ニホウ化マグネシウム超伝導体における磁束ピンニング機構の解明と実用化基盤研究

二硼化镁超导体磁通钉扎机制的阐明及实际应用的基础研究

• 批准号: 05J11910
• 负责人: 山本 明保
• 金额: $ 1.73万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-05J11910/
• 关键词: 超電導; 金属系超伝導体; MgB2(ニホウ化マグネシウム); 磁束ピンニング機構; 臨界電流特性; 多結晶バルク体; コネクティビティ; パーコレーションモデル; 超伝導; MgB_2(二ホウ化マグネシウム); 元素置換

実用化に向けて研究開発の進んでいる二ホウ化マグネシウム(MgB2)超伝導体の基礎特性の解明、及び超伝導応用の際に重要な特性パラメータである臨界電流密度の制限機構の解明を目指し研究を行った。本年度の研究結果を以下に箇条書きに記す。(1)常伝導状態における電流制限機構の評価MgB2多結晶体における電気伝導度の抑制の原因を探るため、MgB2粒表面を覆う酸化物絶縁体と空隙の影響を考慮したパーコレーション問題を九州工業大学の松下照男教授と共同で検討した。同等の超伝導特牲と粒間結合を有し、充填密度のみを変化させた一連の試料を解析した結果、MgB2の伝導機構は平均場理論をサイト・パーコレーション系に拡張したモデルにより記述できることが明らかになった。この解析によりMgB2のコネクティビティ(有効伝導度)の制限因子を個別に定量評価できるようになり、MgB2粒の表面の約30%は絶縁酸化膜に覆われ、典型的なMgB2バルク、線材のコネクティビティはわずか10%以下であることを明らかにした。(2)MgB2の臨界電流密度の支配因子の評価コネクティビティの影響を除外した真の残留抵抗値から電子平均自由行程や不純物パラメータ等を理論的に導出し、MgB2のピンニング機構の解析を行った。試料間のピンニングカの違い、及び電子顕微鏡観察から得られた粒径を考慮した臨界電流密度はコネクティビティと相関し、MgB2の支配的なピンニング機構が粒界電子散乱であり、臨界電流密度の決定因子がコネクティビティと粒界ピンの2つであることを明らかにし、それぞれの寄与を定量的に示した。(3)残留磁化法による粒内臨界電流密度の評価残留磁化法によりコネクティビティを評価する研究を米国立強磁場研究所のLarbalestier教授と共同で行った。Beanの臨界状態モデルを元に、一般的に多結晶超伝導材料の残留磁化特性を解析する理論モデルを考え、残留磁気モーメントが飽和する磁場(飽和印加磁場)から粒内に局在化して流れる粒内臨界電流と、試料全体を流れる粒間臨界電流のそれぞれを導出するモデルを開発することに成功した。MgB2多結晶体に対する解析においては、粒内を流れる局所電流と粒界を流れるマクロ電流による磁化を独立に測定することに成功し、粒内臨界電流密度、粒間臨界電流密度とその比で与えられるコネクティビティを求め、局所的には極めて高い臨界電流密度を持つ超伝導電流がMgB2多結晶体内を流れていることを見出した。コネクティビティの影響を除外した真の残留抵抗値から電子平均自由行程や不純物パラメータ等を理論的に導出し、MgB2のピンニング機構の解析を行った。試料間のピンニングカの違い、及び電子顕微鏡観察から得られた粒径を考慮した臨界電流密度はコネクティビティと相関し、MgB2の支配的なピンニング機構が粒界電子散乱であり、臨界電流密度の決定因子がコネクティビティと粒界ピンの2つであることを明らかにし、それぞれの寄与を定量的に示した。(3)残留磁化法による粒内臨界電流密度の評価残留磁化法によりコネクティビティを評価する研究を米国立強磁場研究所のLarbalestier教授と共同で行った。Beanの臨界状態モデルを元に、一般的に多結晶超伝導材料の残留磁化特性を解析する理論モデルを考え、残留磁気モーメントが飽和する磁場(飽和印加磁場)から粒内に局在化して流れる粒内臨界電流と、試料全体を流れる粒間臨界電流のそれぞれを導出するモデルを開発することに成功した。MgB2多結晶体に対する解析においては、粒内を流れる局所電流と粒界を流れるマクロ電流による磁化を独立に測定することに成功し、粒内臨界電流密度、粒間臨界電流密度とその比で与えられるコネクティビティを求め、局所的には極めて高い臨界電流密度を持つ超伝導電流がMgB2多結晶体内を流れていることを見出した。

The research on the fundamental characteristics of MgB2 superconductors and the critical current density limiting mechanism of MgB2 superconductors has been carried out. The results of this year's study are listed below. (1)Evaluation of the Current Limiting Mechanism for the Constant Conductivity of MgB2 Polycrystals and the Effect of the Surface Coating of MgB2 Particles on the Conductivity of MgB2 Polycrystals The results of the analysis of the samples with the same conductivity and interparticle bonding, the change of filling density, and the average field theory of MgB2 conductivity are described in detail. Based on this analysis, the limiting factor of MgB2's effective conductivity can be quantitatively evaluated individually. About 30% of the surface of MgB2 particles is covered by an insulating film. It is clear that typical MgB2 particles and wires have less than 10% of their surface area. (2) The critical current density of MgB2 is evaluated and the influence of the critical current density is excluded. The residual resistance value of MgB2 is derived theoretically. The mechanism of MgB2 is analyzed. The critical current density is correlated with the particle size obtained by electron microscopy, MgB2 dominated by electron scattering mechanism, and the critical current density is determined by electron scattering at particle boundary. (3)Evaluation of Intragranular Critical Current Density by Residual Magnetization Method Theoretical analysis of residual magnetization characteristics of typical polycrystalline superconducting materials in the critical state of Bean, residual magnetic field, saturation magnetic field, intragranular critical current, intergranular critical current of sample flow, and development of theoretical analysis of residual magnetization characteristics of polycrystalline superconducting materials in general have been successfully developed. MgB2 polycrystal analysis results show that the intragranular critical current density and the intergranular critical current density are higher than the intragranular critical current density. In addition to the influence of the temperature, the residual resistance value, the average free path of electrons, the impurity concentration, etc., the theoretical derivation of MgB2 and the analysis of MgB2 and MgB2 mechanism are carried out. The critical current density is correlated with the particle size obtained by electron microscopy, MgB2 dominated by electron scattering mechanism, and the critical current density is determined by electron scattering at particle boundary. (3)Evaluation of Intragranular Critical Current Density by Residual Magnetization Method Theoretical analysis of residual magnetization characteristics of typical polycrystalline superconducting materials in the critical state of Bean, residual magnetic field, saturation magnetic field, intragranular critical current, intergranular critical current of sample flow, and development of theoretical analysis of residual magnetization characteristics of polycrystalline superconducting materials in general have been successfully developed. MgB2 polycrystal analysis results show that the intragranular critical current density and the intergranular critical current density are higher than the intragranular critical current density.

项目成果

Strong Relationship between Irreversibility Field and Crystallinity Discovered in Undoped and Carbon Substituted MgB_2 Bulks

在未掺杂和碳取代的 MgB_2 块体中发现不可逆场与结晶度之间的密切关系

• 发表时间: 2006
• 期刊: J. Phys. Conf. Series 43
• 作者: A.Yamamoto;J.Shimoyama;S.Ueda;I.Iwayama;S.Horii;K.Kishio;I.Iwayama;Y.Katsura;S.Horii;K.Kishio
• 通讯作者: K.Kishio

Effects of sintering conditions on critical current properties and microstructures of MgB2 bulks

• DOI: 10.1016/j.physc.2005.03.075
• 发表时间: 2005-10
• 期刊: Physica C-superconductivity and Its Applications
• 影响因子: 1.7
• 作者: A. Yamamoto;J. Shimoyama;S. Ueda;Y. Katsura;I. Iwayama;S. Horii;K. Kishio

Magneto-Optical Studies on Polycrystalline MgB2 Bulks Manufactured by Different Processes

不同工艺制造的多晶 MgB2 块体的磁光研究

• 发表时间: 2007
• 期刊: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 17
• 作者: A.Polyanskii;A.Yamamoto;I.Iwayama;J.Shimoyama;K.Kishio and D.Larbalestier
• 通讯作者: K.Kishio and D.Larbalestier

Reactivity of carbides in synthesis of MgB2 bulks

• DOI: 10.1016/j.physc.2006.05.030
• 发表时间: 2006-10
• 期刊: Physica C-superconductivity and Its Applications
• 影响因子: 1.7
• 作者: A. Yamamoto;J. Shimoyama;S. Ueda;S. Horii;K. Kishio

Improved critical current properties observed in MgB2 bulks synthesized by low-temperature solid-state reaction

• DOI: 10.1088/0953-2048/18/1/019
• 发表时间: 2004
• 期刊: Superconductor Science and Technology
• 影响因子: 3.6
• 作者: A. Yamamoto;J. Shimoyama;S. Ueda;Y. Katsura;S. Horii;K. Kishio