JP4302939B2

JP4302939B2 - 超電導体装置

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Publication number: JP4302939B2
Application number: JP2002172218A
Authority: JP
Inventors: 六月山崎; 浩之福家; 喜昭寺島; 史彦相賀; 博幸加屋野; 龍典橋本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2022-06-13
Also published as: JP2004022620A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
MHz以上の高周波信号を損失が少なく所定の周波数の信号のみを選択的に透過させることができる超電導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物超電導体は、大電流を流してもロスがほとんど無く、また高周波電流に対する電気抵抗が非常に小さいなどの理由により有望視されている。この部材は、基板表面に形成した超電導膜をリソグラフィ―を用いて加工し所望の周波数のみを共振させて透過させる。
【０００３】
高周波を効率良く伝播させるには、超電導膜が誘電体を挟んで接地された面と対向していなくてはならない。通常は、超電導体を成膜する基板の裏面にも超電導体膜を成膜し、この面を接地された金属などの導電性ホルダーに接触させている。
【０００４】
このホルダーを冷凍器のコールドヘッドもしくはこれに取り付けた冷却部材を介して冷却する。さらに、高周波信号の放出を防ぐため、超電導膜からなる素子は接地された導体からなるケースで外包される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特に、上述のような超電導部材を携帯電話の基地局において使用する場合、アンテナのすぐ近くに置く事が望まれている。そのためには小型軽量であることが望ましいが、冷却装置とともに小型軽量にすると冷却能力が小さくなる。その結果、電送ケーブルを伝わる熱、及び外界からの熱輻射などが無視できなくなり素子が十分に冷えないという不具合が生じた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、絶縁性基板上に形成された超電導体層を有する高周波用超電導体素子と、
前記高周波用超電導体素子を固着する支持体とを備え、前記支持体は三角柱側壁をなし、前記超電導体素子は三角柱内側に配置しているとともに、前記高周波用超電導体素子が仕切りによって分離されており、前記仕切りの少なくとも一表面は導電体層または超電導体層を有し、かつ、前記三角柱の中にシールドを設け、前記シールドの中をコールドヘッドとバッファータンクをつなぐ第１のパイプを通していることを特徴とする超電導体装置を提供する。
【０００７】
前記角柱内において、前記高周波用超電導体素子が仕切りによって分離されており、前記仕切りの少なくとも一表面は導電体層または超電導体層を有しても良い。
【０００８】
前記角柱は三角柱であってもよい。
【０００９】
複数の前記角柱が外側面同士を近接配置させても良い。
【００１０】
また、絶縁性基板上に形成された超電導体層を有するとともに冷却された高周波用超電導体素子と、前記高周波用超電導体素子を表裏面に固着する支持体と、前記高周波用超電導体素子の端部に設けられた入出力用コネクターと、を備え、前記支持体の一部であって前記入出力用コネクターの下に、前記支持体よりも熱伝導率の低い部材を設けることを特徴とする超電導体装置を提供する。
【００１１】
前記コネクターは、前記支持体の表裏面でずれていてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、例を挙げて説明する。
（実施形態１）
図１、図２は、本実施形態における超伝導体膜を用いた素子１００を説明するための図であり、図１は平面図、図２は断面図である。
【００１３】
図に示すように、ＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリング、レーザーアブレーションなどの方法により、基板１０１の上下の面に超電導体膜を形成する。ここで、基板１０１には、比較的誘電損失が小さいため、LaAlO₃、MgOあるいはサファイアの単結晶を用いる。また、超電導体膜には、Ｒｅ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x（Ｒｅ=Ｙ，Ｈｏ，Ｙｂなどの希土類元素）、その他Ｂｉ系、Ｔｌ系などの酸化物超電導体を用いることができる。サファイア基板は単結晶Ｒ面を用いることができる。
【００１４】
次に、図１に示すように、リソグラフィー等を用いて、表面の超電導体膜１０２を所望の共振周波数になるように加工する。一方、裏面の超電導体膜102上には、接触抵抗低減層103としてAgを約100nm以上約５μｍ以下成膜する。
【００１５】
その後、少なくとも１０Ｐａ以上の酸素雰囲気中にて約４００℃以上約９００℃以下、好ましくは約４００℃以上約７００℃以下の温度でアニールする。Agと酸化物超電導体との接触抵抗は小さいが、更にこの処理により、接触抵抗は検出が困難なほど小さくなる。
【００１６】
次いで、接合材料１０４を介して接触抵抗低減層１０３と支持体１０５を固定する。ここで、支持体１０５は、表面に1μｍ以上、５μｍ以下のＡｕで被覆された厚さ３ｍｍの銅板を用いることができる。また、接触抵抗低減層103としてAgを用いた場合、Agが反応を抑制する効果も有する。従って、反応性が高い接合材料１０４を用いる場合には、Agの膜厚は厚い方が良く、100nm以上、好ましくは５００ｎｍ以上にすることが望まれる。また、現実的には、５μｍ以下であってもよい。
【００１７】
固定方法は、治具を用いて機械的に取り付けても良いが、裏面の超電導膜と支持体の最表面にＡｕが設けられている場合これらを接触させて真空、不活性ガスもしくは酸素雰囲気中において２００℃から４００℃程度に加熱して接着しても良い。
【００１８】
ところで、一般に、熱侵入は電力ケーブルを伝わった熱がコネクターを介して素子を固定した支持体に伝わって起こる。従って、コネクターからの熱侵入を防止するための工夫が重要である。
【００１９】
そこで、図３に示すように、素子700を固定する支持体701を単一の部材によって形成するのではなく、コネクター７０３を支持する部分については、熱伝導率の低い部材７０２を用いるようにするのが良い。さらに、コネクター７０３の外皮７０４が、素子７００のグランド面705と同電位になるように熱伝導率の低い部材７０２をＡｕでコーティングし、一部を素子７００のグランド面７０５に接触させる。
【００２０】
このとき、グランド面７０５と熱伝導率の低い部材７０２との接触面積Sは、入力する高周波にとっては広い方が良いが、断熱効果が小さくなる。一方、狭いと通過特性のグランドレベルが上がる。
【００２１】
この点についての実験結果を図４に示す。ここで、S1は熱伝導率の低い部材７０２の面積である。
【００２２】
従って、接触面積Sは、熱伝導率の低い部材７０２の面積に対して１％以上、３０％以下であるのが好ましい。更に好ましくは、５％以上、２０％以下であることが望まれる。
【００２３】
支持体７０１をコールドヘッドに取り付け、冷却したところ、５０Ｋまで冷却することができた。
【００２４】
また、多くの場合、図５に示すように、素子１００とローノイズアンプ（ＬＮＡ）201を素子基板200に固定する。この素子基板２００は、輻射による熱侵入を減らすために、できるだけ薄くして表面積を小さくする方が良い。素子基板２００を薄くすることは、軽量化のためにも有効である。この素子基板２００は必ずしも金属である必要はなく、５０Ｋ付近の低温で熱伝導の良いサファイアなどを用いることもできる。ただし、サファイアを用いる場合は、表面に少なくとも３００ｎｍ以上の厚さを有するAu,Ag,Al,Cuなどの比抵抗の低い金属膜を設け、この膜を接地する必要がある。サファイアは、強固であるため、より薄くすることができ、軽量化にも有効である。
【００２５】
アンテナからコネクター２０８を通じて素子１００に入った信号は、出力電極204からローノイズアンプ（ＬＮＡ）201に入り、増幅される。この素子１００とLNA２０１との接続は、細い金属線もしくは箔206を用いるのが良い。本実施形態においては、ＬＮＡ２０１は熱伝導率の悪いアルミナあるいは石英などの基板202上に作製し、素子１００と出力ケーブルを接続するコネクター203との間に設けている。このように配置することで、コネクター２０３側からの熱侵入を低減することができる。
【００２６】
一般に、携帯電話の基地局には３セクターの送受信装置が設置されている。これは、基地局を中心とする半径１〜数ｋｍの円内にいるユーザーとの通信を可能にするため３つのアンテナを１２０度づつ分担させそれぞれに送受信装置を設けているからである。さらに、ダイバーシティーと呼ばれる方式が用いられ、この場合は一セクターあたり二つの受信フィルターが必要になる。
【００２７】
図６は、３つの超伝導素子９０１を支持体９００上に固定した例を示す。図６（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。
【００２８】
ここで、素子901は支持体９００内側にして３面に取り付けている。従って、支持体９００の裏面が三角柱の矩形面になるような中空の構造が得られる。内部には、各素子９０１が分離された空間に置かれるように導電体もしくは超電導体の一方を表面に配した仕切り910により区切られている。
【００２９】
この構造体を冷却するのにパルスチューブ型冷凍機を用いた場合を図７に示す。
【００３０】
通常、パルスチューブ冷凍機は、コールドヘッドと圧縮機及びバッファータンクを２本のパイプで結んでいる。ここで、バッファータンクに接続する第一のパイプ1001はコールドヘッドに超電導部材を取り付ける際、邪魔になる場合がよくある。そこで、本発明においては三角柱の中に円筒のシールド1002を設け、この中をコールドヘッド１２０３とバッファータンクをつなぐ第一のパイプ１００１を通す。これにより、第一のパイプ１００１からの輻射熱を遮ることができ素子をコンパクトに収めることができる。また、このシールド１００２に各素子を分離するための仕切り1003が接続されていても良い。
【００３１】
尚、ここでいう三角柱は各素子とそれらを分離する仕切りとの距離を十分に確保しかつ表面積を小さくするために、図８のような物であっても良い。
【００３２】
また、図９は、図６のコールドヘッド１２０３に接する側の底面に取り付けられた冷却部材１２０４を示す図である。それぞれの素子９０１に設けられたコネクター1201は、三角柱の底面に設けられた冷却部材１２０４に穴1200を設け、直接コールドヘッド1203もしくはそれに取り付けた冷却部材1204と接しないようにすることが必要である。
【００３３】
さらに、図１０は、６枚の素子を用いる場合を示す図である。三枚の素子を内面に取り付けた中空の三角柱を１ユニットとして、それぞれの一面を、裏面同士接触もしくは近接させている。この時２台のコールドヘッド1303をそれぞれに取り付けても良いし、また１台のコールドヘッドに取り付けた２つの冷却部材にそれぞれ取り付けることもできる。
【００３４】
図1１は、２台のコールドヘッドを用いた場合の機器のブロック図である。
【００３５】
圧縮機1410で圧縮されたＨｅガスを２本のパイプ1411を通して２台のコールドヘッド1412に送る。この時それぞれのガス流量が同じになるように流量調節バルブ1413を設ける方がこのましい。また分岐点1414での２本のパイプは対称的な形態をもち、そこからコールドヘッドまでの長さ及び形状も同じであることが望ましい。更にコールドヘッドからバッファータンク1415までのパイプについても長さ及び形状も同じであることが望ましい。
【００３６】
これにより一台の圧縮機で２ユニットの超電導部材を効率よく冷却できる。
【００３７】
図1２は、１台のコールドヘッド1512に切り替えバルブ1513を介して２台の圧縮機1510を設けた例である。使用法としては、（１）通常１台だけを動かし、異常が起きた時にもう一台に切り替える、（２）通常、半分の出力で２台とも動かし、どちらかに異常が起きた時に一台だけに切り替えフルパワーで運転する、という使用法が考えられる。
【００３８】
このようにすることで、一台の圧縮機が故障しても通信不能になることがなくなり信頼性が向上する。
【００３９】
より具体的には、銅製の支持体の一部について表面（両面）にＡｕを300nm以上コーティングした石英からなる熱伝導率の低い部材を組み込み、銅製の部分に超伝導素子を配置し、熱伝導率の低い部材上に入出力を行うコネクターを配置する。
【００４０】
このような部材３個を素子が内側を向くように組み立て、外周をスーパーインシュレーションと呼ばれる断熱シートで覆う。また、内部には円筒に３枚の板を取り付けた分離治具を設けた。この仕切りにより、各素子間の干渉を抑制することも可能になる。
【００４１】
パルスチューブ冷凍機を用いる場合には、円筒の中にパイプを通すことでコンパクトにできる。また円筒はパイプからの輻射熱を遮断できる。本発明によれば従来のように外側に素子を取り付ける場合と比較して表面積を大幅に小さくすることができるので輻射による熱侵入をちいさくすることができる。その結果、小型の冷凍機を用いることができ小型軽量の超電導部材を得ることができる。
（実施形態２）
図１３を用いて、本発明の第二の実施形態を説明する。
【００４２】
実施形態１と同様にして、サファイアの単結晶Ｒ面基板の両面に超電導体をレーザーアブレーション法により成膜した後、所望の共振周波数になるように、片面の超電導膜をリソグラフィーにより加工する。一方、裏面の超電導膜上に接触抵抗低減層としてAgを100nm以上５μｍ以下成膜する。その後、少なくとも１０Ｐａ以上の酸素雰囲気中にて４００℃以上９００℃以下、好ましくは４００℃以上７００℃以下の温度でアニールし、さらにAuを裏面に100nm以上５μｍ以下成膜し、超伝導素子３０１を形成した。
【００４３】
また、支持体３００として、表面に1μｍ以上、５μｍ以下のＡｕで被覆された厚さ３ｍｍの銅板を用いることができる。
【００４４】
素子３０１を支持体３００の両面に固定する。固定方法は、治具を用いて機械的に取り付けても良いが、裏面の超電導膜と支持体の最表面にＡｕが設けられている場合これらを接触させて真空、不活性ガスもしくは酸素雰囲気中において２００℃から４００℃程度に加熱して接着しても良い。
【００４５】
一方、外寸の縦横長３０ｍｍ×６０ｍｍの冷却部材３０２がコールドヘッド上に設置されている。この冷却部材３０２には、内寸の縦横長が２５ｍｍ×５５ｍｍ、深さ１０ｍｍの窪みが設けられている。
【００４６】
この筐体３０２上に、支持体３００と素子３０１とを一体化した部材を設置する。
【００４７】
さらに、深さ１０ｍｍ、内寸縦横長２５ｍｍ×５５ｍｍの窪みを設けた外寸縦横長３０ｍｍ×６０ｍｍのカバー３０３で覆う。
【００４８】
この時、カバー３０３及び冷却部材３０２の面積Ｓ及び深さＬは大きい方が高周波の通過特性が良い。面積Ｓは少なくとも素子面積の６０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは１００％以上であることが望まれる。一方、深さＬは２ｍｍ以上、好ましくは５ｍｍ以上、さらに好ましくは１０ｍｍ以上であることが望まれる。ただし、この寸法を大きくすると表面積が増え、熱侵入も大きくなるので面積は１２０％以下、深さは２０ｍｍ以下にするのが適当である。
【００４９】
このようにして得られた超電導部材を真空断熱容器内に収め、図示しない真空ポンプで減圧した後、冷凍機を稼動させて冷却した。２つの素子を平面に並べた場合には８０Ｋまでしか冷却できなかったが、同じ冷凍機を用いても本発明によれば部材の表面積を小さくすることができ、６０Ｋまで冷却することができた。
【００５０】
このようにして、二つの素子３０１を一平面に並べた場合より部材の表面積を小さくすることができ、輻射による熱侵入が少ない超電導部材を得ることができる。
【００５１】
尚、この場合は支持体３００の冷却部材３０２に接触する面積が小さいので、支持体３００の表面に少なくとも３００ｎｍ以上の厚さを有するAu,Ag,Al,Cuなどの比抵抗の低い金属膜を設けたサファイアを用いると良い。
【００５２】
また、支持体３００が薄い場合はコネクター３０５同士が接触しないように、コネクター３０５に接続される入出力用電極が超電導体を設けた基板の中心を通る線上にないようにするのが良い。例えば、図１４のように、入出力用電極１４０１が基板の両サイドにある場合は、基板１４０２の中心を通る線から、同方向でも反対方向でも良いが、少なくとも２ｍｍ以上離れていれば、厚さ２ｍｍ程度の支持体両面に素子を取り付けてもコネクターの接続に不具合は生じない。また、図１５のように、入出力用電極１４０１が基板の片側にある場合は、どちらか一方が基板の中心を通る線上にあっても構わず、支持体３００の両サイドにコネクターがくるよう素子を取り付ければ良い。
【００５３】
カバー３０３は、素子３０１と同じ温度まで冷えている必要はない。従って、熱伝導の悪い材料で構成されている方が好ましい。ただし、高周波電力にとって表面抵抗が低いことが必要である。例えば、Al,Ni,Ta,Mo,SUSなどでも構わないが、表面にAuを、少なくとも素子に面する側にコーティングすることが望まれる。Auは、赤外線の反射率が高いので外側にもコーティングしてあると断熱効果が得られる。
【００５４】
具体的には、表面に300nm以上５μｍ以下のＡｕで被覆された厚さ１ｍｍのサファイアからなる支持体の両面に超伝導素子をコネクターが接触しないように固定し、真空断熱容器内に収め図示しない真空ポンプで減圧した後、冷凍機を稼動させて冷却したところ、２つの素子を平面に並べた場合には８０Ｋまでしか冷却できなかったものが、同じ冷凍機を用いても、部材の表面積を小さくすることができ、また銅より熱伝導率の高いサファイアを用いることで素子全体を均一性良く５５Ｋまで冷却することができた。
【００５５】
また、カバー３０３をＣｕなどの熱伝導の良い材料で作製した場合、図１６にあるように、５０Ｋ〜１００Ｋの温度範囲における熱伝導率が250k/W.m^-1.K^-1以下であるとともに、比抵抗が0.01Ωcm以下である材料、例えば、Alからなる接続部材610を介して取り付けると良い。
【００５６】
尚、軽量化のためにAlで作製したカバーの内面に超電導体を表面に配した部材を用いても良い。ただし、超電導体は接地されなくてはならない。また、超電導体を用いる場合は、カバーも超電導転移温度以下まで下げなくてはならない。このようなカバーを用いると、素子の高周波通過特性が向上する。
【００５７】
表面に300nm以上５μｍ以下のＡｕで被覆されたAl製カバーを用いて計測をした結果、高周波通過特性を損なうことなく、より低いパワーで６０Ｋまで冷却することができた。
【００５８】
尚、Ａｕはカバーの内周だけでなく外周にもコーティングするとより有効である。
（実施形態３）
本実施形態においては、２つの素子を１つの支持体の表裏に配置するものであるが、おのおのの素子は熱伝導率の異なる部材により形成された基板上に設けるものである。
【００５９】
個々の素子７００は、図３に示すように、基板上に形成されている。また、支持体７０１は、一部に熱伝導率の低い部材７０２が組み込まれている。
【００６０】
このように形成された素子７００と支持体７０１を一体化した部材の裏面側にも素子７００を設けると、図１７のようになる。
【００６１】
例えば、支持体７０１は熱伝導率の高い銅を用い、熱伝導率の低い部材７０２はＡｌを用いることができる。さらに好ましくは、熱伝導率の低い部材７０２として、表面（両面）にＡｕを300nm以上コーティングした石英を用いると、石英の熱伝導率が低いため、より断熱効果は大きい。ここで、支持体７０１及び熱伝導率の低い部材７０２の支持体の両面に導電性を有する膜を設けておくことが必要である。
（実施形態４）
先にも説明したように、一般に、携帯電話の基地局には３セクターの送受信装置が設置されており、さらに、ダイバーシティーと呼ばれる方式が用いられる場合は、一セクターあたり二つの受信フィルターが必要になる。
【００６２】
このようなとき、本実施形態のように、６枚の素子801を一つの冷却部材800に装填するのが好適である。（図１８）
ここでは、個々の素子８０１は、支持体８０２上に設けられている。このとき、支持体８０２は、単一の材質からなるものでも良いし、コネクターの設けられる部分について熱伝導率の低い部材を用いても良い。
【００６３】
また対面する素子間に、導電体もしくは超電導体を表面に配した仕切り810を設けることが望まれる。素子と仕切りの距離Ｌは２ｍｍ以上好ましくは５ｍｍ以上さらに好ましくは１０ｍｍ以上であることが望まれる。ただし、この寸法を大きくすると表面積が増え熱侵入も大きくなるので２０ｍｍ以下にするのが適当である。このようにして六つの素子を一平面に並べた場合より部材の表面積を小さくすることができ輻射による熱侵入が少ない超電導部材を得ることができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、高周波特性に優れた小型軽量の超電導部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関する超伝導素子の平面図
【図２】本発明に関する超伝導素子の断面図
【図３】本発明に関する超伝導素子の斜視図
【図４】接触面積と、熱侵入及び通過特性の関係
【図５】本発明に関する超伝導素子の斜視図
【図６】第１の実施形態に係る構造の斜視図
【図７】第１の実施形態に係る構造の斜視図
【図８】第１の実施形態の変形例
【図９】第１の実施形態に係る構造の下面図
【図１０】第１の実施形態に係る変形例
【図１１】冷凍機と機器のブロック図
【図１２】冷凍機と機器のブロック図
【図１３】第２の実施形態を説明する図
【図１４】第２の実施形態に係る素子の平面図
【図１５】第２の実施形態に係る素子の平面図
【図１６】第２の実施形態の変形例
【図１７】第３の実施形態を説明する図
【図１８】第４の実施形態を説明する図
【符号の説明】
100 素子
900 支持体
901 素子
910 仕切り
1203 コールドヘッド

Claims

絶縁性基板上に形成された超電導体層を有する高周波用超電導体素子と、
前記高周波用超電導体素子を固着する支持体とを備え、
前記支持体は三角柱側壁をなし、前記超電導体素子は三角柱内側に配置しているとともに、前記高周波用超電導体素子が仕切りによって分離されており、前記仕切りの少なくとも一表面は導電体層または超電導体層を有し、かつ、前記三角柱の中にシールドを設け、前記シールドの中をコールドヘッドとバッファータンクをつなぐ第１のパイプを通していることを特徴とする超電導体装置。
複数の前記三角柱が外側面同士を隣接させていることを特徴とする請求項１記載の超電導体装置。
絶縁性基板上に形成された超電導体層を有するとともに冷却された高周波用超電導体素子と、
前記高周波用超電導体素子を表裏面に固着する支持体と、
前記高周波用超電導体素子の端部に設けられた入出力用コネクターと、を備え、
前記支持体の一部であって前記入出力用コネクターの下に、前記支持体よりも熱伝導率の低い部材を設けることを特徴とする超電導体装置。
前記入出力用コネクターは、前記支持体の表裏面でずれていることを特徴とする請求項３記載の超電導体装置。