JP2012059468A - 超電導電流リード - Google Patents

Abstract

【課題】湾曲した状態で超電導装置に用いても磁場の影響を受けにくく、安定した超電導特性を得ること。
【解決手段】極低温容器内に設置された超電導装置に対して、室温環境下に設置された電源から電力を供給する超電導電流リード１００において、両端のそれぞれに一対の電極１３１、１３３が接合されたリード本体１５２の表裏面１５２ａ、１５２ｂ上に、複数の超電導線材１６０をそれぞれ並行に配置されている。超電導線材１６０は、両端部が電極１３１、１３３にそれぞれ接続されている。超電導線材１６０は、ＲｅＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｚ系超電材料からなる酸化物超電導層１６３を備え、酸化物超電導層１６３中には、Ｙ，Ｚｒ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｅのうち少なくとも一つを含む５０ｎｍ以下の酸化物粒子が磁束ピンニング点として分散している。
【選択図】図５

Description

本発明は、超電導を応用した低温機器、例えば、超電導マグネットに電源からの電流を供給するための酸化物超電導線材を有する超電導電流リードに関する。

従来、超電導応用機器、例えば、超電導マグネットを運転する場合、マグネットを超電導状態とするために極低温に冷却する必要があり、この冷却方法として２つの方式が知られている。

即ち、液体ヘリウムや液体窒素等の冷媒に浸漬する方式（浸漬冷却方式）と冷凍機や冷媒からの熱伝導を利用する方式（伝導冷却方式）である。冷却したマグネットを励磁するためには、超電導コイルに電流を流さなければならず、電源から電流を供給するための超電導電流リードが必要である。この場合、超電導電流リードは導電体であることが必要であるが、電気抵抗が小さくかつ熱伝導率の大きいＣｕやＡｌなどの金属を使用すると、超電導電流リード自体のジュール発熱に加え外部からの熱侵入により超電導マグネットの冷却効率が悪くなり、超電導状態を維持するためには冷却コストが膨大になるという問題があった。特に、冷凍機を用いた伝導冷却方式の場合にこの傾向は顕著であり、冷却が不可能となる場合も生ずる。

この問題を解決するためには、超電導マグネットに用いる超電導電流リードとして、導電性と低熱伝導性を両立させる必要があり、超電導マグネットでは超電導電流リード部分も液体窒素温度以下に冷却される。このため、電気抵抗及び熱伝導率の小さい酸化物超電導体を超電導電流リードとして使用することにより、電流を供給しつつ、熱侵入量を低く抑えることが可能となる。

この場合、超電導電流リードとして、例えば、特許文献１に示すように、金属基板上に形成された中間層と、中間層の上に形成された酸化物超電導層と、酸化物超電導層の上に形成された安定化層を有するテープ状の酸化物超電導線材を用いた超電導電流リードが知られている。

この超電導電流リードでは、支持部材上に、並列に支持部材の延在方向に沿って複数形成された各溝内に、複数の酸化物超電導線材が、それぞれ電気的に並列に分散配置して、支持部材に導電性樹脂によって接着されている。また、酸化物超電導線材の両端部は、支持部材の両端部上で、電極にハンダ接合されている。

特開２００９−２１１８９９号公報

しかしながら、従来の超電導電流リードにおける超電導層は、配置状況によって磁場の影響を受けることが知られている。すなわち、従来の超電導電流リードが湾曲して配置されることによって、超電導層では、電流が流れる方向と垂直な磁束の影響を受けることで発熱し、安定した超電導特性（電流供給）を損なう虞がある。

また、従来の超電導電流リードの構成では、湾曲させて超電導装置に設置すると、導電性樹脂により接合された超電導線材と支持部材とが剥離して、互いの接合に用いられた導電性樹脂によって超電導線材の各層或いは支持部材が破損する問題がある。破損の際には、超電導製材は安定した特性を得ることができなくなるという虞がある。特に、冷却による超電導線材の歪み、つまり、支持部材と金属端子との収縮率の違いによって、導電性樹脂による接合が外れるだけでなく、超電導線材が、支持部材または金属端子から外れて、超電導電流リードとして安定した超電導特性を得ることができない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、湾曲した状態で超電導装置に用いても磁場の影響を受けにくく、安定した超電導特性を得ることができる超電導電流リードを提供することを目的とする。

本発明の超電導電流リードの一つの態様は、極低温容器内に設置された超電導装置に対して、室温環境下に設置された電源から電力を供給する超電導電流リードにおいて、両端のそれぞれに一対の電極端子が接合された電流リード支持材と、前記電流リード支持材の表裏面のうち少なくとも一面上に、それぞれ並行に配置され、且つ、両端部が前記電極端子にそれぞれ接続された複数の超電導線材と、を有し、前記超電導線材は、ＲｅＢａＣｕＯ系（Ｒｅは、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ及びＹｂから選択された１又は２種以上の元素を示し）超電材料からなる酸化物超電導層を備え、前記酸化物超電導層中には、Ｙ，Ｚｒ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｅのうち少なくとも一つを含む５０ｎｍ以下の酸化物粒子が磁束ピンニング点として分散している構成を採る。

本発明によれば、湾曲した状態で超電導装置に設置されても、磁場の影響を受けにくく、安定した超電導特性を発揮できる。

本発明の一実施の形態に係る超電導電流リードを用いた超電導磁石装置の一例の模式的構成を示す図 超電導電流リードにおける低温側超電導部を示す斜視図 図１のＰ−Ｐ線矢視断面図 超電導線材の構造を示す図 超電導層の構成を示す図 本発明の超電導電流リードで採用される超電導線材の一例である採用例及び不採用例により製造された超電導体の印加磁場に対する臨界電流値の説明に供する図 本発明の超電導電流リードで採用される超電導線材の一例である採用例及び不採用例により製造された超電導体の磁場印加角度依存性の説明に供する図 超電導線材を有するリード本体の端部を示す斜視図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る超電導電流リードを用いた超電導磁石装置の一例の模式的構成を示す図である。

図１に示す超電導電流リード１００は、極低温容器１１内に配設された超電導マグネット１２に通電する。超電導電流リード１００では、一端部の接続端子１００ａは極低温容器１１内で、超電導マグネット１２の接続端子１２ａを介して超電導マグネット１２に接続され、他端部の接続端子１００ｂは、極低温容器１１の外部で室温環境下に設置された電源に接続されている。これにより超電導電流リード１００は、極低温容器１１外部の電源から極低温容器１１内の超電導マグネット１２に電力を供給する。

図１に示す超電導電流リード１００は、極低温容器１１外に位置する接続端子１００ｂに接続された高温側銅リード部１１０と、極低温容器１１内に位置する接続端子１００ａに接続された低温側超電導部１２０とを有する。

図２は、超電導電流リード１００における低温側超電導部１２０を示す斜視図である。

図２に示すように、低温側超電導部１２０は、一対の電極（電極端子）１３１、１３３と、一対の電極１３１、１３３が両端部１５１、１５３に接合されたリード本体１５０とを有する。

一対の電極１３１、１３３は銅或いは銅合金等の金属で作成され、それぞれ一端面を切り欠くことによって、リード本体１５０の端部１５１、１５３が挿入される凹部（切り欠き部）１３５が形成されている。

凹部１３５は、一対の電極１３１、１３３におけるそれぞれの端面に互いに対向するように、つまり、通電方向に互いに開口するように形成されている。これら電極１３１、１３３における凹部１３５内には、リード本体１５０の端部１５１、１５３がそれぞれ端面に対して直交して挿入されて内嵌している。

リード本体１５０は、長尺の電流リード支持材（以下「支持部材」という）１５２と、支持部材（電流リード支持材）１５２上に支持部材１５２の延在方向に沿って配置された複数のテープ状の高温超電導線材（以下、「超電導線材」という）１６０とを有する。

図３は、図１のＰ−Ｐ線矢視断面図である。

図３に示すようにリード本体１５０では、テープ状の超電導線材１６０が、支持部材１５２の表裏面１５２ａ、１５２ｂのそれぞれに、支持部材１５２の軸方向に沿って互いに並行に複数配置されている。なお、複数の超電導線材１６０は、支持部材１５２の表裏面の一方上にのみ互いに並行に並べて配置された構成としてもよい。また、ここでは複数のテープ状の超電導線材１６０は、支持部材１５２の表裏面１５２ａ、１５２ｂ上にそれぞれ配置されているが、これに限らず、支持部材１５２の表裏面１５２ａ、１５２ｂのそれぞれに形成された溝内に配置された構成としても良い。なお、この構成の場合の溝は、支持部材１５２の表裏面１５２ａ、１５２ｂのそれぞれに、長手方向（通電方向）に並行で、且つ、超電導線材１６０の幅、厚みと同等の幅、深さの凹部として形成されることが好ましい。

支持部材１５２は、常温部からの熱侵入を低減するために低熱伝導性金属材料で製作され、低熱伝導性金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金、ＦＲＰ等が使用される。

図２に示すように、支持部材１５２の表裏面１５２ａ、１５２ｂ（図３参照）に上に複数並べて配置された超電導線材１６０は、支持部材１５２の両端部１５２ｃ、１５２ｄを電極１３１、１３３の凹部１３５でハンダを介して接合されている。

すなわち、これら複数の超電導線材１６０は、電極１３１、１３３の凹部１３５内でのみ支持部材１５２に固定されている。ここでは、複数の超電導線材１６０は、電極１３１、１３３の凹部１３５内でのみ支持部材１５２にハンダにより固定された構成としたが、接着剤により固定されてもよい。また、超電導線材１６０は、凹部１３５内で電極１３１、１３３にハンダを介して電気的に接合されている。なお、ここでは、超電導線材１６０の安定化層が電極１３１、１３３にハンダを介して電気的に接続されている。

図４は、超電導線材１６０の構造を示す図である。図４に示すように超電導線材１６０は、テープ状の金属基板１６１に、中間層１６２、酸化物超電導層（以下、「超電導層」と称する）１６３、安定化層１６４を順に積層されることによって形成される。

テープ状の金属基板１６１は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル合金、ステンレス鋼又は銀（Ａｇ）である。金属基板１６１は、ここでは、無配向金属基板であり、Ｎｉ−Ｃｒ系（具体的には、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｍｏ系のハステロイ（登録商標）Ｂ、Ｃ、Ｘ等）、Ｗ−Ｍｏ系、Ｆｅ−Ｃｒ系（例えば、オーステナイト系ステンレス）、Ｆｅ−Ｎｉ系（例えば、非磁性の組成系のもの）等の材料に代表される立方晶系のＨｖ＝１５０以上の非磁性の合金である。金属基板１６１の厚さは、例えば、５０〜２００［μｍ］である。

中間層１６２は、ＩＢＡＤ法によりテープ状の金属基板１６１上に、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７（ＧＺＯ）或いはイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等を成膜した第１中間層１６２−１と、第１中間層１６２−１上にＲＦ−Sputtering法によりＣｅＯ_２を蒸着して成膜される第２中間層１６２−２とを有する。

第１中間層１６２−１は、テープ状の金属基板１６１からの元素が上部に積層される超電導層１６３に拡散することにより超電導特性の劣化を引き起こすことを防止する拡散防止層として機能する。また、第１中間層１６２−１は、テープ状の金属基板１６１上に二軸配向してなるセラミック層として機能する。

第２中間層１６２−２は、超電導層１６３との格子整合性を高め、第１中間層１６２−１を構成する元素（Ｚｒなど）拡散を抑制する。第２中間層１６２−２は、ＣｅＯ_２膜、ＣｅＯ_２にＧｄを所定量添加したＣｅ−Ｇｄ−Ｏ膜、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで一部置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化膜等のような耐酸性の薄膜である。第２中間層１６２−２は、ＭＯＤ法（Metal Organic Deposition Processes：金属有機酸塩堆積法）、パルスレーザー蒸着法、スパッタ法またはＣＶＤ法のいずれかの方法により成膜することができる。なお、第２中間層１６２−２をＣｅＯ_２膜にＧｄを添加したＣｅ−Ｇｄ−Ｏ膜とした場合、超電導層１６３としてＹＢＣＯ超電導層を成膜した際に良好な配向性を得るために、膜中のＧｄ添加量を５０ａｔ％以下にすることが好ましい。

なお、第２中間層１６２−２は、結晶粒配向性が、その上層である超電導層１６３の結晶配向性と臨界電流値（Ｉｃ）に大きく影響を及ぼす。第２中間層１６２−２は第１中間層１６２−１上に、ＲＴＲ式のＲＦ−magnetron sputtering法により成膜される。このＲＴＲ式のＲＦ−magnetron sputtering法は、ＰＬＤ法と同様に、ターゲットと作製した膜の組成ずれが少なく、精確な成膜が可能である一方、ＰＬＤ法に比べ、メンテナンスコスト等が安価である。なお、中間層１６２の厚さは、例えば、１［μｍ］であり、この中間層１６２上には超電導層１６３が成膜されている。

この超電導層１６３上には、銀、金、白金等の貴金属、あるいはそれらの合金であり低抵抗の金属である安定化層（キャップ層ともいう）１６４が設けられている。超電導層１６３は他の金属と反応しやすい活性な材料により構成されるため、金、銀などの貴金属、あるいはそれらの合金以外の材料と直接的に接触すると反応して性能低下を引き起こす。よって、安定化層１６４は、超電導層１６３の直上に形成することにより超電導層１６３の性能低下を防止する。また、安定化層１６４は、超電導層１６３に電流が流れているときに、常電導転移した場合のバイパス回路となる。

なお、安定化層１６４の上に、銅等の抵抗の低い低抵抗金属テープ等で第２安定化層を形成してもよい。第２安定化層は、真鍮、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｕ合金、ステンレス鋼等の高抵抗の金属テープであってもよい。第２安定化層がＣｕやＮｉ或いはその合金であれば、ハンダ材料に溶け込みにくいため、超電導線材１６０としての性能劣化を防止できる。なお、第２安定化層がＮｉ−Ｃｕ合金等の高抵抗の金属テープである場合、超電導線材１６０自体を補強して強度を向上させることができるとともに、超電導線材１６０が交流に使用された際の損失を減少させることができる。このように第２安定化層は、安定化層１６４とともに、超電導層１６３、つまり、超電導線材１６０としての機械的、化学的、電磁気的および熱的な安定性を確保できる。なお、第２安定化層となるテープの厚さについて、超電導層１６３が常電導転移した場合のバイパス回路となるような厚さであれば特に限定されないが、５０μｍから２００μｍ程度が好ましい。第２安定化層を備える場合、超電導線材１６０の電極１３１、１３３への電気的な接続は、第２安定化層と電極１３１、１３３とをハンダにより接合することで行われる。

図５は、超電導層１６３の構成を示す図である。

図５に示す超電導層１６３は、ＲｅＢａ_ｙＣｕ_３Ｏ_ｚ系（Ｒｅは、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ及びＹｂから選択された１又は２種以上の元素を示し、ｙ≦２及びｚ＝６．２〜７である。）の高温超電導薄膜である。ここでは、超電導層１６３は、イットリウム系酸化物超電導体（ＲＥ１２３）である。また、超電導層１６３中には、Ｙ，Ｚｒ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｅのうち少なくとも一つを含む５０ｎｍ以下の酸化物粒子が磁束ピンニング点１６５として分散している。

このような超電導層１６３を用いたＲｅ系の超電導線材１６０は、基板上に、中間層１６２を介して原料溶液を塗布した後、仮焼熱処理を施し、次いで超電導体生成の熱処理を施すことによりＲｅＢａ_ｙＣｕ_３Ｏ_ｚ系超電導体を製造する。この方法において、原料溶液として、Ｒｅ（Ｒｅ＝Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ又はＥｕから選択された１種の金属元素を示す。）、Ｂａ及びＣｕを含む有機金属錯体溶液とＢａと親和性の大きいＺｒ、Ｃｅ、Ｓｎ又はＴｉから選択された少なくとも１種以上の金属を含む有機金属錯体溶液からなる混合溶液を用い、Ｂａのモル比をｙ＜２の範囲内とするとともに、超電導体中にＺｒ、Ｃｅ、Ｓｎ又はＴｉを含む５０ｎｍ以下の酸化物粒子を磁束ピンニング点１６５として分散させることにより製造することができる。

また、基板上に中間層を介して形成したＲｅＢａ_ｙＣｕ_３Ｏ_ｚ系超電導体において、ＲｅをＲｅ＝Ａ_１−ｘＢ_ｘの組成とし、Ａ及びＢは、それぞれＹ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ又はＥｕから選択されたいずれか１種以上の異なる元素からなり、Ｂａのモル比をｙ＜２の範囲内とするとともに、超電導体中にＺｒを含む５０ｎｍ以下の酸化物粒子を磁束ピンニング点１６５として分散させて形成してもよい。この場合、ＲｅＢａ_ｙＣｕ_３Ｏ_ｚ系超電導体を製造する方法において、原料溶液として、Ｒｅ（Ｒｅ＝Ａ_１−ｘＢ_ｘの組成を有し、Ａ及びＢは、それぞれＹ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ又はＥｕから選択されたいずれか１種以上の異なる元素を示す。）、Ｂａ及びＣｕを含む有機金属錯体溶液とＢａと親和性の大きいＺｒ、Ｃｅ、Ｓｎ又はＴｉから選択された少なくとも１種以上の金属を含む有機金属錯体溶液からなる混合溶液を用い、Ｂａのモル比をｙ＜２の範囲内とするとともに、前記超電導体中にＺｒ、Ｃｅ、Ｓｎ又はＴｉを含む５０ｎｍ以下の酸化物粒子を磁束ピンニング点１６５として分散させることにより製造できる。

また、Ｒｅ＝Ａ_１−ｘＢ_ｘの組成を有するＲｅ系の超電導層では、Ｒｅ＝Ｙ_１−ｘＳｍ_ｘの組成とすることが好適する。この場合には、超電導体中にＳｍを含む酸化物粒子及びＺｒを含む５０ｎｍ以下の酸化物粒子を磁束ピンニング点１６５として分散させることができる。

このようなＲｅ系の超電導層１６３及びその製造方法において、Ｂａのモル比を１．３＜ｙ＜１．８の範囲内とすることが好ましい。Ｂａのモル比をその標準モル比より小さくすることにより、Ｂａの偏析が抑制され、結晶粒界でのＢａベースの不純物の析出が抑制される結果、クラックの発生が抑制されるとともに、結晶粒間の電気的結合性が向上して通電電流によって定義されるＪｃが向上する。Ｂａのモル比を低減することにより、磁束ピンニング点１６５であるＹ_２Ｃｕ_２Ｏ_５やＣｕＯが形成され、磁界特性が改善される。

また、超電導層１６３中に人工的に導入される磁束ピンニング点１６５として分散するＺｒ、Ｃｅ、Ｓｎ又はＴｉを含む酸化物粒子は、５０ｎｍ以下とされるが、特に、５〜３０ｎｍのＺｒを含む酸化物粒子であることが好ましい。

この場合、Ｙ_１−ｘＳｍ_ｘの組成を用いた場合には、超電導層１６３中にｌｏｗ−Ｔｃ相である粒子状のＳｍーｒｉｃｈ相（Ｓｍ_１＋ｘＢａ_２−ｘＣｕ_３Ｏ_ｚ）が磁束ピンニング点１６５として形成される。超電導層１６３では、磁束ピンニング点１６５がＳｍを含む酸化物粒子及び５〜３０ｎｍのＺｒを含む酸化物粒子により形成される結果、著しくピンニング力が向上する。

人工的に導入される磁束ピンニング点１６５を形成するために添加されるＺｒの添加量は、金属濃度で０．５〜１０モル％であることが好ましく、Ｚｒの添加量が０．５モル％未満の場合、酸化物粒子の密度が十分でないため、高磁場で十分なピンニング力が得られず、一方、１０モル％を超えると析出物が粗大化して結晶性を低下させる。特に、金属濃度で０．５〜５モル％の範囲が好ましい。

超電導線材１６０における超電導層１６３は、ＭＯＤ法、パルスレーザー蒸着法、スパッタ法またはＣＶＤ法のいずれかの方法で、中間層１６２上に成膜される。ここでは、超電導層１６３は、ＴＦＡーＭＯＤ法で成膜され、ＴＦＡーＭＯＤ法によるＲｅ系超電導層に磁束ピンニング点１６５を導入する手法として、ＴＦＡを含む溶液中にＢａと親和性の高いＺｒ含有ナフテン酸塩等を混合する手法が採用されている。

また、その導入量を制御することで、粒界偏析によるＪｃ低下の要因の一つであるＢａと結合してＢａＺｒＯ_３を形成し、粒内に分散させることにより粒界特性が改善される。さらに、超電導体内に形成されたＢａＺｒＯ_３、ＺｒＯ_２が膜面方向だけでなく、膜厚方向にもナノサイズ、ナノ間隔に存在しこれらが磁束を有効にピンニングし、磁場印加角度に対するＪｃの異方性を著しく改善することが可能となる。また、ＢａＺｒＯ_３、ＺｒＯ_２のサイズ、密度及び分散を制御するためには、Ｚｒ含有ナフテン酸塩等の導入量だけでなく、仮焼熱処理時及び結晶化熱処理時の酸素分圧、水蒸気分圧、焼成温度の制御により可能となり、これらの最適化を行うことにより有効な磁束ピンニング点１６５の導入が可能となる。

Ｂａ濃度を低減したＲｅ系超電導層において、超電導体中に人工的にＺｒ含有磁束ピンニング点１６５を微細分散させることができる。

よって、Ｊｃの磁場印加角度依存性が小さく、かつ、高磁場で高いＪｃを有する磁場特性を有するとともに、Ｊｃの磁場印加角度依存性（Ｊｃ_，ｍｉｎ／Ｊｃ_，ｍａｘ）も著しく向上する。このため、あらゆる磁場印加角度方向に対しても有効に磁束をピンニングして、Ｊｃ−Ｂ−θ特性（図６参照）を向上させることができ、等方的Ｊｃ特性が得られる。

ここで超電導層中に、磁束ピンニング点、特に、Ｚｒ含有磁束ピンニング点を備える超電導線材の特性について説明する。

＜磁束ピンニング点を含む超電導層の特性＞
＜超電導電流リード１００に採用する超電導線材の一例であって、磁束ピンニング点を含む超電導層を備える採用例＞
採用例では、磁束ピンニング点を含む超電導層が設けられる基板として、ハステロイテープ上にＩＢＡＤ法によりＧｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７から成る第１中間層及びＰＬＤ法によりＣｅＯ_２からなる第２中間層を順次形成した複合基板を用いた。この場合の第１中間層及び第２中間層のΔφは、それぞれ１４ｄｅｇ．及び４．５ｄｅｇ．であった。

一方、Ｙ―ＴＦＡ塩、Ｓｍ−ＴＦＡ塩、Ｂａ―ＴＦＡ塩及びＣｕのナフテン酸塩をＹ：Ｓｍ：Ｂａ：Ｃｕのモル比が０．７７：０．２３：１．５：３となるように有機溶媒中に混合し、この混合溶液中にＺｒ含有ナフテン酸塩を金属モル比で１％配合して原料溶液を作製した。

上記の複合基板の第２中間層上に原料溶液を塗布し、次いで、仮焼熱処理を施した。仮焼熱処理は、水蒸気分圧１６Ｔｏｒｒの酸素ガス雰囲気中で最高加熱温度（Ｔｍａｘ）５００℃まで加熱した後、炉冷することにより施した。

以上の仮焼熱処理の後、超電導体生成の熱処理（結晶化熱処理）を施して複合基板上に超電導膜を形成した。この熱処理は、水蒸気分圧７６Ｔｏｒｒ、酸素分圧０．２３Ｔｏｒｒのアルゴンガス雰囲気中で７６０°の温度で保持した後、炉冷することにより施した。

以上の方法により製造したテープ状Ｒｅ系超電導体（ＹＳｍＢＣＯ+ＢＺＯ）の膜厚は０．８μｍであった。

このようにして得られた超電導膜について、その磁場印加角度依存性、即ち、ｃ軸に平行な方向（ａｂ面に垂直）に外部磁場を印加し、その値を変化させたときのＪｃ（７７Ｋ）を測定した。その結果を図６に示す。また、この超電導膜について、その磁場印加角度依存性、即ち、１Ｔの外部磁場を印加し、ａｂ面に対する角度を変化させたときのＪｃ（７７Ｋ）を測定した。その結果を図７に示す。図７において、Ｊｃの磁場印加角度依存性はＪｃ_，ｍｉｎ／Ｊｃ_，ｍａｘ＝０．９１であった。

このときの磁束ピンニング点は、Ｓｍ_１＋ｘＢａ_{ｙ＝２−ｘ}Ｃｕ_３Ｏ_ｚ（ｌｏｗ−Ｔｃ相）、ＢａＺｒＯ_３及びＺｒＯ_２であり、約２０ｎｍ（５〜２５ｎｍ）程度のＢａＺｒＯ_３及びＺｒＯ_２が超電導膜の（ｃ軸に平行な）断面内において、おおよそ５０ｎｍの間隔でその膜厚方向に均一に分散していることが確認された。

＜不採用例１＞
採用例と同様の複合基板を用い、Ｙ―ＴＦＡ塩、Ｓｍ−ＴＦＡ塩、Ｂａ―ＴＦＡ塩及びＣｕのナフテン酸塩をＹ：Ｓｍ：Ｂａ：Ｃｕのモル比が０．７７：０．２３：１．５：３となるように有機溶媒中に混合して原料溶液を作製した。上記の複合基板の第２中間層上に原料溶液を塗布し、次いで、採用例と同様にして仮焼熱処理及び超電導体生成の熱処理（結晶化熱処理）を施して複合基板上に超電導膜を形成した。以上の方法により製造したテープ状Ｒｅ系超電導体（ＹＳｍＢＣＯ）の膜厚は０．８μｍであった。

このようにして得られた超電導膜について、そのＪｃの磁場依存性を採用例と同様にして測定した。その結果を図７に示した。また、この超電導膜について、Ｊｃの磁場印加角度依存性を採用例と同様にして測定した。Ｊｃの磁場印加角度依存性はＪｃ_，ｍｉｎ／Ｊｃ_，ｍａｘ＝０．６であった。このときの磁束ピンニング点は、Ｓｍ_１＋ｘＢａ_{ｙ＝２−ｘ}Ｃｕ_３Ｏ_ｚ（ｌｏｗ−Ｔｃ相）であり、約１００ｎｍ程度であった。

＜不採用例２＞
採用例と同様の複合基板を用い、Ｙ―ＴＦＡ塩、Ｂａ―ＴＦＡ塩及びＣｕのナフテン酸塩をＹ：Ｂａ：Ｃｕのモル比が１：１．５：３となるように有機溶媒中に混合して原料溶液を作製した。

上記の複合基板の第２中間層上に原料溶液を塗布し、次いで、採用例と同様にして仮焼熱処理及び超電導体生成の熱処理（結晶化熱処理）を施して複合基板上に超電導膜を形成した。以上の方法により製造したテープ状Ｒｅ系超電導体（ＹＢＣＯ）の膜厚は０．８μｍであった。

このようにして得られた超電導膜について、そのＪｃの磁場依存性を採用例と同様にして測定した。その結果を図６に示した。また、この超電導膜について、Ｊｃの磁場印加角度依存性を採用例と同様にして測定した。その結果を図７に示した。図７において、Ｊｃの磁場印加角度依存性はＪｃ_，ｍｉｎ／Ｊｃ_，ｍａｘ＝０．４７であった。

以上、図６及び図７に示す採用例及び不採用例の結果から明らかなように、磁束ピンニング点を含む超電導層であるテープ状Ｒｅ系超電導体（ＹＳｍＢＣＯ+Ｚｒ含有酸化物粒）は、Ｙの一部をＳｍに置き換えた不採用例１のテープ状Ｒｅ系超電導体（ＹＳｍＢＣＯ）及びＢａ濃度を標準組成よりも低減した不採用例２のテープ状Ｒｅ系超電導体（ＹＢＣＯ）と比較してＪｃの磁場依存性が小さく、かつ、高磁場で高いＪｃを有する磁場特性を示している。

また、ｃ軸に平行な方向（ａｂ面に垂直）に１Ｔの外部磁場を印加した場合（７７Ｋ）、不採用例１の（ＹＳｍＢＣＯ）は不採用例２の（ＹＢＣＯ）と比較して１．３倍のＪｃを有するが、採用例の（ＹＳｍＢＣＯ+Ｚｒ含有酸化物粒）は不採用例２の（ＹＢＣＯ）と比較して２．２倍のＪｃを有する。更に、採用例の（ＹＳｍＢＣＯ+Ｚｒ含有酸化物粒）の磁場印加角度依存性（Ｊｃ_，ｍｉｎ／Ｊｃ_，ｍａｘ）も、不採用例２のＹＢＣＯ及び不採用例１のＹＳｍＢＣＯがそれぞれ０．４７及び０．６と異方性を示すのに対して０．９１と著しく向上する。

よって、磁束ピンニング点を含む超電導層１６３は、図５に示すように、超電導層１６３と平行な磁場ＩＡ（ｃ軸に平行）の発生に加えて、超電導層１６３に対して垂直（ａｂ面に垂直）な磁場ＩＢが発生しても、ピンニング点１６５によって影響を受けにくく安定した特性を得ることができる。なお、超電導層１６３においてＺｒ添加を３wｔ％とすると好適である。

図８は、超電導線材１６０を有するリード本体１５０の端部を示す斜視図である。

図８に示すように超電導電流リード１００は、支持部材１５２の表裏面に、作成した複数の超電導線材１６０をそれぞれ配置してリード本体１５０とする。

このように構成したリード本体１５０の両端部１５１（１５３）をそれぞれ電極１３１（１３３）の凹部１３５内に挿入する。なお、リード本体１５０の端部１５１（１５３）を凹部１３５内に挿入する前に、支持部材１５２の端部１５２ｃ（１５２ｄ）と、超電導線材１６０の両端部とをハンダ或いは接着剤を介して接合しておく。

次いで、リード本体１５０を挿入した凹部１３５内に、凹部１３５の内壁とリード本体１５０の両端部１５１（１５３）との間にハンダを流すことによって、超電導線材１６０は電極１３１、１３３に電気的に接続されるとともに電極１３１（１３３）が支持部材１５２に接合される。

このように構成された超電導電流リード１００において、支持部材１５２の表裏面に、支持部材１５２の延在方向に沿って配置された超電導線材１６０は、その両端部でのみ支持部材１５２に対して接着されている。さらに、超電導線材１６０は、電極１３１、１３３に対して、凹部１３５内でのみハンダを介して接続されている。すなわち、超電導電流リード１００では、電極１３１、１３３、支持部材１５２及び超電導線材１６０とは、凹部１３５とリード本体１５０との嵌合部分１５２ｅでのみ接合されることとなる。

これにより超電導電流リード１００は、湾曲しても、電極１３１、１３３間に介設されるリード本体１５０では、支持部材１５２、超電導線材１６０が各々個別に独立して変形できる。よって、超電導電流リード１００を湾曲させて超電導装置に設置した場合でも、従来と異なり、湾曲することによって、支持部材１５２、超電導線材１６０の接続部分が剥離することがない。

これに対して、従来の超電導電流リードでは、支持部材にハンダ付けにより超電導線材が接続されているため、従来の超電導電流リードを湾曲させると、支持部材と超電導線材とが剥がれ、その接合部分のハンダによって、支持部材或いは超電導線材の各層を損傷させてしまい、特性を損傷させてしまう可能性がある。

特に、設置された超電導電流リードに冷却によって歪みが発生しても、従来と異なり、本実施の形態の超電導電流リード１００では、ハンダ付けによる接合が外れて支持部材１５２から超電導線材１６０が剥離することがなく、リード本体１５０が支持部材１５２または電極１３１、１３３から外れない。

すなわち、超電導電流リード１００では、電極１３１、１３３の凹部１３５内への挿入によって嵌合するリード本体１５０の両端部１５１、１５３と凹部１３５との嵌合部分だけで、凹部１３５内にハンダを流し込むことで、電極１３１、１３３と、リード本体１５０における支持部材１５２及び超電導線材１６０との間の接合が行われている。

よって、超電導線材１６０は、従来の高温超電導線材と比較して支持部材と高温超電導線材とを接合するハンダの量を減少させることができ、製作コストの低廉化を図ることが出来る。

また、超電導線材１６０に歪みが生じても、ハンダを介して支持部材１５２と超電導線材１６０とが全面的に接合されていないため、接合された両者が剥離する可能性が小さく、超電導電流リード１００自体は安定した特性を維持できる。

また、超電導電流リード１００は、従来と異なり、支持部材１５２に超電導線材１６０がハンダによって全面的に取り付けられていない。このため、ハンダ付けする際の熱の影響を受けにくく、熱による超電導線材１６０の性能（具体的には超電導層１６３の性能）の劣化が起こりにくい。

さらに、湾曲した形状など変形した超電導線材１６０は、超電導層１６３にピンニング点１６５（図５参照）を備えるため、磁場のあるところに設置されても磁場の影響を受けにくく安定した特性を得ることができる。

さらに、支持部材１５２と超電導線材１６０とのハンダによる接合部分が、それぞれの両端部のみであるため、全面的に接合される従来構成と比較して接続抵抗（ハンダ全体の厚み）を小さくできる。

このように超電導電流リード１００は、湾曲した状態で超電導装置に設置されても、磁場の影響を受けにくく、湾曲していない状態の超電導電流リード１００の特性と同等の特性をうることができる。

＜実施例１＞
本実施例１では、ＴＦＡ−ＭＯＤ法で作製した超電導線材１６０は、幅が４．５ｍｍ、厚さ１．０μｍのＹＢＣＯ超電導層１６３と、第１中間層１６２−１をＧｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７（ＧＺＯ）層、第２中間層１６２−２をＣｅＯ_２層とした厚さ１．５μｍの中間層１６２と、１００μｍ厚のハステロイ（登録商標）であるテープ形状の金属基板１６１とで構成した。そして、超電導層１６３の表面には、約２０μｍ厚さの銀層（第１安定化層）１６４が、熱的安定性、電気的接触の安定性、機械的強度などの向上を目的として蒸着されている。輸送電流は、この銀の第１安定化層１６４を介して供給される。

支持部材１５２は、幅３６ｍｍ、長さ２２０ｍｍ、板厚３．０ｍｍの形状をしたオーステナイト系ステンレンスの板材とした。このステンレス製板材の両面に１２本のＹＢＣＯ超電導層１６３を有する超電導線材１６０を配置、即ち片面に６本ずつ並べることでリード本体１５０を構成した。

リード本体１５０の両端部は、銅で作製したキャップ状の電圧端子である電極１３１、１３３を被せた後、市販されているＰｂ−Ｓｎハンダを用いて電極１３１、１３３と超電導線材（ＹＢＣＯ線材）１６０をハンダ接続した。電極１３１、１３３は、長さ１０５ｍｍ、幅４６ｍｍ、板厚３０ｍｍ、凹部深さ３５ｍｍとし、これら電極１３１、１３３を使用した超電導電流リード全長３６０ｍｍとした。

ステンレス製の金属基板１６１は、過電流通電におけるシャントの役割を担い、且つ薄いテープ状のＹＢＣＯ線材（超電導線材１６０）における熱収縮を緩和する役割を果たす。一対の電極１３１、１３３は、電極間距離を１５０ｍｍとし、各ＹＢＣＯ線材（超電導線材１６０）毎に１２組設置した。

すなわち、実施例１の超電導電流リードは、すなわち、図５に示す超電導層１６３を備える超電導線材１６０、つまり、磁束ピンニング点１６５を含む超電導層１６３を有する超電導線材１６０と、電極１３１、１３３及び支持部材１５２とを備える。これら電極１３１、１３３及び支持部材１５２は、お互いに凹部１３５内でのみ接合されている。

このように構成された超電導電流リードを試料として、クライオスタットの液体窒素を寒剤として、湾曲させた状態、具体的には、試料を半径Ｒ＝１０ｍｍの円筒体の外周に沿って湾曲させた状態で浸漬冷却した。この結果を表１で実施例として示す。

また、上記実施例１の超電導電流リードにおいて、ピンニング点を含まない超電導線材を有する超電導線材を参考例１とした。すなわち、参考例１は、実施例と同様の超電導電流リード１００において、電極１３１、１３３、支持部材１５２及び磁束ピンニング点１６５を含まない超電導線材同士が凹部１３５内の部分以外、つまり嵌合部分以外では接着されていない超電導電流リードである。また、比較例１は、実施例１と同様の電極、支持部材と、実施例１の超電導線材において磁束ピンニング点を含まない超電導線材とを有し、支持部材と超電導線材とが全面的にハンダ付けされている超電導電流リードである。なお、線材の臨界電流値（Ｉ_Ｃ）は、通常の４端子抵抗法を用いて評価し、１μV/cmの電圧基準を用いて定義した。

表１に示すように電極、支持部材、超電導線材の接合部分でのみ、支持部材及び超電導線材同士がハンダ付けされている実施例１の超電導電流リードでは、湾曲した状態における超電導特性Ｉ_Ｃは２４００Ａであり、支持部材と超電導線材との接合外れは見あたらなかった。

比較例１の超電導電流リードでは、湾曲した状態における超電導特性Ｉ_Ｃは６００Ａであり、支持部材と超電導線材との接合外れが見つかった。

このように、実施例１と比較例１との比較でみられるように、湾曲させた状態で超電導装置に設置したとしても、本実施の形態の超電導電流リードは、安定した超電導特性を得ることができる。

また、参考例１の超電導電流リードでは、湾曲した状態における超電導特性Ｉ_Ｃは１２００Ａであり、支持部材と超電導線材との接合外れは見あたらなかった。

なお、本実施の形態の超電導電流リードにおいて、複数の超電導線材における磁束ピンニング点を形成するＺｒの添加度合いは、それぞれの超電導線材で異なっていても良い。

例えば、支持部材の表裏面のうち少なくとも一面に複数の超電導線材が長手方向に沿って並べて配置された構成において、支持部材の両端に近い超電導線材におけるＺｒの含有度合いを最も大きくするようにしてもよい。

例えば、本実施の形態の超電導電流リード１００では、６本の超電導線材のうち、支持部材において長手方向に延在する両端側に配置された線材における超電導層に含まれるＺｒを３ｗｔ％とし、これらに隣り合う線材の超電導層のＺｒを１ｗｔ％とする。さらに、１ｗｔ％のＺｒの内側で隣り合う線材の超電導層におけるＺｒを０ｗｔ％とするようにする構成が上げられる。

本発明に係る超電導電流リードは湾曲した状態で超電導装置に設置されても、磁場の影響を受けにくく、安定した超電導特性を発揮できる効果を有し、超電導装置に電流を供給するリードとして有用である。

１１ 極低温容器
１２ 超電導マグネット
１００ 超電導電流リード
１２０ 低温側超電導部
１３１、１３３ 電極
１３５ 凹部
１５０ リード本体（電流リード支持材）
１５１、１５３ 端部
１５２ 支持部材
１５２ａ 表面
１５２ｂ 裏面
１５２ｃ、１５２ｄ 端部
１５２ｅ 嵌合部分
１６０ 超電導線材
１６１ 金属基板
１６２ 中間層
１６３ 超電導層
１６４ 安定化層
１６５ 磁束ピンニング点

Claims (6)

1. 極低温容器内に設置された超電導装置に対して、室温環境下に設置された電源から電力を供給する超電導電流リードにおいて、
   両端のそれぞれに一対の電極端子が接合された電流リード支持材と、
   前記電流リード支持材の表裏面のうち少なくとも一面上に、それぞれ並行に配置され、且つ、両端部が前記電極端子にそれぞれ接続された複数の超電導線材と、
   を有し、
   前記超電導線材は、ＲｅＢａＣｕＯ系（Ｒｅは、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ及びＹｂから選択された１又は２種以上の元素を示し）系超電材料からなる酸化物超電導層を備え、
   前記酸化物超電導層中には、Ｙ，Ｚｒ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｅのうち少なくとも一つを含む５０ｎｍ以下の酸化物粒子が磁束ピンニング点として分散している、
   超電導電流リード。
2. 前記超電導線材は、前記電極端子と接続する両端部でのみ、前記電流リード支持材に固定されている、
   請求項１記載の超電導電流リード。
3. 前記電極端子は、通電方向と同じ方向に切り欠かれた切り欠き部を備え、
   前記超電導線材の両端部は、前記切り欠き部に、前記電流リード支持材とともに挿入され、且つ、前記切り欠き部で電気的に接続される、
   請求項１又は２記載の超電導電流リード。
4. 前記磁束ピンニング点は、Ｚｒを含む酸化物粒子である、
   請求項１から３の何れか一項に記載の超電導電流リード。
5. 前記酸化物超電導層は、ＲｅＢａ_ｙＣｕ_３Ｏ_ｚ（ＲＥは、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ及びＹｂから選択された１又は２種以上の元素を示し、ｙ≦２及びｚ＝６．２〜７）系超電導材料からなる、
   請求項１から４の何れか一項に記載の超電導電流リード。
6. 前記酸化物超電導層は、ＴＦＡ―ＭＯＤ法により形成されたＹＢＣＯ系超電導体である、
   請求項１から５の何れか一項に記載の超電導電流リード。
   

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