研究レポート
SQUID非破壊検査に関する研究
エネルギア総合研究所

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まえがき

電力設備の多くは金属製であり，腐食や応力等によって経年劣化する。その中でも高温・高圧の過酷

系統 ･ 情報通信担当

いても把握できることが望ましい。
表1

電力設備の金属劣化診断の必要性

電力設備の分類などは，熱と応力によるクリープ損傷によって，最汽力・ガス発電設備る。このため，電力系統の安定運用への影響や代替電源として高コスト発電機を運転せざるを得なくなり，経済的にも好ましくない。そのため，定期検査

栄夫

して破断に移行することから，この微小な亀裂につな条件下で使用する火力発電設備のボイラチューブ
悪の場合，破断し，発電機を緊急停止する必要があ

杉内

劣化診断が必要と考えられる設備例

劣化要因

ボ イ ラ チュ ーブ，ガ ス クリープ損傷（熱と応タービン動翼力）
腐食による鋼板の板厚減少等

水力発電設備ダムのゲート

送配電設備

鉄塔 ※ ，配電線（絶縁電 腐食と風圧応力による線，柱上器材）
劣化

通信設備

パラボラアンテナ・反射同上板の架台※等により設備故障の未然防止に取り組んでいるが，※：円筒形の内部劣化が確認できないもの。

従来の超音波等の非破壊検査では余寿命診断が困難であり，検出不能な欠陥や検査に熟練した技術と手間が必要といった課題がある。
エネルギア総合研究所では適正な設備保全に寄与するため，従来の検査手法に比べて高感度かつ検 査 深 度 が 深 い な ど の 利 点 が あ り， 各 種 方 面 で研 究 が 進 め ら れ， 実 用 化 さ れ て き て い るSQUID（Superconducting Quantum InterferenceDevice：超電導量子干渉素子）を利用した非破壊検査手法の研究を進めている。本稿では，これまでの研究成果について報告する。
なお，既に発刊済みのエネルギア総研レビュー
No.29，No.32に関連記事を掲載しているので，併せてご覧いただければ幸いである。

2

概要（１）電力設備の金属劣化診断の必要性
社会インフラ設備と同様に高度経済成長期に構築した数多くの各種電力設備が経験則的な平均耐用年数を超過してくるため，延命化措置や計画的な設備改修を進めていく必要がある。この際，診断技術が

図1

火力機器における損傷の進行過程の例

確立されていない設備については，適正な劣化診断手法を開発して劣化状況を見極める必要がある。

（２）各種非破壊検査手法の特徴とSQUIDの適用

現状において課題と考えているのは，外観点検で非破壊検査には様々な手法があり，検査対象物（導は内部劣化状況の判断が困難であり，劣化診断技術体）とその用途に応じて最適なものを選択する必要が未確立な設備である。その設備の一例を表1に示す。

がある。電力設備の内部欠陥診断への適用にあたりまた，過酷条件下で使用する火力機器が損傷に至る進行過程の一例を図1に示す。微小な亀裂が伝搬
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各種非破壊検査手法の特徴を表2に示す。
表2の中から，渦流探傷法（以下，ECTという。）
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SQUID 非破壊検査に関する研究については電磁誘導の原理を利用し，内部欠陥を磁磁束場の乱れとして検出するもので，表層部の欠陥診

励磁コイル

交流断（航空機や車体等における表面欠陥の高速診断等）に実用化されている。また，ECTの歴史は古く，技術も成熟し，他の検査手法に比べて電力設備の劣化診断に優位な利点を持ち合わせている。よって，本渦電流が発生研究ではECTとSQUIDを相互補完し，欠点を克服検査対象物（導体）した非破壊検査手法の開発を進めている。
表2

内部欠陥における各種非破壊検査手法の特徴

検査手法

利点

欠点

・欠陥位置の平面的もし・検 査 対 象の裏 面にフィルム
くは立体的な位置特定を配置する必要がある。
放射線透過試験法が可能。
・被 爆 の 影 響 が あるため，有Radiographic
・金 属 の 場 合10 ㎜ 以 上
資格者による測定が必要。
Testingの厚板でも検査可能。
・取り扱いが困難。
・空間分解能は数㎛。

超音波試験法Ultrasonic
Testing

過流探傷法Eddy CurrentTesting・金 属 の 場 合10 ㎜ 以 上の厚板でも検査可能。 ・広範囲の高速検査が困難。
・空 間 分 解 能 は 10 ㎛ 以 ・超音波の伝達により測定するため非接触検査が困難。
下。
・積層構造物の診断が困難。
・検査が容易で安全。
・自動検査が可能。
・数㎜程度であれば非接・表皮効果の影響により非磁触 にて 高 速・安 全・簡性体の金 属であっても深さ便な検査が可能。
数㎜程度の診断が限界。
・自動検査が可能。

励磁コイルに交流電流を流し，検査対象物（導体）に近づけると，検査対象物に渦電流が発生する。
交流反作用磁場の変化を検出コイルで測定欠陥により渦電流の乱れが発生

欠陥なし

欠陥あり

図2

ECTの測定原理図

欠陥

励磁コイルに流す交流電流の周波数をf［Hz］，検査対象物（無限平板）の透磁率をμ［H/m］・導電率をσ［S/m］，検査対象物表面からの距離（深さ）をz［m］とすると，渦電流が検査対象物表面からどの程度の深さ（z［m］）まで浸入可能かについては，（３）ECTによる非破壊検査手法の概要
ECTには基本的に検査対象物（導体）に交流磁場表面の渦電流に対してexpに比例して減衰する。なお，検査対象物表面からの渦電流の侵入深さを生成するための励磁コイルと検査対象物に生成しδ［m］は，δ=た渦電流によって生じる磁場を検出するための検出イルによって生成される渦電流は検査対象物の表面コイルが必要である。なお，励磁コイルと検出コイ近傍に流れ，内部に侵入するにしたがって急激に減ルを同一コイルとする方式もある。

衰（表皮効果）するため，表面の欠陥探査に利用さ

ECTの具体的な測定原理は，次の①～④および図2のとおりである。
①検査対象物の上部に配置した励磁コイルに交流電流を流して交流磁場を生成する。
②生成された交流磁場により導体表面に渦電流が発となる。このように，励磁コれる。
検査対象物（導体）の種類にもよるが，ECTでは検査感度（S/N比）向上のため検査対象物とコイルとの距離を数mm程度以内に近接し，kHz～MHz帯の高周波交流磁場を検査対象物に印加する必要があ生する。なお，渦電流は励磁コイルが生成した交る。

流磁場を打ち消すような反作用磁場を発生する。

（４）SQUIDの種類と磁気センサとしての利用の概要③欠陥部分には渦電流が流れないため渦電流の均一

SQUIDは高感度な磁気センサであり，図3に各種性が乱れる。
④渦電流の乱れによって生じる交流磁場（反作用磁場）の変化を検出コイルで測定する。

磁気センサの感度（測定可能な磁場強度）を示すが，他の磁気センサに比べて格段に感度が高く，地磁気（数10μT）の1億～10億分の1程度の極めて微小な磁場検出が可能である。

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研究レポート

図3

各種磁気センサの測定可能な磁束密度

SQUIDに利用される超電導体の種類としては，LTS（Low Temperature Superconductor： 低温超電導体）とHTS（High Temperature Superconductor：高温超電導体）がある。

ずつ合計2個のJJを使用して電圧位相が反転しないdc（direct current）SQUIDである。
JJは2つ の 超 電 導 体 と そ の 間 に 挟 ん だ1～2nm（10-9m）程度の絶縁体あるいは（超電導でない）医療分野の脳磁計，心磁計などはLTS-SQUIDで常電導体などの薄膜によって構成されており，2つ既に実用化されているが，低温状態を維持するための超電導体が弱結合となった非線形インダクタンス

貴重な資源である液体ヘリウム（沸点：4.2K）なとして特異な性質を有している。この性質が超電導どを使用する。一方，本研究では，液体ヘリウムの豊富な利用技術に貢献している。に比べて安価で取り扱いが容易な液体窒素（沸点：本研究では，非破壊検査への適用にあたり，JJ製77.3K）にて超電導状態を維持可能なHTS-SQUID

作技術の進歩と相まって，雑音特性に優れ，高感度を用いた研究を進めている。

な磁気センサに適したdcSQUIDを利用することとなお，本研究ではイットリした。

ウム（Y）系線材および電子超電導を示さない常電導体に電流を流すと電気抵デバイスで世界トップレベル抗を有すため電圧が発生する。一方，超電導体あるの開発力を有す公益財団法人

いはJJに電流を流すと，ある一定の電流値より小さ

国際超電導産業技術研究セン

い電流であれば電気抵抗がゼロ（超電導状態）となっター（以下，ISTECという。） 写真1 HTS-SQUID
チップの概観のY系HTS-SQUIDを使用して電圧は発生しないが，それより大きな電流を流すている（外観は写真1参照）。ISTECとは以前から超電流値を臨界電流（以下，Icという。）という。

電導に関連した共同研究を実施している。
現在，SQUIDチップには2種類のものが商品開発されている。1つは超電導リング内にジョセフソンと常電導状態に転移して電圧が発生する。この時のdcSQUIDの等価回路は図4のとおりで，円形の部分が超電導リング，×がJJ，RおよびCはそれぞれJJの非線形抵抗と静電容量である。

接 合（ 以 下，JJと い う。：Josephson Junction）

この超電導リングにIc（JJのIcの2倍）相当の電が1個で定常的な直流電圧を発生しないrf（radio流を流した状態で超電導リングに磁束が鎖交するfrequency）SQUID，もう1つは各分岐回路に1個と，磁束の強さに応じて，SQUID両端に電圧が発Page 6

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SQUID 非破壊検査に関する研究生し，周期的に変動する。また，磁場強度に応じてと，SQUID両 端 の 電 圧 が 変 調 さ れ る。 こ の と き

SQUIDに発生する電圧の大きさが変化する。のSQUIDの 電 圧 － 磁 束 特 性 は 図6の よ う に な り，

図5にはdcSQUIDに外部磁場を印加したときのSQUID出力電圧は正弦波状に変化する。この変調

電圧－電流特性を示しているが，電圧の発生する臨電圧ΔVは本回路抵抗とIc変化の積にほぼ等しく，界電流Icは変調され，超電導リングを貫く磁束がSQUID出力電圧の1周期はΦ0に相当する。このよΦ0の整数倍（n倍）の時に最大となり，Φ0の半整

うにSQUIDでは磁束変化を電圧変化に換算するこ数倍（n+1／2）の時に最小となる。Φ0とは超電導とができる。この電圧変化を観測することにより，体あるいは超電導リングを貫く量子化された磁束の検査対象物の欠陥を見極めることが可能である。

最小単位（これ以上の磁束の量子化は不能）で，hをプランク定数（6.63×10-34J･s），eを電子の電荷（1.6×10-19c）とすると，その大きさはh／2e＝2.07×10-15 Wbとなる。

次に，SQUID（超電導リング）の電圧を測定するための方法について説明する。
SQUIDに印加された磁場強度を電圧変化から換算して把握するためには，SQUIDに対する印加磁場とSQUIDからの出力電圧が比例関係になる必要があるが，SQUIDは磁場に対して非線形な関係となる。これを改善し，SQUIDから安定した電圧を出力する回路の概要図を図7に示す。本回路では，SQUIDに対する印加磁場によって変化するSQUID電圧を増幅器によって増幅し，積分器によって一定時間積分するが，帰還用コイルがSQUIDに対する印加磁場をフィード

図4

SQUIDの等価回路バックして相殺することで，電圧出力は帰還電流に比例するようになる。この帰還電流の回路は超電導リング中の磁束を一定値に保持する役目を有すことからFLL（Flux Locked Loop）回路といい，安定した電圧が測定できるようになる。

図5

SQUIDの電圧－電流特性

図7

SQUID超電導リングの電圧測定回路の概要図

なお，フィードバック後のdV／dΦが最大となるようフィードバック制御を行えば，Φ0の10～100万分の1程度の小さな磁場が検出可能となる。
図6

SQUIDの電圧－磁束特性（５）ECTを組み合わせたSQUID非破壊検査手法
ECTは渦電流の表皮効果のため検査対象物の深部こ こ で，Icよ り も 少 し 大 き な バ イ ア ス 電 流IBに対する検査が困難であったが，SQUIDの磁気セをSQUIDに 加 え た 状 態 で 外 部 磁 場 を 変 化 さ せ る

ンサを組み合わせることで，肉厚の厚い電力設備のエネルギア総研レビュー No.40

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研究レポート

劣化診断が実現可能である。これは，SQUIDが商地磁気など外来磁場（ノイズ）を，ほぼキャンセル用周波数程度の低周波数励磁でも感度低下が少ないすることが可能となる。つまり，外来ノイズによっためであり，肉厚の厚い検査対象物の深部まで渦電て発生する誘導電流を2つの検出コイルで相殺でき流を流すことができるからである。また，SQUIDれば，SQUID入力コイルに電流が流れないため，は極めて高感度な磁気センサなので，磁気検出部位ノイズを打ち消すことが可能となる。一方，2つのを検査対象物に接触する必要がない。よって，検査コイル位置の相違により，検査対象物の渦電流から対象物に対して，絶縁物や障害物が存在しても非接発生する鉛直方向磁場に（欠陥により）差異が生じ触で測定可能なので，断熱材のある配管等の検査にれば，SQUID入力コイルに2つの検出コイルの差分も適応できる可能性がある。となる誘導電流が流れて磁場の変化を検出すること

具体的な検査手法としては，ECTの励磁コイルにが可能となる。

より検査対象物（導体）の欠陥によって生じた交流磁最新の測定に使用したECT検出コイル（グラジオ場の変化状況をECTの検出コイルで（誘導電流の変メータ）の外観と電流や磁場の向き等を写真2に示化として）検出する。この誘導電流変化をSQUIDチッす。なお，検出コイルからSQUIDまでの銅線は外プ内の超電導コイルに入力すれば，超電導コイルと磁来ノイズからの影響を排除するため，電磁シールド気結合される相互インダクタンスを通じてSQUIDのを施した構造としている。

超電導リング内に磁場が誘起する。この磁場の変化状励磁コイルの 電流によって生じる磁場の向き

況をSQUIDから出力される電圧変化として観測することによって欠陥を見極めることが可能となる。

検出コイル

このようなSQUIDとECTの検出コイルを銅線等45mmで接続する方式を分離型方式と呼び，本方式は，銅35mm線等に抵抗があるため，kHz帯以下の低周波領域で感度低下となるものの，検査対象物（金属導体）の表面磁化の影響を受けないことやSQUIDを外来ノイズから遮蔽した磁気シールド容器内に設置可能なため，非破壊検査を実施する現場での利用に適したECTの検出コイルとSQUIDとの磁気結合の等価

ECT検出コイル（グラジオメータ）の構造

査装置は，ECTの検出コイルをロボットアームの先端に取り付け，検査対象物の表面を駆動走査させる回路を図8に示す。

ECTの検出コイル（常電導コイル）

写真2

励磁コイルを流れる電流の向き

現在，エネルギア総合研究所のSQUID非破壊検利点を有している。

常電導回路の閉ループ抵抗

励磁コイル

入力コイルとセンサコイルの磁気結合
相互インダクタンス JJSQUID入力コイル（超電導コイル）

SQUID
センサ
コイル

超電導リングに磁場誘起JJ

SQUIDチップ

図8 ECT検出コイルとSQUIDチップの磁気結合の等価回路センサ駆動方式としている。本方式の外観を写真3に示す。
本方式では，検査対象物を固定したまま検査可能であり，移動不可能な検査対象物にも適応できる可能性がある。また，人手に比べ精密な動作が可能であり，精度の高い検査結果を得られることに加え，3次元的な立体構造の検査対象物も測定可能となる。
なお，SQUIDはロボットアーム近くに液体窒素でECTの検出コイルには2つの同じコイルを誘導電冷却する冷却剤保存容器（デュワー）の中に配置す流が逆向きに打ち消す構造としたグラジオメータ

るとともに，そのデュワーを磁気シールド容器の中（Gradiometer）を使用した。この2つのコイルにに収納し，高感度なSQUIDに外来ノイズが極力侵よって，入射量に差異が生じない測定対象物以外の入しないよう配慮している。

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SQUID 非破壊検査に関する研究（２）今後の研究について
ロボッ
トアーム

ロボットアームを使用したセンサ駆動方式による測定の見通しを得たことから，今後は実用化に向けた課題解決が必要となる。SQUIDは超高感度であ磁気シールド容器るがゆえに（特に磁気的，電気的な）外来ノイズに対しても感度が高い。一方，電力設備の劣化診断に対して優先度の高い火力発電設備のボイラチューブについては，使用によって周辺に不純物が付着し，ECTの検出コイル
検査対象物

写真3 ロボットアームを利用したSQUID非破壊検査の外観

3

グラインダーや溶接機等の作業機器の利用といった現場環境ノイズも発生する。こういった厳しい作業環境下でも利用できるよう，ノイズ対策に配慮し，現場に適用可能なプロトタイプ開発に向け研究を進めていく予定である。

研究成果

また，非破壊検査対象物の劣化診断に適した物
理量（透磁率や抵抗率などの変化）の選定および（１）アルミ板による測定結果
測定結果の一例として，図9のような欠陥を有す1

SQUIDの有効性についても確認していく予定である。

枚のアルミ板に対して測定を行った結果を示す。図なお，ロボットアームを使用した非破壊検査シス10のように欠陥の位置に対して4隅に4つのピークテムは構築して日が浅く，種々の詳細なデータ収集信号が観測された。

が完了していないため，更なる性能評価についても実施していく。

4ECTコイル

300mm

欠陥

エネルギア総合研究所では，SQUIDを利用した電力設備の非破壊検査装置開発に向けてISTECととYX
２

あとがき

300mm

もに研究を進めており，本稿で説明した内容は，現2mm

点線：走査順路

図9 ECTコ イ ル に よる欠陥付アルミ板の測定走査方法

図10

欠陥を有すアルミ板の測定結果

在，ISTECに設置した装置を利用して測定等実施してきたものである。なお，平成27年度中に本装置のエネルギア総合研究所への移設を予定している。

この観測されたピーク信号から，この間に欠陥が本研究レポートの成果は，これまでSQUIDの研究存在することを認識することができる。このように，に携わってこられた皆様によって積み上げられた成果

ECT・HTS-dcSQUID分離型方式の非破壊検査へである。これから，実用化に向けた研究を進めていくの有用性を確認した。

が，引き続き測定データをもとに確認，評価しながらなお，本測定結果は写真2に示すグラジオメータを使用したSQUIDによって測定したものである。
グラジオメータの形状については，例えば検出コイルへの磁場侵入面積を小型化すれば欠陥の位置に対する分解能は向上するが，検査対象物から離れた位置の磁場測定に対しては面積が大きい方が検出性能に優れるといった特質がある。
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課題をひとつずつ解決していきたいと考えている。
最後に本研究を進めるにあたり，共同研究でご指導，ご協力を賜っているISTECの皆様方に深謝する。
執筆者からひとこと
SQUIDはとても小さいチップです が，77.3K（–195.8 ℃） と い
う 人 間 に と っ て 極 低 温 中 で は，その能力の高さに驚かされます。
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