日本的理化学研究所（理研）、Japan Superconductor Technology公司和科学技术振兴机构组成的联合研究小组，使将高温超导线材卷绕成螺旋形状的超导磁铁，成功产生了此前被认为难以实现的30特斯拉以上的强磁场。
这项研究成果为开发有望对新药研发和医疗发展做出巨大贡献的新一代1.3GHz（相当于30.5特斯拉）核磁共振（NMR）装置提供了重要的技术条件，离1.3GHz NMR装置的实现又近了一步。
此次，联合研究小组从内侧为超导磁铁设置了3层结构，分别为①卷绕了在强磁场中具有优异的超导特性，但难以实现线圈化的稀土（RE）系高温超导线材的内层线圈；②卷绕了在强磁场中的特性稍差，但容易实现线圈化的铋（Bi）系高温超导线材的中层线圈，以及③卷绕了作为工业产品确立的金属系低温超导线材的外层线圈，通过使磁场的产生效率达到最大，实现了31特斯拉的强磁场。这是卷绕成螺旋形状的超导磁铁的最高记录。另外，作为产生强磁场的关键，RE系高温超导线圈此前存在容易烧毁的课题，但通过采用将不绝缘的RE系高温超导线材卷绕成螺旋状线圈，并把铜与聚合物的复合片材夹到层之间的新制造方法，成功防止了烧毁。
＜背景＞
核磁共振（NMR）装置和核磁共振成像（MRI）装置使用超导磁铁，磁场强度越高，装置的性能（灵敏度和分辨率）就越高。
目前实现实用化的NMR装置和MRI装置使用钛（Nb）系金属低温超导线材，但受线材的物理特性限制，预计最大只能产生24特斯拉左右的磁场。而稀土（RE）系和铋（Bi）系铜氧化物高温超导线材被认为在大幅超过24特斯拉的强磁场中也能保持超导状态。为此，需要把用高温超导线材卷绕的线圈用在超导磁铁的内层强磁场区域，国际上围绕利用这种线材开发新一代超强磁场NMR装置展开了竞争。
图1：线圈的绕线方式
a）在卷绕成蛋糕卷形状的方式中，重叠将线材卷成蛋糕卷形状的线圈，并将线圈接合在一起。这种方式的接头数量比较多。
b）在卷绕成螺旋形状的方式中，将线材卷成螺旋状形成线圈，卷绕到末端后，在外周侧重叠另一个线圈继续卷绕。如果中途线材不足，将线材拉到外面，开始使用新的线材卷绕下一个线圈。重复以上动作完成卷绕后，将拉出的线材接合到一起。使用长线材的话，可以减少接头数量。※在应用超导和磁铁技术领域，a的绕线方式被称为“煎饼卷绕”，b被称为“层卷绕”。
联合研究小组推进了新一代1.3GHz持久电流NMR装置的开发，这种NMR装置需要30.5特斯拉的超强磁场。高温超导线材是薄且宽的带状，因此要想将其做成线圈，适合采用将线材卷成蛋糕卷形状的方式（图1a）。美国的研究小组已经开发出采用蛋糕卷式绕线线圈的32特斯拉超导磁铁，作为超导磁铁的磁场，目前为最高记录。
不过，采用上述绕线方式的话，线材之间的接头数量会变得非常多。要想实现NMR装置所需的持久电流运行，需要将接头变成超导结，但很难在与外周线圈之间的微小缝隙中配置大量超导结。对此，将线材卷绕成螺旋形状，接头少而且能设置在线圈上部的宽阔空间内的绕线方式比较适合持久电流运行（图1b）。采用这种绕线方式实现的最大磁场是欧洲企业开发的1.2GHz NMR装置的28特斯拉，未能产生1.3GHz NMR装置所需的30.5特斯拉磁场。
＜研究方法与成果＞
联合研究小组计划开发的1.3GHz NMR装置用超导磁铁由卷绕金属系低温超导线材的外层线圈（以下简称“低温超导外层线圈”）、卷绕Bi系高温超导线材的中层线圈（以下简称“Bi系中层线圈”）和卷绕RE系高温超导线材的内层线圈（以下简称“RE系内层线圈”）构成。线圈全部以螺旋形状卷绕。这种线圈构成方式利用了较之于金属系低温超导线材，Bi系线材能在更强的磁场中通电，而较之于Bi系线材，RE系线材能在更强的磁场中通电的物理特性，是联合研究小组自主开发的构成方式。
联合研究小组利用日本物质材料研究机构低温应用研究所运行的17特斯拉大口径超导磁铁作为低温超导外层线圈，通过嵌入Bi系中层线圈和RE系内层线圈，开发出了与1.3GHz NMR装置的超导磁铁采用相同线圈构成的超导磁铁（图2a）。此次开发的超导磁铁没有使用超导结，线圈全部卷绕成螺旋形状。除了低温超导外层线圈产生的17特斯拉磁场外，通过使Bi系中层线圈产生4特斯拉、RE系内层线圈产生9特斯拉的磁场，在中心部位产生了30特斯拉以上的强磁场。
图2：超导磁铁内部的线圈构成及稀土系高温超导最内层线圈的制作过程和外观
a）线圈的截面图，蓝色部分为低温超导外层线圈，橙色部分为铋（Bi）系高温超导中层线圈，红色部分为稀土（RE）系高温超导内层线圈。
b）RE系高温超导内层线圈绕线时。
c）绕线作业的放大图：采用intra-Layer No-Insulation法（以下简称“LNI法”）。利用非绝缘线材，通过在线圈层之间夹上由导体铜箔和绝缘体聚合物膜构成的复合材料卷绕线圈。
d）完成的RE系高温超导内层线圈。
不过此前存在一个问题，即置于强磁场中的RE系内层线圈发生失超时，线圈内部的局部常导部的温度会在零点几秒内升高到熔断金属的程度，从而烧毁。2016年产生27.6特斯拉的磁场时也因失超导致RE系内层线圈烧毁。
因此，此次为了避免RE系内层线圈发生失超，采用了新的线圈绕线方式，即使用非绝缘线材，然后在线圈层之间夹上由导体铜箔和绝缘体聚合物膜构成的复合材料。这样一来，失超时电流可以在线圈层内分流，有望防止温度过度上升。该方法被称为“intra-Layer No-Insulation法（以下简称“LNI法”）”，联合研究小组在之前的研究中已经通过小的试验线圈确认了其效果（图2b、c、d）。
在新开发的超导磁铁的试验中，联合研究小组将所有线圈冷却至液氦的温度（-269℃），首先在低温超导外层线圈通过241安培的电流，产生17特斯拉的中心磁场。然后在串联的Bi系中层线圈和RE系内层线圈通过电流，最终以266安培的电流成功产生30特斯拉的中心磁场（图3）。之后依次降低各线圈的电流值，进行消磁。
图3：利用新开发的超导磁铁产生30特斯拉以上的强磁场的试验结果
依次在低温超导外层线圈和高温超导（Bi系中层和RE系内层）线圈通过电流，成功产生30特斯拉的中心磁场。达到30特斯拉后依次降低线圈的电流，进行消磁。
接下来，作为超导磁铁的极限试验，联合研究小组增加了Bi系中层线圈和RE系内层线圈的电流值，直到发生失超。最终，电流达到290安培时，产生31特斯拉的中心磁场，RE系内层线圈失超。通过电压检测功能切断供应给高温超导的电流后，Bi系中层线圈和RE系内层线圈的磁场大约在1秒左右的时间内消失（图4）。剩下的低温超导外层线圈的电流和磁场利用保护电路进行了消磁。
图4：新开发的超导磁铁的极限试验结果
在图2的试验之后又实施了极限试验。产生31特斯拉磁场时稀土系内层线圈发生失超。利用电源的电压检测功能切断供应电流，Bi系中层和RE系内层线圈的磁场约在1秒内消失。
经过一系列的试验后，取出RE系内层线圈，利用液氮（-196℃）冷却并通电进行检查，确认线圈的电压-电流特性在试验前和试验后没有变化，也就是说，避免了因失超而烧毁（图5）。
图5：实施超强磁场试验之前和之后的RE系内层线圈的特性
经过一系列的强磁场试验后，在液氮温度（-196℃）下对RE系内层线圈单体实施通电试验。确认线圈的电压电流特性与实施强磁场试验前相比没有变化。
通过此次的试验首次使螺旋状线圈的超导磁铁产生30特斯拉以上的强磁场。另外，还利用LNI法成功避免了RE系内层线圈因失超而烧毁。
＜未来展望＞
此次的成果解决了开发新一代1.3GHz NMR装置面临的一项重要技术课题，离1.3GHz NMR装置的实现又近了一步。今后计划与另行开发的超导结技术和持久电流运行技术相结合，实现1.3GHz NMR装置。
新一代1.3GHz NMR装置如果能实现的话，有望应用于新药研发和医疗领域，比如用来取得阿尔茨海默病等神经退行性疾病的致病因子——β-淀粉样蛋白肽的结构信息的技术将实现飞跃发展等。另外，利用开发1.3GHz NMR装置获得的尖端技术，还有望产生波及效应，比如使利用普及磁场的NMR装置实现小型化和省氦化等。
文：JST客观日本编辑部翻译整理
