| 研究課題/領域番号 |
22K18130
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分80040:量子ビーム科学関連
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| 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 |
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研究代表者 |
井藤 隼人 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 (30881552)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2024年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2023年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
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| キーワード | 超伝導加速空洞 / ニオブスズ / 成膜 / 核生成 / 結晶成長 / Nb3Sn |
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| 研究開始時の研究の概要 |
従来のNb超伝導加速空洞の性能は理論的限界に近づいており、Nbに代わる次世代超伝導加速空洞の開発が急がれる。そこで、空洞のさらなる高性能化に加え、液体ヘリウムを用いず小型冷凍機のみでの運転も期待できるNb3Sn超伝導加速空洞が注目を浴びており、その研究開発は年々加速している。
本研究ではNb3Sn成膜の初期段階にある核生成過程に着目する。従来行われているSn蒸着とは異なり、メッキやスパッタリング等を駆使し事前に空洞内面にSn層を成膜する。そして従来の手法よりも高密度にNb3Sn核生成を行い、平滑かつ緻密なNb3Sn膜を空洞内面に形成することでNb3Sn超伝導加速空洞の高性能化を目指す。
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| 研究実績の概要 |
近年、Nb超伝導加速空洞に変わる次世代の空洞として注目を浴びているNb3Sn超伝導加速空洞は、一般にNb空洞内でSnとSnCl2を加熱・蒸発させて空洞内面にNb3Sn膜を形成することで製作される。本研究では、Nb表面に予めSn膜を形成することで、従来SnCl2蒸気で行われていたNb3Sn核生成よりも高密度な核生成を行い、その後に形成されるNb3Sn膜をより平滑度良く、かつ超伝導特性の良い膜とすることを目的とする。本年度は①従来の成膜手法によるNb3Sn膜形成試験をNbサンプルに対し実施することで、核生成過程が最終的なNb3Sn膜質にどのような影響を与えるのか調査した。また、②スパッタリングにより事前にSn膜およびNb/Sn膜を成膜したNbサンプルにおけるNb3Sn膜形成試験を実施した。
①昨年度立ち上げた小型成膜炉を用いて、Nbサンプル表面へのNb3Sn膜形成試験を実施した。SnCl2を用いない核生成過程や、そもそも核生成過程自体を施さないなど、核生成過程のパラメータを様々に変えた成膜試験を実施した。成膜したNb3Sn膜に対しては超伝導特性評価、Nb3Sn膜表面の組成分析、粒径分布測定、表面平滑度測定、またNb3Sn膜断面の組成分析、膜厚測定、平滑度測定を実施し、核生成過程の有無によるNb3Sn膜質の違いを調査した。
②DCマグネトロンスパッタリング装置を用いたNbサンプルへのSn膜成膜試験を実施した。また、KEK PFのNEGコーティング装置を用いたNbサンプルへのNb/Sn膜形成試験も並行して実施した。Sn膜およびNb/Sn膜を成膜したサンプルに対するNb3Sn成膜試験を実施し、EDX分析、XRD分析により、Nb3Snが表面に形成されていることを確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度は、①サンプルに対する事前のSn膜成膜試験、②小型成膜炉を用いたNb3Sn成膜試験及びその膜質評価を計画していた。これらに関しては上述のように順調に進展している。サンプルに対してSn膜成膜及びNb/Sn膜成膜を実施し、成膜したサンプルに対して小型成膜炉を用いたNb3Sn成膜試験、膜質評価を実施した。また、従来の手法における成膜試験も小型成膜炉を用いて実施した。
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度は、①小型成膜炉を用いたサンプルに対する更なるNb3Sn成膜試験と膜質評価の実施、②単セル空洞に対するSn膜成膜及びNb3Sn膜成膜試験を実施する。
①従来の手法によるNb3Sn成膜と事前にSn成膜を実施するNb3Sn成膜を小型成膜炉を用いて引き続き行い、FIB-SEM, TEM, EDS等を用いてNb3Sn膜の粒径分布測定、表面平滑度測定、組成分析を行う。また、PPMSによる超伝導特性評価も実施し、それぞれの手法により成膜したNb3Snの膜質を評価比較する。
②まずは、本年度得られた従来の成膜手法に対する知見を空洞成膜試験へ展開する。KEKのNb3Sn用大型成膜炉を用いて空洞へのNb3Sn成膜を実施する。空洞性能評価を通して空洞に対する成膜評価を行い、サンプル成膜試験の結果と相互にフィードバックすることで空洞成膜条件を最適化する。さらに、事前のSn成膜試験も空洞に対して実施する。スパッタリングやメッキを駆使し、空洞内面にSn膜を成膜し、Nb3Sn用大型成膜炉を用いて空洞内面にNb3Sn膜を形成する。その後、空洞性能評価により、成膜したNb3Sn膜の膜質評価とサンプル成膜試験へのフィードバックを行う。
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