2020 年度研究成果報告書

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

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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
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
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。
自由記述の分野	超伝導共振器
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。