エネルギ変換工学 第12回 超伝導とレーザー 2005S06 白木 英二 監修 木下 祥次 超伝導 ある物質を非常に低温に冷やしたときに、その物質の 抵抗がなくなる。 水銀は4.2Kdで電気抵抗0 閉ループコイル内 →永久電流 超伝導現象の性質 完全導電性(電気抵抗ゼロ) 完全反磁性(マイスナー効果) 磁束の量子化 ジョセフソン効果 完全導電性 非常に低温にすると →物質の抵抗が消失する。 完全導電性：ゼロ抵抗状態 臨界温度で超伝導状態になる。 ある電流以上で超伝導状態が消滅。 完全反磁性（マイスナー効果） 超伝導体を磁界Hの中におくと、内部での磁束密 度Bはゼロになる。 B=μ0（H+M）=0 磁化M、真空の透磁率μ0 完全反磁性 H=－M 臨界磁界で超伝導状態が壊れる。 印加磁界H 磁化M B=0 常伝導状態 超伝導状態 超伝導ケーブルによる送電(1) 現用の地中送電ケーブル：導体は銅 約1 A/mm2 の電流を流せる 高温超電導ケーブル：酸化物超電導線材 液体窒素温度（77 K）で超電導状態 約50 ～100 A/mm2 の電流を流せる。 断熱管 (株)古河電工 超電導シールド層 電気絶縁層 超伝導層 フォーマ 窒素流路 超電導ケーブルの構造 超伝導線材の構造 Bi2223(Bi2Sr2Ca2Cu3Ox) 超伝導ケーブルによる送電(2) 地中送電ケーブルのコンパクト化 →建設コストを低減。 通電損失の極小化 →運転コストを低減し、CO2 削減効果 漏れ磁界ゼロ化とリアクタンスの低減 →限界送電電力を増加 →送電容量当たりのコストの削減 超伝導ケーブルによる送電(3) 交流損失の低減 ヒステリシス損失 渦電流損失 結合電流損失 大容量長尺化 長尺冷却技術 超伝導電磁石 超伝導コイルで、安定した、高磁界を発生。 2～18Tの高磁界 (銅鉄電磁石：～2T程度) MRI：磁気共鳴イメージング装置 超伝導リニア 超伝導発電機 核融合発電 超伝導電磁石 東北大学金属材料研究所 強磁場超伝導材料研究セン ター 大口径無冷媒超伝導マグネットの内側に 8MWの水冷マグネットをたマグネット。 最大30Tの磁場を発生させる。 SMES（超電導電力貯蔵ｼｽﾃﾑ) エネルギーの出し入れが早い 貯蔵効率が高い SMESの適応箇所 磁束の量子化 超伝導体リングの内側を通る磁束は φ0= h/2e =2×10-15[Wb] h:プランク定数、e:素電荷 の整数倍の値しかとることができない。 φ 超伝導シリンダー ジョセフソン効果 2つの超伝導体の間に挟まれた絶縁体には超 伝導状態を表す波動関数の位相差に比例した 電流が流れる。 J=J0sin（θ2－θ1） 超伝導体 絶縁体 超伝導体 Ψ1 Ψ2 Ψ：波動関数 SQUID(超伝導量子干渉素子) 微弱な磁場の検出 電流I∝cos(πφ/φ0) ジョセフソン接合a ja 磁束φ jb ジョセフソン接合b レーザ 単色性：単一の光の集まり 指向性が良い：直進しほとんど広がらない コヒーレント性：位相がそろっている 自然光 レーザ光 レーザの原理 励起 自然放出 誘導放出 レーザの発振 熱平衡状態 レーザ発振器の構造 反転分布 ポンピング→反転分布→自然放出→誘導放出→ →反射→光増幅→レーザ発振 反転分布の生成 3準位系 4準位系 反転分布は3準位もしくは4準位系で実現 ポンピング→電子遷移→反転分布→発光 レーザの種類 固体レーザ ネオウジムイオンをYAG（イットリウム・アルミニウ ム・ ガーネット結晶）に入れたNd:YAGレーザ(1064nm 赤 外線） 液体レーザ 色素分子を有機溶媒（アルコールなど）に溶かした 色素レーザ ガスレーザ CO2レーザ（赤外線10.6μm）や、希ガス（アルゴン、 クリプトン、キセノンなど）とハロゲンガス（フッ素、塩 素、臭素など）の混合ガスを使ったエキシマーレーザ (126nm～351nmの紫外線) 金属蒸気レーザ 半導体レーザ 小型 消費電力が小さい 電流により高周波でレーザ光を変調可能 レーザ加工の原理 レーザ光を物質に照射 吸収されて物質の電子エネルギーに変換 物質の格子エネルギーに変換 物質の温度が上昇。 このとき物質は変性、溶融、蒸発、昇華等の現 象を起こします。 レーザ加工 非接触加工 レーザの集光径とほぼ同じ微細な加工 高パワー密度ビームを照射するため、溶融お よび溶融金属の除去が迅速 熱影響が少なく、熱変形が極めて小さく切断精 度 切断部の酸化が少ない。 多様な板種・板厚の切断加工 レーザ加工の種類とレーザ出力 レーザ切断 その他のレーザ応用 レーザ治療器：切開メス、皮膚治療、目の治療 など レーザ測定器 レーザプリンタ CD/DVD 光ファイバ通信
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