Development of low-cost 40T-class strong magnetic field generatior with high-purity copper wire

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 23K17666
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小濱 芳允 東京大学, 物性研究所, 准教授 (90447524)
• Project Period (FY): 2023-06-30 – 2025-03-31
• Keywords: 強磁場 / 磁場発生技術 / ヘリウムフリー / 産業応用

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、『高純度銅線により構成されたコイルを使って、強磁場を発生する装置の改良』をすることである。この目標達成のために、99.9999%の高純度銅線によりパルス磁石を製作し、研究代表者の独自の技術であるスーパーキャパシタによる磁場発生回路を用いて、この高純度銅線による電磁石を使ったパルス磁場発生を達成した。この新しい磁場発生手法は、従来型のパルスマグネットを使った長い磁場発生時間を持つロングパルス磁場よりも、約2倍の長時間にわたって約１．６倍の強度を持つパルス磁場を発生できている。この実験成果を解析することで、磁場発生に用いる電源やパルス磁石の組み合わせを変えることで、どのようにパルス磁場波形を改良できるかも理解することができた。これは『高純度銅線を用いて、強磁場を発生する装置を改良する』という本研究の目的をほぼ完全に達成したことを意味している。以上の実験成果は数値計算の結果と比較検討しつつ論文として纏め、装置開発の主要な論文であるRev. Sci. Insturm.誌で発表した。また同時に特許出願も進めた。更にはこれらの成果を広く公表すべく、研究代表者主催で研究会を開催した。
２０２３年度における本研究の成功は、磁場発生装置に係る設備コストおよび運転コストを大きく下げるという意味があり、長期に見ればヘリウム液体を多く使っている超伝導磁石の代替手法になりえる。このため、現在世界的に大きな問題となっている、ヘリウム危機を乗り越える一つの技術となりえると期待できる。
以上のように、目的としていた新規磁場発生手法についての学理はほぼ完全に理解できた。現在は、本研究成果で得られた知見を活かし更に発展させるために、幾つかの磁場を使う現場でのニーズを確認しつつ、様々な場所で運用可能なプロトタイプとなる装置を構築している。これらの評価を来年度の目標としている。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究の目的である、『高純度銅線を用いて、強磁場を発生する装置を改良』については、２０２３年度中に終えることができた。実験を終了させただけではなく、実験結果と理論計算の結果をまとめ、これを装置開発の論文誌であるRev.Sci.Instrum.誌に発表し、同時に特許出願の手続きも済ませた。更には得られた成果を広く認知してもらうために、代表者により主催する研究会を開催した。このため、研究の進捗状況は極めてよく、初期に設定した研究目標は間違いなく達成している。
現在はさらに次の研究ステップである、磁場発生が必要な産業や理学的研究への応用を目指し、プロトタイプの磁場発生機を構築中である。安全装置の設計など、テスト機では簡易的な設計であったが、これを一新する必要がある。かなりの困難が予想されるが、この研究段階まで進んでいるのは驚きであり、明らかに当初の計画以上の成果がでている。このため『当初の計画以上に進展している』と評価した。

Strategy for Future Research Activity

本研究は既に『磁場発生手法の改良』という研究目標を達成しており、磁場が必要な現場での応用に向けて新規装置開発を進めている段階である。この次なる目標達成のためには低温で大型コイルを任意の放電幅で磁場発生する必要がある。新しい磁場発生用クライオスタット、磁場発生強度を上げるために、99.999～99.9999%の銅線で構成された大型パルス磁石が必須である。また磁場発生時には、マグネットの発熱を抑えるために、任意のタイミングで磁場発生を強制終了できる新型大電流放電回路も必要と考えている。
以上の実験に必要な器具を纏めると、(1)磁場発生用クライオスタット、(2)99.999～99.9999%の銅線で構成されたパルス磁石、(3)新型大電流放電回路の３つである。実は(1)の装置については納品は送れているが、2024年度の6月までに納品予定である。（２）は大型のコイルを巻く予定であり、この巻き線作業は遅れているものの、ノウハウは蓄積できており、2024年度9月までには整備可能である。（３）は既に前年度に設計を終え、その整備も終えている。以上の見通しでは、全ての装置を今年度の前期中に揃えることが可能である。この装置整備を終えた後に、そのテストを今年度の後期に始める予定である。ここでは繰り返し放電と最大到達磁場のテストを行う。『30テスラ級のロングパルス強磁場を5分に一回繰り返し発生』という困難な目標の達成を目指し、装置開発を進めていく。

Causes of Carryover

本研究成果で得られた知見を活かし更に発展させるために、産業界および磁場を使った研究現場で運用可能なプロトタイプとなる装置を構築している。これは当初の研究目的の次のステップとなる研究題目であるが、この目標達成に必要なクライオスタットを本年度発注した。しかし納期の遅れが2度発生してしまい、本年度内の納品および実験遂行が不可能となった。このクライオスタット購入に必要な予算が次年度に移り、次年度使用額が発生した。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Institut Neel/Univ.GrenobleAlpes/CNRS, College de France,(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: Institut Neel/Univ.GrenobleAlpes/CNRS, College de France,
  • # of Other Institutions: 2
• [Int'l Joint Research] Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD-EMFL)/TU Dortmund University(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD-EMFL)/TU Dortmund University
• [Int'l Joint Research] Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
• [Int'l Joint Research] Cornell University/Los Alamos National Laboratory(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Cornell University/Los Alamos National Laboratory
• [Int'l Joint Research] Centre of Low Temperature Physics(スロバキア)
  • Country Name: SLOVAKIA
  • Counterpart Institution: Centre of Low Temperature Physics
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 2
• [Journal Article] 強磁場下の物性研究における＋αの研究技術 (2023)
  • Author(s): 小濱 芳允
  • Journal Title: 応用物理 Volume: 92 Pages: 556～559
  • DOI: 10.11470/oubutsu.92.9_556
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] フラットトップ磁場を用いたパルス磁場中NMR 測定 (2023)
  • Author(s): 井原慶彦、小濱芳允
  • Journal Title: 固体物理 Volume: 58 Pages: 89~98
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] パルス強磁場での熱測定 (2023)
  • Author(s): 小濱芳允、野本哲也
  • Journal Title: 固体物理 Volume: 58 Pages: 556~559
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rhombic skyrmion lattice coupled with orthorhombic structural distortion in EuAl4 (2023)
  • Author(s): Masaki Gen, Rina Takagi, Yoshito Watanabe, Shunsuke Kitou, Hajime Sagayama, Naofumi Matsuyama, Yoshimitsu Kohama, Akihiko Ikeda, Yoshichika Onuki, Takashi Kurumaji, Taka-hisa Arima, and Shinichiro Seki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Pages: L020410-1~8
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.l020410
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum oscillations in the centrosymmetric skyrmion-hosting magnet GdRu2Si2 (2023)
  • Author(s): N. Matsuyama, T. Nomura, S. Imajo, T. Nomoto, R. Arita, K. Sudo, M. Kimata, N. D. Khanh, R. Takagi, Y. Tokura, S. Seki, K. Kindo, and Y. Kohama
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Pages: 104421-1~10
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.104421
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nonreciprocal Phonon Propagation in a Metallic Chiral Magnet (2023)
  • Author(s): T. Nomura, X.-X. Zhang, R. Takagi, K. Karube, A. Kikkawa, Y. Taguchi, Y. Tokura, S. Zherlitsyn, Y. Kohama, and S. Seki
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 130 Pages: 176301-1~6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.176301
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Correlation-driven organic 3D topological insulator with relativistic fermions (2023)
  • Author(s): Nomoto Tetsuya, Imajo Shusaku, Akutsu Hiroki, Nakazawa Yasuhiro, Kohama Yoshimitsu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Pages: 2130-1~7
  • DOI: 10.1038/s41467-023-37293-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Simultaneous measurement of specific heat and thermal conductivity in pulsed magnetic fields (2023)
  • Author(s): Tetsuya Nomoto,Chengchao Zhong,Hiroshi Kageyama,Yoko Suzuki,Marcelo Jaime,Yoshiaki Hashimoto,Shingo Katsumoto,Naofumi Matsuyama,Chao Dong,Akira Matsuo,Koichi Kindo,Koichi, Izawa,Yoshimitsu Kohama
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 94 Pages: 54901-1~9
  • DOI: 10.1063/5.0143875
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unveiling new quantum phases in the Shastry-Sutherland compound SrCu2(BO3)2 up to the saturation magnetic field (2023)
  • Author(s): Nomura T., Corboz P., Miyata A., Zherlitsyn S., Ishii Y., Kohama Y., Matsuda Y. H., Ikeda A., Zhong C., Kageyama H., Mila F.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Pages: 3769-1~7
  • DOI: 10.1038/s41467-023-39502-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-field phase diagram of the chiral-lattice antiferromagnet Sr(TiO)Cu4(PO4)4 (2023)
  • Author(s): Toshihiro Nomura, Yasuyuki Kato, Yukitoshi Motome, Atsushi Miyake, Masashi Tokunaga, Yoshimitsu Kohama, Sergei Zherlitsyn, Joachim Wosnitza, Shojiro Kimura, Tsukasa Katsuyoshi, Tsuyoshi Kimura, and Kenta Kimura
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 108 Pages: 054434-1~11
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.054434
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Signatures of a magnetic superstructure phase induced by ultrahigh magnetic fields in a breathing pyrochlore antiferromagnet (2023)
  • Author(s): Gen Masaki, Ikeda Akihiko, Aoyama Kazushi, Jeschke Harald O., Ishii Yuto, Ishikawa Hajime, Yajima Takeshi, Okamoto Yoshihiko, Zhou Xuguang, Nakamura Daisuke, Takeyama Shojiro, Kindo Koichi, Matsuda Yasuhiro H., Kohama Yoshimitsu
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 120 Pages: e2302756120-1~7
  • DOI: 10.1073/pnas.2302756120
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Random singlets in the s=5/2 coupled frustrated cubic lattice Lu3Sb3Mn2O14 (2023)
  • Author(s): Chanhyeon Lee,Suheon Lee,Heung-Sik Kim,Shunichiro Kittaka,Yoshimitsu Kohama,Toshiro Sakakibara,Ki Hoon Lee,J. van Tol,Denis I. Gorbunov,Seung-Hwan Do,Sungwon Yoon,Adam Berlie,Kwang-Yong Choi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Pages: 214404-1~8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.214404
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Liquid helium-cooled high-purity copper coil for generation of long pulsed magnetic fields (2023)
  • Author(s): Yoshimitsu Kohama,Yoshihiko Ihara,Zhuo Yang,Kazuki Matsui,Koichi Kindo
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 94 Pages: 74701-1~8
  • DOI: 10.1063/5.0147438
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Unveiling phase diagram of the lightly doped high-Tc cuprate superconductors with disorder removed (2023)
  • Author(s): Kifu Kurokawa,Shunsuke Isono,Yoshimitsu Kohama,So Kunisada,Shiro Sakai,Ryotaro Sekine,Makoto Okubo,Matthew D. Watson,Timur K. Kim,Cephise Cacho,Shik Shin,Takami Tohyama,Kazuyasu Tokiwa,Takeshi Kondo
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Pages: 4064-1~9
  • DOI: 10.1038/s41467-023-39457-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Radio frequency electrical resistance measurement under destructive pulsed magnetic fields (2023)
  • Author(s): T. Shitaokoshi,S. Kawachi,T. Nomura,F. F. Balakirev,Y. Kohama
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 94 Pages: 94706-1~7
  • DOI: 10.1063/5.0165680
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Distinctive doping dependence of upper critical field in iron-based superconductor LaFeAsO1-xHx (2023)
  • Author(s): Shiro Kawachi,Jun-ichi Yamaura,Yoshio Kuramoto,Soshi Iimura,Toshihiro Nomura,Yoshimitsu Kohama,Takashi Sasaki,Masashi Tokunaga,Youichi Murakami,Hideo Hosono
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 108 Pages: L100503-1~5
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.l100503
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Band structure, g -factor, and spin relaxation in n -type InAsP alloys (2023)
  • Author(s): Sunil K. Thapa,Rathsara R. H. H. Mudiyanselage,Thalya Paleologu,Sukgeun Choi,Zhuo Yang,Y. Kohama,Y. H. Matsuda,Joseph Spencer,Brenden A. Magill,Chris J. Palmstrom,Christopher J. Stanton,Giti A. Khodaparast
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 108 Pages: 115202-1~12
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.115202
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unveiling the double-peak structure of quantum oscillations in the specific heat (2023)
  • Author(s): Yang Zhuo, Fauque Benoit, Nomura Toshihiro, Shitaokoshi Takashi, Kim Sunghoon, Chowdhury Debanjan, Pribulova Zuzana, Kacmarcik Jozef, Pourret Alexandre, Knebel Georg, Aoki Dai, Klein Thierry, Maude Duncan K., Marcenat Christophe, Kohama Yoshimitsu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Pages: 7006-1~8
  • DOI: 10.1038/s41467-023-42730-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characterization of In-field Critical Currents in REBCO Tapes over Wide Temperature Range by Pulsed Current Source with Supercapacitor (2023)
  • Author(s): Y. Tsuchiya,K. Mizuno,Y. Kohama,A. Zampa,T. Okada,S. Awaji
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 34 Pages: 9500207-1~7
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3343670
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Critical Current Measurements of HTS Tapes Using Pulsed Current in High Fields at Low Temperatures (2023)
  • Author(s): Y. Tsuchiya,I. Sakai,K. Mizuno,Y. Kohama,Y. Yoshida,S. Awaji
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 33 Pages: 8001105-1~5
  • DOI: 10.1109/TASC.2023.3261265
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 新規実験手法によるパルス強磁場下での時間分解測定 (2024)
  • Author(s): 小濱芳允
  • Organizer: 応用物理学会
  • Invited
• [Presentation] Observation of a Discrete Fermionic Excitation with Low-Temperature Specific Heat (2023)
  • Author(s): Yoshimitsu Kohama
  • Organizer: ICCT-2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] パルス強磁場の発生手法とその特徴 (2023)
  • Author(s): 小濱芳允、松田康弘、金道浩一
  • Organizer: 強磁場科学研究会
  • Invited
• [Remarks] 物性研究所・小濱研HP
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/labs/kohama_group.html
• [Remarks] 小濱研HP
  • URL: https://ykohama.issp.u-tokyo.ac.jp/publication.html
• [Remarks] ロングパルス磁場勉強会HP
  • URL: https://ykohama.issp.u-tokyo.ac.jp/scmeeting/
• [Patent(Industrial Property Rights)] ロングパルス磁場発生装置 (2023)
  • Inventor(s): 小濱芳允、横山真一、殷越
  • Industrial Property Rights Holder: 小濱芳允、横山真一、殷越
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2023-056645