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

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H04839
• 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
• キーワード: 超伝導 / 加速器 / 超伝導共振器 / 薄膜

研究実績の概要

ニオブ製の超伝導加速空洞の加速電場は限界に達しつつあり、次世代超伝導加速空洞開発が急務である。そこで、超伝導積層薄膜構造の導入による加速電場の大幅な(２倍以上の)向上を目指すことが本研究の目的である。申請者は世界で初めて各層の最適な厚みの評価方法を明らかにする等、積層薄膜構造の理論研究で世界を牽引してきた。この優位性を利用して実験的研究を推進する。本研究では、限られた予算を最大限有効に使うため、安価な小型単セル空洞で試験を繰り返し、膜厚に関する広大なパラメータ空間を探索し、理論との比較を行うとともに、最適膜厚を有する空洞の実験において磁束侵入磁場の大幅な向上を確認することを目標としている。本研究は将来の加速器計画の建設費及び維持費の大幅な軽減につながる。
これまでに、ニオブ製空洞6個、練習用の銅製空洞9個を製作済みである。1個の銅空洞と1個のNb空洞を共同研究者がいる仏国CEA Paris-Saclayに送り、先方が持つ技術を用いた成膜の検討を依頼した。また、3個のNb空洞を共同研究者がいる米国JLabに送り、内面処理を依頼した。更に2個の銅空洞と1個のNb空洞について、クーポン空洞を作成した。内面にニオブ３スズを成膜するためには、フランジ部までニオブで作られているタイプの空洞が追加で必要となるため、フランジ用のニオブ材を購入した。
ニオブ平板上にニオブ３スズ薄膜を生成し、超伝導転移温度の測定と磁束侵入磁場の測定を行った。これにより、昨年度に実施した窒化ニオブ薄膜-ニオブ平板の性能確認に続き、ニオブ３スズ薄膜-ニオブ平板上の性能の確認ができた。
超伝導のミクロな理論に基づき、超伝導積層薄膜構造に適用可能な表面抵抗の理論を構築した。

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

ニオブ平板上に窒化ニオブを成膜する技術に加え、ニオブ平板上にニオブ３スズを成膜する技術が出来、サンプル試験による性能向上を確認した。更に、既に多くの空洞が完成済みであり、窒化ニオブ、ニオブ３スズともに空洞内面への成膜を進める段階に入った。理論的な理解も大幅に前進している。

今後の研究の推進方策

空洞内面への一様な薄膜形成の技術開発を進める。空洞内面の観察等を通じて膜質の改善を進める。そして製膜後の空洞を用いて性能測定を実施する。また、不純物を多く含む場合の超伝導積層薄膜構造の膜厚の最適化について、超伝導のミクロな理論に基づき研究を進めたい。

研究成果

• [国際共同研究] Old Dominion University/Jlab(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Old Dominion University/Jlab
• [国際共同研究] CEA Paris-Saclay(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CEA Paris-Saclay
• [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 ページ: 013302
  • 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
  • DOI: 10.1016/j.nima.2019.163284
  • 査読あり
• [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 ページ: 064522
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.100.064522
  • 査読あり / 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 ページ: 088001
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab2f0a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Physics and challenges of superconducting cavities for particle accelerators and theoretical implication towards higher performance: Invitation to the world of superconducting cavities (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kubo
  • 雑誌名: TEION KOGAKU 巻: 54 ページ: 275, 282
  • DOI: 10.2221/jcsj.54.275
  • 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
  • DOI: 10.18429/JACoW-SRF2019-TUP078
  • 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
  • DOI: 10.18429/JACoW-SRF2019-MOP054
  • 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
  • DOI: 10.18429/JACoW-SRF2019-TUP077
  • 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
  • DOI: 10.18429/JACoW-SRF2019-THFUA2
  • オープンアクセス / 国際共著
• [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
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