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平成23年9月7日

独立行政法人 物質・材料研究機構
ジャパン スーパーコンダクタ テクノロジー株式会社
独立行政法人 科学技術振興機構

超伝導磁石の世界最高磁場24Tを発生

−酸化物高温超伝導線材を用いた小型・強磁場NMR装置へ道−

独立行政法人物質・材料研究機構(NIMS)(理事長:潮田 資勝)超伝導線材ユニット(ユニット長:北口 仁)マグネット開発グループ(グループリーダー:木吉 司)の松本 真治 主任研究員らは、ジャパン スーパーコンダクタ テクノロジー株式会社(JASTEC)(代表取締役社長:西元 善郎)などと共同で実施する科学技術振興機構(JST) 研究成果展開事業(戦略的イノベーション創出推進プログラム)の一環として、超伝導磁石注1)の世界最高磁場を更新する24.0T(テスラ)注2)の磁場発生に成功した。

核磁気共鳴(NMR)装置注3)に使用される超伝導磁石は、発生する磁場の増加とともに感度と分解能が増加するため、より強い磁場を発生することが要求される。一方で、磁場を強くするためには超伝導磁石が大型化し、冷却に必要とされる液体ヘリウムの使用量も増加する問題が生じていた。

研究グループは、強磁場中で優れた臨界電流密度注4)と機械的特性を示す酸化物系高温超伝導線材であるGdBCO薄膜線材注5)(株式会社フジクラ製)でコイルを製作し、17.2Tの磁場を発生する金属系超伝導磁石の内側に組み込み、磁石の中心部で24.0Tの磁場を発生できることを確認した。これは超伝導磁石単独では世界最高の値である。

また、これまでの最高記録23.5Tが温度を約2Kまで下げることで到達していたのに対して、一般に普及している超伝導磁石と同様に、液体ヘリウムの沸点である4.2Kで達成された。さらに、磁石全体のサイズも大幅に小さくなっている。この度の成果によって、GdBCO薄膜線材を用いた強磁場発生用コイルの作製技術が大幅に進展し、強磁場中でのコイルとしての性能も実証できた。開発した技術を用いることで、強磁場NMR装置を大幅に小型化し、液体ヘリウムの使用量も低減することが期待される。

本成果は、以下の事業・研究開発テーマ・研究開発課題によって得られた。

研究成果展開事業(戦略的イノベーション創出推進プログラム)(S-イノベ)

研究開発テーマ 「超伝導システムによる先進エネルギー・エレクトロニクス産業の創出」
(プログラムオフィサー(PO):佐藤 謙一 住友電気工業株式会社 フェロー、材料技術研究開発本部 超電導担当技師長)
研究開発課題名 「高温超伝導材料を利用した次世代NMR技術の開発」
プロジェクトマネージャー(PM) 末松 浩人((株)JEOL RESONANCE 技術部 統括部長)
研究リーダー 木吉 司((独)物質・材料研究機構 超伝導線材ユニットマグネット開発グループ グループリーダー)
参画機関 JEOL RESONANCE、物質・材料研究機構、ジャパン スーパーコンダクタ テクノロジー、理化学研究所、千葉大学、山形大学、茨城大学、産業技術総合研究所
研究開発期間 平成22年1月〜平成31年3月

S−イノベは、JST 戦略的創造研究推進事業(CREST、ERATO、さきがけ、SORST)などの成果から新産業創出の礎となる研究開発テーマを設定し、当該テーマの下で公募選定された産学連携による複数の研究開発チームが長期一貫した研究開発を進めるプログラム。

本課題では、NMR(核磁気共鳴)装置への高温超伝導材料の導入により、超伝導磁石の小型化と検出プローブの高感度化を実現し、スループットの飛躍的向上とNMRの普及拡大を目指している。

研究の背景と経緯

超伝導磁石の発生磁場は図1に示すように、NIMS(当時は金属材料技術研究所(NRIM))で1999年に23.4Tを発生した後、長らく停滞し、2009年に23.5TのNMR磁石(1GHz NMR磁石)が製作されたにとどまっていた。

主な原因は強磁場化に伴う超伝導磁石の大型化および運転コストの増加である。1986年以降の超伝導磁石の最高磁場は液体ヘリウム(沸点4.2K)をさらに約2Kまで冷却することで達成されていた。これは金属系超伝導線材を2Kまで冷却することで、臨界電流密度が増え強磁場の発生が可能となるためである。ただし、これには液体ヘリウム消費量の増加と新たな機器(減圧用ポンプ)の設置を必要としていた。

強磁場超伝導磁石の有力な用途の代表がNMR装置である。NMR装置において感度は非常に重要であり、これまでNMR磁石の強磁場化およびプローブの低温動作化によって高感度化が図られてきたが、既存技術では限界に到達している。図2に既存のNMR装置のサイズが磁場とともに増加する傾向を示す。磁石の大型化は、設置場所を限定し、強磁場NMR装置の普及の妨げとなっていた。

研究グループは、JSTの戦略的イノベーション創出推進プログラムの研究開発課題「高温超伝導材料を利用した次世代NMR技術の開発」では、磁石およびプローブに酸化物系高温超伝導材料を使用することで、超伝導磁石の小型化とプローブの高感度化を実現し、処理能力の飛躍的向上とNMRの普及拡大を目指している。特に超伝導磁石については、酸化物系高温超伝導線材を使用することで、コイルの電流密度を増やし、強磁場化と小型化の両立を目指している。

<研究の内容>

研究グループは、酸化物系高温超伝導線材の中でGdBCO薄膜線材に着目し、そのコイル化に取り組んだ。本線材は、長手方向(長辺の方向)に優れた機械的強度を有し、4.2Kでは30Tを超える磁場でも十分な臨界電流が得られるため、本線材でコイルを作製した場合に、強磁場中で大電流を流すことができ、なおかつ通電中に線材長手方向に働く電磁力に対しても特性が劣化しないことが期待された。

ところがGdBCO線材を使用してコイルを作製し、実際に通電すると狙い通りの特性が得られない事例が頻発し、図3に示すように線材の一部が焼損した例もあった。研究グループは特性評価後にコイルを分解し劣化した箇所を特定することで、線材はテープに垂直な力に対し非常に敏感で、巻線、コイルの樹脂含浸、冷却、通電による磁場発生のすべての過程で線材の一部に力が集中しないように工夫する必要があることを見出した。

これを受けてコイル作製法を改善するとともに、線材としては、臨界電流密度が高く、厚いハステロイ(ニッケル合金)基板で剛性に優れ、巻線時の固定も容易なGdBCO線材((株)フジクラ製、幅5mm×厚さ0.16mm、図4)を使用した。製作したコイルは内径50mm、外径112mm、高さ88mmで総長516mの線材を使用した。図5にコイルの外観写真を示す。本コイルを図6に示すように液体ヘリウム中で17.2Tを発生する金属系超伝導磁石の内側に組み込んだ。本コイルを17.2Tの磁場中で321Aまで通電することで、磁石中心部に24.0Tの磁場が発生することを確認した。このときの巻線部の電流密度は234A/mm²、線材に加わる長手方向の応力は408MPaで、通常の金属系超伝導コイル(100A/mm²、200MPa)に比べて倍以上高い値で動作することが確認できた。これまで酸化物系高温超伝導コイルを水冷銅磁石に組み込み26.8Tを発生した例や、ハイブリッド磁石に組み込み33.8Tを発生した例はあるが、磁石すべてが超伝導状態を保った超伝導磁石単独としては、発生磁場24.0Tは世界最高の値で、液体ヘリウム温度での更新は1986年以来である。また、コイルの電流密度を大幅に増加できたため、24Tを発生した磁石のサイズは、図6に示したように1999年に23.4Tを発生した磁石と比べて外径で1/2以下と大幅に小さくなっている。

本コイルは巻線内部で接続を1箇所行っているが、この度の成果でその接続技術の信頼性も確認された。この接続技術を使うことで、超伝導線材の接続を繰り返し、さらに大きなコイルを製作することも可能である。

<今後の展開>

この度の成果によって、GdBCO薄膜線材を用いた強磁場発生用コイルの作製技術が大幅に進展し、強磁場中でのコイルとしての性能も実証できた。これによってGdBCO薄膜線材が持っている優れた臨界電流密度と機械的強度を超伝導磁石として有効に活用することが可能となった。

超伝導磁石の主な応用であるNMR装置は、タンパク質、高分子材料、薬品、新素材などの開発に不可欠な基本分析ツールであり、性能の向上(強磁場化による感度と分解能の向上)とともに設置性の向上(小型化および運転コストの低減)が期待されている。この度の成果は、この両方に寄与することが可能で、現在、触媒の高性能化などで威力を発揮しているNIMSの930MHz(21.8T)NMR装置と同程度の大きさでより性能の優れた30T級NMR装置の開発や、800MHz(18.8T)程度のNMR装置を大幅に小型化し、通常の実験室でも設置可能にする、といった貢献が期待される。

<JST 戦略的イノベーション創出推進プログラム 佐藤プログラムオフィサーのコメント>

高温超伝導を用いることにより、従来の金属系超伝導では不可能だったことが可能になってきています。今回の成果もNMRに新しい局面を切り開いた技術成果として世界にアピールできるものです。

<参考図>

図1

図1 超伝導磁石の最高磁場の推移。NIMS(当時は金属材料技術研究所(NRIM))はこれまで多くの貢献を行ってきた。
白抜きの記号は液体ヘリウム中(4.2K)で運転された。

図2

図2 NMR装置の発生磁場によるサイズの増加。図中の人は身長175cm相当。

図3

図3 先行で試作したGdBCOコイルの外観および通電後の分解写真。局部的に焼損している。
焼損部はバインドを固定した箇所に対応しており、周辺部には含浸材が浸入し線材が凹んだ箇所も見られた。

図4

図4 24.0Tを発生したコイルに使用したGdBCO線材の模式図。

図5

図5 24.0Tを発生したGdBCO内層コイルの外観写真。

図6

図6 中心磁場24.0Tを発生した超伝導磁石の構成。NbTiとNb3Snコイルで17.2Tを発生する超伝導磁石にGdBCOコイルを組み込んだ。
外側の一点鎖線は1999年に23.4Tを発生した超伝導磁石のサイズ。

<用語解説>

注1) 超伝導磁石
超伝導線材を使用して製作される電磁石。超伝導状態を保つため冷却する必要があり、多くは液体ヘリウム中で運転される。超伝導線材部分の抵抗は零であるため、極めて少ない消費電力で強い磁場を発生することが可能。ただし、磁場の増加とともに通電できる電流値は減少し、ある磁場以上では超伝導状態は失われる。その磁場強度は超伝導線材の種類によって異なる。このため低い磁場を発生するためには安価で巻線も容易なNbTiが使用され、10T以上の磁場では強磁場となる磁石の内側部分にNb3Sn線材が使用されるが、2K以下に冷却しても24T程度が限界とされる。これら実用段階にある金属系超伝導磁石に対し、酸化物系高温超伝導磁石は30T以上の磁場も発生できると期待されており、また液体ヘリウムを使用しない20K程度での運転も試みられている。超伝導磁石はNMR装置の他に、MRI(磁気共鳴イメージング)、磁気浮上列車、核融合炉などに使用されている。
注2) T(テスラ)
磁束密度の単位。最も強力な永久磁石(ネオジム磁石)の表面磁束密度は約1.5T。
注3) NMR装置
NMR装置は外部磁場を発生する磁石(NMR磁石)とプローブを含む分光計システムから構成される。NMR磁石はMHz(メガヘルツ)やGHz(ギガヘルツ)という周波数の単位で呼ばれることが多いため誤解されやすいが、発生する磁場は時間的に一定である。さらに、測定する試料全体に対して磁場は均一でなくてはならない。この一様な磁場に置かれた試料に対して、ある周波数の電磁場を加えると、特定の原子核との間で共鳴現象(核磁気共鳴:Nuclear Magnetic Resonance)が起こる。代表的な水素(プロトン)の原子核の場合、2.3487Tの磁場中で100MHzの周波数の電磁場に共鳴する。共鳴する周波数は磁場に比例することから、この10倍の23.5Tの磁場を発生する磁石を1GHzのNMR磁石と称する。
 分子を構成する原子は、例えば同じ水素原子でも分子中での位置が異なると、化学結合の違いなどによってそれぞれの原子核の感じる磁場が微妙に異なり、それがNMRの共鳴周波数の変化となる。これを観測して有機材料、タンパク質や無機材料などの構造を決定していく。
 磁場が大きくなり対応する共鳴周波数が増加すると、感度と分解能が向上するため、より微細な構造の決定や微量試料の分析が可能となる。また分子量の大きなタンパク質はNMRによる構造解析が困難であるという欠点があるが、これを克服する有力な手段が磁場の増加である。また近年の固体材料用NMR技術の向上により、無機材料の分析にも磁場の増加が有効であることが知られている。
注4) 臨界電流密度
超伝導線材に流す電流は無限に大きくできる訳でなく、ある電流値を超えると超伝導状態が失われる。この超伝導状態が失われる限界の電流が臨界電流で、これを線材の断面積などで割った値が臨界電流密度。実用上は線材の断面積で割った値が用いられるが、線材の開発では、線材に含まれる超伝導体の面積で割った値を用いることもある。臨界電流密度は一般に温度および磁場の増加によって減少するため、より高温、より強磁場で高い臨界電流密度を持つ線材の開発が不断に行われている。
注5) GdBCO薄膜線材
酸化物系高温超伝導線材の1つ。1987年にいわゆるイットリウム(Y)系超伝導体であるYBCO(YBa2Cu3X)が90K以上の臨界温度を持つことが発見された。Yの代わりにガドリニウム(Gd)やホルミウム(Ho)を用いても90K以上の臨界温度が得られるため、まとめてReBCO(Reは希土類元素)と称されることもある。本研究では磁場中の臨界電流特性がYBCOより優れていることから、GdBCO(GdBa2Cu3X)を超伝導体として用いた。図4に示すように基板にハステロイを使用した線材は、線材の長手方向に500MPaの応力が加わっても超伝導特性が殆ど劣化しない。このためコイルとして通電したときに生じる、磁場と電流密度に比例した線材の長手方向に加わる応力を他の超伝導線材(補強したNb3Sn線材、Bi−2223線材で約300MPa)よりも大きな値とすることが可能である。これは従来のコイルと比較して同じ体積でより電流密度を高くできることを意味し、強磁場の発生およびコイルの小型化に有利と期待されていた。

<お問い合わせ先>

<研究内容に関すること>

松本 真治(マツモト シンジ)
物質・材料研究機構 超伝導線材ユニットマグネット開発グループ
企画管理部
〒305-0003 茨城県つくば市桜3-13
Tel:029-863-5524 Fax:029-863-5599
E-mail:

濱田 衛(ハマダ マモル)
ジャパン スーパーコンダクタ テクノロジー株式会社
〒651-2271 兵庫県神戸市西区高塚台1丁目5-5
Tel:078-991-9445 Fax:078-991-9446
E-mail:

(不在時)
木吉 司(キヨシ ツカサ)
物質・材料研究機構 超伝導線材ユニット マグネット開発グループ
〒305-0003 茨城県つくば市桜3-13
Tel:029-863-5526 Fax:029-859-2025
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〒102-8666 東京都千代田区四番町5番地3
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