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アイテム
MgB2 およびBi2Sr2CaCu2Ox を用いた超伝導NMR プローブコイルに関する研究
http://hdl.handle.net/10087/5140
http://hdl.handle.net/10087/514012206416-9742-4951-ad11-32ec8b9dc6dd
| 名前 / ファイル | ライセンス | アクション |
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Ph.D_E1-385.yamamoto.pdf (2.6 MB)
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| Item type | 学位論文 / Thesis or Dissertation(1) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 公開日 | 2010-04-30 | |||||
| 著者 |
山本, 浩之
× 山本, 浩之 |
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| タイトル | ||||||
| タイトル | MgB2 およびBi2Sr2CaCu2Ox を用いた超伝導NMR プローブコイルに関する研究 | |||||
| 言語 | ||||||
| 言語 | jpn | |||||
| キーワード | ||||||
| 主題Scheme | Other | |||||
| 主題 | 超電導 | |||||
| キーワード | ||||||
| 主題Scheme | Other | |||||
| 主題 | NMR | |||||
| キーワード | ||||||
| 主題Scheme | Other | |||||
| 主題 | 核磁気共鳴 | |||||
| キーワード | ||||||
| 主題Scheme | Other | |||||
| 主題 | MgB2 | |||||
| キーワード | ||||||
| 主題Scheme | Other | |||||
| 主題 | Bi-2212 | |||||
| キーワード | ||||||
| 主題Scheme | Other | |||||
| 主題 | プローブコイル | |||||
| キーワード | ||||||
| 主題Scheme | Other | |||||
| 主題 | Q値 | |||||
| 資源タイプ | ||||||
| 資源タイプ識別子 | http://purl.org/coar/resource_type/c_46ec | |||||
| 資源タイプ | thesis | |||||
| 著者(ヨミ) | ||||||
| 姓名 | ヤマモト, ヒロユキ | |||||
| 著者別名 | ||||||
| 姓名 | Yamamoto, Hiroyuki | |||||
| 抄録 | ||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||
| 内容記述 | 近年、創薬や医療の分野において、タンパク質の構造・機能解析が重要な研究\n対象とされており、その分析装置として高感度・高分解能核磁気共鳴（NMR）装置が\n用いられている。NMR 装置で信号検出に用いるプローブコイルの材料に超伝導体を\n適用すると、プローブコイルの抵抗損失が低減し、NMR 計測感度を大幅に向上でき\nると期待される。本研究では、NMR プローブコイルに適用可能な高品質超伝導薄膜\nの開発、および、超伝導体を用いたプローブコイルの作製法確立と常伝導プローブコ\nイルに対する優位性実証を目的とし、（1）超伝導二ホウ化マグネシウム（MgB2）薄\n膜の形成条件検討と薄膜特性の評価、（2）MgB2 薄膜を用いたプローブコイルの試作\nと特性評価、（3）超伝導Bi2Sr2CaCu2Ox（Bi-2212）を用いたプローブコイルの試作と\n特性評価を行った。本論文では、研究内容を以下9 つの章構成でまとめた。\n第１章では、本研究の背景と目的を述べた。NMR 計測感度指標である信号雑音\n強度比(S/N)は、プローブコイルのQ 値に依存する。プローブコイルはインダクタと\nキャパシタから構成されるLCR 共振器であり、そのQ 値は回路内の抵抗成分に依存\nする。したがって、プローブコイルの材料に、常伝導体よりも高周波領域での損失が\n小さい超伝導体を適用すれば、より高いQ 値が得られ、S/N は飛躍的に向上すると期\n待される。プローブコイルに適用する超伝導体には、NMR 計測を行う高磁場中で信\n号検出に必要な高い臨界電流密度が必要となる。さらに、測定試料空間の磁場均一度\n確保のため、超伝導体の体積を極力抑制する必要がある。理想的には、従来の金属製\nプローブコイル表面にのみ、超伝導体を被覆する構造が望まれる。これらの課題に対\nして有用な材料として、本研究では2 つの超伝導MgB2 およびBi-2212 を研究対象に\n選択した。これらの超伝導材料を用いてプローブコイルを試作し、そのQ 値を評価す\nることで常伝導プローブコイルに対する低損失性を検証した。\n第 2 章では、本研究の応用先であるNMR 装置の基本構成と計測原理について概\n説し、本研究で対象とするプローブコイルについて説明した。\n第 3 章では、超伝導薄膜試料の作製方法とその特性評価方法、および試作した\nプローブコイルの評価方法について説明した。\n第 4 章では、Al2O3 基板を用いたMgB2 薄膜形成と、その超伝導特性の評価結果\nについて述べた。高品質MgB2 薄膜形成のため、MBE 装置を用いた二元素同時蒸着法\nに基づきMgB2 薄膜形成条件を検討した。マグネシウム（Mg）とホウ素（B）の供給\nレートを変え、各供給レートと薄膜特性との相関を調べた。その結果、臨界温度Tc>30K\nおよび臨界電流密度Jc>107A/cm2（温度：4.2 K, 磁場：0 T）の良好な超伝導特性と、\n優れた表面平坦性：RMS<10 nm をともに満足する条件として、Mg とB の供給レート\n比RMg/RB=16~27 の範囲が最適であると見出した。この最適条件を適用し、Al2O3 基板\n上に形成したMgB2 薄膜において、世界最高水準の磁場中臨界電流密度Jc=6.4×\n104 A/cm2（温度：4.2K, 膜面と平行磁場：14 T）、Jc=1.3×105 A/cm2（温度：4.2K, 膜\n面と垂直磁場：14 T）を得た。この結果より、形成したMgB2 薄膜において、磁場強度\n 14 Tの600 MHz NMR計測用プローブコイルへの適用に充分な臨界電流が得られる\nと実証した。また、形成したMgB2 薄膜は、膜面と平行方向の磁場中より膜面と垂直\n方向の磁場中で高い臨界電流密度を示した。これは、一般的な超伝導薄膜とは異なる\n傾向であり、MgB2 薄膜における特異なピンニング機構の存在を示唆する。このピン\nニング機構の起源を明らかにするため、薄膜の微細構造分析を行った。その結果、外\n部磁場の印加方向が、MgB2 柱状結晶粒の成長方向と一致したときに、臨界電流密度\nが最大となると判った。すなわち、膜面と垂直方向の磁場中ではたらくピンニング機\n構は、MgB2 柱状結晶粒の粒界に起因することを明らかにした。\n第 5 章では、Al2O3 基板上のMgB2 薄膜を用いたプローブコイルの試作と、Q 値\nの評価結果について述べた。NMR 計測装置において、プローブコイルには、共振特\n性を同調整合する回路を接続する必要がある。超伝導プローブコイルに適した同調整\n合回路構成を検討するため、電気回路シミュレーションを用いて、プローブコイルの\n同調整合回路の動作を解析した。その知見をもとに、寄生抵抗を極力抑制し超伝導プ\nローブコイル本来の低損失性を引き出すための同調整合回路構成として、プローブコ\nイルの中点から信号線を引き出す「中点タップ型回路」構成を見出した。Al2O3 基板\n上のMgB2 薄膜を用いて2 ターンのソレノイド型プローブコイルを試作し、上記の同\n調整合回路を構成してQ 値を評価した。その結果、Q=6470～10670（周波数：280～\n500 MHz，温度：4.2K）を得た。これは同条件で評価した常伝導Cu プローブコイル\nの2～2.5 倍高い値であり、この結果から試作したMgB2 プローブコイルは常伝導プロ\nーブコイルと比べ低損失であると実証した。\n第 6 章では、よりNMR 装置への適合性に優れた超伝導プローブコイルの実現に\nむけ、金属Cu 基材上へのMgB2 薄膜形成を検討した。Al2O3 基板上への薄膜形成と同\n様、MBE 装置を用いた二元素同時蒸着法により、Cu 基材上にMgB2 薄膜を形成し超\n伝導特性を評価した。Cu 基材上に形成したMgB2 薄膜は、Al2O3 基板上の薄膜と同等\nの臨界温度Tc＞30K を示した。また、膜面と平行磁場中では、Cu 基材上のMgB2 薄\n膜はAl2O3 基板上の薄膜と同等の臨界電流密度Jc=5.9 x 104 A.cm2（温度：4.2 K, 膜面\nと平行磁場：12 T）を示し、500 MHz、600 MHz NMR プローブコイルへの適用に充\n分な臨界電流を達成できる見通しを得た。Cu 線上にMgB2 薄膜を被覆する4 ターン\nのソレノイド型のプローブコイルを試作し、そのQ 値を評価した。その結果、Q=10140\n（周波数：500 MHz，温度：4.2 K）を達成し、極低温動作の常伝導プローブコイルと\n比べ低損失であると実証した。\n第 7 章では、高温超伝導体Bi-2212 を用いたプローブコイルの試作とQ 値の評\n価を行った。ディップコート法を用いてAg 線上にBi-2212 を被覆する構造のプロー\nブコイルを試作・評価した。測定の結果、4 ターンのソレノイド型プローブコイルで\nQ= 10270～23630（周波数：300～500 MHz，温度：4.2 K）を得た。この値は同形状の\nAg プローブコイルと比べ2.3～5.5 倍高く、試作したBi-2212 プローブコイルが常伝導\nAg プローブコイルと比べて低損失であることを実証した。また、磁場中でのQ 値を\n評価した結果、0～7 T の磁場を印加した状態でも、Bi-2212 プローブコイルは常伝導\nAg プローブコイルと比べ高いQ 値を示した。Q 値は1～7 T の磁場中で緩やかに減\n少する傾向を示し、その依存性から外挿すると磁場14 T でも常伝導プローブコイル\nに比べて高いQ 値を維持すると予測される。以上の結果から、Bi-2212 プローブコイ\nルは300 MHz NMR 装置（磁場強度7 T）に適用可能であり、さらに600 MHz NMR 装\n置（磁場強度14 T）への適用が充分に期待できる。\n第 8 章では、超伝導プローブコイルを適用した場合に期待されるNMR 計測感\n度：S/N の定量的予測を行った。600MHz NMR 計測を想定した場合、MgB2 プローブ\nコイルのQ 値は低温冷却の常伝導プローブコイルの2.1 倍、Bi-2212 プローブコイル\nのQ 値は3.2～3.8 倍向上すると予想される。これらのQ 値向上効果と、常伝導プロ\nーブコイルによるNMR 計測試験結果から計算した結果、MgB2 プローブコイルで\nS/N>13000、Bi-2212 プローブコイルでS/N>15000 を達成可能な見通しを得た。\n第 9 章では、本研究の結果を総括した。開発したMgB2 薄膜で磁場14 T 中でも\n超伝導状態を維持する充分な臨界電流密度が得られることを確認し、さらに、MgB2\n薄膜を用いたプローブコイルで常伝導プローブコイルを大きく上回るQ 値を実証し\nた。また、超伝導Bi-2212 を用いたプローブコイルを開発し、0～7 T の磁場中でも\n優れた低損失性を実証した。以上の結果より、本研究で開発した超伝導MgB2 プロー\nブコイル、Bi-2212 プローブコイルは、共鳴周波数500～600 MHz（磁場強度12～14 T）\nのNMR 装置に充分適用可能であり、従来技術では到達困難な超高感度NMR 計測：\nS/N>10000 を実現するために有効であると結論する。 | |||||
| 内容記述 | ||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||
| 内容記述 | 学位記番号：工博甲385 | |||||
| 書誌情報 | p. 1-119, 発行日 2010-03 | |||||
| フォーマット | ||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||
| 内容記述 | application/pdf | |||||
| 著者版フラグ | ||||||
| 出版タイプ | AM | |||||
| 出版タイプResource | http://purl.org/coar/version/c_ab4af688f83e57aa | |||||
| 出版者 | ||||||
| 出版者 | 群馬大学工学研究科 | |||||
| 資源タイプ | ||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||
| 内容記述 | Thesis or Dissertation | |||||
| 学位名 | ||||||
| 学位名 | 博士（工学） | |||||
| 学位授与機関 | ||||||
| 学位授与機関名 | 群馬大学 | |||||
| 学位授与年月日 | ||||||
| 学位授与年月日 | 2010-03-24 | |||||
| 学位授与番号 | ||||||
| 学位授与番号 | 12301甲第385号 | |||||
| 更新日 | ||||||
| 値 | 2019-11-28 | |||||
