JP3357820B2 - 接続装置および超電導マグネット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は接続装置に関し、特
に超電導状態で大電流を流す接続装置に関する。また本
発明は、例えば超電導状態にある回路と常電導状態にあ
る回路とを接続する接続装置に関する。また本発明は超
電導マグネットに関し、特に超電導状態で大電流を流す
ことができかつ断熱性の高い電流リードを備えた超電導
マグネットに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、強い磁場をつくり出す超電導マグ
ネットなどには例えばニオブ系の超電導体等が用いられ
てきた。この超電導体は、液体へリウムかあるいは冷凍
器を併用して冷却する必要がある。液体へリウムは液体
窒素と比較すると比熱が小さくわずかな熱進入でも蒸発
してしまうこと、また高価であることから、ランニング
コストを削減するために断熱に多くの努力が払われてい
る。

【０００３】最も大きな熱進入源は液体へリウム中に保
持される超電導体に電流を導入する電流リードである。
従来電流リードには銅を用いてきた。電流リードには大
電流を流すので、ここでの発熱を抑えるためには断面積
を大きくして抵抗を下げる必要がある。しかしながら、
電気伝導率の高い材料は熱伝導率も高いので、それによ
る熱進入は大きくなってしまうという背反した問題が生
ずる。したがって、電流リードに大電流を流し、かつ熱
進入をいかに削減するかが大きな課題であった。

【０００４】熱伝導率が小さく大電流を流すことができ
る材料としては、酸化物超電導体が発見された。この酸
化物超電導体材料は、液体窒素温度以上でも超電導を示
し、また焼結体であるため熱伝導率が低い。このためこ
れを電流リードに用いることにより熱進入を減少させる
ことができた。しかしながらこの材料は焼結体であるた
めに臨界電流密度Ｊc が小さく、通常１０³ オーダーで
ある。また大電流を流すために酸化物超電導体の断面積
を大きくしたとしても、電流は表面を流れるために実質
的な臨界電流密度Ｊc はさらに小さくなってしまう。そ
の結果かなり大きな断面積が必要となり、通常１００Ａ
程度の電流を流すためには１ｃｍ² 程度の断面積が必要
となり、熱進入を効果的に低減することはできなかっ
た。

【０００５】焼結して作製した酸化物超電導体の中でも
比較的臨界電流密度が高い材料として、Ｂｉ系の超電導
体が知られている。銀シース法を用いて作製したＢｉ系
の超電導体からなる線材は１０⁴ Ａ／ｃｍ² のオーダー
の臨界電流密度Ｊc を有するが、熱伝導率の高い銀が超
電導体表面を覆っているため、熱進入を低減することが
困難であるという問題がある。さらにこの材料は液体窒
素温度程度の温度域では磁場中の臨界電流密度が急激に
低下するという欠点を持っている。したがって超電導マ
グネットの電流リードに用いる場合は磁場がかからない
ような手段を講ずる必要があった。このため超電導マグ
ネットの構成が複雑になるという問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような問
題点を解決するためになされたものである。すなわち本
発明は、臨界電流密度が大きくかつ熱伝導率の小さな超
電導線材と電流導入ケーブルとの接続装置を提供するこ
とを目的とする。また本発明は臨界電流密度が大きくか
つ熱進入の小さな電流リードを備えた、高性能でランニ
ングコストの小さな超電導マグネットを提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、本発明は下記のような構成を備えたものであ
る。

【０００８】

【０００９】請求項１に記載の本発明の接続装置は、第
１の面と第２の面とを有する第１の基板と、前記第１の
基板の第１の面に配設され、第１の領域と第２の領域と
を有する第１の超電導体層と、前記第１の基板の第２の
面に配設され、第１の領域と第２の領域とを有する第２
の超電導体層と、前記第１の超電導体層の前記第１の領
域と、前記第２の超電導体層の前記第１の領域とに配設
された第１の接続端子と、前記第１の超電導体層の前記
第２の領域と、前記第２の超電導体層の前記第２の領域
とに配設された第２の接続端子とを具備したことを特徴
とする。すなわち請求項１に記載の本発明の接続装置
は、基板の両面に酸化物超伝導体を配設し、それぞれの
超電導体層の両端部に接続端子を配設することにより例
えば基板の片面だけに酸化物超伝導体を配設した構成の
接続装置とほぼ等しい熱伝導率で電流容量を２倍にする
ことができる。

【００１０】上述した構成の本発明の接続装置は、これ
ら単体で用いることもできるが、これらの構成を積層す
るなど複数組み合わせて用いることができる。請求項２
に記載の本発明の接続装置は、第１の面を有する第１の
基板と、前記第１の基板の第１の面に配設され、第１の
領域と第２の領域と前記第１の領域と前記第２の領域と
を隔てる第３の領域とを有する第１の酸化物超電導体層
と、前記第１の酸化物超電導体層の前記第１の領域に配
設された第１の接続端子と、前記第１の酸化物超電導体
層の前記第２の領域に配設された第２の接続端子と、前
記第１の酸化物超電導体層の前記第３の領域に配設さ
れ、第１の面と第２の面とを有する第２の基板と、前記
第２の基板の第１の面に配設され、第１の領域と第２の
領域と前記第１の領域と前記第２の領域とを隔てる第３
の領域とを有する第２の酸化物超電導体層と、前記第２
の酸化物超電導体層の前記第１の領域に配設された第３
の接続端子と、前記第２の酸化物超電導体層の前記第２
の領域に配設された第４の接続端子とを具備したことを
特徴とする。この接続装置は、例えば請求項１に記載し
た構成の接続装置を積層して構成したものであり、各層
の第１の接続端子、第２の接続端子が露出するように階
段状に積層したものである。

【００１１】請求項３に記載の本発明の接続装置は、第
１の面と第２の面とを有する第１の基板と、前記第１の
基板の第１の面に配設され、第１の領域と第２の領域と
を有する第１の超電導体層と、前記第１の基板の前記第
１の面と対向配置された第１の面を有する第２の基板
と、前記第２の基板の前記第１の面に配設され、前記第
１の超電導体の前記第１の領域および前記第２の領域と
それぞれ対向した第１の領域と第２の領域とを有する第
２の超電導体層と、前記第１の超電導体層の前記第１の
領域と前記第２の超電導体層の第１の領域とに配設され
た第１の接続端子と、前記第１の超電導体層の前記第２
の領域と前記第２の超電導体層の第２の領域とに配設さ
れた第２の接続端子と、前記第１の超電導体層と前記第
２の超電導体層の前記第１の接続端子間および前記第１
の超電導体層と前記第２の超電導体層の前記第２の接続
端子間に挟持された可撓性を有する導体層とを具備した
ことを特徴とする。この接続装置も例えば請求項１に記
載した構成の接続装置を積層して構成したものであり、
積層された第１の端子間および第２の端子間に例えば銀
箔、インジウム箔などの可撓性を有する導体層を挟持し
たものである。外部回路とに接続は、この導体層を介し
て行うようにすればよい。またこの導体層を束ねること
により各超電導体層と一括接続するようにしてもよい。

【００１２】前記第１の超電導体層および前記第２の超
電導体層の膜厚ｄは、この膜厚ｄを変化させたときに、
前記第１の超電導体層および前記第２の超電導体層を流
れる超電導電流の臨界電流Ｉc がほぼリニアに変化する
範囲内にするようにしてもよい。また、前記第１の接続
端子および前記第２の接続端子の厚さｔは、前記第１の
超電導体層および前記第２の超電導体層の膜厚ｄに対し
て、ほぼ ０．１ｄ≦ｔ≦１０ｄ の範囲にするようにしてもよい。

【００１３】請求項６に記載の本発明の超電導体マグネ
ットは、超電導体からなるコイルと、前記超電導体を超
電導状態に保持するように温度が調節され、前記コイル
を収容する第１の容器と、前記第１の容器を収容すると
ともに前記第１の容器を保冷する第２の容器と、前記第
２の容器内に配設され、厚さが１ｍｍ以下の基板と、前
記基板上に配設され、第１の領域と第２の領域とを有す
る酸化物超電導体層と、前記酸化物超電導体層の前記第
１の領域に配設された第１の接続端子と、前記酸化物超
電導体層の前記第２の領域に配設された第２の接続端子
とを有する電流リードと、前記電流リードの前記第１の
端子と前記コイルとを接続する超電導体からなる第１の
配線と、前記電流リードの前記第２の端子と接続され前
記第２の容器の外部まで導出された第２の配線とを具備
したことを特徴とする。

【００１４】すなわち本発明の接続装置は、熱伝導率の
小さな基板上に酸化物超電導体層を配設し、さらに酸化
物超電導体層の互いに分離した複数の領域に導体層から
なる接続端子を配設したものである。

【００１５】基板上に配設する酸化物超電導体層として
は、例えばＹ₁ Ｂａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_7-x、Ｎｄ₁ Ｂａ₂ Ｃｕ
₃ Ｏ_7-x 、Ｂｉ−２２１２、Ｂｉ−２２２３、Ｔｌ−１
２２３などを用いることができる。臨界電流密度Ｊc を
高める観点からは、Ｙ₁ Ｂａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_7-x が好適であ
る。また超電導体層を配設する基板としては、例えばＭ
ｇＯ、ＳｒＴｉＯ₃ 、ＬａＡｌＯ₃ 、ＮｄＧａＯ₃ 、Ｙ
ＡｌＯ₃ 、ＹＳＺ、サファイアなどを用いることができ
る。熱伝導率が低減しまた、臨界電流密度の高い超電導
体層の成膜性を高めるという点では、基板材料としてＳ
ｒＴｉＯ₃ を用いることが好適である。ＬａＡｌＯ
₃ も、ＳｒＴｉＯ₃ よりは成膜性が低いが比較的臨界電
流密度の高い超電導体層の成膜が容易で、大面積の基板
が得られるという点では好適に用いることができる。こ
のように、基板材料は７７Ｋにおける熱伝導率が５Ｗ／
ｃｍＫ以下、厚さが１ｍｍ以下の範囲で必要に応じて用
いるようにすればよい。

【００１６】酸化物超電導体層はこれらの基板上に例え
ばスパッタリング方、ＣＶＤ法、レーザー蒸着法などの
成膜法を用いて、厚さ約１μｍ以上にわたって成膜する
ようにすればよい。例えば、Ｙ₁ Ｂａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_7-x な
どの酸化物超電導体層を、その格子定数が最も長い結晶
軸が基板表面に対しほぼ垂直に配向するように成膜する
ようにすればよい。このとき、ＸＲＤパターン（Ｘ線回
折パターン）に現れる回折ピークの半値幅が１度以下に
なるように、より好ましくは０．５度以下になるように
成膜することが好適である。（１０３）面のポールフィ
ギュアーに４回対称性が現れ、半値幅が１０度以下にな
ると臨界電流密度Ｊc は１×１０⁶ Ａ／ｃｍ² 以上とな
り、したがって超電導体層の膜厚が均一であれば成膜面
積に応じて臨界電流は増大することができる。

【００１７】このような構成を採用することにより、例
えば超電導体層の幅が約１０ｍｍ程度あれば、約１００
Ａ程度以上の電流を流すことができる。この場合熱進入
の主要な原因は基板にあるから、基板は必要な強度を維
持できる範囲でできるだけ薄くする方が好ましいが、例
えば基板の厚さを約１ｍｍとしても、その断面積は０．
１ｃｍ² となり、さらにその熱伝導率は焼結した超電導
体とほぼ同じ程度であることから、熱進入は約１／１０
にまで低減する。また基板の厚さを約０．２ｍｍにし、
さらに基板の両面に超電導体層を成膜することにより、
さらに熱伝導率を低減し、臨界電流密度を大きくするこ
とができる。例えば焼結体を用いた場合と比較して熱進
入は約１／１００にまで低減することができる。また電
流は超電導体層の膜厚を大きくすることでもさらに増や
すことができる。しかしながら、基板上に成膜する超電
導体層の膜厚が１０μｍ以上になると、前述した焼結体
の場合と同様に電流が表面を流れてしまう傾向が大きく
なるため臨界電流がリニアに増えない上、ヒートショッ
クなどで剥がれやすくなる。したがって超電導体層の厚
さは約１０μｍ程度以下に設定することが好適である。

【００１８】このようにして基板上に配設した超電導体
層上の第１の領域と第２の領域に例えばＡｇ、Ｃｕ、Ａ
ｕ、Ａｌ、Ｐｔあるいはこれらの合金等の導体からなる
接続端子を積層成膜する。第１の領域と第２の領域と
は、基板の両端に形成するようにしてもよいし、これ以
外の部分に配設するようにしてもよい。この接続端子の
厚さは、超電導体層に流す電流の大きさ等によって設定
するようにすればよいが、超電導体層の厚さｄに対して
約０．１ｄ以上１０ｄ以下程度の厚さに設定することが
好適である。約０．１ｄ以下ではこの接続端子を構成す
る導体層での発熱か生じてしまう。また約１０ｄ以上で
は超電導体層から剥がれ易くなるので好ましくない。

【００１９】さらに、例えば接続端子を成膜した後、酸
素分圧が約１０Ｔｏｒｒ以上の雰囲気中で約２００℃〜
８００℃程度の温度範囲でアニールするようにすれば、
接続端子の接触抵抗を低減することができる。さらに好
ましくは超電導体を成膜した後に大気にさらすことなく
接続端子を連続的に成膜するようにするとよい。これに
より接触抵抗をさらに低減することができる。ただし超
電導体層を成膜した後、基板温度が約６００℃以下、よ
り好ましくは約４００℃以下、さらに好ましくは約２０
０℃以下程度まで低下してから接続端子となる導体層を
成膜することにより、より緻密で電気抵抗の低い導体層
を得ることができる。接続端子をあまり高い温度で成膜
すると、蒸着粒子が凝集して粒成長しやすく、その際に
形成される粒界のために電気抵抗が高くなるので好まし
くない。

【００２０】このように配設した接続端子を介して、半
田等を用いて電流導入用ケーブルあるいは超電導線材を
接合することにより、熱進入を小さく抑制しながら大き
な電流を流すことができる。また接触抵抗も非常に小さ
くなり発熱量も大幅に低減する。

【００２１】従来、酸化物超電導体の焼結体を電流リー
ドに用いた場合、超電導線材、及び電流導入ケーブルと
の接合部分における接触抵抗が大きいという問題があっ
たが、本発明では、超電導体層上に導体層からなる接続
端子を配設することによりこの問題を解決することがで
きた。また本発明の構成では交流電流を流しても基板が
電気絶縁体であるので交流損失が実質的になくすること
ができるという利点も有している。

【００２２】また、基板の両面に超電導体層を成膜する
ことにより、電流リード全体の熱容量をほとんど変える
ことなく電流容量を２倍に増やすことができる。

【００２３】また、このような基板上に超電導体層を配
設した構成の接続部を複数積層して用いることにより電
流容量をさらに増やすことができるだけでなく、機械的
強度も大きくすることができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下に本発明についてさらに詳細
に説明する。

【００２５】（実施形態１）図１は本発明の接続装置の
構造の例を概略的に示す図である。この接続装置は、基
板１１と、この基板上に配設された例えばＹ₁ Ｂａ₂ Ｃ
ｕ₃ Ｏ_7-x などからなる酸化物超電導体層１２と、この
酸化物超電導体層１２の第１の領域１２ａおよび第２の
領域１２ｂとに配設された第１の接続端子１３ａと第２
の接続端子１３ｂとを具備したものである。上述のよう
に、基板１１は７７Ｋにおける熱伝導率が５Ｗ／ｃｍＫ
以下、厚さが約１ｍｍ以下に設定している。また酸化物
超電導体層１２はその格子定数の最も大きな結晶軸が、
基板１１の表面の法線方向とほぼ平行になるように成膜
して配設されている。

【００２６】このような構成を採用することにより、本
発明の接続装置においては基板からの熱侵入を低減する
とともに、電流容量を増大することができる。

【００２７】（実施形態２）図２は本発明の接続装置の
構造の別の例を概略的に示す図である。この接続装置
は、第１の面と第２の面とを有する第１の基板１１と、
第１の基板１１の第１の面１１ａに配設され、第１の領
域１２ａと第２の領域１２ｂとを有する第１の超電導体
層１２と、第１の基板１１の第２の面１１ｂに配設さ
れ、第１の領域１５ａと第２の領域１５ｂとを有する第
２の超電導体層１５と、第１の超電導体層１２の第１の
領域１２ａと、第２の超電導体層１５の第１の領域１５
ａとに配設された第１の接続端子１３ａと、第１の超電
導体層１２の第２の領域１２ｂと、第２の超電導体層１
５の第２の領域１５ｂとに配設された第２の接続端子１
３ｂとを具備したものである。なおこの例では、第１の
超電導体層１２と第２の超電導体層１５とは同一の酸化
物超電導体により形成されているが、異なる超伝導体で
成膜するようにしてもよい。

【００２８】このように基板１１の両面に超電導体層１
２、１５を成膜することにより、電流リード全体の熱容
量をほとんど変えることなく電流容量を２倍に増やすこ
とができる。

【００２９】このように本発明の接続装置は基板上に超
電導体層を配設しさらに超電導体層上に接続端子を配設
したものである。そして、図１および図２に例示した構
成を基本単位としてこれらを複数積み重ねるなどするこ
とによりさらに大きな電流を流すことができる。

【００３０】（実施形態３）図３は本発明の接続装置の
構成の別の例を概略的に示す図である。この接続装置
は、図１に例示した本発明の接続装置を基本単位として
複数積層したものであり、第１の面を有する第１の基板
１１と、第１の基板１１の第１の面に配設され、第１の
領域１２ａと第２の領域１２ｂと第１の領域１２ａと第
２の領域１２ｂとを隔てる第３の領域１２ｃとを有する
第１の酸化物超電導体層１２と、第１の酸化物超電導体
層１２の第１の領域１２ａに配設された第１の接続端子
１３ａと、第１の酸化物超電導体層１２の第２の領域１
２ｂに配設された第２の接続端子１３ｂと、第１の酸化
物超電導体層１２の第３の領域１２ｃに配設され、第１
の面と第２の面とを有する第２の基板２１と、第２の基
板２１の第１の面に配設され、第１の領域２１ａと第２
の領域２１ｂとを有する第２の酸化物超電導体層２２
と、第２の酸化物超電導体層２２の第１の領域２１ａに
配設された第３の接続端子２３ａと、第２の酸化物超電
導体層２２の前記第２の領域２２ｂに配設された第４の
接続端子２３ｂとを具備したものである。

【００３１】図３に例示した本発明の接続装置は、電流
導入ケーブル及び超電導線材などの外部回路との接合面
を確保するために、例えば図１に例示したような構造を
有する本発明の接続装置を、接続方向の両端部が階段状
の段差を段差を有するように、長さの異なる基板を積層
するようにしたものである。なおここでは２層に積層し
た構成を例示しているが、さらに複数層積層するように
してもよい。図４は本発明の接続装置の構造の別の例を
概略的に示す図であり、第１の基板１１の一方の面側に
同一構成の接続装置をさらに２層、他方の面にもさらに
２層積層して電流容量を大きくしたものである。

【００３２】このような構成を採用することにより、本
発明の接続構造を複数積層した場合でも、各超電導体層
と容易に接続することができる。

【００３３】（実施形態４）図５は本発明の接続装置の
構成の別の例を概略的に示す図である。この接続装置
は、図１に例示した本発明の接続装置の構成を基本単位
として、端部に段差をつけることなく積層したものであ
る。接続端子１３ａ、１３ｂとの接続を確保するため
に、例えばＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｓｎ
などからなる電気抵抗が１×１０^-5Ω・ｃｍ以下の導電
性箔４１を介して複数の接続装置を積層している。すな
わち、第１の領域１２ａに配設された第１の接続端子１
３ａと、第２の領域１２ｂに配設された第２の接続端子
１３ｂと、その上に積層される同じ構成を有する基板１
１との間に、厚さが約５μｍ〜１ｍｍ程度、好ましくは
約１０μｍ〜１００μｍ程度ののＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａ
ｌ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｓｎなどからなる電気抵抗が１×１０
^-5Ω・ｃｍ以下の導電性箔４１を挟んで積層している。

【００３４】この導電性箔４１と超電導体層１２上に積
層した接続端子１３とを接合した時の接触抵抗をさらに
小さくするために、例えば銀ペーストなどの導電性流体
あるいは導電性接着剤を介在させて接合するようにして
もよい。あるいは導電性箔を第１の導電性箔４１と第１
の導電性箔４１より融点が低い材料からなる第２の導電
性箔４１との積層構造にして、接続端子と第１の箔の間
に第２の導電性箔４１が挟持されるように配設し、第２
の箔の融点程度に加熱するようにしてもよい。この方法
を用いれば、図２に例示したような基板の両面に超電導
体層を成膜した接続装置も接合することもでき、熱容量
を増やすことなく電流容量を増やすことができる。

【００３５】このようにして作製した超電導部材は耐環
境性及び機械的強度向上のため熱伝導率の低い樹脂たと
えばテフロン、ポリイミド、ポリエチレン、エポキシ樹
脂など、あるいはアルミナ、シリカなどのセラミクスで
封止して一体化することが好ましい。また封止しないま
でも熱伝導率の低いセラミクス等で補強するようにすれ
ばよい。一方、なんらかの原因で電流が流れすぎ、この
部材の臨界電流値を越えたために、ここからクエンチす
ることは好ましくない。従ってこの超電導部材にはこの
部材の臨界電流の少なくとも８０％以下好ましくは５０
％以下の臨界電流を有する超電導線材を接続して機器を
構成することが望ましい。以上に述べたように、本発明
による超電導部材は大電流を流しても発熱がない上、断
面積及び熱伝導率が小さく、熱を伝えにくいので電流導
入ケーブルと超電導線材をつなぐ部材として用いること
により熱進入を大幅に低減することができる。

【００３６】（実施形態５）図６は本発明の接続装置の
構造の別の例を概略的に示す図である。この接続装置１
００は例えば図２に例示した構成の本発明の接続装置を
複数積層したものである。すなわちこの接続装置は、図
２に例示した構成の接続装置を複数積層したものであ
り、第１の面１１ａと第２の面１１ｂとを有する第１の
基板１１と、第１の基板１１の第１の面１１ａに配設さ
れ、第１の領域１２ａと第２の領域１２ｂとを有する第
１の超電導体層１２と、第１の基板１１の第１の面１１
ａと対向配置された第１の面２１ａを有する第２の基板
２１と、第２の基板２１の第１の面２１ａに配設され、
第１の超電導体１２の第１の領域１２ａおよび第２の領
域１２ｂとそれぞれ対向した第１の領域１５ａと第２の
領域１５ｂとを有する第２の超電導体層１５と、第１の
超電導体層１２の第１の領域１２ａと第２の超電導体層
１５の第１の領域１５ａとに配設された第１の接続端子
１３ａと、第１の超電導体層１２の前記第２の領域１２
ｂと第２の超電導体層１５の第２の領域１５ｂとに配設
された第２の接続端子１３ｂと、第１の超電導体層１２
と第２の超電導体層１５の第１の接続端子１３ａ間およ
び第１の超電導体層１２と第２の超電導体層１５の第２
の接続端子１３ｂ間に挟持された導電性箔４１とを具備
したものである。

【００３７】このような構成を採用することにより、例
えば図５に例示した本発明の接続装置と比較して接続装
置全体の熱容量をほとんど変えることなく電流容量を２
倍に増やすことができる。

【００３８】（実施形態６）図７は本発明の接続装置の
構造のさらに別の例を概略的に示す図である。

【００３９】この接続装置は、石英からなる基材３１の
両面に、例えば図３に例示した構成の本発明の接続装置
を配設したものである。なおここでは基材を中空構造に
して接続装置全体の機械強度を向上するとともに、基材
全体の熱伝導率が増大するのを抑制している。

【００４０】このような構成を採用することにより超電
導体層を形成する基板を基材を用いない場合よりも薄く
することができる。したがって基板による熱進入を低減
することができる。

【００４１】（実施形態７）図８は上述したような構成
を有する本発明の接続装置１００を用いて非超伝導体配
線（銅線）６１と超電導線６２とを接続した様子を概略
的に示す図であり、図８（ａ）は全体の構成を概略的に
示す図であり、図８（ｂ）は接続装置１００と配線６
１、６２との接続部を拡大して示す図である。ここでは
図６に例示した本発明の接続装置を用いて接続した構成
を示している。

【００４２】なお超電導線６２は例えば超電導マグネッ
トなどの超電導体状態にある系と接続されており、した
がって超電導線６２も例えば液体ヘリウムなどにより７
７Ｋより低い温度に冷却されている。また銅線６１は例
えば超電導マグネットに電力を供給する電源のような非
超電導系と接続されている。

【００４３】第１の接続端子１３ａ間から引き出された
導電性箔４１は束ねられて銅からなる接続部材６３と接
続されている。また接続装置１００と接続部材６３とは
端子台６５に接着剤、ナットなどで固定されている。導
電性箔４１と接続部材６３との間の接続は半田６４によ
り行った構成を例示しているが、ナットなどにより機械
的に固定するようにしてもよい。 （実施形態９）図９は本発明の接続装置の構成のさらに
別の例を概略的に示す図である。この接続装置は、図２
に例示した本発明の接続装置を基本単位として図３に例
示した本発明の接続装置のように端部に段差をつけて複
数積層したものである。図３に例示した本発明の接続装
置では、基板の一方の面のみに超電導体層を配設した構
成を基本単位として積層しているが、図９に例示した構
成では基板の両面に超電導体層を積層した構成を基本単
位として階段状に積層している。このような構成を採用
することにより、例えば図３に例示した本発明の接続装
置と比較して（電流容量／熱伝導率）のアスペクト比を
ほぼ２倍に大きくすることができる。

【００４４】（実施形態１０）図１０は本発明の超電導
マグネットの構造を概略的に示す図であり、図１１は図
１０に例示したような超電導マグネットの構成を模式的
に示す図である。この超電導マグネットは、例えばＮｂ
Ｔｉなどの超伝導体からなる超電導コイル５０と、超電
導コイル５０が超電導状態に保持されるように冷却する
液体ヘリウムが充填された第１の容器５１と、第１の容
器５１を収容するとともに第１の容器５１を保冷する第
２の容器５２と、第２の容器内５２に配設され、基板１
１と、この基板１１上に配設された第１の領域１２ａと
第２の領域１２ｂとを有する酸化物超電導体層１２と、
酸化物超電導体層１２の第１の領域１２ａに配設された
第１の接続端子１３ａと、第２の領域１２ｂに配設され
た第２の接続端子１３ｂとを有する接続装置１００と、
接続装置１００の第１の端子１３ａと超電導コイル５０
とを接続する超伝導体からなる第１の配線５３と、接続
装置１００の第１の端子１３ａと接続され第２の容器５
２の外部まで導出された第２の配線５４とを具備したも
のである。

【００４５】第１の容器５１にはヘリウム注入管５５に
より外部から液体ヘリウムが導入され約４．２Ｋ程度に
冷却されている。蒸発したヘリウムは、回収管５６によ
り回収され再利用される。超電導コイル５０に電源６０
からの電力を供給する配線は回収管５６の内部に収容す
るようにしてもよい。なお第２の容器５２内には液体窒
素が導入され、第１の容器５１を保冷している。なお、
５７は磁束計、５８は液体ヘリウムの液面計、５９は第
１の容器５１、第２の容器５２を収容するクライオスタ
ットである。本発明の超電導マグネットにおいては、外
部から電源を供給する配線６１と、超電導マグネット５
０と接続された超電導配線６２との接続とを、上述した
ような構成を有する本発明の接続装置１００により接続
することにより、第１の容器５１内への熱侵入を大幅に
低減するとともに、電流容量を大きくすることができ
る。したがって、例えば液体ヘリウムなどの冷媒の消費
量を大幅に低減し、超電導マグネットの運転コストを低
下することができた。

【００４６】（実施形態１１）幅１０ｍｍ、長さ１００
ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのＳｒＴｉＯ₃ からなる基板１１
を平行移動させながら、その上にレーザー蒸着法を用い
てＹＢＣＯからなる酸化物超電導体層１２を成膜した。
同一方向に一定速度で移動させる場合には移動速度を１
ｃｍ／ｍｉｎにすることにより１μｍの膜厚が得られ
る。また往復運動の場合は１０ｃｍ／ｍｉｎの移動速度
で５往復させると同じ膜厚が得られる。

【００４７】成膜条件は、基板温度７５０℃、酸素分圧
０．５Ｔｏｒｒ、酸素流量５０ｓｃｃｍ、レーザーフル
ーエンス１．５Ｊ／ｃｍ² 、繰り返し周波数１００Ｈｚ
で行った。成膜後、酸素を２０Ｔｏｒｒ以上の圧力にな
るまてチャンバー内に導入し基板温度が２００℃になる
まで放置した。

【００４８】次にチャンバー内を１０^-6Ｔｏｒｒのオー
ダーまで減圧し、ターゲットを銀に変えてレーザー蒸着
法により超電導体層１２の両端から１０ｍｍの領域に厚
さ５００ｎｍの銀を積層し、接続端子１３ａ、１３ｂを
配設した。この時のレーザーフルーエンスはＹＢＣＯを
成膜した時と同じてあるが、繰り返し周波数は２００Ｈ
ｚにして成膜した。

【００４９】このようにして得られた本発明の接続装置
１００の臨界電流は２００Ａであった。その一端に電源
６０につないだ銅線６１を、もう一端にコイル上に巻い
たＮｉＴｉからなる超電導線材６２をそれぞれ半田付け
して図１０、図１１に例示した超電導マグネットを作製
し、１００Ａの電流を供給したところ約５Ｔの磁場を発
生した。

【００５０】この超電導マグネットにおいては断熱漕内
にある超電導線材と大気中にある送電ケーブルが、断面
積が小さく熱が伝わりにくい本発明の接続装置により接
続されているため熱進入が非常に少なくすることができ
る。また部材の電気抵抗はゼロてあるばかりでなく接合
部分での接触抵抗が低いため発熱がほとんどない。その
結果超電導コイルの冷媒として用いた液体へリウムの消
費を大幅に削減することができた。

【００５１】（実施形態１２）実施形態１１と同様の方
法で幅１０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのＳ
ｒＴｉＯ₃ 基板の両面にＹＢＣＯを１μｍ成膜した。ま
た両端から１０ｍｍの領域の超電導体層両面に厚さ５０
０ｎｍの銀を積層した。このようにして得られた本発明
の接続装置の一端の両面の銀に銅線を、もう一端に超電
導線材を半田付けして超電導マグネットを作製し、２０
０Ａの電流を流して１０Ｔの磁場を発生させた。このマ
グネットにおいては断熱漕内にある超電導線材と大気中
にある送電ケーブルが断面積が小さく熱が伝わりにくい
本発明の接続装置を介して接続されているため熱進入が
非常に少ない。またこの部材は、磁場がかかっても超電
導が壊れにくいＹＢＣＯ膜からできているので、磁力線
の漏れをあまり考慮しなくてもよい。従って設計に自由
度が生まれる。ところで、本発明の接続装置にかなり強
い磁場がかかる場合には、磁力線の向きと、この接続装
置を流れる電流の向きが同じでになるようにすることが
望ましい。それが困難な場合は、磁力線の向きが酸化物
超電導膜面に平行になるようにすることが好適である、
このようにすれば臨界電流の減少を小さくすることがで
きる。

【００５２】（実施形態１３）実施形態１１と同様にＹ
ＢＣＯを成膜した後、酸素を２０Ｔｏｒｒ以上の圧力に
なるまてチャンバー内に導入し基板温度が２００℃にな
るまで放置した。次にチャンバー内を１０^-6Ｔｏｒｒ台
まて減圧し、ターゲットを銀に変えてレーザー蒸着法に
より超電導体層の両端から１０ｍｍの領域に厚さ５００
ｎｍの銀を積層した。その後また酸素を２０Ｔｏｒｒ以
上の圧力になるまでチャンバー内に導入し、この部材を
４００℃以上の温度になるまで加熱し、一定温度下で１
時間保持した。このようにして作製した本発明の接続装
置においては超電導体層と銀の膜との接触抵抗をさらに
低減させることがてきた。

【００５３】（実施形態１４）実施形態１１と同様に幅
１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、長さが１００ｍｍ、９０ｍ
ｍ及び８０ｍｍの基板に各２枚づつＹＢＣＯを１μｍ成
膜した。その後各部材の両端部分のＹＢＣＯ膜上に少な
くとも長さ５ｍｍ以上、１０ｍｍ程度の範囲に銀を５０
０ｎｍ蒸着した。これらの各部材を例えば図４に例示し
たように端部をずらして重ね、相互に接着剤を用いて接
着した。このようにして得られた本発明の接続装置の一
端に銅線６１を、もう−端に超電導線材６２を半田付け
してボア径が１ｍのＭＲＩ用超電導マグネットを作製
し、６００Ａの電流を供給したところ約１．５Ｔの磁場
を発生させることができた。

【００５４】このマグネットにおいては断熱漕内にある
超電導線材と大気中にある送電ケーブルが、断面積が小
さく熱が伝わりにくい本発明の接続装置を介して接続さ
れているため熱進入が非常に少ない。また部材の電気抵
抗はゼロであるばかりでなく接合部分での接触抵抗が低
いため発熱がほとんどない。その結果このような大電流
を流しても冷媒の液体へリウムの消費が少なくすること
ができた。

【００５５】（実施形態１５）実施形態１４と同様に幅
１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、長さが１００ｍｍ、９０ｍ
ｍ、及ひ８０ｍｍの基板に各２枚づつＹＢＣＯを１μｍ
成膜した。その後各部材の両端部分のＹＢＣＯ膜上に少
なくとも長さ５ｍｍ以上、１０ｍｍ程度の範囲に銀を５
００ｎｍ蒸着した。これらの各部材を図７のように厚さ
１ｍｍの石英からなる基材３１の両面に長い部材から順
に重ね、接着剤を用いて接着した。

【００５６】このようにして作製した本発明の接続装置
においては石英の熱伝導率が小さいため熱進入はさほど
増えることなく機械的強度が向上した。

【００５７】（実施形態１６）実施形態１１と同様の成
膜条件て幅１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ長さ１００ｍｍの
ＳｒＴｉＯ³ からなる基板１１の両面にＹＢＣＯを１μ
ｍ成膜した後、端から１０ｍｍの領域の両面に接続端子
１３ａ、１３ｂとして銀を約５００ｎｍ成膜した。次に
図６に示すように幅１０ｍｍ長さ２０ｍｍ、厚さ２０μ
ｍの銀箔を１０ｍｍ程度はみ出させて各本発明の接続装
置間に挟み、圧着した。さらにはみ出した銀からなる導
電性箔４１を束ねて端子台６５上に固定し、一端に超電
導線材６２をもう一端に送電ケーブルの銅線６１を半田
付けした。

【００５８】この方法により基板１１の両面に成膜した
超電導体に電流を流すことができるので、熱侵入をほと
んど増やすことなく臨界電流を２０００Ａに増大するこ
とができた。

【００５９】（実施形態１７）実施形態１１と同様の成
膜条件て幅１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、長さ１００ｍｍ
のＳｒＴｉＯ₃ 基板５枚の両面にＹＢＣＯを１μｍ成膜
した後、端から１０ｍｍの領域の両面に銀を１μｍ成膜
した。

【００６０】次に図６に示すように幅１０ｍｍ、長さ２
０ｍｍ、厚さ２０μｍの銀からなる導電性箔４１を１０
ｍｍ程度はみ出させて各本発明の接続装置間に挟み、圧
着した。この時導電性箔４１間に厚さ２０μｍ程度のＩ
ｎからなる第２の導電性箔４１ｂを挟んでおき、２００
℃程度に加熱した。このようにすることにより低融点の
Ｉｎからなる第２の導電性箔４１ｂが溶融し、常温に戻
した時には固まって銀からなる導電性箔４１どうしをを
接着するので接触抵抗を無くすことができる。このとき
溶融したＩｎが超電導体層１２と接触すると、超電導体
層１２の特性が劣化してしまうので注意が必要である。
ここでは超電導体層１２上に成膜した銀からなる接続端
子を厚くすることにより超電導体層を第２の導電性箔か
ら保護している。

【００６１】次にはみ出した導電性箔４１を東ねて端子
台６５上の銅からなる接続部材６３上に固定し、一端に
超電導線材６２をもう一端に送電ケーブルの銅線６１を
半田付けした。このような構成を採用することにより、
基板１１の両面に成膜した超電導体１２に電流を流すこ
とができ臨界電流を２０００Ａにまで大きくすることが
できた。また接続端子部での接触抵抗が無いため、この
部分での発熱を実質的になくすることができた。その結
果このような大電流を流しても冷媒の液体へリウムの消
費が少なくすることができた。

【００６２】（実施形態１８）実施形態１１と同様に幅
１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、長さが１００ｍｍの基板１
枚及び長さ９０ｍｍと８０ｍｍの基板各２枚の両面にＹ
ＢＣＯを１μｍ成膜した。その後各部材の両端部分のＹ
ＢＣＯ膜上に少なくとも長さ５ｍｍ以上、１０ｍｍ程度
の範囲に接続端子１３ａ、１３ｂとして銀を５００ｎｍ
蒸着した。これらの各部材を例えば図９に例示したよう
に端部をずらして重ねて圧着した。この時超電導体層１
２同士が貼り合わされる面において、基板の長さが長い
ほうの基板１１上に設けられた接続端子１３の面積を短
いほうの基板１１上に設けられた接続端子１３の面積よ
り広くしておき、短いほうの基板１１上に設けられた接
続端子１３の面積の少なくとも１０％以上、好ましくは
５０％以上、さらに好ましくは８０％以上を、対向する
面に設けられた接続端子と接触させた。

【００６３】このようにして作製した本発明の接続装置
においては露出している接続端子１３の１カ所に電流導
入のための銅線６１あるいは超電導線６２を接続する
と、２枚の超電導体層１２面に電流を流すことができ
る。接続端子どうしを導電性ペーストや銀、Ｉｎなどの
導電性箔を挟んで圧着するようにしてもよい。なお、こ
の超電導マグネットを、例えば磁気浮上列車、超電導回
転機、ＭＨＤ発電機、核融合炉、超電導送電、磁気分
離、船舶推進に適用するようにすれば、これらの運転コ
ストを低減することができる。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の接続装置に
よれば、外界からの熱進入を最小限にして極低温に冷却
された超電導体に大電流を導入することができる。かつ
自らの発熱がない本発明の接続装置を提供することがで
きる。また接触抵抗も非常に小さくすることができ発熱
量も大幅に低減することができる。したがって、高価な
液体ヘリウムなどの冷媒の消費量を低減することができ
る。また本発明の接続装置においては、基板の両面に超
電導体層を成膜することにより、接続装置全体の熱容量
をほとんど変えることなく電流容量を２倍に増やすこと
ができる。さらに、本発明の接続装置を複数積層して用
いることにより電流容量をさらに増やすことができるだ
けでなく、機械的強度も大きくすることができる。

【００６５】本発明の超電導マグネットによれば、断熱
容器内に保持された超電導線と大気中にある送電ケーブ
ルとを、断面積が小さく熱伝導率の小さい接続装置を介
して接続しているため、熱進入を非常に小さくするとと
もに、電流容量を大きくすることができる。また電流は
酸化物超電導体層を介して流れるから電気抵抗はゼロで
あるばかりでなく、接続端子部での接触抵抗も極めて小
さいため発熱をほとんどなくすることができる。したが
って大電流を流しても冷媒の消費を少なくすることがで
き、超電導マグネットの運転コストを低減することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の接続装置の構造の例を概略的に示す
図。

【図２】本発明の接続装置の構造の別の例を概略的に示
す図。

【図３】本発明の接続装置の構造の別の例を概略的に示
す図。

【図４】本発明の接続装置の構造の別の例を概略的に示
す図。

【図５】本発明の接続装置の構成の別の例を概略的に示
す図。

【図６】本発明の接続装置の構造の別の例を概略的に示
す図。

【図７】本発明の接続装置の構造のさらに別の例を概略
的に示す図。

【図８】本発明の接続装置を用いて非超伝導体線と超電
導線とを接続した様子を概略的に示す図。

【図９】本発明の接続装置の構成のさらに別の例を概略
的に示す図。

【図１０】本発明の超電導マグネットの構造を概略的に
示す図。

【図１１】本発明の超電導マグネットの構成を模式的に
示す図。

【符号の説明】

１１…………基板 １２…………酸化物超電導体層 １２ａ………第１の領域 １２ｂ………第２の領域 １２ｃ………第３の領域 １３…………接続端子 １３ａ………第１の接続端子 １３ｂ………第２の接続端子 １５…………酸化物超電導体層 １５ａ………第１の領域 １５ｂ………第２の領域 ２１…………基板 ２２…………酸化物超電導体層 ２２ａ………第１の領域 ２２ｂ………第２の領域 ２３ａ………第１の接続端子 ２３ｂ………第２の接続端子 ３１…………基材 ４１…………導電性箔 ５０…………超電導コイル ５１…………第１の容器 ５２…………第２の容器 ５３…………クライオスタット ６０…………電源 ６１…………非超電導線（銅線） ６２…………超電導線 ６３…………接続部材 ６４…………半田 ６５…………端子台 １００…………接続装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 工藤 由紀 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 研究開発センター内 (56)参考文献 特開 平７−78640（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−41782（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−32830（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−54881（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−101676（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01R 4/68 ZAA

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の面と第２の面とを有する厚さが１
   ｍｍ以下の第１の基板と、 前記第１の基板の第１の面に配設され、第１の領域と第
   ２の領域とを有する第１の超電導体層と、 前記第１の基板の第２の面に配設され、第１の領域と第
   ２の領域とを有する第２の超電導体層と、 前記第１の超電導体層の前記第１の領域と、前記第２の
   超電導体層の前記第１の領域とに配設された第１の接続
   端子と、 前記第１の超電導体層の前記第２の領域と、前記第２の
   超電導体層の前記第２の領域とに配設された第２の接続
   端子とを具備したことを特徴とする超電導線材と電流導
   入ケーブルとの接続装置。
2. 【請求項２】 第１の面を有する厚さが１ｍｍ以下の第
   １の基板と、 前記第１の基板の第１の面に配設され、第１の領域と第
   ２の領域と前記第１の領域と前記第２の領域とを隔てる
   第３の領域とを有する第１の酸化物超電導体層と、 前記第１の酸化物超電導体層の前記第１の領域に配設さ
   れた第１の接続端子と、 前記第１の酸化物超電導体層
   の前記第２の領域に配設された第２の接続端子と、 前
   記第１の酸化物超電導体層の前記第３の領域に配設さ
   れ、第１の面を有する厚さが１ｍｍ以下の第２の基板
   と、 前記第２の基板の第１の面に配設され、第１の領域と第
   ２の領域と前記第１の領域と前記第２の領域とを隔てる
   第３の領域とを有する第２の酸化物超電導体層と、 前記第２の酸化物超電導体層の前記第１の領域に配設さ
   れた第３の接続端子と、 前記第２の酸化物超電導体層
   の前記第２の領域に配設された第４の接続端子とを具備
   したことを特徴とする超電導線材と電流導入ケーブルと
   の接続装置。
3. 【請求項３】 第１の面を有する厚さが１ｍｍ以下の第
   １の基板と、 前記第１の基板の第１の面に配設され、第１の領域と第
   ２の領域とを有する第１の超電導体層と、 前記第１の基板の前記第１の面と対向配置された第１の
   面を有する厚さが１ｍｍ以下の第２の基板と、 前記第２の基板の前記第１の面に配設され、前記第１の
   超電導体の前記第１の領域および前記第２の領域とそれ
   ぞれ対向した第１の領域と第２の領域とを有する第２の
   超電導体層と、 前記第１の超電導体層の前記第１の領域と前記第２の超
   電導体層の第１の領域とに配設された第１の接続端子
   と、 前記第１の超電導体層の前記第２の領域と前記第２の超
   電導体層の第２の領域とに配設された第２の接続端子
   と、 前記第１の超電導体層と前記第２の超電導体層の前記第
   １の接続端子間および前記第１の超電導体層と前記第２
   の超電導体層の前記第２の接続端子間に挟持された可撓
   性を有する導体層とを具備したことを特徴とする超電導
   線材と電流導入ケーブルとの接続装置。
4. 【請求項４】 前記第１の超電導体層および前記第２の
   超電導体層の膜厚ｄは、この膜厚ｄを変化させたとき
   に、前記第１の超電導体層および前記第２の超電導体層
   を流れる超電導電流の臨界電流Ｉc がほぼリニアに変化
   する範囲内にあることを特徴とする請求項１乃至３のい
   ずれか１項に記載の超電導線材と電流導入ケーブルとの
   接続装置。
5. 【請求項５】 基板の第１の面に第１の領域と第２の領
   域とを有する超電導体層を配設し前記超電導体層の第１
   の領域と第２の領域にそれぞれ接続端子を配設させた接
   続構体の複数を、第１および第２の面を有する補強材の
   前記第１および第２の面に、前記基板の第２の面を前記
   補強材側にして配設してなることを特徴とする超電導線
   材と電流導入ケーブルとの接続装置 。
6. 【請求項６】 超電導体からなるコイルと、 前記超電導体が超電導状態に保持されるように冷却する
   温度調節手段を有し、前記コイルを収容する第１の容器
   と、 前記第１の容器を収容するとともに前記第１の容器を保
   冷する第２の容器と、 前記第２の容器内に配設され、厚さが１ｍｍ以下の基板
   と、この基板上に配設された第１の領域と第２の領域と
   を有する酸化物超電導体層と、前記酸化物超電導体層の
   前記第１の領域に配設された第１の接続端子と、前記酸
   化物超電導体層の前記第２の領域に配設された第２の接
   続端子とを有する電流リードと、 前記電流リードの前記第１の端子と前記コイルとを接続
   する前記超電導体からなる第１の配線と、 前記電流リードの前記第２の端子と接続され前記第２の
   容器の外部まで導出された第２の配線とを具備したこと
   を特徴とする超電導マグネット。