(57)【要約】【課題】磁束密度Ｂの増加に伴ってその磁場中における超伝導膜の臨界電流密度Ｊの低下を抑制できる使用方法を提供する。【解決手段】本実施例の超伝導膜１０の使用方法によれば、超伝導体層１４に電流を流すに際して、その超伝導体層１４のｃ軸に直交する面内において磁束Φの方向（磁界の方向）と電流Ｉの方向とを平行とすることにより、磁束密度Ｂの増加開始とともに臨界電流密度Ｊが一旦増加した後で緩やかに低下する特性が得られる。このため、実用に際して磁束密度Ｂが増加しても、超伝導体層の電流許容値が急激に低下せず、一旦は増加してその後に緩やかに低下するので、臨界電流密度Ｊの低下が抑制される。これにより、従来よりも相対的に高い臨界電流密度が得られ、その実用範囲が拡大される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板から該基板の一面に垂直なｃ軸方向へエピタキシャル成長させられた超伝導体層の中に人工ピンを有する超伝導膜の使用方法であって、
前記超伝導体層に電流を流すに際して、該超伝導体層の前記ｃ軸に直交する面内において磁束の方向と電流の方向とを互いに平行とすることを特徴とする超伝導膜の使用方法。
【請求項２】
前記基板の上にエピタキシャル成長させられた超伝導体層は、該基板の面に平行な面で直交するａ軸およびｂ軸を有し、
前記互いに平行な前記磁束の方向と電流の方向とは、該ａ軸またはｂ軸と平行であることを特徴とする請求項１の超伝導膜の使用方法。
【請求項３】
前記超伝導膜は、リボン形状であって、超伝導ケーブル内に配置され、
前記ｃ軸に直交する面内における電流方向は該超伝導ケーブルの送電方向であり、その電流方向に平行な磁束の方向とは、該磁束のうちの電流方向に平行な方向成分であることを特徴とする請求項１又は２の超伝導膜の使用方法。
【請求項４】
基板から該基板の一面に垂直なｃ軸方向へエピタキシャル成長させられた超伝導体層の中に人工ピンを有する超伝導膜であって、
前記超伝導体層は、該超伝導体層の前記ｃ軸に直交する面内において磁束の方向と電流の方向とを互いに平行とされた状態で電流が流されることを特徴とする超伝導膜。
【請求項５】
前記基板の上にエピタキシャル成長させられた超伝導体層は、該基板の面に平行な面で直交するａ軸およびｂ軸を有し、
前記互いに平行な前記磁束の方向と電流の方向とは、該ａ軸またはｂ軸と平行であることを特徴とする請求項４の超伝導膜。
【請求項６】
前記超伝導膜は、リボン形状であって、超伝導ケーブル内に配置され、
前記ｃ軸に直交する面内における電流方向は該超伝導ケーブルの送電方向であり、その電流方向に平行な磁束の方向とは、該磁束のうちの電流方向に平行な方向成分であることを特徴とする請求項４又は５の超伝導膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導膜の使用方法およびその方法で用いられる超伝導膜に関し、特に、超伝導膜の磁束密度Ｂ[Ｔ]に対する臨界電流密度の特性を向上させる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液体窒素温度（７７Ｋ）よりも高い臨界温度ＴCを示す高温超伝導部材、たとえば酸化物系超伝導材料或いは鉄系超伝送材料から成る超伝導体層が、基板の上にエピタキシャル成長させられた超伝導膜が知られている。このような超伝導膜は、たとえばテープ状に構成されて、超伝導ケーブルや超伝導コイルなどへの応用が期待されている。
【０００３】
そして、上記超伝導膜においては、格子欠陥、転移、空孔、界面、析出物などの不均質部分が、量子化磁束の移動を制限するピン止めセンターとして機能するので、そのピンを制御することで、磁場中においてその臨界電流密度Ｊ[×１０6Ａ／ｃｍ2]の特性を改善できることが知られている。たとえば、特許文献１および特許文献２に記載されたものがそれである。特許文献１では、酸化物系超伝導膜（たとえばＬｎＢａ2Ｃｕ3Ｏx）では、基板面に垂直にすなわち酸化物系超伝導膜のｃ軸に平行な方向に結晶欠陥が入っているときに、磁場が膜面に垂直な方向に形成されたときの臨界電流密度Ｊが向上することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−０２７５６２号公報
【特許文献２】特開２００５−１１６４０８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、上記従来の超伝導膜は、人工的にピンを設けることで、磁場中においてその臨界電流密度Ｊの値が改善されるものの、その臨界電流密度Ｊは、必ず、磁束密度Ｂの増加開始に伴って急低下した後、一定値に到達する特性を有するものであった。このため、磁束密度Ｂが増加すると、超伝導膜の電流許容値が大幅に小さくなって、その実用範囲が制限される可能性があった。
【０００６】
本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、磁束密度Ｂの増加に伴ってその磁場中における超伝導膜の臨界電流密度Ｊの低下を抑制できる使用方法および超伝導膜を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は、以上の事情を背景として種々検討を重ね、種々の条件で試作された超伝導膜の臨界電流密度を測定するうち、同じ測定試料であってもある測定条件下では、磁束密度Ｂの増加に伴って、その磁場中における超伝導膜の臨界電流密度Ｊが増加するという、これまでに発明者が経験していない意外な事実を見出した。本発明はかかる知見に基づいて為されたものである。
【０００８】
すなわち、第１発明の要旨とするところは、基板の一面からｃ軸方向にエピタキシャル成長させられた超伝導体層の中に人工ピンを有する超伝導膜の使用方法であって、前記超伝導体層に電流を流すに際して、該超伝導体層の前記ｃ軸に直交する面内において磁束の方向と電流の方向とを互いに平行とすることを特徴とすることにある。
【０００９】
また、第２発明の要旨とするところは、基板から該基板の一面に垂直なｃ軸方向へエピタキシャル成長させられた超伝導体層の中に人工ピンを有する超伝導膜であって、前記超伝導体層は、該超伝導体層の前記ｃ軸に直交する面内において磁束の方向と電流の方向とを互いに平行とされた状態で電流が流されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
第１発明および第２発明によれば、前記超伝導体層に電流を流すに際して、該超伝導体層の前記ｃ軸に直交する面内において磁束の方向と電流の方向とを平行とされ、前記超伝導体層は、該超伝導体層の前記ｃ軸に直交する面内において磁束の方向と電流の方向とを互いに平行とされた状態で電流が流されることにより、磁束密度Ｂの増加開始とともに臨界電流密度Ｊが一旦増加した後で緩やかに低下する特性が得られる。このため、実用に際して磁束密度Ｂが増加しても、超伝導体層の電流許容値が急激に低下せず、一旦は増加してその後に緩やかに低下するので、臨界電流密度Ｊの低下が抑制される。これにより、従来よりも相対的に超伝導膜の臨界電流密度が高くされて、その実用範囲が拡大される。
【００１１】
ここで、好適には、第１発明および第２発明において、前記基板の上にエピタキシャル成長させられた超伝導体層は、該基板の面に平行な面で直交するａ軸およびｂ軸を有し、前記互いに平行な前記磁束の方向と電流の方向とは、該ａ軸またはｂ軸と平行である。このようにしても、磁束密度Ｂの増加開始とともに臨界電流密度Ｊが一旦増加した後で緩やかに低下する特性が好適に得られる。
【００１２】
また、好適には、第１発明および第２発明において、前記超伝導膜は、リボン形状であって超伝導ケーブル内に配置され、前記ｃ軸に直交する面内における電流方向は該超伝導ケーブルの送電方向であり、その電流方向に平行な磁束の方向とは、該磁束のうちの電流方向に平行な方向成分である。このようにすれば、超伝導ケーブルの送電に際して、臨界電流密度Ｊが一旦増加した後で緩やかに低下する特性が得られるため、実用に際して磁束密度Ｂが増加しても、超伝導体層の電流許容値が急激に低下せず、一旦は増加してその後に緩やかに低下するので、臨界電流密度Ｊの低下が抑制される。これにより、従来よりも超伝導膜の臨界電流密度が相対的に高くされて、その実用範囲が拡大される。
【００１３】
また、好適には、前記基板は、前記超伝導材料に近い格子定数を有してその超伝導材料をエピタキシャル成長させ、且つその超伝導材料のｃ軸をその基板面に垂直に配向させることができる材料を少なくとも表面に有するものであればよい。この基板には、ＭｇＯ、ＮｉＯなどの岩塩型結晶、ＬＡＯ（ＬａＡｌＯ3）などのペロブスカイト型結晶、ＭＡＯ（ＭｇＡｌ2Ｏ4）などのスピネル型結晶、ＣｅＯ2などの蛍石型結晶などが好適に用いられるが、酸化物基板、窒化物基板、半導体基板、純Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−ＷなどのＮｉ基合金基板、純Ｃｕ、Ｃｕ−ＮｉなどのＣｕ基合金基板、Ｆｅ−Ｓｉ、ステンレスなどのＦｅ基合金基板などの表面上に、ＭｇＯなどのバッファ層を形成した基板であってもよい。
【００１４】
また、好適には、前記超伝導体層は、液体窒素温度（７７Ｋ）よりも高い臨界温度ＴCを示す高温超伝導部材であって、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7（但し、ＲＥはＬａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｙ、またはＹｂ）などで示される希土類元素ＲＥを含む酸化物系超伝導材料から構成される。
【００１５】
また、好適には、前記超伝導体層には、非超伝導材料からなる人工ピンが含まれる。この非超伝導材料は、前記超伝導材料の結晶構造に含まれるが不均質部分を構成するものであり、たとえば、ＢａＭＯ3（但し、ＭはＨｆ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｃｅ）、ＣｅＯ2、ＹＳＺ、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3などから好適に構成される。
【００１６】
また、好適には、前記基板の上にエピタキシャル成長させられる超伝導材料は、レーザ蒸着法またはスパッタ蒸着法のような物理気相成長法、有機化学蒸着法のような化学気相成長法を用いて基板の上に成長させられるが、好適には、たとえばＡｒ−ＦエキシマレーザまたはＫｒ−Ｆエキシマレーザを照射することでターゲットの組成を飛散させて基板に蒸着するパルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ）、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）が用いられる。パルスレーザ蒸着法は、ターゲットの組成比が蒸着される薄膜の組成比に反映されるので、希土類元素ＲＥとＢａとの平均組成（置換量ｘ）を制御する点で望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明が一例が適用されるリボン状の超伝導膜１０の一部を示す斜視図である。
【図２】図１のリボン状の超伝導膜の断面の一部を拡大して示す透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である
【図３】図１の超伝導体層を基板上に成長させるために用いられるパルスレーザ蒸着装置の構成を説明する模式的な斜視図である。
【図４】図３のパルスレーザ蒸着装置により、高温超伝導材料および人工ピンの材料を交互に積層した状態を説明するイメージ図である。
【図５】図３のパルスレーザ蒸着装置により、高温超伝導材料および人工ピンの材料を交互に積層するとき、人工ピンの材料の積層厚みが極めて薄く且つ少量であるので、人工ピンの材料が島状に分離される減少を説明する図である。
【図６】図５のように積層されることにより構成された超伝導体層の構成を模式的に説明する断面図である。
【図７】図１に示される超伝導膜の臨界電流密度を、３種類の測定条件下で測定したときの測定結果を説明するグラフである。
【図８】超伝導膜の他の構成例を説明する模式図である。
【図９】超伝導膜の他の構成例を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例】
【００１９】
図１は、リボン状の超伝導膜１０の一部を示す斜視図であり、図２はその断面の一部を拡大して示す拡大断面図である。超伝導膜１０は、基板１２と、その基板１２の一面からエピタキシャル成長させられた超伝導体層１４とから構成されている。
【００２０】
上記基板１２は、超伝導体層１４を構成する超伝導材料を結晶成長させることができるようにその超伝導材料に近い格子定数を有する材料を少なくとも表面に有する材料、たとえばＭｇＯ（１００）基板やＬＡＯ（１００）基板などから構成される。
【００２１】
図２のＴＥＭ写真は上記超伝導体層１４のｃ軸方向の縦断面を示している。図２に示すように、上記超伝導体層１４は、液体窒素温度（７７Ｋ）よりも高い臨界温度Ｔｃを示す高温超伝導材料１６から成り、基板１２からｃ軸方向にエピタキシャル成長させられている。この高温超伝導材料１６は、たとえばＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7（但し、ＲＥはＬａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｙ、またはＹｂ）などで示される希土類元素ＲＥを含む酸化物系超伝導材料から成る。そして、この高温超伝導材料１６内には、臨界電流密度Ｊ[×１０6Ａ／ｃｍ2]の特性を改善するための多数の人工ピンＰが混在させられている。人工ピンＰの材料１８は、高温超伝導材料１６の成長を阻害しないようにその高温超伝導材料１６に近似した格子定数を有する非超伝導材料であって、反応が進まない高融点材料（複合化合物）、たとえばＢａＭＯ3（但し、ＭはＨｆ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｃｅ）、から構成されている。
【００２２】
図３は、上記超伝導体層１４を基板１２上に成長させるために用いられるパルスレーザ蒸着装置２０の構成を説明する模式的な斜視図である。このパルスレーザ蒸着装置２０は、酸素分圧が０．４Ｔｏｒｒ程度に維持されるチャンバー２２と、チャンバー２２内に配置されて基板１２を８００〜９００℃に加熱するヒータ２４と、チャンバー２２内に配置されたターゲット２６に２Ｊ／ｃｍ2程度の出力且つ１０ヘルツ程度のパルス周波数のパルスレーザ光（λ＝２４８ｎｍ）Ｌを照射するＡｒ−Ｆエキシマレーザ２８とを備え、そのレーザ光の照射によりターゲット２６の組成を飛散させたプラズマ状のプルーム３０を形成し、活性化した組成を基板１２の一面（図３では下面）に蒸着する。ターゲット２６には、セラミックス状に固型化されたものであり、たとえば高温超伝導材料１６から成るターゲット２６Ａと、高温超伝導材料１６および人工ピンＰの材料１８の混合体、或いは人工ピンＰの材料から成るターゲット２６Ｂとが用意され、レーザ光Ｌがそれらターゲット２６Ａとターゲット２６Ｂとに交互に照射され、たとえば１３ｎｍ程度の厚みの高温超伝導材料１６と０．４ｎｍ程度の厚みの人工ピンＰの材料１８とが、所定の厚みおよび所定の積層数で、で交互に積層されるようになっている。図４は、その積層状態を説明するイメージ図である。
【００２３】
超伝導体層１４は、実際には図４に示す積層状態とならず、人工ピンＰの材料１８の厚みが極めて薄く且つ超伝導体層１４全体の２ｖｏｌ％程度と少ない割合であるため、図５に示すように、人工ピンＰの材料１８は島状の散在させられる。この結果、積層状態では、図５に示すように、人工ピンＰが高温超伝導材料１６内で混在させられる。この図５は図２のＴＥＭ写真に対応するものである。
【００２４】
以下に、超伝導膜１０の３種類の使用方法に関して臨界電流密度Ｊを測定した実験例を説明する。測定試料は、ＭｇＯ（１００）基板１２の上に、ＳｍＢａＣＯ（Ｓｍ1.04Ｂａ1.96Ｃｕ3Ｏy）から成る１３ｎｍ程度の厚みの高温超伝導材料１６と、ＢＨＯ（ＢａＨｆＯ3）から成る０．４ｎｍ程度の厚みの人工ピンＰの材料１８とが、パルスレーザ蒸着装置２０を用いて合計４００ｎｍ程度となるように積層されたもので、図１に示す超伝導膜１０と同様に構成されている。
【００２５】
臨界電流密度Ｊの測定には、よく知られた４端子法を用いられ、図１に示される電流Ｉの方向に電流を流したときに、種々の磁界の強さＢにおいて、電圧が発生したときの電流値を超伝導体層１４の断面積で除算することで臨界電流密度Ｊを得る方法が用いられる。この測定には、磁界Ｂの方向が相違する３種類の測定条件１、測定条件２、測定条件３が用いられた。測定条件１は、磁束Φの方向がａ−ｂ面（ｃ軸に直交する面）内であって、電流Ｉの方向と平行にした場合である。測定条件２は、磁束Φの方向がａ−ｂ面（ｃ軸に直交する面）内であって、電流Ｉの方向と直交する方向とした場合である。測定条件３は、磁束Φの方向がａ−ｂ面に直交する面（ｃ軸に平行な面）内であって、電流Ｉの方向と直交する方向とした場合である。
【００２６】
図７は、上記測定条件１、測定条件２、測定条件３における磁界の強さＢ[Ｔ]と臨界電流密度Ｊとの間の関係（特性）を、○印、□印、△印を用いてそれぞれ示している。図７によれば、測定条件２および測定条件３の場合は、□印および△印で示されるように、磁束密度（磁界の強さ）Ｂが零から増加するに伴って臨界電流密度Ｊが急速に低下して所定の値で変化が緩やかな傾斜となる。これに対して、測定条件１の場合は、○印で示されるように、磁束密度（磁界の強さ）Ｂが零から増加するに伴って臨界電流密度Ｊがしばらく上昇し、その後に低下して所定の値で変化が緩やかな傾斜となるが、測定条件２および測定条件３に比較して、臨界電流密度Ｊが２倍以上となって大幅に高い。このことから、図１に示すように、電流Ｉの方向と磁束Φの方向とが平行となる測定条件１と同じ条件での使用方法であれば、超伝導膜１０の実用に際して磁束密度Ｂが増加しても、超伝導体層１４の電流許容値が急激に低下せず、一旦は増加してその後に緩やかに低下するので、臨界電流密度Ｊの低下が抑制される。これにより、従来よりも相対的に高い臨界電流密度Ｊが得られ、超伝導膜１０の実用範囲が拡大される。
【００２７】
上述のように、本実施例の超伝導膜１０の使用方法によれば、超伝導体層１４は、該超伝導体層１４のｃ軸に直交する面内において磁束Φの方向と電流Ｉの方向とを互いに平行とされた状態で電流が流され、超伝導体層１４に電流を流すに際して、その超伝導体層１４のｃ軸に直交する面内において磁束Φの方向（磁界の方向）と電流Ｉの方向とを平行とすることにより、磁束密度Ｂの増加開始とともに臨界電流密度Ｊが一旦増加した後で緩やかに低下する特性が得られる。このため、実用に際して磁束密度Ｂが増加しても、超伝導体層１４の電流許容値が急激に低下せず、一旦は増加してその後に緩やかに低下するので、臨界電流密度Ｊの低下が抑制される。これにより、従来よりも相対的に高い臨界電流密度Ｊが得られ、超伝導膜１０の実用範囲が拡大される。
【００２８】
また、本実施例の超伝導膜１０においては、基板１２の上にエピタキシャル成長させられた超伝導体層１４は、その基板１２の一面に平行な面内で直交するａ軸およびｂ軸を有し、互いに平行な磁束Φの方向と電流Ｉの方向とは、それらａ軸またはｂ軸と平行である。このようにしても、磁束密度Ｂの増加開始とともに臨界電流密度Ｊが一旦増加した後で緩やかに低下する特性が好適に得られる。
【００２９】
以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。
【００３０】
たとえば、前述の実施例の超伝導膜１０においては、超伝導膜１０は、リボン形状であって超伝導ケーブル内に配置され、ｃ軸に直交する面内における電流Ｉの方向はその超伝導ケーブルの送電方向であり、その電流Ｉの方向に平行な磁束Φの方向とは、磁束Φのうちの電流Ｉの方向に平行な方向成分である。このようにすれば、超伝導ケーブルの送電に際して、臨界電流密度Ｊが一旦増加した後で緩やかに低下する特性が得られるため、実用に際して磁束密度Ｂが増加しても、超伝導体層１４の電流許容値が急激に低下せず、一旦は増加してその後に緩やかに低下するので、臨界電流密度Ｊの低下が抑制される。これにより、従来よりも相対的に高い臨界電流密度Ｊが得られ、超伝導膜１０の実用範囲が拡大され，超伝導ケーブルの性能が高められる。
【００３１】
また、前述の実施例の超伝導膜１０においては、たとえば図６に示すように構成されていたが、パルスレーザ蒸着装置２０において高温超伝導材料１６および人工ピンＰの材料１８の厚みや積層数が変更されることにより、たとえば、図８および図９の模式図に示すような人工ピンＰのサイズ、形状、密度の異なる超伝導膜１０を得ることができる。図８および図９の超伝導膜１０では、厚み方向において人工ピンＰの間にその人工ピンＰと同様の材料１８から成る非超伝導体層が形成されている。また、図８の超伝導膜１０は、図９の超伝導膜１０に比較して、密度が高く、短く、且つ太い人工ピンＰが超伝導膜１０内に混在させられている。
【００３２】
その他、一々例示はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
【符号の説明】
【００３３】
１０：超伝導膜
１２：基板
１４：超伝導体層
１６：高温超伝導材料
１８：人工ピンの材料
Ｂ：磁束密度（磁場（＝磁界）の強さ）
Ｐ：人工ピン
Φ：磁束
【図１】
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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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【図８】
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【図９】
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【図２】
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