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超伝導とレーザー

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エネルギ変換工学 第 12 回. 超伝導とレーザー. 2005S06  白木 英二    監修 木下 祥次 . 超伝導. ある物質を非常に低温に冷やしたときに、その物質の抵抗がなくなる。 水銀は 4.2Kd で電気抵抗 0 閉ループコイル内 →永久電流. 超伝導現象の性質. 完全導電性 ( 電気抵抗ゼロ ) 完全反磁性 ( マイスナー効果 ) 磁束の量子化 ジョセフソン効果. 完全導電性. 非常に低温にすると →物質の抵抗が消失する。   完全導電性:ゼロ抵抗状態 臨界温度で超伝導状態になる。 ある電流以上で超伝導状態が消滅。.

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エネルギ変換工学 第12回

超伝導とレーザー

2005S06 白木 英二

   監修 木下 祥次 

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超伝導
  • ある物質を非常に低温に冷やしたときに、その物質の抵抗がなくなる。
  • 水銀は4.2Kdで電気抵抗0
  • 閉ループコイル内

→永久電流

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超伝導現象の性質
  • 完全導電性(電気抵抗ゼロ)
  • 完全反磁性(マイスナー効果)
  • 磁束の量子化
  • ジョセフソン効果
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完全導電性
  • 非常に低温にすると

→物質の抵抗が消失する。

  完全導電性:ゼロ抵抗状態

  • 臨界温度で超伝導状態になる。
  • ある電流以上で超伝導状態が消滅。
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完全反磁性(マイスナー効果)
  • 超伝導体を磁界Hの中におくと、内部での磁束密度Bはゼロになる。

B=μ0(H+M)=0 磁化M、真空の透磁率μ0

  • 完全反磁性 H=-M
  • 臨界磁界で超伝導状態が壊れる。

印加磁界H

磁化M

B=0

常伝導状態

超伝導状態

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超伝導ケーブルによる送電(1)
  • 現用の地中送電ケーブル:導体は銅

約1 A/mm2 の電流を流せる

  • 高温超電導ケーブル:酸化物超電導線材液体窒素温度(77 K)で超電導状態

約50 ~100 A/mm2の電流を流せる。

(株)古河電工

断熱管

超電導シールド層

電気絶縁層

超伝導層

フォーマ

窒素流路

超伝導線材の構造

Bi2223(Bi2Sr2Ca2Cu3Ox)

超電導ケーブルの構造

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超伝導ケーブルによる送電(2)
  • 地中送電ケーブルのコンパクト化

→建設コストを低減。

  • 通電損失の極小化

→運転コストを低減し、CO2 削減効果

  • 漏れ磁界ゼロ化とリアクタンスの低減

→限界送電電力を増加

→送電容量当たりのコストの削減

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超伝導ケーブルによる送電(3)
  • 交流損失の低減

ヒステリシス損失

渦電流損失

結合電流損失

  • 大容量長尺化
  • 長尺冷却技術
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超伝導電磁石
  • 超伝導コイルで、安定した、高磁界を発生。

2~18Tの高磁界

(銅鉄電磁石:~2T程度)

  • MRI:磁気共鳴イメージング装置
  • 超伝導リニア
  • 超伝導発電機
  • 核融合発電
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超伝導電磁石
  • 大口径無冷媒超伝導マグネットの内側に8MWの水冷マグネットをたマグネット。
  • 最大30Tの磁場を発生させる。

東北大学金属材料研究所強磁場超伝導材料研究センター

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SMES(超電導電力貯蔵システム)
  • エネルギーの出し入れが早い
  • 貯蔵効率が高い
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磁束の量子化
  • 超伝導体リングの内側を通る磁束は

φ0= h/2e =2×10-15[Wb]

h:プランク定数、e:素電荷

の整数倍の値しかとることができない。

φ

超伝導シリンダー

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ジョセフソン効果
  • 2つの超伝導体の間に挟まれた絶縁体には超伝導状態を表す波動関数の位相差に比例した電流が流れる。

J=J0sin(θ2-θ1)

超伝導体

絶縁体

超伝導体

Ψ:波動関数

Ψ1

Ψ2

squid
SQUID(超伝導量子干渉素子)
  • 微弱な磁場の検出

電流I∝cos(πφ/φ0)

ジョセフソン接合a

ja

磁束φ

jb

ジョセフソン接合b

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レーザ
  • 単色性:単一の光の集まり
  • 指向性が良い:直進しほとんど広がらない
  • コヒーレント性:位相がそろっている

自然光

レーザ光

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レーザの原理

励起

自然放出

誘導放出

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レーザの発振

熱平衡状態

レーザ発振器の構造

反転分布

ポンピング→反転分布→自然放出→誘導放出→

→反射→光増幅→レーザ発振

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反転分布の生成
  • 反転分布は3準位もしくは4準位系で実現
  • ポンピング→電子遷移→反転分布→発光

3準位系 4準位系

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レーザの種類
  • 固体レーザ

ネオウジムイオンをYAG(イットリウム・アルミニウム・ ガーネット結晶)に入れたNd:YAGレーザ(1064nm赤 外線)

  • 液体レーザ

色素分子を有機溶媒(アルコールなど)に溶かした 色素レーザ

  • ガスレーザ

CO2レーザ(赤外線10.6μm)や、希ガス(アルゴン、 クリプトン、キセノンなど)とハロゲンガス(フッ素、塩 素、臭素など)の混合ガスを使ったエキシマーレーザ (126nm~351nmの紫外線)

  • 金属蒸気レーザ
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半導体レーザ
  • 小型
  • 消費電力が小さい
  • 電流により高周波でレーザ光を変調可能
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レーザ加工の原理
  • レーザ光を物質に照射
  • 吸収されて物質の電子エネルギーに変換
  • 物質の格子エネルギーに変換
  • 物質の温度が上昇。
  • このとき物質は変性、溶融、蒸発、昇華等の現象を起こします。
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レーザ加工
  • 非接触加工
  • レーザの集光径とほぼ同じ微細な加工
  • 高パワー密度ビームを照射するため、溶融および溶融金属の除去が迅速
  • 熱影響が少なく、熱変形が極めて小さく切断精度
  • 切断部の酸化が少ない。
  • 多様な板種・板厚の切断加工
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その他のレーザ応用
  • レーザ治療器:切開メス、皮膚治療、目の治療など
  • レーザ測定器
  • レーザプリンタ
  • CD/DVD
  • 光ファイバ通信
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