ME／M
OIRS
OF
SHONAN INST 【TUTE OF TECHNOLOGY VoL 35
，
No．
1，
跚 ）1高
温 超
伝 導
コ
イ
ル
に
よ る
弱
磁
界
の
遮
蔽
荻
原
宏 康
＊・
渡
辺
裕 幸
＊＊Automatic
Shielding
ofWeak
Magtietic
Fields
by
HiTc
Coils
Hireyasu
OGIwARA
andHiroyuki
WATANABE
By using a high cdtical temperature oxide superconductor
，
superconductivity is realized even at theliquid
nitrogentemperature
．
Perfect
diamagnetism
is
one of the significant characteristics of a superconductor，
by
which shielding of weak magneticfield
shouldbe
expected，
The
purpose of this studyis
to show the possibllity of magnetic shielding of a weak magnetic 丘eld ashigh
as5
gauss，
ten
times that。f
the ear this丘eld．
The
10
cmdiameter
−
coils of copper wire shielded the magneticfields
of3
to 5gauss
whenthe
coils wereput
in
magneticfields
of 3 to 5gauss
andfed
with the currents which generated magneticfield
of the reverse direCtion of the same strength．
The highTc Bi・
oxide superconduc−
tor coils of the same
dimensions
as the copper coils showed ability of shielding the inner area f the coilsfrom
the weak external magnetic fields，
However，
a couple of problemsin
the superconduCtor coils preventedit
from
showing suf自cientperformance
of the superconductor coils，
This
problem
shouldbe
examinedin
future
studies．
1
．
は じ め に 電 磁 界の遮 蔽 技 術は，
電 気 機 器の 予 期 された動 作 や 機 能を狂 わ せた り，
周 辺 に おかれた磁 性体を 磁化し て．
場 合によっ て は力 を 及ぼ し て移 動さ せ て し ま う こ とを避け よ う と し て い ろい ろ と考え ら れて きて い る。
携 帯 電 話の 発する電 磁波に よっ てペー
ス メー
カー
が 狂 う 心配をアナ ウ ンスする 公共の乗 り物の経 験は 日常の こ と に なっ てい る。
高 温 超 伝 導 体が発 見 された とき 超 伝 導 応 用 技 術の一
つ とし て超 伝 導の完 全 反 磁 性 を 利 用し た磁 気 遮 蔽に期 待 が 集 まっ たこ と は記 憶に新 しい。
実 際，
すで に実 用に なっ てい る医 療用 磁気イメー
ジング装置 で は中心装 置で あ る超伝 導磁 石と計測 装置や画 像モ ニ ター
を遮 蔽する 必 要が あり，
磁石周辺で磁界が5
ガ ウス以下に な る範 囲の 小さ さ が装 置の 性 能 を 考え る ヒで の指 標の一一
つ に なっ て い る。5
ガ ウス は ほ ぼ 地 磁 気の10
倍の 強 さの 磁 界であ る。
わ た し た ち は 生涯，
地 磁 気の 中で 生 き てい る。
高温 超伝導 体の 発 見と小型ク ラ イ オクー
ラー
（極低温冷 凍 機 ）の 開 発によって新 材 料の生 成 や 生 体 活 勤の研 究に数 多 く使 わ れるよ うになっ た ド ラ イマ グ ネッ ト （ク ラ イオ ＊ 電気工学 科 教授 大 学 院工学 研 究 科 博士前 期 課 程 電 気工学専攻 平成 12 年 10月31 日受 付 クー
ラー
直接 冷 凍 式 超 伝導マ グネッ ト）でも，
も れ 磁 界 によ る 計 測 機 器や電 子 計 算 機の モニ ター
へ の磁 気の影 響 が問 題に なっ てい る。 実 際，
6テス ラ の高 磁 界で ドラ イ マ グ ネッ トを 使って い る とき 数メー
トル 離 れた とこ ろ で 使っ てい るデス ク トッ プ 電 子 計 算 機の モ ニ ター
は，
3〜5
ガ ウス程 度の も れ 磁 界の影響 を受け て色カブリ が お きた り，
図 形が ひ ずん だりする。
た だ し，
色カ ブリ や図 形の ひずみ につ い てい えば液晶モニ ター
で は起き ないか ら こ の間題 に関する限り遮蔽を問題 にする 必要は ない。
しか し，
最 近の よ うに電 力機器 が 大 型 にな り，
そこ に 流 れ 込 む 電 流 も 大 き く な る と，
その 電 流の 作 る磁 界 も，
微 弱とは い って もペー
ス メー
カー
の 例に も ある ように，
無視で きな くなっ て きて い る。
とい うことを 考 慮 し て 問 題 を一
般 化 して，
5〜50
ガウ ス程 度の微 弱 な 直 流 磁 界 を，
高温超伝導 体の超 伝導特 性を利用 し て遮蔽する技術の 可 能 性につ いて実 験 的に研 究 する こ と に し た。
超伝導 体で は，
超 伝 導 体に加 わ る磁 界 を 打 ち 消 す よ う な磁 界 を 発 生 するように表 面 電流が流れて超 伝導体内部の磁 界は常に ゼロ に な る。 こ の性 質は超 伝導 体の臨界 磁 界ま で存在す る が、
高温 超 伝導 体にあっ て は，
とくに液 体窒 素温度 近 くの 温 度で は臨 界 磁 界は はっ き りした値 を 持たない 上に 非 常に低 く なっ てい るの でこ こでは 数 ガ ウスを 遮 蔽の限 界に選ん で あ る。
高 温 超 伝 導 体は液 体 窒 素で冷や して使湘南工科大 学紀 要 第 35巻 第 1 号 う
。
な お，
こ こ で は微 弱な直流磁 界 を対 象とする が，
も う一
方の 交流磁 界につ い て も その 強 さが微 弱 な もの につ い て は同 じ技術が使 える。
あ る 程 度の 強 さ を もっ た磁 界に つ い て は対象と する装 置 ご とに遮 蔽 するこ と ができる。
その場 合，
大 量の磁性 体 （鉄 ） を使っ た り も れ 磁界 を 打 ち消 す 磁 界 を 発生するもう一
つ のマ グ ネッ トを 付け加え たりし てい る。
○
超 伝導コイル （L
」
」
1
凵
鼎 図 1 超 伝導 磁 気シー
ル ドの 原理今
Principle
of magnetic shie］ding
by
a superconduc一
tor ring2
．微弱磁界
の遮蔽
の原
理 超 伝 導 体で できた図1
の よ う な リングに外か ら磁 界 を 加え て も，
磁 界が超 伝 導 体の 臨 界磁界以 下の 場 合に は，
外 部 磁 界は リング の中に 入れない 。 こ の と き超 伝導体 リ ング に は，
リングの 中に 入 る はずの外 部磁 界 をちょ う ど 打 ち 消 す よ う な 電 流 が 誘 起 されてい る。
こ の電 流の つ く る磁 界が臨 界 磁 界 を超え ない うちは リング内部は外 部 磁 界に対し て遮蔽 さ れ てい る とい う こ と に な る。 超伝 導 性 の破れ る電流 （密度）の こ とを 臨 界 電流 （密 度）とい う。
臨界電 流の値は 現在の 標準 的な ビスマ ス系 超伝 導導 体 （厚さ0．
25mm ，幅 5mm の テー
プ状 導 体 ）で は，
液 体 窒 素 温 度で も30A
以 上に なっ て い る。
これ を 利 用し て，
たと え ば，
直 径10cm
の ルー
プに100
A
の電 流 を 流 すと き中心に発生する磁界の強さ （磁束 密 度 〉は約10
ガ ウ スである。
現 実の問題 と し て は超 伝 導 体の理想 的な リング は存 在 し ない の で こ の よ う な遮 蔽 現 象は臨 界 磁 界 よ り もずっ と ひ くい 磁 界まで し か期 待で きない。
しか し，
臨 界 温 度が100K
を 超 え る ビ ス マ ス 系超 伝 導体 を 液体窒 素 温 度（77K
）で使う と き に は まだな お十分に 100A の臨界 電流 は期 待で き る。
換言する な ら 100A 以下の電流で使う限 りビス マ ス系 超伝導 体 リング は余 裕 を もって超 伝 導 状 態 で働か せ る こ と が で き る。3
．
超 伝導
リング と実験
3〜10
ガ ウスの磁 界 を 遮 蔽 する実 験に使っ た 超 伝 導リ ング 2個を 図 2 に し め し た。 いずれ も ビス マ ス 系 超伝 導 導 体で巻いてコ イル に し てあ る。
巻 き数はいずれ も16回 お よ び 回で あ るe 使われてい る超 伝 導 導 体の 特 性 を 表1
に示し た。 超 伝 導コ イル は両端 をは んだ を使っ て短 絡し て あ る。 短絡 部分の抵 抗を で き る だ け小 さ くする た め にコ イルー
巻き分の長さをは ん だ付け し て あ る。 抵抗 値を測定する ことが で きないが導体 厚さの半 分の導 体 安 定 化 銅 とその 図2
ビスマ ス系 超伝導コ イルSuperconductor
Coils
of HiTc Bi−
oxide supercon−
duCtor
10分の 1の は ん だ （鉛と して） 厚さ，
さ ら に安 定 化銅の 厚 さで接 続 長 さが30cm と 見 積 もっ て最 大で IO’
6Ω 以下 と仮定 し た。
また，
コ イル の イン ダ ク タ ン スは10
−
4H 程 度に なっ てい る の で，
コ イル のLIR
は100
秒になっ てい る。
インダク タ ン スは磁束密度 とコ イル の デメ ンシ ョ ン から計 算で求 めた。
実 験は，
この コ イル の 中心 で 3〜
10ガ ウスの外 部磁界 が ゼロに な るこ と，
つ まり超 伝導コ イル が自動 的に外部 磁 界 を 遮 蔽 するこ と を確か め るこ と を 目 的 に し てい る。
実 際に は外部 磁 界の ある と こ ろ に置かれ た 超 伝 導コ イル の 中心 磁界が ゼロ に なっ てい ること，
お よび，
その と き 超 伝 導コイル に は遮 蔽 電流が流れてい るこ とを確か め る こ とで あ る。
実際の実 験では超伝導コ イル は，
後の解 析に便 利な よ うに，
ソ レ ノ イ ドコ イル の軸の延 長 上に置い た。
超 伝 導 コ イル面 を，
外部磁 界 をつ く るソ レ ノ イ ドコ イル の軸 と 垂直に向け る と き超 伝 導コイルの鎖 交 磁 界は最 大に なり，
90Q
ま わし て軸に平行に置い た と き鎖 交磁 界は ゼロ にな高 温 超 伝 導コ イル に よる弱 磁 界の遮 蔽 （荻 原 宏 康
・
渡 辺 裕 幸 〉表
1
超伝 導コ イル に使っ た ビス マ ス形 超 伝 導 導体の特 性Tyl
〕ical
CharaCteristics
ofUsed
HiTc Bi−
oxideSuperconductors
SUPERCONDUCTOR
社導体 住 友 電工 （株 ）導体 作 製 材 縁 続 ル イ 線 絶 接k
コ 銀 合・
金シー
スBi−
2223 テー
プ ホル マー
ル 全 円 周 ラ ップろ う付け 30〜
33A （77K，
100
ガ ウス） 金 属 材 料 技 術 研 究 所 銀合金シー
ス Bi−
2223 テー
プ ホル マー
ル60mm
ラ ッ プろ う付 け 40A （77K。
OT
） 住 友 電工 る。
実 験1
で は軸に垂 直に おい た超 伝 導コ イル で 中 心 磁 界が ゼロ に な る こと を確か め，
ロ ゴスキー
コ イル によっ て超 伝 導コ イルの電 流 を測定する。 その後，
超 伝 導コ イ ル をgo°
倒 し て超 伝 導 電 流が残ってい る こ とを確かめ る。
実 験 2で は軸に平 行に置い た超 伝 導コ イル で中心磁 界が，
外 部 磁 界と同じ で あっ たもの が，
超伝 導コ イル を 軸に垂 直に向け ることで ゼ ロ にな るこ とを確か め る こ と である。
実 際の 超伝導コ イル は前 述の と お り小 さい抵 抗 を 持 っ て い るの で超 伝 導コ イル に誘起 され る 電 流は時 間 的に変 化 する。
こ の変 化か ら超伝 導コ イル の抵 抗 値 を調べ る。
こ の抵抗 値は接続 抵 抗になっ て い ると考え ること が で き る。
4 ．
試 験コ イル お よび 外 部 磁 界超伝 導コ イル は
，
抵 抗が ゼロ，
実 際の超 伝 導コ イルで は接 続 抵 抗が あ る が非 常に小 さい，
た めに，
お よび 短絡 し てあるため にコ イル 電 流 を直 接．
測定する ことはむつ か しい。
銅 線で試 験コ イル をつ く り予 備 実 験 を 行っ た。
試 験 コ イル （図3
）は超 伝 導 コ イル と同じ大 き さで，
巻 き 数は 20 回，50
回の もの を製 作 し た。
こ れ らの試 験コ イル に電 流を流し た と き中心磁 界が3〜5
ガ ウス にな る電 流 値が，
3〜
5 ガ ウ ス の外 部 磁 界を遮蔽する た め に超 伝 導コ イル に 誘起 され る超 伝 導 遮 蔽 電流に な る （予備 実 験1
）。
測定 し た試 験コ イル の電 流 と発 生 磁 界の関係を図
5
に しめ した。
外 部磁 界は最 大 磁 界
6T
を 発 生で き る ド ラ イマ グ ネッ ト 「湘 6」（図4）で発 生 させた。
湘 6は直 径 19cm，
長 さ58 cm の水 平 方 向の円筒状の 常 温空 間 を 持っ てい て，
こ の中心に最大で6T
の磁 界 を 発 生するク ラ イ オクー
ラー
直 接 冷 凍 式 超 伝 導マ グ ネッ ト で あ る。
湘6の 発生磁 界の軸方 向 分布は図5
の よ うに なっ て い る。
い ま，
実 験で は 3〜
5ガ ウス の微 弱 磁 界 を対 象と し てい る の で テス ラ・
オー
ダー
の磁 界 を発生する よ う な 図3
試 験コ イル （銅 ＞
Test
Coil
ofCopPer
Wire
図
4
湘6
Drymagnet
’”
Sho・
6「
「
励 磁電流は必要ない．
試 験コ イル をセ ッ トす る場 所，
つ ま り，
実 験 を 湘 6か ら 1〜
2m の位 置で行うこ と と し て，
そ こ で の軸方 向 磁 界 が3〜5
ガ ウスに な るよう な湘6
励磁 電 流 を 調べ た。
た と えば，
湘 6で 中心磁 界 を 1T に励 磁 した と き，
湘6
外 壁 を出発点とする軸 方 向 磁 界の距 離に よ る変 化は図6
の ように な る。
こ の図か ら外 部磁 界 5 ガ ウ ス に な る場 所は湘6
外壁か ら1．
85m
は なれた場 所で あ るこ と がわか る。 ま た，lm
はな れ た 位 置で外 部 磁 界5
ガ ウス に しよう とす れば湘 6中心磁界 は 1000 ガ ウス以 ド湘 南工科 大 学 紀 要 第
35
巻 第1
号7
6
5
ε
4
蕁
・21
00
0
，
050
．
1
0
．
15
0．
2
0
．
25
中
心 か らの 距離
（m ） 図 5 湘 6の磁 界 分 布Magnetic Field I）
istribution
on”
Sho6”
03
0
．
35
10000．
0 1000．
O OOO1｛
ω 雪 邸 σ｝
10．
05．
0 1．
0 0 O．
5 1 距 離 （m） t．
5 2．
一
2．
5 図6
湘6
周辺の磁界分布
Magnetic
Field
Distribution
around”
Sho−6’
tで よい とい うことがわかる
。
予 備 実 験2
で は，
こ う し て き め た湘6
前の5
ガ ウス ポ イ ン トで，
試 験コ イル を湘6
に向け て おいて電 流 を流し，
試 験コ イル の中心磁界が ゼロ になる こ とを確か め た。
5 ，
超伝 導 コイルに よ る オー
ト シー
ル ディ ング 超 伝 導コ イル を 巻 くビスマ ス 系 超 伝 導 導 体は内外の 2 社か ら提 供 を うけ た。
い ず れ も 厚 さO．
25・mm 幅 5mm の テー
プ 状導体であ る。
超 伝導コ イルA
は オー
ス トラ リ アの
SUPERCONDUCTORS
社 お よ びENGINEERING ，
EDU −
CATION ，
AND
INNOVATION
CENTER
か ら提 供 を 受け，
巻 き 線 お よび接 続 は 科 学 技 術 庁 金 属 材 料 技 術 研 究 所
，
（株 〉昭和 電 線 電 纜に依頼 し た。
超伝導コ イルB
は線 材，
コ イル ともに住 友 電工株 式 会 社の もの で ある。
図2
の よ うに直径10
の巻 き枠に それ ぞ れ，20
回，
16回 巻い て 両 端を 短絡 し て あ る。
導 体の電 磁 的 な特 性は液体窒 素温 度で外 部磁界ゼロの と こ ろ で臨 界 電 流30A
以 上で あ る。 これらの コ イル で 中心に 5 ガウ ス の 磁 界を作るには 100A の起 磁 力，
し た が っ て コ イル電 流 5A を流すこ と が で き れ ば 十 分で あ る。
こ の コ イル が中 心に5
ガ ウス の磁 界 を 発 生 し て いれば コ イル に は5A
の電 流が流れ，
逆に5
ガ ウス の 外部 磁 界高 温 超 伝 導コ イル に よ る 弱 磁 界の遮 蔽 （荻原宏 康
・
渡辺裕幸 ） の 中に あっ て 中心磁 界が ゼ ロ に なっ て い る と き同 様に コ イル は5A
の電 流 を 流 し てい る。
現 実の 問 題と し て超伝 導コ イル には接 続 部 分があ り抵 抗 を もつ か ら，
こ の電 流 は コ イルの抵 抗 と イン ダ ク タ ン ス で きまる時 定 数で減 衰 し てゆ く。
コ イル電 流はこ の減 衰 状況を測 定 する こ と に よって求め るこ と が で き る。 コ イル の 時定 数 は前 述の よ うに約100
秒 と 見 積 もっ てあ るの で 測 定に は比 較 的 長い 時 間 をか け るこ と が で きる。
実験 1 お よび実 験2
を実行する た め に、
コ イル を液 体 窒 素の 中で go°
まわし な が らい つ もコ イル 中心の 位胃の 磁 界 を測 定 する必要が あ る。
コ イル 電 流 を 測定する に は 直 径6mm
で巻き数1000
の ロゴスキー
コ イル を超 伝 導コ イル （お よび 試 験コ イル）に巻い て あ る。
コ イル電 流 5A （起 磁 力 100A ）の と きこれで ミ リ ボル ト程度の電圧 が得 られ る。
現 在，
液体窒素 中コ イル 回転 機 構の製作と数 ミ リ ボル ト の 出 力 を 雑 音か ら分 離 する調 整に 入っ て い る と こ ろ で あ る，6
．
ま と め 高温 超伝導体 を 使 え ば 液 体 窒 素 温 度で超 伝 導 を実 現で き る。 その超伝 導 性の 特 徴の一
つ に完 全 反磁性が ある。
こ の 特 性 を利 用 す れ ば 微 弱 な 磁 界 を 遮 蔽で き る はずで あ る。
こ の 研 究で は液 体 窒 素温度に冷 凍し た高温 超伝 導体 の コ イル を 利用 し て地 磁 気の 10倍 程 度の 直 流 磁 界を受 動 的 な 状 態で遮 蔽 する可能性 を確 認 する こと を 目的に し て い る。
直 径10cm
で20
回 巻 きの 銅コ イル をつ く り3〜5
ガ ウ ス程 度の 磁 界 を 発生 させ た。
こ の コ イル を使 っ て超 伝 導 コ イル 周辺 の もれ磁 界が5
ガ ウスに なっ てい る位 置で逆 方 向の 磁 界を発生 さ せ．
コ イル 内 （正確に は コ イル 中心 で ）の 磁 界 をゼ ロ に で き るこ とを 確か め た。 こ の位 置で高温 超 伝 導 体であるビス マ ス系超伝導 導体 をまい て短 絡 し たコ イ ル を作 り，
コ イ ル中心で は 自 動 的 に磁 界が打ち消さ れ る オー
ト シー
ル デ ィン グ作用 を確か め た。
しか し，
実際に は超伝 導コ イル は短 絡 部 分で接続 抵 抗 を持っ てい て完 全 な 超 伝 導 リングで はない の で中 心 磁 界の測 定，
コ イル 電 流の測 定に問 題 が あっ てさ ら な る 研 究 を 必要とすること が わか っ た。
な お，
超 伝 導 導 体の提供 元で ある オー
ス ト ラ リアのSUPERCONDUCTORS 社お よび ENGINEERING
，
EDUCA−
TION
，
AND INNOVATION CENTER の Frank Darmann 博士
