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): 2024-04-01 – 2026-03-31
• 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 / 捕捉磁場 / 磁気レンズ / 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

本研究では，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。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。
MgB2を作製するときの問題の一つにMg原料粉末に含まれるMgOがある。Mgは酸化しやすいため高純度のMgを購入してもMgOの存在は避けられない。そこで，MgOを原理的に含まない気相MgをB前駆体に浸透させる気相浸透法でMgB2バルクの作製を試みた。気体MgのB前駆体ペレットへの侵入による体積膨張によりクラックが生じることが新たな問題となったが，少量のMgB2を予め仕込むpremix法を併用することでクラックの無いバルクの作製に成功し20Kで2テスラの磁場を捕捉させることが出来た。
これまでボールミリングによりB粒子の微細化（MgB2の主要なピン止め中心である粒界の数密度を増加させることが目的）に取り組んできた。しかし，ボールミリングメディア（ステンレス）由来の不純物混入などにより捕捉磁場特性が低下することが問題となっていた。そこで，原理的にコンタミが生じない超音波ホモジナイザーを用いてBの2次粒子を1次粒子に分解することを試みた。その結果，超音波照射によりボールミリングミリングを用いたMgB2バルクと同程度の特性を有するバルクの作製に成功した。
また，液体Mg浸透法で作製したリング型MgB2バルクにおいて磁気シールディングおよび集束特性を得ることが出来た。
Nb3Snバルクにおいては浸透法の作製条件の見直し等により10Kで2.5T（これまでの1.9Ｔから30％程度向上）の磁場を捕捉させることが出来た。

Current Status of Research Progress

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

Reason

年度当初に計画した通り，気相Mgを用いたMgB2バルクおよび超音波照射によって微細化したBを用いたMgB2バルクそれぞれの作製に成功した。また，液体Mg浸透法で作製したリング型MgB2バルクにおいて磁気シールディングおよび集束特性を得ることが出来た。
以上から上記の判断とした。

Strategy for Future Research Activity

気相Mgおよび超音波照射したBを用いた大型リング型MgB2バルクを作製し，その捕捉磁場および磁気集束特性を明らかにする。
Nb3Snバルクについても引き続き捕捉磁場の向上を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] CRISMAT(フランス)
• [Journal Article] Trapped field properties of large disk MgB2 bulks fabricated by an in-situ infiltration and reaction method using an amorphous B preform containing dilute Mg (2023)
  • Author(s): Takahashi Yuhei、Naito Tomoyuki、Fujishiro Hiroyuki
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 33 Issue: 5 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3242622
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] Premix―浸透法で作製したMgB2リングバルクによる磁場の捕捉および集束特性 (2024)
  • Author(s): 阿部 脩汰, 内藤 智之
  • Organizer: 2024年度秋季（第108回）低温工学・超電導学会
• [Presentation] Modeling an effect of OFC-plates on the trapped field properties for MgB2 disk bulk sandwiched by OFC-plates during pulsed-field magnetization (2024)
  • Author(s): Tomoki Yoshida and Tomoyuki Naito
  • Organizer: 37th International Symposium on Superconductivity
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 浸透法で作製した緻密なNb3Snバルクの捕捉磁場特性 (2024)
  • Author(s): 田島 禎久, 内藤 智之
  • Organizer: 2024年度秋季（第108回）低温工学・超電導学会
• [Presentation] Intermetallic compound superconductor bulks trapping tesla-class magnetic fields (2023)
  • Author(s): T. Naito
  • Organizer: 16th European Conference on Applied Superconductivity
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 浸透法で作製したMgB2バルク体の緻密化に対する前駆体密度の影響 (2023)
  • Author(s): 阿部脩汰，内藤智之
  • Organizer: 応用物理学会東北支部第78 回学術講演会
• [Presentation] Vortex pinning properties of Nb3Sn bulks added with Gd2O3 or Gd2O2S (2023)
  • Author(s): T. Oyamada, T. Naito, A. Kikuchi
  • Organizer: 16th European Conference on Applied 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III：シミュレーション解析による実験結果の再現 (2022)
  • Author(s): 吉田智貴，内藤智之
  • Organizer: 2022 年度春季（第103回）低温工学・超電導学会
• [Presentation] Trapped field and critical current properties of large cylindrical MgB2 bulks fabricated by an in-situ infiltration-reaction method using an amorphous B preform containing dilute Mg (2022)
  • Author(s): Y. Takahashi, T. Naito, and H. Fujishiro
  • Organizer: Applied Superconductivity Conference 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高い一軸圧力下で放電プラズマ焼結したNb3Sn超伝導バルク体の緻密化と磁束ピン止め特性 II：結晶粒微細化効果 (2022)
  • Author(s): 小山田拓真，内藤智之
  • Organizer: 2022年度秋季（第104回）低温工学・超電導学会
• [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