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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
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.
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
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
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
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
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
高温超電導体の探求
http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2013/pr20130130/pr20130130.html
理化学研究所
仁科加速器研究センター
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)
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.
理研仁科加速器センターの加速器
RILAC
AVF
GARIS
SAMURAI
fRC
RRC
SRC
稀少RIリング
(建設中)
BigRIPS
IRC
SHARAQ
http://www.rarf.riken.jp/facility/RIBFfacility.html
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
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
原子の構造
-
+
+
陽子
中性子
電子
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
H
3
1
質量数
(陽子と中性子の数)
1
1
H
2
1
H
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)
• 放射性同位体 (Radioactive Isotope, RI)
– 不安定ですぐに崩壊する同位体
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.
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