2022 Fiscal Year Annual Research Report

超伝導転移端センサーを用いた量子交流電流標準の研究

Research Project

Project/Area Number	21H01345
Allocation Type	Single-year Grants
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	天谷康孝国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 上級主任研究員 (10549900)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	金子晋久国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 首席研究員 (30371032) 福田大治国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 首席研究員 (90312991)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2025-03-31
Keywords	精密電気計測 / 交流電流測定 / 超伝導転移端センサ / サーマル・コンバータ
Outline of Annual Research Achievements	電気を熱に変換して熱電対で測定する極めて古典的な原理で動作していた既存の交流電流センサーを低温に冷却し、さらに超伝導技術を導入して、交流電流の測定精度を飛躍的に高めることが本研究の狙いである。本研究により、量子技術と既存技術を相乗的に用いた新原理の交流電流測定の確固たる技術の基盤確立を目指す。本研究の完成により、我が国が抱えるカーボンニュートラルなどさまざまな課題の解決や、将来の持続的な成長・発展等に寄与できることが期待される。今年度は研究計画に沿って、サーマルコンバータを冷却するために、GM型冷凍機を購入し、クライオスタットを完成させた。冷凍機のヘッドに十分な熱容量を持たせることで、4 K、80 Kの液体ヘリウムと窒素温度で安定な温度制御を実現した（無負荷状態）。また、昨年に引き続き、既存の熱電対型のサーマルコンバータの測定の限界感度を明らかにするため、熱的等価回路網計算を行い、信号ノイズ比（SN比）の理論的な計算を行った。その結果、主要なノイズは熱ノイズ（ジョンソンノイズ）であり、これをもとに既存の熱電対型サーマルコンバータの測定感度を表す基礎的な式を導いた。さらに、SN比を向上させるために熱インピーダンスをマッチングさせる方法や材料の選択指針を新たに提案し、既存の方式の限界感度を明らかにした。この結果は、電気標準の中では最も大規模な国際会議である精密電磁気計測国際会議（CPEM2022）で発表した。成果を論文にもまとめてアメリカ米国電気電子学会計測誌(IEEE TIM)に受理された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 必要な部品をコロナの影響で海外から入手できず、低温実験がやや遅れている。
Strategy for Future Research Activity	次年度は、TES型交流電流センサーを実装するための冷凍機システムを試作にTESの抵抗読み出しに用いる超伝導量子干渉計を実装する。購入できない部品については、必要に応じて代用品などを検討する予定である。また、既存の熱電対型デバイスの性能向上のためその低温動作の研究も進める。