PASJ2014
SUOL05

August 10, 2014
In Aomori

高温超伝導コイルを用いたスケルトン・サイクロトロン
電磁石の設計研究
大阪大学核物理研究センター 福田光宏、植田浩史、
畑中吉治、依田哲彦
早稲田大学理工学術院
石山敦士、王旭東
中部電力株式会社電力技術研究所 長屋重夫、渡部智則
北海道大学大学院情報科学研究科 野口聡
日本原子力研究開発機構高崎量子応用研究所
横田渉、倉島俊、宮脇信正

Contents
１．背景と目的
２．スケルトン・サイクロトロンの諸元
３．RCNPにおけるこれまでの高温超伝導コイル開発
４．スケルトン・サイクロトロン電磁石設計の現状
５．まとめ

１．背景と目的サイクロトロンの課題と解決に向けた開発
従来のAVFサイクロトロン
鉄心

室温メインコイル“スケルトン・サイクロトロン”
空芯の高温超伝導コイルの組合せ

前段加速器

イオン源
鉄磁極

【課題】
①室温コイルと鉄心の組合せでは磁束密度に限界あり→高エネルギー化、コンパクト化が困難②コイルの発熱により鉄心温度が変化→磁場が安定しないため、ビーム強度と質が変動③ヒステリシスにより磁場が再現しない→エネルギー変更が困難④常伝導コイルは消費電力が大→運転コストが大きい⑤鉄磁極が空間的な自由度を奪っている→機器の配置に制約あり【解決策】★高温超伝導コイルを採用→臨界温度が高く、マージンが大→省電力で、高磁場を発生→磁場強度は室温に依らず安定★空芯型サイクロトロン（世界初）→磁場強度の再現性に優れ、運転が簡単→コンパクトで省スペース、内部機器の配置が自由、ビームの高強度化が可能

核医学診断・治療用ＲＩ供給の課題★加速器を用いた診断・治療用ＲＩの大量生産と安定供給●アルファ線内用療法●
・α線放出核種で標識／合成した物質を投与し、がん細胞へデリバリー
・飛程の短いα線により、がん細胞のみをピンポイント照射・周辺臓器への侵襲がないため、初診時進行がんに有効患者さんは病院で加療

適応疾患

多発転移がん浸潤がん

α線放出核種とエネルギー
RI

T1/2

a-rayenergy(MeV)

Tb-1494.2 h4.0Bi-212

61 min8.8

Bi-21346 min

8.4

At-211

7.2 h

6.8

Ra-22311.4 d5.8

Ra-224

3.66 d5.8

Ac-225

10 d5.9

【目的】医学・医療応用を目指した
スケルトン・サイクロトロンの開発
高強度小型サイクロトロン開発

スケルトンサイクロトロン

大強度ビーム
4He
陽子

次世代熱外中性子生成・照射システム開発
BNCT
基礎研究
大強度ビーム
陽子
重粒子

核医学診断・放射線治療用
ＲＩの大量生産
特に・・・At-211

209

Bi  , 2n  211 At

209

Bi  ,3n  210 At

２．スケルトン・サイクロトロンの諸元

At-211／At-210の生成に必要な条件
・210At： SPECT診断用 4He2+ 50MeV※ビーム電流はμAオーダーで構わない

・211At： α線内用療法用 4He+/2+ 28MeV※mA級の大強度4Heビームを加速スケルトン・サイクロトロンのパラメータ・引出半径・最大平均磁場・K値
・加速ハーモニクス・加速周波数

：：：
：
：

50 cm
←コンパクト化
3.2 (T)←高温超伝導化
120 MeV2, 430～60 MHzIon

Energy(MeV)

Bav (T)@50cm

B0 (T)@center

fRF
(MHz)

h4He+

28

3.053

3.030

46.537

4211At -therapy

4He2+

28

1.526

1.515

46.5404210At -therapy

4He2+

50

2.043

2.016

30.9602210At g-SPECT

H-

18

1.232

1.209

36.856

2PET-CT

H-

30

1.596

1.546

47.1402BNCT, 99Mo-99mTc

H+502.071

1.966

29.969299Mo-99mTc

Applications

Sleleton Cyclotron
Isochronous Field

主な加速粒子の等時性磁場
3.53

B(r) (T)

2.5

2

1.5

1

B (T) for 4He2+ 28 MeV
B (T) for 4He1+ 28 MeV
B (T) for 4He2+ 50 MeV
B (T) for H- 30 MeV
B (T) for H- 18 MeV
B (T) for H- 50 MeV
B (T) for H2_+ 60 MeV and 4He2+ 120 MeV

0.500102030

Radius (cm)4050

３．RCNPにおけるこれまでの高温超伝導コイル開発

HTS Scanning Magnetの要素開発

Bi-2223

K. Hatanaka, J. Nakagawa, M. Fukuda, T. Yorita, T. Saito, Y. Sakemi,T. Kawaguchi, N. Noda, "A HTS scanning magnet and AC operation",
Nucl. Instrum. Methods in Phys. Res. A, Vol.616, pp.16-20 (2010)

HTS Dipole magnetの要素開発【Parameters】
・Max. magnetic field ： 3 T・Orbit radius： 400 mm・Deflection angle： 60 ˚・Pole gap
： 30 mm・Laminated pole and yoke for AC operation
Bi-2223

Three double-pancakes and cooling plates arestacked and fixed with epoxy resin in vacuum.
K. Hatanaka, M. Fukuda, K. Kamakura, S. Takemura, H. Ueda, Y. Yasuda, K. Yokoyama, T. Yorita,“Developments of HTS magnets at RCNP", Proceedings of Cyclotrons2013, Vancouver, BC, Canadaリングサイクロトロンのビーム振分用HTS電磁石の開発
RCNP cyclotron facility

HTS Wire:
Type : SEI, DI-BSCCO TYPE Hti-CA50
Size : W 4.6 mm × t 0.41 mm
Ic: ≧180 A @ 77 K, self field
Double Pan Cake (DPC):
Turn #: 64 × 2 = 128
Size: L 920 mm × W 750 mm
Wire length : 855 m
Total DPC # : 4 = 2 × 2
Operating temperature : < 20 K
Operating current: < 200 A

４．スケルトン・サイクロトロン
電磁石設計の現状

スケルトン・サイクロトロンの構造
トリムコイル
T1~6セクターコイル
SC

Top view

共振空洞Side view

センターコイル

メインコイル
メインコイ
M1ル※Y系高温超伝導線材を使用予定※上下のコイル群をそれぞれクライオスタットに収納Bz(r)
M1: R=60 to 80 cm, Z=10 to 20cm
M2-1: R=50 to 54cm, M2-2: R=55 to 59cm
M2-3: R=60 to 64cm, M2-4: R=65
to 69cm
2通電したとき各コイルに個別に5000A/cm
M2-5: R=70 to 74cm, M2-6: R=75 to 79cmの半径方向の磁場分布
Current density : All 5000 A/cm2

メインコイル＆トリムコイル磁場分布
トリムコイルM2-1～6

2.5 104

2 10

Bz (G) for M1=5000A/cm2
Bz (G) for M2-1=5000A/cm2
Bz (G) for M2-2=5000A/cm2
Bz (G) for M2-3=5000A/cm2
Bz (G) for M2-4=5000A/cm2
Bz (G) for M2-5=5000A/cm2
Bz (G) for M2-6=5000A/cm2

4Bz (G)

1.5 104

1 104

50000-5000-1 1040

メインコイルM1

トリムコイルM2-1～650

100

R (cm)

150200セクターコイル磁場分布
セクターコイル2通電※セクターコイルのみに10,000A/cm
Azimuthally-averaged sector coil field（～210 A/HTS-tape）
2
Bz_average (R) (T)SC = -10000 A/cm

Bz_4th (T)方位角方向の平均磁場と4回対称磁場強度
1.5Bz(r, )

Bz (G) at R=100mm

Sector coil = 10000 A/cm

Bz (G) at R=300mm
Bz (G) at R=500mm

2Bz (G) at R=600mm

20000

方位角方向の磁場分布
15000

Bz_average (T)4th harmonic amplitude Bz_4th(R)

1.00.50

Bz (G)

10000

5000

Azimuthally averagedBz(R)00.00-5000

100200300400Radius (mm)-10000050100150200

 (degrees)

250

300

350

500

600

700

メイン＆トリム＆セクターコイル合成磁場分布の例
コイル電流
Coil

Current
density(A/cm2)

M1

1000

T1

4000

T2Bz(r,)分布

M1=-1000 A/cm2
M2-1=-4000, M2-2=-5000, M2-3=-5500,
M2-4=-6500, M2-5=-7500, M2-6=-10000
SC=-10000

M1=-1000 A/cm2
M2-1=-4000, M2-2=-5000, M2-3=-5500,
M2-4=-6500, M2-5=-7500, M2-6=-100002
SC=-10000Bz_average (R)Bz_4th (G)平均磁場と4回対称磁場強度

5000

Flutteフラッター F

0.20

3.5

Azimuthally averaged Bz(R)T355003.00.156500

T57500T610000

2.0

1.5

Flutter2T4

Bz_average (G)2.5

4th harmonic amplitude Bz_4th(R)

0.10

1.0

0.050
0.50

SC

10000
0.0
0100

200

300

400

Radius (mm)

500

600

700

0.0
0100

200

300

400

Radius (mm)500

600700セクターコイルの試作 （早稲田大学、中部電力）

共振空洞の設計●Model condition
・加速電極ギャップ： vertically ±5 mm, horizontally 3 degrees in azimuth
・同軸空洞径： Inner tube = φ50 mm, Outer tube = φ110 mm
・同軸空洞曲折位置： z = 500 mm

電場分布＠52.6MHz

電流密度分布＠52.6MHz

４．まとめ１．高温超伝導“スケルトン・サイクロトロン”の特徴
・鉄心を用いない空芯型高温超伝導コイル群から構成
メインコイル、トリムコイル、セクターコイルなど
・高温超伝導コイルは臨界温度が高く、クエンチに対するマージンが大きい
・磁場の再現性や励磁の迅速性が向上→加速イオン種・エネルギーの迅速切り替えが可能
・機器配置の自由度が向上→共振空洞、入射・引出機器、ビーム診断機器など
２．スケルトン・サイクロトロンの実証機としてRI製造を想定した小型サイクロトロンの設計が進行中
・核医学診断・治療用RI（At-211/210など）を生成
・引出半径50cm、最大平均磁場3.2T程度（K120）
・Y系高温超伝導線材を用いたコイル群から構成