Hiroki Kanda, Yusuke Yasuda, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Shotaro Matsui, Atsushi Ishiyama, So Noguchi, Hiroshi Ueda, Jun Yoshida, Shigeo Nagaya, Tomonori Watabe
  • 学会等名: 第19回日本加速器学会年会
• [学会発表] 自己遮蔽型高温超伝導スケルトンサイクロトロンの概念設計 (2022)
  • 著者名/発表者名: Shotaro Matsui, Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita, Hiroki Kanda, Yusuke Yasuda, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Tsun Him Chong, Atsushi Ishiyama, So Noguchi, Hiroshi Ueda, Jun Yoshida, Shigeo Nagaya, Tomonori Watanabe
  • 学会等名: 第19回日本加速器学会年会
• [学会発表] RCNP AVFサイクロトロンにおけるビームコミッショニング (2022)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita, Hiroki Kanda, Yuusuke Yasuda,Masao Nakao, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Tsun Him Chong, Shotaro Matsui
  • 学会等名: 第19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実現に向けたLEBTの研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiro Yamasaki, Yohei Matsuda, Masatoshi Itoh, Satoshi Adachi, Kohei Hattori, Shohei Yonekura, Tsutomu Shinozuka, Mitsuhiro Fukuda, Hiroki Kanda, Tetsuhiko Yorita, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Satoshi Kurashima, Nobumasa Miyawaki, Takashi Wakui, Masao Nakao
  • 学会等名: 第19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器のテストベンチ開発状況 (2022)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Hara, Mitsuhiro Fukuda, Hiroki Kanda, Tetsuhiko Yorita, Keijiro Takeda, Tsun Him Chong, Tsutomu Shinozuka, Masatoshi Ito, Satoshi Kurashima, Nobusaki Miyawaki, Takashi Wakui, Masao Nakao, Yohei Matsuda
  • 学会等名: 第19回日本加速器学会年会
• [学会発表] 東北大CYRICにおける大強度負イオン加速に向けたサイクロトロン加速器入射系のビーム軌道計算 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kohei Hattori, Masatoshi Itoh, Satoshi Adachi, Shohei Yonekura, Tsutomu Shinozuka, Kanako Komma, Hiromu Hayashi, Genki Hosoya, Shumpei Yamazaki, Yohei Matsuda, Nobuhiro Yamasaki, Mitsuhiro Fukuda, Hiroki Kanda, Tetsuhiko Yorita, Masao Nakao, Satoshi Kurashima, Nobumasa Miyawaki, Takashi Wakui
  • 学会等名: 第19回日本加速器学会年会
• [学会発表] RCNPイオン源群のEPICSによる運用と大強度化 (2022)
  • 著者名/発表者名: Tetsuhiko Yorita, Yasuyuki Morita, Mitsuhiro Fukuda, Hiroki Kanda
  • 学会等名: 第19回日本加速器学会年会
• [学会発表] 連続運用可能なMeV領域の陽子生成装置の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: Tetsuhiko Yorita, Yasuyuki Morita, Hiroki Kanda, Keiji Takahisa, Tatsushi Shima, Mitsuhiro Fukuda
  • 学会等名: 第19回日本加速器学会年会
• [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高温超伝導加速空洞の物理設計 (2022)
  • 著者名/発表者名: Keijiro Takeda, Mitsuhiro Fukuda, Hiroki Kanda, Tetsuhiko Yorita, Tsutomu Shinoduka, Masatoshi Ito, Satoshi Kurashima, Nobumasa Miyawaki, Takashi Wakui, Masao Nakao, Yohei Matsuda, Yasuyuki Morita, Takaumi Hara, Tsun Him Chong
  • 学会等名: 第19回日本加速器学会年会
• [学会発表] RCNP AVFサイクロトロン新RF共振器立ち上げの現状 (2022)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Yasuda, Mitsuhiro Fukuda, Kichiji Hatanaka, Ryoichi Seki, Shunpei Morinobu, Takane Saito, Tetsuhiko Yorita, Hiroki Kanda, Dai Tomono, Hitoshi Tamura, Keiichi Nagayama, Huiwen Koay, Yasuyuki Morita, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Tsunhim Chong, Hang Zhao, Masaki Kittaka, Shotaro Matsui
  • 学会等名: 第19回日本加速器学会年会
• [学会発表] ベイズ最適化を用いたイオン源制御手法の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: Yasuyuki Morita, Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita, Hiroki Kanda, Yusuke Yasuda, Takashi Washio, Yuta Nakashima, Masako Iwasaki, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Tsun Him Chong, Hang Zhao, Masaki Kittaka, Shotaro Matsui
  • 学会等名: 第19回日本加速器学会年会
• [学会発表] TIARA AVF サイクロトロンの高精度ビームエネルギー制御の検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: Nobumasa Miyawaki, Shigeki Watanabe, Hirotsugu Kashiwagi, Noriko Ishioka, Satoshi Kurashima, Mitsuhiro Fukuda
  • 学会等名: 第19回日本加速器学会年会
• [学会発表] 高温超伝導スペクトロスコピータイプガントリーシステムの概念設計 (2022)
  • 著者名/発表者名: Hang Zhao, Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita, Hiroki Kanda, Yusuke Yasuda, Kichiji Hatanaka, Takane Saitou, Yasuyuki Morita, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Tsun Him Chong, Masaki Kittaka, Shotaro Matsui
  • 学会等名: 第19回日本加速器学会年会
• [学会発表] RCNPイオン源の高輝度化 (2022)
  • 著者名/発表者名: Masaki Kittaka, Mitsuhiro Fukuda, Tetsuhiko Yorita, Hiroki Kanda, Kichiji Hatanaka, Takane Saitou, Hitoshi Tamura, Yusuke Yasuda, Yasuyuki Morita, Keijiro Takeda, Takafumi Hara, Tsum Him Chong, Hang Zhao, Syotaro Matsui
  • 学会等名: 第19回日本加速器学会年会