(57)【要約】【課題】遮蔽電流を抑制して磁界分布への影響を低減することができ、磁界の安定性を向上させることができる超電導線材及びそれを用いた超電導コイルを提供する。【解決手段】超電導線材１１は、基板上に中間層を介して希土類系酸化物の超電導体による超電導層が形成され、その上に第１安定化層及び第２安定化層が形成されたテープ状線材１２より構成されている。このテープ状線材１２が巻回されて超電導コイル１８としてのダブルパンケーキコイルが形成される。前記テープ状線材１２には、電気的遮断を行う遮断溝２０がテープ状線材１２の長さ方向に延びるように間欠的に形成されている。該遮断溝２０は、テープ状線材１２を貫通して形成されている。そして、遮断溝２０の周りの小さな領域２３に遮蔽電流がループ状に形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に希土類系酸化物の超電導体による超電導層を形成したテープ状線材より構成される超電導線材であって、
前記テープ状線材には電気的遮断を行う遮断溝がテープ状線材の長さ方向に延びるように間欠的に形成されるとともに、前記遮断溝の深さは少なくとも超電導層を横切るように設定されていることを特徴とする超電導線材。
【請求項２】
前記遮断溝はテープ状線材の幅方向の中央位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材。
【請求項３】
前記遮断溝の長さは一定に設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導線材。
【請求項４】
前記遮断溝間の間隔は一定に設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の超電導線材。
【請求項５】
前記遮断溝はテープ状線材の基板より超電導層側が切り込まれて形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の超電導線材。
【請求項６】
前記遮断溝はテープ状線材を貫通して形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の超電導線材。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の超電導線材を構成するテープ状線材を巻回して形成される超電導コイルであって、
前記テープ状線材に形成された遮断溝の長さは、コイルの一周の長さ以下に設定されていることを特徴とする超電導コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に希土類系酸化物の超電導体による超電導層を有するテープ状の超電導線材及びその超電導線材を巻回して形成された超電導コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、超電導コイルは高性能化が重要な課題であり、発生する磁界の高い空間的、時間的な安定性が求められている。テープ状をなす超電導線材においては、コイルの径方向すなわち超電導線材のテープ面に対して垂直方向に磁界が作用し、その磁界の変化を妨げる方向に遮蔽電流が流れる。この遮蔽電流は、コイルの発生磁界分布に影響を与えるとともに、熱損失の発生を引き起こす。また、遮蔽電流のループが大きいと、遮蔽電流の減衰時間が長くなり、磁界分布の時間変化にも影響する。従って、このような遮蔽電流を抑制することが、磁界の安定性を果たすために重要である。
【０００３】
この遮蔽電流を抑制する方法として、テープ状の超電導線材を幅方向に分割して細線化する技術があるが、超電導線材に欠陥が形成されるため、導体の電流分布に偏りが生ずるおそれがある。また、テープ状の超電導線材を捩じる（ツイストする）技術は、コイル嵩が高くなるとともに、冷却が不均等になることにより、電流分布の均一性が損なわれるおそれがある。
【０００４】
この種の超電導線材が、例えば特許文献１に示されている。すなわち、この超電導線材では、その長さ方向に延びるスリットが一定間隔をおいて加工されている。これらのスリットにより、断面が矩形状の複数の超電導薄膜部に電気的に分離されて並列化された並列導体となっている。このため、超電導線材は、交流損失を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許再公表公報２００５／００８６８７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した特許文献１に記載されている従来構成の超電導線材では、複数のスリットが長さ方向に延び、テープ状の超電導線材が細線化されている。この場合、遮蔽電流は、スリットに沿って超電導線材の長手方向にその端部に到るまで長く延びる。このため、テープ状の超電導線材を巻回して超電導コイルを形成し、その超電導コイルに通電したとき、不整磁界が増加するという問題があった。例えば、円形コイルでは、その中心から巻線部に近づくにつれて不整磁界が増加する。
【０００７】
そこで、本発明の目的とするところは、遮蔽電流を抑制して磁界分布への影響を低減することができ、磁界の安定性を向上させることができる超電導線材及びそれを用いた超電導コイルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の超電導線材は、基板上に希土類系酸化物の超電導体による超電導層を形成したテープ状線材より構成される超電導線材であって、前記テープ状線材には電気的遮断を行う遮断溝がテープ状線材の長さ方向に延びるように間欠的に形成されるとともに、前記遮断溝の深さは少なくとも超電導層を横切るように設定されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明の超電導線材は、請求項１に係る発明において、前記遮断溝はテープ状線材の幅方向の中央位置に設けられていることを特徴とする。
請求項３に記載の発明の超電導線材は、請求項１又は請求項２に係る発明において、前記遮断溝の長さは一定に設定されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明の超電導線材は、請求項１から請求項３のいずれか一項に係る発明において、前記遮断溝間の間隔は一定に設定されていることを特徴とする。
請求項５に記載の発明の超電導線材は、請求項１から請求項４のいずれか一項に係る発明において、前記遮断溝はテープ状線材の基板より超電導層側が切り込まれて形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に記載の発明の超電導線材は、請求項１から請求項４のいずれか一項に係る発明において、前記遮断溝はテープ状線材を貫通して形成されていることを特徴とする。
請求項７に記載の発明の超電導コイルは、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の超電導線材を構成するテープ状線材を巻回して形成される超電導コイルであって、前記テープ状線材に形成された遮断溝の長さは、コイルの一周の長さ以下に設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
本発明の超電導線材は、基板上に希土類系酸化物の超電導体による超電導層を形成したテープ状線材より構成され、そのテープ状線材には、電気的遮断を行う遮断溝がテープ状線材の長さ方向に延びるように間欠的に形成されている。その遮断溝の深さは、少なくとも超電導層を横切るように設定されている。
【００１３】
このため、超電導コイルに通電したときの電流とは逆方向に流れる遮蔽電流は、各遮断溝の周りの小さい領域に形成されるとともに、その遮蔽電流の減衰時間を短縮することができる。従って、超電導コイルへの通電によって生ずる磁界への影響を極力抑えることができる。
【００１４】
よって、本発明の超電導線材によれば、遮蔽電流を抑制して磁界分布への影響を低減することができ、磁界の安定性を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明を具体化した実施形態のテープ状線材より形成されたダブルパンケーキコイルの外周部における遮蔽電流を拡大して示す説明図。
【図２】実施形態の超電導線材を構成するテープ状線材を示し、（ａ）は溝がテープ状線材を貫通する状態を示す断面図、（ｂ）は溝がテープ状線材の超電導層まで切り込まれた状態を示す断面図。
【図３】テープ状線材を巻回して得られた超電導コイルを示し、（ａ）は超電導コイルの平面図、（ｂ）は超電導コイルの断面図。
【図４】テープ状線材に遮断溝を設けない場合のダブルパンケーキコイルの外周部における遮蔽電流を拡大して示す説明図。
【図５】テープ状線材に遮断溝や切断溝を設けた状態を示す図であって、（ａ）は一定の長さ及び一定間隔の遮断溝を設けたテープ状線材を示す平面図、（ｂ）はテープ状線材を二分割するように切断溝を設けたテープ状線材を示す平面図、（ｃ）はテープ状線材を四分割するように切断溝を設けたテープ状線材を示す平面図。
【図６】超電導コイルの半径と不整磁界との関係を示すグラフ。
【図７】本発明のテープ状線材の別例を示す図であって、（ａ）は一定の長さ及び一定間隔の遮断溝であって、遮断溝の長さが遮断溝の間隔よりも長いテープ状線材を示す平面図、（ｂ）は遮断溝を二列に平行に設けたテープ状線材を示す平面図、（ｃ）は遮断溝の長さが非常に長く、遮断溝間の間隔が短いテープ状線材を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の超電導線材及び超電導コイルを具体化した実施形態に関し、図１〜図６に基づいて詳細に説明する。
図２（ａ）に示すように、超電導線材１１は、一定幅及び一定厚みを有するテープ状線材１２により形成されている。このテープ状線材１２は、基板１３上に中間層１４を介して超電導層１５が形成され、その超電導層１５上に第１安定化層１６が形成されるとともに、それらの外周部に第２安定化層１７が被覆されて構成されている。前記基板１３は、ニッケル合金（ハステロイ）、銀、銀合金等の金属により、例えば厚さ１００μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。中間層１４は、ガドリニウム・ジルコニウム酸化物（Ｇｄ・Ｚｒ酸化物）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、イットリウム安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）、バリウム・ジルコニウム酸化物（Ｂａ・Ｚｒ酸化物）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）等の化合物により、例えば厚さ５００ｎｍ、幅１０ｍｍに形成されている。
【００１７】
超電導層１５は、希土類系酸化物超電導体のＣＶＤ法（化学蒸着法）により、例えば厚さ約１μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。希土類元素としては、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、イットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等が挙げられる。希土類系酸化物としては、ＲＥ・Ｂａ・Ｃｕ・Ｏ等が挙げられる。但し、ＲＥは希土類元素を表す。この超電導層１５として具体的には、イットリウム・バリウム・銅酸化物、ランタン・バリウム・銅酸化物（Ｌａ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）等が挙げられる。
【００１８】
第１安定化層１６は、銀等の金属のスパッタリング等により、例えば厚さ約１５μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。第２安定化層１７は、銅等の金属のメッキ等により、例えば厚さ約５０μｍに形成されている。
【００１９】
図３（ａ），（ｂ）に示すように、超電導コイル１８は、前述したテープ状線材１２をコイル状（渦巻状）に巻回して形成されたコイル１９により構成される。この超電導コイル１８としては、シングルパンケーキコイル、ダブルパンケーキコイル、ソレノイドコイルのいずれであってもよい。ダブルパンケーキコイルは、テープ状線材１２が巻回されて形成されたコイル１９が図示しない中間枠を介して上下２段に積層されて形成される。
【００２０】
図１に示すように、超電導コイル１８は、テープ状線材１２が巻回されて２段に積層されたダブルパンケーキコイルとして構成されている。このダブルパンケーキコイルにおいて、テープ状線材１２には電気的遮断を行う遮断溝２０がテープ状線材１２の長さ方向に延びるように間欠的に形成されている。図１に示す例の遮断溝２０は、テープ状線材１２の幅方向の中央位置に設けられている。また、シングルパンケーキコイル、ダブルパンケーキコイル又はソレノイドコイルが円形状に形成され、磁界分布が全体に均一である場合には、遮断溝２０の長さｓは一定に設定されるとともに、遮断溝２０間の間隔ｄも一定に設定されることが好ましい。例えば、テープ状線材１２の幅を１０ｍｍとした場合、遮断溝２０の長さｓを１０ｍｍとし、遮断溝２０間の間隔ｄも１０ｍｍに設定することができる。
【００２１】
この遮断溝２０の長さｓ及び間隔ｄは一定でなくともよく、磁界分布やコイル形状に応じて適切に設定することが好ましい。例えば、磁界分布が超電導コイル１８の位置によって変化する場合や超電導コイル１８が円筒状以外の異形形状である場合には、遮断溝２０の長さｓと間隔ｄを適宜変更することが好ましい。また、遮断溝２０は、テープ状線材１２の幅方向において、磁界分布やコイル形状に応じて、複数列に形成したり、片側に偏って形成したりする等適宜変更することが好ましい。
【００２２】
この遮断溝２０は、テープ状線材１２に例えばレーザ光を照射することにより形成される。遮断溝２０の幅は、超電導特性を考慮すると狭い方が好ましいが、狭過ぎると超電導層１５が接触して電流の遮断機能が低下して好ましくない。遮断溝２０の幅は通常１０μｍ以上であることが好ましく、超電導特性を低下させないため５０μｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、前記遮断溝２０はテープ状線材１２を貫通するように形成されている。図２（ｂ）に示すように、この遮断溝２０の深さは少なくとも超電導層１５を横切るように設定されておればよく、基板１３より超電導層１５側すなわち中間層１４、超電導層１５、第１安定化層１６及び第２安定化層１７が切り込まれて形成されていてもよい。
【００２４】
図１及び図５（ａ）の矢印で示すように、テープ状線材１２にこのような遮断溝２０を形成することにより、超電導コイル１８に通電したときに流れる電流による磁界の変化を妨げる方向に流れる遮蔽電流が、各遮断溝２０の周りの小さい領域２３内にループ状に形成される。このように、遮蔽電流が遮断溝２０の周りの小さい領域２３内にループ状に形成されることにより、遮蔽電流の減衰時間を短縮できるようになっている。
【００２５】
その一方、図４に示すように、ダブルパンケーキコイルを構成するテープ状線材１２に遮断溝２０が形成されていない場合には、遮蔽電流は上下２段の各テープ状線材１２の側縁に沿って流れ、テープ状線材１２の端部においてその方向を変えて流れる。従って、遮蔽電流はテープ状線材１２の広い範囲を流れることになり、減衰時間は長くなって磁界の変化を妨げる結果を招く。
【００２６】
また、図５（ｂ）に示すように、従来構成の超電導線材１１は、テープ状線材１２を長さ方向に延びる切断溝（スリット）２１で２分割したり、図５（ｃ）に示すように、テープ状線材１２を長さ方向に延びる３本の切断溝２１で４分割したりして構成されている。これら従来構成の超電導線材１１では、遮蔽電流は遮断されることなく、分割された各テープ状線材１２の端部まで広い範囲にわたって流れる。
【００２７】
前記テープ状線材１２に形成された遮断溝２０の長さｓは、図１に示す遮断溝２０の長さｓより長く設定することも可能であるが、コイル１９の一周の長さ以下に設定されることが望ましい。遮断溝２０の長さｓがコイル１９の一周の長さより長くなる場合には、遮蔽電流の流れる領域２３が極めて広くなるとともに、テープ状線材１２の機械的物性も低下して好ましくない。
【００２８】
図３（ａ）の破線に示すように、前記超電導コイル１８の外周部には一対の電極２２ａ、２２ｂが設けられている。一方の電極２２ａは巻回されたテープ状線材１２の内周端に図示しないリード線を介して接続され、他方の電極２２ｂはテープ状線材１２の外周端に接続されている。
【００２９】
次に、上記のように構成された本実施形態の超電導線材１１及び超電導コイル１８について作用を説明する。
図１及び図２（ａ）に示すように、超電導線材１１にはその幅方向の中央位置に一定の長さｓ及び一定の間隔ｄで形成された電気的遮断を行う遮断溝２０がテープ状線材１２を貫通するように設けられている。
【００３０】
このため、図１に示すように、ダブルパンケーキコイルを構成する上下２段のテープ状線材１２に通電したとき、各テープ状線材１２に遮蔽電流が流れる。この場合、本実施形態においては遮断溝２０がテープ状線材１２の長さ方向に間欠的に設けられていることから、遮蔽電流は図１の矢印に示すように、各遮断溝２０によって遮断され、各遮断溝２０の周りの小さな領域２３内をそれぞれループ状に回るように形成される。このため、各遮断溝２０の周りを流れる遮蔽電流は、遮断溝２０が設けられていない場合に比べて減衰が極めて早くなる。従って、ダブルパンケーキコイルに対する通電により発生する磁界は、遮蔽電流によって生ずる磁界による低下を受け難くなる。
【００３１】
すなわち、図６の６−１線に示すように、本実施形態のダブルパンケーキコイルでは、ダブルパンケーキコイルの中心から半径方向の離れた位置まで磁界の低下は見られなかった。従って、ダブルパンケーキコイルに対する通電による磁界や外部磁界は、遮蔽電流によって影響を受けることが回避された。
【００３２】
その一方、テープ状線材１２を切断溝２１で４分割及び２分割する場合には、それぞれ図６の６−２線及び６−３線に示すように、切断溝２１がない場合（図６の６−４線）と比較して、分割数を増やすことによって遮蔽電流の影響を低減することはできるが、前述した本実施形態の遮断溝２０を設けた場合の方が効果は顕著である。すなわち、本実施形態の遮断溝２０を設けることにより、遮蔽電流の影響を回避できるとともに、遮断溝２０を有するテープ状線材１２の作製も簡便である。
【００３３】
以上詳述した実施形態によって得られる効果を以下にまとめて記載する。
（１）この実施形態の超電導線材１１によれば、該超電導線材１１を構成するテープ状線材１２に、電気的遮断を行う遮断溝２０がテープ状線材１２の長さ方向に延びるように間欠的に形成されている。その遮断溝２０の深さは、少なくとも超電導層１５を横切るように設定されている。
【００３４】
このため、超電導コイル１８に通電したときに流れる遮蔽電流は、各遮断溝２０の周りの小さい領域２３に限定して形成され、遮蔽電流による不整磁界を抑えることができるとともに、その遮蔽電流の減衰時間を短縮することができる。従って、超電導コイル１８への通電によって生ずる磁界への影響を極力抑えることができる。
【００３５】
よって、本実施形態の超電導線材１１によれば、遮蔽電流を抑制して磁界分布への影響を低減することができ、磁界の安定性を飛躍的に向上させることができるという優れた効果を奏する。この効果は、パンケーキコイルとソレノイドコイルの双方において発揮される。
（２）前記遮断溝２０はテープ状線材１２の幅方向の中央位置に設けられている。このため、遮断溝２０の両側の領域２３を均等幅に設定することができ、遮断溝２０の周りを遮蔽電流がバランス良く流れ、超電導コイル１８への通電によって生ずる磁界への影響を偏ることなく抑制することができる。
（３）前記遮断溝２０の長さｓは一定に設定されている。従って、遮断溝２０の加工性に優れるとともに、遮蔽電流は各遮断溝２０の周りの領域２３内を一定のループ状に流れ、超電導コイル１８全体として均一な遮蔽電流により、超電導コイル１８への通電による磁界への影響を安定した状態で抑制することができる。
（４）前記遮断溝２０間の間隔ｄは一定に設定されている。そのため、遮断溝２０の加工性に優れるとともに、各遮断溝２０間を流れる遮蔽電流を一定量確保し、遮蔽電流をループ状に形成することができて、超電導コイル１８への通電による磁界への影響を抑えることができる。
（５）図２（ｂ）に示すように、前記遮断溝２０はテープ状線材１２の基板１３より超電導層１５側が切り込まれて形成されている。この場合、遮断溝２０は超電導層１５が切り込まれることによって電気的に遮断され、その遮断溝２０により、遮蔽電流を遮断溝２０の周りの領域２３内にループ状に形成することができる。
（６）図２（ａ）に示すように、前記遮断溝２０はテープ状線材１２を貫通して形成されている。この場合には、テープ状線材１２の超電導層１５を簡単に切断することができ、電気的に遮断された遮断溝２０を容易に形成することができる。
（７）前記超電導コイル１８はテープ状線材１２を巻回して形成され、該テープ状線材１２に形成された遮断溝２０の長さｓは、コイル１９の一周の長さ以下に設定されている。このため、超電導コイル１８において、テープ状線材１２の遮断溝２０が電気的な遮断機能を発揮することができ、遮蔽電流を遮断溝２０の周りの小さな領域２３内にループ状に形成することができ、超電導コイル１８への通電によって生ずる磁界への影響を十分に抑制することができる。
【００３６】
なお、前記実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
・  図７（ａ）に示すように、テープ状線材１２の遮断溝２０の長さｓを前記実施形態の場合より短く設定するとともに、遮断溝２０間の間隔ｄを遮断溝２０の長さｓよりも短くなるように設定してもよい。
【００３７】
・  図７（ｂ）に示すように、テープ状線材１２の遮断溝２０を２列に形成してもよい。この場合、２列の遮断溝２０は、テープ状線材１２の幅が２列の遮断溝２０により３等分される位置に形成することが好ましい。さらに、テープ状線材１２に遮断溝２０を３列以上形成することも可能である。
【００３８】
・  図７（ｃ）に示すように、テープ状線材１２の遮断溝２０の長さｓを前記実施形態の場合よりも長くなるように構成してもよい。この場合、遮断溝２０間の間隔ｄは遮断溝２０の長さｓよりも短く設定されているが、遮断溝２０の長さｓと同じに設定する等適宜変更してもよい。
【００３９】
・  前記遮断溝２０間の間隔ｄを遮断溝２０の長さｓよりも長くなるように設定してもよい。
・  前記テープ状線材１２の遮断溝２０の長さｓを、超電導コイル１８の半周の長さより短く設定することが好ましく、１／４周の長さより短く設定することがさらに好ましい。
【００４０】
・  前記超電導コイル１８としてのシングルパンケーキコイル又はソレノイドコイルを形成するテープ状線材１２に、実施形態と同様の遮断溝２０を形成してもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１１…超電導線材、１２…テープ状線材、１３…基板、１５…超電導層、１８…超電導コイル、１９…コイル、２０…遮断溝、ｓ…長さ、ｄ…間隔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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