1B-a01

送電ケーブル・回転機

超電導ケーブルシステムへのゲッターポンプの適用
Adoption of getter pumping system for HTS cable system
渡部 充彦，増田 孝人（住友電工）；
山口 博史，棚澤 昌幸，三村 智男（東京電力ホールディングス）Michihiko Watanabe, Takato Masuda (Sumitomo Electric Industries, Ltd.);
Hirohito Yamaguchi, Masayuki Tanazawa, Tomoo Mimura (Tokyo Electric Power Company Holdings)
は今回の対象ガスに対して約 100 Torr・L 以上と十分な特性

１．はじめに超電導ケーブルシステムの長期運転においては真空断熱であること、模擬真空槽による試験でも良好な排気特性が得ら

層を高真空に保持し、熱侵入量の増加を抑制することが重要れたことなどにより旭変電所の実系統システム端末真空槽をとなる。このため事前にベークアウトを十分に行うなどの処置

用いた排気試験を系統接続終了後に実施した。

に加え、定期的な真空排気を行うなどの対応が必要になる。
本稿では従来のターボ分子ポンプに代わり、ゲッターポンプを

５．実系統システムへの適用
ゲッターポンプの活性化を実施した後実系統システム

用いて超電導端末の真空排気を行った結果を報告する。

の端末真空槽へ接続し、真空排気を行った結果を Fig.1 に示す。封止真空度が 4.4×10-3Torr の時点から排気を行い、

２．真空維持の課題
2012 年及び 2017 年に東京電力ホールディングス・旭変電

約 10 時間で 10-6Torr 台まで到達、その後約３週間の連続所にて、66kV 超電導ケーブルシステムの 1 年以上にわたる

排気を実施し、期間中 10-6Torr オーダー以下を維持でき

実系統送電運転をそれぞれ実施した[1][2]。その際の課題のることを確認した。排気量は計算上約 13Torr・L である。

一つとして、真空断熱層の真空管理が挙げられる。真空多層断熱方式では気体による熱伝導を抑制するため、真空度を1.E‐02真空封止

1×10-4Torr 以下に保持する必要がある。しかし 2017 年に実施した実系統運転時に 1 年間の封止真空推移を観測した結ゲッターによる
真空排気開始1.E‐03

果、真空度は特に夏期の温度上昇や日射の影響により、最終まで悪化した。2012 年の運転では、ターボ分子ポンプによる真空排気を実施し送電には影響がなかったが、将来電力機

1.E‐04真空度 (Torr)

的に端末部においては初期値 10-5Torr 台から、10-3Torr 台

1.E‐05
端末A器として超電導ケーブルを適用する場合、真空ポンプの常時
1.E‐06設置、稼働は維持費の点やポンプ異常停止時の影響、バック

端末B

アップ機構等の考慮が必要となり導入のネックになりかねな
1.E‐07
2018/4/3

い。

2018/4/10

2018/4/17

2018/4/24

Fig1. Vacuum performance of getter pump for HTS
cable termination

３．ゲッターポンプの仕様、特長
上記ネックを軽減するため、ターボ分子ポンプに代わりゲッターポンプによる真空排気の検討を行った。本ポンプ

６．まとめは多孔質性焼結合金から成るゲッター材への水素の固溶

ゲッターポンプを実系統連系試験で用いた端末真空槽と、活性ガスの化学吸着と内部拡散により気体を捕獲し、の真空引きに適用し、良好な排気特性を得ることが出来た。

排気効果を得るものである。主な得失は、1)コンパクト・
軽量かつ機械駆動部がなく故障しにくい、2)捕獲したガスは再活性化(高温下での真空排気)しない限り再放出されない、3)不活性ガス(He、Ar 等)は捕獲できない、4)捕獲謝辞
本研究の一部は国立研究開発法人新エネルギー・産業技術機構の助成により実施したものである。

量が有限(再活性化すれば再利用可能)等である。
参考文献[1] Maruyama et.al. ‘Results of Japan’s first in grid

４．ゲッターポンプの基礎特性評価
これら得失を踏まえ、ゲッターポンプの基礎特性評価を行

operation of 200 MVA Superconducting Cable

った。その結果、超電導ケーブルシステム真空層の残留ガス

System’, IEEE Trans.on Applied Superconductivity,

は O2、N2、CO2 など活性ガスが主であり、不活性ガス分圧は
1×10-4Torr 未満で無視できること、端末部の封止真空度をVol 25, Issue 3, Jun., 2015.
[2] 棚澤他、「高温超電導ケーブル実系統連系の終了」、電1×10-3Torr から 1×10-4Torr とするためのガス排気量は約

気学会 B 部門大会、329(2018).

3Torr・L と試算され、今回使用するゲッターポンプの排気量― 18 ―

第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

1B-a02

送電ケーブル・回転機

三相同一軸型高温超電導ケーブルの低熱伝導層がケーブルの長距離化に及ぼす影響
Influence of Low Thermal Conductive Layer on Transmission Cable Lengthin Tri-axial HTS Cable.
遠藤 夏実，長﨑 陽，宮城 大輔，津田 理（東北大）
ENDO Natsumi，NAGASAKI Yoh，MIYAGI Daisuke，TSUDA Makoto (Tohoku Univ.)
E-mail: natsumi.endo.t7@dc.tohoku.ac.jp
1．はじめに我々は，超電導ケーブルを洋上風力発電の海底送電ケーブルに用いることを目指し，三相同一軸型超電導ケーブルの長距離化に有効なケーブル構成について検討している[1]。そして，外部からの侵入熱による冷媒の温度上昇を抑制するために，熱伝導率の低い低熱伝導層をケーブル内に設けることが，ケーブルの長距離化に有効であることを明らかにしてきた [2][3]。しかし，長距離化に適したケーブルの設計指針を確立するには，ケーブルの長距離化に有効な低熱伝導層の適用位置や厚さを明らかにする必要がある。そこで，本研究では，低熱伝導層の適用位置や厚さが，ケーブル内の電磁的・熱的現象や 1 つの冷却ステーションで送電可能なケーブル長に及ぼす影響について検討した。

冷媒である液体窒素の冷却能力を超え，ケーブル最長距離が減少した。この様に，低熱伝導層の厚さ増加による外側冷媒から内側冷媒への熱伝導抑制効果の増大とケーブル外部からの侵入熱増加による温度上昇は，トレードオフの関係にあるため，低熱伝導層の厚さに対するケーブル最長距離には，極大値が存在する。したがって，ケーブル内において，内側
冷媒の入口温度が最小かつ外側冷媒の出口温度が最大となる厚さの低熱伝導層を導体層の内側に設けることが，ケーブルの長距離化に有効であることがわかった。
Table. 1 Specifications of analytical model of an HTS tri-axial
cable with low thermal conductive layer.
Nominal voltage [kV]Transmission capacity [MW]Outer radius of inner refrigerant flow path [mm]Twist pitch [mm]Critical current at 77 K [A]Cu layer thickness [mm]
PPLP® insulation thickness [mm]Thermal conductivity of low thermal conductive
layer [W/m/K]
Flow rate of LN2 [L/min]
LN2 inlet temperature [K]LN2 inlet pressure [MPa]2．解析方法本解析に用いた三相同一軸型超電導ケーブルの諸元をTable. 1 に示す。また，その解析モデルを Fig. 1 に示す。なお，各相は，銅テープで構成されたシールド層，超電導層，絶縁用の PPLP®により構成され，コルゲート管に収容されると仮定した。ケーブルの冷却は１つの冷却ステーションで行うとし，循
環系の構築が簡易な向流を採用した。また，冷媒は内側流路，外側流路の順に流れ，回帰するものとした。ケーブル内の熱解析では，銅テープ線の渦電流損，超電導線の交流損失，PPLP®の誘電体損失，冷媒の摩擦損失，ケーブル外部からの侵入熱を考慮し，各相の超電導線における交流損失は，有限要素法による薄板近似モデルを用いた電磁界解析により評価した。なお，ケーブル最長距離は，冷媒温度で決定される最長距離と冷媒圧力で決定される最長距離の短い方に依存するとし，断熱管内半径は，ケーブル長が最も長くなるように最適化した。
3．解析結果及び考察
Fig. 2 に低熱伝導層をケーブル導体部の内側または外側に設けた場合の低熱伝導層の厚さに対する１つの冷却ステーションで冷却可能なケーブル最長距離を示す。Fig. 2 より，
低熱伝導層をケーブル導体部外側に設けるよりも，内側に設ける方が，ケーブル最長距離が長くなることがわかった。これは，低熱伝導層を設ける位置によって，超電導層の交流損失が変化するためである。低熱伝導層をケーブル導体部の内側に設ける場合は，外部からの熱侵入による導体部の温度上昇を抑制できないが，ケーブルの導体部径が大きくなり，各相の電流負荷率低下により超電導層の交流損失を低減できるためと考えられる。
また，Fig. 2 より，三相同一軸型超電導ケーブルに低熱伝導層を設ける場合，ケーブルの長距離化に適した低熱伝導層の厚さが存在することがわかった。Fig. 2 の領域Ⅰでは，低熱伝導層の厚さが十分でないため，外側冷媒から内側冷媒への熱伝搬を十分に抑制できていない。このため，低熱伝導層の厚さを増加すると熱伝導抑制効果が向上し，ケーブル最
長距離が増加した。一方，領域Ⅱでは，低熱伝導層が厚くなるにつれて，熱伝導抑制効果は向上するが，同時に断熱管内半径が大きくなるために，外部からの侵入熱が大きくなり，

6.6
40
20.89
500
200
0.01
2.0
0.018
60
65
1.0

Fig. 1. Analytical model of an HTS tri-axial cable.

Fig. 2. Dependence of maximum cable length on thickness of
low thermal conductive layer.
参考文献
1.
2.
3.

― 19 ―

D. Miyagi, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond, Vol. 28, No. 4(2018) 17662561.
N. Endo, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 96 (2018)
p.159
N. Endo, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond, Vol. 29, No. 5(2019) 2904546.

第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

1B-a03

送電ケーブル・回転機

鉄道用超伝導直流送電の研究開発（S-イノベ成果の報告）
Superconducting DC power transmission for railway (Project report for S-innovation)
富田 優（鉄道総研）
TOMITA Masaru (Railway Technical Research Institute)
E-mail: tomita.masaru.19@rtri.or.jp（Fig.1）、超伝導き電ケーブルが直流電気鉄道へ適用できる

1．はじめに
信頼性、利便性、経済性、環境調和性を有する鉄道は、エことを確認した[4]。

ネルギー消費の合理化・効率化が必要とされる今世紀に、ま現在も引き続き、超伝導ケーブルの鉄道への導入に向けすます重要性を増していく。鉄道技術基盤で電力・電気技術

た研究開発を進めている。超伝導き電ケーブルの単位長さは、の果たす役割は大きく、そこでは、超伝導の持つ低損失、高輸送の制約から 400～500m で構成されるが、事業者からは、

密度電流、高磁場といった特性に基づいた新しい機器やシスより導入効果が得られる数 km にわたるシステムの実現が期待

テムが大いに活躍できる。鉄道き電システムに超伝導技術をされている。その期待に応えるべく、JST 未来社会創造事業

適用することで、回生効率の向上、電力損失の低減、変電所の「高温超電導線材接合技術の超高磁場 NMR と鉄道き電線

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、への社会実装」において接続技術の開発を、NEDO の「運輸電食の抑制など様々な効果が期待できる。鉄道総研では、直分野への高温超電導適用基盤技術開発」において長距離冷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

却技術の開発を、それぞれ進めている。

を目的として、鉄道用超伝導き電ケーブルの開発を進めている[1,2]。

2．S-イノベにおける超伝導き電ケーブルの開発
超伝導技術の鉄道システムへの適用に向け、これまで
2007 年から鉄道用超伝導直流送電の研究開発に着手し、2009 年に国立開発研究法人 科学技術振興機構（JST）の長期の研究成果展開事業「戦略的イノベーション創出推進プロ
グラム（S-イノベ）」の研究課題である「次世代鉄道システムを創る超伝導技術イノベーション」が始動した。
当初は、基礎となる材料の高度化を目的とし、SEM や TEMによる微細組織の観察や材料合成方法の検討により、高 Jc

Fig. 1化の指針を得た。また、超伝導き電ケーブルの設計に必要な、超伝導線材の機械特性評価、過電流特性などの各種基礎実験を行い[3]、その結果をもとに、鉄道用超伝導き電ケーブルを試作、通電や漏洩磁場に関する評価を実施した。

The result of train running test

謝辞
本研究の一部は、国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）の研究成果展開事業・戦略的イノベーション創出推進

信頼性の高い冷却システムとして、冷却システムの全てのユプログラム（S-イノベ）の助成を受けて実施した。

ニットを一体化した一体型冷却システムを開発し、超伝導き電ケーブルシステムを構内試験線に敷設した。冷却および電気的な評価試験により、鉄道現場に設置するシステムとしての健全性を確認した後、試験列車への超伝導送電を実施し、電車の走行試験に国内外で初めて成功した。

参考文献
1.

M. Tomita et al., Energy 122 (2017) 579-587.

2.

Superconductors drive trains, Nature 542 (2017) 275.

3.

福本祐介 ほか, 第 86 回秋季低温工学・超電導学会 講

構内試験線で実施したこれらの試験結果を参考にして、実路線を選定し、鉄道現場における試験に着手した。実際の設演概要集 p.101（2012）.
4.

備への接続や超伝導き電としての動作確認など、実用化に向

富田優 ほか, 第 87 回秋季低温工学・超電導学会 講演
概要集 p.30（2013）.

けた基礎的な技術検証を目的として、営業線において夜間走行試験を実施した。き電回路へ組み込んだ超伝導き電ケー
ブルを介し、営業線を走行する実車両への送電に成功し― 20 ―

第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

1B-a04

送電ケーブル・回転機

電動推進航空旅客機に用いる超電導同期機の電磁特性の比較
Comparison of electromagnetic characteristics
of superconducting synchronous machines for electrified aircraft propulsion
systems
寺尾 悠，石田 裕亮，大崎 博之（東大）
TERAO Yutaka, ISHIDA Yusuke and OHSAKI Hiroyuki (Univ. of Tokyo)
E-mail: y.terao@ohsaki.k.u-tokyo.ac.jp
1．Introduction
Electrified aircraft propulsion systems have been studied
actively [1] and the propulsion systems demand electrical
motors with higher output density (> 16 kW/kg) and higher
efficiency (> 98%). The superconducting (S.C.) motors are oneof the good candidates for the future aircraft systems. Using
FEM, we designed two kinds of the S.C. motors: partial S.C.
motors (PSCMs) and fully S.C. motors (FSCMs). And wecompared and discuss the electromagnetic characteristics ofthe two S.C. motors in this presentation.
2．Superconducting Motor Specifications
Table 1 shows fundamental specifications of the two S.C.
motors. We consider aircraft with 180 seats and then 44 MW
for take-off is required. For this system, 3.0 and 5.0 MW
motors are designed. The PSCM is made of YBCO field coils
and copper armature windings. And the FSCM employed
YBCO field coils and MgB2 armature windings. These S.C.
wires are cooled at 20 K with liquid hydrogen. The diameterof the motors is limited less than 800 mm. Also, the cryostat
for the motors are made of FRP.
Figs 1 and 2 show 2-dimensional analysis model of the
PSCM and the FSCM. Based on the preliminary design study
results, number of poles for 3.0 and 5.0 MW PSCM was 14 and16, respectively. Also, based on the reference [2], 4-pole waschosen for the 3.0 and 5.0 MW FSCM structures. We will
evaluate the output density and efficiency with these models.
3．Analysis Results
Table 2 shows the analysis and design results of the two S.C.
motors. The structure of the PSCMs have large diameter andshorter length. On the other hand, the FSCMs are almost thesame of the diameter and the length. This structural differencecame from the difference of the pole-pitch of the two S.C.
motors. As a result, the output density of the FSCM exceededover 20 kW/kg, while the PSCM reached 17 kW/kg in case of
the 5.0 MW machine. Also, as for the efficiency of the motors,
the two PSCMs reached 98%. However, the efficiency of thetwo FSCMs was 1% higher than that of the PSCMs. One of thereasons are the choice of the number of poles. According to
the results, 5.0 MW PSCM, 3.0 MW and 5.0 MW FSCM canbe the good candidates for the electrified aircraft propulsion
systems. However, we should also consider system redundancy
for the future aircraft when we chose the motor output.
Table 1. Superconducting Motor Specifications
Motor type
Motor output
Rotation speed
Motor diameter
Cooling temperature
Field coils
Armature Windings

4．Conclusions
We have designed and compared two kinds of S.C. motors
for future aircraft systems. The motor with higher output canreach higher output density. However, when we decide therated power of the S.C. motors, system redundancy should betaken into consideration.
Acknowledgement
This research is partially based on results obtained from a
support by Nagamori Foundation.
References
1. C. E. Jones, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.26,
No.6 (2016), pp. 1-9
2. Y. Terao, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.29,
No.5 (2019), pp. 1-5

PSCM
FSCM
3.0, 5.0 MW
5000 rpm< 800 mm
20 K (Liquid Hydrogen)
YBCO
YBCO
Cu (300 K)
MgB2― 21 ―

Back Iron
W+
UV+
WU+
Superconducting
Field Coils

V-

Cryostat & Evacuated Area

Figure 1. Analysis model of the PSCM structure (14-pole).
Back Iron

V+

W-

U-

W+

U+

Superconducting
Field Coils

V-

Cryostat & Evacuated Area

Figure 2. Analysis model of the FSCM structure (4-pole).
Table 2. Superconducting Motor Characteristics

PSCM

FSCM

Number of Poles
Diameter
Length
Output Density
Efficiency
Number of Poles
Diameter
Length
Output Density
Efficiency

第98回

3.0 MW
14
713 mm
158 mm14 kW/kg
98%
4
350 mm
356 mm20 kW/kg
99%

5.0 MW
16
793 mm
171 mm17 kW/kg
98%
4
400 mm
434 mm23 kW/kg
99%

2019年度春季低温工学・超電導学会

1B-a05

送電ケーブル・回転機

航空機電動化のための推進用界磁超電導モータの電磁設計
Electromagnetic Design of Propulsion Motors with Superconducting Field Winding
for Electrified Aircraft
石田 裕亮，寺尾 悠，大崎 博之（東大）
ISHIDA Yusuke，TERAO Yutaka，OHSAKI Hiroyuki (Univ. of Tokyo)
E-mail: Ishida-yusuke537@g.ecc.u-tokyo.ac.jp
1．はじめに
近年の航空需要の増大により、航空機にはより一層の低炭素化・高効率化が求められている。このような状況下で、航空機の推進システムへ、従来のターボファンエンジンに代わり電気モータを使用する電動推進式航空機が提案されており、永久磁石型同期モータ(PM モータ)を用いた 1 人乗り小型プロ
ペラ機の実証試験は既に行われている。更なる大型機への技術拡張も検討されているものの、100 席以上の航空旅客機の電動推進化には 16 kW/kg 以上の高出力密度のモータが必要とされている[1]。しかし、従来の PM モータの出力密度は5 kW/kg 程度であることを踏まえると、大幅な出力密度の改善が必要である。本発表では、全超電導モータ(FSCM)に比べ、多極化による出力密度向上が期待できる界磁超電導モータ(PSCM)について理論解析式を用いた電磁設計を行い、モータ出力と回転数が出力密度に与える影響を考察した結果を報告する。
2．モータ仕様
Table 1 に PSCM の仕様を示す。Fig. 1 は 12 極の場合のPSCM の 1/12 モデルを表したものである。界磁コイルには臨界温度が高く、良好な‫ܬ‬௖ െ ‫ܤ‬特性を示す YBCO 線材を用いることとし、電機子巻線は水冷の銅線を想定する。YBCO 線材の運転温度は液体水素温度の 20 K とした。180 席程度かつ離陸時最大出力 44 MW の航空旅客機に PSCM を搭載することを想定し、PSCM の出力を 1、2、3、5、7 MW とした。これは、それぞれ 44、22、15、9、7 基の PSCM を航空機に搭載することに相当する。回転数は 5000、6000、7000 rpm とした。フ
ァンの直径は 1.6 m を想定しており、回転数が 7000 rpm を超える場合はファンの翼端が音速を超えるため考慮していない。
界磁コイル-電機子巻線間のギャップはクライオスタットの壁の厚さ等を考慮して 35 mm とした。モータ直径、磁気装荷、極数は変数とし、それぞれの場合で出力密度が最大となるよう値を設定した。
3．設計結果Table 1 の基本仕様に従い設計した結果得られた出力密度を Fig. 2 に、効率を Fig. 3 に示す。Fig.2 及び 3 から、モータの出力及び回転数が増加するに伴って、出力密度と効率は増加している。特に、出力 5 MW の回転数 6000 rpm 以上、また出力 7 MW の全回転数において出力密度が航空旅客機に必要な 16 kW/kg を達成している。バックヨークの体積当たりの鉄損は印加磁界の周波数に伴って増加するものの、出力密度増加によるバックヨークの体積の減少の効果が大きく、鉄損の総量は減少し効率が改善する傾向が見られた。
4．まとめと今後の予定
本研究では理論解析式による設計により、PSCM の出力密度及び効率が出力や回転数に伴って増加することを明らかにした。また、PSCM は航空旅客機に必要な 16 kW/kg 以上の出力密度の達成が見込める結果となった。一方で、モータ出
力はシステムの冗長性に、回転数はパワーエレクトロニクスやファン等に影響を及ぼすと考えられるため、今後は周辺シス
テムに配慮した設計を行っていく。
参考文献
1. B. Łukasik, et al.: ASME Turbo Expo 2017, Vol. 1 (2017)
p. V001T01A017

Table 1 PSCM specifications
Motor output
1, 2, 3, 5, 7 MW
Rotational speed
5000, 6000, 7000 rpm
Line-to-line voltage
1.41 kV
Diameter< 800 mmElectric loading
120 kA/m
Field coils
YBCO
Armature windings
CopperFig. 1 Analysis model of a 12-pole PSCM

Fig. 2 Mechanical output power density of PSCM design cases― 22 ―

Fig. 3 Efficiency of PSCM design cases

第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

1B-a06

送電ケーブル・回転機

閉磁路型収束着磁法を用いた高温超電導回転機の電磁解析とコイルの評価試験
Evaluation of HTS winding for rotating machine with closed circuit magnetization
門脇 駿，都築 啓太，山村 昇，岩月 峻大，及川 大，塚本 武彦（豊田高専）
KADOWAKI Shun, TSUZUKI Keita, YAMAMURA Sho, IWATSUKI, Takahiro, OIKAWA Dai, TSUKAMOTO Takehiko (NITTC)
E-mail: D1802@toyota.kosen-ac.jp
1．はじめに近年、地球温暖化などの問題から、船舶用の推進システム
に関しても環境負荷の低減が求められている。
船舶用推進機においては、従来主流であったディーゼル
エンジンによる推進システムから、電気推進システムを導入する事による環境対応が選択肢の 1 つとして考えられている。電気推進システムは、推進用回転機の小型化などにより燃費がFig. 1 The array of HTS coils
向上することが知られており、超電導材料を応用した超電導回転機が様々な機関で研究開発されている。超電導材料を回転機に応用する際には、界磁部に励磁した超電導コイル
や、着磁したバルク磁石を用いる構造が一般的である。
しかし、従来の超電導コイルやバルクを界磁とした回転機には、回転物に大電流を流す機構や回転機とは別に着磁を行う機構を組み込む必要があるなど装置の複雑化、大型化が課題となっていた。そこで超電導回転機構造の単純化や小Fig. 2 Applied magnetic Fig. 3 Applied magnetic field
型化が可能となる着磁法の研究と、要素技術の成立性を検
field distribution in different distribution in different layers
証する実証試験が必要である。
HTS winding designof HTS winding
我々のグループでは、回転機の電機子コイルに直流の電Table 1 Parameters for HTS
流を印加し、回転子表面に配置したバルクに着磁を行うこと
motor
で界磁極を形成する閉磁路型収束着磁法[1,2]を考案した。
Parameters
Values
2．研究目的
Output1,000 kW
これまでに閉磁路型収束着磁法を実現する超電導電機子を用いた 15 kW 級回転機の検討を、電磁解析ソフトウェア
Rotating Speed
106 rpm(MagNet7)を用いて行った。界磁極形成や運転の基礎原理
Number of Poles
4が確認されたため、小型の超電導コイルの検証と大型化に向Outer diameter of Rotor
250 mm
けての検討の準備ができた。
Thickness of RotorCore
150 mm本研究は 15 kw 級の成果をもとに、小型試作コイルでの通Thickness of Bulk
10 mm
電試験を実施し、大型化した 1 MW 級モデルを有限要素法
Outer diameter of Stater
1000 mmによる電磁解析を用いた概念設計の実施を目的とする。
Thickness of Stater
150 mm3．実験方法および解析モデル
Fig. 4 The structure of 1MW
Length(straight)
1,000 mm
実用化に向けた実験として、小型試作超電導コイルの直流
HTS motor
及び交流の通電試験を実施する。これらの結果をもとに、出力 1 MW の船舶推進用のラジアルギャップ型超電導回転機
Fig. 3 に電機子コイル層数に対する印加磁束密度分布のの検討を行う。ローター表面には Gd 系のバルクを使い、電機変化を示す。出力トルク等の観点から、電機子コイルは 4 層の子コイルには Bi2223 の超電導線材を想定している。極数やモデルを最適モデルとして選定した。Fig. 4 に 1MW 級回転バルクの厚みなど様々な検討を行ったが、本概要では、電機機のモデルについて電磁解析による最適化を行ったモデル
子の配列と巻き数の検討の一部を例として示す。
の外観、Table 1 にそのパラメータを示す。
Fig. 1 に解析モデルを示す。超電導コイルを 1 層当たり 300
5．まとめturn のダブルパンケーキコイルとした。まず、同巻数とした電本研究では、閉磁路型収束着磁法を用いた 1 MW 級超電機子の配列について、2 層コイルを用いた Model 1 と、1 層コ
導回転機の概念設計を実証の結果と電磁解析により行った。
イルによる Model 2 で比較を行った。さらに、電機子を 3 層、4検討の結果より、機器内のバルク体表面において、界磁極層…と多段化することによる、超電導バルク体への磁束密度に 3 T 以上の磁束印加が可能となる超電導コイル構造の目処
および回転機出力について比較、検討を行う。
を立てた。トルク密度を計算した結果、本研究での構造を適4．結果用することにより既存の 1 MW 級超電導回転機に比べ体積あ小型試作超電導コイルの通電試験より 30 K において、直たりの出力が大きくなることがわかった。これにより、閉磁路型
流 200 A 以上の通電が確認された。さらに交流電流について
収束着磁法を用いることで従来よりも小型な超電導回転機のは 77 K において、周波数 20 Hz 以下で 20 A 以上の通電が実現が期待される。
可能であることが分かった。
参考文献
通電試験の結果より、電機子電流は着磁時 DC 200 A、運1. K. Tsuzuki, et. al., Design of Bulk Rotating Machine Using
Closed-Circuit Magnetization, IEEE Transactions on
転時 AC 20 A として 1 MW 級回転機の解析を行った。
Applied Superconductivity, 2019, Early Access, Page 1-1
Fig. 2 に電機子コイルの配列を変化させた Model 1 および
2. K. Tsuzuki, et. al., Magnetic Field Analysis of HighModel 2 の着磁時におけるバルク表面への印加磁束密度分
Temperature Superconductor Field Pole Using Convergence
布を示す。Model 2 が Model 1 と比較して、着磁時の最大磁
Magnetized Method with Closed Magnetic Circuit, Abstracts
束密度および総磁束が増大した。加えて出力トルクの平均値
of CSSJ Conference, Vol. 94 (2017) p.44
に対するトルクリップルは 3 %以下であった。

― 23 ―

第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

1B-p01

バルク着磁・応用

パルス着磁した Mg-B バルク超伝導体からの磁場散逸現象
Magnetic Flux Dissipation from Mg-B Bulk Superconductors Activated by Pulsed Field
岡 徹雄（芝浦工大）； 横山 和哉（足利大）； 沖 隼光（新潟大）； 山中 健悟（芝浦工大）； 小川 純, 福井 聡（新潟大）;
ユリアナ シャイター, ウォルフガング ハスラー（IFW ドレスデン）； ロンジ ダディエル, 坂井 直道, ムラリダ ミリアラ,
村上 雅人（芝浦工大）； ノウデム ジャック（カーン大）OKA Tetsuo (SIT); YOKOYAMA Kazuya (ASHITEC); OKI Hayami (Niigata Univ.); YAMANAKA Kengo (SIT); OGAWA Jun,
FUKUI Satoshi (Niigata Univ.); Juliane SCHEITER, Wolfgang HAESSLER (IFW Dresden); Longji DADIEL, SAKAI Naomichi,
Muralidhar MILYALA, Masato MURAKAMI (SIT); Jacques Noudem (Univ. Caen)
E-mail: okat@sic.shibaura-it.ac.jp
1．はじめに
Mg-B 系のバルク超伝導体はその等方性や金属間化合物である加工性の良さなど から、新たな捕捉磁場磁石
Trapped Field Magnet として発展が期待できる。しかし、その密度などの諸特性は画一的でなく、工法に依存することが知られている。広く使われている 2 つの製法で作成したMgB2 バルク試料によるパルス着磁での磁場侵入とその捕捉磁場性能を比較した。スパークプラズマ焼結をパルス磁場で励磁した場合の磁場捕捉現象を実験的に調査し、侵入した磁束がフラックスジャンプによって試料から散逸する挙動を評価した。試料はホッププレスで合成し、無添加の試料とこれにチタンを添加した試料を比較した。実験では試料への磁束の進入の時間変化をホール素子によって詳細に測定した。

Table 1 Specification of bulk samples

1.0
0.8

Trapped Field (T)MH104b
F526

HP
SPS

0.77

0.75
Fast flux
flow

0.6
0.4

Flux jump

0.2

2．実験方法MgB2 試料の作成はホットプレス（HP）法とスパークプラ
ズマ焼結（SPS）法による。HP は IFW ドレスデンで作成し、SPS はカーン大から提供を受けた。Table1 にその諸元を示す。SPS では 9.6 ｍｍの厚い試料が作成でき、わずかだが高密度な試料が得られている。パルス着磁は 0.5 T から 2.2
T までの、立ち上がり時間 10 ms の磁場を 60 mF の電源によって印加した。磁場測定は FW ベル社の BHT921 を用いて、バルク試料上面中央で測定した。

0.0

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Applied Field (T)2.5

Fig.1 Penetration Fields in various pulsed-field applications
2.5

Ba = 1.0 T

2.5

T = 15K
BT = 0.65T

2.0

1.5

Ba

1.0

B (T)

B (T)

2.0

BT

NFF

0.5

3．実験結果（１）磁場遮蔽効果； 成分組成がわずかにことなるが、Fig.1 によれば、磁場侵入の開始点が試料厚さに依存することがわかる。MgB2 の均質性から磁場侵入に対する遮蔽効果はその厚さによく依存することがわかった。
（２）磁束侵入挙動； Fig.2 から、磁場侵入は 3 つの型があることがわかる。低磁場印加では侵入した磁場 BP は減衰せず(No Flux Flow)、高磁場ではフラックスジャンプ（Flux
Jump）が発生して捕捉磁場を散逸させる。その間では速い
フラックス流（Fast Flux Flow）が磁場散逸を起こして発生して捕捉磁場性能を下げることがわかる。
（３）磁場捕捉性能； 磁場捕捉性能は今回の試験では0.77 T と 0.75 T であって有意差はなかった。磁場捕捉率の定義を行い、そのパラメタから 2 つの製法によって、3 つの磁場侵入形態が観測された[1]。偶発的な FJ と系統的なFFF の発生があり、今後の実験で明らかにする。

0.0

Ba = 1.6 T
Ba

1.5

T = 15K
BT = 0.14T
BP

FJ

FFF

1.0

BT

0.5
‐50

0

50 100 150 200 250 300 350

0.0Time (ms)‐50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Time (ms)Fig.2 Evolutional profiles of flux invasion at 1.0 and 1.6 T

Trapping R

o BT/BP (%)

100
80

95.6%
Fast ﬂux ﬂow

60

50.7%

40
Flux jump

20
10.5%

0
0.0

4．結論
製法の違いによる MgB2 バルク磁石の磁場捕捉性能をパルス着磁により評価した。最大で 0.77 T の磁場捕捉が 1.2 Tの磁場印加により得られたが、頻繁な FJ の偶発的な発生によってその捕捉磁場の散逸が見られ、捕捉磁場性能は大幅に減退した。その発生は Ti 添加により高印加磁場側にシフトすることが観測され、材料組成やその合成法によって改善される可能性を示した。

F526
SPS
15K

No ﬂux ﬂow

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Applied Field (T)Fig.3 Trapping Ratio BT/BP on SPS sample

参考文献
1. Tetsuo Oka, et al., IEEE Transactions on Applied
Superconductivity,
Vol.
29,
No.
5,
DOI:
10.1109/TASC.2019.2908752, 01 April 2019, pp. 1-5― 24 ―

第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

1B-p02

バルク着磁・応用

パルス着磁における 㻾㻱㻮㼍㻯㼡㻻 リングバルク及びディスクバルクにおける㻌
応力解析シミュレーション㻌㻺㼡㼙㼑㼞㼕㼏㼍㼘㻌㼟㼕㼙㼡㼘㼍㼠㼕㼛㼚㻌㼛㼒㻌㼠㼔㼑㻌㼙㼑㼏㼔㼍㼚㼕㼏㼍㼘㻌㼟㼠㼞㼑㼟㼟㻌㼕㼚㻌㻾㻱㻮㼍㻯㼡㻻㻌㼟㼡㼜㼑㼞㼏㼛㼚㼐㼡㼏㼠㼕㼚㼓㻌 㻌㼞㼕㼚㼓㻌㼍㼚㼐㻌㼐㼕㼟㼗㻌㼎㼡㼘㼗㼟㻌㼐㼡㼞㼕㼚㼓㻌㼜㼡㼘㼟㼑㼐㻙㼒㼕㼑㼘㼐㻌㼙㼍㼓㼚㼑㼠㼕㼦㼍㼠㼕㼛㼚㻌θθσ (MPa)σ (MPa)

θ

W

ť 7

σ (MPa)㻌平野㻌 達也，藤代㻌 博之㻘㻌 内藤㻌 智之㻌 㻔岩手大㻕；㻌 㻹㼍㼞㼗㻌㻰㼛㼡㼓㼘㼍㼟㻌㻭㼕㼚㼟㼘㼕㼑㻌 （㻯㼍㼙㼎㼞㼕㼐㼓㼑 大）㻌
㻴㻵㻾㻭㻺㻻㻌㼀㼍㼠㼟㼡㼥㼍，㻌 㻲㼁㻶㻵㻿㻴㻵㻾㻻㻌㻴㼕㼞㼛㼥㼡㼗㼕㻘㻌㻺㻭㻵㼀㻻㻌㼀㼛㼙㼛㼥㼡㼗㼕㻌㻔㻵㼣㼍㼠㼑㻌㼁㼚㼕㼢㻚㻕㻧㻌㻹㼍㼞㼗㻌㻰㼛㼡㼓㼘㼍㼟㻌㻭㼕㼚㼟㼘㼕㼑㻌㻔㼁㼚㼕㼢㻚㻌㼛㼒㻌㻯㼍㼙㼎㼞㼕㼐㼓㼑㻕㻌㻱㻙㼙㼍㼕㼘㻦㻌㼓㻜㻟㻝㻤㻝㻟㻞㻬㼕㼣㼍㼠㼑㻙㼡㻚㼍㼏㻚㼖㼜㻌㻌
講演では熱応力を加え、さらに詳細なバルク形状に対す
㻝．はじめに㻌るパルス着磁における応力挙動について磁場、熱の観点から
バルク超電導体の特徴的な応用の一つである超電導バ議論する。㻌 㻌
ルク磁石は強力な磁場発生源としての実用化に向け、バルク作製技術及び着磁技術の研究が進んでいる。バルク超電導
(a) z
(b) z
体 の 着 磁 方 法 の 一 つ で あ る パ ル ス 着 磁 㻔㻼㼡㼘㼟㼑㼐㻙㻲㼕㼑㼘㼐㻌
Ring bulk
Disk bulk
㻹㼍㼓㼚㼑㼠㼕㼦㼍㼠㼕㼛㼚㻘㻌 㻼㻲㻹㻕は、数ミリ秒の増磁過程と減磁過程から1010構成されるため、電流磁気相互作用による電磁応力は複雑θθrr
な挙動を示す㼇㻝㼉。高い着磁特性を示す 㻾㻱㻮㼍㻯㼡㻻 系超電導
(0, 0)(0, 0)
バルクは脆いセラミックス材料であり、捕捉磁場は超電導特性
-10
-10
2
32 (mm)
32 (mm)に伴い発生する電磁力と材料強度により制限される。今後の
z
z
(c)
(d)
超電導バルク応用において、バルク体の応力挙動の理解はRing bulk
Ring bulk
重要な課題となる。本研究では有限要素法を用いて電磁界・
1010温度㻙応力解析を行い、異なる内径のリング及びディスク形状θθrrの 㻾㻱㻮㼍㻯㼡㻻 バルクに対しパルス着磁における応力を算出し、(0, 0)(0, 0)
バルク形状に伴う電磁応力及び熱応力を検討した。㻌
-10
-10
㻌
32 (mm)
1032 (mm)20
㻞．解析方法㻌㻲㼕㼓㻚㻌㻝㻌㻿㼏㼔㼑㼙㼍㼠㼕㼏㻌㼢㼕㼑㼣㻌㼛㼒㻌㼚㼡㼙㼑㼞㼕㼏㼍㼘㻌㼙㼛㼐㼑㼘㼟㻌㼒㼛㼞㻌㼠㼔㼑㻌㻔㼍㻕㻌㼐㼕㼟㼗㻌㼎㼡㼘㼗㻌㻲㼕㼓㻚㻌㻝 に示すように（㼍）ディスクバルク（直径 㻢㻠㻌㼙㼙、厚さ㻔㻵㻰㻌㻩㻌㻜㻌㼙㼙㻕㻘㻌㻔㼎㻕㻌㼞㼕㼚㼓㻌㼎㼡㼘㼗㻌㻔㻵㻰㻌㻩㻌㻠㻌㼙㼙㻕㻘㻌㻔㼏㻕㻌㼞㼕㼚㼓㻌㼎㼡㼘㼗㻌㻔㻵㻰㻌㻩㻌㻞㻜㻌㼙㼙㻕㻌㼍㼚㼐㻌㻔㼐㻕㻌㼞㼕㼚㼓㻌㼎㼡㼘㼗㻌㻔㻵㻰㻌㻩㻌㻠㻜㻌㼙㼙㻕㻚㻌 㻌㻞㻜㻌㼙㼙）及びリングバルク（外径 㻢㻠㻌㼙㼙、各内径（ｂ）㻠㻌㼙㼙、（ｃ）
㻞㻜㻌 㼙㼙、（ｄ）㻠㻜㻌 㼙㼙、厚さ 㻞㻜㻌 㼙㼙）の 㻠 つの異なる形状をした(a) 5(b) 30Ts=65 K, Bex=4 T
Ts=65 K, Bex=4 T㻾㻱㻮㼍㻯㼡㻻 バルクに対して、ソレノイドコイル（内径 㻥㻥㻌 㼙㼙、外@z=0 mm, r=0 mm@z=0 mm, r=inner diameter20
4
径 㻝㻞㻝㻌 㼙㼙、高さ 㻡㻜㻌 㼙㼙）を用いたパルス着磁を検討した。バ
Bex=4 (T)
ID=0 mm
ID=4 mm
ルクはコールドステージ上に配置し、バルクの 㼏 軸方向からの
10
ID=20 mm3
ID=40 mm
冷却を想定した。バルクの超電導特性は 㻷㼕㼙㻌 㼙㼛㼐㼑㼘（㻮㻜㻌 㻩㻌 㻝㻚㻟㻌
0㼀、α㻌 ＝㻌 㻟㻚㻠㻡×㻝㻜㻥㻌㻭㻛㼙㻞）を仮定した。着磁温度 㼀㼟㻌㻩㻌㻢㻡㻌㻷、
2
印加磁場 㻮㼑㼤㻌㻩㻌㻠㻌㼀㻌㻔立ち上がり時間 㻝㻟㻌㼙㼟㻕のパルス磁場によID=0 mm-10
ID=4 mm
り着磁を行った。電磁界・温度‐応力シミュレーションには
1
ID=20 mm
ID=40 mm㻼㻴㻻㼀㻻㻙㼟㼑㼞㼕㼑㼟㻌 㻔（株）フォトン㻕㻌 を用い、㻟 次元有限長モデル-200を構築し解析を行った。㻌
-30 1
1
10
100
1000
10
100
1000

Time (ms)Time (ms)㻟．解析結果㻌㻲㼕㼓㻚㻌㻞㻚㻌㼀㼕㼙㼑㻌㼑㼢㼛㼘㼡㼠㼕㼛㼚㻌㼛㼒㻌㻔㼍㻕㻌㼠㼔㼑㻌㼠㼞㼍㼜㼜㼑㼐㻌㼒㼕㼑㼘㼐㻘㻌㻮㼠㻘㻌㼍㼚㼐㻌㻔㼎㻕㻌㼠㼔㼑㻌㻌 㻌 㻲㼕㼓㻚㻌 㻞㻔㼍㻕に各形状におけるバルク中心での捕捉磁場 㻮㼠 の㼑㼘㼑㼏㼠㼞㼛㼙㼍㼓㼚㼑㼠㼕㼏㻌 㼟㼠㼞㼑㼟㼟㻘 σ θ 㻘㻌 㼒㼛㼞㻌 㼠㼔㼑㻌 㼢㼍㼞㼕㼛㼡㼟㻌 㼎㼡㼘㼗
時間依存性を示す。内径の拡大に伴い磁束遮蔽効果は弱ま㼏㼛㼚㼒㼕㼓㼡㼞㼍㼠㼕㼛㼚㼟㻌㼐㼡㼞㼕㼚㼓㻌㻼㻲㻹㻌㻔㼀㼟㻌㻩㻌㻢㻡㻌㻷㻘㻌㻮㼑㼤㻌㻩㻌㻠㻌㼀㻕㻚㻌 㻌り、侵入磁場が増大した。㻲㼕㼓㻚㻌㻞㻔㼎㻕に各形状におけるバルク内(b) 20(a) 0Ts=65 K, Bex=4 T
径での電磁フープ応力 σ θの時間依存性を示す。増磁過程@t=30 ms, z=0 mm
において、侵入磁場の増大に伴い圧縮応力は増大し、㼠㻌 㻩㻌 㻝㻝㻌-5
15
ID=0 mm
㼙㼟 近傍で最大となった。圧縮応力から引張応力に変化する
ID=4 mm-10
ID=20 mm
減磁過程において、㼠㻌 㻩㻌 㻟㻜㻌 㼙㼟 近傍で引張応力は最大となっID=40 mm10-15た後、捕捉磁場の低下に伴い減少した。㻲㼕㼓㻚㻌 㻟㻔㼍㻕に、各形状
ID=0 mmにおける 㼠㻌㻩㻌㻝㻝㻌㼙ｓのバルク中心（㼦㻌㻩㻌㻜㻌㼙㼙）における電磁フーID=4 mm-20
ID=20 mm5プ応力σθ分布を示す。ディスクバルクはボアによる応力集中
ID=40 mm
-25 T =65 K, B =4 Tが生じないため、リングバルクと比較して最大圧縮応力は小さsex@t=11 ms, z=0 mm
くなった。リングバルクは内径の減少に伴い最大圧縮応力は
0-30
05 10 15 20 25 30
0
5 10 15 20 25 30増大した。これは、磁場印加時に発生する遮蔽電流の面積がr (mm)r (mm)
増大したためだと考えられる。㻲㼕㼓㻚㻌 㻟（ｂ）に、各形状における 㼠㻌㻲㼕㼓㻚㻌 㻟㻚㻌 㻯㼞㼛㼟㼟㻌 㼟㼑㼏㼠㼕㼛㼚㼍㼘㻌 㼜㼘㼛㼠㼟㻌 㼛㼒㻌 㼠㼔㼑㻌 㼑㼘㼑㼏㼠㼞㼛㼙㼍㼓㼚㼑㼠㼕㼏㻌 㼟㼠㼞㼑㼟㼟㻘㻩㻌㻟㻜㻌㼙㼟 のバルク中心（㼦㻌㻩㻌㻜㻌㼙㼙）における電磁フープ応力σσθ㻘㻌㼒㼛㼞㻌㼠㼔㼑㻌㼢㼍㼞㼕㼛㼡㼟㻌㼎㼡㼘㼗㻌㼏㼛㼚㼒㼕㼓㼡㼞㼍㼠㼕㼛㼚㼟㻌㻔㼦㻌㻩㻌㻜㻌㼙㼙㻕㻌㼍㼠㻌㻔㼍㻕㻌 㼠㻌 㻩㻌
θ分布を示す。内径の拡大に伴い最大引張応力は増大した。
㻝㻝㻌㼙㼟㻌㼍㼚㼐㻌㻔㼎㻕㻌㼠㻌㻩㻌㻟㻜㻌㼙㼟㻘㻌㼐㼡㼞㼕㼚㼓㻌㻼㻲㻹㻌㻔㼀㼟㻌㻩㻌㻢㻡㻌㻷㻘㻌㻮㼑㼤㻌㻩㻌㻠㻌㼀㻕㻚㻌 㻌
これはバルク形状によるバルク内周への応力集中のためだと
㻌
参考文献㻌
考えられる。以上より、異なるバルク形状に対するパルス着磁㻝㻚㻌㻴㻚㼃㼡㻌㼑㼠㻌㼍㼘㻚㻘㻌㻿㼡㼜㼑㼞㼏㼛㼚㼐㻚㻌㻿㼏㼕㻚㻌㼀㼑㼏㼔㼚㼛㼘㻚㻌㻟㻝㻌㻔㻞㻜㻝㻤㻕㻌㻜㻠㻡㻜㻜㻤㻌における応力挙動は誘導電流の面積とバルク形状による応力集中の両面によって決定されると言える。㻌

― 25 ―

第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

1B-p03

バルク着磁・応用

パルス着磁における軟鉄ヨークの大きさがバルク磁石の捕捉磁場特性に及ぼす影響Influence of the size of soft-iron yoke on trapped field performance of HTS bulk
in pulsed field magnetization
横山 和哉（足利大）；岡 徹雄（芝浦工大）
YOKOYAMA Kazuya (Ashikaga Univ.); OKA Tetsuo (SIT)
E-mail: k-yokoyama@ashitech.ac.jp
Fig. 2 に各ヨークにおける総磁束量の比較を示す。L-yoke

1．はじめにバルク磁石の実用化に向けては，捕捉磁場の増大と共にと M-yoke に大きな差はなく，S-yoke は 15%以上小さい値とな

着磁の簡便化が重要である。パルス磁化法は汎用の銅コイルっている。最大値を取る印加磁場 5.4 T の値は，M-yoke が及びコンデンサ電源を使用し，短時間で磁化できるため，実3.28 mWb，L-yoke が 3.53 mWb となり，約 8%大きい結果とな用化においては有用な手法である。一方で，捕捉磁場が試った。

料の最大性能の半分程度であるため，捕捉磁場の向上が必要である。そのために，着磁方法の改善等のソフト的な手法

4．まとめや，磁化装置の改造等のハード的な手法が考えられる。本研

パルス着磁において，パルス幅を延ばし，バルク体をより長究はパルス幅を延ばすための軟鉄ヨークに注目し，ヨークがく磁場に曝すために軟鉄ヨークを用いているが，本文はそのバルク体より小さい場合，同じ場合，大きい場合について着大きさが捕捉磁場特性に及ぼす影響を調査した。温度及び磁実験を行い，ヨークの大きさが捕捉磁場特性に及ぼす影響

印加磁場を変えて単一パルス磁場を印加する実験を行ったを評価した。

結果，S-yoke から M-yoke に変更することで，捕捉磁場及び総磁束量が増大する一方，M-yoke と L-yoke では大きな変化はなかった。これはヨークの大きさに最適値があることを示

2．実験方法軟鉄ヨークはバルク体を挟む構造になっており，一方はサンプルステージに配置し，材質はパーメンジュールで，大きさ唆しており，バルク磁石の実用化においては，ヨークを常時搭載する機器において，重量削減につながる。

はφ64×20 mm である。他方は着磁コイルに取り付けてあり，
材質は純鉄で，直径はφ40，φ64，φ80 mm の 3 種類を用意
し，厚みはすべて 47 mm である。なお，上記の大きさのヨーク
を S-，M-，L-yoke と呼ぶ。
φ60×20 mm の GdBCO バルク体（日本製鉄製）を，2 段 GM
冷凍機（RM20，アルバック製）のコールドヘッドの先端に接続したサンプルステージに配置し，真空断熱した後に 20，30，40，
50 K に冷却する。各温度において 3.9～6.2 T のパルス磁場（立上時間：10 ms，全パルス幅：100 ms）を 1 回印加し，試料
表 面 の 中 央 に 貼 り 付 け た ホ ー ル セ ン サ （ BHT-921 ，
F.W.BELL 製），及びセルノックス抵抗温度計（CX-1030-SD-HT-1.4L/J，Lakeshore 製）により，着磁中の磁束密度，BT，及びの時間変化，T，を測定した。着磁後，着磁コイルを取りFig. 1. Magnetic flux density at bulk surface （BT） and polesurface (Bzmax) for Bapp=3.9-6.2 T

外し，3D ホールセンサ（BH-703，F.W.BELL 製）を用いて磁極表面（試料表面から約 4 mm）の磁束密度分布を測定した。
また，実測データから総磁束量，，を算出した。
3．結果及び考察
Fig. 1 に 試料表面中央の磁束密度，BT，及び磁極表面の最大磁束密度， Bzmax，の印加磁場依存性を示す。試料表面においては低印加磁場で大きな差が現れており，M-yoke とL-yoke の最大捕捉磁場は，それぞれ 4.07 T 及び 3.65 T となっており，約 12%前者が大きくなっている。一方，磁極表面の結果は，いずれの印加磁場でも M-yoke が最も大きくなっているが，最大値を取る印加磁場 5.4 T の値は，M-yoke が2.56 T，L-yoke が 2.54 T とほぼ等しくなっている。

― 26 ―

Fig. 2. Comparison of total magnetic flux

第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

1B-p04

バルク着磁・応用

MSR-QMG ®バルクマグネットの 15T 着磁過程と磁気的安定性
15T magnetization process and magnetic stability of MSR-QMG bulk magnet
森田 充，手嶋 英一，成木 紳也，澤村 充（日本製鉄）; 淡路 智（東北大学)
MORITA Mitsuru, TESHIMA Hidekazu, NARIKI Shinya, Sawamura Mitsuru（NSC）；AWAJI Satoshi(Tohoku University)
E-mail:morita.d98.mitsuru@jp.nipponsteel.com

Sample（a）

１．はじめに®
優れた特性を有する QMG（単結晶状の
123 相中に 211 相
が微細分散したバルク状酸化物超電導材料）は，1988 年に初めて開発された[1-3]。その後，希土類元素（RE）を置換した種結晶を使用する単結晶育成技術により大型の
QMG が製造可能となり種々の応用開発が進められた[4]。
バルクマグネット応用は，1989 年に提案され RE 置換種結晶技術によりその基本形が完成した[5,6]。最近では，特に低温・強磁場での着磁により数 T の磁場が捕捉可能となり各種のバルクマグネット応用例が報告されている[7]。
前回は，リング状の MSR-QMG（Metal Sheet ReinforcedQMG）バルクマグネットを用い，15T の着磁に成功したことを報告した[8,9]。今回，補強部材中の銅の割合を高めた試料を作製し，15T 無冷媒マグネットを用いて 15T 着磁を行ったので報告する。

3．実験結果・考察
Fig.2 に 24K での各試料に対する減磁パターンを示す。
試料(a)では，0.079T/分の減磁速度で減磁した場合，約 8Tの外部磁場でクエンチが発生したが，15T から 0.079T/分で減磁した後，約 11T から 0.039T/分で減磁した場合，クエンチすることなく着磁を完了した。試料(b)では，15T から 9T まで 0.114T/分および 0.15T/分で減磁した後,約0.05T/分で，減磁することで 15T 着磁をクエンチすることなく完了できた。このことから，銅の割合を高めた試料（b）においても 15T 着磁が可能であり，かつ，銅の割合を高めたことで比較的高速で減磁を行った場合でもクエンチが発生せず，結果として，試料(a)に対して短時間で着磁を完了することができた。
また，両方の試料に関して，各着磁過程での試料の上部と下部との温度差（試料内部の発熱）が，着磁の進行とともに増加するものの，着磁の終盤で，一旦，温度差が低下
した後，着磁完了近傍で増加する傾向が見られた。着磁過程における発熱（AC ロス）は，Jc に比例することから，着磁終盤に一旦発熱が減少する現象は，QMG リングの Jc の磁場依存性におけるピーク効果が影響しているものと考えられる。当日は，Jc のピーク効果と発熱量に関しても議論
する。

：OFC
：SUS
：QMG
Fig. 1 Cross-sectional structure of sampleｓ.

16
14

External field (T)2．実験方法2-1 試料準備：Fig.1 に前回報告した試料（a）と今回作製した試料（b）の断面構造を示す。試料(b)は，試料（a）に対し上下の端部に無酸素銅を多く使用している。形状および製造方法は，外径 26.5mm，内径 11.0mm，厚さ 4.0mmの QMG リングを積層し，それらの間にステンレス鋼および無酸素銅を配置し，さらに内周リング，外周リング，最内周リングおよび最外周リングを半田で接続することによって作製した。また，試料の上下に温度計を貼り付け着磁
中の試料温度を記録した。
2-2 着磁方法：100K で 15T の外部磁場を印加した後，24K,
20K で，種々の減磁速度で減磁し着磁を行った。その時の試料中央に配置したホール素子により捕捉磁場を測定した。

Sample（b）

★

12
10

Sample(a) with quench
Sample(a) without quench
Sample(b) without quench

quench

8

★

24K

6
4
2
0
0

1

2

Time

3

(h)

4

5

6

Fig. 2 Comparison of demagnetization pattern of each Sample.
謝辞
これらの 15T 着磁実験は,東北大学 金属材料研究所 強磁場超伝導材料研究センターにて実施した。
参考文献
1. 森 田 充 , 松 田 昭 一 ： New Superconducting Materials
Forum News, No10 (1988) 15
2. M. Morita, et al.: Physica C 172(1990)383-387[参考文献 1.の英訳]
3. 森田 充：博士論文「溶融成長法による大型酸化物超伝導体の作製と高臨界電流密度化に関する研究」
北海道大学学術成果コレクション（HUSACP）
http://eprints.lib.hokudai.ac.jp/statistics/
statslist.php?staturl=fma3serq5o2379t
4. M. Morita et al.: Advances in Superconductivity Ⅲ (1991)
733
5. 森田 充：特許登録番号：2055511
6. M. Morita, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol. 41(1989) p.14
7. 森田 充等：新日鐵住金技報 第 407 号 （2017）
8. M. Morita, et al.:Abstracts of ICMC-CSSJ Conference, Vol.
97 (2018) p.14
9. 森田 充，淡路 智，赤瀬善太郎， 進藤大輔: 「金属」
Vol.88 (2018) No.11 ｐ924

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第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

1B-p05

バルク着磁・応用YBCO バルクの最大 22 テスラの強磁場下における磁場捕捉とフラックスジャンプ
Trapped fields and flux jumps in YBCO bulks under high magnetic fields up to 22 Tesla
内藤 智之， 藤代 博之 （岩手大） ； 淡路 智 （東北大）
NAITO Tomoyuki, FUJISHIRO Hiroyuki (Iwate Univ.); AWAJI Satoshi (Tohoku Univ.)
E-mail: tnaito@iwate-u.ac.jp
1． はじめに
RE-Ba-Cu-O バルク （RE は希土類元素 ； REBCO） の捕
捉磁場 BT は磁場中臨界電流密度よりも機械的特性に制限されることが多い。 例えば、 磁場 20T を捕捉した REBCO バ
ルクには数百 MPa のフープ応力が働くが [1-3]、 バルクの引張強度 （主に 3 点曲げによる測定） は高くても 150MPa 程度であり [4]、 外部補強無しではバルクの破壊が起こる。 応
力が集中する空孔、 第 2 相との界面や結晶欠陥などが破壊の起点と考えられている。 Tomita と Murakami は YBCO バ
ルク対に対して真空樹脂含浸による空孔等の充填および炭
素繊維を含む樹脂による外部補強を施すことにより、 バルク
対中心で 29K において 17.24 テスラの磁場を捕捉することに成功した [1]。 その後、 Durrel 等によりステンレスリングを焼嵌めした GdBCO バルク対中心で 26K において 17.6 テスラの捕捉磁場が報告された [2]。 両実験で観測されたドーム型の捕捉磁場分布 BT (r)（捕捉磁場の半径方向の場所依存性）
はバルクがフル着磁になっていないことを示しており、 捕捉
磁場の傾き dBT /dr から本来の捕捉磁場は 20 テスラを優に超えると予想される。 なお、 17 テスラ級の捕捉磁場は使用した励磁用超伝導マグネットの最大発生磁場 18 テスラに制限されている。 従って、 実験的には機械的強度に加えて、 励
磁用マグネットの発生磁場も克服すべき課題となるが、 我々は YBCO バルクによる 20 テスラ級磁場の捕捉を目指すことにした。 数百 MPa のフープ応力に耐える補強容器を有限要素法によるシミュレーションを元に設計し、 東北大金研強磁場センターのハイブリットマグネット （最大発生磁場 28 テスラとなる水冷および超伝導マグネットの組合せ） で着磁実験を行った。
2． 実験方法
Fig.1 にステンレス （SUS316） 製補強容器と YBCO バル
ク対を示す。 2 次元の直交する r および z 軸を定義した。 r
軸は半径方向、 z 軸はバルク厚さ方向にそれぞれ平行であった。 座標原点はバルク対の中心とした。 各 YBCO バル
ク （直径 20mm、 厚さ 10mm） は、 SUS316 リング （外径 30mm、 内径 20mm、 高さ 10mm） に挿入された後、 両表面を
直径 30 mm、 厚さ 1.5mm の 2 種類の SUS316 円盤 A および B で覆われた （それぞれ 6 本のネジで固定）。 なお、 円
盤 A には幅 3mm、 深さ 0.5mm の溝があり、 バルク対において対向するように配置した。 その空間 （幅 3 ｍｍ、 高さ1mm） に 4 個の低温用ホール素子を r 軸上 （r=0、 2、 5 お
よび 9mm） に配置した。 また、 下部バルクの底面にセルノッ
クス温度計を取り付けた。 この構造における磁場 20 テスラの捕捉条件下でのフープ応力は最大 +10 ＭＰａとシミュレーシ
ョンから見積もられており、 先に示したバルクの破壊強度に比べて十分低いと言える [3]。 磁場中冷却着磁実験はヘリウ
ムガスフロー型のクライオスタットおよびハイブリットマグネットを用いて最大 22 テスラの磁場下で行った。
3． 実験結果と考察
Fig.2 にバルク温度 Ts =28K、 印加磁場 Bexmax ＝ 18 テス
ラの磁場中冷却過程を示す。 左縦軸はホール素子による局所磁場、 右縦軸はバルク温度を示す。 また、 横軸のタイム
ステップ （TS） は、 TS =10 × （Bexmax — Bex） / Bexmax で定義した。 ここで、 Bex は掃引外部磁場 （Bexmax → 0 テスラ） である。 中心磁場 B1 (r=0mm) は外部磁場の減少とともに緩やか

1 2

3

4

Fig.1: Schematic image of the stacked YBCO bulk pair
reinforced by the stainless steel (SUS316) capsule.
35
YBCO bulks

B (r=0)1
B (r=2)

30

2

Ts

10

B (r=5)
3

T (K)

B (T)

20

max

FCM(Bex =18 T, T s=28 K)

0
0

2

4

6

B (r=9)
4

8

10

25
12

TS

Fig.2: Time step (TS) dependence of the magnetic ﬂux
density and temperature of the stacked YBCO bulk pairduring FCM from Bexmax =18T at Ts =28 K.

に減少していき、 外部磁場ゼロで 15.1 テスラを示した。 その後、 磁化緩和により 15 分間で捕捉磁場は 14.6 テスラまで減少した。 減磁過程におけるバルク温度はほぼ一定であった。
また、 この実験後に液体窒素中、 1 テスラの磁場中冷却着磁で得た捕捉磁場分布はほぼ歪みのない同心円形状であった （ここでは示さない）。 したがって、 この構造により、 少な
くとも 15 テスラ級磁場をバルクの破壊なく捕捉できることが分かった。 講演ではより高磁場の捕捉を目指した実験結果と併せて報告する。
謝辞
本 研 究 の 一 部 は JSPS 科 研 費 JP15K04718 お よ び
JP18K04920 の助成を受けて実施した。
参考文献
1. M. Tomita and M. Murakami, Nature 421 (2003) 517.
2. J.H. Durrel et al., Supercond. Sci. Technol. 27 (2014)
082001.
3. H. Fujishiro et al., Supercond. Sci. Technol. 32 (2019)045005.
4. K. Katagiri et al., Cryogenics 48 (2008) 87.

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第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

1B-p06

バルク着磁・応用

ハイブリッド型超電導バルク磁石レンズ(HTFML)の実証実験
A Hybrid Trapped Field Magnet Lens (HTFML): proof of concept
難波 空, 藤代 博之, 内藤 智之 （岩手大）; AINSLIE Mark （Cambridge 大）
NAMBA Sora, FUJISHIRO Hiroyuki, NAITO Tomoyuki (Iwate Univ.); AINSLIE Mark (Univ. of Cambridge)
E-mail: g0318128@iwate-u.ac.jp

3．測定結果Fig. 2 に印加磁場 Bapp = 2 T の着磁過程における収束磁場 Bc の時間依存性を示す。(1)40 K における励磁過程ではGdBaCuO レンズのシールド効果により外部磁場が収束され、外部磁場が 2 T に到達したときの収束磁場 Bc は 3.65 T である。(2)20 K への冷却後の(3)減磁過程において、収束磁場の減衰はほとんどなく、減磁終了から 60 分後の Bc は 3.55 T である。以上の結果から、HTFML が実験的に証明された。
Fig. 3 に印加磁場 Bapp = 1〜3 T の着磁過程における収束
磁場 Bc の外部磁場依存性を示す。印加磁場 Bapp = 1, 2, 3 T
に対する最終的な収束磁場 Bc はそれぞれ 1.99, 3.55, 3.20 T
であり、いずれも印加磁場を上回る収束磁場を達成した。一方で、印加磁場上昇に伴い、磁場増幅率（Bc/Bapp）は低下したことから、HTFML の性能はバルク磁石の捕捉磁場特性及び磁気レンズへの磁束侵入量に大きく依存することが示唆された。

MgB2 cylinder

Cernox thermometer

GdBCO lensHall sensor
Cold stage
SS holder

Pt-Co thermometer

heaterFig. 1. Experimental setup of the HTFML consisting MgB2
cylinder and GdBaCuO lens.
5
4

(1)

(2)

5

Bapp = 2 T

Bapp = 2 T

B (T)

3

2
1

Bc (T)Bex (T)

2
1

Bc (T)Bex (T)

0
0

(3)

4

3

10

20
30
time (min)

40

0
50

50

100

150 200 250
time (min)300

Fig. 2. Concentrated magnetic field, Bc, and external field, Bex,
at the center of the HTFML as a function of time during themagnetizing process for an applied field Bapp = 2 T.
654
Bc (T)

2．実験方法
Fig. 1 に HTFML の構成を示す。MgB2 バルク円筒(外径 60mm, 内径 40 mm, 高さ 60 mm, E.P.C. S.R.L., Italy)をバルク磁石として用いた。磁気レンズは４つの GdBaCuO バルク片から成る。2 つの GdBaCuO バルク(日本製鐵)をそれぞれ切断した後、最適形状に加工した[3]。MgB2 バルク円筒に GdBaCuO
レンズを挿入し、HTFML を準備した。着磁中に生じる電磁応
力によるバルクの破壊を防ぐため、それぞれステンレス鋼で補強した。温度は MgB2 バルク上と GdBaCuO バルクのステンレ
ス製冶具上で、それぞれセルノックス抵抗温度計により測定した HTFML 中心の磁場をホールセンサーにより測定した。
着磁は以下の手順で行った。
(1) T1 = 40 K (92 < T1 < 39 K)において Bapp = 1〜3 T の磁場を印加(2) 外部磁場を一定に保ち、T2 = 20 K ( < 39 K)まで冷却(3) -0.011 T/min で減磁し、MgB2 バルクを着磁講 演 で は 、 MgB2 バ ル ク 円 筒 の 捕 捉 磁 場 特 性 及 び
GdBaCuO バルクレンズのシールド効果についても報告する。

B (T)1．はじめにREBaCuO や MgB2 バルク超電導体は「磁束ピン止め効果」を利用してバルク内に磁場を捕捉し、コンパクトかつ強力な擬似永久磁石となる。バルク作製技術の進展によって、冷凍機
冷却で数テスラ級のバルク磁石の実現が比較的容易になっているが、産業応用には更なる捕捉磁場向上が求められている。他方で、「磁気シールド効果」を利用した磁気レンズにより外部磁場をレンズ中心に収束し、外部磁場を超える高磁場発生を実現する手法がある。これまでに外部磁場 8 T に対し収束磁場 12.4 T が達成されたが[1]、収束磁場を維持するには継続的な着磁コイルの運転を要する。
昨年、我々はバルク磁石と磁気レンズを組み合わせたハイ
ブリッド型バルク磁石レンズ(HTFML)を提案した[2]。HTFML
はバルク磁石の捕捉磁場を磁気レンズが収束することにより、
外部磁場よりも大きな磁場を持続的に発生することが可能であり、超電導バルクの応用において発生磁場増大に貢献する
可能性を秘めている。本研究では、MgB2 バルク磁石円筒とGdBaCuO バルク磁気レンズで構成した HTFML の実証実験
を行った。

3
2
Bapp = 1 T
Bapp = 2 T
Bapp = 3 T

1
0

0

1

2
Bex (T)

3

4

Fig. 3. Concentrated magnetic field, Bc, at the center of the
HTFML as a function of external field, Bex, for each Bapp.
参考文献[1] Z. Zhang et al., Supercond. Sci. Technol., 25, 115012(2012).
[2] K. Takahashi et al., Supercond. Sci. Technol., 31, 044005(2018).
[3] S. Namba et al., IEEE Trans Appl. Supercond., to be
published.

― 29 ―

第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

1B-p07

Y 系・MgB2・鉄系バルク

REBCO 溶融凝固バルクにおける水蒸気含有酸素気流中での酸素拡散
Oxygen diffusion in REBCO melt-solidified bulks annealed under flowing humid oxygen
元木 貴則, 箭内 優, 布川 航太, 権藤紳吉, 下山淳一 (青学大)
MOTOKI Takanori, YANAI Yu, NUNOKAWA Kota, GONDO Shinkichi, SHIMOYAMA Jun-ichi (AGU)
E-mail: motoki@phys.aoyama.ac.jp

1. はじめにREBCO 溶融凝固バルクは、強磁場を捕捉できるため強力超伝導磁石としての応用が期待されている。REBCO 材
料の特性として、酸素量を制御しキャリアの最適または弱いオーバードープ状態にすることで優れた超伝導特性が実現するが、大型擬似単結晶とみなせる溶融凝固バルクでは酸素拡散が遅く、その大型化に伴い必要な酸素アニール
時間が大幅に増大し、大型バルクでは数百時間という長い
酸素アニールが必要となる。
一方、我々は水蒸気含有酸素雰囲気中アニールによって
SrTiO3 単結晶上にエピタキシャル成長させた REBCO 薄膜に Cu-O 二重鎖型の積層欠陥が生成することを見出した[1]。この結果を踏まえ本研究では、REBCO 溶融凝固バル
クに対する水蒸気含有酸素雰囲気での低温アニール効果を明らかにすることを目的とした。
2. 実験方法
RE として Y を選択し、Pt を 0.1 wt%, Ag2O を 10 wt%添
加した~13 mm の YBCO 溶融凝固バルクを 2 つ作製し、水蒸気含有酸素雰囲気(PH2O ~ 2 kPa)および通常の乾燥酸
素雰囲気下で 400°C においてアニールし、アニール時間と質量変化の関係を調べた。また Y123 溶融凝固バルクから~1 × 1× 1 mm3 程度の小片試料を切り出し、SQUID 磁束計を用いて磁化特性を評価した。
3. 結果と考察
RE123 単結晶においては、c 軸方向の酸素拡散係数は ab
面内に比べて極めて小さいことが知られている[2]。そこで、Y123 バルク体においても酸素拡散は主に ab 面内のみで等方的に進行し、簡単のため拡散係数は酸素量によらず一定であると仮定した。このようにして、無限に長い円柱
内への側面からの拡散と近似すると、その質量変化は下式で求められる[3]。ここで、M(t) は時刻 t におけるバルクの質量、n は 0 次の第一種ベッセル関数が 0 となる点を与える n 番目の根、 = Dt / R2 (D:拡散係数、R:バルク半径)である。

乾燥もしくは水蒸気含有酸素雰囲気中におけるバルク
体の質量変化のアニール時間依存性を Fig.1 (a), (b)にそれぞれ示す。上式において D をフィッティングパラメータとして最小二乗法により求めた曲線を合わせてプロットしている。通常の乾燥雰囲気中では質量変化が見られなくなるまで 300 h 程度必要であったのに対し、水蒸気含有雰
囲気下では 150 h 程度で十分であることが明らかになった。
フィッティングパラメータから求めた拡散係数は水蒸気
含有雰囲気下で乾燥雰囲気に比べ約 2 倍となることが示され、水蒸気含有雰囲気下での酸素アニールがアニール時間の短縮に極めて有効であることが示された。
また、アニール後のバルク体から切り出した小片試料の帯磁率測定から、水蒸気含有雰囲気下でアニールした試料
では、バルク中心部でも 90 K 級の鋭い超伝導転移を示し、内部まで十分酸素拡散していることが確認された。



(a)

(b)

Fig. 1 Relationship between oxygen annealing time andchanges in mass rate for YBCO melt-solidified bulks
annealed under flowing dry O2 (a) and wet O2 (b). Solidlines are fitted curves estimated by the least-square
method using D as a fitting parameter.

参考文献[1] S. Gondo et al., Abstracts of CSSJ Conference 97 (2018) 105.
[2] S. Tsukui et al., Physica C 351 (2001) 357-62.
[3] H. S. Carslaw et al., “Conduction of heat in solids,” Oxford
Univ. Press (1959).

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第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

1B-p08

Y 系・MgB2・鉄系バルク

Gd123 溶融凝固バルクを種結晶とした Y123 溶融凝固バルクの育成と物性
Crystal growth and physical properties of Y123 melt-solidified bulks
grown on a Gd123 melt-solidified bulk as a seed crystal

箭内 優, 布川 航太, 元木 貴則, 下山 淳一 (青学大)
YANAI Yu, NUNOKAWA kouta, MOTOKI Takanori, SHIMOYAMA Jun-ichi (Aoyama gakuin Univ.);
E-mail: c5618059@aoyama.jp
1.

領域の Y123 溶融凝固バルクの Jc 特性を示す。切り出し横方

はじめに
REBa2Cu3Oy (RE123)溶融凝固バルクは液体窒素温度 77 K

向位置による Jc 特性の差は小さく、概ね均質な試料が得られを超える高い Tc を有し、高磁場下においても高い Jc を示すこと

たことがわかった。しかし、磁場中での Jc や不可逆磁場がややから強力超伝導磁石としての応用が期待されている。一般に、低いことからキャリアの弱いアンダードープ状態にあることが考RE123 溶融凝固バルクは低磁場下で優れた Jc を示す a-growth

えられる。発表では、all c-growth 領域の Y123 溶融凝固バル

領域と磁場中で優れた Jc を示す c-growth 領域からなり、これら

クに加えて all a-growth 領域の Y123 溶融凝固バルクの Jc 特両領域の Jc-H 特性の違いは捕捉磁場分布に影響する。RE123

性、追加酸素アニールの効果を報告し、本手法を用いた大型

溶融凝固バルクの最大捕捉磁場はバルクの直径に比例するこ

バルク作製の可能性について議論する。

とが知られている[1]が、育成時の温度条件の決定が難しく、種結晶以外からの核生成が起こりやすいため大型化には高度な技術と長い育成時間が要求される。
これまでに我々は、Y123 より包晶温度が高い Gd123 溶融
凝固バルクを種結晶とする方法でもバルク状の Y123 を任意の方位に結晶成長させることが可能であることを示し、方位の違いによる Jc-H 特性について報告してきた[2]。今回は、日本製鉄社製の Gd123 バルク上に Y123 焼結体を置き、全体が a–growth 領域もしくは c-growth 領域の Y123 溶融凝固
バルクの育成を試みた結果を報告する。
2.

実験方法
Y123 と Y211 は Y2O3, BaCO3, CuO を出発原料としてエタノ

Fig. 1 Schematic illustration of Y123 bulk grown on [001]plane of a Gd123 melt-solidified bulk.

ールによる湿式混合後、Y123, Y211 ともに空気中 880°C, 12 hで中間粉砕混合をはさんで 2 回焼成することにより合成した。
得られた Y123 と Y211 の粉末を 7 : 3 のモル比で秤量し、さらに Ag2O を 10 wt%, CeO2 を 0.5 wt%を加えて混合した粉末を一軸プレスにより 16 mm × 8 mmt のペレットに成型し焼結した。この Y123 焼結体を Gd123 溶融凝固バルクの[001]または[100]方位の表面上に置き、空気中での Gd123 の包晶
温度以下での溶融凝固によって all a-growth 領域もしくはall c-growth 領域の Y123 溶融凝固バルクを作製した。育成
した Y123 溶融凝固バルクを Gd123 バルクから切り離し、
酸素アニールを行った後、~1 mm × 1 mm × 1 mm//c の小片
試料に切り出し、SEM 観察により微細組織を、SQUID 磁束計を用いた磁化測定より超伝導特性を評価した。
3.

結果と考察
Gd123 溶融凝固バルクの[001]方位の表面上に結晶成長した all c-growth 領域の Y123 溶融凝固バルクの切り出し位置の模式図を Fig.1 に示す。例えば、種結晶中心から鉛直方向に1 mm の試料を c-0,1、種結晶中心から動径方向に 2 mm, 鉛
直方向に 1 mm の試料を c-2,1 と表記する。種結晶から鉛直方
向に 5 mm まで結晶成長が確認できた。Fig. 2 に all c-growthFig. 2 Magnetic field dependence of Jc at 77 K of Y123 crystals
cut from various part of all c-growth Y123 meltsolidified bulk.
参考文献[1] S. Nariki, et al., Supercond Sci. Technol.29 (2016) 034002.
[2] Y. Yanai et al., Abstracts of CSSJ Conf. Vol. 97 (2018) 22.

― 31 ―

第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

1B-p09

Y 系・MgB2・鉄系バルク

MgB2 多結晶材料の組織及び臨界電流密度特性に与える炭化水素ガス処理の影響
Structure and critical current density of MgB2 polycrystalline materials
prepared with hydrocarbon gas treatment
前田 穂（Kangwon 国立大）；金 正鎬（Wollongong 大）；崔 世鎔（Kangwon 国立大）MAEDA Minoru (Kangwon National Univ.); KIM Jung Ho (Univ. Wollongong); CHOI Seyong (Kangwon National Univ.)
E-mail: mmaeda@kangwon.ac.kr
1．はじめに超伝導材料を駆使した超伝導技術の進展は、医療や電力システムを含めた様々な分野のテクノロジーを発展・高度化する上で、重要な課題の一つである。この超伝導材料には、
ニオブ系、ビスマス系、イットリウム系、鉄系、そして、二硼化マグネシウム(MgB2)などがあり、それぞれの固有の超伝導物性に応じて、材料研究・開発が進められている。これらの対象材料のうち、本研究で焦点を当てる MgB2 多結晶材料は、その材料的特徴により、低・中磁場領域での超伝導応用への進展が期待されている[1]。現在までの技術実証や商業応用への実例としては、電力供給ケーブルや（ニッチ市場における）低磁場級 MRI 診断装置などがあり、MgB2 多結晶材料のさらなる実用化への展開が望まれている[1]。
MgB2 材料の主な課題の一つとしては、磁場下の臨界電流特性の改善が挙げられている。この超伝導特性は、炭素添加によって向上することが良く知られている。しかしながら、その添加方法は単純ではなく、種々の添加剤の性質・特性に応じて、固相・溶液混合や液相・気相処理などの様々な手法の適用が可能であり、それ故に炭素の混入・分散手段が極めて多岐にわたる。従って、それぞれの添加方法による特性改善の本質的機構の探究や、最適化手法の構築・確立に関するさらなる知見の蓄積が、MgB2 多結晶材料における重要な研究課題となっている。本研究では、添加剤として炭化水素のピレン(C16H10) [2] を用いた気相処理[3]に焦点を当てて、MgB2 多結晶材料の臨界電流密度特性や、特に組成及び微視的構造に及ぼす影響を評価した[4]。本稿では、原材料粉末の気相処理の結果を中心に取り上げて述べる。
2．実験方法本研究で MgB2 多結晶体への炭素添加を目的とした気相処理は、ピレンを気化させた炭化水素ガスを適用して行った。
具体的な方法としては、まず初めに、原材料の硼素の非晶質粉末と炭素添加剤のピレン粉末を Ta 管内に入れ、その両端をアルゴン中で溶接して封入した。そして石英管内に真空封入し、ピレンの沸点よりも十分高い 600℃の温度で加熱することで、炭化水素ガス処理した硼素粉末を得た。この気相処理した粉末を圧粉成形し、3-5mm 程度の粒径のマグネシウム粉末とともに、アルゴン中で Ta 管内に溶接封入した。さらに石英管内に真空封入し、1100℃の温度で 4 分間と 660℃または710℃の温度で 48 時間の二段熱処理により、MgB2 の焼結を実施した。また比較のために、無添加の試料も作製した。
3．結果と考察
原材料の硼素粉末と気相処理後の粉末の XRD 測定結果
を図 1 に示す。その回折プロファイルは、強度が低く幅広いピークと 2 つの鋭いピークの混在した XRD パターンを有していることがわかった。前者のハロー(halo)は、長距離秩序を持たない原子配列の特徴を示唆しており、硼素の非晶質構造を反映した結果であると考えられる。一方で後者の回折ピーク
は、長距離秩序を有する構造に由来しており、同定の結果、
H3BO3 の結晶構造に起因していることが明らかになった。さらに、これらの非晶質硼素と結晶質の不純物が混在した粉末の回折パターンは、気相処理前と後において顕著な変化がな
いことがわかった。それ故に、600℃の温度における炭化水素
ガス処理は、硼素粉末の構造の秩序化に大きな影響を与えないことが示唆される。
この気相処理済みの粉末から作製した MgB2 多結晶体の結晶構造と超伝導特性を表 1 に示す。無添加の試料と比較すると、気相処理に起因する炭素添加の効果は、a 軸長と超伝導転移温度の変化により、明確であることがわかった。さらに磁場下の臨界電流密度も、大きく改善していることが明らかになった。当日は、その他の構造解析の結果や様々な添加剤を適用した比較試料なども含めて詳細に報告する。

Fig. 1(a) XRD patterns of boron powders before and after thehydrocarbon gas treatment [4]. An XRD pattern of pyrene
powder is also added in the figure. (b) A calculated pattern of
H3BO3 (boric acid or sassolite) [4].
Table 1 Lattice parameters (a, c), critical transition temperature(Tc), and critical current density (Jc) of MgB2 bulk samples
prepared with and without the hydrocarbon gas treatment [4].
Hydrocarbon gas treatedUn-treated
a (Å)
3.069
3.083
c (Å)
3.525
3.521
Tc (K)
34.8
38.8
Jc (A/cm2)~ 30000~ 3000(20 K, 4.3T)
Acknowledgements This work was supported by the Basic
Science Research Program through the National Research
Foundation of Korea funded by the Ministry of Education underGrant 2017R1D1A3B03035092 and in part by “Human
Resources Program in Energy Technology” of the Korea
Institute of Energy Technology Evaluation and Planning(KETEP), granted financial resource from the Ministry of Trade,Industry & Energy, Republic of Korea (No. 20184030202270).
This study was also supported by 2017 Research Grant from
Kangwon National University.
参考文献[1] 前田穂, Patel Dipak, Kim Jung Ho, 松本明善, 熊倉浩明:
超伝導磁石応用機器の次世代化に向けた MgB2 線材技術の開発, 電気学会研究会資料, ASC, pp.1-6 (2018).
[2] J.H. Kim et al., Appl. Phys. Lett. 92, 042506 (2008).
[3] M. Maeda et al., J. Appl. Phys. 109, 023904 (2011).
[4] M. Maeda, S. Choi, J. Alloys Compd. 787, 1265-1271(2019).

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第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

1B-p10

Y 系・MgB2・鉄系バルク

浸透法で作製した大型 MgB2 リングバルクの捕捉磁場特性
Trapped field properties of large-size MgB2 ring bulk fabricated by infiltration method
髙橋 裕平，内藤 智之, 藤代 博之 (岩手大)
TAKAHASHI Yuhei， NAITO Tomoyuki, FUJISHIRO Hiroyuki (Iwate Univ.)
E-mail: t5518001@iwate-u.ac.jp

2．実験方法
原料粉末は結晶 B 粉末 (純度 99%、粒径 45 ㎛以下) 、
Mg 粉末 (純度 99.5%、粒径 180 ㎛以下) を用いた。まず、反応の促進と MgB2 粒の微細化のために B 粉末を遊星ボールミ
ルによって回転速度 600 rpm で 1 h 粉砕した。カプセルに粉砕した B 粉末をリング状に充填した後、その上に Mg 粉末を充填し、アルゴン雰囲気で密閉した。リングの内側にはステンレス製のスペーサーを配置した。熱処理は 900℃で 24 h 行っ
た。作製した MgB2 バルクは外径 60 mm、内径 30 および 40
mm、厚さ 15 mm で、捕捉磁場を磁場中冷却着磁の後、ホール素子により測定した。また、様々な形状のバルクの捕捉磁場特性を予測するために二次元有限要素モデルによるシミュ
レーション解析を行った。
3．結果と考察
Fig. 1 に外径 60 mm、内径 30 および 40 mm、厚さ 15 mmの MgB2 リングバルクボア中心における捕捉磁場の温度依存性を示す。各バルクの最高捕捉磁場は 20 K において 1.74 T(ID=30 mm) および 1.02 T (ID=40 ｍｍ) であり、リング内径の拡大とともに低下した。内径 40 mm バルクにおいてシミュレー
ション結果と実験結果がよい一致を示しているため低温の捕捉磁場はシミュレーションによって 10 K において 1.46 T と予測される。内径 30 mm バルクにおいてシミュレーション結果は実験結果よりも 13%程低い値となった。これは内径 30 mm バ
ルクの Jc が内径 40 mm バルクの Jc よりも高いことを意味している。リング内径の拡大に伴う捕捉磁場の低下は、周回電流の流れる断面積が減少したことによるものであると考えられる。
Fig. 2 にシミュレーションによって得られた外径 60 mm、内径 40 mm のリングバルクの 20 K におけるバルクボア中心のTrapped field (T)2ID

OD=60 mmthickness=15 mm

30 mm_exp.
30 mm_sim.
40 mm_exp.
40 mm_sim.

1.5
1
0.5
0
10

20
25
30
35
40
Temperature(K)Fig.1 Temperature dependence of the experimental andsimulated trapped fields at the center of the MgB2 ring bulk
bore.

Trapped field (T)1．はじめに現在、(RE)BaCuO 系超電導バルク磁石を用いた NMR 装置の開発が行われており、リング形状の超電導バルク磁石のボア内で NMR 信号を得ることに成功している[1]。しかし、(RE)BaCuO 系バルクは作製時に原理的に不均一を生じるた
め均一磁場の発生は容易ではない。一方、MgB2 バルクは多結晶体であることに由来する高い磁場均一性を持ち、(RE)BaCuO 系バルクに比べて作製コストが安価なため NMR
装置において MgB2 バルク磁石を(RE)BaCuO 系バルク磁石の代替として利用することには大きなメリットがある。MgB2 バル
ク作製の際、化学反応 (Mg + B → MgB2) に伴う体積収縮に由来する低い充填率が問題となるが、圧力下焼結法や浸透法を用いることで充填率が 90%程度の高密度バルクを作製可能である。特に浸透法は特殊な加圧炉を用いる必要がなく低コストでありながら 15.9 K においてバルク表面の捕捉磁場が 2.4 T[2]と高圧合成法によって作製されたバルクと同程度の捕捉磁場が報告されていることと、バルク作製後に穴あけ加工等が不要なことから MgB2 リングバルクの作製に適していると考えられる。そこで本研究では MgB2 バルクがこれまでに5.4 T の捕捉磁場を実現している[3]ことから MgB2 バルク磁石
を 200 MHz NMR 装置 (要求磁場強度 4.7 T) に応用することを目指して浸透法を用いた大型 MgB2 リングバルクの開発を行った。また、リングバルクのボア内の捕捉磁場分布を測定するために新規に捕捉磁場分布測定装置を開発した。

15

OD=60 mm
ID=40 mm
T=20 K2
1.5
1

center of ring bulk bore

exp.

0.5
0

10

20

30

40

50

60

Thickness (mm)Fig.2 Simulation results for the thickness dependence ofthe trapped field at the center of the MgB2 ring bulk
(OD=60 mm, ID=40 mm) bore. The experimental result isalso shown.

捕捉磁場の厚さ依存性と実験によって測定された厚さ 15 mmのバルクボア中心における捕捉磁場を示す。厚さ 15 mm のバ
ルクのシミュレーションによって得られた捕捉磁場と実験によって得られた捕捉磁場はほぼ一致した。シミュレーション結果
よりバルクボア中心の捕捉磁場はバルクを厚くすることによって向上することが分かった。しかし、200 MHz NMR 装置の要
求磁場強度 (4.7 T) には不十分であり、今後バルクサイズの最適化や不純物添加による Jc の向上が不可欠である。
講演では実験において複数のバルクを積層させることで厚さを増した際の捕捉磁場特性や、面内および厚さ方向の捕捉磁場分布について報告し、NMR 装置に対する MgB2 バルク
磁石の有用性について議論する。
参考文献
1. T. Nakamura et al.: Concepts Magn. Reson. Part B (Magn.
Reson. Eng.)., 31B (2007) 65-70
2. T. Naito et al.: Supercond. Sci. Technol., 29 (2016) 11500
3. G. Fuchs et al.: Supercond. Sci. Technol., 26 (2013)
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1B-p11

Y 系・MgB2・鉄系バルク

Ba(Fe0.92Co0.08)2As2 多結晶バルクの粒内および粒間超伝導特性に及ぼす
高エネルギー混合の効果
The effects of high energy milling on intra- and inter-granular superconducting propertiesof Ba(Fe0.92Co0.08)2As2 polycrystalline bulks
德田 進之介（東京農工大）; 嶋田 雄介（東北大）; 山本 明保（東京農工大）TOKUTA Shinnosuke (TUAT); SHIMADA Yusuke (Tohoku Univ.); YAMAMOTO Akiyasu (TUAT)
E-mail: s195941r@st.go.tuat.ac.jp
1. Introduction
The iron-based superconductors (IBSCs) with high Tc (~58
K) and Hc2 (>100 T) are promising candidates for high fieldmagnet applications [1]. 122-phase IBSCs demonstrate small
electromagnetic anisotropy, high Hirr close to Hc2 [2], and acritical grain boundary angle twice as large as that of YBCO[3]; therefore, applications in polycrystalline form are
expected. In this study, Ba(Fe0.92,Co0.08)2As2 polycrystalline
bulk samples were prepared by sintering mechanically alloyed
powder in expectation of enhancement of Hc2 by introductionof lattice defects and improvement of Jc by control ofmicrostructure.
2. Method
All the powder processing was performed under high purity
Ar glove box to prevent oxidation. Elemental metals (Ba, Fe,
Co, and As) were ball-milled using a planetary ball-mill
apparatus. The ball-milling condition was systematically varied
by mainly changing the ball-milling time and evaluatedquantitatively by ball-milling energy [4] (EBM, 10–590 MJ/kg).
For reference, hand-milling in a mortar was defined as 0 MJ/kg.
The milled powders were pressed into disk-shaped pellets witha diameter and thickness of 7 and 1.2 mm, respectively. The
pellets were vacuum sealed in quartz tubes and sintered at
600 ℃ for 48 h. The phases and microstructure were
evaluated by XRD, SEM, STEM and EDS for before and after
heating
samples.
The
intraandinter-granularsuperconducting properties (Tc, Hc2, and Jc) were evaluated by
PPMS and SQUID VSM.
3. Results/Discussion
With an increase in the EBM, FWHM of Ba122 XRD main
peak expanded and c-axis remarkably elongated without thechange in Co doping level. Lattice defects (stacking faults)
introduced by high energy milling (shown in Fig. 1) areconsidered as one of the reasons for the FWHM broadening
and increased c. Although deterioration of crystallinity
suppressed Tc by 5.5%, it was still higher than the typical Tc
of single crystals [5] (Fig. 2(a)). A slope of Hc2(T) increased by
50% and exceeded that of single crystals [6] and thin films [7](Fig. 2(b)). It is considered that the lattice defects enhanced
electron scattering and changed Tc and Hc2. As far as we know,
this is the first example of artificially improved Hc2 in 122phase IBSCs by defects engineering. On the other hand, withan increase in the EBM, magnetization Jc increased up to 1.7×
104 A/cm2 (5K, self-field), then decreased by an order ofmagnitude (Fig. 2(c)). The change of Jc seems to correspondto the change in microstructure. That is, Jc is improved by
reduction of impurities due to mechanical alloying and reducedby formation of aggregates due to significant refinement ofgrains (Fig. 3). The maximum Jc value is the highest among
Ba(Fe,Co)2As2 bulks fabricated under ambient pressure [8]and comparable to that of HIPped Ba(Fe,Co)2As2 wires [9].

Fig. 1 BF-STEM image of the sample with EBM = 80 MJ/kg

Fig. 2 Ball-milling energy EBM dependences of(a) Tc, (b) a slope of Hc2(T), and (c) self-field Jc

Fig. 3 SEM images (BSE) of the sample with
EBM = 10, 80, 590 MJ/kg
Acknowledgement
This work was supported by JST CREST (JPMJCR1814),
JSPS KAKENHI (JP15H05519 and JP18H01699), MEXT
Elements Strategy Initiative to Form Core Research Center,and Nanotechnology Platform (A-18-TU-0037) of the MEXT,
Japan.
References
1. H. Hosono, et al.: Mater. Today, Vol. 21 (2018) 278
2. A. Yamamoto, et al.: Appl. Phys. Lett., Vol. 94 (2009)
062511
3. T. Katase, et al.: Nat. Commun., Vol. 2 (2011) 409
4. W. Häßler, et al.: Supercond. Sci. Technol., Vol. 26 (2013)
0250055. Y. Nakajima, et al.: Phys. Rev. B, Vol. 82 (2010) 220504
6. Y. Nakajima, et al.: J. Phys. Soc. Jpn., Vol. 78 (2009)
023702
7. B. Maiorov, et al.: Phys. Rev. B, Vol. 86 (2012) 094513
8. Y. Hayashi, et al.: Physica C., Vol. 504 (2014) 28
9. J. D. Weiss, et al.: Nat. Mater., Vol. 11 (2012) 682― 34 ―

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