2017 Fiscal Year Research-status Report

高温超伝導SQUIDビーム電流計の高感度・小型化

Research Project

Project/Area Number	15K04749
Research Institution	Institute of Physical and Chemical Research
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)
Project Period (FY)	2015-04-01 – 2019-03-31
Keywords	ビーム電流計 / 高温超伝導 / SQUID / ビーム診断
Outline of Annual Research Achievements	超高感度磁気センサーSQUID(Superconducting Quantum Interference Device)は、脳磁や心磁の測定に利用されている。重イオンや反陽子を加速・蓄積する加速器に於いては、加速器を構成する各装置群の安定度を分析するため、微弱なビーム電流を、非破壊で高精度に測定することが加速器物理学の観点から極めて重要となる。本研究では、世界に先駆けて、非破壊で高感度な高温超伝導SQUIDビーム電流計の実用化技術を開発し、そのプロトタイプを完成させ、特許登録に至った。本研究の目的は、(1)マイスナー効果による遮蔽電流が、SQUID入力コイルにどれだけの磁束を作り出すのか、より深い理解に基づいたモデル計算により、新規高温超伝導ピックアップループを開発するとともに、(2)超伝導体による完全反磁性と、高透磁率体による磁束吸収の両機能を併用した磁気シールドの研究である。これらの研究により、小型でかつ飛躍的に感度を向上させた高温超伝導SQUIDビーム電流計を実現し、高感度なビーム損失の測定が可能となる。実用化に成功したプロトタイプは、高温超伝導体(Bi2223)をMgO基盤上に焼成しているが、複雑な形状には対応できないため、加工が容易で、合金を形成しない銀を基盤として選択した。銀基盤上には高温超伝導体(Bi2212)を溶融して形成するため、最適な溶融温度と除冷速度の探索を行ってきた。Bi2212のテストピースを用いた性能の評価は、以下の方法による。即ち、(1) 走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた厚膜の表面画像の観察、(2) X線解析法による結晶構造の解析(XRD)、(3) SQUID磁力計による直流磁化測定による臨界温度と臨界電流密度の同定、である。その結果、高温超伝導SQUIDビーム電流計の仕様を満足する製作法を確立した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 本研究における高感度・小型化を実現するために、プロトタイプをさらに発展させた新方式の検証実験に成功した。この新方式では、銀基盤上にBi2212厚膜を溶融形成することが非常に重要になる。高い臨界温度と臨界電流密度を得るため、最適な溶融温度と除冷速度の探索を行ってきた。条件を変えたBi2212のテストピースを製作し、SEMを用いた膜表面画像比較と、XRDによるBi2212の結晶構造の解析を行うことにより、最適な溶融温度は、大気雰囲気中で880℃、酸素雰囲気中で884℃、という結果が得られた。また、酸素雰囲気中の方が、不純物の量とサイズが減少している傾向が得られた。徐冷速度に関しては、従来は徐冷速度-12℃/時で行っていたが、-4℃/時に速度を下げることにより、超伝導の配向性が改善されている結果を、SEMによる膜表面画像から確認した。これらの4通りの条件で作成したサンプルの高温超伝導体に対して、臨界温度、臨界電流密を、SQUID磁力計による直流磁化測定によって得た。臨界温度は、温度を変えながら磁化率を測定することによって得られ、臨界電流密度は、一定温度で印加磁場を変化させ、そのヒステリシス巾から計算することができる。その結果、大気雰囲気中880℃で溶融し、-4℃／時のレート徐冷する方法により、84 Kの臨界温度と、361.1 A/cm2の臨界電流密度が得られた。高温超伝導SQUIDに関しては、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タイプの開発に成功した。SQUIDの基盤（SrTiO3）上に、レーザー加工によって貫通穴を形成することに成功したので、現在これをモールドする作業を進めている。
Strategy for Future Research Activity	銀基盤上に高温超伝導体(Bi2212)を溶融して形成するため、最適な溶融温度と除冷速度の探索を行った結果、大気雰囲気中880℃で溶融し、-4℃／時のレート徐冷する方法により、84 Kの臨界温度と、361.1 A/cm2の臨界電流密度が得られた。超伝導シールドの性能は臨界電流密度によって決まるので、更に高い臨界電流密度を得るために、過去の研究事例を調査した。その結果、Bi2212の組成比に若干の修正を加え、Bi2212焼粉末を有機溶媒により塗布する方法として、スプレー塗布からディップコーティング塗布に変える方法が有効ということが解った。また、溶融凝固過程に於いて、Biの飛散を抑制することにより、不純物相の成長を抑える事も判明したので、Bi蒸気を含む雰囲気中で溶融を行う事が有効である。現在、880℃、881℃、882 ℃の溶融温度で、それぞれをBi蒸気雰囲気中、大気雰囲気中で行うサンプルを作製中である。完成したサンプルを、(1) 走査型電子顕微鏡を用いた厚膜の表面画像の観察、(2) X線解析法による結晶構造の解析、(3) SQUID磁力計による直流磁化測定による臨界温度と臨界電流密度の同定、によって性能の評価を行う。高温超伝導電流SQUIDに関しては、インプットコイル内を、マグネティックコアが貫通するSQUIDとマグネティックコアを完成する。また、高温超伝導電流SQUID電流計の性能を決めるうえで、超伝導磁気シールドは非常に重要な役割を担う。金属上に高周波磁場を印加することにより渦電流を発生させるシミュレーションでは、超伝導によるマイスナー効果に近い磁気シールドの計算ができることが解ったので、現在その計算を進めている。今年度中に、新方式による高温超伝導SQUID電流計の設計を完了させる予定である。
Causes of Carryover	高感度・小型化を実現するために、プロトタイプをさらに進化させた新方式の検証実験を行い、高温超伝導電流センサーの製作の前段階として、銀基盤によるBi2212テストピースを用いた最適な溶融条件の探求を行ったが、当初予想していた予算より、少ない使用額で済んだ。更に性能を改善できる見通しがついたので、次年度に使用する。これまで本研究で得られた性能を更に改善した高温超伝導体(Bi2212)を、銀基盤上に溶融する方法を確立する。それに必要な測定費や出張費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) 高温超伝導電流ピックアップループ、(2) 高温超伝導磁気シールド、(3) 高温超伝導SQUID、(4) 高透磁率マグネティックコア、の設計・製作に今年度の費用を使用する。