1P-p01

Y 系線材諸特性

長尺作製に向けた SmBa2Cu3Oy 超伝導線材の作製技術開発〜REGREB 法による線材作製高速化の検討〜
Development of fabrication technology for SmBa2Cu3Oy superconducting coated conductor
with long length〜Investigation of high speed fabrication by REGREB method〜
,
,
,
(
);
(
);
(
);
(
)
Matsuzaka Jin, GOTO Daishi, TSUCHIYA Yuji, ICHINO Yusuke, YOSHIDA Yutaka (Nagoya University);
AWAJI Satoshi (Tohoku University); MATSUMOTO Kaname (Kyushu Institute of Technology)
E-mail: matsuzaka.jin@j.mbox.nagoya-u.ac.jp

謝辞

REBa2Cu3Oy(REBCO)
Jc
(PLD)

15K14302,16H04512(JST-ALCA)

REBCO
PLD

Reel toReel (RTR)
REBCO

JSPS
(15H04252, 15K14301,
16K20898)
-

Jc

m

PLD

-

Figure 1 Ic (A/cm-w) L(cm) values of short REBCO
samples fabricated with various tape speed.

SmBa2Cu3Oy(
る Ic(A/cm-w)

L(cm)

Ic(A/cm-w) L(cm)Figure 2 XRD peak intensity ratio of a - axis oriented grain
for various laser energy densities and laser frequencies.
(a)without and (b) with REGREB technique.

― 64 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p02

Y 系線材諸特性%+2 ேᕤࣆࣥࢆᑟධࡋࡓ

6P%&2 ㉸㟁ᑟⷧ⭷ࡢぢ࠿ࡅࡢࣆࣥࢽࣥࢢ࣭࣏ࢸࣥࢩࣕࣝ
Apparent pinning potential of SmBCO superconducting thin film with BHO artificial pin introductionᮌෆ ຾, ᯽ᮌ ၨ, ᑠ⏣㒊 Ⲯྖ, ᯇୗ ↷⏨ (஑ᕤ኱࣭᝟ሗᕤ); ᅵᒇ 㞝ྖ, ୍㔝 ♸ு㸪ྜྷ⏣ 㝯 (ྡ኱);
㜿ஂ᰿ ᛅ༤, すᔘ ↷࿴ (஑⏘኱)
KIUCHI Masaru, KASHIWAGI Kei, OTABE Edmund S., MATSUSHITA Teruo (Kyushu Inst. of Tech.); TSUCHIYA Yuji,
ICHINO Yusuke, YOSHIDA Yutaka (Nagoya Univ.); AKUNE Tadahiro, NISHIZAKI Terukazu (Kyushu Sangyo Univ.)
E-mail: kiuchi@cse.kyutech.ac.jp㻞䠊ᐇ㦂᪉ἲ㻌ேᕤࣆࣥࠊ㉸㟁ᑟᒙࡢཌࡉࡢ⦆࿴≉ᛶ࡬ࡢホ౯ࡍࡿࡓࡵ࡟ࠊ2 ࢢ࣮ࣝࣉࡢ IBAD-MgO ᇶᯈୖ࡟ PLD ἲࢆ⏝࠸࡚1) ேᕤࣆࣥࡢᙳ㡪ࡣࠊస〇ࡋࡓ SmBa2Cu3Oy ⷧ⭷࡛࠶ࡿࠋ↓ῧຍⷧ⭷(㸡0)࡜ࠊΰྜࢱ࣮ࢤࢵࢺἲࢆ⏝࠸࡚ BaHfO3 ࢆ
3.0 vol%ῧຍࡋࡓⷧ⭷(㸡3.0)࡛㉸㟁ᑟᒙࡢཌࡉࡣ 250 nm
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Fig. 1 ࡟ BaHfO3 ࢆ 3.0 vol% ῧຍࡋࡓⷧ⭷(㸡3.0)࡜↓ῧຍⷧ⭷(㸡0)ࡢ☢⏺ࢆ 1㹼3 T ࡲ࡛ຍ࠼ࡓሙྜࡢࠊܷ଴‫ ࡢ כ‬ᗘ౫Ꮡᛶࢆ♧ࡍࠋ10 Kࠊ1 T ࡟࠾ࡅࡿேᕤࣆࣥῧຍⷧ⭷ࡢ⮫⏺㟁ὶᐦᗘ‫ܬ‬ୡࡣࠊ↓ῧຍⷧ⭷࡟ẚ࡭࡚ 6 ಸ⛬ᗘ኱ࡁࡃࠊܷ଴‫כ‬ࡢ኱ࡁ࡞್ࡀᮇᚅࡉࢀࡿࡀࠊ⤖ᯝࡣேᕤࣆࣥῧຍⷧ⭷ࡢ᪉ࡀᑠࡉ࡞್࡜࡞ࡗࡓࠋࡇࡢཎᅉࡢ୍ࡘࡣࠊ☢᮰ࣂࣥࢻࣝ
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Ⓨ⾲ᙜ᪥࡟⾜࠺ࠋ1T 2T 3T
0.3

#0
#3.0

*

U0 [eV]

0.2

0.1

0
0

20

40
T [K]

60

80

Fig. 1: Temperature dependence of apparent pinning potential
in SmBa2Cu3Oy films with different contents of BaHfO 3, 0
vol.%, #0 (‫ )ە‬and 3.0 vol. %, #3.0 (‫)ڹ‬.

0.3

0.2
U0* [eV]㻝䠊䛿䛨䜑䛻㻌
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Resonance Imaging (MRI) ࠊ Nuclear Magnetic Resonance(NMR)⏝࣐ࢢࢿࢵࢺ➼࡬ࡢ฼⏝ࡀᮇᚅࡉࢀ࡚࠸ࡿࠋ᭦࡟ࠊ
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0.1
1T 2T 3T
600 nm1200 nm
0
0

20

40
T [K]

60

80

Fig. 2: Temperature dependence of apparent pinning potential
in BaHfO3-doped SmBa2Cu3Oy films with different thicknessof superconducting layer, (‫ )ڧ‬600nm sample, (‫ )ی‬1200nm
sample.
ཧ⪃ᩥ⊩㻌[1] M. Kiuchi, el al., Physica C vol. 278, (1997) p. 62.

― 65 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p03

Y 系線材諸特性

配向 Cu テープを基材とする YBCO 線材における中間層の導電性と安定化の数値解析的理解
Current distribution analysis of electrical resistivityof conductive buffer layer required for current bypass
井上 靖也, 前田 啓貴, 堀井 滋（京大）；北口 仁（NIMS）；土井 俊哉（京大）
INOUE Seiya, MAEDA Hiroki, HORII Shigeru (Kyoto Univ.); KITAGUCHI Hitoshi (NIMS); DOI Toshiya (Kyoto Univ.)
E-mail: inoue.seiya.73u@st.kyoto-u.ac.jp

全電流のうち YBCO 層を流れる電流が占める割合が 90%とな

1. はじめに
我々は低コスト YBCO 線材の開発を目的に、｛100｝<001>

るまでに要する、YBCO の超伝導領域と超伝導が破れた領域

集合組織を有する Cu テープ上に導電性を有する中間層を介との境界からの距離（L）の変化を示す。線形近似の結果より、して YBCO をエピタキシャル成長させる線材構造に着目して電流回避に要する距離はb に対して 0.5 乗で増加することがいる。この線材構造では、YBCO 層の一部で超伝導性が破れわかった。

た際、YBCO 層を流れる電流は導電性中間層を通って安定

一連の数値計算結果より、YBCO の超伝導領域と超伝導が化層と基材を兼ねた Cu テープに回避することが可能である。

破れた領域との境界から 1 mm 以内で全電流の 90%が YBCO

当研究室ではこれまでに、導電性中間層に Nb ドープ SrTiO3層に復帰するという条件の下では、必要とする中間層の電気を用いた YBCO/SrTi0.95Nb0.05O3/Ni/Cu/SUS 試料を作製し、抵抗率は 1.0 × 10-3 Ω・cm 程度以下であることがわかった。

2.6 MA/cm2 (77 K、自己磁場)の臨界電流密度(Jc)を示した[1]。
また、臨界電流（Ic）を超えた一部の電流が、安定化層である

当日は、電極を Cu 基材側に設置した場合の数値計算結果についても報告する。

Cu に回避することが電流-電圧特性から示唆された。
しかしながら、YBCO 層から Cu テープへ全電流が回避するのに要する距離と中間層の抵抗率の関係は明らかではない。
また、Cu テープが安定化層として有効に働くために求められる中間層の抵抗率（の上限）も明らかではない。本研究では、
有限要素法による電流分布解析から中間層の電気抵抗率（b）
に対する電流回避、および YBCO 層への電流の流入の様子を調べた。
2. 実験方法
電流分布解析の計算には有限要素法を用い、設定する電圧を境界条件として各要素に対して divJ = 0 が満たされるように計算を行った。なお、解析は 2 次元で行った。電流回避に要する距離を求める数値解析には、実際の試料と同様に、
YBCO 超伝導層、導電性中間層、Cu 層を順に配置し、YBCO
超伝導層の一部に超伝導が破れた領域を設けた。
YBCO の特性は当研究室の先行研究の試料[2]に基づいて設定した。そして、Cu と Ag、YBCO の超伝導が破れた部分の抵抗率を固定し、b を 1.0 × 10-4 ～ 1.0 × 101 Ω・cm の範囲
で 10 倍ずつ変化させて解析を行った。
Fig. 1 (a)A schematic model for current distribution analysis

3. 結果及び考察

and (b) change in L as a function of b.

Fig. 1(a)に電流回避の計算を行ったモデルの概念図を示す。ただし、実際の計算には対称性を利用して右半分のみを用いた。b を 10 倍ずつ増加させたとき、YBCO の超伝導領域と超伝導が破れた領域との境界からの距離に対する、モデル
内の全電流のうち YBCO 層を流れる電流が占める割合は大

参考文献[1] T. Doi et al., Master. Trans. 58 (2017) 1493.
[2] M. Hashimoto et al., JSAP Spring Meeting (2015) 12a-P9-

きく下がることが分かった。また、Fig. 1(b)にb の変化に対する、― 66 ―

11.
第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p04

Y 系線材諸特性

溶融水酸化物法を用いた REBCO-CC の超電導接合
Superconducting-Joint for REBCO-CC by molten hydroxide method
舩木 修平，山田 容士（島根大）；宮地 優悟（島根大，学振特別研究員 DC）；下山 淳一（青学大）
FUNAKI Shuhei，YAMADA Yasuji (Shimane Univ.); MIYACHI Yugo (Shimane Univ., JSPS Research Fellow);
SHIMOYAMA Jun-ichi (Aoyama Gakuin Univ.)
E-mail: s-funaki@riko.shimane-u.ac.jp

2．実験方法
Eu2O3, BaO2, CuO 原料粉末を金属モル比が Eu : Ba : Cu
= 1 : 2 : 4 となるように秤量・混合し，厚さ 0.2 mm のペレットに20 MPa で加圧・成形した．保護層を除去した REBCO-CC のRE123 層間に原料ペレットを挟み，冶具により約 20 MPa の圧力を印加した．これらを，水酸化カリウム(KOH)を入れたアルミ
ナるつぼ内に配置し加熱することで，KOH 蒸気中で低温合成させた．
3．結果及び考察
図 1 に，KOH 量を 17.5 g, 26.3 g (るつぼの容積比 = 116
g/ℓ, 174 g/ℓ)として 525ºC で 12 h 熱処理をした試料における，接合部を介した REBCO-CC の R–T 測定結果を示す．また，図中には KOH を用いずに同条件で熱処理した試料の結果も示している．図より，KOH 蒸気中で熱処理することで，接合部が金属的な導電性を示し，KOH 量の増加とともに Tconset
が約 90 K まで上昇することが分かった．しかしながら，いずれの試料も 4 K 下で 0 抵抗が確認されなかった．
残留抵抗の要因を検討するため，KOH 量 26.3 g，525ºC，
12 h の熱処理をした試料における，接合部を介した REBCOCC，接合部を介さない REBCO-CC，線材からはみ出たペレット，それぞれの R–T 測定を行った結果を図 2 に示す．なお，
図中における接合部を介した REBCO-CC の R–T 曲線は，図1 の KOH: 26.3 g と同じデータである．図より，ペレットは超電導転移を示したが，REBC-CC 自体の超電導性が消失してい

106
105

Resistance []

104
103
102
101
100
525C，w/o KOH
525C，KOH: 17.5 g
525C，KOH: 26.3 g

10–1
10–2
10–3

0

50

100
150
200
Temperature [K]

250

300

Fig.1 R–T curves of jointed REBCO-CCs at 525˚C x 12
h with several KOH amounts
102

KOH 26.3 g, 525C, 12 h

101
100

Resistance []1．はじめに
REBa2Cu3Oy 超電導線材(REBCO-CC)の研究は応用フェーズに入り，様々な応用に向けた検討がなされている．しかしながら，REBCO-CC の一度の製造長は長くても 1 km 程度であることから，REBCO-CC 同士，または異種の超電導線材との超電導接合技術が必要不可欠とされている．その中で，各国の研究機関により REBCO-CC 同士の超電導接合技術の開発が進められてきたが，これまでの提案では，接合時に生じた REBa2Cu3Oy (RE123)の酸素欠損を補うための酸素アニールが必要であることから，利用現場で施工可能な装置，環境，工程における接合技術の確立が必要であると考えられる．
一方，接合部分で超電導性を発現する候補材料としては，
RE123 や REBa2Cu4O8 (RE124)が挙げられる．RE124 は結晶構造中の二重の Cu–O 鎖に起因し，酸素欠損を生じない構
造安定性を有し，さらに，Ca などを置換させホールドープすることで Tc が 90 K まで向上することが知られている[1]．そして，
これまで我々は水酸化物をフラックスに用いることで，Tc = 90
K 級の RE123 及び RE124 を 600ºC 程度の低温下で合成できることを報告してきた[2-4]．さらに他の研究機関の報告によると，この手法により 450ºC で合成された Eu123 には Twin が存在しないことから，結晶成長時に Cu–O 鎖の酸素が満たされていることが明らかとなっている[5]．つまり，この結晶育成手法によって得られる RE123 及び RE124 は，酸素アニール
不要で超電導性を示すことが期待できる．
これらの背景から，本研究では水酸化物をフラックスに用いた酸素欠損の無い RE123 及び RE124 の低温液相成長反応を利用して，REBCO-CC 同士の超電導接合を試みた．

10–1
10–2
10–3
10–4

REBCO-CC w/JointREBCO-CC w/o Joint
extruded pellet

10–5
10–6

0

50

100
150
200
Temperature [K]

250

300

Fig.2 R–T curves of several samples heated at 525˚C x 12 hwith KOH amounts of 26.3 g
た．これにより，接合部を介した REBCO-CC の残留抵抗は，
KOH 蒸気による REBCO-CC 自体の劣化によるものであると考えられ，接合部分は超電導性を有していると期待できる．
今後，接合部以外を保護することで，接合部を介した
REBCO-CC においても 0 抵抗の実現が可能であると考えられる．
謝辞
本研究の一部は，ＪＳＴ，未来社会創造事業，JPMJMI17A2の支援を受けたものである．
参考文献
1. T. Miyatake, et al.: Nature, Vol. 341 (1989) p.41
2. S. Funaki, et al.: Physics Procedia, Vol. 27 (2012) p.284
3. S. Funaki, et al.: Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 55 (2016) p.
04EJ13
4. Y. Miyachi, et al.: Physics Procedia, Vol. 65 (2015) p. 129
5. L. N. Marquez, et al.: Chem. Mater., Vol. 5 (1993) p. 761― 67 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p05

Y 系線材諸特性

薄型ペレットの固相反応による REBCO-CC の超電導接合
Superconducting-Joint for REBCO-CC via solid reaction using thin pellet
宮地 優悟（島根大, 学振特別研究員 DC)；舩木 修平, 山田 容士（島根大）；下山 淳一（青学大）
MIYACHI Yugo (Shimane Univ., JSPS Research Fellow); FUNAKI Shuhei, YAMADA Yasuji (Shimane Univ.);
SHIMOYAMA Jun-ichi (Aoyama Gakuin Univ.)
E-mail: s169826@matsu.shimane-u.ac.jp

2．実験方法YBCO 原料粉体を 40 MPa で加圧し、0.2mm 厚にしたもの
を接合用の薄型ペレットとした。REBCO-CC は REBCO 層がAg 層によって保護されているものを用いたため、Ag 保護層をアンモニア水と過酸化水素水の混合溶液を用いて除去した。
保護層を除去した REBCO-CC の REBCO 面を対向させ、その間に薄型原料ペレットを配置し、金属製の治具によって 40
MPa で加圧した。P(O2)=0.01 atm の N2-O2 混合ガス雰囲気において 800C で 12 時間熱処理した。酸素気流中において400C、12 時間の酸素アニールを行ったのち、ペレットの生成相ならびに接合線材の電気特性を粉末 XRD 測定と直流四端子法によって評価した。
3．実験結果まず、ペレットの熱処理後の生成相について検討を行った。
図 1 に接合と同じ条件で熱処理を施したペレットの粉末 XRD
2–パターンを示す。XRD パターンから、Y211 並びに Ba-

Cu-O 系酸化物からの異相ピークが混在していたが、主相として YBCO が確認された。
次に、接合された線材の特性を検討した。接合処理を施した線材は、ピンセットで持つ、あるいは測定用の端子取り付けといった操作過程においても、接合面が剥離しなかった。
図 2 に接合線材の電気抵抗の温度依存性を示す。接合線材は室温から金属的な電気抵抗値の温度依存性を示したの
ち、93.5 K において超電導転移が確認され、92 K でゼロ抵抗を示した。このことから、接合界面には 12 時間の酸素アニー
ルによって YBCO ペレット並びに REBCO-CC へ酸素が供給されていることが明らかとなった。
本研究では、REBCO-CC 及びペレットの配置-加圧-熱処理という簡便なプロセスによって、接合界面において 92 K でゼロ抵抗を示す REBCO-CC の超電導接合に成功した。
2000

Ba-Cu-O or Y211
013,103

1800
1600
1200
1000

0

0

10

20

112
104,005
113

200

003

400

012,102600

30

2 [deg.]

40006,020200
115
016,106,210
116
213

800
002 (YBCO)

Intensity [cps]

1400

50

60

Fig.1 XRD 2– pattern for YBCO pellet annealed at 800C
in P (O2) = 0.01 atm.
14

6
5

12

Resistance []1．はじめに
REBa2Cu3O7– (REBCO)は Tc=90 K を示す超電導体であり、磁場中で高い電気輸送特性を示すことから、高磁場を発生させる超電導マグネットの線材として有望な材料である。
REBCO の線材はテープ状の金属機材上に配向した REBCOを形成させる手法で作製されており、Coated Conductor (以下、
REBCO-CC)と呼称される。REBCO-CC の応用における課題
として、超電導膜の品質を一定にすることが難しく、超電導マ
グネットに必要な数 km の長尺線材の製造が困難であることが挙げられる。
そこで、線材同士を臨界電流の劣化なく接続する技術があれば、上記の課題が解決できると考えられ、研究が行われてきた。Y.J. Park らは、REBCO-CC の REBCO 面同士を向かい合わせ、低酸素分圧下で REBCO を溶融させ、再結晶化させることによって接合に成功した[1]。しかし、接合面の密着度が高く、溶融接合時に抜けた REBCO 内の酸素を再び補填す
るための酸素アニール処理を施しても酸素が導入されず、接合面で超電導性を示さなかった。そこで、レーザー加工によって接合部に無数の穴を開けることによって、350 時間の酸素
アニール処理で線材の特性が回復することを報告した。
しかし、超電導マグネットの応用に際しては、接合箇所は数十箇所を超えることが予想され、これらの接合はマグネットの作製現場で行う必要がある。さらに、接合が狭い空間内で行われることも想定されるため、大型の装置の利用は避けるべきである。そのため、真空装置やレーザー加工機などの装置を用いない接合手法が必要とされる。
そこで我々は、REBCO-CC で YBCO 原料ペレットを挟み、加圧しながら熱処理を施すという簡便なプロセスによる接合を考案した。REBCO-CC は原料ペレットの反応過程で接合され、また、ペレットは密度が低いため酸素導入が容易となることが期待される。熱処理雰囲気も 1 気圧の混合ガス中で行うため、真空装置が不要になる。本研究においては、REBCO 線材の超電導接合の簡便なプロセスの確立を目的とし、ペレットを用いて接合を行い、熱処理を施したペレットの生成相と接合線材の超電導特性の評価を行った。

Tconset=93.5 K

4

10

3
2

8

1
0

6

Tczero=92 K

90

92

94

96

4
2
0

0

100

200

Temperature [K]300

Fig.2 R-T curve for jointed-REBCO-CC.
謝辞
本研究の一部は、ＪＳＴ、未来社会創造事業、JPMJMI17A2の支援を受けたものである。
参考文献
1. Y.J. Park et al.: Supercond. Sci. Technol. Vol. 27 (2014) p.
085008― 68 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p06

構造材料

GFRP の熱伝導率測定と熱侵入量の見積もり
Measurement of thermal conductivity of GFRP and estimation of heat leek of cryogenic pipe
神田 昌枝，山口 作太郎，岩田 暢祐 （中部大学）;
FAMAKINWA Tosin (Western Sydney University); 岩室 徳人, 平岡 一高 （日揮株式会社）
KANDA Masae, YAMAGUCHI Satarou, IWATA Yousuke (Chubu University);
FAMAKINWA Tosin (Western Sydney University); IWAMURO Norito, HIRAOKA Kazutaka (JGC CORPORATION)
E-mail: kanda@isc.chubu.ac.jp� � �� � ��/���/�� � ��� � ����（式 1）

ヒーターにより加えられた熱量に対して生じた温度差から熱伝導率を求めた。しかし、試料厚さ 0.5mm と 1mm の実験結果
は、試料厚さ 0.5mm と 1mm は試料と銅ブロックなどの表面での接触熱抵抗が大きく、測定結果にバラつきが生じてしまい
再現性が取れなかった。そこで、試料が厚い 1.5mm について
プリプレグシートの積層方向の異なる 2 種類の熱伝導率の結果を Fig.2 に示す。

（1）Type A

Thermal conductivity, W/m・K

2．実験試料・方法
本研究で使用した試料は、エポキシ系 GFRP（菱電化成株
式会社製）で、試料形状は 10mm×10mm、試料厚さ���は0.5mm, 1mm, 1.5mm で準備した。Fig.1 に実験で使用した試料 A と試料 B の 2 種類の試料のイメージ図を示す。試料 A は測定面と平行方向にプリプレグシートを積層させ、試料 B は測定面と垂直方向にプリプレグシートを積層させている。

3．実験結果・考察
熱伝導率��� �� � � �は、ヒーターに加えた電圧����と電流����、試料の面積���� �と厚さ����として式 1 に示す。

（2）Type B

A1 t＝1.5mm
A2 t＝1.5mm

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

0

100
200
Temperature, K

300

Thermal conductivity, W/m・K

1．緒言
本研究グループでは、超伝導送配電システムの低温部の支持構造材料として、低温でも強度が高く、熱伝導率が小さ
いガラス繊維強化プラスチック（GFRP）を使用している。そして冷却状態を維持するために熱侵入量の低減を課題としている。本研究では、低温下で熱伝導率を計測し、低温部の支持構造物を設計するために GFRP の積層方向が異なる試料を準備し、評価した。そして熱侵入量について、有限要素法を用いて評価を行った。

B1 t=1.5mm
B2 t=1.5mm

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

0

100
200
Temperature, K

300

Fig.2 Thermal conductivity with different temperature of
GFRP type A (1) and B (2).

Fig.1 Image diagram of a glass fiber direction of type A and B.

試料 A、試料 B の低温下における熱伝導率を評価するため、試料である GFEP は、温度制御が可能な GM 冷凍機のコール
ドヘッドに取り付けた銅製のブロックの上に置いた。その上にアルミ製のブロック（内部にヒーターあり）で試料を抑え、上から固定した。これらは全てクライオスタット内にあり、試料固定の際はアピエゾン N グリースを試料表面に塗布した。また、測定部分を周囲から熱が伝わらない様に放射シールドで覆った。
実験では、試料上部（ヒーター側）にあるヒーター電流を 0, 5,
10, 15 mA と変化させることで試料に加わる熱量を変化させ、ヒーター側の温度（T1）と冷却側の温度（T2）を抵抗温度センサーにより測定した。ヒーター電流を変化させて十分な時間が経過した後、温度変化が一定になった時の T1、T2、そしてT1、T2 の温度差を ΔT として解析に用いた。なお実験の測定
範囲は 40K～250K である。

試料厚さ 1.5 mm において、熱伝導率を比較すると試料 Bの熱伝導率は試料 A よりも熱伝導率は高い。以上のことから
今回、測定に用いた GFRP を低温部の支持構造物としてサポート材に用いる場合は、ガラス繊維の方が熱の伝わる方向性に対し、垂直になるように加工すると、外部からの熱侵入が小さくなる。また、これらの実験結果より、熱侵入量について、有限要素法を用いて評価も行った。
4．結言
本研究では、低温下で熱伝導率を計測し、低温部の支持構造物を設計するために GFRP の積層方向が異なる試料を準備し、評価した。その結果、GFRP を低温部の支持構造物としてサポート材に用いる場合は、ガラス繊維の方向が、熱の伝わる方向に対して垂直になるように加工する事で、外部からの熱侵入が小さくなる。

― 69 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p07

NMR・MRI・産業応用

500 MHz LTS/REBCO NMR の遮蔽電流磁場解析
Numerical simulation on screening current-induced field in 500 MHz LTS/REBCO NMR
盛川 瑛亮，小泉 智暉，金 錫範，植田 浩史（岡山大学）；濱田 衞（JASTEC）；柳澤 吉紀，前田 秀明（理研）
MORIKAWA Eisuke， KOIZUMI Tomoaki， KIM SeokBeom， UEDA Hiroshi (Okayama University);
HAMADA Mamoru (JASTEC)； YANAGISAWA Yoshinori, MAEDA Hideaki (RIKEN)
E-mail: pc063zqa@s.okayama-u.ac.jp
1．はじめに
現在，国立開発研究法人 科学技術振興機構(JST)による「未来社会創造事業大規模プロジェクト型研究開発」として，「高温超電導線材接合技術の超高磁場 NMR と鉄道き電線への社会実装」というプロジェクトが進行している．この一環として 1.3 GHz NMR の開発が進められており，従来の低温超電導(LTS)マグネットに高温超電導(HTS)マグネットを組み合わせた，LTS/HTS NMR が検討されている．しかし，HTS 線材
はテープ形状をしているため，超電導マグネットを励磁した際，磁場の径方向成分によって，線材内に遮蔽電流が誘導され，不整磁場を生じさせる．この不整磁場は磁場均一性や時間安定性を悪化させる要因となり，NMR の性能に大きく関わる．
本研究では，既に製作された 500 MHz NMR[1]を対象に遮蔽電流磁場解析から検討を開始した．また，マグネットはソレ
ノイド巻であるが，パンケーキコイルを積層した場合とマグネッ
ト形状による影響について比較検討を行った．

Sweep rate を 0.01 A/s とし，運転電流は 138.6 A である．
励磁完了後 100 時間電流をホールドした．コイル中心での z
軸方向の遮蔽電流磁場について評価を行った．
3．解析結果と考察
Fig. 1 にソレノイドコイル，パンケーキコイルそれぞれにおける磁場の時間安定性を示す．両マグネット構造ともに，励磁完了後から遮蔽電流磁場は指数関数的に減衰していることが確認できた．この結果は磁束クリープによって説明することができる．またソレノイドコイルにおける磁場の時間安定性は，励磁完了後 1 時間後で 146 ppm/h，10 時間後で 1.82 ppm/hであった．パンケーキコイルにおける磁場安定性は，励磁完
了後 1 時間後で 147 ppm/h，10 時間後で 1.84 ppm/h であった．したがって，両巻線モデルとも磁場の時間安定性に大きな違いがないことを確認した．
Table 1 Model Coil Specifications

2．解析モデルおよび条件
解析対象は，既に製作された 500 MHz NMR の LTS/HTS
マグネットで，inner HTS coil と outer LTS coil の 2 種類で構成されている．inner HTS coil はテープ幅 5 mm, 超電導厚さ 2µm の REBCO 線材で巻線されている．Table 1 に inner HTS
coil の諸元を示す．今回の解析では最も遮蔽電流を生じると想定される inner HTS coil を対象に解析を行った．inner coil
は内径 80 mm， 外 径 117.702 mm である ． 運転電流をLTS/HTS マグネットに通電した際の中心発生磁場は，inner
HTS coil で 2.31 T，outer LTS coil で 8.51 T である．マグネッ
ト構造はソレノイド巻とシングルパンケーキ巻を想定し，ソレノ
イド巻は径方向 72 ターン，軸方向 77 ターンとした．シングル
パンケーキ巻は 72 ターンのコイルをコイル間隔 0.1658 mm で77 積層した．REBCO 超電導線材は超電導層の断面アスペク
ト比が非常に大きいことから，線材厚み方向で電磁場が一様であると仮定する近似を用いて，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を用いて計算を行った[2]．支配
方程式は次のようになる．
�𝜵𝜵 × 𝜌𝜌(𝜵𝜵𝜵𝜵 × 𝒏𝒏)� ∙ 𝒏𝒏+

𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇 𝜕𝜕 (𝜵𝜵𝜵𝜵 ′ × 𝒏𝒏′ ) × 𝑹𝑹
𝜕𝜕𝑩𝑩0
∙ 𝒏𝒏 𝑑𝑑𝑑𝑑′ = −∙ 𝒏𝒏
34𝜋𝜋 𝜕𝜕𝜕𝜕 �𝑅𝑅
𝜕𝜕𝜕𝜕

𝐸𝐸𝐸 |𝑱𝑱|𝐽𝐽𝐽 𝐽𝐽𝐽

𝑛𝑛𝑛1

ここで， は臨界電流密度，
る．

Insulated conductor cross section(width × thickness) (mm × mm)
Inner diameter (mm)Outer diameter (mm)Height (mm)Number of layers
Number of turns

5 × 0.15
5 × 0.25
80
117.702
400
72
5544

(1)

と はそれぞれ観測点とソース点におけるテープ面垂直方向の電流密度ベクトルポテンシャル成分， と はそ
れぞれ観測点とソース点のテープ面法線垂直方向の単位ベクトルである． はソース点から観測点への方向ベクト
ル， は外部磁場， は超電導体の抵抗率， は真空中の透磁率， は超電導層の厚みである．積分範囲 は超電導体の全領域である．超電導の電流―電圧特性は 値モデル
を用い，超電導体の電気抵抗率 は式(2)で示される．
𝜌𝜌 =Conductor cross section(width × thickness) (mm × mm)(2)

Fig. 1 Drift on Magnetic Field with Time
謝辞
本研究の一部は，JST未来社会創造事業 JPMJMI17A2の支援を受けたものである．
参考文献
1. Y. Yanagisawa，et al., J. Magn. Reson., Vol. 249 (2014)
2. H. Ueda, et al., IEEE Trans. Appl. Supercound., 24,
4701505 (2014)は臨界電流の定義電界であ― 70 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p08

NMR・MRI・産業応用

REBCO コイルにおける部分的細線化による遮蔽電流磁場低減効果: 9.4-T 級ヒト全身用 MRI コイルを対象として
Numerical Evaluation of Irregular Magnetic Field by Screening-current in Coilsfor 9.4T-Class MRI
稲垣 善太，小曽根 裕一，伊東 慶太，石山 敦士（早大）；植田 浩史（岡山大）；野口 聡（北大）
INAGAKI Zenta, OZONE Yuichi, ITO Keita, ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.);
UEDA Hiroshi (Okayama Univ.); NOGUCHI So (Hokkaido Univ.);
E-mail: z-inagaki@asagi.waseda.jp
1．はじめに
我々は 9.4-T 級ヒト全身用 MRI の開発を目指した研究を行ってきた [1]。REBCO 線材を使用した MRI 用超電導マグ
ネットでは変動磁場により遮蔽電流が顕著に誘導される。その遮蔽電流による磁場(以下、遮蔽電流磁場)が撮像空間における磁場の時間的安定性と空間精度を悪化させてしまう。
REBCO 線材の細線化が遮蔽電流の低減に有効であることは知られているが、先行研究で MRI を構成するコイルシステム
において細線化により空間精度が向上することが確認されている。またスプリットコイルの一つを選択的に細線化することの有効性も確認されている[2]。本研究では細線化量を少なくするため、選択されたコイルを更に部分的に細線化した場合の効果について解析・評価したので報告する。
2．解析対象と解析手法
解析対象のコイルシステムの概略図を図 1 に示す。このコ
イルは、中心磁場 9.4T、内径 1m 以上、400mmDSV において2～6 次の磁場不均一度を 50ppm 以下とする等の制約条件を考慮し、使用線材量の最小化を目的として設計されている。
遮蔽電流磁場の解析には 3 次元非線形電磁場解析手法を用いた[3]。その手法における定式化モデルを式(1)に示す。
細線化の解析では線材を 2 分割し、溝部分を絶縁するとした。
励磁条件については 0.1A/s で運転電流 253.7A まで励磁し、
1 時間ホールドするものとした。
�� � ���� � ��� � ���� � � �� � � ��� � ����(1)��� ��� � � ������� �� ���
細線化については通常の条件で解析を行う場合を normal
モデル、全てのコイルを細線化する場合を Scribing_All モデ
ル、コイル 1 のみを細線化する場合を Scribing_C1 モデル、コ
イル 1 の一部を細線化する場合を Optimized モデルと呼ぶこととする。
3．optimized モデルについて
optimized モデルは Scribing_C1 モデルの結果を踏まえて考案した。不整磁場の 2 次の項についてコイル１の分割解析を行うと、コイル 1 の上部が正の値を作り、コイル 1 の下部が負の値を作ることがわかった。コイル 1 以外のコイルは負の値を作っているため、コイル 1 の下部のみを細線化するときの不整磁場を計算することにした。これが optimized モデルである。
その概略図を図 2 に示す。
4．解析結果
励磁完了時、遮蔽電流が作る不整磁場の2次、4次、６次の項を図2に示す。normalモデルで最も値の大きい2次の項に着目すると、Scribing_AllモデルよりScribing_C1モデルの磁場均一度が高く、更にoptimizedモデルの磁場均一度が高くなる
ことがわかった。Scribing_C1モデルでは13.2ppm、optimizedモ
デルでは-2.71ppmである。つまり、細線化量を減らしながら、
磁場均一度が向上できると言える。

Fig. 1 Schematic Drawings of MRI Coil System

Fig.2 Schematic Drawings of Scribed part of Coil1 for
optimized modelFig. 3 Field Inhomogeneity for the four conditions
謝辞
本研究は、日本医療研究開発機構（AMED）の「未来医療を実現する医療機器・システム研究開発事業『高磁場コイルシステムの研究開発』」の成果を利用している。
参考文献
1. T. Tosaka, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 92(2015) 3B-a01
2. K. Ito, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 95(2017) p.23
3. H. Ueda, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 26,
no. 4, 4701205, June 2016.

― 71 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p09

NMR・MRI・産業応用

二組のヘルムホルツコイルと傾斜磁場コイルを利用した
微小磁性体位置制御の実験研究
Experimental Study on Position Control in Milli-sized Magnetic Beads Using Two Sets ofHelmholtz Coils and a Pair of Gradient Magnetic Field Coils
許 航，鎌田 太陽,二ノ宮 晃，野村 新一(明治大学)
XU Hang, KAMADA Hiroharu, NINOMIYA Akira, NOMURA Shinichi
E-mail: wardenxuhang@meiji.ac.jp
1.

はじめに
本研究では、複数のコイルを利用し、微小磁性体の位置を連続に制御する可能性を検討している。目標は、中心軸における磁場最大点の位置を移動することで、微小磁性体の位置を制御することである。今回は、簡単な中心軸上の磁場計算によりコイル形状を検討して試作し、これを用いて微小磁性体の位置制御の可能性実験を実施した。ここでは、その結果について報告する。

Helmholtz Coils
No.2 (S coils)

Helmholtz Coils
No.1 (M coils)

2.

3. 実験装置と実験結果
今回の実験では、試作したコイルを液体窒素で冷却し、直径 2 mm の鉄球をアクリルケースに封入し、3 組のコイ
ルの中心軸上に設置した。M コイルを 8 A、S コイルを-2.1
A で励磁した。
そして、Ex コイルを実効値 1 A、20 Hz の交流電流で励
磁し、L コイルの励磁電流を徐々に調整させた。磁性粒子の位置移動現象はビデオカメラで記録した。録画映像から、
Ex コイルを通電すると、磁性体は空間中心部で振動する。
そして、L コイルの通電電流の調整に伴って、磁性体の位置が連なって移動することを確認した(Fig. 3)。つまり、磁性体の位置を制御できることを確認した。
4.

まとめ
本研究では磁場空間に微小磁性体の位置を制御する可能性を検討している。今回の実験研究では、複数のコイルを利用して磁性体をコイルから離し、コイル間の空間に連続的に誘導移動させることを確認することができた。

AC Gradient Magnetic
Field coils (Ex coils)

DC Gradient Magnetic Field
Coils (L coils)

The Center Axis of
Coil System (Z Axis)

Fig. 1 Schematic illustration and the key parameters of the coilsystem.
Magnetic Flux Density on Z Axis [G]各組コイルの作用
磁気力を受けるので、磁性体は移動する。磁性体は磁気力を受け、移動する。この時、磁性体の位置を安定させるには、以下の条件を満たす必要がある。
1.磁性体が安定位置に留まる時に受けた磁気力はゼロである。
2.磁性体が移動する時には、安定位置に戻る復元力が働かなければならない。
この時、磁性体を安定させる位置は磁場の最大点である。
従って、今回の実験研究は中心軸における磁場最大点を調整できるコイルシステムを設計し、試作した。具体的には、Fig. 1 のような、二組のヘルムホルツコイルと傾斜磁場コイルを利用して磁性粒子を位置制御させる方法を提案した。ヘルムホルツコイル 1(M コイル)が作る磁場は、ヘルムホルツコイル 2(S コイル)が作る磁場に対して極性を逆向きにしている。これにより、磁極部の磁場を弱くして、ギャップ中心部を強くする。ここでは、M コイルと S コ
イルを利用し、コイル中心軸上の中心部を磁場最大点に設定した。
そして、磁性体はアクリルケースに封入しているが、磁性体はケースの壁からの摩擦力を受けるので、磁性体の移動を妨げることになった。その影響を解消するため、交流
傾斜磁場(Ex コイル)を印加し、磁性体を微小距離で振動させて、摩擦力からの影響を低減させた。
この磁場空間に傾斜磁場(L コイル)を加えて、その傾斜
磁場の大きさを調整し、中央軸上に磁場最大点の位置を調整し(Fig.2)、微小磁性体を位置移動させるようにした。

今後は、微小磁性体の代わりに、磁性粒子の位置制御の可能性を検討する。

725
720
715
710
705
700
695
690
-15

-10
-5
0
5
10
Distance from the Center of the Coil System on Z Axis [mm]15Fig. 2 Calculation of the magnetic flux density on Z axis in caseof L coils are excited by different current.

Fig. 3 Displacement of the magnetic particles in case of L coils
are excited by different current.
参考文献
1. N．Saho，M．Ono：Abstracts of CSSJ Conference,Vol.93(2016) p.64
2. H．Xu，A．Ninomiya，S．Nomura：Abstracts of CSSJ
Conference,Vol.95 (2017) p.129― 72 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p10

磁気分離 (1)

磁化活性汚泥法の社会実装を可能とする
汚泥磁気分離装置の標準化によるプラント設計の簡易化
Simplification of plant design by standardization of magnetic separator that enables social
implementation of magnetic activated sludge method
直井 裕哉，渡辺 紡，酒井 保藏，荷方 稔之(宇都宮大)；弓場 誠，中 聖一(NEOMAX エンジニアリング(株))；ミヒル ラル サハ(ダッカ大)；三浦 大介(首都大)NAOI Yuya, WATANABE Tsumugi, SAKAI Yasuzo, NIKATA Toshiyuki (Utsunomiya Univ.)；YUNBA Makoto,
NAKA Shoichi (NEOMAX Engineering)；Mihir Lal SAHA (Dhaka Univ.)；MIURA Osuke (Tokyo Metropolitan Univ.)
E-mail: sakaiy@cc.utsunomiya-u.ac.jp
1. はじめに
磁化活性汚泥法(MAS 法)は活性汚泥を磁気分離する生物
学的水処理法である。昨年度から実用化を目指して、大型の標準磁気分離装置の開発を開始した。今回は、下水処理を行っている磁化活性汚泥法パイロットプラントの汚泥を用いて性能を評価した。最もよい処理水質が得られたのは MLVSS
6000 mg/L、磁性粉/MLVSS=2 のとき、流量 167 m3/d、漏出磁性粉 7 mg/L であった。本標準磁気分離装置を用いれば、300
m3/d であれば 2 ユニットというような設計の簡易化が可能となる。
磁化活性汚泥法の磁気分離装置は分離性能に様々な因子が影響する。数千 mg/L 以上の汚泥を磁気分離する際の性能を予測する工学的な基盤はほとんど開拓されておらず、実用化の障害となっていた。そこで、我々は昨年度から、200
m3/d クラスの実用の標準磁気分離装置を提案し、この装置の性能を様々な条件で明らかにすることで、2000 m3/d 程度までの水処理に必要数を決めるだけの設計の簡易化を提案し、標準装置の開発を進めてきた。1 台のコストも明らかなので計画段階で従来法とのコストも比較できる。本研究では実用規模の標準磁気分離装置ユニットを製作し、ユニットの処理性能を調査した。

Fig. 1 Magnetic separator unit
Table1 processing performance of standard magnetic
separation unit
MLVSS(mg/L)

2. 実験方法
実験は宇都宮市の水再生センターに設置した MAS 法パイ
ロットプラント（曝気槽容積 8 m3）でおこなった。磁気分離装置
は NEOMAX エンジニアリング製の回転ドラム型のものを使用した。ネオジム磁石をドラム（直径 16.5 cm，長さ 150 cm）内に固定し，外側のドラムのみを回転させる二重構造となっている。
そのため汚泥が付着するドラム下部では 0.5 T，汚泥を剥離す
るスクレーパ部分は 2 mT 以下の磁場に抑えられている。この
磁気分離装置 2 台を直列に配置したものを標準磁気分離装置ユニット(Fig.1)とし本実験で性能評価した。分離された磁化活性汚泥は全て曝気槽に戻される。この磁気分離ユニットの性能評価は、処理水量を変化させ、処理水の磁性粉濃度を測定することでおこなった。
3. 結果と考察
結果を Table 1 に示す。磁性粉濃度が増加することにより磁気力が増大し処理性能が向上したと考えられる。最もよい処
理水質が得られたのは MLVSS 6000mg/L,磁性粉/MLVSS=2のとき流量 167 m3/d、磁性粉濃度 7mg/L であった。MLVSS が4 g/L のとき磁性粉を 3 倍添加すると 300 m3/d で流出磁性粉濃度 50 mg/L 以下にまで処理できることがわかった。
1 ユニット当たりの処理水量をもとに 1,000 m3/d、800 mgBOD/L の工場排水処理を仮定したコスト試算の結果を Table
2 に示した。初期コストおよび運転コストが従来法よりも少なくなった。運転コストは脱水汚泥廃棄の代わりに磁性粉の補充が必要になるが、コストは従来法の 13 % 程度に抑えられる。また沈澱池や汚泥処理設備が不要なため省スペースになると考4,000Magnetic powder/MLVSS
Magnetic powder
concentration of
second shelf under
50 mg/L (m3/d)

6,000

1.5

2

3

1.5

2

3

Under
144

216

312

125

240

-

Table 2 contrast two method cost

InitialcostStandard activated sludge method

Magnetic activated sludge method

With removal waste sludge

Without removal waste sludge

Sedimentation
basin(diameterof 7m)
Sludgeconcentratingtank

60 millionyendehydrator
Running
cost

Magnetic
separator （7unit）

Magnetic powder

Dewateredsludge disposal

20 million
yen/year

35 million
yen

2.7 million
yenSupplied magnetic 2.6 million
powderyen/year

えられる。なお曝気槽については同一のものを使用するため省略した。
4. まとめ1 ユニットの処理水量を求めることによりプラント全体の設計、コスト試算が容易になった。処理性能は汚泥や磁性粉濃度の影響を強く受け、条件次第では 1 ユニットで 300 m3/d の処理が可能であることが示された。コスト試算の結果、従来法よりも少ない費用で運転できることが示唆された。標準装置としてさらに性能向上のための工夫を重ねて行く必要がある。

― 73 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p11

磁気分離 (1)

磁化活性汚泥法に適したリン除去法の検討～凝集砂ろ過法と凝集磁気分離法の比較
Study of phosphorus removal method suitable for Magnetic Activated Sludge method-Comparison coagulation-sand filtration between coagulation-magnetic separation福田 芳樹，酒井 保藏，小林 拓美，荷方 稔之，六本木 美紀（宇都宮大)；サハ ミヒル ラル（ダッカ大）FUKUDA Yoshiki， SAKAI Yasuzo， KOBAYASHI Takumi， NIKATA Toshiyuki， ROPPONGI Miki (Utsunomiya Univ.);
SAHA Mihir Lal （Dhaka Univ.)
E-mail: sakaiy@cc.ustunomiya-u.ac.jp

2．実験方法前段の MAS 法には有効容積 5 L の磁化活性汚泥法標準実験装置を用いた。[1]（1）凝集砂ろ過法
流出水（PO4-P 濃度 : 15.0～15.5 mg/L） 100 mL に Fe3+
濃度 5～200 mg/L の範囲で凝集剤として FeCl3 を加えた。その後、1 分間 NaOH 溶液を用いて、約 pH6 に調整した。1 分
間急速攪拌した後、3 分間の緩速攪拌を行った。これを砂ろ過装置に通水し、ろ過された処理水の PO4-P 濃度を測定した。
（2）凝集磁気分離法
pH 調整の後に磁性粉濃度 25 ｍｇ/Ｌとなるように磁性粉を加えた他は、凝集砂ろ過法と同様の操作を行った。その後、ネオジム磁石（5 cm×5 cm×1 cm、最大磁束密度 0.35 T）を用いて磁気分離を行い PO4-P 濃度を測定した。
それぞれのプロセス概略図を Fig.1,Fig.2 に示した。

Fig.2 Coagulation- Magnetic Separation Process
3．結果と考察
測定結果を Fig.3 に示した。凝集剤である Fe3+濃度 5～40
mg/L の範囲では凝集磁気分離法の方が高いリン除去率となった。しかし、Fig.3 の場合、PO4-P を全て FePO4 にするのに必要な Fe3+濃度は 22～27 mg/L と見積もられたが、35 mg/L
で 80 %程度、50 mg/L でほぼ 100 %のリン除去率となった。
Fe3+濃度 50 mg/L の時点で濁度の除去率は 90 %程度であり、リン除去と同時にＳＳの除去も行えた。しかし、本実験では pH
調整の時間を 1 分間としたが、凝集磁気分離法において磁性粉を加える時点ですでにフロックが形成されていたため効率的にフロックを形成できていなかったと考えられる。
リン回収後の処理を考えると、一般的に凝集砂ろ過法ではろ材に吸着したフロックを完全には洗浄できない、ろ材表面で微生物が繁殖するといった問題が挙げられる。また逆洗水で捕捉フロックが希釈されるため、濃縮や脱水処理も必要となる。
一方、磁気分離法では、汚泥を高濃度、高速で分離することができ、その後の濃縮、脱水も磁気力を利用して効率的に行えると考えられる。
100
Exclusion rate(%)

1．はじめに磁気分離を応用した生物学的水処理法である磁化活性汚泥（MAS）法は余剰汚泥引抜きを行わずに運転するため、余剰汚泥と共にリンを除去する生物学的脱リンプロセスは適用できない。本研究では、MAS 法の後段に設置するリン除去法のプロセスとして凝集砂ろ過法と凝集磁気分離法の適用を考え、両者の比較を行った。その結果、回収された濃縮汚泥の処理にも磁気力を利用できる凝集磁気分離法が有利であると考えられた。
排水中のリン除去法は物理化学的除去と生物学的除去に大別される。このうち生物学的リン除去はポリリン酸蓄積菌による代謝メカニズムを利用している。これは活性汚泥にリンを過剰摂取させ余剰汚泥の引き抜きとともにリン除去を行う方法である。このプロセスは磁化活性汚泥法でも適用できるが、余剰汚泥の引抜きを行うため磁化活性汚泥法のメリットが失われることとなる。そこで、MAS 法の後段にリン除去プロセスを設けることでリンを除去すると同時に、懸濁物質も除去でき、磁化活性汚泥法の高度処理プロセスを構築できると考えた。本
研究では、高度処理のための後段プロセスとして凝集砂ろ過法と凝集磁気分離法について比較検討した。

8060

coagulationmagnetic separation
coagulation-sand
filtration

40
20
0
0

20

40
60
Fe3+(mg/L)

80

100

Fig.3 The Relationship between FeCl3 Addition andPhosphorus Exclusion Rate

Fig.1 Coagulation- Sand Filtration Process

4．まとめ
本実験において、両者ともにリン除去率がほぼ 100 ％とな
る FeCl3 添加量は変わらない結果となったが、後処理の観点から見て凝集磁気分離の方が有利であると考えられる。
参考文献
1. I. Masashi, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol.
94(2017) p.71

― 74 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p12

磁気分離 (1)

水処理における磁気分離プロセスに用いる種々のマグネタイトの性能評価
Performance evaluation of various magnetite used for magnetic separation process
in water treatment
王悠 エン，酒井 保藏，荷方 稔之，六本木 美紀（宇都宮大）；弓場 誠，中 聖一（NEOMAX エンジニアリング）
WANG Ｙouyan，SAKAI Yasuzo，NIKATA Toshiyuki，ROPPONGI Miki (Utsunomiya Univ.);
YUNBA Makoto，NAKA Shoichi (NEOMAX Engineering);
E-mail: sakaiy@cc.utsunomiya-u.ac.jp

2．実験方法本研究に用いた磁性粉は A が試薬とし入手できるマグネ
タイト(関東化学製)、B が戸田工業製 KN-320、C がマエダマ
テリアル製ナノフェロスラリーⅡ、D、E、F, G が今回入手した安価なマグネタイトである。
分離試験は、次に示す 2 つの方法で行った。
1) 汚泥の磁性粉の磁気シーディング特性
蒸留水を 50 mL サンプル瓶にとり、7 種類の磁性粉をそれ
ぞれ 0.125 g 加えて撹拌する。沈降分離 1 時間後と 5cm×5cm×1cm のネオジム磁石(約 0.3 T)上で磁気分離 30 秒後の上澄み液濁度を測定した。次に、MLSS 約 2500 mg/L の馴養された活性汚泥を 50 mL サンプル瓶にとり同様に 7 種類の各磁性粉を添加し(混合比約 1:1)、磁性粉のみで行ったのと同様に沈降分離と磁気分離試験を行なった。
2) 簡易磁気分離曲線の測定
MLSS とマグネタイトの混合比約 5:1 で混合して、磁気分離
10 秒後、20 秒後、30 秒後の清澄液をすばやく吸い取り、濁度を測定して磁気分離曲線を作った。
3) 長期使用時の課題検討
活性汚泥にそれぞれのマグネタイトを混合、磁化活性汚泥とし、1 週間以上曝気運転した。
3．結果と考察
1) 汚泥の磁性粉の磁気シーディング特性
Table 1 に各磁性粉のみ、及びそれらの磁性粉で磁気シーディングした MAS を沈降分離及び磁気沈降した場合の上澄
液濁度の結果を示した。磁性粉のみの濁度を見ると、C の上
澄み液の濁度が大きな値となった、スラリー液が若干着色しTable 1 Supernatant turbidity after 1 h settling and 30 s
magnetic separation of various kinds of magnetite.

Fig. 1 Photograph after 30 min settling of MAS seeded withvarious kinds of magnetite. The photograph shows magnetite A,
B, C, D, E, F and G from left side.

Turbidity（NTU）

1．はじめに
水処理分野において磁気分離は用途が限られたいわばニッチなプロセスである。しかし、近年、安価にマグネタイトが入手可能となり、様々な非磁性の汚濁対象物にマグネタイトを添加し、磁気分離するプロセスが従来法と経済的に競争できる状況となっている。本発表では、入手可能な安価なマグネ
タイトを従来のマグタネイトと比較した。その結果、100～200
円/kg で提供されるマグネタイトでも、磁化活性汚泥(MAS)法
や凝集磁気分離法に利用できることが示された。
活性汚泥法やメタン発酵法で利用される微生物や一部の懸濁物質はマグネタイトを添加するだけで吸着、一体化させることができ、磁気分離を導入できる。凝集分離プロセスでは凝集剤と共に適量のマグネタイトを添加すれば磁気分離を導入できる。マグネタイトの添加によって広く利用されている主要な水処理プロセスのほとんどに磁気分離を導入できることはあまり知られていない。これは、マグネタイトのコストが 500～
1000 円/kg であったため、磁気分離導入が経済的に難しかったためと考えられる。現在、鉄系凝集剤の 500～1000 円/kgFe と比べて 1/5 程度で入手でき、分離速度の速さや分離後の汚泥処理まで考えると磁気分離は従来法に代わる競争力があると考えられる。
本研究の目的は、入手可能な安価なマグネタイトを磁気シーディングの材料として評価することである。

80
70
60
50
40
30
20
10
0

A
B
C
D
E
F

G
10
20
30
40
Magnetic Separation Time（S）
Fig. 2 Change of supernatant turbidities magnetic separationof various kinds of magnetite.
0ており、上澄み液が着色したためである。F と G は微細な粒子が含まれ、濁度がやや高くなった。
それぞれの磁性粉で磁気シーディングされた MAS を沈降分離したところ、Fig. 1 のように沈降性に大きな差が見られた。
数値の小さい D、E は活性汚泥との吸着性が良いと考えられる。C、D、E の MAS は重力沈降速度が速くて、マグネタイトを沈降促進剤として用いる場合は、有効と考えられた。
2) 簡易磁気分離曲線の測定
MLSS:マグネタイトの混合比約 5:1 の MAS を磁気分離した
結果を Fig. 2 に示した。D、E の MAS は磁気分離が最も速かった。C もスラリー液に含まれる着色成分の影響を除けば分離が速いと予想された。F、G の磁気分離は遅く、磁気シーデ
ィングに適さないと考えられた。
3) 長期使用の課題
磁性粉 A、B、C は MAS 法に長期使用して問題がないことが確認できた。D、E は磁気シーディングでは優秀であったが、粒子が大きいため、MAS 法のように、長期間、曝気槽内で使用される場合、汚泥から脱離する傾向があり、課題が残った。
しかし、凝集磁気分離には十分に使用できると考えられた。

― 75 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p13

磁気分離 (1)

磁化活性汚泥法における磁気分離の選択分離性の役割
The role of selective separation of magnetic separation in magnetic activated sludge process
五十嵐 創，酒井 保藏, 荷方 稔之, 六本木 美紀(宇都宮大)
IGARASHI Hajime， SAKAI Yasuzo, NIKATA Toshiyuki, ROPPONGI Miki (Utsunomiya Univ.)
E-mail: sakaiy@cc.utsunomiya-u.ac.jp
3．実験結果装置 A と B の濁度掲示変化を Fig. 2 に示す。5 日目までは実下水から合成下水に変わったことによる馴養期間と考えられる。6 日目以降、濁度は安定しているが、流出 SS を戻している装置 A では装置 B と比べて濁度が約 2 倍に増加している。
装置 B では自己消化 SS を流出させているため、自己消化 SSの蓄積が抑制されたためと考えられる。
微生物濃度に相当する MLVSS の経時変化を Fig. 3 に示す。装置Ａの MLVSS が高い傾向がみられ、これは装置 A では自己消化 SS を曝気槽に戻しているためと考えられる。

20
Turbidity [NTU]

1．はじめに
磁化活性汚泥法では余剰汚泥引き抜きを行わずに水処理を継続できる。これは磁気分離法が汚泥を曝気槽に高濃度で維持できるだけでなく、選択分離性の寄与が大きいと考えられる。磁化活性汚泥法から流出する懸濁物質(SS)に着目し、流出 SS を戻す系と戻さない系で比較し、プロセス磁気分離の選択性が余剰汚泥引抜きなしでの運転を可能にしている理由を検討した。流出 SS を戻す系では濁度の増加が認められ、SS が曝気槽に蓄積していることが示唆された。
生物学的水処理法である活性汚泥法では微生物は有機物を栄養として取り込み、その半分程度が同化され増殖に利用される一方、自己消化により汚泥濃度に比例して汚泥が徐々に減少すると言われている。磁化活性汚泥法は、汚泥濃度を磁気分離により高めることで、増殖速度と自己消化速度を拮抗させ、汚泥引抜きを行わず、自己消化によって汚泥濃度の定常化を達成している。膜分離活性汚泥法でも、汚泥濃度を任意に高めることは可能であるが、汚泥は増え続け、余剰汚泥引抜きは省略できないとされている。これは、自己消化によって発生する難分解性懸濁物質が蓄積するためと考えられるが、磁気分離では、難分解性懸濁物質は磁性粉を吸着しないため流出し蓄積しないと思われる。
本研究では、磁化活性汚泥法から流出する懸濁物質に着目し、磁気分離の選択性が磁化活性汚泥法の余剰汚泥引抜
きなしでの運転に寄与していることを検証する。

A

15

B

10
5
0
0

2

4
6
Times[day]8

10

Fig. 2 Result of Turbidity
2．実験方法
合成下水としてポリペプトンと酢酸を主成分とするものを用いた。HRT=12 h として運転を行った。
宇都宮市内の磁化活性汚泥法パイロットプラントから磁化活性汚泥を採取し、実験に使用した。実験装置を Fig. 1 に示す。実験装置は曝気槽容量が 5 L のものを A と B、二つ用意
し、比較条件として A は自己消化に伴う懸濁物質(自己消化SS)を曝気槽に戻し、B は自己消化 SS を取り出すことにした。
装置の運転をしつつ、濁度や MLVSS などを測定し比較を行った。

MLVSS [mg/L]

8000
6000
4000
A
2000

B

0
0

Magnet Drum

2

Influent

4
6
Times[day]8

10

Fig. 3 Result of MLVSS
Aeration
Aeration
Tank (5 L)

Effluent

4．まとめ
沈澱した自己消化SSを曝気槽に返送している装置Aでは、装置Bよりも流出液濁度が高く、磁気分離の選択性により、余剰汚泥引抜きを行わない運転をしても、曝気槽内への有機SSの蓄積が抑制できていることが示唆された。さらに実験を続けが定量的な考察を行う必要がある。

Fig. 1 Experimental Apparatus― 76 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p14

磁気分離 (1)

磁気分離技術教育のための様々な磁気分離デモンストレーション
Various Magnetic Separation Demonstration Experiments for Education of Magnetic Separating
Technique
和久井 結太，酒井 保藏，荷方 稔之，六本木 美紀 (宇都宮大学)
WAKUI Yuta, SAKAI Yasuzo, NIKATA Toshiyuki, ROPPONGI Miki (Utsunomiya Univ.)
E-mail: sakaiy@cc.utsunomiya-u.ac.jp
1．はじめに磁性粉が安価に入手可能となって磁気分離を広く利用する環境が整いつつある。水処理の基幹技術である活性汚泥法
を始め、メタン発酵法や凝集分離法も磁気分離導入が可能であるが、ほとんど利用されていない。微生物、有機・無機懸濁物質、染料、顔料、界面活性剤、油分など様々な対象物を磁気分離するデモンストレーションを紹介して、磁気分離技術の可能性を啓発する契機としたい。
汚水浄化技術の中で、磁気分離法は現在あまり利用されていない。これは汚濁物質のほとんどは常磁性または反磁性のため、磁気力が小さく磁気分離を簡単に利用できないためである。最近、製紙排水への磁気分離や我々が研究してきた磁化活性汚泥法など磁気分離の水処理への導入が試みられており、非強磁性汚濁物質に強磁性を付与する前処理（以下、
磁気シーディングと呼ぶ）に用いるマグネタイトが安価（従来の約 1/5）に入手可能となった。本発表は、様々な汚濁物質に
磁気シーディングをして磁気分離可能とする手法を紹介し、磁気分離技術の可能性を啓発し、磁気分離研究の裾野を広げることを目的としている。
2．様々な模擬汚濁物質の磁気分離
マグネタイトは、試薬として市販されている四三酸化鉄(関東化学製)を用いた。磁気シーディングを次の 3 つに分類した。
(1) マグネタイトを加えるだけで磁気分離できるもの
活性汚泥、みそ汁、トイレットペーパー懸濁液、デンプン懸
濁液、小麦粉懸濁液などはマグネタイトを加えるだけで磁気分離できる。ここでは入手しやすい、みそ汁、セルロース、デ
ンプンについて紹介する。
みそ汁：ペースト状のみそ約 30 g を 1L の水に懸濁させ、沈降分離を数回繰り返し、着色成分を除いておく。
デンプン:コーンスターチまたは片栗粉 1g を水に懸濁させる。
小麦粉: 小麦粉 1g を水に懸濁させる。
セルロース:トイレットペーパー1g を水に入れ、十分攪拌して懸濁させる。
磁気シーディングと磁気分離操作: これらの懸濁液 50 mL を
50 mL サンプル瓶にとり、マグネタイト懸濁液(10%)を 0.5 mL 加
え、10 秒程度攪拌し、すばやくネオジム磁石(5cm×5cm×1cm、表面磁束密度約 0.3 T)の横に接するように置く。
(2) マグネタイトと凝集剤を組み合わせて磁気分離できるもの
マグタネイトとの親和性がほとんどない汚濁物質でも、凝集分離法が適用できるものは、磁性粉を添加してから凝集処理
すれば凝集フロックを磁気シーディングできる。
炭酸カルシウム: 歯磨きの研磨剤などに用いる。難溶性の塩。
炭酸カルシウム 1 を 1 L の水に懸濁させる。
ベンガラ（Fe2O3):代表的な橙～黄色顔料。酸化鉄であるが強磁性ではない。
カオリン: 粘土物質。1 g のカオリンを 1 L の水に懸濁させる。
染料: インクジェットプリンタインク(マゼンダ)を水に溶かす。
磁気シーディングと磁気分離操作: 凝集剤は広く利用されている PAC 懸濁液(ポリ塩化アルミニウム, 市販品は Al2O3 として 10%以上を含む）を用いた。(1)と同様に、50 mL サンプル瓶に 50 mL の模擬汚濁水をとり、マグネタイト懸濁液を 0.5 mL

加え混合する。次に PAC 原液を 0.5 mL 加え、良く混合する。
PAC を加えると pH が酸性となるため、pH 調整剤として、1Mトリスヒドロキシメチルアミノメタンまたは 1M 水酸化ナトリウム水溶液を加え、pH を 6～8 に調整すると、凝集フロックが形成され、汚濁物質と磁性粉が共にフロックに取り込まれる。これをネオジム磁石の横に接して置き、磁気分離する。
(3) マグネタイト(強磁性粉)と機能性材料を組合わせたもの。
磁性活性炭、磁性イオン交換樹脂(MIEX)、磁化活性汚泥、
磁化メタン発酵などはこの分類に当てはまる。水処理分野の研究者にとっては磁化活性汚泥がマグネタイトと水処理微生物の組合せであり、分かりやすいデモンストレーションとなると考えられる。
3．デモンストレーションの一例
Fig. 1, 2 に磁気分離の写真を、Table 1、2 に磁気分離の前後の濁度と除去率を示した。
0 sec

Fig. 1

15 secMagnetic separation of cellulose (Toilet paper).
0 sec

Fig. 215 secMagnetic separation of dye (Ink).

Table 1 Turbidities before and after simple magnetic separation

Table 2 Turbidities before and after coagulating magnetic separation

多くの汚濁物質が磁気シーディングにより磁気分離できることがわかる。安価な工業用マグネタイトの重量当たりの価格は
PAC の Al2O3 重量当たりの価格の 1/5 程度であり、凝集沈降
分離を凝集磁気分離に代えても水処理コストはあまり変わらな
い。磁気分離は高速分離でき、汚泥も濃縮されるため、総合的にみると磁気分離の導入が経済的に成り立つ可能性があると考えられる。

― 77 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p15

加速器 (1)・核融合 (2)高強度小型多機能スケルトンサイクロトロンの開発 －遮蔽電流磁場解析－
Development of high intensity compact multifunctional skeleton cyclotron– Numerical simulation on screening current-induced field 粟津 佑太，金 錫範，植田 浩史（岡山大学）； 野口 聡（北海道大学）； 石山 敦士（早稲田大学）;
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（大阪大学）
AWAZU Yuta，KIM SeokBeom，UEDA Hiroshi （Okayama Univ.）; NOGUCHI So （Hokkaido Univ.）；
ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.)； WATANABE Tomonori，NAGAYA Shigeo （Chubu Electric Power Co., Inc.）；
YOSHIDA Jun，TSURUDOME Takehisa，TAKAHASHI Nobuaki，MIKAMI Yukio （Sumitomo Heavy Industries, Ltd.）；
FUKUDA Mitsuhiro （Osaka Univ.）
E-mail : hiroshi.ueda@okayama-u.ac.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[1]。スケルトンサイクロトロンは，等時性磁場を形成する
円形のメインコイルと周方向の AVF（Azimuthally Varying
Field）を形成するセクターコイルにより構成される。これらのコ
イルに用いられる高温超電導線材はテープ形状であるため，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）が発生磁場における空間的均一性及び時間的安定性の低下を引き起こす原因となる[2]。よって，高磁場精度化においては上記の遮蔽電流が影響を与えるため，設計段階において遮蔽電流磁場の影響度を評価し，補正及び抑制を行うことが重要である。本発表では，設計を行った多機能ス
ケルトンサイクロトロンを対象とし，電磁場数値解析により遮蔽
電流磁場の影響を評価したので報告する。

Table.1 Simulation conditions of HTS coil system
for accelerating D+ to 40 MeV

Main Coil 1
Main Coil 2
Main Coil 3
Main Coil 4
Main Coil 5
Main Coil 6
Main Coil 7
Sector Coil

2．解析対象および解析手法
別報 1C-p11[1]で報告しているように，我々は，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 まで加速する小型サイクロトロンの研究開発に取り組んでいる。今回は最も磁場を必要とする D+ 40 MeV を解析対象とする。解析対象のコイルでは，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 20 K とした上で，メインコイル，セクターコイル共に 16.6 時間励磁し，その後一定でホールドする。各コイルはシングルパンケーキ巻したものとして，その解析条件は Table.1 に示す通りである。
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[3]により遮蔽電流磁場の計算を行った。
3．遮蔽電流磁場解析
この小型サイクロトロンにおいて，粒子を加速させる領域は
半径 10 cm から取り出し半径である 50 cm のミッドプレイン上の平面内である。従って，以上の加速領域における励磁完了
時における周方向平均遮蔽電流磁場分布を Fig.1 に示す。また，励磁開始から 5 時間後，10 時間後，励磁完了時の 16.6
時間後における取り出し半径での周方向遮蔽電流磁場分布
を Fig.2 に示す。今回のコイルシステムにおいては最大で 3~5mT 程度の遮蔽電流磁場が生じていることが確認できる。サイクロトロンに必要とされる等時性磁場および AVF における発生磁場に要求の目標精度は 10-4 であることから，D+ 40 MeVの設計仕様においては遮蔽電流磁場の影響を考慮することが重要であると考えられる。解析内容の詳細については当日報告する。

Number of
turns
315
15
92
74
62
383
34
110

Number oflayers
3
9
3
16
1
4
2
6

Operatingcurrent (A)
364
483.4
516
469.5
53.2
472.2
499.7
598

Fig.1 Screening current-induced field generated by HTS
coil system for accelerating D+ to 40 MeV
for accelerating D+ to 40 MeV

Fig.2 Screening current-induced field at extraction radius
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フラム（OPERA）に依ったことを付記する。
参考文献
1. 2018 年 度 春 季 低 温 工 学 ・ 超 電 導 学 会 講 演 概 要 集 1C-p11(2018).
2. Y. Yanagisawa, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 20, 744-747(2010).
3. H. Ueda, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 24, 4701505 (2014).

― 78 ―

第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p16

加速器 (1)・核融合 (2)高強度小型多機能スケルトンサイクロトロンの開発 －超電導コイル設計－
Development of high intensity compact multifunctional HTS cyclotron – Design of HTS coil 野口 聡（北海道大学）；植田 浩史（岡山大学）； 石山 敦士（早稲田大学）；
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）
NOGUCHI So (Hokkaido Univ.); UEDA Hiroshi (Okayama Univ.); ISHIYAMA Atsushi (Waseda 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: noguchi@ssi.ist.hokudai.ac.jp

2．超電導コイルシステムの試設計
別報 1C-p10 で報告しているように，我々は，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 まで加速する小型サイクロトロンの研究開発に取り組んでいる。このサイクロトロンは，取り出し半径を 50 cm とし，4 セ
クターの空芯高温超電導サイクロトロン（スケルトンサイクロトロン）であり，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。今回は，高温超電導コイルとして，等時性磁場発生用のメインコイルと、
AVF 発生用のセクターコイルの試設計を行った。多機能サイ
クロトロンとして発生すべき等時性磁場を Fig. 1 に示す。まず，最も磁場を必要とする D+ 40 MeV の等時性磁場を発生するコイルを設計した。
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。今回は，4 セクター
として，フラッター（磁場の段差の度合い） 𝐹𝐹² を 0.04 とした。また，セクターコイルのない領域（バレー部）には，加速空洞を配置することを想定し，セクターコイルのスパン角を 38°とした。
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Fig. 2 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 Fig. 3 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 Fig. 2 に示す。
2.3 エネルギー可変コイルの電流を変更することで，Fig. 1 の多機能サイクロトロ
ンとして要求される等時性磁場が発生できることを確認した。
詳細は当日報告する。
謝辞
本研究の一部は，科学技術振興機構（JST）の産学共創プ

3.0
4He2+ 80 MeV
D+ 40 MeV

c ﬁeld (T)

2.0

Ma

2.5

1.0

H+ 50 MeV

4He2+ 40 MeV
4He2+ 36

H- 30 MeV

1.5

H- 18 MeV

0.5
0.0
0

0.1

0.2

0.3
Radius (m)

0.4

0.5

0.6

Fig. 1. Isochronous field for variable-energy multi-particle Skeleton
Cyclotron
Isochronous ﬁeld

Magne c ﬁeld by sector coil

Required ﬁeld by Main coil

Design ﬁeld by main coil

Design ﬁeld by coil system
3
2.5
Magne c ﬁeld (T)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[1]。スケルトンサイクロトロンは，等時性磁場を形成する
円形のメインコイルと周方向の AVF（Azimuthally Varying
Field）を形成するセクターコイルにより構成される。加速空洞，
機械支持構造，クライオスタットなどの配置による空間制約，
さらに電磁力や臨界電流特性などの超電導特性による制約の下，コイルを設計しなければならない。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 の発生に要求される超電導コイルの設計について報告する。

2
1.5
1
0.5
0
-0.5

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Radius (m)Fig. 2. Azimuthal average magnetic field in the median plane of HTS
coil system for accelerating D+ to 40 MeV.

Fig. 3. Schematic drawing of HTS coil system for K80 Skeleton
Cyclotron

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.
2018年春季低温工学・超電導学会講演概要集1C-p11 (2018).

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第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p17

加速器 (1)・核融合 (2)重粒子線回転ガントリーのためのアクティブシールド型超伝導マグネットの設計研究
Design study of a superconducting magnet with active shielding for a rotating gantry
尾花 哲浩（NIFS）； 荻津 透（KEK）
OBANA Tetsuhiro (NIFS) ; OGITSU Toru (KEK)E-mail: obana.tetsuhiro@LHD.nifs.ac.jp
1．はじめに粒子線がん治療では、 回転ガントリーを使用することで、患者の周囲３６０度の任意角度から粒子ビームを患部に向けて精度良く照射することが可能になる。その結果、患者への身体的負担が軽い治療を実現している。
現在、放射線医学総合研究所（放医研）にて稼動中の重粒子線用回転ガントリーには、鉄ヨークを用いた超伝導マグネットが使用されている[1]。マグネットの重量は鉄ヨークが支配的となり、1 台のマグネットの重量は数トン程に達する。回転ガントリーは 10 台のマグネットを使用するため、数１０トンの重量物が強固なフレームに搭載された状態で、非常に困難な回転制御が求められている。そこで、本研究では、マグネットの軽量化により、回転ガントリーの制御系とフレーム構造を簡素化するため、鉄を使用しないアクティブシールド型超伝導マグネットの開発を目指す。本講演では、アクティブシールド型超伝導マグネットの磁場計算について発表する。

3. T. Obana, et al.: Fusion Engineering and Design, Vol. 81(2006) p.2541
Table 1

Bending angle
Bending radius
Dipole field
Reference radiusBeam duct aperture
Table 222.5 degree
2.8 m
2.37 T
60 mm
122 mmSpecification of dipole and active shield coils.

Coil type
Number of layers
Number of turns
Inner radius
Outer radius
Nominal current

2．マグネットの詳細
放医研の超伝導回転ガントリーで使用されているダイポー
ルマグネット（BM07）[1]のアクティブシールド化を検討した。ダイポールマグネット（BM07）の詳細を Table 1 に示す。コイル
設計は、cosθ型（鞍型）コイル断面用最適化設計コード[2, 3]を使用し、ダイポールコイルとアクティブシールドコイルについて行った。各コイルの詳細を Table 2 に、コイル断面を Fig. 1に示す。コイル間で生じる電磁力（斥力）とコイル上での最大経験磁場を軽減するため、ダイポールコイルとアクティブシー
ルドコイルの間に、0.09 m の隙間を設けた。コイル巻線に使用する超伝導線には、Surface winding 法[3]に対応できる径0.9 mm の NbTi 線を用いる。
3．磁場計算結果
Fig. 1 に示したコイル断面を構成する NbTi 線の配置に基づいて、2 次元磁場計算を行った。Fig. 2 にダイポールコイルとアクティブシールドコイルの磁場分布、及び各磁場分布を足し合わせた結果を示す。各コイルの通電電流値は、ダイポールコイルが 217 A（正値）、アクティブシールドコイルが-249A（負値）であり、各コイルで生じる磁場の向きが部分的に相反する。その結果、アクティブシールドコイル外周において、
漏れ磁場を遮蔽することができた。ただし、ダイポールコイルの口径内において、アクティブシールドコイルの磁場分布により、ダイポール磁場が低減される。

Specification of the dipole magnet (BM07).

Dipole606954
0.09 m
0.21 m217 A

Active shield
25
3000
0.3 m
0.35 m249 A

Fig.1 Cross-section of dipole and active shield coils for arotating gantry.

謝辞
本研究を進めるにあたり、貴重な助言を頂いた株式会社
東芝エネルギーシステムズの折笠朝文氏と高山茂貴氏に感謝致します。
参考文献
1. S. Takayama, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol. 94(2017) p.104
2. Ｔ. Obana, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol. 82(2010) p.158

Fig.2 Magnetic field distributions of dipole and active shieldcoils.

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第96回

2018年度春季低温工学・超電導学会

1P-p18

加速器 (1)・核融合 (2)ITER 超伝導マグネットシステム冷却のダイナミックシミュレーション
Dynamic Simulation of Superconducting Magnet System of ITER Tokamak
岩本 晃史, 鷹見 重幸(NIFS); 前川 龍司(ITER 機構)
IWAMOTO Akifumi，TAKAMI Shigeyuki (NIFS); MAEKAWA Ryuji (IO)
E-mail: iwamoto.akifumi@LHD.nifs.ac.jp

2．リアルタイムシミュレータの開発
大型クライオプラントのプロセス検討や運転員教育のためのシミュレータの開発をおこなっている。その用途から本シミュ
レータは実時間性を重視している。この点が他機関で開発されているシミュレータとは大きく異なる特徴となっている。石油化 学 プ ラ ン ト 用 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン ソ フ ト で あ る Visual
Modeler(VM)（株式会社オメガシミュレーション製）をベースとして使用し、クライオプラントのシミュレーションに必要な改良を加えている。VM はその用途から配管内の流体のエンタル
ピーに対して圧力変動を考慮していない。しかし SHe を対象とするクライオプラントでは圧力変動を無視することはできず、それを考慮したシミュレーションモデルの構築が必要であった。
ITER ではトロイダル磁場(TF)コイルや一次冷却系を構成する
トランスファーラインが長尺であり、それらを表現する配管モジ
ュールやケーブルインコンジット導体(CICC)モジュールを独自に開発した。そのモジュールを使い CEA-Grenoble において実施された HELIOS テストループの実験結果の再現に成功している[1]。
3．ITER マグネットシステムのモデル化
Fig. 1 に ITER クライオプラントの概略図を示す。3 台の冷凍機から供給される冷媒がクライオプラントターミナルコールド
ボックス(CTCB)において統合され、各 ACB へと分配される。
ACB の貯槽へと供給された SHe は、各被冷却体で発生した熱を回収する熱交換器を冷却し。その後、熱負荷として冷凍機へと回収される。一次冷却系では循環ポンプにより SHe を被冷却体へ供給するが、吐出側熱交換器が SHe の供給温度を一定に保つ役割を果たしている。
今回のシミュレーションでは ACB の熱交換器(HEX)、CCrc、
被冷却体：TF 構造物(ST)、CS、TF や PF/磁場補正コイル(CC)を含む一次冷却系のみをモデル化した。

よる 400 秒の定常放電を実施、後半は核発熱や渦電流損失により発生した熱負荷を回収し次の放電に向けた準備期間となっている。シミュレーションでは各被冷却体で発生が予測されている熱負荷をモデルの分割に従って割り当て、循環している SHe により回収された熱負荷が時間の経過と共に HEXで放出される様子を計算した。この計算の前提として SHe 供
給温度（熱交換器貯槽内圧力）や供給流量を定格にする制
御だけを行っており、冷凍機側への熱負荷変動を緩和する対策などは行っていない。一例として ST において発生した熱がHEX で放出される様子を Fig. 2 に示す。図中には熱交換器貯槽への定常熱侵入などを含んだ冷凍機側への熱負荷変動も同時に示している。実験開始直後はプラズマ放電毎に熱負荷の最大値が大きくなるが、その後はほぼ一定の熱負荷変動
振幅に落ち着くことが分かる。その熱負荷変動は 10kW 以上と非常に大きい。本シミュレーション結果を他のシミュレーショ
ンと比較し矛盾がないことを確認している。

Fig. 1 A simplified Process Flow Diagram (PFD) of ITER
Cryoplant.

Heat load to HEX/Cryoplant [kW]1．はじめにITER 超伝導マグネットシステムのダイナミックシミュレーショ
ンを行った。ITER トカマクは 15MA のプラズマ電流によるパルス的な放電実験が計画されているが、超伝導マグネットシステ
ムの一次冷却系は、そのプラズマ実験に伴う動的な熱負荷を受ける。シミュレーションでは補助コールドボックス（ACB）に取り付けられた熱交換器において一次冷却系から二次冷却系の冷凍機側へと伝達される熱負荷の変動について評価を行っている。プラズマ崩壊によりファーストイベント（センターソレ
ノイド(CS)コイルや垂直磁場(PF)コイルシステムの緊急減磁）が発生することが想定されているが、その大きな熱負荷変動
による冷却運転への影響が懸念されている。シミュレーション
ではその影響を軽減する方法の検討も行っている。これらはプロセスの検討だけではなく超臨界ヘリウム(SHe)循環ポンプ(CCrc)や低温圧縮機(CCmp)を含む ACB の設計にも役立っている。

Cryoplant

HEX

Time [h]Fig. 2 Heat load variations to the Cryoplant and HEX. [2]4．シミュレーション
プラズマ放電時に各被冷却体から発生する動的な熱負荷は、各 ACB の HEX から二次冷却系へと放出される。その放熱量の変動をシミュレーションにより明らかにした。プラズマ実
験は 1800 秒を一周期とし、その前半でプラズマ電流 15MA に

参考文献
1. R. Maekawa, et al.: J. Cryo. Super. Soc. Jpn., 49 (2014),
p311.
2. R. Maekawa, et al.: Cryogenics 63 (2014), p220.

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