2016 Fiscal Year Research-status Report
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15K13398
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
福山 寛 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (00181298)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村川 智 東京大学, 低温センター, 准教授 (90432004)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 磁気冷凍 / 断熱消磁冷凍 / 超低温 / 熱スイッチ / 熱接触 / 磁気シールド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本装置の3つの主要構成要素（熱スイッチ、超伝導マグネット、核ステージ）について、詳細な熱および磁場計算を行い、テストピースを使っての熱抵抗の実測も併用しつつ、その詳細設計をほぼ終えた。
異種物質間の接合部の熱抵抗は低温になるほど大きくなる。本研究で発生する1 mK以下の超低温では、これが熱的ボトルネックとなって装置全体の最低維持温度を決めてしまう。熱計算の結果、亜鉛の超伝導熱スイッチ部の亜鉛フォイルと銀フォイルの接合抵抗を抑えるのがもっとも重要であることが分かった。そのため、テストピースを使って熱拡散接合の熱処理温度とT = 4 Kで実測した接合の電気抵抗値の関係を系統的に調べたところ、抵抗値が最小となる最適処理温度が存在することを突き止めた(処理時間3時間のとき220℃)。この結果をもとに熱スイッチ全体の抵抗値を評価すると、設計性能を十分満足する低抵抗（電気抵抗換算で40 nOhm以下）にできることが分かった。
次に小型超伝導マグネットの発生する磁場分布を有限要素法で数値計算し、アクティブ超伝導コイルと超伝導円筒を組み合わせた超伝導磁気シールド方式と、高透磁率材を使う磁気シールド方式の性能を比較した。その結果、遺漏磁場の遮蔽性能に大差はないが、前者ではマグネット内部の発生磁場が半分に減少してしまうのに対し、後者はそうした減少がないことが判明した。そこで、磁気シールドには高透磁率材方式を採用することにした。
磁気作業物質であるPrNi5周りの熱抵抗や磁場掃引時の渦電流発熱などを詳細に検討した結果、PrNi5丸棒に1 mm径の銀線を密着して沿わせ全体を亜鉛ハンダ付けすることで、他の部品と比べて問題ない低熱抵抗を実現できることをテスト測定でも確認した。
以上の結果、本装置が当初の概算による予想性能を確かに達成可能であることを確認した。現在、各部品の詳細図面を製図中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
装置の熱的・磁気的性能評価のための計算を詳細にやり直し、いくつかの比較的大きな設計変更があったため、小ピースを使った部品の性能テストまでは終えることができたが、実機の各構成部品の製作開始までには至らなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
詳細な性能評価計算を行った結果、設計変更は伴ったものの、超伝導マグネットや超伝導熱スイッチの構造を簡略化できることが分かったので、今年度前半に機器製作を終え、後半には連続冷却の実証テストを実施できると考えている。
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| Causes of Carryover |
「現在までの進捗状況」欄に記したように、当該年度は、装置の詳細設計までは完了し、小ピースを使ってのテスト実験までは実施したが、実機の製作には至らなかった。そのため、高額消耗品である超伝導線材購入費や部品加工代金の執行は繰り延べて、次年度（平成29年度）に行うことにした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額は、超伝導線材：400千円、高透磁率材シールド：300千円、各種部品加工：221千円の代金に充てる予定である。
なお、超伝導マグネットの磁場計算の結果、超伝導磁気シールド方式から高透磁率材シールド方式に設計変更したため、予定していた超伝導ニオブ材の代わりに高透磁率材シールドを購入する。
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