日本的理化學研究所（理研）、Japan Superconductor Technology公司和科學技術振興機構組成的聯合研究小組，使將高溫超導線材卷繞成螺旋形狀的超導磁鐵，成功產生了此前被認爲難以實施的30特士拉以上的強磁場。
這項研究成果爲開發有望對新藥研發和醫療隊形變換做出巨大貢獻的新一代1.3GHz（相當於30.5特士拉）核磁共振（NMR）裝置提供了重要的技術條件，離1.3GHz NMR裝置的實施又近了一步。
此次，聯合研究小組從内側爲超導磁鐵設置了3層結構，分別爲①卷繞了在強磁場中具有優異的超導特性，但難以實施線圈化的稀土（RE）系高溫超導線材的內層線圈；②卷繞了在強磁場中的特性稍差，但容易實施線圈化的鉍（Bi）系高溫超導線材的中層線圈，以及③卷繞了作爲工業產品確立的金屬系低溫超導線材的外層線圈，透過使磁場的產生效率達到最大，實施了31特士拉的強磁場。這是卷繞成螺旋形狀的超導磁鐵的最高記錄。另外，作爲產生強磁場的關鍵，RE系高溫超導線圈此前存在容易燒燬的課題，但透過採用將不絕緣的RE系高溫超導線材卷繞成螺旋狀線圈，並把銅與聚合體的復合片材夾到層之間的新製造方法，成功防止了燒燬。
＜背景＞
核磁共振（NMR）裝置和核磁共振造影（MRI）裝置使用超導磁鐵，磁場強度越高，裝置的性能（靈敏度和解析度）就越高。
目前實施實用化的NMR裝置和MRI裝置使用鈦（Nb）系金屬低溫超導線材，但受線材的物理可用能特性侷限，預計最大隻能產生24特士拉左右的磁場。而稀土（RE）系和鉍（Bi）系銅氧化物高溫超導線材被認爲在大幅超過24特士拉的強磁場中也能保持超導狀態。爲此，需要把用高溫超導線材卷繞的線圈用在超導磁鐵的內層強磁場區域，國際上圍繞利用這種線材開發新一代超強磁場NMR裝置展開了競爭。
圖1：線圈的繞線方式
a）在卷繞成蛋糕卷形狀的方式中，重疊將線材捲成蛋糕卷形狀的線圈，並將線圈接合在一起。這種方式的接頭數量比較多。
b）在卷繞成螺旋形狀的方式中，將線材捲成螺旋狀形成線圈，卷繞到末端後，在外周側重疊另一個線圈繼續操作卷繞。如果中途線材不足，將線材拉到外面，開始使用新的線材卷繞下一個線圈。重複以上動作完成卷繞後，將拉出的線材接合到一起。使用長線材的話，可以減量接頭數量。※在應用超導和磁鐵技術領域，a的繞線方式被稱爲「煎餅卷繞」，b被稱爲「層卷繞」。
聯合研究小組推進了新一代1.3GHz持久電流NMR裝置的開發，這種NMR裝置需要30.5特士拉的超強磁場。高溫超導線材是薄且寬的帶狀，因此要想將其做成線圈，適合採用將線材捲成蛋糕卷形狀的方式（圖1a）。美國的研究小組已經開發出採用蛋糕卷式繞線線圈的32特士拉超導磁鐵，作爲超導磁鐵的磁場，目前爲最高記錄。
不過，採用上述繞線方式的話，線材之間的接頭數量會變得非常多。要想實施NMR裝置所需的持久電流運行，需要將接頭變成超導結，但很難在與外周線圈之間的微小縫隙中配置大量超導結。對此，將線材卷繞成螺旋形狀，接頭少而且能設置線上圈上部的寬闊空間内的繞線方式比較適合持久電流運行（圖1b）。採用這種繞線方式實施的最大磁場是歐洲企業開發的1.2GHz NMR裝置的28特士拉，未能產生1.3GHz NMR裝置所需的30.5特士拉磁場。
＜研究方法與成果＞
聯合研究小組計劃開發的1.3GHz NMR裝置用超導磁鐵由卷繞金屬系低溫超導線材的外層線圈（以下簡稱「低溫超導外層線圈」）、卷繞Bi系高溫超導線材的中層線圈（以下簡稱「Bi系中層線圈」）和卷繞RE系高溫超導線材的內層線圈（以下簡稱「RE系內層線圈」）構成。線圈全部以螺旋形狀卷繞。這種線圈構成方式利用了較之於金屬系低溫超導線材，Bi系線材能在更強的磁場中通電，而較之於Bi系線材，RE系線材能在更強的磁場中通電的物理可用能特性，是聯合研究小組自主開發的構成方式。
聯合研究小組利用日本物質材料研究機構低溫應用研究所運行的17特士拉大口徑超導磁鐵作爲低溫超導外層線圈，透過嵌入Bi系中層線圈和RE系內層線圈，開發出了與1.3GHz NMR裝置的超導磁鐵採用相同線圈構成的超導磁鐵（圖2a）。此次開發的超導磁鐵沒有使用超導結，線圈全部卷繞成螺旋形狀。除了低溫超導外層線圈產生的17特士拉磁場外，透過使Bi系中層線圈產生4特士拉、RE系內層線圈產生9特士拉的磁場，在中心部位產生了30特士拉以上的強磁場。
圖2：超導磁鐵内部的線圈構成及稀土系高溫超導最內層線圈的製作程序和外觀
a）線圈的截面圖，藍色部分爲低溫超導外層線圈，橙色部分爲鉍（Bi）系高溫超導中層線圈，紅色部分爲稀土（RE）系高溫超導內層線圈。
b）RE系高溫超導內層線圈繞線時。
c）繞線作業的等比增大圖：採用intra-Layer No-Insulation法（以下簡稱「LNI法」）。利用非絕緣線材，透過線上圈層之間夾上由導體銅箔和絕緣體聚合體膜構成的複材卷繞線圈。
d）完成的RE系高溫超導內層線圈。
不過此前存在一個問題，即置於強磁場中的RE系內層線圈發生失超時，線圈内部的局部常導部的溫度會在零點幾秒内升高到熔斷金屬的程度，從而燒燬。2016年產生27.6特士拉的磁場時也因失超導致RE系內層線圈燒燬。
因此，此次爲了避免RE系內層線圈發生失超，採用了新的線圈繞線方式，即使用非絕緣線材，然後線上圈層之間夾上由導體銅箔和絕緣體聚合體膜構成的複材。這樣一來，失超時電流可以線上圈層内分叉流，有望防止溫度過度擧升。該方法被稱爲「intra-Layer No-Insulation法（以下簡稱「LNI法」）」，聯合研究小組在之前的研究中已經透過小的試驗線圈應答了其效果（圖2b、c、d）。
在新開發的超導磁鐵的試驗中，聯合研究小組將所有線圈冷卻至液氦的溫度（-269℃），首先在低溫超導外層線圈透過241安培的電流，產生17特士拉的中心磁場。然後在串聯的Bi系中層線圈和RE系內層線圈通過量電流，最終以266安培的電流成功產生30特士拉的中心磁場（圖3）。之後依次降低各線圈的電流值，進行消磁。
圖3：利用新開發的超導磁鐵產生30特士拉以上的強磁場的試驗結果
依次在低溫超導外層線圈和高溫超導（Bi系中層和RE系內層）線圈通過量電流，成功產生30特士拉的中心磁場。達到30特士拉後依次降低線圈的電流，進行消磁。
接下來，作爲超導磁鐵的極限試驗，聯合研究小組增加了Bi系中層線圈和RE系內層線圈的電流值，直到發生失超。最終，電流達到290安培時，產生31特士拉的中心磁場，RE系內層線圈失超。通過量電壓檢測功能切斷供應給高溫超導的電流後，Bi系中層線圈和RE系內層線圈的磁場大約在1秒左右的時間内消失（圖4）。剩下的低溫超導外層線圈的電流和磁場利用保存電路進行了消磁。
圖4：新開發的超導磁鐵的極限試驗結果
在圖2的試驗之後又實施了極限試驗。產生31特士拉磁場時稀土系內層線圈發生失超。利用電源的電壓檢測功能切斷供應電流，Bi系中層和RE系內層線圈的磁場約在1秒内消失。
經過一系列的試驗後，取出RE系內層線圈，利用液氮（-196℃）冷卻並通電進行檢查，應答線圈的電壓-電流特性在試驗前和試驗後沒有變化，也就是說，避免了因失超而燒燬（圖5）。
圖5：實施超強磁場試驗之前和之後的RE系內層線圈的特性
經過一系列的強磁場試驗後，在液氮溫度（-196℃）下對RE系內層線圈單體實施通電試驗。應答線圈的電壓電流特性與實施強磁場試驗前相比沒有變化。
透過此次的試驗首次使螺旋狀線圈的超導磁鐵產生30特士拉以上的強磁場。另外，還利用LNI法成功避免了RE系內層線圈因失超而燒燬。
＜未來展望＞
此次的成果解決了開發新一代1.3GHz NMR裝置面臨的一項重要技術課題，離1.3GHz NMR裝置的實施又近了一步。今後計劃與另行開發的超導結技術和持久電流運行技術相結合，實施1.3GHz NMR裝置。
新一代1.3GHz NMR裝置如果能實施的話，有望應用於新藥研發和醫療領域，比如用來取得阿茲海默症等神經退行性疾病的致病因子——β-澱粉樣蛋白肽的結構資訊的技術將實施飛躍隊形變換等。另外，利用開發1.3GHz NMR裝置獲得的尖端技術，還有望產生波及效應，比如使利用普及磁場的NMR裝置實施小型化和省氦化等。
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
