JP2006332499A

JP2006332499A - バルク超電導体のパルス着磁方法及び超電導磁石装置

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Publication number: JP2006332499A
Application number: JP2005156956A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Fujishiro; 博之藤代; Masahiko Kanayama; 雅彦金山; Tetsuo Oka; 徹雄岡
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Iwate University
Current assignee: Iwate University; Aisin Corp
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】従来よりも高い磁場を捕捉することができるバルク超電導体のパルス着磁方法およびその方法を効率よく実現可能な超電導磁石装置を提供すること。
【解決手段】バルク超電導体のパルス着磁方法において、バルク超電導体を、超電導転移温度以下の保持温度Ｔ₁に保持し、パルス磁場Ｂ₁を印加して、バルク超電導体の中心の捕捉磁場が０．１テスラ超え、２．０テスラ未満となるようにバルク超電導体に磁場を捕捉させる１次着磁工程と、バルク超電導体を保持温度Ｔ₁よりも低い保持温度Ｔ₂（＜Ｔ₁）に冷却保持し、パルス磁場Ｂ₁よりも高いパルス磁場Ｂ₂（＞Ｂ₁）を印加することにより、捕捉磁場を増大させる２次着磁工程とを含む。
【選択図】図１０

Description

本発明は、バルク超電導体を強力な磁石として使用するためにパルス磁場を用いて着磁する方法に関する。

バルク超電導体を超電導永久磁石として応用する際に、バルク超電導体に磁場を捕捉させる方法（着磁する方法）として最も一般的なものは、静磁場を用いる磁場中冷却着磁法（Field Cooled Magnetization；ＦＣＭ）である。これは、超電導転移温度Ｔｃ以上の温度において静磁場を印加し、Ｔｃ以下の温度にバルク超電導体を冷却して磁場を捕捉させた後、外部磁場を取り除いて着磁する方法である。
また、静磁場によるもう一つの着磁方法として、バルク超電導体をＴｃ以下に冷却した後に静磁場を印加して着磁するゼロ磁場冷却法もあるが、同じ性能に着磁するのにより強い磁力を必要とするため、あまり一般的ではない。

上記ＦＣＭは、現在最も多く磁場を捕捉させることができる方法である。しかし、ＦＣＭを実施するには、強い静磁場をバルク超電導体に長時間にわたって印加する必要があること、着磁後に超電導体の温度を保ったまま使用したい場所に移動させるのが不便なことから、利用する場所において着磁する必要があるが、大型の超電導マグネットを移設することは実質的に困難なことなど、実用的には問題が多い。

そのため、簡易な手段でバルク超電導体を着磁する方法として、パルス磁場を超電導体に印加して着磁するパルス着磁方法（Pulse Field Magnetization；ＰＦＭ）が開発された。このパルス着磁方法は、超強力な永久磁石として使用する場合に、小型の装置で実現でき、簡便で、移動可能でもあり、非常に優れている。

ところが、パルス磁場着磁においては、急激な磁束の侵入による大きな温度上昇のため、捕捉される磁場の大きさが上記磁場中冷却着磁法（ＦＣＭ）による捕捉磁場に比べて小さいという欠点を有している（例えば、非特許文献１、２参照）。
このような欠点を克服すべく、パルス着磁方法の改良の提案がなされているが（例えば、特許文献１〜４、非特許文献３〜５参照）、いまだ十分ではなく、改良の余地が残されている。

特開願２００１−２５７１１５号公報特開平１０−７４６２２号公報特開平１０−７４６２１号公報特開平１０−１５４６２０号公報 H.Fujishiro et al. 「Flux Motinon Studies by Means of Temperature Measurement in Magnetizing Processes for HTSC Bulks」 IEEE TRANZACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.14, NO.2,JUNE 2004 U.Mizutani et al. 「PULSED-FIELD MAGNETIZETION APPLIED TO HIGH-Tc SUPERCONDUCTORS」 Applied Superconductivity Vol.6.Nos.2-5,pp.235-246,1998 Y.Yanagi et al. 「TRAPPED FIELD DISTRIBUTION ON Sm-Ba-Cu-O BULK SUPERCONDUCTOR BY PULSED-FIELD MAGNETIZATION」 Proceedings of the 12th Internasitonal Symposium on Superconductivity（ISS'99）,October,17-19,1999,Morioka,pp.470-472 Sander et al. 「Pulsed magnetization of HTS bulk parts at T<77K」 Supercond.Sci.Technol.13（2000）841-845. H.Fujishiro et al. 「Effect of Metal Ring Setting outside HTSC Bulk Disk on Trapped Field and Temperature Rise in Pulse Field magnetizing」 Applied Superconductivity Conference 2004,Oct.3〜8,Florida 4MN09

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、従来よりも高い磁場を捕捉することができるバルク超電導体のパルス着磁方法およびその方法を効率よく実現可能な超電導磁石装置を提供しようとするものである。

第１の発明は、バルク超電導体の外周側に着磁コイルを配置し、該着磁コイルに電流を流してパルス磁場を発生させることにより、上記バルク超電導体を着磁するバルク超電導体のパルス着磁方法において、
上記バルク超電導体を、超電導転移温度以下の保持温度Ｔ₁に保持し、パルス磁場Ｂ₁を印加して、上記バルク超電導体の中心の捕捉磁場が０．１テスラ超え、２．０テスラ未満となるように上記バルク超電導体に磁場を捕捉させる１次着磁工程と、
上記バルク超電導体を上記保持温度Ｔ₁よりも低い保持温度Ｔ₂（＜Ｔ₁）に冷却保持し、上記パルス磁場Ｂ₁よりも高いパルス磁場Ｂ₂（＞Ｂ₁）を印加することにより、捕捉磁場を増大させる２次着磁工程とを含むことを特徴とするバルク超電導体のパルス着磁方法にある（請求項１）。

本発明のパルス着磁方法は、上記のごとく、少なくとも上記１次着磁工程と２次着磁工程とを含んでおり、２次着磁工程を行う際のバルク超電導体の保持温度Ｔ₂を１次着磁工程の場合よりも低くし、かつ、２次着磁工程を行う際に印加するパルス磁場Ｂ₂を１次着磁工程の場合よりも高くする。さらに、上記１次着磁工程において着磁する捕捉磁場の大きさを、上記のごとく１テスラ程度（０．１テスラ超え、２．０テスラ未満）の範囲に制限する。これらの条件を必須とすることによって、従来のパルス着磁方法よりも高い磁場をバルク超電導体に捕捉させることができる。

これまでの多くのパルス着磁方法に関する報告結果は、バルク超電導体の正確な温度の測定が行われておらず、温度の記述があるとしても冷却装置の温度であり、バルク超電導体の温度ではない。本発明では、バルク超電導体の温度測定の重要性を指摘し、発熱解析を系統的に行うことによって完成したものである。

すなわち、上記１次着磁工程においては、超電導転移温度以下ではあるが比較的高い保持温度Ｔ₁にバルク超電導体を保持し、その温度でパルス磁場Ｂ₁を印加する（第１段階）。このとき、捕捉させる磁場を、バルク超電導体の中心において上記の範囲の１テスラ程度に制限し、最適化する。
次いで、上記２次着磁工程では、１次着磁工程の場合よりも低い保持温度Ｔ₂（＜Ｔ₁）にバルク超電導体を冷却保持し、その状態で、１次着磁工程の場合よりも高いパルス磁場Ｂ₂（＞Ｂ₁）を印加する（第２段階）。
このような条件の異なる着磁工程を少なくとも上記第１段階と第２段階に分けて行うことにより、従来よりも高い磁場を捕捉することが可能となる。

上記１次着磁工程においてバルク超電導体に捕捉させる磁場が０．１テスラ以下の場合には、その後の上記２次着磁工程での高いパルス磁場Ｂ₂を印加した際の温度上昇が大きくなりすぎて捕捉磁場の向上が十分に得られない。一方、上記１次着磁工程においてバルク超電導体に捕捉させる磁場が２．０テスラ以上の場合には、１次着磁による既に存在する磁束（のメモリ効果）ために、新たな磁場の進入を防げられることから、２次着磁工程での捕捉磁場の向上が十分に得られない。

上記第１の発明のパルス着磁方法は、従来よりあるパルス着磁方法を実施するための超電導磁石装置を用いた場合においても、バルク超電導体の温度調整とパルス磁場の大きさを変更設定できる限り、非常に有効に利用できる。一方、従来よりも効率よく上記優れたパルス着磁方法を実施するための超電導磁石装置としては、次の第２の発明がある。

第２の発明は、パルス着磁方法を実施するための超電導磁石装置であって、
断熱容器内に配設された上記バルク超電導体と、該バルク超電導体を載置して冷却するためのコールドステージを備えた冷凍機と、上記バルク超電導体にパルス磁場を印加するための着磁コイルとを有してなり、
上記バルク超電導体は、ａｂ面を主面として両面に露出させた扁平形状を呈する疑似単結晶の酸化物超電導体よりなると共に、上記主面と直交する面である外周側面が放熱部材により覆われており、上記主面の一方と上記放熱部材の端面から上記コールドステージに吸熱されるよう該コールドステージ上に配設されていることを特徴とする超電導磁石装置にある（請求項５）。

本発明の超電導磁石装置において注目すべき点は、上記バルク超電導体が上記放熱部材を備えており、バルク超電導体のａｂ面よりなる一方の主面からだけではなく、上記放熱部材の端面からも上記コールドステージに伝熱させ、吸熱させるように構成してあることである。すなわち、上記放熱部材を熱の通り道として積極的に利用し、バルク超電導体から放熱部材を介して上記コールドステージに放熱する伝熱ルートを確保するするのである。なお、バルク超電導体及び放熱部材と上記コールドステージとは、直接当接させてもよいが、間に伝熱特性に優れた部材を介在させる構造としてもよい。いずれの構成についても、上記放熱部材全体の熱伝導率をバルク超電導体よりも高くすることが必要である。

このような放熱部材を備えた構成を取ることによって、上記着磁コイルを用いて発生させたパルス磁場をバルク超電導体に印加させた際にバルク超電導体が発熱するが、その放熱を、バルク超電導体の露出面からだけでなく、上記放熱部材を介してバルク超電導体の側面からも行うことができる。そのため、効率のよい放熱特性が得られ、上述した第１発明のパルス着磁方法をより効率よく実施することができる。
なお、本発明の超電導磁石装置は、上記第１の発明のパルス着磁方法に限らず、従来からあるあるいは今後開発されるパルス着磁方法のいずれにおいても有効である。

上記第１の発明においては、上記２次着磁工程を行った後に、さらに、前回の着磁工程における保持温度Ｔ_n-1（ｎは３以上の自然数）よりも低い保持温度Ｔ_n（＜Ｔ_n-1）に冷却保持すると共に、前回の着磁工程におけるパルス磁場Ｂ_n-1よりも高いパルス磁場Ｂ_n（＞Ｂ_n-1）を印加する追加着磁工程を１回又は複数回追加することができる（請求項２）。
すなわち、上記１次着磁工程及び２次着磁工程という２段階の着磁工程に加えて、３段階目以上の着磁工程である上記追加着磁工程を行うことにより、より高い捕捉磁場状態を得ることができる場合がある。

なお、追加着磁工程においては、前回の着磁工程における保持温度Ｔ_n-1（ｎは３以上の自然数）よりも低い保持温度Ｔ_n（＜Ｔ_n-1）に冷却保持すると共に、前回の着磁工程におけるパルス磁場Ｂ_n-1よりも高いパルス磁場Ｂ_n（＞Ｂ_n-1）を印加する。例えば、上記２次着磁工程直後の追加着磁工程においては、前回の着磁工程（２次着磁工程）における保持温度Ｔ₂よりも低い保持温度Ｔ₃に冷却保持すると共に、前回の着磁工程におけるパルス磁場Ｂ₂よりも高いパルス磁場Ｂ₃を印加する。さらにもう一回追加着磁工程を行う場合には、前回の着磁工程（２次着磁工程直後の追加着磁工程）における保持温度Ｔ₃よりも低い保持温度Ｔ₄に冷却保持すると共に、前回の着磁工程におけるパルス磁場Ｂ₃よりも高いパルス磁場Ｂ₄を印加する。さらに追加する場合にも同様とする。

また、上記各着磁工程では、それぞれパルス磁場の印加を複数回行うことが好ましい（請求項３）。この場合には、各着磁工程での目標とする磁場をより確実に得ることができる。なお、この各着磁工程でのパルス磁場の複数回の印加についてより具体的に説明すると、例えば、１次着磁工程でパルス磁場を２回印加する場合には、保持温度Ｔ₁に保持した状態でのパルス磁場Ｂ₁の印加を２回行うことを意味し、１次着磁工程中の第１回目のパルス磁場Ｂ₁の印加が完了した後は再度バルク超電導体の温度を保持温度Ｔ₁に保持してから第２回目のパルス磁場Ｂ₁を印加する。

なお、上記保持温度Ｔ₁、Ｔ₂、Ｔ_n（ｎは３以上の自然数）に保持されているか否かの判断は、全く誤差のない範囲にまで限定する必要はなく、常識的な誤差範囲を含んで判断される。１つの判断として、±２℃の範囲内であれば同一温度として判断することができる。
また、上記パルス磁場Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ_n（ｎは３以上の自然数）の大きさについても、全く誤差のない範囲にまで限定する必要はなく、常識的な誤差範囲を含んで判断される。１つの判断として、±０．２テスラの範囲であれば同一パルス磁場と判断することができる。

また、上記バルク超電導体は、ａｂ面を主面として両面に露出させた扁平形状を呈する疑似単結晶の酸化物超電導体よりなり、そのａｂ面に垂直なｃ軸方向に上記パルス磁場を印加することが好ましい（請求項４）。
上記の扁平形状とすることにより、パルス磁場の印加が容易となる。具体的な扁平形状としては、円盤状、円環状、多角形の板状等様々な形状を取ることができるが、特に、点対称な形状である円盤状が好ましい。
また、上記バルク超電導体としては、上記のごとく、疑似単結晶の酸化物超電導体であることが好ましい。これらは、比較的高温で優れた超電導特性を発揮するので、本発明の方法を用いることが非常に有効である。具体的な酸化物超電導体としては、ＲＥ系超電導体、例えば、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系、Ｓｍ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系、Ｇｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系等や、Ｄｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系、例えば、Ｈｏ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系、Ｙｂ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系等がある。

第２の発明の超電導磁石装置においては、上記のごとく、バルク超電導体の外周側面に放熱部材を積極的に設ける。この場合、放熱部材の構成としては、バルク超電導体そのものよりも伝熱性が優れていれば、様々な構成を取ることができる。
特に、上記放熱部材は金属製であることが好ましい（請求項６）。たとえばステンレス鋼等の鉄系合金やアルミニウム合金等に代表される金属は伝熱性に優れ、上記放熱部材として適している。また、金属製の放熱部材は、上記バルク超電導体に直接接触させて配置することが最も好ましい。一方、製造上の問題あるいは密着性等の改善のため、金属製の放熱部材とバルク超電導体との間に、間隙を埋める材料を介在させることも可能であるが、この場合の介在材料は、放熱部材全体の熱伝導率をバルク超電導体よりも低下させないことを条件とすることが必要である。

上記放熱部材としては、バルク超電導体が円盤状の場合には、リング形状のもの（放熱リング）が適しているが、これに限定されることなく様々な形状を採用することができる。例えば、多角形状、角形、菱形その他の様々な形にすることができる。また、内周形状と外周形状を変えることもできる。

そして、上記放熱部材としては、熱伝導率が１００ｍＷ／ｃｍＫ以上の材料を用いて構成することが好ましい。この優れた熱伝導率の発揮により、より優れた放熱効果を得ることができる。

また、上記放熱部材は、切れ目のない環状のステンレス鋼とすることができる（請求項７）。すなわち、ステンレス鋼を上記放熱部材として採用した場合、パルス磁場印加の際に放熱部材に渦電流が生じるという心配がないので、切れ目のない環状形状とすることが好ましい。これにより、放熱部材を強度を維持する部材としても兼用させることができ、耐久性の向上を図ることができる。
なお、上記ステンレス鋼としては、フェライト系、オーステナイト系等の種類があるが、いずれでもよい。オーステナイト系は非磁性であるため最も望ましい。なお、ステンレス鋼に代えて他の鉄系合金を用いることもできる。

また、上記放熱部材は、切れ目を設けた環状のアルミニウム合金とすることもできる（請求項８）。すなわち、アルミニウム合金を上記放熱部材として採用した場合には、パルス磁場印加の際に、放熱部材に渦電流が生じて発熱してしまうおそれがある。そのため、環状形状とせず、切れ目を設けることにより、渦電流の発生を抑制することが可能となる。

また、上記放熱部材は、切れ目を設けた環状のアルミニウム合金よりなる内管と、該内管の外周側に配設された切れ目のない環状のステンレス鋼よりなる外管とを組み合わせた複層管とすることもできる（請求項９）。この場合には、渦電流防止のために切れ目を設けたアルミニウム合金の強度的に不利な面を上記ステンレス鋼によって補うことができる。

（実施例１）
本発明の実施例に係るパルス着磁方法につき、図１〜図１０を用いて説明する。
本例では、従来よりある一般的な超電導磁石装置１を用いて、パルス着磁方法を実施する。
超電導磁石装置１は、図１、図２に示すごとく、断熱容器２内に配設されたバルク超電導体３と、該バルク超電導体３を載置して冷却するためのコールドステージ５１を備えた冷凍機５と、上記バルク超電導体３にパルス磁場を印加するための着磁コイル６とを有してなる。

着磁コイル６は、断熱容器２内のバルク超電導体３の外周を囲う位置に配置されており、パルス電源６１に対してシャント抵抗６２、デジタルオシロスコープ６３等を有する電気回路６４を介して接続されている。また、着磁コイル６は、図示しない液体窒素に漬してある。
図２に示すごとく、断熱容器２内には、冷凍機から延ばされた伝熱ロッドの先端に設けられた円盤状のコールドステージ５１が配置されている。コールドステージ５１の上には、サファイア板２２が載置され、さらにその上に配されたインジウムフォイル２３を介してバルク超電導体３が配設されている。なお、サファイア板２２は、熱伝導性向上を目的に配設したものであり、インジウムフォイル２３は、軟らかなバルク超電導体３とサファイア板２２との密着性の向上を目的として介在させたものである。なお、サファイア板２２は、他のステンレス鋼のような磁性鉄よりなるヨーク等に変更することもできる。また、伝熱性および密着性が確保されれば、サファイア板２２及びインジウムフォイル２３を無くしてバルク超電導体３を直接コールドステージ５１に接触させてもよい。

また、袋ナットであるカップ２５は、バルク超電導体３をコールドステージ５１に固定する役割をもつステンレス鋼製部材である。
また、これらのコールドステージ５１からバルク超電導体３までの部分は、断熱容器２の内壁からの熱放射を遮断し、最低到達温度を所望の温度に保持する目的のために、アルミ箔のようなフィルム形状の反射材料よりなるスーパーインシュレーション２６により覆ってある。そして、その周囲全体を上記断熱容器２により覆い、断熱容器２内全体を真空状態にできるように構成してある。

次に、本例のバルク超電導体３は、図３に示すごとく、ｃ軸に配向した円盤状（直径４５ｍｍ、厚さ１５ｍｍ）を呈する疑似単結晶の酸化物超電導体（ＧｄＢａＣｕＯ）よりなる。より具体的には、ＧｄＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_yとＧｄ₂ＢａＣｕＯ₅とが１．０：０．４のモル分率で含まれており、さらに、Ａｇ₂Ｏが１０．０質量％、Ｐｔが０．５質量％含有されている。
また、バルク超電導体３は、ａｂ面を主面３１、３２として両面に露出させており、主面３１、３２と直交する面である外周側面３３は、従来と同様に、エポキシ樹脂を含浸させた状態としてある。なお、放熱部材を配設した構成については、後述する。
また、バルク超電導体３には、図３に示すごとく、中心磁場を計測する中心位置Ｃと外周端から５ｍｍの外周位置Ｅの２箇所のバルク表面に磁場測定用のホールセンサを配設し、また、中心から２ｍｍの位置Ｔの表面に温度測定用の熱電対を配設した。

次に、上記超電導磁石装置１を用いて、パルス着磁を行う本例の方法について説明する。
＜１次着磁工程＞
１次着磁工程では、バルク超電導体（以下、適宜、バルク体という）３を、超電導転移温度以下の保持温度Ｔ₁（約４５Ｋ）に保持した状態での、パルス磁場Ｂ₁（約４．５Ｔ）の印加を２回行った。以下、それぞれの印加をＮｏ．１、Ｎｏ．２と表す。
そして、この１次着磁工程では、最終的にバルク超電導体３の中心の捕捉磁場が１テスラ程度（０．１テスラ超え、２．０テスラ未満）となるようにバルク超電導体に磁場を捕捉させることを目的とした。
より具体的には、Ｎｏ．１は、保持温度Ｔ₁＝４５Ｋ、パルス磁場Ｂ₁＝４．５４Ｔであり、Ｎｏ．２は、保持温度Ｔ₁＝４８Ｋ、パルス磁場Ｂ₁＝４．６０Ｔである。

＜２次着磁工程＞
２次着磁工程では、バルク超電導体３を保持温度Ｔ₁よりも低い保持温度Ｔ₂（約２８Ｋ）に冷却保持した状態での、上記パルス磁場Ｂ₁よりも高いパルス磁場Ｂ₂（約６．６Ｔ）の印加を３回行った。以下、それぞれの印加をＮｏ．３、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５と表す。
より具体的には、Ｎｏ．３は、保持温度Ｔ₂＝２９Ｋ、パルス磁場Ｂ₂＝６．７２Ｔであり、Ｎｏ．４は、保持温度Ｔ₂＝２８Ｋ、パルス磁場Ｂ₁＝６．５９Ｔであり、Ｎｏ．５は、保持温度Ｔ₂＝２８Ｋ、パルス磁場Ｂ₂＝６．７０Ｔである。
なお、保持温度Ｔ₁、Ｔ₂は、いずれも、適宜、保持温度Ｔsとして表し、パルス磁場Ｂ₁、Ｂ₂は、いずれも、適宜、パルス磁場Ｂexとして表す。

以上の条件でパルス着磁方法を実施した結果を、図４〜図１０を用いて説明する。
図４〜図７は、それぞれＮｏ．１からＮｏ．４のパルス磁場印加時の、印加磁場μ₀Ｈaと、上記位置ＣとＥでの局所磁場Ｂ_L(C)とＢ_L(E)の時間変化を示す。また、図５〜図７には、バルク超電導体３の上表面から３．５ｍｍ上方で捕捉磁場分布を測定した結果を挿入図として示してある。

図４に示すごとく、Ｎｏ．１については、保持温度Ｔs＝４５Ｋまで冷却された最初の状態のバルク体に、パルス磁場Ｂex＝４．５４Ｔが印加された。その結果、Ｂ_L(C)とＢ_L(E)は、１５ｍｓで最高値となるまで上昇し、その後、磁束クリープによって、最終の安定値までゆっくり減少する。
Ｂ_L(E)の最高値はＢexに非常に近い値となった。
一方、Ｂ_L(C)は０．９Ｔ程度にとどまった。

図５に示すごとく、Ｎｏ．２は、Ｔs＝４８Ｋにおいて、Ｂex＝４．６０Ｔのパルス磁場をバルク超電導体に印加したものである。その結果、Ｂ_L(E)の最高値は、２．９Ｔ程度にとどまった。これは、すでに捕捉された磁束が、更なる磁束の侵入を妨害することを示している。
また、同図中の捕捉磁場の分布は、バルク体の中心の不均一な性質と、比較的に低い最高値を示している。そして、このＮｏ．２の結果、バルク超電導体の中心に捕捉された磁場は、１．０Ｔ程度（０．１Ｔ超え、２．０Ｔ未満の範囲）になっていることがわかる。

図８は、各パルス磁場をかけた後の温度の時間変化Ｔ（Ｋ）を示している。
同図から知られるように、Ｎｏ．１については、Ｔは徐々に上昇し、１０ｓで最高値６０Ｋとなり、その後、２０ｍｉｎで、開始温度まで徐々に減少していく。Ｎｏ．１の温度上昇ΔＴ（およそ１５Ｋ）は、主にピンニング損失による発熱Ｑpから生ずると考えられる。
Ｎｏ．２については、ΔＴは、Ｑpの減少による結果として、およそ４Ｋまで劇的に減少した。また、粘性損失Ｑvの方がＱpよりも強くでていると考えられる。
Ｎｏ．２では結果として、図５に示すごとく、Ｂ_L(C)が、０．９Ｔから１．０Ｔまでわずかに増加した。

次に、２次着磁工程におけるＮｏ．３では、図６に示すごとく、バルク体を保持温度Ｔs＝２９Ｋまで冷却したあと、高いパルス磁場Ｂex＝６．７２Ｔを印加した。
同図に示すごとく、Ｂ_L(C)とＢ_L(E)は、いずれもおよそ５．２Ｔの最高値をとるまで上昇し、その後、徐々に減少する。Ｂ_L(C)の上昇時間は、Ｂ_L(E)の上昇時間に比べて長い。

Ｎｏ．４については、図７に示すように、保持温度Ｔs＝２８Ｋまで冷却した後、パルス磁場Ｂex＝６．５９Ｔのパルス磁場をかけた。
その結果、同図に示すごとく、Ｂ_L(C)の最高値が５．１Ｔにとどまっている間に、Ｂ_L(E)の最高値は４．６Ｔまで減少した。
そして、捕捉磁場Ｂ_T ^Pは、４．４７Ｔで存続する。ここで、上記捕捉磁場Ｂ_T ^Pは、バルク超電導体３の表面中央（Ｃ）の位置で測定された値である。

このような高い捕捉磁場が得られたのは、Ｎｏ．３において捕捉磁場Ｂ_T ^P＝２．７０Ｔを予め捕捉していたことによって、Ｎｏ．４での温度上昇がΔＴが抑えられ、この小さい温度上昇ΔＴによって、Ｎｏ．４での磁束の漏れが阻止されるためであると考えられる。
図８に示すごとく、Ｎｏ．３については上昇温度Ｔの最高値は５４Ｋであったが、その場合とＢexの強さが同じにもかかわらず、Ｎｏ．４については、４９Ｋまでしか上昇しなかった。

また、Ｎｏ．４の結果、バルク体の上３．５ｍｍの空間、すなわち、断熱容器の外面における捕捉磁場Ｂ_T ^OUTと合計捕捉磁束Ф_T ^OUTは、それぞれ約２．４５Ｔと、１７．０２×１０^-4Ｗｂであった。
Ｎｏ．５の結果、Ｂ_T ^P値は４．４７Ｔのままで、Ф_T ^OUTは、１７．３５Ｗｂまでわずかに増加した。温度上昇の減少によると考えられる。本例の場合には、Ｎｏ．５はバルク体を効果的に磁化するために必須ではない。

（比較例１、２）
比較のために、同じ保持温度Ｔsにおいて同じ強度のパルス磁場Ｂexを５回印加した例を行った。Ｔs＝４５ＫにおいてＢex＝４．５Ｔを５回印加した場合を比較例１（適宜、SPA(Bex=4.5T)と表す）とし、Ｔs＝２９ＫにおいてＢex＝６．６Ｔを５回印加した場合を比較例２（適宜、SPA(Bex=6.6T)と表す）とした。

図９は、実施例１（適宜、MMPMSと表す）及び比較例１、２における、バルク体の温度上昇の最大値ΔＴmaxと印加したパルス磁場の回数（パルス数）との関係を示している。
図１０は、実施例１及び比較例１、２における、捕捉磁場Ｂ_T ^Pとパルス数との関係を示している。

これらの図から知られるように、比較例１、２（SPA(Bex=4.5T)、SPA(Bex=6.6T)）では、パルス数の増加に伴いΔＴmaxは徐々に減少し、Ｂ_T ^Pは徐々に増加している。そして、両方の値は、最終の値で飽和している。これらの結果から、ピンニング損失による発熱Ｑpが、Ｂ_T ^Pの増加分に直接関係していることがわかる。

また、図９、図１０より知られるごとく、実施例１（MMPMS）と比較例２（SPA(Bex=6.6T)）とは、Ｎｏ．３（Ｂex＝６．６Ｔ、Ｔs＝２９Ｋ）のあとのΔＴmaxとＢTがほぼ同じであった。しかしながら、Ｎｏ．４の後のＢ_T ^Pは、保持温度Ｔsと印加したパルス磁場Ｂexとがほとんど等しいにもかかわらず、大きく異なった。

この結果は、パルス磁場をかける前のＢ_T ^PやＴsのような巨視的な条件のみによって、得られる捕捉Ｂ_T ^Pの値を正確に予測できないことを示している。一方、微視的な条件である捕捉磁場分布のようなほかのパラメータは、パルス着磁方法による捕捉磁場Ｂ_T ^Pの値を決定的に左右するかもしれない。

しかしながら、本例の結果からは、開始温度Ｔsの適切な選択と、各段階でのパルス磁場Ｂexの最適化は、結果的に４Ｔを超える高いＢ_T ^P値に達するために非常に重要であることがわかる。そして、１次着磁工程と２次着磁工程の各段階で、同じ強度を有するパルスの連続的な適用（複数回のパルス磁場の印加）は、温度上昇の減少に非常に効果的であり、少なくとも、各保持温度Ｔsごとに同じパルス磁場Ｂexを２回印加することが非常に有効である。

なお、上記実施例１と同じ手順を行うことによって、再現性のテストを行ったが、上記位置Ｃにおいての捕捉磁場Ｂ_T ^Pが４．２Ｔとなり、再現性があることが確認された。

（実施例２）
本例は、実施例１におけるパルス着磁方法をより効率よく実施できる超電導磁石装置を得るために、超電導磁石装置１に用いるバルク超電導体３の構成を変更して、最適な構成を求めた。
本例では、放熱部材を外周側面に配設した複数種類のバルク超電導体と、放熱部材を備えていないバルク超電導体、合計５種類を準備し、放熱性の評価を行った。

図１１に示すバルク超電導体３は、その外周側面に、切れ目のない環状のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）よりなる放熱部材４１を直接配設した構成を有するものである（以下、これを「SUS品」と表す）。
図１２に示すバルク超電導体３は、その外周側面に、切れ目４２０を設けた環状のアルミニウム合金（純アルミ又はアルミニウムを主体とする合金）よりなる放熱部材４２を直接配設した構成を有するものである（以下、これを「Al-cut品」と表す）。
また、上記構成で切れ目を設けていないもの（以下、「Al-non-cut品」と表す）も準備した。

図１３に示すバルク超電導体３は、その外周側面に、切れ目４３０を設けた環状のアルミニウム合金よりなる内管４３１と、内管４３１の外周側に配設された切れ目のない環状のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）よりなる外管４３２とを組み合わせた複層管よりなる放熱部材４３を直接配設した構成を有するものである（以下、これを「Double品」と表す。
また、バルク超電導体の側面外周部を露出させ、放熱部材を配設した構成のものも準備した（以下、これを「without品」と表す）。

放熱性の評価は、実施例１と基本構成が同じの超電導磁石装置１に、上記５種類のバルク超電導体をセットして、所定の条件でパルス磁場を印加し、その際のバルク超電導体及び放熱部材の温度変化を測定することにより行った。また、バルク超電導体のセットは、必ず、放熱部材がコールドステージ状の上記インジウムフォイル２３（図２）に接触するように配置した。

まず、SUS品、Al-non-cut品、及びAl-cut品の３種類について、バルク体の発熱が無い保持温度Ｔs＝１００Ｋでパルス磁場Ｂex＝６．０４Ｔを印加し、各部の温度変化を測定した。温度測定点は、図１４、図１５に挿入図としてしめしたＰ１〜Ｐ５及びＲｉｎｇと示した合計６点である。

SUS品の測定結果を図１４、Al-non-cut品の測定結果を図１５、Al-cut品の測定結果を図１６に示す。いずれも横軸が時間、縦軸が温度である。
図１４より知られるごとく、SUS品の場合には、渦電流による発熱はほとんど無いことがわかる。一方、図１５より知られるごとく、Al-non-cut品の場合には、放熱部材が初期に急激に温度上昇しており、渦電流の影響が大きいことがわかる。また、図１６より知られるごとく、Al-cut品の場合には、切れ目４３０の存在により、渦電流の影響を緩和することができ、急激な発熱を抑制できることがわかる。

次に、SUS品、Al-cut品、Double品、及びwithout品の４種類を用い、保持温度Ｔs＝４０Ｋ、パルス磁場Ｂex＝４．７０Ｔを５回連続して印加した場合の、第１回目の印加（Ｎｏ．１）と第５回目の印加（Ｎｏ．５）の場合の、Ｐ１点の温度（Ｔ１）の変化、Ｐ４点の温度（Ｔ４）の変化、Ｒｉｎｇの温度（ＴRing）の変化を、それぞれ測定した。その結果を図１７〜図１９に示す。いずれの図も、横軸が時間、縦軸が温度である。

図１７及び図１８より知られるごとく、放熱部材を配設した場合には、いずれもwithout品よりもバルク超電導体の高い放熱性が得られた。また、図１７〜図１９より知られるごとく、放熱部材を備えたものの中では、総合的に見て、Double品が最も優れた放熱特性を示した。

（実験例）
本例では、実施例１の優れた効果を裏付けることを目的とした実験例を示す。
上述したように、バルク超電導体の超強力磁石としての応用・実用化を目指す際に、安価でコンパクトなパルス着磁方法（ＰＦＭ）は重要な技術である。しかし一般的に磁場中冷却着磁法（ＦＣＭ）に比べＰＦＭでは、７７Ｋ以下で半分程度の捕捉磁場Ｂ_T ^Pしか達成できなかった。その理由は磁束が超伝導体中を運動することによって生じる発熱が温度上昇となって超伝導体のピンニング力を低下させることにあり、一般的にピンニング損失、粘性力損失と呼ばれている。低いＢ_T ^Pの原因がこれらの発熱によって生じる温度上昇であることは一般的に知られているが、これまで詳細な実験データは存在しなかった。

本例では、２０Ｋまで冷却したバルク体へのパルス着磁を行い、温度上昇と捕捉磁場の関係を検討し、捕捉磁場向上の可能性を探った。また温度上昇から発熱量を算出し、ピンニング損失・粘性損失別に考察することで磁束の捕捉特性を詳細にすることを目的とした。

＜実験方法＞
実験装置は、基本的に実施例１の超電導磁石装置１の構成と同じである。バルク超電導体としては、溶融法で作製したＳｍ系超伝導バルク体（直径φ=45mm、厚みh=15mm；同和鉱業製）を、上・下面の樹脂含浸を取り除いて用いた。温度測定のための熱電対は、後述する図２０の挿入図に示すごとく、バルク中央に１箇所[T1]、Growth Sector Boundary(GSB)に囲まれた領域の４箇所[T2−T5]の計5箇所に貼り付けた。さらに、T1横のホールセンサーで捕捉磁場Ｂ_T ^Pを測定した。

バルク体を保持温度Ｔｓ＝２０Ｋ、３０Ｋ、４０Ｋに冷却した後、Ｂex＝３．８３〜６．０４Ｔのパルス磁場（立ち上がり時間：１２ｍｓ）を各５回繰り返し印加（以下、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５し、それぞれのバルク体の上昇温度Ｔ（Ｋ）と、捕捉磁場Ｂ_T ^P（Ｔ）を測定した。また、デジタルオシロスコープによってＰＦＭ中の印加磁場μ₀Ｈaと局所的な磁場ＢTの時間依存性も測定した。パルス印加後、磁場分布（バルク体表面３ｍｍ上部）の測定も行った。

＜実験結果＞
図２０及び図２１に各温度におけるＮｏ．１印加時の最大温度上昇ΔＴmaxおよび総磁束量Φ_Ｔの印加磁場依存性を示す。
ΔＴmaxはバルク体周辺部（T2〜T5）の平均である。図２０より知られるごとく、印加磁場の増加と共にΔＴmaxは大きくなる。これは、高磁場側ほどバルク体内で磁束の運動が激しいことを表している。また、低温になるほど比熱が小さくなるためΔＴmaxは大きくなり、高磁場側ほど保持温度Ｔs＝４０Ｋとの差が大きくなる。
保持温度Ｔs＝２０Ｋにおける最大温度上昇は、パルス磁場Ｂex＝６．０４Ｔの場合でで約４３Ｋにもなる。

一方、図２１において、低磁場（３．８３Ｔ）では温度が高いほど総磁束量は大きいが、高磁場（５．５３Ｔ以上）では逆に温度が低いほど総磁束量は大きいことが分かる。これは低温化によってバルク体の臨界電流密度Ｊcが向上し、ピンニング力が増大したためである。低磁場ではピンニング力が強すぎて、中心まで十分に磁束が侵入できなかったため、２０Ｋの結果は４０Ｋよりも下回っている。しかし、高磁場になり２０Ｋでも十分に磁化されるとピンニング力が強い２０Ｋの方がより多くの磁束を捕捉することができるため、図２１のような結果になる。また、同じ高磁場でもパルス磁場Ｂex＝６．０４Ｔでは磁束の運動が激しく、温度上昇が大きすぎてＪcが低下し、総磁束量が減少する結果となった。

これらの結果をさらに厳密に考察するために、ＰＦＭ中の局所的な磁化過程を次式のように観察した。
Ｍ＝ＢT−μ₀Ｈa （１）
Ｍは磁化、ＢTとμ₀Ｈaはデジタルオシロスコープで観察した捕捉磁場と印加磁場である。（１）式で描くことができる磁化曲線でのヒステリシス損失は、着磁過程に伴うエネルギー損失ということでピンニング損失と考えることができる。

図２２に、上記のように算出したピンニング損失の印加磁場依存性を示す。挿入図として（１）式から得られる磁化曲線を示す。保持温度Ｔs＝２０Ｋでパルス磁場Ｂex＝５．５３Ｔ印加中のものである。ゼロ磁場冷却（ＺＦＣ）ではバルク体の中心まで磁束が侵入することができないために終始、ほぼ完全反磁性の振る舞いを示す。磁化曲線の励磁過程ではＺＦＣと同様に完全反磁性を示すがピーク磁場に近づくにつれて徐々に磁束が中に侵入し始める。磁束の侵入に伴い、磁化はプラスに転じ、最終的な磁化の値が捕捉磁場となる。

ピンニング損失は印加磁場の増大と共に大きくなる。２０Ｋに比べて低磁場では４０Ｋの方が大きくなる。逆に高磁場になると２０Ｋの方が大きくなり、図２１に示す場合とと非常に類似した振る舞いをもつことがわかる。ピンニング力増大の影響が高磁場側において大きく、総磁束量の向上につながっていることを示している。

＜結論＞
低温における温度上昇と捕捉磁場の関係を明らかにし、捕捉磁場向上の可能性を考察した。その結果、低温では比熱の減少により温度上昇は大きくなるが、ピンニング力の効果が大きいため捕捉磁場は向上した。ただし、高ピンニング力となる２０Ｋで低磁場を印加しても磁束がバルク体内に侵入できないため捕捉磁場は小さい。より高磁場でのＰＦＭが有効である。

実施例１における、超電導磁石装置の構成を示す説明図。実施例１における、超電導磁石装置のバルク超電導体の配設状態を示す説明図。実施例１における、バルク超電導体の温度と局部磁場の測定ポイントを示す説明図。実施例１における、Ｎｏ．１の場合の、印加磁場μ₀Ｈaと、位置ＣとＥでの局所磁場Ｂ_L(C)、Ｂ_L(E)の時間変化を示す説明図。実施例１における、Ｎｏ．２の場合の、印加磁場μ₀Ｈaと、位置ＣとＥでの局所磁場Ｂ_L(C)、Ｂ_L(E)の時間変化を示す説明図。実施例１における、Ｎｏ．３の場合の、印加磁場μ₀Ｈaと、位置ＣとＥでの局所磁場Ｂ_L(C)、Ｂ_L(E)の時間変化を示す説明図。実施例１における、Ｎｏ．４の場合の、印加磁場μ₀Ｈaと、位置ＣとＥでの局所磁場Ｂ_L(C)、Ｂ_L(E)の時間変化を示す説明図。実施例１における、各パルス磁場を印加した後のバルク超電導体表面の温度の時間変化を示す説明図。実施例１における、バルク体の温度上昇の最大値ΔＴmaxと印加したパルス磁場の回数（パルス数）との関係を示す説明図。実施例１における、捕捉磁場Ｂ_T ^Pとパルス数との関係を示す説明図。実施例２における、SUS品の放熱部材を配した構成を示す、（ａ）平面図、（ｂ）Ａ−Ａ線矢視断面図。実施例２における、Al-cut品の放熱部材を配した構成を示す、（ａ）平面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ線矢視断面図説明図。実施例２における、Double品の放熱部材を配した構成を示す、（ａ）平面図、（ｂ）Ｃ−Ｃ線矢視断面図説明図。実施例２における、SUS品の温度測定結果を示す説明図。実施例２における、Al-non-cut品の温度測定結果を示す説明図。実施例２における、Al-cut品の温度測定結果を示す説明図。実施例２における、Ｎｏ．１とＮｏ．５の場合の、Ｐ１点の温度（Ｔ１）の変化を示す説明図。実施例２における、Ｎｏ．１とＮｏ．５の場合の、Ｐ４点の温度（Ｔ４）の変化を示す説明図。実施例２における、Ｎｏ．１とＮｏ．５の場合の、Ｒｉｎｇの温度（ＴRing）の変化を示す説明図。実験例における、各温度におけるＮｏ．１印加時の最大温度上昇ΔＴmaxの印加磁場依存性を示す説明図。実験例における、各温度におけるＮｏ．１印加時の総磁束量Φ_Ｔの印加磁場依存性を示す説明図。実験例における、算出したピンニング損失の印加磁場依存性を示す説明図。

符号の説明

１超電導磁石装置
３バルク超電導体
４１〜４３放熱部材

Claims

バルク超電導体の外周側に着磁コイルを配置し、該着磁コイルに電流を流してパルス磁場を発生させることにより、上記バルク超電導体を着磁するバルク超電導体のパルス着磁方法において、
上記バルク超電導体を、超電導転移温度以下の保持温度Ｔ₁に保持し、パルス磁場Ｂ₁を印加して、上記バルク超電導体の中心の捕捉磁場が０．１テスラ超え、２．０テスラ未満となるように上記バルク超電導体に磁場を捕捉させる１次着磁工程と、
上記バルク超電導体を上記保持温度Ｔ₁よりも低い保持温度Ｔ₂（＜Ｔ₁）に冷却保持し、上記パルス磁場Ｂ₁よりも高いパルス磁場Ｂ₂（＞Ｂ₁）を印加することにより、捕捉磁場を増大させる２次着磁工程とを含むことを特徴とするバルク超電導体のパルス着磁方法。
請求項１において、上記２次着磁工程を行った後に、さらに、前回の着磁工程における保持温度Ｔ_n-1（ｎは３以上の自然数）よりも低い保持温度Ｔ_n（＜Ｔ_n-1）に冷却保持すると共に、前回の着磁工程におけるパルス磁場Ｂ_n-1よりも高いパルス磁場Ｂ_n（＞Ｂ_n-1）を印加する追加着磁工程を１回又は複数回追加することを特徴とするバルク超電導体のパルス着磁方法。
請求項１又は２において、上記各着磁工程では、それぞれパルス磁場の印加を複数回行うことを特徴とするバルク超電導体のパルス着磁方法。
請求項１〜３のいずれか１項において、上記バルク超電導体は、ａｂ面を主面として両面に露出させた扁平形状を呈する疑似単結晶の酸化物超電導体よりなり、そのａｂ面に垂直なｃ軸方向に上記パルス磁場を印加することを特徴とするバルク超電導体のパルス着磁方法。
バルク超電導体のパルス着磁方法を実施するための超電導磁石装置であって、
断熱容器内に配設された上記バルク超電導体と、該バルク超電導体を載置して冷却するためのコールドステージを備えた冷凍機と、上記バルク超電導体にパルス磁場を印加するための着磁コイルとを有してなり、
上記バルク超電導体は、ａｂ面を主面として両面に露出させた扁平形状を呈する疑似単結晶の酸化物超電導体よりなると共に、上記主面と直交する面である外周側面が放熱部材により覆われており、上記主面の一方と上記放熱部材の端面から上記コールドステージに吸熱されるよう該コールドステージ上に配設されていることを特徴とする超電導磁石装置。
請求項５において、上記放熱部材は金属製であることを特徴とする超電導磁石装置。
請求項６において、上記放熱部材は、切れ目のない環状のステンレス鋼よりなることを特徴とする超電導磁石装置。
請求項６において、上記放熱部材は、その磁場印加方向に沿う方向の切れ目を設けた環状のアルミニウム合金よりなることを特徴とする超電導磁石装置。
請求項６において、上記放熱部材は、切れ目を設けた環状のアルミニウム合金よりなる内管と、該内管の外周側に配設された切れ目のない環状のステンレス鋼よりなる外管とを組み合わせた複層管であることを特徴とする超電導磁石装置。