無絶縁高温超伝導コイルの評価
中村信行研究室

山西颯馬に示す。冷却には住友重機械工業社の 4 K ギフォー

1 序論

ド・マクマホン（Giﬀord McMahon:GM）冷凍機

1.1 背景RDK-415D を使用する。RDK-415D は直冷式の 2多価イオンとは 2 価以上の正イオンで、多価イオ段式冷凍機で、第 2 ステージは 4 K まで冷却可能でンは太陽コロナや核融合炉の中に多く存在する [1]。

ある。これによって冷媒を定期的に補充する必要が多価イオンを生成、研究するために我々の研究室なくなる。コイルの温度が最も高い部分でも 20Kで使用しているのが 2 種類の電子ビームイオント以下になることを目指す。

ラップ（Electron Beam Ion Trap:EBIT）である。

1 つ目が Tokyo-EBIT で全長 5m、最大電子ビー
ムエネルギーは 300keV、最大電流 300mA となっている [2][3]。ウランの電子を全て取り除いた裸イオンも生成可能で、ペニングトラップを行うこともできる [4]。2 つ目が CoBIT で、全長が 50cm 程度、最大電子ビームエネルギーが 1000eV で、電子ビームエネルギー 100-1000eV での運転が想定されている [5]。液体窒素での運転を可能として、Tokyo-EBIT よりランニングコストを抑えている。
1.2 新型 EBIT 装置開発の現状

図 1.1 装置概要 [6]ITER 内に不純物として混入するされるタングステンイオンのスペクトルのデータを蓄積するに表 1.1

あたって、30〜60 価程度の多価イオンを生成するには電子ビームエネルギー 1〜10keV 程度での運転が必要である。しかしこれは CoBIT では不可能であり、Tokyo-EBIT では過剰性能となる。また、強力な磁場が必要なペニングトラップができる装置は Tokyo-EBIT1 台のみである。そして、研究室にある装置は冷却に Tokyo-EBIT は液体ヘリウム、CoBIT は液体窒素を使用しており、定期的な補充

新型 EBIT の仕様 [6]最大電子ビームエネルギー50 keV最大電子ビーム電流

100 mA

最大磁束密度

3T

磁場の発生源

高温超伝導コイル

冷却方法

4 KGM 冷凍機

冷却温度

20 K 以下

高温超伝導コイルには住友電気工業株式会社のビが必要であり、立ち入りが制限された場所での運転

スマス系超伝導線（DI-BSCCO） Type HT-NX をには不都合がある。そこで Tokyo-EBIT と CoBIT使用する [7]。この線材の仕様を表 1.2、垂直磁場にの中間の性能を持つ無冷媒超伝導 EBIT の開発を対する臨界電流の温度変化を図 1.2 に示す。

行っている。
新型 EBIT の概略図と仕様を図 1.1[6] と表 1.1[6]1表 1.2

高温超伝導線材の仕様 [7][8]

表 1.3 完成した時の高温超伝導コイルの仕様 [6]住友電工 DI-BSCCO Type HT-NX
平均幅4.5±0.2 mm

中心磁場2.74 T

平均厚さ0.31±0.03 mm

電流250 A補強材料

ニッケル合金（30µm）

電流密度1.79 × 102 A/mm

臨界電流（77K）

180 A

巻き数240TURNS × 3 × 2

起磁力360000AT

断面形状（幅×厚さ）(9.0mm × 37.2mm) × 6

線材の長さ(58m × 3) × 2 =348 m

内径40 mm

外径114.4 mm

コイル間隔30 mm

2

試験用コイルでは既に、冷却試験及び励磁試験が行われている。試験装置の概要を図 1.3 に示す。
図 1.2

外部磁場と温度に対する臨界電流の大き冷却試験の温度測定箇所は図 1.3 中の赤文字が指さ [7]。横軸が外部磁場、縦軸が臨界電流である。

す赤丸の場所に対応する。最終的な温度は第 2 ス

例えば 0.1T のとき 77.3K であれば臨界電流は約テージが 10K、コイル上面が 35K、放射シールドが80A である。

49K、第 1 ステージが 39K となった。コイルの温コイル全体が 20 K 以下、コイルの中心磁場が 3T度を 20K 以下という目標には到達していない。励になるという想定で図 1.2 より臨界電流に対して余磁試験では 205A でクエンチが発生している。

裕を持たせるため、コイルの最大運転電流は 250Aと設定された。コイルの運転電流を基にコイルの中心磁場が 3T になるようコイルの巻き数や、DP コ
イル 6 つを 3 つずつに分けてスプリットコイルにするという形状が決定した。6 個の DP コイルを組み合わせてスプリットコイルとして完成した時の仕様を表 1.3 に示す。現在 6 つの DP コイルのうち 1つに相当する試験用コイルが完成している。このコ
イルを 20K 以下に冷却して、クエンチを起こさずに 250A を流すことが目標となっている。

図 1.3 試験装置の概要

2

1.3 熱侵入

真空チャンバー内で電流リードを直接 DP コイ

電流リードによる加熱はリード線の抵抗によるルに接続するとコイルへの熱侵入が大きくなり、コ

ジュール発熱と、リード線両端の温度差に伴う熱伝イルの温度が上昇してしまう。そこで電流リードを導による熱侵入がある [9]。リード線の抵抗による放射シールドに取り付けた中継端子につなぎ、中継ジュール発熱は次式で求められる。

端子からは超伝導コイルに使用した線材を電流リー

Q = I 2 ρL/s

ドに使用し、コイルまで繋げている。以降導入端子(1.1)

から中継端子までのリード線を銅リード線、中継端子からコイルまでのリード線を超伝導リード線とρ は抵抗率、L はリード線の長さ、s はリード線の記す。

断面積である。熱伝導による熱侵入は次式で求めら中継端子には無酸素銅のブロックを使用しているれる。

Q = λs(TH − TL )/L

ので高い熱伝導率を維持しつつ絶縁するため、放射(1.2)

シールドとの間に窒化アルミニウムのブロックを挟

λ は熱伝導率、TH はリード線の高温側の温度、TLんでいる。また、超伝導リード線は 1 本あたりに流はリード線の低温側の温度である。

れる電流を減らしてクエンチを防ぐため、入出力並列で 2 本ずつ、合計 4 本を使用している（3.2 章以

超伝導リード線の場合、超伝導状態であれば抵抗降は入出力 1 本ずつ、合計 2 本）。

による発熱がゼロになるのでリード線を伸ばせば伸ばすほど熱侵入の影響を減らせることになる。ま

3 結果と考察た、超伝導リード線の本数を増やすと 1 本あたりに冷却試験では、図 1.3 に示すコイルと放射シール流れる電流が減少するがその分だけ高温側からの熱侵入も大きくなる [10]。

ドの測温計で温度を測定した。温度が下がりきり、1.4 研究目的変化がなくなったところで励磁試験を行った。

3.1 銅リード線を取り除いての試験

先行実験ではコイル全体を 20K 以下に冷却し、クエンチなしで 250A の電流を流すという目標を達外部から放射シールドまでの電流リード（銅リー成できていない。この原因の 1 つとして 1.3 章で挙ド）線による加熱がなければどれくらいコイルが冷げた電流リードからの熱侵入で装置内部及びコイルえるのかを調べるため、銅リード線を取り除いて冷の温度が上がってしまうことがあげられる。しかし却試験を行った。

これについての対策はリード線を中継端子経由にし冷却試験ではコイルの温度は 15.5K、放射シールて、中継端子からコイルまでは超伝導リード線にしドの温度は 30K となった。銅リード線を取り除くたのみである。そこで電流リードによる加熱の影響ことで目標の一つであるコイルを 20K 以下まで冷が小さくなるよう引き続き、配線改良などを行い、やすことを達成することができた。

冷却・励磁試験の結果を比較しながら目標の性能を3.2 超伝導リード線を切断して冷却・励磁試験
放射シールドからコイルまでの高温超伝導線材に達成することを目指した。

よる超伝導リード線を入出力 2 本ずつ、合計 4 本

2 実験だったのを 1 本ずつ切断して冷却、励磁試験を行った。銅リード線経路変更の概略図を図 3.1 に示す。

試験装置の概要は図 1.3 で示した通りである。コ
イル電源には菊水電子工業株式会社の PAG8-300

1P200 を使用した。コイル電源から出力された電流は、銅撚線（KIV 100SQ）の電流リードを通って真空チャンバーに取り付けられた電流導入端子（A0221-2-CF）から真空チャンバー内に入る。

34 まとめと今後の展望
本研究では無冷媒超伝導 EBIT に使用する超伝導コイルにクエンチなしで 250A の電流を流せるよう、試験装置の改良を行った。まず電流導入端子から中継端子までの電流リードの熱侵入および抵抗による発熱の影響を取り除くことでコイルを目標の 20K 以下まで冷やせることがわかった。中継端子からコイルまでの電流リードを 4 本から 2 本とし、中継端子までの電流リードを中継端子付近まで

図 3.1 銅リード線経路変更の概略図

放射シールドの上部を通すことでコイルに電流が流冷却試験では、放射シールドの温度が 56K、コイせる状態のままコイルを 22K まで冷却できるようルが 24K になった。先行実験の結果と比べて放射になった。しかし現在まで先行実験の励磁試験の電シールドの温度が下がらなくなった一方で、コイル流値の結果を超えるに至っていない。

は温度が下がった。超伝導リード線を 2 本に減らし今後は中継端子からコイルまでの電流リードを 4たことで熱侵入が減少し、コイルの温度をより下げ本に戻した上で、超伝導リードの長さを伸ばしてられるようになったといえる。

冷却・励磁試験を行う。コイルにクエンチなしで励磁試験では、184A でクエンチが発生した。コ250A 流せるようになり次第、同様のコイルを増産

イルの温度は下がったが超伝導リード線の本数がし、複数個のコイルによる冷却・励磁試験を行う。

減ったことで 1 本あたりに流れる電流が増加し、結参考文献

果、クエンチする電流値が低下したと考えられる。

3.3 放射シールドまでの電流リードの経路を変え[1] 市川行和、大谷俊介「原子分子物理学ハンドて試験ブック」（朝倉書店、2012）

銅リード線によるコイルの加熱の影響を減らすた[2] 大谷俊介、桜井誠 プラズマ・核融合炉学会誌

め、銅リード線を中継端子付近までは放射シールド

73 巻 10 号 1063-1079と真空チャンバー内を通るようにし、中継端子付近[3] 西沢一生 修士論文 電気通信大学 (1996)

で放射シールド内に入って中継端子に接続するよう[4] 簑島真希 修士論文 電気通信大学 (2013)にした。

[5] 菊池浩行 修士論文 電気通信大学 (2008)

この状態で冷却、励磁試験を行った。冷却試験で[6] 玉井駿宏 修士論文 電気通信大学 (2018)は、第 1 ステージが 45K、放射シールドが 69K、コ[7] https://www.sei.co.jp/super/hts/type ht.html

イルが 22K となった。3.2 章と比べて放射シールド[8] https://www.sei.co.jp/technology/tr/bn190/pdf/190-の温度はさらに下がらなくなったが、コイルの温度03.pdfをより下げることができた。

[9] 荻原宏康 低温工学概論 -超伝導技術を支える励磁試験では、194A でクエンチが発生した。3.2

もの-（東京電機大学出版社、1999）

章よりは高い電流を流せるようになったが依然先[10] 辺見勉 博士論文 総合研究大学院大学 (2005)

行実験での励磁試験の結果を超えるには至っていない。

4