(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミアンダ構造を有する配向したREBa2Cu3Ox系バルク超電導体(REはY、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luからなる群から選ばれた1種以上の元素)とその両端に接続された導線により構成される導体で、REBa2Cu3Oxの電流経路が常にab面と平行であり、導線に接続されるREBa2Cu3Ox系バルク超電導体の断面積が中央部より大きくなっていて、かつ、ミアンダ構造の電流経路の隙間を熱伝導の悪い材料で埋めていること、及び、熱伝導性の悪い材料で気密に封じられていることを特徴とする超電導電流リード。
【請求項２】
配向したREBa2Cu3Ox系バルク超電導体(REはY、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luからなる群から選ばれた1種以上の元素)とその両端に接続された導線により構成される導体で、REBa2Cu3Oxの電流経路が90度の角度を有して屈曲し、かつ電流経路が常にab面と平行であり、導線に接続されるREBa2Cu3Ox系バルク超電導体の断面積が中央部より大きくなっていて、かつ、熱伝導性の悪い材料で気密に封じられていることを特徴とする超電導電流リード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、液体ヘリウムあるいは冷凍機で冷却して使用する超電導機器に使用される電流リードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ほとんどすべての超電導機器は液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）近くにまで冷却され使用されている。これらの機器の大きな問題点の１つに室温からの熱侵入が挙げられる。熱は様々な部分から侵入してくるが、とりわけ超電導機器に電流を供給する導線からの熱侵入が最も大きい。電流リードは、電流を供給するための断面積（電流容量）を確保しながら、液体ヘリウムからのガス潜熱を利用できるよう形状最適化するなどの工夫がなされている導体である。
【０００３】
これまで利用されている電流リードは主として銅が用いられてきたが、最近これを酸化物超電導材料で置き換える試みがなされている。酸化物超電導材料の中には、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ10系、Ｔｌ2 Ｂａ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ10あるいは、Ｈｇ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ8 系等、臨界温度が液体窒素温度（７７Ｋ）を超えるものが発見され、液体窒素温度から液体ヘリウム温度の空間にこれらを利用するものである。電流リードが酸化物超電導体に置きかわることは次の２つの利点がある。１つは超電導状態では電気抵抗がゼロであるためにジュール熱が生じないことであり、もう１つは銅に比較して熱伝導率が低いことにある。
【０００４】
以上のように酸化物超電導体は電流リードとしては極めて有望な材料であるが、この材料として用いられるためには、ある一定以上の臨界電流密度および長さが必要である。特に、超電導電流リードは電流リード自体からのジュール熱がないために、熱侵入の観点から温度勾配の方向に対して電流経路は長いほうが有利になる。焼結法で作製されたＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ10系材料は長い形状の材料が比較的容易に製造できるため、冷凍機で動作する超電導マグネットに利用されつつある。しかしながら、焼結体であることとピンニング力があまり大きくないＢｉ系材料を用いていることから、導体断面積を大きくとらざるを得ず、また強磁場では臨界電流密度が著しく劣化することから、コンパクトな電流リードの母体となる材料として適さない。
【０００５】
臨界電流密度やその磁場中における特性を考えた場合、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系超電導材料は優れた特性を有する。Ｙの位置は他のＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕからなる群から選ばれた１種以上の元素で置換してもよく、以下ＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx と表記する。ただし、この材料系の場合、結晶粒界が著しく臨界電流密度を低下させるため、結晶粒が高度に配向している必要がある。現在の技術では、配向したＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx を製造する方法として、格子定数の近い基板上に成膜させる方法と溶融法が挙げられる。しかし、前者の場合、気相法を用いるため成膜速度の問題から断面積の大きな材料の作製が難しく、臨界電流密度は大きくとれても、電流リードに不可欠な臨界電流が大きくとれない欠点がある。
【０００６】
一方、ＱＭＧ法（特開昭６３−２６１６０７、特願平２−４０２２０４）で代表されるような溶融法を用いることによって、臨界電流密度が高く、比較的大型の材料が実際得られる。溶融法は、一度ＲＥ2 ＢａＣｕＯ5 相とＢａ−Ｃｕ−Ｏを主成分とした液相が共存する温度領域まで昇温し、これをＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx が生成する包晶温度直上まで冷却し、この温度から徐冷を行うことにより、結晶成長させ大きな結晶粒を得る手法である。この手法により、現在、約２０ｃｍ2 以上の結晶粒をもったバルク超電導材料を作製することができる。この材料の臨界電流密度は７７Ｋ，１Ｔで１００００Ａ／ｃｍ2 であり、上述のＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ10系材料に比べて臨界電流密度が優れている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法では得られる形状がバルク状であるために、１次元的電流経路を長くとることに限界がある。そこで、本発明は、長さが限定されているが臨界電流の高いＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルク超電導体に切り込み加工を施し、長い電流経路を付与されたコンパクトな電流リードを提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するものであって、ミアンダ構造を有する配向したREBa2Cu3Ox系バルク超電導体(REはY、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luからなる群から選ばれた1種以上の元素)とその両端に接続された導線により構成される導体で、REBa2Cu3Oxの電流経路が常にab面と平行であり、導線に接続されるREBa2Cu3Ox系バルク超電導体の断面積が中央部より大きくなっていて、かつ、ミアンダ構造の電流経路の隙間を熱伝導の悪い材料で埋めていること、及び、熱伝導性の悪い材料で気密に封じられていることを特徴とする超電導電流リードである。また、配向したREBa2Cu3Ox系バルク超電導体とその両端に接続された導線により構成される導体で、REBa2Cu3Oxの電流経路が90度の角度を有して屈曲し、かつ電流経路が常にab面と平行であり、導線に接続されるREBa2Cu3Ox系バルク超電導体の断面積が中央部より大きくなっていて、かつ、熱伝導性の悪い材料で気密に封じられていることを特徴とする超電導電流リードである。
【０００９】
【作用】
本発明はＱＭＧ材のような配向したＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルク超電導体１に切り込み加工２を施し、図１、図２（ａ），（ｂ）に示されるような２次元的な電流経路をとらせる手段を設けたものである。このようなシグザグな電流経路をとらせることにより、熱伝導が低く、磁場中においても電流容量が大きいコンパクトな電流リードができる。これは、真空中あるいは減圧中で使用されるような冷凍機動作型の超電導マグネットに使用される電流リードとして特に有用である。
【００１０】
先にも述べたように、上述した酸化物超電導材料は結晶粒界が著しく臨界電流密度を低下させるため、電流経路を横切るような結晶粒界がある構造では、高い性能を有する電流リードにはならない。したがって、使用されるＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx は配向している必要がある。また、この材料は、ｃ軸（単位格子の最長軸）方向には臨界電流密度が小さいこと、およびこの軸の直角の面（ａｂ面）の強度が著しく小さいために、図３ないし図５に示してあるように、長手方向すなわち電流経路がａｂ面に平行になっている必要がある。
【００１１】
図１はミアンダ構造と呼ばれる構造である。この構造には３つの利点がある。第１は、隣合う電流経路を流れる電流は反対向きであるためにインダクタンスを小さくできる点である。第２はコンパクト化が可能であることである。特にＱＭＧ法で作製したＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルク超電導体は臨界電流密度が高く、断面積を小さくでき、相当コンパクト化が図れる。そして、第３は形状付与が容易であることである。実際、平板状の試料をダイヤモンドカッターで容易に作製することができる。
【００１２】
両端の導線と接続される部分は、導線の抵抗や導線とＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx の接触抵抗に起因するジュール熱等によって温度上昇があり、超電導体の断面積が等しい場合はこの近傍から常電導転移（クエンチ）を起こすおそれがある。この材料は熱伝導が小さいため、常電導転移部分で発熱が局所的に起こり、焼損の危険性が大きくなる。この危険性を小さくするには、導線との接続部分近傍の断面積を大きくとり、クエンチが起こっても中央部から電流リード全体に起こるようにする必要がある。
【００１３】
ミアンダ構造では隣合う電流の向きが１８０度であるため、経路間に電磁力が作用することから、強度の点から不利な構造である。したがって、電流経路の隙間をＦＲＰ等の熱伝導の悪い材料で埋めて使用する形態も考えられる。図２のような構造はミアンダ構造に比較して電流経路は長くとれないが、電流経路が直交していることから、電磁力はかからない構造であり、板状試料から容易に加工することが可能である。
【００１４】
これまでの電流リードの発想が蒸発ヘリウムガスを積極的に利用するために、ガスの温度勾配の方向に電流が流れる必要があった。しかし、前述したような冷凍機で動作する超電導マグネットに用いられる電流リードの場合、必ずしも１方向に長くする必要はない。このようなマグネットの場合、電流リードは１０Ｋ−８０Ｋの真空空間に設置され、冷凍機からの伝導冷却によって冷却されるために、温度勾配は電流リード導体に沿ってつく。したがって、ミアンダ構造のような２次元的な構造を有していても伝導経路が長くなることによる効果は十分ある。
【００１５】
また、ミアンダ構造のような構造は、ガス中で用いられる場合は隣合う経路間でガスによる熱伝達があるため、ステンレス、キュプロニッケル、ＦＲＰのような熱伝導の悪い材料で真空あるいは減圧状態で封じられて用いられる方が効果は大きい。
【００１６】
本発明において配向したＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx バルク超電導体に限定した理由は、Ｂｉ系焼結材料では臨界電流密度が小さいため、断面積を大きくとらざるを得ず、本発明の大きな効果であるコンパクト性が得られないからであり、気相法で作製したような薄膜材料では臨界電流を大きくとることができないからである。臨界電流を大きくとるため、積層させて並列させる方法も考えられるが、相対的に基盤の厚さが大きいため基盤の熱伝導が無視し得なくなる。
【００１７】
厚さは０．１ｍｍ以上であることが望ましい。理由はこの厚さがおおよそ薄膜とバルクの境界であることと、一般に超電導マグネットは１００Ａ以上の電流容量を必要とするが、この材料の７７Ｋの臨界電流密度がゼロ磁場で１０００００Ａ／ｃｍ2 程度であるからである。また、実際問題としてこれ以上薄くすることは現実的ではない。
【００１８】
【実施例】
(参考例１)
QMG法で作製したYBa2Cu3Ox系バルク超電導体から図3、図4および図5で示されるような電流リードを作製した。これらを電流リードA(図3)、電流リードB(図4)および電流リードC(図5)とする。電流リードBの切り込み部分2を含めて、加工はすべてダイヤモンドカッターを用いて行った。それぞれの電流リードを構成している材料は全体にわたって大傾角粒界がなく、マトリクスのYBa2Cu3Ox相内にY2BaCuO5相が平均2μm以下で均一に分散している組織を有する。結晶方位は図3から図5に示したように試料の最も広い面がab面、すなわち電流の流れる方向がab面に平行である。また、この材料の臨界電流密度は77K、1Tで25000A/cｍ2である。なお図中3は電流の流れる方向を示す。
【００１９】
これらの電流リードを液体ヘリウム中で超電導体の臨界電流密度を測定するための臨界電流密度測定ホルダーに適用した。臨界電流密度は図６に示したようなクライオスタットを構成して測定される。図６は電流リードＡを設置した時の図を示したもので（ａ）は全体図、（ｂ）はＸ部分の拡大図である。使用した試料ホルダー１１は６つの試料の測定が可能であり、プラス側を共通にして２ｍｍ径の通電用銅線が合計７本キュプロニッケルパイプの心棒１６に沿って外部から測定部まで入っている（図の中では、銅線は省略している）。この径の銅線であれば、通常２００Ａまでの通電が可能である。
【００２０】
試料ホルダー１１は図に示されたようなステンレスデュワー１２にフランジ１３で固定され、試料ホルダー１１に設置した超電導試料に通電しながら、臨界電流密度を測定する。デュワー１２は真空１７と液体窒素１４によって熱的にシールドされ、通電用銅線がない場合の液体ヘリウム１５のレベルが２００ｍｍから０ｍｍになるまでの蒸発速度は、０．００７リットル／分である（以下、蒸発速度とは液体ヘリウムのレベルが２００ｍｍから０ｍｍまでの平均の蒸発速度をいう）。これに対して、２ｍｍ径の通電用銅線が７本デュワーの外から試料ホルダー１１まで入った場合の液体ヘリウムの蒸発量は、０．０８リットル／分であった。したがって、９０％以上の熱が通電用銅線を通じての熱伝導によって侵入してくることがわかった。
【００２１】
この銅線の途中にそれぞれ７本の電流リードＡ、電流リードＢ、電流リードＣを挿入・接続した場合の電流リード両端の電圧および液体ヘリウムの蒸発量を測定した。接続方法はＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx の電流リード１８両端の電極部分１９（長さ約１ｃｍ）にＲＦスパッタリング装置で銀を１μｍ成膜させ、これを長さ５ｃｍの銅編み線２０を介して通電用銅線に半田づけすることによって行った。銅線とＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 電流リード１８の間に銅編み線２０を介する理由は、間にフレキシブルな銅編み線を入れることによって、冷却による熱収縮歪みを解放するためである。
【００２２】
液体ヘリウムのレベルがゼロの状態においても、電流リードは銅線からの熱伝導と液体ヘリウムからの蒸発ガスによって５０Ｋ以下に冷却された。図６において２１が液体ヘリウムのレベルがゼロの位置である。試料ホルダー１１の試料設置部分を銅ブロック２２で短絡し、それぞれの電流リードに２００Ａの直流電流を流した。すべての電流リードの両端には電圧は検出されなかった。
【００２３】
表１に電流リードＡ，Ｂ，Ｃそれぞれの電流リードを設置した場合の液体ヘリウムの蒸発量を示した。表に示したとおり、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx の電流リードを挿入した場合は、挿入しない場合に比較して熱侵入が抑えられ、電流経路が長くなるにしたがってその効果が大きくなることがわかった。
【００２４】
【表１】
0003766448.tif 000002
【００２５】
(参考例2)
次に、デュワー内を37.8mmHgまで排気をしてYBa2Cu3Ox電流リードを用いなかった場合と電流リードAを7本挿入した場合、電流リードBを7本挿入した場合および電流リードCを7本挿入した場合の液体ヘリウムの蒸発量を測定した。YBa2Cu3Ox電流リードを用いなかった場合、液体ヘリウムの蒸発量が大きく、37.8mmHgまで圧力が低下する前に液体ヘリウムの液面が0mmになってしまった。一方、YBa2Cu3Ox電流リードを用いた場合、減圧の結果ラムダ点に達し、この場合、液体ヘリウムの液面近傍は2.2Kに到達した。表2に平均の液体ヘリウムの消費量を示す。電流リードAと電流リードBおよび電流リードC間で大きな差が認められた。ミアンダ構造をとって電流経路を長くとったものは、液体ヘリウムの消費量は低減され、電流リードからの熱侵入が大幅に低減されたことがわかった。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
(実施例1)
次に、FRPの箱の中にYBa2Cu3Ox電流リードを1気圧のヘリウムガスで密封したものを作製し、参考例1と同様な実験を行った。銅線部分とFRPはスタイキャスト1266と呼ばれるエポキシ樹脂でシールした。したがって、低温に冷却されると、電流リードの周囲は減圧状態になる。表3に電流リードA、B、Cそれぞれ7本設置した場合の液体ヘリウムの消費量を示す。電流リードAの場合は、密封しない場合に比較して消費量が大きくなったが、電流リードBとCの場合は参考例1の場合に比較して、消費量が低減することがわかった。
されたことがわかった。
【００２８】
【表３】
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【００２９】
(参考例3)
次に、形状・結晶方位の異なる切り出し方をした試料の液体窒素温度における臨界電流を測定した。測定した試料は参考例1で用いた電流リードAからCおよび図7から図9に示したような試料であり、それぞれ電流リードD、E、Fとする。すべての電流リードに使用されたYBa2Cu3Oxは大傾角粒界のない配向した材料である。電流リードDは、電流リードCと同じ形状であるが結晶方位が異なる。電流リードEは、電流リードBと同一形状であるが、切り出し方位が異なる。電流リードFは、電流リードCと結晶方位は同じであるが、電流リードCに比較して電極部分の断面積が細く、中心部の断面積と同じに切り出されたものである。
【００３０】
臨界電流測定は４端子法で行い、電流端子は両端１ｃｍの部分で実施例１に示したものと同様な方法で形成した。電圧端子はその内側５ｍｍの部分につけた。電流リードＡからＣまでは、電源の測定限界である５００Ａまで電圧は発生せず、すなわち臨界電流が５００Ａ以上であった。電流リードＤは３９０Ａの電流を印加したところで、ミアンダ構造の中央部の図７の４の部分で破損してしまった。破損はａｂ面での劈開割れであったが、これは電流経路間の電磁力によるものであったと考えられる。電流リードＥの場合は破壊は起こらなかったが、４００Ａ通電したところで臨界電流に達した。これは、電流経路が臨界電流の低いｃ軸方向になっているためと考えられる。電流リードＦの場合は、４８０Ａ通電したところで、電流端子近傍の図９の５の部分で焼損してしまった。これは、電流端子部分の温度が接触抵抗によるジュール熱により温度上昇を起こし、局所的にクエンチしてしまったためと考えられる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、配向した臨界電流密度の高いＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルク超電導体に結晶方位を規定して切り込み加工を施し、図１または図２に示されるようなジグザグな電流経路をとらせることにより、電流経路が長く熱侵入量の小さい電流リードが製造できる。これは、真空中あるいは減圧中で使用される電流リードとして特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ミアンダ構造を説明する図
【図２】（ａ），（ｂ）はそれぞれ屈曲した構造を有する電流リードを説明する図
【図３】電流リードＡの概略図
【図４】電流リードＢの概略図
【図５】電流リードＣの概略図
【図６】実施例における実験に用いたクライオスタットの概略図で（ａ）は全体図、（ｂ）はＸ部分の拡大図
【図７】電流リードＤの概略図
【図８】電流リードＥの概略図
【図９】電流リードＦの概略図
【符号の説明】
１  ＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 超電導体
２  切り込み
３  電流の流れる方向
４  破損部分
５  焼損部分
１１  試料ホルダー
１２  クライオスタット
１３  フランジ
１４  液体窒素
１５  液体ヘリウム
１６  心棒
１７  真空
１８  電流リード
１９  電極部分
２０  銅編み線
２１  液体ヘリウムのレベルがゼロの位置
２２  銅ブロック
【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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【図８】
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【図９】
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