1D-a01

A15 線材

分散Sn法Nb 3Sn線材の開発
Development of Distributed Tin processed Nb3Sn wire
川嶋 慎也, 財津 享司 （神戸製鋼）； 村上 幸伸 （JASTEC）
KAWASHIMA Shinya, ZAITSU Kyoji, (Kobe Steel, Ltd.); MURAKAMI Yukinobu(JASTEC)
E-mail: kawashima.shinya@kobelco.com
1．はじめに見える箇所がSn芯部である。本サンプルが設計通りの銅比を示し、NMR マグネットをはじめとした高磁場用超電導マグネットの規則的なフィラメント配置と形状を維持したまま加工できていること

開発では従来に比べてコンパクトなマグネット開発が進んできが確認できる。

ている。超電導マグネットのコンパクト化には、高磁場領域でFig.2にoverall Jcの磁場依存性を示す。18T、4.2Kにおいてoverallの全断面臨界電流密度（overall Jc）の高特性化が必要である。

Jc＝264A/mm2が得られ、ｎ値は18Tで30以上の値を示した。これら

従来の高磁場用Nb3Sn 線材としては、15～16wt％ブロンズをの結果から、開発した分散Sn法Nb3Sn線材はNMRマグネットに利用用いた線材が採用されている。

[1][2]

ブロンズ中のSn濃度増加

可能な高磁場向け線材であることを確認した。

に よ っ て Jc 特 性 は 向 上 す る が 、 Cu 中 の Sn の 固 溶 限 界 が15.8wt%であるため、16wt％Snを超えるブロンズを用いた場合

4．まとめには硬いCu-Sn金属間化合物が生成してしまい、加工性に悪分散 Sn 法を用いた低銅比 Nb3Sn 線材の開発を行い、従来使用さ影響を及ぼしてしまう。このことから、Sn濃度増加による特性向れている高 Sn 濃度ブロンズを用いた線材を凌駕する高い overall Jc

上には大きな制約がかけられることになる。

特性を得た。さらに、良好な加工性や高 n 値も得ている。これらの結本報告で取り上げる分散Sn法では、線材全体としてSn濃度を増加させたとしても、加工工程を制御することにより金属間果から、低銅比分散Sn法線材は高磁場向けの実用的な線材の候補として考えることが可能である。

化合物の生成を抑制することが可能である。従い、高磁場下で高特性を示す線材の製造方法として分散Sn法を採用するこ参考文献ととした。また、さらなる超電導マグネットのコンパクト化に向け[1] T. Kiyoshi et. al, “Operation of a 930-MHz high-resolution NMRては臨界電流の向上が必須と考えられるため、低銅比の分散

magnet at TML,” IEEE Trans. On Appl. Supercond., vol. 15 in press.

Sn法Nb3Sn線材の開発を行った。本報告では、その加工性と[2] 宮崎隆好ほか : 第 65 回 2001 年度秋季低温工学・超電導学会
公演概要集, p. 164

特性を評価した結果を示す。
2．実験方法初めに、Nb棒をOFCケースに入れ、静水圧押出と伸線加工を行い、六角断面形状のNb単芯線を作製した。次に、Nb単芯線、241本をOFCケースに充填し、静水圧押出と伸線加工を行い、六角断面形状のNb多芯線を作製した。これとは別に、Tiを1.8wt% 添加したSn棒
をOFCパイプに挿入し、伸線加工により六角断面形状のSn単芯線を作製した。最後に、所望の銅比となる厚さのOFCパイプ内側にNbバリアを配置し、その中にNb多芯線 84本とSn単芯線 37本を組み込み、
線径φ1.0まで伸線加工を行い、銅比 0.34の線材を作製した。伸線

Fig. 1. Cross-sectional SEM image of non-reacted wire.

後の線材に種々の熱処理を施して特性評価サンプルとした。
臨界電流測定は14～18.5Tの磁場中にて、電界基準 Ec=0.1μ
V/cmで行い、この値を線材の全断面積で除し、overall Jcを求めた。
また、一部サンプルについては走査電子顕微鏡（SEM）で線材断面の観察を行った。
3．実験結果
今回設定した銅比 0.34の設計でも良好な加工性を示し、特性評
価の線径であるφ1.0まで断線を生じずに加工可能であった。Fig.1に熱処理前の線材横断面のSEMの反射電子像を示す。最も明るく― 49 ―

Fig. 2. Overall Jc versus magnetic field.

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

1D-a02

A15 線材

Cu-Sn-Zn 系ブロンズを母材とした Nb 3 Sn 多芯線材の組織と超伝導特性
Microstructure and superconductivity of Nb 3 Sn multifilamentary wires
with Cu-Sn-Zn system bronze matrix
菱沼 良光、三戸 利行(NIFS); 菊池 章弘、太刀川 恭治(NIMS); 谷口 博康、文珠 義之(大阪合金);
杉本 昌弘、高木 亮(古河電工)
HISHINUMA Yoshimitsu, MITO Toshiyuki (NIFS); KIKUCHIMONJU Yoshiyuki (OAW); SUGIMOTO Mas

Akihiro, TACHIKAWA Kyoji (NIMS); TANIGUCHI Hiroyasu,
ahiro, TAKAGI Akira (FURUKAWA Elec.)

E-mail:hishinuma.yoshimitsu@nifs.ac.jp
1. はじめに取扱い易い Nb3Sn 線材開発に向けて、Cu-Sn-Zn 系ブロンズが提案され、拡散熱処理後の残留 Zn による Nb3Sn 線材の機械的特性の改善や、Zn による Nb3Sn 層の生成促進等の効
果が期待されている[1]。Cu-Sn-Zn 三元系ブロンズ中に 19 本の Nb を組み込んだ前駆体を作製し、通常の線材加工を経由して Cu-Sn-Zn/Nb 19 芯前駆体線材を作製した。本報告では、
熱処理温度 700℃における熱処理時間に伴う Cu-Sn-Zn/Nb
多芯線材の組織や超伝導特性の変化について報告する。
2. 実験方法
Table.1 に示す組成を持つ Zn 添加ブロンズ母材(溶製径60mm)を水田式溶製法にて作製した。その後、19 本の Nb 丸棒(直径 5mmφ)をブロンズ母材に組み込み、HIP 処理及び押出加工を行った。その後、通常の伸線加工を行い、最終的に直径 1mm の 19 芯の多芯線材を得た。熱処理は線材を Zr 箔に包み、アルゴン雰囲気にて 700℃の 10h から 200h までの熱処理時間で行った。比較のため、通常のブロンズ法線材も熱処理を行った。熱処理後の Zn 添加 Nb3Sn 線材断面における組織観察については、Nb3Sn 相厚の測定、EPMA による組織観察と組成分析、SEM による破面観察を行った。また、超伝導特性は SQUID により臨界温度を測定した。
3. 実験結果
Fig.1 に EPMA による CSZ-C 線材断面の元素分布結果を示す。Nb 芯界面に均一な Nb3Sn 相が生成した。また、Zn と Cu
は Nb3Sn 拡散層中に存在せず、マトリックス中に均質に残留した。Fig.2 に CSZ-C 及び D ブロンズ母材における Sn 及び Zn
組成の熱処理時間変化を示す。Zn 添加しても通常のブロンズ法と同様に拡散生成は時間とともに進行した。また、A 及び B
試料のブロンズでも類似した Sn と Zn 量の変化を示した。
Cu-Sn-Zn 3 元系でも Cu-Sn 2 元系と同様な Ti 添加による
Nb3Sn 層の生成促進効果が認められた。さらに、19 芯線材を409 本組み込んだ(Nb 芯：7771 本)極細多芯線(0.9mmφ)の加工も行った。
Table1 Composition of the bronze used in 19-corewires.
Sample (Symbol)

Bronze matrix composition (wt%)

CSZ-A (A)Cu-10Sn-10Zn-0.3Ti

CSZ-B (B)Cu-12Sn-6Zn

CSZ-C (C)Cu-12Sn-6Zn-0.3Ti

CSZ-D (D)Cu-13.5Sn-4Zn-0.3Ti

Ref.wire (F)Cu-14Sn-0.2Ti

Fig.1 EPMA mapping on the cross-section of 19-core
CSZ-C wire heat treated at 700℃ for 200h.

Fig.2 Sn and Zn concentration in the bronze versus thereaction time at 700℃ for 19-core CSZ-C and D wires. The
results in the Ref.F wire are also illustrated.
参考文献[1] 太刀川、第 86 回秋季低温工学・超電導学会講演概要集、p.68

謝辞
本研究は NIFS 運営交付金 (連携研究 UJGG002)、NIFS 一
般共同研究(KECF008)にて実施された。SQUID 測定は分子研ナノテクノロジープラットフォ－ム事業の援助を受けた。

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第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

1D-a03

A15 線材

中性子回折を用いた Nb3Sn ラザフォードケーブルの内部ひずみ測定
Internal strain measurement for Nb3Sn Rutherford cable by neutron diffraction
高橋 弘紀，小黒 英俊，淡路 智，渡辺 和雄（東北大）；
ハルヨ ステファヌス，川崎 卓郎，相澤 一也，辺見 努（原子力機構）; 中本 建志（KEK）
TAKAHASHI Kohki, OGURO Hidetoshi, AWAJI Satoshi, WATANABE Kazuo (Tohoku Univ.);
HARJO Stefanus, KAWASAKI Takuro, AIZAWA Kazuya, HENMI Tsutomu (JAEA); NAKAMOTO Tatsushi (KEK)E-mail: kohki@imr.tohoku.ac.jp
1．はじめに
Nb3Sn は強磁場用超伝導線材として磁場特性に優れ，多くの適用実績を持つが，一方でひずみ感受性が非常に強い物質でもある。そのため，Nb3Sn 線材における超伝導特性のひずみ依存性を理解することは，その応用上極めて重要である。近年，強磁場化する超伝導マグネットに対応するため，
Nb3Sn 線材を素線としたラザフォードケーブルが作製されている[1]。ラザフォードケーブル内の素線は一定のピッチで撚り合わされており，素線の軸はケーブルの長手方向とある角度を持っている。そのため，ケーブル長手方向に印加した応力が素線のひずみに与える影響を正しく評価するためには，量子ビームによる線材内部ひずみの測定が有効である。我々はこれまで，中性子線や放射光を用いることで，Nb3Sn 線材の内部ひずみを３次元的に測定し，超伝導特性のひずみ依存性の理解を進めてきた[2]。そこで今回は，ラザフォードケーブ
ルでの Nb3Sn 線材の機械的特性を調べるため，室温と低温における引っ張り応力下での内部ひずみを中性子回折を用いて測定したのでその結果を報告する。
2．実験方法測定に用いたラザフォードケーブルは，素線として0.8
mm のブロンズ法 Nb3Sn 超伝導線材を使用したものである。
補強材には Nb ロッド法で作製した CuNb を用い，フィラメント
の外側に配置した断面構造となっている。この素線 16 本を束ねて平角状のケーブルにしてから熱処理を行った。Table1 に素線とケーブルの諸元を示す。測定は，内部歪み状態を変えるため室温で直径 65 mm のプーリーに繰り返し通すことで事前曲げ処理を施した試料（PB）と処理無しの試料（w/oPB）について行った。中性子回折実験は J-PARC の物質・生
命科学実験室（MLF）に設置してある工学材料回折装置「匠」
を用い，室温及び低温（11 K）において引っ張り荷重を印加しながら行った。匠は入射ビームと垂直方向に試料を挟んで南
北２つの検出器バンクを持つため，線材試料を入射ビームに対して 45 度傾けて配置することで，線材長手方向と横方向の歪みを同時に測定することが可能である。
格子ひずみの算出においては，ひずみの基準となる格子定数（d0）を求めるため，素線から取り出した Nb3Sn フィラメント

をバナジウム管に詰めたものを室温および低温で試料とし，d0 との差を格子ひずみとした。
3．結果と考察
Fig. 1 に室温において測定した Nb3Sn (321)面の応力−ひずみ曲線を示す。図には同時に伸び計で測定した結果も示してある。また，残留ひずみの値を Table 2 に示す．長手方向（Axial），横方向（Lateral）のどちらの残留ひずみも，事前曲げ処理によって緩和されていることが分かる。全体的な応力−
ひずみ曲線の振る舞いは，素線において見られた結果と定
性的には同じ振る舞いを示すことが分かった。
また，長手方向の応力−ひずみ曲線を伸び計の結果と比較すると，どちらの試料においても，ある応力以上では中性子で測定した内部ひずみの方が伸び計で測定したマクロなひ
ずみよりも小さくなっている。これは，撚ったケーブルを引っ張ることによる撚り締まりの効果が伸び計では見られていると考えられる。このことは，ラザフォードケーブル中の Nb3Sn のひずみ状態を正確に把握するためには，量子ビームによる内部ひずみ測定が必要不可欠であることを示している。
当日は低温での測定結果も含め，その他の解析についても報告する．
参考文献
1. M. Sugimoto, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 87(2013) p. 150.
2. S. Awaji: Supercond. Sci. Technol. 26 (2013) 073001.
Table 2. Residual lattice strain of the Nb3Sn at room
temperature.
Axial
Lateral
Axial
Lateral

PB
w/o PB-0.064%-0.007%-0.198%0.028%

Table 1. Specification of the CuNb/Nb3Sn strand and the
Rutheford cable used in this study.
StrandBronze-processed Nb3Sn
Nb-rod-method Cu-20vol%Nb
0.8 mm
20% / 35% / 45%
3.3 m
20 mm (S)
Rutherford cable
Number of strands
16
Heat treatment
670°C 96 hr
Dimensions
6.5 mmw 1.5 mmt
Cabling pitch
65 mm (Z)Superconductor
Reinforcement
DiameterCu / CuNb / non-Cu
Filament diameter
Twist pitch

Fig. 1. Stress-lattice strain curves obtained from the 321
diffraction peak of Nb3Sn in the Rutherford cables withthe curves of the extensometer.

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第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

1D-a04

A15 線材

中間急冷焼鈍を利用した Nb3Al 超伝導線材の開発

Fabrication of Nb3Al superconductors using intermediate rapid-quenching process
伴野信哉, 竹内孝夫（物材機構）; 中川和彦（SH カッパー）
BANNO N, TAKEUCHI T (NIMS); NAKAGAWA K (SH Copper)
E-mail: banno.nobuya@nims.go.jp
1．はじめに
急熱急冷・変態法 Nb3Al 超伝導線材では、ヘリウム温度での低磁界不安定性を抑制するために Ta バリアを用いた線材構造を採用しているが、ここ数年、Ta の加工限界により最終径に到達する前に断線してしまうことが大きな問題となっている。根
本的な問題は、Nb/Al 複合線材において中間焼鈍ができないことである。高融点金属である Nb の軟化には約 800℃以上の高温が必要であるが、低融点金属である Al と反応せずに
800℃以上の熱処理を行うことは不可能であり、そのため中間焼鈍を行わなくても済むよう加工限界を抑えた設計となっている。しかしながら Ta の加工限界はさらに低く、従来設計では立
ち行かなくなってきており、根本的な解決策が望まれている。
本研究では、これまで Nb-Al 過飽和固溶体線材を生成するために用いられていた急熱急冷処理を、中間焼鈍の代わりに利用する急冷焼鈍技術を提案する。実際に Nb/Al 複合線材に対し、急冷焼鈍を適用した際の界面反応や硬度、加工性を調べたので報告する。
2．実験方法作製にあたり、ロッドインチューブ線材の他に、通常より厚めのジェリーロール（JR）・シングルビレットを準備した。本稿では
JR 線材の例について報告する。JR ビレットは静水圧押出しと伸線加工により減面し、線径 1.38mm の JR 線材とした。このときのAl 層厚は平均 7.5μm である。これを、電極間距離を約 13cm、通線速度 0.3m/s として急冷焼鈍を行った。その時の制御電圧条件を 4V～10V で変化させ、生成相や界面の状態を光学顕微鏡及び FESEM で観察した。また各条件において、Ta 外皮、
Nb 層、Al 層それぞれのビッカース硬度を測定した。
3．結果と考察
Fig. 1 に JR シングル線材の断面写真を示す。外側の外皮はTa で、その内側は Nb/Al の多層構造となっている。本線材を条件 4～10V と変えて急冷焼鈍したときの硬さの変化を Fig. 2に示した。Ta は条件 6V 付近から、Nb は 5V 付近から軟化を始める様子がわかる。一方 Al は 7V 以上で急激な変化を示した。
次に生成相の変化の様子を SEM により観察した。硬さが変化する条件近傍の Nb/Al ジェリーロール部の様子を Fig. 3 に示す。Al と Nb の界面をよく見ると、5V では反応相は見られないが、
6V では Al 側の界面に非常に小さい反応相が現れている。電圧が増加するにつれて、反応相は大きくなり、8V では Al 層部
がほぼすべて反応して Nb-Al 化合物相が生成されている。Fig.
4 には、条件 8V の EPMA マッピング像を示した。Nb が Al 相内
深くまで拡散していることがわかる。点分析では Al 層において40 at%の Nb が検出された。Al の硬さの急激な変化は、化合物相の生成のためと考えられる。

Fig. 1. Cross-section of JR single wire.

Fig. 2. Variation of Vickers hardness at Ta, Nb and Al parts
as a function of intermediate RHQ voltage.

Fig. 3. SEM images of Nb/Al layer boundary at intermediate
RHQ conditions of 5 V (upper left), 6 V (upper right), 7 V(lower left), 8V (lower right).

Fig. 4. EPMA mapping of Nb (left) and Al (right) layers at acondition of 8 V.
なお本研究の一部は科研費補助金（基盤研究(C), 23560379）により実施された。

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第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

1D-a05

構造材料

極 低 温 に お け る Ti-6Al-4V 合 金 鍛 造 材 の 破 壊 靱 性 に 及 ぼ す 組 織 の 影 響
Effect of microstructure on fracture toughness for Ti-6Al-4Valloy forging
at cryogenic temperatures
由利 哲美 、小野 嘉則、緒形 俊夫（物質・材料研究機構）; 長尾 直樹、砂川 英生（宇宙航空研究開発機構）
Tetsumi Yuri, Yoshinori Ono, Toshio Ogata（NIMS）; Naoki Nagao, Hideo Sunakawa (JAXA)
E-mail: YURI. Tetumi@nims.go.jp
1 ．はじめに
現在、国産宇宙ロケッ トエンジンのターボポンプ用材料に
Ti-5Al-2.5Sn ELI（Extra Low Interstitial）合金 1)が使用されている。ターボポンプ用材料は、極低温下で高速回転する部位に適用されるため、極低温における高サイクル疲労特性と破壊靱性の把握が重要である。これまでに我々は、Ti-6Al-4V（Ti64）合金
鍛造材（（α+β）-anneal 材）にβ域から炉冷、空冷および水冷を施した材料（針状組織）を用い、極低温における高サイクル疲労
特性について報告した。それらによると、107 回疲労強度は、各β-anneal 材の方が（α+β）-anneal 材より高く、また Ti64ELI 合金
鍛造材（（α+β）-anneal 材）よりも高いこと等を報告した 2)。一方、極低温での破壊靱性に影響する因子には、酸素量等の不純物
元素量があり 3)、一般的に極低温では不純物元素量を低減した
ELI 材が使用されている。しかしながら、Ti64 合金の針状組織材
は、極低温でも ELI 材（（α+β）-anneal 材）より高い破壊靱性を示すことが報告されている 4)。本研究では、Ti64 合金を用いて、β域まで加熱後、炉冷、空冷および水冷を施し針状組織を変えた材料で、20 K ガスヘリウム（GHe）中における破壊靱性試験を行い、破壊靱性に及ぼす組織の影響について調べた。また、得られた結果より、107 回疲労強度-破壊靱性バランスの検討も行った。
2 ．実験方法
供試材は、前報と同じ Ti64 合金鍛造材 2) （φ350×200、AMS4928 相当、940℃-120min 保持後水冷、705℃-170min 保持
後空冷）の（α+β）-anneal 材を用いた。試験片サイズの短冊状に切断後、β域温度の 1050℃-60min 保持後、炉冷（FC）、空冷（AC）および水冷（WQ）を施し、その後 720℃-120min 保持後炉冷を行った。比較のため、Ti64ELI 合金鍛造材（φ300×200、AMS4930 相当、920℃-60min 保持後水冷、705℃-120min 保持
後空冷）の（α+β）-anneal 材を用い、これについては FC 材のみ作成した 5)。破壊靱性試験は、20 K（GHe 中）、77 K（液体窒素中）および 293 K（大気中）にて行った。20 KGHe 中における試験
は、冷凍機を用いて試験片を冷却しながら、ヒーターによる温度制御方法により実施した。試験片は、1/2TCT 試験片を用いた。
293 K における試験は、ASTM E 1820-08a に準拠した弾塑性破壊靱性試験 JIC 試験 6)を、77 K および 20 KGHe 中における試験
は、ASTM E 399-06 に準拠した平面ひずみ破壊靱性試験 KIC 試験 7)を行った。試験後、SEM による破面観察等を行った。
3 ．実験結果
Fig.1 に、Ti64 合金の（α+β）-anneal 材および各β-anneal材の各試験温度における破壊靱性を示す。各材料とも、試験温度の低下とともに破壊靱性は低下している。β域からの冷却速度が遅い WQ 材、AC 材、FC 材の順、すなわち針状組織の幅のサイズが大きいほど破壊靱性は高い値を示している 4)。20 K においても FC 材および AC 材は、（α+β）-anneal 材よりも高い値を示す。Fig.2 に 20 K における Ti64 合金の（α+β）-anneal 材と各β-anneal 材の 107 回疲労強度と破壊靱性の関係を示す。20 K
における 107 回疲労強度は、（α+β）-anneal 材、FC 材、AC 材、WQ 材の順に高くなっていく 2)。図中には、現在ターボポンプ用材料として使用されている Ti525ELI1)合金と比較材の Ti64ELI 合
金の（α+β）-anneal 材と FC 材 5)も示してある。Ti64ELI 合金 FC
材の破壊靱性は最も優れており、また（α+β）-anneal 材よりも疲
労強度は上昇しており、107 回疲労強度-破壊靱性バランスはTi525ELI 合金を上回る。一方、Ti64ELI 合金よりもコスト的に有利である Ti64 合金の FC 材および AC 材も、Ti525ELI 合金と同等
あるいは上回る良好な 107 回疲労強度-破壊靱性バランスを示す
ことがわかった。SEM による破面観察結果については、発表当日に行う予定である。
参考文献(1) NIMS SPACE USE MATERIALS STRENGTH DATA SHEET
No.1: National Institute for Materials Science, Japan (2003)(2) T.YURI,et al.: Abstracts of CSJ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ,Vol.86 (2012)
p.225(3) K.Nagai,et al.: ISIJ International, Vol.31 (1991) No.8 p.882(4) K.Nagai,et al.: Trans. of JIM, Vol.26 No.6 (1985) p.405(5) T.YURI,et al.: Abstracts of CSJ Conference,Vol.85(2011) p.53
(6) ASTM E 1820-08a: Standard Test Method for Measurement of
Fracture Toughness(7) ASTM E 399-06: Standard Test Method for Linear-Elastic
Plane-Strain Fracture Toughness KIC of Metallic Materials― 53 ―

Fig.1 Temperature dependence of fracture toughnessof (α+β) and β-annealed Ti-6Al-4V alloy.

Fig.2 Relationship between fatigue strength at 107 cycles(R=0.01) and fracture toughness at 20 K.

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

1D-p01

LTS デバイス (1)Floating ground plane 構造を用いた直列バイアス SFQ 回路の評価
Evaluation of serially biased SFQ circuits using floating ground plane structures
高橋 章友，山梨 裕希；吉川 信行
TAKAHASHI Akitomo， YAMANASHI Yuki; YOSHIKAWA Nobuyuki
E-mail: takahashi-akitomo-vp@ynu.ac.jp
1．はじめに現在、Single-Flux-Quantum (SFQ) 回路の大規模集積化に伴いバイアス電流の増加が無視できなくなっている。SFQ
回路はその特徴・構造上から外部磁場の影響を受けやすい
ため、供給バイアス電流量を可能な限り低減させる必要がある。そこで、低バイアス化の方法として直列バイアス供給法を用いたカレントリサイクル技術が提案されている[1]。
カレントリサイクルとは必要バイアス電流量が等しい各回路ブロックを異なるグランドプレーン上に配置し、それらを直列接続し、バイアス電流を供給することでバイアス電流量を低減する手法である。また、カレントリサイクルを実現するためには、異なるグランドプレーン間を非接触で信号伝送するためのDriver/Receiver (DR)回路が必要となる。
今回我々は、Driver/Receiver 回路の安定動作を実現する
ために、新しい floating-ground-plane (FGP)構造を提案し、評価した。
2．直列バイアス供給法を用いた SFQ 回路の構造
従来の直列バイアス SFQ 回路では、図 2(a)に示すように
DR 回路の磁気カップリング部の直下にグランドプレーン境界が存在し、この境界から侵入する外部磁場により DR 回路の動作に影響を与えていた。実際に、従来の構造を用いた直列
バイ アス SFQ回 路 は 正 常 動 作 が 確 認 さ れ て い る が[2]、バイアスマージンは縮小、シフトする傾向にあり、外部磁
場 の 影 響 を 受 け や す い 構 造 で あ る と 考 え ら れ る 。そこで 、この問題を解決するために、我々は新たに図2(b)に示す
floating-ground-plane (FGP)構造を提案した。FGP 構造では、最下グランド層である GND1 層によりグランドプレーン境界が完全に覆われるため、DR 回路のカップリング部は外部磁場から完全に保護される。
3．テスト回路の設計と測定結果
従来構造と FGP 構造における直列バイアス SFQ 回路の動作を比較するため、我々は図 2 に示すような小規模回路を設計した。本回路は 4-bit の Shift Resister (SR)が直列に 2 段接続されている。また、本回路の測定により、FGP 構造を用いた直列バイアス SFQ 回路の正常動作を確認することができたが、従来構造の回路は正常に動作しなかった。図 3 にシミュレー
ションと FGP 構造を用いた回路の測定における DC 電流バイ
アスマージンの比較を示す。

(a)

(b)
Fig.1 Cross-sectional view of serially biased SFQ
circuits using AIST Nb 9-layer Josephson
integrated-circuit process. (a) Conventional structure.
(b) New floating-ground-plane (FGP) structure.

Fig.2 Block diagram of test circuits. Two stages of 4-bit
shift resisters (SR) designed by using the conventional(right) and FGP (left) structures are biased serially.

*本研究に使用された回路は、(独)産業技術総合研究所(AIST) の 超 伝 導 ク リ ー ン ル ー ム (CRAVITY) に お い て 、AIST-ADP2プロセスを用いて作製された。AIST-ADP2は、(公財)国際超電導産業技術研究センター（ISTEC）のニオブ集積回路プロセスをAISTにて発展させたものである。
参考文献
1. M. W. Johnson, et al.: IEEE. Trans. Appl. Supercond.,
vol.13, No.2, (2003).
2. A. Takahashi, et al.: in Proc. Ext. Abstracts 14th Int.
Supercond. Eletron. Conf. (ISEC 2013), Boston, MA,(2013).

― 54 ―

Fig.3 Comparison of simulated and measured DC current
bias margins of serially biased SFQ circuits using the
FGP structures.

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

1D-p02

LTS デバイス (1)

高速物理乱数生成器の安定化に向けたオンチップ処理回路の試作とその効果
Implementation and Effectiveness of On-Chip Data Processing Circuits for High-Speed
Superconductive Random Number Generator
蜂谷 駿介，山梨 裕希, 吉川 信行（低温工学会）
HACHIYA Shunsuke， YAMANASHI Yuki, and YOSHIKAWA Nobuyuki (CSJ)
E-mail: hachiya-shunsuke-mh@ynu.ac.jp
1．はじめに暗号通信のセキュリティを高めるために物理乱数が着目されている。物理乱数生成器[1][2]の生成速度は一般的に遅く、高速に物理乱数を生成できるデバイスが求められている。
我々は超伝導単一磁束量子回路における電流比較回路
を用いて高速（数十 Gbps） に物理乱数を生成できるデバイ
スの開発を進めている[3]。しかし、生成速度の増加に伴い前後のビット間に相関が大きくなる問題が発覚した。
そこで、処理回路を用いることによって物理乱数生成器
から出力される乱数の相関を小さくし、より高速に物理乱数を生成できる方法を考案した。今回の発表ではその回路の試作・動作検証とその効果について調査した。
今回の測定結果では 100 kbps の低速測定でさえ前後のビット間に相関が現れてしまったが、後処理回路によって相関を小さくすることに成功し、乱数検定試験[4]に合格する乱数を得ることができた。高速測定(10 Gbps)においては得られた乱数の相関が大きすぎたために後処理を行っても乱数検定試
験には不合格だったが、相関を小さくできることを示した。
2．超伝導物理乱数生成回路
図 1 に電流比較回路を用いた物理乱数生成回路の回路図を示す。制御電流が小さい場合には出力が得られず出力確率が 0 になる。それに対して制御電流が大きい場合には出力確率が 1 となる。実際の回路には熱雑音が存在し、出力が確率的になる領域が存在するので出力確率が 0.5 となるような制御電流を動作点とすることによって物理乱数生成器として動作する。

Fig.2 The block diagram of on-chip data processing circuits
排他的論理和をとることができ、乱数の隣接ビット間の相関を小さくすることが出来る。
4．低速測定における検定結果の比較
表１に低速における乱数測定の処理なしと処理ありにおける15 種類の乱数検定結果を示す。
処理なしの検定結果が 15 個中 5 個の割合で乱数検定試験に合格しているのに対し、処理後の検定結果は 15 個中 15 個の検定試験に合格しているので、処理によって乱数の質が向上していることが分かる。特に Runs の検定は隣接ビット間の相関に大きくかかわる検定であるので、検定結果を見ると隣接ビット間の相関が小さくなっていることが分かる。
高速試験においては、処理前の乱数の隣接ビットの相関が大きすぎたために処理を行っても乱数検定に合格することが出来なかったが、全体的に改善傾向が見られ隣接ビット間の相関が小さくなることが確かめられた。
Table 1 Statistical test of w/o processing and w/ processing
in low-speed(100 kbps) test
Statistical test
Frequency
BlockFrequency
CumulativeSums
Runs
LongestRun
Rank
FFT
NonOverlappingTemplate
OverlappingTemplate
Universal
ApproximateEntropy
RandomExcursions
RandomExcursionsVariant
SerialLinearComplexity

Fig.1 The equivalent circuit of random number
generator with comparator
3．後処理回路
今回設計した後処理回路のブロック図を図２に示す。この後処理回路は得られた物理乱数に隣接ビット間の相関がある場合にその相関を小さくするための回路である。処理回路の動作を図 2 を用いて説明する。図中の丸番号は n
ビ ッ ト 目 の 乱 数 を 示 す 。 乱 数 生 成 器 (Random Number
Generator :RNG)より出力された乱数は NDROC によって交互に分岐される。分岐されたうちの片方には 2 bit の遅延回
路 を挟 み 、 分 岐 さ れた ビ ッ ト の 排 他 的 論 理 和 (exclusive
OR : XOR)をとる。このようにすることによって 1 bit 目と 6 bit
目、3 bit 目と 8 bit 目といったように 5 ビット離れたビット間のw/o processing
ProResultportion
027/40
×0.105618
40/40
○
0
27/40
×
0
0/40
×
0.437274
39/40○
0.534146
39/40
○
0
0/40
×
0
0/40
×
0
19/40
×
0
0/40
×
0
0/40
×
0
8/13
×
0.001399
12/13
○
0
0/40
×
0.162606
40/40○
P-valuew/ processing
ProResultportion0.311542
40/40○
0.066882
39/40○
0.392456
40/40○
0.213309
39/40○
0.186566
40/40○
0.041438
39/40○
0.941144
40/40○
0.0126538/40○
0.484646
40/40○
0.242986
38/40○
0.534146
38/40○
0.00013419/19○
0.000120
19/19○
0.311542
40/40○
0.066882
40/40○

P-value

謝辞
本研究に使用された回路は、(独)産業技術総合研究所(AIST) の 超 伝 導 ク リ ー ン ル ー ム (CRAVITY) に お い て 、AIST-STP2プロセスを用いて作製された。
参考文献
1. C. S. Petrie et al., IEEE Trans. Circuits Syst. I, Fundam.
Theory Appl, vol.47, pp. 615-621, 2000.
2. A. Uchida et al., Nature Photonics, vol.2, pp.728-732, 2008.
3. T. Sugiura, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.21,
pp.843-846, 2009.
4. NIST, Special Publication 800-22 Rev. 1, 2008.

― 55 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

1D-p03

LTS デバイス (1)単一磁束量子回路の１０K 動作に向けた NbTiN 薄膜の作製と評価
Preparation and evaluation of NbTiN films towards 10K operation of single-flux-quantum logic
circuits
坂本 隼也，赤池 宏之, 藤巻 朗（名大院工）SAKAMOTO Shunya， AKAIKE Hiroyuki , FUJIMAKI Akira (Nagoya Univ)
E-mail: sakamoto@super.nuqe.nagoya-u.ac.jp

2．実験手法
NbTiN 薄膜は、反応性 RF マグネトロンスパッタ法を用いて室温にて堆積させた。用いたターゲットは、NbTi (重量比 5:1,
ターゲットサイズ 3 inchφ)、基板には酸化膜付 Si を用いた。
到達真空度は約 1.5×10-4 Pa であった。成膜に際しては、Ar
流量を 40 sccm と固定し、N2 流量を変化させることで窒素分圧比を変化させた。堆積条件を最適化するにあたり、可変のパラメータが多いが、NbTiN 中の窒素の分量が NbTiN の様々な相を決めることから窒素分圧比依存性の調査を行った。今回の実験では 2-4%の間で窒素分圧比を変化させた。2 スパッタ
電力は 150 W、スパッタリング圧力は 0.6 Pa である。成膜した
NbTiN 薄 膜 の 膜 厚 は 200nm 程 度 で あ り 、 堆 積 レ ー ト は
35nm/min であった。
薄膜の評価として、臨界温度 Tc と表面粗さの指標である
二乗平均平方根粗さ(Rms: Root-mean-square)に着目した。
Tc は SFQ 回路の高温動作の指標、Rms 値はジョセフソン接合を作製する際に重要なパラメータとなることが予想されるからである。また、成膜したそれぞれの薄膜に対して XRD 測定を行った。
3．実験結果と考察
実験結果を Fig.1 に示す。窒素分圧比の変化に伴い、Tc、Rms が変化していることが分かる。窒素分圧比に対して比例するように Tc は上昇するのに対し、Rms は 0.35-0.57 nm の範囲となり、窒素分圧に対して大きな相関は見られなかった。Tcの最大値が得られた条件は、窒素分圧比が 3.9%の時であり、

16

0.8

14

0.7

12

0.6

10

0.5

8

0.4
0.3

6
Tc(K)

4

0.2

Rms(nm)2

Rms(nm)Tc は 14.5 K、Rms は 0.44 nm であった。窒素分圧比が 3.9%の時の XRD 測定図を Fig.2 に示す。(111)配向面のピークと(200)配向面のピークが同程度の強度で混在していることが分かる。また、今回の実験では、窒素分圧比の変化に伴い、(111)配向面のピークと(200)配向面のピークの強度比の変化が確認された。このことから、窒素分圧比が変化することによって NbTIN の結晶構造が変化し、特性が変化しているものと考えられる。現在、さらなる NbTiN 薄膜の条件出しを行い、NbTiN を用いたジョセフソントンネル接合の作製を行っている。

Tc (K)

1．研究背景単一磁束量子回路(SFQ 回路)はジョセフソン接合を組み合わせることで構成され、高速動作・低消費電力性を有する回路である。この SFQ 回路は、現在、製造技術の信頼性の高さから Nb 技術を用いて作製されており、動作温度は 4K である。そのため、回路冷却用の冷凍機を考慮したシステムの観点から消費電力を考えると、他技術に対する優位性が必ずしも十分でない可能性がある。従って、今後、回路動作温度の高温化が、回路自身の消費電力の低減化と同様に重要と思われる。
我々は、これまでに、集積化を可能にする NbN 接合技術の検討を行ってきた 1。NbN は 1６K を超える臨界温度 Tc をもつため、SFQ 回路の 10K 程度までの高温動作化が期待できる超伝導材料である。ただし、良質な NbN 薄膜を得るには結晶構造の制御が不可欠であり、基板材料あるいは下層の結晶性が重要となる。集積回路においては、配線を含め多層化が必須であり、層間絶縁層に SiO2 膜が使われることを考慮す
ると、その上に良質な薄膜を形成することが可能な材料が望ましい。そこで我々は今回 NbTiN に着目した。NbTiN は NbNと同程度の Tc をもち、さらに、下地基板材料によらず良質な薄膜を形成することが可能であることが知られている。さらに、
NbTiN は NbN よりも低い抵抗率ρ、短い磁場侵入長λをもつ。
短いλは、回路設計上、寄生インダクタンスの低減に繋がり、回路設計上都合がよい。以上のことから、今回、NbTiN を用いて SFQ 回路を作製すべく、NbTiN 薄膜の作製と評価を行っ
た。

0.1
0

0
2

2.5

3
3.5
Flo w ratio N2 /Ar ×100 (%)

4

4.5

Fig.1 Dependence of Tc and Rms on the N2 flow ratio for
NbTiN films prepared at the total sputtering pressure of
0.6Pa with an Ar gas flow rate of 40 sccm.
(111)
peak

(200)
peak

Fig.2 XRD pattern for an NbTiN thin film prepared on a
Si substrate at a sputtering pressure of 0.6Pa with a 3.9%
N2/Ar flow ratio.
4．謝辞
この研究の一部は、JST-ALCA「低エネルギー情報ネットワーク用光・磁気・超伝導融合システム」、ならびに科学研究費挑戦的萌芽研究（25630171）、立松財団のもとで
行われた。
参考文献
1. H. Akaike, T. Funai, N. Naito, and A. Fujimaki, IEEE
Trans. On. Appl. Supercond., 23, 1101306 (2013).
2. H. Yamamori, H. Sasaki, and S. Kohjiro, Jpn. J.
Appl.Phys., 108, 113904 (2010).

― 56 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

1D-p04

LTS デバイス (1)PdNi 合金薄膜を形成した SQUID の磁場応答
Magnetic field response of SQUID with PdNi thin film
谷口 壮耶，伊藤 大, 赤池 宏之, 藤巻 朗（名大院工）TANIGUCHI Soya， ITO Hiroshi, AKAIKE Hiroyuki, FUJIMAKI Akira (Nagoya Univ.)
E-mail: taniguchi@super.nuqe.nagoya-u.ac.jp
1．はじめに半導体集積回路に比べ高速かつ低消費電力で動作する
単一磁束量子（SFQ）回路は次世代のデバイスとして期待されている。しかし現在 SFQ 回路の高速性に見合った高集積可能なメモリが存在していないという課題がある。我々はこの課題に対して磁性体を用いて解決することを目指しており、これまでは磁性ナノ粒子を用いた研究を行ってきた[1]。磁性体の持つ磁化の向きを制御し情報を記録させれば、状態の保持に超伝導ループは必要ないため、メモリセル面積の小さなメモリを実現することができる。また強磁性体を利用することで位相のずれたπ接合を作製することができ、フェイズシフタ[2]や新たな論理方式のデバイス[3]に利用することができる。
メモリデバイスへの応用を考えると、極低温下で磁性体の磁化を反転させる必要がある。今回は強磁性の性質の弱められた PdNi 合金を利用し、この材料が SQUID の磁場応答に与える影響を調査した。
2．実験手法
まず Nb/AlOx/Nb による接合プロセスを用いて dc-SQUIDの作製を行い、PdNi 合金膜を持たない SQUID の外部磁場特性を 4.2 K で測定した。SQUID のループに対して磁場(Bcoil)を加えると SQUID を流れる臨界電流(Ic)が変化する。この変化
を外部磁場特性と呼んでいる。その後、SQUID 上に Pd と Niを同時スパッタすることで PdNi 合金を堆積させ、リフトオフプロ
セスや Ar イオンビームミリングによって PdNi 合金のパターンを形成した。最後に再度 SQUID の外部磁場特性を測定しPdNi 合金パターンによる SQUID の特性変化を調べた。図 1は実際に測定で利用された SQUID の顕微鏡写真である。
今回 SQUID に対して二種類の磁場を印加した。一つは外部磁場特性での Ic ピークのシフト評価のため-100～+100 T
程度の弱い磁場を、もう一つは磁化の反転の評価のために-2.5～+2.5 mT 程度の強い磁場を印加した。
SQUID 上に堆積した PdNi 合金の膜厚は 70 nm となっている。この PdNi 合金の Ni 割合は同時スパッタ時の Pd,Ni それぞれのスパッタレートの比で決められており、今回は Ni の割合
が 11, １7, 22at%となるサンプルを用意した。

3．実験結果・考察
図 2 は PdNi 合金中の Ni 割合が 22 at%となる PdNi 合金パ
ターンを形成した SQUID に-100～+100 T 程度の磁場を印加した場合の外部磁場特性をパターン形成前、形成後で比較したものである。PdNi 合金パターンが形成された後の外部磁場特性は形成前に比べ Ic ピークの位置がシフトしているのがわかる。また-2.5～+2.5 mT 程度と強い磁場を印加した場
合では、磁化の方向の反転は起きていないという結果が得られた。Ni 割合が 17at％となる PdNi 合金パターンを形成した場
合でも、22at%の場合と同様に外部磁場特性にシフトが起きる
が、磁化反転が見られないという結果が得られた。
一方、11at%の PdNi 合金パターンを持つ SQUID について同様に調査したところ、他の場合に見られた磁場特性のシフトは見られなかった。
これらの結果から PdNi 合金は Ni 割合が 17at%以上の時は強磁性的、11at%の時は常磁性的に振舞っているのではないかと考えられる。この二つの割合の間の値がメモリ応用に向けては重要であると考えている。現在 Ni 比の異なる PdNi 合金の利用や、異なる測定などを行いさらなる考察を行っている。

Fig.2 External-magnetic-field characteristics of SQUID
with/without Pd0 78Ni0 22 alloy patterns
謝辞
この研究は JST-ALCA「低エネルギー情報ネットワーク用
光・磁気・超伝導融合システム」、ならびに科学研究費挑戦的萌芽研究（25630171）のもとで行われた。

Fig.1 Microphotograph of SQUID

参考文献
1. H. Akaike, et al.: IEEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.
21 no. 3(2011) p.131-134
2. B. Dimov, et al.: Supercond. Sci. Technol. Vol. 21 (2008)
045007
3. Esin Terzioglu, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol
8, no. 2, pp. 48-53― 57 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

1D-p05

LTS デバイス (1)

低電力化単一磁束量子マイクロプロセッサにおけるデータパスの試験
Design and Test of Data-Path for Low-Power Single-Flux-Quantum Microprocessors
早川 雄飛，高田 賢介, 田中 雅光, 藤巻 朗(名古屋大学)
HAYAKAWA Yuhi， TAKATA Kensuke, TANAKA Masamitsu, FUJIMAKI Akira(Nagoya University)
E-mail: hayakawa_yuhi@super.nuqe.nagoya-u.ac.jp
1．はじめに
我々は、ハイエンドコンピュータの実現に向けて単一磁束量子(SFQ; single flux quantum)回路を用いたマイクロプロ
セッサの研究を行っている。SFQ 回路は、半導体回路に比べ1～2 桁高いスループット、3 桁程度低い消費電力を持っており、半導体回路の抱える発熱の問題、配線遅延の問題を解決できる。しかし、SFQ 回路は極低温で動作するため、回路を冷やす冷凍機が必要である。この冷凍機の消費電力を考慮す
ると消費電力の面で半導体回路に対し SFQ 回路の優位性が必ずしも十分ではない。現在我々は、冷凍機の負荷を減らす
ために SFQ 回路を低電力化する低電圧 RSFQ 回路を研究している。
今回は、マイクロプロセッサにおけるデータパスの消費電力を従来に比べ 1 桁下げることを試みた。データパスは、主にレジスタファイルと算術論理演算装置(ALU)で構成される。低電圧化に伴いバイアス電流の変化に対する配線遅延の変化量が大きくなることが考えられる。また、相互作用の影響も考えられる。ここでの相互作用とは、接合がスイッチした際に、その付近に供給されるバイアス電流が一時的に変化することで、スイッチ時間が変化することを示す。
本稿では、低電圧化 RSFQ 回路によりデータパスを設計、試作し評価した結果を述べる。
2．回路設計法
低電圧 RSFQ 回路の設計は、基本回路となる「セル」を組
み合わせて回路を設計するセルベース設計で行った。バイア
ス電圧を標準セルライブラリ[1]の 2.5mV から 0.25mV とすることで消費電力を 1/10 とし、バイアス電流を供給するバイアス
抵抗を 1/10 とした。バイアス抵抗値以外の回路パラメータは標準セルライブラリの設計から変更はしていない。低電圧
RSFQ 回路のセルのタイミングパラメータ情報は、タイミングパ
ラメータを抽出し直し、それをもとにタイミング設計を行った。

測定は、レジスタにデータを格納し、レジスタ 1、レジスタ 2
ともにデータを格納された後、ALU にデータを転送する。その後、演算結果をレジスタに格納させ、out1、out2 から出力した波形を検証している。その結果、レジスタの正常動作は確認できた。ALU は、入力 a には「00000000」、入力 b には任意のデータを入力した場合、ADD は正常な動作を示した。入力 aに「00000000」以外のデータを入力した場合出力結果は不安定になる。これは、入力 a からのパルスの伝搬のデータパスと
クロックパルスの伝搬のパスで、前述した相互作用が起き、その結果、タイミングエラーが起きていると考えられる。入力 b からのデータパスとクロックのパスに比べ、入力 a からのデータ
パスとクロックのパスは、非常に近いところからバイアス電流を供給しているため入力 b からのパルスに対しては相互作用が現れなかったと考えられる。詳細な解析は、更なるデータの蓄積が必要である。また、ALU はバイアス電流マージンが非常に狭かったため広げる必要がある。今後は、調査とともに、各論理セルのバイアス電流マージンを広げる最適化を行い、低電圧 RSFQ データパスの動作実証を目指す。
謝辞
本研究は、ALCA-JST の支援を受けたものである。
本研究に使用された回路は、（独）
産業技術総合研究所（AIST）の超伝導クリーンルーム（CRAVITY）において、AIST-ADP2 プロセスを用いて作製された。これらは、（公財）
国際超電導産業技術研究センター（ISTEC）のニオブ集積回路プロセスを AIST にて発展させたものである。
参考文献
1 Y. Yamanashi, et al.IEICE Trans. Electron., vol. E93-C,
no. 4, pp. 440-444, Apr. 2010.

3．低電力化データパスの設計と評価
データパスの構成を図 1 に示す。データパスは、レジスタ
ファイルと ALU で構成されている。レジスタは、D フリップフロップ(DFF)を用いた 8 ビットのシフトレジスタ(SR)にフィードバッ
クループを付け加え非破壊読み出しを実現した構成としている。今回はレジスタ数を 2 とし、簡単のためクロスバースイッチ
によりレジスタの選択を実現した。ALU は、ビットシリアルアダ
ーに機能拡張をすることで、加算(ADD)、減算(SUB)、排他的論理和(XOR)、論理積(AND)、1 ビット右シフト、1 ビット左シフトの計 6 種類の演算を実装した。データ長は 8 ビット、パイプラ
イン段数は 8 段とした。このデータパスは、全てのクロッキング
方式をコンカレントフローとすることで、低電圧化に伴い増加する配線遅延の変化に対する耐性をつけ、バイアス電流マー
ジンの縮小を抑えた。コンカレントフローは、データとクロックを並行に伝搬させるため、配線遅延が大きくなったとしてもデータとクロック間の相対的な時間変化は少ないと考えられる。
今回設計を行ったデータパスは、設計周波数 30GHｚ、回路面積 2.17×0.94 mm2、ジョセフソン接合数 2864、バイアス電流の合計は、369ｍA となった。試作した回路写真を図 2 に示す。

― 58 ―

Fig.1 diagram of data-path

Register ﬁle

ALU

1mm

Fig.2 microphotograph of data-path

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

1D-p06

LTS デバイス (1)低電圧単一磁束量子回路によるビットシリアルマイクロプロセッサの動作実証
Demonstration of bit-serial microprocessors based on low-voltage rapid single-flux-quantum circuits
田中 雅光， 早川 雄飛， 高田 賢介， 藤巻 朗 ( 名大 )TANAKA Masamitsu, HAYAKAWA Yuhi, TAKATA Kensuke, FUJIMAKI Akira (Nagoya Univ.)
E-mail: masami_t@ieee.org
1. はじめに
低電圧単一磁束量子 （LV-RSFQ） 回路により， 消費電力
をサブミリワットに低減したマイクロプロセッサを 35 GHz で動作させることに成功したので報告する。 単一磁束量子回路を低電圧で動作させると， 僅かにスイッチ速度が低下するものの， 回路内で静的・動的に消費される電力を大幅に低減でき，結果として高いエネルギ効率を得ることができる [1]。 本稿では， 電源電圧の最適化， 設計の工夫と作製プロセスの改善を取り入れたことによるエネルギ ・ 遅延積の低減化， 試作した
マイクロプロセッサの評価結果について報告する。

はジョセフソン接合の臨界電流値とシャント抵抗の積） の範囲
で最もエネルギ ・ 遅延積 （EDP） が優れていることが分かっている [1, 2]。 今回は， 小さな EDP が得られることと同時に，マイクロプロセッサに不可欠な長距離配線に対する駆動能力を十分維持できることなどを考慮し， 電源電圧を従来の 1/5 となる 0.5 mV （0.4 I CR S） に決定した。
マイクロプロセッサは， レジスタファイル， 算術論理演算器（ALU）， プログラムカウンタ， 命令レジスタ， コントローラを含む簡単な構成とした。 8 ビットのデータをビットシリアル方式で処理する。 以前， 臨界電流密度 2.5 kA/cm2 の標準プロセスで実証したマイクロプロセッサのプロトタイプ [3] を基に， AIST
10 kA/cm2 アドバンストプロセス （AIST-ADP2） 向けに再設計した。 AIST-ADP2 では， 9 層の超伝導体層が利用できる
ため， より自由度の高い配線が実現できる。 長距離配線をできるだけ受動線路 （PTL） 配線にし， タイミング調整箇所を減らしたことなどで， 素子数を 23%， 回路面積を 50% 削減した。
Fig. 1 に試作したマイクロプロセッサの写真を示す。 約 4000
個のジョセフソン素子を 1.38 mm × 1.71 mm に集積した。
3. 実験結果
今回の試作ではメモリは搭載せず， 代わりにシフトレジスタにデータを一時的に蓄えることとし， 高速クロックを用いたオンチップ試験を行った。
レジスタ演算， データ転送， 条件分岐を含むすべての命令が正常に実行できることを確認した。 Fig. 2 にレジスタ演算
テストにおけるバイアスマージンの周波数依存を示す。 最高35 GHz までのクロック周波数での動作を確認した。 動作クロッ
ク周波数は従来に比べ 2 倍に向上しており， 低電圧化によるクロック速度の低下の影響はほぼなく， 作製プロセスの進展に従った期待通りの改善が見られた。 消費電力は 0.23 mW で，
EDP は従来の設計の 1/15 に改善した。 半導体回路に対しては 5–6 桁の優位性がある。

Fabricated using AIST ADP2

Fig. 1 Microphotograph of 0.5-mV LV-RSFQ microprocessor.
120

Normalized dc bias voltage (%)

2. 設計
一般に， 遅延時間と消費エネルギの間にはトレードオフがある。 数値解析により， LV-RSFQ 回路における両者の電源電圧依存性を詳細に調べた結果，電源電圧が 0.1–1.0 I CR S （I CR S

1 mm

115

Operating region

110

105

100

0

20

25

30

35

40

Frequency (GHz)
Fig. 2 Frequency dependence of bias margin in test sequenceof register-to-register operations.
参考文献
1. M. Tanaka, et al.: Jpn. J. Appl. Phys., vol. 51 (2012)
p. 053102.
2. M. Tanaka, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 23(2013) p. 1701104.
3. M. Tanaka, et al.: Supercond. Sci. Technol., vol. 16(2003) pp. 1460-1463.
謝辞
本研究は科研費 （22226009， 24760276）， JST ALCA の助成を受けたものである。 本研究に使用した回路は， （独）産 業 技 術 総 合 研 究 所 （AIST） の 超 伝 導 ク リ ー ン ル ー ム（CRAVITY） において， AIST-ADP2 プロセスを用いて作製された。 また， 本研究の一部は東京大学大規模集積システム
設計教育研究センターを通しケイデンス株式会社の協力で行われたものである。

― 59 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

1D-p07

MgB2 バルク

4 テスラ級 MgB2 超電導バルク磁石の開発

Development of 4 Tesla Class MgB2 Superconducting Bulk Magnets
石原 篤, 赤坂 友幸, 富田 優（鉄道総研）；山本 明保（東大, JST さきがけ）；杉野 翔, 岸尾 光二（東大）
ISHIHARA Atsushi, AKASAKA Tomoyuki, TOMITA Masaru (Railway Technical Research Institute);
YAMAMOTO Akiyasu (The Univ. of Tokyo, JST-PRESTO); SUGINO Sho, KISHIO Kohji (The University of Tokyo)
E-mail:ai@rtri.or.jp
1．はじめに冷凍機冷却による 5-30 K で応用可能な超電導バルク磁石として MgB2 バルク体を検討した。金属系超電導体としては最高の転移温度 Tc（40 K）を持つ MgB2[1]は、超電導コヒーレ
ンス長が長く電磁的異方性が低いことから、無配向の多結晶体においても 105 A/cm2 以上の比較的高い臨界電流密度 Jcを持つ巨視的超電導電流が得られる[2]。この結晶粒間における弱結合の不在は、多結晶試料全体にわたっての均一な超電導電流分布を可能とする[3]。また、MgB2 バルク体はマ
グネシウムとホウ素の混合粉末に熱処理を施す in-situ 法など
により比較的容易に、かつ低コストで作製可能である。
MgB2 は線材化研究が積極的に行われているが、弱結合フリーに由来する特徴は RE 系溶融凝固バルクで研究が進んでいる超電導バルク磁石としても最適である。すなわち、40 K
以下で動作可能な強力磁石として、輸送・医療等への応用が期待でき、とくに、高い磁場均質性が求められる MRI, NMR等の計測機器への応用に適すると考えられる。
最近我々はクラックの無い均一な組織を持つ MgB2 バルク体を作製する技術を開発し[4]、捕捉磁場の温度依存性[5]、バルク径依存性[6]、空間分布[7]、時間安定性[8]、熱処理条
件[9]などの基礎物性の解明を進めている。
本研究では MgB2 バルク体の超電導バルク磁石としての素質を検討したので報告する。
2．実験方法Mg と B の混合粉末を 10-100 mmφ、厚さ10 mm の円盤状に成型し、Ar 雰囲気下で 850℃, 3 h の熱処理を行い、MgB2バルク体を得た。一部のバルク体は、機械的強度を高めるた
めに MgB2 バルク体/金属(SUS)複合体とした。得られたバルク
体試料をヘリウム冷凍機で 10 K まで冷却し、超電導マグネッ
トを用いて磁場下冷却（FC）条件により最大 8 T の磁場下で着磁を行い、捕捉磁場特性の評価を行った。また、MgB2 バルク
体表面について SEM による微細組織の観察を行い、さらにバルク体から切り出した試料片に対して SQUID 磁束計により磁化特性を評価した。
3．結果と考察MgB2 バルク体の作製作製した MgB2 バルク体試料は、いずれも表面にマクロスケールのクラック、ボイド等はみられず均一な組織を有することが分かった。バルク体から切り出した小片試料を用い、バルク
体 内 の 位 置 依 存 性 を 調 べ た と こ ろ 、 Tc(>38 K), Jc(~
2.5×105A/cm2)ともに典型的な MgB2 線材と同等であり、また位置による差はほとんどなく、均一な試料が得られていることが分かった。この結果は、MgB2 バルク体では組織、超伝導特性の均一性を維持したままバルク体サイズのスケールアップが図れることを意味しており、現在のところ、最大で直径 100mmφ, 厚さ 10 mm の MgB2 バルク体が得られている。
MgB2 超電導バルク磁石の捕捉磁場特性
直径 10-60 mmφ, 厚さ 10 mm のバルク体試料の表面捕捉
磁場の温度依存性を評価したところ、最大の直径 60 mmφのバルク体試料では 20 K において 2.2 T, 30 K で 1.0 T を超える捕捉磁場が得られ、20 K においては40 mmφを超える試料において捕捉磁場の増加にやや飽和がみられた。2 個を対MagnetcenterMagnetsurface

Magnet surface
Magnet center

Fig.1. Temperature dependence of the trapped magnetic fieldmeasured at center of the spacer (magnet center) and at
the center of the bulk surface (magnet surface) of thebulk pair MgB2 with 30 mmφ×20 mmt.
向させたバルクペア試料では、中心の位置において測定した捕捉磁場は 30mmφの試料で 11K において 4 T を超える捕捉
磁場が得られた(Fig.1)。また 20 K での周方向の捕捉磁場は優れた均一性を示すことが明らかになった。さらに 20 K における捕捉磁場の減衰率は 3 日間で 2%以下であり、保持温度
を 1 K 下げれば減衰率は 1 週間で 0.01%以下であった。
4．結論
MgB2 バルク体を作製し、超電導バルク磁石としての素質を検討したところ、サンプル内部の高い均一性、高い磁場強度、
優れた磁場安定性などのユニークな特徴を有していることが明らかになり、テスラ級の強力超電導バルク磁石候補として有望であるといえる。
5. 謝辞
本研究はJSPS科学研究費補助金（23246110）ならびにJST
さきがけの助成を受けて実施したものである。
参考文献[1] J. Nagamatsu et al., Nature 410, 63 (2001).
[2] D. C. Larbalestier et al., Nature 410, 186 (2001).
[3] 山本明保 ほか, 応用物理 79, 48 (2010).
[4] 例えば、A. Yamamoto et al., ISS2010 BLP-26 (2010).
[5] 例えば、富田優 ほか, 第 86 回低温工学・超電導学会
p.138（2012）.
[6] 例えば、A. Yamamoto et al., 2012 MRS Spring Meeting &Exhibit, I14-6 (2012).
[7] 例えば、 富田優 ほか, 第 85 回低温工学・超電導学会
p.135（2011）.
[8] 例えば、山本明保 ほか, 第 86 回低温工学・超電導学会
p.139（2012）.
[9] 例えば、 富田優 ほか, 第 86 回低温工学・超電導学会
p.163（2012）.

― 60 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

1D-p08

MgB2 バルク

MgB2 超伝導バルク磁石における捕捉磁場のバルク厚依存性
Thickness dependence of the trapped field properties in MgB2 superconducting bulk magnets
杉野 翔 （東大）； 山本 明保 （東大, JST さきがけ）； 下山 淳一, 岸尾 光二 （東大）；
石原 篤, 赤坂 友幸, 富田 優（鉄道総研）
SUGINO Sho (The University of Tokyo); YAMAMOTO Akiyasu (The University of Tokyo, JST-PRESTO);SHIMOYAMA Jun-ichi, KISHIO Kohji (The University of Tokyo);
ISHIHARA Atsushi, AKASAKA Tomoyuki, TOMITA Masaru (Railway Technical Research Institute)
E-mail: 6199551401@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp

1．はじめに金属系超伝導体として最高の転移温度 Tc（～40 K）[1]を持つ MgB2 は、超伝導コヒーレンス長が長く電磁的異方性が小さい。このため無配向の多結晶体においても 105 A/cm2 以上の高い臨界電流密度(Jc)が得られるのが特徴である[2]。この結晶粒間の強い結合は、多結晶試料全体にわたっての均一な超伝導電流分布を可能にする[3]。また、MgB2 バルク体はマ
グネシウムとホウ素の混合粉末を高温で反応させる in-situ 法などによって比較的容易に、かつ低コストで作製可能である。
これら弱結合フリーに由来する MgB2 の特徴は、RE 系溶融
凝固バルクで研究が進んでいる超伝導バルク磁石としても最適であると考えられ、冷凍機冷却による 5-30 K で応用可能な超伝導バルク磁石として MgB2 バルク体を我々は提案してきた。
これまでに MgB2 超伝導バルク磁石の優れた捕捉磁場強度、均一性、安定性について報告してきたが、捕捉磁場特性の決定因子の一つであると考えられる幾何学的形状因子(geometrical factor)の寄与を理解することは捕捉磁場向上指針の確立、磁場設計に向けて不可欠である。本研
究では、MgB2 バルク磁石の捕捉磁場のバルク径依存性[4]に続き、バルク厚を系統的に変化させた試料の捕捉磁場の挙動を評価したので報告する。
2．実験方法マグネシウムとホウ素を 1 : 2 のモル比で混合した粉末を、一軸プレスにより直径 20 mm、厚さ 10 mm の円板状に成型
後、Ar 雰囲気下で 850℃, 3 h の熱処理によって MgB2 バルク体を作製した。一部のバルク体については、機械的強度を高めるために MgB2 バルク体/金属(SUS)複合体とした。所定の厚さの MgB2 バルク体試料を、 超伝導マグネットを用いて磁場下冷却（FC）条件により約 5 K 下において 6 T の磁場下で着磁を行った。バルク体の捕捉磁場はバルク体表面中心に配置したホール素子を用いて測定した。試料温度は試料表面に配置したセルノックス温度センサーを用いて測定した。
系統的にバルク厚を変化させた MgB2 バルク体の捕捉磁場の評価は、厚さ 10 mm のバルク体の捕捉磁場を測定後、同一のバルク体を所定の厚みに加工し、捕捉磁場測定と加工を繰り返すことで行った。また、厚さが 10 mm 以上の試料は等しい捕捉磁場を持つバルク体、及びそれらから加工した所定の厚みのバルク体を鉛直方向に複数個重ねることで得た。また、バルク体から切り出した試料片に対して、SQUID 磁束計により磁化測定を行い、微細組織を SEM により行った。
3．結果と考察作製した MgB2 バルク体表面の微細組織観察を行ったとこ
ろ、クラック等の欠陥はみられず、比較的均一な組織が得られていることを確認した。また、バルク体内の複数の箇所から切り出した試料片の磁化測定を行ったところ、Tc はいずれも
約 39 K であり、Jc は 20 K において 2×105 A/cm2 以上で、超伝導特性の位置による変化は確認されず、バルク全体がほぼ

3
Thickness
10 mm
8 mm
6 mm
5 mm
3 mm

BT / T

2

1

0

0

10

20
T/K

30

40

Fig. 1. Temperature dependence of trapped field measured at
the center of the bulk surface for MgB2 bulk samples with 20
mm in diameter and 3, 5, 6, 8 and 10 mm in thickness.
均一な特性を有していることが示唆された。
バルク厚の異なる MgB2 バルク体の着磁後の捕捉磁場の温度依存性を Fig.1 に示す。バルク厚が 10 mm の試料においてはそれぞれ 2.23, 2.07, 1.81, 1.48 T の捕捉磁場が 5, 10, 15,
20 K において得られた。バルク厚を 8, 6, 5, 3 mm と薄くした試料においては、5 K において、それぞれ 2.16, 1.97, 1.82,
1.76 T の捕捉磁場を示し、捕捉磁場はバルク厚ととともに系
統的に減少した。講演ではバルク厚と捕捉磁場の関係について、Biot-Savart 則から予想される計算値と比較し、議論を行う予定である。
4. 謝辞
本研究はJSPS科学研究費補助金（23246110）ならびにJST
さきがけの助成を受けて実施したものである。
参考文献[1] J. Nagamatsu et. al., Nature 410 (2001) 63.
[2] D. C. Larbalestier et. al., Nature 410 (2001) 186.
[3] 山本ほか, 応用物理 79 (2010) 48.
[4] 山本明保, 岩瀬和至, 廣田哲也, 下山淳一, 岸尾光二,
石原篤, 赤坂友幸, 富田優, Abstracts of CSSJ Conference,
vol.87, p.182 (2013).

― 61 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

1D-p09

MgB2 バルク

4.6 T の捕捉磁場を実現した Mg B2 超電導バルク磁石
Development of 4.6 Tesla MgB2 superconducting bulk magnets
吉田 卓史, 内藤 智之, 藤代 博之（岩手大）
YOSHIDA Takafumi, NAITO Tomoyuki, FUJISHIRO Hiroyuki (Iwate Univ.);
E-mail: t2213027@iwate-u.ac.jp
51．はじめにTrapped Field (T)MgB2 は、金属間化合物の中で最も高い超電導転移温度

TC=39 K を持つ。RE-Ba-Cu-O 系 (RE:希土類元素)と比べるとコヒーレンス長が長く、弱結合の問題がない。そのため、多結晶体で超電導バルク磁石が実現されている[1]。
これまでの研究で我々は常圧合成法のカプセル法や高pristine
Ti 5%
Ti 10%
Ti 20%

4
3
2

FCM
Bex=10 T

圧合成法の HIP 法を用い、高密度 MgB2 超電導体バルクを1作製してきた[2, 3]。HIP 法バルクは充填率が 90%以上となり、捕捉磁場はカプセル法の 1.7 倍程度まで向上した。
不純物として Ti をドープすることにより臨界電流密度 Jcが向上するという報告例がある[4]。そこで本研究では、
HIP 法を用い、さらなる超電導特性の向上を目的として
Ti ドープ MgB2 超電導体バルクを作製し、その捕捉磁場特

0

20
30
40
Temperature (K)Fig.1 Temperature dependence of the trapped field for thepristine and Ti doped MgB2 bulks.

5

2．実験方法

4

Trapped Field (T)性を評価した。

試料は Mg(純度 99.5%, ≦180 µm)と B(純度 99%, 300mesh),Ti( 純 度 99.9%, ≦ 45 µm ) の 混 合 粉 ( モ ル 比
Mg:B:Ti = 0.8～0.95 : 2 : 0.05～0.2)を等方加圧成型
したものを前駆体とした。前駆体を真空中でステンレス
容器に電子ビーム溶接で密封した後、900 ℃で 3 時間 HIP

0surface
center3
2

FCM
Bex=10 T

1

処理を行った[2]。印加圧力は 98 MPa であった。試料の直径は約 35 ㎜、厚さは約 7 mm であった。

0

伝導冷却型超電導マグネットを用いて 5-10 T の磁場中でバルクを冷却して磁場を捕捉させ、バルク表面の中心にセットした極低温用ホール素子で捕捉磁場の温度依存

10

0

10

20
30
Temperature (K)40

Fig.2 Temperature dependence of the trapped field for the Ti
doped MgB2 bulk pairs.

性を測定した。さらに、バルクを二枚重ね、その中心の講演では、臨界電流密度Jc、コネクティビティの結果を位置と上部バルク表面の捕捉磁場の温度依存性を測定した。電気抵抗率は直流四端子法で測定した。臨界電流密

併せて、Tiドープ効果について議論する予定である。

度 Jc は SQUID 磁束計で測定した磁気ヒステリシス曲線か
謝辞

ら拡張型ビーンモデルを用いて算出した。

本研究の一部は、JSTのA-STEP(No.AS232Z02579B)および日立金属・材料科学財団の援助を受けて実施した。ま3．結果と考察Fig.1にTi ドープ試料とノンドープ試料の捕捉磁場 BTの温度依存性を示す。ノンドープ試料と比べ、Ti ドープ

た、HIP法によるMgB2 バルク作製に関しては新日鉄住金(株)にご協力頂いた。

試料のBTは0.8 Tほど高く、Ti ドープによる捕捉磁場特性の向上が確認できた。BTは、ドープ量にほとんど依存しなかった。最大捕捉磁場は、Ti 5%ドープ試料において13.2

参考文献[1] T. Naito et al . : Supercond. Sci. Technol. 25 (2012)
095012Kで3.6 Tであった。
Fig.2にTi 5%と10%ドープ試料を二枚重ねバルクの捕捉[2] 佐々木 他 : 低温工学・超電導学会講演概要集 86(2012) 2C-a10

磁場の温度依存性を示す。中間及び表面における最大捕捉磁場は、それぞれ14.1 Kで4.6 T, 16.3 Kで3.2 Tであった。

[3] 吉田 他 : 低温工学・超電導学会講演概要集 87 (2013)
3C-a09

二枚の中間の値は、一枚の場合の約1.3倍であった。

[4] T.A. Prikhna et al . : Physica C 402 (2004) 223-233― 62 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

1D-p10

MgB2 バルク

HIP 法で作製した MgB2 バルクにおけるパルス着磁特性
Pulsed field magnetization of MgB2 bulks fabricated by HIP method
氏家 徹, 吉田 卓史, 内藤 智之, 藤代 博之（岩手大）
UJIIE Toru, YOSHIDA Takafumi, NAITO Tomoyuki, FUJISHIRO Hiroyuki (Iwate Univ.)
E-mail: t2212003@iwate-u.ac.jp

3．実験結果Fig. 1 に各初期温度におけるバルク表面の捕捉磁場の印
加磁場依存性を示す。挿入図は Ts=14 K, Bex=1.97 T における局所磁場 BLC と印加磁場の時間依存性である。印加磁場の増加に伴い、捕捉磁場も増加した。1.5 T 以上の磁場を印加するとすべての温度で、挿入図のようにフラックスジャンプが発生した。カプセル法で作製したバルクではフラックスジャンプは観測されていない[2]。これは、高密度バルクが、カプセル法バルクより約 3 倍高い Jc (20 K において 3.5×105 A/cm2)を持つことに起因していると考えられる。最大捕捉磁場はTs=20 K, Bex=1.78 T において 0.75 T であった。フラックスジャ
ンプが起きても、カプセル法 MgB2 バルクと同等の捕捉磁場を示した[2]。捕捉磁場の時間依存性から推測すると、フラックス
ジャンプが起きなければ 1 T 以上の磁場を捕捉することが期待される。
Fig. 2 に各温度におけるパルス磁場印加後の最大到達温度 Tmax の印加磁場依存性を示す。すべての温度で印加磁場の増加とともに Tmax も増加し、最大で約 40 K まで上昇した。また、高磁場側では各温度における Tmax の差が小さくなった。挿入図に Ts=14 K, Bex=2.21 T におけるバルク表面温度の時間依存性を示す。表面温度はパルス磁場印加後、急激に上昇
し、約 30 秒で初期温度まで冷却された。これは、MgB2 の小さな比熱と、高い熱伝導率に起因すると考えられる。
講演では、形状が異なる MgB2 バルクと、TiをドープしたMgB2
バルクのパルス着磁の結果を報告する。また、試料形状や不純物ドープが及ぼす、捕捉磁場と温度変化への影響を議論する。

estimated B LC

1.5

B[T]

0.8

Ts=14K
Bex=1.97T

Bex

2

1

0

BLC
0

50

100 150 200
Time [ms]

250

300

T

B [T]

0.5

0.4
Flux jump

0
0.5

14 K
20 K
25 K

1

B

1.5
[T]

2

2.5

ex

Fig.1 Trapped field BT at the center of the bulk surface as afunction of applied pulsed field Bex. The inset shows timedependence of the local field BLC and Bex (Ts=14 K, Bex=1.97 T).

45
40

14K
20K
25K

35
30

45

20
15
0.5

surface4025Temperature [K]2．実験方法
測定には HIP 法で作製された MgB2 バルク (φ38 mm, 7mmt)を用いた。FCM における捕捉磁場は 2.46 T (15 K)である。
PFM は各初期温度 Ts で、ソレノイド型パルスコイルを用いて、立ち上がり時間約 13 ms のパルス磁場を印加した。印加磁場
Bex は 0.80 - 2.21 T で行った。捕捉磁場 BT は、バルク表面中
心に設置した axial-type のホール素子を用いて測定した。捕捉磁場分布はバルク表面 1 mm 上方において測定した。バル
ク温度は、バルク表面と SUS リング側面に設置したセルノック
ス温度計を用いて測定した。

2.5

Tmax [K]1．はじめに転移温度 Tc=39 K を持つ MgB2 は、コヒーレンス長が長く電磁的異方性が低いことから、弱結合の問題がなく多結晶体においても高い臨界電流密度 Jc を示すため、超電導バルク磁石に関する研究が盛んに行われている。MgB2 のピンニングセン
タは主に粒界であると考えられている。磁場中冷却着磁法(FCM)において、カプセル法で作製されたバルク（充填率約50%）と、Hot Isostatic Pressing (HIP)法を用いたバルク（充填率 90%以上）の捕捉磁場はそれぞれ 1.4 T (13.5 K), 2.2 T(13.8 K)であり、高密度化による捕捉磁場の向上が報告されている[1]。FCM に比べて、パルス着磁（PFM）は超電導マグネッ
トを使用せず比較的安価、短時間で着磁できるため、産業応用に対するメリットが大きい。我々は、これまでにカプセル法、
Mg-RLI 法で作製された MgB2 バルクにおけるパルス着磁特性を報告した[2 - 4]。本研究では、FCM 法において高い捕捉磁場を示す HIP 法により作製した MgB2 バルクに対してパルス着磁を行い、最大捕捉磁場と磁場分布、温度変化を測定した。

Ts=14K35

Bex=2.21T

30
25
20
15
10
-10

1

1.5
Bex [ T ]

-5

0

5

10 15
Time [s]

2

20

25

30

2.5

Fig.2 The maximum temperature Tmax as a function of applied
pulsed field Bex. The inset shows time dependence of thetemperature change on the bulk surface for Ts=14 K, Bex=2.21 T.
謝辞
本研究の一部は、JCT の A-STEP (No. AS232Z02579B)および日立金属・材料科学財団の援助を受けて実施した。また、
HIP 法による MgB2 バルク作製に関しては新日鉄住金（株）にご協力頂いた。
参考文献
1. T. Sasaki et al. : Abstract of CSSJ Conference, vol. 86,(2012) p.140
2. H. Fujishiro et al. : IEEE Trans. Appl. Supercond. 23 (2013)
3. H. Fujishiro et al. : Jap. J. Appl. Phys. Vol. 51, (2012)
103005
4. T. Ujiie et al. : Abstract of CSSJ Conference, vol. 87,(2013) p.184― 63 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

1D-p11

MgB2 バルク

Gd-Ba-Cu-O/MgB2 ハイブリット型超伝導バルク磁石の開発
Development of Gd-Ba-Cu-O/MgB2 hybrid superconducting bulk magnets
内藤 智之、藤代 博之(岩手大); 手嶋 英一(新日鐵住金)
NAITO Tomoyuki, FUJISHIRO Hiroyuki (Iwate Univ.);
TESHIMA Hidekazu (Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp.)
E-mail: tnaito@iwate-u.ac.jp

1．はじめに

5

超伝導バルク磁石の開発は溶融法で作製された
RE-Ba-Cu-O系バルクが主流である。よく知られているように、

Gd-Ba-Cu-O

4

その捕捉磁場性能は非常に高く、エポキシ樹脂含浸によってBT (T)

機械的強度を高めたY-Ba-Cu-Oバルク（直径26.5mm、厚さ15mm）において29Kで17テスラの磁場が捕捉されている[1]。
近年の溶融バルク作製技術の向上によりGd-Ba-Cu-Oバルク(20mmφ, 9mmt)

MgB2

3

(38mmφ, 9mmt)

2（直径46mm、厚さ15mm）を用いることで40K程度(1段の冷凍機冷却で到達可能)において10テスラ級の捕捉磁場を比較的1

容易に得ることが可能になっている[2]。但し、RE-Ba-Cu-O
系にはセラミックス故の低い機械的強度や大型化が困難とい0う問題もある。前者の問題は上述の樹脂含浸や金属リング嵌
合等によって克服されつつある。後者の大型化については直

0

20

40

径140～150mmのバルク作製に成功した例[3]があるものの容易に作製できる状況には無いと言える。一方、数年前から
MgB2 を用いたバルク磁石開発が実施されるようになり、比較

T (K)

60

80

100

Fig.1 Temperature dependence of the trapped magnetic
field of both Gd-Ba-Cu-O and MgB2 bulks.

的多くの報告がなされるようになってきた[4]。MgB2 は金属系の中では比較的高い超伝導転移温度Tc=39 Kを有することか
ら冷凍機冷却による使用が可能であることやコヒーレンス長が3．実験結果および考察

長く弱結合の問題が生じないことから結晶配向不要な多結晶

Fig.1にGd-Ba-Cu-OバルクおよびMgB2バルクそれぞれの体で巨視的超伝導電流を流すことが可能であるなどの特徴を

捕捉磁場の温度依存性を示す。Gd-Ba-Cu-Oバルクは5テス持つ。現在の捕捉磁場は15Kで2～4テスラ級とRE-Ba-Cu-O

ラの磁場中、22Kで磁石化された。この温度での捕捉磁場値

系に及ばないが、多結晶体のため大型化は容易であり、または4.3テスラであった。一方、MgB2バルクは印加磁場5テスラ、金属系故の高い機械的強度も期待される。そこで、本研究で15Kで磁石化された。このときの捕捉磁場値は2.5テスラであは、RE-Ba-Cu-O系バルクの作製が容易でないサイズ領域にった。講演では、ハイブリット型バルクの捕捉磁場特性についおいて有効であると期待されるRE-Ba-Cu-O系バルクとMgB2て、シミュレーションの結果と併せて議論する予定である。

バルクを組み合わせたハイブリット型バルク磁石を試作し、その捕捉磁場特性を明らかにすることを目的とする。

謝辞

2．実験方法よび日立金属・材料科学財団の援助を受けて実施した。

本研究の一部は、JSTのA-STEP (No. AS232Z02579B)お本 研 究 で は RE=Gd の Gd-Ba-Cu-O バ ル ク を 用 い た 。
Gd-Ba-Cu-O バ ル ク は Gd123 ： Gd211 ＝ 1 ： 3 の 組 成 比 に
0.5wt％のPtと10wt％のAgを添加した混合粉を用い、改良型
QMG法[5]で作製された。MgB2 バルクは熱間等方圧加圧(HIP)法で作製された。Mg:B=1:2の混合粉を金属容器に真空密封してHIP処理した。焼結条件は温度900℃で3時間保持、
印加圧力98MPaであった。ハイブリット型バルクは、得られた
MgB2バルクをリング形状に加工し、その中にGd-Ba-Cu-Oバ

参考文献[1] M. Toimta and M. Murakami, Nature 421 (2003) 517[2] H. Teshima et al., Physics Procedia 45 (2013) 61[3] H. Teshima and M. Morita, Physics Procedia 36 (2012)
572; N. Sakai et al., Physica C 460–462 (2007) 305[4] For example, T. Sasaki et al., Physics Procedia 45 (2013)93[5] M. Morita et al., Physica C 253-240 (1994) 209-212

ルクを配することで用意した。伝導冷却型10テスラ超伝導磁石を用いて磁場中冷却法によりバルクを磁石化した。捕捉磁
場は低温用ホール素子（BHT-921、F.W.Bell社）を用いて測定した。バルクはヘリウム冷凍機を用いて伝導冷却した。

― 64 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会