2019 Fiscal Year Annual Research Report
人工薄膜構造導入による次世代超伝導加速空洞開発の新展開
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19H04395
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
片山 領 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 博士研究員 (60806959)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩下 芳久 京都大学, 化学研究所, 准教授 (00144387)
久保 毅幸 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 助教 (30712666)
佐伯 学行 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 准教授 (70282506)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 超伝導空洞 / 薄膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は超伝導空洞に対する薄膜構造の導入の効果と空洞性能の周波数依存性を実験と理論の両面で検証することにより、超伝導空洞を高性能化する基礎を与えることを目標としている。これに関連して、膜質に応じて超伝導薄膜の特性が変化する影響を考慮したより精度の良い理論計算が行われ、実際に第三高調波測定実験との間で良好な一致を得た。本実験結果は2019年６月の国際学会の招待公演で発表され、理論も論文にまとめられた。また、準粒子の状態密度の時間変化が RF 表面抵抗に及ぼす量的な評価を論じた内容が論文化され、超伝導空洞の Q-E curve の周波数依存性の解明を目指す本研究の理論的基礎が与えられた。これに関連して、どの共鳴周波数の空洞を用いるべきか検討し、RF 源の調達の点から 6 GHz が最善との結論を得た。そこで、その製作に必要な部材一式を調達した。また、昨年度に Stanford Linear Accelerator Center（SLAC) の 11.4 GHz の半球形 cavity で我々の試料を評価できる流れとなった。SLACの装置は実際の空洞と同じ GHz 帯の磁場を用いたサンプルの超伝導特性の評価を可能とし、従来の kHz 帯の磁場のサンプル実験と将来の空洞実験と中間に位置づけられる。そこで、SLAC の装置で測定する円盤サンプルの EP 処理に必要なジグを製作した。また、協力関係にあるアルバックと Jefferson 国立研究所（JLab）で製作された Nb3Sn や NbTiN の薄膜試料が良好な超伝導特性を発揮することを確認した。また、空洞内面に対する最適な成膜条件を見出すために使用するクーポン空洞の設計・製作は 2019 年度内に完了、多連コイルを用いた新しい実験系と X-T mapping の開発も順調に推移し、2020年度中に完成する見込みである。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度は理論研究において以下の２つの面で進展があった。（１）膜質に応じて超伝導薄膜の特性が変わる効果を考慮した理論（２）準粒子の状態密度の時間変化が RF 表面抵抗に及ぼす影響を量的な評価した理論。（２）に関しては実験結果との比較が行われた。この過程で薄膜試料の性能を向上させる上での膜厚依存性や膜質の重要性が明らかとなり、今後の研究に関する指針が得られた。本研究成果は論文や招待公演などで発表されている。また、改めてグループ内でどの周波数の空洞を製作すべきか検討したところ、RF 源の調達の観点から 6 GHz が最善との結論を得た。そこで、6 GHz 空洞の製作に必要な部材を全て調達した。現在、空洞の製造に使用する電子ビーム溶接機と技術者を確保できた段階まできており、予想以上の進展が見えてきている。また、SLAC の 11.4 GHz 半球形 cavity を用いたサンプル実験を行うため、先方で測定するためのサンプル EP 処理に必要なジグ一式を調達した。また、協力関係にあるアルバックにおいて Nb3Sn の薄膜試料や円筒容器内部に対する Nb 材のスパッタリングが実施されるようになり、成膜技術に関して順調な進展が見られた。また、新たに NbTiN/AlN/Nb 試料の評価を行い、良好な超伝導特性を発揮できる部材であることを確認できた。また、多連コイルを用いた第３高調波測定システムや X-T mapping 装置もあともう一歩で完成する段階まできている。一方、当初目標に掲げていたコイルを用いたロンドン長の測定に関しては、微小なコイルを製作できる業者が見つからないことから難儀している。ただし、電気抵抗と転移温度から簡易的にロンドン長を導出できる手法を新たに発見し、それを用いて（２）の理論計算を行った結果を実験と比較するなど、別のアプローチによる進展が見られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
クーポン空洞の内部に複数の Nb 基板を取り付けた状態で成膜試験を行い、複数の異なる成膜条件に対応した薄膜試料を多数製作する。次に、そのように得た多数の試料の超伝導特性を、多連コイルを用いた第三高調波測定実験により効率的かつ網羅的に評価する。次に、この過程で見つけた最も有望視されるサンプルを SLAC の 11.4 GHz の半球系 cavity を用いて評価する。これにより、積層薄膜構造を持つサンプルを得るための最適な成膜条件とその時に達成できる空洞性能に関わる基本パラメータ（磁束進入開始磁場、周波数依存性、転移温度、表面抵抗）をサンプル実験のレベルでことごとく把握する。それと並行して、アルバックと共同で開発を進めているスパッタ法を用いて作製された Nb3Sn 薄膜や最近 Jefferson 国立研究所（JLab）で開発が進められている ECR 法を用いて作製された NbTiN 薄膜などの成膜技術をより高めていく。また、前年度に引き続いてロンドン長を直接測定するための実験系を模索するなど、従来の測定手法をより洗練する作業をより一層進める。また、前年度から開発を進めている X-T map システムを完成させ、将来の 3 GHz 空洞に対する縦測定試験の準備を万端にする。さらに高エネルギー加速器研究機構の機械工学センターが保有する小型電子ビーム溶接機とプレス機を用いて 6 GHz の小型空洞を形にし、表面処理をマルイ鍍金との共同研究により実施することにより、空洞の表面抵抗の周波数依存性を評価するために使用する 6 GHz 空洞を完成させる。
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Research Products
(9 results)
