WO2013125721A1 - 超電導電流リード、超電導電流リード装置、および超電導マグネット装置 - Google Patents

超電導電流リード、超電導電流リード装置、および超電導マグネット装置 Download PDF

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雅載 大保
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株式会社フジクラ
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    • H10N60/85—Superconducting active materials
    • H10N60/855—Ceramic superconductors
    • H10N60/857—Ceramic superconductors comprising copper oxide

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting current lead, a superconducting current lead device, and a superconducting magnet device.
  • a method of immersing in a refrigerant such as liquid helium or liquid nitrogen immersing in a refrigerant such as liquid helium or liquid nitrogen
  • immersion cooling method immersing in a refrigerant
  • conduction cooling method conduction cooling method
  • current leads are used to supply current from the power source to the superconducting magnet.
  • the current lead is made of a conductor such as a good conductor such as Cu having a small electric resistance.
  • a good conductor has a high thermal conductivity and increases the amount of heat penetration from the outside.
  • Joule heat is generated in the current lead itself, so that the cooling efficiency of the superconducting magnet deteriorates due to Joule heat generation.
  • the cooling efficiency is directly linked to the cooling cost (in the case of a refrigerator, the amount of electricity used). Therefore, particularly in the case of a conduction cooling method using a refrigerator, a current lead using a superconductor may be applied instead of the good conductor.
  • a current lead using a superconductor may be applied instead of the good conductor.
  • the oxide superconductor is used as the superconductor, the electrical resistance is zero, so theoretically no Joule heat is generated.
  • the oxide superconducting layer is ceramic, the thermal conductivity is poor, the amount of heat penetration from the outside can be suppressed, and a good current lead with less Joule heat generation at the lead portion can be formed. it can.
  • a superconducting current lead made of an oxide superconducting bulk body has been used as the current lead as described above, but the oxide superconducting bulk body has a relatively low mechanical strength and is limited in use because it is brittle. was there.
  • some products have been commercialized as superconducting current leads using Bi-based oxide superconducting wires, which are a type of high-temperature superconductor.
  • Bi-based high-temperature superconductors require many wires because the critical current decreases in a high-temperature magnetic field due to the relationship between critical current and magnetic field characteristics.
  • the Bi-based high-temperature superconducting wire has a structure in which the high-temperature superconducting layer is covered with a coating layer of Ag, which is a good conductor, and the area ratio of the Ag coating layer is large. .
  • Patent Document 1 describes a structure of a current lead configured in a non-inductive winding state in order to suppress a decrease in critical current due to a magnetic field in a superconducting wire.
  • a magnetic field is always applied to the current lead when applied to a superconducting magnet.
  • the critical current decreases depending on the strength and angle of the applied magnetic field.
  • the angle dependence of the magnetic field of the Y-based high-temperature superconducting wire may vary depending on each manufacturing method, and data and the like have not been disclosed in sufficient detail. Further, as a necessary characteristic for the current lead, it is not preferable that the critical current is reduced only with respect to the magnetic field in a specific direction.
  • the present invention has been made in view of the conventional background as described above.
  • a superconducting current lead having a structure that avoids a decrease in critical current with respect to a magnetic field in a specific direction with as few as possible, considering the magnetic field angle dependence for current leads using rare earth-based high-temperature superconducting wires.
  • a superconducting current lead device and a superconducting magnet device comprising the same.
  • a first aspect of the present invention is a superconducting current lead for supplying current to a superconducting device, and is disposed between a plurality of electrode members so as to connect the plurality of electrode members and the plurality of electrode members to each other.
  • a plurality of rare earth-based multilayer thin film superconducting wires each having an angle ⁇ of 40 ° to 60 ° and each having a tape shape.
  • Rare earth multilayer thin film superconductivity that depends on the critical current depending on the angle of the applied magnetic field when the angle ⁇ between the main surfaces of the rare earth multilayer thin film superconducting wires adjacent in the circumferential direction of the support is in the range of 40 ° -60 °. Even in the case of a wire, at least one rare earth-based multilayer thin film superconducting wire adjacent in the circumferential direction of the support reliably exhibits a high critical current. Therefore, the critical current of the superconducting current lead can be increased.
  • the cross section of the support has a polygonal shape having three or more attachment surfaces on the outer periphery of the support.
  • Each of the plurality of rare earth-based multilayer thin film superconducting wires is disposed on two or more of the mounting surfaces. If the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire is arranged along the mounting surface of the support having a polygonal cross section, the rare-earth multilayer thin film superconducting wires adjacent to each other in the circumferential direction of the support can be reliably 40 ° to 60 °. Can be placed in range.
  • the critical current of at least one rare earth-based multilayer thin film superconducting wire decreases according to the direction of the magnetic field, at least one other rare earth-based multilayer thin film superconducting wire adjacent in the circumferential direction of the support has a high critical current. Show. Therefore, the critical current of the superconducting current lead can be increased.
  • each of the plurality of rare earth-based multilayer thin film superconducting wires has an intermediate layer, an oxide superconducting layer, and You may have a multilayer structure which laminated
  • each of the plurality of rare earth-based multilayer thin film superconducting wires has an intermediate layer, an oxide superconducting layer, and You may have a structure which has the laminated body which laminated
  • the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire can be firmly attached to the support by a method such as soldering a stabilization layer to the support.
  • a method such as soldering a stabilization layer to the support.
  • the rare-earth multilayer thin film superconducting wire is provided with a stabilization layer, the superconducting characteristics are stabilized.
  • the superconducting current lead of the fourth aspect further includes a solder layer filled so as to fill between the edges of the second stabilization layer. Thereby, a 2nd stabilization layer can be joined favorably.
  • each of the plurality of rare earth-based multilayer thin film superconducting wires has a multilayer structure in which a Cu rolled tape material is provided on the multilayer structure. It further has a metal layer covering the entire circumference of the laminated structure.
  • each of the plurality of rare earth-based multilayer thin film superconducting wires has a multilayer structure covered with a metal layer, and a Cu layer is formed on the metal layer. And a metal layer that covers the entire circumference of the laminated structure.
  • the eighth aspect of the present invention is the superconducting current lead according to any of the third to seventh aspects, wherein each of the plurality of rare earth-based multilayer thin film superconducting wires has a distance between the base material and the mounting surface. It arrange
  • each of the plurality of rare earth-based multilayer thin film superconducting wires has a multilayer structure in which the entire circumference of the multilayer structure is covered with a metal layer. And a metal layer covering the entire periphery of the structure.
  • a tenth aspect of the present invention is the superconducting current lead according to any of the third to ninth aspects, A conductive bonding layer is formed on at least the outer surface of the metal layer or the second stabilization layer. Thereby, since it can connect directly to an electrode terminal, without forming another solder layer separately, it can attach easily.
  • An eleventh aspect of the present invention is a superconducting current lead device, wherein the first electrode terminal is provided on the first electrode member of the superconducting current lead according to any one of the first to tenth aspects, and the second electrode member is provided on the second electrode member.
  • the second electrode terminals are connected to each other, and include outer bodies that are attached to the first electrode terminal and the second electrode terminal and surround the superconducting current lead.
  • the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire can be covered, so that the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire can be protected from external force. Further, since both electrode terminals can be joined by the outer body, a superconducting current lead device having high mechanical strength can be provided.
  • a superconducting magnet device an external container capable of decompression, a low-temperature shield container provided on the inner side of the outer container, and a high-temperature superconductivity housed inside the low-temperature shield container.
  • a superconducting current lead device for providing a coil, a refrigerator attached to the external container, and supplying a current from an external power source to the high-temperature superconducting coil side provided inside the external container. Prepare.
  • the high-temperature superconducting coil can be conducted and cooled by the refrigerator to be in a superconducting state.
  • the high temperature superconducting coil is doubly surrounded by the outer container and the low temperature side shield container, the intrusion of heat from the outside can be reduced and the temperature at which the superconducting state of the high temperature superconducting coil can be maintained can be maintained. Furthermore, since the superconducting current lead device has a structure including a rare earth-based multilayer thin film superconducting wire, current can be supplied with little loss in the current supply path from the power source to the high-temperature superconducting coil.
  • the plurality of rare earth-based multilayer thin film superconducting wires having the angle ⁇ between the main surfaces in the range of 40 ° to 60 ° are provided around the support, the angle of the applied magnetic field Accordingly, even in the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire having dependency on the critical current, at least one rare earth-based multilayer thin film superconducting wire adjacent in the circumferential direction of the support surely shows a high critical current. Therefore, a superconducting current lead capable of obtaining a large critical current can be obtained.
  • FIG. 1 is a plan view showing a superconducting current lead according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a portion of the superconducting current lead shown in FIG.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional perspective view showing an example of a rare earth-based multilayer thin film superconducting wire provided in the superconducting current lead shown in FIG. 1.
  • Sectional drawing which shows an example of the superconducting magnet apparatus to which the superconducting current lead shown in FIG. 1 is applied.
  • the fragmentary sectional view which shows the 2nd example of the rare earth type multilayer thin film superconducting wire with which the superconducting current lead shown in FIG. 1 is equipped.
  • the fragmentary sectional view which shows the 3rd example of the rare earth type multilayer thin film superconducting wire with which the superconducting electric current lead shown in FIG. 1 is equipped.
  • the fragmentary sectional view which shows the 4th example of the rare earth type multilayer thin film superconducting wire with which the superconducting current lead shown in FIG. 1 is equipped.
  • the fragmentary sectional view which shows the 5th example of the rare earth type multilayer thin film superconducting wire with which the superconducting electric current lead shown in FIG. 1 is equipped.
  • the fragmentary sectional view which shows the 6th example of the rare earth type multilayer thin film superconducting wire with which the superconducting current lead shown in FIG. 1 is equipped.
  • the graph which shows the dependence of the critical current and magnetic field application angle in a rare earth type multilayer thin film superconducting wire.
  • the graph which shows the magnetic field angle dependence with respect to the critical current of the rare earth type multilayer thin film superconducting wire used in the Example.
  • the equivalent circuit schematic of the micro volume model shown in FIG. The equivalent circuit diagram which connected the micro volume model shown in FIG. 10 in series.
  • the superconducting current lead 1 of the first embodiment includes plate-like electrode terminals 7 and 8 at one end and the other end. Between the electrode terminals 7 and 8, a rod-shaped support 5 having a regular octagonal cross section is formed in order to connect the electrode terminals 7 and 8 together. Eight rare earth-based multilayer thin film superconducting wires 6 are attached in parallel along the circumferential surface of the support 5 in the length direction of the support 5.
  • the electrode terminals 7 and 8 are plate-shaped terminal members made of a highly conductive metal material such as Cu or Cu alloy, and through holes 7a and 8a for connection are provided in the vicinity of the centers of the end portions of the electrode terminals 7 and 8, respectively. Is formed.
  • the support 5 to which the electrode terminals 7 and 8 are connected is a metal material having a high heat penetration and a high strength, for example, stainless steel, glass epoxy resin, in order to minimize the heat penetration through the support 5. Etc. are preferable. Both ends of the support 5 are joined to the electrode terminals 7 and 8 by a joining method such as welding integration, silver brazing, or a fitting structure.
  • the cross section of the support 5 is a regular octagon, and eight planar elongated mounting surfaces 5 a are formed on the peripheral surface of the support 5.
  • a tape-shaped rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 has one end 6a (first electrode member) at one electrode terminal (first electrode terminal) 7 and the other end 6b (second electrode). Member) is soldered so as to be joined to the other electrode terminal (second electrode terminal) 8.
  • FIG. 3 is an exploded view showing a state where the outer body 9 is removed from the superconducting current lead 1.
  • One end of the plate-like electrode terminal 7 is formed with a connecting portion 7A that bulges from one end and has a regular octagonal cross section.
  • One end of the support 5 having a regular octagonal cross section is joined to the regular octagonal portion at the tip of the connecting portion 7A.
  • the electrode terminal 7 has a plate-like connection portion 7A connected to the support 5, a flange portion 7B formed at the other end of the connection portion 7A, and a terminal portion 7C extending from the flange portion 7B.
  • the electrode terminal 8 has a connection portion 8 ⁇ / b> A, a flange portion 8 ⁇ / b> B, and a terminal portion 8 ⁇ / b> C.
  • a portion between the flange portion 7B and the flange portion 8B is covered with a cylindrical outer body 9, and a rod-shaped superconducting current lead device 10 is formed as a whole.
  • the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 has a metal layer (a first layer made of a highly conductive material such as Cu or Cu alloy) around the entire circumference of the tape-shaped oxide superconducting laminate 11 as shown in FIG. 2 stabilization layers) 12.
  • the oxide superconducting laminate 11 of the present embodiment includes an intermediate layer 14, an oxide superconducting layer 15, a protective layer (first stabilizing layer) on a tape-shaped substrate 13 as shown in FIG. 16) are stacked in this order.
  • the metal layer 12 surrounding the entire circumference of the oxide superconducting laminate 11 is simply described, and only the portion of the metal layer 12 laminated on the protective layer 15 is shown.
  • the base material 13 is preferably in the form of a tape in order to make a flexible wire, and is preferably made of a heat-resistant metal.
  • a nickel alloy is preferable. If it is a commercial product, Hastelloy (trade name, manufactured by Haynes, USA) is suitable.
  • the thickness of the substrate 13 is usually 10 to 500 ⁇ m.
  • an oriented Ni—W alloy tape base material in which a texture is introduced into a nickel alloy can be applied as the base material 13, an oriented Ni—W alloy tape base material in which a texture is introduced into a nickel alloy can be applied.
  • the intermediate layer 14 a structure including an underlayer 17, an alignment layer 18, and a cap layer 19 described below can be applied as an example.
  • the underlayer 17 can have a multilayer structure of a diffusion prevention layer and a bed layer, which will be described below, or a structure composed of any one of these layers.
  • the diffusion prevention layer is formed of silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 , also referred to as “alumina”), or GZO (Gd 2 Zr 2 O 7 A layer having a single-layer structure or a multi-layer structure is desirable.
  • the thickness of the diffusion preventing layer is, for example, 10 to 400 nm.
  • a bed layer is provided as the underlayer 17, the bed layer is used to increase heat resistance, reduce interfacial reactivity, and obtain the orientation of a film disposed on the bed layer.
  • a bed layer is, for example, a rare earth oxide such as yttria (Y 2 O 3 ). More specifically, Er 2 O 3 , CeO 2 , Dy 2 O 3, Er 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Ho 2 O 3 , La 2 O 3 and the like can be exemplified, and from these materials A single layer structure or a multilayer structure can be used as the bed layer.
  • the thickness of the bed layer is, for example, 10 to 100 nm. Further, since the crystallinity of the diffusion preventing layer and the bed layer is not particularly limited, it may be formed by a film forming method such as a normal sputtering method.
  • the alignment layer 18 functions as a buffer layer for controlling the crystal orientation of the oxide superconducting layer 15 formed above the alignment layer 18 and is preferably made of a metal oxide having good lattice matching with the oxide superconducting layer 15. .
  • preferred materials for the alignment layer 18 include Gd 2 Zr 2 O 7 , MgO, ZrO 2 —Y 2 O 3 (YSZ), SrTiO 3 , CeO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , Gd. Examples thereof include metal oxides such as 2 O 3 , Zr 2 O 3 , Ho 2 O 3 , and Nd 2 O 3 .
  • the alignment layer 18 may be a single layer or a multilayer structure.
  • the alignment layer 18 is formed by physical vapor deposition such as sputtering, vacuum vapor deposition, laser vapor deposition, electron beam vapor deposition, or ion beam assisted vapor deposition (hereinafter abbreviated as IBAD), chemical vapor deposition. (CVD method), organometallic coating pyrolysis method (MOD method), or a known method for forming an oxide thin film, such as thermal spraying.
  • IBAD physical vapor deposition
  • CVD method chemical vapor deposition.
  • MOD method organometallic coating pyrolysis method
  • the metal oxide layer formed by the IBAD method has a high crystal orientation, and the effect of controlling the crystal orientation of the cap layer 19 and the oxide superconducting layer 15 on the alignment layer 18 is high. preferable.
  • the IBAD method is a method of orienting crystal axes by irradiating an ion beam at a predetermined angle with respect to a crystal deposition surface during deposition.
  • an argon (Ar) ion beam is used as the ion beam.
  • ⁇ full width at half maximum
  • the cap layer 19 is preferably formed through a process in which crystal grains are selectively grown in the in-plane direction after being epitaxially grown on the surface of the alignment layer 18. Such a cap 19 layer may obtain a higher in-plane orientation degree than the orientation layer 18.
  • the material of the cap layer 19 is not particularly limited as long as it has the above function. Specifically, CeO 2, Y 2 O 3 , Al 2 O 3, Gd 2 O 3, Zr 2 O 3, Ho 2 O 3, Nd 2 O 3 and the like.
  • the cap layer 19 may include a Ce—M—O-based oxide in which part of Ce is substituted with another metal atom or metal ion.
  • the cap layer 19 can be formed by a PLD method (pulse laser deposition method), a sputtering method, or the like.
  • the film formation can be performed in an oxygen gas atmosphere at a substrate temperature of about 500 to 1000 ° C. and about 0.6 to 100 Pa.
  • the thickness of the CeO 2 cap layer 19 may be 50 nm or more, but is preferably 100 nm or more in order to obtain more sufficient orientation. Considering the crystal orientation, the range of 50 to 5000 nm is preferable.
  • the oxide superconducting layer 15 can be widely applied to a thin film made of a rare earth-based high-temperature oxide superconductor having a generally known composition.
  • a material made of REBa 2 Cu 3 O y RE represents a rare earth element such as Y, La, Nd, Sm, Er, Gd
  • RE represents a rare earth element such as Y, La, Nd, Sm, Er, Gd
  • Y123 YBa 2 Cu 3 O y
  • Gd123 GdBa 2 Cu 3 O y
  • the thickness of the oxide superconducting layer 15 is preferably about 0.5 to 5 ⁇ m, and the entire oxide superconducting layer 15 preferably has a uniform thickness.
  • a vacuum vapor deposition method As a manufacturing method of the oxide superconducting layer 15, a vacuum vapor deposition method, a laser vapor deposition method, a chemical vapor deposition method (CVD method), a metal organic thermal coating decomposition method (MOD method), or the like can be used. Of these, laser vapor deposition is preferred.
  • CVD method chemical vapor deposition method
  • MOD method metal organic thermal coating decomposition method
  • the protective layer 16 formed so as to cover the upper surface of the oxide superconducting layer 15 is made of Ag or an Ag alloy.
  • the protective layer 16 is formed by a film forming apparatus such as a DC sputtering apparatus or an RF sputtering apparatus, and has a thickness of about 1 to 30 ⁇ m.
  • the protective layer 16 of the present embodiment is mainly formed on the oxide superconducting layer 15 by a film forming apparatus.
  • the film formation particles of the protective layer 16 wrap around the both side surfaces and the back surface of the base material 13. Thereby, the constituent element particles of the protective layer 16 are slightly deposited on both side surfaces and the back surface.
  • the metal layer 12 covered on the outer periphery of the oxide superconducting laminate 11 is made of a highly conductive metal material.
  • the metal layer 12 functions as a bypass that commutates current together with the protective layer 16.
  • the material constituting the metal layer 12 is not limited as long as it has good conductivity.
  • it is preferable to use a relatively inexpensive material such as copper, brass (Cu—Zn alloy), a Cu alloy such as Cu—Ni alloy, Al, etc.
  • Cu is preferable because it has high conductivity and is inexpensive. It is preferable to use it.
  • the thickness of the metal layer 12 is not limited and can be adjusted as appropriate, but is preferably 20 to 300 ⁇ m.
  • the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 formed as described above is fixed to the support 5 so that the metal layer 12 on the outer surface of the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 is along the mounting surface 5a.
  • the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 is disposed so that the distance between the protective layer 16 and the mounting surface 5a of the support 5 is shortened.
  • the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 is supported so that the distance between the base 13 and the mounting surface 5a of the support 5 is larger than the distance between the protective layer 16 and the mounting surface 5a of the support 5.
  • both ends in the length direction have a predetermined length from both ends in the length direction of the regular octagonal support 5 toward the electrode terminal 7 or the electrode terminal 8. Protrusively.
  • the stabilization layer is fixed to the electrode terminal 7 or the electrode terminal 8 by soldering. According to the above structure, since the stabilization layer is soldered to the electrode terminals 7 and 8, the connection resistance is less than that in the case of being connected to the base material, and the heat generation amount can be suppressed.
  • the support 5 has a structure that is resistant to heat cycles by using a material having a linear expansion coefficient close to that of a superconducting wire (such as the linear expansion coefficient is close to that of the base material) such as stainless steel, and the reliability is improved. More specifically, the end portion 6a of the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 is extended and soldered to a portion formed in a regular octagonal shape in the connection portion 7A of the electrode terminal 7. Similarly, the end portion 6b of the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 is extended to a portion formed in a regular octagonal shape in the connection portion 8A of the electrode terminal 8 and soldered.
  • a material having a linear expansion coefficient close to that of a superconducting wire such as the linear expansion coefficient is close to that of the base material
  • the reliability is improved. More specifically, the end portion 6a of the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 is extended and soldered to a portion formed in a regular
  • solder can be used as a material for fixing the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 to the electrode terminals 7 and 8, but as the low melting point metal layer, a metal having a melting point of 100 to 300 ° C., for example, Sn, Sn An alloy, indium, or the like may be applied.
  • a metal having a melting point of 100 to 300 ° C. for example, Sn, Sn An alloy, indium, or the like may be applied.
  • any of Sn-Pb, Pb-Sn-Sb, Sn-Pb-Bi, Bi-Sn, Sn-Cu, Sn-Pb-Cu, Sn-Ag, etc. May be used.
  • the tape-shaped rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 is arranged along each side surface of the regular octagonal support 5, the rare-earth multilayer thin-film superconducting wire 6 adjacent to the circumferential direction of the support 5
  • the angle ⁇ formed by the surfaces (main surfaces) is 45 ° as illustrated in FIG. Since the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 has a tape shape, the main surface and the oxide superconducting layer 15 have a parallel positional relationship.
  • the superconducting current lead device 10 having the structure described above is applied to, for example, a superconducting magnet device (superconducting equipment) 20 shown in FIG.
  • the superconducting magnet device 20 shown in FIG. 5 includes an external container 21 that can be decompressed, such as a vacuum container, an internal container (low temperature side shield container) 22 installed inside the external container 21, and a high temperature contained in the internal container 22.
  • the superconducting coil 23 is mainly composed of a flange portion 25 that closes the upper portion of the outer container 21 and a refrigerator 27 that penetrates the flange portion 26 that closes the upper portion of the inner container 22.
  • the refrigerator 27 has a two-stage structure including a first stage 27 ⁇ / b> A and a second stage 27 ⁇ / b> B, and the second stage 27 ⁇ / b> B extends toward the inside of the inner container 22.
  • a high-temperature superconducting coil 23 is connected to the tip 27b of the second stage 27B via a heat transfer member 28, and the high-temperature superconducting coil 23 can be cooled to a critical temperature or lower by conduction cooling from the refrigerator 27.
  • the high temperature superconducting coil 23 generally has a structure in which an oxide superconducting wire is solidified with an impregnating material such as resin on a bobbin (not shown).
  • External connection terminals 29 and 30 for supplying current are formed on the surface of the flange portion 25.
  • the external connection terminals 29 and 30 are extended so as to pass through the flange portion 25 and drawn into the outer container 21, and the superconducting current lead device is connected to the flange portion 25 and the flange portion 26 at the drawn portion. 10 and 10 are incorporated.
  • the upper ends of the superconducting current lead devices 10, 10 are connected to the external connection terminals 29, 30, and the lower ends of the superconducting current lead devices 10, 10 are each connected to an unillustrated oxide superconducting wire constituting the high-temperature superconducting coil 23. .
  • the external container 21 is connected to a vacuum pump (not shown) and is formed so that the inside can be depressurized to a desired degree of vacuum. Further, the external connection terminals 29 and 30 are connected to an external power supply (not shown) via a superconducting current lead wire, and the high temperature superconducting coil 23 can be energized from the power supply to generate a desired magnetic field.
  • the superconducting magnet device 20 shown in FIG. 5 depressurizes the inside of the outer container 21 with a vacuum pump (not shown) to be in a vacuum state, and operates the refrigerator 27 to cool the high-temperature superconducting coil 23 to a critical temperature or lower by conduction cooling. . Thereafter, the high temperature superconducting coil 23 is energized from the external power source via the connection terminals 29 and 30.
  • the refrigerator 27 is configured so that the high-temperature superconducting coil 23 is heated from a liquid nitrogen temperature (77K) at which the rare earth oxide superconductor becomes superconductive, such as 4.2K, 20K, or 40K. Also has the ability to cool to low temperatures. For this reason, the superconducting current lead 1 provided inside the outer container 21 is also cooled to a critical temperature or lower (preferably 77 K or lower).
  • the applied current flows from the connection terminals 29 and 30 to the oxide superconducting wire of the high-temperature superconducting coil 23 through the superconducting current lead 1 of the superconducting current lead device 10.
  • the superconducting current lead 1 if the electrode terminal 7 is installed as a terminal having a high temperature close to the connection terminal, the current flows from the electrode terminal 7 to the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6, and then flows to the electrode terminal 8 and the high-temperature superconducting coil 23. Reach oxide superconducting wire.
  • the superconducting current lead 1 is also cooled below the critical temperature, the resistance of the eight oxide superconducting layers 15 provided in the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 becomes zero.
  • a current flows from the electrode member 2 to each oxide superconducting layer 15 via the solder layer, the metal layer 12 and the protective layer 16, and the electrode member 3 can be energized and the high temperature superconducting coil 23 can be energized.
  • the high temperature superconducting coil 23 When the high temperature superconducting coil 23 is energized, the high temperature superconducting coil 23 generates a magnetic field, so that the superconducting magnet device 20 can generate a desired magnetic field.
  • the superconducting current lead device 10 in which the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 is arranged on the peripheral surface of the support 5 having a regular octagonal cross section will be described.
  • the superconducting current lead device 10 having the above structure is applied to the superconducting magnet device 20
  • the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 has a tape shape
  • the oxide superconducting layer 15 also has a planar shape.
  • the critical current value varies depending on the applied angle when a magnetic field acts on the surface (main surface) of the oxide superconducting layer 15.
  • the critical current value of the oxide superconducting layer 15 is reduced to about 1 ⁇ 2.
  • the eight tape-shaped oxide superconducting layers 15 arranged around the support 5 have an angle ⁇ between the principal surfaces adjacent to each other in the circumferential direction of the support 5. It is arranged to be 40-60 °.
  • the magnetic field of the oxide superconducting layer 15 of the two rare earth multilayer thin film superconducting wires 6 is reduced.
  • the other rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 that is adjacent to the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 has a critical current that is about twice as high as that of the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 whose critical current value has been lowered.
  • the direction in which the magnetic field acts on the support 5 depends on the direction in which the superconducting current lead device 10 is attached to the superconducting magnet device 20.
  • a magnetic field acts on the superconducting current lead device 10 from any arbitrary direction, and any one rare-earth multilayer multilayer.
  • the other adjacent rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 shows a critical current superior to the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 having a lowered critical current value. Accordingly, the superconducting current lead 1 can exhibit excellent critical current characteristics.
  • the outer periphery of the superconducting current lead 1 is covered with the outer bodies 9, 9, it is difficult to grasp the position in the circumferential direction when attaching the superconducting current lead device 10 to the superconducting magnet device 20.
  • the magnetic field of the high-temperature superconducting coil 23 acts on the oxide superconducting layer 15 in the direction of 40 to 60 °.
  • the critical current value of one rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 is greatly reduced. For example, it decreases to about 1/2.
  • the superconducting current lead 1 is provided with two or more, for example, eight rare earth-based multilayer thin film superconducting wires 6 around the circumference, the magnetic field of the high-temperature superconducting coil 23 acts from any direction and is specified. Even if the critical current value of one rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 decreases, the rate of decrease in the superconducting characteristics of the other rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 decreases. Therefore, a large critical current can be obtained as the superconducting current lead device 10, and good critical current characteristics can be obtained.
  • the cross section of the support 5 is a regular octagon
  • the shape of the cross section of the support 5 is polygonal or circular and the angle formed by the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 adjacent in the circumferential direction can be in the range of 40 ° to 60 °, Any cross-sectional shape may be sufficient.
  • the number of rare earth-based multilayer thin film superconducting wires 6 may be any number as long as it is two or more. For example, an arbitrary number can be selected between 2 and 12. Furthermore, it is not necessary to arrange the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 around the entire circumference of the support 5.
  • the support 5 having an octagonal cross section can be used by attaching any number of rare earth-based multilayer thin film superconducting wires 6 such as two, three, four, and five.
  • the surrounding surface of the support body 5 becomes a curved surface. Therefore, when the tape-shaped rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 is arranged along the length of the support 5 along the peripheral surface of the support 5, the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 is curved along the peripheral surface. Placed in a state.
  • setting the angle formed by the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 adjacent in the circumferential direction to 40 ° to 60 ° means the following cases. That is, it means that the angle formed by the tangents passing through the central portion in the width direction on the upper surface of the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 adjacent in the circumferential direction of the support 5 is 40-60 °.
  • the number of rare-earth multilayer thin film superconducting wires 6 attached to the support 5 may be appropriately selected according to the magnitude of the current to be passed through the superconducting current lead device 10.
  • the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 can be attached to a flat support surface without being bent, so that the distortion generated in the wire 6 can be reduced. Therefore, the possibility that the wire 6 is deteriorated can be reduced and attached to the support.
  • the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 attached to the peripheral surface of the support 5 may be covered with a fixing material such as epoxy resin, and each outer surface of the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6 is covered with an insulating tape or the like. It may be insulated. Further, in order to improve the airtightness, instead of the metal layer 12 covering the peripheral surface of the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 6, a rolled copper tape or a copper alloy is used. It can also be a structure bonded to the surface.
  • a rare earth-based multilayer thin film superconducting wire As a second structural example of a rare earth-based multilayer thin film superconducting wire, as shown in FIG. 6A, an intermediate layer 34, an oxide superconducting layer 35, and a protective layer 36 are laminated on a base material 33.
  • a rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 40 having a structure in which a Cu rolled tape material 38 is attached to the superconducting laminate 37 and the entire circumference is covered with a metal layer 39 can be used.
  • the metal layer 39 can be formed by plating or bonding with a metal tape, but is not limited thereto.
  • FIG. 6A As a third structural example of the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire, as shown in FIG.
  • an intermediate layer 44, an oxide superconducting layer 45, and a protective layer 46 are laminated on a base material 43.
  • the superconducting laminate 47 is covered with a metal layer 48, a Cu rolled tape material 49 is pasted thereon, and a rare earth-based multilayer thin film superconducting wire 51 having a structure in which the entire periphery is covered with a metal layer 50 is used.
  • FIG. 6D shows a schematic cross-sectional view along the width direction of the rare earth multilayer thin film superconducting wire 100.
  • the laminated substrate S2 is formed by laminating the intermediate layer 102, the oxide superconducting layer 103, and the first stabilizing layer 108 in this order on one surface of the substrate 101. Formed and having a rectangular cross-section.
  • the superconducting laminate 105 is provided with a laminated substrate S2 in the center, and the second stabilizing layer 112 (metal layer) is formed so as to cover almost the entire outer peripheral surface of the laminated substrate S2, and has a substantially rectangular cross section. It is. Furthermore, the superconducting wire 100 is formed by covering the entire outer peripheral surface of the superconducting laminate 105 with the insulating coating layer 107.
  • the metal stabilization layer 104 is composed of a first stabilization layer 108 formed on the oxide superconducting layer 103 and a second stabilization layer 112 covering almost the entire circumference of the outer peripheral surface of the multilayer substrate S2. Yes.
  • the second stabilization layer 112 is formed of a highly conductive metal material, and when the oxide superconducting layer 103 transitions from the superconducting state to the normal conducting state, the oxide stabilizing layer 103 together with the first stabilizing layer 108 is formed. Function as a bypass to commutate the current.
  • the second stabilization layer 112 in the form of a metal tape is arranged in a substantially C-shaped cross section along the peripheral surface of the multilayer substrate S2, and is provided so as to cover almost the entire peripheral surface of the multilayer substrate S2. .
  • the second stabilization layer 112 is disposed so as to cover almost the entire circumference of the laminated substrate S2 except for the central portion on the other surface (the surface on which the intermediate layer 102 is not formed) of the base material 101. ing. A portion not covered by the second stabilization layer 112 in the center portion on the other surface side of the base material 101 was filled so as to fill a recess between the two edges of the second stabilization layer 112. The solder layer 113 is covered.
  • the metal material constituting the second stabilization layer 112 the metal material constituting the second stabilization layer of the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire can be applied, and an equivalent range can be selected for the thickness thereof. Although omitted in FIG.
  • solder layer (conductive bonding layer) 114 such as Sn may be formed (plated) on one surface or both surfaces of the second stabilization layer 112. Since the solder layer 114 is also formed on the outer surface (on the outer peripheral surface) of the second stabilization layer 112, it can be directly connected to the electrode terminal without forming another solder layer, so that it can be easily performed. Can be attached.
  • a diffusion preventing layer made of Al 2 O 3 and having a thickness of 100 nm, and Y 2 O 3 A 30 nm thick bed layer, a 10 nm thick MgO orientation layer formed by ion beam assisted deposition, a CeO 2 500 nm thick cap layer, and a GdBa 2 Cu 3 O 7-x thickness of about
  • An oxide superconducting laminate in which a 2 ⁇ m oxide superconducting layer and a 10 ⁇ m thick Ag protective layer were formed was used. Oxygen annealing was performed at 500 ° C.
  • the standard current value is 10A / wire (self magnetic field state) with a 10 mm width wire wire, and the worst value is 1 wire at 77K (2 wires diagonally around the support). It is arranged at a magnetic field angle at which the critical current decreases.
  • the base material was made of Hastelloy
  • the stabilization layer was made of Cu
  • the outer body was a cover made of GFRP. It was assumed that the stainless steel support, the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire, and the outer body made of GFRP constitute an equivalent circuit.
  • FIG. 10 shows a minute volume model of conductor heat conduction in the above state.
  • the heat penetration amount at the low temperature end of the superconducting current lead provided with the rare earth-based multilayer thin film superconducting wire and the superconducting current lead provided with the Bi-based oxide superconducting wire was calculated.
  • the model structure shown in FIGS. 10 to 12 was prepared using a Hastelloy base material with a thickness of 0.1 mm, a stabilized copper layer by copper plating, and a superconducting wire with a wire width of 10 mm.
  • the high temperature end was set to 77K
  • the low temperature end was set to 4.2K.
  • the thickness of the stabilized copper should be less than 80 ⁇ m in order to reduce the amount of heat penetration at the low temperature end when compared with the structure of the superconducting current lead using Bi-based oxide superconducting wire. Is advantageous. It can be seen that the smaller the thickness of the stabilized copper, the smaller the amount of heat penetration at the low temperature end of the superconducting current lead.
  • the support is made of stainless steel and the outer body is made of GFRP with a thickness of 2 mm, the results shown in Table 2 are not changed even if the outer body is made of stainless steel.
  • the stabilized copper is not thick to some extent, a problem of pinholes may occur, and superconducting characteristics may be deteriorated due to intrusion of moisture. From this, it can be processed if the thickness of the stabilized copper is 1 ⁇ m or more, but it is more preferably about 20 ⁇ m.
  • the present invention is applicable to superconducting current leads, superconducting current lead devices, and superconducting magnet devices used in superconducting magnets and superconducting equipment.

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Abstract

　超電導機器に電流を供給する超電導電流リードであって、複数の電極部材と、複数の電極部材を互いに接続するように、複数の電極部材間に配置された支持体と、主面を有するテープ形状で形成され、支持体の外面に配置され、複数の各電極部材に接続される両端部を有し、支持体の外面において支持体の周方向に隣接する主面どうしのなす角度θが４０゜～６０゜である複数の希土類系多層薄膜超電導線材と、を備えた、超電導機器に電流を供給する。

Description

超電導電流リード、超電導電流リード装置、および超電導マグネット装置
　本発明は、超電導電流リード、超電導電流リード装置、および超電導マグネット装置に関する。
　本願は、２０１２年２月２３日に、日本に出願された特願２０１２－０３７６５８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　超電導応用機器、例えば、超電導マグネットを運転する場合、超電導マグネットを冷却する必要がある。冷却方法としては、液体ヘリウム、液体窒素等の冷媒に浸漬する方法（浸漬冷却方式）と、冷凍機または冷媒からの熱伝導を利用する方式（伝導冷却方式）が知られている。
　冷却した超電導マグネットを用いて磁場を発生させるためには、超電導コイルに通電する必要がある。そのため、電源から超電導マグネットに電流を供給するために電流リードが使用されている。
　電流リードは、導電体で構成され、電気抵抗が小さいＣｕ等の良導電体から形成されている。良導電体は熱伝導率が大きく、外部からの熱侵入量が多くなることに加え、電流リード自体にジュール発熱が生じるため、ジュール発熱により超電導マグネットの冷却効率が悪化する。
　冷却効率は、冷却コスト（冷凍機の場合、電気使用量）に直結する。そのため、特に冷凍機を用いた伝導冷却方式の場合、上記良伝導体の代わりに超電導体を用いた電流リードを適用する場合がある。
　超電導体として酸化物超電導体を用いる場合、電気抵抗はゼロであるため、理屈上、ジュール発熱を生じることが無い。また、酸化物超電導層はセラミックスであるために熱伝導率が悪く、外部からの熱侵入量を抑制することができ、かつ、リード部でのジュール発熱が少ない良好な電流リードを構成することができる。
　従来、上記のような電流リードとして、酸化物超電導バルク体からなる超電導電流リードが用いられてきたが、酸化物超電導バルク体は比較的機械強度が弱く、脆いという点で使用上制限される場合があった。また、高温超電導体の一種であるＢｉ系酸化物超電導線材を用いた超電導電流リードとして一部製品化されている。
　しかし、Ｂｉ系高温超電導体は、臨界電流－磁場特性の関係から、高温磁場中における臨界電流が低下するため、多くの線材が必要である。また、Ｂｉ系高温超電導線材は高温超電導層を良伝導体であるＡｇの被覆層で覆った構造であり、Ａｇの被覆層の面積割合が大きいことから、熱伝導による外部からの熱侵入が多い。
　Ｂｉ系高温超電導体に比べ、臨界温度－磁場特性が良好であるＹ系高温超電導線材を用いた電流リードの適用例として、偏流を抑え、電流が超電導状態から戻らなくなる状態（クエンチ）を抑制するための電流リードの構造が特許文献１に記載されている。
　また、超電導線材における磁場による臨界電流の低下を抑制するために無誘導巻き状態にて構成される電流リードの構造が特許文献２に記載されている。
日本国特開２００９－２３０９１３号公報 日本国特開２００９－２３０９１２号公報
　Ｂｉ系高温超電導体に比べ、臨界電流－磁場特性の良好なＹ系高温超電導線材を用いた電流リードの構造において、超電導マグネットに適用される場合は必ず電流リードに磁場が印加される。超電導線材では、印加磁場の強さ、角度によって臨界電流が低下する。但し、Ｙ系高温超電導線材の磁場の角度依存性については各々の製法によって異なる可能性があり、更に、データ等も十分詳細には公表されていない。また、電流リードに必要な特徴として、特定方向の磁場のみに対して臨界電流が低下することは好ましくない。この対策として、Ｙ系高温超電導線材を細かい角度で多数並べる方法が考えられる。しかし、多くの超電導線材を設けると、個々の超電導線材の安定化層の面積の和が大きくなり、安定化層を介する外部からの熱侵入を無視できなくなることが予想される。
　本発明は、以上のような従来の背景に鑑みなされたものである。即ち、希土類系の高温超電導線材を用いた電流リードに対して磁場角度依存性を考慮して、極力少ない本数で特定方向の磁場に対して臨界電流が低下することを避ける構造とした超電導電流リードと、それを備える超電導電流リード装置および超電導マグネット装置を提供する。
　本発明の第１の態様は、超電導機器に電流を供給するための超電導電流リードであって、複数の電極部材と、複数の電極部材を互いに接続するように、複数の電極部材間に配置された支持体と、主面と、複数の各電極部材に接続される両端部とを有し、支持体の外面に配置され、支持体の外面において支持体の周方向に隣接する主面どうしのなす角度θが４０゜～６０゜であり、それぞれがテープ形状を有する、複数の希土類系多層薄膜超電導線材と、を備える。
　支持体の周方向に隣接する希土類系多層薄膜超電導線材の主面どうしのなす角度θを４０゜～６０゜の範囲とすると、作用磁場の角度に応じて臨界電流に依存する希土類系多層薄膜超電導線材であっても、支持体の周方向に隣接する少なくとも１つの希土類系多層薄膜超電導線材が高い臨界電流を確実に示す。従って、超電導電流リードの臨界電流を大きくすることができる。
　本発明の第２の態様は、上記第１の態様の超電導電流リードにおいて、支持体の横断面が、支持体の外周に３つ以上の取付面を有するような多角形状であり、３つ以上の取付面のうち、２つ以上に複数の希土類系多層薄膜超電導線材のそれぞれが配置される。
　横断面が多角形状である支持体の取付面に沿って希土類系多層薄膜超電導線材を配置すれば、支持体の周方向に隣接する希土類系多層薄膜超電導線材どうしを確実に４０゜～６０゜の範囲に配置できる。従って、磁場の向きに応じて少なくとも１つの希土類系多層薄膜超電導線材の臨界電流が低下しても、支持体の周方向に隣接する他の少なくとも１つの希土類系多層薄膜超電導線材が高い臨界電流を示す。従って、超電導電流リードの臨界電流を大きくすることができる。
　本発明の第３の態様は、上記第１または第２の態様の超電導電流リードにおいて、複数の希土類系多層薄膜超電導線材のそれぞれが、基材上に、中間層、酸化物超電導層、および、安定化層を積層した多層構造を有しても良い。
　本発明の第４の態様は、上記第１または第２の態様の超電導電流リードにおいて、複数の希土類系多層薄膜超電導線材のそれぞれが、基材上に、中間層、酸化物超電導層、および、第１の安定化層を積層した積層体と、積層体の全周を覆う第２の安定化層とを有する構造を有しても良い。
　希土類系多層薄膜超電導線材として上記構造を用いると、支持体に安定化層を半田付けする等の方法で、希土類系多層薄膜超電導線材を支持体に強固に取り付けできる。また、希土類系多層薄膜超電導線材に安定化層を備えているため、超電導特性が安定する。
　本発明の第５の態様は、上記第４の態様の超電導電流リードにおいて、第２の安定化層の端縁の間を埋めるように充填された半田層をさらに有する。
　これにより、第２の安定化層を良好に接合できる。
　本発明の第６の態様は、上記第３の態様の超電導電流リードにおいて、複数の希土類系多層薄膜超電導線材のそれぞれが、多層構造の上にＣｕの圧延テープ材を有する積層構造を有し、積層構造の全周を覆う金属層をさらに有する。
　希土類系多層薄膜超電導線材として上記構造を用いると、水分の浸入を防ぎ、局所的な発熱の発散を促進するなど超電導層の保護できるため、希土類系多層薄膜超電導線材の超電導特性の低下を防ぐことができる。従って、超電導電流リードの信頼性を向上させることができる。
　本発明の第７の態様は、上記第３の態様の超電導電流リードにおいて、複数の希土類系多層薄膜超電導線材のそれぞれが、多層構造の全周が金属層で覆われ、金属層の上にＣｕの圧延テープ材を有する積層構造を有し、積層構造の全周を覆う金属層をさらに有する。
　希土類系多層薄膜超電導線材として上記構造を用いると、さらに、水分の浸入を防ぎ、局所的な発熱の発散を促進するなど超電導層の保護できるため、希土類系多層薄膜超電導線材の超電導特性の特性低下を防ぐことができる。従って、超電導電流リードの信頼性をより向上させることができる。
　本発明の第８の態様は、上記第３～７の態様の超電導電流リードにおいて、複数の希土類系多層薄膜超電導線材のそれぞれが、基材と取付面との距離が、第１の安定化層と取付面との距離よりも大きくなるように、取付面に沿って配置される。
　上記のように配置すると、超電導電流リードの臨界電流を大きく、より安定させることができる。
　本発明の第９の態様は、上記第３の態様の超電導電流リードにおいて、複数の希土類系多層薄膜超電導線材のそれぞれが、多層構造の全周が金属層で覆われた積層構造を２つ積層した構造を有し、さらに構造の全周を覆う金属層を有する。
　希土類系多層薄膜超電導線材として上記構造を用いると、超電導特性の特性低下を防ぐことができる積層構造を２つ使用するため、超電導特性がさらに安定する。従って、超電導電流リードの信頼性をより向上させることができる。
　本発明の第１０の態様は、上記第３～９の態様の超電導電流リードにおいて、
金属層または前記第２の安定化層の少なくとも外側表面に、導電性接合層が形成されている。
　これにより、別個に他の半田層を形成することなく、電極端子に直接接続できるため、容易に取り付けすることができる。
　本発明の第１１の態様は、超電導電流リード装置であって、上記第１～１０の態様のいずれかに記載の超電導電流リードの第１電極部材に第１電極端子が、第２電極部材に第２電極端子がそれぞれ接続され、第１電極端子と第２電極端子に装着されて超電導電流リードを取り囲む外郭体を備える。
　超電導電流リードを取り囲む外郭体を備えていることにより、希土類系多層薄膜超電導線材を覆うことができるため、希土類系多層薄膜超電導線材を外力から保護できる。また、両電極端子を外郭体で接合できるため、機械強度の高い超電導電流リード装置を提供できる。
　本発明の第１２の態様は、超電導マグネット装置であって、減圧可能な外部容器と、外部容器の内部側に設けられた低温側シールド容器と、低温側シールド容器の内部に収容された高温超電導コイルと、外部容器に取り付けられた冷凍機と、外部容器の内部に設けられて外部電源からの電流を高温超電導コイル側に供給するための、上記第５の態様の超電導電流リード装置と、を備える。
　上記超電導電流リード装置によれば、冷凍機により高温超電導コイルを伝導冷却して超電導状態にできる。また、高温超電導コイルを外部容器と低温側シールド容器で２重に囲むため、外部からの熱の侵入を少なくでき、高温超電導コイルの超電導状態を維持できる温度を保持できる。更に、超電導電流リード装置として希土類系多層薄膜超電導線材を含む構造であるため、電源から高温超電導コイルまでの電流供給経路において、損失の少ない状態で電流を供給できる。
　上記本発明の態様によれば、支持体の周囲に、主面どうしのなす角度θを４０゜～６０゜の範囲とした複数の希土類系多層薄膜超電導線材を備えているため、作用磁場の角度に応じて臨界電流に依存性を有する希土類系多層薄膜超電導線材であっても、支持体の周方向に隣接する少なくとも１つの希土類系多層薄膜超電導線材が高い臨界電流を確実に示す。従って、臨界電流を大きく取ることができる超電導電流リードが得られる。
本発明の第１実施形態に係る超電導電流リードを示す平面図。 図１に示す超電導電流リードにおいて希土類系多層薄膜超電導線材を備えた部分の横断面図。 図１に示す超電導電流リードを備えた電流リード装置の分解斜視図。 図１に示す超電導電流リードに備えられている希土類系多層薄膜超電導線材の一例を示す部分断面斜視図。 図１に示す超電導電流リードが適用される超電導マグネット装置の一例を示す断面図。 図１に示す超電導電流リードに備えられている希土類系多層薄膜超電導線材の第２の例を示す部分断面図。 図１に示す超電導電流リードに備えられている希土類系多層薄膜超電導線材の第３の例を示す部分断面図。 図１に示す超電導電流リードに備えられている希土類系多層薄膜超電導線材の第４の例を示す部分断面図。 図１に示す超電導電流リードに備えられている希土類系多層薄膜超電導線材の第５の例を示す部分断面図。 図１に示す超電導電流リードに備えられている希土類系多層薄膜超電導線材の第６の例を示す部分断面図。 希土類系多層薄膜超電導線材における臨界電流および磁場印加角度の依存性を示すグラフ。 実施例で用いた希土類系多層薄膜超電導線材の臨界電流に対する磁場角度依存性を示すグラフ。 実施例で用いた希土類系多層薄膜超電導線材の臨界電流の最悪値／標準値に対する配置角度依存性を示すグラフ。 本発明に係る超電導電流リードについて、熱伝導解析を行うために用いる微小体積モデルの説明図。 図１０に示す微小体積モデルの等価回路図。 図１０に示す微小体積モデルを直列接続した等価回路図。
　以下、本発明に係る超電導電流リードについて、図面に基づき説明する。
　図１～図３は、本発明に係る超電導電流リードの第１実施形態を示す。第１実施形態の超電導電流リード１は、一端と他端に板状の電極端子７、８を備える。電極端子７、８間には、電極端子７、８を一体に接続するために、横断面が正八角形であるロッド形状の支持体５が形成される。支持体５の周面に沿って、支持体５の長さ方向に８本の希土類系多層薄膜超電導線材６が並列に取り付けられている。
　電極端子７、８は、ＣｕあるいはＣｕ合金等の良伝導性金属材料からなる板状の端子部材であり、電極端子７、８それぞれの端部における中央付近には接続用の透孔７ａ、８ａが形成されている。電極端子７、８を接続している支持体５は、支持体５を介する熱侵入量をできるだけ少なくするために、熱侵入量の少ない、強度の高い金属材料、例えば、ステンレス鋼、ガラスエポキシ樹脂等からなることが好ましい。支持体５の両端部は、溶接一体化、銀ろう付け、あるいは嵌め込み構造等の接合方法により電極端子７、８に接合されている。
　支持体５の横断面は正八角形であり、支持体５の周面には平面形状の細長い取付面５ａが８つ形成される。個々の取付面５ａには、テープ形状の希土類系多層薄膜超電導線材６が、一端６ａ（第１電極部材）が一方の電極端子（第１電極端子）７に、かつ他端６ｂ（第２電極部材）が他方の電極端子（第２電極端子）８に接合するように半田付けされている。
　図１に示す超電導電流リード１に対し図３に示す円筒型の外郭体９が外挿され、ロッド形状の超電導電流リード装置１０が形成されている。なお、図３は、超電導電流リード１から外郭体９を取り外した状態を示す分解図である。
　板状の電極端子７の一端には、一端から膨出する、横断面が正八角形である接続部７Ａが形成されている。接続部７Ａの先端の正八角形の部分に横断面が正八角形である支持体５の一端が接合されている。
　電極端子７は、支持体５に接続される板状の接続部７Ａと、接続部７Ａの他端に形成された鍔部７Ｂと、鍔部７Ｂから延出する端子部７Ｃとを有する。電極端子８も電極端子７と同様に、接続部８Ａと鍔部８Ｂと端子部８Ｃとを有する。
　鍔部７Ｂと鍔部８Ｂとの間の部分は筒型の外郭体９に覆われ、全体としてロッド形状の超電導電流リード装置１０が形成される。
　希土類系多層薄膜超電導線材６は、一例として、図２に断面構造を示すように、テープ形状の酸化物超電導積層体１１の全周をＣｕまたはＣｕ合金等の良導電材料製の金属層（第２の安定化層）１２で覆って形成されている。本実施形態の酸化物超電導積層体１１は、詳細には、図４に示すようにテープ形状の基材１３上に、中間層１４と酸化物超電導層１５と保護層（第１の安定化層）１６とをこの順に積層して形成される。なお、図４では、酸化物超電導積層体１１の全周を取り囲む金属層１２を簡略に記載し、保護層１５の上に積層されている金属層１２の部分のみ示している。
　基材１３は、可撓性を有する線材とするためにテープ形状であることが好ましく、耐熱性の金属からなることが好ましい。各種耐熱性金属の中でも、ニッケル合金からなることが好ましい。市販品であれば、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）が好適である。基材１３の厚さは、通常は、１０～５００μｍである。また、基材１３として、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ－Ｗ合金テープ基材等を適用することもできる。
　中間層１４としては、以下に説明する下地層１７と配向層１８とキャップ層１９とからなる構造を一例として適用できる。
　下地層１７を設ける場合、下地層１７は、以下に説明する拡散防止層とベッド層との複層構造あるいは、これらのうちどちらか１層からなる構造を有することができる。
　下地層１７として拡散防止層を設ける場合、拡散防止層は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、「アルミナ」とも呼ぶ）、あるいは、ＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）等から構成される単層構造あるいは複層構造の層が望ましい。拡散防止層の厚さは、例えば１０～４００ｎｍである。
　下地層１７としてベッド層を設ける場合、ベッド層は、耐熱性を高め、界面反応性を低減し、ベッド層上に配置される膜の配向性を得るために用いられる。このようなベッド層は、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）等の希土類酸化物である。より具体的には、Ｅｒ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等を例示することができ、これらの材料からなる単層構造あるいは複層構造をベッド層として使用できる。ベッド層の厚さは、例えば１０～１００ｎｍである。また、拡散防止層およびベッド層の結晶性は特に問われないため、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すれば良い。
　配向層１８は、配向層１８の上方に形成する酸化物超電導層１５の結晶配向性を制御するバッファ層として機能し、酸化物超電導層１５と格子整合性の良い金属酸化物からなることが好ましい。配向層１８の好ましい材質として、具体的には、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２－Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等の金属酸化物を例示できる。配向層１８は、単層でも良いし、複層構造でも良い。
　配向層１８は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、もしくは、イオンビームアシスト蒸着法（以下、ＩＢＡＤ法と略記する。）等の物理的蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、有機金属塗布熱分解法（ＭＯＤ法）、または、溶射等、酸化物薄膜を形成する公知の方法で積層できる。上記方法の中でも特に、ＩＢＡＤ法で形成された金属酸化物層は、結晶配向性が高く、配向層１８上のキャップ層１９および酸化物超電導層１５の結晶配向性を制御する効果が高いため、好ましい。ＩＢＡＤ法とは、蒸着時に、結晶の蒸着面に対して所定の角度でイオンビームを照射することにより、結晶軸を配向させる方法である。
　通常は、イオンビームとして、アルゴン（Ａｒ）イオンビームを使用する。例えば、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、または、ＺｒＯ２－Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）からなる配向層は、ＩＢＡＤ法における配向度を表す指標であるΔΦ（ＦＷＨＭ：半値全幅）の値を小さくできるため、特に好適である。
　キャップ層１９は、配向層１８の表面においてエピタキシャル成長させた後、結晶粒が面内方向に選択成長する過程を経て形成されていることが好ましい。このようなキャップ１９層は、配向層１８よりも高い面内配向度を得られる可能性がある。
　キャップ層１９の材質は、上記機能を有していれば特に限定されない。具体的には、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等が好適である。キャップ層１９の材質がＣｅＯ２である場合、キャップ層１９は、Ｃｅの一部が他の金属原子もしくは金属イオンで置換されたＣｅ－Ｍ－Ｏ系酸化物を含んでいても良い。
　キャップ層１９は、ＰＬＤ法（パルスレーザ蒸着法）、スパッタリング法等で成膜することができる。ＰＬＤ法によるＣｅＯ２層の成膜条件としては、基材温度約５００～１０００℃、約０．６～１００Ｐａの酸素ガス雰囲気中で成膜することができる。ＣｅＯ２のキャップ層１９の厚さは、５０ｎｍ以上であれば良いが、より十分な配向性を得るには１００ｎｍ以上が好ましい。結晶配向性を考慮すると、５０～５０００ｎｍの範囲であることが好ましい。
　酸化物超電導層１５は通常知られている組成の希土類系高温酸化物超電導体からなる薄膜を広く適用することができる。例えば、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）からなる材質、具体的には、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ）またはＧｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ）がある。酸化物超電導層１５の厚さは、０．５～５μｍ程度であって、酸化物超電導層１５全体が均一な厚さを有することが好ましい。
　酸化物超電導層１５の作製方法としては、真空蒸着法、レーザ蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、有機金属熱塗布分解法（ＭＯＤ法）等を用いることができる。なかでもレーザ蒸着法が好ましい。
　酸化物超電導層１５の上面を覆うように形成されている保護層１６は、ＡｇまたはＡｇ合金からなる。保護層１６は、ＤＣスパッタ装置またはＲＦスパッタ装置等の成膜装置により成膜され、厚さは１～３０μｍ程度である。なお、本実施形態の保護層１６は、成膜装置により酸化物超電導層１５の上部に主に形成されている。しかし、成膜装置のチャンバの内部でテープ形状の基材１３を走行させながら成膜が行われるため、基材１３の両側面と裏面とに対して保護層１６の成膜粒子が回り込む。これにより、両側面と裏面にも、保護層１６の構成元素粒子が若干堆積される。
　Ａｇ粒子が回り込んで、堆積されている場合、ニッケル合金からなるハステロイ製の基材１３の裏面と側面に金属のめっき層が密着する。なお、Ａｇ粒子の回り込みによる堆積が無い場合は、ニッケル合金からなるハステロイ製の基材１３にめっき層が十分に密着されなくなるおそれがある。
　酸化物超電導積層体１１の外周に被覆されている金属層１２は、一例として良導電性の金属材料からなる。酸化物超電導層１５が超電導状態から常電導状態に転移した時に、保護層１６とともに、金属層１２は電流を転流するバイパスとして機能する。金属層１２を構成する材料としては、良導電性を有していればよく、限定はされない。特に、銅、黄銅（Ｃｕ－Ｚｎ合金）、Ｃｕ－Ｎｉ合金等の銅合金、Ａｌ等の比較的安価な材質を用いることが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価であることがらＣｕを用いることが好ましい。金属層１２の厚さは限定されず、適宜調整可能であるが、２０～３００μｍであることが好ましい。
　以上のように形成された希土類系多層薄膜超電導線材６は、希土類系多層薄膜超電導線材６の外面の金属層１２が取付面５ａに沿うように支持体５に固定されている。ここで、保護層１６と支持体５の取付面５ａとの距離が短くなるように、希土類系多層薄膜超電導線材６を配置する。換言すると、基材１３と支持体５の取付面５ａとの距離が、保護層１６と支持体５の取付面５ａとの距離よりも大きくなるように、希土類系多層薄膜超電導線材６は、支持体５の取付面５ａに沿って配置されている。また、テープ形状の希土類系多層薄膜超電導線材６において、長さ方向における両端が、正八角形状の支持体５の長さ方向における両端部から電極端子７あるいは電極端子８に向けて所定の長さ分突出している。突出部分において、安定化層が電極端子７あるいは電極端子８に半田付けにより固定される。
　上記構造によれば、電極端子７，８に安定化層が半田付けされるため、基材に接続される場合よりも接続抵抗が少なくなり、発熱量を抑えることができる。
　支持体５は、線膨張係数がステンレスのような超電導線材（線膨張係数は基材に近い）に近い材料を用いることによってヒートサイクルに強い構造となり、信頼性が向上する。
　更に説明すると、電極端子７の接続部７Ａにおける正八角形状に形成された部分にまで希土類系多層薄膜超電導線材６の端部６ａが延出されて半田付けされる。同様に、電極端子８の接続部８Ａにおける正八角形状に形成された部分にまで希土類系多層薄膜超電導線材６の端部６ｂが延出されて半田付けされる。
　本実施形態において希土類系多層薄膜超電導線材６を電極端子７、８に固定する材料としては半田を用いることができるが、低融点金属層として、融点１００～３００℃の金属、例えば、Ｓｎ、Ｓｎ合金、インジウム等を適用しても良い。半田を用いる場合、Ｓｎ－Ｐｂ系、Ｐｂ－Ｓｎ－Ｓｂ系、Ｓｎ－Ｐｂ－Ｂｉ系、Ｂｉ－Ｓｎ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｐｂ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ａｇ系等のいずれの半田を用いても良い。
　テープ形状の希土類系多層薄膜超電導線材６は、正八角形状の支持体５の各側面に沿うように配置されているため、支持体５の周方向に隣接する各希土類系多層薄膜超電導線材６の表面（主面）どうしのなす角度θは、図２に例示するように４５゜である。なお、希土類系多層薄膜超電導線材６はテープ形状であるため、主面と酸化物超電導層１５とは平行な位置関係を有する。
　以上説明した構造の超電導電流リード装置１０は、例えば、図５に示す超電導マグネット装置（超電導機器）２０に適用される。
　図５に示す超電導マグネット装置２０は、真空容器等の減圧可能な外部容器２１と、外部容器２１の内側に設置された内部容器（低温側シールド容器）２２と、内部容器２２に収容された高温超電導コイル２３と、外部容器２１の上部を閉じるフランジ部２５および内部容器２２の上部を閉じるフランジ部２６を貫通して設けられた冷凍機２７と、を主体として構成されている。冷凍機２７は第１ステージ２７Ａと第２ステージ２７Ｂと有する２段構造であり、第２ステージ２７Ｂが内部容器２２の内部に向かって延出されている。第２ステージ２７Ｂの先端部２７ｂには伝熱部材２８を介し高温超電導コイル２３が接続されていて、冷凍機２７からの伝導冷却により高温超電導コイル２３を臨界温度以下に冷却できる。高温超電導コイル２３としては、図示略のボビンに酸化物超電導線材を樹脂等の含浸材で固めた構造が一般的である。
　フランジ部２５の表面には、電流供給用の外部接続端子２９、３０が形成される。外部接続端子２９、３０がフランジ部２５を貫通するように延出されて外部容器２１の内部に引き込まれ、引込部分には、フランジ部２５とフランジ部２６とに接続するように超電導電流リード装置１０、１０が組み込まれている。外部接続端子２９、３０に超電導電流リード装置１０、１０の上端が接続され、超電導電流リード装置１０、１０の下端はそれぞれ高温超電導コイル２３を構成する図示略の酸化物超電導線材に接続されている。
　外部容器２１は、図示略の真空ポンプに接続されていて、内部を所望の真空度に減圧できるように形成されている。また、外部接続端子２９、３０は外部の図示略の電源に超電導電流リード線を介し接続されており、電源から高温超電導コイル２３に通電し、所望の磁場を発生できる。
　図５に示す超電導マグネット装置２０は、図示略の真空ポンプにより外部容器２１の内部を減圧して真空状態とし、冷凍機２７を作動させて伝導冷却により高温超電導コイル２３を臨界温度以下に冷却する。その後、外部電源から接続端子２９、３０を介し高温超電導コイル２３に通電することで使用される。なお、冷凍機２７の能力にもよるが、冷凍機２７は高温超電導コイル２３を４.２Ｋ、２０Ｋあるいは４０Ｋ等のように希土類系酸化物超電導体が超電導状態となる液体窒素温度（７７Ｋ）よりも低温に冷却する能力を有する。そのため、外部容器２１の内側に設けられている超電導電流リード１も臨界温度以下（７７Ｋ以下が望ましい。）に冷却される。
　印加した電流は、接続端子２９、３０から超電導電流リード装置１０の超電導電流リード１を介して高温超電導コイル２３の酸化物超電導線材に流れる。超電導電流リード１において、電極端子７を仮に接続端子に近い高温になる端子として設置すると、電流は電極端子７から希土類系多層薄膜超電導線材６に流れ、電極端子８に流れて高温超電導コイル２３の酸化物超電導線材に達する。ここで、超電導電流リード１も臨界温度以下に冷却されているため、希土類系多層薄膜超電導線材６に設けられている８本の酸化物超電導層１５の抵抗が０となる。そのため、電極部材２から半田層、金属層１２、および、保護層１６を介し各酸化物超電導層１５に電流が流れ、電極部材３に通電し、高温超電導コイル２３に通電できる。高温超電導コイル２３に通電されると高温超電導コイル２３が磁場を発生させるため、超電導マグネット装置２０は所望の磁場を発生できる。
　次に、横断面が正八角形状である支持体５の周面に希土類系多層薄膜超電導線材６を配置した超電導電流リード装置１０の作用効果について説明する。
　上記構造を有する超電導電流リード装置１０を超電導マグネット装置２０に適用すると、希土類系多層薄膜超電導線材６はテープ形状であり、酸化物超電導層１５も平面形状であるため、希土類系の酸化物超電導層１５において、酸化物超電導層１５の表面（主面）に対し磁場が作用する際の印加角度に応じて、臨界電流値が異なるという特性がある。
　一例として、磁場が印加される角度が酸化物超電導層１５の表面（主面）に対し４０～６０゜であると、酸化物超電導層１５の臨界電流値は１／２程度に小さくなる。しかし、図２に示すように支持体５の周囲に配置されている８本のテープ形状の酸化物超電導層１５は、それぞれ支持体５の周方向に隣接する各主面どうしのなす角度θが４０～６０゜になるように配置されている。
　従って、支持体５の周面に取り付けられている特定の２つの希土類系多層薄膜超電導線材６を例に挙げると、２つの希土類系多層薄膜超電導線材６の酸化物超電導層１５のうち、磁場の作用する方向により、仮に、臨界電流値が低下した一方の希土類系多層薄膜超電導線材６に対し、隣接する他方の希土類系多層薄膜超電導線材６は２倍程度高い臨界電流を示す。
　また、支持体５に対しいずれの方向から磁場が作用するかは、超電導電流リード装置１０を超電導マグネット装置２０へ取り付ける方向によって異なる。支持体５の周面に８つの希土類系多層薄膜超電導線材６が半田付けされている場合は、超電導電流リード装置１０に対しいずれか任意の方向から磁場が作用し、いずれか１つの希土類系多層薄膜超電導線材６の臨界電流値が低下したとしても、隣接する他の希土類系多層薄膜超電導線材６は、臨界電流値が低下した希土類系多層薄膜超電導線材６よりも優れた臨界電流を示す。従って、超電導電流リード１は、優れた臨界電流特性を発揮できる。
　また、超電導電流リード１は外周が外郭体９、９により覆われているため、超電導マグネット装置２０に超電導電流リード装置１０を取り付ける際、周方向の位置を把握することが難しい。仮に、１本のみの希土類系多層薄膜超電導線材６を支持体５のいずれかの側面に備える構造の場合、酸化物超電導層１５に対し４０～６０゜の方向に高温超電導コイル２３の磁場が作用するように設置すると、１本の希土類系多層薄膜超電導線材６の臨界電流値は大幅に低下する。例えば、１／２程度に低下する。
　これに対し、２本以上、例えば８本の希土類系多層薄膜超電導線材６を周回りに備えた超電導電流リード１であれば、いずれか任意の方向から高温超電導コイル２３の磁場が作用し、特定の１本の希土類系多層薄膜超電導線材６の臨界電流値が低下しても、他の希土類系多層薄膜超電導線材６の超電導特性の低下する割合が小さくなる。そのため、超電導電流リード装置１０として大きな臨界電流を得ることができ、良好な臨界電流特性を得ることができる。
　なお、図１～図３に示す第１実施形態では、支持体５について横断面が正八角形状である例について説明した。しかし、支持体５の横断面の形状は多角形状あるいは円形状であって、周方向に隣接する希土類系多層薄膜超電導線材６のなす角度を４０゜～６０゜の範囲にできる形状であれば、いずれの横断面形状であっても良い。また、希土類系多層薄膜超電導線材６の本数も、２本以上であれば任意の数で良い。例えば、２本～１２本の間で任意の数を選択できる。更に、支持体５の全周に希土類系多層薄膜超電導線材６を配置する必要はない。一例として、横断面が八角形状の支持体５に、２本、３本、４本、５本等、任意数の希土類系多層薄膜超電導線材６を取り付けて利用できる。なお、支持体５の横断面を円形状とする場合、支持体５の周面は曲面になる。そのため、支持体５の周面に沿ってテープ形状の希土類系多層薄膜超電導線材６を支持体５の長さ方向に沿って配置した場合、希土類系多層薄膜超電導線材６は周面に沿って湾曲状態に配置される。この状態において、周方向に隣接する希土類系多層薄膜超電導線材６のなす角度を４０゜～６０゜にするとは、以下の場合を意味する。即ち、支持体５の周方向に隣接する希土類系多層薄膜超電導線材６の上面における幅方向中央部を通過する接線どうしがなす角度を４０～６０゜にすることを意味する。
　支持体５に取り付ける希土類系多層薄膜超電導線材６の本数は、超電導電流リード装置１０に流そうとする電流の大小に応じて適宜必要な本数を選択すれば良い。
　支持体５を多角形状にすることにより、希土類系多層薄膜超電導線材６を湾曲させずに平らな支持体表面に取り付けられるので、線材６に生じる歪みを低減できる。従って、線材６が劣化する可能性を低減して支持体に取り付けることができる。
　また、支持体５の周面に取り付けた希土類系多層薄膜超電導線材６を、エポキシ樹脂等の固定材により覆っても良く、希土類系多層薄膜超電導線材６の１つ１つの外面を絶縁テープ等で絶縁処理しても良い。更に、気密性を向上させるために、希土類系多層薄膜超電導線材６の周面を覆う金属層１２に代えて、圧延銅テープまたは銅合金を、半田またはスズにより希土類系多層薄膜超電導線材６の周面に貼り合わせた構造とすることもできる。
　例えば、希土類系多層薄膜超電導線材の第２の構造例として、図６Ａに示すように、基材３３の上に中間層３４、酸化物超電導層３５、および、保護層３６を積層して形成される超電導積層体３７の上に、Ｃｕの圧延テープ材３８を貼り付け、更に全周を金属層３９で覆った構造の希土類系多層薄膜超電導線材４０を用いることができる。金属層３９は、めっきあるいは金属テープの貼り合わせ等により形成できるが、これらに限定されるものではない。
　また、希土類系多層薄膜超電導線材の第３の構造例として、図６Ｂに示すように、基材４３の上に中間層４４、酸化物超電導層４５、および、保護層４６を積層して形成される超電導積層体４７の全周を金属層４８で覆い、その上に、Ｃｕの圧延テープ材４９を貼り付け、更に全周を金属層５０で覆った構造の希土類系多層薄膜超電導線材５１を用いることもできる。
　更に、希土類系多層薄膜超電導線材の第４の構造例として、図６Ｃに示すように、全周が金属層４８で覆われた超電導積層体４７を２枚向き合わせて積層し、全周を金属層５２で覆った構造の希土類系多層薄膜超電導線材５３を用いることもできる。
　更に、希土類系多層薄膜超電導線材の第５の構造例として、図６Ｄに希土類系多層薄膜超電導線材１００の幅方向に沿う断面模式図を示す。
　図６Ｄに示す超電導線材１００において、積層基体Ｓ２は、基材１０１の一方の面上に中間層１０２、酸化物超電導層１０３、および、第１の安定化層１０８がこの順に積層されることで形成され、矩形断面を有する。また、超電導積層体１０５は、積層基体Ｓ２を中央に備え、第２の安定化層１１２（金属層）が積層基体Ｓ２の外周面のほぼ全体を覆うことで形成され、横断面が略矩形状である。さらに、超電導線材１００は、絶縁被覆層１０７が超電導積層体１０５の外周面全体を覆うことで形成される。金属安定化層１０４は、酸化物超電導層１０３上に形成された第１の安定化層１０８と、積層基体Ｓ２の外周面のほぼ全周を覆う第２の安定化層１１２とで構成されている。
　第２の安定化層１１２は、良導電性の金属材料で形成され、酸化物超電導層１０３が超電導状態から常電導状態に遷移する時、第１の安定化層１０８とともに、酸化物超電導層１０３の電流を転流させるバイパスとして機能する。なお、金属テープ状の第２の安定化層１１２は、積層基体Ｓ２の周面に沿って横断面略Ｃ字型に配置され、積層基体Ｓ２のほぼ全周面を覆うように設けられている。詳述すると、第２の安定化層１１２は基材１０１の他方の面（中間層１０２が形成されていない面）側の中央部を除いて積層基体Ｓ２のほぼ全周を覆うように配置されている。基材１０１の他方の面側の中央部において第２の安定化層１１２により覆われていない部分は、第２の安定化層１１２の２つの端縁の間の凹部を埋めるように充填された半田層１１３により覆われている。
　第２の安定化層１１２を構成する金属材料は、上述した希土類系多層薄膜超電導線材の第２の安定化層を構成する金属材料を適用でき、その厚さについても同等の範囲を選択できる。
　なお、図６Ｄでは略されているが、金属テープ状の第２の安定化層１１２を積層基体Ｓ２の外周に半田を介して一体化する場合は、積層基体Ｓ２と第２の安定化層１１２との間には半田層が存在する。
　さらに、図６Ｅに示すように、第２の安定化層１１２の片面もしくは両面には、Ｓｎなどの半田層（導電性接合層）１１４が形成（めっき）されていてもよい。第２の安定化層１１２の外側表面（外周面上）にも半田層１１４が形成されていることにより、別個に他の半田層を形成することなく、電極端子に直接接続できるため、容易に取り付けすることができる。
　以上のように、本発明の実施形態の超電導電流リード１に適用する希土類系多層薄膜超電導線材の構造については種々変更が可能であり、図１、図６Ａ～Ｅに示す構造の他、一般に知られている公知の希土類系酸化物超電導線材の種々の構造を用いることが可能である。
　ハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅５ｍｍ、厚さ０.１ｍｍのテープ形状の基材の表面に、Ａｌ２Ｏ３からなる厚さ１００ｎｍの拡散防止層と、Ｙ２Ｏ３からなる厚さ３０ｎｍのベッド層と、イオンビームアシスト蒸着法により形成された厚さ１０ｎｍのＭｇＯの配向層と、ＣｅＯ２の厚さ５００ｎｍのキャップ層と、ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７－ｘの厚さ約２μｍの酸化物超電導層と、厚さ１０μｍのＡｇの保護層と、を形成した酸化物超電導積層体を用いた。酸化物超電導積層体に対し、酸素アニールを５００℃で行った。酸素アニールを施して希土類系多層薄膜超電導線材を得た。
　得られた希土類系多層薄膜超電導線材について、主面（表面）に０．５Ｔの磁場を、磁場印加角度を種々変更して印加した場合の臨界電流の磁場角度依存性（７７Ｔ自己磁場０の場合の臨界電流Ｉｃ０とした場合の比率）を測定した。また、同様に、１Ｔ磁場の場合の臨界電流の磁場角度依存性、３Ｔ磁場の場合の臨界電流の磁場角度依存性を測定し。これらの結果を併せて図７に示す。
　図７に示すように、いずれの強さの磁場中であっても相対する磁場角度依存性がある。図７に示す特性から、磁場角度θを希土類系多層薄膜超電導線材の表面に対し４０゜～６０゜とした場合に、最も臨界電流値が低下することが分かった。
　図７に示された結果を踏まえ、現状の高温超電導コイルに適用される超電導電流リードとして最も使用される確率の高い例として、温度７７Ｋ、磁場０．５Ｔの場合の希土類系多層薄膜超電導線材を配置する角度、本数、および、（臨界電流の最悪値）／（臨界電流の標準値）の比率を求めた。
　上記構造の希土類系多層薄膜超電導線材においては、１０ｍｍ幅線材で標準電流値は３００Ａ／本（自己磁場状態）とし、最悪値では７７Ｋにおいて１本（支持体周囲の対角として２本）が最も臨界電流が低下する磁場角度に配置される。残りの希土類系多層薄膜超電導線材の電流値を磁場特性から算出し、合計の臨界電流（＝許容電流）を算出し、以下の表１に数値を示す。
　算出の基としたのは、図８に示すように０．５Ｔの磁場が作用した場合に求められた希土類系多層薄膜超電導線材の磁場角度依存性である。また、表１に示す数値を図９のグラフに示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１と図８の結果から、角度θが４０゜以上、６０゜以下の範囲で（最悪値）／（標準値）が高くなる。従って、角度θを４０～６０゜の範囲とすると、希土類系多層薄膜超電導線材を超電導電流リードとして有効利用できていることが判明した。
　次に、本発明に係る希土類系多層薄膜超電導線材を超電導電流リードに用いた構造と、一般に知られているＡｇシースタイプのＢｉ系酸化物超電導線材を超電導電流リードに用いた構造とにおける、簡略化した相対比較である熱伝導解析試算モデルについて説明する。以下では、基本的な構造を設定した後、１次元熱伝達モデルにおける試算結果について比較する。この試算結果は、仮定の上での単純化モデルにおける試算である。しかし、希土類系多層薄膜超電導線材に極めて類似しているＢｉ系酸化物超電導線材を用いた超電導電流リードとの相対比較を行う上で、有効な手段と考えられる。
＜試算条件＞
　熱伝導解析を行うために、図１０に示すような微少体積モデルを採用する。定常状態（時間積分項＝０）、熱伝達率ｋ、および、電気抵抗は温度に無関係で一定とする。伝導冷却のみを想定し、冷媒冷却は無いこととした。各部品間の熱接触比は０と設定し、外部容器側の超電導電流リードの高温端を７７Ｋ、内部容器の内側の超電導電流リードの低温端は４.２Ｋと設定した。上記試算モデルの部品として、銅製の端子およびステンレス鋼の支持体を用いた。また、希土類系多層薄膜超電導線材について、基材をハステロイ製、安定化層をＣｕ製とし、外郭体をＧＦＲＰ製のカバーとした。ステンレス鋼の支持体、希土類系多層薄膜超電導線材、および、ＧＦＲＰ製の外郭体は、等価回路を構成すると仮定した。
　超電導電流リードに通電すると、超電導電流リードの支持体、ハステロイ製の基材、および、安定化層は、抵抗を有するために若干発熱する。
　上記状態の導体熱伝導の微少体積モデルを図１０に示す。ここで、熱侵入量Ｑｃ＝ｋ・Ｓ・θ／Ｌ＋Ｑｊ／２の関係式が成立し、ジュール熱Ｑｊ＝ρ・Ｉ２・Ｌ／Ｓの関係が成立する（ｋ：熱伝導率[Ｗ／（ｍ・Ｋ）]、Ｓ：断面積[ｍ２]、ρ：電気抵抗率[Ωｍ]、Ｉ：電流[Ａ]、Ｌ：長さ[ｍ]）。
　図１０に示す微少体積モデルを等価回路として示すと、図１１に示す等価回路となる。図１１の等価回路を、図１に示す２本の希土類系多層薄膜超電導線材を取り付けた構造に適用すると、図１２に示す等価回路となる。
　ここで、熱抵抗：Ｒ＝Ｌ／ｋＳ[Ｋ／Ｗ]、電気抵抗：ｒ＝ρＬ／Ｓ[Ω]、とし、各種パラメータは、以下に示すように文献（Y.Iwasa, Case Studies in Superconducting Magnets, P.632-642, 2nd ed. Springer, 2009）から引用した。
＜Ｙ系電流リードパラメータ＞
　・銅（無酸素銅）の電気抵抗率ρ
　　　高温側　2.0E-09 [Ω・ｍ]　（７７Ｋ）
　　　低温側　5.0E-10 [Ω・ｍ]　（ＲＲＲ＝３０、５Ｋ）（ＲＲＲ：残留抵抗比）
　・熱伝導率ｋ
　　　銅（高温側）　５００　[Ｗ／（ｍ／Ｋ）]　（７７Ｋ）
　　　ハステロイ　　５　　　[Ｗ／（ｍ／Ｋ）]　（４０Ｋ）（超電導線材の基材）
　　　ステンレス鋼　５　　　[Ｗ／（ｍ／Ｋ）]　（４０Ｋ）（支持体）
　　　ＧＦＲＰ　　　０.２５ [Ｗ／（ｍ／Ｋ）]　（４０Ｋ）
　　　銅（低温側）　２００　[Ｗ／（ｍ／Ｋ）]　（ＲＲＲ＝３０、５Ｋ）
　・ＧＦＲＰカバーは線材（１０ｍｍ幅×２本）、ステンレス鋼製の支持体と並列
　　　線材銅断面積　４.００ E-07 [ｍ２]、長さＬ＝０.１４５　[ｍ]
　　　線材ハステロイ部分断面積　２.００ E-06 [ｍ２]、長さＬ＝０.１４５　[ｍ]
　　　ステンレス鋼支持体断面積　３.００ E-05 [ｍ２]、長さＬ＝０.１４５　[ｍ]
　　　ＧＦＲＰ断面積　　１.０７ E-04 [ｍ２]、長さＬ＝０.２４５　[ｍ]
　・熱抵抗Ｒ
　　　線材　銅部分　熱抵抗　Ｒ　　７２５　[Ｋ／Ｗ]
　　　線材　ハステロイ部分　熱抵抗　Ｒ　　１４５００　[Ｋ／Ｗ]
　　　ステンレス鋼製支持体　熱抵抗　Ｒ　　９６７　[Ｋ／Ｗ]
　　　ＧＦＲＰ製外郭体　　　熱抵抗　Ｒ　　９１７５　[Ｋ／Ｗ]
　・はんだ接続抵抗　　線材－銅端子間
　　　高温側　1.00E-07 [Ω・ｍ]　（７７Ｋ）
　　　低温側　1.00E-08 [Ω・ｍ]　（４Ｋ）
＜Ｂｉ系電流リード設定パラメータ＞
　・Ａｇ熱伝導率　ｋ　１５００　[Ｗ（ｍ・Ｋ）]　　（４０Ｋ）
　・Ａｇ断面積　　５.７６E-0.6　[ｍ２]、　長さ　Ｌ＝０.２２８　[ｍ]
　　（４ｍｍ幅　2枚並列×６本＝１２本、銀比１.５）
　・ＧＦＲＰ断面積　　２.８４E-0.4　[ｍ２]、　長さ　Ｌ＝０.２４５　[ｍ]
　　（充実構造（ただし、線材内部面積を除く））
　・銀熱抵抗　Ｒ　　　７９　[Ｋ／Ｗ]
　　ＧＦＲＰ　熱抵抗　３４５６　[Ｋ／Ｗ]
　以上のパラメータに基づき、希土類系多層薄膜超電導線材を備えた超電導電流リード、および、Ｂｉ系酸化物超電導線材を備えた超電導電流リードの低温端における熱侵入量の対比計算を行った。
　希土類系多層薄膜超電導線材において、ハステロイ製の基材を０.１ｍｍ厚、銅メッキによる安定化銅層、および、線材幅１０ｍｍの超電導線材を用いて図１０～図１２に示すモデル構造を作製した。ここで、高温端を７７Ｋ、低温端を４.２Ｋとした。Ｂｉ系超電導線材（銀比１.５、０.２３ｍｍ、４.４ｍｍ幅、７７Ｋ、自己磁場における臨界電流１０００Ａを満たす条件として１２本使用）を超電導電流リードに用いた構造の場合の熱侵入量試算値を１.０として、モデル構造の値との対比を行った。希土類系多層薄膜超電導線材を用いた超電導電流リードにおいて、銅めっき厚および熱侵入量相対値の計算結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示す結果から、Ｂｉ系酸化物超電導線材を用いる超電導電流リードの構造と対比すると、低温端での熱侵入量を少なくするためには、安定化銅の厚さを８０μｍ未満とすることが有利である。安定化銅の厚さが少ないほど、超電導電流リードの低温端での熱侵入量を小さくできることが分かる。
　なお、支持体をステンレス鋼製とし、外郭体をＧＦＲＰ製の２ｍｍ厚としたが、外郭体をステンレス鋼製としても、表２に示す結果は変わらない。
　また、安定化銅は、ある程度の厚さがないと、ピンホールの問題を生じ、水分の侵入により超電導特性の劣化が生じるおそれがある。これより、安定化銅の厚さは１μｍ以上であれば加工可能ではあるが、２０μｍ程度であればより好ましい。
　本発明は、超電導マグネットや超電導機器に利用される超電導電流リード、超電導電流リード装置、および、超電導マグネット装置に適用可能である。
　１　　電極リード
　２、３　　電極部材
　５　　支持体
　５ａ　　取付面
　５ｂ　　端部
　６　　希土類系酸化物超電導線材
　７、８　　電極端子
　９　　外郭体
　１０　　超電導電流リード装置
　１１　　酸化物超電導積層体
　１２、１１２　　金属層（第２の安定化層）
　１３　　基材
　１４　　中間層
　１５　　酸化物超電導層
　１６、１０８　　保護層（第１の安定化層）
　１７　　下地層
　１８　　配向層
　１９　　キャップ層
　２０　　超電導マグネット装置（超電導機器）
　２１　　外部容器
　２２　　内部容器（低温側シールド容器）
　２３　　高温超電導コイル
　２７　　冷凍機
　２８　　伝熱体
　２９、３０　　外部接続端子
　３３、４３、１０１　　基材
　３４、４４、１０２　　中間層
　３５、４５、１０３　　酸化物超電導層
　３６、４６　　保護層
　３７、４７、１０５　　超電導積層体
　３８、４９　　圧延テープ
　４０、５１　　希土類酸化物超電導線材
　１１４　　半田層（導電性接合層）

Claims (12)

  1. 　複数の電極部材と、
    　前記複数の電極部材を互いに接続するように、前記複数の電極部材間に配置された支持体と、
    　主面と、前記複数の各電極部材に接続される両端部とを有し、前記支持体の外面に配置され、前記支持体の外面において前記支持体の周方向に隣接する前記主面どうしのなす角度θが４０゜～６０゜であり、それぞれがテープ形状を有する、複数の希土類系多層薄膜超電導線材と、
    を備えた、超電導機器に電流を供給する超電導電流リード。
  2. 　前記支持体の横断面が、前記支持体の外周に３つ以上の取付面を有するような多角形状であり、前記３つ以上の取付面のうち、２つ以上に前記複数の希土類系多層薄膜超電導線材のそれぞれが配置される、請求項１に記載の超電導電流リード。
  3. 　前記複数の希土類系多層薄膜超電導線材のそれぞれが、基材上に、中間層、酸化物超電導層、および、安定化層を積層した多層構造を有する、請求項１または請求項２に記載の超電導電流リード。
  4. 　前記複数の希土類系多層薄膜超電導線材のそれぞれが、基材上に、中間層、酸化物超電導層、および、第１の安定化層を積層した積層体と、前記積層体の全周を覆う第２の安定化層とを有する構造を有する、請求項１または請求項２に記載の超電導電流リード。
  5. 　前記第２の安定化層の端縁の間を埋めるように充填された半田層をさらに有する、請求項４に記載の超電導電流リード。
  6. 　前記複数の希土類系多層薄膜超電導線材のそれぞれが、前記多層構造の上にＣｕの圧延テープ材を有する積層構造を有し、前記積層構造の全周を覆う金属層をさらに有する、請求項３に記載の超電導電流リード。
  7. 　前記複数の希土類系多層薄膜超電導線材のそれぞれが、前記多層構造の全周が金属層で覆われ、前記金属層の上にＣｕの圧延テープ材を有する積層構造を有し、前記積層構造の全周を覆う金属層をさらに有する、請求項３に記載の超電導電流リード。
  8. 　前記複数の希土類系多層薄膜超電導線材のそれぞれが、前記基材と前記取付面との距離が、前記第１の安定化層と前記取付面との距離よりも大きくなるように、前記取付面に沿って配置される、請求項３～７に記載の超電導電流リード。
  9. 　前記複数の希土類系多層薄膜超電導線材のそれぞれが、前記多層構造の全周が金属層で覆われた積層構造を２つ積層した構造を有し、さらに前記構造の全周を覆う金属層を有する、請求項３に記載の超電導電流リード。
  10. 　前記金属層または前記第２の安定化層の少なくとも外側表面に、導電性接合層が形成されている、請求項３～９に記載の超電導電流リード。
  11. 　請求項１～１０のいずれか一項に記載の超電導電流リードの第１電極部材に第１電極端子が、第２電極部材に第２電極端子がそれぞれ接続され、
    　前記第１電極端子と前記第２電極端子に装着されて前記超電導電流リードを取り囲む外郭体を備える、超電導電流リード装置。
  12. 　減圧可能な外部容器と、前記外部容器の内部に設けられた低温側シールド容器と、前記低温側シールド容器の内部に収容された高温超電導コイルと、前記外部容器に取り付けられた冷凍機と、前記外部容器の内部に設けられて外部電源からの電流を前記高温超電導コイルに供給するための、請求項１１に記載の超電導電流リード装置とを備える、超電導マグネット装置。
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