JP2013175577A - 高温超伝導体平テープ線材を用いた環状線構造体とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温超伝導体の平テープ形状線材を用い、線長全域にわたって超伝導性を維持しながらテープ形状線材の幅よりも広い内径を有する超伝導環状線構造を作製する。
【解決手段】 十数センチメートルから数メートル以上の線長をもつ、柔軟性を有する高温超伝導平テープ線材にスリットを設け、スリットの両側導体部分を、それぞれテープ表面に鉛直かつ逆方向に押し広げることで、線材端部における接合部分を生じず、もって超伝導線路上に超伝導特性の低下を生じることなく、線長の２倍程度の周長を有する環状線構造体を作製する。
【選択図】図１

Description

本発明は、新奇な構造を有する高温超伝導体の平テープ線材を用いた環状線構造体とその製造方法に関する。更に詳しくは、ＲｅＢａＣｕＯ系あるいはＢｉＳｒＣａＣｕＯ系高温超伝導セラミックスを用いた単線平テープ形状の線材を基にして、線材端部における接合を要しない方法で、線長全域にわたって超伝導特性を有する、大口径の環状線構造を持つ巻線構造体とその製造方法に関する。

超伝導線を用いた環状線構造は、超伝導電磁石コイルや精密磁気測定における磁束伝達デバイスとして実用されている。高温超伝導セラミックス材料は液体窒素温度以上での超伝導転移温度を有し、テープ状線材化技術において臨界電流密度など優れた特性を示すが、焼結温度付近までの加熱や再溶融によって組成や結晶構造の変化が生じるため、これらを用いた線材の端部をつなぎ合わせて環状線構造を作製する場合には、線長全域にわたって良好な超伝導特性を維持することが出来ない。テープ状線材を利用して環状線構造を作成する場合、接続部での超伝導特性を維持しない構造（例えば、非特許文献１参照）、線材が有する超伝導特性に対する接合部での性能低下を許容した接合（例えば、特許文献１）、により構成されるため、環状線構造全体の超伝導特性が低下する。また、エッチング等の方法でテープ線材上に環状線をパターンニングし、線長全域での超伝導性を維持した環状線構造体を作製することが出来るが（例えば、特許文献２、非特許文献２参照）、この場合は巻き線回数が１ターンに限定され、かつ環状線の内径は最大でもテープ幅をこえることができない欠点を有している。

特開平９−２２３６２３号公報 特開２０１１−１８１５５９号公報

H. Dyvorne et al., REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 79, 025107(2008) E. Dantsker et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 71, No. 12, 1712(1997)

高温超伝導体平テープ状線材を用い、超伝導特性上の弱点となる線材端部間の接合を生じない方法で、線長全域にわたって超伝導性を維持しながら基材となるテープ状線材のテープ幅長よりも広い内径を有する環状線構造を作製することを目的とする。

本発明は、１センチメートルから１０メートルの線長をもつ、柔軟性を有する平テープ形状の高温超伝導線材にスリットを設け、スリットの両側を、テープ表面に対する鉛直かつ互いに逆の方向に押し広げることで、スリット長の２倍の周長を有する環状線構造体を作製するものである。

本発明の第１は、高温超伝導単線テープ線材に、その線長方向に沿って（２ｎ−１）個（ｎは自然数）の、互いに平行なスリットを設け、前記スリットにより分割された前記テープ線材を相隣る分割部分ごとにそれぞれ逆方向に、前記スリットが屈曲部を持たない閉曲線をなすように湾曲させてなる構造を有し、超伝導体線路によるｎ巻きの閉回路構造を構成する超伝導環状線構造体を提供する。スリットはテープ表面から裏面へ貫通して作製されるが、スリットを（２ｎー１）本作製した場合、スリット幅ｔ、テープ線材の幅Ｗとすると超伝導線路の幅ｗは
ｗ＝｛Ｗ−（２ｎ−１）・ｔ｝／２ｎ
となるため、超伝導線路幅を広く取るためにはスリット幅は細いほうが良い。そのためスリットは化学溶解エッチング、レーザー切削加工、電解加工、放電加工または機械切削加工により細幅加工で設置される。
図１、図２に、直交する２つのインダクタを内包する構造体の作製について示す。図１、図２はそれぞれ上記のｎ＝１、２であり、各々１ターン、２ターンの巻き線構造となる。具体的には、テープ線材に、長さ方向に沿って、テープ線材裏面まで切り通した細いスリット（ナロースリット）を作製する。この時、スリットによって加工されたテープ線材上の線路が、行き止まり部分を持たない一筆書きで繋がらなければならない。つぎにテープ線材側面から見たときに、接線の傾き変化が連続である閉曲線をなすように、テープ線材の、スリットで分割され、かつ隣接する線路部分を、それぞれテープ面に鉛直かつ逆方向に曲げ、屈曲部を持たない閉曲線をなすように湾曲させ、固定する。
磁束トランス応用の場合には磁束の取り出し口として、磁束センサを結合するための小インダクタ部分をテープ面内に設置する場合には、化学溶解エッチング、レーザー切削加工、電解加工、放電加工または機械切削加工によりテープ面上から超伝導体を剥離し、平面コイル形状を付帯的に作製することができる。

本発明の第２は、電気回路として独立した複数個の発明１の超伝導環状線構造体を、磁気結合して形成されてなる、二重巻き以上の多重巻き線構造を有する超伝導環状線構造体を提供する。図３に作成例を示す。（ア）、（イ）はそれぞれ、図１に示したｎ＝１の１ターン構造体を用いて、（ア）同形状のものを積層した構造体、（イ）異径の構造体を重ねて、構造体をなす線路の見かけ高さが同じとなる、パンケーキコイル状構造体を作製するものである。２つのコイルを磁気結合した場合、合成インダクタンスはそれぞれの単独インダクタンスＬ_Ａ、Ｌ_Ｂ、および相互インダクタンスＭを用いて、Ｌ＝Ｌ_Ａ＋Ｌ_Ｂ±２Ｍ で表される。そのため磁束トランスの伝達効率や超伝導インダクタの応答特性で重要な構造体のインダクタンスを、図２に示す単独の構造体を用いる場合よりも大きく変化させることが出来る。図３の場合、構造体間の相互インダクタンスは線材を構成する基材金属、絶縁体および真空の透磁率を介して提供される。

本発明の第３は、第２の発明の環状線構造であって、独立した複数個の超伝導環状線構造体を、透磁率の大きい磁性体を介して磁気的に結合することで形成される、二重巻き以上の多重巻き線構造を持つ超伝導環状線構造を提供する。図３の構造体において、各構造体が共有する環状線路の内部、あるいは構造体と他の構造体との間に磁性体を配置することで構造体間の相互インダクタンスを大きくすることが出来る。ここでいう磁性体として、磁束トランスおよびインダクタ応用では残留磁束のない軟磁性体、超伝導磁石応用では硬磁性体を使用する。

本発明の第４は、発明１の超伝導環状線構造であって、複数の環状線構造を一本のテープ線材上に作製することにより電気的に直列又は並列に接続した複数の環状線を一つの構造体内に有する超伝導環状線構造体を提供する。図４に構造を示す。（ア）、（イ）はそれぞれ構造体における環状線路の円電流から生じる磁気ベクトルが（ア）非同軸の並列配置、（イ）同軸配置となる構造である。図１の構造体作製において、線路の一部を、スリットを挟んで併走するように維持し、構造体を形成する。この場合、併走部分にあるスリットにおいては、テープ線材裏面までの貫通加工は不要であり、化学溶解エッチング、レーザー切削加工、電解加工、放電加工または機械切削加工によりテープ面上から超伝導体を剥離することで目的は達成される。図４では２つのコイルを逆巻きにすることで、平均磁場により誘起される超伝導電流が打ち消しあい、差分磁場のみが検知できる勾配計（グラジオメーター）が構成されており、（ア）水平型、（イ）垂直型のグラジオメーター構造となる。

本発明に拠る、高温超伝導体の平テープ線材を用いた環状線構造体は、従来の金属テープ線を基材とする超伝導線材を用いた環状線構造体あるいは高温超伝導材料を用いた導線上に弱結合部分を有する環状線構造体に比較し、液体窒素沸点温度において良好な超伝導特性の発現が可能である。このような特性を利用して、高感度な磁場測定に利用できるグラジオメーター（磁場勾配計）、検磁束伝達デバイス（磁束トランス）や強力な超伝導電磁石を作りうるソレノイドを提供できる。

単巻き形状環状線構造体の作製方法例。導線上に磁化軸方向の異なる異径のホール構造を設けることで磁束トランス構造を構成する場合の構造。 多重巻き形状環状線構造体の作製方法例（二重巻き線構造の場合）。 磁気結合による多重巻き線構造体の作製方法例。単純重ね構造（ア）と異径環状線の組み合わせによるパンケーキコイル巻き構造（イ）。 グラジオメーター（磁場勾配計）の作製方法例。対称形状の環状線を一つの構造体内に有するため磁場分布の差分のみを検知する。環状線の面に平行な方向の磁場分布に対する横型磁場勾配計（ア）と環状線の面に鉛直な方向の磁場分布に対する縦型磁場勾配計（イ）。

＜実施例１＞
図１における、ｎ＝１の場合の１ターン構造体を作製した。テープ線材にはＴＨＥＶＡ社（ドイツ）製 ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３ｙ（ＲＥ＝Ｄｙ）平テープ線材を用いた。この線材は０．１ｍｍのハステロイ−Ｃ合金テープ上に結晶配向化処理を施したＭｇＯ層、その上に０．５μｍ厚さの超伝導層、２μｍのＡｇカバー層の積層構造を持つ。幅１０ｍｍ、長さ２１０ｍｍの上記線材を用いて、幅方向中央に、長さ方向に沿ってナロースリットを作製した。スリットの切断加工には０．２ｍｍ厚さのダイヤモンドホイールを用い、ガイドを用いて直線加工した。スリットの長さは１８７．５ｍｍであり、両端のそれぞれ５ｍｍ、１７．５ｍｍを切断しない個所として残した。図１に示すとおり線材を湾曲させ、外周９５ｍｍの塩化ビニル製パイプを保持芯として環状構造内に挿入し、さらにカプトンテープを用いて線材を保持芯に固定し、構造体を作製した。

上記構造体についてゼロ磁場冷却試験の結果を示す。初めに構造体全体を液体窒素で冷却し、次に、この構造体の中心軸上で、構造体の高さの１／２の位置に、直径２０ｍｍ、厚さ３ｍｍ、表面磁束密度１７９ｍＴのＮｄ−Ｆｅ−Ｂ永久磁石を、磁化方向が構造体の中心軸方向に重なるよう静置し、ガウスメーターを用いて磁場測定を行ったところ、構造体外部（構造体中心軸上から距離９０ｍｍ離れた点）及び構造体中心軸上の高さ５０ｍｍおける磁場はそれぞれ０．１０ｍＴ、６４ｍＴであった。その後磁石を取り出し再び測定したところ、磁場はそれぞれ０．１３ｍＴ、及び０．１３ｍＴであった。また、構造体から十分離れた距離の平均磁場は０．１０ｍＴであった。

上記構造体について磁場中冷却試験の結果を示す。前項で示した位置に、同じ永久磁石を同様に静置し、ついで構造体全体を液体窒素で冷却した。前項で示した同じ位置の磁場を測定したところ、構造体外部及び構造体中心軸上の高さ５０ｍｍおける磁場はそれぞれ０．４９ｍＴ、５９ｍＴであった。構造体を冷却したまま、その後磁石を取り出し再び測定したところ、磁場はそれぞれ０．２９ｍＴ、０．７０ｍＴであった。更に、環状線の一部（円周長の１０％以下程度）を液体窒素冷媒外に出し、超伝導状態を壊したところ、磁場はそれぞれ０．１０ｍＴおよび０．１０ｍＴとなった。
ゼロ磁場および磁場中冷却試験における、構造体中心軸上の磁場測定値から、構造体の冷却時における永久磁石の有無によって、超伝導転移に伴う、環状線による磁気シールド効果の差異が生じていることが分かる。また磁場中冷却試験における永久磁石の取り出し後の磁場測定値から、環状線において磁束トラップ効果が生じていることが分かり、更に環状線の一部加熱により磁束トラップの消失が生じていることが分かるので、環状線全体にわたり超伝導性が維持されていることがわかる。

＜比較例１＞
同形状の構造体を、ポリイミドテープ表面に銅をめっきした、フレキシブル導線用のプリント基板材（株式会社サンハヤト製 ＮＺ−Ｍ２Ｋ）を用いて作製し、実施例１と同位置に永久磁石を置き、実施例１及び実施例２と同様の実験を行った。永久磁石を静置した状態では、構造体外部及び構造体中心軸上の高さ５０ｍｍおける磁場はそれぞれ２１ｍＴ、８６ｍＴであり、永久磁石の除去によってそれぞれ０．１０ｍＴ、０．１０ｍＴへ変化した。この値は、磁石の除去と線路の冷却の順序を入れ替えても同じであった。

本発明の高温超伝導体を用いた超伝導環状線構造体を使用すれば、超伝導接続した閉環状線に特有の機能を活かし、液体窒素温度において動作する、静磁場まで感応する磁場検出デバイスや磁束伝達デバイス、また電源を除去しても動作を続ける超伝導電磁石が可能となる。これらはそれぞれ異物検査や非破壊探傷、地質調査等に利用できる高性能磁気センサ、超低周波通信に利用できる磁気結合アンテナ素子、医用などで利用できる小型の安定強磁場発生装置への応用ができる。

Claims (4)

1. 高温超伝導単線テープ線材に、その線長方向に沿って（２ｎ−１）個（ｎは自然数）の、互いに平行なスリットを設け、前記スリットにより分割された前記テープ線材を相隣る分割部分ごとにそれぞれ逆方向に、前記スリットが屈曲部を持たない閉曲線をなすように湾曲させてなる構造を有し、超伝導体線路によるｎ巻きの閉回路構造を構成することを特徴とする超伝導環状線構造体。
2. 電気回路として独立した複数個の請求項１に記載の超伝導環状線構造体を、磁気結合して形成されてなる、二重巻き以上の多重巻き線構造を有することを特徴とする超伝導環状線構造体。
3. 請求項２に記載の超伝導環状線構造体であって、磁気結合するために軟磁性体、硬磁性体を介してなることを特徴とする超伝導環状線構造体。
4. 請求項１に記載の環状線構造であって、複数の環状線構造を一本のテープ線材上に作製することにより電気的に直列又は並列に接続した複数の環状線を一つの構造体内に有することを特徴とする超伝導環状線構造体。