電子ビームイオントラップの開発に向けた高温超伝導コイルの製作
中村信行研究室
1. 序論

玉井駿宏

1.2. 目的

1.1 背景本研究では、新たな EBIT として現有の CoBIT

多価イオンの分光測定や固体表面との相互作と Tokyo-EBIT の中間の仕様を持つ無冷媒超伝導用の研究は、太陽コロナや核融合実験炉などのEBIT の開発に向けて高磁場を発生可能な高温超高温プラズマ診断や固体表面の局所加工などの伝導コイルの製作を行った。無冷媒超伝導 EBIT応用に必要とされている。電子ビームイオントの目標仕様は、最大電子ビームエネルギー：50 keV、ラップ（Electron Beam Ion Trap: EBIT)は、ト

最大電子ビーム電流: 100 mA、最大磁場：3 T とラップされたイオンに電子ビームを衝突させるしており、EBIT 内の静電磁場と電子ビーム軌道ことで逐次電離し、多価イオンを生成するイオの計算を軌道計算ソフトの Tricomp5.0 [4]を用いン源である。て行った。

2. 設計

現在我々の研究室には、最大電子ビームエネルギーが 1 keV の小型 EBIT(Compact EBIT:2.1 装置概要CoBIT)[1]と 200 keV の Tokyo-EBIT[2]があり、新たな EBIT の概略図と仕様を図 1 と表 2 にそれぞれ低価数と超高価数の多価イオンの生成示す。電極などの配置は現在研究室 にあるが可能である。各 EBIT の仕様を表 1 に示す。

CoBIT を元に設計を行い、高温超伝導コイルにしかし、これらの装置は仕様が両極端であり、よって 3 T の高磁場を発生させ、最大 50 keV の例えば次世代熱核融合炉 ITER のコアプラズマ電子ビームを 100mA で運転可能にすることを診断に有用となるイオンの生成に適した 10 keV目標に設計を行った。本 EBIT は主に電子銃、程度の運転は、CoBIT では不可能であり、Tokyo-ドリフトチューブ、電子コレクター、冷凍機とEBIT では過剰性能となる。また、多価イオンの高温超伝導コイルから構成される。磁場の発生

発光寿命測定[3]には、電子ビームを切った状態源である高温超伝導コイルは、液体ヘリウム温で高磁場による Penning トラップを用いて行う度(4 K)まで冷却せずに超伝導状態になるため、が、CoBIT 内の低磁場では Penning トラップを液体ヘリウムを使用せずに冷却可能であるが、行うことができない。さらに、磁場を形成する臨界電流の影響により、液体窒素温度（77K）で超伝導コイルの冷却には液体ヘリウムや液体窒は大きな電流を流すことができない。そこで、素などの冷媒を定期的に充填する必要があるた

4K まで冷却可能な SHI Cryogenics Group 社製のめ、例えば、放射光施設など、立ち入りの制限さRDK-415D 4K Cryocooler Series を使用する[5]。

れた場所での運転には不都合がある。

RDK-415D の直冷式の 2 段型冷凍機を使用する

表 1 [1,2]ことで、液体ヘリウムを使用するときのような予冷が不要になり、装置の運転が簡便になる。
冷凍機の第 2 ステージは 4 K まで冷却可能だが、熱伝導による冷却で被冷却体に温度勾配が形成されるため、高温超伝導コイル全体が 20 K 以下になるように設計した。冷凍機の第 1 ステージ1

は高温超伝導コイルの周りに設置した放射 シあるが、線材に金属皮膜を施すことで改善可能ールドに取り付け、冷凍機の第 2 ステージは冷とされている。使用する線材の補強材にはニッ凍機の振動が伝わらないように銅の平編 線をケル合金が使用されているため、励磁時間の遅用いて高温超伝導コイルに取り付ける。

延を緩和可能であると考えた。DI-BSCCO はテープ線材であるため、テープ線材にかかる磁場がテープ面に対して垂直磁場か平行磁場かで異なる臨界電流を有しており、特に垂直磁場により臨界電流が大きく制限されている。
表 3. 高温超伝導線材の仕様[6]図 1. 無冷媒超伝導 EBIT の断面図
表 2. 無冷媒超伝導 EBIT の仕様

2.3.2. 高温超伝導コイルの概要
高温超伝導コイルは、無酸素銅のボビンに高温超伝導線材を巻きつけた DP コイルを 6 つ用
2.3 高温超伝導コイル意し、3 つずつの固まりに分けることでヘルム2.3.1 高温超伝導線材ホルツ型のコイルにする。ボビンには無酸素銅

高温超伝導コイルには、住友電気工業株式会の羽があり、高温超伝導コイルの冷却効率向上

社 の革 新的 ビス マス 系超 伝導 線 (DI-BSCCO)と巻線機へ固定するための台としての役割を担Type HT-NX を使用する[6]。DI-BSCCO は銀合っている。また、無酸素銅の羽から高温超伝導金をシース材に使用した Bi2223 線材であり、線材への熱伝導を良くするために、羽と高温超高臨界電流特性を有している。特に Type HT-NX伝導線材の間にインジウム薄膜を設ける。無絶は補強材にニッケル合金を使用することで同シ

縁高温超伝導コイルの 概要は図 2 に示す。一般

リーズの中で最も許容両曲げ直径が小さい線材

的に、高温超伝導線材の固定にはエポキシ樹脂である。表 3 に使用する高温超伝導線材の仕様が使用されるが、多価イオンの生成に必要な高を示す。製作する高温超伝導コイルは絶縁層の真空を維持するために、エポキシ樹脂を使用し無い線材を使用することで、クエンチ保護の特せずにコイルを固定する方法を考案した。コイ徴を有す無絶縁コイルにする。また、無絶縁コルボビンの設計には 3DCAD の Inventor を用い

イルは通常のコイルに比べて励磁時間の遅延がて行った。
2

った。その一方、多少磁場の均一性が悪くなってしまっても電子ビームの軌道への影響は殆ど無く、多価イオンの生成自体は問題なく行えると考えられる。
表 4. 高温超伝導コイルの仕様

図 2. 無絶縁高温超伝導コイルの概要
2.3.3 磁場計算
高温超伝導コイルによって形成される磁場の計算を市販ソフトの Tricomp5.0 を用いて行った。コイルは 20 K 以下まで冷却することを想定し、20 K の臨界電流に対して余裕を持つために、コイルの運転電流 は 250 A とした。磁場の計算では、コイルに 250 A の電流を流し、コイルの中心磁場が 3 T になるのに必要なコイルの巻き数とコイルの形状を決定した。決定した高温超伝導コイルの仕様を表 4 に示し、このときとの図 3. コイル断面の磁場強度分布

高温超伝導コイル周辺の磁場の様子とコイルの中心磁場の様子を図 3 と図 4 に示す。図 3 は Z軸に対して軸対象になっており、Ｒ軸は Z 軸に対する動径方向、白線は磁力線の向きを示している。
図 4 は図 3 の Z 軸上の平行磁場 Bz を示している。ヘルムホルツ型のコイル間隔は 30mm であるため、コイル中心から±15mm の付近でトラップされた多価イオンの発光が観測される。
トラップ領域で多価イオンを一様に生成するためには、トラップ領域の磁場が均一になってい図 4. コイルの中心磁場ることが望ましい。しかし、中心磁場が B=2.74

2.3.4 耐電磁力の計算

T のとき、コイルの中心磁場均一度は、コイル中心から±15mm の範囲で ΔB/Bmax = 15.3%と磁超伝導コイルに電流を流すと、コイル自体が場の一様性は得られなかった。設計当初は、無発生させる磁場と電流による電磁力が発生する。

酸素銅の羽の厚さは 1mm にすることを想定し電磁力の向きはコイル内に生じる磁場の向きにていたが、構造的に最低でも厚さは 3mm 必要

よって変わり、コイルの巻き取り軸の軸方向とであったため、磁場の均一性が悪くなってしま

動径方向に電磁力が働き、線材に圧縮応力と引3張応力が生じる。軸方向はコイル内の垂直磁場3.2 DP コイルの製作の影響で、中心でゼロとなるような電磁力が働3.2.1. 構成

くことでコイル線材に圧縮応力が生じる。動径

高温超伝導コイルを製作するにあたって、DP方向は平行磁場による影響で膨張するような電コイルの性能を確認するために、試験用の DP磁力(フープ力）が働くことで、コイル線材に張コイルの製作を行った。図 7 に製作した DP コ力応力（フープ応力）が生じる。

イルを示す。DP コイルは主に、無酸素銅のボビ設計したコイルの場合、圧縮応力と引張応力ンと羽、ボビンに巻かれた無絶縁の高温超伝導の最大応力は、それぞれ約 3.8 MPa と約 13 MPa

線材の DI-BSCCO、コイルを固定するための線であったため、DI-BSCCO の許容引張り強度の材固定ネジとフープ力対策部品から構成されて400 MPa に対して十分小さな値であることが確いる。また、無酸素銅のボビンと羽は株式会社認できた。

京和真空に製作を依頼した。

3. 高温超伝導コイルの製作
3.1 巻線機の製作
高温超伝導コイルの製作には、高温超伝導線材に引張り張力をかけながら DP コイルを巻き取る必要があるため、図 5 と図 6 に示した巻線機の製作を行った。製作にあたって、速度調整、巻く位置の高さ調整、回転方向の変更、一定のトルク力の保持の 4 点を実現できるように設計

図 7. 製作した DP コイルを行った。また、今回使用する DI-BSCCO の許容引張り張力は 410 N であるため最大トルクは3.2.2. 巻取り手順40N・m 以下とし、巻取りの回転速度 は低速範DP コイルは 1 本のテープ線材を 2 つのボビン囲での巻取りが可能になるように設計した。に分け、テープ線材の真中から実際に使用するボビンに 2 列に分けて積層させながら巻くことで作られる。コイルの巻取り作業には先ほど述
べた巻線機の他に、高温超伝導線材の巻かれたボビン(ボビン 1)、何も巻かれていないボビン(ボビン 2）、無酸素銅のボビンと羽を結合させたも図 5. 巻線機の全体の(銅ボビン)を主に使用した。ボビン 1 には長さ 65m の DI-BSCCO が巻かれており、各ボビンの巻取り箇 所の直径はそれぞれ、ボビン 1：Φ180 mm、ボビン 2：Φ170 mm、銅ボビン：Φ40mm である。DP コイルを 1 個作るのに必要な線材 の 巻 き 数 と 線 材 の 長 さ は そ れ ぞ れ 240
TURNS(1 列：120 TURNS)と 58 m (1 列：29m)と定められる。また、トルクコントローラーのトルクは約 2.0 N・m で巻取りを行った。

図 6. 巻線機の断面図
43.3 高温超伝導コイル試験装置の立ち上げ
3.3.1 試験装置の構成
試験装置の概要を図 8 に示す。試験装置では、無冷媒超伝導 EBIT で使用する直冷式の 2 段型冷凍機によってコイルの冷却を行う。真空チャンバーに取り付けられた 2 段型冷凍機は第 1 ステージで放射シールドの冷却を行い、第 2 ステージで試験台を冷却する。 熱放射による熱侵入を減らすために、放射シールドは熱放射を軽減するスーパーインシュレーションによって覆われている。DP コイルは試験台に取り付けること
図 8. 試験装置の概要

で冷却される。真空チャンバーはターボ分子ポ

3.3.2 冷却試験

ンプとスクロールポンプよって真空を引いており、真空チャンバー内の真空度を冷凍機の運転試験装置内の冷却温度を測定するために冷凍に必要な 10−2 Pa 以下にするには、約 24 時間真機の各ステージとコイル、電流導入の温度測定空を引き続ける必要がある。

を行った。冷凍機を起動してからの時間経過にコイル電源には菊水電子工業株式会社の対する冷凍機の第 2 ステージとコイル上面、窒PAG8-300 1P200 を使用した。コイル電源から化アルミニウム板周辺の放射シールド、第 1 ス

出力された電流は、銅撚線（KIV 100SQ）の電テージの温度変化をそれぞれ、T1、T2、T3、T4流リードを用いて真空チャンバーに取り付けらとして図 9 に示す。最終的に装置内の温度はれた電流導入端子（A0221-2-CF)から真空チャ

T1=10 K、T2=35 K、T3=49 K、T4=39 K になンバー内に取り入れられる。真空チャンバー内り、コイルが 40 K 以下まで冷却されているのをで電流導入端子を直接 DP コイルに接続すると確認でき、試験用 DP コイルの場合、温度マー熱侵入が非常に大きくなり、試験台の温度が上ジンは約 5 K であるのが確認できた。今回の測昇してしまう。そこで、電流導入端子に接続し定では、高温超伝導電流リードの長さが短いこた電流リードを放射シールドに固定し、放射シとや、コイルと試験台の間にインジウム膜が挟ールドから高温超伝導線材の電流リードに変えまれていないなど改良する余地がまだあるため、ることで DP コイルへの熱侵入を減少させる。

さらに温度マージンを大きくすることが可能だ

銅撚線と高温超伝導線材の接続には無酸素銅のと考えられる。

ブロックを介して行い、高温超伝導線材の電流リードには DP コイルに使用した DI-BSCCO を並列に 2 本使用した。電流リードを放射シールドに固定する際、電気的に絶縁しつつ高い熱伝導を保つ必要があるため、窒化アルミニウムの板を挟んで無酸素銅のブロックを放射シールドに固定した。
図 9. 試験装置内の温度変化
54. 励磁試験ーム軌道計算によって EBIT の構成と高温超伝試験装置を用いて DP コイルの励磁試験を行導コイルの形状を決めた。

った。図 10 に DP コイルの中心磁場の変化を示

高温超伝導コイルは直冷式の 2 段型冷凍機です。赤線が電流値、青線が中心磁場の理論値、緑

20 K 以下まで冷却し、250 A の電流によって励線が中心磁場の測定値である。電流の上昇速度

磁せさることで約 3 T の磁場を発生させる。コは 1 A/s とし、電圧が一定になったのを確認しイルの固定にはエポキシ樹脂を使用せずに行い、てから電流値を上昇させた。最終的に電流が6 つの DP コイルを組み合わせることでヘルム

205 A でクエンチが生じ、コイル間の電圧が上ホルツ型のコイルにする。また、高温超伝導線昇したため、直流電源の出力を停止した。再現材に無絶縁の DI-BSCCO を使用することで、ク実験を行ったところ、コイル自体には損傷は見エンチ保護の特徴を有する無絶縁高温超伝導コられなかったため、高温超伝導線の電流リードイルの製作が可能になった。
高温超伝導線材の DP コイルの巻き取りには、部でクエンチが生じたと考えられる。
DP コイルの中心磁場は 205 A の電流のとき設計から製作まで行った自作の巻線機を使用し、に、約 0.82 T であった。理論値の中心磁場は約試験用の DP コイルを製作した。試験用 DP コ

0.84 T であるが、ホール素子の取り付け箇所がイルの励磁試験を行うために、DP コイルを冷却コイルの中心から数 mm ずれているのを考慮すし、250 A の電流で励磁可能な試験装置の立ちると、205 A まではほぼ設計通りの DP コイルが上げを行い、試験台の温度が 40 K 以下まで冷できているのを確認できた。

却されているのを確認した。
DP コイルの励磁試験を行い、205 A で高温超伝導線の電流リード部でクエンチが生じた。このとき、コイル自体に損傷は無く、205A の電流
B [T]

I [A]

でコイルの中心磁場が約 0.82 T であったため、ほぼ設計通りのコイルが出来ているのを確認した。
今後は、コイルの温度をさらに下げれるように、コイルの固定箇所にインジウム薄膜を挟むなどで冷凍機の冷却効率を高める。さらに、クエンチ箇所である高温超伝導の電流リードを修t [s]図 10. DP コイルの中心磁場の変化正した後、再度 250 A の電流で励磁実験を行う。
参考文献

4[1] 西沢一生 修士論文 電気通信大学 (1997).

まとめと今後の展望
本研究では、新たな EBIT として現有の CoBIT[2] 菊池浩行 修士論文 電気通信大学 (2007).と Tokyo-EBIT の中間の仕様を持つ無冷媒超伝[3] 簑島真希 電気通信大学修士論文(2012).

導 EBIT の開発に向けて高磁場を発生可能な高[4] http://www.asl-i.com/contents/soft/tricomp/

温超伝導コイルの設計・製作を行った。無冷媒[5] http://www.shicryogenics.com/products/4k-

超伝導 EBIT の目標仕様を最大電子ビームエネ

cryocoolers/ rdk-415d-4k-cryocooler-series/

ルギー50 keV、最大電子ビーム電流 100 mA、[6] http://www.sei.co.jp/super/hts/type_ht.html.

中心磁場 3 T とし、Tricomp5.0 を用いた電子ビ
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