(57)【要約】  良好な超電導特性を実現して超電導線材同士を接続することが可能な超電導線材の接続構造を提供する。  基板（１０１）と中間層（１０２）と超電導層（１０３）とが積層形成されてなる超電導線材（１００Ａ、１００Ｂ）を接続する接続構造であって、超電導線材（１００Ａ、１００Ｂ）の超電導層（１０３）の表面（１０３ａ）の一部に、非超電導体（１０５）が設けられていることで、酸素アニール処理などにおいて超電導線材（１００Ａ、１００Ｂ）同士の接合部位に隙間（３００）が形成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と超電導層とが積層形成されてなる複数の超電導線材同士を重ね合わせて接続する接続構造において、
少なくとも一つの超電導線材の超電導層の表面の一部に、非超電導体が前記表面から突出するように設けられていることを特徴とする超電導線材の接続構造。
【請求項２】
前記非超電導体は、その一部が前記超電導層の表面に埋設さ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の接続構造。
【請求項３】
前記基板と前記超電導層の間に、中間層が設けられていることを特徴する、請求項１又は２に記載の超電導線材の接続構造。
【請求項４】
前記非超電導体の突出する部分を含む前記超電導層の表面上に、他の超電導線材との接合部位を構成する接続用超電導層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の超電導線材の接続構造。
【請求項５】
前記非超電導体は、Ｃｕ、Ｂａ、Ａｌ、Ｙ、Ｇｄ、Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ、Ｌｕ、Ｚｒ、Ｈｆのうち少なくとも１種類の元素を含むことを特徴とする請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の超電導線材の接続構造。
【請求項６】
前記非超電導体は、ＣｕＯｘを含むことを特徴とする請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の超電導線材の接続構造。
【請求項７】
前記複数の超電導線材が２つの超電導線材であり、
前記非超電導体は、少なくとも一方の超電導線材の超電導層の表面における接合部位となる重ね合わせ部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の超電導線材の接続構造。
【請求項８】
前記複数の超電導線材が３つの超電導線材であり、
前記超電導層の表面が同じ向きになる位置関係で端面同士を突き合わせた第１及び第２の超電導線材と、前記第１及び第２の超電導線材の前記超電導層の表面の双方に跨がって接続される位置関係で対向させて超電導層を配置した第３の超電導線材とを、互いに重ね合わせて接続する接続構造において、
前記非超電導体は、対向する少なくとも一方の超電導線材の超電導層の表面における接合部位となる重ね合わせ部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の超電導線材の接続構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の超電導線材を接続する超電導線材の接続構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、液体窒素の温度で超電導性を有する高温超電導体を利用した高温超電導線材の開発が行われている。このような高温超電導線材を用いて超電導機器用の超電導ケーブルや超電導コイルなどを作製する場合、長尺の超電導線材が必要となる。長尺の超電導線材は、複数の超電導線材を順次接続することにより得られる。また、超電導線材を、例えば、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置や核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置に用いられるコイルに応用する場合には、永久電流モードで通電するので超電導線材の端を接続してループ状にする必要がある。【０００３】
超電導線材同士を接続する従来技術として、例えば特許文献１には、超電導薄膜の接合箇所に、超電導薄膜を構成する金属を含む溶液の膜を形成し、形成された溶液の膜を加熱処理することにより、接合箇所に超電導接合を形成して高温超電導薄膜線材を接続する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２３５６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された従来技術では、超電導薄膜線材の超電導薄膜同士を接続する際に、超電導薄膜同士を貼り合わせた状態で、仮焼熱処理及び本焼熱処理を行うため、次の理由から超電導特性が低下する虞がある。まず、高温で焼成処理を行うため、超電導薄膜上に形成された膜に適切な量の酸素を供給することができず、膜が結晶化しない虞がある。【０００６】
また、焼成後に酸素導入処理を行うが、超電導薄膜上に形成された膜に酸素を供給することができず、超電導薄膜線材を接続した後の超電導特性を確保することができないという問題を有している。【０００７】
本発明は前記した点に鑑みてなされたものであり、良好な超電導特性を実現して超電導線材同士を接続することが可能な超電導線材の接続構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る超電導線材の接続構造は、基板と超電導層とが積層形成されてなる複数の超電導線材同士を重ね合わせて接続する接続構造において、少なくとも一つの超電導線材の超電導層の表面の一部に、非超電導体が前記表面から突出するように設けられていることを特徴とする。【０００９】
本発明によれば、少なくとも一つの超電導線材の超電導層の表面の一部に、非超電導体が設けられていることにより、超電導線材同士の接合部位に隙間が形成される。このようにして形成される隙間から超電導線材同士の接合部位に酸素が十分に供給されることで、当該接合部位の超電導層が結晶化し、電気的な特性を劣化させることなく超電導線材同士を接続することが可能となる。【００１０】
また、本発明に係る超電導線材の接続構造は、好ましくは、前記非超電導体の一部が前記超電導層の表面に埋設されていることを特徴とする。【００１１】
また、本発明に係る超電導線材の接続構造は、好ましくは、前記基板と前記超電導層の間に、中間層が設けられていることを特徴とする。【００１２】
また、本発明に係る超電導線材の接続構造は、好ましくは、前記非超電導体の突出する部分を含む前記超電導層の表面上に、他の超電導線材との接合部位を構成する接続用超電導層が形成されていることを特徴とする。【００１３】
また、本発明に係る超電導線材の接続構造は、好ましくは、非超電導体が、Ｃｕ、Ｂａ、Ａｌ、Ｙ、Ｇｄ、Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ、Ｌｕ、Ｚｒ、Ｈｆのうち少なくとも１種類の元素を含むことを特徴とする。【００１４】
また、本発明に係る超電導線材の接続構造は、好ましくは、前記非超電導体は、ＣｕＯｘを含むことを特徴とする。【００１５】
また、本発明に係る超電導線材の接続構造は、好ましくは、前記複数の超電導線材が２つの超電導線材であり、前記非超電導体は、少なくとも一方の超電導線材の超電導層の表面における接合部位となる重ね合わせ部に設けられていることを特徴とする。【００１６】
また、本発明に係る超電導線材の接続構造は、好ましくは、前記複数の超電導線材が３つの超電導線材であり、前記超電導層の表面が同じ向きになる位置関係で端面同士を突き合わせた第１及び第２の超電導線材と、前記第１及び第２の超電導線材の前記超電導層の表面の双方に跨がって接続される位置関係で対向させて超電導層を配置した第３の超電導線材とを、互いに重ね合わせて接続する接続構造において、前記非超電導体は、対向する少なくとも一方の超電導線材の超電導層の表面における接合部位となる重ね合わせ部に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、良好な超電導特性を実現して超電導線材同士を接続することが可能な超電導線材の接続構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、超電導線材の積層構造を示す断面図である。
【図２】図２は、超電導線材同士を接続する接続工程について説明するための断面図である。
【図３】図３（Ａ）は、本発明に係る接続構造を説明するための断面図であり、図３（Ｂ）は、比較例に係る接続構造を説明するための断面図である。
【図４】図４は、変形例に係る非超電導体について説明するための断面図である。
【図５】図５は、本実施形態に係る他の適用例について説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という。）について具体例を示して説明する。本実施形態は、複数の超電導線材を接続する超電導線材の接続構造に関するものである。まず、超電導線材の接続構造に関する具体的な説明に先立ち、超電導線材の具体例として高温超電導線材の構成について、図１の断面図を用いて説明する。
【００２０】
（１．高温超電導線材）
図１（Ａ）に示すように、高温超電導線材１００は、本発明に係る超電導線材の一態様であって、基板１０１と、中間層１０２と、超電導層１０３と、保護層１０４と、から構成されている。
【００２１】
基板１０１は、テープ状に形成されている。この基板１０１としては、例えば、低磁性の無配向金属基板や無配向セラミックス基板が用いられる。金属基板の材料には、例えば、強度および耐熱性に優れた、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｃｒなどの金属またはこれらの合金が用いられる。特に好ましいのは、耐食性および耐熱性の点で優れているステンレス鋼、ハステロイ（登録商標）に代表されるニッケル系合金である。また、セラミックス基板の材料には、例えば、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ３またはイットリウム安定化ジルコニアなどが用いられる。
【００２２】
中間層１０２は、超電導層１０３の下地となる任意の層であり、超電導層１０３において高い２軸配向性を実現するために基板１０１上に形成される層である。この中間層１０２には、熱膨張率や格子定数などの物理的な特性値が基板１０１と超電導層１０３を構成する超電導体との中間的な値を示すもの、例えば、ＭｇＯ、ＣｅＯ２が用いられる。また、中間層１０２は、単層構造であってもよく、多層構造であってもよい。なお、基板１０１が金属基板である場合、中間層１０２はセラミック薄膜であってもよい。
【００２３】
超電導層１０３は、中間層１０２の表面に形成され、超電導体を主体として、Ｃｕ、Ｂａ、Ｙ、Ｇｄ、Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ、Ｌｕ、Ｚｒ、Ｈｆのうち少なくとも１種類の元素から構成される。具体的に、超電導体としては、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−λ（λは０から６の整数）で表されるＲＥ系超電導体が用いられる。ＲＥ系超電導体中のＲＥは、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂやＬｕなどの単一の希土類元素または複数の希土類元素である。
【００２４】
また、後述するように良好な超電導特性を実現して超電導線材１００、１００同士を接続するため、図１（Ｂ）に示すように、超電導層１０３の表面１０３ａには、例えばＣｕｘＯなどの非超電導体１０５が設けられている。
【００２５】
具体的には、図１（Ｂ）に示すように、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法により超電導層１０３を多層構造になるよう形成する際に、最下層から第６層までの低層領域１０３１では１層あたりの膜厚を２００ｎｍよりも薄くし、最上位層１０３２（第７層）の膜厚を２００ｎｍ以上に厚くすれば、超電導層１０３の超電導特性に影響を及ぼさず、非超電導体１０５（例えば、酸化銅）を超電導層１０３の表面１０３ａに析出させることができる。より具体的には、非超電導体１０５の一部分が超電導層１０３の内部に埋設した状態で、残りの部分が超電導層１０３の表面１０３ａから突出するように形成することができる。また、超電導層１０３の表面１０３ａにおける非超電導体１０５の面積密度は、超電導層１０３の表面１０３ａを電子顕微鏡などで観察することにより確認ないし測定することができる。
【００２６】
上記の通り、ＣＶＤ法による超電導層１０３の積層工程において、１層あたりの膜厚を２００ｎｍ以上に厚くすることで、非超電導体１０５である酸化銅（ＣｕｘＯ）粒を生成させやすくすることができる。なお、非超電導体１０５は、上述した酸化銅（ＣｕｘＯ）に限らず、Ｃｕ、Ｂａ、Ａｌ、Ｙ、Ｇｄ、Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ、Ｌｕ、Ｚｒ、Ｈｆのうち少なくとも１種類の元素から構成されてもよい。
【００２７】
また、非超電導体１０５は、ＣＶＤ法以外に、ＭＯＤ法、ゾルゲル法などの他の方法でも超電導層１０３の表面１０３ａから突出するように設けることができる。
【００２８】
保護層１０４は、超電導層１０３の表面を覆う任意の層である。保護層１０４には、例えば、Ａｇなどが用いられる。
【００２９】
（２．超電導線材の接続構造）
次に、上述した積層構造を有する超電導線材１００を２つ準備し、準備した超電導線材１００、１００を接続する接続工程について、図２を参照して説明する。便宜上、一方の超電導線材１００を超電導線材１００Ａと呼び、他方の超電導線材１００を超電導線材１００Ｂと呼ぶ。
【００３０】
まず、図２（Ａ）に示すように、超電導線材１００Ａと超電導線材１００Ｂそれぞれについて、保護層１０４のうち、接続に必要な領域だけエッチングすることにより、超電導層１０３を露出させる。
【００３１】
次に、有機金属分解（ＭＯＤ）法により接続用超電導層２００を形成させる。具体的に、まず、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕなどの有機金属錯体を含む原料溶液２０を準備する。準備した原料溶液２０を、露出させた超電導層１０３の表面に塗布する。ここで、原料溶液２０は、露出させた超電導層１０３の全面にわたって塗布されるが、塗布量は特に限定されず、適宜設定することができる。なお、本実施形態においては、ＭＯＤ法により原料溶液２０を塗布する方法を示したが、これに限定されるものではない。
【００３２】
続いて、図２（Ｂ）に示すように、超電導線材１００Ａと超電導線材１００Ｂそれぞれについて、仮焼成することで、超電導層１０３の表面に塗布された原料溶液２０から有機溶剤を蒸発させる。ここで、仮焼成は、例えば、４００〜６００℃で加熱処理することにより行われるものである。この仮焼成により、原料溶液２０に含まれる有機金属錯体の分解が行われる。このような仮焼成を行うことにより、非超電導体１０５の突出している部分を含む超電導層１０３の表面全体に、接続用超電導層２００が形成される。
【００３３】
続いて、図２（Ｃ）に示すように、超電導線材１００Ａ、１００Ｂの超電導層１０３上にそれぞれ形成された接続用超電導層２００を、互いに重ね合わせ、所定の圧力で押し付ける。その後、押し付けた状態のまま、低酸素濃度雰囲気中、例えば、酸素濃度５０〜１０００ｐｐｍのＡｒ雰囲気中に置き、７５０℃〜８５０℃程度の温度で本焼成処理を行う。この本焼成処理により、接続用超電導層２００が結晶化することで、接続用超電導層２００同士が互いに接合する。さらに、酸素アニール処理として、酸素濃度が５０％以上のＡｒ雰囲気下で降温することで、本焼成処理された接続用超電導層２００中に酸素を導入させる。この酸素導入により、接続用超電導層２００が超電導特性を示す構造になる。
【００３４】
このような酸素を導入する工程において、超電導線材１００Ａ、１００Ｂの接続部位を拡大視した構造を図３（Ａ）に示す。図３（Ａ）から明らかなように、超電導線材１００Ａ、１００Ｂそれぞれにおいて超電導層１０３の表面１０３ａに、非超電導体１０５が設けられているため、接続用超電導層２００の表面が凹凸になる。このようにして表面が凹凸な接続用超電導層２００同士が対向するように超電導線材１００Ａ、１００Ｂを重ね合わせることで、図３（Ａ）に示すように、超電導線材１００Ａ、１００Ｂの接合部位、すなわち接続用超電導層２００、２００の間に、隙間３００が形成される。このような隙間３００が形成されることで、酸素導入時において、接続用超電導層２００、２００に酸素が十分に供給され、接続用超電導層２００、２００が結晶化するとともに非超電導体１０５の周囲に空隙３０１が形成される。
【００３５】
上記のとおり、非超電導体１０５は、超電導層１０３の表面１０３ａから突出している。非超電導体１０５における突出部は、平均径が０．１〜１０μｍであり、平均高さが０．０１〜５μｍであることが好ましい。平均径は、ＳＥＭで観察し、最長径を測定した後、その平均値を算出することにより得られる。また、平均高さは、突出部を厚さ方向に切断し、断面をＳＥＭで観察することにより測定することができる。平均径及び平均高さが大きすぎると、非超電導体の周囲に形成される空隙が多くなり、接続強度が低下する傾向にある。一方、平均径及び平均高さが小さすぎると、形成される空隙が小さいため酸素を十分に供給することができず、良好な超電導特性が得られない。
【００３６】
上記のような本実施形態に対して、図３（Ｂ）に、比較例に係る超電導線材４００Ａ、４００Ｂの接続部位を拡大視した構造を示す。比較例に係る超電導線材４００Ａ、４００Ｂは、それぞれ超電導層４０３の表面に設けられている非超電導体４０５を研磨して、超電導層４０３の表面を平坦にしたものである。このように超電導層４０３の表面が平坦であると、接続用超電導層５００、５００の表面も平坦となり、図３（Ａ）に示したような隙間３００がほとんど形成されない。この結果、接続用超電導層５００、５００が結晶化せず、良好な超電導特性を実現することができない。
【００３７】
上記の比較例と本実施形態との比較結果から明らかなように、本実施形態に係る超電導線材１００Ａ、１００Ｂの接続構造によれば、超電導線材１００Ａ、１００Ｂにそれぞれに形成される接続用超電導層２００、２００が確実に結晶化することにより、電気的な特性を劣化させることなく超電導線材１００Ａ、１００Ｂ同士を接続することが可能となる。
【００３８】
また、接続用超電導層２００の膜厚は、ＭＯＤ法により成膜する場合には１０ｎｍ乃至５μｍが好ましい。これは、薄すぎると接続用超電導層２００、２００同士の接続面積が減少してしまう一方、厚すぎると隙間３００が形成できず結晶化が困難となるからである。
【００３９】
また、本実施形態に係る超電導線材１００Ａ、１００Ｂの接続構造によれば、空隙３０１が形成されることにより、確実に結晶化するまで十分に酸素を接続用超電導層２００に供給できる点で好ましい。
【００４０】
また、本実施形態では、非超電導体１０５が、超電導層１０３の表面１０３ａから突出し、かつ超電導層１０３の表面１０３ａに埋設されているため、接続強度を高くすることができる。特に、上述した空隙３０１の存在により接続強度の低下を招くが、非超電導体１０５が超電導層１０３の表面１０３ａに埋設されていることで強固な接続構造を実現できる点で好ましい。
【００４１】
（３．変形例）
なお、本実施形態に係る非超電導体１０５は、超電導層１０３の表面１０３ａから突出し、かつ超電導層１０３の表面１０３ａに埋設されている場合に限定されない。例えば、図４に、変形例に係る非超電導体１０５Ｂを示す。つまり、図４（Ａ）に示すように、表面が平坦になるよう成長させた超電導層１０３Ｂの表面に、アルミナなどの微粒子を非超電導体１０５Ｂとして設けてもよい。続いて、図４（Ｂ）に示すように、非超電導体１０５Ｂが設けられている超電導層１０３Ｂに、原料溶液を塗布ないし仮焼成することで、表面が凹凸な接続用超電導層２００Ｂを形成することができる。特に、図４に示す変形例によれば、超電導層１０３の成膜の条件を何ら変更することなく、微粒子の密度を調整するなどして、超電導層１０３の表面１０３ａの凹凸形状（凹凸の数）を容易に調整することができる。すなわち、簡易的な手法により、超電導層１０３の表面１０３ａを、接続用超電導層２００の結晶化に適した表面形状とすることができる。
【００４２】
（４．他の適用例）
また、本実施形態では、上述した図２及び図３に示すように、２つの超電導線材１００Ａ、１００Ｂを、超電導層１０３同士が対向するように重ね合わせて接続する接続構造において、非超電導層１０５が、超電導層表面における重ね合わせ部に設けられている場合を示したが、種々の接続構造においても、良好な超電導特性を実現して超電導線材同士を接続することができる。なお、「超電導層表面における重ね合わせ部」とは、後に他の超電導層と接合され接合部位となる部分を指す。具体的に、超電導層表面のうち、保護層がエッチングによって除去されることにより露出した領域のことである。
【００４３】
例えば、他の適用例として、図５に示すように、超電導層の表面が同じ向きになる位置関係で端面同士を突き合わせた第１及び第２の超電導線材１００Ｃ、１００Ｄと、第１及び第２の超電導線材１００Ｃ、１００Ｄの超電導層の表面の双方を跨がって接続される位置関係で対向させて配置した第３の超電導線材１００Ｅとを、互いに重ね合わせて接続する接続構造が挙げられる。第１乃至第３の超電導線材１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅのそれぞれにおいて、超電導層１０３の表面に非超電導体１０５を設けることにより、良好な超電導特性を実現して第１乃至第３の超電導線材１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅの三者間を接続することができる。
【００４４】
なお、上記図５に示す適用例以外にも、例えば、一の超電導線材の終端領域を２つの領域に分け、それぞれの領域において異なる２つの超電導線材を突き合わせることで、略Ｙ字分岐となる接続構造を実現することも可能である。
【００４５】
（５．その他）
本実施形態では、接続対象となる全ての超電導線材の超電導層の表面に、非超電導体を設けているが、本発明はこのような形態に限定されない。例えば、対向する２つの超電導層のうち一方の超電導層にのみ非超電導体を設けてもよい。一方の超電導線材の接続用超電導層の表面が凹凸になれば、接続用超電導層間に隙間が形成され、接続用超電導層を確実に結晶化することができる。また、図２（Ｃ）に示すように、超電導層の一部同士を接続する場合には、非超電導体は超電導層表面全体に設けられている必要はなく、少なくとも超電導層表面の重ね合わせ部に設けられていればよい。
【符号の説明】
【００４６】
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ  超電導線材
１０１  基板
１０２  中間層
１０３  超電導層
１０３ａ  表面
１０４  保護層
１０５  非超電導体
３００  隙間
３０１  空隙
【図１】
2017057483.tif 000003
【図２】
2017057483.tif 000004
【図３】
2017057483.tif 000005
【図４】
2017057483.tif 000006
【図５】
2017057483.tif 000007
【国際調査報告】
2017057483.tif 000008
2017057483.tif 000009