JPS61267381A - 熱式永久電流スイツチおよびその製造方法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、超電導磁石に用いられる熱式永久電流スイッ
チおよびその製造方法に関する。

〔発明の技術的背崇とその問題点） 磁気浮上列車や核磁気共鳴装置に用いられる超電導磁石
は９通常、永久電流モードで使用される。

永久電流モードの利点は、（１）磁石を励磁した後に電
源を切り離すことができるので省電力化を図れること、
（２１１ｆｉ７：Ｊと電源とを完全に切りＭ　ｔことが
できるので磁石を収容するクライオスタットへの熱侵入
を著しく減少できること、（３）電源変動に起因する発
生磁界変動をなくすことができること等である。

超電導磁石を永久電流モードで運転するには永久電流ス
イッチを必要とする。この永久電流スイッチは、ａｍ械
式、ｖＡ気式、熱式に大別される。このうち、特に、熱
式永久電流スイッチは、制御が比較的簡単であることか
ら、現在最も多く使用されている。

熱式永久電流スイッチは１通常、所定の良さの超電導線
と、この超電導線を選択的に加熱するヒータ線と、これ
らを一体にモールドするたとえば■ボキシ樹脂層とで構
成されている。すなわち。

１　　　　　この熱式永久電流スイッチは、超電導線が
ヒータ線から熱供給を受けて臨界温度以上になると超電
導線の抵抗値が大きくなって、いわゆるＯ　Ｆ　Ｆ状態
となり、また、超電導線がヒータ線から熱供給を受１ｊ
ないとぎには周囲の冷媒によって超電導線が臨界温度以
上に冷却されて抵抗値が零になり。

いわゆるＯＮ状態となる。したがって、外部からヒータ
電流を制御Ｊることによって容易にＯＮ。

ＯＦＦ制御することができる。

第５図は、上述した熱式永久電流スイッチを超電導磁石
に実際に組み込んだとぎの模式図である。

すなわち、液体ヘリウムを収容したクライオスタット１
内に、超電導コイル２と熱式永久電流スイッチ３どが液
体ヘリウム中に浸漬される関係に収容されており、超電
導」イル２の両端間に熱式永久電流スイッチ３の超電導
線４が接続されている。

また、熱式永久電流スイッチ３のヒータ線５の両端はリ
ード線を介して外部へ導かれている。そして、超電導コ
イル２の両端はリード線を介して外部に設けられた励消
磁用の電８！６に接続されている。

このような回路において、永久電流モードを実現するに
は、まず、熱式永久電流スイッチ３のヒータ線５に電流
を流し、超電導線４を常電導状態（ＯＦＦ＞に保ったま
まで超電導コイル２を励磁する。ぞして、超電導コイル
２に流れる電流が所定の値に達した時点で、ヒータ線５
への電流供給を停止して超電導線４を超電導状態（ＯＮ
）に復帰させる。続いて、電源６の出力電流を零に設定
することによって永久電流モードへと移行させることが
できる。このように、熱式永久電流スイッチを用いると
簡単な制御だけで永久電流モードを実現できる。

ところで、熱式永久電流スイッチとしては、従来２機械
成形加工と熱処理との組合せによって作製されたＣｕ母
材のＮｂＴｉ超電導線またはＣｕＮｉ母材のＮｂＴｉ超
電導線に絶縁材を介してヒータ線を添設し、これらを一
体にコイル状に巻くとともに樹脂でモールドした構成の
ものが使用されている。

しかしながら、上記のように構成された熱式永久電流ス
イッチにあっては、超電導線とヒータ線とをコイル状に
巻いた構成を採用しているため。

全体が必然的に大形化し、これが原因して冷却に多量の
液体ヘリウムを必要と−４６ばかりか、ＯＮ。

ＯＦＦ制御時の応答性が悪いと言う問題があった。

また、上述した製造方法を採用しているので、製造する
のに長時間を要するばかりか特性の均一なものを多量に
製造できない問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、全体の小形化を図れるとともに
ＯＮ、、ＯＦＦ制御時の応答性に優れた熱式永久電流ス
イッチを提供することにある。

また１本発明の他の目的とするところは、小形。

かつ応答性に優れたスイッチを簡単な工程で、しかも特
性の均一なものを多量に製造できる熱式永久電流スイッ
チの製造方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明によれば、抵抗発熱体を兼ねた基板と。

この基板上に形成された絶縁層と、この絶縁層上に真空
薄膜作製法で固着された超電導層とを具備してなる熱式
永久Ｎ流スイッチが提供される。

また１本発明によれば、抵抗発熱体となり得る基板上に
絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層トに真空Ｎ膜作成
法で超電導体を生成可能な母材層を形成する■稈と、こ
の工程後に熱処理して前記母材層を超電導層に変換する
工程とを具備してなる熱式永久電流スイッチの製造方法
が提供される。

〔発明の効宋〕

本発明によれば２Ｍ板と、絶縁層と、超電導層とを上述
した関係に少なくとも三層構造に配置した構成を採用し
ている。したがって９本発明に係る熱式永久電流スイッ
チは、全体的に偏平な形状を成しており、コイル状に形
成された従来のものに比べて形状的に無駄なスペースを
必要どしない。

このため、全体の小形化が可能となり、この結果。

冷却に必要な液体ヘリウム鋤を減少させることができる
。加えて１本発明に係るスイッチでは抵抗光熱体を兼ね
た基板−［に絶縁層が形成され、この絶縁層上に同じく
真空薄膜作製法で超電導層が固着されている。真空ｉ＃
腸佳作製法すなわち蒸着法。

イオンプレーティング法、スパッタ法、熱ＣＶＤ法およ
びプラズマＣＶＤ法の何れかで作製された薄膜は固着強
度が大ぎい。このため、基板と超電導層との間の熱抵抗
が非常に小さく、この結果。

ＯＮ、ＯＦＦ制御時の応答性を向上させることができる
。なお、上記絶縁層としてＡＩＮ、ＢＮ。

Ｓｉ３Ｎ＋などの使用が考えられる。

また９本発明の好ましい形態によれば、真空薄膜作製法
で金属酸化物絶縁層を形成し、このＦに真空Ｈ膜作製法
で超電導体を生成可能な母材層を形成し、最後に熱処理
を行なって上記母材層を超電導層に変換するようにした
もので、このような方法によれば、伸線加工等の複雑な
機械成形加工を必要とせずにスイッチを製造することが
できる。

このため、！ｉｔ造の容易化を図れるばかりか、真空薄
膜作製法と言った作製精度が本質的に高り、シかも再現
性の高い製法を採用しているので特性の均一なものを多
艶に製造することかできる。

〔発明の実施例〕

以下１本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例に係る熱式永久電流スイッチ
の外観を示すものである。

この熱式永久電流スイッチは、固有抵抗が比較的大きく
抵抗発熱体となり得る金属、たとえばステンレス鋼の薄
い板で形成された基板１１と、この基板１１の一方の面
上に真空薄膜作製法、たとえばスパッタ法で形成された
金属酸化物絶縁層１２と、この金属酸化物絶縁層１２の
上面に蛇行するように形成された超電導層１３とで構成
されている。

金属酸化物絶縁層１２は、たとえばターゲットとしてＮ
ｂを用い、０２とＡｒ との混合ガス中でのスパッタリングによって形成された
ものである。また、超電導層１３は、たとえばＮｂＮで
代表されるＢ１型化合物超電導体によって形成されてい
る。この超電導層１３は、まず、たとえばターゲットと
してＮｂを用い、金属酸化物絶縁層１２上に蛇行スリッ
トを有したマスクを配置した状態でＮ２とＡｒとの混合
ガス中でスパッタリングを行なって、金属酸化物絶縁層
１２上に蛇行した超電導層を生成可能な母材層を形成し
、その後に所定温度で熱処理を行なって形成されたもの
である。

そして、実際にスイッチとしで使うときには。

基板１１の両端に電流供給用のリード線１４ａ。

１４ｂを接続するとともに超電導層１３の両端に図示し
ない超電導コイルの線端１５ａ、１５ｂを接続し、超電
導コイルと一緒に液体ヘリウム中に浸漬されて使用され
る。

このような構成であると、リード線１４ａ。

１４ｂを介して基板１１に電流を流すと、基板１１が発
熱し、この熱が金属酸化物絶縁層１２を介して超電導層
１３に伝えられる。そして、超電導層１３が臨界温度以
上に加熱されると、いわゆるＯＦＦ状態が形成される。

また、基板１１への電流供給を停止すると１周囲の液体
ヘリウムによって超電導−１３が臨界温度以下に冷却さ
れＯＮ状態に復帰する。したがって、熱式永久電流スイ
ッチとしての機能を発揮することになる。

そして、この場合には、スイッチ全体を平板状に形成し
ているので、形状的に無駄なスペースを必要としない。

したがって、スイッチ全体の小形化を図ることができ、
この結果、冷却に必要な液体ヘリウム量を少なくするこ
とができる。また。

金属酸化物絶縁層１２は真空薄膜作製法によって基板１
１−トに形成されており、さらに、超電導層１３も真空
薄膜作製法によって金属酸化物絶縁層１２上に固着され
ている。真空薄膜作製法で形成された膜は０通常、固着
強痩が大きく密着性がよい。したがって、基板１１と超
電導層１３との間の熱抵抗を充分小さくすることができ
、これによってＯＮ、ＯＦＦ制御時の応答性を向上させ
ることができ、結局、前述した効果を発揮させることが
できる。

第２図は９本発明の他の実施例に係る熱式永久電流スイ
ッチの外観を示すものである。第１図と同一部分は同一
符号で示しである。したがって。

重複する部分の詳しい説明は省略する。

この実施例が第１図に示すものと異なる点は。

超電導層１３の蛇行に合致へさせて基板１１および金属
酸化物絶縁層１２を蛇行させるために基板１１および金
属酸化物絶縁層１２に切り込み１６を入れたものである
。

このような構成であると、前記実施例と同様の効果が得
られことは勿論のこと基板１１で発生した熱をＯＦＦ制
御に有効に使用することができ。

なお一層応答性を向上させることができる。

次に、第１図および第２図に示した熱式永久電流スイッ
チの製造方法について説明する。

本発明に係る製造方法を実施するに当って、まず、第３
図に示すスパッタリング装置を用意した。

ここで、このスパッタリング装置の構造を簡単に説明す
る すなわち２図中２１は真空槽であり、この真空槽２１内
にはターゲットホルダ２２と基板ホルダ２３とが対向し
て配置されている。上記ターゲットホルダ２２の一部は
真空槽２１の壁を絶縁状態に貫通して外部に突出してお
り、基板ホルダ２３の一部は真空槽２１の壁を貫通して
外部に突出している。真空槽２１内の基板ホルダ２３の
近傍には第４図に示すように蛇行スリブ］・２４を有し
たマスク２５が基板ホルダ２３を覆うように配置されて
おり、このマスク２５は真空槽２１外から回転操作可能
に設けられた軸２６の先端で支持されている。真空槽２
１内は、リークバルブ２７゜２Ｂ、２９．バルブ３０，
３１．３２を介して０２ボンベ３３．Ａｒボンベ３４．
Ｎ２ボンベ３５に接続されている。また、真空槽２１内
は。

バルブ３６を介して排気装＠３７に接続されている。そ
して、ターゲットホルダ２２ど真空槽２１の壁との間に
選択的に放電用の電源３８が接続されるようになってい
る。なお２図中３９は真空計を示している。

本発明では、このようなスパッタリング装置を主に用い
て次のようにして熱式永久電流スイッチを製造した。

まず、真空横２１内のターゲットホルダ２２にターゲラ
ｉ・４０としてのＮｂの板を取り付けるとともに基板ホ
ルダ２３にステンレス鋼の薄い板で形成された基板１１
を取り付けた。続いて、真空槽２１内を排気し３次に雄
板１１の一上面をマスク２５で覆わない状態で０２とＡ
ｒとの混合ガスを真空槽２１内に導入し、１０°２ｔＯ
Ｎ’の条件下でスパッタして前述した金属酸化物絶縁層
１２を形成した。

次に、真空槽２１内をＮ２どＡｒとの混合ガスで置換し
、金属酸化物絶縁槽１２の上面をマスク２５で覆った状
態で、かつ１０″２ｔｏｒｒの条件下でスパッタした。

なお、このとき基板１１の温度は１００℃であった。こ
のスパッタで金属酸化物絶縁層１２の上に蛇行状態に形
成された超電導層生成用の母材層は、ＮｂとＮ原子とか
らなるアモルファス状のものであった。

次に、真空槽２１内から試料を取り出し、これを５００
℃で３０分４間熱処理した。その結果、前述した母材層
が８１型化合物超電導体であるＮｂＮ層に変換された。

第１図に示す熱式超電導スイッチを得ることができた。

なお、熱処理温度が４００℃未満の場合および６００°
Ｃを越える場合には充分な超電導特性、特に、臨界電流
値が得られず、実用に供すことができるスイッチを得る
ことができなかった。

Ｘ１Ｊしと 実施例１と同様のスパッタリング装置を用いた。

ターゲットとしてＮｂの板とＧｅの板を用いた。

基板１１に金属酸化物絶縁層１２を形成する際。

Ｇｅターゲットの前にシャッタを置いてＧｅが基板１１
に付着しないようにし、０２とＡｒとの混合ガス中で１
０’　ｔｏｒｒの条件下でスパッタして金属酸化物絶縁
層１２を形成した。続いて、Ｇｅターゲットの前面のシ
ャッタを取り除き、また金属酸化物絶縁層１２をマスク
２５で覆った状態で。

かつ１０’　ｔｏｒｒの条件下でスパッタした。なお。

このとき基板１１の温度は１００℃であった。また。

このスパッタで蛇行状態に形成された超電導層形成用の
母材−はＮｂとＧｅ原子どのアモルファス状のものであ
った。

次に、真空槽２１内から試料を取り出し、これを８００
℃で３０分間熱処理した。この結果、ｆｆｌ材層がＡ１
５型化合物超電導体であるＮｂａＧｅに変換されている
熱式永久電流スイッチを得ることができた。なお、熱処
理温度が６００℃未満の場合および９００℃を越える場
合には充分に＾い超電導特性が得られず、実用できるス
イッチを得ることはできなかった。

このよに１本発明に係る製造方法であると、伸線加工等
の複雑な機械加工を必要とゼずに熱式永久電流スイッチ
を製造することができる。したがって、スイッチ製造の
容易化を図ることができる。

また、スパッタによる薄膜作製法では、一般に。

充分に精度の高いＭ躾を再現性よく形成することができ
る。したがって、特性の均一なものを多量に製造するこ
とができ、結局、前述した効果が得られるこ１とになる
。

なお９本発明は上述した実施例に限定されるものではな
（種々変形することができる。すなわち。

上述した実施例では、スパッタ法で金属酸化物絶縁層お
よに超電導層生成用の母材層を形成しているが、蒸着法
、イオンプレーティング法、気相成長法で形成するよう
にしてもよい。また、超電導層生成用の母材層を形成す
るとき基板温度が３００℃のときには、得られる母材層
がｂｃｃ相となるが前述した熱処理を行なうことによっ
て８１型、Ａ１５型の化合物超電導体に変えることがで
きる。また、ＮｂＮ、Ｎｂ：ＩＧｅの超電導層に限らず
ＮｂＣＮ、Ｎｂ３Ａｌ、Ｎｔｌ　ＡｌＧｅ等の８１型、
Ａ１５型の超電導層を形成するようにしてもよい。また
、マスクを用いずに各薄膜を形成し、熱処理後に第２図
に示すように切り込みを入れてスイッチを製造するよう
にしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る熱式永久電流スイッチ
の外観図、第２図は本発明の他の実施例に係る熱式永久
電流スイッチの外観図、第３図は本発明製造方法の実施
に用いられたスパッタリング装置の概略構成図、第４図
は同装置内にセットされたマスクの平面図、第５図は熱
式永久電流スイッチの使用例を説明するための図である
。 ト・・クライオスタット、２・・・超電導コイル、３・
・・熱式永久電流スイッチ、１１・・・基板、１２・・
・金属酸化物絶縁層、１３・・・超電導層。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）抵抗発熱体を兼ねた基板と、この基板上に形成さ
   れた絶縁層と、この絶縁層上に真空薄膜作製法で固着さ
   れた超電導層とを具備してなることを特徴とする熱式永
   久電流スイッチ。
2. （２）前記超電導層は、前記絶縁層上に非直線状に形成
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の熱式永久電流スイッチ。
3. （３）前記基板、前記絶縁層および前記超電導層は、少
   なくとも三層形態で非直線状に延びる形状に形成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の熱式
   永久電流スイッチ。
4. （４）抵抗発熱体となり得る基板上に絶縁層を形成する
   工程と、前記絶縁層上に真空薄膜作成法で超電導体を生
   成可能な母材層を形成する工程と、この工程後に熱処理
   して前記母材層を超電導層に変換する工程とを具備して
   なることを特徴とする熱式永久電流スイッチの製造方法
   。
5. （５）前記真空薄膜作成法は、蒸着法、イオンプレーテ
   ィング法、スパッタ法、熱ＣＶＤ法およびプラズマＣＶ
   Ｄ法のなかの何れかであることを特徴とする特許請求の
   範囲第４項記載の熱式永久電流スイッチの製造方法。
6. （６）前記母材層はＢ１型化合物超電導体を生成可能な
   層であり、前記熱処理の温度は４００〜６００℃である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の熱式永久
   電流スイッチの製造方法。
7. （７）前記母材層はＡ１５型化合物超電導体を生成可能
   な層であり、前記熱処理の濃度は６００〜９００℃であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の熱式永
   久電流スイッチの製造方法。