JPH02260616A - 超電導磁石 - Google Patents
超電導磁石Info
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- JPH02260616A JPH02260616A JP8201689A JP8201689A JPH02260616A JP H02260616 A JPH02260616 A JP H02260616A JP 8201689 A JP8201689 A JP 8201689A JP 8201689 A JP8201689 A JP 8201689A JP H02260616 A JPH02260616 A JP H02260616A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は超伝導現象を利用し、これによって高磁場を発
生させる超伝導磁石に関する。本発明では従来行われて
きたような、超伝導線をコイル状に巻いて作製する超伝
導電磁石とは異なり、コイルを作製するのが困難なセラ
ミックス材料や有機材料においても、０．１テスラ（Ｔ
）以上の高磁場を発生させることが可能であり、しかも
磁石自体を数十μｍ程度に薄く出来るという特徴を備え
ている。このような薄型高性能磁石として、医療用器具
や加速器、原動機、発電機等多くの産業分野で応用する
ことが期待される。
生させる超伝導磁石に関する。本発明では従来行われて
きたような、超伝導線をコイル状に巻いて作製する超伝
導電磁石とは異なり、コイルを作製するのが困難なセラ
ミックス材料や有機材料においても、０．１テスラ（Ｔ
）以上の高磁場を発生させることが可能であり、しかも
磁石自体を数十μｍ程度に薄く出来るという特徴を備え
ている。このような薄型高性能磁石として、医療用器具
や加速器、原動機、発電機等多くの産業分野で応用する
ことが期待される。
ｒ従来の技術・問題点ｊ
従来の永久磁石や常伝導電磁石を用いて、例えば１１以
上の高磁場を得ようとすることは非常に困難であるため
、超伝導体の電気抵抗が０であるという特性を利用して
、超伝導体で電磁石を作製して高い磁場を得るというこ
とは、１９６０年代以降第２種超伝導体の発見とそれに
対する理論の進歩から急速に発展し、産業上の利用分野
で利用されてきた。そして近年になって、液体窒素温度
以上で超伝導を示す酸化物からなる物質（高温超伝導体
）が発見された。この高温超伝導体を用いれば高価な液
体ヘリウムを材料の冷却用に用いる必要がないため、こ
の高温超伝導物質を用いて線材を作製し、最終的には超
伝導電磁石を作製しようという研究が成されているが、
現在のところ実用段階にはほど遠い。これは以下の様な
理由による。
上の高磁場を得ようとすることは非常に困難であるため
、超伝導体の電気抵抗が０であるという特性を利用して
、超伝導体で電磁石を作製して高い磁場を得るというこ
とは、１９６０年代以降第２種超伝導体の発見とそれに
対する理論の進歩から急速に発展し、産業上の利用分野
で利用されてきた。そして近年になって、液体窒素温度
以上で超伝導を示す酸化物からなる物質（高温超伝導体
）が発見された。この高温超伝導体を用いれば高価な液
体ヘリウムを材料の冷却用に用いる必要がないため、こ
の高温超伝導物質を用いて線材を作製し、最終的には超
伝導電磁石を作製しようという研究が成されているが、
現在のところ実用段階にはほど遠い。これは以下の様な
理由による。
（１）材料が酸化物であり脆（、延性・展性が無く加工
しにくい。
しにくい。
（２）セラミックス（焼結体）であるため、粒界が存在
する。
する。
しかも、これらの超伝導体は低キャリヤーであるため粒
界の結合が一般に弱く、高磁場下において、粒界部分に
侵入した磁束をビンどめする力が弱いため、磁場をかけ
ると途端に、臨界電流密度が低下する。
界の結合が一般に弱く、高磁場下において、粒界部分に
侵入した磁束をビンどめする力が弱いため、磁場をかけ
ると途端に、臨界電流密度が低下する。
上記問題点を解決するために本発明は、単結晶もしくは
多結晶からなる第２種超伝導体を用いた超伝導磁石で、
該超伝導体の一つの結晶粒の大きさが該超伝導体の磁場
侵入長より十分大きく、かつ、各結晶粒のほぼ中央部に
は孔が開けられていて、臨界温度以下の温度に冷却され
た後に下部臨界磁場以上の外部磁場を印加されることに
よって、外部磁場を除去された後も残留磁化によって永
久磁石のように磁場を発生させることができることを特
徴とする。
多結晶からなる第２種超伝導体を用いた超伝導磁石で、
該超伝導体の一つの結晶粒の大きさが該超伝導体の磁場
侵入長より十分大きく、かつ、各結晶粒のほぼ中央部に
は孔が開けられていて、臨界温度以下の温度に冷却され
た後に下部臨界磁場以上の外部磁場を印加されることに
よって、外部磁場を除去された後も残留磁化によって永
久磁石のように磁場を発生させることができることを特
徴とする。
本発明において、超伝導体の一つの結晶粒の大きさが超
伝導体の磁場侵入長より十分大きいとは一つの結晶粒の
厚さ９幅、長さ等が磁場侵入長の少なくとも１００倍以
上であることを意味する。
伝導体の磁場侵入長より十分大きいとは一つの結晶粒の
厚さ９幅、長さ等が磁場侵入長の少なくとも１００倍以
上であることを意味する。
本発明においては、第２種超伝導体として、従来から多
くの方面で用いられてきた合金系の超伝導体や、近年発
見された酸化物高温超伝導体を含む。特に臨界温度が液
体窒素温度以上である酸化物高温超伝導体を用いた場合
には、冷却するための高価な液体ヘリウムを必要とせず
、安価な液体窒素を用いることができる。
くの方面で用いられてきた合金系の超伝導体や、近年発
見された酸化物高温超伝導体を含む。特に臨界温度が液
体窒素温度以上である酸化物高温超伝導体を用いた場合
には、冷却するための高価な液体ヘリウムを必要とせず
、安価な液体窒素を用いることができる。
ところで、一般に第２種超伝導体の印加磁場に対する磁
化の変化は、第１図のようになり、ヒステリシスを示す
。これは下部臨界磁場Ｈｃ＋より大きい磁場を印加する
ことによって、磁束が量子化された形で超伝導体の内部
に侵入し、超伝導体の内部の不均質性や結晶粒界のため
に外部磁場が取り除かれた後も、磁束がトラップされる
ことによる。このため、通常、Ｈｃ、以上の磁場を印加
された第２種超伝導体は、残留磁化をもち磁石のように
ふるまう。本発明人は、この現象について鋭意研究の結
果、以下の２つの点を新たに発見した。
化の変化は、第１図のようになり、ヒステリシスを示す
。これは下部臨界磁場Ｈｃ＋より大きい磁場を印加する
ことによって、磁束が量子化された形で超伝導体の内部
に侵入し、超伝導体の内部の不均質性や結晶粒界のため
に外部磁場が取り除かれた後も、磁束がトラップされる
ことによる。このため、通常、Ｈｃ、以上の磁場を印加
された第２種超伝導体は、残留磁化をもち磁石のように
ふるまう。本発明人は、この現象について鋭意研究の結
果、以下の２つの点を新たに発見した。
（１）第２種超伝導体の結晶粒が大きいほど単位質量あ
たりの残留磁化は大きく、結晶粒の大きさに対して指数
函数的に大きくなる。
たりの残留磁化は大きく、結晶粒の大きさに対して指数
函数的に大きくなる。
（２）結晶粒の中央部に孔のある結晶は、孔の無いもの
と比較して、同じ大きさの結晶でも残留磁化が大きい。
と比較して、同じ大きさの結晶でも残留磁化が大きい。
（１）については以下のように考えられる。
今、磁場を印加された超伝導体の内部に磁束がｎ０本だ
け存在するとしよう。外部磁場が無くなると、超伝導体
の内部に存在していた磁束は外へ出ようとするが、力Ｆ
によってトラップされる。
け存在するとしよう。外部磁場が無くなると、超伝導体
の内部に存在していた磁束は外へ出ようとするが、力Ｆ
によってトラップされる。
この磁束はポテンシャル図で書くと、第２回のよ。
うに準安定状態にあるので、最終的には外へ出てしまう
が、今重要なのはどの程度の時間で外部に出てしまうか
ということである。これはトンネル効果の問題と同じで
ある。トラップされている磁束ｎの単位時間あたりの変
化は、次のように書ける。
が、今重要なのはどの程度の時間で外部に出てしまうか
ということである。これはトンネル効果の問題と同じで
ある。トラップされている磁束ｎの単位時間あたりの変
化は、次のように書ける。
ただしＴは超伝導体の温度、ｋはボルツマン定数、ｔｏ
は初期条件によって決まる時定数、Ｘは磁束のトラップ
されているところと超伝導体の表面との距離をあられす
。前弐を解くと次のようになる。
は初期条件によって決まる時定数、Ｘは磁束のトラップ
されているところと超伝導体の表面との距離をあられす
。前弐を解くと次のようになる。
Ｘが大きくなると、みかけの時定数が指数函数的に大き
くなり、残留磁化ｎが大きくなることが示されている。
くなり、残留磁化ｎが大きくなることが示されている。
（２）については理由は明らかでないが、孔の部分のほ
うが、超伝導体内部のピンどめ中心より、ピンどめ力が
大きいためだと考えられる。
うが、超伝導体内部のピンどめ中心より、ピンどめ力が
大きいためだと考えられる。
少なくとも１００ガウス以上の磁場下では、超伝導体に
おいて、粒間の遮蔽電流はないことが確かめられている
ので、残留磁化の大きさが超伝導体全体の大きさではな
く、超伝導体内の各粒の大きさに依存することは明らか
である。従って、粒の大きな超伝導体を作れば大きな残
留磁化が得られ、具体的には、０．１ｍｍ程度の大きさ
の超伝導体位でＩＴの磁場を数時間保持することが可能
である。
おいて、粒間の遮蔽電流はないことが確かめられている
ので、残留磁化の大きさが超伝導体全体の大きさではな
く、超伝導体内の各粒の大きさに依存することは明らか
である。従って、粒の大きな超伝導体を作れば大きな残
留磁化が得られ、具体的には、０．１ｍｍ程度の大きさ
の超伝導体位でＩＴの磁場を数時間保持することが可能
である。
また、超伝導体位に孔を開けることによってさらに超伝
導体の残留磁化を大きくすることが可能である。本発明
人は０．５ｍｍ角の立方体状の酸化物高温超伝導体単結
晶に、レーザーで直径０．１ｍｍの孔を開け、少なくと
もＩＴの残留磁場が、２時間保持された；とを確認した
。以下に実施例を示し、具体的に本発明を説明する。
導体の残留磁化を大きくすることが可能である。本発明
人は０．５ｍｍ角の立方体状の酸化物高温超伝導体単結
晶に、レーザーで直径０．１ｍｍの孔を開け、少なくと
もＩＴの残留磁場が、２時間保持された；とを確認した
。以下に実施例を示し、具体的に本発明を説明する。
〔実施例 １〕
高温超伝導体としてイツトリウム、バリウム。
銅、酸素からなる、いわゆる、ＹＢＣＯ超伝導体を使用
した。原料として酸化イツトリウム（Ｙ２Ｏ、）、炭酸
バリウム（ＢａＣＯ，）、酸化銅（Ｃｕｂ）の粉末（純
度は９９．９％）を用い、これらの原料粉末をイツトリ
ウム：バリウム：銅が１：２：６となるようにはかりと
り、ボールミルでよく混合し、９００°Ｃで５時間、空
気中で仮焼成した。この焼成物を粉砕し、エタノールを
加えてペースト状にし、酸化マグネシウム単結晶の（１
００）面上に塗布し真空乾燥させたあと、空気中で焼成
した。このときの焼成温度は以下のようである。まず、
室温から毎時３００ ’Ｃで昇温し、１０００°Ｃで１
時間保持し、ついで、毎時１０’Ｃで８００°Ｃまで降
温し、以後は毎時１００°Ｃで５００“Ｃまで降温し、
５００℃で１２時間保持したのち、炉の電源を切り、自
然冷却した。顕微鏡観察から、基板表面に１ｍｍ角の黒
色の結晶が多数成長していることが認められ、Ｘ線回折
法から、これらの結晶はＹＢＣＯ超伝導体のものである
ことがわかった。１つの結晶の厚さは約２０μｍであっ
た。次に、このようにして得られた膜状多結晶の各粒に
、レーザーで孔を開けた。用いたレーザーはＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザ−（波長１．０６μｍ）であった。Ｑスイッチ
パルス発振によって、１ｋＨｚのパルス発振を行い、平
均出力ＩＷのビームを０．１ｍｍに収束した、１つの孔
あけには１秒とかからなかった。このようにして得られ
た多結晶膜に液体窒素温度で磁場を印加して測定した結
果、約０．３Ｔの磁場を保持できることがわかった。
した。原料として酸化イツトリウム（Ｙ２Ｏ、）、炭酸
バリウム（ＢａＣＯ，）、酸化銅（Ｃｕｂ）の粉末（純
度は９９．９％）を用い、これらの原料粉末をイツトリ
ウム：バリウム：銅が１：２：６となるようにはかりと
り、ボールミルでよく混合し、９００°Ｃで５時間、空
気中で仮焼成した。この焼成物を粉砕し、エタノールを
加えてペースト状にし、酸化マグネシウム単結晶の（１
００）面上に塗布し真空乾燥させたあと、空気中で焼成
した。このときの焼成温度は以下のようである。まず、
室温から毎時３００ ’Ｃで昇温し、１０００°Ｃで１
時間保持し、ついで、毎時１０’Ｃで８００°Ｃまで降
温し、以後は毎時１００°Ｃで５００“Ｃまで降温し、
５００℃で１２時間保持したのち、炉の電源を切り、自
然冷却した。顕微鏡観察から、基板表面に１ｍｍ角の黒
色の結晶が多数成長していることが認められ、Ｘ線回折
法から、これらの結晶はＹＢＣＯ超伝導体のものである
ことがわかった。１つの結晶の厚さは約２０μｍであっ
た。次に、このようにして得られた膜状多結晶の各粒に
、レーザーで孔を開けた。用いたレーザーはＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザ−（波長１．０６μｍ）であった。Ｑスイッチ
パルス発振によって、１ｋＨｚのパルス発振を行い、平
均出力ＩＷのビームを０．１ｍｍに収束した、１つの孔
あけには１秒とかからなかった。このようにして得られ
た多結晶膜に液体窒素温度で磁場を印加して測定した結
果、約０．３Ｔの磁場を保持できることがわかった。
〔実施例 ２〕
超伝導体は実施例１とおなしＹＢＣＯ超伝導体を用いた
。イツトリウム：バリウム：銅が１＝２：３となるよう
にはかりとり、ボールミルでよく混合し、るつぼに充填
して、窒素気流中で焼成した。焼成温度は以下の通りで
ある。まず、室温から毎時３００°Ｃで昇温し、９００
℃で１時間保持し、ついで、毎時１０℃で８００°Ｃま
で降温し、以後は毎時１００°Ｃで室温まで降温した。
。イツトリウム：バリウム：銅が１＝２：３となるよう
にはかりとり、ボールミルでよく混合し、るつぼに充填
して、窒素気流中で焼成した。焼成温度は以下の通りで
ある。まず、室温から毎時３００°Ｃで昇温し、９００
℃で１時間保持し、ついで、毎時１０℃で８００°Ｃま
で降温し、以後は毎時１００°Ｃで室温まで降温した。
るつぼを粉砕して、単結晶を取り出した。単結晶は１ｍ
ｍ角程度の立方体状であった。取り出した単結晶を今度
は酸素気流中で４００°Ｃで２４時間アニールした。こ
の単結晶に実施例１と同じようにレーザーで孔あけを行
った。レーザーの条件は実施例１と全く同じである。孔
をあけた単結晶を孔の向きを揃えて、接着剤で固定し、
直径１０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円板状にした。これを液体
窒素中に置き、第３図のような装置で磁場を印加した。
ｍ角程度の立方体状であった。取り出した単結晶を今度
は酸素気流中で４００°Ｃで２４時間アニールした。こ
の単結晶に実施例１と同じようにレーザーで孔あけを行
った。レーザーの条件は実施例１と全く同じである。孔
をあけた単結晶を孔の向きを揃えて、接着剤で固定し、
直径１０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円板状にした。これを液体
窒素中に置き、第３図のような装置で磁場を印加した。
この装置は、コンデンサーＣに充電された電力によって
、瞬間的に大きな電流をコイルしに流し、磁場を発生さ
せるもので、最大で０．１Ｔの磁場を発生することがで
き、磁場の減衰する時間は約１ｍ５ｅｃであった。この
装置を用いてコンデンサーの充電・放電を２０回繰り返
した後、円板状の超伝導体の発生する磁場を測定したと
ころＩＴ以上あることがわかった。また、この特性は１
時間後でも変わらなかった。
、瞬間的に大きな電流をコイルしに流し、磁場を発生さ
せるもので、最大で０．１Ｔの磁場を発生することがで
き、磁場の減衰する時間は約１ｍ５ｅｃであった。この
装置を用いてコンデンサーの充電・放電を２０回繰り返
した後、円板状の超伝導体の発生する磁場を測定したと
ころＩＴ以上あることがわかった。また、この特性は１
時間後でも変わらなかった。
以上のことから明らかなように、本発明によって高性能
な磁石が作製できた。この性能は、従来の超伝導線を巻
いて得られる超伝導電磁石に匹敵するもので、超伝導線
を作製することやコイルを巻くことが困難な超伝導材料
においても、本発明によれば超伝導磁石を作製すること
ができる。本明細書の実施例においては、主として酸化
物高温超伝導体について述べたが、本発明が他の超伝導
材料に適用できることは明らかであり、また、実施例で
は超伝導体に孔をあける際に赤外線レーザーを用いたが
、これが、可視・紫外線レーザーであっても電子線であ
っても、−向に差し支えないことは、本発明の主旨から
明らかである。以上のように本発明は工業上非常に有益
である。
な磁石が作製できた。この性能は、従来の超伝導線を巻
いて得られる超伝導電磁石に匹敵するもので、超伝導線
を作製することやコイルを巻くことが困難な超伝導材料
においても、本発明によれば超伝導磁石を作製すること
ができる。本明細書の実施例においては、主として酸化
物高温超伝導体について述べたが、本発明が他の超伝導
材料に適用できることは明らかであり、また、実施例で
は超伝導体に孔をあける際に赤外線レーザーを用いたが
、これが、可視・紫外線レーザーであっても電子線であ
っても、−向に差し支えないことは、本発明の主旨から
明らかである。以上のように本発明は工業上非常に有益
である。
第１図は、第２種超伝導体の磁化の履歴現象を示す。
第２図は、量子化された磁束のトラップされた、状態を
示す。（縦軸はエネルギーを あられす） 第３図は、第２種超伝導体を用いた超伝導磁石の駆動装
置を示す。 ・超伝導体の塊 ・液体窒素 ・断熱容器 ・抵抗 ・コンデンサ
示す。（縦軸はエネルギーを あられす） 第３図は、第２種超伝導体を用いた超伝導磁石の駆動装
置を示す。 ・超伝導体の塊 ・液体窒素 ・断熱容器 ・抵抗 ・コンデンサ
Claims (3)
- １．単結晶もしくは多結晶からなる第２種超伝導体で、
該超伝導体の一つの結晶粒の大きさが該超伝導体の磁場
侵入長より十分大きく、かつ、各結晶粒のほぼ中央部に
は孔が開けられていて、臨界温度以下の温度に冷却され
た後に下部臨界磁場以上の外部磁場を印加されることに
よって、外部磁場を除去した後も残留磁化によって永久
磁石のように磁場を発生させることができることを特徴
とする超伝導磁石。 - ２．特許請求の範囲第１項において、前記第２種超伝導
体はその臨界温度が液体窒素温度以上である酸化物超伝
導体であることを特徴とする超伝導磁石。 - ３．特許請求の範囲第１項および第２項において前記第
２種超伝導体全体は、厚さ１０μｍ以上の平板状である
ことを特徴とする超伝導磁石。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8201689A JPH02260616A (ja) | 1989-03-31 | 1989-03-31 | 超電導磁石 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8201689A JPH02260616A (ja) | 1989-03-31 | 1989-03-31 | 超電導磁石 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02260616A true JPH02260616A (ja) | 1990-10-23 |
Family
ID=13762726
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8201689A Pending JPH02260616A (ja) | 1989-03-31 | 1989-03-31 | 超電導磁石 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02260616A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003103063A1 (en) * | 2002-05-29 | 2003-12-11 | The Regents Of The University Of California | Reduced ac losses in hts coated conductors |
| JP2016525475A (ja) * | 2013-06-14 | 2016-08-25 | エアバス・グループ・エスアーエス | 航空機を地上移動させるデバイス |
-
1989
- 1989-03-31 JP JP8201689A patent/JPH02260616A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003103063A1 (en) * | 2002-05-29 | 2003-12-11 | The Regents Of The University Of California | Reduced ac losses in hts coated conductors |
| JP2016525475A (ja) * | 2013-06-14 | 2016-08-25 | エアバス・グループ・エスアーエス | 航空機を地上移動させるデバイス |
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