3B-a01

Bi 系線材

DI-BSCCO Type H の高 Je・低コスト化開発
Recent development of DI-BSCCO Type H with high Je and low cost
菊地 昌志，鍵山 知宏, 山崎 浩平, 中島 隆芳, 武田 宗一郎, 吉原 健彦, 小林 慎一, 長部 吾郎, 藤上 純,
林 和彦, 佐藤 謙一（住友電気工業）；北口 仁（物質・材料研究機構）；下山 淳一（東京大学）
KIKUCHI Masashi， KAGIYAMA Tomohiro, YAMAZAKI Kohei, NAKASHIMA Takayoshi, TAKEDA Soichiro,
YOSHIHARA Takehiko, KOBAYASHI Shinichi, OSABE Goro, FUJIKAMI Jun, HAYASHI Kazuhiko, SATO Kenichi(Sumitomo Electric Industries, LTD.); KITAGUCHI Hitoshi (NIMS); SHIMOYAMA Junichi (The University of Tokyo)
E-mail: kikuchi-masashi@sei.co.jp
1．はじめに
当社は DI-BSCCO（銀シース Bi2223 超電導線材）を製品化して以降、超電導応用機器に使われた場合の技術的・経済的価値を一層高めるため、性能価格低減と高強度化に注力してきた。近年のポストアニール技術開発[1]によって広い
温度/磁場領域で高 Ic を得るための熱処理方法を探索した結果、77 K, 自己磁場下の Ic は 273 A を記録したほか、in-field
Ic も飛躍的に改善している。
一方で、シースに銀を用いる Bi2223 線材にとっては線材コ
スト低減も重要な課題である。我々は性能を損なわずに単位
長さあたりに含まれる銀使用量を低減した設計の検討を開始
し、高性能低価格線材の商品化に向けた開発を進めている。
2．New Type H の検討
高性能線材を得るための指針の一つとして、走査型ホール
素子顕微鏡によって線材内の電流分布を可視化した研究結果が報告されている[2]。これによれば、Jc はフィラメント厚みに対して逆比の関係でふるまうことから、フィラメントを薄肉化す
れば Jc が向上することを示唆している。そこで、線材の基本構
成を Type H に揃えた上で線材厚みのみ薄くできれば、性能を損なうことなく単位長さあたりの銀使用量を抑えられるのではないかと考え、薄型線材を試作した。Table 1 に作製した線材の構造を示す。線材 A は典型的な Type H を表す。線材
B, C, D は Type H に対して厚みだけを約 30 m 薄くしており、単位長さあたりの銀使用量は設計上 13%低減することになる。
Fig.1 に線材 A と線材 B の横断面光学顕微鏡写真を示す。
写真からわかる通り、薄型線材の銀比と芯数は Type H(線材A)に揃えており、線材厚みだけを薄くしている。
加圧焼成を経た各試料片に対して RIGAKU・UltimaⅣを用
いて-2 測定と(Bi,Pb)2223 [0010]回折の rocking curve 測定を行い、各 400 m 級長尺線に対して 77 K, 自己磁場下の連続 Ic 測定を直流 4 端子法により実施した。これらの測定によって、単相度や配向度といったマクロなフィラメント組織を比較するとともに、長手方向の性能均一性も確認した。

えられるため、今後も継続して薄型『New Type H』の製品化開発を進める計画である。
当日は、 500 MPa(77 K)を超える引張り強度を実現した
Type HT-XX[3]において、bare を Type H から薄型線材に置き換えた場合の機械特性への効果を検証したので、その結果ついてもあわせて報告する。
Table 1 Wire configuration and silver ratio

(A)
(B)
1 mm

Fig.1 Cross-sectional images of sample A and sample B

Fig.2 Rocking curve profiles of wire A and wire B

3．薄型線材試作結果と考察
Fig.2 に線材 A と線材 B の rocking curve を示す。半値幅はともに 8.5°前後で有意差は見られなかった。また、単相度
は全て 95±0.2%に収まっており、目立った構成相の変化も観察されなかった。これらのことから、Type H に対して線材厚みを薄くしても結晶配向性や単相度などの特性には影響しないと考えられる。各線材の Ic と n 値の分布を評価した結果、薄型
線材の Ic は Fig.3 に示した通り 195 A～200 A と高い水準を示し、均一性も Type H と同等以上の性能を実現できることがわ
かった。
4．まとめ
薄型線材は、性能面とコスト面で従来の Type H に対して優れているだけではなく、補強テープとの断面積比が小さくなることで Type HT の引張り特性改善を見込むことができるなど、
特にマグネット応用を想定した場合の技術的利点も増すと考Fig.3 Ic and n value distributions
参考文献[1] M. Kikuchi: Abstracts of CSJ Conference(2010), 85, p.7[2] Y. Honda: Physica C, 470, No. 20, pp. 1333-1379(2010)[3] M. Kikuchi: Abstracts of CSJ Conference(2013), 87, p.162― 172 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-a02

Bi 系線材

DI-BSCCO 線材の臨界電流均一性
Ic uniformity of the DI-BSCCO Tapes
長部 吾郎, 藤上 純, 山田 雄一, 山崎 浩平, 小林 慎一, 林 和彦 (住友電工)
OSABE Goro, FUJIKAMI Jun, YAMADA Yuichi, YAMAZAKI Kouhei, KOBAYASHI Shinichi, HAYASHI Kazuhiko (SEI)E-mail: osabe-goro@sei.co.jp
1．はじめに臨界電流の均一性など、超電導線材の高品質化は、超電導機器用途など商用ベースで線材を供給するにあたり重要となる。超電導線材の遮蔽磁場を線材全長にわたりホール素子で測定することで、線材の欠陥部分を全長に渡り非接触、且つ高分解能に検出することが可能となる[1] [2]。4 端子法でIc を測定し、健全部分の遮 蔽磁場を全長 に渡り 測定し、
DI-BSCCO 線材の臨界電流の均一性を評価した。

３．実験結果Fig.2 に Type HT-CA 線材（単長 166m）の 4 端子法と欠陥検査装置で測定した Ic 測定結果を示す。4 端子法では、電圧
端子間距離 4m で測定、ホール素子を用いた欠陥検査測定
では 3.7mm の測定間隔で計測している。4 端子法による Ic 測
定結果は、全長の Ic.ave が 184A、標準偏差 0.7A (COV 0.37%）と、全長にわたり Ic は均一であった。一方、欠陥検査装置で測定した場合、分解能は 4 端子法の 1000 倍以上での測定となるが、全長の Ic.ave 184A に対して標準偏差 3.9A (COV2.1%)であり、高分解能測定においても線材は均一であり 4 端子法の測定結果を裏付ける結果となった。
Table.1 に 4 端子法で Ic 測定して健全であった線材を、欠陥検査装置で測定した結果を示す。DI-BSCCO 線材の Ic 均
一性を Ic 維持率 R (Ic/Ic.ave)の特性値から評価、Ic.ave に対して、Ic 最大値、Ic 最小値は 10%以内に納まる均一性を有する。
４．まとめ
DI-BSCCO 線材の Ic 均一性を、ホール素子を用いた欠陥検査装置による遮蔽磁場を測定することで評価した。線材のIc 分布に関して、線材を測定、平均 Ic は 186A、線材の平均標
準偏差は 3.6A、COV は 2.0%であった。DI-BSSCO 線材の Ic
変動上下限値は、Ic 平均値に対して、10%以内に納まる均一性を有している。

Liq N2

Hall Probe
ArraysMagnetPulleyPulleyCritical Current (A)Fig.1 ： Schematic illustration of the defect detection
measurement system (DDMS) of DI-BSCCO wires at 77K.
250
200
150
100
50

4 Terminal Method

250
0
Critical Current (A)2．実験方法
電圧端子間距離 4m で、4 端子法による臨界電流 Ic を測定し、線材健全部分をホール素子欠陥検査装置で測定した。
Fig.1 に、ホール素子を用いて線材の遮蔽磁場を測定する欠陥検査装置の概略図を示す。液体窒素中にある線材に、永久磁石で静磁場を印加すると、超電導の特性から、外部磁場を遮蔽するように遮蔽電流が発生し、印加磁場と反対方向に遮蔽磁場が発生する。線材の劣化部分では、常伝導状態になっているか、超電導特性が低くなっており、健全部と比較して遮蔽磁場が小さくなる。アレイ型のホール素子を線材表面
近傍、横断方向に配置し、線材を液体窒素中一定速度で移動させる事で、線材の劣化部分のシグナルを全長にわたり検知する事が可能となる。遮蔽磁場のデータは線材長手方向に 3.7mm 間隔で取得、線速は 1m/min で測定した。遮蔽磁場のデータは、rot B=μ0J の関係を利用して、アレイ型のホール
素子（素子数 7 個、素子間隔 0.6mm）の隣り合う素子との磁場勾配を計算し、4 端子法で測定した臨界電流値の全長平均値 Ic.ave と同じになるように補正係数αを導入し、臨界電流の値を評価した。測定には、裸線材を銅合金で半田集合したType HT-CA 線材を使用し、単長約 120m～160m の線材 5本評価した。

DI-BSCCO
Type HT

200
150
100
50

Hall Probe Measurement

0
0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Length (m)Fig.2 ：Critical current distribution at 77K of 166m length
DI-BSCCO wire measured by 4 terminal method Ic
measurement with the resolution of 4m and hall probe Ic
calculation data with the resolution of 3.7mm.
Table.1 Results of Ic uniformity of DI-BSCCO wires (N=5)
measured by DDMS with hall probe array at 77K.
ResoLot
Lengthlution
#

1
2
3
4
5

[m]
130
123
166
142
164

[mm]
3.7
3.7
3.7
3.7
3.7

D.D.M.SHall Probe Array
Critical Current [A]

I c.ave

Std

cov

[A]
188
185
184
186
185

[A]
3.9
2.8
3.9
3.9
3.6

[%]
2.1%
1.5%
2.1%
2.1%
2.0%

R = I c/ I c.ave
R max

R min

1.09
1.08
1.10
1.09
1.07

0.92
0.95
0.92
0.92
0.93

Cumulative
Probability
R <0.95 R <0.90
[%]
0.11
0.01
0.19
0.52
0.30

[%]
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00

参考文献
1. A. Gandini, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond, 13 (2003)
3332
2. Y. Honda, et al.: Physica.C. Vol, 470 (2010) 1377

― 173 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-a03

Bi 系線材

DI-BSCCO 線材の臨界電流の一軸性引張・圧縮歪依存性と白色Ｘ線 による
BSCCO フィラメントのひずみ測定

Uniaxial tensile/compressive strain dependence of critical current of DI-BSCCO tapes andlocal strain on BSCCO filaments measured by white X-ray
町屋 修太郎（大同大学）；長村 光造（応用科学研究所）；Damian P. HAMPSHIRE（Durham 大）；土屋 佳則（NIMS）；
菖蒲 敬久（原子力 機構）；梶原 堅太郎（JASRI/Spring-8）；
長部 吾郎，山崎 浩平，山田 雄一，藤上 純（住友電工）
MACHIYA Shutaro (Daido Univ.) ; OSAMURA Kozo (RIAS) ; Damian P. HAMPSHIRE (Durham Univ.) ;TSUCHIYA Yoshinori (NIMS) ; SHOBU Takahisa (JAEA) ; KAJIWARA Kentaro (JASRI) ;OSABE Goro, YAMAZAKI Kouhei, YAMADA Yuichi, FUJIKAMI Jun (SEI)E-mail: machiya@daido-it.ac.jp

2. 試料および実験方法
用いた DI-BSCCO の試料は，幅は約 4.2 mm で SUS によるラミネート強化を行ったものである。治具は、初期がストレート形状となるスプリングボードを用いた。試料は治具に、低温はんだにて取り付けを行った。
回折実験には SPring-8 の白色ビームラインである BL28B2を用いた。回折線は（220）を用いた。自動引張試験機を用いて、試料表面に貼ったひずみゲージの値を用いたひずみ制御にて負荷を行った。負荷ひずみは、図１に示すように引張 0.2%
から圧縮-0.4%まで連続的に負荷を行った。実験中は曲げにより中心位置が動くが、移動のプロフィルをオフラインで一度取得し、常に試料中心が動かないような補正を行った。
臨界電流測定では、液体窒素中で図１と同様の負荷ひずみで測定を行った。

の報告にもあるように、引張側は臨界電流は線形の単調減少がみられるが、圧縮側では、-0.05%付近で極地を迎えた後に、急勾配で Ic が減少する挙動が見られた。これまで圧縮のフィラ
メント強度に関する議論はあまりなかったが、これらの結果から、圧縮側では引張とは異なるフィラメントの劣化あるいは破壊のメカニズムがあると推察される。
4. まとめ
本実験では、DI-BSCCO 線材ににおいて，引張・圧縮をシームレスに測定できる治具を用いて、圧縮下での臨界電流およびフィラメントのひずみの実測を行った。その結果、圧縮では比較的低いひずみ領域から Ic の不可逆的減少が起こることが明らかとなった。これは、フィラメントのひずみ測定でも確かめられ、引張領域では線形であるが、圧縮では低いひずみ領域から非線形となった。
0.2

S

SUS
Lattice strain of filament%

1. 緒言
DI-BSCCO 線材について、単軸引張によるひずみ特性の報告は多いが、圧縮についてのデータはあまり多くない。これまでU-Bendや Packman などの貼り付けによる曲げ治具が提案されてきたが、初期曲げが導入されることなど問題は多かった。
今回、スプリングボードという初期形状がストレートとなる特殊治具を用いて、一軸性引張・圧縮ひずみを与えた状態で臨界電流の測定を行った。また室温ではあるが、同じ条件で白色Ｘ線を用いて治具ごと透過させてフィラメントのひずみ状態の非破壊的測定を行ったので報告したい。

0.1

0.0

-0.1

E

-0.2

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

Applied strain %Fig. 2S

Relation between applied macro strain andlattice strain of filaments.

1.00

SUS

0.95
Ic / Ico

3. 結果および考察
白色 X 線によるひずみ測定で得られた負荷ひずみとフィラメントの結晶ひずみの結果を図２に示す。（図１での最終負荷ラインのみを示した。）圧縮の-0.1%付近までは、線形にひずみは変化しているが、そこからは非線形な挙動を示した。
図３にひずみ下での臨界電流測定の結果を示す。いままで

0.90

0.85

0.80

E

-0.4%

-0.4

-0.2%
Fig. 10

Fig. 3

0.2%

Applied strain diagram― 174 ―

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

Applied strain %Relation between applied strain andnormalized critical current

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-a04

Bi 系線材

DI-BSCCO線材の臨界電流の曲げ歪依存性と一軸性引張・圧縮歪依存性との相関
Interrelation of bending strain with uniaxial tensile/compressive strain dependenceof critical current of DI-BSCCO tapes
長村光造（応科研）；町屋修太郎（大同大）；長部吾郎、山崎浩平、山田雄一、藤上純（住友電工）；
Damian P. HAMPSHIRE (Durham Univ.)
OSAMURA Kozo (RIAS)；MACHIYA Shutaro (Daido Univ.)；OSABE Goro, YAMAZAKI Kouhei, YAMADA Yuichi,
FUJIKAMI Jun (SEI)；Damian P. HAMPSHIRE (Durham Univ.)
E-mail: kozo_osamura@rias.or.jp
る。(3)の領域は圧縮荷重によりフィラメントが座屈やせん断破壊により臨界電流が徐々に減少する領域である。(4)の領域はさらに大きな脆性破断が起こるため臨界電流が急速に減少し
ている。
1.05
Aco
1

(1)

(3)
Ic / Ico

1．はじめに前の講演で DI-BSCCO 線材について、スプリングボードを用いて、一軸性の引張・圧縮を与えた状態で臨界電流のひ
ずみ依存性の測定を行った。その結果は Fig.1 に示すように要約される。AlBSCCO は BSCCO フィラメントに生起する歪の負荷歪(Ａａ)依存性を示している。圧縮側、引張側それぞれでのフィラメントが破断し始める限界の歪を Aacr, Aatr とすると、その内側では臨界電流の歪依存性は可逆となる。Fig.1 の上図に対応する臨界電流の変化を示す。可逆歪範囲では臨界電流
は歪が減少するとほぼ線形に増加する。しかしフィラメントが破断すると臨界電流は急速に減少することを模式的に示して
ある。

At1

0.95
Ac1
0.9

(2)

(4)

0.85
Ac2

0.8

At2

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

Aa (%)

Fig.2 Uniaxial strain dependence of critical current for the
stainless sheet laminated BSCCO tape
1.1
Aco

Ic / Ico1

Fig.1 Schematic illustration of the critical current and the
local strain exerted on BSCCO filaments as a function of
applied strain.

At1

0.9
t=0.10 mm,
Aco=-0.1%,
At1=0.35%,
At2=0.4%
a1=-0.126,
a2=-0.740,
a3=0.597
a4=0.5970.80.7

一方臨界電流の曲げ歪依存性には圧縮と引張の歪が同時に影響することになる。そこでスプリングボードの実験で得られた臨界電流の一軸性歪依存性との関係を検討したところ、両者の臨界電流の歪依存性に１対１の相関があることが明らかになったので報告する。
2．実験方法
供試料は住友電工製の DI-BSCCO テープで、数種の金属テープをラミネートした補強テープを用いた。これを室温で所定の直径の治具に巻き付けて曲げ変形を与えた。その後直線状にして臨界電流測定用のホルダーに取り付けた。臨界電流測定は液体窒素中で行った。また Spring-8 において試料テープを曲げた状態で BSCCO フィラメントに分布する歪の状態を観察した。前講演で報告したスプリングボードによる実験結果を解析に用いた。
3．実験結果および考察
Fig.2 に臨界電流の一軸性圧縮/引張歪依存性を示す。ここで Fig.1 の模式図に対応させて考えると、(1)の領域はフィラ
メントの破断が起こらない可逆歪領域である。(2)の領域は引張荷重によりフィラメントが破断して急速に臨界電流が減少す

0.6

0

20

40

60

80

D (mm)

100

120

140

Fig.3 Calculated critical current as a function of bending
diameter for the stainless sheet laminated BSCCO tape.
DI-BSCCO テープでは中心部分の厚さ約 0.1mm の範囲は純銀に囲まれた多数本の BSCCO フィラメントで構成されている。
このテープを直径 D まで曲げると、歪ゼロの中立面の外側では最大引張歪(A+)まで、内側では最大圧縮歪(A-)まで歪が連続して変化する状態になる。臨界電流の曲げ歪依存性はFig.2 に示すデータについて A+から A-までの積分をとることにより評価することができる。このようにして計算で求めた臨界電流の曲げ直径依存性を Fig.3 に示す。図中に直径に対応す
る一軸性歪の値を Aco, At1 で示した。このことより Aco～At1 の間
では Fig.2 の圧縮歪の(3)の部分でのフィラメントの座屈等による臨界電流の減少に対応する。 At1 より小さな直径では(2)の領域の引張歪によるフィラメントの急速な破断に対応させることができる。
今回は特に臨界電流の曲げ歪依存性への一軸性圧縮・
引張歪の寄与を明確に分離して議論できることを示した。

― 175 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-a05

Bi 系線材Pb を含む高温超伝導相 Bi,Pb-2223 薄膜の組織と超伝導特性
The microstructure and superconducting properties of High-Tc Bi,Pb2223 thin films(0024)

STO

40

50

(0026)(0012)(0014)(0010)30

2θ (degree)(0020)

20(0016)(008)

10(0018)

(004)

(002)

106

60

70

Recent films@77 K
MOCVD film@77 K
Endo,Nature 355

105
DI-BSCCO@77 K

104

103

102

3．結果および考察
図 1 にスパッタ蒸着後と焼鈍後の薄膜の XRD パターンの結果を示す。熱処理前と熱処理後でそのピーク強度を比較する
ために同じスケールで表示を行っている。蒸着膜ではBi-2223 相の 00l ピークと基板のピークのみ観察され、STO 基
板上に Bi-2223 相が形成されていることが確認できる。ただし、その強度は低く、ピークの半値幅も大きい。その後、熱処理を行ったところ、その強度は図に示すように桁違いに大きくなり、
半値幅も減少し、強い 00l ピークが観察された。このことから、焼鈍によって結晶性が良くなったと考えている。一方で、ICP測定による薄膜内組成分析を行ったところ、ターゲットに Pb が大量に存在するにもかかわらず蒸着膜では全く入ってないことがわかった。一方、熱処理を行ったところ Pb 量が Bi:Pb＝1.5:0.4 程度まで含まれることがわかった。
図 2 は液体窒素付近の温度における Jc -B 特性についての結果を示した。図中には比較のために DI-BSCCO 線材の特性と遠藤らによって得られた MOCVD 膜の特性も示した。
当初得られていた薄膜は 78K でその特性は DI-BSCCO 線材と同様であった。組織的には Fig.1 のような強い c 軸配向した組織が得られているにもかかわらず、その特性は低いものであった。その大きな要因の一つはキャリア濃度のコントロール

as deposited film
After annealing

Fig. 1 XRD pattern of as-deposition and after annealing
film of Bi,Pb-2223 thin film.

Jc (A/cm2)

2．実験方法
前駆体薄膜は rf スパッタ蒸着法を用いて作製を行った。
薄膜作製にあたり、Bi2.0Pb0.5Sr2.0Ca2.5Cu2.5Ox ペレットの焼結体
ターゲットを用いた。スパッタ蒸着用ターゲットは目的の組成に秤量後、830℃で 10 時間の仮焼を行った後、粉砕、混合し、ペレット成形を行い、さらに 840℃で 10 時間の本焼成を行って作製した。薄膜蒸着条件としては 50 Pa 純酸素雰囲気下で基板温度を 700℃として STO(100)基板上に成膜を行った。得
ら れ た 前 駆 体 膜 は 、 特 性 改 善 と Pb 挿 入 を 目 的 と し 、Bi,Pb-2223 ペレットとともに焼鈍熱処理を施した[1-2]。さらに超伝導特性向上のため、450℃で純酸素気流中での後焼鈍を行った。これらの薄膜について X 線回折、SEM、TEM、
STEM 等による組織観察および超伝導特性の評価を行った。

Intensity (relative)

1．はじめにビスマス系線材の特性が近年飛躍的に上昇し、実用化を目指した機器開発が盛んに行われている。特に省エネルギ
ー利用を目指した電力ケーブル、MRI 用マグネットやモーター等への応用が期待されている。これらの用途に用いるためにはビスマス系線材のさらなる臨界電流密度特性(Jc)向上が課題となっている。我々のグループでは Jc 特性向上のための指針を得るために線材と同じ元素数を有した Bi,Pb-2223 薄膜 を 用 い た 基 礎 的 な 研 究 を 行 っ て き て お り 、 Jc 特 性 やBi,Pb-2223 相の生成メカニズム等の解明を行っている。一方で、薄膜の研究は遠藤らによって得られた CVD 法薄膜において非常に高い特性が得られていた[1]が、それ以降ほとんど研究が行われていなかった。近年、我々のグループでは
Bi,Pb-2223 ペレットと同時に熱処理を行う手法により、Pb を
Bi-2223 相中に注入することに成功し、高い特性を上げつつある[2-3]。本報告では得られた薄膜における超伝導特性とその組織について報告を行う。

STO

松本 明善， 北口 仁（物材機構）； 土井 俊哉（京大）； 波多 聰（九大）
MATSUMOTO Akiyoshi， KITAGUCHI Hitoshi (NIMS); DOI Toshiya (Kyoto Univ.);
HATA Satoshi(Kyushu Univ.)
E-mail: matsumoto.akiyoshi@nims.go.jp

Bi,Pb-2223 film@78 K, 2012

B // film surface
0

2

4

6

8

10

12

Magnetic Field (T)Fig. 2 The Jc as a function of magnetic field of Bi,Pb-2223
films.
である事がわかった。後焼鈍処理として酸素雰囲気下で熱処理を行うことによって特性は格段に向上していき、現時点では77.3 K、自己磁場中で最高値の 0.9 MA/cm2 を達成することに成功した。一方で、強い c 軸配向膜を得られている一方で、磁場方位に対しては極端に弱いこともわかってきた。
4．まとめ
スパッタ法と目的組成のペレットと同時に熱処理を行う手法
により Bi,Pb-2223 薄膜の作製し、高い Jc 特性を有した薄膜の作製に成功した。
参考文献[1] K. Endo et al., Nature355, 327, 1992
[2] 吉村卓哉ら, 低温工学48，95，2013.
[3] A. Matsumoto et al., IEEE Transactions on Applied
Superconductivity, 23, 7500504, 2013

― 176 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-a06

Y 系 PLD 線材

Ca ドープ及び低温アニールによりキャリア制御を試みた YBa2(Cu1-xMx)3Oy 薄膜の超伝導特性Superconducting properties on YBa2(Cu1-xMx)3Oy films attempted to control carrier by Ca
doping and low temperature annealing
小島 翔, 一野 祐亮, 吉田 隆(名大工)
KOJIMA Sho, ICHINO Yusuke, YOSHIDA Yutaka (Nagoya Univ.)
E-mail: kojima-syo11@ees.nagoga-u.ac.jp
れ、z = 0.045 付近で最適ドープ状態となったことを示唆していると考えられる。また Ca の置換量がさらに増加するとキャリアがオーバードープ状態となり Tc 及び Jc が低下したと考えられる。
ただし、65 K における Jc は、最も特性の高い z = 0.045 のCa 置換試料において 1.86 MA / cm2 である。これは同温度における pure-YBCO 試料の Jc と比較して 1 / 5 程度であり、十分な値とは言えない。今後は低温領域における特性に着目し、77 K 以下の温度領域における特性のさらなる向上を図る予定である。
4. まとめ本研究では Cu サイトに 3d 遷移金属である Co を置換した
YBCO 薄膜に Ca をドープし、その超伝導特性を評価した。その結果、Tc 及び Jc は Ca の置換量に対して上に凸の傾向を示
し、置換量 z = 0.045 で最大値 Tc = 86.3 K、Jc = 0.86 MA /cm2 を示した。これは Ca 置換によりキャリアがドープされたためと考えられる。
謝辞
本研究の一部は、科学研究費補助金(23226014,19676005,
25289358)からの助成を受けて実施したものである。
300
250

Bc2(0) [T]200
150
Y1-zCazBa2(Cu0.990CO0.010)3Oy

100
50

YBa2Cu3Oy
0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

Amount of substitution z
Fig. 1 Amount of Ca substitution dependences of Bc2(0) for
Y1-zCazBa2(Cu0.990Co0.010)3Oy thin films.
88

1.0

Tc
Jc

86

0.9
0.8
0.7

Tc [K]

0.6
84

0.5
0.4
0.3

82

0.2

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

2

0.1
80

Jc@77 K [MA / cm ]1. はじめに超伝導マグネットなど磁場中の使用が期待される超伝導体
において、上部臨界磁場 Bc2 の向上は重要な課題である。
我々のグループはこれまでに、YBa2Cu3Oy 薄膜の Cu サイトを
3d 遷移金属で置換することで、Bc2 が大きく向上することを報告してきた[1]。一方 YBa2Cu3Oy 薄膜の 3d 遷移金属置換による重大な課題として置換金属の置換位置の同定や、超伝導転移温度 Tc が大きく低下することなどが挙げられる。最近では超伝導機器を 77 K 以下の温度領域で運用することも考えられており、3d 遷移金属置換 YBCO も 77 K 以下での高特性が期待されたものの、Tc 低下の大きさから十分な特性は得られなかった。Tc 低下の原因は明らかではないが、元素置換により超伝導転移を担うキャリアへの影響があると考えられる。
そこで本研究では特に Tc の低下という課題に着目し、その解決に向けて低温長時間アニール、及び YBa2(Cu1-xMx)3Oy
薄膜への Ca2+ドープという異なる 2 種類のアプローチにより、キャリアの制御を行うことで Tc 及び Jc の向上を試みた。Ca2+ドープに関しては組成や置換量が連続的に変化した薄膜を 1度の成膜で作製できるコンビナトリアル-PLD 法（C-PLD 法）を用いて、Y1-zCazBa2(Cu0.990Co0.010)3Oy 薄膜、及び Co の置換量を変えた Y1-zCazBa2(Cu0.995Co0.005)3Oy 薄膜の Ca の置換量 zを 0~0.1 まで連続的に変化させ、置換量に対する超伝導特性への影響を検討した。
2. 実験方法
SrTiO3 単結晶基板上に 4 倍波 Nd:YAG レーザー（波長266nm）を用いて YCaBa(CuM)O 薄膜を作製した。基板ヒーター
温度 920 ℃、酸素圧力 40 Pa、ターゲット-基板間距離 40 mm、
レーザーエネルギー密度 2.0 J / cm2 で成膜を行った。M 元素として最も Bc2 向上効果が大きかった Co を選定し、C-PLD 法
では YBa(CuCo)O 焼結体と添加量 z = 0.1 とした Ca 置換
YBa(CuCo)O 焼結体を用いた。作製した薄膜の配向性及び結晶性は X 線回折法で、超伝導特性は直流四端子法で、また薄膜の置換量は SEM に付随したエネルギー分散型 X 線
分光器でそれぞれ評価した。
3. 実験結果及び考察
XRD の結果から作製した薄膜は良好な 2 軸配向であることを確認した。
Fig. 1 に Y1-zCazBa2(Cu0.990Co0.010)3Oy 薄膜における Tc 近傍の T-Bc2 直線を外挿した 0 K における Bc2 である Bc2(0)の Ca
置換量依存性を示す。なお、Bc2(T)は、種々の印加磁場下において温度に対する電気抵抗率を測定し、常伝導抵抗率の50％となる温度と磁場で定義した。Bc2(0)は Ca 無置換試料と比べ低下し 230 T 程度となったものの、pure-YBCO 試料の
101 T と比較し約 2.3 倍の値を示した。
Fig. 2 に Y1-zCazBa2(Cu0.990Co0.010)3Oy 薄膜に関する Tc 及びJc の Ca 置換量依存性を示す。Fig. 1 に示すように、Ca 置換量z に対して Y1-zCazBa2(Cu0.990Co0.010)3Oy 薄膜の Tc 及び Jc は
おおよそ上に凸の形状を示し、極大値を持つことを確認した。
その値は z = 0.045 の Ca 置換試料で Tc = 86.3 K、Jc = 0.86
MA / cm2 となり、Ca 無置換試料と比較し Tc が約 3 K、Jc が約
0.7 MA / cm2 程度向上した。これは 3d 遷移金属置換によりアンダードープ状態となったキャリアが Ca2+置換によりドープさ

0.0
0.12

Amount of Substitution z
Fig. 2 Amount of Ca substitution dependence of Tc and Jc forY1-zCazBa2(Cu0.990Co0.010)3Oy thin films.

参考文献
1. 小島ら 第 87 回・低温工学・超電導学会講演概要集、
2P-p13, p. 117.

― 177 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-a07

Y 系 PLD 線材

BaHfO3 添加 RE1+xBa2-xCu3Oy (RE = Gd, Sm)薄膜におけるRE 元素の違いによる磁束ピンニング特性
Difference of Rare Earth elements in BaHfO3 doped REBa2Cu3Oy (RE = Gd, Sm)
thin films on the Flux pinning properties
樋川 一好、吉田 隆、一野 祐亮 (名大);吉積 正晃、和泉 輝郎 (SRL)
HIKAWA Kazuyoshi, YOSHIDA Yutaka, ICHINO Yusuke, (Nagoya Univ.);
YOSHIZUMI Masateru, IZUMI Teruo, (ISTEC)
E-mail: hikawa-kazuyosi12@ees.nagoga-u.ac.jp
1．はじめにBMO (BMO: M= Zr, Sn, Hf)材料は気相成長法により作製された REBa2Cu3Oy (RE : Rare Earth)薄膜中では基板に垂直にナノロッドとして成長し、基板に垂直に印可された磁場に対して強いピンニング力を有することが知られており、その形状は成膜温度や REBCO と BMO との組み合わせなどによって変化することが報告されている[1-3]。
これまで、我々は IBAD-MgO 基板上に成膜した BaHfO3(BHO) 添加 GdBa2Cu3Oy 薄膜において、直線的なナノロッドを導入することにより磁場中で高い Jc を示すことを報告した[4]。
そこで本研究では、BHO ナノロッドを導入した GdBa2Cu3Oy(GdBCO)及び SmBa2Cu3Oy (SmBCO)薄膜を同一の成膜条
件により作製し、Rare Earth の違いによる超伝導特性及びナノロッドの形状変化を明らかにすることを目的とし、BHO 添加 GdBCO 及び SmBCO 薄膜を作製し、超伝導特性及びナノロッドの微細構造評価を行った。

MA/cm2(SmBCO)とほぼ同等の値を示した。一方、磁場中
Jc は 1 T 以上において GdBCO 薄膜の方が 3 倍程度高い Jcを示した。両薄膜におけるこの Jc の違いは、SmBCO 薄膜の 1 T 以下の低磁場における Jc 低下が大きいことが要因であると考えられる。
今後、添加量に対する BHO ナノロッドの数密度変化から、RE 元素の違いによる BHO ナノロッドの形状変化を明らかにするとともに、添加量に対する Tc の傾向や Jc の
磁場印加角度依存性から BHO ナノロッドの磁束ピンニン
グ特性を議論する予定である。
Table 1 Tc and c-axis lengths for the pure-REBCO
and 1.5 vol.% BHO doped REBCO thin films

Pure-REBCO

2．実験方法
KrF エキシマレーザーを用いたパルスレーザー蒸着法により、IBAD-MgO 基板上に BHO を導入した GdBCO 及び
SmBCO 薄膜を作製した。成膜は基板温度 780 ℃、酸素分
圧 53 Pa、ターゲット-基板間距離 60 mm、繰り返し周波数 10
Hz で同一の条件の下で行った。また、BHO の添加方法は
GdBCO 焼結体に扇状に加工した薄い BHO 焼結体を乗せて成膜を行う修飾ターゲット法を用い、扇状 BHO の角度を変化させることで BHO 添加量の制御を行った。
作製した薄膜は X 線回折（XRD）法により結晶構造を、直流四端子法を用いて超伝導特性の評価を行った。また、薄膜の微細構造観察に透過型電子顕微鏡（TEM）を用いた。BHO ナ
ノロッドの数密度は薄膜表面を Br メタノールエッチングし、母相と BHO ナノロッドのエッチングレートの違いにより相対的に突出する BHO ナノロッドの数を AFM （Atomic ForceMicroscope）観察像から数えることで算出した。
3．実験結果及び考察
Table 1 に pure 及び BHO 添加した SmBCO 及び GdBCO
薄膜の Tc 及び c 軸長を示す。XRD 測定により pure-GdBCO
及び SmBCO 薄膜は良好な c 軸配向を示し、臨界温度 Tc
はいずれも 92.5 K を示した。次に、1.5 vol.%の BHO を添加 し た薄 膜 は大 幅 に Tc が低 下 し、 GdBCO 薄 膜 及 び
SmBCO 薄膜それぞれで 89.5 K 及び 90.0 K を示した。さらに、BHO を添加した薄膜は c 軸長が 11.79 Åを示し、無添加の薄膜と比較して伸長しており、REBCO と BHOとの格子ミスフィットによるものと考えられる。
次に Fig. 1 に pure-REBCO 及び 1.5 vol.%の BHO を添加した REBCO 薄膜の、77 K における B//c 方向に対する Jc の
磁場依存性を示す。まず、無添加の薄膜では SmBCO 薄膜
及び GdBCO 薄膜は 1 T ではほぼ同様な Jc = 0.5 MA/cm2を示したのに対して、GdBCO 薄膜は特に 6 T 以上において高い Jc を示した。次に BHO を添加した薄膜では、Jcself
はそれぞれ Jcself = 1.81 MA/cm2 (GdBCO)及び Jcself =1.24

1.5vol.% BHO
doped REBCO

Tc

c 軸長

GdBCO

92.5

11.74

SmBCO

92.5

11.75

GdBCO

89.5

11.79

SmBCO

90

11.79

Fig. 1 Magnetic field dependence of Jc for the pure-REBCO and1.5 vol.% BHO doped REBCO thin films at 77 K in B // c.
4．謝辞
本 研 究 の 一 部 は 、 科 学 研 究 費 補 助 金 (23226014,
19676005, 25289358) か ら の 助 成 及 び 、 ISTEC を 通 じ て
NEDO から委託を受けて実施したものである。
5．参考文献1. P. Mele, et al.: Supercond. Sci. Technol. 21 (2008) 032002
2. T. Ozaki, et al.: TEION KOGAKU 44 (2009) 549-557
3. B. Maiorov, et al.: Nature Materials 6 (2009) 398
4. 樋川ら:第 74 回応用物理学会春季学術講演会 29P-G3-1(2013)― 178 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-a08

Y 系 PLD 線材

超伝導膜中ナノロッドの成長に関する一考察
An explanation for the growth of nano-rods in superconducting films
向田 昌志 （九州大工）; 一瀬 中 （電中研）; Paolo Mele （広島大工）; 松本 要 （九工大）; 吉田 隆 （名古屋大工）;
堀井 滋 （京都大工）
M. Mukaida (Kyushu Univ.); A. Ichinose (CRIEP); P. Mele (Hiroshima Univ); M. Matsumoto (Kyshu Inst. of Tech.);Y. Yoshida (Nagoya Univ); S. Horii (Kyoto Univ.)
E-mail: mukaida@zaiko.kyushu-u.ac.jp

1 はじめに高温超電導体のパワー応用に向けて， REBa2Cu3O7- 薄膜
中への人工ピンニングセンタ導入 [1] の研究が活発化している。 特に磁場中での臨界電流密度 (JC) の低下が大きい， c軸方向について， 磁場中 JC の増加が求められている。 我々は BaZrO3 や BaSnO3 を導入した YBa2Cu3O7- 膜が 77.3 K で28.3 GNm-3 ものピン力を持つことを報告してきた。 [2] これらの膜中の BaZrO3 や BaSnO3 ナノロッドが膜中で曲がっている
ことが透過電子顕微鏡観察から分かっている。 今回， このナ
ノロッドの成長メカニズムを考察したので報告する。
2 実験方法BaZrO3 や BaSnO3 を導入した REBa2Cu3O7-δ 膜はエキシマ
レーザー蒸着法により作製した。 ターゲットには 3% から 4%の BaZrO3 もしくは， BaSnO3 がドープされた REBa2Cu3O7- 焼結体を用いた。 ナノロッドの形状は， 表面および断面透過電子顕微鏡観察 （TEM） により評価した。 また， 表面形状は原子間力顕微鏡 （AFM） と走査電子顕微 （SEM） で観察した。
薄膜の膜厚は FE-SEM(JSM-6500F) により計測した。
3 実験結果および考察
XRD /2 測定結果より， BaZrO， BaSnO3 がドープされた
YBa2Cu3O7- δ 薄膜であることが分かっている。 図 1 に得られた膜の， それぞれ (1) 表面と (2) 断面の透過電子顕微鏡像を示す。 表面から見えるナノロッドの長さから， 外周部に行くに従って， ナノロッドが曲がっていると判断できる。 さらに， 曲
がりは最終的に隣の花火構造の曲がりと接したところで不鮮明になって終わっている。 しかも， 薄膜の成長初期にはナノ
ロッドは基板表面に垂直であり， 膜の成長に従って徐々に曲がりが発生している。 なお，図 2-(a) における曲がったナノロッ
ドはほぼ同じ軌道を通っていることについては、 一瀬等が詳しく解析している。 [3]
我々は花火構造の大きさ （200nm ～ 600nm ほど） が AFM像から測定される結晶粒の大きさに近いことから， 結晶粒の大きさに対応しており， さらに， このナノロッドの曲がりが膜表面の法線ベクトルの方向に対応していると考えた。 [4] 超伝導
膜は Stranski-Krastanov mode で成長することが知られている。
そのため， 成長初期には， 膜は 2 次元 layer by layer モードで成長し， その場合の膜表面はほぼフラットであることから，
ナノロッドは垂直に成長する。 膜の成長が徐々に spiral 成長に移ると spiral の中心から遠ざかるに従って， その表面形状を反映し， nanorods に曲がりが生じていると考えられる。 さらに， この膜では， 断面 TEM 像から， 花火構造の境界付近の膜表面に段差があることが分かった。 この段差は， 結晶粒の段差を反映していると考えられる。 また， 我々は， ほぼ基
板面に垂直なナノロッドを持つ ErBa2Cu3O7-δ 膜の成長に成功している。その膜の表面は非常にフラットであることが分かった。 これもナノロッドが膜表面の法線ベクトルの方向に成長している証拠となっている。

Figure1: (a) a planar view TEM image and (b) a crosssectional
TEM image of the films.

更に今回の報告では， 不鮮明になってからどのように成長するかについても言及する。
4 まとめ
BaZrO3 や BaSnO3 を導入した YBa2Cu3O7-δ 膜に現れるナノ
ロッドの花火構造の発生メカニズムについて考察した。 花火
構造の大きさ （200nm ～ 600nm ほど） は膜の結晶粒の大きさに対応している。 ナノロッドの曲がりは超伝導膜が StranskiKrastanov mode で成長することから， 表面の形状を反映し，
表面の法線方向に成長していると考えると矛盾無く説明できる。
謝辞
本研究は， 日本学術振興会の科研費 （23560801） の助成を得て行ったものである。
References[1] M. Mukaida, et al., Jpn. J. Appl. Phys. pt. 2 43, L1623(2004).
[2] P. Mele, et al., Supercond. Sci. Technol. 21, 32002 (2008).
[3] A. Ichinose, et al., Abstracts of CSJ Conference 79, 1(2008).
[4] M. Mukaida, et al., SUPERCONDUCTIVITY
CENTENNIAL CONFERENCE 2011 36,1631 (2012).

― 179 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-a09

Y 系 PLD 線材

マスクレスレーザスクライビング法で作製した分割線材の評価
Development of filamentarization technique for coated conductors by etching-less laser scribing
町 敬人，中尾公一，吉積正晃，和泉輝郎，田辺圭一（超電導工学研究所）
Takato MACHI， Koichi Nakao, Masateru Yoshizumi, Teruo Izumi, Keiichi TANABE (SRL-ISTEC)
E-mail: machi@istec.or.jp
1．はじめにY 系超電導線材を交流電力機器に応用するためには，細線化により交流損失を低減しなければならない。これまで報告したように，我々はこれまでレーザを用いた切断およびスク
ライビング技術の開発を行っている。従来は，レーザ照射と化学エッチングを組み合わせることで，長尺線材の分割加工を成功させてきた[1]が，長尺加工においては化学エッチングによるオーバーエッチングの発生を回避することが困難であることが分かってきた。今後，更なる細線化および高い均一性を必要とする応用には，オーバーエッチングによるフィラ
メント幅や特性のばらつきを抑制しなければならない。化学
エッチングを用いずにレーザ照射だけでスクライビングする手法としては，KIT グループがパルス幅を狭くして１パルス当たりのダメージを少なくしたピコ秒レーザによる加工法を報告している[2]が，この方法ではフィラメント間の電気絶縁が確保できず，交流応用ではカップリング損失を低減することができないと考えられる。そこで，溝幅を低減させながらオーバーエッチングが生じず，フィラメント間抵抗も確保できる加工方法を実現する試みとして，エキシマレーザ照射を用いたスクライブ加工を行うマスクレス（エッチングレス）
スクライビング手法を開発したので報告する。
2．実験結果および考察(1) UV レーザの選択
本用途に適した高出力の UV レーザとして固体レーザである
YAG の 4 倍高調波(λ=266nm，ビーム幅 20µm)と，ガスレーザ
である Excimer KrF（λ=248nm，ビーム幅 25µm）の２種類のレーザ光源を用いた加工の比較を行った。いずれの場合も光学マスクにより長方形に整形したレーザビームを照射した。

り Excimer KrF では図２のような理想的なビーム強度分布が実現したため加工精度が高まったと考えられる。したがってExcimer レーザの方がこの加工には適していると判明した。
(2) エキシマレーザによる加工
前項の結果を受けて，短尺の Y 系線材(PLD/IBAD)においてExcimer KrF を光源としたエッチングレススクライビング加工を行った。ここで，ビームの長方形のサイズを 50µm×500µmとした。これは，光路中でビームを 15 倍に拡大して，750µm
×7500µm のマスクを挿入し，線材直上の焦点レンズで 1/15に集束させることによって実現した。線材を動かしながら，
このビームによる照射を同じ場所に２回ずつ行って，スクラ
イビング加工を行った。
図３に長さ 20mm で 5mm 幅の線材を，エキシマレーザによるスクライビング加工により 10 分割した線材について，各フィラメントの I-V 特性を測定した結果を示す。溝幅はビーム
サイズ通り，50µm であった。両サイドにもレーザを照射してフィラメント１とフィラメント 10 が電気的に繋がらないよ
うにしている。そのため，溝形成による面積低下率は 18％であり，それを差し引いた面積での Ic を加工前と比較した結果，加工による Ic 低下は約 4%という結果を得た。化学エッチングを用いた場合には，少なくとも 10％以上の加工低下が生じていたのと比較して，この手法の優位性が示された結果となっ
た。

20μm

50 m

25μm

Fig.1 Photographs around slot formed by YAG (left) and Excimer(right).

Fig.3 I-V curves of each filaments processed by etching-less laser
scribing (5mm W, 10-filament).
以上にように，エキシマレーザを照射するだけでスクライ
ビング加工することは実現可能であり，今後は長尺線材への適用，安定加工などの課題を克服していく予定である。
3.

謝辞
本研究は，新エネルギー産業技術総合開発機構(NEDO)の委託を受けて実施したものである。

Fig.2 A schematic view of the distribution of laser output
図 1 に YAG の 4 倍高調波と，Excimer KrF による加工後の写真を示す。それぞれのフィラメント間抵抗は，YAG では 2
Ωcm 未満で，Excimer では 8MΩcm 以上となった。写真から明らかなように Excimer KrF で形成した溝の端部は平坦であり，そのためフィラメント間抵抗が確保されたと思われる。つま4. 参考文献[1] T. Machi, et al., Supercond. Sci. Technol. 26 (2013).
[2] R. Nast, et al., CCA2012.

― 180 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-p01

Y 系 MOD 線材

塩素ドープ FF-MOD 法 Y123 薄膜の厚膜化

Increase in thickness of chlorine-doped Y123 thin films by FF-MOD method
元木 貴則, 下山 淳一, 山本 明保, 荻野 拓, 岸尾 光二 (東大院工)MOTOKI Takanori, SHIMOYAMA Jun-ichi, YAMAMOTO Akiyasu, OGINO Hiraku and KISHIO Kohji (Univ. of Tokyo)
E-mail: 3064622801@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp
1. はじめに
有機金属熱分解法(MOD)法は製造コストが低いため、
YBa2Cu3Oy (Y123)超伝導体薄膜の作製に適した手法である。なかでもトリフルオロ酢酸塩を原料とした TFA-MOD法が主流で、既に長尺線材の作製手法が確立されている。
一方、フッ素を含まない Fluorine-Free MOD (FF-MOD)法は反応が単純で、Y123 相の結晶化が非常に速い[1]が、他の手法で作製された薄膜に比べて磁場中での Jc を低い。その一因として、結晶性の高さを反映して欠陥や不純物が膜中から押し出されてしまい、有効なピンニングセンターの導入が困難であったことが挙げられる。前回我々は原料溶
液に塩素ドープを行い適切な条件下で焼成することにより、Ba2Cu3O4Cl2 (Ba2342)酸塩化物が Y123 に対して格子整合性の高いピンニングセンターとして導入でき磁場中のJc 特性を大きく改善することを報告した。本研究では、高Ic 化を目的に塩素ドープ Y123 薄膜の厚膜化を試みた。
FF-MOD 法では均質で平坦な表面を持つ薄膜が得られるという特徴を活かし、2 回焼成により厚膜化を行った。

塩素ドープ 3 層薄膜と同等の高 Jc を維持した。塩素ドープと 2 回焼成を組み合わせることで、Jc 特性を維持したま
ま 2 倍以上の厚膜化に成功した。1 回目の焼成後に薄膜表面に析出した Ba2342 が 2 回目の焼成において配向を補助するテンプレートとして働いた可能性が考えられる。
Ba2342 の析出を制御することで、Y123 母相の c 軸配向度を低下させることなくさらなる厚膜化や他の不純物ピンニングセンターの導入が可能になると期待している。
参考文献[1] Y. Ishiwata et al., IEEE Trans. Appl. Supercond, 23 (2013)
7500804.

2. 実験方法
Y, Ba, Cu のアセチルアセトン塩溶液に微量の塩酸を添加して、仕込組成が YBa2+2xCu3+3xCl2x (x = 0, 0.05) となるように原料溶液を用意した。STO(100)単結晶基板上に溶液を塗布後、酸素気流中~500C で仮焼して有機物を分解した。この操作を複数回繰り返して仮焼膜を作製し、続いてO2 / Ar フロー中 PO2 = 10 Pa, 800°C, 30 min の条件下で焼成した後、酸素気流中 450C でのアニールによってキャリア
濃度を調節した。厚膜化のため一部試料では焼成後の薄膜に 2 度目の溶液塗布・仮焼・焼成・アニールを施した。本
研究では塗布回数として 3 層薄膜及び 7 層薄膜を作製し、膜厚はそれぞれ約 0.4 m, 0.9 m であった。これらの薄膜に対して、X 線回折による構成相の同定、SEM, TEM による微細組織観察、SQUID を用いた磁化測定(H // c)を行った。Jc は磁化ヒステリシスの幅から拡張 Bean モデルを用いて計算した。
3. 結果
2 回焼成により作製した x = 0, 0.05 の 7 層薄膜の表面
XRD パターンを Fig. 1 に示す。塩素ドープを行うことでBa2342 の生成とともに強く c 軸配向した Y123 薄膜が得られた。ノンドープの試料では(00l)面のピーク強度が弱く配向度は低い。このことから、Ba2342 は Y123 と格子の整合性が高いために、厚膜化した際に Y123 の c 軸配向を助ける働きがあると考えられる。3 層薄膜と 7 層薄膜の塩素ドープの有無による Jc 特性を Fig. 2 に示す。ノンドープで厚膜化した試料では配向度の低下から大きく Jc 特性が低下した。2 回焼成により作製した塩素ドープ 7 層薄膜では、
77 K においては Jc がやや低下したものの、40 K において

― 181 ―

Fig. 1 Surface XRD patterns of the undoped andchlorine doped 7 layer Y123 films.

Fig. 2 Jc–H curves of the undoped and chlorine doped
Y123 films with 3 layer (~0. m) and 7 layer (~0.9
m).
第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-p02

Y 系 MOD 線材

TFA-MOD REBa2Cu3Oy 線材の最適酸素アニールによる高特性化
Influence of annealing treatments on the superconducting properties of
TFA-MOD REBa2Cu3Oy coated conductors

小峯 拓也 , 江幡 勇紀 , 三浦 正志（成蹊大） ; 高木 裕司 , 中岡 晃一 , 吉積 正晃 , 和泉 輝郎 , 塩原 融（超電導工学研究所）
KOMINE Takuya, EBATA Yuki, MIURA Masashi (Seikei Univ.); TAKAGI Yuji, NAKAOKA Koichi,
YOSHIZUMI Masateru, IZUMI Teruo, SHIOHARA Yuh (SRL-ISTEC)
E-mail:dm126313@cc.seikei.ac.jp

3．実験結果REBCO 超伝導体は酸素量が多いほど、c 軸長が短くなることが報告されている[5]。そこで、アニール温度の違いが酸素量に及ぼす影響を調べるために、NR 関数を用いて XRD の結果より c 軸長を求めた。Fig.1 に YBCO、YGdBCO 線材の c
軸長を示す。YBCO 線材は TA =400 [ºC]で短い c 軸長=11.698 [Å]、YGdBCO 線材では TA =350 [ºC]で短い c 軸長=11.700 [Å]を示すことが確認された。YBCO、YGdBCO 線材
ともに短い c 軸長を示した TA で最も酸素が入っていることが考えられる。
酸素アニール温度の違いによる YBCO、YGdBCO 線材のJcs.f.を Fig.2 に示す。c 軸長と同様に YBCO 線材は TA =400[ºC]で高い Jcs.f.=3.8 [MA/cm2]、YGdBCO 線材では TA =350[ºC]で 高 い Jcs.f.=4.8 [MA/cm2] を 示 す こ と が 確 認 さ れ た 。
YGdBCO 線材の最適アニール温度は YBCO 線材の最適ア
ニール温度より低い温度を示し、材料により異なることが確認された。
これらの結果より、いずれの線材も短い c 軸長を示した TA
で高い Jcs.f.を示すことがわかる。
発表では、それぞれの REBCO 線材における酸素アニール
温度の違いが結晶性、c 軸長、超伝導特性等に及ぼす影響についても詳細に議論する。

YGdBCO
YBCO

c-axis length [Å]11.72511.72011.71511.71011.70511.70011.695
250

300

350

400

450

500

550

600

TA [C]

Fig.1 Annealing temperatures (TA) dependence of c-axis lengthfor YBCO and YGdBCO CCs.

6.0
YGdBCO
YBCO

5.0
2

s.f.

2．実験方法
本研究では、PLD-CeO 2 /LMO/IBAD-MgO/Gd 2 Zr 2 O 7 /Hastelloy C276TM 基板[4]上に TFA-MOD 法を用いて YBCO
線材および YGdBCO 線材を作製した。作製した YBCO 線材の膜厚は 0.621 [μm]、YGdBCO 線材の膜厚は 0.508 [μm]である。
各線材の酸素アニール時の保持時間は 3 時間一定とし、TA を 300 ºC ~550 ºC と変化させ酸素アニールを行った。また、
本実験では温度による超伝導特性の違いを調べるために保持後に酸素を流さず急冷した。作製した線材の結晶性、超伝導特性はそれぞれ X 線回折法、四端子法を用いて行った。

11.730Jc [MA/cm ]1．はじめにTrifluoroacetates-Metal Organic Deposition (TFA-MOD)法
により作製した REBa2Cu3Oy (REBCO)線材は、液体窒素温度(77 [K])下においても高い超伝導特性を示すため、電力機器への応用が期待されている[1]。しかし、応用のためには更なる臨界電流密度(Jc)の向上が必要である。臨界温度(Tc)や自己磁場 Jc (Jcs.f.)の向上に向け、RE の一部を異なる RE で置換することで超伝導特性が向上することが報告されている[2]。また、別の方法として酸素アニールによるキャリア制御(酸素量の最適化)が挙げられる。バルク体における酸素アニールの最適温度は REBCO によって異なることが報告されている[3]。
しかし、TFA-MOD REBCO 薄膜線材における最適温度は報告されていない。
そこで、本研究では TFA-MOD YBa2Cu3Oy(YBCO)線材及び Y の一部を Gd で置換した TFA-MOD Y0.77Gd0.23Ba2Cu3Oy(YGdBCO)線材を作製し、酸素アニール温度(TA)の違いが結晶性及び超伝導特性に及ぼす影響を検討した。

4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
250

@77 K, 0 T

300

350

400

450

500

550

600

TA [C]
Fig.2 Annealing temperatures (TA) dependence of Jcs.f. for
YBCO and YGdBCO CCs.
謝辞
本研究は JPSPS 科研究費(24760732)、(公財)東電記念財
団基礎研究の助成、日揮・実吉奨学会研究助成を受け実施したものである。また、超電導工学研究所における研究は新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の委託によって実施されたものである。

参考文献[1] Y. Shiohara, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 51 (2012) 010007.
[2] M. Miura, et al., APEX 2 (2009) 023002.
[3] J. Shimoyama, et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 689(2002) 265.
[4] Y. Yamada, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 19(2009) 3236.
[5] J. D. Jorgensen, et al., Phys. Rev. B 41 (1989) 1863.

― 182 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-p03

Y 系 MOD 線材

塗布熱分解法により作製された BaZrO3 人工ピン導入
長尺 YxGd1-xBa2Cu3O7-δ 線材の臨界電流特性

Critical current property of TFA-MOD processed long–length YxGd1-xBa2Cu3O7-δ
coated conductor doped with BaZrO3 artificial pinning centers
横溝 孝明、井上 昌睦、田中 健太、東川 甲平、木須 隆暢（九大）
木村 一成、高橋 保夫、小泉 勉、長谷川 隆代（昭和電線）
中村 達徳、吉積 正晃、和泉 輝郎（超電導工研）
YOKOMIZO Takaaki, INOUE Masayoshi, TANAKA Kenta, HIGASHIKAWA Kohei,
KISS Takanobu (Kyushu Univ.);
KIMURA Kazunari, TAKAHASHI Yasuo, KOIZUMI Tsutomu, HASEGAWA Takayo (SWCC)
NAKAMURA Tatsunori, YOSHIZUMI Masateru, IZUMI Teruo (SRL)
E-mail: t.yokomizo@super.ees.kyushu-u.ac.jp

Ic[A/cm-w]

1．はじめにトリフルオロ酢酸塩を用いた塗布熱分解（TFA-MOD）法とバッチ式一括熱処理を組み合わせた高温超伝導線材作製手法
は、低コスト化が可能な長尺線材作製プロセスとして期待されている。近年では、プロセス技術の革新により超伝導層の2m を超える厚膜化と人工ピンとして BaZrO3 ナノ粒子を均一分散させることに成功し、線材の臨界電流 Ic 値を向上させることに成功している。しかしながら、磁場中臨界電流特性については 77K の自己磁場や 3T で調べられているのみで、幅広い実用領域においては明らかとなっていない。本研究では、ナノ粒子分散型人工ピン導入技術を適用し電熱バッチ式一括熱処理プロセスにより作製された、長尺 YxGd1-xBa2Cu3O7-δ 線材の臨界電流特性について詳細に調べた。

4

10

3

20K
10

30K

2

50K
10

1

10

0

65K
B//c

2．実験
試料は TFA-MOD 法とバッチ式一括熱処理プロセスを組み合わせて作製された、130m 長の YxGd1-xBa2Cu3O7-δ 線材である。同線材では、Zr を添加した原料溶液を用いることにより
BaZrO3 人工ピンの導入を図っている。また、超伝導層の膜厚は 2.5μm である。同線材の一部を約 1cm 長に切り出し、ウェットエッチングによりマイクロブリッジを形成した後、直流四端子法により電流-電圧特性の温度、磁場、磁場印加角度依存性を計測した。
3．実験結果及び考察
Fig.1 に実験により得られた臨界電流 Ic の温度、磁場依存性を示す。77K、自己磁場で約 600A/cm-w の Ic 値を有する同線材の低温での特性を見てみると、20K、10T で 340A/cm-w 程度の Ic 値が得られることが分かる。線材の高 Ic 化に伴い、低温での Ic 値測定が困難になることから、パーコレーション転移モ
デルを用いて、Ic 値の温度、磁場依存性を解析的に求めた。
その結果を、Fig.1 に実線で示す。解析解は、幅広い温度、磁場領域に亘って実験結果とよく一致していることが分かる。この結果から、20K の 5T では 500A/cm-w の Ic 値が、1T では
1,000A/cm-w を超える Ic 値が得られることが推定される。上記の解析手法を用いて、温度-磁場平面における等 Ic マップを求めたのが Fig.3 である。これにより、人工ピン導入長尺
YxGd1-xBa2Cu3O7-δ 線材の広範な実用領域における磁場中臨界電流特性の把握が可能となった。
当日は、パーコレーション転移モデルによる解析の詳細や
n 値の温度、磁場依存性などについても報告する。

10

0

2

77K
4

6

B[T]

8

10

12

Fig.1 Ic-B-T characteristics in B//c

Fig.2 Contour map of Ic in B-T plane
謝辞
本研究の一部は、イットリウム系超伝導電力機器技術開発（M-PACC）の一環として、ISTEC を通じて、NEDO からの委託を受けて実施するとともに、日本学術振興会の科研費の助成を得て行ったものである。

― 183 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-p04

Y 系 MOD 線材

バッチ式プロセスを用いた TFA-MOD 法 REBCO 線材の磁場中特性向上と長尺化検討
Improvement of in-field properties for long REBCO coated conductors
fabricated by the TFA-MOD method using a batch process
木村 一成，広長 隆介，高橋 保夫，中西 達尚，小泉 勉，長谷川 隆代 （昭和電線）；
東川 甲平， 井上 昌睦， 木須 隆暢 （九州大学）；
中村 達徳，吉積 正晃，和泉 輝郎，塩原 融 （超電導工学研究所）
KIMURA Kazunari, HIRONAGA Ryusuke, TAKAHASHI Yasuo, NAKANISHI Tatsuhisa, KOIZUMI Tsutomu,
HASEGAWA Takayo (SWCC); HIGASHIKAWA Kohei, INOUE Masayoshi, KISS Takanobu (KYUSYU Univ.);
NAKAMURA Tatsunori, YOSHIZUMI Masateru, IZUMI Teruo, SHIOHARA Yuh (ISTEC-SRL)
E-mail: k.kimura066@cs.swcc.co.jp
1．はじめに近年，REBCO 超電導線材(RE : Rare earth metal)の高性能化に伴い，様々な分野において超電導機器の実用化に向けた開発が行われている。また，様々な超電導応用機器がある中で，高磁場発生領域での応用も少なくなく，磁場中でより高性能な線材が求められる。例えば，加速器やモーター等の高磁場発生領域で運転される機器への適用には，磁場中特性の向上は重要なタスクである。
当社では，バッチ式プロセスを用いた TFA-MOD 法による
REBCO 超電導線材の開発を行っており，高 Ic 化，長尺特性
均一性および歩留り向上を主とした研究開発を進めている。
ま た ， 磁 場 中特 性 の 向 上 を目 的 と し た ， 人 工 ピ ン 止 め 点(Artificial Pinning Centers: APC)導入型 REBCO 超電導線材の開発も行っており，TFA-MOD 法 YGdBCO 超電導線材の超電導層内に BaZrO3 粒子を微細に均一分散させた 100 m
級 APC 導入型線材を開発したことを前回報告した。
本報告では，更なる超電導特性の向上を図るため，バッチ式長尺線材本焼プロセスにおけるパラメータの一つである，超電導体の結晶化温度までの昇温速度が超電導特性に及ぼす影響についての調査結果を報告する。

上の結果から，特性向上には結晶化温度での条件の最適化とともに，昇温速度についても最適化を行う必要があることが判った。
謝辞
本研究の一部は，「イットリウム系超電導電力機器技術開発」の一環として，新エネルギー産業技術総合開発機構（NEDO）からの委託を受け実施したものである。

2．実験方法トリフルオロ酢酸塩（Y-，Gd-，Ba-），およびオクチル酸塩（ Cu- ） を 用 い ， 金 属 元 素 の 組 成 比 がY:Gd:Ba:Cu=0.77:0.23:1.5:3.0 になるように原料溶液を調製し，超電導体を構成する金属元素総量に対して 2.0 at%の Zr 元
素をオクチル酸塩として添加した。この溶液を HastelloyTM
C-276/MgO/LaMnO3/CeO2 の構造をもつ，金属基板上に，Reel-to-reel (RTR) 式塗布・仮焼装置にて，前駆体膜を形成した。その前駆体膜をバッチ式焼成炉にて，水蒸気を含む減圧低酸素雰囲気中，最高到達温度 760 ºC の条件下で本焼成を行った。その後，Ag 安定化層を形成し，酸素雰囲気中においてポストアニールを行った。
線材の Ic 値は，液体窒素中において，直流四端子法にて評価し，Ic 値は電圧基準 1μV/cm で定義した。
3．結果
本焼パラメータの一つである，超電導体の結晶化温度までの昇温速度について調査を行うため，昇温速度4～15ºC/minの範囲で本焼を行い，Jcによる評価を行った。Figure 1に示す
ように，77K，自己磁場中でのJc値は，昇温速度8～11ºC/minに最適値を持つことが認められた。Figure 2に昇温速度4及び9 ºC/minで本焼を行った試料の断面SEM像を示す。図からわかるように，昇温速度9ºC/minにおいて，CeO2層との界面からc軸方向への結晶成長が認められるのに対し，昇温速度
4ºC/minにおいては，CeO2層界面近傍ではc軸方向への結晶成長が認められるが，それ以降については，昇温速度
9ºC/minで認められたような結晶成長は認められなかった。以― 184 ―

Figure 1

Heating rate dependence of Jc value
in self-field at 77K.

CeO 2

CeO 2
Figure 2

Cross-sectional images of YGdBCO-APC
at heating rate 4 and 9ºC/min by scanningelectron microscope.

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-p05

Y 系線材特性

高配向 IBAD 基板上に作製した GdBa 2 Cu 3 O 7-δ線材の磁場中臨界電流特性
In-field critical current property of GdBa 2 Cu 3 O 7-δcoated conductor
deposited on highly orient ated IBAD substrate
井上 昌睦、横溝 孝明、田中 健太、東川 甲平、木須 隆暢（九大）
種子田 賢宏、吉積 正晃、和泉 輝郎（超電導工研）
INOUE Masayoshi, YOKOMIZO Takaaki, TANAKA Kenta, HIGASHIKAWA Kohei,
KISS Takanobu (Kyushu Univ.)
TANEDA Takahiro, YOSHIZUMI Masateru, IZUMI Teruo (SRL)
E-mail: inoue@ ees.kyushu-u.ac.jp

11

10

10

10

参考文献
[1] M. Inoue, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol. 83 (2010)p.132[2] M. Inoue, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol. 86 (2011)
p.3

GdBCO + BHO CC

9

10

2．実験
線材作製に用いた基板は、イオンビームアシスト蒸着（IBAD）
法で作製された中間層に CeO2 を蒸着したもので、CeO2 の面
内配向度は 1.98°であった。同基板上にパルスレーザ蒸着法で膜厚 1.5m の GdBa2Cu3O7-δ（GdBCO）超伝導膜を形成している。77K、自己磁場における 1cm 幅での臨界電流 Ic
値は 565A であった。同線材にマイクロブリッジを形成し、磁場中臨界電流特性の詳細測定を行った。

GdBCO CC deposited ona standard IBAD substrate
8

10

0

2

4

77K
B//c
6

B[T]

8

10

Fig.1 Jc-B characteristics at 77K in B//c

10

-8

10

-9

-10

10
c

P(J )

3．実験結果及び考察
Fig.1 に実験により得られた 77K での Jc の磁場依存性を示す。
また、比較のため、従来の標準的な IBAD 基板上に PLD 成膜を行った 600A 級 GdBCO 線材（点線）と、BaHfO3（BHO）人工ピンを導入した GdBCO 線材（破線）の特性も載せている[1,2]。
同図に示すとおり、高配向基板上の線材は磁場中の Jc 値が向上しており、1T を超える磁場中では BHO を導入した
GdBCO 線材に匹敵する Jc 値が得られている。また、1.5m の超伝導膜厚を有することから、線材の実用性能である Ic 値も高く、例えば 77K、3T では、30A/cm-w の Ic 値（Jc=2.1×
109A/m2）が得られている。特性向上の機構を調べるため、電界－電流密度特性より Jc の統計分布を求めた結果を Fig.2 に示す。高配向基板では Jc 分布の最頻値は、ピンを導入していない GdBCO 線材（点線）とほとんど変わらないものの、分布の最小値が上昇していることが分かる。すなわち、均一性の向上に伴って depinning に対するパーコレーション閾値が向上し、
磁場中 Jc が向上したと考えられる。
以上の成果は、現在進められえている人工ピンの導入効果の検証や各種超伝導機器の仕様に応じた最適線材の検討にも資するものである。当日は、Jc の温度依存性等の詳細についても報告する。

GdBCO CC on highly orientated IBAD substrate(This study)

Jc [A/m2]

1．はじめに希土類系の薄膜型高温超伝導線材においては、結晶粒界における Jc 低減の影響を避けるため、c 軸のみならず面内配
向度の高い基板が求められるが、基板の配向度の向上と線材の作製コストとはトレード・オフの関係にあることから、線材の超伝導特性との対応を含めた検討が必要不可欠である。特に、自己磁場中の Jc のみではなく、磁場中の特性を詳細に調べることが重要となる。本研究では、面内配向度 1.98°を有する高配向基板上に作製した GdBa2Cu3O7-δ 線材の磁場中臨界電流特性について詳細に調べるとともに、従来線材との比較を行
い、高配向基板の有用性について検討を行った。

GdBCO CC on highly orientated IBAD substrate(This study)
GdBCO CC deposited ona standard IBAD substrate

GdBCO + BHO CC

-11

10

-12

10

-13

10

77K, 3T
B//c

-14

10

10

9

10

10

2

J [A/m ]

10

11

c

Fig.2 Statistical distribution of Jc in 3T at 77K
謝辞
本研究の一部は、イットリウム系超伝導電力機器技術開発（M-PACC）の一環として、ISTEC を通じて、NEDO からの委託を受けて実施するとともに、日本学術振興会の科研費（24760235）の助成を得て行ったものである。

― 185 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-p06

Y 系線材特性

ドメイン制御した REBCO コート線材における Jc と Tc のひずみ依存性
Applied strain dependence of Tc and Jc for domain controlled REBCO coated conductors

compression-annealed(a-domain)
tension-annealed(b-domain)
as-received

1
(020)

Normalized intensity

2

0
20.5

21

21.5
2θ (deg.)22

Fig.1 (200) and (020) reflections along the longitudinal
direction after the annealing under the strains in the(Y,Gd)BCO coated conductors.

1.02

B=0T
B // c1
0.98
Ic / Ic (0%)

1．はじめに希土類酸化物高温超伝導体 REBa2Cu3Oy (REBCO, RE
は希土類元素)のコート線材は長尺化、高 Jc 化が進み、マグ
ネット応用に向けた研究開発が進められている。線材は製造工程やマグネットとして使用される際のフープ力などのひずみが印加される。そのため、ひずみ依存性に対する様々な研究が行われてきた。しかし、コート線材は双晶を形成し 2 軸配向しているため、単純に単結晶の結果と比較することができない。
これまで、コート線材における、Jc のひずみ依存性はべき乗の変化をすると考えられている。しかし、磁場を印加することにより、ピークを持つなど複雑な振る舞いを示すことが報告されている[1]。このため、REBCO コート線材のひずみ依存性はまだ、明らかになっていない。
線材長手方向に a 軸を持つ A ドメインと b 軸を持つ B ド
メインの Jc 変化を分けて考えることにより、Jc の振る舞いが解析されている。また、放射光を用いて、印加ひずみと実際にドメインに印加されるひずみの関係も明らかになっている。この結果を用いると、a 軸のひずみにより Jc が減少し、b 軸のひずみでは Jc が向上するという解析結果が得られている[2]。
我々は、ひずみを印加しながらアニールをすることにより、ドメインの割合と残留ひずみを制御できることを報告している[3]。本研究ではひずみ印加アニールをすることにより実際に
各ドメインの割合を変化させることにより、それぞれの軸方向の Jc と Tc のひずみ依存性について議論する。
2．試料緒元および実験方法
試料線材は SuperPower 社製の MOCVD(Metal Organic
Chemical Vapor Deposition)法によって作製した(Y, Gd)BCO
コート線材を用いた。この試料に対して、ひずみを印加しながら、酸素雰囲気中で 400 ℃、20 時間アニールを行った。ひず
みは SUS の円柱型ジグに巻きつけることで印加した。また、コート線材を巻きつけるときに超伝導層を外側にして巻きつける
ことにより、引張りの歪みを、超伝導層を内側にして巻きつけることにより、圧縮の歪みを印加することができる。残留ひず
みの測定は MoK線を用いて透過法により測定した。
Ic の引張りひずみ依存性は 77 K、外部磁場 0-3 T において、カム式ひずみ印加装置を用いて測定した。Ic は通電法によって測定し、電界基準は 1V/cm とした。印加ひずみは、
ひずみゲージを用いて測定を行った。
3．実験結果と考察
Fig.1 に線材長手方向における、(200)、(020)ピークの X 線
回折パターンを示す。ひずみ印加アニールによりピーク強度とピーク位置がそれぞれ変化した。(200)のピーク強度が増加
すると、線材長手方向に a 軸を持つドメインが増加することを示している。また、ピーク位置の変化により、残留歪みが変化していると考えられる。引張りひずみを印加してアニールを行った試料を tension-annealed、圧縮ひずみを印加した試料をcompression-annealed とすると、それぞれの A ドメインと B ドメ
インのドメイン比は A:B = 35:65、60:40 となった。
各ドメインを制御した試料に対する Jc のひずみ依存性をFig. 2 に示す。B ドメインが多い tension-annealed の試料はひずみ依存性が小さく、compression-annealed はひずみ依存性が大きくなった。この結果から b 軸方向のひずみ依存性が小さいことを実験的に明らかにした。

(200)

鈴木 匠，淡路 智，小黒 英俊，渡辺 和雄(東北大)SUZUKI Takumi，AWAJI Satoshi OGURO hidetoshi WATANABE Kazuo (Tohoku Univ.)
E-mail: takumi-s@imr.tohoku.ac.jp

0.96
0.94
0.92
0.9

compression-annealed(a-domain)
tension-annealed(b-domain)
as-recieved

0.88
0.86

0

0.1

0.2

0.3

ε (%)

0.4

0.5

0.6

Fig.2 Strain dependence of Jc after the annealing under
the strains and as-received in the (Y, Gd)BCO coatedconductors.
当日は、各軸に対する Jc のひずみ依存性にべき乗則を仮定し、ドメイン比を導入したモデルを用いた解析結果について報告する。
4．謝辞
本研究の一部は、JST 戦略的創造研究推進事業 ALCAの一環として行われたものである。
参考文献
1. D C van der Laan et al., Supercond. Sci. Technol. 23(2010) 072001
2. M. Sugano et al., Supercond. Sci. Technol. 25 (2012)
054014
3. T. Suzuki et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 23 (2013)
8000104.

― 186 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-p07

Y 系線材特性PLD 法で作製された 200 m 長商用コート線材の面内臨界電流密度分布
In-plane Distribution of Local Critical Current Density inCommercial Coated Conductor Fabricated by PLD Process
片平 健太、東川 甲平、井上 昌睦、木須 隆暢（九大）；吉積 正晃、和泉 輝郎、塩原 融（ISTEC）
KATAHIRA Kenta, HIGASHIKAWA Kohei, INOUE Masayoshi, KISS Takanobu (Kyushu Univ);
YOSHIZUMI Masateru, IZUMI Teruo, SHIOHARA Yuh (ISTEC)
E-mail: katahira@super.ees.kyushu-u.ac.jp
1．はじめに希土類系高温超伝導線材（RE-123 コート線材）の機器応用に際しては、局所特性低下部の発熱集中による焼損事故も懸念されることから、均一性の確保が重要な課題となっている。
そこで本研究では、既に市販されている商用コート線材の均一性を把握すべく、PLD 法によって作製された 200 m 長の線材を購入し、リール式走査型ホール素子顕微鏡（RTR-SHPM）によって、同線材の局所臨界電流密度（ Jc ）の面内分布の二次元的評価を行った。
2．実験
測定対象とした試料は、PLD 法によって作製された 200 m
長 5 mm 幅の GdBCO 線材である。購入した際の仕様書には、Fig. 1 に示すような TAPESTARTM の評価結果が添付されており、全長にわたって極めて均一な特性を有すること線材である
ことが示されている。一方、同図の 2 本の線は、ある区間内の
局所 Ic の最大値と最小値を示しており、このばらつきが測定時の雑音の影響か、あるいは線材の本質的性能であるのか、またそれはどの様な事に起因しているのか、といった点がこの一次元的な情報のみからは不明となっている。そこで、二次元的な情報を得るため、RTR-SHPM により、本線材の残留磁界分
布を長手方向解像度 830μm 幅方向解像度 32.8μm で測定し、面内 Jc 分布に対応するシート電流密度分布を評価した。
3．結果、考察
Fig. 2 にその結果を示す。それぞれの線材において、テープ面下半分では右側に、テープ面上半分では左側に流れる

電流分布が可視化されており、臨界状態モデルによればその大きさは Jc に対応することがわかっている。これを見ると、200m という長さにわたって極めて良好な均一性を示しており、また TAPESTARTM の結果に相当する Ic の長手方向分布に換算した場合には、このような高解像度な測定でも標準偏差が3.4 %に収まる。
一方、テープ面下半分においては周期的な低特性部が観測されており、これが TAPESTARTM の結果に見られるばらつきの要因であると考えられる。具体的には、局所的に Jc が 40%程度低下している部位が観測され、これは 5 mm 幅の線材としては 20%程度の局所 Ic の低下に相当する。このような特性低下部が存在する場合、細線化やマルチフィラメント化を行った場
合には電流が迂回できず、フィラメント幅によっては電流容量を確保できなくなる可能性がある。ただし、テープ面上半分では顕著なゆらぎが見られないことから、上記は基板に起因しており、超伝導層の成膜法としての PLD 法は、高均一線材の実
現にさらに高いポテンシャルを有していると考えられる。
以上のように、通常行われる TAPESTARTM による一次元的な空間情報のみからは把握困難な二次元的な特徴を把握することができ、機器への適用や線材作製プロセスへのフィード
バックに有用な情報を得ることができた。
謝辞
本研究は、イットリウム系超伝導電力機器技術開発の一環として ISTEC を通じて NEDO からの委託を受けて実施するとともに、日本学術振興会の科研費（24360122）の支援を得て行ったものである。

Fig. 1 1D longitudinal distribution of critical current characterized by TAPESTARTM listed in the specification sheet.

Fig. 2 2D distribution of local critical current density characterized by RTR-SHPM.

― 187 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-p08

Y 系線材特性

ピックアップコイル群による HTS 線材の電流分布測定法の精度向上のための検討
Study on measurement accuracy improvement of measuring method of AC current distributionsin HTS tapes by a pickup coil array
水野 正浩，今岡 貴史，平山 斉，川畑 秋馬（鹿児島大）
MIZUNO Masahiro， IMAOKA Takashi， HIRAYAMA Tadashi， KAWABATA Shuma (Kagoshima University)
E-mail: hirayama@eee.kagoshima-u.ac.jp
1．はじめに
本研究では、HTS テープ線材内の電流分布を定量的に評価できる測定法を確立することを目的としている。本測定法
では、極小サイズのピックアップコイル群を試料線材に直接貼り付けて、試料線材表面付近の磁場分布を測定し、その結果
から数値計算により電流分布を求める[1]。今回は、ピックアッ
プコイル群を構成する個々のコイル形状と位置を正確に把握することで校正精度の向上を図り、電流分布の測定精度の改善を試みた。測定精度の評価は、Cu 線材で作製したマルチ
フィラメント HTS 模擬線材を用いて行った。
2．ピックアップコイル群とその校正方法
電流分布の測定に用いたピックアップコイル群は、  30
mm の絶縁 Cu 線を紙製ボビンに巻線したピックアップコイル
40 個から成る。各コイルは、コイル長 0.18 mm、巻数 3 層 17
ターンである。ピックアップコイル群を試料導体に直接貼り付
けて試料導体周辺の磁場分布の周方向成分を測定する。
ピックアップコイル群を構成する個々のコイルの断面積は、
これまで全て同じ値を用いていたが、今回は個々のコイル断面積を正確に見積もることで、電流分布算出精度の改善にどの程度寄与するかを調べることとした。個々のコイル断面積は、Fig. 1 に示すようにピックアップコイル群をマグネットの一様磁場空間中に設置し、磁場を印加した際のコイルの測定電圧値から求めた。
各コイルの断面積を求めた後、1.1 mm 幅で 0.1 mm 厚のCu テープ線材を 5 本平行に並べた校正用導体（マルチフィラ
メント HTS 模擬線材）にピックアップコイル群を貼り付けて、コ
イル群の校正を行った。線材 5 本のうち 1 本にのみ通電したときの磁場分布の測定結果より、個々のコイル位置を校正した。
さらに、校正用導体の電流パターンを変えたときの磁場分布を測定し、ピックアップコイル群全体の位置を校正した。

クアップコイルの断面積を同じとして求めた従来の方法での電流算出精度は誤差 5～10 %程度であり、個々のコイル断面積を正確に把握し個々のコイル位置を校正することで、若干ではあるが、電流分布の測定精度の改善が図れた。

Fig. 1 Arrangement for cross section measurement of pickup
coils by using copper magnet

(a)

(d)

(b)

(e)

(c)

(f)

3．試験導体と測定方法
測定精度を評価するために用いた試験導体は、校正時と同じ５本の Cu テープ線材で作製したマルチフィラメント HTS
模擬線材を用いた。各 Cu テープ線材にはシャント抵抗を接続し、通電電流値を測定した。測定精度の評価は、試験導体に通電した既知の電流と、ピックアップコイル群による測定磁場分布から算出した電流分布とを比較することにより行った。
4．測定結果Fig. 2 に、個々のコイル断面積と位置を校正したピックアッ
プコイル群による測定結果を示す。測定は周波数 500 Hz で行い、線材に通電する電流パターンを変えて行った。Fig.
2(a), (b), (c)は磁場分布の測定結果であり、縦軸はピックアッ
プコイルで測定した線材表面の磁場分布、横軸はピックアッ
プコイルの位置を示している。図中のプロットは測定値であり、実線は算出した電流値から求めた計算値である。Fig. 2(d),(e), (f)は測定磁場分布から算出した各フィラメント電流である。
棒グラフは測定結果から数値計算を用いて算出した電流値、プロットはシャント抵抗で測定した電流値である。3 つの電流パターンでの測定結果を示しているが、いずれも誤差 5 %以内で電流算出が行えていることを確認した。一方、全てのピッFig. 2 Measured field distributions and calculated current
distributions
参考文献
1. T. Hirayama, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol. 86(2012) p.33

― 188 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-p09

Y 系線材特性ポインチングベクトル法を用いた
ソレノイドコイル形状 REBCO 長尺線材の交流損失測定
AC loss measurements of REBCO long tapes formed into a solenoidal coilby using Poynting’s vector method
OBITA Keita,帶田 啓太, 古川 匡玄, 川越 明史 （鹿児島大・工）FURUKAWA Masaharu, KAWAGOE Akifumi (Kagoshima University)
E-mail: k2866788@kadai.jp

１．はじめに
高温超伝導線材で発生する交流損失は機器の効率を下げるため, 実用条件下で交流損失を精度よく測定し, その特性を定量的に明らかにすることが重要である。そこで我々は, 外部磁界と輸送電流についての制約条件が少ないポインチング
ベクトル法を応用して, ソレノイドコイル形状長尺線材の交流損失測定装置を開発している[1]。これまでに, 線材断面が対称な楕円形状である Bi-2223 多芯テープ線材の交流損失測定を行い, 本測定装置の有効性を示している[2-3]。今回は,線材断面が非対称で積層構造である REBCO 線材に, 交流
外部斜め磁界を印加して交流損失測定を行ったので, その結果について報告する。

定装置の有効性を実証し, 本測定法が試料断面形状によらないことを示した。
４．まとめ
ポインチングベクトル法をコイル形状長尺超伝導線材へ適用した交流損失測定装置を用いて, 線材断面が非対称で積層構造である REBCO 線材に, 交流外部斜め磁界を印加して交流損失測定を行った。その結果, 測定値と理論値がよく一致したことから, 本測定装置の有効性を実証し, 本測定法が試料断面形状によらないことを示した。

２．測定原理と本測定装置
ポインチングベクトル法は, 局所的なポインチングベクトル
を線材周囲の複数の点で測定し, その値を線材周囲の面で面積積分することにより交流損失を求めている。局所的なポイ
ンチングベクトルは，電界測定用ポテンシャルリードと磁界測定用ピックアップコイルを用いて測定する局所的な電界と磁界の外積から求める。ポテンシャルリードの信号電圧には, 電界の損失成分に加えて非常に大きな誘導成分が含まれているので, 誘導成分をキャンセルして損失成分を得る。
電界測定用ポテンシャルリードと磁界測定用ピックアップコ
イルの測定素子対は, 線材を囲むように合計 32 対配置されている。 線材内側・外側にそれぞれ 11 対ずつ, 線材エッジ部
分の上下にそれぞれ 5 対ずつである。
ま た , 今回の測定で用 いた サンプ ルコイ ルは , 線材幅4.01mm, 線 材 厚 み 0.094mm の REBCO 線 材 と 線 材 幅4.20mm, 線材厚み 0.22mm の銀シース Bi-2223 多芯テープ
線材を 10mm ピッチでそれぞれ 7 ターンと 5 ターン巻線し, さらにその上下に銅線の電流リードをそれぞれ 0.5 ターンずつ
巻線しており, 1 層×13 ターンの直径 90mm, 高さ 134mm の単層疎巻きソレノイドコイルとなっている。サンプルの臨界電流 Ic
は 108A で n 値は 32.6 である。測定領域は, 磁界一様度を保っているサンプルコイル中心部分の REBCO 線材 1 ターンである。
３．REBCO 長尺線材を用いた交流損失測定
サンプルコイルに印加する交流外部磁界は, 振幅 10～30mT0p, コイル軸方向に対して 20～30 度の印加角度, 周波数 30Hz とした。測定は全て液体窒素中で行った。
Fig.1 に交流外部斜め磁界を印加した時の交流損失特性を示す。横軸は外部印加磁界の振幅値, 縦軸は交流磁界一周期当り, 線材単位長さ当りの交流損失を表している。プロットが測定値で, 実線と破線は, Brandt の式を用いて, 線材幅広
面に垂直に印加される磁界成分のみを考慮して算出した理論値を示している。測定結果より, 交流損失の測定値は, これまでの研究結果と同様に印加角度および印加磁界が大きい
程大きくなり, 理論値とよく一致している。したがって, 線材断面が非対称で積層構造である REBCO 線材においても本測Fig.1 AC loss properties in case of application of external ac
spread magnetic field.

参考文献[1] Y. Kasahara, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond. 14(2004) 1078
[2] M. Mukai, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol. 85(2011) P. 156[3] M. Furukawa, et al.: Abstracts of CSSJ Conference, Vol.
87 (2013) P. 15― 189 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3B-p10Y 系線材特性REBCO Roebel ケーブルで巻いたコイルの電磁界解析
Electromagnetic Field Analyses of REBCO Roebel Cables Wound into Coil Configurations
曽我部 友輔，塚本 伊秋，中村 武恒，雨宮 尚之（京大）
SOGABE Yusuke， TSUKAMOTO Tadaaki， NAKAMURA Taketsune， AMEMIYA Naoyuki (KU)
E-mail: y-sogabe@asl.kuee.kyoto-u.ac.jp
1．はじめに直線状の REBCO Roebel ケーブルの交流損失特性についてはさまざまな研究がなされているが[1]-[3]、コイル形状にした Roebel ケーブルの交流損失特性の研究は十分にはなされていない。我々は Roebel ケーブルで巻いたコイル（Roebelコイル）の三次元電磁界解析を行い、交流損失を計算した。

Fig. 1 The shape of the coils: (a) Model I; (b) Model E; (c)Model M.

る等価抵抗率を用いた、拡張されたオームの法則を構成方程式とした。
Roebel ケーブルは周期的な構造を持ち、その構造はコイ
ル形状となっても保持される。そこで、はじめに直線状のRoebel ケーブルの座標を構成し、その座標から Fig. 1 に示すような Roebel コイル全体の座標を得た。Model I、E はリング状の Roebel ケーブルであり、Model E は有限長ソレノイドコイルの端部を模擬している。Model M は Roebel ケーブルで巻いた無限長ソレノイドの一部に相当する。

参考文献
1. M. Nii, et al.: Supercond. Sci. Technol. 25 (2012) 095011
2. V. M. R. Zermeno, et al.: Supercond. Sci. Technol. 26(2013) 052001
3. S. Terzieva, et al.: Supercond. Sci. technol. 23 (2010)
014023

30

-1
-1

25
20
10

I / I = 0.7tTurn gap=0.5mm
Turn gap=2.0mm
Turn gap=5.0mm

c

-4

15
5
0

Model I
Model E
Fig. 2 Ac loss of the coil.
Turn gap

1x10-3(W m )

Ac loss density

8

Model M

Strand gap

Model E, I / I = 0.7tcturn gap=0.5mm
turn gap=5.0mm

7

1x10

6

1x10

5

1x10

1x104

2
3
4
5
Lateral position (mm)Fig. 3 Ac loss density distribution between Turn gap andStrand gap.

01Model I
Model E, turn gap=5.0mm
Model M, turn gap=5.0mm

I / I = 0.7
t

5

-3

-1

(10 Jm cycle )Ac loss energy density

3．解析結果Fig. 1 に示す三種類の Roebel コイルの電流値及び Roebel
ケーブル間のギャップ（Turn gap）をそれぞれ変えて解析を行った。長手方向に平均した交流損失の解析値を Fig. 2 に示す。
一本の素線で巻いたコイルと同様に、Turn gap が大きくなると損失が大きくなり、コイル端（Model E）では損失が大きくなることがわかる。一方、Roebel ケーブルには素線同士の間の隙間（Strand gap）がある（今回の解析では 2 mm）。Fig. 3 に線材幅
方向の交流損失の分布を示す。Turn gap と Strand gap のうち、より広いギャップ付近においてより大きな損失が発生している。
すなわち、Roebel コイルにおいては Turn gap のみならず、Strand gap も損失発生へ影響する。
Fig. 4 に転位長半分にわたる交流損失密度の長手方向分布を示す。25 mm 及び 125 mm 付近は他の素線が転位している箇所にあたり、ケーブルの厚さが薄くなるため他の位置の導体の電流が作る磁束が侵入しやすくなるため、損失が大きくなる。75 mm 付近は考慮している素線自身が転位している箇所である。Fig. 5 に示すように、ここは Roebel ケーブルの中央部分にあたるため、他の位置の電流が作る磁束は侵入しにく
く、交流損失は小さくなる。このように、Roebel ケーブルをコイル形状にしても、Roebel ケーブルが持つ三次元的な転位構造の影響が現れることがわかる。

-1



(10 Jm cycle strand )1     nT   nσ  n T  r  n dS   B  n   0
  μ0ts
 extt  4π S r3
ここで、薄板近似を適用している。n 値モデルによりより得られ

Ac loss

2．Roebel ケーブルで巻いたコイルの数学的表現
電磁界解析の支配方程式として以下の式を用いた。

c

12
10
8
6
4
2
0
0

50
100
150
Longitudinal position (mm)Fig. 4 Ac loss density distribution in longitudinal direction.

Fig. 5 The transposition section.

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第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会