开发使用稀土类超导线材的恒定电流技术
~向实现使用高温超导线材的MRI磁铁迈进~

2016年4月27日

古河电气工业株式会社

东北大学金属材料研究所

古河电气工业株式会社(社长:柴田光义;以下简称“古河电工”)与东北大学金属材料研究所(渡边和雄教授,以下简称“东北大学”)通过稀土类超导线材间的连接,成功地开发出了10-12Ω(10的负12次方Ω)左右的超导连接技术和高温超导恒定电流开关。本研发以实现应用高温超导线材的医疗器械为目标,是在经济产业省“高温超导线圈基础技术开发项目”及国立研究开发法人日本医疗研究开发机构(AMED)“实现未来医疗的医疗器械及系统研究开发事业高稳定磁场线圈系统基础技术的研究开发”的支援下进行的。

开发成果概要

  • 通过稀土类高温超导线材(注释1)的连接,成功地实现了10-12Ω左右的连接,并实现了此前被认为不可能的高温超导线材的超导连接。
  • 对使用了稀土类高温超导线材的超导线圈和恒定电流开关(注释2)进行超导连接,在20K时成功实现100A的恒定电流运行(注释3),并保持3500高斯的磁场10个小时,确认了恒定电流的运行。

研究开发的内容

现在的超导MRI装置(注释4)所使用的线圈,是以液态氦在极低温度(零下269℃)下对金属类超导线制造的超导线圈进行冷却后使用的。这种金属类超导线圈,是将多个超导线圈和恒定电流开关以超导连接的方式连接在一起的闭合电路,能够长时间(1年以上)在没有外部供电的情况下进行维持一定磁场的恒定电流运行。由于恒定电流运行能够以较少的运行电力稳定地获得较高的磁场,因此对医疗现场的MRI普及起到了促进作用。

由于高温超导线可以在液态氮温度(零下196℃)下实现超导,作为不使用稀有资源氦的MRI装置受到市场期待,因此我们在AMED的项目中推进使用了稀土类高温超导线材的MRI线圈的开发工作。由于不能进行超导连接,稀土类超导线材无法进行恒定电流运行,需要持续通电供应电流,为了拍到清晰的图像,需要开发稳定程度特别高的电源。

古河电工制作了使用古河电工美国子公司SuperPower Inc.的稀土类高温超导线材的试验用超导线圈和恒定电流开关,并分别进行超导连接,制作出超导线圈装置。在东北大学,使用小型冷冻机将该超导线圈装置冷却至20K(零下250℃),在打开恒定电流开关的状态下,通过电源供应100A的电流来产生3500高斯的磁场,然后关闭恒定电流开关,在切断外部电源的状态下,确认100A电流的流通时间已达到24小时以上。并在磁场衰减稳定的情况下,测量10小时的磁场衰减情况,测量结果表明,已实现连接电阻为10-12Ω左右的超导连接。

今后的计划

古河电工将继续以本技术开发的成果为基础,致力于通过提高超导连接的临界电流实现低电阻化等的恒定电流技术开发工作。恒定电流技术的开发,除MRI装置外,还有望为实现核磁共振装置(NMR)及超导悬浮装置等应用高温超导线材的机器做出贡献。

图 使用了恒定电流开关的高温超导线圈的磁场及经时衰减情况

术语解读

(注释 1)稀土类高温超导线材
在带状金属基板上形成中间层膜,是在结晶排列由稀土类元素(钇及钆等)、钡、铜等形成的氧化物超导层的同时成膜的超导线材。在液态氮温度(零下196℃)下呈现超导状态,电流密度增高,即使在磁场中,特性降低的也很少,是已进入实用阶段的高温超导线材中性能最好的材料。

(注释 2)恒定电流开关
所谓恒定电流开关,是通过加热器使超导线圈温度上下变化来切换超导状态和常导状态,利用电阻值的差来打开或者关闭的一种开关。

(注释 3)恒定电流运行
如果通过恒定电流开关闭合以电阻值为零的超导线制成的超导线圈的两端,形成闭合电路,则该电流即可在不减弱的情况下继续流动,这种电流被称为恒定电流,通常的MRI线圈进行的就是恒定电流运行。迄今为止,由于无法进行高温超导线材的超导连接,因此高温超导线圈不能进行恒定电流运行,需要持续通电供应电流。

(注释 4)超导MRI装置(磁共振成像装置)
是利用强磁场和电磁波获得人体断层影像的装置,现已成为病理诊断所不可或缺的医疗器械。现在正在使用的MRI装置,以NbTi线等金属类超导线材作为产生磁场的超导线圈,该线圈被冷却到液态氦温度(零下269℃)。古河电工已有多年用于MRI线圈的金属类超导线材的制造经验,并取得了广泛的供应业绩。

相关链接