JP2000252115A - 酸化物超電導体と常電導体との接合方法 - Google Patents

酸化物超電導体と常電導体との接合方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸化物超電導体と常電導体との界面における
反応層の生成を抑制し得る酸化物超電導体と常電導体と
の接合方法を提供することにある。 【解決手段】 酸化物超電導体で形成された部材１の一
部又は全部を、溶融状態にある常電導体２に浸漬する。
常電導体２には、該酸化物超電導体の金属成分と同一の
成分を少なくとも有する物質を予め配合しておく。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸化物超電導体と
常電導体との接合方法、詳しくは酸化物超電導体で形成
された電流リードの端部に常電導体の端子を接合するた
めの接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、超電導体コイルは、液体ヘリウ
ム等の冷媒や極低温冷凍機によって冷却され、極低温下
で運用される。このため、超電導体コイルへの電力供給
用の電流リードとしては、電流リードを伝って外部から
侵入する侵入熱と、電流を流したときに電流リードに発
生するジュール熱とを同時に低減させる酸化物超電導体
のファイバーが使用されている（以下、このような電流
リードを「酸化物超電導体電流リード」という。）。
【０００３】酸化物超電導体電流リードは、その一端が
銅線などの常電導体リードに接続され、超電導体コイル
に電力を供給する電力供給機器と電気的に接続される。
酸化物超電導体電流リードの一端には、常電導体リード
との接続のため、常電導体の端子が設けられている。端
子を形成する常電導体としては銀が多く用いられてい
る。
【０００４】酸化物超電導体電流リードの一端に常電導
体の端子を設ける方法としては、従来よりスパッタリン
グ法が用いられているが、最近では、界面における接触
抵抗の点でより優れた溶融法が提案されている（溶接学
会論文集 第１４巻 第１号p.162-167 (1996)）。溶融
法は、端子となる常電導体を一旦溶融状態にし、これを
酸化物超電導体に付着させて端子を形成する方法であ
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、提案さ
れている溶融法においては、酸化物超電導体の金属成分
（特にＣｕ成分）が溶融状態にある常電導体に溶出し、
酸化物超電導体と常電導体との界面に反応層が生成して
しまうことがある。また、この反応層は超電導体ではな
いため、酸化物超電導体と常電導体との界面における接
触抵抗を著しく大きくしてしまう。
【０００６】本発明の課題は、上記問題を解決し、酸化
物超電導体と常電導体との界面における反応層の生成を
抑制し得る酸化物超電導体と常電導体との接合方法を提
供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の発明者らは鋭意
研究した結果、溶融状態にある常電導体に、酸化物超電
導体の金属成分と同一の成分を有する物質を予め配合す
れば反応層の生成が抑制されることを見出し、本発明を
完成させた。
【０００８】本発明の酸化物超電導体と常電導体との接
合方法は、次の特徴を有するものである。 （１） 酸化物超電導体で形成された部材の一部又は全
部を、該酸化物超電導体の金属成分と同一の成分を少な
くとも有する物質が予め配合され、溶融状態にある常電
導体に浸漬する工程を有する酸化物超電導体と常電導体
との接合方法。
【０００９】（２） 上記物質が、上記酸化物超電導体
の成分と同一の成分を有するものである上記（１）記載
の酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
【００１０】（３） 上記物質が上記酸化物超電導体と
同一組成の酸化物超電導体である上記（１）記載の酸化
物超電導体と常電導体との接合方法。
【００１１】（４） 上記物質の配合量が上記常電導体
１００重量部に対して０．５重量部〜２０重量部である
上記（３）記載の酸化物超電導体と常電導体との接合方
法。
【００１２】（５） 上記酸化物超電導体で形成された
部材が、一方向凝固法による希土類系酸化物超電導体の
単結晶ファイバーである上記（１）記載の酸化物超電導
体と常電導体との接合方法。
【００１３】（６） 上記常電導体が銀である上記
（１）記載の酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
【００１４】（７） 上記常電導体の温度が、上記酸化
物超電導体の包晶温度以下に設定されている上記（１）
記載の酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
【００１５】
【作用】以上のように、本発明の酸化物超電導体と常電
導体との接合方法においては、溶融状態にある常電導体
に、酸化物超電導体の金属成分と同一成分を少なくとも
有する物質が予め配合されている。このため、酸化物超
電導体で形成された部材を常電導体に浸漬した際に、該
酸化物超電導体の金属成分が常電導体に溶出するのを抑
制することができ、反応層の生成を抑制することができ
る。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の酸化物超電導体と
常電導体との接合方法を図を用いて詳細に説明する。図
１は本発明の酸化物超電導体と常電導体との接合方法の
一例を示す図であり、断面で示している。図１の例に示
すように、本発明の酸化物超電導体と常電導体との接合
方法は、酸化物超電導体で形成された部材１の一部又は
全部を、該酸化物超電導体の金属成分と同一の成分を少
なくとも有する物質が予め配合され、溶融状態にある常
電導体２に浸漬する工程を有している。
【００１７】図１の例では、部材１として、一方向凝固
法によって得られたＹ系高温超電導体（ＹＢＣＯ）の単
結晶ファイバーが使用されている。この単結晶ファイバ
ーは酸化物超電導体電流リードとして用いられるもので
ある。部材１は、一端１ａが常電導体に浸漬されてお
り、他端１ｂにはアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）の棒３が取り
付けられている。常電導体２には、超電導状態に悪影響
を及ぼしにくく、抵抗が小さく、又コストが比較的安価
な点から銀が用いられている。
【００１８】また図１の例では、常電導体に配合する物
質として、部材１を形成している酸化物超電導体と同一
組成の酸化物超電導体、即ちＹ系高温超電導体が用いら
れている。このＹ系高温超電導体は粉末状にされて常電
導体２に配合されている。Ｙ系高温超電導体が配合され
た常電導体２は、アルミナで形成されたるつぼ４に入れ
られ、このるつぼ４内で溶融される。工程は電気炉（図
示せず）内において大気雰囲気中で行われている。
【００１９】図２は図１に示した接合方法を用いて作製
した酸化物超電導体電流リードを示す図であり、断面で
示している。図２の例に示すように、本発明の酸化物超
電導体と常電導体との接合方法を用いることにより、単
結晶ファイバーである部材１の一端１ａに常電導体の端
子５が形成されている。酸化物超電導体電流リード１０
は、本発明の接合方法を用いることによって作製されて
いる。
【００２０】本発明の酸化物超電導体と常電導体との接
合方法は、酸化物超電導体と常電導体とを接合する必要
のある用途であれば、どのような用途であっても適用で
きるが、上記のように酸化物超電導体電流リードの作製
において好ましく適用できる。
【００２１】本発明で用いられる部材を形成する酸化物
超電導体としては、図１で示したＹＢＣＯに代表される
希土類系酸化物超電導体（ＲＥ１２３系超電導体）、Ｂ
ｉ系酸化物超電導体、およびＴｌ系酸化物超電導体が挙
げられる。
【００２２】具体的には、ＲＥ１２３系超電導体として
は、Ｙ1 Ｂａ2 Ｃｕ3 ＯX （ＹＢＣＯ）、Ｙｂ1 Ｂａ2
Ｃｕ3 ＯX 、Ｄｙ1 Ｂａ2 Ｃｕ3 ＯX 、Ｇｄ1 Ｂａ2 Ｃ
ｕ3ＯX 、Ｓｍ1 Ｂａ2 Ｃｕ3 ＯX 、Ｎｄ1 Ｂａ2 Ｃｕ
3 ＯX が挙げられ、更に希土類元素が混合して存在（混
晶系）する（Ｙｂ，Ｙ）1 Ｂａ2 Ｃｕ3 ＯX 、同じく
（Ｎｄ，Ｙ）1 Ｂａ2 Ｃｕ3 ＯX 、同じく（Ｎｄ，Ｓ
ｍ，Ｙ）1 Ｂａ2 Ｃｕ3 Ｏ X も挙げられる。
【００２３】また、Ｂｉ系酸化物超電導体としては、Ｂ
ｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ1 Ｃｕ2 ＯX やＢｉ 2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ
3 ＯX が挙げられる。Ｔｌ系酸化物超電導体としては、
Ｔｌ 2 Ｓｒ2 Ｃａ1 Ｃｕ2 ＯX 、Ｔｌ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃ
ｕ3 ＯX 、Ｔｌ1 Ｓｒ2 Ｃａ 2 Ｃｕ3 ＯX が挙げられ
る。
【００２４】上記に掲げた酸化物超電導体の酸素量は、
ＲＥ１２３系超電導体では（混晶系を含む）６．５≦Ｘ
≦８．０、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ1 Ｃｕ2 ＯX では７．５≦
Ｘ≦８．５、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 ＯX では９．５
≦Ｘ≦１０．５、Ｔｌ2 Ｓｒ 2 Ｃａ1 Ｃｕ2 ＯX では
７．５≦Ｘ≦８．５、Ｔｌ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 ＯX で
は９．５≦Ｘ≦１０．５、Ｔｌ1 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ
X では５．５≦Ｘ≦６．５であるのが良い。
【００２５】本発明の接合方法によって図２に示したよ
うに酸化物超電導体電流リードを作製するのであれば、
上記に挙げた酸化物系超電導体のうち、臨界電流密度に
優れている点で、ＲＥ１２３系超電導体が好ましく用い
られる。とりわけ、酸素分圧下にも拘らずストイキオメ
トリーに超電導相であるＲＥ1 Ｂａ2 Ｃｕ3 ＯX 構造が
とれ、しかも材料の入手が比較的容易である点から、Ｙ
ＢＣＯが特に好ましく用いられる。
【００２６】図１で示したように常電導体として銀を用
いるのであれば、上記で挙げた酸化物超電導体は銀を含
むもの、例えばＹｂ1 Ｂａ2 Ｃｕ3 ＯX ／Ａｇ、Ｙ1 Ｂ
ａ2Ｃｕ3 ＯX ／Ａｇ、Ｎｄ1 Ｂａ2 Ｃｕ3 ＯX ／Ａ
ｇ、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3ＯX ／Ａｇなどであって
も良い。このように酸化物超電導体が銀を含んでいる場
合においては、超電導体中に既存している銀粒子と溶融
銀が比較的容易に融着するため、酸化物超電導体と常電
導体との界面において低接触抵抗化が実現できる。ま
た、上記で挙げた酸化物超電導体はＰｔやＣｅＯ2 等の
添加物を含むものであっても良い。
【００２７】本発明で用いられる部材の形状は、それが
用いられる用途に応じた形状であれば良い。例えば用途
が図２で示したような酸化物超電導体電流リードである
ならば、部材の形状は図１、２で示したファイバー状又
は棒状とすれば良い。部材の製造方法としては、一方向
凝固法、焼結法等の従来より酸化物超電導体で用いられ
ている製造方法を利用できる。なお、一方向凝固法と
は、一種のゾーンメルト法であり、材料が凝固する際に
熱の移動が一方向だけに起こるようにして凝固させる方
法をいう。ＹＢＣＯを一方向凝固して得られたファイバ
ーは単結晶となっており、結晶粒粒界が少ないため、超
電導電流が粒界で阻害されることが少ないという効果を
得ることができる。
【００２８】本発明で用いられる常電導体としては、酸
化物超電導体は不純物に対して非常に敏感であり、超電
導体状態は少量の不純物が入っても劣化するため、超電
導状態に悪影響を与えない金属を用いる必要がある。こ
のようなものとしては金や銀等の貴金属が挙げられる。
本発明の接合方法を用いて酸化物超電導体電流リードを
作製するのであれば、抵抗が小さくまたコストの上でも
安価な銀が最適である。
【００２９】本発明において溶融状態にある常電導体に
配合する物質は、部材を形成する酸化物超電導体の金属
成分と同一の成分を少なくとも有する物質であれば良
い。また、該物質は部材を形成する酸化物超電導体の成
分と同一の成分を有する物質、即ち酸化物超電導体の金
属成分と同一の成分と、酸素成分とを有する物質であっ
ても良い。
【００３０】例えば、部材を形成する酸化物超電導体が
希土類系酸化物超電導体（ＲＥ１２３系超電導体）であ
るならば、ＲＥ、Ｂａ、Ｃｕを少なくとも有する物質が
挙げられる。但し、酸化物超電導体が別の相に変化する
のを防ぐため、この物質におけるＲＥ、Ｂａ、Ｃｕの組
成比は、ＲＥ：Ｂａ：Ｃｕ＝１．０〜２．０：２．０〜
２．５：３．０〜３．５であるのが良い。具体的には、
部材を形成している酸化物超電導体と同一の組成の酸化
物超電導体であるＲＥ1 Ｂａ2 Ｃｕ3 ＯX 、ＲＥ1 Ｂａ
2 Ｃｕ3 ＯX とＲＥ2 Ｂａ1 Ｃｕ1 Ｏ5 とを混合してな
るＲＥ1.2 Ｂａ 2.1 Ｃｕ3.1 ＯX やＲＥ1.8 Ｂａ2.4 Ｃ
ｕ3.4 ＯX 等が挙げられる。
【００３１】但し、本発明では、溶融状態にある常電導
体に配合する物質としては、図１で示したように部材を
形成している酸化物超電導体と同一の組成の酸化物超電
導体が、準備が容易であり、又粉末状とし易い点から好
ましく用いられる。なお、本発明でいう同一の組成とは
成分及び成分の割合が同一であるものをいう。
【００３２】常電導体への物質の配合は、常電導体を溶
融する前後のいずれであっても良いが、とりわけ配合が
容易に行える点から溶融前に行うのが好ましい。物質の
形態は粉末状、粒状、塊状のいずれであっても良く、特
に限定されるものではない。但し、溶融状態にある常電
導体中に融解させやすい点から、物質は粉末状で配合す
るのが好ましい。物質の配合量は、常電導体１００重量
部に対して０．５重量部〜２０重量部が良く、５重量部
〜１０重量部が好ましい。
【００３３】溶融状態にある常電導体の温度は、浸漬す
る部材を形成する酸化物超電導体が分解するのを防止す
るため、この酸化物超電導体の包晶温度以下に設定する
のが好ましい。例えば、酸化物超電導体がＹＢＣＯ系の
場合であれば９４０℃〜１００５℃の範囲内とするのが
好ましい。ＳｍＢＣＯ系の場合であれば９４０℃〜１０
７０℃の範囲内とするのが好ましい。ＮｄＢＣＯ系の場
合であれば９４０℃〜１０９０℃の範囲内とするのが好
ましい。
【００３４】酸化物超電導体で形成された部材を常電導
体に浸漬する時間の下限は、酸化物超電導体に常電導体
が濡れはじめる時間以上にする必要があることから、
０．１秒以上であるのが好ましい。一方、浸漬時間の上
限は特に限定されるものではないが、１時間程度であれ
ば十分である。これらのことより、本願発明においては
浸漬時間は０．１秒〜１時間程度に設定するのが好まし
い。
【００３５】本発明の接合方法が行われる雰囲気は特に
限定されるものではない。本発明の接合方法は、例えば
大気中、酸素雰囲気中のいずれでも行うことができる。
例えば、部材を形成する酸化物超電導体がＹＢＣＯであ
るならば、固溶体が存在しないストイキオメトリーな素
材であることから、どの酸素雰囲気中でも反応層の生成
を抑制して接合を行うことができる。部材を形成する酸
化物超電導体がＳｍＢＣＯ又はＮｄＢＣＯであるなら
ば、低酸素雰囲気下（酸素分圧０．０２ａｔｍ以下）で
行うのが好ましい。
【００３６】
【実施例】以下、実施例を挙げて本発明を具体的に示
す。図１に示した本発明の接合方法を用いて、実際に図
２と同様の酸化物超電導体電流リードを作製した。
【００３７】実施例 銀９５重量部に、ＹＢＣＯの粉末５重量部を混合し、こ
の混合物をアルミナのるつぼに入れ、大気雰囲気の電気
炉内にて溶融した。次に、この融液の温度を９４０℃〜
９７０℃に保持して、この融液に、一方向凝固法により
形成したＹＢＣＯ単結晶ファイバー（直径１．５ｍｍ）
の一端を約１時間浸漬した。その後、このファイバーを
引き上げ、これに酸素雰囲気中（酸素分圧１ａｔｍ）に
おいて５００℃で７００時間の酸素導入処理を行い、酸
化物超電導体電流リードを完成させた。
【００３８】上記で得られた酸化物超電導体電流リード
について、酸化物超電導体と銀との界面を電子顕微鏡で
観察したところ、反応層の生成は確認できなかった。ま
た、この酸化物超電導体電流リードについて、直流電流
を通電し、発生電圧から接触抵抗を算出したところ、接
触抵抗は１０-12 Ωｍ2 程度となり、極めて低い値であ
った。
【００３９】比較例 アルミナのるつぼに銀のみを入れて溶融した以外は実施
例と同様にして酸化物超電導体電流リードを完成させ
た。次に、この酸化物超電導体電流リードについても、
実施例と同様に酸化物超電導体と銀との界面を電子顕微
鏡で観察したところ、酸化物超電導体と常電導体との界
面においてＣｕ成分が欠乏した反応層が生成しているこ
とが確認できた。さらに、実施例と同様にして接触抵抗
を算出したところ、接触抵抗は１０-6Ωｍ2 〜１０-5Ω
ｍ2 程度であった。
【００４０】
【発明の効果】このように本発明の酸化物超電導体と常
電導体との接合方法を用いれば、酸化物超電導体と常電
導体との界面における反応層の生成を抑制することがで
きる。また、本発明の接合方法を用いれば、端子とリー
ドとの接触抵抗が小さい酸化物超電導体電流リードを容
易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸化物超電導体と常電導体との接合方
法の一例を示す図である。
【図２】図１に示した接合方法を用いて作製した酸化物
超電導体電流リードを示す図である。
【符号の説明】
１ 酸化物超電導体で形成された部材 ２ 常電導体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 和泉 輝郎 東京都江東区東雲一丁目14番３号 財団法 人 国際超電導産業技術研究センター 超 電導工学研究所内 (72)発明者 塩原 融 東京都江東区東雲一丁目14番３号 財団法 人 国際超電導産業技術研究センター 超 電導工学研究所内 Ｆターム(参考） 4G026 BA02 BB21 BF57 BG02 BG30 BH06 5G321 AA01 AA04 AA05 AA07 BA05

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 酸化物超電導体で形成された部材の一部
    又は全部を、該酸化物超電導体の金属成分と同一の成分
    を少なくとも有する物質が予め配合され、溶融状態にあ
    る常電導体に浸漬する工程を有する酸化物超電導体と常
    電導体との接合方法。
  2. 【請求項２】 上記物質が、上記酸化物超電導体の成分
    と同一の成分を有するものである請求項１記載の酸化物
    超電導体と常電導体との接合方法。
  3. 【請求項３】 上記物質が上記酸化物超電導体と同一組
    成の酸化物超電導体である請求項１記載の酸化物超電導
    体と常電導体との接合方法。
  4. 【請求項４】 上記物質の配合量が上記常電導体１００
    重量部に対して０．５重量部〜２０重量部である請求項
    ３記載の酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
  5. 【請求項５】 上記酸化物超電導体で形成された部材
    が、一方向凝固法による希土類系酸化物超電導体の単結
    晶ファイバーである請求項１記載の酸化物超電導体と常
    電導体との接合方法。
  6. 【請求項６】 上記常電導体が銀である請求項１記載の
    酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
  7. 【請求項７】 上記常電導体の温度が、上記酸化物超電
    導体の包晶温度以下に設定されている請求項１記載の酸
    化物超電導体と常電導体との接合方法。
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