2015 Fiscal Year Research-status Report
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15K13398
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
福山 寛 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (00181298)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村川 智 東京大学, 低温センター, 准教授 (90432004)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 磁気冷却 / 核磁気断熱消磁冷却 / 超低温 / ミリケルビン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当初の研究計画を策定した時点より詳細な熱モデルを構築して解析し、より現実に近い冷却性能を検討した。
まず最初に、二つの核ステージを並列接続した場合と直列接続した場合でそれぞれシミュレーションを行い比較検討した。並列接続は1ステージあたりのエントロピーを最大限に利用できる反面(つまり励消磁のサイクル頻度が少なくて済む)、高温になる励磁予冷中のステージから被冷却部への熱流入に注意が必要である。つまり励磁速度をあまり上げられない。一方、直列接続の場合、その心配はない。励消磁サイクルの頻度が増すディメリットは、励磁速度を早くできることで十分補え、熱スイッチの必要数も2つと少ないので(直列接続は4つ必要)、運用の複雑さが軽減される。以上の考察から、まずは直列接続式でシステム開発を進めることにした。
次に、本開発システムの主要部品である亜鉛の超伝導熱スイッチ、PrNi5核ステージ、小型超伝導マグネットの3つについて、詳細に検討した。その結果、被冷却部からPrNi5核ステージまでの熱リンクが最終性能(連続運転の最低温度)を決めるボトルネックになることが分かった。つまり、熱リンクとする銀板(または銀線)と亜鉛板またはPrNi5の間の接合部の単位接触面積あたりの熱抵抗を如何に小さくできるかが性能を大きく左右することが分かった。また、超伝導マグネットの磁気遮蔽効果についてもより詳細に検討した結果、当初の超伝導アクティブシールドに超伝導円筒シールドを組み合わせる方式より、高透磁率材を用いる方が、より小さなスペースで同じ性能(最大発生磁場や漏れ磁場)が得られることが分かったので、設計変更を決めた。そのため、各種の高透磁率材料の磁化曲線をT = 2 Kまで実測し、Fe-Co系のものが極低温での飽和磁化が最も大きく、この目的に適していることが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
主要部品である亜鉛の超伝導熱スイッチ、PrNi5核ステージ、小型超伝導マグネットの3つについて、各部品の詳細な検討と目標値の設定までは完了したが、具体的な部品設計の完了や一部の製作着手までは至らなかった。これは、最も重要であることが分かった被冷却部とPrNi5核ステージの間の熱リンクの最適な接合法を確立するため、試作と電気抵抗実測を繰り返す試行錯誤が必要となり、これに想定以上の時間を要したためである。超伝導マグネットの磁気遮蔽の方式も検討の結果、超伝導アクティブシールドと超伝導円筒シールドを組み合わせる方式から高透磁率材を使う方式に設計変更した。そして、磁気性能を実測して最適材料を選定しているため、想定外の時間を要している。しかし、これらの設計変更や素材の熱的・磁気的性能の実測を行ったことで、今後の開発に向けて不確定要素が減り、確実に計画通りの性能をもつ冷却システムを開発できることに結果的につながると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在は、超伝導マグネット内部に配置するPrNi5核ステージと熱リンクの間の熱接触方法の試作と抵抗値実測を繰り返しており、あと2ヶ月の間には最終的な方法を決定したい。その後、急ぎ全部品の具体設計を終えて必要な工作発注をかけ、今夏までには全部品を手元に揃えて、組み立て作業に入りたい。
そして、まず第一段階の冷却実証テストのために、最適化はなされていないものの既存の超伝導磁気シールド付小型超伝導マグネットを流用して全システムを一旦組み上げ、実際の冷却テストを年末までに実施したい。その後、高透磁率材を使って最適化した小型超伝導マグネットを製作し、平成29年度前半には、最終装置の冷却テストを始めたい。
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| Causes of Carryover |
平成27年度は、慎重に検討した結果、小型超伝導マグネットの磁気遮蔽方式を超伝導アクティブシールドと超伝導円筒シールドを併用した方式から、高透磁率材を用いた方式に変更するという大きな計画変更を行った。そのため、小型超伝導マグネットの設計製作全体が遅れたため、当初、同年度中に購入予定だったマグネット製作用の超伝導線材(640千円)と円筒シールド用の超伝導ニオブ材料(260千円)の購入を取りやめた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度は、高透磁率材磁気遮蔽方式に改めた上で小型超伝導マグネットを製作するので、当初計画になかった次年度使用額(816,616円)は、マグネット製作用の超伝導線材(640千円)と高透磁率材円筒(約300千円)の購入に当てる予定である。
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Research Products
(3 results)
