JP3881322B2 - 酸化物超電導圧縮成型導体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物超電導圧縮成型導体及びその製造方法に係り、特に大電流容量が必要な電力機器、マグネットなどに用いる、例えば、送電ケーブル、変圧器、限流器を始めとする電力機器及び高エネルギー物理、核融合用のコイルに適する酸化物超電導圧縮成型導体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、酸化物超電導線材として、銀または合金パイプ中に超電導原料粉末を充填し、これに縮径加工またはこれに加えて圧延加工を施した後、熱処理を施した断面丸状あるいはテープ状の超電導線材が一般的に知られている。この銀シース法による超電導線材の臨界電流値を向上させるために、銀または合金パイプ中の超電導原料粉末の充填密度を高くして加工及び熱処理後の組織を緻密化させ、超電導電流を寸断されることなく流すためには、線材1本当たりの断面積には限界があるため、超電導電流は数十〜数百A程度に制限される。
【０００３】
従って、銀シース法による超電導線材を用いて大電流容量が必要な機器等に用いる場合には、通電容量及び機械的強度の増加が必要となり、これに必要な超電導電流は数〜数十キロアンペアに達するため、複数本の超電導線材を撚線し集合導体化する必要がある。送電ケーブルへの適用のためには、テープ状の線材を金属のフォーマ一にスパイラル状に巻き付け、通電容量１〜３ｋＡの導体が製造されているが、これは導体断面積当たりの電流密度及び可撓性が小さいため、超電導コイルに適用することはできない。
【０００４】
また、補強材の周囲に超電導線材を撚合せて導体化することも検討されているが、この場合、機械的強度は向上するものの、補強材からの構成元素の拡散により超電導線体を汚染し、また、補強材により導体の電流密度を低下させるという問題がある。
【０００５】
この問題を解決するために、本発明の発明者等による、耐熱性及び耐酸化腐食性を有する補強材料の外周にセラミック薄膜の電気的絶縁性を有し、かつ機械的歪を緩和する遮蔽層を設け、その周囲に超電導線材の圧縮成型撚線層を配置した酸化物超電導圧縮成型導体が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開2000-36221号公報（特許請求の範囲）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の酸化物超電導圧縮成型導体におけるセラミック薄膜のバリア層は、絶縁の役割を果たすとともに、熱処理中に補強材からの構成元素が拡散して超電導体を汚染することを防止する役目をも果たす。このように、この補強材は強度向上に有効であるが、補強材の断面積が導体断面積の50％以上に達するために、コイルを形成する導体の電流密度を低下させ、所望の磁場を得るために大型コイルの容積をさらに増加させるという欠点がある。
【０００８】
また、上記の構造の酸化物超電導圧縮成型導体において、遮蔽層をセラミックスシートの巻回層により形成した場合には、このセラミックスシートと補強材との間の空間の存在及びセラミックスシートと補強材との間の補強材軸方向のズレにより、タークスヘッドロール等による圧縮成型時に圧縮力が十分に伝達されず、十分な圧縮成型ができないという問題があった。
【０００９】
さらに、コイルの設計によっては、構造材料のみで補強が可能であり、導体自体に高い強度を求めるよりも、高電流密度が要求される場合もあり、その場合には、補強材断面積を減少させた酸化物超電導圧縮成型導体の構造が、ますます求められる。
【００１０】
本発明は、以上の問題を解決するためになされたもので、圧縮成型が容易で、かつ高電流密度を有し大電流通電時の交流損失を低減させた酸化物超電導圧縮成型導体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、本発明の酸化物超電導圧縮成型導体は、銀または銀基合金マトリックス中に多数の酸化物超電導フィラメントを配置した複数本の超電導線材を、セラミックスシートの外側に撚合せて圧縮成型したものである。
【００１２】
また、このような酸化物超電導圧縮成型導体は、セラミックスシートの外側に、銀または銀基合金マトリックス中に焼成により超電導酸化物を形成する物質からなる多数のフィラメントを配置した複数本の線材を撚合せ、次いで、全体に圧縮成型を施した後、焼成することにより製造することができる。
【００１３】
上記の酸化物超電導圧縮成型導体におけるセラミックスシートは、Al2O3、ZrO2、MgO、Y2O3、SiO2から選択された１種または２種以上の粉末あるいは繊維に有機バインダーを加えてシート状に漉いたものにより、またはAl2O3、ZrO2、MgO、Y2O3、SiO2から選択された１種または２種以上の繊維を織布状あるいは不織布状に形成したものにより形成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明における超電導線材は、銀シース法により製造されるが、銀シース法においては、銀又は銀合金パイプ内に超電導物質の原料粉末を充填し、これに縮径加工を施すか、あるいは更に圧延加工が施され、これらの複数本を銀又は銀合金パイプ内に収容した後、上記と同様の加工が施される。
【００１５】
この原料粉末としては、超電導物質を構成する元素を所定のモル比で含む仮焼粉末が使用され、Bi系（2212）酸化物超電導体の場合、その平均粒径が1〜5μm、最大粒径が20μmを超えないものが望ましい。この理由は、粒径が大きいとフィラメント中の超電導体密度が向上せず、フィラメント切れを生じ易くなるためである。
【００１６】
超電導線材のマトリックス中のフィラメントの本数は、加工が可能な限り任意に選定することができる。しかしながら、その本数は線材の加工終了時にフィラメントの厚さ又は径で5〜20μmの範囲となるように設計することが望ましい。この理由は、フィラメントの厚さ又は径は超電導粒子の配向に影響を及ぼし、フィラメントの厚さ又は径が5μm未満であると熱処理時の反応が激しく不純物が生成し易くなり、一方、20μmを越えると超電導粒子が配向しなくなるためである。最終線材径は、撚線加工が可能である限り任意に選択することができる。
【００１７】
次いで、この線材の複数本をセラミックスシートの外側に撚合せ、全体に圧縮成型を施した後、焼成される。
【００１８】
図１は、本発明によるラザフォード型の酸化物超電導圧縮成型導体1の一実施例を示したもので、銀または銀基合金マトリックス中に多数の酸化物超電導フィラメントを配置した複数本の超電導線材2を、セラミックスシート3の外側に撚合せて圧縮成型したものである。
【００１９】
セラミックシート3は、撚線する際の芯材となるだけでなく、焼成後は線材相互の融着を防ぎ、導体の可撓性を保つためにも有効である。また、絶縁層を形成するために、線材間の電気的結合を遮断し交流損失を低減させる役割を担う。
【００２０】
【実施例】
以下本発明の一実施例について説明する。
【００２１】
実施例
図1におけるセラミックシート3として、幅6mm、厚さ0．2mmのAl2O3（80％）−SiO2（20％）の長繊維を織ったテープ材を用いた。
【００２２】
一方、熱処理後に酸化物超電導線材2を構成する線材は、純銀マトリックス中にBi2Sr2CaCu208の粉末を充填して縮径加工を施した後、これの多数本を束ねて銀合金パイプに嵌合し、さらに1mmまで縮径することによって作成した。
【００２３】
次いで、セラミックシート3を芯材にして、上記の線材の19本を撚線ピッチが55mmになるように巻き付けた後、タークスヘッドロールにより圧縮成型して幅7.3〜8.2mm、厚さ1.6〜2.5mmの導体を作製した。これを所定の長さに切断し、酸素雰囲気中で最高温度850℃で120時間焼成して酸化物超電導圧縮成型導体を製造した。
【００２４】
このようにして製造した酸化物超電導圧縮成型導体の導体Ic、Je（Engineering J＝Ic／導体断面積）及び許容曲げ歪等を表1に示した。
【００２５】
【表１】
【００２６】
比較例1
上記実施例と同一の線材を用い、撚線の芯材として、幅6mm、厚さ0.3mmのNiCr80の補強材の周りに厚さ200μmの耐熱シートを遮蔽層として巻き付けたものを用いた他は実施例と同様の方法により酸化物超電導圧縮成型導体を製造した。
【００２７】
耐熱シートは、MgOが45％、Al2O3が10％、残部セルロースからなるものを用いた。
【００２８】
このようにして製造した酸化物超電導圧縮成型導体の導体Ic、Je及び許容曲げ歪等を表1に同様に示した。
【００２９】
比較例2
撚線の芯材として、幅6mm、厚さ0.3mmのNiCr80の補強材の周りに厚さ400μmの耐熱シートを遮蔽層として巻き付けたものを用いた他は比較例1と同様の方法により酸化物超電導圧縮成型導体を製造した。
【００３０】
このようにして製造した酸化物超電導圧縮成型導体の導体Ic、Je及び許容曲げ歪等を表1に同様に示した。
【００３１】
比較例3
撚線の芯材として、耐熱シートを遮蔽層として設けずに、幅6mm、厚さ0.3mmのNiCr80の補強材を用いた他は比較例1と同様の方法により酸化物超電導圧縮成型導体を製造した。
【００３２】
このようにして製造した酸化物超電導圧縮成型導体の導体Ic、Je及び許容曲げ歪等を表1に同様に示した。
【００３３】
比較例4
撚線の芯材を設けずに、比較例1と同様の方法により酸化物超電導圧縮成型導体を製造した。
【００３４】
このようにして製造した酸化物超電導圧縮成型導体の導体Ic、Je及び許容曲げ歪等を表1に同様に示した。
【００３５】
上記実施例及び比較例の結果から明らかなように、撚線の芯材として補強材の周りに耐熱シートを遮蔽層として巻き付けた場合には、導体の全断面積が大きくなるためJe値が小さく、また、補強材の周りに遮蔽層を設けずに単に補強材のみを撚線の芯材として用いた場合には、熱処理中に補強材からの構成元素が拡散して超電導体を汚染することにより、導体Ic及びJe値が小さくなる。また、撚線の芯材を用いない場合には、熱処理中の線間の融着により、導体の許容曲げ歪が極めて小さくなる。
【００３６】
これに対して、本発明による圧縮成型導体はJe値が高く、かつ十分な許容曲げ歪を有する。実施例と比較例3とは同一の許容曲げ歪値を示すが、実施例の場合にはセラミックスシートの厚さが薄いために、より小さな曲率半径で曲げることが可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の酸化物超電導圧縮成型導体及びその製造方法によれば、セラミックスシートの外側に複数本の超電導線材が圧縮成型されていることにより、セラミックシートが焼成後の線材の融着を防ぎ、導体の可撓性を保つ優れた効果を有する。
【００３８】
また、セラミックシートが絶縁層を形成するために、線材間の電気的な結合を遮断し、交流損失を低減させることができる。
【００３９】
さらに、セラミックシートは従来の技術の補強材と比べてコンパクトであるために、導体の電流密度Jeを顕著に高めることができ、大型の超電導コイルに適する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による酸化物超電導圧縮成型導体の一実施例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
1…酸化物超電導圧縮成型導体
2…超電導線材
3…セラミックスシート
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物超電導圧縮成型導体及びその製造方法に係り、特に大電流容量が必要な電力機器、マグネットなどに用いる、例えば、送電ケーブル、変圧器、限流器を始めとする電力機器及び高エネルギー物理、核融合用のコイルに適する酸化物超電導圧縮成型導体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、酸化物超電導線材として、銀または合金パイプ中に超電導原料粉末を充填し、これに縮径加工またはこれに加えて圧延加工を施した後、熱処理を施した断面丸状あるいはテープ状の超電導線材が一般的に知られている。この銀シース法による超電導線材の臨界電流値を向上させるために、銀または合金パイプ中の超電導原料粉末の充填密度を高くして加工及び熱処理後の組織を緻密化させ、超電導電流を寸断されることなく流すためには、線材1本当たりの断面積には限界があるため、超電導電流は数十〜数百A程度に制限される。
【０００３】
従って、銀シース法による超電導線材を用いて大電流容量が必要な機器等に用いる場合には、通電容量及び機械的強度の増加が必要となり、これに必要な超電導電流は数〜数十キロアンペアに達するため、複数本の超電導線材を撚線し集合導体化する必要がある。送電ケーブルへの適用のためには、テープ状の線材を金属のフォーマ一にスパイラル状に巻き付け、通電容量１〜３ｋＡの導体が製造されているが、これは導体断面積当たりの電流密度及び可撓性が小さいため、超電導コイルに適用することはできない。
【０００４】
また、補強材の周囲に超電導線材を撚合せて導体化することも検討されているが、この場合、機械的強度は向上するものの、補強材からの構成元素の拡散により超電導線体を汚染し、また、補強材により導体の電流密度を低下させるという問題がある。
【０００５】
この問題を解決するために、本発明の発明者等による、耐熱性及び耐酸化腐食性を有する補強材料の外周にセラミック薄膜の電気的絶縁性を有し、かつ機械的歪を緩和する遮蔽層を設け、その周囲に超電導線材の圧縮成型撚線層を配置した酸化物超電導圧縮成型導体が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開2000-36221号公報（特許請求の範囲）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の酸化物超電導圧縮成型導体におけるセラミック薄膜のバリア層は、絶縁の役割を果たすとともに、熱処理中に補強材からの構成元素が拡散して超電導体を汚染することを防止する役目をも果たす。このように、この補強材は強度向上に有効であるが、補強材の断面積が導体断面積の50％以上に達するために、コイルを形成する導体の電流密度を低下させ、所望の磁場を得るために大型コイルの容積をさらに増加させるという欠点がある。
【０００８】
また、上記の構造の酸化物超電導圧縮成型導体において、遮蔽層をセラミックスシートの巻回層により形成した場合には、このセラミックスシートと補強材との間の空間の存在及びセラミックスシートと補強材との間の補強材軸方向のズレにより、タークスヘッドロール等による圧縮成型時に圧縮力が十分に伝達されず、十分な圧縮成型ができないという問題があった。
【０００９】
さらに、コイルの設計によっては、構造材料のみで補強が可能であり、導体自体に高い強度を求めるよりも、高電流密度が要求される場合もあり、その場合には、補強材断面積を減少させた酸化物超電導圧縮成型導体の構造が、ますます求められる。
【００１０】
本発明は、以上の問題を解決するためになされたもので、圧縮成型が容易で、かつ高電流密度を有し大電流通電時の交流損失を低減させた酸化物超電導圧縮成型導体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、本発明の酸化物超電導圧縮成型導体は、銀または銀基合金マトリックス中に多数の酸化物超電導フィラメントを配置した複数本の超電導線材を、セラミックスシートの外側に撚合せて圧縮成型したものである。
【００１２】
また、このような酸化物超電導圧縮成型導体は、セラミックスシートの外側に、銀または銀基合金マトリックス中に焼成により超電導酸化物を形成する物質からなる多数のフィラメントを配置した複数本の線材を撚合せ、次いで、全体に圧縮成型を施した後、焼成することにより製造することができる。
【００１３】
上記の酸化物超電導圧縮成型導体におけるセラミックスシートは、Al2O3、ZrO2、MgO、Y2O3、SiO2から選択された１種または２種以上の粉末あるいは繊維に有機バインダーを加えてシート状に漉いたものにより、またはAl2O3、ZrO2、MgO、Y2O3、SiO2から選択された１種または２種以上の繊維を織布状あるいは不織布状に形成したものにより形成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明における超電導線材は、銀シース法により製造されるが、銀シース法においては、銀又は銀合金パイプ内に超電導物質の原料粉末を充填し、これに縮径加工を施すか、あるいは更に圧延加工が施され、これらの複数本を銀又は銀合金パイプ内に収容した後、上記と同様の加工が施される。
【００１５】
この原料粉末としては、超電導物質を構成する元素を所定のモル比で含む仮焼粉末が使用され、Bi系（2212）酸化物超電導体の場合、その平均粒径が1〜5μm、最大粒径が20μmを超えないものが望ましい。この理由は、粒径が大きいとフィラメント中の超電導体密度が向上せず、フィラメント切れを生じ易くなるためである。
【００１６】
超電導線材のマトリックス中のフィラメントの本数は、加工が可能な限り任意に選定することができる。しかしながら、その本数は線材の加工終了時にフィラメントの厚さ又は径で5〜20μmの範囲となるように設計することが望ましい。この理由は、フィラメントの厚さ又は径は超電導粒子の配向に影響を及ぼし、フィラメントの厚さ又は径が5μm未満であると熱処理時の反応が激しく不純物が生成し易くなり、一方、20μmを越えると超電導粒子が配向しなくなるためである。最終線材径は、撚線加工が可能である限り任意に選択することができる。
【００１７】
次いで、この線材の複数本をセラミックスシートの外側に撚合せ、全体に圧縮成型を施した後、焼成される。
【００１８】
図１は、本発明によるラザフォード型の酸化物超電導圧縮成型導体1の一実施例を示したもので、銀または銀基合金マトリックス中に多数の酸化物超電導フィラメントを配置した複数本の超電導線材2を、セラミックスシート3の外側に撚合せて圧縮成型したものである。
【００１９】
セラミックシート3は、撚線する際の芯材となるだけでなく、焼成後は線材相互の融着を防ぎ、導体の可撓性を保つためにも有効である。また、絶縁層を形成するために、線材間の電気的結合を遮断し交流損失を低減させる役割を担う。
【００２０】
【実施例】
以下本発明の一実施例について説明する。
【００２１】
実施例
図1におけるセラミックシート3として、幅6mm、厚さ0．2mmのAl2O3（80％）−SiO2（20％）の長繊維を織ったテープ材を用いた。
【００２２】
一方、熱処理後に酸化物超電導線材2を構成する線材は、純銀マトリックス中にBi2Sr2CaCu208の粉末を充填して縮径加工を施した後、これの多数本を束ねて銀合金パイプに嵌合し、さらに1mmまで縮径することによって作成した。
【００２３】
次いで、セラミックシート3を芯材にして、上記の線材の19本を撚線ピッチが55mmになるように巻き付けた後、タークスヘッドロールにより圧縮成型して幅7.3〜8.2mm、厚さ1.6〜2.5mmの導体を作製した。これを所定の長さに切断し、酸素雰囲気中で最高温度850℃で120時間焼成して酸化物超電導圧縮成型導体を製造した。
【００２４】
このようにして製造した酸化物超電導圧縮成型導体の導体Ic、Je（Engineering J＝Ic／導体断面積）及び許容曲げ歪等を表1に示した。
【００２５】
【表１】
比較例1
上記実施例と同一の線材を用い、撚線の芯材として、幅6mm、厚さ0.3mmのNiCr80の補強材の周りに厚さ200μmの耐熱シートを遮蔽層として巻き付けたものを用いた他は実施例と同様の方法により酸化物超電導圧縮成型導体を製造した。
【００２７】
耐熱シートは、MgOが45％、Al2O3が10％、残部セルロースからなるものを用いた。
【００２８】
このようにして製造した酸化物超電導圧縮成型導体の導体Ic、Je及び許容曲げ歪等を表1に同様に示した。
【００２９】
比較例2
撚線の芯材として、幅6mm、厚さ0.3mmのNiCr80の補強材の周りに厚さ400μmの耐熱シートを遮蔽層として巻き付けたものを用いた他は比較例1と同様の方法により酸化物超電導圧縮成型導体を製造した。
【００３０】
このようにして製造した酸化物超電導圧縮成型導体の導体Ic、Je及び許容曲げ歪等を表1に同様に示した。
【００３１】
比較例3
撚線の芯材として、耐熱シートを遮蔽層として設けずに、幅6mm、厚さ0.3mmのNiCr80の補強材を用いた他は比較例1と同様の方法により酸化物超電導圧縮成型導体を製造した。
【００３２】
このようにして製造した酸化物超電導圧縮成型導体の導体Ic、Je及び許容曲げ歪等を表1に同様に示した。
【００３３】
比較例4
撚線の芯材を設けずに、比較例1と同様の方法により酸化物超電導圧縮成型導体を製造した。
【００３４】
このようにして製造した酸化物超電導圧縮成型導体の導体Ic、Je及び許容曲げ歪等を表1に同様に示した。
【００３５】
上記実施例及び比較例の結果から明らかなように、撚線の芯材として補強材の周りに耐熱シートを遮蔽層として巻き付けた場合には、導体の全断面積が大きくなるためJe値が小さく、また、補強材の周りに遮蔽層を設けずに単に補強材のみを撚線の芯材として用いた場合には、熱処理中に補強材からの構成元素が拡散して超電導体を汚染することにより、導体Ic及びJe値が小さくなる。また、撚線の芯材を用いない場合には、熱処理中の線間の融着により、導体の許容曲げ歪が極めて小さくなる。
【００３６】
これに対して、本発明による圧縮成型導体はJe値が高く、かつ十分な許容曲げ歪を有する。実施例と比較例3とは同一の許容曲げ歪値を示すが、実施例の場合にはセラミックスシートの厚さが薄いために、より小さな曲率半径で曲げることが可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の酸化物超電導圧縮成型導体及びその製造方法によれば、セラミックスシートの外側に複数本の超電導線材が圧縮成型されていることにより、セラミックシートが焼成後の線材の融着を防ぎ、導体の可撓性を保つ優れた効果を有する。
【００３８】
また、セラミックシートが絶縁層を形成するために、線材間の電気的な結合を遮断し、交流損失を低減させることができる。
【００３９】
さらに、セラミックシートは従来の技術の補強材と比べてコンパクトであるために、導体の電流密度Jeを顕著に高めることができ、大型の超電導コイルに適する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による酸化物超電導圧縮成型導体の一実施例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
1…酸化物超電導圧縮成型導体
2…超電導線材
3…セラミックスシート
Claims (3)
- 銀または銀基合金マトリックス中に多数の酸化物超電導フィラメントを配置した複数本の超電導線材を、Ａｌ ２ Ｏ ３ 、ＺｒＯ ２ 、ＭｇＯ、Ｙ ２ Ｏ ３ 、ＳｉＯ ２ から選択された１種または２種以上の粉末あるいは繊維に有機バインダーを加えてシート状に漉いたものからなるセラミックスシートの外側に撚合せて圧縮成型したことを特徴とする酸化物超電導圧縮成型導体。
- 銀または銀基合金マトリックス中に多数の酸化物超電導フィラメントを配置した複数本の超電導線材を、Ａｌ ２ Ｏ ３ 、ＺｒＯ ２ 、ＭｇＯ、Ｙ ２ Ｏ ３ 、ＳｉＯ ２ から選択された１種または２種以上の繊維を織布状あるいは不織布状に形成したものからなるセラミックスシートの外側に撚合せて圧縮成型したことを特徴とする酸化物超電導圧縮成型導体。
- セラミックスシートの外側に、銀または銀基合金マトリックス中に焼成により超電導酸化物を形成する物質からなる多数のフィラメントを配置した複数本の線材を撚合せ、次いで、全体に圧縮成型を施した後、焼成することにより圧縮成型導体を製造する方法において、前記セラミックスシートとして、Ａｌ ２ Ｏ ３ 、ＺｒＯ ２ 、ＭｇＯ、Ｙ ２ Ｏ ３ 、ＳｉＯ ２ から選択された１種または２種以上の粉末あるいは繊維に有機バインダーを加えてシート状に漉いたもの、あるいは、Ａｌ ２ Ｏ ３ 、ＺｒＯ ２ 、ＭｇＯ、Ｙ ２ Ｏ ３ 、ＳｉＯ ２ から選択された１種または２種以上の繊維を織布状あるいは不織布状に形成したものを用いたことを特徴とする酸化物超電導圧縮成型導体の製造方法。
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| JP2003122383A JP3881322B2 (ja) | 2003-04-25 | 2003-04-25 | 酸化物超電導圧縮成型導体及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2003122383A JP3881322B2 (ja) | 2003-04-25 | 2003-04-25 | 酸化物超電導圧縮成型導体及びその製造方法 |
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| JP2004327323A JP2004327323A (ja) | 2004-11-18 |
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