2017 Fiscal Year Annual Research Report
次世代素粒子実験のための高磁場無機絶縁超伝導磁石の開発
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16H06008
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
飯尾 雅実 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 超伝導低温工学センター, 研究機関講師 (00469892)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 超伝導工学 / 加速器科学 / 素粒子実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
原子核・素粒子物理学の発展は、加速器や検出装置の高度化と共に歩んでおり、その中でも磁石技術の発展は欠かすことが出来ない。米国フェルミ国立加速器研究所のテバトロン建設において、NbTi線を用いた超伝導磁石技術は飛躍的に向上し、現在世界最高エネルギー加速器であるLHC建設において更なる発展を遂げている。しかしながら、既にCERNによって提唱されている次世代加速器（Future Circular Collider: FCC）では、20T級の高磁場磁石を100 MGyを超える高放射線環境下で運転することが求められており、既存のNbTiを用いた磁石技術を超える超伝導磁石技術を開拓する必要がある。本研究は高温超伝導であるREBCO線材を用いた間接冷却型無機絶縁磁石の開発研究を通して新たな超電導磁石技術の開拓に挑戦するものである。
セラミックコーティングとセラミックボンディング技術を応用した無機絶縁超電導磁石の基礎的な研究開発を行っている。REBCOテープおよびアルミニウム、銅、ステンレス鋼の試験片に対して行ったセラミックコーティングのトライアルでは良好な結果が得られている。また、セラミックコーティングを行った短尺の銅のテープにセラミック接着剤を塗布してコイルの一部を模したスタックサンプルの製作を行った。形状成形には成功したがテープ間に隙間がみられることから、接着剤の粘度やテープ間の距離などの最適化が必要である。
東北大学金属材料研究所付属量子エネルギー材料科学国際研究センターの共同利用プログラムを利用しREBCOテープおよび耐放射線GFRP材料の中性子照射試験を行っている。中性子フルエンスが8.37×10^22, 1.08×10^22 n/m^2の照射試料がベルギーの実験炉より戻ってきた。試料の残留放射能の低減を待つと共に評価試験装置のコミッショニングを行っている。
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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
無機絶縁超電導磁石実現のためにセラミックコーティング技術の応用を試しているが、当初の計画ではコーティングした金属テープとREBCOテープを友巻にしたコイル構造を想定していた。それは直接REBCOテープにコーティングすることが難しいと予想されたからである。コーティングには表面を荒らすブラスト加工によるアンカー効果が非常に重要であるが、REBCOテープの場合20μm厚の銅安定化層を傷つけてしまうため積極的なブラスト処理が出来ない。また、高温雰囲気中ではREBCOテープ内の酸素が抜けてしまい超伝導性能が著しく劣化してしまうため、セラミック焼結のための長時間の高温熱処理が出来ない。しかしながら、R&Dの結果REBCOテープへの直接コーティング実現の可能性が出てきた。そこで、2017年度は表面のブラスト加工、コーティング塗料の配合、熱処理温度、狙い膜厚等の条件の最適化を集中的に行い、REBCOテープへのセラミックコーティングを確立させた。これによりコイル巻き線作業が遅れたことになるが、無機絶縁超電導磁石開発という観点からは、電流密度が向上し、コイル構造の安定化により電気的及び機械的に事前想定よりも優れた結果が得られることが期待される。
真空容器、熱輻射シールド、電流リード関連部品等の製作や調達を行い、2016年度に制作した耐放射線仕様パルスチューブ冷凍機と組み合わせた試験用クライオスタットの組立も計画通りに順調に進んでいる。
中性子照射に関してもスケジュール通りに中性子フルエンスが8.37×10^22, 1.08×10^22 n/m^2の照射試料がベルギーの実験炉より戻ってきた。評価装置システムのコミッショニングも順調で、非照射サンプルを用いて外部磁場０～１５T、温度4.5~80Kの広範囲にわたり臨界電流測定が行えることも確認できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2017年度のR&D確立した条件を基に長尺のREBCOテープにアルミナとシリカで表面コーティングを行う。その無機的に素線絶縁されたテープ線材を用いて用いてマグネシウムベースのセラミック接着剤を用いたウェットワインディング方式でコイル巻き線を行う。その後コイルと構造部品を組み合わせて磁石を製作し、冷却試験及び通電試験で無機絶縁コイルの性能評価を行う。
中性子照射に関して、照射サンプルの臨界温度及び臨界電流の測定を行い、非照射サンプルとの比較により放射線損傷効果を調べる。
無機絶縁超電導磁石開発及び中性子照射試験に関する結果をまとめ、誌上及び口頭での成果発表もって本計画を締めくくる。
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