2A-a01

HTS 線材 製造・加工

高密度 c 軸配向銅酸化物超伝導焼結体の作製と物性

Synthesis of highly dense and c-axis aligned sintered bulks of cuprate superconductors
and their physical properties
下山淳一，近藤真吏，齋藤雄仁，岩見壮徒，田中智之（青学大）；武田泰明(東大院工)；元木貴則（青学大）
SHIMOYAMA Jun-ichi, KONDO Masato, SAITO Yujin, TANAKA Tomoyuki, IWAMI Taketo (Aoyama Gakuin Univ.);
TAKEDA Yasuaki (Univ. of Tokyo); MOTOKI Takanori (Aoyama Gakuin Univ.)
E-mail: shimo@phys.aoyama.ac.jp
1．はじめに銅酸化物超伝導多結晶材料の開発では、大きな電気的磁気的異方性、短い超伝導コヒーレンス長、さらに超伝導の d 波対称性に由来する弱結合の問題の解消が主課題であった。今日実用されている代表的な多結晶材料は、緻密な c 軸配向組織を持つ Bi2223 銀シース多芯線材と金属基板上に設けた単結晶的な 2 軸配向した中間層表面上にエ
ピタキシャル成長させた RE123 線材であり、いずれもテープ状である。一方、粒界の無い大型擬似単結晶とみなせる RE123 溶融凝固バルクも強力固体磁石や大容量電流リードなど様々な用途で実用されているが、形状には制約がある。これらに対し、バルク状の焼結体では弱結合の問題が深刻と考えられており、低い Jc でも使える電流リードや磁気シールドなどに用途が限定されている。
これまで我々は主に Bi2223、RE123 についてバルク状の焼結体における弱結合の問題を軽減することを目的とした研究を進めており、以下の指針が結晶粒間の Jc 改善に有効であることを明らかにしてきた。
・キャリア濃度を最適～オーバードープ状態に調整する
・（焼結ではない方法で）緻密な組織を形成する
・不定比金属組成を整数比に近づける
・Bi2223 においては Pb 固溶量を高める[1]さらに、前回の学会では、エタノール(融点 159 K)のみ
を溶媒に用いた RE123 を含むスラリーを用い永久磁石上で c 軸配向堆積物が容易に得られることを報告した[2]。
低温ではエタノールの粘性が大きく、比重の大きな酸化物粉末の沈降速度と熱エネルギーが低下し結晶配向が進
みやすいこと、分散剤などが不要、つまり脱煤過程が省けることが特徴である。今回はこの c 軸配向堆積物からの高密度焼結体の作製の試みとそれらの物性を報告する。
2．実験
あらかじめ調製した Dy(Ca)123, Y(Ca)123、Bi2223 粉末に対してエタノールとジルコニアボールを加え、容器内で混合することによりスラリーを作製した。ペレット成型しやす
いように円盤状に切り抜いた銀やプラスチックの板をアルミホ
イルの円筒容器の中に置き、その上にまずエタノールを少量滴下し、液体窒素で凍結した後、適量のスラリーをその上に徐々に加え凍結した。これを表面温度が約 170 K の永久磁石(B= 0.14~0.4 T)上に置き、昇温、乾燥させた。得られた堆積物を仮焼、プレス成型、焼結した後、適切な条件下で後熱処理を行い金属組成、酸素組成を制御した。作製した試料について、表面の結晶配向性を X 線回折法で、超伝導特性を SQUID 磁束計を用いた磁化測定によって調べた。
3．結果と考察Dy(Ca)123、Bi2223 では直径 12~16 mm、厚さ 1~4 mm の
c 軸配向堆積物を得ることができた。しかし、プレス成型後に焼結した試料には反りやクラックが生じやすいことがわかった。
そこで再度、1.5~3 GPa で一軸プレス成型した後に焼結したところ、クラックが無い緻密な試料が得られるようになった。Dy

サイトに Ca を 5%ドープした Dy(Ca)123 焼結体の 300 MPa でプレス後焼結した試料、さらに 3 GPa でプレスし再焼結した試料の表面 XRD パターンを Fig. 1 に示した。高圧プレスによる大きな変形後でも無配向にはなっておらず、弱い c 軸配向性が残っている。Fig. 2 にこの試料の表面の 2 次電子像を示したが緻密で一様な組織となっていることがわかる。この試料の残留磁化法で調べた 60 K での粒間 Jc は 5.7 kA/cm2 で、これは RE123 の焼結体としては非常に高く、結晶配向の効果が現れたものである。Bi2223 では厚さ 1.5 mm かつ相対密度 70%の試料が 40 K で粒間 Jc = 3.2 kA/cm2 を示し、これを高圧プレス後に焼結した厚さ 0.62 mm、相対密度86%の試料は同条件で 10 kA/cm2 以上の粒間 Jc を記録した。プレス、焼結および後熱処理条件の最適化によりさらに粒間 Jc が上昇する可能性が高いと考えている。

Fig. 1

Surface XRD patterns of Dy(Ca)123 sintered bulks.

Fig. 2 Surface secondary electron image of a dense and weakly
c-axis oriented Dy(Ca)123 sintered bulk.
参考文献[1] Y. Takeda et al., Supercond. Sci. Technol. 31 (2018) 074002[2] J. Shimoyama et al., Abstracts of CSSJ Conf. 97 (2018) 23.

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第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

2A-a02

HTS 線材 製造・加工

Hot wall PLD による実用人工ピン REBCO 線材の開発と機械特性
Development of practical APC-REBCO coated conductors by hot wall PLD
and its mechanical properties
藤田 真司 （フジクラ， 東北大）; 武藤 翔吾, 平田 渉, 吉田 朋, 足立 泰, 柿本 一臣, 飯島 康裕, 大保 雅載 （フジクラ）；岡田 達典, 淡路 智 （東北大）
FUJITA Shinji （FUJIKURA, Tohoku Univ.）; MUTO Shogo, HIRATA Wataru，YOSHIDA Tomo, ADACHI Yutaka,
KAKIMOTO Kazuomi, IIJIMA Yasuhiro, DAIBO Masanori (FUJIKURA) ; OKADA Tatsunori, AWAJI Satoshi (Tohoku Univ.)
E-mail: shinji.fujita@jp.fujikura.com
1．はじめにフジクラでは大型 IBAD 装置および独自構造の Hot-wall
PLD 装置を用い，磁場中の電流特性を向上を目的に，人工ピンを導入した REBa2Cu3Oy (REBCO)線材の開発を行っている[1]．これまでに，REBCO 成膜時の蒸着速度に着目し，その磁束ピンニング特性を調査してきた[2]．さらに，高速蒸着条件を採用することで，生産性が高く，長尺かつ特性の均一性・再現性に優れる線材製造に成功し，量産化に向けて開発を行ってきた[3]．今回，人工ピン REBCO 線材を新たな製品ライ
ンナップとして提供を開始したので，その量産人工ピン線材の諸特性，特に機械特性について報告する．
2．機械特性評価
評価した線材は Table 1 に示す，従来の人工ピン無し
REBCO 線材(FYSC-SCH04，超電導層 GdBCO～2 m)と，新規の人工ピン線材(FESC-SCH04，超電導層 BHO-EuBCO～
2.5 m)である．共に 4 mm 幅，20 m 銅めっきであるが，
FESC-SCH04 は Hastelloy 基板の厚さが 50 m である．
Fig. 1 に液体窒素(LN2)中の引張試験結果の例を示す．縦軸は応力を印加して，その後応力を解放した際の Ic (Icunload)を試験前の Ic (Ic0)で規格化した値である．Ic が低下し始める応力
は，FYSC-SCH04 に比べ FESC-SCH04 は 1 割程度低くなっているが，これは線材断面における Hastelloy 基板の断面積割合が減少したことと，超電導層の膜厚がやや厚くなっているためである．Fig. 2 に LN2 中の曲げ試験結果の例を示す．試
験は Goldacker 式曲げ試験装置を用いた．ここでも，縦軸は曲げた後に直線状に戻した際の Ic である．FESC-SCH04 は基
板が薄い分，より小さい曲げ半径まで曲げることができる．
剥離強度の評価として，エポキシ樹脂含浸コイルを冷却して，線材剥離方向にはたらく熱応力でコイルが劣化する確率を求める手法を用いた[4-5]．同一の外径/内径(OD/ID)比のコイルを多数(各100個程度)評価してその劣化確率を求め，有限要素解析によりそのOD/IDの剥離応力分布(最大値c）を求めた．これを複数のOD/IDで実施し，コイル内応力分布と試験コイル内の超電導層体積(∝線材長)を含んだワイブル
解析を実施することで，超電導層の単位体積(今回は1 mm3とした)あたりの劣化確率(累積破壊確率)を求めた(詳細は[5]参照)．結果をFig. 3に示す．FESC-SCH04はFYSC-SCH04よりも剥離応力に対する強度が向上していることがわかる．これは基板が薄くなったことで，冷却時の銅めっき層の熱収縮による圧縮効果が大きくなったことと，超電導層変更(人工ピン導入)
による超電導膜自体の強度が向上したことが考えられる．
当日は，その他の各種評価結果についても紹介する．また，
繰返し引張による疲労特性を1P-p06で，FESC-SCH04を用いたコイルの評価を2P-p24で報告する．
謝辞
この成果の一部は国立研究開発法人新エネルギー・産業
技術総合開発機構(NEDO)の委託および助成事業の結果得られたものである．

Table 1 Fujikura's REBCO product lineup (excerpt).
型番
FYSC-SCH04
FESC-SCH04

人工
ピン
なし
あり

線材
幅
4 mm
4 mm

線材
厚さ
0.13 mm0.11 mm

基板
厚さ
75 m
50 m

銅めっき
厚さ
20 m
20 m

Fig. 1 Typical tensile characteristics of normalized Ic.

Fig. 2 Typical bending characteristics of normalized Ic.

Fig. 3 Probability of coil-degradation per unit volume as afunction of maximum delamination stress of impregnated coils.
参考文献[1] S. Fujita et al., IEEE TAS, vol. 28, no. 4 (2018) 6600604.
[2] S. Fujita et al., IEEE TAS, vol. 29, no. 5 (2019) 8001505.
[3] W. Hirata et al., Abstracts of CSSJ Conference, vol. 96(2018) p.32.
[4] S. Fujita et al., Abstracts of CSSJ Conference, vol. 94(2017) p.165.
[5] S. Muto et al., IEEE TAS, vol. 28, no. 4 (2018) 6601004.

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第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

2A-a03

HTS 線材 製造・加工

フッ素フリーMOD 法 Y123 配向膜への後熱処理による欠陥濃度の制御と Jc 特性の改善
Control of defect density and improved Jc by post-annealing for fluorine-free MOD Y123 thin films
権藤 紳吉, 元木 貴則, 下山 淳一 (青学大) ; 中村 新一（TEP） ; 本田 元気, 永石 竜起(住友電工)
GONDO Shinkichi, MOTOKI Takanori, SHIMOYAMA Jun-ichi (Aoyama Gakuin Univ.);
NAKAMURA Shin-ichi (TEP); HONDA Genki, NAGAISHI Tatsuoki (Sumitomo Electric Industries, Ltd.)E-mail: c5618046@aoyama.jp
1．はじめに様々な RE123 薄膜の作製方法のなかでフッ素フリーMOD
法は均質で平坦な表面を持つ薄膜が短時間で得られることから、本質的に量産化に適した手法である[1]が、良質な 2 軸配向膜が得られる焼成条件が狭いことが課題であった。これに対し、我々は原料溶液にハロゲンを適量添加することにより、熱処理時に Y123 と格子整合性が高い酸化ハロゲン化物がY123 の結晶成長前に析出し、再現性よく良質の Y123 薄膜が作製できること[2]を示してきた。また、成膜後の薄膜に対して水蒸気を含んだ酸素気流中で後熱処理を行うことで RE247 型の積層欠陥が導入されることを見出した。欠陥が生成した薄膜は低磁場下において Jc が向上する一方で磁場中 Jc が低下することを報告してきた[3]。一方、還元雰囲気で熱処理を行う
ことで生成した欠陥が消滅することも見出している。
以上の背景のもと、本研究は欠陥生成後の薄膜に対する還元雰囲気下熱処理に着目し、酸素分圧と温度を変えて熱処理することで低磁場下および磁場中における Jc 特性改善の両立を試みた。

Fig. 1 Surface XRD patterns of Y123 films, as sintered, after
post-annealing under wet O2 and after post-annealing under
reducing atmosphere.

2．実験方法(Y, Ba, Cu)のアセチルアセトン塩溶液に塩酸を混合したものを原料溶液とし、SrTiO3(100)単結晶基板上にスピンコート
により塗布した。塗布後に仮焼して有機物を分解した。この原料溶液の塗布と仮焼を複数回繰り返し、最終膜厚を~500 nmになるよう制御した。続いて 800°C, PO2 = 10 Pa(O2/Ar)の雰囲
気で焼成し、酸素アニールにより酸素量を制御した。得られた薄膜に対し水蒸気含有酸素気流中, 300°C で後熱処理し積層欠陥を導入した。さらに、還元雰囲気である 700°C, PO2 = 10
Pa(O2/Ar)で追加の熱処理を行った後、酸素アニールにより酸素量を再度制御した薄膜も作製した。得られた試料について、
XRD による相同定、SEM, TEM による微細組織観察を行い、磁化特性は SQUID 磁束計により、Ic は液体窒素浸漬下で誘導法により評価した。
3．結果と考察
Fig. 1 に成膜後、水蒸気雰囲気中後熱処理後、さらに還元熱処理後の Y123 薄膜の表面 XRD パターンを示す。積層欠
陥が生成した薄膜に対して、還元雰囲気下で熱処理した薄膜はシャープな 00l ピークに戻っており、247 型の積層欠陥の多くが消滅していることが示唆された。誘導法により測定したIc(77 K, ~0 T) はそれぞれ 125 A cm-1（成膜後）, 172 A cm-1（積層欠陥導入後）, 156 A cm-1（還元熱処理後）であった。Fig.2にそれぞれの試料の 77 K, 40 K における Jc の磁場依存性を示す。 還元熱処理することにより磁場中での超伝導特性が回復していることが分かった。以上より、還元熱処理により低磁場下および磁場中 Jc 特性の制御が可能であることが示された。
Fig.3 に還元熱処理後の薄膜の断面 TEM 像を示す。断面
TEM 像から膜中央付近において欠陥が消滅している様子が観察された。講演では後熱処理過程における水蒸気分圧や雰囲気酸素分圧と積層欠陥の生成・消滅の関係を議論する。

Fig. 2 Jc –H curves at 77 K and 40 K for the Y123 films, as
sintered, after post-annealing under wet O2 and after postannealing under reducing atmosphere.

Fig. 3 Cross-sectional TEM image of an oxygen annealed Y123
film after annealing at 700°C for 1 h under PO2 = 10 Pa.
参考文献[1] Y. Ishiwata et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 23 (2013)
7500804.
[2] T. Motoki et al., Supercond. Sci. Technol. 27 (2014) 095017.
[3] S. Gondo et al., Abstracts of CSSJ Conference 97 (2018) 105.

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第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

2A-a04

HTS 線材 製造・加工

極細多芯構造を有する REBCO スプリット線の特性
Properties of REBCO split wire having extremely fine multi-core structure
金 新哲，川村 幸裕，関根 ちひろ（室工大）Xinzhe Jin, Kawamura Yukihiro, Sekine Chihiro (Muroran Institute of Technology)
E-mail: shin_kin@mmm.muroran-it.ac.jp
1．はじめにREBCO スプリット線材の製作方法について、主に折り曲げと圧力集中などによる内部スプリット法がある[1, 2, 3]。これまでは線材を長手方向に曲げ線が出るようにＶ字曲げし、平らに戻すことで多芯化を進めてきた。研究進展に伴い、印加応
力と芯数の増加に対応することが必要となり、今回は線材をほぼ折り曲げしないで、応力集中による REBCO 層の劈開を利用した分割方法で多芯化を試みた。実験研究では市販の4 mm 幅線材に対し、最大 30 本のメインコアを有するサンプルを作製し、表面観察と臨界電流測定および磁化測定などで評価した。
2．サンプル作製
内部スプリット法では、一回の折り曲げまたはＲＥＢＣＯ層の劈開加工により 5～15 本程度のスプリットを同時に加工できる特徴がある。このような複数スプリットの幅は約 10 μm と同程度であるため、サブコアとして名付けている。また、サブコアの形成により、メインコアの幅をより細く加工できる。
REBCO 線材は住友電工製の幅 4 mm、厚さ 0.2 mm の単芯線を使用した。長さは 10 m 程度である。製作装置はＶ字曲げ処理と同じスプリッターを利用し、線材を曲げる軟質のガイ
ドローラを硬質のナイロン材料に交換して使用した。Fig. 1 は２つの内部スプリット法の違いを示している。加工回数は 29 回
（30 本のメインコアが形成）であり、線材の幅方向で 0.1～0.2
mm ずつ移動させながら加工した。

図からわかるように、遮蔽電流による反磁性は大幅に改善され、外部印加磁場をゼロに戻した時の残留磁化が元の単芯線材の 1/27 になった。このような遮蔽電流の大幅な改善により、7 T では SUS の強磁性成分が現れ、線材全体の磁化は反磁性を示さない。

500 µm(a)(b)
Fig. 2 Tape surfaces for (a) stainless steel side and for (b)REBCO side.
7
4.2 K

6

single core
30 main-core

5

Pressure
M (emu)Pressure

4

Coated conductor

32

Remanent magnetization

1
0
-7

軟質ＰＯＭ

硬質ナイロン

(a)

(b)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

-1
-2

0

1

2
3
H (T)

4

5

6

7

-3
-4

Fig. 1 Images for two inner split methods: (a) V-bending and(b) pressure concentration.
3．実験結果とまとめ
Fig. 2 は製造したスプリット線の表面写真である。Fig. 2(a)は SUS 側の表面であり、曲げ線の間隔は 50-250 µm である。
Fig. 2(b)は REBCO 側の表面であり、凹凸は見られなかったので、応力集中による加工方法では非常に平らなテープ線材が得られることがわかった。また、REBCO 層の SEM 画像では複数のサブコアが形成され、当日に発表する予定である。
臨界電流の測定では、自己磁場中で元の線材の半分程度であったが、スプリット線の臨界電流は元の単芯線より磁場に強いため[3]、強磁場応用に臨界電流は問題にならないと考えている。例えば、16 メインコアのスプリット線は約 3 T の磁場
以上で元の線材の臨界電流を上回っている[3]。
線材の遮蔽電流磁場の評価では、4.2 K で磁化の磁場依存性を測定し、その結果を Fig. 3 に示した。サンプルサイズは4×3 mm で、2 枚を重ねてテープ面に垂直な方向で測定した。

-5
-6
-7

Fig. 3 Magnetic dependence of magnetization for two tapes at
4.2 K.
謝辞
本研究は MEXT 卓越研究員事業（課題 ID：16810210）の助成を受けたものである。
参考文献
[1] 金
新 哲 , 前 田秀 明 ， PCT/JP2015/072393,
2015.08.06；特願 2014-164590, 2014.08.12[2] Xinzhe Jin, et al., Supercond. Sci. Technol. 29 (2016)
045006[3] Xinzhe Jin, et al., “Fabrication of 16-main-core RE123
split wire using inner split method”, IEEE Trans. Appl.
Supercond. (in press)― 75 ―

第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

2A-a05

HTS 線材 製造・加工

REBCO線材を用いた直流磁場シールドの試み
A fabrication and characterization of superconducting shield for DC magnetic fieldby coated conductors
町 敬人，衣斐 顕，和泉 輝郎（産総研）
Takato MACHI, Akira Ibi, Teruo Izumi (AIST)
E-mail: t.machi@aist.go.jp
1．はじめに超電導線材をモーター等に応用する際には，磁場をシー
ルドしなければならない場合がある。磁場シールドとしては，鉄やパーマロイなどの磁性体を用いるのが一般的であるが，機器の軽量化が困難であるため，超電導線材を用いた磁場シールドの可能性について検討を行なっている。
REBa2Cu3O7-d (REBCO)線材はテープ状であるため，マルチフィラメントである金属系超電導線や Bi2223 線材と比較して，フラットワイズに巻くことによって隙間が少ない
シールドを形成できる可能性があり，これまでにいくつかの報告がなされている[1-4]。その多くは交流磁場のシールドであり，磁場の絶対値も 50 mT 以下であるため，さらに高い磁場でのシールド性能については不明な点が多い。
そこで今回は 0.5 T までの直流磁場での磁場シールド性能についての実験を行った結果を報告する。
2．実験方法
磁場シールドを作製するために，Ag 安定化層まで成膜した 10mm 幅の GdBCO 線材を用いた。77 K 自己磁場中の平均 Ic は 500 A の線材である。基板に用いたハステロイの厚さは 70µm であった。シールドのボビンの材質はアルミニウムで，ボビン外径は 70mmΦ，長さ 140 mm まで巻けるようにした。Ag 層を内側にして線材が重ならないように斜めに巻くことでフラットワイズな応力が加わるような巻き方とした。最大層数は 11 層まで作製しシールド特性の評価を行った。層間は接続されていない。
図１に測定装置の模式図を示す。BELL 社製のホール素子をボビンの中央に外部磁場の方向の磁場強度を測定できる向きに固定した。最大 3T のマグネット中に内径 200mmのクライオスタットをセットし，液体窒素で満たした後に，ボビンの長手方向が磁場に垂直となるように超電導シー
ルドを挿入した。

3．実験結果および考察
外部磁場とホール電圧より算出した内部の磁場との差がシールドされた磁場を表している。図 2 は，シールド磁
場を外部磁場で除算して 100 分率で求めた磁場の遮蔽率を 20 mT で比較した結果である。図 2 に示したように，
20 mT で比較した遮蔽率は，3 層では 15%程度だった遮蔽
率が 11 層では 75%以上まで増加したことが分かる。

Fig.2 Relationship between number of layer and shielding rate.
遮蔽率は 20 mT 以上で減少する振舞いを見せた。これはシールドの材料である GdBCO の下部臨界磁界 BC1 を越えてしまい，混合状態となって磁束が侵入し始めるためと考えられる。しかしながら混合状態であっても層数を増やすことで遮蔽率を高められる傾向が見られたことはさらにシールド特性を高められる可能性を示唆するものと考えられる。
REBCO 線材を用いた磁場シールドの今後の方針として，異なる温度や巻径，線幅の異なる線材を用いた場合などについて実施していく予定である。
謝辞
本研究は、NEDO「革新的航空機用電気推進システムの研究開発」の委託により実施したものである。

Fig. 1 Schematic configuration of measuring the shieldproperties.
ゼロ磁場冷却後に外部磁場をステップ状に増減させてホール素子の電圧を測定した。外部磁場は 0.0 T→3.0 T→-0.7 T→3.0 T と変化させて内部の磁場のヒステリシスを測定した。

参考文献[1] L. Wéra, et al., Supercond. Sci. Technol. 28 (2015) 074001.
[2] J. Kvitkovic, et al. IEEE Trans. Appl. Supercon. 27 No.4
(2017) 4700705.
[3] M. Solovyov, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 27, NO.
4 (2017) 88000204.
[4] Y. Nagasaki, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 28 No.4
(2018) 6601905.

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第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

2A-p01

加速器 (2)

核医学治療用高温超電導スケルトン・サイクロトロンの開発（１）－REBCO コイルシステムの開発課題－
Development of HTS Skeleton Cyclotron for nuclear medicine treatment (1)– Technical Issues in Development of REBCO coil system –石山 敦士（早稲田大）；植田 浩史（岡山大）；野口 聡（北海道大）；渡部 智則，長屋 重夫（中部電力）；
吉田 潤（住友重機械）；福田 光宏（大阪大）；東達也（QST 放医研）
ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.); UEDA Hiroshi (Okayama Univ.); NOGUCHI So (Hokkaido Univ.);
WATANABE Tomonori, Shigeo NAGAYA (Chubu Electric Power Co., Inc.); YOSHIDA Jun (Sumitomo Heavy Industries, Ltd.);
FUKUDA Mitsuhiro (Osaka Univ.); and HIGASHI Tatsuya(QST-NIRS)
E-mail: atsushi@waseda.jp
1．はじめに
我々は、遠隔転移などの進行がんへの効果が期待されている「α 線核医学治療（内用療法）」の普及の鍵となるα線放出 RI（211At）の多量・安定・分散生産のための超小型・高強度・エネルギー可変の加速器「高温超電導スケルトン・サイクロトロン「HTSSC」の実現を目指している（Fig.1）。そしてその中で、ビーム加速に不可欠な磁場分布を高精度に形成するための高温超伝導空芯マルチコイルシステムの開発に取り組んでいる（Fig.2）[1]。本発表では、その開発課題と予定している対応策について概要を報告する。
2．開発課題・項目と対応策
HTS-SC は、従来の加速器では常識の鉄芯を用いないのが特徴で、複数の空芯コイルから成るマルチ
コイルシステムのみでビーム加速に必要な高精度磁場形成を行う。これにより、小型・高強度化が可能であることに加え、鉄芯の非線形磁化特性の影響を受けずに磁場を変化させ、エネルギーを制御することができるため、多機能化（α 線放出 RI 製造、
PET-CT 用 RI 製造、中性子捕捉療法用熱中性子照射等）が可能となる。本研究では、HTS-SC 用マルチコイルシステム開発のための基盤技術として、1)高機械強度化のための新しいコイル補強構造（SuperYOROI コイル構造）[2]、2)高電流密度化と高熱的安定化を両立する技術（無絶縁コイル巻線技術）[3][4]、3)高精度の磁場を発生する技術（遮蔽電流による不整磁場の低減法）[5][6][7]、4) 5-High 統合技術（Fig.3）を活かしたマルチコイル設計最適化技術 [8] の確立を目指している。そして、小型モデル（Ultra-Baby
HTS-SC コイルシステム）の設計・試作・実験により、HTS-SC の成立性（発生磁場の空間分布精度や時間安定度）と有効性（出力エネルギー可変）を実証する計画である。

Fig. 1. Targeted particle therapy and issues for dissemination

HTS-SC

Air-core REBCO multi-coil system

Fig. 2. Schematic drawings of HTS-SC and REBCO multi-coil system.

謝辞
本研究の一部は科研費基盤研 S （18H05244） に依ったことを付記する。
参考文献
1. 2018年春季低温工学・超電導学会講演概要集 1C-p10
2. 2019年春季低温工学・超電導学会講演概要集 2A-p04
3. 2019年春季低温工学・超電導学会講演概要集 2P-p19
4. 2019年春季低温工学・超電導学会講演概要集 2P-p20
5. 2019年春季低温工学・超電導学会講演概要集 2A-p03
6. 2019年春季低温工学・超電導学会講演概要集 2P-p21
7. 2019年春季低温工学・超電導学会講演概要集 2P-p22
8. 2019年春季低温工学・超電導学会講演概要集 2A-p02

Fig. 3. 5-High REBCO magnet technologies for HTS-SC― 77 ―

第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

2A-p02

加速器 (2)

核医学治療用高温超電導スケルトン・サイクロトロンの開発（２）－実証用高温超電導小型マルチコイルシステムの設計－
Development of HTS Skeleton Cyclotron for nuclear medicine treatment (2)– Design of small demonstration model of HTS multi-coil system –野口 聡（北海道大学）；植田 浩史，粟津 佑太，金 錫範（岡山大学）；渡部 智則，長屋 重夫（中部電力）；
吉田 潤（住友重機械）；福田 光宏（阪大）；石山 敦士（早稲田大学）；
NOGUCHI So (Hokkaido Univ.); UEDA Hiroshi, AWAZU Yuta, KIM SeokBeom (Okayama Univ.);
WATANABE Tomonori, Shigeo NAGAYA (Chubu Electric Power Co., Inc.); YOSHIDA Jun (Sumitomo Heavy Industries, Ltd.);
FUKUDA Mitsuhiro (Osaka Univ.); ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.);
E-mail: noguchi@ssi.ist.hokudai.ac.jp

3．検証項目現在，設計に基づいてコイルシステムの製作に取り掛かっている。実験においては，磁場分布について，無絶縁巻線による励磁遅れおよび遮蔽電流磁場の影響評価，エネルギー可変を想定した通電パターンの検討などをする予定であり，併せて数値解析等による検証を実施する。

Isochrnous ﬁeld

1.6

Main coil

Magnetic ﬁeld (T)

1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2

Sector coil

0-0.2 0

0.05

0.1
0.15
Radius (m)

0.2

0.25

Fig. 1. Azimuthal average magnetic field in the median plane of HTS
coil system for accelerating proton to 5 MeV.

(b) Main and sector coils(a) Sector coildFig. 2. Schematic drawing of small demonstration
model of HTS
multi-coil system.
2.0

75

1.8

Isochrnous ﬁeld

1.6

Design ﬁeld

1.4

60
45
30

1.2

15

1.0

0

0.8

-15

0.6

-30

Error

0.4

Error (mT)

2．高温超電導小型マルチコイルシステム
高温超電導コイルシステムの設計原理の確立・実証のため，取り出し半径 20 cm で陽子 5 MeV まで加速するサイクロトロンを想定した高温超電導小型マルチコイルシステムを設計した。等時性磁場を図 1 に示す。
2.1 セクターコイルの設計
スケルトン・サイクロトロンは，AVF をセクターコイルと呼ばれる非円形（三角形状）コイルで発生させる。高温超電導線材
は，6 mm 幅，0.1 mm 厚（基板、安定化層含む），巻線の際の最小曲げ半径は 30 mm とした。運転温度 30K で運転電流は
540 A である。コイルはダブルパンケーキ巻で，パンケーキ間
スペーサ 1 mm，巻線部の電流密度は無絶縁（NI）巻線技術を採用するとして 最大 450 A/mm2 とした。また，3 セクターとして，フラッター（磁場の段差の度合い）‫ ܨ‬ଶ を 0.01，セクターコ
イルのスパン角を 45°，セクターコイル間隔 140 mm （コイル
底面 70 mm）である。設計されたセクターコイルの概観を図2(a)に示す。
2.2 メインコイルの設計
セクターコイルで発生する磁場の周方向平均した分布を図1 に示す。所望の等時性磁場分布と併せて示した。この差の磁場をメインコイルで発生させることになる。コイル形状・位置等を設計変数として GA-SA 法を用い，使用超電導線材量が最少となるよう設計最適化を試みた。設計されたコイルシステ
ムの概観を図 2(b)に示す。また，設計されたコイルシステムが発生する磁場を図 3 に示す。今回の設計では，設計磁場と等時性磁場の差は±45 mT 程度（約±3%相当）である。

1.8

Magnetic ﬁeld (T)1．はじめにエネルギー可変で多種類の粒子を加速可能な高温超電導
空芯型サイクロトロン（スケルトン・サイクロトロン）の開発に取り組んでいる[1]。高温超電導コイルシステムをスケルトン・サイ
クロトロンに適用する際，1) 高電流密度化と高熱的安定化を両立する技術（無絶縁コイル），2) 高精度の磁場を発生する技術（遮蔽電流磁場の低減），3) 高機械強度化技術（SuperYOROI コイル構造），4) 実規模マルチコイルシステムの設計
最適化が課題として挙げられる。そこで，我々は，現在ビーム加速に要求される磁場分布を形成するマルチコイルシステムの開発技術の確立に向けて小型モデルを製作し，上記課題を検証する実験を計画している[2]。本発表では，この実証用
高温超電導小型マルチコイルシステムの設計について報告
する。

-45

0.2

-60

0.0

-75
0

0.05

0.1
0.15
Radius (m)

0.2

0.25

Fig. 3. Magnetic field in small demonstration model of HTS multi-coilsystem.

謝辞
なお，本研究の一部は科研費基盤研究 S（18H05244）に依ったことを付記する。
参考文献
1.
2.

― 78 ―

2018年春季低温工学・超電導学会講演概要集 1C-p10 (2018).
2019年春季低温工学・超電導学会講演概要集 2A-p01 (2019).

第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

2A-p03

加速器 (2)

核医学治療用高温超電導スケルトン・サイクロトロンの開発（３）－実証用高温超電導小型マルチコイルシステムの遮蔽電流解析－
Development of HTS Skeleton Cyclotron for nuclear medicine treatment (3)– Numerical simulation on screening current
in small demonstration model of HTS multi-coil system –植田 浩史，粟津 佑太，金 錫範（岡山大学）；野口 聡（北海道大学）；渡部 智則，長屋 重夫（中部電力）；
吉田 潤（住友重機械）；福田 光宏（阪大）；石山 敦士（早稲田大学）；
UEDA Hiroshi, AWAZU Yuta, KIM SeokBeom (Okayama Univ.); NOGUCHI So (Hokkaido Univ.);
WATANABE Tomonori, Shigeo NAGAYA (Chubu Electric Power Co., Inc.); YOSHIDA Jun (Sumitomo Heavy Industries, Ltd.);
FUKUDA Mitsuhiro (Osaka Univ.); ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.);
E-mail: noguchi@ssi.ist.hokudai.ac.jp

3．遮蔽電流磁場
励磁完了時におけるミッドプレイン（加速平面）上の周方向
平均遮蔽電流磁場分布を Fig. 1 に示す。今回のコイルシステ
ムにおいては最大で 2.5 mT 程度の遮蔽電流磁場が生じており，設計磁場に対して 0.15%に相当する。励磁完了時の取り出し半径上の周方向遮蔽電流磁場分布を Fig. 2 に示す。また，励磁完了時の取り出し半径における周方向平均遮蔽電流磁場の時間変化を Fig. 3 に示す。励磁完了後，一定通電中では，磁場のドリフトが発生しており，電流制御法[5]などによる遮蔽電流磁場のドリフトの抑制が必要となる。
謝辞
なお，本研究の一部は科研費基盤研究 S（18H05244）に依ったことを付記する。
参考文献
1. 2018年春季低温工学・超電導学会講演概要集 1C-p10(2018).
2. 2019年春季低温工学・超電導学会講演概要集 2A-p01(2019).
3. 2019年春季低温工学・超電導学会講演概要集 2A-p02(2019).

1.0

0.15

Screening current-induced ﬁeld

0.5

0.10

0.0

0.05

-0.5

0.00

-1.0

-0.05

-1.5

-0.10

Error

-2.0

Error (%)

Screening current-induced ﬁeld (mT)

0.20

1.5

-0.15
-0.20

-2.5

-0.25
0.10
0.15
0.20
Radius (m)Fig. 1. Azimuthal average of screening current-induced field generatedby small demonstration model of HTS multi-coil system.
-3.0

0.00

Screening current-induced ﬁeld (mT)

2．解析モデル
高温超電導コイルシステムの設計原理の確立・実証のため，取り出し半径 20 cm で陽子 5 MeV まで加速するサイクロトロンを想定した高温超電導小型マルチコイルシステムを設計した[3]。コイルには，幅 6 mm，厚さ 0.1 mm（超電導層 1.0 μm）の REBCO 線材を用いた。運転温度は 30 K とし，メインコイ
ル，セクターコイル共に 0.1 A/s で運転電流 540 A まで励磁し，その後一定でホールドする。各コイルはパンケーキ巻したものとする。REBCO 線材の厚み方向における電磁場が一様とする近似を用い，積分方程式，高速多重極法や超電導特性を考慮可能な非線形有限要素法を組み合わせた三次元電磁場数値解析[4]により遮蔽電流磁場の計算を行った。なお，小型モデルでは，無絶縁巻線を採用することになっているが，今回の解析では考慮していない。

4. H. Ueda, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 24, 4701505(2014).
5. 2019 年春季低温工学・超電導学会講演概要集 2P-p23(2019).

0.05

0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
-3.0
0

60

120

180
240
Angle (degree)

300

360

Fig. 2. Azimuthal distribution of screening current-induced field at
extraction radius.

Screening current-induced ﬁeld (mT)

1．はじめにエネルギー可変で多種類の粒子を加速可能な高温超電導
空芯型サイクロトロン（スケルトン・サイクロトロン）の開発に取り組んでいる[1][2]。サイクロトロンでは，高精度磁場分布及び時間安定性が要求されるが，高温超電導マグネットにおいては遮蔽電流が誘導され，それに起因する不整磁場（以下，遮蔽電流磁場）が悪影響を及ぼす。したがって，遮蔽電流磁場の補正及び抑制は，サイクロトロンを出力可変（多機能化）とする際の最重要課題となる。我々は，現在ビーム加速に要求される磁場分布を形成するマルチコイルシステムの開発技術の確立に向けて小型モデルの製作・実験に向けた設計を行っている[3]。本発表では，設計した小型モデルを対象に遮蔽
電流磁場を評価したので報告する。

0.0
excita on
0.1 A/s

-0.5
-1.0

hold

-1.5
-2.0
-2.5
-3.0
-3.5
-4.0

4000
6000
8000
Time (s)Fig. 3. Temporal variation of azimuthal average of screening currentinduced field at extraction radius.

― 79 ―

0

2000

第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

2A-p04

加速器 (2)

核医学治療用高温超電導スケルトン・サイクロトロンの開発（4）- 実証用高温超電導小型マルチコイルシステムの機械特性解析 Development of HTS Skeleton Cyclotron for nuclear medicine treatment (4)- Numerical simulation on mechanical behaviors
of small demonstration model of HTS multi-coil system 粟津 佑太，金 錫範，植田 浩史（岡山大学）； 野口 聡（北海道大学）； 渡部 智則，長屋 重夫（中部電力）；
吉田 潤（住友重機械）； 福田 光宏（大阪大学）; 石山 敦士（早稲田大学）
AWAZU Yuta，KIM SeokBeom，UEDA Hiroshi (Okayama Univ.); NOGUCHI So (Hokkaido Univ.);
WATANABE Tomonori，NAGAYA Shigeo (Chubu Electric Power Co., Inc.);
YOSHIDA Jun (Sumitomo Heavy Industries, Ltd.); FUKUDA Mitsuhiro (Osaka Univ.); ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.)；
E-mail: pvsb55h0@s.okayama-u.ac.jp
1．はじめに我々は，エネルギー可変で多種類の粒子を加速可能な高強度小型サイクロトロンの開発に取り組んでいる。この加速器に，REBCO 高温超電導コイルを用いた空芯型サイクロトロン（スケルトン・サイクロトロン）を提案している[1][2]。このスケルト
ン・サイクロトロンに用いられるマルチコイルシステムに高温超電導コイルを適用することで高磁場・高電流密度化を実現し，ビーム加速に要求される磁場分布形成することを目指している。一方で，コイルに作用する電磁力は著しく増加するため，
その支持構造及び巻線内電磁応力による劣化，保護動作時のコイル間磁気結合による電流挙動の影響に対しても留意が必要である。そのため，医療機器応用に要求される信頼性を確保するためにも，超電導線材を巻線・コイル化した場合の機械特性の把握，コイルシステム全体での高機械強度・構造設計が重要となる。本発表では，設計を行った小型モデルを対象とし，超電導マルチコイルシステムにおける機械特性を数値解析により評価したので，その結果を報告する。
2．実証用高温超電導小型マルチコイルシステム
スケルトン・サイクロトロンの開発に向けて，マルチコイルシ
ステムの開発技術の確立に向けて課題となる要素技術について検証を行うため，実証用高温超電導小型マルチコイルシ
ステムの設計を行った[3]。取出半径は 200 mm で Proton を 5
MeV まで加速させることを想定した 4 対の円形メインコイルと3 対のセクターコイルを組合せた高温超電導マルチコイルシ
ステムである。
3．機械特性解析設計したマルチコイルシステムが経験する電磁力により生じる機械特性への影響評価を行った。電磁力は各コイルが経験する磁場を基に計算を行った。また，これらの電磁力を基に三次元有限要素法による電磁応力解析を行った。REBCO
線材の積層構造は複合則で考慮して，巻線部を弾性体として解析を行った。REBCO 線材の諸元は，幅 6 mm，厚さ 0.1
mm で，基板(Hastelloy) 50 μm，超電導層 1 μm，安定化層(Copper) 40 μm とした。今回のコイルシステムに働く電磁力分
布の例として， Fig.1 に Main Coil 1 とセクターコイルの電磁力分布を示す。また，セクターコイルの配置とその影響を考慮
し，Fig.2 に示すように円形メインコイルを周方向に分割した各部に働く，線材長手方向に対して垂直方向と線材幅方向の電磁力 Fr，Fz を Table 1 に示す。Main Coil 1 では，セクター
コイルの発生磁場の影響を受け，Fig.2 のようにコイルの各部で経験する電磁力に違いが生じる。そのため，コイル内の電磁力分布の違いを考慮した支持構造や Yoroi 構造[4]適用を検討している。
各超電導コイルが経験する電磁応力については当日報告する。

(a) Main Coil 1(b) Straight sector coilFig. 1. Example of magnetic force distribution in HTS multi-coilsystem.

Fig. 2. Behaviors of magnetic force of the axial direction in upper split
Main Coil 1.
Table 1. Magnetic force of the radial and axial directions in the upper
split Main Coils.
Coil Name
Fr (kN)Fz (kN)
Part #1
9.5832-0.6958
Main Coil 1
Part #2
12.66430.7466
Part #3
9.5832-0.6958
Part #1
0.05950.2435Main Coil 2Part #2
0.22960.4740Part #3
0.05950.2435
Part #1
61.7924-17.9018
Main Coil 3
Part #2
73.1986-22.5613
Part #3
61.7924-17.9018
Part #1-14.8022-6.8645
Main Coil 4
Part #2-18.4965-8.8977
Part #3-14.8022-6.8645

謝辞
本研究の一部は，基盤研究 S(18H05244)に依ったことを付
記する。
参考文献
1.
2.
3.
4.

― 80 ―

H. Ueda, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 23, 4100205 (2013).
特許5682903, 特許5708984, 特開2015-079626
2019年春季低温工学・超電導学会概要集 2A-p02 (2019).
S. Nagaya, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 23, 4601204 (2014).

第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会

2A-p05

加速器 (2)

Progress of High Field Accelerator Magnet Program in China
Qingjin Xu (IHEP, CAS)
E-mail: xuqj@ihep.ac.cn
1．Introduction
High field magnet technology is the key to the success ofthe high energy accelerators in future. China is pursuing
critical technologies R&D for future circular colliders like theSuper Proton Proton Collider (SPPC). SPPC will need
thousands of high field (12-20 T) superconducting magnets inaround 20 years. A long term R&D roadmap of the advanced
superconducting materials and high field magnets has been
made, aiming to push the technology frontier to the desired
level, and a strong domestic collaboration is established, whichbrings together expertise of Chinese superconductivity
community from fields of physics, materials, technology andapplication. The goal is to address prominent scientific andtechnological issues and challenges for high field applicationsof advanced superconducting materials. In the past years
model magnets with hybrid coils (NbTi, Nb3Sn and iron-based
superconductors) have been developed and tested. An
overview of the high field magnet program, R&D status and thefuture plans will be presented.
2．Conceptual Design Study of the Magnet for SPPC
A conceptual design study of 12-T 2-in-1 dipole magnets
is ongoing with the Iron-based superconducting (IBS)
technology, to fulfill the requirements and need of a proposedlarge-scale superconducting accelerator: Super Proton Proton
Collider (SPPC), which aims to discover the new physics
beyond the standard model with a 100-km circumference
tunnel and 75 TeV center-of-mass energy [1]. The design
study is carried out with an expected Je level of IBS in 10 years,
i.e., about 10 times higher than the present level. Besides thesignificant improvement of Je, we are also expecting that the
IBS superconductor would have much better mechanicalperformance comparing with present high field conductors like
Nb3Sn, REBCO and Bi-2212, and the much lower cost thanthem. The aperture diameter of the magnets is 45 mm. The
main field is 12 T in the two apertures per magnet with 10-4
field uniformity. The common-coil configuration is adopted forthe coil layout because of its simple structure and easy tofabricate. Two types of coil ends are considered andcompared for the field quality and structure optimization: softway bending and hard-way bending. For the hard-way bending
the coil is wound with flared ends and in such way the neededsuperconductors is minimized. The detailed is presented in [2].
3. High Field Superconducting Magnet R&D
R&D of high field model dipole magnets is ongoing at theInstitute of High Energy Physics. As the first step, a 12-T
subscale common-coil dipole magnet named LPF1 (Let theProton Fly) with two apertures and graded coil configuration

was designed, fabricated, and tested. With 4 NbTi racetrack
coils outside and 2 Nb3Sn racetrack coils inside, to reduce thefield enhancement at the ends of the coils, the coils were
designed with different lengths. All of the six coils were woundwith superconducting Rutherford cables and impregnated.
Coils were pre-stressed during assembly at room temperature
with water-pressurized bladders in vertical and horizontal
directions. Two end plates and four aluminum tension rods
were adopted for pre-loading in axial direction. A 0.1 Ohm
dump resistor was used for the quench protection during thetest of LPF1. LPF1 was tested at 4.2 K and a field plateau had
been shown around 10.2 T after the 13th quench. The
parameters of the design, the process of the fabrication andthe test performance of LPF1 are presented in [3]4. Development of the IBS Coils and Test at High Field
A series of ϕ35 mm IBS (Iron Based Superconductor) coils
including single pancake (SPC) and double pancakes (DPC)
were designed and winded with the 7-filamentary Ba122(Ba1-xKxFe2As2) tape which was produced by the Institute ofElectrical Engineering, Chinese Academy of Sciences (IEECAS). The tests of the IBS coils were firstly carried out at 4.2
K and 10 T background field. The highest quench current of
the coils at 10 T is 68.4 A, which is about 79% of the quench
current at self-field and about 90% of the critical current of
the short sample. Then two SPCs were selected and tested at
4.2 K at 24 T. The highest quench current of the coils at 24
T is 25.6 A, which is about 39% of the quench current at selffield. The detailed information is presented in [4]. These
results suggest that the iron-based superconductors are very
promising for high-field magnet applications.
Acknowledgement
The work is supported by the Strategic Priority Research
Program of the Chinese Academy of Sciences (CAS) Grant No.
XDB25000000, the key research program of CAS Grant No.
XDPB01, the Hundred Talents Program of CAS and National
natural Science Foundation of China Grant No. 11675193,
11575214, 11604335.
References
1. Conceptual
DesignreportoftheCEPC:
http://cepc.ihep.ac.cn/CEPC_CDR_Vol1_Accelerator.pdf
2. E. Kong et al., IJMPA, 34, 2019, 1940003
3. C. Wang et al., IEEE TAS, 29(7), 2019, 4003807
4. D. Wang et al., SUST, 32, 2019, 04LT01― 81 ―

第98回

2019年度春季低温工学・超電導学会