環境エネルギー

薄膜高温超電導線材の超電導接続

Superconducting Joint for High-Temperature Superconductors＊大木康太郎柳澤吉紀

Kotaro Ohki

Yoshinori Yanagisawa

永石竜起

前田秀明

Tatsuoki Nagaishi

加藤丈晴

Takeharu Kato

Hideaki Maeda

高温超電導線材（high-temperature superconductors、以後 HTS と略す）同士の超電導接続技術は、HTS コイルの永久電流モードでの運転におけるキーとなる技術である。今回、永久電流モードでの運転を可能とする薄膜高温超電導線材の超電導接続技術を開発したので紹介する。本手法の特徴は、高温超電導体である REBa2Cu3O7-x（以後、REBCO と略す）の微結晶状態の前駆体を用いて接続する点にある。超電導の微結晶である中間体を成長させて形成することから iGS 接続（Intermediate Grown Superconducting 接続）と名付けた。接続処理後の接続界面の断面を TEM（Transmission Electron Microscope）で観察したところ、接続対象とするREBCO 層上の前駆体が配向結晶化することで、線材の REBCO 層と原子レベルの理想的な状態で接続されていることを確認した。本接続では、液体窒素中自己磁場下で実用的な値である70A 以上の接続 I c（超電導臨界電流※1）が再現良く得られ、また、HTS コイルから引き出された線材端部を本接続技術で接続することで、永久電流モードで動作することを確認した。3日間のコイル中心部の磁場の減衰特性から、接続部の抵抗は10-12～10-13Ω以下であり、超電導応用機器に対し実用的なレベルであることが示された。

A superconducting joint technology for high-temperature superconductors (HTS) is the key to the persistent operation ofHTS magnet coils. We have developed a superconducting joint technology for REBa2Cu3O7-x (REBCO) coated conductors(CCs) that realizes persistent current flow in HTS coils. We named it “iGS (intermediate grown superconducting) joint.” This
technology uses a microcrystalline REBCO precursor layer. A high-resolution image obtained by a transmission electron
microscope showed that the microcrystals grew epitaxially and atomically joined to the GdBCO layers of CCs. This joint hasa critical current of > 70 A with a good reproducibility at 77 K in a self-magnetic field. Persistent field decay in three days
suggests that the joint resistance was in the order of 10-12 to 10-13Ω at 77 K.
キーワード：高温超電導線材、超電導接続、永久電流、超電導コイル

1.

緒

言

超電導コイルを用いた NMR

電流※3モードでの運転は外部直流電源による運転に比べ、（核磁気共鳴）装置は、以下の実用的な観点で優れる。1）磁場の安定性、2）断熱

現在は主に研究機関で利用されているが、今後は医薬品・性（コイルと電源の接続部における熱侵入による液体ヘリ食品・成品等の生産管理用途向けの新市場が予想されておウムの蒸発がない）、3）NMR 装置の運用（電源を運用すり、その市場規模は1,500億円／年と推定される。NMR はるオペレーターが不要）、4）停電に対する耐性（安全性）。

核磁気共鳴の現象を用いた分析手法であり、電磁石が作りHTS コイルにより NMR を高分解能化できることは実証さ出す磁場が強いほど分解能が向上する。NMR の高分解能化れたが、広く普及させていくためには上述の点に優れる永は、NMR 磁石の高磁場化を中心に各国で開発競争がなされ久電流モードでの運転が必要であり、「HTS 線材の超電導接てきた。

続技術の確立」が望まれている。

※2

これまで、NMR 装置には金属系超電導体が用いられて近年、この HTS 線材の超電導接続に成功したとの報告がきたが、金属系超電導体は到達できる最高磁場に限界があなされた（2）。この報告により、REBCO 線材の接続が可能り、23.5 T（プロトンの共鳴周波数1 GHz に対応）を大なことが実証されたが、安定性や接続プロセス時間に長時幅に越えることはできない。この23.5 T の限界を超える間を要するという実用上の問題があった。今回、再現性よには、NMR 磁石の材料に高温超電導体（以下、HTS と略

く1日程度のプロセス時間という実用的な範囲で実施可能する）を用いることが有力な解決の方法と考えられている

な HTS 線材の超電導接続技術「iGS 接続」を開発した（3）のが、HTS は、実用的な NMR の運用に必須とされる超電導で紹介する。

接続技術が確立されていないという課題があった。この課題の回避策として、外部の直流電源を HTS コイルに接続して運転することが提案され、HTS コイルで NMR を高分解能化できることが実証されている（1）。しかしながら、永久2018 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 192 号

113

2.

REBCO 線材の超電導接続技術

2－1

露出させる。本実験では、Cu 保護層なしの線材を用意し、REBCO 線材

Ag 層をアンモニア水と過酸化水素水の混合液で除去して超本接続技術の開発においては、当社製の REBa2Cu3O7-x電導層を露出させた。露出した線材の超電導層表面と接続（以後、REBCO と略す、SCC）線材を使用した。REBCO 線用膜の超電導層表面を向かい合わせて密着するように配置

材は、2G 線材、Y 系線材、薄膜高温超電導線材など様々なした。この接続用膜は、超電導線材と基本構造は同じであ表記があるが、本稿では REBCO 線材とする。以下に REBCOるが、最表層に超電導材料の微結晶層を備える点が通常の線材の構造について説明する。REBCO 線材の基材につい超電導線材と異なる。超電導の微結晶である中間体を成長ては、東洋鋼鈑㈱と共同開発した Ni/Cu/SUS316L のファさせて形成することから iGS 接続（Intermediate Grown

インクラッド材を用いた。200 mm 幅で作製されたファイ

Superconducting 接続）と名付けた。

ンクラッド材を30 mm 幅にスリットされたものを使用しこの接続用膜の微結晶層は、フッ素フリー MOD（Metalており、バッファ層以降の成膜プロセスを当社内で実施しOrganic Deposition）法で作製した。GdBCO 線材上にている（4）。

MOD 溶液をスピンコーティングし、800℃で焼成して微結ファインクラッド材の Ni 層上にバッファ層として CeO2/晶層を得た。通常の MOD 法による GdBCO 層の成膜プロYSZ/Y2O3を RF マグネトロンスパッタリング法で成膜し、そセスでは10-4 atm の酸素濃度雰囲気中で処理することでエの上に、超電導層として4 µm 厚の GdBa2Cu3O7-x（以後、ピタキシャル膜を得るが、比較的高い酸素濃度1 atm で処GdBCO と略す）膜を PLD（Pulsed Laser Deposition）理することで GdBCO の微結晶を得ることができる。図2に法で成膜した。保護層として Ag をスパッタ法でコーティ微結晶層表面の SEM（Scanning Electron Microscope）ングし、最後に GdBCO 膜の超電導体化に必要な酸素導入像を示す。20～200 nm の結晶粒径をもつ多結晶状態であ処理を行った。酸素導入は、酸素雰囲気1 atm 中で500℃ることがわかる。図3に、接続用超電導膜の2次元 X 線回折から200℃まで6 h かけて徐冷することで行った。接続試パターンを示す。この像には、下地の配向 GdBCO 層を反験には4 mm 幅にスリットし、4 mm 幅あたり150 A 以上の I c をもつ線材を用いた。
2－2映した GdBa2Cu3O7-x（00l ）ピークに加え、リング状のGdBa2Cu3O7-x（103）パターンが見られた。GdBa2Cu3O7-x

超電導接続技術「iGS 接続」（103）のリングパターンは無配向の多結晶を示しており、電気回路等の接続では半田を用いた半田接続が一般的だが、半田接続では～10-8Ωの抵抗が発生する。実用的な永接続用超電導膜の微結晶層はエピタキシャル成長しておらず、無配向状態であることがわかる。

久電流モード運転には、接続抵抗を10 Ω以下に抑える必-11要があるが、これに対して半田接続の抵抗は3桁も大きい。
本超電導接続技術では、この10-11Ω以下の接続抵抗を実現した。
本超電導接続技術の接続手順について以下に述べる。接(a)

(b)
微結晶層

続の一例を図1に示す。接続対象の2本の線材を橋渡しする
1 cm □程度の小片の超電導線材（以下、接続用膜と記載）を配置した。
はじめに、接続対象とする2本の線材が Ag、Cu などの保護層で被覆されている場合はこれらを除去して超電導層を接続用膜(超電導層は下面)

200 nm

下地GdBCO層

500 nm

500 nm

図２ 微結晶層の SEM による観察結果(a) 微結晶表面の SEM 像 (b)35°傾斜させて観察

GdBCO
(103)

超電導層
線材②

Ag
Cuクラッド基板

(006)
(005)
下地GBCO 下地GBCO(003)
下地GBCO

線材①
図１ 超電導線材の接続の概略図

114

薄膜高温超電導線材の超電導接続

図３ 微結晶層の2次元 X 線回折パターン

次に、この接続用膜を用いて2本の超電導線材を接続すGdBCO 層（0.9 µm 厚）であり、下側が線材の GdBCOる手順について説明する。図4に示すように、2本の線材を層（4 µm 厚）である。矢印が指す付近の0.2 µm 厚の領域並べて配置し、線材と接続用膜の超電導面を向合せて配置が元々微結晶の前駆体であった接続に用いる層（以後、接した状態で40 MPa の圧力をかけて固定し、GdBCO 膜の続層と表記）であるが、上下の GdBCO 層が接続層を介し成膜温度である800℃で20 min 熱処理を行った。この接続てスムーズに接続されている様子が観察された。ただし、熱処理を10 atm の酸素濃度下で行うことで、微結晶層が図5の右側にみられるように、空隙や CuO なども存在する下地の GdBCO 層上でエピタキシャル成長するとともに、ことが示された。これらは、線材表面に元々存在した析出

線材側の GdBCO 層と接続する。しかしながら、低酸素濃物の影響と考えている。図5の上側にみられる CeO2/YSZ/度下において300℃以上の温度にすると GdBCO 中の酸素Y2O3中間層や Ni の層は、接続用膜の中間層とクラッド基が脱離して GdBCO 層が非超電導体化するため、接続後に板の Ni である。

-4

酸素導入処理が必要となる。GdBCO 線材の作製工程と同界面について更に詳細に調べるために、TEM を用いて観じく、酸素雰囲気1 atm 中で500℃から200℃まで6 h か察を行った。図6左に接続界面付近の断面 TEM 像を示す。

けて徐冷することで酸素を導入した。この熱処理工程に要SEM 像とは異なり TEM 像は少しの結晶方位の違いで明暗する時間は合計12 h 程度である。

が得られるため、接続用膜の GdBCO 層／接続層／線材
GdBCO 層の各 GdBCO 層間の境界を明確に区別することができる。更に高解像度の TEM 像を図6の右側に示すが、接続層／線材の各層の格子像がみられ、各界面は原子レベ接続用膜

ルで接続されていることがわかる。接続層／線材界面において、線材側の数 nm の層が暗くなっているが、これは格子歪みによるものと考えられる。各層から得られた回折図形や微結晶層

Ag
GdBCO層GdBCO層(接続用膜)

中間層
クラッド基板図４ REBCO 線材の接続の一例

接続層

3.

結果と考察

3－1

超電導接続の断面観察

接続界面の観察はファインセラミックスセンターで実施した。接続界面の観察を行うために、接続熱処理後の接続試料の加圧用治具を取り外し、線材の幅方向の断面出しをGdBCO層(線材)行った。断面出しには Ar イオンミリング装置を用いた。
接続部付近の断面 SEM 像を図5に示す。上側が接続用膜のNi

図６ 接続界面の断面 TEM 像

Ni-O

Y2O3/YSZ/CeO2

GdBCO層(接続用膜)

0.9 μm

接続層
GdBCO層(線材)

Gd2O3

空隙CuO

図５ 接続部付近の断面 SEM 像

2018 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 192 号

115

EBSD ※4（Electron Back Scatter Diffraction Patterns）

た。金属系超電導体と HTS のコイルを併用する場合など液の結果を解析した結果、各層間の角度のずれは面外・面内体ヘリウム中で使用することとなるが、このような低い温方向共に5°以内であった。

度での使用は REBCO 線材の接続 I c に対して有利に働くこ

3－2

超電導接続の電気特性とを意味する。

接続を含む線材の電流－電圧（I -V ）特性を四端子法で測3－3永久電流モードの実証定した。図7に例を示す。測定は、自己磁場下、液体窒素

次に、本接続技術を用いることで HTS コイルの永久電流中（77 K）で行った。接続を含まない線材のみの I c は、閾モード運転が可能なことを実証した。以下にその実証試験

値を1 µV/cm としたとき158 A であり、接続を含むものについて述べる。

は閾値を1 µV としたとき71 A（線材の I c の45％）であっ（1）コイルと評価系た。ヒートサイクル試験として17日後に再度測定を行った

REBCO 超電導線材で、直径40 mmのダブルパンケーキコが、接続 I c は75 A（線材の I c の48％）であり、大きな劣化イルを作製し、コイルから引き出された2本の線材端部を、はなかった。再現性を確認するために15個の接続を作製し本接続技術で接続して閉ループを形成した。コイルの諸元をたが、接続 I c は70～110 A であり、本手法による接続は高表1に示す。幅4 mm、長さ3.9 m、厚みは0.14 mm の線材い再現を有することを確認した。

I -V 特性の温度依存性を調べるために、77 K と4.2 K でI -V 特性を評価した。上述とは別の接続試料を用いた。77を使用した。接続 I c は140 A であったが、コイルに流すことができる電流は、コイル自身が発生する磁場の影響を受けるので小さくなり、その値は77 A であった。

K については液体窒素中で、4.2 K については液体ヘリウムコイルと接続を含めた評価系を図9に示す。図9の中央に中で測定を行った。本試験についても外部磁場は印加して示すように、直流電源との接続は、接続箇所－コイル間のいない。結果を図8に示すが、77 K では42 A であった接続引き出し線中で行い、直流電源に接続された銅電極とはんI c が、4.2 K まで下げると294 A に増加して7倍の値となっだで接続した。コイルに流れる電流は、コイル中心の磁場をホール素子で測定することで間接的に測定した。評価の手順を以下に示す。

3iGS接続電圧（µV）

17日後

線材（接続なし）

表１ コイルの諸元
コイル線材21幅、厚み4 mm×0.14 mm

安定化層なし絶縁層なし

I c ＠77 K

160 A

長さ3.9 mコイル（ダブルパンケーキ型）

500100電流（A）150

図７ 接続部の電流－電圧特性

877 K

4.2 K

サイズ

40 mm×42.1 mm

巻数30（15×2）巻

含浸なし

コイル I c ＠77 K

77 A

接続 I c ＠77 K

140 A

インダクタンス

53.5 µH

コイル定数0.87 mT/A

電圧（µV）

64

ホール素子

2電流

0電極－
0100200電流（A）

図８ 4.2 K における接続部の電流－電圧特性

116

接続部

電極＋薄膜高温超電導線材の超電導接続

300

ダブルパンケーキコイル（φ40 mm）

図９ 永久電流モードでの測定時の評価系

（2）評価手順

別のコイルを用いて、運転電流45 A で上述の実験と同様

まず、最初に接続部分を室温に保った状態のままコイルに3日間磁場の減衰を測定した。上述と同様の磁場減衰特の部分を液体窒素で77 K まで冷却した。この様にすること性が得られたが、本実験においてはコイル電流を取り除いで、コイル部のみ超電導状態となる。次に、直流電源からた後も0.27 mT の磁場が残存した。この残留磁場は遮蔽電コイルへ10 A を流し、直流電源とコイルが形成する回路に流による磁場と考えられる。この場合、磁場減衰特性は、10 A を流した状態で、接続部を液体窒素へ浸して全体を接続部の抵抗によるものと遮蔽電流による磁場が重ね合わ77 K まで冷却した。この状態で直流電源から流す電流値をさったものとなる。そのため、接続部の抵抗を単純に見積

徐々に0 A まで下げると、接続部とコイルで形成された閉もることはできないが、遮蔽電流による磁場は正方向に経ループにループ電流が流れる。この閉ループを流れる電流時変化するので、接続抵抗の上限値は見積もることができを、コイル中心の磁場を測定することで間接的に測定した。

る。接続抵抗は5.4×10-13Ω以下であると見積もられ、永（3）結果

久電流モード運転に必要な抵抗値10-11Ω以下より小さいこ

本実験は、理化学研究所で実施した。コイル中心の磁場とを確認した。の推移について3日間測定した結果を図10と図11に示す。
図11は図10の一部を拡大し、片対数プロットしたものである。測定開始から5時間の磁場減衰率から、接続抵抗は4.

結言3×10 Ω以下であると見積もられた。一方、長時間の測本稿では、HTS コイルの永久電流モードでの運転を可能

定では磁場の減衰率が経時変化し、30～60 h の磁場減衰にする REBCO 線材の超電導接続技術「iGS 接続」についてからは接続抵抗は5×10-13Ω以下と更に小さく見積もられ紹介した。本接続技術の特徴は、接続層として REBCO のた。磁場減衰率の経時的な変化は遮蔽電流の影響も考えら微結晶を用いる点にあり、この微結晶をエピタキシャル成れるが、コイル電流を取り除いた後の残存磁場は無視でき長させることで接続する。通常の REBCO 線材を作製するるほど小さかったことから、本測定結果については遮蔽電ときと同じ熱処理プロセスで接続処理を行うことができ、流の影響は無視できる。

酸素導入処理を含めて1日以内のプロセス時間で接続する-12ことができる。本接続技術では液体窒素中で70 A 以上という実用的な超電導接続 I c を再現良く得ることができ、液体窒素中自己磁場下で10-12～10-13Ω台まで接続抵抗を下げることができた。

磁場（mT）

864

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

20※1020

図1040時間（h）

超電導臨界電流超電導体に抵抗ゼロで流すことのできる最大の電流値。

60

※2NMR

原子核を磁場の中に入れて核スピンの共鳴現象を観測する

3日間の磁場減衰特性

ことで、物質の分子構造を原子レベルで解析するための装置。

7.8

磁場（mT）※3永久電流超電導体で形成された閉ループを、外部の電源なしに定常

3×10-12 Ω的に流れる電流。

7.7※43日間
5×10-13 ΩEBSD

測定対象に電子線を照射し、回折電子から生じた後方散乱回折を解析して結晶性などを調べる手法。

7.60.1

図11110時間（ｈ）

100100・iGS は、住友電気工業㈱の登録商標です。

3日間の磁場減衰特性（片対数プロット）2018 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 192 号

117

参考文献

（1）	Y. Yanagisawa, R. Piao, S. Iguchi, H. Nakagome, T. Takao,
K. Kominato, M. Hamada, S. Matsumoto, H. Suematsu, X. Jin,
M. Takahashi, T. Yamazaki and H. Maeda, 2014 J. Magn. Reson.
249 38-48（2）	Y. Park, M. Lee, H. Ann, Y. H. Choi and H. Lee, 2014 NPG Asia
Materials 6 e98（3）	K. Ohki, T. Nagaishi, T. Kato, D. Yokoe, T. Hirayama, Y. Ikuhara,T. Ueno, K. Yamagishi, T. Takao, R. Piao, H. Maeda andY. Yanagisawa, 2017 Supercond. Sci. Technol. 30 115017（4）	大木康太郎、永石竜起、2012 セラミックス 47 No. 4

執筆者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

大 木 康 太 郎＊ ：パワーシステム研究開発センター
博士（工学）

主査

永石竜起：パワーシステム研究開発センター
博士（工学）

室長

加藤丈晴：一般財団法人ファインセラミックスセンター
博士（工学）

柳澤

吉紀：国立研究開発法人理化学研究所
ライフサイエンス技術基盤研究センター博士（工学）前田秀明：国立研究開発法人理化学研究所
ライフサイエンス技術基盤研究センター
工学博士

ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
＊主執筆者

118

薄膜高温超電導線材の超電導接続