JP3766448B2

JP3766448B2 - Superconducting current lead

Info

Publication number: JP3766448B2
Application number: JP11529195A
Authority: JP
Inventors: 圭一木村; 操橋本; 勝良宮本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-04-26
Filing date: 1995-04-18
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2021-04-12
Also published as: JPH0817621A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、液体ヘリウムあるいは冷凍機で冷却して使用する超電導機器に使用される電流リードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ほとんどすべての超電導機器は液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）近くにまで冷却され使用されている。これらの機器の大きな問題点の１つに室温からの熱侵入が挙げられる。熱は様々な部分から侵入してくるが、とりわけ超電導機器に電流を供給する導線からの熱侵入が最も大きい。電流リードは、電流を供給するための断面積（電流容量）を確保しながら、液体ヘリウムからのガス潜熱を利用できるよう形状最適化するなどの工夫がなされている導体である。
【０００３】
これまで利用されている電流リードは主として銅が用いられてきたが、最近これを酸化物超電導材料で置き換える試みがなされている。酸化物超電導材料の中には、ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x 系、Ｂｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₁₀系、Ｔｌ₂ Ｂａ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₁₀あるいは、Ｈｇ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₈ 系等、臨界温度が液体窒素温度（７７Ｋ）を超えるものが発見され、液体窒素温度から液体ヘリウム温度の空間にこれらを利用するものである。電流リードが酸化物超電導体に置きかわることは次の２つの利点がある。１つは超電導状態では電気抵抗がゼロであるためにジュール熱が生じないことであり、もう１つは銅に比較して熱伝導率が低いことにある。
【０００４】
以上のように酸化物超電導体は電流リードとしては極めて有望な材料であるが、この材料として用いられるためには、ある一定以上の臨界電流密度および長さが必要である。特に、超電導電流リードは電流リード自体からのジュール熱がないために、熱侵入の観点から温度勾配の方向に対して電流経路は長いほうが有利になる。焼結法で作製されたＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₁₀系材料は長い形状の材料が比較的容易に製造できるため、冷凍機で動作する超電導マグネットに利用されつつある。しかしながら、焼結体であることとピンニング力があまり大きくないＢｉ系材料を用いていることから、導体断面積を大きくとらざるを得ず、また強磁場では臨界電流密度が著しく劣化することから、コンパクトな電流リードの母体となる材料として適さない。
【０００５】
臨界電流密度やその磁場中における特性を考えた場合、ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x 系超電導材料は優れた特性を有する。Ｙの位置は他のＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕからなる群から選ばれた１種以上の元素で置換してもよく、以下ＲＥＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x と表記する。ただし、この材料系の場合、結晶粒界が著しく臨界電流密度を低下させるため、結晶粒が高度に配向している必要がある。現在の技術では、配向したＲＥＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x を製造する方法として、格子定数の近い基板上に成膜させる方法と溶融法が挙げられる。しかし、前者の場合、気相法を用いるため成膜速度の問題から断面積の大きな材料の作製が難しく、臨界電流密度は大きくとれても、電流リードに不可欠な臨界電流が大きくとれない欠点がある。
【０００６】
一方、ＱＭＧ法（特開昭６３−２６１６０７、特願平２−４０２２０４）で代表されるような溶融法を用いることによって、臨界電流密度が高く、比較的大型の材料が実際得られる。溶融法は、一度ＲＥ₂ ＢａＣｕＯ₅ 相とＢａ−Ｃｕ−Ｏを主成分とした液相が共存する温度領域まで昇温し、これをＲＥＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x が生成する包晶温度直上まで冷却し、この温度から徐冷を行うことにより、結晶成長させ大きな結晶粒を得る手法である。この手法により、現在、約２０ｃｍ² 以上の結晶粒をもったバルク超電導材料を作製することができる。この材料の臨界電流密度は７７Ｋ，１Ｔで１００００Ａ／ｃｍ² であり、上述のＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₁₀系材料に比べて臨界電流密度が優れている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法では得られる形状がバルク状であるために、１次元的電流経路を長くとることに限界がある。そこで、本発明は、長さが限定されているが臨界電流の高いＲＥＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x 系バルク超電導体に切り込み加工を施し、長い電流経路を付与されたコンパクトな電流リードを提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するものであって、ミアンダ構造を有する配向したREBa₂Cu₃O_x系バルク超電導体(REはY、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luからなる群から選ばれた1種以上の元素)とその両端に接続された導線により構成される導体で、REBa₂Cu₃O_xの電流経路が常にab面と平行であり、導線に接続されるREBa₂Cu₃O_x系バルク超電導体の断面積が中央部より大きくなっていて、かつ、ミアンダ構造の電流経路の隙間を熱伝導の悪い材料で埋めていること、及び、熱伝導性の悪い材料で気密に封じられていることを特徴とする超電導電流リードである。また、配向したREBa₂Cu₃O_x系バルク超電導体とその両端に接続された導線により構成される導体で、REBa₂Cu₃O_xの電流経路が90度の角度を有して屈曲し、かつ電流経路が常にab面と平行であり、導線に接続されるREBa₂Cu₃O_x系バルク超電導体の断面積が中央部より大きくなっていて、かつ、熱伝導性の悪い材料で気密に封じられていることを特徴とする超電導電流リードである。
【０００９】
【作用】
本発明はＱＭＧ材のような配向したＲＥＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x 系バルク超電導体１に切り込み加工２を施し、図１、図２（ａ），（ｂ）に示されるような２次元的な電流経路をとらせる手段を設けたものである。このようなシグザグな電流経路をとらせることにより、熱伝導が低く、磁場中においても電流容量が大きいコンパクトな電流リードができる。これは、真空中あるいは減圧中で使用されるような冷凍機動作型の超電導マグネットに使用される電流リードとして特に有用である。
【００１０】
先にも述べたように、上述した酸化物超電導材料は結晶粒界が著しく臨界電流密度を低下させるため、電流経路を横切るような結晶粒界がある構造では、高い性能を有する電流リードにはならない。したがって、使用されるＲＥＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x は配向している必要がある。また、この材料は、ｃ軸（単位格子の最長軸）方向には臨界電流密度が小さいこと、およびこの軸の直角の面（ａｂ面）の強度が著しく小さいために、図３ないし図５に示してあるように、長手方向すなわち電流経路がａｂ面に平行になっている必要がある。
【００１１】
図１はミアンダ構造と呼ばれる構造である。この構造には３つの利点がある。第１は、隣合う電流経路を流れる電流は反対向きであるためにインダクタンスを小さくできる点である。第２はコンパクト化が可能であることである。特にＱＭＧ法で作製したＲＥＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x 系バルク超電導体は臨界電流密度が高く、断面積を小さくでき、相当コンパクト化が図れる。そして、第３は形状付与が容易であることである。実際、平板状の試料をダイヤモンドカッターで容易に作製することができる。
【００１２】
両端の導線と接続される部分は、導線の抵抗や導線とＲＥＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x の接触抵抗に起因するジュール熱等によって温度上昇があり、超電導体の断面積が等しい場合はこの近傍から常電導転移（クエンチ）を起こすおそれがある。この材料は熱伝導が小さいため、常電導転移部分で発熱が局所的に起こり、焼損の危険性が大きくなる。この危険性を小さくするには、導線との接続部分近傍の断面積を大きくとり、クエンチが起こっても中央部から電流リード全体に起こるようにする必要がある。
【００１３】
ミアンダ構造では隣合う電流の向きが１８０度であるため、経路間に電磁力が作用することから、強度の点から不利な構造である。したがって、電流経路の隙間をＦＲＰ等の熱伝導の悪い材料で埋めて使用する形態も考えられる。図２のような構造はミアンダ構造に比較して電流経路は長くとれないが、電流経路が直交していることから、電磁力はかからない構造であり、板状試料から容易に加工することが可能である。
【００１４】
これまでの電流リードの発想が蒸発ヘリウムガスを積極的に利用するために、ガスの温度勾配の方向に電流が流れる必要があった。しかし、前述したような冷凍機で動作する超電導マグネットに用いられる電流リードの場合、必ずしも１方向に長くする必要はない。このようなマグネットの場合、電流リードは１０Ｋ−８０Ｋの真空空間に設置され、冷凍機からの伝導冷却によって冷却されるために、温度勾配は電流リード導体に沿ってつく。したがって、ミアンダ構造のような２次元的な構造を有していても伝導経路が長くなることによる効果は十分ある。
【００１５】
また、ミアンダ構造のような構造は、ガス中で用いられる場合は隣合う経路間でガスによる熱伝達があるため、ステンレス、キュプロニッケル、ＦＲＰのような熱伝導の悪い材料で真空あるいは減圧状態で封じられて用いられる方が効果は大きい。
【００１６】
本発明において配向したＲＥＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x バルク超電導体に限定した理由は、Ｂｉ系焼結材料では臨界電流密度が小さいため、断面積を大きくとらざるを得ず、本発明の大きな効果であるコンパクト性が得られないからであり、気相法で作製したような薄膜材料では臨界電流を大きくとることができないからである。臨界電流を大きくとるため、積層させて並列させる方法も考えられるが、相対的に基盤の厚さが大きいため基盤の熱伝導が無視し得なくなる。
【００１７】
厚さは０．１ｍｍ以上であることが望ましい。理由はこの厚さがおおよそ薄膜とバルクの境界であることと、一般に超電導マグネットは１００Ａ以上の電流容量を必要とするが、この材料の７７Ｋの臨界電流密度がゼロ磁場で１０００００Ａ／ｃｍ² 程度であるからである。また、実際問題としてこれ以上薄くすることは現実的ではない。
【００１８】
【実施例】
(参考例１)
QMG法で作製したYBa₂Cu₃O_x系バルク超電導体から図3、図4および図5で示されるような電流リードを作製した。これらを電流リードA(図3)、電流リードB(図4)および電流リードC(図5)とする。電流リードBの切り込み部分2を含めて、加工はすべてダイヤモンドカッターを用いて行った。それぞれの電流リードを構成している材料は全体にわたって大傾角粒界がなく、マトリクスのYBa₂Cu₃O_x相内にY₂BaCuO₅相が平均2μm以下で均一に分散している組織を有する。結晶方位は図3から図5に示したように試料の最も広い面がab面、すなわち電流の流れる方向がab面に平行である。また、この材料の臨界電流密度は77K、1Tで25000A/cｍ²である。なお図中3は電流の流れる方向を示す。
【００１９】
これらの電流リードを液体ヘリウム中で超電導体の臨界電流密度を測定するための臨界電流密度測定ホルダーに適用した。臨界電流密度は図６に示したようなクライオスタットを構成して測定される。図６は電流リードＡを設置した時の図を示したもので（ａ）は全体図、（ｂ）はＸ部分の拡大図である。使用した試料ホルダー１１は６つの試料の測定が可能であり、プラス側を共通にして２ｍｍ径の通電用銅線が合計７本キュプロニッケルパイプの心棒１６に沿って外部から測定部まで入っている（図の中では、銅線は省略している）。この径の銅線であれば、通常２００Ａまでの通電が可能である。
【００２０】
試料ホルダー１１は図に示されたようなステンレスデュワー１２にフランジ１３で固定され、試料ホルダー１１に設置した超電導試料に通電しながら、臨界電流密度を測定する。デュワー１２は真空１７と液体窒素１４によって熱的にシールドされ、通電用銅線がない場合の液体ヘリウム１５のレベルが２００ｍｍから０ｍｍになるまでの蒸発速度は、０．００７リットル／分である（以下、蒸発速度とは液体ヘリウムのレベルが２００ｍｍから０ｍｍまでの平均の蒸発速度をいう）。これに対して、２ｍｍ径の通電用銅線が７本デュワーの外から試料ホルダー１１まで入った場合の液体ヘリウムの蒸発量は、０．０８リットル／分であった。したがって、９０％以上の熱が通電用銅線を通じての熱伝導によって侵入してくることがわかった。
【００２１】
この銅線の途中にそれぞれ７本の電流リードＡ、電流リードＢ、電流リードＣを挿入・接続した場合の電流リード両端の電圧および液体ヘリウムの蒸発量を測定した。接続方法はＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x の電流リード１８両端の電極部分１９（長さ約１ｃｍ）にＲＦスパッタリング装置で銀を１μｍ成膜させ、これを長さ５ｃｍの銅編み線２０を介して通電用銅線に半田づけすることによって行った。銅線とＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x 電流リード１８の間に銅編み線２０を介する理由は、間にフレキシブルな銅編み線を入れることによって、冷却による熱収縮歪みを解放するためである。
【００２２】
液体ヘリウムのレベルがゼロの状態においても、電流リードは銅線からの熱伝導と液体ヘリウムからの蒸発ガスによって５０Ｋ以下に冷却された。図６において２１が液体ヘリウムのレベルがゼロの位置である。試料ホルダー１１の試料設置部分を銅ブロック２２で短絡し、それぞれの電流リードに２００Ａの直流電流を流した。すべての電流リードの両端には電圧は検出されなかった。
【００２３】
表１に電流リードＡ，Ｂ，Ｃそれぞれの電流リードを設置した場合の液体ヘリウムの蒸発量を示した。表に示したとおり、ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x の電流リードを挿入した場合は、挿入しない場合に比較して熱侵入が抑えられ、電流経路が長くなるにしたがってその効果が大きくなることがわかった。
【００２４】
【表１】

【００２５】
(参考例2)
次に、デュワー内を37.8mmHgまで排気をしてYBa₂Cu₃O_x電流リードを用いなかった場合と電流リードAを7本挿入した場合、電流リードBを7本挿入した場合および電流リードCを7本挿入した場合の液体ヘリウムの蒸発量を測定した。YBa₂Cu₃O_x電流リードを用いなかった場合、液体ヘリウムの蒸発量が大きく、37.8mmHgまで圧力が低下する前に液体ヘリウムの液面が0mmになってしまった。一方、YBa₂Cu₃O_x電流リードを用いた場合、減圧の結果ラムダ点に達し、この場合、液体ヘリウムの液面近傍は2.2Kに到達した。表2に平均の液体ヘリウムの消費量を示す。電流リードAと電流リードBおよび電流リードC間で大きな差が認められた。ミアンダ構造をとって電流経路を長くとったものは、液体ヘリウムの消費量は低減され、電流リードからの熱侵入が大幅に低減されたことがわかった。
【００２６】
【表２】

【００２７】
(実施例1)
次に、FRPの箱の中にYBa₂Cu₃O_x電流リードを1気圧のヘリウムガスで密封したものを作製し、参考例1と同様な実験を行った。銅線部分とFRPはスタイキャスト1266と呼ばれるエポキシ樹脂でシールした。したがって、低温に冷却されると、電流リードの周囲は減圧状態になる。表3に電流リードA、B、Cそれぞれ7本設置した場合の液体ヘリウムの消費量を示す。電流リードAの場合は、密封しない場合に比較して消費量が大きくなったが、電流リードBとCの場合は参考例1の場合に比較して、消費量が低減することがわかった。
されたことがわかった。
【００２８】
【表３】

【００２９】
(参考例3)
次に、形状・結晶方位の異なる切り出し方をした試料の液体窒素温度における臨界電流を測定した。測定した試料は参考例1で用いた電流リードAからCおよび図7から図9に示したような試料であり、それぞれ電流リードD、E、Fとする。すべての電流リードに使用されたYBa₂Cu₃O_xは大傾角粒界のない配向した材料である。電流リードDは、電流リードCと同じ形状であるが結晶方位が異なる。電流リードEは、電流リードBと同一形状であるが、切り出し方位が異なる。電流リードFは、電流リードCと結晶方位は同じであるが、電流リードCに比較して電極部分の断面積が細く、中心部の断面積と同じに切り出されたものである。
【００３０】
臨界電流測定は４端子法で行い、電流端子は両端１ｃｍの部分で実施例１に示したものと同様な方法で形成した。電圧端子はその内側５ｍｍの部分につけた。電流リードＡからＣまでは、電源の測定限界である５００Ａまで電圧は発生せず、すなわち臨界電流が５００Ａ以上であった。電流リードＤは３９０Ａの電流を印加したところで、ミアンダ構造の中央部の図７の４の部分で破損してしまった。破損はａｂ面での劈開割れであったが、これは電流経路間の電磁力によるものであったと考えられる。電流リードＥの場合は破壊は起こらなかったが、４００Ａ通電したところで臨界電流に達した。これは、電流経路が臨界電流の低いｃ軸方向になっているためと考えられる。電流リードＦの場合は、４８０Ａ通電したところで、電流端子近傍の図９の５の部分で焼損してしまった。これは、電流端子部分の温度が接触抵抗によるジュール熱により温度上昇を起こし、局所的にクエンチしてしまったためと考えられる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、配向した臨界電流密度の高いＲＥＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x 系バルク超電導体に結晶方位を規定して切り込み加工を施し、図１または図２に示されるようなジグザグな電流経路をとらせることにより、電流経路が長く熱侵入量の小さい電流リードが製造できる。これは、真空中あるいは減圧中で使用される電流リードとして特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ミアンダ構造を説明する図
【図２】（ａ），（ｂ）はそれぞれ屈曲した構造を有する電流リードを説明する図
【図３】電流リードＡの概略図
【図４】電流リードＢの概略図
【図５】電流リードＣの概略図
【図６】実施例における実験に用いたクライオスタットの概略図で（ａ）は全体図、（ｂ）はＸ部分の拡大図
【図７】電流リードＤの概略図
【図８】電流リードＥの概略図
【図９】電流リードＦの概略図
【符号の説明】
１ＲＥＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x 超電導体
２切り込み
３電流の流れる方向
４破損部分
５焼損部分
１１試料ホルダー
１２クライオスタット
１３フランジ
１４液体窒素
１５液体ヘリウム
１６心棒
１７真空
１８電流リード
１９電極部分
２０銅編み線
２１液体ヘリウムのレベルがゼロの位置
２２銅ブロック[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a current lead used in superconducting equipment that is cooled with liquid helium or a refrigerator.
[0002]
[Prior art]
Currently, almost all superconducting equipment is cooled to near liquid helium temperature (4.2K) and used. One of the major problems with these devices is heat penetration from room temperature. Although heat enters from various parts, the heat intrusion is particularly largest from a conductor that supplies current to the superconducting device. The current lead is a conductor that has been devised such as to optimize the shape so as to utilize the gas latent heat from liquid helium while ensuring a cross-sectional area (current capacity) for supplying current.
[0003]
The current lead used so far has mainly been copper, but recently an attempt has been made to replace it with an oxide superconducting material. Among oxide superconducting materials, YBa ₂ Cu ₃ O _x series, Bi ₂ Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ O ₁₀ series, Tl ₂ Ba ₂ Ca ₂ Cu ₃ O ₁₀ or Hg ₂ Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ O Those whose critical temperature exceeds the liquid nitrogen temperature (77K), such as the ₈ system, was discovered and these are utilized in the space from the liquid nitrogen temperature to the liquid helium temperature. The replacement of the current lead with the oxide superconductor has the following two advantages. One is that no Joule heat is generated because the electric resistance is zero in the superconducting state, and the other is that the thermal conductivity is lower than that of copper.
[0004]
As described above, an oxide superconductor is a very promising material for a current lead, but in order to be used as this material, a certain critical current density and a certain length or more are required. In particular, since the superconducting current lead does not have Joule heat from the current lead itself, a longer current path with respect to the direction of the temperature gradient is advantageous from the viewpoint of heat penetration. Bi ₂ Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ O _10- based material produced by a sintering method can be used for superconducting magnets operating in a refrigerator because a long material can be produced relatively easily. However, because it is a sintered body and a Bi-based material that does not have a very high pinning force, the conductor cross-sectional area must be increased, and the critical current density significantly deteriorates in a strong magnetic field. It is not suitable as a base material for compact current leads.
[0005]
When considering the critical current density and its characteristics in a magnetic field, the YBa ₂ Cu ₃ O _x -based superconducting material has excellent characteristics. The position of Y is replaced with one or more elements selected from the group consisting of other La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. Hereinafter, it is expressed as REBa ₂ Cu ₃ O _x . However, in the case of this material system, the crystal grain boundary needs to be highly oriented because the crystal grain boundary significantly reduces the critical current density. In the current technology, methods for producing oriented REBa ₂ Cu ₃ O _x include a method of forming a film on a substrate having a close lattice constant and a melting method. However, in the former case, since a vapor phase method is used, it is difficult to produce a material having a large cross-sectional area due to the problem of film formation speed, and even if the critical current density can be increased, the critical current indispensable for the current lead cannot be increased. is there.
[0006]
On the other hand, by using a melting method represented by the QMG method (Japanese Patent Laid-Open No. 63-261607, Japanese Patent Application No. 2-402204), a material having a relatively large critical current density and a relatively large size can be actually obtained. In the melting method, the temperature is raised once to a temperature region in which the liquid phase mainly composed of RE ₂ BaCuO ₅ and Ba—Cu—O coexists, and this is cooled to just above the peritectic temperature where REBa ₂ Cu ₃ O _x is formed. Then, by slowly cooling from this temperature, the crystal is grown to obtain large crystal grains. By this method, a bulk superconducting material having crystal grains of about 20 cm ² or more can be currently produced. This material has a critical current density of 10000 A / cm ² at 77 K and 1 T, which is superior to the Bi ₂ Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ O ₁₀ -based material described above.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the shape obtained by this method is a bulk shape, there is a limit in taking a long one-dimensional current path. Therefore, the present invention provides a compact current lead provided with a long current path by cutting a REBa ₂ Cu ₃ O _x bulk superconductor having a limited length but a high critical current.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the above problems, and is an oriented REBa ₂ Cu ₃ O _x bulk superconductor having a meander structure (RE is Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, A current path of REBa ₂ Cu ₃ O _x with a conductor composed of one or more elements selected from the group consisting of Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu) and a conductive wire connected to both ends thereof. There is always parallel with the ab plane, the cross-sectional area of the REBa ₂ Cu ₃ O _x type bulk superconductor to be connected to the conductors have larger than the central portion, and poor thermal conductivity of the gap of the current path of the meandering structure A superconducting current lead characterized by being filled with a material and hermetically sealed with a material having poor thermal conductivity . Also, a conductor constituted by the connected wires oriented REBa ₂ Cu ₃ O _x type bulk superconductor and at both ends of the current path of the REBa ₂ Cu ₃ O _x is bent at an angle of 90 degrees In addition, the current path is always parallel to the ab plane, the cross-sectional area of the REBa ₂ Cu ₃ O _x bulk superconductor connected to the conductor is larger than the center, and it is airtight with a material with poor thermal conductivity A superconducting current lead which is sealed in
[0009]
[Action]
In the present invention, an oriented REBa ₂ Cu ₃ O _x bulk superconductor 1 such as a QMG material is subjected to a cutting process 2, and a two-dimensional current as shown in FIG. 1, FIG. 2 (a), (b). Means for taking a route are provided. By taking such a zigzag current path, a compact current lead with low heat conduction and large current capacity even in a magnetic field can be obtained. This is particularly useful as a current lead used in a refrigerator-conducting superconducting magnet used in vacuum or reduced pressure.
[0010]
As described above, the above-mentioned oxide superconducting material has a crystal grain boundary that significantly reduces the critical current density. Therefore, in a structure having a crystal grain boundary that crosses the current path, a high-performance current lead is not used. Don't be. Therefore, the REBa ₂ Cu ₃ O _x used must be oriented. In addition, since this material has a small critical current density in the c-axis (longest axis of the unit cell) direction and the strength of a plane perpendicular to this axis (ab-plane) is extremely small, FIGS. As shown, the longitudinal direction, ie the current path, must be parallel to the ab plane.
[0011]
FIG. 1 shows a structure called a meander structure. This structure has three advantages. The first is that the current flowing through the adjacent current paths is in the opposite direction, so that the inductance can be reduced. The second is that it can be made compact. In particular, a REBa ₂ Cu ₃ O _x bulk superconductor produced by the QMG method has a high critical current density, a small cross-sectional area, and can be made considerably compact. Third, it is easy to give a shape. In fact, a flat sample can be easily produced with a diamond cutter.
[0012]
The portion connected to the conductors at both ends has a temperature rise due to Joule heat or the like due to the resistance of the conductor or the contact resistance between the conductor and REBa ₂ Cu ₃ O _x. There is a risk of conducting transition (quenching). Since this material has low heat conduction, heat is locally generated at the normal conducting transition portion, and the risk of burning is increased. In order to reduce this risk, it is necessary to increase the cross-sectional area in the vicinity of the connecting portion with the conducting wire so that even if a quench occurs, it occurs from the central portion to the entire current lead.
[0013]
In the meander structure, since the direction of the adjacent current is 180 degrees, an electromagnetic force acts between the paths, which is a disadvantageous structure in terms of strength. Therefore, a form in which the gap in the current path is filled with a material having poor thermal conductivity such as FRP is also conceivable. The structure shown in FIG. 2 cannot take a longer current path than the meander structure, but the current paths are orthogonal, so it is a structure that does not apply electromagnetic force and can be easily processed from a plate-shaped sample. It is.
[0014]
In order for the current current lead concept to positively use the evaporated helium gas, it was necessary for the current to flow in the direction of the temperature gradient of the gas. However, in the case of a current lead used for a superconducting magnet operating in a refrigerator as described above, it is not always necessary to make it long in one direction. In the case of such a magnet, since the current lead is installed in a vacuum space of 10K-80K and is cooled by conduction cooling from the refrigerator, a temperature gradient is formed along the current lead conductor. Therefore, even if it has a two-dimensional structure such as a meander structure, the effect of increasing the conduction path is sufficient.
[0015]
In addition, when a structure such as a meander structure is used in a gas, there is heat transfer by the gas between adjacent paths, so a material with poor heat conductivity such as stainless steel, cupronickel, and FRP is used in a vacuum or in a reduced pressure state. The effect is greater when sealed and used.
[0016]
The reason for limiting to the oriented REBa ₂ Cu ₃ O _x bulk superconductor in the present invention is that the Bi-based sintered material has a small critical current density, and thus has a large cross-sectional area, which is a great effect of the present invention. This is because compactness cannot be obtained, and a critical current cannot be increased with a thin film material produced by a vapor phase method. In order to increase the critical current, a method of stacking them in parallel is also conceivable, but since the thickness of the substrate is relatively large, the heat conduction of the substrate cannot be ignored.
[0017]
The thickness is desirably 0.1 mm or more. The reason is that this thickness is roughly the boundary between the thin film and the bulk, and generally a superconducting magnet requires a current capacity of 100 A or more, but the critical current density of 77 K of this material is about 100,000 A / cm ² at zero magnetic field. Because there is. Further, as a practical matter, it is not realistic to make it thinner.
[0018]
【Example】
( Reference Example 1)
Current leads as shown in FIGS. 3, 4 and 5 were produced from YBa ₂ Cu ₃ O _x bulk superconductors produced by the QMG method. These are referred to as current lead A (FIG. 3), current lead B (FIG. 4), and current lead C (FIG. 5). All processing including the cut portion 2 of the current lead B was performed using a diamond cutter. The material constituting each current lead does not have a large-angle grain boundary throughout, and has a structure in which the Y ₂ BaCuO ₅ phase is uniformly dispersed within an average of 2 μm or less within the YBa ₂ Cu ₃ O _x phase of the matrix. . As shown in FIGS. 3 to 5, the crystal orientation is such that the widest surface of the sample is the ab plane, that is, the direction of current flow is parallel to the ab plane. The critical current density of this material is 25000 A / cm ² at 77K and 1T. In the figure, 3 indicates the direction of current flow.
[0019]
These current leads were applied to a critical current density measuring holder for measuring the critical current density of superconductors in liquid helium. The critical current density is measured by constituting a cryostat as shown in FIG. 6A and 6B are diagrams when the current lead A is installed. FIG. 6A is an overall view, and FIG. 6B is an enlarged view of a portion X. The used sample holder 11 can measure six samples, and a total of seven 2 mm diameter conductive copper wires are inserted from the outside along the mandrel 16 of the cupronickel pipe from the outside to the measuring section with the plus side in common. (The copper wire is omitted in the figure). If it is a copper wire of this diameter, it can usually energize up to 200A.
[0020]
The sample holder 11 is fixed to a stainless steel dewar 12 as shown in the figure with a flange 13, and the critical current density is measured while energizing a superconducting sample placed on the sample holder 11. The dewar 12 is thermally shielded by the vacuum 17 and the liquid nitrogen 14, and the evaporation rate until the level of the liquid helium 15 in the absence of the energizing copper wire is changed from 200 mm to 0 mm is 0.007 liter / min ( Hereinafter, the evaporation rate means an average evaporation rate when the level of liquid helium is 200 mm to 0 mm). On the other hand, the evaporation amount of liquid helium when a 2 mm diameter copper wire for energization enters from the 7 dewars to the sample holder 11 was 0.08 liter / min. Therefore, it was found that 90% or more of heat enters by heat conduction through the energizing copper wire.
[0021]
The voltage at both ends of the current lead and the evaporation amount of liquid helium when seven current leads A, current leads B, and current leads C were inserted and connected respectively in the middle of the copper wire were measured. The connection method is such that a 1 μm silver film is formed on an electrode portion 19 (about 1 cm in length) at both ends of a YBa ₂ Cu ₃ O _x current lead 18 by an RF sputtering apparatus, and this is energized through a copper braid wire 20 having a length of 5 cm This was done by soldering to a copper wire. The reason why the copper braided wire 20 is interposed between the copper wire and the YBa ₂ Cu ₃ O _x current lead 18 is to release the heat shrinkage strain due to cooling by inserting a flexible copper braided wire therebetween.
[0022]
Even when the level of liquid helium was zero, the current lead was cooled to 50K or less by heat conduction from the copper wire and vaporized gas from the liquid helium. In FIG. 6, 21 is a position where the level of liquid helium is zero. The sample installation part of the sample holder 11 was short-circuited by the copper block 22, and a direct current of 200 A was passed through each current lead. No voltage was detected across all current leads.
[0023]
Table 1 shows the evaporation amount of liquid helium when current leads A, B, and C are installed. As shown in the table, it was found that when the YBa ₂ Cu ₃ O _x current lead was inserted, the heat penetration was suppressed as compared with the case where no current lead was inserted, and the effect became greater as the current path became longer. .
[0024]
[Table 1]

[0025]
( Reference Example 2)
Next, when the inside of the dewar is evacuated to 37.8 mmHg and the YBa ₂ Cu ₃ O _x current lead is not used, when seven current leads A are inserted, when seven current leads B are inserted, and when the current lead C The amount of evaporation of liquid helium when seven were inserted was measured. When the YBa ₂ Cu ₃ O _x current lead was not used, the liquid helium vaporization amount was large, and the liquid helium level became 0 mm before the pressure dropped to 37.8 mmHg. On the other hand, when the YBa ₂ Cu ₃ O _x current lead was used, the lambda point was reached as a result of depressurization. In this case, the vicinity of the liquid helium surface reached 2.2K. Table 2 shows the average liquid helium consumption. A large difference was observed between current lead A, current lead B, and current lead C. It was found that when the meander structure was used and the current path was long, the consumption of liquid helium was reduced and the heat penetration from the current lead was greatly reduced.
[0026]
[Table 2]

[0027]
(Example 1 )
Next, a YBa ₂ Cu ₃ O _x current lead sealed with 1 atm helium gas was fabricated in an FRP box, and the same experiment as in Reference Example 1 was performed. The copper wire and FRP were sealed with an epoxy resin called Stycast 1266. Therefore, when cooled to a low temperature, the periphery of the current lead is in a reduced pressure state. Table 3 shows the consumption of liquid helium when seven current leads A, B, and C are installed. In the case of the current lead A, the consumption amount was larger than that in the case of not sealing, but in the case of the current leads B and C, it was found that the consumption amount was reduced as compared with the case of Reference Example 1.
I found out.
[0028]
[Table 3]

[0029]
( Reference Example 3 )
Next, the critical current at the liquid nitrogen temperature was measured for samples cut out in different shapes and crystal orientations. The measured samples are the current leads A to C and the samples as shown in FIGS. 7 to 9 used in Reference Example 1, and are referred to as current leads D, E, and F, respectively. YBa ₂ Cu ₃ O _x used for all current leads is an oriented material without large tilt grain boundaries. The current lead D has the same shape as the current lead C but has a different crystal orientation. The current lead E has the same shape as the current lead B, but the cutting direction is different. The current lead F has the same crystal orientation as that of the current lead C, but the electrode portion has a smaller cross-sectional area than the current lead C, and is cut out to have the same cross-sectional area as the central portion.
[0030]
The critical current measurement was performed by the 4-terminal method, and the current terminals were formed by the same method as that shown in Example 1 at both ends of 1 cm. The voltage terminal was attached to the inner 5 mm portion. From the current leads A to C, no voltage was generated up to 500 A which is the measurement limit of the power source, that is, the critical current was 500 A or more. When a current of 390 A was applied, the current lead D was broken at a portion 4 in FIG. 7 at the center of the meander structure. The breakage was a cleavage crack on the ab plane, which is considered to be due to electromagnetic force between the current paths. In the case of the current lead E, destruction did not occur, but the critical current was reached when 400 A was applied. This is presumably because the current path is in the c-axis direction with a low critical current. In the case of the current lead F, when 480 A was energized, it was burned out at a portion 5 in FIG. 9 near the current terminal. This is presumably because the temperature of the current terminal portion has risen due to Joule heat due to contact resistance and has been locally quenched.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, the REBa ₂ Cu ₃ O _x bulk superconductor having a high critical current density is subjected to a cutting process with a crystal orientation defined, and a zigzag current path as shown in FIG. 1 or FIG. 2 is formed. As a result, a current lead having a long current path and a small amount of heat penetration can be manufactured. This is particularly useful as a current lead used in vacuum or reduced pressure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a meander structure. FIG. 2 is a diagram illustrating a current lead having a bent structure. FIG. 3 is a schematic diagram of a current lead A. FIG. FIG. 5 is a schematic view of a current lead C. FIG. 6 is a schematic view of a cryostat used in an experiment in the example, (a) is an overall view, and (b) is an enlarged view of an X portion. Schematic diagram of current lead D FIG. 8 Schematic diagram of current lead E FIG. 9 Schematic diagram of current lead F
1 REBa ₂ Cu ₃ O _x superconductor 2 infeed direction 4 through the third current damaged portion 5 burnout portion 11 specimen holder 12 cryostat 13 flange 14 liquid nitrogen 15 liquid helium 16 mandrel 17 vacuum 18 current lead 19 electrode portion 20 copper braid 21 Position 22 where liquid helium level is zero Copper block

Claims

Oriented REBa ₂ Cu ₃ O _x bulk superconductor with meander structure (RE is Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu One or more elements selected from the group consisting of) and a conductor connected to both ends of the conductor, the current path of REBa ₂ Cu ₃ O _x is always parallel to the ab plane and connected to the conductor The cross-sectional area of the REBa ₂ Cu ₃ O _x bulk superconductor is larger than the central part, and the gap of the current path of the meander structure is filled with a material having poor thermal conductivity , and the thermal conductivity A superconducting current lead which is hermetically sealed with a bad material .

Oriented REBa ₂ Cu ₃ O _x bulk superconductor (RE is a group consisting of Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu A conductor composed of one or more selected elements) and conductors connected to both ends thereof, the current path of REBa ₂ Cu ₃ O _x bends at an angle of 90 degrees, and the current path is always Parallel to the ab plane, the cross-sectional area of the REBa ₂ Cu ₃ O _x bulk superconductor connected to the conductor is larger than the center, and it is hermetically sealed with a material with poor thermal conductivity Superconducting current lead characterized by.