理化学研究所,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,科学技術振興機構（ＪＳＴ）

令和元年９月２８日

理化学研究所
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
科学技術振興機構（ＪＳＴ）

２種類の高温超電導を用いて３０テスラ超の高磁場発生

～１．３ギガヘルツＮＭＲに向けた大きな一歩～

理化学研究所（理研） 放射光科学研究センター ＮＭＲ研究開発部門 超高磁場磁石開発チームの柳澤 吉紀　チームリーダーと末富 佑　研修生、物質・材料研究機構 機能性材料研究拠点 高温超伝導線材グループの西島 元　主幹研究員、ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社の斉藤 一功　技術総括部長、科学技術振興機構の前田 秀明　プログラムマネージャーらの共同研究グループ※１）は、高温超電導線材注１）をらせん形状に巻いた超電導磁石注２）において、これまで困難とされてきた３０テスラ注３）超の高磁場発生に成功しました。

本研究成果により、創薬や医療への貢献が大きく期待される次世代１．３ギガヘルツ注４）（３０．５テスラ相当）核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置注５）の開発に向けた重要な技術要件が満たされ、その実現に近づきました。

今回、共同研究グループは、超電導磁石に内側から①高磁場での超電導特性に優れるがコイル化が難しいレアアース（ＲＥ）系高温超電導線材を巻いた内層コイル、②高磁場での特性は一歩劣るがコイル化しやすいビスマス（Ｂｉ）系高温超電導線材を巻いた中層コイル、③工業製品として確立された金属系低温超電導線材注６）を巻いた外層コイルの３層構造の配置により、磁場の発生効率を最大に高めることで３１テスラの高磁場を実現しました。これは、らせん形状に巻いたタイプの超電導磁石としては最高記録です。また、高磁場発生の要となるＲＥ系高温超電導コイルは焼損が生じやすいという課題がありましたが、絶縁のないＲＥ系高温超電導線材をらせん形状にコイルに巻き、層間に銅とポリマーの複合シートを挟み込む新しい製造法を適用することで焼損の防止にも成功しました。

本成果は、２０１９年９月２７日にカナダ・バンクーバーで開催される国際会議「２６ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」で発表されます。

本研究は主として科学技術振興機構（ＪＳＴ）の未来社会創造事業 大規模プロジェクト型 エネルギー損失の革新的な低減化につながる高温超電導線材接合技術「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（研究代表者：前田 秀明）」（ＪＰＭＪＭＩ１７Ａ２）の支援を受けて行われました。また、一部は日本学術振興会（ＪＳＰＳ） 科学研究費補助金特別研究員奨励費「１．３ＧＨｚＮＭＲ装置の実現に向けた高温超伝導マグネット保護技術の構築（研究代表者：末富 佑）」（１９Ｊ１１８１２）の支援を受けて行われました。高磁場発生試験は物質・材料研究機構 低温応用ステーションの共用設備を利用して実施されました。

＜背景＞

核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置や核磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置注７）には、超電導磁石が使われており、磁場強度が高くなるほど装置の性能（感度と分解能）が向上します。

現在実用化されているＮＭＲ装置やＭＲＩ装置には、ニオブ（Ｎｂ）系の金属系低温超電導線材が使われていますが、線材の物理的特性の制約から、２４テスラ程度が発生磁場の上限と考えられています。これに対して、レアアース（ＲＥ）系やビスマス（Ｂｉ）系の銅酸化物の高温超電導線材は、２４テスラを大幅に上回る高磁場においても超電導状態を保てると考えられています。そのためには、高温超電導線材で巻いたコイルを超電導磁石の内層高磁場領域に使う必要があり、この線材を活用した次世代超高磁場ＮＭＲ装置の開発をめぐって国際的な競争が生じています。

共同研究グループは、次世代１．３ギガヘルツ永久電流注８）ＮＭＲ装置の開発を進めており、これには３０．５テスラという超高磁場が必要となります。高温超電導線材は薄くて幅広のテープ形状をしているため、これをコイルにするには、線材をロールケーキ形状に巻く方式が適しています（図１ａ）。この巻線方式のコイルを採用した３２テスラの超電導磁石が、米国のグループにより既に開発されており、超電導磁石の磁場としてはこれが最高記録です。

しかし、上記の巻線方式では線材同士のつなぎ目の数が膨大になります。ＮＭＲ装置に求められる永久電流運転にはつなぎ目を超電導接合注９）にする必要がありますが、外周側のコイルとのわずかな隙間に多数の超電導接合を配置することは困難です。これに対し、線材をらせん形状に巻いて、つなぎ目が少なく、それらをコイル上部の広い空間に配置できる巻線方式が、永久電流運転には適しています（図１ｂ）。この巻線方式では、欧州のメーカーが開発を進める１．２ギガヘルツＮＭＲ装置における２８テスラが最高で、１．３ギガヘルツＮＭＲ装置に必要な３０．５テスラの磁場の発生は達成されていませんでした。

＜研究手法と成果＞

共同研究グループが開発を目指す１．３ギガヘルツＮＭＲ装置用の超電導磁石は、金属系低温超電導線材を巻いた外層コイル（以下低温超電導外層コイル）、Ｂｉ系高温超電導線材の中層コイル（以下Ｂｉ系中層コイル）、さらにＲＥ系高温超電導線材の内層コイル（以下ＲＥ系内層コイル）から成ります。コイルは全てらせん形状で巻かれます。このコイル構成は、金属系低温超電導線材よりＢｉ系線材の方が、Ｂｉ系線材よりＲＥ系線材の方が、より高い磁場の中でも電流を流すことができるという物理的特性を生かしたもので、共同研究グループ独自の構成です。

共同研究グループは、物質・材料研究機構低温応用ステーションで運用されている大口径１７テスラ超電導磁石を低温超電導外層コイルとし、Ｂｉ系中層コイルとＲＥ系内層コイルを組み込むことで、１．３ギガヘルツＮＭＲ装置の超電導磁石と同様のコイル構成の超電導磁石を開発しました（図２ａ）。今回の超電導磁石では、超電導接合は用いていませんが、コイルは全てらせん形状に巻かれています。低温超電導外層コイルが発生する１７テスラの磁場に加え、Ｂｉ系中層コイルが４テスラを、ＲＥ系内層コイルが９テスラを発生することで、中心部における３０テスラ超の高磁場発生を目指しました。

しかし、高磁場に置かれたＲＥ系内層コイルには、クエンチ注１０）が起きた場合、コイル内部の局所的な常電導部が、わずかコンマ数秒で金属溶断温度にまで上昇して焼損してしまう問題があります。２０１６年に柳澤チームリーダーらが２７．６テスラを発生させた際にも、クエンチによってＲＥ系内層コイルが焼損しました。

そこで、今回、クエンチからＲＥ系内層コイルを守るために、絶縁を施さない線材を用いて、コイル層間に導体である銅フォイルと、絶縁体であるポリマーシートの複合材を挟み込んでコイルを巻く方式を適用しました。これによって、クエンチ時にコイル層内で電流が分流でき、過度な温度上昇を防ぐことが期待されます。この手法は「ｉｎｔｒａ－Ｌａｙｅｒ Ｎｏ－Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ法（以下ＬＮＩ法）」と呼ばれ、共同研究グループは先行研究において、その効果を小さな試験コイルで確認していました（図２ｂ、ｃ、ｄ）。

開発した超電導磁石の試験では、全てのコイルを液体ヘリウム温度（－２６９℃）まで冷やし、まず低温超電導外層コイルに２４１アンペアの電流を流して１７テスラの中心磁場を発生させました。その後、直列に接続したＢｉ系中層コイル／ＲＥ系内層コイルに電流を流し、最終的に２６６アンペアの電流で３０テスラの中心磁場の発生に成功しました（図３）。その後、それぞれのコイルの電流値を順次下げ、消磁しました。

次に、超電導磁石の限界試験として、クエンチが発生するまでＢｉ系中層コイル／ＲＥ系内層コイルの電流値を増加させました。すると、２９０アンペアの電流に至ったところで、３１テスラの中心磁場が発生し、ＲＥ系内層コイルがクエンチしました。電圧検出機能によって高温超電導に供給されている電流が遮断され、その後１秒程度でＢｉ系中層コイル／ＲＥ系内層コイルの磁場が消失しました（図４）。残っていた低温超電導外層コイルの電流・磁場は、保護回路を使って消磁されました。

一連の試験後、ＲＥ系内層コイルを取り出し、液体窒素（－１９６℃）で冷やして電流を流して検査したところ、コイルの電圧－電流特性が試験の前後で変わっていないこと、すなわちクエンチから保護されていることが確認できました（図５）。

今回の試験によって初めて、らせん形状コイルの超電導磁石で３０テスラ超の高磁場発生に成功しました。さらに、ＬＮＩ法によって、ＲＥ系内層コイルをクエンチによる焼損から保護することにも成功しました。

＜今後の期待＞

今回の成果によって、次世代１．３ギガヘルツＮＭＲ装置の開発に向けた重要な技術課題の１つがクリアされ、その実現に近づきました。今後、別途開発を進めている超電導接合技術／永久電流運転技術※２）と組み合わせて装置の実現を目指します。

次世代１．３ギガヘルツＮＭＲ装置が実現できれば、アルツハイマー病などの神経変性疾患の要因とされるアミロイドβペプチド注１１）の構造情報の取得技術が飛躍的に進展するなど、創薬や医療への展開が期待できます。また、１．３ギガヘルツＮＭＲ装置の開発を通して得られる先端技術により、すでに普及しているレベルの磁場のＮＭＲ装置の小型化・省ヘリウム化などといった波及も期待できます。

※１）共同研究グループ

理化学研究所 放射光科学研究センター ＮＭＲ研究開発部門 ＮＭＲ開発グループ
超高磁場磁石開発チーム
チームリーダー 柳澤 吉紀 （ヤナギサワ ヨシノリ）
特別研究員 朴 任中 （ボク ニンチュウ）
研修生 末富 佑 （スエトミ ユウ）
（千葉大学 大学院融合理工学府　博士後期課程／日本学術振興会　特別研究員ＤＣ）
研修生 高橋 俊二 （タカハシ シュンジ）
（上智大学 大学院理工学研究科 理工学専攻 電気・電子工学領域　博士前期課程）
研修生 吉田 大佐 （ヨシダ タイスケ）
（上智大学 大学院理工学研究科 理工学専攻 電気・電子工学領域　博士前期課程）
物質・材料研究機構 機能性材料研究拠点
副拠点長 北口 仁 （キタグチ ヒトシ）
高温超伝導線材グループ　主幹研究員 西島 元 （ニシジマ ゲン）
ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社
企画管理部　技術総括部長 斉藤 一功 （サイトウ カズヨシ）
全社技術アドバイザリーフェロー 濵田 衞 （ハマダ マモル）
マグネット工場技術グループ　主管部員 三好 康之 （ミヨシ ヤスユキ）
科学技術振興機構 未来社会創造事業 大規模プロジェクト型
プログラムマネージャー 前田 秀明 （マエダ ヒデアキ）
上智大学大学院 理工学研究科 理工学専攻 電気・電子工学領域
教授 高尾 智明 （タカオ トモアキ）

※２）２０１８年１１月２日プレスリリース「高温超電導線材の超電導接合を持つ永久電流ＮＭＲ」

www.riken.jp/pr/press/2018/20181102_1/

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１）高温超電導線材
銅酸化物高温超電導体を線材にしたもの。主にレアアース（希土類元素）系とビスマス系がある。液体窒素温度（－１９６℃）においても超電導状態を示し、また、液体ヘリウム温度（－２６９℃）においては、２４テスラを大幅に上回る高磁場においても超電導状態を維持できる。
注２）超電導磁石
超電導線材で巻いたコイルを使った電磁石で、極めて少ない消費電力で、強力な磁場を発生することが可能。電気抵抗ゼロの超電導状態を保つために、液体ヘリウムや液体窒素といった冷媒に浸して冷却したり、冷凍機で冷却されたりする。ただし、超電導線材には、線材固有の臨界磁場（電気抵抗ゼロで電流を流せる磁場の上限）があるため、超電導磁石が発生できる磁場には上限がある。なお、「超電導」と「超伝導」はどちらもｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙの訳語であり、本リリースでは超電導に統一した。
注３）テスラ
磁場の単位。１テスラはネオジム系などの強力永久磁石の表面磁場と同等の強さ。
注４）ギガヘルツ
周波数の単位。核磁気共鳴現象において、共鳴周波数は磁場に比例するため、ＮＭＲ装置では慣習的に磁場を周波数で表現する。３０．５テスラの磁場において、水素核は１．３ギガヘルツの周波数で共鳴する。ギガは１０億。
注５）核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置
磁場中に置かれた原子核の核スピンの共鳴現象により、物質の分子構造の解析や物性の解析を行う装置。分子の相互作用などの情報も得られるため、生命科学、医薬、化学、食品、材料物性といった幅広い分野で利用されている。ＮＭＲはＮｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅの略。
注６）金属系低温超電導線材
ＮｂＴｉ（ニオブチタン）、Ｎｂ３Ｓｎ（ニオブスズ）に代表される金属系の超電導体を用いた超電導線材。ＮｂＴｉは－２６３．７℃、Ｎｂ３Ｓｎは－２５４．９℃の極低温で超電導状態となる。ＮｂＴｉとＮｂ３ＳｎはＮＭＲ装置において、ＮｂＴｉはＭＲＩ装置において広く実用化されている。Ｎｂ３Ｓｎ線材を使えば２４テスラ程度の磁場が発生可能である。
注７）核磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置
核磁気共鳴現象を利用して人体などの断面撮像を行う装置。脳や血管などの画像診断に広く使われ、磁場を高くすることで、より高分解能の診断が可能となる。ＭＲＩはＭａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇの略。
注８）永久電流
回路全体が超電導体でできているコイルに電流を流すと、抵抗がないため半永久的に電流が流れ続ける。この現象を永久電流と呼ぶ。
注９）超電導接合
超電導線材のつなぎ目（接合部）でも電気抵抗ゼロで電流を流す技術で、永久電流運転するために必要。酸化物材料を使った高温超電導線材の超電導接合は難しく、長らく不可能ともいわれていたが、近年目覚ましく技術が進歩しつつある。
注１０）クエンチ
超電導体が、超電導状態から常電導状態に転移すること。
注１１）アミロイドβペプチド
アミロイドβ前駆体タンパク質からプロテアーゼにより切断されて産生される生理的ペプチド。アルツハイマー病で見られるアミロイド斑の構成成分として発見されたことから、この過剰な蓄積がアルツハイマー病発症の引き金と考えられている。Ａβはアミノ酸の長さで種類が分類されており、Ａβ１－４０、Ａβ１－４２が同定されており、Ａβ１－４２が最も神経毒性が高いとして解析が行われてきた。

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