JP2019509612A - 第2世代超伝導フィラメント及びケーブル - Google Patents
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Abstract
Description
i)高アスペクト比(≒1:1000)は、磁化特性(AC)の損失につながり、当該損失は、10’s(J/m)の程度に大きくなる。これは、ワイヤの商業的な利用を77Kの温度に制限してしまう。
ii)超伝導層101の上面は、帯100の外部に対する良好な電流通路として機能するものであるため、超伝導層101は十分に安定化されていない。一方、超伝導層101の下面は絶縁性の酸化物バッファ層102と接触している。結果として、基板に近接した安定化層、すなわち安定化層107は、上部の安定化層105に比較して流れる電流は少ない。このような導電性に関する構造的非対称性は、冷却中に、電流による不均一な加熱を生ぜしめ、超伝導層の剥離を生ぜしめて、動作不良の原因となる。
iii)帯100は、高異方性の機械特性を示す。市販の2Gワイヤは、その長さ方向には高い強度を示し、その引張強度は500〜600MPa程度となる。一方、c軸方向の引張(横方向)強度は、10分の1程度と低く、その割さき強度は無視できるレベル(<1MPa)である。このため、超伝導層101と酸化物バッファ層102との接着性は、少なくとも一部において低くなり、中程度の応力(<10MPa)の存在下でも、超伝導層が酸化物バッファ層から予期せず分離してしまい、磁石不良の原因として認識される。
iv)図1に示すような2Gの帯は、パンケーキ型の巻回物とすることができる。しかしながら、このような巻回物からソレノイド型の磁石を組み立てる場合、個々の巻回物をダイアゴナルスプライス(diagonal splice)によって接合する際に多大な労力を必要とする。
v)2Gの構造的特徴では、多重の撚り線からなるケーブルを単純に結合して形成することができない。YBCO層101と安定化層105との間の界面は、典型的には50nΩ/cm2未満の抵抗を有する。しかしながら、YBCO層101と下側の安定化層107との抵抗は、100μΩ/cm2程度である。したがって、多重の撚り線からなるケーブルを製造するには、上側の安定化層同士を接触させるような入念な接合方法が要求される。
AMSC社によって提供された標準ワイヤ(8602−FCL)を、剥離実験に対して使用した。当該ワイヤは、幅12mm、厚さ75μmの316Lステンレス箔間にはんだ付けされた、幅10mmのYBCO−RABiTS帯である。YBCO層は、帯のサイドフィレットを機械的にトリミングした後に剥離した。YBCO層の剥離を容易にするために、帯は、当該帯に接続された誘導コイルによって急速加熱した。誘導コイルは、ゲージ14リッツワイヤを8巻きし、長さ16cm、幅1cmのレーストラック型とした。コイルは、当該コイルによって発生するAC場が、帯に確実に結合するように、当該帯の下に直接配設した。コイルは、200W、50kHzのAC電力を供給して、1〜2秒間励磁した。YBCO層は、基板から直ちに剥離した。剥離した帯の長さは約10cmであった。この帯をCO2レーザで1mm〜4mmの帯片に切断した。レーザは、作動テーブルと260WのCO2レーザとを含むカーンマイクロレーザシステム(Kern Micro Laser system)である。切断は、窒素ガス雰囲気中で実施した。レーザは20%の出力で動作させ、帯を1秒当たり1インチ切断できるようにした。剥離した2つの超伝導帯を、In95%−Ag5%のはんだ合金を用いて厚さ25μmの銅箔にはんだ付けし、種々の幅の2層試験片を準備した。図8は、2層ワイヤの構成を示す図である。2つの超伝導帯は、保護銀層501で被覆され、中間銅安定化層801を介して結合されている。In−Agなどの低温はんだ合金が結合剤として使用されている。この付加的な銅安定化層は、超伝導層301が抵抗となり、電流を金属安定化層に分散させる必要が生じた際に、当該電流の経路を提供する。
実施例1で得たワイヤ片の輸送臨界電流を、帯の幅の関数として77Kで測定した。この測定のために、帯は、幅10mm、厚さ50μmの銅の電流リード線に、低温インジウム系はんだ材を用いてはんだ付けした。また、低温はんだ材を用いて上記帯に厚さ25μmの銅の電圧リード線を取り付けた。ワイヤ片は、試験台に載置され、液体窒素浴に浸漬された。DC電流を徐々に増加させ、電圧を電流の関数(I−V曲線)として記録した。図9Aは、1.5mm幅の1層ワイヤ片(単一フィラメント)と、1.5mm幅の2層ワイヤ片(2層フィラメント)との、77Kにおける臨界電流を示す。この試験データは、2層ワイヤ片(2層フィラメント)の電流容量が、1層ワイヤ片(単一フィラメント)の電流容量の約2倍であることを示している。図9Bは、77Kにおける1mm幅のワイヤ片と2mm幅のワイヤ片とのI−V曲線である。実線は累乗近似V〜Inであり、nは指数である。このデータは、剥離した帯は、オリジナルのn値(典型的には20超)を保持していることを示している。ワイヤ片の臨界電流密度は、図9Cに示している。ここで、破線は、オリジナルワイヤの臨界電流密度を示す。このデータは、剥離した帯から形成したワイヤ片は、1mm幅まで臨界電流を保持することを示している。
抵抗値に接合面積を掛けて定義される比抵抗は、導電体の重要なパラメータである。最も良好な比抵抗は、例えばSnAg,InSn,SnPbなどの2元系合金、すずめっきしたRE123、あるいはめっき工程中に、アルミニウムヒータブロックで結合面を押圧することで得ることができる。一般に、77Kで測定される比抵抗は、30nΩ/cm2超かつ500nΩ/cm2未満である。剥離したYBCO表面の表面抵抗を決定するために、インジウムを用いてフィラメントを互いにはんだ付けした、3mm幅のフィラメント片を準備した。フィラメントのI−V曲線は77Kで記録した。図10は、3mm幅のフィラメントと、フィラメント片を含む3mm幅のフィラメントとを比較して示すものである。3mm幅のフィラメントは測定に供され、得られた結果は図10に示した。3mm幅のフィラメントは切断した後、結合して測定に供した。フィラメント片を含むフィラメントのI−V曲線の抵抗部分は線型の関数となっており、その勾配が面積抵抗を決定するために使用された。フィラメント片を含む5つのフィラメントについて測定した抵抗値を平均した結果、190±20nΩ/cm2であった。
図11−12は、4.2K(液体ヘリウム)で測定した結果を示すものである。1層のワイヤ片は、特別に作製したG10ホルダー上に設置され、中心磁場8TのNb−Ti磁石中に配置された。このワイヤ片は、GEワニスでホルダー上に接着された。磁石は、クライオスタットを液体ヘリウムで充填した後、液体窒素浴中で冷却した。磁場は、ワイヤ片の主面に垂直(YBCO層のc軸に平行)に印加した。I−V曲線は、DC4ポイントモードで記録し、最大電流は300Aであった。図11は、ワイヤ片の、4.2Kにおける5.3テスラまでのI−V曲線を示す。図12は、ワイヤ片の臨界電流密度の、磁場の関数としての依存性を示す。オリジナルワイヤのゼロ磁場臨界電流密度は、水平な破線として示している。ワイヤ片は、4.3Kで300AまでのDC電流下で試験した。このデータは、ワイヤ片の臨界電流密度が、オリジナルの帯の10%の範囲内であることを示している。
Claims (40)
- 金属基板上に配置された超伝導層を含む第2世代ワイヤから高温超伝導フィラメントを製造する方法であって、
a)前記超伝導層を前記金属基板から分離して、剥離した超伝導帯を提供する工程と、
b)前記剥離した超伝導帯を細条帯に切断する工程と、
c)前記細条帯をカプセル化して、前記高温超伝導フィラメントを提供する工程と、
を備えることを特徴とする、高温超伝導フィラメントの製造方法。 - 前記切断する工程に先立って、前記剥離した超伝導帯を保護層で被覆する工程を備えることを特徴とする、請求項1に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 前記カプセル化する工程は、前記細条帯を電気導電性材料でカプセル化する工程を含むことを特徴とする、請求項2に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 前記カプセル化する工程は、金属安定化剤ではんだ付けする工程を含むことを特徴とする、請求項3に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 前記カプセル化する工程は、導電性金属で電気めっきする工程を含むことを特徴とする、請求項3に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 前記導電性金属は銅であることを特徴とする、請求項5に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 前記切断する工程に先立って、前記剥離した超伝導帯を長さ方向に沿って積層し、多層の伝導体を含む多層帯を提供する工程を備えることを特徴とする、請求項3に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 前記積層した超伝導帯の隣接する層間に金属安定化層を配置する工程を備えることを特徴とする請求項7に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 複数のフィラメントを結合して、延在かつ連続したフィラメントを提供する工程を備えることを特徴とする、請求項3に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 前記連続したフィラメントは、長さが100m超であり、幅が1mm〜2mmの範囲であることを特徴とする、請求項9に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 前記分離する工程は、誘導コイルで前記基板を急速加熱する工程を含むことを特徴とする、請求項3に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 前記分離する工程は、前記第2世代ワイヤを変形させる工程を含むことを特徴とする、請求項3に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 前記分離する工程は、前記第2世代ワイヤに対してエネルギーイオンを照射する工程を含むことを特徴とする、請求項3に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 前記切断する工程は、前記剥離した超伝導帯をレーザで前記細条帯に分断する工程を含むことを特徴とする、請求項3に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 前記保護層は銀であり、前記保護層はマグネトロンスパッタリングで蒸着することを特徴とする、請求項3に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 複数の前記フィラメントを束縛し、超伝導ケーブルを提供する工程を備えることを特徴とする、請求項3に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 前記超伝導ケーブルを導電性金属帯で包装する工程を備えることを特徴とする、請求項16に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 前記フィラメントを捩り、磁化特性損失を低減する工程を備えることを特徴とする、請求項17に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 前記フィラメントを転置し、電気特性損失を低減する工程を備えることを特徴とする請求項17に記載の高温超伝導フィラメントの製造方法。
- 各面を実質的に被覆する保護被覆層を有する超伝導層と、
前記超伝導層に固着した少なくとも1つの金属安定化層と、を備え、
前記超伝導層及び前記金属安定化層は、バッファ層の非存在下かつ超伝導基板層の非存在下において電気導電性材料でカプセル化され、前記超伝導層の両面が前記電気導電性材料と実質的に等しい電気導電性を有することを特徴とする、高温超伝導フィラメント。 - 前記超伝導層及び前記金属安定化層は、強磁性材料又は強磁性層の非存在下でカプセル化されていることを特徴とする、請求項20に記載の高温超伝導フィラメント。
- 前記電気導電性材料は、前記超伝導層及び前記金属安定化層の外面にはんだ付けされた金属安定化剤であることを特徴とする、請求項21に記載の高温超伝導フィラメント。
- 前記電気導電性材料は、前記超伝導層及び前記金属安定化層の外面に電気めっきされた導電性金属であることを特徴とする、請求項21に記載の高温超伝導フィラメント。
- 前記超伝導層の少なくとも1つの表面に形成された保護銀層を備えることを特徴とする、請求項21に記載の高温超伝導フィラメント。
- 多層の超伝導層を備えることを特徴とする、請求項21に記載の高温超伝導フィラメント。
- 隣接する超伝導層間に配置された金属安定化層を備えることを特徴とする、請求項25に記載の高温超伝導フィラメント。
- 前記超伝導層及び前記金属安定化層は、100m超の長さを有し、1mm〜2mmの幅を有することを特徴とする、請求項21に記載の高温超伝導フィラメント。
- 前記超伝導層は、YBCO又はBi系高温超伝導材料から形成されていることを特徴とする、請求項21に記載の高温超伝導フィラメント。
- 前記超伝導層は、臨界電流密度を増大させるために配向した結晶面を含むことを特徴とする、請求項28に記載の高温超伝導フィラメント。
- 複数の高温超伝導フィラメントを備え、各フィラメントは、
各面を実質的に被覆する保護被覆層を有する超伝導層と、
前記超伝導層に固着した少なくとも1つの金属安定化層と、を有し、
前記超伝導層及び前記金属安定化層は、バッファ層の非存在下かつ超伝導基板層の非存在下において電気導電性材料でカプセル化され、前記超伝導層の両面が前記電気導電性材料と実質的に等しい電気導電性を有し、
前記複数の高温フィラメントは捩れていることを特徴とする、高温超伝導ケーブル。 - 前記超伝導層及び前記金属安定化層は、強磁性材料又は強磁性層の非存在下でカプセル化されていることを特徴とする、請求項30に記載の高温超伝導ケーブル。
- 前記電気導電性材料は、前記超伝導層及び前記金属安定化層の外面にはんだ付けされた金属安定化剤であることを特徴とする、請求項31に記載の高温超伝導ケーブル。
- 前記電気導電性材料は、前記超伝導層及び前記金属安定化層の外面に電気めっきされた導電性金属であることを特徴とする、請求項31に記載の高温超伝導ケーブル。
- 多層の超伝導層を備えることを特徴とする、請求項31に記載の高温超伝導ケーブル。
- 隣接する超伝導層間に配置された金属安定化層を備えることを特徴とする、請求項34に記載の高温超伝導ケーブル。
- 前記捩れたフィラメントを包装する保護金属帯を備えることを特徴とする、請求項31に記載の高温超伝導ケーブル。
- 前記超伝導層は、100m超の長さを有し、1mm〜2mmの幅を有することを特徴とする、請求項31に記載の高温超伝導ケーブル。
- 前記フィラメントは、電気特性損失を低減するために転置されていることを特徴とする、請求項31に記載の高温超伝導ケーブル。
- 前記超伝導層は、YBCO又はBi系高温超伝導材料から形成されていることを特徴とする、請求項31に記載の高温超伝導ケーブル。
- 前記超伝導層は、臨界電流密度を増大させるために配向した結晶面を含むことを特徴とする、請求項31に記載の高温超伝導ケーブル。
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