JP5098003B2 - Superconducting conductor, superconducting rectifier, and rectifier circuit using the same - Google Patents
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Description
本発明は、超伝導導体、超伝導特性を利用した素子に関し、より詳細には、超伝導特性を利用して一方向に抵抗ゼロで大電流を流せる超伝導導体、超伝導整流素子及びこれを用いた回路に関する。 The present invention relates to a superconducting conductor and an element using superconducting characteristics, and more specifically, a superconducting conductor capable of flowing a large current with zero resistance in one direction using the superconducting characteristic, a superconducting rectifier element, and the same It relates to the circuit used.
整流回路は変圧コイル、ダイオード、コンデンサ等の素子により、交流を直流に変換するように構成されており、コイルやダイオードにおいて抵抗による電力の損失が生じる。また、限流装置は超伝導導体やダイオード等により、電力系統に過電流が流れることを抑制するために構成されており、ダイオードにおいて電力の損失が生じる。これらの電力損失を小さくするために、超伝導コイルを用いることが従来考えられていた。このような超伝導コイルを用いた例として、例えば特開2000−350357号(特許文献1)、特開2000−90788号(特許文献2)がある。 The rectifier circuit is configured to convert alternating current into direct current by elements such as a transformer coil, a diode, and a capacitor, and power loss due to resistance occurs in the coil or diode. In addition, the current limiting device is configured to suppress an overcurrent from flowing through the power system using a superconducting conductor, a diode, or the like, and power loss occurs in the diode. In order to reduce these power losses, it has been conventionally considered to use a superconducting coil. Examples of using such a superconducting coil include, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-350357 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-90788 (Patent Document 2).
また、超伝導整流素子として、特開平5−37030号(特許文献3)に示されるものがあるが、これは演算回路とその集積化に使用する素子であり、大きな電流を流すことはできないものであった。
前述の従来の整流回路や限流装置のような超伝導コイルを用いた回路においては、ダイオードに関して依然電力の損失が避けられない。このためダイオードのような整流素子についても、抵抗を小さく、電力の損失を少なくし、さらに大きな電流でも適用できるようにするという課題があった。 In a circuit using a superconducting coil such as the above-described conventional rectifier circuit or current limiting device, power loss is still unavoidable with respect to the diode. For this reason, the rectifying element such as a diode also has a problem that the resistance is reduced, the loss of power is reduced, and that even a larger current can be applied.
本発明は、このような課題に対する解決策を与えるものであり、薄板状の超伝導体の一方または両方の面に、電流の流れる方向に平行に複数の溝または穴からなる凹部を、その各々の断面形状が電流の流れる方向に関して非対称形となるように形成し、その非対称形状により薄板状の超伝導体に垂直な方向の量子化磁束に作用するローレンツ力で量子化磁束が電流に垂直の方向に移動するのに抗するように生ずるピンニング力が電流の順逆に対して非対称になり、それによって順方向における臨界電流を大きく、逆方向における臨界電流を小さくしたものである。 The present invention provides a solution to such a problem, and one or both surfaces of a thin plate-like superconductor are each provided with a recess composed of a plurality of grooves or holes parallel to the direction of current flow. The cross-sectional shape of the substrate is asymmetric with respect to the direction of current flow, and the asymmetric shape causes the quantized magnetic flux to be perpendicular to the current by Lorentz force acting on the quantized magnetic flux in the direction perpendicular to the thin plate-like superconductor. The pinning force generated against the movement in the direction becomes asymmetric with respect to the forward and reverse currents, thereby increasing the critical current in the forward direction and decreasing the critical current in the reverse direction.
また、本発明は、薄板状の超伝導体に、電流の流れる方向に平行な複数の列をなす細孔を穿設して配列し、該細孔の各列における細孔の数が電流の流れる方向に垂直な方向に列毎に漸次変化し、各列における細孔の数の変化が電流の流れる方向に垂直な方向に周期的に反復するように細孔を配列することにより、薄板状の超伝導体に垂直な方向の量子化磁束に作用するローレンツ力で量子化磁束が電流に垂直の方向に移動するのに抗するように生ずるピンニング力が電流の順逆に対して非対称になり、それによって順方向における臨界電流を大きく、逆方向における臨界電流を小さくするようにしたものでもよい。 Further, the present invention provides a thin plate-shaped superconductor in which a plurality of rows of pores parallel to the direction of current flow are formed and arranged, and the number of pores in each row of the pores is the current. By arranging the pores so that they gradually change from column to column in the direction perpendicular to the flow direction and the change in the number of pores in each column repeats periodically in the direction perpendicular to the direction of current flow, The pinning force generated to resist the movement of the quantized magnetic flux in the direction perpendicular to the current by the Lorentz force acting on the quantized magnetic flux in the direction perpendicular to the superconductor of the current becomes asymmetric with respect to the forward and reverse directions of the current, Accordingly, the critical current in the forward direction may be increased and the critical current in the reverse direction may be decreased.
さらに、本発明は、薄板状の超伝導体に、電流の流れる方向に平行な複数の細溝を形成して配列し、該複数の細溝における隣接細溝の間隔が漸次変化し、該間隔の変化が電流の流れる方向に垂直な方向に周期的に反復するように細溝を配設することにより、薄板状の超伝導体に垂直な方向の量子化磁束に作用するローレンツ力で量子化磁束が電流に垂直の方向に移動するのに抗するように生ずるピンニング力が電流の順逆に対して非対称になり、それによって順方向における臨界電流を大きく、逆方向における臨界電流を小さくしたものでもよい。
(作用)
本発明は、前述した手段により、ピンニングセンターのピンニング力に異方性を持たせることで、損失を伴う半導体ダイオードを用いず低損失の超伝導体を用いて、一方向にのみ無損失で大電流を流すことができるという作用を与えるものである。
Further, according to the present invention, a plurality of fine grooves parallel to the direction of current flow are formed and arranged in a thin plate-like superconductor, and the interval between adjacent fine grooves in the plurality of fine grooves is gradually changed. Quantization with Lorentz force acting on the quantized magnetic flux in the direction perpendicular to the thin plate-like superconductor by arranging the narrow grooves so that the change of the frequency periodically repeats in the direction perpendicular to the direction of current flow Even if the pinning force generated to resist the movement of the magnetic flux in the direction perpendicular to the current becomes asymmetric with respect to the forward / reverse of the current, the critical current in the forward direction is increased and the critical current in the reverse direction is decreased. Good.
(Function)
The present invention provides an anisotropy to the pinning force of the pinning center by the above-described means, so that a large loss-free large amount can be obtained only in one direction using a low-loss superconductor without using a semiconductor diode with loss. This provides an effect that current can flow.
本発明により、ピンニングセンターに異方性を持たせることで、損失を伴う半導体ダイオードを用いず低損失の超伝導体を用いて、一方向にのみ無損失で大電流を流すことができる整流素子とすることができる。このような超伝導体を用いた整流素子は、従来の半導体ダイオードが用いられていた整流回路、スイッチング回路等に適用可能ものであり、半導体素子に付随した損失を格段に低減でき、大きな電流に対しても適用できるという効果を奏するものである。 By providing anisotropy to the pinning center according to the present invention, a rectifying element capable of flowing a large current without loss only in one direction without using a semiconductor diode with loss and using a low-loss superconductor. It can be. Such a rectifier using a superconductor can be applied to a rectifier circuit, a switching circuit or the like in which a conventional semiconductor diode is used, and can greatly reduce the loss associated with the semiconductor element, resulting in a large current. This also has an effect that it can be applied.
発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず超伝導整流素子の前提となる基本的原理について説明する。 Embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. First, the basic principle that is the premise of the superconducting rectifier will be described.
超伝導体は一般的に図1に示される臨界温度Tc、上部臨界磁場Bc2の範囲内で臨界電流密度Jcまで超伝導特性を示す。この超伝導特性は酸化物超伝導体や金属系超伝導体など超伝導材料によって異なり、この範囲内において超伝導特性を示すものであって、超伝導体に無損失電流を流すために、臨界温度Tcや上部臨界磁場Bc2が高い超伝導材料を選び、臨界電流密度を改善、向上させることが必要である。 The superconductor generally exhibits superconducting properties up to the critical current density Jc within the critical temperature Tc and upper critical magnetic field Bc2 shown in FIG. This superconducting characteristic varies depending on the superconducting material such as oxide superconductor and metal-based superconductor, and exhibits superconducting characteristics within this range. It is necessary to select a superconducting material having a high temperature Tc and high upper critical magnetic field Bc2 and to improve and improve the critical current density.
図2に示されるように、外部磁界の向きに垂直に、不純物や格子欠陥等を含まない純粋な第2種超伝導体が置かれ、この超伝導体内に電流を流した場合、電流の作る自己磁場、他の電流が流れている導体やコイルの作る磁場が超伝導体内に侵入し量子化されている。この量子化磁束には磁束密度と電流密度との積で表される電磁力が生じ、ローレンツ力と呼ばれる。このローレンツ力により量子化磁束線が動くフロー状態となり、量子化磁束線の移動に伴って起電力が生じ、結果として超伝導体が有限の電気抵抗を示し、電流が無損失で流れる状態ではなくなる。
As shown in FIG. 2, a
実際には、超伝導体内に、熱処理や塑性加工により微細な析出物、結晶粒界、空隙、超伝導体と常伝導体の境界面等のミクロな不均質部分がある。これらのミクロな不均質部分によって量子化磁束が捕捉され、移動が妨げられるという作用が生じ、これはピンニングと呼ばれ、ピンニングを生ずる析出物、結晶粒界、空隙、超伝導体と常伝導体の境界面等の不均質部分はピンニングセンターと呼ばれる。不均質部分を含む第2種超伝導体においては、このようなピンニングの作用があることにより、磁場中において、ある臨界電流密度の範囲内で無損失電流が流れる。
Actually, there are micro inhomogeneous parts such as fine precipitates, crystal grain boundaries, voids, and the interface between the superconductor and the normal conductor due to heat treatment or plastic working in the superconductor. These micro-inhomogeneous parts capture the quantized magnetic flux and prevent its movement, which is called pinning, and the precipitates, grain boundaries, voids, superconductors and normal conductors that cause pinning The inhomogeneous portion such as the boundary surface is called a pinning center. In the
このような超伝導体のピンニングセンターは量子化磁束の直径程度から量子化磁束の間隔程度の大きさの析出物、結晶粒界、空隙、超伝導体と常伝導体の境界面等の不均質部分であるが、熱処理や塑性加工などの冶金的な手段のみならず、超伝導体に量子化磁束の大きさや量子化磁束の間隔程度のミクロな構造を微細加工により作り込むことによってピンニングセンターを形成することも考えられている。 Such pinning centers of superconductors are inhomogeneous, such as precipitates, grain boundaries, voids, and the interface between the superconductor and the normal conductor, ranging from the diameter of the quantized magnetic flux to the interval of the quantized magnetic flux. Although it is a part, not only metallurgical means such as heat treatment and plastic working, but also a pinning center by creating a micro structure with the size of quantized magnetic flux and the interval of quantized magnetic flux in superconductor by fine processing. It is also considered to form.
ここで量子化磁束の直径は、コヒーレント長さξの2倍となり、ξは Where the diameter of the quantized magnetic flux is twice the coherent length ξ,
φ0:磁束量子(2.07×10−15(Wb))
Bc2:上部臨界磁場
B :磁束密度
例えば、ξは材料によって異なり、液体ヘリウム温度4.2Kにおいて上部臨界磁場が0.4TのNbにおいては、ξは0.03μm、上部臨界磁場が11TのNbTiにおいては、0.0055μmである。また、磁束線格子間隔は、1mTにおいて1.5μm、1Tにおいて0.05μmである。
図3はこのようなピンニングセンターとしての溝状人工ピンを示したものであり、この図で厚さt0の板状の超伝導体1の上面において電流が流れる方向に幅w、深さdpの溝2が複数本、ピッチpとなるように形成されている。超伝導体1を水平に配置し、これに垂直に外部磁界Bが作用している状態で、超伝導体1の長さ方向に電流Iを流すと、量子化磁束には前述したローレンツ力が作用する。ただし、超伝導体1の配置は水平方向に限定するものではない。
φ 0 : Magnetic flux quantum (2.07 × 10 −15 (Wb))
Bc2: Upper critical magnetic field B: Magnetic flux density For example, ξ varies depending on the material, and Nb with an upper critical magnetic field of 0.4 T at a liquid helium temperature of 4.2 K, ξ is 0.03 μm, and NbTi with an upper critical magnetic field of 11 T Is 0.0055 μm. Further, the magnetic flux line lattice spacing is 1.5 μm at 1 mT and 0.05 μm at 1T.
FIG. 3 shows a groove-shaped artificial pin as such a pinning center. In this figure, a width w and a depth d in the direction in which current flows on the upper surface of the plate-
図4(a)は、図3の溝状人工ピンを拡大して示したものであり、ある量子化磁束3が図で溝2内で右側の凸部に近接した位置にある。この状態から、量子化磁束が凸部内に入るまで右方に移動すると、量子化磁束は超伝導体と相互作用体積Vの部分だけ超伝導状態を破壊して超伝導体内に存在することから、量子化磁束の移動に対して凝縮エネルギーUにその差ΔUが生じる。この凝縮エネルギーの差ΔUは、相互作用体積V、磁束密度により定まり、
FIG. 4A is an enlarged view of the groove-shaped artificial pin of FIG. 3, and a certain quantized magnetic flux 3 is located in the
μ0: 真空の透磁率
Bc: 熱力学的臨界磁場
ψ: 秩序パラメータ
V: 相互作用体
溝の壁が垂直な場合に、ΔUだけの変化が量子化磁束の直径2ξ程度の移動によって生ずることになる。またこのΔUの変化は、溝の左側部分に関しても対称的に生ずるはずであるから、結局凝縮エネルギーUは溝の形状に対応して、図4(b)のように変化すると考えられる。この凝縮エネルギーの変化ΔUにより量子化磁束の移動に対する要素的ピンニング力が与えられる。要素的ピンニング力fpは、凝縮エネルギーのポテンシャル勾配として、近似的に、
μ 0 : Permeability of vacuum Bc: Thermodynamic critical field ψ: Order parameter V: When the wall of the interaction groove is vertical, a change of ΔU is caused by movement of the quantized magnetic flux with a diameter of about 2ξ Become. In addition, since the change of ΔU should occur symmetrically also with respect to the left side portion of the groove, it is considered that the condensation energy U eventually changes as shown in FIG. 4B corresponding to the shape of the groove. This change in condensation energy ΔU gives an elemental pinning force for the movement of the quantized magnetic flux. The elemental pinning force fp is approximately as a potential gradient of condensation energy,
ξ: コヒーレント長さ
Bc2: 上部臨界磁場
B: 印加磁場
であり、また、V=πξ2dpである。
ξ: Coherent length Bc2: Upper critical magnetic field
B: Applied magnetic field, and V = πξ2d p .
図4(a)のような左右対称的な溝形状のピンニングセンターでは、ピンニング力は対称的になり、電流が正逆いずれの向きでも、ピンニング力の大きさは同じになる。実際に図4(a)に示す対称形の超伝導素子を作製して、人工ピンの導入により素子の臨界電流密度が向上するデータが得られた。また、この実験データは順方向、逆方向ともに同じ臨界電流密度を示している。これらの結果は、溝状の人工ピンが有効に作用し、図4(b)に示す凝縮エネルギーの変化に伴って量子化された磁束線がピン止めされ、超伝導体のピン止めの理論から導かれる数1、数2の妥当性を示している。
したがって、図5(a)に示す非対称の構造の人工ピンを作製すると、図5(b)に示されるような非対称形の凝縮エネルギーの変化をもたらし、順方向と逆方向とで臨界電流密度が異なる超伝導整流素子を得ることができる。
In the pinning center having a symmetrical groove shape as shown in FIG. 4A, the pinning force is symmetric, and the magnitude of the pinning force is the same regardless of whether the current is forward or reverse. Actually, a symmetric superconducting element shown in FIG. 4A was fabricated, and data indicating that the critical current density of the element was improved by introducing an artificial pin was obtained. The experimental data shows the same critical current density in both the forward and reverse directions. These results show that the groove-shaped artificial pin works effectively, and the magnetic flux lines quantized with the change of the condensation energy shown in FIG. 4 (b) are pinned. The validity of the derived
Therefore, when the artificial pin having the asymmetric structure shown in FIG. 5A is produced, the asymmetrical condensation energy change as shown in FIG. 5B is caused, and the critical current density is changed in the forward direction and the reverse direction. Different superconducting rectifier elements can be obtained.
このような非対称な溝形状を有するピンニングセンターの断面形状は図5(a)に示されるように、一方の壁はほぼ垂直であるが、他方の壁は緩い斜面になっている。この場合、凝縮エネルギーの変化ΔUが生ずる範囲が垂直な壁の場合の2ξよりずっと大きくなり、緩い斜面形状に対応して凝縮エネルギーの変化ΔUは、垂直な溝の壁の場合よりずっと緩やかになり、図5(b)のようになる。 As shown in FIG. 5 (a), the cross-sectional shape of the pinning center having such an asymmetrical groove shape is substantially vertical on one wall, but the other wall has a gentle slope. In this case, the range in which the change ΔU of the condensation energy occurs is much larger than 2ξ in the case of the vertical wall, and the change ΔU of the condensation energy becomes much more gradual than in the case of the vertical groove wall corresponding to the gentle slope shape. As shown in FIG.
このため、量子化磁束に対するピンニング力も左右非対称になり、緩い斜面形状の壁に対しては、数2で表される最大のピンニング力よりも格段に弱くなり、臨界電流密度は小さくなる。電流の向きに応じてピンニングの作用方向は異なるので、このように左右非対称な溝の壁の傾斜度とすることにより、電流の方向に応じて無損失で流れる電流の大きさが異なることになる。溝の一方の壁を垂直にし、他方の壁を緩い斜面にして、電流が順方向に流れるときのピンニングの作用を大きく、電流が逆方向に流れるときのピンニングの作用を極端に小さくすることにより、図6に示されるような電流−電圧特性となる。すなわち、このピンニングセンターと量子化磁束との相互作用により整流作用が生じることになる。
For this reason, the pinning force with respect to the quantized magnetic flux is also left-right asymmetrical, and is much weaker than the maximum pinning force expressed by
本発明は、このように非対称な人工ピンを形成し、それを超伝導体による整流素子として用いるものであり、これは図5(a)のような非対称の断面形状の溝を有する人工ピンによってなされる。以下、このような非対称の断面形状の人工ピンを形成について説明する。 The present invention forms an asymmetric artificial pin in this way and uses it as a rectifying element using a superconductor. This is achieved by an artificial pin having an asymmetric cross-sectional groove as shown in FIG. Made. Hereinafter, formation of such an artificial pin having an asymmetric cross-sectional shape will be described.
図5(a)に示されるような断面形状で、整流作用を有する超伝導体による人工ピンを形成する場合、溝形状により小さくなる方のピンニング力をできるだけ小さくするために、超伝導体を作製する際に導入される不均質部分によるピンニングの作用をなるべく少なくする必要があり、このため、電子ビーム蒸着法により欠陥が少ない超伝導Nb膜を形成し、これに溝を加工形成して人工ピンとする。超伝導Nb膜の厚さは0.2μm〜数μmが適当である。 When forming an artificial pin with a superconductor having a rectifying action with a cross-sectional shape as shown in FIG. 5 (a), a superconductor is manufactured in order to minimize the pinning force that is smaller due to the groove shape. Therefore, it is necessary to reduce the pinning effect due to the heterogeneous portion introduced when the superconducting Nb film with few defects is formed by the electron beam evaporation method. To do. The thickness of the superconducting Nb film is suitably 0.2 μm to several μm.
このNb膜の上面に緩い斜面を含む溝を加工形成する。このような微細な加工の場合、現実的には図5(a)のような斜面をエッチングにより形成するのは難しいので、図5(a)の場合と同様の作用を与えるものとして、近似的に図7に示すようにな階段状の断面とし、複数回のエッチングによりこれを形成する。 A groove including a gentle slope is formed on the upper surface of the Nb film. In the case of such fine processing, it is practically difficult to form a slope as shown in FIG. 5A by etching. As shown in FIG. 7, a stepped cross section is formed, and this is formed by a plurality of etchings.
溝のピッチpは量子化磁束の直径2ξの10倍程度の大きさとし、溝の幅については、逆方向の電流を小さくするためにピッチに近い値にする。溝の深さは膜の厚さの範囲で種々設定可能であるが、膜の厚さの70%程度で臨界電流の最大値を示す。 The groove pitch p is about 10 times the quantized magnetic flux diameter 2ξ, and the groove width is set to a value close to the pitch in order to reduce the reverse current. The depth of the groove can be variously set within the range of the thickness of the film, but shows the maximum critical current at about 70% of the thickness of the film.
このような溝の形成に用いられる微細加工技術として、フォトリソグラフィー法、電子線リソグラフィー法、X線リソグラフィー法、イオンビームリソグラフィー法などのマイクロリソグラフィー技術、あるいは最新のナノプリンティング技術を含む手法のいずれかを適用することができる。また、超伝導材料料としてNbを例示したが、Nb以外の金属系超伝導体のほか、臨界温度が高い超伝導体も用いることができる。 As a microfabrication technique used for forming such a groove, any one of microlithography techniques such as photolithography, electron beam lithography, X-ray lithography, ion beam lithography, or the latest nanoprinting techniques Can be applied. Moreover, although Nb was illustrated as a superconducting material material, a superconductor with a high critical temperature can be used in addition to a metallic superconductor other than Nb.
凝縮エネルギーUの形状に影響するパラメータとしては、溝のピッチ、深さ、斜面の傾斜角度がある。また、必ずしも複数の連続した溝でなくても、非対称形の凝縮エネルギーのポテンシャルを形成することは可能である。複数の溝を形成した場合の平面図は図8(a)に示すようになっているが、これを例えば図8(b)に示すように、多数の非対称形の穴が二次元的に分布して形成されるようにしてもよい。図8(c)は穴のある部分で電流の流れる方向に垂直にとった断面を示す図である。 Parameters affecting the shape of the condensed energy U include groove pitch, depth, and slope angle. In addition, it is possible to form an asymmetric condensation energy potential even if it is not necessarily a plurality of continuous grooves. A plan view when a plurality of grooves are formed is as shown in FIG. 8 (a). As shown in FIG. 8 (b), for example, a large number of asymmetric holes are two-dimensionally distributed. It may be formed as follows. FIG. 8C is a diagram showing a cross section taken perpendicularly to the direction of current flow in a holed portion.
さらに、階段近似した溝または穴の代りに、図9に示すように、上面側に幅w1の溝を形成し、上面側の溝の中心から一方に偏倚した下面側の位置に幅w2(w2<w1)の溝を形成することによっても、上面側に図5(b)の場合と概略同様な非対称な凝縮エネルギーUの分布形状が生ずることになる。 Further, as shown in FIG. 9, a groove having a width w 1 is formed on the upper surface side instead of the groove or hole approximated in steps, and the width w 2 is positioned at the position on the lower surface side biased to one side from the center of the groove on the upper surface side. Also by forming the groove of (w 2 <w 1 ), an asymmetric distribution shape of the condensation energy U similar to the case of FIG. 5B is generated on the upper surface side.
超伝導体の面に溝や穴を形成する代わりに、超伝導体の面に垂直な方向に多数の細孔を配列することによっても、同様の非対称な人工ピンの作用が得られる。図10(a)は細孔を配列して形成した場合の例であり、図10(b)は対応する溝を形成した場合のものであって、それぞれ斜視図示してある。図10(a)において、細孔は薄板状の超伝導体の面に実質的に垂直の方向に穿設され、図10(b)の場合の溝の方向に列状に配列される。細孔の列は図10(b)の溝の配列のピッチ(p)において少なくとも数列になるようにし、各列における細孔の数を漸次変化させる。溝の場合に対応させて言えば、溝の深い側は、細孔の数が多くなり、浅い側は細孔の数が少ない。すなわち、人工ピンの作用を生ぜしめるのが、溝ないし穴の深さの代わりに、細孔の配置の密度としたものである。 Similar asymmetrical artificial pins can be obtained by arranging a large number of pores in a direction perpendicular to the surface of the superconductor instead of forming grooves or holes in the surface of the superconductor. FIG. 10A shows an example in which pores are arranged and FIG. 10B shows a case in which corresponding grooves are formed, and each is shown in a perspective view. In FIG. 10 (a), the pores are formed in a direction substantially perpendicular to the surface of the thin plate-like superconductor, and are arranged in a row in the direction of the groove in the case of FIG. 10 (b). The rows of pores are at least several rows at the pitch (p) of the groove arrangement in FIG. 10B, and the number of pores in each row is gradually changed. Speaking of the case of the groove, the deep side of the groove has a large number of pores, and the shallow side has a small number of pores. In other words, the function of the artificial pin is caused by the density of the pores instead of the depth of the groove or hole.
それぞれの細孔の形状は円形で示してあり、特に円形に限られることはないが、細孔の断面の大きさは同等のものとする。細孔の深さは超伝導体を貫通しても、貫通せずにそれぞれ同程度の深さになるようにしてもよい。そして、図10(b)に示されるような左側から右側に向かって深さが漸増する溝がピッチpで設けられて形成されるのと同様の人工ピンの作用を得るために、図10(a)に示されるように、ピッチpの範囲内で数列の細孔が配列され、各列にはそれぞれ細孔がほぼ等間隔に設けられ、各列における細孔の数は左側の列から右側の列に向かって漸増するようになっている。このような細孔の列が各ピッチp毎に反復して形成される。 The shape of each pore is shown as a circle and is not particularly limited to a circle, but the cross-sectional sizes of the pores are the same. The depth of the pores may be the same as each other without penetrating the superconductor. Then, in order to obtain the same function of the artificial pin as that shown in FIG. 10 (b), in which grooves having a depth gradually increasing from the left side to the right side are formed at the pitch p, FIG. As shown in a), several rows of pores are arranged within the range of the pitch p, and the pores are provided at almost equal intervals in each row, and the number of pores in each row is changed from the left column to the right side. It is designed to increase gradually toward the line. Such a row of pores is formed repeatedly for each pitch p.
細孔の配列により深さが漸次変化する溝や孔の場合と同様な人工ピンの作用を得るために、細孔の径は溝や穴の寸法に比して数分の1以下に小さいものとする必要がある。量子化磁束の直径はコヒーレント長さξの2倍程度であり、溝や穴の場合、その幅の寸法は量子化磁束の直径またはその間隔と同程度かの大きさであるが、細孔を配列した人工ピンの場合は、細孔の分布密度の変化に応じて量子化磁束にローレンツ力が作用するようにするのであるため、量子化磁束の直径の範囲内に数列以上の細径が含まれる寸法関係でなければならない。 In order to obtain the same effect of artificial pins as in the case of grooves and holes whose depth changes gradually depending on the arrangement of the pores, the diameter of the pores is smaller than a fraction of the size of the grooves and holes. It is necessary to. The diameter of the quantized magnetic flux is about twice the coherent length ξ. In the case of a groove or hole, the width dimension is about the same as the diameter of the quantized magnetic flux or its interval. In the case of an arrayed artificial pin, Lorentz force acts on the quantized magnetic flux according to the change in the distribution density of the pores. Must be dimensionally related.
この状況を説明すると、図11のようになる。図11において、図10(a)に示す超伝導体を上方から見た場合の多数の細孔を配列状態と量子化磁束との関係を示している。図11において、量子化磁束の直径の範囲内に数列の細孔が含まれている。細孔の各列における細孔の数が多い側が溝の場合では深い側に対応し、細孔の数が少ない側が溝の場合では浅い側に対応する。このように各列の細孔の数が漸次変化するように細孔を配列した場合に、細孔の密度の分布と量子化磁束との相互作用体積の変化が、深さの変化する溝の場合同様に非対称に変化し、細孔の密度の低い側から高い側に向かうローレンツ力が量子化磁束に作用することになり、非対称な人工ピンの作用が得られる。 This situation will be described as shown in FIG. FIG. 11 shows the relationship between the arrangement state of a large number of pores and the quantized magnetic flux when the superconductor shown in FIG. 10A is viewed from above. In FIG. 11, several rows of pores are included in the range of the diameter of the quantized magnetic flux. When the number of pores in each row of pores is a groove, the side corresponds to the deep side, and when the number of pores is the groove, the side corresponds to the shallow side. In this way, when the pores are arranged so that the number of pores in each row gradually changes, the change in the interaction volume between the pore density distribution and the quantized magnetic flux In this case as well, it changes asymmetrically, and the Lorentz force from the low density side to the high side of the pores acts on the quantized magnetic flux, and the action of the asymmetric artificial pin is obtained.
人工ピンの作用を得る構成のさらに他の例を図12(a)に斜視図で、図12(b)に断面図で示す。図12(a)において、超伝導体の面に、電流が流れる方向に複数の細溝が形成される。各溝の幅は実質的に同等のものであり、図10(a)の場合の細孔の列と同様に、ピッチpの幅内に複数本が平行になるように、また、隣接する溝の間隔が粗から密へと漸次増大するように形成され、このような間隔が漸次増大する平行な細溝の組がピッチpを周期として、反復して形成される。このような複数の間隔が漸次変化する細溝によっても、細溝の密度が低い側から高い側に向かうローレンツ力が作用して、非対称な人工ピンの作用が得られる。 FIG. 12A is a perspective view and FIG. 12B is a cross-sectional view showing still another example of a configuration for obtaining the action of the artificial pin. In FIG. 12A, a plurality of narrow grooves are formed on the surface of the superconductor in the direction in which current flows. The widths of the grooves are substantially the same, and in the same manner as the row of pores in the case of FIG. 10A, a plurality of grooves are parallel to each other within the width of the pitch p, and adjacent grooves. Are formed so as to gradually increase from coarse to dense, and a set of parallel narrow grooves in which the interval gradually increases is repeatedly formed with the pitch p as a period. Even with such narrow grooves in which the plurality of intervals gradually change, Lorentz force acting from the low density side to the high density side acts, and the action of an asymmetric artificial pin is obtained.
このように超伝導体の面に多数の細孔の列、あるいは複数の細溝を形成するのに用いられる微細加工技術として、フォトリソグラフィー法、電子線リソグラフィー法、X線リソグラフィー法、イオンビームリソグラフィー法などのマイクロリソグラフィー技術、あるいは最新のナノプリンティング技術を含む手法のいずれかを適用することができる。 As microfabrication techniques used to form a large number of pore rows or a plurality of fine grooves on the surface of the superconductor in this way, photolithography, electron beam lithography, X-ray lithography, ion beam lithography are used. Either a microlithography technique such as a method or a technique including the latest nanoprinting technique can be applied.
また、前述の溝や穴の凹状部分、細孔あるいは細溝を形成すると、この部分は超伝導材料がない部分となるが、この超伝導材料がない凹状の部分、細孔あるいは細溝に常伝導体、または凹状の部分、細孔あるいは細溝を形成した超伝導体よりも臨界温度や臨界磁場が小さい超伝導体で埋めて、表面が平坦になるようにしても、同様に凝縮エネルギーの変化により非対称のポテンシャルが得られるので、超伝導整流素子として用いられ、全体的な形状として凹部、細孔あるいは細溝がなくなることにより機械的強度は強くなると考えられる。 In addition, when the concave portion, pore, or narrow groove of the groove or hole described above is formed, this portion becomes a portion without the superconducting material. However, the concave portion, pore, or narrow groove without the superconducting material is always present. Even if the surface is flattened with a conductor or a superconductor having a critical temperature or magnetic field smaller than that of a superconductor having concave parts, pores or narrow grooves, the condensation energy can be reduced. Since the asymmetric potential is obtained by the change, it is used as a superconducting rectifying element, and it is considered that the mechanical strength is increased by eliminating the recesses, pores or narrow grooves as an overall shape.
以上のような人工ピンを導入した超伝導体は、一方向にのみ臨界電流密度の範囲で無損失電流が流れる整流素子として用いることができ、従来のダイオード素子を用いた整流回路やスイッチング回路に適用することが可能となる。 Superconductors with artificial pins as described above can be used as rectifiers in which lossless current flows in a range of critical current density only in one direction, and can be used in rectifiers and switching circuits using conventional diode elements. It becomes possible to apply.
図13(a)は、本発明による超伝導整流素子Dを備えた半波整流回路の例を示すものであり、例えば端子a−b間に交流電流源を接続して正弦波状の交流電流を通電しようとした場合に、順方向の電流のみを導通して、端子c−d間に図13(b)に示されるような半波整流された電流が流れ、整流素子Dに流れる電流IがI<Ic(Icは臨界電流)のときに、整流素子Dの電圧vD=0の状態でc−d間の負荷に電流を流すことができる。 FIG. 13A shows an example of a half-wave rectifier circuit including a superconducting rectifier element D according to the present invention. For example, an alternating current source is connected between terminals a and b to generate a sinusoidal alternating current. When energizing, only the forward current is conducted, a half-wave rectified current as shown in FIG. 13B flows between the terminals cd, and the current I flowing through the rectifying element D is When I <Ic (Ic is a critical current), a current can flow through the load between cd while the voltage v D of the rectifying element D = 0.
図14(a)は、本発明による整流素子Dを備えた全波整流回路の例を示すものであり、端子a−b間に交流電流源を接続して正弦波状の交流電流を通電しようとした場合に、端子c−d間に図14(b)に示されるような同じ方向の電流が流れる。さらに、図14(a)に点線で示すコンデンサをいれると、図14(b)の点線のように直流電流を供給でき、整流素子での損失はない。ただし、Iは整流素子の順方向の臨界電流より小さい。 FIG. 14 (a) shows an example of a full-wave rectifier circuit including a rectifier element D according to the present invention. An alternating current source is connected between terminals a and b so as to energize a sinusoidal alternating current. In this case, a current in the same direction as shown in FIG. 14B flows between the terminals cd. Furthermore, when a capacitor indicated by a dotted line in FIG. 14A is inserted, a direct current can be supplied as indicated by the dotted line in FIG. 14B, and there is no loss in the rectifying element. However, I is smaller than the critical current in the forward direction of the rectifying element.
(b)人工ピンの溝の形状に対応する凝縮エネルギーのポテンシャル分布を示す図である。
(b)非対称な溝形状により生ずる凝縮エネルギーのポテンシャル分布を示す図である。
(b)二次元的に分布する穴を形成した人工ピンの平面図である。 (B) It is a top view of the artificial pin which formed the hole distributed in two dimensions.
(c)穴の部分で電流の流れる方向に垂直な断面を示す図である。
(b)(a)の場合に対比して、超伝導体の面に溝を形成した人工ピンを示す斜視図である。
(b)超伝導体の面に複数の細溝を配列して形成した人工ピンの例を示す断面図である。
(b)(a)の半波整流回路の出力電流を示す図である。
(b)(a)の全波整流回路の出力電流を示す図である。 (B) It is a figure which shows the output current of the full wave rectifier circuit of (a).
Claims (18)
A rectifier circuit comprising the superconducting rectifier according to any one of claims 8 to 17 .
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