JP2604665B2 - 超電導磁気シールド容器及びその製造方法 - Google Patents

超電導磁気シールド容器及びその製造方法

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JP2604665B2 JP4108398A JP10839892A JP2604665B2 JP 2604665 B2 JP2604665 B2 JP 2604665B2 JP 4108398 A JP4108398 A JP 4108398A JP 10839892 A JP10839892 A JP 10839892A JP 2604665 B2 JP2604665 B2 JP 2604665B2
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廉 井上
弘 前田
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雅之 鈴木
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、基材上に77K以上の
臨界温度を有するBi系酸化物超電導体の高Tc相皮膜
と低Tc相皮膜とを積層させてなる超電導磁気シールド
容器及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術およびその問題点】一般に、磁気シールド
には、能動的遮蔽と、受動的遮蔽とがあり、さらに受動
的な遮蔽には、強磁性遮蔽と超電導遮蔽とがあることは
周知であり、各々の磁気シールドの特性はそれぞれの特
徴を有している(小笠原「低温工学」Vol. 8.No.4,197
3.P135〜147参照)。これら磁気シールドのうち、強磁
性遮蔽は外部磁界を強磁性体、例えばパーマロイで取り
込んで、内部空間に磁場を侵入させないものであるのに
対して、超電導遮蔽は外部磁場を超電導体内に取り込ま
ずに、外部に向かって排除することにより、内部空間に
磁場を侵入させないもので、磁気シールド効果は強磁性
体よりも桁違いに大きい。すなわち、強磁性遮蔽には残
留磁化の存在からくる限界が有り、この限界を超えた領
域での磁気シールドには、超電導磁気シールドに待たな
ければならない。しかるに、例えばNb系の金属系超電
導体では、冷媒として液体ヘリウムを使用する必要があ
るので、磁気シールド施工にはコスト的に障壁があり、
超電導遮蔽は極く一部を除いて実用化されていない。
【0003】しかるに、酸化物超電導体の磁気シールド
容器は液体窒素温度で使用できるので大きなメリットが
あり、注目されている。例えば、生体磁気計測や、電子
ビーム露光装置の磁気シールド等、大型の磁気シールド
体を酸化物超電導体で作製する場合、基材上に超電導層
を厚膜化するのが有利である。
【0004】一方、溶射法、特にプラズマ溶射法はBi
系酸化物やセラミックス等の皮膜を作製するには簡便な
方法で幅広く用いられている。一般に、これらBi系酸
化物として約100Kの高Tc相及び約90Kの低Tc
相が形成される。従来のプラズマ溶射法でBi系酸化物
の高Tc相の皮膜を形成する場合、溶射後の熱処理によ
り結晶化させて超電導特性を得るが、その際、高Tc相
の皮膜は結晶化過程で体積膨張を引き起こし、基材から
剥離し易く、また密度の低下が著しい。この密度低下は
熱サイクルによるヒートショック及び僅かな衝撃力によ
っても微細な割れを生じやすく、そのため磁気シールド
効果を著しく低下させる傾向が認められていた。従来、
この結晶化過程での臨界電流密度Jcを高めるととも
に、溶射後の熱処理過程での膨れによる密度低下を防ぐ
ため、皮膜面に垂直に荷重を加えて、再度の熱処理を行
う工程を行ってきた。この工程はシールド容器の形状が
大型化、複雑化するとコストを高め、実用化に大きな障
害となっていた。といって、低Tc相のみの皮膜では溶
射後の熱処理過程での膨れが無いもののTc及びJcが
十分でなく、液体窒素による間接冷却時に温度的余裕が
無く、クライオスタットの設計が困難となる。
【0005】本発明は、溶射後の熱処理過程での高Tc
相の膨れによる基材からの剥離や密度の低下を防ぎ、こ
れにより高Tc相の臨界電流密度Jcを改善し、磁気シ
ールド容器の大型化を可能にした磁気シールド容器及び
その製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を達成するための手段】本発明は、基材上に必要
に応じて下地層を形成した後、溶射法によりビスマス系
酸化物超電導体の高Tc相と低Tc相とを交互に積層さ
せた積層構造とすることにより、前記課題を解決したも
のである。
【0007】このような本発明において、前記低Tc相
はPb又はAg、あるいはこれら両元素を0.01〜
0.3モル比含むものであってもよい。例えば低Tc相
はBi:Sr:Ca:Cu=2:2:1:2(221
2)の組成比で表されるが、この組成に例えばPbを複
合化させ、Bi:Pb:Sr:Ca:Cu=2:0.
2:2:1:2とすることができる。このように複合化
することにより低Tc相を発現するための熱処理温度
を、通常の870℃から高Tc相の発現温度である84
0℃にまで低下させることができる。形成された高Tc
相と低Tc相の皮膜は同一温度の熱処理により両者とも
超電導特性を発現できる。さらに、前記元素を添加する
ことにより、例えば低Tc相の部分溶融温度を850℃
に低下させることができる。この場合、皮膜形成後の熱
処理で例えば低Tc相が部分溶融する温度に短時間保持
した後、高Tc相が超電導特性を発現する温度、例えば
830〜840℃で熱処理することができる。このよう
な熱処理を施すことにより、溶射された低Tc相皮膜は
部分溶融して高Tc相皮膜を挾み込み、高Tc相皮膜の
基材からの剥離を防ぎ、膨れを防止して膜の緻密化を促
進することができる。
【0008】以下に、本発明を添付図面を参照して説明
する。図1は本発明に係る多層構造の一例を示すもので
あり、図において、1はNi系合金製円筒等の基材であ
り、この基材1の外周上にはアンダーコーティング材2
としてAg等の皮膜を50〜100μm形成する。次
に、低Tc相皮膜3を約50μm形成した後、高Tc相
皮膜4を約100μm形成し、その低Tc相皮膜3及び
高Tc相皮膜4の繰返しを3回行い、最外層に低Tc相
皮膜3を約50μm積層して合計で約500μmの皮膜
を作製した。
【0009】図1に示すように、好ましくは基材1上
の、所望により形成されたAg等のアンダーコーティン
グ材2の直上には低Tc相皮膜3を形成し、そして最上
層にも低Tc相皮膜3を形成するようにする。
【0010】
【発明の効果】本発明によれば、高Tc相皮膜が低Tc
相皮膜に挾まれているため熱処理時の高Tc相の膨れが
防止され、さらに低Tc相皮膜による密度低下防止効果
により溶射皮膜全体の密度低下が防止され、ヒートショ
ック及び僅かな応力負荷での割れが防止され、磁気シー
ルド効果が向上し、基材からの剥離も防止される。従っ
て、液体ヘリウムを冷媒として使用する大型の磁気シー
ルド容器が得られる。
【0011】以下に実施例を示す。
【0012】
【実施例1】Bi系酸化物の高Tc相および低Tc相は
Bi23,SrCO3,CaCO3およびCuOの原料を
用い、高Tc相はBi1.5Pb0.5Sr1.9Ca1.9Cu2.
8Oyの組成(以下略、1.5−0.5−1.9−1.
9−2.8)になるように混合して、また、低Tc相は
Bi2Pb0.2Sr2Ca1Cu2Ox(以下略、2−0.
2−2−1−2)になるように混合して、それぞれ80
0℃×10hの仮焼結と、840℃×100hの本焼結
を行った後、粉砕して粒径50〜100μmの範囲に作
製した。このような粒子を用いて、外径100mm(厚
み1.6mm)長さ500mmのインコネル625の円
筒に、以下に示すような溶射条件と溶射工程を行った。
【0013】2−0.2−2−1−2粒子および1.5
−0.5−1.9−1.9−2.8粒子の溶射条件はト
ーチ作動出力が約11KW(80A×135V)、作動
ガスとして空気を用いて、プラズマジエットを発生させ
それぞれの粒子を90mmの位置で送入した。プラズマ
・セパレーション(P−SEP)ガス流量を25l/m
inとし、アーク発生起点から115mmの距離に上記
のインコネル円筒を置き、Bi系酸化物皮膜を付着させ
た。図2に溶射法の模式図を示す。インコネル円筒上に
は、あらかじめ、アンダーコーテイング材としてAg皮
膜を形成させた。その溶射条件はトーチ作動出力が約1
3KW(110A×118V)、作動ガスとしてアンゴ
ルを用いて、プラズマジエットを発生させAg粒子を5
0mmの位置で送入し、P−SEPガス流量を451/
minとし、アーク発生起点から115mmの距離にあ
る上記のインコネル円筒にAg系皮膜を約100um付
着させた。その他の条件として、プラズマ溶射は大気中
で行い、インコネル円筒は回転速度120rpm、送り
速度13.8mm/secで行った。
【0014】溶射手順は、まず、インコネル円筒表面を
Al23粒子で粗くし後、Ag粒子を着けてから、低T
c相の2−0.2−2−1−2粒子を約50μmを着け
た後、高Tc相を約100μmを着けて、それを3回く
り返して溶射し、最外層の低Tc相を約50μmに着け
てトータルで約500μmにした。溶射直後の皮膜は非
結晶質で絶縁体に近く、この皮膜を、840℃×150
hの熱処理を施した後、常温まで60℃/hの徐冷を加
えた。作製された積層皮膜の臨界温度Tc(抵抗=O)
は105Kとなり、臨界電流密度Jcは77Kの温度、
磁界H=Oにおいて約800A/cm2、また、磁気シ
ールド特性は1ガウスの外部磁界100万分の1の磁気
遮蔽効果が得られた。
【0015】
【実施例2】実施例1と同様な溶射法を用いて、高Tc
相と低Tc相の積層構造皮膜を作製した。この皮膜を8
50℃で10分間部分溶融し、その後、840℃×15
0時間の熱処理を施し、実施例1と同様に徐冷した。作
製された皮膜のTcは100KでJcは77K,H=O
において約500A/cm2、磁気シールド特性は1ガ
ウスの外部磁界で100万分の1の磁気遮蔽効果を得
た。
【0016】
【実施例3】実施例1と同様な溶射方法を用いて、高T
c相と低Tc相の積層構造皮膜を作製した。なお、Bi
系酸化物の低Tc相組成はAgを含むBi2Ag0.2Sr
2CaCu2Oxを用いた。その後、同様な熱処理を行っ
た。作製された積層皮膜の臨界温度Tc(抵抗=O)は
101Kとなり、臨界電流密度Jcは77Kの温度、磁
界H=Oにおいて約700A/cm2、また、磁気シー
ルド特性は1Gで100万分の1の磁気遮蔽効果が得ら
れた。
【0017】
【比較例】実施例1と同様な溶射条件で、高Tc相の単
層をAgでアンダーコーティングしたインコネル基材上
(幅0.5cm、長さ2cmの短冊状)に溶射した。こ
の皮膜を840℃×150時間熱処理したところ、5枚
の試験片の内4枚は、高Tc相皮膜が基材から完全に剥
離してしまい、基材上に超電導膜を形成することができ
なかった。残りの1枚のTcは100K、Jcは10A
/cm2であった。次に実施例1と同様にAgでアンダ
ーコーティングしたインコネル円筒上に高Tc単層皮膜
を溶射し、同様に熱処理したところ、皮膜は基材上から
完全に剥離してしまい、磁気シールド容器を作製できな
かった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る皮膜の多層構造の一例を示す概略
説明図である。
【図2】本発明における溶射方法の摸式図である。
【符号の説明】
1 基材 2 アンダーコーティング材 3 低Tc相皮膜 4 高Tc相皮膜
フロントページの続き (72)発明者 加藤 和彦 埼玉県熊谷市代708 (72)発明者 星野 和友 埼玉県上尾市大谷本郷441−19 (72)発明者 吉田 勇二 茨城県筑波市千現一丁目2番1号 科学 技術庁金属材料技術研究所 筑波支所内 (72)発明者 湯山 道也 茨城県筑波市千現一丁目2番1号 科学 技術庁金属材料技術研究所 筑波支所内 (72)発明者 井上 廉 茨城県筑波市千現一丁目2番1号 科学 技術庁金属材料技術研究所 筑波支所内 (72)発明者 前田 弘 茨城県筑波市千現一丁目2番1号 科学 技術庁金属材料技術研究所 筑波支所内 (72)発明者 亀川 豊 東京都太田区南久が原一丁目13番6号 株式会社日本計器製作所内 (72)発明者 鈴木 雅之 東京都太田区南久が原一丁目13番6号 株式会社日本計器製作所内 (72)発明者 中山 清 東京都太田区南久が原一丁目13番6号 株式会社日本計器製作所内 (72)発明者 清水 輝夫 東京都太田区南久が原一丁目13番6号 株式会社日本計器製作所内 (56)参考文献 特開 平3−235088(JP,A) 特公 平2−56423(JP,B2)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基材上に必要に応じて下地層を形成した
    後、溶射法によりビスマス系酸化物超電導体の低Tc相
    (80K相)と高Tc相(110K相)の組成を基本と
    する超電導皮膜を交互に積層させることを特徴とする超
    電導磁気シールド容器の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記低Tc相の組成に0.01〜0.3
    モル比のPb及びAgの1種類もしくは2種類の元素を
    含む請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 基材上に所望により形成される下地層
    と、その上に形成されたビスマス系酸化物超電導体の低
    Tc相(80K相)溶射層と高Tc相(110K相)溶
    射層とが交互に積層されてなる超電導磁気シールド容
    器。
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