次世代超伝導加速空洞のための超伝導積層薄膜構造の基礎的研究

• 研究課題/領域番号: 17H04839
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 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)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 24,700千円 (直接経費: 19,000千円、間接経費: 5,700千円); 2020年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2019年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2018年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2017年度: 11,570千円 (直接経費: 8,900千円、間接経費: 2,670千円)
• キーワード: 加速器 / 超伝導 / 超伝導加速空洞 / 薄膜 / ニオブ / 窒化ニオブ / ニオブ３スズ / 加速空洞 / 超伝導共振器 / 超伝導材料・素子 / 素粒子実験

研究成果の概要

超伝導空洞内面に最適膜厚を持つ超伝導薄膜を積層する事で加速性能を向上させられると考えられている。その原理実証及び理論の精緻化を行った。高純度ニオブ(Nb)材の上に絶縁層を挟んで窒化ニオブ(NbN)薄膜が積層された試験片を作成し、NbNの厚みが異なる複数の試料について磁束侵入磁場(Bv)測定を行ったところ、Bvを向上させられる最適膜厚の存在が確認された。Nb単体と比べて20%程度向上した。また、BCS理論を用いて不純物を多く含む積層薄膜構造の過熱磁場(Bsh)を計算し、Bshの膜厚依存を調べた。BshはBvの理論限界に対応する。BCS理論に基づく積層薄膜構造の非線形表面抵抗の理論も構築した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は、超伝導積層薄膜構造の原理実証及び理論の精緻化を行ったものであり、積層薄膜構造の実機への応用に向けた最初の一歩と言える。今後、更に研究・開発が進み、積層薄膜構造による次世代超伝導空洞が実現すれば、最大加速電場は大きく向上する。このことは超伝導加速器の小型化または高エネルギー化を促進し、医療用・産業用加速器、X線自由電子レーザー、エネルギー回収型ライナック、高レベル廃棄物処分としての加速器駆動核変換技術、国際リニアコライダー等の加速器計画の建設費軽減につながる。また、医療用・産業用加速器の小型化が進めば、それらの大規模な普及も期待される。

研究成果

• [国際共同研究] CEA(フランス)
• [国際共同研究] Old Dominion University/Jlab(米国)
• [国際共同研究] Old Dominion University/Jlab(米国)
• [国際共同研究] CEA Paris-Saclay(フランス)
• [国際共同研究] Old Dominion University/Jefferson Lab(米国)
• [国際共同研究] CEA irfu(フランス)
• [国際共同研究] Jefferson lab/Old Dominion University(米国)
• [雑誌論文] Superheating fields of semi-infinite superconductors and layered superconductors in the diffusive limit: structural optimization based on the microscopic theory (2021)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kubo
  • 雑誌名: Superconductor Science and Technology 巻: 34 号: 4 ページ: 045006-045006
  • DOI: 10.1088/1361-6668/abdedd
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Superfluid flow in disordered superconductors with Dynes pair-breaking scattering: Depairing current, kinetic inductance, and superheating field (2020)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kubo
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 号: 3 ページ: 033203-033203
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.033203
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Weak-field dissipative conductivity of a dirty superconductor with Dynes subgap states under a dc bias current up to the depairing current density (2020)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kubo
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 号: 1 ページ: 13302-13302
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.013302
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Vortex penetration field measurement system based on third-harmonic method for superconducting RF materials (2020)
  • 著者名/発表者名: Hayato Ito, Hitoshi Hayano, Takayuki Kubo, and Takayuki Saeki
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 955 ページ: 163284-163284
  • DOI: 10.1016/j.nima.2019.163284
  • 査読あり
• [雑誌論文] 超伝導加速空洞の物理と課題、そして性能向上への理論的示唆 (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kubo
  • 雑誌名: 低温工学 巻: 54 号: 4 ページ: 275-282
  • DOI: 10.2221/jcsj.54.275
  • NAID: 130007686708
  • ISSN: 0389-2441, 1880-0408
  • 年月日: 2019-07-20
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Field-dependent nonlinear surface resistance and its optimization by surfacenanostructuring in superconductors (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kubo and Alex Gurevich
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 6 ページ: 64522-64522
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.064522
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Optimum multilayer coating of superconducting particle accelerator cavities and effects of thickness dependent material properties of thin films (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kubo
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 号: 8 ページ: 088001-088001
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab2f0a
  • NAID: 210000156608
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lower Critical Field Measurement of NbN Multilayer Thin Film Superconductor at KEK (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Ito, H. Hayano, T. Kubo, T. Saeki, R. Katayama, Y. Iwashita, H. Tongu, R. Ito, T. Nagata, C. Z. Antoine
  • 雑誌名: Proceedings of SRF2019 巻: - ページ: 634-638
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fabrication of 3.0-GHz Single-cell Cavities for Thin-film Study (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Saeki, H. Hayano, T. Kubo, H. Inoue, R. Katayama, F. E. Hannon, R. Rimmer, A.-M. Valente-Feliciano, Y. Iwashita, H. Tongu, H. Ito
  • 雑誌名: Proceedings of SRF2019 巻: - ページ: 177-181
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nb3Sn Thin Film Coating Method for Superconducting Multilayered Structure (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Ito, T. Nagata, H. Hayano, R. Katayama, T. Kubo, T. Saeki, Y. Iwashita, H. Ito
  • 雑誌名: Proceedings of SRF2019 巻: - ページ: 630-633
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Evaluation of the Superconducting Characteristics of Multi-Layer Thin-Film Structures of NbN and SiO2 on Pure Nb Sunstrate (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Katayama, H. Hayano, T. Kubo, T. Saeki, C.Z. Antoine, H. Ito, R. Ito, Y. Iwashita, H. Tongu, T. Nagata
  • 雑誌名: Proceedings of SRF2019 巻: - ページ: 809-811
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 超伝導加速空洞の物理と課題、そして性能向上への理論的示唆 ー新規参入の誘いー (2019)
  • 著者名/発表者名: 久保毅幸
  • 雑誌名: 低温工学 巻: 54
  • NAID: 130007686708
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Evaluation of superconducting characteristics on the thin-film structure by NbN and Insulator coatings on pure Nb substrate (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Katayama, Y. Iwashita, H. Tongu, C.Z. Antoine, A. Four, H. Hayano, T. Kubo, T. Saeki, H. Ito, R. Ito, T. Nagata, H. Oikawa
  • 雑誌名: Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference 巻: - ページ: 3653-3655
  • DOI: 10.18429/JACOW-IPAC2018-THPAL015
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Lower Critical Field Measurement System of Thin Film Superconductor (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Ito, C. Z. Antoine, A. Four, H. Hayano, T. Kubo, T. Saeki, R. Ito, T. Nagata, Y. Iwashita, R. Katayama, H. Tongu, H. Oikawa
  • 雑誌名: Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference 巻: - ページ: 3882-3884
  • DOI: 10.18429/JACOW-IPAC2018-THPAL105
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of Coating Technique for Superconducting Multilayered Structure (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Ito, T. Nagata, H. Hayano, T. Kubo, T. Saeki, H. Ito, Y. Iwashita, R. Katayama, H. Oikawa
  • 雑誌名: Proceedings of 9th International Particle Accelerator Conference 巻: - ページ: 4954-4956
  • DOI: 10.18429/JACOW-IPAC2018-THPML120
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Precise Evaluation of Characteristic of the Multi-layer Thin-film Superconductor Consisting of NbN and Insulator on Pure Nb Substrate (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Katayama, Y. Iwashita, H. Tongu, C. Z. Antoine, A. Four, H. Hayano, T. Kubo, T. Saeki, H. Ito, R. Ito, T. Nagata, H. Oikawa
  • 雑誌名: Proceedings of 29th Linear Accelerator Conference 巻: - ページ: 391-394
  • DOI: 10.18429/JACOW-LINAC2018-TUPO030
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Lower Critical Field Measurement of Thin Film Superconductor (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Ito, C.Z. Antoine, A. Four, H. Hayano, T. Kubo, T. Saeki, R. Ito, T. Nagata, Y. Iwashita, R. Katayama, H. Tongu, H. Oikawa
  • 雑誌名: Proceedings of 29th Linear Accelerator Conference 巻: - ページ: 484-487
  • DOI: 10.18429/JACOW-LINAC2018-TUPO066
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Construction of Thin-film Coating System Toward the Realization of Superconducting Multilayered Structure (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Ito, T. Nagata, H. Hayano, T. Kubo, T. Saeki, H. Ito, Y. Iwashita, R. Katayama, H. Oikawa
  • 雑誌名: Proceedings of 29th Linear Accelerator Conference 巻: - ページ: 445-447
  • DOI: 10.18429/JACOW-LINAC2018-TUPO050
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Surface impedance and optimum surface resistance of a superconductor with an imperfect surface (2017)
  • 著者名/発表者名: Alex Gurevich and Takayuki Kubo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 号: 18 ページ: 184515-184515
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.184515
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 超伝導加速空洞の理論研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 久保毅幸
  • 学会等名: 第76回日本物理学会年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Overview of thin-film studies at KEK and Kyoto University. (2021)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Saeki
  • 学会等名: 9th International Workshop on Thin Films and New Ideas for Pushing the Limits of RF superconductivity
  • 国際学会
• [学会発表] Development of 3 Ghz cavities at KEK (2021)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Saeki
  • 学会等名: 9th International Workshop on Thin Films and New Ideas for Pushing the Limits of RF superconductivity
  • 国際学会
• [学会発表] 超伝導加速空洞の高加速勾配・高Q値化のための理論的基礎 (2020)
  • 著者名/発表者名: 久保毅幸
  • 学会等名: 第17回加速器学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 粒子加速器のための超伝導共振空洞の高Q値化:空洞表面処理技術と理論研究 の現状 (2020)
  • 著者名/発表者名: 久保毅幸
  • 学会等名: 超伝導エレクトロニクス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] ILCが切り拓く加速器新技術 (2020)
  • 著者名/発表者名: 久保毅幸
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] BCS超伝導体の非線形表面抵抗のミクロな理論 (2020)
  • 著者名/発表者名: 久保毅幸
  • 学会等名: 第99回低温工学・超電導学会研究発表会
• [学会発表] Theory of field-dependent dissipative nonlinear conductivity in superconducting resonators (2020)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kubo
  • 学会等名: 10th ACASC / 2nd Asian-ICMC / CSSJ Joint Conference, Okinawa Convention Center (Okinawa)
  • 国際学会
• [学会発表] Field-Dependent Nonlinear Surface Resistance and Its Optimization by Surface Nano-Structuring of the SRF Cavities (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kubo and Alex Gurevich
  • 学会等名: SRF2019, Dresden (Germany)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Lower Critical Field Measurement of NbN Multilayer Thin Film Superconductor at KEK (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Ito, H. Hayano, T. Kubo, T. Saeki, R. Katayama, Y. Iwashita, H. Tongu, R. Ito, T. Nagata, C. Z. Antoine
  • 学会等名: SRF2019, Dresden (Germany)
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of 3.0-GHz Single-cell Cavities for Thin-film Study (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Saeki, H. Hayano, T. Kubo, H. Inoue, R. Katayama, F. E. Hannon, R. Rimmer, A.-M. Valente-Feliciano, Y. Iwashita, H. Tongu, H. Ito
  • 学会等名: SRF2019, Dresden (Germany)
  • 国際学会
• [学会発表] Nb3Sn Thin Film Coating Method for Superconducting Multilayered Structure (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Ito, T. Nagata, H. Hayano, R. Katayama, T. Kubo, T. Saeki, Y. Iwashita, H. Ito
  • 学会等名: SRF2019, Dresden (Germany)
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of the Superconducting Characteristics of Multi-Layer Thin-Film Structures of NbN and SiO2 on Pure Nb Sunstrate (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Katayama, H. Hayano, T. Kubo, T. Saeki, C.Z. Antoine, H. Ito, R. Ito, Y. Iwashita, H. Tongu, T. Nagata
  • 学会等名: SRF2019, Dresden (Germany)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Field-dependent nonlinear surface resistance and its optimization by surface nano-structuring of the SRF cavities (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Kubo
  • 学会等名: The 19th International Conference on RF Superconductivity, Dresden (Germany)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Evaluation of superconducting characteristics on the thin-film structure by NbN and Insulator coatings on pure Nb substrate (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Katayama
  • 学会等名: The 9th International Particle Accelerator Conference, Vancouver (Canada)
  • 国際学会
• [学会発表] Lower Critical Field Measurement System of Thin Film Superconductor (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Ito
  • 学会等名: The 9th International Particle Accelerator Conference, Vancouver (Canada)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Coating Technique for Superconducting Multilayered Structure (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Ito
  • 学会等名: The 9th International Particle Accelerator Conference, Vancouver (Canada)
  • 国際学会
• [学会発表] Precise Evaluation of Characteristic of the Multi-layer Thin-film Superconductor Consisting of NbN and Insulator on Pure Nb Substrate (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Katayama
  • 学会等名: The 29th Linear Accelerator Conference, Beijing (China)
  • 国際学会
• [学会発表] Lower Critical Field Measurement of Thin Film Superconductor (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Ito
  • 学会等名: The 29th Linear Accelerator Conference, Beijing (China)
  • 国際学会
• [学会発表] Construction of Thin-film Coating System Toward the Realization of Superconducting Multilayered Structure (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Ito
  • 学会等名: The 29th Linear Accelerator Conference, Beijing (China)
  • 国際学会
• [学会発表] A theory of field-dependent surface resistance and possibilities of engineering optimal SN and SIS surface nano-structuring of the SRF cavities (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Kubo
  • 学会等名: The 8th International Workshop on Thin Films and New Ideas for Pushing the Limits of RF Superconductivity, the Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Padova (Italy)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A unified theory of surface resistance and the residual resistance of SRF cavities at low temperatures (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kubo
  • 学会等名: the 18th International Conference on RF Superconductivity, SRF2017, Lanzhou (China)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Surface impedance and optimum surface resistance of a superconductor with an imperfect surface (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kubo
  • 学会等名: TESLA Technology Collaboration (TTC) Topical Workshop, Batavia, Illinois (USA)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physics of superconducting cavity: towards realization of high-Q and high gradient (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kubo
  • 学会等名: 第14回日本加速器学会年会, 北海道大学クラーク会館 (北海道・札幌)
  • 招待講演
• [備考] 超伝導空洞グループ
  • URL: https://www2.kek.jp/casa/srf/index.html
• [備考] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/kubotaka/
• [備考] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/kubotaka
• [備考] Google Scholar
  • URL: https://scholar.google.com/citations?user=MN4RQIsAAAAJ&hl=ja
• [備考] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/kubotaka/