JP6404556B2 - Oxide superconducting conductor and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、酸化物超電導導体およびその製造方法に関する。   The present invention relates to an oxide superconductor and a method for manufacturing the same.

近年のエネルギー問題を解決できる電気機器の一つに低損失の導電材料として酸化物超電導体を用いたケーブル、コイル、モーター、マグネットなどの超電導機器が挙げられる。これらの超電導機器に用いられる超電導体として、例えば、RE−123系(REBaCu7−x:REはYやGdなどを含む希土類元素)等の酸化物超電導体が知られている。この酸化物超電導体は、液体窒素温度付近で超電導特性を示し、強磁界内でも比較的高い臨界電流密度を維持できるため、実用上有望な導電材料として期待されている。 One of the electrical devices that can solve energy problems in recent years is a superconducting device such as a cable, a coil, a motor, and a magnet using an oxide superconductor as a low-loss conductive material. As superconductors used in these superconducting devices, for example, oxide superconductors such as RE-123 series (REBa 2 Cu 3 O 7-x : RE is a rare earth element including Y, Gd, etc.) are known. This oxide superconductor exhibits superconducting properties near the temperature of liquid nitrogen and can maintain a relatively high critical current density even in a strong magnetic field, and thus is expected as a practically promising conductive material.

上述の酸化物超電導体を電気機器に使用するためには、酸化物超電導体を線材に加工して、電力供給用の導体あるいはコイルとして用いるのが一般的である。具体的には、金属製の基材上に結晶配向性の良好な中間層を介し酸化物超電導層を形成し、この酸化物超電導層を覆うように保護層や安定化層を形成することで酸化物超電導導体を得ることができる。   In order to use the above-described oxide superconductor in an electric device, it is common to process the oxide superconductor into a wire and use it as a power supply conductor or coil. Specifically, an oxide superconducting layer is formed on a metal substrate via an intermediate layer with good crystal orientation, and a protective layer and a stabilization layer are formed so as to cover the oxide superconducting layer. An oxide superconductor can be obtained.

この種の酸化物超電導導体として、例えば以下の特許文献1に記載されているように、テープ状の基材上に中間層を介し酸化物超電導層を形成し、この酸化物超電導層上に、良導電性の金属安定化層を形成した構造が一般的に知られている。
また、酸化物超電導層の超電導特性を向上させるためには、酸化物超電導層の下地となる中間層の結晶配向性を整えることが重要である。例えば、以下の特許文献2に記載されているように、基材上にイオンビームアシスト法により結晶配向性の良好な中間層を形成し、この中間層上に更に結晶配向性の良好なキャップ層を成膜し、このキャップ層上に酸化物超電導層を成膜した酸化物超電導導体が知られている。
As an oxide superconducting conductor of this type, for example, as described in Patent Document 1 below, an oxide superconducting layer is formed on a tape-like substrate via an intermediate layer, and on this oxide superconducting layer, A structure in which a highly conductive metal stabilizing layer is formed is generally known.
In addition, in order to improve the superconducting characteristics of the oxide superconducting layer, it is important to adjust the crystal orientation of the intermediate layer that is the base of the oxide superconducting layer. For example, as described in Patent Document 2 below, an intermediate layer having a good crystal orientation is formed on a substrate by an ion beam assist method, and a cap layer having a further good crystal orientation is formed on the intermediate layer. An oxide superconducting conductor is known in which an oxide superconducting layer is formed on the cap layer.

特開平07−073758号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-073758 特開2004−071359号公報JP 2004-071359 A

前述のイオンビームアシスト法により結晶配向性の良好な中間層を形成するのは、中間層として良好な結晶配向性を確保し、その上に更に結晶配向性の良好なキャップ層を形成し、その上に酸化物超電導層を成膜するならば、酸化物超電導層の結晶配向性も良好できるとの知見によっている。また、イオンビームアシスト法は成膜時に基材の斜め方向からイオンビームを照射しつつ粒子堆積を行い、結晶粒同士の結晶軸がなす粒界傾角を小さくできるので、結晶粒界での弱結合を抑制し、超電導電流の流れやすい超電導層を製造するために有効な技術として知られている。酸化物超電導層においてさらに臨界電流密度を向上させるためには、更なる粒界弱結合の改善が必要であると考えられる。   Forming an intermediate layer with good crystal orientation by the ion beam assist method described above ensures a good crystal orientation as the intermediate layer and forms a cap layer with further good crystal orientation on the intermediate layer. It is based on the knowledge that if the oxide superconducting layer is formed on the top, the crystal orientation of the oxide superconducting layer can be improved. In addition, the ion beam assist method performs particle deposition while irradiating an ion beam from an oblique direction of the substrate during film formation, and the grain boundary tilt angle formed by the crystal axes of the crystal grains can be reduced. It is known as an effective technique for manufacturing a superconducting layer in which superconducting current flows easily. In order to further improve the critical current density in the oxide superconducting layer, it is considered necessary to further improve the grain boundary weak coupling.

しかし、酸化物超電導導体を導電材料として検討した場合、臨界電流密度などの超電導特性をより向上させたいという課題があるので、酸化物超電導層とその下地となる種々の中間層について、更に優れた超電導特性を得るための研究開発が進められている。
また、RE−123系の酸化物超電導体は92K前後の特定の臨界温度(Tc)を示すので、液体窒素などの冷媒を用い、冷却して使用する。従って、基材上に複数の層を積層した構造とする場合、酸化物超電導層の臨界温度が低下しないような層構造を採用する必要がある。
However, when the oxide superconducting conductor is studied as a conductive material, there is a problem of further improving the superconducting characteristics such as critical current density. Therefore, the oxide superconducting layer and various intermediate layers serving as the underlying layer are more excellent. Research and development is underway to obtain superconducting properties.
In addition, since the RE-123 series oxide superconductor exhibits a specific critical temperature (Tc) of around 92K, it is cooled using a refrigerant such as liquid nitrogen. Accordingly, when a structure in which a plurality of layers are laminated on a substrate is employed, it is necessary to employ a layer structure that does not lower the critical temperature of the oxide superconducting layer.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、酸化物超電導体の結晶粒の粒界にアルカリ土類金属を拡散させた構造を採用することで臨界温度を低下させることなく臨界電流値をより高くすることが可能な酸化物超電導導体およびその製造方法の提供を目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and employs a structure in which an alkaline earth metal is diffused in the grain boundary of an oxide superconductor to reduce the critical current value without lowering the critical temperature. It is an object of the present invention to provide an oxide superconducting conductor that can be made higher and a method for manufacturing the same.

本発明の酸化物超電導導体は、基材と、前記基材上に形成された配向層とキャップ層および酸化物超電導層と、前記酸化物超電導層上に形成された保護層または薄膜層と保護層とを有し、前記酸化物超電導層に接する保護層または前記薄膜層にアルカリ土類金属元素が含有され、前記酸化物超電導層を構成する酸化物超電導体の結晶粒の粒界にアルカリ土類金属元素が含まれたことを特徴とする。
酸化物超電導体の結晶粒の粒界にアルカリ土類金属元素が存在していると、結晶粒界においてキャリア濃度が向上し、結晶粒界における弱結合の発生を抑制して臨界電流値の向上に寄与する。また、酸化物超電導層を構成する酸化物超電導体の結晶粒の粒界にアルカリ土類金属元素を存在させていても、酸化物超電導層の臨界温度が低下することはないので、アルカリ土類金属元素を含んでいない酸化物超電導体と同じ優れた臨界温度を有しながら臨界電流値の高い酸化物超電導導体を提供できる。
The oxide superconducting conductor of the present invention includes a base material, an alignment layer formed on the base material, a cap layer and an oxide superconducting layer, and a protective layer or a thin film layer formed on the oxide superconducting layer. A protective layer in contact with the oxide superconducting layer or the thin film layer containing an alkaline earth metal element, and an alkaline earth at the grain boundary of the oxide superconductor constituting the oxide superconducting layer. It is characterized by containing a similar metal element.
When alkaline earth metal elements are present at the grain boundaries of oxide superconductors, the carrier concentration at the grain boundaries is improved, and the occurrence of weak bonds at the grain boundaries is suppressed to improve the critical current value. Contribute to. Further, even if an alkaline earth metal element is present at the grain boundary of the oxide superconductor constituting the oxide superconductor layer, the critical temperature of the oxide superconductor layer does not decrease. An oxide superconductor having a high critical current value while having the same excellent critical temperature as an oxide superconductor not containing a metal element can be provided.

本発明において、前記酸化物超電導層を構成する酸化物超電導体の結晶粒の内部において粒界側に前記アルカリ土類金属元素が含まれていても良い。
アルカリ土類金属元素が酸化物超電導体の結晶粒の内部に多く拡散すると、酸化物超電導体の結晶構造が崩れて酸化物超電導層の臨界電流値を低下させる要因となるので、アルカリ土類金属元素は酸化物超電導体の結晶粒の粒界と該粒界に近い結晶粒の内部領域に拡散されていることが好ましい。酸化物超電導体の結晶粒の粒界に近い領域と粒界にアルカリ土類金属元素を存在させることで、臨界温度を低下させることなく臨界電流特性を向上できる。
In the present invention, the alkaline earth metal element may be contained on the grain boundary side in the crystal grains of the oxide superconductor constituting the oxide superconducting layer.
If alkaline earth metal elements diffuse a lot inside the crystal grains of oxide superconductors, the crystal structure of oxide superconductors will collapse and cause a decrease in the critical current value of the oxide superconductor layer. It is preferable that the element is diffused in the grain boundary of the oxide superconductor and in the inner region of the crystal grain close to the grain boundary. The presence of an alkaline earth metal element in the region close to the grain boundary of the crystal grain of the oxide superconductor and the grain boundary can improve the critical current characteristic without lowering the critical temperature.

本発明において、前記アルカリ土類金属元素がCaまたはSrであることが好ましい。
酸化物超電導層に含有されるアルカリ土類金属元素としてCaとSrを選択するならば、酸化物超電導体の結晶粒の粒界にこれらの元素を拡散させることができ、酸化物超電導層の臨界温度を維持しつつ臨界電流値を高くする効果を得ることができる。
In the present invention, the alkaline earth metal element is preferably Ca or Sr.
If Ca and Sr are selected as the alkaline earth metal elements contained in the oxide superconducting layer, these elements can be diffused to the grain boundaries of the crystal grains of the oxide superconductor. The effect of increasing the critical current value while maintaining the temperature can be obtained.

本発明の酸化物超電導導体の製造方法は、基材上に中間層を形成する中間層形成工程と、前記中間層上に酸化物超電導層を形成する酸化物超電導層形成工程と、前記酸化物超電導層上に保護層を形成して積層体を得る保護層形成工程または前記酸化物超電導層上に薄膜層と保護層を形成して積層体を得る薄膜保護層形成工程と、前記積層体を酸素アニール処理して前記保護層または前記薄膜層に含まれているアルカリ土類金属元素を前記酸化物超電導層側に拡散させる酸素アニール工程と、を含むことを特徴とする。
酸素アニール処理によって保護層を介し酸化物超電導層の結晶に酸素を供給し、酸化物超電導層の結晶構造を整えて臨界電流特性を向上させる。この酸素アニール処理時にアルカリ土類金属元素を保護層あるいは薄膜層から酸化物超電導層側に拡散させることで酸化物超電導層を構成する酸化物超電導体の結晶粒の粒界にアルカリ土類金属元素を拡散させることができる。アルカリ土類金属元素が酸化物超電導体の結晶粒の粒界に拡散する速度は、アルカリ土類金属元素が酸化物超電導体の結晶粒の内部側に拡散する速度よりも速いので、アルカリ土類金属元素は酸化物超電導体の結晶粒の粒界に主に拡散する。このため、酸化物超電導体の結晶粒の粒界においてキャリア濃度を向上させる効果が主に発揮され、臨界電流特性が向上する。
The method for producing an oxide superconducting conductor of the present invention includes an intermediate layer forming step of forming an intermediate layer on a substrate, an oxide superconducting layer forming step of forming an oxide superconducting layer on the intermediate layer, and the oxide A protective layer forming step for forming a laminate by forming a protective layer on the superconducting layer, or a thin film protective layer forming step for obtaining a laminate by forming a thin film layer and a protective layer on the oxide superconducting layer; and And an oxygen annealing step of diffusing an alkaline earth metal element contained in the protective layer or the thin film layer to the oxide superconducting layer side by oxygen annealing treatment.
Oxygen is supplied to the crystal of the oxide superconducting layer through the protective layer by oxygen annealing treatment, and the critical current characteristics are improved by adjusting the crystal structure of the oxide superconducting layer. During this oxygen annealing treatment, alkaline earth metal elements are diffused from the protective layer or thin film layer to the oxide superconducting layer side to thereby disperse the alkaline earth metal elements at the grain boundaries of the oxide superconductor constituting the oxide superconducting layer. Can be diffused. The alkaline earth metal element diffuses into the grain boundary of the oxide superconductor crystal grain at a faster rate than the alkaline earth metal element diffuses inside the oxide superconductor crystal grain. Metal elements mainly diffuse into the grain boundaries of the oxide superconductor crystal grains. For this reason, the effect of improving the carrier concentration is mainly exhibited at the grain boundary of the oxide superconductor crystal grains, and the critical current characteristics are improved.

本発明において、前記酸化物超電導層を構成する酸化物超電導体の結晶粒の粒界に前記酸素アニール工程により前記アルカリ土類金属元素を拡散させることができる。
本発明において、前記保護層あるいは薄膜層を前記酸化物超電導層上に成膜法により形成するとともに、前記成膜法を実施する場合に用いるターゲットに前記アルカリ土類金属元素を含有させることができる。
保護層あるいは薄膜層であるならばこれらの層を成膜法で形成する場合にそのターゲットにアルカリ土類金属元素を添加しておき、保護層や薄膜層の成膜と同時にアルカリ土類金属元素を含有した層を得ることができる。そして、酸素アニール時の熱拡散を利用して酸化物超電導層側にアルカリ土類金属元素を拡散させることができ、粒界にアルカリ土類金属元素を拡散させた酸化物超電導層を得ることができる。
In the present invention, the alkaline earth metal element can be diffused into the grain boundary of the crystal grains of the oxide superconductor constituting the oxide superconducting layer by the oxygen annealing step.
In the present invention, the protective layer or the thin film layer is formed on the oxide superconducting layer by a film formation method, and the target used when the film formation method is performed can contain the alkaline earth metal element. .
If these layers are protective layers or thin film layers, an alkaline earth metal element is added to the target when these layers are formed by a film formation method, and the alkaline earth metal elements are formed simultaneously with the formation of the protective layer or thin film layer. A layer containing can be obtained. Then, an alkaline earth metal element can be diffused to the oxide superconducting layer side by utilizing thermal diffusion during oxygen annealing, and an oxide superconducting layer in which the alkaline earth metal element is diffused to the grain boundary can be obtained. it can.

本発明において、前記アルカリ土類金属元素としてCaまたはSrを用いることができ、これらの元素を用いることで臨界温度の低下を引き起こすことなく臨界電流特性を向上できる。   In the present invention, Ca or Sr can be used as the alkaline earth metal element, and by using these elements, the critical current characteristics can be improved without causing a decrease in the critical temperature.

本発明によれば、臨界温度を低下させることなく、臨界電流密度を高くすることができ、優れた超電導特性を発揮する酸化物超電導層を備えた酸化物超電導導体を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a critical current density can be made high, without reducing a critical temperature, and the oxide superconducting conductor provided with the oxide superconducting layer which exhibits the outstanding superconducting characteristic can be provided.

本発明に係る酸化物超電導導体の第一実施形態を示すもので、図1(A)は部分断面傾視図、図1(B)は酸化物超電導層を構成する酸化物超電導体の結晶粒を示す略図である。1 shows a first embodiment of an oxide superconductor according to the present invention, FIG. 1 (A) is a partial cross-sectional perspective view, and FIG. 1 (B) is a crystal grain of an oxide superconductor constituting an oxide superconductor layer. FIG. 同実施形態の酸化物超電導導体を製造する工程の一例を示すフロー図である。It is a flowchart which shows an example of the process of manufacturing the oxide superconducting conductor of the embodiment. 本発明に係る酸化物超電導導体の第二実施形態を示す部分断面斜視図。The fragmentary sectional perspective view which shows 2nd embodiment of the oxide superconductor based on this invention. 図1に示す酸化物超電導導体を用いて構成される超電導コイルの一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the superconducting coil comprised using the oxide superconducting conductor shown in FIG. 実施例において製造された酸化物超電導導体の酸化物超電導層における粒界部分のCa分布状態の一例を示すグラフ。The graph which shows an example of Ca distribution state of the grain-boundary part in the oxide superconducting layer of the oxide superconducting conductor manufactured in the Example. 実施例において製造された酸化物超電導導体の酸化物超電導層における粒界部分のSr分布状態の一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the Sr distribution state of the grain-boundary part in the oxide superconducting layer of the oxide superconducting conductor manufactured in the Example.

以下、酸化物超電導導体および酸化物超電導導体の製造方法の第一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下説明の実施形態に限定されるものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするため、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
図1(A)に示すように、第一実施形態の酸化物超電導導体1は、基材2の一面(表面)上に、中間層5、酸化物超電導層6、保護層7および金属安定化層8がこの順に積層され、これらの周囲を絶縁材からなる被覆層10で覆って構成されている。なお、被覆層10は必須の構成ではなく、絶縁が不要な場合は略しても良い。
Hereinafter, a first embodiment of an oxide superconductor and a method of manufacturing an oxide superconductor will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, the drawings used in the following description may show the main parts in an enlarged manner for convenience in order to make the features of the present invention easier to understand, and the dimensional ratios of the respective components are the same as the actual ones. Not always.
As shown in FIG. 1 (A), the oxide superconducting conductor 1 of the first embodiment has an intermediate layer 5, an oxide superconducting layer 6, a protective layer 7 and metal stabilization on one surface (surface) of a base material 2. The layers 8 are laminated in this order, and the periphery thereof is covered with a covering layer 10 made of an insulating material. Note that the coating layer 10 is not an essential component, and may be omitted if insulation is not necessary.

酸化物超電導導体1において基材2は、可撓性を有する長尺の超電導導体とするためにテープ状やシート状あるいは薄板状であることが好ましい。また、基材2に用いられる材料は、機械的強度が比較的高く、耐熱性があり、線材に加工することが容易な金属を有しているものが好ましく、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ等のニッケル合金等の各種耐熱性金属材料、もしくはこれら各種金属材料上にセラミックスを配した材料などが挙げられる。中でも、市販品であれば、ハステロイ(商品名、米国ヘインズ社製)が好適である。このハステロイの種類には、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイB、C、G、N、W等が挙げられ、ここではいずれの種類も使用できる。また、基材2の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は10〜500μm、好ましくは20〜200μmである。   In the oxide superconducting conductor 1, the base material 2 is preferably in the form of a tape, a sheet or a thin plate in order to obtain a long flexible superconducting conductor. The material used for the substrate 2 is preferably a material having a relatively high mechanical strength, heat resistance, and a metal that can be easily processed into a wire, such as stainless steel and hastelloy. Examples thereof include various heat-resistant metal materials such as nickel alloys, or materials obtained by arranging ceramics on these various metal materials. Among them, Hastelloy (trade name, manufactured by Haynes, USA) is preferable as a commercial product. This kind of Hastelloy includes Hastelloy B, C, G, N, W, etc., which have different amounts of components such as molybdenum, chromium, iron, cobalt, etc., and any kind can be used here. Moreover, what is necessary is just to adjust the thickness of the base material 2 suitably according to the objective, and is 10-500 micrometers normally, Preferably it is 20-200 micrometers.

中間層5は、拡散防止層またはベッド層からなる下地層3Aと、配向層3Bと、キャップ層3Cがこの順に積層された構造を一例として適用することができる。
拡散防止層は、この層よりも上面側に他の層を形成する際に加熱処理した結果、基材2や他の層が熱履歴を受ける場合、基材2の構成元素の一部が拡散し、不純物として酸化物超電導層6側に混入することを抑制する機能を有する。拡散防止層の具体的な例として、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、不純物の混入を防止する効果が比較的高いAl、Si、又はGZO(GdZr)等から構成される単層構造あるいは複層構造が望ましい。
As the intermediate layer 5, a structure in which a base layer 3 </ b> A composed of a diffusion prevention layer or a bed layer, an alignment layer 3 </ b> B, and a cap layer 3 </ b> C are stacked in this order can be applied as an example.
When the base material 2 or another layer receives a thermal history as a result of heat treatment when forming another layer on the upper surface side of this layer, a part of the constituent elements of the base material 2 diffuses. And it has a function which suppresses mixing in the oxide superconducting layer 6 side as an impurity. A specific example of the diffusion preventing layer is not particularly limited as long as it can exhibit the above functions, but Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , or GZO (Gd A single layer structure or a multilayer structure composed of 2 Zr 2 O 7 ) or the like is desirable.

ベッド層は、基材2と酸化物超電導層6との界面における構成元素の反応を抑え、この層よりも上に設けられる層の配向性を向上させるために用いられる。ベッド層の具体的な構造としては、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、耐熱性が高いY、CeO、La、Dy、Er、Eu、Hoなどの希土類酸化物から構成される単層構造あるいは複層構造が望ましい。拡散防止層とベッド層は両方設けても良く、また、どちらか一方のみ設けても良いが、図1の実施形態ではこれらをまとめて1つの下地層3Aとして表記した。 The bed layer is used to suppress the reaction of constituent elements at the interface between the base material 2 and the oxide superconducting layer 6 and to improve the orientation of the layer provided above this layer. The specific structure of the bed layer is not particularly limited as long as it can exhibit the above functions, but Y 2 O 3 , CeO 2 , La 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Er 2 O, which have high heat resistance. 3 , a single layer structure or a multilayer structure composed of rare earth oxides such as Eu 2 O 3 and Ho 2 O 3 is desirable. Although both the diffusion prevention layer and the bed layer may be provided, or only one of them may be provided, in the embodiment of FIG. 1, these are collectively shown as one underlayer 3A.

配向層3Bは、その上に形成されるキャップ層3Cや酸化物超電導層6の結晶配向性を制御する機能と、基材2の構成元素が酸化物超電導層6へ拡散することを抑制する機能と、基材2と酸化物超電導層6との熱膨張率や格子定数といった物理的特性の差を緩和する機能等を有するものである。配向層3Bの構成材料は、前記機能を発現し得るものであれば特に限定されない。GdZr、MgO、ZrO−Y(YSZ)等の金属酸化物を用いると、後述するイオンビームアシスト蒸着法(以下、IBAD法と呼ぶことがある。)において、結晶配向性の高い層が得られ、キャップ層3Cや酸化物超電導層6の結晶配向性をより良好なものとすることができるため、特に好適である。 The alignment layer 3 </ b> B has a function of controlling the crystal orientation of the cap layer 3 </ b> C and the oxide superconducting layer 6 formed thereon and a function of suppressing the constituent elements of the base material 2 from diffusing into the oxide superconducting layer 6. And a function to alleviate a difference in physical characteristics such as a coefficient of thermal expansion and a lattice constant between the base material 2 and the oxide superconducting layer 6. The constituent material of the alignment layer 3B is not particularly limited as long as it can exhibit the above functions. When a metal oxide such as Gd 2 Zr 2 O 7 , MgO, or ZrO 2 —Y 2 O 3 (YSZ) is used, a crystal is formed in an ion beam assisted deposition method (hereinafter sometimes referred to as IBAD method). A layer with high orientation is obtained, and the crystal orientation of the cap layer 3C and the oxide superconducting layer 6 can be made better, which is particularly preferable.

キャップ層3Cは、酸化物超電導層6の結晶配向性を配向層3Bよりも強く制御し、酸化物超電導層6を構成する元素の中間層5側への拡散や、酸化物超電導層6の積層時に使用するガスと中間層5との反応を抑制する機能等を有するものである。キャップ層3Cの構成材料は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、CeO、Y、Al、Gd、Zr、Ho、Nd、Zr、LMnO等の金属酸化物が酸化物超電導層6との格子整合性の観点から好適である。そのなかでも、配向層3Bの配向度よりもさらに優れた配向度の層を得られることから、CeOあるいはLMnOが特に好適である。ここで、キャップ層3CにCeOを用いる場合、キャップ層3Cは、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良い。なお、キャップ層3Cは単層でも複数層でも良い。 The cap layer 3 </ b> C controls the crystal orientation of the oxide superconducting layer 6 more strongly than the orientation layer 3 </ b> B, diffuses elements constituting the oxide superconducting layer 6 to the intermediate layer 5 side, and stacks the oxide superconducting layer 6. It has a function of suppressing the reaction between the gas used sometimes and the intermediate layer 5. The constituent material of the cap layer 3C is not particularly limited as long as it can exhibit the above functions, but is CeO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Zr 2 O 3 , Ho 2 O 3. From the viewpoint of lattice matching with the oxide superconducting layer 6, metal oxides such as Nd 2 O 3 , Zr 2 O 3 , and LMnO 3 are preferable. Among them, CeO 2 or LMnO 3 is particularly preferable because a layer having an orientation degree better than that of the orientation layer 3B can be obtained. Here, when CeO 2 is used for the cap layer 3C, the cap layer 3C may include a Ce—M—O-based oxide in which a part of Ce is substituted with another metal atom or metal ion. The cap layer 3C may be a single layer or a plurality of layers.

酸化物超電導層6は、超電導状態の時に電流を流す機能を有するものである。酸化物超電導層6に用いられる材料には、通常知られている組成の酸化物超電導体からなるものを広く適用することができ、例えば、Y系超電導体、Bi系超電導体などの銅酸化物超電導体などが挙げられる。Y系超電導体の組成は、例えば、REBaCu7−x(REはY、La、Nd、Sm、Er、Gd等の希土類元素、xは酸素欠損を表す。)が挙げられ、具体的には、Y123(YBaCu7−x)、Gd123(GdBaCu7−x)が挙げられる。Bi系超電導体の組成は、例えば、BiSrCan−1Cu4+2n+δ(nはCuOの層数、δは過剰酸素を表す。)が挙げられる。この酸化物超電導体の母物質は絶縁体であるが、後述する製造方法において説明する酸素アニール処理により酸素を取り込むことで結晶構造の整った酸化物超電導体となり、超電導特性を示す性質を持っている。
本実施形態の酸化物超電導層6には、保護層7に含有されているアルカリ土類金属元素の一部から拡散されたアルカリ土類金属元素が含有されている。酸化物超電導層6に含有されているアルカリ土類金属元素は主に酸化物超電導層6を構成する酸化物超電導体の結晶粒の粒界に拡散されている。また、前記アルカリ土類金属元素の一部は酸化物超電導体の結晶粒の粒界からわずかに酸化物超電導体の結晶粒の内部側にまで拡散されていてもよい。結晶粒において粒界側とは、粒界上から添加物濃度が一定になるまでの範囲を意味する。
The oxide superconducting layer 6 has a function of flowing current when in the superconducting state. The material used for the oxide superconducting layer 6 can be widely applied to an oxide superconductor having a generally known composition, such as a copper oxide such as a Y-based superconductor or a Bi-based superconductor. Examples include superconductors. Examples of the composition of the Y-based superconductor include REBa 2 Cu 3 O 7-x (RE is a rare earth element such as Y, La, Nd, Sm, Er, Gd, and x is oxygen deficiency). thereof include, Y123 (YBa 2 Cu 3 O 7-x), include Gd123 (GdBa 2 Cu 3 O 7 -x). The composition of the Bi-based superconductor, for example, Bi 2 Sr 2 Ca n- 1 Cu n O 4 + 2n + δ (n is the number of layers of CuO 2, [delta] represents an excess oxygen.) Include. The base material of this oxide superconductor is an insulator, but it becomes an oxide superconductor with a well-structured crystal structure by incorporating oxygen by the oxygen annealing treatment described in the manufacturing method described later, and has the property of exhibiting superconducting properties. Yes.
The oxide superconducting layer 6 of this embodiment contains an alkaline earth metal element diffused from a part of the alkaline earth metal element contained in the protective layer 7. Alkaline earth metal elements contained in the oxide superconducting layer 6 are mainly diffused in the grain boundaries of the oxide superconductor constituting the oxide superconducting layer 6. Further, a part of the alkaline earth metal element may be diffused slightly from the grain boundary of the oxide superconductor crystal grain to the inner side of the oxide superconductor crystal grain. The grain boundary side in the crystal grain means a range from the grain boundary until the additive concentration becomes constant.

本実施形態の酸化物超電導層6は、図1(B)に拡大して示すように酸化物超電導体の結晶がある程度の大きさに成長した結晶粒6Aが複数集合してなる多結晶体であり、各結晶粒6Aの内部では結晶軸のa軸あるいはb軸が揃っているが、粒界Rを介し隣接する結晶粒6A同士が示す粒界傾角Kを1゜〜5゜程度の優れた配向性に形成した多結晶体となっている。このような優れた単結晶に相当する結晶配向性を示すためには、上述のIBAD法により配向層3Bを良好な結晶配向性で成膜した上に、キャップ層3Cを積層し、それらの上に酸化物超電導層6を成膜することにより実現できる。このような優れた結晶配向性の酸化物超電導層6であるならば、超電導導体1として臨界温度以下に冷却し、通電した場合、優れた臨界電流特性を発揮する。   The oxide superconducting layer 6 of the present embodiment is a polycrystal formed by aggregating a plurality of crystal grains 6A in which oxide superconductor crystals are grown to a certain size as shown in FIG. 1B. In each crystal grain 6A, the a-axis or b-axis of the crystal axis is aligned, but the grain boundary tilt angle K indicated by the adjacent crystal grains 6A via the grain boundary R is excellent at about 1 ° to 5 °. It is a polycrystal formed in orientation. In order to show the crystal orientation corresponding to such an excellent single crystal, the orientation layer 3B is formed with a good crystal orientation by the IBAD method, and the cap layer 3C is laminated, This can be realized by forming the oxide superconducting layer 6 on the substrate. If the oxide superconducting layer 6 has such an excellent crystal orientation, when the superconducting conductor 1 is cooled below the critical temperature and energized, excellent critical current characteristics are exhibited.

保護層7は、酸化物超電導導体1への通電時、何らかの事故により発生する過電流をバイパスする電流路となり、酸化物超電導層6に酸素を取り込ませやすくするために、加熱時には酸素を透過しやすくする機能を有する。このため、保護層7は、Agあるいは少なくともAgを含む材料から形成されることが好ましい。また、保護層7を形成する材料は、Au、Ptなどの貴金属を含む混合物もしくは合金であってもよく、これらを複数用いてもよい。
本実施形態の保護層7には、規定量のアルカリ土類金属元素(Ca、Sr、Ba、Raのうち、1種または2種以上)が含有されている。保護層7に含有されているアルカリ土類金属元素の含有量は、1モル%〜50モル%の範囲を例示できる。アルカリ土類金属元素の含有量として、1〜40モル%の範囲が好ましく、1〜30モル%の範囲がより好ましい。
保護層7にアルカリ土類金属元素を含有させる手段は後述の製造方法において詳細に説明するように保護層7を成膜する場合に用いるターゲットに予めアルカリ土類金属元素を含有させておき、成膜と同時に導入する方法を採用できる。このため、上述の保護層7を構成するAgまたはAgを主体とするターゲットにアルカリ土類金属元素を添加した合金ターゲットあるいはAg主体のターゲットにアルカリ土類金属元素のターゲットあるいはアルカリ土類金属元素の化合物ターゲットを複合した複合ターゲットを用い、保護層7を成膜する際に必要量のアルカリ土類金属元素を含有させることが好ましい。
The protective layer 7 becomes a current path that bypasses an overcurrent generated due to some accident when the oxide superconductor 1 is energized, and in order to make it easier for oxygen to be taken into the oxide superconductor layer 6, it transmits oxygen during heating. Has a function to facilitate. For this reason, it is preferable that the protective layer 7 is formed from Ag or a material containing at least Ag. The material for forming the protective layer 7 may be a mixture or alloy containing a noble metal such as Au or Pt, or a plurality of these may be used.
The protective layer 7 of this embodiment contains a specified amount of an alkaline earth metal element (one or more of Ca, Sr, Ba, and Ra). Examples of the content of the alkaline earth metal element contained in the protective layer 7 include a range of 1 mol% to 50 mol%. As content of alkaline-earth metal element, the range of 1-40 mol% is preferable, and the range of 1-30 mol% is more preferable.
As a means for containing the alkaline earth metal element in the protective layer 7, the alkaline earth metal element is previously contained in the target used when forming the protective layer 7 as described in detail in the manufacturing method described later. A method of introducing simultaneously with the membrane can be adopted. For this reason, the target of the alkaline earth metal element or the target of the alkaline earth metal element or the alloy target obtained by adding the alkaline earth metal element to the Ag or the Ag-based target constituting the protective layer 7 or the Ag-based target. It is preferable to contain a required amount of an alkaline earth metal element when forming the protective layer 7 using a composite target in which a compound target is combined.

本実施形態の酸化物超電導導体1の構造においては、保護層7上に金属安定化層8が積層されている。金属安定化層8の用途は、酸化物超電導導体1の用途により異なる。例えば、超電導ケーブルや超電導モーターなどに使用する場合は、何らかの事故によりクエンチが起こり、酸化物超電導層6が常電導状態に転移した時に発生する過電流を転流させるバイパスのメイン部として用いられる。このとき、金属安定化層8に用いられる材料は、銅、Cu−Zn合金(黄銅)、Cu−Ni合金等の銅合金、アルミ、アルミ合金、ステンレス等の比較的安価な材質からなるものを用いることが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価であることから銅を用いることが好ましい。また、酸化物超電導導体1を超電導限流器に使用する場合、安定化層は、クエンチが起こり常電導状態に転移した時に発生する過電流を瞬時に抑制するために用いられる。この用途の場合、金属安定化層8に用いられる材料は、例えば、Ni−Cr等のNi系合金等の高抵抗金属が挙げられる。
金属安定化層8の構造は、他の層と同様に層構造であっても良く、基材2から保護層7まで積層した積層体を保護層7の表面側から積層体の裏面側を所定幅覆うように金属テープを折り曲げた横断面C型構造の金属安定化層であってもよい。また、金属安定化層8を金属めっきにより構成し、基材2から保護層7まで形成した積層体の全体をめっき層で覆った構造としても良い。
In the structure of the oxide superconducting conductor 1 of this embodiment, a metal stabilizing layer 8 is laminated on the protective layer 7. The use of the metal stabilization layer 8 varies depending on the use of the oxide superconducting conductor 1. For example, when used for a superconducting cable, a superconducting motor, or the like, it is used as a main part of a bypass that commutates an overcurrent generated when a quench occurs due to some accident and the oxide superconducting layer 6 transitions to a normal conducting state. At this time, the material used for the metal stabilization layer 8 is made of a relatively inexpensive material such as copper, a Cu-Zn alloy (brass), a copper alloy such as a Cu-Ni alloy, aluminum, an aluminum alloy, and stainless steel. It is preferable to use copper, and it is preferable to use copper because it has high conductivity and is inexpensive. Further, when the oxide superconducting conductor 1 is used for a superconducting fault current limiter, the stabilization layer is used to instantaneously suppress an overcurrent generated when a quench occurs and the state is changed to a normal conducting state. In the case of this application, examples of the material used for the metal stabilization layer 8 include high-resistance metals such as Ni-based alloys such as Ni-Cr.
The structure of the metal stabilizing layer 8 may be a layer structure like the other layers, and a laminated body from the base material 2 to the protective layer 7 is laminated from the front surface side of the protective layer 7 to the back surface side of the laminated body. It may be a metal stabilizing layer having a cross-sectional C-shaped structure in which a metal tape is bent so as to cover the width. Moreover, it is good also as a structure which comprised the metal stabilization layer 8 by metal plating, and covered the whole laminated body formed from the base material 2 to the protective layer 7 with the plating layer.

また、図1に示す本実施形態の構造のように、酸化物超電導導体1の構造において、基材2、中間層5、酸化物超電導層6、保護層7、金属安定化層8が積層された積層体の全周を覆うようにテープ状、シート状の絶縁材からなる被覆層10が形成された構造としてもよい。絶縁材からなる被覆層10は、外部との絶縁を図り、酸化物超電導導体1を補強する機能を有する。被覆層10に用いられる材料は、絶縁性材料であれば特に限定されないが、例えば、ポリイミド等の絶縁樹脂が挙げられる。なお、被覆層10は必ず必要な要素ではなく、酸化物超電導導体1として個別絶縁することが不要な場合は略してもよい。   Further, in the structure of the oxide superconducting conductor 1, the base material 2, the intermediate layer 5, the oxide superconducting layer 6, the protective layer 7, and the metal stabilizing layer 8 are laminated as in the structure of the present embodiment shown in FIG. Alternatively, a coating layer 10 made of a tape-like or sheet-like insulating material may be formed so as to cover the entire circumference of the laminated body. The coating layer 10 made of an insulating material has a function of reinforcing the oxide superconducting conductor 1 by providing insulation from the outside. Although the material used for the coating layer 10 will not be specifically limited if it is an insulating material, For example, insulating resin, such as a polyimide, is mentioned. Note that the covering layer 10 is not necessarily a necessary element, and may be omitted when it is not necessary to individually insulate the oxide superconducting conductor 1.

本実施形態の酸化物超電導層6にあっては、アルカリ土類金属元素を酸化物超電導体の結晶粒界に拡散させているため、臨界電流特性に優れ臨界温度も低下していない、優れた超電導特性を発揮する。
酸化物超電導層6を構成する酸化物超電導体の結晶粒6Aの粒界Rに、アルカリ土類金属元素が存在すると、粒界部分におけるキャリア濃度が向上し、粒界Rにおいて弱結合が生じ難くなり、この結果、超電導電流が粒界Rを流れる際の障害が少なくなり、臨界電流特性が向上する。
粒界Rに位置する酸化物超電導体の結晶に対しCaなどのアルカリ土類金属元素は2価であるため、RE123系の希土類酸化物超電導体のBa原子の位置と置換し、価数が変わり、電子の担い手が増加することによりキャリア濃度が向上して超電導電流が流れやすくなると推定できる。
In the oxide superconducting layer 6 of this embodiment, since the alkaline earth metal element is diffused in the crystal grain boundary of the oxide superconductor, the critical current characteristics are excellent and the critical temperature is not lowered. Demonstrates superconducting properties.
If an alkaline earth metal element is present at the grain boundary R of the crystal grain 6A of the oxide superconductor constituting the oxide superconducting layer 6, the carrier concentration at the grain boundary portion is improved, and weak coupling hardly occurs at the grain boundary R. As a result, the obstacle when the superconducting current flows through the grain boundary R is reduced, and the critical current characteristic is improved.
Since alkaline earth metal elements such as Ca are divalent with respect to the oxide superconductor crystal located at the grain boundary R, it replaces the position of the Ba atom of the RE123 rare earth oxide superconductor and the valence changes. It can be estimated that the increase in the number of carriers of electrons improves the carrier concentration and facilitates the flow of the superconducting current.

次に、本発明に係る酸化物超電導導体1の製造方法について説明する。ここで、図2は、本発明に係る酸化物超電導導体1の製造方法について工程順に示すフロー図である。
まず、テープ状の基材2の表面上に、拡散防止層とベッド層からなる下地層3Aを形成する(下地層形成工程:S1)。
拡散防止層は、結晶性が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できる。また、拡散防止層の膜厚は通常10〜400nmとすればよい。ベッド層は、拡散防止層と同様に結晶性が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できる。また、ベッド層の膜厚は通常10〜100nmとすればよい。なお、拡散防止層とベッド層は必ずしも両方用いる必要はなく、これらの層のうち少なくとも1層を用いた構造になればよく、場合によっては両方の層を略しても良い。拡散防止層とベッド層の両方の層を略した場合、基材2の表面上に直接、配向層3Bを形成することとなる。
Next, the manufacturing method of the oxide superconductor 1 according to the present invention will be described. Here, FIG. 2 is a flowchart showing the manufacturing method of the oxide superconducting conductor 1 according to the present invention in the order of steps.
First, a base layer 3A composed of a diffusion prevention layer and a bed layer is formed on the surface of the tape-shaped substrate 2 (base layer forming step: S1).
Since the diffusion preventing layer is not particularly limited in crystallinity, it can be formed by a film forming method such as a normal sputtering method. Moreover, what is necessary is just to normally set the film thickness of a diffusion prevention layer to 10-400 nm. The bed layer can be formed by a film forming method such as a normal sputtering method because crystallinity is not particularly limited as in the case of the diffusion preventing layer. The film thickness of the bed layer is usually 10 to 100 nm. Note that it is not always necessary to use both the diffusion prevention layer and the bed layer, and it is sufficient if the structure uses at least one of these layers. In some cases, both layers may be omitted. When both the diffusion preventing layer and the bed layer are omitted, the alignment layer 3B is formed directly on the surface of the substrate 2.

下地層3A上に配向層3Bを形成する(配向層形成工程:S2)。
配向層3Bの形成方法には、真空蒸着法、レーザー蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法(IBAD法)等、数多くの方法を選択できるが、超電導層6やキャップ層3Cの結晶配向性をより高く制御できることから、IBAD法を用いることが好ましい。ここで、IBAD法とは、成膜時に、結晶の成膜面に対して所定の入射角度でArなどのイオンビームを照射することにより、結晶軸を配向させる方法である。また、配向層3Bは、前述した材料を一つ用いて単層構造としても良いし、複数用いて複層構造としても良い。
An alignment layer 3B is formed on the underlayer 3A (alignment layer forming step: S2).
A number of methods such as a vacuum deposition method, a laser deposition method, and an ion beam assisted deposition method (IBAD method) can be selected as a method for forming the alignment layer 3B, but the crystal orientation of the superconducting layer 6 and the cap layer 3C is higher. It is preferable to use the IBAD method because it can be controlled. Here, the IBAD method is a method of orienting crystal axes by irradiating an ion beam such as Ar with a predetermined incident angle with respect to a crystal film formation surface during film formation. In addition, the alignment layer 3B may have a single layer structure using one of the materials described above, or may have a multilayer structure using a plurality of materials.

次に、配向層3B上にキャップ層3Cを形成する(キャップ層形成工程:S3)。
キャップ層3Cの形成には、例えばCeOを用いる。この場合、パルスレーザー蒸着法(以下、PLD法と呼ぶことがある。)、スパッタリング法等で成膜することができるが、大きな成膜速度を得られる点でPLD法を用いることが好ましい。また、キャップ層3Cの膜厚は、十分な配向性を得るには40nm以上積層することが好ましい。キャップ層3を配向層3B上に成膜することで配向層3Bの良好な結晶配向性を維持するか更に良好な結晶配向性を示す。なお、本実施形態において下地層3Aと配向層3Bとキャップ層3Cを含めて中間層5と称しているので、下地層形成工程S1と配向層形成工程S2とキャップ層形成工程S3を合わせて中間層形成工程S4と称する。なお、中間層5を配向層3Bのみから構成する場合は、配向層形成工程S2が中間層形成工程となり、中間層5を配向層3Bとキャップ層3Cとから構成する場合は、配向層形成工程S2とキャップ層形成工程S3が中間層形成工程となる。
Next, the cap layer 3C is formed on the alignment layer 3B (cap layer forming step: S3).
For example, CeO 2 is used to form the cap layer 3C. In this case, a film can be formed by a pulsed laser deposition method (hereinafter sometimes referred to as a PLD method), a sputtering method, or the like, but it is preferable to use the PLD method from the viewpoint of obtaining a high film formation rate. The cap layer 3C preferably has a thickness of 40 nm or more in order to obtain sufficient orientation. By forming the cap layer 3 on the orientation layer 3B, the crystal orientation of the orientation layer 3B is maintained or better. In this embodiment, since the underlayer 3A, the alignment layer 3B, and the cap layer 3C are referred to as the intermediate layer 5, the underlayer forming step S1, the alignment layer forming step S2, and the cap layer forming step S3 are combined. This is referred to as a layer forming step S4. When the intermediate layer 5 is composed only of the alignment layer 3B, the alignment layer formation step S2 is an intermediate layer formation step, and when the intermediate layer 5 is composed of the alignment layer 3B and the cap layer 3C, the alignment layer formation step. S2 and cap layer forming step S3 are intermediate layer forming steps.

次に、キャップ層3C上に、酸化物超電導層6を形成する(酸化物超電導形成工程:S5)。酸化物超電導層6の形成には、スパッタ法、真空蒸着法、レーザー蒸着法、PLD法もしくは電子ビーム蒸着法等の物理的蒸着法、化学気相成長法(CVD法)、もしくは、塗布熱分解法(MOD法)等の化学的蒸着法を用いることができる。一般的に、酸化物超電導層6に用いられる酸化物超電導体は、結晶配向性を整えることにより良好な臨界電流特性を発揮するので、結晶のc軸をテープ状の基材2の表面(成膜面)に垂直に配向させるとともに、a軸またはb軸をテープ状の基材2の長さ方向に配向するように成膜する必要がある。
上述の工程において、配向層3Bとキャップ層3Cを良好な配向性に制御しつつ成膜しておくならば、キャップ層3Cの上に成膜される酸化物超電導体の結晶粒も良好な配向性をもって配向し、良好な超電導特性を発揮する酸化物超電導層6が得られる。また、酸化物超電導層6の膜厚は、0.5〜5μm程度であって、均一な厚さであることが好ましい。
Next, the oxide superconducting layer 6 is formed on the cap layer 3C (oxide superconducting formation step: S5). The oxide superconducting layer 6 can be formed by sputtering, vacuum vapor deposition, laser vapor deposition, physical vapor deposition such as PLD or electron beam vapor deposition, chemical vapor deposition (CVD), or coating pyrolysis. A chemical vapor deposition method such as a method (MOD method) can be used. In general, the oxide superconductor used for the oxide superconducting layer 6 exhibits good critical current characteristics by adjusting the crystal orientation, so that the crystal c-axis is formed on the surface of the tape-like substrate 2 (synthetic material). It is necessary to form a film so that the a-axis or b-axis is oriented in the length direction of the tape-shaped substrate 2 while being oriented perpendicularly to the film surface.
In the above-described process, if the orientation layer 3B and the cap layer 3C are formed while being controlled to have good orientation, the crystal grains of the oxide superconductor formed on the cap layer 3C also have good orientation. Thus, the oxide superconducting layer 6 that is oriented with good properties and exhibits good superconducting properties can be obtained. The oxide superconducting layer 6 has a film thickness of about 0.5 to 5 μm and preferably a uniform thickness.

続いて、酸化物超電導層6上に保護層7を形成する(保護層形成工程:S6)。
保護層7は、公知の成膜法で形成することができるが、DCスパッタ装置、RFスパッタ装置などの成膜装置を用いたスパッタ法で成膜することができる。また、保護層7の膜厚は、通常は1〜30μmであればよい。この保護層7を形成する場合に用いるターゲットにアルカリ土類金属元素を規定量添加しておく。ここでターゲットに添加しておくアルカリ土類金属元素の量は、1モル%〜50モル%の範囲を例示できる。ターゲットに含有させておくアルカリ土類金属元素の含有量として、1〜40モル%の範囲が好ましく、1〜30モル%の範囲がより好ましい。
Subsequently, the protective layer 7 is formed on the oxide superconducting layer 6 (protective layer forming step: S6).
The protective layer 7 can be formed by a known film forming method, but can be formed by a sputtering method using a film forming apparatus such as a DC sputtering apparatus or an RF sputtering apparatus. Moreover, the film thickness of the protective layer 7 should just be normally 1-30 micrometers. A specified amount of an alkaline earth metal element is added to a target used for forming the protective layer 7. Here, the amount of the alkaline earth metal element added to the target may be in the range of 1 mol% to 50 mol%. The content of the alkaline earth metal element to be contained in the target is preferably 1 to 40 mol%, more preferably 1 to 30 mol%.

次に、基材2上に保護層7までを積層した積層体に対し、図示略の加熱炉を用いて、酸素アニール処理を施す(酸素アニール工程:S7)。ここで、酸化物超電導層6の母物質は絶縁体であるため、そのままでは良好な超電導特性を示さない。このため、酸化物超電導層6の母物質に酸素を供給し、その結晶構造を整えることで、超電導特性の良好な酸化物超電導体の結晶からなる酸化物超電導層6とする。
したがって、加熱条件として、加熱炉内の雰囲気は、酸素ガスを含む雰囲気とすることが好ましい。酸素アニール時の加熱温度は、300〜500℃、数時間〜数10時間の範囲を選択することができる。
Next, an oxygen annealing process is performed on the laminated body in which up to the protective layer 7 is laminated on the base material 2 using a heating furnace (not shown) (oxygen annealing step: S7). Here, since the base material of the oxide superconducting layer 6 is an insulator, it does not show good superconducting characteristics as it is. For this reason, by supplying oxygen to the base material of the oxide superconducting layer 6 and adjusting the crystal structure thereof, the oxide superconducting layer 6 made of an oxide superconductor crystal with good superconducting characteristics is obtained.
Therefore, as a heating condition, the atmosphere in the heating furnace is preferably an atmosphere containing oxygen gas. The heating temperature during the oxygen annealing can be selected from the range of 300 to 500 ° C. and several hours to several tens hours.

この酸素アニール時の加熱処理によって、保護層7に含まれていたアルカリ土類金属元素の一部を酸化物超電導層6側に拡散させることができる。拡散されたアルカリ土類金属元素は酸化物超電導層6を構成する酸化物超電導体の結晶粒の主に粒界に拡散されて存在し、一部は酸化物超電導体の結晶粒の内部側にも拡散する。酸化物超電導層6において酸化物超電導体の結晶粒の内部側に拡散するアルカリ土類金属元素の量よりも粒界に拡散するアルカリ土類金属元素の量の方が多いので、酸化物超電導層6において結晶粒界に多くのアルカリ土類金属元素が存在する。これは熱拡散により多結晶体に元素拡散を行った場合、粒界での拡散係数が粒内での拡散係数よりも大きいことが一般的であることによる。
このように酸化物超電導体の結晶粒界にアルカリ土類金属元素を拡散させた超電導特性に優れた酸化物超電導層6を酸素アニール処理により形成できる。
By the heat treatment during the oxygen annealing, a part of the alkaline earth metal element contained in the protective layer 7 can be diffused to the oxide superconducting layer 6 side. The diffused alkaline earth metal element is present mainly by diffusing into the grain boundary of the crystal grains of the oxide superconductor constituting the oxide superconductor layer 6, and a part thereof is inside the crystal grains of the oxide superconductor. Also spread. In the oxide superconducting layer 6, the amount of the alkaline earth metal element diffusing to the grain boundary is larger than the amount of the alkaline earth metal element diffusing to the inside of the crystal grains of the oxide superconductor. In FIG. 6, many alkaline earth metal elements exist at the grain boundaries. This is because when elemental diffusion is performed on a polycrystalline body by thermal diffusion, the diffusion coefficient at the grain boundary is generally larger than the diffusion coefficient within the grain.
As described above, the oxide superconducting layer 6 excellent in superconducting characteristics in which the alkaline earth metal element is diffused in the crystal grain boundary of the oxide superconductor can be formed by the oxygen annealing treatment.

次に、図2の工程フローでは略したが、酸素アニール処理後に保護層7の上に金属安定化層8を積層し、必要に応じて絶縁材からなる被覆層10で覆うならば、図1に示す酸化物超電導導体1を得ることができる。なお、金属安定化層8と被覆層10を設けない構造を採用する場合はこれらの層を略することができる。
金属安定化層8の形成方法は、公知の方法であれば、特に限定されないが、半田を用いて金属テープを直接貼り合わせる方法やスパッタ法や蒸着法などで層として形成する方法あるいはめっきにより形成する方法を選択することが好ましい。また、金属安定化層8の膜厚は、特に限定されないが、適宜調整可能であるが、超電導導体1としての可撓性を考慮し、10〜300μmとすることが好ましい。
また、絶縁材からなる被覆層10の形成方法は、特に限定されないが、金属安定化層8までを形成した積層体の全周をテープ状、シート状、もしくは薄板状の絶縁被覆層で覆うことにより形成できる。
Next, although omitted in the process flow of FIG. 2, if the metal stabilization layer 8 is laminated on the protective layer 7 after the oxygen annealing treatment and covered with a coating layer 10 made of an insulating material as required, The oxide superconducting conductor 1 shown in FIG. In addition, when employ | adopting the structure which does not provide the metal stabilization layer 8 and the coating layer 10, these layers can be abbreviate | omitted.
The method for forming the metal stabilizing layer 8 is not particularly limited as long as it is a known method, but it is formed by a method of directly bonding a metal tape using solder, a method of forming a layer by a sputtering method or a vapor deposition method, or plating. It is preferable to select the method to do. The film thickness of the metal stabilizing layer 8 is not particularly limited, and can be adjusted as appropriate. However, considering the flexibility as the superconducting conductor 1, it is preferably 10 to 300 μm.
The method for forming the coating layer 10 made of an insulating material is not particularly limited, but the entire periphery of the laminate on which the metal stabilizing layer 8 is formed is covered with a tape-shaped, sheet-shaped, or thin-plate-shaped insulating coating layer. Can be formed.

図3は本発明に係る第二実施形態の酸化物超電導導体を示すもので、この第二実施形態の酸化物超電導導体11は、基材2の一面(表面)上に、中間層5、酸化物超電導層6、薄膜層70、保護層7および金属安定化層8がこの順に積層され、これらの周囲を絶縁材からなる被覆層10で覆って構成されている。なお、被覆層10は必須の構成ではなく、絶縁が不要な場合は略しても良い。
第二実施形態の酸化物超電導導体11において先の第一実施形態の酸化物超電導導体1と異なっているのは、酸化物超電導層6と保護層7との間に薄膜層70が介在された点である。酸化物超電導導体11は、薄膜層70をアルカリ土類金属元素(Ca、Sr、Ba、Raのうち、1種または2種以上)を含む薄膜から構成した点に特徴を有している。薄膜層70においてアルカリ土類金属元素は金属カルシウムのような単体あるいはCaOのような酸化物として含まれている。
また、先の酸化物超電導導体1の酸化物超電導層6と同様に、酸化物超電導層6にはアルカリ土類金属元素が拡散されている。
FIG. 3 shows the oxide superconducting conductor according to the second embodiment of the present invention. The oxide superconducting conductor 11 according to the second embodiment comprises an intermediate layer 5, an oxide on one surface (surface) of the substrate 2. The superconducting layer 6, the thin film layer 70, the protective layer 7, and the metal stabilizing layer 8 are laminated in this order, and the periphery thereof is covered with a coating layer 10 made of an insulating material. Note that the coating layer 10 is not an essential component, and may be omitted if insulation is not necessary.
The oxide superconducting conductor 11 of the second embodiment is different from the oxide superconducting conductor 1 of the first embodiment in that a thin film layer 70 is interposed between the oxide superconducting layer 6 and the protective layer 7. Is a point. The oxide superconducting conductor 11 is characterized in that the thin film layer 70 is composed of a thin film containing an alkaline earth metal element (one or more of Ca, Sr, Ba, and Ra). In the thin film layer 70, the alkaline earth metal element is contained as a simple substance such as metallic calcium or an oxide such as CaO.
Further, similarly to the oxide superconducting layer 6 of the oxide superconducting conductor 1, an alkaline earth metal element is diffused in the oxide superconducting layer 6.

本実施形態の酸化物超電導層6に拡散されているアルカリ土類金属元素は、酸素アニール時に薄膜層70から拡散されたアルカリ土類金属元素からなる。また、本実施形態において保護層7にアルカリ土類金属元素は積極的には添加されておらず、薄膜層70に含まれていたアルカリ土類金属元素を酸素アニール時に保護層7に一部拡散させたアルカリ土類金属元素が含まれている。
薄膜層70は酸化物超電導層6の上に積層されるので、酸化物超電導層6に通電する際の抵抗とならない程度の膜厚に形成される。酸化物超電導層6に通電するには、保護層7を介してその上に積層される金属安定化層8に電極端子を接合し、通電する構成が一般的であるので、金属安定化層8と保護層7を介し酸化物超電導層6に通電する際、薄膜層7が障害とならない程度の膜厚とする必要がある。また、酸素アニール処理の際、保護層7を介して酸素アニール雰囲気中の酸素が透過し、酸化物超電導層6側に酸素を供給する必要があるので、この酸素透過の障害とならない程度の薄膜層70の膜厚とする必要もある。
これらを勘案すると、薄膜層70の膜厚は1000nm以下であることが好ましく、膜厚100nm以下であることがより好ましい。また、薄膜層70はアルカリ土類金属元素の拡散を行えばよいので、完全に均一な膜である必要はなく、島状に結晶粒が分散した膜であっても良い。これらの事情に鑑み、薄膜層70の膜厚は2nm以上、1000nm以下とすることが好ましく、2nm以上、100nm以下とすることがより好ましい。
The alkaline earth metal element diffused in the oxide superconducting layer 6 of the present embodiment is composed of an alkaline earth metal element diffused from the thin film layer 70 during oxygen annealing. In the present embodiment, the alkaline earth metal element is not positively added to the protective layer 7, and the alkaline earth metal element contained in the thin film layer 70 is partially diffused into the protective layer 7 during the oxygen annealing. Contains alkaline earth metal elements.
Since the thin film layer 70 is laminated on the oxide superconducting layer 6, the thin film layer 70 is formed to a thickness that does not become a resistance when the oxide superconducting layer 6 is energized. In order to energize the oxide superconducting layer 6, a configuration in which an electrode terminal is bonded to the metal stabilizing layer 8 laminated thereon via the protective layer 7 and energized is generally used. When the oxide superconducting layer 6 is energized through the protective layer 7, it is necessary to set the film thickness so that the thin film layer 7 does not become an obstacle. Further, during the oxygen annealing treatment, oxygen in the oxygen annealing atmosphere permeates through the protective layer 7 and it is necessary to supply oxygen to the oxide superconducting layer 6 side, so that the thin film does not hinder this oxygen permeation. The film thickness of the layer 70 is also required.
Taking these into consideration, the thickness of the thin film layer 70 is preferably 1000 nm or less, and more preferably 100 nm or less. In addition, since the thin film layer 70 may diffuse the alkaline earth metal element, the thin film layer 70 does not have to be a completely uniform film, and may be a film in which crystal grains are dispersed in an island shape. In view of these circumstances, the thickness of the thin film layer 70 is preferably 2 nm or more and 1000 nm or less, and more preferably 2 nm or more and 100 nm or less.

本実施形態の酸化物超電導導体11において酸化物超電導層6にアルカリ土類金属元素を拡散させた点について、アルカリ土類金属元素が粒界に主に拡散されている点については同等である。また、粒界に位置する酸化物超電導体の結晶粒の粒界側にアルカリ土類金属元素が多少拡散されている点においても第一実施形態の酸化物超電導導体1と同様である。
本実施形態の酸化物超電導導体11においても、酸化物超電導層6の粒界Rにアルカリ土類金属元素を拡散させているので、先の第一実施形態の酸化物超電導導体1と同等の作用効果を得ることができる。
In the oxide superconducting conductor 11 of the present embodiment, the point that the alkaline earth metal element is diffused in the oxide superconducting layer 6 is equivalent to the point that the alkaline earth metal element is mainly diffused in the grain boundary. Moreover, it is the same as that of the oxide superconductor 1 of the first embodiment in that the alkaline earth metal element is slightly diffused on the grain boundary side of the crystal grain of the oxide superconductor located at the grain boundary.
Also in the oxide superconducting conductor 11 of the present embodiment, since the alkaline earth metal element is diffused in the grain boundary R of the oxide superconducting layer 6, the same action as that of the oxide superconducting conductor 1 of the previous first embodiment. An effect can be obtained.

第二実施形態の酸化物超電導導体11を製造するには、先に図2を基に説明した工程において、酸化物超電導層形成工程S5を施した後、薄膜層70をスパッタ等の成膜手段により形成する薄膜層形成工程S8を施した後、保護層形成工程S6を施し、この後に酸素アニール工程S7を施すことにより実現できる。本実施形態においては、薄膜層形成工程S8と保護層形成工程S6をまとめて薄膜保護層形成工程S9と称する。   In order to manufacture the oxide superconducting conductor 11 of the second embodiment, after performing the oxide superconducting layer forming step S5 in the step described with reference to FIG. 2, the thin film layer 70 is formed by a film forming means such as sputtering. This can be realized by performing the thin film layer forming step S8 formed by the above, followed by the protective layer forming step S6, followed by the oxygen annealing step S7. In the present embodiment, the thin film layer forming step S8 and the protective layer forming step S6 are collectively referred to as a thin film protective layer forming step S9.

薄膜層70から酸素アニール時に拡散させたアルカリ土類金属元素を酸化物超電導層6の粒界あるいは一部を粒界側の粒内に拡散させた場合であっても、臨界電流特性に優れ臨界温度も低下していない、優れた超電導特性を発揮する酸化物超電導導体11を得ることができる。
本実施形態において薄膜層70をスパッタ法、レーザー蒸着法もしくは電子ビーム蒸着法等の成膜法で形成する場合、用いるターゲットにアルカリ土類金属元素を含ませておくことで、目的の薄膜層70を形成できる。ここで用いるターゲットは、アルカリ土類金属元素を含んでいるターゲットが望ましく、例えば、CaやSrの単体金属ターゲット、CaO、SrTiOなどの酸化物ターゲットのいずれを用いても良い。勿論、これらのターゲットには、Ca、Sr以外のアルカリ土類金属元素、例えば、Ba、Ra等を含んでいても同様に目的を達成できる。
Even when the alkaline earth metal element diffused from the thin film layer 70 during oxygen annealing is diffused in the grain boundary side or part of the oxide superconducting layer 6 into the grain on the grain boundary side, the critical current characteristics are excellent. The oxide superconducting conductor 11 that exhibits excellent superconducting properties without lowering the temperature can be obtained.
In the present embodiment, when the thin film layer 70 is formed by a film forming method such as sputtering, laser vapor deposition, or electron beam vapor deposition, the target thin film layer 70 is obtained by including an alkaline earth metal element in the target to be used. Can be formed. The target used here is preferably a target containing an alkaline earth metal element. For example, any of a single metal target of Ca or Sr, or an oxide target such as CaO or SrTiO 3 may be used. Of course, even if these targets contain an alkaline earth metal element other than Ca and Sr, such as Ba and Ra, the object can be similarly achieved.

上述のように構成された酸化物超電導導体1、11を例えば図4に示すように巻回してコイル体15、16を構成し、これらを必要数積層して超電導コイル17を形成することができる。図4に示すコイル体15、16は巻回方向を右巻きと左巻きとして互いに逆方向にして構成しているが、超電導導体1、11の巻回方向はこの図の例には限らない。
また、図4に示す超電導コイル17を必要数用いて超電導マグネットや超電導モーターなどの超電導機器を製造することができる。ここで、超電導機器は、前記酸化物超電導導体1を有するものであれば特に限定されず、例えば、超電導変圧器、超電導限流器、超電導電力貯蔵装置などを例示できる。勿論、前記酸化物超電導導体1をコイル化することなく複数本集合してケーブル構造とした超電導機器についても本実施形態に係る酸化物超電導導体1、11を適用できるのは勿論である。
The superconducting coil 17 can be formed by winding the oxide superconducting conductors 1 and 11 configured as described above, for example, as shown in FIG. . The coil bodies 15 and 16 shown in FIG. 4 are configured so that the winding directions are right-handed and left-handed in opposite directions, but the winding direction of the superconducting conductors 1 and 11 is not limited to the example in this figure.
Further, a superconducting device such as a superconducting magnet or a superconducting motor can be manufactured by using the necessary number of superconducting coils 17 shown in FIG. Here, the superconducting device is not particularly limited as long as it has the oxide superconducting conductor 1, and examples thereof include a superconducting transformer, a superconducting current limiter, and a superconducting power storage device. Of course, the oxide superconducting conductors 1 and 11 according to the present embodiment can be applied to a superconducting device in which a plurality of the oxide superconducting conductors 1 are assembled into a cable structure without forming a coil.

以下、本発明の内容を、実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
「実施例1」
ハステロイ(商品名ハステロイC−276、米国ヘインズ社製)からなる幅10mm、厚さ0.1mm、長さ2000mmのテープ状の基材を用意し、表面粗さRaが4〜5nmとなるまで研磨した後、アルコール及び有機溶剤によって洗浄した。
次に、以下の形成条件により、テープ状の基材の一面上に、拡散防止層、ベッド層、配向層、キャップ層、酸化物超電導層および保護層をこの順に積層した。
まず、イオンビームスパッタ法により、テープ状の基材の上にAlからなる膜厚100nmの拡散防止層を形成し、次に、イオンビームスパッタ法により、拡散防止層の上にYからなる膜厚20nmのベッド層を形成した。
次に、IBAD法により、ベッド層の上にMgOからなる膜厚10nmの配向層を形成した。
Hereinafter, the content of the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
"Example 1"
Prepare a tape-shaped substrate of Hastelloy (trade name Hastelloy C-276, manufactured by Haynes, USA) having a width of 10 mm, a thickness of 0.1 mm, and a length of 2000 mm, and polishing until the surface roughness Ra is 4 to 5 nm. And then washed with alcohol and an organic solvent.
Next, a diffusion prevention layer, a bed layer, an alignment layer, a cap layer, an oxide superconducting layer, and a protective layer were laminated in this order on one surface of a tape-like substrate under the following formation conditions.
First, a 100 nm-thick diffusion prevention layer made of Al 2 O 3 is formed on a tape-like substrate by ion beam sputtering, and then Y 2 is formed on the diffusion prevention layer by ion beam sputtering. A bed layer made of O 3 and having a thickness of 20 nm was formed.
Next, an alignment layer having a thickness of 10 nm made of MgO was formed on the bed layer by IBAD.

配向層を形成後、PLD法により、CeOターゲットを用いて配向層上にCeOからなる膜厚300nmのキャップ層を形成した。
PLD法による成膜温度は700〜900℃の範囲に設定できるが、この例では800℃で成膜した。
次に、PLD法により、各積層体試料のキャップ層上にGdBaCu7−xなる組成の膜厚2μmの酸化物超電導層を順次形成し、続いてCaを含むAgのターゲットを用いるDCスパッタ法により、酸化物超電導層の上にAgからなる膜厚5μmの保護層を成膜した。
保護層に含有させるCa量の影響を比較するため、Agターゲットに含まれるCaの含有量を1モル%〜50モル%の間で以下の表1に示すように適宜変更した複数のターゲットを用意し、各ターゲットを使い分けて保護層に含まれるCa量の異なる積層体試料を複数準備した。
次に、保護層までの各層を形成した積層体を、500℃で10時間、酸素を満たした加熱炉内で酸素アニールした。その後、加熱炉から取り出し、テープ状の酸化物超電導導体試料を得た。各酸化物超電導導体試料のCa添加量(キャップ層に対する添加量)と臨界電流値(Ic/Ic0;Ca無添加の酸化物超電導層を備えた酸化物超電導導体のIc値をIc0とした場合、得られた各酸化物超電導導体試料のIcの相対値)と臨界温度(Tc:K)を測定した。Ic値の測定は、各超電導導体試料の保護層の外面に端子を装着して行う4端子法により、77Kにおいて測定した。また、表1に合否欄を設けてIc/Ic0の値が1.2以上の試料を◎印、1.0〜1.2未満の試料を○印、1.0未満の試料を△印で示した。
After forming the alignment layer, a cap layer having a thickness of 300 nm made of CeO 2 was formed on the alignment layer by a PLD method using a CeO 2 target.
The film formation temperature by the PLD method can be set in the range of 700 to 900 ° C. In this example, the film was formed at 800 ° C.
Next, an oxide superconducting layer having a composition of GdBa 2 Cu 3 O 7-x having a thickness of 2 μm is sequentially formed on the cap layer of each laminate sample by the PLD method, and then an Ag target containing Ca is used. A protective layer made of Ag and having a thickness of 5 μm was formed on the oxide superconducting layer by DC sputtering.
In order to compare the influence of the amount of Ca contained in the protective layer, a plurality of targets are prepared by appropriately changing the content of Ca contained in the Ag target between 1 mol% and 50 mol% as shown in Table 1 below. Then, a plurality of laminate samples having different amounts of Ca contained in the protective layer were prepared using different targets.
Next, the laminated body on which the layers up to the protective layer were formed was subjected to oxygen annealing in a heating furnace filled with oxygen at 500 ° C. for 10 hours. Then, it removed from the heating furnace and obtained the tape-shaped oxide superconductor sample. Each oxide Ca addition amount of superconductor samples (amount added for capping layer) and the critical current (Ic / Ic 0; the Ic value of Ca oxide superconductor having an oxide superconducting layer without additives was Ic 0 In this case, the relative value of Ic and the critical temperature (Tc: K) of each obtained oxide superconducting conductor sample were measured. The Ic value was measured at 77K by a four-terminal method in which a terminal was attached to the outer surface of the protective layer of each superconducting conductor sample. Also, a pass / fail column is provided in Table 1, and samples with an Ic / Ic 0 value of 1.2 or more are marked with ◎, samples with a value of 1.0 to less than 1.2 are marked with ○, and samples with a value less than 1.0 are marked with △ It showed in.

Figure 0006404556
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表1に示す結果が示すように、保護層形成用のターゲットに含まれるCaを酸化物超電導層側に拡散させて含ませた酸化物超電導導体試料にあっては、いずれの試料も高い臨界電流値を示した。
表1のCa含有量は、保護層形成用ターゲットに対するCa含有量であるが、ターゲットから保護層側に全ての元素が移行したと仮定すると、保護層と酸化物超電導層に含まれているCaの総量はターゲットに含有させたCa量とほぼ同等と見なすことができる。このため、保護層と酸化物超電導層の両方に含まれているCa量(アルカリ土類金属元素量)として、表1に示す結果から、1モル%以上、50モル%未満の範囲ならば良好な臨界電流値と優れた臨界温度を兼ね備えた酸化物超電導導体を製造できたこととなる。また、Ca量の範囲として、表1に示す結果から、1モル%以上、40モル%以下の範囲がより好ましく、1モル%以上、30モル%以下の範囲が最も好ましいと思われる。
なお、比較のために、表1に示すNo.4のCa添加量5モル%の試料作成時、酸化物超電導層を生成するためのターゲットにCaを5モル%含有させて酸化物超電導層を形成した比較例の酸化物超電導導体試料を作成した。この酸化物超電導導体試料のIc/Icの値は0.8、臨界温度Tcは90Kを示した。この試料によれば、酸化物超電導層を作成する際にCaが酸化物超電導層の結晶内部に侵入し、酸化物超電導層の結晶そのものの生成に影響を及ぼした結果と思われる。このため、この比較例試料の合否は△に相当する。
As shown in the results shown in Table 1, in the oxide superconducting conductor sample in which Ca contained in the target for forming the protective layer is diffused and contained in the oxide superconducting layer side, all of the samples have a high critical current. The value is shown.
The Ca content in Table 1 is the Ca content relative to the target for forming the protective layer, but assuming that all the elements have migrated from the target to the protective layer side, the Ca contained in the protective layer and the oxide superconducting layer. It can be considered that the total amount of is almost equal to the amount of Ca contained in the target. For this reason, as a Ca amount (alkaline earth metal element amount) contained in both the protective layer and the oxide superconducting layer, the result shown in Table 1 is good if it is in the range of 1 mol% or more and less than 50 mol%. Thus, an oxide superconductor having both a critical current value and an excellent critical temperature can be produced. Moreover, as a range of Ca amount, from the result shown in Table 1, the range of 1 mol% or more and 40 mol% or less is more preferable, and the range of 1 mol% or more and 30 mol% or less is most preferable.
For comparison, at the time of preparing a sample of No. 4 Ca addition amount 5 mol% shown in Table 1, 5 mol% of Ca was contained in the target for generating the oxide superconducting layer to form an oxide superconducting layer. A formed oxide superconducting conductor sample of a comparative example was prepared. The oxide superconducting conductor sample had an Ic / Ic 0 value of 0.8 and a critical temperature Tc of 90K. According to this sample, it is considered that Ca invaded into the crystal of the oxide superconducting layer when the oxide superconducting layer was formed, thereby affecting the generation of the oxide superconducting layer crystal itself. For this reason, the pass / fail of this comparative sample corresponds to Δ.

「実施例2」
実施例1とほぼ同等の製造工程に加え、アルカリ土類金属元素を含む薄膜層を形成する工程を付加し、保護層にアルカリ土類金属元素を添加することなく酸化物超電導導体を製造した。実施例1と同様にテープ状の基材の一面上に、拡散防止層、ベッド層、配向層、キャップ層、酸化物超電導層を形成し、この上に薄膜層(厚さ50nm)と保護層(厚さ5μm)をこの順に積層した。
実施例1の製造工程と異なる点は、Caを含むAgの保護層形成用ターゲットを用いる代わりに、Caを含まないAgの保護層形成用ターゲットを用い、この保護層形成用ターゲットを用いてAgの保護層を形成する前に、Srを含むSrOのターゲットを用いてSrを含む薄膜層を形成した。そして、酸素アニール時にこの薄膜層からSrを拡散させた点が実施例1と異なる。この薄膜層を用いることでSrを結晶粒界に拡散させた酸化物超電導層を備えた酸化物超電導導体を製造した。その他の製造条件は実施例1と同等にして酸化物超電導導体試料を複数得た。
"Example 2"
In addition to the manufacturing process substantially equivalent to that of Example 1, a process for forming a thin film layer containing an alkaline earth metal element was added, and an oxide superconductor was manufactured without adding an alkaline earth metal element to the protective layer. Similarly to Example 1, a diffusion prevention layer, a bed layer, an alignment layer, a cap layer, and an oxide superconducting layer are formed on one surface of a tape-like substrate, and a thin film layer (thickness 50 nm) and a protective layer are formed thereon. (Thickness 5 μm) were laminated in this order.
The difference from the manufacturing process of Example 1 is that instead of using an Ag protective layer forming target containing Ca, an Ag protective layer forming target containing no Ca is used, and this protective layer forming target is used to form Ag. Before forming the protective layer, a thin film layer containing Sr was formed using a SrO target containing Sr. The difference from the first embodiment is that Sr is diffused from this thin film layer during oxygen annealing. By using this thin film layer, an oxide superconducting conductor provided with an oxide superconducting layer in which Sr was diffused into the crystal grain boundary was manufactured. Other manufacturing conditions were the same as in Example 1, and a plurality of oxide superconducting conductor samples were obtained.

表2に示す各酸化物超電導導体試料のSr添加量(薄膜層に対する添加量)と臨界電流値(Ic/Ic0;Ca無添加の酸化物超電導層を備えた酸化物超電導導体のIc値をIc0とした場合の各酸化物超電導導体試料のIcの相対値)と臨界温度(Tc:K)を測定した。また、実施例2の薄膜層を形成する際、薄膜層の膜厚を0nm(薄膜層なしの例)とした試料、薄膜層の厚さを以下の表3に示すように2nm〜5000nmまで種々の膜厚とした複数の試料(Sr添加量5モル%)を作成し、それぞれの試料の(Ic/Ic0)値を計測した。それらの結果を表3に示す。Ic値の測定は、各超電導導体試料の保護層の外面に端子を装着して行う4端子法により、77Kにおいて測定した。 Sr addition amount (addition amount with respect to the thin film layer) and critical current value (Ic / Ic 0 ; Ic value of the oxide superconducting conductor provided with no Ca-added oxide superconducting layer of each oxide superconducting conductor sample shown in Table 2 The relative value of Ic and the critical temperature (Tc: K) of each oxide superconducting conductor sample in the case of Ic 0 were measured. Moreover, when forming the thin film layer of Example 2, the thickness of the thin film layer varied from 2 nm to 5000 nm as shown in Table 3 below, with the film thickness of the thin film layer being 0 nm (example without the thin film layer). A plurality of samples (Sr addition amount of 5 mol%) having a thickness of 1 mm were prepared, and the (Ic / Ic 0 ) value of each sample was measured. The results are shown in Table 3. The Ic value was measured at 77K by a four-terminal method in which a terminal was attached to the outer surface of the protective layer of each superconducting conductor sample.

Figure 0006404556
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Figure 0006404556
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表2に示す結果が示すように、Srを酸化物超電導層側に拡散させて含ませた酸化物超電導導体試料にあっては、いずれの試料も高い臨界電流値を示した。
表2のSr含有量は、ターゲットに対するSr含有量であるが、ターゲットから薄膜層側に全ての元素が移行したと仮定すると、薄膜層と酸化物超電導層に含まれているSrの総量はターゲットに含有させたSr量と同等と見なすことができる。このため、薄膜層と酸化物超電導層の両方に含まれているSr量(アルカリ土類金属元素量)として、表2に示す結果から、1モル%以上、40モル%以下の範囲ならば良好な臨界電流値と優れた臨界温度を兼ね備えた酸化物超電導導体を製造できたこととなる。また、Sr量の範囲として、表2から、1モル%以上、30モル%以下の範囲がより好ましいと思われる。
As shown in the results shown in Table 2, in the oxide superconducting conductor samples containing Sr diffused to the oxide superconducting layer side, all the samples showed high critical current values.
The Sr content in Table 2 is the Sr content relative to the target. Assuming that all elements have migrated from the target to the thin film layer side, the total amount of Sr contained in the thin film layer and the oxide superconducting layer is the target. It can be regarded as being equivalent to the amount of Sr contained in. For this reason, as the Sr amount (alkaline earth metal element amount) contained in both the thin film layer and the oxide superconducting layer, from the results shown in Table 2, it is good if it is in the range of 1 mol% or more and 40 mol% or less. Thus, an oxide superconductor having both a critical current value and an excellent critical temperature can be produced. Further, as the range of the amount of Sr, it is considered that the range of 1 mol% or more and 30 mol% or less is more preferable from Table 2.

また、表3に示す結果から、酸化物超電導層と保護層との間に薄膜層を介在させる際、薄膜層を必要以上に厚い層とすると、Ic/Ic0の値が悪化することが判明した。これは、薄膜層が厚すぎる場合、薄膜層自体が抵抗層となり、Ic値を測定する場合の通電を阻害したものと推定できる。このため、アルカリ土類金属元素を拡散させるための薄膜層を設けるとしても、その膜厚は1000nm以下にすることが好ましく、2nm以上、100nmの範囲の膜厚がより好ましいと思われる。 Further, from the results shown in Table 3, when the thin film layer is interposed between the oxide superconducting layer and the protective layer, the value of Ic / Ic 0 is deteriorated if the thin film layer is thicker than necessary. did. This can be presumed that when the thin film layer is too thick, the thin film layer itself becomes a resistance layer, which impedes energization when measuring the Ic value. Therefore, even if a thin film layer for diffusing an alkaline earth metal element is provided, the film thickness is preferably 1000 nm or less, and a film thickness in the range of 2 nm to 100 nm is more preferable.

次に、表1に示すNo.3の試料について、酸化物超電導体の結晶粒界に拡散されているCaの分布を調べた。試料の一部を切り出し、保護層をエッチングにより取り除き、酸化物超電導層を露出させ、酸化物超電導層を構成している結晶粒の1つの粒界を特定し、X線光電子分光(XPS)法にてその結晶粒界の中心から粒界の両側に存在する結晶粒側まで3μmの距離にわたり元素分析した。その結果を図5に示す。図5の縦軸はX線の強度を示すが、Ca元素の相対存在比率と比例するので、縦軸の値の大きいポイントがCa濃度の高い位置を示す。つまり、この検査した試料におけるCaの存在幅は約1μmであり、酸化物超電導層に拡散させたCaは酸化物超電導体の結晶粒の粒界に殆ど存在し、その一部のみ酸化物超電導体の結晶粒の内部側(粒界に近い側)にまで拡散していることが判明した。   Next, for the sample No. 3 shown in Table 1, the distribution of Ca diffused in the crystal grain boundary of the oxide superconductor was examined. A part of the sample is cut out, the protective layer is removed by etching, the oxide superconducting layer is exposed, one grain boundary of the oxide superconducting layer is specified, and the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) method is used. Elemental analysis was performed over a distance of 3 μm from the center of the crystal grain boundary to the crystal grain side present on both sides of the grain boundary. The result is shown in FIG. The vertical axis in FIG. 5 indicates the intensity of X-rays, but is proportional to the relative abundance ratio of the Ca element. Therefore, a point with a large value on the vertical axis indicates a position where the Ca concentration is high. That is, the existence width of Ca in the inspected sample is about 1 μm, and Ca diffused in the oxide superconductor layer is almost present at the grain boundary of the oxide superconductor, and only a part thereof is the oxide superconductor. It was found that it diffused to the inner side of the crystal grains (side closer to the grain boundary).

次に、表2に示すNo.3の試料について、結晶粒界に拡散されているSrの分布を調べた。試料の一部を切り出し、保護層をエッチングにより取り除き、酸化物超電導層を構成している結晶粒の粒界の1つを特定し、X線光電子分光(XPS)法にてその結晶粒界の中心から粒界の両側に存在する結晶粒側まで3μmの距離にわたり元素分析した。その結果を図6に示す。図6の縦軸はX線の強度を示すが、Sr元素の相対存在比率と比例するので、縦軸の値の大きいポイントがSr濃度の高い位置を示す。つまり、この検査した試料におけるSrの存在幅は約1μmであり、酸化物超電導層に拡散させたSrは酸化物超電導体の結晶粒の粒界に殆ど存在し、その一部のみ酸化物超電導体の結晶粒の内部側(粒界に近い側)にまで拡散していることが判明した。   Next, for the sample No. 3 shown in Table 2, the distribution of Sr diffused in the grain boundaries was examined. A part of the sample is cut out, the protective layer is removed by etching, one of the grain boundaries of the oxide superconducting layer is specified, and the grain boundary is determined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Elemental analysis was performed over a distance of 3 μm from the center to the crystal grain side present on both sides of the grain boundary. The result is shown in FIG. The vertical axis in FIG. 6 indicates the intensity of X-rays, but is proportional to the relative abundance ratio of the Sr element. Therefore, a point with a large value on the vertical axis indicates a position where the Sr concentration is high. In other words, the existence width of Sr in the inspected sample is about 1 μm, and Sr diffused in the oxide superconductor layer is almost present at the grain boundary of the oxide superconductor, and only a part of the Sr is present in the oxide superconductor. It was found that it diffused to the inner side of the crystal grains (side closer to the grain boundary).

以上説明の如く、本実施例の酸化物超電導層は、それを構成する酸化物超電導体の結晶粒界に主にアルカリ土類金属元素であるCaあるいはSrを拡散させた構造となっているので、先の表1、表2に示すように、優れた臨界温度を有しつつ、優れた臨界電流値を発揮できることが判明した。   As described above, the oxide superconducting layer of this example has a structure in which Ca or Sr, which is an alkaline earth metal element, is mainly diffused in the crystal grain boundary of the oxide superconductor constituting the oxide superconductor. As shown in Tables 1 and 2, it has been found that an excellent critical current value can be exhibited while having an excellent critical temperature.

1…酸化物超電導導体、2…基材、3A…下地層、3B…配向層、3C…キャップ層、5…中間層、6…酸化物超電導層、6A…結晶粒、R…粒界、K…粒界傾角、7…保護層、8…金属安定化層、10…被覆層、15、16…コイル体、17…超電導コイル、70…薄膜層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Oxide superconducting conductor, 2 ... Base material, 3A ... Underlayer, 3B ... Orientation layer, 3C ... Cap layer, 5 ... Intermediate layer, 6 ... Oxide superconducting layer, 6A ... Crystal grain, R ... Grain boundary, K DESCRIPTION OF SYMBOLS: Grain boundary inclination angle, 7 ... Protective layer, 8 ... Metal stabilization layer, 10 ... Covering layer, 15, 16 ... Coil body, 17 ... Superconducting coil, 70 ... Thin film layer.

Claims (6)

基材と、前記基材上に形成された中間層および酸化物超電導層と、前記酸化物超電導層上に形成された保護層とを有し、
前記酸化物超電導層はRE−123系の酸化物超電導体からなり、
前記保護層は、Agあるいは少なくともAgを含む材料から形成され、加熱時に酸素を透過する機能を有し、前記保護層は、前記酸化物超電導層に接しており、
前記保護層にアルカリ土類金属元素としてCaまたはSrが含有され、前記酸化物超電導層を構成する酸化物超電導体の結晶粒の粒界に前記保護層に含有されている前記アルカリ土類金属元素が含まれており、前記酸化物超電導層において前記酸化物超電導体の結晶粒の内部側に含有する前記アルカリ土類金属元素の量よりも前記粒界に含有する前記アルカリ土類金属元素の量の方が多いことを特徴とする酸化物超電導導体。
A substrate, an intermediate layer and an oxide superconducting layer formed on the substrate, and a protective layer formed on the oxide superconducting layer;
The oxide superconducting layer is made of a RE-123 oxide superconductor,
The protective layer is formed of Ag or a material containing at least Ag, has a function of permeating oxygen during heating, the protective layer is to contact the oxide superconducting layer,
The Ca or Sr is contained in the protective layer as an alkaline earth metal element, the oxide oxide superconductor grains with the alkaline earth is contained in the protective layer to the boundary metal elements constituting the superconducting layer And the amount of the alkaline earth metal element contained in the grain boundary rather than the amount of the alkaline earth metal element contained on the inner side of the crystal grains of the oxide superconductor in the oxide superconducting layer. Oxide superconducting conductor, characterized in that there are more .
前記酸化物超電導層を構成する酸化物超電導体の結晶粒の内部において粒界側に前記アルカリ土類金属元素が含まれたことを特徴とする請求項1に記載の酸化物超電導導体。   2. The oxide superconductor according to claim 1, wherein the alkaline earth metal element is contained on the grain boundary side inside the crystal grains of the oxide superconductor constituting the oxide superconductor layer. 前記アルカリ土類金属元素がCaであり、Caが含有された前記保護層および前記酸化物超電導層を備えた前記酸化物超電導導体の臨界電流値Icの、Caを含まない保護層および酸化物超電導層を備えた酸化物超電導導体の臨界電流値Ic に対する相対値Ic/Ic が1.13〜1.35の範囲であることを特徴とする請求項1または2に記載の酸化物超電導導体。 The alkaline earth metal element is Ca , and the protective layer and oxide superconductivity without Ca of the critical current value Ic of the oxide superconducting conductor provided with the protective layer and the oxide superconducting layer containing Ca are contained. 3. The oxide superconductor according to claim 1, wherein a relative value Ic / Ic 0 with respect to the critical current value Ic 0 of the oxide superconductor having a layer is in a range of 1.13 to 1.35. . 基材上に中間層を形成する中間層形成工程と
前記中間層上にRE−123系の酸化物超電導体からなる酸化物超電導層を形成する酸化物超電導層形成工程と
前記酸化物超電導層上にAgあるいは少なくともAgを含む材料から形成され、アルカリ土類金属元素としてCaまたはSrを含有する保護層を、前記保護層が前記酸化物超電導層に接するように形成して積層体を得る保護層形成工程と
前記積層体を酸素アニール処理して前記保護層を介して前記酸化物超電導層側に酸素を供給しつつ前記保護層に含まれている前記アルカリ土類金属元素を前記酸化物超電導層側に拡散させ、前記酸化物超電導層を構成する酸化物超電導体の結晶粒の粒界に前記保護層に含有されている前記アルカリ土類金属元素が含まれており、前記酸化物超電導層において前記酸化物超電導体の結晶粒の内部側に拡散する前記アルカリ土類金属元素の量よりも前記粒界に拡散する前記アルカリ土類金属元素の量の方が多いようにする酸素アニール工程と、を含むことを特徴とする酸化物超電導導体の製造方法。
An intermediate layer forming step of forming an intermediate layer on a substrate,
An oxide superconducting layer forming step of forming an oxide superconducting layer formed of an oxide superconductor of RE-123-based on the intermediate layer,
A protective layer formed of Ag or a material containing at least Ag on the oxide superconducting layer and containing Ca or Sr as an alkaline earth metal element is formed so that the protective layer is in contact with the oxide superconducting layer. a protective layer formation step of obtaining a laminate,
The alkaline earth metal element contained in the protective layer is diffused to the oxide superconducting layer side while supplying oxygen to the oxide superconducting layer side through the protective layer by performing oxygen annealing treatment on the laminate. The alkaline earth metal element contained in the protective layer is contained in grain boundaries of crystal grains of the oxide superconductor constituting the oxide superconductor layer, and the oxide superconductor layer includes the oxide includes an oxygen annealing step you have more right amount of the alkaline earth metal elements than the amount of the alkaline earth metal element diffuses into side grain superconductor diffused into the grain boundary is large, the A method for producing an oxide superconducting conductor.
前記保護層を前記酸化物超電導層上に成膜法により形成するとともに、前記成膜法を実施する場合に用いるターゲットに前記アルカリ土類金属元素を含有させることを特徴とする請求項に記載の酸化物超電導導体の製造方法。 And forming a film-forming method the protective layer on the oxide superconducting layer, according to claim 4, characterized in that the inclusion of the alkaline earth metal element target used when carrying out the film formation method Manufacturing method for oxide superconducting conductors. 前記アルカリ土類金属元素がCaであり、前記ターゲットに含有されたCaの含有量が1〜40モル%の範囲であることを特徴とする請求項に記載の酸化物超電導導体の製造方法。 6. The method for producing an oxide superconducting conductor according to claim 5 , wherein the alkaline earth metal element is Ca and the content of Ca contained in the target is in the range of 1 to 40 mol% .
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