3. 配線接続
5.5. 超伝導 MgB 2 薄膜プローブコイルの共振特性評価
試作した超伝導MgB2薄膜プローブコイルを、中点タップ型回路に実装し共振特 性を評価した。超伝導プローブコイルの実装写真と模式図を図 5-10 に示す。評価し た試料は、超伝導MgB2薄膜による1ターンコイル素子を2個用いて作製した2ター ンのソレノイド型プローブコイルである。図 5-11(a)に温度 4.2Kにおける本プローブ コイルの典型的なインピーダンスの周波数依存性を示す。測定の結果、共振周波数
300 MHz で 50 Ω整合した共振特性において、Q=6550を得た。さらに、同一の超伝
導MgB2プローブコイルを、整合用コイルを用いる従来型回路に実装してQ値を測定 し、同調整合回路構成による Q 値の違いを比較した。測定結果を図 5-11(b)に示す。
常伝導体の整合用コイルを用いた従来型回路の場合、Q=300〜1100（周波数280〜550
MHz）であったのに対し、中点タップ型回路では Q=6470〜10670（周波数 280〜500
MHz）が得られた。以上の結果から、中点タップ型回路の適用により、従来型回路と 比べ大幅なQ値の向上を確認した。
続いて、異なる材料のプローブコイルを中点タップ型回路に実装し、温度 4.2K においてQ値の周波数依存性を比較した。測定結果および各プローブコイルの実装写 真を図 5-12 に示す。比較評価したのは、いずれも 2 ターンのソレノイド型コイルで ある。Cu プローブコイル（ワイヤー）は線径 0.5mmの Cu ワイヤーで作製し、コイ
ル直径は10 mmである。また、Cuプローブコイル（ワッシャ）はプリント基板上に
形成されたCu箔で作製した。できる限り材料の違いのみでQ値を比較するため、Cu プローブコイル(ワッシャ)の導体形状は超伝導 MgB2薄膜プローブコイルと同様、コ イル内径：11 mm、コイル外径：13 mmとした。なお、Cuプローブコイル（ワッシャ）
における Cu 箔の厚さは測定周波数での表皮深さより充分に厚い 35μm とした。図 5-12 に示すように、同じ周波数領域350〜500 MHz で比較すると、MgB2プローブコ イルのQ値は同形状のCuプローブコイル（ワッシャ）の6〜11倍高く、Cuプローブ コイル（ワイヤー）に対しても2〜2.5倍高い。以上の実験結果から、中点タップ型回 路の適用により超伝導プローブコイル本来の低損失性を引き出すことが可能となり、
常伝導プローブコイルに対する超伝導MgB2薄膜プローブコイルのQ値の優位性を実 証できた。
また、図5-11〜図5-12のQ値―周波数依存性において、常伝導体のコイルを用
いた回路（従来型回路、Cu プローブコイルを用いた中点タップ型回路）では、Q 値 は周波数の増加とともに飽和もしくは減少する傾向を示す。一方、中点タップ型回路 を適用した超伝導プローブコイルでは、Q値は周波数とともに増大する。これは、コ イル導体における抵抗の周波数依存性が常伝導体と超伝導体とで異なるためと推測 される。集中定数回路に基づく電気回路では、Q=2πFL／R （F：周波数、L：インダ クタンス、R：抵抗）で表される。R は導体の高周波表面抵抗であり、常伝導体の場 合、理想的には√Fに比例する。よって、Lが一定であればQ値は周波数と共に増大 する。ただし、導体表面の凹凸や素子間の接続部の抵抗などにより、実際の常伝導体 における高周波表面抵抗は、周波数Fに対して√F以上の依存性で増大すると予想さ れる。
整合用トリマコンデンサCm
信号線 同調用トリマコンデンサCt MgB21ターンコイル素子
MgB2薄膜コイル
AuメッキCu箔
図5-10. 超伝導MgB2薄膜プローブコイル（中点タップ型回路）
(a)実装写真、(b)模式図
60 50 40 30 20 10 0
|Z| ()
302 301
300 299
298
F (MHz)
温度：4.2K Q=6550
12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Q
600 500
400 300
200
F(MHz)
従来型 中点タップ型
温度：4.2K
(a) (b)
60 50 40 30 20 10 0
|Z| ()
302 301
300 299
298
F (MHz)
温度：4.2K Q=6550
12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Q
600 500
400 300
200
F(MHz)
従来型 中点タップ型
温度：4.2K
12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Q
600 500
400 300
200
F(MHz)
従来型 中点タップ型
温度：4.2K
(a) (b)
図5-11. 超伝導MgB2薄膜プローブコイルの共振特性（温度：4.2K）
(a)インピーダンスの周波数依存性（中点タップ型回路）、
(b)Q値の周波数依存性（回路構成による比較）
12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Q
600 500
400 300
200
F(MHz)
MgB2プローブコイル
Cuプローブコイル
（ワイヤー）
Cuプローブコイル
（ワッシャ）
温度：4.2K 12000
10000 8000 6000 4000 2000 0
Q
600 500
400 300
200
F(MHz)
MgB2プローブコイル
Cuプローブコイル
（ワイヤー）
Cuプローブコイル
（ワッシャ）
温度：4.2K
図5-12. 中点タップ型回路を適用したプローブコイルのQ値の周波数依存性
（プローブコイル材料による比較、温度：4.2K ）
常伝導体のコイルを用いた回路において Q 値が周波数の増大とともに低下する 結果は、常伝導体コイルの抵抗が√F以上の依存性で増大し、それに伴うQ値の低下 分が周波数増大によるQ値向上の効果を上回ったためと考えられる。一方、中点タッ プ型回路を適用した超伝導プローブコイルの場合、プローブコイルを構成する導体は 配線部を除き全て超伝導体であり、常伝導コイルのような大きな抵抗損失は発生せず Q値は周波数とともに向上したと考えられる。したがって、中点タップ型回路を適用 した超伝導プローブコイルは、より高い周波数領域においてさらなるQ値の向上が期 待できる。
5.6. 第5章のまとめ
第5章では超伝導MgB2薄膜プローブコイルの低損失性実証を目的として、プロ ーブコイル同調整合回路構成の検討と動作解析、およびAl2O3基板上に形成したMgB2 薄膜を用いたプローブコイルの試作と共振特性の評価を行った。検討の結果、以下の 結論を得た。
（1）電気回路シミュレーションによりプローブコイル同調整合回路の共振特性を解 析し、共振ピークのインピーダンスを50 Ω整合する指針を得るとともに、回路 内の抵抗とQ値との関係を明らかにした。
（2）プローブコイルのQ値を低下させずに共振特性の同調整合を実現する中点タッ プ型回路構成を見出し、所定の共振周波数で共振ピークを50 Ω整合できること を確認した。
（3）Al2O3基板上に形成したMgB2薄膜を用いて超伝導プローブコイルを試作し、中 点タップ型回路に実装してQ=6470〜10670（周波数：280〜500 MHz、温度：4.2K）
を得た。これは同条件で評価した常伝導Cu線プローブコイルに比べ2〜2.5倍高 い値であり、この結果から常伝導プローブコイルに対する Q 値の優位性を実証 した。