JPH0983024A - Persistent current switch employing oxide superconductor and structure thereof - Google Patents

Persistent current switch employing oxide superconductor and structure thereof

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JPH0983024A
JPH0983024A JP7234215A JP23421595A JPH0983024A JP H0983024 A JPH0983024 A JP H0983024A JP 7234215 A JP7234215 A JP 7234215A JP 23421595 A JP23421595 A JP 23421595A JP H0983024 A JPH0983024 A JP H0983024A
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JP
Japan
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superconductor
current switch
heater
crystal
persistent current
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JP7234215A
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Kazuyuki Shibuya
和幸 渋谷
Takashi Hase
隆司 長谷
Seiji Hayashi
征治 林
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Kobe Steel Ltd
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Kobe Steel Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a persistent current switch for oxide superconductor in which persistent current operation is realized by fixing a heater to a superconductor produced by adding specified vol.% of Bi-2201 crystal into a Bi-2212 crystal and then conducting or interrupting the heater. SOLUTION: A heater is fixed to a superconductor produced by adding 10-70vol.% of Bi-2201 crystal into a Bi-2212 crystal. The superconductor comprising Bi-2212 crystal is partially heat treated and decomposed to form the Bi-2201 crystal in the Bi-2212 crystal. When the superconductor is heated externally by means of a heater, the Bi-2201 makes a transition at first to normal conducting state because it has Tc as low as 30-40K or below and the current does not flow through the Bi-2201 but flows through the Bi-2212. When the current flows excessively to the Bi-2212 side, it makes a transition to normal conducting state thus turning off a persistent current switch.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、酸化物超電導マグ
ネット、特に、Bi−2212系材料を線材化して巻回した
マグネットを永久電流モードで利用するのに不可欠な酸
化物超電導体用の永久電流スイッチ及び永久電流スイッ
チ構造に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxide superconducting magnet, and more particularly to a permanent current for an oxide superconductor which is indispensable for utilizing a magnet formed by winding a Bi-2212 material into a wire in a permanent current mode. The present invention relates to a switch and a persistent current switch structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】液体ヘリウム温度で運転される金属系超
電導マグネットの多くは、NbTi合金線またはNb3
Sn金属間化合物線材が用いられており、これらを単独
で、または組み合わせて構成する超電導マグネットに関
しては、永久電流状態で磁場を発生するための技術が既
に完成している。
2. Description of the Related Art Most of metallic superconducting magnets operated at liquid helium temperature are NbTi alloy wire or Nb 3 alloy wire.
Sn intermetallic compound wire has been used, and a technique for generating a magnetic field in a permanent current state has already been completed for a superconducting magnet configured by using these alone or in combination.

【0003】通常のマグネットでは電力消費の低減が可
能なことが要求され、MRI、MRS(NMR)では、
非常に高い磁場安定度が要求されるため、超電導スイッ
チは、超電導マグネットに不可欠な技術となっている。
It is required that ordinary magnets can reduce power consumption, and in MRI and MRS (NMR),
Superconducting switches have become an indispensable technology for superconducting magnets because extremely high magnetic field stability is required.

【0004】超電導スイッチに関連する主な技術として
は、永久電流スイッチそのものに関するもの、Nb
Ti同士またはNb3 Sn同士の接続に関するもの、
NbTiとNb3 Sn間の超電導接続技術があり、いず
れも完成されている。
The main technologies relating to the superconducting switch are those relating to the persistent current switch itself, Nb.
Connection of Ti or Nb 3 Sn,
There is a superconducting connection technology between NbTi and Nb 3 Sn, both of which have been completed.

【0005】従来、一般に用いられるNbTiを用いた
永久電流スイッチは、超電導体としてのNbTiの超電
導遷移温度(以下Tcと略称する)約9.5Kの上側ま
たは下側に加熱または冷却することにより、瞬時に永久
電流スイッチ両端間を超電導→常電導、常電導→超電導
に切り換えることができるようになっており、永久電流
スイッチoff動作時の抵抗が十分に高いことが重要で
ある。この種のNbTiを用いた永久電流スイッチの構
成、材質の選択については従来技術で確立されている。
Conventionally, a generally used persistent current switch using NbTi is heated or cooled by heating or cooling the superconducting transition temperature (hereinafter abbreviated as Tc) of NbTi as a superconductor to about 9.5K. It is possible to instantaneously switch between both ends of the persistent current switch from superconducting to normal conducting and normal conducting to superconducting, and it is important that the resistance when the persistent current switch is off is sufficiently high. The structure and material selection of a persistent current switch using this type of NbTi have been established in the prior art.

【0006】また、超電導接続においては、永久電流ス
イッチ部分とマグネットコイル部分とを組み立てる際に
損失なしに両者を接続し得る技術が必要とされ、これに
対応して、低融点金属であるPb合金などを介して実用
上無視できる損失以下に、超電導線同士を接続する技術
が既に確立されている。このように、金属系超電導材料
においてこれらの技術が早期に確立した理由としては、
液体ヘリウム温度4.2Kと材料の動作温度があまり離
れていない、すなわちTcが9.5Kまでであることが
挙げられる。また、接続技術においては金属系超電導体
のコヒーレント長さが十分に長いことも挙げられる。
Further, in superconducting connection, a technique is required for connecting the permanent current switch portion and the magnet coil portion without loss when assembling them, and correspondingly, Pb alloy which is a low melting point metal is required. For example, a technique for connecting superconducting wires to each other has been already established with a loss that is practically negligible via the above. Thus, the reason why these technologies were established early in metal-based superconducting materials was
The liquid helium temperature of 4.2K and the operating temperature of the material are not so far apart, that is, Tc is up to 9.5K. Further, in connection technology, the coherent length of the metal-based superconductor is sufficiently long.

【0007】これに対して、酸化物超電導材料は高温超
電導体とも言われるように、そのTcが液体窒素温度7
7Kより高いことも珍しくなく、これを液体ヘリウム温
度で運転する場合において、そのon、offを例えば
加熱ヒータで行うには、長時間通電しなければならない
ため動作が遅くなること、及び経済性の観点から、極め
て困難であることが予想され実現されていない。さら
に、超電導接続技術に関しても、酸化物超電導体のコヒ
ーレント長は、例えばBi−2212系でおよそ20Å程度
(ab面方向)であり金属系のそれに比べて非常に短か
い。換言すれば、コヒーレント長以下で超電導体同士を
接合させる必要が生じることになる。このことは、結晶
のユニットセルレベルの制御が必要であることを意味
し、これに関し、酸化物超電導体と金属系超電導体の超
電導接続に成功した例はない。
On the other hand, the oxide superconducting material has a Tc of liquid nitrogen temperature of 7 as is known as a high temperature superconductor.
It is not uncommon for the temperature to be higher than 7K, and when operating this at liquid helium temperature, in order to turn it on and off with, for example, a heater, it is necessary to energize for a long time, resulting in slow operation and economical efficiency. From a viewpoint, it is expected to be extremely difficult and has not been realized. Further, regarding the superconducting connection technique, the coherent length of the oxide superconductor is, for example, about 20Å (ab plane direction) in the Bi-2212 system, which is much shorter than that in the metal system. In other words, it becomes necessary to join the superconductors to each other within the coherent length. This means that it is necessary to control the unit cell level of the crystal, and in this regard, there is no example of successful superconducting connection between an oxide superconductor and a metal-based superconductor.

【0008】こうした現状から、既に完成している金属
系の永久電流スイッチの技術を用いても、これを酸化物
超電導マグネットの永久電流スイッチとして流用するこ
とは不可能である。従って、酸化物超電導体用の永久電
流スイッチの開発が待たれる状況にある。
In view of the current situation, it is impossible to use this as a permanent current switch for an oxide superconducting magnet even if the technique of a metal-based permanent current switch that has already been completed is used. Therefore, the development of a persistent current switch for oxide superconductors is awaited.

【0009】酸化物超電導体を用いた超電導マグネット
については、既に多くの報告がされている。本発明に関
連するBi−2212系の例として、4.2Kで1.6Tを
発生した報告(K.Shibutani et al.:IEEE Trans. Appli
ed Superconductivity 3 (1993) p.935 〜938 )や、冷
凍機冷却で20Kにて0.7Tを大口径マグネットにて
発生した報告(T.Hase et al.:Advances in Supercondu
ctivity-VI(Proc. ofISS'93)p.621〜624 )、また、平
角線を用いてソレノイドコイルを作り、4.2Kにて
1.13Tを発生した報告(渋谷和幸他:第52回1994年
秋期低温工学・超電導学会講演概要集 p.58)等が挙げ
られる。
Many reports have already been made on superconducting magnets using oxide superconductors. As an example of the Bi-2212 system related to the present invention, a report that 1.6T was generated at 4.2K (K. Shibutani et al .: IEEE Trans. Appli
ed Superconductivity 3 (1993) p.935-938) and a report that 0.7T was generated with a large diameter magnet at 20K by cooling the refrigerator (T.Hase et al.:Advances in Supercondu).
ctivity-VI (Proc. of ISS'93) p.621-624), and a report that produced a solenoid coil using a rectangular wire and generated 1.13T at 4.2K (Kazuyuki Shibuya et al .: 52nd 1994). The summary of lectures at the Low Temperature Engineering / Superconductivity Society of Japan in the fall of 2008 is p.58).

【0010】酸化物超電導体同士の接続、特にBi−22
12同士の接続についてもその技術がほぼ確立されている
(長谷隆司他:第51回1994年春季 低温工学・超電導学
会講演概要集 p.115 )ものの、永久電流スイッチに関
する開発例はなく、勿論、永久電流状態での運転報告も
皆無である。
Connection between oxide superconductors, especially Bi-22
Almost the technology has been established for the connection of 12 devices (Takashi Hase et al .: 51st Spring 1994 Spring Low Temperature Engineering and Superconductivity Society Lecture Summary p.115), but there is no development example of the persistent current switch. There are no reports of operation under permanent current conditions.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情を考
慮してなされたものであり、酸化物超電導マグネット、
中でもBi−2212系材料を線材化して巻回された超電導
マグネットにおいて、永久電流動作を可能とするために
必要な酸化物超電導体用の永久電流スイッチ及び永久電
流スイッチ構造を提供するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and it is an oxide superconducting magnet,
In particular, the present invention provides a permanent current switch and a permanent current switch structure for an oxide superconductor necessary for enabling a persistent current operation in a superconducting magnet which is formed by winding a Bi-2212 system material into a wire.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明の酸化物超電導体
を用いた永久電流スイッチは、Bi−2212結晶中にBi
−2201結晶を体積分率にして10%以上且つ70%以下
存在させてなる超電導体にヒータを取り付け、そのヒー
タに対して通電または通電解除することにより、常電導
状態と超電導状態とを切り換えるように構成してなるこ
とを要旨とする。本発明の永久電流スイッチは、超電導
体がテープ状または線状をなし、該超電導体が銀基合金
からなる被覆材で被覆されていることが好ましい。
A persistent current switch using an oxide superconductor of the present invention is a Bi-2212 crystal containing Bi.
-2201 A heater is attached to a superconductor in which the crystal volume fraction is 10% or more and 70% or less, and the normal conduction state and the superconduction state are switched by energizing or deenergizing the heater. The gist is that it is configured as. In the permanent current switch of the present invention, it is preferable that the superconductor has a tape shape or a linear shape, and the superconductor is covered with a covering material made of a silver-based alloy.

【0013】本発明において、超電導体は、Bi−2212
結晶からなる超電導体の一部を熱処理により分解するこ
とにより、Bi−2212結晶中にBi−2201結晶を形成し
たものである。
In the present invention, the superconductor is Bi-2212.
A Bi-2212 crystal is formed in a Bi-2212 crystal by decomposing a part of a crystal superconductor by heat treatment.

【0014】本発明の酸化物超電導体を用いた永久電流
スイッチ構造は、上記テープ状または線状超電導体を、
ヒータ用ボビンの中空部に挿通し、該ヒータ用ボビンに
ヒータ線を巻回し、これを樹脂キャスト材で封入し、さ
らに断熱材で被覆して一体化したものであることを要旨
とする。
A permanent current switch structure using an oxide superconductor according to the present invention has the above tape-shaped or linear superconductor,
The gist of the present invention is to insert the heater wire through the hollow portion of the heater bobbin, wind the heater wire around the heater bobbin, enclose the heater wire with a resin cast material, and cover the heater wire with a heat insulating material to integrate them.

【0015】また、上記Bi−2201結晶は、超電導体が
テープ状または線状である場合に、その長手方向に多く
存在していることが望ましい。このように構成すれば、
超電導通電時(永久電流スイッチoff時)の電流容量
を大きくすることができる。
Further, when the superconductor has a tape shape or a linear shape, the Bi-2201 crystal is preferably present in a large amount in the longitudinal direction. With this configuration,
It is possible to increase the current capacity during superconducting conduction (when the permanent current switch is off).

【0016】本発明のBi−2212結晶とは、基本的にB
i,Sr,Ca,Cuのモル比がほぼ2:2:1:2で
あるものを示しているが、これに限らず、例えばAg等
の添加物を加えたもの、また、成分組成を微調整したも
のも本願発明に含まれる。
The Bi-2212 crystal of the present invention basically means B
It shows that the molar ratio of i, Sr, Ca, Cu is approximately 2: 2: 1: 2, but not limited to this, for example, one in which an additive such as Ag is added, and the component composition is slightly Those adjusted are also included in the present invention.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】本発明は、Bi−2212とBi−22
01の存在比を変化させて超電導体を構成し、また、永久
電流スイッチ全体の断面積を調節することによって導体
の臨界電流を適当に選択することにより、目的に応じた
温度で超電導マグネットをonまたはoffさせること
を可能にするものである。すなわち、本発明は、動作原
理としては、Bi−2201とBi−2212におけるTcの相
違に起因する導体のJcの温度依存性を利用するもので
ある。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention includes Bi-2212 and Bi-22.
The superconducting magnet is formed by changing the abundance ratio of 01 and by appropriately selecting the critical current of the conductor by adjusting the cross-sectional area of the entire permanent current switch to turn on the superconducting magnet. Or, it can be turned off. That is, the present invention utilizes the temperature dependence of Jc of the conductor resulting from the difference in Tc between Bi-2201 and Bi-2212 as the operating principle.

【0018】本発明に従えば、Bi−2212結晶中にBi
−2201結晶が配置されている永久電流スイッチ(超電導
マグネットと接続した状態で)を、液体ヘリウム中4.
2K中に浸漬し、ヒータによって外部から加熱すると、
Bi−2201のTcが30〜40K以下と十分に低いこと
から、まずBi−2201の超電導状態が破れて常電導状態
となりBi−2201の抵抗が高くなったことにより、永久
電流スイッチを流れようとする電流はBi−2201を避け
てBi−2212を流れるようになる。ところが、Bi−22
12の臨界電流密度Jcに限界があるため、Bi−2212側
に電流が流れ過ぎるとBi−2212についても超電導状態
が破れて常電導状態となる。その結果、永久電流スイッ
チが全体として常電導状態、すなわちoff動作するこ
とになる。
According to the present invention, Bi-2212 crystals contain Bi.
3. A permanent current switch (with a superconducting magnet) in which the −2201 crystal is placed is placed in liquid helium.
When immersed in 2K and heated from outside with a heater,
Since the Tc of Bi-2201 is sufficiently low at 30 to 40 K or less, the superconducting state of Bi-2201 is broken to the normal conducting state, and the resistance of Bi-2201 becomes high, so that it tries to flow through the persistent current switch. The electric current to be applied flows through Bi-2212 while avoiding Bi-2201. However, Bi-22
Since the critical current density Jc of 12 is limited, if the current flows too much to the Bi-2212 side, the superconducting state of Bi-2212 is broken and the normal conducting state is obtained. As a result, the permanent current switch as a whole is in the normal conducting state, that is, it operates off.

【0019】具体的には、図12はBi−2212中に存在
するBi−2201を模式化したものであり、図13は永久
電流スイッチの断面を等価回路的に示したものである。
図13(a)において、4.2K近傍では永久電流スイ
ッチ全体が超電導状態であり、最も高い臨界電流密度を
与えることになる。同図(b)において、温度の上昇に
伴ってJcはBi−2201の不可逆線(温度で表現すれ
ば、ある印加磁場の下での不可逆温度 Tirr :0.1
T付近で約10K)を超えるところでBi−2212のみに
よるJcとなって急激に減少することとなり実質的にこ
の部分で永久電流スイッチ全体が常電導状態に転移する
ことになる。同図(c)は永久電流スイッチがoffの
状態を示している。
Specifically, FIG. 12 is a schematic view of Bi-2201 existing in Bi-2212, and FIG. 13 is a sectional view of a persistent current switch in an equivalent circuit.
In FIG. 13A, in the vicinity of 4.2K, the permanent current switch as a whole is in the superconducting state, which gives the highest critical current density. In the same figure (b), Jc is an irreversible line of Bi-2201 as the temperature rises (in terms of temperature, irreversible temperature Tirr: 0.1 under a certain applied magnetic field).
When the temperature exceeds about 10 K near T, the Jc is only Bi-2212, and the Jc is rapidly reduced. In this portion, the entire persistent current switch is transferred to the normal conducting state. FIG. 6C shows a state in which the persistent current switch is off.

【0020】[0020]

【実施例】以下、図面に示した実施例に基づいて本発明
を詳細に説明する。 [実施例1] (銀合金シーステープを用いた永久電流スイッチ例)本
実施例においては、4.2K近傍での電気抵抗率につい
て、永久電流スイッチoff時に分流を防止することが
できるよう高抵抗化するために、Ag−Au−Cu系合
金を用いることにした。具体的には、野村克己他:第49
回1993年春季低温工学・ 超電導学会講演概要集 p.5 及
び加藤功己:第50回1993年秋季低温工学・ 超電導学会講
演概要集 p.31 を参考にし、本実施例では、Ag:9
1.7%,Au:5.0%,Cu:3.3%(at.
%)からなる合金を採用した。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail below with reference to the embodiments shown in the drawings. Example 1 (Example of Persistent Current Switch Using Silver Alloy Sheath Tape ) In this example, the electrical resistivity near 4.2K has a high resistance so that shunting can be prevented when the permanent current switch is off. In order to realize this, it was decided to use an Ag-Au-Cu based alloy. Specifically, Katsumi Nomura et al .: 49th
1993 Spring Low Temperature Engineering / Superconductivity Society Lecture Summary p.5 and Kato Isomi: 50th Fall 1993 Fall Low Temperature Engineering / Superconductivity Society Lecture Summary p.31. In this example, Ag: 9
1.7%, Au: 5.0%, Cu: 3.3% (at.
%) Was adopted.

【0021】また、抵抗率を測定するために、断面積1
mm×1mm,長さ40mmのテストピースを切り出し、4.
2K(液体ヘリウム中)にて電流を100m A通電し、
4端子法にて抵抗率を測定した。その結果、電気抵抗率
は、4.2K(無磁場下)にて2.2μΩ・cmであるこ
とを確認した。
Further, in order to measure the resistivity, the cross-sectional area 1
3. Cut out a test piece of mm x 1 mm and length of 40 mm.
Apply current of 100 mA at 2K (in liquid helium),
The resistivity was measured by the 4-terminal method. As a result, it was confirmed that the electrical resistivity was 2.2 μΩ · cm at 4.2 K (without magnetic field).

【0022】上記Ag−Au−Cu系合金からなる外径
6mm,内径4mmのパイプ内に、Bi 2.1 ,Sr2.0 ,C
1.0 ,Cu1.9 ,Ag0.1 を、すなわち、Bi2
3 ,SrCO3 ,CaCO3 ,CuO,Ag(粉末)を
原料として820℃×100時間大気中で仮焼した粉末
を、50μm以下に分級した後封入し、これをクロスロ
ール圧延機を用いて厚さ0.1mmにロール加工すること
により幅10mmの銀合金シーステープを得た。
Outer diameter made of the above-mentioned Ag-Au-Cu alloy
Bi in a pipe of 6 mm and inner diameter of 4 mm 2.1 , Sr2.0 , C
a1.0 , Cu1.9 , Ag0.1 I.e. Bi2 O
Three , SrCOThree , CaCOThree , CuO, Ag (powder)
Powder calcined in air as a raw material at 820 ° C for 100 hours
, Then sealed after classifying to less than 50 μm.
Rolling to a thickness of 0.1 mm using a rolling mill
Thus, a silver alloy sheath tape having a width of 10 mm was obtained.

【0023】こうして得られたシーステープを、図1に
示す熱処理パターンで結晶化処理してBi−2212超電導
線材を得た。さらに、Bi−2212の一部をBi−2201に
熱分解するために、純酸素1気圧の気流下で加熱温度6
00℃にて720時間保持した。
The sheath tape thus obtained was crystallized in the heat treatment pattern shown in FIG. 1 to obtain a Bi-2212 superconducting wire. Furthermore, in order to thermally decompose a part of Bi-2212 into Bi-2201, heating temperature 6
It was kept at 00 ° C for 720 hours.

【0024】図2に上記シーステープの内面SEM写真
を示し、図3に上記シーステープにおける帯磁率の温度
依存性を示す。EDX分析の結果、及び帯磁率の温度依
存性の結果より、Bi−2212中にBi−2201相が生成
し、しかもこの部分のTcが約25Kであることが分か
った。また、Bi−2212とBi−2201の割合は、体積分
率にしておよそ7:3であることが推定される。さらに
また、形態観察から、Bi−2201相は、シーステープ長
手方向にBi−2212相と並列する形で多く存在すること
が認められ、Bi−2212とBi−2201の並列回路が等価
的に得られたと考えられる。
FIG. 2 shows an SEM photograph of the inner surface of the sheath tape, and FIG. 3 shows the temperature dependence of the magnetic susceptibility of the sheath tape. From the EDX analysis result and the temperature dependence of the magnetic susceptibility, it was found that the Bi-2201 phase was generated in Bi-2212 and the Tc of this portion was about 25K. Further, the ratio of Bi-2212 and Bi-2201 is estimated to be about 7: 3 in terms of volume fraction. Furthermore, from the morphological observation, it was confirmed that the Bi-2201 phase was present in a large amount in the form parallel to the Bi-2212 phase in the longitudinal direction of the sheath tape, and a parallel circuit of Bi-2212 and Bi-2201 was obtained equivalently. It is thought that it was done.

【0025】図4の(a)〜(c)に示すように、これ
ら熱処理の終了したシーステープ(または丸線)1に、
マンガニン線で作ったヒータリード線2(4.2Kにて
約5Ω)を、窒化アルミの絶縁体(ヒータボビン)3を
介して巻き付けた。この窒化アルミの絶縁体に対し、永
久電流スイッチの温度をモニターするためのAu−Fe
−クロメル熱電対4を内蔵した。また、ヒータ部分を跨
いで端子間距離1cmで、電圧検知用のリード線5を取り
付けた。
As shown in FIGS. 4 (a) to 4 (c), the sheath tape (or round wire) 1 which has been subjected to these heat treatments is
A heater lead wire 2 (about 5Ω at 4.2K) made of manganin wire was wound around an aluminum nitride insulator (heater bobbin) 3. For this aluminum nitride insulator, Au-Fe for monitoring the temperature of the permanent current switch
-Built-in chromel thermocouple 4. Further, a lead wire 5 for voltage detection was attached across the heater portion with a distance between terminals of 1 cm.

【0026】このようにして得られた永久電流スイッチ
をキャスト材としてのエポキシ樹脂6で封入し、その表
面をFRP7で被覆した。さらに、FRP7の周囲を発
泡スチロール8にて発泡成形し、断熱処理を施した。
The permanent current switch thus obtained was encapsulated with epoxy resin 6 as a cast material, and its surface was covered with FRP 7. Further, the periphery of the FRP 7 was foam-molded by the Styrofoam 8 and heat-insulated.

【0027】これを4.2K液体ヘリウム中に浸漬し、
永久電流スイッチとしてのon−off特性を評価し
た。図5はその(Bi−2212+Bi−2201)/Agテー
プのスイッチング特性を示したものである。
This was immersed in 4.2K liquid helium,
The on-off characteristic as a permanent current switch was evaluated. FIG. 5 shows the switching characteristics of the (Bi-2212 + Bi-2201) / Ag tape.

【0028】また、比較のためにBi−2212相のみのテ
ープ導体に上記と同様の永久電流スイッチ構造(ヒー
タ,熱電対,電圧タップ)を施したものについてもon
−off特性も調べた。図6はそのBi−22121 /Ag
テープのスイッチング特性を示したものである。実験は
いずれも液体ヘリウム中に浸漬させて行った。測定開始
時点で永久電流スイッチには120Aの電流が通電され
ている。実験に先だって測定された導体のIcは、4.
2K、自己磁場の下に162Aであった。
For comparison, a tape conductor having only Bi-2212 phase and having a permanent current switch structure (heater, thermocouple, voltage tap) similar to the above is turned on.
The -off characteristic was also investigated. FIG. 6 shows the Bi-22121 / Ag.
It shows the switching characteristics of the tape. All the experiments were performed by immersing them in liquid helium. A current of 120 A is applied to the permanent current switch at the time of starting the measurement. The conductor Ic measured prior to the experiment was 4.
2K, 162A under self magnetic field.

【0029】図5において、測定開始後、5秒でヒータ
に1A(約5W)を通電した。その時の永久電流スイッ
チの温度変化及びスイッチ両端の電圧を記録した。その
結果、永久電流スイッチの温度が7.7Kに達した時、
導体両端は約50m Vを示し、その後、温度上昇は1
0.5Kまで徐々に上昇したものの、導体の両端電圧は
ほとんど変化しなかった。
In FIG. 5, 1 A (about 5 W) was applied to the heater 5 seconds after the start of measurement. The temperature change of the persistent current switch and the voltage across the switch at that time were recorded. As a result, when the temperature of the persistent current switch reaches 7.7K,
Both ends of the conductor show about 50 mV, after which the temperature rise is 1
Although the voltage gradually increased to 0.5K, the voltage across the conductor remained almost unchanged.

【0030】次に、測定開始より25秒後にヒータ電流
をゼロにすると、永久電流スイッチの温度が低下するに
伴い、永久電流スイッチの両端電圧はヒータ通電前の値
まで低下し、再び超電導状態に復帰した。
Next, when the heater current is set to zero 25 seconds after the start of the measurement, the voltage across the permanent current switch decreases to the value before the heater is energized as the temperature of the permanent current switch decreases, and the superconducting state is restored again. I'm back.

【0031】永久電流スイッチとしての立ち上がり、立
ち下がりは、共に3秒以内であり、従来、金属系のマグ
ネットで実用化されているNbTi等を用い永久電流ス
イッチと同等の動作速度を実現している。従って、実用
上十分な基本特性を備えていることが確認できた。
The rise and fall of the persistent current switch are both within 3 seconds, and the operating speed equivalent to that of the persistent current switch has been realized by using NbTi or the like which has been practically used in the conventional metal magnets. . Therefore, it was confirmed that the basic characteristics were practically sufficient.

【0032】これに対し、比較例を示す図6では、実験
に先立ち測定したIcは4.2K、自己磁場のもと28
5A(0.1μV/cm基準)であった。導体に120A
を通電した状態で測定開始後、5秒でヒータに1A(約
5W)を通電した。導体の温度変化、両端電圧をBi−
2212+Bi−2201と同様に記録した。温度変化について
は図5と同様の挙動を示すのに対し、導体両端電圧は全
く変化せず、常に超電導状態であった。
On the other hand, in FIG. 6 showing a comparative example, Ic measured prior to the experiment was 4.2 K, which was 28 under the self magnetic field.
It was 5 A (0.1 μV / cm standard). 120A for conductor
After the start of the measurement in a state where electricity was applied to the heater, 1 A (about 5 W) was applied to the heater in 5 seconds. Bi-
Recorded as for 2212 + Bi-2201. Regarding the temperature change, the same behavior as in FIG. 5 was exhibited, but the voltage across the conductor did not change at all, and it was always in the superconducting state.

【0033】以上、2つの測定結果を比較することによ
って明らかなように、Bi−2212結晶の一部をBi−22
01に分解した組織を持つ銀合金シーステープ導体は、ヒ
ータを用いた加熱により超電導マグネットの永久電流ス
イッチとして十分に機能する特性を呈することが確認で
き、本発明の有効性が実証された。
As is clear from the comparison of the two measurement results, a part of the Bi-2212 crystal was Bi-22.
It was confirmed that the silver alloy sheath tape conductor having the texture decomposed into 01 exhibited a property of sufficiently functioning as a permanent current switch of the superconducting magnet by heating with a heater, demonstrating the effectiveness of the present invention.

【0034】[実施例2] (銀合金平角線を用いた永久電流スイッチ例)上記実施
例1と同じ構成の銀合金パイプに、同じくBi2.1 ,S
2.0 ,Ca 1.0 ,Cu1.9 ,Ag0.1 を、すなわち、
Bi23 ,SrCO3 ,CaCO3,CuO,Ag
(粉末)を原料として加熱温度820℃×100時間大
気中で仮焼した粉末を、50μm以下に分級した後封入
し、これを溝ロール圧延機を用いて外径1.4mmまで伸
線した。また、外径1.4mmの丸線から自走式タークス
ヘッドを用いて幅2.0mm,厚さ0.5mmの平角線を得
た。
[Embodiment 2] (Example of permanent current switch using flat silver alloy wire) Above implementation
The same composition as in Example 12.1 , S
r2.0 , Ca 1.0 , Cu1.9 , Ag0.1 I.e.,
Bi2 OThree , SrCOThree , CaCOThree, CuO, Ag
Using (powder) as a raw material, heating temperature 820 ° C x 100 hours
Enclose the powder after calcination in air after classifying it to 50 μm or less
Then, using a groove roll mill, expand it to an outer diameter of 1.4 mm.
I made a line. In addition, self-propelled turks from a round wire with an outer diameter of 1.4 mm
Using the head, obtain a rectangular wire with a width of 2.0 mm and a thickness of 0.5 mm.
Was.

【0035】これら線材を図7に示す熱処理パターン条
件で結晶化した。こうして得られた平角線(2.0×
0.5mm)及び丸線(外径1.4mm)の結晶の一部を熱
分解するために、純酸素1気圧の気流中で加熱温度60
0℃にて1080時間保持した。こうして得られた導体
のIcは4.2K,0Tにて平角線のIc=210A、
丸線のIc=140Aであった(共に0.1μV/c
m)。
These wires were crystallized under the heat treatment pattern conditions shown in FIG. The rectangular wire (2.0 x
0.5 mm) and a part of the crystal of round wire (outer diameter 1.4 mm) are pyrolyzed at a heating temperature of 60 in a stream of pure oxygen at 1 atm.
It was kept at 0 ° C for 1080 hours. Ic of the conductor thus obtained was 4.2K, 0T, and Ic of the rectangular wire was 210A,
The circular line Ic = 140 A (both 0.1 μV / c
m).

【0036】これら導体に実施例1と同様にしてヒー
タ、電圧端子、熱電対を一体化してスイッチング動作の
テストを液体ヘリウム中で行った。通電電流は平角線1
20A、丸線100Aで行った。また、ヒータ電流は1
A(約5W)とした。下記表1にそのテスト結果を示
す。
A heater, a voltage terminal and a thermocouple were integrated with these conductors in the same manner as in Example 1 and a switching operation test was conducted in liquid helium. Carrying current is rectangular wire 1
20A, round wire 100A. The heater current is 1
It was set to A (about 5 W). The test results are shown in Table 1 below.

【0037】[0037]

【表1】 [Table 1]

【0038】以上のように、実施例1のテープ同様、永
久電流スイッチとして機能することが確認された。
As described above, it was confirmed that the tape functions as a permanent current switch as in the tape of Example 1.

【0039】[実施例3]実施例1と同様の熱処理によ
りAg−Au−Cu合金シース中にBi−2212の一部が
Bi−2201に分解したテープ導体の臨界電流密度を各温
度で4端子法により測定した。測定は、4Kまで冷却可
能な磁性蓄冷材内蔵式の小型冷凍機(SRD-210 住友重機
製)にヒータを組み合わせて各種温度を安定に作りだし
た。また、Jcのクライテリアは0.1μV/cmを採用
した。テープ導体のテープ面と電流方向の双方に垂直な
方向に0.1Tの磁場を印加したときのJcの温度依存
性を図8に示した。
[Embodiment 3] The critical current density of the tape conductor in which a part of Bi-2212 was decomposed into Bi-2201 in the Ag-Au-Cu alloy sheath by the same heat treatment as in Embodiment 1 was 4 terminals at each temperature. It was measured by the method. For the measurement, a small refrigerator (SRD-210 made by Sumitomo Heavy Industries) with a built-in magnetic regenerator that can cool up to 4K was used in combination with a heater to stably create various temperatures. In addition, the criteria for Jc was 0.1 μV / cm. FIG. 8 shows the temperature dependence of Jc when a magnetic field of 0.1 T was applied in a direction perpendicular to both the tape surface of the tape conductor and the current direction.

【0040】10K以下では、Jcは温度上昇とともに
大きく減少し、実施例1及び2で実現されたスイッチン
グ作用は、この部分のJcの温度依存性を反映した結果
と考えられる。ここで、このJcの温度依存性がBi−
2201とBi−2212材料の並列等価回路より成り立ってい
ると仮定して、実施例1で求められた超電導相の体積比
Bi−2212:Bi−2201=7:3を利用して分割を試み
た結果が図9及び図10である。
Below 10 K, Jc greatly decreases with increasing temperature, and it is considered that the switching action realized in Examples 1 and 2 reflects the temperature dependence of Jc in this portion. Here, the temperature dependence of this Jc is Bi-
2201 and Bi-2212 materials are assumed to be parallel equivalent circuits, and division is attempted by using the volume ratio of the superconducting phase obtained in Example 1, Bi-2212: Bi-2201 = 7: 3. The results are shown in FIGS. 9 and 10.

【0041】図9は、図8をBi−2201相によるJcと
Bi−2201相によるJcに便宜上分割したものである。
これを体積分率を考慮してBi−2212相とBi−2201相
それぞれ100%の場合のJcの温度依存性を示したも
のが図10である。
FIG. 9 is a diagram obtained by dividing FIG. 8 into Jc of Bi-2201 phase and Jc of Bi-2201 phase for convenience.
FIG. 10 shows the temperature dependence of Jc in the case where the Bi-2212 phase and the Bi-2201 phase are 100% each in consideration of the volume fraction.

【0042】図10の結果を参考文献(M.Akamatsu et a
l.Advances in Superconductivity-VI(proc.of ISS'93)
p.131 〜134.) に報告されている不可逆線(Irreversiv
ility curve )の温度依存線の結果(図11参照)と比
較すると、Bi−2201で25×0.4=10Kあたりで
不可逆温度、すなわちJc=0となっている特性とよく
対応している。
The results shown in FIG. 10 are used as a reference (M. Akamatsu et a
l.Advances in Superconductivity-VI (proc.of ISS'93)
Irreversible line (Irreversiv) reported in p.131-134.)
Comparing with the result of the temperature dependence line of the ility curve) (see FIG. 11), it corresponds well with the characteristic that the irreversible temperature around 25 × 0.4 = 10 K in Bi-2201, that is, Jc = 0.

【0043】以上のように、等価回路的にBi−2212相
とBi−2201相が並列に接続していると考えられる時
(実施例1のSEM写真でテープ線材の場合確認済
み)、その導体断面積比を加味することでJcの温度依
存性がうまく説明することができることから、Bi−22
12相を熱分解する時間や温度を調節することによりBi
−2212相とBi−2201相の断面積比を制御することがで
き、それにより、永久電流スイッチ導体におけるJcの
温度依存性が、ある程度コントロールできることがわか
った。
As described above, when it is considered that the Bi-2212 phase and the Bi-2201 phase are connected in parallel in an equivalent circuit (confirmed in the case of the tape wire in the SEM photograph of Example 1), the conductor Since the temperature dependence of Jc can be explained well by considering the cross-sectional area ratio, Bi-22
By adjusting the time and temperature for pyrolyzing the 12 phases, Bi
It was found that the cross-sectional area ratio of the −2212 phase and the Bi-2201 phase can be controlled, and thereby the temperature dependence of Jc in the persistent current switch conductor can be controlled to some extent.

【0044】以上の実施例は本発明をより具体的に説明
するためのものであり、上記の実施例は本発明を限定す
るものではなく、本発明の趣旨に照らして設計された構
成は、いずれも本発明の技術的範囲に含まれる。例え
ば、永久電流スイッチに限らず、用途を限流器とした場
合も本発明に含まれる。
The above examples are for more specifically explaining the present invention, and the above examples do not limit the present invention, and the constitution designed in light of the gist of the present invention is as follows. Both are included in the technical scope of the present invention. For example, the present invention includes not only the permanent current switch but also the case where the application is a current limiting device.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明の酸化物超電導体を用いた永久電流スイッチによ
れば、酸化物超電導マグネット、特にBi−2212系材料
を線材化して巻回された超電導マグネットにおいて永久
電流動作を可能にすることができる。また、本発明の永
久電流スイッチによれば、Bi−2212とBi−2201の断
面積比を調節することにより、Jcの温度依存性をある
程度制御することが可能であるため、スイッチング特性
を制御することができるという長所を有する。
As is apparent from the above description,
According to the persistent current switch using the oxide superconductor of the present invention, it is possible to enable the persistent current operation in the oxide superconducting magnet, particularly in the superconducting magnet wound by forming the Bi-2212 system material into a wire. Further, according to the persistent current switch of the present invention, the temperature dependence of Jc can be controlled to some extent by adjusting the cross-sectional area ratio of Bi-2212 and Bi-2201, so that the switching characteristic is controlled. It has the advantage of being able to.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る銀合金シーステープ材の熱処理パ
ターンを示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing a heat treatment pattern of a silver alloy sheath tape material according to the present invention.

【図2】銀合金シーステープ材の内部構造を示すSEM
写真及びEDXによる組成分析を示すチャートである。
FIG. 2 is an SEM showing the internal structure of a silver alloy sheath tape material.
It is a chart which shows the composition analysis by a photograph and EDX.

【図3】銀合金シーステープ材の帯磁率の温度依存性を
示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing temperature dependence of magnetic susceptibility of a silver alloy sheath tape material.

【図4】本実施例に係る永久電流スイッチの構造を示す
斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view showing a structure of a persistent current switch according to the present embodiment.

【図5】本実施例に係る永久電流スイッチのスイッチン
グ動作を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a switching operation of the permanent current switch according to the present embodiment.

【図6】Bi−2212/Agテープ導体の動作を示すグラ
フである。
FIG. 6 is a graph showing the operation of a Bi-2212 / Ag tape conductor.

【図7】銀合金シース平角線材結晶化のための熱処理パ
ターンを示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing a heat treatment pattern for crystallization of a silver alloy sheath rectangular wire.

【図8】銀合金シーステープ材の0.1Tにおける臨界
電流密度の温度依存性を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing the temperature dependence of the critical current density of a silver alloy sheath tape material at 0.1T.

【図9】銀合金シーステープ材のJc−温度依存性をB
i−2201とBi−2212の各温度依存性に分割したグラフ
である。
FIG. 9 shows the Jc-temperature dependence of the silver alloy sheath tape material as B
It is the graph which divided into each temperature dependence of i-2201 and Bi-2212.

【図10】Bi−2201とBi−2212単体導体の仮想的J
cの温度依存性を示すグラフである。
FIG. 10: Virtual J of single conductors of Bi-2201 and Bi-2212
It is a graph which shows the temperature dependence of c.

【図11】参考文献における不可逆線の温度依存性を示
すグラフである。
FIG. 11 is a graph showing the temperature dependence of an irreversible line in the reference document.

【図12】Bi−2212中に存在するBi−2201の模式図
である。
FIG. 12 is a schematic diagram of Bi-2201 existing in Bi-2212.

【図13】永久電流スイッチの動作を示す説明図であ
る。
FIG. 13 is an explanatory diagram showing the operation of the permanent current switch.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シーステープ 2 ヒータリード線(マンガニン線) 3 絶縁体 4 Au−Fe−クロメル熱電対 5 電圧検知用リード線 6 エポキシ樹脂 7 FRP 8 発泡スチロール 1 Sheath tape 2 Heater lead wire (manganin wire) 3 Insulator 4 Au-Fe-chromel thermocouple 5 Lead wire for voltage detection 6 Epoxy resin 7 FRP 8 Styrofoam

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 Bi−2212結晶中にBi−2201結晶を体
積分率にして10%以上且つ70%以下存在させてなる
超電導体にヒータを取り付け、そのヒータに対して通電
または通電解除することにより、常電導状態と超電導状
態とを切り換えるように構成してなることを特徴とする
酸化物超電導体を用いた永久電流スイッチ。
1. A heater is attached to a superconductor obtained by allowing Bi-2212 crystals to exist in a volume fraction of 10% or more and 70% or less in Bi-2212 crystals, and energizing or deenergizing the heater. A permanent current switch using an oxide superconductor, characterized in that it is configured to switch between a normal conducting state and a superconducting state.
【請求項2】 前記超電導体がテープ状または線状をな
し、該超電導体が銀基合金からなる被覆材で被覆されて
いる請求項1に記載の永久電流スイッチ。
2. The persistent current switch according to claim 1, wherein the superconductor has a tape shape or a linear shape, and the superconductor is covered with a covering material made of a silver-based alloy.
【請求項3】 請求項1記載の超電導体は、Bi−2212
結晶からなる超電導体の一部を熱処理により分解するこ
とにより、前記Bi−2212結晶中にBi−2201結晶を形
成したものである請求項1に記載の永久電流スイッチ。
3. The superconductor according to claim 1, wherein the superconductor is Bi-2212.
The permanent current switch according to claim 1, wherein a Bi-2212 crystal is formed in the Bi-2212 crystal by decomposing a part of a crystal superconductor by heat treatment.
【請求項4】 請求項2に記載のテープ状または線状超
電導体を、ヒータ用ボビンの中空部に挿通し、該ヒータ
用ボビンにヒータ線を巻回し、これを樹脂キャスト材で
封入し、さらに断熱材で被覆して一体化したものである
ことを特徴とする酸化物超電導体を用いた永久電流スイ
ッチ構造。
4. The tape-shaped or linear superconductor according to claim 2 is inserted into a hollow portion of a heater bobbin, a heater wire is wound around the heater bobbin, and the heater wire is sealed with a resin cast material. Furthermore, a permanent current switch structure using an oxide superconductor characterized by being integrated with a heat insulating material.
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Cited By (2)

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