JP2018055990A - 超電導電流リード及び酸化物超電導線材 - Google Patents

Abstract

【課題】磁場中に配置された場合に、超電導線材に撓みが生じても撓みに起因する超電導特性の劣化を防止でき、熱伝導しにくい信頼性の高い超電導電流リードを実現する。
【解決手段】基板と、前記基板上に中間層を介して形成される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）の超電導層と、前記超電導層上に形成される金属からなる保護層とを少なくとも有する酸化物超電導線材と、前記酸化物超電導線材の両端部のそれぞれの接続領域で半田により接続された電極端子と、を備える酸化物超電導電流リードにおいて、前記電極端子に接続される前記接続領域の前記保護層の膜厚が、接続領域以外の保護層の膜厚より厚い。
【選択図】図１０

Description

本発明は、酸化物超電導線材を用いた超電導電流リード及び酸化物超電導線材に関する。

近年、超電導ケーブルや超電導マグネット等、超電導を利用した超電導応用機器について、実用化に向けてさかんに研究、開発が行われている。一般に、超電導応用機器は、低温部（低温容器）に設置され、常温部に設置された外部機器（例えば電源）と、電流リードを介して接続される。

超電導応用機器の運転は、極低温環境下で行われるため、低温部の断熱性が極めて重要となる。低温部の断熱性が悪く、低温部への熱侵入が大きいと、超電導応用機器の冷却効率が低下して超電導状態を維持するための冷却コストが増大することとなり、場合によっては超電導応用機器を運転できなくなってしまうためである。この低温部への熱侵入の経路としては、低温容器を伝熱する経路、電流リードを伝熱する経路が考えられる。

低温容器を介した熱侵入を防止するための手法としては、液体窒素等の冷媒及び超電導応用機器を収容する冷媒槽と、冷媒槽の外側に設けられる真空槽とを有する二重構造の低温容器が知られている。この低温容器によれば、真空断熱により低温部への熱侵入が低減される。
電流リードを介した熱侵入を防止するための手法としては、酸化物超電導体を用いた超電導電流リードが提案されている。酸化物超電導体は、液体窒素温度以下では電気抵抗がゼロ、かつ熱伝導率が小さい（銅の数１０分の１）。そのため、超電導電流リードにおいては、通電時にジュール熱の発生はなく、低温部への伝熱量も極めて小さくなる。したがって、超電導電流リードによれば、低温部への熱侵入が低減される。

従来の超電導電流リード５０を図１に示す。図１Ａは超電導電流リード５０の全体図である。図１Ｂは図１ＡのＩ−Ｉ矢視断面図である。
図１Ａに示すように、超電導電流リード５０は、テープ状の超電導線材５１と、超電導線材５１の一端部（高温側）に配置される第１の金属電極５２、及び超電導線材５１の他端部（低温側）に配置される第２の金属電極５３を備える。図１Ｂに示すように、第１の金属電極５２は超電導線材５１が挿入される凹部５２１を有する。

一般に、接続作業が容易であり、良好な電気特性が得られることから、超電導線材５１と第１の金属電極５２とは半田によって接続される（例えば特許文献１）。具体的には、溶融した半田を金属電極５２の凹部５２１に充填した状態で、凹部５２１に超電導線材５１を挿入し、支持部材（図示略）によって鉛直に支持する。そして、冷却により半田が凝固すると、超電導線材５１は金属電極５２に固着される。つまり、超電導線材５１と金属電極５２とは、半田５６を介して電気的に接続されることになる。超電導線材５１と第２の金属電極５３との接続部も同様である。また、凹部５２１内に金属電極５２を挿入して、凹部５２１内に半田を充填することで超電導線材５１と金属電極５２とを接続してもよい。

特開平１０−２７５６４１号公報

ところで、上述した構成の超電導電流リードに、超電導応用機器として超電導磁石装置を接続する場合、超電導磁石装置が備える超電導コイルに電流が流れることによって磁場が発生する。これにより、発生する磁場によるローレンツ力が超電導電流リードに作用することになる。特に、磁場の向きが、超電導線材の幅方向と一致するように超電導電流リードを配置する等して、超電導電流リードを高磁場環境下で用いる場合、超電導線材の幅広面（以下「テープ面」）に作用するローレンツ力が大きくなる。

図１に示す従来の超電導電流リード５０では、超電導線材５１の両端が金属電極５２に固定され、かつ、中間部分は固定されていないため、上述のローレンツ力（矢印Ｌ）により超電導線材５１が撓み、超電導線材５１の厚さ方向の曲げ歪み（以下「フラットワイズ曲げ歪み」）が生じる。このフラットワイズ曲げ歪みが生ずることに起因して、超電導線材５１において、金属電極５２の凹部５２１から突出する部分に負荷がかかり、近接する金属電極５２の角部側に曲がる場合に、当該角部に接触して損傷し、上述したように大電流を流すことが困難になる可能性がある。
また、超電導電流リード５０の駆動時では、常温冷却を繰り返す際の超電導線５１の常温収縮によって、超電導線材５１と金属電極５２との接続部分に応力が集中する。この応力集中は、超電導線材５１全体の膜厚を厚くすることにより低減できるが、超電導線材全体を厚くすれば、金属電極５２を介して侵入する外部からの熱が伝導しやすくなるため、好ましくない。

本発明の目的は、磁場中に配置された場合に、超電導線材に撓みが生じても撓みに起因する超電導特性の劣化を防止でき、熱伝導しにくい信頼性の高い超電導電流リード及び酸化物超電導線材を提供することである。

本発明の超電導電流リードの一つの態様は、
基板と、前記基板上に中間層を介して形成される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）の超電導層と、前記超電導層上に形成される金属からなる保護層とを少なくとも有する酸化物超電導線材と、
前記酸化物超電導線材の両端部のそれぞれの接続領域で半田により接続された電極端子と、
を備える酸化物超電導電流リードにおいて、
前記電極端子に接続される前記接続領域の前記保護層の膜厚が、接続領域以外の保護層の膜厚より厚い構成を採る。

本発明の酸化物超電導線材の一つの態様は、
基板と、
前記基板上に中間層を介して形成される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）の超電導層と、
前記超電導層上に形成される金属からなる保護層と、
を有し、
前記超電導層上の保護層において当該保護層の延在方向で離間する両端部のそれぞれの膜厚が、前記保護層の両端部以外の膜厚よりも厚い構成を採る。

本発明によれば、超電導線材に撓みが生じても撓みに起因する超電導特性の劣化を防止でき、熱伝導しにくい信頼性の高い超電導電流リードを実現できる。

従来の超電導電流リードの説明に供する図である。 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を示す図である。 同実施の形態に係る超電導電流リードの外観図である。 超電導線材の構成を示す図である。 同超電導線材の層構造の一例を模式的に示す断面図である。 超電導電流リードをＹ方向基端側から見た正面図である。 超電導電流リードをＺ方向先端側から見た平面図である。 図６におけるＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。 図７におけるＶＩ−ＶＩ矢視断面図である。 超電導線材と電極との接合部分の説明に供する部分拡大図である。 超電導線材と電極との接合部分の変形例の説明に供する部分拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図２は、本発明の一実施の形態に係る超電導電流リード１０を用いた超電導磁石装置１を示す図である。図３は、超電導電流リード１０の外観図である。図４は、超電導線材１１の構成を示す図であり、図５は、同超電導線材の層構造の一例を模式的に示す断面図である。図６は、超電導電流リードをＹ方向基端側から見た正面図である。図７は、超電導電流リードをＺ方向先端側から見た平面図である。図８は、図６におけるＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。図９は、図７におけるＶＩ−ＶＩ矢視断面図である。図１０は、超電導線材と電極との接合部分の説明に供する部分拡大図である。

図２に示すように、超電導磁石装置１は、超電導電流リード１０、常電導電流リード１５、超電導コイル２０、電源３０、及び低温容器４０等を備える。

低温容器４０は、内側の容器４１と外側の真空槽４２とからなる二重構造を有する。容器４１は冷凍機（図示略）に接続される。真空槽４２は真空ポンプ（図示略）に接続され、内部を真空状態に保持される。

超電導コイル２０は、超電導線材を巻線したコイルである。超電導コイル２０は、低温部となる容器４１内に配置される。超電導コイル２０は、超電導電流リード１０と接続するためのコイル電極２１を有する。

電源３０は、常温部となる低温容器４０外に配置される。電源３０は、常電導電流リード１５及び超電導電流リード１０を介して、超電導コイル２０に電流を供給する。常電導電流リード１５は、例えば銅線である。

超電導電流リード１０は、超電導線材１１、第１の電極１２、第２の電極１３、及び補強部材１４を有する。超電導電流リード１０は、容器４１内に配置される。超電導線材１１の高温側となる一端部は第１の電極１２に接合され、低温側となる他端部は第２の電極１３に接合される。これら超電導線材１１、第１の電極１２及び第２の電極１３は、リード本体を構成する。

本実施の形態では、１本の超電導線材１１を用いた超電導電流リード１０について説明するが、本発明は、超電導線材１１を複数本有する超電導電流リードに適用することもできる。

超電導線材１１は、図４に示すように、酸化物超電導層（以下「超電導層」と称する）１１３を有するテープ状の線材であり、両端側の膜厚が中央部分の膜厚よりも厚くなるように構成されている。
具体的には、超電導線材１１は、両端部１１ａ、１１ｂ側に、第１の電極１２及び第２の電極１３に接続される接続領域１１０ａ、１１０ｂを有し、接続領域１１０ａ、１１０ｂの膜厚は、接続領域以外（中央部１１０ｃに相当）の膜厚よりも厚く構成されている。超電導線材１１は、例えばテープ状の金属基板１１１上に、中間層１１２、超電導層１１３、保護層１１４が順に形成された積層構造を有し、超電導層１１３上の保護層１１４の両端部が、両端部以外の部分（保護層１１４の中央部）の膜厚よりも厚くなるように形成されている。
金属基板１１１は、例えば、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）、又は、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低磁性の結晶粒無配向・耐熱高強度金属基板である。
中間層１１２は、例えば金属基板１１１からの元素の拡散が超電導層１１３に及ぶのを防止するための第１の中間層（拡散防止層）と、超電導層１１３の結晶を一定の方向に配向させるための第２の中間層（配向層）など、複数の中間層を有する。第１の中間層は、例えばガリウムドープ酸化亜鉛層（ＧＺＯ）又はイットリウム安定化ジルコニア層（ＹＳＺ）で構成される。第１の中間層の成膜には、例えばイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ：Ion Beam Assisted Deposition）を適用できる。第２の中間層は、例えば酸化セリウム層（ＣｅＯ_２）で構成される。第２の中間層の成膜には、例えばＲＦスパッタ法を適用できる。また、２層以上の構造を有する中間層１１２として、第１の中間層としてのＧＺＯ層と、ＣｅＯ_２層との間に、ＩＢＡＤ法によりなるＭｇＯ層、スパッタリング法によりなるＬａＭｎＯ_３層を順に積層したものとしてもよい。本実施の形態における中間層１１２は、図５に示すように、第１〜第５の中間層を順次積層することにより構成される。図５に示すように、中間層１１２は、第１中間層をＡｌ_２Ｏ_３層、第２中間層をＬａＭｎＯ_３層、第３中間層をＭｇＯ層、第４中間層をＬａＭｎＯ_３層、第５中間層をＣｅＯ_２層の５層を有する。

第１中間層としてのＡｌ_２Ｏ_３層は、金属基板１１１上に接してスパッタリング法で成膜される。この第１中間層は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するための層であり、その上に配される膜の配向性を得るために用いられる。Ａｌ_２Ｏ_３層は、金属基板１１１からの元素の拡散を抑制する拡散防止層として機能する。
第２中間層としてのＬａＭｎＯ_３層は、非晶質であり、Ａｌ_２Ｏ_３層上に成膜される。 ＬａＭｎＯ_３層は、ＲＦスパッタ法またはイオンビームスパッタ法等のスパッタリング法により、１５０［℃］以下の範囲（０［℃］より大きく１５０［℃］以下の範囲）内で、金属基板１１１上に成膜される。この温度範囲の設定は、ＬａＭｎＯ_３層の成膜温度を、１５０［℃］以下とすると、ＬａＭｎＯ_３は非晶質となり、１５０［℃］より高い温度で成膜するとＬａＭｎＯ_３層は結晶化し易くなり、ＭｇＯ層の配向化を阻害するからである。ＬａＭｎＯ_３層の膜厚は、５〜１００［ｎｍ］である。Ａｌ_２Ｏ_３層上のＬａＭｎＯ_３層の膜厚が５［ｎｍ］以下では、膜の連続性が悪く十分な配向性が得られず、１００［ｎｍ］以上の膜厚になると、ＬａＭｎＯ_３膜（層）表面の凹凸が大きくなり、ＬａＭｎＯ_３層上に接して積層される第３層としてのＭｇＯ層の配向性を阻害するからである。このＬａＭｎＯ_３層上には、ＭｇＯ層が、ＩＢＡＤ（Ion Beam Assisted Deposition）法で接して積層される。

ＭｇＯ層上には、第４中間層としてのＬａＭｎＯ_３層がスパッタリング法で成膜されている。ＭｇＯ層より上方の層は、ＹＢＣＯ超電導層との反応を防止する反応防止層として機能する。ここでは、第４中間層としてのＬａＭｎＯ_３層及び第５中間層としてのＣｅＯ_２層が反応防止層として機能する。第４中間層としてのＬａＭｎＯ_３層上には、ＣｅＯ_２層がスパッタリング法又はＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition：パルスレーザー蒸着）法等により積層される。ＣｅＯ_２層は、超電導層としてのＹＢＣＯ超電導層の直下に配置される層である。ＣｅＯ_２層は、ＹＢＣＯ超電導層との整合性がよく、且つ、ＹＢＣＯ超電導層との反応性が小さいため最も優れた中間層の一つとして知られている。このＣｅＯ_２層上には、超電導層１１３としてＹＢＣＯ超電導層が積層される。

超電導層１１３は、例えばＲＥＢａ_ｙＣｕ_３Ｏ_ｚ系超電導体（ＲＥは、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ及びＹｂから選択される１又は２種以上の希土類元素であり、ｙ≦２及びｚ＝６．２〜７）等の酸化物超電導体で構成される。図５では、超電導層１１３は、ＲＥ系超電導体として代表的なＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７で表されるイットリウム系超電導体（ＹＢＣＯ超電導層）としている。なお、超電導層１１３の成膜には、有機金属体積法（ＭＯＤ：Metal-organic deposition）、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ：Pulsed Laser Deposition）、スパッタ法、又は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を適用できる。本実施の形態では、中間層１１２付きのハステロイ（登録商標）基板（金属基板）１１１上に、ＭＯＤ法によって超電導層１１３を形成している。ＭＯＤ法は、有機金属気相成長法等の気相法と異なり、原料収率が高く、高価な真空装置を必要としない。よって、超電導層１１３は、低コストプロセスで製造できる。

超電導層１１３には、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ｎｂのうち少なくとも１つを含む５０［ｎｍ］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ことが好ましい。この場合、超電導層１１３の成膜法としては、三フッ化酢酸塩（ＴＦＡ）を用いたＴＦＡ−ＭＯＤ法が好適である。本実施の形態では、ＴＦＡを含むＢａ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ことにより、ＲＥ系超電導体からなる超電導層１１３に、Ｚｒを含む酸化物粒子（ＢａＺｒＯ_３）を磁束ピンニング点として分散させている。なお、超電導層１１３中に磁束ピンニング点を分散する手法は、公知の技術を適用することができる（例えば特開２０１２−０５９４６８号公報）。

超電導層１１３中に磁束ピンニング点を分散させることにより、超電導線材１１が湾曲した状態で用いられても、磁場の影響を受けにくく、安定した超電導特性が発揮される。

保護層１１４は、主に水分等から超電導層１１３を保護するとともに、超電導層１１３における超電導状態が部分的に破れて抵抗が発生（常電導転移）した場合に電流を迂回させるための層である。保護層１１４は、安定化層とも呼ばれ、電気抵抗率が低く、熱伝導率の高い材料で構成されるのが好ましく、例えばＡｇ又はＣｕで構成される。
保護層１１４は、超電導層１１３上に、超電導層１１３に接して配置される。保護層１１４は、超電導層１１３上において延在方向で離間する両端部１１ａ、１１ｂのそれぞれに、接続領域１１０ａ、１１０ｂを有する。保護層１１４の接続領域１１０ａ、１１０ｂは、超電導線材１１の両端側において電極１２、１３に接続される接続領域に相当する。保護層１１４における接続領域１１０ａ、１１０ｂの膜厚Ｔ３は、超電導線材１１の接続領域の保護層１１４の膜厚Ｔ３である。接続領域１１０ａ、１１０ｂの膜厚Ｔ３は、それ以外の部分である保護層１１４の中央部１１０ｃの膜厚Ｔ１よりも厚い。保護層１１４の中央部１１０ａは、保護層１１４において両端部１１ａ、１１ｂ間の部位である。
また、接続領域１１０ａ、１１０ｂ以外の保護層１１４の膜厚（中央部１１０ｃに相当）Ｔ１は、金属基板１１１から超電導層１１３までの膜厚Ｔ２に対して１％以上２０％以下の膜厚である。また、接続領域１１０ａ、１１０ｂの保護層１１４の膜厚Ｔ３は、接続領域１１０ａ、１１０ｂ以外の保護層１１４の膜厚Ｔ１に対して２倍以上３０倍以下である。

接続領域１１０ａ、１１０ｂ以外の保護層１１４（中央部１１０ｃに相当）の膜厚Ｔ１は１μｍ以上２０μｍ以下である。また、接続領域１１０ａ、１１０ｂの保護層の膜厚Ｔ３は、２μｍ以上６０μｍ以下である。
保護層１１４の成膜には、例えば、接続領域１１０ａ、１１０ｂ以外の中央部１１０ｃをマスクしてスパッタ法を適用することにより、両端側の接続領域１１０ａ、１１０ｂの厚みが中央部１１０ｃよりも厚くなるように成膜される。

超電導線材１１は、両端部１１ａ、１１ｂで、第１の電極１２及び第２の電極１３に接続されている。保護層１１４の接続領域１１０ａ、１１０ｂにおける長手方向における距離Ｌ１は、少なくとも接続される第１の電極１２、１３における保護層１１４との接続部分（接合面１２２、１３２）より長くなるように構成されている。
なお、超電導線材１１の熱収縮率は、主として金属基板１１１に依存する。室温から７７Ｋに冷却した際のハステロイの熱収縮率は、０．２０４［％］である。また、超電導線材１１の熱伝導率は、主として金属基板１１１及び保護層１１４に依存する。７７Ｋにおけるハステロイの熱伝導率は５．１６４［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］であり、Ａｇの熱伝導率は２３７．３［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］である。

第１の電極１２（高温側電極）及び第２の電極１３（低温側電極）は、銅又は銅合金等の金属材料で構成される。例えば、第１の電極１２（高温側電極）及び第２の電極１３（低温側電極）は、表面に錫めっき処理が施された無酸素銅製の金属電極で構成される。
第１の電極１２は、容器４１の底面近傍に配置され、導体引出部（図示略）を介して常電導電流リード１５に接続される。第１の電極１２の近傍の温度は、例えば７７［Ｋ］である。第２の電極１３は、超電導コイル２０の近傍に配置され、超電導コイル２０のコイル電極２１に接続される。第２の電極１３の近傍の温度は、例えば４．２［Ｋ］である。

第１の電極１２及び第２の電極１３は、それぞれ長さ方向（Ｘ方向）における一方の端面（端面部１２１、１３１）に、超電導線材１１を固定するための切り欠き部としての固定溝１２０、１３０を有する。固定溝１２０、１３０は一側面側に開口して形成され、固定溝１２０、１３０の幅方向（Ｙ方向）両端は、開放されていてもよいし、閉塞されていてもよい。固定溝１２０、１３０の高さ（Ｚ方向）は、超電導線材１１の厚みよりも若干大きく設定される。固定溝１２０、１３０の深さ（Ｘ方向）は、超電導線材１１と強固に接合し、接続抵抗が充分小さく、かつ支持できる程度であればよい。

図９に示すように、本実施の形態では、第１の電極１２の固定溝１２０には、超電導線材１１の一方の端部１１ａが固定溝１２０の底部に突き当たるまで挿入される。第２の電極１３の固定溝１３０には、超電導線材１１の他方の端部１１ｂが固定溝１３０の底部に突き当たるまで挿入される。超電導線材１１と固定溝１２０、１３０の隙間には溶融半田１４０が充填される。すなわち、超電導線材１１と第１の電極１２及び第２の電極１３は、半田付けにより接合され、機械的及び電気的に接続される。

図１０は、固定溝１２０の要部構成を示す拡大断面図である。固定溝１２０と超電導線材１１の端部１１ａとの接続構造は、固定溝１３０と超電導線材１１の端部１１ｂとの接続構造と、左右対称の同様の構造である。よって、以下では、図１０を参照して、第１の電極１２の構成を主に説明し、第２の電極１３の構成の説明は、第１の電極１２の説明における構成要素と同様の名称に別符号を付して省略する。

図１０に示すように、固定溝１２０では、超電導線材１１の延在方向に沿って互いに対向する接合面１２２（１２２−１、１２２−２）間に超電導線材１１の一方の端部１１ａが挿入された状態で半田１４０により導通可能に接続されている。

具体的には、接合面１２２−１、１２２−２は、固定溝１３０において互いに対向する内側壁面を構成し、これら接合面１２２−１、１２２−２のうち、少なくとも超電導線材１１の保護層１１４側の接合面１２２−１が、超電導線材１１の端部１１ａにおける接続領域１１０ａに、半田１４０を介して接合されている。

保護層１１４の接続領域１１０ａは、接合面１２２−１と対向し、且つ、固定溝１２０に挿入される端部１１ａの一面側を構成する部位で、半田１４０を介して電極１２と接合される。また、接続領域１１０ａにおいて、接合面１２２−１と接続する部位に長手方向で連続する部位は、開口側の縁部から導出した状態で配置される。保護層１１４は、超電導線材１１の端部１１ａ、１１ｂのそれぞれにおいて、電極１２、１３が接続される接続部分（接合面１２２、１３２）と対向する部分と、その近傍部分との膜厚が、それ以外の膜厚よりも厚くなるように構成している。

このように、超電導線材１１は、図９に示すように、電極１２、１３に対して、電極１２、１３の一端面１２１、１３１から張り出すように配置され、一端面１２１、１３１で開口する固定溝１２０、１３０の内側壁面である接合面（接続部分）１２２、１３２に、接続領域１１０ａ、１１０ｂで電気的に接合されている。
すなわち、超電導線材１１は、中央部分よりも厚みのある両端部で、電極１２、１３の固定溝１２０、１３０内で固定される。

超電導線材１１は、補強部材１４内に、所定の電極間距離（第１の電極１２と第２の電極１３の離間距離）を空けて収容されている。

補強部材１４は、中空の直方体部材であり、天面が開口した収容部１４２及び開口を閉塞する蓋部１４１を有する。収容部１４２にリード本体が収容された後、収容部１４２の開口を閉塞するように蓋部１４１が接着される。なお、収容部１４２及び蓋部１４１には、部分的に開口が形成されていてもよい。

なお、補強部材１４がＧＦＲＰやステンレス合金等で構成される場合、超電導線材１１の熱収縮率は補強部材１４の熱収縮率よりも小さい。この場合、熱伝導率の高い超電導線材１１の方が冷却の進行が速く、冷却初期の収縮量は補強部材１４よりも超電導線材１１の方が大きくなる。これにより、超電導線材１１が第１の電極１２及び第２の電極１３のそれぞれに、固定溝１２０、１３０の開口縁部が接触して、損傷する恐れがある。

超電導電流リード１０によれば、酸化物超電導線材１１では、電極１２、１３に接続される端部１１ａ、１１ｂに含まれる接続領域１１０ａ、１１０ｂの保護層１１４の膜厚Ｔ３が、接続領域１１０ａ、１１０ｂ以外の保護層１１４の膜厚（中央部１１０ｃ）より厚い。これにより、例えば、冷却時に超電導線材１１と補強部材１４に生じる熱収縮量の差に起因して超電導線材１１にフラットワイズ曲げ歪みが生じることにより、超電導線材１１が変位しても、電極１２、１３に接触して損傷することなく、安定した好適な超電導特性を確保できる。

具体的には、超電導線材１１において、導電部分を構成する超電導層１１３に接して設けられる保護層１１４において、超電導線材１１に曲げ歪みが生じて、超電導線材１１が、保護層１１４側に曲がるように変位しても、電極１２、１３に接続する接続領域１１０ａ、１１０ｂにおける部分の厚みが膜厚であるので変位しにくく、曲がることで電極１２、１３に接触して損傷することがない。よって、超電導線材１１に撓みが生じても撓みに起因する超電導特性の劣化を防止でき、更に、熱伝導しにくいので、好適な超電導特性を確保できる。したがって、超電導電流リードとして高い信頼性を実現できる。

なお、超電導線材１１の変位として、端部１１ａ、１１ｂにおける金属基板１１１側への変位は、導電部分を構成しない金属基板１１１と、電極１２、１３とが接触するように曲がることになり、導電性能が劣化することはない。また、金属基板１１１と、電極１２、１３（図１０では、接合面１２２−２の開口縁部に相当）と間には、保護層１１４より厚い半田１４０が介在するので、金属基板１１１と、電極１２、１３との接触は一層生じにくくなっており超電導特性は低下しにくい。

また、超電導線材１１と電極１２、１３との接合構造としては、例えば、図１１に示す超電導電流リード１０Ａのように、電極端子を柱状にした電極１２Ａの外面である接合面１２８に、超電導線材１１の一端部１１ａを半田付けした構造としてもよい。なお、図１１は、本発明の一実施の形態に係る超電導電流リードの変形例１の要部構成を模式的に示す部分拡大図である。この図１１では、超電導電流リード１０Ａにおいて超電導線材１１の両端に接続される電極のうち、一方の電極１２Ａと超電導線材１１との接続部分を模式的に示している。

図１１に示すように、電極１２Ａでは、超電導線材１１の一端部１１ａが、接続領域１１０ａで半田１４０Ａを介して電極１２Ａの外面である接合面１２８に電気的に接合されている。これにより、冷却時に超電導線材１１が熱収縮して超電導線材１１自体が電極１２Ａ側に曲がるように変位しても、接続領域１１０ａが、電極１２Ａとの接続部分よりも長手方向に長くなるように厚い膜厚を有する（Ｌ１＞Ｌ２）ので、この部分が緩衝して、電極１２Ａ側に曲がりにくく、超電導線材１１自体が損傷することがない。すなわち、超電導電流リード１０の構成と同様に、超電導電流リード１０Ａでは、超電導線材１１において接触による損傷は発生せず、フラットワイズ曲げ歪みに起因する臨界電流値Ｉｃ等の超電導特性の劣化を防止でき、高い信頼性を確保できる。

なお、本実施の形態の超電導線材１１は、積層された金属基板１１１、中間層１１２、超電導層１１３及び保護層１１４の周囲を覆うようにＣｕ等の導電材料からなる被覆膜により覆われる構成としてもよい。

［実施例１］
実施例１は、上述した超電導電流リード１０において用いられる図４に示す構造の超電導線材１１として、全長１５０ｍｍ、金属基板１１１からＹＢＣＯ層である超電導層１１３までの膜厚を１００μｍ、Ａｇ層である保護層１１４において中央部１１０ｃの膜厚を１０μｍ、接続領域１１０ａ、１１０ｂの膜厚を３０μｍ、及び接続領域１１０ａ、１１０ｂ及び中央部１１０ｃの長さをそれぞれ５０ｍｍとなる超電導線材を製造した。この超電導線材の両端部の接続領域にヒートサイクル試験装置に接続し、超電導線材１１に対してヒートサイクル試験を行い、１サイクル毎に超電導特性を測定した。その結果、５０回目以降で、超電導特性の低下が見られた。
［実施例２］
実施例２は、実施例１の超電導線材１１において、接続領域１１０ａ、１１０ｂにおける保護層１１４の膜厚のみを５０［μｍ］とした超電導線材１１を製造し、実施例１と同様の試験を行った。その結果、７０回を超えても超電導特性に変化は見られなかった。
［比較例１］
比較例１として、実施例１の超電導線材において、保護層において両端部の膜厚を中央部の膜厚と同じにした超電導線材を製造した。すなわち、図４に示す構造の超電導線材を、全長１５０［ｍｍ］、金属基板１１１からＹＢＣＯ層である超電導層１１３までの膜厚を１００［μｍ］、Ａｇ層である保護層１１４の膜厚を１０［μｍ］、及び接続領域１１０ａ、１１０ｂ及び中央部１１０ｃの長さをそれぞれ５０［ｍｍ］となるように製造した。これを用いてヒートサイクル試験を行った結果、５０回のヒートサイクルに耐えることができず、超電導特性の劣化が見られた。

このように、超電導電流リードにおいて、電極に接続される超電導線材において保護層の両端部の厚み、具体的には、実施例１、２のように、保護層１１４において、電極に接続される接続領域の厚みを，それ以外の厚みよりも厚くし、膜厚部分で電極に接続される構造とすることによって、両端部と中央部が同じ厚みの保護層を有する比較例１の超電導線材よりも安定した超電導特性が得られた。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明に係る超電導電流リード及び超電導線材は、超電導線材に撓みが生じても撓みに起因する超電導特性の劣化を防止でき、熱伝導しにくい信頼性の高い超電導電流リードとして有用である。

１ 超電導磁石装置
１０、１０Ａ 超電導電流リード
１１ 超電導線材
１１ａ、１１ｂ 端部
１２ 第１の電極（電極）
１２Ａ 電極
１３ 第２の電極（電極）
１４ 補強部材
１５ 常電導電流リード
２０ 超電導コイル
２１ コイル電極
３０ 電源
４０ 低温容器
１１０ａ、１１０ｂ 接続領域
１１０ｃ 中央部
１１１ 金属基板
１１２ 中間層
１１３ 超電導層
１１４ 保護層
１２０、１３０ 固定溝（切り欠き部）
１２２、１２８、１３２ 接合面
１４０、１４０Ａ 半田
１４１ 蓋部
１４２ 収容部
Ｌ１ 距離
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３ 膜厚

Claims (8)

1. 基板と、前記基板上に中間層を介して形成される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）の超電導層と、前記超電導層上に形成される金属からなる保護層とを少なくとも有する酸化物超電導線材と、
   前記酸化物超電導線材の両端部のそれぞれの接続領域で半田により接続された電極端子と、
   を備える酸化物超電導電流リードにおいて、
   前記電極端子に接続される前記接続領域の前記保護層の膜厚が、接続領域以外の保護層の膜厚より厚い、
   ことを特徴とする酸化物超電導電流リード。
2. 前記保護層がＡｇ又はＡｇ合金からなる、
   請求項１記載の酸化物超電導電流リード。
3. 前記接続領域以外の保護層の膜厚は前記基板から前記超電導層までの膜厚に対して１〜２０％の膜厚であり、及び前記接続領域の保護層の膜厚は、前記接続領域以外の保護層の膜厚に対して２倍以上３０倍以下である、
   請求項１又は２記載の酸化物超電導電流リード。
4. 前記接続領域以外の保護層の膜厚は１μｍ以上２０μｍ以下であり、及び前記接続領域の保護層の膜厚は２μｍ以上６０μｍ以下である、
   請求項１から３の何れか一項に記載の酸化物超電導電流リード。
5. 前記保護層の前記接続領域における長手方向における距離は、少なくとも前記電極端子における前記保護層との接続部分より長いものである、
   請求項１から４の何れか一項に記載の酸化物超電導電流リード。
6. 前記電極端子は、切り欠き部を備え、
   前記切り欠き部に、前記酸化物超電導線材が挿入され、且つ、前記切り欠き部内で前記接続領域が電気的に接続される、
   請求項１から５の何れか一項に記載の酸化物超電導電流リード。
7. 前記酸化物超電導線材は、中間層付きハステロイ基板上に前記超電導層としてＴＦＡ―ＭＯＤ法により形成された酸化物超電導層を有し、
   前記酸化物超電導層中には、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ｎｂ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されてなり、前記超電導層上にＡｇ層が形成されてなる、
   請求項１から６の何れか一項に記載の酸化物超電導電流リード。
8. 基板と、
   前記基板上に中間層を介して形成される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）の超電導層と、
   前記超電導層上に形成される金属からなる保護層と、
   を有し、
   前記超電導層上の保護層において当該保護層の延在方向で離間する両端部のそれぞれの膜厚が、前記保護層の両端部以外の膜厚よりも厚い、
   酸化物超電導線材。

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