1C-a01

冷却システム

窒素サーモサイフォン型ヒートパイプの熱輸送能力向上に関する研究
Study on Improvement of Heat Transfer Capacity in Nitrogen Thermosyphon Heat Pipe
大関 宏央, 安齋 裕貴, 岡村 哲至 (東工大)OHZEKI Hiro, ANZAI Hirotaka, OKAMURA Tetsuji (Tokyo Tech)
E-mail: ohzeki.h.ab@m.titech.ac.jp
1.

はじめに
浸漬冷却方式による超電導機器の冷却は、蒸発する冷媒を定期的に補充する必要があり、この作業を省くため、Ｇ
Ｍ冷凍機による直冷方式と浸漬冷却方式を組み合わせた
極低温ヒートパイプ冷却方式が考案された[1]。極低温ヒー
トパイプにはいくつかの熱輸送限界が存在し、最も頻発するのがフラッディング限界である。これは、液貯部への熱侵入がある値以上になったとき、上昇する気体が還流する
液体を吹き上げ、液貯部に液体がなくなり、熱輸送効率が著しく低下するものである。先行研究において気液の流れを分離した二重管ヒートパイプによる実験が行われ、単管
ヒートパイプと比べて熱輸送能力は向上したが、温度上昇は見られた[2]。本研究では、実験により二重管ヒートパイ
プにおける温度上昇の発生原理を考察した。また、二重管
ヒートパイプの内管径を変化させ、熱輸送能力を比較した。
実験方法
Fig.1 に二重管ヒートパイプの構造概略図を示す。GM 冷凍機によってヒートパイプを冷やし、凝縮部を 70K に温調する。
液貯部に貼ったヒーターで熱入力し、温度センサーCernox を
液貯部側面に貼り、温度計測を行った。また、液貯部と凝縮部の圧力差も同時に測定した。断熱部の外管径は 5mm,管長は 100mm で一定とし、内管径を Fig.2 に示す No.1～3 の 3 通りに変化させてそれぞれ実験を行った。

Condenser
sectionAdiabatic
sectionContainer
sectionFig.1 Schematic view of double tube heat pipe2.

実験結果と考察Fig.3 に No.1 の実験結果を示す。22.5W 以下の熱入力では温度上昇は見られなかったが、25.0W 以上の熱入力ではフラッディングと思われる温度上昇が見られた。これより、
No.1 の限界熱輸送量は 22.5W～25.0W であることが分かった。また、温度上昇と同じタイミングで圧力差の降下が見られた。結果をもとに温度上昇のメカニズムを考察する。
液貯部で蒸発した気体が内管を上昇する際に急縮小と管摩擦によって圧力損失が生じる。これにより液貯部と凝縮部に圧力差が生まれ、液柱高さ分だけ液体が外管を上昇する。液貯部の液面が外管の下端を下回ると、外管に気体が入り込み、外管においてフラッディングが発生する。その結果、気体が上昇する際の通過断面積が増加し、圧力損失が軽減されることで圧力差が降下したと考えられる。
また、No.2,3 でも実験を行ったが、実験装置の最大入力熱量である 35W を入れても温度上昇が見られなかった。
そのため、圧力差の測定結果をもとに限界熱輸送量の予測値を求めた。Fig.4 に単管と No.1～3 の限界熱輸送量を示す(No.2,3 は予測値を白抜きで示した)。単管と比べて二重管の方が熱輸送能力は大きく、二重管内の気液の通る断面積の割合を変えることにより、熱輸送能力が変化することが示唆される。

Fig.2 Cross-sectional view of the adiabatic section

3.

参考文献
1. H.Anzai, et al.: Abstracts of CSSJ Conference,
Vol.90 (2014) p.128
2. S.Inoue et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol.88(2013) p.214

Fig.3 Time traces of temperature at the container
section and pressure difference between the container
and condenser sections after heat input(No.1 at 70K)

Fig.4 The heat transfer limit of the respective heat pipe

― 29 ―

第91回

2015年度春季低温工学・超電導学会

1C-a02

冷却システム超１GHz-NMR 03：マグネットおよびクライオスタットの加圧超流動ヘリウム冷却
1GHz NMR 03: Cooling for Magnet and Cryostat by pressurized superfluid helium
野口 隆志，大木 忍，端 健二郎，後藤 敦，松本 真治，西島 元，酒井 修二，清水 禎(NIMS)NOGUCHI Takashi，OHKI Shinobu，HASHI Kenjiro，GOTO Atsushi，MATSUMOTO Shinji，NISHIJIMA Gen，
SAKAI Syuji，SHIMIZU Tadashi(NIMS)
E-mail: NOGUCHI.Takashi@nims.go.jp
1．はじめに2010～2011 年度に完成予定であった超 1GHz NMR 用超電導マグネットは、2011 年 3 月 11 日の地震で被災し、その復旧に約 2 年を必要とした。2013 年の常温から液体ヘリウム温度までの冷却については既に報告したが、その後の、定格運
転温度 1.8K 以下への“加圧超流動ヘリウム冷却”の工程について報告する。
1.8K への冷却対象は、超伝導コイル約 8ton 、加圧超流
動ヘリウム槽約 1ton の個体と、内包する液体ヘリウム約
1000L である。これらは、大気圧で飽和した液体ヘリウムを貯液しておく約 500L の 4K 槽約 0.6ton と 4K シールド約 0.1tonに覆われている。
2．HeII 冷却器と実際の冷却
超流動ヘリウム冷凍器は 2001 年の 920MHz NMR 完成時に備えられていた物を用いた。したがって本報告には冷却手法に関わる開発要素はあったが、新たな装置の開発は行われていない。
7 月 31 日にλ点を越え上記冷却対象は超流動ヘリウム温度となり、8 月 27 日からコイルへの通電を開始した。10 月 17日に定格 240A:1.02GHz 相当の磁場でホールドした。
図１にその間の Bath 温度変化を示す。

3．励磁中の冷却冷却器は以下の実績を持っていた。
定格運転温度 ：1.4K～1.6K HeII Bath との温度差 50mK 以上
JT 排気ポンプ ：排気量 5000L/min 1 台 ＊予備 1 台
冷却温調機構 ：ステッピングモーターによる JT 弁開度調整
PC プログラムによる Bath 温度追尾自動運転
定格排気流量 ：10 std.L/min
これに対し今回の超１GHｚNMR では、以下の運転となった。
定格運転温度 ：1.6K～1.7K HeII Bath との温度差 20mK 以下
JT 排気ポンプ ：排気量 5000L/min 3 台 ＊予備 なし
冷却温調機構 ：ステッピングモーターによる JT 弁開度調整
PC から Bath 温度監視による手動運転
定常排気流量 ：45 std.L/min
その理由は、HTS コイルの接続抵抗と LTS の接続部と思われる安定抵抗の出現によるシュール発熱が加わったことによる。1.7K での必要冷却量は約 4.3W 必要であった。
4．冷却結果のまとめ
コイルの発熱が加わり、超流動冷却器の定格を越える運転を余儀なくされたが、定格通電中は、排気ポンプの増設などにより 1.75K 以下±10mK の温度を維持できた。その間のBath 温度＝マグネット温度の推移を図２に示す。
結果として、10 月 17 日から本年 4 月 14 日まで、NMR 信
号を得、4 月 14 日にはピーク磁場を発生できた。

図２ NMR 用マグネットとしての定格時の温度変化

図 1 初期冷却と励磁による発熱に対する冷却― 30 ―

第91回

2015年度春季低温工学・超電導学会

1C-a03冷却システム

野外観測対応超伝導重力計の設置
Field type Superconducting Gravimeter池田 博（筑波大）; 森 稜太（筑波大）; 杉原光彦, 名和一成, 西 祐司（産総研）
IKEDA Hiroshi （Tsukuba Univ）; MORI Ryouta (Tsukuba Univ); SUGIHAR Mitsuhiko, NAWA Kazunari, NISHI Yuji (AIST)
E-mail: ikeda@bk.tsukuba.ac.jp
1．はじめに超伝導重力計は米国 GWR 社によって１９８０年代末に 10K
タイプ GM 冷凍機を装備した超伝導重力計（TT-70 タイプ）の第一世代が市販された。その後、１９９０年代に同じ 10K タイプ
GM 冷凍機を装備しているが小型化された小型超伝導重力計（CT タイプ）の第二世代が開発された。さらに第三世代として 4K タイプ GM 冷凍機を装備して液体ヘリウム再凝縮型の超伝導重力計（OSG タイプ）が２０００年代に開発された。第四世
代として計測系と超伝導センサーが一体化されて、さらにコン
パクト化された超伝導重力計（iGrav タイプ）が２０１０年に開発された。今回、日本で初めて 2015 年 3 月に北海道苫小牧に
CO２地中貯留モニタリングへの適用を目指して[1] iGrav タ
イプ野外観測対応超伝導重力計（iGrav017）が設置されたので立ち上げに関して報告する。

が出来た。これにより時間的に 6 日間の短縮に成功した。
その後、超伝導重力計は現地で初期レビテーションと調整を行った。現地での冷凍機の動作試験の結果、冷凍機
１段で 34K、2 段で 4.18K を維持しながら稼働している。
Fig.2 に現地に設置した iGrav タイプ野外観測対応超伝導重力計（iGrav017）の配置を示した。iGrav は左側のエンクロージャーの中に入っており、右側の大きいエンクロージャーに
は冷凍機用の圧縮機と蓄電池とヘリウムガスボンベが収納されており、それぞれ温度コントロールされている。

2．超伝導重力計
重力の測定方法として絶対値を測定する絶対重力測定と重力差や時間的変化を測定する相対重力測定の 2 つに大別される。超伝導重力計は相対重力計で超伝導コイルのつくる極めて安定な磁場で浮上した１インチニオブ球の位置変化を検出することで重力の変化を測定する装置である。液体ヘリウム温度で使用しているため熱的ノイズはカットされ、絶対重力計に比べて 3 桁以上感度が高く、１ナノガル（10－11ｍ/sec2）までの測定が可能である(1μガル=10mm の分解能)。そのため、超伝導重力計は地球深部のダイナミックスを観測目的とするため国際観測プロジェクト GGP が組織され世界各国で観測が続行されている。これらの超伝導重力計によって地球上の重力を測定して地球内部の動きや地球自由振動の測定により地球の動的特性を解明しようとしている[2]。
3．超伝導重力計の立ち上げ
iGrav タイプ野外観測対応超伝導重力計は米国 GWR 社から日本に輸送された状態は室温である。そのため、OSGタイプまでは容器の真空度チェック後にセンサー容器（35リットル）を液体窒素で予冷後、液体窒素を追い出し、
液体ヘリウム容器から液体ヘリウムをトランスファーして 1 時間程で液体ヘリウム温度まで冷却していたが、新しい iGrav タイプではセンサー容器の上部に計測系も一体化されているため、今までのような液体窒素による予冷は行わず、
小型 4K 冷凍機により徐々に冷却して 1 週間程でヘリウム液化を行っている。今回は冷凍機による冷却では時間的な制約があったため、初めて液体ヘリウムのみでの iGrav
センサー容器の冷却を試みた。
液体ヘリウムのみによる冷却試験は Fig.1 に示すように右側の iGrav タイプ容器に左側の 60 リットルヘリウム容器から加圧圧力に注意しながら液体ヘリウムトランスファーを行った。ここで回収ラインに市販の都市ガスメーター（N6 型）を接続して回収流量をモニタすることにより冷却速度を一定にしてセンサーに熱的ショックが掛からないように心掛けた。
液体ヘリウムのみによるトランスファーは、加圧圧力が 0.02PSI で、使用した液体ヘリウムは 51 リットルである。回収ヘリウムガス量の総量は 29ｍ３でセンサー容器内に液体ヘリウムを 9.3 リットル、5 時間掛けて貯めること

Fig.1 Liquid helium transfer

Fig.2 Field type Superconducting Gravimeter
4．まとめ
iGrav タイプ野外観測対応超伝導重力計（iGrav017）を北海道苫小牧に CO２地中貯留モニタリングへの適用を目指して設置した。2015 年 3 月より連続観測を開始しており、臨海地
区での重力値の影響を調査中である。
超伝導重力計の設置関連作業の一部は，経済産業省からの委託研究「二酸化炭素回収・貯蔵安全性評価技術開発事
業（弾性波探査を補完するCO2挙動評価技術の開発）」の一部として実施した。
参考文献
1. 杉原、名和、池田、相馬、石戸、宮川、西 （2015）資源・素材学会 平成27年度春季大会講演集1403.
2. K. Nawa, N. Suda, Y. Fukao, T. Sato, Y. Aoyama and K.
Shibuya, Earth Planet and Space 50 (1998) 3.

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第91回

2015年度春季低温工学・超電導学会

1C-a04

冷却システムNIFS 液化冷凍設備の更新と実験設備の増設
Replacement of a refrigerator/liquefier and installation of a new experimental system at NIFS
岩本 晃史，濱口 真司, 高畑 一也, 高田 卓, 今川 信作, 三戸 利行, 力石 浩孝, 柳 長門, 尾花 哲浩, 森内 貞智,
大場 恒揮, 鷹見 重幸, 相良 明男（NIFS）； 檜垣 春弘, 撫原 浩嗣（大陽日酸）； 堀越 篤（日立製作所）
IWAMOTO Akifumi, HAMAGUCHI Shinji, TAKAHATA Kazuya, TAKADA Suguru, IMAGAWA Shinsaku, MITO Toshiyuki,
CHIKARAISHI Hirotaka, YANAGI Nagato, OBANA Tetsuhiro, MORIUCHI Sadatomo, OBA Koki, TAKAMI Shigeyuki,
SAGARA Akio (NIFS); HIGAKI Haruhiro, NADEHARA Kouji (TNSC); HORIKOSHI Atsushi (Hitachi)
E-mail: iwamoto.akifumi@LHD.nifs.ac.jp
1．はじめに核融合研の超伝導マグネット研究棟では老朽化した液化
冷凍設備から新機能を備えた温度可変低温設備へと更新を行った。その設備では液体ヘリウム（LHe）や超臨界ヘリウム（SHe）を供給する能力に加え，任意の温度に冷却されたヘリ
ウムガスを冷媒として供給する能力を有し、被冷却体の要求にあわせた冷媒供給を行うことができる。これに並行して，大口径 13T マグネットを設計・製造し，これまでの 9T 導体試験
装置に加え，より高磁場を発生する設備を増設している。今回の報告では既設・新設をあわせた超伝導マグネット研究棟の実験設備について紹介する。
2．温度可変低温設備
温度可変低温設備の構成を Fig. 1 に示す。今回の更新ではコールドボックス（CB），ヘリウム圧縮機，制御装置を更新し，その他の設備：タンク・貯槽類，精製器，液体窒素設備，ガス回収設備などは既設を再利用している。既存のガス回収設備
や液体窒素設備は一般高圧ガス設備として残ったが、CB を含む新設の大部分は常用圧力を 1MPa 未満に抑えることで一
般高圧ガス設備から除外されている。
この温度可変低温設備の詳細な仕様は前回の学会で既に報告済み[1]なので省略するが，クロードサイクルの液化/冷凍機で，最大の特徴は CV3105, 3123, 3125, 3156, 3175 の弁から最適な温度領域の GHe を選択し混合することで任意の温度の冷媒を試験設備に供給することが可能な点である。
LHe(250L/h)や SHe（350W, 50g/s）の供給能力は前設備と同様である。
3．13T マグネットの増設
大型導体の試験に対応できる高磁場試験装置の整備は長年の課題となっていた。温度可変低温設備の建設にあわせて 13T マグネットの整備を進めている。Fig.2 にその外観を示す。直径 700mm の試験空間を確保しており、75kA 電源とあわせて ITER クラスの導体試験が可能である。

Fig. 2 13T magnet with 700 mm bore diameter
4．超伝導マグネット研究棟の実験設備
温度可変低温設備により超流動ヘリウム温度（HeII 設備を使用）から室温までの冷媒供給が可能な実験設備として再稼働を始めた。その幅広い供給温度を活用した冷媒の特性研究や冷却関連機器の試験研究，13T や 9T の磁場環境下でHeII を除くそれら冷媒により冷却される様々なタイプの大型導体の試験が可能である。さらに，JT-60SA の CS モジュールコ
イルの冷却・励磁試験も予定されるなど大型コイルの試験も可能である。共同利用の設備としての活用が期待される。
参考文献
1. T. Mito, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol. 90(2014) p.129

LN2
tank
15000L

Variable temp. GHe supplｙ
SHe supply

GHe
tanks

LHe supply

450m3
Purifier

Recovery
tank

Reco
very
tank

LHe

GHe return at room temp.

Cryogenic
experiments

LHe
tank
tank
100
10000L
00

Large
test
facilities

Fig. 1 600W refrigerator/liquefier with variable temperature GHe supply.

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第91回

2015年度春季低温工学・超電導学会

1C-a05

冷却システム

気温上昇に伴う不純ヘリウムカードルガス圧の想定外の上昇
Unanticipated rise of pressure inside impure He gas container with rise in temperature

岩佐 章夫， 坪井 勇一, 福山 康弘 ，金子 晋久（産総研）；
樋口 明年， 池田 洋一，奥主 英和（新生ビルテクノ・産総研）
Akio Iwasa，Yuichi Tsuboi, Yasuhiro Fukuyama, Nobu-hisa Kaneko (AIST);
Akitoshi Higuchi, Yoichi Iｋeda, Hidekazu Okunushi (Shinsei Buil-Techno Co., Ltd., AIST)
E-mail: iwasa@ni.aist.go.jp

1．はじめに
産総研では平成２５年度にヘリウム液化機を更新して、所内に向けて液体ヘリウムの供給をおこなっている。現在のところ液化機は概ね順調に稼動しているが、試運転時には、不純ガスに空気が混入した結果90％程度の純度までに低下して正常な液化運転ができない事態に陥ることもあった。その際、空気混入の
ヘリウムガスは代替ガス確保の目途がつくまで不純ガス用の長尺カードル内（不純ガスカードル）に保管されていたが、保管中に気温が上昇したところカードル圧力が想定より早く常用圧力（14.7MPa）を超えてしまい、安全弁が16.2MPaで動作する前に予防的措置としてガスを放出させざるを得なくなった。
容器置き場にある充填容器については通常40℃以下[1］に保たれるようになってはいるが、気温による圧力上昇が想定外に大きかったことをふまえて、後日カードル圧力を大気圧程度まで下げた状態にしてカードル圧力の温度依存性を調べてみた。
2．ヘリウム液化装置と長尺カードル
ヘリウムガスバックに貯えられたヘリウムガスがある程度の量を超えると、回収圧縮機によって自動的に14MPa程度まで（常用
圧力の14.7MPaを超えないように）圧縮され、更新後に追加された油水分離器、そして高圧乾燥機を通った後に不純ガスカード
ルに送られる。
不純ガスカードルはCY-6,CY-7,CY-8の3台 (各400L長尺容器25本組)で構成されているが、試運転時に空気が混入したカードルはCY-6とCY-7であり、そのうち圧力が上がってガスを放出せざるを得なくなったのはCY-6である。空気が混入したCY-6とCY-7の純度は90％程度、CY-8中には空気混入防止の措置をおこなった後に回収されたガスが入っており純度は98％程度であった。
3．空気混入不純ヘリウムガス入りカードルと、通常の回収ガス入りカードルの圧力の温度依存性
不純ガスカードルの運用に余裕があるときを見計らって、空気混入ガスがはいったカードルCY-7と通常の回収ガスが入ったカードルCY-8の圧力を共に大気圧程度までにしてから両カードルへの充填バルブを各々閉じ切り、１ヶ月間程度かけて気温と両カードル圧(絶対圧)の関係をプロットしたのがFig.1である。比較のために、300K（=27℃）において0.3MPaの絶対圧を持つ理想気体
がカードル内に入っていると仮定したときの近似直線（y=0.001x）を追記した。空気が混入したカードルCY-7の近似直線の傾きは理想気体の場合の6倍程度となっており、カードル内の気体の圧力が想定外に上昇したという事象と合致している。一方で、空気が混入していないCY-8においてもCY-7と同様、理想気体を想定した場合に比べて近似直線の傾きは大きかった。
その後、3台のカードルすべてについて2－7日間の真空引きを行い半年程度通常の運用をしてから同様の実験をおこなったところ、カードル圧力の温度特性は理想気体と同様になった。

4．考察とまとめ混入したガス中の水分量のカードル圧への影響を定量的に評価するため、飽和水蒸気圧をあらわす式として一般的によく知られている、Tetens(1930)のパラメータ値によるAugust他の式（１）
E(t)=6.11×10^(7.5t/(t+237.3)を用いて数点における飽和水蒸気圧値を計算し、 Fig.1に各温度での飽和水蒸気圧をプロットした。 ここで、 t は温度（℃）、
E(t)は飽和水蒸気圧（hPa）である。 飽和水蒸気圧を超えた水
蒸気は液体として存在するため、ガス中の水蒸気の分圧が飽和水
蒸気圧を超えることはない。（１）式より300K時の飽和水蒸気圧は35.6×10-4MPaと計算され、Fig.1に示されるように飽和水蒸気圧はカードル圧と比較して大変小さい。あわせて空気混入の有無にかかわらず気温による圧力上昇が想定外に大きかったことから、ガスに水分が混入したためというよりは、むしろ、カードル内の物質（酸化鉄、水、油等）に吸着及び溶存されて蓄積されていた分子が気温上昇によって不純ヘリウムガス中に放出されたために想定外の圧力上昇が引き起こされたと解釈したほうがよい。真空引き等でこれらの分子がカードルから排出された後に新たに充填された不純ガスについては、更新後に追加された油水分離器により水分や油分のカードルへの混入が抑制されていたため、理想気体と同様なカードル圧力の温度依存性を示すようになったものと考えられる。

Fig.1 Temperature dependence of pressure of CY-7 (90% gas)and CY-8 (98% gas)
参考文献
１．高圧ガス保安法第８条第１条及び第２号の技術的基準に関する事項（一般高圧ガス保安規則第６条第２項第８号ホ）― 33 ―

第91回

2015年度春季低温工学・超電導学会

1C-p01

デバイス (1)カレントリサイクル用ドライバー/レシーバー回路の磁気結合部の評価
Evaluation of magnetic coupling structures of driver/receiver circuits for current recycling
techniques
佐野 京佑，山梨 裕希，吉川 信行（横浜国大）
SANO Kyosuke，YAMANASHI Yuki, YOSHIKAWA Nobuyuki (Yokohama Nat. Univ.);
E-mail: sano-kyosuke-cw@ynu.jp
1．はじめにSingle - Flux -Quantum (SFQ) 回路の動作には一定の電流供給が必要であり、その電流量は回路規模に比例する。
SFQ回路は磁場に敏感であり、回路の大規模化が進む現在
では電流供給時の磁場も無視できない。本課題の解決のため、供給電流量の低減技術としてカレントリサイクル技術が提案されている [1] 。
本技術を用いた SFQ回路は、独立したグランドプレー
ン上に形成された一定規模の複数のブロックに分割され、一つのブロックに供給された電流が各ブロックへと再利用される。各回路ブロックのグランドプレーン間には電Fig.1 カレントリサイクル用ドライバー/レシーバー回路

位差があるため、各ブロック間の SFQ 信号の伝搬は非接触で行う必要がある。そこで我々は SQUID 構造を利用した非接触 SFQ パルス伝達回路を開発している。
2．カレントリサイクル用ドライバー/レシーバー回路
我々は、カレントリサイクル技術への利用を目的として、分離 さ れ た グラン ド 間 を 非 接 触 で 信 号 伝 搬 す る ド ラ イバ・レ
シーバ回路の研究を行っている。Fig.1にドライバー回路とレシーバー回路の回路図を示す。

(a) 磁気結合部

d _ i n p u t 部 へ S F Q パ ル ス が 入 力 さ れ る と 、 J 1、 J 2のJosephson 接合がスイッチし、J 2 、L 1 、R 0 で構成されるループに電流が流れる。この時、磁気結合構造によりレシーバー回路のJ 3 、L 2 、J 4 で構成されるSQUIDが磁場を感知しスイッチすることで、SFQパルスが生成され、r_outputへ伝搬される。
三次元構造に対応したインダクタンス計算ツール
InductEx [2]を用いて磁気結合部のインダクタンスを最適化した。また、磁気結合部がグランド電流により生じる磁場に対し平行である従来型構造に対して、垂直となる構造も検討した。
(b) 従来型構造

本構造によりドライバー/レシーバー回路の磁場耐性の強化が期待される。Fig.2に従来型構造及び垂直型構造の磁気結合部の三次元構造を示す。
今回、InductExにより最適化された従来型及び垂直型のドライバー/レシーバー回路の動作を評価したため、その結果について報告する。
謝辞
本研究に使用された回路は，(独)産業技術総合研究所(AIST)の超伝導クリーンルーム(CRAVITY)において，AISTSTP2 プロセスを用いて作製された。
参考文献
1. Johnson, M. W.,et al, IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.
13 (2003) p.507
2. C. J. Fourie, et al, Supercond Sci. Technol., Vol. 24 (2011)p.125015(c) 垂直型構造
Fig.2 ドライバー/レシーバー回路の磁気結合部― 34 ―

第91回

2015年度春季低温工学・超電導学会

1C-p02

デバイス (1)単一磁束量子回路と断熱型磁束量子パラメトロン回路間
インターフェース回路の最適化
Optimization of Interface Circuit between Single Flux Quantum and
Adiabatic Quantum Flux Parametron Circuits
知名 史博, 奈良間 達也, 竹内 尚輝, 山梨 裕希, 吉川 信行(横浜国大); Thomas Ortlepp(CiS)
Fumihiro China, Tatsuya Narama, Naoki Takeuchi, Yuki Yamanashi, Nobuyuki Yoshikawa (YNU); Thomas Ortlepp (CiS)
E-mail: china-fumihiro-pf@ynu.jp
1．はじめに近年、CMOS を用いた計算機は微細化の限界やリーク電流による発熱量・消費電力の増大といった問題があり、性能向上の限界に直面している。そこで CMOS に代わる新たな集積回路技術として、超伝導回路技術である単一磁束量子(Single Quantum Flux) 回路と断熱型磁束量子パラメトロン(Adiabatic Quantum Flux Parametron) 回路が提案されている。
SFQ 回路は CMOS に比べ低消費電力性と高速動作性に優れ、AQFP 回路は SFQ 回路よりも更に低い消費電力で動作可能である[1]。これらの超伝導回路技術を活かしハイエンドな大規模計算機を実現するには、SFQ 回路と AQFP 回路のハイブリッドシステムが有効であると考えられる。そこで我々は、バイアス方法や動作原理の異なる SFQ 回路と AQFP 回路間での情報伝達を可能とするため、SFQ 回路と AQFP 回路間
インターフェース回路についての研究を行っている。インター
フェース回路を用いることで、SFQ 回路と AQFP 回路の相互接続だけではなく、Fig.1 のように AQFP 回路間に Passive
Transmission Line 配線[2]を導入することができ、長距離配線が容易になる。インターフェース回路は、SFQ 回路から AQFP
回路に信号伝達する SFQ/AQFP インターフェースと、その逆の AQFP/SFQ インターフェースの 2 種類を用いる。本発表では、2 種のインターフェース回路の構成及びパラメータの最適化による動作余裕度の向上について報告する。

Fig.2 Circuit schematic of SFQ/AQFP interface

2．SFQ/AQFP インターフェース
Fig.2 に SFQ/AQFP インターフェースの概略図を示す。
SFQ/AQFP インターフェースは TFF と非対称 AQFP で構成されており、AQFP の初期状態は”0”に固定されている。また、TFF の保持ループのインダクタンス Lt と AQFP の入力インダ
クタンス Lin は磁気結合している。ここで TFF に SFQ パルスが入力されると、D1 から出力が得られるとともに Lt は SFQ を保持する。TFF の保持ループを流れる電流が磁気結合を介して
AQFP に入力される。この状態で励起電流 Iex が加わることで
AQFP の状態は 0 から 1 に遷移する。再度 SFQ パルスが TFFに入力されると、Lt が保持していた SFQ が D2 に出力され、AQFP への入力電流は消失し 0 状態に戻る。

Fig.3 Circuit schematic of AQFP/SFQ interface

3．AQFP/SFQ インターフェース
Fig.3 に AQFP/SFP インターフェースの概略図を示す。
AQFP/SFQ インターフェースは、AQFP と高感度 DC/SFQ コ
ンバータ (高感度 D/S)[3] から構成されている。高感度 D/S
は AQFP との同期のため、Lclk と Jclk を含むループが接続されており、励起電流の立ち上がり時に高感度 D/S に CLK 信号が入力される。AQFP の出力インダクタンス Lout と高感度 D/Sのセンシング部のインダクタンス Ls は磁気結合状態にある。
AQFP の出力電流の向きは AQFP の状態によって決定され、AQFP が”1”状態になったときに Jc1 がスイッチし、SFQ パルスが出力される。AQFP が”0”状態のとき、CLK 信号は Je でエスケープされ、SFQ パルスは出力されない。

Fig.1 Circuit schematic of long distance wiring
between AQFP gate

謝辞
本研究は JSPS 科研費 26220904 および 25820137 の助成を受けたものである。本研究に使用されたデバイスは、(独)産業 技 術 総 合 研 究 所 (AIST) の 超 伝 導 ク リ ー ン ル ー ム(CRAVITY)において作製された。
参考文献
1. N. Takeuchi et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 23,
No. 3 (2013) 1700304
2. S. Hideo et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 10, No.
3 (2000) pp. 1637-1641
3. Makise. K, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 23,
No. 3 (2013) 1100804― 35 ―

第91回

2015年度春季低温工学・超電導学会

1C-p03

デバイス (1)光子数分解能を有する SNSPD 検出器アレイ用 SFQ 増幅回路の設計
Design of SFQ Amplified Circuit for Photon-Number-Resolving SNSPD Array
大田 一喜, 成瀬 雅人, 田井野 徹, 明連 広昭 （埼玉大）; 陳 健, 呉 培亨 （南京大）OTA Kazuki, NARUSE Masato, TAINO Tohru, MYOREN Hiroaki (SaitamaU); CHEN Jian, WU Peiheng (NanjingU)
E-mail: k_ohta@super.ees.saitama-u.ac.jp

まえがき
本研究では、光子数分解能を有する超伝導単一光子検出器 (Superconducting Nanowire Single-Photon Detector:
SNSPD） アレイからの出力信号を広帯域増幅可能な、単一磁束量子 （Single Flux Quantum: SFQ） 論理を用いた読み出し回路を提案する。
単一光子検出器は、量子情報通信、量子光計算、量子計
測等の分野で応用されている。代表的な単一光子検出器には
In-GaAs や Si のアバランシェフォトダイオードなどがあるが、SNSPD は量子効率、暗計数率、計数率、ジッタなどの点で優れている。また、通信に用いられる波長の 1550nm に感度があるため、特に量子情報通信の分野での応用が期待されている[1]。
SNSPD 自体は特殊な構造を除いてアバランシェフォトダイオ
ードと異なり光子数を検出することはできないため、光子数検出器として用いる場合、複数の SNSPD を用いる必要がある。しかし、それぞれの SNSPD から別々に信号を読み出す場合、読み出し線の増加による極低温下への熱流入の問題が避けられない。また、SNSPD の出力信号を半導体増幅器により増幅した場合、半導体増幅器のジッタにより光子の到達時間の同時性の確認に問題を抱えている。そこで、SNSPD と同様に極低温で動作する SFQ 論理回路を用いた読み出し回路により、読み出し線の削減を目指すとともに、同時に入射した光子数を識別できる広帯域増幅回路を設計した。具体的な数値として
は、処理速度が 500MHz、扱える光子数が 6 個とした。
2.

読み出し回路Fig.1 に提案する読み出し回路を示す。この回路では、SFQ
増幅回路として DFQ [2]を用いている。この DFQ を重ねた回路を AMP 回路と呼び、N 段重ねた場合、SFQ パルス列が入力されると出力端に平均入力電圧の N +1 倍の平均電圧が出力させる [3]。本研究では、この AMP 回路を更に直列に 6 個接続している。SNSPD からの出力電流は、トランスを結合した
DC/SFQ 回路によって SFQ 信号に変換され、それぞれのPulse generator に入力して SFQ パルス列に変換される。AMP
回路自体はそれぞれ別々に動作するため、Pulse generator からの SFQ パルス列が入力された AMP 回路の出力端のみに電圧が発生する。よって、読み出し回路の出力電圧 Vo は、
SNSPD からの入力信号数によって倍増する。また、読み出し
線も 1 本にできる。

Fig.1 Schematic diagram of readout circuit

3.

シミュレーション結果
回路の設計は、AIST SDP2 による試作を前提に、SFQ 論
理セルライブラリの設計仕様に準拠して回路、レイアウト設計を行った。読み出し回路の出力波形をシミュレーションしたところ、Fig.2 のように入力数によって波高値が約 4.8mV ずつ変化する
ことがわかった。ここから、入力数によって出力電圧が倍増しているのが確認でき、光子数を識別できることがわかった。なお、シミュレーションソフトには JSIM を用いた。

Output voltage [mV]1.

The number of inputs●：6 ●：5 ●：4●：3 ●：2 ●：1

Time [ns]Fig.2 Simulated output waveform of the readout circuit
4.

まとめ
複数の SNSPD の信号を処理する回路を設計し、読み出し
線を 1 本にし、6 個までの光子数が識別可能なことをシミュレー
ションで確認した。
謝辞
本研究では名古屋大学・SRL・NICT・横浜国立大学で開発された CONNECT セルライブラリ及び設計ツールを用いており、チップは AIST の Nb 標準プロセスⅡを前提に設計された。関
係者の皆様に深く感謝致します。本研究の一部は東京大学大規模集積システム設計教育研究センターを通しケイデンス株
式会社の協力で行われたものである。
参考文献
1. H. TERAI, T. YAMASHITA, S. MIKI , Z. WANG,
Superconducting Single-Flux-Quantum Logic Circuit
Toward an Innovation in Information and Communications
Technology, J. Cryo. Super. Soc. Jpn., Vol. 48 (2013)p.77 - p.82
2. Q. P. Herr, Stacked Double-Flux-Quantum Output
Amplifier, IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.15, (2005)
p.259 - p.262
3. Y. Mizugaki, Y. Sato, H. Shimada, M. Maezawa,
Input-output
characteristicsofa
999-stage
double-flux-quantum amplifier designed for 1000-foldvoltage multiplication, Jpn. Appl. Phys., Vol.53, (2014)
p.053101-1 - p.053101-4― 36 ―

第91回

2015年度春季低温工学・超電導学会

1C-p04

デバイス (1)

ニオブ 4 層高 Jc プロセスを用いた小型磁束遷移メモリの開発
Development of Miniaturized Vortex Transitional Memory
Using Nb 4-Layer, High-Jc Fabrication Process

幸村勇斗， 田中雅光， 藤巻朗 （名大） ； 永沢秀一 （産総研） ； BOZBEY Ali （TOBB ETÜ）
KOMURA Yuto, TANAKA Masamitsu, FUJIMAKI Akira (Nagoya Univ.); NAGASAWA Shuichi (AIST); BOZBEY Ali (TOBB ETÜ)E-mail: masami_t@ieee.org
1. はじめに磁束遷移 （VT） メモリは， これまでに優れた動作マージン
や歩留まりが実証されており [1]， 超伝導回路による記憶回路の有力な候補である． しかしながら， 磁束量子 1 つ 1 つを記
憶ビットとするため， 比較的大きな超伝導ループ構造をもち，メモリセルが物理的に大きいことが課題のひとつである．
本報告では， 臨界電流密度 （Jc） を 10 kA/cm2 に上昇したニオブ 4 層プロセスを利用し， VT メモリセルの小型化に取り組んだので報告する． ジョセフソン接合とその周辺部の専有面積減少と， 4 層の配線層を活用した磁気結合部のレイアウトの工夫により， 25 × 25 µm の VT メモリセルを実現した． 試作
したメモリセルを評価し， 十分な動作マージンを確認した．
2. メモリセルの設計
VT メモリセルは二次元アレイとして配置し， X 方向と Y 方
向で別々に選択した列 （行） の交点のセルに対してのみ，
読み書き操作を行うことでランダムアクセスメモリを実現する．
今回設計した VT メモリセルの等価回路とレイアウトを Fig. 1に示す． X 方向の選択線と超伝導ループ 1，及び超伝導ループ 2 と読み出しゲート間にある 2 つの磁気結合を含み， 4 つ

K1 K4
K3

3. 評価結果試作した VT メモリセルを低速試験により評価した． X 方向
または Y 方向のいずれか片方が選択された状態 （半選択状態） では内容が変化していないことも含め， すべての動作パ
ターンの組み合わせに対して正常動作を確認した．
Fig. 2 に 3 つの入力 （X 方向 IX， Y 方向 IY， 及び動作点設定のための直流オフセット Idc） に対する動作マージンを示
す． 実用上， 十分な大きさの動作マージンが得られている．
数値計算とのずれや， 駆動電流の低減効果があまり見られな
かったことが課題として挙げられるが， 複雑な磁気結合部の回路パラメータが正確に見積もられていない可能性がある．

K6

K5

Fig. 1 VT memory cell: (a) Equivalent circuit and (b)microphotograph. (J1=180 µA, J2=90 µA, J3=J4=100 µA, R1=0.6
Ω, R2=0.3 Ω, L1=5.8 pH, L2=3.3 pH, L3=5.8 pH, L4=2.6 pH,
L5=4.9 pH, L6=3.8 pH, L7=2.7 pH, L8= L9=3.3 pH, L10=L11=1.9
pH, K1=0.23, K2=0.30, K3=0.37, K4=0.40, K5=K6=0.6)

Idc
IYの接合から構成される．
メモリセルをコンパクトに実現するため， AIST 10 kA/cm2 高速標準プロセス （HSTP） を用いた． 高 Jc 化による接合面積の縮小や積層コンタクトの導入により， 接合とその周辺部の専有面積が大幅に減少させた． また， HSTP では下部グラン
ド面を含め 4 層の超伝導層 （下から M1, M2, ... M4 と呼ぶ）
が利用できるため， M2 から M4 をぞれぞれ読み出しゲート，
記憶ループ， X 方向選択線に割り当てている． 磁気結合部
分では， M1 を取り除いて結合係数を上げる工夫をした． 図中に示した各結合係数は， InductEX [2] を用いて見積もった値である．
設計した VT メモリセルの大きさは 25 × 25 µm であり， 従来に設計されたもの [1, 3] と比較して 1/5 から 2/3 に減少している．
駆動電流の低減を狙い，接合の臨界電流値を 10% 小さくした．

25 μm

K2

IX
0

200

400
Current (μA)

600

800

Fig. 2 Dc bias margins of control currents: Experimental (upper)and simulation (lower) results.

参考文献
1. S. Nagasawa, Y. Hashimoto, H. Numata, and S. Tahara, IEEE
Trans. Appl. Supercond. 5 (1995) 2447.
2. Online: http://www0.sun.ac.za/ix/, accessed on Apr. 30,
2015.
3. K. Hinago, Y. Yamanashi, and N. Yoshikawa, Appl.
Supercond. Conf., Portland, USA, Oct. 2012.
謝辞
本 研 究 は JST ALCA 及 び 科 学 研 究 費 （22226009,
24760276） の助成を受けたものである。 本研究に使用した回路は， （独） 産業技術総合研究所 （AIST） の超伝導クリーンルーム （CRAVITY） において， AIST-HSTP プロセスを用いて作製された。 また， 本研究の一部は東京大学大規模集積
システム設計教育研究センターを通しケイデンス株式会社の協力で行われたものである。

― 37 ―

第91回

2015年度春季低温工学・超電導学会

1C-p05

デバイス (1)単一磁束量子 FFT プロセッサの設計とコンポーネント高速テスト
Design and High-Speed Component Tests of Single-Flux-Quantum FFT Processor
吉川信行, 坂下洋介, 小野智裕, 山梨祐希 (横浜国大)
YOSHIKAWA Nobuyuki, SAKASHITA Yosuke, ONO Tomohiro, YAMANASHI Yuki (Yokohama Nat. Univ.)
E-mail: nyoshi@ynu.ac.jp
1. はじめにFFT (Fast Fourier Transform) はフーリエ変換を計算機上で高速に行うための演算アルゴリズムであり、音声解
析・画像解析など幅広い分野で応用されている。しかしながら、現在用いられている半導体集積回路を用いた
FFT 専用のプロセッサは FFT の多量な演算によって発生する大きな消費電力が問題となっている。そこで、
我々は、エネルギー効率が高く高速性に優れた SFQ(Single flux Quantum) 回路を用いた FFT プロセッサの研究開発を行っている。
従来の研究では、FFT 演算において最も重要なコンポーネントである符号付き演算が可能な 4 bit 整数型バタフライ演算回路の設計を行い、AIST 10kA/ cm² Nb アド
バンスドプロセス(ADP 2.2) [1]を用いた試作チップにおいて 50 GHz における高速動作実証を行った[2]。本報
告では、SFQ FFT プロセッサのアーキテクチャについて検討し、プロセッサシステム全体の設計を行った。また、全てのコンポーネント回路を試作し、それらの高速動作検証を行った。

Fig. 1

Block diagram of an SFQ FFT processor.

2. プロセッサアーキテクチャ
図１に SFQ FFT プロセッサのブロック図を示す。
SFQ 回路において現時点で高密度メモリの利用ができないこと、ならびに SFQ 回路の高速性を考慮して、本設計ではビットシリアル処理に基づくパイプラインアーキテクチャを採用した。システムは、単位 FFT 演算を行うバタフライ演算回路、データの順序を入れ替える
ためのネットワークスイッチ（データシャッフリング回路）、 ならびに回転因子を蓄えるための ROM で構成される。また、出力データは、シフトレジスタを介してバタフライ演算回路の入力にフィードバックされる。

Fig. 2
Micro-photograph of thedata-shuffling circuit for 4-bit 8-point FFT.

implemented

3．コンポーネント回路の高速テスト
本研究では、8 ポイント FFT 用の 4bit データシャッ
フリング回路、ならびに回転因子 ROM を設計し、AIST
10 kA/cm2 Nb ADP プロセスを用いて試作した。
図 2 に 8 ポイント FFT 用 4bit データシャッフリング
回路のチップ写真を示す。本回路は、各バタフライ演算
ステージに対して適切な順序で演算を行うためのネットワークスイッチである。回路の接合数ならびに総バイ
アス電流量はそれぞれ 726 接合、87.3 mA であり、回路
面積は 1.50 × 0.42 mm2 である。オンチップ高速テスト
により回路の正常動作を確認した。50GHz におけるバイアスマージンは 89.5% ~ 98.7%であり、最高動作周波数は 59.5 GHz であった。
図 3 には 8 ポイント FFT 用 4bit 回転因子 ROM のチップ写真を示す。読み取り速度の高速化のために ROMのコントロールはハードウェアベースで行った。回路はメモリアレイ、スイッチアレイならびにカウンタにより構成される。回路の接合数ならびに総バイアス電流量はそれぞれ 1028 接合、109.7 mA であり、回路面積は 0.75

Fig. 3 Micro-photograph of the implemented twiddle
factor ROM for 4-bit 8-point FFT.

× 0.90 mm2 である。オンチップ高速テストにより回路の正常動作を確認した。50GHz におけるバイアスマー
ジンは 102.4% ~ 112.9%であり、最高動作周波数は 51.5
GHz であった。
参考文献
1. S. Nagasawa, et al., Phys. C Supercond., Vol. 412–414, p.
1429, 2004.
2. Y. Sakashita, et al.,” Trans. Appl. Supercond., in press.

― 38 ―

第91回

2015年度春季低温工学・超電導学会

1C-p06

デバイス (2)Design,fabrication,andperformance
performanceof
ofaTESaTESX-ray
X-raymicro
microcalorimeter
calorimeterarray
arrayforfor
Design,fabrication,and
STEM-EDS
STEM-EDS
STEM-EDS 用の TES 型 X 線マイクロカロリメータの設計，製作，評価
STEM-EDS 用のTES 型X 線マイクロカロリメータの設計，製作，評価

MURAMATSU Haruka, NAGAYOSHI Kenichiro, HAYASHI Tasuku, SAKAI Kazuhiro, CHIBA Akira,
MURAMATSU
Haruka, NAGAYOSHI
Kenichiro, HAYASHITasuku,SAKAI Kazuhiro,
CHIBA
Akira,Toru(NIMS)
MITSUDA
Kazuhisa, YAMASAKI
Noriko(ISAS/JAXA);
MAEHATA
Kyosuke(Kyusyu
Univ);
HARA
MITSUDA Kazuhisa, YAMASAKI
Noriko(ISAS/JAXA);
MAEHATA
Kyosuke(Kyusyu
Univ);
HARA
Toru (NIST)
村松 はるか, 永吉 賢一郎, 林 佑, 酒井和広, 千葉旭,
村松はるか,
永吉賢一郎, 林佑,
千葉旭,
満田 和久, 山崎典子, (ISAS/JAXA);
前畑酒井和広,洋介 (九州大学); 原 徹 (NIMS)
満田和久, 山崎典子, (ISAS/JAXA); 前畑洋介(九州大学); 原徹(NIST)
E-mail:muramatu@astro.isas.jaxa.jp
E-mail:muramatu@astro.isas.jaxa.jp

1

Introduction
Introduction

First we could not fabricated 2.5 µm thickness absorberbecause of the taper shape of the photo resist. By changing the photo resist from positive-type to negative-type,we succeeded to make a 2.5 µm absorber. That improved
the detection eﬃciency at 10 keV to 40 %. With this device we have fabricated, we have conﬁrmed that all 64
pixels are intact . We measured the superconductingthat
it isit almost
uniformtransition ofof 77pixels
pixelsandandfoundfoundthat
is almostuniat about
200 mK
2 left)．
did
x-raydidirradiaform
at about
200(FiguremK (Figure
??We
left)
．We
x-ray
55
tion test of test
this ofdeviceby using
Fe radio-active
sourceirradiation
this device
by55using
Fe radio-active
in a dilution
refrigerator.
The TheFWHM
energyresolusource
in a dilution
refrigerator.
FWHM
energyrestion of ofoneonepixel
is is7.8
olutionpixel
7.8eV
eVatatMnKα
MnKα (5.9(5.9 keV)
keV) withinread out
out systemsystem (Figure(Figure ??
2 right)
one pixel readright) andand 9.5 eV
within two pixels read out system. The decay time isaround 35 µsec,this time is faster than typically TES decay time(∼100 µsec). Thus we consider that the device
meets all the requirements although we need wait full
read out test to conﬁrm them experimentally.

X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS) performed with scanning transmission electron microscopes(STEM) now plays an important role for compositional
analysis in nano scales. Presently, Si solid-state detectors
are commonly used for EDS. However, the energy resolution (typically ∼130 eV) is often inadequate in order toresolve emission lines with closely adjacent peaks. This
low energy resolution prevents to accurate analysis theline intensities. In order to improve the energy resolution, we have been developing a detector system utilizing[1]. In this paper we report the
TES microcalorimeters [?].
development of 8×8 format TES microcalorimeter arrayfor STEM.
A microcalorimeter determines the energy of an X-ray
photon by measuring the temperature increase witha transition edge sensor (TES). The requirement for
STEM-EDS system is a good energy resolution (FWHM＜ 10 eV) in a wide energy band (0.5-15 keV) with a highcounting rate (> 5kcps).






2

Development of TES
Development
TES forfor STEM
STEM






In order to accommodate the high counting rate, we
adopted an 8×8 format,64-pixel array while the detector chip size is limited to 5.2×5.2 mm2 so that the eachcomponent of TES array can be allocated as close as possible. We show the conceptual illustration of TES sideview and top view (Figure 1). The X-ray absorber is 2.5µm thickness gold. Transition temperatures of our previous TES’s are all around 100 mK. However,we selected
200 mK to obtain fast response and to accommodate thehigh count rate requirement. The energy resolution may
not be best but can satisfy 10 eV requirement. We did
all design and fabrication of this TES in house. When weﬁrst fabricated the TES array prototype, they showed adouble-step superconducting transition curve. We considered it is due to super-normal-super conducting connect (Ti-Au-Al) at the electrodes and removed Au atthe electrode. We then obtained a single step transition
curve as shown in Figure 2 left. The Au absorber is fabricated with e-beam vapor deposition and lift-oﬀ process.

Figure 1: Conceptual illustration of TES side view (left)
and top view (right)
ch3
ch4
ch5
ch6

MnK↵

ch7

Figure 2: Resistance-Temperature curve of 7 pixels TES(left) , MnK line spectrum of 55 Fe radio-active source
References
References[1] Hara. T et al. Microcalorimeter-type energy dispersive X-ray spectrometer for a transmission electron microscope. Journal of Elec2010.
tron Microscopy, 59(1), 17-26

1― 39 ―

第91回

2015年度春季低温工学・超電導学会

1C-p07

デバイス (2)DIOS 衛星搭載に向けた積層配線 TES型 X 線マイクロカロリメータの開発
Development of a large array of TES micro calorimeters using multilayer readout wiring
for the X-ray astronomy satellite DIOS
黒丸 厳静, 宮崎 直人, 桑原 啓介, 鈴木 翔太, 小泉 祥人, 細矢 祥平, 大橋 隆哉, 石崎 欣尚, 江副 祐一郎,
山田 真也(首都大); 満田 和久(JAXA); 日高 睦夫, 佐藤 哲郎(産総研)
KUROMARU Gensei, MIYAZAKI Naoto, KUWABARA Keisuke, SUZUKI Shota, KOIZUMI Yoshito, HOSOYA Shohei,
OHASHI Takaya, ISHISAKI Yoshitaka, EZOE Yuuichirou, YAMADA Shinya (TMU); MITSUDA Kazuhisa (JAXA);HIDAKA Mutsuo, SATO Tetsuro (AIST)
Email: gensei@phys.se.tmu.ac.jp
1．はじめに
我々のグループでは2020年頃の打ち上げを目指して提案
中の小型科学衛星DIOSへの搭載に向けた TES (Transition
Edge Sensor) 型X線マイクロカロリメータアレイの開発を行っている。DIOS衛星は、ダークマターや銀河団の分布など、いわゆる宇宙のフィラメント構造を正確にトレースすることが予想されているWHIM(Warm Hot Intergalactic Medium)と呼ばれる中高温銀河間物質を実際に観測することを目的としている[1]。
空間的に広がったWHIMからの電離酸素輝線を検出するためには、十分な有効面積と 0.5-1.5 keVで 数eV という非常に高いエネルギー分解能を兼ね備えた次世代のX線検出器が必要となる。
我々のグループではDIOSのこれらの要求を満たすため、
TES型X線マイクロカロリメータの開発を進めている。TESカロリ
メータは素子に入射したX線光子のエネルギーによる温度変化を超伝導金属の超伝導-常伝導遷移端での急激な抵抗変化を利用して検出する分光器である。極低温で動作させることで、原理的には 〜1 eV 台のエネルギー分解能を得ることが可能である。 我々はこれまでにMHI、SIIといった企業および産総研、JAXA宇宙研などと協力しながらクリーンルームで素子の大部分を自作してきた。TES素子はTiとAuの二層薄膜をピクセル加工したものの両端にAl配線を接続した構造で、転移温度を 〜100 mKに制御している。X線の吸収体にはAuを用いている。これまでに 16 ピクセルアレイ中の1素子について、5.9 keV の入射X線に対して 2.8 eV のエネルギー分
解能 (FWHM) を達成した[2]。 また、世界最大級の1 cm 角に 256 ピクセルを配置したアレイ中の1素子について 4.4 eVを達成した[3]。
我々は現在DIOSが要求する 1 cm 角中に20 ×20 ピクセ
ルの配置を実現すべく、積層配線と呼ばれる新しい配線デザ
インの開発を進めている。本講演では我々の積層配線TES型
X線マイクロカロリメータについて、開発の現状を紹介する。
2．超伝導積層配線
DIOS ミッションの要求を満たすためには 200 μm 角素子
による 20×20 ピクセルアレイが必要である。しかし、通常の配線で読み出すには、配線部分のスペースが多い上に、ピクセ
ルを密集させ配線の距離が近くなって、配線を流れる電流が生む磁場によるクロストークの影響が無視できなくなるという問題が生じる。
この問題を解決するため、我々は Fig.1 に示したような、積層配線と呼ばれる、素子までのホットとリターン配線を絶縁膜で挟んで上下に重ねるデザインを採用した[4]。 これによりデットスペースが減少し、クロストークや自己・相互インダクタンス
による干渉の影響も押さえることができる。積層配線デザインを採用した 4×4 ピクセルアレイの TMU284 素子の X 線照射実験では、エネルギー分解能〜100 eV と悪いものの、積層配線素子で初めて X 線信号を検出した。

Fig.1 Schematic view of a multilayer readout wiring TES pixel.
3．傾斜付き積層配線
上記の積層配線デザインによってピクセル密集化の問題は解決されるが、配線が薄くなったことで歩留まりが悪くなる、
配線と TES と配線間が段切れしやすくなる等の問題が生じる。
そこで我々は、これらの問題の対策として産総研と共同で配線にイオンミリング法で傾斜をつける傾斜付き積層配線の製作を進めている。Fig.2 で示すように傾斜をつけることで TES と配線の接触が良くなり、上部配線を厚くすることができる。まずは上部配線のみの試作において正しい超伝導転移が確認できた。現在は Fig.3 に示すような下部配線付き 20×20 ピク
セル TES アレイの試作を進めている。

Fig.2 Cross sectional view of a tapered upper readout wiring.

Fig.3 Picture of a multilayer readout sample wiring for a 20×
20 TES array.
参考文献[1] Ohashi et al.: SPIE (2014)[2] Akamatsu et al.: AICP (2009)[3] Ezoe et al.: AICP (2009)[4] Ezoe et al.: IEEE TAS (2015)― 40 ―

第91回

2015年度春季低温工学・超電導学会

1C-p08

デバイス (2)上に配置したパターン磁気特性の膜厚依存性ｓ

石川 航太， 伊藤 大 谷口 壮耶 赤池 宏之 藤巻 朗 名大院工1．はじめに超伝導回路は単一磁束量子回路に代表されるように、高速動作性、消費電力性に優れているデバイスである。
しかし現在、超伝導回路のためのメモリは、その容量が数に留まっているという状況にある 。この状況を打破するために、我々は磁性体に注目した。磁性体の特徴として、残留磁化が挙げられる。この残留磁化の向きを情報担体とすれ
ば、その磁化反転を利用することにより、磁気ランダムアクセ）のごとく、セル面積の小さなメモリが実現できスメモリ（る可能性がある。一方、残留磁化のみに着目すると、位相シフトの実現が可能となる 。実際、我々は磁性体を縦型の超に配置させることで、超伝導波動関
伝導量子干渉計
数の位相シフトの動作を確認している。
我々は、これまでにメモリ応用を念頭に、低磁場による磁化反転を実現すべく検討を行ってきた 。磁性体としてを選択し、膜中の 割合の変化によりの磁気特性の制御を試みた。しかし、メモリ応用上重要となる下での磁化反転を観測するには至らなかった。また、 割合に対して極めて高い精度性が要求され、制御が困難となってきていた。そこの膜厚を変化させるで、今回は新たなアプローチとしてことで磁化反転現象の検討を行った。
2. 実験手法
磁気特性の膜厚依存性の検討は二つの実験から行った。一つは、異常ホール効果を利用したキュリー点（）の膜厚依存性の評価である。この実験では、
素子を配置からまで変化させ、得られたホしたチップの温度をール電圧 外部磁場特性からを見積もった。
もう一方は、縦型に薄膜を配置したものを利は通常の用して磁化反転現象を 検討し た。この接合プロセスによって作製されており、にパターンを形成したの顕微鏡写真を示しておく。
この実験では、
を配置した
に対して、
下で
μ は真空の透磁率 を印加し、臨界電流 外
外部磁場μ
部磁場 μ
特性を評価した。また、有磁場冷却をに用いることでの検討も行った。
の終了温度を固定し、開始温度を変化させることで、のを見積もることが可能である。開始温度がを超えていた場合、は磁化を有し、 μ特性に位相のシフトが引き起こ
される。

結果と考察
PdNi における Ni 割合を 10%とし、膜膜厚をそれぞれ 10nm から 70nm まで変化させたときの、の膜厚依存性を Fig2 に示す。膜厚を薄くすることで、を減少させることが可能であることがわかる。また、膜厚が 10nm,及び 20nm のものに対して、異常ホール効果の測定結果から、保磁力が 4kA/m 及
び 20kA/m と見積もられた。この結果は、膜厚により磁性体の特性を制御できる可能性を示唆している。ただし、 Ni 割合
10%のものは、膜厚 10nm でも保磁力が大きすぎるため、 Ni 割
合を小さくする必要がある。
Ni 割合を 6.8%、70%、膜厚を 20nm、70nm とした試料に対しては、従来の FC により磁化を試みたが、残留磁化が現れなかった。一方、 割合、膜厚はのものでは、
からまでのを用いることにより残留磁化が生じた。ただし、において最大までの外部磁場に対して磁化反転は見られなかった。
上記の結果を考慮すると、 割合
において、膜厚をから減少させると、比較的小さな保磁力をもつパターンを実現できる可能性がある。現在、膜厚を薄くした膜に対してのによる磁化反転現象の検討を進めている。

Fig.2 Dependence of the thickness of TCurie．謝辞「低エネルギー情報ネットワーク用
この研究は
光・磁気・超伝導融合システム」、ならびに科学研究費基盤研
究 （）のもとで行われた。
参考文献
“High

×

bit RAMs,” IEEE Trans.
–

Fig.1 Microphotograph of SQUID― 41 ―

第91回

2015年度春季低温工学・超電導学会

1C-p09

デバイス (2)PECVD-SiO2 膜の Nb 標準プロセスへの適用
Nb standard fabrication process using PECVD-SiO2 films
永沢 秀一, 佐藤 哲朗, 日高 睦夫 （産総研）
NAGASAWA Shuichi, SATOH Tetsuro, HIDAKA Mutsuo (AIST)
E-mail: s-nagasawa@aist.go.jp
1．はじめに
我々は、大規模な超伝導集積回路の開発を目的として、
Nb 系製造プロセスの研究開発を行っており、その一つに Nb
標準プロセス[1]がある。従来、この Nb 標準プロセスの層間絶縁膜は、バイアススパッタで形成した SiO2 膜を使用してきたが、今回、PECVD（plasma-enhanced chemical vapor deposition）の SiO2 膜 を 適 用 し た Nb 標 準 プ ロ セ ス を 開 発 し た 。
PECVD-SiO2 膜は、バイアススパッタ膜に比べて膜応力が小さい、下部段差パターンの被覆性が良好、成膜レートが大きい等の利点があり、導入により Nb 標準プロセスの信頼性向上が期待される。本報告では、適用に際しての PECVD 膜の問
題点と改善策、及び測定結果について述べる。

4．Nb 標準プロセス（STP2）への適用
図 3 に、Nb 標準プロセス（STP2）のデバイス構造を示す。
STP2 では、下部段差のある SiO2 層間絶縁膜は、RES/BAS 層
間の 100nm、BAS/COU 層間の 400nm、COU/CTL 層間の500nm であり、各層に対する今回の改善策のプロセス条件を
表 1 に示す。これにより、STP2 のデバイス構造においても、各層での線間リークという PECVD-SiO2 膜の問題点を解決することが出来き、STP2 への適用を可能にした。当初の目的である信頼性向上に関しては、今後繰り返し試作を行い評価していきたいと考えている。

NbNb(a) SiO2 film formed by bias-sputtering
Etching residue atsharp edge

Etching residue atnarrow concave region

SiO2

Nb

Nb

Nb
1µm

(b) SiO2 film formed by PECVD

Fig.1 Cross sectional view of SiO2 film formed by bias
sputtering and PECVD.

2．PECVD-SiO2 膜の問題点
PECVD-SiO2 膜は、上記の様な利点があるが、多層構造
では下部段差に起因した上部配線間の線間リークが多数発生するという問題点があり、この原因の検討を行った。
図１に、SiO2 をバイアススパッタと PECVD で形成した場合の成膜形状の断面概略図を示す。バイアススパッタの SiO2 膜は、下部配線の段差部で約 45 度の傾斜が付く様に形成される。一方、PECVD 膜は、下部段差パターンの被覆性は良好であるが、段差部でエッジが鋭角に形成される。また下部配線間の間隔が狭い（約 1µm 以下）場合、非常に狭い凹部が形成される。この様な鋭角の領域や非常に狭い凹部では、上部の Nb 配線をエッチングする際に、エッチング残りが発生し易いということが分かった。上記の上部配線間の線間リークは、
このエッチング残りに起因すると考えられる。
3．改善策
そこで、PECVD 膜のシャープなエッジや非常に狭い凹部などの表面モホロジーを改善するための方法を検討した。図2 に、改善策の断面工程図を示す。図では、400nm の Nb パターンに対して、400nm の PECVD-SiO2 を成膜する（a）。次に、
Ar ガスを用いたミリングで約半分（200nm）の SiO2 を除去する。
この際、ビームに対してウェハ基板を 45 度の角度に配置してウェハ基板を回転させながらミリングを行う。これにより SiO2 のシャープなエッジ部を除去でき、スムーズな表面モホロジーを得ることが出来る（b）。最後に、除去した膜厚（200nm）分のSiO2 を CVD で追加することで、初期の膜厚でスムーズな表面
モホロジーを有したＰＥＣＶＤ－SiO2 膜を形成することができた。
これにより、上部配線のエッチング残りがなくなり、下部段差に起因した上部配線間のリークの問題を解決できた。

SiO2

Nb

SiO2

Nb

Nb

Nb
1µm

(a) SiO2 film deposition by PECVD

Nb

Nb

Nb
1µm

(b) Etching by Ar milling

Nb

Nb

Nb
1µm

(c) Additional SiO2 film deposition by PECVD

Fig.2 Improvement of PECVD SiO2 formation.

500 nm

CTL (M4)500 nmCC

400 nmCOU (M3)

AlOx

400 nm
300 nm
300 nm
300 nmBAS (M2)

CTL (M4)

CC

RC

RC

COU (M3)
JC
JJ
BC
JP
Nb
BAS (M2)

SiO2
Nb Ground Plane (M1)
Mo Resistor

Si Substrate

SiO2
COU

ＧＣ

Moat

Fig.3 Device structure of Nb standard process (STP2)
Table 1 Process conditions for SiO2 layers of STP2
SiO2
1st PECVD Ar Milling 2nd PECVDRES/BAS: 100nm
250nm-150nmBAS/COU: 400nm
400nm-200nm200nm
COU/CTL: 500nm
500nm-200nm200nm
謝辞
本研究の一部は、科研費（26220904、23226019、26249054）
及びALCA-JST、先端計測-JSTの支援を受けたものである。
参考文献
1. S. Nagasawa, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 5,(1995) p. 2447.

― 42 ―

第91回

2015年度春季低温工学・超電導学会

1C-p10デバイス (2)小型超伝導分波器の設計・試作・評価
Design, fabrication and evaluation of a small superconducting duplexer
黒田晃弘、 齊藤敦、 大嶋重利 (山形大)KURODA Akihiro, SAITO Atsushi, OHSHIMA Shigetoshi（Yamagata University）
E-mail; ohshima@yz.yamagata-u.ac.jp

１．はじめに超伝導フィルタは、低損失、高帯域外遮断特性や高周波数選択性などの利点を有し、携帯電話基地局の受信フィルタシ
ステムとして、米国や中国で既に実用化されている。残念ながら日本では未だ実用化されていない。その大きな問題点の一つとしてコストパフォーマンスが挙げられている。より付加価値を高める研究が広く行われている。その一つの方法として、バンドパスフィルタと分波器を超伝導化し、より低損失なシステムを作製することである。特に、冷凍機で冷却することを念頭にすれば、小型分波器の開発が重要となる。我々は、小型の共振器を用いた新しい分波器を設計し、その評価を行っている。
今回は、5.0GHz, 5.1GHz の 2 周波数分波器を開発したので、その結果を報告する。

のQが20000以上となることが電磁界シミュレーションより明らかになったからである。この共振器を用いて、図 2のような分波器を設計した。共振器間隔や入力端の結合等は電磁界シミュレータにより決定した。
３. 実験結果
図2の形状の分波器をYBCO薄膜で作製し、その周波数特性を測定した。その結果を図3に示す。その結果、4.85GHz,
4.95GHzの2分波特性を示すことを見出した。帯域内にリップルが見られるものの、2つの周波数帯で鋭いバンドパス特性を示している。４段の共振器を持つフィルタにおいて鋭い周波数特性を示したのは、飛越結合をもつ偽楕円関数フィルタとして機能しているからである、このような小型サイズの分波器は未だ誰も報告していない。

２．実験手法
小型超伝導分波器を開発する上で重要な点は、Q 値の大
きい、小型サイズの共振器を設計することである。我々は、種々の共振器形状を検討した結果、
図1で示され るような CQ 構造の共振器を選定した。それは、一般的に用いられて いる半波
長ヘアピン型共振器よりも 20 分の１以
下のサイズにもかかわ ら ず、共振 器
Fig.1. Configuration of a small
size resonator

0
S

-10

Magnitude [dB]

S
S

-20

11
21
31

-30
-40
-50
-60
4.8

4.85

4.9

4.95

Frequency [GHz]5

Fig.3. Frequency response of a duplexer which
configuration is shown in Fig.2.
４．まとめ
２分波の小型超伝導分波器を設計、試作、評価した結果、優れた分波特性を示す超伝導分波器の試作に成功したことが明らかとなった。ただし、未だ帯域内にやや大きいリップルが存在するので、これを解決することが今後の課題である。

Fig.2. Configuration of a duplexer

参考文献
1. A.Kuroda et al.,IEEE. Trans. Applied Superconductivity(2015) to be published
2. 黒 田 晃 弘 等 信 学 技 法 IEICE Technical Report
RCS2014 (2014.4)45-48― 43 ―

第91回

2015年度春季低温工学・超電導学会