JP6904875B2 - 酸化物超電導線材の接続構造および酸化物超電導線材の接続方法 - Google Patents
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Description
2本以上の前記接続用超電導線材が幅方向に接触しないように間隙を有してもよい。
前記接続用超電導線材は、基板上に超電導層を有する酸化物超電導線材からなり、その超電導層が、(1)前記接続対象線材の超電導層に比べて、結晶の配向性が良質である、(2)前記接続対象線材の超電導層に比べて、膜厚が厚い、(3)人工的な結晶欠陥を含む、または、(4)前記(1)〜(3)のうち2以上の組み合わせであってもよい。
図1に、実施形態の接続構造の斜視図を示す。また、図2に、接続構造の長手方向に垂直な方向の断面図を示す。この接続構造40は、2本の接続対象線材10,20の間が、接続用超電導線材30を介して接続された構造からなる。
(1)接続用超電導線材30の超電導層33が、接続対象線材10,20の超電導層13,23に比べて、結晶の配向性が良質な酸化物超電導体からなる。
(2)接続用超電導線材30の超電導層33の膜厚が、接続対象線材10,20の超電導層13,23の膜厚より厚い。
(3)接続用超電導線材30の超電導層33が、人工的な結晶欠陥を含む。
人工的な結晶欠陥としては、異種材料による人工ピンなどが挙げられる。超電導層に人工ピンを導入するために用いられる異種材料としては、例えば、BaSnO3(BSO)、BaZrO3(BZO)、BaHfO3(BHO)、BaTiO3(BTO)、SnO2、TiO2、ZrO2、LaMnO3、ZnO等の1種または2種以上が挙げられる。
基板11,21,31は、テープ状の金属基板である。各基板は、厚さ方向の両側に、それぞれ主面を有する。各基板を構成する金属の具体例として、ハステロイ(登録商標)に代表されるニッケル合金、ステンレス鋼、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ni−W合金などが挙げられる。基板の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、例えば10〜1000μmの範囲である。
酸化物超電導線材を使用して超電導コイルを作製するには、例えば線材を巻き枠の外周面に沿って必要な層数巻き付けてコイル形状の多層巻きコイルを構成した後、巻き付けた線材を覆うようにエポキシ樹脂等の樹脂を含浸させて、線材を固定することができる。コイルは、軸方向に多数配置される場合がある。この場合、各コイルは線材の幅方向に隣接することから、接続用超電導線材の幅方向両端が、接続対象線材の幅方向両端から突出しないことが好ましい。
(1−1)基板として幅12mm、長さ5m、厚さ0.75mm(750μm)のハステロイ(登録商標)C−276からなる基板を用意し、平均粒径3μmのアルミナ(Al2O3)粒子を使用して、基板の主面上を研磨した。
(1−2)エタノールまたはアセトン等の有機溶媒で基板を脱脂、洗浄した。
(1−3)イオンビームスパッタ法により、基板の主面上に拡散防止層として厚さ100nmのAl2O3層を成膜した。
(1−4)イオンビームスパッタ法により、Al2O3層の表面上にベッド層として厚さ30nmのY2O3層を成膜した。
(1−5)イオンビームアシスト蒸着法により、Y2O3層の表面上に配向層として厚さ5〜10nmのMgO層を成膜した。
(1−6)パルスレーザ蒸着法により、MgO層の表面上にキャップ層として厚さ500nmのCeO2層を成膜した。CeO2層の結晶面内配向度(Δφ)は4.0°であった。
(1−7)パルスレーザ蒸着法により、CeO2層の表面上に超電導層として厚さ2μmのGdBa2Cu3O7−x層を成膜した。
(1−8)DCスパッタ法により、保護層として厚さ2μmのAg層を成膜した。
(1−9)酸素アニールを500℃で10時間行い、26時間炉冷した後、炉から線材を取り出した。
(1−10)赤外レーザにより長手方向に沿って線材を切断し、幅4mmで3本の接続対象線材を得た。そのうち2本の線材の電流特性を測定したところ、超電導状態を維持して通電可能な通電電流値(臨界電流値)は、2本とも200Aであった。
(1−11)電流特性を測定した2本の線材の片端部から長手方向に7cmの区間のAg層を溶解し、超電導層を露出させた後、端部同士を突き合わせた。
(2−1)〜(2−6)は、上記の(1−1)〜(1−6)と同様に実施した。
(2−7)パルスレーザ蒸着法により、CeO2層の表面上に超電導層として厚さ3.5μmのGdBa2Cu3O7−x層を成膜した。
(2−8)〜(2−9)は、上記の(1−8)〜(1−9)と同様に実施した。
(2−10)赤外レーザにより長手方向に沿って線材を切断し、幅0.68mmで17本の超電導線材を得た。そのうち1本の線材の電流特性を測定したところ、通電電流値は61Aであった。
(2−11)電流特性を測定した1本の線材から、長さ5cmで4本の接続用超電導線材を得た。全長にわたりAg層を溶解し、超電導層を露出させた。
(3−1)図1に示すように接続対象線材10,20の超電導層13,23と、4本の接続用超電導線材30の超電導層33とを対向させ、厚さ方向に加圧しつつ重ね合わせた。幅方向に隣り合う接続用超電導線材30の間が接触しないように、200μm以上の間隙34を空けて配置した。なお、この間隙34は酸素アニール時に酸素の流れを阻害しなければよく、上記のように限定されるものではない。
(3−2)接続対象線材10,20と接続用超電導線材30との対向する部分を、3×10−2Torrの減圧下に配置して、接続対象線材10,20の基板11,21側から赤外レーザを照射し、超電導層13,23,33を拡散接合した。レーザ照射条件は、波長が1064nm、エネルギー密度が3×105W/cm2、照射時間が10秒とした。
(3−3)減圧下から線材を取り出した後、接続部の超電導層が露出した箇所と接続部にAgを1μm成膜した。
(3−4)接続部を含む線材の酸素アニールを500℃で10時間行い、10時間炉冷した後、炉から線材を取り出した。
(3−5)接続部を含む線材の通電電流値と接続抵抗を測定した。接続部を含む線材の通電電流値は200Aであり、接続前の接続対象線材の通電電流値である200Aと同等であった。接続抵抗は1nΩ以下であり、超電導状態を示した。
(4−1)接続対象線材は、実施例の(1−1)〜(1−11)と同様に作製した。
(4−2)比較例の接続用超電導線材を準備するため、実施例の接続対象線材の(1−1)〜(1−10)と同様に線材を作製した後、線材を30cm長に切り割りして、端部から長手方向に12.5〜17.5cmとなる5cmの区間において基板上の超電導層を幅方向に4分割した。この4分割加工は、波長532nm、周波数500kHz、出力12W、パルス幅10ps、加工速度300mm/s、溝1本ごとにレーザ照射3回繰り返しの条件で、スクライブ加工により、基板が切断されないように3本の溝を作製する手順により実施した。それぞれの溝幅は50μmであった。溝加工後の線材の通電電流値は192Aであった。スクライブ加工した5cmの区間を赤外CWレーザにより切断した後、Ag層を溶解し、超電導層を露出させ、5cm長の接続用超電導線材を得た。
(4−3)5cm長でスクライブ加工した接続用超電導線材の両端部を、それぞれ接続対象線材の端部に対向させ、厚さ方向に加圧しつつ重ね合わせた。この対向する部分を、3×10−2Torrの減圧下に配置して、接続対象線材の基板側から赤外レーザを照射し、超電導層を拡散接合した。レーザ照射条件は、波長が1064nm、エネルギー密度が3×105W/cm2、照射時間が10秒とした。
(4−4)減圧下から線材を取り出した後、接続部の超電導層が露出した箇所と接続部にAgを1μm成膜した。
(4−5)接続部を含む線材の酸素アニールを500℃で10時間行い、26時間炉冷した後、炉から線材を取り出した。
(4−6)接続部を含む線材の通電電流値と接続抵抗を測定した。接続部を含む線材の通電電流値は192Aであり、接続前の接続対象線材の通電電流値である200Aよりも低下した。接続抵抗は1nΩ以下であり、超電導状態を示した。
Claims (6)
- 基板上に超電導層を有する酸化物超電導線材からなる第1接続対象線材及び第2接続対象線材の間が、前記第1接続対象線材及び前記第2接続対象線材より幅が狭い接続用超電導線材を介して接続され、
前記第1接続対象線材及び前記第2接続対象線材の長手方向の端部が、長手方向に対向させるように配置され、
前記接続用超電導線材が2本以上であり、
前記接続用超電導線材の超電導層と、前記第1接続対象線材及び前記第2接続対象線材の超電導層とが重ね合わされ拡散接合しており、前記接続用超電導線材の2本以上を合計した電流特性が、前記第1接続対象線材の電流特性及び前記第2接続対象線材の電流特性のうち少なくとも一方の電流特性と同等以上であることを特徴とする酸化物超電導線材の接続構造。 - 2本以上の前記接続用超電導線材が幅方向に接触しないように間隙を有することを特徴とする請求項1に記載の酸化物超電導線材の接続構造。
- 前記接続用超電導線材は、基板上に超電導層を有する酸化物超電導線材からなり、その超電導層が、
(1)前記第1接続対象線材及び前記第2接続対象線材のうち少なくとも一方の超電導層に比べて、結晶の配向性が良質である、
(2)前記第1接続対象線材及び前記第2接続対象線材のうち少なくとも一方の超電導層に比べて、膜厚が厚い、
(3)人工的な結晶欠陥を含む、または、
(4)前記(1)〜(3)のうち2以上の組み合わせ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線材の接続構造。 - 基板上に超電導層を有する酸化物超電導線材からなる第1接続対象線材及び第2接続対象線材の間を、前記第1接続対象線材及び前記第2接続対象線材より幅が狭い接続用超電導線材を介して接続する酸化物超電導線材の接続方法であって、
前記第1接続対象線材及び前記第2接続対象線材の長手方向の端部を、長手方向に対向させるように配置し、
前記接続用超電導線材が2本以上であり、
前記接続用超電導線材の超電導層と、前記第1接続対象線材及び前記第2接続対象線材の超電導層とを重ね合わせて、拡散接合により接続し、前記接続用超電導線材の2本以上を合計した電流特性が、前記第1接続対象線材の電流特性及び前記第2接続対象線材の電流特性のうち少なくとも一方の電流特性と同等以上であることを特徴とする酸化物超電導線材の接続方法。 - 2本以上の前記接続用超電導線材が幅方向に接触しないように間隙を有しており、
前記接続用超電導線材の超電導層と、前記第1接続対象線材及び前記第2接続対象線材の超電導層とを重ね合わせて、拡散接合により接続した後に酸素アニールを行うことで、前記間隙に酸素を流通させ前記接続用超電導線材の超電導層と前記第1接続対象線材及び前記第2接続対象線材の超電導層とに酸素を導入することを特徴とする請求項4に記載の酸化物超電導線材の接続方法。 - 前記接続用超電導線材は、基板上に超電導層を有する酸化物超電導線材からなり、その超電導層が、
(1)前記第1接続対象線材及び前記第2接続対象線材のうち少なくとも一方の超電導層に比べて、結晶の配向性が良質である、
(2)前記第1接続対象線材及び前記第2接続対象線材のうち少なくとも一方の超電導層に比べて、膜厚が厚い、
(3)人工的な結晶欠陥を含む、または、
(4)前記(1)〜(3)のうち2以上の組み合わせであることを特徴とする請求項4または5に記載の酸化物超電導線材の接続方法。
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