3B-a01

MgB2 (2)ex-situ 法 MgB2 に対する成型圧力の効果

Effects of pressing pressure for ex-situ MgB2 bulks
下山 淳一，澤田百々子，高木菜摘，須藤将太朗，元木貴則（青学大）
SHIMOYAMA Jun-ichi, SAWADA Momoko, TAKAGI Natsumi, SUDO Shotaro, MOTOKI Takanori (Aoyama Gakuin Univ.)
E-mail: shimo@phys.aoyama.ac.jp
1．はじめに
長尺 MgB2 線材が開発されてからおよそ 15 年が経つ。
MgB2 は Tc が 39 K と金属系超伝導体のなかで最も高いものの、不可逆磁場が高くないことから数テスラの磁場を発生する電磁石や送電ケーブルが応用のターゲットになっている。金属被覆線材の製造方法は、Mg と B の混合粉末から焼成によって MgB2 を生成する in-situ 法、あらかじめ合成した MgB2 を焼結させる ex-situ 法、高温で B の充
填部に Mg を拡散させる拡散法に大別できる。MgB2 は金属系超伝導体の特徴である粒間の結合に優れ、20 K、低磁場下での Jc は 105 A cm-2 を容易に超えるが、一方で有効な電流経路の割合(コネクティビティ：K)が in-situ 法や exsitu 法の場合、高くなりにくいこともわかっている。
in-situ 法では Mg 粉末が占有していた部分が MgB2 生成
後に空隙として残り、相対密度が 50 %程度でしかないため本質的に K は高くなりにくい。ex-situ 法の場合は粒間結合を形成するために高温、長時間の熱処理が必要であるが、同時に粒成長が起こりピンニングセンターである
粒界の密度が低下しやすい。しかし高純度かつ微細なMgB2 を用いて焼結条件を最適化すれば、in-situ 法よりも高い Jc を示すバルク体が得られることがわかっている[1]。
また、一般に in-situ 法の場合、線材のほうがバルク試料
よりも、比較的低い温度、短時間の焼成で十分な粒間結合が実現し、かつ Jc も高い。線材とバルクの作製過程で大きく異なるのは加工方法であり、前者では様々な方法により伸線が行われるのに対し、後者の場合、100 MPa 台の圧力で一軸プレスされるだけである。in-situ 法線材ではMg 原料が加工の間に大きく変形する結果、相対密度が高くなり Mg と B の接触部分も増えるため、粒成長が起こらない低温、短時間の焼成で高 Jc 線材となる、と説明できる。一方、ex-situ 法線材の場合には、MgB2 結晶の硬度が高く冷間加工の効果がよくわかっていない。
以上の背景のもと、本研究では ex-situ 法 MgB2 材料のポテンシャルを明らかにすることを目的として、MgB2 粉末から成型体を作製する際の一軸プレス圧を高めた時の超伝導特性や微細組織の変化を調べた。
2．実験方法ex-situ 法 MgB2 バルクの原料粉末には、フルウチ化学製の MgB2 粉末(99%, #100)を用い、一端をあらかじめ封じた
SUS316 管(外径 3.18~4 mm, 肉厚 0.2~0.5 mm)に所定量充填した後、一軸プレスによりテープ状に成型した。一軸プ
レス圧は最高 3.3 GPa で、荷重と加圧部分(SUS316 管の平坦な部分)の面積から計算した。SUS316 管の残りの一端を
1 軸プレスで封じた後、石英管内に封入し焼成した。焼成
後、テープ状の SUS316 管の側面を削り落として、MgB2
バルク試料を取り出した。試料の相対密度は体積と重量から計算し、構成相は粉末 XRD 測定、微細組織は SEM 観察、超伝導特性は SQUID 磁束計を用いた磁化測定と交流4 端子法による抵抗率測定で評価した。Jc は磁化ヒステリ
シスの幅より拡張 Bean モデルを用いて見積った。

3．結果と考察
焼結前の一軸プレス圧と焼結後の MgB2 バルクの密度には強い相関があり、900°C で 18 h 焼成した試料の場合、プレス圧を 650 MPa, 1.2 GPa, 2.4 GPa と高めるとともに相対密度が 53 %, 69%, 87%と変化した。Fig. 1 に 1.1~3.3 GPa
でプレスし 900°C で 48 h 焼結した試料の 20 K におけるJc の磁場依存性を示した。プレス圧力の上昇とともに系統
的に Jc が改善し、3.3 GPa でプレスした試料では低磁場下で 0.85 MA cm-2 に達したが不可逆磁場は高くない。これは、ex-situ 法の場合プレスにより c 軸配向が進むためであり、磁場印加方位をプレス方向と垂直にすると不可逆
磁場は上昇することを確認している。Fig. 2 には 3.3 GPa
でプレス後 900°C で 48 h 焼結した試料の研磨面の二次電子像を示した。この試料の相対密度は 90 %以上で、結晶粒がよく結合している様子がわかる。実際、電気抵抗率測定から見積った K は 40%と高くなった。高圧プレスした
試料は低温で焼結が進む傾向にあり、これはプレスの際の原料 MgB2 粉末の破砕だけでなく、最表面が摺り落とされたためと考えている。また、以上の結果は、硬いシース材を用いることができれば ex-situ 法 MgB2 線材の臨界電流特性が改善する可能性があることを意味する。
[1] S. Mizutani et al., Supercond. Sci. Technol. 27 (2014)
044012

Fig. 1 Jc-H curves at 20 K of ex-situ MgB2 bulks uniaxiallypressed under 1.1~3.3 GPa and sintered at 900°C for 48 h.

Fig. 2 Secondary electron image of a polished surface of the exsitu MgB2 bulk uniaxially pressed under 3.3 GPa and sintered at
900°C for 48 h.

― 167 ―

第97回

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3B-a02

MgB2 (2)高圧一軸プレス MgB2C2 添加 MgB2 バルクの微細組織と物性
Microstructure and Physical Properties of MgB2C2-Doped MgB2 Bulks
Uniaxially-Pressed under High Pressure

澤田 百々子, 高木 菜摘, 須藤 将太朗, 元木 貴則, 下山 淳一 (青学大) ; 児玉 一宗, 田中 秀樹 (日立)
SAWADA Momoko, TAKAGI Natsumi, SUDO Shotaro, MOTOKI Takanori, SHIMOYAMA Jun-ichi (Aoyama Gakuin Univ.) ;KODAMA Motomune, TANAKA Hideki (Hitachi)
E-mail: c5617051@aoyama.jp
1. はじめに
MgB2 は無配向の多結晶体でも低磁場下では 105 A/cm2を超える高い Jc を示すが、磁場下で急激に減衰することが課題である。MgB2 多結晶体では結晶粒界が主なピンニ
ングサイトであり、磁場中 Jc の改善方法としては結晶粒の微細化や粒成長の抑制[1]、B サイトへの C ドープ[2]が知られている。しかし、C の実効置換量は仕込組成より少な
いことが多く、粒間結合の劣化や未反応不純物の残存を伴いやすい。すなわち、超伝導特性や微細組織は炭素材料の反応性によって大きく変化することから、ドープ量や焼成条件の最適化だけでなく、炭素材料の選択が磁場下での Jcの改善に重要である。炭素源として SiC やコロネンなどの炭化水素を用いた研究例が多いが、必ず副生成物が生じる。
そこで、我々は Mg-B-C 系に着目しており、MgB2 に近い
密度の MgB2C2 や高濃度 C ドープ MgB2 を新たな炭素源として用いることで磁場中 Jc の向上を試みている。従来
MgB2C2 は 1000°C 以上の高温高圧力下で生成する物質と考えられていたが、MgB2 と同様に PIT 法により常圧下で焼成することで純度はやや低いものの MgB2C2 が合成できる
ことを見出し、自作 MgB2C2 添加効果について報告してきた[1,2]。今回は、線材コアの密度に近くなることが期待できる高圧一軸プレスによって作製した高密度の MgB2 多結晶
バルクに対する MgB2C2 ドープ効果を調べた。
2. 実験方法
Mg、B および炭素原料の粉末を混合し焼成する in-situ
法により MgB2-xCx (x = 0, 0.06)バルクを作製し超伝導特性を比較した。具体的には上記の混合粉末を SUS316 管に充填後、両端を封じ、一軸プレスにより板状に成型し、石英管に空気中で封入し 650–850°C, 24 h の様々な条件で焼成を行った。炭素源には MgB2C2 やあらかじめ合成した高濃
度 C ドープ MgB2 を用い、比較として研究例の多い B4C や
微粒子 C (カーボンブラック)を用いた試料も作製した。試料の微細組織と元素分布は SEM-EPMA により調べ、構成相や格子定数、結晶性は粉末 XRD 測定により、超伝導特性は SQUID 磁束計を用いた磁化測定と交流四端子法による抵抗率測定を行い評価した。また試料の実効 C 置換量xA を以下の式を用いて算出した[3]。
xA = 47.6×(0.3087-a) a [nm]: 試料の a 軸長

大きな変化が見られなかったものの粒間結合の強化は確認できた。また MgB2C2 を添加した試料もノンドープ試料と同程度の良好な粒間結合を有することがわかった。Fig.
2 に作製した試料の電気抵抗率測定より決定した Hc2 の温度依存性を示す。C 添加効果による Hc2 の向上が見られた
が、仕込組成通りの実効炭素置換量には至っていない。当日は~2 GPa の一軸プレス成型による in-situ 法 MgB2 バル
クの高密度化の試みについても報告する。
参考文献[1] M. Sawada et al., Solid State Commun. 281 (2018) 53-56.
[2] M. Sawada et al., Abstracts of CSSJ Conference, 96 (2018)14.
[3] A. Yamamoto et al., Supercond. Sci. Technol. 18 (2005)
1323-1328.

Fig. 1 Relationship between K and sintering temperatureof MgB1.94C0.06 bulks.

3. 結果と考察
前回までは、~300 MPa 程度の一軸プレスによって成型した試料について報告してきたが、今回は~1 GPa 程度の高圧一軸プレス成型によって高密度 in-situ 法 MgB2 バルク作製を試みた。Fig. 1 に作製した試料のコネクティビティの焼成温度依存性を示す。高圧プレスによって相対密度に― 168 ―

Fig. 2 Hc2-T curves of MgB1.94C0.06 bulks
prepared from various carbon sources.
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3B-a03

MgB2 (2)Premix-PICT-Diffusion 法高密度 MgB2 バルクにおける高圧プレスによる結晶サイズ制御
Control of crystal size of dense MgB2 bulks prepared by Premix-PICT-Diffusion method byhigh pressure pressing
高木 菜摘, 澤田 百々子, 須藤 将太朗, 元木 貴則, 下山 淳一 (青学大)TAKAGI Natsumi, SAWADA Momoko, SUDO Shotaro, MOTOKI Takanori, SHIMOYAMA Jun-ichi (Aoyama Gakuin Univ.)
E-mail: c5617053@aoyama.jp

1. 緒言
MgB2 は合成が比較的容易で化学的に安定で、さらに粒間の結合に本質的に優れるなどの長所を持ち、その線材はMRI、磁気浮上列車用の磁石や送電などへの応用が期待されている。しかし MgB2 材料のより広範な応用に対しては
特に磁場中の臨界電流特性の改善が不可欠である。一方、基礎的な MgB2 多結晶体の臨界電流特性を決定する様々な複合的な因子の理解も十分ではない。無配向 MgB2 多結晶体の臨界電流特性の主な支配因子は、純度、充填率、粒界密度であり、充填率が 100%に近い粒間結合に優れる多結晶体の作製には B と MgB2 の混合粉末の圧粉体に Mg を拡散させる Premix-PICT 拡散法[1]が適している。また
MgB2 における主なピンニングセンターは結晶粒界であり、粒界の高密度化には微細な原料 B 粉末の使用や低温焼成
による粒成長の抑制が有効である。本研究では、PremixPICT 拡散法による高密度 MgB2 バルク作製の際に、新たに 1 GPa 以上の高圧プレスを行うことにより premix する
MgB2 結晶の微細化を試みた。粒径分布、即ち粒界密度と焼成条件、および超伝導特性の関係を系統的に調べ、臨界電流特性に及ぼす支配因子を再考している。
2. 実験方法
Premix-PICT 拡散法により異なる混合粉末割合で充填率~90%を超える高密度 MgB2 バルクを様々な焼成条件下で作製した。あらかじめ B と混合する MgB2 は PICT 拡散法[2]により合成したものと、市販のフルウチ製のものを用いた。これら MgB2 と B の混合比を系統的に変えた混合粉
末の圧粉体と Mg(#200 および 粒径 1 mm)を SUS316 管内に充填し、1 GPa 以上の圧力で 1 軸プレスを行い、石英管に封入し熱処理を行った。得られた試料の微細組織はSEM により観察し、超伝導特性は SQIUD 磁束計による磁化測定により評価した。
3. 結果と考察
フルウチ製の MgB2 粉末を用い、焼成前に高圧プレス成型した試料の微細組織を Fig. 1 に示す。白点に見える MgOに囲まれた~4 m 程度の MgB2 の領域内に 1 m 以下のMgB2 結晶が認められた。これは、あらかじめ B と混合した一つの MgB2 結晶または MgB2 微結晶からなる 2 次粒子が高圧プレスにより粉砕したことを示唆している。
Fig. 2 に PICT 拡散法により自作した MgB2 と市販 MgB2を用い Premix-PICT 拡散法で作製した試料の 20 K における Jc – H 特性を示す。市販の MgB2 粉末を用いた試料は高磁場下で Jc が低下する傾向がみられた。その理由として
高圧プレスにより、あらかじめ混合した MgB2 から空気に触れていないフレッシュな MgB2 の結晶面が出現し焼成時に粒成長を促したことが考えられる。つまり、熱処理条
件の最適化（低温、短時間）により、Jc の向上が期待できる。
当日はこれら試料と熱処理条件の最適化を行った試料の研磨面における微細組織の解析より求めた粒界密度と焼成条件および最大ピンニング力密度の関係について報告する。

Fig. 1 Secondary electron image of dense MgB2 bulks sinteredat 900°C for 24 h.

Fig. 2 Jc-H curves at 20 K of dense MgB2 bulks sintered after
high pressure uniaxial pressing.
参考文献[1] I. Iwayama, et al., Physica C 460-462 (2007) 581-582.
[2] S. Ueda et al., Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 222502― 169 ―

第97回

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3B-a04

MgB2 (2)Mg の加熱蒸着と B のスパッタリングによる MgB2 薄膜の新製法
A new deposition method of MgB2 thin filmby thermal evaporation of Mg and sputtering of B
岩中 拓夢，楠 敏明（日立製作所）；松本 明善（NIMS）；堀井 滋，土井 俊哉（京都大学）
IWANAKA Takumu，KUSUNOKI Toshiaki（Hitachi, Ltd.）；MATSUMOTO Akiyoshi（NIMS）；
HORII Shigeru，DOI Toshiya（Kyoto University）
E-mail: takumu.iwanaka.os@hitachi.com
1．研究背景MgB2 高温超電導体は、金属系超電導体としては高い臨界温度（Tc ＝39 K）を有し、超電導応用機器の低コスト化や軽量化が見込める、冷凍機伝導冷却や液体水素冷却で運転する超電導材料として期待されている。MgB2 の製法としては、
金属管に Mg と B の原料粉末、あるいは MgB2 の粉末を充填した後に減面加工を施すことで伸線して線材化し、最後に結晶化熱処理を施すことにより MgB2 多結晶を得る PIT(Powder
In Tube）法がある。我々は、高磁場向けに PIT 法に比べ 1～
2 桁高い臨界電流密度 Jc が報告されている MgB2 薄膜に着目し、その代表的な製法である EB（Electron Beam）蒸着法を開発してきた[1]。EB 蒸着法では、図 1（a）に示すように、加熱した基材上に Mg と B を同時に蒸着する。しかし、EB 蒸着法
では B の融点が約 2200℃と高いため、蒸着源からの輻射熱による成膜温度の変動が大きく、長時間の安定成膜が困難であった。そこで、B 蒸着源を安定性に優れたスパッタ源に変更
し、Mg の加熱蒸着と B のスパッタリングによる MgB2 薄膜の新製法を開発した。

Fig.1 Deposition methods of MgB2 films; (a) EB evaporationand (b) new method.
2．実験方法
新製法を用い、厚さ 100 m の Cu テープ上に厚さ数百 nmの MgB2 薄膜を形成し、成膜温度変動、超電導特性、膜構造を評価した。MgB2 薄膜の成膜には、図 1（b）に示す装置を用いた。B の成膜にはスパッタ源、Mg の成膜にはエフュージョン
セルを用いた。EB 蒸着源から飛散する粒子の運動エネルギ
ーは 0.1～1 eV と低いのに対し、スパッタ源の場合は 10～100
eV と 2 桁以上高く[2]、基材上での B 粒子の滞在時間が短く反応確率が低いと予想される。そこで、新製法では Mg と B が反応するように成膜温度を EB 蒸着法（250℃）よりも高い
360℃とし反応速度を高めた。一方、Mg は高反応性物質であり、成膜温度の上昇に伴い、基材である Cu と反応して金属間化合物を生成し MgB2 結晶成長を阻害する。そこで基材上にMg と反応しにくい Ti でバリア層を形成し、その上に MgB2 薄膜を形成した。さらに、結晶成長を促すために、430℃で 12 時
間のポストアニールを行った。
MgB2 薄膜の膜質評価では、結晶配向性を XRD（X 線回折）、表面構造を SEM（走査電子顕微鏡）、膜厚や断面結晶構造を STEM（走査透過電子顕微鏡）で評価した。超電導特性は磁化法および通電法で評価した。Tc の算出は SQUID を用いた磁化法により行った。臨界電流 Ic は 4 端子法により測定した。Ic の決定基準は電圧立ち上がりの閾値（＞1 V/cm）とした。磁場は基材に対して平行に印加した。
3．結果
新製法では、成膜温度の変動を EB 蒸着法の約 1/10 である±1℃に低減できた。X 線回折と SEM 観察の結果より、新製法で作製した MgB2 薄膜は、EB 蒸着法で作製した MgB2 薄膜よりも結晶性や配向性が低下していることが示唆された。 Tc
は EB 蒸着膜が 33 K、新製法で作製した MgB2 薄膜が 26 Kであった。
図 2 に EB 蒸着法、新製法で作製した MgB2 薄膜の Jc-BT 特性を示す。(a)が EB 蒸着法、(b)が新製法である。20 K、
4T における Jc は、EB 蒸着膜が 1,4000 A/mm2、新製法で作製した MgB2 薄膜が 1,100 A/mm2 であった。本製法では成膜条件の最適化が未完であるため、EB 蒸着膜には劣るが、良好な Jc を持つ MgB2 薄膜を作製することができた。

Fig.2 Jc-B-T properties of MgB2 films; (a) EB evaporationand (b) new method.
4．考察
新製法で作製した MgB2 薄膜の 20 K での Jc が EB 蒸着法
よりも低下した原因は、前述のようにスパッタ源から飛来する粒子の基材上での反応確率が低いために反応が進まず、結晶性が不十分で Tc が低いことであると考える。今後、成膜温度をさらに上昇させ、結晶性を向上することにより、EB 蒸着膜と同等の性能をめざす。
5．結言(1)新製法により、MgB2 薄膜の成膜温度変動を従来の EB 蒸
着法の 1/10 である±1℃に低減できた。 これにより MgB2 薄膜を長時間安定的に成膜することが可能となった。
(2)新製法で作製した MgB2 薄膜の Tc は 26 K であった。20 K、4 T での Jc は、1,１00 A/mm2 であった。
(3)EB 蒸着膜に比べて 20 K での Jｃが劣っているのは、結晶性が低く、Tc が低いことが原因だと考えられる。今後、成膜温度をさらに上昇させることにより結晶性を向上させる。
参考文献
1. T. Kusunoki, et al.: ASC 2016, 3MPo2B-10 (2016,
Denver, USA)2. T. Takagi, et al.: KOUGAKU Vol. 7 (1978) p.243-249― 170 ―

第97回

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3B-a05

MgB2 (2)

PIT 法による MgB2 単芯線材に対する E−J 特性の評価
Evaluation of E−J Property in PIT-processed MgB2 monocore wires
児玉 一宗，小瀧 博司，鈴木 孝明，田中 秀樹（日立）
KODAMA Motomune, KOTAKI Hiroshi, SUZUKI Takaaki, TANAKA Hideki （Hitachi, Ltd.）E-mail: motomune.kodama.yf@hitachi.com
1．はじめに超伝導線材の電流性能は，ゼロ抵抗状態から抵抗状態に遷移する電流密度である臨界電流密度(Jc)により評価される。
ただし，抵抗遷移の鋭さは完全ではないため，一般的に Jc は
Ec = 10−4 V m−1 の電界基準で定義され，n 値モデルによれば，発生電界 E は電流密度 J に対して次式の依存性をもつ。
E = Ec (J/Jc)n(1)における 10−12 V m−1 の電界基準で評価した Jc と，10−12−10−9
V m−1 の範囲の電界基準で評価した n 値の外部磁場 B に対する依存性を示す。中心磁場 1.5 T と 3 T の MRI の最大経
験磁場は 4−6 T[5]であるが，この磁場領域において十分高い
35 以上の n 値と，実用レベルである 103 A mm−2 程度の Jc をもつことがわかった。また，異なる製法による二線材を比較す
ると，Jc はメカニカル法線材が優れ，n 値はほぼ同等であった。

一方，永久電流モードで運転される MRI では，中心磁場の減衰の許容値が 0.1 ppm h−1 であることから，超伝導線材に許容される発生電界は 10−12−10−9 V m−1 の程度である[1]。この電界は Ec と比較して 5−8 桁低く，その E−J 特性に応じて運転電流密度 Jop を Jc よりも低い値に設定する必要が生じる。このように，低電界領域の E−J 特性は，MRI など永久電流モードで運転する超伝導機器の設計に必要不可欠な情報である。
銅酸化物系の線材に対しては，磁化緩和法により低電界領
域の E−J 特性が評価されている[2]。
Powder in tube (PIT)法による MgB2 線材は，その電流性能と多芯撚線の製造単長の観点から，Nb-Ti 線材の次世代を担
う MRI 用線材として有望視されている[1]。我々も MgB2 線材の高電流性能化と長尺化の開発を進めており[3, 4]，その Jc
は MRI が成立する水準に達している。しかしながら，特に低電界領域の E−J 特性をこれまで報告していない。本研究では，
我々の MgB2 線材に対して低電界領域の E−J 特性を調べ，その特性が MRI への応用に対して十分な水準にあるかを議論する。
2．研究方法
標準的な in situ 法，高密度フィラメントを合成可能なメカニ
カルミル法の二製法により MgB2 の開発を進めている[3]。本研究では，それぞれの製法に対して最良の Jc をもつ鉄シース
単芯線材を評価した。線材の詳細な作製条件は文献[3]を参照のこと。これら線材の外層材を除去して取り出した MgB2 フィラメントを評価試料とした。
長手方向に垂直な磁場下に設置した MgB2 フィラメントの磁化を SQUID 磁束計により評価した。MgB2 フィラメントに流れる環状電流密度 J を，垂直磁場下の円柱超伝導体における拡張 Bean モデルに基づき，次式から算出した。
J = 3πΔM/4d(2)

ここで，ΔM は体積ヒステリシス磁化，d は試料直径である。また，文献[2]に報告されているように，発生電界が磁化( J )の
時間変化に比例することを用いて，次式から電界 E を算出した。
E ≈ −0.01μ0d2(dJ/dt)(3)

ここで，μ0 は真空の透磁率，dJ/dt は J の時間変化率である。
3．結果と考察
試料の磁化は，時間 102−104 s の範囲において，磁束クリープによる損失の場合にみられる対数関数型の減衰挙動を示 し た 。 こ の 減 衰 曲 線 と (2)(3) 式 を 用 い て 低 電 界 領 域(10−12−10−9 V m−1)の E−J 特性を求めたところ，その依存性は(1)式の n 値モデルと良好に合致した。Fig.1 に温度 10−20 K

Fig. 1 (a) Dependence of Jc defined by electric field criterionof 10−12 V m−1 on magnetic field, B. (b) Dependence of n-value
estimated from E−J curves in a range of 10−12−10−9 V m−1 on B.
参考文献
1. M. Parizh et al.: Supercond. Sci. Technol. Vol. 30 (2017)
014007
2. T. Kodama et al.: Physica C Vol. 357−360 (2001) 582
3. M. Kodama et al.: Supercond. Sci. Technol. Vol. 30 (2017)
044006
4. H. Tanaka et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 27, No.4
(2017) 4600904
5. Y. Lvovsky et al.: Supercond. Sci. Technol. Vol. 26 (2013)
093001― 171 ―

第97回

2018年度秋季低温工学・超電導学会

3B-a06

MgB2 (2)磁界中磁気顕微法と X 線 CT による磁性シースを有する
MgB2 多芯線材の局所臨界電流分布の非破壊評価
Nondestructive Characterization Method of Local Critical Current Distribution in
Multi-filamentary MgB2 Wires with Magnetic Sheath Based on
the Combination of Magnetic Microscopy and X-ray CT
國政 昭洋, 坊地 修平, 東川 甲平 (九大); 井上 昌睦 (福工大);
鈴木 孝明, 児玉 一宗, 田中 秀樹 (日立); 熊倉 浩明 (NIMS); 木須 隆暢 (九大)KUNIMASA Akihiro, BOCHI Shuhei, HIGASHIKAWA Kohei (Kyushu Univ.);
INOUE Masayoshi (Fukuoka Institute of Technology);
SUZUKI Takaaki, KODAMA Motomune, TANAKA Hideki (Hitachi Ltd);KUMAKURA Hiroaki (NIMS); KISS Takanobu (Kyushu Univ.)
E-mail: a.kunimasa@super.ees.kyushu-u.ac.jp
1. はじめに
現在、応用に向けて長尺の MgB2 線材の研究が盛んに行われている。しかし、実用化されているほかの金属系超伝導体と比べて特性が劣っており、特性の向上が期待されている。MgB2 線材の特性は局所特性低下部により制限されるため、局所的な評価が必要となる。また、線材は磁性シースを有しており、品質管理の点では、非破壊での評価が不可欠である。そこで我々は、磁性シース材の飽和磁界領域を利用した手法により、局所的で非破壊の評価に成功している。特性の向上のためには臨界電流特性と組織構造を対応させ、制限因子の解明が必要である。そこで本研究では、臨界電流分布とフィラメントの総断面積を評価し、これらの対応をとることを試みた。

(b)(a)
Fig. 1. Photographs of the sample: (a) the cross section, and(b) a 10-mm-long piece for the measurement.

2. 方法
評価対象の試料は、in-situ PIT 法によって作成された MgB2 十芯線であり、Fig.1(a)にその断面図を示す。この線材は鉄やモネルといった磁性体をシースとして有している。10 mm 長の線材を走査型ホール素子磁気顕微鏡の試料ステージに Fig.1(b)のように設置して、磁界分布を測定した。外部磁界の減磁時と増磁時の分布の差分をとることで超伝導体由来の信号の取得を試みた。
差分により得られた分布と理論的な磁界分布とのフィッティングにより線材の臨界電流を評価した。さらに、X 線 CT を用いて、フィラメントの総断面積の取得を試みた。これらを用いて、臨界電流とフィラメント総断面積の相関関係を評価した。
3. 結果・考察
試料温度 5 K において外部磁界 3 T を印加した場合に、差分をとることで得られた磁界分布を Fig. 2 に示す。磁性シースの飽
和磁界は 2 T であるため、この磁界分布は磁性シースの影響を取り除くことができており、MgB2 由来の磁界分布を取得できているとわかる。また、フィッティングにより長手方向の臨界電流分布を取得した。各条件でも同様にして分布を取得し、それぞれ平均値を用いて規格化を行うことにより得られた分布を Fig. 3 に示す。
これより再現性がとれていることが確認できる。また、X 線 CT により得られたフィラメントの総断面積と臨界電流の分布の規格化をそれぞれ行った。そのときの両者の分布を Fig. 4 示す。この分布から相関係数が 0.67、p 値はʹǤʹͻ ൈ ͳͲି଺ であり、1% の有意水準で相関ありだと言える。この評価手法を用いることで、多芯のMgB2 線材の品質評価を非破壊で行い、制限因子の解明につながる基本的な技術になると期待できる。

Fig. 2. Magnetic field signal of MgB2 at 5 K, 3 T

Fig. 3. Distribution obtained by normalizing the criticalcurrent value of the whole wire

Fig. 4. Correlation diagram of total cross-sectional area offilament and critical value
謝辞：本研究は、JST ALCA Grant Number JPMJAL1001 の支援を得て行ったものである。

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第97回

2018年度秋季低温工学・超電導学会

3B-a07

MgB2 (2)

MgB2 素線の熱処理前断面変形による臨界電流特性劣化の解明
Investigation on Ic degradation of MgB2 strands by indentation applied before heat treatment process
上林 昌弘，神保 茉那，桑原 優介，高尾 智明，谷貝 剛（上智大学）；新冨 孝和，槇田 康博（KEK）；
濱島 高太郎，駒込 敏弘，塚田 健一（前川製作所）；平野 直樹（中部電力）；富田 優，恩地 太紀（鉄道総研）；
菊池 章弘（物材機構）；津田 理，宮城 大輔（東北大学）；繁森 敦，中島 健太郎（岩谷産業）
Masahiro Kamibayashi，Mana Jimbo，Yusuke Kuwabara，Tomoaki Takao，Tsuyoshi Yagai (Sophia Univ.); Takakazu Shintomi，Yasuhiro Makida (KEK); Takataro Hamajima，Toshihiro Komagome，Kenichi Tsukada (Mayekawa MFG. Co., Ltd.);
Naoki Hirano (Chubu Electric Power Co., Inc.); Masaru Tomita，Taiki Onji (RTRI); Akihiro Kikuchi (NIMS);
Makoto Tsuda, Daisuke Miyagi (Tohoku Univ.); Atsushi Shigemori, Kentaro Nakajima (Iwatani Corp.)
E-mail: mskm235711@gmail.com

4．実験結果
実験結果を Fig. 2 に示す。概ね 30 フィラメントの試料では凹み量に従って Ic の劣化が大きくなっている。一方，６フィラ
メントの試料では劣化と凹み量の相関が見られなかった。その原因として，断面形状を観察した結果フィラメントの破損状
態が異なっていることによるものと推測された。
80@4K, 5T@4K, 4T

60

100

0

Ic [A]

2．試料作製
本実験では、Hyper Tech 社製の MgB2 線材（線径 0.83 mm，
30 及び 6 フィラメント，モネル被覆）を使用した[1]。作製した試料一覧を Table 1 に示す。また、Fig. 1 のように、ツイストピ
ッチに相当する交叉角をつけた 2 本の素線を上から一定の荷重で押し付けることにより、凹み変形を加えた。

3．測定条件
4 端子法により，それぞれの試料への通電を行った。外部
磁場は 30 本フィラメントの実験で 5T, 4.5T, 4T, 6 本フィラメントの測定で 4, 3.5, 3, 2.5, 2T と変化させた。 測定区間は、凹み部分を含めた中央 60 及び 40 mm の区間であり、Ic 基準は1μV/cm であった。

Ic[A]

1．はじめに
我々は、液体水素を用い 20 K にて運用される、MgB2 線を用いた SMES コイルの開発を行っている。そして、SMES コイルの実用化のために必要不可欠な大容量化に向け、ラザフォードケーブルを作製している。しかし先行研究において、臨界電流の劣化が確認された。その原因として、ケーブル作製
時に加わる外部からの歪が考えられる。そこで、人為的に凹みを加えた MgB2 線の臨界電流を測定し、X 線 CT 及び光学顕微鏡で内部構造を観察することにより劣化の原因を調査した。

Org
S82–300(14 degrees)
S82–400(14 degrees)
S82–500(14 degrees)
S82–600(14 degrees)

0

S58–300(22 degrees)
S58–300(22 degrees)
S58–300(22 degrees)
S58–300(22 degrees)

0.1
Indentation [mm]

0.2

40
20
0

0.1
Indentation[mm]0.2

Fig. 2. Ic measurement of specimens with 30 and 6 filaments

Fig. 1. How to make indentation
Table 1. Specimens of 30 and 6 filaments

5．X 線 CT 観察
凹みを加えた試料の劣化原因について、測定試料及び熱処理前後の断面の変化を調査するための観察用試料を別途用意し、X 線 CT 観察と断面観察を行った。その結果、熱処理
前は凹み変形に対する内部変化が存在しなかった一方、熱処理後の試料は Fig. 3 のように Cu 部分に変色が見られた。
凹み量が大きい試料内部において、Nb バリアが破れ、その結果熱処理によって Mg が Cu に拡散し、化合物が形成されているのが観測されている。これが劣化の起こった原因と推測される。6 本フィラメント線の断面観察については、現在進めているので当日発表する。

Fig. 3. Mg diffusion in specimens of 30 filaments(Ex. S82-600-14, S013-14)
参考文献
1. M. Tomsic et al. : “Development of magnesium diboride(MgB2) wires and magnets using in situ strand fabrication
method,” Physica C, vol. 456, 2007, pp. 203-208.

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