JP3776618B2

JP3776618B2 - 酸化物超電導体と常電導体との接合方法

Info

Publication number: JP3776618B2
Application number: JP05397099A
Authority: JP
Inventors: 純也前田; 輝郎和泉; 融塩原
Original assignee: International Superconductivity Technology Center
Current assignee: International Superconductivity Technology Center
Priority date: 1999-03-02
Filing date: 1999-03-02
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2019-03-02
Also published as: JP2000252115A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物超電導体と常電導体との接合方法、詳しくは酸化物超電導体で形成された電流リードの端部に常電導体の端子を接合するための接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超電導体コイルは、液体ヘリウム等の冷媒や極低温冷凍機によって冷却され、極低温下で運用される。このため、超電導体コイルへの電力供給用の電流リードとしては、電流リードを伝って外部から侵入する侵入熱と、電流を流したときに電流リードに発生するジュール熱とを同時に低減させる酸化物超電導体のファイバーが使用されている（以下、このような電流リードを「酸化物超電導体電流リード」という。）。
【０００３】
酸化物超電導体電流リードは、その一端が銅線などの常電導体リードに接続され、超電導体コイルに電力を供給する電力供給機器と電気的に接続される。酸化物超電導体電流リードの一端には、常電導体リードとの接続のため、常電導体の端子が設けられている。端子を形成する常電導体としては銀が多く用いられている。
【０００４】
酸化物超電導体電流リードの一端に常電導体の端子を設ける方法としては、従来よりスパッタリング法が用いられているが、最近では、界面における接触抵抗の点でより優れた溶融法が提案されている（溶接学会論文集第１４巻第１号 p.162-167 (1996)）。溶融法は、端子となる常電導体を一旦溶融状態にし、これを酸化物超電導体に付着させて端子を形成する方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、提案されている溶融法においては、酸化物超電導体の金属成分（特にＣｕ成分）が溶融状態にある常電導体に溶出し、酸化物超電導体と常電導体との界面に反応層が生成してしまうことがある。また、この反応層は超電導体ではないため、酸化物超電導体と常電導体との界面における接触抵抗を著しく大きくしてしまう。
【０００６】
本発明の課題は、上記問題を解決し、酸化物超電導体と常電導体との界面における反応層の生成を抑制し得る酸化物超電導体と常電導体との接合方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者らは鋭意研究した結果、溶融状態にある常電導体に、酸化物超電導体の金属成分と同一の成分を有する物質を予め配合すれば反応層の生成が抑制されることを見出し、本発明を完成させた。
【０００８】
本発明の酸化物超電導体と常電導体との接合方法は、次の特徴を有するものである。
（１）酸化物超電導体で形成された部材の一部又は全部を、
該酸化物超電導体を構成する成分のうちの全ての種類の金属成分を少なくとも有する物質が予め配合され、かつ、溶融状態にある常電導体に、
浸漬する工程を有する、酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
【０００９】
（２）上記物質が、上記酸化物超電導体を構成する成分のうちの全ての種類のものを有するものである上記（１）記載の酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
【００１０】
（３）上記物質が上記酸化物超電導体と同一組成の酸化物超電導体である上記（１）記載の酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
【００１１】
（４）上記物質の配合量が上記常電導体１００重量部に対して０．５重量部〜２０重量部である上記（３）記載の酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
【００１２】
（５）上記酸化物超電導体で形成された部材が、一方向凝固法による希土類系酸化物超電導体の単結晶ファイバーである上記（１）記載の酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
【００１３】
（６）上記常電導体が銀である上記（１）記載の酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
【００１４】
（７）上記常電導体の温度が、上記酸化物超電導体の包晶温度以下に設定されている上記（１）記載の酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
【００１５】
【作用】
以上のように、本発明の酸化物超電導体と常電導体との接合方法においては、溶融状態にある常電導体に、酸化物超電導体の金属成分と同一成分を少なくとも有する物質が予め配合されている。このため、酸化物超電導体で形成された部材を常電導体に浸漬した際に、該酸化物超電導体の金属成分が常電導体に溶出するのを抑制することができ、反応層の生成を抑制することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の酸化物超電導体と常電導体との接合方法を図を用いて詳細に説明する。図１は本発明の酸化物超電導体と常電導体との接合方法の一例を示す図であり、断面で示している。
図１の例に示すように、本発明の酸化物超電導体と常電導体との接合方法は、酸化物超電導体で形成された部材１の一部又は全部を、該酸化物超電導体の金属成分と同一の成分を少なくとも有する物質が予め配合され、溶融状態にある常電導体２に浸漬する工程を有している。
【００１７】
図１の例では、部材１として、一方向凝固法によって得られたＹ系高温超電導体（ＹＢＣＯ）の単結晶ファイバーが使用されている。この単結晶ファイバーは酸化物超電導体電流リードとして用いられるものである。部材１は、一端１ａが常電導体に浸漬されており、他端１ｂにはアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）の棒３が取り付けられている。常電導体２には、超電導状態に悪影響を及ぼしにくく、抵抗が小さく、又コストが比較的安価な点から銀が用いられている。
【００１８】
また図１の例では、常電導体に配合する物質として、部材１を形成している酸化物超電導体と同一組成の酸化物超電導体、即ちＹ系高温超電導体が用いられている。このＹ系高温超電導体は粉末状にされて常電導体２に配合されている。Ｙ系高温超電導体が配合された常電導体２は、アルミナで形成されたるつぼ４に入れられ、このるつぼ４内で溶融される。工程は電気炉（図示せず）内において大気雰囲気中で行われている。
【００１９】
図２は図１に示した接合方法を用いて作製した酸化物超電導体電流リードを示す図であり、断面で示している。図２の例に示すように、本発明の酸化物超電導体と常電導体との接合方法を用いることにより、単結晶ファイバーである部材１の一端１ａに常電導体の端子５が形成されている。酸化物超電導体電流リード１０は、本発明の接合方法を用いることによって作製されている。
【００２０】
本発明の酸化物超電導体と常電導体との接合方法は、酸化物超電導体と常電導体とを接合する必要のある用途であれば、どのような用途であっても適用できるが、上記のように酸化物超電導体電流リードの作製において好ましく適用できる。
【００２１】
本発明で用いられる部材を形成する酸化物超電導体としては、図１で示したＹＢＣＯに代表される希土類系酸化物超電導体（ＲＥ１２３系超電導体）、Ｂｉ系酸化物超電導体、およびＴｌ系酸化物超電導体が挙げられる。
【００２２】
具体的には、ＲＥ１２３系超電導体としては、Ｙ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X（ＹＢＣＯ）、Ｙｂ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X、Ｄｙ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X、Ｇｄ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X、Ｓｍ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X、Ｎｄ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_Xが挙げられ、更に希土類元素が混合して存在（混晶系）する（Ｙｂ，Ｙ）₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X、同じく（Ｎｄ，Ｙ）₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X、同じく（Ｎｄ，Ｓｍ，Ｙ）₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_Xも挙げられる。
【００２３】
また、Ｂｉ系酸化物超電導体としては、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₁Ｃｕ₂Ｏ_XやＢｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_Xが挙げられる。Ｔｌ系酸化物超電導体としては、Ｔｌ₂Ｓｒ₂Ｃａ₁Ｃｕ₂Ｏ_X、Ｔｌ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X、Ｔｌ₁Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_Xが挙げられる。
【００２４】
上記に掲げた酸化物超電導体の酸素量は、ＲＥ１２３系超電導体では（混晶系を含む）６．５≦Ｘ≦８．０、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₁Ｃｕ₂Ｏ_Xでは７．５≦Ｘ≦８．５、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_Xでは９．５≦Ｘ≦１０．５、Ｔｌ₂Ｓｒ₂Ｃａ₁Ｃｕ₂Ｏ_Xでは７．５≦Ｘ≦８．５、Ｔｌ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_Xでは９．５≦Ｘ≦１０．５、Ｔｌ₁Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_Xでは５．５≦Ｘ≦６．５であるのが良い。
【００２５】
本発明の接合方法によって図２に示したように酸化物超電導体電流リードを作製するのであれば、上記に挙げた酸化物系超電導体のうち、臨界電流密度に優れている点で、ＲＥ１２３系超電導体が好ましく用いられる。とりわけ、酸素分圧下にも拘らずストイキオメトリーに超電導相であるＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X構造がとれ、しかも材料の入手が比較的容易である点から、ＹＢＣＯが特に好ましく用いられる。
【００２６】
図１で示したように常電導体として銀を用いるのであれば、上記で挙げた酸化物超電導体は銀を含むもの、例えばＹｂ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X／Ａｇ、Ｙ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X／Ａｇ、Ｎｄ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X／Ａｇ、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X／Ａｇなどであっても良い。このように酸化物超電導体が銀を含んでいる場合においては、超電導体中に既存している銀粒子と溶融銀が比較的容易に融着するため、酸化物超電導体と常電導体との界面において低接触抵抗化が実現できる。また、上記で挙げた酸化物超電導体はＰｔやＣｅＯ₂等の添加物を含むものであっても良い。
【００２７】
本発明で用いられる部材の形状は、それが用いられる用途に応じた形状であれば良い。例えば用途が図２で示したような酸化物超電導体電流リードであるならば、部材の形状は図１、２で示したファイバー状又は棒状とすれば良い。部材の製造方法としては、一方向凝固法、焼結法等の従来より酸化物超電導体で用いられている製造方法を利用できる。なお、一方向凝固法とは、一種のゾーンメルト法であり、材料が凝固する際に熱の移動が一方向だけに起こるようにして凝固させる方法をいう。ＹＢＣＯを一方向凝固して得られたファイバーは単結晶となっており、結晶粒粒界が少ないため、超電導電流が粒界で阻害されることが少ないという効果を得ることができる。
【００２８】
本発明で用いられる常電導体としては、酸化物超電導体は不純物に対して非常に敏感であり、超電導体状態は少量の不純物が入っても劣化するため、超電導状態に悪影響を与えない金属を用いる必要がある。このようなものとしては金や銀等の貴金属が挙げられる。本発明の接合方法を用いて酸化物超電導体電流リードを作製するのであれば、抵抗が小さくまたコストの上でも安価な銀が最適である。
【００２９】
本発明において溶融状態にある常電導体に配合する物質は、部材を形成する酸化物超電導体の金属成分と同一の成分を少なくとも有する物質であれば良い。また、該物質は部材を形成する酸化物超電導体の成分と同一の成分を有する物質、即ち酸化物超電導体の金属成分と同一の成分と、酸素成分とを有する物質であっても良い。
【００３０】
例えば、部材を形成する酸化物超電導体が希土類系酸化物超電導体（ＲＥ１２３系超電導体）であるならば、ＲＥ、Ｂａ、Ｃｕを少なくとも有する物質が挙げられる。但し、酸化物超電導体が別の相に変化するのを防ぐため、この物質におけるＲＥ、Ｂａ、Ｃｕの組成比は、ＲＥ：Ｂａ：Ｃｕ＝１．０〜２．０：２．０〜２．５：３．０〜３．５であるのが良い。具体的には、部材を形成している酸化物超電導体と同一の組成の酸化物超電導体であるＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X、ＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_XとＲＥ₂Ｂａ₁Ｃｕ₁Ｏ₅とを混合してなるＲＥ_1.2Ｂａ_2.1Ｃｕ_3.1Ｏ_XやＲＥ_1.8Ｂａ_2.4Ｃｕ_3.4Ｏ_X等が挙げられる。
【００３１】
但し、本発明では、溶融状態にある常電導体に配合する物質としては、図１で示したように部材を形成している酸化物超電導体と同一の組成の酸化物超電導体が、準備が容易であり、又粉末状とし易い点から好ましく用いられる。なお、本発明でいう同一の組成とは成分及び成分の割合が同一であるものをいう。
【００３２】
常電導体への物質の配合は、常電導体を溶融する前後のいずれであっても良いが、とりわけ配合が容易に行える点から溶融前に行うのが好ましい。物質の形態は粉末状、粒状、塊状のいずれであっても良く、特に限定されるものではない。但し、溶融状態にある常電導体中に融解させやすい点から、物質は粉末状で配合するのが好ましい。物質の配合量は、常電導体１００重量部に対して０．５重量部〜２０重量部が良く、５重量部〜１０重量部が好ましい。
【００３３】
溶融状態にある常電導体の温度は、浸漬する部材を形成する酸化物超電導体が分解するのを防止するため、この酸化物超電導体の包晶温度以下に設定するのが好ましい。例えば、酸化物超電導体がＹＢＣＯ系の場合であれば９４０℃〜１００５℃の範囲内とするのが好ましい。ＳｍＢＣＯ系の場合であれば９４０℃〜１０７０℃の範囲内とするのが好ましい。ＮｄＢＣＯ系の場合であれば９４０℃〜１０９０℃の範囲内とするのが好ましい。
【００３４】
酸化物超電導体で形成された部材を常電導体に浸漬する時間の下限は、酸化物超電導体に常電導体が濡れはじめる時間以上にする必要があることから、０．１秒以上であるのが好ましい。一方、浸漬時間の上限は特に限定されるものではないが、１時間程度であれば十分である。これらのことより、本願発明においては浸漬時間は０．１秒〜１時間程度に設定するのが好ましい。
【００３５】
本発明の接合方法が行われる雰囲気は特に限定されるものではない。本発明の接合方法は、例えば大気中、酸素雰囲気中のいずれでも行うことができる。例えば、部材を形成する酸化物超電導体がＹＢＣＯであるならば、固溶体が存在しないストイキオメトリーな素材であることから、どの酸素雰囲気中でも反応層の生成を抑制して接合を行うことができる。部材を形成する酸化物超電導体がＳｍＢＣＯ又はＮｄＢＣＯであるならば、低酸素雰囲気下（酸素分圧０．０２ａｔｍ以下）で行うのが好ましい。
【００３６】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に示す。図１に示した本発明の接合方法を用いて、実際に図２と同様の酸化物超電導体電流リードを作製した。
【００３７】
実施例
銀９５重量部に、ＹＢＣＯの粉末５重量部を混合し、この混合物をアルミナのるつぼに入れ、大気雰囲気の電気炉内にて溶融した。次に、この融液の温度を９４０℃〜９７０℃に保持して、この融液に、一方向凝固法により形成したＹＢＣＯ単結晶ファイバー（直径１．５ｍｍ）の一端を約１時間浸漬した。その後、このファイバーを引き上げ、これに酸素雰囲気中（酸素分圧１ａｔｍ）において５００℃で７００時間の酸素導入処理を行い、酸化物超電導体電流リードを完成させた。
【００３８】
上記で得られた酸化物超電導体電流リードについて、酸化物超電導体と銀との界面を電子顕微鏡で観察したところ、反応層の生成は確認できなかった。また、この酸化物超電導体電流リードについて、直流電流を通電し、発生電圧から接触抵抗を算出したところ、接触抵抗は１０^-12Ωｍ²程度となり、極めて低い値であった。
【００３９】
比較例
アルミナのるつぼに銀のみを入れて溶融した以外は実施例と同様にして酸化物超電導体電流リードを完成させた。次に、この酸化物超電導体電流リードについても、実施例と同様に酸化物超電導体と銀との界面を電子顕微鏡で観察したところ、酸化物超電導体と常電導体との界面においてＣｕ成分が欠乏した反応層が生成していることが確認できた。さらに、実施例と同様にして接触抵抗を算出したところ、接触抵抗は１０^-6Ωｍ²〜１０^-5Ωｍ²程度であった。
【００４０】
【発明の効果】
このように本発明の酸化物超電導体と常電導体との接合方法を用いれば、酸化物超電導体と常電導体との界面における反応層の生成を抑制することができる。また、本発明の接合方法を用いれば、端子とリードとの接触抵抗が小さい酸化物超電導体電流リードを容易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸化物超電導体と常電導体との接合方法の一例を示す図である。
【図２】図１に示した接合方法を用いて作製した酸化物超電導体電流リードを示す図である。
【符号の説明】
１酸化物超電導体で形成された部材
２常電導体

Claims

酸化物超電導体で形成された部材の一部又は全部を、
該酸化物超電導体を構成する成分のうちの全ての種類の金属成分を少なくとも有する物質が予め配合され、かつ、溶融状態にある常電導体に、
浸漬する工程を有する、酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
上記物質が、上記酸化物超電導体を構成する成分のうちの全ての種類のものを有するものである請求項１記載の酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
上記物質が上記酸化物超電導体と同一組成の酸化物超電導体である請求項１記載の酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
上記物質の配合量が上記常電導体１００重量部に対して０．５重量部〜２０重量部である請求項３記載の酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
上記酸化物超電導体で形成された部材が、一方向凝固法による希土類系酸化物超電導体の単結晶ファイバーである請求項１記載の酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
上記常電導体が銀である請求項１記載の酸化物超電導体と常電導体との接合方法。
上記常電導体の温度が、上記酸化物超電導体の包晶温度以下に設定されている請求項１記載の酸化物超電導体と常電導体との接合方法。