JP6493547B2 - 酸化物超電導バルクマグネット - Google Patents

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Description

本発明は、超電導バルク体と補強材とを有する酸化物超電導バルクマグネットに関する。
単結晶状のＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（ＲＥは、希土類元素）相中にＲＥ２ＢａＣｕＯ５相が分散した酸化物超電導材料は、高い臨界電流密度（以下、「Ｊｃ」と示すこともある。）を有するために、磁場中の冷却等により励磁され、強力な磁場を発生できる超電導バルクマグネットとして使用可能である。
超電導バルクマグネットは非常に強力な磁場をコンパクトな空間に発生できるという優れた特長を有するが、コンパクトな空間に非常に強力な磁場を閉じ込めることになるので、超電導バルク体内部に大きな電磁応力が作用することになる。この電磁応力は、閉じ込められた磁場が広がるように作用するのでフープ応力とも呼ばれる。５〜１０Ｔ級の強磁場の場合には、作用する電磁応力が超電導バルク体自身の材料機械強度を超えることもあり、その結果、超電導バルク体が破損するおそれがあると考えられている。超電導バルク体が破損すると、超電導バルク体は強磁場を発生することができなくなる。
超電導バルク体の破損を防止することができれば、コンパクトで強磁場という超電導バルクマグネットの特長を活かすことができ、小型ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）用磁石部材や磁気力を利用した薬物輸送システムなどマグネットを利用する応用において、機器の高性能化や機器の小型軽量化に役立つことが期待されている。
電磁力による超電導バルク体の破損を防止するために、例えば特許文献１では、円柱状の超電導バルク体とこれを囲む金属リングとにより構成された超電導バルクマグネットが提案されている。このような構成にすることにより、冷却時に金属リングによる圧縮応力が超電導バルク体に加わり、その圧縮応力が電磁応力を軽減する効果を有するため、超電導バルク体の割れを抑制することができる。このように、特許文献１には、円柱状の超電導バルク体の破損が防止できることが示されている。
ところで、一般的な大きさ（例えば、直径４０〜１００ｍｍ程度）の単結晶状の酸化物超電導材料を用いて、高強度の磁場を着磁により発生させるためには、それぞれの単結晶状の酸化物超電導材料をリング形状とし、その内部に強磁場を発生させることが有効である。
一般的に、円盤状のバルク材をリング形状に加工することにより、リング内の内側で比較的高強度で均一な磁場を利用することが可能となる。これにより、特に高い均一度が求められるＮＭＲやＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）等への応用が可能となる。
例えば特許文献２には、六角形の超電導バルク体を７個組み合わせて、その周囲に繊維強化樹脂等からなる補強部材配置し、さらにその外周にはステンレスやアルミ合金等の金属からなる支持部材が配置された超電導磁場発生素子が開示されている。特許文献３には、結晶軸のｃ軸方向の厚さが０．３〜１５ｍｍのリング状バルク超電導体を積層した酸化物超電導バルクマグネットが開示されている。また、特許文献４には、外周および内周が補強された複数のリング状超電導体を積層した超電導バルク磁石が開示されている。さらに、特許文献５には、半径方向に多重リング構造を有する超電導体を積層した超電導バルク磁石が開示されている。また、特許文献６には、一つのバルク体の外周、上面および下面が補強されたバルク磁石が開示されている。また、特許文献７は切れ目を設けた環状のアルミニウム合金よりなる内管と、該内管の外周側に配設された切れ目のない環状のステンレス鋼よりなる外管とを組み合わせた放熱部材をバルク超電導体の外周側面に設けてパルス着磁する方法を開示している。パルス着磁を行うリング状のバルク超電導体においては、リング内に過大な渦電流が生じて発熱する恐れがあることから、環状のアルミニウム合金よりなる内管には、切れ目を設けて渦電流の発生を防止している。
特開平１１−３３５１２０号公報 特開平１１−２８４２３８号公報 特開平１０−３１０４９７号公報 特開２０１４−７５５２２号公報 国際公開第２０１１／０７１０７１号 特開２０１４−１４６７６０号公報 特開２００６−３３２４９９号公報
しかしながら、着磁されたバルクマグネットまたは着磁過程でのバルクマグネットの破損に関しては、電磁応力以外の可能性に関して開示された文献は見当たらない。本願発明者らは、着磁されたバルクマグネットまたは着磁過程でのバルクマグネットの破損に関して、鋭意、研究を進めたところ、電磁気的な応力以外にクエンチ現象による破損のメカニズムが存在することを突き止めるに至った。このクエンチ現象による破損は、ＲＥ系バルクマグネットでは知られていなかった。
超電導線材をコイルに巻いて作製した超電導マグネットでは、金属系および酸化物超電導線材においても、クエンチ現象により破損することは知られており、安定化金属との複合加工等の対策が取られている。しかし、単結晶状のＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ相中にＲＥ２ＢａＣｕＯ５相が分散した酸化物超電導材料の場合、超電導電流パスの自由度が大きいこと等から、クエンチ現象は、約１０Ｋ以下の低温領域では観測されていたが、約２０Ｋ以上の高温領域では観測されておらず、また、線材コイルマグネット等で起こるようなクエンチ現象による破損は起きないものと考えられていた。
しかしながら、本願発明者らの検討によって、バルクマグネットにおいても着磁過程や昇温過程等の局所的な発熱（磁束の移動）が引き金となって、局所的な臨界電流密度Ｊｃの低下が発生し、さらに、この臨界電流密度Ｊｃの低下が発熱（磁束の移動）をもたらすというサイクルが極めて短時間に発生し、捕捉していた磁場のエネルギーが熱となって瞬時に解放され、この時の熱衝撃等で破損することが起こり得ることが新たに分かった。したがって、電磁気的な応力に対する補強を行った上で、さらに、クエンチ現象によるバルクマグネットの破損を抑制し、強磁場を発生できるバルクマグネットを実現することが必要となる。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、電磁気的応力およびクエンチ現象による超電導バルク体の破損を防止し、強磁場発生を可能とすることで十分な総磁束量を得ることができる酸化物超電導バルクマグネットを提供することにある。
上記課題の解決のため、本願発明者らは、鋭意検討した結果、電磁気的な応力に対する補強を行った上で、さらにバルクマグネットの周囲に高い熱伝導率の金属を十分な熱接触を確保した上で配置することによって、クエンチ現象の引き金になり得る熱的および磁気的な不安定性を低減し、低温・強磁場下でも超電導バルク体のクエンチ現象による破損を防止できることを見出し、発明を為すに至った。
本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）単結晶状のＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ又は希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素。６．８≦ｙ≦７．１）中にＲＥ２ＢａＣｕＯ５が分散された、１個の酸化物超電導バルク体と、
前記１個の酸化物超電導バルク体の外周に嵌合される外周補強リングと、
を備えた、酸化物超電導バルクマグネットであって、
前記外周補強リングは、径方向に多重リング構造を有する複数の金属リングからなり、
前記複数の金属リングのうちの少なくともいずれか１つは、２０〜７０Ｋでの熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、かつ、前記複数の金属リングのうちの少なくともいずれか１つは、前記熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属リングよりも高い強度を有し、
前記複数の金属リングの最内周の前記金属リングと前記酸化物超電導バルク体とは、半田で結合されており、
前記酸化物超電導バルク体と前記半田との界面には、銀または銀合金の薄膜層が介在される、酸化物超電導バルクマグネット。
（２）前記複数の金属リングのうち、最内周の金属リングは、前記２０〜７０Ｋでの熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属リングである、（１）に記載の酸化物超電導バルクマグネット。
（３）前記熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属リングの材質は、銅、アルミニウム、または銀のいずれかである、（１）または（２）に記載の酸化物超電導バルクマグネット。
（４）前記熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属リングよりも前記強度が高い金属リングの材質は、銅合金、アルミ合金またはステンレスのいずれかである、（１）〜（３）のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルクマグネット。
（５）前記複数の金属リングの最内周の前記金属リングと前記酸化物超電導バルク体とは、Ｓｎ系半田で結合されている、（１）〜（４）のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルクマグネット。
（６）前記酸化物超電導バルクマグネットに、当該酸化物超電導バルクマグネットの上面又は下面の少なくともいずれか一方を覆うように、銅、アルミニウム、銀のいずれからなる補強板が接続される、（１）〜（５）のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルクマグネット。
（７）前記酸化物超電導バルク体は円柱形状であり、前記外周補強リングは円筒形状である、（１）〜（６）のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルクマグネット。
（８）前記酸化物超電導バルク体は円筒形状であり、前記外周補強リングは円筒形状である、（１）〜（６）のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルクマグネット。
（９）前記酸化物超電導バルク体は多角柱状であり、前記外周補強リングは多角筒状である、（１）〜（６）のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルクマグネット。
（１０）（１）〜（９）のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルクマグネットをバルクマグネットユニットとし、当該バルクマグネットユニットを複数個並列配置して形成される集合体と、
当該集合体の外周部を覆う集合体外周部補強体と、
を備え、
前記集合体は、隣り合う前記バルクマグネットユニットの前記外周補強リング同士が互いに接触するように並列配置されて形成されており、
前記集合体外周部補強体は、前記外周補強リングにおける前記２０Ｋ〜７０Ｋでの熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属リングよりも、高強度の部材から形成されている、集合型酸化物超電導バルクマグネット。
以上説明したように本発明によれば、必要とされる高い磁場領域を確保するための高い磁場強度条件下でも、電気磁気的な応力に対する機械的な補強効果を確保した上で、クエンチ現象等による超電導バルク体の破損を防止し、十分な総磁束量を得ることができる酸化物超電導バルクマグネットを提供することができる。
本発明の第１の実施形態に係る酸化物超電導バルクマグネットの一例を示す概略斜視図である。 図１Ａに示す酸化物超電導バルクマグネットの断面図と、領域Ａおよび領域Ｂにおける超電導バルク体と外周補強リングとの界面構造を示す部分拡大図である。 本発明の第２の実施形態に係る酸化物超電導バルクマグネットの一例であって、酸化物超電導バルクマグネットの中心軸線に沿って切断したときの断面図を示す。 本発明の第３の実施形態に係るリング形状の酸化物超電導バルクマグネットの一例を示す概略斜視図である。 図３Ａに示すリング形状の酸化物超電導バルクマグネットの断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る酸化物超電導バルクマグネットの一例を示す概略斜視図であって、四角形の超電導バルク体と四角形の外周補強リングからなる酸化物超電導バルクマグネットの例を示す。 同実施形態に係る酸化物超電導バルクマグネットの例を示す概略斜視図であって、六角形の超電導バルク体と六角形の外周補強リングからなる酸化物超電導バルクマグネットの例を示す。 本発明の第５の実施形態に係る酸化物超電導バルクマグネットの一例を示す概略斜視図であって、複数の四角形の酸化物超電導バルク体が四角形の高い熱伝導率を有する金属リングを含む外周補強リングに接続されておりこれらの複数のバルクマグネットの集合体の外周に高強度の外周補強リングが取り付けられている例を示す。 実施例１に係る酸化物超電導バルクマグネットおよび実施例１に対する比較材の概略斜視図である。 実施例２に係る酸化物超電導バルクマグネットおよび実施例２に対する比較材を中心軸線に沿って切断したときの断面図である。 実施例３に係るリング状の酸化物超電導バルクマグネットおよび実施例３に対する比較材を中心軸線に沿って切断したときの断面図である。 実施例４に係る多角柱状の酸化物超電導バルクマグネットおよび実施例４に対する比較材の概略斜視図である。 実施例５に係る酸化物超電導バルクマグネットおよび実施例５に対する比較材の概略斜視図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
本実施形態に係る酸化物超電導バルクマグネットで用いる酸化物超電導バルク体（以下、単に「超電導バルク体」ともいう。）は、単結晶状のＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ中にＲＥ２ＢａＣｕＯ５相（２１１相）等に代表される非超電導相が分散した組織を有するもので、特に微細分散した組織を有するバルク材（所謂ＱＭＧ（登録商標）材料）が望ましい。ここで、単結晶状というのは、完璧な単結晶でなく、小傾角粒界等の実用に差支えない欠陥を有するものも包含するという意味である。ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ相（１２３相）及びＲＥ２ＢａＣｕＯ５相（２１１相）におけるＲＥは、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素及びそれらの組み合わせで、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄを含む１２３相は１：２：３の化学量論組成から外れ、ＲＥのサイトにＢａが一部置換した状態になることもある。また、非超電導相である２１１相においても、Ｌａ、Ｎｄは、Ｙ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕとは幾分異なり、金属元素の比が非化学量論的組成であったり、結晶構造が異なっていることが知られている。
前述のＢａ元素の置換は、臨界温度を低下させる傾向がある。また、より酸素分圧の小さい環境においては、Ｂａ元素の置換が抑制される傾向にある。
１２３相は、２１１相とＢａとＣｕとの複合酸化物からなる液相との包晶反応、
２１１相＋液相（ＢａとＣｕの複合酸化物） → １２３相
によりできる。そして、この包晶反応により、１２３相ができる温度（Ｔｆ：１２３相生成温度）は、ほぼＲＥ元素のイオン半径に関連し、イオン半径の減少に伴いＴｆも低くなる。また、低酸素雰囲気及びＡｇ添加に伴い、Ｔｆは低下する傾向にある。
単結晶状の１２３相中に２１１相が微細分散した材料は、１２３相が結晶成長する際、未反応の２１１粒が１２３相中に取り残されるためにできる。即ち、上記バルク材は、
２１１相＋液相（ＢａとＣｕの複合酸化物） → １２３相＋２１１相
で示される反応によりできる。
バルク材中の２１１相の微細分散は、臨界電流密度Ｊｃ向上の観点から極めて重要である。Ｐｔ、Ｒｈ又はＣｅの少なくとも一つを微量添加することで、半溶融状態（２１１相と液相からなる状態）での２１１相の粒成長が抑制され、結果的に材料中の２１１相が約１μｍ程度に微細化される。２１１相の微細分散状況は、試料を鏡面研磨した後、光学顕微鏡で確認できる。
添加量は、微細化効果が現れる量及び材料コストの観点から、Ｐｔで０．２〜２．０質量％、Ｒｈで０．０１〜０．５質量％、Ｃｅで０．５〜２．０質量％が望ましい。添加されたＰｔ、Ｒｈ、Ｃｅは１２３相中に一部固溶する。また、固溶できなかった元素は、ＢａやＣｕとの複合酸化物を形成し、材料中に点在することになる。
また、マグネットを構成するバルク酸化物超電導体は、磁場中においても高い臨界電流密度（Ｊｃ）を有する必要がある。この条件を満たすには、超電導的に弱結合となる大傾角粒界を含まない単結晶状の１２３相である必要がある。さらに高いＪｃ特性を有するためには、磁束の動きを止めるためのピンニングセンターが必要となる。このピンニングセンターとして機能するものが微細分散した２１１相であり、より細かく多数分散していることが望ましい。先に述べたように、Ｐｔ、ＲｈやＣｅは、この２１１相の微細化を促進する働きがある。また、ピンニングサイトとして、ＢａＣｅＯ３、ＢａＳｉＯ３、ＢａＧｅＯ３、ＢａＳｎＯ３等の可能性が知られている。また、２１１相等の非超電導相は、劈開し易い１２３相中に微細分散することによって、超電導体を機械的に強化し、バルク材料として成り立たす重要な働きをも担っている。
１２３相中の２１１相の割合は、Ｊｃ特性及び機械強度の観点から、５〜３５体積％が望ましい。また、材料中には、５０〜５００μｍ程度のボイド（気泡）を５〜２０体積％含むことが一般的であり、さらにＡｇ添加した場合、添加量によって１〜５００μｍ程度のＡｇ又はＡｇ化合物を０体積％超２５体積％以下含む。
また、結晶成長後の材料の酸素欠損量（ｘ）は、０．５程度で半導体的な抵抗率の温度変化を示す。これを各ＲＥ系により３５０℃〜６００℃で１００時間程度、酸素雰囲気中においてアニールすることにより酸素が材料中に取り込まれ、酸素欠損量（ｘ）は０．２以下となり、良好な超電導特性を示す。この時、超電導相中には双晶構造ができる。しかしながら、この点を含めここでは単結晶状と呼ぶことにする。
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照し、各請求項に規定する技術内容と対応させながら説明する。本発明の要点は、低い熱伝導率を有する酸化物超電導バルク体の周囲および内部に高い熱伝導率の金属を配置し、かつバルク体との熱接触を十分確保することによって、強磁場着磁時および着磁後の昇温時の超電導体内部での磁束の移動に伴う発熱を冷凍機等の外部に放出させることによってクエンチ現象の発生を抑制し、さらに、強磁場による電磁気的な応力に耐えうる機械的強度を有するバルクマグネットの基本構造を提供することにある。
なお、本発明による実施態様では、着磁はパルス着磁ではなく、いわゆる、フィールドクール（磁場中冷却）と呼ばれる着磁方法であり、定常的な印加磁場中で超電導体を冷却し、超電導状態にした後、印加磁場を取り除く着磁方法を想定している。
具体的には、以下の実施形態が挙げられる。
＜第１の実施形態＞
まず、第１の実施形態について、図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、本実施形態に係る酸化物超電導バルクマグネット１００の一例を示す概略斜視図である。図１Ｂは、図１Ａに示す酸化物超電導バルクマグネット１００の断面図と、酸化物超電導体と外周補強リングとの界面部分を示す断面図およびその部分拡大図を示す。
本実施形態に係る酸化物超電導バルクマグネット１００は、円柱状の酸化物超電導バルク体１１０と、金属多重リング構造を有する外周補強リング１２０とからなる。この外周補強リング１２０には、高い熱伝導率を有する第１の金属リング１３０と、第１の金属リング１３０の強度を超える高強度の第２の金属リング１４０とが含まれている。第１の金属リング１３０と第２の金属リング１４０との位置関係、および、それぞれの厚さについては、設計事項であり、使用条件に合わせ適宜選定すればよい。
酸化物超電導バルク体１１０は、最内周の第１の金属リング１３０と十分に接触しており、外周補強リング１２０（具体的には、第１の金属リング１３０）との界面部分においては熱的に十分結合されている必要がある。図１Ｂの領域Ａの拡大図に示すように、酸化物超電導バルク体１１０と第１の金属リング１３０とは、例えば、樹脂またはグリースを充填してもよく、より望ましくは、電気伝導性を有し、強固な結合力が得られる電導性材料１８０で結合させる。電導性材料１８０による結合は、例えば半田付け等で行うのがよい。このとき、半田１８２は、比較的融点が低く、超電導相の酸素の離脱が起きにくいＳｎ系の半田が望ましい。また、半田付けにより結合させる場合、酸化物超電導バルク体１１０の表面にＡｇ（またはＡｇ合金）薄膜をスパッタ処理等により製膜し、さらに１００℃〜５００℃でアニール処理することが望ましい。これにより、Ａｇ薄膜が酸化物超電導バルク体１１０の表面から剥がれにくくなり、よくなじむことに加え、超電導相とＡｇとの界面での接触抵抗を低減することができる。また、図１Ｂの領域Ｂの拡大図に示すように、表面にＡｇ薄膜１８２が製膜された酸化物超電導バルク体１１０と第１の金属リング１３０とを半田１８１により半田付けすると、Ａｇ薄膜１８２と半田１８１との界面には、Ａｇと半田成分とからなる金属間化合物が形成される。いわゆる「半田がのる」状態となり、熱的および電気的に十分に結合された状態となる。
金属多重リング構造を有する外周補強リング１２０の各リング１３０、１４０間の接合は、十分な熱接触を有する必要がある。例えば、第１の金属リング１３０と第２の金属リング１４０との結合は、グリース、樹脂等で行ってもよいが、望ましくは半田等を用い強固に、かつ、電気的にも接合することが望ましい。
高い熱伝導率を有する第１の金属リング１３０の材質としては、約２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する銅、銅合金、アルミ、アルミ合金、銀、銀合金等の金属が望ましい。ここで、銅、アルミ、銀はそれぞれ純度が９９％以上、より好ましくは９９．９％以上のものを指す。これにより、全体として高熱伝導率化され、バルクマグネットとしての熱的安定性が増し、クエンチ現象が発生しにくくなる。したがって、より低温領域、すなわち高い臨界電流密度Ｊｃ領域での高磁場着磁が可能となる。特に銅、アルミ、Ａｇ等の金属は、電気伝導率も高いことから、局所的に超電導特性を劣化させる量子化磁束の移動等の熱的な揺籃が発生し局所的に臨界電流密度Ｊｃが低下した場合等、超電導電流を迂回させる作用が大きく、クエンチ抑制効果が高い。また、このとき、酸化物超電導バルク体１１０と高電気伝導率の外周補強リング１２０の金属リングとの界面の接触抵抗が小さいことが望ましいが、酸化物超電導バルク体１１０の表面のＡｇ薄膜１８２によりこの接触抵抗を低減できる。
熱伝導率が高い高強度の第２の金属リング１４０の熱伝導率としては、超電導材料内で発生した熱の伝達・吸収の観点から、冷凍機冷却等により安定して強磁場を発生できる２０Ｋ〜７０Ｋの温度領域で２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が望ましく、さらに望ましくは、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が望ましい。ここで２０Ｋ以上の温度領域とした理由は、２０Ｋ未満では、臨界電流密度Ｊｃが増大し強磁場発生を行いやすくなるものの、一般に比熱が低下し、クエンチ現象が発生しやすくなるためである。また、７０Ｋ以下の温度領域とした理由は、標準的な大きさのバルク体として直径数ｃｍを想定したとき、５Ｔ超レベルの高磁場を発生できる温度領域であるためである。
また、金属多重リング構造を有する外周補強リング１２０は、高磁場を捕捉したときの電磁応力による割れを防ぐ働きも同時に持たせる必要がある。したがって、目的とする仕様に合わせ、電気伝導度、熱伝導度および機械的強度の点から、高い熱伝導率を有する第１の金属リング１３０と、第１の金属リング１３０より高強度の第２の金属リング１４０とについて、材質やリングの肉厚等を設計する必要がある。第１の金属リング１３０および第２の金属リング１４０は、切れ目のない形状、例えば円筒形状であることにより、高い電気伝導度、熱伝導度および機械的強度が得られる。パルス着磁を採用すると、リング内に過大な渦電流が生じて発熱する恐れがある。しかし、フィールドクール着磁を採用する本願発明の実施態様では、パルス着磁に比較して、準静的な着磁法であり、発熱の問題は大きく軽減されるので、切れ目を設ける必要がない。さらに、切れ目がないことにより、強度が向上し、電磁気力によるによる破壊を防ぐことが可能となる。また、半田接続の場合、半田の融点を適宜調整することにより外周補強リング１２０と酸化物超電導バルク体１１０との結合温度を調整し、冷却温度までの温度差による冷やし嵌め効果を調整することが可能となる。これにより、冷却温度での外周補強リング１２０から酸化物超電導バルク体１１０への周方向および半径方向の圧縮応力を調整できる。
高い熱伝導率を有する銅、アルミ、銀等の金属は、一般に純度が増すにつれて熱伝導率は高くなるが、反面、機械的強度は低下する傾向にある。そのため、本実施形態の外周補強リング１２０は、高い熱伝導率を有し、主にクエンチ現象を抑制する作用を担う金属リングと、熱伝導率は低いが、機械的強度が高く、主に電磁気的な応力に対する補強効果を担う金属リングとを組み合わせて、金属多重リング構造とする。このように、機械的応力とクエンチ現象との両方に対応できる外周補強リング１２０を用いることが本発明では重要となる。
上記の観点から、銅、アルミ、銀等の高熱伝導率を有する金属材料から形成される第１の金属リング１３０の２０Ｋ〜７０Ｋでの機械的強度は１００ＭＰａ程度とし、第１の金属リング１３０より高強度の第２の金属リング１４０の機械的強度は１００ＭＰａ超、より望ましくは、２００ＭＰａ以上とする。
また、外周補強リング１２０の肉厚は、着磁用マグネットの内径、冷却方法等に係る設計事項であるが、例えば１ｍｍでも有効であり、また、設計上可能であれば２０ｍｍ超でもよい。
以上、本実施形態に係る酸化物超電導バルクマグネット１００について説明した。本実施形態によれば、酸化物超電導バルク体とその外周に嵌合される金属多重リング構造を有する外周補強リング１２０を備える。外周補強リング１２０は、高い熱伝導率を有し、少なくともいずれか一つの金属リングが２０Ｋ〜７０Ｋでの熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることにより熱的に酸化物超電導バルク体１１０に接続されている。これにより、酸化物超電導バルクマグネット全体としての熱伝導率を高め、また、半田接続等により電気的に対してもクエンチ現象に対しても安定な状況を実現することができる。さらに、より高強度の金属リングで電磁気的応力による割れを防止し、これにより、高い磁場強度条件下でも、酸化物超電導バルク体１１０の破損を防止でき、十分な総磁束量を得ることができる酸化物超電導バルクマグネット１００を提供することができる。
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について、図２を用いて説明する。図２は、酸化物超電導バルクマグネット２００の中心軸線に沿って切断したときの断面図を示す。
本実施形態に係る酸化物超電導バルクマグネット２００は、第１の実施形態と比較して、酸化物超電導バルク体２１０の上方向または下方向の少なくともいずれか一方にも高い熱伝導率を有する補強板２５０配置し、これを熱的に酸化物超電導バルク体２１０に接続している点で相違する。補強板２５０の材質については、第１の実施形態について述べた高い熱伝導率を有する外周補強リング１２０の第１の金属リング１３０と同様とすることができる。また、補強板２５０と酸化物超電導バルク体２１０との接続に関しても、第１の実施形態にて述べた高い熱伝導率を有する外周補強リング１２０の第１の金属リング１３０と酸化物超電導バルク体１１０との接続と同様とすることができる。また、外周補強リング２２０の第１の金属リング２３０および第２の金属リング２４０の材質、形状等については、第１の実施形態について述べた高い熱伝導率や高い強度を有する外周補強リング１２０の第１の金属リング１３０および第２の金属リング１４０と同様とすることができる。
第２の実施形態の構成とすることで、第１の実施形態と比較して、体積、重量は増加するもののバルクマグネット全体の熱伝導率が高くなり、よりクエンチ現象を抑制できる構造とすることができる。
＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態に係る酸化物超電導バルクマグネット３００について、図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。図３Ａは、本実施形態に係る酸化物超電導バルクマグネット３００の一例を示す概略斜視図である。図３Ｂは、酸化物超電導バルクマグネット３００の中心軸線に沿って切断したときの断面図を示す。酸化物超電導バルクマグネット３００は、リング形状の酸化物超電導バルク体３１０と、高い熱伝導率を有する第１の金属リング３３０および高強度の第２の金属リング３４０からなる外周補強リング３２０とからなる。
金属多重リング構造を有する外周補強リング３２０の内周側の第１の補強リング３３０と酸化物超電導バルク体３１０との接続は、第１の実施形態について述べた外周補強リング１２０と酸化物超電導バルク体１１０との接続と同様とすることができる。また、外周補強リング３２０の第１の金属リング３３０および第２の金属リング３４０の材質、形状等については、第１の実施形態について述べた高い熱伝導率や高い強度を有する外周補強リング１２０の第１の金属リング１３０および第２の金属リング１４０と同様とすることができる。
このような構成とすることで、リング内部に高磁束密度でかつ均一度の高い空間を得ることができる。この実施形態の構成はＮＭＲ応用等では極めて重要となる。
＜第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態について、図４Ａおよび図４Ｂを用いて説明する。図４Ａは、本実施形態に係る酸化物超電導バルクマグネット４００の一例を示す概略斜視図である。図４Ａの酸化物超電導バルクマグネット４００は、多角柱状の超電導バルク体および多角筒状の金属多重リング構造を有する外周補強リングからなる。図４Ｂは、本実施形態に係る酸化物超電導バルクマグネット４００の一例を示す概略斜視図であり、六角形の超電導バルク体および六角の金属多重リング構造を有する外周補強リングからなる。
図４Ａおよび図４Ｂに示す金属多重リング構造を有する外周補強リング４２１、４２２に関しては、第１の実施形態について述べた外周補強リング１２０と同様とすることができる。また、外周補強リング４２１、４２２と酸化物超電導バルク体４１１、４１２との接続は、第１の実施形態について述べた外周補強リング１２０と酸化物超電導バルク体１１０との接続と同様とすることができる。また、外周補強リング４２１、４２２の第１の金属リング４３１、４３２および第２の金属リング４４１、４４２の材質、形状等については、第１の実施形態について述べた高い熱伝導率や高い強度を有する外周補強リング１２０の第１の金属リング１３０および第２の金属リング１４０と同様とすることができる。
このような構成とすることで、複数のバルクマグネットを平面上に密に配列することが可能となり、より広い空間に高磁場を発生させることが可能となる。
＜第５の実施形態＞
次に、第５の実施形態について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態に係る集合型酸化物超電導バルクマグネット５００の一例を示す概略斜視図である。図５に示す集合型酸化物超電導バルクマグネット５００では、多角柱状の酸化物超電導バルク体５１０は多角筒状の金属多重リング構造を有する外周補強リング５２０に熱的に接続されており、これをバルクマグネットユニットとする。そして、このバルクマグネットユニットを複数配列して集合体５６０とし、その集合体５６０の外周に集合体外周部補強リング５７０を配置して集合型酸化物超電導バルクマグネット５００を形成している。
外周補強リング５２０に関しては、第１の実施形態について述べた外周補強リング１２０と同様であり、外周補強リング５２０の第１の金属リング５３０および第２の金属リング５４０の材質、形状等については、第１の実施形態について述べた高い熱伝導率や高い強度を有する外周補強リング１２０の第１の金属リング１３０および第２の金属リング１４０と同様とすることができる。また、外周補強リング５２０と酸化物超電導バルク体５１０との接続は第１の実施形態について述べた外周補強リング１２０と酸化物超電導バルク体１１０との接続と同様とすることができる。集合体外周補強リング５７０の材質、形状等については、第１の実施形態について述べた第１の金属リング１３０より高強度の第２の金属リング１４０と同様とすることができる。また、隣接する外周補強リング５２０間および外周補強リング５２０とそれらの外周にある集合体外周部補強リング５７０との接続は、第１の実施形態で述べた外周補強リング１２０と酸化物超電導バルク体１１０との接続と同様とすることができる。
このように、個々の単体のバルクマグネットを強固に結束することによって、集合体全体を一度に着磁することが容易になり、結果として広範囲に高い磁束密度の磁場を発生することが可能な集合型酸化物超電導バルクマグネット５００を提供することができる。
また、上述した第１〜第５の実施形態の酸化物超電導バルクマグネットとすることで、クエンチ現象を防止又は抑制でき、かつ、酸化物超電導バルク体の軸上表面での補足磁束密度が５Ｔ以上更には８Ｔ以上となるような高磁場のフィールドクール着磁においても、電磁気的応力による酸化物超電導バルク体の破損を防止することができるようになる。
（実施例１）
図６に示す実施例１の超電導バルクマグネット６００では、Ｇｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導バルク体６１０を用いた。
まず、市販されている純度９９．９質量％のガドリニウム（Ｇｄ）、バリウム（Ｂａ）、銅（Ｃｕ）のそれぞれの酸化物の粉末を用い、Ｇｄ：Ｂａ：Ｃｕ＝１：２：３のモル比で秤量し、それにＣｅＯ２を１．０質量％添加した上で、この秤量粉を１時間かけて十分混練してから、酸素気流中にて１１７３Ｋで８時間仮焼し、Ｇｄ系の１２３粉末を作製した。
次に、上記ガドリニウム（Ｇｄ）、バリウム（Ｂａ）、銅（Ｃｕ）の酸化物の粉末を用い、Ｇｄ：Ｂａ：Ｃｕ＝２：１：１のモル比で秤量し、それにＣｅＯ２を１．０質量％添加した上で、この秤量粉を１時間かけて十分混練してから、酸素気流中で１２０３Ｋで４時間仮焼し、Ｇｄ系の２１１粉末を作製した。さらに、Ｇｄ系１２３粉末とＧｄ系２１１粉末とをモル比で３：１の割合で秤量し、酸化銀粉末を１０質量％添加した上で十分に混合し仮焼粉を作製した。
次に、金型を用いて仮焼粉を円板形状に成形した。この成形体を１４２３Ｋまで加熱して溶融状態にし、３０分間保持した後、降温途中で種付けを行い、１２７８Ｋ〜１２５２Ｋの温度領域を１８０時間かけて徐冷し結晶成長させ、超電導相の結晶学的方位のｃ軸が略円板平面の法線と平行な円板形状の直径５５ｍｍの単結晶状の酸化物超電導バルク体を得た。この単結晶状の酸化物超電導バルク体を、外径５０．０ｍｍ、高さ２６．０ｍｍの円柱形状に加工した。加工によりできた端材を鏡面研磨し微細組織を光学顕微鏡で確認したところ、１μｍ程度の２１１相が分散していた。さらに、スパッタリングにより超電導体の表面に約２μｍ厚の銀をコーティングした。これを酸素気流中において７２３Ｋで１００時間熱処理した。同様に処理を行い、酸化物超電導バルク体６１０を１個作製した。
金属多重外周補強リング６２０には、高い熱伝導を有する第１の金属リングとして、アルミ製の外径６８．０ｍｍ、内径５０．０５ｍｍ、高さ２６．０ｍｍのリング６３０を用い、その内周および外周面にも薄く半田を付けた。また、より高強度の第２の補強リングとしてＳＵＳ３０４Ｌ製の外径８８．０ｍｍ、内径６８．０５ｍｍ、高さ２６．０ｍｍのリング６４０を用い、その内周面に薄く半田を付けた。なお、第１の金属リング、第２の金属リングとも切れ目のないリングである。
次に、融点が４６６Ｋ（１９３℃）のＳｎ−Ｚｎ系半田が溶融する温度に加熱した高強度の第２の金属リング６４０中に高い熱伝導を有する第１の金属リング６３０および超電導バルク体６１０と挿入し、それぞれに半田を馴染ませた後、全体を室温に冷却することでそれぞれを結合させ、超電導バルクマグネット６００を作製した。
得られた酸化物超電導バルクマグネット６００を冷凍機のコールドヘッドに取り付け、９５Ｋで９．０Ｔの磁場中に配置した後、冷凍機を用い４０Ｋに冷却した後、外部磁場を０．２Ｔ／分の速度でゼロ磁場まで減磁した。この結果、酸化物超電導バルクマグネット６００の軸上表面で８．３６Ｔの捕捉磁束密度を確認し、この着磁によって酸化物超電導バルク体６１０が割れることなく着磁できることが確かめられた。
次に、比較例１に示す比較材として、上記と同様に作製した単結晶状の酸化物超電導バルク体から、外径５０．０ｍｍ、高さ２６．０ｍｍの円柱形状のＧｄ系超電導バルク体６１１を作製した。これを上記と同様に作製したＳＵＳ３１６Ｌ製の外径８８．０ｍｍ、内径５０．０５ｍｍ、高さ２６．０ｍｍの外周補強リング６２１中に配置し、上記と同様に半田により結合することで図６の比較例１に示すに示す比較材の酸化物超電導バルクマグネット６０１を作製した。すなわち、比較材には高熱伝導であり高電気伝導の外周補強リングが設けられていない。なお、外周補強リングは切れ目のないリングである。
比較材を上記と同様に冷凍機のコールドヘッドに取り付け、９５Ｋで９．５Ｔの磁場中に配置した後、冷凍機を用い４０Ｋに冷却した後、外部磁場を０．２Ｔ／分の速度でゼロ磁場まで減磁した。この着磁過程において５．２Ｔまで減磁した段階で、酸化物超電導バルクマグネット６１１の軸上中心部で磁束密度の急激な低下が確認された。着磁実験の後、室温で超電導バルク体６１１を調べたところ、超電導バルク体６１１に割れが確認されるとともに、クエンチによるアークが発生し、超電導バルク体６１１の破損個所に溶損の跡が確認された。
これらの実験により高い熱伝導率および高い電気伝導率を有する外周補強リングを熱的および電気的に酸化物超電導バルク体と半田接続されていることによって、超電導体に割れが発生することなく高い捕捉磁束密度を有する酸化物超電導バルクマグネットが得られることが明らかになった。
（実施例２）
図７に示す実施例２の超電導バルクマグネット７００では、Ｅｕ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導バルク体７１０を用いた。まず、市販されている純度９９．９質量％のユーロビウム（Ｅｕ）、バリウム（Ｂａ）、銅（Ｃｕ）のそれぞれの酸化物の粉末を、Ｅｕ：Ｂａ：Ｃｕ＝１．６：２．３：３．３のモル比で秤量し、それにＣｅＯ２を１．０質量％及び銀を１０質量％加えた。この秤量粉を１時間かけて十分混練してから、大気中にて１１７３Ｋで８時間仮焼した。
次に、金型を用いて仮焼粉を円板形状に成形した。この成形体を１４２３Ｋまで加熱して溶融状態にし、３０分間保持した後、降温途中で種付けを行い、１２８８Ｋ〜１２６２Ｋの温度領域を１８０時間かけて徐冷し結晶成長させ、超電導相の結晶学的方位のｃ軸が略円板平面の法線と平行な円板形状の直径６０ｍｍの単結晶状の超電導バルク体を得た。これらの単結晶状の酸化物超電導バルク体を加工し、外径５０．０ｍｍ、高さ２５．０ｍｍの酸化物超電導バルク体７１０を作製した。さらに、スパッタリングにより超電導体の表面に約２μｍ厚の銀をコーティングした。これを酸素気流中において７２３Ｋで１００時間熱処理した。
また、金属多重外周補強リング７２０には、高い熱伝導を有する第１の金属リングとして無酸素銅製の外径６０．０ｍｍ、内径５０．０５ｍｍ、高さ２３．０ｍｍのリング７３０を用い、より高強度の第２の金属リングとしてＳＵＳ３１６Ｌ製の外径７８．０ｍｍ、内径６０．０５ｍｍ、高さ２３．０ｍｍのリング７４０を用い、それぞれをＳｎ−Ａｇ系半田で接合した。また、無酸素銅製の内周面にも薄く半田を付けた。なお、第１の金属リング、第２の金属リングとも切れ目のないリングである。
酸化物超電導バルク体７１０の上面および下面に半田付けする補強板として無酸素銅製の外径７８．０ｍｍ、高さ５．０ｍｍの円板７５０を作製し同様に酸化物超電導バルク体７１０との接続面にも薄く半田を付けた。
次に、融点が３５３（８０℃）のＳｎ系半田が溶融する温度に加熱した外周補強リング７２０中に、酸化物超電導バルク体７１０を以下のように配置し、それぞれに半田を馴染ませ、さらに上面および下面に補強板を接続した後、全体を室温に冷却することでそれぞれを結合させ、酸化物超電導バルクマグネット７００を作製した。
得られた酸化物超電導バルクマグネット７００を冷凍機のコールドヘッドに取り付け、９５Ｋで９Ｔの磁場中に配置した後、冷凍機を用い３０Ｋに冷却した後、外部磁場を０．１Ｔ／分の速度でゼロ磁場まで減磁した。この結果、超電導バルクマグネットの軸上表面で８．１５Ｔの捕捉磁束密度を確認し、この着磁によって超電導バルク体７１０が割れることなく着磁できることが確かめられた。
この着磁実験の後、酸化物超電導バルクマグネット７００を３０Ｋから９５Ｋにまで１Ｋ／分で昇温し、さらに、同様の着磁試験を繰り返すことができた。
次に、比較例２に示す比較材として、上記と同様に作製した単結晶状超電導バルク体から、外径５０．０ｍｍ、高さ２５．０ｍｍの酸化物超電導バルク体７１１を作製した。
また、外周補強リングにはＳＵＳ３１６Ｌ製の外径７８．０ｍｍ、内径５０．０５ｍｍ、高さ２３．０ｍｍの外周補強リング７２１を用い、補強板としてもＳＵＳ３１６Ｌ製の外径７８．０ｍｍ、高さ５．０ｍｍの円板７５１を作製し同様に酸化物超電導バルク体７１１との接続面にも薄く半田を付けた。なお、外周補強リングは切れ目のないリングである。そして、図７に示すように同様にして作製した比較材の酸化物超電導バルクマグネット７０１を作製した。これを上記と同様に冷凍機のコールドヘッドに取り付け、９５Ｋで９Ｔの磁場中に配置した後、冷凍機を用い３０Ｋに冷却した後、外部磁場を０．１Ｔ／分の速度でゼロ磁場まで減磁し、同様に酸化物超電導バルクマグネット７０１の軸上表面で８．１５Ｔの捕捉磁束密度を確認し、この着磁によって超電導バルク体７１１が割れることなく着磁できることが確かめられた。
しかしながら、この着磁実験の後、酸化物超電導バルクマグネット７０１を３０Ｋから９５Ｋにまで１Ｋ／分で昇温したところ、４７Ｋまで昇温した時点で、捕捉磁束密度の急激な低下を確認した。室温まで昇温し、酸化物超電導バルク体７１１を調べたところ、超電導バルク体７１１に割れが確認されるとともに、クエンチ現象によるアークが発生し、超電導バルク体７１１の破損個所に溶損の跡が確認された。
これらの実験により高い熱伝導度またはおよび高い電気伝導度を有する外周補強リングおよび補強板を熱的および電気的に酸化物超電導バルク体と半田接続されていることによって、超電導体に割れが発生することなく高い捕捉磁束密度を有する酸化物超電導バルクマグネットを繰り返し得られることが明らかになった。
（実施例３）
図８に示す実施例３の超電導バルクマグネット８００では、Ｅｕ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導バルク体８１０を用いた。まず、市販されている純度９９．９質量％のユーロビウム（Ｅｕ）、バリウム（Ｂａ）、銅（Ｃｕ）のそれぞれの酸化物の粉末を、Ｅｕ：Ｂａ：Ｃｕ＝１．６：２．３：３．３のモル比で秤量し、それにＰｔを０．６質量％及び銀を８質量％加えた。この秤量粉を１時間かけて十分混練してから、大気中にて１１７３Ｋで８時間仮焼した。
次に、金型を用いて仮焼粉を円板形状に成形した。この成形体を１４２３Ｋまで加熱して溶融状態にし、３０分間保持した後、降温途中で種付けを行い、１２８８Ｋ〜１２６２Ｋの温度領域を１８０時間かけて徐冷し結晶成長させ、超電導相の結晶学的方位のｃ軸が略円板平面の法線と平行な円板形状の直径６５ｍｍの単結晶状の酸化物超電導バルク体を得た。これらの単結晶状の酸化物超電導バルク体を加工し、外径５８．０ｍｍ、内径１８ｍｍ、高さ２５．０ｍｍの酸化物超電導バルク体８００を作製した。さらに、スパッタリングにより超電導体の表面に約２μｍ厚の銀をコーティングした。これを酸素気流中において７２３Ｋで１００時間熱処理した。
また、金属多重外周補強リング８２０には、高い熱伝導を有する第１の金属リングとして銀製の外径６４．０ｍｍ、内径５８．０５ｍｍ、高さ２５．０ｍｍのリング８３０を用い、より高強度の第２の金属リングとしてＳＵＳ３１６製の外径８８．０ｍｍ、内径６４．０５ｍｍ、高さ２５．０ｍｍのリング８４０を用い、それぞれをＳｎ−Ｂｉ系半田で接合した。また、銀製のリング８３０の内周面にも薄く半田を付けた。なお、第１の金属リング、第２の金属リングとも切れ目のないリングである。
つぎに、融点が４０３（１３０℃）のＳｎ−Ｉｎ系半田が溶融する温度に加熱した外周補強リング８２０中に、酸化物超電導バルク体８１０を以下のように配置し、それぞれに半田を馴染ませ、全体を室温に冷却することでそれぞれを結合させ、酸化物超電導バルクマグネット８００を作製した。
得られたリング酸化物超電導バルクマグネット８００を冷凍機のコールドヘッドに取り付け、９５Ｋで８．５Ｔの磁場中に配置した後、冷凍機を用い２０Ｋに冷却した後、外部磁場を０．１Ｔ／分の速度でゼロ磁場まで減磁した。この結果、リング型の酸化物超電導バルクマグネット８００の軸上中心で８．２４Ｔの捕捉磁束密度を確認し、この着磁によって酸化物超電導バルク体８１０が割れることなく着磁できることが確かめられた。
この着磁実験の後、酸化物超電導バルクマグネット８００を２０Ｋから９５Ｋにまで１Ｋ／分で昇温し、さらに、同様の着磁試験を繰り返すことができた。
次に、比較例３に示す比較材として、上記と同様に作製した単結晶状超電導バルク体から、外径５８．０ｍｍ、内径１８ｍｍ、高さ２５．０ｍｍのリング酸化物超電導バルク体８１１を作製した。
また、外周補強リング８２１にはＳＵＳ３１６Ｌ製の外径８８．０ｍｍ、内径５８．０５ｍｍ、高さ２５．０ｍｍのリングを用い、同様に酸化物超電導バルク体８１１との接続面にも薄く半田を付けた。なお、外周補強リングは切れ目のないリングである。そして、図８の比較例３に示すように同様にして作製した比較材の酸化物超電導バルクマグネット８０１を作製した。これを上記と同様に冷凍機のコールドヘッドに取り付け、９５Ｋで８．５Ｔの磁場中に配置した後、冷凍機を用い２０Ｋに冷却した後、外部磁場を０．１Ｔ／分の速度でゼロ磁場まで減磁し、同様に酸化物超電導バルクマグネット８０１の軸上表面で８．２４Ｔの捕捉磁束密度を確認し、この着磁によって酸化物超電導バルク体８１１が割れることなく着磁できることが確かめられた。
しかしながら、この着磁実験の後、酸化物超電導バルクマグネット８０１を２０Ｋから９５Ｋにまで１Ｋ／分で昇温したところ、５１Ｋまで昇温した時点で、捕捉磁束密度の急激な低下を確認した。室温まで昇温し、酸化物超電導バルク体８１１を調べたところ、酸化物超電導バルク体８１１に割れが確認されるとともに、クエンチ現象によるアークが発生し、酸化物超電導バルク体８１１の破損個所に溶損の跡が確認された。
これらの実験により高い熱伝導率および高い電気伝導率を有する外周補強リングおよび補強板を熱的および電気的に酸化物超電導バルク体と半田接続されていることによって、超電導体に割れが発生することなく高い捕捉磁束密度を有する酸化物超電導バルクマグネットを繰り返し得られることが明らかになった。
（実施例４）
図９に示す実施例１と同様の方法で直径５５ｍｍの単結晶状のＧｄ系超電導バルク体を得た。これらの単結晶状の酸化物超電導バルク体を加工し、一辺が３８．０ｍｍ、厚さ１８．０ｍｍの多角柱状の酸化物超電導バルク体９１０作製した。さらに、スパッタリングにより超電導体の表面に約２μｍ厚の銀をコーティングした。これを酸素気流中において７２３Ｋで１００時間熱処理した。
また、金属多重外周補強リング９２０には、高い熱伝導を有する金属リングとしてアルミ製の一辺が４８．０ｍｍ、内周の一辺が３８．１ｍｍ、厚さ１８．０ｍｍの多角筒状のリング９３０を用い、より高強度の金属リングとしてＳＵＳ３１６Ｌ製の一辺が５８．０ｍｍ、内周の一辺が４８．０５ｍｍ、厚さ１８．０ｍｍの多角筒状のリング９４０を用い、それぞれをＳｎ−Ｐｂ系半田で接合した。なお、多角筒状リング９３０、多角筒状リング９４０とも切れ目のないリングである。
外周補強リング９２０中に、酸化物超電導バルク体９１０を配置し、それぞれを樹脂で接着し酸化物超電導バルクマグネット９００を作製した。
得られた酸化物超電導バルクマグネット９００を冷凍機のコールドヘッドに取り付け、９５Ｋで９．０Ｔの磁場中に配置した後、冷凍機を用い２５Ｋに冷却した後、外部磁場を０．２Ｔ／分の速度でゼロ磁場まで減磁した。この結果、酸化物超電導バルクマグネット９００の軸上表面で８．２４Ｔの捕捉磁束密度を確認し、この着磁によって酸化物超電導バルク体９１０が割れることなく着磁できることが確かめられた。
次に比較例４に示す比較材として、一辺が３８．０ｍｍ、厚さ１８．０ｍｍの多角柱状の酸化物超電導バルク体９１１を作製した。さらに、スパッタリングより超電導体の表面に銀を約２μｍのコーティングした。これを酸素気流中において７２３Ｋで１００時間熱処理した。また、外周補強リングにはＳＵＳ３１６製の外周の一辺が５８．０ｍｍ、内周の一辺が３８．１ｍｍ、厚さ１８．０ｍｍの多角筒状のリング９２１を用い、その内周面にも薄く半田を付けた。なお、外周補強リングは切れ目のないリングである。
多角柱状の酸化物超電導バルク体９１１を外周補強リング９２１中に配置し、上記と同様に半田により結合することで、図９に示す比較材の酸化物超電導バルクマグネット９０１を作製した。すなわち、比較材には高熱伝導であり高電気伝導の外周補強リングが設けられていない。
比較材を上記と同様に冷凍機のコールドヘッドに取り付け、９５Ｋで９．０Ｔの磁場中に配置した後、冷凍機を用い２５Ｋに冷却した後、外部磁場を０．２Ｔ／分の速度でゼロ磁場まで減磁した。この着磁過程において３．９Ｔまで減磁した段階で、酸化物超電導バルクマグネット９０１の軸上中心部で磁束密度の急激な低下が確認された。着磁実験の後、室温で酸化物超電導バルク体９１１を調べたところ、酸化物超電導バルク体９１１に割れが確認されるとともに、クエンチによるアークが発生し、酸化物超電導バルク体９１１の破損個所に溶損の跡が確認された。
これらの実験により高い熱伝導度を有する外周補強リングを熱的に酸化物超電導バルク体と樹脂接続されていることによって、超電導体に割れが発生することなく高い捕捉磁束密度を有する酸化物超電導バルクマグネットが得られることが明らかになった。
（実施例５）
実施例４と同様の方法でアルミ製およびＳＵＳ３１６Ｌ製の多角筒状の金属多重外周補強リング９２０で補強された超電導バルクマグネット９００をバルクマグネットユニットとして、６個作製し、さらに比較例４と同様の方法でＳＵＳ３１６製の多角筒状外周リング９２１で補強された超電導バルクマグネット９０１（バルクマグネットユニット）を６個作製した。
これらを外周の１辺が１９４．０ｍｍおよび１３６．０ｍｍ、内周の１辺が１７４．３ｍｍおよび１１６．２ｍｍ、高さが１８ｍｍの多角筒状のＳＵＳ３１６Ｌ製の集合体外周部補強体中に配置し電気伝導性を有する樹脂を室温で硬化させ、図１０に示すアルミ製外周リングを含む金属多重外周リングを用いた集合型酸化物超電導バルクマグネット１０００を実施例５とし、図１０に示すようにＳＵＳ３１６製の多角筒状外周リングを用いたものを比較例５として、比較材１００１とした。すなわち、比較材には高熱伝導であり高電気伝導の外周補強リングが設けられていない。なお、集合体外周補強体は切れ目のない形状である。
得られた集合型酸化物超電導バルクマグネット１０００を冷凍機のコールドヘッドに取り付け、９５Ｋで９．０Ｔの磁場中に配置した後、冷凍機を用い２５Ｋに冷却した後、外部磁場を０．２Ｔ／分の速度でゼロ磁場まで減磁した。この結果、３列中の中央の酸化物超電導バルク体１０１０の軸上表面で８．１０Ｔの捕捉磁束密度を確認し、この着磁によって酸化物超電導バルク体１０１０が割れることなく着磁できることが確かめられた。
比較材１００１を上記と同様に冷凍機のコールドヘッドに取り付け、９５Ｋで９．０Ｔの磁場中に配置した後、冷凍機を用い２５Ｋに冷却した後、外部磁場を０．２Ｔ／分の速度でゼロ磁場まで減磁した。この着磁過程において３．６Ｔまで減磁した段階で、３列中の中央の酸化物超電導バルク体１０１１の軸上表面で磁束密度の急激な低下が確認された。着磁実験の後、室温で超電導バルク体１０１１を調べたところ、酸化物超電導バルク体１０１１に割れが確認されるとともに、クエンチ現象によるアークが発生し、酸化物超電導バルク体１０１１の破損箇所に溶損の跡が確認された。
これらの実験により高い熱伝導率を有する外周補強リングを熱的に酸化物超電導バルク体と接続したバルクマグネットユニットの集合体を集合体外周部補強体中で樹脂接続することによって、超電導体に割れが発生することなく高い捕捉磁束密度を有する集合型酸化物超電導バルクマグネットが得られることが明らかになった。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１００ 酸化物超電導バルクマグネット
１１０ 酸化物超電導バルク体
１２０ 外周補強リング
１３０ 第１の金属リング（高い熱伝導率を有する金属リング）
１４０ 第２の金属リング（高強度の金属リング）
１８０ 導電性材料
１８１ 半田
１８２ Ａｇ（Ａｇ合金）
２００ 酸化物超電導バルクマグネット
２１０ 酸化物超電導バルク体
２２０ 外周補強リング
２３０ 第１の金属リング（高い熱伝導率を有する金属リング）
２４０ 第２の金属リング（高強度の金属リング）
２５０ 補強板
３００ リング状酸化物超電導バルクマグネット
３１０ リング酸化物超電導バルク体
３２０ 外周補強リング
３３０ 第１の金属リング（高い熱伝導率を有する金属リング）
３４０ 第２の金属リング（高強度の金属リング）
４００ 多角柱形状の酸化物超電導バルクマグネット
４１１ 多角柱状酸化物超電導バルク体
４２１ 多角筒状外周補強リング
４３１ 第１の金属リング（高い熱伝導率を有する多角筒状金属リング）
４４１ 第２の金属リング（高強度の多角筒状金属リング）
４１２ 六角形酸化物超電導バルク体
４２２ 六角形外周補強リング
４３２ 第１の金属リング（高い熱伝導率を有する六角形金属リング）
４４２ 第２の金属リング（高強度の六角形金属リング）
５００ 集合型酸化物超電導バルクマグネット
５１０ リング状酸化物超電導バルク体
５２０ 外周補強リング
５３０ 第１の金属リング（高い熱伝導率を有する多角筒状金属リング）
５４０ 第２の金属リング（高強度の多角筒状金属リング）
５５０ バルクマグネットユニット
５６０ 集合体
５７０ 多角筒状の集合体外周部補強体
６００ 酸化物超電導バルクマグネット
６１０ 酸化物超電導バルク体
６２０ 外周補強リング
６３０ 第１の金属リング（高い熱伝導率を有する金属リング）
６４０ 第２の金属リング（より高強度の金属リング）
６０１ 酸化物超電導バルクマグネット
６１１ 酸化物超電導バルク体
６２１ 外周補強リング
７００ 酸化物超電導バルクマグネット
７１０ 酸化物超電導バルク体
７２０ 外周補強リング
７３０ 第１の金属リング（高い熱伝導率を有する金属リング）
７４０ 第２の金属リング（高強度の金属リング）
７５０ 補強板
７０１ 酸化物超電導バルクマグネット
７１１ 酸化物超電導バルク体
７２１ 外周補強リング
７５１ 補強板
８００ リング状酸化物超電導バルクマグネット
８１０ リング酸化物超電導バルク体
８２０ 外周補強リング
８３０ 第１の金属リング（高い熱伝導率を有する金属リング）
８４０ 第２の金属リング（高強度の金属リング）
８０１ リング状酸化物超電導バルクマグネット
８１１ リング酸化物超電導バルク体
８２１ 外周補強リング
９００ 多角柱状の酸化物超電導バルクマグネット
９１０ 多角柱状酸化物超電導バルク体
９２０ 多角筒状外周補強リング
９３０ 第１の金属リング（高い熱伝導率を有する多角筒状金属リング）
９４０ 第２の金属リング（高強度の多角筒状金属リング）
９０１ 多角柱状の酸化物超電導バルクマグネット
９１１ 多角柱状酸化物超電導バルク体
９２１ 多角筒状外周補強リング
１０００ 集合型酸化物超電導バルクマグネット
１０１０ 多角柱状酸化物超電導バルク体
１０２０ 多角筒状外周補強リング
１０３０ 第１の金属リング（高い熱伝導率を有する多角筒状金属リング）
１０４０ 第２の金属リング（高強度の多角筒状金属リング）
１０５０ バルクマグネットユニット
１０６０ 集合体
１０７０ 多角筒状の集合体外周部補強体
１００１ 比較用集合型酸化物超電導バルクマグネット
１０１１ 多角柱状酸化物超電導バルク体
１０２１ 多角筒状外周補強リング
１０５１ バルクマグネットユニット
１０６１ 集合体
１０７１ 多角筒状の集合体外周部補強体

Claims (10)

  1. 単結晶状のＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ又は希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素。６．８≦ｙ≦７．１）中にＲＥ２ＢａＣｕＯ５が分散された、１個の酸化物超電導バルク体と、
    前記１個の酸化物超電導バルク体の外周に嵌合される外周補強リングと、
    を備えた、酸化物超電導バルクマグネットであって、
    前記外周補強リングは、径方向に多重リング構造を有する複数の金属リングからなり、 前記複数の金属リングのうちの少なくともいずれか１つは、２０〜７０Ｋでの熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、かつ、前記複数の金属リングのうちの少なくともいずれか１つは、前記熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属リングよりも高い強度を有し、
    前記複数の金属リングの最内周の前記金属リングと前記酸化物超電導バルク体とは、半田で結合されており、
    前記酸化物超電導バルク体と前記半田との界面には、銀または銀合金の薄膜層が介在される、酸化物超電導バルクマグネット。
  2. 前記複数の金属リングのうち、最内周の金属リングは、前記２０〜７０Ｋでの熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属リングである、請求項１に記載の酸化物超電導バルクマグネット。
  3. 前記熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属リングの材質は、銅、アルミニウム、または銀のいずれかである、請求項１または２に記載の酸化物超電導バルクマグネット。
  4. 前記熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属リングよりも前記強度が高い金属リングの材質は、銅合金、アルミ合金またはステンレスのいずれかである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルクマグネット。
  5. 前記複数の金属リングの最内周の前記金属リングと前記酸化物超電導バルク体とは、Ｓｎ系半田で結合されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルクマグネット。
  6. 前記酸化物超電導バルクマグネットに、当該酸化物超電導バルクマグネットの上面又は下面の少なくともいずれか一方を覆うように、銅、アルミニウム、銀のいずれからなる補強板が接続される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルクマグネット。
  7. 前記酸化物超電導バルク体は円柱形状であり、前記外周補強リングは円筒形状である、
    請求項１〜６のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルクマグネット。
  8. 前記酸化物超電導バルク体は円筒形状であり、前記外周補強リングは円筒形状である、
    請求項１〜６のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルクマグネット。
  9. 前記酸化物超電導バルク体は多角柱状であり、前記外周補強リングは多角筒状である、
    請求項１〜６のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルクマグネット。
  10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルクマグネットをバルクマグネットユニットとし、当該バルクマグネットユニットを複数個並列配置して形成される集合体と、
    当該集合体の外周部を覆う集合体外周部補強体と、
    を備え、
    前記集合体は、隣り合う前記バルクマグネットユニットの前記外周補強リング同士が互いに接触するように並列配置されて形成されており、
    前記集合体外周部補強体は、前記外周補強リングにおける前記２０Ｋ〜７０Ｋでの熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属リングよりも、高強度の部材から形成されている、集合型酸化物超電導バルクマグネット。
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