1C-a01

核融合 (1)㻵㼀㻱㻾㻙㼀㻲 䝁䜲䝹ᐜჾ䛾〇స㐍ᤖ䛸ึྕᶵ᏶ᡂ㻌㻹㼍㼚㼡㼒㼍㼏㼠㼡㼞㼕㼚㼓㻌㼜㼞㼛㼓㼞㼑㼟㼟㻌㼛㼒㻌㻵㼀㻱㻾㻌㼀㻲㻌㻯㼛㼕㼘㻌㻿㼠㼞㼡㼏㼠㼡㼞㼑㻌㼍㼚㼐㻌㼏㼛㼙㼜㼘㼑㼠㼕㼛㼚㻌㼛㼒㻌㼒㼕㼞㼟㼠㻌㼜㼞㼛㼐㼡㼏㼠㻌㻌஭ཱྀ㻌 ᑗ⚽䠈Ḉ஭㻌 Ṋᑛ䠈ᑿ㛵㻌 ⚽ᑗ䠈㻴㻻㻺㻳㻌㼅㼡㼚㻿㼑㼛㼗䠈⸨ཎ㻌 ⱥᘯ䠈㧗㔝㻌 ඞᩄ䠈⊦㔝㻌 ᫀಙ䠈ሐ㻌 ྐ᫂䠈㔠᳃㻌 ಙ஀䠈㰻⸨㻌 ೺࿃䠈⏣୰㻌 ಙᙪ䠈ᰩ⏣㻌 ᬛஂ䠈ⰼᒸ㻌 ᩄ᫂䠈୰ᖹ㻌 ᫀ㝯䠈ᑠἨ㻌 ᚨ₩䠄㔞◊ᶵᵓ䠅㻌㻵㻳㼁㻯㻴㻵㻌㻹㼍㼟㼍㼔㼕㼐㼑㻘㻌㻿㻭㻷㼁㻾㻭㻵㻌㼀㼍㼗㼑㼞㼡㻘㻌㻻㼆㻱㻷㻵㻌㻴㼕㼐㼑㼙㼍㼟㼍㻘㻌㻴㻻㻺㻳㻌㼅㼡㼚㻿㼑㼛㼗㻘㻌㻲㼁㻶㻵㼃㻭㻾㻭㻌㻱㼕㼗㼛㼡㻘㻌㼀㻭㻷㻭㻺㻻㻌㻷㼍㼠㼟㼡㼠㼛㼟㼔㼕㻘㻌 㻌㻵㻺㻻㻌㻹㼍㼟㼍㼚㼛㼎㼡㻘㻌㼀㻿㼁㼀㻿㼁㻹㻵㻌㻲㼡㼙㼕㼍㼗㼕㻘㻌㻷㻭㻺㻭㻹㻻㻾㻵㻌㻿㼔㼕㼚㼛㻘㻌㻿㻭㻵㼀㻻㻌㻷㼑㼚㼓㼛㻘㻌㼀㻭㻺㻭㻷㻭㻌㻺㼛㼎㼡㼔㼕㼗㼛㻘㻌㻷㼁㻾㻵㼀㻭㻌㼀㼛㼙㼛㼔㼕㼟㼍㻘㻌 㻌㻴㻭㻺㻭㻻㻷㻭㻌㼀㼛㼟㼔㼕㼍㼗㼕㻘㻌㻺㻭㻷㻭㻴㻵㻾㻭㻌㻹㼍㼟㼍㼠㼍㼗㼍㻘㻌㻷㻻㻵㼆㼁㻹㻵㻌㻺㼛㼞㼕㼗㼕㼥㼛㻌㻔㻽㻿㼀㻕㻌㻱㻙㼙㼍㼕㼘㻦㻌㼕㼓㼡㼏㼔㼕㻚㼙㼍㼟㼍㼔㼕㼐㼑㻬㼝㼟㼠㻚㼓㼛㻚㼖㼜㻌㻌
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第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1C-a02

核融合 (1)ITER TF コイル用 Nb3Sn 線材の中性子照射効果 （その２）
Neutron Irradiation Effect of Nb3Sn wires for ITER TF coil (Part II)
西村 新（NIFS）；中本 建志，吉田 誠，飯尾 雅実（高エネ研）；外山 健，山崎 正徳（東北大）
NISHIMURA Arata (NIFS); NAKAMOTO Tateshi, YOSHIDA Makoto, IIO Masami (KEK);TOYAMA Takeshi, YAMAZAKI Masanori (Tohoku Univ.)
E-mail: nishi-a@nifs.ac.jp
1．はじめに
中国 ASIPP 合肥研究所から提供を受けた ITER TF コイル
用 Nb3Sn 超伝導線材の、中性子照射効果を検討した。線材は直径 0.8mm であり、内部スズ法によって製作されている。試料をベルギーの BR2 に送り、最高温度 100℃の環境下で原子炉照射し、その後、日本に戻されたものである。未照射材の測定結果と比較しながら、照射効果の概要を報告する。

Critical current (A)250

2．照射試料の準備と中性子照射試験に供試した試料は、ITER TF コイル用の中国 WesternSuperconducting Technologies 製 Nb3Sn 線材である。できるだ
け直線となるように成型した後、ITER が定める標準熱処理条
件で熱処理を行った。原子炉照射試料は、アルミキャプセルに封入し、He ガス置換を行い、ベルギーの BR２に送付した。
アルミキャプセルは BR2 原子炉内に設置され、最大 100℃となる環境で原子炉照射された。1.0MeV 以上の中性子の照射
線量は 1.8x1022 n/m2 で、0.1MeV 以上の中性子照射線量は4.9x1022 n/m2 である。照射後、東北大学大洗センターに返送され、大洗センターの放射線管理区域で保管されている。今回報告する試料は内部スズ法で作製された Nb3Sn 線材で、Snの含有量がブロンズ法に比べ多いため、Sn の同位体からと思われる残留放射能が高い。原子炉照射後の試料は大洗センターで管理され、大洗センターの放射線管理区域内に設置された 15.5T 超伝導マグネットと温度可変インサートを用いて、超伝導特性を評価した。データ収集速度は 10Hz とした。

5.18 K

150
100
Ramp rate: 150 A/s

50
0China Nb3Sn. Internal Sn.

6

8

10
12
14
Magentic field (T)16Fig. 1 Test results of non-irradiated sand irradiated
Nb3Sn wires at ramp rate of 150 A/s.

250
Critical current (A)

200
150
100

3．臨界電流の変化
Fig. 1 に未照射線材、照射線材の臨界電流と磁場の関係を示す。試料温度は 5.18K、通電速度は 150A/s の場合の結果である。磁場が高くなるほど臨界電流は低下するが、照射線材の方が低磁場での臨界電流が未照射線材より低くなる。
高磁場では、照射線材の臨界電流は未照射材に比べほぼ同
じか少し高くなる。中性子照射線量が高いために臨界電流が低下したことが考えられる。
10T および 15T の時の、臨界電流と通電速度の関係を
Fig.2、Fig.3 に示す。高速通電になるほど計測点数が少なくなり、ばらつきが大きくなっている。15T では、10T での結果に比べ未照射線材と照射線材の臨界電流の絶対値が小さくなり、両者の違いは少なくなっていることがわかる。
1021 n/m2 オーダーの中性子照射（E＞0.1MeV）では、臨界電流は未照射線材に比べて高くなり、磁場と臨界電流の関係は、その勾配が急になることを既に報告している。照射線
量がある線量を超えると、臨界電流は低下することが知られている。しかし、その低下の挙動が磁場に対してどのような変化を示すかは十分明らかにされておらず、臨界電流低下の機
構の詳細は検討課題である。
4．まとめ
東北大学大洗センターの共同利用の枠組みを利用し、内部スズ法で作製した ITER TF コイル用超伝導線材の原子炉照射を行った。そして、未照射線材と照射線材の臨界電流の磁場依存性について検討した。照射による臨界電流の変化

Non-irradiated1.8x1022 n/m 2(>1.0 MeV)

2000

Non-irradiated10.0 T 5.18 K

50

1.8x1022 n/m 2(>1.0 MeV)

China Nb3Sn. Internal Sn.

0

100

200
300
Ramp rate (A/s)

400

500

Fig. 2 Effect of ramp rate on Ic of non-irradiated andirradiated Nb3Sn wires under 10.0 T.

Critical current (A)

120
100
80
60
40
20
0
0

Non-irradiated1.8x1022 n/m 2(>1.0 MeV)

15.0 T 5.18 K
China Nb3Sn. Internal Sn.

100

200
300
Ramp rate (A/s)

400

500

Fig. 3 Effect of ramp rate on Ic of non-irradiated andirradiated Nb3Sn wires under 15.0 T.
挙動は十分に明らかにされておらず、今後ともさらに実験事実の蓄積を進め、それらに基づいて、中性子照射効果の機構を明らかにする予定である。

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第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1C-a03

核融合 (1)

JT-60SA 超電導機器の製作進捗
Progress of Superconducting Components for JT-60SA
村上 陽之，土屋 勝彦，福井 良磨，夏目 恭平，神谷 宏治，河野 勝己，礒野 高明，木津 要 (量研)；
野元 一宏（三菱電機）；高田 英治（富士電機）
MURAKAMI Haruyuki，TSUCHIYA Katsuhiko，FUKUI Kazuma，NATSUME Kyohei，KAMIYA Koji，KAWANO Katsumi，
ISONO Takaaki，KIZU Kaname (QST); NOMOTO Kazuhiro (Mitsubishi Electric); TAKADA Eiji (Fuji Electric)

1．はじめに欧州と日本が共同で製作を進めている JT-60SA の超電導機器のうち、トロイダル磁場コイルは欧州が製作を担当し、ポロイダル磁場コイル（中心ソレノイドおよび平衡磁場コイル）および給電用機器は日本が製作を担当する[1]。
トロイダル磁場コイルは 18 個の D 形をしたコイルである。
中心ソレノイドは 4 つのモジュールからなり、全てのモジュールの製作が完了した。平衡磁場コイルは、6 個のコイル全ての製作が完了し、本体へ組み込むまで仮置きされている。
極低温で運転される超電導コイルと室温に置かれる電源を結ぶための給電装置（コイルターミナルボックス：CTB）は 5個のうち 3 個が完成し、残る 2 個の製作が進められている。
本発表では、これらの超電導コイルおよび給電用機器の製作および組立の進捗状況について報告する。
2．超電導コイルの製作・組立の進捗状況
トロイダル磁場コイルは、2018 年 2 月に 18 個目のコイルが日本に到着し、最終セクターと呼ばれる 20 度分の真空容器とサーマルシールド、トロイダル磁場コイルなどを一体化する作業を行った。最終セクターは 2018 年 4 月にトカマク本体へ組み込まれた(図 1)。既に設置済の 340 度分の機器と最終セク
ターを接続し、トロイダル磁場コイルの組み立ては完了する。
平衡磁場コイルは、下側 3 個のコイルは真空容器の組立を始める前の 2014 年 1 月にトカマク下部へ搬送し仮置きされている。上側 3 個のコイルは、真空容器やトロイダル磁場コイ
ルの組立完了した後の 2018 年夏にトカマクに組み込まれる。
中心ソレノイド（CS）は 2018 年 3 月に 4 個全てのモジュールの製作が完了した(図 2)。今後、4 つのモジュールを積み重ねて、タイプレートと呼ばれる構造物で挟み込む一体化と呼ばれる工程に入る。一体化された CS は 100t を超える重量物であり、輸送の準備も平行して進めている。中心ソレノイドは、2019 年初めにトカマクに組み込まれる予定である。

(1)

(2)

(3)

Fig.1 Installation of final sector(1) Final sector (2) Before installation (3) After installation

Fig.2 Completed CS modules(Left) CS4, CS2, CS1 modules (Right) CS3 module

3．コイルターミナルボックス(CTB)
CTB は、高温超電導電流リードを介して、常温の銅ブスバ
ーと極低温の NbTi 超電導電流フィーダを接続する給電機器である。JT-60SA では加熱装置などを再利用するため、トカマ
ク周辺の利用可能な空間は既存の設備を避けた場所に限られ、小型の CTB を 5 台、分散させて設置する設計である。これら 5 台の CTB のうち、最初の CTB1 は 2017 年 2 月に完成した[2]。2 つ目、3 つ目の CTB4、CTB5 は 2017 年 12 月に製作が完了した。残る CTB2 および CTB3 の製作を進めており、
5 台全ての CTB が 2018 年秋に完成する予定である。
これらの CTB は上述の超電導コイルの組立が完了し、クライオスタットの蓋が閉じた後の、2019 年夏頃にトカマクへ組み込まれる予定である。また、2018 年に CTB の性能を確認する
ため、実機の単体冷却試験を実施する計画である。
参考文献
1. Y. Koide, et al.: Nuclear Fusion, Vol. 55, (2015) 086001
2. H. Murakami, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol.
94 (2017) p.173― 38 ―

Fig.3 Completed CTB4 and CTB5
第96回

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1C-a04

核融合 (1)

JT-60SA 冷媒ヘリウム配管の設計
Design of coolant helium pipes for JT-60SA
夏目 恭平，神谷 宏治，福井 良磨，河野 勝己，礒野 高明 （量研機構）
NATSUME Kyohei，KAMIYA Koji，FUKUI Kazuma，KAWANO Katsumi，ISONO Takaaki (QST)
E-mail: natsume.kyohei@qst.go.jp
1．はじめに核融合プラズマ実験装置 JT-60 の超電導化改造計画（SA計画）が進められている。JT-60SA の超電導コイルやサーマ
ルシールドといった被冷却機器には、ヘリウム冷凍機システム
から極低温ヘリウムが冷媒として供給される。冷媒配管は、配管自身の熱収縮や支持先である超電導コイルの熱収縮と電磁力、地震力などによる力及び変位に耐えられる構造としなければならない。本講演では、JT-60SA の冷媒ヘリウム配管の設計について報告する。
2．冷媒配管の経路
冷媒を生成するヘリウム冷凍機システム（HRS）は、トカマク
本体室の隣室に設置され、真空断熱多重配管（Cryoline）でト
カマククライオスタットに接続される。5 系統の循環経路があり、11 基あるバルブボックス（VB）と呼ばれる機器を通して、流量が調整され、被冷却体に分配される。Fig. 1 は、内部の冷媒配管が見えるように、一部を透明化した JT-60SA トカマククラ
イオスタットの 3D モデルである。Cryoline から連絡された冷媒配管は、クライオスタット内上部で分岐し、VB に接続している。
配管は再びクライオスタット内部に戻り、各機器に接続される。
各機器からの戻りの経路も同様に VB を経由して、Cryoline を通して HRS に接続する[1]。

Fig. 2 Displacement of an interface between coolant pipes
and Toroidal Field Coil
冷媒配管の健全性を確認するため、自重・地震による荷重及び各支持点の変位を条件として、有限要素法解析ソフト
ウェア ANSYS ver17.0 を用いて構造解析を実施した。Fig. 3に例として、VB08 と TFC 及び CS (Central Solenoid)を接続している配管の計算モデル及び変位量の解析結果を示す。冷媒配管は接続部の間で、EFC (Equilibrium Field Coil)と TFCに支持を取っている。解析条件には、自重・真空・地震・冷却・電磁力が含まれる。TFC 支持部近傍で冷媒配管に約47mm の変位があるが、配管及び支持構造に発生している応力は、SUS316L の許容応力である 350 MPa [2] を下回っているため、設計が成立していることが確認された。

Fig. 1 JT-60SA Tokamak cryostat partially transparent view
3．冷媒配管の機械設計
冷媒配管は、自重と地震による荷重だけでなく、自身の熱収縮による変位に対して健全でなくてはならない。また、配管は各経路・場所によって、異なる機器に支持されている。各機
器は、地震による変位の他に、冷却による熱収縮や、超電導コイルであれば電磁応力、クライオスタットであれば真空引きによる力などによって変位する。各機器の変位を考慮して、配管の経路及び支持構造を設計する必要がある。
Fig. 2 に例として、Toroidal Field Coil （TFC）の冷媒配管
接続部の冷却及び電磁応力による変位量を示す。TFC は 4
K 冷却時には、鉛直方向に約 38 mm 縮む。プラズマ燃焼終了時に電磁応力は最も大きく転倒力が働き、トロイダル方向の変位は約 11 mm に達する。

Fig. 3 Displacement of an interface between coolant pipes
and Toroidal Field Coil
参考文献
1. K. Natsume, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol. 95(2017) p.112
2. 核融合設備規格 超伝導マグネット構造規格 （2008 年
機械学会）― 39 ―

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1C-a05

核融合 (1)

JT-60SA 冷却監視制御システムの開発
The Development of the Cooling Monitoring and Control System for JT-60SA
福井 良磨，神谷 宏治，磯野 高明，夏目 恭平，河野 勝己 (量子機構)
FUKUI Kazuma，KAMIYA Koji，ISONO Takaaki，NATSUME Kyohei，KAWANO Katsumi (QST)
E-mail: fukui.kazuma@qst.go.jp
1．はじめに超伝導トカマク装置 JT-60SA は、日欧の国際協力の下で製作が進められている。冷凍機が精製冷却した冷媒の分配制御及び被冷却機器のパラメータの監視収集を目的としたシ
ステム(マグネットコントローラ)が 2018 年 3 月に完成した。
2016 年 10 月に完成したヘリウム冷凍機は、各冷却機器の定格温度まで冷媒を冷却し、全体的な流量を制御するものである。冷凍機単体では機器の局所的な温度上昇や、LOFA な
どといった異常に対処することはできない。従って各流路の局所的な冷媒の分配制御が可能なマグネットコントローラを開発した[1]。本稿ではマグネットコントローラの紹介と、その役割の概要を報告する。

システム、電源設備)と通信を行う。SCSDAS と行う通信は、ス
テート移行に係る種々のメッセージや、設備の状態を知らせるためのプロセスデータ、インターロック信号、タイミング信号、コイル出入口温度である。冷凍機システムとは、冷凍機のステート移行に係る信号、冷凍機のステート、インターロック信号などである。電源設備とはコイルの電流値やクエンチ信号を送受信する。
参考文献
1. K. Kamiya et al, 2017 J. Phys.: Conf. Ser. 897 012015
2. K. Yoshida : TEION KOGAKU (j. Cryo. Soc. Jpn.) Vol.
50, No. 12, (2015) p. 582

2．マグネットコントローラ
マグネットコントローラは PLC と制御 PC から成る。Fig.1 に示す様に、PLC は 3 つの盤で構成されており、それぞれ Main
PLC 盤 、 Fast Discharge I/O(FD) 盤 、 Data Acquisition
I/O(DAQ)盤と呼ぶ。
Main 盤は PLC やハード回路が実装されているほか、他設
備との通信を行い、主にインターロック信号を送受信している。
盤に実装されている PLC のシステムは冷凍機システムと同様の SIMATIC PCS 7 プロセスコントロールシステム(PCS 7)で構築している。高い稼働率を得るため、Operator Station(OS)サーバや PLC を二重化にし、片方には UPS を介して電力を供給している。FD 盤は主にクエンチに関連するデータを収集しており、DAQ 盤は主に各種計測値のデータを収集している。
制御 PC には HMI が実装されており、オペレータはこの PC からマグネットコントローラを制御することができる。
3．冷媒分配制御
Fig.2 に示すように、マグネットコントローラは冷凍機が機器に供給する冷媒を分配する役割を持つ[2]。Table.1 は被冷却機器と、その定格温度、定格流量を示したものである。マグネ
ットコントローラは、それぞれの流路において、常に既定の流量や温度が確保できるように、TF/PF のフィーダ、HTS-CL の
高温端の流量や、PF 出口弁開度などの PID 制御を行っている。計測している流量や温度、圧力などが閾値を跨いだとき、
インターロックが作動し、既定の設備にインターロック信号を発信する。その他にも、クエンチ、電源の遮断など、種々のケースを想定したインターロック機能を実装している。殆どのインターロック信号は 3 つのアラームレベルに分類されており、所定の設備に送信した後、統括制御計算機システム(SCSDAS)にネットワーク信号でシステムの異常を知らせる。

Fig1.

Fig.2

The exterior of the PLC panels

Flow diagram of the cryodistribution

Table.1 Nominal cooling specification for the cryogenic system
Cooling
Structure

Loop1
TFC

Loop2
PFC

Loop3
Cryopump

Temperature [K]Mass flow [g/s]

4.5
876

4.5
960

3.7
270

Loop4
ThermalShield
80
404

Loop5
HTSCL
50
30

4．他設備との通信
Fig.3 は他設備とマグネットコントローラとの通信を示した図である。マグネットコントローラは 3 つの設備(SCSDAS、冷凍機
Fig.3 Signal transmission between other systems― 40 ―

第96回

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1C-a06

核融合 (1)

LHD ポロイダルコイルの 20 年間の運転から学ぶ教訓～クエンチ検出器の誤検出と誤作動事象
Lessons learned from twenty-year operation of the Large Helical Device poloidal coils:
Malfunction and false detection events of the quench detection system
高畑 一也，森内 貞智，大場 恒揮，鷹見 重幸，三戸 利行，今川 信作（NIFS）
TAKAHATA Kazuya, Sadatomo MORIUCHI, Kouki OOBA, Shigeyuki TAKAMI, Toshiyuki MITO, Shinsaku IMAGAWA (NIFS)
E-mail: takahata@nifs.ac.jp
1．はじめに
大型ヘリカル装置（LHD）は，世界最大級の超伝導コイルを有するヘリカル型プラズマ実験装置である。超伝導コイル
は，2 条のヘリカルコイルと 3 対 6 個のポロイダルコイルから構成される。1998 年 3 月 27 日のコイル初励磁，3 月 31 日のファーストプラズマ点火から，20 年間安定に運転を継続してきた。
その間の超伝導コイルの冷却時間は 54,600 時間，励磁時間
は 10,600 時間に達した[1]。
超伝導コイルが安定な運転を続ける一方で，周辺機器の不具合により，プラズマ実験が一時的に中断する事象が幾度か発生した。本発表では，ポロイダルコイルのクエンチ検出器に関連した誤検出と誤作動事象について紹介する。またそれらから得られた教訓について述べる。
2．クエンチ検出器の構成
図 1 にクエンチ検出・保護システムの回路図を示した。3 対のポロイダルコイルの 1 対ずつは，LHD の赤道面に対して上下対称に配置され，インダクタンスも同じである。そこで，上下のコイルでブリッジ回路を構成し，励磁中のインダクタンス成分をキャンセルする。バランス電圧を絶縁アンプに通し，時間，電圧共にしきい値以上発生したときに保護回路を動作させる。
1 対のフィーダー部は直接電圧をモニタした。
システムは 2 種類の保護動作を持っており，0.1V の電圧が1 秒継続した時に低速遮断（時定数 300 秒），3 秒継続したときに高速遮断（時定数 30 秒）を行う。万が一常伝導転移した
場合は高速遮断することが必須であるが，他の要因で不必要に高速遮断することは，逆に絶縁破壊の可能性を高めてしまう。そこでより緩やかな保護として低速遮断を準備した。
3．クエンチ検出器の誤検出/誤作動事象
表 1 に，この 20 年間の誤検出/誤作動事象を列記した。事象の総数は 10 である。連続で発生した誤検出は一つの事象とカウントした。なお，常伝導転移の検出による保護動作の経験は一度もない。
＃2 と＃3（2004）の誤作動は，プラズマ加熱装置のコンディショニング運転と同期して発生した。＃2 は計測線に 11 V を超えるサージが入り，絶縁アンプが故障信号を発信したためFig. 1 Circuit diagram of the quench detection andprotection systems for the LHD poloidal coils.
である。また＃3 は遠隔操作のための制御ケーブルにサージが入ったためである。いずれも励磁中でなく，コンディショニン
グ段階で発生したため，運転までに対策を講じることができた。
コンディショニング中もクエンチ検出器を動作させることが重要であろう。
＃6（2005）と＃8（2008）の誤検出は，コイル電流を掃印しながらプラズマ実験を行ったときに発生した。インダクタンス成分
を完全にキャンセルするようにポテンショメータを調整したが，結合電流ループによる電圧発生は完全にキャンセルできていなかったことが原因である。発生電圧の掃印速度依存性を調査し，時間のしきい値設定を 1 秒から 1.5 秒に変更することで誤検出を回避した。実験条件での結合電流による電圧発生を事前に評価し，しきい値設定に反映するべきであった。
＃10（2017）の誤作動は，検出器 6 台のうちの 1 台を更新したことで発生した。プラズマ実験直前のコイル励磁試験において，保護動作確認のため低速遮断を行った直後に検出器の基板の一部が損傷し，高速遮断に移行した。検出器の誤作動によって，通電中に高速遮断を行ったのはこれが最初である。長期運転において周辺機器の更新は不可欠であるが，導入にあたっては，より慎重な動作確認が必要であった。
参考文献
1. K. Takahata, et al.: Cryogenics, Vol. 91 (2018) p.1

Table 1 History of malfunctions and false detection events of the quench detection system for the LHD poloidal coils.
#
1
2
3
4
5
6

Demand signal
Slow discharge
Fast discharge (frequently)
Fast discharge (frequently)
Slow discharge
Fast discharge
Slow discharge

Excitation
ON
OFF
OFF
ON
OFF
ON

7
8

Slow discharge
Slow discharge (3 times)

ON
ON

9
10

Fast discharge
Fast discharge

OFF
ON

Cause
Malfunction of timer circuit
Surge voltage from NBI conditioning
Surge voltage from NBI conditioning
Unknown
Unknown
False detection during magnetic axis swing
operation
Malfunction of potentiometer
False detection during magnetic axis swing
operation
Lightning surge
Malfunction of electronic substrate― 41 ―

第96回

Year/Month2002/11
2004/4
2004/92004/12
2005/6
2005/11
2008/10
2008/10
2009/82017/2

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1C-a07

核融合 (1)

13 T-700 mm大口径高磁場導体試験装置用100 kA変流器の概念検討

Study on 100 kA superconducting transformer for 13 T - 700 mm conductor test facility
今川 信作，力石浩孝 (NIFS, NINS)IMAGAWA Shinsaku, CHIKARAISHI Hirotaka (NIFS, NINS)
E-mail: imagawa@LHD.nifs.ac.jp
１．はじめに核融合科学研究所の大口径高磁場導体試験装置は，実使用状態と同じように電磁力による拡張力が働く状態で超伝導特性を調べるため，コイル形状の導体試験サンプルを想定している。Nb3Sn 大電流高磁場導体では，繰返し電磁力や熱サイクル
によって分流開始温度が変化することが報告されており，核融合炉用導体開発においては，電磁力影響の評価が益々重要となると考えられている。現状の装置は，既存の直流電源から供給可能な電流値が 50 kA に制約されており，核融合炉用の 100
kA 級導体の電磁力影響を評価するには電流値が不足している。そこで，100 kA 以上の電流を供給可能なコンパクトな超伝導変流器の概念検討を進めている。本研究では，一次コイルを伝導冷却方式の密巻コイルとして，試験サンプルおよび二次コ
イルの冷却に用いる超臨界圧ヘリウムで冷却するコンパクトな
変流器システムの開発を目指している。試験サンプルがコイル形状であるため，変流器方式の採用においては外部磁場コイ
ル電源との干渉についても検討が必要である。
２．超伝導変流器の概念設計
変流器は，外部磁場コイルとの干渉を避けるために，図１に示すように軸が直交する配置とする計画である。図２に変流器の等価回路を示す。二次コイルとサンプルの接続抵抗 R2 が二次コイルとサンプルのインダクタンス和 L2+L3 に対して十分に小さい場合，二次コイルの電流値 I2 は次の近似式で与えられる。

L1L2 dI1
 dt
L2  L3 dt

大きな I2 を得るには，結合係数 k と一次コイルのインダクタンス
L1 を大きくし，L3 を小さくすることが有効である。L1 を大きくする
観点からは一次コイルを外側に配置する方が良いが，二次コイ
ルとサンプルの接続構造の制約から，図 1 のように二次コイルを外側に配置する案を基本としている。
３．電流解析
表１に示すような仕様の変流器について，一次コイル電源として10 V, 200A の電源を想定して「dI1/dt 一定制御で二次コ
イルを 100 kA まで励磁して保持」する場合の計算例を図３に示す。R2 が 3.0E-9 ohm の場合は，15 s 以内での 100 kA 到達と2,000 s 以上の電流保持が可能であるが，1.0E-8 ohm の場合には，100 kA 保持時間は 600 s 程度に短くなる。
外部磁場コイルを遮断する場合の影響を考えると，試験サン
プルには外部磁場コイルの磁束を鎖交しないように巻き戻しコイルを設ける必要があると考えられる。

Fig. 2. Electric circuit of a transformer and a testing sample.

― 42 ―

200 Joint resistance of sample
R2I1*_3nOhm=3.0E-9(A)ohm
I1*_10nOhm (A)150
R2=1.0E-8 ohm
100

16

50

10

0

12

dI1/dt= const. (for t < 15 s)
I2=100 kA (for t > 15 s)
L1=2.218 H, L2=6.74 H, k=0.833
L3 =0

-50
-100
-150
-200

14

0

100

200

300
400
Time (s)

500

8
6
4

Voltage, E (V)

Table 1. Specifications of a superconducting transformer
Primary coil
Secondary coil
Inner diameter (m)0.46
0.5Outer diameter (m)
0.488
0.530
Winding length (m)
0.152
0.120
NbTi filament diameter (mm)
0.078
0.018
Filament number per strand
42547
Strand diameter (mm)–0.81
Strand number1
540 (33610)0.851.2
1540
Conductor size (mm2)Turn number
1612013Operating current (A)200
100,000

Fig. 1. Concept for setup of a superconducting transformer in 13
T - 700 mm conductor test facility.

Primary Current, I1 (A)I 2  k2
0
600

Fig. 3. A calculated result of the transformer in Table 1.
第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1C-p01A15 線材

Nb3Al 線材の大気中での急熱急冷処理における通線速度の影響
Effect of the Wire Moving Speed on the Rapid-Heating/Quenching Treatment in an Open Air
for Nb3Al Wires
古川 大 （上智大）; 菊池 章弘, 飯嶋 安男, 櫻井 義博, 瀧川 博幸, 金井 秀之 (NIMS); 土屋 清澄 （KEK）;
高尾 智明 (上智大)Furukawa Dai (Sophia Univ.); KIKUCHI Akihiro, IIJIMA Yasuo, SAKURAI Yoshihiro, TAKIGAWA Hiroyuki,
KANAI Hideyuki (NIMS); TSUCHIYA Kiyosumi (KEK); TAKAO Tomoaki (Sophia Univ.)
E-mail: d-furukawa-x5r@eagle.sophia.ac.jp

3．急熱急冷処理条件の決定
現在の急熱急冷処理では電圧制御を用いている。印加電圧（VRHQ）を変化させると、同時に電流（IRHQ）も変化する。そこ
で、通電加熱時間（t）、線材の断面積（A）及び通電距離（L）
とともに、(1)式によって得られる数値を投入エネルギー（ E）とする[1]。

� � �⁄��� � ����� � ���� � �・・・�１�
���

E の大きさは、加熱時のピーク温度（Tpeak）と一次近似することができ、E が大きいほど Tpeak は高い。通線速度を変化させる
際には、Tpeak を等しくするために E が等しくなるようする必要がある。線材の断面積 A、通電距離 L は変化させずに行った。
そこで通線速度を速くすると(1)式における通電加熱時間 t が小さくなるため、印加電圧 VRHQ を変更する必要があった。そこで、(2)式によって電圧値を変更した。

���� � �� � �

��・・・���
�

Vo は速度変更前の印加電圧値、to は速度変更前の通電加熱時間である。今回の実験では通線速度を 0.3 m/s と 1.0 m/sで行った。通電距離 L は 125 mm で行ったため、通線速度 0.3
m/s では通電加熱時間は約 0.42 秒であり、1.0 m/s では約
0.13 秒であった。以上より VRHQ を決定した。

150
22．大気中での急熱急冷処理
急熱急冷処理は線材を約 2000℃に加熱し、液体 Ga によって室温まで瞬時に冷却する。その温度の高さから激しい酸化現象による線材の溶断が懸念され、従来は高真空中で行うことが通例であった。しかし昨年、我々は初の大気中での急
熱急冷処理を行い、実際には線材の溶断は起こらず、大気中での連続処理が可能だということが判明した[2]。
大気中で急熱急冷処理した線材は、臨界温度、臨界電流密度ともに従来の高真空中で処理した線材と同等の特性を示している。これらのことから我々は、高真空中で急熱急冷処理することに比べ、いくつかのプロセスを省略できる大気中で急熱急冷した線材を性能の評価に用いた。

4．通線速度を速くした線材の臨界電流密度Fig. 1 は、代表的な断面仕様の Nb/Al ジェリーロール前駆
体線材（外径 1.36 mm、フィラメント数 132、母材 Nb）に急熱急冷処理を施し、その後に 800℃で相変態熱処理した試料の臨界電流密度（4.2 K）の磁場依存性である。通線速度が 1.0
m/s で急熱急冷処理した場合と、0.3 m/s で急熱急冷処理した場合とで臨界電流密度を比較した。クレーマープロットから外挿して求めた上部臨界磁場は、いずれの通線速度でも約25.5 T で同等であったが、臨界電流密度は明らかに 1.0 m/sの急熱急冷処理で高い値が得られることがわかった。但し、この線材試料は急熱急冷処理後の減面加工は行っていない。

Non Cu critical current density (A/mm )1． はじめに物質・材料研究機構（NIMS）で考案された急熱急冷・変態（Rapid-Heating/Quenching and Transforming）法 Nb3Al 線材
は、既にキロメートルを超える長尺化に成功し、実用化が待望されるが、更なるプロセスの簡素化や低コスト化、一層の臨界電流密度の向上が求められている[1]。本研究では、大気中の急熱急冷処理において、熱処理時間を短くして Nb3Al の有効ピン止め点である結晶粒の微細化を狙って、通線速度を速めた急熱急冷処理の影響について調査した。

100

wire volocity 0.3 m/s 10.0 V
wire velocity 1.0 m/s 20.0 V

50

0

20

21

22
23
24
Magnetic field (T)25

Fig. 1 Non Cu critical current density versus magnetic field
curves for Nb matrix Nb3Al wires through the RHQ treatment
with the wire velocity 1.0 m/s (○) and 0.3 m/s (●).
5．まとめ
通線速度を 1.0 m/s で急熱急冷処理を行うと、0.3 m/s で処理した線材に比べ臨界電流密度が向上するという知見が得られた。本研究で通線速度が臨界電流密度に大きく影響を与えることが判明し、今後の Nb3Al の臨界電流密度を向上させる足掛かりとなった。
謝 辞
組織観察の一部は NIMS 材料分析ステーション、高磁場特性の評価は NIMS 強磁場ステーションの支援を受けた。ここに謝意を表する。
参考文献[1] A. Kikuchi: J. Cryo. Super. Soc. Jpn, Vol. 47 No. 8 (2012)
p.506[2] A.Kikuchi, et. al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 95(2017) p.54

― 43 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1C-p02

A15 線材

超高スズ濃度ブロンズ合金を用いて作製した Nb3Sn 極細多芯線材の組織と超伝導特性
Microstructure and Superconducting Properties of Nb3Sn Fine-Multifilamentary Wires
Fabricated by Using Super-High Tin Bronze Alloys
菊池 章弘 (NIMS); 谷口 博康, 水田 泰次, 水田 泰成 (大阪合金); 飯嶋 安男 (NIMS)KIKUCHI Akihiro (NIMS); TANIGUCHI Hiroyasu, MIZUTA Taiji, MIZUTA Yasunari (OAW); IIJIMA Yasuo (NIMS)
E-mail: KIKUCHI.Akihiro@nims.go.jp
1．はじめにブロンズ合金中のスズ濃度を高めると脆い δ 相が析出す る が 、 Ti 添 加 量 も 同 時 に 適 量 高 め る と 、 δ 相 は
CuSnTi 相に完全に置き換わる。さらに CuSnTi 相は粉砕性に優れていて熱間鍛造等で容易に微細分散させることができる。この組織制御法により、従来は全く冷間加工ができなかった超高スズ濃度ブロンズに良好な延性を発現させることができ、従来通りのブロンズ法の工程で、極細多芯線材を作製することが可能となった。
今回、試作した極細多芯線材の組織と超伝導特性について報告する。
2．超高スズ濃度ブロンズの作製
新しい超高スズ濃度ブロンズ合金は、量産製法である「水田式溶製法」により溶製した。溶製塊は φ80 の実験サイズで、溶製後は組織の均質化のために 600℃で 200h の均質化熱処理を実施した。組成は Cu-17.5mass%Sn-1.0mass%Ti とCu-18.5mass%Sn-1.6mass%Ti である。均質化熱処理後に熱間鍛錬を実施し、その後にひずみ除去熱処理を 600℃で24h 行った。
3．熱間押出による多芯線材の試作
これまでのところ、上記の組織制御された超高スズ濃度ブ
ロンズを用いて、外径が約 60mm のミニビレットのステージで試作実績を蓄積している。19 芯サブマルチ及び 1,615 芯マルチの製造において、押し詰まりや断線は一度もない。微細な化合物粒子が分散しているブロンズでも、数ミクロン径のNb フィラメントと複合加工ができる従来のブロンズ原料と同等 の 取 扱 い が で き る 。 Fig. 1 は Cu-18.5mass%Sn1.6mass%Ti 組成のブロンズで試作した線材断面の一例である。外径 1.0mm、フィラメント数は 1,615 本、フィラメント径
は約 9 ミクロンである。

Fig. 1 1,615 filaments bronze-processed wire using Cu18.5mass%Sn-1.6mass%Ti bronze alloy.

4．最適熱処理温度と臨界電流密度
Ti 添加は Nb3Sn の上部臨界磁場（Bc2）を向上させる他、
Nb3Sn の生成を促進する効果があることが知られている。一
般的なブロンズ法線材の原料ブロンズには、0.3～0.5mass%の Ti が添加されているが、本研究におけるブロンズには、
1.0～1.6mass%と 3～5 倍程度の多量の Ti が含まれている。
Fig. 2 は、4.2 K、18 T での非銅部臨界電流密度（non Cu Jc）と熱処理温度の関係である。Ti が多量に含まれているため
か、低温で Nb3Sn の生成が促進され、高い non Cu Jc が得られる最適温度が 600℃程度まで大幅に低下している。
18.5mass%Sn ブロンズで生成される Nb3Sn 層は最も厚くなり、ブロンズ中のスズ濃度に応じている。すなわち non Cu Jcの向上は、主として Nb3Sn 層の体積比率の増加に起因していると考えられる。
5．上部臨界磁場と Nb3Sn 相中の Ti 濃度
650℃の熱処理においても、18.5mass%Sn、17.5mass%Sn、16mass%Sn の順に Nb3Sn 層は厚く生成される。しかし、nonCu Jc は全く逆の順番になっている。即ち、18.5mass%Sn ブ
ロンズで生成した Nb3Sn 層あたりの Jc は著しく低いものとなる 。 ク レ ー マ ー プ ロ ッ ト か ら 外 挿 し て 求 め た Bc2 は 、18.5mass%Sn ブロンズで 23.6 T、17.5mass%Sn ブロンズで23.8 T であった。一方、従来の 16mass%Sn ブロンズでは24.8 T と約 1 T 高い値であった。EPMA 分析により、Nb3Sn
層中の Ti 濃度を測定したところ、16mass%Sn ブロンズに生成した Nb3Sn では 1.0～1.5at%Ti であったが、17.5mass%Sn
ブロンズでは 2.5～3.0at%Ti、18.5mass%Sn ブロンズでは 3.0～3.5at%Ti と、従来と比較して 3 倍もの多量の Ti が Nb3Snに取り込まれていることがわかった。即ち、超高スズ濃度ブロ
ンズより生成した Nb3Sn では過剰に Ti が固溶して、高い Bc2が得られる最適 Ti 濃度から大きくずれていることがわかった。

Fig. 2 Non Cu Jc (4.2 K, 18 T) of Nb3Sn wires made by using
18.5%Sn, 17.5%Sn and 16%Sn bronze alloys.

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第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1C-p03

A15 線材

Cu-Sn-In 三元系ブロンズを用いた Nb3Sn 多芯線材の超伝導特性
Superconducting properties of Nb3Sn multifilamentay wires
using various Cu-Sn-In ternary bronze matrices
菱沼 良光（核融合研）；谷口 博康（(株) 大阪合金工業所）；菊池 章弘（物質・材料研究機構）
HISHINUMA Yoshimitsu (NIFS); TANIGUCHI Hiroyasu (OAW); and KIKUCHI Akihiro (NIMS)
E-mail:hishinuma.yoshimitsu@nifs.ac.jp
1. はじめに
最近、我々は Nb3Sn 線材の高強度化を目的に、Zn を固溶した高 Sn 濃度 Cu-Sn-Zn 合金母材を用いた Nb3Sn 極細多芯線材を提案した。その結果、Zn は Nb3Sn 生成熱処理後のマトリックス中に均質に残存し、（Cu,Zn）固溶体を形成することで線材強度を向上していることが示唆された。しかしながら、CuSn-Zn 三元系合金中の Sn 量と Zn 量の間には Cu への固溶量においてトレ－ドオフの関係が明らかになり、Sn 濃度を極端に減らすことなく高い臨界電流特性を維持し、その上で高強度化が両立するような溶質元素として In に注目している。前報
では、種々の Cu-Sn-In 三元系合金の微細組織や Nb3Sn 相の特性について報告した。
本研究では、種々の Nb/Cu-Sn-In-(Ti)の多芯構造を作製し、マトリックスの硬度及び超伝導特性における In 効果を明らかにする。

700⁰C-200h

2. 実験方法
種々の Sn 量と In 量の Cu-Sn-In 母材を溶製し 600℃の溶体化処理を実施した。その後、19 本の Nb 棒を組み込み、
Nb3Sn 多芯線材(Nb 芯：19 芯、線径：1.0mm)を得た。用意した多芯前駆体を真空中で Nb3Sn 生成熱処理を行った。
Cu-Sn-In マトリックスにおける熱処理戦後の硬度試験は、鏡面研磨を行った線材断面にて行い、四角錐型のダイアモンド
圧子によるビッカ－ス硬度計(MITSUTOYO HM-200)を用いた。試験条件は 490 mN (50gf)の荷重を 30 秒間印加とし、任意の 5 箇所を測定し、それらの平均値を硬度とした。
臨界電流密度（Jc）特性については、4.2K 中で 18T までの
外部磁場を印加させて直流 4 端子法にて臨界電流（Ic）を測定した。なお、Ic 基準は 1 μV/cm の電圧が発生した時の電流値とした。また、本研究における Jc 特性の評価は Nb3Sn 相断面あたりの Jc（Layer Jc）とし、Nb3Sn 相の断面積で Ic 値を除した値とした。
3. 実験結果
Fig.1 に、700℃で Nb3Sn 拡散生成熱処理後のマトリックス
おけるビッカ－ス硬度の比較を示すマトリックスの硬度は、CuSn-In 三元系合金の硬度は通常のブロンズだけでなく、CuSn-Zn 系と比較しても明らかに高いことが分かった。これは、Inが Zn よりも Nb3Sn 生成後のマトリックスにおける固溶強化機
構の溶質元素として非常も有効であることを示唆している。
Fig.2 に Cu-14Sn-3.0In-0.3Ti 三元系マトリックスを用いた
Nb3Sn 多芯線材における Layer Jc 特性の磁場依存性を示す。
Cu-Sn-In 三元系合金母材を用いた線材の Layer Jc 特性は、無添加のニ元系ブロンズを用いた線材よりも高い特性を示し、特に中磁場領域では著しく高い傾向であった。この傾向は、Fig. 1 Comparisons of Vickers hardness on the matrix alloy
after Nb3Sn synthesis heat treatment.

Fig. 2 Layer Jc –B performances of the Nb3Sn wires using Cu14Sn-3.0In-0.3Ti ternary alloy matrix

前回報告した単芯線材と同様であった。母材への In 添加は、
マトリックスにおける固溶強化機構の溶質元素としてだけでな
く、超伝導特性を改善することにも効果的であると考えられる。
本研究は、NIFS 核融合工学プロジェクト(UFFF036-1)、
NIFS 一般共同研究(NIFS16KECF017)、及び科研費(基盤(B)16H04621)の支援を受けた。

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第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1C-p04

A15 線材

ブラス母材内部拡散法 Nb3Sn 線材における Ti ドープモードの影響
Influence of Ti-doping mode on brass matrix internal-tin Nb3Sn conductors

伴野信哉（物材機構）; 森田太郎（上智大, 物材機構）;
谷貝剛（上智大）; 宮本泰男（東海大）; 太刀川恭治（物材機構, 東海大）
BANNO Nobuya (NIMS); MORITA Taro (Sophia Univ., NIMS);YAGAI Tsuyoshi (Sophia Univ.); MIYAMOTO Yasuo (Tokai Univ.); TACHIKAWA Kyoji (NIMS, Tokai Univ.)
E-mail: banno.nobuya@nims.go.jp
1．緒言
これまで我々は内部スズ法 Nb3Sn 線材において、Cu 母
材に元素添加し、Nb3Sn 層生成促進や母材固溶強化など、結晶組織や超伝導特性に対する様々な効果を研究している。一方組織形成、特性改善には、Ti も重要な役割を担っている。Ti には Nb3Sn 層の生成を促進する効果あることが知られているが、これまで Ti 添加の影響、特に内部スズ法における添加場所の影響については、詳細な研究がなされていなかった。本研究では、ブラス母材を用いた内部スズ法 Nb3Sn 線材において、異なる Ti ドープモー
ド試料を準備し、Ti ドープモードによる組織上の違い、超伝導特性の変化を調べた。併せて、参考として異なる
Ti ドープモードで作製されたブロンズ法線材の特性とも比較しその効果を考察する。
2．実験方法線材は典型的なダブルスタックのロッドインチューブ法で作製する。Ti は Sn 芯もしくは Nb 芯にドープした。それぞれの合金における Ti ドープ量は 1.6wt% (3.88at%)及び 0.41wt% (1at%)である。ここで各試料名を ST-3.9 線及び NT-1 線とする。Fig.
1 に各断面写真を示す。Nb 芯数は 684 本で芯径は 8.2μmである。線材作製方法の詳細は文献［1, 2］を参照されたい。
各線材は 550℃×100 h、650℃×100 h の予備加熱をした
のち 700℃の熱処理を施した。熱処理は 1 気圧の Ar 雰囲気
中で行った。熱処理後の線材断面を FESEM、EPMA、EDX により観察し、マトリクスおよび Nb3Sn 層の組成分析を行った。平
均結晶粒径は、画像解析により求めた領域面積と、領域内の粒子数から求めた。
3．実験結果と考察
Fig. 2 は、550℃で熱処理した後の両試料の組織写真である。両試料とも、Sn 芯のあった位置でε相が生成し、次第に外周部へと拡散している様子がわかるが、ST-3.9 線の方がSn の拡散が初期では遅い。マトリクス中の Ti が Sn 拡散を抑制していると思われる。Fig. 3 は 700℃熱処理後の EPMA マップ（Sn, Ti）を表す。従来の Sn 芯に Ti を添加した試料では、Ti の拡散長が長くなり、断面内における Ti 分布の不均一やサ
ブエレメント間での Ti の詰りが見られていたが、NT-1 線ではTi の分布は均一で詰りも大幅に抑えられている。本研究の結果は Ti が組織の界面に集まりやすい性質を表しているものと考えられる。Fig. 4 は Nb3Sn フィラメントの結晶組織の SEM 写真である。ST-3.9 線ではフィラメント結晶粒がほぼ等軸晶的であるのに対し、NT-1 線ではマトリクス側は等軸晶で、中心部に行くにつれて柱状晶的な組織を示した。これは、従来のブロンズ法線材の Nb3Sn フィラメントの結晶組織と類似した傾向である。Sn 拡散の駆動力の観点では、Ti はマトリクス側に存在する方が有利と考えられる。NT-1 線材の結晶粒径はマト
リクス側で 218μm、中心部で 261μm であった。一方 ST-3.9
線材の粒径は 230μm である。Jc-B 特性を比べると（1C-p05）、
NT-1 線材は Bc2 が低い一方、ST-3.9 線材に比べて急峻であった。NT-1 線材の Bc2 が低い理由として、Ti 量が少なかった
ことが挙げられる。Jc-B 傾きの違いは、結晶粒径が大きく変わらないことから、先のブロンズ法線材におけるように結晶粒径以外の要因 (Ti 量) による可能性もあろう [3]。
[1] N. Banno, Y. Miyamoto, K. Tachikawa, Physica C, vol. 546, pp.
55-60, 2018. [2] N. Banno, Y. Miyamoto, K. Tachikawa, IEEE TAS 27(2017) 6000205. [3] T. Asano, Y. Iijima, K. Itoh, K. Tachikawa, Trans.
Jpn. Inst. Met. 27 (1986) 204.

Fig.1. Cross-sections of developed precursor wires. (a) ST-3.9 and(b) NT-1 wires.

Fig.2. Microstructures for (a) ST-3.9 and (b) NT-1 wires after heat
treatment at 550°
C for 200 h and 100h, respectively.

Fig.3. EPMA mappings (Sn, Ti) on the cross-section of (a) ST-3.9 and(b) NT-1 wires after heat treatment at 700°
C for 200 h.

Fig. 4. Fractured microstructures of Nb3Sn filament in (a) ST-3.9 and(b) NT-1 wires after heat treated at 700°
C for 200 h.

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第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1C-p05

A15 線材Nb 芯へ Ti 添加したブラス母材内部スズ法 Nb3Sn 線材の結晶組織と超伝導特性
Microstructure and Superconducting Properties of Brass Matrix IT Nb3Sn Wire
With Nb-Ti Alloy Core
森田 太郎（上智大学，NIMS）；伴野 信哉（NIMS）；谷貝 剛（上智大学）；太刀川 恭治（NIMS）
MORITA Taro (Sophia Univ, NIMS); BANNO Nobuya (NIMS); YAGAI Tsuyoshi (Sophia Univ); TACHIKAWA Kyoji (NIMS)
Email: morita0079@eagle.sophia.ac.jp
1

はじめに
我々は，内部スズ法 Nb3Sn 線材において，ブラス（Cu15wt%Zn）あるいはさらに元素添加した母材を用いることで，Sn 化学ポテンシャルの改善や，化学量論性の改善，結晶粒の微細化を試みている[1]。従来のブラス法線材は線材断面中心に配置してある Sn コアに Ti 添加していたが，Ti 拡散長が長く，熱処理後の Ti 分布が不均一となることが問題であった。Ti は高磁界特性を飛躍的に改善する添加元素として知られており，Ti 分布の不均一を改善することで更なる Jc 向上が期待できる。内部スズ法 Nb3Sn 線材における Ti 添加，特に Ti
場所の影響に関する研究はあまり行われていない。こうした背景から，今回ブラス法線材における Nb コアに Ti 添加を行い，熱処理条件や Ti 量の変化による組織形成や超伝導特性への影響について研究した。Ti 分布の改善により，大幅な特性向上が見られた。
2

試料作製
試料は従来のブラス母材内部スズ法 Nb3Sn 線材と同様の工 程 に よ っ て 作 製 し た [1] 。 Nb コ ア に は Nb-1at%Ti ， Nb1.54at%Ti コアの 2 種類の Nb 合金を用いた（試料名を NT-1，
NT-1.54 と す る） 。 従 来 試 料 と し て Sn コアに 3.88at%(1。
6wt%)Ti 添加した試料（試料名: ST-3.9）を用意した。これらはスエージング加工，冷間引抜加工によって Ø0.6 mm まで伸線を行った後，550℃/100 h + 650℃/100 h の予備熱処理を行い，更にその後に 700℃~750℃の範囲で最終熱処理を行った。
Fig.1 に未熱処理の NT-1，NT-1.54 の断面写真を示す。熱処
理後に結晶組織観察，粒径解析，元素分布解析を行った。また 10~ 22 T の外部印加磁場下にて 4 端子法によって Ic 測定
を行った。

[2]

N. Banno, Y. Miyamoto, Z. Yu, T. Morita, T. Yagai, S. Nimori and
K. Tachikawa, “Effects of element addition Into Cu matrix for ITprocessed Nb3Sn wires”, IEEE Trans Appl. Supercond., vol. 28,
2018, 6000905
T. Asano, “Effect of Titanium Addition to the Niobium Core on the
Composite-Processed Nb3Sn”, Trans. Japan Inst. Met., vol 27, no.
3, pp. 204-214, 1986.

Fig.1 Cross section of NT-1 (left), and NT-1.54 (right)(Ø0.6 mm, non-annealed)Fig。2 Microstructure of NT-1 annealed at 700℃ for 200 h (left),
730℃ for 100 h (right)

3

Fig.3 Microstructure of NT-1 (left) and NT-1.54 (right) annealed
at 710℃/100 h
1800

NT-1-700C200h
NT-1-730100h
NT-1-715C100h
ST-3.9-700C100h
NT-1.57-715C100h

1600
1400
2

Matrix Jc (A/mm )結果と考察
Fig.2 に Nb への 1at%Ti 添加試料の 700℃/200 h，730℃/100 h 後の Nb3Sn （NS）フィラメント結晶組織を示す。700℃では，母材側に微細な等軸晶が生成するが，ST 線材と異なり，中心部には柱状晶領域が広がっている。この組織は従来のブロンズ法線材の NS 層組織と類似する。NS 層中の Sn 濃度が低いと柱状結晶ができやすいことはよく知られており，1at%Ti
では Ti 量が低く，大きな Sn 拡散駆動力が得られてなかったことを表している。730℃では Sn 拡散駆動力が改善され，全体的に等軸晶となり平均粒径は 210 nm となったが，それでも従来の ST-3.9 試料（粒径 230 nm）と比べると粒径は依然として小さい。Fig.3 に NT-1 および NT-1.54 の 715℃熱処理後の NS層結晶組織を示す。結晶粒径はそれぞれ 184 nm，242nm であり，過去に報告されているように Ti 添加量の増加により Sn
拡散駆動力が大幅に改善され，粒成長するとともに，等軸晶領域も大きく広がることが確認できた[2]。Fig.4 に NT-1，NT1.54，ST-3.9 の Jc-B 特性を示す。NT-1 の Bc2 は低いが，Jc-B
曲線は急峻であり，ST-3.9 では傾きが緩やかになる。NT-1.54
では，Bc2 が大幅に改善される。EDX マップを見ると Ti 分布が明瞭に改善され，これらにより Jc が ST-3.9 の 20%~30%改善される結果が得られた。16 T における Jc は 883 A/mm2 となり，国内メーカー内部スズ法線材の最高値に近い値となった。この改善は Nb 芯中の Ti 量の増加によると考えられる[2]。今後のTi 量の最適化によりさらなる改善が期待できる。

参考文献
[1]

1200
1000
800
600
400
200
0

4.2K
12

14

16

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22

Magnetic Field (T)Fig. 4 Jc-B performance of NT-1, NT-1.54 and ST-3.9 withvarious heat treatment condition― 47 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1C-p07

加速器 (2)加速器用 HTS マグネットの開発（６－１）—全体概要—Development of HTS Accelerator magnet (6-1)- Overview of the present progress 土屋 清澄, 寺島 昭男, 王 旭東, 大内 徳人, 多和田 正文, 増澤 美佳（KEK）；
菊池 章弘（NIMS)；藤田真司（フジクラ）
TSUCHIYA Kiyosumi, TERASHIMA Akio, WANG Xudong, OHUCHI Norihito, TAWADA Masafumi, MASUZAWA Mika (KEK);KIKUCHI Akihiro (NIMS); FUJITA Shinji (Fujikura Ltd.,)
E-mail: kiyosumi.tsuchiya@kek.jp
1．はじめに近年、CERN を中心として LHC の次期計画、100 TeV 級の超大型加速器(FCC)の検討が始まっている。そこでは、
主リング用として Nb3Sn の 16 T マグネットと HTS の 20
T マグネットの２つが候補に上げられている。我々は HTS
マグネットの基礎開発として １）HTS マグネットの製作
経験の蓄積とその特性調査を行う、２）4.2 K、高磁場下における REBCO 線材の特性を明らかにし、高磁場マグネ
ット設計のための基礎データを収集する、３）マグネット製作で不可欠である線材の接続方法と抵抗特性の関係を明らかにする の３点に焦点を絞って研究を進めている。
本報ではその概略について報告する。

Fig. 1 Photograph of the prototype sextupole magnet
before assembling the iron yoke.

2．REBCO 六極マグネットの試作
SuperKEKB IR 用特殊六極マグネット 1) をターゲットに REBCO 線材を用いた六極マグネットを試作した。設計
では１）単純なレーストラック型コイルとする、２）磁場勾配及び製作性を考慮して２層のコイル構造とする、３）鉄ヨークを配置し、外部への漏れ磁場を小さくする、４）運転電流を 300 A 以下とする などを考慮し、多極磁場成分を 10-4 オーダー以下に抑えるコイル形状、配置を求めた。Fig. 1 に試作６極マグネットを示す。マグネット
製作ではコイル間の渡り配線をどのようにするかは重要な課題である。ここでは、製作性と信頼性の観点から
REBCO 線材を付けた銅板で接続した。LN2 浸漬冷却による励磁試験ではコイル単体時の通電特性とほぼ同じ特性が得られており、マグネット組立てによるコイル劣化などは見られなかった。また、コイル間の接続抵抗も 1.5 @ 77 K 程度であった。詳細は発表 (6-2) SuperKEKB 用REBCO 六極マグネットの試作 で報告する。

Fig. 2 Critical current of commercial REBCO conductors

3．4.2 K、高磁場下における臨界電流特性
マグネット設計には線材の臨界電流特性のデータは不可欠である。我々は REBCO 高磁場マグネットの検討のための基礎データを得るために 1 kA 級の Ic 測定ホールダーを開発し、4 mm 幅の市販 REBCO 線材の臨界電流特性を調べた（B下での特性は文献２を、B//下でのプレリミナ
リーな結果については文献３を参照）。また、これらの測定を通じて線材により許容曲げ半径や取り扱い方法が異なることが明らかとなった。Fig. 2 に各種線材の Ic 値を示す。
4．REBCO 線材の接続抵抗特性の測定
線材の接続はマグネット製作のみでなく、Ic 測定ホー
ルダーの開発でも重要な課題である。そこで接続部の抵抗特性を明らかにするため、各種パラメータを変えたハ
ンダ接続サンプルを作成し、接続抵抗を測定した（Fig. 3参照）。詳細は発表(6-3) 77 K と 4.2 K 高磁場下における
REBCO 線材の接続抵抗特性 で報告する。

Fig. 3 Resistance of soldered joints.
謝辞
本研究は科学研究費補助金(15H03667)の助成により実施したものである。
参考文献
1) K. Tsuchiya et al., IEEE Trans. Appl. Super., Vol. 26(2016) 4100904.
2) K. Tsuchiya et al., Cryogenics 85 (2017) pp. 1-3
3) K. Tsuchiya et al., Abstracts of CSSJ Conf., vol. 95 (2017)p.10.

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第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1C-p08

加速器 (2)加速器用 HTS マグネットの開発（６－２）―SuperKEKB 用 REBCO 六極マグネットの試作―
Development of HTS accelerator magnet (6-2)— Fabrication of a REBCO model sextupole for SuperKEKB IR —藤田 真司, 飯島 康裕 （フジクラ） ; 土屋 清澄, 王 旭東, 寺島 昭男,
大内 徳人, 多和田 正文, 増澤 美佳 （KEK） ; 菊池 章弘 （物材研）
FUJITA Shinji, IIJIMA Yasuhiro (FUJIKURA) ; TSUCHIYA Kiyosumi, WANG Xudong, TERASHIMA Akio,
OHUCHI Norihito, TAWADA Masafumi, MASUZAWA Mika, (KEK) ； KIKUCHI Akihiro (NIMS)
E-mail: shinji.fujita@jp.fujikura.com
1．はじめに加速器用 HTS マグネットの基礎開発として，REBCO 線材を用いた SuperKEKB IR 用色収差補正六極マグネットの検討を行っている[1]．前報では，六極マグネットに用いる 6 個の矩形レーストラック形状 REBCO コイルの試作結果について報告
した[2]．今回，それらを六極マグネットに組立て，通電試験を行ったので，その結果について報告する．
Fig. 2. Schematic image of inter-coil joints.
2．REBCO 六極マグネットの試作
Fig. 1 に示すように，6 個の矩形レーストラック形状 REBCO
コイルをアルミ製部材に取付け，口出し電極およびコイル間接続部材（銅板に REBCO 線材を半田付けしたもの）を半田で接続した．6 個のコイルは直列に接続される．Fig. 2 に接続の概略図を示す．コイル間接続部材により，電流ループが生じるため，これによる磁場を打ち消すように，コイル#6→コイル#1 に向かってループ電極（銅板に REBCO 線材を半田付けしたもの）を取付けた．コイルとアルミ部材間の絶縁としてアルミ部材にポリイミドを蒸着し，隣合うコイルの直線部（長軸）の間にはコイル直線部の電磁力サポート部材を設置した．
3．通電試験結果
組立て後の六極マグネットを LN2 で冷却し，通電試験を実施した．各コイルおよび接続部の I-V 特性を Fig. 3 に示す．
75 A まで通電し，コイル#1，#3，#4，#5 で電圧発生を確認した．組立て前の各コイルの Ic，n 値（Before）と，組立て後の各コイルの Ic，n 値（After）を Table 1 に示す．コイル#2，#6 はコ
イル単体で Ic が高かったものである．電圧が発生したコイルのIc は，コイル単体の Ic より 3%程度低くなっている．コイルを六極にしたことによる発生磁場の増加は，テープ垂直方向で 0.356
T → 0.400 T（70A 通電時）であり，これに伴う Ic の低下を，線材の Ic-B 特性から見積ると約 4%であるので，Ic の低下は磁場の増加によるものである．コイル間接続の抵抗値は，すべて1.5 μΩ程度であり，コイル両端の口出し部も 4～6 μΩであ
った．
4．まとめ
REBCO 線材を用いた SuperKEKB IR 用六極マグネットを試作した．コイル部，接続部共に劣化無く良好な結果であった．今後，マグネットの磁場精度評価を行う予定である．

(a)

(b)

Fig. 3. I-V characteristics of (a) HTS coils, (b)joint parts at
77.3 K.
Table 1. Results of transport tests at 77.3 K.
(Before) Ic [A](0.1 V/cm criteria)(Before) n-value(0.001 ～ 0.1 V/cm)(After) Ic [A](0.1 V/cm criteria)(After) n-value(0.001 ～ 0.1 V/cm)

Ic ratio

#1

#2

#3

#4

#5

#6

75.2

88.6

80.3

78.9

79.1

88.4

36

37

34

31

29

30

73.4

>75

77.9

76.3

76.2

>75

33

-

31

30

30

-

0.98

-

0.97

0.97

0.96

-

謝辞
本研究は科学研究費補助金(15H03667)の助成により実施したものである。
参考文献[1] K. Tsuchiya et.al., IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.
26 (2016) 4100904.
[2] S. Fujita et.al., Abstracts of CSJ Conference, Vol. 95(2017) p.19.

Fig. 1. Photograph of a REBCO model sextupole.

― 49 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1C-p09

加速器 (2)加速器用 HTS マグネットの開発（６－３）-77 K と 4.2 K 高磁場下における REBCO 線材の接続抵抗特性Development of HTS accelerator magnet (6-3)-Splice resistance characteristics of REBCO conductors at 77 K and 4.2 K in high magnetic field王 旭東, 寺島 昭男, 土屋 清澄（KEK）；菊池 章弘（NIMS）；内田 聖, 高尾 智明（上智大学）
WANG Xudong, TERASHIMA Akio, TSUCHIYA Kiyosumi (KEK); KIKUCHI Akihiro (NIMS)；UCHIDA Mio, TAKAO Tomoaki (Sophia Univ.)
E-mail: wanxdon@post.kek.jp
Table 1 Specifications of REBCO tapes

1．はじめにREBCO 線材を用いた高磁場用磁石の開発が多くの高磁場研究所で盛んに行われている。加速器分野では、CERN が開発している 100 TeV クラスの超大型加速器 Future Circular
Collider (FCC)において、REBCO 線材を用いた 20 T 級磁石が１つの候補として設計検討されており、その要素技術の開発が関連各所で進められている。REBCO 超電導磁石の実機製作ではコイル間などを接続する必要があり、特に加速器用磁石は複数のコイルから構成されるため、REBCO 線材の接続技術は重要な開発項目である。以上の背景から、我々は市販の REBCO 線材に半田接続を施し、77 K と 4.2 K 高磁場下における接続抵抗特性の評価を行ったので、その測定結果について報告する。
2．REBCO 線材と実験装置
実験に用いたフジクラ社と SuperPower 社の REBCO 線材の諸元を Table 1 に示す。実験装置の写真と接続方法の概略
図を Fig. 1 に示す。2 本の REBCO 線材を互いに長さ 40 mm
重ね、低温半田（SnBi）とスパークル半田（SnPb）を用いて、200℃未満で温度制御しながら加熱および加圧して接続した。
各社の線材に対して超電導層同士を向かい合わせた向き（SC-SC）と、超電導層と基板を向かい合わせた向き（SC-Sub）と、基板と基板を向かい合わせた向き（Sub-Sub）の 3 種類の接続サンプルをそれぞれ作製した。測定用電圧端子は接続
部区間（約 50 mm）とその両隣（約 10 mm）の 3 区間に設けた。
接続サンプルは GFRP のホールダー両端の銅ブロックに半田接続して、測定スタンドに固定した。測定は液体窒素浸漬冷
却自己磁場下で接続抵抗と Ic を測定し、接続部区間とその両隣の区間および公称の Ic と比較して劣化の有無を確認した。
その後、NIMS 強磁場ステーションの 18 T ソレノイド磁石（口径 52mm）のクライオスタット内に設置して、4.2 K において 0 T
から 10 T までの平行磁場下で接続抵抗を測定した。
3．REBCO 線材の接続抵抗特性
4.2 K における接続抵抗率と外部磁場の関係を Fig. 2 に示す。外部磁場 0 T での 77 K と 4.2 K の接続抵抗率を Table
2 に示す。接続抵抗率は次式より算出した。
ߩୡ ൌ ܴ ൈ ‫ ݓ‬ൈ ‫ܮ‬
R は接続部の電圧と通電電流から計算した抵抗値、w と L
はそれぞれ REBCO 線材の幅と接続長である。SC-SC 接続の抵抗率が両社ともに 20 nΩ・cm2 未満であり、磁場依存性もほ
とんど見られない。一方、SC-Sub と Sub-Sub 接続の抵抗率は100-300 nΩ・cm2 と、SC-SC 接続の抵抗率の 5 倍以上と大きく、外部磁場に対してほぼ線形的に増加する。また、77 K のSC-SC 接続に対する SC-Sub と Sub-Sub 接続の抵抗率変化
は 4.2 K のものよりも大きい。これは SC-Sub と Sub-Sub 接続の電流が線材幅方向の両側にある薄い銅メッキ層を介して流れることで、その銅メッキ層での抵抗が大きいことに加えて、抵抗の磁場依存性と温度依存性が顕著に反映されたためである。SC-SC 接続において、半田の抵抗特性の違いにより
SnPb を用いた接続サンプルの抵抗率が SnBi のものより 5nΩ・cm2 程度低い結果となった。

Fujikura FYSC-SuperPower

SCH04

SCS4050

Width × Thickness

4.1 × 0.12 mm

4.0 × 0.10 mm

Substarate thickness

75 m

50 m

Copper thickness

2 × 20 m

2 × 20 m

Specified Ic>165 A (77 K)>88 A (77 K)

Fig. 1 Cryostat of 18 T solenoid magnet, test stand, REBCO
sample holder, and three types of the joint structure.

Fig. 2 Field dependence of the joint specific resistance of splice
REBCO samples at 4.2 K.
Table 2 Joint specific resistance of splice REBCO samples inself-field at 77 K and 4.2 K
Fujikura FYSC-SCH04
Joint structure

SC-SC

SC-SC

SC-SubSub-Sub

Solder

SnBi

SnPb

SnBi

SnBi

ߩୡ ሺ͹͹ሻȳ ή ଶ

26.0

17.3

685.4

739.6

ߩୡ ሺͶǤʹሻȳ ή ଶ

16.4

10.9

159.7

161.5

Joint structure

SC-SC

SC-SC

SC-SubSub-Sub

Solder

SnBi

SnPb

SnBi

SnBi

ߩୡ ሺ͹͹ሻȳ ή ଶ

21.0

17.2

378.6

569.4

17.5

13.9

106.3

140.4

ߩୡ ሺͶǤʹሻȳ ή ଶSuperPower SCS4050

謝辞
本研究は科学研究費補助金（15H03667）の助成により実施したものである。

― 50 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1C-p10加速器 (2)高強度小型多機能スケルトンサイクロトロンの開発 －全体概要－
Development of high intensity compact multifunctional HTS cyclotron – Project overview 福田 光宏（阪大）；石山 敦士（早稲田大学）；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，鶴留 武尚，高橋 伸明，三上 行雄（住友重機械）
FUKUDA Mitsuhiro (Osaka Univ.); ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.); UEDA Hiroshi (Okayama Univ.);
NOGUCHI So (Hokkaido Univ.); WATANABE Tomonori, NAGAYA Shigeo (Chubu Electric Power Co., Inc.);
YOSHIDA Jun, TSURUDOME Takehisa, TAKAHASHI Nobuaki, MIKAMAI Yukio (Sumitomo Heavy Industries, Ltd.)E-mail: mhfukuda@rcnp.osaka-u.ac.jp
1．はじめに
H29 年より，科学技術振興機構（JST）の産学共創プラットフ
ォーム共同研究推進プログラム（OPERA）において，「安心・安全・スマートな長寿社会実現のための高度な量子アプリケーション技術の創出」をテーマに研究開発が始まった。このテーマの目標は，IoT/IoE による超スマート社会の基盤を支える
集積デバイスの二次宇宙線起因ソフトエラー評価技術（加速試験）の確立，難治性がん制圧のための第一選択治療法としてアルファ線核医学治療の普及などである。このキーテクノロ
ジーの一つとして「量子や短寿命 RI の安定供給」が挙げられ，そのためには小型加速器・照射技術の高度化が必要となる。
そこで，我々は，高温超電導技術を適用し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，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。本発表では，プロジェクトの概要について報告する。
2．小型加速器・照射技術の高度化「安心・安全・スマートな長寿社会実現のための高度な量子アプリケーション技術の創出」をテーマとした本研究開発では，
量子ビームに関わる大学・機関・企業が共同で，放射性核種・中性子・ミューオンなどの量子を高度にコントロールする
新しい基盤技術を研究し，超スマート社会の安全を支える基盤技術や，QOL の高い健康長寿社会を実現する量子の新規
医療応用技術の開発を目指している。具体的な目標は，
IoT/IoE による超スマート社会の基盤を支える集積デバイスの二次宇宙線起因ソフトエラー評価技術（加速試験）の確立，
難治性がん制圧のための第一選択治療法としてアルファ線
核医学治療の普及などである。Fig. 1 に示すように 8 つの研究
開発課題を設定し，その内の一つが「小型加速器・照射技術の高度化」であり，具体的な目標や性能は Fig. 2 に示す通りである。
3．アルファ線核医学治療
アルファ線核医学治療とは，がん患者にアルファ線放出核種を含む標的剤を投与し，その標的剤が体内のがん細胞に自発的に集積し，そこで飛程の短いアルファ線を放出することで，がん細胞のみを破壊する治療法である。従来の重粒子線加速器によって体外から重粒子をがん細胞に照射する重粒子線治療とは異なり，アルファ線放出核種を投与し体内からアルファ線をがん細胞にピンポイント照射するため，周辺臓器への侵襲がなく，初診時進行がんに有効であるとされる。また，短寿命核種を利用すれ ば，治療時間の短縮になり，
QOL も向上する。我々は，アルファ線放出核種として，半減期が 7.2 時間であるアスタチン-211(211At)を用いる。
4．小型多機能サイクロトロン
アルファ線核医学治療の普及のためには，
1) 現有の PET 施設の設備（放射線遮蔽，GMP 施設）を活用するためには，PET 加速器並みにコンパクトな自己遮蔽型加速器が必要となる。

安心・ 安全・ スマート な長寿社会実現のための高度な量子ア プ リ ケーシ ョ ン 技術の創出
研究開発課題1： 小型加速器・ 照射技術の高度化
研究開発課題2： 短寿命RIの製造・ 分離
研究開発課題3： 小型加速器中性子ビ ーム利用方法論の確立
研究開発課題4： 半導体ソ フ ト エ ラ ー評価技術の確立
研究開発課題5： 難治性がん制圧のための短寿命RI標識分子の合成
研究開発課題6： 放射性薬剤の取扱安全基準の構築
研究開発課題7： 高分解能イ メ ージ ン グのための放射線測定器の開発
研究開発課題8： 短寿命治療用RI製剤の臨床応用に向けての基盤整備研究

Fig. 1. Key issues of project “Quantum Innovation for Safe andSmart Society (QiSS)”
 白色中性子源の多門化・ 大面積化
 エ ネルギー変更の迅速化
 ペン シルビ ーム形成
 ホロ ウビ ーム形成目標

 H eイ オン 源の高輝度化
 小型サイ ク ロ ト ロ ン の高強度化・ 多機
能化・ 汎用化・ 省エ ネ化
 小型中性子源の開発

 陽子ビ ームの高強度化
400 M eV, 10μA以上
 二次粒子ビ ーム強度増強
中性子束強度≧毎秒105個/cm 2 /M eVミ ュ ーオン 強度≧毎秒107個性能

 H eイ オン ・ 陽子・ 負水素イ オン ビ ーム等の高強度化
数十M eV以上、 数百μA以上
 アルフ ァ 線放出核種の大量生産
数百M Bq 以上

 遮蔽材の開発、 遮蔽設計
 施設の放射線安全対策
半導体デバイ ス ソ フ ト エ ラ ー評価技術の確立（ 白色中性子やミ ュ ーオン によ る 評
価技術の国際標準化）

短寿命RIの安定供給によ る 進行がん治療と 診断への貢献（ ア ルフ ァ 線核医学治療の実用化）

Fig. 2. Advancement of compact cyclotron and beam irradiation
device for cosmic rays-induced soft error evaluation method andtargeted alpha-particle therapy.

2)

医薬品メーカーの PET 工場や，がん診療連携拠点病院（全国に 400）に順次導入することを想定すると，専用加速器を開発が必要となる。
3) PET 加速器との置換を促すためには，PET 用 RI の製造機能を併せ持たせることも必要となる。
上記の要求を満たすためには，小型加速器の開発が不可欠である。そこで，我々は，高温超電導技術を適用した空芯型サイクロトロン（スケルトンサイクロトロン）[1][2]を提案し，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。
謝辞
本研究の一部は，科学技術振興機構（JST）の産学共創プ
ラットフォーム共同研究推進プログラム（OPERA）に依ったことを付記する。
参考文献
1. H. Ueda, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 23,4100205 (2013).
2. 特許5682903, 特許5708984, 特開2015-079626― 51 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1C-p11

加速器 (2)高強度小型多機能スケルトンサイクロトロンの開発－超電導コイルシステム要求仕様－
Development of high intensity compact multifunctional HTS cyclotron– Required specifications of HTS coil system 石山 敦士（早稲田大学）；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，鶴留 武尚，高橋 伸明，三上 行雄（住友重機械）；福田 光宏（阪大）
ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.); UEDA Hiroshi (Okayama Univ.); NOGUCHI So (Hokkaido Univ.);
WATANABE Tomonori, NAGAYA Shigeo (Chubu Electric Power Co., Inc.); YOSHIDA Jun, TSURUDOME Takehisa,
TAKAHASHI Nobuaki, MIKAMAI Yukio (Sumitomo Heavy Industries, Ltd.); FUKUDA Mitsuhiro (Osaka Univ.)
E-mail: atsushi@waseda.jp
1．はじめに
我々は，科学技術振興機構（JST）の産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム（OPERA）において，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。我々は，高温超電導技術を適用し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。スケルトンサイクロトロンは，高温超電導コイルでの高電流密度化による小型化，低温環境における磁場の安定性，空芯化による機器配置の自由度の向上，エネルギー可変等の点で，鉄心と常電導コイルによる従来型と比べ，優れている。
本発表では，エネルギー可変・多種類加速粒子に対応した
等時性磁場や AVF（Azimuthally Varying Field）の発生に要求される超電導コイルシステムの仕様について報告する。
2．スケルトンサイクロトロン
我々が提案しているスケルトンサイクロトロンは，従来の加速器では常識であった鉄心の使用を行わずに，Fig. 1 に示すような円形スプリットコイル（等時性磁場発生用）とセクターコイル（AVF：Azimuthally Varying Field 発生用）から成る空心の
高温超電導コイルだけで加速に必要な磁場形成を行うことが最大の特徴となっている[1]。高温超電導化および空心化により，1) 高磁場が発生できるため，より小型・高効率で高エネル
ギーの出力が可能になる，2) 鉄心を用いないので，空間自由度を最大限活かした機器の構成・配置による電磁場形成が実現できるため，大電流のビームを入射し、集束させながら安定して加速し取り出すことができる，3) 励磁時の鉄心の発熱による磁場不安定性がなく，低温環境におけるため磁場の安定性が確保でき，エネルギー可変により多種類粒子を加速できる。
3．超電導コイルシステム
Table 1 に示す粒子を加速できるサイクロトロンの設計（取り出し半径： 50 cm）を進めている。このサイクロトロンは，アルファ線核医学治療に用いられる 211At を生成するために，4He2+を 36 MeV まで加速するものである。また，アルファ線核医学
治療だけでなく，BNCT（ホウ素中性子捕捉療法）用の中性子生成，SPECT（単一光子放射断層撮影）や PET（陽電子放出
断層撮影）に用いられる RI 製剤の製造も可能な多機能サイクロトロンである。このサイクロトロンを実現するために，超電導コ
イルシステムには，要求される仕様は以下の通りである。
3.1 エネルギー可変・高磁場精度
Table 1 に挙げた多種類加速粒子をエネルギー可変で加速可能な等時性磁場および AVF をサイクロトロンに必要とされる発生磁場精度で実現することが要求される。コイル設計の詳細については別報 1P-p16 で報告する。また，高温超電導線材はテープ形状であるため，巻線精度や遮蔽電流が磁場精度に影響を与える。遮蔽電流磁場解析については別報
1P-p15 で報告する。

Sector coil

RF cavity

Main coilFig. 1. Schematic drawing of Skeleton Cyclotron
Table 1. Accelerated ion and energy for various applications in K80
Skeleton Cyclotron
Energy Bav (T)(MeV) @50 cm

Ion
4
4
4

fRF
h
(MHz)

Applications

2+

36

1.732

79.031 6

α-therapy, 211At

2+

40

1.826

83.240 6γ-SPECT, 210At

He
He

2+

He

80

2.589

77.861 4

K-number

H-

18

1.232

73.712 4

PET-CT, 225Ac / 213Bi

H-

30

1.596

94.279 4

BNCT, 99Mo -99mTc

50

2.071

59.937 2

BNCT, 99Mo -99mTc

40

2.589

77.861 4

BNCT, 99Mo -99mTc+

H+

D / H2+

3.2 高電流密度化・高磁場化・高機械強度化
コイルの小型・低コスト化（使用線材量の削減）を達成する
ために，一部のコイルでは，無絶縁巻線[2]を採用する。また，スケルトンサイクロトロンは空芯コイルの組み合わせであるため，電磁力は巻線自身が受けることになり，コイル変形やコイ
ル間吸引・反発力から支持する構造が必要となる。例えば，
セクターコイルは直線部を含む非円形（三角形状）コイルであるが，Yoroi 構造[3]を採用することで，直線部は電磁力による変形を抑える。
3.3 コイル高安定化・保護
本サイクロトロンは医療用であり，常電導転移事故に対する安定性を高めるとともに確実なコイル保護が要求される。
謝辞
本研究の一部は，科学技術振興機構（JST）の産学共創プ
ラットフォーム共同研究推進プログラム（OPERA）に依ったことを付記する。
参考文献
1.
H. Ueda, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 23, 4100205(2013).
2.
S. Hahn, Y.Iwasa et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., 21,
1592-1595 (2011).
3.
S. Nagaya, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 23, 4601204(2013).

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第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会