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論文

Observation of topological Hall torque exerted on a domain wall in the ferromagnetic oxide SrRuO$$_3$$

山ノ内 道彦*; 荒木 康史; 酒井 貴樹*; 植村 哲也*; 太田 裕道*; 家田 淳一

Science Advances (Internet), 8(15), p.eabl6192_1 - eabl6192_6, 2022/04

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Multidisciplinary Sciences)

強磁性ワイル金属SrRuO$$_3$$における、電流によって磁壁に作用する大きな有効磁場$$H_mathrm{eff}$$を報告する。電流密度に対する$$H_mathrm{eff}$$の比率は、非単調な温度依存性を示し、従来のスピン移行トルクおよびスピン軌道トルクの比率を上回っていることが示される。この増強効果は、磁壁に電場が印加されたときに、ワイル点の周りに出現するワイル電子によって磁壁に作用するトポロジカルホールトルク(THT)によってよく説明される。電流密度に対するTHTから生じる$$H_mathrm{eff}$$の比率は、金属系で報告されているスピン移行トルクおよびスピン軌道トルクから生じるものよりも1桁以上高く、THTが スピントロニクスデバイスにおける磁化の操作においてエネルギー効率の良い方法を提供する可能性があることを示している。

論文

Intrinsic torques emerging from anomalous velocity in magnetic textures

荒木 康史; 家田 淳一

Physical Review Letters, 127(21), p.277205_1 - 277205_7, 2021/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:41.91(Physics, Multidisciplinary)

強いスピン-軌道相互作用の下での電子系には、運動量空間内のトポロジーが発現する。この電子系トポロジーは磁性体中の磁気構造に対して、乱れや熱揺らぎに影響されない電場誘起トルクを与える。本研究では現象論的なトルクの分類に基づき、バンドトポロジーとトルクの間の直接的な関係を示す。内因性異常ホール効果と同様に、トルクにもまた、非平衡輸送電流に依らず異常速度に起因した内因的効果が現れる。特に本論文では、磁気構造内でのみ現れる内因的トルクの存在を明らかにし、これを「トポロジカルホールトルク(THT)」と呼ぶ。このTHTはバルク結晶中で現れ、界面や表面といった構造を用いる必要がないものである。数値モデルの計算に基づき、金属強磁性体中での従来のスピン移行トルクと比較して、このTHTは非常に大きなトルクを与えることを明らかにする。特に金属強磁性体$$mathrm{SrRuO_3}$$における実験で報告されていた巨大な電流誘起トルクは、このTHTとして理解できることを示す。

報告書

JMTR・UCL系統冷却塔の健全性調査

大戸 勤; 浅野 典一; 川俣 貴則; 箭内 智博; 西村 嵐; 荒木 大輔; 大塚 薫; 高部 湧吾; 大塚 紀彰; 小嶋 慶大; et al.

JAEA-Review 2020-018, 66 Pages, 2020/11

JAEA-Review-2020-018.pdf:8.87MB

令和元年9月9日の台風15号の強風により、JMTR(材料試験炉)にある二次冷却系統冷却塔の倒壊事象が発生した。その倒壊に至った原因調査及び原因分析を行い、4つの原因が重なって起こったことが特定された。これを受け、JMTR内にある二次冷却系統冷却塔と同時期に設置された木造の冷却塔であるUCL(Utility Cooling Loop)系統冷却塔の健全性調査を行った。健全性調査項目は、UCL系統冷却塔の運転状態の把握、UCL冷却系統の構造材料の劣化状態、点検項目及び点検状況、過去の気象データの確認である。この調査結果から、当該設備を安全に維持・管理するため、点検項目の改善、UCL系統冷却塔の構造材料である木材の交換・補修計画及び今後のUCL系統冷却塔の使用計画を策定するとともに、既存UCL系統冷却塔に代わる新規冷却塔の更新計画を策定した。本報告書はこれらの健全性調査の結果をまとめたものである。

論文

コンパクトERLでのレーザーコンプトン散乱光源実証実験

永井 良治; 羽島 良一; 静間 俊行; 森 道昭; 赤木 智哉*; 小菅 淳*; 本田 洋介*; 荒木 栄*; 照沼 信浩*; 浦川 順治*

Proceedings of 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.1328 - 1330, 2015/09

コンパクトERL(cERL)においてエネルギー回収型リニアックを基盤とするレーザーコンプトン散乱(LCS)光源のために必要な加速器およびレーザーについての技術開発を行った。ERL-LCS光源のような高強度,エネルギー可変,単色光源は非破壊核種分析に必要な光源である。ERL-LCS光源による光子生成実証のために、cERLの回収ループにレーザーエンハンスメント共振器を設置した。電子ビームエネルギー,レーザー波長,衝突角はそれぞれ、20MeV, 1064nm, 18$$^{circ}$$である。LCS光子の最大エネルギーは約7keVである。感度領域17mm$$^{2}$$のシリコンドリフト検出器を衝突点から16.6mの位置でのLCS光子の観測に用いた。その計測の結果、検出器での強度、中心エネルギー、エネルギー広がりはそれぞれ、1200/s, 6.91keV, 81eVであった。

論文

Demonstration of high-flux photon generation from an ERL-based laser Compton photon source

永井 良治; 羽島 良一; 森 道昭; 静間 俊行; 赤木 智哉*; 荒木 栄*; 本田 洋介*; 小菅 淳*; 照沼 信浩*; 浦川 順治*

Proceedings of 6th International Particle Accelerator Conference (IPAC '15) (Internet), p.1607 - 1609, 2015/06

コンパクトERL(cERL)においてエネルギー回収型リニアックを基盤とするレーザーコンプトン散乱(LCS)光源のために必要な加速器およびレーザーについての技術開発を行った。ERL-LCS光源のような高強度、エネルギー可変、単色光源は非破壊核種分析に必要な光源である。ERL-LCS光源による光子生成実証のために、cERL回収ループにレーザーエンハンスメント共振器を設置した。電子ビームエネルギー、レーザー波長、衝突角はそれぞれ、20MeV, 1064nm, 18deg.である。LCS光子の最大エネルギーは約7keVである。感度領域17mm$$^{2}$$のシリコンドリフト検出器を衝突点から16.6mの位置でのLCS光子の観測に用いた。その計測の結果、検出器での強度、中心エネルギー、エネルギー広がりはそれぞれ、1200/s, 6.91keV, 81eVであった。

論文

Study of Photo-Cathode RF Gun for a High Brightness Electron Beam

山崎 良雄; 平野 耕一郎*; 福田 将史*; 高野 幹男*; 荒木 栄*; 照沼 信浩*; 浦川 順治*

Proceedings of 9th European Particle Accelerator Conference (EPAC 2004), 0 Pages, 2004/07

高輝度電子源のためのフォトカーソードRF電子銃に関する報告で、特に、カソードからの高エミッション実験の結果と解析的方法を用いた結果との比較とその評価を行った。

報告書

Study for reducing radioactive solid waste at ITER decommissioning period

佐藤 真一*; 荒木 政則; 大森 順次*; 大野 勇*; 佐藤 聡; 山内 通則*; 西谷 健夫

JAERI-Tech 2002-083, 126 Pages, 2002/10

JAERI-Tech-2002-083.pdf:4.07MB

ITERの主要な目標の1つとして、魅力ある安全性及び環境適合性を実証することが上げられる。このためには、解体期における放射性物質及び廃棄物を確固たる規制のもと、慎重に取り扱うことが重要である。ITER調整技術活動の一環として、日本参加チームはITERの基本設計及び主要な機器構造を保ちつつ、最小限の機器材料を変更することにより、さらなる放射化レベルの低減に向けた検討を実施した。本提案に基づく放射化レベル及び放射性廃棄物量の再評価は、より良い環境への受容性をもたらすものと考える。

報告書

Alternatives of ITER vacuum vessel support system

大森 順次*; 喜多村 和憲*; 荒木 政則; 大野 勇*; 荘司 昭朗

JAERI-Tech 2002-053, 86 Pages, 2002/07

JAERI-Tech-2002-053.pdf:3.81MB

国際核融合実験炉(ITER)の真空容器支持構造として、現設計の板バネ構造の発生応力を下げるためと、座屈裕度を持たせるため、2種類の代替支持構造を検討した。代替構造の一つは、真空容器上部に吊り下げ支持構造を設け、アウトボード側に振れ止めの支持構造を設ける。もう一種類は、従来の圧縮型の支持構造で、トロイダルコイルのコイル間構造物から支持する方式と、クライオスタットリングから支持する方式の2方式がある。いずれも多層板バネ構造で、圧縮型ではダイバータポートの一つおきにトーラス方向9ヶ所に支持構造を設ける。構造の成立性を確認するため、全ての荷重の組み合わせについて強度評価を行った結果では、いずれの支持脚も十分な構造強度を有している。

論文

ITER工学設計活動報告

森 雅博; 荘司 昭朗; 荒木 政則; 斎藤 啓自*; 仙田 郁夫; 大森 順次*; 佐藤 真一*; 井上 多加志; 大野 勇*; 片岡 敬博*; et al.

日本原子力学会誌, 44(1), p.16 - 89, 2002/01

ITER(国際熱核融合実験炉)計画は、日本・米国・欧州・ロシアの政府間協定の下に核融合エネルギーの科学的・工学的実証を目指す実験炉を国際共同で実現しようというプロジェクトである。1992年7月以来9年間に亘り建設のために必要なすべての技術的データの作成を目的とする工学設計活動(EDA)を進めてきたが、2001年7月に当初の目標を達成して完了した。次の段階に進むこの時期に、EDAの概要と主要な成果をまとめておくことは、我が国の研究者が広くEDAの成果を評価し活用するうえでも、また、今後期待されるITERの建設・運転に向けた活動に多くの研究者が参画するための共通の基盤を築くうえでも必要と考えられる。本報告ではこのような趣旨に基づき、ITER工学設計活動の概要,工学設計及び工学RandDの成果,安全性に関する検討について、外部の研究者が全体像を掴むことを意図して記述されている。

論文

Conceptual tokamak design at high neutron fluence

荒木 政則; 佐藤 真一*; 仙田 郁夫; 大森 順次*; 荘司 昭朗

Fusion Engineering and Design, 58-59, p.887 - 892, 2001/11

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Nuclear Science & Technology)

現在、国際協力で進めているITER工学設計において、より魅力的な工学試験が見込めるトカマク機器の構造概念を提案する。本提案は、ITERの実験を二期に分けて考えた時、後半の10年間でおもに工学機器の試験が予定されている。小型化したITERにおいても、主要な機器を変更することなく、工学試験で要求される中性子束やフルーエンスを現状の2倍程度(従来の大型ITERとほぼ同等)にでき、プラズマ運転と整合する炉概念を提示する。

報告書

Assessment of buckling for vacuum vessel and back plate of RC-ITER (IAM-v2)

大森 順次*; 荒木 政則

JAERI-Tech 2000-006, p.15 - 0, 2000/02

JAERI-Tech-2000-006.pdf:0.66MB

低コストITER(IAM-v2)の真空容器とバックプレートは、電磁力、地震荷重、熱荷重等の負荷を受けるので、これらの負荷に対して、構造の健全性を保つことが要求される。本報告書では、真空容器とバックプレートのインボード側壁に最も高い圧縮力が作用するトロイダルコイルの高速放電時の荷重に対し、弾性、塑性の座屈評価を行った。弾性の座屈評価では、限界圧力が塑性を生ずる圧力より十分大きいため、弾性範囲内では座屈は起こらない。バックプレートの支持脚についても座屈は生じない。また、塑性座屈については、形状の幾何学的なずれとして$$pm$$10mmを考慮しても、座屈圧力は基準値以下である。したがって、真空容器とバックプレートについて座屈の問題はない。

口頭

CAD/MCNP自動変換コード,GEOMITの開発,1; CAD前処理ツール,CrtVoidの開発

諸田 秀嗣*; 山田 政男*; Nasif, H.*; 益田 福三*; 飯田 浩正; 佐藤 聡; 西谷 健夫; 玉水 重幸*; 唐木 純一*

no journal, , 

CAD/MCNP自動変換コード"GEOMIT"の入力となる面要素情報を作成するCAD前処理ツール"CrtVoid"の開発内容及び機能の確認結果について報告する。

口頭

JT-60SA真空容器の重力支持脚座屈解析

江尻 満*; 喜多村 和憲*; 荒木 隆夫*; 大森 順次*; 浅野 史朗*; 早川 敦郎*; 芝間 祐介; 正木 圭; 逆井 章

no journal, , 

トカマク型核融合装置のプラズマ運転では電磁力が載荷され、また、ベーキング運転を行うために熱荷重も作用する。このため、重力支持脚では、自重だけでなく、これらの設計値を満足する構造健全性を有する必要がある。重力支持脚では、板ばねを用いて、電磁荷重支持方向に剛、熱荷重緩和に柔となる構造機能性を同時に達成する。本検討では、これら板ばねの座屈強度に注目し、板ばね構造に対する、機械加工及び溶接に起因する幾何学的不整を考慮して、解析をした。この結果、本支持構造では、想定される初期不整を考慮しても、十分な座屈強度を有することがわかった。

口頭

JT-60SA真空容器用重力支持脚の設計と製造

江尻 満*; 浅野 史朗*; 大森 順次*; 奥山 利久*; 高橋 信次*; 山田 正博*; 荒木 隆夫*; 甲斐 俊也*; 芝間 祐介; 正木 圭; et al.

no journal, , 

東芝では、建設中のJT-60SA装置において、真空容器セクターの製作及びその組立を受注している。これらの一環として、真空容器の支持構造も製作する。本発表では、支持構造の設計と製造について報告する。真空容器の支持構造では、運転中に想定される電磁力や地震等の様々な荷重の負荷に対して剛構造に設計する。他方、高真空のために200$$^{circ}$$Cで真空容器をベーキングする際には、容器と架台の熱膨張差を支持構造で柔軟に吸収する必要がある。夫々の荷重と合わせて、遮蔽水及び容器内機器を含む容器の自重も支持する。このため、剛性と柔軟性を兼ね備えた板ばねを採用し、9脚等配の構造を提案して現在製造の段階にある。本発表では、有限要素法に基づいた構造設計を報告すると共に、支持脚部品の組立方法も紹介する。更に、実機支持脚の部品について、製作の方法とその方法を確立するために行った試作の結果も報告する。

口頭

Fabrication of Mach-Zehnder optical waveguide structures in PDMS thin films using proton beam writing

狩野 圭佑*; 猿谷 良太*; 川端 駿介*; 新木 潤*; 野口 克也*; 加田 渉*; 三浦 健太*; 加藤 聖*; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; et al.

no journal, , 

Proton beam writing (PBW) has been applied to fabricate Mach-Zehnder (MZ) optical waveguides which is expected to be an optical switch with small power consumption, because only one processing of PBW enables us to fabricate such waveguides even inside of plastic materials. Such waveguides were fabricated in thin poly-methyl-methacrylate (PMMA) films by PBW. However, they had low transmittance. In order to fabricate MZ optical waveguides with higher transmittance, PBW was applied to poly-dimethyl-siloxane (PDMS) with higher transparency than PMMA. Thirty-micrometer thick PDMS films formed on silicon wafers were irradiated at different beam fluences using a 750-keV proton microbeam which reaches the half depth of the entire film thickness. The single mode propagation of the fabricated optical waveguide was checked by the 1.55-$$mu$$m light. The observation results showed that the single-mode propagation was detected only for the waveguide fabricated with the fluence of 100 nC/mm$$^2$$ and that the propagated light intensity was higher than that of PMMA. The waveguide structure has been successfully fabricated in thin PDMS films by PBW.

口頭

集束陽子ビーム加工によるPDMS薄膜内包型光スイッチング素子の開発

川端 駿介*; 猿谷 良太*; 加藤 聖*; 新木 潤*; 三浦 健太*; 加田 渉*; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; 石井 保行; 神谷 富裕; et al.

no journal, , 

高集積光処理回路用の光スイッチとして、簡素なプロセスで製造できてしかも省電力のものが要求されている。これまでの我々の研究からこのスイッチの材料として樹脂の薄膜に、プロトン・ビーム・ライティング(Proton Beam Writing: PBW)を用いて導波路形状を直描すると、このプロセスのみで光導波路が形成できることが分かった。更に、この導波路に位相偏光用の熱ヒーター電極を付加することで、樹脂の高い熱応答性により省電力で動作する光スイッチの開発が期待される。今回、光学材料のPDMS(polydimethylsiloxane)を用いて光スイッチを試作して、これの動作実験をした。シリコン基板上にスピンコートにより厚さ約30$$mu$$mの薄膜を作製し、これに750keVの集束陽子ビーム(径1$$mu$$m、到達深度約18$$mu$$m)を用いてPBWによりマッハツェンダー(Mach-Zehnder: MZ)干渉計の原理として用いられている形状を直描した。その後、導波路の薄膜表面にTi-Al合金の熱ヒーター電極を付加して、光スイッチを製作した。このスイッチに波長1.55$$mu$$mのレーザー光を入射して光透過性を調べた結果、ヒーター電極の停止又は作動に対応して透過光の有無が観測され、PDMSを材料としたMZ型光スイッチとして動作することが分かった。

口頭

燃料デブリの臨界特性を明らかにする定常臨界実験装置STACY更新炉の整備,1; 定常臨界実験装置STACY更新炉の概要と進捗

荒木 祥平; 井澤 一彦; 郡司 智; 須山 賢也; 石井 淳一; 関 真和; 小林 冬実; 深谷 洋行

no journal, , 

燃料デブリの臨界特性を実験的に明らかにするため、溶液燃料の臨界安全に関する実験に供されてきた定常臨界実験装置STACYを燃料棒と軽水から構成される汎用的な非均質熱体系炉心への更新を進めている。本発表では、STACY更新炉の概要を示すとともに現在の工事の進捗状況について報告する。

口頭

磁気構造中の異常速度に起因した内因性トルク

荒木 康史; 家田 淳一

no journal, , 

本講演では、強いスピン-軌道相互作用の存在下で、電流に起因して磁気構造に働くトルクの理論を議論する。スキルミオン等の磁気構造は、実空間内で電子が得るベリー位相に起因して、電子の輸送特性としてトポロジカル・ホール効果に寄与することが知られている。一方でトポロジカル絶縁体・ワイル半金属等の強いスピン-軌道相互作用の下では、運動量空間内に幾何学的構造(ベリー曲率)が強く現れる。運動量空間のベリー曲率は、電場と垂直方向に異常速度を誘起することにより、(内因性)異常ホール効果に寄与する。我々は、このような実空間と運動量空間のトポロジカルな性質が協働し、電流によって誘起される磁気構造のダイナミクスにも寄与することを見出した[1]。まず、強いスピン-軌道相互作用の下で現れるスピン-運動量ロッキング(SML)に基づき、電流誘起トルクのうち磁気構造および異常速度がもたらす寄与を、半古典的な現象論を用いて分類する。その結果として、輸送電流に起因した既知のスピン移行トルク(STT)及びスピン軌道トルク(SOT)の他に、異常速度由来の「内因性」トルクが存在することを示す。これは電子の異常速度が、SMLによりスピン偏極に変換されて現れるトルクである。内因性トルクは電子分布の緩和時間に依存せず、不純物が多い系でも安定して現れることが期待される。特に磁気構造内部では空間反転対称性が破れることにより、異常速度由来のトルクが優位な寄与をすることが期待され、本研究ではこれを「トポロジカル・ホール・トルク(THT)」と呼んで注目する。THTが発現する具体例として、バンド反転した強磁性金属での計算例を示す。図のように磁化に対応して2対のワイル点を持つような系を考え、その中での磁壁に働くTHTを見積もる。その結果として、通常の非断熱的STT($$beta$$-項)で$$beta$$~2としたものに相当する、大きなTHTが現れることを示す。これはワイル点近傍のベリー曲率,SML、及びワイル点間に現れるvan Hove特異点に起因したものであり、磁化の温度変化に伴うバンド構造の変調によって到達できることが期待される。[1] Y. Araki and J. Ieda, arXiv:2105.14922.

口頭

Temperature dependence of current-induced effective magnetic field acting on domain wall in SrRuO$$_{3}$$

酒井 貴樹*; 山ノ内 道彦*; 荒木 康史; 植村 哲也*; 太田 裕道*; 家田 淳一

no journal, , 

Current-induced domain wall (DW) motion is one of schemes for electrical manipulation of magnetization direction in spintronics devices. Current density required for the DW motion in a ferromagnetic oxide SrRuO$$_{3}$$ (SRO) is 1-2 orders of magnitude lower than that in ferromagnetic metals, and we have shown that the applied current acts as an effective magnetic field Heff on the DW in SRO. To elucidate the origin of the Heff, we investigated Heff in wide temperature range. The ratio of Heff acting on the DW to current increases with decreasing temperature around the ferromagnetic transition temperature, whereas it shows nonmonotonic temperature dependence at low temperatures. Since SRO has many Weyl points near Fermi level and transverse resistance shows nonmonotonic temperature dependence originating from Berry curvature arising from Weyl points, Weyl fermions can affect the DW motion.

口頭

Intrinsic torques emerging from anomalous velocity in magnetic textures

荒木 康史; 家田 淳一

no journal, , 

We present a theory of current-induced torques on magnetic textures in the presence of strong spin-orbit coupling (SOC). It has been broadly discussed that nontrivial topology in real and momentum spaces contributes to anomalous transport phenomena of electrons. Magnetic textures such as skyrmions give rise to the topological Hall effect in magnetic metals, due to the real-space Berry curvature acting as an effective magnetic field for electrons. The momentum-space Berry curvature, which arises from band inversion by SOC in topological insulators (TIs) and Weyl semimetals (WSMs), leads to the intrinsic anomalous Hall effect (AHE) via the anomalous velocity in response to an applied electric field. Here we propose that the topological characteristics intertwined in real and momentum spaces contribute also to dynamics of magnetic textures driven by electric fields. Based on spin-momentum locking (SML) due to strong SOC, we phenomenologically classify the electrically induced torques, and derive the contributions from magnetic textures and the anomalous velocity. As a result, we find the "intrinsic" torques that arise from the spin polarization converted from the anomalous velocity by SML. The intrinsic torques are distinct from the conventional spin-transfer torque (STT) and the spin-orbit torque (SOT), both of which come from the electron spins in transport current. They are hence independent of the transport relaxation time and are robust against disorder or thermal fluctuation. We especially point out the intrinsic torque arising only in magnetic textures, which we call the "topological Hall torque (THT)". The THT is induced by the cooperation of the real-space magnetic texture and the momentum-space Berry curvature, and can emerge dominantly in bulk crystals. Such an enhanced torque is capable of driving dynamics of the magnetic texture at high speed, which may make the spintronics device highly efficient without building any complex heterostructures.

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