1P-p01

センサー・SQUID 計測 (1)光ファイバ温度センサの極低温特性（その４）－振動・熱変動に対する耐久性と極低温特性への影響の評価－
Cryogenic characteristics of an optical fiber sensor (Fourth Report)- Evaluation of the influence of vibration and thermal fluctuation on the durability and cryogenic
characteristic of an optical fiber sensor 杉野 元彦，水野 克俊，小方 正文, 長谷川 均（鉄道総研）
SUGINO Motohiko, MIZUNO Katsutoshi，OGATA Masafumi, HASEGAWA Hitoshi (RTRI)
E-mail: sugino.motohiko.79@rtri.or.jpを実施した。試験の結果、光ファイバはいずれの耐久試験においても異常や故障を生じることはなく、温度センサとしての機能を維持することを明らかにした。
1.544e+006

1.542e+006

2．ヒートサイクル試験
長期間の温度計測に使用した場合、昇温、冷却を繰り返す
ことでめっき剥離が進行し、測定値の再現性が低下する可能性がある。このため、室温から 16Ｋまでの冷却-昇温サイクル
を 15 回繰り返し、再現性の検証試験を実施した。
Fig.1 として、試験結果を示す。試験の結果、再現性低下や測定値の異常な変化等、めっき剥離を示す挙動は見られず、
ヒートサイクルに対する耐久性に問題ないことを確認した。

1.541e+006
1.54e+006
1.539e+006
1.538e+006
1.537e+006
1.536e+006
1.535e+006

4．加振試験
光ファイバを温度センサとして使用する場合、走行中のリニ
アなどの振動環境での計測が考えられる。そのため加振器を用いて上下方向の加振試験を行い、振動による断線やめっき剥離発生について検証試験を行った。
試験条件はリニアの走行条件を想定し±15Ｇとした。また
目標時間は、営業運転で加減速中に共振点を通過する時間
10 秒間の 15 年相当分を想定し、５５６時間とした。4)
所定の加振時間経過後、光チェッカによる導通確認と LN2浸潤したガーゼによる LN2 温度の測定試験を行い、試験前後でもセンサとしての出力に変化がないことを確認した。
5．まとめ
光ファイバ温度センサについて、実際の使用を想定し、ヒートサイクル、ヒートショック、振動に対する耐久性の検証試験

0

50

100

150

200

250

300

Temprature [K]Fig.1 Temperature characteristics of the wavelength(verification of reproducibility by the repeated cooling)
1551.5

Rapid cooling

1551

Wave lengts [nm]3．ヒートショック試験
光ファイバは表面に３層のめっき処理を行い、そのコーティ
ング部の熱収縮を反射波長の変化として検知する方法を取っている。ヒートショックを受けた場合、熱収縮によって光ファイ
バとめっき部の界面でめっき剥離を生じる可能性があるため、液体窒素に浸漬することで室温から 77Ｋまで急冷し、ヒートシ
ョックに対するめっき処理部の耐久性検証試験を実施した。
Fig.２として、同一サンプルに対し３回の試験を実施した結果を示す。波長は急冷時に急速に減少し、浸漬中は変化せず、自然昇温時に徐々に増加し試験前の波長に回復するという挙動を示した。
めっき剥離が発生した場合、波長は断層状の不連続な波
長変化や出力断などの異常な変化を示すが、全ての過程で光ファイバの波長は安定した変化を示しており、ヒートショック
に対してめっき処理部が機能を維持することを確認した。

Rapid Cooling No.1
Rapid Cooling No.2
Rapid Cooling No.3
Rapid Cooling No.4
Rapid Cooling No.5
Rapid Cooling No.6
Rapid Cooling No.7
Rapid Cooling No.8
Rapid Cooling No.9
Rapid Cooling No.10
Rapid Cooling No.11
Rapid Cooling No.12
Rapid Cooling No.13
Rapid Cooling No.14
Rapid Cooling No.15

1.543e+006

Wave Length [pm]1．はじめに
光ファイバ温度センサは高磁場、低温下での使用に優れた特性を持つため、超電導磁石内部の極低温環境での温度を測定する技術の開発を行っており、第 1 報より 3 報にて極低温特性の向上について報告した。1-3)
リニア用車載超電導磁石を対象に温度センサとして使用する場合、熱変動、振動などの使用環境に対する耐久性を有している必要がある。今回、耐久性検証のため、ヒートサイクル、
ヒートショック、振動の耐久試験を行ったので報告する。

1550.51550
1549.5Temperature Rising

1549

No.1

1548.5

No.2

1548

No.3

In LN2(77K)

1547.5
0

200

400

600

Time[s]Fig.2 The wavelength shift by the rapid cooling
本研究の一部は国土交通省の補助金を受けて実施した。
参考文献
1.
Yamada et al.："Characteristics of optical fiber sensor at
cryogenic temperature (Tertiary Report)" , Spring
meeting of Cryogenics and Superconductivity, May 2014
(in Japanese) , 1P-p01
2.
Yamada et al.："Characteristics of optical fiber sensor at
cryogenic temperature (Secondary Report)" , Spring
meeting of Cryogenics and Superconductivity, May 2013
(in Japanese) , 1P-p03
3.
Yamada et al.："Characteristics of optical fiber sensor at
cryogenic temperature" , Autumn meeting of Cryogenics
and Superconductivity, November 2012 (in Japanese) ,1P-p02
4.
Inoue et al.："Durability Evaluation of Superconducting
Magnets" , RTRI Report Vol.19 No.6, 2005

― 74 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p02

センサー・SQUID 計測 (1)

圧電アクチエータを使用した磁気力計測器の開発
Development of magnetic force measuring instrument with a piezoelectric actuator
佐保 典英, 小野 瑞絵（クライオイン）
SAHO Norihide, ONO Mizue (LLC CRYOIGN)
E-mail: norihide_saho@ybb.ne.jp
1． はじめに
近年、急速な進展を示す再生医療分野において、膝関節の軟骨や骨の再生医療で研究が進められている、核磁気共鳴画像装置用造影剤を磁性微粒子として取り込ませた間葉系幹細胞（以下磁性幹細胞と称す）の外部誘導手段として、強磁気力を提供できる超電導バルク磁石の適用が、臨床応用を目標に積極的に進められている[1] [2]。
現状の再生試験では、超電導バルク磁石の磁界内で、前記磁性幹細胞の注入部位や誘導先への細胞の軌跡を、内視鏡を使用しながら確認して行っている。しかし、多数のデータを整理する場合、両部位における磁気力の重要なファクターの一つである磁気力係数を定量的に把握し、治療効果を比較検討することが重要であると考えられる。
本報告では、磁場中に配置した磁気センサーを、ピエ
ゾ素子を積層した圧電アクチエータで位置制御し、２点間の磁束密度を短時間に計測して、その計測結果から磁気力を数値化する安価な磁気力計測器構造[3]による基礎的計測方法を検討する。
２． 磁気力係数計測方法
磁気力 Fm [N]の計算式を（１）式に示す。体積が V [m3]の磁性粒子が置かれた磁場空間の磁束密度 B とすると、
磁気力 Fm は、磁束密度 B と磁気勾配ΔB の積（以下，磁気力係数 fm [T２/m]と記す）に比例する。ここで，χは磁化率[-]，μ0 は真空透磁率[N/A２]である。
Fm = V・χ・B・ΔB/μ0= V・χ・fm /μ0

響は無視できる。
また、本構造によれば、使用する１つの磁気センサー
で複数点間の磁束密度差を短時間で計測すればよく、磁気センサーの０点シフトの影響をほとんど受けず、ゼロ
サプレス操作も必要ないので、簡便にかつ、精度良く磁気力係数 fm を計測できる。これにより、スパナ等の磁性体を強磁場磁石の漏洩磁場内で使用する際、磁気吸引事故の危険度を定量的に検知し、警報を発する携帯保安安
全器具として提供することも可能になる。
Table 1 Specifications of a piezoelectric actuator and amagnetic sensor
Piezoelectric
actuator

Magnetic
sensorAmount ofLengthdisplacement *（μm）
42.0 ±6.6

(mm)
40
Outer
diameter(mm)
6.4Type of sensor
Hall element

Insulation
resistance
（MΩ）

2 × 4

20

Magnetic sensitivity(mV/T)
7.460*: Applied voltage 150VDC

4． まとめ
本研究の構成によれば、１個の磁気センサーを圧電ア
クチエータで移動させ、磁場中の２点間の磁束密度を短時間に計測して平均磁気力係数を算出できるので、安価で高精度の磁気力計測器を提供できる見通しを得た。
Bb

・・・・・・・（１）ここで、磁気力係数 fm の計測は、磁場空間内の微小距
離δL の２点 a, b の磁束密度 Ba, Bb を磁気センサーで計測し、その差分をδL で除して磁気勾配ΔBab を算出し、前記磁束密度 Ba, Bb の平均値との積値として定量的に算出できる。この計測はδL 離れた位置に２個の磁気センサ
ーを配置しても可能であるが、磁気センサーの電子回路も２セットが必要で、かつ特性が異なるセンサーを使用するため磁気勾配ΔBab の計測精度も低下する問題がある。
本研究では、図１の構成図に示すように、１つの磁気センサーを圧電アクチエータ先端に取り付け、圧電アクチエータに直流電圧器により電圧を加えて数十μｍのδL を短時間で移動させ、移動前後の２点の磁束密度 Ba, Bb
を計測して磁気力係数 fm を算出した。
３． 計測結果
表面最高磁束密度約 0.5Ｔのネオジウム磁石（サイズ
10 mm 立方）の磁場中に配置されたホール素子磁気センサ
ーと圧電アクチエータの仕様を表１に、図２に供試圧電
アクチエータと磁気センサーの取付け写真を示す。作動
直流電圧 0V と 150V におけるδL を最小目盛 1μｍのダイ
ヤルゲージで計測した結果、47μｍであった。
圧電アクチエータによりδL＝47μｍ移動させた２点 a,b 位置（ｂ点は磁気センサーを磁石表面に最接近した位置）での実測値は、それぞれ Ba＝449.1 mT，Bb＝454.3 mTであった。したがって、２点 a, b 間の平均磁束密度は451.7 mT、磁気勾配は 110.6 T/m で、磁気力係数 fm は
50.0 T２/m となる。ここで、測定前後の圧電アクチエータの温度変化は、0.2 ℃未満で測定時間内での熱変形の影

Cross-sectional
size
(mm)

δL
Piezoelectric actuator
＋

－

Ba

Magnetic sensor

Measurement andcontrol instruments

Fig. 1 Illustration of measuring device of the magnetic flux
density between two points with a magnetic sensor using
the piezoelectric actuator
Permanent magnet

Sensor holder
Magnetic sensor
Piezoelectric actuator

Fig. 2 Photograph of measuring device
参考文献
1. M. Ochi：Journal of the American Academy of Orthopaedic
Surgeons, Vol 21, No 1, pp61-62 (2013)
2. M. Ochi：JST Regenerative medicine based network
implementation program report p69 (2013)
3. M. Ono：Japanese Patent Application No. 2013-195172(2012)― 75 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p03

センサー・SQUID 計測 (1)

極低温用セミリジッドケーブルの開発と評価
Development and evaluation of cryogenic semi-rigid cables
久志野 彰寛（旭川高専）；笠井 荘一（コアックス）
KUSHINO Akihiro (Asahikawa National College of Technology); KASAI Soichi (COAX CO., LTD.)E-mail: kushino@asahikawa-nct.ac.jp
1．はじめに超伝導を用いた光子・粒子検出器は，量子情報通信，材料分析，宇宙観測等，さまざまな分野での利用が期待されている。中でも測定の効率を高めるため，1000 ピクセルを超える
ような多数の超伝導素子を敷き詰めた，大規模アレイ検出器の研究開発が進められている。多数の超伝導素子からの信号を正確に，かつ高速で読みだすためには，中心導体が外部導体によって完全シールドされた，セミリジッドケーブルと呼ばれる同軸線による配線が有望である。一方でヘリウム温度やそれ以下の極低温では，測定の妨げとなる熱侵入を抑える
点から，ケーブル材料の選定に注意を払わなければならない。
一般に，金属の電気抵抗率と熱伝導率の間にはウィーデマン
-フランツ則が成り立つため，信号の減衰を低く抑えようとすれ
ば熱侵入が大きくなってしまう。このため，高周波特性や熱特性，コスト等を考慮し，ユーザーが検出器や冷凍機の能力等に応じたケーブルを選定してきた[1][2][3]。
我々は，キュプロニッケル，ステンレス 304，真鍮，ベリリウ
ム銅といった，比較的熱伝導率の小さな合金を外部導体と中心導体に用いたセミリジッドケーブルを作製し，加えて高周波特性を向上させるために，中心導体に銀メッキを施す試みも行ってきた。さらに，ニオブやニオブチタンといった超伝導体を用いることで，TC 以下でウィーデマン-フランツ則の制限を受けないセミリジッドケーブルも作製した。今回，これらセミリジ
ッドケーブルの熱特性と高周波特性を中心に報告を行う。
2．セミリジッドケーブルの作製と測定
セミリジッドケーブルは，ダイスと潤滑油を用いた引き抜き法により作製を行った。引き抜き後，外部導体と中心導体との絶縁に用いている PTFE(polytetrafluoroethylene)のストレスを除去するためのエージングを施した。セミリジッドケーブルの熱伝導度は，3K-GM 冷凍機(Iwatani HE05)の 1st ステージ上のマグネットと熱スイッチによる断熱消磁により実現された，1K
から 9K の温度において，定常熱流法[4]を用いて測定した。
極低温での高周波特性取得のため，測定対象のセミリジッド
ケーブル 1m をコイル状に巻き，インジウムを介して 3K の 1stステージに接触させた。 作製したセミリジッドケーブルの構成を Table 1 に，3K ステージの高周波特性測定部を Fig.1 に，
1K ステージの熱伝導度測定部を Fig.2 に示す。
Table 1

Measured semi-rigid cables

Center conductor
Outer conductor(diameter in mm)(outer diameter in mm)
1
Beryllium-Copper (0.20) Beryllium-Copper (0.86)
2
Brass (0.20)
Brass (0.86)
3
CuNi (0.20)
CuNi (0.86)
4
CuNi (0.20)
Ag-plating CuNi (0.86)
5
Nb (0.20)
Nb (0.86)
6
NbTi (0.20)
NbTi (0.86)
7
NbTi (0.20)
CuNi-clad NbTi (0.86)
8
Phosphor-Bronze (0.29) Phosphor-Bronze (1.19)
9
SUS304 (0.20)
SUS304 (0.86)
10 SUS304 (0.20)
Ag-plating SUS304 (0.86)
CuNi : Cu-30% Ni, NbTi : Nb-47%Ti

1m-coiled semi-rigid cable
Cu block

Fig. 1 3K thermal anchor and coiled semi-rigid cable

Semi-rigid
cables (L55mm)

Fig.2 Apparatus of thermal conductance measurement
3．測定結果熱伝導度の測定において，ほぼ全てのセミリジッドケー
ブルで予想された値が得られたが，ニオブを用いたケーブル
は文献値よりも 2 桁ほど小さな熱伝導度を示し，引き抜き加工の影響も見られた。150MHz-10GHｚでの高周波特性では，中心導体に銀メッキを施した場合に減衰の低減が見られ，超伝導体を用いた場合では抵抗の消失に伴って減衰がほぼゼロになるという良好な特性を得ることができた。
今後，超伝導検出器をはじめとする様々なアプリケーシ
ョンに対応するため，より多くの種類のセミリジッドケーブルで，室温と極低温の中間温度も含めた特性を調べていきたいと考
えている。
参考文献
1. A. Kushino, et al.: Cryogenics, Vol. 45 (2005) p.637
2. E. Smith, et al, et al.: Cryogenics, Vol. 52 (2012) p.461
3. G. Tancredi, et al.: Rev. Sci. Instrum., Vol. 85 (2014)p.026104
4. A. Kushino, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol. 71(2004) p.153― 76 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p04

センサー・SQUID 計測 (1)

小動物用 SQUID を用いたラット心磁図による肺動脈性高血圧検出法
MCG detection of pulmonary hypertension in rat model using SQUID system
安田 昌太郎，日向野 将，石山 敦士(早大)；小野 弓絵(明治大)；梶村 いちげ，南沢 享（慈恵医科大）
YASUDA Shotaro，HIGANO Sho，ISHIYAMA Atsushi （Waseda Univ.）;
ONO Yumie （Meiji Univ.）；KAJIMURA Ichige，MINAMISAWA Susumu（Jikei Univ.）
E-mail: yasu-013-show@toki.waseda.jp
1．はじめに
我々は，LTS-SQUID を用いた小動物用生体磁気計測シス
テム[1]を用いて，ラット心磁図（MCG）の計測を行い，MCG の変化と心疾患との関係を明らかにするための研究を行っている.本研究ではラットに薬物（モノクロタリン（MCT））を投与する
ことで右心室肥大を引き起こす，モノクロタリン誘発性肺高血
圧モデルラット（MCT ラット）を作製し，心磁図を継時的に計測した.計測終了後，病理解剖検査により疾患の有無が確認されたラットの計測データに積分図法を適用し，本手法の有効性の評価を試みたので報告する.全ての実験は早稲田大
学動物実験審査委員会の承認を得て行われた．
2．実験方法
MCT ラットのオス 2 匹，コントロールラット（CTRL ラット）のオ
ス 4 匹の心磁図計測を 12～19 週齢にわたり継時的に行った．
MCT ラットは 12 週齢雄性 Wistar rat に MCT を 60mg/kg の用量で皮下投与することで作製した．MCT 投与モデルは「肺高血圧→右室肥大→右室不全」の実験モデルとして確立され，病態生理の検討に活用されている．CTRL ラットには同量の生理食塩水を皮下投与した．ラットの心磁図計測は日向野らの方法[2]により，LTS-SQUID システム（Figure1）を用いて行った．得られた心磁図データに 400Hz のディジタルローパ
スフィルタ，1Hz のハイパスフィルタ，ベースライン補正処理をした後に加算平均し，独立成分分析（ICA）によるノイズ除去を行った．ICA のアルゴリズムには fastICA を用い，SN 比が 2以上である独立成分を MCG 成分として選択し，ノイズ成分は0 とした．SN 比は同時計測した心電図の P 波帯，QRST 波帯のいずれかにある心磁図におけるピーク値をシグナル値，その他の時間帯にあるピーク値をノイズ値として計算した．この心磁図データに対して積分図法を適用した．積分図法とは心磁図を脱分極相（QR 区間）と再分極相（ST 区間）において時間積分し，各時相での総心磁データ強度の積分値を定量し比較する方法である[3]．また，心磁図計測と並行して心エコー検査を行い，B モード法，ドプラ法による肺高血圧症の評価を行った．
3．実験結果と考察
積分図は CTRL ラット A，B，C，D およびＭＣＴラット A，B に
おいて QR 区間，ST 区間で作成した．また，ST 区間の積分値
から QR 区間の積分値を差し引いた差分図を作成した．磁場強度を QR 区間，S 区間，T 区間の時間積分値として算出し，測定した全チャンネルの総和，QRi，Si，Ti を求めて評価した
ところ，右室肥大の進行に伴い，QRi の低下，Si の増加，Ti の増加が確認でき，心磁図の結果と生理学的なモデルとの対応を確認できた（Figure2）．QRi の低下に関しては，肺高血圧症の進行に伴う右室壁肥大および右室拡大が原因であると考える．SQUID の計測磁場は距離の 2 乗に反比例した値となるため，病態の進行により SQUID センサと信号源である心室中隔との距離が増加した結果 QRi が減少したと考えられる．さらに，右室拡大の進行に伴い心室中隔の形態が変化することにより，興奮伝導の方向が SQUID の感度が低い方向に変化
していくことも原因であると考えられる． Si の増加に関しては
右室壁肥大に伴う活動電位の増加が原因であると考える．Tiの増加に関しては T 持続時間の延長が原因であると考える．
心エコー検査では 19 週齢で MCT ラット A および B の肺高血
圧症の所見を得た．また，心磁図における(Si+Ti)/QRi の変化を追った場合，MCT ラット A および B は 17 週齢でその値の変化を確認できた(Figure3)．したがって，心エコー検査で形態変化を確認できない早期の段階で，右室肥大を検出することが出来た．心磁図の積分値が右室肥大の検出に有用な理由として，各時間帯の心筋興奮の状態を定量化していることと，活動電位の振幅と時間成分の両方を含んでいるためであると考えられる．

Figure1. Chest 16 points and picture of LTS-SQUID system

Figure2. Integrated parameter of CTRL rat D and MCT rat B

Figure3. Changes in (Si+Ti)/QRi of CTRL and MCT rats
4．まとめ
本手法は肺高血圧モデルラットの心筋状態を非侵襲的かつ継時的にモニタリングするための有用なツールとなりうる．今後は，計測データを増やしていき，本手法の正確性を示していくことが必要である．
参考文献
1． Y.Ono, A.Ishiyama, N.Kasai, K.Chinone. : Developmentof biomagnetic measurement system for mice with highspatial resolution. Appl Phys Lett 85 (2004) p.332–334
2． S.Higano，S.Yasuda，A.Ishiyama，Y.Hatsukade，Y.Ono：
Application of HTS-SQUID system to measurement ofmagnetocardiography of small animals，Abstracts of CSSJ
Conference，Vol. 90 （2014） 1P-p05
3． 山口巖，塚田啓二，心磁図の読み方，コロナ社，2006― 77 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p05

センサー・SQUID 計測 (1)小動物心磁図計測への HTS-SQUID の適用
Application of HTS-SQUID system to measure magnetocardiography of small animals
日向野 将，安田 昌太郎，石山 敦士(早大)，廿日出 好(近畿大)，小野 弓絵(明大)HIGANO Sho，YASUDA Shotaro，ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ); HATSUKADE Yoshimi(Kinki Univ); ONO Yumie (Meiji Univ)
E-mail: s.t-show@akane.waseda.jp
1．はじめに高感度な磁気センサである SQUID 磁束計を用いた生体磁
気計測は、神経や心筋の電気生理学的活動を非侵襲的に計測でき、基礎研究や臨床応用に展開されている。しかし、液体ヘリウムで冷却する LTS-SQUID を用いるものが多く、ラン
ニングコストの高さが問題視されている。そこで我々は、液体
窒素冷却による低運転コストの小動物用磁気センシング装置
として、高感度、高空間分解能を有する HTS-SQUID 磁気センサシステムを開発し、これをラット心磁図計測に適用したのでその結果を報告する。
2．HTS-SQUID 磁気センサシステムの評価作製した HTS-SQUID 式磁気センサシステムのノイズ特性を測定・評価した。まず予備実験として、AC バイアス法と DC
バイアス法の２つのバイアス電流印加下にてノイズ特性を測定した。この実験系を Figure1 に、ノイズ特性評価結果を
Figure2 にそれぞれ示す。これらの結果から、生体磁気計測においては低周波領域の信号が重要になるため本実験ではAC バイアス法を用いることにした。
また、SQUID に対して既知磁場を印加することで有効捕獲面積を算出すると 0.02 mm2であった。更に、電圧磁束変換係数は 1.43φo/V、電圧磁場変換係数は 1.43×10-7 T/V であった。

波、T 波がノイズに埋もれてしまい確認することが出来なかったため、今後は ICA（独立成分分析）などの解析手法や、計測時間を延ばすことで加算平均回数を増やすなどして解決していく必要がある。
また、本システムは高価な液体ヘリウムを用いる
LTS-SQUID 式小動物用生体磁気計測システムの代替になることも期待される。
6．謝辞
本研究に用いたHTS-SQUIDを作製するにあたり、ご指導を頂きました豊橋技術科学大学の田中三郎教授に心から感謝致します。

Figure1. Experimental system for evaluating noise characteristic

3．実験方法
本実験には 12 週齢雄性の SD ラットを用いた。開発した
HTS-SQUID を組み込んだ小動物用生体磁気計測システム
を用い、胸部の 4×4 点（6mm 間隔）を各点ごとに 1 分間計測した。麻酔には酸素及び笑気を 3:7 の比率で配合した混合ガスに、イソフルランを 1.0%加えたものを使用した。計測の際は麻酔による体温の低下を防ぐために温水ベッド（約 40℃）上にラットを仰向けに固定して行った。
サンプリング周波数は 4000Hz であり、300Hz のローパスフ
ィルタと 1Hz のハイパスフィルタ及び 50Hz のノッチフィルタを用いた。また、心磁図計測と同時に心電図も計測し、R 波ピー
クをトリガとして用いることで約 400 回加算平均を行った。更に、得られた 16 点の心磁図を用いて R 波ピークについての磁場
コンターマップを作成した。
4．実験結果と考察
本実験の結果を Figure3 に示す。計測した 16 点の内ほぼ全ての点で R 波ピークを確認することが出来た。R 波ピークについての磁場コンターマップを同条件下で LTS-SQUID を用いて測定したものと比較したものを Figure4 に示す。R 波は心室中隔での電気的な興奮によって発生するため、心臓の構造から磁場コンターマップの右上が湧き出し、左下が吸い込みになるはずである。Figure4 より、LTS-SQUID によって得られた結果と同様に HTS-SQUID においてもそのような結果が得られた。本実験で用いた HTS-SQUID によって小動物の心磁図を測定することが可能であるということが確認出来た。
5．まとめ
本実験によって、我々が開発した HTS-SQUID を用いて小動物の心磁図の測定が出来ることを示した。ただし、今回は S

Figure2. Noise characteristicof HTS-SQUID

Figure3. Representative result of rat magnetocardiography

Figure4. Comparison of magnetic contour maps at the peak of
R wave measured by HTS and LTS
参考文献
1. S. Aihara, A. Ishiyama, Y. Ono, Y. Hatsukade, S. Minamisawa:
Development of small animals biomagnetic measurement
technique by SQUID (in Japanese)― 78 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p06

センサー・SQUID 計測 (1)

理研 RIBI における HTc-SQUID ビーム電流モニターの実用化
Practical Application of High-Tc SQUID Beam Current Monitor at the RIBF
渡邉 環，福西 暢尚，加瀬 昌之（理研）；稲森 聡，今 康一（ティーイーピー株式会社）
WATANABE Tamaki，FUKUNISHI Nobuhisa，KASE Masayuki (RIKEN); INAMORI Satoru，KON Kouichi (TEP Corporation)
E-mail: wtamaki@riken.jp
1．はじめに理研仁科加速器研究センターにおいて，現在稼働中の RI
ビームファクトリー（RIBF）では，重イオンビームの DC 電流を，非破壊で高感度に測定するために，高温超電導 SQUID を応用した，ビーム電流モニター（以下，“SQUID モニター”と略）の開発を行ってきた[1]。本研究では，臨界温度の高い高温
超電導体を用い，冷凍機によって冷却を行っているため，装置はコンパクトになり，ランニングコストの大幅な低減が可能となる。今回，ビーム電流を検出する高温超電導電流センサーを製作するための超電導材塗布装置の製作を行った。また，
磁気シールドに関しては，ハイブリッド磁気シールド法の実現，
ノイズキャンセラの導入等により，大幅なシールドの強化を行った。実用機としての使用を開始するため，既存の SQUID モ
ニタープロトタイプを解体し，上記の改良を加えた装置と交換
し，再組立て作業の終了後，加速器施設のビームトランスポ
ートラインへインストールした。現在，サイクロトロンで加速されたウラン等の重イオンビームの電流測定と，ビーム物理に関する解析を鋭意進めている。今回の学会においては，これまでの開発経緯とビーム電流の測定結果について報告をする。
2．高温超電導電流センサーの改良
高温超電導電流センサーの内部をビームが通過すると，マイスナー効果によって超電導の表面を遮蔽電流が流れる。
SQUID モニターには，高温超電導電流センサーの一部（ブリッジ部）に遮蔽電流が集中するような工夫を施しており，その遮蔽電流が方位角方向に形成する磁場を， SQUID によって高感度に測定し，ビーム電流値に換算している。この高温超電 導 電 流 セ ン サ ー は ， 99.7% の 純 度 の 酸 化 マ グ ネ シ ウ ム（MgO）で作られた筒状のセラミックスに，ビスマス系の高温超電導材(Bi2-Sr2-Ca2-Cu3-Ox (Bi-2223) )を 500 µm の厚さで塗布焼成して製作する。今回，高温超電導材の塗布装置を新たに製作した。この塗布装置の製作により，従来行われてきた
手塗による塗布作業とは違い，むらがなく，均一に超電導材を塗布する事ができ，焼成中に起きる剥離を減らす事が可能となった。高温超電導電流センサーの塗布焼成と並行して，同じ条件で高温超電導のサンプルを作製し，X 線結晶解析
によって Bi2223 相の形成を確認し，サンプルの臨界温度は105 K，臨界電流は 3250 A/cm2 という測定結果が得られた。
焼成時に高温超電導材が剥離する，という最大の問題点を克服し，高温超電導材の塗布焼成に関するノウハウを確立した。
3．磁気シールドの強化
SQUID 電流モニターの性能は，SQUID の出力とノイズの比，すなわち SN 比で決まる。そのために，超電導体による完
全反磁性と強磁性体による磁気遮蔽の特性を活かしたハイブ
リッド磁気シールド法を考案し，SQUID 電流モニターに適用した。その結果，コンパクトながらも，高いシールド効果が得られるシステムの開発に成功した。この磁気シールドシステムのデザインでは，有限要素法を用いた電磁界シミュレーターTOSCA を用いた磁場計算を行い，最適化を行った。さらに，
3 軸高感度磁気センサー及び制御コントローラーが外界変動
磁界を常に検知解析し，3 対の X，Y，Z 軸ヘルムホルツコイ
ルにより，その外界変動磁界を打ち消す磁界を発生させ，安定した磁場環境を作り出す，アクティブ磁場キャンセラーシス
テムを導入した。その結果，外界磁気ノイズの内，最も強い 50
Hz の AC 磁場を，ほぼ 1/1010 までシールドする事が可能となった。
4．ビームトランスポートラインへの設置とビーム電流の測定
実用化のために，SQUID モニタープロトタイプを解体し，上記に記した様に，新たに製作した高温超電導電流センサー，
高温超電導 SQUID に入れ替え，ハイブリッド磁気シールド，ノイズキャンセラをインストールした。組み立て終了後，冷却を開始した。SQUID モニター内に模擬電流を流す事により，周波数特性の測定と電流ソースを用いたキャリブレーションを行った。その後，Fig.1 に示すように RIBF のビームトランスポート
ラインへインストールした。
今年の 4 月から 6 月にかけて，RIBF では重イオンを用いた原子核実験が連日行われてきた。その間，SQUID 電流モニタ
ーのデータ収集と制御システムのプログラミングに改良を加えながら，238U と 70Zn のビーム電流の観測を行ってきた。実験のユーザーによってビーム電流量は変わるが，代表的には 2～
4 µA のビームを約 300 nA の分解能で測定をする事ができた。
今後は，さらに整備を進め，今年度後期の実験で加速予定の48
Ca ビームを用いて，ビーム電流の測定と周波数解析を進めてゆく予定である。
なお，本研究の一部は，学術研究助成基金助成金(基盤
研究(C)：課題番号23600015) によって行われている。

Fig.1 HTc SQUID current monitor with active magnetic fieldcanceller system, which was installed in the beam transportline for use in the RIBF at RIKEN.

参考文献
1. T. Watanabe et al., "DEVELOPMENT OF BEAM
CURRENT MONITOR WITH HIGH-Tc SQUID AT RIBF",
Proc. 2010 Beam Instrumentation Workshop (BIW10),
Santa Fe, New Mexico, U.S.A pp. 523-532 (2010).

― 79 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p07センサー・SQUID 計測 (1)

MgB2 ナノストリップを用いた分子イオン検出器の TDGL シミュレーション

Time-Dependent Ginzburg-Landau Simulation on Molecular Ion Detectors Using MgB2 Nanostrips
馬渡 康徳, 全 伸幸, 柏谷 聡, 小池 正記, 大久保 雅隆 (産総研); 柴田 浩行 (NTT 物性研)
MAWATARI Yasunori， ZEN Nobuyuki, KASHIWAYA Satoshi, KOIKE Masaki, and OHKUBO Masataka (AIST);SHIBATA Hiroyuki (NTT Basic Res. Lab.)E-mail: y.mawatari@aist.go.jp
1．はじめに超伝導ナノストリップを用いる単一光子検出器や分子イオン検出器は，高感度，高速応答，および低暗計数といった優れた特徴を持ち，量子情報通信やライフサイエンス等の広い分野への応用が期待されている．産総研では，飛行時間型
質量分析計の検出部として Nb ストリップを用いた分子イオン検出器を搭載した次世代分析機器の開発を進めており[1]，さらに MgB2 ナノストリップを用いた検出器による単一の生体分子イオンの検出にも成功している[2]．MgB2 は，金属系としては臨界温度が高いことや電子・フォノン緩和時間が極めて短いことにより，冷凍機の小型化や熱的に安定動作が可能である等の点で有望と考えられ[2,3]，MgB2 を用いた単一光子検出器の開発も行われている[3]．
本研究では，MgB2 ナノストリップを用いた生体分子イオン
検出器の動作原理の解明と高性能化を目指し，検出器動作を再現する数値シミュレーションを行った．また MgB2 検出器の実験結果との比較を行った．
2．超伝導ストリップイオン検出器(SSID)とその実験
MgB2 による超伝導ストリップイオン検出器(Superconducting Strip Ion Detector : SSID)の開発と実験についてはすでに
全ら[2]により報告されており，以下にその概要を述べる．
膜厚 d = 10nm の MgB2 薄膜を幅 w = 250nm のミアンダ状ストリップに加工し，検出面積 10×10m2 の検出器を作成した．加工後の臨界温度 Tc = 20K に対して検出器動作温度は3.3K であり，ストリップの臨界電流 Ic = 96A に対してバイアス
電流 Ib = 94A を流した．生体分子イオンとして分子量 1296のアンジオテンシンを 20keV に加速し，分子イオンが超伝導ストリップに付着した時に生じる電圧パルスを計数することにより，単一分子イオンの検出を行った[2]．
Fig. 1 に，出力電圧パルス波形の実験データを丸印で示した．応答時間は 400ps 以下と高速である．Nb に比べてMgB2 は極めて熱的に安定であるため，Ib が Ic の 98%という高いバイアス条件でも安定動作が可能であり，また熱輻射防止用の赤外反射フィルタ等が不要となってイオン透過率 100%を実現することができた [2]．

決める方程式も得られる．および の境界条件として，ストリップのエッジでは超伝導・常伝導電流の垂直成分がゼロとし，またストリップ端部から輸送電流が流れる条件を課する[4]．
4．超伝導ストリップイオン検出器の数値シミュレーション
温度 T については，次の熱拡散方程式を考える[4]．
T
C
(2)
C
 k 2T 
T  T0  Pd  Qi
 ep
t



ここで，T0 は熱浴の温度，C は熱容量，k は熱伝導率，ep =2ps は電子・フォノン緩和時間，Pd はジュール発熱等の散逸による発熱，Qi は分子イオンの付着による発熱である．加速された分子イオンが超伝導ストリップに付着すると，Qi によるフォノン生成を介して局所的に超伝導電子密度が小さくなるホットスポットが形成される[5]．こうして超伝導ストリップが局所的に常伝導転移し，ストリップに電圧パルスが発生する．
(1),(2)式等を連立して，，および T について数値的に解き，超伝導ナノストリップにおける局所的常伝導転移についてシミュレーションを行った．また，超伝導ストリップのインダク
タンスや検出器のシャント抵抗等を考慮した回路方程式も連立して解き，超伝導ストリップが局所的に常伝導転移したときにバイアス電流はシャント抵抗に分流し，再び元の超伝導状態に復帰する様子についてもシミュレーションを行った．数値
シミュレーションによる出力電圧の計算結果を，Fig. 1 に実線で示した．シミュレーション結果は MgB2 ナノストリップ検出器の実験データと良い一致を示した．

3．時間依存 Ginzburg-Landau (TDGL) 方程式
超伝導ナノストリップにおける局所的常伝導転移を調べる
基礎方程式として，次のる time-dependent Ginzburg-Landau(TDGL) 方程式を用いた[4]．

Fig.1: Output voltage of a superconducting strip ion
detector (SSID) using MgB2 nanostrips: the symbols
show the experimental data and the line shows thesimulation result.

2

  2 
 T

2 
2
 0   i     02   i
A   1    0  t 0 
 Tc 
(1)
ここで， =  exp(i) は絶対零度での平衡解が = 1 となるよう規格化した order parameter， はスカラーポテンシャル，Aはベクトルポテンシャル，T は温度， Tc = 20K は臨界温度，
 0 は磁束量子， 0 = 0.15ps は GL 緩和時間，および  0 =
5nm は絶対零度におけるコヒーレンス長である．ストリップ幅
2は狭い (w <  d) ので，電流による自己磁場の効果は無視することができる．このとき，(1)式で A = 0 とするゲージを選ぶことができ，電磁場の Maxwell 方程式とは切り離して解けばよい．また，電流密度 j は  j = 0 を満たすことから，さらにを








参考文献
[1] N. Zen et al., Appl. Phys. Lett. 104, 012601 (2014).
[2] 全ほか, 第 61 回応用物理学会春季学術講演会 講演予
稿集 19a-PG2-26 (2014).
[3] H. Shibata et al., Appl. Phys. Lett. 97, 212504 (2010).
[4] Y. Mawatari et al.: Abstracts of CSSJ Conference, 86, 209(2012).
[5] M. Ohkubo, TEION KOGAKU (J. Cryo. Soc. Jpn.) 46, 47,(2011).

― 80 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p08

HTS 通電特性作製法の異なる Y 系超電導体の縦磁界下での臨界電流特性
Critical current properties in longitudinal magnetic field of REBCO superconductor produced byvarious methods
木内 勝，秀島 匡彦，小田部 荘司，松下 照男 (九工大); 佐藤 迪夫，三浦 正志（成蹊大）
KIUCHI Masaru, HIDESHIMA Masahiko, OTABE S. Edmund, TERUO Matsushita (Kyushu Inst. of Tech);
SATO Michio, MIURA Masashi(Seikei Univ.)
E-mail:kiuchi@cse.kyutech.ac.jp
まかに同程度であるが、縦磁界下では PLD 法の方が Jc の
磁界依存性がよいことがわかる。これは PLD 法の方が、面内配向性がよいためと考えられる。
Fig. 3 に TFA-MOD の Jc-B 特性を示す。TFA－MOD 法はJc(s.ｆ.)(= 5.6×1010 A/m2)が高いために縦磁界効果による大きな Jc 増加が期待できるが、得られた磁界依存性は先の線材に比べて大きな向上になっていない。この結果
から、縦磁界効果によるより優れた Jc 特性を得るためには、面内配向ばかりでなく適切なピンの導入が必要あると考えられる。詳細は当日議論する。

0.8
0.6
0.4

2．実験
測定に用いたY系超電導体は、市販されている2つの線材で、PLD(Plus Laser Deposition)法で作製されたフジ
クラ社製線材とMOCVD(Metal-Organic Vapor Deposition)法で作製されたSuper-Power社製線材である。さらに、STO
単結晶基板上にTFA-MOD(Metal Organic Deposition using
TriFluoroAcetates) 法 を 用 い て 超 電 導 層 を 作 製 し た
Y0.77Gd0.23B2Cu3O 超電導薄膜の測定も行った。全ての試料は長さが 1 mm、幅が 100 μm のマイクロブリッジに加工した。超電導体層の厚さは市販線材がおよそ1μmで、TFA-MODは 0.25 μmである。
Jc 特性は、直流四端子法を用いて電流密度J－電界E 特性を測定し、電界 E = 1.0 × 10－4 V/m の基準を用いて決定した。全ての測定は液体窒素で行った。Fig. 1 に印加した磁界の方向と電流の通電方向との関係を示す。

0.2
0
0

I∥ab
I⊥ab
Magnetic field
direction B∥I B⊥I B⊥I

FujikuraSuperPower

0.2

0.1

B [T]

0.3

0.4

0.5

Fig. 2 Normalized Critical current density at 77.3 K forcommercial YBCO coated conductors.

T = 77.3 K

1

Jc/Jc(s.f.)

0.8
0.6
0.4
0.2
0
0

Fig. 1 Arrangement of current I and magnetic field B for
the measurement of the critical current density. （a）B //I(I //ab), (b) B⊥I (I //ab) and (c) B⊥I (I ⊥ab).
3．結果および考察
Fig. 2 に市販線材の、3 つの方向に磁界を加えた場合の自己磁界 Jc(s.ｆ.)で規格化した Jc の磁界依存性を示す。なお、自己磁界中の Jc(s.ｆ.)はフジクラ社製線材がJc(s.ｆ.) = 3.7 × 1010 A/m2、Super-Power 社製線材がJc(s.ｆ.)= 3.2 × 1010 A/m2 である。作製法が異なる 2 つの線材の磁界依存性は 3 つの磁界方向の Jc の依存性は大T= 77.3 K

1Jc / Jc (s.f)

1．はじめに電気抵抗なしで流せる最大の電流密度である臨界電流
密度 Jc は、超電導体の結晶軸を揃えることや、磁束線を止めるピンの導入及びその最適化で大きく向上させることが出来る。一方で、通電電流と平行に磁界を加える縦磁界でも Jc 値を大きく増加させることが出来る。一般にこの現象を縦磁界効果といい、現在精力的に研究開発が行われている Y 系超電導コート線材においても、縦磁界効果により Jc は増加する [1]。さらにこの効果を利用した直流電力電流ケーブルの開発も進められている[2]。
しかし、この縦磁界効果による Jc の増加は、電流と磁界の平行度の具合により大きく変化し、結晶軸の乱れによる電流路の不均一さの影響も受ける。したがって、Y 系
コート線材の作製法等の違いでも、この Jc 特性が大きく影響を与えることが予想される。
本研究では、様々な手法により作製された Y 系超電導体の縦磁界下での Jc 特性を測定し、作製方法の影響を調べた。

I // abI⊥ab

B//I B ⊥I B ⊥I

0.1

0.2

0.3
B [T]

0.4

0.5

Fig. 3 Normalized Critical current density at
77.3 K for TFA-MOD processed YGBCO film.

参考文献
1. M. Kiuchi, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol.
88 (2013) p.76
2. T. Matsushita, et al.: Abstracts of CSJ Conference,Vol. 88 (2013) p.26

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第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p09

HTS 通電特性

電磁鋼板による高温超伝導テープ線材の積層導体の臨界電流向上
Enhancement of the critical current of ＢＳＣＣＯ tapes in stacked conductors with ferromagnetic
sheets
小原 久人，山内 健吾，タロウリ モハメド，孫 建，
浜辺 誠，渡邉 裕文，筑本 知子，山口 作太郎 （中部大学）
OHARA Hisato，YAMAUCHI Kengo, TALLOULI Mohamed, SUN Jian，
HAMABE Makoto， WATANABE Hirofumi， CHIKUMOTO Noriko，YAMAGUCHI Satarou (CHUBU UNIVERSITY)

3．Experimental results and discussion
Fig. 2 shows E-I curves for single and five tapes conductor
with different gaps. The transport current in the neighboring
tapes are ±100 A and ±160 A. E-I curves are different fordifferent neighboring currents. Fig.3 shows comparison of
performance improvement of the critical current for a
two-layer stacked tape conductor covered with and without
ferromagnetic sheets for the neighboring current of ±100 A
and ±160 A. When the neighboring current is -160 A, thecritical currents are improved to more than 13% for the
stacked tape conductor in spite of with and without
ferromagnetic sheets. When the same-direction currents areapplied, the critical current of BSCCO tape can enhanced withferromagnetic sheets. We will present effects on the criticalcurrent of HTS tape of the magnetic field from the currents
applied to the neighboring tapes and the ferromagnetic sheets
through the magnetic field analysis.

HTS tape

DI-BSCCO

Thickness

0.35 mmWidth

4.5 mmIc (s.f. 77 K)

200 A

Type

HT-CA

Table 1 Specifications of HTS tapes
3.5
3.0
singlestack I2 = 100 A
stack I2 = 160 A
stack I2 = -100 A
stack I2 = -160 A

2.5

E (µV/cm)

2．Samples and experiments
BSCCO tapes are used as shown in Table 1. In the present
experiments several HTS tapes were used and are insulatedwith each other and the critical current measurement isperformed at 77 K. Different currents are applied to the tapes
using two power supplies. The critical current is measured byvarying the neighboring current in the stacked tape conductor
with and without ferromagnetic sheets. The experiments show
the enhancement of the critical current of BSCCO tapes instacked tape conductors due to the correlated magnetic fieldinteraction by the applied current in the tapes andferromagnetic sheets.

2. J. Sun, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol. 87 (2013)
p.22
3. H. Ohara, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol.86(2012) p.99
4. H. Ohara, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol.
88(2013) p.163

2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
100

120

140

160

180

200

220

240

260

I1 (A)
Fig.2 E-I curves of BSCCO tape for single and two-layer
stacked tape conductors without ferromagnetic sheets
no fms160

Neighboring current (A)1．Introduction
DC superconducting power transmission system has been
mainly studied at Chubu University [1]. The critical current of
HTS tape has been extensively studied with respect to theirlayout in the cable to improve the performance of the HTS
tapes in the cable [2]. In the stacked tape conductors, thecritical current of BSCCO tapes shows strong dependence on
the current feeding directions between the tapes. The criticalcurrent is improved when the opposite-direction current
applied to them and diminished for the same-direction current
feeding mode because of strong magnetic field interaction
between them [3]. By using the ferromagnetic sheets, theself-field distribution of HTS tapes will be affected and may
improve their critical current in the cable [4]. This work
present the measurements of the critical currents of BSCCO
tape in the stacked tape conductors with ferromagnetic sheets
under different current feeding mode.

参考文献
1. S. Yamaguchi. et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol. 80(2008) p.57

― 82 ―

fms 0 mmno fmsfms 2 mm

fms 0 mmfms 2 mm0no fmsfms 0 mmno fmsfms 0 mmfms 2 mm

-160
-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

fms 2 mm40

Increase of Ic
Fig.3 Comparison of enhancement of the critical current
with and without ferromagnetic sheets
第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p10

HTS 通電特性

ホールプローブによる BSCCO 及び YBCO テープの残留磁場測定
Residual magnetic field measurement of BSCCO and YBCO tapes by a Hall probe
タロウリ モハメド, 孫 建, 渡邉 裕文, 浜辺 誠, 筑元 知子, 山口 作太郎(中部大);シーシキン オレグ（3V. N. Karazin Kharkov
National University, Ukraine); 小田部 荘司（九州工大）; シャルフィ-カッドウル サミア (Univ. of Tunis El Manar)
TALLOULI Mohamed, SUN Jian, WATANABE Hirofumi, HAMABE Makoto, CHIKOMOTO Noriko, YAMAGUCHI Satarou(Chubu Univ.); SHYSHKIN Oleg (V.N.Karazin Kharkiv National Univ.); Otabe Edmund Souji (Kyushu Technical Univ.);
CHARFI-KADDOUR Samia (Univ. of Tunis El Manar)
E-mail: te13802-3107@sti.chubu.ac.jp
(a)

(b)

Current
lead

ScansystemCurrent

Altitude 0.3 mm
Hall probe
supporterOpen
cryostat

HTS
tape

HTS tape

Fig.1 Experimental setup

120

120

(a)

(b)

80

80

60

60

I [A]

100

I [A]

100

0.15 ms
40

40

20

20

0
-0.6

-0.4

-0.2

0
0.2
Time [ms]

0.4

0

0.6

100 s

0

20

40

60

80

100

120

Time [s]Fig.2 Wave forms of current off, (a) fast-off (Fast op.), (b) 1A/s
decreasing (Slow op.).

Fig.3 Vertical components profiles of the residual magnetic field of
BSCCO (write) and YBCO (left) tapes measured for the operation
1 and 2 on three X-axis positions.

X1 (Fast op.)X2 (Fast op.)
X3 (Fast op.)
X1 (Slow op.)
X2 (Slow op.)
X3 (slow op.)

6000
4000

4000
2000
J [A/m]

0

0

-2000

-2000

-4000

-4000

-6000
82

X1 (Fast op.)X2 (Fast op.)
X3 (Fast op.)
X1 (Slow op.)
X2 (Slow op.)
X3 (Slow op.)

6000

2000
J [A/m]

1. Introduction
Damages can happen to a HTS power cable caused byovercurrent or fault conditions. Quick interruption of current
is necessary in a fault case and a better understanding ofeffects of the current cut off time on HTS tapes is required torestart the operation. The purpose of our experiment is tocompare the residual magnetic field profiles between the fastand slow cut off the current.
2．Experiment
Figure 1 shows a photo of the scanning Hall probe system
and right figure shows a scheme of the setup for measuring themagnetic field above a tape conductor by a Hall probe. The
Hall probe sensor is situated at 0.3mm above the tape. We
scanned the perpendicular component of the magnetic field ofeach HTS tape along the Y direction to cover the tape width.
A constant current is applied to BSCCO tape and then cut off
by two operations; slow and fast cut Fig. 2.
We measure the residual magnetic field profile above thetape by scanning a Hall probe. We change the X position along
the longitudinal direction. We repeat these measurements forboth current operations. During the experiment we keep theconstant level of LN2 in the open cryostat. See Fig. 3. Fromeach vertical component of the residual magnetic field we
calculated the current density profile by solving the inverse
problem of Biot-Savart equation. For the BSCCO tape andthe YBCO tape we got then current densities profiles
corresponding to X-axis positions along the HTS tape. See
Fig.4
3．Result and discussion
The profiles of the residual magnetic fields in BSCCO tape
are almost the same on the different positions along thedirection of transport current. Therefore, their current
density profiles along this direction are almost uniform they
are almost symmetric profile for the center of the tape, whichmeans that the uniformity of the BSCCO tape is high. On theother hand, the residual magnetic fields of the YBCO tape are
not uniform. This is the fundamental difference between these
two tapes in the present samples.
The quality of the BSCCO filaments near the edge would belower than the center’s. This is one of the reasons why thecurrent density profile is peaked at the center, which is not
same for YBCO Fig.4. We should consider the shielding effectof the superconducting filaments and the matrix materials,
such as copper and silver. These resistive materials canconsumes electric power. On the other hands, the quality ofthe superconducting layer of the YBCO tape would be thesame all over the tape. This is the reason that the current
density is high near the edge.

84

86

88

90

92

94

96

-6000
82

83

84

85

86

87

Y [mm]

Y [mm]

Fig.4 Current density profiles of BSCCO (wright) and YBCO (left)tapes at different longitudinal positions.

― 83 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p11

HTS マグネット (1)ローレンツ力による YOROI モデルコイルの応力ひずみ評価実験と数値解析
Experiment and numerical analysis on stress-strain of YOROI model coil due to Lorenz force
王 旭東（KEK/総研大）； 辻 義明, 梅田 大貴, 田代 真樹, 山川 宏, 石山 敦士（早大）；渡部 智則，長屋 重夫（中部電力）
WANG Xudong (KEK/SOUKENDAI); TSUJI Yoshiaki, UMEDA Hirotaka, TASHIRO Masaki, YAMAKAWA Hiroshi,
ISHIYAMA Atsushi (Waseda University); WATANABE Tomonori, NAGAYA Shigeo (Chubu Electric Power Co., Inc.)
E-mail: wanxdon@post.kek.jp
1．はじめにREBCO コイルの高磁場応用において、巻線に発生するローレンツ力に対する耐性の高いコイル構造が必須である。先行研究で開発された YOROI コイル構造[1]は、Y 系線材の強度のみに依存するのではなく、ローレンツ力を巻線外周に配置された枠材を介して、巻線を上下から挟み込む側板に伝えることで、巻線に加わる応力を軽減することが実験と数値解析により証明された[1, 2]。YOROI コイル構造の実用化のためには補強材である外枠や側板の最適化設計が必要不可欠である。そこで今回は、作製した YOROI モデルコイルに対して、側板の厚みをパラメータに応力分担効果を実験と数値解析により評価したので報告する。本研究は科研費（若手研究 B,
No. 26820100）「高温超伝導磁石の高機械強度設計技術の開発」において実施したものである。
2．実験と数値解析
実験に用いた YOROI モデルコイルの写真と諸元をそれぞれ Fig. 1 と Table 1 に示す。巻線はダブルパンケーキ構造であり、上下段のコイル最内層表面と最外層表面に計 8 個のひずみゲージを設置して、ローレンツ力による周方向のひずみを測定した。先行研究より側板の厚みが YOROI コイル構造の応力分担を大きく左右するため[2]、同一のモデルコイルに 3
種類の側板（厚み 1.0, 1.5, 2.0 mm）を取り付けてそれぞれの補強効果を評価した。実験は、真空断熱のクライオスタット内に YOROI モデルコイルを取り付け、30 K まで伝導冷却した後に、REBCO 線材 ab 面に平行に 10 T の外部磁場を印加し、コイルを 20 A（0.5 A/s）まで励磁してコイル内外層のひずみを測定した。一例として側板の厚みが 1.5 mm の場合におけるコ
イル内外層のひずみを Fig. 2 に示す。Fig. 2 より、20 A 励磁
時にコイル内層のひずみは最大 29 strain、外層は最大18 strain となった。数値解析では、10 T の外部磁場を考慮して、コイルのオーバーオールの電流密度よりローレンツ力を解析した。巻線部を複合則により Hastelloy(厚み 75 m)、銅層(厚み 75 m)と絶縁層（厚み 50 m）の一体モデルとし、補強部（GFRP）の外枠と側板のボルト接合を考慮して構造解析を行った。構造解析に用いた 1/2 解析モデルを Fig. 3 に示す。
境界条件として、最内層は回転しないように設定し、巻線とGFRP 補強部の間は接触条件とした。Fig. 2 の実験条件を模擬し、側板の厚みが 1.5 mm の場合におけるコイル内外層の周方向のひずみと応力の解析結果を Fig. 4 に示す。Fig. 4 はひずみゲージ取り付け位置（Fig. 3 コイル横断面）における解析結果である。Fig. 4 より、20 A 励磁時にコイル内層の周方向
ひずみは 30-35 strain、外層は 20-25 strain となった。また、周方向応力はコイル内層が約 4 MPa、外層が約 3 MPa となった。Fig. 4 の周方向ひずみの解析結果は Fig. 2 の実験結果とよく一致しており、解析モデルの妥当性を確認した。冷却時の熱ひずみや他の側板の厚みに対する詳細な結果は発表当日に報告する。
3．まとめ
補強構造の設計最適化に向けて、YOROI モデルコイルを用いた実験と数値解析を行い、解析手法の妥当性を確認した。今後は、実機サイズの YOROI コイルの補強構造の解析評価を行う予定である。

Fig. 1 Photograph and schematic drawing of YOROI model coil
Table 1 Specifications of YOROI model coil
REBCO winding

YOROI structure

Inner diameter (mm)4537Outer diameter (mm)54

62

Height (mm)11.6 (5 per a pancake)

13.6, 14.6, 15.6

Ic@77 K, self-field (A)105 (0.01 V/cm)-

Thickness of plate (mm)-1.0, 1.5, 2.0

Fig. 2 Experimental results of 1.5-mm-thick plate

Fig. 3 Structual analysis modelFig. 4 Analysis results of strain and stress on the winding
direction of 1.5-mm-thick plate
参考文献
1. S. Nagaya, A. Ishiyama, et al.: IEEE Trans. Appl.
Supercond., Vol. 23, (2013), 4601204
2. X. Wang, A. Ishiyama, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond.,
Vol. 24, (2014), 4601605― 84 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p12

HTS マグネット (1)超電導サイクロトロンを想定した高強度円形コイルの設計最適化に関する基礎研究
Fundamental study on optimization design of high strength circular coil for superconducting cyclotron
辻 義明，梅田 大貴，田代 真樹，石山 敦士，山川 宏（早大）；
王 旭東(KEK)；植田 浩史（阪大）；渡部 智則，長屋 重夫（中部電力）
TSUJI Yoshiaki，UMEDA Hirotaka，ISHIYAMA Atsushi，YAMAKAWA Hiroshi (Waseda University); WANG Xudong (KEK)；
UEDA Hiroshi (Osaka University); WATANABE Tomonori，NAGAYA Shigeo (Chubu Electric Power Co.,Inc.)
E-mail: atsushi@waseda.jp
z1．はじめに
我々は，高温超電導技術を活用した重粒子線がん治療用加速器として，小型の高温超電導サイクロトロンの開発を目指している[1]。小型のサイクロトロンを実現するためには，高磁場と高電流密度が求められ，発生する高いローレンツ力に対す る 高 機 械 強 度 化 が 必 須 で あ る 。 今 回 は ，先 に 行 っ た
HIMAC と同等の出力（400 MeV/n, 300 nA）の超電導サイクロ
トロンの試設計で得られたすべてのコイルによる発生磁場を考慮し，サイクロトロンに用いられる m 級円形スプリットコイルに先行研究で開発された補強構造である YOROI コイル構造[2]を適応した。そこで，磁場精度も含めた補強構造の設計最適化について検討を行ったので報告する。なお，本研究は科研費(基盤研究 A，No. 26249036)「次世代医療用サイクロトロン開発のための 5H 超伝導コイルシステムの基盤技術の確立」において実施したものである。
2．円形スプリットコイルの設計最適化
先行研究において YOROI コイル構造による円形コイルへの高機械強度化の解析評価を行った[3]。Fig. 1 に試設計した 4 対の円形スプリットコイルの断面構造を示す。また，Fig. 2に円形スプリットコイルに YOROI コイル構造を適用した解析モデルの断面構造を示す。解析モデルの簡素化のために各コイルが多段パンケーキ構造であることを考慮せず，それぞれを一体として評価した。先行研究の結果，補強構造の体積とローレンツ力によるコイルの変位，応力，ひずみにはトレード
オフの関係があり，特に Fig. 2 における上下側板の厚さ（t）と外枠の厚さ（R1）が主要なパラメータである[3]。今回はこの二つのパラメータに対して，ESTECO S.p.A の modeFRONTIERを用いて多目的遺伝的アルゴリズムにより円形スプリットコイ
ルの補強構造の体積が最小となるように設計最適化を行った。
コイル間の干渉を考慮して t を 1-50 mm，R1 を 10-100 mm の範囲に設定した。設計最適化の拘束条件として、コイルの許容変位（AD）は電磁力によりコイルが一様に拡張したと仮定し，磁場精度が 2.0×10-3 以下を満足するように設定した（Table1）。また，許容引張応力と歪みは，REBCO 線材の機械強度を考慮して 500 MPa， 0.004 と設定した。以上の条件により，目的関数と拘束条件を式 1，2 のように定式化した。V は補強
体積，D は変位，ε は歪み，σ は応力である。
(1)
Minimize f x   Vsubject to g i  x   0, i 
1,2,3
x  t , R1 

T

(2)


g1   0.004, g 2   500, g 3 
D  AD

Coil 2 に対する最適設計の結果を Fig. 3 に示す。菱形プ
ロットは実行不可能解，四角プロットは実行可能解となり，丸で示した部分において体積が最小となる最適解である。本結果から，磁場精度による許容変位が最も厳しい拘束条件となった。また Fig. 1 と Table 2 から，厚み 5 mm のシング
ルパンケーキを想定した場合のパンケーキ間の側板は1-6 mm 程度となる。
今後は，高温超電導サイクロトロンに必要となる磁場精度，
超電導線材の強度を考慮した非円形スパイラルコイルの
YOROI コイル構造の設計最適化を行っていく予定である。

0.5

0.542208
1.088757
0.00820.192809

00.0569
0.102

0.057
0.045

0.5

Unit: m1.09990.33110.03810.192809
1.0

1.5

r

0.16581.2

0.1822

Fig. 1 Schematic drawing of four split main coils

Fig. 2 Cross-section of the numerical model
Table 1 Admissible displacement of coil 1-4
Coil

#1

#2

#3

#4

Admissible displacement (mm)

2.035

2.410

3.226

2.496

Fig. 3 Optimization design of reinforcing structure of coil 2
Table 2 Optimally-designed reinforcing structure of all coils
Coil

#1

#2

#3

#4

R1 (mm)t (mm)
V (×108 m3)
Stress (MPa)Strain
Displacement (mm)

14
50
2.51
172
0.0019
2.033

37
14
1.41
206
0.0018
2.410

55
8
1.96
471
0.0038
3.226

14
40
3.23
214
0.00262.496

参考文献
1. H. Ueda, X. Wang, A. Ishiyama, et al.: IEEE Trans. Appl.
Supercond., Vol. 23 (2013), 4100205
2. S. Nagaya, A. Ishiyama, et al.: IEEE Trans. Appl.
Supercond., Vol. 23 (2013), 4601204
3. X. Wang, A. Ishiyama, et al.: IEEE Trans. Appl.
Supercond., Vol. 24 (2014), 4601605― 85 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p13

HTS マグネット (1)φ20 cm 室温ボア RE 系 5 T 超電導マグネットの通電特性
Evaluation of the 5T REBCO magnet after the fabrication
大保 雅載，藤田 真司，飯島 康裕，齊藤 隆（フジクラ）
DAIBO Masanori，FUJITA Shinji，IIJIMA Yasuhiro，SAITOH Takashi (FUJIKURA)
E-mail: masanori.daibo@jp.fujikura.com
1．はじめにRE 系超電導線材は高い機械強度を有し，20 K 以上の温度領域でも高い臨界電流－磁場特性を示すため，様々な機器への応用が期待されている．我々は 2012 年にφ20 cm 室
温ボアの RE 系 5 T 超電導マグネットを開発し[1]，12 時間連
続通電によるマグネット安定動作確認や自社内の超電導コイ
ル外部磁場試験などに活用している[2], [3]．本報告ではφ20 cm 室温ボア内のホール素子による磁場分布測定結果について報告する．また，RE 系超電導マグネットの製作後の運転実績報告例は多くないため，マグネット製作 21 ヶ月後の通電測定例についても併せて報告する．
2．RE 系超電導マグネットのホール素子による磁場分布測定
RE 系 5 T 超電導線マグネットの諸元を Table 1 に示す．
室温ボアはφ20 cm である．今回，この室温ボアにホール素子を設置し，RE 系超電導マグネットを 4.02 A/min にて励磁した．中心磁場が 5.0 T 到達した際に通電電流を保持し，9 分
後にコイル軸(Z)方向，コイル径(r)方向にホール素子を動かし
磁場分布を測定した．この 9 分後のシャント抵抗によるコイル
通電電流は 333 A であり，コイル中心磁場は 5.04 T であった．
ビオサバールの式による計算値と測定値を比較した結果をFig. 1， 2 に示す．遮蔽電流の影響によりコイル中心磁場は計算値よりも 1.1％小さい値を示している．

Fig.1 Measured results of magnetic field distribution(Radial direction)

3．マグネット製作 21 ヶ月後の通電測定例
マグネット製作 21 ヶ月後の励磁速度 4.02 A/min，消磁速度 10.7 A/min の通電測定例を Fig.3 に示す．最上下冷却板
温度，冷凍機 2nd ステージの温度も併せて示す．中心磁場
5.0 T 発生させた状態で約 50 分間安定して動作していることを確認した．なお，マグネット製作後，工場の長期休暇等により、3 回冷凍機を停止し，運転温度まで 3 回冷却を行っている．
本マグネットについては引き続き自社内の超電導コイル外部
磁場試験用などに活用していく予定である．

Fig.2 Measured results of magnetic field distribution(Axial direction)

参考文献
1. M. Daibo, et al.: TEION KOGAKU Vol. 48 (2013) p. 226
2. M. Daibo, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 24(2013) 4900304
3. M. Daibo, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol. 87(2013) p.83

Magnetic field
Current

Table 1 Specifications of the 5 T REBCO magnet [1],[2]Parameters
Tape width
Thickness of substrate of tapeThickness of copper stabilizer of tape
Critical current (Ic) of tape at 77 K, s. f.
Inner diameter of coil
Outer diameter of coil
Coil height
Number of pancakes coils
Total tape length
Total number of turns
Magnetic field
InductanceStored energy

Terminal voltage

Values10 mm
0.1 mm
0.3 mm(laminated)> 467 A
260 mm
535 mm
271 mm
247200 m
5775
5.0 T
7.68 H426 kJ

top cooling platebottom cooling plate
2nd stage

Fig. 3 Time variation of the 5 T magnet as 333 A supplied― 86 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p14

HTS マグネット (1)～高電流密度 Bi-2223 コイルの保護技術確立に向けて～
非絶縁 Bi-2223 コイルにおける自然熱暴走の振る舞い- Towards the protection technology of high-current density Bi-2223 coils Natural thermal runaway of uninsulated Bi-2223 coils
名和 雅斗，柳澤 杏子（千葉大学）；柳澤 吉紀（理研）;中込 秀樹（千葉大学）;前田 秀明（理研）
NAWA Masato，YANAGISAWA Kyoko (Chiba Univ.); YANAGISAWA Yoshinori (RIKEN);
NAKAGOME Hideki (Chiba Univ.); MAEDA Hideaki (RIKEN)
E-mail: masato.nawa@riken.jp
1．はじめにBi-2223 線材は引張強度が低いため(<250 MPa)、これまで
高磁場中ではフープ応力の制限によって高い電流密度で運転できなかった。しかし最近、Ni-Cr 補強材とプレ圧縮技術を用いることで、引張強度が 400-500MPa へと向上した[1]。これ
により、Bi-2223 コイルを 24 T 以上の高磁場中において 200
A/mm2 を超える高電流密度で運転できる可能性が出てきた。
しかし、このような高電流密度運転で問題となるのがコイル保護である。本研究では、高電流密度 Bi-2223 コイルの保護技術確立に向けた基礎的な検討として、非絶縁 Bi-2223 レイヤ
ー巻コイルの熱暴走時の振る舞いを実験によって調べた。結果を今年春の学会で発表した非絶縁 REBCO レイヤー巻コイルの結果[2]と比較した。
2．実験方法
今年春の学会で報告した非絶縁 REBCO レイヤー巻コイル（Fig.1(b)参照）[2]とほぼ同形状のコイルを Bi-2223 線材で製作した（Fig.1(a)参照）。住友電気工業株式会社製の高強度タ
イプの Bi-2223 線材(HTi-XX, 幅 4.5 mm, 厚さ 0.29 mm, 77
K での臨界電流>190 A, 総長 7 m)を使用し、内径 30 mm 、外径 33.6 mm、レイヤー数 6、総ターン数 72 の非絶縁 Bi2223 レ
イヤー巻コイルを製作した。線材の 77 K における Ic-B⊥特性とコイルの最大径方向磁場のロードラインから見積もったコイルの臨界電流 Ic,coil は 65 A である。コイルを液体窒素中において REBCO は 0.7 A/s、Bi2223 は 0.2 A/s の掃引速度でコイ
ル臨界電流を超えて励磁した。コイル両端電圧（電極電圧含む）とコイル内の上端、中心、下端の 3 箇所のコイル軸方向磁場を測定した。

(a)(b)

Fig.1 (a) No-insulation (NI) Bi-2223 layer-wound coil. (b) NI
REBCO layer-wound coil.

3．結果
Fig.2(a)に示すように、Bi-2223 コイルは電源電流 209A において熱暴走し、シングルターンモード転移が起きた。熱暴走が起きたときの電流の負荷率（Ic,coil に対する比）は 322%である。Fig. 2(b)に示すように、REBCO コイルの場合、110 A で熱暴走が起き[2]、この時の負荷率は 172%である。すなわち、臨界電流以上での自然熱暴走は、Bi-2223 コイルのほうが 1.9
倍も高い負荷率で起きている。
4．考察
実験結果が示すように、REBCO とＢｉ-2223 の非絶縁レイヤ
ー巻コイルでは、Bi-2223 のほうが高い電流値まで熱暴走が起きにくい。Bi-2223 コイル、REBCO コイルの Ic,coil における線材電流密度 Jcond と安定化材電流密度 Jstab を table 1 に示す。
REBCO コイルでは Bi-2223 コイルと比べ Ic,coil における Jstab の値が 4 倍高い。ジュール発熱量は基本的に Jstab の 2 乗に比例するため、単純に見積もると Bi-2223 コイルのほうが、ジュー
ル発熱量が 1/16 も小さい。そのため、熱暴走に至りにくいのである。また REBCO 線材の n 値は 20 を大きく上回るが、Bi-2223 線材は20以下と低いため、温度上昇・発熱のフィード
バックが弱く、より熱暴走が起きづらくなっていると推察される。

Fig.2 Axial magnetic field vs. power supply current for (a) NI
Bi-2223 layer-wound coil and for (b) NI REBCO layer-woundcoil.
Table 1. Key current density for Bi-2223 and REBCO coils

5．まとめ
非絶縁 Bi2223 コイルではコイル臨界電流の 300%以上の高い電流値まで自然熱暴走が起きなかった。これは、安定化材
電流密度と n 値が低いためである。
参考文献
1. Nakashima et al., ASC2014 preprint.
2．柳澤他、2014 年度春季低温工学・超電導学会、2A-a09― 87 ―

Coil critical current, Ic,coil
Conductor current density, Jcond,
for Ic,coil (A/mm2)
Stabilizer current density, Jstab,for Ic,coil (A/mm2)
Thermal runaway current, Itr
Conductor current density, Jcond,
for Itr (A/mm2)
Stabilizer current density, Jstab,for Itr (A/mm2)

第90回

Bi-2223
65

REBCO
64

49

163

107

400

209

110

160

275

343

688

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p15

Y 系・MgB2 バルク

樹脂含浸が Gd123 バルク超伝導体の特性に及ぼす影響
Effects of resin impregnation on the characteristics of Gd123 bulk superconductors
小林 紀之，Muralidhar Miryala，井上 和朗，村上 雅人（芝浦工大）
KOBAYASHI Noriyuki，MURALIDHAR Miryala，INOUE Kazuo，MURAKAMI Masato （Shibaura Institute of Technology）
E-mail: mb13015@shibaura-it.ac.jp

1．緒言
RE-Ba-Cu-O系バルク超伝導体は、永久磁石よりも高い
強磁場を発生する高機能磁石として、様々な分野への応用が期待されている。しかし、バルク超伝導体は機械的強度が低く、熱応力やローレンツ力などによりクラックが生じ、特性の劣化が生じることが報告されている。
本研究では、応力緩和に有効と考えられる樹脂含浸がバルク超伝導体の捕捉磁場に及ぼす影響を調べた。樹脂には、低温下でも弾性と耐水性が良好であるシリコン樹脂を基材とし、フィラーとしてAl 2O3 を添加することで樹脂の線
膨脹係数の調整を行った。また、Al粉末を添加することで樹脂の熱伝導性向上を図った。

3．実験結果及び考察
Fig. 1 に樹脂含浸を施したバルク超伝導体の外観写真を示す。

Fig. 2に、樹脂含浸が捕捉磁場測定回数と最大捕捉磁場に及ぼす影響を示す。この際、1回目の測定値を100%とした。Fig. 2より含浸したバルクでは5回の測定を行ってもほとんど最大捕捉磁場に影響を及ぼさなかったが、含浸していないバルクでは回数を重ねると最大捕捉磁場が低下していることが分かる。
これは樹脂含浸を施したことにより、急激な温度変化が抑制され、その結果、バルク超伝導体に印加される応力が緩和されるためと考えられる。
今回の実験でGd系バルク超伝導体にシリコン樹脂にAlを80wt%、Al 2O3 を120wt%添加した樹脂を含浸させることで繰り返し冷却を行うことによる最大捕捉磁場の低下を抑えられることが確認された。

110
最大捕捉磁場(%)

2．実験方法市 販 のGd 2O3 、BaO2 、CuOを原 料 粉 末 とし、GdBa ２ Cu ３
O7- δ (Gd123) と Gd2BaCuO5(Gd211) を 作 製 し た 。 そ の 後
Gd123 と Gd211 を 10:5 の 比 率 で 混 合 し 、 Ag2O3 を 20wt% 、
Pt0.5wt%を添加し、φ30mmの冶具を用いて圧粉成形を行い、種結晶溶融成長法によりバルク超伝導体を作製し、酸素アニール処理を施した。
Al、Al 2O3 の両粉末を添加したシリコン樹脂とバルク超伝
導 体 の 線 膨 脹 係 数 か ら 、 樹 脂 含 浸 の 実 験 に お い て Al 、
Al2O3 を添加する割合を決定した。300Kに対する20Kでの熱膨張はGd系、Y系ともab-planeで約-0.0017, c-axis方向で約-0.0035と報告 １） されることから、Gd系バルク超伝導体の線膨張係数は近似値としてY系バルク超伝導体の線膨張係数17.34×10-6 (1/K) を用いた２）。
この値に近づけるため、シリコン樹脂に Al を 80wt%、Al2O3
を 120wt%添加した樹脂を含浸剤として用いた。
鋳型にバルク超伝導体をセットし、超伝導体を覆うように樹脂を流し込んだ。気泡を取り除くため、減圧環境下において含浸処理を施した。
超伝導特性の評価は、最大捕捉磁場により評価した。含浸したバルクと含浸していないバルクで捕捉磁場測定を行い、樹脂含浸が最大捕捉磁場に及ぼす影響を調べた。

Fig. 1 Photo of a resin-impregnated Gd-Ba-Cu-O
bulk superconductor.

100
90
80
含浸後

70
60

未含浸

1

2

3

4

5

測定回数(回)Fig. 2 Change of trapped magnetic field with the number ofmeasurements
参考文献
1) H. Fujishiro et al.: CSJ 37(2000) p.662
2) H. Fujishiro et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., vol 16,
No.2 (2006) p. 1007

― 88 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p17

Y 系・MgB2 バルク

バルク超電導体のパルス着磁特性の向上に関する数値解析に基づく検討
Study on the improvement of pulsed field magnetization characteristics of bulk superconductor
横山 悠介，大崎 博之 （東大）
YOKOYAMA Yusuke， OHSAKI Hiroyuki (Univ. of Tokyo)
E-mail: yokoyama@ohsaki.k.u-tokyo.ac.jp
1．はじめにバルク超電導体は強いピンニング特性を有することから、強力な磁束源として様々な産業応用が期待されている。現在、バルク超電導体の着磁技術には主に磁界中冷却着磁法(FCM)とパルス着磁法(PFM)の 2 つがある。中でも装置が比較的安価かつ小型になる PFM 法が応用上期待されている。
PFM 法の着磁特性向上にはバルクの熱特性を改善する
方法や、バルクに細孔加工を施す方法などが考えられている。
しかし、これらの方法においては電磁現象に軸対称性が成立しないため数値解析例が少なく、実験だけで様々な条件下における着磁特性を調べるのは難しいのが現状である。そこで本研究では、軸対称性が成立しない解析例として穿孔バルクの 3 次元数値解析モデルを作成し、有限要素法を用いた解析を行った。

れる。今後は、穿孔バルクのみならず非軸対称性を持つ条件においてパルス着磁解析を行い、特性向上を目指した検討を行う。

2．数値解析モデル
本研究では有限要素法連成解析ソフト COMSOL を用いて数値解析を行った。半径 23 mm 高さ 15mm の RE 系バルクを液体窒素による浸漬冷却を行い、3T のパルス磁界(立ち上がり時間:10ms)を印加することを想定した。3 次元解析モデルの断面図を Fig.1 に示す。穿孔バルクは角度方向に均等に16 箇所の穴を空けたモデルを作成した。穴は直径 2 mm であり、その位置はそれぞれ、バルク中心から 15、17.5、20 mm の位置にある。超電導体の非線形特性は n 値モデルで与え、臨界電流密度の温度・磁界依存性は(1)式を用いた[1]。

Jc (B , T ) = J c 0

B0
Tc − T
B + B0 Tc − T0

Fig.1 Numerical analysis PFM model(1)

3．解析結果Fig.2 にパルス磁界印加後の z = 0 の面における穴を空けた方向の径方向磁束密度分布を示す。均一バルクでは磁束はバルク中心から 10 mm 地点までの侵入であるが、穴を空けたことによってそれ以上の磁束侵入が確認された。また、穴を空ける位置がバルクの中心に近いほど、より磁束が侵入しやすくなるという結果が得られた。
また、Fig.3 にバルク中心と穴の中心とを結んだ線上においてバルク中心から 9 mm 地点におけるバルク表面の磁束密度の時間変化を示す。穴の位置が中心に近いほど、最大の磁束密度が大きくなっていることが見られる。しかし、100 ms
において磁束密度は 17.5、20、15 mm 地点に穴を空けたバ
ルクの順に大きくなった。これは、バルク内部に穴を空けたことによって、磁束侵入過程で生じた熱が穴から冷却されたため、バルク内の磁束を捕捉する電流が大きくなった。ただし、15 mm に穴を空けた場合はバルクが冷却される前に磁束が流出してしまったために、最も磁束密度が小さくなった。
4．まとめ
穿孔バルクに対する 3T PFM の 3 次元有限要素法を用いた解析を行った。
バルク中心付近に穴を空けるほど、磁束侵入が促される
が、一定時間経過後には磁束が流出してしまうため、穴の位置について今回検討したところ、半径 15～20 mm の地点に穴を空けることで着磁特性が向上されるのではないかと考えら

Fig.2 Magnetic flux density distribution in radial direction(t = 30 ms)

Fig.3 Time dependence of magnetic flux density on bulk
surface (r = 9 mm)
参考文献
1. K. Berger, et al.:IEEE Trans. Appl.Supercond.,Vol. 17,
No.2,pp.3028- 3031, 2005

― 89 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p18

Y 系・MgB2 バルク

MgB2 超電導バルク磁石の捕捉磁場の距離依存性

Distance dependence of trapped field in 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MgB2 は、金属系超電導体最高の約 40 K の Tc をもち[1]、
冷凍機冷却による超電導磁石などへの応用が期待される。さらに MgB2 は異方性が低く、比較的長いコヒーレンス長を持つことから、無配向の多結晶体においても粒間の弱結合の問題がなく、優れた臨界電流特性を示し[2]、試料全体で均一な超電導特性[3]を示すことが期待される。すなわち、MgB2 は超電導バルク磁石として NMR 等の計測機器への応用に実用上有利であると考えられる。
Fig.1 Position dependence of trapped magnetic field for a
MgB2 bulk magnet with 50 mmφ ×10 mmt (z = 6 mm).

これまで我々は、均質性の優れた、大型 MgB2 バルク体の開発を行ってきた[4]。本研究では、計測機器等への応用ポ
テンシャルを明らかにするために、MgB2 超電導バルク磁石の捕捉磁場分布の距離依存性の評価を行った。
2．実験方法Mg 粉末、B 粉末を混合し、プレスにより、直径 50 mm、厚φ
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 バルク体を作製した。得られたバルク体試料を冷凍機で 15 K まで冷却し、超電導マグネットを用いて磁場中冷却により 6 T の磁場下で着磁を行った。バルク体の捕捉磁場特性に関してはバルク体表面に配置したホール素子と、室温空間で走査型ホールプローブを用いて三次元スキャンを行った。なお、試料温度はバルク体底面の温度とした。

Fig.2 Radial directional distributions of trapped magnetic
field of a MgB2 bulk magnet with 50 mmφ ×10 mmt.

3．結果と考察直径 50 mmφ、厚さ 10 mm の MgB2 バルク体試料を着磁後、
ホ ー ル プ ロ ー ブ に よ り 磁 場測 定 を 行 っ た 。 バ ル ク 体 表面
(z = 0)から高さ 6 mm 位置(z = 6 mm)での捕捉磁場の表面分
布を Fig.1 に示すが、理想的なコーン上の磁場分布を示すことが分かった。
バルク体表面から高さを変えたときの、捕捉磁場の径方向
依存性を Fig.2 に示すが、いずれの高さにおいても、左右対称の均一な磁場分布を有することが分かる。また、バルク体表面からの捕捉磁場の高さ依存性を評価した結果を Fig.3 に示す。z が大きくなるにつれ、捕捉磁場が減衰していくことが分か

Fig.3 Height directional distributions of trapped magnetic
field of a MgB2 bulk magnet with 50 mmφ ×10 mmt.

り、この傾向は Biot-Savart 則から算出される傾向とよい一致を
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。

示した。
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結果、捕捉磁場の空間分布は超電導バルク磁石として、優れた均一な特性を示し、NMR 等の分析機器への応用に有望であることが示唆された。

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、富田優 ほか, 第 83 回低温工学・超電導学会
講演概要集 p.86（2010）.

― 90 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p19

Y 系・MgB2 バルク

冷凍機冷却による大型リング状バルク超電導体の性能評価
Property of large ring-shaped bulk superconductor annuli operated by cryocooler
赤坂 友幸，石原 篤，福本 祐介，富田 優（鉄道総研）； 禹 泰城，関野 正樹，大崎 博之（東大）
AKASAKA Tomoyuki, ISHIHARA Atsushi, FUKUMOTO Yusuke, TOMITA Masaru (RTRI);WOO Taeseong, SEKINO Masaki, OHSAKI Hiroyuki (Univ. of Tokyo)
E-mail: akasaka.tomoyuki.65@rtri.or.jp

1．はじめにRE 系高温超電導バルク材は、液体窒素温度（77 K）で高磁場まで高い臨界電流密度を有するため、コンパクトで強い磁場発生が実現できる。本研究ではリング状に加工した高温超電導バルク体[1]を用いてマグネットを構成し、その磁場特性について評価を行った。
Fig.1 Bulk superconductor annuli
2．実験方法BT / T

リング状に加工した超電導バルク体外観を Fig.1 に示す。
機械強度および熱安定性を向上させるため、金属リング補強
ならびに樹脂含浸補強を施している。これらのリング状バルク
超電導体の積層数を変えマグネットを構成し、超電導マグネ
ットにより最大 8 T の外部磁場を印加し、冷凍機冷却、もしくは液体窒素浸漬冷却で磁場中着磁を行い、極低温ホール素子
で捕捉磁場分布を計測した。
3. 結果
大気圧液体窒素浸漬冷却において、リング状バルク体の中心部における捕捉磁場分布を Fig.2 に示す。高さ方向と半径方向における捕捉磁場の均一性を解析した結果、最大磁場を基準として 20mm 幅の中では、高さ方向では 10%、半径方向では 7%程度の差が見られた。
リング状バルク体を冷凍機により冷却し、捕捉磁場の高さ依

Fig.2 Trapped field distributions of the bulk superconductor
annuli center at 77 K.

存性を評価した結果を Fig.3 に示すが、より低温で冷却するほど相対的に磁場値が上昇していることが分かる。
4．結論
冷凍機冷却により、リング状バルク体の中心磁場値の評価を行った。今後はさらなる磁場特性の改善のために、バルク体を積層し均一性の評価を行うとともに、コイルによる補正を行う。
5．謝辞
本研究は JSPS 科学研究費補助金（24300185）の助成を受けて実施したものである。
参考文献[1]富田優 ほか, 第 80 回低温工学・超電導学会 講演概要
集 p.168（2009）.

Fig.3 Height directional distributions of trapped magnetic fieldof the bulk superconductor annuli.

― 91 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p20

Y 系・MgB2 バルク

バルク超伝導体アレイによる磁場分布制御法
Design study of magnetic field distribution control by using bulk HTS array
紀井 俊輝， 吉田 恭平， Negm Hani， Torgasin Konstantin， Suphakul Sikharin, 栂村 勇輔， 犬飼 元晴，村田 友哉,
全 炳俊， 増田 開， 大垣 英明 （京大）
KII Toshiteru, YOSHIDA Kyohei, NEGM Hani, TORGASIN Konstantin, SUPHAKUL Sikharin, TSUGAMURA Yusuke,
INUKAI Motoharu, MURATA tomoya, ZEN Heishun, MASUDA Kai, OHGAKI Hideaki (Kyoto University)
E-mail: kii@iae.kyoto-u.ac.jp
1．はじめに従来のバルク超伝導体の応用は、主に超強力永久磁石
や強力ソレノイドを模擬する機器を中心に研究・開発が進められてきた。それに対し、近年我々はバルク超伝導体アレイを用いて周期交替磁場を生成し放射光発生用のアンジュレー
タへ応用することを提案し研究を進めてきた[1]。
希土類銅酸化物系超伝導体バルク超伝導体や MgB2 バル
ク超伝導体を低温で用いることで、数 kA/mm2 を超える高い
臨界電流密度を活用することができる。この値は永久磁石の等価電流密度を大きく上回るだけでなく、4.2 K における実用
線材の有効電流密度も上回っており、電流密度の観点から極めて高い潜在的能力が期待できる。
2．バルク超伝導体アンジュレータ
バ ル ク 超 伝 導 体 ス タ ガ ー ド ア レ イ ア ン ジ ュ レ ー タ (Bulk
HTSC SAU)はソレノイド内部に周期的にバルク超伝導体を配置した構造を持ち（Fig. 1）、外部磁場を変化させた際に超伝導体内部に生じる超伝導誘導電流（白矢印）によって中心軸上に周期磁場を生成するものである。

Fig. 2 Schematic drawing for magnetization of bulk HTS.
a) Conventional strong magnet. Binterest ‖ Bexternalb) Field generation using HTS array. Binterest ∦ Bexernal
4．アレイ方式による磁場生成の適用例
アンジュレータとして利用する場合には、漏洩磁束の直交成分が強め合うように半周期ずらしたアレイ配置を取る 。
（Fig. 3-a）複数のバルクを平面内に配置すると、その中心部には逆方向に強力な漏洩磁束が生成される。（Fig 3-b）Fig. 1 Schematic drawing of Bulk HTSC SAU
これまでに、周期 10 mm 磁極間隔 4 mm の条件でソレノイド磁場に直交するアンジュレータ磁場強度 0.85 T の生成を達成している[2]。この値は永久磁石で到達可能な磁場強度を超えるものであり、アンジュレータ開発の上で大きなブレー
クスルーとなる可能性がある。
3．磁場制御の基本原理
従来のバルク超伝導体の応用では、バルク超伝導体の着磁により磁場を生成し、バルク表面における磁場強度や均一度・分布形状の向上が対象であったが、超伝導体アレイによる磁場生成では、バルク超伝導体アレイへの誘導電流により、着磁方向とは異なる向きの磁場を制御する。磁場生成の模式
図を Fig. 2 に示す。従来方式（Fig. 2-a）においては、バルクの着磁そのものを活用しているが、アレイによる磁場生成（Fig. 2-b）では、バルク超伝導体への誘導電流による漏洩磁束を利用している。

Fig. 3 Example of application of bulk HTS array.
a) Strong periodic magnetic field Binterest ⊥ Bexternalb) Localized strong magnetic field. Binterest ‖ -Bexernal
アンジュレータ以外の応用例としては、交互に変化する強い磁気勾配の活用（アンジュレータ試験機では 3.4 T/cm に相当）、局所的な強磁場生成などが考えられる。講演では、より具体的な応用例とともに、数値計算に基づく磁場強度予測
や簡単な設計指針について詳細な報告を行う。
参考文献
1. T. Kii, et al.: Proc. FEL2006 (2006) p. 653
2. R. Kinjo, et al.: Applied Physics Express Vol. 6 (2013)
042701― 92 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p21

Y 系・MgB2 バルク

4． おわりに― 93 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p22

核融合 (1)

中性子照射による Nb 薄板内のトラップ量子化磁束挙動の変化

Influence of Neutron Irradiation on Trapped Fluxoids in Nb Thin Plates
井上 昌睦，金 グラシア，東川 甲平，出光 一哉，木須 隆暢（九大）；
西村 新（ITER 国際機構）；落合 謙太郎，今野 力（原子力機構）；菱沼 良光，今川 信作（NIFS）
INOUE Masayoshi，KIM Gracia，HIGASHIKAWA Kohei，KISS Takanobu，IDEMITSU Kazuya (Kyushu Univ.);
NISHIMURA Arata (ITER-IT); OCHIAI Kentaro，KONNO Chikara (JAEA FNS); HISHINUMA Yoshimitsu，IMAGAWA Shinsaku (NIFS)
E-mail: inoue@ ees.kyushu-u.ac.jp
1．はじめに核融合炉用の超伝導磁石は核融合で発生する中性子の照射に晒されるため、構成材料である超伝導線材の中性子照射に伴う超伝導特性の変化機構の解明が重要である。本
研究では、モデル試料として純 Nb 薄板を用いて、中性子照射後の特性変化をメゾスコピックレベルの量子化磁束挙動観察および巨視的スケールの臨界電流特性の測定により実験的に明らかとした。
100µm

2．実験
試料は圧延、熱処理により薄板上に加工した純 Nb で、日本原子力研究開発機構（JAEA）の核融合中性子源施設（FNS）にて DT 反応による 14MeV の中性子照射を行った。
中性子の照射量は 1×1019 n/m2 程度であった。
照射前後の試料に対して、SQUID 磁気顕微鏡による量子化磁束の観察ならびに磁化測定による磁場中臨界電流密度
Jc の評価を行い比較した。
なお、本研究の実施のため、九州大学にて新たな核種の登録手続きを行い、中性子照射後の放射化した Nb 試料の受け入れ態勢を整えている。

謝辞
本研究は、核融合科学研究所の共同研究プログラム（NIFS11KOBF022）及び日本原子力研究開発機構との FNS
利用共同研究の一環として実施したものである。

100µm

(b)
Fig. 1 SSM images of Nb thin plate (a) before irradiation,(b) after irradiation (1×1019 n/m2)

Exp.: before irradiation
Exp.: after irradiation
Theory

-6

8 10

-6

7 10

-6

6 10

B(x) [T]

-6

5 10

-6

4 10

-6

3 10

-6

2 10

-6

1 10

0 -5
-3 10

-5

-2 10

-5

-1 10

-5

0

1 10

x [m]

-5

2 10

-5

3 10

Fig. 2 Magnetic field density profile of single fluxoid for Nb
thin plate

1.2

2

1

2

λ (0) / λ (T)3．実験結果及び考察
Fig.1 に SQUID 磁気顕微鏡像を示す。図中の白い点が磁場強度の強い領域であり、Nb 試料内で磁場が量子化されていることが分かる。中性子未照射試料（Fig.1(a)）では、量子化
磁束が複数本まとまって存在する領域や、逆向きの磁場として観察される anti-vortex の構造が多く確認されるが、中性子照射後の試料（Fig.1(b)）ではそれらが減少していることが統計的な解析により明らかとなった。これは、マクロスケールの Jcには大きな変化は見られない 1×1019 n/m2 程度の照射量において既に、中性子照射により多数の微小欠陥が結晶粒内に導入され、磁束のピンニングに寄与していることを示唆するものである。
一方、単一量子化磁束そのものの磁束プロファイルについて着目してみると、照射前後での変化は見られなかった。すなわち、Fig.2 に示すような磁束プロファイルに対して、磁場侵入長λやピックアップコイルと試料表面との距離の関数として与えらえる理論曲線のフィッティングを行ったところ、磁場侵入長に変化は見られなかった。また、磁場プロファイルの温度依存性を観察し、磁場侵入長の温度依存性についても調べたところ、Fig.3 に示すように両者とも磁場浸入長より得られる
超伝導電子密度の温度依存性が良く一致しており、磁場プロファイルから得られる臨界温度 Tc も変化していないことが分かった。このことは、中性子照射によるマトリクスの超伝導特性の劣化は生じていないことを示している。
量子化磁束の統計分布および磁束プロファイルの解析の詳細については当日報告する。

(a)

0.8
0.6
0.4
s-wavebefore irradiation
after irradiation

0.2
0

0

2

4

T [K]

6

8

10

Fig. 3 Temperature dependence of superfluid density― 94 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p23

核融合 (1)

ヘリカル型核融合炉への適用をめざした大電流高温超伝導
単純積層導体の電流分布解析
Current distribution analysis of the large-current HTS simple-stacked conductor to be used
for the LHD-type helical fusion reactor.
寺﨑 義朗（総研大）；柳 長門、濱口 真司、田村 仁、三戸 利行、相良 明男（NIFS）；
伊藤 悟、清野 祐太郎、橋爪 秀利（東北大）
TERAZAKI Yoshiro (Sokendai); YANAGI Nagato, HAMAGUCHI Shinji, TAMURA Hitoshi, MITO Toshiyuki,
SAGARA Akio (NIFS); ITO Satoshi, SEINO Yutaro, HASHIZUME Hidetoshi (Tohoku Univ.)
E-mail: terazaki@nifs.ac.jp

1．背景
現在、核融合科学研究所で設計活動が進められているヘリカル型核融合炉 FFHR-d1[1]のヘリカ
ルコイルには 100 kA 級の導体が必要とされており、著者らは高温超伝導（HTS）線材を用いた大電流導体の開発研究を行っている。今回我々が製作した 100 kA 級プロトタイプ導体は GdBCO 線
材（フジクラ製 FYSC-SC10）を銅ジャケット内に積層し、その周りをステンレスジャケットで囲った構造をしている。この導体をレーストラック形
状の短絡サンプルとして試験を行った。試験の結果、4.2 K、0.3 T において 118 kA、20 K、5.3 T に
おいて 100 kA の電流を流すことができた。
2．数値解析
臨界電流解析では積層された GdBCO 線材をひとつの導体のように見なし、その断面を細かく要素に区切った。区切られた要素には所定の輸送電流値を与え、ビオ・サバールの法則によって電流が作る磁場を求め、外部磁場を加えた磁場強度と印加角度から各要素の臨界電流値を決めた。輸送
電流値が臨界電流値を上回ったとき、その要素は臨界に達したとみなし、余剰分を再配分しながらすべての要素が臨界に達したところで各要素の臨界電流値の和を導体全体の臨界電流とした。
GdBCO 線材の臨界電流特性は文献[2]のパーコレ
ーションモデルを用いて評価した。以前製作した
30 kA 級導体[3, 4, 5]に対して同様の解析を行った
ところ、低磁場領域では解析値と実験値がよく一致するものの、高磁場領域では開きが見られることがわかっている[5]。Fig.1 に温度 20 K、自己磁場で臨界電流に達したときの線材内の自己磁場分布と電流密度分布、また Fig.2 には温度 20 K、
磁場 6.1 T の時の分布を示す。低磁場領域では、
線材面に垂直な成分の磁場が臨界電流値を決めている一方、高磁場領域では、線材面に水平な成分の磁場が支配的であることが分かった。

Fig.1 Self-magnetic field (upper) and current density(lower) distribution at 20 K and zero external magnetic
field.

Fig.2 Self-magnetic field (upper) and current density(lower) distribution at 20 K and 6.1 T.
参考文献[1] A. Sagara et al., Fus. Eng. Des., 87 (2012) 594[2] M. Inoue, et al., IEEE Trans. Appl. SC., 21 (2011)3206[3] N. Yanagi et al., IEEE Trans. Appl. SC., 24(2014) 4202805[4] S. Ito et al., IEEE Trans. Appl. SC., 24 (2014)
4602305[5] Y. Terazaki et al., IEEE Trans. Appl. SC., 24(2014) 4801305― 95 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p24送電ケーブル

30m 級鉄道用超電導ケーブルの冷却試験
Cooling test of 30-meter class superconducting cable for railway systems
小林 祐介, 鈴木 賢次, 福本 祐介, 石原 篤, 赤坂 友幸, 富田 優（鉄道総研）
KOBAYASHI Yusuke, SUZUKI Kenji, FUKUMOTO Yusuke, ISHIHARA Atsushi, AKASAKA Tomoyuki, TOMITA Masaru(Railway Technical Research Institute)
E-mail: ykoba@rtri.or.jp
1． はじめに鉄道総研では、直流電気鉄道の電力システムの合理化および省エネルギー化を目的として、鉄道用超電導ケーブルの開発を進めている[1]。超電導ケーブルを鉄道の送電線に適用することで、回生効率の向上、電力損失の低減、変電所間の負荷平準化や電圧降下の低減による変電所の集約化、電圧補償や電食の抑制などが期待できる。
本講演では、構内試験線に敷設した30 m級鉄道用超電導ケーブル[2]を用いて、各種条件で冷却試験を行ったので報
告する。

4． 謝辞
本研究は研究成果展開事業「戦略的イノベーション創出推進プログラム（S-イノベ）」の支援を受けて進めたものである。
また冷却システムの圧力制御について、NIMS北口仁氏にご助言を頂いた。
参考文献[1] M. Tomita, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol. 80(2009) p.181[2] M. Tomita, et al.: Abstracts of CCSJ Conference, Vol. 88(2013) p.30

2． 30 m 級超電導ケーブルの概要
30 m 級鉄道用超電導ケーブルシステムの概要図を Fig.1に示す。鉄道用超電導ケーブルシステムにはコンパクト性が要求されるので、超電導ケーブルは行きと帰りの液体窒素が一本の断熱管に流れる対向流循環方式を採用し、冷却シス
テムとしては液体窒素循環ポンプや冷凍機などを 1 つにまとめた一体型冷却システムを開発した。
3． 冷却試験の結果
新たに開発した一体型冷却システムにおいて、対向流循
環方式で液体窒素を循環させることに成功した。Fig.2 に冷却能力を変化させながら 5 L/min で液体窒素を循環させた際のケーブル内の温度分布を示す。流れに沿って温度が徐々に上昇しており、対向流循環方式で問題となる往路・復路の熱交換を抑えることに成功していることが分かる。
当日は液体窒素ポンプの故障模擬試験の結果や液体窒素の折り返し部に冷凍機を設置した場合の検証結果についても報告する予定である。

Vertical bending part : 5mR

Fig.2 Result of circulation cooling test.

Buried part

Horizontal bending part : 5mR

Fig.1 Outline of the constructed superconducting cable for railway systems.

― 96 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p25

送電ケーブル

直流超電導ケーブルの熱的特性および圧力損失の解析
Analysis of Thermal Characteristics and Pressure Drop of DC Superconducting Cables
熊谷 大輔，大崎 博之（東大）；富田 優（鉄道総研）
KUMAGAI Daisuke，OHSAKI Hiroyuki（Univ. of Tokyo）; TOMITA Masaru (RTRI)
E-mail: kumagai@ohsaki.k.u-tokyo.ac.jp

2．解析手法
解析の対象とするケーブルを Fig.1 に示す。
解析モデルでは冷媒の往路径を 21mm、冷媒
復路の内径、外径をそれぞれ 50mm、54mm とし、全長は 300m としている。ケーブル単位長
さ当たりの圧力損失∆𝑃𝑃[W/m]は(1)式より計算する。また、管摩擦係数𝜆𝜆 は(2)式より求めた値を用いている[1]。
ここで𝐷𝐷𝑒𝑒 は代表長さ、𝜌𝜌 Fig. 1 Structure of superconducting
は冷媒密度、𝑢𝑢は流速、 power cable.
𝑝𝑝は断熱管のピッチである。本解析では冷媒往路におけるピッチを 10mm、冷媒復路におけるピッチを 15mm とした。
1 ρu 2
(1)
DP =
λ
De 2
2

 
De  
De(2) 
1 − 
p   De + 0.438 p  
圧力損失による発熱𝐻𝐻𝐻𝐻[W/m]は∆𝑃𝑃と冷媒流量 M[𝑚𝑚𝑚𝑚3 /s]を用いて(3)式により計算される。
(3)
H = DP ⋅ M
2λ=Heat Generation (W/m)

3．解析結果Fig.2 に圧力損失による発熱の解析結果を示す。真空断
熱層からの侵入熱は MLI 層数 10 層として、およそ 0.82W/m
2
Return flow

with heat generation
without heat generation

73.5

Temperature (K)

73
72.5

Return flow

72
71.5
71

Go flow

70.5
70
0

100
200
Distance from Inlet (m)300

Fig. 3 Temperature distribution with and without heatgeneration by the pressure drop.
77
Maximum Temperature (K)1．はじめに鉄道への電力供給方式として直流き電システムが広く用いられているが、その低電圧・大電流という特徴から、き電線の持つ電気抵抗による影響でいくつかの課題が生じている。
そこで導入が検討されているのが超電導ケーブルである。超電導ケーブルは極低温での使用が前提であり、導入する上で、その熱的特性や冷却システムに関わる諸課題を明らかにし、解決していくことが重要であるため、それらについてこれまで解析を行ってきた。本研究では、圧力損失の解析、およびそれによる発熱を考慮した温度分布の解析を行った。

7675

with heat generation

74
73
72

without heat generation

71
70
0

0.1
0.2
0.3
Mass Flow Rate of Coolant (kg/s)
Fig. 4 Maximum temperature in the flow path with and without
heat generation by the pressure drop.
と計算しており、流量によっては圧力損失による発熱が主な熱源となる。次に圧力損失による発熱を考慮したケーブル温度分布の解析結果を Fig.3 に示す。ここで侵入熱は 0.82W/m、冷媒流量は 0.135kg/s(≈10L/min)として解析している。そして、温度分布の最大値を冷媒流量ごとにまとめたものを Fig.4 に示す。圧力損失による発熱を考慮した場合、流量が少ない領域では流量の増加に伴い最大温度は低下していくが、流量の多い領域では最大温度が上昇していく結果となった。
4．まとめ
本研究では圧力損失を考慮した超電導ケーブルにおける温度分布解析を行い、圧力損失による発熱がケーブル温度
上昇の大きな要因となり得るという結果を得た。今後圧力損失を低減する構造を検討していくことも重要である。

1.5
謝辞
本研究は科学技術振興機構(JST)の産学イノベーション加速事業[戦略的イノベーション創出推進]の支援によって行われた。

1
Go flow

0.5
0
0

0.05

0.1

0.15

Mass Flow Rate of Coolant (kg/s)
Fig. 2 Heat generation by the pressure drop.

0.2

参考文献
1. Katsuhide Ohira, et al.: “Pressure drop of slush nitrogenflow in converging–diverging pipes and corrugated pipes,”
Cryogenics 52 (2012) 771–783.

― 97 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p26

送電ケーブル

超電導ケーブルを導入した直流電気鉄道き電系における事故電流対策の検討
Study on Fault Current Protection for DC Electric Railway Feeding Systems using
Superconducting Power Cables
銭 可楨，大崎 博之(東大)； 富田 優(鉄道総研)
QIAN Kezhen, OHSAKI Hiroyuki (Univ. of Tokyo); TOMITA Masaru (RTRI)
E-mail: qiankezhen@ohsaki.k.u-tokyo.ac.jp
1. 初めに
現在日本の電気鉄道では直流き電システムが広く採用されている。しかし、直流電圧の低さによる送電時の損失、回生失
効による回生ブレーキ動作の不確実性、そしてこれらに起因する電力利用効率の低下などの問題が指摘されている。これに対し、き電線と並行に超電導直流ケーブルを導入すること
により、電力回生率の向上、き電系損失の低減、また変電所の有効利用等の効果が得られることが、これまでの解析で示されてきた[1]。一方、き電系に短絡などの事故が発生した場
合、過大な事故電流が流れ、き電設備の安全性が脅かされることが懸念される。そこで、MATLAB-Simulink を用いて超電導ケーブルを導入した直流鉄道き電系を電気回路としてモデル化し、超電導ケーブルにとって最も厳しい変電所 5 近辺のき電線・レール短絡事故を想定し、その安全を確保できる保護装置の設定と、系統信頼性向上の手段としての限流装置について検討した。

し、事故電流の遮断を考慮せずに事故解析を行い、限流効果を考察した。Fig.3 に示されたように、事故点に流れる事故
電流の立ち上がりとピーク値が共に大幅に抑えられた。また、超電導体の温度は事故発生後５0 ms 内で 300 K 以下を維持でき、実用可能と考えられる。
謝辞
本研究は(独)科学技術振興機構(JST)の産学イノベーション
加速事業[戦略的イノベーション創出推進]の支援によって行
われた。
参考文献
1. H. Ohsaki, et al.: “Characteristic Analysis of DC
Electric Railway Systems with Superconducting Power
Cables Connecting Power Substations,” 11th European
Conference on Applied Superconductivity (EUCAS2013), 2P-LS2-02, September 2013

2. 解析方法
Fig.１に解析に使用したモデル路線の概略を示す。路線は
全長 26.5km で、5 つの変電所を持つとする。複線の上下線に一括で電力供給されるとする(上下線一括き電方式)。超電導ケーブルは各変電所の出力を結ぶ形として導入する。
このモデル路線に基づき、変電所、き電回路、電気車、及び事故点の電気回路モデルを構築し、事故電流の過渡解析を行った。各電気車の設定は走行パターン[1]により全体回生
電力最大の情況を想定した。また、超電導ケーブルは自己イ
ンダクタンスと微小な接続抵抗のみでモデル化する。

SC1

SC2

SC3 SC4

Fig. 1 Analysis model line
3. 解析結果
まず、変電所近辺、変電所間の地絡、短絡等のき電系事故を解析し、事故点が変電所に近いほど超電導ケーブルの導入による事故電流の増大が大きくなることが分かった。また、変電所５近辺のき電線・レール短絡事故時に超電導ケーブル
４に最大な事故電流が流れることが示され、この事故を想定し、超電導ケーブルの安全性を確保できる遮断器設定を検討した。その際、超電導ケーブルの臨界電流を 10 kA とする。電気車の走行パターンにより各変電所の定常時最大出力電流が2.5 kA であることが分かり、各遮断器の動作電流を 5 kA と設定した際の事故電流を Fig.2 に示す。実際の事故電流により近似する結果を得るために、遮断器の遮断時間と遮断器間の連絡遮断機能も考慮した。事故電流遮断により超電導ケーブ
ルに流れる事故電流のピーク値は約 9 kA まで抑えられることが分かった。また、保護装置の事故検出時間と遮断時間には
数 ms しか許されず、設備性能への厳しい要求も示された。
次に、遮断失敗の可能性を考慮し、き電系統の信頼性向上のために超電導限流器の有効性と可能性についても検討した。現在検討されている超電導コイル型の限流器は、SN 転移時に発生する抵抗分とコイルのインダクタンス分を用いて限流効果を発揮する。超電導線材には SuperPower 社の SF12100
線材の特性を仮定し、それを複数並列に接続し、臨界電流を
5 kA と想定する。この限流器を超電導ケーブルの両端に設置

Fig. 2 Fault currents at the fault point and through thesuperconducting power cables (SC) 4 with circuit breakers― 98 ―

Fig. 3 Fault current at the fault point with/without
superconducting fault current limiter (SFCL)

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

1P-p27

送電ケーブルサンクトペテルブルクプロジェクトのための HTS ケーブル製作と試験
Fabrication and testing of HTS cable for St. Petersburg Project
SYTNIKOV Victor, BEMERT Sergey, ROMASHOV Maxim, KRIVETSKY Igor (FGC UES);FEDOTOV Evgenii (Irkutskkabel); IVANOV Yury (Chubu Univ.)
E-mail: ivanov@isc.chubu.ac.jp
1. Introduction
Electric networks of large cities have a high density of
consumer loads, extensive distribution networks, as well asshould fulfill high requirements to reliability of power supply,
ensuring the safety and environmental performance.
Connection of new consumers and creating new links are often
lead to the increase of short circuit currents, the less control
over the network and ultimately a reduction in the reliability of
power supply. Application of HTS DC cable provides thepossibility of solving these problems by improving redundancy
for power facilities without increasing of short circuit currents.
The objective of the Project is to demonstrate thepossibility of lifting restrictions on the development of
networks of the megacities, related to the limitation of shortcircuit currents, reducing the number of network gaps andimproving the manageability of the network. HTS DC line willconnect 330 kV substation Tsentralnaya and 220 kV
substation RP-9. The connection of these substations will
create conditions for "deliverance" of reserve power network
capacity in the power system to connect new consumers to theelectric networks of the central district of St. Petersburg.
Additionally, this link will increase the reliability of power
supply of the existing consumers. The main characteristics ofthe cable line are presented in Table 1.

testing. Two full-scale cable lengths (430 meters each) were
manufactured after successful test of two 30-meters samples.

Fig. 1. HTS DC cable design.
The main goals of the first test were check of cabling
technology and measurement of electrical resistance andvacuum tightness of terminals and coupling box. Current
source plus pole was connected to the direct conductor andminus pole to the reverse conductor on one side of the test
line. Current leads on another side of the line were shorted.
The critical current of the cable is practically equal to the sumof critical currents used superconducting tapes that indicatesthe development of a reliable cabling technology (see Fig. 2).

Table 1. Main characteristics of HTS DC line.
Transmission power
50 MW
Operating voltage
20 kV
Operating current
2500 A
Cable length
about 2.5 km
Operating temperature
65-80 K
Cooling capacity
12 kW at 70 K
Mass flow rate of LN2
0.1-0.6 kg/s
2. HTS cable design and testing
A unipolar cable with coaxial arrangement of the direct andreverse conductors was chosen as a basic design. The externalcable diameter is 39 mm. The 1G HTS tape produced by SEI(type HT-CA) is used as current-carrying conductor. The
electromagnetic field of this cable is only between two
superconducting poles. The absence of stray fields and usingof the liquid nitrogen as an impregnating agent makes thesecables environmentally friendly and fire-safe.
Cable structure includes (from center to outside): former
and stabilizing element; superconducting forward conductor
consisting of 22 tapes with Ic=160 A stacked in two layers;
high voltage insulation; superconducting reverse conductor
consisting of one layer of 19 tapes with Ic=180 A; externalcopper stabilizer; external screening insulation; electric
screen; cryostat with protecting layer produced by Nexans.
The cabling technology was developed for serial cable plant
Irkutskkabel. Some special equipment and tools were made forthe cable manufacture. Two 30-meters cable samples weremade for cabling technology verification and preliminary

Fig. 2. Temperature dependence of the critical current.
3. Conclusion
St. Petersburg Project is carried out in accordance withthe schedule. Positive results of two short samples test allow
us to start manufacturing of full-scale cable lengths. The
successful introduction of this HTS DC line into the St.
Petersburg electric power system will allow checking up thebasic technical solutions for this technology and get an
experience for the commercial application. It will be first stepfor the further building of circular DC electric power chain in
megalopolises.
References
1. V. E. Sytnikov, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.
23 (2013) Art. No 5401904
2. S. I. Kopylov, et al.: J. Phys.: Conf. Ser., Vol. 507 (2014)
Art. No 032047― 99 ―

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