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超伝導

超伝導. 超伝導とは. 金属や化合物を冷却していって、電気抵抗が急に 0 になる状態 マイスナー 効果. http://www.ees.nagoya-u.ac.jp/~web_dai1/superconductor.html. 超伝導の歴史. 1911 年 超伝導の発見 Onnes は水銀を液体ヘリウムで 4.2K まで 冷却 → 電気抵抗が 0 に 1957 年 BCS 理論の提唱 Bardeen, Cooper, Schrieffer による 超伝導を微視的に解明した理論 1986 年 高温超電導体の発見 Bednorz, Muller により発見.

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Presentation Transcript

  1. 超伝導

  2. 超伝導とは • 金属や化合物を冷却していって、電気抵抗が急に0になる状態 • マイスナー効果 http://www.ees.nagoya-u.ac.jp/~web_dai1/superconductor.html

  3. 超伝導の歴史 • 1911年 超伝導の発見 • Onnesは水銀を液体ヘリウムで4.2Kまで冷却→電気抵抗が0に • 1957年 BCS理論の提唱 • Bardeen, Cooper, Schriefferによる • 超伝導を微視的に解明した理論 • 1986年 高温超電導体の発見 • Bednorz, Mullerにより発見

  4. 超伝導の応用 • 超伝導電磁石 • 加速器 • MRI • リニアモーターカー • 核融合炉 • 超伝導加速器空洞 • 超伝導送電 (実験段階) • etc.

  5. 磁石 • 永久磁石 • フェライト磁石 • 非常に安価 • 酸化鉄にバリウムやストロンチウムを混ぜて焼き固めた化合物 • ネオジム磁石 • 安価でありながら強力 • ネオジム(Nd)、鉄(Fe)、ホウ素(B)を主成分とする • サマリウムコバルト磁石 • キュリー温度が約770度 (ネオジム磁石は約300度) • サマリウム(Sm)とコバルト(Co)が主成分 • 電磁石 • コイルに電流を流すことで磁力を発生 • 磁力はコイルの巻き数と流す電流に比例

  6. 電磁石 • 強い磁力を得たい！ • 巻き数を増やす→抵抗が増える →発熱する • 電流をたくさん流す→抵抗により発熱する • 抵抗を無くすには？→超伝導電磁石

  7. 超伝導電磁石 • 磁力が常伝導磁石よりも強い • 消費電力が常伝導磁石よりも小さい • 超伝導にするには？ • ものすごい低温にする必要がある • 多くの場合液体ヘリウムが用いられる

  8. ヘリウム He • 2番目に軽い元素 • 高価 (1Lあたり1000円以上) • 稀少資源 • 工業的に生産不可 • 天然ガス田から副産物として産出 • 最近は価格が高騰、入手困難に • 主にアメリカから輸入 • 全ての元素の中で最も沸点が低い (4K) • 液体ヘリウムの71%はMRIで使用 http://www.iwatani.co.jp/jpn/ir/project/files/helium.pdf

  9. 高温超電導体 • 単体金属で超伝導になる温度が最も高いのはニオブ(Nb)で9.2K • 80K程度で超伝導の性質を示す物質 • 超伝導の性質を得るのにヘリウムが不要に • BCS理論では説明不可(BCS理論では超伝導の上限は約40K) • 高温超電導体への期待 • 超伝導送電線など

  10. 高温超電導体の探求 http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2013/pr20130130/pr20130130.html

  11. 理化学研究所仁科加速器研究センター

  12. 理研の加速器の特徴 • 多段式のサイクロトロン加速器施設 • あらゆる種類の荷電粒子を加速可能(主にウラン原子核) • RIBF (Radioactive Isotope Beam Factory) • 多数の不安定核が生成される • 超伝導リングサイクロトロン (SRC)

  13. 加速器の種類 • 加速方式 • リニアック • シンクロトロン • サイクロトロン • 加速する粒子 • 電子 • 陽子 • etc.

  14. 理研仁科加速器センターの加速器 RILAC AVF GARIS SAMURAI fRC SRC RRC 稀少RIリング (建設中) SHARAQ BigRIPS IRC http://www.rarf.riken.jp/facility/RIBFfacility.html

  15. SRCとBigRIPS • ウランを光速の70%までSRCにて加速 • 核破砕反応により多数の不安定核を生成 • BigRIPSにて選別 → 実験ビームラインへ http://www.rarf.riken.jp/facility/BigRIPS.html

  16. 加速器における超伝導利用 • 超伝導電磁石による強力な偏向 • LHCの場合 • 超伝導でなければ？ • 電気代 UP… • 周長が長く… • 超伝導電磁石による強力なビームの収束

  17. 原子の構造 - + + - 中性子 陽子 電子

  18. 同位体 • 原子番号 = 原子核にある陽子の数 • 同じ原子番号でも、原子核に異なる数の中性子が存在しうる • 放射性同位体(Radioactive Isotope, RI) • 不安定ですぐに崩壊する同位体 3 H 1 質量数 (陽子と中性子の数) 2 H 1 H 1 1 原子番号 (陽子の数) 水素 (陽子1個) 重水素 (陽子1個、中性子1個) 三重水素 (陽子1個、中性子2個)

  19. 理研仁科加速器センターでの実験 • 原子核の研究 • 新しい元素の探求 (例: 113番目の元素) • 宇宙の研究 (元素の起源の解明) • 応用研究 • 重イオンビーム育種 • etc.

  20. 参考文献 • 富永裕久「図解雑学 元素」 (ナツメ社) • 核図表http://www.rarf.riken.jp/enjoy/kakuzu/kakuzu_web.pdf • 周期表http://www.gen.t-kougei.ac.jp/chem/mrika/periodictable.html

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