【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】25220707 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光電子分光 / レーザー / 超電導 / 超低温 / 高分解能 / 極低温 / 超伝導 / 高性能レーザー / 強相関係電子系 / 低温物性 / 強相関電子系 / 軟X線レーザー / 超高分解能 / 真空紫外レーザー

【研究成果の概要】

世界の追随を許さない最低温度と最高分解能の未踏性能を持つヘリウム３クライオスタット搭載型の角度分解光電子分光装置を開発し、エキゾチック低温超伝導体の機構解明に取り組んだ。我々は、1K以下の試料部到達温度を達成し、また、光電子アナライザーとsCMOS型検知器システムを連動制御するソフトウェアを開発することで、高速フレームレート測定を可能とした。本研究により、世界で初めて、鉄系超伝導体がトポロジカル超伝導を示すことを実証した。更に、バルク超伝導体上に薄膜成長させたトポロジカル物質において、近接効果由来の超伝導ギャップがスピン偏極バンドに開く観察に成功した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2013-05-31 - 2018-03-31

【配分額】155,610千円 (直接経費: 119,700千円、間接経費: 35,910千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】21684010 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

重力 / 逆二乗則 / 重力波 / 捩れ振り子 / 余剰次元 / ねじれ振り子 / 超伝導 / レーザー干渉計 / 超電導

【研究成果の概要】

本研究では,超伝導磁気浮上ねじれ振り子とレーザー干渉計を用いることで,これまでにない微小な力を測定する装置を構築し,それを用いて重力の逆二乗則の検証実験を行うことを目的とした.結果として,重力逆二乗則に対する上限値として,1mm程度の距離スケールで|α|<8という結果を得た.さらに,背景重力波の観測運転を行い,0.1Hz付近の周波数帯における新しい上限値を与えた.

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】23,920千円 (直接経費: 18,400千円、間接経費: 5,520千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】18684005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

重力波 / 超電導 / 微小計測 / ねじれ振子 / レーザー干渉計 / 精密計測 / 磁気浮上 / 超伝導

【研究成果の概要】

本研究では,超電導磁気浮上を利用した高感度ねじれ振子を開発し,それを用いて,0.1Hz付近の低周波数の重力波探査観測を行った.このような方式での重力波観測は他に例がない独自の研究である.また,本研究により,超電導磁気浮上による捩じれ振り子が,従来のワイヤーによるものと同等の性能を持つことが示された.

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】26,910千円 (直接経費: 20,700千円、間接経費: 6,210千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】17360136 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超電導 / バルク / 磁束運動 / 着磁 / 数値解析 / 連成解析 / 超伝導 / 錬成解析

【研究成果の概要】

本研究では,高い磁束ピンニング特性を有し高磁束源としての応用が期待されるバルク超電導体に関して,その応用上重要な技術と位置づけられるパルス着磁法の特性向上を目指して,パルス着磁過程における磁束ダイナミックス,および超電導特性に空間的不均一がある超電導体にパルス磁界が印加されたときの磁束の運動と誘導電流分布の変化を明らかにし,それをもとにパルス着磁法の高性能化の条件を探求することを目的として,実験お.よび数値解析により研究を進めた。
実験では,サーチコイル群とホールセンサにより,パルス着磁過程での磁束密度分布の変化と着磁後の捕捉磁束密度分布を測定し,磁束密度分布とパルス磁界の印加履歴との関係を明らかにした。数値解析では,バルク超電導体の電圧電流特性,臨界電流密度の磁束密度依存性や温度依存性などを考慮し,液体窒素冷却と冷凍機伝導冷却の両条件で,電磁界-温度場連成の軸対称三次元数値解析ツールを,高速化や効率化の観点も採り入れて開発した。さらに,完全三次元数値解析の可能性についてもいくつかのケースについて検討を行った。これらの数値解析ツールを用いて,各種条件下でのパルス着磁過程を解析し,実験と定性的にほぼ一致する結果が得られ,超電導体内部の電磁現象と温度分布等を詳細に調べることを可能にすることに成功した。これらの結果をもとに,パルス磁界が印加されたときのバルク超電導体中の磁束の動きと電流分布の変化を整理し,パルス磁界印加時のバルク超電導中の磁束ダイナミックスを明確にした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】12,200千円 (直接経費: 12,200千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】13878182 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超電導 / 真核細胞 / 酵母 / マウス白血病細胞 / 繊維芽細胞 / 磁場 / 死滅抑制 / DNAマイクロアレー解析 / 超伝導 / 線維芽細胞 / 増殖阻害

【研究成果の概要】

1.マウスの白血病細胞、(p338)およびチャイニーズハムスター線維芽細胞(v79)を用い7テスラ定常磁場のもとで増殖の変化を実測した。フローサイトメトリーによるDNAの分布を測定したが特に高磁場下で顕著な差が生じなかった。抗ガン剤、ブレオマイシンの様々な濃度にさらしたところブレオマイシンに対する感受性に差が生じた。
2.酵母をOD=1まで増殖させ、その後H2_O_2ストレス下において、この細胞を5.2〜6.1テスラの高磁場にさらすと、酵母の死滅の促進がみられた。
3.酵母をOD=1まで30℃で培養し、その後45℃に移し熱ストレスを与えると、高磁場下で死滅の抑制がみられた。
4.酵母の熱ストレス応答欠損株、LCB4とミトコンドリア欠損株AH22について定常7テスラの高磁場を印加したところAH22は高磁場によって死滅抑制はみられなかったが、LCB4株については高磁場下において死滅の抑制がおこった。
5.LCB4株と親株S28株にエタノールストレスを与えたところ高磁場下で死滅の抑制がみられた。
6.DNAマイクロマレー解析を行ったところ、高磁場によって発現が変化しない遺伝子は0,高磁場下で1/2又は2倍以上の発現量が変化したのがそれぞれ4および6であった。RNA合成、リボゾームの合成は減少し、RNA安定化タンパク質は発現が上昇した。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】1,900千円 (直接経費: 1,900千円)

【研究分野】電力工学・電気機器工学

【研究領域課題番号】13450109 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超電導 / バルク / 磁気軸受 / 磁界整形 / 回転損失 / 電磁力 / 回転振動 / 数値解析 / バルク超電導体 / 磁束ピンニング / 超伝導 / バルク超伝導体

【研究成果の概要】

本研究は,パルク超電導体の磁界整形作用を利用した超電導磁気軸受の静的および動的な基本特性の詳細を,数値電磁界解析と小形試験装置による測定を通じて明らかにし,大形高速回転機の超低損失軸受としての応用可能性と,さらなる特性向上の可能性を検討することを目的として実施してきた。
基本性能の検証のために,Bi2223超電導線材を用いた磁界発生用コイル,磁界整形用Y系リング状バルク超電導体,および鉄(回転体)を基本構成要素とする小型実験装置を製作した。超電導コイルとバルク超電導体はGM冷凍機により直接伝導冷却され,コイル中心の最大磁束密度は約0.8Tである。この試験装置を使用して,冷却特性,超電導コイルの励磁特性,バルク超電導体の磁界整形(磁気遮蔽)特性,特に分割構造の磁気遮蔽特性への影響,電磁力の基本特性を測定し,数値電磁界解析の結果との比較により,ほぼ設計の性能が得られていることを確認した。
さらに,超電導磁気軸受の電磁力の静特性およびフリーランによる回転損失特性の測定を,発生磁界などの条件をパラメータにして実施した。その結果,回転速度は回転時の振動の共振のため最高で9000rpm程度に抑えられ,また,回転損失も当初の予想よりもかなり大きく,回転の減衰が早くなっていた。この原因は,磁気遮蔽材として使用されているバルク超電導体の高磁界中での超電導特性の低下にあり,数値解析からもほぼそれを裏付けることができた。したがって,バルク超電導体の臨界電流密度特性の向上と,超電導体中および超電導サンプル間の特性のバラツキの低減が,磁気軸受特性の向上,さらには実用的な低損失軸受として成立させる上で重要であることが明らかになった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】13,900千円 (直接経費: 13,900千円)

【研究分野】エネルギー学一般

【研究領域課題番号】10308021 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電力系統 / エネルギー蓄積 / 超電導コイル / 超伝導 / 磁界 / SMES / 電磁力 / 電力貯蔵 / 超電導

【研究成果の概要】

本補助金を用いて、電磁力平衡コイルがエネルギー貯蔵用超伝導エネルギー貯蔵(SMES)コイルとしての可能性を探るため、前回の平成8年に実験した試作機1号より進んだSMES用電磁力平衡コイルを設計した。さらに核融合科学研究所のLHD計画で培われたヘリカル巻線技術を受け継いで大型のSMESコイルの製作が可能なように製作技術とくに機械巻きの開発を行った。
電磁力平衡コイルは、電線に応力をかけないために、高温超電導線に適している。製作した応力平衡コイル(SBC)に高温超電導線を巻き、液体窒素中で電流を流す実験を行った。冷却し超電導化したことを確認したが巻線歪みによる応力が臨界電流を大幅に落としている。これはヘリカル巻き特有の現象で、製作時の機械歪みと応力がおよぼす歪みが臨界電流の減少をまねくことなど実験と計算と良く一致することがわかった。
大半径方向の平衡から、小半径方向の平衡へと考察と実験による検証が進んだ結果、その間にも、電磁力平衡コイルの究極のピッチが有るのではないか電磁力と支持構造物の応力とに関する考察が進み、電磁力平衡コイルの概念はさらに一段階を進むことになった。すなわち、磁気エネルギーは張力の体積積分に正比例し、圧縮の積分に反比例することである。これはビリアル定理の工学的展開であるがエネルギーを効率よく蓄積するための応力設計法がわかって来た。平成13年度はこの概念の検証に向かった実験装置を完成した巻き線機を使ってFBC-SBCハイブリッドコイルなる超電導コイルを製作した。このコイルは1つのコイルで、トロイダル磁界コイルからヘリカルコイルを経て、ポロイダル磁界コイルへと電流の比率を変えることで、連続的に巻きピッチを零(ポロイダル磁界)から無限大(トロイダル磁界)まで変えることのできるコイルを超電導で作った。最大2.5T経験磁界まで通電することができたのは、電磁力平衡コイルの製作性や工学的に無理がないコイルであることの実証になったと満足している。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】36,200千円 (直接経費: 36,200千円)

【研究分野】電力工学・電気機器工学

【研究領域課題番号】09450116 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / 交流応用 / より線ケーブル導体 / 高温超伝導 / 過渡安定性 / 超伝導限流器 / 超伝導リニア誘導機 / 有限要素法解析 / 撚線ケーブル導体 / 常伝導伝播特性 / 超伝導リニア誘導器 / 超電導 / 常電導伝播特性 / 超電導限流器 / 超電導リニア誘導機

【研究成果の概要】

1.交流用超伝導撚線導体の過渡安定性評価:3本撚線導体を対象とし、通電電流と最小クエンチエネルギーの関係曲線を過渡安定性の評価曲線として実験と数値解析に基づく検討を行った。主に母材中に銅を複合させたときの効果と、銅配置の影響について定量的な評価を行った。その結果、銅により常電導転移に伴う素線間電流再配分領域が長くなり、素線間の横断電流による発熱密度が低下するため安定性が向上すること、銅を素線表面付近に配置することにより、擾乱熱や横断電流による発熱を拡散させる効果があることなどを明らかにした。また、S/N転移型限流器について、実用時に想定される電流上昇速度における常電導転移・伝播に伴う常電導抵抗値の時間変化について詳細に評価を行った。
2.垂直円筒型超伝導リニア誘導モータの試作:実機運転環境下での超伝導導体の特性を明らかにするため、交流一次巻線を超伝導化した円筒型短一次リニア誘導モータを試作した。そして二次導体(アルミ円筒)の突入・脱出時の交流巻線の電磁的、機械的特性を調べるとともに、三相不平衡電流の抑制、一次電流分布の最適化、超伝導一次コイルが常伝導転移したときのクエンチ保護装置の試作・開発など、実機運転で必要となる事項について成果・知見を得た。
3.高温超伝導線材・コイルの安定性評価:本研究は低温金属系線材の交流応用を対象に計画されたが、その後、高温酸化物超伝導線材の開発が急速に進んだ。そこで、高温超伝導線材・コイルに関して、主としてこれを冷凍機により伝導冷却した際の熱的挙動について実験と数値シミュレーションの両面から検討を行い、従来の低温金属系超伝導線材・コイルとの相違点を明らかにした。また、コイル電流が変動する際の過渡特性に焦点を当て、従来の金属系に比べ熱的に安定であること、電流変動や過電流に対する耐量が大きいことなどを定量的に明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1997 - 1999

【配分額】8,800千円 (直接経費: 8,800千円)

【研究分野】工学基礎

【研究領域課題番号】09650082 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

Ginzburg-Landau方程式 / 超伝導 / マイスナー効果 / 線形半群理論 / ガレルキン法 / 初期値境界値問題 / 差分スキーム / 臨界磁場 / 超電導 / Ginzburg-Landau eq. / 数理モデル / 非係形現象 / Ginzburg-Landau / 非線形現象 / 超電導体 / Meissner効果 / 最小化問題 / ペナルティー法 / 初期値・境界値問題 / 弱解 / 強解

【研究成果の概要】

1.定常状態のマイスナー効果を巨視的に表現する拘束条件をGinzburg-Landauのエネルギー汎関数に付加して、その最小化問題を考え、それをペナルティ法を用いて解き、その非自明な解の存在定理を得た。さらに、その数値シミュレーションを行い、その解が巨視的にマイスナー効果をよく表現していることを確認した。
2.外部磁場中の時間依存のGinzburg-Landau方程式とMaxwell方程式の連立方程式に対する初期値境界値問題の大域的弱解と境界の存在と一意性定理の研究を空間二次元と三次元の場合に行った。
最初にL_2空間の枠組みでガレルキン法を用いて、大きなデータの一意存在定理を示し、さらに、L_3空間の枠組みで、大きなデータに関しては局所解の一意存在定理を線形半群の理論と非線形項の適切な評価を用いて、最初全空間で、次に有界または非有界領域の場合に確立した。
さらに、自明解の安定性を示すことにも成功した。
3.時間依存のGinzburg-Landau方程式の数値解析は、単に離散化すると、方程式のゲージ不変性が失われて、なかなか適切に現象を捉えることが出来ない困難さがある。本研究では、時間ゲージを採用し、方程式をうまく変形すると、その離散化が全自由エネルギーが時間とともに単調に現象するような差分スキームが構成できることに着目し、それを用いて、第一種と第二種の超伝導状態の時間的変化を外部磁場の下で数値シミュレーションした。その結果は、物理理論の正当性をよく示すものであった。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1997 - 2000

【配分額】3,000千円 (直接経費: 3,000千円)

【研究分野】電力工学・電気機器工学

【研究領域課題番号】06452206 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / 交流応用 / 撚線ケーブル導体 / 過渡安定性 / 常電導伝幡特性 / 分布定数回路 / 電流再配分 / 素線間接触抵抗 / 超電導 / 常電導伝播特性

【研究成果の概要】

平成6年度
1.交流用超伝導ケーブル導体内の電流分布解析コードの開発:素線絶縁のない撚線ケーブル導体における交流通電定常時の導体内電流分布および常伝導転移直後の導体内の電流再配分や温度分布を解析する計算機コードの開発を主として行った。
1)分布定数回路を用いた撚線ケーブル導体内の電流分析解析用コードを開発した。
2)一次元有限要素法に基づく撚線ケーブル導体内の温度分布解析用コードを開発した。
3)ピックアップコイルを用いた撚線ケーブル導体内の電流分布評価法を開発した。
2.超伝導ケーブル導体における素線間接触電気抵抗の高感度測定法の開発:超伝導トランスを用いた装置を提案・試作し,〜10^<-8>Ωの感度が得られることを示した。
平成7年度
1.交流用超伝導ケーブル導体の常伝導転移特性:初年度開発した解析コードの妥当性を検証し,ケーブル導体の常伝導転移時の振る舞いを明確にするための実験を行った。
1)3本撚線ケーブル導体を試料として,常伝導転移実験を行い,解析コードの妥当性を確認した。
2)解析と実験から,導体の材料特性や冷媒の熱特性パラメータの影響を明確にした。
2.素線間接触電気抵抗の実測:加速器用ラザフォード型導体を試料として測定を行い,良好な結果を得た。
平成8年度
1.交流用超伝導ケーブル導体の常伝導転移特性:新に3次元有限要素法コードを開発し,素線断面方向の温度分布の影響を考慮できるようにするとともに,最終年度として3年間に得られた知見をもとに高安定な導体構成の設計指針を示した。
1)安定性を高めるために銅を複合させた線材について解析と実験を行った。
2)銅を素線表面に施す(銅シース)と過渡安定性が大きく向上することを定量的に示すことができた。
2.素線間接触電気抵抗の実測:加速器用ラザフォード型導体についてキュア温度や圧力を変え測定を行った結果,素線表面状態と接触抵抗の関係を一部明らかにすることができた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1994 - 1996

【配分額】7,600千円 (直接経費: 7,600千円)