2015 Fiscal Year Research-status Report
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15K04749
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
渡邉 環 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器研究センター, 専任技師 (30342877)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ビーム電流計 / SQUID / 高温超伝導 / ビーム診断 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、重イオンビームのDC電流を、非破壊で高感度に測定するビーム電流計を開発することを目的としている。この開発では、脳磁や心磁の測定に利用される超電導量子干渉素子SQUID (Superconducting Quantum Interference Device)を、ビーム電流計 (SQUIDモニター)に応用している。さらに、臨界温度の高い高温超伝導体を用い、冷凍機によって冷却を行っているため、装置はコンパクトになり、ランニングコストの大幅な低減が可能となった。本研究では、既に完成したプロトタイプの電流分解能を、さらに高感度・小型化することを目的として開発を進めている。
高感度・小型化を実現するためには、１．高温超伝導電流センサー、２．高温超伝導SQUID、３．高透磁率マグネティックコア、の開発が必要である。プロトタイプのSQUIDモニターでは、MgO基盤表面にビスマス系の高温超伝導体(Bi2223)を塗布焼成して、高温超伝導電流センサーを製作している。このMgO基盤を加工するためには、ダイヤモンドカッターを用いるため、多大な労力と時間が必要となる。即ち、MgO基盤では、複雑な形状に対応することが困難である。そこで、高温超電導体を形成する上で、唯一合金を形成しない金属基盤として、銀基盤を選択した。銀基盤上に、高温超伝導体(Bi2212)を形成するためには、銀が融け始める直前の温度で、溶融する必要がある。特に、溶融状態の設定温度は、Bi2212相形成に大きな影響を及ぼす事が知られている。そこで、今年度は、溶融状態の設定温度を細かく変えながら、MgOのテストピース上にBi2212相を形成し、その臨界温度、臨界電流の測定、電子顕微鏡による表面観察、X線による結晶構造の解析等、を行った。これらの測定により、溶融法に於ける最適な設定温度を得ることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究実績の概要に記した様に、本研究における高感度・小型化を実現する上で重要である、高温超伝導電流センサーの開発から着手した。プロトタイプのSQUIDモニターでは、MgO基盤上に、ビスマス系の高温超伝導体(Bi2223)を塗布焼成した。しかし、MgO基盤を精細に加工することは困難であるため、銀基盤上にBi2212を溶融生成する方法を採用した。溶融法では、溶融状態の設定温度が、Bi2212相形成に大きな影響を及ぼす事が知られている。そこで今年度は、溶融状態の設定温度を細かく変えながら、MgOのテストピース上にBi2212相を形成し、その臨界温度、臨界電流の測定、電子顕微鏡による表面観察、X線による結晶構造の解析等、の測定を行った。これらの測定から、溶融法に於ける最適な設定温度は、890℃～891℃であることが判明した。次のステップとして、過去に銀基盤上にBi2212を溶融生成したテストピースを用いて、その臨界温度、電子顕微鏡による表面観察、X線による結晶構造の解析、を同様に行った。特に、Bi2212の臨界温度が液体窒素温度以上であることは、SQUIDモニターが動作する上で、必須の条件となる。今回は、Bi2212上に銀ペーストを用いてリード線を取り付け、四端子法によって臨界温度の測定を行った。しかし、Bi2212の膜厚が約70 ミクロンであるため、銀ペーストが銀基盤とショートしてしまい、臨界温度、即ち抵抗ゼロの温度を特定することができなかった。現在、この転移温度の測定をどのように行うか、検討を行っている。
一方、高感度・小型化を実現するために、プロトタイプとは違った新方式を考案した。今月中には、この新方式の検証実験を行う予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
SQUIDモニターの高感度・小型化実現に向けて、銀基盤上にBi2212を溶融生成した高温超伝導電流センサーの開発を進める。そのために、銀基盤のテストピースを用いて、最適な溶融条件を決定する。最適条件を決める重要な要素の一つとして、臨界温度と臨界電流の測定は必須である。現在、その測定法が確立できていないので、この問題を早急に解決する。溶融法によって最適なBI2212相を形成するためには、温度コントロールが重要であるが、既に、MgO基盤を用いて最適なBI2212相は実現できている。さらに、溶融を酸素雰囲気中で行い、溶融後にアニーリングを施す事により、臨界温度と臨界電流が改善されるという報告があるので、それらの実験も併せて行う予定である。上記の開発と並行して、高感度・小型化を実現するために考案した新方式の検証実験を行う。その確証をもって、１．高温超伝導電流センサー、２．高温超伝導SQUID、３．高透磁率マグネティックコア、の設計に入る。設計には、理研の加速器施設のビームパイプ径が標準で65 mm以上という規定から出発する。更に、新方式では、高温超伝導電流SQUIDのインプットコイル内を、高透磁率マグネティックコアが貫通する設計なので、高温超伝導電流SQUIDを製作する研究者とは、綿密なディスカッションを重ねながら開発を進める。
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| Causes of Carryover |
高感度・小型化を実現するための最初のステップとして、高温超伝導電流センサーの製作を予定していた。その前段階で、銀基盤によるテストピースを用いて、最適な溶融条件を探した。最適条件を決める要素として、臨界温度の測定は必須であるが、Bi2212の膜厚が約70 ミクロンのため、銀ペーストが銀基盤とショートしてしまい、抵抗が無くなる臨海温度を特定することができず、高温超伝導電流センサーの製作段階まで入ることができなかった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
銀基盤上に最適なBI2212相を形成するための方法を確立する。それに必要な銀基盤の製作や分析依頼などに今年度の費用を充てる。更に、SQUID電流計の高感度・小型化の実現を目指して、１．高温超伝導電流センサー、２．高温超伝導SQUID、３．高透磁率マグネティックコア、の設計と製作に、今年度の費用を使用する。
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