JP6809794B2 - 超電導線材、超電導コイル及び超電導線材の製造方法 - Google Patents
超電導線材、超電導コイル及び超電導線材の製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、超電導マグネットなどに用いられる超電導線材、超電導コイル及び超電導線材の製造方法に関する。
従来、液体窒素温度（７７Ｋ）以上で超電導を示すＲＥ系の高温超電導体（ＲＥ：希土類元素）を用いた超電導線材が知られている。ＲＥ系の高温超電導線材を使用したマグネットは、一般的に、線材が周回したコイル構造をなしている。また、線材の固定や熱伝導性の向上を目的として、エポキシ等の樹脂でコイルを含浸した構造のコイルが開発されている。
ところで、ＲＥ系の高温超電導線材は、薄膜が積層した構造をなしており、薄膜の積層方向に引き剥がす力が印加されると線材が剥離してしまう虞がある。そのため、コイルをエポキシ系の樹脂で含浸した構造では、コイルの冷却により発生する熱応力や通電により発生する電磁力により線材の剥離が生じ、コイルが劣化するという問題が生じる（例えば、非特許文献１参照）。
ところで、ＲＥ系の高温超電導線材は、薄膜が積層した構造をなしており、薄膜の積層方向に引き剥がす力が印加されると線材が剥離してしまう虞がある。そのため、コイルをエポキシ系の樹脂で含浸した構造では、コイルの冷却により発生する熱応力や通電により発生する電磁力により線材の剥離が生じ、コイルが劣化するという問題が生じる（例えば、非特許文献１参照）。
上記の線材の剥離問題を解決するために、例えば、パラフィンやワックス等でコイルを含浸した構造（例えば、非特許文献２参照）や、剥離材を線材に共巻した構造、線材にエポキシとの密着性の悪いポリイミドをコーティングした構造や熱収縮チューブにより保護した構造（例えば、非特許文献３参照）等が提案されている。また、線材を銅安定化層により保護した構造の高温超電導線材も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
Y. Yanagisawa, H. Nakagome, T. Takematsu, T. Takao, N. Sato,M. Takahashi, H. Maeda PhysicaC 471 (2011) 480-485
Shigeo Nagaya, et al. IEEE/CSC & ESAS EUROPEAN SUPERCONDUCTIVITY NEWS FORUM, No. 22, October/November 2012.
Y. Yanagisawa et al. PhysicaC 495 (2013) 15-18
しかしながら、パラフィンやワックス等でコイルを含浸する場合、ターン間の熱伝導度が低下してしまうといった問題がある。
また、線材保護層を用いると、線材の工学的上限電流密度（Je）が低下してしまい、線材の特性を十分に活用できないといった問題もある。
ここで、「工学的上限電流密度」とは、磁場の効果を含めた上でのコイルの臨界電流にコイルのターン数を乗じ、それをコイル全体の断面積（コイルの軸を含む面の断面積）で除したものである。以下、同様である。
さらに、剥離材や剥離層をコイル内に設けると、剥離部分に機械的強度の不足が生じ、冷却等により線材が移動してコイルの劣化が生じてしまう。
また、線材保護層を用いると、線材の工学的上限電流密度（Je）が低下してしまい、線材の特性を十分に活用できないといった問題もある。
ここで、「工学的上限電流密度」とは、磁場の効果を含めた上でのコイルの臨界電流にコイルのターン数を乗じ、それをコイル全体の断面積（コイルの軸を含む面の断面積）で除したものである。以下、同様である。
さらに、剥離材や剥離層をコイル内に設けると、剥離部分に機械的強度の不足が生じ、冷却等により線材が移動してコイルの劣化が生じてしまう。
このように、コイルの線材占積率や工学的上限電流密度を低下させることなく剥離を防止するためには、線材自体で超電導導体層の耐剥離力を向上させる必要がある。なお、上記特許文献１では、酸化物超電導層と中間層との界面の剥離の防止を目的としており、超電導層内での剥離に対しては効果的ではない。
本発明の目的は、工学的上限電流密度の低下を抑制しつつ、超電導導体層の耐剥離力の高い超電導線材、超電導コイル及び超電導線材の製造方法を提供することである。
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
金属製の基材の一面側に中間層を介して超電導導体層が形成されるとともに、前記基材、前記中間層及び前記超電導導体層の全体が金属層を構成する銀或いは金、又は、銀或いは金を含む合金により覆われた超電導線材であって、
前記基材の前記一面には、前記基材と前記金属層とを結合する補強部が設けられ、
前記補強部の構成材料は前記金属層と同一の銀或いは金、又は、銀或いは金を含む合金であり、前記補強部は、前記中間層と前記超電導導体層が部分的に除去されて露出した、表面粗さが算術平均粗さ０．５[μm]以上とされた前記基材の表面に結合されていることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超電導線材において、
前記金属層は、前記基材、前記中間層及び前記超電導導体層を覆う内層と、この内層を覆う外層と有する二層構造からなり、
前記内層は、銀或いは金、又は、銀或いは金を含む合金からなり、
前記外層は、銅からなることを特徴としている。
金属製の基材の一面側に中間層を介して超電導導体層が形成されるとともに、前記基材、前記中間層及び前記超電導導体層の全体が金属層を構成する銀或いは金、又は、銀或いは金を含む合金により覆われた超電導線材であって、
前記基材の前記一面には、前記基材と前記金属層とを結合する補強部が設けられ、
前記補強部の構成材料は前記金属層と同一の銀或いは金、又は、銀或いは金を含む合金であり、前記補強部は、前記中間層と前記超電導導体層が部分的に除去されて露出した、表面粗さが算術平均粗さ０．５[μm]以上とされた前記基材の表面に結合されていることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超電導線材において、
前記金属層は、前記基材、前記中間層及び前記超電導導体層を覆う内層と、この内層を覆う外層と有する二層構造からなり、
前記内層は、銀或いは金、又は、銀或いは金を含む合金からなり、
前記外層は、銅からなることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の超電導線材において、
前記補強部は、当該超電導線材の長手方向に沿った線状に形成されているか、或いは、点状に形成されていることを特徴としている。
前記補強部は、当該超電導線材の長手方向に沿った線状に形成されているか、或いは、点状に形成されていることを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の超電導線材において、
前記補強部は、当該超電導線材の長手方向に平行であって、当該超電導線材の全長よりも短い線状に形成されていることを特徴としている。
前記補強部は、当該超電導線材の長手方向に平行であって、当該超電導線材の全長よりも短い線状に形成されていることを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、請求項４記載の超電導線材において、
前記補強部は、その周囲で隣り合う他の補強部と、超電導線材の幅方向の位置が異なっていることを特徴としている。
前記補強部は、その周囲で隣り合う他の補強部と、超電導線材の幅方向の位置が異なっていることを特徴としている。
また、請求項６に記載の発明は、請求項４又は５記載の超電導線材において、
前記補強部の長さの平均値と等しい長さの平均長領域に含まれる前記補強部の本数が、前記超電導線材の長手方向の他の平均長領域に対して１本以上異なる平均長領域を有することを特徴としている。
前記補強部の長さの平均値と等しい長さの平均長領域に含まれる前記補強部の本数が、前記超電導線材の長手方向の他の平均長領域に対して１本以上異なる平均長領域を有することを特徴としている。
また、請求項７に記載の発明は、請求項４又は５記載の超電導線材において、
前記補強部により超電導線材の幅方向に分割された領域が、当該超電導線材の長手方向に沿って複数並んで設けられており、
当該超電導線材の長手方向について隣り合う領域同士は、前記補強部の超電導線材の幅方向の数が異なることを特徴としている。
前記補強部により超電導線材の幅方向に分割された領域が、当該超電導線材の長手方向に沿って複数並んで設けられており、
当該超電導線材の長手方向について隣り合う領域同士は、前記補強部の超電導線材の幅方向の数が異なることを特徴としている。
また、請求項８に記載の発明は、超電導コイルにおいて、
請求項５から７のいずれか一項に記載の超電導線材が巻回されていることを特徴とする。
請求項５から７のいずれか一項に記載の超電導線材が巻回されていることを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、
請求項１又は２に記載の超電導線材の製造方法であって、
金属製の基材の一面側に中間層を介して超電導導体層を形成する工程と、
前記基材の前記一面に形成された前記中間層及び前記超電導導体層を部分的に除去して表面を露出させる工程と、
前記基材の前記一面における部分的に表面が露出された露出部並びに前記中間層及び前記超電導導体層が除去された空隙部分に所定の構成材料からなる金属を配設するとともに、前記超電導導体層の前記中間層と反対側の面を所定の構成材料と同一材料の金属で覆うことで、前記露出部と前記超電導導体層を覆う金属層とを結合する工程と、
を含むことを特徴としている。
請求項１又は２に記載の超電導線材の製造方法であって、
金属製の基材の一面側に中間層を介して超電導導体層を形成する工程と、
前記基材の前記一面に形成された前記中間層及び前記超電導導体層を部分的に除去して表面を露出させる工程と、
前記基材の前記一面における部分的に表面が露出された露出部並びに前記中間層及び前記超電導導体層が除去された空隙部分に所定の構成材料からなる金属を配設するとともに、前記超電導導体層の前記中間層と反対側の面を所定の構成材料と同一材料の金属で覆うことで、前記露出部と前記超電導導体層を覆う金属層とを結合する工程と、
を含むことを特徴としている。
上記発明では、上記の構成により、工学的上限電流密度の低下を抑制しつつ、超電導導体層の耐剥離力の高い超電導線材、超電導コイル及び超電導線材の製造方法を提供することが可能となる。
以下に、本発明を実施するための好ましい実施の形態について図面を用いて説明する。
但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
[超電導線材の構造]
図１は、本実施形態に係る超電導線材１００の斜視図である。また、図２は、図１のII-II線における超電導線材１００の断面図である。
図１及び図２に示すように、超電導線材１００は、超電導成膜用基材１（以下、「基材１」とする）の厚さ方向の一方の主面（以下、成膜面１１という）側に、中間層２を介して酸化物超電導導体層３（以下、「超電導導体層３」とする）が形成されている。また、基材１、中間層２及び超電導導体層３は、内層４１及び外層４２を有する金属層４により覆われている。以下、実施形態の例として、図３（ａ）にあるように、線材長手方向に平行な複数本の線状補強部５が等間隔に形成されている形態を考える。
図１は、本実施形態に係る超電導線材１００の斜視図である。また、図２は、図１のII-II線における超電導線材１００の断面図である。
図１及び図２に示すように、超電導線材１００は、超電導成膜用基材１（以下、「基材１」とする）の厚さ方向の一方の主面（以下、成膜面１１という）側に、中間層２を介して酸化物超電導導体層３（以下、「超電導導体層３」とする）が形成されている。また、基材１、中間層２及び超電導導体層３は、内層４１及び外層４２を有する金属層４により覆われている。以下、実施形態の例として、図３（ａ）にあるように、線材長手方向に平行な複数本の線状補強部５が等間隔に形成されている形態を考える。
基材１は、金属製の基材１であり、テープ状の低磁性の金属基板が用いられる。
金属基板の材料としては、強度及び耐熱性に優れた金属が用いられ、具体的には、例えば、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ａｇ等の金属又はこれらの合金が用いられる。特に、耐食性及び耐熱性が優れているという観点からハステロイ（登録商標）、インコネル（登録商標）等のＮｉ基合金、またはステンレス鋼等のＦｅ基合金を用いることが好ましい。
また、基材１の厚さは、例えば、５０[μm]程度であるが、一例であってこれに限られるものではない。
金属基板の材料としては、強度及び耐熱性に優れた金属が用いられ、具体的には、例えば、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ａｇ等の金属又はこれらの合金が用いられる。特に、耐食性及び耐熱性が優れているという観点からハステロイ（登録商標）、インコネル（登録商標）等のＮｉ基合金、またはステンレス鋼等のＦｅ基合金を用いることが好ましい。
また、基材１の厚さは、例えば、５０[μm]程度であるが、一例であってこれに限られるものではない。
成膜面１１は、略平滑な面とされており、成膜面１１の表面粗さが、例えば、１０[nm]以下とされていることが好ましい。
なお、表面粗さとは、JISB-0601-2001において規定する表面粗さパラメータの「高さ方向の振幅平均パラメータ」における算術平均粗さＲａである。
なお、表面粗さとは、JISB-0601-2001において規定する表面粗さパラメータの「高さ方向の振幅平均パラメータ」における算術平均粗さＲａである。
中間層２は、超電導導体層３において例えば高い２軸配向性を実現するための層である。このような中間層２は、例えば、熱膨張率や格子定数等の物理的な特性値が基材１と超電導導体層３を構成する超電導体との中間的な値を示す。
また、中間層２は、単層構造であっても良いし、多層構造であっても良い。多層構造の場合、その層数や種類は限定されないが、非晶質のＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７−δ（δは酸素不定比量）やＡｌ２Ｏ３或いはＹ２Ｏ３等を含むベッド層と、結晶質のＭｇＯ等を含みＩＢＡＤ（Ion Beam Assisted Deposition）法により成形された強制配向層と、ＬａＭｎＯ３＋δ（δは酸素不定比量）を含むＬＭＯ層と、を順に積層した構成となっていても良い。また、ＬＭＯ層の上にＣｅＯ2等を含むキャップ層をさらに設けても良い。
また、中間層２の厚さは、例えば、０．２[μm]以下であり、多層構造の場合の各層の厚さは、ＬＭＯ層が３０[nm]、強制配向層のＭｇＯ層が４０[nm]、ベッド層のＹ２Ｏ３層が７[nm]、Ａｌ２Ｏ３層が８０[nm]である。なお、これらの数値はいずれも一例であってこれらに限られるものではない。
また、中間層２は、単層構造であっても良いし、多層構造であっても良い。多層構造の場合、その層数や種類は限定されないが、非晶質のＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７−δ（δは酸素不定比量）やＡｌ２Ｏ３或いはＹ２Ｏ３等を含むベッド層と、結晶質のＭｇＯ等を含みＩＢＡＤ（Ion Beam Assisted Deposition）法により成形された強制配向層と、ＬａＭｎＯ３＋δ（δは酸素不定比量）を含むＬＭＯ層と、を順に積層した構成となっていても良い。また、ＬＭＯ層の上にＣｅＯ2等を含むキャップ層をさらに設けても良い。
また、中間層２の厚さは、例えば、０．２[μm]以下であり、多層構造の場合の各層の厚さは、ＬＭＯ層が３０[nm]、強制配向層のＭｇＯ層が４０[nm]、ベッド層のＹ２Ｏ３層が７[nm]、Ａｌ２Ｏ３層が８０[nm]である。なお、これらの数値はいずれも一例であってこれらに限られるものではない。
この中間層２の表面には、超電導導体層３が積層されている。
超電導導体層３は、酸化物超電導体、特に銅酸化物超電導体を含んでいることが好ましい。銅酸化物超電導体としては、高温超電導体としてのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（以下、ＲＥ系超電導体と称す）が好ましい。なお、ＲＥ系超電導体中のＲＥは、例えば、Ｙ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，ＹｂやＬｕなどの単一の希土類元素又は複数の希土類元素である。また、δは、酸素不定比量であって、例えば０以上１以下であり、超電導転移温度が高いという観点から０に近いほど好ましい。なお、酸素不定比量は、オートクレーブ等の装置を用いて高圧酸素アニール等を行えば、δは０未満、すなわち、負の値をとることもある。
また、超電導導体層３の厚さは、例えば、１[μm]程度であるが、一例であってこれに限られるものではない。
超電導導体層３は、酸化物超電導体、特に銅酸化物超電導体を含んでいることが好ましい。銅酸化物超電導体としては、高温超電導体としてのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（以下、ＲＥ系超電導体と称す）が好ましい。なお、ＲＥ系超電導体中のＲＥは、例えば、Ｙ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，ＹｂやＬｕなどの単一の希土類元素又は複数の希土類元素である。また、δは、酸素不定比量であって、例えば０以上１以下であり、超電導転移温度が高いという観点から０に近いほど好ましい。なお、酸素不定比量は、オートクレーブ等の装置を用いて高圧酸素アニール等を行えば、δは０未満、すなわち、負の値をとることもある。
また、超電導導体層３の厚さは、例えば、１[μm]程度であるが、一例であってこれに限られるものではない。
また、基材１の成膜面（一面）１１には、中間層２及び超電導導体層３が存せずに部分的に当該基材１の表面が露出された露出部１２が設けられている。
露出部１２は、基材１の成膜面１１に積層された中間層２及び超電導導体層３を部分的に除去することで形成される。具体的には、例えば、フェムト秒パルスレーザを用いて、中間層２及び超電導導体層３を部分的に厚さ方向に削ることで、基材１の表面を露出して露出部１２を形成する。
また、露出部１２の幅は、例えば、超電導導体層３の除去による線材の臨界電流の低下への影響を考慮して、０．２[mm]以下であるが、一例であってこれに限られるものではない。
露出部１２は、基材１の成膜面１１に積層された中間層２及び超電導導体層３を部分的に除去することで形成される。具体的には、例えば、フェムト秒パルスレーザを用いて、中間層２及び超電導導体層３を部分的に厚さ方向に削ることで、基材１の表面を露出して露出部１２を形成する。
また、露出部１２の幅は、例えば、超電導導体層３の除去による線材の臨界電流の低下への影響を考慮して、０．２[mm]以下であるが、一例であってこれに限られるものではない。
なお、図示は省略するが、基材１の成膜面１１に積層された中間層２及び超電導導体層３を部分的に除去する際に、基材１自体が成膜面１１の表面側からわずかに座刳られるように加工されても良い。
また、露出部１２は、超電導線材１００の長手方向に沿って線状に複数本（例えば、図１及び図２には、３本図示）形成されている。具体的には、露出部１２の各々は、例えば、超電導線材１００の長手方向側の一端部から他端部に亘るように長手方向に沿って線状に形成されている。
また、露出部１２は、少なくとも一つ設けられていれば良い。また、露出部１２を複数形成する場合、例えば、超電導導体層３の強度を確保するため、長手方向に略直交する方向（基材１の幅方向）に隣合うものとの間に２[mm]程度の間隔を空けるのが好ましい。
なお、露出部１２の数、形状、配置等はいずれも一例である。
また、露出部１２は、少なくとも一つ設けられていれば良い。また、露出部１２を複数形成する場合、例えば、超電導導体層３の強度を確保するため、長手方向に略直交する方向（基材１の幅方向）に隣合うものとの間に２[mm]程度の間隔を空けるのが好ましい。
なお、露出部１２の数、形状、配置等はいずれも一例である。
また、露出部１２の表面粗さは、算術平均粗さＲａが０．５[μm]以上、５[μm]以下であることが望ましい。算術平均粗さＲａを０．５[μm]以上とすることにより、所望とするアンカー効果が得られ、露出部１２と補強部５（後述）との十分な密着性を得ることができる。その一方で、算術平均粗さＲａが５[μm]より大きいと、露出部１２に補強部５を配設する際に空孔が発生し易くなって、補強部５の構成材料である金属を均一に配設することが困難となる。
これら基材１、中間層２及び超電導導体層３全体を覆うように金属層４が設けられている。
金属層４は、超電導導体層３を保護する安定化層を構成している。安定化層とは、当該超電導線材１００の超電導状態が部分的に不安定となって抵抗が発生した場合に、電流を迂回させることで常電導状態が全体に波及することを防ぐためのものである。
この金属層４は、具体的には、基材１、中間層２及び超電導導体層３を覆う内層４１と、この内層４１を覆う外層４２と有する二層構造をなしている。
金属層４は、超電導導体層３を保護する安定化層を構成している。安定化層とは、当該超電導線材１００の超電導状態が部分的に不安定となって抵抗が発生した場合に、電流を迂回させることで常電導状態が全体に波及することを防ぐためのものである。
この金属層４は、具体的には、基材１、中間層２及び超電導導体層３を覆う内層４１と、この内層４１を覆う外層４２と有する二層構造をなしている。
内層４１は、例えば、銀或いは金、又は、銀或いは金を含む合金から構成され、スパッタリング装置を用いて成膜される。スパッタリングにより、基材１の露出部１２並びに中間層２及び超電導導体層３が除去された空隙部分を被覆するように内層４１の構成材料である金属が配設される。
また、内層４１は、酸素雰囲気中での熱処理（酸素アニール）により金属製の基材１との間で金属同士が強固に結合する。すなわち、内層４１のうち、基材１の露出部１２並びに中間層２及び超電導導体層３が除去された空隙部分に配設されている金属は、露出部１２と金属層４とを結合する金属製の補強部５を構成している。
また、内層４１のうち、超電導導体層３を中間層２と反対側から覆う部分（図２における上側部分）の金属の厚さは、例えば、２[μm]程度であり、基材１を覆う部分（図２における下側部分）の金属の厚さは、例えば、１．８[μm]以下であるが、一例であってこれらに限られるものではない。
また、内層４１は、酸素雰囲気中での熱処理（酸素アニール）により金属製の基材１との間で金属同士が強固に結合する。すなわち、内層４１のうち、基材１の露出部１２並びに中間層２及び超電導導体層３が除去された空隙部分に配設されている金属は、露出部１２と金属層４とを結合する金属製の補強部５を構成している。
また、内層４１のうち、超電導導体層３を中間層２と反対側から覆う部分（図２における上側部分）の金属の厚さは、例えば、２[μm]程度であり、基材１を覆う部分（図２における下側部分）の金属の厚さは、例えば、１．８[μm]以下であるが、一例であってこれらに限られるものではない。
なお、図１及び図２にあっては、内層４１を構成する金属を模式的に表し、図中では内層４１を構成する金属が露出部１２並びに中間層２及び超電導導体層３が除去された空隙部分を埋めるように配設されているが、例えば、露出部１２並びに空隙部分の表面を被覆するように所定の厚さで形成されていても良い。
外層４２は、例えば、銅から構成され、鍍金により所定の厚さで成膜される。
また、外層４２及び内層４１を構成する金属どうしは結合し、外層４２のうち、基材１の露出部１２並びに中間層２及び超電導導体層３が除去された空隙部分に配設されている内層４１を被覆する部分の金属は、露出部１２と金属層４とを結合する金属製の補強部５を構成している。そして、当該補強部５は、平面視にて露出部１２と略等しい形状をなし、今述べている形態の例においては、超電導線材１００の長手方向に沿って線状に複数形成されている。
また、外層４２の厚さは、例えば、２０[μm]程度であるが、一例であってこれに限られるものではない。
また、外層４２及び内層４１を構成する金属どうしは結合し、外層４２のうち、基材１の露出部１２並びに中間層２及び超電導導体層３が除去された空隙部分に配設されている内層４１を被覆する部分の金属は、露出部１２と金属層４とを結合する金属製の補強部５を構成している。そして、当該補強部５は、平面視にて露出部１２と略等しい形状をなし、今述べている形態の例においては、超電導線材１００の長手方向に沿って線状に複数形成されている。
また、外層４２の厚さは、例えば、２０[μm]程度であるが、一例であってこれに限られるものではない。
なお、金属層４が、基材１、中間層２及び超電導導体層３全体を覆うようにしたが、一例であってこれに限られるものではなく、少なくとも超電導導体層３を中間層２と反対側から覆う形態であれば良い。
以下に、補強部５の変形例について説明する。
すなわち、上記した補強部５の数や形状は、一例であってこれに限られるものではなく、超電導線材１００の臨界電流の低下への影響、超電導導体層３の幅や確保すべき強度等に応じて適宜任意に変更可能である（図３（ａ）〜図３（ｃ）及び図４（ａ），図４（ｂ）参照）。
ここで、図３（ａ）〜図３（ｃ）及び図４（ａ），図４（ｂ）は、補強部５の変形例を模式的に示す平面図である。なお、図３（ａ）〜図３（ｃ）及び図４（ａ），図４（ｂ）にあっては、基材１Ａ〜１Ｅと補強部５Ａ〜５Ｅのみを模式的に表し、その他の構成の図示は省略するものとする。また、図３（ａ）〜図３（ｃ）及び図４（ａ），図４（ｂ）において、符号Ｌは線材長手方向、符号Ｗは線材幅方向を示す。
すなわち、上記した補強部５の数や形状は、一例であってこれに限られるものではなく、超電導線材１００の臨界電流の低下への影響、超電導導体層３の幅や確保すべき強度等に応じて適宜任意に変更可能である（図３（ａ）〜図３（ｃ）及び図４（ａ），図４（ｂ）参照）。
ここで、図３（ａ）〜図３（ｃ）及び図４（ａ），図４（ｂ）は、補強部５の変形例を模式的に示す平面図である。なお、図３（ａ）〜図３（ｃ）及び図４（ａ），図４（ｂ）にあっては、基材１Ａ〜１Ｅと補強部５Ａ〜５Ｅのみを模式的に表し、その他の構成の図示は省略するものとする。また、図３（ａ）〜図３（ｃ）及び図４（ａ），図４（ｂ）において、符号Ｌは線材長手方向、符号Ｗは線材幅方向を示す。
例えば、上記実施形態と同様に、補強部５Ａの形状を線状とする場合、図３（ａ）に示すように、基材１Ａの幅方向に所定の間隔を空けて６本並設されていても良い。
なお、線状の補強部５Ａの寸法は、上記実施形態の補強部５と同様に、当該補強部５Ａに対応する露出部１２の寸法として、例えば、幅０．２[mm]以下、隣合うものとの間隔が１[mm]程度であるが、一例であってこれに限られるものではない。
なお、線状の補強部５Ａの寸法は、上記実施形態の補強部５と同様に、当該補強部５Ａに対応する露出部１２の寸法として、例えば、幅０．２[mm]以下、隣合うものとの間隔が１[mm]程度であるが、一例であってこれに限られるものではない。
また、補強部５Ｂは、例えば、図３（ｂ）に示すように、基材１Ｂの長手方向に沿って形成されるとともに当該長手方向に隣合うものとの間に間隔を空けたミシン目状に形成されていても良い。ここで、補強部５Ｂの形状をミシン目状とする場合にも、基材１Ｂの幅方向に複数本（図３（ｂ）では、７本等）並設されていても良い。
なお、ミシン目状の補強部５Ｂの寸法は、当該補強部５Ｂに対応する露出部１２の寸法として、例えば、長さ２〜２０[mm]程度、隣合うものとの間隔が１[mm]程度、幅０．２[mm]以下であるが、一例であってこれに限られるものではない。
なお、ミシン目状の補強部５Ｂの寸法は、当該補強部５Ｂに対応する露出部１２の寸法として、例えば、長さ２〜２０[mm]程度、隣合うものとの間隔が１[mm]程度、幅０．２[mm]以下であるが、一例であってこれに限られるものではない。
また、補強部５Ｃは、例えば、図３（ｃ）に示すように、各々が所定の面積を有し、基材１Ｃ上で隣合うものとの間に間隔を空けた点状に形成されていても良い。ここで、点状の補強部５Ｃの各々は、例えば、円形状であっても良いし、多角形状であっても良い。
なお、点状の補強部５Ｃの各々の面積は、当該補強部５Ｃに対応する露出部１２の面積として、例えば、０．０１[mm2]程度であるが、一例であってこれに限られるものではない。
なお、点状の補強部５Ｃの各々の面積は、当該補強部５Ｃに対応する露出部１２の面積として、例えば、０．０１[mm2]程度であるが、一例であってこれに限られるものではない。
ここで、先述の特許文献１（特開２０１３−８５５６号公報）も上記補強部５に類似した解決法を提示している。しかし、特許文献１では「酸化物超電導層とキャップ層との界面に界面反応部」を形成し、そのアンカー効果により超電導層の剥離を防止しようとしているのに対して、本発明の補強部５の形成の際には、後述するように界面反応部を形成させないという違いがある。
界面反応部を形成させるためには溝を形成する際にキャップ層をある程度残す必要があり、またその後に加熱焼成処理を行う必要が生じる。一方、本発明では形成される溝の深さは金属基板を露出させるだけのものであり、中間層は残さず、また、深く掘りすぎたとしても問題にはならない。また加熱焼成処理を行う必要もなく、加工に要するコストを低く抑えることができる。
界面反応部を形成させるためには溝を形成する際にキャップ層をある程度残す必要があり、またその後に加熱焼成処理を行う必要が生じる。一方、本発明では形成される溝の深さは金属基板を露出させるだけのものであり、中間層は残さず、また、深く掘りすぎたとしても問題にはならない。また加熱焼成処理を行う必要もなく、加工に要するコストを低く抑えることができる。
また、超電導線材１００は、超電導導体層３の接合強度の向上と臨界電流の増加の両立が要求される。
接合強度は補強部５の接合面積の拡大によって向上させることができるが、臨界電流は超電導導体層３から補強部５を除いた線材幅方向Ｗの幅の合計値に比例するため、単純に補強部５の接合面積の拡大を図るだけでは臨界電流が低下して両立を図ることが難しい。
このような接合強度の向上と臨界電流の増加の両立の観点からは、図３（ａ）のように、補強部５Ａを線材長手方向Ｌに沿った直線状とすることが有利である。補強部５Ａを線材幅方向Ｗに広げることなく、線材長手方向Ｌに沿って長く延ばせば接合面積を飛躍的に拡大して接合強度を高めることができ、超電導導体層３から補強部５を除いた線材幅方向Ｗの幅の合計値の減少も生じないからである。
接合強度は補強部５の接合面積の拡大によって向上させることができるが、臨界電流は超電導導体層３から補強部５を除いた線材幅方向Ｗの幅の合計値に比例するため、単純に補強部５の接合面積の拡大を図るだけでは臨界電流が低下して両立を図ることが難しい。
このような接合強度の向上と臨界電流の増加の両立の観点からは、図３（ａ）のように、補強部５Ａを線材長手方向Ｌに沿った直線状とすることが有利である。補強部５Ａを線材幅方向Ｗに広げることなく、線材長手方向Ｌに沿って長く延ばせば接合面積を飛躍的に拡大して接合強度を高めることができ、超電導導体層３から補強部５を除いた線材幅方向Ｗの幅の合計値の減少も生じないからである。
ここで、図３（ａ）の補強部５Ａをさらに改良した補強部５Ｄについて説明する。
図４（ａ）に示すように、線材長手方向Ｌに沿って三つの領域Ｒ１〜Ｒ３が順番に繰り返し並んで設けられており、各領域Ｒ１〜Ｒ３内に、線材長手方向Ｌに平行な直線状の補強部５Ｄが複数本形成されている。
領域Ｒ１では、四本の補強部５Ｄが、線材の全幅を線材幅方向Ｗについて均一間隔で五分割する配置で形成されている。
領域Ｒ２では、五本の補強部５Ｄが、線材の全幅を線材幅方向Ｗについて均一間隔で六分割する配置で形成されている。
領域Ｒ３では、三本の補強部５Ｄが、線材の全幅を線材幅方向Ｗについて均一間隔で四分割する配置で形成されている。
すなわち、当該超電導線材の長手方向Ｌについて隣り合う領域同士は、補強部５Ｄの超電導線材の幅方向Ｗの数が異なる構成となっている。
また、領域Ｒ１〜Ｒ３は隣り合う領域同士でそれぞれの領域内の補強部５Ｄの線材幅方向Ｗの位置が全て異なっている。また、これにより、何れの補強部５Ｄも、当該補強部５Ｄの周囲で隣り合う他の補強部５Ｄと線材幅方向Ｗの位置が異なった状態となっている。
また、領域Ｒ１〜Ｒ３内の補強部５Ｄは、何れも超電導線材１００の全長よりも短い線材長手方向Ｌに沿った直線状であって、その長さはほぼ均一である。
なお、線状の補強部５Ｄの寸法は、上記実施形態の補強部５と同様に、当該補強部５Ｄに対応する露出部１２の寸法として、例えば、幅０．２[mm]以下、隣合うものとの間隔が０．５〜１．５[mm]程度であるが、一例であってこれに限られるものではない。また、補強部５Ｄが隣り合う全ての補強部５Ｄと線材幅方向Ｗの位置が異なっていなければならないわけでもない。
図４（ａ）に示すように、線材長手方向Ｌに沿って三つの領域Ｒ１〜Ｒ３が順番に繰り返し並んで設けられており、各領域Ｒ１〜Ｒ３内に、線材長手方向Ｌに平行な直線状の補強部５Ｄが複数本形成されている。
領域Ｒ１では、四本の補強部５Ｄが、線材の全幅を線材幅方向Ｗについて均一間隔で五分割する配置で形成されている。
領域Ｒ２では、五本の補強部５Ｄが、線材の全幅を線材幅方向Ｗについて均一間隔で六分割する配置で形成されている。
領域Ｒ３では、三本の補強部５Ｄが、線材の全幅を線材幅方向Ｗについて均一間隔で四分割する配置で形成されている。
すなわち、当該超電導線材の長手方向Ｌについて隣り合う領域同士は、補強部５Ｄの超電導線材の幅方向Ｗの数が異なる構成となっている。
また、領域Ｒ１〜Ｒ３は隣り合う領域同士でそれぞれの領域内の補強部５Ｄの線材幅方向Ｗの位置が全て異なっている。また、これにより、何れの補強部５Ｄも、当該補強部５Ｄの周囲で隣り合う他の補強部５Ｄと線材幅方向Ｗの位置が異なった状態となっている。
また、領域Ｒ１〜Ｒ３内の補強部５Ｄは、何れも超電導線材１００の全長よりも短い線材長手方向Ｌに沿った直線状であって、その長さはほぼ均一である。
なお、線状の補強部５Ｄの寸法は、上記実施形態の補強部５と同様に、当該補強部５Ｄに対応する露出部１２の寸法として、例えば、幅０．２[mm]以下、隣合うものとの間隔が０．５〜１．５[mm]程度であるが、一例であってこれに限られるものではない。また、補強部５Ｄが隣り合う全ての補強部５Ｄと線材幅方向Ｗの位置が異なっていなければならないわけでもない。
さらに、図３（ａ）の補強部５Ａを図４（ｂ）に示すように改良したもう一つの補強部５Ｅについて説明する。
この補強部５Ｅは両端を持つ長さが有限の線状で、いずれも線材の長手方向に平行である。それらの両端位置はそろっておらずばらついているが、それらの長さのばらつきは比較的小さい。そして、線材長手方向のある直線上に集中せず、それらの線材幅方向の位置が分散している。
この補強部５Ｅは両端を持つ長さが有限の線状で、いずれも線材の長手方向に平行である。それらの両端位置はそろっておらずばらついているが、それらの長さのばらつきは比較的小さい。そして、線材長手方向のある直線上に集中せず、それらの線材幅方向の位置が分散している。
ここで、図４（ｂ）に示す平均長領域Ｒａは、全ての補強部５Ｅの線材長手方向Ｌの長さの平均値Ｌａと等しい長さの領域である。この平均長領域Ｒａ内に含まれる補強部５Ｅの本数を、各々の補強部５Ｅの領域内で占める長さの比率に基づいてカウントする。例えば、補強部５Ｅの一つである補強部５Ｅａについては、平均長領域Ｒａ内において平均値Ｌａの70パーセントの長さで存在しているので、0.7本とカウントする。平均長領域Ｒａ内に存在している補強部５Ｅすべてについて同様にカウントし、その合計を平均長領域Ｒａ内に含まれる補強部５Ｅの本数とする。この平均長領域Ｒａ内に含まれる補強部５Ｅの本数は、4.3本となる。
図４（ａ）、図４（ｂ）のような補強部の分布では、この領域をとる位置によって領域内に含まれる本数の数が比較的大きく変化する。たとえば図４（ａ）のような補強部の分布では、領域の位置によってその本数が最少で３本、最多で５本となる。
また図４（ｂ）では、平均長領域Ｒａを図の中央やや右寄りの位置にとると、その本数は５本程度となるのに対して、図の左側の位置にとるとその本数は４よりも小さな値となる。このように、平均長領域Ｒａに含まれる補強部５Ｅの本数が超電導線材の長手方向の他の平均長領域Ｒａに対して１本以上異なる平均長領域Ｒａを有している。
一方、図３（ｂ）のような補強部の分布では、その本数はおよそ６本でほぼ一定である。さらに図３（ａ）のような補強部の分布では、その本数はちょうど６本で完全に一定となる。この点も図４（ａ）、図４（ｂ）のような補強部の分布の特徴である。
また図４（ｂ）では、平均長領域Ｒａを図の中央やや右寄りの位置にとると、その本数は５本程度となるのに対して、図の左側の位置にとるとその本数は４よりも小さな値となる。このように、平均長領域Ｒａに含まれる補強部５Ｅの本数が超電導線材の長手方向の他の平均長領域Ｒａに対して１本以上異なる平均長領域Ｒａを有している。
一方、図３（ｂ）のような補強部の分布では、その本数はおよそ６本でほぼ一定である。さらに図３（ａ）のような補強部の分布では、その本数はちょうど６本で完全に一定となる。この点も図４（ａ）、図４（ｂ）のような補強部の分布の特徴である。
補強部５Ａに対する補強部５Ｄ，５Ｅの改良の意義を説明する。
図３（ａ）における補強部５Ａのように直線状の補強部を設けた超電導線材は、補強部５Ａの接合面積が飛躍的に増加し、剥離に対する耐性が大きく向上する。また、これにより、補強部５Ａの線材幅方向Ｗの幅を広く確保する必要がなくなるので、超電導導体層３から補強部５を除いた線材幅方向Ｗの幅の合計値を広く確保することができ、線材全体の臨界電流の低下を効率的に抑えることができる。
図３（ａ）における補強部５Ａのように直線状の補強部を設けた超電導線材は、補強部５Ａの接合面積が飛躍的に増加し、剥離に対する耐性が大きく向上する。また、これにより、補強部５Ａの線材幅方向Ｗの幅を広く確保する必要がなくなるので、超電導導体層３から補強部５を除いた線材幅方向Ｗの幅の合計値を広く確保することができ、線材全体の臨界電流の低下を効率的に抑えることができる。
一方、この超電導線材をパンケーキコイル状に巻いて超電導コイルを形成する場合に別の問題が生じる。パンケーキコイルはテープ型の超電導線材が重なるように同一平面上で巻回されたものである。図５は、図３（ａ）の補強部５Ａを有する超電導線材を４ターン巻いてその表面全体にポリイミドフィルム（例えば、カプトン（登録商標））と含浸材（例えば、エポキシ樹脂）からなる保護層６を形成した超電導コイル６０の線材長手方向Ｌに垂直となる断面を示した断面図である。なお、図５では超電導線材を４ターン巻いているが、これは例示に過ぎず、ターン数は増減可能である。また、図５では図３（ａ）によりも補強部５Ａの数を少なくして図示している。
超電導コイルは室温で作製された後、液体窒素温度（７７Ｋ）あるいはそれよりも低い極低温に冷却されて用いられる。このとき、超電導コイルには熱収縮による変形と応力が生じる。一般に金属は熱収縮が小さく、樹脂材料は熱収縮が大きい。そのため、金属と樹脂が共存してなおかつ互いに固定されている超電導コイルでは、極低温に冷却されるとそれらの熱収縮の違いに由来する熱応力が発生する。
図５に示すように、図３（ａ）のような線状の補強部５Ａは、パンケーキコイルにおいて線材幅方向Ｗについて同じ位置でコイル径方向に積み重ねられていくことになる。すると線材厚さ方向の応力が各々のターンで補強部５Ａに集中し、線材幅方向Ｗ（コイル軸方向）に関して同一位置に並んでしまう。その部位に近接する超電導層の中に、形成過程の良否等に起因して先天的に接合強度の弱い箇所が存在すると、当該弱い箇所の補強部５Ａに接する超電導導体層の端部が剥離を起こし、同位置において金属層４も破断ｈが生じるおそれがあった。
補強部５Ｄ，５Ｅは、線材長手方向Ｌに沿って並んだ領域ごとに線材幅方向Ｗの配置及び本数を変えている。これにより、超電導線材を巻いてパンケーキコイルを形成したときに、線材幅方向Ｗにおける補強部５Ｄ、５Ｅの位置が近接ターンで直列することを妨ぐことができ、熱収縮によって生じる応力の特定領域への集中を緩和することができる。そして、これにより、パンケーキコイルを構成する超電導線材の超電導導体層の剥離及び金属層の破断が生じる可能性の抑止、低減を図っている。
[超電導線材の製造方法]
次に、超電導線材１００の製造方法について説明する。
次に、超電導線材１００の製造方法について説明する。
先ず、金属製の基材１（例えば、ハステロイ基板等）の成膜面１１側に中間層２を介して超電導導体層３を形成する工程を行う。
具体的には、金属製の基材１の成膜面１１上に、例えば、マグネトロンスパッタリング法やＩＢＡＤ法等により中間層２を成膜した後、この中間層２上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）等によりＲＥ系の超電導導体層３を成膜する。
基材１に中間層２や超電導導体層３を形成する方法は、公知の技術であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
具体的には、金属製の基材１の成膜面１１上に、例えば、マグネトロンスパッタリング法やＩＢＡＤ法等により中間層２を成膜した後、この中間層２上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）等によりＲＥ系の超電導導体層３を成膜する。
基材１に中間層２や超電導導体層３を形成する方法は、公知の技術であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
次に、基材１の成膜面１１に形成された中間層２及び超電導導体層３を部分的に除去して当該基材１の表面を露出させる工程を行う。
具体的には、中間層２及び超電導導体層３が積層された基材１に対して、超電導導体層３側よりフェムト秒パルスレーザを照射して、基材１の成膜面１１上の中間層２及び超電導導体層３を部分的に厚さ方向に削ることで除去する。これにより、基材１の表面が露出された所定形状（例えば、線状等）の露出部１２を形成する。
ここで、パルスレーザは、レーザ光のパルス幅が１００ナノ秒以下、且つ、ピークパワーが１０[kW]以上であることが望ましい。
具体的には、中間層２及び超電導導体層３が積層された基材１に対して、超電導導体層３側よりフェムト秒パルスレーザを照射して、基材１の成膜面１１上の中間層２及び超電導導体層３を部分的に厚さ方向に削ることで除去する。これにより、基材１の表面が露出された所定形状（例えば、線状等）の露出部１２を形成する。
ここで、パルスレーザは、レーザ光のパルス幅が１００ナノ秒以下、且つ、ピークパワーが１０[kW]以上であることが望ましい。
次に、基材１、中間層２及び超電導導体層３を金属層４で覆い、露出部１２と超電導導体層３を覆う金属層４とを結合する工程を行う。
具体的には、スパッタリング法を用いて基材１、中間層２及び超電導導体層３全体を覆う内層４１を所定の厚さで成膜する。すなわち、基材１の成膜面１１における部分的に当該基材１の表面が露出された露出部１２並びに中間層２及び超電導導体層３が除去された空隙部分を被覆するように内層４１の構成材料である金属（例えば、銀等）を配設するとともに、基材１、中間層２及び超電導導体層３全体を内層４１の構成材料である金属（例えば、銀等）で覆う。これにより、超電導導体層３の中間層２と反対側の面が金属で覆われる。
そして、酸素雰囲気中で所定温度（例えば、６００℃等）に加熱する熱処理を行うことにより、金属製の基材１の露出部１２と超電導導体層３を覆う内層４１の金属とを結合する。
具体的には、スパッタリング法を用いて基材１、中間層２及び超電導導体層３全体を覆う内層４１を所定の厚さで成膜する。すなわち、基材１の成膜面１１における部分的に当該基材１の表面が露出された露出部１２並びに中間層２及び超電導導体層３が除去された空隙部分を被覆するように内層４１の構成材料である金属（例えば、銀等）を配設するとともに、基材１、中間層２及び超電導導体層３全体を内層４１の構成材料である金属（例えば、銀等）で覆う。これにより、超電導導体層３の中間層２と反対側の面が金属で覆われる。
そして、酸素雰囲気中で所定温度（例えば、６００℃等）に加熱する熱処理を行うことにより、金属製の基材１の露出部１２と超電導導体層３を覆う内層４１の金属とを結合する。
なお、内層４１を成膜する前に、例えば、溶剤や超音波等を用いて基材１、中間層２及び超電導導体層３を洗浄しても良い。
その後、内層４１の外側に外層４２を所定の厚さで成膜する。具体的には、例えば、鍍金により、外層４２の構成材料である金属（例えば、銅等）で内層４１を覆う。
[実施例１]
本発明を適用した超電導線材の耐剥離性を確認する試験を行った。
本発明を適用した超電導線材の耐剥離性を確認する試験を行った。
＜試験体＞
ＲＥ系の超電導線材（型番：SF4050、SuperPower Inc.）を用意した。
この超電導線材は、長さ５００[mm]、厚さ５０[μm]、幅４[mm]のハステロイ基板（Hastelloy（登録商標） C-276）上に、厚さ０．２[μm]以下の中間層及び厚さ１[μm]のＲＥ系の超電導導体層を成膜し、その後、全体を覆うように厚さ２[μm]以下の銀層（内層に相当する）を形成して酸素雰囲気中で熱処理したものである。
そして、上記の超電導線材に対して、超電導導体層側よりフェムト秒パルスレーザを照射し、銀層、超電導導体層及び中間層を部分的に除去する加工を行い、当該線材の長手方向に沿って幅３０[μm]の線状の加工部（露出部に相当する）を幅方向に１[mm]間隔で３本形成した。その後、スパッタリング法を用いて、加工部及び超電導導体層及び中間層が除去された空隙部分を被覆するように厚さ２[μm]程度の銀膜を付加し、酸素雰囲気中で熱処理を行うことで、ハステロイ基板と銀とを結合した。そして、当該線材全体を覆うように厚さ２０[μm]の銅層を鍍金により付加した。
また、線材の側面に付加されている金属の影響を排除するために、当該線材の幅方向側の端部及び長手方向側の端部をそれぞれ端面から０．３[mm]の位置で裁断したものを実施例１の試験体とした。
また、ＲＥ系の超電導線材（型番：SF4050、SuperPower Inc.）の幅方向側の端部及び
長手方向側の端部をそれぞれ端面から０．３[mm]の位置で裁断したものを比較例１の試験体とした。
ＲＥ系の超電導線材（型番：SF4050、SuperPower Inc.）を用意した。
この超電導線材は、長さ５００[mm]、厚さ５０[μm]、幅４[mm]のハステロイ基板（Hastelloy（登録商標） C-276）上に、厚さ０．２[μm]以下の中間層及び厚さ１[μm]のＲＥ系の超電導導体層を成膜し、その後、全体を覆うように厚さ２[μm]以下の銀層（内層に相当する）を形成して酸素雰囲気中で熱処理したものである。
そして、上記の超電導線材に対して、超電導導体層側よりフェムト秒パルスレーザを照射し、銀層、超電導導体層及び中間層を部分的に除去する加工を行い、当該線材の長手方向に沿って幅３０[μm]の線状の加工部（露出部に相当する）を幅方向に１[mm]間隔で３本形成した。その後、スパッタリング法を用いて、加工部及び超電導導体層及び中間層が除去された空隙部分を被覆するように厚さ２[μm]程度の銀膜を付加し、酸素雰囲気中で熱処理を行うことで、ハステロイ基板と銀とを結合した。そして、当該線材全体を覆うように厚さ２０[μm]の銅層を鍍金により付加した。
また、線材の側面に付加されている金属の影響を排除するために、当該線材の幅方向側の端部及び長手方向側の端部をそれぞれ端面から０．３[mm]の位置で裁断したものを実施例１の試験体とした。
また、ＲＥ系の超電導線材（型番：SF4050、SuperPower Inc.）の幅方向側の端部及び
長手方向側の端部をそれぞれ端面から０．３[mm]の位置で裁断したものを比較例１の試験体とした。
＜剥離試験＞
ピール試験装置を用いて、９０度ピール試験を行った。具体的には、各試験体の底面を両面テープで試験板に固定するとともに、試験体の長手方向側の一端部を超電導導体層で上下に分断されるように二つに引裂き、固定されている下側の部分に対して固定されていない上側の部分が９０度の角度となるように１０mm/minの負荷速度で引き剥がしていく。このとき、試験体の長手方向側の一端部からの各距離毎に、引き剥がすのに必要な力（密着力[N/m]）を測定した。
その結果、比較例１の試験体では、集計された密着力が２０〜７０[N/m]程度で、それ
らの平均値が４０[N/m]であったのに対して、実施例１の試験体では、集計された密着力
が１００〜１６０[N/m]程度で、それらの平均値が１３０[N/m]であった。つまり、ハステロイ基板と銀層とを結合した実施例１の試験体では、ハステロイ基板と銀層とが結合されていない比較例１の試験体に対して３倍以上の密着力を有すると考えられる。
ピール試験装置を用いて、９０度ピール試験を行った。具体的には、各試験体の底面を両面テープで試験板に固定するとともに、試験体の長手方向側の一端部を超電導導体層で上下に分断されるように二つに引裂き、固定されている下側の部分に対して固定されていない上側の部分が９０度の角度となるように１０mm/minの負荷速度で引き剥がしていく。このとき、試験体の長手方向側の一端部からの各距離毎に、引き剥がすのに必要な力（密着力[N/m]）を測定した。
その結果、比較例１の試験体では、集計された密着力が２０〜７０[N/m]程度で、それ
らの平均値が４０[N/m]であったのに対して、実施例１の試験体では、集計された密着力
が１００〜１６０[N/m]程度で、それらの平均値が１３０[N/m]であった。つまり、ハステロイ基板と銀層とを結合した実施例１の試験体では、ハステロイ基板と銀層とが結合されていない比較例１の試験体に対して３倍以上の密着力を有すると考えられる。
また、実施例１及び比較例１の各試験体について、液体窒素中における臨界電流値を４端子法により測定したところ、比較例１の試験体の臨界電流値は８６[A]であったのに対
して、実施例１の試験体の臨界電流値は８４[A]であった。すなわち、超電導導体層を部
分的に除去したことによる臨界電流値の低下は、約３％程のわずかなものであったと考えられる。
して、実施例１の試験体の臨界電流値は８４[A]であった。すなわち、超電導導体層を部
分的に除去したことによる臨界電流値の低下は、約３％程のわずかなものであったと考えられる。
[実施例２]
本発明を適用した超電導線材における超電導導体層を部分的に除去する加工方法を検討する試験を行った。
本発明を適用した超電導線材における超電導導体層を部分的に除去する加工方法を検討する試験を行った。
＜試験体＞
ＲＥ系の超電導線材（型番：SCS4050、SuperPower Inc.）を用意した。この超電導線材は、長さ５００[mm]、厚さ５０[μm]、幅４[mm]のハステロイ基板（Hastelloy C-276）上に、厚さ０．２[μm]以下の中間層及び厚さ１[μm]のＲＥ系の超電導導体層を成膜し、その後、全体を覆うように厚さ２[μm]以下の銀層（内層に相当する）を形成して酸素雰囲気中で熱処理し、さらに当該線材全体を覆うように厚さ２０[μm]の銅層（外層に相当する）を鍍金により付加したものである。
そして、上記の超電導線材に対して、超電導導体層側よりフェムト秒パルスレーザを照射し、銅層、銀層、超電導導体層及び中間層を部分的に除去する加工を行い、当該線材の長手方向に沿って幅３０[μm]の線状の加工部（露出部に相当する）を幅方向に略等しい間隔で１９本形成した。その後、スパッタリング法を用いて、加工部及び超電導導体層及び中間層が除去された空隙部分を被覆するように厚さ２[μm]程度の銀膜を付加し、酸素雰囲気中で熱処理を行うことで、ハステロイ基板と銀とを結合したものを実施例２の試験体とした。
また、ＲＥ系の超電導線材（型番：SCS4050、SuperPower Inc.）を比較例２の試験体とした。
ＲＥ系の超電導線材（型番：SCS4050、SuperPower Inc.）を用意した。この超電導線材は、長さ５００[mm]、厚さ５０[μm]、幅４[mm]のハステロイ基板（Hastelloy C-276）上に、厚さ０．２[μm]以下の中間層及び厚さ１[μm]のＲＥ系の超電導導体層を成膜し、その後、全体を覆うように厚さ２[μm]以下の銀層（内層に相当する）を形成して酸素雰囲気中で熱処理し、さらに当該線材全体を覆うように厚さ２０[μm]の銅層（外層に相当する）を鍍金により付加したものである。
そして、上記の超電導線材に対して、超電導導体層側よりフェムト秒パルスレーザを照射し、銅層、銀層、超電導導体層及び中間層を部分的に除去する加工を行い、当該線材の長手方向に沿って幅３０[μm]の線状の加工部（露出部に相当する）を幅方向に略等しい間隔で１９本形成した。その後、スパッタリング法を用いて、加工部及び超電導導体層及び中間層が除去された空隙部分を被覆するように厚さ２[μm]程度の銀膜を付加し、酸素雰囲気中で熱処理を行うことで、ハステロイ基板と銀とを結合したものを実施例２の試験体とした。
また、ＲＥ系の超電導線材（型番：SCS4050、SuperPower Inc.）を比較例２の試験体とした。
また、ＲＥ系の超電導線材（型番：SCS4050、SuperPower Inc.）に対して、超電導導体層側より５００ＷのＣＷ（Continuous wave：連続発振）レーザを照射し、銅層、銀層、超電導導体層及び中間層を部分的に除去する加工を行い、当該線材の長手方向に沿って幅３０[μm]の線状の加工部（露出部に相当する）を１本形成した。その後、スパッタリング法を用いて、加工部及び超電導導体層及び中間層が除去された空隙部分を被覆するように厚さ２[μm]程度の銀膜を付加し、酸素雰囲気中で熱処理を行うことで、ハステロイ基板と銀とを結合したものを比較例３の試験体とした。
実施例２及び比較例２の各試験体について、液体窒素中における臨界電流値を４端子法により測定したところ、比較例２の試験体の臨界電流値は８９[A]であったのに対して、実施例２の試験体の臨界電流値は７５[A]であった。
つまり、１９本の線状の補強部を設ける加工による臨界電流値の低下は、約１５％程度であった。パルスレーザによる加工で線状の加工部１本あたり臨界電流値が約０．８％低下し、実際には加工部１本に付き幅３３[μm]の超電導導体層が取り除かれたと考えられる。パルスレーザによる線状の加工部の幅が３０[μm]であったことから、略一致していると考えられる。
つまり、１９本の線状の補強部を設ける加工による臨界電流値の低下は、約１５％程度であった。パルスレーザによる加工で線状の加工部１本あたり臨界電流値が約０．８％低下し、実際には加工部１本に付き幅３３[μm]の超電導導体層が取り除かれたと考えられる。パルスレーザによる線状の加工部の幅が３０[μm]であったことから、略一致していると考えられる。
一方、比較例３の試験体についても、液体窒素中における臨界電流値を４端子法により測定したが、この試験体では比較例２の試験体に対して、ＣＷレーザによる加工で加工部１本あたり臨界電流値が約３％低下した。また、加工部では、基板の溶融、異物の付着が見られた。
ＣＷレーザによる加工では加熱加工となるため、加工部周囲の超電導導体層の特性に影響を与えていると考えられる。
ＣＷレーザによる加工では加熱加工となるため、加工部周囲の超電導導体層の特性に影響を与えていると考えられる。
結果、超電導線材の超電導導体層を部分的に除去する加工方法としては、パルスレーザによる加工がＣＷレーザによる加工に対して優れていると考えられる。
[実施例３]
本発明を適用した超電導線材における補強部の形状を検討する試験を行った。
本発明を適用した超電導線材における補強部の形状を検討する試験を行った。
＜試験体＞
ＲＥ系の超電導線材（型番：SCS4050、SuperPower Inc.）を用意した。
そして、上記の超電導線材に対して、超電導導体層側よりフェムト秒パルスレーザを照射し、銅層、銀層、超電導導体層及び中間層を部分的に除去する加工を行い、当該線材の長手方向に沿ってミシン目状の加工部（露出部に相当する）を形成した。このミシン目は、長さ２[mm]、幅３０[μm]の加工部と長さ１[mm]の非加工部の繰り返しを一本の線とし、幅方向に１[mm]間隔で３本形成した。その後、スパッタリング法を用いて、加工部及び超電導導体層及び中間層が除去された空隙部分を埋めるように厚さ２[μm]程度の銀膜を付加し、酸素雰囲気中で熱処理を行うことで、ハステロイ基板と銀とを結合したものを実施例３の試験体とした。
ＲＥ系の超電導線材（型番：SCS4050、SuperPower Inc.）を用意した。
そして、上記の超電導線材に対して、超電導導体層側よりフェムト秒パルスレーザを照射し、銅層、銀層、超電導導体層及び中間層を部分的に除去する加工を行い、当該線材の長手方向に沿ってミシン目状の加工部（露出部に相当する）を形成した。このミシン目は、長さ２[mm]、幅３０[μm]の加工部と長さ１[mm]の非加工部の繰り返しを一本の線とし、幅方向に１[mm]間隔で３本形成した。その後、スパッタリング法を用いて、加工部及び超電導導体層及び中間層が除去された空隙部分を埋めるように厚さ２[μm]程度の銀膜を付加し、酸素雰囲気中で熱処理を行うことで、ハステロイ基板と銀とを結合したものを実施例３の試験体とした。
実施例３の試験体について、液体窒素中における臨界電流値を４端子法により測定したところ、この試験体では比較例２の試験体に対して、パルスレーザによる加工でミシン目状の加工部１本あたり臨界電流値が約０．８％低下した。
加工部の形状をミシン目状とした実施例３の試験体は、加工部の形状を線状とした実施例２の試験体と略同様の試験結果となった。
加工部の形状をミシン目状とした実施例３の試験体は、加工部の形状を線状とした実施例２の試験体と略同様の試験結果となった。
［実施例４］
本発明の適用の形の一つとして、以下のような超電導線材５００ｍを用意した。その超電導導体層側には、フェムト秒パルスレーザの照射とそれに続く銀スパッタリングにより線材長手方向に平行な複数の直線状補強部が形成されている。ただしその本数は一様ではなく、線材長手方向０．５ｍごとに４本、５本、６本と変化し、超電導層が線材幅方向にそれぞれ５分割、６分割、７分割されている。そしてこの組み合わせが１．５ｍごとに周期的に繰り返されている。この超電導線材を用いて、１つのパンケーキコイルあたり２５０ｍ分、計５００ｍ分のダブルパンケーキコイル（以下ＤＰコイル）を作製した。このＤＰコイルの巻き枠内径はφ１００ｍｍで、コイル外径はφ３００ｍｍである。そして、そのターン数は７９４、平均ターン間隔（巻回によって重ねられる超電導線材のコイル径方向の間隔）は０．１３ｍｍである。なお、線材の平均厚さは０．１ｍｍで、本ＤＰコイルはターン間の絶縁のために平均厚さ０．０２５ｍｍのポリイミドテープを共巻きにしている。
本発明の適用の形の一つとして、以下のような超電導線材５００ｍを用意した。その超電導導体層側には、フェムト秒パルスレーザの照射とそれに続く銀スパッタリングにより線材長手方向に平行な複数の直線状補強部が形成されている。ただしその本数は一様ではなく、線材長手方向０．５ｍごとに４本、５本、６本と変化し、超電導層が線材幅方向にそれぞれ５分割、６分割、７分割されている。そしてこの組み合わせが１．５ｍごとに周期的に繰り返されている。この超電導線材を用いて、１つのパンケーキコイルあたり２５０ｍ分、計５００ｍ分のダブルパンケーキコイル（以下ＤＰコイル）を作製した。このＤＰコイルの巻き枠内径はφ１００ｍｍで、コイル外径はφ３００ｍｍである。そして、そのターン数は７９４、平均ターン間隔（巻回によって重ねられる超電導線材のコイル径方向の間隔）は０．１３ｍｍである。なお、線材の平均厚さは０．１ｍｍで、本ＤＰコイルはターン間の絶縁のために平均厚さ０．０２５ｍｍのポリイミドテープを共巻きにしている。
本ＤＰコイルの最内ターンにおける周方向の長さは３１４ｍｍで直線状補強部の一つの領域の長さが０．５ｍ（５００ｍｍ）なので、１．６周ごとに線材幅方向の補強部位置が変化する。即ち、各領域の線材長手方向Ｌの長さがコイル最内ターン（最内周）の２周分よりも短く、１．６周で線材幅方向Ｗの補強部の本数が異なる次の領域に変化する。従って、３ターン以上補強部位置が重なることはない。これは外側のターンでも同じで、最外ターンの周方向長さは９４２ｍｍとなるが、これは線材における直線状補強部の三つの領域からなる補強部構造の周期１．５ｍ（１５００ｍｍ）が１．６周に相当する。そのため、補強部位置が３ターン以上重ならず、その結果線材幅方向Ｗにおける補強部の位置が３ターン以上連続して直列することを妨げ、熱収縮によって生じる応力の特定領域への集中を緩和することができる。
[本実施形態の技術的効果]
上記超電導線材１００は、金属製の基材１の成膜面１１側に中間層２を介して超電導導体層３が形成されるとともに、少なくとも超電導導体層３が中間層２と反対側から金属層４により覆われている。基材１の成膜面１１には、中間層２及び超電導導体層３が存せずに部分的に当該基材１の表面が露出された露出部１２が設けられ、露出部１２と金属層４とを結合する金属層４と同一の金属製の補強部５が設けられてなる。
したがって、超電導導体層３を覆う金属層４を補強部５により基材１と強固に結合させることができ、超電導線材１００自体の強度を向上させて超電導導体層３の耐剥離力を高めることができる。
上記超電導線材１００は、金属製の基材１の成膜面１１側に中間層２を介して超電導導体層３が形成されるとともに、少なくとも超電導導体層３が中間層２と反対側から金属層４により覆われている。基材１の成膜面１１には、中間層２及び超電導導体層３が存せずに部分的に当該基材１の表面が露出された露出部１２が設けられ、露出部１２と金属層４とを結合する金属層４と同一の金属製の補強部５が設けられてなる。
したがって、超電導導体層３を覆う金属層４を補強部５により基材１と強固に結合させることができ、超電導線材１００自体の強度を向上させて超電導導体層３の耐剥離力を高めることができる。
また、補強部５は、当該超電導線材１００の長手方向に沿った線状に形成されているか、或いは、長手方向に沿って形成されるとともに当該長手方向に隣合うものとの間に間隔を空けたミシン目状に形成されているか、或いは、点状に形成されている。
すなわち、例えば、超電導導体層３の幅や確保すべき強度等に応じて、補強部５の形状を適宜変更することができ、これにより、線材の臨界電流の低下の抑制及び超電導導体層３の耐剥離力の向上を適正に図ることができる。さらに、補強部５を設けることで超電導線材１００を細線化した場合と実質的に同等の構造とすることができ、超電導線材１００の遮蔽電流や交流損失による影響の低減を図ることができる。
すなわち、例えば、超電導導体層３の幅や確保すべき強度等に応じて、補強部５の形状を適宜変更することができ、これにより、線材の臨界電流の低下の抑制及び超電導導体層３の耐剥離力の向上を適正に図ることができる。さらに、補強部５を設けることで超電導線材１００を細線化した場合と実質的に同等の構造とすることができ、超電導線材１００の遮蔽電流や交流損失による影響の低減を図ることができる。
また、補強部を線材長手方向Ｌに平行に形成することにより、当該補強部を線材幅方向Ｗに拡幅することなく線材長手方向Ｌに延ばすことで接合強度を向上させ、また、超電導導体層から補強部を除いた幅の低減を生じないことから、線材の臨界電流を大きく低減させることがない。
さらに、補強部の超電導線材の幅方向の数が、超電導線材の長手方向の位置によって異なるように構成したとき、たとえば図４（ａ）に示すように、補強部により超電導線材の幅方向に分割された領域を線材長手方向Ｌに複数並べて設け、隣り合う領域同士の補強部の超電導線材の幅方向の数を異なるように形成することにより、線材長手方向Ｌに沿って領域ごとに補強部の線材幅方向Ｗにおける位置を変えることができる。これにより、当該超電導線材を巻いて超電導コイルを形成した場合に、線材幅方向Ｗにおける補強部の位置が近接ターンで直列することを妨げ、熱収縮によって生じる応力の特定領域への集中を緩和することができる。そしてその結果、超電導導体層の中に先天的に剥離しやすい部位があったとしても、その部位での超電導導体層の剥離や同位置での金属層の破断が生じる可能性を低減することが可能となる。
なお、図４（ｂ）のように近接する線状補強部の両端位置がそろっていない場合でも、同様の効果が見込める。
なお、図４（ｂ）のように近接する線状補強部の両端位置がそろっていない場合でも、同様の効果が見込める。
また、超電導線材の長手方向に平行でその全長よりも短く、周囲の隣り合う他の補強部と、超電導線材の幅方向の位置が異なっている複数の補強部が設けられた超電導線材を巻き付けて形成された超電導コイルでは、線材幅方向Ｗにおける補強部の位置が近接ターンで連続して直列することを妨げ、熱収縮によって生じる応力の特定領域への集中を緩和することができる。
また、金属製の基材１の成膜面１１側に中間層２を介して超電導導体層３を形成する工程と、基材１の成膜面１１に形成された中間層２及び超電導導体層３を部分的に除去して表面を露出させる工程と、基材１の成膜面１１における部分的に表面が露出された露出部１２並びに中間層２及び超電導導体層３が除去された空隙部分に金属を配設するとともに、超電導導体層３の中間層２と反対側の面を金属で覆うことで、露出部１２と超電導導体層３を覆う金属層４とを結合する工程と、を含んでいる。
これにより、線材の臨界電流の低下を抑制しつつ、超電導導体層３の耐剥離力の高い超電導線材１００の製造を簡便に行うことができる。
これにより、線材の臨界電流の低下を抑制しつつ、超電導導体層３の耐剥離力の高い超電導線材１００の製造を簡便に行うことができる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。
例えば、上記実施形態では、中間層２及び超電導導体層３を部分的に除去する加工を、パルスレーザを用いて行うようにしたが、一例であってこれに限られるものではなく、適宜任意に変更可能である。例えば、エッチング等を用いて中間層２及び超電導導体層３を部分的に除去しても良い。
例えば、上記実施形態では、中間層２及び超電導導体層３を部分的に除去する加工を、パルスレーザを用いて行うようにしたが、一例であってこれに限られるものではなく、適宜任意に変更可能である。例えば、エッチング等を用いて中間層２及び超電導導体層３を部分的に除去しても良い。
なお、各領域内の補強部の本数は例示のものに限られず、隣り合う領域の補強部の本数が不一致であること又は隣り合う領域の補強部と線材幅方向Ｗについて位置は異なっていることを条件に任意に変更可能である。
１００ 超電導線材
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 基材
１１ 成膜面
１２ 露出部
２ 中間層
３ 超電導導体層
４ 金属層
４１ 内層
４２ 外層
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ 補強部
６０ 超電導コイル
Ｒ１〜Ｒ３ 領域
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 基材
１１ 成膜面
１２ 露出部
２ 中間層
３ 超電導導体層
４ 金属層
４１ 内層
４２ 外層
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ 補強部
６０ 超電導コイル
Ｒ１〜Ｒ３ 領域
Claims (9)
- 金属製の基材の一面側に中間層を介して超電導導体層が形成されるとともに、前記基材、前記中間層及び前記超電導導体層の全体が金属層を構成する銀或いは金、又は、銀或いは金を含む合金により覆われた超電導線材であって、
前記基材の前記一面には、前記基材と前記金属層とを結合する補強部が設けられ、
前記補強部の構成材料は前記金属層と同一の銀或いは金、又は、銀或いは金を含む合金であり、
前記補強部は、前記中間層と前記超電導導体層が部分的に除去されて露出した、表面粗さが０．５[μm]以上とされた前記基材の表面に結合されていることを特徴とする超電導線材。 - 前記金属層は、前記基材、前記中間層及び前記超電導導体層を覆う内層と、この内層を覆う外層と有する二層構造からなり、
前記内層は、銀或いは金、又は、銀或いは金を含む合金からなり、
前記外層は、銅からなることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材。 - 前記補強部は、当該超電導線材の長手方向に沿った線状に形成されているか、或いは、点状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導線材。
- 前記補強部は、当該超電導線材の長手方向に平行であって、当該超電導線材の全長よりも短い線状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導線材。
- 前記補強部は、その周囲で隣り合う他の補強部と、超電導線材の幅方向の位置が異なっていることを特徴とする請求項４に記載の超電導線材。
- 前記補強部の長さの平均値と等しい長さの平均長領域に含まれる前記補強部の本数が、前記超電導線材の長手方向の他の平均長領域に対して１本以上異なる平均長領域を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の超電導線材。
- 前記補強部により超電導線材の幅方向に分割された領域が、当該超電導線材の長手方向に沿って複数並んで設けられており、
当該超電導線材の長手方向について隣り合う領域同士は、前記補強部の超電導線材の幅方向の数が異なることを特徴とする請求項４又は５に記載の超電導線材。 - 請求項５から７のいずれか一項に記載の超電導線材が巻回されていることを特徴とする超電導コイル。
- 請求項１又は２に記載の超電導線材の製造方法であって、
金属製の基材の一面側に中間層を介して超電導導体層を形成する工程と、
前記基材の前記一面に形成された前記中間層及び前記超電導導体層を部分的に除去して表面を露出させる工程と、
前記基材の前記一面における部分的に表面が露出された露出部並びに前記中間層及び前記超電導導体層が除去された空隙部分に所定の構成材料からなる金属を配設するとともに、前記超電導導体層の前記中間層と反対側の面を所定の構成材料と同一材料の金属で覆うことで、前記露出部と前記超電導導体層を覆う金属層とを結合する工程と、
を含むことを特徴とする超電導線材の製造方法。
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