JP5492681B2 - Superconducting wire and manufacturing method thereof, superconducting coil and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、超電導線材及びその製造方法と超電導コイル及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a superconducting wire, a manufacturing method thereof, a superconducting coil, and a manufacturing method thereof.

超電導体は、一般的に幅広テープ状の長尺の金属基材上に結晶配向制御、元素拡散抑制などの目的で中間層とキャップ層を積層した上、超電導層を積層し、その上に更に良導電性の保護層が設けられたものである。このような超電導体をケーブルや変圧器等の実用に供するには、交流損失を低減することが必要である。   In general, a superconductor is formed by laminating an intermediate layer and a cap layer on a long metal substrate having a wide tape shape for the purpose of controlling crystal orientation and suppressing element diffusion, and then laminating a superconducting layer. A protective layer having a good conductivity is provided. In order to use such a superconductor for practical applications such as cables and transformers, it is necessary to reduce AC loss.

これに対して、超電導線材を利用したコイルにおいては、金属基材にまで達する溝を超電導層に形成し、超電導層を複数に分割して細線化することにより、分割数に反比例するように交流損失を低減できることが知られている(特許文献1参照)。細線化の手法としては、フォトリソグラフィ技術を用いてエッチングなどの手法により複数の溝を形成して、幅広テープ状の基材上に形成した超電導層を基材の幅方向に並列する複数の分割超電導層に加工する方法、機械式の刃を用いて物理的に溝を形成して分割する方法、YAGレーザー等を照射し、先の溝に相当する位置の酸化物超電導層に組成変位を生じさせて超電導部分を絶縁物化し、溝に相当する位置に形成した絶縁物によって酸化物超電導層を複数に分断する方法等が通常適用される。
このように、金属保護層を設けた超電導線材においては、交流損失を低減するために、超電導線材を細線化することが重要な技術となってきている。
On the other hand, in a coil using a superconducting wire, a groove reaching the metal substrate is formed in the superconducting layer, and the superconducting layer is divided into a plurality of thin lines, so that AC is inversely proportional to the number of divisions. It is known that loss can be reduced (see Patent Document 1). As a method of thinning, a plurality of grooves are formed by etching using a photolithographic technique, and a superconducting layer formed on a wide tape-shaped substrate is divided in parallel in the width direction of the substrate. A method of processing into a superconducting layer, a method of physically forming and dividing a groove using a mechanical blade, a YAG laser, etc., irradiating a composition displacement in the oxide superconducting layer at the position corresponding to the previous groove Thus, a method in which the superconducting portion is made into an insulator and the oxide superconducting layer is divided into a plurality of parts by an insulator formed at a position corresponding to the groove is usually applied.
Thus, in a superconducting wire provided with a metal protective layer, it has become an important technique to make the superconducting wire thin in order to reduce AC loss.

特開2007−141688号公報JP 2007-141688 A

しかしながら、フォトリソグラフィ技術を用いた分断方法では露光のために高価なレチクルと称されるフォトマスクを必要とするなど、高価な装置が必要となる問題がある。
また、機械式の刃を用いた分断方法では複数の刃を用いることで一度に複数の溝を加工することが可能であり、溝加工の際のスループットは早いが、加工後に溝の内部に残存物が残り易く、残存物の影響があって、分断形成した超電導層どうしの絶縁抵抗を高くすることができず、臨界電流の劣化が生じるという問題があった。従って、これらの残存物はエッチングなどの手法により除去する必要があるが、機械式の刃で分断した後に更にエッチングを行う必要があり、加えて溝の部分以外の酸化物超電導層を保護する必要があるので、工程が複雑となる問題がある。
However, the dividing method using the photolithography technique has a problem that an expensive apparatus is required such that a photomask called an expensive reticle is required for exposure.
In the cutting method using a mechanical blade, it is possible to machine a plurality of grooves at a time by using a plurality of blades, and the throughput when grooving is fast, but it remains in the groove after machining. There is a problem that the material is likely to remain, and there is an influence of the residue, so that the insulation resistance between the separated superconducting layers cannot be increased, and the critical current is deteriorated. Therefore, it is necessary to remove these residues by a technique such as etching, but it is necessary to further etch after cutting with a mechanical blade, and in addition, it is necessary to protect the oxide superconducting layer other than the groove portion. Therefore, there is a problem that the process becomes complicated.

また、テープ状基板の幅を大きくして成膜し、これを分断する構造にするとしても、幅が広すぎるテープ状基材を用いると、捻れが発生しやすくなり、分断した超電導線材の折れにつながるおそれがあり、コイル形状に巻く際に制約が生まれる。更に、長尺の基材を用いて大面積で成膜する場合、複数のリールを配置して蛇行状に基材が移動する間に成膜エリアを基材が複数回通過するように成膜することが一般的になされている。しかし、基材の幅を小さくしてリールからリールに細い基材を移動させるとリール間に架け渡した細い基材どうしが重なり易く、また、捻れやすいので、細い基材の搬送自体が困難になりやすい問題がある。製造速度の面から理想的には隙間無く線材が成膜エリアに配置されて移動する必要があるが、現実的には不可能である。   In addition, even if the tape-shaped substrate is widened to form a film and the structure is divided, if a tape-shaped substrate that is too wide is used, twisting is likely to occur, and the broken superconducting wire breaks. There is a risk that it will lead to a restriction, and there are restrictions when winding the coil shape. Furthermore, when forming a film with a large area using a long base material, a plurality of reels are arranged so that the base material passes through the film formation area multiple times while the base material moves in a meandering manner. It is generally done. However, if the substrate width is reduced and the thin substrate is moved from reel to reel, the thin substrates spanned between the reels tend to overlap and twist easily, making it difficult to transport the thin substrate itself. There is a problem that tends to occur. From the viewpoint of production speed, it is ideally necessary that the wire is arranged and moved in the film forming area without any gap, but this is impossible in practice.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、超電導線を細分化する工程を行うことなく、交流損失の少ない超電導線材、及び前記超電導線材からなる超電導コイルを製造することができる技術の提供を目的とする。また、本発明は、超電導線を細分化する工程を行うことなく、交流損失の少ない超電導線材を効率よく製造することができるため、細分化工程を省くことで製造プロセスの単純化と低コスト化をなすことができる技術の提供を目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a technique capable of manufacturing a superconducting wire with little AC loss and a superconducting coil made of the superconducting wire without performing a process of subdividing the superconducting wire. The purpose is to provide. In addition, since the present invention can efficiently produce a superconducting wire with less AC loss without performing a process of subdividing the superconducting wire, the manufacturing process can be simplified and the cost can be reduced by omitting the subdividing process. The purpose is to provide technology capable of achieving the above.

本発明は、上記課題を解決するために以下の構成を有する。
本発明の超電導線材は、テープ状金属基材の表面および裏面に隣接する側面に、結晶配向させた中間層と、酸化物超電導層とを備えてなることを特徴とする。
本発明の超電導線材は、前記側面に、中間層と、酸化物超電導層と、保護層と、を備えてなることを特徴とする。
本発明の超電導線材は、中間層と酸化物超電導層を形成したテープ状金属基材の側面側の部分を除いて、テープ状金属基材が、その幅を減じるように加工されてなることを特徴とする。
本発明の超電導コイルは、先に記載の超電導線材をロール状に巻くことにより形成されてなる超電導コイルであって、中間層と酸化物超電導層を形成したテープ状金属基材の側面側の部分を側端面とすることを特徴とする。
The present invention has the following configuration in order to solve the above problems.
The superconducting wire of the present invention is characterized in that it comprises a crystal-oriented intermediate layer and an oxide superconducting layer on the side surfaces adjacent to the front and back surfaces of the tape-shaped metal substrate.
The superconducting wire of the present invention is characterized in that the side surface includes an intermediate layer, an oxide superconducting layer, and a protective layer.
The superconducting wire of the present invention is such that the tape-shaped metal substrate is processed so as to reduce its width, except for the side portion of the tape-shaped metal substrate on which the intermediate layer and the oxide superconducting layer are formed. Features.
The superconducting coil of the present invention is a superconducting coil formed by winding the superconducting wire described above into a roll shape, and is a portion on the side of the tape-shaped metal substrate on which an intermediate layer and an oxide superconducting layer are formed. Is a side end face.

本発明の超電導線材の製造方法は、テープ状金属基材の表面および裏面に隣接する側面に、結晶配向させた中間層と、酸化物超電導層とを成膜することを特徴とする。
本発明の超電導線材の製造方法は、テープ状金属基材をその表裏面を重ねるようにロール状に巻くことによりロール体を形成し、前記金属基材の側面から形成される前記ロール体の側端面に、結晶配向させた中間層と、酸化物超電導層とを成膜した後、前記ロール体から金属基材を展伸してテープ状の超電導線材を得ることを特徴とする。
本発明の超電導線材の製造方法は、前記テープ状金属基材をロール状に巻いてロール体を形成する際、前記テープ状金属基材に重ねるようにテープ状のスペーサーを同時に巻き込み、これによって形成した複合ロール体の側端面に中間層と酸化物超電導層を成膜し、複合ロール体の側端面側にスペーサーにより区分けされた状態で中間層上に結晶配向させた酸化物超電導層のコイル体を形成した後、前記ロール体から金属基材を展伸してテープ状の超電導線材を得ることを特徴とする。
本発明の超電導線材の製造方法は、前記側端面に、中間層と、酸化物超電導層と、保護層と、を形成することを特徴とする。
本発明の超電導線材の製造方法は、中間層と酸化物超電導層を形成したテープ状金属基材の側面側の部分を除いて、テープ状金属基材を、その幅を減じるように加工することを特徴とする。
The method for producing a superconducting wire of the present invention is characterized in that a crystal-oriented intermediate layer and an oxide superconducting layer are formed on side surfaces adjacent to the front and back surfaces of a tape-shaped metal substrate.
The superconducting wire manufacturing method of the present invention forms a roll body by winding a tape-shaped metal base material in a roll shape so that the front and back surfaces thereof are overlapped, and the roll body side formed from the side surface of the metal base material A crystal-oriented intermediate layer and an oxide superconducting layer are formed on the end face, and then a metal substrate is stretched from the roll body to obtain a tape-shaped superconducting wire.
In the method for producing a superconducting wire of the present invention, when a roll body is formed by winding the tape-shaped metal substrate into a roll shape, a tape-shaped spacer is simultaneously wound so as to overlap the tape-shaped metal substrate, thereby forming the roll body. A coil body of an oxide superconducting layer in which an intermediate layer and an oxide superconducting layer are formed on the side end face of the composite roll body, and is crystal-oriented on the intermediate layer in a state separated by a spacer on the side end face side of the composite roll body Then, a metal substrate is stretched from the roll body to obtain a tape-like superconducting wire.
The superconducting wire manufacturing method of the present invention is characterized in that an intermediate layer, an oxide superconducting layer, and a protective layer are formed on the side end face.
The method for producing a superconducting wire of the present invention is to process a tape-shaped metal substrate so as to reduce its width, except for a side portion of the tape-shaped metal substrate on which an intermediate layer and an oxide superconducting layer are formed. It is characterized by.

本発明の超電導コイルの製造方法は、テープ状金属基材をその表裏面を重ねるようにロール状に巻くことによりロール体を形成し、前記金属基材の側面から形成される前記ロール体の側端面に、結晶配向させた中間層と、中間層上に結晶配向させた酸化物超電導層とを成膜することを特徴とする。
本発明の超電導コイルの製造方法は、前記テープ状金属基材をロール状に巻いてロール体を形成する際、前記テープ状金属基材に重ねるようにテープ状のスペーサーを同時に巻き込み、これによって形成した複合ロール体の側端面に中間層と酸化物超電導層を成膜し、複合ロール体の側端面側にスペーサーにより区分けされた状態で中間層上に結晶配向させた酸化物超電導層のコイル体を形成することを特徴とする。
本発明の超電導コイルの製造方法は、前記側面に、中間層と、酸化物超電導層と、保護層と、を形成することを特徴とする。
本発明の超電導コイルの製造方法は、中間層と酸化物超電導層を形成したテープ状金属基材の側面側の部分を除いて、テープ状金属基材を、その幅を減じるように加工することを特徴とする。
The method for producing a superconducting coil according to the present invention includes forming a roll body by winding a tape-shaped metal base material in a roll shape so that the front and back surfaces of the tape-shaped metal base material are overlapped, A crystal orientation-oriented intermediate layer and a crystal orientation-oriented oxide superconducting layer are formed on the end face.
In the method of manufacturing a superconducting coil according to the present invention, when forming the roll body by winding the tape-shaped metal base material into a roll shape, a tape-shaped spacer is simultaneously wound so as to overlap the tape-shaped metal base material, thereby forming A coil body of an oxide superconducting layer in which an intermediate layer and an oxide superconducting layer are formed on the side end face of the composite roll body, and is crystal-oriented on the intermediate layer in a state separated by a spacer on the side end face side of the composite roll body It is characterized by forming.
The method for manufacturing a superconducting coil of the present invention is characterized in that an intermediate layer, an oxide superconducting layer, and a protective layer are formed on the side surface.
The method for manufacturing a superconducting coil according to the present invention is to process a tape-shaped metal substrate so as to reduce its width, except for the side portion of the tape-shaped metal substrate on which an intermediate layer and an oxide superconducting layer are formed. It is characterized by.

本発明によれば、テープ状基材の側面に結晶配向させた中間層と酸化物超電導層を形成したので、テープ状の基材上に形成した超電導層を細分化して、線幅の小さい細線状の超電導線材を形成する工程を行うことなく、線幅の小さい細線状の交流損失の少ない超電導線材及び前記超電導線材からなる超電導コイルを提供することができる。
また、超電導線を細分化する工程を省略することで製造プロセスを単純化することができ、その分安価に製造できる超電導線材及びその超電導線材からなる超電導コイルの製造方法を提供できる。
本発明によれば、テープ状金属基材をその表裏面を重ねるようにロール状に巻くことによりロール体を形成し、前記金属基材の側面から形成される前記ロール体の側端面に、酸化物超電導層を成膜するため、線幅の小さい超電導線材及び線幅の小さい超電導線材からなる超電導コイルを容易に製造することができる。
また、本発明によれば、ロール体を形成する際、前記テープ状金属基材に重ねるようにテープ状のスペーサーを同時に巻き込んで成膜することにより、テープ状の基材の側面に沿って形成した細線状の酸化物超電導層からなり、ロール体の側端面に渦巻き状に形成されるコイルを絶縁状態で形成できることで、絶縁の問題を解消することができる。さらに、本発明は、成膜後のテープ状基材を成膜面側の部分を除いて、テープ状金属基材を、その幅を減じるように加工することにより、超電導線材や超電導コイルとしてより好適に用いられる。
また、テープ状金属基材と酸化物超電導層の間に、中間層を介在させることにより、酸化物超電導層の配向性を良好なものとすることができる。
According to the present invention, since the intermediate layer and the oxide superconducting layer crystallized on the side surface of the tape-shaped substrate are formed, the superconducting layer formed on the tape-shaped substrate is subdivided to obtain a thin wire having a small line width. A superconducting wire having a small line width and a small AC loss and a superconducting coil made of the superconducting wire can be provided without performing a step of forming a superconducting wire having a linear shape.
Further, the manufacturing process can be simplified by omitting the step of subdividing the superconducting wire, and a superconducting wire that can be manufactured at a lower cost and a method for manufacturing a superconducting coil made of the superconducting wire can be provided.
According to the present invention, a roll body is formed by winding a tape-shaped metal base material in a roll shape so that the front and back surfaces of the tape-shaped metal base material are overlapped, and oxidation is performed on the side end surface of the roll body formed from the side surface of the metal base material. Since the physical superconducting layer is formed, a superconducting coil made of a superconducting wire having a small line width and a superconducting wire having a small line width can be easily manufactured.
Further, according to the present invention, when forming a roll body, the film is formed along the side surface of the tape-shaped base material by simultaneously winding a tape-shaped spacer so as to overlap the tape-shaped metal base material. The insulation problem can be solved by forming the coil formed of the thin line-shaped oxide superconducting layer in a spiral state on the side end face of the roll body in an insulated state. Furthermore, the present invention can be further applied as a superconducting wire or a superconducting coil by processing the tape-like metal substrate after the film formation so as to reduce the width of the tape-like metal substrate except for the portion on the film-forming surface side. Preferably used.
Moreover, the orientation of the oxide superconducting layer can be made favorable by interposing an intermediate layer between the tape-shaped metal substrate and the oxide superconducting layer.

本発明に用いられるテープ状金属基材の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the tape-shaped metal base material used for this invention. 本発明に用いられるテープ状金属基材の一例をロール状に巻いて形成したロール体の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the roll body formed by winding an example of the tape-shaped metal base material used for this invention in roll shape. テープ状金属基材の側面上に超電導層を形成した酸化物超電導導体の一例を示すもので、図3(a)は成膜後の横断面図、図3(b)は、基材の幅を減じる加工を施した後の横断面図である。FIG. 3A shows an example of an oxide superconducting conductor in which a superconducting layer is formed on the side surface of a tape-shaped metal substrate. FIG. 3A is a cross-sectional view after film formation, and FIG. It is a cross-sectional view after giving the process which reduces. テープ状金属基材の幅を減じるように加工して得られた超電導コイルの概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the superconducting coil obtained by processing so as to reduce the width of the tape-shaped metal substrate. テープ状金属基材に重ねるようにテープ状のスペーサーを同時に巻き込み、これによって形成した複合ロール体の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the composite roll body formed by winding a tape-shaped spacer at the same time so as to overlap the tape-shaped metal substrate. フォトリソグラフィ技術を用いて保護層に溝を形成するための説明図である。It is explanatory drawing for forming a groove | channel in a protective layer using a photolithographic technique. 本発明の超電導線材の製造方法の一態様で用いられるレーザー蒸着装置の要部を例示する概略斜視図である。It is a schematic perspective view which illustrates the principal part of the laser vapor deposition apparatus used with the one aspect | mode of the manufacturing method of the superconducting wire of this invention.

図1は、本発明に用いられるテープ状金属基材21を示す図である。このテープ状金属基材21は、表面21a、裏面21b、端面21c、側面21d(21d’)を備えている。端面21cおよび側面21d’は、表面21aおよび裏面21bに隣接している。従来一般に、酸化物超電導層は、中間層を介して表面21a上に成膜されていたが、本発明においては、側面21d’上に成膜される。幅の狭い側面21d’上に酸化物超電導層が成膜された酸化物超電導導体Aは、線材として機能することができるため、交流損失を低減させるために、細分化の工程を行う必要がない。   FIG. 1 is a view showing a tape-shaped metal substrate 21 used in the present invention. The tape-shaped metal substrate 21 includes a front surface 21a, a back surface 21b, an end surface 21c, and a side surface 21d (21d '). The end surface 21c and the side surface 21d 'are adjacent to the front surface 21a and the back surface 21b. Conventionally, the oxide superconducting layer is generally formed on the surface 21a through the intermediate layer, but in the present invention, it is formed on the side surface 21d '. Since the oxide superconducting conductor A in which the oxide superconducting layer is formed on the narrow side surface 21d ′ can function as a wire, it is not necessary to perform a subdividing step in order to reduce AC loss. .

本発明の超電導線材及び超電導コイルの実施の形態について、以下説明する。
(1) 第一の実施形態
図2は、本発明に用いられるテープ状金属基材21をその表裏面が重なるようにロール状に巻いて形成したロール体2の概略斜視図である。テープ状金属基材21をロール状に巻くことにより、テープ状金属基材21の表面21aおよび裏面21bに隣接する側面21d’からなるディスク状の側端面21eが形成される。第一の実施形態においては、広いディスク状の側端面21e上に酸化物超電導層が成膜されている。このようにするならば、幅の狭い21d’上に直接、中間層を介して酸化物超電導層を成膜する場合に比べて、容易にかつ迅速に超電導線材及び超電導コイルを製造することができる。
Embodiments of the superconducting wire and superconducting coil of the present invention will be described below.
(1) 1st embodiment FIG. 2: is a schematic perspective view of the roll body 2 formed by winding the tape-shaped metal base material 21 used for this invention in roll shape so that the front and back may overlap. By winding the tape-shaped metal substrate 21 in a roll shape, a disk-shaped side end surface 21e composed of a side surface 21d 'adjacent to the front surface 21a and the back surface 21b of the tape-shaped metal substrate 21 is formed. In the first embodiment, an oxide superconducting layer is formed on the wide disk-shaped side end face 21e. In this case, it is possible to manufacture the superconducting wire and the superconducting coil easily and quickly compared to the case where the oxide superconducting layer is formed directly on the narrow 21d ′ via the intermediate layer. .

テープ状金属基材21をロール状に巻いてロール体2を形成した後、成膜する中間層の結晶配向性を良好にする観点から、ディスク状の側端面21eを研削、研磨し、平坦化することが好ましい。次いで、中間層23、酸化物超電導層37を側端面21e上に成膜する。このようにして製造された酸化物超電導導体Aを、そのまま超電導コイルとして用いてもよく、伸展して超電導線材として用いてもよい。   After forming the roll body 2 by winding the tape-shaped metal substrate 21 into a roll shape, the disk-shaped side end face 21e is ground, polished, and planarized from the viewpoint of improving the crystal orientation of the intermediate layer to be formed. It is preferable to do. Next, the intermediate layer 23 and the oxide superconducting layer 37 are formed on the side end face 21e. The oxide superconducting conductor A manufactured in this way may be used as a superconducting coil as it is, or may be extended and used as a superconducting wire.

次に、この実施形態の超電導線材及び超電導コイルの構成について図3を用いて説明する。図3(a)は、テープ状金属基材21の側面21d’上に超電導層を形成した酸化物超電導導体Aの横断面図である。
図3(a)の酸化物超電導導体Aは、金属基材21上に、順に成膜された拡散防止層12、ベッド層22、中間層23、キャップ層24、酸化物超電導層37及び保護層38からなるものである。また、図3(b)の酸化物超電導導体Aは、金属基材21’と、拡散防止層12、ベッド層22、中間層23、キャップ層24、酸化物超電導層37及び保護層38からなるものである。
Next, the configuration of the superconducting wire and superconducting coil of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3A is a cross-sectional view of an oxide superconducting conductor A in which a superconducting layer is formed on the side surface 21d ′ of the tape-shaped metal substrate 21. FIG.
The oxide superconducting conductor A in FIG. 3A is formed on a metal substrate 21 in order, the diffusion preventing layer 12, the bed layer 22, the intermediate layer 23, the cap layer 24, the oxide superconducting layer 37, and the protective layer. 38. The oxide superconductor A 2 in FIG. 3 (b), the metal substrate 21 ', the diffusion preventing layer 12, the bed layer 22, intermediate layer 23, the cap layer 24, the oxide superconducting layer 37 and the protective layer 38 It will be.

金属基材21を構成する材料としては、強度及び耐熱性に優れた、Cu、Ni、Ti、Mo、Nb、Ta、W、Mn、Fe、Ag等の金属又はこれらの合金を用いることができる。特に、耐食性及び耐熱性の点で優れているステンレス、ハステロイ(登録商標)、その他のニッケル系合金が好ましい。あるいは、これらに加えてセラミック製の基材、非晶質合金の基材などを用いても良い。なお、金属基材21は、長尺のテープ状のものである。本実施形態においては、例えば、幅10mm、厚さ0.1mmの長尺のテープ状金属基材が用いられる。   As a material constituting the metal substrate 21, metals such as Cu, Ni, Ti, Mo, Nb, Ta, W, Mn, Fe, and Ag, which are excellent in strength and heat resistance, or alloys thereof can be used. . In particular, stainless steel, Hastelloy (registered trademark), and other nickel alloys that are excellent in terms of corrosion resistance and heat resistance are preferable. Alternatively, in addition to these, a ceramic substrate, an amorphous alloy substrate, or the like may be used. In addition, the metal base material 21 is a long tape-shaped thing. In the present embodiment, for example, a long tape-shaped metal substrate having a width of 10 mm and a thickness of 0.1 mm is used.

拡散防止層12は、金属基材21の構成元素拡散を防止する目的で形成されたもので、窒化ケイ素(Si)、酸化アルミニウム(Al、「アルミナ」とも呼ぶ)、あるいはGZO(GdZr)等から構成され、その厚さは例えば10〜400nmである。
拡散防止膜12の厚さが10nm未満の場合、金属基材21の構成元素の拡散を十分に防止できないおそれがある。一方、拡散防止膜12の厚さが400nmを超える場合、拡散防止層12の内部応力が増大し、各層が金属基材21から剥離しやすくなるおそれがある。
また、拡散防止層12の結晶性は特に問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すればよい。
なお、本発明においては、必要に応じて拡散防止層12を略した構造とすることも可能である。
The diffusion preventing layer 12 is formed for the purpose of preventing the diffusion of the constituent elements of the metal substrate 21, and silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 , also referred to as “alumina”), or consists GZO (Gd 2 Zr 2 O 7 ) or the like, a thickness of 10~400nm example.
When the thickness of the diffusion preventing film 12 is less than 10 nm, the diffusion of the constituent elements of the metal substrate 21 may not be sufficiently prevented. On the other hand, when the thickness of the diffusion preventing film 12 exceeds 400 nm, the internal stress of the diffusion preventing layer 12 increases, and each layer may be easily peeled off from the metal substrate 21.
Further, since the crystallinity of the diffusion preventing layer 12 is not particularly limited, it may be formed by a film forming method such as a normal sputtering method.
In the present invention, the diffusion preventing layer 12 may be omitted if necessary.

ベッド層22は、耐熱性が高く、界面反応性をより低減するためのものであり、その上に成膜される中間層23の配向性を得るために機能する。ベッド層22としては、例えば、希土類酸化物や、希土類酸化物と金属酸化物との混合物から構成される膜を用いることができる。
ベッド層22を構成する希土類酸化物として、組成式(α2x(β(1−X)で示されるものが挙げられる。ここで、αとβは希土類元素で0≦x≦1に属するものを指す。より具体的には、Y、CeO、Dy、Nd、Pr11、Sc、Sm、Tb、Tm等を例示することができる。また、ベッド層22を構成する希土類酸化物と金属酸化物との混合物としては、前述したベッド層22を構成する希土類酸化物と金属酸化物MO(Mは、Ti、Zr、又はHfを示す。)との混合物が挙げられる。
ベッド層22は、例えばスパッタリング法などにより形成され、その厚さは例えば10〜100nmである。
The bed layer 22 has high heat resistance and further reduces interfacial reactivity, and functions to obtain the orientation of the intermediate layer 23 formed thereon. As the bed layer 22, for example, a film made of a rare earth oxide or a mixture of a rare earth oxide and a metal oxide can be used.
Examples of the rare earth oxide constituting the bed layer 22 include those represented by the composition formula (α 1 O 2 ) 2x2 O 3 ) (1-X) . Here, α and β are rare earth elements belonging to 0 ≦ x ≦ 1. More specifically, Y 2 O 3, a CeO 2, Dy 2 O 3, Nd 2 O 3, Pr 6 O 11, Sc 2 O 3, Sm 2 O 3, Tb 4 O 7, Tm 2 O 3 , etc. It can be illustrated. The mixture of the rare earth oxide and metal oxide constituting the bed layer 22 includes the rare earth oxide and metal oxide MO 2 (M represents Ti, Zr, or Hf) constituting the bed layer 22 described above. And a mixture thereof.
The bed layer 22 is formed by, for example, a sputtering method, and the thickness thereof is, for example, 10 to 100 nm.

図3に示すように、拡散防止層12とベッド層22の2層構造とする場合、拡散防止層12をアルミナから形成し、ベッド層22をYから形成する構造を例示できる。
なお、本発明においては、拡散防止層12とベッド層22の2層構造に限定されるものではなく、必要に応じて、ベッド層22のみの1層構造、又は、拡散防止層12のみの1層構造とすることも可能である。
As shown in FIG. 3, when the diffusion prevention layer 12 and the bed layer 22 have a two-layer structure, a structure in which the diffusion prevention layer 12 is made of alumina and the bed layer 22 is made of Y 2 O 3 can be exemplified.
In the present invention, it is not limited to the two-layer structure of the diffusion prevention layer 12 and the bed layer 22, and if necessary, a one-layer structure of only the bed layer 22 or 1 of the diffusion prevention layer 12 only. A layer structure is also possible.

本実施形態のように、拡散防止層12とベッド層22の2層構造とするのは、ベッド層22の上にキャップ層24、酸化物超電導層37等の他の層を形成する場合に、必然的に熱処理される結果として熱履歴を受ける場合、金属基材21の構成元素の一部がベッド層22を介して酸化物超電導層37側に拡散することを抑制するためであり、拡散防止層12とベッド層22の2層構造とすることで、金属基材21側からの元素拡散を効果的に抑制することができる。   As in this embodiment, the diffusion prevention layer 12 and the bed layer 22 have a two-layer structure when other layers such as the cap layer 24 and the oxide superconducting layer 37 are formed on the bed layer 22. This is to prevent diffusion of some of the constituent elements of the metal substrate 21 toward the oxide superconducting layer 37 through the bed layer 22 when receiving a thermal history as a result of inevitably heat treatment. By making it the two-layer structure of the layer 12 and the bed layer 22, the element diffusion from the metal base material 21 side can be suppressed effectively.

ベッド層22の上に形成される中間層23は、IBAD(Ion Beam Assisted Deposition:イオンビームアシスト)法によって形成された蒸着膜であり、配向性をもたない金属基材21上に2軸配向性をもたせる。
また、後述する酸化物超電導層37との物理的特性(熱膨張率や格子定数等)の差を緩和するバッファー層として機能するとともに、この上に形成されるキャップ層24の結晶配向性を制御する配向制御膜として機能する。
The intermediate layer 23 formed on the bed layer 22 is a vapor deposition film formed by an IBAD (Ion Beam Assisted Deposition) method, and is biaxially oriented on the metal substrate 21 having no orientation. Give sex.
In addition, it functions as a buffer layer that relieves differences in physical characteristics (thermal expansion coefficient, lattice constant, etc.) from the oxide superconducting layer 37 described later, and controls the crystal orientation of the cap layer 24 formed thereon. It functions as an orientation control film.

中間層23を構成する材料としては、IBAD法により2軸配向性をもたせることが可能なものが用いられる。このような中間層23の材料としては、例えば、MgO、イットリア安定化ジルコニウム(YSZ)、GdZr、CeO等を挙げることができ、その他、パイロクロア構造、希土類−C構造、ペロブスカイト型構造又は蛍石型構造を有する適宜の化合物を用いることができる。
これらの中でも、中間層23の材料としては、MgO、YSZ、あるいは、GdZrを用いることが好ましい。特に、MgOやGdZrは、IBAD法における配向度を表す指標であるΔΦ(FWHM:半値全幅)の値を小さくできるため、中間層23の材料として特に適している。
As the material constituting the intermediate layer 23, a material capable of giving biaxial orientation by the IBAD method is used. Examples of the material of the intermediate layer 23 include MgO, yttria-stabilized zirconium (YSZ), Gd 2 Zr 2 O 7 , CeO 2, and the like. In addition, pyrochlore structure, rare earth-C structure, perovskite An appropriate compound having a mold structure or a fluorite structure can be used.
Among these, it is preferable to use MgO, YSZ, or Gd 2 Zr 2 O 7 as the material of the intermediate layer 23. In particular, MgO or Gd 2 Zr 2 O 7 is particularly suitable as a material for the intermediate layer 23 because it can reduce the value of ΔΦ (FWHM: full width at half maximum), which is an index representing the degree of orientation in the IBAD method.

中間層23の膜厚は、1〜1000nm(1.0μm)の範囲、例えば数nm程度とすることができるが、これらの範囲や値に制限されるものではない。
中間層23の膜厚が1.0μmを超える場合、中間層23の成膜方法として用いるIBAD法の蒸着速度が比較的低速であることから、中間層23の成膜時間が長くなり経済的に不利となる。
一方、中間層23の膜厚が1nm未満の場合、中間層23自身の結晶配向性を制御することが難しくなり、この上に形成されるキャップ層24の配向度制御が難しくなり、さらにキャップ層24の上に形成される酸化物超電導層の配向度制御も難しくなる。その結果、酸化物超電導導体Aは臨界電流が不十分となる可能性がある。
The film thickness of the intermediate layer 23 can be in the range of 1 to 1000 nm (1.0 μm), for example, about several nm, but is not limited to these ranges and values.
When the film thickness of the intermediate layer 23 exceeds 1.0 μm, the deposition rate of the IBAD method used as the film formation method of the intermediate layer 23 is relatively low, so that the film formation time of the intermediate layer 23 becomes long and economical. Disadvantageous.
On the other hand, when the film thickness of the intermediate layer 23 is less than 1 nm, it becomes difficult to control the crystal orientation of the intermediate layer 23 itself, and it becomes difficult to control the degree of orientation of the cap layer 24 formed on the intermediate layer 23. It becomes difficult to control the degree of orientation of the oxide superconducting layer formed on 24. As a result, the oxide superconductor A may have an insufficient critical current.

キャップ層24は、その上に設けられる酸化物超電導層37の配向性を制御する機能を有するとともに、中間層23を構成する元素の酸化物超電導層37への拡散を抑制する機能などを有する。
キャップ層24としては、特に、中間層23の表面に対してエピタキシャル成長するととともに、横方向(面方向)に粒成長(オーバーグロース)して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て成膜される自己配向化する膜であることが好ましい。このように選択成長しているキャップ層24は、中間層23よりも更に高い面内配向度が得られる。
The cap layer 24 has a function of controlling the orientation of the oxide superconducting layer 37 provided thereon and a function of suppressing diffusion of elements constituting the intermediate layer 23 into the oxide superconducting layer 37.
In particular, the cap layer 24 undergoes a process of epitaxial growth with respect to the surface of the intermediate layer 23, grain growth (overgrowth) in the lateral direction (plane direction), and selective growth of crystal grains in the in-plane direction. A film that is self-orientated is preferably formed. The cap layer 24 that is selectively grown in this manner can have a higher degree of in-plane orientation than the intermediate layer 23.

キャップ層24を構成する材料としては、このような機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、例えば、CeO、LaMnO、SrTiO、Y等を用いるのが好ましい。
キャップ層24の構成材料としてCeOを用いる場合、キャップ層24は、全体がCeOによって構成されている必要はなく、Ceの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたCe−M−O系酸化物を含んでいてもよい。
The material constituting the cap layer 24 is not particularly limited as long as it can exhibit such a function. For example, CeO 2 , LaMnO 3 , SrTiO 3 , Y 2 O 3 and the like are preferably used.
When CeO 2 is used as the constituent material of the cap layer 24, the cap layer 24 does not need to be entirely composed of CeO 2 , and Ce-M in which a part of Ce is substituted with another metal atom or metal ion. -O type oxide may be included.

キャップ層24の適正な膜厚は、その構成材料によって異なり、例えばCeOによってキャップ層24を構成する場合には、50〜5000nmの範囲、より好ましくは100〜5000nmの範囲などを例示することができる。キャップ層24の膜厚がこれらの範囲から外れると、十分な配向度が得られない場合がある。
キャップ層24を成膜するには、パルスレーザー蒸着法(PLD法)、スパッタリング法などを用いて形成することができるが、大きな成膜速度を得られる点でPLD法を用いることが望ましい。
なお、キャップ層24を有しない構成とすることも可能である。
The appropriate film thickness of the cap layer 24 varies depending on its constituent material. For example, when the cap layer 24 is composed of CeO 2 , the range of 50 to 5000 nm, more preferably the range of 100 to 5000 nm, etc. may be exemplified. it can. If the film thickness of the cap layer 24 is out of these ranges, a sufficient degree of orientation may not be obtained.
The cap layer 24 can be formed using a pulse laser deposition method (PLD method), a sputtering method, or the like, but it is desirable to use the PLD method from the viewpoint of obtaining a high film formation rate.
Note that a configuration without the cap layer 24 is also possible.

本実施形態においては、キャップ層24の上に、酸化物超電導層37と保護層38を形成してなる基本構造とされている。
酸化物超電導層37の材料としては、RE−123系酸化物超電導体(REBaCu7−n:REはY、La、Nd、Sm、Eu、Gd等の希土類元素)を用いることができる。
RE−123系酸化物超電導体の中でも好ましくは、Y123(YBaCu7−n)又はGd123(GdBaCu7−n)等を用いることができる。また、その他の酸化物超電導体、例えば、(Bi、Pb)CaSrCuなる組成等に代表される臨界温度の高い他の酸化物超電導体からなるものを用いても良い。 酸化物超電導層37の厚さは、0.5〜5μm程度であって、均一な厚さであることが好ましい。酸化物超電導層37は、PLD法、スパッタ法、TFA−MOD法(トリフルオロ酢酸塩を用いた有機金属堆積法、塗布熱分解法)等の成膜法で成膜することができる。また、酸化物超電導層37の膜質は均一であることが好ましく、酸化物超電導層37の結晶のc軸とa軸とb軸もキャップ層24の結晶に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化しており、結晶配向性が優れたものとなっている。
In the present embodiment, the basic structure is such that an oxide superconducting layer 37 and a protective layer 38 are formed on the cap layer 24.
As a material of the oxide superconducting layer 37, an RE-123 oxide superconductor (REBa 2 Cu 3 O 7-n : RE is a rare earth element such as Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd) is used. it can.
Among the RE-123 oxide superconductors, Y123 (YBa 2 Cu 3 O 7-n ) or Gd123 (GdBa 2 Cu 3 O 7-n ) or the like can be preferably used. In addition, other oxide superconductors, for example, those made of other oxide superconductors having a high critical temperature represented by a composition such as (Bi, Pb) 2 Ca 2 Sr 3 Cu 4 O x may be used. . The oxide superconducting layer 37 has a thickness of about 0.5 to 5 μm and preferably a uniform thickness. The oxide superconducting layer 37 can be formed by a film forming method such as a PLD method, a sputtering method, or a TFA-MOD method (an organic metal deposition method using trifluoroacetate, a coating pyrolysis method). The film quality of the oxide superconducting layer 37 is preferably uniform, and the c-axis, a-axis, and b-axis of the crystal of the oxide superconducting layer 37 are epitaxially grown and crystallized so as to match the crystal of the cap layer 24. Thus, the crystal orientation is excellent.

保護層38は、酸化物超電導層37の超電導特性の安定化などの目的で形成されたもので、AgやAg合金、Cuなどの良電導性金属材料からなる。なお、本実施形態では保護層38を有する例示をしたが、本発明はこれに限定されず、保護層38を有しない構成とすることも可能である。   The protective layer 38 is formed for the purpose of stabilizing the superconducting characteristics of the oxide superconducting layer 37 and is made of a highly conductive metal material such as Ag, an Ag alloy, or Cu. In this embodiment, the protective layer 38 is exemplified. However, the present invention is not limited to this, and a configuration without the protective layer 38 is also possible.

図3(b)に示されるように、この実施形態において、製造された酸化物超電導導体Aを超電導線材や超電導コイルとして好適に用いるためには、中間層と酸化物超電導層を形成したテープ状金属基材21の側面21d’側の部分を除いて、テープ状金属基材21を、その幅を減じるように加工することが好ましい。
図4は、図2のロール体を用いて製造された酸化物超電導導体Aにおいて、図3(b)と同様にテープ状金属基材21の幅を減じるように加工して得られた超電導コイル3の概略斜視図である。超電導コイル3は、そのままコイルとして用いてもよく、展伸して、超電導線材として用いられてもよい。
このようなテープ状金属基材21の幅を減じる加工方法としては、CMPなどの研磨による加工方法、切断による方法、予めテープ状金属基材21に入れておいたミシン目を用い、ミシン目の上のコイルを治具などで拘束した状態でミシン目の下の部分の基材21をはぎ取るようにしてカットする方法等が挙げられる。
As shown in FIG. 3 (b), in this embodiment, in order to suitably use the manufactured oxide superconducting conductor A as a superconducting wire or a superconducting coil, a tape-like shape in which an intermediate layer and an oxide superconducting layer are formed. It is preferable to process the tape-shaped metal base material 21 so as to reduce the width thereof, except for the portion on the side surface 21d ′ side of the metal base material 21.
FIG. 4 shows a superconducting coil obtained by processing the oxide superconducting conductor A manufactured using the roll body of FIG. 2 so as to reduce the width of the tape-like metal substrate 21 as in FIG. 3B. 3 is a schematic perspective view of FIG. The superconducting coil 3 may be used as a coil as it is, or may be extended and used as a superconducting wire.
As a processing method for reducing the width of the tape-shaped metal base material 21, a processing method by polishing such as CMP, a method by cutting, or a perforation previously placed in the tape-shaped metal base material 21 is used. For example, a method of cutting the base material 21 under the perforation in a state where the upper coil is restrained by a jig or the like is used.

第一の実施形態で製造された超電導コイルにおいては、図6(a)に示されるように、テープ状金属基材21同士が隣接しあっているため、保護層38を形成する際に、保護層38が一体として形成され、酸化物超電導導体A間での絶縁に問題点が生じる可能性がある。この場合以下の2点の方法を用いることにより上記問題点を解消することができる。   In the superconducting coil manufactured in the first embodiment, as shown in FIG. 6A, the tape-shaped metal base materials 21 are adjacent to each other. The layer 38 is formed as a unit, and there may be a problem in insulation between the oxide superconductors A. In this case, the above-mentioned problems can be solved by using the following two methods.

図5に示されるようにテープ状金属基材21をロール状に巻いてロール体を形成する際に、テープ状金属基材21に重ねるようにテープ状のスペーサー50を同時に巻き込み、これによって形成した複合ロール体4の側端面4aに中間層と酸化物超電導層を成膜し、複合ロール体4の側端面側にスペーサー50により区分けされた状態で中間層上に結晶配向させた酸化物超電導層のコイル体を形成することが好ましい。スペーサー50の端面の高さは、テープ状金属基材21の端面より低くしておくことがより好ましい。これにより、保護層が一体として形成されてしまうおそれが少ない。
なお、図6(a)に示す構造においてIBAD法により形成した結晶配向性に優れた中間層23上に形成したキャップ層24は、5°程度の優れた配向性を示し、キャップ層24上に形成した酸化物超電導層37も優れた配向性を示す。しかし、ロール状に巻回したテープ状金属基材21の重ね合わせた境界部分については良好な結晶配向状態とはならず、境界部分には酸化物超電導層37を構成する元素の酸化物絶縁層が生成するので、酸化物超電導層37は、ロール状に個々に絶縁状態でコイルとして構成される。この点において、図5に示す如くスペーサー50を共にコイル巻きした場合は、スペーサー50の側面上に酸化物超電導層37の構成元素の絶縁層か、ギャップを形成できるので絶縁性を向上できる。
When forming the roll body by winding the tape-shaped metal substrate 21 in a roll shape as shown in FIG. 5, the tape-shaped spacer 50 is simultaneously wound so as to overlap the tape-shaped metal substrate 21, thereby forming the roll body. An oxide superconducting layer in which an intermediate layer and an oxide superconducting layer are formed on the side end face 4a of the composite roll body 4 and crystallized on the intermediate layer in a state separated by a spacer 50 on the side end face side of the composite roll body 4 It is preferable to form a coil body. The height of the end face of the spacer 50 is more preferably lower than the end face of the tape-shaped metal base 21. Thereby, there is little possibility that a protective layer will be formed as one.
In addition, the cap layer 24 formed on the intermediate layer 23 having excellent crystal orientation formed by the IBAD method in the structure shown in FIG. 6A shows an excellent orientation of about 5 °. The formed oxide superconducting layer 37 also exhibits excellent orientation. However, the superposed boundary portion of the tape-shaped metal substrate 21 wound in a roll shape is not in a good crystal orientation state, and the oxide insulating layer of the element constituting the oxide superconducting layer 37 is not formed in the boundary portion. Therefore, the oxide superconducting layer 37 is individually configured in a roll shape as a coil. In this regard, when the spacer 50 is coiled together as shown in FIG. 5, an insulating layer of a constituent element of the oxide superconducting layer 37 or a gap can be formed on the side surface of the spacer 50, so that the insulating property can be improved.

また、図6(b)に示されるようにフォトリソグラフィ技術を用いてエッチングなどの手法により保護層に溝を形成してもよい。図6を用いて一例を挙げると、保護層38の表面を覆うようにネガ型の感光性樹脂層40を形成する。この感光性樹脂層40は、ディップ法、スプレー法、ロールコーター法などの塗布方法により、保護層38に感光性樹脂を塗布した後、温風乾燥機あるいは遠赤外線照射装置などを用い、プリベーク処理などの乾燥工程を行ない、乾燥させることで得ることができる。
ここで用いるネガ型の感光性樹脂40として、日本ペイント(株)、商品名OPTO−ER、Nシリーズ(OPTOは登録商標)、関西ペイント(株)、商品名ゾンネLDIシリーズ等を用いることができる。
Further, as shown in FIG. 6B, a groove may be formed in the protective layer by a technique such as etching using a photolithography technique. Taking an example with reference to FIG. 6, the negative photosensitive resin layer 40 is formed so as to cover the surface of the protective layer 38. The photosensitive resin layer 40 is pre-baked by applying a photosensitive resin to the protective layer 38 by a coating method such as a dipping method, a spray method, or a roll coater method, and then using a hot air dryer or a far infrared irradiation device. It can obtain by performing the drying process of etc. and making it dry.
As the negative photosensitive resin 40 used here, Nippon Paint Co., Ltd., trade name OPTO-ER, N series (OPTO is a registered trademark), Kansai Paint Co., Ltd., trade name Sonne LDI series, etc. can be used. .

次に、感光性樹脂層40の上から、超高圧水銀灯あるいはメタルハライド水銀灯などを光源とする露光装置を用いて露光する。この露光の際、フォトマスクを用い、感光性樹脂層40において、テープ状金属基材の端面同士が隣接しあう境界部分が露光されないようにする。   Next, it exposes from the photosensitive resin layer 40 using the exposure apparatus which uses an ultrahigh pressure mercury lamp, a metal halide mercury lamp, etc. as a light source. At the time of this exposure, a photomask is used so that the boundary portion where the end faces of the tape-shaped metal substrate are adjacent to each other in the photosensitive resin layer 40 is not exposed.

この状態から炭酸ソーダなどの現像液を用いて25℃〜35℃程度の液温度にて30秒〜120秒現像し、次いでリンス液をスプレー塗布して現像完了とする。この現像工程により、感光性樹脂層40において露光されなかった領域のみが除去され、感光性樹脂層40に溝部40aが形成される(図6(b)参照)。この溝部40aを形成し、感光性樹脂層40の表面をリンスして清浄化した後、エッチング処理を行う。
清浄化の後、感光性樹脂層40をマスクとして保護層38の湿式エッチングによる分割を行う。ここで用いるエッチング液として、硝酸、またはアンモニア水+過酸化水素水を用いることができる。
From this state, development is performed for 30 seconds to 120 seconds at a liquid temperature of about 25 ° C. to 35 ° C. using a developer such as sodium carbonate, and then a rinse solution is spray applied to complete the development. By this development process, only the unexposed area in the photosensitive resin layer 40 is removed, and a groove 40a is formed in the photosensitive resin layer 40 (see FIG. 6B). After this groove 40a is formed and the surface of the photosensitive resin layer 40 is rinsed and cleaned, an etching process is performed.
After cleaning, the protective layer 38 is divided by wet etching using the photosensitive resin layer 40 as a mask. As an etchant used here, nitric acid or ammonia water + hydrogen peroxide water can be used.

このエッチング工程により保護層38を分離溝38aにより分割し、酸化物超電導導体Aの端面間を絶縁分離することができる。エッチング工程の終了後、水酸化ナトリウム水溶液(3〜5%、液温40〜55℃)に60〜90秒程度浸漬し、感光性樹脂層40を保護層38から剥離する(図6(c)参照)。   By this etching process, the protective layer 38 is divided by the separation groove 38a, so that the end surfaces of the oxide superconductor A can be insulated and separated. After completion of the etching step, the photosensitive resin layer 40 is peeled from the protective layer 38 by immersing in an aqueous sodium hydroxide solution (3 to 5%, liquid temperature 40 to 55 ° C.) for about 60 to 90 seconds (FIG. 6C). reference).

(2) 第二の実施形態
図7は、本発明の超電導線材の製造方法の一態様で用いられるレーザー蒸着装置の要部を例示する概略斜視図である。一般的に用いられるレーザー蒸着装置は、テープ状金属基材21の表面21aに成膜するための構成からなるものであったが、本発明の方法に用いられるレーザー蒸着装置は、テープ状金属基材21の側面21d’に成膜するための構成とされている。
(2) Second Embodiment FIG. 7 is a schematic perspective view illustrating the main part of a laser vapor deposition apparatus used in one aspect of the method for producing a superconducting wire of the present invention. The laser vapor deposition apparatus generally used has a configuration for forming a film on the surface 21a of the tape-shaped metal substrate 21, but the laser vapor deposition apparatus used in the method of the present invention is a tape-shaped metal substrate. The film 21 is formed on the side surface 21 d ′ of the material 21.

ここに示すレーザー蒸着装置10は、テープ状金属基材21を囲んで保温する開口部付きのヒーターボックス13と、該ヒーターボックス13の開口部14に隣接するバッキングプレート16と、該バッキングプレート16に保持されるターゲット15に、レーザー光を照射するレーザー光照射手段17とを備え、さらにレーザー光照射手段17以外の装置各部を収容する処理容器(図示略)を備える。   The laser vapor deposition apparatus 10 shown here includes a heater box 13 having an opening that surrounds and maintains a tape-shaped metal substrate 21, a backing plate 16 adjacent to the opening 14 of the heater box 13, and the backing plate 16. The target 15 to be held is provided with a laser light irradiation means 17 for irradiating laser light, and further provided with a processing container (not shown) for housing each part of the apparatus other than the laser light irradiation means 17.

レーザー光照射手段17は、さらに、エネルギー密度が異なる二種のレーザー光のうち、第一のレーザー光18aを照射する第一のレーザー光照射手段17aと、第二のレーザー光18bを照射する第二のレーザー光照射手段17bとを備えて、概略構成されている。 レーザー蒸着装置10を使用し、第一のレーザー光18a及び第二のレーザー光18bをターゲット15の表面に照射することで、ターゲット15から叩き出され若しくは蒸発した蒸着粒子群(プルーム)19を、ヒーターボックス13内のテープ状金属基材21の側面に堆積させることができる。   The laser light irradiation means 17 further irradiates the first laser light irradiation means 17a for irradiating the first laser light 18a and the second laser light 18b among the two kinds of laser lights having different energy densities. And a second laser light irradiation means 17b. By using the laser vapor deposition apparatus 10 and irradiating the surface of the target 15 with the first laser beam 18a and the second laser beam 18b, the vapor deposition particle group (plume) 19 struck or evaporated from the target 15 is obtained. It can be deposited on the side surface of the tape-shaped metal substrate 21 in the heater box 13.

レーザー蒸着装置10は、さらに、テープ状金属基材21が巻回された送出リール20aと、酸化物超電導層の成膜を終えた超電導導体Aを収納する巻取リール20bとを備える。送出リール20aと巻取リール20bとの間に設けられたヒーターボックス13内には、テープ状金属基材1を巻回する巻回部材を複数個配列してなる巻回部材群51a、51bが離間して対向配置され、これら一対の巻回部材群51a、51bに巻回されたテープ状金属基材21が、これらの巻回部材群51a、51bを周回することにより、プルームの堆積領域内において複数列のレーンを構成するように配置されている。   The laser deposition apparatus 10 further includes a delivery reel 20a around which the tape-shaped metal substrate 21 is wound, and a take-up reel 20b that accommodates the superconducting conductor A that has finished forming the oxide superconducting layer. In the heater box 13 provided between the delivery reel 20a and the take-up reel 20b, winding member groups 51a and 51b, in which a plurality of winding members for winding the tape-shaped metal substrate 1, are arranged. The tape-shaped metal base material 21 which is arranged to be spaced apart from each other and wound around the pair of winding member groups 51a and 51b circulates around the winding member groups 51a and 51b, so that the inside of the plume accumulation region Are arranged so as to constitute a plurality of lanes.

巻回部材群51a、51bを収容しているヒーターボックス13は、内壁面に複数個のヒータ(図示略)を備え、これらヒータに通電することで、テープ状金属基材21を均一に加熱して保温できるようになっている。また、ヒーターボックス13の底面部中央には、ターゲット15の表面で生じたプルーム19をヒーターボックス13内に導入するための開口部14が穿設されている。   The heater box 13 that accommodates the winding member groups 51a and 51b includes a plurality of heaters (not shown) on the inner wall surface, and energizes these heaters to uniformly heat the tape-shaped metal substrate 21. Can be kept warm. Further, an opening 14 for introducing a plume 19 generated on the surface of the target 15 into the heater box 13 is formed in the center of the bottom surface of the heater box 13.

開口部14の近傍(下方)には、ターゲット15を固定したバッキングプレート16が、前記開口部14に対して平行な面に沿って、図中の矢印方向に往復移動可能に設けられている。なお、バッキングプレート16には水冷のための水路やその他の配管等が付設されてターゲットホルダとして構成されているが、図7ではこれらの図示を省略し、バッキングプレート16のみを描いている。   In the vicinity (downward) of the opening 14, a backing plate 16 to which the target 15 is fixed is provided so as to be able to reciprocate in the direction of the arrow in the drawing along a plane parallel to the opening 14. In addition, although the water channel for cooling water, another piping, etc. are attached to the backing plate 16 and it comprises as a target holder, these illustrations are abbreviate | omitted in FIG. 7, and only the backing plate 16 is drawn.

第一のレーザー光18a及び第二のレーザー光18bは、処理容器の適当な位置に設けられている透明窓(図示略)から該容器内に入射され、ターゲット15の表面に照射される。レーザー光照射手段17と前記透明窓との間には、必要に応じて反射ミラーや集光レンズ等の光学系(図示略)が設けられる。
第一のレーザー光18a及び第二のレーザー光18bの照射出力は、レーザー光照射手段17に電力を供給する増幅装置(図示略)の出力によって調整できる。また、周波数は、レーザー光照射手段17に電力を一定の周波数をもって間欠的に供給するか、第一のレーザー光18a及び第二のレーザー光18bが通過する経路のどこかに、回転セクタ等の機械的シャッタを設け、この機械的シャッタを一定の周波数をもって作動させることにより調整できる。
The first laser beam 18 a and the second laser beam 18 b are incident on the container 15 through a transparent window (not shown) provided at an appropriate position of the processing container, and are irradiated on the surface of the target 15. An optical system (not shown) such as a reflecting mirror or a condensing lens is provided between the laser light irradiation means 17 and the transparent window as necessary.
The irradiation output of the first laser beam 18a and the second laser beam 18b can be adjusted by the output of an amplifier (not shown) that supplies power to the laser beam irradiation means 17. The frequency is supplied intermittently to the laser beam irradiation means 17 with a constant frequency, or somewhere in the path through which the first laser beam 18a and the second laser beam 18b pass, such as a rotating sector. Adjustment is possible by providing a mechanical shutter and operating the mechanical shutter at a constant frequency.

レーザー蒸着装置10を使用して、テープ状金属基材21上に酸化物超電導層を形成するためには、送出リール20aに巻回されているテープ状金属基材21を引き出しながら、ヒーターボックス13内に導入し、その内部に収容されている一対の巻回部材群51a、51bに順次巻回させ、次いで、先端側をヒーターボックス13から導出し、巻取リール20bに巻き取り可能に取り付ける。これによって、一対の巻回部材群51a、51bに巻回されたテープ状金属基材21がこれらの巻回部材群51a、51bを周回し、開口部14に望む位置において複数列並んで移動するようになる。
次いで、開口部14に隣接したバッキングプレート16上にターゲット15を設置する。その後、処理容器内を減圧し、必要に応じて酸素ガスを導入して容器内を酸素雰囲気としても良い。
In order to form an oxide superconducting layer on the tape-shaped metal substrate 21 using the laser deposition apparatus 10, the heater box 13 is drawn while pulling out the tape-shaped metal substrate 21 wound around the delivery reel 20a. Then, it is wound around a pair of winding member groups 51a and 51b accommodated therein, and then the leading end side is led out from the heater box 13 and attached to the take-up reel 20b so that it can be wound. As a result, the tape-shaped metal base material 21 wound around the pair of winding member groups 51 a and 51 b circulates around these winding member groups 51 a and 51 b and moves in a plurality of rows side by side at a desired position in the opening 14. It becomes like this.
Next, the target 15 is placed on the backing plate 16 adjacent to the opening 14. Thereafter, the inside of the processing container may be decompressed and oxygen gas may be introduced as necessary to create an oxygen atmosphere in the container.

テープ状金属基材21を上記のようにセットした後は、成膜操作開始前の段階で、ヒーターボックス13の内壁に設けられたヒータに通電してヒーターボックス13内の一対の巻回部材群51a、51bを全体的に加熱し、一定温度に保温しておくことが好ましい。ヒーターボックス13内のテープ状金属基材21の温度制御は、ヒーターボックス13内の適所に複数の温度センサを設置しておき、テープ状金属基材21の温度が均一になるように複数のヒータを個別にON/OFF制御することなどによって行うことが好ましい。   After the tape-shaped metal substrate 21 is set as described above, a pair of winding members in the heater box 13 is energized by energizing the heater provided on the inner wall of the heater box 13 before the film forming operation is started. It is preferable to heat 51a and 51b as a whole and keep the temperature constant. The temperature control of the tape-shaped metal substrate 21 in the heater box 13 is performed by installing a plurality of temperature sensors at appropriate positions in the heater box 13 so that the temperature of the tape-shaped metal substrate 21 is uniform. It is preferable to perform the above by individually controlling ON / OFF.

次いで、送出リール20aからテープ状金属基材21を送り出しつつ、レーザー光照射手段17から透明窓を通じて、第一のレーザー光18a及び第二のレーザー光18bをターゲット15に照射する。
この時、レーン状に複数配列したテープ状金属基材21の個々に可能な限り均一の酸化物超伝導膜をテープ状金属基材21の全長にわたり成膜するために、第一のレーザー光18a及び第二のレーザー光18bをターゲット15の幅方向に全幅に渡り順次走査し、ターゲット15の全幅の複数の部分から順次プルーム19を発生させて成膜し、テープ状金属基材21の全長に対応できるように長時間の成膜を行う。また、ターゲット15をバッキングプレート16と共に図7中の矢印方向に往復移動させることにより、ターゲット15の幅方向に対して垂直な方向の全域にも、第一のレーザー光18a及び第二のレーザー光18bを照射することで、結果的にターゲット15の表面全域から順次プルーム19を発生させることができる。
Next, the target 15 is irradiated with the first laser beam 18 a and the second laser beam 18 b through the transparent window from the laser beam irradiation means 17 while feeding the tape-shaped metal substrate 21 from the delivery reel 20 a.
At this time, in order to form an oxide superconducting film as uniform as possible over the entire length of the tape-shaped metal substrate 21 in the plurality of tape-shaped metal substrates 21 arranged in a lane shape, the first laser beam 18a is used. The second laser beam 18b is sequentially scanned in the width direction of the target 15 over the entire width, and a plume 19 is sequentially generated from a plurality of portions of the entire width of the target 15 to form a film. Films are formed for a long time so that they can be used. Further, by reciprocating the target 15 together with the backing plate 16 in the direction of the arrow in FIG. 7, the first laser beam 18 a and the second laser beam are also applied to the entire region in the direction perpendicular to the width direction of the target 15. As a result, the plume 19 can be sequentially generated from the entire surface of the target 15 by irradiating 18b.

プルーム19は、その放射方向の断面積が拡大し、開口部14からヒーターボックス13内に導入される。この開口部14近傍には、テープ状金属基材21が複数列並んで移動しているので、その表面に必要な厚さで酸化物超伝導膜を形成できる。酸化物超伝導膜を形成して得られた酸化物超電導導体Aは、ヒーターボックス13から導出され、巻取リール20bに巻き取られる。   The plume 19 has an enlarged radial cross-sectional area and is introduced into the heater box 13 through the opening 14. In the vicinity of the opening 14, the tape-shaped metal base material 21 moves in a plurality of rows, so that an oxide superconducting film can be formed on the surface with a necessary thickness. The oxide superconducting conductor A obtained by forming the oxide superconducting film is led out from the heater box 13 and taken up on the take-up reel 20b.

このようにして得られた超電導導体Aを図2のようにロール状に巻いて、超電導コイルを形成することもできる。また、第一の実施形態で述べられたように、テープ状金属基材21の幅を減じる加工をする場合には、図4に示されるように一度ロール体を形成した後に、加工する方が、作業効率の観点から好ましい。
更に、このように加工された超電導導体Aをソレノイド状に巻いて超電導コイルを形成してもよい。
The superconducting conductor A thus obtained can be wound into a roll shape as shown in FIG. 2 to form a superconducting coil. In addition, as described in the first embodiment, when processing to reduce the width of the tape-shaped metal substrate 21, it is better to process after forming the roll body once as shown in FIG. From the viewpoint of work efficiency, it is preferable.
Further, the superconducting conductor A thus processed may be wound in a solenoid shape to form a superconducting coil.

以上、説明した方法により、幅広のテープ状の基材の表面に形成した超電導層を細分化する工程を行うことなく、細径の交流損失の少ない超電導線材及び前記超電導線材からなる超電導コイル3を得ることができる。   As described above, the superconducting wire 3 and the superconducting coil 3 made of the superconducting wire can be obtained without performing the step of subdividing the superconducting layer formed on the surface of the wide tape-shaped substrate by the method described above. Can be obtained.

以下、具体的実施例により、本発明についてより詳細に説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施例に、何ら限定されるものではない。
幅10mm、厚さ1mmのテープ状のハステロイC276(商品名、ヘインズ社製)の基材を幅8mm、厚さ0.1mmのJIS規格のSUSテープを重ねて、その表裏面を重ねるようにロール状に巻くことにより、内径15cm、外径30cmのロール体を形成した。基材の側面から形成されるロール体の側端面に、スパッタ法によりAlの拡散防止層を成膜した。Al層の成膜温度を室温、膜厚を100nmとした。
次に、このAlの拡散防止層上に、イオンビームスパッタ法によりYのベッド層を膜厚20nmとなるように成膜した。
続いてIBAD法によりMgOのターゲットを用いてアシストイオンビームを入射角45゜で照射しながらMgOのターゲットにイオンビームを照射してターゲット粒子を叩き出し、ベッド層上にIBAD−MgOの中間層を成膜した(膜厚5nm)。
次に、IBAD−MgOの中間層上に、パルスレーザー蒸着法(PLD法)により800℃で厚さ500nmのCeOのキャップ層を形成した。
更に、PLD法(パルスレーザー蒸着法)によりキャップ層上にGd123(GdBaCu7−n)なる組成の酸化物超電導層を形成した(膜厚1μm)。
続いて酸化物超電導層上に、イオンビームスパッタ法により厚さ5μmのAgの保護層を形成した。
このようにして形成した図6(c)に示す構造のコイルを液体窒素で冷却し、通電したところ20Aの電流を流すことができ、超電導コイルとして機能することを確認できた。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
Rolled so that the base material of tape-like Hastelloy C276 (trade name, manufactured by Haynes) with a width of 10 mm and a thickness of 1 mm is overlapped with a JIS standard SUS tape with a width of 8 mm and a thickness of 0.1 mm, and the front and back surfaces are stacked. By rolling into a shape, a roll body having an inner diameter of 15 cm and an outer diameter of 30 cm was formed. On the side end face of the roll body formed from the side surface of the substrate, an Al 2 O 3 diffusion prevention layer was formed by sputtering. The film formation temperature of the Al 2 O 3 layer was room temperature and the film thickness was 100 nm.
Next, a Y 2 O 3 bed layer was formed on the Al 2 O 3 diffusion prevention layer by ion beam sputtering so as to have a film thickness of 20 nm.
Subsequently, an IBAD method is used to irradiate the MgO target with an ion beam while irradiating an assist ion beam at an incident angle of 45 ° using an MgO target, and the target particle is knocked out. An intermediate layer of IBAD-MgO is formed on the bed layer. A film was formed (film thickness 5 nm).
Next, a CeO 2 cap layer having a thickness of 500 nm was formed at 800 ° C. on the intermediate layer of IBAD-MgO by a pulse laser deposition method (PLD method).
Further, an oxide superconducting layer having a composition of Gd123 (GdBa 2 Cu 3 O 7-n ) was formed on the cap layer by a PLD method (pulse laser deposition method) (film thickness: 1 μm).
Subsequently, an Ag protective layer having a thickness of 5 μm was formed on the oxide superconducting layer by ion beam sputtering.
When the coil having the structure shown in FIG. 6C formed as described above was cooled with liquid nitrogen and energized, a current of 20 A could be flowed, and it was confirmed that it functions as a superconducting coil.

A、A 超電導導体
12 拡散防止層
21 金属基材
22 ベッド層
23 中間層
24 キャップ層
37 酸化物超電導層
38 保護層
40 感光性樹脂層
10 レーザー蒸着装置
13 ヒーターボックス
14 開口部
15 ターゲット
16 バッキングプレート
17 レーザー光照射手段
17a 第一のレーザー光照射手段
17b 第二のレーザー光照射手段
18a 第一のレーザー光
18b 第二のレーザー光
19 プルーム
50 スペーサー
51a、51b 巻回部材群
21a 表面
21b 裏面
21c 端面
21d、21d’ 側面
4a、21e 側端面
20a 送出しリール
20b 巻取りリール
2 ロール体
3 超電導コイル
4 複合ロール体
A, A 2 Superconducting conductor 12 Diffusion prevention layer 21 Metal substrate 22 Bed layer 23 Intermediate layer 24 Cap layer 37 Oxide superconducting layer 38 Protective layer 40 Photosensitive resin layer 10 Laser deposition apparatus 13 Heater box 14 Opening 15 Target 16 Backing Plate 17 Laser light irradiation means 17a First laser light irradiation means 17b Second laser light irradiation means 18a First laser light 18b Second laser light 19 Plume 50 Spacer 51a, 51b Winding member group 21a Front surface 21b Back surface 21c End face 21d, 21d 'Side face 4a, 21e End face 20a Sending reel 20b Take-up reel 2 Roll body 3 Superconducting coil 4 Composite roll body

Claims (13)

テープ状金属基材の表面および裏面に隣接する側面に、結晶配向させた中間層と、酸化物超電導層とを備えてなることを特徴とする超電導線材。   A superconducting wire comprising an intermediate layer having crystal orientation and an oxide superconducting layer on side surfaces adjacent to a front surface and a back surface of a tape-shaped metal substrate. 前記側面に、中間層と、酸化物超電導層と、保護層と、を備えてなることを特徴とする請求項1に記載の超電導線材。   The superconducting wire according to claim 1, wherein the side surface includes an intermediate layer, an oxide superconducting layer, and a protective layer. 中間層と酸化物超電導層を形成したテープ状金属基材の側面側の部分を除いて、テープ状金属基材が、その幅を減じるように加工されてなることを特徴とする請求項1または2に記載の超電導線材。   The tape-shaped metal substrate is processed so as to reduce its width except for a portion on the side surface of the tape-shaped metal substrate on which the intermediate layer and the oxide superconducting layer are formed. 2. The superconducting wire according to 2. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の超電導線材をロール状に巻くことにより形成されてなる超電導コイルであって、中間層と酸化物超電導層を形成したテープ状金属基材の側面側の部分を側端面とすることを特徴とする超電導コイル。   A superconducting coil formed by winding the superconducting wire according to any one of claims 1 to 3 in a roll shape, wherein the side surface side of the tape-shaped metal substrate on which the intermediate layer and the oxide superconducting layer are formed The superconducting coil is characterized in that the portion is a side end face. テープ状金属基材の表面および裏面に隣接する側面に、結晶配向させた中間層と、酸化物超電導層とを成膜することを特徴とする超電導線材の製造方法。   A method for producing a superconducting wire, comprising forming a crystal-oriented intermediate layer and an oxide superconducting layer on side surfaces adjacent to the front and back surfaces of a tape-shaped metal substrate. テープ状金属基材をその表裏面を重ねるようにロール状に巻くことによりロール体を形成し、前記金属基材の側面から形成される前記ロール体の側端面に、中間層と、酸化物超電導層とを成膜した後、前記ロール体から金属基材を展伸して、テープ状の超電導線材を得ることを特徴とする請求項5に記載の超電導線材の製造方法。   A roll body is formed by winding a tape-shaped metal base material in a roll shape so that the front and back surfaces are overlapped, and an intermediate layer and an oxide superconductor are formed on the side end surface of the roll body formed from the side surface of the metal base material. 6. The method for producing a superconducting wire according to claim 5, wherein after forming the layer, a metal substrate is stretched from the roll body to obtain a tape-shaped superconducting wire. 前記テープ状金属基材をロール状に巻いてロール体を形成する際、前記テープ状金属基材に重ねるようにテープ状のスペーサーを同時に巻き込み、これによって形成した複合ロール体の側端面に中間層と酸化物超電導層を成膜し、複合ロール体の側端面側にスペーサーにより区分けされた状態で中間層上に結晶配向させた酸化物超電導層のコイル体を形成した後、前記ロール体から前記金属基材を展伸して、テープ状の超電導線材を得ることを特徴とする請求項6に記載の超電導線材の製造方法。   When forming the roll body by winding the tape-shaped metal substrate into a roll shape, a tape-shaped spacer is simultaneously wound so as to overlap the tape-shaped metal substrate, and an intermediate layer is formed on the side end face of the composite roll body formed thereby. And the oxide superconducting layer is formed, and the coil body of the oxide superconducting layer crystallized on the intermediate layer in a state of being separated by a spacer on the side end face side of the composite roll body, The method for producing a superconducting wire according to claim 6, wherein a tape-shaped superconducting wire is obtained by stretching a metal substrate. 前記側端面に、中間層と、酸化物超電導層と、保護層と、を形成することを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の超電導線材の製造方法。   The method for producing a superconducting wire according to any one of claims 5 to 7, wherein an intermediate layer, an oxide superconducting layer, and a protective layer are formed on the side end face. 中間層と酸化物超電導層を形成したテープ状金属基材の側面側の部分を除いて、テープ状金属基材を、その幅を減じるように加工することを特徴とする請求項5〜8のいずれか1項に記載の超電導線材の製造方法。   9. The tape-shaped metal substrate is processed so as to reduce its width except for a portion on the side surface of the tape-shaped metal substrate on which the intermediate layer and the oxide superconducting layer are formed. The manufacturing method of the superconducting wire of any one of Claims 1. テープ状金属基材をその表裏面を重ねるようにロール状に巻くことによりロール体を形成し、前記金属基材の側面から形成される前記ロール体の側端面に、結晶配向させた中間層と、中間層上に結晶配向させた酸化物超電導層とを成膜することを特徴とする超電導コイルの製造方法。   A roll body is formed by winding a tape-shaped metal base material in a roll shape so that the front and back surfaces of the tape-shaped metal base material are overlapped, and an intermediate layer crystallized on the side end surface of the roll body formed from the side surface of the metal base material A method for producing a superconducting coil, comprising forming an oxide superconducting layer having a crystal orientation on an intermediate layer. 前記テープ状金属基材をロール状に巻いてロール体を形成する際、前記テープ状金属基材に重ねるようにテープ状のスペーサーを同時に巻き込み、これによって形成した複合ロール体の側端面に中間層と酸化物超電導層を成膜し、複合ロール体の側端面側にスペーサーにより区分けされた状態で中間層上に結晶配向させた酸化物超電導層のコイル体を形成することを特徴とする請求項10に記載の超電導コイルの製造方法。   When forming the roll body by winding the tape-shaped metal substrate into a roll shape, a tape-shaped spacer is simultaneously wound so as to overlap the tape-shaped metal substrate, and an intermediate layer is formed on the side end face of the composite roll body formed thereby. An oxide superconducting layer is formed, and a coil body of an oxide superconducting layer is formed by crystal orientation on an intermediate layer in a state of being separated by a spacer on a side end face side of the composite roll body. 10. A method for producing a superconducting coil according to 10. 前記側面に、中間層と、酸化物超電導層と、保護層と、を形成することを特徴とする請求項10または11に記載の超電導コイルの製造方法。   The method for manufacturing a superconducting coil according to claim 10 or 11, wherein an intermediate layer, an oxide superconducting layer, and a protective layer are formed on the side surface. 中間層と酸化物超電導層を形成したテープ状金属基材の側面側の部分を除いて、テープ状金属基材を、その幅を減じるように加工することを特徴とする請求項10〜12のいずれか1項に記載の超電導コイルの製造方法。   The tape-shaped metal substrate is processed so as to reduce the width thereof except for a portion on the side surface of the tape-shaped metal substrate on which the intermediate layer and the oxide superconducting layer are formed. The manufacturing method of the superconducting coil of any one of Claims 1.
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