JPWO2004077600A1 - 超伝導体伝送線路 - Google Patents
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Abstract
Description
図4(A)〜(C)は、従来技術による伝送線路の構造例を概略的に示す斜視図である。
図4(A)において、円柱状中心導体101と、円筒状外部接地導体102は、誘電体ブロック104によって電気的に分離されている。誘電体としては、高周波損失の少ない材料を選択する。誘電率の高い材料を用いると、伝送線路を小型化することが可能となる。外部接地導体102、中心導体101は、Cu、Ag、Au等の常伝導体で形成される。なお、中心導体101を流れる電流は、表面近傍を流れるので、中心導体101を円筒状の中空構造としてもよい。その場合、厚さは表皮厚の2倍以上とする。中心導体101が中空構造の場合、その中空部に誘電体103を充填してもよい。
導体を、超伝導体で形成すると、超伝導体線路は、抵抗が直流で0、高周波においても非常に小さいため、低損失、大電流対応の伝送線路を形成することが可能となる。酸化物超伝導体は、比較的高温で超伝導状態となり、取扱いに便利である。
酸化物超伝導体は、金属導体等と異なり、電気的特性が結晶粒界の構造に非常に敏感である。酸化物超伝導体の多くは、直方体の結晶構造を有する。隣り合う直方体同士の結晶軸方向が数度異なると、その部分に結晶粒界が生じる。
図4(A)の構成において、誘電体ブロック103を単結晶で作製し、その円弧状外表面上に酸化物超伝導体をエピタキシャルに成長して外部接地導体102を作製しようとしても、酸化物超伝導体層をエピタキシャルに成長することは非常に困難である。
図4(B)は、伝送線路の他の形態を示す。好ましくは単結晶である四角柱状の誘電体ブロック104の外周面上に、酸化物超伝導体の外部接地導体102が形成されている。誘電体ブロック104には、断面円形の内孔が形成されており、内孔内に中心導体101が収容されている。中心導体101は中空構造とし、その中空部分に誘電体103を収容してもよい。誘電体充填構造の代りに単なる中空構造を採用することも可能である。
図4(C)は、伝送線路の他の形態を示す。好ましくは単結晶である誘電体ブロック104は、四角柱状の形状を有し、さらに四角柱状の内孔を有する。四角柱の外周面には、外部接地導体102が形成され、四角柱状の内孔の内壁には、中心導体101が形成されている。中心導体101は、中空形状であり、その中空部に誘電体103を収容してもよい。外部接地導体102、中心導体101は、酸化物超伝導体で形成されている。
図4(B)における外部接地導体102、図4(C)における中心導体101及び外部接地導体102は、単結晶誘電体ブロック104の平坦な表面上に形成されている。しかしながら、酸化物超導電体層をエピタキシャル成長しても、四角柱形状の角部においては、隣接する面の酸化物超伝導体が接し、その結晶方位が異なると、粒界の発生を避けられない。すると、損失が生じ、大電流を流すことが難しくなる。平面の下地上には、エピタキシャル層や単結晶に近い層を得ることが可能であるが、四隅においては結晶粒界の発生を避けることができない。
本発明の1観点によれば、内部導体と、該内部導体の周囲を囲み、断面が中空4角形の各角部が除去された形状を有する4つの面を有し、隣接する面間にλ/4(但し、λは伝送する高周波の波長)未満のスリットが形成されている、酸化物超伝導体で形成された外部導体と、を有する超伝導体伝送線路が提供される。
図2は、本発明の他の実施例による伝送線路を示す斜視図及び断面図である。
図3は、図1、図2の伝送線路の応用例を示す斜視図である。
図4は、従来の技術による伝送線路の構成を示す斜視図である。
図1(A)は、第1の基本構造を示す。円柱状の内部導体1の周囲を取り囲むように、平面上の4つの酸化物超伝導体層の外部導体2−1〜2−4を配置する。中心導体1と外部導体2−1〜2−4との間には、ギャップ10が形成される。4つの超伝導体層2−1〜2−4は、平面形状を有するため、結晶性の良好な酸化物超伝導体で形成することができる。
図1(B)は、図1(A)の構成を実現する1つの形態を示す。四角柱状の誘電体ブロック4は、酸化マグネシウム(MgO)、ランタンアルミネート(LaAlO3)、サファイア(Al2O3)等の低損失、高誘電率の材料の単結晶で形成される。サファイアの場合は表面にCeO2のバッファ層を設けることが好ましい。例えば、断面が方形の外周を有し、各外周面が(100)面で構成され、内部に断面が円形の内孔を有するMgOブロックを用いる。4つの平坦な外周面上に、酸化物超伝導体層2−1〜2−4が互いに分離して形成される。円形断面の内孔には、Ag、Au、Cu、Al等の電気的良導体や、超伝導体の線材1が挿入される。
図1(C)は、図1(B)に示すような酸化物超伝導体層2−1〜2−4を形成する第1の方法を示す。単結晶誘電体ブロック4の外周面上に、液相の酸化物超伝導体材料をディップコーティング又はスクリーン印刷等の塗布法により形成する。酸化物超伝導体としては、安定で良好な特性を示すBi(Pb)−Sr−Ca−Cu−O、Y−Ba−Cu−O(YBCO)、RE−Ba−Cu−O(RE:La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Er、Tm、Yb、Lu)のいずれかを選択することが好ましい。
酸化物超伝導体層を高温で焼成することにより、酸化物超伝導体層が固相結晶化し超伝導性が出現する。なお、良好な高周波特性と大電流対応を得るため、形成する超伝導体層の膜厚は、0.5μm以上とする。ディップコーティングした液相材料層を焼成した状態では、断面中空四角形の各角部において結晶粒界が発生し易い。
酸化物超伝導体層が形成された誘電体ブロックの角をヤスリで削る、切断機で切り出す等の機械的方法により、角部上の酸化物超伝導体層を下地の誘電体ブロックと共に除去する。結晶性が乱れ易い角部の酸化物超伝導体層を除去することにより、誘電体ブロック4の4つの外周面上に結晶性の良好な4層の酸化物超伝導体層が残る。伝送する高周波が漏れないように、隣接する酸化物超伝導体層の間のスリット幅はλ/4未満になるように設定する。
ここで、λは伝送する高周波の波長である。複数の波長がある場合は最も短い波長である。内部導体と外部導体との間に誘電体が存在する場合は、高周波が存在する空間中での実効的な波長である。
なお、ディップコーティングや印刷に代え、真空容器中のスパッタリング、蒸着(レーザ蒸着、共蒸着を含む)等を用いて、誘電体ブロックの外周面上に酸化物超伝導体膜を形成することもできる。これの方法は、成膜に時間がかかり、高価な設備が必要となるが、原子レベルでの成長が可能となり、非常に高品質なエピタキシャル層を形成することができる。断面中空四角形の酸化物超伝導体層の各角部を除去することは上述と同様である。
図1(D)は、分離された酸化物超伝導体層を形成する第2の方法を示す。誘電体ブロック4の断面四角形の各角部を予め面取りする。誘電体ブロック4の平坦な外周面上に、印刷法により酸化物超伝導体材料層を塗布する。酸化物超伝導体材料層を高温で焼成することにより、4つの酸化物超伝導体層2−1〜2−4を形成することができる。
図1(E)は、伝送線路の第3の形態を示す。4つの外部接地導体2−1〜2−4が、空気の間隙を介して中心導体1と対向配置される。4つの酸化物超伝導体層2−1〜2−4は、板材を用いて形成してもよい。又、図示のように板状支持基板6−1〜6−4の上に、酸化物超伝導体層2−1〜2−4を形成することもできる。
板状支持基板6−1〜6−4は、酸化マグネシウム、ランタンアルミネート、サファイア、酸化ストロンチウム、酸化セリウム、酸化チタン、銀、金、ニッケル、酸化ニッケル、ニッケル合金等その上に酸化物超伝導体層をエピタキシャルに成長できる材料から選択することが好ましい。膜形状で酸化物超伝送導体層を形成する場合、高周波特性と大電流対応を得るために、膜厚は0.5μm以上とすることが好ましい。
図1(F)に示すように、中心導体1を中空構造とすることもできる。この場合、中空構造の内部に誘電体ブロック3を配置してもよい。
図2(A)〜(D)は、伝送線路の他の形態を示す。
図2(A)は、第2の基本構造を示す。中心導体は4枚の平坦な平面状酸化物超伝導体層1−1〜1−4で形成され、外部接地導体も4枚の平坦な平面状酸化物超伝導体層2−1〜2−4で形成される。板状の中心導体1と、板状の外部導体2との間にはギャップ10が形成される。
図2(B)は、図2(A)に示す伝送線路を実現する第1の形態を示す。誘電体ブロック4は、酸化マグネシウム、ランタンアルミネート、サファイア等低損失、高誘電率の誘電体で形成され、四角柱状の形状を有する。誘電体ブロック4はさらにその中心部に断面4角形の4角柱状の内孔を有する。誘電体ブロック4の外周面上には、4つの酸化物超伝導体層2−1〜2−4が形成され、断面4角形の内孔の内壁上にも、4つの酸化物超伝導体層1−1〜1−4が形成される。
このような酸化物超伝導体層は、例えばディップコーティングにより誘電体ブロック4の外周面及び内孔の内壁上に酸化物超伝導体材料層を塗布し、高温で焼成した後、各角部をヤスリ、切断機等により除去することにより実現できる。隣接する酸化物超伝導体層の間隔は、λ/4未満とし、電界のもれを防止することが好ましい。又、膜厚は0.5μm以上とすることが好ましい。
図2(C)は、図2(A)の形態を実現する他の構成を示す。中心導体は、四角柱状の内部誘電体ブロック3の4つの外周面上に互いに分離して形成された酸化物超伝導体層1−1〜1−4で構成される。このような酸化物超伝導体層の作成は、図1(C)、(D)で説明した方法と同様にして行なうことができる。このように形成した中心導体の周囲に、酸化物超伝導体の板2−1〜2−4を配置する。隣接する酸化物超伝導体板2−1〜2−4の間隔は、λ/4未満とする。
図2(D)は、図1(E)同様、酸化物超伝導体の外部接地導体を、下地基板上に形成した酸化物超伝導体膜で形成する場合を示す。外部導体2−1〜2−4は、図1(E)の構成で説明した外部導体と同様である。中心導体1−1〜1−4は、図2(C)の構成で説明したものと同様である。
図3は、このようにして形成した伝送線路の利用方法の例を図示する。伝送線路20は、長さLで切り出されており、長さLによって共振周波数が設定される。伝送線路20の一端に高周波入力プローブ7が配置され、他端に高周波出力プローブ8が配置される。高周波入力プローブ7から伝送線路20に供給された高周波信号は、長さLを有する共振器を通って高周波出力プローブ8に結合される。このような構成を以下のような用途に利用できる。
(1)伝送ケーブル(線材ケーブル)
これは、半導体装置間を低損失および高速で信号を伝えるケーブルや大容量の電力(DCから交流まで)を低損失で供給することができるケーブルまで含む。隣接する面の端部間にλ/4未満のスリットを形成することによって、導体部分は結晶粒界の無いエピタキシャルな超伝導膜で構成されるため、低損失かつ大電流にも対応可能なケーブルが実現できる。例えば、1GHzの高周波伝送では、従来の約1/100に損失を減らすことができる。断面が方形形状の場合、四隅の部分に電磁界や電流、応力などが集中する。したがって、四隅部分にスリットを設けることによって、それらを緩和できる効果も合わせもつ。さらに、電流は、中心導体では外部設置導体側の表面(超伝導体の場合、磁気侵入長の2倍程度で、しかも周波数による依存性がほとんどない)を、外部接地導体では中心導体側の表面(超伝導体の場合、磁気侵入長の2倍程度で、しかも周波数による依存性がほとんどない)を流れるため、中心導体の内側や外部接地導体側の外側に、保護やクエンチの際の熱負荷防止のための金属層などを設けても構わない。
(2)限流器
電力系統規模の拡大や電力需要の伸び、ネットワーク化や回線容量の増大に伴って、短絡や雷などの事故が起きた時の急激な電流増大による電気・電子機器への障害が増大している。それらの対策として、普段はほぼ無損失で電力を通し、事故時には大きいインピーダンスを発生し、事故電流を遮断する限流器の開発が進められている。超伝導限流器の原理の一つとして、過電流が流れたときに超伝導状態から常伝導状態へ移行し、大きなインピーダンスを発生する抵抗転移型がある。良好な限流特性を得るためには、全体にわたって、超伝導臨界温度Tcや超伝導臨界電流Icが均一であることが必須である。上述のように結晶粒界の無いエピタキシャルな超伝導膜が全体にわたって均一に構成できるため、電流容量の増大や高速遮断が可能である。さらに、限流時に大きな熱負荷が加わる恐れがあるが、これに対しても中心導体の内側や外部接地導体の外側に金属などの高熱伝導層を設けることによって緩和することができる。また、図3の素子を直・並列することによって、さらなる大容量な限流器へとつながる。
(3)電流リード
これまで、電流リードは室温から4Kレベルの間を銅製の電流リードが使われてきた。しかし、銅製の電流リードではジュール熱が大きく、また外環境からの熱流入も大きいため、冷凍機冷却マグネットなどでは液体ヘリウム使用量の増大や大型化などの問題が発生している。そこで、低損失で熱伝導が小さい超伝導電流リードが期待されている。しかしながら、酸化物超伝導体の場合、結晶粒界などが存在すると特性が劣化してしまう。上述の構成によれば、結晶粒界の無いエピタキシャルな超伝導膜が全体にわたって均一に構成できるため、低損失かつ熱流入の少ない、大電流にも対応可能な電流リードの実現が可能である。
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、酸化物超伝導体、支持基板、誘電体ブロックとして他の物質を用いてもよい。その他、種々の変更、改良、組合せが可能なことは当業者に自明であろう。
以下、本発明の特徴を付記する。
(付記1)(1) 内部導体と、
該内部導体の周囲を囲み、断面が中空4角形の各角部が除去された形状を有する4つの面を有し、隣接する面間にλ/4(但し、λは伝送する高周波の波長)未満のスリットが形成されている、酸化物超伝導体で形成された外部導体と、を有する超伝導体伝送線路。
(付記2) 前記酸化物超伝導体は、Bi(Pb)−Sr−Ca−Cu−O,Y−Ba−Cu−O,RE−Ba−Cu−O(RE:La、Nd,Sm,Eu,Gd,Dy,Er,Tm,Yb,Lu)のいずれかである付記1記載の超伝導体伝送線路。
(付記3) 前記外部導体が、厚さ0.5μm以上の酸化物超伝導体層で形成されている付記1または2記載の超伝導体伝送線路。
(付記4)(2) さらに、前記内部導体と前記外部導体との間の領域に配置された誘電体ブロックを有する付記1〜3のいずれか1項記載の超伝導体伝送線路。
(付記5) 前記誘電体ブロックは、酸化マグネシウム、ランタンアルミネート、サファイアのいずれかで形成されている付記4記載の超伝導体伝送線路。
(付記6)(3) 前記誘電体ブロックが、長手方向に延在する4つの平坦な外面を有し、前記外部導体が前記4つの平坦な外面上に形成されている付記4または5記載の超伝導体伝送線路。
(付記7)(4) 前記誘電体ブロックが、長手方向に延在する4つの平坦な内壁を有する4角柱形の内孔を有し、前記内部導体が前記4つの平坦な内壁上に形成された4つの面を有し、隣接する面間にλ/4未満のスリットが形成されている、酸化物超伝導体で形成されている付記4〜6のいずれか1項記載の超伝導体伝送線路。
(付記8) 前記誘電体ブロックが、長手方向に延在する円形断面の内孔を有し、前記内部導体が前記内孔に挿入されている付記4〜6のいずれか1項記載の超伝導体伝送線路。
(付記9)(6) さらに、前記外部導体外面で、外部導体のそれぞれを支持する支持部材を有する付記1〜3のいずれか1項記載の超伝導体伝送線路。
(付記10) 前記支持部材が酸化マグネシウム、ランタンアルミネート、サファイア、酸化ストロンチウム、酸化セリウム、酸化チタン、銀、金、ニッケル、酸化ニッケル、ニッケル合金のいずれかで形成されている付記9記載の超伝導体伝送線路。
(付記11)(7) 前記内部導体が、断面が中空4角形の各角部が除去された形状を有する4つの面を有し、隣接する面間にλ/4未満のスリットが形成されている酸化物超伝導体で形成されている付記10記載の超伝導体伝送線路。
(付記12)(8) さらに、前記内部導体の内側に配置された4角柱形の内部誘電体ブロックを有し、内部導体の4つの面が該内部誘電体ブロックの外面上に支持されている付記11記載の超伝導体伝送線路。
(付記13) 前記内部導体、外部導体が一定長さの共振器を構成する付記1〜12のいずれか1項記載の超伝導体伝送線路。
(付記14) (a)断面4角形の4角柱状誘電体ブロックの外周面に酸化物超伝導体層を形成する工程と、
(b)前記4角柱状誘電体ブロックの各角部をその上の酸化物超伝導体層と共に除去し、λ/4(但し、λは伝送する高周波の波長)未満のスリットで分離された4層の酸化物超伝導体層を前記誘電体ブロックの平坦な外周面上に残す工程と、
を含む酸化物超伝導体伝送線路の製造方法。
(付記15) 前記工程(a)が、液相の酸化物超伝導体材料を前記誘電体ブロックの外周面に塗布する工程と、塗布した材料層を焼成する工程とを含む付記14記載の酸化物超伝導体伝送線路の製造方法。
(付記16) 前記工程(a)が、前記誘電体ブロック上に酸化物超伝導体層をスパッタリング、蒸着のいずれかで形成する付記14記載の酸化物超伝導体伝送線路の製造方法。
(付記17) 前記工程(b)が、前記酸化物超伝導体層と誘電体ブロックとを機械的に除去する付記14〜16のいずれか1項記載の酸化物超伝導体伝送線路の製造方法。
(付記18) (a)断面4角形の各角部がλ/4(但し、λは伝送する高周波の波長)未満の幅で面取りされた4角柱状誘電体ブロックを準備する工程と、外周面に酸化物超伝導体層を形成する工程と、
(b)前記4角柱状誘電体ブロックの平坦な外周面上に酸化物超伝導体材料層を塗布する工程と、
(c)塗布された酸化物超伝導体材料層を焼成する工程と、
を含む酸化物超伝導体伝送線路の製造方法。
Claims (8)
- 内部導体と、
該内部導体の周囲を囲み、断面が中空4角形の各角部が除去された形状を有する4つの面を有し、隣接する面の端部間にλ/4(但し、λは伝送する高周波の波長)未満のスリットが形成されている、酸化物超伝導体で形成された外部導体と、
を有する超伝導体伝送線路。 - さらに、前記内部導体と前記外部導体との間の領域に配置された誘電体ブロックを有する請求項1記載の超伝導体伝送線路。
- 前記誘電体ブロックが、長手方向に延在する4つの平坦な外面を有し、前記外部導体が前記4つの平坦な外面上に形成されている請求項2記載の超伝導体伝送線路。
- 前記誘電体ブロックが、長手方向に延在する4つの平坦な内壁を有する4角柱形の内孔を有し、前記内部導体が前記4つの平坦な内壁上に形成された4つの面を有し、隣接する面間にλ/4未満のスリットが形成されている、酸化物超伝導体で形成されている請求項2または3記載の超伝導体伝送線路。
- 前記誘電体ブロックが、長手方向に延在する円形断面の内孔を有し、前記内部導体が前記内孔に挿入されている請求項2又は3記載の超伝導体伝送線路。
- さらに、前記外部導体外面で、外部導体のそれぞれを支持する支持部材を有する請求項1記載の超伝導体伝送線路。
- 前記内部導体が、断面が中空4角形の各角部が除去された形状を有する4つの面を有し、隣接する面間にλ/4未満のスリットが形成されている酸化物超伝導体で形成されている請求項6記載の超伝導体伝送線路。
- さらに、前記内部導体の内側に配置された4角柱形の内部誘電体ブロックを有し、内部導体の4つの面が該内部誘電体ブロックの外面上に支持されている請求項7記載の超伝導体伝送線路。
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