Ziad Melhemは、世界で最も強力な全超伝導マグネットの設計・開発に投入された思考を概説しています
超強力な磁石は比較的最近の現象です。 19世紀以前には、磁石はマグネタイトと呼ばれる鉱物から作られた天然の岩石しかありませんでした。 1819年、デンマークの科学者ハンス・クリスチャン・オルステッドが、金属線に電流を流すと磁場が発生することを発見してから、磁石の強さが飛躍的に向上したのは、約1世紀後の超伝導の発見からである。
2017年12月、低温超電導（LTS）磁石技術の向上と、高温超電導（HTS）材料の進歩により、磁石の開発に新たな変化がもたらされました。 米国フロリダ州の国立強磁場研究所（NHMFL）が32Tの全超電導マグネットのデモンストレーションに成功したことは、この分野における重要なマイルストーンとなった。 この新しい超電導磁石は、2019年にユーザーが利用できるようになる予定で、その高く安定した磁場は、科学者が核磁気共鳴、電子磁気共鳴、分子固体、複雑な金属の量子振動研究などの分野で新境地を開くのに役立つでしょう。
しかしながら、> 25 Tの磁場を発生させることができる磁石の設計・製造には、いくつかの課題があります。 このようなシステムに蓄積されるエネルギー量は膨大であり、磁石への通電や、暖機や「クエンチ」（超伝導から抵抗性の挙動への移行として知られている）の両方に関連する電磁力やストレスを管理することは容易ではありません。 また、高品質で均一なLTS、HTSのワイヤーやテープを1メートル単位（さらには1キロメートル単位）で生産することも難しい。
適切な超電導体を見つける
25T以上の超電導マグネットは、通常、LTS材料で作られた外側のマグネット(または「アウトサート」)と、HTS材料を使用したインサートから構成されています。 32 TのNHMFLマグネットでは、アウトサート部は、ブルカー・オックスフォード超電導テクノロジー社が提供するニオブ錫（Nb3Sn）3コイルとニオブチタン（NbTi）2コイルで構成されています。 これらのコイルを合わせると、250mmのワイドボアマグネットで15Tの磁場が得られます。 挿入部は、NHMFLが開発した34mmのコールドボアに、スーパーパワー社製の先進的なHTS超電導テープを用いて17Tの磁場を実現しています。
LTSのみのマグネットでは、LTS材料の物理的な限界により、4.2 Kで21 T（または2.2 Kで23 T）をはるかに超える磁場を発生させることができないため、高磁場マグネットの二重コンポーネント設計が必要となる。 例えば、1970年代に開発されたNbTiは、それ以来、超電導マグネットの「主力」となっている。 しかし、NbTiは、60mm以下の狭い口径のマグネットでは、4.2Kで10T以下（2.2Kで11.7T以下）の磁場でしか超電導体として機能しない。 磁石の口径が60mm以下の細い磁石では、4.2Kで10T以下（2.2Kで11.7T以下）の超伝導体となるが、口径の大きい磁石ではさらに低くなり、高磁場の磁石には使えない。 Nb3Snを用いたコイルは、NbTiよりもはるかに高い2.2Kで23Tまで超電導状態を維持できるが、超電導体のエネルギーを散逸させ、コイルが早期に焼失するフラックスジャンピングと呼ばれる現象を防ぐために、非常に微細なフィラメント状の構造が必要である。
対照的に、高温超伝導材料は、4.2 Kで大きな電流を流すことができ、ニオブベースの線材に固有の磁場の限界をはるかに超えて超伝導を維持し、45 Tまでの磁場（超伝導コイルだけでなく抵抗コイルを組み込んだ磁石で発生させることができる）で良好な性能を示します。 しかし、これらの材料には、コスト、信頼性、ユーザーコミュニティでの受け入れという点で、さらなる課題がある。 第1世代のHTS線材は、銅酸化物系超電導体であるBi-2212（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・カッパー・オキサイド）で作られていた。 この材料は、磁場の向きに関係なく安定した性能を発揮するが、製造するためには酸素中で非常に精密な熱処理を行う必要があり、その後は非常に脆くなるため、ひずみの影響を受けやすくなる。 NHMFLの32Tマグネットには、イットリウム、バリウム、銅、酸素で構成された超電導セラミックスであるYBCOから作られた第2世代のHTS線材が使用されている。 YBCOの線材やテープはここ数年で生産量が増加し、機械的特性はBi-2212よりも優れているが、磁場の向きに対する異方性があるため、マグネットの設計にはそれを考慮する必要がある。 また、より高度なクエンチマネジメントシステムが必要になります。
Managing stored energy and stress
マグネットのインサートとアウトサートの超電導体が動作するためには、両方のコンポーネントを4.2Kの液体ヘリウムのバスに完全に浸しておく必要があります。数センチの高さから落としたピンの位置エネルギーに相当するわずか数μJの追加エネルギーがあれば、コイルが抵抗になって磁石がクエンチするところまで温度が上がる。 クエンチが起こると、ヘリウムが沸騰し、磁石に蓄えられていたエネルギーが一気に放出されるため、クエンチのプロセスを適切に管理しないと、磁石の構造にダメージを与える危険性があります。 最大磁場32Tの場合、NHMFLの磁石に蓄えられているエネルギーは8.3MJ以上で、これはTNT2kgのエネルギーにほぼ匹敵します。
8.3 MJのエネルギーの散逸を、マグネットや周囲の物体に最終的なダメージを与えないように管理するにはどうすればよいでしょうか。 解決策は、エネルギーを非常に素早く放出するクエンチ管理システムですが、熱勾配やコイル内の過大電圧による磁石の損傷を避ける方法でもあります。 このシステム（オックスフォード・インストゥルメンツが開発した専用の特許取得済みソリューション）は、故障モード時に、コイルとその電圧にかかるすべてのストレスが設計限界内に保たれることを保証し、材料性能への過剰な挑戦を確実にします。 例えば、特別に設計されたコイルヒーターは、マグネットコイルを抵抗性にするために使用され、クエンチからのエネルギーを均一かつ安全に分散させ、局所的な過剰電圧によってコイルの一部が損傷することを防ぎます。 さらに、温度、電圧、電流、ワイヤーやテープの位置などのわずかな変化を監視するセンサーによって、統合マグネットシステムの安全性が保たれている。
高磁場マグネットは、大量のエネルギーを蓄積するだけでなく、膨大な電磁ストレスを受けます。 同じ磁石でも、機械的ストレスの量は磁場の強さに比例して2次関数的に増加し、32Tでは300トン以上、磁気圧力は250MPa以上にもなります。 従来の磁気コイルの補強方法は、コイルにワックスを含浸させて自立構造を作り、動作中のローレンツ力によるコイルの損傷や、機械的な動きによるコイルのクエンチの繰り返しを防ぐというものでした。 しかし、超高磁場ではこれだけでは不十分です。 そこで、LTSアウトサート用のコイルを特殊な真空チャンバーで真空にし、コイル内の空隙をエポキシ樹脂で補ってから大気圧に戻すという方法を採用しました。
発見への期待
強磁場マグネットは、科学的な研究開発を可能にするために、すでに重要な役割を果たしています。 後にノーベル物理学賞、化学賞、医学賞を受賞したものを含め、多くの重要な発見が強磁場の助けを借りてなされている。
しかしながら、32 T NHMFLマグネットのような装置の最もエキサイティングな未来のアプリケーションは、ナノテクノロジーの分野にあると私は考えています。 強磁場磁石は、1～100nmの範囲の原子や分子構造の研究と操作を可能にし、このスケールの材料の特性をどのように改善して、より高い強度、高い反応性、優れた触媒機能、高い伝導性を実現するかを理解するのに役立ちます。 また、新しい物質の状態を研究し、修正し、制御するためには、低温に加えて高磁場も重要な役割を果たします。 超電導マグネットは、抵抗性マグネットのような膨大な電力消費や大規模なインフラを必要とせずに、これらの高磁場を提供します。 よりコンパクトな32Tの新マグネットは、ランニングコストをさらに削減し、より多くの科学者や研究機関が高磁場の研究にアクセスできるようになります。
- 「2018 Physics World Focus on Instruments and Vacuum」の続きは、デジタルマガジン、またはiOSやAndroidのスマートフォンやタブレット用の「Physics World」アプリでお楽しみください