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2023 年度 実施状況報告書

単一の超電導バルク磁極を使った超小型NMRの研究

研究課題

研究課題/領域番号 22K04911
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

岡 徹雄  国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 客員研究員 (40432091)

研究分担者 坂井 直道  芝浦工業大学, 工学部, 教授 (00415936)
横山 和哉  足利大学, 工学部, 教授 (60313558)
仲村 高志  国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 特別嘱託技師 (60321791)
高橋 雅人  国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 上級研究員 (60392015)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
キーワード高温超電導 / バルク磁石 / NMR / 強磁場 / 磁場勾配 / 拡散係数 / 極低温
研究実績の概要

高温超電導バルクが発生する強磁場を測定評価し、片側NMR用の磁石として新たな磁場環境の構築を通じてそのNMR信号を評価した。バルクには日本製鉄製のGd123系(φ60 mmxt20)を用い、パルス着磁(Pulsed Field Magnetization:PFM)を行って、強く定常的な磁場を発生させた。網銅線構造を採用した無振動GM磁極を用い、高磁場からの反復減衰着磁法(IMRA法)に従い、昨年度成果の着磁手順に従い、730Vから580Vへの6回の連続着磁を行った。結果として磁極中央部で、1.73T、周辺部の最大値で1.92Tの磁場捕捉に成功した。これは昨年度と同等の磁場性能であり、着磁の再現性を確認できた。令和5年度には2回のPFMを行い、初回には磁場が平坦な磁極上4mmの位置で、磁極中央部に1.41Tが得られた。2度目には磁極上4mmで1.37Tが得られ、十分に再現性のある磁場分布となった。
NMR信号の検出は、バルク磁石の強い磁場勾配を用いた特徴ある方法で評価した。通常のNMRでのパルス法で得られる磁場勾配は30T/m程度であるが、本研究では84.4 T/mに達し、従来の計測法よりも短い分子移動距離での拡散測定が可能となった。この結果、従来法では不可能であった、全固体リチウム電池内部の粒界や、そのセパレータとなる多孔質フィルタ内部の膜厚方向の拡散が測定できるようになった。また、食用油脂であるチーズの脂肪球と水の分布を計測して、その硬さなどの物性を評価した。これは油脂のカゼインネットワークの変質や劣化が評価できることを示し、さらには生体臓器の移植時期の判断手法となる可能性を示した。これらは単極片側NMRによる非破壊非侵襲の評価測定方法として社会実装が期待でき、令和5年11月開催のNMR討論会で発表済みである。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

前年度の磁場発生とNMR信号検出の成果に基づき、発生磁場と装置全体の安定性を含めてこれらの再現性を評価した。NMR信号の検出プローブ、試料についても、LiClのみならず、フルクトースと水分との分離検出や、油脂など多様な物質での信号検出と拡散係数の測定実績を重ねて、拡散NMRとしての機能獲得に成功した。
令和5年度はPFMによる捕捉磁場の再現性を明らかにする一方で、その強度向上の利点とその際の磁場均一性の確保について、次年度の更なる改良とその課題が明確になった。
応用研究に関する出口戦略として、片側NMRのもつ非破壊非侵襲という特性を生かした応用候補の洗い出しを行ない、NMR機器全体におけるバルク磁石による片側NMRの位置付けを分析するなかで、その特質を明確化させた。この結果、肉製品に含まれる脂肪分の分析や、古い美術品の表面の顔料や色素の劣化分析、油井における原油に含まれる油脂成分の分析などに応用候補の可能性があることを明らかにした。これらはNMR討論会等で広く提案してきた。

今後の研究の推進方策

令和5年度に新規に組み立てた無振動型PFM磁極の稼働を開始し、同じ型式の2つのPFM磁極を立ち上げる。従来からの継続となる固体リチウム電池電極でのイオンの移動度の評価に加え、新たに複数の微細相をもつ有機物の各物質の状態や運動性、生体組織の劣化や複合成分の分布状態、揮発油などオイル成分の状態計測などを行って、応用研究の可能性を広げていく。複数の磁極による種々の試料の同時に並行した計測や、温度条件や圧力環境などのオペランド計測の可能性も検証していく。このためには、計測可能となる均一磁場の空間拡大、ならびに磁場強度の向上に向けた検討が必要であり、令和6年度にこれを検討していく。
この進め方で、研究期間終了後の産業実装への応用候補の絞り込みを行ない、化学系、食品系、分析系企業群との連携を進めていく。一方で、NMR関連の研究分野に供給できる種々の磁場環境の多角化を視野に入れ、バルク磁石よりも弱い永久磁石やハルバッハ配置した磁石との比較研究を行って、バルク磁石の強磁場の優位性や適用範囲を明確に性格付けしていく。
本研究のねらいをさらに基礎研究に広げるため、大型放射光施設SPring-8を利用し、上記の材料をはじめ種々の有機物の磁場中での構造解析を行い、強磁場環境の効用を明確にしていく。
これら磁場環境の比較を通じてPFMバルク磁石の特長を明らかにするとともに、応用目的にあった磁場環境を構築して提案する活動を進める。

次年度使用額が生じた理由

物品費について費用執行が年度内に納品されなかった消耗品があったため、次年度に計上することとなったため。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 3件、 査読あり 5件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 6件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] ロレーヌ大/GREEEN(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      ロレーヌ大/GREEEN
  • [雑誌論文] Study on the PFM behavior of GdBCO bulk joined by ErBCO and its FEM simulation2024

    • 著者名/発表者名
      K. Takemura, K. Sudo, R. Dorget, J. L. Dadiel, M. Sakafuji, K. Yokoyama, T. Oka, N. Sakai
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      巻: 34 ページ: 6800405

    • DOI

      10.1109/TASC.2024.3358259

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 高温超電導バルク磁石による強磁場応用と磁気浮上2023

    • 著者名/発表者名
      岡徹雄、横山和哉、高橋雅人、坂井直道
    • 雑誌名

      日本AEM学会誌

      巻: 31 ページ: 378-381

    • DOI

      10.14243/jsaem.31.378

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Pulsed field magnetizing behavior of Gd-Ba-Cu-O bulk superconductor with a superconducting joint2023

    • 著者名/発表者名
      Kento Takemura, Kimiaki Sudo, Remi Dorget, Longji Dadiel, Masaki Sakafuji, Kazuya Yokoyama, Tetsuo Oka, Masato Murakami, Naomichi Sakai
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      巻: 33 ページ: 6800305

    • DOI

      10.1109/TASC.2023.3244149

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A Numerical Analysis of Pulsed-Field Magnetization Characteristics of REBCO Bulk Magnets When Using Various Soft-Iron Yokes2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuya Yokoyama and Tetsuo Oka
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      巻: 33 ページ: 6800705

    • DOI

      10.1109/TASC.2023.3255173

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Yoke geometry study using pulsed field magnetization on superconducting joined bulk Gd-Ba-Cu-O2023

    • 著者名/発表者名
      Kento Takemura, Kimiaki Sudo, Remi Dorget, Joseph Longji Dadiel, Masaki Sakafuji, Kazuya Yokoyama, Tetsuo Oka and Naomichi Sakai
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Conference Series

      巻: 2545 ページ: 012015

    • DOI

      10.1088/1742-6596/2545/1/012015

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 超伝導バルクの最近の応用候補と実用化に向けた課題2024

    • 著者名/発表者名
      岡徹雄
    • 学会等名
      低温工学・超電導学会2023年度(令和5年度)第1回「高温超伝導バルク体の産業応用に関する調査研究会」
    • 招待講演
  • [学会発表] 機械加工したREBCOバルク体とクロス型ヨークを組み合わせたパルス着磁の効率改善の検討2024

    • 著者名/発表者名
      横山和哉、岡徹雄
    • 学会等名
      令和6年電気学会全国大会
  • [学会発表] HTS Bulk Magnets Cooled by a Refrigerator and Latest Efforts for Their Application Research2023

    • 著者名/発表者名
      Tetsuo Oka, Kento Takemura, Masaki Sakafuji, Aadya Nair, Joseph Longji Dadiel, Naomichi Sakai, Masato Murakami, Masato Takahashi, Takashi Nakamura, Tomohito Nakano and K. Yokoyama
    • 学会等名
      13th International Workshop on Processing and Applications of Superconducting (RE)BCO Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of Iron yoke geometry on pulse field magnetization behaviour of superconducting jointed Gd-Ba-Cu-O bulk superconductor2023

    • 著者名/発表者名
      Kento Takemura, Kimiaki Sudo, Remi Dorget, Longji Dadiel, Masaki Sakafuji, Kazuya Yokoyama, Tetsuo Oka and Naomichi Sakai
    • 学会等名
      13th International Workshop on Processing and Applications of Superconducting (RE)BCO Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] Study on the PFM behavior of GdBCO bulk joined by ErBCO and its FEM simulation2023

    • 著者名/発表者名
      K. Takemura, K. Sudo, R. Dorget, J. L. Dadiel, M. Sakafuji, K. Yokoyama, T. Oka and N. Sakai
    • 学会等名
      16th European Conference on Applied Superconductivity
    • 国際学会
  • [学会発表] Application of HTS Bulk Magnet and Cryocooler for Magnetic Force Control2023

    • 著者名/発表者名
      Tetsuo Oka, Kento Takemura, Masaki Sakafuji, Aadya Nair, Longji Dadiel, Naomichi Sakai, Masato Murakami, Masato Takahashi, Takashi Nakamura, Yunyan Sekine, Hiroki Kikuchi, Kazuya Yokoyama
    • 学会等名
      14th International Forum on Magnetic Force Control
    • 国際学会
  • [学会発表] HTS Bulk Magnet Systems Employing Cryocoolers and The Latest Application Candidates2023

    • 著者名/発表者名
      Tetsuo Oka, Kento Takemura, Masaki Sakafuji, Aadya Nair, Longji Dadiel, Naomichi Sakai, Masato Murakami, Masato Takahashi, Takashi Nakamura, Tomohito Nakano, and Kazuya Yokoyama
    • 学会等名
      36th International Symposium on Superconductivity
    • 国際学会
  • [学会発表] Improvement of trapped field performance by combining a holed REBCO bulk with a cross-shaped soft-iron yoke2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuya Yokoyama and Tetsuo Oka
    • 学会等名
      36th International Symposium on Superconductivity
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] SmBCO系バルク超伝導体の高磁場勾配を利用した片側開放NMRによる自己拡散係数の測定2023

    • 著者名/発表者名
      坂藤 正樹,菊池翔、竹村 賢人,岡徹雄、坂井直道、山本航輝、岡村哲至、高橋雅人、仲村高志、横山和哉
    • 学会等名
      2023年度春季低温工学・超電導学会研究発表会
  • [学会発表] REBCOバルク磁石における上下面のパルス着磁特性の比較2023

    • 著者名/発表者名
      横山和哉, Tendongafac Regobert, Shang Jiahao, 岡徹雄
    • 学会等名
      2023年度春季低温工学・超電導学会研究発表会
  • [学会発表] REBCOバルク磁石のc軸方向の不均一性を考慮したパルス着磁シミュレーション2023

    • 著者名/発表者名
      Shang Jiahao, Tendongafac Regobert, 横山和哉, 岡徹雄
    • 学会等名
      2023年度春季低温工学・超電導学会研究発表会
  • [学会発表] 高温超伝導バルク磁石による片側開放NMRを用いた拡散とT2緩和の相関測定2023

    • 著者名/発表者名
      高橋雅人、坂藤正樹、坂井直道、横山和哉、岡徹雄、仲村高志
    • 学会等名
      第62回NMR討論会
  • [学会発表] 形状変更した軟鉄ヨークを用いたREBCOバルク磁石のパルス着磁特性の評価2023

    • 著者名/発表者名
      SHANG Jiahao, 横山和哉, 岡徹雄
    • 学会等名
      2023年度秋季低温工学・超電導学会研究発表会
  • [学会発表] 細孔加工したバルク磁石のパルス着磁特性の数値解析2023

    • 著者名/発表者名
      横山和哉, SHANG Jiahao, 岡徹雄
    • 学会等名
      023年度秋季低温工学・超電導学会研究発表会

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公開日: 2024-12-25  

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