超伝導磁石

超伝導磁石は、超伝導線のコイルから作られた電磁石です。動作中は極低温まで冷却する必要があります。超伝導状態では線に電気抵抗がないため、通常の線よりもはるかに大きな電流を流すことができ、強力な磁場を作り出します。超伝導磁石は、最も強力なものを除くすべての非超伝導電磁石よりも強い磁場を生成でき、大型の超伝導磁石は巻線で熱としてエネルギーが散逸しないため、より安価に動作できます。これらは病院のMRI機器や、 NMR分光計、質量分析計、核融合炉、粒子加速器などの科学機器で使用されています。また、日本で建設中の磁気浮上 (リニアモーターカー)鉄道システムの浮上、誘導、推進にも使用されています。

動作中、磁石の巻線は臨界温度以下に冷却される必要がある。臨界温度とは、巻線の材料が通常の抵抗状態から超伝導体になる温度であり、室温よりはるかに低い極低温領域にある。巻線は通常、臨界温度よりかなり低い温度まで冷却される。これは、温度が低いほど超伝導巻線の動作が良くなるためである。つまり、非超伝導状態に戻ることなく、より大きな電流と磁場に耐えられるからである。磁石の巻線を超伝導を維持するのに十分な温度に保つために、2 種類の冷却システムが一般的に使用されている。

液体ヘリウムは、多くの超伝導巻線の冷却剤として使用されています。その沸点は 4.2 K で、ほとんどの巻線材料の臨界温度よりはるかに低いです。磁石と冷却剤は、クライオスタットと呼ばれる断熱容器 (デュワー)に収められています。ヘリウムが沸騰しないようにするため、クライオスタットは通常、77 K の (はるかに安価な)液体窒素を入れた外側のジャケットで作られています。あるいは、導電性材料で作られ、40 K ～ 60 K の温度範囲に維持される熱シールドを、クライオクーラーのコールドヘッドへの導電接続によって冷却し、ヘリウムで満たされた容器の周囲に配置して、後者への熱入力を許容レベルに保ちます。高温超伝導体の探索の目標の 1 つは、液体窒素だけで冷却できる磁石を作ることです。約 20 K を超える温度では、極低温液体を沸騰させずに冷却できます。^[要出典]

コストの上昇と液体ヘリウムの入手困難化のため、多くの超伝導システムは二段階の機械式冷凍機を使用して冷却されている。一般的には、磁石を臨界温度以下に維持するのに十分な冷却力を持つ 2 種類の機械式クライオクーラーが採用されている。ギフォード・マクマホン式クライオクーラーは1960 年代から市販されており、広く使用されている。^{[1] [2] [3] [4]}クライオクーラーの GM 再生サイクルは、ピストン型ディスプレーサーと熱交換器を使用して動作する。あるいは、1999 年にパルス チューブ クライオクーラーを使用した最初の商用アプリケーションが行われた。この設計のクライオクーラーは、パルス チューブ設計が機械的変位の代わりに音響プロセスを使用するため、振動が少なく、サービス間隔が長いため、ますます一般的になっている。一般的な二段階冷凍機では、第 1 段階はより高い冷却能力を提供するが、温度が高く (≈ 77 K)、第 2 段階は ≈ 4.2 K に達し、< 冷却電力は2.0  Wです。使用時には、第 1 ステージは主にクライオスタットの補助冷却に使用され、第 2 ステージは主に磁石の冷却に使用されます。

超伝導磁石で達成可能な最大磁場は、巻線材料が超伝導でなくなる磁場、つまり「臨界磁場」H _{cによって制限されます。これは、}タイプ II 超伝導体の場合、その上限臨界磁場です。もう 1 つの制限要因は「臨界電流」I _cで、この電流を超えると巻線材料も超伝導でなくなります。磁石の進歩は、より優れた巻線材料の作成に重点が置かれてきました。

現在のほとんどの磁石の超伝導部分はニオブチタンでできている。この材料の臨界温度は10  Kで超伝導し、最大約15  T 。より高価な磁石は、ニオブスズ(Nb ₃ Sn)で作ることができます。これらの磁石のT _cは 18 K です。4.2 K で動作する場合、最大 25 T から 30 T までのはるかに高い磁場強度に耐えることができます。残念ながら、この材料から必要なフィラメントを作ることははるかに困難です。このため、高磁場セクションには Nb ₃ Sn を、低磁場セクションには NbTi を組み合わせて使用​​することがあります。バナジウムガリウムは、高磁場インサートに使用される別の材料です。

高温超伝導体（例：BSCCOまたはYBCO）は、必要な磁場が Nb ₃ Sn が管理できる磁場よりも高い場合に、高磁場インサートに使用できます。^{[引用が必要]} BSCCO、YBCO、または二ホウ化マグネシウムは、電流リードにも使用でき、抵抗リードからの大きな熱漏れを伴うことなく、室温から冷たい磁石に高電流を伝導します。^{[引用が必要]}

超伝導磁石のコイル巻線は、タイプ II 超伝導体(ニオブ - チタンまたはニオブ - スズなど)のワイヤまたはテープで作られています。ワイヤまたはテープ自体は、銅マトリックス内の超伝導体の小さなフィラメント(厚さ約 20マイクロメートル) で作られています。銅は、機械的安定性を追加し、温度がT _cを超えるか電流がI _{c を}超えて超伝導が失われた場合に大電流に低抵抗の経路を提供するために必要です。これらのフィラメントをこれほど小さくする必要があるのは、このタイプの超伝導体では、電流がロンドン浸透深さに制限された厚さの表面層にのみ流れるためです(表皮効果を参照)。コイルは、ワイヤの破損や隣接する巻線間の絶縁体の押しつぶしを引き起こす可能性のある磁気圧力とローレンツ力に耐える (または打ち消す) ように注意深く設計する必要があります。

コイル巻線への電流は、高電流、非常に低電圧のDC 電源によって供給されます。これは、定常状態では磁石にかかる電圧は給電線の抵抗によるものだけだからです。磁石を流れる電流の変化は、非常にゆっくりと行う必要があります。第一に、磁石は電気的に大きなインダクタであり、電流が急激に変化すると巻線に大きな電圧スパイクが発生するためです。さらに重要なのは、電流が急激に変化すると、巻線に渦電流や機械的ストレスが生じ、クエンチを引き起こす可能性があるためです (下記参照)。そのため、電源は通常マイクロプロセッサ制御で、緩やかな傾斜で徐々に電流を変化させるようにプログラムされています。実験室サイズの磁石に通電または通電解除するには、通常数分かかります。

ほとんどの超伝導磁石で使用されている代替動作モードは、磁石に通電した後、超伝導体片で巻線を短絡することです。巻線は閉じた超伝導ループになり、電源をオフにすることができ、磁場を維持しながら永久電流が数か月間流れます。この永久モードの利点は、磁場の安定性が最良の電源で達成できるものよりも優れていることと、巻線に電力を供給するためにエネルギーを必要としないことです。短絡は「永久スイッチ」によって行われます。これは、磁石内の超伝導体片で、巻線の両端に接続され、小さなヒーターに接続されています。^[5]磁石が最初にオンになると、スイッチワイヤが遷移温度を超えて加熱されるため、抵抗があります。巻線自体には抵抗がないため、スイッチワイヤには電流が流れません。永久モードに移行するには、必要な磁場が得られるまで供給電流を調整し、その後ヒーターをオフにします。永久スイッチは超伝導温度まで冷却され、巻線を短絡します。その後、電源をオフにすることができます。巻線電流と磁場は実際には永久に持続するわけではなく、通常の誘導時定数 ( L / R ) に従ってゆっくりと減衰します。

${\displaystyle H(t)=H_{0}e^{-(R/L)t},}$

ここで、超伝導巻線には、ジョイントまたは磁束移動抵抗と呼ばれる現象による小さな残留抵抗があります。市販の超伝導磁石のほぼすべてに永続スイッチが装備されています。 ${\displaystyle R}$

クエンチとは、超伝導コイルの一部が通常（抵抗）状態になったときに発生する、磁石の動作の異常終了です。これは、磁石内の磁場が大きすぎる、磁場の変化率が大きすぎる（渦電流が発生し、銅のサポートマトリックスが加熱される）、またはこの 2 つが組み合わさった場合に発生します。より稀ではありますが、磁石の欠陥がクエンチの原因になることもあります。これが発生すると、その特定のスポットが大量の電流によって急速にジュール熱を受け、周囲の領域の温度が上昇します。これにより、それらの領域も通常状態に押し込まれ、連鎖反応でさらに加熱が進みます。磁石全体が急速に通常状態になります（超伝導コイルのサイズによっては、数秒かかる場合があります）。これに伴い、磁場のエネルギーが熱に変換されるため大きな音が鳴り、極低温流体が急速に沸騰します。電流が急激に減少すると、キロボルトの誘導電圧スパイクやアークが発生する可能性があります。磁石が永久的に損傷することはまれですが、局所的な加熱、高電圧、または大きな機械的力によってコンポーネントが損傷することがあります。実際には、磁石には通常、クエンチの開始が検出されると電流を停止または制限する安全装置が付いています。大型の磁石がクエンチすると、蒸発する極低温流体によって生成される不活性蒸気が呼吸可能な空気を押しのけて、作業者に重大な窒息の危険をもたらす可能性があります。

2008 年の始動操作中に、CERNの大型ハドロン衝突型加速器 の超伝導磁石の大部分が予期せずクエンチし、多数の磁石の交換が必要になった。 ^[6]潜在的に破壊的なクエンチを軽減するために、LHC を構成する超伝導磁石には、複雑なクエンチ保護システムによってクエンチ イベントが検出されると作動する高速ランプ ヒーターが装備されている。双極子曲げ磁石は直列に接続されているため、各電源回路には 154 個の個別の磁石が含まれており、クエンチ イベントが発生した場合、これらの磁石に蓄積されたエネルギー全体を一度に放出する必要がある。このエネルギーは、抵抗加熱により数秒で数百度まで加熱される巨大な金属ブロックであるダンプに転送される。望ましくないが、磁石のクエンチは粒子加速器の運転中に「かなり日常的なイベント」である。^[7]

場合によっては、非常に高い電流用に設計された超伝導磁石は、磁石が計画された電流と磁場で最大限に機能できるようにするために、広範囲にわたるベディングインを必要とする。これは磁石の「トレーニング」として知られ、一種の材料記憶効果を伴う。これが必要となる状況の1つは、CERNの大型ハドロン衝突型加速器などの粒子加速器の場合である。^{[8] [9]} LHCの磁石は、最初の実行では8 TeV（2×4 TeV）、2回目の実行では14 TeV（2×7 TeV）で動作するように計画されていたが、当初はそれぞれビームあたり3.5 TeVと6.5 TeVのより低いエネルギーで動作した。材料の初期の結晶学的欠陥のため、当初は設計電流よりも低いレベルで超伝導能力を失う（「クエンチ」）。 CERN は、これは電磁力が磁石に微小な動きを引き起こすためであり、計画された電流に必要な高精度で動作しているときに超伝導が失われると述べています。^[9]磁石を低い電流で繰り返し動作させ、次に電流を少しずつ増加させて制御下でクエンチするまで動作させることにより、磁石は徐々に設計仕様のより高い電流に耐える能力を獲得し、クエンチを起こさずにそのような問題を「取り除き」、最終的にクエンチを経験することなく計画された完全な電流で確実に動作できるようになります。^[9]

超伝導線で電磁石を作るというアイデアは、 1911年にハイケ・カメルリング・オンネスが超伝導を発見した直後に提案されたものの、実用的な超伝導電磁石は、高磁場中で大きな臨界超電流密度を支えることができる超伝導材料の発見を待たなければなりませんでした。最初の成功した超伝導磁石は、1955年にGB Yntema社によってニオブ線を使用して構築され、4.2 Kで0.7 Tの磁場を達成しました。^[10]その後、1961年にJE Kunzler、E. Buehler、FSL Hsu、およびJH Wernickは、ニオブとスズの化合物が8.8テスラの磁場中で1平方センチメートルあたり100,000アンペアを超える臨界超電流密度を支えることができることを発見しました。^[11]ニオブ-スズは脆い性質にもかかわらず、20 Tまでの磁場を発生させる超磁石として非常に有用であることが証明されています。

持続スイッチは、1960 年にスタンフォード大学の博士研究員だったドワイト アダムスによって発明されました。2 番目の持続スイッチは、1963 年にフロリダ大学の修士課程の学生 RD リッチティによって構築されました。このスイッチはフロリダ大学物理学棟のショーケースに保存されています。

1962年、TGベルリンコートとRRヘイク^[12]は、ニオブチタン合金の高臨界磁場、高臨界超電流密度特性を発見しました。ニオブチタン合金はニオブスズほど目覚ましい超伝導特性はありませんが、延性が高く、製造が容易で、経済的です。ニオブチタン合金は、最大10テスラの磁場を生成する超磁石に役立ち、最も広く使用されている超磁石材料です。

1986 年、ゲオルク・ベドノルツとカール・ミュラーによる高温超伝導体の発見によりこの分野は活性化し、扱いが難しいヘリウムの代わりに液体窒素で冷却できる磁石の可能性が高まりました。

2007年、 YBCOの巻線を持つ磁石は、26.8  T。 ^[13]米国国立研究評議会は30テスラの超伝導磁石の開発を目標としている。

2014年、世界全体では超伝導が不可欠な経済活動が約60億ドル相当発生しました。その総額の約80％を占めるのは、ニオブチタンを採用しているMRIシステムです。^[14]

2016年にYoonらは、 2013年に報告された技術^[16]を用いて、 GdBa ₂ Cu ₃ O _{7– x} ^[15]から構築した26 Tの絶縁体なし超伝導磁石を報告した。

2017 年、国立高磁場研究所 (NHMFL) が開発した YBCO 磁石が 32 T の強度でこれまでの世界記録を破りました。これは、数十年にわたって使用できるように設計された、完全超伝導ユーザー磁石です。2018 年 3 月現在、NHMFL が現在の記録を保持しています。

2019年、中国科学院電気工程研究所（IEE、CAS）は、全超伝導磁石で32.35 Tという新たな世界記録を達成しました。^[17] HTSインサート磁石には絶縁なしの技術も使用されています。

2019年、NHMFLは抵抗磁石と組み合わせた非絶縁YBCO試験コイルも開発し、45.5Tという磁石の構成で最高連続磁場という研究所独自の世界記録を更新した。^{[18] [19]}

1.2GHz（28.2T）NMR磁石^[20]は、 HTS磁石を使用して2020年に実現されました。^[21]

2022年、中国科学院合肥物理科学研究所（HFIPS、CAS）は、45.22 Tという世界最強の定常磁場の新記録を達成したと主張している^{[22] [23]。}一方、2019年のNHMFLの45.5 Tという以前の記録は、実際には磁石がクエンチですぐに故障したときに達成されたものである。

超伝導磁石には、抵抗性電磁石に比べて多くの利点がある。超伝導磁石は、約 2 T の磁場に制限される強磁性コア電磁石よりもはるかに強い磁場を生成できる。磁場は一般に安定しているため、測定時のノイズが少なくなる。磁石は小型化でき、磁場が生成される磁石の中心部分は鉄心で占められるのではなく空になっている。大型の磁石は消費電力がはるかに少ない。永久状態 (上記) では、磁石が消費する電力は冷却装置に必要な電力のみである。超伝導コイルは高磁場で非超伝導状態になるため、冷却された抵抗性電磁石を使用すればより高い磁場を実現できる。通常、ビター電磁石と超伝導磁石 (多くの場合は挿入物として) を 組み合わせることで、40 T を超える定常磁場を実現できる。

超伝導磁石は、 MRIスキャナー、NMR装置、質量分析計、磁気分離プロセス、粒子加速器などで広く使用されています。

日本では、日本国有鉄道と後に東海旅客鉄道（JR東海）が数十年にわたって超電導リニアの研究開発を行った後、日本政府はJR東海に東京と名古屋、後に大阪を結ぶ中央新幹線の建設を許可した。^[要出典]

超伝導磁石の最も難しい用途の一つは、LHC粒子加速器である。^[24]そのニオブ-チタン（Nb-Ti）磁石は1.9 Kで動作し、8.3 Tで安全に動作することができる。各磁石は7 MJを蓄える。磁石全体では10.4 GJ。1日に1～2回、陽子が450 GeVから7 TeVに加速されるにつれて、超伝導偏向磁石の磁場は0.54 Tから8.3 Tに増加します。

ITER 核融合炉用に設計された中央ソレノイドおよびトロイダル磁場超伝導磁石は、超伝導体としてニオブスズ（Nb ₃ Sn）を使用しています。中央ソレノイドコイルは46kAの電流を流し、13.5Tの磁場を生成します。最大磁場11.8Tの18個のトロイダル磁場コイルは、41GJ（合計？）のエネルギーを蓄えます。^[要説明]これらは、記録的な電流80kAでテストされています。その他の低磁場ITER磁石（PFおよびCC）^[要説明]は、ニオブチタンを使用しています。ほとんどのITER磁石は、1時間に何度も磁場が変化します。

1台の高解像度質量分析計は21テスラのSC磁石を使用する予定でした。^[25]

• 故障電流リミッター
• フラックスポンピング

• Martin N. Wilson、「超伝導磁石（極低温に関するモノグラフ）」、オックスフォード大学出版局、新版（1987年）、ISBN 978-0-19-854810-2。 
• 岩佐幸一、「超伝導磁石のケーススタディ：設計と運用上の問題（超伝導に関する選択されたトピック）」、Kluwer Academic / Plenum Publishers、（1994 年 10 月）、ISBN 978-0-306-44881-2。 
• ハビボ・ブレクナ著『超伝導磁石システム』、ニューヨーク、Springer-Verlag New York, Inc.、1973年、ISBN 3-540-06103-7、ISBN 0-387-06103-7  

• 国立高磁場研究所による超伝導磁石の製造
• 1986年、粒子加速器用磁石としてのNbTiとNb3Snの評価。