高温超伝導による『粒子加速器用電磁石』を開発

最終更新日:2019年12月13日

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臨床工学技士コラム

高温超伝導による『粒子加速器用電磁石』を開発

2019.01.31

京都大学は12月13日、雨宮尚之氏(同大大学院工学研究科教授)、東芝エネルギーシステムズ株式会社、高エネルギー加速器研究機構、量子科学技術研究開発機構らの研究グループによって、高温超伝導を用いた『粒子加速器用電磁石』を開発し、その機能実証に成功したことを発表した。

同研究成果は、同日開催された「第31回国際超電導シンポジウム」でも発表された。

温度が上昇した場合でも、超伝導状態が破れにくい「高温超伝導線」

現在では、主に使用されている「低温超伝導線」と「高温超伝導線」という2つの超伝導線がある。「低温超伝導線」は、10K程度で超伝導になり、もう一方の「高温超伝導線」は、100K程度になると超伝導になる。

「高温超伝導線」では、超伝導を維持できる温度が高いことが特徴で、10K~20K以上の温度(液体ヘリウム温度4Kよりも高温)で運転できる。また、何らかの理由で熱が加わることで、温度が上昇した場合でも、超伝導状態は破れにくい利点も有する。

医療用粒子加速器では、「安定して運転すること」が強く要求されている。そのため、「高温超伝導線」が有する利点は、医療用粒子加速器などへの応用を考えると大きなメリットになる。しかし、これまでに高温超伝導線による『粒子加速器用電磁石』は実用化されていなかった

がん治療や核廃棄物の有害度低減などに活用

これは、高温超伝導線を構成する超伝導材料が「脆いセラミックス」であるためで、コイルに巻くには高度な技術が必要となることが課題だった。

同研究グループでは、高温超伝導線でコイルの設計製造技術を開発して、小型・軽量・省エネで、かつ高い磁界を発生できる『粒子加速器用電磁石』の研究開発を進めてきた。

がん治療や核廃棄物の有害度低減などに用いる粒子加速器の小型化、省エネ化が可能になるという。

重粒子線がん治療装置(HIMAC)による実証実験を実施

今回同研究グループは、粒子加速器応用に向けて、液体ヘリウムを使わずに冷却可能な高温超伝導電磁石を開発。重粒子線がん治療装置(HIMAC)によって、高温超伝導電磁石の機能を調べる実証実験を実施した

実験結果からは、「2.4テスラ」の高い磁界(銅線を使った電磁石では発生できない)によるがん治療用炭素イオンビームの誘導を実証。

さらに、粒子加速器の「運転上の支障」を想定したケースでも、粒子ビームの高温超伝導コイルへの直接入射を行った実験では、超伝導状態は破れず、電磁石が安定して動作し続けることが実証された。発生する磁界を繰り返し速く変化させても、電磁石は「安定して運転すること」を確認できたという。

粒子線がん治療装置の超小型化・省エネ化へ

同研究グループは今後、高温超伝導電磁石の『高磁界化』や、磁界を変化させるようなケースで、超伝導体の内部で発生する交流損失の低減などの研究開発に取り組む予定。

また、粒子線がん治療装置を超小型化し、省エネ化を実現することを目指しており、一般病院への粒子線がん治療装置の設置が可能になれば、健康長寿社会に大きく貢献できるという。

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