JP2004022620A - Superconductor device - Google Patents

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JP2004022620A JP2002172218A JP2002172218A JP2004022620A JP 2004022620 A JP2004022620 A JP 2004022620A JP 2002172218 A JP2002172218 A JP 2002172218A JP 2002172218 A JP2002172218 A JP 2002172218A JP 2004022620 A JP2004022620 A JP 2004022620A
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Hiroyuki Fukuya
福家 浩之
Yoshiaki Terajima
寺島 喜昭
Fumihiko Aiga
相賀 史彦
Hiroyuki Kayano
加屋野 博幸
Tatsunori Hashimoto
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a superconductor device having excellent high-frequency characteristics, small sized and lightweight. <P>SOLUTION: The device compromises a superconductor component 901 for a high frequency with superconductor layer formed on an insulation substrate, and a supporting body 900 for securing the superconductor component. The supporting body 900 is formed with the sidewalls of a rectangular column, and the superconductor component 901 is arranged inside the rectangular column. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
MHz以上の高周波信号を損失が少なく所定の周波数の信号のみを選択的に透過させることができる超電導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
酸化物超電導体は、大電流を流してもロスがほとんど無く、また高周波電流に対する電気抵抗が非常に小さいなどの理由により有望視されている。この部材は、基板表面に形成した超電導膜をリソグラフィ―を用いて加工し所望の周波数のみを共振させて透過させる。
【0003】
高周波を効率良く伝播させるには、超電導膜が誘電体を挟んで接地された面と対向していなくてはならない。通常は、超電導体を成膜する基板の裏面にも超電導体膜を成膜し、この面を接地された金属などの導電性ホルダーに接触させている。
【0004】
このホルダーを冷凍器のコールドヘッドもしくはこれに取り付けた冷却部材を介して冷却する。さらに、高周波信号の放出を防ぐため、超電導膜からなる素子は接地された導体からなるケースで外包される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
特に、上述のような超電導部材を携帯電話の基地局において使用する場合、アンテナのすぐ近くに置く事が望まれている。そのためには小型軽量であることが望ましいが、冷却装置とともに小型軽量にすると冷却能力が小さくなる。その結果、電送ケーブルを伝わる熱、及び外界からの熱輻射などが無視できなくなり素子が十分に冷えないという不具合が生じた。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、絶縁性基板上に形成された超電導体層を有する高周波用超電導体素子と、前記高周波用超電導体素子を固着する支持体とを備え、前記支持体は角柱側壁をなし、前記超電導体素子は角柱内側に配置していることを特徴とする超電導体装置を提供する。
【0007】
前記角柱内において、前記高周波用超電導体素子が仕切りによって分離されており、前記仕切りの少なくとも一表面は導電体層または超電導体層を有しても良い。
【0008】
前記角柱は三角柱であってもよい。
【0009】
複数の前記角柱が外側面同士を近接配置させても良い。
【0010】
また、絶縁性基板上に形成された超電導体層を有する高周波用超電導体素子と、前記高周波用超電導体素子を表裏面に固着する支持体と、前記高周波用超電導体素子の端部に入出力用コネクターとを備え、前記支持体の前記コネクターの下に、他の部分よりも熱伝導率の低い部材を設けることを特徴とする超電導体装置を提供する。
【0011】
前記コネクターは、前記支持体の表裏面でずれていてもよい。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、例を挙げて説明する。
(実施形態1)
図1、図2は、本実施形態における超伝導体膜を用いた素子100を説明するための図であり、図1は平面図、図2は断面図である。
【0013】
図に示すように、CVD、真空蒸着、スパッタリング、レーザーアブレーションなどの方法により、基板101の上下の面に超電導体膜を形成する。ここで、基板101には、比較的誘電損失が小さいため、LaAlO、MgOあるいはサファイアの単結晶を用いる。また、超電導体膜には、ReBaCu(Re=Y,Ho,Ybなどの希土類元素)、その他Bi系、Tl系などの酸化物超電導体を用いることができる。サファイア基板は単結晶R面を用いることができる。
【0014】
次に、図1に示すように、リソグラフィー等を用いて、表面の超電導体膜102を所望の共振周波数になるように加工する。一方、裏面の超電導体膜102上には、接触抵抗低減層103としてAgを約100nm以上約5μm以下成膜する。
【0015】
その後、少なくとも10Pa以上の酸素雰囲気中にて約400℃以上約900℃以下、好ましくは約400℃以上約700℃以下の温度でアニールする。Agと酸化物超電導体との接触抵抗は小さいが、更にこの処理により、接触抵抗は検出が困難なほど小さくなる。
【0016】
次いで、接合材料104を介して接触抵抗低減層103と支持体105を固定する。ここで、支持体105は、表面に1μm以上、5μm以下のAuで被覆された厚さ3mmの銅板を用いることができる。また、接触抵抗低減層103としてAgを用いた場合、Agが反応を抑制する効果も有する。従って、反応性が高い接合材料104を用いる場合には、Agの膜厚は厚い方が良く、100nm以上、好ましくは500nm以上にすることが望まれる。また、現実的には、5μm以下であってもよい。
【0017】
固定方法は、治具を用いて機械的に取り付けても良いが、裏面の超電導膜と支持体の最表面にAuが設けられている場合これらを接触させて真空、不活性ガスもしくは酸素雰囲気中において200℃から400℃程度に加熱して接着しても良い。
【0018】
ところで、一般に、熱侵入は電力ケーブルを伝わった熱がコネクターを介して素子を固定した支持体に伝わって起こる。従って、コネクターからの熱侵入を防止するための工夫が重要である。
【0019】
そこで、図3に示すように、素子700を固定する支持体701を単一の部材によって形成するのではなく、コネクター703を支持する部分については、熱伝導率の低い部材702を用いるようにするのが良い。さらに、コネクター703の外皮704が、素子700のグランド面705と同電位になるように熱伝導率の低い部材702をAuでコーティングし、一部を素子700のグランド面705に接触させる。
【0020】
このとき、グランド面705と熱伝導率の低い部材702との接触面積Sは、入力する高周波にとっては広い方が良いが、断熱効果が小さくなる。一方、狭いと通過特性のグランドレベルが上がる。
【0021】
この点についての実験結果を図4に示す。ここで、S1は熱伝導率の低い部材702の面積である。
【0022】
従って、接触面積Sは、熱伝導率の低い部材702の面積に対して1%以上、30%以下であるのが好ましい。更に好ましくは、5%以上、20%以下であることが望まれる。
【0023】
支持体701をコールドヘッドに取り付け、冷却したところ、50Kまで冷却することができた。
【0024】
また、多くの場合、図5に示すように、素子100とローノイズアンプ(LNA)201を素子基板200に固定する。この素子基板200は、輻射による熱侵入を減らすために、できるだけ薄くして表面積を小さくする方が良い。素子基板200を薄くすることは、軽量化のためにも有効である。この素子基板200は必ずしも金属である必要はなく、50K付近の低温で熱伝導の良いサファイアなどを用いることもできる。ただし、サファイアを用いる場合は、表面に少なくとも300nm以上の厚さを有するAu,Ag,Al,Cuなどの比抵抗の低い金属膜を設け、この膜を接地する必要がある。サファイアは、強固であるため、より薄くすることができ、軽量化にも有効である。
【0025】
アンテナからコネクター208を通じて素子100に入った信号は、出力電極204からローノイズアンプ(LNA)201に入り、増幅される。この素子100とLNA201との接続は、細い金属線もしくは箔206を用いるのが良い。本実施形態においては、LNA201は熱伝導率の悪いアルミナあるいは石英などの基板202上に作製し、素子100と出力ケーブルを接続するコネクター203との間に設けている。このように配置することで、コネクター203側からの熱侵入を低減することができる。
【0026】
一般に、携帯電話の基地局には3セクターの送受信装置が設置されている。これは、基地局を中心とする半径1〜数kmの円内にいるユーザーとの通信を可能にするため3つのアンテナを120度づつ分担させそれぞれに送受信装置を設けているからである。さらに、ダイバーシティーと呼ばれる方式が用いられ、この場合は一セクターあたり二つの受信フィルターが必要になる。
【0027】
図6は、3つの超伝導素子901を支持体900上に固定した例を示す。図6(a)は斜視図、(b)は上面図である。
【0028】
ここで、素子901は支持体900内側にして3面に取り付けている。従って、支持体900の裏面が三角柱の矩形面になるような中空の構造が得られる。内部には、各素子901が分離された空間に置かれるように導電体もしくは超電導体の一方を表面に配した仕切り910により区切られている。
【0029】
この構造体を冷却するのにパルスチューブ型冷凍機を用いた場合を図7に示す。
【0030】
通常、パルスチューブ冷凍機は、コールドヘッドと圧縮機及びバッファータンクを2本のパイプで結んでいる。ここで、バッファータンクに接続する第一のパイプ1001はコールドヘッドに超電導部材を取り付ける際、邪魔になる場合がよくある。そこで、本発明においては三角柱の中に円筒のシールド1002を設け、この中をコールドヘッド1203とバッファータンクをつなぐ第一のパイプ1001を通す。これにより、第一のパイプ1001からの輻射熱を遮ることができ素子をコンパクトに収めることができる。また、このシールド1002に各素子を分離するための仕切り1003が接続されていても良い。
【0031】
尚、ここでいう三角柱は各素子とそれらを分離する仕切りとの距離を十分に確保しかつ表面積を小さくするために、図8のような物であっても良い。
【0032】
また、図9は、図6のコールドヘッド1203に接する側の底面に取り付けられた冷却部材1204を示す図である。それぞれの素子901に設けられたコネクター1201は、三角柱の底面に設けられた冷却部材1204に穴1200を設け、直接コールドヘッド1203もしくはそれに取り付けた冷却部材1204と接しないようにすることが必要である。
【0033】
さらに、図10は、6枚の素子を用いる場合を示す図である。三枚の素子を内面に取り付けた中空の三角柱を1ユニットとして、それぞれの一面を、裏面同士接触もしくは近接させている。この時2台のコールドヘッド1303をそれぞれに取り付けても良いし、また1台のコールドヘッドに取り付けた2つの冷却部材にそれぞれ取り付けることもできる。
【0034】
図11は、2台のコールドヘッドを用いた場合の機器のブロック図である。
【0035】
圧縮機1410で圧縮されたHeガスを2本のパイプ1411を通して2台のコールドヘッド1412に送る。この時それぞれのガス流量が同じになるように流量調節バルブ1413を設ける方がこのましい。また分岐点1414での2本のパイプは対称的な形態をもち、そこからコールドヘッドまでの長さ及び形状も同じであることが望ましい。更にコールドヘッドからバッファータンク1415までのパイプについても長さ及び形状も同じであることが望ましい。
【0036】
これにより一台の圧縮機で2ユニットの超電導部材を効率よく冷却できる。
【0037】
図12は、1台のコールドヘッド1512に切り替えバルブ1513を介して2台の圧縮機1510を設けた例である。使用法としては、(1)通常1台だけを動かし、異常が起きた時にもう一台に切り替える、(2)通常、半分の出力で2台とも動かし、どちらかに異常が起きた時に一台だけに切り替えフルパワーで運転する、という使用法が考えられる。
【0038】
このようにすることで、一台の圧縮機が故障しても通信不能になることがなくなり信頼性が向上する。
【0039】
より具体的には、銅製の支持体の一部について表面(両面)にAuを300nm以上コーティングした石英からなる熱伝導率の低い部材を組み込み、銅製の部分に超伝導素子を配置し、熱伝導率の低い部材上に入出力を行うコネクターを配置する。
【0040】
このような部材3個を素子が内側を向くように組み立て、外周をスーパーインシュレーションと呼ばれる断熱シートで覆う。また、内部には円筒に3枚の板を取り付けた分離治具を設けた。この仕切りにより、各素子間の干渉を抑制することも可能になる。
【0041】
パルスチューブ冷凍機を用いる場合には、円筒の中にパイプを通すことでコンパクトにできる。また円筒はパイプからの輻射熱を遮断できる。本発明によれば従来のように外側に素子を取り付ける場合と比較して表面積を大幅に小さくすることができるので輻射による熱侵入をちいさくすることができる。その結果、小型の冷凍機を用いることができ小型軽量の超電導部材を得ることができる。
(実施形態2)
図13を用いて、本発明の第二の実施形態を説明する。
【0042】
実施形態1と同様にして、サファイアの単結晶R面基板の両面に超電導体をレーザーアブレーション法により成膜した後、所望の共振周波数になるように、片面の超電導膜をリソグラフィーにより加工する。一方、裏面の超電導膜上に接触抵抗低減層としてAgを100nm以上5μm以下成膜する。その後、少なくとも10Pa以上の酸素雰囲気中にて400℃以上900℃以下、好ましくは400℃以上700℃以下の温度でアニールし、さらにAuを裏面に100nm以上5μm以下成膜し、超伝導素子301を形成した。
【0043】
また、支持体300として、表面に1μm以上、5μm以下のAuで被覆された厚さ3mmの銅板を用いることができる。
【0044】
素子301を支持体300の両面に固定する。固定方法は、治具を用いて機械的に取り付けても良いが、裏面の超電導膜と支持体の最表面にAuが設けられている場合これらを接触させて真空、不活性ガスもしくは酸素雰囲気中において200℃から400℃程度に加熱して接着しても良い。
【0045】
一方、外寸の縦横長30mm×60mmの冷却部材302がコールドヘッド上に設置されている。この冷却部材302には、内寸の縦横長が25mm×55mm、深さ10mmの窪みが設けられている。
【0046】
この筐体302上に、支持体300と素子301とを一体化した部材を設置する。
【0047】
さらに、深さ10mm、内寸縦横長25mm×55mmの窪みを設けた外寸縦横長30mm×60mmのカバー303で覆う。
【0048】
この時、カバー303及び冷却部材302の面積S及び深さLは大きい方が高周波の通過特性が良い。面積Sは少なくとも素子面積の60%以上、好ましくは80%以上、さらに好ましくは100%以上であることが望まれる。一方、深さLは2mm以上、好ましくは5mm以上、さらに好ましくは10mm以上であることが望まれる。ただし、この寸法を大きくすると表面積が増え、熱侵入も大きくなるので面積は120%以下、深さは20mm以下にするのが適当である。
【0049】
このようにして得られた超電導部材を真空断熱容器内に収め、図示しない真空ポンプで減圧した後、冷凍機を稼動させて冷却した。2つの素子を平面に並べた場合には80Kまでしか冷却できなかったが、同じ冷凍機を用いても本発明によれば部材の表面積を小さくすることができ、60Kまで冷却することができた。
【0050】
このようにして、二つの素子301を一平面に並べた場合より部材の表面積を小さくすることができ、輻射による熱侵入が少ない超電導部材を得ることができる。
【0051】
尚、この場合は支持体300の冷却部材302に接触する面積が小さいので、支持体300の表面に少なくとも300nm以上の厚さを有するAu,Ag,Al,Cuなどの比抵抗の低い金属膜を設けたサファイアを用いると良い。
【0052】
また、支持体300が薄い場合はコネクター305同士が接触しないように、コネクター305に接続される入出力用電極が超電導体を設けた基板の中心を通る線上にないようにするのが良い。例えば、図14のように、入出力用電極1401が基板の両サイドにある場合は、基板1402の中心を通る線から、同方向でも反対方向でも良いが、少なくとも2mm以上離れていれば、厚さ2mm程度の支持体両面に素子を取り付けてもコネクターの接続に不具合は生じない。また、図15のように、入出力用電極1401が基板の片側にある場合は、どちらか一方が基板の中心を通る線上にあっても構わず、支持体300の両サイドにコネクターがくるよう素子を取り付ければ良い。
【0053】
カバー303は、素子301と同じ温度まで冷えている必要はない。従って、熱伝導の悪い材料で構成されている方が好ましい。ただし、高周波電力にとって表面抵抗が低いことが必要である。例えば、Al,Ni,Ta,Mo,SUSなどでも構わないが、表面にAuを、少なくとも素子に面する側にコーティングすることが望まれる。Auは、赤外線の反射率が高いので外側にもコーティングしてあると断熱効果が得られる。
【0054】
具体的には、表面に300nm以上5μm以下のAuで被覆された厚さ1mmのサファイアからなる支持体の両面に超伝導素子をコネクターが接触しないように固定し、真空断熱容器内に収め図示しない真空ポンプで減圧した後、冷凍機を稼動させて冷却したところ、2つの素子を平面に並べた場合には80Kまでしか冷却できなかったものが、同じ冷凍機を用いても、部材の表面積を小さくすることができ、また銅より熱伝導率の高いサファイアを用いることで素子全体を均一性良く55Kまで冷却することができた。
【0055】
また、カバー303をCuなどの熱伝導の良い材料で作製した場合、図16にあるように、50K〜100Kの温度範囲における熱伝導率が250k/W.m−1.K−1以下であるとともに、比抵抗が0.01Ωcm以下である材料、例えば、Alからなる接続部材610を介して取り付けると良い。
【0056】
尚、軽量化のためにAlで作製したカバーの内面に超電導体を表面に配した部材を用いても良い。ただし、超電導体は接地されなくてはならない。また、超電導体を用いる場合は、カバーも超電導転移温度以下まで下げなくてはならない。このようなカバーを用いると、素子の高周波通過特性が向上する。
【0057】
表面に300nm以上5μm以下のAuで被覆されたAl製カバーを用いて計測をした結果、高周波通過特性を損なうことなく、より低いパワーで60Kまで冷却することができた。
【0058】
尚、Auはカバーの内周だけでなく外周にもコーティングするとより有効である。
(実施形態3)
本実施形態においては、2つの素子を1つの支持体の表裏に配置するものであるが、おのおのの素子は熱伝導率の異なる部材により形成された基板上に設けるものである。
【0059】
個々の素子700は、図3に示すように、基板上に形成されている。また、支持体701は、一部に熱伝導率の低い部材702が組み込まれている。
【0060】
このように形成された素子700と支持体701を一体化した部材の裏面側にも素子700を設けると、図17のようになる。
【0061】
例えば、支持体701は熱伝導率の高い銅を用い、熱伝導率の低い部材702はAlを用いることができる。さらに好ましくは、熱伝導率の低い部材702として、表面(両面)にAuを300nm以上コーティングした石英を用いると、石英の熱伝導率が低いため、より断熱効果は大きい。ここで、支持体701及び熱伝導率の低い部材702の支持体の両面に導電性を有する膜を設けておくことが必要である。
(実施形態4)
先にも説明したように、一般に、携帯電話の基地局には3セクターの送受信装置が設置されており、さらに、ダイバーシティーと呼ばれる方式が用いられる場合は、一セクターあたり二つの受信フィルターが必要になる。
【0062】
このようなとき、本実施形態のように、6枚の素子801を一つの冷却部材800に装填するのが好適である。(図18)
ここでは、個々の素子801は、支持体802上に設けられている。このとき、支持体802は、単一の材質からなるものでも良いし、コネクターの設けられる部分について熱伝導率の低い部材を用いても良い。
【0063】
また対面する素子間に、導電体もしくは超電導体を表面に配した仕切り810を設けることが望まれる。素子と仕切りの距離Lは2mm以上好ましくは5mm以上さらに好ましくは10mm以上であることが望まれる。ただし、この寸法を大きくすると表面積が増え熱侵入も大きくなるので20mm以下にするのが適当である。このようにして六つの素子を一平面に並べた場合より部材の表面積を小さくすることができ輻射による熱侵入が少ない超電導部材を得ることができる。
【0064】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、高周波特性に優れた小型軽量の超電導部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に関する超伝導素子の平面図
【図2】本発明に関する超伝導素子の断面図
【図3】本発明に関する超伝導素子の斜視図
【図4】接触面積と、熱侵入及び通過特性の関係
【図5】本発明に関する超伝導素子の斜視図
【図6】第1の実施形態に係る構造の斜視図
【図7】第1の実施形態に係る構造の斜視図
【図8】第1の実施形態の変形例
【図9】第1の実施形態に係る構造の下面図
【図10】第1の実施形態に係る変形例
【図11】冷凍機と機器のブロック図
【図12】冷凍機と機器のブロック図
【図13】第2の実施形態を説明する図
【図14】第2の実施形態に係る素子の平面図
【図15】第2の実施形態に係る素子の平面図
【図16】第2の実施形態の変形例
【図17】第3の実施形態を説明する図
【図18】第4の実施形態を説明する図
【符号の説明】
100  素子
900  支持体
901  素子
910  仕切り
1203 コールドヘッド
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a superconductor device capable of selectively transmitting only a signal of a predetermined frequency with a small loss of a high frequency signal of MHz or higher.
[0002]
[Prior art]
Oxide superconductors are considered promising because they have almost no loss even when a large current is applied, and their electrical resistance to high-frequency current is very small. In this member, a superconducting film formed on the substrate surface is processed by lithography to resonate and transmit only a desired frequency.
[0003]
In order to efficiently transmit a high frequency, the superconducting film must face a grounded surface with a dielectric interposed therebetween. Normally, a superconductor film is also formed on the back surface of the substrate on which the superconductor is formed, and this surface is brought into contact with a grounded metal or other conductive holder.
[0004]
The holder is cooled via the cold head of the refrigerator or a cooling member attached thereto. Furthermore, in order to prevent emission of a high-frequency signal, the element made of a superconducting film is encased in a case made of a grounded conductor.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In particular, when the above-described superconducting member is used in a base station of a mobile phone, it is desired that the superconducting member be placed very close to the antenna. For that purpose, it is desirable to be small and lightweight, but if it is made small and lightweight together with the cooling device, the cooling capacity is reduced. As a result, heat transmitted through the transmission cable, heat radiation from the outside, and the like cannot be ignored, and there has been a problem that the element is not sufficiently cooled.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes a high-frequency superconductor element having a superconductor layer formed on an insulating substrate, and a support for fixing the high-frequency superconductor element, wherein the support forms a prismatic side wall, A superconductor device is provided, wherein the body element is disposed inside the prism.
[0007]
In the prism, the high-frequency superconductor element may be separated by a partition, and at least one surface of the partition may have a conductor layer or a superconductor layer.
[0008]
The prism may be a triangular prism.
[0009]
A plurality of said prisms may arrange outer side surfaces close to each other.
[0010]
A high-frequency superconductor element having a superconductor layer formed on an insulating substrate; a support for fixing the high-frequency superconductor element to the front and back surfaces; And a member having a lower thermal conductivity than other portions is provided below the connector of the support.
[0011]
The connector may be shifted on the front and back surfaces of the support.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to examples.
(Embodiment 1)
1 and 2 are views for explaining an element 100 using a superconductor film according to the present embodiment. FIG. 1 is a plan view, and FIG. 2 is a cross-sectional view.
[0013]
As shown in the figure, a superconductor film is formed on the upper and lower surfaces of the substrate 101 by a method such as CVD, vacuum evaporation, sputtering, or laser ablation. Here, since the substrate 101 has a relatively small dielectric loss, a single crystal of LaAlO 3 , MgO or sapphire is used. Further, for the superconductor film, Re 1 Ba 2 Cu 3 O x (Re = a rare earth element such as Y, Ho, and Yb) and other oxide superconductors such as Bi-based and Tl-based can be used. The sapphire substrate can use a single crystal R-plane.
[0014]
Next, as shown in FIG. 1, the superconductor film 102 on the surface is processed by lithography or the like so as to have a desired resonance frequency. On the other hand, on the superconducting film 102 on the back surface, Ag is formed as a contact resistance reducing layer 103 with a thickness of about 100 nm or more and about 5 μm or less.
[0015]
Thereafter, annealing is performed in an oxygen atmosphere of at least 10 Pa at a temperature of about 400 ° C. to about 900 ° C., preferably at a temperature of about 400 ° C. to about 700 ° C. Although the contact resistance between Ag and the oxide superconductor is small, this treatment further reduces the contact resistance so that it is difficult to detect.
[0016]
Next, the contact resistance reducing layer 103 and the support 105 are fixed via the bonding material 104. Here, as the support 105, a 3 mm-thick copper plate whose surface is coated with Au of 1 μm or more and 5 μm or less can be used. When Ag is used as the contact resistance reducing layer 103, Ag also has an effect of suppressing a reaction. Therefore, in the case of using the bonding material 104 having high reactivity, it is better that the thickness of the Ag film is large, and it is desired that the thickness be 100 nm or more, preferably 500 nm or more. In practice, it may be 5 μm or less.
[0017]
The fixing method may be mechanical attachment using a jig. However, when Au is provided on the superconducting film on the back surface and the outermost surface of the support, they are brought into contact with each other in a vacuum, an inert gas or an oxygen atmosphere. In this case, the bonding may be performed by heating to about 200 ° C. to 400 ° C.
[0018]
In general, heat intrusion occurs when heat transmitted through a power cable is transmitted through a connector to a support on which an element is fixed. Therefore, it is important to take measures to prevent heat from entering from the connector.
[0019]
Therefore, as shown in FIG. 3, the support 701 for fixing the element 700 is not formed by a single member, but a member 702 having a low thermal conductivity is used for a portion for supporting the connector 703. Is good. Further, a member 702 having a low thermal conductivity is coated with Au so that the outer skin 704 of the connector 703 has the same potential as the ground surface 705 of the element 700, and a part thereof is brought into contact with the ground surface 705 of the element 700.
[0020]
At this time, the contact area S between the ground plane 705 and the member 702 having low thermal conductivity is preferably wider for the input high frequency, but the heat insulating effect is reduced. On the other hand, if it is narrow, the ground level of the passage characteristic increases.
[0021]
The experimental results on this point are shown in FIG. Here, S1 is the area of the member 702 having a low thermal conductivity.
[0022]
Therefore, the contact area S is preferably 1% or more and 30% or less with respect to the area of the member 702 having low thermal conductivity. More preferably, it is desired to be 5% or more and 20% or less.
[0023]
When the support 701 was attached to the cold head and cooled, it could be cooled to 50K.
[0024]
In many cases, the element 100 and the low noise amplifier (LNA) 201 are fixed to the element substrate 200 as shown in FIG. It is preferable that the element substrate 200 be as thin as possible and have a small surface area in order to reduce heat penetration due to radiation. Reducing the thickness of the element substrate 200 is also effective for reducing the weight. The element substrate 200 does not necessarily need to be made of metal, and sapphire or the like having a good thermal conductivity at a low temperature of around 50K can be used. However, when sapphire is used, it is necessary to provide a metal film having a low specific resistance, such as Au, Ag, Al, or Cu, having a thickness of at least 300 nm on the surface, and ground this film. Since sapphire is strong, it can be made thinner and is also effective in reducing the weight.
[0025]
A signal that has entered the element 100 from the antenna through the connector 208 enters the low noise amplifier (LNA) 201 from the output electrode 204 and is amplified. The connection between the element 100 and the LNA 201 is preferably made using a thin metal wire or foil 206. In the present embodiment, the LNA 201 is formed on a substrate 202 made of alumina or quartz having a low thermal conductivity and provided between the element 100 and a connector 203 for connecting an output cable. With such an arrangement, heat intrusion from the connector 203 side can be reduced.
[0026]
Generally, a transmission / reception device of three sectors is installed in a base station of a mobile phone. This is because three antennas are shared by 120 degrees each and a transmission / reception device is provided for enabling communication with a user who is within a circle having a radius of 1 to several km around the base station. Furthermore, a method called diversity is used, in which case two reception filters are required per sector.
[0027]
FIG. 6 shows an example in which three superconducting elements 901 are fixed on a support 900. FIG. 6A is a perspective view, and FIG. 6B is a top view.
[0028]
Here, the elements 901 are mounted on three surfaces inside the support 900. Accordingly, a hollow structure in which the back surface of the support 900 is a rectangular surface of a triangular prism is obtained. Inside, each element 901 is separated by a partition 910 having one of a conductor or a superconductor disposed on the surface so as to be placed in a separated space.
[0029]
FIG. 7 shows a case where a pulse tube refrigerator is used to cool this structure.
[0030]
Generally, a pulse tube refrigerator connects a cold head, a compressor, and a buffer tank with two pipes. Here, the first pipe 1001 connected to the buffer tank often becomes an obstacle when attaching the superconducting member to the cold head. Therefore, in the present invention, a cylindrical shield 1002 is provided in a triangular prism, and a first pipe 1001 connecting the cold head 1203 and the buffer tank is passed through the inside. Thereby, radiant heat from the first pipe 1001 can be blocked, and the element can be compactly stored. Further, a partition 1003 for separating each element may be connected to the shield 1002.
[0031]
Note that the triangular prism here may be a triangular prism as shown in FIG. 8 in order to secure a sufficient distance between each element and a partition for separating the elements and reduce the surface area.
[0032]
FIG. 9 is a diagram showing the cooling member 1204 attached to the bottom surface on the side in contact with the cold head 1203 in FIG. The connector 1201 provided on each element 901 needs to be provided with a hole 1200 in the cooling member 1204 provided on the bottom surface of the triangular prism so as not to directly contact the cold head 1203 or the cooling member 1204 attached thereto. .
[0033]
FIG. 10 is a diagram showing a case where six elements are used. One unit is a hollow triangular prism having three elements mounted on the inner surface, and one surface of each is brought into contact with or close to the back surface. At this time, two cold heads 1303 may be attached to each of them, or two cold heads 1303 may be attached to two cooling members attached to one cold head.
[0034]
FIG. 11 is a block diagram of a device when two cold heads are used.
[0035]
He gas compressed by the compressor 1410 is sent to two cold heads 1412 through two pipes 1411. At this time, it is preferable to provide a flow control valve 1413 so that the respective gas flow rates are the same. Also, it is desirable that the two pipes at the branch point 1414 have a symmetrical shape, and have the same length and shape from there to the cold head. Further, it is desirable that the pipes from the cold head to the buffer tank 1415 have the same length and shape.
[0036]
Thereby, two units of superconducting members can be efficiently cooled by one compressor.
[0037]
FIG. 12 shows an example in which two compressors 1510 are provided to one cold head 1512 via a switching valve 1513. The usage method is (1) normally, move only one unit and switch to the other unit when an abnormality occurs. (2) Normally, move both units at half output and one unit when an abnormality occurs in one of them. It is conceivable to switch to only driving at full power.
[0038]
By doing so, even if one compressor fails, communication is not disabled and reliability is improved.
[0039]
More specifically, a low-thermal-conductivity member made of quartz coated with 300 nm or more of Au on the surface (both surfaces) of a part of the copper support is incorporated, and a superconducting element is arranged on the copper part. A connector for input and output is placed on a member with low efficiency.
[0040]
These three members are assembled so that the element faces inward, and the outer periphery is covered with a heat insulating sheet called super insulation. In addition, a separation jig having three plates attached to a cylinder was provided inside. This partition also makes it possible to suppress interference between the elements.
[0041]
When a pulse tube refrigerator is used, it can be made compact by passing a pipe through a cylinder. Also, the cylinder can block radiant heat from the pipe. According to the present invention, the surface area can be significantly reduced as compared with the case where the element is mounted on the outside as in the related art, so that heat penetration due to radiation can be reduced. As a result, a small refrigerator can be used, and a small and lightweight superconducting member can be obtained.
(Embodiment 2)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0042]
In the same manner as in the first embodiment, a superconductor is formed on both surfaces of a sapphire single-crystal R-plane substrate by a laser ablation method, and then a single-sided superconducting film is processed by lithography so as to have a desired resonance frequency. On the other hand, Ag is formed as a contact resistance reducing layer on the back surface of the superconducting film in a thickness of 100 nm or more and 5 μm or less. Thereafter, annealing is performed at a temperature of 400 ° C. or more and 900 ° C. or less, preferably 400 ° C. or more and 700 ° C. or less in an oxygen atmosphere of at least 10 Pa, and further, Au is formed on the back surface to a thickness of 100 nm or more and 5 μm or less. Formed.
[0043]
In addition, a 3 mm-thick copper plate whose surface is coated with Au of 1 μm or more and 5 μm or less can be used as the support 300.
[0044]
The element 301 is fixed to both surfaces of the support 300. The fixing method may be mechanical attachment using a jig. However, when Au is provided on the superconducting film on the back surface and the outermost surface of the support, they are brought into contact with each other in a vacuum, an inert gas or an oxygen atmosphere. In this case, the bonding may be performed by heating to about 200 ° C. to 400 ° C.
[0045]
On the other hand, a cooling member 302 having an outer dimension of 30 mm × 60 mm is installed on the cold head. The cooling member 302 is provided with a recess having an inner dimension of 25 mm × 55 mm and a depth of 10 mm.
[0046]
A member in which the support 300 and the element 301 are integrated is set on the housing 302.
[0047]
Further, it is covered with a cover 303 having an outer dimension of 30 mm x 60 mm provided with a recess having a depth of 10 mm and an inner dimension of 25 mm x 55 mm.
[0048]
At this time, the larger the area S and the depth L of the cover 303 and the cooling member 302 are, the better the high-frequency transmission characteristics are. It is desired that the area S is at least 60% or more, preferably 80% or more, more preferably 100% or more of the element area. On the other hand, it is desired that the depth L is 2 mm or more, preferably 5 mm or more, and more preferably 10 mm or more. However, increasing this dimension increases the surface area and heat penetration, so it is appropriate to set the area to 120% or less and the depth to 20 mm or less.
[0049]
The superconducting member thus obtained was placed in a vacuum insulated container, depressurized by a vacuum pump (not shown), and then cooled by operating a refrigerator. When two elements were arranged in a plane, cooling could only be performed up to 80K. However, according to the present invention, even if the same refrigerator was used, the surface area of the member could be reduced, and cooling could be performed up to 60K. .
[0050]
In this way, the surface area of the member can be made smaller than when the two elements 301 are arranged on one plane, and a superconducting member with less heat intrusion due to radiation can be obtained.
[0051]
In this case, since the area of the support 300 that contacts the cooling member 302 is small, a metal film having a low specific resistance such as Au, Ag, Al, or Cu having a thickness of at least 300 nm is formed on the surface of the support 300. Sapphire provided may be used.
[0052]
When the support 300 is thin, the input / output electrodes connected to the connector 305 are preferably not on a line passing through the center of the substrate provided with the superconductor so that the connectors 305 do not come into contact with each other. For example, as shown in FIG. 14, when the input / output electrodes 1401 are on both sides of the substrate, they may be in the same direction or the opposite direction from the line passing through the center of the substrate 1402, but if they are at least 2 mm or more away, Even if the element is attached to both sides of the support having a thickness of about 2 mm, no problem occurs in the connection of the connector. When the input / output electrode 1401 is on one side of the substrate as shown in FIG. 15, one of the electrodes may be on a line passing through the center of the substrate, and the connectors may be provided on both sides of the support 300. What is necessary is just to attach an element.
[0053]
The cover 303 does not need to be cooled to the same temperature as the element 301. Therefore, it is preferable to be made of a material having poor heat conductivity. However, high-frequency power requires low surface resistance. For example, Al, Ni, Ta, Mo, SUS, etc. may be used, but it is desirable to coat Au on the surface, at least on the side facing the element. Au has a high infrared reflectance, so that if it is coated on the outside, a heat insulating effect can be obtained.
[0054]
Specifically, a superconducting element is fixed on both sides of a support made of sapphire having a thickness of 1 mm and coated on the surface thereof with a thickness of 300 nm or more and 5 μm or less so that the connector does not come into contact with the superconducting element. After the pressure was reduced by a vacuum pump, the refrigerator was operated and cooled. When the two elements were arranged in a plane, it could only be cooled down to 80K, but even when the same refrigerator was used, the surface area of the member was reduced. By using sapphire having higher thermal conductivity than copper, the entire device could be cooled down to 55K with good uniformity.
[0055]
When the cover 303 is made of a material having good heat conductivity such as Cu, as shown in FIG. 16, the heat conductivity in a temperature range of 50K to 100K is 250 k / W. m -1 . It is preferable to attach via a connection member 610 made of a material having a specific resistance of 0.01 Ωcm or less, for example, Al, which is not more than K− 1 .
[0056]
Note that a member having a superconductor disposed on the inner surface of a cover made of Al may be used for weight reduction. However, the superconductor must be grounded. When a superconductor is used, the cover must be lowered to a temperature lower than the superconducting transition temperature. The use of such a cover improves the high-frequency transmission characteristics of the element.
[0057]
As a result of measurement using an Al cover whose surface is coated with Au of 300 nm or more and 5 μm or less, it was possible to cool down to 60 K with lower power without deteriorating high-frequency transmission characteristics.
[0058]
It is more effective to coat Au not only on the inner periphery but also on the outer periphery of the cover.
(Embodiment 3)
In the present embodiment, two elements are arranged on the front and back of one support, but each element is provided on a substrate formed of members having different thermal conductivity.
[0059]
Each element 700 is formed on a substrate as shown in FIG. In addition, a member 702 having low thermal conductivity is incorporated in a part of the support 701.
[0060]
When the element 700 is provided also on the back surface side of the member in which the element 700 and the support 701 thus formed are integrated, the result is as shown in FIG.
[0061]
For example, copper having high thermal conductivity can be used for the support 701 and Al can be used for the member 702 having low thermal conductivity. More preferably, if the surface (both surfaces) of quartz coated with Au of 300 nm or more is used as the member 702 having low thermal conductivity, the thermal conductivity of quartz is low, so that the heat insulating effect is greater. Here, it is necessary to provide conductive films on both surfaces of the support 701 and the support 702 of the low thermal conductivity member.
(Embodiment 4)
As described above, generally, a base station of a mobile phone is equipped with a transmitting and receiving device of three sectors, and when a system called diversity is used, two receiving filters are required for one sector. become.
[0062]
In such a case, it is preferable to load six elements 801 into one cooling member 800 as in the present embodiment. (FIG. 18)
Here, the individual elements 801 are provided on a support 802. At this time, the support 802 may be made of a single material, or a member having a low thermal conductivity may be used for a portion where the connector is provided.
[0063]
It is also desirable to provide a partition 810 having a conductor or superconductor disposed on the surface between the facing elements. It is desired that the distance L between the element and the partition is 2 mm or more, preferably 5 mm or more, and more preferably 10 mm or more. However, increasing this dimension increases the surface area and increases heat penetration, so it is appropriate to set the dimension to 20 mm or less. In this way, the surface area of the member can be made smaller than when the six elements are arranged on one plane, and a superconducting member with less heat penetration by radiation can be obtained.
[0064]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a small and lightweight superconducting member having excellent high-frequency characteristics can be provided.
[Brief description of the drawings]
1 is a plan view of a superconducting element according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of a superconducting element according to the present invention. FIG. 3 is a perspective view of a superconducting element according to the present invention. FIG. 5 is a perspective view of a superconducting element according to the present invention. FIG. 6 is a perspective view of a structure according to the first embodiment. FIG. 7 is a perspective view of a structure according to the first embodiment. FIG. 9 is a bottom view of the structure according to the first embodiment. FIG. 10 is a modification of the first embodiment. FIG. 11 is a block diagram of a refrigerator and equipment. 12 is a block diagram of a refrigerator and equipment. FIG. 13 is a view for explaining a second embodiment. FIG. 14 is a plan view of an element according to a second embodiment. FIG. 15 is an illustration of an element according to a second embodiment. FIG. 16 is a plan view. FIG. 16 is a modified example of the second embodiment. FIG. 17 is a diagram illustrating a third embodiment. FIG. Diagram for explaining a state DESCRIPTION OF SYMBOLS
100 element 900 support 901 element 910 partition 1203 cold head

Claims (6)

絶縁性基板上に形成された超電導体層を有する高周波用超電導体素子と、
前記高周波用超電導体素子を固着する支持体とを備え、
前記支持体は角柱側壁をなし、前記超電導体素子は角柱内側に配置していることを特徴とする超電導体装置。
A high-frequency superconductor element having a superconductor layer formed on an insulating substrate,
A support for fixing the high-frequency superconductor element,
The superconductor device is characterized in that the support has a prismatic side wall, and the superconductor element is arranged inside the prism.
前記角柱内において、前記高周波用超電導体素子が仕切りによって分離されており、
前記仕切りの少なくとも一表面は導電体層または超電導体層を有することを特徴とする請求項1記載の超電導体装置。
In the prism, the high-frequency superconductor element is separated by a partition,
The superconductor device according to claim 1, wherein at least one surface of the partition has a conductor layer or a superconductor layer.
前記角柱は三角柱であることを特徴とする請求項1記載の超電導体装置。The superconductor device according to claim 1, wherein the prism is a triangular prism. 複数の前記角柱が外側面同士を近接配置することを特徴とする請求項1記載の超電導体装置。The superconductor device according to claim 1, wherein the plurality of prisms have outer surfaces arranged close to each other. 絶縁性基板上に形成された超電導体層を有する高周波用超電導体素子と、
前記高周波用超電導体素子を表裏面に固着する支持体と、
前記高周波用超電導体素子の端部に入出力用コネクターとを備え、
前記支持体の前記コネクターの下に、他の部分よりも熱伝導率の低い部材を設けることを特徴とする超電導体装置。
A high-frequency superconductor element having a superconductor layer formed on an insulating substrate,
A support for fixing the high-frequency superconductor element to the front and back surfaces,
An input / output connector is provided at an end of the high-frequency superconductor element,
A member having lower thermal conductivity than other portions is provided below the connector of the support.
前記コネクターは、前記支持体の表裏面でずれていることを特徴とする請求項5記載の超電導体装置。The superconductor device according to claim 5, wherein the connector is shifted on the front and back surfaces of the support.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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