[論文レビュー] A transformative superconducting magnet technology for fields well above 30 T using isotropic round wire multifilament Bi2Sr2CaCu2O8-x conductor

D. C. Larbalestier, Jianyi Jiang+9 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 28被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、非指向性の丸多 filament Bi2Sr2CaCu2O8-x (Bi-2212) 結線を用いて、Nb3Snの24 Tという限界をはるかに超えるほぼ34 Tの磁界を発生可能な変革的超伝導磁石技術を示している。強化されたテクスチャーがなく、高角 Grain 界を含むにもかかわらず、Bi-2212 結線は20 T、4.2 Kで2500 A/mm²の臨界電流密度を達成しており、実用的な高磁界磁石巻回を可能にし、超高磁界NMRやその他の応用分野への新たな道を開く。

ABSTRACT

We report here that magnetic fields of almost 34 T, far above the upper 24 T limit of Nb3Sn, can be generated using a multifilament round wire conductor made of the high temperature cuprate superconductor Bi2Sr2CaCu2O8-x (Bi-2212). A remarkable attribute of this Bi-2212 conductor is that it does not exhibit macroscopic texture and contains many high angle grain boundaries but nevertheless attains very high superconducting critical current densities Jc of 2500 A/mm2 at 20 T and 4.2 K. This Bi-2212 conductor does not possess the extreme texture that high Jc coated conductors of REBa2Cu3O7-x (REBCO) require, avoiding also its high aspect ratio, large superconducting anisotropy and the inherent sensitivity to defects of a single filament conductor. Bi-2212 wires can be wound or cabled into almost any type of superconducting magnet and will be especially valuable for very high field NMR magnets beyond the present 1 GHz proton resonance limit of Nb3Sn technology. This demonstration that grain boundary limits to high Jc can be practically overcome suggests the huge value of a renewed focus on grain boundary properties in non-ideal geometries, especially with the goal of translating the lessons of this Bi-2212 conductor into fabrication of multifilament round wire REBCO or Fe-based superconductors.

研究の動機と目的

• Nb3Snベースのシステムの現在の24 Tの限界をはるかに超える30 T以上の磁界を発生可能な超伝導磁石技術を開発すること。
• 高角粒界を有する非指向性・非指向性超伝導線で高い臨界電流密度（Jc）を達成するという課題に取り組むこと。
• リチウムイオン電池やレアアースバインディングカーブドコンダクタ（REBCO）に求められる極度のテクスチャーと異方性を必要とせず、多フィラメント丸形Bi-2212線が実用的な磁石に巻けることを実証すること。
• 1 GHzプロトン共鳴周波数の限界を超える超高磁界NMRやその他の先端科学機器の実現を可能にすること。
• 非理想的な幾何形状においても粒界の制限を克服できることが実証されたことにより、超伝導体設計の新しいパラダイムを確立すること。

提案手法

• 高臨界温度酸化銅超伝導体であるBi2Sr2CaCu2O8-x（Bi-2212）からなる多フィラメント丸線を、指向性のない非指向性微細組織として使用すること。
• 多フィラメント丸線の製造に粉末チューブ法（PIT）を採用し、成形性と巻回適合性を確保すること。
• 高磁界均一性と安定性を実現するため、ネストド・パンケーキ巻きの幾何構造を用いた磁石設計を実施すること。
• 4.2 Kで測定を行い、高磁界下における臨界電流密度（Jc）および磁界特性を評価すること。
• Bi-2212の固有の粒界散乱への耐性を活用し、高角粒界が存在するにもかかわらず高いJcを達成できることを示すこと。
• 従来のNb3SnおよびREBCOベースのシステムと比較することで、達成可能な磁界強度における技術的飛躍を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非指向性・非指向性のBi-2212多フィラメント丸線が、30 Tを超える超伝導磁石を実現するのに十分な高い臨界電流密度（Jc）を達成できるか？
• RQ2 Bi-2212に存在する高角粒界がJcに及ぼす制限はどの程度で、実際の磁石構成において実用的に克服可能か？
• RQ3 Bi-2212線は性能劣化を伴わず、複雑な磁石幾何形状に巻けるか？ これにより実用的な高磁界応用が可能になるか？
• RQ4 4.2 Kにおける磁界強度と運用安定性の観点から、Bi-2212の性能はNb3SnおよびREBCOと比べてどの程度か？
• RQ5 この技術が、超高磁界NMRやその他の高磁界科学機器の発展に及ぼす影響は何か？

主な発見

• Bi-2212ベースの超伝導磁石を用いて、Nb3Sn技術の24 Tという限界をはるかに超えるほぼ34 Tの磁界が実際に発生された。
• 指向性のないテクスチャーがなく、高角粒界を有するにもかかわらず、Bi-2212多フィラメント丸線は20 T、4.2 Kで2500 A/mm²の臨界電流密度（Jc）を達成した。
• Bi-2212線の非指向性特性により、REBCO導体が示す異方性と破損しやすい性質とは異なり、さまざまな磁石構成への柔軟な巻回とケーブル化が可能である。
• 高磁界下でも高い性能を維持しており、粒界散乱が非理想的な微細組織においても高いJcを妨げないことが実証された。
• この技術により、現在の1 GHzプロトン共鳴周波数の限界を超えるNMRシステムの実現が可能となり、材料科学および生物学的研究の新しい分野が開かれる。
• 今後の多フィラメント丸線REBCOや鉄系超伝導体の開発は、Bi-2212で実証された粒界工学の原則に恩恵を受ける可能性がある。