| 研究課題/領域番号 |
19H04402
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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 |
梅森 健成 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, 教授 (60353364)
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| 研究分担者 |
有沢 俊一 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 上席研究員 (00354340)
許斐 太郎 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 (20634158)
阪井 寛志 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, 准教授 (50345229)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 超伝導加速空洞 / ニオブ / 磁束 / 表面抵抗 / 表面分析 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は超伝導空洞の高性能化、つまりは高加速勾配化・高Q値化(低損失化)を目標とするものである。ニオブの表面抵抗は、温度とともに指数関数的に小さくなるBCS抵抗と、ほとんど温度に依存しない残留抵抗からなる。本研究では①冷却時に超伝導に転移する際の磁束捕捉を制御し残留抵抗を軽減すること、②高加速勾配、低損失を実現する表面処理方法を開発することを目的としている。
まず①の磁束捕捉の研究については、NIMS（物質材料研究機構）にてMO（磁気光学）膜を用いた磁束(magnetic flux)の観測装置の整備を進めている。MO膜の購入、光学顕微鏡の改良、サンプルホルダーの製作などを行い、冷却時のリアルタイムでの磁束の動きの観測を行っている。空洞を模擬した様々な処理方法を施したニオブサンプルを用意し、それぞれ磁束捕捉の様子の観察を行っている。これまでの観測結果から、磁束が束(bundle)となって動く様子が捉えられている。
また低温での空洞周囲の磁場観測用に、AMRセンサーの試験、空洞用マッピング装置の開発を行っている。ニオブ製空洞に取り付けての低温RF性能試験を行い、磁場および温度分布の観測を行っている。
次に②の表面処理方法については、KEK（高エネルギー加速器研究機構）にて空洞およびニオブサンプルに処理を施すことで研究を進めている。窒素インフュージョン、窒素ドープと呼ばれる高温熱処理時に微量の窒素を添加する処理方法、最終電解研磨後のベーキング温度を変える処理方法などの処理方法を施し、空洞の性能評価を行っている。新たな表面処理方法として真空炉ベーキングという手法を開発した。真空炉にて250℃～400℃程度の熱処理を行うと、窒素を用いずとも高Ｑ値が得られることがわかった。ニオブサンプルに対してもSIMS、EBSD、XRRなどの表面分析を行い、空洞性能と表面状態との関係を探っている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
研究の目的は、磁束の制御による表面抵抗値の低減、高性能を実現する表面処理方法の開発であるが、非常に順調に展開されている。
磁束の観測においては走査型SQUIDを用いた観測から始めた。磁束の1本1本を観測できる分解能が魅力であるが、一方で全体的な分布の把握が困難であった。そこで、MO膜を用いての観測も進めることとした。光学顕微鏡の改良、サンプルホルダーの製作などを行い高精度で観測できるよう工夫を行った結果、非常にクリアに磁束の動きが観測されるようになった。熱処理の温度により磁束捕捉の状況が異なる様子が観測されただけでなく、サンプル上に磁束の動きをせき止めるような場所があることも見て取れた。また、磁束は1本1本独立して動くと想像していたが、実際はbundle（磁束の固まり）として動くことが分かった。これは、磁束捕捉のメカニズムの理解、また捕捉磁束が高周波磁場の元で抵抗をもたらす起源を理解するうえで非常に重要な結果である。結果は論文にまとめられ現在審査中である。
空洞試験時の磁束の観測のための低温磁場センサー開発も進めている。AMRセンサーおよびMIセンサーを用いた実験を行い、それぞれ投稿論文としてまとめた。AMRセンサーを用いた空洞用磁場マッピング装置も開発された。空洞の低温試験にも用いられ冷却時の磁束排除ならびにRF試験でのクエンチ時の磁束捕捉の様子が観測されている。この結果は、大学院生の博士論文としてまとめられた。現在投稿論文準備中である。
表面処理方法に関しては、窒素インフュージョンや窒素ドープといった窒素を用いた手法を試みている。一方で、加熱真空炉での250℃～400℃での熱処理を行うことで、窒素を用いない簡易な方法でも高Q値が得られることを発見した。処理方法および空洞性能結果は投稿論文としてまとめられ、2021年度に受理された。高加速勾配を狙っての研究も鋭意進めている。
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| 今後の研究の推進方策 |
最終年度である今年度の研究は以下のように進めていく予定である。
まず磁束測定は、①異なる表面処理を施したニオブサンプルを準備し、磁束バンドル相や磁束臨界状態のMOによる直接観測を通して、ピン止め効果について調べ、効果的な磁束排除に適う熱処理条件を探る。さらに意図的に温度勾配や外部電流を導入した状態でのMO測定を可能にし、最適な冷却条件を探る。②MO測定の補完的な測定として、ホール素子などの走査型顕微鏡開発を継続する。より微小領域かつ高分解能での測定により、表面の欠陥構造や、磁束バンドルの詳細などを明らかにする。③得られた磁束観察結果より、量子磁束のダイナミクスについての理論的考察を行う。④KEKにおいては、ニオブスズ薄膜の超伝導空洞開発を2020年度より開始した。ニオブスズ空洞の場合、ニオブと異なる磁束捕捉・排除の振る舞いが観測されている。MOでの磁束の観測を通して、磁束捕捉のダイナミクスに迫る。
次に表面処理方法であるが、真空炉ベーキングと呼ばれる真空加熱炉を用いた熱処理方法の最適化をさらに進める。これまでの研究結果から250℃から400℃程度の熱処理により再現性良く高Q値が得られる事が確認できている。今年度の目標は、高加速勾配を実現できるパラメーターの探索である。これまでの熱処理温度の条件に加え、熱処理時間もパラメーターに加えて系統的な調査を行う。これにより高Q値かつ高加速勾配を実現する最適な処理条件の探索を行う。空洞でのRF測定には時間がかかるため、上記の空洞処理・測定に加え、ニオブサンプルでの調査を進める。サンプルに対し超伝導空洞を模擬した表面処理・表面分析を行い、最適な表面状態を探ることで、空洞の高性能化への理解を深めていく。サンプル処理用の小型真空炉の整備を進めるとともに、SIMSを始めとした表面分析手法を確立させる。
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