客观日本

京都大学等成功验证高温超导粒子加速器的电磁性能

2018年12月25日 生物医药
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利用高温超导能制作小型、轻量、节能、可产生强磁场的电磁铁,使用这种电磁铁,用于治疗癌症重粒子治疗装置和减轻核废料危害程度的环状粒子加速器(以下简称“粒子加速器”)中,可以实现装置的小型化和节能化。此项研发由日本京都大学、东芝能源系统、高能加速器研究机构、量子科学技术研究开发机构组成的联合研发小组推进,主要取得了以下三项成果。

京都大学等成功验证高温超导粒子加速器的电磁性能

图1:高温超导电磁铁的外观、内部配置和使用场景

● 利用2.4T(特斯拉)磁场验证用于癌症治疗的碳离子束诱导

经验证,从图1所示的粒子束管、即粒子束穿过的孔中通过能量为430MeV/u的碳离子束,在利用高温超导电磁铁产生的最大2.4T的磁场中,粒子束可以像计算所预测的那样偏转,也就是说,可以进行人为诱导(图2)。

京都大学等成功验证高温超导粒子加速器的电磁性能

图2:利用高温超导电磁铁验证诱导碳离子束

使用铜线的电磁铁无法在宽阔的空间内产生2.4T的磁场。与使用铜线的电磁铁相比,高温超导电磁铁可以大幅弯曲粒子束的轨道,有助于实现粒子束癌症治疗装置的小型化。

● 即使照到碳离子束,高温超导电磁铁也能继续稳定工作

经验证,把用于重粒子线癌症治疗的碳离子束照进高温超导线圈,尽管由此而产生的发热会导致温度上升,但超导状态不会被破坏,磁铁能继续稳定工作(图3)。

京都大学等成功验证高温超导粒子加速器的电磁性能

图3:照射碳离子束时线圈的电压

粒子加速器无法根除粒子束照进线圈的情况,如果因此造成电磁铁的超导状态被破坏,就必须长时间中断加速器的运行。此次的实验结果证明了将高温超导电磁铁应用于强烈要求稳定运行的医用粒子加速器时的优点。

● 即便使产生的磁场反复快速变化,也能稳定运行高温超导电磁铁

经确认,即便使产生电磁铁的磁场在120秒内迅速升高至2.4T又在120秒内迅速降低并重复这一动作,高温超导线圈的温度也没有发生变化,电磁铁可以稳定运行(图4)。

京都大学等成功验证高温超导粒子加速器的电磁性能

图4:以每秒1.67A的速度将线圈电流最大提高至200A,即以每秒0.02T的速度将磁场最大增强至2.4T并使之反复变化时的线圈温度变化

磁场发生变化的话,超导线材会产生名为交流损失的发热现象,因此MRI用电磁铁和NMR用电磁铁等此前实现实用化的超导电磁铁大多都会产生一定的磁场。但粒子线癌症治疗装置等需要使用即使磁场发生变化也能稳定运行的超导电磁铁,此次的实验结果证明高温超导电磁铁在这类用途有很高的应用潜力。

文:JST客观日本编辑部

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