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2020 年度 実施状況報告書

着磁磁場よりも大きな磁場を持続的に発生できる新規の超電導バルク磁石レンズ

研究課題

研究課題/領域番号 19K05240
研究機関岩手大学

研究代表者

藤代 博之  岩手大学, 学長・副学長等, 理事 (90199315)

研究分担者 内藤 智之  岩手大学, 理工学部, 准教授 (40311683)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワードバルク超電導体 / 捕捉磁場 / 磁束ピン止め効果 / 磁気シールド効果 / 擬似微小重力環境 / 超電導バルク磁石レンズ(HTFML) / 高勾配超電導バルク磁石(HG-TFM) / ライフサイエンス応用
研究実績の概要

REBaCuO系超電導バルク磁石は、「磁束ピン止め効果」を用いてバルク中に15 T以上の強磁場を捕捉でき、医療分野などへの新しい応用が始まっている。一方、超電導コイル磁石が作る磁場を、「磁気収束効果」を用いて内部に設置する超電導バルクで作製された磁気レンズにより磁束線を収束し、磁場増幅率が1.5~2.5程度の強磁場を実現する磁場収束レンズの研究が行われているが、外部磁場をゼロにするとその効果は失われる。本研究では研究代表者により提案された全く新しいハイブリッド型超電導バルク磁石レンズ(HTFML)(「バルク円筒による磁場の捕捉現象」に「バルクレンズによる磁気収束効果」を組み合わせ、着磁磁場より大きな磁場を持続的に発生)の実証研究を行うことを目的とする。
本研究では今年度、以下の3つのプロセスで研究を進め、様々な検討の結果、1つの冷凍機でREBaCuO系超電導バルクレンズとバルク円筒を冷却し、解析結果に近いHTFMLを実現することが出来た。さらに擬似微小重力環境を実現する非常に大きな磁場勾配を実現する新しいバルク磁石(HG-TFM)を提案し、実証の準備を開始した。
1)GdBaCuOレンズとGdBaCuO円筒を用いて、”lose contact method”によりHTFMLの実証実験を行った。その結果、7 Tの外部磁場で9.8 Tの定常磁場を実現した。
2)HTFML構造は印加磁場よりも大きな捕捉磁場の実現以外に、非常に大きな磁場勾配を実現することを数値シミュレーションで明らかにした。
3)水滴の磁気浮上も可能な非常に大きな磁場勾配を実現する高勾配超電導バルク磁石(HG-TFM)を提案し、電磁界及び応力解析シミュレーションによる構造の最適化を行った。その成果を論文発表し、特許出願を行った。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究では今年度、3つのプロセスについて検討を進め、以下の結果が明らかになった。
1)GdBaCuOレンズとGdBaCuO円筒を10 K冷凍機にセットしHTFMLの実証実験を行った。1台の冷凍機でHTFMLを実現する様々な方法を検討したが、最終的に”loose contact method”を開発し、この方法を用いて印加磁場Bapp = 7 Tの条件で、レンズ中心でBc = 9.8 Tの磁場を持続的に発生することを確認した。さらに大きな印加磁場Bapp = 10 Tの条件では途中までBc=13 Tが予測されたが、着磁終了直前でバルク円筒の破壊が起こり完全な実証は出来なかった。しかし、十分に価値の高い結果を得ることが出来、これらの結果は学術論文に”Letter”として発表した。
2)HTFML構造は印加磁場よりも大きな捕捉磁場の実現以外に、非常に大きな磁場勾配(3000 T2/m)を実現することを数値シミュレーションで明らかにした。これらの結果は、学術論文として発表した。
3)水滴の磁気浮上(1400 T2/m以上)も可能で、HTFMLよりも着磁が容易で室温空間が広く、非常に大きな磁場勾配を実現する高勾配超電導バルク磁石(HG-TFM)を提案し、電磁界及び応力解析シミュレーションによる構造の最適化を行った。その結果、直径10 mmの室温空間に6000 T2/mの磁場勾配を有することを明らかにし、その成果を論文発表と特許出願を行った。現在、実証実験とタンパク質の結晶成長や3次元細胞培養などのライフサイエンス応用を目指した準備を行っている。

今後の研究の推進方策

3年目となる令和3年度は、以下の点について重点的に研究を推進する。
1)電磁界及び応力解析シミュレーションによる非常に大きな磁場勾配を実現する高勾配超電導バルク磁石(HG-TFM)の提案を実験により実証する。様々な条件で捕捉磁場及び磁場勾配分布を測定し、解析結果と比較する。これらの結果を国際会議で発表し、論文として投稿する。
2)HG-TFM装置を用いて、様々な磁化率と密度を有する各種材料を空気中、または溶媒中で浮上させ、静止画及び動画に撮影する。浮上位置が解析結果と一致しているかどうか検証する。これらの結果を論文として投稿する。
3)さらにHG-TFM装置を用いて、タンパク質の結晶成長や3次元細胞培養などのライフサイエンス応用を目指した実験を他大学等との共同で実施する。擬似微小重力効果を実際の応用において実証することが重要と考えている。
4)Cambridge大学との共同研究をさらに進め、HTFML及びHG-TFMの研究を世界的に展開する。

次年度使用額が生じた理由

年度末に予定していた実験を次年度へ繰り越したため

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 10件、 査読あり 10件、 オープンアクセス 7件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] University of Cambridge(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      University of Cambridge
  • [国際共同研究] Shanghai University(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      Shanghai University
  • [雑誌論文] A conceptual study of a high gradient trapped field magnet (HG-TFM) providing toward a quasi-zero gravity space on Earth2021

    • 著者名/発表者名
      K Takahashi, H Fujishiro and M. D. Ainslie
    • 雑誌名

      Supercond. Sci. Technol.

      巻: 34 ページ: 035001(1)-(13)

    • DOI

      10.1088/1361-6668/abd386

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Experimental realization of an all-(RE)BaCuO hybrid trapped field magnet lens generating a 9.8 T concentrated magnetic field from a 7 T external field2021

    • 著者名/発表者名
      K. Takahashi, H. Fujishiro, S. Namba and M. D. Ainslie
    • 雑誌名

      Supercond. Sci. Technol.

      巻: 34 ページ: 05LT02(1)-(9)

    • DOI

      10.1088/1361-6668/abeb01

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Simulation study for magnetic levitation in pure water exploiting the ultra-high magnetic field gradient product of a Hybrid Trapped Field Magnet Lens (HTFML)2020

    • 著者名/発表者名
      K. Takahashi, H. Fujishiro and M. D. Ainslie
    • 雑誌名

      J. Appl. Phys.

      巻: 127 ページ: 1353690(1)-(11)

    • DOI

      10.1063/5.0005356

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Optimized performance of an all-REBaCuO hybrid trapped field magnet lens (HTFML)2020

    • 著者名/発表者名
      Sora Namba, Hiroyuki Fujishiro, Tatsuya Hirano, Tomoyuki Naito and Mark D Ainslie
    • 雑誌名

      Physica C

      巻: 575 ページ: 1353690(1)-(8)

    • DOI

      10.1016/j.physc.2020.1353690

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A record-high trapped field of 1.61 T in MgB2 bulk comprised of copper plates and soft iron yoke cylinder using pulsed-field magnetization2020

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Hirano, Yuhei Takahashi, Sora Namba, Tomoyuki Naito and Hiroyuki Fujishiro
    • 雑誌名

      Supercond. Sci. Technol.

      巻: 33 ページ: 085002(1)-(10)

    • DOI

      10.1088/1361-6668/ab9542

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Simulation of mechanical stress in REBaCuO disk bulk magnetized by pulsed-field2020

    • 著者名/発表者名
      F. Shimoyashiki, H. Fujishiro, T. Hirano, T. Naito and M. D. Ainslie
    • 雑誌名

      J. Phys. Conf. Series

      巻: 1559 ページ: 012029(1)-(8)

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1559/1/012029

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Realisation of Hybrid Trapped Field Magnetic Lens (HTFML) consisting of REBCO bulk lens and REBCO bulk cylinder at 77 K2020

    • 著者名/発表者名
      S Namba, H Fujishiro, T Naito, M D Ainslie and D Zhou
    • 雑誌名

      J. Phys. Conf. Series

      巻: 1559 ページ: 012079(1)-(10)

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1559/1/012079

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Simulation of mechanical stresses in reinforced REBaCuO ring bulks during pulsed-field magnetization2020

    • 著者名/発表者名
      T. Hirano, H. Fujishiro, T. Naito and M. Ainslie
    • 雑誌名

      J. Phys. Conf. Series

      巻: 1559 ページ: 012027(1)-(10)

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1559/1/012027

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Numerical Simulation of a Hybrid Trapped Field Magnet Lens (HTFML) Magnetized by Pulsed Fields2020

    • 著者名/発表者名
      Motoki Shinden, Sora Namba, Tatsuya Hirano, Hiroyuki Fujishiro, Tomoyuki Naito, and Mark D. Ainslie
    • 雑誌名

      J. Phys. Conf. Series

      巻: 1590 ページ: 012048(1)-(9)

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1590/1/012048

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Pulsed-field magnetisation of Y-Ba-Cu-O bulk superconductors fabricated by the infiltration growth technique2020

    • 著者名/発表者名
      D. K. Namburi, K. Takahashi, T. Hirano, T. Kamada, H. Fujishiro, Y-H. Shi, D. A. Cardwell, J. H. Durrell and M. D. Ainslie
    • 雑誌名

      Supercond. Sci. Technol.

      巻: 33 ページ: 115012(1)-(13)

    • DOI

      10.1088/1361-6668/abb590

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [備考] 藤代・内藤研究室HP

    • URL

      http://ikebehp.mat.iwate-u.ac.jp

  • [産業財産権] 高磁気勾配型超電導バルク磁石装置2020

    • 発明者名
      髙橋圭太、藤代博之
    • 権利者名
      国立大学法人岩手大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2020-180228

URL: 

公開日: 2021-12-27  

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