磁気共鳴装置への応用を目指したMgB2超伝導バルク磁石レンズによる強磁場発生

• Project/Area Number: 23K21075
• Project/Area Number (Other): 21H01788 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29010:Applied physical properties-related
• Research Institution: Iwate University
• Principal Investigator: 内藤 智之 岩手大学, 理工学部, 教授 (40311683)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000); Fiscal Year 2024: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2021: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000)
• Keywords: MgB2超伝導体 / バルク磁石 / 磁気レンズ / 捕捉磁場 / 超伝導バルク磁石

Outline of Research at the Start

超伝導バルクは形状を変化させることでテスラ級磁場を捕捉(発生)する疑似永久磁石もしくは磁場を収束する磁気レンズとして動作する。本研究では，両機能の協奏により一般的な超伝導電磁石に匹敵する10テスラ級強磁場をMgB2超伝導バルク磁石レンズによって発生させることを目指す。そして，NMRおよびMRI等の磁気共鳴装置の磁極に展開する。

Outline of Annual Research Achievements

超伝導バルクは形状を変化させることでテスラ級磁場を捕捉(発生)する疑似永久磁石または磁場を収束する磁気レンズとして動作する。本研究では，両者の協奏により一般的な超伝導電磁石に匹敵する10テスラ級強磁場をセンチメートルサイズのMgB2超伝導バルクによって発生させることを目指している。その実現に不可欠な大型のリング型MgB2バルクを浸透法によって作製することを試みた。さらに，高磁場中での超伝導特性（臨界電流密度や捕捉磁場特性）の向上に有効であるTiを添加することも併せて実施した。Tiを10％ドープしたMgB2バルクを浸透法で作製できるようになった。その捕捉磁場は20 Kにおいて2.01テスラであり，バルク磁石として十分動作する特性を示した。MgB2バルク磁石の解決すべき課題に動作温度（～10 K付近）が低い，すなわち比熱が小さいことに起因する磁気的不安定性がある。低温で比熱が大きい希土類系化合物を混在させることにより，この問題を解決することを試みた。La2O3を前駆体Bペレットに添加して浸透法でMgB2バルクを作製した。その結果，希土類系化合物LaB6が混在するMgB2バルクが得られた。しかし，La2O3添加MgB2バルクの捕捉磁場は無添加バルクに比べて低下したことから添加量が過大であったと考えれられ，今後添加量の最適化が必要である。MgB2バルクの磁石化には静磁場中で着磁する方法を通常用いるが，もう一つの方法にパルス着磁印加法がある。パルス着磁法は短時間で着磁を可能にする利点と同時に急激な磁束運動に起因する発熱により捕捉磁場の低下が起こるという欠点を有する。そこで，熱伝導の良い銅の薄板とMgB2バルクの複合体に対してパルス着磁を行った。その結果，銅板による熱はけよりも銅板に発生する渦電流による発熱の方が支配的となり，複合化の効果が得られないことが分かった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

浸透法によりMgB2バルクが作製できるようになり，さらにTiドープによってバルク磁石として目安となる捕捉磁場2テスラ（於20 K）が得られた。また，希土類酸化物La2O3を前駆体に混合することで高比熱材料であるLaB6を内包するMgB2バルクが作製出来た。このように，当初の目的を概ね達成することができたことから上記の判断とした。

Strategy for Future Research Activity

MgB2バルクについては，超伝導特性を向上させるTiなどの金属元素と高比熱物質を生成するLa2O3などの希土類酸化物を共ドープすることにより両特性を併せ持つバルクを作製する予定である。また，バルク磁石と組み合わせるMgB2バルク磁気レンズの作製とその磁場収束効果を明らかにする予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] CRISMAT(フランス)
• [Journal Article] Trapped field properties of MgB2 bulks prepared via an in-situ infiltration-reaction process using refined boron powders (2022)
  • Author(s): Takahashi Yuhei、Naito Tomoyuki、Fujishiro Hiroyuki
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 32 Issue: 6 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2022.3158641
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Detection of 1H NMR signal in a trapped magnetic field of a compact tubular MgB2 superconductor bulk (2021)
  • Author(s): Takahashi Yuhei、Naito Tomoyuki、Nakamura Takashi、Takahashi Masato
  • Journal Title: Superconductor Science and Technology Volume: 34 Issue: 6 Pages: 06LT02-06LT02
  • DOI: 10.1088/1361-6668/abf66e
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Complex pulse magnetization process and mechanical properties of spark plasma sintered bulk MgB2 (2021)
  • Author(s): Miryala Muralidhar、Arvapalli Sai Srikanth、Sakai Naomichi、Murakami Masato、Mochizuki Hidehiko、Naito Tomoyuki、Fujshiro Hiroyuki、Jirsa Milos、Murakami Akira、Noudem Jacques
  • Journal Title: Materials Science and Engineering: B Volume: 273 Pages: 115390-115390
  • DOI: 10.1016/j.mseb.2021.115390
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] MgB2超伝導バルク磁石の現状と展望 (2021)
  • Author(s): 内藤智之，藤代博之
  • Journal Title: 低温工学 Volume: 56 Issue: 6 Pages: 309-316
  • DOI: 10.2221/jcsj.56.309
  • NAID: 130008119034
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 円筒状MgB2超伝導バルク磁石を用いた1H NMR信号の検出 (2021)
  • Author(s): 髙橋裕平，内藤智之，仲村髙志，高橋雅人
  • Organizer: 2021年度春季（第101回）低温工学・超電導学会
• [Presentation] 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 (2021)
  • Author(s): 吉田智貴，内藤智之
  • Organizer: 2021年度春季（第101回）低温工学・超電導学会
• [Presentation] Importance of Superconducting Materials in the Endeavour to Stop Climate Changes (2021)
  • Author(s): M. Miryala, S. S. Arvapalli, M. Jirsa, T. Naito, N. Sakai, M. Murakami, J. Noudem
  • Organizer: 12th International Workshop on Processing and Applications of Superconducting Bulk Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Trapped field properties of MgB2 bulks prepared via an in-situ infiltration-reaction process using refined boron powders (2021)
  • Author(s): Y. Takahashi, T. Naito, and H. Fujishiro
  • Organizer: The 27th International Conference on Magnet Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Superconducting Super-Magnets Compatible with Sustainable Developmental Goals (2021)
  • Author(s): M. Miryala, S. S. Arvapalli, M. Jirsa, T. Naito, N. Sakai, M. Murakami, J. Noudem
  • Organizer: The 34th International Symposium on Superconductivity
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 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II：実験による検証 (2021)
  • Author(s): 吉田智貴，内藤智之
  • Organizer: 2021年度秋季（第102回）低温工学・超電導学会