電磁現象の解明から超伝導線材設計の時代へ

(1)

低温工学協会九州・西日本支部

Cryogenic Association of Japan

電磁現象の解明から

超伝導線材設計の時代へ

福岡工業大学山藤馨

2011 年 4 月 23 日

低温工学協会九州・西日本支部設立 10 周年記念研究会

九州大学伊都キャンパス

(2)

低温工学協会九州・西日本支部

Cryogenic Association of Japan

慨容

・九州における超電導工学研究の夜明け

・超電導材料・線材の電磁現象解明

・超電導線材への「人工ピン」の導入

・超電導材料・線材・導体特性の国際標準化

・超電導パワー工学の概念の変遷と今後のあるべき姿

(3)

超電導工学の夜明け

Josephson 効果の発見

（BCS理論の提出）

Meissner 効果の発見

NbTi

^の発見

Nb

_３

Sn

^の発見

銅酸化物高温超伝導体の発見

鉄系新高温超伝導体の発見

超電導パワー工学の夜明け超電導エレクトロニクス工学の夜明け

超電導体の発見

１９１１１９３３１９６１１９８６２０11

九州大学工学部の設置

九州大学における超電導工学の

研究開始

入江先生紫綬褒章

受賞九州大学

超伝導マグネット研究センター発足

(4)

材料・線材のピンニング特性の研究材料・線材の電磁現象の研究

線材の開発・設計・製造技術の研究

装置・システムの開発・研究線材・導体の機械的性質の研究・冷却技術等々

～１０

^－９

ｍから～１０

^３

ｍに至る

膨大な長さのスケール差 ∆L に亘って超伝導特性の強い影響下で

研究・開発を行う必要性！

１

n

m 1

μ

m 1

m

m 1 m 1

ｋ

m

ξ λ

超伝導パワー工学

超伝導工学の特徴の例

極低温の

技術・工学

であること！

(5)

超伝導パワー工学の黎明期における基盤技術の主な研究分野

材料・線材の

電磁特性の解明

材料・線材の磁束ピンニング特性の解明

・各種ピンのピンニング機構とピン力評価

・導入されたピン集団におけるピン力の和ピンを含む材料・線材における電磁特性の解明

・異方的試料形状に対する磁束方向の影響

・交流損失機構の解明と交流損失の評価

・磁気不安定性（磁束跳躍）の機構解明

･・・

・ ○

材料・線材の

電磁特性設計の

基礎研究

・臨界電流密度（ J

_ｃ

）の温度・磁界スケーリング則

・多芯線の交流損失の評価とスケーリング

・設計し易い高 J

_ｃ

ピン（人工ピン）導入の研究

・線材・導体の安定性と低損失化の研究

・線材・導体特性の測定法の国際規格化

・・・

・ ○

・ ∆

・ X

(6)

量子化磁束をピン止めする

ピンニング・センター導入の必要性

電界

電流ピンの導入

第一種超伝導体磁界

電流

第二種超伝導体

(7)

ピンニング力の理論的評価問題

要素的ピン力の理論的評価

f

p

単位体積当りのピン力

（：ピン止め効率）の加算問題

p c p p

F  J B   F

^p

f N

（：単位体積当りのピン数）

N

p



(8)

要素的ピン力に寄与する相互作用（低 T

_ｃ

超電導体）

f p

変化する

自由エネルギーの種類

凝縮

エネルギー

変化

核相互作用電子散乱相互作用異方性

エネルギー

相互作用の種類相互作用の

大きさピン付近で超電導度が変化

（析出物等）

大

ピン付近で電子自由行程が変化

（結晶粒界等）

大

結晶粒界の付近で

B_ｃ２が変化

中

弾性エネルギー変化

磁気的エネルギー変化

ピン付近で超電導体の

弾性エネルギーが変化

小

ピン付近で

B 分布が変化

High κでは

小

(9)

磁束ピンニング力加算理論の古典論（～１９７８）

研究対象仮定１仮定２

低 T

_ｃ

超伝導体の

3D 磁束の集団熱遥動を無視量子化磁束間の相関距離は ∞

成果：「動的理論」と「静的理論」の一致

R. Labush

（静的理論）

と山藤・入江 A.Schmid

（動的理論）

が不一致！

松下が解決

E

J Labusch

Ｙ－Ｉ－ＳＭａｔｓｕｓｈｉｔａ

J_c

致命的欠点

古典理論の結論

十分小さいに対しては

＝０

実験事実に合わない！

f

_p

F

_p

(10)

磁束ピンニング力の加算問題の近代理論の幕開け

Larkin-Ovchinnikov 理論の提出（ 1978 ）

ピンを含む超伝導材料中における

量子化磁束間の相関距離は有限！

この理論によって

古典論の矛盾は解消

相関体積：

で囲まれた量子化磁束群の部分を

「磁束バンドル」と呼ぶ。

2

c

2

44 66

V    

「磁束バンドル」内の量子化磁束数が少ほど強いが得られる。

（の打ち消しが少ないから！）

F

_p

f

p

ピン力の加算は相関距離で囲まれた

「相関体積」内で行えばよい！

V

c

(11)

・・

・

(12)

ピンの幾何学的形状によるピン止め効率（低 T

_ｃ

超伝導）

ピンと量子化磁束の衝突断面積が大ほどが大

p c

F  J B

ピンの形状ピンの次元の大きさ

F p 粒状：

粒状不純物粒状析出物

等

０次元：

小

線状：

柱状析出物転位セル

等

１次元：

中

面状：結晶粒界面状析出物

等

２次元：

大

(13)

低T

_ｃ

超伝導フィラメントの電磁現象

難点１：

基礎方程式が従来と異なる

0

/

B J

E B t



 

   

難点 2 ：

形状異方性が大きい

現象

縦磁界

（1 次元）

H_DC H_AC

横磁界

（2 次元）

異常横磁界

（２次元）電流

異常横磁界

（３次元）

異常縦磁界

（３次元）

１９７５ ○ ＸＸＸＸ

１９８５ ○ ○ ○ ○ ○

(14)

超伝導多芯線の電磁現象

１９７５１９８５

(15)

(16)

B

T

_ｃ

（ B ） T

常電導状態

ガラス状態

マイスナー状態

液体状態

B

_GL

（ T ）

T B

T

_ｃ

（ B ）

マイスナー状態混合状態

（～結晶状態）

常電動状態

B

_ｃ２

（ T ）

銅酸化物系高温超伝導材料の特徴

低 T_ｃ超伝導

材料

・が比較的長い

・極低温で使用する熱遥動の影響が

無視できる！

ξ

結晶粒界がピンにならず電流路を遮断

高 T_ｃ超伝導

材料

・が極端に短い

・窒素温度付近で使用熱遥動の影響が

本質的に重要！

ξ



線材の電磁特性設計に必要な臨界電流密度 J BT c ( , ) のスケーリング則

2

2 2

c c

1

c c

B B

J B B

B B

 





   

     

   

_c _{G L}

1

G L G L

B B

J B B

B B

 





   

     

   

B

_ｃ２

（ T ） B

_GL

（ T ）

(17)

ガラス・液体遷移（ G ・ L 遷移）の本質と技術への適用

Fisher らの理論の特徴

G ・ L 遷移は２次相転移

G ・ L 遷移は S ・ N 遷移

（ J→０で電気抵抗→０）

Fisher らの理論の問題点

（スピン・グラス系のモード結合理論を適用）

この理論からは B

_GL

（ T ）の

表式が求まらない！

再検討が必要！

① Feigel’man理論は超長時間の現象には

適用できない！?

② L－O 理論と矛盾！

（L-O理論は J によらない）

山藤・木須・藤吉理論の特徴

B

_GL

（T）の表式が

導ける！

J → ０でも

電気抵抗は有限値！

G ・ L 遷移

は

量子化磁束の

熱遥動

でピン止めがはずれる

「デピン遷移」！

熱運動

B＝B_GL（T）では、「或る」磁束フロー・パスに沿った全てのピンポテンシャルが熱遥動で「埋まる」。

(18)

pm(pk) cm(k) GL(k)

GL(k) GL(k)

( ) ( ) B 1 B

F B J B B AB

B B



 

   

          

B-dependence (scaling)

2

GL(k) p

p c

c c c

( ) 1 1 1 4

1 1 1 1

b T a a a

B T

T T T

T

T T T

 

   

   

  

                             T-dependence

RE －１２３線材の臨界電流密度のスケーリング則（温度・磁界依存性 c ）

( , )

J B T

Kiss et al.

(19)

Magnetic field

Direction of transport current

Sample

Magnetic field

Direction of transport current

Sample Sample

Res. Inst. Sup. Sci & Sys. Kyushu Univ.

-19-

10

⁷

10

⁸

10

⁹

10

¹⁰

10

¹¹

0 5 10 15 20 25 30

C ritic al c u rr en t d en sit y J

c

(Am

-2

)

Magnetic field B (T)

GdBCO CC 線材の通電特性の定式化（ J c -B ）

Experimental data

Analytical estimation for experimental condition Analytical estimation beyond experimental condition

IBAD-PLD GdBCO CC (I

_c

~ 350 A @ 77 K & s.f.)

77 K

4 K 20 K

40 K 50 K

65 K

(20)

初期の人工ピン NbTi 多芯線に N ｂ人工ピンを導入

(21)

B ( T ) F_p

NbTi 多芯線に Island 型人工ピンを導入

Miura et al.

成果１：

従来の商用 AC 多芯線より

Jｃがかなり高い。

成果２：

F_ｐのピークの位置を

１～４ T の範囲で制御可能。

(22)

人工ピンの概念の整理

松本要：応用物理７７[1] 19 (2008)

(23)

銅酸化物系高温超伝導材料における最近の成果例

７７ K で４．２ K の NbTi を超えた！（吉田、松本 et al. )

(24)

超伝導材料・線材・導体特性の測定技術の国際規格化

担当組織

IEC （国際電気標準会議）の

TC90 （超伝導国際委員会）

設立

1989 年

会員国家

議長国：米国幹事国：日本

常任メンバー（１０箇国）：オーストリア、フランス、ドイツ、

ロシア、イタリア、ポーランド、ルーマニア、韓国、米国、日本

これまでの成果： IEC 規格（14 件）、 JIS 規格（14 件）

用語規格超伝導関連用語

試験方法

規格・

・ I

_ｃ

試験（ NbTi 線材、 Nb

_３

Sn 線材、 Bi 系線材）

・銅比試験（ NbTi 線材、 Nb

_３

Sn 線材）

・ RRR 試験（ NbTi 線材、 Nb

_３

Sn 線材）

・室温引張り試験（ NbTi 線材）

・ M 波表面抵抗試験・超伝導バルク捕捉磁束密度試験

・臨界温度試験・交流損失試験（ NbTi 線材）

(25)

超伝導関連国際標準化の現状の課題と将来の課題

現状の課題

（幹事国としての）メンテナンス管理

と

新事業項目提案

・ 5 年毎の期限延長・改正・廃棄

・「不確かさ」の概念導入

・銅酸化物 HTS 関連規格化推進

・幹事国として国際規格化をリードすることは重要！

（経産省：超伝導を国際標準化重要項目の一つに指定）

・ HTS 製品の国際規格整備 2013～2015：電力関連機器

（現在：超伝導市場～ 5400 億円の 99 ％が LTS 製品）

・地球環境改善関連規格の整備

（ CO

_２

削減、ライフサイクル、等）

将来の課題

日本産業の国際戦略の視点から

世界的（地球的）

視点から

(26)

初期の「超伝導パワー工学」のイメージ

初期の頃の「超伝導工学」のイメージ

「超伝導工学」

「超伝導科学」

（ BCS理論等、 quasi- First Principle に基づく）

の基盤の上に

「超伝導工学」

を建設。

そのような

「超伝導工学」

の基盤となるであろう

・ピンニング現象

・電磁現象等々

の絨毯爆撃的解明に着手。

(27)

「超伝導パワー工学」の概念の変遷

初期の超伝導

工学の

建設概念の

矛盾・弱点

「工学」の基盤となる「科学」の変遷・進歩（例）古典物理学量子物理学素粒子物理学

（ストレンジネス）

宇宙物理学

（ひも理論）

超伝導技術には非常に多くの種類があり、

それぞれの技術を支える超伝導工学は

その技術の特質に適した科学を基盤に建設すべき。

超伝導材料・線材等の特性で「解明されていない」からという理由のみで現象の解明を行うのは、「技術の基盤」

としての超伝導工学建設には必ずしも結びつかない。

弱点の原因

「超伝導産業」の図を下から眺めていたから。

産業（製品）という「ニーズ」の観点に立って、

必要な技術の基盤をなす「超伝導工学」を建設する。

(28)

今後の「超電導工学」のあるべき姿

超電導・低温産業

超電導・低温工学

超電導・低温工学超電導・

低温工学

これらの製品技術、種々の基盤技術を支える

超電導・低温工学を建設

超電導・低温産業の可能性の開発

線材・導体技術

その他の基盤技術

種々の基盤技術を開発

その他の基盤技術

製品

製品技術

ニーズに合った製品の製品技術を開発

製品

製品技術

電磁現象の解明から 超伝導線材設計の時代へ

低温工学協会 九州・西日本支部

2011 年 4 月 23 日

慨容

・ 超電導パワー工学の概念の変遷 と 今後のあるべき姿

（BCS理論 の 提出）

超電導パワー 工学の夜明け 超電導エレクトロニクス 工学の 夜明け

超電導体の発見

受賞 九州大学

材料・線材 の ピンニング 特性 の 研究 材料・線材 の 電磁現象 の 研究

ｍ に 至る

超伝導パワー工学

材料 ・ 線材 の

・ 異方的試料形状 に対する 磁束方向 の 影響

基礎研究

ピン（人工ピン） 導入 の研究

ピンニング・センター 導入 の 必要性

電界

ピンニング力 の 理論的 評価 問題

（ ： 単位体積当りの ピン数 ）

変化する

相互作用 の 種類 相互作用 の

（ 結晶粒界 等 ）

弾性エネルギー が 変化

磁束ピンニング力 加算理論 の 古典論 （ ～ １９７８ ）

成果 ： 「動的理論」 と 「静的理論」 の 一致

R. Labush

致命的欠点

古典理論 の 結論

磁束ピンニング力 の 加算問題 の 近代理論 の 幕開け

ピンを含む 超伝導材料 中 における

で 囲まれた 量子化磁束群 の部分を

（ の 打ち消し が 少ない から ！ ）

ピン の 幾何学的形状 による ピン止め 効率 （ 低 T

F p 粒状 ：

０ 次元 ：

線状 ：

１ 次元 ：

超伝導 フィラメント の 電磁現象

基礎方程式が 従来 と 異なる

難点 2 ：

形状 異方性 が 大きい

現 象

縦 磁界

超伝導 多芯線 の 電磁現象

常電導状態

銅酸化物系 高温 超伝導材料 の 特徴

材料

材料

線材 の 電磁特性設計 に必要な 臨界電流密度 J BT c ( , ) の スケーリング則

（ J→０ で 電気抵抗→０ ）

Fisher ら の 理論 の 問題点

（ スピン・グラス系 の モード結合理論 を 適用 ）

この 理論 からは B

適用 できない ！?

山藤・木須・藤吉 理論 の 特徴

量子化磁束の

熱遥動

熱 運 動

B-dependence (scaling)

C ritic al c u rr en t d en sit y J

NbTi 多芯線 に Island 型 人工ピン を 導入

成果 １ ：

人工ピン の 概念の 整理

IEC （ 国際電気標準会議 ） の

ロシア、イタリア、ポーランド、ルーマニア、韓国、米国、日本

Sn 線材、 Bi 系 線材 ）

・ 臨界温度試験 ・ 交流損失試験 （ NbTi 線材 ）

新事業項目 提案

（ 経産省 ： 超伝導 を 国際標準化 重要項目 の 一つ に 指定 ）

削減、 ライフサイクル、等）

初期 の頃の 「 超伝導工学 」 の イメージ

の 基盤 の 上に

「 超伝導 工学 」

を 建設。

「超伝導工学」

の 基盤と なるであろう

「 超伝導パワー工学 」 の 概念 の 変遷

「工学」 の 基盤 となる 「科学」 の 変遷 ・ 進歩 （ 例 ） 古典物理学 量子物理学 素粒子物理学

それぞれの 技術 を 支える 超伝導 工学 は

電磁現象の解明から超伝導線材設計の時代へ

低温工学協会九州・西日本支部

・超電導パワー工学の概念の変遷と今後のあるべき姿

（BCS理論の提出）

超電導パワー工学の夜明け超電導エレクトロニクス工学の夜明け

受賞九州大学

材料・線材のピンニング特性の研究材料・線材の電磁現象の研究

ｍに至る

材料・線材の

・異方的試料形状に対する磁束方向の影響

ピン（人工ピン）導入の研究

ピンニング・センター導入の必要性

ピンニング力の理論的評価問題

（：単位体積当りのピン数）

相互作用の種類相互作用の

（結晶粒界等）

弾性エネルギーが変化

磁束ピンニング力加算理論の古典論（～１９７８）

成果：「動的理論」と「静的理論」の一致

古典理論の結論

磁束ピンニング力の加算問題の近代理論の幕開け

ピンを含む超伝導材料中における

で囲まれた量子化磁束群の部分を

（の打ち消しが少ないから！）

ピンの幾何学的形状によるピン止め効率（低 T

F p 粒状：

０次元：

線状：

１次元：

超伝導フィラメントの電磁現象

基礎方程式が従来と異なる

形状異方性が大きい

現象

縦磁界

超伝導多芯線の電磁現象

銅酸化物系高温超伝導材料の特徴

線材の電磁特性設計に必要な臨界電流密度 J BT c ( , ) のスケーリング則

（ J→０で電気抵抗→０）

Fisher らの理論の問題点

（スピン・グラス系のモード結合理論を適用）

この理論からは B

適用できない！?

山藤・木須・藤吉理論の特徴

熱運動

NbTi 多芯線に Island 型人工ピンを導入

成果１：

人工ピンの概念の整理

IEC （国際電気標準会議）の

Sn 線材、 Bi 系線材）

・臨界温度試験・交流損失試験（ NbTi 線材）

新事業項目提案

（経産省：超伝導を国際標準化重要項目の一つに指定）

削減、ライフサイクル、等）

初期の頃の「超伝導工学」のイメージ

の基盤の上に

「超伝導工学」

を建設。

の基盤となるであろう

「超伝導パワー工学」の概念の変遷

「工学」の基盤となる「科学」の変遷・進歩（例）古典物理学量子物理学素粒子物理学

それぞれの技術を支える超伝導工学は

「超伝導産業」の図を下から眺めていたから。

産業（製品）という「ニーズ」の観点に立って、

超電導・低温工学

超電導・低温産業の可能性の開発

種々の基盤技術を開発

ニーズに合った製品の製品技術を開発