JP2527554B2 - 超電導磁気遮蔽体 - Google Patents

超電導磁気遮蔽体

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は超電導体によって磁界を遮蔽する超伝導磁気
遮蔽体に関するものである。
（従来の技術） 従来、超電導を利用した磁気遮蔽体としては、磁界の
強さに応じて第１種超電導体及び第２種超電導体が用い
られていた。第１種超電導体を用いた磁気遮蔽体は、超
電導の性質である完全反磁性マイナス−効果）を利用す
るものであるが、その臨界磁界が低いため強い磁界を遮
蔽することは不可能である。ところが第２種超電導体を
用いた磁気遮蔽体は、超電導状態と常電導状態との混合
状態を利用するものであり、その臨界磁界は上部臨界磁
界と下部臨界磁界とに分かれ、上部臨界磁界が極めて高
いため強い磁界の遮蔽に利用することができる。
また、同じ第２種超電導体を用いた磁気遮蔽におい
て、鎖交磁束不変の原理を利用したいわゆる電磁遮蔽と
いったものも強い磁界の遮蔽に利用することができる。
（発明が解決しようとする問題点） 前記磁気遮蔽体には、薄膜の超電導層を多層化した遮
蔽体がある。このような遮蔽体は超電導層が薄い領域で
は比較的強い磁界に対して安定な遮蔽を行うが、非常に
強い磁界、すなわち超電導材の上部臨界磁界に近い磁界
の強さにおいては、磁束流動による発熱によって遮蔽効
果が全く消失するという二次的弊害を生じることがあっ
た。また超電導層が厚い場合、即ち20μｍ程度の厚さで
あれば、超電導層を多層（10層程度）積層した遮蔽体
は、比較的低い磁界の強さであっても、上記同様の弊害
を起こすことがあった。斯かる意味では、超電導層が薄
ければ薄いほど安定化が良いということができる。
しかし、超電導体を磁界の中にさらすと、磁界が超電
導層の中に侵入し（この侵入の深さには限界があり、こ
れを一般に磁束の侵入深さといい、500Å程度であ
る）、超電導層の厚みがこの磁束の侵入深さ以下のとき
は、磁束はほとんど通りぬけ遮蔽困難となる。また上部
臨界磁界をこえる強い磁界の境界下では、通常超電導と
しての性質が失われ常電導化してしまう。
一方、前記のごとき電磁遮蔽では、超電導体をハンダ
などで接合し、連続導体（電流が流れるように閉じられ
た回路）にする必要がある。従って、導体が超電導材で
あり、抵抗が零であっても接合部はわずかながら抵抗を
有する為、１つの回路としても若干の抵抗をもつ。斯か
る電磁遮蔽は断続的な磁界に対しては完全な遮蔽を行い
得るが、一様磁界（変化のない一定の強さの磁界）に対
しては上記抵抗により経時的に遮蔽効果が減衰低下し、
完全な遮蔽が不可能となる。従ってこのような電磁遮蔽
は変動磁界の遮蔽に限られるため応用範囲が非常に狭
い。
また電磁遮蔽により大面積の遮蔽をする場合は超電導
磁気遮蔽体が複数個用いられるが、超電導磁気遮蔽体相
互間のすき間から磁界が漏れるため高い遮蔽効果が得ら
れない。従って、超電導磁気遮蔽体相互間のすき間をな
くした網目状の遮蔽体が考えられるが、超電導体を網目
状に接合する労力は多大なものとなる。さらに強い磁界
の遮蔽においては、上述の網目状の遮蔽体を機械的に重
ね合わせて多層化する必要があり、全体の容積が比較的
大きくなるため、それに伴って遮蔽体の保持槽も大きく
なり冷媒の量も多く必要となる。
本発明は、上記超電導体のうち、主に第２種超電導体
を用いた磁気遮蔽体に関するもので、本発明者等は上述
のごとき問題点に鑑み研究した結果、上記超電導遮蔽と
電磁遮蔽の両者の特長を生かし極めて遮蔽効果の高い磁
気遮蔽体の開発に成功し、ここに本発明を提供せんとす
るものである。
（問題点を解決するための手段） 即ち、本発明の超電導磁気遮蔽体は、基板上に超電導
フィルム層が積層されて成る超電導磁気遮蔽体であっ
て、当該超電導フィルム層が表裏に貫通する多数の小孔
を有し且つ厚み100μｍ以下であることを特徴とし、上
記超電導フィルム層が複数の場合は、該超電導フィルム
層の層間に常電導性金属フィルム層を介在させて成るこ
とを特徴とするものである。
上記基板としては、Cu、Al、Ni及びステンレススチー
ルなどの金属あるいは、ポリエステル、ポリフェニレン
スルフィド、塩化ビニリデン、ポリイミド、ポリエーテ
ルサルフォンなどの有機高分子材料などが採用される。
上記超電導フイルム層は多数の小孔を有し、１つの小孔
の面積は3cm2以下とし且つ該小孔による超電導フイルム
層全面積に対する開口率は90％以下であることが望まし
い。また、小孔の形状は多種考えられるが、丸、四角或
はその他の形状が全て採用可能である。
上記超電導フィルム層としては、ニオブ金属、ニオブ
系化合物、ニオブ系合金、バナジウム系化合物及びバナ
ジウム系合金等が採用され、具体的には、Nb、Nb−Ti合
金、Nb−Zr合金、NbN、NbC、Nb3Sn、Nb3Al、Nb3Ga、Nb3
Ge、Nb3（AlGe）及びV3Ga等があげられる。その他セラ
ミックス系ペロブスカイト型超電導材料（例えばBa−Ｙ
−Cu−Ｏ系化合物La−Sr−Cu−Ｏ系化合物）やシエブレ
ル超電導材料（例えば、PbMo6S8）等も採用される。こ
れらはいずれも第２種超電導体で、前記特性を保有する
ものであり、遮蔽すべき磁界の強さや冷媒の温度によっ
て材料の種類が決定されるが、液体ヘリウム中に浸漬し
て使用する磁気遮蔽体にあっては、実用上Nb−Ti合金が
最も望ましい、亦、該超電導フィルム層相互間に介在さ
れる金属フィルム層としては、高純度のアルミニウムや
銅が最適であるが、その他銀など、また低純度のこれら
金属及びその他の金属も採用可能である。超電導フィル
ム層及び金属フイルム層は、冷間圧延したフィルムを積
層前又は積層後小孔の打ち抜き穿孔しても良いが、通常
スパッタ法や電子ビーム蒸着法により順次製膜される。
スパッタ法などの蒸着法を利用する場合は、あらかじめ
貫通小孔を多数形成した基板表面に所要の超電導材料を
蒸着すれば、蒸着膜に同形状の小孔が形成されて超電導
フィルムが得られ、その上に重ねて金属を蒸着すると同
様の小孔を備えた金属フイルム層が形成される。この場
合、その基板の小孔１個の面積及び小孔による開口率
は、それぞれ3cm2（望ましくは１μm2〜0.75cm2）及び9
0％以下であることが望ましいが、これらを超えると、
取扱い上において、また高磁場環境下での応力に対して
強度が不十分となる。特に面積が小さ過ぎると蒸着の際
に基板の該小孔に目詰りを起して蒸着膜に小孔のない連
続状のフィルム層になり易くなる。さらに該条件におい
ては、超電導フィルム層の面積が小さくなり強い磁界を
遮蔽するのに必要な遮蔽電流（環境磁界を打ち消すよう
な磁界を発生するように流れる電流）の容量が得られな
くなる。更に上記小孔の開口面積が3cm2を超えると超電
導フイルム層の各小孔内の遮蔽磁界に勾配が出来、各部
分における完全な遮蔽が難しくなる。亦、超電導フィル
ム層が100μｍを超えると、速い励磁に対して安定な遮
蔽が期待できなくなる。斯かる意味では超電導フィルム
層が薄いものほど安定化効果が得られると言える。
（作用） 本発明の超電導磁気遮蔽体に於いて、超電導フイルム
層の各小孔部では電磁遮蔽が、また小孔部以外の超電導
体の部分では完全反磁性及び混合状態による反磁性を利
用した超電導遮蔽が夫々なされ、これら２種の遮蔽作用
が相乗して極めて効果的に磁気遮蔽がなされる。
電磁遮蔽では、超電導体でできた閉回路に遮蔽すべき
磁界を打ち消すような逆向きの磁界を発生するように遮
蔽電流が流れるため、超電導体の臨界電流密度が大きい
ものほど、強い磁界を効率よく且つ安定に遮蔽し得る。
亦、超電導フィルム層を薄膜化することによって、上
部臨界磁界及び臨界電流密度が同種のバルクの値よりも
大きくなるため、前述の両遮蔽方法を組み合わせた本発
明の遮蔽体は、極めて強い磁界の遮蔽に用いることが可
能であると共に、比較的少ない超電導材料で所望の強さ
の磁界を遮蔽することができる。
本発明の磁気遮蔽体は、前述の網目状遮蔽体のごとく
閉回路形成の為のハンダ等による接合部が全く存在しな
いので、これを臨界温度以下に保持すると、遮蔽を行う
べき閉回路（小孔周辺部）の全抵抗が零となり、遮蔽す
べき磁界が一様磁界あるいは変動磁界に関係なく、完全
な遮蔽が可能であり、その応用に制限がない。
亦、本発明の磁気遮蔽体は、高磁界においては、遮蔽
体の小孔部の空間やその周辺の超電導フィルム内に浸透
してきた磁束に対して小孔部が移動を妨げる作用をして
強制的にトラップして、急速な磁束流動を防止し、磁束
流動による発熱を抑えるので、高磁界中での安定化効果
は抜群であり、さらに、基板にも小孔を設けて、磁気遮
蔽体に表裏に貫通する多数の小孔を形成した場合には、
小孔内部にも液体ヘリウムなどの冷媒が貫流して、超導
電フィルムの全領域が冷却されるので、磁気安定化に寄
与する。
さらに、前述のごとく超電導フィルム層が薄いほど安
定化効果が得られるが、本発明では該フィルム層を磁束
の侵入深さより薄くしても、同種のバルクによる上部臨
界磁界より高い磁界であっても遮蔽可能である。即ち、
第２種超電導体ではコヒーレンス長さ（超電導電子が存
在し得る超電導材料表面からの深さ）より磁束の侵入深
さの方が大きいため、磁束の侵入深さ以下の厚みであっ
ても電気抵抗が零である性質は保持されると共に、上部
臨界磁界についても同種のバルクに関する値よりもかな
り上昇するからである。
前述のごとき従来の薄膜を積層化した超電導磁気遮蔽
体は、安定化効果を得るため磁束の侵入深さ以下まで小
さくすると、磁界の強さ及び超電導材層の層数に関係な
く磁界が殆ど通りぬけてしまうため遮蔽困難になる。と
ころが、本発明の磁気遮蔽体は電磁遮蔽をも行うもので
あり、超電導フィルム層の厚みが磁束の侵入深さ以下で
あっても超電導層の抵抗は零であるため、遮蔽電流が流
れ磁気遮蔽効果は消失しない。
亦、本発明の磁気遮蔽体において超電導フィルム層を
複数にする場合は、該超電導フィルム層相互間にCu、A
l、Ag等の金属フィルム層を介しているが、該金属フィ
ルム層は超電導体層の安定化（主に冷却効果）に寄与す
るものであり、更に具体的には超電導フィルム層の熱伝
導が非常に大きくなる為に超電導フィルム層の全ての部
分に対して放熱効果が良くなり、磁束流動による温度上
昇が低く抑えられ、また常電導転位した部分の電流の岐
路を形成し発生熱量を抑え、超電導へ復起させる効果を
持つ。超電導材料を多層にしたものを強い磁界に晒した
場合、第１層が最も強い磁界に晒され、第２層以後の各
層では少しずつ磁界が弱くなり、最終層では殆ど零とな
る。このような機能は各層が安定に働かなくては充分に
発揮されず、例えば第１層で磁束跳躍が起こった場合、
第２層では急激な磁界の変化を受け、第２層でも磁束跳
躍を起こすことになり、結果として所望の磁気遮蔽効果
が得られなくなる。
本発明の磁気遮蔽体では、薄層化された超電導フィル
ム層相互間に上記の如く作用する金属フィルム層を介し
ており、また磁束流動を強制的に抑える小孔を有するた
め、上記磁束跳躍等が抑制され各超電導体層が安定さ
れ、該両遮蔽方法の特長が充分に活かされることになる
のである。
（実施例及び比較例） 次に実施例及び比較例について述べる。
（ａ）厚みが50μｍのポリフェニレンスルフィドシート
を３枚準備してこれを基板とし、これら各基板に１辺3m
mの正方形の小孔を基板面積に対する開口率が30％、80
％、91％となるよう多数穿設した。
また上記各基板の片面にNb−Ti合金を無加熱の状態で
スパッタ法により10μｍの厚みに製膜を行いNb−Ti合金
による超電導フィルム層を形成して複合体となし、これ
ら３種の複合体を夫々実施例１、２及び比較例１（小孔
の開口率が夫々30％、80％、91％）とした。
上記各複合体を直径45mmの円板状に加工し、その中心
部においてその磁気遮蔽量の測定を行なった。その結
果、実施例１は0.052テスラ、実施例２は0.012テスラ、
比較例１は0.000テスラであった。これにより小孔の開
口率が90％を超えると殆んど遮蔽効果がないことが理解
され、また、磁場による応力や取扱い上遮蔽体全体の強
度に問題が生じることも知見された。
（ｂ）厚み30μｍのNiシートを２枚準備してこれを基板
となし、一方には口径30μｍの小孔を開口率約５％とな
るよう多数穿設した。
この２枚の基板の片面に上記（ａ）と同様にNb−Ti合
金による厚さ10μｍの超電導フイルム層を製膜して２種
の複合体となし、これら複合体を夫々実施例３及び比較
例２（小孔を穿設しない方）とした。
（ａ）と同様に磁気遮蔽量を測定した結果、実施例３
は0.089テスラ、比較例２は0.072テスラであった。これ
より小孔を設けない方が磁気遮蔽効果が低いことが理解
される。
（ｃ）厚み30μｍのNiシートを５枚準備してこれを基板
となし、該基板の夫々に口径約50μｍの小孔を基板に対
する開口率が約５％となるよう穿設した。
これら基板上に上記と同様のスパッタ法によりNb−Ti
合金による超電導フィルム層及びCu（純度99.99％）に
よる金属フィルム層を各10層交互に製膜形成して５種の
複合体を得た。この場合、金属フィルム層の厚みは２μ
ｍで一定となし、一方超電導フィルム層の厚みは４種の
複合体について夫々１μｍ、10μｍ、30μｍ、100μｍ
及び150μｍとしこれらを順次実施例４、５、６、７及
び比較例３とした。この複合体の一例を第１図及び第２
図に示す。図に於いて、符号１は基板を、２…は小孔
を、３…は超電導フィルム層を、４…は金属フィルム層
を夫々示す。
上記各複合体について前記と同様に磁気遮蔽量を測定
したところ、実施例４は0.20テスラ、実施例５は0.88テ
スラ、実施例６は0.98テスラ、実施例７は1.1テスラ及
び比較例３は0.75テスラであった。
この結果上記の如く積層化された遮蔽体においては、
超電導材料フィルム層が小さいほど安定化効果は大き
く、また超電導材料の使用量に対する遮蔽効果も大きく
なることが理解される。また比較例３に示した厚み150
μｍの超電導材料フィルム層による積層体では磁気遮蔽
量は比較的高い値を示しているが、時に不安定な状態に
なることもあり、さらには速い励磁に対しては磁束跳躍
を引き起こし遮蔽効果がなくなるため実用上問題を生じ
ることもわかった。
（ｄ）厚み50μｍのCuシートを基板とし、これに口径3m
mの小孔を基板に対する開口率が40％となるよう多数穿
設した。
上記基板をメタン−アルゴン混合ガス雰囲気中で加熱
を行ないながら反応性スパッタリング法により、該基板
上にNbC化合物（バルクの上部臨界磁界が1.69テスラ）
による超電導フィルム層及びAl（純度99.99％）による
金属フィルム層を各々100層交互に積層製膜して複合体
を得、これを実施例８とした。この場合の超電導フィル
ム層の厚みは400Å、金属フィルム層の厚みは1000Åで
ある。
上記実施例８の複合体を40枚重ね合わせ、これを磁界
の強さが1.8テスラの雰囲気中に晒しその磁気遮蔽量を
測定したところ約0.3テスラであった。
この結果、上記の如く極めて薄い超電導フィルム層を
用いることによって、バルクの上部臨界磁界以上の磁界
であっても遮蔽することが出来ることが理解される。こ
れは超電導フィルム層を磁束の侵入深さ以下の厚みにす
ると上部臨界磁界が上昇すること及び小孔の廻りに閉回
路が形成される為、通常の超電導遮蔽と電磁遮蔽とが並
行して行なわれるからである。従って更に多層にするこ
とによって完全な遮蔽も可能とされ、しかも各超電導フ
ィルム層が非常に薄い為安定化効果も抜群となる。
尚、上記実施例では、超電導フィルム層としてNb−Ti
合金あるいはNbC化合物を使用した例を示したが、他の
超電導材料においても具体的数値は夫々違いがあるが、
上述のごとき作用を有することは本発明者等の実験によ
って確認されている。但し、実施例８の場合、上部臨界
磁界の極めて高い超電導材料においては、その確認実験
に用いる磁界の発生が現技術では困難であるため確認は
できていないが、NbC以外の超電導材料においても上記
のごとき作用を有することが容易に類推される。亦、上
記金属フィルム層に代え或は之と併用して誘電体フイル
ム層を超電導フィルム層間に介装させるようにすれば、
上部臨界磁界以上の磁界での磁気遮蔽効果が向上するこ
とも予想される。
（発明の効果） 叙上の如く、本発明の超電導を利用した磁気遮蔽体
は、超電導材の反磁性による遮蔽と小孔部の閉回路形成
による電磁遮蔽とが並行してなされるもので、この両遮
蔽特性により一様磁界或は変化磁界に関係なく磁気遮蔽
が極めて効果的になされる。しかも上記磁気遮蔽特性と
遮蔽体の小孔部更には超電導フィルム層間に介装される
金属フィルム層とが相乗して、強磁界に対しても極めて
安定であり、従来にない全く新規な磁気遮蔽体として位
置付けられる。従って、これを各種磁気遮蔽機器に応用
すれば、その軽量化、低コスト、高安定性に大きく寄与
することは自明であり、しかも薄層であることから成形
加工性が高い点も付加され、よって本発明遮蔽体は実用
性の極めて高い磁気遮蔽体として各方面から好評を博す
ること請合いである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明磁気遮蔽体の一例を示す斜視図、第２図
は第１図のII−II線拡大縦断面図である。 （符号の説明） １……基板、２……小孔、３……超電導フィルム層、４
……金属フィルム層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−231778（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−58299（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板上に超電導フィルム層が積層されて成
    る超電導磁気遮蔽体において、 当該超電導フィルム層が表裏に貫通する多数の小孔を有
    し且つ厚み100μｍ以下であることを特徴とする超電導
    磁気遮蔽体。
  2. 【請求項２】上記超電導フィルム層が、層間に常電導性
    金属フィルム層を介在させて複数層形成されて成る特許
    請求の範囲第１項記載の超電導磁気遮蔽体。
  3. 【請求項３】上記基板が、上記超電導フィルム層の該小
    孔に連通する小孔を多数形成して成る特許請求の範囲第
    １項記載の超電導磁気遮蔽体。
  4. 【請求項４】上記基板が表裏に貫通する多数の小孔を有
    して、上記超電導フィルム層と常電導性金属フィルム層
    とが該基板上に交互に蒸着積層されて成る特許請求の範
    囲第２項記載の超電導磁気遮蔽体。
  5. 【請求項５】上記基板が、Cu、Al、Ni、ステンレス鋼等
    の金属及びポリスチレン、ポリフェニレンスルフィド、
    塩化ビニリデン、ポリイミド、ポリエーテルサルフォン
    等の有機高分子材料より選ばれたいずれか１種から成る
    特許請求の範囲第１項記載の超電導磁気遮蔽体。
  6. 【請求項６】上記超電導フイルム層の該小孔一個当りの
    開口面積が3cm2以下であり且つ該小孔による該超電導フ
    イルム層の開口率が90％以下である特許請求の範囲第１
    項記載の超電導磁気遮蔽体。
  7. 【請求項７】上記超電導フイルム層が、ニオブ金属、ニ
    オブ系化合物、ニオブ系合金及びバナジウム系化合物よ
    り選ばれたいずれか１種のフイルムから成る特許請求の
    範囲第１項記載の超電導磁気遮蔽体。
  8. 【請求項８】上記金属フイルム層がCu、Al及びAgより選
    ばれたいずれか１種の金属より成る特許請求の範囲第１
    項記載の超電導磁気遮蔽体。
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