超伝導転移端センサーを用いた量子交流電流標準の研究

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電気を熱に変換して熱電対で測定する極めて古典的な原理で動作していた既存の交流電流センサーを低温に冷却し、さらに超伝導技術を導入して、交流電流の測定精度を飛躍的に高めることが本研究の狙いである。本研究により、量子技術と既存技術を相乗的に用いた新原理の交流電流測定の確固たる技術の基盤確立を目指す。本研究の完成により、我が国が抱えるカーボンニュートラルなどさまざまな課題の解決や、将来の持続的な成長・発展等に寄与できることが期待される。今年度は研究計画に沿って、サーマルコンバータを冷却するために、GM型冷凍機を購入し、クライオスタットを完成させた。冷凍機のヘッドに十分な熱容量を持たせることで、4 K、80 Kの液体ヘリウムと窒素温度で安定な温度制御を実現した（無負荷状態）。また、昨年に引き続き、既存の熱電対型のサーマルコンバータの測定の限界感度を明らかにするため、 熱的等価回路網計算を行い、信号ノイズ比（SN比）の理論的な計算を行った。その結果、主要なノイズは熱ノイズ（ジョンソンノイズ）であり、これをもとに既存の熱電対型サーマルコンバータの測定感度を表す基礎的な式を導いた。さらに、SN比を向上させるために熱インピーダンスをマッチングさせる方法や材料の選択指針を新たに提案し、既存の方式の限界感度を明らかにした。この結果は、電気標準の中では最も大規模な国際会議である精密電磁気計測国際会議（CPEM2022）で発表した。成果を論文にもまとめてアメリカ米国電気電子学会計測誌(IEEE TIM)に受理された。