JPH10147859A - 超伝導層の形成方法 - Google Patents

超伝導層の形成方法

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JPH10147859A
JPH10147859A JP9185037A JP18503797A JPH10147859A JP H10147859 A JPH10147859 A JP H10147859A JP 9185037 A JP9185037 A JP 9185037A JP 18503797 A JP18503797 A JP 18503797A JP H10147859 A JPH10147859 A JP H10147859A
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substrate
coating
radius
curved
coated
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JP9185037A
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Herbert C Freyhardt
ヘルベルト・ツェー・フライハルト
Alexander Usoskin
アレクサンダー・ウソースキン
Francisco Garcia-Moreno
− モレノ フランシスコ・ガルシア
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Alcatel Lucent SAS
Original Assignee
Alcatel Alsthom Compagnie Generale dElectricite
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Abstract

(57)【要約】 【課題】基板を蒸着室を介して引っ張り、この基板を蒸
着室内の加熱領域で加熱し、この加熱領域内で超伝導材
料を被覆する、長手方向に伸ばされた基板に超伝導層を
形成する方法において、形成されたＨＴＳＬ層のより高
い電流搬送能力を達成することができるように改善する
こと。 【解決手段】完成品に使用される幾何学的模様とは異な
った幾何学模様で基板（１２）に超伝導材料を被覆し
て、使用状態にある基板（１２）の幾何学的模様の超伝
導層（１９）に基板面の圧縮応力を生起する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、基板を蒸着室を介
して引っ張り、この基板を蒸着室内の加熱領域で加熱
し、この加熱領域内で超伝導材料を被覆する、長手方向
に伸ばされた基板に超伝導層を形成する方法(DE 42 28
573 C1) に関する。
【０００２】
【従来の技術】超伝導の効果は久しく知られている。超
伝導が生じると、少なくとも直流電流に関しては、所定
の臨界温度以下では、金属導体の電気抵抗が消失する。
例えば物質ＮＢ３ Ｓｎに関する臨界温度は１８．２Ｋ
である。冷却媒体として通常はヘリウムを用いる。電流
を超伝導体によってほぼロスなしに伝達することができ
る。問題は、導体の環境中の低温の形成以外に、特にそ
の維持である。
【０００３】従って、然程低温でなくとも超伝導になる
超伝導材料が求められる。このような高温超伝導体（Ｈ
ＴＳＬ）材料は７７Ｋ以上の臨界温度を有し、例えばイ
ットリウム、バリウム、銅及び酸素といって成分を含ん
でいる。ＨＴＳＬ材料を、例えばパルスレーザビームを
用いて、プラズマ蒸着により熱的蒸着により又は化学的
に、加熱された基板上に蒸着することができる。DE 42
28 573 C1 によれば、公知の方法で製造された層の質及
び再現性は不十分である。更に、超伝導性の維持の場合
に、層の電流搬送能力(Stromtragfaehigkeit) がかなり
低いことが挙げられる。従って、伝達される電流の高さ
は制限される。
【０００４】DE 42 28 573 C1 に基づく公知の方法によ
って、形成されたＨＴＳＬ層の質及び再現性が改善され
る。パルス源によって実行される被覆は、この方法で断
続的になされる。このことによって、被覆の際に、基板
と、パルス源によって蒸着された層とに関する一様の温
度比が生じるので、上記の改善が達成される。しかし乍
ら、かくして形成されたＨＴＳＬ層も低い電流搬送能力
を有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、基板
を蒸着室を介して引っ張り、この基板を蒸着室内の加熱
領域で加熱し、この加熱領域内で超伝導材料を被覆す
る、長手方向に伸ばされた基板に超伝導層を形成する方
法を、形成されたＨＴＳＬ層のより高い電流搬送能力を
達成することができるように改善することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題は、完成品に使
用される幾何学的模様(geometrischen Form)とは異なっ
た幾何学模様で前記基板に超伝導材料を被覆して、使用
状態にある基板の幾何学的模様の超伝導層に基板面の圧
縮応力(Druckspannung)が加わることにより解決され
る。
【０００７】この方法を用いるときは、超伝導材料を基
板上に蒸着して、その時々の使用目的に合う模様が付い
た超伝導材料を圧縮応力下に置くようにする。驚くべき
ことに、この措置によってのみ、形成されたＨＴＳＬ材
料の電流搬送能力が著しく高められることが明らかとな
った。従って、このことは特に驚異的である。何故なら
ば、セラミック製のＨＴＳＬ材料(DE 37 30 766 A1) と
は逆に、ＨＴＳＬ膜は、０．１容量％以下である僅かな
結晶間の多孔性のみを有する高密度のミクロ組織を有す
るからである。臨界電流密度の上記改善のための考えら
れる説明を与えることができるのは、変形された結晶の
電子・フォノン構造(elektronischen bzw. phononische
n Struktur)の変化がａ-（ｂ-）格子パラメータの減少
及びｃ軸パ ラメータの増加に従って生じることによっ
てである。１次元の変形の経過中にピンニング・センタ
の新たな配置も生じるだろう。この方法の使用の際に起
こり得るより高い電流によって、このことに対応する超
伝導体を新たな拡大された技術的領域にも用いることが
できる。
【０００８】上記方法を実行して、超伝導層を、被覆領
域において表面領域が伸ばされた基板上に蒸着すること
ができる。続けて、この基板を弛緩するので、基板は元
の状態に戻る。表面を伸ばすために、基板を例えば湾曲
する。基板は被覆後に曲げ戻されるので、被覆された表
面及び形成された超伝導層に、基板面に作用する圧縮応
力が加えられる。それ故、ＨＴＳＬ材料の高められた電
流搬送能力が生じる。
【０００９】基板を直線状態で被覆し、続いて巻回して
コイルを形成することもできる。この際に圧縮応力下に
置かれた超伝導層によって電流搬送能力が高められたコ
イルが得られる。
【００１０】本発明の他の好ましい構成は従属請求項か
ら明らかである。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。どの公知の方法でも超伝導層を原
理的に任意の基板上に蒸着することができる。以下の記
述において、全ての可能な方法を代表してパルスレーザ
による被覆を説明する。基板を種々に形成することがで
きる。例えばコイルとして、渦巻線として又は帯とし
て、以下に、全ての可能な実施の形態の代表として帯を
引き合いに出す。
【００１２】蒸着室１（以下、単に室１という）では、
例えば真空が生起され維持される。真空では、０．５ｍ
ｂａｒの圧力を有する例えば酸素雰囲気が保たれる。室
１には、加熱ゾーン２と、この加熱ゾーン２を囲繞する
カバープレート３と、電気モータ４（以下、単にモータ
４という）と、超伝導材料を載せているターゲット５と
が設けられている。パルスレーザ６から発せられるレー
ザビーム７は窓８を通して室１に入射する。レーザビー
ム７はターゲット５に当たる。管状に形成された加熱ゾ
ーン２は開口部９を有する。この開口部９を回転自在に
取り付けられたカバープレート３によって開閉すること
ができる。このためにカバープレート３はモータ４によ
って軸線を中心に回転可能である。ターゲット５は同様
に室１に回転自在に設けることができる。このことは矢
印１０によって示されている。ターゲット５は加熱ゾー
ン２に対し間隔をあけて好ましくは軸線１１に対し対称
的に取り付けられている。この軸線１１は開口部９の中
心を通って延びている。
【００１３】例えば多結晶材料からなる基板１２すなわ
ち帯１２を、室１を通って、図示した矢印の方向に引っ
張る。帯１２は開口部１３を通って室１に入り、加熱ゾ
ーン２を通過して、開口部１４を通って室１を出る。帯
１２は室１の開口部１３及び１４ではローラ１５及１６
によって案内され、加熱ゾーン２ではローラ１７によっ
て案内される。図示した実施の形態では、３つのローラ
１７が設けられている。
【００１４】長手方向に引っ張られる帯１２が加熱ゾー
ン２を湾曲しつつ通過するように、ローラ１７は加熱ゾ
ーン２に配置されている。湾曲した領域における帯１２
の湾曲箇所の半径には参照符号Ｒが付されている。湾曲
箇所の頂点は加熱ゾーン２の開口部９とターゲット５を
結ぶ直線上にある。
【００１５】本発明の方法を図１から明らかな装置によ
って実行するために、まずパルスレーザ６及び加熱ゾー
ン２をオンにする。ターゲット５に当たるレーザビーム
７はターゲット５の表面から超伝導材料の粒子を放出す
る。これらの粒子は、破線で示されたプラズマビーム１
８によって、帯１２上に析出される。このことによっ
て、加熱ゾーン２の中を引っ張られる帯１２に、超伝導
材料からなる層１９が形成される。
【００１６】超伝導材料は湾曲した領域の帯１２上に蒸
着される。この湾曲した領域は、帯１２が加熱ゾーン２
に入るほぼ入口箇所で始まり、好ましくは、加熱容量が
減少される、加熱ゾーン２の出口領域２０で終わる。こ
の加熱容量の減少は図示の孔２１によって示されてい
る。加熱ゾーン２の出口領域２０では、層１９を備えた
帯１２は既に冷却される。このことによって、帯１２と
層１９との結合が十分に確固になるのは、帯１２が再度
直線状に整列されるときである。一方では帯１２の被覆
された表面と、他方では層１９との圧縮歪みが整列によ
って生起され、この圧縮歪みによって、完成されたＨＴ
ＳＬ帯の電流搬送能力が高められる。
【００１７】被覆中にカバープレート３をモータ４によ
って軸線を中心に回転させることができる。このことに
よって、カバープレート３は回転する赤外線遮蔽部とし
て作動する。この赤外線遮蔽部は、帯１２を周期的に短
期間解放するように、レーザパルスと同期している。こ
の期間で、その時々に、粒子ビームによってターゲット
５から帯１２への材料の伝達がなされる。かくして、DE
42 28 573 C1 に基づいて改善された析出領域での温度
条件が達成される。このことによって、析出の質及び再
現性が改善される。
【００１８】加熱ゾーン２内での帯１２の湾曲によっ
て、帯１２は、約０．０１％〜０．６％伸ばされる。帯
１２のその時々の伸びは次式にに基づいて計算される。
【００１９】Ｒ＝ｄ／２δ 但し、Ｒは湾曲箇所の半径、ｄは帯１２の厚み、δは
０．０００１〜０．００６の間にある絶対的な変形数(D
eformationszahl)である。
【００２０】図２乃至５には、被覆中の帯１２と、超伝
導層１９を備えた帯１２とを形成するための、複数の使
用例における種々の可能性が示されている。この場合、
図１と同一の部材は同一の参照符号が示されている。
【００２１】図２は図１に図示した装置に実質的に対応
する装置を示している。帯１２は、複数のローラ１７に
よって、湾曲した状態で、図示の矢印の方向に、加熱ゾ
ーン２の中を案内される。帯１２は半径Ｒを巡って湾曲
される。この半径Ｒは次式をを満たす。
【００２２】Ｒ＝２ｋ／ｄ 但し、ｄは帯１２の厚みであり、ｋは０．０１％〜０．
６％の間の許容し得る帯１２の伸びを表わす係数であ
る。加熱ゾーン２では帯１２に超伝導材料が被覆され
る。超伝導材料を備えた帯１２は、加熱ゾーン２を出た
後に、ローラ１５によって直線状に整列される。その
際、超伝導材料は圧縮される。かくして製造されたＨＴ
ＳＬ超伝導体は直線状態での使用の際には高められた電
流搬送能力を有する。
【００２３】図３に図示した装置では、図示の矢印の方
向で動かされる帯１２は、ローラ１５によって直線状に
加熱ゾーン２の中を案内され、この加熱ゾーン２内で超
伝導材料が被覆される。帯１２は、加熱ゾーン２を出た
後に、ローラ１７によって再度半径Ｒを巡って湾曲され
る。この場合、超伝導層１９が内側にあるので、層１９
の材料が圧縮される。湾曲されたＨＴＳＬ超伝導体はよ
り高い電流を送ることができる。
【００２４】図４に図示の実施の形態では、ローラ１７
によって案内されかつ半径Ｒ１ をもって湾曲した帯１
２は、図示した矢印の方向に加熱ゾーン２の中を引っ張
られる。帯１２の、湾曲した内側には、超伝導材料が被
覆される。超伝導層１９を備えた帯１２は続いて半径Ｒ
２ をもって巻回されてコイルを形成する。半径Ｒ２は
半径Ｒ１ よりも小さい。層１９の材料はコイルＳをな
して圧縮応力下に置かれる。超伝導コイルＳは高められ
た電流搬送能力を有する。
【００２５】図４とは逆に、図５に図示した装置では、
帯１２の外側に超伝導材料が被覆される。帯１２は半径
Ｒ１ をもって湾曲されて加熱ゾーン２の中を引っ張ら
れ、続いて、半径Ｒ１ よりも大きな半径Ｒ２ に拡幅さ
れる。その際、超伝導層１９の材料は圧縮される。この
ＨＴＳＬ超伝導体はより高い電流を送ることができる。
【００２６】半径Ｒ１ 及び半径Ｒ２の比率は次式で表
される。
【００２７】 Ｒ１ ／Ｒ２ ＝［１±２ｋＲ２ ／ｄ］−１ 但し、ｄは帯１２の厚みであり、ｋは帯１２の伸びを表
わす係数である。＋符号は図５に基づく外側の被覆に、
−符号は図４に基づく内側の被覆に該当する。
【００２８】帯１２は例えば０．１２ｍｍ厚のニッケル
フォイルか、イットリウムで安定化されたジルコンセラ
ミック製の０．１２５ｍｍ厚の帯であってもよい。２つ
の「基板」はイットリウムで安定化されたジルコンから
なるバッファ層を有する。析出領域内での温度は摂氏約
７７０度である。温度は出口領域２０では摂氏約２０度
乃至４００度である。層１９は０．５乃至１．０ｎｍ／
ｓの速度で形成される。帯１２は０．８ｃｍ／ｈの速度
で引っ張られる。帯１２の材料としてはバイメタル材料
も用いることができる。この材料では、被覆中及び使用
の際に種々の温度で湾曲が自動的に生じる。
【００２９】本発明の方法は２つの例で示される以下の
結果となる。
【００３０】例１ ０．１２ｍｍ厚のニッケルフォイルを被覆領域では４０
ｍｍの湾曲半径Ｒをもって湾曲する。数δは０．００１
５である。製造されたＨＴＳＬ帯に関しては、８９．２
Ｋの臨界温度と、１．８×１０６ Ａ／ｃｍ２ の電流搬
送能力が生じる。電流搬送能力は従来技術の場合よりも
約係数２だけ高い。
【００３１】例２ イットリウムで安定化されたジルコンからなる０．１２
５ｍｍ厚の帯を被覆領域で３０ｍｍの湾曲半径Ｒをもっ
て湾曲する。数δは０．００２１である。製造されたＨ
ＴＳＬ帯に関しては、８９．８Ｋの臨界温度及び０．４
×１０６ Ａ／ｃｍ２ の電流搬送能力が生じる。電流搬
送能力は従来技術の場合よりも約係数１．４だけ高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に基づく方法を実施する装置の略
図である。
【図２】図２は基板を被覆するための第１例を示す図で
ある。
【図３】図３は基板を被覆するための第２例を示す図で
ある。
【図４】図４は基板を被覆するための第３例を示す図で
ある。
【図５】図５は基板を被覆するための第４例を示す図で
ある。
【符号の説明】
１２ 基板 １７ ローラ １９ 超伝導層 Ｒ 半径 Ｒ１ 半径 Ｒ２ 半径
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｂ 13/00 ５６５ Ｈ０１Ｂ 13/00 ５６５Ｄ (72)発明者 アレクサンダー・ウソースキン ドイツ連邦共和国、37085 ゲッティンゲ ン、アウフ・デム・ローベルゲ 11アー (72)発明者 フランシスコ・ガルシア − モレノ ドイツ連邦共和国、37075 ゲッティンゲ ン、フィリップ − ライス − シュト ラーセ ５

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板を蒸着室を介して引っ張り、この基
    板を蒸着室内の加熱領域で加熱し、この加熱領域内で超
    伝導材料を被覆する、長手方向に伸ばされた基板に超伝
    導層を形成する方法において、 完成品に使用される幾何学的模様とは異なった幾何学模
    様で前記基板（１２）に超伝導材料を被覆して、使用状
    態にある基板（１２）の幾何学的模様の超伝導層（１
    ９）に基板面の圧縮応力を生起することを特徴とする方
    法。
  2. 【請求項２】 超伝導材料の被覆中に前記基板（１２）
    の表面を機械的に伸ばすこと、及び前記基板（１２）の
    被覆された表面を弛緩させるように、前記基板（１２）
    の被覆中の模様に対して使用時の前記基板（１２）の模
    様を変形させることを特徴とする請求項１に記載の方
    法。
  3. 【請求項３】 前記基板（１２）の機械的伸びの範囲
    を、被覆前に始めて、前記加熱領域（２）に続く冷却領
    域まで広げることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 引張り応力下にある前記基板（１２）を
    被覆領域においてローラ（１７）によって案内しかつ湾
    曲することを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記基板（１２）を直線状態で被覆し、
    超伝導材料からなる層（１９）が内側にあるように、前
    記基板（１２）を使用時に湾曲することを特徴とする請
    求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記基板（１２）を湾曲するときにでき
    る半径（Ｒ）は等式Ｒ＝２ｋ／ｄを満たし、但し、ｄは
    基板（１２）の厚みであり、ｋは基板（１２）の伸びを
    表わす係数であることを特徴とする請求項５に記載の方
    法。
  7. 【請求項７】 前記基板（１２）をまず半径（Ｒ１ ）
    をもって湾曲すること次にこの基板（１２）に超伝導材
    料を被覆すること、及び被覆された前記基板（１２）を
    使用時に半径（Ｒ１ ）と異なる半径（Ｒ２ ）を中心に
    湾曲することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 ２つの半径（Ｒ１ ）及び（Ｒ２ ）は次
    式の関係を有し、 Ｒ１ ／Ｒ２ ＝［１±２ｋＲ２ ／ｄ］−１ 但し、ｄは基板（１２）の厚み、ｋは基板（１２）の伸
    びを表わす係数であり、＋符号は外側の被覆、ー符号は
    内側の被覆を表わすこと、を特徴とする請求項７に記載
    の方法。
  9. 【請求項９】 多結晶の材料からなる基板（１２）を用
    いることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１に記
    載の方法。
  10. 【請求項１０】 基板（１２）としてニッケルフォイル
    を用いることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１
    に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 イットリウムで安定化されたジルコン
    セラミックからなる帯を基板（１２）として用いること
    を特徴とする請求項１乃至９のいずれか１に記載の方
    法。
  12. 【請求項１２】 バイメタル材料を基板（１２）として
    用いることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１に
    記載の方法。
  13. 【請求項１３】 ０．０１％と０．６％の間の伸びすな
    わち湾曲の際に前記基板（１２）を直線状に変形するこ
    とを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１に記載の
    方法。
  14. 【請求項１４】 前記超伝導層（１９）を圧縮する際
    に、前記被覆された基板（１２）を摂氏４００度までの
    温度に晒すことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれ
    か１に記載の方法。
JP9185037A 1996-07-11 1997-07-10 超伝導層の形成方法 Withdrawn JPH10147859A (ja)

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