JP7043716B2 - 超伝導線材、及びコイルユニット - Google Patents

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Description

本発明は超伝導線材、及びコイルユニットに関し、特に高周波帯で使用される超伝導線材、及びコイルユニットに関する。
高周波帯（例えば、数ｋＨｚ～数１００ＭＨｚ）で用いられる共振器には、核磁気共鳴を用いたＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置やＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）装置の共鳴信号を受信するための検出コイル、核四極共鳴（ＮＱＲ：Nuclear Quadrupole Resonance）を用いた爆発物や不正薬物を探知する探知装置の検出コイル、無線電力伝送（ＷＰＴ：Wireless Power Transfer）に用いられる送受電コイルなどがある。
これらの装置の性能（感度や伝送効率）は、Ｑ値が高い（導体損失が低い）コイルを用いることで改善することができる。しかしながら、これらの装置のコイルは銅線を用いて作製されているため、これ以上導体損失を低減することは困難である。このため、ＭＲＩ装置、ＮＭＲ装置、ＮＱＲ装置、ＷＰＴ装置等の共振器を用いた装置の性能の改善は限界を迎えている。
このような問題を解決する方法の一つとして、超伝導体を用いてコイルを形成する方法が挙げられる。超伝導体は直流では無損失であり、高周波帯では銅と比較して３桁以上低い導体損失となる。したがって、超伝導体をコイルに用いることで飛躍的に高いＱ値を実現でき、各種装置の性能改善が期待できる。
非特許文献１では、超伝導体を用いて形成したコイルを高周波帯で使用した場合、周波数が増加するにつれてＱ値が低下するという研究結果が報告されている。
"AC Loss Characteristics in Kilohertz Frequency Band of a High-Temperature Superconductor Coil for a Wireless Power Transmission System", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 27, NO. 4, JUNE 2017
背景技術で説明したように、ＭＲＩ装置、ＮＭＲ装置、ＮＱＲ装置、ＷＰＴ装置等の共振器を用いた装置の性能を改善する方法の一つとして、共振器を構成するコイルの材料に超伝導体を用いる方法が挙げられる。
しかしながら、現在実用化されている直流用途に開発された希土類系超伝導線材は直流では無損失であるが高周波帯では導体損失が大きいため（非特許文献１参照）、このような超伝導体を用いてコイルを作製しても高いＱ値を得ることができないという問題があった。
上記課題に鑑み本発明の目的は、高周波帯で使用した場合であっても高いＱ値を実現することが可能な超伝導線材、及びコイルユニットを提供することである。
本発明にかる超伝導線材は、基材と、前記基材の両面の各々に形成された超伝導体層と、前記各々の超伝導体層の表面に形成された導電性保護層と、を備え、前記導電性保護層の各々の厚さは、前記超伝導線材に高周波電流を流した際の表皮深さの５％以下である。
本発明にかる超伝導線材は、基材と、前記基材の両面の各々に形成された超伝導体層と、前記各々の超伝導体層の表面に形成された誘電体保護層と、を備え、前記誘電体保護層は、誘電正接（ｔａｎδ）の値が０．００１以下の材料を用いて構成されている。
本発明にかかるコイルユニットは、上記構成を備える超伝導線材をスパイラル状に巻いたコイルと、前記コイルを支持する支持体と、を備える。前記支持体は誘電体を用いて構成されており、前記コイルの中心から外側に伸びる複数の支持部を備える。
本発明にかかるコイルユニットは、上記構成を備える超伝導線材を捲回して形成されたコイルと、前記コイルを支持する支持体と、を備え、前記支持体はサファイアを用いて構成されている。
更に、本発明にかる超伝導線材は、第１の基材と、当該第１の基材の表面に形成された第１の超伝導体層と、を備える第１の線材と、第２の基材と、当該第２の基材の表面に形成された第２の超伝導体層と、を備える第２の線材と、を備え、前記第１及び第２の線材は、前記第１及び第２の超伝導体層が互いに外向きになるように配置されている。
本発明により、高周波帯で使用した場合であっても高いＱ値を実現することが可能な超伝導線材、及びコイルユニットを提供することができる。
関連技術にかかる超伝導線材の構造を示す斜視図である。 本発明にかかる超伝導線材の構造を示す斜視図である。 シミュレーションを実施した超伝導線材の構造を示す斜視図である。 図３に示した超伝導線材のシミュレーション結果を示すグラフである（超伝導線材のみの場合）。 図３に示した超伝導線材のシミュレーション結果を示すグラフである（超伝導線材を支持体に埋め込んだ場合）。 実際に作製した超伝導線材の構造を示す斜視図である。 図６に示した超伝導線材の測定条件を説明するための図である。 図６に示した超伝導線材の測定結果を示すグラフである。 実施の形態にかかる超伝導線材の構造を示す断面図である（保護層に導電性材料を用いた場合）。 表皮深さに対するＡｇの厚さの割合とＱ値との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明にかかる超伝導線材の構造を示す断面図である（保護層に誘電体材料を用いた場合）。 誘電体保護層のｔａｎδとＱ値との関係を示すグラフである（シミュレーション結果）。 誘電体保護層の厚さとＱ値との関係を示すグラフである（シミュレーション結果）。 誘電体保護層の厚さとＱ値との関係を示すグラフである（シミュレーション結果）。 シミュレーションを実施した超伝導線材の構造を示す斜視図である。 ハステロイの厚さとＱ値との関係を示すグラフである（シミュレーション結果）。 ハステロイの幅とＱ値との関係を示すグラフである（シミュレーション結果）。 コイルユニットの構成例を示す図である。 コイルユニットの他の構成例を示す図である。 実施の形態にかかる超伝導線材の具体的な構成例を示す断面図である。 実施の形態にかかる超伝導線材の具体的な構成例を示す断面図である。 実施の形態にかかる超伝導線材の具体的な構成例を示す断面図である。 実施の形態にかかる超伝導線材の具体的な構成例を示す断面図である。 実施の形態にかかる超伝導線材の具体的な構成例を示す断面図である。 実施の形態にかかる超伝導線材の具体的な構成例を示す断面図である。 実施の形態にかかる超伝導線材の具体的な構成例を示す断面図である。 実施の形態にかかる超伝導線材の具体的な構成例を示す断面図である。 実施の形態にかかる超伝導線材の具体的な構成例を示す断面図である。 実施の形態にかかる超伝導線材の具体的な構成例を示す断面図である。 実施の形態にかかる超伝導線材の具体的な構成例を示す断面図である。 実施の形態にかかる超伝導線材の具体的な構成例を示す断面図である。 実施の形態にかかる超伝導線材が備える芯材の製造方法の一例を示す断面図である。 実施の形態にかかる超伝導線材の具体的な構成例を示す断面図である。
＜関連技術の説明＞
まず、本発明の関連技術について説明する。
図１は、関連技術にかかる超伝導線材の構造を示す斜視図である。図１に示す超伝導線材は、銅層１１０、ハステロイ１１１、中間層１１２、超伝導体層１１３、銀層１１４、及び銅層１１５を備えており、各々の層が順番に積層された構成を有する。
図１に示す超伝導線材は希土類系超伝導線材であり、超伝導体層１１３には希土類系の超伝導体、具体的にはＹＢＣＯ系の超伝導体が用いられている。希土類系の超伝導体は、ペロブスカイト型構造を基礎とした結晶構造を備えており、超伝導体の電気的特性は、超伝導体の結晶方位の配向度に依存する。ここで、ハステロイ１１１は無配向の金属基材であるので、このような無配向の金属基材上に超伝導体をエピタキシャル成長させるには、中間層１１２が必要となる。例えば、中間層１１２は、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣｅＯ２を順番に積層した４層構造を備える。
ハステロイ１１１は、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｍｏ合金（非磁性）であり、柔軟性と機械的強度を備えた材料である。超伝導体はそれ自体は脆いため、超伝導線材を形成するためには、ある程度の柔軟性と機械的強度を備える基材（ハステロイ１１１）の上に超伝導体層１１３を形成する必要がある。
超伝導体層１１３の表面には、保護層と安定化層として銀層１１４と銅層１１５が形成されている。また、ハステロイ１１１の下面にも銅層１１０が形成されている。
図１に示す構成を備える超伝導線材は、直流では無損失であるが高周波帯では導体損失が大きくなるため、超伝導体を用いてコイルを作製しても高いＱ値を得ることができない。本願発明者は、図１に示す構成を備える超伝導線材を用いてコイルを作製し、導体損失の原因について調べた。その結果、超伝導線材を高周波帯で使用すると、表皮効果によって高周波電流が超伝導線材の表面（図１に示す場合は銅層１１０、１１５）に集中するため、超伝導体層１１３に効率的に電流が流れず高いＱ値を実現することができないことを明らかにした。また、仮に銀層１１４や銅層１１５のない超伝導線材を使用したとしても、銅の７０倍の抵抗をもつハステロイ１１１が損失の原因となり、高いＱ値を実現することができない。
＜本願発明の超伝導線材の基本的な構造の説明＞
このような問題を解決するために、本願発明者は、図２に示す構造の超伝導線材を提案している。図２に示す超伝導線材では、基材１１の両面の各々に超伝導体層１３を形成している。例えば、基材１１にはハステロイを用いることができる。また、超伝導体層１３には、希土類系の超伝導体（ＲＥＢＣＯ）、具体的にはＹＢＣＯ系の超伝導体を用いることができる。なお、基材１１と超伝導体層１３との間には、図１で説明した場合と同様に中間層を形成してもよい。
上述したように、超伝導線材を高周波帯で使用した場合は、表皮効果によって超伝導線材の表面に高周波電流が流れるが、図２に示す構造の超伝導線材では超伝導線材の表面に超伝導体層１３を配置しているので、高周波電流を超伝導体層１３に優先的に流すことができる。よって、導体損失の原因であった基材１１（ハステロイ）の影響を最小限に抑えることができるので、高いＱ値を実現することができる。
＜本願発明の超伝導線材のシミュレーション結果（支持体なし）＞
本願発明者は、図２に示す構造の超伝導線材の特性を検討するために、シミュレーションを実施した。図３は、シミュレーションを実施した超伝導線材の構造を示す斜視図である。
図３（ａ）は、タイプＩｓ（ｓはシミュレーション（simulated）を示す）の構造を示しており、図２に示す構造の超伝導線材に対応している。図３（ａ）に示すように、タイプＩｓでは、基材１１として１００μｍのハステロイを、超伝導体層１３として希土類系の超伝導体（ＲＥＢＣＯ）を用いている。タイプＩｓの線幅は４ｍｍとした。
図３（ｂ）は、タイプＩＩｓ（比較例）の構造を示しており、図１に示した構造から銅層１１０、１１５と銀層１１４とを取り除いた構造である。図３（ｂ）に示すように、タイプＩＩｓでは、基材１１１として５０μｍのハステロイを、超伝導体層１１３として希土類系の超伝導体（ＲＥＢＣＯ）を用いている。タイプＩＩｓの線幅は４ｍｍとした。
図３（ｃ）は、タイプＩＩＩｓ（比較例）の構造を示しており、タイプＩＩｓの構造に銅層１１０、１１５を追加した構造である。図３（ｃ）に示すように、タイプＩＩＩｓでは、銅層１１０として２０μｍの銅層を、基材１１１として５０μｍのハステロイを、超伝導体層１１３として希土類系の超伝導体（ＲＥＢＣＯ）を、銅層１１５として２０μｍの銅層を用いている。タイプＩＩＩｓの線幅は４ｍｍとした。
図３（ｄ）は、タイプＩＶｓ（比較例）の構造を示している。タイプＩＶｓは、厚さ０．１ｍｍ、線幅４ｍｍの銅線１１８である。
図４は、図３に示した超伝導線材のシミュレーション結果を示すグラフである。図４に示すシミュレーション結果は、図３のタイプＩｓ～ＩＶｓに示した構造の線材を用いてコイル２０（スパイラルコイル。共振周波数１０ＭＨｚ）を設計した際のコイルのＱ値のシミュレーション結果を示している。コイル２０の直径は２４ｃｍ、配線ギャップは４．５ｍｍとした。シミュレーションには、３次元電磁界シミュレータ（CST Studio Suite）を用いた。
誘電体基板上に形成されたＲＥＢＣＯ（ＹＢＣＯ）膜の８．５ＭＨｚにおける導電率は、９．０×１０１１（Ｓ／ｍ）である。ＲＥＢＣＯ線材のモデルが存在しないので、シミュレーションを行う際、超伝導線材のＲＥＢＣＯ層の導電率として、この値９．０×１０１１（Ｓ／ｍ）を用いた。また、銅の３００Ｋ（室温）および７７Ｋ（液体窒素温度）における導電率をそれぞれ、５．８×１０７、５．０×１０８（Ｓ／ｍ）とした。また、ハステロイの７７Ｋにおける導電率を８．３×１０５（Ｓ／ｍ）とした。Ｑ値は、Ｑ＝ｆ０／Δｆを用いて求めた。ここで、Δｆは、－３ｄＢのレベルでシミュレーションした際のＳ２１カーブのバンド幅である。
図４に示すように、シミュレーションの結果、タイプＩｓのＱ値は４５２８９、タイプＩＩｓのＱ値は１５０６、タイプＩＩＩｓのＱ値は２９０５、タイプＩＶｓの３００ＫにおけるＱ値は１１４１、タイプＩＶｓの７７ＫにおけるＱ値は３１６３であった。よって、本願発明の構造であるタイプＩｓのＱ値が最も高い値となり、他の構造と比べてＱ値が飛躍的に改善した。この結果から、図２に示した構造のように、超伝導線材の表面に超伝導体層１３を配置することで、高周波電流を超伝導体層１３に優先的に流すことができ、導体損失の原因であった基材１１（ハステロイ）の影響を最小限に抑えることができるといえる。よって、図２に示した構造の超伝導線材では、高いＱ値を実現することができる。
また、タイプＩＩｓのＱ値（１５０６）とタイプＩＶｓの３００ＫにおけるＱ値（１１４１）とを比較すると、タイプＩＩｓは超伝導体層を備えるにもかかわらず、Ｑ値の値がタイプＩＶｓの３００ＫにおけるＱ値よりも若干高くなる程度にとどまった。この理由は、タイプＩＩｓの構造では、基材１１１であるハステロイが導体損失に大きく影響したからであると考えられる。
また、タイプＩＩＩｓのＱ値（２９０５）とタイプＩＶｓの７７ＫにおけるＱ値（３１６３）とを比較すると、タイプＩＩＩｓは超伝導体層を備えるにもかかわらず、Ｑ値の値がタイプＩＶｓの７７ＫにおけるＱ値よりも低い値となった。この理由は、１０ＭＨｚにおける銅層の表皮深さは約２１μｍであり、この値はタイプＩＩＩｓの銅層１１５の厚さ（２０μｍ）とほぼ同一であったからであると考えられる。つまり、タイプＩＩＩｓでは高周波電流のほとんどが銅層１１５を流れたと考えられる。更に、タイプＩＩＩｓでは、基材１１１であるハステロイも導体損失に影響したと考えられる。
＜本願発明の超伝導線材のシミュレーション結果（支持体あり）＞
また、超伝導線材を用いてコイルを作製する際、コイルの形状を保つために支持体に超伝導線材を埋め込む場合がある。図５は、図３に示した超伝導線材２０を支持体２１に埋め込んだ場合のシミュレーション結果を示している。図５では、支持体２１として発泡スチロール（誘電体損失：０．０００２）を用いた場合のシミュレーション結果を示している。
図５に示すように、支持体２１を用いた場合は、支持体２１を用いない場合（図４参照）と比べて、全てのコイルにおいてＱ値が減少した。よって、コイルのＱ値は、支持体２１の誘電体損失によって減少するといえる。ここで、コイルのＱ値は以下の式で表すことができる。
１／Ｑ＝１／Ｑｄ＋１／Ｑｃ ・・・式１
ここで、Ｑｄは誘電体の誘電体損失に起因するＱ値であり、Ｑｃは超伝導線材の導体損失に起因するＱ値である。式１より、導体損失Ｑｃに比べて誘電体損失Ｑｄが大きいと、誘電体損失Ｑｄが支配的になるため、図５に示すシミュレーション結果ではＱ値が大幅に減少している。
＜本願発明の超伝導線材の作製と測定結果＞
上記のシミュレーション結果を検証するために、図６に示す構造の超伝導線材を作製した。図６は、実際に作製した超伝導線材の構造を示す斜視図である。
図６（ａ）は、タイプＩｍ（ｍは測定（measured）を示す）の構造を示しており、図３（ａ）のタイプＩｓの構造に対応している。図６（ａ）に示すように、タイプＩｍでは、基材１１として５０μｍのハステロイを、超伝導体層１３として１μｍのＹＢＣＯを、導電性保護層１４として２μｍの銀層を用いている。超伝導材料は水分や湿気に弱いため、超伝導体層１３の上には導電性保護層１４が形成されている。基材１１と超伝導体層１３との間には中間層１２が形成されている。図６（ａ）に示すタイプＩｍは、基材１１の上に中間層１２、超伝導体層１３、及び導電性保護層１４を形成した線材を２つ作製し、これら２つの線材を互いに逆向きにして基材１１（ハステロイ）同士を貼り合わせることで形成した。タイプＩｍの線幅は４ｍｍとした。
図６（ｂ）は、タイプＩＩｍ（比較例）の構造を示しており、図３（ｂ）のタイプＩＩｓの構造に対応している。図６（ｂ）に示すように、タイプＩＩｍでは、基材１１１として５０μｍのハステロイを、超伝導体層１１３として１μｍのＹＢＣＯを、導電性保護層１１４として２μｍの銀層を用いている。基材１１と超伝導体層１３との間には中間層１２が形成されている。タイプＩＩｍの線幅は４ｍｍとした。
図６（ｃ）は、タイプＩＩＩｍ（比較例）の構造を示しており、図３（ｃ）のタイプＩＩＩｓの構造に対応している。図６（ｃ）に示すように、タイプＩＩＩｍでは、銅層１１０として２０μｍの銅層を、基材１１１として５０μｍのハステロイを、超伝導体層１１３として１μｍのＹＢＣＯを、銀層１１４として２μｍの銀層を、銅層１１５として２０μｍの銅層を用いている。タイプＩＩＩｍの線幅は４ｍｍとした。
図６（ｄ）は、タイプＩＶｍ（比較例）の構造を示しており、図３（ｃ）のタイプＩＶｓの構造に対応している。タイプＩＶｍは、厚さ０．１ｍｍ、線幅４ｍｍの銅線１１８である。
図７は、図６に示した超伝導線材の測定条件を説明するための図である。図７に示すように、タイプＩｍ～ＩＶｍに示した構造の線材を用いてコイル２０を形成し、このコイル２０を支持体２１に埋め込んでいる。このとき形成したコイル２０の直径は２４ｃｍ、配線ギャップは４．５ｍｍ、コイルの長さは１０ｍ、共振周波数は１０ＭＨｚとした。コイル２０の両側には各々、入力側ループコイル２３および出力側ループコイル２４が設けられている。各々のループコイル２３、２４は、測定装置２５に接続されている。測定装置２５には、ネットワーク・アナライザ（Ｅ５０７１Ｂ：アジレントテクノロジー社製）を用い、入力パワーを０ｄＢｍ（１ｍＷ）とし、入出力抵抗は５０Ωとした。Ｑ値の測定結果を図８に示す。
図８に示す測定結果では、タイプＩｍのＱ値は３０８０、タイプＩＩｍのＱ値は７７８、タイプＩＩＩｍのＱ値は１８９１、タイプＩＶｍの３００ＫにおけるＱ値は９５６、タイプＩＶｍの７７ＫにおけるＱ値は２１９０であった。よって、実際に作製した超伝導線材においても、本願発明の構造であるタイプＩｍのＱ値が最も高い値となった。したがって、図５に示したシミュレーション結果は、実際に作製した超伝導線材の測定結果を反映していることが検証できた。
また、タイプＩＩＩｍとタイプＩＶｍのＱ値に着目すると、これらの値は図５に示したシミュレーションで求めたＱ値と近い値となった。一方、タイプＩｍのＱ値に着目すると、タイプＩｍのＱ値（測定値）は３０８０であり、図５に示したタイプＩｓのシミュレーションで求めたＱ値（７０８８）と比べると低い値となった。この理由は、図６に示したタイプＩｍでは超伝導体層１３の表面に導電性保護層（銀層）１４を形成しており、高周波電流がこの導電性保護層（銀層）１４を流れて導体損失が生じたからと考えられる。つまり、１０ＭＨｚにおける表皮深さは約２１μｍであるので、導電性保護層（銀層）１４の厚さ２μｍは、表皮深さの約１０％に相当する。よって、高周波電流の一部が導電性保護層（銀層）１４を流れたため、シミュレーション結果よりもＱ値の値が低くなったと考えられる。
＜導電性保護層の厚さの検討＞
上記で説明した検討結果から、本願発明において好ましい超伝導線材の構造は図９に示す構造である。図９に示す超伝導線材は、基材１１と、基材１１の両面の各々に形成された超伝導体層１３と、各々の超伝導体層１３の表面に形成された導電性保護層１４と、を備える。基材１１と超伝導体層１３との間には、必要に応じて中間層１２が形成される。
図９に示す超伝導線材は希土類系超伝導線材であり、超伝導体層１３には、希土類系の超伝導体、具体的にはＹＢＣＯ系の超伝導体が用いられている。希土類系の超伝導体は、ペロブスカイト型構造を基礎とした結晶構造を備えており、超伝導体の電気的特性は、超伝導体の結晶方位の配向度に依存する。例えば、基材１１に無配向の金属基材を用いた場合は、このような無配向の金属基材上に超伝導体層１３をエピタキシャル成長させるために、中間層１２が必要となる。例えば、中間層１１２は、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣｅＯ２を順番に積層した４層構造とすることができる。
また、例えば、基材１１にはハステロイを用いることができる。ハステロイは、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｍｏ合金（非磁性）であり、柔軟性と機械的強度を備えた材料である。超伝導体はそれ自体は脆いため、超伝導線材を形成するためには、ある程度の柔軟性と機械的強度を備える基材の上に超伝導体層１３を形成する必要がある。
超伝導体層１３の表面には、保護層として導電性保護層１４が形成されている。導電性保護層１４は、超伝導体層１３を水分や湿気から保護するための層である。
本発明にかかる超伝導線材では、基材１１の両面に超伝導体層１３を配置している。上述したように、超伝導線材を高周波帯で使用した場合は、表皮効果によって超伝導線材の表面に高周波電流が流れるが、本発明にかかる超伝導線材では、基材１１の両面に超伝導体層１３を配置しているので、高周波電流を超伝導体層１３に優先的に流すことができる。よって、導体損失の原因であった基材１１（ハステロイ）の影響を最小限に抑えることができるので、高いＱ値を実現することができる。
図３、図４に示したシミュレーション結果のように、表皮効果を考慮すると、超伝導体層１３の表面には何も設けない構成とすることが好ましいが、超伝導体材料は水分や湿気に弱いため、実際に超伝導線材を作製する際は超伝導体層１３の表面に保護層を形成する必要がある。しかしながら、図６、図８に示した検討結果のように、超伝導体層１３の表面に形成する導電性保護層の厚さによっては、コイル（超伝導線材を用いて形成したコイル）のＱ値が悪化する場合もある。
本願発明者は、図９に示す導電性保護層１４の厚さについて詳細に検討した。図１０は、表皮深さに対する導電性保護層（銀層）１４の厚さの割合とＱ値との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。なお、図１０に示すシミュレーション結果は、シミュレーションの計算を簡略化するために、超伝導を仮定した導体（ハステロイを除いたもの）の両面に銀層１４を設け、この銀層１４の厚さを変更した場合のシミュレーション結果を示している。
図１０に示すシミュレーション結果では、表皮深さに対する導電性保護層（銀層）１４の厚さの割合が小さくなるほど、つまり、導電性保護層（銀層）１４が薄くなるほど、コイルのＱ値が高くなった。特に、表皮深さに対する導電性保護層（銀層）１４の厚さの割合が１０％以下になると、Ｑ値が急激に改善する（増加する）ことがわかった。本発明では、導電性保護層１４の各々の厚さは、超伝導線材に高周波電流を流した際の表皮深さの５％以下とすることが好ましい。特に、１００００以上のＱ値を得るためには、導電性保護層１４の各々の厚さを表皮深さの３％以下とすることが好ましい。
一方で、導電性保護層１４の厚さを薄くし過ぎると、導電性保護層１４の保護層としての機能が低下する。よって、導電性保護層１４の厚さは、超伝導体層１３を保護することができる厚さ以上の厚さとする必要がある。例えば、導電性保護層１４の厚さは、０．１μｍ以上とすることが好ましい。なお、導電性保護層１４の材料に金を用いた場合は、金を薄く蒸着することができるので、例えば導電性保護層１４の膜厚を０．０１μｍ程度とすることができる。
ここで、表皮深さｄは、電流が表面電流の１／ｅ（約０．３７）になる深さであり、次の式２を用いて算出することができる。
ｄ＝｛２ρ／（ω・μ）｝１／２ ・・・式２
ここで、ρは導体の電気抵抗率、ωは電流の角周波数（＝２π×周波数）、μは導体の絶対透磁率である。式２に示すように、導体に流れる電流の周波数が高くなるほど表皮深さｄが小さくなる。逆に、導体に流れる電流の周波数が低くなるほど表皮深さｄが大きくなる。また、導体の電気抵抗率が小さくなるほど、表皮深さｄが小さくなる。逆に、導体の電気抵抗率が大きくなるほど、表皮深さｄが大きくなる。
このように、導体に高周波電流を流した際の表皮深さは、導体に流す電流の周波数や導体の電気抵抗率に依存する。一例を挙げると、図６のタイプＩｍの構造の１０ＭＨｚにおける表皮深さは約２０μｍである。この表皮深さの値は保護膜である銀の物性値を用いて近似した値である。なお、銅の１０ＭＨｚにおける表皮深さは２０μｍであり、銀と銅とでは、表皮深さの値は近い値となる。
この場合、導電性保護層（銀層）１４の厚さを表皮深さの５％以下、つまり１μｍ以下にすることで、超伝導線材のＱ値を高くすることができる。また、導電性保護層（銀層）１４の厚さを表皮深さの３％以下、つまり０．６μｍ以下にすることで、超伝導線材のＱ値を更に高くすることができる。
なお、本発明において導電性保護層１４を構成する材料は銀に限定されることはなく、超伝導線材のＱ値を高くすることができる導電性材料（つまり適切な厚さを備える導電性材料で、かつ導電率が高い材料）であれば、どのような材料を用いてもよい。例えば、導電性保護層１４に金を用いてもよい。
＜絶縁体保護層の検討＞
また、本発明では、超伝導体層１３を保護する保護層として、導電性保護層の代わりに絶縁体保護層を用いてもよい。図１１は、超伝導線材の構造を示す断面図であり、保護層に誘電体材料を用いた構造を示している。図１１に示す超伝導線材は、基材１１と、基材１１の両面の各々に形成された超伝導体層１３と、各々の超伝導体層１３の表面に形成された誘電体保護層１６と、を備える。基材１１と超伝導体層１３との間には、必要に応じて中間層１２が形成される。なお、図１１に示す超伝導線材において、基材１１、中間層１２、及び超伝導体層１３は、図９に示した超伝導線材の基材１１、中間層１２、及び超伝導体層１３と同様であるので重複した説明は省略する。
超伝導体層１３の表面には、保護層として誘電体保護層１６が形成されている。誘電体保護層１６は、超伝導体層１３を水分や湿気から保護するための層である。
図３、図４に示したシミュレーション結果のように、誘電体損失を考慮すると、超伝導体層１３の表面には何も設けない構成とすることが好ましいが、超伝導体材料は水分や湿気に弱いため、実際に超伝導線材を作製する際は超伝導体層１３の表面に保護層を形成する必要がある。しかしながら、超伝導体層１３の表面に形成する誘電体保護層によっては、超伝導線材のＱ値が悪化する場合もある。
本願発明者は、図１１に示す誘電体保護層１６について詳細に検討した。図１２Ａは、誘電体保護層１６の誘電正接（ｔａｎδ）とＱ値との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１２Ａに示すシミュレーションでは、誘電体保護層１６の厚さを０．０５ｍｍとした。なお、以下で説明する図１２Ａ～図１２Ｃに示すシミュレーション結果は、シミュレーションの計算を簡略化するために、超伝導を仮定した導体（ハステロイを除いたもの）の両面に誘電体保護層１６を設け、この誘電体保護層１６の厚さを変更した場合のシミュレーション結果を示している。
図１２Ａに示すシミュレーション結果では、誘電体保護層１６のｔａｎδが０．００１以下の場合に、超伝導線材のＱ値が高くなった。また、誘電体保護層１６のｔａｎδが０．００１以下のときに、超伝導線材のＱ値が高い値で飽和した。逆に、誘電体保護層１６のｔａｎδが０．００１よりも大きくなると、超伝導線材のＱ値が劣化した。
図１２Ｂは、誘電体保護層１６の厚さとＱ値との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１２Ｂに示すシミュレーションでは、誘電体保護層１６のｔａｎδを０．０００１とした。
図１２Ｂに示すシミュレーション結果では、誘電体保護層１６の厚さが０．５ｍｍよりも薄いときに超伝導線材のＱ値が高くなった。また、誘電体保護層１６の厚さが０．５ｍｍ以下のときに超伝導線材のＱ値が高い値で飽和した。逆に、誘電体保護層１６の厚さが０．５ｍｍよりも厚くなると、超伝導線材のＱ値が劣化した。
図１２Ａに示すように、誘電体保護層１６のｔａｎδの値が小さいほど、超伝導線材のＱ値が高くなる。また、図１２Ｂに示すように、誘電体保護層１６の厚さが薄くなるほど、超伝導線材のＱ値が高くなる。よって、図１２Ａに示すシミュレーション結果を考慮すると、誘電体保護層１６は、ｔａｎδの値が０．００１以下の材料を用いて構成することが好ましい。特に、誘電体保護層１６は、ｔａｎδの値が０．００１以下で、且つ厚さが０．０５ｍｍ以下の材料を用いて構成することがより好ましい。
また、図１２Ｂに示すシミュレーション結果を考慮すると、誘電体保護層１６は、ｔａｎδの値が０．０００１以下で、且つ厚さが０．５ｍｍ以下の材料を用いて構成することが好ましい。
一方で、誘電体保護層１６の厚さを薄くし過ぎると、誘電体保護層１６の保護層としての機能が低下する。よって、誘電体保護層１６の厚さは、超伝導体層１３を保護することができる厚さ以上の厚さとする必要がある。
例えば、誘電体保護層１６は、ポリスチレン、又はポリイミドを用いて構成することができる。ここで、ポリスチレンのｔａｎδは０．０００１であり、図１２Ｂに示すシミュレーション結果は、誘電体保護層１６にポリスチレンを用いた場合を想定したシミュレーション結果である。図１２Ｂに示すシミュレーション結果から、ポリスチレンの厚さは０．５ｍｍ以下とすることが好ましい。
図１２Ｃは、誘電体保護層１６にポリイミド、及びサファイア（Ａｌ２Ｏ３）を用いた場合の、誘電体保護層１６の厚さとＱ値との関係を示すシミュレーション結果である。図１２Ｃに示すシミュレーションでは、７７Ｋにおけるポリイミドのｔａｎδを０．０００３としている。また、３００Ｋにおけるポリイミドのｔａｎδを０．００１としている。更に、７７Ｋにおけるサファイアのｔａｎδを５．０×１０－７としている。
ここで、３００Ｋにおけるポリイミドのｔａｎδは０．００１であり、この結果は図１２Ａのシミュレーション結果に対応している。よって、この場合は誘電体保護層１６の厚さを０．０５ｍｍ以下とすることが好ましい。
また、７７Ｋにおけるポリイミドのｔａｎδは０．０００３であり、この値は３００Ｋにおけるポリイミドのｔａｎδよりも小さい値である。よって、Ｑ値の目標値を２２０００に設定した場合、誘電体保護層１６の厚さを０．４ｍｍ以下とすることが好ましい。
また、７７Ｋにおけるサファイアのｔａｎδは５．０×１０－７であり、この値はポリアミドやポリイミドのｔａｎδと比べると非常に小さい値である。このため、図１２Ｃに示すシミュレーション結果では、膜厚２ｍｍの場合であっても、高いＱ値を示した。なお、実際にサファイアを成膜する際は、スパッタ装置等の真空蒸着装置を用いるのが一般的であり、実際にはサファイア膜の膜厚は数十ｎｍ～数μｍ程度となる。
また、サファイア以外の材料として、例えば酸化マグネシウムや酸化セリウムを用いて誘電体保護層１６を構成してもよい。例えば、７７Ｋにおける酸化マグネシウムのｔａｎδは５．０×１０－５である。
なお、本発明において誘電体保護層１６はこれらの材料に限定されることはなく、超伝導線材のＱ値を高くすることができる材料（つまり適切なｔａｎδと厚さを備える材料）であれば、どのような材料を用いてもよい。
＜ハステロイのサイズの検討＞
本発明では、超伝導線材の基材としてハステロイを用いている。ハステロイはＮｉ－Ｃｒ－Ｍｏ合金（非磁性）であり、柔軟性と機械的強度を備えている。よって、超伝導線材の基材に好適に用いられる。しかしながら、ハステロイは銅の７０倍の抵抗をもつ材料であり、ハステロイのサイズを適切なサイズにしないと、超伝導線材のＱ値が劣化する場合がある。
本願発明者は、超伝導線材の基材に用いられるハステロイの適切なサイズを検討するために、以下に示すシミュレーションを行った。
図１３は、シミュレーションを実施した超伝導線材の構造を示す斜視図である。本願発明者は、図１３に示すような基材（ハステロイ）１１の両面に超伝導体層（ＲＥＢＣＯ）１３を備える構造の超伝導線材についてシミュレーションを実施した。
図１４Ａは、ハステロイの厚さｔとＱ値との関係を示すグラフ（シミュレーション結果）である。なお、図１３に示す構造は図３のタイプＩｓの構造に対応しており、図１４Ａのシミュレーションの条件は、ハステロイのサイズを変更した点以外、図３のタイプＩｓに対するシミュレーションの条件と同様である。
図１４Ａのシミュレーション結果に示すように、超伝導線材のＱ値は、ハステロイの厚さｔが薄くなるほど高くなる。換言すると、超伝導線材のＱ値は、ハステロイの厚さｔが増加するほど低くなる。これは、ハステロイが厚くなると超伝導線材の損失が増加するためであると考えられる。
例えば、図１４Ａに示すシミュレーション結果において、超伝導線材（コイル）のＱ値を２５０００以上にするためには、ハステロイの厚さは６００μｍ以下とする必要がある。一方、ハステロイの厚さｔが小さすぎると、ハステロイの強度が低下する。この点を考慮すると、本発明においてハステロイの適切な厚さは、１００μｍ～６００μｍであることが好ましく、１００μｍ～２００μｍであることがより好ましい。
また、本願発明者は、ハステロイ１１の幅ｗについても検討した。図１４Ｂは、ハステロイの幅ｗとＱ値との関係を示すグラフである。図１４Ｂに示すシミュレーション結果では、ハステロイの厚さｔが１００μｍ、２００μｍ、８００μｍの場合の結果を示している。なお、図１４Ｂのシミュレーションの条件は、ハステロイのサイズを変更した点以外、図３のタイプＩｓに対するシミュレーションの条件と同様である。
図１４Ｂのシミュレーション結果に示すように、全ての厚さのハステロイにおいて、ハステロイの幅ｗが４ｍｍ以上の場合に、超伝導線材（コイル）のＱ値が高い値となった。よって、ハステロイを用いて超伝導線材を構成する場合は、ハステロイの幅ｗを４ｍｍ以上とすることが好ましい。
＜支持体の形状の検討＞
超伝導線材を用いてコイルを作製する際、コイルの形状を保つために支持体に超伝導線材を埋め込む場合がある。しかしながら、図５のシミュレーション結果で示したように、超伝導線材を支持体に埋め込むと、コイルのＱ値が支持体の誘電体損失によって減少する。支持体の誘電体損失の影響を低減させるためには、支持体の量（体積）を減少させることが重要である。本願発明者は、支持体の誘電体損失を低減させるための形状について検討した。
図１５Ａは、コイル３１と、当該コイル３１を支持する支持体３２と、を備えるコイルユニット３０の構成例を示す図である。図１５Ａに示すコイルユニット３０では、上記で説明した超伝導線材をスパイラル状に巻いたコイル３１を用いている。また、図１５Ａに示す支持体３２は、誘電体材料を用いて構成されている。例えば、誘電体材料には加工がしやすい発泡スチロールを用いることができる。支持体３２は、コイル３１の中心から外側に伸びる複数の支持部を備える。
図１５Ａに示すコイルユニット３０では、支持体３２は、コイル３１の中心において互いに交わる４本の支持部３４_１～３４_４を備える。この構成では、支持体３２は、コイル３１を８箇所（つまり、各々の支持部３４_１～３４_４において２箇所ずつ）で支持している。よって、図５に示した場合と比べて、コイル３１と支持体３２とが接する箇所を少なくすることができるので、支持体３２の誘電体損失を小さくすることができる。
なお、図１５Ａに示した構成において、支持体３２の強度を維持することができるのであれば、横方向に伸びる支持部３４_１および縦方向に伸びる支持部３４_２を省略してもよい。つまり、斜め方向に伸びる２本の支持部３４_３、３４_４を用いてコイル３１を支持するように構成してもよい。この場合は、コイル３１と支持体３２とが接する箇所を更に少なくすることができるので、支持体３２の誘電体損失を小さくすることができる。また、図１５Ａに示す支持体３２は、サファイアを用いて構成してもよい。
図１５Ｂは、コイル３６と、当該コイル３６を支持する支持体３７と、を備えるコイルユニット３５の他の構成例を示す図である。図１５Ｂに示すコイルユニット３５では、支持体３７の外周にコイル３６を捲回している。コイル３６には上記で説明した超伝導線材を用いている。また、支持体３７には、誘電体材料、特に好ましくはサファイアを用いることができる。例えば、発泡スチロール（ポリスチレン）の誘電体損失は、０．０００２であるのに対して、サファイアの誘電体損失は５．０×１０－７と非常に低い。このため、サファイアを用いて支持体３７を構成することで、支持体３７の誘電体損失の影響を低減させることができ、コイル３６のＱ値が支持体３７の誘電体損失によって減少することを抑制することができる。
本願発明者は、支持体３７に発泡スチロールとサファイアをそれぞれ用いた場合のコイル３６のＱ値についてシミュレーションを行った。このとき、支持体３７の厚さは１０ｍｍとした。また、発泡スチロールとサファイアの誘電体損失には上記の値を用いた。シミュレーションの結果、支持体３７に発泡スチロールを用いた場合のコイル３６のＱ値は１０６６７であった。これに対して、支持体３７にサファイアを用いた場合のコイル３６のＱ値は５７８９０であった。これらのシミュレーション結果から、支持体３７にサファイアを用いた場合は、支持体３７に発泡スチロールを用いた場合よりもコイル３６のＱ値が大幅に高い値となった。
また、支持体３７を設けない場合のコイル３６のＱ値、つまりコイル３６のみのＱ値は５７９１９であった。よって、支持体３７にサファイアを用いた場合のコイル３６のＱ値（５７８９０）は、コイルのみのＱ値（５７９１９）に非常に近い値となり、支持体３７にサファイアを用いた場合は、支持体３７に起因する誘電体損失をほぼ無視できることがわかった。
なお、図１５Ａ、図１５Ｂに示した支持体３０の構成例は一例であり、本発明において支持体の形状はこれ以外の形状としてもよい。例えば、図１５Ｂに示したコイルユニット３５では、支持体３７の断面形状を矩形状としたが、支持体３７の断面形状は円形状であってもよい。この場合は、支持体３７の形状を円筒形状とすることができる。また、サファイアを用いて支持体３７を構成する場合は、例えば複数の棒状のサファイアを用いて構成してもよい。つまり、大きなサイズのサファイアを形成することは困難であるため、比較的小さいサイズの棒状のサファイアを複数形成し、これらを支持体３７の形状となるように配置することで支持体３７を構成してもよい。
以上で説明した構成の超伝導線材、及びコイルユニットを用いることで、高周波帯で使用した場合であっても高いＱ値を実現することができる。
＜超伝導線材の具体的な構成例＞
次に、超伝導線材の具体的な構成例について説明する。
図１６Ａ～図１６Ｄは、本実施の形態にかかる超伝導線材の具体的な構成例を示す断面図（超伝導線材の長手方向と垂直な平面で切断した断面図）である。まず、図１６Ａに示す構成例について説明する。
図１６Ａに示す超伝導線材４０_１は、線材４１ａと線材４１ｂとを備える。線材４１ａは、基材１１ａと、基材１１ａの表面に形成された超伝導体層１３ａと、超伝導体層１３ａの表面に形成された保護層１４ａと、を備える。基材１１ａと超伝導体層１３ａとの間には、必要に応じて中間層（図９の中間層１２参照）を形成してもよい。また、線材４１ｂは、基材１１ｂと、基材１１ｂの表面に形成された超伝導体層１３ｂと、超伝導体層１３ｂの表面に形成された保護層１４ｂと、を備える。基材１１ｂと超伝導体層１３ｂとの間には、必要に応じて中間層（図９の中間層１２参照）を形成してもよい。
図１６Ａに示す超伝導線材４０_１では、線材４１ａの超伝導体層１３ａと線材４１ｂの超伝導体層１３ｂとが互いに外向きになるように線材４１ａと線材４１ｂとを配置している。具体的には、線材４１ａと線材４１ｂとを形成し、これら２つの線材を互いに逆向きにして基材１１ａと基材１１ｂとを導電性接着剤４４を用いて貼り合わせている。
超伝導線材４０_１を構成する材料には、上述した材料を用いることができる。つまり、基材１１ａ、１１ｂには、例えばハステロイを用いることができる。また、超伝導体層１３ａ、１３ｂには、希土類系の超伝導体を用いることができる。また、例えば、保護層１４ｂには、導電性保護層（銀層）や誘電体保護層を用いることができる。
図１６Ａに示す超伝導線材４０_１では、線材４１ａと線材４１ｂとを形成し、これら２つの線材を互いに逆向きにして貼り合わせることで超伝導線材を形成しているので、超伝導線材を容易に形成することができる。すなわち、基材の両面に超伝導体層を形成するには特殊な成膜装置が必要となり、製造設備が煩雑になる。これに対して、図１６Ａに示す超伝導線材４０_１では、各々の基材４１ａ、４１ｂの片面に超伝導体層１３ａ、１３ｂを形成し、これら２つの線材を互いに逆向きにして基材４１ａと基材４１ｂとを貼り合わせることで超伝導線材を形成している。このように、図１６Ａに示す超伝導線材４０_１では、各々の基材４１ａ、４１ｂの片面に超伝導体層１３ａ、１３ｂを形成しているので、一般的な成膜装置を用いて超伝導体層１３ａ、１３ｂを形成することができる。よって、超伝導線材を容易に形成することができる。
次に、図１６Ｂに示す超伝導線材４０_２について説明する。図１６Ｂに示す超伝導線材４０_２は、図１６Ａに示した超伝導線材４０_１の周囲に更に誘電体テープ４５を設けている。つまり、図１６Ｂに示す超伝導線材４０_２では、超伝導線材の周囲を取り囲むように誘電体テープ４５を貼付することで、線材４１ａと線材４１ｂとを固定している。よって、線材４１ａと線材４１ｂとを導電性接着剤４４を用いて貼り合わせると共に、誘電体テープ４５を用いて線材４１ａと線材４１ｂとを固定しているので、２つの線材同士を強固に固定することができる。
誘電体テープ４５には、例えばポリイミドを含む誘電体テープを用いることができる。誘電体テープ４５を用いる場合は、超伝導線材４０_２の導体損失が増加しないように、適切な誘電体損失と厚さを備える誘電体テープを用いる必要がある。なお、線材４１ａと線材４１ｂとを構成する材料については、図１６Ａに示した材料と同様である。
次に、図１６Ｃに示す超伝導線材４０_３について説明する。図１６Ｃに示す超伝導線材４０_３は、図１６Ｂに示した超伝導線材４０_２の構成において、導電性接着剤４４を省略した構成を示している。これ以外の構成については、図１６Ｂに示した超伝導線材４０_２の構成と同様である。
図１６Ｃに示す超伝導線材４０_３では、超伝導線材の周囲を取り囲むように誘電体テープ４５を貼付することで、線材４１ａと線材４１ｂとを固定している。よって、導電性接着剤の使用を省略することができるので、超伝導線材の構成を簡略化することができる。
次に、図１６Ｄに示す超伝導線材４０_４について説明する。図１６Ｄに示す超伝導線材４０_４は、図１６Ｃに示した超伝導線材４０_３の構成において、保護層１４ａ、１４ｂを省略した構成を示している。これ以外の構成については、図１６Ｃに示した超伝導線材４０_３の構成と同様である。
図１６Ｄに示す超伝導線材４０_４においても、超伝導線材の周囲を取り囲むように誘電体テープ４５を貼付することで、線材４１ａと線材４１ｂとを固定している。ここで、超伝導線材に誘電体テープ４５を貼付する際に、誘電体テープ４５を用いて超伝導線材を隙間なくコーティングできる場合は、超伝導体層１３ａ、１３ｂを外部の水分や湿気から保護することができる。よって、この場合は、保護層１４ａ、１４ｂ（図１６Ｃ参照）を省略することができるので、超伝導線材の構成を簡略化することができる。なお、同様の理由から、図１６Ｂの構成において、保護層１４ａ、１４ｂを省略してもよい。
＜超伝導線材の具体的な構成例（芯材を備える構成例１）＞
超伝導線材を用いてコイルを作製する際、コイルの形状を保つために支持体に超伝導線材を埋め込む場合がある。しかしながら、図５のシミュレーション結果で示したように、超伝導線材を支持体に埋め込むと、コイルのＱ値が支持体の誘電体損失によって減少する。本願発明者は、支持体を用いなくてもコイルの形状を保つことができる超伝導線材の構成について検討した。
図１７Ａ～図１７Ｄは、本実施の形態にかかる超伝導線材の具体的な構成例を示す断面図（超伝導線材の長手方向と垂直な平面で切断した断面図）である。まず、図１７Ａに示す構成例について説明する。
図１７Ａに示す超伝導線材５０_１は、線材５１ａと線材５１ｂとを備える。線材５１ａは、基材１１ａと、基材１１ａの表面に形成された超伝導体層１３ａと、超伝導体層１３ａの表面に形成された保護層１４ａと、を備える。基材１１ａと超伝導体層１３ａとの間には、必要に応じて中間層（図９の中間層１２参照）を形成してもよい。また、線材５１ｂは、基材１１ｂと、基材１１ｂの表面に形成された超伝導体層１３ｂと、超伝導体層１３ｂの表面に形成された保護層１４ｂと、を備える。基材１１ｂと超伝導体層１３ｂとの間には、必要に応じて中間層（図９の中間層１２参照）を形成してもよい。
図１７Ａに示す超伝導線材５０_１では、線材５１ａの超伝導体層１３ａと線材５１ｂの超伝導体層１３ｂとが互いに外向きになるように線材５１ａと線材５１ｂとを配置している。また、線材５１ａと線材５１ｂとの間には、芯材５２が配置されている。具体的には、線材５１ａの基材１１ａは、芯材５２の一方の面において芯材５２と導電性接着剤５４ａを用いて接合されている。また、線材５１ｂの基材１１ｂは、芯材５２の他方の面において芯材５２と導電性接着剤５４ｂを用いて接合されている。
ここで、芯材５２は、超伝導線材５０_１を曲げた際に超伝導線材５０_１の形状を維持することが可能な導電性の材料である。また、芯材５２には、導電率が基材１１ａ、１１ｂの導電率よりも高い材料を用いている。一例を挙げると、基材１１ａ、１１ｂにはハステロイを用いることができ、芯材５２には銅を用いることができる。
例えば、図１６Ａに示した構成において、超伝導線材を曲げた際に超伝導線材の形状を維持できるようにするためには、基材１１ａ、１１ｂの厚さを厚くする必要がある。しかしながら、例えば基材１１ａ、１１ｂをハステロイを用いて構成した場合は、ハステロイの導体損失が大きいため、超伝導線材のＱ値が劣化する（図１４Ａ参照）。
この点を考慮し、図１７Ａに示す超伝導線材５０_１では、芯材５２を設けると共に、芯材５２として基材１１ａ、１１ｂよりも導電率の高い材料（例えば、銅）を用いている。よって、超伝導線材５０_１を曲げた際に超伝導線材５０_１の形状を自立して維持することができると共に、超伝導線材のＱ値が劣化することを抑制することができる。
次に、図１７Ｂに示す超伝導線材５０_２について説明する。図１７Ｂに示す超伝導線材５０_２は、図１７Ａに示した超伝導線材５０_１の周囲に更に誘電体テープ５５を設けている。つまり、図１７Ｂに示す超伝導線材５０_２では、超伝導線材の周囲を取り囲むように誘電体テープ５５を貼付することで、線材５１ａ、芯材５２、及び線材５１ｂを固定している。よって、線材５１ａ、芯材５２、及び線材５１ｂを導電性接着剤５４ａ、５４ｂを用いて貼り合わせると共に、誘電体テープ５５を用いて線材５１ａ、芯材５２、及び線材５１ｂを固定しているので、芯材５２と２つの線材５１ａ、５１ｂとを強固に固定することができる。
誘電体テープ５５には、例えばポリイミドを含む誘電体テープを用いることができる。誘電体テープ５５を用いる場合は、超伝導線材５０_２の導体損失が増加しないように、適切な誘電体損失と厚さを備える誘電体テープを用いる必要がある。なお、線材５１ａ、５１ｂ、及び芯材５２を構成する材料については、図１７Ａに示した材料と同様である。
次に、図１７Ｃに示す超伝導線材５０_３について説明する。図１７Ｃに示す超伝導線材５０_３は、図１７Ｂに示した超伝導線材５０_２の構成において、導電性接着剤５４ａ、５４ｂを省略した構成を示している。これ以外の構成については、図１７Ｂに示した超伝導線材５０_２の構成と同様である。
図１７Ｃに示す超伝導線材５０_３では、超伝導線材の周囲を取り囲むように誘電体テープ５５を貼付することで、線材５１ａ、芯材５２、及び線材５１ｂを固定している。よって、導電性接着剤の使用を省略することができるので、超伝導線材の構成を簡略化することができる。
次に、図１７Ｄに示す超伝導線材５０_４について説明する。図１７Ｄに示す超伝導線材５０_４は、図１７Ｃに示した超伝導線材５０_３の構成において、保護層１４ａ、１４ｂを省略した構成を示している。これ以外の構成については、図１７Ｃに示した超伝導線材５０_３の構成と同様である。
図１７Ｄに示す超伝導線材５０_４においても、超伝導線材の周囲を取り囲むように誘電体テープ５５を貼付することで、線材５１ａ、芯材５２、及び線材５１ｂを固定している。ここで、超伝導線材に誘電体テープ５５を貼付する際に、誘電体テープ５５を用いて超伝導線材を隙間なくコーティングできる場合は、超伝導体層１３ａ、１３ｂを外部の水分や湿気から保護することができる。よって、この場合は、保護層１４ａ、１４ｂ（図１７Ｃ参照）を省略することができるので、超伝導線材の構成を簡略化することができる。なお、同様の理由から、図１７Ｂの構成において、保護層１４ａ、１４ｂを省略してもよい。
＜超伝導線材の具体的な構成例（芯材を備える構成例２）＞
次に、芯材を備える超伝導線材の他の構成例について説明する。
図１８Ａ～図１８Ｄは、本実施の形態にかかる超伝導線材の具体的な構成例を示す断面図（超伝導線材の長手方向と垂直な平面で切断した断面図）である。まず、図１８Ａに示す構成例について説明する。
図１８Ａに示す超伝導線材６０_１は、線材６１ａと線材６１ｂとを備える。線材６１ａは、基材１１ａと、基材１１ａの表面に形成された超伝導体層１３ａと、超伝導体層１３ａの表面に形成された保護層１４ａと、を備える。基材１１ａと超伝導体層１３ａとの間には、必要に応じて中間層（図９の中間層１２参照）を形成してもよい。また、線材６１ｂは、基材１１ｂと、基材１１ｂの表面に形成された超伝導体層１３ｂと、超伝導体層１３ｂの表面に形成された保護層１４ｂと、を備える。基材１１ｂと超伝導体層１３ｂとの間には、必要に応じて中間層（図９の中間層１２参照）を形成してもよい。
図１８Ａに示す超伝導線材６０_１では、線材６１ａの超伝導体層１３ａと線材６１ｂの超伝導体層１３ｂとが互いに外向きになるように線材６１ａと線材６１ｂとを配置している。また、線材６１ａと線材６１ｂとの間には、芯材６２が配置されている。具体的には、線材６１ａの基材１１ａは、芯材６２の一方の面において芯材６２と導電性接着剤６４ａを用いて接合されている。また、線材６１ｂの基材１１ｂは、芯材６２の他方の面において芯材６２と導電性接着剤６４ｂを用いて接合されている。
図１８Ａに示す超伝導線材６０_１では、芯材６２は、形状維持材料６６と導電性材料６７とを用いて構成されている。ここで、形状維持材料６６は、超伝導線材６０_１を曲げた際に超伝導線材６０_１の形状を維持することが可能な材料である。形状維持材料６６は、導電性材料を用いて構成してもよく、また絶縁体を用いて構成してもよい。導電性材料６７は、形状維持材料６６の周囲に配置されており、導電率が高い材料（例えば、銅）を用いて構成されている。例えば、形状維持材料６６の周囲に配置する導電性材料６７の厚さは、表皮深さよりも厚くすることが好ましい。
図１８Ａに示す超伝導線材６０_１では、形状維持材料６６と導電性材料６７とを用いて芯材６２を構成している。よって、図１７Ａに示した超伝導線材５０_１と比べて、芯材の厚さを薄くすることができる。つまり、図１７Ａに示した超伝導線材５０_１のように、芯材５２を１つの材料（例えば、銅）を用いて構成した場合は、超伝導線材の形状を維持することができるようにするために、芯材５２をある程度厚くする必要があった。これに対して、図１８Ａに示す超伝導線材６０_１では、超伝導線材の形状を維持することに特化した形状維持材料６６と、導電性に特化した導電性材料６７とを用いて芯材６２を構成することができるので、芯材６２の厚さを、図１７Ａで用いた芯材５２の厚さよりも薄くすることができる。また、図１８Ａに示す超伝導線材６０_１においても、超伝導線材を曲げた際に超伝導線材の形状を自立して維持することができると共に、超伝導線材のＱ値が劣化することを抑制することができる。
図１９は、芯材６２の製造方法の一例を説明するための断面図である。芯材６２を製造する際は、例えば断面形状が円形の形状維持材料６６の周囲に導電性材料６７をコーティングして線材６８を作製する。その後、この線材６８の外周面を圧延ロールを用いて圧縮することで、断面形状が矩形状の芯材６２を形成することができる。
次に、図１８Ｂに示す超伝導線材６０_２について説明する。図１８Ｂに示す超伝導線材６０_２は、図１８Ａに示した超伝導線材６０_１の周囲に更に誘電体テープ６５を設けている。つまり、図１８Ｂに示す超伝導線材６０_２では、超伝導線材の周囲を取り囲むように誘電体テープ６５を貼付することで、線材６１ａ、芯材６２、及び線材６１ｂを固定している。よって、線材６１ａ、芯材６２、及び線材６１ｂを導電性接着剤６４ａ、６４ｂを用いて貼り合わせると共に、誘電体テープ６５を用いて線材６１ａ、芯材６２、及び線材６１ｂを固定しているので、芯材６２と２つの線材６１ａ、６１ｂとを強固に固定することができる。
誘電体テープ６５には、例えばポリイミドを含む誘電体テープを用いることができる。誘電体テープ６５を用いる場合は、超伝導線材６０_２の導体損失が増加しないように、適切な誘電体損失と厚さを備える誘電体テープを用いる必要がある。なお、線材６１ａ、６１ｂ、及び芯材６２を構成する材料については、図１８Ａに示した材料と同様である。
次に、図１８Ｃに示す超伝導線材６０_３について説明する。図１８Ｃに示す超伝導線材６０_３は、図１８Ｂに示した超伝導線材６０_２の構成において、導電性接着剤６４ａ、６４ｂを省略した構成を示している。これ以外の構成については、図１８Ｂに示した超伝導線材６０_２の構成と同様である。
図１８Ｃに示す超伝導線材６０_３では、超伝導線材の周囲を取り囲むように誘電体テープ６５を貼付することで、線材６１ａ、芯材６２、及び線材６１ｂを固定している。よって、導電性接着剤の使用を省略することができるので、超伝導線材の構成を簡略化することができる。
次に、図１８Ｄに示す超伝導線材６０_４について説明する。図１８Ｄに示す超伝導線材６０_４は、図１８Ｃに示した超伝導線材６０_３の構成において、保護層１４ａ、１４ｂを省略した構成を示している。これ以外の構成については、図１８Ｃに示した超伝導線材６０_３の構成と同様である。
図１８Ｄに示す超伝導線材６０_４においても、超伝導線材の周囲を取り囲むように誘電体テープ６５を貼付することで、線材６１ａ、芯材６２、及び線材６１ｂを固定している。ここで、超伝導線材に誘電体テープ６５を貼付する際に、誘電体テープ６５を用いて超伝導線材を隙間なくコーティングできる場合は、超伝導体層１３ａ、１３ｂを外部の水分や湿気から保護することができる。よって、この場合は、保護層１４ａ、１４ｂ（図１８Ｃ参照）を省略することができるので、超伝導線材の構成を簡略化することができる。なお、同様の理由から、図１８Ｂの構成において、保護層１４ａ、１４ｂを省略してもよい。
また、本発明では、図２０の断面図に示すように、芯材６２を構成する際に、形状維持材料６８の両側に導電性材料６９を配置するようにしてもよい。この場合も、芯材６２の厚さを、図１７Ａで用いた芯材５２の厚さよりも薄くすることができる。また、超伝導線材を曲げた際に超伝導線材の形状を自立して維持することができると共に、超伝導線材のＱ値が劣化することを抑制することができる。なお、図２０に示す構成において、図１８Ｂ～図１８Ｄの構成を適用してもよい。つまり、図２０に示す構成に、更に誘電体テープを設けてもよく（図１８Ｂ参照）、また導電性接着剤を省略してもよく（図１８Ｃ参照）、また保護層を省略してもよい（図１８Ｄ参照）。
以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、上記実施形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
１１ 基材（ハステロイ）
１２ 中間層
１３ 超伝導体層
１４ 導電性保護層（銀層）
１６ 誘電体保護層
２０ コイル
２１ 支持体
２３ 入力側ループコイ
２４ 出力側ループコイル
２５ 測定装置
３０、３５ コイルユニット
３１、３６ コイル
３２、３７ 支持体
４０_１～４０_４ 超伝導線材
４１ａ、４１ｂ 線材
４４ 導電性接着剤
４５ 誘電体テープ
５０_１～５０_４ 超伝導線材
５１ａ、５１ｂ 線材
５２ 芯材
５４ａ、５４ｂ 導電性接着剤
５５ 誘電体テープ
６０_１～６０_５ 超伝導線材
６１ａ、６１ｂ 線材
６２ 芯材
６４ａ、６４ｂ 導電性接着剤
６５ 誘電体テープ
６６、６８ 形状維持材料
６７、６９ 導電性材料
１１０ 銅層
１１１ ハステロイ
１１２ 中間層
１１３ 超伝導体層
１１４ 銀層
１１５ 銅層

Claims (12)

  1. 基材と、
    前記基材の両面の各々に形成された超伝導体層と、
    前記各々の超伝導体層の表面に形成された導電性保護層と、を備える、高周波帯で使用される超伝導線材であって、
    前記超伝導線材に周波数が１０ＭＨｚ以上の高周波電流を流した際の表皮深さをｄとした場合、前記表皮深さｄは、ｄ＝｛２ρ／（ω・μ）｝１／２であり（ただし、ρは導体の電気抵抗率、ωは電流の角周波数、μは導体の絶対透磁率）、
    前記各々の導電性保護層は銀を用いて形成され、厚さは前記超伝導線材に高周波電流を流した際の表皮深さｄの５％以下、かつ、０．１～１．０５μｍである、
    超伝導線材。
  2. 前記導電性保護層の各々の厚さは、前記超伝導線材に高周波電流を流した際の表皮深さｄの３％以下である、請求項１に記載の超伝導線材。
  3. 前記基材はハステロイで構成されている、請求項１または２に記載の超伝導線材。
  4. 前記ハステロイの幅は４ｍｍ以上である、請求項３に記載の超伝導線材。
  5. 前記ハステロイの厚さは１００μｍ～２００μｍである、請求項３に記載の超伝導線材。
  6. 前記超伝導体層は、希土類系超伝導材料を用いて構成されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の超伝導線材。
  7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の超伝導線材をスパイラル状に巻いたコイルと、
    前記コイルを支持する支持体と、を備え、
    前記支持体は誘電体を用いて構成されており、前記コイルの中心から外側に伸びる複数の支持部を備える、
    コイルユニット。
  8. 前記支持体は、サファイアを用いて構成されている、請求項７に記載のコイルユニット。
  9. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の超伝導線材を捲回して形成されたコイルと、
    前記コイルを支持する支持体と、を備え、
    前記支持体はサファイアを用いて構成されている、
    コイルユニット。
  10. 高周波帯で使用される超伝導線材であって、
    前記超伝導線材は、
    第１の基材と、当該第１の基材の表面に形成された第１の超伝導体層と、当該第１の超伝導体層の表面に形成された第１の導電性保護層と、を備える第１の線材と、
    第２の基材と、当該第２の基材の表面に形成された第２の超伝導体層と、当該第２の超伝導体層の表面に形成された第２の導電性保護層と、を備える第２の線材と、を備え、
    前記第１及び第２の線材は、前記第１及び第２の超伝導体層が互いに外向きになるように貼り合わせており、
    前記超伝導線材に周波数が１０ＭＨｚ以上の高周波電流を流した際の表皮深さをｄとした場合、前記表皮深さｄは、ｄ＝｛２ρ／（ω・μ）｝１／２であり（ただし、ρは導体の電気抵抗率、ωは電流の角周波数、μは導体の絶対透磁率）、
    前記第１及び第２の導電性保護層は銀を用いて形成され、厚さは前記超伝導線材に高周波電流を流した際の表皮深さｄの５％以下、かつ、０．１～１．０５μｍである、
    超伝導線材。
  11. 前記導電性保護層の各々の厚さは、前記超伝導線材に高周波電流を流した際の表皮深さｄの３％以下である、請求項１０に記載の超伝導線材。
  12. 前記第１の基材と前記第２の基材とが導電性接着剤を用いて互いに接合されている、請求項１１または１２に記載の超伝導線材。
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