超伝導(Superconductivity)、
超伝導(超電導)磁石(Superconductive Magnet)、
超伝導電磁石(Superconductive Electromagnet)、
マイスナー効果(Meissner Effect)
ピン止め(Flux Pinning)
「超伝導とは、特定の金属や化合物などの物質を超低温に冷却したときに、電気抵抗が急激にゼロになったり、物質内部から磁力線が排除されたりする現象。」
1911年、オランダの物理学者ヘイケ・カメルリング・オンネスにより発見された。工学分野では、「超電導」と表記されることもある。この現象が現れるときの温度は超伝導転移温度と呼ばれ、この温度を室温程度に上昇させること(室温超伝導)は、現代物理学の重要な研究目標の一つ。特定の物質が超低温に冷やされた時に起こる特異な現象を「超伝導現象」(Superconductivity phenomenon)、超伝導現象が生じる物質のことを「超伝導物質」(Superconductor)、それが超伝導状態にある場合は「超伝導体」と 呼ばれる。液体窒素の沸点である-196℃(77 K)以上で超伝導現象を起こすものは高温超伝導物質(Cuprate superconductor)と呼ばれる。物質が超伝導状態になるということは、水が氷になるように、まったく新しい相へ移行すること(相転移)を意味する。このため超伝導相に移り変わる温度を、(超伝導)転移温度という。超伝導に転移する前の相は常伝導という。
現在、超伝導磁石といわれているものは、NbTiやNb3Snなどの超伝導線材を使った電磁石を指すことが多く、正確には超伝導電磁石である。臨界温度以下に冷却した超伝導線材に大電流(永久電流)を流して高磁場を得ることが目的で、MRI断層撮影装置やシリコン単結晶製造装置、リニアモーターカーなどに使用されている。今のところ23T(テスラ)が最高記録である。
“超伝導永久磁石”も存在するが、まだ開発途上であり、1T以上の安定した高磁場は得られていない。また人間を浮かせるような実験は、ネオジム磁石と窒素温度に冷却した超伝導酸化物体のマイスナー効果による反発力を利用したもので、超伝導永久磁石ではない。
超伝導体は磁場に対して一般的な磁性体とは全く異なる、特殊で複雑な反応を示す。このことが、長い間超伝導体による高磁場電磁石や高性能永久磁石の実用化を阻んできた。
<2種類の超伝導体とその特徴>
超伝導体の特徴は
(1)臨界温度以下で電気抵抗がゼロになること。
(2)外部磁場に対して逆向きに磁化して、反磁性を示す「マイスナー効果」があること。
であるが、一方、「臨界温度Tc」、「臨界電流Ic」、「臨界磁場Hc」によって超伝導状態になる(超伝導状態が破れる)条件がある。
(マイスナー効果)
超伝導体を磁場中に置くと電気抵抗がゼロだから、その瞬間に誘導電流が表面に流れ、外部磁場を打ち消すような磁場が発生し、磁場の侵入を妨げる。これは電磁誘導のレンツの法則でも説明できるもので、“外部磁場に対して逆向きに磁化する=反磁性を示す”ことになる。つまり、外部磁場を加えても超伝導体の磁束密度はゼロで磁化しないことになる。(図-1)
なお、超伝導状態ではない温度で先に外部磁場を加えると、物質内部に磁場が侵入するが、冷却して超伝導状態にすると、磁場が外部に押し出されてしまう。これは電磁誘導の法則では説明できない超伝導体固有の現象である。
(超伝導体の磁化過程)
図-2は横軸の磁場Hに対して超伝導体の磁化の過程を表したもので、このように+Hに対して、-Mに磁化する過程が2種類ある。青線aのように、印加磁場の大きさにつれて逆方向に磁化しながら反磁性を示し、臨界磁場Hcで突然外部磁場が超伝導体内部に侵入して超伝導状態が破られる超伝導体を「第1種超伝導体」と呼び、赤線bのように下部臨界磁場Hc1までは反磁性を示すがHc1を越えると外部の磁束+Hが超伝導体内部に侵入し始めて徐々に増加してゆき、そして上部臨界磁場Hc2に達すると超伝導状態は破れ、反磁場もなくなる超伝導体を「第2種超伝導体」と呼ぶ。
次に、第2種超伝導体に磁束が侵入する様子のモデルを図-3に示した。
このモデル図でわかるように、外部からの磁束は超伝導体の外側から次第に内部へ侵入する。したがって、侵入途中では、超伝導体の外側の磁束密度が大ですが、逆に外部磁場をゼロに戻すと外側から磁束がはずれてゆき、超伝導体内部には大きな磁束密度が残り易くなる。
したがって、上部臨界磁場Hc2の大きな超伝導体は超伝導永久磁石になる可能性がある。現在、YBCO(YBa2Cu3O7-δ)(Tc〜93K)やBSCCO(Bi2Sr2Ca2Cu3O10)(Tc〜109K)といった銅酸化物高温超伝導体は液体窒素温度で超伝導を示すので、液体窒素温度に冷却することにより超伝導永久磁石になるが、実用上は困難な問題が多く存在する。そのため、超伝導線材を利用した超伝導電磁石の実用化が先に進み、MRIなどの分野に大きな貢献をしている。
<超伝導電磁石用合金の開発>
超伝導体は電気抵抗ゼロのため、大電流で高磁場を発生できると考えられるが、前図のように、実際は鉛のような第1種超伝導体は臨界磁場Hcが高々1000Oe(エルステッド)程度であるから、いくら液体ヘリウム温度に冷却してもすぐ超伝導状態は破られてしまう。一方、第2種超伝導体はHc1以上で徐々に外部磁束が侵入するが、10万〜100万Oeという非常に大きな外部磁場Hc2まで超伝導状態を保つことができる。したがって、第2種超伝導体を利用すれば、永久磁石や一般的な銅線の電磁石では作り出せない高磁場を発生できる超伝導電磁石が可能となる。
<ピン止め効果>
しかしながら実際は超伝導電磁石の実用化は簡単ではなくHc1とHc2間での磁束が侵入して完全反磁性が破れた状態では、侵入した磁束は量子化磁束に変化して電流と磁場に垂直な方向に加わるローレンツ力により動くために電気抵抗が発生し、超電導状態は維持できなくなる。そのために、この量子化磁束を動かないようにするピン止めというミクロな材料技術が1950年代後期以降になってようやく開発された。これはバルクの超伝導体に重粒子線を照射したり、不純物を導入したりすることでわざと欠陥をつくり、この欠陥に量子化磁束をトラップすることにより、誘導起電力による電気抵抗の発生を防ぐことができる材料技術である。現在では、NbTi(ニオブ・チタン)合金やNb3Sb(ニオブ・スズ)合金が代表的な実用超伝導線材である。
<高磁場超伝導電磁石の実用化>
図-4は超伝導電磁石の元になる、超伝導リングの原理である。リングがニオブ・チタンのような第2種超伝導体であれば、外部磁場を取り去ってもリング内に磁場が残り、半永久的に衰えない永久電流が流れる。
図-5に超伝導電磁石の原理図を示した。超伝導コイルは臨界温度Tc以下に冷却された冷媒の中にあり、スイッチはヒーターで超伝導線の一部をTc以上(オフ)または以下(オン)にするものである。
まず、スイッチ・オフで外部電源から電流を流し、高磁場を発生させる。次にスイッチ・オンでスイッチ部分を超伝導状態に戻し電源を外すと永久電流が流れ、高磁場を発生し続ける。超電導磁石は高磁場の発生だけでなく、雑音などの影響を受けない安定した磁場を作り出せる。
