ISSN0919−5998

2021年5月19日発行

Abstracts of CSSJ Conference, Vol.101 (2021)

第101回
2021年度春季

低温工学・超電導学会
講演概要集

2021年
5月19，20，21日
タワーホール船堀+WEB〒134-0091

主催
協賛

東京都江戸川区船堀4-1-1

公益社団法人 低温工学・超電導学会〒113 ‒ 0033 文京区本郷 6 ‒ 12 ‒ 8 パレドール本郷302号
TEL 03‒3818‒4539 FAX 03‒3818‒4573

応用物理学会、日本物理学会、日本機械学会、
日本冷凍空調学会、電気学会、日本表面真空学会

101 回

2021 年度春季低温工学・超電導学会
2021 年 5 月 19 日（水）~ 5 月 21 日（金）会場：

タワーホール船堀 +WEB
所在地：〒 134-0091 東京都江戸川区船堀 4-1-1

参加費：

正会員 * 10,000 円，賛助会員等 ** 12,000 円，学生 4,000 円，非会員（一般）20,000 円，
非会員（学生）5,000 円（概要集のみ：正会員 5,000 円，賛助会員等 5,000 円，学生 2,500 円，非会員（一般）7,000 円 ）  * 65 歳以上で所定の手続きを終えた正会員は参加費 5,000 円** 賛助会員，事業会員および協賛等団体に属する個人参加者。所属団体を証する会員証等の提示が必要

懇親会：

感染症対応のため中止

主催：

公益社団法人 低温工学・超電導学会
電話 : 03-3818-4539  Fax : 03-3818-4573

協賛：

応用物理学会，電気学会，日本物理学会，日本機械学会，日本表面真空学会，日本冷凍空調学会

交通案内：都営地下鉄新宿線船堀駅下車徒歩１分

タワーホール船堀地下の駐車スペースは限りがありますので，出来る限り公共交通機関をご利用ください。

（1）

会場配置図：タワーホール船堀

5F

WC
WC
舞台 (4F)WC

大ホール客席

A 会場

受付

WC
搬入用エレベータWC
エレベータホール

WC
管理事務所

エスカレータ

WC

4F

WC

舞台

B 会場

大ホール客席

エレベータホール

ビアレストランキリンシティ
書店
くまざわ

展示・
ポスター
会場
エレベータホール

▲

入口

面

WC

1F

駐車場（B1，B2）

▲

入

口

WC

搬入用
エレベータ

▲

搬入用
エレベータ

正

WC

エスカレータ駐車スペース

和食レストラン
つきじ 植むらC 会場

入口

エスカレータ

講演の形式：詳細は低温工学・超電導学会のホームページをご覧ください。
https://www.csj.or.jp/conference/2021s/
口頭講演：現地口頭発表会場には液晶プロジェクタが用意されます。今回発表をオンラインで配信するのに伴い，現地での発表におきましては，会場に備えつけの PC を使用していただきます。PC を持ち込んでの発表はできませんので注意してください。また口頭発表者の方にも，WEB 会場にご自身の講演ブースが用意されます。適宜発表資料をアップロードいただき，研究交流にご活用ください。
「人の見える化」
推進のため、ご自身のポートレートアップにご協力をお願いします。
※口頭発表は，すべて WEB 会場にて視聴できます。
ポスター講演：ポスター発表は現地およびオンライン上で行われますが，いずれの場合も発表資料をあらかじめWEB 会場のご自身の講演ブースにご自身でアップロードしておいてください。掲示板・オンライン
会議アプリを通して質疑応答可能です。現地発表者の方も WEB 会場でのご質問に適宜ご対応ください（オンタイムでなくて構いません）。現地会場には学会運営側でネット環境を整備いたしますので，現地に来られるご発表者の方は適宜接続ください。「人の見える化」推進のため，ご自身のポートレー
トアップにご協力をお願いします。
ポスター手短紹介：ポスターセッションの前に「ポスター手短紹介」が行われます。ポスター手短紹介もオンラインで配信いたします。あらかじめご提出いただいた 1 分以内の紹介動画を現地 A 会場，およびWEB 会場にて配信いたします。

（2）

2021 年度春季低温工学・超電導学会

セッションテーブル

A 会場

B 会場

C 会場

受付 9:30 〜
10:15 - 11:30
HTS コイル

10:15 - 11:30
RE 系・鉄系 Ic 特性

p. 1

5
月
19

10:15 - 11:30
A15 線材

p. 14

p. 25

昼食
実行委員長挨拶・ポスター手短紹介 / 展示案内 12:30 - 13:15 （A 会場，WEB 会場）
ポスターセッション I 13:15 - 14:15 （WEB 会場，一部 Poster 会場）
REBCO Ic・ひずみ特性 p. 36，核融合 (1) p. 40，数値解析・実験的評価 p. 42，低抵抗接合 (1) p. 47
特別セッション 14:30 - 16:00 （A 会場，WEB 会場）「MgB2 超電導体 20 周年記念」 p. 49

日（水）

16:15 - 17:00
MgB2

16:15 - 17:15
冷却・冷凍

17:15 - 18:00
加速器・核融合 (2)

17:30 - 18:00
デバイス

9:30 - 11:00
HTS マグネット

9:30 - 11:30
REBCO 線材作製・高 Ic 化

9:30 - 10:30
伝熱・物性

11:15 - 12:15
磁気分離 (1)11:45 - 12:15
NMR

10:45 - 12:15
バルク作製 (1)

16:15 - 18:15
HTS ケーブル

p. 19

p. 6

p. 30

p. 22

p. 52

5

p. 34

p. 62

p. 58

p. 72

p. 70

p. 76

昼食

月

ポスター手短紹介 13:15 - 13:30（A 会場，WEB 会場）

20

ポスターセッション II 13:30 - 14:30 （WEB 会場，一部 Poster 会場）
冷凍システム p. 82，熱流体 p. 84，バルク作製 (2)・着磁 (1) p. 87，REBCO 導体 p. 89，磁気分離 (2) p. 91

日特別セッション 14:45 - 15:30（A 会場，WEB 会場）「ザ・メーカー」（木）特別セッション 15:45 - 16:30（A 会場，WEB 会場）
フェロー塾「ピンチを乗り切れエンジニア」
社員総会
9:15 - 10:00
電力応用

9:30 - 10:30
バルク着磁 (2)・応用

10:15 - 12:00
遮蔽電流・交流損失

10:45 - 12:00
超電導接合

p. 94

5
月

16:45 - 17:45（A 会場）※WEB 配信は視聴のみ

p. 97

（金）

p. 118昼食

21
日

p. 11413:00 - 14:00
回転機・超電導応用

13:00 - 14:15
低抵抗接合 (2)

14:15 - 15:45
安定性・保護

14:30 - 16:00
医療用加速器

p. 104

p. 108

p. 123

p. 128※プログラムの詳細は https://csj.or.jp/conference/2021s/ をご覧ください。
※各会場とも換気のため常時窓・扉を開放しています。

（3）

特別セッション 11:15 - 12:00（C 会場，WEB 会場）「Go To 博士課程」

2021 年度春季低温工学・超電導学会 研究発表会 運営委員会
研究発表会実行委員会
委員長

谷貝

剛

上智大学

委員

高尾 智明

上智大学

中村 一也

上智大学

プログラム編成委員会（企画委員会）
委員長

伴野 信哉

学会運営担当 /  物質・材料研究機構副委員長 井上 昌陸プログラム編成担当 / 福岡工業大学

委員

岡村 崇弘

高エネルギー加速器研究機構

川越 明史

鹿児島大学

下山 淳一

青山学院大学高田

核融合科学研究所

卓

田中 秀樹

株式会社 日立製作所

日高 睦夫

産業技術総合研究所

宮城 大輔

千葉大学

宮﨑 寛史

九州大学

村上 陽之

量子科学技術研究開発機構

横山 和哉

足利大学

オブザーバー（前委員長）
古瀬 充穂

産業技術総合研究所（4）5 月 19 日（水）※一般講演の発表時間はすべて 10 分，質疑応答 5 分です。

受付開始

プログラム番号の例

9:30 〜    

2B-a10：2 日目 B 会場の午前 10 番目
3B-p05：3 日目 B 会場の午後 5 番目
※タイトル，著者，所属は講演申し込み時のものです。
5 月 19 日（水） A 会場
HTS コイル
1A-a01

10:15 - 18:15

10:15 - 11:30 座長：野口 聡

CORC 導体で構成されるコイルを対象とする数値電磁界解析における簡略化手法に関する検討------------------- 1
曽我部 友輔，髙橋 力斗，雨宮 尚之（京大）

1A-a02宇宙機搭載用高温超電導コイルの高磁気モーメント化に適したコイル補強構造------------------------------------------ 2
長崎 陽，丸山 真輝，津田 理（東北大）；船木 一幸（JAXA）

1A-a03

液体水素浸漬冷却高温超伝導コイルの性能予測手法の検討----------------------------------------------------------------------- 3
今川 信作（NIFS）；白井 康之（京大）；岩本 晃史，濱口 真司（NIFS）；原 真太郎，川崎 理香子（京大）；
津田 理，長崎 陽（東北大）；谷貝 剛（上智大）；小林 弘明（JAXA）；塩津 正博（京大）

1A-a04

液体水素浸漬高温超伝導線からの熱伝達の観察 - 装置の設計・製作 ---------------------------------------------------------- 4
岩本 晃史（NIFS）

1A-a05

アルミ押出成形用磁気加熱装置の開発 (2) − HTS マグネットの製作と試験------------------------------------------------ 5
伊東 徹也，河島 裕，緒方 康博（テラル）；福井 聡（新潟大）；古瀬 充穂（産総研）；渡辺 智則，
長屋 重夫（中部電力）
昼食

HTS ケーブル
1A-p01

11:30 - 12:30

16:15 - 18:15 座長：戸坂 泰造

低交流損失・ロバスト高温超伝導ケーブル（SCSC ケーブル）の研究開発の初期結果 (1)：概要------------------- 6
雨宮 尚之，曽我部 友輔（京大）；山野 聡士（SuperPower Inc.）；坂本 久樹（古河電工）

1A-p02低交流損失・ロバスト高温超伝導ケーブル（SCSC ケーブル）の研究開発の初期結果 (2)：多様な銅複合多芯薄膜線材の結合時定数測定------------------------------------------------------------------------------------------- 7
王 寧，高橋 明，陳 妙鑫，曽我部 友輔，雨宮 尚之（京大）

1A-p03低交流損失・ロバスト高温超伝導ケーブル（SCSC ケーブル）の研究開発の初期結果 (3)：多様な銅複合多芯薄膜線材の磁化損失測定---------------------------------------------------------------------------------------------- 8
重政 茉於，陳 妙鑫，曽我部 友輔，雨宮 尚之（京大）

1A-p04低交流損失・ロバスト高温超伝導ケーブル（SCSC ケーブル）の研究開発の初期結果 (4)：スパイラル銅複合多芯薄膜線材の磁化損失測定--------------------------------------------------------------------------------------- 9
雨宮 尚之，重政 茉於，陳 妙鑫，曽我部 友輔（京大）

1A-p05低交流損失・ロバスト高温超伝導ケーブル（SCSC ケーブル）の研究開発の初期結果 (5)：
銅複合多芯薄膜線材の電圧−電流特性の測定−銅層を介した局所的低 Ic 部を迂回する電流分流−------------ 10
趙 一帆，羅 熙捷，曽我部 友輔，雨宮 尚之（京大）

1A-p06低交流損失・ロバスト高温超伝導ケーブル（SCSC ケーブル）の研究開発の初期結果 (6)：銅複合多芯薄膜線材と銅複合単芯薄膜線材の幅方向一様熱擾乱に対する保護特性の比較--------------------------- 11
趙 一帆，羅 熙捷，曽我部 友輔，雨宮 尚之（京大）

1A-p07低交流損失・ロバスト高温超伝導ケーブル（SCSC ケーブル）の研究開発の初期結果 (7)：スパイラル導体のコアがクエンチ保護に与える影響------------------------------------------------------------------------------- 12
羅 煕捷，趙 一帆，平野 貴之，曽我部 友輔，雨宮 尚之（京大）

1A-p08低交流損失・ロバスト高温超伝導ケーブル（SCSC ケーブル）の研究開発の初期結果 (8)：SCSC ケーブルを対象とした大規模数値電磁界解析技術の構築---------------------------------------------------------------- 13（5）

曽我部 友輔，八鳥 孝志，雨宮 尚之（京大）
5 月 19 日（水） B 会場
RE 系・鉄系 I c 特性
1B-a01

10:15 - 18:00

10:15 - 11:30 座長：松本 明善

TFA-MOD 法で作製された REBCO 線材の臨界電流密度分布と組織分布の関係------------------------------------------ 14
酒井 秀哉，井上 昌睦（福岡工大）；寺西 亮（九大）

1B-a02多結晶材料における超伝導電流輸送モデリングの検討---------------------------------------------------------------------------- 15
浅井 俊樹，小原 拓也，山本 明保（東京農工大）

1B-a03パルス電流を用いた高温超伝導線材における臨界電流測定--------------------------------------------------------------------- 16
土屋 雄司（名大）；水野 謙一郎（鈴木商館）；坂井 厳，吉田 隆（名大）1B-a04

K ドープ Ba-122 メートル級テープ線材の極低温・磁界下における連続局所 I c 評価---------------------------------- 17
呉 澤宇，木須 隆暢，東川 甲平（九大）；DONG Chiheng，WANG Dongliang，ZHANG Xianping，
MA Yanwei（IEE-CAS）

1B-a05

CaF2 最表面中間層金属基板を用いた Fe(Se,Te) コート線材の強磁場臨界電流測定および磁束ピンニング機構の考察------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 18
岡田 達典，滝澤 和輝，淡路 智（東北大）；鍋島 冬樹，色摩 直樹，前田 京剛（東大）；中岡 晃一，
和泉 輝郎（産総研）；一瀬 中（電中研）
昼食

11:30 - 12:30

MgB2 16:15 - 17:00 座長：児玉 一宗
1B-p01

工業化 MgB2 線材の超電導・機械特性の微細組織依存性------------------------------------------------------------------------- 19
長村 光造（応用科学研）；小黒 英俊（東海大）；町屋 修太郎（大同大）；菱沼 良光（NIFS）；
谷口 博康（大阪合金）

1B-p02部分拡散 ex-situ 法 MgB2 バルクにおける圧延工程追加効果-------------------------------------------------------------------- 20
小池 亘，元木 貴則，下山 淳一（青学大）

1B-p03

大容量撚り線導体に適用する MgB2 線材の製造方法と機械特性の相関----------------------------------------------------- 21
谷貝 剛，高橋 雅史（上智大）；駒込 敏弘（前川）；槙田 康博，新冨 孝和（KEK）；平野 直樹（NIFS）；
濱島 高太郎（東北大）
休憩

加速器・核融合 (2)1B-p0417:00 - 17:15

17:15 - 18:00 座長：小野寺 優太

COMET 超伝導磁石システムの建設状況------------------------------------------------------------------------------------------------ 22
角 直幸，吉田 誠，飯尾 雅実，佐々木 憲一，槙田 康博，岡村 崇弘，大畠 洋克，大中 政弥，
黒澤 宣之，深尾 祥紀，三原 智（KEK）

1B-p05

JT-60SA 超電導コイルの運転結果--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 23
村上 陽之，土屋 勝彦，夏目 恭平，福井 良磨，薄井 勝富，大西 祥広，河野 勝己，濱田 一弥（量研機構）

1B-p06

放射線環境に適合した ､ 複合材料設計のための基礎的研究--------------------------------------------------------------------- 24
平井 正明，西嶋 茂宏（福井工大）；戸田 良彦（有沢製作所）

5 月 19 日（水） C 会場

10:15 - 18:00

A15 線材

10:15 - 11:30 座長：杉本 昌弘

1C-a01

Nb3Al 線材のべき乗則を用いたひずみ効果の考察----------------------------------------------------------------------------------- 25
涌谷 佑太郎，野呂 将太，小黒 英俊（東海大）；菊池 章弘（NIMS）；淡路 智（東北大）

1C-a02

ブロンズ法 Nb3Sn 超極細線超伝導線及び撚線---------------------------------------------------------------------------------------- 26（6）

菊池 章弘，飯嶋 安男（NIMS）；山本 優，河野 雅俊，木村 基良（明興双葉）；永松 純，
大坪 正人（由紀精密）；谷口 博康，水田 泰次，水田 泰成（大阪合金）
1C-a03

Nb 合金母材組織と Nb3Sn 生成層結晶組織の関係----------------------------------------------------------------------------------- 27
伴野 信哉（NIMS）；森田 太郎，谷貝 剛（上智大）；二森 茂樹（NIMS）

1C-a04

Nb3Sn 線材における Sn 拡散挙動への Ta と Hf 添加の効果---------------------------------------------------------------------- 28
村河 広樹，肥村  康治，永澤  諒紀，小黒 英俊（東海大）；伴野 信哉（NIMS）

1C-a05

Nb/Cu/Sn 拡散対における Nb3Sn 微細組織と超伝導特性の Ti 添加方法の影響------------------------------------------ 29
森田 太郎，谷貝 剛（上智大）；伴野 信哉（NIMS）
昼食

冷却・冷凍
1C-p01

11:30 - 12:30

16:15 - 17:15 座長：仲井 浩孝

可撓型冷媒管兼用電流リードの可撓部モデル----------------------------------------------------------------------------------------- 30
星野 勉，藤﨑 正貴（明星大）

1C-p02

１D-CAE を用いた冷凍機冷却超電導磁石の熱設計---------------------------------------------------------------------------------- 31
上野 航生，酒井 康幸，栗山 透，高橋 政彦，宮崎 寛史，折笠 朝文（東芝エネルギーシステムズ）

1C-p03磁気遮蔽方式による磁気冷凍の可能性に関する研究  — YBCO バルク体の磁気遮蔽能力評価 — ---------------- 32
平野 直樹，小野寺 優太，三戸 利行（NIFS）；岡崎 陽大，野口 正純，岡村 哲至（東工大）

1C-p04

FIREX プロジェクト用クライオターゲットへの修正赤外線加熱法の適用------------------------------------------------- 33
岩野 圭介（阪大レーザー研）；岩本 晃史（NIFS）；山ノ井 航平，有川 安信，長友 英夫，中井 光男，
乗松 孝好（阪大レーザー研）
休憩

17:15 - 17:30

デバイス

17:30 - 18:00 座長：日高 睦夫

1C-p05小型化されたデコーダとメモリセルによる拡張可能な超伝導ランダムアクセスメモリ------------------------------ 34
山梨 裕希，浅田 峻汰，細谷 岳哉，吉川 信行（横浜国大）

1C-p06

斜め磁場中の十字形ジョセフソン接合における特異な臨界電流特性 (II)--------------------------------------------------- 35
馬渡 康徳（産総研）

実行委員長挨拶・ポスター手短紹介 / 展示案内

12:30 - 13:15 （A 会場，WEB 会場）

5 月 19 日（水） ポスターセッション I WEB 会場，一部 Poster 会場 13:15 - 14:15
REBCO I c・ひずみ特性
1P-p01

13:15 - 14:15 座長：田中 秀樹

高電界における REBa2Cu3Oy 線材の特性測定に向けた大電流通電試験装置の開発------------------------------------ 36
坂井 厳，土屋 雄司，吉田 隆（名大）；水野 謙一郎（鈴木商館）

1P-p02

引張り環境下における REBCO coated conductor の臨界電流の磁場角度依存性----------------------------------------- 37
石塚 仁人，小黒 英俊（東海大）

1P-p03REBCO coated conductor の臨界電流の磁場角度依存性に与えるひずみ効果 -------------------------------------------- 38
栗原 佑太，渡邊 宇宙，小黒 英俊（東海大）

1P-p04REBCO 線材の高電界下における電流輸送特性評価--------------------------------------------------------------------------------- 39
田中 祥貴，井上 昌睦（福岡工大）；岩熊 成卓（九大）

核融合 (1)
1P-p05

13:15 - 14:15 座長：伊藤 悟
機械学習による核融合用超伝導マグネットシステムの状態予測に関する検討------------------------------------------- 40
尾花 哲浩（NIFS）（7）

1P-p06

大電流 HTS 導体（FAIR 導体）における端部製作と接触抵抗評価------------------------------------------------------------ 41
小野寺 優太，三戸 利行，平野 直樹，馬場 智澄（NIFS）；川並 良造（川並鉄工）

数値解析・実験的評価
1P-p07

13:15 - 14:15 座長：花井 哲

銅メッキおよび細線化を施した REBCO 線材を巻線したパンケーキコイルにおける結合電流による不整磁場の低減法--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 42
村上 将吾，石崎 比奈子，下之園 友梨，石山 敦士（早大）；植田 浩史（岡山大）；野口 聡（北大）

1P-p08REBCO コイルにおける励消磁の遮蔽電流による不均一電磁応力解析------------------------------------------------------- 43
内藤 敬介，井上 良太，金 錫範，植田 浩史（岡山大）

1P-p09無絶縁高温超電導コイルの巻線間接触抵抗測定に関する検討------------------------------------------------------------------ 44
宮本 康平，小林 大剛，井上 良太，植田 浩史，金 錫範（岡山大）；野口 聡（北大）

1P-p10多芯超伝導線の結合時定数測定装置の構築-------------------------------------------------------------------------------------------- 45
雨宮 尚之（京大）；門馬 修一（テクノ電気工業）；平井 正明（有沢製作所）

1P-p11

柔軟性極細 Nb3Al 超電導線材の臨界特性と交流通電損失に関する検討---------------------------------------------------- 46
福田 響，木村 諒，井上 良太，植田 浩史，金 錫範（岡山大）；菊池 章弘，飯嶋 安男（NIMS）

低抵抗接合 (1)

13:15 - 14:15 座長：筑本 知子

1P-p12

FEM を用いた超伝導線材の接触抵抗の分布と角度を考慮した臨界電流特性の評価----------------------------------- 47

1P-p13

超電導き電ケーブルの線材接合部の検討----------------------------------------------------------------------------------------------- 48

鐘 宇軒，小田部 荘司，赤坂 友幸（九工大）；石原 篤，富田 優（鉄道総研）；安谷 葵（九工大）
赤坂 友幸，石原 篤，恩地 太紀，小林 祐介，荒井 有気，鈴木 賢次，福本 祐介，富田 優（鉄道総研）
特別セッション「MgB2 超電導体 20 周年記念」 14:30 - 16:00 座長：下山 淳一 （A 会場，WEB 会場）
1S-p01

高い T c を持つ超伝導体を目指して − MgB2 超伝導発見 20 周年を迎えて −-------------------------------------------- 49
秋光 純（岡山大）

1S-p02A historical episode on development of MgB2 materials and current status of its application（仮題）
GRASSO Giovanni（ASG Superconductors）

1S-p03

MgB2 超電導線材の高 J c 化 − 臨界電流特性に影響を及ぼす諸因子について −----------------------------------------- 50
熊倉 浩明（NIMS）

1S-p04

MgB2 超電導体発見 20 周年における MgB2 応用機器の開発状況------------------------------------------------------------- 51
田中 秀樹，児玉 一宗，鈴木 孝明，小瀧 博司，藤田 晋士，一木 洋太，青木 学，古賀 智之，
渡邊 洋之（日立）；西島 元，松本 明善（NIMS）；山本 明（KEK）；田中 博美，岩佐 幸和（MIT）

5 月 20 日（木） A 会場
HTS マグネット
2A-a01

9:30 - 17:45

9:30 - 11:00 座長：淡路 智

導電性樹脂によるコイル保護機能を備えた高温超電導 MRI マグネット (1) − 設計、試作 − -------------------- 52
岩井 貞憲，宇都 達郎，宮﨑 寛史，草野 貴史（東芝エネルギーシステムズ）；石井 宏尚（東芝）；
伊藤 智庸，野村 俊自（東芝エネルギーシステムズ）

2A-a02導電性樹脂によるコイル保護機能を備えた高温超電導 MRI マグネット (2) − 励磁試験結果 − ----------------- 53
宇都 達郎，岩井 貞憲，宮﨑 寛史，草野 貴史（東芝エネルギーシステムズ）；石井 宏尚（東芝）；
伊藤 智庸，野村 俊自（東芝エネルギーシステムズ）

2A-a03

無絶縁 REBCO コイルにおける熱的安定性と励磁遅れ時間を考慮した層間電気抵抗の決定法--------------------- 54
坂本 幸輝，津吉 杏佳，根本 羽衣，北村 真由，石山 敦士（早大）；野口 聡（北大）

2A-a04

無絶縁 REBCO パンケーキコイルにおける銅安定化層の層厚と層間電気抵抗値が熱的安定性にもたらす影響評価--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 55
長渕 大河，根本 羽衣，北村 真由，石山 敦士（早大）（8）

2A-a05

積層した無絶縁 REBCO コイルにおけるピックアップコイルを用いた局所劣化の検出------------------------------- 56
結城 拓真，白井 航大，村上 将吾，石山 敦士（早大）

2A-a06複数の特性劣化部分と層間接触不良を有する無絶縁 REBCO コイルの安定性評価-------------------------------------- 57
濱田 一希，北村 真由，津吉 杏佳，根本 羽衣，石山 敦士（早大）；野口 聡（北大）
休憩

磁気分離 (1)
2A-a07

11:00 - 11:15

11:15 - 12:15 座長：秋山 庸子

磁気分離を活用した新たな生物学的水処理技術のマッピング------------------------------------------------------------------ 58
酒井 保藏，荷方 稔之（宇都宮大）；SAHA Mihir Lal（Dhaka 大）

2A-a08

磁気力による高速固液分離を生かした磁化メタン発酵法による低濃度 BOD 排水の浄化処理---------------------- 59
徐 毅，酒井 保藏，荷方 稔之，六本木 美紀（宇都宮大）

2A-a09磁気分離を利用した無加温磁化メタン発酵を活用した創エネルギー排水処理の提案--------------------------------- 60
齊藤 翼，和久井 結太，酒井 保藏，荷方 稔之，六本木 美紀（宇都宮大）

2A-a10

漬物工場排水処理への磁化活性汚泥法適用を目的とするベンチ / パイロットスケール試験----------------------- 61
小笹 峻諒，直井 裕哉，大島 瑛美，酒井 保藏，荷方 稔之，六本木 美紀（宇都宮大）

5 月 20 日（木） B 会場

9:30 - 12:15

REBCO 線材作製・高 I c 化

9:30 - 11:30 座長：藤田 真司

2B-a01

銅酸化物超伝導多結晶材料における強いオーバードープ状態------------------------------------------------------------------ 62
下山 淳一，宮本 能伸，元木 貴則（青学大）

2B-a02フッ素フリー MOD 法 RE123 薄膜への微小析出物導入による高 J c 化------------------------------------------------------ 63
小澤 美弥子，金泉 莉大，瀬川 雄大，元木 貴則，小口 有希，下山 淳一（青学大）

2B-a03

高 J c  YBCO 薄膜の自己磁界における J c(T) 特性と磁束ピン止め--------------------------------------------------------------- 64
山崎 裕文（元産総研）

2B-a04超伝導線材を用いた磁気浮上工具の 有限要素法による電磁界解析---------------------------------------------------------- 65
岩崎 慎也，木下 雄士，小田部 荘司，中﨑 達也，鈴木 恵友（九工大）

2B-a05低コスト線材に向けた YBCO/LaNiO3 積層構造における LaNiO3 層の抵抗率評価--------------------------------------- 66

2B-a06

レーザー細線フィラメントを用いた REBCO 多芯線材の開発------------------------------------------------------------------- 67

舩木 修平，長瀬 侑弥，山田 容士（島根大）；土井 俊哉（京大）
伴野 信哉（NIMS）；植本 成実，中村 一也，高尾 智明（上智大）；町 敬人，衣斐 顕，
和泉 輝郎（産総研）
2B-a07

結晶配向性の異なる REBa2Cu3Oy 線材の酸素アニール中抵抗率測定による酸素拡散速度の検討------------------ 68
伊東 智寛，坂井 佑輔，土屋 雄司（名大）；一野 祐亮（愛工大）；吉田 隆（名大）2B-a08

基板自己抵抗加熱方式を用いて作製した BaHfO3 添加 YBa2Cu3Oy 線材における磁束ピンニング特性---------- 69
山村 太貴，土屋 雄司（名大）；一野 祐亮（愛工大）；吉田 隆（名大）；一瀬 中（電中研）
休憩

NMR

11:30 - 11:45

11:45 - 12:15 座長：横山 彰一

2B-a09遺伝的アルゴリズムによる最適化アンテナの性能評価：基板型 HTS アンテナによる次世代極低温固体 NMR プローブの開発------------------------------------------------------------------------------------------------ 70
TRITRAKARN Techit，岩佐 崇，岡村 哲至（東工大）；高橋 雅人（理研）；小田 翔平，
齊藤 敦（山形大）；山田 和彦（高知大）2B-a10円筒状 MgB2 超伝導バルク磁石を用いた 1H NMR 信号の検出----------------------------------------------------------------- 71
髙橋 裕平，内藤 智之（岩手大）；仲村 髙志，高橋 雅人（理研）（9）

5 月 20 日（木） C 会場
伝熱・物性
2C-a01

9:30 - 12:15

9:30 - 10:30 座長：岩本 晃史

過熱液体の突沸現象を応用した高温超伝導機器の局所温度上昇検出〜異常箇所の同定------------------------------ 72
高畑 一也（NIFS）

2C-a02

多孔質被覆面を用いた自然対流沸騰熱伝達の促進に関する研究-------------------------------------------------------------- 73
堀井 進，廣谷 俊樹，大久保 英敏，安喰 春華（玉川大）；池内 正充，大野 隆介（前川）2C-a03単結晶 RAl2 (R = Gd, Er) の磁気熱量効果、熱膨張・磁歪------------------------------------------------------------------------- 74
LOPATINA Anastasia，二塚 和美，熊澤 直哉，小松 俊介，松本 宏一，大橋 政司（金沢大）2C-a04

多結晶希土類ラーベース化合物の磁気熱量効果と輸送特性の研究----------------------------------------------------------- 75
竹屋 浩幸，山本 貴史，齋藤 明子，沼澤 健則（NIMS）；渡辺  翔太，二塚 和美，熊澤 直哉，小松 俊介，
LOPATINA Anastasia，松本 宏一（金沢大）休憩

バルク作製 (1)2C-a05

10:30 - 10:45

10:45 - 12:15 座長：寺尾 悠

SDMG 法による捕捉磁場の均一性に優れた all c-growth RE123 溶融凝固バルクの育成----------------------------- 76
笹田 廉陛，元木 貴則，富久 琢磨，三輪 将也，下山 淳一（青学大）

2C-a06

Single-Direction Melt Growth 法による REBCO 溶融凝固バルクの結晶成長機構と超伝導特性--------------------- 77
元木 貴則，笹田 廉陛，富久 琢磨（青学大）；中村 新一（TEP）；下山 淳一（青学大）

2C-a07

Mg 気相輸送 (MVT) 法により作製した MgB2 バルクの超伝導特性と Premix 条件依存性---------------------------- 78
田中 里佳，山本 明保（東京農工大）

2C-a08Spark plasma sintering 法による Ba(Fe0.92Co0.08)2As2 バルク作製と超伝導特性の評価--------------------------------- 79
箱石 裕人，仲川 晃平，内藤 智之（岩手大）

2C-a09

Co ドープ Ba122 多結晶バルクの臨界電流特性における放電プラズマ焼結条件依存性------------------------------ 80
長谷川 友大，藤井 陸太，德田 進之介，山本 明保（東京農工大）2C-a10ex-situ SPS 法で作製した Nb3Sn 超伝導バルク体の磁束ピン止め特性------------------------------------------------------- 81
小山田 拓真，天瀬 洸太，内藤 智之（岩手大）
昼食

ポスター手短紹介

12:15 - 13:15

13:15 - 13:30（A 会場，WEB 会場）

5 月 20 日（木） ポスターセッション II WEB 会場，一部 Poster 会場 13:30 - 14:30
冷凍システム 13:30 - 14:30
2P-p01

座長：高畑 一也

室温磁気冷凍システムを利用した冷蔵庫の扉開閉時の 熱交換器の挙動に関する研究-------------------------------- 82
安部 勇汰，岡村 哲至（東工大）；裵 相哲（サンデン AT）

2P-p02高温超電導コイルの循環冷却システムに関する研究------------------------------------------------------------------------------- 83
野口 正純，岡村 哲至，岡﨑 陽大，高澤 拓海（東工大）；平野 直樹（NIFS）

熱流体 13:30 - 14:30
2P-p03

座長：岡村 哲至

加圧液体水素の減圧時における蒸発特性に関する研究---------------------------------------------------------------------------- 84
前川 一真，中山 郁夢，永廣 衛，武田 実（神戸大）

2P-p04海上輸送時における液体水素タンクを対象とした熱流体解析------------------------------------------------------------------ 85
前川 一真，岩佐 太陽，知念 健太，武田 実（神戸大）

2P-p05極低温液体の貯蔵・輸送に関する数値シミュレーション------------------------------------------------------------------------ 86
知念 健太，前川 一真，岩佐 太陽，武田 実（神戸大）（ 10 ）

バルク作製 (2)・着磁 (1) 13:30 - 14:30
2P-p06

座長：内藤 智之

MgB2 超電導バルク体の磁化特性評価---------------------------------------------------------------------------------------------------- 87
恩地 太紀（鉄道総研），赤坂 友幸，石原 篤，福本 祐介，富田 優（鉄道総研）

2P-p07REBCO バルク体のパルス着磁における軟鉄ヨークに厚みが捕捉磁場特性に及ぼす影響----------------------------- 88
横山 和哉（足利大）；岡 徹雄（芝浦工大）

REBCO 導体 13:30 - 14:30
2P-p08

座長：井上 昌睦BaHfO3 添加 YBa2Cu3Oy 線材の 縦磁場中超伝導特性及び導体作製----------------------------------------------------------- 89
吉田 隆，日比野 拓，土屋 雄司（名大）；木内 勝（九工大）；高橋 誠，田橋 正浩（中部大）；
一瀬 中（電中研）；一野 祐亮（愛工大）

2P-p09

磁場中における高温超電導 WISE 導体の特性----------------------------------------------------------------------------------------- 90
成嶋 吉朗，松永 信之介，寺﨑 義朗，柳 長門，宮澤 順一（NIFS）

磁気分離 (2) 13:30 - 14:30

座長：三島 史人

2P-p10 （取り消し）
2P-p11

磁気分離法を用いたマイクロプラスチックファイバーの分離に関する基礎的研究------------------------------------ 91
藤井 里至，秋山 庸子，真鍋 勇一郎，佐藤 文信（阪大）

2P-p12

余剰汚泥の熱分解を併用する磁化活性汚泥法による高負荷運転への対応------------------------------------------------- 92
上原 賢宣，酒井 保藏，福田 芳樹，荷方 稔之，六本木 美紀（宇都宮大）

2P-p13磁気力を用いた流出油の回収に関する基礎的研究---------------------------------------------------------------------------------- 93
齊藤 晃大，佐藤 文信，秋山 庸子，真鍋 勇一郎（阪大）
休憩

14:30 - 14:45

特別セッション 14:45 - 15:30 （A 会場，WEB 会場）「ザ・メーカー」（企画委員会）
住友重機械工業（松井 孝聡）
東芝エネルギーシステムズ（根塚 隼人）
大陽日酸（青沼 快）
三菱電機（葛西 裕磨，三浦 英明）
休憩

15:30 - 15:45

特別セッション 15:45 - 16:30 （A 会場，WEB 会場）
フェロー塾「ピンチを乗り切れエンジニア」（基盤強化委員会）
山田 忠利（マグネットテクノロジー）
社員総会
5 月 21 日（金） A 会場

9:15 - 15:45

電力応用 9:15 - 10:00

座長：小川 純

3A-a01

16:45 - 17:45 （A 会場）※WEB 配信は視聴のみ

超伝導ケーブルの熱応力緩和法 − ヘリカル変形法-------------------------------------------------------------------------------- 94
山口 作太郎，岩田 暢祐，芳村 幸治，IVANOV Yury，高野 廣久（中部大）

3A-a02

Coated conductor と Bi2223 を用いた積層導体の並列運転時の臨界電流------------------------------------------------- 95
神田 昌枝，川合 修平，岩田 暢祐，山口 作太郎（中部大）（ 11 ）

3A-a03

非接触給電システム用 HTS コイルの高エネルギー密度化および低損失化のための基本構造に関する検討------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 96
井上 良太，植田 浩史，金 錫範（岡山大）
休憩

遮蔽電流・交流損失
3A-a04

10:15 - 12:00

10:00 - 10:15

座長：柳澤 吉紀

新しい REBCO マグネットの遮蔽電流解析手法の提案----------------------------------------------------------------------------- 97
野口 聡（北大）；HAHN Seungyong（Seoul 大）3A-a05

励磁時における REBCO パンケーキコイル形状変形による遮蔽電流への影響-------------------------------------------- 98
野口 聡（北大）；HAHN Seungyong（Seoul 大）3A-a06高温超電導スケルトンサイクロトロンにおける REBCO 線材の細線化による遮蔽電流磁場低減の検討-------- 99
糸日谷 浩平，白井 航大，石山 敦士（早大）；植田 浩史（岡山大）；野口 聡（北大）；渡部 智則，
長屋 重夫（中部電力）；福田 光宏（阪大）

3A-a07

無絶縁 REBCO コイルシステムにおける励磁遅れを考慮した遮蔽電流磁場の低減法-------------------------------- 100
小久保 早希，村上 将吾，石山 敦士（早大）；植田 浩史（岡山大）：野口 聡（北大）

3A-a08SMES 用間接冷却 MgB2 コイルの交流損失評価------------------------------------------------------------------------------------ 101
駒込 敏弘（前川）；新冨 孝和，槇田 康博（KEK）；谷貝 剛（上智大）；濱島 高太郎（東北大）

3A-a09REBCO スプリット線とコイルにおける臨界電流の改善と交流磁化損失の評価---------------------------------------- 102
金沢 新哲，関根 ちひろ（室蘭工大）；山口 高史，永石 竜起（住友電工）

3A-a10

2 枚バンドル導体を巻いた小型 HTS コイルの交流損失測定------------------------------------------------------------------ 103
柁川 一弘（山理大）；朱 博餡（九大）；淡路 智，BADEL Arnaud，高橋 弘紀，岡田 達典，
阿部 徹（東北大）；藤田 真司，武藤 翔吾，土屋 光輝，飯島 康裕，大保 雅載（フジクラ）
昼食

回転機・超電導応用

13:00 - 14:00

12:00 - 13:00

座長：三浦 峻3A-p01電動航空機への適用を想定した 3 MW 級全高温超伝導誘導電動機の電気設計及び特性解析-------------------- 104

3A-p0250kW 級全高温超伝導誘導同期電動機の固定子巻線の開発及び交流損失評価----------------------------------------- 105

福井 聡，根津 太貴，中野 真聖，武田 大樹，小川 純（新潟大）
福井 聡，齊藤 亮，富井 慶太，髙橋 京祐，小川 純（新潟大）；古瀬 充穂（産総研）；中村 武恒（京大）
3A-p03超電導電力貯蔵装置への応用を想定した無絶縁 REBCO 集合導体コイルの特性評価-------------------------------- 106
宮本 祐，石山 敦士（早大）

3A-p04

ポーラス安定化材への電流転流による抵抗型超伝導限流器用 REBCO 線材の復帰性能向上---------------------- 107
結城 光平，伊藤 悟，橋爪 秀利（東北大）
休憩

安定性・保護 14:15 - 15:45
3A-p0514:00 - 14:15

座長：王 旭東

さまざまな種類の無絶縁巻線技術を用いた REBCO マグネットの熱安定性比較--------------------------------------- 108
間藤 昂允，野口 聡（北大）；石山 敦士（早大）

3A-p06

複数枚バンドル REBCO パンケーキコイルの安定性向上に関する検討---------------------------------------------------- 109
小髙 一真，野口 聡（北大）

3A-p07並列高温超電導導体を用いた無絶縁コイルの電磁現象に関する基礎的検討-------------------------------------------- 110
仲田 悠馬，武中 幹人，早乙女 英夫，宮城 大輔（千葉大）；長崎 陽，津田 理（東北大）

3A-p08intra-Layer No-Insulation（LNI）REBCO コイルの 31 T 磁場中クエンチの数値解析-------------------------------- 111（ 12 ）

末富 佑（千葉大）；高橋 俊二，吉田 大佐，高尾 智明（上智大）；西島 元，北口 仁（NIMS）；
三好 康之，濱田 衛，斉藤 一功（JASTEC）；朴 任中，武田 泰明（理研）；前田 秀明（科学技術振興機構）；
柳澤 吉紀（理研）
3A-p09

局所欠陥を含む共巻き REBCO コイルにおける電磁特性----------------------------------------------------------------------- 112
阿部 徹，BADEL Arnaud，岡田 達典，淡路 智（東北大）；藤田 真司，土屋 光揮，飯島 康裕，
大保 雅載（フジクラ）

3A-p10導電性マイクロパスを設けた REBCO 高温超伝導線材の作製----------------------------------------------------------------- 113
吉田 隆，山田 寛之，土屋 雄司（名大）；三戸 利行，小野寺 優太，平野 直樹（NIFS）

3A-p11 （取り消し）5 月 21 日（金） B 会場

9:30 - 16:00

バルク着磁 (2)・応用 9:30 - 10:30
3B-a01

座長：元木 貴則

内径拡大させた中空円筒型 REBaCuO 超伝導バルク体のパルス着磁特性------------------------------------------------ 114
新田 基己，藤代 博之，内藤 智之（岩手大）

3B-a02

無酸素銅板 /MgB2 超伝導バルク積層のパルス着磁における無酸素銅の効果------------------------------------------- 115
吉田 智貴，内藤 智之（岩手大）

3B-a03

リング状積層超電導体の電磁特性------------------------------------------------------------------------------------------------------- 116
寺尾 悠，淵野 修一郎，大崎 博之（東大）

3B-a04YBa2Cu3Oy 粉末を利用した磁場シールド材の開発-------------------------------------------------------------------------------- 117
寺西 亮，田丸 隼也，佐藤 幸生，金子 賢治，岩熊 成卓（九大）
休憩

超電導接合 10:45 - 12:00
3B-a05

10:30 - 10:45

座長：小林 祐介

Bi2223 線材間超伝導接合における微細組織制御と後熱処理効果----------------------------------------------------------- 118
中井 優亨，元木 貴則，下山 淳一（青学大）；武田 泰明，柳澤 吉紀（理研）；末富 佑（千葉大）；
中島 隆芳，山出 哲（住友電工）

3B-a06永久電流 400 MHz (9.39 T) LTS/Bi2223 NMR の開発 − Bi2223 内層コイルの 4 K 単体試験特性 −------- 119
武田 泰明（理研）；末富 佑（千葉大）；中井 優亨（青学大）；松竹 優一，谷貝 剛（上智大）；
朴 任中，柳澤 吉紀（理研）；元木 貴則，下山 淳一（青学大）；濱田 衞，斉藤 一功（JASTEC）

3B-a07REBCO 線材超伝導接合の磁場中接合抵抗評価 ------------------------------------------------------------------------------------ 120
小林 賢介（NIMS）；大木 康太郎，永石 竜起（住友電工）；内田 公，西島 元，北口 仁（NIMS）

3B-a08

マルチスポット加熱装置を使用した Bi2223 線材間の超伝導接合---------------------------------------------------------- 121
金沢 新哲（室蘭工大）

3B-a09高分解能 X 線 CT を用いた超伝導線材接合部の非破壊評価 (2)-------------------------------------------------------------- 122
井上 昌睦，太田 真揮人（福岡工大）；寺西 亮（九大）
昼食

低抵抗接合 (2) 13:00 - 14:15
3B-p01

12:00 - 13:00

座長：土井 俊哉

高温超伝導ケーブルに適用するインジウム低温熱処理機械的接合の初期検討----------------------------------------- 123
伊藤 悟，APARICIO Luis，阿竹 洋輔，結城 光平，橋爪 秀利（東北大）；恩地 太紀，赤坂 友幸，
石原 篤，富田 優（鉄道総研）

3B-p02

コンタクトプローブ CTL 法を用いた磁場中における REBCO 線材内部層間抵抗の評価---------------------------- 124
阿竹 洋輔，伊藤 悟，高橋 弘紀，橋爪 秀利（東北大）

3B-p03送電ケーブル応用を目指した REBCO 線材の低抵抗接続法の基礎検討---------------------------------------------------- 125（ 13 ）

筑本 知子（中部大）
3B-p04低抵抗接続のための可搬型超音波接合機の開発----------------------------------------------------------------------------------- 126
松本 明善，目黒 奨，中村 照美（NIMS）；佐々木 朋裕（新潟大）；惣門 理，藤井 博道（超音波工業）；
北口 仁（NIMS）

3B-p05音波振動による高温超伝導 CC 線材の半田フリー低抵抗接合 (2)：曲げ特性------------------------------------------- 127
木須 隆暢，楊 明旭，鈴木 賢次，張 佩宏，川崎 啓太，東川 甲平（九大）；佐藤 茂（ULTEX）
休憩

医療用加速器 14:30 - 16:00

14:15 - 14:30

座長：柁川 一弘

3B-p06 「スケルトン・サイクロトロン」用 REBCO コイルシステムの開発（その１）：全体概要-------------------------- 128
石山 敦士（早大）；野口 聡（北大）；植田 浩史（岡山大）；渡部 智則，長屋 重夫（中部電力）；
福田 光宏（阪大）；鷲尾 方一（早大）；東 達也（放医研）
3B-p07 「スケルトン・サイクロトロン」用 REBCO コイルシステムの開発（その２）：
YOROI 補強を施した無絶縁非円形 REBCO パンケーキコイルの機械強度評価試験----------------------------------- 129
渡部 智則（中部電力）；野口 聡（北大）；植田 浩史（岡山大）；長屋 重夫（中部電力）；
西島 元（NIMS）；石山 敦士（早大）；福田 光宏（阪大）
3B-p08 「スケルトン・サイクロトロン」用 REBCO コイルシステムの開発（その３）：
YOROI 補強を施した無絶縁非円形 REBCO パンケーキコイルの機械強度の解析・評価---------------------------- 130
仲井 悠貴，三宅 雄大，井上 良太，金 錫範，植田 浩史（岡山大）；渡部 智則（中部電力）；
野口 聡（北大）；長屋 重夫（中部電力）；石山 敦士（早大）；福田 光宏（阪大）
3B-p09 「スケルトン・サイクロトロン」用 REBCO コイルシステムの開発（その４）：
出力エネルギー変化時の遮蔽電流磁場の低減法----------------------------------------------------------------------------------- 131
日比 祐太（早大）；植田 浩史（岡山大）；野口 聡（北大）；石山 敦士（早大）；福田 光宏（阪大）
3B-p10 「スケルトン・サイクロトロン」用 REBCO コイルシステムの開発（その５）：
鉄シールド付きコイルシステムの設計------------------------------------------------------------------------------------------------ 132
野口 聡（北大）；植田 浩史（岡山大）；渡部 智則，長屋 重夫（中部電力）；石山 敦士（早大）；
福田 光宏（阪大）
3B-p11 「スケルトン・サイクロトロン」用 REBCO コイルシステムの開発（その６）：
REBCO 線材の優れた特性を活かすコイル化技術の検討------------------------------------------------------------------------ 133
石山 敦士（早大）；野口 聡（北大）；植田 浩史（岡山大）；渡部 智則，長屋 重夫（中部電力）；
福田 光宏（阪大）
特別セッション

11:15 - 12:00 （C 会場，WEB 会場）「Go To 博士課程」（基盤強化委員会）
元木 貴則（青学大）（ 14 ）

1A-a01

HTS コイル

CORC 導体で構成されるコイルを対象とする数値電磁界解析における簡略化手法に関する検討
Study on simplified method for numerical electromagnetic field analysis ofcoils wound with CORC wires
曽我部 友輔，高橋 力斗，雨宮 尚之（京大）
SOGABE Yusuke, TAKAHASHI Rikito, AMEMIYA Naoyuki (Kyoto U.)
E-mail: sogabe.yusuke.6s@kyoto-u.ac.jp
1．はじめにConductor On Round Core（CORC）導体[1]に代表されるスパイラル高温超伝導導体は機械的自由度に優れ、コイル応用の実現に向けて期待されている。スパイラル導体で構成されるコイルの数値電磁界解析を行う場合、スパイラル導体自身のもつ三次元的形状を反映した詳細なコイル全体モデルを構築することは困難であるため、何らかの簡略化手法が必要である。本発表では特に、スパイラル導体で構成されるコイ
ルにおける、隣接するスパイラル導体中の遮蔽電流の影響に着目する。

Fig. 1 Schematic view of a spiral HTS wire.

2．スパイラル導体で構成されるコイルの簡略化手法
Fig. 1 にスパイラル導体の構造を示す。導体の中心に円断面のコアをもち、その周囲に高温超伝導線をスパイラル状に多層に巻き付ける構造を持っている。このスパイラルの周期（ピッチ）は数 mm 程度と実用規模のコイルでの使用導体長と比較して相当小さいが、スパイラル導体を構成する超伝導線内の電磁現象はスパイラル形状に強く影響を受けるため、このスパイラル構造を電磁界解析において無視することはできず、マグネット全体の厳密な数値電磁界解析を行う計算コストは多大なものとなる。
対策として、スパイラル導体で構成されるコイルのあるスパ
イラル導体一本が経験する磁界を事前に計算し、単体のスパ
イラル導体にその磁界が印加されているものとする簡略化が考えられる。この簡略化においては解析対象とするスパイラル
導体の周囲の導体における遮蔽電流が無視されており、計算精度を確認するために簡略化の適用有無の解析結果を直接比較による妥当性検証が必要である。
3．解析対象と解析モデル
スパイラル導体で巻いたコイルにおける隣接するスパイラ
ル導体中の遮蔽電流の簡略化の影響を評価するため、スパイラル導体を縦横に 3 本  3 本並べた解析対象を以下の二種のモデルによって解析した。
1. 9 本全てを解析対象とするモデル（隣接するスパイラル
導体における遮蔽電流を考慮）
2. 9 本の導体のうち特定の 1 本のみを解析対象とし、残りの導体には超伝導線幅方向に一様な電流密度を与えるモデル（隣接するスパイラル導体における遮蔽電流を無視）
解析手法として、参考文献[2]に詳述する大規模数値解析技術を使用した。
4．解析結果
電磁界解析においては、各超伝導線に均流化された強制電流が流れており、Fig. 2 に示すように時間変化しているとした。また、電流に比例した外部磁界（最大 0.9 T）が印加され、電流及び外部磁界の周波数は 100 Hz である。
Fig. 3 にモデル 1 及び 2 によって計算された解析領域全体
での交流損失の時間変化を示す。モデル 1 と 2 で計算された交流損失の誤差は約 1.7%であり、スパイラル導体で構成されるコイルの交流損失評価においては、遮蔽電流を略化した計算手法は妥当なものであるといえる。

Fig. 2 Current patternFig. 3 Total ac losses in nine spiral wires calculated bymodels 1 and 2.
謝辞
本研究の一部は JSPS 科研費 JP20H00245、一部は日米科学技術協力事業（高エネルギー物理学分野）の助成を受けたものです。
参考文献
1. D.C. Van der Laan, et al., Supercond. Sci. Technol., Vol. 29(2016) 055009
2. T. Mifune, et al.: Supercond. Sci. Technol., Vol. 32 (2019)
094002

― 1 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1A-a02

HTS コイル

宇宙機搭載用高温超電導コイルの高磁気モーメント化に適したコイル補強構造
Reinforcement structure of HTS coil in spacecraft for increasing the magnetic moment
長崎 陽，丸山 真輝，津田 理（東北大学）；船木 一幸（JAXA）
NAGASAKI Yoh， Maruyama Masaki, TSUDA Makoto (Tohoku Univ.); FUNAKI Ikkoh (JAXA)
E-mail: nagasaki@ecei.tohoku.ac.jp
1．はじめに
磁気プラズマセイルとは，太陽から吹き出す太陽風プラズ
マ流を，超電導コイルの作る強力な磁場で受け止め推力を得る次世代の宇宙推進システムである。磁気プラズマセイルの推進性能向上にはコイルの磁気モーメント（コイルの囲む面
積，電流値，巻数の積）向上が不可欠となる。これまで，電磁力に対するコイル強度，発熱量の制限下でコイル構造の検討を行った。その結果，巻数が少ないコイルを多数積層させたコイルが高磁気モーメント化に適しているが， REBCO コイルの軸方向圧縮応力が制約となり，電流を大きくできないことが明らかになった。そこで，本検討では，梯子型補強構造を適用し，軽量化と軸方向圧縮応力・フープ応力に対する強度向上を両立させ，電流，磁気モーメントを増加させる方法について検討している。今回は，補強構造の厚みを変化させた際の応力解析を行い，高磁気モーメント化に適した超電導コイルと補強材の重量比率について検討した。

Table 1 Specifications of coil and reinforced structure.

Superconducting wire type
HTS tape width
Shape of each coil
Outer radius of coil
Number of turns
Number of coils
Coil weight
Frame and plates
Thickness of aluminum alloy
inner/outer frame
Weight of reinforcement
Ratio of Reinforcement weightThickness of aluminum alloy plate

2．解析方法
解析したコイルおよび梯子型補強構造の諸元を Table.1 に示す。また，解析領域とコイル断面図を Fig.1 に示す。なお，
ロケットのサイズ制約から補強構造の半径を 2.5 m としている。
コイル自身の重量と補強材重量の総和を 400 kg で一定とし，補強材の重量を 100 kg（重量比率 25%）から 300 kg（重量比率75%）まで変化させた。解析モデルでは，シングルパンケーキ
コイルを一体物として扱い，コイルと補強構造の間は含侵剤で満たすものとした。電磁界解析および応力解析では，2 次元軸対称の 1/2 モデルに有限要素法を適用した。なお，本検討では，REBCO コイルの最大許容フープ応力，軸方向圧縮
応力をそれぞれ 600 MPa，100 MPa，補強構造の最大許容ミーゼス応力を 625 MPa としている。なお，今回電流負荷率については制限を設定していない。
3．解析結果および考察
応力制限到達時の各応力値をFig. 2に示す。補強材重量
比率が25,37.5%のコイルにおいては補強材強度の625 MPa，50%以上のコイルではフープ応力600 MPaで電流が制限された。これは補強材の重量比率が増加するにつれて補強材の支柱幅が増加するため，補強材に印加される応力が低減するためである。しかしながら，補強構造により通電可能な電流値が大幅に増加することで，コイルに印加される電磁力が増加しフープ応力の制限に到達したと考えられる。
各コイルに通電可能な電流値および磁気モーメント値をFig.
3に示す。補強材の重量比率が増加するに従い，磁気モーメ
ントが増加することが分かる。これは，補強材導入によりコイル巻数は減少するが，補強材を含むコイル全体としての剛性が高まったためである。剛性が高まり電磁力による変形および応力が抑制されることでFig. 3に示すように応力制限に到達する電流値が大幅に増加し，磁気モーメントが向上したと考えられる。今後は発生するフープ応力の更なる低減を目指し，
磁気モーメントの向上が可能かどうかについて検討を行う。

REBCO
4.04 mm
Single pancake
2498 mm
20~60/coil
100
100~300 kg
Aluminum alloy
1.9~7.1 mm
100~300 kg
25~75%
500 μm

Fig.1 Analytical model of ladder reinforced structure.

Fig.2 Relationship between maximum stresses and mass ratioof reinforcement to total weight.

参考文献
1. Y. Nagasaki, et al: IEEE Trans. Appl. Supercond, Vol. 23,
No. 3, Art no. 4603405, Jun, 2013.

― 2 ―Fig.3 Relationship between magnetic moment, current andmass ratio of reinforcement to total weight.
第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1A-a03

HTS コイル

液体水素浸漬冷却高温超伝導コイルの性能予測手法の検討
Study on a method to predict performance of HTS coils immersed in liquid hydrogen
今川信作，岩本晃史，濱口真司(NIFS)；白井康之，原真太郎，川崎理香子, 塩津正博(京都大)；津田理，長崎陽(東北大)；
谷貝剛(上智大)；小林弘明(宇宙科学研究所)
IMAGAWA Shinsaku, IWAMOTO Akifumi, HAMAGUCHI Shinji(NIFS); SHIRAI Yasuyuki, HARA Shintaro, KAWASAKI
Rikako, SHIOTSU Masahiro (Kyoto Univ.); TSUDA Makoto, NAGASAKI You (Touhoku Univ.);
YAGAI Tsuyoshi (Sophia Univ.); KOBATASHI Hiroaki(JAXA)
E-mail: imagawa@nifs.ac.jp
１．はじめに液体水素で直接冷却することにより冷却安定な高温超伝導コイルの開発を目指している。図１に示すように，内径 200 mm の6 個の外側ダブルパンケーキコイル（A1-A6 コイル）と外径 160
mm の 4 個の内側ダブルパンケーキコイル（B1-B4 コイル）で構成され，400 A 通電時に 5 T を発生するマグネットを製作中である[1]。液体水素実験におけるクエンチ検知電圧の決定と計測
点数の最小化のため，液体窒素冷却で各コイルの臨界電流 Ic，n 値，許容発熱（コイル両端電圧が収束せずに上昇を続ける電流値）などを調べる計画である。これらの実験結果から液体水
Fig. 1. Sketch of LH2 cooled 5 T coil with HTS tape conductors.
素冷却における許容発熱を予測するためには，コイル内温度分布を評価できる解析モデルを構築する必要がある。
２．液体窒素中での健全性試験
コイル一体化前の健全性確認のため，液体窒素中で全 10 個のダブルパンケーキコイルの Ic を測定した。測定点は，各コイ
ルの両端電圧と電源電流の２点のみで，各々，5 Hz と 50 Hz の
ローパスフィルタを入れて 50 Hz サンプリングで測定した。電流を設定値まで 0.2 A/s で上昇させ，50 s 保持後に 0.2 A/s で減磁した。設定値は，コイル両端電圧が 0.3 V 以上になるまで少しずつ高くした。A1-A6 コイルと B1-B4 コイルの電流値に対するコイ
ル電圧を図 2a と図 2b に示す。全て１回目の冷却の最後の励磁の波形を示してあり，電流掃引時の誘導電圧はオフセットしてある。Ic，n 値，常伝導抵抗 a は，次式を用い，20 mV 以下のデータから回帰して求めた。常伝導部の長さにはコイル全長（A コ
イルは 106.5 m，B コイルは 63.5 m）を用いた。
E = E0(I/Ic)n + a I,

E0 = 0.1 mV/m

(1)

半径が小さいためか，コイル端子が内側で作業しづらいためか，
B1, B2, B3 には 10-40 の抵抗が生じてしまった。n 値は低下していないので局所的な劣化と考えられる。巻線内部であれば，局所発熱による熱暴走限界（許容発熱）の低下が懸念されるが，いずれのコイルも 40 W 程度（抵抗値が大きな B3 コイルは，98A, 0.45 V）までは熱暴走が生じないことを確認した。
Fig. 2. Coil voltage of coil-A (a) and coil-B (b) during excitation
B4 コイルについては，熱暴走限界の予備試験として，100 A in liquid nitrogen.
までは 10 A ずつ，それ以上は 1 A ずつ電流値を上昇させ，電圧が上昇を続ける電流値を測定した。代表的な結果を図 3 に示す。110 A, 0.71 V までは電圧が安定しているが，111 A に上げると電圧上昇が継続した。再び 110 A に下げると一定電圧に落ち着くことから，80 W 程度が限界値であると云える。LN2 の高
い最大熱流束（19 W/cm2）とコイル全表面積から期待した値よりもかなり低い。線材長手方向の磁場分布と n 値から発熱分布を考慮した熱解析モデルを検討している。
３．今後の計画
熱暴走限界については，実機コイルとは別に小コイルを製作して，詳しく調べる予定である。実機コイルについては，コイル
一体化後に液体窒素中でIcと許容発熱を測定する予定である。 Fig. 3. Coil voltage of B4 coil during step change of the current
in liquid nitrogen.
液体水素中での通電試験は，夏頃を計画している。
謝辞
本研究は，科研費補助金K119H02130およびNIFS共同研究
NIFS20KOBA032の支援の下に実施されました。

参考文献
1. S. Imagawa et al.; Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 100(2020) p.3.

― 3 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1A-a04

HTS コイル

液体水素浸漬高温超伝導線からの熱伝達の観察 -装置の設計・製作Observation of heat transfer from high temperature superconductor cooled in liquid hydrogen-Its design and production岩本 晃史（NIFS）
IWAMOTO Akifumi (NIFS)
E-mail: iwamoto.akifumi@nifs.ac.jp
1．はじめに
高温超伝導（HTS）線の臨界特性から応用を考えると冷媒の選択肢として液体水素も候補に挙げられているが，これまでに HTS 線の冷却に関する検討は限られており安定化などを考慮した冷却方法を議論するに至っていない。液体水素の核沸騰熱伝達の限界熱流束は液体ヘリウムと比較して 10 倍程度でクエンチ後も核沸騰状態を保ち安定に冷却できることが期待される[1]。そこで浸漬冷却状態で導体が発熱した際の沸騰状態を観察するために観察窓付きの液体水素冷却
HTS 線通電装置を製作した。

造である。熱交換器により液体された水素は試験空間の下部から供給され気化したガスは上部から回収される。
2020 年度中に装置の設計・製作は終了した。2021 年度は装置の冷却試験，熱交換器の性能などを確認するための熱負荷試験を行う。その後，実際の HTS テープ線を使用した実験を開始する予定である。

2．液体水素冷却の課題
これまでの超伝導応用では導体が液体ヘリウムや超臨界ヘリウムにより直接冷却される方法が主流である。安定化の議論や導体試験などの結果を基に実績を重ね，それぞれの応用に合わせた冷却方法が採用されてきた。一方，液体水素冷却を検討する場合，冷却温度だけではなく，その物性や特性を考慮しヘリウム冷却とは異なる検討が必要である。そのため京大の白井，達本らは液体水素の熱伝達測定などを実施し[2，3]，液体水素冷却の検討を行ってきた。熱伝達特性だけを見てもヘリウム冷却の概念をそのまま使用できないことは明らかである。例えば熱伝達状態が核沸騰から膜沸騰に転移した場合，100 K 程度の温度上昇となることもあり，そのまま局所的な熱暴走を起こし超伝導線を破壊することは十分考えられる。その他，HTS 線を構成する材料の比熱，熱伝導や機械的な特性も安定性に影響する。よって液体水素冷却を実用する
ためには冷却設計を可能にする指針が必要である。
3．装置の仕様と実験計画
液体水素浸漬冷却 HTS テープ線の発熱と熱伝達状態を観察し，発熱原因と冷却の関係について議論できる実験環境を構築することを目的とした。水素ガスを溜めておくバッファー
タンク，水素を液化する熱交換器とそれを冷却する 4.2 K, 1.5
W GM 冷凍機（住友重機械工業社製），液体水素を溜め超伝導線を冷却する窓付の試験空間，HTS 線への電流リード（100 A）で構成されている。
液体水素生成のフローダイアグラムを Fig.1 に示す。水素ガスはバッファータンクから供給される閉ループにより構成された冷凍運転を基本としている。ガラス窓付きのため封入ガスの圧力は 1 気圧以下として設計している。熱交換器の温度が液化可能な温度まで低下すると飽和蒸気圧曲線に従い液体
水素が生成される。液化が進むとガス圧の低下が起こり液化温度は低下する。必要な試験温度になるように系内の圧力を上昇させ圧力制御弁によって制御する。例えば 20K の液体水素実験を実施するためには圧力を 1 気圧に調整する。実験
中に蒸発量が再液化量を上回ると系内の圧力が上昇する。1気圧以上の水素ガスは圧力制御弁を通してバッファータンク
に戻される。
Fig.２に試験空間の構成を示す。通電中の熱伝達状態を直接観察するために前後がガラス窓になっている。シール材
としてインジウムを使用している。HTS テープ線は試験空間左右から導入されている電流リードに半田付けで取り付ける構

Fig.1 Flow diagram

Fig.2 Flow diagram
謝辞
本研究は核融合科学研究所予算（NIFS19UFAA010）により実施された。
実験装置は株式会社ジェック東理社により設計・製作された。
参考文献
1. S. Imagawa, et al.: Abstracts of CSSJ Conference Vol.100(2020) p.3
2. Y. Shirai, et al.: Cryogenics, Vol. 50 (2010) p.410
3. H. Tatsumoto, et al.: J Supercond Nov Magn Vol. 28(2015) p.1185

― 4 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1A-a05

HTS コイル

アルミ押出成形用磁気加熱装置の開発(2)－HTS マグネットの製作と試験
Development of induction heating device for aluminum extrusion molding using HTS magnets(2) - Fabrication and test of HTS magnet 伊東 徹也（テラル, 新潟大）；福井 聡（新潟大）；河島 裕，緒方 康博（テラル）；
古瀬 充穂（産総研）；渡部 智則，長屋 重夫（中部電力）
ITO Tetsuya (TERAL Inc., Niigata University); FUKUI Satoshi (Niigata University);
KAWASHIMA Hiroshi, OGATA Yasuhiro (TERAL Inc.);
FURUSE Mitsuho (AIST); WATANABE Tomonori, NAGAYA Shigeo (Chubu Electric Power Co., Inc.)
E-mail: ito00@teral.co.jp
1．はじめに前報[1]で報告したとおり，現在我々はアルミ押出加工用のアルミビレット加熱装置を開発している。この装置では，産業用装置としての信頼性や取り扱い性を考慮し，HTS マグネットには Yoroi-coil 式の無絶縁 REBCO コイルを採用し，コイル冷
却は GM 式 10K 冷凍機で計画した。コイルには，通電時の電磁力のほか，アルミビレットの回転反力も作用することから，コ
イル自体の強度はもとより，クライオスタット内でのコイル支持
強度と熱侵入のバランスに関しても十分考慮して設計した。これまでに，コイル及びクライオスタットの設計，製作，コイル単体及びコイルをクライオスタットに組込での冷却，通電，磁場測定，1 対のコイルを対向配置した状態での評価の一部が完了したので，概要を報告する。

Fig.2 Result of cool-down test of HTS magnet

2．HTS マグネット製作した HTS マグネットは，アルミ加熱領域における必要
磁場が 1T 強であることから，磁気回路に鉄心を用いることで最適化を図った。更に，磁気回路の鉄心を 2 か所のコイル部（低温）とヨーク部（常温）の 3 つに分割し，コイル部鉄心に直接 HTS コイルを巻回したものをクライオスタットに収めた（Fig.1）。この設計により，HTS コイルの常温ボアに鉄心を貫通させた構造に比べて次の利点がある。
・超電導線材使用量の削減（装置の低コスト化）
・漏れ磁場の抑制
・冷却機構の小型・小容量化
・コイル温度の安定化（鉄心の蓄冷効果）

Fig.3 Magnetic field at the center of heating region

3．試験結果の概要
これまでに，以下の評価を完了しており，いずれもほぼ設
計通りの結果が得られている。
・HTS コイル単体の液体窒素温度下での通電評価
・冷凍機伝導冷却での連続通電及び磁場測定（各コイル単独）・1 対のコイルを対向配置し，これらの背部を常温ヨークで接続した状態での連続通電及び磁場測定 (Fig.2-4)
4．今後の計画
2021 年 8 月を目標に，アルミビレット加熱装置実証機を製作し，その後各種評価を実施する予定である。
Fig.4 Result of continuous excitation test at 200A
Back YokeHTS Coil
Cryocooler

Iron Core

Cryostat

Aluminum Billet

Fig.1 Schematic illustration of developed HTS magnet

謝辞
本研究開発の一部は，令和元年度及び令和2年度戦略的基盤技術高度化支援事業及び科学研究費補助金（19K04347）により実施した。
参考文献
１. T. Ito, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 99 (2020)
p.108

― 5 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1A-p01

HTS ケーブル

低交流損失・ロバスト高温超伝導ケーブル（SCSC ケーブル）の研究開発の初期結果 （1）：概要
Initial results of R&D of low-AC-loss and robust HTS cable (SCSC cable) (1): overview
雨宮 尚之，曽我部 友輔（京大）；山野 聡士（SuperPower Inc.）；坂本 久樹（古河電工）
AMEMIYA Naoyuki, SOGABE Yusuke (Kyoto U.); YAMANO Satoshi (SuperPower); SAKAMOTO Hisaki (Furukawa Electric)
E-mail: amemiya.naoyuki.6a@kyoto-u.ac.jp
1. はじめに
我 々 は 、 SCSC cable (double “SC” cable; Spiral Copperplated Striated Coated-conductor Cable)と名付けた、低交流損
失でロバストな高温超伝導ケーブル（集合導体）の研究開発を進めている。本発表では、SCSC ケーブルの概念と、これまでの実験結果の概要について紹介する。
2. SCSC ケーブルの概念
超伝導線の交流損失の低減のための原理的アプローチは多芯化である。一方、フィラメント間の電流分流により常伝導転移に対するロバスト性を高めるためには銅を複合することが望ましい。しかし、銅複合した多芯薄膜高温超伝導線では Fig.
1(a)に示すように銅を介してフィラメント間に結合電流が流れ、仮に超伝導線の長さがメートルオーダであっても結合電流の減衰時定数である結合時定数は秒オーダとなる。従って、数十ヘルツ以上の交流では多芯化した効果は発揮されず交流損失は低減できない。塑性変形する金属で、円断面である低温超伝導線では、ツイストによって結合電流のループを短くし、結合時定数を小さくして、フィラメントの電磁結合を抑えている。
しかし、テープ形状の薄膜高温超伝導線をツイストすることは現実的ではない。そこで、Fig. 1(b)に示すようにコアのまわりに多芯薄膜高温超伝導線を巻き付けることにより結合電流ループの短縮を図るという概念が SCSC ケーブルである。

は、他のふたつの試料の磁化損失に比べて、大幅に小さくなっている。この磁化損失低減効果は線材長には依存せず、実用的な長さの SCSC ケーブルにおいても維持される。
3.4 フィラメント間の分流特性（詳細は、連報(5)にて報告）
銅複合多芯薄膜線材の幅方向両側に長手方向電圧測定
用電圧タップ列を設け、併せて線材幅方向の電圧を測定する
電圧タップ対を線材長手方向複数個所に取り付け、液体窒
素中において通電電流を上昇させていき、各部の電圧－電流特性を測定した。その結果、局所的に臨界電流が低いフィラメントの区間において、銅層を介して他のフィラメントに電流
分流（迂回）することを確認できた。
4. まとめ
銅複合多芯薄膜高温超伝導線をコアのまわりにスパイラルに巻いた SCSC ケーブルの構造により、磁化損失を大幅に低減できることを実験的に示した。また、銅層を介したフィラメン
ト間の電流分流を実験的に確かめたことは、長尺線材においてフィラメントに局所的欠陥が存在しても、致命的な臨界電流低下につながらないことを示すものと考えている。
謝辞
本研究は JST 未来社会創造事業グラント番号 JPMJMI19E1の支援を受けたものである。

3. これまでの実験結果の概要
3.1 スパイラル巻きが臨界電流に与える影響
薄膜高温超伝導線をコアに巻く点で同様な構造の CORC®
cable では、最小で直径 2.5 mm のコアに単芯線を巻いている。
我々は、基板厚さ 30 m の多芯線を直径 3 mm のコアに巻いて臨界電流を測定したが、超伝導層を内側にして巻く限り、臨界電流劣化は見られていない。
3.2 結合時定数（詳細は、連報(2)にて報告）
Fig. 2 に示すような、直径 5 mm の GFRP コアのまわりにス
パイラル状に線材幅 4 mm、フィラメント数 5、銅安定化層厚さ
10 m（全周メッキした片面あたり）の銅複合多芯薄膜線材を巻き付けた SCSC ケーブルモデルの結合時定数を測定した
結果、0.06 ms であった。すなわち、周波数 100 – 200 Hz 程度の領域では、スパイラル構造によってフィラメント間の電磁結合を十分切れることを実験的に確かめることができた。
3.3 磁化損失（詳細は、連報(3), (4)にて報告）
Fig. 3 は、長さ 150 mm のモノフィラメント線（直線形状）、長さ 150 mm のマルチフィラメント線（直線形状）、長さ 174 mmのマルチフィラメント線（スパイラル形状、SCSC ケーブルモデ
ル）の磁化損失測定値を比較したものである。ここで、印加した磁界の振幅は 50 mT、周波数は 65.44 Hz である。
長さが 150 mm の直線形状試料の場合、結合時定数は長く、65.44 Hz の磁界に対してフィラメントはほぼ完全に結合し、マルチフィラメント線の磁化損失はモノフィラメント線の磁化損
失と同程度となっている。
これに対し、マルチフィラメント線をスパイラル形状にすると3.2 で述べたように結合時定数を大幅に低減できるため、
65.44 Hz の磁界に対しても、フィラメント間の電磁結合は、ほぼ完全に切れている。その結果、長さ 174 mm のマルチフィラ
メント線（スパイラル形状、SCSC ケーブルモデル）の磁化損失(a) Straight multifilament coated conductor(b) Spiral multifilament coated conductor
Fig. 1 Reduction of coupling current loop in SCSC cable.

Fig. 2 Spiral sample for coupling time constant measurement.

Fig. 3 Magnetization losses: comparison among straightmonofilament conductor, straight 5-filament conductor,
and spiral 5-filament conductor (a model of SCSC
cable).

― 6 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1A-p02

HTS ケーブル

低交流損失・ロバスト高温超伝導ケーブル（SCSC ケーブル）の研究開発の初期結果 (2)：多様な銅複合多芯薄膜線材の結合時定数測定

Initial results of R&D of low-AC-loss and robust HTS cable (SCSC cable) (2): coupling time
constant measurements of various copper-plated multifilament coated conductors
王 寧，高橋 明，陳 妙鑫，曽我部 友輔，雨宮 尚之（京大）
WANG Ning, TAKAHASHI Akira, CHEN Miaoxin, SOGABE Yusuke, AMEMIYA Naoyuki (Kyoto U.)
E-mail: amemiya.naoyuki.6a@kyoto-u.ac.jp
1．Introduction
In an SCSC cable, spirally winding the copper-plated
multifilament coated conductor around a core, filaments can be
decoupled electromagnetically, and its magnetization loss canbe reduced. We measured the coupling time constants of straightand spiral copper-plated multifilament coated conductors.
2．Samples and experimental method
We prepared three straight samples with different conductor
lengths of 50 mm, 20 mm, and 10 mm. We also prepared three
spiral samples in which multifilament coated conductors werespirally wound around GFRP cores whose diameter D was 5 mm,
but the copper thickness of coated conductors was different. The
sample was placed in the middle of a linked pick-up coil (LPC)
near the center of the magnet. The magnetic field with a small
amplitude of 0.15 mT was applied to the sample. The frequency
ranged from 10 Hz to 10 kHz, and the experiments were all
carried out in the liquid nitrogen. The AC loss of each sample
was measured at least two times to confirm the experimental
results are reproducible.
3．Results and discussions
For the straight samples with different conductor lengths, Fig.
1 shows the AC loss Qm vs. frequency f. The characteristicfrequency fc, which give the peaks of the Qm-f plots, increase
with decreasing sample length. The coupling time constants τc
are about 1.2 ms, 0.2 ms and 0.07 ms calculated from 1/(2πfpeak),and Fig. 3 depicts the coupling time constant τc vs. the conductor
length l. The coupling time constants are almost proportional to
the square of conductor length, and the factor of proportionality
fitted by using the method of least-square is 0.518 sm-2. The
fitted curve is shown with a solid line in Fig. 3.
For the spiral samples with different copper thicknesses of thecoated conductor, the AC loss is plotted against the frequency
as shown in Fig. 2. The characteristic frequency fc increase withdecreasing copper thickness. The coupling time constants τc areabout 0.1 ms, 0.09 ms and 0.06 ms calculated from 1/(2πfpeak).
Fig. 4 depicts the coupling time constant τc vs. the copper
thicknesses tCu of the coated conductor, and the fitted curveusing the method of least-square is shown with a solid line.
4．Conclusions
We determined the coupling time constants of the shortstraight samples and spiral samples, in which copper-plated
multifilament coated conductors are wound on a GFRP coreexperimentally. Firstly, we confirmed that the coupling time
constant decreases with decreasing the length of the shortstraight sample because the loop of the coupling current isconfined in the entire length of each straight sample. Next, since
the conductance increases with the increasing conductor
thickness, the coupling time constant of spiral sample decreases
with decreasing copper thickness.

Fig. 1 AC loss vs. frequency for straight samples with different
conductor lengths.

Fig. 2 AC loss vs. frequency for spiral samples with different
copper thickness.

Fig. 3 Coupling time constants vs. conductor length forstraight samples.

Acknowledgments
This work was supported by JST-Mirai Program Grant
Number JPMJMI19E1, Japan.
Fig. 4 Coupling time constants vs. copper thickness for spiralsamples.

― 7 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1A-p03

HTS ケーブル

低交流損失・ロバスト高温超伝導ケーブル（SCSC ケーブル）の研究開発の初期結果（3）：多様な銅複合多芯薄膜線材の磁化損失測定
Initial results of R&D of low-AC-loss and robust HTS cable (SCSC cable) (3):magnetization loss measurements of various copper-plated striated (multifilament) coatedconductors
重政 茉於，陳 妙鑫，曽我部 友輔，雨宮 尚之（京大）
SHIGEMASA Mao, CHEN Miaoxin, SOGABE Yusuke, AMEMIYA Naoyuki (Kyoto U.)
E-mail: amemiya.naoyuki.6a@kyoto-u.ac.jp
1．はじめにFig. 1(a)に示すように、SCSC ケーブルにおいては結合電流を含む磁化電流はスパイラル半ピッチに閉じ込められる形で流れる。このような電流の流れ方を模擬するように、Fig. 1(b)に示す形で銅複合薄膜多芯線材短片を並べ、その磁化損失を測定した。線材幅、フィラメント幅、および銅層厚さを変化させ、それらが磁化損失特性に与える影響を調べた。
2．試料と実験方法
線材幅は 2, 4 mm、フィラメント幅は 0.4, 0.67, 0.8 mm、銅層
厚さは 10, 20, 40 μm、試料片長さは 5 mm、20 mm、150 mmである。長さ 5 mm の試料片は 1 mm 間隔で 20 本、長さ 20mm の試料片は 1 mm 間隔で 5 本、それぞれ直線状に配置した。試料は液体窒素で浸漬冷却し、横方向の交流磁界を印加し、磁化損失を測定した。
3．実験結果と考察
Fig. 2 には、線材幅 wt = 4 mm、フィラメント数 nf = 5、フィラ
メント幅 wf = 0.8 mm、銅層厚さ tCu = 20 μm、長さ l = 5 mm の試料について、複数の周波数における磁化損失測定値𝑄𝑄� を
磁界振幅に対してプロットした。図には、試料と同じ線材幅の単芯線、同じフィラメント幅の多芯線の Brandt の式により得た磁化損失理論値𝑄𝑄���� 、𝑛𝑛� 𝑄𝑄���� を、それぞれ実線と破線で示してある。Fig. 3 には、同じ試料の 50 mT における𝑄𝑄� を周波数に対してプロットし、さらに、それらを次式にフィッテングして得た曲線を示した。
𝑄𝑄� � 𝑄𝑄� � 𝑄𝑄� � 𝑄𝑄� � �� �� ���������
(1)
𝑄𝑄� はヒステリシス損失に、𝑄𝑄� は結合損失と渦電流損失の和に相当するが、解析式を用いた検討によれば、渦電流損失は小さく無視できると考えられる。様々な線材の𝑄𝑄� の周波数依存性から𝑄𝑄� を求め、フィラメント幅に対してプロットした図がFig. 4 である。Fig. 5 には、112.5 Hz における𝑄𝑄� を線材片の長さに対してプロットし、それを次式にフィッティングした曲線を示した。
𝑄𝑄� � ��� � �� � �(2)結合損失に相当する𝑄𝑄� は、試料片の長さの二乗にほぼ比例していることがわかる。
謝辞
本研究は JST 未来社会創造事業グラント番号 JPMJMI19E1の支援を受けたものである。

Fig. 1 Magnetization currents in SCSC cable and short piece
sample.

Fig. 2 Magnetization loss vs. magnetic field amplitude.

Fig. 3 Magnetization loss vs. frequency at μ0Hm = 50 mT.

Fig. 4 Hysteresis loss components vs. filament width.

Fig. 5 Frequency-dependent components vs. conductor length.

― 8 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1A-p04

HTS ケーブル

低交流損失・ロバスト高温超伝導ケーブル（SCSC ケーブル）の研究開発の初期結果 （4）：スパイラル銅複合多芯薄膜線材の磁化損失測定
Initial results of R&D of low-AC-loss and robust HTS cable (SCSC cable) (4):magnetization loss measurements of spiral copper-plated striated (multifilament) coatedconductors
雨宮 尚之，重政 茉於，陳 妙鑫，曽我部 友輔（京大）
AMEMIYA Naoyuki, SHIGEMASA Mao, CHEN Miaoxin, SOGABE Yusuke (Kyoto U.)
E-mail: amemiya.naoyuki.6a@kyoto-u.ac.jp
1．はじめに多芯化とスパイラル構造の組み合わせによる磁化損失低減
効果を確かめるため、GFRP コアを用いた SCSC ケーブルモ
デルの磁化損失測定を行った結果を報告する。
2．試料と実験方法
実験に用いたスパイラル銅複合薄膜線材（スパイラル導体）の諸元を Table 1 に示す。スパイラルに巻きつけた状態での導体の軸に沿った長さは 100 mm、巻きほぐした線材の長さは174 mm である。試料は液体窒素で浸漬冷却し、横方向の交流磁界を印加し、ピックアップコイルで磁化損失を測定した。
3．実験結果と考察
振幅 50 mT の交流磁界下において測定した、線材幅 wt =4 mm、フィラメント幅 wf = 0.8 mm、銅層厚さ tCu = 20 m の線材で巻いた導体の磁界変化 1 周期あたりの磁化損失の周波数依存性を Fig. 1 にシンボルで示す。図中の曲線は、測定値
𝑄𝑄� に次式のようなフィッテングを行って得られる曲線である。
𝑄𝑄� � 𝑄𝑄� � 𝑄𝑄� � 𝑄𝑄� � ������ ���������
(1)
周波数に依存しない𝑄𝑄� はヒステリシス損失に、周波数に比例する𝑄𝑄� は結合損失に相当する。
Fig. 2 は、線材幅 wt = 4 mm の様々な線材で巻いた導体について、ヒステリシス損失𝑄𝑄� をフィラメント幅 wf に対してプロットした図で、フィラメント幅にほぼ比例して𝑄𝑄� は減っている。
Fig. 3 は、モノフィラメント線（wt = 4 mm, wf = 4 mm）以外で巻いた導体の𝑄𝑄� を周波数に対してプロットした図で、いずれの導体でも、𝑄𝑄� は周波数に比例している。線材幅 wt = 4 mm、フィラメント幅 wf = 0.8 mm の線材で巻いた導体同士を比較す
ると、銅厚さを小さくすると𝑄𝑄� は小さくなる。また、線材幅 wt = 2mm、フィラメント幅 wf = 0.4 mm、銅層厚さ tCu = 40 m の線材で巻いた導体の𝑄𝑄� が小さい理由は、短ピッチ・小コア径に起因して結合時定数が小さくなるためと推測される。
Fig. 4 には、線材幅 wt = 2 mm、フィラメント幅 wf = 0.4 mm、銅層厚さ tCu = 40 m の線材を直径 3 mm のコアに巻いた導体の磁化損失を磁界振幅に対してプロットした。
4．まとめ
銅複合多芯薄膜高温超伝導線をスパイラル状に巻いた
SCSC ケーブル構造による磁化損失低減に成功した。磁化損
失実測値に含まれるヒステリシス損失成分と結合損失成分を分離し、損失特性について議論した。

Fig. 1 Magnetization loss vs. frequency.

Fig. 2 Extrapolated hysteresis loss 𝑄𝑄� vs. filament width.

Fig. 3 Extracted coupling loss 𝑄𝑄� vs. frequency.

謝辞
本研究は JST 未来社会創造事業グラント番号 JPMJMI19E1の支援を受けたものである。
Table 1. Specifications of samples.
Coated conductor width (wt)
2, 4 mm
Filament width (wf)0.4, 0.8, 4 mm
Copper thickness (tCu)
10, 20, 40 m per side
Core diameter (D)3 mm for 2 mm-CC
5 mm for 4 mm-CC
Number of coated conductor
2 / 1 (wound with 55
per layer / number of layer
degrees against core axis)

Fig. 4 Magnetization loss vs. field amplitude.

― 9 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1A-p05

HTS ケーブル

低交流損失・ロバスト高温超伝導ケーブル（SCSC ケーブル）の研究開発の初期
結果 (5)：銅複合多芯薄膜線材の電圧－電流特性の測定－銅層を介した局所的低 Ic 部を迂回する電流分流－
Initial results of R&D of low-AC-loss and robust HTS cable (SCSC cable) (5):voltage-current characteristic measurements of copper-plated multifilament coatedconductors – current-sharing between filaments bypassing local low Ic section –趙 一帆, 羅 熙捷, 曽我部 友輔, 雨宮 尚之 （京大）
ZHAO Yifan, LUO Xijie, SOGABE Yusuke, AMEMIYA Naoyuki (Kyoto U.)
E-mail: amemiya.naoyuki.6a@kyoto-u.ac.jp
1． Introduction
Local degraded sections in filament are unavoidable in longmultifilament coated conductors. In order to allow current
sharing between filaments bypassing such a local low criticalsection, plating copper over the entire group of filaments could
be effective. We studied the current sharing in a copper-plated
multifilament coated conductor experimentally by measuring
the transverse voltages across the width of the conductor.
2．Experimental sample and method
The multifilament coated conductor for our experiments was
fabricated by SuperPower Inc. and Furukawa Electric Co., Ltd.
The sample length and the width were 140 mm and 4 mm
respectively. Thickness of the plated copper per side 𝑡𝑡Cu was
20 μm. The number of filaments was four. We attached thevoltage taps as shown in Fig. 1 in order to measure the transverse
voltages as well as the longitudinal voltages. We cooled thesample in liquid nitrogen, ramped up current, and measured thevoltage-current curves.

Fig. 1 Arrangement of voltage taps on the experimental sample.

Fig. 2 Transverse voltage–current curves.

3．Experimental results and discussion
Fig. 2 shows voltage-current curves in the longitudinal
direction. Fig. 3 shows voltage-current curves in the transverse
direction. To discuss the current sharing between filaments more
explicitly, we convert the measured transverse voltages into thetransverse current per millimeter of the sample using Eq. (1).
𝑣𝑣
𝑡𝑡 ∙𝑤𝑤(1)
𝑖𝑖 = = 𝑣𝑣 ∙ Cu ,𝑅𝑅𝜌𝜌∙𝑙𝑙ewhere 𝑖𝑖 is the transverse current, 𝑣𝑣 is measured transverse
voltages, 𝑤𝑤 is 1 mm, 𝜌𝜌Cu is 2.27 × 10−9 Ω ∙ m, and 𝑙𝑙e isthe effective length of the transverse current, which is assumed
to be 60 m (20 m per a striation). The right vertical axis of thegraph is referred for the converted transverse currents. In the
figure, we also plot the sum of the transverse current in 80 mmof the sample 𝑖𝑖tr,sum . Using 𝑖𝑖tr,sum , we divide the voltagecurrent curves into three phases. In phase 1, no longitudinal
voltage appears, and the absolute values of transverse currents,
whose direction is shown in Fig. 4(a) increase linearly. Larger
contact resistances at terminals Rct1 and Rct4 in the figure could
cause this transverse current flow. In phase 2, longitudinal
voltages appear in the upper-side (in Fig. 1 and Fig. 4) of the
conductors: some normal (flux flow) resistance appears infilaments in the upper side. This resistance changes the
distribution of the transverse current as shown in Fig. 4(b) as
well as Fig. 3, referring the right vertical axis. Finally, in phase 3,
the direction of the transverse current reverses as shown in Fig. 3
because of the growth of the normal (flux flow) resistance infilaments in the upper side as shown in Fig. 4(c).
Particularly, the observation in phase 3 suggests us that theplated copper allows the current sharing between filaments
bypassing local low critical section in one or a few filaments.
Acknowledgments
This work was supported by JST-Mirai Program Grant
Number JPMJMI19E1, Japan.

Fig. 3 Longitudinal voltage–current curves.

Fig. 4 Circuit model of the copper-plated multifilament coatedconductor.

― 10 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1A-p06

HTS ケーブル

低交流損失・ロバスト高温超伝導ケーブル（SCSC ケーブル）の研究開発の初期結果 （6）：銅複合多芯薄膜線材と銅複合単芯薄膜線材の幅方向一様熱擾乱に対する保護特性の比較
Initial results of R&D of low-AC-loss and robust HTS cable (SCSC cable) (6):comparison of protection characteristics of copper-plated multifilament and monofilament
coated conductors subject to laterally-uniform thermal disturbances
趙 一帆, 羅 熙捷, 曽我部 友輔, 雨宮 尚之 （京大）
ZHAO Yifan, LUO Xijie, SOGABE Yusuke, AMEMIYA Naoyuki (Kyoto U.)
E-mail: amemiya.naoyuki.6a@kyoto-u.ac.jp
1．Introduction
Multifilament coated conductors are intrinsically inferior tomonofilament coated conductors from the viewpoint of therobustness against quench / thermal runaway. Quench detection
and protection conditions of monofilament coated conductors
have been studied using short straight sample. In this study, we
compared the maximum hot-spot temperature during quench
detection and protection procedure of multifilament coatedconductors with that of monofilament coated conductors at
various operating currents.
2．Experimental sample and method
The sample used in this experiment was manufactured bySuperPower Inc. and Furukawa Electric Co., Ltd., whose length
and width are 230 mm and 4 mm respectively. Thickness ofplated copper per side is 20 μm. The number of filaments is four.
In the experiment, the short straight sample was attached on
GFRP plate using polyimide tape and epoxy resin. The
arrangement of voltage taps, thermocouples, Cernox
temperature sensors and quench heater is shown in Fig. 1. The
procedure of experiment is as follows.
1. Applying magnetic field.
2. Controlling operating temperature of sample to a certain
value and measure the critical current.
3. Applying a certain current and control the temperature ofsample to a certain value.
4. Using quench heater to initiate normal zone.
5. When a normal voltage over some threshold was detected,
the current provided to the sample from a power supply was
decayed exponentially. This procedure simulated
conventional quench detection (detection voltage) andprotection (using a dump resistor, where current decays witha time constant = coil inductance / resistance of dump
resistor).
6. Measure critical current to verify if there is degradation.
3．Experimental results and discussion
The experiments were done with the procedure above atvarious operating currents.
Fig. 2 shows typical current and voltage waveforms from theexperiment, in which heat pulse starts at t = 0. The operating
current was 150 A. The voltages of voltage tap sections far fromquench heater (𝑣𝑣2−3 and 𝑣𝑣3−4 ) were nearly zero during quench
detection and protection procedure, which suggests that normalzone located in a short region. The voltage of voltage tap section
near quench heater (𝑣𝑣5−6 ) is larger than those of any othervoltage tap sections, which suggests there was hot spot at thecenter of sample.
The maximum hot-spot temperatures in multifilament coatedconductor and those in monofilament coated conductor atvarious operating currents are shown in Fig. 3, which were
calculated from 𝑣𝑣5−6 and current based on the temperaturedependence of the resistivity of plated copper, which wasintroduced in a previous study [1]. No significant difference isobserved between copper-plated multifilament coatedconductors and monofilament coated conductors. Multifilament

sample degraded at 160 A and monofilament one degraded at
170 A.
Acknowledgments
This work was supported by JST-Mirai Program Grant
Number JPMJMI19E1, Japan.

Fig. 1 Setup of experimental sample.

Fig. 2 Typical data of a quench shot (τ = 1 s, 𝐼𝐼op = 150 A).

Fig. 3 Comparison of multifilament’s hot-spot temperatureand monofilament’s hot-spot temperature [1].
Reference[1]
X. Luo, S. Inoue, and N. Amemiya, IEEE Trans. Appl.
Supercond., vol. 29, no. 8, pp. 1–11, Dec. 2019, Art. no.
4703511.

― 11 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1A-p07

HTS ケーブル

低交流損失・ロバスト高温超伝導ケーブル（SCSC ケーブル）の研究開発の初期結果 （7）：スパイラル導体のコアがクエンチ保護に与える影響
Initial results of R&D of low-AC-loss and robust HTS cable (SCSC cable) (7):effect of core on quench protection of spiral coated conductors
羅 煕捷，趙 一帆，平野 貴之, 曽我部 友輔，雨宮 尚之（京大）
LUO Xijie, ZHAO Yifan, HIRANO Takayuki, SOGABE Yusuke, AMEMIYA Naoyuki (Kyoto U.)
Email: amemiya.naoyuki.6a@kyoto-u.ac.jp
1．はじめにSCSC ゲーブルのような金属コアのまわりに薄膜高温超伝導線材を巻き付けたスパイラル導体において、クエンチが発生する時コアへの電流分流やコアの熱容量がホットスポットの温度上昇を抑える効果が期待されている。今回は、銅コアのまわりにスパイラル状に線材を巻き付けたケーブルがクエンチ検出・保護過程において電圧・温度変化の測定結果について報告する。

謝辞
本研究は JST 未来社会創造事業グラント番号 JPMJMI19E1の支援を受けたものである。
Table 1. Sample information
Tape width
2 mmPlated-copper thickness
20 mThickness of Hastelloy substrate 30 m
Core
Copper (OD = 3 mm)
Layer
1
Tape
1
Total length~ 200 mm
Length between terminals~ 100 mm
Critical current~ 160 A (45 K, 1 T)
(Temperature, magnetic field)

2．試料と実験方法
実験に使われたサンプルは SuperPower で製造された厚さ20 m  2 の銅安定化層を持つ幅 2 mm の薄膜高温超伝導線材 1 本を直径 3 mm の銅コアに巻き付けたものである。クエ
ンチを起こすためにニクロム線をサンプル中心に巻き付け、ヒータとして使用した。実験の手順は以下の通りである。
1. 試料導体に所定の磁界を印加する。
2. 試料導体の温度を所定の値に制御し、臨界電流を測定する。
3. 所定の電流を流し、温度を所定の値に制御する。
4. 試料導体中心にあるヒータにより常伝導部を発生させる。
5. 試料導体全体の電圧（全電圧）が所定の値（検出電圧）になったら（マグネットのクエンチ検出を模擬）、所定の遅延
時間待って（遮断器動作までの遅れなどを模擬）、試料電流をあらかじめ設定した時定数で指数関数減衰させる（外部抵抗によるエネルギー吸収時の電流減衰を模擬）。
6. 試料導体の劣化の有無を調べるため、臨界電流を測定する。
3．実験結果
本講演概要では、コアの熱容量がクエンチ保護に与える影
響に焦点を絞り、薄膜高温超伝導線材をポリイミドテープで絶縁された銅コアに巻いたサンプルを用いてクエンチ検出・保護実験を行った結果について説明する。一例として、磁界 1 T、初期定常温度 45 K、電流 50 A、検出電圧 100 mV、遅延時
間 0.1 s、時定数 1 s 場合のクエンチ・電流減衰過程の電圧・
電流・ホットスポット温度の時間変化を Fig. 1 に示す。
クエンチの検出・保護過程の時間が短く、長手方向熱伝導の影響は小さいと考える。その場合、ホットスポット温度は下記の式のように電流、抵抗値、熱容量によって支配される。
���
(1)
�� 𝐼𝐼 � d𝑡𝑡 � �� � d𝑇𝑇
�Fig. 1 An example of experimental results�

ここで𝑇𝑇� は臨界温度（90 K と仮定）、𝑡𝑡� は超伝導線材が𝑇𝑇� に到達する時の時間である。Fig. 1 にある 90 K 以降の電流・時間データと式（1）を用いて、熱伝導を無視した時のホットスポ
ット温度の時間変化を計算することができる。ここでは、下記四つのケースの計算結果と実験結果の温度・時間変化をFig. 2 に示す。
 発熱が線材のみに吸収される
 発熱が線材とコアの表面から 5 m の部分で吸収される
 発熱が線材とコアの表面から 15 m の部分で吸収される
 発熱が線材とコア全体で吸収される
Fig. 2 の 結 果 か ら 、 今 回 の 実 験 で は 、 銅 コ ア 表 面 か ら
5 ~ 15 m 相当する熱容量がクエンチ検出・保護過程のホット
スポット温度の上昇抑制に寄与したと推測される。

Fig. 2 Hot-spot temperatures calculated with various heat
capacity neglecting thermal conduction and those ofexperimental result― 12 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1A-p08

HTS ケーブル

低交流損失・ロバスト高温超伝導ケーブル（SCSC ケーブル）の研究開発の初期結果 （8）：SCSC ケーブルを対象とした大規模数値電磁界解析技術の構築
Initial results of R&D of low-AC-loss and robust HTS cable (SCSC cable) (8): developmentof large-scale numerical electromagnetic field analysis model for SCSC cables
曽我部 友輔，八鳥 孝志，雨宮 尚之（京大）
SOGABE Yusuke, HATTORI Takashi, AMEMIYA Naoyuki (Kyoto U.)
E-mail: sogabe.yusuke.6s@kyoto-u.ac.jp
1． はじめにSCSC ケーブルの三次元的構造を考慮し、SCSC ケーブルの電磁気的特性評価に使用できる大規模電磁界解析技術を構築したので、これを報告する。
2． SCSC ケーブルの数値電磁界解析において考慮する必要のある要素SCSC ケーブルを電気機器等に応用する場合、交流損失の数値電磁界解析による評価が必要となる。SCSC ケーブルを対象とする数値電磁界解析において考慮する必要のある、特徴的な要素は以下のとおりである。
1. SCSC ケーブルは Fig. 1(a)に示すように、超伝導層が幅0.2 mm から 0.5 mm 程度のフィラメントに分割されており、これらのフィラメント群を覆うように銅メッキが施されている。
フィラメント間をまたぐ電流を厳密に考慮するためには、超伝導線の構造を適切にモデル化する必要がある。
2. SCSC ケーブルでは、上述の超伝導線が円断面のコアに
数 mm のピッチで複数本スパイラル状に巻き付けられている。この構造は交流損失特性を強く支配するものであり、
SCSC ケーブルの断面のみを解析対象とする電磁界解析
モデルは不十分である。一方、実際の電気機器では、使用ケーブル長は 10 m から 100 m となることが想定されるため、SCSC ケーブルの解析はマルチスケールなものとなり、大規模電磁界解析技術が必要となる。
3． 数値電磁界解析技術の概略
本研究では、SCSC ケーブルの数値電磁界解析を実現する
ため有限要素法を用い、加えて薄板近似を適用した T 法を用いた。このとき、Fig. 1(b)に示すように、超伝導フィラメント間には超伝導層と同じ厚さの常伝導体が存在しているとし、この常伝導体の導電率を調節することにより実際の超伝導フィラメン
ト間の常伝導抵抗を模擬することで、上述の 1 の要素を考慮した。
一方で、2 の要素を考慮するためにはケーブルの進行方向にある程度の長さをもつケーブルを対象とした解析が必要となる。過去の類似の形状をもつケーブルの解析では、ケーブ
ルがケーブル進行方向に周期的な形状をもつと仮定した並進対称境界条件を適用した無限長モデルを採用していた[1]。
しかし、実際のケーブルは厳密な進行方向の周期性はもたな
いため、本報告では、約 80 mm の長さの SCSC ケーブルを解析対象とする、有限長解析モデルを用いた。
これらの要素を含んだ解析は自由度百万を超える極めて大規模なものとなることから、高速及び省消費メモリな計算を実現するために階層型行列法を適用した。加えて、超伝導体と常伝導体が隣接して混在する解析対象であることに起因する収束性の悪化を回避するため、代数マルチグリッド法による前処理を適用した[2]。
4. 試解析モデル
構築した大規模数値電磁界解析技術を適用した試解析を実行した。解析対象とした SCSC ケーブルのパラメータをTable 1 に示す。本解析対象の自由度は約 270 万であり、極めて規模の大きい解析である。また、解析対象のケーブルの外観を Fig. 2 に示す。本解析では、SCSC ケーブルの各層に流れている電流値は等しいと仮定し、交流電流及び交流磁界が印加されている条件で解析を行った。
発表では、解析の結果として得られた電流分布や交流損失分布、また、計算された交流損失の時間変化や計算に要した
時間、消費メモリを示す。
謝辞
本研究は JST 未来社会創造事業グラント番号 JPMJMI19E1の支援を受けたものである。
参考文献
1. Y. Sogabe, et al., Supercond. Sci. Technol., Vol. 33 (2020)
055008
2. T. Mifune, et al.: Supercond. Sci. Technol., Vol. 32 (2019)
094002

Fig. 1 Schematic view of cross-section of copper-plated
multifilament coated conductor; (a) without thin-strip
approximation and (b) with thin-strip approximation.
Table 1 Specifications of analyzed SCSC cable.
Coated conductor width
2 mmFilament width
0.46 mm
Number of filaments
4
Width of groove
50 m
Thickness of superconductor layer
1.75 m
Thickness of copper layer
5 mThickness of coated conductor
45 mRadius of core
1.25 mm
Distance between layer
2 m
Number of coated conductors per layer
2
Number of layers
8Length of cable
80 mm
Conductivity of groove
1.01010 S/m

Fig. 2 Side view of analyzed SCSC cable (showing two
pitches).

― 13 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1B-a01RE 系・鉄系 I c 特性

TFA-MOD 法で作製された REBCO 線材の臨界電流密度分布と組織分布の関係
Jc and composition distribution of REBCO coted conductor fabricated by TFA-MOD process
酒井 秀哉，井上 昌睦（福岡工大）；寺西 亮（九大）
SAKAI Shuya, INOUE Masayoshi (Fukuoka Inst. Tech.); TERANISHI Ryo (Kyushu Univ.)
E-mail: mem21108@bene.fit.ac.jp

DC Moment [emu]Sample #1
Sample #2
Sample #3

-3

(a)
0

-5 10

-3

3 10

-4

1.5 10-4-1.5 10

-4

0

-1 10

-2

(b)

-4

-3 10
-0.20

-3

-2

-1

0

-0.10

1

0.00

0.10

0.20

2

3

B [T]

Fig. 1 Magnetization loop at 77K under (a) 3T and (b) 0.2T
10

10

10

9

10

8

10

7

10

6

Sample #1
Sample #2
Sample #3

2

3．結果と考察PPMS による Tc 測定の結果、オンセット Tc は Sample #1～#3 でそれぞれ、88.0、88.7、87.5K であった。77K における M-H 測定の結果を Fig. 1 に示す。SHPM では Jc 特性が観察されなかった Sample #3 についても PPMS では磁化のヒステリシス特性を観察することができたが、磁化の値は極めて小さいことが分かる。これより、SHPM で Jc特性が観察されなかったのは、ホール素子での測定感度によるものと考えられる。測定された M-H 特性から求めた磁場中 Jc 特性を Fig. 2 に示す。自己磁場におけるSample #1～#3 の Jc 値はそれぞれ 1.57×109、1.24×109、
1.80×107 A/m2 となった。Sample #3 は他の 2 つのサンプルに対し、2 桁ほど小さい Jc の磁場依存性であることが確認された。
SEM-EDS による組織観察、定量解析を行ったところ、Jc 特性が高い線材では超伝導相の結晶粒のサイズが大きく、互いの結晶粒が結合するように存在していることが確認された。Jc 特性が低い線材では超伝導相の結晶粒のサ
イズは小さく、非超伝導相に囲まれていた。このため磁化の値が小さくなったと考えられる。
当日は各線材の SHPM による面内 Jc 分布の比較と SEMEDS による組織観察等の結果から線材の性能の差が生じた原因の考察についても合わせて報告する。

5 10

-2

c

2．実験方法
CeO2/LaMnO3/MgO/Y2O3/Gd2Zr2O7/Hastelloy 基 板 上 に
TFA-MOD 法により YBaCuOy 膜を形成した。作製条件は、仮焼温度 430℃（酸素濃度 100％）、本焼温度 780℃（酸素濃度 1,000ppm）である。試料サイズは 1cm 角程度、膜厚は 600nm とした。走査型ホール素子磁気顕微鏡(SHPM)を用いて面内 Jc 分布を測定した後、Jc が異なる 3 ヵ所を4mm 角に切り出し、物理特性測定システム(PPMS)によるTc 測定と M-H 測定を行った。Jc の高いものから Sample #1～#3 としている。なお、Sample #3 は Sample #1 と同一ロットであるが、SHPM による測定では Jc が観察されなかった領域である。また、エネルギー分散型 X 線分光器搭
載走査型電子顕微鏡(SEM-EDS)による組織観察を行った。

1 10

J [A/m ]1．はじめにTFA-MOD 法は塗布と焼成により超伝導層を形成する
低コストな線材作製方法であるが、臨界電流密度(Jc)に分布が生じてしまうことがあり、その原因の解明が重要となる。そこで、我々は所望の性能が得られなかった線材の特性低下の原因について調べている[1]。本研究では面内 Jc
分布が異なる 3 つの線材に対し、面内 Jc 分布と組織分布との関係を調べ、性能の差が生じた原因について検討を
行った。

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

B [T]

Fig. 2 Jc-B characteristics at 77K
参考文献［1］Y. Tanaka , et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol. 100(2020) p.60
謝辞
本研究の成果は、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)の委託業務、JST-ALCA、並びに JSPS 科研費 JP18H01928 の結果得られたものである。

― 14 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1B-a02

RE 系・鉄系 I c 特性

多結晶材料における超伝導電流輸送モデリングの検討
Examination of superconducting current transport modeling in polycrystalline materials
浅井 俊樹，小原 拓也，山本 明保 （東京農工大）ASAI Toshiki，OBARA Takuya, YAMAMOTO Akiyasu (Tokyo Univ. of Agri. and Tech.)E-mail: s217763s@st.go.tuat.ac.jp
1．背景
ランダムな結晶方位を持つ無数の結晶粒から構成される多結晶超伝導材料は、焼結法などにより比較的容易に作製できるため、線材やバルク磁石などへの応用が期待されている。
多結晶超伝導材料における臨界電流密度の向上に向けて、組織制御の指針を得るために、パーコレーションモデルや平均場近似理論[1,2]などの電流輸送機構のモデリングが検討されている。これまで我々は、ランダム抵抗網による常伝導電流の輸送機構モデリングを報告してきた[3]。本研究では、結晶粒をノード（頂点）、結晶粒界をアーク（辺）と捉えることで多結晶材料をグラフと見做し、超伝導電流の輸送機構のモデル化を検討した。ネットワークグラフの最大フローを巨視的臨界電流と対応付け、結晶粒界における弱結合の影響を導入、評
価した。
2．方法
まず、Fig. 1 のようなノード次数 4 のグラフを検討した。これは周期境界条件を課した 2 次元 4 配位の系に相当する。面
内回転を模して、それぞれのノードに結晶方位ω (0<ω<π/2)をランダムに割り当てた。そして、アーク両端におけるノードの方
位差θGB (0<θGB<π/4)を全てのアークに対して割り当てた。Fig.
1(a)はそれぞれのノードのωとアークのθGB をカラーパレットに基づき図示したものである。
次に弱結合の影響として、アーク初期容量 C を� ��� ��

exp �� ����� (θGB �θc)、 � � � (θGB � θc)と定義した。ここでθc は臨界傾角に相当するパラメータである。例として、Fig.
1(a)の系でθc = π/20とした際のそれぞれのアークの容量を Fig.
1(b)に示す。
始端Ｓから終端Ｔを結ぶ経路 i を所定の手順で探索し、経路上のすべてのアークに空き容量がある場合、経路上の各アークについて、フローをその経路上で最も小さなアーク容量 Fi だけ増やし、容量を Fi だけ減らす。これを空き容量のある経路が無くなるまで繰り返し、全経路のフロー和∑� 𝐹𝐹� を系の最大フローF とした。この最大フロー
F を、全てのアーク容量が 1 としたときの最大フローで除して規格化した値をコネクティビティ K として定義した。
3．結果
計算結果の例として、Fig. 1(b)の系の各アークのフローをFig. 1(c)に示す。Fig. 1(b)において初期容量の大きいアークが連続した経路に大きなフローが流れていることが分かる。この系のコネクティビティ K は 0.242 であった。講演
ではボトルネック部に関する考察と併せ、θc を変化させた場合の結果について報告する。

参考文献
1. T. Matsushita et al., Supercond. Sci. Technol. 21 (2008)
015008; A. Yamamoto et al., Supercond. Sci. Technol. 20(2007) 658
2. M. Eisterer, Phys. Rev. B. 99 (2019) 094501
3. T. Obara et al., Supercond. Sci. Technol. 33 (2020) 074004

Fig. 1 (a) Distribution of orientations assigned to each node andmisaligned angles assigned to each arc. (b) Distribution of initialarc capacities. (c) Distribution of flows on each arc.

― 15 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1B-a03

RE 系・鉄系 I c 特性

パルス電流を用いた市販 REBCO 線材における臨界電流測定
Measurement of Critical Current in Commercial REBCO Tapes Using Pulsed Current
⼟屋雄司(名⼤)；⽔野謙⼀郎(鈴⽊商館)；坂井厳、吉⽥隆(名⼤)TSUCHIYA Yuji (Nagoya Univ.); MIZUNO Kenichinro (Suzuki Shokan); SAKAI Itsuki, YOSHIDA Yutaka(Nagoya Univ.)
E-malil: tsuchiya@nuee.nagoya-u.ac.jp

3. 実験結果及び考察
Table 1 に、各種ケーブルにおける単位⻑さあたりのインダクタンスと抵抗を⽰す。インダクタンスは、ツイストペアケーブルが最も⾼く、⾃作同軸ケーブルが最も低かった。
抵抗は、リッツ線(φ0.5)が最も⾼く、阪⼤同軸ケーブルが最も低かった。
Fig. 1 に、パルス電流を⽤いて測定した市販 REBCO 線
材の電流電圧特性を⽰す。電圧ノイズは 0.5 µV 程度であった。⿊線はべき乗フィッティングの結果であり、Ic は 106
A、n 値は 25 であった。内挿図に、96 A および 110 A での
電流電圧波形を⽰す。電圧波形に⽰すように、電流掃引時
は、試料のインダクタンスによる誘導電圧が⽣じ、ローパ
スフィルタにより電圧が安定するまで 2 ms を要した。電圧は、電流掃引開始から 3-4 ms の値を平均した。

12
10
8
6
4
2

10

Voltage (µV)

2. 実験方法
様々なケーブルの単位⻑さあたりのインダクタンスを、
LCR メータを⽤いて室温にて 1-100 kHz の周波数にて測定した。抵抗は、室温にて直流４端⼦法を⽤いて測定した。
ケーブルは、KIV38 mm2 ツイストペア、フジクラ社製同軸ケーブル(12D-FB lite、阪⼤パルス強磁場⽤特注)、リッツ線(φ0.5、φ1)、⾃作の同軸ケーブルを⽤いた。
パルス電流源、前置増幅器、オシロスコープを⽤いて、SuperPower 社製 REBCO 線材(SF4050-AP、4 mm 幅、Ic =100 A)の 77 K ⾃⼰磁場での電流電圧特性を測定した。電流源の電圧は 10 V、パルス電流のパルス幅は 5 ms、最⼤
電流は 10-120 A、電流掃引速度は 0.16 A/µs とした。増幅器のゲインは 1000 年、増幅前に 3 kHz のローパスフィル
タを⽤いた。

Table 1. Inductance and resistance for unit length in various
cables.
InductanceResistanceCable(nH/m)(mΩ/m)
Twisted pair (38sq)
500
4.62
Coax (12D-FB lite)
290
9.36
Coax (Osaka Univ.)
250
3.99
Ritz wire(φ0.5)
220
78.4
Ritz wire (φ1)
140
7.1
Coax (home-made#1)
130
71
Coax (home-made#2)
91
10.3
Coax (home-made#3)
74
17.4
Coax (home-made#4)
71
30

96 A

5

110 A

200

0

150

-5

100

-10

50

-15
-20

0

4

8
0
Time (ms)48Current (A)での運⽤に向けて精⼒的に研究がなされてきた。近年、
NMR や MRI などの応⽤にて 4.2 K、20 T 以上の低温超強磁場や、20 K などの中温領域での⾼パフォーマンス運⽤が注⽬されている。さらに、各メーカーの線材開発により、想定運転領域での線材の臨界電流 Ic が⼤きく向上しており、素線にて数 100 A 超の⼤電流通電試験⼿法が必要である。⾼特性線材の Ic 測定には、微⼩ブリッジを⽤いた通電特性からの⾒積もり[1]、U 字試料ホルダー[2]、パルス通電[3]などが提案されている。これまで我々のグループでは、直流定電流源および微⼩電圧測定器を⽤いた Ic 測定⼿法を開発してきたが、今回、パルス通電法に着⽬した。
本研究では、パルス電流を⽤いた⼤電流通電 Ic 測定に向けて、以下の項⽬を⾏った。定電圧での運転にて、パルス電流の電流掃引速度は測定系のインダクタンスに反⽐例
し、最⼤電流値は抵抗値に反⽐例するため、様々なケーブルについてインダクタンス、抵抗を測定した。さらに、パルス電流を⽤いて市販 REBCO 線材の Ic 測定を⾏った。

当⽇は、各種ケーブルの作製法、インダクタンスの⾒積
もり、定常電流とパルス電流を⽤いた Ic 測定の⽐較について報告する予定である。

Voltage (µV)

1. はじめにRE 系および Bi 系⾼温超伝導線材は、65-77 K の⾼温域

0

0
0

20

40

60
80
Current (A)

100

120

Fig. 1 Current-voltage curve of a commercial REBCO tape at 77
K measure using pulsed current. Inset the current and voltage
waveforms for 96 A and 110 A.
謝辞
本研究の⼀部は、名⼤-鈴⽊商館の共同研究、科学研究費補助⾦(20K15217)、JST-A-STEP、NEDO からの助成を受けて実施しました。
名⼤今岡淳准教授、産総研町敬⼈様より予備実験において測定装置をご提供いただきました。阪⼤鳴海康雄准教授
より特注同軸ケーブルを提供いただきました。東北⼤Arnaud Badel 准教授、野島勉准教授、電通⼤⼩久保伸⼈准教授、阪⼤⽊⽥孝則助教、京⼤掛⾕⼀弘准教授、東⼤前⽥
京剛教授より⾼速通電測定について有意義なご議論をいただきました。
参考文献[1] S. Fujita et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 29, 18466670(2019).
[2] K. Tsuchiya et al., Cryogenics 85, 1-7 (2017)[3] F. Sirois et al., Supercond. Sci. Technol. 23, 034018 (2010).

― 16 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1B-a04

RE 系・鉄系 I c 特性

K ドープ Ba-122 メートル級テープ線材の極低温・磁界下における連続局所 Ic 評価
Continuous measurement of local critical current in a meter-class K-doped BaFe2As2 tapeat cryogenic temperature under magnetic field
呉 澤宇，木須 隆暢, 東川 甲平 (九大);DONG Chiheng，WANG Dongliang, ZHANG Xianping, MA Yanwei (中国科学院電工研);
WU Zeyu, KISS Takanobu, HIGASHIKAWA Kohei (Kyushu Univ.);
DONG Chiheng，WANG Dongliang, ZHANG Xianping, MA Yanwei (IEE CAS)
E-mail: kiss@sc.kyushu-u.ac.jp
加磁場1 TまでのIc分布を調べた。Icの磁場依存性と場所依存性は独立に振る舞い、磁場依存性は場所によらずほとんどス
ケールした。Ic空間変化の主因は、ソーセージングなどによる等価的なフィラメント断面積の変化によると考えられる[3]。
Fig. 2にIc長手分布の平均値に最大最小値を比較した。低磁場領域の異方性が特に小さいことから[4]、文献 [1]の短尺
試料とSPCのIc(B//ab)特性を同図にて比較できる。最大Ic領域の特性は、短尺多芯試料の特性との整合性を確めた。最低Ic
領域においては、同報告コイルIcの特性と良く一致している。

1．はじめにK ド ー プ Ba-122 超 伝 導 線 材 は 実 用 的 な 磁 場 中 Jc 、
powder-in-tube(PIT)プロセスでの低コスト長尺化可能などの利点を有し、高磁場応用に向けた研究開発がなされた[1]。
中国科学院Maグループは長尺線材の作製に長けており、単芯線のみならず115 mの7芯線材作製も成功していた[2]。
報告ではで5 mごとの通電Icが調べられ、長手方向に沿い比較的分布している知見を得た。0.5 mの7芯線材で巻いた
シングルパンケーキコイル(SPC)は24 T強磁場下においてもなお26 Aの通電Icを示していた。しかし、元線材Icの半分にしか至らず、原因の解明が喫緊の課題となっている。
コイル巻き線の局所不均一性が挙げられたが、四端子法による低温磁場中の長尺線材評価が容易ではなかった。そこで本研究は極低温・磁場中リール式磁気顕微法により、メートル級KドープBa-122多芯線材の4.2 K、外部磁界下のIc長手分布を1 mmの高解像度で連続計測し、その空間変化
およびコイルIcとの整合性を議論した。

4．まとめ
リール式磁気顕微法によって四端子法では評価困難なIc長手分布を評価でき、他の測定との整合性から本測定の妥
当性も確認できた。
謝辞
本研究は、JSPS 二国間交流事業：中国（CAS）との共同研
究の支援を得て実施したものである。

2．実験方法対象とした試料は、Maグループで作製されたKドープ
Ba-122多芯線材である。リール式磁場中ホール素子磁気顕微鏡(SHPM)を用いて1 mmの長手方向分解能で、液体ヘリ
ウム環境下で線材を冷やしテープ面に垂直磁場中(B//c)の磁場分布(Bz)を連続的に測定した。Bzプロファイルからフィラメ
ントの平均Icを算出し、さらにその磁場依存性を調べた。

参考文献[1] Dongliang Wang et al 2019 Supercond. Sci. Technol. 32
04LT01[2] X. Zhang et al., IEEE TAS 27 (2017) 7300705.
[3] 野⽥将平, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 94(2017) 3B-a03.
[4] Yao et al., SuST 32 (2019) 023002.

Critical current,

250

1 10

200

8 10

150

6 10

100

4 10

5
4
4
4

50

0.05T

00

0.2

0.4

0.05T

0.1T

0.6
0.8
1
Longitudinal position, x (m)

0.2T

0.5T

1.2

1.4

1T

4

2 10

Critical current density
Jc (A/cm 2)

Ic (A)

3．結果と考察
Fig. 1に4.2 Kの磁場中長手方向Ic分布を示した。Icが連続的に分布し、最大・最小の変化量は±40 %程度であった。印

0
1.6

Fig. 1. Critical current density Ic distribution in a meter-class K-doped BaFe2As2 multi-filamentary tape at 4.2 K and up
to 1 T of external magnetic field characterized by Reel-to-reel SHPM.
Short Tape
Single Pancake Coil
Average Ic
Minimum Ic
Maximum Ic

Critical Current, Ic (A)

250
200
150
100

Fig. 2. Magnetic field dependence of average, minimum andmaximum Ics along the same longitudinal area, as well as the
typical Ics in a short piece and a single pancake coil reported in[1]. Ic properties by independent measurement show reasonableagreement.

50
0
0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Magnetic Field, B (T)― 17 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1B-a05

RE 系・鉄系 I c 特性

CaF2 最表面中間層金属基板を用いたFe(Se, Te) コート線材の強磁場臨界電流測定および磁束ピンニング機構の考察

High-ﬁeld Critical Current Measurements and Consideration on Flux Pinning Mechanisms in
Fe(Se,Te) Coated Conductors Fabricated on Metal Substrate with CaF2 Topmost Buﬀer Layer
岡田 達典, 滝澤 和輝, 淡路 智 (東北大); 鍋島 冬樹, 色摩 直樹, 前田 京剛 (東大); 中岡 晃一, 和泉 輝郎 (産総研); 一瀬 中 (電中研)

OKADA Tatsunori, TAKIZAWA Kazuki, AWAJI Satoshi (Tohoku Univ.); NABESHIMA Fuyuki, SHIKAMA Naoki,
MAEDA Atsutaka (Univ. Tokyo); NAKAOKA Koichi, IZUMI Teruo (AIST); ICHINOSE Ataru (CRIEPI)
E-mail: tatsu.okada@imr.tohoku.ac.jp



1. 背景と目的  

FeSe1−x Tex は、電気伝導を担う鉄–カルコゲン層のみの積層構造を持ち、有効質量異方性が γ ≃ 1 − 3 と小さ∥c
い。上部臨界磁場は Bc2(0 K) ≥ 50 T と高く、臨界電流が磁場に対して非常にロバストであることから、強磁場応用に有利である。ネックである転移温度（バルク単結晶 x ∼ 0.6: Tc ≃ 16 K）に関しても、CaF2 単結晶基板への薄膜化による Tc 向上（x ∼ 0.3: Tc ≃ 22 K）が報告[1] され、(1)REBCO 線材より安価 (2) 小さな有効質量
異方性 γ (3)NbTi, Nb3 Sn で困難な強磁場下でも使用可
能 なコート線材として期待できる。
本研究では、FeSe1−x Tex コート線材応用のポテン
シャルを探るべく、配向中間層付き金属基板に堆積した
FeSe1−x Tex （x ≃ 0.5）薄膜の定常強磁場通電特性測定
および磁束ピンニング機構の解明を試みた。



1T
Measured

10 T

Ic(4.2
  K,B,θ) [A]








15 T
19 T











Magnetic field angle, θ [deg.]CalculatedWidely-used model
Numerical calculation










2. 実験
基板の違いによる超伝導特性の変化を鑑み、下記 2 種
類の FeSe0.5 Te0.5 薄膜（東大前田研による PLD 法での成膜）を測定対象とした。
“FST/CeO2 ”: REBCO 線材の成膜に使われている配向
中間層付金属基板（最表面中間層: CeO2 、産総研和泉 G
提供）に成膜したもの。
“FST/CaF2 ”: “FST/CeO2 ”の CeO2 上に PLD 法で
CaF2 を追加蒸着した基板上に成膜したもの。
東北大金研強磁場センター所有の 20T 無冷媒超伝導マグネットを利用し、温度: 4.2 K ≤ T ≤ 20 K、磁場:
B ≤ 19 T、磁場角度: −30deg. ≤ θ ≤ 120deg. の範囲における輸送特性・臨界電流特性を測定した。

3T
5T

3. 実験結果と考察
電気抵抗測定から、FST/CaF2 では FST/CeO2 に比べ約 1 K の Tc 上昇が確認できた。この傾向は単結晶基板上薄膜での振る舞いと整合するが、得られた Tc は 16K 程度であり、CaF2 単結晶基板の場合（≃ 20 K）に比
べるとやや低く、成膜条件の最適化が必要と考えられる。
臨界電流密度については、CeO2 →CaF2 の変更により、低温・高磁場側の特性が向上した。FST/CeO2 の場合に比べて小さなピンがより多く機能していると考えられる。TEM による観察（電中研 一瀬氏）では、目ぼしきピンニングサイトは観測されず、Se→Te の元素置換に伴う欠陥や格子歪みがピンとして働いているのではな
いかと推察される。実際、ピンニング曲線は Fp (T, B) ∼[B/Bi (T )]p [1 − B/Bi (T )]q （p ≃ 0.7, q ≃ 1.6 − 2.0: ラン
ダムピンが支配的）にスケールし、Se→Te 置換に起因す
る磁束ピン止めと矛盾しない。
興味深いことに、FST/CaF2 の Jc の角度依存性には、
4.2 K・低磁場 B < 10 T において 90deg.（B//ab）近傍
で窪みが現れた（Fig.1）。高温・高磁場では通常の有効












Fig.1 Measured and calculated results of angulardependence of critical current in FST/CaF2 film.

質量的な角度依存性へと移行する他、FST/CeO2 の場合には Jc (θ ≃ 90deg.) の窪みは見られないことから、ピン
止め中心の僅かな違いが反映されていると考えられる。
4. 常伝導コア近似における要素的ピン力の数値計算
特異な角度依存性を理解すべく、球状ピンによる要素
的ピンニング力 fp (T, θ) を常伝導コア近似の下で厳密に評価した [2,3]。結果、半径 ≃ 5 nm の球状ピンが支配的なピンとなる場合に、低温・低磁場における Jc (θ ≃ 90deg.)の窪み及び磁場印加による有効質量的振る舞いへの移行を再現できることが分かった。このような振舞いは、
fp (T, θ) の従来モデルでは再現できないものであり、数値計算による fp 評価の重要性を示している。
5. まとめ
最表面中間層を CaF2 に変更した FeSe0.5 Te0.5 薄膜の強磁場通電測定の結果、低温および高磁場における Jc 特性の向上と低温・低磁場における特異な角度依存性を観測した。要素的ピン力の厳密計算と照らし合わせること
で、半径 5 nm 程度の球状ピンによってもたらされた可能性が示唆された。
参考文献

1. Y. Imai, et al.: PNAS Vol. 112 (2015) p.1937.
2. T. Okada, et al.: JSAP (2021) 17p-Z21-3.
3. T. Okada, et al.: in preparation.

― 18 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1B-p01

MgB2

工業化 MgB2 線材の超電導・機械特性の微細組織依存性
Microstructure Dependence of Mechanical and Electromagnetic Properties
of Practical Composite MgB2 Superconducting Wires
長村光造（応用科研）；小黒英俊 (東海大)；町屋修太郎（大同大学）；
菱沼良光(核融合研)；谷口博康（大阪合金工業所）
OSAMURA Kozo (RIAS); OGURO Hidetoshi (Tokai Univ); MACHIYA Shutaro (Daido Univ);
HISHINUMA Yoshimitsu(NIFS) ; TANIGUCHI Hiroyasu(Osaka Gokin Industry. Ltd.)E-mail: kozo_osamura@rias.or.jp
1．はじめにMgB2 線材としては Columbus, Hyper Tech, Sam Dong 及びHitachi の 4 社から市販されている。本研究ではこれら市販されている線材の引張試験及び臨界電流測定を行い、組織観察で得られた微細組織との関連を調べたので報告する。
2．試験方法
供試料とした 4 種類の線材の断面構造は図１示すようなものであった。複合組織は各社で異なるが、外層シースには共通して Monel400 合金が使用されている。

ドである。ボイドの面積を定量的に決めるのは難しいが、Hyper Tech, Sam Dong の ボ イ ド 面 積 は 比 較 的 広 く 、Columbus, Hitachi では少ないように判断された。
線材のヤング率は応力―歪曲線から実測値 Eobs を求めた。
一方線材の構造から、ヤング率は次の Voigt 則により評価した。
Ecal = ΣfiEi(1)
ここで fi, Ei は各成分の体積分率、ヤング率である。Fig.1に示した断面から各成分の体積分率が求められる。また
各成分のヤング率は比較的正確な文献値があるので、これらの値を用いて(1)式より Ecal を計算した。実験値と比較すると Ecal>Eobs と一致しなかった。これは MgB2 フィラ
メントにはボイドを含む等、十分な焼結性が得られていなかったことによるものと推定される。この違いを調べるため Fig.1 で観察される MgB2 フィラメントの幾何学的な体積分率 fMgB2 とし、真に焼結性の高い部分の体積分率
f 0MgB2 として、これがヤング率の違いに反映されるとして計算を進め Table 1 のような結果を得た。計算結果によれば真に焼結性の高い部分の体積分率 f 0MgB2 は数%と非常に低いことが明らかとなった。
Table 1 Summary of experimental results

Fig. 1 Cross section of four kinds of MgB2 wires
investigated in present study.
SEM により微細組織観察をするとともに、引張試験は国際標準 IEC-61788-25 [1] に準じて室温で引張試験を行い、臨界電流測定は磁場下液体ヘリウム中で行った。

一般に MgB2 線材の臨界電流を引張応力下で測定すると、MgB2 フィラメントの破断により急速に低下する。このときの可逆限界歪は

Arec = ATMgB2 + ASC(2)で与えられる。ここで ASC は MgB2 フィラメント自身の破断
歪、ATMgB2 は熱歪であり、次式で示される。

(3)
成分１は MgB2、成分２はマトリックス、成分３は外層シースとした。αは熱膨張係数、T0、Ｔは熱処理温度、測定
温度である。(3)式で示される熱歪はマトリックス、外層シースの種類により変動し、材料の選択により(2)式の可逆限界歪を大きく改良できることができる。そこで(3)式に示すヤング率、熱膨張係数を最適化実現可能な複合材
料の組み合わせにについて検討したので、その結果を報告する。

Fig.2 Microstructure within MgB2 filament
3．実験結果および考察
Fig.2 に MgB2 フィラメント内の組織の吸収電子像である。いずれも多結晶状態であるが、色の濃い部分はボイ

参考文献
1. IEC 61788-25: 2018 Mechanical properties measurement– Room temperature tensile test on REBCO wires― 19 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1B-p02

MgB2

部分拡散 ex-situ 法 MgB2 バルクにおける圧延工程追加効果
Effects of additional flat rolling process on MgB2 bulks by partial diffusion ex-situ method
小池 亘, 元木 貴則, 下山 淳一 (青学大)
KOIKE Wataru, MOTOKI Takanori, SHIMOYAMA Jun-ichi (Aoyama Gakuin Univ.)
E-mail: c5620050@aoyama.jp

1. 緒言
MgB2 超伝導体は、実用線材に用いられている他の高温
超伝導体と比べ上部臨界磁場 Hc2 と不可逆磁場 Hirr が低く、臨界電流密度 Jc が磁場中で急激に減衰する。磁場中臨界電流特性の改善には支配的なピンニングセンターである
粒界の高密度化、つまり MgB2 結晶の微細化が重要な指針の一つとなる。さらに、有効電流経路の増加による高 Jc 化には充填率の改善が有効である。ex-situ 法は既製の MgB2
粉末を材料形状に成型し焼結する手法で、均一な組織を持
つ多結晶体が得られる。この手法では微細な結晶が高密度に充填した成型体を結晶成長させずに焼結することが高Jc 化の戦略となる。また、数 T レベルの磁場領域における使用を想定した MgB2 超伝導線材には、炭素添加が必要不可欠である。添加された炭素は MgB2 の B サイトを置換して磁場中の Jc の低下を抑制する[1]。本研究では、ex-situ 法により作製した MgB2 バルクの高 Jc 化を目的として、高密度化のための高圧プレス、粒間結合を改善する少量の B 添加[2]及び、粒界のピンニング力を強化するために C ドープ量制御を試みた。炭素源は 10%C 置換 MgB2 と 4%C 置換
MgB2 の 2 種類を用いた。また、今回は熱処理前に緻密化と反応性を高めるためにロール圧延工程を追加した。

炭素置換による Tc 低下が抑制された。一方、圧延工程を追加した炭素置換試料では圧延工程無しの試料と比較す
ると、磁場中の臨界電流特性が劣化した。これは、粒成長による磁場中特性の劣化が炭素置換による磁場中特性改善効
果に比べて進んでいるためである。当日は炭素源として4%C 置換 MgB2 を用い、圧延工程を追加した試料の超伝導特性についても報告する。
参考文献[1] A. Yamamoto et al., Supercond. Sci. Technol. 18 (2005)
1323-1328.
[2] W.Koike et al., abstract of CSSJ conference (2020).

2. 実験方法
MgB2 バルクの作製は MgB2 粉末(フルウチ化学製, 99%,#100)に少量の B(Pavezyum 製、粒径 250 nm)を MgB2 : B =1 : y (y = 0–0.5)のモル比で混合し、外部から Mg を拡散させる部分拡散 ex-situ 法[2]により行った。具体的には、一端をプレスした SUS316 管に Mg(#100)、MgB2 と B の混合
粉、そして Mg(粒径 1 mm)の順で充填し、もう一端をプレスして封じた後、高圧一軸プレスとロール圧延を施した。
また、磁場中 Jc 特性の向上のため、炭素源として自作した
高濃度 C ドープ MgB2 を B : C = 2-x : x (x = 0–0.06)のモル比となるように添加し、MgB2 バルクを作製した。
微細組織は SEM 観察、超伝導特性は SQUID 磁束計を用いた磁化測定により評価した。Jc は磁化ヒステリシス曲線から拡張 Bean モデルを用いて算出した。また試料の実
効 C 置換量 xA は以下の式[1]を用いて算出した。
xA ~ 47.6 × (0.3087 – a) a [nm] : 試料の a 軸長
3. 結果と考察
Fig. 1 に圧延工程を追加した C ノンドープ試料の Jc – H特性を示す。800℃,48 h 焼成試料では磁場中の臨界電流特性が大幅に劣化した。これは試料への歪みの導入と、SUS 管
内の密閉性の向上に伴い、反応性が向上し、粒成長が過度に進行したためである。そこで粒成長を抑えるため焼成温度を下げたところ、750℃,48 h 焼成試料で磁場中の臨界電流特性が改善した。Fig. 2 に仕込炭素量、10 Oe 下での ZFC 磁化率における転移の中点 Tcmid および 20 K において Jc ~104 A
cm-2 を示す外部磁場の関係を示す。圧延工程の追加により、― 20 ―

Fig. 1 Jc – H curves at 20 K of MgB2 bulks
prepared by partial diffusion ex-situ methodwith additional flat rolling process.

Fig. 2 The relationship between C substitution level(nominal), x, Tcmid and magnetic fieldcorresponding to Jc ~ 104 A cm-2 at 20 K.
第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1B-p03

MgB2

大容量撚り線導体に適用する MgB2 線材の製造方法と機械特性の相関
Investigation of correlation between manufacturing and mechanical feature of MgB2 strands
applied for large-scale conductors
谷貝剛, 高橋雅史(上智大); 駒込敏弘(前川); 槙田康博, 新冨孝和 (KEK); 平野直樹 (NIFS); 濱島高太郎 (東北大);
菊池 章弘，西島 元, 松本 明善(NIMS)YAGAI Tsuyoshi，TAKAHASHI Masafumi (Sophia Univ.); KOMAGOME Toshihiro (Mayekawa MFG); MAKIDA Yasuhiro,
SHINTOMI Takakazu (KEK); HIRANO Naoki (NIFS); HAMAJIMA Takataro (Tohoku Univ); KIKUCHI Akihiro, Nishijima Gen,
MATSUMOTO Akiyoshi (NIMS)
E-mail: Tsuyoshi-yagai@sophia.ac.jp

1．はじめに運輸・エネルギー部門の低炭素化は緊急の課題であり、超電導の電力応用が果たすべき役割は年々大きくなっている。
中でも再生可能エネルギー由来の発電電力量の増大は、半導体スイッチング装置の増加に起因する系統慣性力の減少と相まって、より短周期の電力変動が顕著となっているため、その補償の必要性が高まっている。
本グループでは、水素社会の発展に伴って増加する液体
水素貯蔵施設の冷熱を積極的に利用する事で、冷却コストを抑えた実用的な短周期変動補償が可能な超電導電力貯蔵装置(SMES)の開発を進めてきた。SMES の基本単位であるダブル・パンケーキ(DP)コイルは、39 K 以下で超電導特性を示す MgB2 線材を適用した大容量導体で構成し、その動作確認を行ってきた。
大容量導体は、kA クラスの通電容量であり、曲げ歪み感
受性を考慮して導体曲げ半径方向に薄いラザフォード導体構成を採用している。撚り線およびコイル巻き線時の曲げ歪みによる劣化が最小になる設計にも関わらず、試作した導体の Ic 特性は大きく劣化している事が確認された。本研究では、
X 線 CT による素線内部観察による素線の内部観察から、
MgB2 素線の機械特性を明らかにする事を目的とする。
2．撚り線導体から撚り解した素線の内部観測
大容量ラザフォード導体は、Hypertec 社製の素線 30-NM
および 24-NM を用いて構成した。直径は 0.83 mm であり、素線型番の数値は内部のフィラメント数を表している。長尺線製造のため、Nb の板を U 字に曲げた後で MgB2 前駆体の粉を入れ、閉じた円筒に加工する、Continuous Tube Filling andForming (CTFF)法を採用している[1]。
大きく変形した素線について、その X 線 CT 画像およびEMPA 分析結果を Fig. 1 に示す。変形によって Nb のバリアが破れた事で、MgB2 粉体がバリアの外に漏れ出し、熱処理後に周囲の金属と反応して MgCu2 などの MgB2 以外の成分が生成された事がわかる。CTFF 法は、Nb バリア製作時に、閉じた部分の溶接を行っておらず、曲げた板がラップされただけの状態である。そのため素線変形によって、そのラップ部が開き、粉体が漏れたと推測される。

3．凹み試験による Ic 特性の劣化と素線製造方法の相関
導体加工時に加わる凹みの Ic 特性への影響を調査する
ため、任意の凹みを印加できる装置を製作し、凹みを与えた
素線の Ic を 4.2 K, 4-5T の背景磁場中で計測した。素線はCTFF 法の Hypertech 素線に加えて、についても同様の試
験・解析を行った。始めから円筒パイプに粉体を挿入する従来の PIT 法を採用し、Hypertech 線材とほぼ同じ直径の
SamDong 社製の素線[2]も用いて比較した。その結果を Fig. 2に示す。
Fig.2(a)は Hypertech 社の素線の試験凹み試験結果であり、最大 0.2 mm の凹みを与えている。Ic は無加工素線の 60%程
度まで劣化したのに対し、Fig. 2(b)の SamDong 社製の素線は0.3 mm まで凹みを印加しても、有意な劣化は認められなかった。

Fig.2 Indentation dependence on Ic for (a) Hypertechand (b) Samdong sires
4．まとめ
CTFF 法は、長尺 MgB2 素線製造方法として有効であるが、大容量導体製作において、曲げ歪みを抑える設計であっても、素線同士の接触部が導体圧縮によって凹み変形を受けると、
Nb バリアが破れて MgB2 前駆体の粉が漏れ、正味の MgB2
生成量が減少する。一方円筒チューブに粉体を収める PIT 法
では、CTFF 法ほどの Jc が得られていないのが現状だが、変形による劣化は防ぐことができると考えられる。

参考文献
1. M. Tomsic, et al.: Int. Journal on Applied Ceramic
Technol. , Vol. 4 (2007) p.250
2. J.-H. Choi, et al.,J. Supercond. Novel Magnetism, vol. 32(2019) p. 1219-1223

Fig.1 X-ray CT images and EMPA ingredient analysis indeformed Mg 2 strands― 21 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1B-p04

加速器・核融合 (2)COMET 超伝導磁石システムの建設状況

Construction status of the superconducting magnet system
for the COMET experiment
角 直幸, 吉田 誠, 飯尾 雅実, 佐々木 憲一, 槙田 康博, 岡村 崇弘,
大畠 洋克, 大中 政弥, 黒澤 宣之, 深尾 祥紀, 三原 智 (高エネ研)
SUMI Naoyuki, YOSHIDA Makoto, IIO Masami, SASAKI Kenichi, MAKIDA Yasuhiro, OKAMURA Takahiro,
OHATA Hirokatsu, ONAKA Masaya, KUROSAWA Noriyuki, FUKAO Yoshinori, MIHARA Satoshi (KEK)E-mail: nsumi@post.kek.jp
1．はじめに素粒子の標準模型では許されていないが、標準模型を超える新しい物理によって起こると期待されているミューオンの稀な崩壊現象を探索するために、茨城県東海村の大強度陽子加速器施設 J-PARC にて実験準備が進んでいる COMET 実験(Fig.1)では、陽子ビームを標的に入射することで発生するパイオンを収束させるための「パイオン捕獲ソレノイド(PCS)」、パイオンが崩壊して発生するミューオンを導くための「ミューオン輸送ソレノイド(MTS)」、ミューオンが崩壊して発生する電子をトラッキングするための「検出器ソレノイド(DS)」などミューオン
ビームラインの全域に渡って超伝導磁石を使用している。
COMET 実験はミューオンを輸送するために、直径の異なる複数のソレノイドコイルを切れ目なく繋げた磁場構造(Fig.2)になっており、有限要素法を用いたシミュレーションに基づいて磁場設計を行っている。
現在これらの超伝導磁石が順次開発・製作されている。
本講演では COMET 超伝導磁石システムの建設状況について報告する。

3．ミューオン輸送ソレノイド
MTS は軸上磁場 3 T の湾曲した磁石である。標的から発生したミューオン以外の粒子が直接検出器へ到達するのを避けるため、ミューオンをソレノイド磁場とダイポール磁場によって 90 湾曲させるための磁石である。
2021 年度中には MTS 単体の冷却・励磁試験を実施した
後、ミューオンビーム軸上の磁場分布を測定する計画になっている。

2．パイオン捕獲ソレノイド
PCS は、最大 5 T の磁場で生成標的から全方向に発生するパイオンを収束して、MTS へと導くためのボア径
1.2 m の大型のソレノイド磁石である。超伝導コイルが標的を覆うように配置され、実験中は強い放射線と発熱に晒されるため、高い耐放射線性と冷却安定性が要求される。そのため、NbTi をベースとした太いアルミ安定化超伝導線を用いた大型のコイルを作成し、通常の超伝導磁石では使用されない放射線耐性の高い材料を採用している。また、液体ヘリウム自体の放射化や発熱を低減するた
めシェル外表面からの伝導冷却とし、特に放射線に晒される内側のコイルを冷却するためにアルミストリップを挿入するなどの設計の工夫がなされている。現在シェルの組み立てが進められており、2022 年度の完成を目指し
ている。
& &
&

5．まとめ
既に完成している MTS、昨年度に完成した CLB、来年度に完成する PCS、今後製作する DS が出揃えば COMET
実験がいよいよスタートする。2022 年度に陽子ビーム調
整、その後 PCS インストール、冷却励磁試験の後、2023
年に物理データ取得開始を目指している。

80A+6'5::1PowerSupply

4．カレントリードボックス
PCS および MTS へそれぞれ 3000 A および 250 A の大電流を、電源の常温部からコイルの低温部まで熱勾配を設けて供給する役割を持つのが「カレントリードボックス(CLB)」である。CLB は、高温超伝導体を用いて短距離で大きな熱勾配をつける設計になっている。CLB は「コールドボックス」から供給される液体ヘリウムを、PCS と
MTS へ分配し各コイルを冷却する役割も担っている。
CLB は 2020 年度に製作され、2021 年度に冷凍機およびMTS との接続作業を行う予定である。

参考文献
1. The COMET Collaboration, PTEP, Volume 2020,
Issue 3, March 2020, 033C01
2. Y. Yang et al., IEEE Transactions on Applied
Superconductivity, vol. 28, no. 3, pp. 1-5, April
2018, Art no. 4001405!566+*,7+(2304
CurrentLeadBox%6(*.=+6%5>+
TransferTube,0&#%'
to MTS!012304
ColdBox%6(*.=+6%5>+
TransferTube,0&8!'
to PCS

890*&!(:,56+
Pion Capture'01+*092&;8!'<
Solenoid (PCS)?+,+@,06
Detector'01+*092
Solenoid#50*&%6(*.:06,
Muon
Transport'01+*092&;#%'<
Solenoid(MTS)

Fig. 2 COMET magnetic field map
along the muon beam axis

Fig. 1 COMET Superconducting magnet system― 22 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1B-p05

加速器・核融合 (2)JT-60SA 超電導コイルの運転結果
Operation Results of Superconducting Coils for JT-60SA
村上 陽之，土屋 勝彦，夏目 恭平，福井 良磨，薄井 勝富，大西 祥広，柏 好敏，河野 勝己，濱田 一弥 (量研)
MURAKAMI Haruyuki，TSUCHIYA Katsuhiko，NATSUME Kyohei，FUKUI Kazuma，USUI Katsutomi, ONISHI Yoshihiro,
KASHIWA Yoshitoshi, KAWANO Katsumi，HAMADA Kazuya (QST)

1．はじめに欧州と日本が共同で建設を進めているトカマク型核融合実験装置 JT-60SA 装置の組み立てが 2020 年 3 月に完了した。JT-60SA には 3 種類の超電導コイルが用いられ、18 個のトロイダル磁場(TF)コイルと 4 モジュールから成る中心ソレノイ
ド（CS）および 6 個の平衡磁場(EF)コイルで構成される[1]。
2020 年 10 月より超電導コイルの冷却を開始し[2]、2021 年
1 月から 3 月まで通電試験を実施した。TF コイルは定格電流値の 25.7 kA までの通電を達成し、設計通りに運転できることを確認した。CS および EF コイルは個別の励磁試験を実施し、定格 20 kA に対し、5 kA までの通電を完了した。本発表では、
これまでに実施した通電試験の結果について報告する。
2．超電導コイルの概要
18 個の TF コイルは直列に接続され一つの電源で励磁される。一方で、4 個の CS モジュールと 6 個の EF コイルは、個別に電流を変化させることでプラズマの位置・形状制御ができるように、それぞれ異なる計 10 個の電源で励磁される。
JT-60SA の運転では、まず直流電源を用いて TF コイルを励磁状態で維持し、その後プラズマ着火、制御のためパルス電源を用いて高速で CS および EF コイルの励減磁を行う。CSおよびＥＦコイルの電源は、最大 5 kV の電圧を印加することができ、通電時間は最長 220 秒で設計されている。
TF コイルは直列通電のため発生する誘導電圧が全てのコ
イルで同じであることから、コイル間の電圧比較によりクエンチ検出を行う。一方で CS および EF コイルは個々に異なる通電
電流を印加するため、それぞれのコイルに誘導電圧検出用のピックアップコイルを取り付けており、ピックアップコイルの発生電圧を用いて誘導電圧を除去し、クエンチ検出を行う。

CS および EF コイルの通電結果の一例として、CS2 の試験結果を図 3 に示す。通電電流を徐々に上昇させ 5 kA で約 35秒間保持した。クエンチ検出器の出力電圧から、電流保持時の抵抗性電圧は 10mV 以下であり、接続抵抗では 2μΩ以下に相当する。5kA を安定に通電できたことから、5 kA の範囲
では運転に影響するような接続抵抗は無いと考えられる。今後、詳細な接続抵抗評価に向け、ノイズの軽減および高分解能、高速サンプリングでの測定を検討している。
これらの通電試験より、TF コイルは定格電流値の 25.7 kA、
CS および EF コイルは 5 kA まで安定に通電できることが確認
できた。
参考文献
1. Y. Koide, et al.: Nuclear Fusion, Vol. 55, (2015) 086001
2. H. Murakami, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol. 100(2020) p. 29

Fig. 1 Temperature of TF coils during 25.7 kA operation
3. 通電試験結果
超電導コイル内の接続抵抗は、CS および EF コイルについては抵抗性電圧をクエンチ検出器の出力として原理的には測定できる。一方、TF コイルでは抵抗性電圧も打ち消されてしまうため、クエンチ検出器で計測することはできない。TF
コイルの接続抵抗は、通電時の温度変化より熱的に評価した。
TF コイルの通電試験結果を図 1 に示す。通電電流を徐々に上昇させ、定格電流である 25.7 kA で約 35 分間保持した。
通電開始とともに、接続抵抗による発熱および AC ロスにより温度が上昇した。電流が 25.7 kA に到達後 25 分程度で AC
ロスにより生じた熱がコイル内から排出されたことが確認できた。35 分間の通電中において全ての TF コイルは安定しており、TF コイルの定格運転を達成することができた。
接続抵抗による温度上昇は、TF02 が 0.27 K 程度、その他のコイルは 0.09～0.14 K であり、TF02 のみ顕著に大きいことが確認された。接続部 1 か所当たりの接続抵抗値を、温度上昇から熱的に評価した結果を図 2 に示す。TF02 を除くと、接続抵抗は目標値である 5 nΩ程度であることを確認した。なお、TF01, 02, 07, 08, 13, 14 は電流リードからの侵入熱の変化も温度上昇の一因として含まれるため、接続抵抗の評価値がやや高い傾向がある。TF02 の温度上昇の原因が、電流リードからの侵入熱が急激に高くなった可能性も考えられるた
め、電流リードの運転状況を今後精査していく予定である。

― 23 ―

Fig. 2 Joint resistance of TF coils

Fig. 3 Result of 5 kA operation of CS2
第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1B-p06

加速器・核融合 (2)放射線環境に適合した複合材料(FRP)設計の為の基礎研究
Research for composite material (FRP) design suitable for radiation environment
平井 正明(福井工業大学)；西嶋 茂宏（福井工業大学）；戸田 良彦（株式会社 有沢製作所）
HIRAI Masaaki， NISHIJIMA Shigehiro (Fukui University of Technology); TODA Yoshihiko (Arisawa Manufacturing Co., Ltd.)E-mail: m-hirai@arisawa.or.jp
1．はじめに
ガラス繊維強化プラスチック(GFRP)は､核融合実験炉(ITER)や加速器関連のコイル用絶縁や構造材料の一部として使用されてきた｡これらの応用で放射線(中性子線､γ線)や、極低温環境下で使用される時の放射線による劣化機構の解明は重要である｡また､宇宙分野ではペイロード(積載量)を大きくする為にも比強度の大きい炭素繊維強化
プラスチック(CFRP)の使用が必須でありながら、その宇宙線による照射劣化の詳細な研究は十分であるとはいえない｡
特に､宇宙線は陽子を中心としたものであるため、従来の照射データを基礎とした材料設計の妥当性の検証が必須と考えられる｡

4．測定
樹脂板と FRP 板を真空下（ターボ分子ポンプを用い約 1Paの環境）における経時の重量変化率を測定した。また、マトリックス樹脂の硬化度、架橋密度の指標として、DSC(示差走査
熱量計)による残存発熱量、機械的特性として圧縮による層間
せん断強度を測定した。
5．結果
真空下における重量減少率(樹脂;12 日､FRP;30 日累計)、
残存発熱、照射前の圧縮による層間せん断強度(FRP のみ)の結果を表 1 に示す。
Table１ Weight reduction, Remaining Calorie andInterlaminar Shear Strength
Resin;12 Remaining

2．本研究の目的と内容
本研究では有機複合材料(CFRP 及び GFRP)を製作し､照射前後で測定する機械的特性の変化を測定し､繊維やマトリックス樹脂との関連を明らかにすることを試みる｡機械的強度特性の一つとして､層間せん断強度を中心とした検討を進めている｡これは繊維とマトリックス樹脂との密着性､接着力の影響が、放射線環境下における長期の信頼性で重要と考えられるためである。
まず､基礎的試験として、宇宙環境を想定し真空下における重量変化率及び熱分析で、マトリックス樹脂や FRP の基礎データを取得するとともに、層間せん断強度で繊維とマトリックス樹脂の密着性を評価した。
これらのデータを総括し、宇宙放射線による有機複合材
料の照射劣化について、従来の照射データと対比させつ
つ、有機複合材料の設計指針を構築することが､本研究の目的である｡
3．試験片
4-1.樹脂板作製
約 20g の樹脂板になる調合量で主剤と硬化剤を秤量し、撹拌を行い、所定熱量で硬化させ､以下の樹脂版を作製した。
a;ビスフェノール A 型エポキシ+脂肪族アミン；常温硬化b;ビスフェノール A 型エポキシ+芳香族アミン;130℃×1hr
a,b に 180℃×24hr のアフターキュア品を a’,b’とした｡
c;多官能エポキシ+酸無水物+イミダゾール;
150℃×1hr +180℃×24hr
4-2.CFRP 板作製
・上記マトリックス樹脂(a は除く)とした FRP 板を作製した｡
・S2 ガラスクロス及び CF(炭素繊維)クロスに､樹脂を手塗りで塗布後､約 2mm(Vf58%)になる積層枚数で、オートクレー
ブにて下記の温度条件で成形し､FRP 板を作製した。
d;CF クロス/エポキシアミン；130℃×1hr
d’:d に 180℃×24hr のアフターキュア
e;CF クロス/多官能エポキシ;150℃×1hr + 180℃×24hr
e’:e に 230℃×12hr のアフターキュア
f:S2 クロス/エポキシアミン；130℃×1hr
f’:f に 180℃×24hr のアフターキュア
g：S2 クロス/多官能エポキシ;150℃×1hr + 180℃×24hr
g’:g に 230℃×12hr のアフターキュア

No.

age [day]

FRP;30total

Calorie[J/g]Interlaminar Shear
Strength byCompression
[MPa]

a

epoxy alihatic amine

1.079

10.5

-

a'

epoxy alihatic amine AC

1.524

15.3

-

3.0

-

b

epoxy aromatic amine

0.073

b'

epoxy aromatic amine AC-0.080 Not Detectedcpolyfunctional epoxy

0.035

Not Detected

-

0.750

5.5

45.7

d' CF cloth/epoxy aromatic amine AC

0.211

Not Detected

45.2

CF cloth/polyfunctional epoxy

1.378

Not Detected

38.0

e' CF cloth/polyfunctional epoxy AC

0.274

Not Detected

37.4

S2 cloth/epoxy aromatic amine

0.242

4.7

49.1

f' S2 cloth/epoxy aromatic amine AC

0.149

Not Detected

46.1

g S2 cloth/polyfunctional epoxy

0.588

Not Detected

41.1

g' S2 cloth/polyfunctional epoxy AC

0.434

Not Detected

41.1

d CF cloth/epoxy aromatic amineef-

表１より、樹脂板において重量減少率と残存発熱に相関は見受けられるが､FRP 板については、重量減少率と残存発熱に相関は明確でない。特に CF クロス多官能エポキシについて、アフターキュア前後で残存発熱は検出されていないが、アフターキュア前の重量減少率が 1.378%と高く、アフターキュ
アすると 0.274%と低くなっており、他の重量減少率の低い材料と同程度となっている｡
6．まとめ
架橋度が小さいと考えられるエポキシ脂肪族アミン、エポキ
シ芳香族アミンをアフターキュアしたもの及び多官能エポキシはほとんど重量減少しない。これらは架橋密度の高い樹脂とすることで、真空下で樹脂成分が蒸発しにくいと考えられる｡
FRP では多官能エポキシで､重量減少率と残存発熱に相関は明確でない点について､残存発熱が観測されないため未反応のエポキシがアフターキュアで硬化したとは考えられず､さらなる検討を行っていく｡
真空下における重量減少率の低い材料は、宇宙環境下での耐放射線性、材料の長期信頼性につながると考え､放射線による有機複合材料の設計指針の一つであると考える。 こ
れらのデータを基に望ましい FRP の設計指針について検討し
ていく｡
参考文献
1. 中井康二､貴家恒男､坂本修；「電子線照射技術の工業利用」(日新電機技報 Vol.54,No2(2009.10))
2. 箕島弘二､藤井伸幸､駒井謙治郎；「複数 AE パラメータによる CFRP の破壊特性評価と電子線照射効果」(学術講演
会講演論文集 1995)― 24 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1C-a01A15 線材

Nb₃Al 線材のべき乗則を用いたひずみ効果の考察
Consideration of strain effect for Nb3Al wires using power law
涌谷 佑太郎，野呂 将太，小黒 英俊 (東海大); 菊池 章弘 (NIMS); 淡路 智 (東北大)
WAKUTANI Yutaro, NORO Shota, OGURO Hidetoshi (Tokai Univ.); KIKUCHI Akihiro (NIMS); AWAJI Satoshi (Tohoku Univ.)
E-mail: 0cajm061@mail.u-tokai.ac.jp
1．はじめに
Nb3Al は、同じ A15 型金属間化合物の中でも、現在広く使われている Nb3Sn に比べて、臨界温度、臨界磁場そして臨界電流が高く、さらに、ひずみにより超伝導特性が劣化しにくい[1]。このため、近年開発された急熱急冷(RHQT)法 Nb3Al 線
材[2]は、加速器や核融合炉用線材としての利用が期待されている。我々のグループでは、この線材の低温強磁場中の機械特性を調べ、報告してきた[3]。この中で、ヤング率などの機
械特性や臨界電流の急激な低下が起こるひずみの大きさなどの議論をしたが、弾性領域中の超伝導特性の変化に関して、詳細な議論を行なっていなかった。
そこで今回は、これまで測定してきた Nb₃Al 線材の臨界電流のひずみ依存性から、ひずみに対する超伝導特性の変化の大きさを、ひずみ感受性として導出し比較した。この結果と、Nb₃Al 線材の作成条件を比較し、考察を行なった。
2．解析方法表 1 にこれまでに研究室で測定してきた、急熱急冷法 Nb3Al
線材の諸元を示す[4, 5]。これらの線材の臨界電流のひずみ依存性を定量的に表すため、以下のべき乗則の式[6]を使って実験結果のフィッティングを行なった。
Ic = Icm (1- a|ε-εm |1.7 )ε : 引張りひずみ
Icm: ひずみがない状態の Ic
a : ひずみ感受性(曲線の傾き)εm : Ic ピーク時のひずみ
ここで、Icm およびεm は、Ic のひずみ依存性にピークが見えた
ものはピーク時の値を、見えていないものは引張りひずみゼロの値を使用した。このピークもしくはひずみゼロより引張り側のデータを用いてフィッティングを行なった。また、べき乗の値は、
Nb3Sn と同じ A15 型金属間化合物であることから、今回はNb3Sn と同じ 1.7 乗で固定してフィッティングを行なった。
a をひずみ感受性としているが、この値はひずみによる臨界電流の変化率を表しており、これが大きいとひずみに弱く、小さいとひずみに強いことを示す。ひずみを%表示のままフィッテ
ィングを行うが、このとき一般的な Nb3Sn の a の値を導出すると、1.17 程度になる[7]。この時、それぞれの測定磁場を上部
臨界磁場 Bc2 と比較すると、Nb3Sn は 14.5 T で測定しており、Bc2 は 24 T、Nb3Al は 18 T での測定で Bc2 が 30 T となる。この磁場強度の影響を考慮すると、Nb3Al の結果と比較する
Nb3Sn の基準は、1.16 となる。
3．結果と考察
図 1 に、測定した Nb3Al 線材の臨界電流のひずみ依存性を点で示し、べき乗則でフィッティングしたものを実線で示した。
この曲線の傾きの大きさがひずみ感受性 a である。K1_2 は K1の 2 つ目の試料である。
ひずみ感受性の絶対値を見ると、K1、K4、F4 は 1 以下の大きさとなっており、一般的なブロンズ法 Nb3Sn 線材に比べて半分程度の大きさになっていることがわかった。これは、Nb3Al
線材が Nb3Sn 線材に比べてひずみによる臨界電流の変化が小さいことを示している。さらに、ひずみ感受性と線材の破断
ひずみを比較すると、ひずみ感受性が小さい線材ほど、破断
ひずみが大きい傾向にあることがわかった。つまり、ひずみ感
受性の大きさから、線材破断までのひずみが大きいか小さいかを予測することが可能であると思われる。K3 は a の値が 1以上となっているが、破断ひずみが非常に小さいため、引張り方向の大きな残留ひずみがあるためではないかと考えられる。F3 は、上記の関係に合わないが、今後の検討が必要と思われる。また、今回の解析結果からは、線材構造材料などとひずみ感受性との関係について、明確な関係性は見られな
かった。
4．まとめ
Nb3Al線材の臨界電流のひずみ依存性に関して、べき乗則を用いて弾性領域におけるひずみ感受性を調べた。その結果、ひずみ感受性の値が一般的なブロンズ法線材の1/10ほどになっていることがわかった。さらに、ひずみ感受性の値が小さいほど、破断ひずみが大きい傾向があることがわかった。
参考文献
1. T. Takeuchi, Supercond. Sci. Technol., Vol. 13 (2000) 101
2. Y. Iijima et al., Adv. Cryo. Eng., Vol. 40 (1994) 899
3. Y. Wakutani et al., Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 99(2020) p. 81
4. K. Tsuchiya et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 22(2012) 6000504
5. A. Kikuchi et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 23(2013) 6001404
6. J. W. Ekin, Cryogenics, Vol.20, (1980), 611
7. H. Oguro, J. Cryo. Super. Soc. Jpn. Vol. 47 (2012) p. 468
Table 1 Parameters of RHQT Nb3Al strands [4, 5].
K4
K1
K3
F3
F4
Wire diameter (mm)0.99 1.00
0.99
1.00 0.99
34
Filament diameter (µm)
36
31
38
35.8
Number of filaments
222
294
224
222
276
Cu/non-Cu ratio
0.94 0.98
0.98
1.0
0.61
Interfilament matrix
Ta
Ta
Ta
Ta
Ta
Central dummy material
Nb
Nb
Nb/Ta
Ta
Ta
Outermost skin
Nb
Nb
Nb
Nb
Nb
material
Strain sensitivity, a0.38 3.07
0.49
1.25 0.71
Fracture strain (%)
0.60 0.15
0.44
0.61 0.41

Fig. 1 Critical current as a function of tensile strain for Nb3Al
wires. Points are the experimental results. Lines areprovided by the power law.

― 25 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1C-a02

A15 線材ブロンズ法 Nb3Sn 超極細超伝導線及び撚線
The bronze-processed Nb3Sn super-fine superconducting wires and stranded round cables
菊池 章弘, 飯嶋 安男, 北口 仁, 二森 茂樹, 土谷 悦子, 飯田 一彦, 小林 正樹, 檜原 高明（NIMS）； 山本 優, 河野 雅俊, 木村
基良（明興双葉）; 永松 純, 大坪 正人（由紀精密）; 谷口 博康, 水田 泰次, 水田 泰成（大阪合金）； 王 旭東, 土屋 清澄（KEK）
KIKUCHI Akihiro，IIJIMA Yasuo, KITAGUCHI Hitoshi, NIMORI Shigeki, TSUCHIYA Etsuko, IIDA Kazuhiko, KOBAYASHI Masaki,
HIBARU Takaaki (NIMS); YAMAMOTO Masaru, KAWANO Masatoshi, KIMURA Motoyoshi (Meiko Futaba, Co., Ltd.); NAGAMATSU
Jun, OTSUBO Masato (Yuki Precision, Co., Ltd.); TANIGUCHI Hiroyasu, MIZUTA Taiji, MIZUTA Yasunari (Osaka Alloying Works, Co.,
Ltd.); WANG Xudong, TSUCHIYA Kiyosumi (KEK)E-mail: KIKUCHI.Akihiro@nims.go.jp
1．はじめに
最近、我々は React & Wind 法の適用に有利な新しい極細線構造の A15 型化合物線の研究開発を進めている。長年、極細多芯構造ではあるが、超伝導フィラメントと母材が一体化したモノリス構造の線材開発が世界的に行われてきた。超伝
導フィラメントの縮径は、交流損失の低下とともに線材にかかるひずみの低減にも貢献する。超伝導フィラメントと線材母材が一体化している場合、ひずみ量は線材中央の中立軸からの距離に支配されるが、もし、超伝導フィラメントが母材に拘束されず自由度をもったなら、ひずみ量は個別の超伝導フィ
ラメントごとに中立軸が変わって格段に小さくなる。
先にジェリーロール法 Nb3Al 線において、髪の毛より細い
外径が 30 ミクロンの極細線の試作に成功し、超極細化合物
超伝導線の創製が可能であることを示した。さらに外径 80 ミク
ロンの Nb3Al 線材を使用して７本撚線も試作し、単線の７倍の臨界電流が得られて撚線加工による性能劣化がなかったことを確認した。さらにこの７本撚線をまっすぐな状態で熱処理した後に、直径 50 mm の円筒ホルダーに巻き付けて臨界電流及び n 値を測定したところ、まっすぐなまま測定した場合と比較して劣化はなかったことも確認した。
今回、超極細化合物超伝導線の第二弾として、ブロンズ法
Nb3Sn 線材の極細化を試みた。
2．実験方法大阪合金（株）の特殊製法（水田式溶製法）により、化学組
成が Cu-14mass%Sn-0.3mass%Ti の高品質ブロンズを作成し、今回の極細線試作の原料に用いた。ドリル加工により 19 芯のサブマルチ構造とし、ニオブ棒（純度 3N）を挿入したニオブ／
19 ニオブ複合体の周囲に拡散バリアとなるニオブ箔を複数回巻き付けて、それを無酸素銅管に挿入した。組み立てたビレットの外径は 45.2 mm、有効部の長さは 80 mm とした。Fig.
1(a)が組み立てたビレットの断面写真である。先端と後端をプラグで蓋をして真空中で脱気し、電子ビーム溶接を行って真空封入した。次に冷間静水圧プレス（CIP）行ってビレット内部の充填密度を高め、その後に直接方式の熱間押出し加工を行った。押出し後の寸法は 15.0 mm で、押出比は 9.1 になる。
熱間押出し後は、650℃前後の温度で中間焼鈍を行いながら、冷間で超硬ダイスによる引き抜き加工を NIMS で実施した。外径 0.6mm 以下は、明興双葉（株）田富工場で 100 m/min の引き抜き速度で連続伸線を実施し、外径 0.05 mm を目指した。
一部はさらに細く外径 0.03 mm までの極細加工に取り組んだ。
3．実験結果今回、14mass%Sn 濃度の量産ブロンズを母材として、19 芯のニオブフィラメントを含有したブロンズ法 Nb3Sn 線材の極細線加工に取り組んだところ、外径 0.05 mm の極細線を 7，322m まで無断線で加工することに成功した。このうち、一部の線材はさらに外径 0.033 mm までの極細化を進め、1,042 m の単一条長を得ることができた。いずれの条長も元材量の制限を受けた長さであり、元材を長く確保できればさらに極細径での単一条長は無断線で長く延長することができると判断している。
Fig. 1(b)は、外径 0.05 mm の線材の断面写真であり、ニオ
ブバリアが若干乱れてギザギザに変形しているものの、極端な異常変形箇所はみられない。ニオブフィラメントの直径は約3 ミクロンで、ニオブバリアを含めた銅部／非銅部の比率は約0.9 である。初回の試作にも関わらず、当初の予想を上回る条長の無断線加工に成功し、ニオブとブロンズ合金を複合加工するブロンズ法の工業製法としての完成度の高さを実感した。
次に、今回、十分な長さの素線が確保できたので、次のステージとなる撚線加工の検討にも着手した。Fig. 2 は、外径0.05mm の極細線を使って試作した撚線の断面写真であり、左から、(a) 7 本一次撚線、(b)19 本一次撚線、(a)の 7 本撚線
を 7 本撚った(c)7/7 二次撚線である。先行試作した Nb3Al 極
細線と比較して、ブロンズ法 Nb3Sn 極細線の撚線加工は格段にやりやすかった。焼鈍ができない Nb3Al 極細線は剛性が強くスプリングバックしやすいのに対し、ブロンズ法 Nb3Sn 極細
線では素直に形が決まって撚線構造を維持し、ハンドリングに長けていることがわかった。

Fig. 1 (a) A cross-section of the bronze processed composite
billet after assembly, the outer diameter is 45.2mm and effective
billet length is 80 mm, (b) A cross-section of the super-fine wire
having 50 microns in a diameter after hot-extrusion and diesdrawing of (a). Cu/non Cu ratio is approximately 1.0.

Fig. 2 Cross-sections of stranded round cables of the bronzeprocessed Nb3Sn super-fine wires having 50 microns in adiameter, (a) 7 strands round cable, (b) 19 strands round cable,and (c) 7/7 strands round cable.

― 26 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1C-a03

A15 線材

Nb 合金母材組織と Nb3Sn 生成層結晶組織の関係
Correlation between grain morphology of parent Nb-alloy
and the formed Nb3Sn layer

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）; 二森茂樹（物材機構）
BANNO Nobuya (NIMS); MORITA Taro (Sophia Univ., NIMS); YAGAI Tsuyoshi (Sophia Univ.); NIMORI Shigeki (NIMS)
E-mail: banno.nobuya@nims.go.jp
1．緒言

粒成長により、ほぼ粒径の増大に比例してピンニング特性がNb3Sn の主要な磁束ピンニングセンターは結晶粒界であ低下していることがわかる。

ることから、結晶組織の微細化は、さらなる性能向上を目指す上で非常に重要である。
本実験では、Nb 合金母材の中間焼鈍と Nb3Sn 生成反応

本研究の一部は JSPS 科研費 JP18K04249 の助成を受けたものです。
[1] N. Banno et al., Scripta Materialia, v199, 113822, 2021.
[2] S. Barachandran et al., SUST, v32, 044006, 2019.

を分離することで、Nb3Sn 組織形成に与える前駆体 Nb 合
金母材組織の影響を明瞭に調査した。これにより Hf 添加による微細化メカニズムがより一層明らかとなった[1]。
2．実験方法
本研究では Nb 合金として、最近 Nb3Sn 微細化の効果が示された Nb-4at%Ta-1at%Hf を用いた[2]。まずアーク溶
解により Nb-Ta-Hf 合金を溶製し、スエージング加工後、
Φ8.4mm の丸棒状に切削加工した。ついで外径／内径が10mm／8.5mm の Cu パイプと複合し、伸線加工してΦ0.8mmの Cu/Nb-Ta-Hf 単芯線を得た。その後、硫酸スズ溶液を用いて Sn メッキし、熱処理で Nb3Sn 層を生成するが、このとき、必要に応じて Sn メッキ前に Cu/Nb-Ta-Hf 線を焼鈍して組織制御しておくことで、Nb3Sn 生成組織への Nb-Ta-

Fig.1. Hardness of Nb-Ta-Hf and Nb as a function of temperature.

Hf 母材組織の影響を明瞭に示すことが可能となる。
加工後の Nb-Ta-Hf 母材の再結晶温度および組織変化は、
テープ材を別途作製し、硬さ試験、EBSD により調べた。
Nb3Sn 生成前に 1010℃で中間焼鈍を行った試料と行わない試料を作製し、SEM、EBSD を用いた組織観察を行い、PPMS-VSM を用いた磁化測定により、ピンニング特性を測定し、比較した。

Fig.2. EBSD orientation maps of Nb-4Ta-1Hf and Nb3Sn grainmorphologies formed from the parent Nb-4Ta-1Hf layer (a) withoutand (b) with the intermediate annealing at 1010ºCx5 h.

3．実験結果と考察
Fig. １は、テープ状 Nb-Ta-Hf の硬さ変化と EBSB 組織観
察から推定される回復・再結晶・粒成長温度を示したグラフで200

Intermediate annealing for Nb-Ta-Hf
Nb-Ta-HfNo
Yes
Yes (1010 oC/5
C/ 5 h)ある。参考に Nb の硬さ変化も併記する。Nb-Ta-Hf は回復温度が 800℃前後となり、Nb3Sn 生成時にも高い内部歪み状態

150

JJc,layerB (GN/
m3)
(GN/m

を保つことがわかる。
次に、Cu/Nb-Ta-Hf 単芯線に対し、中間焼鈍を施さない
試料と 1010℃x5 h の熱処理を施した試料を準備し、それぞれに Sn メッキをした。Sn メッキは約 40μm 厚で付与した（このとき Cu:Sn = 68:32 at%)。その後、390℃x100h→685℃x100h の

100

50

熱処理を施し、Nb-Ta-Hf 母層の上に Nb3Sn 層を生成した。
その時の Nb3Sn 生成前の母層の EBSD マップおよびそこに生00.0

成される Nb3Sn 結晶層の SEM 像を示す。中間焼鈍を行った

0.1

瞭だった。
Fig. 3 はそれぞれの試料に対し、磁化測定からビーンモデ
ルで求めた Nb3Sn 層のピンニング特性を示す。焼鈍試料では、

0.2

0.3

0.4

0.5

B
B//Bc2

ものは、母層の粒成長とともに、Nb3Sn 結晶粒の粗大化が明Fig.3. Pining characteristics of Nb3Sn layer formed from the parent
Nb-4Ta-1Hf layer (a) without and (b) with the intermediate annealing
at 1010ºCx5 h.

― 27 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1C-a04

A15 線材

Nb3Sn 線材における Sn 拡散挙動への Ta と Hf 添加の効果
Effect of Ta and Hf addition for Sn diffusion behavior in Nb3Sn wires
村河 広樹，肥村 康治，永澤 諒紀，小黒 英俊 (東海大); 伴野 信哉 (NIMS)MURAKAWA Hiroki, HIMURA Koji, NAGASAWA Masaki, OGURO Hidetoshi (Tokai Univ.); BANNO Nobuya (NIMS)
E-mail: 0CAJM052@mail.u-tokai.ac.jp
1．はじめに
Nb3Sn 線材は、CERN にて計画されている新たな加速器開発に利用されようとしている。これは、超伝導特性および、これまでの実績から選ばれたものと思われる。しかし、次世代加速器のためには、現状の Nb3Sn 線材の臨界電流密度では不十分であるため、現状の 3-5 倍となる、16 T において 1500
A/mm2 の臨界電流密度が必要とされている[1]。
この目標を実現するため、様々な研究機関で Nb3Sn 線材にピンニングセンターの導入や第 3 元素添加の試みが行われている。そんな中で、Hf と Ta を Nb3Sn 線材に添加すると大幅に臨界電流密度が向上する、という報告がなされた[2]。しかし、我々のグループでは Hf 添加が Nb3Sn 生成に悪影響を及ぼすことを報告している[3]。これは、単純な第 3 元素添加による影響だけではなく、Hf と Ta を加えることにより他の効果が働いている可能性がある。これを考察するにあたり、Sn の拡散状
態、結晶粒の大きさなど、詳細な情報が必要であるが、そこまでは調べられていない。
そこで本研究では、Hf と Ta を添加した Nb3Sn 線材を作製し、熱処理後に各元素がどのように拡散して Nb3Sn の生成に影響を与えるのかを調べた。
2．実験方法Hf と Ta の効果を調べるため、内部拡散法を用いて、Cu 管にSn 芯線 1 本と Nb-4at%Ta-1at%Hf 芯線 8 本をはめ込んだ線材を作成した。線材は、直径 15 mm から大型溝ロール圧延機、
小型溝ロール圧延機を用いて線材の圧延加工をした。その後、線引き機を用いて、Nb3Sn 線材の断面の直径が 1.03 mmになるまでダイスによる線引き加工をした。作製した線材を120 mm に切り、線材を一本ずつ内径 1 mm の石英管に入れて、真空雰囲気において 670ºC×200 h の熱処理を行った。
これらの試料に対し、電子線マイクロアナライザー(EPMA)を用いて、Nb3Sn 断面の組成分析を行なった。
3．実験結果Fig. 1 に Nb-4at%Ta-1at%Hf 芯線を用いた線材の断面全
体の元素分布を、fig. 2 に Nb 芯付近の元素分布を示した。
Fig. 1 より、線材加工前は同心円状に Nb フィラメントを配置したが、溝ロール圧延によって、フィラメントの位置がずれてしまったことがわかった。この状態では、Sn の拡散距離がフィラメントごとに異なるため、後述するように、Nb3Sn の生成状況を確認する場合には、中央に近い Nb 芯の一つに注目することとした。
元素分布を見ると、Sn が線材の Cu 部に拡散していることがわかった。また、線材作製時に Sn 芯線を入れた中心近くに、多くの Sn が存在していることが分かった。Nb 芯、及び、添加した Ta と Hf は、熱処理前の位置から動いていない事が分かった。ここで、Nb3Sn の生成状況を Sn の分布から考えると、中央の Sn 芯があった部分に近い Nb フィラメント界面に Sn が集中しており、ここに Nb3Sn が生成されていると考えられた。このため、Sn 芯に近いフィラメントに絞って Nb3Sn の生成挙動を調べることとした。このため、Fig. 2 の結果は Sn 芯に近い Nb フィラ
メントの元素分布を調べたものとなっている。この図より、
Nb3Sn 層は約 12 μm 生成されていることがわかった。Nb3Sn が生成されている付近には、Ta と Hf が存在しており、Nb3Sn 生

成には添加した Hf と Ta が影響していると考えられる。Hf は
Nb3Sn の成長に対して悪影響を与えるが、Ta の存在によって成長を促進させているのではないかと考えられる。ただし、この結果が、Ta 添加 Nb3Sn 線材や無添加 Nb3Sn 線材に比べてどれだけの効果があるかを定量的に示すには、同じ条件での線材作成が必要と考えられ、今後はそれらの線材作製と評価が必要となる。
4．まとめ
Nb-4at%Ta-1at%Hf 芯線を用いた内部拡散法 Nb3Sn 線材の作製を行い、元素の拡散状況の観察を行った。このとき、Sn 芯のあった中央部に近い Nb フィラメントにて、12 μm の
Nb3Sn の生成が確認された。この結果に Ta と Hf がどのように影響しているのか調べるため、同条件で元素の影響を調べる
線材作製と評価が必要である。
謝辞
本研究の一部は東海大学高度物性評価施設の支援を受け、実施したものである。
参考文献
1. S. Kawashima et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.
30 (2020) 6000105
2. S. Balachandran et al., Supercond. Sci. Technol., Vol. 32(2019) 044006
3. M. Nagasawa et al., Abstract of CSSJ Conference, Vol. 98(2018) p. 16

Fig. 1 Elemental mappings on the cross section of Nb3Sn
wire with Nb-Ta-Hf filament.

Fig. 2 Elemental mappings of Nb-Ta-Hf filament.

― 28 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1C-a05

A15 線材Nb/Cu/Sn 拡散対における Nb3 Sn 微細組織と超伝導特性の Ti 添加方法の影響

The eﬀect of Ti doping method on the microstructure and superconducting characteristics of
Nb3 Sn on Nb/Cu/Sn diﬀusion couple
森田 太郎（上智大学，NIMS）；谷貝 剛（上智大学）；伴野 信哉（NIMS）

MORITA Taro (Sophia Univ., NIMS); YAGAI Tsuyoshi (Sophia Univ.); BANNO Nobuya (NIMS)
E-mail: morita0079@eagle.sophia.ac.jp
1. はじめに
Nb3 Sn 線材への Ti 添加は Bc2 と高磁界 Jc の大幅な向上の効果があることが知られている [1] 。ブロンズ法線材における Ti 添加場所が Nb3 Sn 微細組織に与える影響について、これまでに数多くの報告がある。
。ブロンズ法線材では Ti 添加場所として Nb 側と Cu-Sn（ブロンズ）
母材側の 2 通りが考えられ、Ti を Cu-Sn 母材側に添加した場合は Nb 側に Ti 添加する場合と比べて Nb3 Sn 結
晶粒が一層微細化されることや Sn の活性化エネルギーがより低下し、Nb3 Sn 層の生成が促進されることが報告されている [2]。
一方で、内部スズ法では、Ti 添加に関して Nb 芯、Cu
母材側に加えて Sn 芯の 3 通りが可能である。内部スズ
法構造においてもブロンズ法構造と同様に Cu 母材へのTi 添加による結晶微細化効果等が期待されるが、それぞれの場所に Ti 添加した場合の微細組織と超伝導特性については詳細な研究がこれまでされてこなかった。
本研究では Nb/Cu/Sn 構造を有した拡散対においてそれぞれの箇所に Ti 添加した試料を作製し、それらの微細組織観察や Ic 測定を行うことによって内部スズ法
構造において Ti 添加場所が Nb3 Sn 微細組織や超伝導特性に与える影響を明らかにした。

2 倍近く大きい。S16T や C10T では Cu-Sn/Nb3 Sn 界
面における相形成により、Nb3 Sn への Sn 拡散が阻害されたと考えられる。ブロンズ法では、こうした Ti リッチ層の形成はみられず内部スズ法特有の現象と考えられる。過去のブロンズ法における Ti 添加の研究では Ti を
Cu-Sn 母材に添加した場合は Nb に Ti 添加した場合と比べて Nb3 Sn 相生成が促進されるとの報告があった。
このようにブロンズ法と内部スズ法では、層の形成過程が異なることが注目される。当日の発表では Nb3 Sn 結
晶組織や超伝導特性についても発表を行う。
本研究の一部は JSPS 科研費 JP18K04249 の助成を受けたものです。
参考文献[1] K. Tachikawa et al., J. Appl Phys 53:5354 – 5356,
1982[2] S. Santra et al., Materialia, 6:100276, 2019.

2. 試料について
67

17

&7

6Q/

6Q/

6Q/

Fig1: EDX mappings of TiK (upper) and SnL (bottom)
for the specimens after heat treatment at 685◦ C/100 h.




1E6QDUHD P

本研究では Nb/Cu/Sn 構造において (1) Sn 芯へのTi 添加、(2) Nb 側への Ti 添加、(3) Cu 母材へそれぞれ Ti 添加した 3 種類の拡散対試料を作製した（それぞれを (1) S16T、(2) N08T、(3)C10T とする）。試料はス
エージング・冷間引抜加工によって Ø 0.6 mm まで伸線加工を行った。試料作製後は Cu-Sn 混合熱処理として500◦ C/100 時間で熱処理を行った後、Nb3 Sn 生成熱処理として 685◦ C/100 時間で熱処理を行った。試料の熱処理後、FE-SEM を用いて微細組織観察を行った。また
EDX を用いて元素分布分析を行った。Nb3 Sn の平均結
晶粒径や等軸結晶領域などの結晶組織は EBSD を用いて分析を行った。試料の臨界電流 Ic は４端子法によって測定を行った。

3. 結果と考察
図 1 に熱処理後試料の SnL と TiK の EDX マッピン
グを示す。S16T と C10T では Cu-Sn/Nb3 Sn 界面に Tiに富んだ相が形成された。この相は Nb、Sn、Cu、Ti で構成されていた。一方で N08T では界面での相形成は見られなかった。
図 2 に各試料の熱処理後の Nb3 Sn 生成面積を示す。
S16T、C10T の Nb3 Sn 生成面積がそれぞれ 12886 μm2 、13347 μm2 であるのに対し、N08T では 22741 μm2 と









67

17

&7

6SHFLPHQ

Fig2: Nb3 Sn area of the specimens after heat treatment at 685◦ C/100 h.

― 29 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1C-p01

冷却・冷凍

可撓型冷媒管兼用電流リードの可撓部モデル

Flexible part model of current lead serving as a refrigerant pipe
星野 勉, 藤﨑 正貴 (明星大)HOSHINO Tsutomu, FUJISAKI Masaki (Meisei Univ.)
E-mail: thoshino@ee.meisei-u.ac.jp

1. はじめに

超電導応用機器と冷却装置・電源装置を繋ぐ冷媒管ならびに電流リードに可撓性を持たせることによって, レイ

アウトや (超電導自動車や超電導飛行機などへの) 据え付け方
法の自由度が増す [1, 2]。今回, 可撓部モデルを試作し, 予備冷却試験を行った [3]。その概要を報告するとともに, 冷媒である

Fig.1 End part ﬁgure of ﬂeiible modelo

ΔP / kPa

GN

10mm, 𝐿𝐿 = 3 m として, 質量流量 𝑚𝑚 に対する圧力損失の計算結果を GN2 と LN2 について Fig. 3 に示す。Fig. 2 の実験では,コルゲート管の場合, 直管に対して圧力損失は管路長の 2 倍に相当するという知見があること, 冷媒が単相流ではなく, 二相流で あったため, 等価断面積が減少したこと, 可撓部モデルとの接続部分が冷媒長に入っていないこと, LN2 の水頭圧 8 kPaが考慮されていないことによって, 実験時の圧力と異なったと考えられる。

5. おわりに可撓部モデルの冷却試験によって, 77 K での冷凍能力が 10 W 以上あることが示された。圧力損失を見積もるた

2
2

−2

−2

10

LN2 の消費量から, 平均質量流量 𝑚𝑚 = 1.1 g/s と見積もられた

力損失 𝑃𝑃 は等価径 𝐷𝐷 e の 4.7 乗に反比例すると考えられる。

temperature T / C

0

10

LN

ここで 𝑅𝑅𝑅𝑅 はレイノルズ数である。 𝐴𝐴e = 25.1 mm2 , 𝐷𝐷 e = 5.02

乱流領域ではレイノルズ数の 0.32 乗にほぼ反比例するので圧

60

2

(2)

レイノルズ数 𝑅𝑅𝑅𝑅 は等価直径 𝐷𝐷 e に反比例し, 摩擦係数 𝑓𝑓 は

20
40
elasp time t / min

10

(1)

ることが分かる。

−200
0

Fig.2 Temperature and pressure trend in cooling test

1 次近似として, 冷媒の熱物性値は冷媒流路全長に渡って一定であるとして, 冷媒流路長 𝐿𝐿, 等価断面積 𝐴𝐴e , 等
価径 𝐷𝐷 e , 冷媒密度 𝜌𝜌, 摩擦係数 𝑓𝑓 に対して, 圧力損失 𝑃𝑃 [4] はので, 計算された圧力損失は実験値に比べ, 3 桁小さくなってい

−100

H

0

とが示された。

(𝑅𝑅𝑒𝑒 𝑒 2000)(𝑅𝑅𝑒𝑒 𝑒 3000)

p20

4. 圧損の見積

𝑃𝑃 = − 𝑓𝑓 𝑚𝑚 2 𝐿𝐿/(2𝐷𝐷 e 𝜌𝜌 𝐴𝐴e2 ){16/𝑅𝑅𝑅𝑅
𝑓𝑓 =0.00140 + 0.125/𝑅𝑅𝑅𝑅 0.32

0

T

40
heater power H / W
pressure p / kPa

LN2 の流路圧力損失について, 検討する。
2. 試作可撓部モデル 内管 8A, 外管 20A のコルゲート管で構成した全長 3 m の真空断熱フレキホースの内管に超電導電流
リードを模擬した 0.5 mm2 , 外径 2.5 mm のビニール被覆銅線と外径 0.5 mm の Ni-Cr 裸線に熱収縮チューブをかぶせて外径2.8 mm にしたものを挿入して, 可撓部モデルを構成した。
一方の端末は, Fig. 1 に示すように, 三方接手とテフロンチューブを用いて, 冷媒供給管 (飴ゴム) と電流リード接続部に分けた。電流リード接続線は外径 1 mm のホルマール被覆銅線であり, 冷媒流路中で模擬電流リードと半田付けした。導線と三方接手の間隙は外径 2 mm, 4 mm, 7 mm のテフロンチューブ
を 3 重に重ねて埋めた。他端は, 電流リード同士を半田付けして短絡ループを形成し, 50 L デュワに挿入し, 排出冷媒を受け止めた。冷媒入口は, 100 L セルファの液取り口に接続した。
3. 冷却試験 冷媒出口に T 熱電対を置き, セルファ圧と温度の変化を計測した。その結果を Fig. 2 に示す。実験開始時の貯液量が 15 L であったため, 20 kPa までしか加圧できず, 冷却時間が掛っている。また, 電流リードに通電し, 10 W までの熱負荷を加えたが, 出口温度に上昇は観測されず, 冷却ができているこ

−1

10

0

m / (g/s)

10

10

1

Fig.3 Relation of math ﬂow rate and pressure drop
めには, 二相流モデルによる解析が求められる。また, 冷媒流量の大きい場合の追試験も今後試みる予定である。
参考文献

1. 野村祐一: “可撓型冷媒管兼用超電導電流リードの基礎的検討”, 明星大学電気電子工学系学士論文 (2019.1.18)
2. 大山瑞喜: “可撓型冷媒管兼用電流リードの予備冷却試験”,
明星大学電気電子工学系学士論文 (2020.1.17)
3. 藤﨑正貴: “可撓型冷媒管兼用電流リードの可撓部モデル”,
明星大学電気電子工学系学士論文 (2021.1.15)
4. 低温工学協会: “超伝導・低温工学ハンドブック” (1993.11.
30) オーム社― 30 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1C-p02

冷却・冷凍

1D-CAE を用いた冷凍機冷却超電導磁石の熱設計
Thermal design of a cryocooler-cooled superconducting magnet using the 1D-CAE method.
上野 航生，酒井 康幸, 栗山 透, 高橋 政彦, 宮﨑 寛史, 折笠 朝文, 平井 要（東芝エネルギーシステムズ）
UENO Koki, SAKAI Yasuyuki, KURIYAMA Toru, TAKAHASHI Masahiko,
MIYAZAKI Hiroshi, ORIKASA Tomofumi, HIRAI kaname (Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation)
E-mail: koki1.ueno@toshiba.co.jp
1．はじめに
近年、非因果モデリング言語 ModelicaⓇによる 1D-CAE が広く利用されるようになっている。超電導・極低温機器においでも、核融合炉 ITER 等の He 冷却や冷凍サイクルの熱システ
ム評価に用いられている[1]。また、より一般的な超電導機器向けの材料、電気、熱システムのライブラリも整備されつつある[2]。我々も、超電導磁石の熱設計へ 1D-CAE の導入を検討しており、今回、冷凍機冷却超電導磁石の熱設計に適用した。本手法を用いることによって期待されることとして、システ
ムの構成要素の組み換えや、パラメタサーベイと共に、運用条件の過渡的なシミュレーションが容易になることが挙げられる。ここでは、具体例として、超電導磁石の予冷と励磁について、複数条件でシミュレーションを行った結果を紹介する。
2．解析方法
1D-CAE 環境として、OpenModelica を使用し、熱回路網法による熱解析を実施した。各要素は、ModelicaⓇ標準ライブ
ラリの Modelica.Thermal パッケージを利用しつつ、必要に応じて要素モデルを追加した。超電導磁石は、放射シールド、４K
ステージ、コイル、冷凍機を主な構成要素としてモデル化し、Fig.1 に示すモデルを作成した。熱負荷としてはサポートからの熱伝導と、室温からの放射を考え、冷凍機モデルは想定される能力線図より計算した。

4．結果・考察Fig.2 に各条件について、予冷時間の計算結果を示す。
100 K 以下になると、窒素冷却が効果的でないことが分かる。
これより低温領域では、液体ヘリウム冷却の方が冷却時間短
縮には効果的である。ヘリウムは資源枯渇の問題から、価格が高騰している。本シミュレーションにより、冷却時間と使用する寒剤のバランスを前もって適切に予測することが可能となった。次に、Fig.3 に励磁時のコイル発熱の様子を示した。冷凍機を削減すると、初期温度が上昇するため、励磁時のコイル温度も高くなるが、励磁時間を長くすることで温度上昇は緩やかになる。一方で、冷凍機台数を増やせば、励磁時間を短くすることができる。顧客のニーズに合わせた運用に向け、冷凍機と励磁時間などの適切な選択や、コストのバランス等といった複数条件の検討が、一つの超電導磁石のモデルにより、効率的に評価できた。
5．まとめ
超電導磁石の熱設計に 1D-CAE を用いた例を紹介した。
1D-CAE を用いることで、運用条件に合わせてパラメタを調整でき、過渡現象の評価も効率的に行うことができるようになった。

3．検討内容超電導コイルの予冷検討として、液体窒素による冷却を100 K または 80 K までとし、その後に液体ヘリウムによる冷却を 40 K または 20 K まで行った場合を組み合わせ、最後は、冷凍機によって冷却し、トータルの冷却時間を計算した。また、
励磁時のコイル温度評価として、冷凍機数や励磁時間をパラ
メタとしてコイル温度変化を比較した。

Fig.2 Simulation results for precooling of the magnets

Fig.3 Simulation results for excitation of magnets

Fig.1 Thermal network model of superconducting magnet
system

参考文献
1. Savoldi Richard L, et al. : Cryogenics 50 167-76(2010)
2. Alexander P, et al.: Proceedings of the 2nd Japanese
Modelica Conference, 33-38(2018)
ModelicaⓇは、Modelica Association の登録商標です。

― 31 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1C-p03

冷却・冷凍

磁気遮蔽方式による磁気冷凍の可能性に関する研究― YBCO バルク体の磁気遮蔽能力評価 ―Research on the Possibility of Magnetic Cooling Technology using Magnetic Shields- Evaluation of magnetic shielding ability of YBCO bulk 平野 直樹, 小野寺 優太, 三戸 利行（NIFS）； 岡崎 陽大, 野口 正純, 岡村 哲至（東工大）
HIRANO Naoki, ONODERA Yuta, MITO Toshiyuki (NIFS);OKAZAKI Yodai, NOGUCHI Masazumi, OKAMURA Tetsuji (Tokyo Tech)
E-mail: hirano.naoki@nifs.ac.jp

2．YBCO バルク体の磁気遮蔽効果
高温超伝導コイルの冷却に、発生する磁場と磁気冷凍技
術を組合わせることで冷却をアシストする手法として、磁場発生源と磁気作業物質の隙間に磁気遮蔽体を繰り返し挿抜することで磁場変化を得る方式を検討している[2]。YBCO 膜を積層することで磁気遮蔽体を構成した場合、2 mm ほどの厚みがあれば３Ｔの磁場が遮蔽できる計算結果が得られた。このことから、厚みのある YBCO バルク体の磁気遮蔽効果を計測することで、超伝導材料を磁気遮蔽材料とした磁気冷凍シ
ステムの実現可能性を検討した。
YBCO バルク体は、市販の外径 28mm,厚み 10mm のペレ
ット形状のバルク体を用いた。このバルク体 2 個の隙間を変えて磁場中に設置し、バルク体で遮蔽できる磁場を Bell 社のホール素子（ＢＨＡ９２１）で計測した。計測は液体窒素中で行った。磁場は、室温ボア径 100 mm の冷凍機伝導冷却超伝導
マグネットを用いた。図 1 に実験サンプルの写真を示す。
磁場を 1.5 T まで印加し、その後 0 T に変化させた場合のYBCO バルク体の磁気遮蔽効果を図 2 に示す。バルク体の隙
間は 1 cm としている。磁場の変化速度は、装置の制約から0.01 Ｔ／ｓｅｃで行っており、この変化速度に対して、ホール素子の検出遅れはないことを確認している。図２に示すように、
外部磁場を増やしていくと、0.5 T 付近にピークを持つ磁気遮蔽効果が計測された。磁気遮蔽効果は約 0.25 T であった。また、磁場を下げても磁束がトラップされるため、残留磁場として 0.3 T が残ることも確認した。
バルク体の隙間を増やしたり、1 枚のバルク体のみで遮蔽効果を確認したところ、磁気遮蔽効果が減少することを確認している。
薄膜に対する計算では、外部磁場を増やしていくと磁気遮蔽効果はピークを過ぎると急激に減少し、わずかな磁場が遮蔽できる結果であった。今回のバルク体の場合、ピークを過ぎて 1.5 T まで外部磁場を増やしていくと遮蔽効果が微増する
結果が得られた。また、磁気遮蔽効果の時間変化を見ると、数１００秒のオーダーで効果の減少が見られている。これらはバルク体固有の現象なのか、何に起因するものか、検討を進
めている。

3．まとめ
YBCO バルク体の磁気遮蔽効果を液体窒素温度で確認し、数１００ mT の磁気遮蔽効果を確認した。しかし、薄膜積層による計算結果とは異なる挙動も観察されており、バルク体を磁気遮蔽体として用いることができるか更なる検討が必要である。
今後は、今回の結果を基に、20 Ｋにおける遮蔽効果を推察するとともに、高温超伝導薄膜を積層して磁気遮蔽効果を検証する実験を行い、超伝導コイル冷却をアシストできる磁気冷凍システムの実現可能性を検討する。

ホール素子
BHA-921

YBCO バルク体

t
28 mm
mmΦ×10
×10mm
mm
28

F

t

Fig.1 Photograph of magnetic shielding effect experiment
sample using YBCO bulk.
300
遮蔽磁場＝印加磁場ー計測磁場[mT]

1．はじめに
高温超伝導材料の研究開発の進展と、近年のヘリウム供給問題から、ヘリウムに頼らなくとも極低温を維持できるシステ
ムの研究開発を行っている。その一方式として、高温超伝導
コイルの冷却に、発生する磁場と磁気冷凍技術を組合わせる
ことで冷却をアシストする技術の研究を進めている。磁気遮蔽により磁気熱量効果が制御できることを確認する原理検証試
験を行うとともに、超伝導材料を磁気遮蔽材料として用いることの可能性について検討し、YBCO 膜を 400 枚ほど積層することで、3 T の磁場を遮蔽できる計算結果が得られている[1]。超伝導材料による磁気遮蔽効果は、用いる材料の厚みに依存することが示唆されることから、厚みのあるバルク体の磁気遮蔽効果について確認したので報告する。

200
100
0

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

ー：Container■：Superconductor■：Insulation■：8-hole flange（SUS）

-100
-200
-300
-400

印加磁場[mT]

1 cm

Fig.2 Magnetic shielding effect ΔB on external magnetic
field B0 expected for YBCO film.
謝辞
本 研 究 の 一 部 は 、 NIFS 核 融 合 工 学 プ ロ ジ ェ ク ト（UFAA018）の支援を受けて行ったものである。
参考文献[1] N. Hirano, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 31, 5,(2021) http://dx.doi.org/10.1109/TASC.2021.3055994[2] N. Hirano, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol.99(2020) p.76

― 32 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1C-p04

冷却・冷凍

FIREX プロジェクト用クライオターゲットへの修正赤外線加熱法の適用
IR Heating modified with cone temperature control for FIREX cryogenic targets
岩野 圭介，山ノ井 航平，有川 安信，長友 英夫，中井 光男，乗松 孝好（阪大レーザー研）； 岩本 晃史（NIFS）
IWANO Keisuke， YAMANOI Kohei， ARIKAWA Yasunobu，NAGATOMO Hideo，NAKAI Mitsuo，
NORIMATSU Takayoshi (ILE Osaka Univ.); IWAMOTO Akifumi (NIFS)
E-mail: iwamoto.akifumi@nifs.ac.jp
1．はじめにレーザー核融合の高速点火実証実験（FIREX）用に固体
重水素燃料ターゲットの開発を行っている。ターゲットは直径
500 ミクロンのプラスチックシェル内側に固体重水素燃料層 10ミクロン厚を生成し，追加熱用のコーンを取り付けた高速点火実験専用の設計になっている。米国では中心点火方式による実験が進められており，球形シェル中に固体重水素燃料層を形成する手法として赤外線加熱法が開発された。その赤外線加熱法を修正し高速点火用ターゲットの燃料層形成に応用したのでその結果を報告する。

線照射強度は～0.66 mW/cm2 である[2]。Fig.3 に熱アンカーの温度 11.8 K と 13.8 K の結果を示す。それぞれコーン温度
が相対的に低い場合と高い場合の状態で，コーンの周辺またはシェル下部に固体水素の塊が形成されている。最も均一に近い状態は熱アンカー温度が 12.89 K の時であった。その時の様子を Fig.4 に示す。形成された燃料層は多結晶のため燃料層の凸凹が強調されて見える。このときの真球度は 95％であった。

2．FIREX ターゲットの仕様
ターゲットは直径 500 ミクロンのプラスチックシェル，金製コ
ーン，燃料を供給するガラス管で構成されている。気密性を保つためにそれぞれの部品は紫外線硬化樹脂により接着されている。プラスチックシェル中に厚さ~20 ミクロンの均一な固体重水素燃料層を形成する。

Fig.2 Modified IR heating method for FIREX target [1].

Fig.1 Typical FIREX target [1].
3．実験装置
中心点火用ターゲットシェルの燃料層形成は，必要な量の固体燃料をシェル内に形成した後に赤外線を均一に照射し固体燃料が吸収する熱により球対称温度分布になるように燃料の再配分が起こり実現されている。その技術を FIREX タ
ーゲットに応用するため，ターゲットは赤外線を均一照射する
積分球の中心に設置し，コーンの温度制御を独立して行うことで疑似的な球対称温度分布を作り出すように装置を設計した 。 Fig.2 に そ の 装 置 の 構 成 を 示 す 。 積 分 球 内 に 波 長2219.8nm の赤外線を照射し，積分球内で反射を繰り返すこと
で固体燃料層を均一に加熱する。一方、コーンには銅細線を取り付け，それを温度コントロール用の熱アンカーに引き出し，
そのアンカーを温度制御することで間接的にコーンの温度制御を行う。コーン自体の温度を測ることはできないため燃料層の分布状態により温度分布の状態を判断した。冷却は住友
重機械工業社製の 4．2KGM 冷凍機により行われている。
4．燃料層形成実験
実際の燃料は重水素であるが代替ガスの軽水素を使用して実験を行った。シェル内に液体水素を充填・固化後，積分球の温度を 13.3 K に設定し赤外線を照射，熱アンカーの温度を変化させ固体水素層の変化を観察した。シェルへの赤外Fig.3 Solid fuel layer variation by cone temperature [1].

Fig.4 Successful solid fuel layering [1].
参考文献
1. K. Iwano, et al.: submitted to Plasma and Fusion Res.
2. K. Iwano, et al., Rev. Sci. Instrum., Vol. 88 (2017),
075103.

― 33 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1C-p05

デバイス

小型化されたデコーダとメモリセルによる拡張可能な超伝導ランダムアクセスメモリ
Scalable superconducting RAM composed of miniaturized decoder and memory cell山梨 裕希，浅田 峻汰, 細谷 岳哉, 吉川 信行（横浜国立大学）
YAMANASHI Yuki, ASADA Shunta, HOSOYA Takuya, YOSHIKAWA Nobuyuki (Yokohama National University)
E-mail: yamanashi-yuki-kr@ynu.ac.jp
1．はじめに超伝導ディジタル回路は極めて小さな電力効率で高速な計算を行うことができる。一方、超伝導ディジタル回路と完全に整合性のある大規模なランダムアクセスメモリ（RAM）はいまだ実現できていない。本講演では超伝導単一磁束量子（SFQ）回路によるアクセスが可能かつ、従来検討されてきたRAM よりも小型化された RAM の構成を検討し、そのプロトタイ
プを設計、試作し、動作検証を行った結果を報告する。
2．小型化超伝導 RAM の構成検討した超伝導 RAM の構成要素は、電流入力による内部状態書き換え可能な小型超伝導メモリセルによるメモリセル
アレイ[1]と、局地磁束バイアスを導入した小型化された相補
出力非破壊読み出しフリップフロップ（NDROC）により構成されたデコーダ[2]である。
メモリへの書き込み電流は各メモリセルに磁気的に結合しており、x 方向電流と y 方向電流の両方が入力された場合にデータが書き込まれる。すべてのメモリセルには状態のリセッ
トのための電流線も磁気結合しており、リセット電流の入力により、すべてのメモリセルの内部状態が初期化される。メモリセ
ルはアレイ中の偶数列と奇数列にそれぞれ用いられる 2 種類のメモリセルを用い、列の増加に対する拡張性を有している。
デコーダを構成する NDROC は磁束量子の保持ループに局
地的に磁束が印加されることによって引き起こされる超伝導
電子対の位相のシフトを用いた対称的な回路構成を持つ[2]。
(2N-1)個の NDROC をツリー状に並べることで、N 出力のデコーダを構成できる。このデコーダにより SFQ 信号を任意のアドレスのメモリセルに入力し、その内部状態を読み出すことができる。
3．8-bit RAM の測定結果
図 1 に産業技術総合研究所の 10 kA/cm2 Nb High-speed
Standard Process（AIST-HSTP）を用いて設計、試作した 8-bit
RAM の顕微鏡写真を示す。図 2 は address 7 (adr. 7)に位置するメモリセルへの書き込みと読み出しを行った際の動作波形を示す。上 3 つの波形はメモリセルへの電流入力であり、Read7 はデコーダからの出力、Out7 は adr. 7 のメモリセルからの出力を表し、Ix3 と Iy1 が同時に入力され、adr. 7 のメモリセルにデータが書き込まれた後、それが正しく読み出されていることがわかる。図 3 に各アドレスのメモリセルのバイアスマー
ジンを示す。この測定では、すべてのアドレスで同じバイアス
マージンが得られ、この方式で RAM の規模を拡張することに問題がないことが示された。
4．結論
小型化されたメモリセルと局地磁束バイアスを用いた
NDROCツリーを用いたデコーダから成るRAMシステムの構成と拡張性を検討した。測定の結果、RAMのすべてのアドレスの動作が同じバイアスマージンで得られた。
謝辞
本研究はJSPS科研費18K04280、19H05614の助成を受けたものである。本研究に使用された回路は、産業技術総合研

Fig.1 Microphotograph of 8-bit random access memory.
ILFB is the current induced local superconduct phase shift
in NDROCs.

Fig.2 Measured waveforms of the memory cell located ataddress 7.

Fig.3 Measured bias margins of each address. NDROC
represents the NDROC cell test result.
究所(AIST)の超伝導クリーンルーム(CRAVITY)において、AIST-HSTPプロセスを用いて作製された。
参考文献
1. T. Hosoya, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 31(2021) 1300406
2. S. Asada, et al.: Supercond. Sci. Technol., to be published.

― 34 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1C-p06

デバイス

2021 年春季 第 101 回低温工学・超電導学会 研究発表会 予稿

斜め磁場中の十字形ジョセフソン接合における特異な臨界電流特性 (II)Anomalous critical-current properties of cross-type Josephson junctions in oblique magnetic fields (II)
馬渡 康徳 （産総研）
MAWATARI Yasunori (AIST)
E-mail: y.mawatari@aist.go.jp
1．はじめに面状のジョセフソン接合に平行に磁場を印加した場合、直流臨界電流の磁場依存性にフラウンホーファー型の干渉パターンが現れることが知られている[1]。一方、十字形接合に垂直磁場を印加した場合、干渉パターンは現れず臨界電流は磁場とともに単調に減少する[2]。
我々は、十字形ジョセフソン接合に二次元斜め磁場を印加した場合のゲージ不変位相差および直流臨界電流について理論解析を行い、臨界電流の磁場依存性に特異な干渉パ
ターンが現れることを報告した[3]。今回は、一般的な三次元
斜め磁場中の臨界電流の干渉パターンについて報告する。
2．超伝導ナノストリップによる十字形ジョセフソン接合
Fig. 1 のように、2 枚の超伝導ストリップ(厚さ ds および幅 w)
を十字形に重ねて、バリア層(厚さ ds および面 w×w)を挟んだ接合について考察する。ds は磁場侵入長 λ より薄く、かつ w
は λ2/ds よりおよび Josephson length λJ より小さいものとし、超伝導ストリップおよび接合における磁気遮蔽や自己磁場の効果を無視する。この場合、ゲージ不変位相差 𝜃𝜃�𝑥𝑥𝑥 𝑥𝑥� の分布
は、任意の方向に印加された一様な磁場 �𝐻𝐻� , 𝐻𝐻� , 𝐻𝐻� � に対して簡潔な表式で与えられる。
接合を通過するジョセフソン電流密度は 𝐽𝐽� ����𝜃𝜃�𝑥𝑥𝑥 𝑥𝑥��
で与えられ、𝐽𝐽� はジョセフソン臨界電流密度である。これを接合面 �𝑤𝑤/2 � 𝑥𝑥𝑥 𝑥𝑥 � �𝑤𝑤/2 で積分して正味の電流を求め、その最大値として直流ジョセフソン臨界電流 𝐼𝐼� が定義される。
w
ds
dj

z
y

ds

𝐼𝐼� �𝛷𝛷� , 𝛷𝛷� , 𝛷𝛷� �
𝐼𝐼��
�
1 �
𝑖𝑖𝑖𝑖
𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥� � � 𝑑𝑑𝑥𝑥𝑥 � 𝑑𝑑𝑥𝑥𝑥 ��� ��𝛷𝛷� 𝑦𝑦 � � 𝛷𝛷� 𝑥𝑥 � � 𝛷𝛷�
���
4 ��
𝜙𝜙
2
�
��

Fig. 2(a) は、磁場方向が zx 面内にある�𝛷𝛷� � 0�二次元の斜め磁場に対する臨界電流 𝐼𝐼� �𝛷𝛷� , 0, 𝛷𝛷� � を、横軸 𝛷𝛷� および縦軸 𝛷𝛷� の関数として密度プロットしたものである。 𝛷𝛷� �𝛷𝛷� � 0 の 場 合 は 、 よ く 知 ら れ た 干 渉 パ タ ー ン の 表 式𝐼𝐼� �𝛷𝛷� 𝑥 0𝑥0�/𝐼𝐼�� � |�𝜙𝜙� /𝜋𝜋𝜋𝜋� � ����𝑖𝑖𝛷𝛷� /𝜙𝜙� �| に帰着する[1]。
垂直磁場 𝛷𝛷� を増加させるとその干渉パターンが変調され、𝛷𝛷� /𝜙𝜙� が偶数のときに、干渉パターンが大きく変化することがわかる。また、破線の左上領域のように、|𝛷𝛷� | � 2|𝛷𝛷� | では干渉パターンが消失する。
Fig. 2(b) および Fig. 2(c) は、一般的な三次元磁場に対する臨界電流 𝐼𝐼� �𝛷𝛷� , 𝛷𝛷� , 𝛷𝛷� � を、横軸 𝛷𝛷� および縦軸 𝛷𝛷�の関数として密度プロットしたものである。破線の左下領域のように、|𝛷𝛷� | � 2|𝛷𝛷� | かつ |𝛷𝛷� | � 2�𝛷𝛷� � では干渉パターンが消失する。Fig. 2(b) のように、𝛷𝛷� /𝜙𝜙� が整数のときは、密度プロットに水平・垂直方向の格子状パターンが見られる。一方、Fig. 2(c) のように、𝛷𝛷� /𝜙𝜙� が半整数のときは、密度プロットに対角方向の格子状パターンが見られる。
本研究は、JSPS科研費20K05314の助成を受けて行われた。

w

参考文献[1] A. Barone and G. Paterno, Physics and Applications of theJosephson Effect (Wiley, New York, 1982).
[2] S. L. Miller, K. R. Biagi, J. R. Clem, and D. K. Finnemore,
Phys. Rev. B 31, 2684 (1985).
[3] Y. Mawatari, Abstracts of CSSJ Conference 100, 34 (2020).

x
Fig. 1: Schematic of a cross-type Josephson junction: twosuperconducting strips of width w and thickness ds, andbarrier layer of area w×w and thickness dj.

(b) 𝛷𝛷� ⁄𝜙𝜙� � 4(a) 𝛷𝛷� ⁄𝜙𝜙� � 0𝛷𝛷� /𝜙𝜙�(c) 𝛷𝛷� ⁄𝜙𝜙� � 4��𝛷𝛷� /𝜙𝜙�𝛷𝛷� /𝜙𝜙�𝛷𝛷� /𝜙𝜙�

3．直流ジョセフソン臨界電流の磁場依存性
x, y, および z 方向の磁束を、それぞれ 𝛷𝛷� � �� 𝐻𝐻� �𝑑𝑑� �
𝑑𝑑� �𝑤𝑤、𝛷𝛷� � �� 𝐻𝐻� �𝑑𝑑� � 𝑑𝑑� �𝑤𝑤、および 𝛷𝛷� � �� 𝐻𝐻� 𝑤𝑤 � と定義
し、十字形ジョセフソン接合における直流臨界電流を、これら磁束の関数として 𝐼𝐼� �𝛷𝛷� , 𝛷𝛷� , 𝛷𝛷� � のように表す。ゼロ磁場における臨界電流 𝐼𝐼�� � 𝐼𝐼� �0,0,0� � 𝐽𝐽� 𝑤𝑤 � で規格化した臨界電流は、次式で与えられる。

𝛷𝛷� /𝜙𝜙�𝐼𝐼� ⁄𝐼𝐼��𝛷𝛷� /𝜙𝜙�Fig. 2: Logarithmic density plots of the dc Josephson critical current 𝐼𝐼� � 𝐼𝐼� �𝛷𝛷� , 𝛷𝛷� , 𝛷𝛷� �: (a) 𝐼𝐼� as the function of �𝛷𝛷� , 𝛷𝛷� �
for 𝛷𝛷� � 0, (b) 𝐼𝐼� as the function of �𝛷𝛷� , 𝛷𝛷� � for 𝛷𝛷� /𝜙𝜙� � 4, and (c) 𝐼𝐼� as the function of �𝛷𝛷� , 𝛷𝛷� � for 𝛷𝛷� /𝜙𝜙� � 4��.

― 35 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1P-p01

REBCO I c・ひずみ特性

高電界における REBa2Cu3Oy 線材の特性測定に向けた
大電流通電試験装置の開発
Development of apparatus to apply large current for measurement of REBa2Cu3Oy tapes
characteristic at high electric field
坂井 厳，土屋 雄司(名大)；水野 謙一郎(鈴木商館)；吉田 隆(名大)SAKAI Itsuki, TSUCHIYA Yuji(Nagoya University); MIZUNO Kenichiro(Suzuki Shokan); YOSHIDA Yutaka(Nagoya University)
E-mail: sakai.itsuki@k.mbox.nagoya-u.ac.jp

1. はじめに
近年、超伝導限流器など、超伝導線材の高電界における利用が再び注目されている[1]。そこで、超伝導線材の電流電圧特性測定において、高電界の特性評価が重要であるが、通電時の発熱による超伝導線材の焼損が問題となる。そのため、発熱量低減には、通電時間の短縮が必要である[2-3]。パルス電流の電流掃引時に回路のインダクタンス成分に発生する起電力によって電流掃引速度が制限されるという課題がある。
本研究では、パルス電流による超伝導線材の高電界における電流電圧特性評価を目的として、インダクタンスを低減した高速通電用プローブを作製した。高速通電用プローブの接触抵抗の評価、高速通電用プローブを用いたパルス電流による市販 REBa2Cu3Oy(REBCO)線材の電流電圧特性測定結果について述べる。

当日は、臨界電流 700 A 程度の市販 REBCO 線材の電流
電圧特性を測定した結果について報告する予定である。

2. 実験方法
高速通電用プローブのインダクタンスを低減するため、回路のループが小さくなるよう設計・作製した。
製作したプローブのインダクタンスを、LCR メータを用いて室温にて測定した。プローブの電流端子と市販 REBCO 線材の間の接触抵抗を、77 K において直流 4 端子法により測定した。接触抵抗を低減するため、電流端子と線材の間にインジ
ウム箔を挟み、線材の長さを変えることで、電流端子と線材の接触面積を変化させた。
パルス電流を用いた 4 端子法により市販 REBCO 線材の77 K における電流電圧特性を測定した。パルス電流のパルス
幅を 420 μs、電流掃引速度を 5 A/μs とした。市販 REBCO 線
材は、SuperPower 社製線材(SF4050-AP, 臨界電流 119 A)を用いた。
3. 実験結果及び考察
本研究で製作したプローブのインダクタンスを測定した結果、62-92 nH であり、プローブのループの大きさを 5 分の 1 程
度にすることでインダクタンスが半分程度の値に低減された。
Fig. 1(a)に、接触面積に対する接触抵抗の変化を示す。
Fig. 1(a)中の点線は R = r0/S で表される。したがって、接触面積を増加させていくと、接触抵抗は接触面積に反比例して小さくなることが示された。単位面積あたりの接触抵抗は、r0 =10 μΩ・cm2 であった。電流端子を固定する力をほぼ一定としたことから、接触抵抗は圧力には依存せず、接触面積に依存すると考えられる。
Fig. 1(b)に、パルス電流を用いた市販 REBCO 線材の電流
電圧特性測定結果を示す。Fig. 1(b)の内挿図に、160 A 通電
時の電流及び電圧の波形を示す。波形から電流 ΔI 及び電圧
ΔV を読み取った。電流掃引時の電圧は、回路の起電力により発生したと考えられる。電流掃引時の電圧の影響を無視するため、電圧が一定になった時点の ΔV を読み取った。
I = 0-120 A では電圧ノイズレベルの 28 µV 以内であった。
I = 130-190 A では、V は I15 に比例した。

Fig. 1 (a) Contact area dependence of contact resistance
between a terminal and a REBCO tape at 77 K. (b)Current-voltage characteristic of a REBCO tape at 77 K.
Inset shows pulse current and voltage waveforms with acurrent of 160 A.
謝辞
本研究の一部は、名大-鈴木商館の共同研究、科学研究費補助金(20K15217)、JST-A-STEP、NEDO からの助成を受けて実施しました。
参考文献[1] N. Hayakawa et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond. 28 (2018)
5600804.
[2] F. Sirois, J. Coulombe, and A. Bernier: IEEE Trans. Appl.
Supercond. 19 (2009) 3585.
[3] I. Puica et al.: Supercond. Sci. Technol. 17 (2004) S543.

― 36 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1P-p02

REBCO I c・ひずみ特性

引張り環境下における REBCO coated conductor の臨界電流の磁場角度依存性
Angular dependences of Critical Currents for REBCO coated conductors under tensile strains
石塚 仁人，小黒 英俊（東海大）
ISHIZUKA Kimito, OGURO Hidetoshi (Tokai Univ.)
E-mail: 0cajm004@mail.u-tokai.ac.jp
1．はじめにREBCO coated conductor の臨界電流は、磁場の印加角度によって変化することと[1]、ひずみを与えると変化すること[2]がよく知られている。後者の性質に関して、REBCO coatedconductor の臨界電流のひずみ依存性に、高温弱磁場中においてピーク効果という、ひずみによって臨界電流が向上す
る効果があることが報告されている[1]。この効果は、未だ正確なメカニズムの理解には至っていない。これに対し、我々の研究室では、REBCO のひずみ効果を様々な条件で測定し、このメカニズムの探索を行なっている。ここで、REBCO のひず
み効果に与えるピンニングの影響に関して、詳しく調べられていないことに着目し、引張り環境下において磁場角度依存性を測定できる装置を開発した[3]。
今回のは、前回の報告で紹介した装置を用いて、引張り環境下での REBCO coated conductor の臨界電流の磁場角度依存性を測定したので報告する。この結果によって、REBCOの臨界電流 Ic に与えるひずみと磁場角度の影響を調べた。
2．実験方法2-1．小型引張試験機の開発
小型引張試験機を Fig.1 に示した。装置上部のネジ棒に付けたナットを回すことによりつかみ具が上に動き、固定した試
験片に対し引張り荷重を加えることができる。この装置は電流200 A 以 下 、 磁 場 0.4 T 以 下 、 磁 場 印 加 角 度 θ は0°≧θ≧360°、温度 77.3 K(液体窒素中)、荷重 2 kN 以下の条件で引張り通電試験を行う。
2-2．REBCO coated conductor の臨界電流測定
フ ジ ク ラ 製 の FYSC-SCH04( 人 工 ピ ン な し 試 料 ) とFESC-SCH04(人工ピンあり試料)に対して、上記の条件で引張り通電試験を行った。磁場角度は、テープ面に対して垂直方向を 0º として定義し、-20º ≧ θ ≧ 110º の範囲で Ic の磁場角度依存性の測定を引張り環境下で行った。印加する引張りひずみの値を、線材が大きく劣化してしまう直前の 0.35%とし、その Ic の変化を比較した。
3. 実験結果と考察
Fig.2 に REBCO coated conductor の Ic のひずみ依存性を示した。Ic はひずみゼロの値で規格化している。また、磁場角度を 0º と 90º の 2 条件の値を示した。磁場角度 90ºの Ic は、
人工ピンの有無にかかわらず、単調減少することが分かった。
一方、0ºでは人工ピンなしの場合は単調減少であったが、人
工ピンありの場合にはピーク効果が発生した。これは、これまでの報告と矛盾しない結果であると言える[4]。
Fig. 3 に 0.4 T における、引張りひずみゼロと 0.35%の時の、人工ピンありとなしの REBCO coated conductor の規格化 Icの磁場角度依存性を示した。人工ピンあり試料では、引張りひずみ下での磁場角度 0º から 90º にかけての Ic の変化率が小さい。これは、ピーク効果によって 0.35％の 0º 付近の Ic が向上したことが原因と考えられる。一方、人工ピンなし試料はFig. 1 Picture of small measurement apparatus for largetransport current under tensile load.

Fig. 2 Strain dependence of normalized critical current for
REBCO coated conductors with or without artificial
pinning centers (APCs) at 0.4 T under tensile strain.

Fig. 3 Angular dependence of normalized critical current for
REBCO coated conductors with or without artificial
pinning centers (APCs) at 0.4 T under tensile strain.
ひずみ下での Ic 変化率が大きくなった。これは、Ic はひずみによって単調減少しているが、そのひずみによる Ic の変化率が、0º の方が 90º より大きいことが原因と考えられる。以上の結果
から、ひずみによって磁場角度依存性に変化が現れることがわかった。変化の仕方は、Ic のひずみ依存性の変化から説明可能であることが分かった。ただし、REBCO のどんな特徴が影響するかを議論するには、測定試料および測定条件を増やして、結果を比較する必要がある。
4. まとめ
小型引張試験機を用いて、REBCO coated conductor の Icの磁場角度依存性を異なるひずみ下で測定した。人工ピンのある試料と無い試料を比較すると、Ic のひずみ依存性の違いから、磁場角度依存性の振る舞いが変わることを説明できることが分かった。この振る舞いの違いの原因を調べるため、今後は測定試料や測定条件を増やす必要があることが分かった。
参考文献
1. Y. Shiohara et al., Supercond. Sci. Technol., Vol. 21 (2008)
034002
2. M. Sugano et al., Supercond. Sci. Technol., Vol. 23 (2010)
0850133. S. Fujita et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 28(2018) 6600604
4. D. C. van der Laan et al., Supercond., Sci. Technol., Vol.
23 (2010) 072001― 37 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1P-p03

REBCO I c・ひずみ特性

REBCO coated conductor の臨界電流の磁場角度依存性に与えるひずみ効果
Strain effect for angular dependence of critical current for REBCO coated conductor
栗原 佑太，渡辺 宇宙，小黒 英俊 （東海大）
KURIHARA Yuuta, WATANABE Sora, OGURO Hidetoshi (Tokai Univ.)
E-mail: 0cajm022@cc.u-tokai.ac.jp
1．はじめに
REBa2Cu3Ox(REBCO, RE: Y or rare earth) 線材は磁場中でも高い臨界電流密度(Jc)を維持できること、機械的特性が高いことから、コイル応用をはじめとした高磁場応用への期待が高い。特に、高温超伝導線材は臨界電流密度を向上させることで、応用の範囲が広がることが見込まれる。そのために、人工ピンニングセンター導入で臨界電流密度を向上させてきた経緯がある[1]。
ところで、REBCO 線材は、ひずみを与えるとその超伝導特性が変化する、ひずみ効果が現れることが知られている[2]。
ところが、この現象の本質に関してはまだ様々なグループで議論中であり[3]、メカニズムの解明には至っていない。特に、高温弱磁場中で起こるピーク効果は、磁場の大きさでピーク
位置が変化することから、Nb3Sn 線材で問題になる残留ひず
みのみでは説明ができない。このため、機械特性だけでなく、これにピンニング特性などがどのように影響を与えるのかも含
めて明らかにする必要があると考えられる。
そこで、本研究では、人工ピンニングセンターが含まれていないものと含まれているものの両方の REBCO 線材のひずみに Jc の影響を調べることを目的として実験を行なった。このために、曲げひずみを与えた状態で、磁場中で試料に対する磁場角度を変えた時の臨界電流がどのように変化するかを調べた。
2．実験方法測 定 試 料 に は 、 フ ジ ク ラ 社 製 REBCO 線 材 の 、 FYSCSCH04(人工ピンなし試料)と FESC-SCH04(人工ピンあり試料)を用いた。
REBCO 線材をそのまま使うと、電流が流れ過ぎて精密な測定ができないため、ブリッジを作製して流れる電流を制限して測定を行なった。ブリッジは以下の方法で作成した。線材をアセトンで洗浄した後にカプトンテープを貼り、これに家庭用レーザー加工機 Podea-01 を用いて、幅 0.1 mm、長さ 5 mm の切れ目を入れ、ブリッジ部以外のカプトンテープを剥がした。
これを、銅を硝酸で、銀を過酸化水素水とアンモニア水の混合溶液で、超伝導層をリン酸で溶解させて、超伝導部のブリッジを作成した。
ブリッジを作成したサンプルを用いて、曲げの大きさ(0 %、0.2 %、0.4 %)ごとに試料を変えて、Ic 測定を行った。測定は、磁場 0.4 T、最大電流 2.5 A の条件で、冷媒には液体窒素(77.3 K)を用いた。磁場発生には、回転電磁石を用いている
ため、上記の条件で磁場角度を-20º < θ < 130º の範囲で変えて、臨界電流の磁場角度依存性を測定した。
3．結果と考察
図 1 に、曲げひずみを 0, 0.2, 0.4%与えた、人工ピンなし
REBCO 線材の、0.4 T における臨界電流の磁場角度依存性を示した。縦軸は、磁場角度 90º の Ic で規格化している。この結果から、曲げひずみが大きくなると 0º と 90ºの規格化 Ic の差が大きくなることが分かった。
図 2 に、人工ピンあり試料で図 1 と同様の測定をした結果を示した。図 2 からも同様に、曲げひずみが大きくなると 0º と 90ºの規格化 Ic の差が大きくなった。この結果からは、人工ピンニ
ングセンターの有無による臨界電流の変化は見られなかった。

Fig. 1 Angular dependences of normalized critical current at
77.3 K for REBCO coated conductor without artificial
pinning centers under 0, 0.2 and 0.4% bending strains.

Fig. 2 Angular dependences of normalized critical current at
77.3 K for REBCO coated conductor with artificial
pinning centers under 0, 0.2 and 0.4% bending strains.
ただし、2 種類の線材の RE の元素が異なること、ピーク効果を考慮することができていないことなど、ひずみとピンニングの関係を調べるための情報がもっと必要であると考えられる。そのために、今後は、その他の試料の測定、系統的なひずみとIc の磁場角度依存性の測定が必要となる。
4．まとめ
人工ピンの無い REBCO 線材とある試料を用いて、曲げひ
ずみ下で、Ic の磁場角度依存性を測定した。その結果、今回の結果からは、ピンニング特性とひずみとの関係が現れなかった。今後は、系統的に曲げひずみを変えて測定するなど、詳細なデータ収集を行う必要がある。
参考文献
1. T. Izumi et al., J. Cryo. Super. Soc. Jpn, Vol. 47 (2012)
590
2. M. Sugano et al., Supercond. Sci. Technol., Vol. 23 (2010)
085013
3. T. Okada et al., Abstracts of CSSJ Conference, Vol.
100 (2020) p.18

― 38 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1P-p04

REBCO I c・ひずみ特性

REBCO 線材の高電界下における電流輸送特性評価
Current transport characteristics of REBCO coated conductors in high electric fields.
田中 祥貴，井上 昌睦（福岡工大）; 岩熊 成卓(九大)TANAKA Yoshiki，INOUE Masayoshi (Fukuoka Inst. Tech.); IWAKUMA Masataka (Kyushu Univ.)
E-mail: mem21109@bene.fit.ac.jp

Voltage lead

1mm

Current lead
Cu
Pb,Sn

Current lead

30mm

500μm

Ag
REBCO

60μm

Substrate

3．結果及び考察
Fig. 2 に測定により得られた I-V 特性を示す。τp = 2.0s の測定では 1μV/cm の電界基準を越えたところでクエンチしてしまった。τp を 1.0s として測定を行った結果、およそ 2 桁高い電圧まで測定できたものの、97.6A でやはり焼損してしまった。そこ
で、厚さ 500μm の銅をはんだ接合した線材に対して同様の測定を行った。その結果、200A まで電流を流してもクエンチが観察されなかった。得られた I-V 特性より 70A 付近からなだらかに電圧が上昇する様子が観察された。これは、銅層と超伝導層に電流が分流しているためだと考えられる。そこで、銅とREBCO 線材の並列回路を想定して実際に REBCO 線材に流れている電流を求め、REBCO 線材単独の I-V 特性の抽出を行った。このとき、必要となる銅の抵抗値については、実際に厚さ 500 μm の銅板の I-V 特性を測定し求めており（Fig. 2の破線）、その値は 4.55×10-6Ωとした。抽出し求めた I-V 特
性と REBCO 線材単独での実測結果とを比較したものをFig. 3 に示す。これより、抽出した特性が REBCO 線材単独の
I-V 特性を再現していることがわかる。銅板を接合した線材のI-V 特性は、REBCO 線材単独での測定よりもおよそ 1 桁高い
電界範囲まで、すなわち、電界基準からは 3 桁半程度の範囲にわたって測定できることが確認できた。
謝辞
本研究の成果は、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)の委託業務、JST-ALCA、並びにJSPS 科研費 JP18H01928 の結果得られたものである。

― 39 ―RE B CO ( τ p =2.0s)
RE B CO ( τ p =1.0s)

Voltage [V]2．実験方法本 研 究 で 用 い た REBCO 線 材 (SuperOX Japan 社 製 ,Ic~425A/cm)の各層の厚さは、基板 60μm、超伝導層 1μm、銀保護層 2μm であった。この線材を幅 2mm に加工してパルス通電法による電流電圧（I-V）測定を実施した。電流印加時のパルス幅(τp)は、2.0s と 1.0s とした。また、電流端子間距離は 30mm、電圧端子間距離は 1mm とした(Fig. 1)。
さらに、高電界の I-V 特性を得るために、線材表面に厚さ500μm の銅板をはんだ接合して同様に電流電圧測定を行った。得られた I-V 特性から、超伝導層のみに流れる電流を算出し、REBCO 線材の I-V 特性を求めた。

50mm

Fig. 1 Schematic of measurement sample

10

-3

10

-4

10

-5

10

-6

10

-7

10

-8

10

-9

10

RE B CO +C u500 μm
C u500 μm (m easured value)
C u500 μm ( R =4.45× 10 -6 )

-10

1

10

100

C urrent [A ]Fig. 2 Current transport characteristics at 77K

Voltage [V]1．はじめに
高温超伝導線材を用いた機器の設計においては高電界下の電流輸送特性が必要な場合がある。しかし、一般的な測定
では電界基準程度の電圧状態までしか計測されていないこと、その場合の電流輸送特性には𝑛𝑛値モデルが適応されているが𝑛𝑛値モデルが適応できる範囲は限れていることから、高電界を含めた I-V 特性そのものの測定が求められている。そこで本研究では、高電界下における電流輸送特性の評価法の検討
を行った。

10

-3

10

-4

10

-5

10

-6

10

-7

10

-8

10

-9

10

REBCO
REBCO+Cu500μm

-10

1

10
Current [A]100Fig. 3 Extracted current transport characteristics

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1P-p05

核融合 (1)

機械学習による核融合用超伝導マグネットシステムの状態予測に関する検討
Feasibility study on the state prediction of the superconducting magnet system
for nuclear fusion by machine learning
尾花 哲浩（NIFS）
OBANA Tetsuhiro (NIFS)
E-mail: obana.tetsuhiro@nifs.ac.jp
1．はじめに核融合実験装置の中核機器である超伝導マグネットシステ
ムでは、システムの運用及び監視のために、システム内に多数の計測機器を設置している。実験装置の保守期間中に、各計測機器の点検・修理作業が行われているものの、長期間に渡り使用している計測機器では、トラブルの発生が懸念される。仮に、システムの運用上重要な計測機器でトラブルが生じた場合、プラズマ実験を中止し、更に超伝導マグネットシ
ステムを常温まで昇温して、計測機器の修理・交換が必要になる。そこで、本研究では、システムの運用で蓄積された計測データを基に、超伝導マグネットシステムの状態を予測する機械学習モデルの検討を行った。
本研究でのモデル開発の対象は、大型ヘリカル装置(LHD)用サブクールシステム[1]である。本システムでは、約１０年間の運用によって収集した膨大な計測データを蓄積しているため、モデル開発に適している。

Fig. 2 に、学習データとして使用した計測データの１例（実験日:2019 年 10 月 9 日）を示す。学習データを基に、モデルの学習処理を実行して、モデルの構築を行った。
4．モデルの評価
学習済みのモデルの評価には、LHD プラズマ実験の第 20サイクル（2018 年度）の計測データを用いた。モデル評価を行う際、入力データとして、３つのコイル巻線の各電流値をモデルに入力し、その結果、出力される出口配管温度とコイル
容器温度の予測値を計測値と比較した。
予測値と計測値の比較の結果は、学会当日に報告する。

2．LHD サブクールシステム
浸漬冷却型であるヘリカルコイルの冷却流路図を、Fig. 1に示す。流れの始点となる液体ヘリウム貯槽から、温度 4.4 Kの飽和ヘリウムを供給する。次に、その飽和ヘリウムを 2 段の低温排気圧縮機と熱交換器を備えたサブクールクライオスタ
ットによって、圧力一定の状態で、4.4 K から温度を低下させ、サブクールヘリウムを生成する。その後、サブクールヘリウム
は 2 系統の流路に分岐され、入口ヘッダーを経由しヘリカル
コイルへ 10 箇所のコイル入口部（最下部）から供給される。
更に、コイル入口部から出口部（最上部）にかけて、流路がコ
イル内周側と外周側に分岐するため、コイル部分では、20 の並列流路を有する。ヘリカルコイルを冷却し終えて、コイル部分から出てきたサブクールヘリウムは、10 箇所の各出口配管に設置されたフィルムヒータによる加熱によって、飽和ヘリウムに戻されて、出口ヘッダーに回収される。
Fig. 1 に示すように、Cernox 温度計がコイル入口配管に 2箇所、コイル出口配管に 10 箇所、コイル容器外周側で且つプラズマ真空容器側の赤道面上に 10 箇所取り付けている。
3．機械学習モデル
LHD サブクールシステムでは、プラズマ実験前に実施する
コイル励磁によって、システム内での状態(温度)変化が生じる。
そこで、コイル励磁時における出口配管及びコイル容器の温度変化を予測する機械学習モデルを検討した。
モデルは、入力層・中間層・出力層からなるネットワーク構造であり、中間層は長短期記憶(LSTM)で構成され、出力層は活性化関数と誤差関数から構成される。モデルの作成には、
ソニーネットワークコミュニケーションズの Neural Network
Console[2]を使用した。モデルの入出力パラメータは、ヘリカ
ルコイルを構成する３つのコイル巻線部（H-I,H-M,H-O）の各
電流値と出口配管温度(１箇所)とコイル容器(１箇所)である。
モデルを構築する際に必要な学習データには、LHD プラズ
マ実験の第 21 サイクル(2019 年度)において、ヘリカルコイルの最大電流値が 11 kA 程に達する実験日の午前 8 時 30 分
から午後 4 時 49 分までの 1 分間ごとの計測データを用いた。

Fig. 1 Flow diagram of the LHD subcooling system.

Fig. 2 Training example on 2019/10/09 for the model.
参考文献
1. T. Obana et al., TEION KOGAKU, Vol. 44, No. 7 (2009)304-313.
2. Neural Network Console, Sony network communications,
https://dl.sony.com/ja/― 40 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1P-p06

核融合 (1)

大電流 HTS 導体（FAIR 導体）における端部製作と接触抵抗評価
Evaluation of contact resistance in fabricated terminal
at high current HTS conductor (FAIR conductor)
小野寺 優太，三戸 利行，平野 直樹，馬場 智澄（NIFS）; 川並良造（川並鉄工株式会社）
ONODERA Yuta， MITO Toshiyuki， HIRANO Naoki， BABA Tomosumi (NIFS);KAWANAMI Ryozo (KAWANAMI IRONWORKS INC.)
E-mail: onodera.yuta@nifs.ac.jp
1．はじめに核融合科学研究所では、核融合実験装置に向けた大電
流容量の高温超伝導導体およびコイル技術の研究開発を進めている。その中で、REBCO 線材を集合させた導体の端部は発熱の要因になることから、取り回しが容易でかつ低抵抗な接合部の実現が必要不可欠である。本研究では、アルミニウム合金ジャケット溝部に REBCO 線材と高純度アルミニウムシートを交互に積層し、摩擦攪拌接
合により蓋を接合した後、導体に捻りを加えて製作する
FAIR 導体（Fig. 1）において、階段状の溝を加工した半割の銅端部に低融点ハンダを流し込む新たな端部製作手法を考案し、接触抵抗の測定を行うことで本手法の有効性について検討を行った。

4．実験結果Fig. 3 に各段における接触抵抗の計測結果を示す。銅端部に取り付けた電圧端子と、内部の階段状に切断した各
REBCO 線材との距離に応じて抵抗値が変化している様子が確認できる。8 段目付近では接触抵抗が上昇する振る舞いが見られ、接合の不十分さが原因と考えられる。実験結果から各段の接触抵抗は 1.5 ~ 5.1×10-7 Ω であり、FAIR 導体の定格通電電流は 12.5 kA であることから、端部全体での発熱は 0.78 ~ 2.6 W となることがわかった。この発熱量は FAIR 導体端部として許容できる範囲である。
したがって、本手法が FAIR 導体における端部製作方法として有効であることが明らかとなった。本手法の詳細ならびに全体の接触抵抗の測定結果は当日報告する。
謝辞
本研究は、NIFS-UFZG-002 および、日本学術振興会の科研費（19K14691）の助成を得て行ったものである。
[1] Toshiyuki Mito et al 2020 J. Phys. Commun. 4 035009

(b)

(c)
Fig. 2 Picture of test FAIR conductor terminal(a) 3D model (b) before production (c) after

6.0
-7

3．実験
端部を接合した後、剥き出しにした片側の REBCO 線
材それぞれに樹脂シートを挟み込むことで絶縁した。銅端部と REBCO 線材間に電圧端子と電極を取り付けた後、液体窒素に浸漬させて通電測定を行った。導体端部の外側から見て 3 段目から 15 段目にかけて、それぞれの接触抵抗を計測した。

(a)Contact Resistance R [10 Ω]

2．製作方法
Fig. 2 (a)に FAIR 導体端部の 3D モデルを示す。30 段積
層した REBCO 線材を、両面から 15 段ずつ 8 mm 間隔で階段状に高純度アルミニウムシートとともに裁断し、低融点ハンダシート（Sn: 63%, Pb: 37%）をのせた後、階段状の溝を加工した半割の銅端部で挟み込む。専用の治具を用いて端部全体を 193℃まで加熱し、銅端部に設けた溝から低融点ハンダを足しつつ端部を締め付けて接合する。
Fig. 2 (b), (c)に今回試作した端部の製作前後の写真を示す。端部試作用短尺 FAIR 導体の片側に本手法を用いて銅端部を接合した。もう片側は接触抵抗を測定するため
REBCO 線材を剥き出しのままにした。

Fig. 1 Configuration of FAIR conductor [1]

5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0

3

5

7

9

11

13

15

Ordinal Numbers of stacked REBCO tapeFig. 3 Experimental results of contact resistance at eachordinal number of stacked REBCO tapes.

― 41 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1P-p07

数値解析・実験的評価

銅メッキおよび細線化を施した REBCO 線材を巻線したパンケーキコイルにおける結合電流による不整磁場の低減法
Reduction of coupling-current-induced magnetic field in copper-plated and striated REBCO
coated conductor wound into pancake coils
村上 将吾，石崎 比奈子，下之園 友梨，石山 敦士（早稲田大）； 植田 浩史（岡山大）; 野口 聡（北海道大）
Shogo MURAKAMI, Hinako ISHIZAKI, Yuri SHIMONOSONO, Atsushi ISHIYAMA (Waseda University);
Hiroshi UEDA (Okayama University); So NOGUCHI (Hokkaido University)
E-mail: pg.shogo26@moegi.waseda.jp

1．はじめに医療用 MRI や加速器用超電導コイルの発生磁場には、高い空間的分布精度と時間的安定度が求められる。REBCO 線
材を細線化することにより遮蔽電流磁場の影響を低減できるが、剥離強度が弱くなり歩留まり率が低下するため、銅メッキを施す必要がある[1]。しかし、細線化された REBCO 線材間が銅メッキにより電気的に接続されるため、極めて長い減衰時定数の結合電流が発生し、細線化の効果に悪影響を与えてしまう。そこで今回は、銅メッキ処理をした細線化 REBCO コイ
ルの時間安定性・残留不整磁場の低減を目的とした新たな通電電流波形として、プラトー付きオーバーシュート法を適用した場合の効果について数値解析に基づき検討したので、その結果を報告する。

Fig 1. Expression of copper plating
Table 2. Parameters of model pancake coil
Number of
Tape width
4.00mm50
turns /SP
0.89mmThickness of
Gap between
1.00µm
0.55mmREBCO layer
SP coils(midplane)
AnalysisThickness of
20.0µm20K
temperature
Copper layer
Substrate
thickness

2．解析対象および解析手法
線材・銅メッキの諸元を Table 1 に、解析対象に用いたモデル[2]を Table 2 に示す。銅の抵抗率は元の銅メッキの厚さと残留抵抗比を考慮して値を決定した。解析は有限要素法，境界要素法と高速多重極法を適用した 3 次元非線形過渡電磁場解析プログラム[3]を用いて行った。また銅メッキの表現については電気的接続による影響を考慮する目的のため Fig 1 のような近似モデルとしている。解析を行うにあたって、時間安
定 度 の 目 標 値 を 100ppm/h 、 残 留 不 整 磁 場 の 目 標 値 を1000ppm とした。
3．解析結果解析結果の例として、メッキした銅の抵抗率を𝜌𝜌���� � 1.13 ���10 �Ω ∙ 𝑚𝑚� 、 オ ー バ ー シ ュ ー ト 率 10%~12.8% で 励 磁 し 、
5600s/7900s/10000s/12000s のプラトーゾーンを設けた場合の遮蔽電流磁場の振る舞いを Fig.2 に、そこから算出した残留
不整磁場と時間安定度の結果を Table 3 に示す。プラトーゾーン、オーバーシュート法の両方を組み合わせることにより時間安定度と残留不整磁場両方の目標値を達成する波形を決定できた。これは、オーバーシュート法を適用した際の銅の影
響による時間安定性の悪化がプラトーゾーンの設定により改善されること、さらにオーバーシュート量を追加で調整すること
により残留磁場を減らせるためであると考えられる。
本発表では、この他にも銅の抵抗率、調整順の異なる場合の解析結果と合わせ、プラトー付きオーバーシュート法を適用した新たな通電電流波形の有効性について議論する。
謝辞 なお、本研究の一部は科研費基盤研 S(18H05224)に依ったことを付記する。
Table 1. The resistivity of copper used in the analysis
1.0
2
1.13 � 10���.�� � 10��� �30�
5
1.�1 � 10��
1.�� � 10��� �100�
銅の抵抗率： 𝜌𝜌���� ���� ������
���

�

��

����

����������� � �������

75.0µmSlit width

10.0µmIc0 (77K, 0T)

110 A

Tape length
Centralmagnetic field
N value

8.9m
5.91 mT/A
30

Fig 2. Screening magnetic field at coil center (Overshoot + Plateau)
Table 3. Time stability and residual magnetic field in each waveform◆ 𝜌𝜌���� � 1.13 � 10�� �Ω ∙ 𝑚𝑚�

参考文献(1) Y. Yanagisawa, et al., "Reduction of Screening Current-Induced
Magnetic Field of REBCO Coils by the Use of Multi-Filamentary
Tapes," IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 25, no. 3, pp. 1-5, June
2015.
(2)

K.Nakazono, “REBCO マルチ超電導コイルにおける遮蔽電流に起因す

る不整磁場の低減,” 2017(3) H. Ueda, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 23, 4100805 (2013)― 42 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1P-p08

数値解析・実験的評価

REBCO コイルにおける励消磁時の遮蔽電流による不均一電磁応力解析
Numerical evaluation on screening-current-induced stress in REBCO pancake coil during
charging and discharging processes
内藤 敬介，井上 良太，金 錫範，植田 浩史（岡山大）
NAITO keisuke，INOUE Ryota, KIM SeokBeom, UEDA Hiroshi (Okayama University)
E-mail: pr477usz@s.okayama-u.ac.jp
1．はじめに近年，高磁場 REBCO コイルは高い熱的安定性や高電流密度の観点から NMR や加速器への応用が著しく進んでいる．
その一方で，REBCO コイルの機械的劣化や破損，電気的課題が生じている．REBCO コイルは励消磁の際，巻線内を周回する遮蔽電流が誘導され，線材内の電流分布に偏りが生じる．そのため，線材内の電磁力分布が著しく不均一となり，
REBCO コイルが劣化することが報告されている[1]．
本研究では高磁場超電導マグネットの内挿 REBCO コイル
を解析対象とし，内挿コイルの励磁時だけでなく，消磁時における遮蔽電流に起因する巻線内電磁応力解析を行い，
REBCO コイルに作用する応力・変形の影響を検討した．

消磁で大きく異なり局所的な応力が発生することから応力分布が著しい不均一性を持つことがわかる．

Fig. 1 The cross-sectional view of analysis model

2．解析モデル・条件
解析モデル Fig. 1 は 30 T 級マグネットの内挿コイルを想定した．幅 4 mm の REBCO 線材（Hastelloy 基板 50 µm，超電導層 1 µm，銅メッキ層 20 µm）を 240 ターンのシングルパン
ケーキを 40 積層した．補強構造として SUS304 に構成される
YOROI 構造を適用している．REBCO コイルの運転温度を 10
K，運転電流を 200 A とした．励消磁速度を 0.01 A/s として励磁，約 6 時間の定格運転の後，消磁を行うことを想定した．運転電流 200 A において中心磁場 11.4 T が発生し，20 T の一様な外部磁場を与えている．遮蔽電流，超電導特性を考慮した三次元電磁場数値解析を用いて，遮蔽電流分布および電磁力を算出し，COMSOL による回転軸対称モデルで電磁応
力解析を行った[2]．本解析では，コイル巻線部を複合則に基づく単一な弾性体とみなし[3]，冷却による時間変化は考慮せず温度勾配の存在しない定常状態を仮定した．また，コイル
巻線と補強構造間には接触条件を適用しており，摩擦は考慮していない．
3．解析結果Fig. 2-4 に Coil 1，6 断面の励消磁後の電流密度，軸方
向電磁力，径方向電磁力の解析結果を示す．Fig. 2 から励
磁後，遮蔽電流によりコイル下部で通電電流と反対向きに電流が流れる．消磁後，遮蔽電流は励磁時に誘導された遮蔽
電流を上書きするように各コイルの上下から侵入する．Coil 1
では励磁による遮蔽電流を打ち消し，Coil 6 では線材中心に励磁後の遮蔽電流が混在する分布となる．そのため，Fig. 3，4 に示すようにコイル内の電磁力は著しく不均一になる．励磁後のコイルでは軸方向に圧縮力，径方向にコイル上下で逆向きの力が生じる．消磁後 Coil 1 では励磁後と逆向きの電磁力が生じる．Coil 6 では遮蔽電流が二重に混在するため電磁力もさらに複雑なものとなる．
Fig. 5 に冷却過程，励消磁過程で上部のコイルに生じる
周方向応力の解析結果を示す．励磁後，軸方向圧縮力によりコイルが大きく変形している．そのため，コイル内側上部はフレームに押しつけられ 700 MPa もの局所的な周方向応力が生じる．消磁後，上部のコイルは励磁後と逆向きの電磁力がかかるため，コイルは励磁後と異なる変形となった．コイル内側下部がフレームに押しつけられ 300 MPa 程度の周方向応
力が局所的に生じる．また，コイル外側上部では 100 MPa 程度の局所的な周方向圧縮応力が生じる．コイルの変形が励

Fig. 2 Current density

Fig. 3 Axial force density

Fig. 4 Diameter force density

Fig. 5 Numerical results of the hoop stress in upper coil winding(a) After charging (b) After discharging. (Deformation isdisplayed 10 times.)
参考文献
1. S. Hahn et al., Nature, 570, 496-499, 2019.
2. K. Tokunaga et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. to be
published.
3. X. Wang et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 26, 4600804(2016).

― 43 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1P-p09

数値解析・実験的評価

無絶縁高温超電導コイルの巻線間接触抵抗測定に関する検討
Study on the turn-to-turn contact resistance measurement of no-insulation HTS coils
宮本 康平，小林 大剛，井上 良太，植田 浩史，金 錫範(岡山大学)；野口 聡(北海道大学)
MIYAMOTO Kohei, KOBAYASHI Hirotaka, INOUE Ryota, UEDA Hiroshi, KIM SeokBeom(Okayama University);
NOGUCHI So (Hokkaido University)
E-mail: kim@ec.okayama-u.ac.jp
TABLE Specifications of HTS coil
Number of turns
20
Inner diameter [mm]60Outer diameter[mm]61.14
Critical current [A]
76 @ L.N₂

1．はじめに無絶縁巻線技術により高い熱的安定性が得られることが明らかになり，高磁場発生用超電導マグネットに適用されることが検討されている．一方，高温超電導マグネットの電気的・熱的安定性を向上させるためには，巻線間接触抵抗とコイルのインダクタンスとのバランスが重要であることが明らかになっており，巻線間の電気的接触抵抗をより正確に計測する必要がある．そこで，我々は，交流通電による HTS コイルの巻線間接
触抵抗を測定する方法を提案し，その有効性について検討して来た[1]．その一方で HTS コイルの接触抵抗は，外部磁場下においては，交流通電法により変化する可能性がある．そこで，本研究では，無絶縁 REBCO 試験コイルを用いて，外部磁場下の交流通電法による接触抵抗の変化を測定したので，その結果について報告する．

Fig.1

2．実験方法
20 ターン無絶縁高温超電導試験コイル(以下，試験コイル)の諸元を表に示す．図 1 に測定回路の模式図を示す．ロゴス
キーコイル内を通す主回路は，表皮効果の影響を少なくするために，リッツ線を用いている．また，ロゴスキーコイルは，渦電流損の影響を少なくするために，直径 0.05 mm の銅線を使用して作製した．ロックインアンプ，ファンクションジェネレータ，
バイポーラ電源は，グランドに接地して測定を行った．また，試験コイルに超電導マグネットを用いて，0 T から 2 T までの
外部磁場を印加した．実験手順としては，試験コイルを液体
窒素浸漬冷却し，外部磁場を印加した．その後，周波数を 0.1
Hz から 1 kHz まで変化させながら交流通電を行い，試験コイ
ルのインダクタンス，接触抵抗の測定を行った．交流通電電流の振幅は 6 A で行った．試験コイルの接触抵抗およびインダクタンスは，ロゴスキーコイルを用いることで電流の位相を検知し，試験コイルの全電圧をロックインアンプを用いて測定した．

Equivalent Resistance (μΩ)

300
250
200
150

0T
0.5 T
1T
1.5 T
2T

100
50
0
0.1

1

10

100

1000

Frequency (Hz)Fig. 2

Measured the equivalent resistance of test coil asfunctions of frequency and magnetic field.
50
40

Inductance (μH)

3．実験結果および考察
図 2,3 には，磁場を印加した際の各周波数における試験コ
イルの等価抵抗（周方向の抵抗および径方向の抵抗を含む）
およびインダクタンスの値を示す．図 2 より 0.1 Hz では，周方向電流が支配的であることから等価抵抗が小さいことが確認される．0.1 Hz から 10 Hz までは周方向に流れていた電流が径方向に流れるようになり，等価抵抗が大きくなったと考えられる．また，図 3 よりインダクタンスは約 10 Hz のときにほぼ 0 Hになることから，10 Hz のときに接触抵抗の正確な測定が可能となる．さらに周波数を上げると，等価抵抗は大きくなることが確認された．これは，周波数の増加に伴い，コイルの径方向に流れる電流の線材幅方向の大きさが変化したことで等価抵抗が増加したと考えられる．また，外部磁場を変化させても試
験コイル全体の等価抵抗は変化しないことが確認された．これは，振幅の小さい交流電流を通電したことに加え，外部磁場の強度が小さかったため，コイルへのローレンツ力の影響が小さいことが考えられる．以上より外部磁場が小さく，交流
電流の振幅が小さい場合においては提案した交流通電法が有効であることが示された．

A schematic drawing of a measurement circuit.

30
20
10
0
0.1

Fig. 3

0T
0.5 T
1T
1.5 T
2T

1

10

100

1000

Frequency (Hz)Measured the inductance of test coil as functionsof frequency and magnetic field.

参考文献
[1]

[2]

― 44 ―

S. Noguchi, R. Miyao, H. Okusa, T. Tatsuta, H. Ueda, and S.
Kim, “Turn-to-turn contact resistance measurement of
no-insulation REBCO pancake coils,” IEEE Trans. Appl.
Supercond., vol. 29, no. 5, Aug. 2019, Art. no. 4601605.
S. Noguchi et al., "Turn-to-turn contact resistance measurementof no-insulation REBCO pancake coil: dependence on
temperature and external magnetic field," IEEE Trans. Appl.
Supercond., doi: 10.1109/TASC.2021.3070232.

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1P-p10

数値解析・実験的評価

多芯超伝導線の結合時定数測定装置の構築
Construction of setup for measuring coupling time constant of multifilament
superconductor
雨宮 尚之（京大）；門馬 修一（テクノ電気工業）；平井 正明（有沢製作所）
AMEMIYA Naoyuki (Kyoto U.); MONMA Shuichi (Tecno Electric); HIRAI Masaaki (Arisawa Manufacturing)E-mail: amemiya.naoyuki.6a@kyoto-u.ac.jp
1． はじめに多芯超伝導線の交流損失や遮蔽電流磁界といった電磁特性を議論する上で、結合時定数は基本的指標となる量である。
特に、高温超伝導多芯線の場合、広い温度範囲で使用することが可能なので、広い温度範囲で結合時定数を評価することが重要である。今回、77 K ならびに 4.2 K において結合時定数を評価する装置を構築したので報告する。
2． 結合時定数の実験的同定の原理
試料に横方向の小振幅正弦波交流磁界を印加し、磁化損失の周波数依存性を測定する。小振幅磁界下では結合損失
が磁化損失を支配しており、磁界変化 1 周期あたりの結合損
失の周波数依存性は Fig. 1 に示すようなデバイ型曲線を示す
ことが知られている。そこで、磁化損失測定値を周波数に対してプロットし、そのピークを与える周波数 fc を求めれば、τc =1/2πfc という関係式により、結合時定数τc を求めることができる。
3． 測定装置の概要構築した測定装置の断面を Fig. 2 に示す。装置は、鞍型コイルとレーストラックコイルの組み合わせで構成される交流磁
界印加用マグネット（室温空間もしくは液体窒素中に設置）を備えており、振幅 0.1 – 1 mT 程度、周波数約 10 Hz から 20
kHz の交流磁界を試料に印加できる。磁界の方向は図で左右方向である。マグネットの磁界発生空間に Fig. 3 に写真を示すようなインサートクライオスタットが挿入されており、その中で超伝導線試料を液体窒素ないし液体ヘリウムで浸漬冷却する。試料に交流磁界を印加するためにインサートクライオス
タットは GFRP 製である。磁化損失は、インサートクライオスタットと交流磁界印加用マグネットの間に配置されたピックアッ
プコイルにより測定する。なお、誘導電圧を打ち消すために、
ピックアップコイルと同形の補償コイルを磁界発生空間に設置した上で、ピックアップコイルと補償コイルの差電圧をロック
インアンプに入力し、磁化損失に対応する電圧を検出する。

Fig. 2 Cross-sectional view of entire setup.

謝辞
本研究は JST 未来社会創造事業グラント番号 JPMJMI19E1の支援を受けたものである。

(a) Entire view(b) Top flange with sample holder
Fig. 3 Pictures of insert cryostat made of GFRP.

Fig. 1 Frequency dependence of coupling loss per cycle.

― 45 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1P-p11

数値解析・実験的評価

柔軟性極細 Nb3Al 超電導線材の臨界特性と交流通電損失に関する検討
Study on the critical property and AC current loss of very small diameter and flexible
Nb3Al superconducting wires
福田 響，木村 諒，井上 良太，植田 浩史，金 錫範（岡山大）；菊池 章弘，飯嶋 安男（NIMS）
FUKUDA Hibiki，KIMURA Ryo, INOUE Ryota, UEDA Hiroshi, KIM SeokBeom (Okayama University);
KIKUCHI Akihiro, IJIMA Yasuo (NIMS)
E-mail: kim@ec.okayama-u.ac.jp

2.

測定方法
実験に用いた Nb3Al 線材の諸元を表に示す．ここでSample A は 7 本撚線であり，Sample B は 19 本撚線である．
また，冷却装置には 4 K 級の GM 冷凍機が装着されている．
なお，磁場中での臨界電流測定には，試料線材がジュール発熱で断線することを防ぐために，直径 1.2 mm の銅線をはんだ付けした試料線材を用いた．また，交流通電損失測定には，銅の損失を低減するために銅線を沿わせず，撚線をはんだでコーティングした線材とコーティングなしの線材を測定した．なお，交流電流通電時は，ロゴスキーコイルに発生する誘導電圧から電流の位相をデジタルロックインアンプで測定した．また，交流電流通電時の電圧タップは，誘導電圧を低減するために八の字ループとした．

た線材を作製して実験を行う予定である．
Table Specifications of the Nb3Al sample wires
Sample nameA
B
Number of Nb3Al wire
7
19
Outer diameter(µm)
6750Length of wire(cm)48Material core
Nb
Nb
Barrier material
Nb
None
Stabilizer
Cu
Cu
100

self
field
0.5T

90
80

Critical current (A)1. はじめに
Nb3Sn や Nb3Al などの A15 型化合物超電導線材の臨界温度は，約 18.3 K と NbTi より高く，冷凍機による伝導冷却での運転が有望である．しかしながら、Nb3Sn より耐ひずみ特性に優れた Nb3Al は，線材加工方法が難しく，未だ実用化に至っていないのが現状である．そこで，近年，国立研究開
発法人物質・材料研究機構（NIMS）の研究グループによって，線径が非常に小さく柔軟性に富み，かつ高い臨界電流密度を有した新しい形状の極細柔軟性 Nb3Al 線材の研究開発が行われている [1] ．その一方で，冷凍機伝導冷却による
Nb3Al 超電導コイルを開発するためには，開発した Nb3Al 線
材の基礎特性を明らかにする必要がある．本研究では，GM
冷凍機伝導冷却下における Nb3Al 試料線材の磁場中での臨界電流特性と交流通電損失について実験的に検討したので，その結果について報告する．

70

1T

60

2T

50

4T

40

6T

30
20
10
0

7

9

11

13

15

Temperature (K)Fig.1 Measured the critical current of Nb3Al wire (7 strands) invarious temperature and magnet field by conduction cooling.
0.0001
��AC loss (J/m/cycle)

10
3. 実験結果および考察
Sample A に直径 1.2 mm の銅線をはんだ付けした試料線
Ic=320A
0.00001
材に外部磁場を印加した際の臨界電流測定結果を図 1 に示
10��
す．本実験では，通電電流を固定して温度を変化させる電流
0.000001
ホールド法を用いて測定を行った．図 1 より，臨界温度10��（15.4K）から低温になるにつれて臨界電流の増加，外部磁場が大きくなることで臨界電流が低下することが確認でき， 0.0000001
10��
柔軟性極細 Nb3Al 線材の伝導冷却下で臨界電流の磁場依存
Norris(ellipse)性を測定することができた．
1E-08
10��
with soldering (50Hz)
図 2 に，Sample B をはんだコーティングした線材とコー
without soldering (50Hz)
ティングなし線材の 1 サイクル当たりの交流通電損失の電
1E-09
10��
流依存性および Norris 式による計算結果を示す．本実験で
0.001
0.01
0.1
1
F=Ip/Ic
は，サンプルホルダーの設定温度を 4.5 K とした．また，
Norris 式による計算においては，臨界電流測定より推定したFig.2 Measured and calculated the AC loss of Nb3Al wire
320A を Ic とした．図 2 より，はんだコーティングなしの線(19 strands) by conduction cooling.
材は，コーティングありの線材に比べてわずかに交流損失が低減した．これは，はんだコーティングによるうず電流損
参考文献
失が低減したためと考えられる．なお．負荷率が低い電流で[1] 木村 諒, “伝導冷却超電導応用機器に向けた柔軟は偏流現象が起きていると考えられ，負荷率が高くなるに性極細 Nb3Al 超電導線材の臨界特性測定”, 低温
つれて Norris の楕円モデルに漸近した．今後は，素線間の工学，2B-a05，p.89，2020
接触抵抗を上昇させることに加えて，撚りピッチを短くし第101回 2021年度春季低温工学・超電導学会― 46 ―

1P-p12低抵抗接合 (1)

FEM を用いた超電導線材の接触抵抗と角度を考慮した臨界電流特性の評価
Evaluation of critical current characteristics by angel and contact resistance ofsuperconducting wire by using FEM
鍾 宇軒，小田部 荘司，赤坂 友幸，安谷 葵（九工大）; 石原 篤, 富田 優(鉄道総研)
ZHONG Yuxuan, OTABE Edmund Soji, AKASAKA Tomoyuki, YASUTANI Aoi(.\XWHFK);ISHIHARA Atushi, TOMITA Masaru (RTRI)
E-mail: yuauxn.zhong603@mail.kyutech.jp
１ はじめに1987 年にYBa2 Cu3 O7−δ が発見されて以来、線材化の工夫がなされ、第二世代(2G)希土類バリウム銅酸化物被覆導体(CC)は実用的なレベルまで開発が進んだ。CC は高い臨界電流𝐼𝐼c を持っており、また𝐼𝐼c の高磁場での劣化が低く、良好な機械的特性および妥当なコストのため、超高磁場 MRI への応用などが期待されている[1]。これを実現するためには、これら
CC の間の接合技術が必要である。このために超電導接続が研究されている[2]。また、超電導線材を用いた送電ケーブルを利用することで、電力を消費することなく送電が可能となる。超電導線材は現在数百メートル単位でしか製造できない
ため、実際に実現するためには線材どうしを低抵抗で接合して長距離での送電に対応させる必要がある。このように接合することによって、通常の超電導線材とは異なる電流密度分
布・磁界分布、また力を受けるときの応力分布などが表れると考えられる。
本研究では、角度を有した超電導線材の接合部における電気特性を明らかにするため、有限要素法（FEM）(JMAGDesigner18.0)を用いて接合を数値シミュレーションし、臨界電流密度の変化を評価した。

Fig. 1: Models of superconducting wires

２ 解析方法
本研究では、電気特性に対する有限要素法計算のために、 JSOL 社製 JMAG を使用した。線材を接合させたモデルを作成し、電流密度をシミュレーションした。超電導線材
は幅 3.5 mm 厚さ 200 µm の Bi 系線材であり、外側接合部は銀層、超電導線材は銀層と含めて幅 3.5 mm 厚さ 200 µm である、Fig. 1 に示すように、左図は 2 枚の超電導線材を接合している。そしてラップ長と接合部の角度を変えた。右図は断面である、青い部分は超電導体である。電流を流し、有限要素法を用いて計算し、I-V 特性により、I-E 特性を計算して、臨界電流の変化を明らかにした。

Fig. 2: I-E curve of superconducting wires

３ 結果および考察
Fig. 2 に示すのは JMAG で解析した通電電流に対する電界の特性の結果である。電界はシミュレーションした結果の電圧を電極間距離で割った結果である。電界は 100 µV/mの時の電流を臨界電流と定義した。接合部の角度を 15°から90°に変化させた。角度を増やすと共に、臨界電流も上がっていることがわかった。
Fig. 3 は接合部の角度と接触面積による臨界電流の変化を示す。Fig. 3 に示されるように、接合部の面積が増えるに従って臨界電流は上がっている。このように、シミュレーシ
ョンを用いてラップ長と角度と接触抵抗を考慮した臨界電流特性を評価することができた。

Fig. 3: Critical current as a function of the angel and area

謝辞
本研究は、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>@<3DUNHWDO13*$VLD0DWHULDOV   H>@ ; -LQ HW DO 6XSHUFRQG 6FL 7HFKQRO   

― 47 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1P-p13低抵抗接合 (1)

超電導き電ケーブルの線材接合部の検討
Consideration in a tape joint part of a superconducting feeder cable赤坂 友幸，石原 篤，恩地 太紀，小林 祐介，荒井 有気，鈴木 賢次，福本 祐介，富田 優（鉄道総研）
AKASAKA Tomoyuki, ISHIHARA Atsushi, ONJI Taiki, KOBAYASHI Yusuke, ARAI Yuuki, SUZUKI Kenji,
FUKUMOTO Yusuke, TOMITA Masaru (Railway Technical Research Institute)
E-mail: akasaka.tomoyuki.65@rtri.or.jp
1．はじめに鉄道は将来にわたって人・ものの輸送の根幹となるものであり、高度な文明社会を支える公共性の高い技術である。信頼性（安全性、安定性）、利便性（速達性、快適性）、経済性、
環境調和性を有する鉄道は、エネルギー消費の徹底的な合理化・効率化が必要とされる今世紀に、ますます重要性を増している。鉄道技術基盤で電力・電気技術の果たす役割は大きい。そこでは、超電導の持つ低損失、高密度電流、高磁場といった特性に基づいた新しい機器やシステムが大いに活躍
でき、特に超電導ケーブルを鉄道き電線などへ導入すると、回生効率の向上、電力損失の低減、変電所間の負荷平準化、
電圧降下抑制による変電所の集約化などが期待できる。鉄道
総研では、直流電気鉄道の電力システムの合理化および省エネルギー化を目的として、鉄道用超電導き電ケーブルの開発を進めている[1-3]。
実用化に向けていくつかの課題がまだ残されており、その一つが中間接合部の接合技術である。断熱管に収納されたFig. 1

超電導ケーブルを鉄道現場へ輸送するには、道路交通法のTensile test equipment under liquid nitrogen

制限から約 500 m 程度が限界であり、変電所間への導入を考えた場合、超電導ケーブル同士の接合が発生し、営業運転に支障が出ず、鉄道現場で実施できる簡易な接合技術の構築が必要不可欠である。本講演では長尺の超電導き電ケー

冷却下での引張試験などを行っていく。また当日は、RE 系線
材を接合した試験結果や、線材の曲げ特性などについても報告を行う。

ブルに向けた、超電導線材の接合における検討結果について報告する。

謝辞
本研究の一部は、国立研究開発法人科学技術振興機構

2．超電導き電ケーブルの線材接合部の検討（JST）の｢未来社会創造事業（JPMJMI17A2）｣の助成を受けて鉄道現場での施工性を考慮し、低融点合金を用いたオン
サイト接合技術の開発に取り組んだ。具体的には解析に基づき、各種超電導線材の電気的・機械的特性評価を行った。一例として、Bi 系超電導線材（Type HT-CA）を用い、低融点合金により、接合長 10～30mm にてラップ接合を行った。接合を実施した。超電導き電ケーブルの研究開発は、これまでJSTの ｢ 戦 略 的 イ ノ ベ ー シ ョ ン 創 出 推 進 プ ロ グ ラ ム （ S- イ ノ ベ
JPMJSV0921）｣、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）委託・助成事業、国土交通省補助金により実施した。

行った超電導線材に対して、液体窒素下で引張応力を加えながら通電が可能な装置を用いて、臨界電流特性評価を行った（図 1）。測定試料は、接合を行っていない線材、およびラップ接合長 10、20、30 mm の線材を用いた。引張応力をかけ

参考文献
1. M. Tomita et al., Development of prototype DC
superconducting cable for railway system, Physica C, 470

た状態で臨界電流測定を行い、線材が破断するまで徐々に応力を加えた。試験結果として、接合長 20 mm 以上の条件で、臨界電流値に劣化なく、目標値である引張強度 300 N を達成

S. 1007-1008 (2010).
2.

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

3.

Superconductors drive trains, Nature 542 (2017) 275.

したことを確認した。今後は、ケーブル化した状態において、― 48 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1S-p01

MgB2 超電導体 20 周年記念

― 49 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1S-p02

MgB2 超電導体 20 周年記念

A historical episode on development of MgB2 materials and current status of
its application
Giovanni Grasso (ASG Superconductors SpA, Genova, ITALY)
Grasso.gianni@as-g.it

1. Introduction

A typical wire cross section we have reproducibly

In this presentation we report on the prolonged
experience in the development, production and use of
ex-situ

MgB2

superconducting

wires.

achieved for round wires is shown in Fig.1.
The round wire has an outer diameter of 1 mm, anTheouter matrix in Monel 400, and 37 filaments surroundedexperimentation of ex-situ MgB2 wire production wasby a niobium barrier material. This wire has been

started just weeks after the announcement from Prof.

successfully produced in a total quantity exceeding

Akimitsu of 40K superconductivity in MgB2. In

1’000 km so far. The wire is capable of a critical current

February 2003, the first promising results gave the lightin excess of 200 A at 25K, 0.9 Tesla.

to Columbus Superconductors. Just a few years later,
the first prototype of MgB2 based MRI system wasproduced by Paramed Company. In 2018, bothColumbus

andParamedmergedSuperconductors,

resulting

in

a

with

ASG

singleentitydetermined to pursue the effort at industrial scale.

2. Experimental
Ex-situ MgB2 wires are manufactured using thePowder-In-Tube method with Nickel-alloy based matrix

Fig. 1 Transverse cross section of 37 filament MgB2
round wire for cable applications

material. Already reacted MgB2 powders are used inthis approach. Very fine and agglomerate-free powders

This wire has been used by Cern among others, for

are usually selected. To achieve a high packing density

the production of high current power links that will be

and connectivity, cold working of the tubes is carried out

employed to power superconducting magnets within thewith a hardened sheath and a high pressure is applied

Hi-Lumi LHC project.

throughout the entire process. Round and rectangularwires are produced with this process. Filament countusually ranges between 6 and 37, depending on wire
format.

4. Summary
A large quantity of ex-situ MgB2 wires have been
produced by ASG in the past years. Applications are
currently ongoing in cables, MRI, industrial magnets,

3. Results and Discussions
Round wires, mostly for cabling applications, andrectangular wires mostly for magnet applications, have

and will make this wire technology a viable option for
applications

looking

after

energyefficientandeconomically viable superconducting solutions.

been successfully produced by the ex-situ PIT method.
Wire lengths up to 4-6 km in a single piece are regularly
produced, from a starting billet having an outer
diameter of 48 mm, and a length of several meters.

Acknowledgements
All collaborators at ASG Superconductors that havecontributed

in

the

past

twenty

years

to

the

achievements that will be reported.
第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1S-p03

MgB2 超電導体 20 周年記念

MgB2 線材における高 Jc 化研究－臨界電流特性に影響を及ぼす各種因子について－
Improvement of Jc for MgB2 wires-Parameters that influence critical current properties熊倉浩明(物材機構)
KUMAKURA Hiroaki(NIMS)
E-Mail: KUMAKURA.Hiroaki@nims.go.jp
1．はじめにMgB2 については、その発見以来種々の線材化研究が精力的に行われてきた。すでに PIT 法によって km をはるかに越える長さの多芯 MgB2 線材が製造されており、これらを使った様々な超伝導機器のプロトタイプの試作が進められている。しかしながら現在の MgB2 線材の臨界電流特性は実用上決して十分とは言い難く、特性を向上させる研究も進められている。本講演では、MgB2 線材の臨界電流特性を支配する因子として重要な不純物添加と MgB2
コア充填率について、これまでの研究を簡単に振り返る
ことによって今後の高 Jc 化研究への一助としたい。
2．不純物添加MgB2 においては、これまでに非常に多くの不純物添加が試みられてきた。特に炭素や炭素化合物の添加が効果的であり、これによって MgB2 の B サイトの C 原子置換が起こり、Hc2 が上昇し、これに伴って特に高磁界領域における Jc がかなり大幅に向上する。最もよく知られた不純物添加は nm サイズの SiC 添加であり、PIT 法 MgB2 線
材においては、10wt%SiC 添加で 4.2K における Hc2 が~18T
から~24T へ、また 20K では~8T から~11T へ向上し、これによって 4.2K, 10T および 20K, 5T で 104A/cm2 以上と無添加線材に比べてはるかに高い Jc が得られる。
しかしながら SiC 添加ではかなり多量の Mg2Si が MgB2
層内に析出し、これが超電導電流のバリアになると考えられる。そこでこのような不純物析出のない炭化水素や炭水化物等の添加が種々試みてきた。その一つがコロネン(C24H12)である。PIT 法 MgB2 線材において 10 モル（炭素）%の C24H12 添加によって 4.2K, 10T で 2×104A/cm2 が、また内部 Mg 拡散(IMD)法 MgB2 線材では 105A/cm2 以上と、
SiC 添加線材を越える Jc が得られている。最近アントラセン(C14H10)添加が C24H12 添加と同程度に Jc 改善に効果のあることがわかった。また、リンゴ酸(C4H6O5)の添加も大きな効果があり、PIT 法 MgB2 線材ではコロネンやアントラ
センと同レベルの Jc が得られている。
一方、同じ炭化水素添加でも、B サイトの C 置換とは異なる効果を示すと思われるものもある。エチルトルエ
ン (C9H12) や キ シ レ ン (C8H10) 、 1,6- ジ ア ミ ノ ヘ キ サ ン(C6H16N2)添加がそれであり、B サイトの C 置換量はごくわずかであるが、これらの添加によって MgB2 コアの有効断面積（connectivity）が増大し、これに伴って Jc も向上する。この原因はかならずしも明確でないが、これらの炭化水素添加によって、凝集した B 原料粉末の微細化が起き、これによって MgB2 生成反応が促進されることが理
由のひとつと考えられる。
3. MgB2 充填率の向上
PIT 法 MgB2 線材の Jc が低い原因の一つは、MgB2 コアの充填率が 50%程度とかなり低く、connectivity が十分ではないためである。Connectivity は MgB2 の充填率に大きく依存するが、線材における MgB2 の充填率を向上させる

方法としてまず考えられるのが、ホットプレスや HIP(Hot
Isostatic Press)を行う方法であろう。HIP プロセスでは、ポーランド、Institute of High Pressure Physics のグループはHyper Tech 社製の in situ 法 18 芯 MgB2 線材に 570oC で1.1GPa の圧力をかけ、無添加線材で 70%の充填密度と4.2K, 6T で 3.5×105A/cm2 と通常熱処理の 5 倍の Jc を得ている。また、同グループは、長尺線材を HIP 処理するた
めに、コイル状に巻いた線材を HIP 処理する装置も開発している。一方、線材の熱処理前に冷間でプレスを連続的に行う方法もある（Cold High Pressure Densification、ジュネーブ大）。圧力は 1.5GPa 程度であり、これによって
18 芯 MgB2 線材において、20K, 4T の Jc が 3×104A/cm2 と通常法の 4.5 倍に上昇するとしている。
Mg+B 原料粉末をボールミル等により、粉砕・混合する方法も有効である。これによって原料粉末の反応性が高
まり、MgB2 の生成が加速されて Jc が改善される。ドレス
デン、IFW のグループは、高エネルギーボールミル混合
により、ナノメートルレベルの MgB2 を部分的に反応・生成させる方法（メカニカルアロイングと呼ばれる）を適用している。これによって熱処理中の混合粉末の体積収縮を減少させることができるだけでなく、熱処理中にこれらの微細な MgB2 が核となって MgB2 の生成が促進されるので比較的低温での熱処理が可能となり、充填率が高くかつ微細な MgB2 結晶粒が得られて 4.2K, 10T で 3×
104A/cm2 以上の高い Jc が可能となる、としている。
一方日立製作所のグループは、ボールミル混合によって Mg 粒子の内部に B 粒子を微細に分散させた混合粒子を得ている（メカニカルミリング）。これを充填・線材加工した場合、B 微粒子を含む Mg 粒子は変形するので隙間が埋められて充填率の高い線材を得ることができる。熱
処理後の線材の MgB2 の充填率は 82％と高い値が得られ、また connectivity も通常の PIT 法線材に比べるとはるかに高くなる、としている。Jc は、コロネン添加した単芯線材
で実用レベルの 105A/cm2 が 20K, 3.3T で得られている。
原料粉末については、通常微細な B 粉末が使用されるが、ナノメートルレベルの Mg を使うことによってもMgB2 の生成反応が促進され、高い Jc が得られる。
いわゆる IMD 法も充填率の改善に大いに有効である。これは B 層に Mg を外部から拡散によって供給し MgB2 を生成させるもので、充填率は 80％に向上し、短尺線材では 4.2K,
10T で 105A/cm2 以上、20K, 4T では 2×105A/cm2 以上の Jcが得られている。ただし、このレベルの Jc 特性を持った長尺線
材はまだ作製されていない。
4．まとめ
以上、これまでの高 Jc 化の研究をごく簡単に観てきたが、実用化の観点からはいずれの方法も、まだ十分ではない。今後は、これらの成果をさらに発展させるとともに、新しい手法も加味することで高 Jc 長尺線材の実現を期待したい。また、機械的特性や交流損失の問題等も解決する必要があり、実用化のためには、今後ともさらなる精力的な研究が必要であろう。

― 50 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

1S-p04

MgB2 超電導体 20 周年記念

MgB2 超電導体発見 20 周年における MgB2 応用機器の開発状況
Development statuses of MgB2 applications in 20th anniversary of MgB2.
田中 秀樹，児玉 一宗，鈴木 孝明，小瀧 博司，藤田 晋士，一木 洋太，青木 学，古賀 智之，渡邊 洋之（日立）;
西島 元，松本 明善（NIMS）; 山本 明（KEK）； 田中 博美，朴 東瑾，岩佐 幸和(MIT)TANAKA Hideki, KODAMA Motomune, SUZUKI Takaaki, KOTAKI Hiroshi, FUJITA Shinji, ICHIKI Yota, AOKI Manabu,
KOGA Tomoyuki, WATANABE Hiroyuki(Hitachi); NISHIJIMA Gen, MATSUMOTO Akiyoshi (NIMS); YAMAMOTO Akira (KEK);TANAKA Hiromi, PARK Dongkeun, IWASA Yukikazu (MIT)E-mail: hideki.tanaka.cj@hitachi.com
1．はじめに2001 年に超電導体であることが発見された MgB2 は 10 ～20 K 程度の中温域で使用可能な超伝導体として期待されている。希少元素を必要とせず、NbTi 線材同様に引抜き加工な
どの冷間加工による線材化が可能なため、低コスト性の追求が期待できる材料である。2021 年現在では、複数本のフィラメ
ントを有する多芯線材において、20 K、2.5 T における Jc が 1
kA/mm2 [1] 、加工単位長さが一例では 8 km に到達し[2]、MgB2 線材を用いた各種磁石が作製されている。
MgB2 線材は NbTi 線材よりも Jc-B-T 特性の温度依存性が緩やかなため、MgB2 磁石では①大きな温度マージンを設定することが可能である。これに中温域における金属材料の比
熱の大きさが相まって、NbTi 磁石と比べ数十倍のクエンチエ
ネルギーマージンを確保できる、すなわち一定レベルの発熱（交流損失）を許容できるため[3]、②短時間での励消磁や③交流運転に適している。本報告では、①の例としてクライストロン用磁石[4]を、②の例として高速励磁 MRI 用磁石[5]を紹介する。さらに、永久電流運転の一例として、Finger MRI 用磁石の試験結果[6, 7]について述べる。
Table.1 Specifications of MgB2 magnets
Magnet
MgB2 Wire
O.D. of coil
I.D. of coil
Coil height
B0
B max

For klystron
10 filaments
φ0.67 mm
L = 5.6 km
175.7 mm
165.7 mm53.6 mm x 2
0.8 T
1.06 T

Fast OnOff MRI
10 filaments
φ0.81 mm
L = 3.5 km
1136 mm1100 mm
25 mm
0.4 T
1.45 T

Finger MRI
Mono-core
φ0.64 mm
L = 1.3 km∼ 180 mm
∼ 120 mm
∼ 190 mm
1.5 T
2.2 T

2-1．クライストロン用プロト磁石
Fig. 1 に磁石の外観を示す。本プロト磁石はクライストロンから射出された電子ビームの集束に用いる磁石であり、クライストロンを数千台用いる CLIC での加速方式が、CERN およびKEK にて検討されている。中心磁場が 0.8 T と比較的低いた
め TCS を 29 K と高く設定した。定格運転温度 25 K の場合は 4
K の温度マージンである。本磁石においては、特別なクエン
チ検出器を必要としない保護（励磁電源の過電圧トリップに伴う出力端ダイオードによるバイパスのみ）、および停電模擬試
験（冷凍機・励磁電源の同時停止～保護）を経て磁石性能が健
全 で あ る こ と を 確 認 し た [4] 。
CERN におけるクライストロン本体と組み合わせた総合試験にも成功している。
Fig.1 Proto magnet for
high-efficiency klystron.
2-2．高速励磁 MRI 用磁石
従来の超電導型 MRI では、励磁に一時間程度を必要とするのに対し、本磁石では 10 分程度での高速励磁を目標としている。Fig. 2 に磁石の外観を示す。本磁石は上下一対のコイ
ルと C 字型の鉄ヨークから構成されている。高安定電源を用いて定格電流 168 A まで 0.5 A/sec で励磁した場合、最初の位置決め用 MRI 画像を取得するまでの励磁開始からの経過
時間は 8 分程度であった。その際、コイル温度は約 6 K から
約 10 K まで上昇したが、抵抗性電圧は発生せず、クエンチエ
ネルギーマージン内での高速励磁を実証した。なお、一般的な電源（MRI 撮像には不向き）を用いて、さらに速い 2.0 A/sec
での励磁が可能であることも確認した。2Ωの保護抵抗による消磁試験では、コイル温度上昇
は約 5 K、消磁後の再冷却に必
要な待ち時間は 10 分程度であり、MRI 用磁石として高速励消磁が可能であることを示した[5]。
Fig.2 Fast OnOff
2-3．Finger MRI 用磁石
magnet for MRI use.
前章までに示した磁石はドラ
イブモード運転であるが、本磁石は永久電流運転である。Fig. 3 に磁石の外観を示す。主コイ
ルとして巻線した線材(熱処理前、１本)を切断せずに、そのま
ま巻き回して PCS を構成しているため、超電導接続箇所は１か所である。巻き線後の 600℃での主コイル熱処理中に、超電導接続部を 700℃で熱処理したことが特徴である[6]。固体窒素を用いた
冷却下において永久電流運転を行った結果、18 日間にわたって磁場が保持され、その減衰はホール素子の測定限界以下であった[7]。
このように小型磁石ではあるが、Fig.3 Magnet for
MgB2 磁石の永久電流運転を実証
Finger MRI.
した。2021 年には MRI 撮像を予定
している。
3．まとめ
発見から 20 年目において、MgB2 を用いたプロト磁石が作製されており、各磁石で高安定や高速励磁といった価値が示されている。ただし本報告で示した３つの磁石は、全て熱処理
前の“Mg+2B”線材を用いて Wind & React 法で作製したものである。今後 MgB2 機器の社会実装～普及を図るためには、React & Wind 法で扱いやすい、すなわち室温での曲げ耐性が優れた“MgB2”線材が必要と考えており、開発中である。
参考文献
1. M. Kodama, et al.:SuST, Vol. 30, no.4 (2017) 044006
2. H. Tanaka, et al.:IEEE TAS, Vol. 30, no.4 (2020) 6200105
3. M. Kodama, et al.:SuST, Vol. 34, no.2 (2021) 025018
4. H. Watanabe, et al.:IEEE TAS, Vol. 30, no.4 (2020)
4601206
5. M. Aoki, et al.:Presented in ISS 2020 (AP2-5-INV) (2020)
6. Hiromi Tanaka, et al.: IEEE TAS (Early Access),
DOI: 10.1109/TASC.2021.3064517
7. Y. Choi, et al.: Presented in ASC 2020 (Wk1LOr2C-06)(2020) and to be published in IEEE TAS― 51 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2A-a01

HTS マグネット

導電性樹脂によるコイル保護機能を備えた高温超電導 MRI マグネット(1)―設計、試作―
HTS magnet equipped with electrically conductive epoxy resin for quench protection–Design and fabrication 岩井 貞憲，宇都 達郎，宮﨑 寛史，草野 貴史，伊藤 智庸，野村 俊自（東芝エネルギーシステムズ）；石井 宏尚（東芝）
IWAI Sadanori， UTO Tatsuro， MIYAZAKI Hiroshi， KUSANO Takashi， ITO Toshinobu，
NOMURA Shunji (Toshiba Energy Systems & Solutions); ISHII Hirotaka (Toshiba)
E-mail: sadanori.iwai@toshiba.co.jp
1．はじめに高温超電導コイルに異常電圧が発生した際、熱暴走を回避するためのコイル保護技術を開発している。パンケーキコイ
ル側面に塗布した導電性樹脂を用いてターン間を電気的に接続させ、異常時に導電性樹脂を介して電流を迂回させる手法の検証を段階的に進めてきており、実機適用に向け、よりイ
ンダクタンス、蓄積エネルギーが高いコイルでの検証を行っている。本方式では蓄積エネルギーの一部は導電性樹脂で消費されるため、蓄積エネルギーが高いほど、コイル保護が難しくなる。また、インダクタンスが大きくなるほど励磁時に電流が導電性樹脂に迂回することによる励磁遅れが顕著になる可能性がある。今回、導電性樹脂を塗布した合計 100 枚のシング
ルパンケーキで構成されたインダクタンス 91 H、蓄積エネル
ギー2 MJ 級の高温超電導 MRI マグネットを設計・試作し、コ
イルの励磁試験、および安定性の評価を行った。
2．マグネット設計、試作
内径 φ500 mm、コイル数 3 対(6 ユニット)、均一磁場空間
200 mm DSV、中心磁場 3 T、運転電流値 145 A とし、MRI に要求される均一磁場を発生可能なコイル配置を導出した[1]。
200 mm-DSV での磁場均一度の設計値は 1.8 ppm(VRMS)である。コイル諸元を Fig.1 および Table1 に示す。総使用線材
長 31 km の 4 mm 幅の REBCO 線材と、劣化対策としてテフロ
ンコーティングによる離形処理を施したポリイミドテープを共巻し、側面に導電性樹脂を塗布した 100 枚のシングルパンケー
キを試作した[2]。特性劣化が無いことを確認したのち、本パンケーキを用いて、Fig. 1 に示すセンター、ミドル、エンドの 3ユニットからなる REBCO マルチコイルを組立て、クライオスタットに挿入した。GM 冷凍機 1 台で輻射シールド、電流リード、
コイルを伝導冷却する構成となっており、コイルは各パンケー
キの層間に接着した高純度アルミ板を伝熱経路として冷却した。
3．初期冷却、励磁試験結果
室温から 10K まで約 11 日で初期冷却を完了した。その後、
コイル温度を 30K に温調し、段階的に励磁試験を進めていった。現在、1.5 T(0.2 MJ), 3 T(1 MJ), 4.2 T(2 MJ)までの磁場発生を確認している。4.2 T, 201 A 通電時のコイル電圧、差電
圧、電流の時間変化を Fig. 2 に示す。各励磁ステップでコイ
ル電圧は速やかに減衰したのち安定しており、また、201 A 通
電時、コイルに異常な電圧発生は見られず、安定に通電保持できていることを確認した。なお、3T での磁場安定度、空間磁場分布の詳細、および磁場補正の結果については、次発表
2A-a02 にて報告する。
4．まとめ
導電性樹脂によるコイル保護機能を備えた高温超電導
MRI マグネットを開発した。100 枚のシングルパンケーキからなる REBCO マルチコイルを伝導冷却し、励磁試験を実施した。コイルに異常電圧は見られず、安定に 4.2 T、蓄積エネル

ギー2 MJ での通電保持ができることを確認した。今後、3 T での磁場補正、撮像評価を行ったのち、通電状態から意図的に温度を上昇することで負荷率を上昇させるコイル保護の実証試験を実施していく。
Table 1 Specifications of single pancake coils
Unit No.
#C: Center#M: Middle#E: End
Tape width (mm)
4.1
4.1
4.1
Tape thickness (mm)
0.15
0.15
0.15
Tape length /pancake
261
233
372
I.D. (mm) at r.t.
501.5
501.5
501.5
O.D. (mm) at r.t.
567.0
560.3
592.6
Turns / pancake
156
140
217
Number of pancakes
6×2
16×2
28×2

Fig.1 Photograph of a REBCO multi coil equipped withelectrically conductive epoxy resin and MRI model magnet.

Fig.2 History of the coil voltage, voltage balance and current
during the loading test up to 4.2 T.
参考文献
1. H. Miyazaki, et al.: Abstract of CSSJ Conference, Vol. 99(2020) p.53, 2A-p01.
2. S. Iwai, et al.: Abstract of CSSJ Conference, Vol. 99 (2020)
p.56, 2A-p04.

― 52 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2A-a02

HTS マグネット

導電性樹脂によるコイル保護機能を備えた高温超電導 MRI マグネット(2)－磁場均一度評価及び磁場補正結果－HTS MRI magnet equipped with electrically conductive epoxy resin for quench protection－test results－
宇都 達郎，岩井 貞憲，宮﨑 寛史，草野 貴史，伊藤 智庸，野村 俊自（東芝エネルギーシステムズ）；石井 宏尚（東芝）
UTO Tatsuro， IWAI Sadanori， MIYAZAKI Hiroshi， KUSANO Takashi， ITO Toshinobu，
NOMURA Shunji (Toshiba Energy Systems & Solutions); ISHII Hirotaka (Toshiba)
E-mail: tatsuro1.uto@toshiba.co.jp
1．はじめに導電性樹脂によるコイル保護機能を備えた高温超電導
MRI マグネットを開発している[1]。室温ボアは 380 mm で、撮像空間は 200 mmDSV である。励磁時の導電性樹脂への電流迂回が、均一磁場にどの程度、影響を及ぼすかを調査するため、MRI 撮像試験を実施した。本講演では、3 T 励磁試
験におけるφ200 mm 球空間の磁場分布測定及び磁場補正
後の MRI 撮像試験結果について報告する。
2．中心磁場の評価
マグネットは 3 対(6 ユニット)のマルチコイル構成で、内径φ500 mm のパンケーキコイル 100 枚からなっており、コイルイ
ンダクタンスは 91 H である。各パンケーキコイルの側面に塗布された導電性樹脂が、ターン間を径方向に電気的に接続する電流迂回路を形成している。3 T 励磁試験の結果を Fig.1に示す。0.6 A/min.の掃引速度で 145 A まで励磁後、1 h ホールドし、142.7 A へ減磁するオーバーシュート法を採用した。
励磁電圧は 0.9 V で、電流迂回路の抵抗値はコイル両端で合計 0.54 Ωであることから、励磁中は導電性樹脂に約 1.7 A
分流し、1.5 W の発熱が生じたと考えられる。コイル温度は、初期温度 4.4 K から 6.9 K まで温度上昇したが、電源の142.7 A 到達後、1 h で定常となった。
3．磁場均一度評価
中心磁場 3 T でのφ 200mm 球の空間磁場分布を評価した
結果を Table 1 に示す。磁場均一度は 168.7 ppm(VRMS)であり、低次の項に大きな不整磁場がみられた。特に Z と Z2 成分
が大きく、パンケーキコイルの積層時の組立誤差の影響と考えられる。
Table 1 の各係数を制約値以下とし、かつ鉄シム重量が極小となるような鉄シム配置を計算で求め、室温ボア内の肉厚4 mm の円筒形状の空間に合計 6.3 kg の鉄シムを配置して磁場補正を行った。鉄シムにより磁場補正した結果を Table 1 に示す。磁場補正後の 200 mmDSV の磁場均一度は 3.8 ppm まで低減され、目標の 5 ppm 以下を達成した。続いて MRI 撮像
テストの結果を Fig. 2 に示す。導電性樹脂を適用した高温超電導マグネットでも MR 画像が得られることを確認した。
4．まとめ
導電性樹脂によるコイル保護機能を備えた高温超電導
MRI マグネットの 3 T 励磁試験を実施し、200 mmDSV で磁場
均一度 3.8 ppm(VRMS)を確認した。また、MRI 撮像試験を実施し、たまねぎの MR 画像を得ることに成功した。本結果により、導電性樹脂を適用した高温超電導マグネットでも MR 画像が得られるレベルの均一磁場を発生可能であることを示した。
今後、クエンチ試験によりコイル保護可能かどうか検証していく。

Fig.1 History of current and central magnetic field
during the loading test up to 3.0 T.
Table1 Inhomogeneous magnetic field over 200 mm DSV
NameInitial values
After passive shim
Z
188.3
-0.3
X
68.9
2.6
Y
-25.6
1.0
Z2
-479.1
3.4
ZX
-35.6
0.4
ZY
17.1
0.6
X2-Y2
1.4
0.9
XY
1.2
-0.3
Z3
-2.5
-2.2
Z4
-32.9
2.7
Z5
-14.3
2.7
Z6
-21.5
-7.6
VRMS
168.7
3.8

Fig.2 MRI images of an onion.
参考文献
1. H. Miyazaki, et al.: Abstract of CSSJ Conference, Vol. 99(2020) p.53, 2A-p01.

― 53 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2A-a03

HTS マグネット

無絶縁 REBCO コイルにおける熱的安定性と励磁遅れ時間を考慮した層間電気抵抗の決定法
Method for Determining Turn-to-Turn Contact Electrical Resistance in Consideration of High
Thermal Stability and Charging Delay Time in NI-REBCO Coils
坂本 幸輝，津吉 杏佳，根本 羽衣，北村 真由，石山 敦士(早大)； 野口 聡(北大)SAKAMOTO Koki, TSUYOSHI Kyoka，NEMOTO Ui, KITAMURA Mayu,
ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.)； NOGUCHI So (Hokkaido Univ.)
E-mail: atsushi@waseda.jp

1．はじめにTable.1 Parameters and assumed values for analyses

我々は、高磁場全身用 MRI 及び医療用加速器を対象とした
高温超電導コイル化技術の開発を目指している。その中で二律

REBCO-Coated

背反の関係にある高熱的安定化と高電流密度化を両立できる

conductor

手段として、無絶縁(NI)REBCO コイルの研究を行っている。このCoil

NI コイルの課題の一つに高熱的安定性と励磁遅れ時間短縮の両立があり、この２つは層間電気抵抗に関して二律背反の関係にある[1][2]。そこで今回は、層間電気抵抗をパラメータとして発Analysiscondition

熱量から熱的安定性を数値的に解析すると同時に、励磁遅れ
時間も解析し適切な層間電気抵抗の値の決定法について検討

Overall width [mm]Copper stabilizer thickness[µm /side]

4.00

Ic＠77K,self-field [A]115

Inner diameter [mm]500

Number of turns per pancake
Load factor Iop/Ic [%]Operating temperature [K]5060,70,8030
Conduction
cooling

Cooling condition

External magnetic field[T]2010

したので報告する。

2．解析方法
今回の解析で用いたコイルの諸元と解析条件を Table.1 に示す。また、加速器応用[3]を想定しコイルは内径 500mm、外部磁
場 10T に設定した。さらに、ダブルパンケーキ(DP)コイルの上段
25 ターン目に局所的劣化が発生したとした。解析は PEEC モデ
ルによる電流分布解析と有限要素法による熱解析を連成して行った[4]。層間電気抵抗を 2.0mΩ·cm2, 4.0mΩ·cm2, 6.0mΩ·cm2,
8.0mΩ·cm2, 10mΩ·cm2、負荷率を 60%, 70%, 80%とそれぞれ変Fig.1 Relation between charging delay and heating value(Load factor:60%)

化させ、発熱量と励磁遅れ時間を解析・比較した。

3．解析結果まず、負荷率 60%における励磁遅れ時間と 5s 後の発熱量の関係を Fig.1 に示す。図中の一点鎖線で示す層間電気抵抗が6.0mΩ·cm2 の時、転流による発熱(Qpass)が支配的なため、熱的に安定であると考えられる[2]。また Fig.1 より、10s の励磁遅れ時間を許容したとき、高熱的安定性と励磁遅れ時間を両立する最適な層間電気抵抗は 1.0mΩ·cm2 と 6.0mΩ·cm2 の間に存在すると考えられる。
つぎに負荷率 70%における励磁遅れ時間と 5s 後の発熱量の関係を Fig.2 に示す。負荷率 60%と同様に層間電気抵抗が26.0mΩ·cm の時、熱的安定性を保てる最大の層間電気抵抗であり、10s の励磁遅れ時間を許容したとき、高熱的安定性と励磁遅れ時間を両立する最適な層間電気抵抗は 1.0mΩ·cm2 と6.0mΩ·cm2 の間に存在すると考えられる。
また、他のコイル諸元においても同様の手順で最適な層間電
気抵抗値を見つけることができると考えられる。
なお本研究の一部は、科研費・基盤研究 S(No.18H05244)に依った。

Fig.2 Relation between charging delay and heating value(Load factor:70%)
参考文献
1. S. Noguchi et al., Supercond. Sci. Technol. 32 (2019)045001
2. K.Katsumata et al., IEEE Trans. on Appl. Supercond.
27(2017) 4602005
3. H.Ueda et al., IEEE Trans. on Appl. Supercond. 29(2019),
4101105
4. T.Wang et al., IEEE Trans. on Appl. Supercond. 25(2015),
460340― 54 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2A-a04

HTS マグネット

無絶縁 REBCO パンケーキコイルにおける銅安定化層の層厚と層間電気抵抗値が熱的安定性にもたらす影響評価
Evaluation on influence of Cu-stabilizer thickness and turn-to-turn contact electricalresistance on thermal stability in NI-REBCO pancake coil
長渕 大河，根本 羽衣，北村 真由，石山 敦士(早大)
NAGAFUCHI Taiga, NEMOTO Ui, KITAMURA Mayu, ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.)
E-mail: atsushi@waseda.jp

1. はじめに
我々は医療用加速器やヒト全身用高磁場 MRI への応用を目指して，無絶縁(NI)REBCO コイルの研究を進めてきた。NI コイ
ルでは二律背反の関係にある高熱的安定化と高電流密度化の両立が期待されている。先行研究では，上記応用に使われる口径が 500mm 以上の NI コイルにおいて銅安定化層厚がコイルの熱的安定性に与える影響が極めて小さいことが示されている[1]。しかし銅安定化層厚の削減が可能である層間電気抵抗値

次に比較のため自己発生磁場を約 0.1T として内径 500mmの SP コイルの必要線材長を計算した。70µm/side の絶縁コイルに必要な線材長を 100%とすると 20，2µm/side の NI コイルではそれぞれ 85.0%，82.2%にまで削減が可能であった。さらに電流密度は，70µm/side の絶縁コイルに対して，20，2µm/side の NI
コイルではそれぞれ 3 倍，5 倍まで向上できることが分かった。
本研究は科研費基盤研究 S（No.18H05244）に依った。

の指標は示されていない。そこで今回は，伝導冷却条件下で銅

表 1 必要線材長および電流密度

安定化層厚と層間電気抵抗値を変化させて解析を行い，銅安Table.1 Required conductors length and current density

定化層厚が削減可能となる層間電気抵抗値およびその際の高電流密度化の効果について検討したので報告する。

2. 解析方法
銅安定化層厚が削減可能となる層間電気抵抗値を検討するため，内径 500mm，50 ターンのダブルパンケーキ(DP)コイルを解析対象とした。銅安定化層厚が 20µm/side と 2µm/side の場合について，層間電気抵抗値を 2.0×10-6 ，2.0×10-5 ，2.0×10-4 ，
2.0×10-3Ω･cm2 と変化させて解析・評価を行った。
解析は PEEC モデルによる電流分布解析と FEM による熱解
析を連成して行った[2]。解析条件は医療用加速器やヒト全身用高磁場 MRI を想定して，伝導冷却条件下で外部磁場を 10Tとし，345A(負荷率 70%)の一定電流を通電した状態で局所劣熱暴走化が発生したと仮定し解析・評価した。また，銅安定化層厚が減少するとコイルの電流密度が大きくなるため，同じ自己発生磁場をより少ないターン数で実現できると考えられる。そこで比較対象として，内径 500mm, 240 ターンで銅安定化層厚 20µm/sideの絶縁コイルにおける線材長と電流密度を算出した。さらにこのコイルと同程度の発生磁場を持つ，銅安定化層厚が 20µm/sideと 2µm/side の NI コイルと，先行研究[3]において 345A の電流を流すために必要とされた銅安定化層厚 70µm/side の絶縁コイ
ルの線材長と電流密度を算出し比較した。

3. 解析結果
縦軸を常電導転移発生後 5s 経過時の総発熱量[W]，横軸を層間電気抵抗値[Ω･cm2]としたグラフを Fig.1 に示す。Fig.1 より，銅安定化層厚が 2µm/side かつ層間電気抵抗値が 2.0×10-3Ω･
cm2 のとき，想定した冷凍機の冷凍性能である 64W を超えて熱暴走していることが分かる。したがって今回のモデルコイルにおいては，層間電気抵抗値が 2.0×10-4Ω･cm までの値であれば，
銅安定化層厚を 2µm/side まで削減できる可能性がある。

図１． 5 秒後の総発熱量
Fig.1 Heat generation after 5 minutes
参考文献
1. H.Onoshita et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 30(2020),
9001187
2. T.Wang et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 25 (2015),
7010920
3. A.Ishiyama et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 17(2007),
pp.2430-2433― 55 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2A-a05

HTS マグネット

無絶縁積層 REBCO コイルにおけるピックアップコイルを用いた局所劣化の検出
Detection of local defects in non-insulated multi-stacked REBCO coil by using pickup coils
結城 拓真，白井 航大，村上 将吾，石山 敦士(早稲田大学)
YUUKI Takuma, SHIRAI Koudai, MURAKAMI Shougo, I Atsushi(Waseda University)
E-mail: bear0619@fuji.waseda.jp

1． はじめに
我々は、高磁場全身用 MRI や次世代医療用加速器をターゲットとした高温超電導コイルシステムの開発に取り組んできた。二律背反の関係にある高熱的安定化と高電流密度化を両立する手段として、電気絶縁を施してない REBCO 超電導線を巻線した無絶縁コイル(NI コイル)に着目した。NI コイルでは周方向だけでなく径方向にも電流が流れるため、従来の絶縁コイルに比べて複雑な電磁現象が起きる。そして NI コイル
内の局所劣化の検出法はまだ確立されていない。熱的安定性の高い NI コイルでは、局所劣化が発生した場合においても継続して運転できる可能性が示されている[1][2]。しかし、局
所劣化の観測・検出に関しても検討を行う必要がある。先行研
究では、NI シングルパンケーキコイルに対して、ピックアップコ
イルを用いた検出法についてその有効性が数値解析により検証されている[3]。
上記の MRI や加速器応用においては、複数の REBCO コ
イルを積層したマルチ・コイルシステムとなる。本研究では、試作した 3 つの NI-REBCO ダブルパンケーキ（DP）コイルを積層したモデルコイルを対象として、ピックアップコイル法による局所劣化の検出の可能性について、実験と解析の両面から検討した。

なお、本研究の一部は科研費基盤研究 S(18H05244)に依った。

Fig.1 Schematic diagram of the experiment

2． 実験手法
実験に用いた試作モデルコイルの概略図を Fig1 に示す。
内径 60mm、巻数 50-turn/SP の DP を 3 つ積層したコイルにおいて、一番上の DP コイル①の上段 25 ターン目にヒーターを挟み、ヒーターの入熱によりコイルの局所劣化を模擬した。
また、内径 60mm、巻数 100-turn のピックアップコイルを各 DP
上段すぐ上に設置し、30A 一定通電下で、10W、10 秒間ヒーターを投入した際の各ピックアップコイルの電圧変化を測定した。同時に、コイル両端電圧、コイル中心点の磁場（ホール素子）を計測した。試作コイルは、液体窒素により冷却して実験を行った
3． 実験結果
Fig2 にピックアップコイル電圧の実験結果を示す。Fig2 ではヒーター入熱直後でコイルに鎖交する磁束の変化に応じた誘導電圧が検出されていることがわかる。また、ピックアップコ
イルの位置に応じて、誘起される電圧の大きさは異なっており、ヒーターに最も近いピックアップコイルで 1.58[mV]程度の電圧変化が見て取れる。
以上より、積層 NI コイルにおける局所劣化をピックアップコ
イル法により検出できたと考えられる。この実験に対して、数値解析によりピックアップコイル法の局所劣化検出の有効性の検討を行った。その結果は当日報告する。

Fig.2 Experimental results of the voltage inducted in pickup
coils (heater 10W, 10s)
参考文献
[1] S. Hahn et al.,Supercond Sci Technol, vol. 29, no 10,
Sep.2016, Art. no. 10517.
[2] Y. Kakimoto et al., IEEE Trans. Appl. Supercond, vol. 29,
no. 5,Aug. 2019, Art. no. 4603005.
[3] T.Wang et al., IEEE Trans. Appl. Supercond, vol. 27, no.
4, June. 2017, Art. no. 0601206.

― 56 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2A-a06

HTS マグネット

複数の特性劣化部分と層間接触不良を有する
無絶縁 REBCO コイルの安定性評価
Stability Evaluation of No-Insulation REBCO Pancake Coilwith Multiple Defects and Turn-to-Turn Electrically Non-Contact Area
濱田 一希，北村 真由, 津吉 杏佳, 根本 羽衣, 石山 敦士 (早大)； 野口 聡 (北大)HAMADA Kazuki, KITAMURA Mayu, TSUYOSHI Kyoka, NEMOTO Ui,
ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.); NOGUCHI So (Hokkaido Univ.)
E-mail: atsushi@waseda.jp

１．はじめに我々は高磁場 MRI や医療用加速器への応用を目的とした

表１ 無絶縁 REBCO パンケーキモデルコイルの諸元

REBCO 超 電 導 コ イ ル シ ス テ ム の 開 発 を 目 指 し て い る 。

Table.1 Specification of NI-REBCO pancake model coil

REBCO 線材は、現状最も優れた超電導特性を有するが、極めて高価であり、その応用実現・拡大には低コスト化が必須でREBCOある。そこで欠陥・劣化のある線材の使用、すなわち、特性の

Tape

Ovevrall width [mm]4.0Copper stabilizer thickness [μm/side]20

Ic @77K, self-field[A]156

バラツキを許容するコイル製作技術として「無絶縁（NI）コイル

Inner diameter [m]巻線技術」を適用し、低コスト化を図ることを検討している[1]。

Turn-to-turn contact resistivity [Ω/cm2]
Turns

しかし NI コイル巻線では、層間接触不良が生じた場合、期待される熱的安定性が損なわれる可能性がある。そこで今回は、Coil

複数の特性劣化部分と層間接触不良部分を持つ NI コイルの29.4×10-6
135lop[A]

500

lop/Ic[%]

66.4

External magnetic field [T]

熱的・電磁的挙動について、数値解析に基づく評価を行った

1.0＊

Cooling condition

ので報告する。

1030K-Conduction
Cooling(CH-110)*Experimental value

２．解析方法解 析 で 用 い た コ イ ル の 諸 元 を Table.1 に 示 す 。 解 析 はPEEC(部分要素等価回路)モデルによる電流分布解析と FEMによる熱解析を連成して行った[2]。今回は複数の特性劣化部分があると想定し、劣化部分はテープ全長の 1/4、 1/2、3/4 の位置に、臨界電流（Ic）の 90％、60%、30%の大きさの劣化部分を想定した。それに加えて、ランダムに層間接触不良領域が存在するとし、層間接触不良領域の割合を変化させたときの挙動を解析、比較・評価を行った。なお、冷却条件は 30K
伝導冷却とした。また同様にして、接触不良領域が劣化部分に集中して存在する場合についても、比較・評価を行った。

３．解析結果例として通電開始 15 秒後の 50％の層間接触不良部分と三箇所の Ic 劣化を持つ NI コイルの各発熱量(Qpass:転流による発熱、Qmt:銅安定化層の発熱、Qsc:超電導層の発熱、Qsum:コ
イル全体の発熱)を Fig.1 に示す。同図より、転流による発熱が

図１．50％の層間接触不良部分と三箇所の特性劣化を持つ
NI コイルの発熱量
Fig.1 Heat Generation of NI Coil with three defects
and 50% turn-to-turn electrically non-contact area in a turn
本研究は、科研費・基盤研究 S(No.18H05244)に依った。

支配的で、局所的温度上昇もほとんどなく安定であると考えられる[3][4]。従って今回の対象コイルにおいては、複数の Ic 劣

参考文献

化部分に加え、ランダムに層間接触不良が存在する場合でも、

1. S.Hann,et al.; SUPERCONDUCTOR SCIENCE &TECHNOLOGY, 29, 10, 2016.
2. T. Wang et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 25,4603409, 2015
3. H.Onoshita et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 30,
9001187, 2020
4. K.Katsumata et al., IEEE Trans. on Appl. Supercond. 27,4602005, 201

ホットスポットの発生を避けることができ、コイル製作コストの削減につながる可能性があることがわかった。一方、コイル全体にランダムかつ劣化部の隣接層間両側に 1 周にわたり接触不良が存在する場合、熱暴走が起こる可能性があることが確認できた。

― 57 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2A-a07

磁気分離 (1)

磁気分離を活用した新たな生物学的水処理技術のマッピング
Mapping of new wastewater treatment process apply ng magnetic separation
酒井 保藏, 荷方 稔之（宇都宮大）; サハ ミヒル ラル (ダッカ⼤)SAKAI Yasuzo, NIKATA Toshiyuki (Utsunomiya Univ.); SAHA Mihir Lal (University of Dhaka)E-mail: sakaiy@cc.utsunomiya-u.ac.jp
1．はじめに我々が推進する磁気分離を応用した水処理プロセスは、
磁化活性汚泥法が実用化にチャレンジする段階となっている。
生物学的処理法には、嫌気処理と好気処理があり、中・高負荷条件では嫌気処理が余剰汚泥抑制、曝気不要などの点で有利となる。一方、低負荷条件では、活性汚泥法が悪臭の問題が少なく開放で処理できるなどの利点をもつ。磁気分離を利用した新たな生物学的水処理法の特徴、課題、適用範囲などについてまとめ、マッピングする。
生物学的水処理法は好気性微生物群により排水中の有機汚濁物質を CO2 と H2O に分解し除去する活性汚泥法と、嫌気性微生物群（消化汚泥）によりメタンと CO2 に転換し除去するメタン発酵法がある。活性汚泥、消化汚泥ともにマグネタ
イトを混合するだけで汚泥フロックに吸着し、磁気分離できるようになり(Fig. 1)、微生物が増殖・死滅を繰り返してもマグネタ
イトが新しい汚泥に吸着するため、磁気分離を継続できる。これらは磁化活性汚泥法(MAS 法)、磁化メタン発酵法(MMF法)と呼ばれている。
2. 活性汚泥法への磁気分離の適用
活性汚泥法は下水処理に広く利用される代表的な水処理法である。食品工場、畜産業などの有機排水処理にも広く利用される。汚泥濃度は 1.5～5 g-VSS/L 程度で運転されるが、これは沈降分離の濃縮限界のためである。沈降分離では 10 gVSS/L 程度が濃縮限界であり、5 g-VSS/L の汚泥を分離しても 50%の上澄液しか得られない。結果として 2 倍量を分離しないと 100%の上澄水が得られず、沈降槽の滞留時間が半分になり分離が難しくなる。磁化活性汚泥の場合、磁気分離は30～50 g/L まで汚泥を濃縮できるため、20 g-VSS/L の汚泥濃度でも固液分離できる。さらに高速で濃縮できるため、より濃縮限界に近い条件まで安定して分離できる。
活性汚泥法を高汚泥濃度で運転すると、汚泥濃度に比例して自己消化速度が増加するため、余剰汚泥を減量できる。
0.4 kg/(m3・d)の低負荷条件のとき、約 12 g-VSS/L の汚泥濃度で増殖と自己消化がバランスし余剰汚泥レスの水処理が実現できることがパイロットプラントで確かめられた。ベンチスケｰ
ル実験では、0.6 kg/(m3・d)の容積負荷のとき汚泥濃度 16 gVSS/L で余剰汚泥レスで運転できた(Fig. 2)。汚泥が高濃度になるほど、酸素供給が難しくなるが、通気法を工夫すること
で、容積負荷 1.0 kg/m3 のとき、汚泥濃度 25 g-VSS/L で余剰
汚泥レスで運転できた(Fig. 2)。下水汚泥は 7000 万 t/年以上発生しており、産業排水処理でも汚泥処理は大きな負担となるため、余剰汚泥削減の社会貢献は大きいと予想される。
3. メタン発酵法への磁気分離の適用
メタン発酵法は主に汚泥や、し尿処理など高濃度有機排水処理に利用されている。有機成分の大部分を CH4 と CO2 に転換するメタン発酵法は曝気電力の節約とメタンの副生の両面で原理的に活性汚泥法よりエコロジカルな水処理法である。
しかしメタン発酵は 10 g-VSS/L 程度の高汚泥濃度で運転されること、ガスを発生するため汚泥が浮上しやすいなど、沈降分離が難しく、排水処理には広く利用されていない。消化汚
泥の磁気シーディングは活性汚泥法と同様に簡単で持続性があることから（Ｆｉｇ. 1)、磁気分離によるメタン発酵法(MMF

Fig. 1 Magnetic seeding and separation of activated sludge
and digestion sludge.

Fig. 2 Mapping of suitable volumetric loading range of
biological wastewater treatment technology utilizing
magnetic separation.
法)の排水処理への展開が期待できる。メタン発酵法は酸素供給が不要なため、高汚泥濃度になるほど処理能力も向上
する。消化汚泥も活性汚泥と同様に、磁気分離で 30～50 gVSS/L まで濃縮できるため、20～30 g-VSS/L の汚泥濃度でMMF 法を運転できる。メタン発酵法の一般的な容積負荷は 1～3 kg/(m3・d)とされるが、MMF 法は 4 kg/(m3・d)での連続水処理運転が可能である。有機成分の 5～6 割がバイオガスに転換されるため、余剰汚泥も抑制できる。メタン発酵法の水処理への適用は、近年、粒状化させた消化汚泥を用いる UASB法が実用化され、膜分離メタン発酵法も検討されているが、粒状汚泥の崩壊や、膜の目詰まりが課題である。MMF 法はこれらの欠点がなく、優れた方法であると言える。
嫌気処理からの処理水は悪臭があり、硫化物などで黒く濁っているため、好気的な三次処理が必要である。MMF 槽
容積の半分程度の好気処理(我々の研究では担体流動法と接触酸化法)を追加することで、上乗せ排水基準までの浄化が可能であることがベンチスケール実験で確かめられた。このときのプロセス全体の容積負荷は 2.7 kg/(m3・d)であり、活性汚泥法の約 3 倍の高速処理が可能である (Fig. 2)。また、通常のメタン発酵法が約 36℃に加温して運転されることが多いのに対して、MMF は高汚泥濃度であるため、20℃でも十分な活性を維持しており、排水温度が 20℃以上であれば、副生す
るメタンガスをすべてカーボンニュートラルなエネルギーとして活用可能となり、創エネルギー型の排水処理を実現できる。

― 58 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2A-a08

磁気分離 (1)

磁気力による高速固液分離を生かした磁化メタン発酵法による
低濃度 BOD 排水の浄化処理
Purification of low BOD concentration wastewater by magnetic methane fermentation
utilizing high-speed solid-liquid separation by magnetic force
徐 毅，酒井 保藏，荷方 稔之，六本木 美紀 (宇都宮大）
XU Yｉ， SAKAI Yasuzo， NIKATA Toshiyuki， ROPPONGI Miki （Utsunomiya Univ.)
E-mail: sakaiy@cc.utsunomiya-u.ac.jp
Influent Biogas

1．はじめに磁気分離を利用した磁化メタン発酵法(ＭＭＦ法)を活用して、通常のメタン発酵法の適用が難しい高速処理への適用を検討した。実験は MMF 段に好気処理を後付けしたベンチス
ケール実験装置を用い、25℃で行なった。その結果、ＭＭＦ
段のみで 91%、好気処理との組合せで 95％の CODCr 除去を達成した。MMF 段ではバイオガスとして 6 L/d 副生した。
メタン発酵は消化汚泥(嫌気性微生物)による代表的な生物学的水処理法であるが、高汚泥濃度で運転されること、気泡を発生する反応であることから、沈降法による汚泥の完全な固液分離が難しく、排水処理にはほとんど利用されていな
いが原理的には省エネかつエネルギー回収型のサステナブ
ルな排水処理法である。我々が提案した MMF 法は、消化汚泥にマグネタイトを添加し、磁気分離で運転する。消化汚泥を高濃度で反応槽に維持し、高流速でも固液分離可能である。
MMF 槽からの流出液を好気処理である担体流動（MBBR)法と接触酸化(CO)法で好気的に処理すれば、上乗せ排水基準レベルの浄化も可能である。本研究では、比較的低濃度の排水の高流量処理に磁化メタン発酵法の適用範囲を広げることを目的として、ベンチスケール実験装置により、模擬排水の処
理試験を行なった。メタン発酵は 36℃前後で運転されることが一般的であるが、本研究では加温のエネルギーを節約する
ため、25℃での磁化メタン発酵法の運転可能性を検討した。
2．実験方法
実験装置を Fig. 1 に示す。嫌気処理である MMF 段(6 L)
を初段とし、好気処理の MBBR 段(1 L)を 2 段目に、CO 段(2L)を 3 段目に組合わせたものである。MBBR、CO 段はスポン
ジ担体（１ｃｍ角）を用いた。流入水はグルコースとハイポリペ
プトンを有機成分として、無機栄養塩類を加えたも模擬排水(BOD 濃度 1.3 g-BOD/L)を用い、18 L/d で一定流量で連続的に流入させた。MMF 段の滞留時間 8 h、MBBR、CO 段の滞留時間 4 h となる。全体の容積負荷は 2.6 g/(L・d)、MMF
段のみの容積負荷は 3.9 g/(L・d)となる。MMF 槽は水浴で25℃とした。必要に応じ CO 槽を逆洗した。MMF 槽消化汚泥の SV30（30 分後の沈降体積）、MLSS、MLVSS、バイオガス発
生量、各段の CODCr、TOC、BOD などを測定した。
3．結果
SV30とMLVSSの変化 SV30、MLVSSの経時変化をFig. 2に示した。SV30は30分沈降分離させた消化汚泥の沈降前体積に対する体積分率である。100%を越えると物理的に上澄液はゼロとなり、沈降分離では反応槽の汚泥がそのまま流出する。Fig. 1より、ほとんどの期間でSV30は100%を越えており、沈降分離では運転できないことがわかる。磁気分離では磁石ドラ ム 上 で 消 化 汚 泥 で 30 ～ 50 g-VSS/L ま で 濃 縮 さ れ る 。
MLVSS 約20 g/Lの消化汚泥1 Lを磁気分離する場合、磁気力で約1.5～2.5倍濃縮し、0.6～0.4 Lの濃縮汚泥を反応槽に返送し、その結果、消化汚泥を含まない分離水を0.3～0.6 L
絞り出し、流出水としている。好気処理では酸素供給が律速となる場合が多いが、嫌気処理は微生物濃度に比例して分解

Magnetic drum

Support Media

Effluent
MMF(6 L)MBBR (1 L) CO(2 L)

30

300

20

200

10

MLVSS
SV30

0
0

50

100

100

SV30(%)MLVSS(g/L)

Fig. 1 Experimental apparatus

0150

Time(d)Fig. 2 MLVSS and SV30 changes of the MMF
Table 1

CODCr removals of MMF stage and total stage.

MMF
全処理

流入(mg/L)
1300
1300

流出(mg/L)
115
61

除去率（％）
9195

活性が高くなることから、一般的なメタン発酵法の2倍濃度で運転できる本方法は反応効率向上が期待できる。磁気分離の汚泥濃縮効果がMMF段の性能向上に寄与しているとえる。
本実験に用いた磁石ドラムは最大磁束密度0.08Tと低いものであり、高磁束密度、高磁場勾配の磁気分離システムを用いればさらに高濃度での運転も可能と予想できる。
Table 1に水処理性状をまとめた。ＭＭＦ段のみでCOD除去率が91％となり、大部分の有機物が嫌気的に処理された。
MMFからの磁性粉の漏れはほとんど認められなかった。MMF
段からの流出液は難溶性硫化物、悪臭成分、残存有機物などを含むが、後段のMBBR段、CO段により、全体として95%のCOD除去率を得た。最終的に得られた流出水のBOD、SS濃
度は栃木県の上乗せ排水基準レベルまで浄化できると期待された。また、MMF段からバイオガスが6 L/d副生した。
4. まとめ磁気分離によるメタン発酵法と好気処理を組合わせた水処理プロセスでHRT 0.5 dでの水処理試験を行なった結果、活性汚泥法の約3倍の容積負荷で良好な水処理が行なえた。
曝気電力の節約、メタンガスの副生など、原理的に優れた排水処理法としての可能性が示唆された。

― 59 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2A-a09

磁気分離 (1)

磁気分離を利用した無加温磁化メタン発酵を活用した
創エネルギー廃水処理の提案
Proposal of energy generating wastewater treatment process by using no-heating magnetic
methane fermentation
齊藤 翼，和久井 結太, 酒井 保藏, 荷方 稔之, 六本木 美紀 （宇都宮大学）
SAITO Tsubasa， WAKUI Yuta, SAKAI Yasuzo, NIKATA Toshiyuki, ROPPONGI Miki (Utsunomiya Univ.)
E-mail: sakaiy@cc.utsunomiya-u.ac.jp
1．はじめに嫌気的生物学的水処理法であるメタン発酵法に磁気分離を適用した磁化メタン発酵（MMF）法により排水中の有機物をメタンガスに転換しつつ、浄化する方法を検討した。反応温
度 20℃でのベンチスケール実験において 3.5 g-CODCr /L の模擬廃水から有機物を 94％の除去できた。一般的な活性汚泥法の 2.3 倍の処理速度で処理でき、流入 COD1 kg 当たり、約 400 L/kg-CODCr のバイオガスも副生した。磁気分離により微生物を高濃度に保持できるため、常温での高速処理が可能となった。
メタン発酵法は、嫌気性微生物群である消化汚泥により水中の有機物をバイオガス(メタンと CO2)に転換し除去する方法
であり、余剰汚泥処理に多用される。消化汚泥は活性汚泥法に比べ高濃度で運転され、また、発泡を伴うため、沈降分離が難しい。我々は、消化汚泥にマグネタイトを添加すると簡単に磁気分離できることを見出し、磁気分離によるメタン発酵プ
ロセスを提案した 1)。磁化メタン発酵法は、磁気分離により微生物を高濃度に反応槽に維持できる。従来のメタン発酵法は37℃前後に加温して運転されることが多く、生成するメタンガ
スは加温に消費された。常温で加温せずメタン発酵が可能であれば副生したメタンガスをカーボンニュートラルなエネルギ
ーとして活用できる。本研究は、磁化メタン発酵法により 20℃
でメタン発酵を運転し、有機物から生成するメタンガスを回収することで、創エネルギー廃水処理を提案することを目的として、ベンチスケールでの検証を行なった。
2．方法
ベンチスケール実験装置を Fig.1 に示す。模擬廃水(3.5g-CODCr)を 6 L/d で連続的に流入した。容積 6 L の磁化メタ
ン 発 酵 (MMF) 槽 を 主 反 応 槽 と し て 後 段 処 理 に 担 体 流 動（MBBR, 1 L）法と接触酸化(CO, 2 L)法を用いた。MMF 槽は水浴により 20℃とした。MMF 槽内の汚泥は、消化汚泥とマグ
ネタイトの濃度を 1：1 にした磁化消化汚泥を用いた。汚泥は
MMF 槽流出部にある磁石ドラム(直径 97 mm、長さ 100 mm、
磁束密度 80 mT、6 mm 間隔の縞状着磁のプラスチック磁石)
により分離され MMF 槽内に返送される。磁気分離水は、さらに MBBR 段、CO 段の順で好気的に生物処理される。
3．結果及び考察
20℃での MMF 槽内の汚泥濃度は平均 26 g-VSS/L(VSS
はマグネタイト,灰分を含まない有機物重量)であった。これは通常のメタン発酵の約 3 倍の濃度に当たる。微生物濃度に比例してメタン生成能力も増加すると考えられる。MMF 槽の消化汚泥の 30 分沈降体積は 120%～214%であり、そのままでは沈降しない高汚泥濃度である。磁気分離で濃縮することで高汚泥濃度での運転を可能としている。Fig. 1 の磁気分離装置
は最大磁束密度の小さいプラスチック磁石にもかかわらず、
約 50 g-VSS/L まで分離できる。MMF 槽の流出水は Fig. 2 に示すように黒く濁っているが、過酸化水素を添加して酸化す
ると、白濁液に変化し、マグネタイトが 100%分離できていることがわかる。MMF 槽では硫酸が還元されるため、硫化物の沈

Fig. 1 Bench scale apparatus(1)  (2)(3)(4)(1)H2O2 added MMF effluent, (2)MMF effluent,(3) MBBR effluent, and (4) CO effluent
Fig. 2 Photographs of from each stage effluent.
殿が黒く見えていると考えられた。酸化することで硫酸イオンとなるため溶解あるいは白色の懸濁液になったと推察した。
白濁成分はマグネタイトを吸着しない SS であり、磁気分離を用いた活性汚泥法の流出水中にも見られるものである。MMF
段の CODCr 除去率は平均 91%であり、大部分の有機成分は嫌気的に除去されていることが示された。MMF 段の流出水には、硫化物の沈殿、還元性物質、悪臭成分、難分解性有機
懸濁物質などが含まれるが、MBBR 段、CO 段で除去され、全段での CODCr 除去率は 94%となった。最終的な流出水のBOD 濃度は 10 mg/L 以下、懸濁物質濃度は 15 mg/L 以下であった。これらは栃木県の上乗せ排水基準である BOD 25
mg/L、SS 50 mg/L の半分以下の値であり、基準を十分満たす良好な処理性状を示した。
バイオガス発生量は平均 8.3 L/d であった。流入 CODCr 1
kg 当たり 395 L のバイオガスが副生した。排水中の C 成分のバイオガス(CH4、CO2)転換率は約 60%と見積もられた。流量
100 m3/d、TOC 濃度 1 ｇ/L(理論 BOD 濃度 2.5 g/L)の廃水をこのプロセスにより処理した場合、バイオガス中のメタンが60％とするとバイオガスから約 50 m3/d のメタンガスが副生される。廃水の温度が 20℃であれば、メタンガスをすべてカー
ボンニュートラルなエネルギーとして利用できる。
4．まとめ
磁気分離により汚泥の高濃度化を実現した磁化メタン発酵
法は 20℃でも良好な活性を示し、創エネルギー廃水処理技術として期待できる。
参考文献
1. 江田慎吾, メタン発酵法への磁気分離の入とサスティナ
ブルな水処理技術への展開, p.69-75 82― 60 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2A-a10

磁気分離 (1)

漬物工場排水処理への磁化活性汚泥法適用を目的とする
ベンチ/パイロットスケール試験
Bench/pilot scale experiment for applying magnetic activated sludge process
to pickles factory wastewater treatment
小笹 峻諒, 大島 瑛美, 直井 裕哉, 酒井 保藏, 荷方 稔之, 六本木 美紀（宇都宮大）
KOSASA Toshiaki, OHSHIMA Emi, NAOI Yuya, SAKAI Yasuzo, NIKATA Toshiyuki, ROPPONGI MIKI (Utsunomiya Univ.)
E-mail: sakaiy@cc.utsunomiya-u.ac.jp
1．はじめに
磁化活性汚泥法は活性汚泥（微生物）にマグネタイトを加え、磁気分離で運転する水処理法である。実用化を目指した食品工場でのオンサイトパイロットスケール試験では、容積負荷 0.3～0.5 kg-BOD/(m3・d)で余剰汚泥引抜きなしで運転でき、維持管理の負担軽減が期待された。ベンチスケール試験でも負荷 0.6 kg-BOD /(m3・d)では余剰汚泥引抜きなしで運転でき、負荷 1.0 kg -BOD /(m3・d)では 1%/d の余剰汚泥引抜きで良好な水処理が行えた。
活性汚泥法は一日当たり 1～2 割の汚泥が増殖する。増殖分は余剰汚泥となり、濃縮・脱水・廃棄に手間とコストが発生する。磁化活性汚泥法はマグネタイトを活性汚泥に混合し、磁気分離で運転するため、沈降分離より高濃度で運転できる。
これにより、汚泥の増殖分を自己消化で相殺する運転が可能となり、余剰汚泥処理の不要な水処理を実現する。
本研究では漬物工場の実排水を用い、パイロットスケールとベンチスケールの実験を行い、余剰汚泥引抜きなしでの運転条件とその処理性状や実現性を検討した。
2．実験方法パイロット試験には 7.5 m3 の曝気槽(反応槽)を用いた。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。磁石ドラムは直径 16.5 cm、幅 1.5 m で表面の最大磁束密度は 0.5 T である。現地排水をそのまま流入させた。容積負荷 0.3～0.9 kg-BOD/(m3・d)の範囲で変動した。
ベンチスケール試験は 5 L の磁化活性汚泥(MAS)槽と 0.5 Lの接触酸化(CO)槽から構成される。磁気分離装置は直径 9.8cm、幅 10cm の回転ドラム型のもので、磁石ドラム表面の最大磁束密度は 0.08 T、磁極間のピッチ 6 mm で縞状に着磁したものである。運転条件[容積負荷 kg-BOD/(m3・d)・余剰汚泥引抜き%/d]は次の通り。PhaseⅠ(112-523 d):[1.0・1.0]、Phase
Ⅱ(523-628 d):[0.6・0.5]、PhaseⅢ(628-707 d):[0.6・0]。
SV30(30 分沈降体積)、MLVSS、SS、BOD 等を測定した。
3．結果・考察パイロットとベンチスケール試験の SV30 の変化を Fig. 1、2 に示した。SV30 は 30 分沈降させた汚泥の沈降体積(%)である。
50%を越えると沈降分離での運転が難しくなり、100%では物理的に汚泥は沈降分離せず、曝気槽の汚泥濃度で流出する。
パイロット試験 100 d 以降、SV30 は 110～140%の範囲にあった。沈降分離不可能な濃度の汚泥を磁気分離によって曝気槽に保持し、汚泥の増殖と自己消化を相殺させたため余剰
汚泥引抜きなしで運転できた。負荷は平均 0.4 kg-BOD/(m3・d)であった。曝気槽の汚泥濃度は約 14 g/L で安定した。処理
水の BOD は栃木県の上乗せ排水基準 25 mg/L 以下をほぼ満たした。SS は、一律排水基準は満たしたが上乗せ排水基
準 50 mg/L を超過した。ベンチスケール実験と同様に後処理として SS の除去プロセスが必要であることが示唆された。
ベ ン チ ス ケ ー ル 試 験 Phase Ⅰ は 容 積 負 荷 1.0 kgBOD/(m3・d)で運転した。1%の汚泥引抜きが必要であった。これは、PhaseⅠ以前の期間に汚泥引抜きを行なわずに運転したところ、汚泥濃度が上昇し運転困難となったためである。

Fig. 1 SV30 change of pilot scale test.

3KDVHⅠ 3KDVHⅡ3KDVHⅢ

Fig. 2 SV30 change of bench scale test.
PhaseⅠでの SV30 は 110～250%であった。磁気分離により、沈降分離限界濃度から 2.5 倍濃縮して曝気槽に活性汚泥を保持でき、その結果汚泥の自己消化を促進し余剰汚泥引抜き量を抑制できた。平衡汚泥濃度は約 20 g-VSS/L であった。
PhaseⅡでは、負荷を 0.6 kg-BOD/(m3・d) に軽減した。余剰汚泥引抜き 0.5%/d で汚泥濃度は 11.5 g-VSS/L まで減少し安定した。SV30 は 130～200%の範囲にあり、沈降分離の限界濃度から 1.3～2 倍濃度まで汚泥を磁気分離で曝気槽に濃縮・保持して安定した水処理を行うことができた。
PhaseⅢは、PhaseⅡと同じ負荷条件で余剰汚泥引抜きなしで運転した。汚泥濃度は 16 g-VSS/L まで増加し、安定した。
SV30 は 150～240%の範囲にあり、磁気分離によって沈降分離の限界濃度から 2 倍前後まで濃縮した汚泥濃度で水処理が継続できた。自己消化速度は汚泥量に比例するとされるため、2 倍量の活性汚泥が曝気槽に保持されることで自己消化速度
も 2 倍となり、余剰汚泥の発生を相殺できたと考えられる。
すべての Phase で水処理性状は安定しており、栃木県のBOD と SS の上乗せ排水基準をほぼ達成した。
4．まとめ
 磁気分離により沈降分離の限界濃度を越えて活性汚泥を曝気槽に保持することで、微生物の増殖と自己消化を相殺させて余剰汚泥引抜きを必要としない水処理が実現できた。実排水を用いたパイロット試験とベンチスケー
ル試験の結果から容積負荷0.6 kg-BOD/(m3・d)で余剰汚泥
引抜きなしで連続水処理が可能と判断された。

― 61 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2B-a01

REBCO 線材作製・高 I c 化

銅酸化物超伝導多結晶材料における強いオーバードープ状態
Heavily Carrier Overdoped State in Polycrystalline Cuprate Superconducting Materials
下山淳一，宮本能伸，元木貴則（青学大）
SHIMOYAMA Jun-ichi , MIYAMOTO Yoshinobu, MOTOKI Takanori (Aoyama Gakuin Univ.)
E-mail: shimo@phys.aoyama.ac.jp
1．はじめにRE123(REBa2Cu3Oy)や Bi2212(Bi2Sr2CaCu2Oy)などの銅酸化物超伝導体単結晶を用いた臨界電流特性とキャリア
ドープ状態に関する研究では、キャリアドープが進むほど電気的磁気的異方性が単調に低下し、Tc で規格化した温度で比較した場合、不可逆磁場が系統的に上昇することがわかっている[1]。また、磁場中の Jc は支配的なピン止め中心の密度が同じ場合には、キャリアドープの進行と と も に 高 く な る 傾 向 に あ る 。 一 方 、 RE123 やBi2223((Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Oy)の多結晶材料においては結晶
内よりも結晶粒間の臨界電流特性が支配的であり、高い Jcの実現にはキャリア濃度を最適～弱いオーバードープ状
態に制御することが有効である。この指針は比較的 Tc に近い高温での応用を想定したものであり、Tc よりかなり低い温度においては、より強いオーバードープ状態のほうが臨界電流特性に優れる可能性がある。
RE123 材料においては酸素量 y を 7.0 に近付けることによって弱いドーバードープ状態になるものの、酸素欠損によるピン止め力が大きく低下する。また、RE サイトへの Ca ドープはオーバードープによる粒界特性の改善を伴うが、Tc が低下することもあり、実用材料にはほとんど適用されていない。しかし 50 K 以下の中低温での応用を考える場合には Tc 低下の影響は小さいはずである。ところが、Ca の RE サイトへの固溶限界は 15%以下であり、大量にドープすると Ba サイトにも固溶する。
このような Caの占有サイトの変化の臨界電流特性への影響は不明である。Bi2223 材料では単相化が優先され、キャリアドープを伴う Pb 固溶量の増加は最適焼成条件が変わることから積極的には試みられていない。
以上の背景のもと、本研究では Ba 欠損、Ca ドープ
RE123 焼結体試料の合成と臨界電流特性の評価をキャリ
アドープ状態の観点から以前の報告[2]よりさらに進め、
Bi2223 焼結体では前回の報告[3]に続いて Pb 固溶量の増加によるより強いキャリアのオーバードープ状態の実現を目指した。さらにキャリアの強いオーバードープ状態が実現しやすい、Pb ドープ Bi2212 焼結体の物性にも注目した。Bi2212 では単結晶や溶融凝固法による厚膜、線材の臨界電流特性は良く理解されているが、焼結体の臨界電流特性はほとんど調べられていない。以上の研究を通じて中低温での高臨界電流特性材料開発に対して強いキャリアドープ状態の実現が有効な指針となるか見極めることを目指した。
2．実験
Ba 欠損、Ca ドープ RE123（RE = Y, La）、Pb をドープした
Bi2223 および Bi2212 焼結体を様々な仕込組成から固相反応法により合成した。焼成および酸素量制御の条件の詳細は発表にて示す。試料の構成相は粉末 X 線回折により調べ、超伝導特性は SQUID 磁束計を用いて調べ、結晶粒間の Jc
は拡張 Bean モデルを用い残留磁化の大きさより算出した。

Fig. 1 ZFC and FC magnetization curves of carrier
overdoped (Bi,Pb)2212 sintered bulks.
Table 1 Intergrain Jc at 5 K and 20 K of carrier overdoped(Bi,Pb)2212 sintered bulks.

T/K
5
20

Jc (intergrain) / A cm-2
HOV
OV
LOV
1180
920
940
800
670
650

3．結果と考察
Fig. 1 に酸素量を制御した Pb ドープ Bi2212 焼結体のZFC 磁化、FC 磁化の温度依存性を示す。HOV は 250°C ま
で酸素アニールを行った強いオーバードープ試料、OV は
空気中 800°C から急冷したオーバードープ試料、LOV は500°C、Ar 気流中でアニールした弱いオーバードープ試料である。いずれの試料も焼結体としては比較的鋭い超伝導転移を示した。HOV 試料の Tc は onset でも 63 K 程度と大きく低下している。Table 1 にこれらの試料の、5 K、20K での粒間 Jc を示した。Bi2223 と異なり Bi2212 焼結体は結晶が小さく、一軸プレスによって成型したペレット表
面もほとんど c 軸配向しない、つまりほぼ完全な無配向焼結体でかつ相対密度が 65 %程度であることから、粒間Jc はそれほど高くないが、HOV 試料のほうが高い値を示した。この結果は強いオーバードープ状態とすることが粒間 Jc の改善に有効であることを示唆するものである。
講演では RE123、Bi2223 の結果を含めて強いオーバー
ドープ状態にある多結晶材料の物性について議論する。
参考文献
1. J. Shimoyama et al., J. Low Temp. Phys. 131 (2003) 1043.
2. J. Shimoyama et al. Abstracts of CSSJ Conference 95 (2017) 34.
3. J. Shimoyama et al. Abstracts of CSSJ Conference 100 (2020) 152.

― 62 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2B-a02

REBCO 線材作製・高 I c 化

フッ素フリーMOD 法 RE123 薄膜への微小析出物導入による高 Jc 化
Enhancement of Jc for fluorine-free MOD processed RE123 thin films by introduction offine precipitates
小澤 美弥子, 金泉 莉大, 瀬川 雄大, 元木 貴則, 小口 有希, 下山 淳一（青学大）
KOZAWA Miyako, KANAIZUMI Rio, SEGAWA Yuta,
MOTOKI Takanori, OGUCHI Yuki, SHIMOYAMA Jun-ichi (Aoyama-Gakuin Univ.)
E-mail: c5618046@aoyama.jp
1．はじめにRE123 薄膜の作製方法の中でもフッ素フリーMOD 法は、均質で平坦な表面を有する薄膜が短時間で得られ、常圧下の簡便な焼成装置のみで作製することができるため、量産性が高く[1]、工業化に有望な手法である。原料溶液に Cl を添加す
ると RE123 と高い格子整合性を有する Ba2Cu3O4Cl2 (Ba2342)が膜中に生成し、RE123 の 2 軸配向を促進させるため、結晶性の高い 2 軸配向薄膜が成長する条件が拡大し、また低磁場・高磁場下ともに臨界電流密度(Jc)が大きく向上する[2]。さらに近年の研究では、Y123 薄膜に対して Cl と不純物金属(M= Zr, Sn, Hf) を共添加することにより、膜中に微細な BaMO3(BMO) 析出物が生成し Jc 特性が向上することがわかっている[3]が、磁場中の Jc は他の方法で作製された RE123 薄膜と比べて改善の余地が大きい。以上の背景のもと、本研究は FFMOD 法による RE123 薄膜の作製において金属組成を精密

Fig. 1. Cross-sectional TEM image of Zr5%-doped (Cl, Zr
1–3) -Y123 film and selected-area electron-diffraction
patterns of corresponding positions.

に調整した自作溶液を用い、不純物金属添加による臨界電流特性改善の効果を高めることを目的とした。
２．実験方法
仕込組成比 Y : Ba : Cu : Cl = 0.9 : 2 : 3 : 0.20、Y に対してM (= Zr, Hf) を 0, 1, 3, 5 mol%で混合したものを(Cl, M)共添加
Y123 原料溶液とし、これを SrTiO3(100)単結晶基板上に塗布した後、有機物を分解するために仮焼を行った。この塗布と仮焼を 3 回繰り返し、設計膜厚が約 300 nm になるように制御した後、本焼成を行い、酸素アニールにより酸素量を制御することで、(Cl, M)共添加 Y123 薄膜を作製した。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 磁束計により評価した。
３．結果と考察
3 層の仮焼膜中すべてに不純物金属を添加した(Cl, M 1–3)
共添加 Y123 薄膜を作製し微細組織観察を行ったところ、不純物金属添加量の増加に伴い表面が粗くなる傾向が認められた。Fig. 1 に作製した Zr5%添加試料の断面 TEM 像と制限
視野電子線回折(SAED)パターンを示す。膜は 2 層に分かれていることが観察され、SAED パターンから下層は Y123 の配向膜、上層はアモルファスであることがわかった。Fig. 2 に下層
Y123 の高倍像を示す。BZO であると考えられる直径 20 nm 程度の球状の析出物が膜中に存在することを観察した。このような微細な析出物は有効なピンニングセンターになると考えられる。Fig. 3 に Y123 薄膜の酸素量の最適化を行うために長時間酸素アニールを施した試料の 40 K における Jc の磁場依存性を示す。Zr や Hf 添加試料は無添加試料と比べて磁場中で高い Jc を示し、特に Zr3%添加試料は最も高い Jc(40 K, ~4 T)~2.2 MA cm-2 を記録した。(Cl, M 1–3)共添加 Y123 薄膜は膜の表面組織が粗くなる傾向にあったため、2, 3 層目のみに不純物金属を添加した(Cl, M 2–3)共添加 Y123 薄膜を作製した
ところ、平坦な表面を維持しつつ Jc が向上することがわかった。
講演では、さらに作製条件の最適化を進めた (Cl, M)共添加
Y123 薄膜の臨界電流特性についても報告する。

Fig. 2. Cross-sectional TEM image of Zr5%-doped Y123 film.

Fig. 3. Jc –H curves at 40 K for the Hf or Zr doped Y123
films with various doping levels.
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] T. Motoki et al., Supercond. Sci. Technol. 29 (2016) 015006.

― 63 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2B-a03

REBCO 線材作製・高 I c 化

高 Jc YBCO 薄膜の自己磁界における Jc(T) 特性と磁束ピン止め

Temperature dependence of self-field critical current densities in YBCO thin films
山崎 裕文（元 産総研）
YAMASAKI Hirofumi (Formerly AIST)
E-mail: hiro16yam@me.com
1．はじめにYBCO 薄膜の臨界電流密度 Jc について、量子化磁束径より小さな微細ナノ析出物は、中磁界領域 µ0H = 0.5–2 T で
ab 平面中心の Jc(θ) ピークをもたらし [1], [2]、温度依存性が、Jc(T) ~ (1 – T/Tc)m(1 + T/Tc)2, m = 2.5 に近い特性を示す [2],[3]。今回、自己磁界下での Jc(T) を解析した所、同じ式で m= 1.5–1.7 と小さくなった。比較的大きなナノ析出物を含む
YBCO 薄膜でも同様に、自己磁界下では中磁界より m が小さくなる。低濃度であっても YBCO 薄膜中に存在する比較的大きなナノ析出物が、自己磁界下の Jc を規定していると推論した。
2．自己磁界における Jc の温度依存性と考察
高濃度の微細ナノ析出物（直径 Di ≤ 7 nm、体積 V）を含む
YBCO 薄膜 A, B の µ0H = 0.5–1 T (// c-axis) の温度依存性
は、Jc(T) ~ (1 – T/Tc)m(1 + T/Tc)2, m ≈ 2.5 となった（図１）[2],[3]。これは、量子化磁束径 2ξab（ξab：GL コヒーレンス長）よりも小さな微細粒子のコアピン止め相互作用による要素的ピン止め力が fp = µ0Hc2V/2ξab となり、Jc = Fp/B = ηHc2VNp/2ξabH（Np :ピン濃度、η : 磁束ピン止め効率）、その温度依存性がJc(T) ~ Hc2(T)/ξab(T) ~ (1 – T/Tc)2.5(1 + T/Tc)2 となるからである[2], [3]。しかし、薄膜 A, B とも、自己磁界下では同じ式で m= 1.5–1.7 と小さくなった（図１）。図２に、比較的大きなナノ析
出物を高濃度に含む YBCO 薄膜 C, D の Jc(T)を示す。それらは、µ0H = 0.5–1 T (// c-axis) で Jc(T) ~ (1 – T/Tc)m(1 +T/Tc)2, m = 2.0–2.5 の温度依存性を示した [3]。また、自己磁界下の Jc(T) は、同じ式で m = 1.6–1.8 と、より小さくなった。
YBCO 特有の磁束線の曲りを考慮すると、比較的大きなナ
ノ析出物ピン（Di >> 2ξab）による要素的ピン止め力は、ピンにトラップされた磁束線の長さを l として
fp = (1/2)µ0Hc2πlξabξ/2ξ = (1/4)µ0Hc2πlξab (1)となり、Jc(T) ~ (1 – T/Tc)1.5(1 + T/Tc)2 と推論される [4]。しかし、中磁界中の薄膜 C, D では、m = 2.0–2.5 と理論値 m = 1.5 よりも大きくなった。これは、ナノ粒子が充分大きくないことと、磁束クリープの効果と考えられる [3, 4]。それに対し、自己磁界下では、より大きなナノ粒子が Jc を規定し、かつ磁束クリープも小さいため、理論値に近くなる。さらに図１の薄膜でも、低濃度ながら比較的大きなナノ析出物が存在するため、それが自己磁界下の Jc を規定すると考えれば、m = 1.5–1.7 の温度依存性を説明できる。
自己磁界下の臨界電流密度が、薄膜の両端から侵入した
磁束のピン止めで決まると考える。２つのナノ粒子ピンにトラップされた磁束間距離の平均を L とすると、電流密度 J により長さ L の磁束に働く Lorentz 力は fL = φ0JL である。J = Jcのとき fL = fp と (1) 式から、
Jc = (1/4)πµ0Hc2lξab/φ0L = κφ0l/32πµ0Lλab3 (2)となる。 κ の温度依存性は小さいので、(2) 式は、YBCO 薄膜の自己磁界における Jc が 1/λab3 に比例することを示す。
YBCO 薄膜の表面抵抗 Rs は Jc の逆数に比例するという逆相関が知られているが [5]、Rs ∝ λ3 と言う関係があるため、(2) 式が、Rs と Jc との間の逆相関を説明することができる。
Tallon 等は、第２種超電導薄膜の自己磁界における Jc が平行磁界中の磁束侵入で決まるとして
Jc = Hc1/λ(T) = {φ0/4πµ0λ(T)3}(lnκ + 0.5) (3)を提案し、それが多くの超電導体について成立するとした [6]。
(3) 式は Jc ~ 1/λ3 を示しているが、自己磁界下でも Jc は磁束ピン止めで決まるはずであって、問題がある。YBCO 薄膜の自己磁界 Jc が (2) 式で決まると推論されるため、彼らが示した実験結果は、(2) 式に起因していることが示唆される。
参考文献
1. H. Yamasaki et al.: Supercond. Sci. Tech. (SuST), Vol. 21(2008) p. 125011.
2. H. Yamasaki: SuST, Vol. 29 (2016) p. 065005.
3. H. Yamasaki, H. Yamada: Physica C, Vol. 542 (2017) p. 46.
4. H. Yamasaki: Physica C, Vol. 563 (2019) pp. 48–58.
5. S. Ohshima et al: Physica C, Vol. 372–376 (2002) p. 372.
6. E. F. Talantsev and J. L. Tallon: Nature Comm., Vol. 6(2015) p. 7820.

Fig. 1 Jc/(1 + T/Tc)2 vs 1 – T/Tc plots in YBCO thin films(A, B) containing fine nanoprecipitates.

― 64 ―

Fig. 2 Jc/(1 + T/Tc)2 vs 1 – T/Tc plots in YBCO thinfilms (C, D) containing relatively-large nanoprecipitates.
第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2B-a04

REBCO 線材作製・高 I c 化

超電導線材を用いた磁気浮上工具の有限要素法による電磁界解析
Electromagnetic field analysis by finite element method of superconductive assisted machinewith superconducting tapes
岩崎 慎也，木下 雄士，小田部 荘司，中崎 達也，鈴木 恵友（九工大）
IWASAKI Shinya，KINOSHITA Yushi，OTABE Edmund Soji，NAKASAKI Tatuya，SUZUKI Keisuke (Kyutech)
E-mail:iwasaki.shinya196@mail.kyutech.jp
1．はじめに1987 年にYBa� Cu� O��� が発見されたことによって、液体窒素下の高い比熱を利用し、安定して浮上状態を保ち続けることが出来る超電導バルクが製作された。そのため、磁気浮上のために必要な技術が確立され、磁気浮上が実用できるようになった。そして、磁気浮上の技術は中空加工技術や準無重力空間の構想[1]、磁気レンズ[2]などの様々な分野で応用が進んでいる。その中で我々のグループは中空加工技術の一つとして、磁気浮上工具を提案している。超電導バルクの性能向上の一方で、超電導体の線材化の研究が進み、現在では高い性能の線材が開発されている。そこで超伝導線材を使って、磁気浮上工具による中空加工技術において磁気浮上に必要な永久磁石を浮上させる力についての性能評価をする必要がある。本研究では、永久磁石と超電導線材のみの簡単なモデルを用いて電磁界解析を行った。

である。
さらに線材の枚数を増やしてバルク超電導体の結果と比較した。その結果、厚さ 10 mm の超電導バルクは距離が 1 mm の場合、反発力は 85 N 得られる。それに対して、超電導線材は厚さ 6.1 mm(122 層)で同じ反発力が得られる。また、厚さを 10 mm(200 層)にすると反発力は約140 N 得られる。このことから、超電導線材の方が超電導バルクよりも大きな反発力を得られるということが分かり、超電導線材を用いることにより、性能を向上させることが出来ることが示された。
Type Radical (Type R)

2．解析方法
本研究では、この磁気浮上工具の基本的な電磁界解析として、シミュレーションソフト JMAG-Designer 20.0
で有限要素法(FEM)を用いて磁気浮上工具の解析を行った。GdBa� Cu� O��� 超電導線材のサイズは長さが 20 mm、幅が 12 mm、厚さが 1 μm で、1 層に 6 枚使用し、2 通りのモデルを製作した。その図を Fig. 1 に示す。モデルはそれぞれ、磁気浮上工具の中心から等間隔で放射状に 6 つ置いたモデルを Type R、方位角状に 6 枚置いたものをType A とする。更に超電導体の下に 50 μm 間隔で上の層と同様な層を 4 層分まで作成し、それぞれ解析をした。ここで永久磁石は内径 10 mm、外径 29.5 mm、厚さ 10 mmで磁石表面での磁場が 450 mT のリング型 4 極ネオジム磁石を用いた。

Type Azimuthal Direction (Type A)

Fig. 1: Superconductor Assisted Machining

3．結果および考察
永久磁石を超電導線材の上部にて着磁を行い、永久磁石を超電導線材方向に垂直に移動した時に発生する超電導線材から永久磁石への反発力を永久磁石と超電導線材間の距離を 10 mm から 1 mm まで変化させて、また超電導線材 1 層から 4 層まで層を増やしてそれぞれ解析を行った。その FEM 計算結果を Fig. 2 に点線が Type R、実線が Type A で数字は層の数を示している。この力は中空加工技術の際、圧力として利用し、永久磁石と切削対象を密着させて縦方向への加工を行う。反発力はどちらもFig. 2: Repulsive force when magnetized distance is 1
– 10 mm

距離に反比例し、増大している。着磁距離では力はゼロであり、着磁距離から永久磁石を近づけると反発力が働き、近づくほど反発力は大きな値を示すことが確認できる。
さらに 2 層以上の層では距離が 5 mm より近い時にはType R よりも Type A のほうが反発力は大きくなることも分かる。これは 4 極磁石の N 極と S 極の間にある線材において Type A のほうが大きな反発力を得られるため

参考文献[1] K. Takahashi，et al.: Supercond. Sci. Technol. 34 (2021)
035001.
[2] K. Takahashi，et al.: Supercond. Sci. Technol. 34 (2021)
05LT02.

― 65 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2B-a05

REBCO 線材作製・高 I c 化

低コスト線材に向けた YBCO/LaNiO3 積層構造における LaNiO3 層の抵抗率評価
Resistivity evaluation of LaNiO3 layer in YBCO/LaNiO3 bilayer for low cost REBCO-CC
舩木 修平，長瀬 侑弥，山田 容士（島根大）；土井 俊哉（京大）
FUNAKI Shuhei，NAGASE Yuya, YAMADA Yasuji (Shimane Univ.); DOI Toshiya (Kyoto Univ.)
E-mail: s-funaki@riko.shimane-u.ac.jp

2．実験方法REBCO/LNO 積層膜のみの通電特性を評価するために，
本研究では絶縁性の基材として LaAlO3 単結晶基板 (LAO)を用いた．まず，DC マグネトロンスパッタ法により LAO 上に
LNO 薄膜を作製した．成膜雰囲気は Ar, 1.0 Pa，基板加熱は450ºC 設定，出力は 150 W とし，膜厚が 200 nm となるように成膜時間を調整した．その後，PLD-YBCO 成膜環境として
pO2=35 Pa，760ºC，30 min，及び酸素アニール環境として
pO2=105 Pa，450ºC，1, 5, 10 h の熱処理を行った．
また実際に，LNO 薄膜上に PLD-YBCO 薄膜を形成した．
成膜雰囲気は pO2=35 Pa，基板温度は 790ºC とし，YBCO 層の膜厚が 100, 300, 600 nm となるように成膜時間を調整した．
配向性及び結晶性を XRD で，電気特性を直流 4 端子法で評価し，YBCO/LNO 積層膜については YBCO 層が 300
nm の試料の I-V 測定から Jc を，100, 600 nm の試料の R-T測定から YBCO 層及び LNO 層それぞれの抵抗率を算出した．

3．結果及び考察
図に as-grown の LNO 薄膜及び，PLD-YBCO 成膜環境，
酸素アニール環境で熱処理した LNO 薄膜の–T 測定結果を示す．全ての試料が温度低下とともに抵抗率が低下する金属的な振る舞いを示した．また，10 h の酸素アニールによって抵抗率が多少増加したものの，PLD-YBCO 成膜環境，酸素ア
ニール環境で as-grown に比べ抵抗率が低下し，5～6×10–3
 cm 程度の低い抵抗率となることが分かった．
この LNO 薄膜上に成膜した PLD-YBCO 薄膜の Jc は 6.5×105 A/cm2 @77 K, s.f.であった．典型的な値に比べると劣っているが，成膜条件の最適化などでさらなる Jc の向上を期待している．また，PLD-YBCO 層直下の LNO 層の抵抗率を，
YBCOt=100 nm/LNOt=200 nm 及び YBCOt=600 nm/LNOt=200 nm の抵抗値から算出すると，アニール後の LNO 単相膜と同程度の5.6×10–3  cm であった．以上のことから，LNO は上層にREBCO 層を形成しても低い抵抗率を示す，有望な導電性中間層であると期待される

–3
0.02
20×10

Resistivity [ cm]

1．はじめに現在開発されている REBa2Cu3Oy 超電導線材（REBCOCC）は，基材からの不純物の拡散を防ぐ層，さらに REBCO
結晶を配向させるための IBAD 層が中間層として用いられているが，これらの中間層は絶縁性であることから，超電導状態が破れたときに大電流を迂回させるための Ag 層，Cu 層をREBCO 層上部に堆積させた構造となっており，材料コストの低減が困難となっている．そこで，導電性を有する中間層を介して金属基材に電流を迂回させることで Ag 層が不要となる，
新規な低コスト REBCO-CC が提案された[1]．これまで導電性を有する中間層として Nb-SrTiO3, Nb-TiO2 などが提案されてきたが，いずれも n 型の電導機構であるため，REBCO の成膜及び酸素導入過程において抵抗率が著しく上昇することが課題となっていた[2, 3]．一方，p 型酸化物である LaNiO3(LNO)は，気相法などの薄膜プロセスで配向した薄膜が得られており，PLD 法で成膜した LNO 層と REBCO 層は，相互に高いエピタキシー性と REBCO–LNO 間の金属的な電気伝導性が確認されている[4]．さらに p 型酸化物であるため，
REBCO 形成過程において導電性が向上することが期待できる．これまで我々は，産業応用に特化した DC スパッタリング
法を用いて，単結晶基板上に LNO 薄膜を作製してきた．そして，基板を加熱することで単結晶基板上に配向した LNO が成長し，as-grown で 10-2  cm 程度の良好な導電性を有することを確認した．しかしながら，REBCO 層形成過程における
LNO 薄膜の抵抗率の変化については明らかになっていない．
また実際に上層に REBCO を形成した LNO 層の抵抗率も不明である．そこで本研究では，PLD-REBCO 形成環境でアニールした LNO 薄膜及び，実際に REBCO 層を形成した下層の LNO 層の抵抗率を調査した．

–3
0.015
15×10

as-grown

–3
0.01
10×10

760ºC, pO2 = 35 Pa, 30 min

–3
0.005
5×10

0

450ºC, pO2 = 105 Pa, 1 h
450ºC, pO2 = 105 Pa, 5 h
450ºC, pO2 = 105 Pa, 10 h

0

100
200
Temperature [K]300

Fig. –T curves of as-grown, PLD-YBCO condition (760ºC,
pO2 = 35 Pa, 30 min) annealed and oxidizing condition (450ºC,
pO2 = 105 Pa, 1～5 h) annealed LNO thin films

謝辞
本研究の一部は，JST-ALCA，JPMJAL1109 の支援を受けたものである．
参考文献
1. T. Doi, et al.: Materials Transactions, Vol. 58, No. 10(2017) p.1493
2. T. Doi et al.: APEX Vol. 12, (2019) 023010
3. S. Funaki, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 97(2018) p.72
4. M. S. Hegde et al.: J. Mater. Res. Vol. 9, No. 4 (1994)
p.898― 66 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2B-a06

REBCO 線材作製・高 I c 化

レーザー細線フィラメントを用いた REBCO 多芯線材の開発

Development of multifilament REBCO wire using laser-cut filaments
伴野信哉（物材機構）; 植本成実（上智大, 物材機構）; 中村一也, 高尾智明（上智大）; 町敬人, 衣斐顕, 和泉輝郎（産総研）
BANNO Nobuya (NIMS); UEMOTO Narumi (Sophia Univ., NIMS); NAKAMURA Kazuya, TAKAO Tomoaki (Sophia Univ.);
MACHI Takao, IBI Akira, IZUMI Teruo (AIST)
E-mail: banno.nobuya@nims.go.jp
1．緒言

ンスファー長さが非常に長く、マトリクスを介して流れ込んだ電アスペクト比の大きい RE アース系テープ線材は、垂直
磁場中における磁化の増大や、磁化緩和の問題があり、ま流の抵抗成分を拾っていると考えられる。フィラメントの配置
は、電流の流れ込み距離も考慮して考える必要がある。

た大容量化にも不向きである。CORC 導体や単純積層導体などの導体では、素線間の電気的結合性が低く、電流シェアリングが起きにくく、安定性の低下が懸念される。
こうした背景から、産総研と共同でレーザー切断した
REBCO 細線を複合マトリクス化する手法で、高安定な細径
REBCO 多芯線材の開発を進めている。今回は簡便な多芯化
手法と、それを用いて線径約 1mm の多芯線を開発したので報告する。実用性や改善点について、議論を深めたい。
2．実験方法市販のフジクラ製安定化銅付 GdBCO テープ線材（FYSCSCH04）を用い、UV パルスレーザーの出力を調整して、安定化銅付のまま、長手方向に細線化した。
次にそれらをはんだで多芯化するため、Fig. 1 に示す
ように、束ねた細線をはんだ浴に浸して全体をはんだでFig.1. Solder coating set-up and examples of filament arrangement.

コーティングした後に、所定の外径で成型するような治具を準備した。今回はんだには、融点、濡れ性等の観点か
ら、市販の Pb-60Sn はんだを用いた。成型治具には超鋼ダイスを用いた。
今回は幅 0.5mm の細線 4 本を使用し、はんだコーティ
ングした後、Φ0．714 のダイスを通して成形し、電気メッキにより外側に厚さ約 10μm の安定化銅を付与した。はんだ浴温度は約 300℃とした。配置はいくつか考えられるが、今回は曲げた際の経験ひずみを最小化する目的で、配置 A とした。

Fig.2. SEM image of outer appearance of fabricated 4-core REBCO
multifilament wire and optical image of the cross-section.

3．実験結果と考察
Fig. 2 は今回試作した 4 芯線材の外観 SEM 像と、断面光顕写真である。はんだはフィラメント間に浸透し、フィラメント間抵抗の低減が期待できる。電気メッキで付与した外側 Cu 表
面は、メッキ速度が速かったか、使用した硫酸銅メッキ液が劣化していたために生じたと思われる。条件最適化により、表面はもっとスムーズにできると思われる。
Fig. 3 は液体窒素中で 4 端子法により測定した I-V 特性である。電圧は中心部の 1cm で測定した。今回の試料では、フィラメント 1 本あたりの Ic（１μV/cm 基準）は約 25A 前後であった。従って 4 芯線ではその 4 倍の 100A 程度の Ic となるはずであったが、約 2 倍の 53A から緩やかに抵抗成分が表れた。
線材断面をよく見ると、フィラメント側面（切断面）とはんだとの結合性が悪く、中心 2 本のフィラメントへの電流パスが非常に狭いように思われた。つまり、中心 2 本に対しては、電流トラFig.3. Current-voltage curve at 77 K of fabricated 4-core REBCO
multifilament wire.

― 67 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2B-a07

REBCO 線材作製・高 I c 化

結晶配向性の異なる REBa2Cu3Oy 線材の酸素アニール中抵抗率測定による酸素拡散速度の検討
Study on O2 diffusion rate of REBa2Cu3Oy coated conductors with different crystal orientations
by measuring resistivity during post annealing
伊東 智寛， 坂井 佑輔, 土屋 雄司（名大）； 一野 祐亮（愛工大）； 吉田 隆（名大）ITO Tomohiro, SAKAI Yusuke, TSUTIYA Yuji (Nagoya University); ICHINO Yusuke (Aichi Institute of Technology);
YOSHIDA Yutaka (Nagoya University)
E-mail: ito.tomohiro@c.mbox.nagoya-u.ac.jp

3．実験結果及び考察
Table 1 において XRD 法で測定した各試料の結晶配向性のデータを示す。PLD 法と比較し VLS 成長法は、BHO 添加
及び無添加試料において低い, を示し、高い結晶配向性を有することが確認された。これは PLD 法と比較して VLS
成長法が低過飽和度で結晶成長したためであると考えられる。
Fig. 1 に Ta = 300, 350, 400°C でポストアニールした場合の酸素拡散係数 Dab の変化を示す。Ta を 300°C から 400°C へ上昇させると、PLD 法の試料は Dab が 2 桁、VLS 成長法の試料は 1 桁増加した。これら Dab の違いは Table 1 に示した結晶
配向性の違いに起因すると考えられる。一方、BHO 添加による Dab の大きな変化は確認されなかった。
Table 1  and  of BHO-doped and pure sample (PLD and VLS)
Sample name [º]

[º]

PLD-pure

0.88

2.97

PLD-BHO

1.25

3.17

VLS-pure

0.75

1.66

VLS-BHO

0.82

1.87

10

-3

10

-4

10

-5

PLD-pure
VLS-pure2

Oxygen Diffusivity, Dab [cm /sec]

2．実験方法本研究に用いた試料は、IBAD-MgO 基板上に PLD 法及び VLS 成長法を用いて作製した。また、それぞれの手法において BaHfO3(BHO)添加及び無添加試料を作製し、酸素拡散速度の検討を行った(それぞれ PLD-pure, PLD-BHO, VLSpure, VLS-BHO と略記)。
各試料の結晶配向性は、X 線回折(X-ray diffraction :XRD)を用いて評価した。作製された試料のポストアニールは、
アニール温度 Ta = 300, 350, 400°C 及びアニール時間 ta =7200 sec の条件で行った。またポストアニール中において抵抗率の in-situ 測定を行い、得られたデータから酸素拡散係数の算出を行った。

Fig. 2 に各試料の Ta = 400°C における抵抗率のアニール
時間依存性を示す。PLD 法で作製された試料はポストアニー
ル開始直後から抵抗率が急激に低下し、高い拡散速度で酸素が導入されたことが確認された。一方、VLS 成長法で作製された試料は抵抗率低下が緩やかであるため、PLD 法と比較し低い拡散速度で酸素が導入されたと考えられる。これらの結果は Fig. 1 で示した Dab の結果と一致する。
当日はこれらの結果に加え、様々な膜厚で作製された試料の酸素拡散係数について議論を行う予定である。

PLD

300

PLD-BHO
VLS-BHO

VLS

350

Annealing Temepature, Ta [℃]400Fig. 1 Annealing Temperature dependence of Oxygen diffusivity
with BHO-doped and pure sample (PLD and VLS)
10

Resistivity,  [mΩ-cm]

1．はじめに
REBa2Cu3Oy(RE123, RE = Rare Earth)は酸素ドープ量 y に
よって臨界温度 Tc や臨界電流密度 Jc が変化する。また作製直後の REBCO は酸素欠損を含んでいるため、超伝導特性向上にはポストアニールによって膜内に酸素を導入させることが不可欠である。
しかし高い結晶配向性を有する試料は、十分な酸素拡散が行われないことが報告されている[1]。例えば Pulsed Laser
Deposition(PLD)法と液相法を組み合わせた Vapor-LiquidSolid(VLS)成長法は、単結晶に匹敵する試料作製が可能である。しかし、4 m 以上の厚膜において膜全体に十分な酸素拡散が行われず、Jc 低下が確認されている[2]。
以上を踏まえ本研究では、VLS 成長法で作製された厚膜
RE123 線材の酸素拡散向上を目的とし、PLD 法及び VLS 成
長法で作製された試料を用いて結晶配向性の違いによる酸素拡散速度の検討を行った。

Ta = 400℃

1

VLS-pure
VLS-BHO

PLD-pure
PLD-BHO0400

800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600
Annealing Time, ta [sec]Fig. 2 Annealing Temperature dependence of Resistivity with
BHO-doped and pure sample (PLD and VLS)

謝辞
本 研 究 の 一 部 は 、 科 学 研 究 費 補 助 金 (19K22154 、
20H02682、20K15217)、JST-A-STEP、NEDOからの助成を受けて実施した。また産総研の和泉輝郎様、揖斐顕様、町敬様
からIBAD-MgO基板を提供いただいた。
参考文献
1. H. Zhang et al.: Phys. Sta. Sol., vol.201 pp. 2305-2311(2004).
2. T. Ito et al.: The 96th CSJ Spring Meeting 2018.

― 68 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2B-a08

REBCO 線材作製・高 I c 化

基板自己抵抗加熱方式を用いて作製した BaHfO3 添加
YBa2Cu3Oy 線材における磁束ピンニング特性
Flux pinning properties of YBa2Cu3Oy coated conductors with BaHfO3 fabricatedby Substrate Self-heating Technique.
山村 太貴, 土屋 雄司(名大); 一野 祐亮(愛工大); 吉田 隆(名大); 一瀬 中(電中研)
YAMAMURA Daiki, TSUCHIYA Yuji (Nagoya University); ICHINO Yusuke (Aichi Institute of Technology);
YOSHIDA Yutaka (Nagoya University); ICHINOSE Ataru (CRIEPI)
E-mail: yamamura.daiki@g.mbox.nagoya-u.ac.jp
1.はじめに
高温超伝導線材 REBa2Cu3Oy(REBCO)は、65 K 以上での超伝導応用が注目されている。特に、磁場中における臨界
電流密度(Jc)を向上させるために人工ピンニングセンター(APC: Artificial Pinning Center)の導入が考えられる。
APC の一つである BaMO3 (BMO: M= Zr, Sn, Hf)は B//c 方
向に自己組織化するため c 軸方向のピンニング特性の向上が期待される。しかし、磁場印加方向による Jc の異方性の課題がある。我々の研究グループでは,ヒーター加熱(cold wall 方式)を用いた Low Temperature Growth (LTG)法を用いることで APC の微細化に成功し等方的な Jc 向上を報告してきた[1]。
本研究では、線材の加熱方法に注目し、金属基板に直接電流を通電したジュール熱によって加熱を行う基板自己抵抗加熱方式を用いた。この方式は熱応答が速く基板の温度を直接測定できる放射温度計を用いているため膜表面温度を一定にできる[2]。その際、無添加及び BaHfO3(BHO)を導入した YBa2Cu3Oy (YBCO)線材を作製し、磁場強度及び磁場印加角度を変化させた時の超伝導特性を評価した。

起因したと推察される。
当日は、更なる Jc 向上のために厚膜化した BHO 添加
YBCO 線材の特性について報告する予定である。

Fig. 1 The field angular dependence of the Jc at 77 K 1T and 65
K 3T with BHO-doped and pure-YBCO films.

2.実験方法
無添加及び BHO 添加 YBCO 線材は IBAD-MgO 基板上に Nd:YAG laser を用いて Pulsed Laser Deposition (PLD)法により成膜した。本研究では成膜基板温度 840 ºC、エネル
ギー密度 1.95 J/cm2、繰り返し周波数 2 Hz、酸素分圧 200
Pa で成膜した。BHO の添加には YBCO と BHO 焼結体を2.25 vol.%の比率で混合したターゲットを用いた。
作製した試料は直流四端子法によって 1 μV/cm の電界基準を使用して超伝導特性を評価した。磁場中超伝導特性は 77 - 65 K において磁場印加角度を変化させて測定した。
線材の微細構造は高分解能透過型電子顕微鏡(TEM)によって観察した。
3.実験結果及び考察
Fig. 1 に無添加及び BHO 添加 YBCO 線材の 77 K 及び
65 K における Jc の磁場印加角度依存性を示す。無添加
YBCO 線材は B//ab 面方向において高い Jc を示し、積層欠陥によって磁束がピン止めされたと考えられる。一方、BHO 添加 YBCO 線材において等方的に Jc が向上し、断続的で傾斜した BHO ナノロッドが導入されていることが確認される。65 K, 3 T において無添加及び BHO 添加 YBCO
線材の Jc の最小値は Jc =0.12 MA/cm2 及び 0.54 MA/cm2 であり BHO を添加することで 4.5 倍程度の Jc を示した。
Fig. 2 に BHO 添加 YBCO 線材の断面 TEM 像を示す。
この結果から cold wall 方式を用いて PLD 法により作製される APC を導入した YBCO 線材とは異なり、幅約 300 nmの YBCO が粒界を挟んで等間隔に成長していることが確認された。また、直径約 10 nm の BHO ナノロッドが Fireworks 構造を取りながら粒界に向かって成長していることが確認された。これらの微細構造が等方的な Jc の向上に

Fig. 2 Respective (a) low- and (b) high-magnification crosssection TEM images of BHO-doped YBCO films.
謝辞
本 研 究 の 一 部 は 、 科 学 研 究 費 補 助 金 (19K22154 、
20H02682、20K15217)、JST-A-STEP、NEDO からの助成を受けて実施しました。フジクラ飯島康裕様から IBAD 基板を提供
いただきました。
参考文献[1] S. Miura, et al.: J. Phys.: Conf. Ser. 507, 022021 (2014)[2] Y. Ichino, et al.: J. Cryo. Super. Soc. Jpn. 55, 348-356 (2020)― 69 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2B-a09

NMR

遺伝的アルゴリズムによる最適化アンテナの性能評価：
基板型 HTS アンテナによる次世代極低温固体 NMR プローブの開発
Performance evaluation of optimized antenna by genetic algorithm: the development of
Next Generation Cryogenic Solid-state NMR Probe Using Substrate-type HTS Antennas
TRITRAKARN Techit, 岩佐 崇, 岡村 哲至 (東工大); 高橋 雅人 (理研);小田 翔平, 齊藤 敦 (山形大); 山田 和彦 (高知大)TRITRAKARN Techit, IWASA Takashi, OKAMURA Tetsuji (Tokyo Tech); TAKAHASHI Masato (RIKEN);ODA Shohei, SAITO Atsushi (Yamagata Univ.); YAMADA Kazuhiko (Kochi Univ.)
E-mail: tritrakarn.t.aa@m.titech.ac.jp
1．はじめに
核磁気共鳴（NMR）は、材料科学の分野で広く適用されている強力な分析技術であり、アモルファス状態でも着目原
子核から情報を得ることが可能である。ただし、NMR の測定
感度は原理上低いため、測定が最も困難な四極子核の 1 つである硫黄、たとえばゴム中の架橋構造は未だに未解明である［1］。この問題を解決するには NMR の測定感度を飛躍的に向上する必要があり、極低温で電気抵抗が非常に小さい（超高 Q 値）高温超伝導（HTS）RF コイル（アンテナ）および磁場
掃引型磁石を組み合わせた測定法を導入した[2]。理論上はHTS の Q 値が銅の 100 倍で従来の銅アンテナに比べて感度が 10 倍になり、測定時間が 1/100 になる。本研究は平板のHTS 受信アンテナを有効活用するために銅送信アンテナの形状は遺伝的アルゴリズム（GA）で決定した［3］。
2．遺伝的アルゴリズム（GA）によるアンテナの最適設計
HTS アンテナはサファイア基板上にパターンを形成する
制約がある。また、HTS アンテナに直接強力な励起パルスを印加することができないため、従来の送受信が一体アンテナとは異なり、送受信分離型アンテナを提案した。送信部は銅アンテナで、受信部は HTS アンテナとする。
HTS 受信アンテナの形状は以前から決定しており、それを有効活用するために、開発した NMR の原理に基づいた電磁界シミュレーションおよび遺伝的アルゴリズム（GA）で最適な送信アンテナ形状を決定した。
シミュレーションは、送信アンテナおよび測定試料の情報から受信アンテナが受信する NMR 信号および信号を最大にする励起パルス長（90 度パルス長）を取得する。設計した基板アンテナは同試料量の最高性能のソレノイドコイルに対してどれぐらいの信号強度（大きいほど良い）と 90 度パルス長（小さいほど良い）のかを調べ比較基準とした。たとえば平板のアンテナ 1 枚では対ソレノイド信号強度は約 0.5 であった。
GA は遺伝的操作（選択、交叉、突然変異）で非常に多数の組み合わせ関数に対して効率的に最適解を探索するア
ルゴリズムである。送信アンテナの最適設計には主に 2 つの過程があり、①は GA による試料空間選択（2 次元）で、②は決定された試料空間に対する GA を用いた送信アンテナの形状決定である。
①は、送信アンテナの形状は上下の線電流の組み合わせから成り立つと仮定でき、かつ測定試料のあり/なしの設定がある。したがって、試料あり（00）、上電流(01)、下電流(10)、試料なし(11)のように二進数のビット遺伝子を構成する。また、
GA の評価関数は NMR 信号に設定し、遺伝的操作を行うと、最大の NMR 信号をとる試料空間が得られた。②は、①で得た試料空間を固定し、線電流を GA によって再配置した。得られた 2 次元形状を高さ方向に増やし、3 次元空間で対ソレノイド
信号強度の計算を行った。

3．GA による結果及び考察
GA で決定した線電流配置の送信アンテナの形状は膨らんだ環状ソレノイドになった（Fig.1）。対ソレノイド信号強度は
約 0. 7 まで向上でき、HTS の高周波抵抗減少により感度が約10 倍となるため、最終的に 7 倍の感度向上になると予想できる（測定時間 1/50）。
=↑受信アンテナ×
=

<

<

;

;
・測定試料

↑↓送信アンテナ×
Fig.1 GA の結果
4．アンテナの設計製作および性能評価
実際の銅送信アンテナは線電流配置から一本の銅線で巻く形にする必要があるため、銅線が通るレンコン構造のモデルを提案した（Fig. 2）。このモデルは 3DCAD および 3D プ
リンターで設計製作をした。

測定試料
ケース

Fig.2 銅送信アンテナの型
銅送信アンテナの性能評価は HTS と同じ形状の銅受信アンテナを用いた室温 NMR 実験で行う。当日の発表では、評
価実験の詳細および対ソレノイド信号強度の実験結果比較も含めて報告する予定である。
参考文献
1. K.Yamada, et al.: Chem. Phys. Lett., 618 (2015) 20
2. M. Takahashi, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, 95(2017) 94, 95
3. T. Tritrakarn, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, 100(2020) 67― 70 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2B-a10NMR

円筒状 MgB2 超伝導バルク磁石を用いた 1H NMR 信号の検出
Detection of 1H NMR signal in tubular MgB2 superconductor bulk magnet
髙橋 裕平，内藤 智之 (岩手大)；仲村 髙志, 高橋 雅人 (理研)
TAKAHASHI Yuhei， NAITO Tomoyuki (Iwate Univ.); NAKAMURA Takashi, TAKAHASHI Masato (RIKEN)
E-mail: t5518001@iwate-u.ac.jp
1．はじめに超伝導バルク体は磁場中冷却着磁 (FCM) によってテスラ級の超伝導バルク磁石とすることができる。その捕捉磁場強度は既存の永久磁石を超える 17.6 T (GdBaCuO)[1]や 5.6 T(MgB2)[2]が報告されている。この技術を応用した(RE)BaCuO
系超伝導バルク磁石を用いた卓上型 NMR 装置の開発が行われており、リング状超伝導バルク磁石のボア内に捕捉した
磁場中で NMR 信号を得ることに成功している[3]。しかし(RE)BaCuO 系バルクは溶融法による結晶成長が必須のため、均一なバルクを再現性良く製造するのは困難である。そこで我々は多結晶体が利用できる MgB2 バルクに着目した。MgB2バルク磁石の捕捉磁場強度は(RE)BaCuO 系超伝導バルク磁石の約 1/3 だが、多結晶体に由来する高い磁場均一性と容易に再現性良くバルク体を製造可能な点でアドバンテージを持つ。そこで本研究では円筒状 MgB2 バルク磁石の NMR 用
磁極としての可能性を調査した。
2．実験方法
まず、予備実験として汎用の超伝導マグネット (SCM) を用いて円筒状多結晶 MgB2 バルク磁石 (外径 60 mm、内径 40mm、高さ 60 mm) の捕捉磁場特性を評価した。着磁は FCM法を用いて行い、捕捉磁場値の測定にはホール素子を用いた。また、ホール素子を走査することでバルクの高さ方向の捕捉磁場分布も測定した。
NMR 測定では NMR 用の高均一 SCM を用いて FCM 法で着磁した。着磁後、磁束クリープを抑制するためにバルク温度を冷凍機の最低温度である 15 K まで冷却した。NMR 信号の検出には自製プローブを使用し、直径 3.4 mm、長さ 11.4mm のシリコンゴム試料の 1H スペクトルを観測した。
3．結果と考察
Fig. 1 に着磁温度 25 K で印加磁場 2 T および 0.47 T で着磁した際の規格化磁場と最大捕捉磁場からの変位を示す。
2 T 着磁の場合、非対称なピーク形状の捕捉磁場分布となった。ピーク位置がバルク中心 (h=0) からずれているのは伝導冷却によってバルク中に温度差が生じた影響とバルク中のＪｃの不均一による影響が考えられる。ピーク形状の捕捉磁場分
布はバルクが完全着磁状態であること意味する。このような均一領域が極めて狭い捕捉磁場はＮＭＲ測定には適さないた
め、部分着磁状態にすることで均一磁場領域を得る必要がある。0.47 T で着磁した場合、バルクの中央部分に 100 ppm 以
下の均一領域 (4 mm) を得ることができた。よって NMR 実験
は 0.47 T で着磁して実施することとした。
Fig. 2 に円筒状 MgB2 バルク磁石の磁場を用いて測定した
1
H のＮＭＲスペクトルを示す。また参考のために着磁用 SCMの磁場下で測定したＮＭＲスペクトルも示す。円筒状 MgB2 バ
ルク磁石を用いて NMR スペクトルの観測に成功した。スペクトルのピーク位置と半値幅より SCM による印加磁場は強度が0.4778 T (20.344 MHz) で均一度が 98 ppm だった。円筒状
MgB2 バルクが捕捉した磁場は磁場強度が 0.4771 T (20.314
MHz) で均一度が 392 ppm となり均一度の低下がみられた。
実応用を考えるとこの均一度では不十分だがバルク高さの向上によって改善が期待できる。講演では捕捉磁場の均一度に関する考察や時間安定性についても議論する。

Fig. 1 Distribution of the normalized bT (left axis) and thedeviation of the BT form the BT,max (right axis) whenmagnetized from the Bapp of 2 T and 0.47 T at 25 K. Inset
shows the enlarged deviation of the BT.

Fig. 2 The 1H NMR spectra obtained from the silicon rubbersample under the trapped field of the tubular MgB2 bulk andthe applied field of the SCM.
謝辞
本研究は JSPS 科研費 JP18K04920 の助成を受けたものです。
参考文献
1. J.H. Durrel et al., Supercond. Sci. Technol. 27 (2014)
082001
2. T. Naito et al., Supercond. Sci. Technol. 33 (2020) 125004
3. T. Nakamura et al., Concepts Magn. Reson. Part B (Magn.
Reson. Eng.) 31B (2007) 65-70― 71 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2C-a01

伝熱・物性

過熱液体の突沸現象を応用した高温超伝導機器の局所温度上昇検出〜異常箇所の同定
Detection of local temperature rise for high-temperature superconducting applications using avapor explosion in superheated liquids - Identification of the location of abnormality
高畑 一也（NIFS）
TAKAHATA Kazuya (NIFS)
E-mail: takahata.kazuya@nifs.ac.jp
1．はじめに細管に液体を封入し外部から加熱すると，液体が沸点に達しても沸騰せず液相を保ち，準安定な過熱状態になることが知られている。さらに温度を上げるとある温度で急激な沸騰（突沸）を起こす。液体窒素の場合は 110K 近傍で突沸が起こる[1]。前回の発表では，長さ 16 m の細管の一部を局所加熱することにより，突沸現象を再現し，端部の圧力計で急激な圧力上昇を観測できることを報告した[2]。今回は，最長 30 m の細管を用い，両端に圧力計を取り付けた場合に圧力伝播の時間差から突沸位置の同定が可能かを実験的に調査した。
2．実験方法図 1 に実験装置の模式図を示した。ヒーターユニットは，外径 1.59 mm，長さ 200 mm のステンレス配管の中央部の長さ 10 mm にニクロムヒーター線を巻き付け，配管継手を用いてヒーターの周囲を真空断熱にした構造である。また，突沸を検出するため AE センサーを取り付けた。ヒーターユニットの端部にコイル状の延長管#1（長さ L1）を接続し，さらに 2 m の延長管#3 で常温に導き，圧力計に接続した。またもう一方の端部には，延長管#2（長さ L2）を接続し，さらに常温に導かれた
2 m の延長管#4 を接続し，端部を封止した。実用段階ではこの封止部に圧力計を取り付ることを想定した。実験では，L1 とL2 の合計を 30 m とし，ヒーターの位置を変化させた。また比較のため，延長管#2 と#4 がない状態での実験も行った。
圧力調整器で 0.2 MPa の窒素ガスを導入し，ヒーターと延長管をデュワーに挿入し，飽和液体窒素で浸漬冷却した。配管内の窒素ガスが液化した後，ヒーター部をステップ状に加熱し，ヒーターと配管の間に挿入した銅コンスタンタン熱電対で温度を測定するとともに，圧力計により圧力変化を観測した。
3．実験結果図 2 に突沸発生時の圧力変化と AE 信号発生の様子を示す。突沸発生時のヒーター直下の温度は 107 K であった。AE
信号と圧力変化の開始時間に明確な差が見られた。図 3 には，様々な条件で測定した時間遅れの L1 依存性を示した。
延長管#2, #4 の有無にかかわらず，時間遅れは L1 に対して直線性を示し，L1=0 においては約 20 ms の遅れがあった。直線の傾きから求められる圧力伝播速度は 800 m/s であった。
これは液体窒素の音速 855 m/s に近い値である。このように検出時間遅れが距離に比例することから，圧力計を配管両端に取り付けることで，圧力変化開始時間の差から突沸した位置を同定できることが分かった。
4．まとめ
サブクール窒素を封入した直径 1 mm 程度の配管を超伝導機器に組み込むことで，局所的な温度上昇を室温空間にある圧力計のみで検出でき，さらに両端に圧力計を取り付けること
で，温度上昇の位置も同定できることを見出した。

参考文献
1. K. Nishigaki, Y. Saji, Jpn J. Appl. Phys. 20 (1981) 849.
2. K. Takahata, Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 100(2020) p.50

Fig. 1 Schematic experimental set-up.

Fig. 2 Time evolution of the pressure and the AE signal(L1=20 m, w/o tube #2 and #4).

謝辞
本研究は，科学研究費補助金（19K04340）の助成を受けたものである。
Fig. 3 Delay time vs. length L1.

― 72 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2C-a02

伝熱・物性

多孔質被覆層を用いた自然対流沸騰熱伝達 の促進に関する研究ﾜ ｨ忞

Study on enhancement of natural convection boiling heat transfer using porous%URPOH\coating layers
堀井 進，廣谷 俊樹，大久保 英敏，安喰 春華（玉川大院）；池内 正充，大野 隆介（前川）HORII Susumu，HIROTANI Toshiki，OHKUBO Hidetoshi, AGUI Haruka（Tamagawa Univ.）； IKEUCHI Masamitsu，
ONO Ryusuke（MAYEKAWA）

0

1．はじめに
近年，低温科学・低温工学の進展に伴い，極低温液体を用いた沸騰冷却による低温機器の冷却技術が高度化しており，
さらなる発展が期待されている．自然対流飽和沸騰における熱伝達の改善策として，金属のような高熱伝導面に樹脂のような低熱伝導の物質を被覆することで沸騰熱伝達を促進する「断熱層のパラドクス」と呼ばれる現象[1]を利用する方法が知られている．筆者ら[2]は，霜層を銅球表面上に付与した場合において，裸面銅球に比べて約 20 倍程度の冷却促進に成功している．本研究では，低熱伝導の被覆層とし，3D プリンターで作製した樹脂製の被覆層を用いて浸漬冷却実験を行った．結果として，銅球裸面を冷却した場合と比較して，樹脂製の被覆層を用いた場合では約６倍まで沸騰冷却時の冷却速度を向上させることができた．
2．実験装置および方法
本研究では，直径 25mm の無酸素銅球を用いて沸騰冷却実験を行った．銅球表面は鏡面仕上げを行い，実験ごとにエタ
ノール液槽内で超音波洗浄を行った．銅球の温度は，素線径0.1mm の K 型熱電対を用いて，銅球中心の温度を測定した．
Fig.1 に沸騰冷却実験装置の概略を示した．銅球伝熱面を所定の初期温度から液体窒素中で浸漬冷却させ, 液体窒素の飽和温度になるまでの温度履歴を測定した．伝熱面の温度履
歴はデータロガーによって記録し，以下に示す集中熱定数系
近似によって熱流束 q [W/m2]を求めた．
3

𝑑𝑑𝑑𝑑

-50

t ,oC

w

-100

-150

-200

50

100

,s

150

106

LN2
105

104
CopperMesh 0.8
Mesh 0.5
Line 0.8
Frost 0.8

ここで，cp ：銅の比熱 [kJ/(kgK)]，r：銅球半径 [mm]，  ：銅の
密度 [kg/m3]，T：伝熱面温度 [K]，𝜏𝜏：時間 [s]である．
103 0
10

④
四
②
に
①

⑥

101

Tsat , K

102

103

Fig.3 Effect of coating layers on boiling curve

⑤
語

③

200

Fig.2 Effect of coating layers on cooling curve

(1)

𝑑𝑑𝑑𝑑

0

qw , W/m2

1

𝑞𝑞 = 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑐𝑐𝑝𝑝

LN2

CopperMesh 0.8
Mesh 0.5
Line 0.8
Frost 0.8⑦
七

①Cold Light ②Dewar bottle ③Copper Sphere④Thermocouple ⑤Camera ⑥Data Logger ⑦Computer
Fig.1 Experimental equipment schematic
3．実験結果および考察
本研究では，沸騰冷却に及ぼす表面被覆層の影響を検討するため，銅球裸面表面に霜層および 3D プリンターを用いて樹脂製 のメ ッシュ を 作成 し，沸 騰冷 却試 験を 行 った
(Fig.2)．試験の結果，銅球裸面(図中 Copper)を冷却した場合と比較して，霜層(図中 Frost0.8 数字は被覆層厚さ[mm]．
以下同)では約 18 倍，格子状の被覆層(図中 Mesh0.8)を用いた場合では約 1.5 倍に冷却速度が促進した．さらに，縦縞状(図中 Line0.8)の被覆層を用いた場合では約 6 倍に冷却速度が促進した．Fig.3 の沸騰曲線から明らかなように，本研

究の実験条件範囲内では，霜層被覆面を用いた場合，膜沸騰域が無く，銅球裸面と比較して，遷移沸騰域，限界熱流束および核沸騰域で伝熱が促進されている．また，銅球裸面に比べて，被覆層の影響によって極小熱流束点(MHF)温度が高温化し，高い温度で熱伝達の低い膜沸騰から熱伝達の良
好な遷移沸騰に移行させることができた．
4．おわりに低熱伝導の被覆層とし，霜層および樹脂製のメッシュを用いて浸漬冷却実験を行った．結果として，銅球裸面を冷却した場合と比較して，格子状の被覆層を用いた場合では約 1.5倍に冷却速度が促進した．さらに，縦縞状の被覆層を用いた
場合では約 6 倍に冷却速度が促進した．
謝辞 本研究の一部は，NEDO 事業「熱制御科学による革新
的省エネ材料創製プロセスの研究開発」の支援を受けた．ここに記して謝意を表する．
参考文献
1. G.R.Chandratilleke et al.;J.Cryo.Soc.Jpn,Vol.23,No.3,(1988),
pp.128-133.
2. H.Ohkubo et al.; Trans.of the JSRAE,Vol.36,No.4,(2019)，
pp.283-290．

― 73 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2C-a03

伝熱・物性

単結晶 RAl2 (R = Gd, Er) の磁気熱量効果、熱膨張・磁歪

Measurements of Magnetocaloric Effect, Thermal Expansion andMagnetostriction of Single Crystal RAl2 (R = Gd, Er)
LOPATINA Anastasia,二塚 和美, 熊澤 直哉,小松 俊介,松本 宏一,大橋政司 (金沢大)LOPATINA Anastasia, FUTATSUKA Kazumi, KUMAZAWA Naoya, KOMATSU Shunsuke, MATSUMOTO Koichi,
OHASHI Masashi (Kanazawa University)
1. Introduction
The magnetocaloric effect (MCE) is thephenomenon of the temperature changing in themagnetic substance with a change in the external
magnetic field under adiabatic conditions. The MCE is
the most pronounced at temperatures around themagnetic phase transition. MCE is used in magnetic
refrigeration
technology,
which
is
more
environmentally friendly and more efficient than gas
expansion refrigeration [1]. One of the promisingmaterials, which can be used in magnetic refrigerationis RAl2 compounds. Intermetallic compounds RAl2
have the cubic Laves phase structure (type – Cu2Mg)
and show the second-order magnetic phase transition
from a paramagnetic to the ferromagnetic state at theCurie temperature Tc. In these compounds, the only
carriers of the magnetic moment are the ions of therare earth element. RAl2 intermetallic compounds arewidely used in magnetic refrigerator systems [2].
In order to study anisotropy, this work presents theresults of magnetocaloric effect, thermal expansion
and magnetostriction of single crystals GdAl2 andErAl2. The measurements were carried out in thetemperature range from 4.2 to 300 K in a magnetic
field up to 5 T along the (111), (110) and (100)directions (for GdAl2) and along the (110) and (100)directions (for ErAl2).

Fig. 1 Magnetic field dependence of magnetostrictionof GdAl2 along the (111) direction

2. Experimental Methods
Single crystals of GdAl2 and ErAl2 were grown by the
Czochralski pulling method in tetra-arc furnace [3].
Crystallographic axes were identified using Laue
experiments and all samples were cut by wire electric
spark cutter parallel to the crystallographic axes into
5 samples for GdAl2 and into 4 samples for ErAl2.
For thermal expansion and magnetostriction
measurements, we used a homemade capacitive
dilatometer that was installed in Quantum Design
PPMS. Magnetization was measured using Quantum
Design MPMS.

than 10-4. Magnetostriction of GdAl2 was one order ofmagnitude smaller than those of ErAl2. Magnetic
hysteresis was not observed in all samples. Figure 1
shows the magnetostriction of GdAl2 along the (111)
direction.
Magnetization of RAl2 single crystals were measured
in various magnetic fields from 0.1 to 5 T, along the
crystallographic axes. The magnetization decreases
with increasing temperature in fields for all samples
and shows typical temperature and field dependenceof magnetic materials with the second-order phasetransition from the paramagnetic to the ferromagnetic
state.
The large magnetic entropy change ∆ SM for all
samples was observed around Tc: 173K for GdAl2; 13K
for ErAl2. Maximum Magnetic entropy change ∆SM of
8.2 J/mol-K) is obtained for ErAl2 (111) at 5 T.
Anisotropy of GdAl2 was small both inmagnetization and magnetostriction according to the3+properties of isotropic Gd ion. Those of ErAl2 waslarger than GdAl2, corresponding to the anisotropy of
3+
Er ion [4,5].

3. Results and Conclusions
In this work, the magnetic properties of RAl2 (R =Gd, Er) single crystals were measured. Thermal
expansion of RAl2 single crystals were measures at 0
and 5 T. Thermal hysteresis was not observed in all
samples. With decreasing temperature from 300 K to
4 K, all crystals showed about 0.3% relative value ofthermal expansion △L/L.
In the measurement of magnetostriction for all
samples, it was found that these values don’t exceed

References
1. K.A. Gschneidner, et al.: Annu.Rev.Mater.Sci.,
Vol.62 (2000), p.150
2. T. Numazawa, et al.: Cryogenics, Vol. 62 (2014),
p.185
3. M. Ohashi, et al.: J.Phys. Soc. Jpn, Vol. 76(2007), 114712
4. J. Burd, et al.: J.Phys., Vol. 10 (1977), p. 4581
5. T.Oishi, et al.: J.Phys.; Conf. Ser, Vol. 200(2010), 082022― 74 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2C-a04

伝熱・物性

多結晶希土類ラーベース化合物の磁気熱量効果と輸送特性の研究
Magnetocaloric Effect and transport properties of polycrystalline Laves compounds
LOPATINA Anastasia, 渡辺 翔太, 二塚 和美, 熊澤 直哉, 小松 俊介, 松本 宏一 (金沢大); 竹屋 浩幸, 山本 貴史,
齋藤 明子, 沼澤 健則 (NIMS)

LOPATINA Anastasia, WATANABE Shota, FUTATSUKA Kazumi, KUMAZAWA Naoya, KOMATSU Shunsuke,
MATSUMOTO Koichi (Kanazawa University); TAKEYA Hiroyuki, YAMAMOTO Takafumi, SAITO Akiko,

NUMAZAWA Takenori (NIMS)
Introduction
Hydrogen is an ideal and environmentally friendly
source of energy. Using hydrogen does not generate
greenhouse gases and other environmental pollution.
The best method for storing and transportinghydrogen is using liquid hydrogen because of its highdensity. To effectively liquefy hydrogen, the methodof magnetic cooling is currently studied, based on themagnetocaloric effect of solids. One of the promisingmaterials, which can be using in magnetic
refrigeration is RT2 (R = Er, Dy, Gd; T = Al, Ni)compounds. Intermetallic compounds RAl2 have the
cubic Laves phase structure (type ‒ Cu2Mg) and show
the second-order magnetic phase transition from aparamagnetic to the ferromagnetic state at the Curie
temperature Tc and show large MCE over a wide
temperature range [1,2].
This work presents the results of thermal expansion,
magnetostriction, thermal conductivity and resistivity
Fig. 1 Temperature dependence of thermal expansion of RT2
measurements of ErAl2, DyNi2, DyAl2 and GdNi2intermetallic compounds (a) in the temperaturepolycrystalline samples. The measurements wererange from 4K to 300K at 0T, (b) temperature range
carried out in the temperature range from 4.2 K to 273
from 4K to 300K at 5T
K in a magnetic field up to 5 T.
1.

2.

Experimental Methods
Polycrystalline samples of ErAl2, DyNi2, DyAl2 andGdNi2 were grown by arc-melting method in an argon
atmosphere. All samples were cut by electricaldischarge machining into cubic samples withdimensions of 3x3x3 mm (for thermal expansion andmagnetostriction measurements), rectangular shapeswith dimensions of 3x3x20mm (for thermal
conductivity measurements) and rectangular shapeswith dimension of approximately 1x1x10 mm (forresistivity measurements). For measurement ofthermal expansion and magnetostriction, we used ahomemade capacitive dilatometer that was installed in
Quantum Design PPMS. Thermal conductivity wasmeasured by the steady heat flow method using ahomemade equipment installed in the Quantum
Design PPMS.
3.

Results and Conclusions
Thermal expansion of RAl2 compounds were
measures at 0 and 5 T. Thermal hysteresis was notobserved in all samples. With a decrease intemperature from 300 to 4 K, the relative value of themagnitude of thermal expansion △L/L is about 0.3%
for DyNi2, DyAl2 and 0.34% for GdNi2, ErAl2 (Fig. 1).
Thermal expansion of all samples was similar to thatof copper.

Magnetostriction of these compounds are muchsmaller than that of magnetic materials with a firstorder transition.
Thermal conductivities at 0 T are in agreement withthose in Ref [3].The change in thermal conductivity of
ErAl2, DyNi2, GdNi2 by the magnetic field is up to
about 7%, for DyAl2 ‒ 20%.
The dependence of the resistivity on temperatureߩሺܶሻ at 0 and 5 T was measured. Resistivity at 0 T
shows a kink at the magnetic ordering temperature (Tc)of these samples. This behavior can be explained byphonon scattering and magnetic scattering ofconduction electrons.
The measurement results are in good agreementwith the literature Ref [3,4]. The these results indicatethat RT2 intermetallic compounds are good asmagnetic refrigerants for hydrogen liquefaction.
References
1. K.A. Gschneidner, et al.: Annu.Rev.Mater.Sci.,
Vol.62 (2000), p.150
2. T. Numazawa, et al.: Cryogenics, Vol. 62 (2014),
p.185
3. M. Ogawa, et al.: Cryogenics, Vol. 31(1991),
p.405
4. E. Bauer, et al.; J.Phys., Vol. 16 (1986), p. 493― 75 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2C-a05

バルク作製 (1)

SDMG 法による捕捉磁場の均一性に優れた all c-growth RE123 溶融凝固バルクの育成
Fabrication of all c-growth RE123 melt-textured bulks with homogeneous trapping field
distribution by SDMG method
笹田 廉陛、富久 琢磨、元木 貴則、下山 淳一 (青学大)
SASADA Rempei, TOMIHISA Takuma, MOTOKI Takanori, SHIMOYAMA Jun-ichi
E-mail: c5620051@aoyama.jp

置いた円柱状の Y123-Y211 混合焼結体から結晶成長した

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

Y123 溶融凝固バルクの外観を Fig.1 に示す。seed plate からを超える高い Tc を有し、高磁場下においても高い Jc を示すこと

22 mm 付近のバルク上部まで、溶融凝固バルク結晶特有の光から強力超伝導磁石としての応用が期待されている。一般に、沢を示す表面が観察された。Fig. 2 に小片試料を切り出してRE123 溶融凝固バルクは低磁場下で優れた Jc を示す a-growth

評価した Y123 溶融凝固バルクの 77 K における Jc–H 特性の領域と磁場中で優れた Jc を示す c-growth 領域からなり、これら

seed plate からの距離依存性を示す。小片試料間で Jc 特性に両領域の Jc-H 特性の違いは捕捉磁場分布に影響する。RE123

はばらつきが見られた一方で、seed plate からの距離によ

溶融凝固バルクの最大捕捉磁場はバルクの直径にほぼ比例す

る顕著な Jc の低下は見られなかった。発表では、all c-

ることが知られている[1] が、育成時の温度条件の決定が難しく、

growth Y123 溶融凝固バルクを輪切りにして調べた捕捉磁場

種結晶以外からの核生成が起こりやすいため大型化には高度特性の seed plate からの距離依存性について報告するとともに、な技術と長い育成時間が要求される。本研究で採用した、作製した Dy123 溶融凝固バルクの諸特性についても報告し、Single-Direction Melt Growth (SDMG)法[2]は、seed plate と希土類の違いによる結晶成長機構について考察する。

する RE123 溶融凝固バルクを ab 面に平行に板状に切り出し、その上に seed plate より包晶温度(Tp)の低い希土類元素を用いた RE123, RE211 混合焼結体ペレットを載せ、参考文献[1] S. Nariki, et al., Supercond Sci. Technol.29 (2016) 034002.
[2] T. Motoki et al., Appl. Phys. Express 13 (2020) 093002.

seed plate と焼結体の Tp の差を利用して一方向に結晶成長させる方法である。これまでに我々は、Y123 より包晶温度が高い Gd123 溶融凝固バルクを種結晶とする方法で Y123
溶融凝固バルクを任意の方位に結晶成長させることが可能であることを示し、all a–growth および all c–growth 溶融
凝固バルクの Jc-H 特性について報告してきた[2]。今回は、SDMG 法を用いて Y123 および Dy123 溶融凝固バルクを育成し、RE の違いによる超伝導特性の種結晶からの距離依存性、および結晶成長の様子の変化を報告する。
２．実験方法SDMG 法を用いて Gd123 seed plate 上に Y123 溶融凝固バ
ルクを、Eu123 seed plate 上に Dy123 溶融凝固バルクを作製した。RE123 : RE211 = 7 : 3 のモル比の TEP 社製または自作

Fig. 1. Appearance of an all c-growth Y123 melttextured bulk grown on a Gd123(001) seed plate.
by SDMG method.

混合粉末に、RE211 析出物の微細化のために Pt を 0.1 wt%,
機械的強度向上のために Ag2O を 10 wt%加えて混合した。これを一軸プレス(100 MPa)によって円柱状に成型し、溶融前焼結を行った。seed plate には日本製鉄社製 Gd123 溶融凝固
バルク(Gd-QMG®)および Eu123 溶融凝固バルク(Eu-QMG®)を用い、マッフル炉内において大気中で SDMG 法により溶融凝固を行い、Y123 および Dy123 溶融凝固バルクを得た。育
成後に seed plate から溶融凝固バルクを切り離し、酸素気流中
500°C で 24 h の熱処理により切削油由来の炭素成分の除去を行った後に酸素気流中での長時間のアニールを行い、酸素量を制御した。これらの試料に対して、Hall 素子を用いた捕捉磁場分布測定を行い、切り出した小片試料の磁化特性を
SQUID 磁束計により調べた。
３．結果と考察Gd123 溶融凝固バルクの[001]方位の表面上に 3 個重ねて

― 76 ―

Fig. 2. Jc–H curves at 77 K of Y123 melt-textured bulk cut
from various positions from the seed plate.
第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2C-a06

バルク作製 (1)Single-Direction Melt Growth 法による REBCO 溶融凝固バルクの結晶成長機構と超伝導特性
Mechanism of crystal-growth and superconducting properties of REBCO melt-textured
bulks prepared by the Single-Direction Melt Growth method
元木 貴則, 笹田 廉陛, 富久 琢磨 （青学大）; 中村 新一 （TEP）; 下山 淳一（青学大）
MOTOKI Takanori, SASADA Rempei, TOMIHISA Takuma (Aoyama Gakuin Univ.); NAKAMURA Shin-ichi (TEP);SHIMOYAMA Jun-ichi (Aoyama Gakuin Univ.)
E-mail: motoki@phys.aoyama.ac.jp

1. はじめにREBCO 溶融凝固バルクは、強磁場を捕捉できるため強力超伝導磁石としての応用が期待されている。溶融凝固バ
ルクは通常、Top-Seeded Melt Growth (TSMG) 法などに代表されるバルク上面に設置した種結晶を起点とする溶融成長で育成するため、種結晶から鉛直方向に成長する cgrowth 領域と動径方向に成長する a-growth 領域からなる。
バルクの成長方向によって RE2BaCuO5 (RE211) 析出物の体積分率や結晶性に違いが生じ、それを反映して捕捉磁場特性の均一性に影響する。これまで我々は全体が単一結晶成長領域からなる溶融凝固バルクの作製が可能な SingleDirection Melt Growth (SDMG) 法を開発し報告してきた[1]。
本手法は、希土類元素の異なる REBCO の包晶温度(Tp)の差を利用して、底面に設置した seed plate からバルクを鉛直方向に結晶成長させる手法である。
2. 実験方法
日本製鉄社製 GdBCO 溶融凝固バルク(Gd-QMG®)を[001]方位が鉛直方向になるよう切り出した平板を seedplate とし、その上に YBCO 焼結体ペレットを設置し、最高保持温度を YBCO の Tp 以上かつ GdBCO の Tp 以下の部
分溶融状態より結晶成長させることでバルク全体が cgrowth 領域からなる SDMG 法 YBCO 溶融凝固バルクを作製した。なお、YBCO ペレットには、TEP 社製混合粉(Y123:Y211 = 7:3)に Tp を低下させるため 10 wt%の Ag2Oを、Y211 の微細化のため 0.1 wt%の Pt をそれぞれ混合したものを用いている。SDMG 法では溶融成長時に seed plate
側に向かって膨らむように台形状に変形することが分かっている。そこで、今回は平面を敷き詰めることが可能な正六角形および正方形状の焼結体ペレットを隣接させて成長させることで大型バルクの育成を試みた。すべてのバ
ルクについて、seed plate から切り離した後、400–300°C で長時間の酸素アニールを行った後、捕捉磁場特性を評価した。さらに、小片試料を切り出し、微細組織観察および超伝導特性の評価を行った。
3. 結果と考察
Fig.1 に正六角形もしくは正方形状のバルクを隣接して配置し、SDMG 成長させて得られた YBCO 溶融凝固バル
クの外観を示す。隣接した焼結体どうしが最上部を除いて隙間なく結合している様子が観察された。捕捉磁場測定か
ら、いずれのバルクにおいても接合界面での大きな捕捉磁場の低下は見られず、超伝導接合が形成されていることが示唆された。
正方形状のバルクについて、seed plate 側から 1 mm および 3 mm の位置で板状に切り出し(それぞれ c-1, c-3 とする)、ab 面の微細組織観察を行った。Fig. 2 に c-1, c-3 位置
における接合界面を含む広範囲の観察像をそれぞれ示す。
c-1, c-3 位置でボイドや Ag の占める割合に大きな違いはみられず、ボイドは 3–4 area%, Ag は 7–9 area%であった。
界面においては、クラックや不純物の集中はほとんど見られず高密度な接合が達成されていることが明らかとなった。界面をまたぐ電気抵抗率からもゼロ抵抗が観測されており、本手法はバルク間の超伝導接合の形成に有用である。
当日は、seed plate からの距離による Tc や Jc 特性の変化についても報告する予定である。

Fig. 1. Photographs of SDMG processed YBCO melt-textured
bulks starting from three hexagonal-shaped or four rectangular-shaped sintered bulks.

Fig. 2. Microstructures of ab-planes of the joined rectangular
SDMG bulk including joined parts cut from positions~1 mm (c-1) or 3 mm (c-3) above the seed plate.
参考文献[1] T. Motoki, Y. Yanai, K. Nunokawa, J. Shimoyama, Appl. Phys.
Express 13, 093002 (2020).

謝辞
本研究は、科研費(19K05006)の助成を受けたものである。

― 77 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2C-a07

バルク作製 (1)

Mg 気相輸送(MVT)法により作製した MgB2 バルクの超伝導特性と Premix 条件依存性
Fabrication and evaluation of superconducting properties of MgB2 bulks
by Premix Mg Vapor Transportation (MVT) method
田中 里佳，山本 明保（東京農工大学）
TANAKA Rika, YAMAMOTO Akiyasu (TUAT)
E-mail: s206525u@st.go.tuat.ac.jp
1．はじめにMgB2 超伝導体は高い Tc (39 K)を有することから、液体ヘリ
ウムを必須としない 20 K 近傍での応用が期待されており、線材やバルク磁石等への材料化が進められている。我々はMgB2 バルク磁石の捕捉磁場特性の向上を目指し、ホウ素源
ペレットにマグネシウムの蒸気を輸送し、高純度かつ高充填率な MgB2 バルクを得るマグネシウム気相輸送(MVT)法の開発に成功している[1,2]。一方で、Mg の拡散機構の解明や、化学反応に伴う体積変化に由来する局所歪の制御手法の開発が課題として挙げられる。そこで本研究では、MVT バルクの組織均質化とクラック抑制に向けて、前駆体となる B 源ペレットに事前に MgB2 粉末を一部添加する Premix 法[3]を導入した Premix MVT 法により MgB2 バルクの作製を試みた。そして合成条件の異なる Premix MgB2 粉末を用いた場合、及び、異なる Premix 量とした場合について、MVT プロセス後の MgB2
バルクの超伝導特性に及ぼす影響について評価した。
2．実験方法
試料作製 in-situ 法により 900℃で作製した MgB2 粉末(粉末PA)と 600℃で作製した MgB2 粉末(粉末 PB)を、ホウ素粉末とモル比 0.5 : 1 (0.5 MgB2 + B)で混合し、2 種類の前駆体粉末を作製した。これらの粉末を錠剤成型器を用いて直径 20 mm,
厚み 2 mm にペレット成型し、Mg 蒸気中で熱処理を施すこと
で 2 種類の円盤状 MgB2 バルクを得た。次に、粉末 PB とホウ素との混合比率(x MgB2 + B)を x = 0.1, 0.3 と変化させた前駆体粉末を作製し、同様に MVT 法により 2 種類の MgB2 バルクを得た。熱処理条件は Ar 雰囲気下で 850℃, 72 h とした。
試料評価 試料密度は、円盤状バルク体の質量をその体積で除すことで求めた。また、X 線回折により構成相を、SEM により微細組織を、SQUID VSM により臨界電流密度 Jc を、自製
磁気特性評価システムにより捕捉磁場 BT を評価した。
3．結果と考察
Fig. 1 に異なる Premix MgB2 粉末を用いて作製した MVT 法
MgB2 バルク体の外観の写真と断面の反射電子像を示す。両者ともに、バルク表面において巨視的なクラックは観察されなかった。一方バルク断面において、粉末 PA を用いた場合では 100 µm 程度の粗大粒が確認されたのに対し、粉末 PB を用いた場合では粗大粒が見られず、より均質な組織が得られた。これは MVT 後のバルクにおいても Premix した MgB2 粉末が残存するため、微細かつ活性の高い低温合成粉末 PB を用いた方が良好な結合が得られることが理由として考えられる。
Fig. 2 に粉末 PB を用いて Premix 量 x を変化させ作製した
MgB2 バルク体の表面組織を示す。最も Premix 量が少ない x =0.1 バルクではクラックがみられたのに対し、x = 0.3, 0.5 では
巨視的なクラックは見られなかったため、クラック抑制には x >0.1 の Premix 量が必要であることが示唆された。3 つの試料の20 K における局所 Jc の外部磁場依存性を Fig. 3 に示す。全ての試料で Jc が全磁場下において in-situ よりも向上した。特に、x = 0.3 バルクでは Jc@0 T = 770,000 A/cm2 を記録し、最も高かった。したがって Premix 量 x = 0.3 でクラックがなく、かつ MVT 法を最大限に生かした強固な粒間結合が得られることが分かり、捕捉磁場向上に有効な Premix 量であることが示唆された。

Fig. 1 The appearance and cross section of MVT bulks using
different Premix MgB2 powder. (a), (b) The appearance ofbulks using powder PA (a) and PB (b). (c), (d) The crosssection of bulks using powder PA (c) and PB (d).

Fig. 2 Back scattered electron images of the surface of bulkswith different Premix ratio x. (a) x = 0.1 (b) x = 0.3 (c) x = 0.5

Fig. 3 External field dependence of critical current density at
20 K with different Premix ratio x.
参考文献
1. Y. Sanogawa et al, J. Japan Inst. Met. Mater, 83, 9,341-345 (2019).
2. 田中里佳ら、第 99 回春季低温工学・超電導学会、講演概要集 p.117 (2020).
3. I. Iwayama et al., Physica C, 460-462, 581-582 (2007).
謝辞 本研究は、文部科学省元素戦略 PJ＜研究拠点形成型
電子材料拠点＞(JPMXP0112101001)、並びに JSPS 科研費(JP18H01699, JP21H01615)より支援を受けて行った。

― 78 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2C-a08

バルク作製 (1)Spark plasma sintering 法による Ba(Fe0.92Co0.08)2As2 バルク作製と超伝導特性の評価
Fabrication and evaluation of superconducting properties ofBa(Fe0.92Co0.08)2As2 polycrystalline bulks fabricated by a spark plasma sintering method
箱石 裕人，仲川 晃平, 内藤 智之 （岩手大）
HAKOISHI Hiroto, NAKAGAWA Kohei, NAITO Tomoyuki (Iwate Univ.)
E-mail: g0321137@iwate-u.ac.jp

3. 結果と考察
1 回目および 2 回目の焼成温度を変化させ、Co 置換 Ba122を作製したところ、XRD パターンよりすべての試料で Co 置換
Ba122 と少量の(Fe1-xCox)2As の形成が確認できた。
(Fe1-xCox)2As は強磁性体であるため[2]、Tc 以上の温度域において磁化の上乗せが存在した。1 回目、2 回目ともに焼成温度が高いほど(Fe1-xCox)2As の生成量が多いことから、Ba と Asの蒸発による不足の可能性が示された。そこで Ba と As を過剰に仕込んだ組成 Ba1.1(Fe0.92Co0.08)2As2.1 で Co 置換 Ba122 を作製したところ、不純物の少ない Co 置換 Ba122 が作製できた。これは考察通り Ba と As が不足していたことを示す。
不純物が少ない Co 置換 Ba122 (組成 Ba1.1(Fe0.92Co0.08)2As2.1
熱処理：750℃+2 回目焼成 850℃〜950℃)を SPS 法でバルク化した。XRD パターンより、バルクは Co 置換 Ba122 のままであり、分解等は発生しなかった。Fig.1 に Co 置換 Ba122 バル
クの磁化の温度依存性を示す。SPS により、磁化の上乗せが減少し、超伝導体積分率が増加した。これは SPS 法特有の粒界における局所加熱により(Fe1-xCox)2As などが反応したことや高密度化(充填率 95%程度)によるものと考える。Fig.2 に SPS
バルクの 4.2 K における臨界電流密度 Jc の磁場依存性を示す。磁化の磁場依存性より、不純物量は 900℃、850℃、950℃の順で増加することから、微量の不純物がピン止め点となっている可能性がある。しかしながら、これらの Jc は同条件下における 122 系多結晶線材と比較すると 2 桁ほど小さい。これは粒界における不純物の存在や弱結合の影響によるものと
考える。

FC

3

4πM/H (emu/cm )

0
-0.2

ZFC

-0.4

850℃
900℃
950℃

-0.6
-0.8

10Oe

-1
-1.2

0

10

20

30

40

50

Temperature (K)Fig.1 Temperature dependence of the magnetization of the
Co-doped Ba122 bulks (750℃+2nd sinter+SPS900℃)

104

2.7×103A/cm2-950℃
1.9×103A/cm2-900℃
2.5×103A/cm2-850℃@4.2K,0T

2

2. 実験方法
多結晶Co置換Ba122粉末は単体元素Ba,Fe,Co,Asを用いて合成した。Ar雰囲気グローブボックス中でこれらの原料をBa(Fe0.92Co0.08)2As2 の組成となるように秤量、混合を行い、外径10 mm、内径8 mmのステンレスパイプにAr雰囲気中で封入
した後、2回熱処理を行った。1回目の焼成温度を700〜900℃、2回目を800〜950℃の間で50℃毎に変化させ焼成温度の最適化を行った。なお、保持時間は24 h、昇温速度は150℃/hで固定した。得られた多結晶粉末はSPS法を用いてバルク化した。その際のSPS条件は印加圧力40 MPa、焼結温度900℃、保持時間10 minとした。
試料の評価は、結晶相の同定に粉末 X 線回折(XRD)、磁化測定に SQUID 磁束計を用いて行った。臨界電流密度 Jc は
磁化測定データより拡張型ビーンモデルを用いて算出した。

4. まとめ本研究では熱処理条件の最適化および Ba と As の蒸発を考慮した仕込み組成により不純物の少ない Co 置換 Ba122 が作製できた。しかし、バルク磁石として活用するためには配向などにより Jc の向上が必要である。

Jc(A/cm )1. はじめに2008 年に発見された鉄系超伝導体は、高い上部臨界磁場
Hc2 を持つことから高磁場応用が期待されている。鉄系超伝導体の 1 種である Ba(Fe1-xCox)2As2 (Co 置換 Ba122)は銅酸化物
超伝導体に比べ電磁的異方性が小さく、臨界傾角が大きいた
め[1]、多結晶体での活用が検討されている。Co 置換 Ba122
は比較的容易に合成可能であるが、不純物が同時に生成しやすい。そこで本研究では、様々な熱処理・仕込み条件下でCo 置換 Ba122 前駆体粉末を作製し、不純物の少ない作製条
件 を 最 適 化 し た 後 、 放 電 プ ラ ズ マ 焼 結 (Spark Plasma
Sintering：SPS)法を用いてバルク体を作製し、超伝導特性を
評価した。

3

10

2

10

0

1

2

3

4

5

6

7

μ0H (T)Fig.2 Magnetic field dependence of critical current density at
4.2 K for the Co-doped Ba122 bulks (750 ℃ +2nd
sinter+SPS900℃)
参考文献
1. T. Katase et al., Nat. Commun.,2 (2011) 409
2. P. Onnerud et al., J. Magn. Magn. Mater, 147 (1995) 346354― 79 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2C-a09

バルク作製 (1)

Co ドープ Ba122 多結晶バルクの臨界電流特性における放電プラズマ焼結条件依存性
Critical Current Properties of Co-doped BaFe2As2 Polycrystalline Bulks
by Spark Plasma Sintering
長谷川 友大， 藤井 陸太, 德田 進之介, 山本 明保 (東京農工大)
HASEGAWA Yuta，FUJII Rikuta，TOKUTA Shinnosuke，YAMAMOTO Akiyasu (Tokyo Univ. of Agri. and Tech.)E-mail: s218293r@st.go.tuat.ac.jp

1．はじめにBaFe2As2(Ba122)は鉄系高温超伝導体の母物質の一つであり、元素置換（キャリアドープ）により超伝導が発現する。臨
界温度 Tc と上部臨界磁場 Hc2 が高く、高磁場応用が期待されている。また、比較的大きい臨界傾角（θc = 5–9°[1]）を持つ
ため多結晶材料の作製に適している。一方で、組織欠陥等によって抑制される臨界電流密度 Jc の向上が課題である。SPS（Spark Plasma Sintering, 放電プラズマ焼結）は粉体に圧力を印加しながらパルス電流を流し、それによって生じるジュール
熱を用いて加熱、焼結を行う手法である。昇温速度が速い、
温度制御がしやすい、試料全体を均一に加熱することができる、等の利点を持つ。本研究では、焼結条件を変化させて試料を合成し、臨界電流特性に及ぼす影響を評価した。
2．実験方法Ba(Fe 0 . 9 2 Co 0 . 0 8 ) 2 As 2 の化 学 組 成 となるように秤 量 した
単 体 金 属 粉 末 をＡｒ雰 囲 気 下 でボールミル混 合 した[2]。
得 られた前 駆 体 粉 末 をSPS型 に充 填 した。50 MPaの一軸 圧 力 下 に お い て +50°C/min の 速 度 で 昇 温 し 、 焼 結
温 度 を550-900°C、焼 結 保 持 時 間 を0-30 minと変 化 させ、直 径 10 mm、厚 み約 1.3 mmの多 結 晶 バルク試 料 を作 製 した。試 料 の寸 法 と質 量 から試 料 密 度 を求 め、
Co8% ド ー プ Ba122 単 結 晶 の 格 子 定 数 を 用 い て 計 算 した 理 論 密 度 （ 6.52 g/cm 3 ） か ら 相 対 密 度 を 評 価 し た 。
SQUID VSMにより測 定 した磁 化 ヒス テリシスから J c を計算 した。四 端 子 法 により電 気 抵 抗 率 ρ の温 度 依 存 性 を
測 定 し、超 伝 導 転 移 の90%となる温 度 を T c と定 義 した。
3．結果・考察
作製した試料の相対密度は83-97%であった。電気抵抗率の温度依存性を図1に示す。全ての試料が超伝導転移し、ゼロ抵抗を示した。Tcは600°C以下で焼結した試料では24 K程度であるのに対し、650°C以上で焼結した試料では26 K以上であり、単結晶のTc（25 K[3]）を上回った。Ba122相の結晶性の向上によりTcが改善されたと考えられる。図2に5 KにおけるJcの外部磁場依存性を示す。600°C, 5 minと700°C, 0 minで焼結した試料の自己磁場下におけるJcは2.0×104 A/cm2以上であり、ＨＩＰ法により高圧合成した試料（2.0×104 A/cm2[4]）の値を上回った。粒径が小さいことや密度が高いことにより自己磁場Jcが改善したと考えられる。一方で、550°C, 30 min
や900°C, 5 minで焼結した試料では自己磁場 Jc は１.0×104
A/cm2以下まで低下した。低温長時間で作製した試料は焼結が不十分であったこと、高温短時間で作製した試料はFeAsな
どの不純物相が増加したことが原因と考えられる。
4．まとめ
本研究では、SPS法により焼結条件を変化させてCoドープ
Ba122試料を合成し、臨界電流特性に与える影響を評価した。
SPS法により高密度な試料が作製でき、600°C, 5 minと700°C,
0 min焼結した試料で2.0×104 A/cm2を超えるJcが得られた。

Fig.1 Temperature dependence of the resistivity.

Fig. 2 External field dependence of the critical current
density at 5 K
参考文献
1. T. Katase, et al.: Nature Communications, Vol.2 (2011)
p.409
2. S. Tokuta, et al.; APL Mater, Vol.7 (2019) p.111107
3. Y. Nakajima, et al.: J. Phys. Soc. Jpn, Vol.78, (2009)p.023702
4. J. D. Weiss, et al.：Nat Mater, Vol.11, (2013) p.682― 80 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2C-a10

バルク作製 (1)ex-situ SPS 法で作製した Nb3Sn 超伝導バルク体の磁束ピン止め特性
Flux pinning characteristics of Nb3Sn superconducting bulks prepared by
an ex-situ SPS method
小山田 拓真，天瀬 洸太 (岩手大)； 内藤 智之 (岩手大)OYAMADA Takuma，AMASE Kota (Iwate Univ.); NAITO Tomoyuki (Iwate Univ.)
E-mail: g0321028@iwate-u.ac.jp

2. 実験方法
原料粉末には Nb 粉末(純度 99.9%,粒径 43μm 以下)、
Sn 粉末(純度 99.9%、粒径 38μm 以下)、
Cu 粉末(純度 99.9%,
粒径 75μm)を用いた。本研究では 2 種類の混合粉末を用いて Nb3Sn バルクを作製した。まず 1 つ目は、Nb と Sn のみを化学量論比の 3 : 1 で秤量し、30 分手ごねで混合し、Ar 雰囲気中で 950℃×24 時間の熱処理を行った。この作
製した Nb3Sn を再び 30 分混合した後、SPS 法によりバルク化を行った。以降これを Non dope bulk と呼ぶ。次にNb と Sn を化学量論比の 3 : 1 で秤量し、Nb3Sn の生成温度低下の効果を得るために Cu を 1 wt%添加した。これらの粉末を 30 分手ごねで混合し、Ar 雰囲気中で 800℃×24
時間の熱処理を行った。この作製した Nb3Sn を再び 30 分
混合した後、SPS 法により 750℃、840℃、900℃でバルク化を行った。以降これを 1 wt%Cu bulk と呼ぶ。作製した
Nb3Sn バルク体は X 線回折(XRD)によって結晶相を同定し、SQUID 磁束計による磁化測定から Tc の評価した。
3. 実験結果
Fig. 1 に SPS 条件が 840℃×20 分の Non dope bulk と1 wt%Cu bulk の SPS 前後の XRD パターンを示す。どちらのバルクでも主相は Nb3Sn であり、SPS 前後での XRD パターンに変化は見られなかった。また、1 wt%Cu bulk では
熱処理温度を低下させたが Nb3Sn が主相であったことから Cu 添加による効果が得られた。
Fig.2 に Non dope bulk における SPS 条件 840℃と 900℃の磁化の温度依存性を示す。それぞれ超伝導転移温度はSPS840℃が 17.0 K、SPS900℃が 16.9 K であった。これは一般的に得られている Nb3Sn の Tc が 18 K であるのに対して約 1 K ほど低い値となっている。理由として熱処理中に僅かであるが Sn が蒸発してしまったためだと考えられる。
講演では捕捉磁場特性についても報告する予定である。

420
421
332

400

222
320
321

200
210
211

110

intensity (a.u.)

1 wt%Cu bulk SPS後

1 wt%Cu bulk SPS前
Non dope bulk SPS後
Non dope bulk SPS前
20

30

40

50

60

2 (deg.)

70

80

90

Fig.1 XRD patterns of the non dope bulks and 1 wt%Cu
bulks

SPS 840℃
SPS 900℃

FC

M (a.u.)1. はじめに超伝導体の中で Nb3Sn 超伝導体は上部臨界磁場 Hc2 =24 T (4.2 K) [1]が MgB2 の Hc2 = 10～20 T(4.2 K)より高
く、臨界電流密度 Jc の磁場依存性が小さい。よって高磁場での応用が可能な材料である。また、異方性がないこと
から多結晶体のまま大型のバルクを作製できる。このことから先行研究より、ホットプレス法により作製したバルク体を用いて 11 K において 1.15 T の捕捉磁場を得た[2]。
Nb3Sn バルクを in-situ 法で作製した場合、Sn 融液がNb に拡散・反応することにより、元の Sn 領域が空隙となる。そのため充填率は 50 %以下になり、それに伴い Jc や捕捉磁場が低下する。SPS (Spark Plasma Sintering) 法
による加圧焼結では急昇温、急冷却が可能であるため、粒成長を抑制して高密度化することが出来る。本研究ではSPS 法で作製した高緻密な Nb3Sn バルクの磁束ピン止め特性について報告する。

ZFC
10 Oe
0

5

10

T (K)

15

20

25

Fig.2 Temperature dependence of the magnetization after
ZFC and FC for the 840℃ and 900℃ Nb3Sn bulks

参考文献[1] K. Tachikawa , TEION KOGAKU (J. Cryo. Soc. Jpn.)
Vol.45 No.3 (2010) 88 – 98
[2] K. Amase et al.: Abstract of ACASC/ICMC/CSSJ
Joint Conference, 8P-07 (2020)― 81 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2P-p01

冷凍システム

室温磁気冷凍システムを利用した冷蔵庫の扉開閉時の熱交換器の挙動に関する研究
Study on the behavior of heat exchangers the case of opening and closing refrigerator doors
using a room temperature magnetic refrigeration system
安部 勇汰，岡村 哲至(東工大); 裵 相哲（サンデン AT）
ABE Yuta， OKAMURA Tetsuji (Tokyo Tech); BAE Sangchul (Sanden AT)
E-mail: abe.y.aq@m.titech.ac.jp
1．はじめに
冷凍空調機器のノンフロン化を実現するため，磁性材料の持つ磁気熱量効果を利用した室温磁気冷凍機の研究が行わ れ て い る . 先 行 研 究 よ り ， 磁 気 再 生 器 (Active Magnetic
Regenerator; AMR)内にキュリー温度の異なる複数の磁性材
料を階層状に充填することによって，磁気冷凍機の最大温度スパンが拡大することが明らかにされている[1，2]．本研究は，
磁気冷凍システムを構成する要素機器のうち，清涼飲料水用のケースで言えば，庫内にあたる部分の熱交換器と AMR に注目した．Fig.1 のように冷却室内の空気と AMR から流出す
る低温の水が熱交換する熱交換器を接続した磁気冷凍シス
テムにおいて，冷蔵庫の扉を開閉したときの熱交換器内の流体の温度変動や AMR 内の温度変動について熱交換器のチューブ数やフィン数等を変化させて考察する.

量流量から求めることができるε-NTU 法を用いて計算する．
Fig.4 は，磁気冷凍システムが定常になってから，冷蔵庫の扉
を 10 秒間開放させた後に閉めたときの熱交換器内の流体の温度変化のグラフの一例であり，Fig.5 は，600s 付近の拡大図である．Ta,i，Ta,o，Tw,i，Tw,o は，Fig.1 で示された場所の空
気および水の温度である．扉を開放時は，AMR の冷凍能力に対し，熱交換器の交換熱量が大きいため各部の流体の温度が上昇する．

Pool

Water from AMR
Water to AMR

Fin

Air

Partition

Fig.3 Schematic of tube・fin heat exchanger
Heat exchanger

Air

Tw,i

30

Heat exchanger
Pump
AMR duct

Temperature[℃]

Fan

20
15

Tw,o
Ta,o

Ta,i

Ta,i
Ta,o
Tw,i
Tw,o

25

Magnet1050Cold display case0

Fig.1 Schematic diagram of magnetic refrigeration system
2．熱流動解析
AMR は，ダクトの長さを 120mm，管径を 21.2mm，磁性材料
は，Fig.2 に示すように 12 種類のキュリー温度が異なる磁性材
料 LaFeCoSi 材を階層状に充填する．図中の番号は各磁性材料のキュリー点温度を示している．

1000

Time[s]Fig.4 Temperature traces(changing histories)
at the each point on a heat exchanger

Temperature[℃]30

Fig.2 Adiabatic temperature change at 1T-0T.

25
20

Ta,i
Ta,o
Tw,i
Tw,o

15
10
5
0

熱交換器の体積，幅×奥行×高さは，1100mm×200mm
×50mm と固定とする．なお，熱交換器の開口部面積は，その幅×高さとする．熱交換器の他の条件として水配管径 8mm，
配管厚み 1mm，フィン厚み 1mm とする．これらの値は一般に存在するものから選んだ．変化させる物理量は，システムを流れる水の流量，熱交換器を通過する風速，チューブ数，フィン数，チューブピッチとする．また，Fig.3 に示すように今回対象にしたフィン・チューブ型の熱交換器は，AMR から全体の半分のチューブに流れた水がプールで合流し，残りの半分のチューブを通って AMR に戻る 2 パス構造を想定した．風は，水の出口側から当てる．熱交換器の交換熱量は，従来から用いられている熱交換器の両流体の出入り口の温度差と熱容

500

Fig.5

600

610

Time[s]620

Enlarged view of Fig.4 (600s～620s)

参考文献
1. M. A. Richard, et al.: Journal of Applied Physics, Vol. 95(2004) p.2146-2150
2. C ． Zimm ， et al.: International Journal of Refrigeration,
Vol.29 (2006) p.1302-1306― 82 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2P-p02

冷凍システム

高温超電導コイルの循環冷却システムに関する研究
Research on circulation cooling system for high temperature superconducting coils
野口 正純, 岡村 哲至, 岡﨑 陽大, 高澤 拓海 (東工大); 平野 直樹 (NIFS)NOGUCHI Masazumi, OKAMURA Tetsuji, OKAZAKI Youdai, TAKAZAWA Takumi (Tokyo Tech); HIRANO Naoki (NIFS)
E-mail: noguchi.m.ah@m.titech.ac.jp

1．初めにいる。これはクライオファンを用いた場合のほうが、流路が短く

高温超伝導コイルの産業応用を図る上で、コイルを効率よく流量を増やしたとき圧損からの発熱が比較的小さいためであ冷却する技術の確立は不可欠である。例えば、金属の熱加工ると考えられる。5.5W 以下の熱入力においてコンプレッサーに超伝導コイルを応用することができれば、ガス加熱を用いたのほうが、冷却性能が高いのはクライオファンからの新たな熱場合熱効率は 20%程度であるが DC 電源を用い超電導コイル

侵入の影響が解析内で支配的になったからだと考えられる。

に磁場を発生させ、高効率モーターで金属を回転させること

また当日の発表では冷凍機とコイル間距離の冷却性能に及によって熱効率は 1[MW]付近において 90%を超えるとされてぼす影響についても報告する。

いる[1-2]。本研究では複数の超電導コイルを効率的に冷却する目的として循環冷却システムについて検討を行っており、本発表では実験装置での結果や実験装置を想定した場合とクライオファンを用いた場合での解析結果を報告する。
2．冷媒循環冷却実験
実験装置の概略図を Fig. 1 に示す。冷媒は初めコンプレッ
サーから吐出圧を測る圧力計及び流量計を通りクライオスタッ
ト内へ入っていく。クライオスタット内で余冷熱交換機を通りあFig. 1 Experimental equipment diagram

らかじめ冷却された冷媒から冷却された後、GM 冷凍機周りの35イルを模したヒーターで熱入力を受けた後、余冷熱交換機でクライオスタットに入ってくる冷媒から熱を受ける。クライオスタ
ットを出た後バッファタンクを通り吸込圧を測る圧力計の後コン
プレッサーへと戻っていく。実験の際は 2 か所の圧力計での読みと流量計での読みを記録した。また温度はロガーを用いて記録した。温度計は主に GM 冷凍機のコールドヘッドの上

Coil temperature [K]コールドヘッド熱交換機を通ってさらに冷却される。その後コ部、中央部の他、コールドヘッド熱交換機の入口側、出口側

25

15の管壁、またヒーター前後の配管内部に設置した。当日の発表では流量、熱入力の各条件について行った実験結果について解析結果も併せて報告する。

0

10
20
30
Heat input [W]MistralCierzoNoodenwindBӧhmwind
Bise
Compressor

Fig. 2 Analysis results in light of using a conventional

3．熱流体解析

compressor and cryofan respective

解析は一次元解析モデルを用いた。解析手法については圧
力分布を仮定した後、エネルギー方程式を解くことによって求参考文献めた。ここで従来のコンプレッサーとクライオファンを用いた場[1] HATANO Tomoyuki, et al.: Development of an Energy

合での比較について、0W から 30W までを 0.1W 刻みで解Saving Melting Furnace for Aluminum Die-Casting, vol14,

析を行った結果の一部を Fig. 2 に示す。クライオファンについ(2009), pp.114-120ては STIRLING CRYOGENICS 社のデータを使用し、最大出[2] Massimo Fabbri, et al.: DC induction heating of aluminum

力の場合を仮定した。ファンの出力や内部のインペラの径のbillets using superconducting magnets, (2008)

大きさは Mistral、Cierzo、Noodenwind、Bӧhmwind、Bise の順[3] STIRLING CRYOGENICS, Cryofan Datasheet,に大きくなっている[3]。ここで 5.6W 以上の熱入力において

https://www.stirlingcryogenics.eu/files/__documents/1/C

Mistral タイプのクライオファンのほうが、冷却性能が高くなって

ryofansDatasheet.pdf, <2021.04.0― 83 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2P-p03

熱流体

加圧液体水素の減圧時における蒸発特性に関する研究
Study on evaporation characteristics of pressurized liquid hydrogen under depressurization
前川 一真，中山 郁夢，永廣 衛，武田 実（神戸大学）
MAEKAWA Kazuma， NAKAYAMA Ikumu, NAGAHIRO Mamoru, TAKEDA Minoru
E-mail: maekawa@maritime.kobe-u.ac.jp
1．はじめに本研究室では、これまでに極低温液体である液体水素の輸送・貯蔵に関する研究開発を行ってきた[1][2]。液体水素を海外から我が国へ海上輸送する場合、液体水素タンク内に蒸発ガスを閉じ込めて蓄圧状態で輸送する手法が採られている。しかし、荷揚げ時は移送ポンプを使用するため、ある程度まで減圧しなければならない。蓄圧状態から減圧すると液体の状態によっては、過熱状態となり激しい沸騰が発生する。
この沸騰により大量の液体水素が蒸発して損失となる。また、
この沸騰挙動については、まだ十分に明らかになっていない。
そこで本研究では、液体水素の減圧時における初期条件(液体状態、初期充填率、減圧速度)を変化させ、液体水素の減圧試験を行い、蒸発特性を詳しく調べることにより沸騰挙動を明らかにすることを目的とした。

Test#
run1
run2
run3
run4
run5
run6
run7
run8
run9
run10
run11
run12
run13
run14
run15
run16

73
50
25
10
75
50
25
10
75
50
25
10
75
50
25
10

Gross evaporation [kg]2．実験装置と実験方法
Fig.1 に実験システムの概略図を示す。実験装置は主に光学クライオスタット、温度計、圧力計、液面計、流量計、データ
ロガー等から構成されており、蒸発ガスラインには流量調整用
ニードル弁及び減圧時用の電磁弁を取り付けている。
極低温液体の減圧による沸騰現象は、①初期の液体状態、②減圧速度、③減圧開始圧力に大きく影響されると考えられている。本実験では、これらのパラメータの内から、①初期の液体状態、②減圧速度を変化させると共に、液体水素の初期充填率を変化させ、実験条件を Table.1 のように設定した。
初期の液体状態は、液全体が飽和温度となる飽和状態と、温度分布が存在する成層状態に分けられる。飽和状態はマ
ンガニン線ヒーター(9 W×2 本)で、成層状態は自然入熱のみで加圧することにより作り出した。また、減圧速度は流量調節
弁の開度をもって調節し、設定した。液体水素の初期充填率
は、液体水素槽の容積(20 L)および液面センサーの示す液面位置に基づいて算出した。また、減圧開始圧力は、本研究で用いるクライオスタットの上限付近の圧力である 0.4 MPaG とした。

Table.1 Experimental conditions.
Filling ratio
[%]

0.22
0.2
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0

Liquidcondition

Settingpressure[MPaG]

High[10
rotation]

Stratification
0.4

Saturation

Depress.
speed[Valverotation]

Middle[5rotation]High[10rotation]
Middle[5rotation]run9 run10 run11 run12 run13 run14 run15 run16

Fig.2 Gross evaporation based on evaporation rate
(Saturation).
本的には加熱した熱量に依存すると考えられる。温度分布が存在する成層状態では、飽和状態に達していないサブクール
領域を有するため、飽和状態に比べて減圧前のエンタルピーが小さくなり蒸発量は少なくなった。また、充填率が高いほど蒸発量は大きくなる傾向が見られた。減圧速度による蒸発量の違いは、今回の実験条件では大きな差が見られなかった。
得られた実験結果から蒸発量に大きな影響を与えるのは、減圧前の容器内のエネルギー量であると考えられる。なお、減圧時における温度・圧力変化については、本学会にて詳細に報告する予定である。
4．まとめ
今回、様々な実験条件を設定して加圧液体水素の減圧試験を行い、蒸発量を中心に、温度・圧力変化を含めて計測した。その結果、減圧前の液体の温度分布の有無が蒸発量や沸騰挙動に大きな影響を与えることがわかった。
謝辞
本研究の一部に対して、科研費若手研究(20K14963)による助成を受けました。ここに謝意を表します。

Fig.1 Measurement system.
3．実験結果Fig.2 に飽和状態における蒸発ガス流量を時間で積分して求めた蒸発量を示す。ここで蒸発量は、計測された全体の蒸発ガス流量から自然蒸発量を差し引くことで、沸騰による蒸発のみとしている。減圧による蒸発量は熱力学的に考えると、基参考文献
1. K. Maekawa et al.: Abstracts of JIME Conference, Vol. 89(2018) pp.277-278
2. I. Nakayama et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 99(2020) P.69

― 84 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2P-p04

熱流体

海上輸送時における液体水素タンクを対象とした熱流体解析
Thermal fluid analysis of liquid hydrogen tank for marine transportation
前川 一真，岩佐 太陽，知念 健太，武田 実（神戸大学）
MAEKAWA Kazuma， IWASA Taiyo, CHINEN Kenta, TAKEDA Minoru
E-mail: maekawa@maritime.kobe-u.ac.jp
1．はじめに本研究室では、液体水素海上輸送のための基盤技術の確立を目指し、これまでに２度練習船深江丸を用いた液体水素
海上輸送実験を行ってきた[1][2]。本研究では、２度目に行った初の外洋における海上輸送実験で得られたスロッシングに伴う液体水素タンク内部の液面・温度・圧力、加速度等の実験データを基にして、海上輸送時における液体水素タンク内部の熱流動現象を熱流体解析ソフトウェア STAR-CCM+を用いて調べる事を目的とした。

Table. 1 Analyses conditions of ③-⑤.
Condition/Pressure
Accumulation
1 atm
No sloshing
N/A
Analysis ③
Sloshing

Analysis ④⑤2．振動解析
Fig.1 に海上輸送実験時における液体水素タンク（クライオ
スタット：内容積約 20L）内の液面センサー配置図とクライオス
タットのジオメトリ図を示す。本解析では、メッシャーとしてトリム

Fig.3 Time chart of liquid level and acceleration inside theLH2 cryostat under marine transportation by simulation.

Fig.1 Layout of the LH2 level sensor inside the LH2
cryostat and geometry of the LH2 cryostat.
メッシュを用いた。要素数は約 12 万で、液面付近の現象を詳しく見るために、液面にはプリズムレイヤーメッシュを用いている。さらに、初期液面位置付近の±25 mm は液相と気相の入れ替わりが激しいため、メッシュ密度を 4 倍にしている。
加速度データによる蒸発・凝縮現象を考慮しないスロッシン
グの振動解析結果として、Fig. 2 に t = 103.00s での LH2 体積
分率のデータを示す。また、液面センサーA1、B1、C の液面位置と y 方向加速度の時間変化を表したグラフを Fig. 3 に示す。解析物理時間は 194.00 s で、初期液面位置は、実験との比較のため 454 mm とした。Fig. 2 の液面の様子から、スロッ
シングにより左舷側に傾いていることが分かる。Fig. 3 より、A1と C が逆位相で液面位置が変動しており、その高さは実際の海上輸送実験結果と同様に、約 10 mm の高さで液面位置が互い違いに変動していることが確認できた。さらに、C と加速

Fig.4 Time chart of temperature inside the LH2
cryostat by simulation of analyses of ③-⑤.
度が同位相で連動していることがわかる。以上より、加速度データによるスロッシングの再現性が確認できた。
3．熱流動解析
次に、3 つの異なる解析条件で熱流動解析をした。Table. 1にそれぞれの解析条件を示す。解析物理時間は 42.00 s で、初期液面位置は 300 mm とした。Fig. 4 にそれぞれの解析での容器内平均温度の時間変化を示す。Fig. 4 よりスロッシングが容器内の温度や圧力に与える影響が明らかになった。さらに、容器内の圧力状態の違いが及ぼす温度上昇や圧力変動への影響が明らかになった。
謝辞
本研究の一部に対して、科研費若手研究(20K14963)による助成を受けました。ここに謝意を表します。
参考文献
1. K. Maekawa et al.: Sensors 18, (2018) 3694.
2. K. Maekawa et al.: Abstracts of JIME Conference, Vol. 89(2018) pp.277-278

Fig.2 Volume Fraction of LH2 at t = 103.00 s.

― 85 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2P-p05

熱流体

極低温液体の貯蔵・輸送に関する数値シミュレーション
Numerical simulation of storage and transportation of cryogen
知念健太, 前川一真, 岩佐太陽, 武田 実（神戸大）
CHINEN Kenta, MAEKAWA Kazuma, IWASA Taiyo, TAKEDA Minoru (Kobe Univ.)
E-mail: takeda@maritime.kobe-u.ac.jp

Fig.1 Mesh for 1/4 calculation area.

2.5

Volumetric Flow Rate (L/min)

1．はじめに車載用液体水素タンクの研究開発において、自然入熱や振動によるスロッシング（液面揺動）などに伴う、タンク内部での水素の熱流動現象を十分に把握することは極めて重要である。これまでの研究では、液体水素の充填・貯蔵時における液体水素タンク内部の観察を行うとともに、貯蔵時の圧力上昇に注目して、タンク内部圧力の時間変化を詳しく調べている[1]。
一方、航続距離 1000 km 級 FC トラック・トレーラー用角形
液体水素タンクの研究開発が進められている。第一段階として、試作した小容量の角形軽量ラボ試験容器に対して、液体窒素による予備実験が行われ、液体窒素の蒸発ガス流量、容器内部の温度、容器の真空度などが調べられた。本研究は、
熱流体解析ソフトウエア STAR-CCM+を用いて、液体窒素の蒸発・凝縮現象のシミュレーションモデルを確立し、実験デー
タを再現することを目的とする。さらに、このシミュレーションモ
デルを基にして、液体水素の貯蔵・輸送に関する数値シミュ
レーションを目指している。
2．数値シミュレーション
試作した容器内槽の大きさは、300×150×300 mm（容積：約 13 L）である。計算領域は、液体窒素及び気体窒素が通過する流体領域のみとした。また、流体領域の対称性を考慮して、4 分割した領域のみ計算した。計算領域に対して作成したメッシュを Fig.1 に示す。メッシュの要素数は 20 万程度であり、メッシュ形状は直交格子である。なお、気液界面近傍にあたる部分及び壁面近傍のメッシュ密度を上げるように工夫している。
次に、支配方程式について説明する。混相流モデルとして、
Volume of Fluid (VoF) 法を採用した。乱流モデルには、レイ
ノルズ平均モデルのうち Realizable k-ε モデルを使用した。
また、飽和点付近における気液界面での蒸発・凝縮モデルには、Schrage の式[2]を適用した。この式では、飽和点付近の気液間の質量輸送率を示す、アコモデーション係数 σ が組
み込まれている。これを決定することは困難であるため、先行研究を参考にして、σ= 0.01～0.0001 とした。
続いて、初期条件及び境界条件について説明する。液体窒素の初期液面位置を容器内槽の底面から z = 192 mm とした。また、初期の液体窒素及び気体窒素の温度は、沸点 77.3

2

1.5

1

0.5

0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Time (s)Fig.2 Volumetric flow rate on open style test with σ=
0.0001.
K（大気圧）とした。境界条件として、実験データに基づき壁面とパイプ部に対して一様な熱流束 30 W/m2 を加えた。また、パイプ部の出口圧力は大気圧とした。なお PC スペックは、Windows 10 Intel ® Core™ i7-7700 CPU@3.60 GHz プロセッ
サ―、8 GB 実装 RAM である。
3．計算結果と考察
計算結果の一例として、Fig.2 に充填率 64%（液面位置 192mm）、σ= 0.0001 の場合、時間ステップ 0.01 s 及び解析
物理時間 21 s で計算した体積流量（蒸発ガス流量）の時間変化を示す。この図より、パイプ部の出口からの気体窒素の体積流量において、初期的な振動が見られる。これは、設定した初期条件が実験時の状態と異なっており、出口からの逆流が起きているためと考えられる。その後、体積流量は緩やかに増加し、t = 20 s で安定（約 0.7 L/min）
していることがわかる。σ を変えて計算した範囲では体積流量が最も大きくなっているが、実験データ（約 1L/min）には到達しなかった。
同じ条件で容器内槽の温度分布を計算し、内槽側面温度と内槽上面温度を比較したところ、内槽上面温度が 10 K 程度
上昇していた。これは実験データに近い値を示しており、計算により実験データをほぼ再現できたと考えられる。
4．まとめ
STAR-CCM+を用いて、液体窒素の蒸発・凝縮現象を含む
三次元非定常熱流体解析を行った。解析物理時間 21 s において、体積流量（蒸発ガス流量）を計算したところ、実験
データより小さい値となったが、アコモデーション係数 σをパラメータとして気液界面からの蒸発現象を概ね再現できたと考えられる。
参考文献
1. M. Nagahiro et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 100(2020) P. 47
2. Schrage,R.W.: A theoretical study of interphase masstransfer, Columbia University Press, New York (1953)― 86 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2P-p06

バルク作製 (2)・着磁 (1)

MgB2 超電導バルク体の磁化特性評価
Magnetic property in MgB2 superconducting bulks
恩地 太紀, 赤坂 友幸, 石原 篤, 福本 祐介, 富田 優（鉄道総研）
ONJI Taiki, AKASAKA Tomoyuki, ISHIHARA Atsushi, FUKUMOTO Yusuke, TOMITA Masaru (RTRI)
E-mail: onji.taiki.67@rtri.or.jp
1．はじめにMgB2 は、金属系超電導体最高の約 40 K の Tc をもち[1]、
冷凍機冷却による超電導磁石などへの応用が期待される。さらに MgB2 は異方性が低く、比較的長いコヒーレンス長を持つことから、無配向の多結晶体においても粒間の弱結合の問題がなく、優れた臨界電流特性を示し[2]、試料全体で均一な超電導特性を示すことが期待される。すなわち、MgB2 は超電導
バルク磁石として NMR や周期磁場生成装置（アンジュレータ）等の計測機器への応用に実用上有利であると考えられる。
本発表では、磁場変動に強い磁石の開発に取り組み、熱Fig.1 Metal impregnated MgB2 superconducting bulks

特性の向上を図るために金属補強や金属含浸などを行った
結果について報告する。

2．実験方法Mg 粉末、B 粉末を混合し、プレスにより、直径 20-30 mm、
厚さ 5-10 mm の円盤状に成型し、Ar 雰囲気下で 850℃、 3 hの熱処理を行い MgB2 バルク体を作製し、一部は半円への切り出し加工や、熱特性の向上に有効であるとされる金属含浸[3] (Fig.1)および合金溶射法を応用した金属補強(Fig.2)、金属メッキを実施した。一部の試料では X 線 CT や SEM による微細組織の観察を行うとともに、冷凍機で 20 K まで冷却し、超電導マグネットを用いて磁場特性の評価を行った。なお磁化はバルク体表面に配置したホール素子を用いて評価を行い、試料温度はバルク体底面の温度とした。
Fig.2 MgB2 superconducting bulks applied metal spraying
method3．結論
MgB2 バルク体は SEM による微細組織観察を実施しクラッ
ク等がないことを確認した。X 線 CT による観察では空孔率が謝辞
本研究は JSPS 科学研究費助成事業（JP16H01860）の助

約 45%で、空孔の大半が開孔していることが分かった。また冷凍機による伝導冷却下での磁石特性評価では、一部の試料成を受けて実施したものである。

において磁束雪崩（フラックスジャンプ）が観測されたが、金属
補強や金属含浸などを施すことによって、一定の条件下でフ

参考文献

ラックスジャンプを抑制することに成功した。これは空孔への[1] J. Nagamatsu et al., Nature 410, 63 (2001).

金属含浸などにより、熱はけや実効比熱が向上した結果と考[2] D. C. Larbalestier et al., Nature 410, 186 (2001).

えられる。

[3] M. Tomita et.,al, Abstracts of CSJ Conference 69, 133 (2003).

― 87 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2P-p07

バルク作製 (2)・着磁 (1)REBCO バルク体のパルス着磁における軟鉄ヨークに厚みが捕捉磁場特性に及ぼす影響
Influence of the thickness of soft-iron yoke on the trapped field performance of REBCO bulk
activated by pulsed-field magnetization
横山 和哉（足利大）；岡 徹雄（芝浦工大）
YOKOYAMA Kazuya, (Ashikaga Univ.); OKA Tetsuo (SIT)
E-mail: Yokoyama.kazuya@g.ashikaga.ac.jp
イルを取り外し，3D ホールセンサ（BH-703，OECO 製）を用い

1．はじめにREBCO バルク体を冷却・磁化して疑似永久磁石として用いる超伝導バルク磁石は，小型な装置で既存の永久磁石や電磁石を超える強磁場を発生させることができる。そこで，航空機や大型船舶用の電気推進装置や，大型風力発電，潮流
発電用の発電機等への応用が検討されている。REBCO バル
ク体の着磁方法には，磁場中冷却法やパルス磁化法がある
が，後者は汎用の銅コイル及びコンデンサバンクが使用できること，着磁時間が短いことなどから，実用化において有効な手法であると考えられる。パルス磁化法は，冷却されたバルク
体に数ミリ秒程度のパルス磁場を印加するが，そのままではバルク体は十分に磁場を捕捉できない。そこで，通常は軟鉄
ヨークを用いることによって，試料に少しでも長く磁場を曝すこて磁極表面（試料表面から約 4 mm）の磁束密度分布を測定する。また，実測データから総磁束量を算出する。
3．まとめ
REBCO バルク磁石を発電機やモーター等に組み込んで使用する際，出力密度の観点から機器の小型・軽量化が重要である。本研究は，捕捉磁場を維持しつつ機器を軽量化す
ることを目的として，バルク磁石のパルス着磁において用いられる軟鉄ヨークに注目し，その厚さが着磁特性に及ぼす影響を調査した。現在，実験を進行中であり，発表当日に実験結果を報告する。なお，本研究は JSPS 科研費 20K04449 の助成を受けたものである。

とにより捕捉磁場を向上することができる。一方で，軟鉄を用いることにより機器の重量が増加するため，発電機やモーター等に組み込む場合には，出力密度の観点から軟鉄を減らすことが望ましい。著者らは，軟鉄ヨークの形状を工夫することにより，捕捉磁場を保持しつつ軟鉄の重量を減らすことを検討している。本研究は，厚みの違う軟鉄ヨークを用いてパルス
着磁実験を行い，それが捕捉磁場特性に及ぼす影響を調査する。
2．実験方法
Fig. 1 に，着磁コイルを取り付けたバルク磁石装置の概観を示す。バルク体を軟鉄ヨークで挟む形状となっており，試料とサンプルステージの間のヨークを lower yoke，着磁コイルに取り付けてある試料上部のヨークを upper yoke と呼ぶ。本研
究では，upper yoke を Fig. 2 に示す厚さ 47 mm（従来用いたFig. 1. Photograph and schematic of bulk magnet system whenthe magnetizing coil with soft-iron yoke is attached.

もの），20 mm, 10 mm , 5 mm の純鉄製のヨークに変えて実験を行った。なお，4 つのヨークの直径は 64 mm，重さはそれぞれ 1.17 kg，0.47 kg，0.23 kg，0.11 kg である。また，バルク体とヨークの間隔を一定にするために，着磁コイルのフランジとヨークの間にはアルミ製のスペーサを配置した。
実験は，試料の補強のために厚さ 2 mm の SUS316L 製のリングを取り付けたφ60 ×20 mm の GdBCO バルク体（日本製鉄製）を，2 段 GM 冷凍機（RM20，アルバック製）のコールドヘッ
ドの先端に接続したサンプルステージに配置し，真空チャンバを取り付けて真空排気した後，20～50 K に冷却する。各温度において 3.9～6.2 T のパルス磁場（立上時間：10 ms，全パル
ス幅：100 ms）を 1 回印加し，試料表面の中央部に貼りつけた
ホールセンサ（BHT-921，OECO 製）及びセルノックス抵抗温度計（CX-1030-SD–HT-1.4L/J，Lakeshore 製）により，着磁Fig. 2. Photograph of (a) magnetizing coil with soft-iron yokeand (b) upper yokes with different thickness.

中の磁束密度及び温度の時間変化を測定する。着磁後，コ― 88 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2P-p08

REBCO 導体

直流送電応用に向けた BaHfO3 添加 YBa2Cu3Oy 高温超伝導線材の縦磁場中超伝導特性向上及び導体作製
Superconducting Properties under the Longitudinal Field in BaHfO3-doped YBa2Cu3Oy Tapes and fabricationof the Force-Free Cable
吉田 隆, 日比野 拓, 土屋 雄司(名大); 一野 祐亮(愛工大); 高橋 誠, 田橋 正浩(中部大); 木内 勝(九工大); 一瀬 中(電中研)

YOSHIDA Yutaka, HIBINO Taku, TSUCHIYA Yuji (Nagoya Univ.); ICHINO Yusuke (Aichi Inst. of Tech.);
TAKAHASHI Makoto, TAHASHI Masahiro (Chubu Univ.); KIUCHI Masaru (Kyushu Inst. of Tech.); ICHINOSE Ataru (CRIEPI)
E-mail: yoshida@nuee.nagoya-u.ac.jpの導体の通電試験を液体窒素中で行った。通電特性と計
1. はじめに算モデルとの比較等は発表当日行う。
高温超伝導体 REBa2Cu3Oy(REBCO)の送電分野への応4．結言用に向けて、臨界電流 Ic の向上が必要不可欠である。Ic 向本研究では、REGREB 法を用いて作製した BHO 添加
上への取り組みとして、REBCO 層の厚膜化及び縦磁場効
YBCO 厚膜線材の縦磁場効果の評価及び単層縦磁場超伝果が挙げられる。後者について、電流方向に平行な磁場
導導体の作製を行った。その結果、低温での縦磁場中(縦磁場)中においては、電流方向に垂直な磁場(横磁場)中Jc-B 特性において、膜厚 1.6 µm までは膜厚の増加に伴いと比較して Ic が向上する[1]。縦磁場効果を用いた直流送
平坦な領域が増加した。さらにこの BHO 添加 YBCO 線
電技術の一つとして、フォースフリーケーブルと呼ばれ材を用いて単層縦磁場超伝導導体を作製し、導体通電容る超伝導ケーブルが提案されている[2]。フォースフリー
量 Ic の磁場依存性を評価し、この線材の有効性を確認しケーブルでは、通電により発生する自己磁場を利用してた。
縦磁場を実現し、導体の大幅な Ic 向上が期待される。
REBCO 線材のフォースフリーケーブルへの応用には線材の長尺化が必須であるため、移動系での線材作製を行う必要がある。本研究では、縦磁場効果に有効的な
REBCO 長尺線材を作製することを目的とし、Reel-to-Reel
システム及び PLD 法を用いた移動系にて、最大膜厚 3.0µm の 3vol.%BHO 添加 YBa2Cu3Oy(YBCO)厚膜線材を作製し、縦磁場中における超伝導特性の評価を行った。また、作製した BHO 添加 YBCO 線材を用いて、フォースフリ
ーケーブルの内部導体を想定した単層縦磁場超伝導導体を作製し、直流通電試験を行った。
2. 実験方法
KrF エキシマレーザー、Reel-to-Reel システムを用いた
PLD 法により、長さ 3 cm 程度の IBAD-MgO 金属基板上に 3vol.% BHO 添加 YBCO 層の作製を行った。まず、buffer層として膜厚 0.1 µm の BHO 添加 YBCO 層を、基板温度
Ts = 890 ℃、酸素分圧 PO2 = 53 Pa、基板移動速度 vs = 7.20
m/h で作製した。buffer 層上に upper 層として BHO 添加
YBCO 層を Ts = 900 ℃、PO2 = 200 Pa で作製した。ここでvs を 0.72 -7.20 m/h と変化させることで upper 層の膜厚を0.2-2.9 µm に制御した。膜厚の算出は、誘導結合プラズマ
発光分析法を用いた。

Fig. 1 Field dependence of the normalized Jc of the 3vol.% BHOdoped YBCO tapes under the longitudinal magnetic fields at 65
K. The inset shows the thickness dependence of the Jcs.f. of the
3vol.% BHO-doped YBCO tapes at 65 K.

3. 実験結果及び考察作製した BHO 添加 YBCO 線材の超伝導特性の評価はカンタムデザイン社製の PPMS を用いた直流四端子法により縦磁場中での測定を行った。Fig. 1 に 65 K における自己磁場中 Jc で規格化したの縦磁場中 Jc の磁場依存性を示す。内装図は 65 K における自己磁場中 Jc を示す。77 K
では縦磁界の増加に対して自己磁場中 Jc を超える特性は得られなかったが、65 K 温度領域の膜厚 1.6 µm の線材では 0.3 T において Jc/Jcs.f. = 1.01 を示した。一方、65 K においても、膜厚を増加させると 2.3 µm 以上では Jc は急激に減少する傾向を示した。
上記の線材に、膜厚 2 µm の Ag 安定化層を成膜し、長さ 7 cm、幅 4 mm の膜厚 0.9 µm の BHO 添加 YBCO 線材
を 9 本作製した。この線材を用いた単層の縦磁場超伝導
導体通電容量 Ic を、計算モデル[3]を用いて評価し、さらにその導体を作製した。Fig.2 に作製した単層の縦磁場
超伝導導体を示す。フォーマはベイクライトを用いて、フォーマへの線材の巻き付け角度は 5°とした。線材と電流端子部と接続には低温はんだを用いて接続した。こFig. 2 Photograph of the single layer force-free conductor.
謝辞
本 研 究 の 一 部 は 、 JST-A-STEP 、 科 学 研 究 費 補 助 金(19K22154、20H02682、20K15217)、NEDO からの助成を受けて実施したものである。本研究で使用した IBAD-MgO
テープは(株)フジクラ飯島康裕様より提供して頂いた。
参考文献[1] A. Tsuruta et al.: Jpn. J. Appl. Phys. 53 (2014) 078003.
[2] T. Matsushita et al.: Supercond. Sci. Technol. Vol. 25 (2012),
No. 125009.
[3] V.S. Vyatkin et al.: Physica C 494 (2013) 135–139― 89 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2P-p09

REBCO 導体

高温超電導 WISE 導体の特性
Characteristics of high temperature superconducting WISE conductors
成嶋 吉朗，松永 信之介，寺﨑 義朗，柳 長門，宮澤 順一 (核融合研)
NARUSHIMA Yoshiro, MATSUNAGA Shinnosuke, TERAZAKI Yoshiro, YANAGI Nagato, MIYAZAWA Junichi (NIFS)
E-mail: Narushima.yoshiro@nifs.ac.jp
1．はじめに低温超伝導体に比べて臨界温度と臨界磁場が高い高温
超伝導(HTS)素材を用いたマグネットにより高磁場を安定に生成することができれば、磁場閉じ込め核融合炉において、プラズマ性能の向上に資すると考えられる。本研究ではヘリカル型核融合炉に対する HTS テープ線材の適用[1]を念頭に置き、WISE (Wound and Impregnated Stacked ElasticTape)[2]の概念で製造した導体の基礎特性の解明を目的とした実験を行った。
2． 直線状 WISE 導体
本研究で作製した直線状 WSIE 導体の基本構造は、テー
プ同士の転流を図るために超伝導面同士を接触させた
REBCO テープ 2 枚１組で積層し、さらに強度の確保のために両面から BSCCO テープで挟み込んだ。積層されたテープを金属フレキシブルチューブで束ね、アルミジャケットに挿入し、低融点金属で含侵し無絶縁導体とした。まず REBCO テープの枚数が 6 枚の導体を作製して試験をしたのち、22 枚の導体を作製した。以後、6 枚仕様を WISE-A、22 枚仕様を WISE-Bと呼ぶ。
3. 実験結果
WISE-A(6 枚仕様)の Ic と n 値の冷却サイクル依存性を図１に示す。11 回の冷却サイクルを通じて Ic=650A、n=7 を維持し、顕著な劣化は観測されなかった。2 回目の冷却サイクルで劣化がみられたが、3 回目で復帰した。WISE 導体の自己修
復的振舞いを示唆する結果を得た。
WISE-B(22 枚仕様)では 6 回の冷却サイクルを実施し、Ic=1000A が得られた。また、2000A 通電した場合の波形を図2 に示す。4 回目の冷却サイクルでは通電開始から 41 秒経過後に(図 3 (a))、5 回目の冷却サイクルでは 107 秒経過後(図 3(b))にクエンチが観測された。冷却サイクルを経るに従いクエンチが発生するまでに要する時間は延び、6 回目の冷却サイ
クルでは約 600 秒間通電しても 0.23mV/m の電圧が観測されるものの、クエンチは観測されなくなった（図 3(c)）。これらの実験結果は、WISE 導体の堅牢さを示唆していると考えられる。
図 3 に、WISE-A と WISE-B の I-V 曲線を示す。WISE-Aに先立って試作した導体(WISE-A 試作)のデータも併記した。
WISE-A 試作導体では Ic~330A であったが、WISE-A では
Ic~650A に増加し、WISE-B では Ic~1000A に達し、臨界電流
値は導体ごとに増加した。それぞれの導体において、臨界電流値に達するまでに常伝導成分が現れており、超伝導体の一部が破壊されていることを示唆している。また、WISE-A と
WISE-B のテープ枚数の比 3(24 枚/8 枚)に対して臨界電流の比は 1.5(1000A/640A)と低く、自己磁場の影響について考える必要がある。今後、外部磁場中での実験を実施し、その影
響や振る舞いについて調べる予定である。

Fig.1 Cooling cycle dependence of Ic and n values
of WISE-A (6 REBCO tapes version)

Fig.2 Time evolution of observed voltage of
WISE-B (22 REBCO tapes version)

参考文献
1. N. Narushima, et al.: PFR, Vol. 15 (2020) 1405076
2. 宮澤順一 他 特許第 6749541 号
Fig.3 I - V curve of WISE conductor. Ic = 330A (WISE-A
prototype), 640A (WSIE-A), and 1000A(WISE-B)― 90 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2P-p11

磁気分離 (2)磁気分離法を用いたマイクロプラスチックファイバーの分離に関する基礎的研究
Fundamental Study on Removal of Microplastic Fibers Using Magnetic Separation
藤井 里至，秋山 庸子, 真鍋 勇一郎, 佐藤 文信 （阪大）
FUJII Satoshi， AKIYAMA Yoko, MANABE Yuichiro, SATO Fuminobu (Osaka University)
E-mail: s-fujii@qb.see.eng.osaka-u.ac.jp
1．はじめに
環境中に流出したマイクロプラスチックの生態系への影響が懸念されている．マイクロプラスチックの一種に，洗濯排水などに含まれるマイクロプラスチックファイバー(Microplastic
Fibers, 以下 MPFs)がある．マイクロプラスチックの排出源の一つに下水処理施設があり，流入下水に含まれるマイクロプ
ラスチックの中で MPFs の割合が約 50%と大きく，その一部が環境中に流出している[1]．
本研究では，MPFs に対して粒径の異なるマグネタイト粒
子を付着させて，磁場印加による分離率の変化を明らかにすることで，下水処理施設において，MPFs を磁気分離法によって効率的に除去する条件を見出すことを目的とした．
2．実験方法
蒸留水 100 mL にポリエステル，ナイロンの短繊維(直径 10µm，長さ 400 µm)を MPFs として 50 mg 添加し，模擬排水を調製した．模擬排水に粒径の異なるマグネタイト (1 次粒径 0.1µm，0.5 µm，2 µm)を 50 mg 添加し，攪拌機を用いて，400 rpmの速度で 5 分間攪拌した．容器下部からネオジム磁石(直径30 mm，高さ 15 mm，表面最大磁束密度 0.5 T)を近づけて，
30 秒間程度静置することで，MPFs の磁気分離を行い，磁気分離後の上澄みを処理水とした．計数板(容積 0.1 mL)を使用
して，模擬排水と処理水の MPFs 濃度の測定を行い，次式により MPFs の分離率を算出した．

この結果に関して，理論的考察を試みた．マグネタイトは蒸留水中で凝集体を形成し，凝集体が MPFs に付着するため，
マグネタイトの凝集体に作用する磁気力と，MPFs との間に作用する表面間力を比較することで，MPFs からのマグネタイトの脱離のしやすさを推定することができる．各粒径のマグネタ
イトと MPFs 間に作用する表面間力を，ファンデルワールス力と電気二重層の相互作用による力の和として求めた．顕微鏡
画像の解析によりマグネタイトの凝集体中に含まれる粒子数を求め，各粒径のマグネタイトの凝集体に作用する磁気力を，
ネオジム磁石の表面から 5 mm の距離における磁場により作用すると仮定して求めた．その結果を Fig.2 に示す．
大粒径のマグネタイトを使用することで，マグネタイトの凝集体に作用する表面間力と磁気力は共に大きくなっているが，表面間力が磁気力より大きいため，マグネタイトの凝集体がMPFs から脱離しないと考えられる．しかし，この計算には，攪
拌により粒子に作用するせん断力や，マグネタイトが磁場下で磁気凝集を起こすことによる磁気力の増加の影響は含まれていない．これらの影響を考慮すると，表面間力と磁気力の差が最も小さい，1 次粒径 2 µm のマグネタイトを用いて MPFs
を磁気分離したとき，マグネタイトの凝集体が MPFs から容易に脱離したため，MPFs 分離率が低下したと考えられる．

3．実験結果・考察
MPFs 分離率のマグネタイト粒径依存性を Fig.1 に示す．ポリエステル，ナイロンのいずれにおいても，マグネタイトの 1 次
粒径 0.5 µm 以下では，MPFs の分離率が 96%以上であったが， 1 次粒径 2 µm では MPFs 分離率が大きく低下した．大粒径のマグネタイトを MPFs に付着させたとき MPFs 分離率が低下している原因として，磁気凝集によるマグネタイトの脱離が考えられる．

Fig.2 Dependence of Surface Forces and Magnetic Force on
Primary Particle Size of Magnetite.
4．まとめ
MPFs に 1 次粒径が 0.5 µm 以下のマグネタイトを付着させて，磁場印加によりマグネタイトの付着した MPFs を分離する
ことで，96%以上の MPFs を分離可能であることが確認された．
また，1 次粒径が 2 µm のマグネタイトを付着させたとき，攪拌
によるせん断力や，磁場印加によるマグネタイトの磁気凝集の影響により， MPFs からマグネタイトが脱離しやすくなり，
MPFs 分離率が低下した可能性があると考えられる．
Fig.1 Dependence of Separation Ratio on Primary Particle
Size of Magnetite for Each MPFs.

参考文献
1. J. Sun, et al.: Water Research, Vol. 152 (2019) p.21-37― 91 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2P-p12

磁気分離 (2)余剰汚泥の熱分解を併用する磁化活性汚泥法による高負荷運転への対応
Magnetic activated sludge process adaptation to high-loading condition
with low temperature incineration of excess sludge
上原 賢宣，酒井 保藏，福田 芳樹，荷方 稔之，六本木 美紀（宇都宮大）
UEHARA Masanobu, SAKAI Yasuzo, FUKUDA Yoshiki, NIKATA Toshiyuki, ROPPONGI Miki (Utsunomiya Univ.)
E-mail: sakaiy@cc.utsunomiya-u.ac.jp
1． はじめに
高負荷条件に磁化活性汚泥(以下 MAS と略)法を対応させるため、余剰汚泥を引抜き、有機物を熱分解してマグネタ
イトを曝気槽に戻し再利用するプロセスを検討した。5 %/d の汚泥を引き抜き、熱処理後に曝気槽に戻しながら、容積負荷1 kg/(m3・d)で連続水処理実験を実施した。その結果、BOD
は磁化活性汚泥法の流出水で 5～25 mg/L、後段の CO 槽流
出水で 10 mg/L 以下まで処理でき、栃木県の上乗せ基準を満たした。マグネタイトは 300℃、30 分の熱処理でも再利用できたが、若干の劣化も認められた。余剰汚泥引抜きによって微生物濃度を 10 g/L 以下に維持できた。
磁気分離による生物学的水処理法である MAS 法は活性汚泥にマグネタイトを添加して磁気分離で運転する水処理法である。軽負荷条件では微生物の増殖と自己消化がバランスするため、余剰泥引抜きは原則不要である。しかし、高負荷条件では平衡汚泥濃度が高くなり、酸素供給が難しくなるな
ど課題があった。本研究では、高負荷条件での磁化活性汚泥法の適用を可能とするため、磁性粉に吸着させた余剰汚泥を引抜き、磁気分離ののち 300℃前後の低温で焼却することで、マグネタイトの酸化を抑制し、マグネタイトを再利用する
MAS 法の運転方法をベンチスケｰル実験により検証する。
2． 方法
Fig. 1 にベンチスケール実験装置を示した。磁気分離装置
は直径 9.7 cm、長さ 10.0 cm の磁石ドラムからなり、下部から流入した MAS を回転磁石ドラムに付着させてスクレーパーで曝気槽にかき落とす仕組みである。磁石ドラム表面は 6 mm ピ
ッチで縞状に着磁したプラスチック磁石であり、最大磁束密度は約 80 mT である。磁気分離槽容積は約 0.2 L である。原水は BOD 2.0 g L-1 に調節した食品工場実排水を用いた。HRT
2.0 d で MAS 槽(5 L)、CO 槽(0.5 L)の 2 段処理とした。BOD
容積負荷は 1.0 kg/(m3・d)とした。
余剰汚泥として 1 週間に 1 回、1.75 L(0.25 L/d、MAS 槽
体積あたり 5 %/d)を引き抜いた。余剰汚泥はマグネットバーに付着させて水から引き上げ、分離水は曝気内へ戻した。汚泥は恒量まで室温で風乾(約 12 h)したのち電気炉で 300 ℃・30分間加熱し有機成分を熱分解した。これを次の汚泥引抜き後に、少量の水を加え乳鉢で十分にすりつぶし，懸濁状態でMAS 槽内へ返送した。流出水濁度及び CO 槽の流出水濁度と、MAS 槽の MLSS、MLVSS 等を測定した。
3． 結果と考察
熱処理条件を検討したところ、400℃以上では、マグネタイ
トが酸化され、強磁性が小さくなることがわかった。300℃・30分の加熱ではほとんど強磁性の劣化が認められなかったので、
本実験では 300℃・30 分の熱処理でマグネタイトのリサイクルを行なうこととした。
引き抜いた汚泥をマグネットバー上で風乾することにより、
12 時間で 90%以上の水分を除去できた。熱処理のエネルギ
ーの節約が期待できる。
汚泥を磁気分離する際、MAS は磁石ドラムに付着して引き上げられ汚泥濃度として、30～50 g-VSS/L に濃縮される。

Support Media

Fig. 1

Fig. 2

Bench scale experimental apparatus

Turbidity change of effluents from MAS and CO

本実験の負荷条件 1.0 kg/(m3・d)では平衡汚泥濃度は 25 g/L前後になると予想されることから、磁石ドラム上で仮に 40 gVSS/L まで濃縮できたとすると、25 g-VSS/L 濃度の MAS 1 L
を磁気分離したとしても 0.635 L の濃縮汚泥と 0.375 L の磁気
分離水に分けられる。そのため 1 L の磁気分離水を得るためには 2.7 L の MAS 懸濁液を磁気分離する必要がある。一方、
10 g-VSS/L の MAS であれば、同じ濃縮条件のとき 1 L でMAS 懸濁液が 0.25 L の濃縮汚泥と 0.75 L の磁気分離水に分けられるため、1 L の磁気分離水を得るために 1.3 L の MAS
懸濁液を磁気分離するだけで良い。曝気槽の汚泥濃度が低くなると分離装置のイニシャルコストを軽減できることがわかる。
酸素供給の面からも低汚泥濃度条件は有利であり、内生呼吸による酸素消費の軽減、酸素溶解効率の向上などから、曝気の電力を節約できる可能性がある。
再生したマグネタイトを添加した直後に MAS 槽からの流出
水濁度が悪化することがあるため、MAS 槽からの流出は 100
NTU 付近まで増加することがあったが、CO 槽で 10 NTU 以
下まで除去された。BOD は MAS 流出水で 5～25 mg L-1、
CO 流出水については 10 mg L-1 以下であり、栃木県の上乗
せ基準(日間平均 20 mg L-1)を満たした。マグネタイトの酸化による強磁性の低下は若干認められたが、108 日目までマグネタイトを追加する必要はなかった。
4． まとめMAS法において余剰汚泥を熱処理してマグネタイト
を再利用できた。低汚泥濃度でMAS法を運転できるため、磁気分離や酸素供給の面で有利となることが示唆された。

― 92 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

2P-p13

磁気分離 (2)磁気分離法を用いた流出油の回収に関する基礎的研究
Fundamental Study on Recovery of Spilled Oil using Magnetic Separation
齊藤 晃大，佐藤 文信，秋山 庸子，真鍋 勇一郎（阪大）
SAITO Kota, SATO Fuminobu, AKIYAMA Yoko, MANABE Yuichiro (Osaka University)
E-mail: k-saito@qb.see.eng.osaka-u.ac.jp
1．はじめに
石油タンカーの座礁事故に伴う重油流出が世界各地で問題となっている。2020 年には，インド洋モーリシャス沖で 1000ｔ超の重油が流出し，環境被害が問題となった。本研究ではこの流出油の回収に磁性活性炭(Magnetic Activated Carbon：
以下 MAC)の使用を検討した。MAC に重油を吸着させ，それらを磁気分離法により海面から回収することで，迅速かつ環境負荷の小さい回収手法の実現可能性を検討した。
2．実験方法2.1 市販 MAC を用いた磁気分離実験
ビーカーに蒸留水 100 mL，A 重油 1 mL，乾燥させた MAC（MS エンジニアリング株式会社製) 0.02～0.50 g を添加し，撹拌機を用いて 150 rpm で 10 分間攪拌した。次にビーカー側
面よりハルバッハ磁石(表面最大磁束密度 1.3 T)を用いて磁場を印加し，MAC を磁気分離した。分離後の処理水を，ホモジナイザにより 30000 rpm で攪拌することで全体を乳化することで，TOC 測定により水中に乳化油，浮上油として残留した
残存油分量を評価した。

MAC の量の増加に伴い，凝集体の間隙に A 重油が付着したことが考えられる。
Fig.2 に市販 MAC と調製した MAC それぞれの磁化曲線を示す。活性炭に対する鉄イオン添加量の増加に伴って質量飽和磁化が大きくなることが分かった。質量飽和磁化は鉄イ
オン添加量に比例することが考えられたが，誤差のある結果となった。原因として，析出させたマグネタイトの一部が酸化し，常磁性体のヘマタイトに変化したことが考えられる。
Fig.3 に市販 MAC と調製 MAC の重油除去率の比較を示す。A 重油除去率は，いずれの MAC 添加量においても，市販 MAC を使用した場合が最も高くなった。調製した MAC では飽和磁化が高くなり，市販 MAC の場合より低磁場で磁気分離することが可能になった半面，細孔内や表面でのマグネ
タイトの析出により，MAC の表面積や細孔数が減少したことが原因であると考えられる。これは，析出させるマグネタイトの粒径を制御し微細化することや，マグネタイトを核としてその表面に活性炭を吸着させることが考えられる。

2.2 飽和磁化の高い MAC とそれを用いた磁気分離実験
粉末状活性炭(株式会社クラレ製) 2.0 g を蒸留水 20 mL に添加した。マグネタイトの原料として Fe2(SO4)3・nH2O (n = 6～
9) 0.74 g を蒸留水 52 mL に，Fe(SO4)・7H2O 0.80 g を蒸留水
6 mL に溶解させた。活性炭と鉄イオンを混合し，30 分間攪拌した。次に，8 mol/L の KOH を pH が 10～11 になるまで滴下し，60 分間攪拌した。室温で 24 時間静置し，吸引ろ過を行った。蒸留水とエタノールで洗浄した後，乾燥させた。マグネタ
イトと活性炭の質量比をそれぞれ 1：4，2：4，4：4 と変化させ，3 種類の MAC を調製した。調製した MAC 0.10 g，0.30 g を用いて 2.1 と同様の実験を行い，A 重油の除去率を比較した。
磁気分離にはネオジム磁石(表面最大磁束密度 0.45 T)を使用することで，ハルバッハ磁石と比較して低磁場による磁気分離を行った。

Fig.2 Magnetization curves of commercial andprepared MAC.

3. 実験結果・考察
市販 MAC を用いた磁気分離実験の結果を Fig.1 に示す。
MAC 添加量 0.30 g で A 重油の分離率は 98 %を超える結果となった。また，除去率の増加は 0.02～0.05 g，0.05 g～0.30
g の 2 段階となる傾向が見られた。この原因として，初めに
MAC による A 重油の吸着が進んで細孔内が飽和した後，Fig.3 Comparison of the removal rates of heavy oil A
from commercial and prepared MAC.

4. まとめMAC により 98%の重油を回収可能である可能性が示された。
また，MAC の飽和磁化の向上により，低磁場での磁気分離可能性が示された。今後は，質量飽和磁化を高くしても重油除去率が低下しない吸着材量の開発と，連続的に重油回収を行うための磁気分離システムの設計を行う予定である。
Fig.1 Relationship between the amount of MAC added andthe removal rate of heavy oil A.

― 93 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-a01

電力応用

超伝導ケーブルの熱応力緩和法―ヘリカル変形法
Reduction of thermal stress of superconducting power cable – Helically deformation method
山口 作太郎，岩田 暢祐，芳村 幸治，イワノフ ユーリ, 高野 廣久（中部大）
YAMAGUCHI Sataro，IWATA Yosuke，YOSHIMURA Koji, IVANOV Yury, TAKANO Hirohisa
E-mail: yamax@isc.chubu.ac.jp
1．はじめに2016 年春の低温工学・超電導学会で超電導ケーブル冷却によって発生する熱応力の緩和について、中部大学及び石狩プロジェクトでの結果の速報[1]を行った。その後、一連の実験データの解析継続している。本報告では中部大学での 200m ケーブル[2]、JST ASTEP での実験及び石狩で行った実験までを取りまとめて報告する。
超伝導ケーブルは常温で作られて、敷設されるため、冷却することによって縮む。これは銅などのケーブル構造材の熱収縮率が液体窒素温度まででほぼ 0.3%であることが原因である。一方、銅が 0.3％ほど変形すると塑性変形領域に入るため、何らかの方法で熱応力緩和を行う必要がある。実際、石狩プ
ロジェクトでは回線 2 区間 2（Part 2）は対策を行わなかったた
め、ケーブル接合部で破断が生じた。
ケーブル熱応力緩和には、断熱二重管（二重コルゲート
管を含む）の部分的変形を含む方法もあり、他のプロジェクトでは実施された。一方、中部大学で開発を進めた断熱二重管は solid pipe を利用しているため、断熱二重管部での熱収縮対策は基本的に不可能である。これは長距離ケーブルでの流体損を下げると同時に熱侵入量を最小化するためには、
必要不可欠と考えている。従って、ケーブル自身による熱収縮対策が必要になる。
以下では、ヘリカル変形法について今までの実験データをまとめ、この方法が効果的であることを実験結果を述べる。
2．石狩プロジェクト回線 2 の実験結果
Fig. 1 に石狩プロジェクト回線 2 の基本構成を示す。2 つの端末クライオスタットは可動式であり、これを移動することで熱応力緩和が可能である。ケーブル端はロードセルが接続してあり、ケーブルに働く力を測定可能になっている。

Joint B

Part2
125m
Joint A

Part1
469m

Part3
373m

movable terminal B(0 ~ 0.5m)

movable terminal A(0 ~ 0.5m)

方法を試すことができた。そして、Part 1, Part3 には違うヘリカ
ル変形敷設方法を取った。但し、Part 2 には熱応力緩和策を施さなかった。ケーブル引張力の計測は terminal A, terminal
B で行い、Part 1 と Part3 のケーブル片側の引張力を測定した。第一回目の冷却昇温時の実験データを Fig. 2 に示す。これは 2015/10/28 – 2015/12/12 までのデータとなる。尚、部
分的に計測を止めた時期や計測ケーブルを外したときのデータはプロットされていないか、ゼロになっている。

Fig. 2 Tensile forces of terminals A & B in the 1st cooling
横軸は日時であり、縦軸は引張力（負値は圧縮力になる）
であり、冷却開始から昇温終了までのデータを示している。ここで重要な事はこの測定中は terminal cryostat は移動していないことである。つまり、最初にヘリカル変形法でケーブルを敷設した後は特にケーブル引張力を緩和する位置変更はは行っていない。そして、最大引張力はほぼ１ton であった。このケーブルは 0.3%伸びで 3ton の引張力になるため、ヘリカル
変形法を適用することによって 1／3 まで応力緩和ができたことを実験的に示している。
3．まとめ
ヘリカル変形法を開発し、実験としてケーブル引張力とケーブルの断熱二重管内への引込長の測定を常温及び低温で行ってきた。この現象は基本的には非線形ヒステリシス特性を示した。これはケーブル表面と断熱二重管内管表面の摩擦、
液体窒素中の浮力、異なった温度での摩擦係数の変化、更に断熱二重管の自然条件の変化による長さの変化などが加わっているため、複雑な現象となるためと考えている。特に、回線 2 は地上設置であったため、自然条件の影響を強く受けた。つまり、日中太陽光によって断熱二重管の外管温度が上がると、断熱二重管が伸びるため、引張力は日中は大きく、夜間は低かった。尚、ケーブル接続部の破断後、二回目の冷却昇温実験では、破断部を接続し、断熱二重管からは力学的支持をしなかった。そして、同様な測定を行った。今回発表予定である。
以上によって、様々な条件変化はあるが、ヘリカル変形法
によって、引張力を少なくとも 1／3 程度まで下げることが可能になったまとめることができる。

Fig. 1 Layout of Line 22 つの接続部（joint）はケーブルが断熱二重管からそれぞれ独立に支持されている。このため、3 つのケーブルは力学
的には互いに独立である。このため、それぞれ異なった敷設

参考文献
1. 山口、岩田、イワノフ、筑本、井上、林（住友電工）、2016
年度春期低温工学・超電導学会 講演概要集、3B-a01.
2. S. Yamaguchi, et al.: Physica C, Vol. 471 (2011) p.1300.

― 94 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-a02

電力応用

Coated conductor と Bi2223 を用いた積層導体の並列運転時の臨界電流
Critical current of coated conductor and Bi2223
for hybrid stacked conductor of parallel operation
神田 昌枝，川合 修平, 岩田 暢祐, 山口 作太郎 （中部大学）
KANDA Masae， KAWAI Shuhei, IWATA Yousuke, YAMAGUCHI Sataro (Chubu University)
E-mail: kanda@isc.chubu.ac.jp
1．緒言
近年、航空機では銅ケーブルに代わる軽量で大電力が通電可能な超伝導ケーブルの利用が検討されている。なお、現在の航空機では直流から 600Hz までの交流を利用している。
また、アースが取れないこと、高高度では気圧が低いため、高電圧の利用には制限があり、400V 以下での利用されている。
このため本研究では、超伝導テープ線材をスタック状に積層して、各層に逆方向の電流を流すケーブル導体（バスバー）を提案してきた[1, 2]。これは、超伝導テープ線材が磁場の影響を受けやすいので、できるだけ自己磁場で磁場を下げるための構造である。
過去の研究では、実際に Bi2223 の積層導体は、電流が同方向の場合、臨界電流は低下した。[1]また、超伝導テープ
線材の電流の均流化が課題で、航空機用の超伝導ケーブル
として Roebel 導体が開発された。しかし、超伝導テープ線材を細く切り出すため臨界電流は半分以下になることが報告されている[3]。本研究では、coated conductor と Bi2223 超伝導
テープ線材を組み合わせてケーブル導体を試作し、電流リードの抵抗によって均流化を試みた。
2．実験試料・方法
本研究で使用した試料は、coated conductor （SCN04200,
SuNAM 製）と Bi2223（DI-BSCCO, HT-CA, 住友電工製）の超伝導テープ線材を準備した。coated conductor の試料形状
は横幅 4.1mm、厚み 0.14mm で 77K 時の臨界電流は 200Aのものを使用した。また Bi2223 の試料形状は横幅 4.6mm、厚み 0.35mm で 77K 時の臨界電流は 190A のものを使用した。
図 1 に示すように coated conductor と Bi2223 の超伝導テープ線材を組み合わせて線材 6 層を重ねており、最外層（1＋、3－）の 2 本は coated conductor、内側 4 本（1－、2＋、2－、
3＋）を Bi2223 とした。なお、各層毎に電流方向を反転させて、積層導体の並列運転時の臨界電流測定を行った。

Fig1．Experimental connection of the power supply, the copper
strands forming the current leads, the HTS tapes, and the load,
connected directly. [4]3．実験結果・考察
各層毎に電流方向を反転させて、積層導体の並列運転時の臨界電流測定電流の結果を図 2 に示す。積層導体に流す
電流を少しずつ上げると、線材 3＋（Bi2223）は低い電流で電圧が発生した。その結果、並列運転時の臨界電流は 517A となった。3+には他テープ線材電流に比べて大きい電流が流れるため電圧が発生し、結果として積層導体全体の臨界電流が制限された可能性がある。それは、各線材の電流が異なるのは、電流リード及び接続部等の抵抗値が完全に同じでは無いためである。

Fig.2 Relation between current and voltage for parallel
operation.

4．結言
本研究では、超伝導技術を超伝導送電システムや超伝導
モ ー タ な ど 新 し い技 術 と し て 宇 宙 ・ 航 空 機 応 用 す る た め
coated conductor と Bi2223 を組合せ、積層構造に加工した。
そして、各層毎に電流方向を反転させ、各層毎に電流方向を反転させて、積層導体の並列運転時の臨界電流測定を行った。その結果、並列運転時の臨界電流は 517A となった。3+には他テープ線材電流に比べて大きい電流が流れるため電圧が発生し、結果として積層導体全体の臨界電流が制限された可能性がある。それは、各線材の電流が異なるのは、電流リード及び接続部等の抵抗値が完全に同じでは無いためである。
本研究の提案は直流の超伝導ケーブルであるが、各層に流す電流は逆方向のため、多極磁場配位になり、発生総磁束が最も少ない構造でもある。従って、交流損の低下も期待できると考えている。また将来的には交流ケーブルとしての高い周波数での損失特性を測定したいと考えている。更に超伝導ケーブルを曲げると曲げた所では磁場分布が変化するため、臨界電流も変化すると思われる。今後は、曲げた状態での磁場分布も測定し、直線部との比較を行う予定である。
参考文献
1. J. Sun, et al.: Physics Procedia, Vol. 36 (2012) 1290-1295.
2. J. Sun et al.: Physica C, Vol. 494 (2013) 297-301.
3. S. S. Fetisov et al.: IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED
SUPERCONDUCTIVITY, Vol. 26 (2016) 4803204.
4. S. Yamaguchi et al., Superconductor Science andTechnology, Vol.34 (2021) 014001.

― 95 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-a03

電力応用

非接触給電システム用 HTS コイルの高エネルギー密度化および低損失化のための基本構造に関する検討
Study on the structure of HTS coil for high energy density and low AC loss
in wireless power transmission system
井上 良太，植田 浩史，金 錫範(岡山大)INOUE Ryota, UEDA Hiroshi, KIM SeokBeom (Okayama Univ.)
E-mail: ryota.inoue@okayama-u.ac.jp
1．はじめに
近年，低炭素社会に向けて，非接触給電システムを用いた蓄電池電車が検討されている。その一方で，蓄電池電車は，
約 60 s 間の急速充電（数 100 kW 級）が求められるため，従来の銅コイルでは，コイルの発熱が課題となっている。そこで，我々は，HTS コイルを用いた鉄道用非接触給電システムについて検討している[1]。一方，これまでの概念設計の中で，HTS コイルの交流損失を低減させるため，車両および地上側に HTS コイルを 8 台並列化（0.5 m2/台）させる必要があり，コイルおよび冷却システムの大型化が問題であった。そのため，
HTS コイル 1 台あたりに送電可能な電力密度を向上させる必要がある。そこで本検討では，高エネルギー密度化かつ低損失化が可能なコイルの基本構造を明らかにするため，
REBCO 線材の並列化によるコイル構造の違いが HTS コイルの交流損失特性および非接触給電システムの電力伝送特性に与える影響について検討した。

に比べて 1.5 倍程度，また銅コイルに比べて 15 倍以上に改善できることがわかった。以上より，非接触給電システム用
HTS コイルは，コイル高さが線材幅の 2 倍必要となるダブル
パンケーキコイル形状よりも，コイル高さが線材幅と同様となる
シングルパンケーキコイル構造で，幅の狭い線材を径方向に並列化することが，高エネルギー密度化かつ低損失化に適して い る こ と が わ か っ た 。 な お ， 本 研 究 は ， JSPS 科 研 費（20K22414）の助成を受けたものである。

(a)2．解析条件
本検討では，2 両編成の蓄電池電車を想定し，地上および車両側に液体窒素冷却を想定した 1 台の冷凍機（冷凍能力:
1 kW，冷凍機動力：10.8 kW）を設置した。Fig.1 に検討した
HTS コイル構造を示し，Table１にコイルの諸元を示す。ここで，Type A は，10 mm 幅の REBCO 線材を用いたシングルパン
ケーキコイルである。Type B は，5 mm 幅の REBCO 線材を 2並列に配置し，コイル上下で転置させたダブルパンケーキコ
イルである。Type C および Type D は，2.5 mm 幅の REBCO
線材を 4 並列に配置し，コイル上下で転置させたダブルパン
ケーキコイルおよび各ターンで転置させたシングルパンケー
キコイルである。ここで，Type A,B,C,D における線材合計の臨界電流値 IC0 は，600 A（0 T,77 K）で統一した。なお，本検討
では，並列化による電流の偏りを独立した電気回路から求め，薄膜近似を適用した TA 法による電磁界解析を用いて HTS
コイルの交流損失を計算した。なお，HTS コイルの侵入熱は，ステファン・ボルツマンの法則を用いて計算した。
3．結果および考察
Fig.2 に Type A から Type D の１サイクルあたりの交流損失の電流依存性および Norris の計算結果を示す。Fig.2 より，幅広線材を用いた Type A の交流損失に比べて，線材幅を狭くし並列化させた Type B, C, D の交流損失は低減することがわかる。これは，幅狭線材を並列化することで，隣り合う巻き線間の磁界による磁化損失が低減するためと考えられる。なお，Type A および B の交流損失は，ほぼ同様になった。これは，Type B は，Type A に比べて 2 分の 1 幅の線材を用いている
ものの，ダブルパンケーキコイル形状であることから，Type Bのコイル高さが Type A とほぼ同様となるためと考えられる。また，Type C および D の交流損失は，Type A の交流損失よりも 2～3 分の１程度に減少した。これは，Type A の線材幅に比べて 4 分の 1 幅の線材を用いており，コイル高さが低くなるためと考えられる。
Table 2 に HTS コイルを 2 台設置した場合における鉄道用
非接触給電システムの電力伝送特性を示す。Table 2 より，線材幅を狭くし並列化させることによって，受電電力が増加し，充電時間の短縮，電力伝送密度の向上が確認された。特に，Type D を用いることで，冷凍機動力を含めても 96%以上の高効率で，60 s 程度の急速充電ができる可能性がある。また，コ
イル１台あたりの電力密度は，Type D を用いることで，Type A

Type A(b)

Type B(c) Type C(d) Type D
Fig.1 Cross section of the HTS coil for the railway vehicle.
Table 1 Specifications of the HTS coil for the railway vehicle
SC layer (μm)
2
Inner diameter (mm)100
Outer diameter (mm)800
Number of layers
80n value30
2
Critical current density JC0 (A/m )3.0×1010
Self-inductance (mH)2.3

Fig.2 Analytical results of the AC loss per cycle in the HTS coils for the
railway vehicle as a function of transport current.
Table 2 Electric power transmission characteristics of the WPT system
for the railway vehicle using the HTS coils or Cu coils
Type Type Type Type Cu[2]A
BCD
Receiving power (kW)366.0 396.0 460.0 586.0 232.2
Charging time (s)
98.0
91.0
78.0
61.0 154.0
Power density (kW/m2)
364.1 393.9 457.6 582.9 32.3
Resonance
3.9
3.6
3.0
2.4
10.8
frequency (kHz)AC loss per HTS coil (W)250
Intrusion heat amount250
per HTS coil (W)Transmission efficiency
94.7
95.4
96.4
85.2
including cooling power 94.3
(%)

参考文献

[1]R. Inoue, et al.,J.Cryo. Super. Soc.Jpn., vol. 55, no. 1, pp. 62-69, 2020
[2]K. Ukita, et al., Proc. IEEE PELS Workshop Emerg. Technol.:
Wireless Power, pp. 1-6, 2015.

― 96 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-a04

遮蔽電流・交流損失

REBCO マグネットの新しい遮蔽電流解析手法の提案
A new modeling for screening current simulation of REBCO magnets
野口 聡（北海道大学）； HAHN Seungyong（SNU）
NOGUCHI So (Hokkaido Univ.); HAHN Seungyong (Seoul National Univ.)
E-mail: noguchi@ssi.ist.hokudai.ac.jp
1．はじめにREBCO マグネットの遮蔽電流は大きな問題であり、実験的な検証と共に、シミュレーション手法も多数開発されてきた。
例えば、Wang らは、回転対称有限要素法(A2D-FEM)で遮蔽電流を評価してきた[1]。Ueda らは、有限要素法と薄板近似法
を組み合わせた遮蔽電流磁場解析手法(Q3D-FEM)を開発してきた[2]。それらの手法を用いることで、マグネット中心磁場を評価できてきた。
しかし、近年、遮蔽電流が REBCO テープ線内に局所的に大きな応力を発生させている可能性が指摘されてきた[3]。応力分布を詳細に知るためには、遮蔽電流の分布がこれまで以上に重要になってくる。そこで、これまでに開発されてきた遮蔽電流解析手法（A2D-FEM と Q3D-FEM）の特徴を改めて整理した。さらに、それらの手法の欠点を補うべく、新しい手法を開発した。
2．A2D-FEM と Q3D-FEM の特徴
A2D-FEM は回転対称としてマグネットを扱うことで、マグネットモデルの簡略化が可能となっているが、コイルの巻線構造が反映できていない。さらに、軸方向電流も解析できない。その結果、遮蔽電流を過大評価する可能性がある。
Q3D-FEM では、巻線構造は詳細に表現できており、かつ
軸方向電流も解析できるので、比較的精度が高いと考えられる。一方で、定式化の段階で軸方向磁場変化の項が無視されている（薄板近似法のため）。その近似により、REBCO 層の厚みが簡略化され、電流分布に影響を与えると考えられる。
TABLE I に、これらの特徴をまとめた。
また、計算に必要な時間やメモリ容量も比較すると、A2DFEM では断面解析となっているために、Q3D-FEM よりも有利である。しかし、REBCO 層や Hastelloy 基板、銅安定化層、さらには周囲の空気までメッシュ分割する必要があり、ある程度のメモリ容量が必要となる。一方、Q3D-FEM では、メッシュ分
割は REBCO 層だけであるが、全ての要素からの磁場の寄与を計算する必要があり、高速多重極法などの高速化計算手法を導入しなければ、計算時間、使用メモリ量の観点から、非現実的な解析となる。
3．提案解析手法
前述のような理由から、新しい遮蔽電流解析手法を開発した。開発した手法は、有限要素法でなく、回路方程式に基づく手法である（詳述は発表当日行う）。また、開発手法は、軸方向電流も表現でき、巻線構造も考慮されている。さらに、軸方向磁場の時間変化も考慮できており、これまでの解析手法の欠点を補うことができている（TABLE I）。また、パンケーキコ
イル間の影響は、相互インダクタンスで考慮されているため、メモリ使用量も圧倒的に削減でき、かつ計算時間も短くなっている。
TABLE IFEATURES OF MODELS
A2D-FEM Q3D-FEM
Axial current
×○
Winding structure×○Time-varying○
×axial field
Computation time○×
Used memory△
×

Proposed○○○○○

Fig. 1 にシミュレーション事例を示す。コイル諸元は、文献[4]の通りである。通電電流は、30A まで 0.167 A/s で上昇させている。文献[4]の電流分布とは異なる結果となっている。続
いて、Fig. 2 にコイル中心における遮蔽電流磁場を示す。従来法である Q3D-FEM と比べて、提案手法の方が実験に近い結果が得られていることが分かる。

Fig. 1. Current distribution maps at operating currents of
10, 20, and 30 A.

Fig. 2. Screening current-induced field as a function ofoperating current.
参考文献
1. Y. Wang, et al., High Voltage, vol. 5, no. 2, pp. 218–226(2020).
2. H. Ueda, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 23(2013), art no. 4100805.
3. S. Hahn et al., Nature, vol. 570, pp. 496–499 (2019).
4. A. Mochida, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 26,(2016), art. no. 4700705.

― 97 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-a05

遮蔽電流・交流損失

励磁時における REBCO パンケーキコイル形状変形による遮蔽電流への影響
Effect on screening current of REBCO pancake coil deformation during charging
野口 聡（北海道大学）； HAHN Seungyong（SNU）
NOGUCHI So (Hokkaido Univ.); HAHN Seungyong (Seoul National Univ.)
E-mail: noguchi@ssi.ist.hokudai.ac.jp
1．はじめに世界中で超高磁場用 REBCO マグネットの開発が進められてきている。しかし、幾つかの超高磁場用 REBCO マグネット
で、クエンチ後に REBCO テープ線の塑性変形が確認されている。そして近年、REBCO テープ線の塑性変形の原因として、遮蔽電流による局所応力増加が議論されてきている[1,2]。
ASC 2020 では、電磁力によりマグネットが変形し、遮蔽電流が低下する可能性も指摘された。したがって、遮蔽電流の評
価（解析）の重要性が一段と増してきている[3]。
これまでにも、遮蔽電流磁場解析手法は種々提案されてきている。しかし、実際の遮蔽電流分布は分からないので、磁場で遮蔽電流解析結果の精度が判断されてきた。しかし、遮蔽電流による変形は、遮蔽電流分布に強く依存することから、今後は歪みなどの測定から遮蔽電流分布解析結果の精度が検証できる可能性も秘めている。
本稿では、短線試料および簡単なコイルのパンケーキコイ
ル形状変形を考慮した遮蔽電流解析を実施した。
2．短線試料の遮蔽電流および変形解析
REBCO の短線試料およびコイルの遮蔽電流解析は、等価回路法[4]で実施した。弾性解析は、有限要素法で実施した。
本原稿では、短線試料の解析結果について報告する。外部磁場マグネット内で、REBCO 短線の両端を固定し、磁場を増加させる。ただし、外部磁場は REBCO テープ表面から少し角度をつけて（deg.）増加させている（Fig. 1 参照）。これにより、REBCO 短線試料には、外部磁場の増加とともに遮蔽電流が流れ、かつ REBCO テープ線を捻るように電磁力も増加する。なお、REBCO 短線試料には強制電流を流していない。
Fig. 2 に外部磁場増加中の遮蔽電流分布解析結果を示す。
Fig. 2(a)は外部磁場増加初期であり、REBCO テープは変形しておらず、REBCO テープの最外側を遮蔽電流が流れている。
Fig. 2(b)では、徐々に外部磁場が増加しており、REBCO テープも変形を始めている。REBCO テープの幅方向が外部磁場と同じ方向を徐々に向き始めている。それと同時に、外部磁場のテープ面垂直成分が減少し、遮蔽電流の減少が
REBCO テープ長手方向中心付近で確認できる。
Fig. 2(c)では、さらに外部磁場を増加させた状態である。
REBCO テープ中心部分がさらに傾いてきており、それとともに遮蔽電流がほぼゼロになってきている。この時点で、REBCO テープの幅方向は、外部磁場とほば同じ方向を向いている。また、Hastelloy 基板が堅固なため、REBCO テープ長
手方向中心付近では、テープが磁場よりも傾いてきており、逆向きの遮蔽電流が若干流れている。
3．コイルの遮蔽電流および変形解析
当日の発表となるが、小さなコイルを外部マグネット内部に置き、外部マグネットを増加させた時の遮蔽電流および変形解析を実施した。変形量は、僅かではあるが、テープ幅方向
が磁場方向を向くため、遮蔽電流は減少する。また、テープ
面垂直磁場成分が減少するために、臨界電流密度も僅かに大きくなる。これらのことが作用し、変形を考慮した遮蔽電流
磁場解析では、考慮しない時と比べて遮蔽電流分布が異なることが確認できた。

ape

CO t

REB

a deg.
eld

nal fi

Exter

Fig. 1. External field applying to a short sample REBCO
tape. The field has an  deg. angle from the normal of widesurface of REBCO tape. Both ends of the REBCO tape are
fixed.

Fig. 2.
Time-transient screening current map during
increasing the external magnetic field. By increase in thefield and screening current, the tape is twisted. And then, thescreening current is vanished at the middle of the tape.

参考文献
1. S. Hahn, et al., “45.5-tesla direct-current magnetic field
generated with a high-temperature superconducting
magnet,” Nature, vol. 570, pp. 496–499, Jun. 2019.
2. P. C. Michael, et al., “Assembly and test of a 3-nasted-coil
800-MHz REBCO insert (H800) for the MIT 1.3 GHz
LTS/HTS NMR magnet,” IEEE Trans. Appl. Supercond.,
vol. 29, no. 5, Aug. 2019, art. no. 4300706.
3. S. Hahn, K. L. Kim, K. Kim, K. Bhattarai, K. Radcliff, X.
Hu, T. Painter, I. Dixon, and D. Larbalestier, “Progress in
No-Insulation HTS Magnet Researches,” presented at
Applied Superconductivity Conference 2018.
4. S. Noguchi, Abstracts of CSSJ Conference, 3A-a04 (2021).

― 98 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-a06

遮蔽電流・交流損失

高温超電導スケルトンサイクロトロンにおける
REBCO 線材細線化による遮蔽電流磁場低減の検討
Examination on reduction of screening current-induced magnetic field in striated REBCO coilsystem for HTS coil system of Skelton Cyclotron
糸日谷 浩平，白井 航大，石山 敦士（早大）；植田 浩史（岡山大）；
野口 聡（北大）；渡部 智則，長屋 重夫（中部電力）；福田 光宏（阪大）
ITOHIYA Kohei， SHIRAI Kodai， ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.); UEDA Hiroshi (Okayama Univ.);
NOGUCHI So (Hokkaido Univ.); WATANABE Tomonori， NAGAYA Shigeo (Chubu Electric Power Co., Inc.);
FUKUDA Mitsuhiro (Osaka Univ.)
E-mail: itohiya.waseda@ruri.waseda.jp
1．はじめに
我々は、進行がん治療に効果が期待されている α 線核医学治療のための α 線放出 RI(211At)を安定的に製造・供給できる超小型・高強度・エネルギー可変の加速器として、「高温超電導スケルトンサイクロトロン（HTS-SC）」の開発に取り組んでいる(1)。
HTS-SC では、粒子加速面において空間的・時間的に高精度・高安定な磁場分布が要求される が、使用を想定する
REBCO 線材はテープ形状のために、磁場変動に伴い遮蔽電流が顕著に誘導される。そしてこの遮蔽電流によって発生する不整磁場の影響が非常に問題になっている。遮蔽電流低減法の 1 つに REBCO 線材の細線化処理がある。
我 々 は HTS-SC の 小 型 実 証モ デ ル で あ る Ultra-Baby
Skeleton Cyclotron(UBSC)を 2021 年度に試作、2022 年度に実験を実施し、電磁的・熱的・機械的振る舞いを評価する予定である。
今回は UBSC を対象に、REBCO 線材に細線化処理を施した場合の解析を行い、遮蔽電流磁場の影響評価を行ったので報告する。

Fig.1 Schematic of the REBCO coil system of UBSC
Table.1 Specifications of UBSC coil

2．解析対象及び解析方法
Fig.1 に示す円形のメインコイル 4 対 8 コイルと非円形のセクターコイル 3 対 6 コイルから成る UBSC を解析対象とし、REBCO 線材の超電導層幅は 6mm、厚さを 1.6µm とした。
Table1 にコイルの諸元を示す。解析手法として、我々が開発した有限要素法、境界積分方程式法および高速多重極法に基づく 3 次元非線形電磁界解析プログラムを用いた(2)。
3．解析結果メインコイルとセクターコイルともに運転電流値 540A まで
励磁速度 1A/s で励磁し、励磁完了時点での粒子加速面での遮蔽電流磁場分布を計算した。(a)細線化なし、(b)メインコイ
ル 3 のみ細線化、(c)セクターコイルのみ細線化、(d)メインコイ
ル 3 とセクターコイル細線化の 4 つのパターンの解析を行った。これら 4 パターンについて、粒子取り出し半径 0.2m 円周上での遮蔽電流磁場を図 2 に示す。(a)の時、メインコイル 3 とセクターコイルの作る遮蔽電流磁場が大きいことが分かった。
そこで(b)、(c)の解析を行った。(b)では(a)と比べ、遮蔽電流磁場が全体的に正方向にシフトし、(c)ではセクターコイル存在箇所(0°,120°,240°)での遮蔽電流磁場が低く抑えられた。以上の結果を踏まえ、(d)の解析を行った。その結果、全体的に負方向の遮蔽電流磁場を抑えながら、セクターコイル箇所の遮蔽電流磁場を低減でき、半径 0.2m 円周上での遮蔽電流
磁場を-1mT から+1mT の範囲内に抑えることができた。
本研究の一部は、科研費基盤研究 S(18HD5244)に依ったことを付記する。

Fig.2 Screening current-induced field on thecircumference at the extraction radius of 0.2m
参考文献
1. H. Ueda, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.29,
4101105 (2019)
2. H. Ueda, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.23,
4100805 (2013)― 99 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-a07

遮蔽電流・交流損失

無絶縁 REBCO コイルシステムにおける励磁遅れを考慮した遮蔽電流磁場の低減法
Method of reducing screening current-induced magnetic field considering charging delay in NoInsulated REBCO coil system
小久保 早希，村上 将吾，石山 敦士(早大)；植田 浩史(岡山大)；野口 聡(北大)KOKUBO Saki，MURAKAMI Shogo,
ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.)；UEDA Hiroshi(Okayama Univ.);NOGUCHI Sou (Hokkaido Univ.)
E-mail:atushi@waseda.jp
1．はじめに
なお本研究の一部は科研費(基盤 S：18H05244)によった。

我々の研究室では、次世代医療用加速器や高磁場 MRI の実現を目指し、無絶縁(No-Insulation)REBCO 超電導コイル(NI コイル)の開発に関する研究を行っている。これらの応用においては、時間的・空間的に高い磁場精度が求められる。しかし REBCO 線材はテープ形状のため、変動磁場に伴って遮蔽電流が誘導されて磁場精度が悪化することが問題となる。さらに NI コイルでは層間が絶縁されていないため、周方向だけ
でなく径方向にも電流が流れてしまい、励磁遅れが発生する。
本研究ではこの 2 つの現象を同時に考慮した遮蔽電流解析を行い、励磁遅れが、先行研究[1]により時間安定度向上への有効性が確認されている電流制御法の効果にどのような影響を与えるかを調査した。
2．解析方法
解析対象は先行研究[2]で試作・実験した 10T 級マルチ絶
縁 REBCO コイルである。その概略図を Fig.1 に示す。遮蔽電Fig.1 NI model pancake coil schematic and equivalentcircuit

流解析は以下の(1)式で示す支配方程式に基づくプログラム
を用いており、有限要素法と高速多重極法を適用した 3 次元

250のマルチコイルシステムの等価回路から導かれる(2)式の回路
方程式を解き、周方向電流を算出して、その電流による磁場①overshoot②100shold③1000shold

運転電流

200

{𝜵𝜵 × 𝜌𝜌(𝜵𝜵𝑇𝑇 × 𝒏𝒏)} ⋅ 𝒏𝒏 +𝑁𝑁(𝜵𝜵𝑇𝑇 ′ × 𝒏𝒏′ ) × 𝑹𝑹
𝜇𝜇0 𝑑𝑑 𝜕𝜕
𝜕𝜕𝑩𝑩𝟎𝟎∫⋅ 𝒏𝒏𝑑𝑑 𝑆𝑆 ′ = −⋅ 𝒏𝒏(1)𝑅𝑅 3
4𝜋𝜋 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝑆𝑆
𝜕𝜕𝜕𝜕

𝑑𝑑𝐼𝐼𝜃𝜃𝜃𝜃
𝑅𝑅 𝑅𝑅+ re𝑖𝑖 st𝑖𝑖 𝐼𝐼𝜃𝜃𝜃𝜃 = 𝑅𝑅ct𝑖𝑖 (𝐼𝐼op − 𝐼𝐼𝜃𝜃𝜃𝜃 )∑ 𝑀𝑀𝑖𝑖𝑖𝑖
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑅𝑅re𝑖𝑖 + 𝑅𝑅st𝑖𝑖
𝑗𝑗 =1

(2)

3．解析結果

運転電流𝐼𝐼opを 180A として励磁速度 1A/s で励磁した。

①運転電流の 110%にあたる 198A まで励磁後、運転電流まで

current[A]を(1)式の右辺に入力した。

ーゾーンを導入する「100 秒プラトー有の 10%オーバーシュート法」、③「1000 秒プラトー有の 10%オーバーシュート法」の 3

-0.10
-0.20

-0.25

遮蔽電流磁場

100

-0.30
-0.35

50

減磁する「オーバーシュート法」、②10%オーバーシュート後
198A で 100 秒間ホールドしその後減磁する 100 秒間のプラト

-0.05
-0.15

150

0

0.00

-0.40
0

screening current-induced
magnetic field[T]

線形遮蔽電流解析[3]である。また Fig.1 に示される解析対象-0.45
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

times[s]Fig.2 Behavior of operating current and screening currentinduced magnetic field

つの通電波形を比較した。通電流波形の運転電流値とコイル中心の遮蔽電流磁場を Fig.2 に示す。プラトー有のオーバーシュート法では、励磁完了後の遮蔽電流磁場の値と磁場変化量が小さくなり、ホールド時間が大きくなるほど顕著になる。これはプラトーを作る通電波形にすることで、周方向電流が入力電流までに増加するのを待ってから減磁されることによって減磁量が増加するため、オーバーシュートの効果を

参考文献
1. A. Mochida, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond.,
26(2015), 4, 4702805
2. H. Ueda, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond. ,23(2013),3, 4100805
3. X. Wang, et al.: Supercond. Sci. Technol ., 26(2013),
035012

十分に得られるからである。

― 100 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-a08遮蔽電流・交流損失

SMES 用間接冷却 MgB2 コイルの交流損失評価
AC Loss Measurement of MgB2 Coils Cooled Indirectly for SMES.
駒込 敏弘（前川）；槇田 康博, 新冨 孝和（KEK）；谷貝 剛（上智大）；濱島 高太郎（東北大）
KOMAGOME Toshihiro (Mayekawa MFG. Co., Ltd.); MAKIDA Yasuhiro, SHINTOMI Takakazu (KEK) ;YAGAI Tsuyoshi(Sophia Univ.); HAMAJIMA Takataro (Tohoku Univ.)
E-mail: toshihiro-komagome@mayekawa.co.jp
1．はじめに先 進 超 電 導 電 力 変 換 シ ス テ ム （ ASPCS ： Advanced
Superconductivity Power Conditioning System）[1]は，再生可能エネルギーによる発電電力の変動の短周期成分を超電導
磁気エネルギー貯蔵装置 SMES に，残りの長周期成分を水素貯蔵系に貯蔵･放出することで，安定した電力を系統や負荷に供給可能とするシステムである。ASPCS では，液体水素
貯蔵と SMES の液体水素冷却を組み合わせることで，変動のある大容量エネルギーをコンパクトに貯蔵することができる。
SMES 向け MgB2 コイル間接冷却系では，冷媒配管とコイ
ルを高熱伝導率の熱伝導体で接続し，通電部と冷媒を直接接触させずに熱交換する，間接冷却の技術が必要となる。
SMES 用途では，コイル電流が変動するため，コイルに隣接する熱伝導体の鎖交磁束が変化し，渦電流損失が生じる。よって，コイルと熱伝導体を組み合わせた間接冷却構造では交流通電に伴う損失が増加する。今回，高純度銅の薄板を材料とする熱伝導体を設計・製作し，過去製作の MgB2 コイルと交互に積層し，液体 He 浸漬冷却条件にて，三角波電流波形
による連続パルス運転を行った。運転時のヘリウム蒸発量から間接冷却 MgB2 コイルの交流損失を評価したので，結果を報告する。

る。蒸発した He ガスは，両極の電流リード冷却用を含む 3 本のガス配管を経由してクライオスタット外に排出され，クライオ
スタット内の液レベルが低下する。各配管に取り付けたマスフ
ローメータによりガス流量を測定し，クライオスタット内の液面計により液レベルの推移を測定した。測定データより，連続三角波励磁に伴う交流損失を評価した。結果を，これまでに取得した熱伝導体無しの MgB2 コイルの交流損失評価結果[2]と比較した。
4．まとめ
3 個の SMES 向けの大電流容量 MgB2 コイルおよび熱伝導体から構成される間接冷却 MgB2 コイルを，直列接続し液体ヘリウム浸漬冷却環境で三角波による交流励磁を行い，カロリメトリック法による交流損失を評価し，熱伝導体無しの結果と比較した結果，損失の大幅な増加は見られなかった。すな
わち，内部でのワンターンループの発生が無く，間接冷却
MgB2 コイルを適切に製作できていることを確認した。

2．間接冷却 MgB2 コイルの製作
製作した間接冷却 MgB2 コイルを Fig.1 に示す。Hyper
Tech 社製の MgB2 素線で構成されるラザフォード導体で巻線・製作した，3 個のダブルパンケーキ（DP）コイルと，厚さ0.5mm の高純度銅薄板（熱伝導体）を交互に積層し，間接冷却可能な構造とした。銅板には，コイル励磁電流が変化する
ことで，熱伝導体の板面垂直方向の鎖交磁束が変動し，渦電流損失が生じる。渦電流損失は，渦電流ループの大きさを小さくすることで，大きく減少するので，周方向に周期的なスリッ
ト加工を行い，渦電流ループが小さくなるよう配慮した。熱伝導体の外周部には，冷媒配管と熱接触させるための熱伝導パスを設けた。DP コイルと熱伝導体を交互に積層した後，DPコイルを直列接続し，間接冷却 MgB2 コイルとした。製作後，浸漬冷却で交流損失を評価するために，熱伝導パス同士の接触による大きな渦電流ループ発生を防ぐため，各熱伝導パ
スは絶縁体で保護した。
3．製作コイルの交流損失評価
Fig.1 に示す試験系にて，製作した間接冷却 MgB2 コイルの交流損失を，浸漬冷却条件下で評価した。交流損失評価
は，浸漬冷媒の蒸発流量から発熱量に換算するカロリメトリッ
ク法により行った。浸漬冷媒は，液体 He とした。液体 He は，
液体水素に比べ，蒸発潜熱が 1/20 以下で，同じ発熱量に対し蒸発流量が多くなること，また温度が低いので銅抵抗率が小さくなり発熱量そのものも大きくなることから，熱的評価がしやすい。導体抵抗率コイルを液体 He に浸漬し，振幅 600A，
掃引速度 50A/s の三角波による連続パルスで励磁した。連続パルス励磁により，コイルおよび電流リードと各接続部の抵抗成分に起因するジュール損失，素線の磁化特性に起因するヒステリシス損失，銅薄板渦電流損失により液体 He が蒸発すFig.1 MgB2 Coils Cooled Indirectly and schematic
diagram of experimental apparatus.
参考文献
1. T. Hamajima, et. al : IEEE Trans. Appl. Super. Vol. 22,
no.3, June. 2012, Art.no. 5701704.
2. T. Komagome, et. al : Abst. of CSSJ Conf., Vol. 98, p.97

― 101 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-a09

遮蔽電流・交流損失

REBCO スプリット線とコイルにおける臨界電流の改善と交流磁化損失の評価
Evaluation of AC magnetization loss in REBCO split wires and coils with improvement of thecritical current
金沢 新哲，関根 ちひろ（室工大）；山口高史，永石竜起（住友電工）
KANAZAWA Shintetsu, SEKINE Chihiro (MIT); YAMAGUCHI Takashi, NAGAISHI Tatsuoki
E-mail: shintetsu_kanazawa@muroran-it.ac.jp
1．はじめにREBCO 線材の多芯化について、我々はスプリット線の開発を進めている[1-3]。スプリットは、線材にローラーカッターを当てて、応力を印加しながらローリング加工をすることで長尺の線材が製造される。ローラーカッターは複数枚を重ねて使用すれば、一回のローリング加工で多くのスプリットが形成され、線材の製造時間を短縮できる。またスプリット幅が均一な構造が得られるため、電流の有効幅のロスによる臨界電流の降下を防ぎ、臨界電流の保持に役立つ。これまでは 4 mm 幅の線材に対し、厚さ 0.3 mm のローラーカッターを 12 枚まで使用したが、今回は厚さ 0.1 mm のローラーカッターを 38 枚使用してスプリットを作製した。

た。単芯線に比べ、サンプル#I は 1/4 程度、サンプル#A は
1/15、サンプル#B は 1/22 の損失改善がみられた。具体的な測定結果と、コイルサンプル#II における測定方法と結果については、当日に発表する予定である。
38 cutters

2．サンプル作製
REBCO スプリット線サンプルは、住友電工製の GdBCO 単
芯線（幅 4 mm、厚さ 0.2 mm、銅メッキなし）を原材料として、スプリット加工を実施した。製造した線材サンプルの長さは 10
cm 程度であり、コイル用の線材の長さは 18 m である。
図１に加工装置であるマルチｽスプリッターの写真を示した。
38 枚のカッターを使用することで、38 本のスプリット加工を同時に可能としている。挿入図はスプリット加工部の側面図を示し、カッターの厚さが 0.1 mm であるので、0.1 mm 間隔でスプリット線を入れることができる。本研究では、印加応力と加工回数およびガイドローラーの材料などが異なる線材サンプル
を 20 種程度作製し、臨界電流および損失を評価した。その中で特性が優れている３種について、今回発表する。
具体的な作製条件は、すべて 38 枚のカッターと、POM ガ
イドローラーを使用して、線材の Ag 面に接触して負荷をかけた。それぞれのサンプルの負荷と加工回数は下記の表１に示すとおりである。
表１ 短尺線材とコイル用線材サンプルの作製方法
サンプル名
負荷 (N)
加工回数
形状
#I
80
1
短尺線
(コイル：#II)
（コイル）
#A
70
50
短尺線
#B
320
20
短尺線
3．実験結果とまとめ
Fig. 2 は製造したスプリット線サンプル#B の表面写真である。表面の銀層が均等に分割されていることがわかる。
GdBCO フィラメントは完全に分離されると、局所的な劣化が生じるとき、一部のフィラメントの臨界電流が降下し、全体的にも降下する。しかし、スプリットを断続的に導入すると、局所的な劣化に対し、GdBCO フィラメント間に超電導電流が迂回して流れることで、線材全体の臨界電流の大幅な降下を防ぐことができる。勿論交流損失の低減に多少影響があるが、今回は臨界電流を維持することを前提として、断続的なスプリットを設けることとした。
臨界電流の測定では、すべてのサンプルが高い値を示し、
1 T 以上で元の線材より臨界電流が高いと推測された。線材の交流磁化損失は、MPMS 装置を利用して 4.2 K と 77 K で磁化の磁場依存性を測定し、ヒステリシス曲線で囲まれた面積から交流磁化損失を求めた。4.2 K での結果を図３に示し

Fig. 1 Picture of multi-splitter with 38 cutters.

Fig. 2 Tape surface of GdBCO split wire sample #B.

Loss (J/m/cycle)

101
4.2 K
10

0

original
#I
#A
#B

10-1

10-2
10-1

H (T)

100

Fig. 3 AC losses of split wire and original wire samples.
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[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. 29 (2019) 6601304― 102 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-a10遮蔽電流・交流損失

2 枚バンドル導体を巻いた小型 HTS コイルの交流損失測定
AC loss measurement in small-size HTS coil wound using two-ply bundle conductor
柁川 一弘（山理大）； 朱 博焘（九大）； 淡路 智，BADEL Arnaud，高橋 弘紀，岡田 達典，阿部 徹（東北大）；
藤田 真司，武藤 翔吾，土屋 光揮，飯島 康裕，大保 雅載（フジクラ）
KAJIKAWA Kazuhiro (Sanyo-Onoda City Univ.); ZHU Botao (Kyushu Univ.);
AWAJI Satoshi, BADEL Arnaud, TAKAHASHI Kohki, OKADA Tatsunori, ABE Toru (Tohoku Univ.);
FUJITA Shinji, MUTO Shogo, TSUCHIYA Koki, IIJIMA Yasuhiro, DAIBO Masanori (Fujikura Ltd.)E-mail: kajikawa@rs.socu.ac.jp

2．コイル諸元と交流損失測定方法
実験に使用した 2 枚バンドル導体の諸元を Table 1 に示す。幅 4 mm、超電導層の厚さ 2.5 μm の RE 系線材 2 枚の超電導層側同士を貼り合わせてバンドル導体を形成した後、周囲を電気絶縁している。絶縁後の導体幅と厚さはそれぞれ
4.1, 0.3 mm である。このバンドル導体を用いて、5 枚のダブル
パンケーキ（DP）コイルを製作した。コイル諸元を Table 2 に示す。DP コイルのターン数は 25 � 2、内径は 60 mm、外径は74.1〜76.6 mm である。77 K、自己磁界下における DP コイルの臨界電流は 96.9〜102.6 A である。5 枚の DP コイルを上下に積層し、近接する DP コイルの最外ターン間 4 ヶ所を無酸素銅板でハンダ付け接続することにより、実験用の小型コイルを構成した。77 K、自己磁界下における積層コイルの臨界電流は 80.5, 79.9 A、自己インダクタンスは 3.39 mH である。
超電導コイルに交流通電したときの両端電圧は一般に、抵抗成分と誘導成分の和で表されるが、後者は損失に全く寄与しない。また、損失に寄与する前者の大きさは後者に比べて非常に小さいため、測定感度を向上するためには、計測器に信号を取り込む前に不要な誘導成分を極力取り除く必要がある。そこで、超電導コイルと直列に接続した一次コイルにより誘導される補償コイルを設置し、補償コイルの電圧を分圧して、超電導コイルの両端電圧に含まれる誘導成分を取り除くことにした。一方、交流電流の測定について、前述の一次コイルにより誘導される電流検出コイルも別途設置し、電流と正確に90°ずれた交流信号を検出することにした。測定電圧 𝑉𝑉 と電流 𝐼𝐼 を用いて、交流一周期当たりの通電損失 𝑊𝑊 は�𝑊𝑊 � � 𝑉𝑉�𝐼𝐼����より求めることができる。ここで、𝑇𝑇 は交流周期である。

�1�

3．実験結果製作した HTS コイルを液体窒素中に浸漬冷却し、交流通電した際に発生する交流損失を実験的に評価した。式(1)を用いて測定した実験結果には、最終的に求めたい 2 枚バンド
ル導体巻線で発生する交流損失に加えて、4 つの接続部で発生するジュール損失も含まれる。そこで、まず、HTS コイルに直流通電した際の各接続部の抵抗を測定した。その後、交流通電した際に得られた全損失からジュール損失を差し引くことで、2 枚バンドル導体巻線で発生する正味の交流損失を評価した。このようにして得られた交流損失の実験結果を Fig.
1 に示す。一周期当たりの交流損失に周波数依存性がほとん
どないので、履歴損失が支配的である。
本研究は、科学研究費補助金基盤研究(S)（課題番号18H05248）の支援により実施したものである。
参考文献
1. S. Awaji, et al.: Supercond. Sci. Technol. 30 (2017) 065001.
2. H. Yokoyama, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 97(2018) 1P-p23.
3. S. Awaji, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 100(2020) 1A-p01.
Table 1 Specifications of two-ply bundle conductor.
Tape width
4 mm
Thickness of SC layers
2.5 μm � 2
Structure of conductor
Face-to-face
Conductor width w/ insulator
4.1 mmConductor thickness w/ insulator
0.3 mmTable 2 Specifications of fabricated HTS coil.
Number of DP coils
5
Inner diameters of DP coils
60 mm
Outer diameters of DP coils
74.1-76.6 mm
Turn numbers of DP coils
25 � 2
Critical currents of DP coils
96.9-102.6 A(77 K, self field)
Critical currents of stacked coil
80.5, 79.9 A(77 K, self field)
Self-inductance of stacked coil
3.39 mH
10.01 Hz0.02 Hz0.05 Hz
0.1 HzAC loss (J/cycle)

1．はじめに
東北大金研でこれまでに製作された 25 T 級無冷媒超電導マグネット用の高温超電導（HTS）インサートの 1 つとして、希土類（RE）系薄膜線材を巻線したコイルを低温超電導外挿コイルと同時に励磁した結果、巻線の一部の劣化に伴い、定格に到達する前に HTS コイルが焼損に至っている[1]。そこで、
巻線の一部が劣化した場合に転流路を確保して熱的安定性を向上するために、RE 系線材を無絶縁で 2 枚貼り合わせた
バンドル導体を用いて HTS インサートを更新すべく、研究開発を進めている[2,3]。しかし、この 2 枚バンドル導体を巻いた
コイルを励磁した際に発生する交流損失を定量的に評価する必要がある。そこで、本研究では、2 枚バンドル導体を巻いた
小型の HTS コイルを試作し、周期的な交流電流を通電した際に発生する交流損失を実験的に評価した。

0.1

0.01

10

50
Current amplitude (A)Fig. 1 Experimental results of AC losses in HTS coil woundusing two-ply bundle conductor.

― 103 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-p01

回転機・超電導応用

電動航空機への適用を想定した 3 MW 超級全高温超電導誘導電動機の電気設計と特性解析
Electric Design and Motor Characteristics of 3 MW-class Fully-HTS Induction Motorfor Aircraft Propulsion
福井 聡，根津 太貴，中野 真聖，武田 大樹，小川 純（新潟大）
FUKUI Satoshi, NETSU Taiki, NAKANO Masakiyo, TAKEDA Daiki, OGAWA Jun (Niigata University)
E-mail: fukui@eng.niigata-u.ac.jp

Tab. 1 Specifications of base model and HTS model.
ベースモデルHTS モデル基本諸元
定格出力
150 kW
3000 kW
定格電圧/電流1200 V/85 A
2000 V/2000 A
同期回転数/周波数6000 rpm/100 Hz←
極数2←
外直径/有効長
340 mm/290 mm←←
重量
約 200 kg
固定子
スロット数/極/相
3←導体数/スロット18←
2.55 A/mm2
60 A/mm2
スロット電流密度
回転子
スロット数
24
←
臨界電流
--15000 A

1200
1000
800
600
400
200
0

― 104 ―

8000
6000

8000
Input voltage

6000
4000

Load torque2000
0
Revolution

2x10

Motor torque00

Rotor current
30

60

90 120Time (s)150

41.5x104000
2000

Load torque (Nm)Fig. 2 Equivalent circuit of HTS induction motor.

180

1x10

4

5x10

3

0

Rotor current (A)3．特性解析
高温超伝導誘導機の等価回路（定数は 1 次側換算）をFig. 2 に示す。これは誘導機の等価回路における 2 次（回転子）抵抗 R2’を，超伝導導体の非線形抵抗 Rsc（n 値モデル）と銅導体の抵抗 RCu 及びエンドリングの抵抗 Rr の直並列合成抵抗として考える。x1，x2’，g0，b0 は無負荷／拘束試験の結果から得られる。本研究では，鉄心の磁気飽和を考慮し，これらの定数は 1 次（固定子）電流 I1 の関数として扱う。等価回路方程式，回転子導体の熱方程式，
回転子の運動方程式を連成させて過渡特性を解析する。
解析結果の一例を Fig. 3 に示す。まず，無負荷の状態で入力電圧を徐々に大きくすると，起動トルクに対応する 2次電流が誘導され，同期速度まで回転数が上昇すると，2次電流は 0 になる（本解析では機械損を考慮していないため）。その後，負荷と電圧を定格まで上昇させると，負荷トルクが上昇する過程では僅かなすべり（10-4 程度）が発生するものの，ほぼ同期速度を維持する。更に，入力電圧を一定に保ったまま，負荷トルクを定格の 150%まで上昇させたときも同様に，負荷トルクに追従して 2 次電流が誘導され，ほぼ同期速度で運転できる。これは，極Fig. 1 Schematic illustrations of cross section.

Input voltage (V)2．電気設計高温超伝導誘導機の設計理論は確立していないため，現用機の設計理論をベースにして行った。まず，現用機の設計理論に基づき，超伝導化のベースとなるモデルを基礎設計する。1200 V - 150 kW 相当現用機をベースモデ
ルとし，FEM 解析により詳細な諸元決定する。更に，無負荷／拘束試験（数値実験）により，等価回路定数を同定する。このとき，高温超伝導化を想定して，試験範囲
を鉄心の飽和領域まで含むようにする。得られた等価回
路パラメータに基づき，回路・熱・運動の連成解析を行い，3 MW 級の性能を発揮できることを確認する。設計諸元及び断面構造を，それぞれ Tab. 1 及び Fig. 1 に示す。本
設計では，鉄心を用いることによって，固定子巻線の起磁力を極力少なくしつつ，回転子の高温超伝導導体の臨
界電流を適切に設定することにより，必要な出力密度を得ることを狙っている。ベースモデルの FEM 解析結果か
ら，150 kW 出力時の回転子最大電流は 1500 A 程度であったため，HTS モデルでは，回転子導体の臨界電流値をその 10 倍の 15000 A とし，HTS 線材を多数本束ねた集合導体と銅バーの複合導体とする。

微小なすべりによる僅かな誘導起電力によって 2 次電流が誘導されることを示しており，高温超伝導誘導機の特徴であり，2 次導体電流がその臨界電流値以下であれば，過負荷・同期運転が可能であることを示している。

Motor torque (Nm)Revolution (rpm)1．はじめに
航空輸送部門におけるGHG削減対策のキーテクノロジ
ーとして，推進システムの電動化のための研究開発が活発に行われている。大型航空機の推進用電動機には，特に出力重量比に厳しい要求がある。従来の電動機技術の単純な延長では，この要求を満たすことは困難と考えられており，軽量・高出力化が可能である超伝導モータが注目されている。超伝導誘導電動機は，準同期（超極小すべり）運転が可能であることや超伝導2次導体の電流容量によって過負荷耐量が設計可能になること等，従来の誘導機にはない特徴を有する。本研究では，このような特徴を持つ高温超伝導誘導機の航空機電動推進システム
への適用を想定し，出力3 MW，出力重量比15 kW / kg程
度の電気設計について検討し，基礎特性の解析を行う。

4

Fig. 3 Example of calculated motor characteristics.

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-p02

回転機・超電導応用

50 kW 級全高温超伝導誘導同期電動機の固定子巻線の開発及び交流損失評価

Development and AC Loss Evaluation of HTS Armature Winding for 50 kW-class Fully HTS
Induction/Synchronous Motor
福井 聡，齊藤 亮，富井 慶太，髙橋 京祐，小川 純(新潟大) ; 古瀬 充穂 (産総研) ; 中村 武恒 (京都大)FUKUI Satoshi, SAITO Ryo, TOMII Keita, TAKAHASHI Kyosuke, OGAWA Jun (Niigata University) ; FURUSE Mitsuho (AIST) ;NAKAMURA Taketsune (Kyoto University)
E-mail: fukui@eng.niigata-u.ac.jp

2．YBCO 固定子巻線の構造と諸元
Tab. 1 及び Fig. 1 にそれぞれ開発した YBCO 固定子巻線の模式図，断面図，諸元を示す。3 相 4 極 24 コイルの構造であり，製作を容易にするために分割鉄心を採用している。固定子定格電流が 204 Apeak であるため，4 mm 幅の YBCO 線材を 3 並列した導体を用いることとした。この並列導体を GRP 巻枠に 8 ターン巻いたレーストラック型シングルパンケーキコイル 2 個を最内層部の銅電極を介して直列に接続し，ダブルパンケーキコイルとしている。このような固定子コイルを分割鉄心の凸部に嵌め込
み，24 個組合わせることにより，トロイダル巻線を構成する。なお，製作した 24 個のコイルは，単体で直流 I - V
測定及び交流損失測定（30 - 60 Hz）を行い，全コイルが健全であることを確認した。Fig. 2 に分割鉄心，固定子コ
イル，固定子巻線の写真を示す。
3．交流損失測定
3 相通電時の交流損失測定回路を Fig. 3 に示す。各相コ
イルはスター結線とし，各相インピーダンスはほぼ平衡していたため，零相は接続しないこととした。また，測定は固定子のみで行い，回転子は組合わせていない。交流損失はパワーメータ法により測定した。3 相通電時のHTS コイルのみの交流損失の抽出は，次のような方法で行う。まず，HTS コイルと鉄心を組合わせた状態で，供給電力を測定する。これは，HTS コイルの交流損失 PHTSと鉄損 Qiron が含まれる。これにより，QHTS + Qiron とコイ
ル起磁力との関係を得る。次に，HTS コイルを同じ形状の Cu コイルに置き換え，同様に供給電力（QCu + Qiron）
を測定する。また，Cu コイル単独でのジュール損失（QCu）
を測定し，Qiron を得る。これにより，Qiron とコイル起磁力との関係を得る。以上より，QHTS + Qiron から Qiron を差し引くことにより，QHTS を得る。測定した QHTS を Fig. 4 に示す。Fig. 4 に示されるように，コイル電流が 70 Apeak
付近から交流損失の増加が急になっていることがわかる。
現状では，この原因として，スロット内漏れ磁束の増加
Tab. 1 Specifications of developed HTS armature and coil.
基本諸元
定格電圧
200 V (phase-to-phase)
定格電流
114 A
同期回転数 / 周波数1500 rpm / 50 Hz
相数 / 極数
3相4極
コイル数
24
電気装荷
110 kA/m
外直径 / 有効長
299 mm/100 mm
固定子コイル
線材
フジクラ製 FYSC-SCH
線材幅 / 線材厚4 mm / 0.13 mm
絶縁
ポリイミド
臨界電流
200 A 級（s.f., 77 K）
ターン数
16 ターン / DPや並列導体内の偏流が考えられるので，今後更に検討する必要がある。

Fig. 1 Schematic illustrations of developed HTS armature and coil.

Fig. 2 Unit core, HTS coil and assembled HTS armature.
3 相電源

HTS コイル

LN2

鉄心

U

無誘導シャント

V

電流検出
パワー
メータ

A

V

W

電圧検出

Fig. 3 Measurement circuit for 3-phase AC loss.
10

AC loss (J/cycle)

1．はじめに
我々は，輸送機器用中容量回転機への応用を想定した
50 kW級全高温超伝導誘導同期電動機の開発を行っている[1]。その一環として，本研究では，分割鉄心とYBCO
線材によるトロイダルコイルを用いた高温超伝導固定子
巻線の設計・試作を行い，その交流損失特性の評価を行
った。

10

0

50 Hz

-1

10 -2

10 -3

10

-4

1

10
Coil current (Apeak)

10

2Fig. 4 Measured AC loss in HTS armature.

謝辞
本研究は，JST-ALCA（JPMJAL1207）により実施した。
参考文献
1. D. Sekiguchi, T. Nakamura, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.
22, Art. no. 5200904 (2012).

― 105 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-p03

回転機・超電導応用

超電導電力貯蔵装置への応用を想定した
無絶縁 REBCO 集合導体コイルの特性評価
Evaluations of property of coil wound with no-insulation coil wound with
Bundled REBCO coated conductor for SMES
宮本 祐，石山 敦士 （早稲田大学）
MIYAMOTO Yu, ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.)
E-mail: atsushi@waseda.jp
1.はじめに超電導電力貯蔵装置(SMES)とは、電気エネルギーを磁気エネルギーとして貯蔵する装置である。高効率、長寿命で、繰り返し運転に制限がない、大電力に対する瞬時的な応答に優れているという特長を持つ。しかし、他の電力貯蔵装置と比較して貯蔵密度が極めて小さいという欠点が存在する。
無絶縁コイル(以下「NI コイル」)は、二律背反の関係にある
高電流密度化と高熱的安定化を両立できる巻線方式として期待されている。この NI コイルを SMES に応用することができれば、高電流密度化により高貯蔵密度化が可能になると考えられる。また、SMES は電力機器であるため、一般的にコイ
ルは大電流、低インダクタンスで設計されるのが望ましく、無絶縁 REBCO 線材を集合導体化した導体を巻線したコイル（以下、バンドル NI コイルと呼ぶ）の SMES への適用が考えられる。先行研究では、小口径ではあるが、バンドル NI コイルの貯蔵効率が REBCO 線材を密巻きした NI コイルと比較して向上することが実験結果から明らかになっている (1)。しかし、バンドル NI コイルの素線ごとの電流分布や素線間の転流の影響は明らかになっていない。そこで、今回はバンドル NI コ
イルの電流分布解析プログラムを作成し、充放電時における素線間の転流の様子を明らかにしたので報告する。
2.解析方法我々が独自に開発した PEEC モデルに基づく計算機プログ
ラム(2)をバンドル NI コイル用に拡張したモデル（Fig.1）・プログ
ラムを作成した。解析対象としたコイルは、内径 60mm、ターン数 25 とした。通電電流は最大電流を 100A、最小電流を 80Aの三角波とし、充放電周期は 3s から 18s の間で 3s ごとに変化させた。冷却条件は 77K 液体窒素浸漬冷却とした。素線間、導体間の電気抵抗はともに、49.64Ω・cm2 とした。
3.実験結果Fig.2, Fig.3 に充放電周期 3s、充電開始 0.75s（通電電流90A）時の素線間における周方向電流と径方向電流の分布を示す。Fig.2 より、内側素線と外側素線で同ターンにおける電流値が異なることが分かる。また、同じ素線内においてもターンによって電流値が変化している。内側素線については、
1 ターン目を除いてより外側のターンになると電流値が増加
し、外側素線については、最終ターンを除いてより外側のターンになると電流値が減少している。このように、内側素線と外側素線において電流分布が大きく異なることが分かった。
また Fig.3 より、素線間と導体間で径方向電流の大きさが異なり、導体間の方が電流値が大きいことがわかった。以上の結果から、内側素線では、流出する径方向電流に対して流入す
る径方向電流の方が大きいため、ターン数が増加するにつれ電流値が増加すると考えられる。これに対し、外側素線は流出する径方向電流の方が大きいためターン数の増加につれ電流値は減少すると考えられる。このような理由により、ＮＩバ
ンドルコイルでは、貯蔵エネルギーを与える周方向電流の電流分布は素線によって異なることがわかった。

図 1 バンドル NI コイルの解析モデル
Fig1. Analytical model of bundle NI coil

図 2 素線間の周方向の電流分布
Fig.2 Circumferential current distribution between the wires

図 3 素線間の径方向の電流分布
Fig.3 Radical current distribution between the wires
参考文献
1. Y.Miyamoto, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol.100(2020) P131
2. T.Wang, et al.: IEEE Trans. on Applied Supercond., 25,2015, 7010920― 106 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-p04

回転機・超電導応用

ポーラス安定化材への電流転流による抵抗型超伝導限流器用 REBCO 線材の復帰性能向上
Improvement of recovery performance of REBCO tape by current relocation toporous stabilizer for resistive-type superconducting fault current limiter
結城 光平，伊藤 悟，橋爪 秀利（東北大）
YUKI Kohei, ITO Satoshi, HASHIZUME Hidetoshi (Tohoku Univ.)
E-mail: kohei.yuki.t2@dc.tohoku.ac.jp
された．これは，孔径を小さくすることで液体保持効果と毛細管作用が強まり，膜沸騰環境下においても液体窒素がREBCO 線材上面に積極的に供給されたためであると考えられる．
4. まとめ本研究では過電流通電時においてポーラス安定化材へ電流を転流させた際の復帰性能を評価した．その結果，ポーラス安定化材への電流転流によりホットスポットの形成が抑制され，復帰時間が短縮可能であることが示された．

Fig. 1 Schematic of test sample
Table 1 Specifications of test samples
Sample 0 (Ref.)

119 A

30

Pore diameter ofupper porous stabilizer
0.64 mm

Sample 178 A

10

w/o upper porous stabilizer

Sample 2

99 A

24

1.95 mm

Sample 373 A

100.64 mm

Sample 4

100 A

24

0.45 mm

Critical current I c n -value

Sample 0
Sample 1
Sample 22
Recovery time (s)1. はじめに抵抗型超伝導限流器は限流動作後，最短で 0.3 s 以内に超伝導状態に復帰することが要求される[1]．先行研究[2]では，限流素子である希土類系銅酸化物超伝導体（REBCO）
線材上に銅製フィンを装荷し，膜沸騰時の除熱性能を向上することで復帰時間を 1.1 s から 0.4 s に短縮することに成功している．そこで，著者らは多孔質金属である金属ポー
ラス体を安定化材として利用し膜沸騰を抑制することで，更なる性能向上を目指している[3]．
現在までに，ポーラス安定化材未装荷時の復帰時間が 1
s に対し，0.2 s まで復帰時間を短縮している[4]．一方，ポーラス安定化材へ電流が転流しないことでホットスポッ
トが形成され，0.3 s 以内の復帰を達成可能な許容電流が小さいことが課題となっていた．そこで，本研究では，ポーラス安定化材へ電流が転流可能な構造を検討し，電流転流時の復帰性能評価を行った．
2. 実験方法
本実験で使用した REBCO 線材（SuperOx Japan 製，ST4-150）は幅 4 mm で，超伝導層上に厚さ 2 m の保護銀層のみが積層された構造となっている．ポーラス安定化材には気孔率 90%の Ni-Cr 発泡体（住友電工製，セルメット®）を使用した．Fig. 1 に試験体概念図を示す．試験体中央部
5 mm 区間の銀層エッチング領域において超伝導体が常伝導転移することで，電流がポーラス安定化材へと転流する．
ポーラス安定化材で発生した気泡が復帰性能へ影響を及
ぼさない様，電流を線材下部に接合されたポーラス安定化
材へ転流させると共に，常伝導転移部の下部領域では気泡が発生しない構造とした．下部ポーラス安定化材の平均孔径は 1.27 mm，厚さは 2 mm である．膜沸騰抑制用の上部
ポーラス安定化材は，熱抵抗が最小となる約 150 m 厚さの絶縁性エポキシ[4]を介して REBCO 線材に接合した．
Table 1 に各試験体の仕様を示す．本実験では上部ポーラ
ス安定化材の平均孔径をパラメータとした．参考データとして，単に保護銀層上にポーラス安定化材（孔径 0.64 mm）を接合した試験体を Sample 0 として示している．試験体
は液体窒素で浸漬冷却し，I = I0 exp (t /)で表される電流を0.5 s 間通電し，その後の超伝導復帰時間を測定した．I は電流，I0 は初期電流，t は時間，は時定数(0.13 s)である．
3. 実験結果および考察
Fig. 2 は，横軸に臨界電流値 Ic に対する最大通電電流値
Imax の比，縦軸に復帰時間をとっている． Sample 0 では，
ポーラス安定化材への電流転流が無いため，通電電流の増加に伴い超伝導体の熱負荷が増大し，復帰時間が急激に増加している．それに対し，Sample 2–4 では，電流が下部ポーラス安定化材へと転流することで熱負荷が低減され，高電流域においてもホットスポットの形成および復帰時間の増加が抑制されたと考えられる．一方，上部ポーラス安
定化材の無い Sample 1 では，電流転流があるものの，他の試験体に比べ復帰時間が長いことから，電流転流時にも膜沸騰の抑制が必要であることが示された．また，Sample
4 の結果より，特に高熱負荷領域において，孔径が小さい
ポーラス安定化材が膜沸騰抑制に有効である可能性が示

Sample 3
Sample 4

1

0
1
1.5
2
2.5
Maximum current Imax / Critical current Ic

Fig. 2 Relationship between Imax / Ic and recovery time
謝辞
本研究は JSPS 科研費 JP20J12165 の助成を受けたものです．
参考文献
1. P. Tixador et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 28 (1992)
pp.446–449
2. M.Tamashima et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.27(2017) 5601805
3. K. Yuki et al., Supercond. Sci. Technol., Vol.33 (2020) 034002
4. K. Yuki et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 31 (2021)
4600906― 107 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-p05

安定性・保護さまざまな種類の無絶縁巻線技術を用いた REBCO マグネットの熱安定性比較
Thermal stability comparison of REBCO magnets with different no-insulation winding techniques
間藤 昂允, 野口 聡（北大）； 石山 敦士（早大）
MATO Takanobu, NOGUCHI So (Hokkaido Univ.); Ishiyama Atsushi（Waseda Univ.）
E-mail: mato@em.ist.hokudai.ac.jp
1．はじめにREBCO マグネットの安定性向上のために無絶縁巻線技
術および派生技術が提案され，さまざまな研究がなされている．派生技術（以降、派生技術も無絶縁巻線技術と称する）では，従来の無絶縁パンケーキ・コイルとは異なる電流迂回路を持つ REBCO コイルも提案されている．例えば，ターン間が絶縁されている REBCO パンケーキ・コイルの上部に導電性
樹 脂 が 配 置 さ れ ， こ れ を 電 流 迂 回 路 と す る ConductiveEpoxy-Resin-Covered (CERC) REBCO パンケーキ・コイルが提案されている [1]．さらに，レイヤー巻き REBCO コイルの各層間に電流迂回路のための銅を有する構造も提案されている[2]．これらの無絶縁巻線技術は，電流迂回路のために導電性樹脂や銅などの材料を別途設けている．これらの新しい
無絶縁巻線技術構造の REBCO コイルの等価回路構造は，
図 1 に示すように従来の無絶縁コイルと類似している．しかし，電流現象・熱的安定性は異なる．本報告では，シミュレーショ
ンにより，回路パラメータを変更することで新しい無絶縁巻線技術構造の熱的安定性を数値的に調べた．そして，数値解析結果を従来の無絶縁巻線技術構造と比較した．
2．解析モデル・解析結果
本稿で使用する等価回路を図 1 に示す．(a)は CERCREBCO コイルおよび LNI REBCO コイルの等価回路である．
有限要素法に基づく、熱解析も連成した[5]．従来の無絶縁
REBCO パンケーキ・コイルおよび Metal-as-Insulation (MI)REBCO パンケーキ・コイルは(b)の等価回路を用いて表現される．この等価回路は(a)の等価回路において Rcn = 0 としたときのものと一致する．
表 1 の条件の下，t = 0 s で局所常電導転移が生じ，2 秒後の上昇温度を測定することでそれぞれの REBCO コイルの熱安定性を比較する．接触抵抗 Rcn = 1900 ，190 ，1.9 ， (従来無絶縁コイル)に対し，導電性素材抵抗 Rbm または
径方向抵抗 Rr を横軸とした場合の上昇温度を図 2 に示す．
図中には，表 2 に示される抵抗率を有する各コイルの上昇温度がハイライトされている．CERC や LNI などの新しい無絶縁技術構造のコイルは，従来の無絶縁技術コイルに比べて上昇温度が高く，熱的安定性が低い．しかしながら，接触抵抗が 1.9 程度の場合，従来無絶縁技術コイルより熱的安定に動作する．これは主な発熱がコイル外側の導電性材料で生じており，REBCO テープ線の温度上昇に直接的に寄与していないためである．

Fig. 1. (a) Schematic view of newly developed NI REBCO
pancake coil and, (b) conventional NI REBCO pancake coil.

参考文献[1] H. Miyazaki et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 29,4602805, 2019.
[2] Y. Suetomi et al., Supercond. Sci. Technol., 32, 045003, 2019.
[3] T. Lécrevisse et al. IEEE Trans. Appl. Supercond., 26,4700405, 2013.
[4] X. Wang et al., Supercond. Sci. Technol., 29, 035012, 2013.
[5] T. Mato et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 31, 4600705,
2021.
TABLE ⅠSPECIFICATIONS OF REBCO TAPE AND COILS,AND SIMULATION CONDITIONSParameters
Value
REBCO Tape
Tape width [mm]4.1
Tape thickness [mm]
0.15
40.0
Copper matrix thickness [m](each side)
2.0
REBCO thickness [m]Ic @ 77K, self-field [A]
140.0
Coil
Inner/outer diameter [mm]100, 136
Number of turns [turn]100
30(MI, CERC) Insulator thickness [m]1.0(CERC)Thickness of conductive
epoxy resin [mm]7.0 [2](LNI) Thickness of copper sheet [m]Simulation Conditions
50
Initial operating temperature [K]Initial operating current [A]500
Quench turn (from inner)
50
TABLE IICONTACT RESISTIVITY AND CONDUCTIVE
MATERIAL RESISTIVITY OF EACH COILS
Coils
Contact resistivity Conductive material[cm2]
resistivity [nm]
Conv. NI [2]70
MI [3]
1196
LNI [4]25000
3.56
CERC [5]280-1300
1000-15000

Fig. 2. Temperature rise in 2 s after appearance of local
normal state transition vs. conductive material resistance orturn-to-turn contact resistace.

― 108 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-p06

安定性・保護

複数枚バンドル REBCO パンケーキコイルの安定性向上に関する検討
Investigation on stability of pancake coils wound with bundled multiple REBCO conductors
小髙 一真，野口 聡（北海道大学）
KODAKA Kazuma， NOGUCHI So (Hokkaido University)
E-mail: kodaka@em.ist.hokudai.ac.jp

２．解析手法・モデル
電流解析を行うために区分要素等価回路(Partial Element
Equivalent Circuit: PEEC) 法を用いてコイルをモデル化した．
得られた電流分布から各抵抗成分における発熱量を計算し，有限要素法(Finite Element Method: FEM) によって熱分布を得た．
表 1 にコイル諸元および解析条件を示す．すべてのコイル
でバンドル数は 3 枚とし，ターン数が 40 ターンである．バンド
ルしたテープ間と比べてターン間の抵抗値が同じ(無絶縁)，
10 倍，絶縁とした 3 ケースのコイルを比較した．

TABLE ⅠSPECIFICATIONS OF REBCO TAPE AND COILS,AND SIMULATION CONDITIONSParameters
Value
Model number
①
②
③
Coil
Coil i.d., o.d. [mm]120.0, 120.0, 120.0,
144.0 146.4
146.4
Number of bundle tapes
3
Number of turns
40
Contact resistivity (Tape-to70.0
Tape) [𝛍𝛍𝛍𝛍 𝛍 𝛍𝛍𝛍𝛍𝟐𝟐 ]Contact resistivity (Turn-to- 70.0
700.0InsulationTurn) [𝛍𝛍𝛍𝛍 𝛍 𝛍𝛍𝛍𝛍𝟐𝟐 ]Operation temperature [K]20
Operating current [A]450
Inductance [mH]
3.524 3.485
3.485Time step [s]
0.001

400
350

Azimuthal Current [A]１．はじめに無 絶 縁 (No Insulation: NI) Rare-Earth Barium Copper
Oxide (REBCO) パンケーキコイルが注目を集めている[1],[2]．
NI REBCO パ ン ケー キ コ イ ル の 性 能 を 向 上 さ せ る た め ，
REBCO 線材を複数枚束ねた巻線技術が広く研究されている．
MB (Multi-Bundled) NI REBCO コイルは，REBCO 導体 1 枚で巻いた従来の巻き方に比べてインダクタンスが小さく，励磁遅れが改善されると報告されている[3]．さらに，大電流化可能なため，さらなる研究が期待されている．
しかし，MB NI REBCO パンケーキコイル内部では複雑に電流が分布すると考えられ，複数枚束ねられた導体内で均等に電流が共有されない可能性がある．そこで本研究では，
MB NI REBCO パンケーキコイルの電流・熱現象を数値解析
により明らかにする．また，ターン間抵抗値がコイルの電流分
布に与える影響ついて調査し，MB NI REBCO パンケーキコ
イルの安定性について考察する．

(a)

300
250
200
150
100
50
0
400

(b)

Azumithal Current [A]

350
300
250
200
150
100
50
0

400

Fig.1.

Azimuthal Current [A]350

MB NI Coil models.

３．常電導転移試験結果
450 A の運転電流が流れる定常状態において，コイル最内周の外側のテープを 1 ターン分常電導転移させた．このときのコイルの電流分布変化を図 2 に示す．結果からすべてのコイルで常電導転移が発生すると Tape 1 または 3 に流れていた電流が常電導部に近づくにつれて Tape 2 へ転流している
ことが分かる．Tape 2 の電流値は最内周付近で最大値をとり，その大きさは無絶縁であるコイル①が最も小さく，絶縁したコ
イル③が最も大きくなった．これはコイル②，③では Tape 1 から Tape 3 へ電流が流れにくく，Tape 2 へと集中するためである．また，全てのコイルで，径方向に流れる電流はコイル全体で分散されるため温度上昇はほとんどなく，熱的安定性は保たれている．したがって，複数枚バンドル化した NI REBCO コ
イルは常電導転移に対して高い熱的安定性を持つが，電流が 1 枚のテープに偏り，運転電流によっては臨界電流に達する可能性がある．この偏りはターン間の抵抗が小さいほど抑えられると考えられる．

(c)

300
250
200
150
100
50
0

0

5

coil outside

10

15

20
Turn [-]

25

30

35

40

coil inside

Fig.2. Time variation of current distribution in normal statetransition test (a) coil ①, (b) coil ②, and (c) coil ③.
参考文献
1. S. Hahn, et al., “HTS Pancake Coils Without Turn-to-Turn
Insulation,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 21, no. 3,
pp. 1592–1595, Jun. 2011.
2. S. Hahn, et al., “45.5-tesla direct-current magnetic field
generated with a high-temperature superconducting magnet,”Nature, vol. 570, pp.496-499, Jun. 2019.
3. J. Geng, and M. Zhang, “A parallel co-wound no-insulation
REBCO pancake coil for improving charging delays,”
Supercond. Sci. Technol., vol. 32, Jun. 2019, Art. no. 084002.

― 109 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-p07

安定性・保護

並列高温超電導導体を用いた無絶縁コイルの電磁現象に関する基礎的検討
Basic Study on Electromagnetic Phenomena in No-insulation Coils
Composed of Multiple High Temperature Superconducting Wires
Without Insulation Between Wires
仲田 悠馬，武中 幹人，早乙女 英夫，宮城 大輔（千葉大学）；
長崎 陽，津田 理（東北大学）
NAKADA Yuma，TAKENAKA Mikito，SAOTOME Hideo，MIYAGI Daisuke（Chiba Univ.）；
NAGASAKI Yoh，TSUDA Makoto(Touhoku univ.)
E-mail: nakada1125@chiba-u.jp
Table 1 Specifications of each NIC
Multi-tape NIC Single-tape NIC
Number of turns
100
300
Excitation rate [A/s]6
2
Tape width [mm]4Tape thickness [mm]0.16
n value
33
Coil i.d;o.d [m]0.500; 0.596

１．はじめに高温超電導導体を用いる際の課題として，線材中に存在する
劣化部における発熱が挙げられる。この課題を克服するため，劣化部への大電流の集中を回避可能である無絶縁コイルが提案されている。その無絶縁コイルの課題である励磁遅れを改善可能な構造として，並列高温超電導導体を用いた無絶縁コイルを提案した[1]。また，導体の一部で劣化が生じた場合においてもこの構造により並列導体の臨界電流低下率を抑えることが可能となる。本研究では，無絶縁コイル内部の電流分布をシミュレーションにて再現することで励磁遅れの改善を確認した。また，
無絶縁コイルの特徴である，線材中に劣化が生じた場合の電流の隣接ターンへの転流を示し，臨界電流を大きく上回る電流が流れないことを確認した。
２．解析モデル及び解析方法
コイル内部の過渡的な電磁現象を解析するため，数値解析モ
デルとして PEEC モデル[2]を採用し，並列高温超電導導体を用いた無絶縁コイル（以降並列無絶縁コイル・Multi-tape NIC）および単線の無絶縁コイル（Single-tape NIC）の電流分布解析を行った。本モデルでは高温超電導線材の臨界電流𝐼𝐼� の 30K においての磁場依存性[3]を反映し，数値解析を行った。Y 系テー
プ線材および超電導コイルの諸元を Table 1 に示す。並列高温
超電導導体の並列数は 3 である。並列無絶縁コイルと単線の無絶縁コイルの励磁条件を同一にするためコイルのターン数および電流スイープ速度を Table 1 に示すように設定した。3 層に流れる電流の合計が 80 秒後に 480A に達するよう設定し，劣化部のある区間（1 層目・50 ターンの始端）の合計の臨界電流値
450A（200 + 200 + 50）を超過する際の電流の転流について確認した。
３．解析結果Fig. 1 に並列無絶縁コイルと単線の無絶縁コイルにおける周方向電流応答の解析結果を示す。Fig. 1 では，コイル内のすべての区間に流れる周方向電流の合計値を通電電流の総量で割ることで正規化を行っている。Fig. 1 より並列無絶縁コイルの方が単線の無絶縁コイルと比較し周方向電流の立ち上がりが早いことが分かる。この差が生じた要因としてはコイル構造の差によるインダクタンスの差異が考えられる。Fig. 2，3 に運転開始 1000
秒後における線材に劣化部が存在する場合の周方向電流分布を示す。Fig. 3 より劣化部のある内側１層目・50 ターン付近における周方向電流が減少し，劣化部に隣接する同一ターンの２層目および 49 ターン目の３層目への大きな電流の転流が見られた。これらは劣化部の抵抗値の増加に伴う転流の発生が要因と考えられる。
以上より，並列高温超電導導体を用いた無絶縁コイルは，劣化部への大電流の集中を避けることができる無絶縁コイルの特性を維持し，尚且つ励磁遅れを改善可能な構造であることが明らかとなった。

Fig. 1 Excitation responses for the NIC composed of multi-tapeor single-tape.

Fig. 2 Current distribution in NIC composed of multiple wires
with local critical current degradation.

Fig. 3 Current distribution in NIC composed of multiple wires
around the local deterioration.
参考文献
1.
NISIOKA Tsubasa, et al.：Abstracts of CSSJ Conference，
Vol.96(2018)p.153
2.
Tao Wang et al.：IEEE vol.25.no 3 2015
3.
Selvamanickam, V., et al. ： Superconductor Science andTechnology25.12(2012)― 110 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-p08

安定性・保護

intra-Layer No-Insulation（LNI）REBCO コイルの 31 T 磁場中クエンチの数値解析
Quench simulation study of an intra-layer no-insulation (LNI) REBCO coil at 31 T
末富佑（千葉大/理研）；高橋俊二，吉田大佐，高尾智明（上智大）；西島元，北口仁（NIMS）；
三好康之，濱田衛，斉藤一功（JASTEC）；朴任中，武田泰明（理研）；前田秀明（JST）；柳澤吉紀（理研）
SUETOMI Yu (Chiba Univ./RIKEN); TAKAHASHI Shunji, YOSHIDA Taisuke, TAKAO Tomoaki (Sophia Univ.);
NISHIJIMA Gen, KITAGUCHI Hitoshi (NIMS); MIYOSHI Yasuyuki, HAMADA Mamoru, SAITO Kazuyoshi (JASTEC);PIAO Renzhong, TAKEDA Yasuaki (RIKEN); MAEDA Hideaki (JST); YANAGISAWA Yoshinori (RIKEN)
E-mail: yu.suetomi@riken.jp
れた。試験では、ρct が許容範囲内にある 10,000 μΩcm2 であったため、コイルを熱的・機械的に保護できた。今後、
1.3 GHz NMR 内層 REBCO コイルの確実な保護に向けて、
適切な範囲に ρct を制御する技術が必要であり、今後の課題である。
当日の発表では、ρct = 70、10,000 μΩcm2 における、クエンチの伝播の詳細な振る舞いについても報告する。
(a)

(b)

2．数値解析モデル
電気等価回路モデルは、ターン毎にインダクタンスを考慮する lump モデル[4]を用い、超伝導特性は n 値モデルを用いた。熱伝導モデルは、1 ターンを 1 要素とみなし、差分法によってモデル化した。解析結果は 31 T クエンチ
時の測定データの、電圧上昇・磁場減衰挙動を良く模擬できており、解析モデルは妥当と判断した。

4．解析結果：接触抵抗率の影響
Tpeak、σθ,peak を支配する要因を明らかにするため、LNI コ
イル特有のパラメータである、線材と銅シート間の接触
抵抗率 ρct に着目した。31 T クエンチ経験後の電源遮断試
験結果から、31 T クエンチ時の ρct は 10,000 μΩcm2 と推定される。前述の解析はこの値を用いて実施したものである。ここで、ρct を 70、600、25,000 μΩcm2 と変化させて追加の解析を実施し、クエンチ時の Tpeak、σθ,peak を調査した。
結果を Fig. 2 に示す。ρct = 70、600 μΩcm2 の場合は σθ,peak >760 MPa となり、ρct = 25,000 μΩcm2 の場合は Tpeak > 500 Kとなるため、それぞれ機械的、熱的に損傷することが示さ

500
400

ρct = 10.000 μΩcm2
Temperature

Value causing
degradation (> 500 K)

330 K

300
200
100

ρct = 10.000 μΩcm2

0
800

-2

0

Value causing
degradation (760 MPa)

2

4

6

Hoop stress BzJR

718 MPa

600
400
200
0

-2

0

2
Time (s)4

6

Fig.1 Simulated (a) maximum temperature and (b) maximum
hoop stress in the winding during the 31 T quench.
600 µΩcm2
70 µΩcm2

25,000 µΩcm2

10,000 µΩcm2>>1,000 K
1,000

1,500

800
1,000

Values causing
degradation(760 MPa, >500 K)

600

Peak hoop stress

500

400

Peak temperature

200
0

10
10

100
102

1,000
103

10,000104

100,000
105∞

Peak temperature, Tpeak (K)Peak hoop stress BzJR, σθ,peak (MPa)3．解析結果：31 T クエンチ時の振る舞い
Fig. 1(a) に、31 T クエンチ時の LNI-REBCO コイル内最大温度の時間変化を示す。ピーク温度 Tpeak は 330 K であり、パラフィン含侵 REBCO コイルが劣化する温度として報告されている>500 K[5]を下回っている。同条件の絶縁コイルを想定した際の Tpeak は、断熱モデルを用いると>>1,000 K となる。すなわち、本コイルは LNI 法による電流分流効果で温度上昇を抑えられたといえる。Fig. 1(b)にコイル内最大フープ応力(BzJR)の変遷を示す。LNI コイ
ルや NI コイルなど、巻線内部に二次回路を有するコイル
は、クエンチ時に、誘導電流によって局所的に周方向電流が増大するため、BzJR も増大する。最大 BzJR のピーク
（σθ,peak）は 718 MPa であり、REBCO 線材の不可逆応力
760 MPa[6]以下に抑えられている。以上、クエンチ時のTpeak、σθ,peak ともに、劣化に至る値以下に抑えられ、コイルが熱的・機械的に保護されることが解析結果からも示された。

Simulation results of the 31 T quench
Maximum hoop stressMaximum temperature
BzJR in the winding (MPa)in the winding (K)1．はじめにJST 未来社会創造事業大規模プロジェクト型「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」において、永久電流 1.3 GHz (30.5 T) LTS/HTS NMRの開発実証を目指している。内層 REBCO コイルのクエン
チに対する保護技術の確立に向けて、我々は intra-Layer
No-Insulation（LNI）法[1]という巻線方法を提案してきた。
2019 年には、LNI 法を用いて製作した内径 18 mm の LNIREBCO コイルを強磁場中で励磁し、290 A 通電中、31 Tの中心磁場下で発生したクエンチから保護されることを実証した[2,3]。しかし、クエンチ時の巻線内部最大温度や最大フープ応力といった詳細な振る舞い、損傷から保護された要因などは、実験結果からは明らかになっていない。本研究では、LNI-REBCO コイルの数値解析モデルを構築し、31 T クエンチ時の振る舞いを解析した。

0

Contact resistivity, ρct (μΩcm2) (Insulated)

Fig.2 Simulated peak hoop stress σθ,peak and peaktemperature Tpeak during the 31 T quench as functions of ρct.
本研究は、JST 未来社会創造事業 JPMJMI17A2、JSPS 科
研費 19J11812、及び理化学研究所の基礎科学特別研究員
制度の支援を受けたものである。
参考文献
1. Y. Suetomi et al., SuST 32 045003 (2019).
2. Y. Suetomi et al., presented in 10th ACASC, 7P-49 (2020).
3. Y. Suetomi et al., accepted for publication in SuST.
4. K.B. Bhattarai et al., SuST 33 035002 (2020).
5. T. Ariyama et al., IEEE TAS 27 4600504 (2017).
6. C. Barth et al., SuST 28 045001 (2015).

― 111 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-p09

安定性・保護

局所欠陥を含む共巻き REBCO コイルにおける電磁特性
Electromagnetic characteristics of co-winding REBCO coils including local defects
阿部 徹，Arnaud BADEL, 岡田 達典, 淡路 智 （東北大）；
藤田 真司, 土屋 光揮, 飯島 康裕, 大保 雅載 （フジクラ）
ABE Toru, Arnaud BADEL, OKADA Tatsunori, AWAJI Satoshi (Tohoku Univ.);
FUJITA Shinji, TSUCHIYA Koki, IIJIMA Yasuhiro, DAIBO, Masanori (Fujikura Ltd.)E-mail: t.abe@imr.tohoku.ac.jp
1．はじめに
REBa2Cu3Oy(REBCO, RE: 希土類元素及び Y)線材は高磁場中における臨界電流密度特性に優れており，超伝導マ
グネットの高磁場化に向けた利用が試みられている。しかし、
REBCO 線材は局所的な欠陥の影響を受けやすく、コイルを構成する上で問題になっており、線の欠陥の影響を回避するコイル化技術が求められている。そのようなコイル化技術の一つとして、REBCO 線の 2 枚共巻きによるコイル化技術が考案されている[1]。本研究ではダブルパンケーキコイルの一方のコイルに人為的に劣化部を導入した 2 枚共巻きダブルパ
ンケーキコイルを作製し、その通電特性および電磁特性を評価した。通電特性については、自己磁場下でのコイル Ic の温度変化を測定し、77.3 K では線の劣化の影響を受けないことを確認した[2]。今回は人為的に劣化部を導入した共巻きダブルパンケーキコイルの電磁特性について報告する。
2．実験方法
コイルを構成する線は、フジクラ製の BaHfO3（BHO）添加
EuBCO 線材（FESC-SCH04）を用いた。共巻きダブルパンケ
ーキコイルに用いた REBCO 線材と、作製したダブルパンケー
キコイルの諸元を Table.１および Table.2 にそれぞれ示す。
共巻きは、２枚の線が共に REBCO 層がコイル内側になるように行った。人為的な劣化部は、ダブルパンケーキコイルのうち下側のコイルの 2 枚の線のうち外側の線の中心付近（55 ターン目）に位置する。
このダブルパンケーキコイルについて、77.3 K 以下、最低12 K までの温度領域で最大通電電流 500 A までの発生磁場および発生磁場の緩和を測定した。測定は自己磁場下で行った。冷却には伝導冷却方式のクライオスタットを用いた。
3．実験結果・考察
通電試験の結果、40 K 以下では、実験に用いた電源の上限である 500 A まで異常な電圧の発生なく通電することができ、その時の発生磁場は 1.83 T であった。
次に、14 K、20 K、40 K、65 K の各温度において、通電電流を 200 A に保った時の磁場の時間変化を Fig. 1 に示す。
40 K 以下の温度については、時間 t～10２ s 以下の領域で比較的早く磁場が減衰し、その後ゆっくりと上昇した。また、この初期緩和は低温ほど変化率が大きく、その緩和時間が上昇した。
HTS 共巻きコイルでは、線材の面内を流れる遮蔽電流に加え、2 枚の線材の面間を流れる結合電流の影響を受ける。この時、遮蔽電流はコイルが発生させる磁場とは逆向きの中心磁場を発生させ、結合電流はコイルが発生させる磁場と同じ向きの中心磁場を発生させる。そのため、遮蔽電流磁場と結合電流磁場の緩和の方向は逆向きになる。Fig. 1 に見られた中心磁場が初期に減少する挙動は結合電流が、その後の増加する挙動は遮蔽電流が主に作用していると考えられる。遮蔽電流と結合電流の違いは緩和時間と緩和の変化の大きさにも影響する。結合電流は線材間を流れるため、線材間抵抗とコイルのインダクタンスによって緩和時間が決まる。線材間抵抗は、超伝導内の遮蔽電流の場合と比べて十分大きいため、結合電流は遮蔽電流に比べて早く緩和すると予想される。
Fig.1 で見られた、高温で結合電流の緩和時間が低下する
傾向は、安定化銅を含む線材間抵抗が高温ほど大きくなるた
めと考えることができる。一方、200A 到達直後の磁場は、低温ほど増大している。これは、低温で Ic が大きいほど大きな結合電流が流れるためであると考えられる。一方で、65 K にお
いては、そのような結合電流の緩和がほとんど見られなかった。
これは、温度で接触抵抗が大きいことで緩和が早いことに加え、通電電流が 65 K におけるコイル Ic=230 A に近くなったためであると考えられる。
講演では、以上の実験結果と考察に加え、数値計算と比較して、これらの緩和現象を定量的に評価することを試みる。
Table.1 Specification of REBCO tape used in this study
Tape width
4 mm
Tape thickness
0.11 mm
REBCO thickness
2.5 μm
50 μm
Hastelloy® thickness
Copper thickness
20 μm
Table. 2 Specification of double pancake coil
Inner diameter
40 mm
Outer diameter
94 mm
Number of turns / pancake
101 turn
Ic at 77 K, s.f. (Ec=0.1 μV/cm)
106.7 An value at 77 K, s.f.
17.2

Fig. １ Relaxation of central magnetic field after
a 200 A plateau in various temperatures.
参考文献
1. S. Awaji, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 29(2019), 4300305.
2. T. Abe, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 100(2020) p.8― 112 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3A-p10

安定性・保護

導電性マイクロパスを設けた REBCO 高温超伝導線材の作製
Development of REBCO high Tc coated conductor with conductive micro-path
吉田 隆, 山田 寛之, 土屋 雄司 (名大); 三戸利行，小野寺優太，平野直樹（核融合研）
YOSHIDA Yutaka, YAMADA Hiroyuki, TSUCHIYA Yuji, (Nagoya Univ.); MITO Toshiyuki, ONODERA Yuta, HIRANO Naoki (NIFS)
E-mail: yoshida@nuee.nagoya-u.ac.jp
1. はじめに

金属基板

高温超伝導材料は高い臨界温度や臨界磁場を有しており、液体水素温度･高磁場下での高い臨界電流なども報告され、核融合実験装置や強磁場発生用超伝導マグネットな
どの超伝導応用への展開が期待されている。
REBa2Cu3O7(REBCO)高温超伝導線材は、撚線などによる大電流導体の作製が困難で、それを用いた大型コイル応用への大きな課題となっていた。さらに、REBCO 線材をパンケー
キ状に巻線し積層した高磁場マグネット用超伝導コイルにおいて、線材の局所的な特性劣化の発生により、いくつかの事故例が報告され、実用化･応用への障害となっている。
本研究では、大電流導体やコイルに適した新しい構造の REBCO 線材を研究開発する。図 1 に本研究で検討する
導電性電流パスを導入した際の REBCO 線間の転流に関する概念図を示す。複数の REBCO 線材を積層する際、従来の REBCO 線材は REBCO 層とハステロイ等の基材の間に絶縁物の中間層があるため、単純な積層だけでは REBCO 線間で電流が転流できず、導体やコイルとしての安定性を高くすることができない。本研究では、REBCO 線間の転流を可能とする安定な大電流導体やコイルを構築するため、中間層に導電性マイクロパス作製技術の構築、さらにその電気特性評価などにより転流評価を行う。
2. 実験方法
図 2 に導電性マイクロパス作製方法の概念図を示す。導電性マイクロパス作製は、はじめに UV レーザーマーカー(Kokyo 製)を用いて超伝導市販線材の超伝導層側から 3 倍
波の Nd レーザーを照射し加工を行う。なお、高温超伝導
線材は人工ピン入り市販線材（FESC-S12、株式会社フジクラ製)を用いた。加工条件は、レーザー周波数 20 〜 60
kHz、走査スピード 10〜1000 mm/s、Q パルス幅 0.1 〜 10
μs、レーザー照射回数 1 〜10 回と変化させて酸化物中間層までを貫通するマイクロパス（穴）をあける条件を探索した。さらにマグネトロンスパッタリング装置を用いてAg を 3μm 堆積し、導電性マイクロパスを作製した。作製したパスは走査型電子顕微鏡及びエネルギー分散型 X 線分光分析器を用いて観察、評価を行った。また、マイクロパス導入による超伝導特性は直流四端子法を用いて評価した。
導電性マイクロパス導入線材は 10 cm 程度の短尺線材
及び 50cm 程度の中尺線材を作製して転流試験などの評価を行った。その際超伝導線材間には高純度 Al シートを設置した。なお、使用した超伝導線材の幅は指定の大き超伝導線材①レーザー加工Agスパッタ
Laser

電流 I

超伝導
線材
超伝導
線材

Ag層
超伝導層 I
絶縁層

I

破損
金属基板

電流パス

I

破損

金属基板

(a)従来の導体(b)電流パス導入導体

Fig.1 Conceptual diagram of commutation between
REBCO tapes (a) Conventional method (b) Proposal by
conductive micropath.
さにレーザーで加工し、プレートの上に積層させた線材を載せ、その上から抑え棒をコマでボルト締めして押し付けることでサンプルを圧着した。電圧端子は上側の超伝導線材（上部線材）に複数個圧着した。直流電源装置(〜500 A)を用いて下側の超伝導線材（下部線材）に電流を 0.1〜10.0 A/s で増加させながら印可し、電圧変化を測定する。
3. 実験結果及び考察
UV レーザーマーカー装置を用いて、周波数に対する走査スピードを変化させて REBCO 線材中のマイクロパス
間隔を、レーザーエネルギー及び繰り返し数を変化させてマイクロパスの深さや大きさが系統的に変化することが確認された。図 3(a)にマイクロパス導入線材の表面
SEM 写真の一例を示す。断面組織観察から、酸化物中間層は貫通し、ハステロイ基板は貫通しない加工条件を検討した。図 3(b)に Ag をスパッタ法で成膜したマイクロパ
ス導入線材の表面 SEM 写真を示す。加工したマイクロパ
スを埋めるような SEM 像が観察され、導電性マイクロパスの形成が可能であることが確認できた。
導電性マイクロパス導入中尺 REBCO 線材を積層し、液体窒素中で転流試験を行った。下部線材に導電性マイクロパスを用いない場合、異なる上部線材の長さの REBCO 線材を用いた場合及びブリッジ幅の長さを変化させた場合の検討を行った。下部線材に導電性マイクロパスを用いない場合には、電流が下部線材のみに流れ、上部線材に転流しないことが電流電圧測定から確認された。一方、下部線材に導電性マイクロパスを用いた場合は、上部線材に電流が転流することが実証され、導電性マイクロパス導入
REBCO 線材及び導体の有用性が実証された。
謝辞 本研究の一部は NIFS 共同研究（NIFS21KECA090,
NIFS21KOBA034）で実施した成果である。
(a)

(b)

導電性マイ ク
ロ パス

500μm

②Ag堆積
（マイクロパス内にAg）

Fig.2 Micro-path fabrication method using laser processing
technology― 113 ―

500μm

Fig.3 SEM of micro-path fabricated by laser processing
technology (a) and conductive micro-path deposited by
sputtering method

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-a01

バルク着磁 (2)・応用

内径拡大させた中空円筒型 REBaCuO 超伝導バルク体のパルス着磁特性
Pulsed field magnetization of hollow cylindrical REBaCuO superconducting bulk with an enlarged
inner diameter新田 基己, 藤代 博之, 内藤 智之 （岩手大）
SHINDEN Motoki, FUJISHIRO Hiroyuki, NAITO Tomoyuki (Iwate Univ.)
E-mail: g032007@iwate-u.ac.jp

2. 実験方法
Fig. 1 に本実験で用いたバルクのセットアップを示す。Cold
stage 上に軟磁鉄 yoke を配置し、ステンレス製のホルダーを介して円筒型 GdBCO バルク(外径 60 mm, 内径 36mm, 高さ
17 mm, 日本製鉄製)を yoke 上に固定した。パルス磁場の励磁には solenoid 型コイル（内径 99mm ,外径 121mm,高さ 17mm）を用いた。バルクの初期温度 Ts を 60 K または 40 K、印
加磁場 Bap を 2 T～4 T として着磁を行った。円筒ボア中心の磁場は真空容器と一体化されたプローブ先端のホール素子
によって測定し、着磁終了後バルク表面 3 mm 上方でステッピ
ングモータによりプローブを走査することで捕捉磁場分布を測定した。着磁中のバルク温度はステンレス製ホルダー側面に取り付けたセルノックス温度計を用いて測定した。
3．結果と考察
Fig. 2 に各印加磁場に対する 40 K でのボア中心磁場の時間変化を示す。まず、Bapp = 3.88 T で着磁を行った。5 ms 付
近まで磁場遮蔽を確認したがその後 flux jump が発生しボア内への急激な磁束侵入を観測した。Fig. 3 に Ts = 40 K, Bapp
= 3.88 T における着磁後の捕捉磁場分布を示す。flux jumpは局所的な発熱を伴うことが知られ、着磁後、図に示すようなC 字型の捕捉磁場プロファイルが観測された。次いで Bapp =3.49 T, 2.50 T と印加磁場強度を下げ着磁を行ったがいずれも着磁過程初期での磁場遮蔽は観測されなかった。この実験
後に液体窒素中、1.5 T での磁場中冷却着磁で得た捕捉磁場分布を確認したところバルクの割れを確認した。本実験が示す結果は、低温での PFM における flux jump 発生時、内径の大きな円筒型バルクに対して破壊強度を超える応力集中が発生する可能性があることを示唆している。上述のように従来までの電磁界応力解析では説明できないことから、破壊の要因が flux jump 発生に伴う熱応力にあると考えた。講演では

C 字プロファイルにみられる狭い領域での熱応力解析結果を加え円筒バルクの破壊リスクについて議論する。

Fig. 1. Schematic image of the experimental set up for PFM
using solenoid coil.
6
Bapp=3.88 T (1st)5

Bapp=3.49 T (2nd)

4

B (T)

1. はじめに
パルス着磁法(PFM)によって励磁された円筒型 REBaCuO
バルク超伝導体の捕捉磁場 BT は flux jump とよばれるバルク
内不均一を経路として発生する着磁過程での急激な磁束侵入・流出によって大きく制限される[1]。また、臨界電流密度 Jc
が均一なモデルでの応力解析によれば、PFM 過程での電磁界応力がバルクの破壊応力（50～70 MPa[2]）を越えることはなく、破壊の観点で BT が制限されることはないとされてきた[3]。
これまで報告された PFM による円筒型バルクでの捕捉磁場は最大で 0.3 T (at 65 K)程度であり、ボア内での磁場捕捉に成功した例はいずれもバルクの内外径比（内径/外径）が 50%未満の厚肉バルクによるである。広範な応用に向け、広いボ
ア空間を有する、すなわち薄肉の円筒型バルクに対して破壊および flux jump 双方が生じない PFM 条件の確立は重要である。我々の研究グループでは当初ハイブリッド型超伝導バ
ルク磁石レンズ(HTFML)のパルス着磁[4]を目指し、内径の大きな円筒バルクの着磁を試みていたが、着磁中にバルクの破壊を観測した。本講演ではその実験結果を踏まえ、PFM における円筒型バルクの破壊リスクについて検討を行ったので報
告する。

3
2

Bapp=2.50 T (3rd)

1
0

GdBCO-PFM (Ts=40 K, single pulse)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Time (ms)Fig. 2. Time evolution of the local magnetic field measured in
the bore center of the hollow cylindrical bulk at Ts = ４0 K

Fig. 3. Trapped field distribution after PFM process for theapplied field of Bapp = 3.88 T at Ts = 40 K, which wasmeasured 3 mm above the bulk surface.
4. 参考文献[1] D. Zhou et al., Supercond. Sci. Technol. 33 (2020) 034001[2] A. Murakami et al., Cryogenics 43 (2003) pp. 345-350[3] T. Hirano et al., J. Phys. Conf. Series 1559 (2020) 012027[4] M. Shinden et al., J. Phys. Conf. Series 1590 (2020)
012048― 114 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-a02

バルク着磁 (2)・応用

無酸素銅板/MgB2 超伝導バルク積層のパルス着磁における無酸素銅の効果
An effect of OFC plates on the pulsed-field magnetization process
for OFC-plates/MgB2-bulks stacking
吉田 智貴，内藤 智之 （岩手大）
YOSHIDA Tomoki， NAITO Tomoyuki (Iwate Univ.)
E-mail: g0321179@iwate-u.ac.jp
1.

はじめに
MgB2 超伝導体は弱結合の問題が無く、軽量かつレアアー
スフリーであるためバルク応用に適した材料であるが、比熱 Cが小さく、熱的に不安定な材料である。そのため、着磁中にフラックスジャンプが発生しやすく応用上の大きな障害となっている。着磁法の一つであるパルス着磁(PFM)では着磁中の温度上昇も伴うため、MgB2 バルクの着磁には不向きであるとされていた。しかし、我々の研究グループでは MgB2 リングバル
クと無酸素銅板を積層し、リング内部に軟磁鉄 Yoke を挿入した複合構造において、PFM 法による MgB2 バルクの捕捉磁場としては最高の 1.61 T を達成した[1]。Yoke が捕捉磁場向上に大きく寄与したことは分かったが、熱はけの効果を狙った無酸素銅板の捕捉磁場への効果は明らかとなっていなかった。
本研究では、有限要素法を用いて電磁場・温度の連成解析を行い、無酸素銅板が捕捉磁場特性に与える影響を調べた。

も、Cu plate の発熱がバルクの温度上昇に大きく寄与していることが説明できる。以上の結果から、無酸素銅板は自身の発熱をバルクに伝え、捕捉磁場を低下させるという結果になった。
講演では捕捉磁場向上のために作成した無酸素銅板をバルクに接触させないモデルについても解析結果を紹介する予
定である。

2.

解析方法
2 枚の無酸素銅板(外径 60 mm、高さ 0.5 mm、残留抵抗率
RRR = 30)を上下面に積層させた MgB2 ディスクバルク(外径 60mm、高さ 18 mm)に対し、2 次元軸対称有限要素モデルを構築した。Fig.1 にその概略図を示す。スプリットコイルを用いて外部磁場(rise time = 12 ms, duration time = 300 ms)を印加し、その内部には軟磁鉄 Yoke を設置した。MgB2-銅複合体は真鍮ホルダーを介して冷凍機コールドヘッドに接続した。真鍮とコールドヘッド間に接触熱抵抗を配置することで冷凍機による冷却を再現し、初期温度は Ts = 20 K とした。バルクの臨界電流密度 Jc (B,T)特性には実測値をフィッティングしたものを用い、捕捉磁場と温度上昇を算出した。

解析結果
Fig.2 に無酸素銅板無しモデル(w/o Cu plate)と無酸素銅板積層モデル(w/ Cu plate)におけるバルク表面中心の捕捉
磁場の印加磁場依存性を示す。無酸素銅板ではパルス磁場印加に伴い、侵入する磁束を遮蔽するように渦電流が流れる
ためパルス磁場強度は減少する。そこで無酸素銅板の有無でバルク表面中心の磁場強度が一致するように実効印加磁場
Bcenter を定義した。バルク表面中心では w/o Cu plate、w/ Cu
plate 共に印加磁場 Bcenter = 2.00 T 付近から磁束侵入が始まった。w/o Cu plate では Bcenter = 2.21 T のとき最大捕捉磁場
Bt-top = 1.66 T を示し、w/ Cu plate では Bcenter = 2.03 T のとき
w/o Cu plate より 0.41 T 低い Bt-top = 1.25 T を得た。以上より
無酸素銅板を積層させることで捕捉磁場が低下するという結果となった。
Fig.3 に二つのモデルにおける最大捕捉磁場時の温度分布を示す。w/o Cu plate では磁束の侵入に伴いバルクが発熱し、バルク上下面とバルク内部で温度差のない分布となった。
最大温度は Tmax = 34 K であった。一方、w/ Cu plate では磁束の侵入後、無酸素銅板の最大温度は Tmax = 38 K を示し、
バルク上下面とバルク内部で温度差のある分布となった。これは無酸素銅板の発熱がバルクの発熱よりも大きく、無酸素銅板からバルクに熱が伝播したことを示している。また、Fig.2 の
w/ Cu plate において高磁場側で捕捉磁場が低下したことから

Fig.1 Schematic view of numerical model3.

Fig.2 Effective applied field (Bcenter) dependence oftrapped magnetic field, Bt , at 20 K for each model

Fig.3 Temperature distribution after magnetic flux
invasion, at Bt-top for each model
参考文献[1] T.Hirano et al. : Supercond. Sci. Technol. 33 (2020)
085002 (10pp)― 115 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-a03

バルク着磁 (2)・応用

リング状積層超電導体の電磁特性Electromagnetic Characteristics of Ring-shape Stacked Superconductors
寺尾 悠, 淵野 修一郎, 大崎 博之（東大）
TERAO Yutaka， FUCHINO Shuichiro and OHSAKI Hiroyuki (Univ. of Tokyo)
E-mail: yterao8934@g.ecc.u-tokyo.ac.jp

Fig. 1. Ring-shape stacked superconductor+5.6 mm
②

①

S

N

③

④

StackedSuperconductor

Permanent Magnet

-6 mm

N

S

Fig. 2. Moving process of permanent magnet
from ring-shape stacked superconductor
0.03

Upper Direction

Electromagnetic Force (N)1．はじめに
近年、超電導線材を積層させてバルク超電導体のように着磁し、モータ界磁等に用いる研究が盛んに行われている[1,2]。この「積層超電導体」は加工性や機械的な強度等の点でバルク超電導体にはない特性が期待出来る。
しかし、裏を返せばバルク超電導体と比較して異なる特徴が存在するため、将来的に様々な機器に応用するためには
電磁力をはじめとした基礎特性を把握する必要がある。
本発表では、GdBCO 線材を巻いてリング状に加工しネオジム永久磁石（以下、永久磁石）を上下方向に移動させた際の電磁力の測定を行い、考察した結果を報告する。
2．実験に用いる積層超電導体
Fig. 1 に今回の実験に用いる積層超電導体を示す。積層
超電導体の作製に当たっては、SuperOx 社の 12 mm 幅
GdBCO 線材を使用する。本線材の臨界電流は 77 K、0 T で
約 105 A である。これを低温はんだで接合して巻いていき、内
直径 17 mm、外直径 46 mm のリング状に加工して使用する。
本構造の場合、バルク超電導体と異なり、はんだでの接合による成型であるが故に、周方向に閉じた永久電流ループは存在しない。
3．永久磁石を用いた電磁力測定
リング積層超電導体の電磁力の比較を行うため、Fig. 2 に示すようにφ13 mm×高さ 20 mm の円柱状永久磁石をリング
積層超電導体の中に挿入し、①→②→③→④の順で高さを1 mm ずつラックアンドピニオンを用いて変化させた際に永久磁石に働く力をロードセルで測定した。本実験においては永久磁石を上記のルートで三往復させており、各点において定常状態に落ち着かせるために、十分な時間をおいてから電磁力の測定を行った。
測定結果を Fig. 3 に示す。横軸に永久磁石の移動距離(mm)、縦軸に電磁力(N)を示している。グラフは三往復目のみを示しているが、一往復、二往復目もほぼ同様の軌跡を示し、結果として永久磁石部分にかかる電磁力が歪んではいるがヒステリシス特性を示した。これにより電磁力の最大値は上方向の移動（①）で約 0.02 N、下方向の移動（③）で約 0.03 N であることが分かる。本リング積層超電導体の場合、バルク超電導体と異なり主に永久磁石と対向した超電導面にのみ、永久磁石の移動に伴う遮蔽電流が流れて電磁力が発生していると考えられる。
4．まとめと今後の課題
リング状積層超電導体に対して永久磁石を用いた電磁力測定を行った。その結果、永久磁石部分にかかる電磁力は上方向、下方向でそれぞれ 0.02 N、0.03 N であった。
今後はリング積層超電導体の内外直径を変化させた場合の電磁力特性や遮蔽電流分布等の解析を行うことで更なる考察を行っていく必要がある。
謝辞
本研究は、公益財団法人天野工業技術研究所による研究助成金の下で行われた。
参考文献
1. A. Patel, et al.: Supercond. Sci. Technol., Vol. 31, No. 9(2018) 09LT01.
2. A. Patel, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 25,
No. 3 (2015) pp. 1-5.

②

0.02

Downer Direction

0.01
-8

― 116 ―

-6

-4

③

-2

0
-0.01

①
0

2

4

6

8

-0.02

④

-0.03
-0.04
Moving Direction (mm)Fig. 3. Electromagnetic forces among
a ring-shape stacked superconductor
and a permanent magnet (third round trip)

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-a04

バルク着磁 (2)・応用

YBa2Cu3Oy 粉末を利用した磁場シールド材の開発
Fabrication of shielding sheet for DC magnetic field by YBCO superconducting powders
寺西 亮, 田丸隼也, 佐藤 幸生, 金子 賢治，岩熊成卓 （九州大）
TERANISHI Ryo, TAMARU Jun-ya, SATO Yukio, KANEKO Kenji, IWAKUMA Masataka (Kyushu Univ.)
E-mail: teranishi@zaiko.kyushu-u.ac.jp
1．はじめに超伝導体をモーター等の電力機器に応用する際には、発生する磁場を遮蔽する必要が生じる場合がある。磁場シール
ド材としては強磁性体を用いるものと超伝導体を用いるものが報告されている[1,2]。超伝導体として、YBa2Cu3O7-δ(YBCO)は 90 K を超える超伝導転移温度を有していることから液体窒
素冷却すれば、冷却コストの観点で利点がある。YBCO はこ
れまでバルク体や薄膜線材として作製されてきているが、シールド材として利用するには形状の自由度がより高いことが望まれる。また、航空機での磁場遮蔽を考慮した場合には、軽量であることが強く望まれる。そこで、本研究では形状自由度が高くて軽量な樹脂に注目し、YBCO 粉末を加えた樹脂製のシールド材の作製を試みた。また YBCO 粉末の粒径がシールド率やシールド材の組織に及ぼす影響を調査した。

Fig. 1（a）2．実験方法
粒径の異なる YBCO 粉末を準備した（豊島製作所製、平均粒径 3.8 µｍおよび 27 µｍ。それぞれ微粉、粗粉と表記する）。
粉末：液状 PET 樹脂＝60 vol％：40 vol％の割合でこれら粉末を個別に樹脂と混合して攪拌し、2 種類の原料溶液を作製した後、アプリケーターを用いて離型フィルム基材上に塗工した。
この時、アプリケーターと基材との間隙を 250 µｍ、塗布速度を約 2 cm/秒とした。その後、ホットプレートを用いて 85 ℃および 135 ℃で 5 分および 10 分熱処理した。得られた試料の生成相の同定および微細組織の観察は、X 線回折法(XRD)および走査型電子顕微鏡により行なった。磁場遮蔽率は、ホール素子が内部に取り付けられたボビンに試料を巻き付け、それを液体窒素に浸して冷却したのち外部磁場を 0 から 3 T ま
で変化させてホール素子の電圧を測定することで求めた。
3．結果と考察Fig.1 に XRD による生成相の同定結果を示す。各シート材のほか、各原料粉末および粉末を加えていない樹脂の測定結果も併せて示す。微粉、粗粉ともに原料粉末と同じく 32.8°、
38.5°、40.4°、46.6°、58.2°付近で強いピークが観察されたことから、作製したシート材はいずれも YBCO から形成されていることが確認された。一方で、シート材では原料粉末には観察されない Y2BaCuO5 に起因するピークが観察された。
Fig.2(a)および(b)に、微粉および粗粉シートの表面 SEM 像
を、(c)に粗粉シートの断面 SEM 像を示す。(a)では凹凸や亀裂は見られずに均質であるのに対して、(b)では凹凸や数百 µｍの亀裂、数十 µｍの空孔が観察されたほか、約 30 µｍの粒子が見られた。 (c)の観察結果から、この亀裂は厚み方向でシートを貫通していることか分かった。なお、シート材の厚み
は、微粉および粗粉シートでそれぞれ約 85 µｍ及び 60～130µｍであった。粗粉シートで観察された凹凸は、粉末の分散が不十分であるために粒子間に樹脂が行き届いていないことが原因と考えられる。樹脂はシールド材において粒子間のつなぎの役割を果たすため、樹脂が行き届いてない部分はシート
材を変形させた際の割れや破れの原因となる可能性がある。
磁場遮蔽率を測定した結果、外部磁場が 20 mT での微粉および粗粉シートの磁場遮蔽率は、約 16％および約 14％で、両者に大差は無いことが分かった。また、磁場強度が大きくなるに従って、いずれの試料も遮蔽効果が小さくなっていくこと

Results of XRD measurement.

500μｍ

（b）
空孔

⻲裂

（c）

粒子

表面
断面
50μｍ

Fig. 2 SEM images for the sheets with (a) fine
powders and (b) coarse powders, and (c) an enlarged
cross-sectional image of sample (b).
が分かった。以上より、本研究にて液状 PET と YBCO 粉末からなる磁場シールド材が得られ、微粉を使用することで均質な膜が得られることが分かった。
謝辞
この成果は、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）の航空機用先進システム実用化プロジェクトの業務として得られたものである。磁場遮蔽率の測定
は、国立研究開発法人産業技術総合研究所にてエネルギ
ー・環境領域の町敬人博士のご支援のもとで実施した。
参考文献[1] 松葉博則，表面科学，12 (1991) 31-37.
[2] 町 敬人ら，第 98 回 2019 年度春季低温工学・超電導学会講演概要集 76.

― 117 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-a05

超電導接合

Bi2223 線材間超伝導接合における微細組織制御と後熱処理効果
Control of microstructure and effects of post-heat annealing on superconducting
joints between Bi2223 tapes
中井 優亨, 元木 貴則, 下山 淳一 (青学大) ; 武田 泰明, 柳澤 吉紀 (理研) ; 末富 佑 (千葉大) ;中島 隆芳, 山出 哲(住友電工)
NAKAI Ukyo, MOTOKI Takanori, SHIMOYAMA Jun-ichi (Aoyama Gakuin Univ.); TAKEDA Yasuaki, YANAGISAWA Yoshinori(RIKEN); SUETOMI Yu (Chiba Univ); NAKASHIMA Takayoshi, YAMADE Satoru (SEI, Ltd)E-mail: c5621057@aoyama.jp
1. はじめにAg シ ー ス (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Oy[Bi2223] 多 芯 線 材 (DIBSCCO ® [1])は高い臨界電流特性と優れた量産性から、高磁場発生を含めた超伝導磁石応用が進んでいる[2]。一方、
JST 未来社会創造事業では、LTS, Bi2223, REBCO の各線材
を超伝導接合した永久電流 1.3 GHz(30.5 T) NMR 磁石の開発が進められており、Bi2223 線材間の実用的な手法での超伝導接合技術の確立が必須となっている[3]。我々は、Bi2223
多結晶中間層の導入により DI-BSCCO ®線材間の超伝導接合を試み、多芯線材間の接合において初めて実用的な接合
臨界電流を実現した[4]。本研究では接合 Ic のさらなる改善と再現性の向上を目指し、線材の Bi2223 フィラメント
より Pb 固溶量が大きい原料粉末を線材間に挟み、熱処理
によって 中間層に Pb リッチな Bi2223 の結晶を成長させることで接合試料の作製を試みた。

Fig. 1 I-V curves measured at 77 K in self-field forsuperconducting joints between Bi2223 tapes.

2. 実験方法
DI-BSCCO Type H 線材を浅い角度(0.4°)で研磨して超伝導フィラメントを露出した面にスラリーを滴下すること
で接合試料を作製した。ティーイーピー社製 Bi2223 仮焼粉末(Bi:Pb = 1.6:0.45)に、あらかじめ作製した Bi2223 単相粉末を少量、所定量のエタノールを加え、ボールミルにより混合することによりスラリーを調製した。熱処理は PO2= 3 kPa 下で行い、1 次焼成後の接合試料に中間層の組織の緻密化を目的とした~ 200 MPa の中間一軸プレス、2 次
焼成を施した。また、一部試料は 740°C, PO2 = 1 kPa での金属組成制御を目的とした還元ポストアニールを施した。
作製した接合試料の通電測定は液体窒素浸漬下で行った。
試料の微細組織は SEM により観察し、厚膜部の超伝導特性は SQUID 磁束計を用いプレス面に垂直に印加した磁場下での磁化測定により評価した。
3. 実験結果
Fig. 1 に接合試料の I-V 特性を示す。還元ポストアニー
ル後の試料は接合 Ic が大幅に改善し、80 A 以上に上昇した。この結果は、還元雰囲気下の後熱処理が接合 Ic 改善に有効であることを示している。Fig. 2 に作製した接合試料から取り出した Bi2223 中間層厚膜の磁化率の温度依存性を示す。還元ポストアニールの追加によって超伝導転移が鋭くなり、粒間結合の改善が示唆された。当日は、接合部の断面研磨面、特に線材フィラメントとの界面の微細組織制御による接合 Ic の改善指針についても報告する。

Fig. 2 Temperature dependence of normalized ZFC
magnetization of Bi2223 joint intermediate layer.
謝辞
本研究は 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. N. Ayai et al., J.Phys. Conf. Ser. 97 (2008) 012112
2. T. Nakashima et al., Cryogenics 52 (2012) 713-718
3. H. Maeda et al., IEEE TAS 29 (2019) 4602490
4. Y. Takeda et al, Appl. Phys. Express 12 (2019) 023003― 118 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-a06

超電導接合

永久電流 400 MHz (9.39 T) LTS/Bi2223 NMR の開発~ Bi2223 内層コイルの 4 K 単体試験特性 ~Development of a persistent current 400 MHz (9.39 T) LTS/Bi2223 NMR- test results of a Bi2223 inner coil at 4 K 武田 泰明 (NIMS, 理研) ; 末富 佑 (理研, 千葉大) ; 中井 優亨 (青学大) ; 松竹 優一, 谷貝 剛 (上智大) ;朴 任中, 柳澤 吉紀 (理研) ; 元木 貴則，下山 淳一 (青学大) ; 濱田 衞, 斉藤 一功 (JASTEC)TAKEDA Yasuaki (NIMS, RIKEN) ; SUETOMI Yu (RIKEN, Chiba Univ.) ; NAKAI Ukyo (Aoyama Gakuin Univ.) ;MATSUTAKE Yuichi, YAGAI Tsuyoshi (Sophia Univ.) ; PIAO Renzhong, YANAGISAWA Yoshinori (RIKEN) ;MOTOKI Takanori, SHIMOYAMA Jun-ichi (Aoyama Gakuin Univ.) ; HAMADA Mamoru, SAITO Kazuyoshi (JASTEC)
E-mail: TAKEDA.Yasuaki@nims.go.jp
1．はじめに
我々は、JST 未来社会創造事業大規模プロジェクト型「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」において、永久電流 1.3 GHz (30.5 T) LTS/HTS(REBCO-Bi2223) NMR の開発実証を目指している[1]。最大の挑戦は、永久電流運転を実現するための超伝導接合の開発とコイル実装であり、特に線材の単長が比較的短い HTS コ
イルでは数十か所の超伝導接合が必要になる。
我々は、REBCO 線材同士の超伝導接合[2]を用いた永久電流 400 MHz (9.39 T) LTS/REBCO NMR の開発に成功した[1,3]。次の重要な技術開発として、Bi2223 線材間の超伝導接合[4]を使った Bi2223 内層コイルによる、世界初となる永久
電流 400 MHz LTS/Bi2223 NMR の実現を目指している。前回の本学会[5,6]では、取り組みの概要と、コア技術となる高強度 Bi2223 線材 (住友電工社製 DI-BSCCO Type HT-NX[7]) 間の超伝導接合技術、および実コイルと同様の端末線構造を持つモデルコイルの作製と評価について報告した。今回はそれらを踏まえ、接合の Ic-B 特性や磁石構造などからコイルに要求される技術的条件を整理するとともに、400 MHz
NMR 試験のために製作・接合処理した Bi2223 内層コイルの4 K 自己磁場下での永久電流特性を報告する。
2．NMR 磁石の概要と Bi2223 内層コイルの運転電流
1.3 GHz NMR では LTS-HTS コイルの直列運転を想定しているが、今回の 400 MHz NMR では Bi2223 線材間の超伝導接合の実装と評価に特化するため、Bi2223 内層コイルと LTS
外層コイルを個別に永久電流運転する。Table 1 に 400 MHz
LTS/Bi2223 NMR コイルの諸元を示す。Bi2223 内層コイルは
1 本の線材でレイヤー巻線し、その端末線同士を超伝導接合するため、接合箇所は 1 か所である。77 K 自己磁場下での接合 Ic は 1 μV cm-1 基準で~ 15 A であった。
NMR の 400 MHz 運転時には Bi2223 接合部に~ 0.25 T の磁場がかかる。一方、Ic (77 K) が同程度の短尺接合試料を用いた 4.2 K での Ic-B 特性評価では、Ic > 80 A (自己磁場下)および Ic ~ 30 A (0.25 T) であった。従って、Ic に対する負荷率が十分に低くなるように、Bi2223 内層コイルの運転電流は10 A と決めた。Bi2223 内層コイルは~ 1 MHz の磁場を、LTS
外層コイルは~ 399 MHz の磁場を、それぞれ発生する。
3．Bi2223 内層コイルの 4 K 自己磁場下の永久電流特性
端末を超伝導接合[4,5]した Bi2223 内層コイルを液体 He
浸漬下で 4.2 K に冷却し、自己磁場下での永久電流試験を行 っ た 。 自 己 磁 場 下 で は 接 合 Ic が 高 い こ と を 考 慮 し 、
400 MHz NMR での運転電流より高い~ 50 A の初期電流を導入した。永久電流スイッチを ON にして電源電流をゼロにし、コイル中心磁場 Bz を観測した。Fig. 1 に電源電流をゼロとした
時間を t = 0 h とした中心磁場 Bz の時間変動を示す。400 h
超、約 18 日間で磁場の減衰は全く見られず、接合抵抗は~ 10−12 Ω と見積もられた。この結果から、Bi2223 内層コイル
は永久電流運転が可能であることを確認した。当日は、本コイルを組み込んだ NMR 開発の進捗についても報告する。
Table 1 Parameters of the Bi2223 inner coil and the LTS outercoils for a 400 MHz LTS/Bi2223 NMR magnet.

Conductor
Conductor
width/thickness [mm]Conductor Ic (77 K)
before joint [A]ID/OD/Height [mm]Total turns
Coil constant [mT/A]
Number of layers
Self-inductance [H]Operating current [A]Field [T/MHz]

Bi2223
inner coil
DI-BSCCO
Type HT-NX(SEI)
4.5/0.3

LTS
outer coils
Nb-Ti, Nb3Sn
-

~ 200

-

99.7/105/345
608
2.12
8
0.010410
0.02/0.9

133/332/547
32770
68.67
134
70.0
135.9
9.37/399.1

Fig. 1 Measured magnetic field (Bz) for the Bi2223 inner coil at
4.2 K in self-field.
謝辞
本研究はJST未来社会創造事業JPMJMI17A2、および理化学研究所基礎科学特別研究員制度の支援を受けたものである。
参考文献
1. H. Maeda et al., IEEE TAS 29 (2019) 4602409.
2. K. Ohki et al., SuST 30 (2017) 115017.
3. Y. Yanagisawa et al., to be submitted.
4. Y. Takeda et al., APEX 12 (2019) 023003.
5. Y. Takeda et al., Abstracts of CSSJ Conf. 100 (2020) 97.
6. Y. Matsutake et al., Abstracts of CSSJ Conf. 100 (2020) 117.
7. T. Nakashima et al., IEEE TAS 25 (2015) 6400705.

― 119 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-a07

超電導接合

REBCO 線材超伝導接合の磁場中接合抵抗評価
Joint resistance evaluation of REBCO superconducting joint in magnetic field
小林 賢介(NIMS)； 大木 康太郎（住友電工）； 永石 竜起(住友電工)； 内田 公(NIMS)； 西島 元(NIMS)； 北口 仁（NIMS）
KOBAYASHI Kensuke (NIMS); OHKI Kotaro (SEI); NAGAISHI Tatsuoki (SEI); UCHIDA Akira (NIMS);NISHIJIMA Gen (NIMS); KITAGUCHI Hitoshi (NIMS)
E-mail: kobayashi.kensuke@nims.go.jp
1．はじめに
高温超伝導(HTS)線材同士を超伝導接合する技術は、現在計画中の永久電流運転 1.3 GHz NMR の実現にとって、必要不可欠な技術である[1]。
我々は、超低抵抗・超伝導接合試料の評価に特化した装置の開発を行っており、電流減衰法を用いることで 10-9 Ω以
下の接合抵抗を、3 K から 120 K 程度までの温度範囲、3 T ま
での磁場中で迅速に評価可能である[2]。本講演では、最近報告された REBCO 超伝導接合試料[3]を用いて行った磁場
中接合抵抗評価の結果について報告する。
2．実験方法REBCO 超伝導接合試料は、両端を接合した 1 回巻きルー
プ試料を用いた。接合抵抗は、誘導コイルを用いて試料へ誘導した電流の減衰をホールセンサーを用いて測定し、VHall(t)= A + Bexp{-t/(L/R)}のフィッティングから得られた回路抵抗 Rから、線材部分の抵抗はゼロとして求めた。ここで、A、B はフィッティングパラメーター、L は自己インダクタンスで、同型試料の室温の実測値 0.47 μH を用いた。電流減衰測定は、4.2
K と 77 K で行った。また、接合部に対して平行に印加した 3 T
までの磁場中でも接合抵抗評価を行った。
3．結果と考察
Figure 1 に 4.2 K における自己磁場中での電流減衰測定
結果を示す。誘導コイルへ通電する電流を変化させることで試料へ誘導される電流を変えることができ、今回の一回巻き試料の場合、最大で 300 A 程度だった。4.2 K では最大電流でも減衰はほぼ見られず、3 時間程度の測定データに対する
フィッティングから得られた接合抵抗は、全ての初期誘導電流で 10-14 Ωのオーダーだった。このことは、4.2 K 自己磁場中における接合部の Ic が 300 A より大幅に大きく、負荷率が十分低いことを示していると考えられる。
Figure 2 に 4.2 K における磁場中の電流減衰測定結果を示す。試料へ誘導した電流は全て～307 A で、図中に示すように接合部へ平行に磁場を 1.0 から 3.0 T まで印加した。磁場中でも電流減衰はほぼ見られず、フィッティングから得られた接合抵抗は自己磁場中と同じ 10-14 Ωのオーダーだった。4.2
K では、3.0 T の磁場中でも Ic は十分に大きく、超伝導接合が実現していることを示す結果が得られた。
講演では、77 K での磁場中電流減衰測定結果と接合抵抗評価結果についても報告する予定である。

Fig. 1 Current decay measurements of REBCO SC joint at 4.2
K in self-field.

B

謝辞
本成果は， JST 未来社会創造事業[JPMJMI17A2]によって得られたものです。

joint

参考文献
[1] H. Maeda et al., IEEE TAS 29, 4602409 (2019).
[2] K. Kobayashi et al., IEEE TAS 30, 9000204 (2020).
[3] K. Ohki et al., SuST 30, 115017 (2017).
Fig. 2 Current decay measurements of REBCO SC joint undervarious magnetic fields at 4.2 K.

― 120 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-a08

超電導接合

マルチスポット加熱装置を使用した Bi2223 線材間の超伝導接合
Superconducting joint between Bi2223 tapes a multi-spot heating device
金沢 新哲（室工大）
KANAZAWA Shintetsu (MIT)E-mail: shintetsu_kanazawa@muroran-it.ac.jp

2．実験
線 材 は 住 友 電工 製 の Ni 合 金 補 強 Bi2223 テ ー プ 線（DI-BSCCO Type HT-NX）を使用した。今回使用した線材の臨界電流は 77 K で 160 A であった。
今回設計開発した接合装置の外観と内部のイメージを Fig.
1 に示した。ヒーターは２箇所に設置し、それぞれ温度コントローラーで制御する。ヒーター間の間隔は 15 mm にし、一体化させないようにした。接合体の作製条件は、酸素分圧が 0.2
atm で、最高温度 850℃で 30 秒間接合処理を実施した。接合部は全部で５箇所で、それぞれの接合界面は研磨により、階段の構造とした。その階段形状の表面を当接して接合を実施した。Fig. 2 に、接合部が３箇所の場合のイメージを示した。
実際の接合では、線材間の角度がほぼゼロである。
臨界電流の測定では、まず接合部５箇所の全体の臨界電流を測定し、それから１箇所ずつハサミで切り除いて、接合部
４箇所、３箇所、２箇所および１箇所を持つサンプルを測定した。測定は液体窒素温度 77 K で実施した。
3．実験結果とまとめ
Fig. 3 に測定した５つのサンプルの電流電圧特性を示した。
接合部１箇所の臨界電流が 7 A 程度で、接合部３箇所までに臨界電流が増加し、23 A となった。この値は、これまで１箇所ずつ作製した接合体（３連）の臨界電流と同程度であり、今回のマルチスポット加熱装置で実証できた。接合部４箇所以降
は 77 K で臨界電流が増加していなく、これは接合過程で線材自体が溶融分解により 77 K での臨界電流が降下したことに関連ある可能性がある。今後温度 77 K 以下での実験評価を実施する予定である。
謝辞
本研究は JST 未来社会創造事業「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 」（JPMJMI17A2）、MEXT 卓越研究員事業（ID：16810210）、および JSPS 科研費（18K04719）の助成を受けた。

controller

chamberheaterheater15 mm

Fig. 1 Picture of multi-spot heating device for joint.

junctionFig. 2 Structure of joining boundary for three junctions.

8 T = 77 K

5 junctions Ic = 23 A
4 junctions Ic = 23 A
3 junctions Ic = 23 A
2 junctions Ic = 18 A
single junction Ic = 7 A

6V (μV)

1．はじめにREBCO と Bi2223 などのテープ状の線材は、長手方向での結晶配向により、テープ面に垂直方向の臨界電流密度は長手方向より小さい。線材間の接合ではテープ面を当接してつ
なげるため、テープ面に垂直方向の臨界電流を考慮する必要がある。原理的には、接合面積を増やすことで臨界電流を向上できるが、実際の製造過程において接合面積を増加させるには限界がある場合がある。例えば、分解溶融法[1]などの短時間の熱処理で、長い接合部を均一な温度でコントロー
ルすることは容易ではない。
そのため、接合部を複数個所有するマルチジャンクション法が提案され、温度コントロールしやすい短い接合部を複数設けることで、接合面積を増加している[2]。Bi2223 線材の接合では、このようなマルチジャンクション法により臨界電流が大幅に改善されていることが実証されている。これまでは、複数の接合部を１箇所ずつ作製したが、本研究では複数の接合部を同時に製造できるマルチスポット加熱装置を設計開発し、それを用いて接合体を作製したので、接合方法と接合体の臨界電流の測定結果を報告する。

4
2

1 μV

0
0

10

20
I (A)

30

Fig. 3 I-V properties for joint samples measured at 77 K.
参考文献[1] Xinzhe Jin, et al., Supercond. Sci. Technol. 32 (2019)035011[2] Shintetsu Kanazawa，IEEE Trans. Appl. Supercond. 31(2021) 7000104― 121 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-a09

超電導接合

高分解能 X 線 CT を用いた超伝導線材接合部の非破壊評価（２）

Non-destructive observation in superconducting joint by use of micro-XCT (2)井上 昌睦，太田 真揮人（福岡工業大学）；寺西 亮（九州大学）
INOUE Masayoshi, OTA Makito (Fukuoka Inst. Tech.); TERANISHI Ryo (Kyushu Univ.)
E-mail: ms-inoue@ fit.ac.jp
1．はじめに超伝導線材同士の接合に関する研究開発が精力的に取り組まれているが、接合部の評価においては電気的な性能評
価と合わせて、物理的な接合状態も確認することが求められる。我々は、超伝導線材の接合部の空隙構造を X 線 CT により非破壊で評価する取り組みを行っている。前回の報告では
X 線 CT 画像の輝度値のヒストグラムから、適用二値化処理を導入することにより適切な空隙領域を抽出できるだろうとの指針を得た。今回は、同手法を適用して空隙領域の三次元解析を行った。
2．X 線 CT 測定
試料は、追加堆積した前駆体膜を介して REBCO 層同士を接合させる手法により作製された接合線材である [1]。接合端部 か ら 3.8 mm 程 度 の 距 離 に わ た り X 線 CT （ Bruker ：SKYSCAN 1172）による内部構造観察を行った。Fig. 1 に X
線 CT による観察領域の模式図を、Fig. 2 に測定した X 線透過像の例を示す。測定画像の pixel サイズは、4,000×2,664であり、同画像を 0.2°ずつ回転させながら 190°分撮影した後、CT 像への再構成を行った。
3．画像解析結果及び考察
Fig. 3 に接合端部から 300 μm の位置における横断面 CT像を示す。上下 2 枚の REBCO 線材の間に明度の下がった領域が線材幅方向に連続的に存在しており、これが空隙に相当するが、線材を含めた全体の輝度値が幅方向に分布しているため単純な二値化手法では空隙部の抽出が行えない。
この輝度値分布は、ビームハードニングと呼ばれる現象に起因するもので、連続 X 線を用いた X 線 CT に特有である。
輝度値のヒストグラムをいくつかの領域で確認したところ、線材間での輝度値低下の様子が同程度に観察された。そこ
で、適応二値化法による空隙領域の抽出を試みた。同手法
は、二値化を判定する対象 pixel を中心とする近傍領域（x×y）の輝度値 I の平均値を求めた後、その値から定数 C を減算した値をその pixel での閾値とする手法であり、バックグランドの輝度が変化する画像の二値化に有効である。このとき、閾
値 t(x,y)は以下で与えられる。

𝒕𝒕�𝒙𝒙𝒙 𝒙𝒙� =��∑𝒙𝒙𝒙𝒙𝒙 ∑�� ���𝒙 �� � �

REBCO layer

3.87mm
5.25mmFig. 1 Schematic drawing of jointed superconducting wire.

(a) 0°(b) 40°(c) 80°(d) 120°
Fig. 2 X-ray transparent images at angles of 0°, 40°, 80°, 120°.

Fig. 3 Cross sectional X-ray CT image in Y-Z plane (x=300μm).

Fig. 4 Binarized image by adaptive binarization processing.

(1)

近傍領域を 7×35 pixel、引数 C を 10 とした二値化像をFig. 4 に示す。ビームハードニングの影響が除去され、空隙部の抽出が行えていることが確認できる。同様の処理を横断面
CT 像の全てに対して実行し、空隙部の 3 次元可視化を試みた。その結果を Fig. 5 に示す。図の明るい領域が空隙に相当している。これより、接合端部から 610μm にわたり線材全体が接触していないこと、また幅方向の片端は連続的に物理的な接合が取れていないことが確認された。また、その空隙の線
材間の距離は、線材中央部で 22μm 程度、端部では 44μm 程度となっていることが確認された。
謝辞
本研究の成果は、JSPS 科研費 JP18H01928、JP19H05617の助成により得られた。

Fig. 5 3D images of the air-gap between a superconducting joint.

参考文献[1] R. Teranishi, et al.: IEEE Trans. on Appl. Supercond. 29(2019) 6602904― 122 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-p01

低抵抗接合 (2)高温超伝導ケーブルに適用するインジウム低温熱処理機械的接合の初期検討
Initial study on low-temperature heat treatment joint with indium applied to high-temperature
superconducting cable伊藤 悟，アパリシオ ルイス，阿竹 洋輔，結城 光平，橋爪 秀利（東北大学）；
恩地 太紀，赤坂 友幸，石原 篤，富田 優（鉄道総研）
ITO Satoshi, APARICIO Luis, ATAKE Yosuke, YUKI Kohei, HASHIZUME Hidetoshi (Tohoku Univ.);
ONJI Taiki, AKASAKA Tomoyuki, ISHIHARA Atsushi, TOMITA Masaru (RTRI)
E-mail: satoshi.ito.e3@tohoku.ac.jp
1．はじめに直流鉄道の電力システムの合理化，省エネルギー化のために，鉄道総合技術研究所では鉄道用高温超伝導き電ケー
ブルの開発が行っている[1,2]。高温超伝導き電ケーブルの単位長さは輸送の制約から 400～500 m とされており[2]，夜間の限られた時間でオンサイト接合し、数 km にわたるシステ
ムを構築することが求められる。一方，東北大では，高温超伝導線材の簡易接合法として，インジウム箔を接合部に挿入し，120°C 以下程度の熱処理でプレスして接合する低温熱処理
機械的接合[3,4]の開発に取り組んできてきた。本発表では，
高温超伝導き電ケーブルに同接合を適用するための初期検討として，BSCCO 線材および円形ケーブルの接合サンプルを製作し，接合抵抗を評価した結果について報告する。
2．接合サンプルの製作
高温超伝導線材として，鉄道き電ケーブルでの使用が予定されているブロンズ系銅合金補強 BSCCO 線材（住友電工，
DI-BSCCO Type HT-CA，4.5 mm 幅，臨界電流 190 A at 77
K, self-field ） を 用 い た 。 実 際 の 高 温 超 伝 導 ケ ー ブ ル は
BSCCO 線材がらせん状に巻かれた円形ケーブルであり，接合部においては，複数の線材同士が，異なる角度で接合される。これまでの研究[3,4]では，線材を直線状に配置して接合してきたが，実際の構造を考慮すると，これを複数かつ斜めに配置した場合，さらに円形ケーブルに拡張した場合の接合特性の評価が必要になる。そこで，初期検討として Fig. 1 に示す
ように(a) 1 列直線配置，(b) 2 列直線配置，(c) 1 列斜め配置，(d) 2 列斜め配置，(e) 円形ケーブル直線配置，の 5 種類の接合サンプルを製作し，接合抵抗を評価した．接合前処理として，BSCCO 線材表面には，研磨処理（#1500），酸洗い（フラックス／NH3Cｌ＋ZnCl），接合部に挿入するインジウム箔には，酸洗い（希塩酸）を適用し，エタノール，アセトンで洗浄した。
(a)–(d)では，100 μm 厚のインジウム箔を接合部に挿入し，120℃，1 分の条件で，接合長がおよそ 10 mm となるように接合した。なお接合圧力は(a)–(c)では 100 MPa，(d)では 75
MPa とした。 (e)では，Fig. 2 に示すように，直径 30 mm の
SUS304 円管の表面に 21 本の BSCCO 線材を並べ，200 μm
厚のインジウム箔を接合部に挿入して 2 方向からそれぞれ 10
kN の接合荷重を与え，接合長 15 mm で接合した。また，(e)については，接合を常温および 120℃で実施したサンプルをそれぞれ製作した。
3．接合抵抗の評価製作した接合サンプルに対して，線材接合の単位での通電試験を液体窒素浸漬冷却下で実施し，臨界電流以下における電流－電圧特性の直線の勾配から接合抵抗を評価した。
また，接合抵抗と接合面積の積である接合抵抗率を併せて評価した。なお，今回製作した全サンプルにおいて，臨界電流の低下は確認されなかった。(a)–(d)の線材接合における接合
抵抗率の平均値は，(a) 31.6 nΩcm2 ，(b) 36.4 nΩcm2 ，(c)37.1 nΩcm2，(d) 36.7 nΩcm2 であり，サンプル数 2–4 に対して，ばらつきは±3 nΩcm2 程度であった。したがって，線材を平面的に接合した場合には，接合抵抗の変化が抑えられることが示された。Fig. 2 に(e)の円形ケーブル直線配置の場合の各線材における接合抵抗（左縦軸）および接合抵抗率（右縦軸）の評価結果を示す（凡例は常温接合（RT）と 120℃加熱接合（Heat）になっており，左右縦軸でプロットは共通となっている）。常温接合よりも 120℃加熱接合は接合抵抗を下げられる結果となったが，接合抵抗率は 60–70 nΩcm2 であり，(a)–(d)の線材接合と比べると倍程度の値となった。これは円形導体の接合の構造上，インジウムの変形が抑制されるため，加熱接合によるインジウム箔の薄化が起こりにくかったことが一因と考えられる。今後は，初期インジウム厚の変更などでさらなる低抵抗化を図るとともに，らせん状に線材が巻かれた大型の円形ケーブルへの適用に向けた最適化を実施していく予定である。

Fig. 1 Joint samples: (a) one row, straight, (b) two row, straight,(c) one row, diagonal, (d) two row, diagonal, and (e)round cable arrangements.

Fig. 2 Joint resistance and joint resistivity as a function of
position of BSCCO tapes.
謝辞
本研究は JST 未来社会創造事業 JPMJMI17A2 の支援を受けたものです。
参考文献
1. M. Tomita, et al.: Energy, Vol. 122 (2017) 579-587.
2. M Tomita: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 98 (2019)
p.20.
3. T. Nishio, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 27(2017) Art ID 4603305.
4. S. Ito, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 100 (2020)
p.161.

― 123 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-p02

低抵抗接合 (2)コンタクトプローブ CTL 法を用いた磁場中におけるREBCO 線材内部層間抵抗の評価

Evaluation of interface resistance inside REBCO tape in magnetic field
by using contact-probing CTL method
阿竹 洋輔，伊藤 悟，高橋 弘紀，橋爪 秀利（東北大）
ATAKE Yosuke, ITO Satoshi, TAKAHASHI Kohki, HASHIZUME Hidetoshi (Tohoku Univ.)
E-mail: yosuke.atake.r6@dc.tohoku.ac.jp
1. はじめにREBCO 線材同士を半田付け，圧接等で接合した際，接合抵抗は，接合に用いる金属の抵抗，同金属と線材の接合
界面の抵抗，線材の安定化材・保護銀層の抵抗および線材
内部の層間に発生する層間抵抗で決まる．このうち，単位面積相当の層間抵抗である層間抵抗率は線材のメーカー
や製造番号によって数 nΩcm2–70 nΩcm2[1][2]と大きくばらつくため，応用機器での接合抵抗率の要求を満足するた
めには線材の層間抵抗率の事前評価が必要である．
先行研究[3]では非破壊での層間抵抗率測定方法として，
コンタクトプローブ CTL (Current transfer length) 法が提案された．本手法により現在までに層間抵抗率の温度依存性までが測定されている．そこで本研究では，磁場中でコン
タクトプローブ CTL 法を用いた測定を試み，REBCO 線材の層間抵抗率磁場依存性を評価した．
2. 実験方法
本実験では幅 4 mm の REBCO 線材（住友電工社製，0090-3T1B3S0P1-1）を使用した．Fig. 1 に試験部の概念図を示す．本 REBCO 線材の層間抵抗率は銅層/銀層界面と銀層/REBCO 層界面の抵抗の和である．試験体を試験体下部から伝導冷却し 10 K に保った．プローブユニットは両端の電流供給用プローブと，その間に設置されている 8 本の電位測定用のプローブで構成されており，REBCO 線材
上面に装着した．右端の電位測定用プローブを基準電位とし，0.05 mm 間隔で 7 点の電位を測定することにより，電位分布を取得した．電位分布から転流距離を求め，転流距
離と層間抵抗率の関係から層間抵抗率を算出した．バックグラウンドノイズの低減のため，振幅 100 mA，周期 2 msの矩形波を 25 秒通電し，電流反転前と反転後で得られた測定電位の絶対値の平均を取り，これを測定電位とした．
また，本手順を 3 回行い，これらの平均を測定点 1 点での電位とした．
3. 実験結果および考察
Fig. 2 に得られた電位分布を示す．電位は左端の電位測定用プローブで得らえた値 V1 で規格化している．また，
横軸は左端の電位測定用プローブからの距離を示す．この直線 ln(V/V1)の傾きの絶対値の逆数が転流距離に相当する．
Fig. 3 に Fig. 2 の結果をもとに得られた層間抵抗率を示す．
層間抵抗率は磁場の増加と共に減少するという傾向が得られた．一方，REBCO 線材同士をインジウムを介して圧接した際には，印加磁場の増加に伴い，接合部のインジウ
ム，銅層，銀層の抵抗およびそれらの界面抵抗が磁気抵抗効果により増大し，接合抵抗率が大きくなることが示されている[4]．したがって，磁場の増加に伴い層間抵抗率が減少することは，銅層/銀層間，銀層/REBCO 層間のいずれか，あるいは双方に金属の磁気抵抗効果以外の要因が存在していることを示唆しており，それにより抵抗率が減少に転じたと考えられる。特に，金属/金属酸化物界面である
銀層/REBCO 層界面の印可磁場に対する物性の詳細な検討が必要である．
4. まとめ本研究では REBCO 線材の層間抵抗率磁場依存性を評価した．その結果，印加磁場が増加すると共に層間抵抗率が減少することが示された．印加磁場が層間抵抗へ与える影響が金属層界面の磁気抵抗効果以外に存在する可能があり，今後，詳細な原理の解明が必要となる．

Fig. 1 Schematic of test section

Fig. 2 Electric potential distribution

Fig.3 Relationship between Interface resistivity of
REBCO tape and magnetic field

謝辞
本研究は JSPS 科研費 20H01884 の助成および JST 未来
社会創造事業 JPMJMI17A2 の支援を受けたものです．また，本研究は東北大学金属材料研究所附属強磁場超伝導材
料研究センターにおける共同研究（課題番号 20H0205）により実施されたものです．
参考文献
1. N. Bagrets et. al., IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 26(2016) 4800404
2. M. Polak et. al., Supercond. Sci. Technol., Vol. 19 (2016) pp.
817-820
3. R. Hayasaka et. al., IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 29(2019) 9000805
4. S. Ito et. al., Appl. Supercond. Conf. 2020, Wk1LPo3F-06― 124 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-p03

低抵抗接合 (2)送電ケーブル応用を目指した REBCO 線材の低抵抗接続法の基礎検討
Basic study of low resistance joining method for REBCO tapes
for transmission cable application
筑本知子（中部大学）
CHIKUMOTO Noriko (Chubu Univ.)
E-mail: nchiku@isc.chubu.ac.jp

1．はじめに
高温超伝導(HTS)パワー応用開発をにおいて、重要な課題の一つが安全かつ再現性の高い接続技術の確立である。
特に我々の目指す送電ケーブル応用では数 10km 以上の線材が必要であるが、製造単長は BSCCO 系で 1km 弱、
REBCO では数 100m 程度であるため、複数の線材を接続して用いることになる。そこで、性能を損なわずにいかに低抵抗で接続するかというのが重要な課題となる。
ケーブル応用においては、超伝導接続は要求されないが、ケーブル組立て現場等のオンサイトでの接続が要求されるため、これまでは様々な技術上制約からテープを
金属シースごと重ね合わせはんだ接続する方法が一般的に行われてきた。その際に加熱による劣化が生じる可能性があるため、融点の低い共晶はんだ（PbSn 系）あるい
は Pb フリーの低融点はんだを使用されるが安定した特性を得るためには、熟練を要するのが現状である。また、
最近では GdBCO 線材を PbBi はんだやインジウム等での接合後超伝導相と反応する報告例が出てきている[1,2]。
そこで本研究では、GdBCO 線材について、簡便でかつはんだを使用しない接合方法についての基礎検討を行った。
2．実験および結果
Fig.1 に GdBCO 線材の模式図を示す。ここで、低抵抗接続方法として、ケーブル布設現場等のオンサイトでの接合を目標としているため、接合にかかる時間を全体で30 分以内とすること、また接合に用いる装置は汎用のものであることを条件として、接合法の検討を行った結果、銅安定化層同士を重ね合わせて加圧加熱する直接拡散接続法が最適であると判断した。この時加熱温度について
は、Fig.２に示す GdBCO 線材と YBCO 線材の Tc とアニール温度(Ta)の関係より、GdBCO 線材では 300℃まで温度をあげると、Tc が著しく低下することから、熱処理温度の上限を 200℃とした。
さて直接拡散接合を行う際のポイントは接合部の完全化(表面皮膜の除去，接合面の密着) である。そのためには、皮膜除去後清浄表面を維持しつつ、十分な密着が得られるような最適圧力が必要である。そこで、まずは、銅テープ（NILACO 製、厚さ 100μm、幅 5mm）を用いて、接合部の完全化のためのプロセス検討を行った。その結果、接合圧力 20MPa 以上、200℃ 5 分の加熱で、接合できることが確認できた。
続いて、SuperOx Japan 製 GdBCO 線材を用いた接合を試みた。表面の清浄化を行ったあと、接合時の加熱温度
200 ℃、加熱時間 5 分は一定とし、10 MPa、20 MPa、
30 MPa、40 MPa と加圧圧力を変えて接合を行った。
Fig.3 に 30 MPa で接合を行った試料の外観写真を示す。
上記条件では 20 MPa 以上では接合はできたものの、
20MPa の試料は、測定のために液体窒素浸漬時に接合部が外れてしまった。
そこで、30 MPa と 40 Mpa の接合試料について室温
および液体窒素に浸漬した状態で接合抵抗の測定を行った。いずれも抵抗測定は四端子法で行った。結果を Table
1 にまとめる。室温での抵抗値にはほとんど差がみられなかったが、液体窒素浸漬により超伝導状態にした時の抵抗値には大きな差があり、30 Mpa においては 23.2 nΩ
と従来のはんだ接続（〜80 nΩ）より低い抵抗値が確認できた。しかしながらまだ再現性に課題があるため、再現性向上のための条件検討を行っているところである。
8∝m
銅安定化層
1.0∼2.0∝m
銀保護層
1∝m
Gd BaCuO層
バッ フ ァ 層
基板
60μm

Fig.1 Schematic illustration of GdBCO
superconducting tapeFig.2 Effect of annealing temperature Ta on the
superconducting transition temperature Tc for YBCO
and GdBCO tapes.

Fig.3 Photograph of joined GdBCO tapes
Table 1 Measured resistivity of joined GdBCO tapes

30 MPa40 MPaRoom temperature
4.56x10-3 Ω
4.54x10-3 Ω

LN2 temperature
2.32x10-8Ω
1.05x10-6 Ω

参考文献
1. H. Takewa, et al.: Abstracts of CSJ Conference,Vol. 100 (2020) p.160
2. S. Ito, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol.
100 (2020) p.161― 125 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-p04

低抵抗接合 (2)低抵抗接続のための可搬型超音波接合機の開発
Development of Portable Ultrasonic welder for Low Resistance joint
松本 明善，目黒 奨，中村 照美（NIMS）；佐々木朋裕（新潟大）；惣門 理，藤井 博道（超音波工業）；北口 仁（NIMS）
MATSUMOTO Akiyoshi, MEGURO Susumu, NAKAMURA Terumi（NIMS）; SASAKI Tomohiro(Niigata Univ.); SOMON Makoto,
FUJII Hiromichi(Ultrasonic Eng.); KITAGUCHI Hitoshi (NIMS)
E-Mail: matsumoto.akiyoshi@nims.go.jp(a)FN
Vibration

DI-BSCCO(B)

Horn

DI-BSCCO(A)DI-BSCCO(B)

DI-BSCCO(A)

Anvil

Anvil

Fig.1 Schematic illustration of ultrasonic welding process
for superconductor wires. (a) front view and (b) side view.
100

80

2．装置開発半田接合に代わる接合として我々は固相接合の一種の超音波接合を用いた。Fig.1 に示すように重ね合わせた 2 つの試料に対して荷重を加えて、ホーン部から超音波振動を加える。超音波振動により試験片表面に存在する酸化物等の表面被覆を破壊・除去し、弾性振動波による微小振動で発生する摩擦熱を利用して活性な新生面同士で金属接合を形成することが可能となる。このような超音波等の弾性振動波を用いた超電導線材の接合技術については、いくつかの研究報告がある 1), 2)。超音波接合を使った事例は一般的に卓上型と呼ばれる金属板同士の接合に用いる装置を利用している。それらの装置は小さいものでも 1200 W 級で、70 kg 近い重量を有した装置である。
本研究では超音波振動子として 2020 年に発売開始された
超音波工業社製 UPW0438A1H を用いる。本装置は最大 350
W、38 kHz の超音波を発生させることが可能である。本振動子を手持ち用治具に取り付け、片手でも取り扱い可能なものとして製作を行った。最終的なサイズは 235 x 220 x 64 mm となり、重量は 2.8 kg と片手での操作が可能である 4)。装置に 2枚の DI-BSCCO（TypeH)を配置し、加重を印可した状態で0.5 sec の超音波振動を与える。得られた接合試料は 77 K での I-V 測定を行い、電気抵抗率を算出した。
3．結果及び考察
最終目標であった可搬型超音波接合機開発のために超音
波金属接合機を用いた予備実験を繰り返し行った。その典型的な 77 K、自己磁場中での I-V 測定結果を Fig.2 に示す。さらにこれらの結果から得られた抵抗率の結果を Fig.3 に示す。
半田接合による抵抗率は約 50 ｎcm2 程度である。一方金属
超音波接合機における接合試料の抵抗率はばらつきが見られるが、ほぼ同程度の抵抗率を達成している結果も得られている。さらに、可搬型超音波接合においてもほぼ同等の結果が得られることがわかった。
最後に本装置は汎用性が有り、例えば半田では接合が困

(b)

FN
Horn

Voltage(V)

1．はじめに超電導線材を使ったマグネットや長距離送電線への応用のためには、途中における接続が必要不可欠である。超電導線材の接続においては超電導接続あるいはそれに匹敵する低抵抗接続が臨まれている。我々は半田接合に代わる新たな接合方法の開発に取り組んできた。半田接合は一般的によく使う手法であり、簡便かつ液体窒素温度で数十 n・cm2 程度の低い抵抗率を達成できる手法である。一方で、半田接合では半田の種類においては少なくとも 200℃程度の温度に上昇させる必要がある。半田のぬれ性を高めるために素材をその温度に達成させる必要があり、ある程度の時間を有する。例えば、き電線等の敷設を行う場合、時間的制約がある中で線材同士あるいはケーブルの接続を行う必要性があり、半田を使用するための温度上昇のための時間は少ない方がよい。そのような中で現場施工を可能にする可搬型超音波接合機の開発に成功したので報告を行う。

DI-BSCCO
SolderHigh USW
Portable USW

60

40

20

0

0

50

100

150

200

250

Current (A)Fig.2 I-V curve for joint sample of DI-BSCCO tapes.
These samples prepared by various joint methods.

Resistivity (ncm2)

400
resistivity

300

200

100

0
SolderUSW
Portable USWPower > 1200 W Power < 350 W

Methods

Fig.3 Joint resistivity data prepared by conventionalsoldering process, ultrasonic welder with high power
and our new portable ultrasonic welder.
難なアルミやステンレス等への接合も容易であるとともに CC
線材や異種金属同士の接合も可能である。半田接合に代わる工具として今後利用されることを期待している。
謝辞 本研究は、JST、未来社会創造事業、JPMJMI17A2 の支援を受けたものである。
1) S. Ito et al., J. Phys.; Conf. Ser. 1559(2020), 012065.
2) H.-S. Shin et al., Supercond. Sci. Tecnol. 29(2016) 015005.
3) 木須隆暢ら:2020 年度秋季低温工学・超電導学会, 3C-a07.
4) 松本明善、特願 2020-213511.

― 126 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-p05低抵抗接合 (2)音波振動による高温超伝導 CC 線材の半田フリー低抵抗接合（２）：曲げ特性
Solder-free low-resistance joining of high-Tc superconducting coated conductors
by sound bonding (2): Bending properties
木須 隆暢， 楊 明旭, 鈴木 賢次，張 佩宏, 川崎 啓太, 東川 甲平 （九州大学）；佐藤 茂 （ULTEX）
KISS Takanobu，YANG Ming Xu, SUZUKI Kenji, ZHANG Peihong, KAWASAKI Keita, HIGASHIKAWA Kohei(Kyushu University); SATO Shigeru (ULTEX)
E-mail: kiss@sc.kyushu-u.ac.jp
1．はじめに
高温超伝導線材の機器応用や導体開発において、再現性、信頼性の高い低抵抗接合技術の確立が不可欠となる。我々は、前報において、加圧した線材間に音波振動を加え、音波
エネルギーのみによって、REBCO コート線材の Cu 安定化層同士を直接低抵抗に接合する技術について報告を行った。
ラップ接合における実験の結果、条件の最適化によって、接合抵抗率 30 nΩcm2 を再現性良く得る事ができた[1]。しかしながら、REBCO 線材の大きな特徴である、優れた機械的特性を活かした、導体化やコイル化のためには、接合時にも優れた柔軟性や機械強度が求められる。本接合の引っ張り強度については、鈴木らがラップジョイント用いた測定により、素線の引っ張り強度を凌駕する十分な強度を有する事を明らかとしている[2]。本研究では、引き続き、本接合について、曲げ特性について試験を行い、素線の条件と曲げ特性との関係について検討を行った。

3．実験結果および考察
Fig. 1(a)に曲げ直径に対する Ic の変化を示した。曲げを印加する前の直線時の臨界電流値 Ic0 を用いて規格化した。
20 μm の安定化層を有する試料では、直径 30 mm 付近で Icの低下が見られたが、5 μm の安定化層を有する試料では、
直径 10 mm(曲げ半径 5 mm)において 95 %以上の Ic 値を保持しており、優れた柔軟性を有することが確認できた。他の HTS
線材を凌駕する CC 線材の優れた特徴が現れているといえる。
接合では、膜厚方向に非対称な構造を有する素線の場合と異なり、基板厚の制約を受けず、中立線に対して Cu 層の厚さによって超伝導層の歪み量が決定されると考えられるため、曲げに対しては有利となる。Fig. 1(a)の結果を、超伝導層の歪み量に対する依存性としてプロットし直すと、両者の特性はほぼ重なった（同図(b)）。この事から、曲げ特性の支配因子は、曲げに伴う超伝導層の歪み量と考えられる。ただし、Fig. 1(b)に得られている臨界歪み量は約 0.15 %と一般に報告される値に比べるとだいぶ小さい。この原因は今のところ不明であり、接合時の歪みの影響なども含めて、今後より詳細な検討する必要があると考えている。

Normalized Critical Current Ic / Ic0

1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

(a)
0

10

20
30
40
Bending Diameter (mm)50

SBJ with 20 um-thick-Cu CC
SBJ with 5 um-thick Cu CC
Normalized Critical Current Ic / Ic0

2．実験・解析方法
最表面に Cu 安定化層を有する REBCO コート線材を用
い、音波接合によりラップ接合を作製し、測定試料とした。Cu
層の厚さは、5 μm のものと 20 μm のものの２種類について実験を行った。なお、用いた REBCO 線材は 50 μm 厚のハステ
ロイ基材上に中間層として IBAD 層を有する。曲げ歪の印加
は、直径の異なる複数の円柱状の治具を準備し、室温において治具に沿わせる形で歪みを加え、液体窒素中で四端子法による Ic 測定を実施した。曲げ直径の大きさは、大きなものか
ら逐次的に小さな径の治具に変えながら測定を繰り返し、曲げ直径に対する特性変化を調べた。

SBJ with 20 um-thick-Cu
SBJ with 5-um-thick Cu

1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

(b)
0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Nominal strain at superconducting layer (%)

Fig. 1 Bending properties of sound-bonding-junctions (SBJs)
for Cu-stabilized REBCO CCs. Ic0 is the value ofcritical current at the initial straight condition without
bending. (a) Bending diameter dependences for the twocases of the tape with 20-μm-thick- and 5-μm-thick Culayers, respectively. (b) Dependence on the nominal
strain at superconducting layer.
謝辞
本研究は JSPS 科研費 JP19H05617 の助成を受けたもの
である。
参考文献
[1] 木須隆暢ら, “音波振動による高温超伝導 CC 線材の半田フリー低抵抗接合”, 2020 年度秋季低温工学・超電導学会, 2020.12.10.
[2] 鈴木賢次ら, “高温超伝導線材の音波接合部の引張特性評価”, 第 68 回応用物理学会 春季学術講演会,
2021.03.17.

― 127 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-p06

医療用加速器「スケルトン・サイクロトロン」用 REBCO コイルシステムの開発（その１）：
全体概要
Development of REBCO coil system for Skeleton Cyclotron (Part 1): Overview
石山 敦士(早大)；野口 聡(北大)；植田 浩史（岡山大）；渡部智則，長屋重夫（中部電力）；
福田光宏（阪大）；鷲尾方一（早大）；東達也（QST 放医研）
ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.); NOGUCHI So (Hokkaido Univ.); UEDA Hiroshi (Okayama Univ.);
WATANABE Tomonori, NAGAYA Shigeo (Chubu Electric Power Co.,Inc); FUKUDA Mitsuhiro (Osaka Univ.);
WASSHIO Masichi (Waseda Univ.); HIGASHI Tatsuy (QST)
E-mail: atsushi@waseda.jp
1．はじめに科研費および JST-OPERA プロジェクトにおいて、
α 線核医学治療のための α 線放出 RI（211At）製造用「高温超伝導スケルトン・サイクロトロン（HTSSC）」の開発を進めている（Fig.1）1)。従来 AVF サイ
クロトロンにおいては、ビーム加速のための磁場形成に鉄芯が使用されてきたが、本装置では、空芯のREBCO コイルシステムのみで必要となる磁場を発生させることを目指している（Fig.2）。鉄芯の磁化特性の非線形性を考慮する必要がないため、出力エネ
ルギーを変化させることができ、PET 用 RI 製造等への応用など多機能化が期待できる。まず（その１）として、HTS-SC 用 REBCO コイルシステム開発のための基盤技術の開発状況の概要を報告する。
2．設定課題と対応策開発の状況
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（Super-YOROIコイル構造、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)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）、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
術の確立を目指している。そして、小型モデル（UltraBaby 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（2022年度）計画である。
今回の一連の報告では、実験と数値解析に基づく
非円形セクターコイルにおけるYOROIコイル構造の効果の評価、遮蔽電流磁場の低減法、鉄シールドを設けたときのコイルシステムの設計最適化、無絶縁コイル技術適用によるコイルの安定性・保護等、
そして、REBCO線材の高特性を活かすコイル化技術に関する検討結果を順次報告する。
本研究は科研費基盤研 S（18H05244）と JSTOPERA に依ったことを付記する。

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.

参考文献
1) H. Ueda, et al., IEEE Trans. on Applied Superconductivity, Vol.
29, No. 5, 4101105, (2019)

Fig. 3. 5-High REBCO magnet technologies for HTS-SC― 128 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-p07

医療用加速器「スケルトン・サイクロトロン」用 REBCO コイルシステムの開発（その 2）：
Yoroi 補強を施した無絶縁非円形 REBCO パンケーキコイルの機械強度評価試験
Development of REBCO coil system for Skeleton Cyclotron (Part 2): Mechanical strength
evaluation experiment of Yoroi-reinforced and non-insulated non-circular REBCO pancake coil
渡部智則，長屋重夫（中部電力）； 野口 聡(北大)； 植田 浩史（岡山大）； 西島 元（NIMS）；
石山 敦士(早大)； 福田光宏（阪大）
WATANABE Tomonori, NAGAYA Shigeo (Chubu Electric Power Co.,Inc); NOGUCHI So (Hokkaido Univ.);
UEDA Hiroshi (Okayama Univ.); NISHIJIMA Gen (NIMS); ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.); FUKUDA Mitsuhiro (Osaka Univ.)
E-mail: Watanabe. Tomonori@chuden.co.jp
1．はじめにスケルトン・サイクロトロン用 REBCO コイルシステムは、等時性磁場発生用円形コイルと AVF 発生用の非円形（二等辺三角形状）セクターコイルから構成される。REBCO コイルの適用では、高強度化のために Yoroi コイル補強構造と、高安定化・
高電流密度化のために無絶縁コイル巻線技術の採用を考えている。本研究において、小形非円形 REBCO ダブルパンケ
ーキコイルを試作し、NIMS の共同施設「14 T 大口径超伝導マグネット」を使用して、強磁場中で機械強度試験を実施した。
Yoroi コイル補強構造を用いなかった場合との比較結果を報告する。
2．試験方法
表１に試験コイル巻線（二等辺三角形ダブルパンケーキ（DP）コイル）の仕様を示す。REBCO線材は、ハステロイ基板の 厚 さ 50μm 、 超 伝 導 層 の 厚 さ 約 1μm で 、 コ イ ル 巻 線 は 、「Metal Insulation」を適用した無絶縁コイルで、共巻き材はス
テンレステープである。コイルの外装はステンレス鋼で構成してあり、Yoroi-coil構造の補強がないコイルは、図１(a)に示すよ
うにステンレス板を折り曲げてコイルの外周を構成してあり、補強したコイルは図１(b)の様に補強板とコイルの外枠が連結しTable 1

Specifications of Isosceles Triangular DoublePancake Coil Windings

超伝導線材，
線材長
線材幅 / 厚さ
臨界電流@77 K

コイル巻線形状てある。液体ヘリウム浸漬によりこれらのDPコイルを4.2Kまで冷却し、NIMSの大口径マグネットにより外部磁界を印加した
のち、コイル通電することで、電磁力耐性を検証した。
3．実験結果Yoroi-coil 構造による補強の無いコイルでは外部磁場 10 T
で、210 A までコイル通電したが、図２に示すように 160 A を超えると抵抗による電圧が観察され、210A から電流を減少させていくと電圧が直線的に低下し、励磁中に超伝導特性が失われたと推定される。無絶縁コイル巻線であったので、通電電流が 210A に達しても電流が劣化部を回避して転流することでコイルは保護され、急激な電圧上昇や断線は回避されたと考えられる。試験後、巻線の状況を確認したところ、図３のように線材がばらけて層間に多くの隙間が発生していた。
Yoroi-coil 構造により補強したコイルでは、外部磁場 14 T で通電試験を行った。通電電流が 277A 時点で上側コイル両端に 0.3mV の電圧が観測され、300A で 0.6mV となったところで励磁を終了した。試験後のコイル巻線を観察したが、補強の無いコイルに比べて、巻線の乱れは著しく小さかった。コイル
外枠や補強板に微小な変形が認められ、コイル巻線と補強材が一体となって電磁力を支持していたことがわかった。評価試
験後の、液体窒素中の通電試験で、コイルが劣化していることが確認されたため、劣化の詳細な評価を行う予定である。

20μm/side 銅めっき REBCO 線材，75m(上海超導科技有限公司.)
6.1 mm / 100 µm (最大厚さ)> 180 A
DP コイル
巻線高さ: 13 mm
(コイル間
仕切を含)

共巻材料

50 µm ステンレステープ

コイルターン数

132 （66 ターンずつの 2 層）

Fig.2 I-V characteristics of isosceles triangular DP coilwithout reinforcement excited in 10 T magnetic field.

(a) Coil without reinforcement

Fig. 1(b) Yoroi-coil reinforcement

Schematics of frames in test coils.

Fig.3 View of coil winding after the hoop stress test in 10 T.

― 129 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-p08

医療用加速器「スケルトン・サイクロトロン」用 REBCO コイルシステムの開発（その 3）：
YOROI 補強を施した無絶縁非円形 REBCO パンケーキコイルの機械強度の解析・評価
Development of REBCO coil system for Skeleton Cyclotron (Part 3): Numerical Analysis on
Mechanical strength of YOROI-reinforced and non-insulated non-circular REBCO pancake coil
仲井 悠貴，三宅 雄大，井上 良太，金 錫範，植田 浩史(岡山大)；
野口 聡(北大)；渡部 智則，長屋 重夫(中部電力)；福田 光宏(阪大)；石山 敦士(早大)
NAKAI Yuki, MIYAKE Yuta, INOUE Ryota, KIM SeokBeom, UEDA Hiroshi (Okayama Univ.);
NOGUCHI So (Hokkaido Univ.); WATANABE Tomonori, NAGAYA Shigeo (Chubu Electric Power Co., Inc.);
FUKUDA Mitsuhiro (Osaka Univ.); ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.)
E-mail: p9x19z9g@s.okayama-u.ac.jp
1. はじめにがん治療法の中でも難治がんに治療効果が期待できる治療法の 1 つとして，α 線核医学療法が挙げられ，この治療方法には放射性核種(RI)を生成する加速器が必要となる．我々はこの加速器に高温超伝導マグネット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]．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伝導コイルを適用することで高磁場化及び高電流密度化を実現しているが，その一方で，コイルシステムが経験することにな
る電磁力は急激に増大することが想定され，その支持構造についての検討が重要となる．この補強構造として YOROI コイ
ル構造が提案されており，高磁場中における非円形高温超伝導コイルの電磁，機械的挙動は明らかになっている．そこで，
本研究では非円形コイルに対する YOROI コイル構造の適用可能性を検証するため，10 T 磁場中で実施した高温超伝導
非円形コイルの実験について，コイル巻線が経験する電磁応力を数値解析により評価，検討を行った．
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，REBCO 高温超伝導線材で巻線された鉄芯を使用しない空芯のコイルを用いており，等時性磁場を形成する円形メインコイルと周方向の AVF(Azimuthally Varying Field)を形成する非円形セクター
コイルから構成されている[3]．この高温超伝導コイルと空芯化により，1)高磁場強度化による小型化や高出力強度化，2)空間的自由度の向上による機器配置のしやすさ，3)鉄心の影響がないため磁場分布の安定性や再現性に優れ，エネルギー
可変化による多種類の粒子を加速可能といった利点がある．
3. 解析モデル及び解析結果
今回は物質材料研究機構(NIMS)で実施した，10 T 磁場中における無絶縁非含侵三角形コイルの電磁力試験を模擬した数値解析を行った．解析対象は Fig.1 に示すような非円形コ
イルに補強構造を付した YOROI コイルである．コイル巻線とYOROI 構造の補強部分およびコイル巻枠の間には接触条件を与え，摩擦を考慮しないものとした．コイル巻線を固定拘束
し，外部磁場 10 T を一様に印加した状態でコイルに 150 A を通電した．電磁力解析時と同様にコイルの巻線構造について
は，計算コストの観点から高温超伝導コイルの巻線構造を考慮せず，単一弾性体として複合則を用いてモデル化を行った．
Fig.2 にコイル巻線の周方向応力分布を，Fig.3 に周方向ひずみ分布を，YOROI 構造を用いた場合及び用いない場合に分けて示す．Fig.2 より YOROI 構造を用いない場合では最大でFig.1 YOROI structure

Fig.2 Electromagnetic stress with YOROI structure (Left)and without YOROI structure (Right)

Fig.3 Stress strain with YOROI structure (Left)and without YOROI structure (Right)
2.28 GPa の引っ張り応力が生じていたが，YOROI 構造を用いることで最大の引っ張り応力は 42 MPa にまで低減したことが見てとれる．また，圧縮応力についても同様に大きく軽減できている．Fig.3 においても，引っ張りひずみおよび圧縮ひずみのどちらも大きく低減できていることがわかる．これらの結果から，YOROI 構造による補強を行った場合，電磁応力の低減
効果は明らかである．
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] H. Ueda ,et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 23, 4100205(2013)[2]2019 年度春季低温工学・超電導学会講演概要集 2A-p02(2019)[3]Tao Wang, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 24,
9002005 (2014)― 130 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-p09

医療用加速器「スケルトン・サイクロトロン」用 REBCO コイルシステムの開発（その４）：
出力エネルギー変化時の遮蔽電流磁場の低減法
Development of REBCO coil system for Skeleton Cyclotron (Part 4): Reduction method ofscreening-current induced magnetic field during a Change in output energy
日比祐太（早大）； 石山敦士（早大）； 植田浩史 (岡山大)； 野口聡 （北大）； 福田光宏 (阪大)Yuta Hibi, Atsushi Ishiyama (Waseda Univ.); Hiroshi Ueda (Okayama Univ);
So Noguchi (Hokkaido Univ.); Mitsuhiro Fukuda (Osaka Univ.)
1．はじめに我々は、α 線放出 RI（211At）の安定生産を可能にする加速器の実現を目指して、空芯の REBCO コイルシステムを用いた高温超伝導スケルトンサイクロトロン（以下 HTS‐SC）の開発に取り組んでいる 1)。 HTS-SC は空芯のため、鉄心の非線形磁化特性の影響を受けずに磁場を変化させ、出力エネルギーを変えることで多機能化ができる可能性がある。HTS-SC では粒子加速面において、高精度な磁場が要求されるが、磁場変動に対し遮蔽電流が顕著に誘導さFig.1. Schematic drawing of small-scale Skeleton Cyclotron

れ不整磁場発生の原因となる。そこで今回、2022 年度に試作・実験を予定している HTS-SC の小型実証用モデルであ382A ホールド時のSCIF の差が大きい

る「Ultra-Baby-Skeleton-Cyclotron(UBSC)」を対象として、
出力エネルギー（通電電流）変化時の遮蔽電流磁場（SCIF）

 サイクル目

の振る舞いを数値解析に基づき評価したので報告する。
2．解析対象および解析手法
図１に、解析対象とした UBSC 用モデルコイルの概略を示す。SCIF の解析は、我々が開発した 3 次元非線形過渡電磁場解析プログラムを用いた

 サイクル目

2)。出力エネルギーを3段階に変化させることを想定し、ここで、382A、483A、540A の順に通電電流を変化させたとしたときの、粒子加(a)速面におけるSCIFの振舞いを解析・評価した。励磁及び382A ホールド時のSCIF の差が小さい

減磁速度は 1A/s、各段階電流値で 7200s ホールドするものとし、これを 3 サイクルにわたって解析した。
3．解析結果まず、382A→483A→540A を 3 サイクル繰り返したときの SCIF の振舞いを図 2(a)に示す（Pattern 1）。382A において、1 サイクル目と 2,3 サイクル目で遮蔽電流磁場の値が大きく異なっている。次にサイクル毎の SCIF の影響の再
現性を向上させるため、運転電流の最大値（540A）を基準に、励磁開始時に通電電流をオーバーシュートさせる通電波形について解析し、その効果を評価した。オーバーシュ(b)Fig.2. Hysteresis of the azimuthally averaged SCIF at
the extraction radius of 0.2 m. (a) Excitation pattern 1,(b) Excitation pattern 2.

ート量を 10%、すなわち、励磁開始後、まず、594A まで
上 昇 さ せ た の ち 、 382A ま で 減 磁 し 、 そ の 後 、382A→483A→540A のパターンを 3 サイクル繰り返した時の結果を図 2(b)に示す（Pattern 2）。図 2(a)と比べて、1 サ

参考文献

イクル目からマイナーループに入っており、382A におけ1) H. Ueda, et al., IEEE Trans. on Applied Superconductivity, Vol. 29, No.

る SCIF 値の大きな差が改善されている。

5, 4101105, (2019)2) H.Ueda, et al., IEEE Trans. on Applied Superconductivity, Vol. 23, No. 3,

本研究の一部は、科研費基盤研究 S(18HD5244)に依った。

4100805, (2013)― 131 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-p10

医療用加速器「スケルトン・サイクロトロン」用 REBCO コイルシステムの開発（その５）：
鉄シールド付きコイルシステムの設計
Development of REBCO coil system for Skeleton Cyclotron (Part 5): A consideration of coiltechnology that takes advantage of the superior properties of REBCO coated conductor
野口 聡(北大)； 植田 浩史（岡山大）； 渡部 智則，長屋 重夫（中部電力）； 石山 敦士(早大)； 福田 光宏（阪大）
NOGUCHI So (Hokkaido Univ.); UEDA Hiroshi (Okayama Univ.); WATANABE Tomonori,
NAGAYA Shigeo (Chubu Electric Power Co.,Inc); ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.); FUKUDA Mitsuhiro (Osaka Univ.)
E-mail: noguchi@ssi.ist.hokudai.ac.jp

1．はじめに科研費および JST-OPERA プロジェクトにおいて、α 線
核医学治療のための α 線放出 RI（211At）製造用「高温超伝導スケルトン・サイクロトロン（HTS-SC）」の開発を進めている 1)。HTS-SC は空芯であり、出力エネルギー可変を容易にしている。しかし、実用化のためには、磁気シー
ルド（放射線シールド兼用）を備えたモデルの設計技術についても検討する必要がある。そこで、鉄シールド付きコ
イルシステムの最適化設計手法について検討した。
2．モデル縮約法を用いた最適化設計手法
最適化アルゴリズム（遺伝的アルゴリズムやシミュレー
テッド・アニーリング）を用いた超伝導マグネット設計に関しては、幾多の提案がなされてきている 2)。鉄シールドの計算には、有限要素法や磁気モーメント法などが使用される。鉄シールドの計算には一般的に数万の自由度をもつ行列計算が必要となり、最適化計算の中で数千万回の繰り返し計算が行われる。従って、鉄シールド付きコイルシス
テムの最適化設計には、膨大な計算量（計算時間）を要す
ることになる。
近年、このような問題を解決するために、有限要素法や磁気モーメント法から生成される行列を縮約し、解くべき次元を大幅に削減する手法（モデル縮約法）が提案されている 3)。本研究では、モデル縮約法の一種であるスナップ
ショット法を用いた、鉄シールド付きコイルシステムの最適化設計手法の確立を図った。
鉄シールドを扱うための磁気モーメント法の支配方程式は、以下の通りである。

支配方程式から得られる連立一次方程式は、
A𝑴𝑴 = 𝑯𝑯 （ただし、M∈ ℝ𝑚𝑚 ）となるが、𝑴𝑴 = W𝒚𝒚となる変換行列W（∈ ℝ𝑚𝑚×𝑛𝑛 ）を用いて、
W t AW𝒚𝒚 = W t 𝑯𝑯となる連立一次方程式を実際には解く。この変換により解くべき連立一次方程式の次元は、m から n へ減らすことが可能になる。変換行列Wの詳細な求め方は、文献 2)による。
今回の HTS-SC の設計では、m = 52,080 から n = 4 へ大幅な縮約に成功している。なお、Newton-Raphson 法により、鉄の磁化率の非線形性も考慮している。
モデルを大幅に縮約することで、最適化計算での計算量（時間）を大幅に削減できている。
3．鉄シールド付きコイルシステムの最適化設計例
本最適化設計例では、コイルは REBCO 線を使用し、等時性磁場の生成（誤差 5%以内）を制約とし、コイル巻線量が最少となるように設計した。ただし、鉄シールドとセ
クターコイルの形状は一定とし、メインコイルのみの設計対象とした。
Fig. 1 に最適化設計された鉄シールド付きコイルシステ
ムを示す。Fig. 2 に等時性磁場と鉄シールド付きコイルシ
ステムの磁場を示す。なお、全体磁場は、モデル縮約(MOR)
法により求めた磁場と、縮約していない磁気モーメントにから求めた磁場を表示している。両者の差は、3.6 mT（0.2%）であった。52,080 から 4 への次元縮約でも、磁場計算は良く一致しており、計算量を大幅に削減できている。
今後は、フルスケールの α 線放出 RI（211At）製造用「高温超伝導スケルトン・サイクロトロン（HTS-SC）」の鉄シ
ールド付きコイルシステムの最適化設計に適用していきたい。
本研究の一部は科研費基盤研究 S（18H05244）に依った。
参考文献

1) H. Ueda, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 29, no. 5, 4101105(2019).
2) Y. Sato, et al., IEEE Trans. Magn., vol. 49, no. 5, 1697–1700 (2013).

Fig. 1. HTS-SC coil system with ferromagnetic shield. The
dimensions of main coils were optimized using model order
reduction (MOR) method. Ferromagnetic shield is viewed on half
section.

Fig. 2. Iso-field, field generated by HTS-SC system, coils, andferromagnetic material, and error. The field computed with MOR is
almost the same as one computed with full scale.

― 132 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

3B-p11

医療用加速器「スケルトン・サイクロトロン」用 REBCO コイルシステムの開発（その６）：
REBCO 線材の優れた特性を活かすコイル化技術の検討
Development of REBCO coil system for Skeleton Cyclotron (Part 6): A consideration of coiltechnology that takes advantage of the superior properties of REBCO coated conductor
石山 敦士(早大)； 野口 聡(北大)； 植田 浩史（岡山大）； 渡部智則，長屋重夫（中部電力）； 福田光宏（阪大）
ISHIYAMA Atsushi (Waseda Univ.); NOGUCHI So (Hokkaido Univ.); UEDA Hiroshi (Okayama Univ.);
WATANABE Tomonori, NAGAYA Shigeo (Chubu Electric Power Co.,Inc); FUKUDA Mitsuhiro (Osaka Univ.)
E-mail: atsushi@waseda.jp

1．はじめに超伝導コイル固有の「常伝導転移に対するコイル保護」と「高い製造コスト」という 2 つの大きな障壁（ボトルネック）が超伝導応用機器の普及・拡大を阻んできた。現状、実用超伝導線材の中で REBCO 線材は高温・高磁場下で最も高い臨界電流特性を有している。本発表では、まず（その６）として、REBCO 線材の優れた特性を最大限に活かしつつ上記障壁を乗り越えるために求められるコイル化技術についてまとめ、今後の研究開発の方向性を見定めるための議論の呼び水としたい。
2．REBCO 線材の活用したい優れた特性とは？
REBCO 線材は多層薄膜テープ形状をしており、従来の円形断面の極細多芯線に比べて、電磁的・熱的・機械的に極めて巻線・コイル化しづらい形状を有している。にもかかわらず、線材自身のさらなる性能向上、苦心の集合導体
化、劣化・焼損事故が絶えないコイル製作等々が内外で続けられている。それは高磁場下で高電流密度化が実現でき、
これまでにない未踏ステージでの応用が期待できるからである。すなわち、REBCO 線材の優れた特性を活かすコイル化技術開発の大前提は、「できる限りの高電流密度化の実現」であり、これを「熱的安定性や機械強度を確保しつつ追求する」ことであると考える。負荷率を小さく設定したり、導体化によって電流密度や機械強度が低下したりするようなアプローチは取るべきではないのではないか。
そして、そのうえで上記の 2 つの大きな障壁の克服に対処していかなければ工業製品としての応用拡大は望めない。
3．想定する REBCO コイルの応用
REBCO コイルの応用開発分野は多岐にわたっているが、ここでは、Fig.1 に示す 3 つを対象として考える。それぞれ、応用分野・目的に応じて、運転温度やコイルサイズ、
運転パターンが異なる。NMR 応用は低温領域で微小空間に超高磁場（30T 以上）の発生を目指す応用である 1)。2 つ目の医療応用は、次世代の全身用高磁場（～10T）MRI と本発表の対象である空芯の REBCO マルチコイルシステム
によりビーム加速に必要な高精度磁場を形成するする小型・高強度・エネルギー可変のスケルトン・サイクロトロン 2)であり、ともに冷凍機伝導冷却（>20K）を想定する。
その他、SMES 用、Compact 核融合（例えば MIT-SPARC。
LHD のような超大型コイル応用は想定しない）用等の電力・エネルギー応用、将来のモーダルシフト対応のための電気推進船用超伝導モータ等の回転機応用である。この場
合は、励磁・減磁の繰返し、変動磁場が加わるような運転環境を想定する必要がある。
4．高電流密度化と高熱的安定化は二律背反の関係
臨界電流の高い REBCO 線材が開発できれば、高電流密度化・高磁場・小型化・低コスト化が可能と短絡的に考えるのFig.1. Target Applications
は必ずしも正しくない 3)。流せる電流が大きくなればなるほど常伝導転移に対する安定化銅層を厚くする必要があ
り、結果的に over-all の電流密度は期待するほど高くできない 4)。またより高い温度で運転するほど危険温度（～
200K）までの温度マージンが小さくなりエンタルピーを利用できなくなるためコイル保護は難しくなる 5)。このよ
うに高電流密度化と高熱的安定化の両立は簡単ではなく、「無絶縁コイル技術」6)のような対応策が不可欠となる。
5．高電流密度化には高機械強度化が不可欠
Fig.1 に挙げたような m 級大口径コイルにおいて 10T の磁場を高電流密度（例えば 500A/mm2）で発生させるためには、F=B×J×R（B:磁束密度[T]、J：電流密度[A/m2]、R：
コイル半径[m]）=(10)×(500×106)×(0.5)=2.5[GPa]という非常に大きな電磁応力（フープ応力）に耐える必要がある。すなわち、REBCO 線材の優れた特性を最大限に活かすには「YOROI コイル構造」6)のような高機械強度化を可能とする技術が必要となる。開発の進んだより高い臨界電流の線材の能力を引き出すためには高機械強度化が必須である。
6．2 つの障壁の克服：高安定・無保護・低コストの実現
2 つ障壁の克服は容易ではなく、従来技術の常識に囚われていてはならない。そこで以下の 3 課題を設定した。
・高安定：コイル巻線内に劣化や欠陥が存在あるいは発生しても熱暴走に至らず継続運転できないか？
・無保護：継続運転が不可能な状態になっても、保護抵抗によるエネルギー回収を不要にできないか？
・低コスト：欠陥・劣化のある線材の利用を許容しつつ高性能コイルを実現できないか？
本研究の一部は科研費基盤研究 S（18H05244）に依った。
参考文献
1) S.Hahn et al.,Nature, vol. 570, pp. 496-499, June 20192) H.Ueda et al., IEEE Trans. Appl. Supercond,VOL.23,NO.3, 4100205, 20133) 塚本, 巻頭言「低温工学」Vol.50, No.8, 20154) A.Ishiyama et al., IEEE Trans.Appl.Supercond,Vol.17,No.2,pp.2430-2433, 2007
5) Y.Iwasa, “Case Study in Superconducting Magnets”, p.12, Springer, 20096) T.Wang,et.al., IEEE Trans.Appl.Supercond,Vol.25, 7010920, 20157) T.Watanabe et al., IEEE Trans.Appl.Supercond,Vol.25, 8400204, 2015

― 133 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

著者索引

第 101 回低温工学・超電導学会

2021/ 5 タワーホール船堀（太字の頁番号は講演 / ポスター発表 ）※所属は講演申し込み時のものです。

A

藤代 博之

（岩手大）

114
51

阿部 徹

（東北大）

103, 112

藤田 晋士

（日立）

安部 勇汰

（東工大）

82

藤田 真司

（フジクラ） 103, 112

安喰 春華

（玉川大）

73

深尾 祥紀

（KEK）

22

赤坂 友幸

（九工大）

47, 48, 87, 123

福田 響

（岡山大）

46

秋光 純

（岡山大）

49

福田 光宏

（阪大）

128, 129, 130, 131, 132,

秋山 庸子

（阪大）

91, 93

天瀬 洸太

（岩手大）

81

福井 良磨

（量研機構） 23

雨宮 尚之

（京大）

1, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13,

福井 聡

（新潟大）

45

福本 祐介

（鉄道総研） 48, 87

51

船木 一幸

（JAXA）

2

123

舩木 修平

（島根大）

66

荒井 有気

（鉄道総研） 48

古瀬 充穂

（産総研）

5, 105

有川 安信

（阪大）

二塚 和美

（金沢大）

74, 75浅田 峻汰

（横浜国大） 34

浅井 俊樹（東京農工大）15

阿竹 洋輔

（東北大）

123, 124

HAHN Seungyong（Seoul 大）97, 98

淡路 智

（東北大）

18, 25, 103, 112

箱石 裕人

（岩手大）

79

濱田 一希

（早大）

57

濱田 一弥

（量研機構） 23

41

濱田 衛

（JASTEC）

111, 119103, 112

濱口 真司（NIFS）

3

濱島 高太郎（東北大）

21, 101

原 真太郎

（京大）

3

長谷川 友大（東京農工大）80

橋爪 秀利

（東北大）

107, 123, 124

青木 学

（日立）

APARICIO Luis （東北大）

33

B
馬場 智澄

（NIFS）BADEL Arnaud （東北大）
裵 相哲（サンデン AT）82

伴野 信哉（NIMS）

28, 27, 29, 67
C133
5, 104, 105

H

陳 妙鑫

（京大）

7, 8, 9

八鳥 孝志

（京大）

13

筑本 知子

（中部大）

125

日比 祐太

（早大）

131

知念 健太

（神戸大）

85, 86

日比野 拓

（名大）

89

東 達也

（放医研）

128

D

東川 甲平

（九大）

17, 127

大保 雅載（フジクラ） 103, 112

肥村 康治

（東海大）

28

土井 俊哉

（京大）

66

平井 正明

（福井工大） 24, 45

DONG Chiheng （中国科学院）17

平野 直樹（NIFS）

32, 41, 83, 113

平野 貴之

（京大）

12

廣谷 俊樹

（玉川大）

73

菱沼 良光

（NIFS）

19

F
淵野 修一郎

（東大）

116

藤井 博道

（超音波工業）126

堀井 進

（玉川大）

73

藤井 陸太

（東京農工大）80

星野 勉

（明星大）

30

藤井 里至

（阪大）

91

細谷 岳哉

（横浜国大） 34

藤﨑 正貴

（明星大）

30

福田 光宏

（阪大）

― 134 ―

第101回

99
2021年度春季低温工学・超電導学会

福田 芳樹（宇都宮大） 92
I

川並 良造（川並鉄工） 41

河野 勝己（量研機構） 23

河野 雅俊（明興双葉） 26

衣斐 顕

（産総研）

67

川崎 啓太

（九大）

127

一木 洋太

（日立）

51

川崎 理香子

（京大）

3

一野 祐亮

（愛工大）

68, 69, 89

河島 裕

（テラル）

5

一瀬 中

（電中研）

18, 69, 89

菊池 章弘（NIMS）

25, 26, 46

飯島 康裕（フジクラ） 103, 112

金 錫範

（岡山大）

43, 44, 46, 96, 130

飯嶋 安男（NIMS）

26

木村 基良（明興双葉） 26

飯尾 雅実

（KEK）

22

木村 諒

（岡山大）

46

飯嶋 安男

（NIMS）

46

木下 雄士

（九工大）

65

池内 正充

（前川）

73

木須 隆暢

（九大）

17, 127

今川 信作（NIFS）

3

北口 仁（NIMS）

111, 120, 126

井上 昌睦（福岡工大） 14, 39, 122

北村 真由

（早大）

54, 55, 57

井上 良太

（岡山大）

木内 勝

（九工大）

89

石原 篤

（鉄道総研） 47, 48, 87, 123

小林 弘明（JAXA）

3

石井 宏尚

（東芝）

52, 53

小林 大剛

（岡山大）

44

石山 敦士

（早大）

42, 54, 55, 56, 57, 99,

小林 賢介（NIMS）

120

100, 106, 108, 128, 129,

小林 祐介

（鉄道総研） 48

130, 131, 132, 133

小髙 一真

（北大）

109

43, 44, 46, 96, 130

石崎 比奈子

（早大）

42

児玉 一宗

（日立）

51

石塚 仁人

（東海大）

37

古賀 智之

（日立）

51

伊藤 悟

（東北大）

107, 123, 124

小池 亘

（青学大）

20

伊東 徹也

（テラル）

5

小久保 早希

（早大）

100

伊東 智寛

（名大）

68

駒込 敏弘

（前川）

21, 101伊藤 智庸（東芝エネルギーシステムズ）52, 53

小松 俊介

（金沢大）

74, 75

糸日谷 浩平

（早大）

99

小笹 峻諒

（宇都宮大） 61

94

小瀧 博司

（日立）

51

IVANOV Yury （中部大）
岩井 貞憲（東芝エネルギーシステムズ）52, 53

小澤 美弥子

（青学大）

63

岩熊 成卓

（九大）

39, 117

熊倉 浩明（NIMS）

50

岩本 晃史（NIFS）

3, 4, 33

熊澤 直哉

（金沢大）

74, 75

岩野 圭介

（阪大）

33

栗原 佑太

（東海大）

38

岩佐 太陽

（神戸大）

85, 86

栗山 透（東芝エネルギーシステムズ）31

岩佐 崇

（東工大）

70

黒澤 宣之

（KEK）

岩佐 幸和

（MIT）

51

草野 貴史

（東芝エネルギーシステムズ）52, 53

岩崎 慎也

（九工大）

65

岩田 暢祐

（中部大）

94, 95

和泉 輝郎

（産総研）

18, 6722

L
LOPATINA Anastasia（金沢大）74, 75
羅 熙捷

10, 11, 12

（京大）

K
柁川 一弘

（山口理大） 103

金泉 莉大

（青学大）

金沢 新哲

（室蘭工大） 102, 121

神田 昌枝

（中部大）

金子 賢治
川合 修平

63

M
MA Yanwei（中国科学院）17

町 敬人

（産総研）

67

95

町屋 修太郎

（大同大）

19

（九大）

117

前田 京剛

（東大）

18

（中部大）

95

前田 秀明

（科学技術振興機構）111― 135 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

前川 一真（神戸大）

84, 85, 86

内藤 敬介

（岡山大）

43

槙田 康博

（KEK）

21, 22, 101

内藤 智之

（岩手大）

71, 79, 81, 114, 115

真鍋 勇一郎（阪大）

91, 93

仲田 悠馬

（千葉大）

110

丸山 真輝

（東北大）

2

仲川 晃平

（岩手大）

79

間藤 昂允

（北大）

108

中井 光男

（阪大）

33

松本 明善

（NIMS）

51, 126

中井 優亨

（青学大）

118, 119

松本 宏一

（金沢大）

74, 75

仲井 悠貴

（岡山大）

130

松永 信之介（NIFS）

90

中村 一也

（上智大）

67

松竹 優一

（上智大）

119

中村 新一

（TEP）

77

馬渡 康徳

（産総研）

35

仲村 髙志

（理研）

71

目黒 奨

（NIMS）

126

中村 武恒

（京大）

105

三原 智

（KEK）

22

中村 照美

（NIMS）

126

三戸 利行（NIFS）

32, 41, 113

中野 真聖

（新潟大）

104

三輪 将也

（青学大）

76

中岡 晃一

（産総研）

18

宮城 大輔

（千葉大）

110

中﨑 達也

（九工大）

65

三宅 雄大

（岡山大）

130

中島 隆芳

（住友電工） 118

宮本 康平

（岡山大）

44

中山 郁夢

（神戸大）

宮本 能伸

（青学大）

62

直井 裕哉

（宇都宮大） 61

宮本 祐

（早大）

106

成嶋 吉朗

（NIFS）

宮﨑 寛史（東芝エネルギーシステムズ）31, 52, 53

夏目 恭平（量研機構） 23

宮澤 順一（NIFS）

90

根本 羽衣

（早大）

54, 55, 57

三好 康之（JASTEC）

111

根津 太貴

（新潟大）

104

水野 謙一郎（鈴木商館） 16, 36

荷方 稔之（宇都宮大） 58, 59, 60, 61, 92

水田 泰次（大阪合金） 26

二森 茂樹（NIMS）

27

水田 泰成（大阪合金） 26

平野 直樹（NIFS）

21

門馬 修一（テクノ電気工業） 45

西島 元（NIMS）

51, 111, 120, 129

森田 太郎

（上智大）

27, 29西嶋 茂宏（福井工大） 24

元木 貴則

（青学大）

20, 62, 63, 76, 77, 118,

野口 正純

（東工大）

32, 83

119

野口 聡

（北大）

42, 44, 54, 57, 97, 98, 99,

村上 陽之（量研機構） 23

村上 将吾

（早大）

42, 56, 100

村河 広樹

（東海大）

28

武藤 翔吾

（フジクラ） 103

（東大）

18

長渕 大河

（早大）

55

永廣 衛

（神戸大）

84

永石 竜起

90

100, 108, 109, 128, 129,
130, 131, 132, 133

N
鍋島 冬樹

84

野村 俊自

（東芝エネルギーシステムズ）52, 53

乗松 孝好

（阪大）

33

野呂 将太

（東海大）

25

沼澤 健則

（NIMS）

75
O
40

尾花 哲浩

（NIFS）（住友電工） 102, 120

小原 拓也（東京農工大）15

永松 純（由紀精密） 26

小田 翔平

（山形大）

70

長崎 陽

（東北大）

2, 3, 110

緒方 康博

（テラル）

5

永澤 諒紀

（東海大）

28

小川 純

（新潟大）

104, 105

長瀬 侑弥

（島根大）

66

小口 有希

（青学大）

63

長友 英夫

（阪大）

33

小黒 英俊

（東海大）

19, 25, 28, 37, 38

長屋 重夫（中部電力） 5, 99, 128, 129, 130, 132,

大橋 政司

（金沢大）

74

大畠 洋克

（KEK）

22

133

― 136 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

大木 康太郎（住友電工） 120

佐藤 文信

（阪大）

91, 93大久保 英敏

（玉川大）

73

佐藤 茂

（ULTEX）

127

大崎 博之

（東大）

116

佐藤 幸生

（九大）

117

岡 徹雄

（芝浦工大） 88

瀬川 雄大

（青学大）

63

岡田 達典

（東北大）

18, 103, 112

関根 ちひろ（室蘭工大） 102

岡村 崇弘

（KEK）

22

重政 茉於

（京大）

8, 9

岡村 哲至

（東工大）

32, 70, 82, 83

色摩 直樹

（東大）

18

岡崎 陽大

（東工大）

32, 83

下之園 友梨

（早大）

42

大中 政弥

（KEK）

22

下山 淳一

（青学大）

20, 62, 63, 76, 77, 118,

大西 祥広

（量研機構） 23

恩地 太紀（鉄道総研） 48, 87, 123

新田 基己

（岩手大）

114

大野 隆介

（前川）

73

新冨 孝和

（KEK）

21, 101

小野寺 優太（NIFS）

32, 41, 113

塩津 正博

（京大）

3

折笠 朝文

（東芝エネルギーシステムズ）31

白井 航大

（早大）

56, 99

長村 光造（応用科学研）19

白井 康之

（京大）

3

大島 瑛美

（宇都宮大） 61

曽我部 友輔（京大）

1, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13

太田 真揮人（福岡工大） 122

惣門 理（超音波工業）126

小田部 荘司

（九工大）

末富 佑

（千葉大）

大坪 正人

（由紀精密） 26

角 直幸

（KEK）

22

小山田 拓真

（岩手大）

鈴木 恵友

（九工大）

65

鈴木 賢次

（鉄道総研） 48, 127

鈴木 孝明

（日立）

47, 65
81
P

朴 任中

（理研）

119

111, 118, 119

51

111, 119
T
R

田橋 正浩

（中部大）

89

（宇都宮大） 59, 60, 61, 92

高橋 明

（京大）

7

高橋 弘紀

（東北大）

103, 124

髙橋 京祐

（新潟大）

105

SAHA Mihir Lal（Dhaka 大） 58

高橋 誠

（中部大）

89

齋藤 明子

（NIMS）

75

高橋 雅史

（上智大）

21

齊藤 敦

（山形大）

70

高橋 政彦

（東芝エネルギーシステムズ）31

斉藤 一功（JASTEC）

111, 119

高橋 雅人

（理研）

70, 71

齊藤 晃大

（阪大）

93

髙橋 力斗

（京大）

1

齊藤 亮

（新潟大）

105

高橋 俊二

（上智大）

111

齊藤 翼

（宇都宮大） 60

髙橋 裕平

（岩手大）

71

坂井 厳

（名大）

高畑 一也

（NIFS）

72

酒井 秀哉（福岡工大） 14

高野 廣久

（中部大）

94

酒井 康幸

（東芝エネルギーシステムズ）31

高尾 智明

（上智大）

67, 111酒井 保藏（宇都宮大） 58, 59, 60, 61, 92

高澤 拓海

（東工大）

83

坂井 佑輔

（名大）

武田 大樹

（新潟大）

104

坂本 久樹

（古河電工） 6

武田 実

（神戸大）

84, 85, 86

坂本 幸輝

（早大）

54

武田 泰明

（理研）

111, 118, 119

早乙女 英夫

（千葉大）

110

武中 幹人

（千葉大）

110

笹田 廉陛

（青学大）

76, 77

竹屋 浩幸（NIMS）

75

佐々木 憲一

（KEK）

22

滝澤 和輝

（東北大）

18

佐々木 朋裕

（新潟大）

126

田丸 隼也

（九大）

117

六本木 美紀S16, 3668― 137 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

田中 秀樹

（日立）

51

17

田中 博美

（MIT）

51

田中 里佳

（東京農工大）78

田中 祥貴（福岡工大） 39

谷口 博康（大阪合金） 19, 26

寺西 亮

（九大）

14, 117, 122

寺尾 悠

（東大）

116

谷貝 剛

（上智大）

3, 21, 27, 29, 101, 119

寺﨑 義朗（NIFS）

90

山田 寛之

（名大）

113

戸田 良彦

（有沢製作所）24

山田 和彦

（高知大）

70

德田 進之介（東京農工大）80

山田 容士

（島根大）

66

富久 琢磨

（青学大）

76, 77

山出 哲（住友電工） 118

富井 慶太

（新潟大）

105

山口 作太郎

（中部大）

富田 優

（鉄道総研） 47, 48, 87, 123

山口 高史（住友電工） 102

TRITRAKARN Techit（東工大）70

山本 明

（KEK）

土屋 勝彦

（量研機構） 23

山本 明保（東京農工大）15, 78, 80

土屋 光輝（フジクラ） 103, 112

山本 優（明興双葉） 26

土屋 雄司

（名大）

16, 36, 68, 69, 89, 113

山本 貴史（NIMS）

75

津田 理

（東北大）

2, 3, 110

山村 太貴

（名大）

69

津吉 杏佳

（早大）

54, 57山梨 裕希（横浜国大） 34

山野 聡士（SuperPower Inc.）6

山ノ井 航平

（阪大）

呉 澤宇

（九大）

徐毅

（宇都宮大） 59

X

Y

U94, 95
51

33

内田 公

（NIMS）

120

山崎 裕文（元産総研） 64

植田 浩史

（岡山大）

42, 43, 44, 46, 96, 99,

柳 長門（NIFS）

90

100, 128, 129, 130, 131,

柳澤 吉紀

（理研）

111, 118, 119132, 133

楊 明旭

（九大）

127

上原 賢宣

（宇都宮大） 92

安谷 葵

（九工大）

47

植本 成実

（上智大）

67

横山 和哉

（足利大）

88

上野 航生

（東芝エネルギーシステムズ）31

吉田 誠

（KEK）

22

薄井 勝富

（量研機構） 23

吉田 大佐

（上智大）

111

宇都 達郎

（東芝エネルギーシステムズ）52, 53

吉田 智貴

（岩手大）

115

吉田 隆

（名大）

16, 36, 68, 69, 89, 113

吉川 信行（横浜国大） 34

W
和久井 結太（宇都宮大） 60

芳村 幸治

（中部大）

94

涌谷 佑太郎

（東海大）

25

結城 光平

（東北大）

107, 123

結城 拓真

（早大）

56

WANG Dongliang（中国科学院）17
王寧

（京大）

7

鷲尾 方一

（早大）

128

渡邊 洋之

（日立）

51

張 佩宏

渡辺 翔太

（金沢大）

75

ZHANG Xianping（中国科学院）17

渡邊 宇宙

（東海大）

38

趙 一帆

（京大）

10, 11, 12

渡辺 智則（中部電力） 5, 99, 128, 129, 130, 132,

鐘 宇軒

（九工大）

47

朱 博餡

（九大）

103

133

Z

― 138 ―

（九大）

第101回

127

2021年度春季低温工学・超電導学会

所属別発表件数の推移
早大
京大
NIFS
東北大
NIMS
岡山大
青学大
名大
岩手大
宇都宮大
北大
東海大
九大
東工大
中部大
福岡工大
東京農工大
神戸大
東芝
上智大
産総研
九工大
鉄道総研
阪大
新潟大
室工大
金沢大
千葉大
量研機構
KEK
横浜国大
東大
福井工大
日立
理研
応用科学研
足利大
島根大
明星大
前川
成蹊大
フジクラ
三菱電機
山梨大
大島商船高専
豊田高専
鹿児島大
埼玉大
古河電工
住重
明治大
総研大
芝浦工大
住友電工
同済大
日本製鉄
大陽日酸
近畿大
原子力機構

所属別貢献論文数の推移
北大
早大
岡山大
NIMS
京大
NIFS
東北大
阪大
上智大
中部電力
九大
青学大
名大
産総研
宇都宮大
岩手大
東海大
理研
新潟大
鉄道総研
千葉大
東工大
中部大
KEK
前川
東京農工大
福岡工大
東芝
神戸大
電中研
住友電工
九工大
室蘭工大
大阪合金
JASTEC
JAXA
東大
フジクラ
島根大
応用科学研
芝浦工大
足利大
古河電工
福井工大
日立
横浜国大
量研機構
岩谷産業
SRL
原子力機構
ミラプロ
東京電力
四国総研
富士電機
大陽日酸
住重
総研大
イムラ材研
鹿児島大
三菱電機

2015秋
2016春
2017春
2017秋
2018春
2018秋
2019春
2020春
2020秋

2021春

0

20

40

60
80
発表論文数

100

120

140

2015秋
2016春
2017春
2017秋
2018春
2018秋
2019春
2020春
2020秋
2021春

0

50

100

150

200

250

貢献論文数

― 139 ―

第101回

2021年度春季低温工学・超電導学会

複

写

を

さ

れ

る

方

に

本誌に掲載された著作物を複写したい方は，公益社団法人 日本複写権センターと包括複写許諾契約を締結されている企業の方でない限り，著作権者から複写権等の行使の委託を受けている次の団体から許諾を受けてください。
一般社団法人 学術著作権協会
TEL 03-3475-5618〒 107 - 0052 東京都港区赤坂 9 - 6 - 41 乃木坂ビル

FAX 03-3475-5619 E-mail: info@jaacc.jp

著作物の転載・翻訳のような，複写以外の許諾は，直接本学会へご連絡下さい。

本誌に掲載された講演概要の著作権は低温工学・超電導学会が所有しています。
発行／公益社団法人

低温工学・超電導学会〒 113 - 0033 東京都文京区本郷 6 - 12 - 8 パレドール本郷 302 号

第 101 回 2021 年度春季
低温工学・超電導学会講演概要集
2021 年 5 月 19 日

発行

電話 03 - 3818 - 4539

FAX 03 - 3818 - 4573

E-mail: cssj@csj.or.jp URL: http://csj.or.jp/
銀行口座 みずほ銀行 本郷支店
普通 1012705 公益社団法人 低温工学・超電導学会
郵便振替口座 00140 - 8 - 192430 公益社団法人 低温工学・超電導学会
印刷／松枝印刷株式会社〒 303 - 0034 茨城県常総市水海道天満町 2438 番地

株式会社ジェック東理社

埼玉県川越市芳野台２丁目８番５２号
Tel: 049-225-7555 FAX: 049-225-7558

http://www.jecctorisha.co.jp/

幅広い温度領域に応じて様々な種類の冷凍機の中からお選びいただけます

4KGM
冷凍機

HE05

UHE10

UHE15
全自動無冷媒
希釈冷凍機

極低温冷凍機

77K
20K

液体窒素ジェネレーター

10K

4K

<10mK

クライオポンプ

冷凍機を応用したクライオポンプ及び低温機器製品の設計・製造・販売・サービスまで一貫体制で提供します
設計・製造・販売・サービスまで
貫体制で提供します
本社・工場 神奈川県茅ケ崎市矢畑1222-1
TEL：0467-85-8884

MgB2 超電導線・超伝導コイル
米国Hyper Tech社は、アプリケ－ションや研究用途に合わせ様々なMgB2線をご提供いたします。
またMgB2 マルチフィラメント線を使用したソレノイドコイルを設計及び製作も可能です。NbTi、Nb3Sn、MgB2、BSCCO、（RE）BCO超電導体を用いた伝導冷却超電導コイルもご提供できます。

DC & AC MgB2 wireHigh Jc Nb3Sn wire

MgB2 rotor coil for 2 MW high speed, 15000 rpm motor

スタ－リング式冷凍機
SUNPOWERはGe検出器・IR検出器・電波望遠鏡・人工衛星・国際宇宙
ステーション・レーザーダイオード冷却等の最先端研究分野で活躍しています。
米国 SUNPOWER 社は、フリーピストン スターリング技術の世界的リーダーです。 信頼性の高い効率的なスターリングエンジン及び冷凍機を製造しています。サンパワーのエンジニアリングサービスは、フリー
ピストンスターリングエンジンの試作品の設計、開発及び、製造まで対応します。CryoTel ®冷凍機は優れた性能、製造精度、品質を持ってい
ます。
一体型

分離型
DS Mini

MT

CT

GT

Nominal Lift @77K

1.8W

5W

11W

16W

Nominal Cooler
input power

45W

80W

160W

240W

重量

1.2Kg

2.1kg

最低到達温度
平均故障時間（時間）

日本代理店

3.1kg
40K

120,000(goal)

200,000

URL http://www.nikiglass.co.jp

仁木工芸株株式会社
東京支社 〒140-0011 東京都品川区東大井5-26-22
大阪営業所 〒592-0002 大阪市高石市羽衣5-16-8

TEL : 03-4218-4700

FAX : 03-4212-3423

TEL : 072-242-7611

FAX : 072-242-7622

ᦨవ┵䊁䉪䊉䊨䉳䊷䉕ᡰ䈋䉎㩸㩸‫ٻ‬ᨗଐᣠ↝ಊ˯ภೞ֥⇝⇟⇬∆ヘリウム液化装置
Helium Liqueﬁer/LQGH␠⵾‫ޓ‬㜞ല₸ᣂဳ⤘ᒛ࠲࡯ࡆࡦࠍ៞タ⇱∞⇠↚ࣖⅷ↺᭗ࣱᏡ᭗ࣱ̮᫂⇁ܱྵ䂓䇭䉮䊮䊌䉪䊃⸳⸘䂓䇭䉻䉟䊅䊚䉾䉪䉧䉴䊔䉝䊥䊮䉫ᑼ⤘ᒛ䉺䊷䊎䊮ណ↪
䂓䇭䉮䊮䊏䊠䊷䉺೙ᓮ䈮䉋䉎ో⥄േㆇォ䂓䇭㪏㪃㪇㪇㪇ᤨ㑆એ਄䈱ㅪ⛯ㆇォ䂓䇭ᢙᄙ䈒䈱⚊౉ታ❣
䂓䇭ਁో䈱䊜䊮䊁䊅䊮䉴૕೙䂓䇭ᶖ⾌㔚ജ䈏ዊ䈘䈒䇮䊤䊮䊆䊮䉫䉮䉴䊃䈏ૐ䈇䂓䇭࿶❗ᯏ䉕䉧䉴⸳஻䈫䈜䉎䈖䈫䈏น⢻ϽᮡḰ઀᭽એᄖ䈮䉅䇮ᓮⷐᦸ䈮䉋䉍ฦ⒳⸳⸘䊶⵾૞⥌䈚䉁䈜䇯䕔䚷኱㝧᪥㓟ᰴᘧ఍♫䚷䕔౮⌀㪤㫆㪻㪼㫃㩷㫋㫐㫇㪼㩷㪣㪉㪏㪇䜸䞁䝃䜲䝖䡡䝥䝷䞁䝖䝴䝙䝑䝖䝥䝷䞁䝖஦ᴗ㒊䚷Ᏹᐂ䞉ప ᶵჾႠᴗ㒊䛈㻞㻝㻜㻙㻜㻤㻢㻝䚷ᕝᓮᕷᕝᓮ༊ᑠᓥ⏫㻢㻙㻞㻔ி὾஦ᴗᡤ㻕㼀㼑㼘䠖㻜㻠㻠㻙㻞㻤㻤㻙㻢㻥㻟㻣䚷㻲㼍㼤䠖㻜㻟㻙㻢㻤㻢㻢㻙㻜㻝㻝㻝CFM-iVTI 無冷媒超伝導マグネットシステム
仕様● 磁場強度：±5T〜±18T● 磁場均一度：
磁場中心 φ10mm 球内で 0.1%（標準）● サンプル冷却方法：
熱交換ガスフロー（アクティブガス）又は静的熱交換ガス（スタティックガス）● サンプル温度：
1.5K〜375K（アクティブガス）1.8K〜375K（スタティックガス）● VTI 内径：30mm 又は50mm● 自動制御ニードルバルブ
He-3インサート保持時間

自動制御機能● 磁場制御● サンプル温度制御● 熱交換ガス流量制御

オプション● He-3インサート（300ｍK〜300K）● 700K 高温インサート● サンプル回転機構

日本代理店

http://www.naccjp.com nacc-c@naccjp.com

理科学システムグループ
東京営業所 〒141-0032 東京都品川区大崎 1-6-4
TEL 03-5434-1600 FAX 03-5434-1630

Bi-2223 WIRE (DI-BSCCO®)
DI-BSCCO

Type H

Type G

Type HT-SS

High current
density wire

Low thermal
conductivity wire

Average Width
Average Thickness
Tensile Strength *77K, 95% Ic retention

Double Bending Diameter *RT, 95% Ic retention

MagnetPower cable
Copper alloy(0.05mmt)
4.5+/0.1mm
0.35+/0.02mm

High fieldmagnetNickel alloy(0.03mmt)
4.5+/0.2mm
0.31+/0.03mm－－

4.2+/0.2mm
0.23+/0.01mm

4.2+/0.2mm
0.23+/0.01mm

Stainless steel(0.02mmt)
4.5+/0.1mm
0.29+/0.02mm

130 MPa *130 MPa *270 MPa *250 MPa *400 MPa *80mm *

80mm *

60mm *

60mm *

40mm *

Reinforcement tapeThickness

Type HT-NXHigh mechanical strength wirewith different reinforcement material

Current Lead

Typical Application

Type HT-CA

Critical Current, Ic

170A, 180A, 190A, 200A

77K, Self Field* Typical value

Cross Section images of DI-BSCCO wires
Type H, Type G

cross sectional images of DI-BSCCO Type H

Type HT-SS, HT-CA
cross sectional images of DI-BSCCO Type HT-SS

Type HT-NX
cross sectional images of DI-BSCCO Type HT-NX

e-mail : superconductor@sumitomo.com

https://sei.co.jp/super/index.ja.html

低温工学・超電導学会 発行誌
広告のご案内【 低 温 工 学 】
普通）1色1P【¥65,000

1色1/2P¥40,000

春・秋大会・講演概要集後付）1色1P¥65,000

広告ご掲載についてのお問い合わせ・お申込み株式会社 明 報 社

1/2P

】

¥40,000※金額は税別です。

〒104-0061 東京都中央区銀座7-12-4 友野本社ビル
TEL（03）3546-1337 FAX（03）3546-6306
E-mail：info@meihosha.co.jp HP： www.meihosha.co.jp