JP2011014539A - 超電導素子及び関連する作成プロセス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】理論密度の値の少なくとも85%に等しい密度を有する超電導材料を含む溝によって形成された少なくとも1つの超電導軌道を含む、非超電導材料で作られた剛体の支持材を含む超電導素子、及び該素子を作成するプロセスについて説明する。本発明はまた、超電導素子の考えられる用途にも関し、上記超電導素子を含む超電導デバイスにも関する。
【選択図】図1
Description
‐例えば、イットリウム及びバリウムをベースとするセラミック銅酸塩(約90Kの臨界温度Tcまで超電導性)、又は例えばSr2CuO3.4などのストロンチウムをベースとする銅酸塩(Tc=95K)、或いはビスマス、ストロンチウム及びカルシウムをベースとする銅酸塩(Tc=110K)などのセラミック酸化物、
‐例えば、FeTe0.5Se0.5(Tc=13K)又はBa0.6K0.4Fe2As2(Tc=38K)或いはFeAsNdO0.85(Tc=51K)などの鉄ベースの材料、
‐二ホウ化マグネシウム(Tc=39K)、
‐例えばNb3Sn(Tc=18.7K)、Nb3Al(Tc=21.3K)又はNb3Ge(Tc=23.6K)などの金属間化合物、からなることができる。
a)非超電導材料で作られた剛体の支持材の表面上に少なくとも1つの溝を作成するステップと、
b)この溝の内部に超電導材料の粉末前駆体を挿入し、これを理論密度値の少なくとも50%に等しい真密度値にまで圧縮するステップと、
c)前駆体粉末に接触させて、或いは粉末を含む溝に隣接する位置に少なくとも1つの固体反応剤を位置決めするステップと、
d)反応剤と粉末を含む溝とを、反応剤が液化し、その後前駆体粉末内部に浸透して溝内に超電導軌道を形成するまで加熱処理にかけるステップと、を含む。
P1 i=(r1,α*(1/2+i/m))、
P2 i=(r2,iα/m)、
式中i=0,1,2,...,n*m。
a)非超電導材料で作られた剛体の支持材の表面上に少なくとも1つの溝を作成するステップと、
b)この溝の内部に超電導材料の粉末前駆体を挿入し、これを理論密度値の少なくとも50%に等しい真密度値にまで圧縮するステップと、
c)前駆体粉末に接触させて、或いは粉末を含む溝に隣接する位置に少なくとも1つの固体反応剤を位置決めするステップと、
d)反応剤と粉末を含む溝とを、反応剤が液化し、その後前駆体粉末内部に浸透して溝内に超電導軌道を形成するまで加熱処理にかけるステップと、を含む。
‐場合によってはサブミクロンカーボン粉末、サブミクロンSiC粉末、或いはMg‐Zn又はMg‐Co合金粉末、を加えたホウ素粉末、
‐Cu‐Sr合金粉末と過酸化ストロンチウム粉末との混合物、
‐鉄粉と、好ましくはネオジムである希土類(ランタノイド)に属する元素の粉末との混合物、
‐場合によっては硫黄を加えたFe及びTeの粉末の混合物、
‐場合によっては硫黄を加えたFe及びSeの粉末の混合物、が挙げられる。
‐超電導システムのための電流リード、又は電気ネットワーク間の高密度電流伝送ロッド、
‐高効率電動機又は発電機のための磁石、
‐電流制限器、
‐電気エネルギーを蓄積するための磁石、
‐変圧器コイル、
‐廃水浄化のための、又は硫黄性物質から炭塵を浄化するためのデバイス内の磁石、
‐反磁性極低温冷却のための可変磁場磁石、
‐高効率磁気誘導加熱装置、
‐回転システムのための、極低摩擦浮揚磁気ベアリング、
‐材料を磁気分離するための、又は異方性反磁性物質を配向するための高磁場磁石、
‐浮上型車両のための超電導リニアモータ、
‐磁気共鳴装置内に静磁場を生じるための磁石、
‐粒子加速器のための磁石、
‐核融合の研究のための大型磁石、
‐マイクロウェーブ領域内で電磁波を送信及び受信するためのアンテナ。
本発明による超電導素子を以下のように作成した。0.5〜1mmの幅及び4.5mmの深さを有する溝を、60mmの直径を有するディスクの形の鋼製支持材の表面上に電気浸食により形成した。溝は、20mmの内径から開始し、これが54mmの外径に達するまで7回に巻かれたらせんの形で支持材上に開放軌道を生成するようにして形成した。結晶性ホウ素からなる前駆体粉末で溝を満たした。回転シリンダを有するミル内で粉砕することにより、ホウ素粉末を機械的に活性化した。その後、このように粉砕した粉末を、40マイクロメートルの網目の篩で篩分した。粉末は、25ミクロンの平均直径を有していた。粉末を、1.2g/cm3に等しい真密度に達するまで溝内部でロールにより手動で圧縮した。圧縮粉末で満たされた溝を有する支持材に、99.9%の純度及び7mmの厚みを有する金属マグネシウムラミナを重ね合わせた。このようにして得られた支持材を、内部を100マイクロメートルの厚みを有するNbの層で被覆された(合計厚み200ミクロン)鋼製容器に移した。各々が100ミクロンの厚みを有する2つのNbラミナを、鋼製容器の底部及び蓋の下に配置した。容器内への支持材の移送は大気中で行い、その後容器内にアルゴンの流れを通し、次に容器を内部に同じ雰囲気を有した状態で密閉した。容器を加熱炉内で900℃の温度で3時間加熱した。冷却したら、MgB2の開放らせん軌道を有する超電導素子を容器から取り出し、印加した磁束密度Bに対する臨界電流Icを4.2Kで計測することにより、その超電導挙動を図6で示すように検証した。
70mmの直径及び8mmの厚みを有するディスクの形の鋼製支持材を超電導素子として使用し、この上に2つのらせん溝(寸法:幅1.5mm、深さ2.5〜3.0mm)を面の両側にディスクの中心から周辺に向けて等方向に16回展開させて、すなわち支持材の垂直軸に2つのらせんを同じ方向で巻き、インレー加工して超電導永久磁石を作成した。2つの中心を互いに接続するとともにらせん溝の2つの端部を接続するために支持材内に位置する3mmの直径を有する2つの孔を介して2つの溝を連結させた。
8mmの厚みと60mmの直径を有するディスクの形の非磁性AISI 316鋼製支持材からなる超電導素子を使用して、その両面に0.5mmの厚み、52mm〜10mmの範囲の直径及び3〜4mmの深さを有する同心円、及び5mmの直径を有する中央シリンダの形の19本のMgB2の超電導閉鎖軌道をインレー加工した。超電導素子を実施例2のように作成し、この捕捉磁束密度を中心の表面から1mmの距離で計測した。21Kの温度で1テスラの永続的磁束密度が示された。
Claims (18)
- 非超電導材料で作成された剛体の支持材を含む超電導素子であって、
前記支持材が、理論密度の値の少なくとも85%に等しい、好ましくは少なくとも88%に等しい真密度を有する超電導材料を含む溝で形成された少なくとも1つの超電導軌道を含む、ことを特徴とする超電導素子。 - 前記超電導軌道が、MgB2、FeNdAsO0.85、FeTe0.5Se0.5、Sr2CuO3.4からなる群から選択された、好ましくはMgB2である超電導材料で作成された、ことを特徴とする請求項1に記載の超電導素子。
- 前記超電導軌道が、
(i)好ましくは円形形状を有する閉鎖軌道、及び/又は、
(ii)らせん形の延長部を有する閉鎖又は開放軌道、及び/又は、
(iii)直線タイプの開放軌道、及び/又は、
(iv)バンドタイプのねじれた延長部を有する開放軌道、
であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の超電導素子。 - 平坦な支持材の両面上、又は円筒形支持材の対向壁に沿ってインレー加工された1又はそれ以上の開放らせん軌道を含み、該軌道が、超電導材料で満たされた支持材内の孔を通じてともに接続された、ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の超電導素子。
- 前記剛体の支持材の表面及び前記溝の表面が、好ましくはMgO、SiO2、Al2O3、NiO、Fe2O3、TiO2、ZnO、ZrO2、Y2O3又はこれらの化合物から選択された材料の膜、或いはFe、Ni又はTiの膜である電気絶縁材料の塗膜で被覆された、ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の超電導素子。
- 前記剛体の支持材が、非磁性ステンレス鋼、鉄/ニッケル合金、ニッケル及びニッケル含量が50%を超えるニッケル/銅合金、チタン、これらの材料と銅との化合物、融点が1100℃を超える金属間化合物、亜鉛‐テルル化合物から選択された材料で作成された、ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の超電導素子。
- 前記導電性軌道の2つのポイントが、サーマル超電導スイッチの機能を有する超電導フィラメントを介して接続された、ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の超電導素子。
- 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の第1及び第2の超電導素子を含む超電導デバイスであって、
第1及び第2の超電導素子の各々が、少なくとも1つの開放軌道を有し、
前記第1の超電導軌道の第1の開放軌道が、1又はそれ以上の超電導フィラメントを介して前記第2の超電導素子の第2の開放軌道に接続された、ことを特徴とする超電導デバイス。 - 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の超電導素子を含む磁石。
- 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の超電導素子を、
‐超電導システムのための電流リード、又は電気ネットワーク間の高密度電流伝送ロッド、
‐高効率電動機又は発電機のための磁石、
‐電流制限器、
‐電気エネルギーを蓄積するための磁石、
‐変圧器コイル、
‐廃水浄化のための、又は硫黄性物質から炭塵を浄化するためのデバイス内の磁石、
‐反磁性極低温冷却のための可変磁場磁石、
‐高効率磁気誘導加熱装置、
‐回転システムのための、極低摩擦浮揚磁気ベアリング、
‐材料を磁気分離するための、又は異方性反磁性物質を配向するための高磁場磁石、
‐浮上型車両のための超電導リニアモータ、
‐磁気共鳴装置内に静磁場を生じるための磁石、
‐粒子加速器のための磁石、
‐核融合の研究のための大型磁石、
‐マイクロウェーブ領域内で電磁波を送信及び受信するためのアンテナ、
として使用する方法。 - 請求項1に記載の超電導素子を作成するプロセスであって、
a)非超電導材料で作られた剛体の支持材の表面上に少なくとも1つの溝を作成するステップと、
b)前記溝内部に超電導材料の粉末前駆体を挿入し、これを理論密度値の少なくとも50%に等しい真密度値にまで圧縮するステップと、
c)前記前駆体粉末に接触させて、或いは前記前駆体粉末を含む前記溝に隣接した位置に少なくとも1つの固体反応剤を位置決めするステップと、
d)前記反応剤が液化し、その後前記前駆体粉末内部に浸透して前記溝内に超電導軌道を形成するまで、前記反応剤と前記前駆体粉末を含む前記溝とを加熱処理にかけるステップと、
を含むことを特徴とするプロセス。 - ステップb)が、ステップa)において前記支持材上に作成された前記1又は複数の溝を、
‐場合によってはサブミクロンカーボン粉末、サブミクロンSiC粉末、或いはMg‐Zn又はMg‐Co合金粉末、を加えたホウ素粉末、
‐Cu‐Sr合金粉末と過酸化ストロンチウム粉末との混合物、
‐鉄と好ましくはネオジムである希土類(ランタノイド)に属する元素との粉末の混合物、
‐場合によっては硫黄を加えたFeとTeとの粉末の混合物、
‐場合によっては硫黄を加えたFeとSeとの粉末の混合物、
からなる群から選択された超電導材料の前駆体で満たすステップを含む、
ことを特徴とする請求項11に記載のプロセス。 - ステップb)が、ステップa)において前記支持材上に作成された前記溝を、機械的に活性化された結晶性又はアモルファスホウ素粉末からなる前駆体で満たすステップを含む、ことを特徴とする請求項11に記載のプロセス。
- ステップc)において、前記反応剤が、99%を超える純度の、好ましくはラミナ形状の結晶性金属マグネシウム体である、ことを特徴とする請求項11から請求項13のいずれか1項に記載のプロセス。
- ステップd)が、前記支持材に挿入された前記前駆体及び容器内部に密閉された前記反応剤の、少なくとも700℃の温度における少なくとも30分間の、好ましくは750℃から900℃の温度の間までの1〜5時間の熱処理を含む、ことを特徴とする請求項11から請求項14のいずれか1項に記載のプロセス。
- ステップc)において、前記反応剤が、
‐前記前駆体がCu‐Sr合金粉末と過酸化ストロンチウム粉末との混合物である場合、Sr2CuO3.4の超電導軌道を得るために過酸化ストロンチウム、
‐前駆体がFe及びTeの粉末の混合物或いはFe及びSeの粉末の混合物である場合、FeTe0.5Se0.5の超電導軌道を得るためにテルル、セレン又はテルル‐セレン合金、
‐前駆体が鉄及びネオジムの粉末の混合物である場合、FeNdAsO0.85の超電導軌道を得るためにAsとAs酸化物との混合物、
の固形物であることを特徴とする請求項11に記載のプロセス。 - ステップd)が、前記支持材内に挿入された前記前駆体及び容器内部に密閉された前記反応剤の、400℃から1100℃の間の温度における30分から30時間の間の可変時間の熱処理を含む、ことを特徴とする請求項11に記載のプロセス。
- ステップd)が、前記支持材内に挿入された前記前駆体及び容器内部に密閉された前記反応剤の、
‐FeNdAsO0.85の超電導軌道を得るために、900℃から1200℃の間の温度における30分から30時間の間の可変時間の熱処理、
‐FeTe0.5Se0.5の超電導軌道を得るために、500℃から900℃の間の温度における30分から10時間の間の可変時間の熱処理、
‐Sr2CuO3.4の超電導軌道を得るために、400℃から1000℃の間の温度における1時間から20時間の間の熱処理、
を含み、続いて、酸化又は還元雰囲気内での室温から300℃の間の温度における1時間から10時間の間の第2の熱処理を含む、ことを特徴とする請求項16に記載のプロセス。
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