JP4799979B2 - 酸化物超伝導体コイル、酸化物超伝導体コイルの製造方法、酸化物超伝導体コイルの励磁方法、酸化物超伝導体コイルの冷却方法、及びマグネットシステム - Google Patents
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Description
この中で主な非超伝導相がRE2BaCuO5である材料はQMG材料と呼ばれ、種々の応用が検討されている。
QMG材料を用いたマグネットは、特許文献1において初めて提案された。これは、円筒形のQMG材料で形成された超伝導体に対して切れ込み加工することにより、ソレノイド状のコイルを形成するものである。
特許文献2には、「コイル形状を得るには、大別して二通りの方法があり、一つは結晶化させた後にコイル形状を付与する方法(GF法)で、もう一つは前駆体をコイル形状に加工した後結晶化させる方法(FG法)である。」と記載されている。
また、非特許文献3には、厚さ0.8mm、線幅1.5mm、線間隔0.5mmの5回巻きコイルが示されている。
また、マグネットを動作させるためには冷却が必須であることから、常温とマグネットの動作温度との間の熱サイクルに対しても十分な耐久性を有する必要がある。
そこで、本発明は、上記課題を解決し、クエンチし難い酸化物超伝導体コイルを提供することを第1の目的とする。
また、発生磁場が時間的に安定であり、空間均一性に優れた高性能マグネットシステムを提供することを第2の目的とする。
(1) 単結晶状のREBa2Cu3O7-x相(REはYを含む希土類元素又はこれらの組合せ、xは酸素欠損量)中に非超伝導相が微細分散した組織を有する酸化物超伝導体を有するコイルであって、前記コイルが、前記酸化物超伝導体の単芯線で構成され、前記コイルの形状が、直線部と曲線部とを有する擬レーストラック型であり、かつ、変形されてなることを特徴とする酸化物超伝導体コイル。
(2) 前記変形が弾性変形である(1)に記載の酸化物超伝導体コイル。
(3) 前記弾性変形が、支持材で保持されてなる(2)に記載の酸化物超伝導体コイル。
(4) 前記支持材が樹脂で形成されている(3)記載の酸化物超伝導体コイル。
(5) 前記コイルの磁束が集中する部分の前記酸化物超伝導体の断面積が、他の部分より大きいことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の酸化物超伝導体コイル。
(6) 前記酸化物超伝導体で、複数ターンが形成されていることを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の酸化物超伝導体コイル。
(7) (1)〜(6)のいずれかに記載の酸化物超伝導体コイルを複数組み合わせてなることを特徴とする酸化物超伝導体コイル。
(8) 前記複数の酸化物超伝導体コイルのうち、内周側にある複数の酸化物超伝導体コイルの端部同士の接続位置が、位相が一致しないようにずれてなる(7)記載の酸化物超伝導体コイル。
(10) 前記接続位置のずれが、360°/n(nは1以外の整数)である(8)に記載の酸化物超伝導体コイル。
(12) 前記熱収縮緩衝物がNiCr合金である(11)記載の酸化物超伝導体コイル。
(13) 前記熱収縮緩衝物が、単結晶状のREBa2Cu3O7-x相(REはYを含む希土類元素又はこれらの組合せ、xは酸素欠損量)中に非超伝導相が微細分散した組織を有する酸化物である(11)記載の酸化物超伝導体コイル。
(14) 前記熱収縮緩衝物のREBa2Cu3O7-x相のxが0.2〜1.0の間である(13)記載の酸化物超伝導体コイル。
(15) 前記変形が塑性変形であることを特徴とする(1)〜(14)のいずれかに記載の酸化物超伝導体コイル。
(19) 前記振動が減衰振動である(18)記載の酸化物超伝導体コイルの励磁方法。
(20) (18)〜(20)のいずれかに記載の励磁方法を行うための制御機構を有することを特徴とする励磁用電源。
(23) (20)記載の励磁用電源を有する(22)記載のマグネットシステム。
(24) 酸化物超伝導体を有する酸化物超伝導体コイルを有するマグネットシステムであって、(20)記載の励磁用電源を有することを特徴とするマグネットシステム。
(25) 液体ネオンを冷媒とする(22)〜(24)のいずれかに記載のマグネットシステム。
本実施形態の超伝導コイルに使用する材料としては、単結晶状のREBa2Cu3O7-x相(REはYを含む希土類元素又はこれらの組合せ、xは酸素欠損量)中にRE2BaCuO5相(211相)等に代表される非超伝導相が微細分散した組織を有するものが望ましい。ここで、単結晶状と言うのは、完璧な単結晶でなく、小傾角粒界等の実用に差支えない欠陥を有するものも包含すると言う意味である。
また、材料中に銀を添加することにより、機械的強度及び臨界電流密度(Jc)が増加する傾向があり、銀を5〜20質量%添加することが望ましい。
123相は、以下に示すように、211相とBaとCuとの複合酸化物からなる液相との包晶反応によりできる。
211相+液相(BaとCuの複合酸化物) → 123相
そして、この包晶反応により、123相ができる温度(Tf:123相生成温度)は、ほぼRE元素のイオン半径に関連し、イオン半径の減少に伴い123相生成温度Tfも低くなる。また、低酸素雰囲気及び銀添加に伴い、123相生成温度Tfは低下する傾向にある。
211相+液相(BaとCuの複合酸化物) → 123相+211相
QMG材料中の211相の微細分散は、臨界電流密度(Jc)の向上の観点から極めて重要である。Pt、Rh及びCeの少なくとも一つを微量添加することで、半溶融状態(211相と液相からなる状態)での211相の粒成長を抑制し、結果的にQMG材料中の211相を約1μm以下に微細化する。添加量は、微細化効果が現れる量及び材料コストの観点から、Ptで0.2〜2.0質量%、Rhで0.01〜0.5質量%、Ceで0.5〜2.0質量%が望ましい。添加されたPt、Rh、Ceは123相中に一部固溶する。また、固溶できなかった元素は、BaやCuとの複合酸化物を形成し、材料中に点在することになる。
123相中の211相の割合は、Jc特性及び機械強度の観点から、5〜35体積%が望ましい。また、材料中には、50〜500μm程度のボイド(気泡)を5〜20体積%含むことが一般的であり、さらに銀を添加した場合、添加量によって10〜500μm程度の銀又は銀化合物を0体積%超25体積%以下含む。
また、結晶成長後の材料の酸素欠損量xは、0.5程度で半導体的な抵抗率の温度変化を示す。各RE系により350℃〜600℃で100時間程度、酸素雰囲気中においてアニールすることにより酸素が材料中に取り込まれる。そうすると、酸素欠損量は0.2以下となり、良好な超伝導特性を示す。
一例として、ダイポールマグネット等に用いられているようなレーストラック型マグネットでは、図1に示すように、曲線部分に大きな断面積を有する擬レーストラック型マグネット100の形状にすれば、磁束が集中する部分の導体断面を大きくすることができる。したがって、その部分の電流密度が低下し、クエンチし難いより均一磁場の発生が可能なマグネットができる。
また、レーストラック型マグネットは、一般的には、図2に示すように、形状が直線部と曲線部とから構成されていることが多く、磁束集中の起こり易い形状と言える。また、図1に示す擬レーストラック型マグネット100の形状は、図2に示すレーストラック型マグネット200の形状に比べ磁束集中を和らげ、且つ磁束集中部分が太くなっているので、より望ましい形状と言える。このような擬レーストラック型マグネット100の形状のコイルを複数組み合わせることで、より均一な磁場発生が可能となり、より高性能のマグネットシステムが可能となる。
マグネットが作る磁場は、通常、空間的な均一性の他にも時間的な均一性又は安定性が求められる。超伝導マグネットの通電電流に対する発生磁場は、常伝導導体による均一電流分布と異なり、超伝導導体内の電流分布の変化に伴うヒステリシスループを有する。図4に典型的な初期励磁過程(点Aから点C)及び減磁過程(点Cから点E)のヒステリシス曲線を示す。図中の点Bで通電電流を一定に保つと、フラックスクリープにより発生磁場は、徐々に低下する。
一方、点Dで通電電流を一定に保つと、フラックスクリープにより発生磁場は、徐々に増加する。この性質を利用し、設定電流に対して、一旦、大きめの電流を通電した後、次に、少なめの適当な電流を通電すると、超伝導体内では、時間経過に伴いフラックスクリープが発生する。ところが、発生磁場が低下する方向のフラックスクリープと発生磁場が増加するフラックスクリープとが相殺し、実質的に発生磁場の時間変化を抑制することが可能になる。
市販されている純度99.9%の各試薬Gd2O3、BaO2、CuOを、Gd、Ba、Cuの金属元素のモル比が、以下のようになるように混合した。
Gd:Ba:Cu=13:17:24
即ち、最終組織の123相と211相とのモル比が以下のようになるようにした。
123相:211相=7:3
マルチブレードソーを用いて、得られた結晶を切断(スライス)することによって、厚さ1.0mmの円盤状Gd系QMG材料を得た。片面に銀スパッタリングにより約2μm製膜した。
市販されている純度99.9%の各試薬RE2O3(REはGd及びDy)、BaO2、CuOを、RE、Ba、Cuの金属元素のモル比が、以下のようになるように混合した。
RE:Ba:Cu=13:17:21
即ち、最終組織の123相と211相とのモル比が以下のようになるようにした。
123相:211相=70:30
次に、ウレタン系のポジ型レジストフィルムを超伝導体に貼り付けた後、図12に示すように、線幅1.5〜2.0mm、線間隔0.3mmのレーストラック形状のマスクを施し、ホトレジスト工程により擬レーストラックマグネットを施した。これを平均粒径20μmの炭化珪素(SiC)を砥粒として、片面ずつ両面にサンドブラスト加工を行った。このとき使用したノズルの内径は9mmであり、吹き付け速度を70m/sにして砥粒を吹き付けた。
次に、上記レーストラック型の8層マグネットに対し、図9に示すパターン91a〜93aでの通電が可能な電源を作製した。それぞれのパターン91a〜93aで励磁した時の発生磁場の時間変化91b〜93bは、それぞれ図10に示したようになる。パターン91aで通電した場合、一定通電開始以降で磁場の減衰が確認される。これに対し、パターン92aで通電した場合、一定通電開始以降で逆に発生磁場の上昇が見られた。これらに対し、パターン93aに示す減衰振動状の通電を行った場合は、一定通電開始以降、観測時間の範囲で発生磁場は1%以下の変化に留まった。このような比較から、前記マグネットシステムにより、一定通電の前に振動電流を通電することによって、発生磁場を安定化させ得ることが分かった。
実施例1と同様の方法で、外径68mmの円柱形の単結晶状のGd系QMG結晶を得た。マルチブレードソーを用いて、これを切断(スライス)することによって、厚さ1.0mmの円盤状Gd系QMG材料を得た。片面に銀スパッタリングにより約2μm成膜した。次に、実施例1と同様の方法により、図13(a)に示すように、外周55mm、線幅約2.6mm、線間隔0.5mmの渦巻き形状を有するマスク形状を超伝導体表面に形成し、サンドブラスト加工した。
実施例2と同様の方法で、外径68mmの円柱形の単結晶状のGd(50)-Dy(50)系QMG結晶を得た。マルチブレードソーを用いて、これを切断(スライス)することによって、厚さ1.0mmの円盤状Gd-Dy系QMG材料を得た。実施例3と同様の方法で、外周55mm、線幅約2.6mm、線間隔0.5mmの渦巻き形状を有するマスク形状を超伝導体表面に形成し、サンドブラスト加工を行い、図13(a)に示したような単層コイルを作製した。
2つのコイルユニットに対し、300Kと77Kの間を100℃/hの冷却・加熱速度で50回のヒートサイクル処理を行った。超伝導体内での発生電圧の合計値が200μVとなった電流による発生磁場を基準値として、各コイルユニットの初回の77K冷却時の発生磁場に対する50回のヒートサイクルを与えた後の発生磁場の割合を比較した。その結果、前記熱収縮緩衝物を有するコイルユニットでは、その割合が0.97であり、ヒートサイクルによって殆ど劣化が見られなかったのに対し、参照材であるGFRPを貼り付けたコイルユニットでは、その割合が0.89であり、熱収縮緩衝物に比べるとヒートサイクルによる劣化が見られ、熱収縮緩衝物の効果が確認できた。
実施例1で説明した方法により、図7(a)に示すレーストラック型マグネット(コイル)700を作製した。このレーストラック型マグネット(コイル)を外周の曲率半径が25mmのアルミナパイプ1401上に配置した。さらに内周の曲率半径が25mmの4分割した幅5mmのアルミナパイプ1402を乗せ、レーストラック型マグネット(コイル)700を弾性変形させた。この様子を図14(a)、図14(b)に示す。アルミナパイプ1402を、レーストラック型マグネット(コイル)700の中心から20mm離して2個配置した。図14(b)は、図14(a)中のA−A´の破線で示す位置の断面を示す。また、この段階で、アルミナパイプ1402を取り除いた場合、コイルは自重により若干外周部が下がるものの、ほぼ平面状であった。
1b、2b、3b、6b,9b、12b 電流密度
91a〜93a 通電電流パターン
91b〜93b 発生磁場の時間変化
100、200、700、800 レーストラック型マグネット
1401 外周の曲率半径が50mmのアルミナパイプ
1402 内周の曲率半径が50mmの4分割した幅5mmのアルミナパイプ
Claims (25)
- 単結晶状のREBa2Cu3O7-x相(REはYを含む希土類元素又はこれらの組合せ、xは酸素欠損量)中に非超伝導相が微細分散した組織を有する酸化物超伝導体を有するコイルであって、
前記コイルが、前記酸化物超伝導体の単芯線で構成され、
前記コイルの形状が、直線部と曲線部とを有する擬レーストラック型であり、かつ、
変形されてなることを特徴とする酸化物超伝導体コイル。 - 前記変形が弾性変形であることを特徴とする請求項1に記載の酸化物超伝導体コイル。
- 前記弾性変形が、支持材で保持されてなることを特徴とする請求項2に記載の酸化物超伝導体コイル。
- 前記支持材が樹脂で形成されていることを特徴とする請求項3に記載の酸化物超伝導体コイル。
- 前記コイルの磁束が集中する部分の前記酸化物超伝導体の断面積が、他の部分より大きいことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の酸化物超伝導体コイル。
- 前記酸化物超伝導体で、複数ターンが形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の酸化物超伝導体コイル。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の酸化物超伝導体コイルを複数組み合わせてなることを特徴とする酸化物超伝導体コイル。
- 前記複数の酸化物超伝導体コイルのうち、内周側にある複数の酸化物超伝導体コイルの端部同士の接続位置が、位相が一致しないようにずれてなることを特徴とする請求項7に記載の酸化物超伝導体コイル。
- 前記複数の酸化物超伝導体コイルの内、少なくとも1組は形状が等しいものであることを特徴とする請求項8に記載の酸化物超伝導体コイル。
- 前記接続位置のずれが、360°/n(nは1以外の整数)であることを特徴とする請求項8に記載の酸化物超伝導体コイル。
- 前記コイルの近傍に常温(300K)に対する77Kの熱収縮の割合が0.16%〜0.24%である熱収縮緩衝物を配置したことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の酸化物超伝導体コイル。
- 前記熱収縮緩衝物がNiCr合金であることを特徴とする請求項11に記載の酸化物超伝導体コイル。
- 前記熱収縮緩衝物が、単結晶状のREBa2Cu3O7-x相(REはYを含む希土類元素又はこれらの組合せ、xは酸素欠損量)中に非超伝導相が微細分散した組織を有する酸化物であることを特徴とする請求項11に記載の酸化物超伝導体コイル。
- 前記熱収縮緩衝物のREBa2Cu3O7-x相のxが0.2〜1.0の間であることを特徴とする請求項13に記載の酸化物超伝導体コイル。
- 前記変形が塑性変形であることを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載の酸化物超伝導体コイル。
- 請求項1〜14のいずれか1項に記載の酸化物超伝導体コイルの製造方法であって、
前記酸化物超伝導体をコイル形状に加工し、
コイル形状に加工した前記酸化物超伝導体に弾性変形を加え、
その弾性変形を支持材で保持することを特徴とする酸化物超伝導体コイルの製造方法。 - 請求項1〜15のいずれか1項に記載の酸化物超伝導体コイルの製造方法であって、
前記酸化物超伝導体をコイル形状に加工し、
コイル形状に加工した前記酸化物超伝導体に弾性変形を加え、
さらに熱処理することにより、弾性変形を加えた前記酸化物超伝導体を塑性変形させることを特徴とする酸化物超伝導体コイルの製造方法。 - 請求項1〜15のいずれか1項に記載の酸化物超伝導体コイルを励磁する酸化物超伝導体コイルの励磁方法であって、
前記酸化物超伝導体コイルに通電する電流を設定値に対して上下に振動させた後、設定値に保つことを特徴とする酸化物超伝導体コイルの励磁方法。 - 前記振動が減衰振動であることを特徴とする請求項18に記載の酸化物超伝導体コイルの励磁方法。
- 請求項18又は19に記載の励磁方法を行うための制御機構を有することを特徴とする励磁用電源。
- 請求項1〜15のいずれか1項に記載の酸化物超伝導体コイルの冷却方法であって、
冷媒として液体ネオンを用いることを特徴とする酸化物超伝導体コイルの冷却方法。 - 請求項1〜15のいずれか1項に記載の酸化物超伝導体コイルを有することを特徴とするマグネットシステム。
- 請求項20に記載の励磁用電源を有することを特徴とする請求項22に記載のマグネットシステム。
- 酸化物超伝導体を有するコイルを有するマグネットシステムであって、
請求項20に記載の励磁用電源を有することを特徴とするマグネットシステム。 - 液体ネオンを冷媒とすることを特徴とする請求項22〜24のいずれか1項に記載のマグネットシステム。
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