高温超電導 SQUID による地下観測と脱炭素社会
超電導センシング技術研究組合

超電導センサテクノロジー株式会社

波頭経裕

第2回超電導応用研究会

目次
１

SQUIDの基礎知識（１）原理（２）磁力計としてのシステム構成（３）ノイズ（４）感度と周波数帯域

２ 脱炭素社会の実現に必要な地下観測のニーズとSQUID
３ 脱炭素社会に向けた応用（１） 地熱資源探査・モニタリングへの応用（２） 二酸化炭素地下貯留(CCUS)と油層の有効活用
４

今後の展開
第2回超電導応用研究会

１

SQUIDの基礎知識（１）原理
超電導リング

RF-SQUID

磁束φ
どう読み出すかΦ０周期で共振周波数が変わる
共振回路で読み出す
構造が簡単 感度は劣る

ジョセフソン
接合をつける

位相

DC-SQUID

位相は連続でなければならない → ２πnΦ０周期で電圧が変わる
通常FLL回路による電圧読み出しを行う

量子化された磁束φ０（2.07x10-15 Wb)単位でしかリングには入れない
第2回超電導応用研究会磁場と電圧の変化

II

I1Ib

I2ΔImax
θ2 Vθ1Vφφφ0
I = I1+I2 = Ic(sinθ1+sinθ2)
φ-φ0(θ1-θ2)/2π =nφ0
Imax = 2Ic |cos πφ/φ0|

ΔVV
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HTS-SQUIDの77kでの特性例

縦軸：10μA/div、横軸：100μV/div 縦軸：20μV/div、横軸：2μA/div

2Ic=～10μA
Rn/2=～12Ω
IcRn=～120μV(a)電流-電圧特性

3.33μA/Φ0
M=0.62nH(b) 電圧-磁束特性
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（２）磁力計としてのシステム構成
外部磁束φBias current Ib

VPickup coilVΔV012φ/φ0

Lock point（動作点）
Feedback coil

FLL 回路

電圧読み出し

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FLL回路
非変調型
回路がシンプル
スルーレート優先
ドリフトが生じやすい＋ーφaPreampVf∫dt

Integrator

Vb

φf
Rf
Mf
SQUID

Magnicon 6MHz-20MHz＋

変調型
回路が複雑／大型ドリフトに強く長時間計測に有利
pcSQUIDーφaLock-indetector∫dtPreampVf

Integrator

Vb
Rmod Clockgenerator

φf

Rf
Mf
STAR CRYOELECTRONICS

SQUID

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（３）ノイズ

１／fノイズ（１）トラップされた磁束の移動（２）ジョセフソン接合内のIcの変動

ホワイトノイズ（１）I-V特性のラウンディング

G=ノイズ

I77K

Γ大4.2K

V

周波数10-210（２）インダクタンス内の熱雑音（雑音磁束）

423#003aAR1030
17#002b_1028
17#004a_1030'Fai_17#004a_1030'
10310-410210-510

1

1/2-310-6110100

1000

Frequency (Hz)ホワイトノイズ領域で10-25 fT/Hz1/2100dfn = k BTLs
1/2

10Field noise (fT/Hz )Flux noise (φ? 0 /Hz )2p k BT(2I c )f0V

φ0ΔV
雑音磁束δφnφ

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（４）SQUID感度と周波数帯域
MRセンサ

フラックスゲート

フラックスゲート
MIセンサ
光ポンピング

MIセンサ
光ポンピング

SQUID

SQUID
10-15 10-12 10-9 10-6 10-3
MEG

MCG

City noise

103 [Tesla]

1NMR, MRI

101102103

資源探査向き105 106 [Hz]周波数Geomagnetism

高感度
ワイドダイナミックレンジ
広い周波数帯域ベクトルセンサ

104

課題

耐磁場性能
スルーレート
冷却の容易さ

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SQUIDの応用事例
脳磁計 ELEKTA社

心磁計

リチウムイオンバッテリーの異物検査 豊橋技科大日立

脊磁計 リコー

地震観測装置（地磁気）

非破壊検査
免疫診断
疾病診断
分析・計測
・・・

インフラ
航空機
水素ボンベ
バッテリー
SQUID顕微鏡

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マグネトメータモジュール
Input coil chip

SQUID chip

Flip-chip(stack) type

高バランスグラジオメータ+ Baseline = 5 mm+ Imbalance < 10-4

外付けピックアップループ用
グラジオメータモジュール+ enable flexible system design+ mostly used for NDT systems
magnetic immunoassay system
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世界のHTS-SQUIDと何が違うのか
ジョセフソン接合

T-FF

超電導体

1:2switch

SQUIDの心臓部

障壁
超電導体

50 mm

集積回路用多層化技術の転用<バイクリスタル型>

[001]
[100]

超電導薄膜

<ランプエッジ型>
超電導薄膜

[010]

粒界

バイクリスタル基板<ステップエッジ型>

耐磁場性能
最大15000倍

基板

接合は超電導膜で覆われている

粒界
超電導薄膜

基板

地磁気の170倍でトラップしない

Aeff〜0.6mm2〜 30fT/√Hz

感度が高い
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２. 脱炭素社会の実現に必要な地下観測のニーズとSQUID
社会のトレンドは脱炭素社会
従来の電磁探査

SQUID
技術

大深度高精度電磁探査
日本独自技術によるブレークスルー
ゲームチェンジャー

地層構造を可視化できる技術

新規油田開発⇒貯留槽内部を可視化できる技術

既存油田の再利用
CCUS事業（CO2）

地熱開発（代替自然エネルギー）
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（従来技術）

電磁探査

弾性波探査
（振動の跳ね返りで調べる）

硬い地層の場所特定

地層の比抵抗を測定

TEM法

金属資源

500

1000

探査
深 1500度

SQUIDをTEM法に使うと金属資源
キャップ層

地 熱

センサの感度不足で測定不可

地 熱(m) 2000
キャップ層

3000

石油

CO2石油

CO2

深さ3000mまでの状態を見守ることが可能

比抵抗の変化で中の状態変化が観測しやすい
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TEM法の概略(Transient electromagnetic)
SQUID磁力計

受信機

コイルによる一次磁界送信機

ラインソースコイル >80A 2〜3km

誘導された二次磁界

時間変化

油層

鉱床

熱水貯留層 探査深度：数100m〜3000m)

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世界のHTS-SQUID-TEMシステム
CSIRO

Julich Supracon

TristanSUSTERASQUID Typedc

rfdc

dc

dc

Noise in field@25Hz (fT/√Hz)

45

1000

20-505040

Bandwidth (KHz)

1000

20200050100

Dynamic range (dB)

110130

145

160

146

Slew rate (mT/s)

2.66

22-3

1.1

10.5

Weight (Kg)

6

125+7

12.2

2.5+0.8

Power (W/channel)

23

3500.96
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３ 脱炭素社会に向けた応用（１） 地熱資源探査・モニタリングへの応用
地熱貯留層
１ 水：降水の地下への浸透
２ 熱：マグマ
３ 容器：不透水層が蓋の役割

国内の地熱発電の年間発電量および設備利用率の推移
環境エネルギー政策研究所 自然エネルギー白書※平成29年度資源エネルギー庁資料より

探査のみならず地下の経過観測（モニタリング）が重要
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0 – 1000 m

0 – 3000 m

最適な場所への的確なボーリング
既存温泉資源への影響の最小化

従来技術

SUSTERAの技術

弾性波

重力MT法

TEM法 (SQUID利用)

波の反射

岩石密度

電磁応答

電磁応答

硬い地層

地層構造

熱水層（⇦比抵抗）（キャップ層）1000~10000 m
広域調査に最適

熱水層（⇦比抵抗）
深さ0~3000 m、高分解能
掘削計画検討・掘削後経過観察

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地熱探査に使用する地上設置型システム （SQUID-TEM)
標高４０００m

40cm

探査深度〜3000m

LN2保持時間
移動を含む: 〜10h
静置：〜17h

60cm

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（２） 二酸化炭素地下貯留(CCUS)と油層の有効活用

比抵抗の変化が大きく、電磁探査が有用
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これまでの進捗状況
PTTEP（タイ国有石油会社）、JOGMECの共同研究事業による野外試験（2017/11）
MINDECOとSUSTERAが実働部隊として参加

タイ Sirikit油田（地下2000mの水圧入の油層）地区での計測試験（ラインソースを用いたTEM法）

油層の比抵抗分布計測の可能性を実証
TechnoImaging社（米国）との技術協力によりモニタリングの高精度化予定（協業契約締結済）
3成分測定、3D逆解析
環境省プロジェクト（2018-2020）において海底下CCS（苫小牧沖）のCO2モニタリングのための基礎技術検証済
・数値シミュレーションによる計測可能性検証
・浅海域でのSQUID計測技術検証

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多くの世界のCCUSプロジェクトでは海中での計測が必要

ラインソース

計測域低い環境負荷水深100m対応SQUIDシステム

送信電流 100A
発生磁場 （100m） 200nT< 50μT(地磁気）

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水深4500m対応SQUIDシステム

JOGMECﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄで開発したSQUID磁力計プローブ
耐圧70MPa以上のCFRP容器内に実装
蒸発窒素ガスをチューブを通してリリースすることで77 K維持

坑井（水）中
深度270mでのTEM信号受信を確認
坑井内での受信は高分解能が期待できるがコスト的には不利

・CO2-EOR(Enhanced Oil Recovery)におけるCO2到達状態の比抵抗によるモニタリングを目的
JOGMEC柏崎TFでの・SQUIDの低周波高感度により従来より1桁広域の海上（offshore）用の試験の様子
検層、金属ケーシングを通した検層実現を期待
装置開発に展開可能（過酷環境で使えるSQUID応用技術を開発）

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水中で長期にわたって運用できるシステム開発（冷凍機併用ハイブリッド冷却システム）

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海底磁力計: OBM(Ocean Bottom Magnetometer )冷却系＆磁力計兼減圧ユニット

冷却系＆磁力計兼減圧ユニット
冷凍機への電源供給
およびSQUID制御
データ受信線

バッテリー

バッテリー制御回路（冷凍機切り替え制御を含む）
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４. 今後の展開
低コストで貯留層内部をモニタリングできる技術がサービスを決する

脱炭素社会の到来
新技術への期待日本
古来より金属資源にほぼ限定
資源上流サービスは脆弱

金属資源会社の下流へのシフトで減退傾向
世界の資源界への発言力低下か

欧米
近代より石油にターゲット

新技術の登場で地下モニタリングサービスの統廃合・再編は必至

資源上流サービスは統合で巨大化
例：シュルンベルジェ、ペトロレアムジオサービス
巨額な予算：弾性波探査が主力

SQUID電磁探査技術で大きなチャンス
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