極低温環境で運用できる高速スキャンによる超伝導体の状態検査マッピングシステム

• 研究課題/領域番号: 22K03652
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 頓宮 拓 京都大学, 化学研究所, 技術職員 (10397523)
• 研究分担者: 岩下 芳久 京都大学, 複合原子力科学研究所, 特任准教授 (00144387) ; 不破 康裕 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究職 (00817356) ; 栗山 靖敏 京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教 (60423125) ; 郡 英輝 大阪大学, 核物理研究センター, 特任准教授(常勤) (40448022)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2024年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2022年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
• キーワード: 温度センサー / 極低温 / 超伝導 / 温度特性 / 加速器

研究開始時の研究の概要

大強度化やエネルギー効率向上、加速電界の向上に対応するため、常伝導加速空胴に代わり超伝導加速空胴の採用が広がっている。本研究では超伝導状態の表面温度センサーとX線検出センサーの実装密度や感度領域の拡大、および磁気センサーとの複合等により高度な計測システムを実用化し、実用の超伝導加速空胴だけでなく薄膜構造を導入した次世代超伝導空胴の性能評価や運用時の状態診断に必要となる計測技術を確立する。

研究実績の概要

令和5年度の計画は（1）試作機を用いた極低温環境での計測システムの動作試験、（2）システム全体の欠陥 検査性能、耐放射線、低温耐久性の検証であり、（1）に関しては進捗に遅れはあるが遂行できている。現在もシステム試作機を用いて低温環境下での高い転移温度の超伝導素材の計測を考慮した高温（<20K程度）に感度を持つ温度センサーの探索（温度特性測定）を継続して進めている。（2）は（1）が完了していないこと、実験場所が遠隔地であることから、具体的な実験には至っていない。
温度センサーは大量、安価に入手できる市販品から酸化ルテニウムチップ抵抗を中心に、超伝導加速空洞への設置を考慮した数mm以下の小サイズの電子デバイスから有用と考えられるものをすでに多種購入しており、ルーチン作業で実験を継続しなければならない。年度前半は既存の極低実験設備との調整に時間を要し、極低温環境探索モジュールの調整、測定システムのデバッグに終始したが、システムの改善による測定労力の削減で年度後半は低温特性測定を順調に進めることができた。 本課題では予算により実験回数には制限があるが、すでに97種類の温度センサー候補の特性測定ができている。
令和5年度の最大の成果は、計測システムの安定化、および非常に優れた低温環境特性のセンサー候補を見つけたことである。本課題以前の実験において最高性能を有し、本課題で性能基準の温度センサーに対し、同じ計測システム運用において20K以下の温度環境で温度感度が5から20％程度の向上が確認できた。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本課題ではコスト、利便性を考慮し京都大学で実験準備を行い、大阪大学の液体ヘリウムを使用した極低温環境設備にて測定を行う。そのため、実験時にシステム等に大きな不具合が生じた場合、実験を中止し京都大学に持ち帰り修理、対策を行う必要がある。そのため測定が正常なルーチン作業となるまでは有用なデータを取得することが困難だった。また、電気代の高騰で液体ヘリウム低温実験費が増大し実験回数が制限されたため、実験計画は遅れている。

今後の研究の推進方策

現状、計画している温度センサーサンプルの測定は完了していない。まずはすべてのサンプル測定を行うと同時にデータ解析ソフトウェア、効率的な超伝導加速空胴の評価システムの構築についての検討を進める。令和5年度の課題であったシステム全体の欠陥 検査性能、耐放射線、低温耐久性の確認は令和６年度の課題となるが、計測システムに大きな問題はないので、課題遂行の計画変更は要しないと考えている。