酸化物超伝導バルク磁石部材
【課題】ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物バルク体を組み合わせた酸化物超伝導バルク磁石部材で、パルス着磁法で繰り返し着磁しても、強い磁場で、対称的に均一な磁場を有する超伝導バルク磁石にできる酸化物超伝導バルク磁石部材を提供する。
【解決手段】ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（ＲＥは、希土類元素又はそれらの組み合わせ。ｘは、酸素欠損量であり、０＜ｘ≦０．２である。）相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物バルク体を組み合わせた酸化物超伝導バルク磁石部材であって、前記酸化物バルク体が、複数で入れ子に配置され、前記入れ子に配置された各酸化物バルク体間に、０．０１ｍｍ以上０．４９ｍｍ以下の隙間を有し、前記隙間の少なくとも一部に樹脂、グリース又は半田を有することを特徴とする酸化物超伝導バルク磁石部材である。
【解決手段】ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（ＲＥは、希土類元素又はそれらの組み合わせ。ｘは、酸素欠損量であり、０＜ｘ≦０．２である。）相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物バルク体を組み合わせた酸化物超伝導バルク磁石部材であって、前記酸化物バルク体が、複数で入れ子に配置され、前記入れ子に配置された各酸化物バルク体間に、０．０１ｍｍ以上０．４９ｍｍ以下の隙間を有し、前記隙間の少なくとも一部に樹脂、グリース又は半田を有することを特徴とする酸化物超伝導バルク磁石部材である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物超伝導バルク磁石部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（ＲＥは、希土類元素）相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散してバルク体とした酸化物超伝導材料は、高い臨界電流密度（Ｊc）を有するために、磁場中冷却やパルス着磁により励磁され、酸化物超伝導バルク磁石として使用可能である。例えば、特許文献１には、このような酸化物超伝導材料（酸化物超伝導バルク体）を、超伝導モーター等に使用できる超伝導磁場発生装置が開示されている。
【０００３】
そして、生田らにより、磁場中冷却により着磁した直径３６ｍｍの円柱形Ｓｍ系バルク超伝導体を用いて、最大１．５Ｔ程度の磁場を発生できるバルク磁石について非特許文献１に開示されている。また、Ｙ．Ｉｔｏｈらにより、Ｙ系バルク超伝導材料を用い、パルス着磁と磁場中冷却による着磁とを比較検討していることが非特許文献２に開示されている。さらに、森田らにより、超伝導マグネット中で直径約６０ｍｍのバルク超伝導材料を用い、４０Ｋにおいて約４．５Ｔの磁場を発生させていることが非特許文献３に開示されている。このようにＲＥ系バルク超伝導材料のパルス着磁に関しては、特許文献１において磁束跳躍を伴うパルス着磁が開示され、また、非特許文献２、非特許文献３等においては冷却方法も含めた着磁方法について開示されている。
【０００４】
最近では、澤村らにより、特許文献４において、低磁場で高い臨界電流密度（Ｊc）特性を有するリング状のバルク超伝導体（ＲＥIIＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x）の内側に高磁場で高いＪc特性を有する円柱状のバルク超伝導体（ＲＥIＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x）の二種類のＲＥ系からなる超伝導バルク材料を配置することにより、低磁界から高磁界まで大きな捕捉磁界を得られるとした超伝導バルク磁石が開示されている。なお、前記超伝導バルク磁石の着磁は、静磁場下で行われている。
【０００５】
また、特許文献５には、組成の異なる（即ち、超伝導特性の異なる）二種類又は三種類のＲＥ系からなる超伝導バルク材料を配置することにより、低磁界から高磁界まで大きな捕捉磁界を得られるとする超伝導バルク磁石が開示されている（特許文献５の図１、図５及び図８参照）。具体的には、臨界電流密度特性の異なる二種類（又は三種類）の超伝導バルク体を用いるものであり、周辺部に低磁場で大きい臨界電流密度を有する材料を配置し、磁場強度が高くなる中心部に高磁場で高い電流密度を有する材料を配置することにより、全体として強い磁場発生を可能にできるというものである。着磁方法としては、静磁場着磁法で超伝導マグネットとする場合、及びパルス着磁法で超伝導マグネットとする場合が記載されている。
【０００６】
特許文献６に記載のものは、基本的に原料を節約し、かつ、軽量な酸化物超伝導バルクマグネットを作製するために、内部を中空とした酸化物超伝導バルクマグネット（複数個の中空酸化物超伝導バルク体を複合化したもの）であり、中空であることで軽量化できるとされている。また、前記超伝導バルクマグネットの着磁に関しては、液体窒素中に浸漬し超伝導状態にし、外部から磁界を印加して超伝導体に磁束線をトラップさせて永久磁石とする方法、即ち、静磁場着磁方法を用いるものとしている。また、特許文献７には、パルス着磁での発熱による特性低下の問題を解決するため、超伝導体間に冷媒の流路を設けることにより、パルス着磁時の捕捉磁束特性が改善されることが開示されている。
【０００７】
以上のように、ＲＥ系（ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）酸化物バルク体では、バルク磁石として、酸化物超伝導バルク体の構成や着磁方法の改良によって、マグネット（磁石）としての磁場強度の向上が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−２０８３７号公報
【特許文献２】特開平６−１６８８２３号公報
【特許文献３】特開平１０−１２４２９号公報
【特許文献４】特開２００１−３５８００７号公報
【特許文献５】特開平９−２５５３３３号公報
【特許文献６】特開平７−２１１５３８号公報
【特許文献７】特開２００６−３１９０００号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】生田ら；日本応用磁気学会誌Vol.23, No.4-1,（1999）p.885
【非特許文献２】Y,Itoh et al., Jpn J. Appl. Phys., Vol34、 5574（1995）
【非特許文献３】森田ら；日本応用磁気学会誌Vol19, No3.（1995）p.744
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相（１２３相）中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相（２１１相）が分散した酸化物バルク体は、主に、数ｍｍ角の種結晶から結晶成長させて単結晶状バルク体として製造される。結晶成長中の１２３相は正方晶であることから、通常の種付法によりある結晶のａ−ｂ面を接触させる場合、種付面内で４回対称のファセット面を形成しながら成長する。このようにして結晶成長させて製造された酸化物バルク体の超伝導特性は、概して４回対称の不均一性を有する。具体的な例として、円盤状の酸化物バルク体に静磁場着磁された捕捉磁束分布を図７（ａ）に示す。図７（ａ）に示すように、捕捉磁束分布が同心円からずれており、４回対称に歪んでいる様子が分かる。即ち、上述のように、１２３相中に２１１相が分散した酸化物バルク体は、バルク磁石とすることができるが、図７（ａ）に示すような歪んだ磁束分布になるので、磁気浮上、超伝導モーター、超伝導発電機等の磁石として実際に使用する場合には効率のよい駆動や発電ができないという問題がある。
【００１１】
従来までは、上述のように、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を用いた超伝導バルク磁石では、その磁場強度を向上させることのみに注力されてきた。このように、単に磁場強度が高くても実際に使用される超伝導モーターや超伝導発電機等の磁石として組み込んだ場合に効率よく駆動や発電ができないのはバルク磁石の磁束分布（磁場強度分布）が不均一であるからである。そこで、このような酸化物バルク体を超伝導バルク磁石とする場合には、このような歪んだ磁束分布ではなく、均一な磁束分布（例えば、同心円状に均一）とすることが重要であるということが明らかになってきた。
【００１２】
一方、特許文献５に記載の技術は、上記のようなＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を用いた超伝導バルク磁石として、強い磁場を得るために、例えば、バルク磁石の周辺部を低磁場で大きな臨界電流密度を有するＹ系酸化物超伝導バルク体で構成し、バルク磁石の中心部は高磁場で大きな臨界電流密度を有するＮｄ系酸化物超伝導バルク体で構成するというものである。ところが、超伝導バルク磁石として均一な磁場を得ることが重要であるということについては記載も示唆もされておらず、その構成も示されていない。強い均一な磁場を得る方法として、ドーナツ状の銅板にリング状の溝を複数個設けて、この溝にＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を埋め込んだ構成も示されているが、バルク磁石ではなく超伝導コイルとしたコイル磁石であって、このようなコイル磁石では付帯材料の銅板の占める割合が多くなるので磁石質量に対する発生磁場強度の割合が小さくなってしまう。
【００１３】
上述のようなＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を用いた超伝導バルク磁石は、金属磁石やコイルを使用した電磁石に比べて軽量であるものの、特許文献６では、このような酸化物を用いた超伝導バルク磁石として、より軽量で使用する原料を少なくできるバルク磁石とするために、不用な部分に超伝導電流を流さないようにするとして、バルク磁石の中心部を中空とし、複数個の中空超伝導バルク体を複合化する構成にしている。ところが、バルク磁石の磁束分布を均一にすることが実際の使用上重要であることについては記載も示唆もされておらず、その構成も示されていない。
【００１４】
また、特許文献６に記載の技術のように、より軽量で使用する原料を少なくするという発想により、超伝導バルク磁石とする中心部に超伝導体が存在しない構成にしようとすると、より大きな中空構造になり、実際にもバルク磁石の外径に対して中空部分の内径が４６．７％（実施例１、実施例４等）や３３．３％（実施例３）のような大きくなっているので、このようなバルク磁石では磁束分布を必ずしも均一にできるわけではない。特に、磁気浮上、超伝導モーター、超伝導発電機等の回転や移動する機器の磁石として実際に使用するような環境下では均一な磁束分布を保てない。更に、内部まで詰まったバルク磁石と同等の性能を有すると記載されているが、実際には、バルク磁石として、内部の超伝導体も有限の寄与をすることから、内部まで詰まったバルク磁石に比べ低い特性（磁場強度）となってしまい、この差は、強い磁場強度で比較する場合に顕著になってくるものであり、着磁の方法によっても顕著に現れる。
【００１５】
上述のようなＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を用いた酸化物超伝導バルク磁石とするためには、このような酸化物バルク体を静磁場着磁法やパルス着磁法によって着磁する。特に、装置に組み込み簡便に着磁する場合、強い磁場を有する超伝導バルク磁石とするには、パルス着磁法が好ましい。しかしながら、パルス着磁法では、強い磁場に着磁しようとすると磁束分布が不均一になり、均一な磁束分布が得られないという問題がある。これは、以下のようなことによるものである。
【００１６】
パルス着磁法は、急激な磁場の変化を伴う着磁法であるので、着磁の際に超伝導体を磁束が急激に移動し、超伝導体内において大きな熱が発生する。そのため、発生した熱がその部分の温度上昇を招き、その部分の超伝導特性を低下させると、さらに磁束の移動が起きやすくなる。超伝導体中わずかな特性の不均一がある場合にもこのようなサイクル（熱発生・温度上昇・超伝導特性低下・磁束の移動・熱発生）を繰り返し、特性の不均一が強調されることとなり、不均一な磁束捕捉分布になってしまう。例えば、一般的な円盤型の酸化物超伝導バルク磁石部材に着磁してバルク磁石とする場合、材料特性が完全に均一であれば、該円盤の同心円状に超伝導電流が流れる。この場合、高さ方向に磁束密度を取ると、円錐状の磁束密度分布が得られる。しかしながら、実際の材料では材料特性が完全に均一であることはありえず、パルス着磁法では、円錐状の均一な磁束密度分布が得られない。パルス着磁法によって着磁した場合に磁束分布の不均一性は、印加磁場の変化速度及び磁場強度が大きいほど起こり易くて顕著になり、また、超伝導体のサイズが大きいほど、また、Ｊc特性が高いほど発生し易くて顕著になる。したがって、低温ほどＪc特性が高くなるので、冷却温度が低いほど不均一な捕捉磁束分布になる傾向があると言える。
【００１７】
特許文献５には、上述のように、パルス着磁法で着磁された例が記載されているが、強磁場の超伝導マグネットが実現されるとしているのみであり、その磁場の均一性についてはどのようなものであるか示されていない。また、特許文献６には、上述のように、静磁場着磁法でのみ着磁されているので、パルス着磁法による磁場の均一性についてはどのようなものであるが示されていない。特許文献５や特許文献６に記載されている構造は、パルス着磁しても再現よく均一な磁場が得られる構造になっていなかったり、パルス着磁しても強い磁場を均一に得られる構造になっていなかったりするものである。また、パルス着磁法では、上述のように、着磁中に急激な磁場変化するものであるので、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を入れ子状に複数配置した構造とした場合に、急激な磁場変化に伴って各酸化物バルク体に急激な応力変化やそれに伴う変形が生ずる。そのため、このような応力変化の繰り返しよって複数の酸化物バルク体の一部が破損するという問題が生じ、その結果、強い磁場や均一な磁場が得られなくなる。
【００１８】
本発明は、上記問題を鑑み、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物バルク体を組み合わせた酸化物超伝導バルク磁石部材で、パルス着磁法で繰り返し着磁しても、強い磁場で、対称的に均一な磁場を有する超伝導バルク磁石にできる酸化物超伝導バルク磁石部材を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者らは、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物バルク体を組み合わせた酸化物超伝導バルク磁石部材で、複数の前記酸化物バルク体を入れ子に配置した構造とすることで、パルス着磁中の急激な磁場変化でも超伝導電流の乱れを抑制でき、強い磁場で対称的に均一な磁場が得られることを見出した。また、前記複数配置した酸化物バルク体間に、特定の範囲の隙間を有し、該隙間の少なくとも一部に樹脂、グリース又は半田を施すことで、パルス着磁を繰り返し行っても、前記酸化物バルク体の破損を低減でき、再現よく、強い磁場で、均一な磁場が得られることを見出し、本発明に至った。即ち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（ＲＥは、希土類元素又はそれらの組み合わせ。ｘは、酸素欠損量であり、０＜ｘ≦０．２である。）相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物バルク体を組み合わせた酸化物超伝導バルク磁石部材であって、前記酸化物バルク体が、複数で入れ子に配置され、前記入れ子に配置された各酸化物バルク体間に、０．０１ｍｍ以上０．４９ｍｍ以下の隙間を有し、前記隙間の少なくとも一部に樹脂、グリース又は半田を有することを特徴とする酸化物超伝導バルク磁石部材。
（２）前記酸化物バルク体の少なくとも１つが、多角形又は円の形状を有するリング、もしくは、上面及び底面がレーストラック形状を有するリングであることを特徴とする（１）記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
（３）前記リングが、回転対称軸方向に複数積層されてなることを特徴とする（２）記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
（４）前記積層された複数のリングの回転対称軸が、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のｃ軸に対して±３０°の範囲内であることを特徴とする（３）記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
（５）前記リングの回転対称軸に対して垂直に隣接する各酸化物バルク体のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のａ軸が、それぞれ、ずれていることを特徴とする（２）〜（４）のいずれかに記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、パルス着磁法で着磁して、高い磁場で、均一な磁場を安定に発生することができる酸化物超伝導バルク磁石部材を提供できる。また、対称性・均一性に優れた着磁が可能な酸化物超伝導バルク磁石部材を提供できる。パルス着磁法によって高磁界を発生する酸化物超伝導バルク磁石をより簡便に実現し得ることから、通常の永久磁石では得られない高磁界を利用でき、その工業的効果は甚大である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】複数の酸化物（ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物）バルク体を入れ子に配置した構造例を示す図である。
【図２】入れ子に配置する酸化物（ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物）バルク体の形状例を示す図である。
【図３】酸化物（ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物）バルク体の芯及びリングが、回転対称軸方向に複数積層された構造例であって、（ａ）複数積層されている様子、（ｂ）１２３相のｃ軸が± ３０°の範囲にある状態、を示す図である。
【図４】各酸化物バルク体のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のａ軸が、それぞれ、ずらして入れ子に配置された構成例を示す図である。
【図５】実施例１で作製した５重リングの形状を示す図である。
【図６】実施例２で作製した入れ子状の酸化物超伝導バルク磁石部材の形状を示す図である。
【図７】実施例１で作製した５重リングの形状の酸化物（ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物）バルク体を積層した酸化物超伝導バルク磁石部材及び比較材の静磁場着磁及びパルス着磁を行った時のトラップ磁束分布を示す図である。
【図８】実施例４で行った入れ子状の酸化物超伝導バルク磁石部材及び比較材のパルス着磁時のトラップ磁束分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明者らは、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を用いた酸化物超伝導バルク磁石部材を、パルス着磁法で着磁して、強い磁場を有し、該磁場が対称的に均一である酸化物超伝導バルク磁石とするためには、パルス着磁中に磁束の移動を制限する構造にして、バルク磁石部材中の超伝導電流の乱れを少なくするという着想でもって、該酸化物バルク体を入れ子に複数配置した構造とすることにより、パルス着磁中の磁束の移動を容易に制限できることを見出した。入れ子に配置したそれぞれの酸化物バルク体間は、電流が流れなくなって、超伝導電流は各酸化物バルク内で流れることになるので、超伝導電流の乱れが少なくなる。即ち、パルス着磁法で、強い磁場を有し、該磁場が対称的に均一な酸化物超伝導バルク磁石が得られる。
【００２３】
本発明の酸化物超伝導バルク磁石部材は、図１に示すように、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を複数入れ子に配置した構造を有するものである。このような配置構造とすることにより、パルス着磁法で強力な磁石とする場合に、パルス着磁中の急激な磁場変化でも磁束の移動を制限でき、強い磁場で均一な磁場が得られる。
【００２４】
図１において、３つのサイズの異なるリング形状を有するＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体１〜３と、１つの円柱形状（芯部）のＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体４とが入れ子に配置されている。このような配置構造では、各酸化物バルク体間に隙間８を有する構造となり、パルス着磁すると、パルス着磁中に磁束の移動が各酸化物バルク体内に制限されることになる。このことにより、バルク磁石部材中に流れる超伝導電流の乱れを少なくできる。よって、強い磁場を有し、該磁場が対称的に均一である酸化物超伝導バルク磁石が得られる。
【００２５】
入れ子に配置するＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体１〜４のそれぞれは、ＲＥの成分元素が同じものを組み合せでもいいし、ＲＥの成分元素が異なる複数種のＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を組み合せて入れ子に配置してもよい。後者については、図１に示す例では、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体１〜４において、ＲＥの成分元素が異なるＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体が含まれるということになる。例えば、ＲＥが、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙ、Ｈｏの中から選ばれる成分元素を組み合せ、ＲＥの成分元素が異なるＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体として、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体１〜４の少なくとも１つをＲＥの成分元素が異なるようにして入れ子に配置することができる。ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体のＪc特性を考慮して、ＲＥの組成を変えることにより、酸化物超伝導バルク磁石部材全体として特性を向上させるように設計できる。
【００２６】
入れ子に配置する酸化物バルク体の形状は、図１では円形状の例を示したが、上記の理由からパルス着磁中の磁束の移動を制限できる隙間を有する形状であればよく、各用途に適した酸化物超伝導バルク磁石として所望の磁場分布が得られるよう適宜形状を選択すればよい。例えば、前記酸化物バルク体の形状は、三角、四角、五角、六角、七角、八角等の多角の形状から円の形状、矩形の形状、楕円の形状、レーストラックの形状等が挙げられる。なお、図２（ａ）には四角の形状を示し、図２（ｂ）には六角の形状を示し、さらに図２（ｃ）にはレーストラックの形状を示している。実用性の観点から、前記酸化物バルク体の少なくとも１つが、六角以上の多角から円までの形状を有するリング、又は、上面及び底面がレーストラックの形状を有するリングであるのがより好ましい。このような形状であると、容易に製造（加工、組み立て）でき、さらにより強い磁場で、より均一な磁場が得られる。このような多角の形状については、加工及び組み立ての容易さと、得られる磁場の性能のバランスとから、六角、又は八角の形状が更に好ましい。
【００２７】
また、入れ子に配置した酸化物バルク体の各リングが、更に、回転対称軸方向に複数積層されているのが、より好ましい。例えば、図１の酸化物超伝導バルク磁石部材を複数用意して、それらを積層した構造となり、より強い磁場が得られる。図３は、６つ積層した例を示す。図３では、入れ子の芯部が無い例（中空の例）を示しているが、図１のように芯部がある方が強い磁場を安定に発生することができる。芯部が無い場合に関しては、超伝導発電機や超伝導モーターのような回転機の磁石として使用する場合には、超伝導磁石の外径に対して中空の内径を３０％以下（面積割合では９％以下）にするのが好ましく、より好ましくは２０％以下（面積割合では４％以下）であり、更に好ましくは１０％以下（面積割合では１％以下）である。
【００２８】
このように積層した場合には、酸化物超伝導バルク磁石全体として、磁場の対称性・均一性を高める上で有効である。前記酸化物バルク体は、結晶成長の段階で、種結晶のａ軸方向に電流密度が低い欠陥を含む確率が高くなることから、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のａ又はｂ軸が、前記積層された酸化物バルク体の芯やリングと、積層する上下の隣接する芯及びリングとでずれている配置にするのがより望ましい。このずれは、５°〜４０°とするのが更に望ましい。これによって、低い特性の部分が並ばないようにすることが可能になり、超伝導バルク磁石全体の特性均一化を図ることができる。前記積層された酸化物バルク体間（積層間）は、上述の効果を得るものであるので、超伝導接合されていてもよいし、常伝導接合されていてもよい。
【００２９】
本発明では、前記リングは、上述のように、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体、即ち、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物バルク体であるが、前記酸化物バルク体中のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相のａ−ｂ面に比較的大きな超伝導電流を流せるので、該ａ−ｂ面に対し、直角に磁束が貫くような配置で着磁することが望ましい。そのためには、前記リングの回転対称軸が、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のｃ軸と一致することが望ましい。さらに、前記入れ子に配置した酸化物バルク体の各リングが、更に、回転対称軸方向に複数積層された場合には、図３（ｂ）に示すように、前記積層された複数のリングの回転対称軸が、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のｃ軸に対して±３０°の範囲内であると強い磁場が得られるので、より好ましい。なお、±３０°を超えたリングの配置にすると、強い磁場が得られない場合がある。
【００３０】
また、前記リングの回転対称軸に対して垂直（入れ子の階層方向）に隣接する各酸化物バルク体のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のａ軸が、それぞれ、ずらして入れ子に配置するのが、より均一な磁場が得られるので、より好ましい。図４にその一例を示す。このようなａ軸のずれが、±５°以上±４０°以下であるのが更に好ましい。例えば、図３に示すようにリングを積層した場合には、積層の上下（積層方向）に隣接する各酸化物バルク体のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のａ軸も、それぞれ、ずらして積層するのが、より均一な磁場が得られるので、より好ましい。そして、前記積層方向のａ軸のずれも、±５°以上±４０°以下であるのが更に好ましい。また、入れ子構造の階層数は、入れ子構造を取るためには２以上となる。図１の例では、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体１〜４の構成で入れ子に配置されているので、その階層数は４となる。ここで、酸化物超伝導バルク磁石部材が大きくなるほど、多いのが好ましい。通常、パルス着磁してより強い磁場でより均一な磁場を得るためには、４以上が望ましく、更には５以上が望ましい。
【００３１】
また、酸化物バルク体のリングの幅は入れ子配置方向に沿った幅であり、例えば、図１の例では、両矢印で示した幅５である。リングの幅は、パルス着磁中の磁束の移動範囲を制限する効果がより得られ易くなるという理由で、最大部が２０ｍｍ以下にするのが望ましく、更に望ましくは１０ｍｍ以下である。一方、リングの幅が、１ｍｍ未満では、酸化物超伝導バルク磁石部材全体に対して、隙間の占める割合が大きくなり、酸化物バルク体が占める割合が小さくなるので、得られる磁場が弱くなる場合があったり、加工歩留まりが低くなったりする場合がある。このように好ましいリングの幅と関連して、上述の入れ子構造の階層数との関係は、次のようになる。
【００３２】
前記リングの幅をＷとして均等に分割されている場合、酸化物超伝導バルク磁石部材の最大サイズをＬ（図１の例では、酸化物超伝導バルク磁石部材のサイズ６）とすると、階層数Ｎは、Ｎ＝Ｌ／２Ｗとなるので、上述の階層数の好ましい範囲の上限に目安は、Ｌ＝５００ｍｍのサイズでは、Ｎ＝５００／（２×１）＝２５０、Ｌ＝１００ｍｍのサイズでは、Ｎ＝１００／（２×１）＝５０、となる。
【００３３】
本発明の酸化物超伝導バルク磁石部材の厚さ（例えば、図１の厚さ７）は、特に限定されず、各用途の構造設計に合わせて決められるものである。パルス着磁法のし易さから、酸化物超伝導バルク磁石部材のサイズＬに対して、１／２以上１／１００以下であるのが好ましい。取り扱いが容易な機械的強度を維持するという観点から、前記厚さは、１ｍｍ以上がより好ましい。また、入れ子の配置にするために加工する加工時間という点から、前記厚さは、３０ｍｍ以下にするのがより好ましい。
【００３４】
さらに、本発明では、上述のように、入れ子に配置された酸化物バルク体間に、図１に示すような特定の大きさの隙間８を有する。パルス着磁法では、着磁中に急激な磁場変化を伴うので、入れ子状に配置した各酸化物バルク体に急激な応力変化が生して、僅かな変形が起こる。パルス着磁を繰り返すと、前記応力変化や変形の繰り返しよって複数の酸化物バルク体の一部が破損するという問題が生じ、その結果、強い磁場や均一な磁場が得られなくなる。この問題は、隙間が大きいと、各酸化物バルク体が独立して応力変化や変形を受けるので破損し易くなる。つまり、前記隙間を小さくすれば、具体的には、０．４９ｍｍ以下にして、前記隙間の少なくとも一部に樹脂、グリース又は半田を施したようにすると、破損するまでのパルス着磁の繰り返し数が多くなるが、破損する割合を著しく低減できることを見出した。
【００３５】
このようにすると、各酸化物バルク体が機械的に相互に影響するようになる。これにより、各酸化物バルク体が独立して応力変化や変形を受けるのを避けることができるので、このような破損を低減できるものと考えられる。前記隙間は、より望ましくは０．２０ｍｍ以下であり、破損する割合を低減できる。前記隙間は、更に望ましくは０．１０ｍｍ以下である。前記隙間は、軽加工で組み立て易く経済的な製造ができるという理由で、０．０１ｍｍ以上とした。即ち、前記隙間が、０．０１ｍｍ未満になると、各酸化物バルク体をはめ込むのが難しく、その隙間に樹脂やグリース及び半田を施すのが難しく、実用的な製造ができない。
【００３６】
また、隙間に有する樹脂、グリース又は半田は、少なくとも隙間の一部に施されていればよい。隙間の総体積の１０％以上、又は、前記隙間の全てを樹脂、グリース又は半田で占めているのがより好ましい。前記隙間の総体積の５０％以上を樹脂、グリース又は半田で占めているのが更に好ましい。樹脂としては、酸化物超伝導バルク磁石部材を製作後、半永久的に固定する場合には、硬化性樹脂が望ましい。また、入れ子に配置した各酸化物バルク体を取り外し可能にするには、グリース又は半田を使用するのが望ましい。
【００３７】
また、着磁後の磁場により発生するフープ力によって各酸化物バルク体が割れないように、入れ子に配置した最外周の酸化物バルク体の外側に金属リングをはめ込むのがより望ましい。このような構成にすると、金属リングの熱膨張率が酸化物バルク体の熱膨張率と異なるので、冷却時に金属リングから酸化物バルク体へ圧縮応力が働くようになり、フープ力により割れる確率を低減できる。前記金属リングと酸化物バルク体との間には、樹脂、グリース又は半田を充填して、入れ子に配置した酸化物バルク体に均等に圧縮応力をかけることが望ましい。前記金属リングの材質としては、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼等が挙げられる。パルス着磁中には、良導体中には大きな遮蔽電流が流れるため、比抵抗の高いステンレス鋼等の合金系材料がより望ましい。また、金属リングにより半永久的に固定する場合は、硬化性樹脂により固定することが望ましい。また、前記金属リングを取り外し可能にするには、半田又は、グリースにより固定してもよい。半田を用いた場合はその融点まで加熱することで取り外しが可能になり、グリース類を用いた場合は常温での取り外しが可能になる。
【００３８】
本発明で用いるＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体は、超伝導体相である、単結晶状のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相（１２３相）中に、非超伝導相であるＲＥ2ＢａＣｕＯ5相（２１１相）が微細分散した組織を有するものである。ここで、単結晶状というのは、完璧な単結晶でなく、小傾角粒界等の実用に差支えない欠陥を有するものも包含するという意味である。また、単結晶状（擬単結晶）としているのは、単結晶の１２３相中に２１１相が微細に（例えば、１μｍ程度に）分散した結晶相であるからである。ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相（１２３相）及びＲＥ2ＢａＣｕＯ5相（２１１相）におけるＲＥは、希土類元素を示し、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素又はそれらの組み合わせである。また、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄを含む１２３相は１：２：３の化学量論組成から外れ、ＲＥのサイトにＢａが一部置換した状態になることもあるが、本発明の１２３相に含まれるものとする。また、非超伝導相である２１１相においても、Ｌａ、Ｎｄは、Ｙ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕとは幾分異なり、金属元素の比が非化学量論的組成であったり、結晶構造が異なっていたりすることが知られているが、その場合も本発明の２１１相に含まれるものとする。また、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相のｘは、酸素欠損量であり、０＜ｘ≦０．２である。ｘがこのような範囲にあると、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相が超伝導体として超伝導性を示すからである。
【００３９】
前述のＢａ元素の置換は、臨界温度を低下させる傾向がある。また、より酸素分圧の小さい環境においては、Ｂａ元素の置換が抑制される傾向にあることから、大気中よりはむしろ、アルゴン又は窒素中に酸素を微量混合した０．１〜１％酸素雰囲気内で、結晶成長を行うことが望ましい。また、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体中に銀を含有することにより、機械的強度及びＪc特性が増加する傾向があり、銀を５〜２０質量％含有することがより望ましい。この時１２３相は１：２：３の化学量論組成から外れ、ＣｕのサイトにＡｇが一部置換した状態になることもあるが、本発明の１２３相に含まれるものとする。
【００４０】
１２３相は、２１１相とＢａとＣｕとの複合酸化物からなる液相との包晶反応、
２１１相＋液相（ＢａとＣｕの複合酸化物）→１２３相
によりできる。そして、この包晶反応により、１２３相ができる温度（Ｔｆ：１２３相生成温度）は、ほぼＲＥ元素のイオン半径に関連し、イオン半径の減少に伴いＴｆも低くなる。また、低酸素雰囲気及び銀添加に伴い、Ｔｆは低下する傾向にある。
【００４１】
単結晶状の１２３相中に２１１相が微細分散した酸化物バルク体は、１２３相が結晶成長する際、未反応の２１１粒が１２３相中に取り残されるためにできる。即ち、前記酸化物バルク体は、
２１１相＋液相（ＢａとＣｕの複合酸化物）→１２３相＋２１１相
で示される反応によりできる。前記酸化物バルク体中の２１１相の微細分散は、Ｊc向上の観点から極めて重要である。Ｐｔ、Ｒｈ又はＣｅの少なくとも一つを微量添加することにより、半溶融状態（２１１相と液相からなる状態）での２１１相の粒成長を抑制し、結果的に材料中の２１１相を約１μｍ以下に微細化する。添加量は、微細化効果が現れる量及び材料コストの観点から、Ｐｔで０．２〜２．０質量％、Ｒｈで０．０１〜０．５質量％、Ｃｅで０．５〜２．０質量％が望ましい。添加されたＰｔ、Ｒｈ、Ｃｅは１２３相中に一部固溶する。また、固溶できなかった元素は、ＢａやＣｕとの複合酸化物を形成し、材料中に点在することになる。
【００４２】
また、前記酸化物バルク体は、磁場中においても高い臨界電流密度（Ｊc）を有する必要がある。この条件を満たすには、超伝導的に弱結合となる大傾角粒界を含まない単結晶状の１２３相が有効である。さらに高いＪc特性を有するためには、磁束の動きを止めるためのピンニングセンターが有効である。このピンニングセンターとして機能するものが微細分散した２１１相であり、より細かく多数分散していることが望ましい。また、２１１相等の非超伝導相は、劈開し易い１２３相中に微細分散することによって、超伝導体を機械的に強化し、バルク材料として成り立たす重要な働きをも担っている。
【００４３】
１２３相中の２１１相の割合は、Ｊc特性及び機械強度の観点から、５〜３５体積％が望ましい。また、前記酸化物バルク体中には、５０〜５００μｍ程度のボイド（気泡）を５〜２０体積％含むことが一般的であり、さらに銀添加した場合、添加量によって１０〜５００μｍ程度の銀又は銀化合物を０体積％超２５体積％以下含む。
【００４４】
また、結晶成長後の前記酸化物バルク体の酸素欠損量は、０．５程度で半導体的な抵抗率の温度変化を示す。これを各ＲＥ系により３５０℃〜６００℃で１００時間程度、酸素雰囲気中においてアニールすることにより酸素が材料中に取り込まれ、酸素欠損量は０．２以下となり、良好な超伝導特性を示す。
【００４５】
本発明の酸化物超伝導バルク磁石部材は、所望の磁場分布を発生できる着磁性能に優れた磁石特性を示すことから、本酸化物超伝導バルク磁石部材を用いた酸化物超伝導磁石システムは、システム全体として高い磁場をより低いエネルギー投入量で簡便に発生できるシステムであり、経済性・環境調和性に優れたシステムとすることができる。
【実施例】
【００４６】
（実施例１）
純度９９．９％の各試薬ＲＥ2Ｏ3（ＲＥはＧｄ及びＤｙ）、ＢａＯ2、ＣｕをＧｄ：Ｄｙ：Ｂａ：Ｃｕの金属元素のモル比が９：１：１４：２０（即ち、最終組織の１２３相：２１１相のモル比が３：１）になるように混合した。さらに、Ｐｔを０．５質量％、Ａｇ2Ｏを１５質量％添加した混合粉を作製した。各混合粉は、一旦８８０℃で８時間仮焼した。仮焼粉は、内径８２ｍｍの円筒状金型中に充填し、厚さ約３３ｍｍの円盤状に成形した。また、Ｓｍ2Ｏ3及びＹｂ2Ｏ3を用いて、上記成形体と同様の方法により、厚さ４ｍｍのＳｍ系とＹｂ系円盤状成形体を作製した。さらに、各成形体について等方静水圧プレスにより約１００ＭＰａで圧縮加工した。
【００４７】
これらをアルミナ製支持材の上に、Ｓｍ系、Ｙｂ系、Ｇｄ−Ｄｙ系成型体（前駆体）の順番で下から重ね、炉内に配置した。これらの前駆体は、大気中において７００℃まで１５時間、１０４０℃まで１６０時間、さらに１１７０℃まで１時間で昇温し、３０分保持した後、１０３０℃まで１時間で降温し、１時間保持した。その間、予め作製しておいたＳｍ系の種結晶を用い、種結晶を半溶融状態の前駆体上に乗せた。種結晶の方位は、ｃ軸が円盤状の前駆体の法線になるように、劈開面を前駆体の上に乗せた。その後、大気中において１０００〜９８５℃まで２８０時間かけて冷却し、結晶の成長を行った。さらに、室温まで約３５時間かけて冷却し、外径約６３ｍｍ、厚さ約２８ｍｍのＧｄ−Ｄｙ系の酸化物超伝導材料を得た。また同様の方法で同様のＧｄ−Ｄｙ系の酸化物超伝導材料を更に２個作製し、合計３個（後述する試料Ａ、試料Ｂ及び試料Ｃ用）の試料を作製した。これらの材料は、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中に１μｍ程度のＲＥ2ＢａＣｕＯ5相及び５０〜５００μｍの銀が分散した組織を有していた。そして、これらの３個の試料をそれぞれ加工して、入れ子に配置してその隙間が０．１ｍｍの試料Ａ、比較例として入れ子に配置してその隙間が０．５ｍｍの試料Ｂ、及び、比較例として入れ子に配置しない隙間のない一体型の試料Ｃを作製した。
【００４８】
試料Ａは、図５に示す外径６０ｍｍの５重リング９の形状（酸化物バルク体（超伝導体）の幅（Ｗ）は、４．９ｍｍであり、酸化物バルク体間の隙間ｄ（隙間１０）は、０．１ｍｍに加工した。各リングの高さは、２０．０ｍｍである。また、試料Ｂは、図５に示す外径６０ｍｍの５重リング９の形状と同じであるが、酸化物バルク体（超伝導体）の幅（Ｗ）は、４．５ｍｍであり、酸化物バルク体間の隙間ｄは、０．５ｍｍに加工した。試料Ａ及び試料Ｂの５つのリング形状の酸化物バルク体（超伝導体）は、それぞれ酸素アニール処理の後、それぞれ入れ子に配置して、外径６４．０ｍｍ内径６０．１ｍｍのステンレスリング内に納めてエポキシ樹脂で固定した。
【００４９】
また、試料Ｃは、外径６０．０ｍｍ、高さ２０．０ｍｍにのみ加工した後、同様の酸素アニール処理を行い、外径６４．０ｍｍ内径６０．１ｍｍのステンレスリング内に配置しエポキシ樹脂で固定した。そして、これらの試料Ａ〜Ｃに対して、まず、静磁場着磁での捕捉磁場を比較した。磁場中冷却は、室温で３．５Ｔの磁場中にこれらの試料Ａ〜Ｃを配置し、液体窒素で７７Ｋに冷却した後、０．５Ｔ／分の減磁レートで外部磁場をゼロにした。
【００５０】
本実施例の試料Ａによる酸化物超伝導バルク磁石は、図７（ｂ）に示したように１．８Ｔのピーク磁場を有し、同心円状の均一な分布が得られており、極めて対称性が向上した磁場分布が得られることが確認できた。一方、比較例として試料Ｃを酸化物超伝導バルク磁石とした場合は、入れ子に配置して隙間を形成していない一体型であるので、図７（ａ）に示すように、隙間の無い分ピーク磁場は大きくなっているが、角型に近い４回対称の歪が伴って対称的に均一な磁場が得られないものであった。比較例として試料Ｂを酸化物超伝導バルク磁石とした場合は、図７（ｂ）に示すものと同様に同心円状の均一な分布が得られたが、入れ子に配置した隙間が０．５ｍｍと大き過ぎるので、１．５Ｔのピーク磁場となった。
【００５１】
次に、これら試料に対して、パルス着磁を行った。ゼロ磁場中で液体窒素中に浸漬された試料に対し、パルス幅５ｍｓで、印加磁場５Ｔのパルス磁場を印加した後、続いて４Ｔのパルス磁場を印加した。また、試料のｃ軸は、円盤面の法線方向であり、磁場は、ｃ軸と平行に印加された。
【００５２】
図７（ｃ）に試料Ｃの４Ｔパルス印加後のパルス着磁結果を示す。ピーク磁場は、０．４５Ｔで、ａ軸方向に谷間を有する対称性が低い不均一な磁場分布となった。これに対し、本実施例の試料Ａは、図７（ｄ）に示すように、１．６Ｔのピーク磁場を有し、同心円状の均一な分布が得られており、パルス着磁でも極めて対称性のよい磁場分布が得られることが確認できた。また、同様のパルス着磁を１００回繰り返した後の磁束分布を測定し、ピーク磁場を比較したところ、試料Ａは９７％と殆ど低下していなかった。次に、試料Ｂについて同様のパルス着磁を行った。ピーク磁場は、１．３Ｔであり、隙間が大き過ぎるため強い磁場が得られない。更に、パルス着磁では、図示していないが、図７（ｄ）に比べて歪んだ形状となった。これは、隙間が大き過ぎることから、パルス着磁で急激な磁場変化によって各リングが同心円からずれたことによるものと思われる。また、同様のパルス着磁を１００回繰り返した後の磁束分布を測定し、ピーク磁場を比較したところ、試料Ｂは、７２％と特性低下が認められた。これは、試料Ａに比べて隙間が大き過ぎるため繰り返しパルスによる応力変形によって特性が低下したものと考えられる。
【００５３】
以上の結果より、酸化物超伝導バルク磁石部材は、超伝導酸化物バルク体が入れ子に配置され、各酸化物バルク体間に、特定幅の隙間を有するものであると、静磁場着磁して超伝導バルク磁石としても、同心円状の対称性・均一性に優れた磁場を発生するバルク磁石であると共に、パルス着磁して超伝導バルク磁石とした場合には着磁特性に極めて優れ、対称的に均一な磁場が得られる。
【００５４】
（実施例２）
次に隙間ｄだけを変えて、実施例１と同様の製造方法で作製した試料２−１〜２−７について、実施例１と同様の試験を行った時の結果を以下の表１に示す。本実施例として、隙間ｄを０．０５ｍｍ（試料２−１）、０．１ｍｍ（試料Ａ）、０．１５ｍｍ（試料２−２）、０．２０ｍｍ（試料２−３）、０．３０ｍｍ（試料２−４）、及び０．４５ｍｍ（試料２−５）とした。また、比較例として隙間ｄを０．５ｍｍ（試料Ｂ）、１．０ｍｍ（試料２−６）、１．２ｍｍ（試料２−７）とした。
【００５５】
【表１】
【００５６】
表１に示すように、本実施例の試料２−１〜試料２−５は良好な結果が得られた。これらの結果から、隙間ｄが０．４９ｍｍを超えるものは、繰り返しパルス着磁すると磁場の応力により急激に超伝導酸化物バルク体のリングが割れ易く、安定してバルク磁石として使用できない。なお、隙間ｄを、０．００８ｍｍとするリングも加工して作製したが、各リングを組み込むことができなく、樹脂を隙間に挿入できなかった。
【００５７】
（実施例３）
次に、比較的薄い超伝導体を図３のように積層したこと以外は、実施例１とほぼ同様の製造方法で作製した同心円状の酸化物超伝導バルク磁石部材の製造条件及び試験結果を以下の表２に示す。なお、これらの超伝導体の軸方向の積層は、径方向、即ちリング間の材料と同じ物で固定した。なお、比較例として、試料Ｂの積層構造のもの、隙間ｄが０．４９ｍｍを超える試料３−２、試料３−４、試料３−６、試料３−７、試料３−９についても同様の試験を行った。また、試料３−３、試料３−４、試料３−５、試料３−６、試料３−８、試料３−９、試料３−１１、試料３−１２は、内側の超伝導体はリングではなく円板状の材料を使用した。
【００５８】
【表２】
【００５９】
表２に示すように、試料Ａの積層構造のもの、本実施例の試料３−１、試料３−３、試料３−５、試料３−８、試料３−１０、試料３−１１、試料３−１２は良好な結果が得られた。これらの結果からも、隙間ｄが０．４９ｍｍを超えるものは、パルス着磁を繰り返すとパルス磁場の応力により、急激に超伝導材料（酸化物バルク体）のリングが割れ易くなることが分かる。即ち、隙間ｄが０．４９ｍｍ以下のものでは、パルス着磁を繰り返しても、安定に対称的に均一な磁場が得られる。このことは、超伝導材料と超伝導材料間の隙間にあるエポキシ樹脂、グリース又半田との熱膨張率の違いや着磁によるフープ力に対するステンレスリングの圧縮応力の効果に超伝導体間の隙間の大きさが重要な意味を有することを示すものと考えられる。
【００６０】
（実施例４）
純度９９．９％の各試薬Ｇｄ2Ｏ3、ＢａＯ2、ＣｕＯをＧｄ：Ｂａ：Ｃｕの金属元素のモル比が５：７：１０（即ち、最終組織の１２３相：２１１相のモル比が３：１）になるように混合した。さらに、ＢａＣｅＯ3を１．５質量％、Ａｇ2Ｏを１２質量％添加した混合粉を作製した。混合粉は、一旦８８０℃で８時間仮焼した。仮焼粉は、内径８２ｍｍの円筒状金型中に充填し、厚さ約３３ｍｍの円盤状に成形した。また、Ｓｍ2Ｏ3及びＹｂ2Ｏ3を用いて、上記成形体と同様の方法により、厚さ４ｍｍのＳｍ系とＹｂ系円盤状成形体を作製した。さらに、各成形体について等方静水圧プレスにより約１００ＭＰａで圧縮加工した。
【００６１】
これらをアルミナ製支持材の上に、Ｓｍ系、Ｙｂ系、Ｇｄ系成型体（前駆体）の順番で下から重ね、炉内に配置した。これらの前駆体は、大気中において７００℃まで１５時間、１０４０℃まで４０時間、さらに１１７０℃まで１時間で昇温し、３０分保持した後、１０３０℃まで１時間で降温し、１時間保持した。その間、予め作製しておいたＳｍ系の種結晶を用い、種結晶を半溶融状態の前駆体上に乗せた。種結晶の方位は、ｃ軸が円盤状の前駆体の法線になるように、劈開面を前駆体の上に乗せた。その後、大気中において１０００〜９８５℃まで２８０時間かけて冷却し、結晶の成長を行った。さらに、室温まで約３５時間かけて冷却し、外径約６３ｍｍ、厚さ約２８ｍｍのＧｄ系の酸化物超伝導材料を得た。また同様の方法で同様のＧｄ系の酸化物超伝導材料を更に２個作製し、合計３個（後述する試料Ｄ、試料Ｅ及び試料Ｆ）の試料を作製した。これらの試料Ｄ〜Ｆは、ＧｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中に１μｍ程度のＧｄ2ＢａＣｕＯ5相及び５０〜５００μｍの銀が分散した組織を有していた。
【００６２】
次に、試料Ｄから、外径５９．９ｍｍ、内径４６．０ｍｍ、高さ２０．０ｍｍのリング、及び、外径３１．９ｍｍ、内径１８．０ｍｍ、高さ２０．０ｍｍのリングを切り出した。また、試料Ｅからは、外径４５．９ｍｍ、内径３２．０ｍｍ、高さ２０．０ｍｍのリング、及び、外径１７．９ｍｍ、高さ２０．０ｍｍの円柱を切り出した。それぞれ酸素アニール処理を行った後、図６に示すような外径６４．０ｍｍ内径６０．１ｍｍのステンレスリング内に入れ子状に配置しエポキシ樹脂で固定した。このとき試料Ｄから切り出した酸化物超伝導体及び試料Ｅから切り出した酸化物超伝導体のａ又はｂ軸の方向を４５°交互にずれるように配置し、酸化物超伝導バルク磁石部材（試料４−１）を作製した。
【００６３】
また、試料Ｆからは、前記のような入れ子に配置するリングは形成せずに、比較例として外径６０．０ｍｍ、高さ２０．０ｍｍに加工した後、同様の酸素アニール処理を行い、外径６４．０ｍｍ内径６０．１ｍｍのステンレスリング内に配置しエポキシ樹脂で固定した（試料４−２）。
【００６４】
これら試料に対して、磁場中冷却着磁法（静磁場着磁法）及びパルス着磁法により、着磁を行った。磁場中冷却は、室温で３．５Ｔの磁場中に試料を配置した後、ゼロ磁場中で液体窒素浸漬により冷却し、さらに、０．５Ｔ／分の減磁レートで外部磁場をゼロにした。また、パルス着磁は、液体窒素中に浸漬された試料に対し、パルス幅約５ｍｓで、最大印加磁場５．０Ｔのパルス磁場を印加した。また、試料のｃ軸は、円盤面の法線方向であり、磁場をｃ軸と平行に印加した。
【００６５】
磁場冷却着磁法による着磁結果、比較例の試料４−２を超伝導バルク磁石とすると、図７（ａ）に示した分布と類似する４回対称の歪みを伴う分布となり、ピーク磁場は２．１Ｔであった。これに対し本実施例の試料４−１を超伝導バルク磁石とすると、４回対称の歪みが比較的少ない分布が得られ、ピーク磁場は、２．０Ｔであった。静磁場着磁法でも、入れ子に配して隙間を施した酸化物超伝導バルク磁石部材の方が、より対称的に均一な磁場分布が得られるものである。
【００６６】
パルス着磁法の結果を図８に示す。比較例の試料４−２を超伝導バルク磁石とすると、図８（ａ）で示すように、同心円状の分布からかなり変形し、ピーク磁場も０．４０Ｔとかなり低い値に留まっている。これに対し本実施例の試料４−１を超伝導バルク磁石とすると、図８（ｂ）に示すように、４回対称性の歪みは僅かに残るものの同心円状の磁束密度分布が得られており、また、ピーク磁束密度は、１．８Ｔを記録している。これらの比較から、リングを入れ子状に配置して隙間を有する酸化物超伝導バルク磁石部材は、パルス着磁法で着磁して酸化物超伝導バルク磁石とすると、極めて着磁特性に優れていることが明らかになった。
【００６７】
（実施例５）
実施例４に示した製造方法と同じ製造方法により、外径約６３ｍｍ、厚さ約２８ｍｍのＧｄ系のバルク超伝導材料を３個（試料Ｇ、試料Ｈ及び試料Ｉ）作製した。
【００６８】
次に、試料Ｇからは、外周の一辺の長さが約３０ｍｍ、内周の一辺が約２０ｍｍの六角形のリングで高さが２０ｍｍの酸化物バルク体を切り出すと共に、一辺が約１０ｍｍ、高さ２０ｍｍの六角柱を切り出した。また、試料Ｈからは、外周の一辺が約２０ｍｍ、内周の一辺が約１０ｍｍ、高さ２０ｍｍの六角リング状の酸化物バルク体を切り出した。ここで、試料Ｇ及び試料Ｈの六角形リングの切り出し方は、それぞれ、試料Ｇと試料Ｈとを組み合わせたときに、結晶軸方向が互いに４５°ずれるような方向で行った。切り出した各酸化物バルク体は、それぞれ、酸素アニール処理を行った後、外径６４．０ｍｍ内径６０．１ｍｍのステンレスリング内に入れ子状に配置した。この時、各超伝導体間の隙間は０．１ｍｍ以下に調整した。さらに隙間をエポキシ樹脂で固定した。このとき試料Ｇから切り出した酸化物超伝導体と試料Ｈから切り出した酸化物超伝導体のａ又はｂ軸の方向を４５°交互にずれるように配置し、酸化物超伝導バルク磁石部材（試料５−１）を作製した。
【００６９】
また、比較例として試料Ｉを、前記のように入れ子に配置せず一体型として一辺が約３０ｍｍ、高さ２０ｍｍの六角柱に加工した後、同様の酸素アニール処理を行い、外径６４．０ｍｍ内径６０．１ｍｍのステンレスリング内に配置し、該ステンレスリングと酸化物超伝導体の隙間をエポキシ樹脂で固定した（試料５−２）。
【００７０】
これら試料に対して、磁場中冷却着磁法（静磁場着磁法）及びパルス着磁法により、着磁を行った。磁場中冷却は、室温で３．５Ｔの磁場中に試料を配置した後、液体窒素浸漬により冷却し、さらに、０．５Ｔ／分の減磁レートで外部磁場をゼロにした。また、パルス着磁法は、液体窒素中に浸漬された試料に対し、パルス幅約５ｍｓ、最大印加磁場５．Ｔのパルス磁場を印加した。また、試料のｃ軸は、六角形の面の法線方向であり、磁場をｃ軸と平行に印加した。
【００７１】
静磁場着磁法で、本実施例の試料５−１を超伝導バルク磁石とすると、ピーク磁場が１．７５Ｔであり、六角形の軸対称性が比較的よい磁場分布が得られた。これに対して、比較例の試料５−２を超伝導バルク磁石とすると、ピーク磁場は１．８Ｔと僅かに高いものの、中心部に４回対称性の歪みを伴う磁束密度分布が得られた。静磁場着磁法でも、入れ子に配して隙間を施した酸化物超伝導バルク磁石部材の方が、より対称的に均一な磁場分布が得られるものである。
【００７２】
パルス着磁法で、試料５−１を超伝導バルク磁石とすると、ピーク磁場が１．６５Ｔであり、ほぼ六角形の対称性を有する磁場分布が得られた。これに対し、試料５−２を超伝導バルク磁石とすると、ピーク値が０．７５Ｔと低く、中心部が低く、かつ、ａ軸方向と４５°の位置に４つのピークを有する六回対称性に劣る磁場分布が得られた。これらの比較から、六角形リングを入れ子状に配置して隙間を有する酸化物超伝導バルク磁石部材は、パルス着磁法で着磁して酸化物超伝導バルク磁石とすると、着磁特性に極めて優れていることが明らかになった。
【００７３】
（実施例６）
実施例１に示した製造方法によってＧｄ−Ｄｙ系の酸化物超伝導材料を作製し、実施例４に示した製造方法によってＧｄ系の酸化物超伝導材料を作製した。そして、両方の酸化物超伝導材料を試料Ａと同じように加工して図５に示したリングを作製した。作製した試料６−１は、外側のリングから内側のリングに向けて、Ｇｄ−Ｄｙ系−Ｇｄ系−Ｇｄ−Ｄｙ系−Ｇｄ系−Ｇｄ−Ｄｙ系の順に酸化物バルク体の材料を交互に変えて実施例１と同様に組み合せた酸化物超伝導バルク磁石部材である。試料６−２は、外側のリングから内側のリングに向けて、Ｇｄ系−Ｇｄ−Ｄｙ系−Ｇｄ系−Ｇｄ−Ｄｙ系−Ｇｄ系−Ｇｄ−Ｄｙ系（芯）の順に酸化物バルク体の材料を交互に変えて実施１と同様に組み合せ、芯まである酸化物超伝導バルク磁石部材である。
【００７４】
試料６−１及び試料６−２とも、静磁場着磁法で着磁して超伝導バルク磁石とすると、ピーク磁場が、それぞれ、１．７３Ｔと１．７４Ｔであり、軸対称性の良い磁場分布が得られた。また、パルス着磁法で着磁すると、試料６−１及び試料６−２を超伝導バルク磁石としても、ピーク磁場が、それぞれ、１．６３Ｔと１．６４Ｔで、軸称性性の良い磁場分布が得られた。
【符号の説明】
【００７５】
１〜３ ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体（リング状）
４ ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体（芯状）
５ リングの幅
６ 酸化物超伝導バルク磁石部材のサイズ
７ 酸化物超伝導バルク磁石部材の厚さ
８ 隙間
９ ５重リング
１０ 隙間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物超伝導バルク磁石部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（ＲＥは、希土類元素）相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散してバルク体とした酸化物超伝導材料は、高い臨界電流密度（Ｊc）を有するために、磁場中冷却やパルス着磁により励磁され、酸化物超伝導バルク磁石として使用可能である。例えば、特許文献１には、このような酸化物超伝導材料（酸化物超伝導バルク体）を、超伝導モーター等に使用できる超伝導磁場発生装置が開示されている。
【０００３】
そして、生田らにより、磁場中冷却により着磁した直径３６ｍｍの円柱形Ｓｍ系バルク超伝導体を用いて、最大１．５Ｔ程度の磁場を発生できるバルク磁石について非特許文献１に開示されている。また、Ｙ．Ｉｔｏｈらにより、Ｙ系バルク超伝導材料を用い、パルス着磁と磁場中冷却による着磁とを比較検討していることが非特許文献２に開示されている。さらに、森田らにより、超伝導マグネット中で直径約６０ｍｍのバルク超伝導材料を用い、４０Ｋにおいて約４．５Ｔの磁場を発生させていることが非特許文献３に開示されている。このようにＲＥ系バルク超伝導材料のパルス着磁に関しては、特許文献１において磁束跳躍を伴うパルス着磁が開示され、また、非特許文献２、非特許文献３等においては冷却方法も含めた着磁方法について開示されている。
【０００４】
最近では、澤村らにより、特許文献４において、低磁場で高い臨界電流密度（Ｊc）特性を有するリング状のバルク超伝導体（ＲＥIIＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x）の内側に高磁場で高いＪc特性を有する円柱状のバルク超伝導体（ＲＥIＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x）の二種類のＲＥ系からなる超伝導バルク材料を配置することにより、低磁界から高磁界まで大きな捕捉磁界を得られるとした超伝導バルク磁石が開示されている。なお、前記超伝導バルク磁石の着磁は、静磁場下で行われている。
【０００５】
また、特許文献５には、組成の異なる（即ち、超伝導特性の異なる）二種類又は三種類のＲＥ系からなる超伝導バルク材料を配置することにより、低磁界から高磁界まで大きな捕捉磁界を得られるとする超伝導バルク磁石が開示されている（特許文献５の図１、図５及び図８参照）。具体的には、臨界電流密度特性の異なる二種類（又は三種類）の超伝導バルク体を用いるものであり、周辺部に低磁場で大きい臨界電流密度を有する材料を配置し、磁場強度が高くなる中心部に高磁場で高い電流密度を有する材料を配置することにより、全体として強い磁場発生を可能にできるというものである。着磁方法としては、静磁場着磁法で超伝導マグネットとする場合、及びパルス着磁法で超伝導マグネットとする場合が記載されている。
【０００６】
特許文献６に記載のものは、基本的に原料を節約し、かつ、軽量な酸化物超伝導バルクマグネットを作製するために、内部を中空とした酸化物超伝導バルクマグネット（複数個の中空酸化物超伝導バルク体を複合化したもの）であり、中空であることで軽量化できるとされている。また、前記超伝導バルクマグネットの着磁に関しては、液体窒素中に浸漬し超伝導状態にし、外部から磁界を印加して超伝導体に磁束線をトラップさせて永久磁石とする方法、即ち、静磁場着磁方法を用いるものとしている。また、特許文献７には、パルス着磁での発熱による特性低下の問題を解決するため、超伝導体間に冷媒の流路を設けることにより、パルス着磁時の捕捉磁束特性が改善されることが開示されている。
【０００７】
以上のように、ＲＥ系（ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）酸化物バルク体では、バルク磁石として、酸化物超伝導バルク体の構成や着磁方法の改良によって、マグネット（磁石）としての磁場強度の向上が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−２０８３７号公報
【特許文献２】特開平６−１６８８２３号公報
【特許文献３】特開平１０−１２４２９号公報
【特許文献４】特開２００１−３５８００７号公報
【特許文献５】特開平９−２５５３３３号公報
【特許文献６】特開平７−２１１５３８号公報
【特許文献７】特開２００６−３１９０００号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】生田ら；日本応用磁気学会誌Vol.23, No.4-1,（1999）p.885
【非特許文献２】Y,Itoh et al., Jpn J. Appl. Phys., Vol34、 5574（1995）
【非特許文献３】森田ら；日本応用磁気学会誌Vol19, No3.（1995）p.744
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相（１２３相）中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相（２１１相）が分散した酸化物バルク体は、主に、数ｍｍ角の種結晶から結晶成長させて単結晶状バルク体として製造される。結晶成長中の１２３相は正方晶であることから、通常の種付法によりある結晶のａ−ｂ面を接触させる場合、種付面内で４回対称のファセット面を形成しながら成長する。このようにして結晶成長させて製造された酸化物バルク体の超伝導特性は、概して４回対称の不均一性を有する。具体的な例として、円盤状の酸化物バルク体に静磁場着磁された捕捉磁束分布を図７（ａ）に示す。図７（ａ）に示すように、捕捉磁束分布が同心円からずれており、４回対称に歪んでいる様子が分かる。即ち、上述のように、１２３相中に２１１相が分散した酸化物バルク体は、バルク磁石とすることができるが、図７（ａ）に示すような歪んだ磁束分布になるので、磁気浮上、超伝導モーター、超伝導発電機等の磁石として実際に使用する場合には効率のよい駆動や発電ができないという問題がある。
【００１１】
従来までは、上述のように、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を用いた超伝導バルク磁石では、その磁場強度を向上させることのみに注力されてきた。このように、単に磁場強度が高くても実際に使用される超伝導モーターや超伝導発電機等の磁石として組み込んだ場合に効率よく駆動や発電ができないのはバルク磁石の磁束分布（磁場強度分布）が不均一であるからである。そこで、このような酸化物バルク体を超伝導バルク磁石とする場合には、このような歪んだ磁束分布ではなく、均一な磁束分布（例えば、同心円状に均一）とすることが重要であるということが明らかになってきた。
【００１２】
一方、特許文献５に記載の技術は、上記のようなＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を用いた超伝導バルク磁石として、強い磁場を得るために、例えば、バルク磁石の周辺部を低磁場で大きな臨界電流密度を有するＹ系酸化物超伝導バルク体で構成し、バルク磁石の中心部は高磁場で大きな臨界電流密度を有するＮｄ系酸化物超伝導バルク体で構成するというものである。ところが、超伝導バルク磁石として均一な磁場を得ることが重要であるということについては記載も示唆もされておらず、その構成も示されていない。強い均一な磁場を得る方法として、ドーナツ状の銅板にリング状の溝を複数個設けて、この溝にＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を埋め込んだ構成も示されているが、バルク磁石ではなく超伝導コイルとしたコイル磁石であって、このようなコイル磁石では付帯材料の銅板の占める割合が多くなるので磁石質量に対する発生磁場強度の割合が小さくなってしまう。
【００１３】
上述のようなＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を用いた超伝導バルク磁石は、金属磁石やコイルを使用した電磁石に比べて軽量であるものの、特許文献６では、このような酸化物を用いた超伝導バルク磁石として、より軽量で使用する原料を少なくできるバルク磁石とするために、不用な部分に超伝導電流を流さないようにするとして、バルク磁石の中心部を中空とし、複数個の中空超伝導バルク体を複合化する構成にしている。ところが、バルク磁石の磁束分布を均一にすることが実際の使用上重要であることについては記載も示唆もされておらず、その構成も示されていない。
【００１４】
また、特許文献６に記載の技術のように、より軽量で使用する原料を少なくするという発想により、超伝導バルク磁石とする中心部に超伝導体が存在しない構成にしようとすると、より大きな中空構造になり、実際にもバルク磁石の外径に対して中空部分の内径が４６．７％（実施例１、実施例４等）や３３．３％（実施例３）のような大きくなっているので、このようなバルク磁石では磁束分布を必ずしも均一にできるわけではない。特に、磁気浮上、超伝導モーター、超伝導発電機等の回転や移動する機器の磁石として実際に使用するような環境下では均一な磁束分布を保てない。更に、内部まで詰まったバルク磁石と同等の性能を有すると記載されているが、実際には、バルク磁石として、内部の超伝導体も有限の寄与をすることから、内部まで詰まったバルク磁石に比べ低い特性（磁場強度）となってしまい、この差は、強い磁場強度で比較する場合に顕著になってくるものであり、着磁の方法によっても顕著に現れる。
【００１５】
上述のようなＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を用いた酸化物超伝導バルク磁石とするためには、このような酸化物バルク体を静磁場着磁法やパルス着磁法によって着磁する。特に、装置に組み込み簡便に着磁する場合、強い磁場を有する超伝導バルク磁石とするには、パルス着磁法が好ましい。しかしながら、パルス着磁法では、強い磁場に着磁しようとすると磁束分布が不均一になり、均一な磁束分布が得られないという問題がある。これは、以下のようなことによるものである。
【００１６】
パルス着磁法は、急激な磁場の変化を伴う着磁法であるので、着磁の際に超伝導体を磁束が急激に移動し、超伝導体内において大きな熱が発生する。そのため、発生した熱がその部分の温度上昇を招き、その部分の超伝導特性を低下させると、さらに磁束の移動が起きやすくなる。超伝導体中わずかな特性の不均一がある場合にもこのようなサイクル（熱発生・温度上昇・超伝導特性低下・磁束の移動・熱発生）を繰り返し、特性の不均一が強調されることとなり、不均一な磁束捕捉分布になってしまう。例えば、一般的な円盤型の酸化物超伝導バルク磁石部材に着磁してバルク磁石とする場合、材料特性が完全に均一であれば、該円盤の同心円状に超伝導電流が流れる。この場合、高さ方向に磁束密度を取ると、円錐状の磁束密度分布が得られる。しかしながら、実際の材料では材料特性が完全に均一であることはありえず、パルス着磁法では、円錐状の均一な磁束密度分布が得られない。パルス着磁法によって着磁した場合に磁束分布の不均一性は、印加磁場の変化速度及び磁場強度が大きいほど起こり易くて顕著になり、また、超伝導体のサイズが大きいほど、また、Ｊc特性が高いほど発生し易くて顕著になる。したがって、低温ほどＪc特性が高くなるので、冷却温度が低いほど不均一な捕捉磁束分布になる傾向があると言える。
【００１７】
特許文献５には、上述のように、パルス着磁法で着磁された例が記載されているが、強磁場の超伝導マグネットが実現されるとしているのみであり、その磁場の均一性についてはどのようなものであるか示されていない。また、特許文献６には、上述のように、静磁場着磁法でのみ着磁されているので、パルス着磁法による磁場の均一性についてはどのようなものであるが示されていない。特許文献５や特許文献６に記載されている構造は、パルス着磁しても再現よく均一な磁場が得られる構造になっていなかったり、パルス着磁しても強い磁場を均一に得られる構造になっていなかったりするものである。また、パルス着磁法では、上述のように、着磁中に急激な磁場変化するものであるので、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を入れ子状に複数配置した構造とした場合に、急激な磁場変化に伴って各酸化物バルク体に急激な応力変化やそれに伴う変形が生ずる。そのため、このような応力変化の繰り返しよって複数の酸化物バルク体の一部が破損するという問題が生じ、その結果、強い磁場や均一な磁場が得られなくなる。
【００１８】
本発明は、上記問題を鑑み、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物バルク体を組み合わせた酸化物超伝導バルク磁石部材で、パルス着磁法で繰り返し着磁しても、強い磁場で、対称的に均一な磁場を有する超伝導バルク磁石にできる酸化物超伝導バルク磁石部材を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者らは、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物バルク体を組み合わせた酸化物超伝導バルク磁石部材で、複数の前記酸化物バルク体を入れ子に配置した構造とすることで、パルス着磁中の急激な磁場変化でも超伝導電流の乱れを抑制でき、強い磁場で対称的に均一な磁場が得られることを見出した。また、前記複数配置した酸化物バルク体間に、特定の範囲の隙間を有し、該隙間の少なくとも一部に樹脂、グリース又は半田を施すことで、パルス着磁を繰り返し行っても、前記酸化物バルク体の破損を低減でき、再現よく、強い磁場で、均一な磁場が得られることを見出し、本発明に至った。即ち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（ＲＥは、希土類元素又はそれらの組み合わせ。ｘは、酸素欠損量であり、０＜ｘ≦０．２である。）相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物バルク体を組み合わせた酸化物超伝導バルク磁石部材であって、前記酸化物バルク体が、複数で入れ子に配置され、前記入れ子に配置された各酸化物バルク体間に、０．０１ｍｍ以上０．４９ｍｍ以下の隙間を有し、前記隙間の少なくとも一部に樹脂、グリース又は半田を有することを特徴とする酸化物超伝導バルク磁石部材。
（２）前記酸化物バルク体の少なくとも１つが、多角形又は円の形状を有するリング、もしくは、上面及び底面がレーストラック形状を有するリングであることを特徴とする（１）記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
（３）前記リングが、回転対称軸方向に複数積層されてなることを特徴とする（２）記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
（４）前記積層された複数のリングの回転対称軸が、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のｃ軸に対して±３０°の範囲内であることを特徴とする（３）記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
（５）前記リングの回転対称軸に対して垂直に隣接する各酸化物バルク体のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のａ軸が、それぞれ、ずれていることを特徴とする（２）〜（４）のいずれかに記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、パルス着磁法で着磁して、高い磁場で、均一な磁場を安定に発生することができる酸化物超伝導バルク磁石部材を提供できる。また、対称性・均一性に優れた着磁が可能な酸化物超伝導バルク磁石部材を提供できる。パルス着磁法によって高磁界を発生する酸化物超伝導バルク磁石をより簡便に実現し得ることから、通常の永久磁石では得られない高磁界を利用でき、その工業的効果は甚大である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】複数の酸化物（ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物）バルク体を入れ子に配置した構造例を示す図である。
【図２】入れ子に配置する酸化物（ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物）バルク体の形状例を示す図である。
【図３】酸化物（ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物）バルク体の芯及びリングが、回転対称軸方向に複数積層された構造例であって、（ａ）複数積層されている様子、（ｂ）１２３相のｃ軸が± ３０°の範囲にある状態、を示す図である。
【図４】各酸化物バルク体のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のａ軸が、それぞれ、ずらして入れ子に配置された構成例を示す図である。
【図５】実施例１で作製した５重リングの形状を示す図である。
【図６】実施例２で作製した入れ子状の酸化物超伝導バルク磁石部材の形状を示す図である。
【図７】実施例１で作製した５重リングの形状の酸化物（ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物）バルク体を積層した酸化物超伝導バルク磁石部材及び比較材の静磁場着磁及びパルス着磁を行った時のトラップ磁束分布を示す図である。
【図８】実施例４で行った入れ子状の酸化物超伝導バルク磁石部材及び比較材のパルス着磁時のトラップ磁束分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明者らは、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を用いた酸化物超伝導バルク磁石部材を、パルス着磁法で着磁して、強い磁場を有し、該磁場が対称的に均一である酸化物超伝導バルク磁石とするためには、パルス着磁中に磁束の移動を制限する構造にして、バルク磁石部材中の超伝導電流の乱れを少なくするという着想でもって、該酸化物バルク体を入れ子に複数配置した構造とすることにより、パルス着磁中の磁束の移動を容易に制限できることを見出した。入れ子に配置したそれぞれの酸化物バルク体間は、電流が流れなくなって、超伝導電流は各酸化物バルク内で流れることになるので、超伝導電流の乱れが少なくなる。即ち、パルス着磁法で、強い磁場を有し、該磁場が対称的に均一な酸化物超伝導バルク磁石が得られる。
【００２３】
本発明の酸化物超伝導バルク磁石部材は、図１に示すように、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を複数入れ子に配置した構造を有するものである。このような配置構造とすることにより、パルス着磁法で強力な磁石とする場合に、パルス着磁中の急激な磁場変化でも磁束の移動を制限でき、強い磁場で均一な磁場が得られる。
【００２４】
図１において、３つのサイズの異なるリング形状を有するＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体１〜３と、１つの円柱形状（芯部）のＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体４とが入れ子に配置されている。このような配置構造では、各酸化物バルク体間に隙間８を有する構造となり、パルス着磁すると、パルス着磁中に磁束の移動が各酸化物バルク体内に制限されることになる。このことにより、バルク磁石部材中に流れる超伝導電流の乱れを少なくできる。よって、強い磁場を有し、該磁場が対称的に均一である酸化物超伝導バルク磁石が得られる。
【００２５】
入れ子に配置するＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体１〜４のそれぞれは、ＲＥの成分元素が同じものを組み合せでもいいし、ＲＥの成分元素が異なる複数種のＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を組み合せて入れ子に配置してもよい。後者については、図１に示す例では、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体１〜４において、ＲＥの成分元素が異なるＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体が含まれるということになる。例えば、ＲＥが、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙ、Ｈｏの中から選ばれる成分元素を組み合せ、ＲＥの成分元素が異なるＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体として、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体１〜４の少なくとも１つをＲＥの成分元素が異なるようにして入れ子に配置することができる。ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体のＪc特性を考慮して、ＲＥの組成を変えることにより、酸化物超伝導バルク磁石部材全体として特性を向上させるように設計できる。
【００２６】
入れ子に配置する酸化物バルク体の形状は、図１では円形状の例を示したが、上記の理由からパルス着磁中の磁束の移動を制限できる隙間を有する形状であればよく、各用途に適した酸化物超伝導バルク磁石として所望の磁場分布が得られるよう適宜形状を選択すればよい。例えば、前記酸化物バルク体の形状は、三角、四角、五角、六角、七角、八角等の多角の形状から円の形状、矩形の形状、楕円の形状、レーストラックの形状等が挙げられる。なお、図２（ａ）には四角の形状を示し、図２（ｂ）には六角の形状を示し、さらに図２（ｃ）にはレーストラックの形状を示している。実用性の観点から、前記酸化物バルク体の少なくとも１つが、六角以上の多角から円までの形状を有するリング、又は、上面及び底面がレーストラックの形状を有するリングであるのがより好ましい。このような形状であると、容易に製造（加工、組み立て）でき、さらにより強い磁場で、より均一な磁場が得られる。このような多角の形状については、加工及び組み立ての容易さと、得られる磁場の性能のバランスとから、六角、又は八角の形状が更に好ましい。
【００２７】
また、入れ子に配置した酸化物バルク体の各リングが、更に、回転対称軸方向に複数積層されているのが、より好ましい。例えば、図１の酸化物超伝導バルク磁石部材を複数用意して、それらを積層した構造となり、より強い磁場が得られる。図３は、６つ積層した例を示す。図３では、入れ子の芯部が無い例（中空の例）を示しているが、図１のように芯部がある方が強い磁場を安定に発生することができる。芯部が無い場合に関しては、超伝導発電機や超伝導モーターのような回転機の磁石として使用する場合には、超伝導磁石の外径に対して中空の内径を３０％以下（面積割合では９％以下）にするのが好ましく、より好ましくは２０％以下（面積割合では４％以下）であり、更に好ましくは１０％以下（面積割合では１％以下）である。
【００２８】
このように積層した場合には、酸化物超伝導バルク磁石全体として、磁場の対称性・均一性を高める上で有効である。前記酸化物バルク体は、結晶成長の段階で、種結晶のａ軸方向に電流密度が低い欠陥を含む確率が高くなることから、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のａ又はｂ軸が、前記積層された酸化物バルク体の芯やリングと、積層する上下の隣接する芯及びリングとでずれている配置にするのがより望ましい。このずれは、５°〜４０°とするのが更に望ましい。これによって、低い特性の部分が並ばないようにすることが可能になり、超伝導バルク磁石全体の特性均一化を図ることができる。前記積層された酸化物バルク体間（積層間）は、上述の効果を得るものであるので、超伝導接合されていてもよいし、常伝導接合されていてもよい。
【００２９】
本発明では、前記リングは、上述のように、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体、即ち、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物バルク体であるが、前記酸化物バルク体中のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相のａ−ｂ面に比較的大きな超伝導電流を流せるので、該ａ−ｂ面に対し、直角に磁束が貫くような配置で着磁することが望ましい。そのためには、前記リングの回転対称軸が、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のｃ軸と一致することが望ましい。さらに、前記入れ子に配置した酸化物バルク体の各リングが、更に、回転対称軸方向に複数積層された場合には、図３（ｂ）に示すように、前記積層された複数のリングの回転対称軸が、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のｃ軸に対して±３０°の範囲内であると強い磁場が得られるので、より好ましい。なお、±３０°を超えたリングの配置にすると、強い磁場が得られない場合がある。
【００３０】
また、前記リングの回転対称軸に対して垂直（入れ子の階層方向）に隣接する各酸化物バルク体のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のａ軸が、それぞれ、ずらして入れ子に配置するのが、より均一な磁場が得られるので、より好ましい。図４にその一例を示す。このようなａ軸のずれが、±５°以上±４０°以下であるのが更に好ましい。例えば、図３に示すようにリングを積層した場合には、積層の上下（積層方向）に隣接する各酸化物バルク体のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のａ軸も、それぞれ、ずらして積層するのが、より均一な磁場が得られるので、より好ましい。そして、前記積層方向のａ軸のずれも、±５°以上±４０°以下であるのが更に好ましい。また、入れ子構造の階層数は、入れ子構造を取るためには２以上となる。図１の例では、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体１〜４の構成で入れ子に配置されているので、その階層数は４となる。ここで、酸化物超伝導バルク磁石部材が大きくなるほど、多いのが好ましい。通常、パルス着磁してより強い磁場でより均一な磁場を得るためには、４以上が望ましく、更には５以上が望ましい。
【００３１】
また、酸化物バルク体のリングの幅は入れ子配置方向に沿った幅であり、例えば、図１の例では、両矢印で示した幅５である。リングの幅は、パルス着磁中の磁束の移動範囲を制限する効果がより得られ易くなるという理由で、最大部が２０ｍｍ以下にするのが望ましく、更に望ましくは１０ｍｍ以下である。一方、リングの幅が、１ｍｍ未満では、酸化物超伝導バルク磁石部材全体に対して、隙間の占める割合が大きくなり、酸化物バルク体が占める割合が小さくなるので、得られる磁場が弱くなる場合があったり、加工歩留まりが低くなったりする場合がある。このように好ましいリングの幅と関連して、上述の入れ子構造の階層数との関係は、次のようになる。
【００３２】
前記リングの幅をＷとして均等に分割されている場合、酸化物超伝導バルク磁石部材の最大サイズをＬ（図１の例では、酸化物超伝導バルク磁石部材のサイズ６）とすると、階層数Ｎは、Ｎ＝Ｌ／２Ｗとなるので、上述の階層数の好ましい範囲の上限に目安は、Ｌ＝５００ｍｍのサイズでは、Ｎ＝５００／（２×１）＝２５０、Ｌ＝１００ｍｍのサイズでは、Ｎ＝１００／（２×１）＝５０、となる。
【００３３】
本発明の酸化物超伝導バルク磁石部材の厚さ（例えば、図１の厚さ７）は、特に限定されず、各用途の構造設計に合わせて決められるものである。パルス着磁法のし易さから、酸化物超伝導バルク磁石部材のサイズＬに対して、１／２以上１／１００以下であるのが好ましい。取り扱いが容易な機械的強度を維持するという観点から、前記厚さは、１ｍｍ以上がより好ましい。また、入れ子の配置にするために加工する加工時間という点から、前記厚さは、３０ｍｍ以下にするのがより好ましい。
【００３４】
さらに、本発明では、上述のように、入れ子に配置された酸化物バルク体間に、図１に示すような特定の大きさの隙間８を有する。パルス着磁法では、着磁中に急激な磁場変化を伴うので、入れ子状に配置した各酸化物バルク体に急激な応力変化が生して、僅かな変形が起こる。パルス着磁を繰り返すと、前記応力変化や変形の繰り返しよって複数の酸化物バルク体の一部が破損するという問題が生じ、その結果、強い磁場や均一な磁場が得られなくなる。この問題は、隙間が大きいと、各酸化物バルク体が独立して応力変化や変形を受けるので破損し易くなる。つまり、前記隙間を小さくすれば、具体的には、０．４９ｍｍ以下にして、前記隙間の少なくとも一部に樹脂、グリース又は半田を施したようにすると、破損するまでのパルス着磁の繰り返し数が多くなるが、破損する割合を著しく低減できることを見出した。
【００３５】
このようにすると、各酸化物バルク体が機械的に相互に影響するようになる。これにより、各酸化物バルク体が独立して応力変化や変形を受けるのを避けることができるので、このような破損を低減できるものと考えられる。前記隙間は、より望ましくは０．２０ｍｍ以下であり、破損する割合を低減できる。前記隙間は、更に望ましくは０．１０ｍｍ以下である。前記隙間は、軽加工で組み立て易く経済的な製造ができるという理由で、０．０１ｍｍ以上とした。即ち、前記隙間が、０．０１ｍｍ未満になると、各酸化物バルク体をはめ込むのが難しく、その隙間に樹脂やグリース及び半田を施すのが難しく、実用的な製造ができない。
【００３６】
また、隙間に有する樹脂、グリース又は半田は、少なくとも隙間の一部に施されていればよい。隙間の総体積の１０％以上、又は、前記隙間の全てを樹脂、グリース又は半田で占めているのがより好ましい。前記隙間の総体積の５０％以上を樹脂、グリース又は半田で占めているのが更に好ましい。樹脂としては、酸化物超伝導バルク磁石部材を製作後、半永久的に固定する場合には、硬化性樹脂が望ましい。また、入れ子に配置した各酸化物バルク体を取り外し可能にするには、グリース又は半田を使用するのが望ましい。
【００３７】
また、着磁後の磁場により発生するフープ力によって各酸化物バルク体が割れないように、入れ子に配置した最外周の酸化物バルク体の外側に金属リングをはめ込むのがより望ましい。このような構成にすると、金属リングの熱膨張率が酸化物バルク体の熱膨張率と異なるので、冷却時に金属リングから酸化物バルク体へ圧縮応力が働くようになり、フープ力により割れる確率を低減できる。前記金属リングと酸化物バルク体との間には、樹脂、グリース又は半田を充填して、入れ子に配置した酸化物バルク体に均等に圧縮応力をかけることが望ましい。前記金属リングの材質としては、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼等が挙げられる。パルス着磁中には、良導体中には大きな遮蔽電流が流れるため、比抵抗の高いステンレス鋼等の合金系材料がより望ましい。また、金属リングにより半永久的に固定する場合は、硬化性樹脂により固定することが望ましい。また、前記金属リングを取り外し可能にするには、半田又は、グリースにより固定してもよい。半田を用いた場合はその融点まで加熱することで取り外しが可能になり、グリース類を用いた場合は常温での取り外しが可能になる。
【００３８】
本発明で用いるＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体は、超伝導体相である、単結晶状のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相（１２３相）中に、非超伝導相であるＲＥ2ＢａＣｕＯ5相（２１１相）が微細分散した組織を有するものである。ここで、単結晶状というのは、完璧な単結晶でなく、小傾角粒界等の実用に差支えない欠陥を有するものも包含するという意味である。また、単結晶状（擬単結晶）としているのは、単結晶の１２３相中に２１１相が微細に（例えば、１μｍ程度に）分散した結晶相であるからである。ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相（１２３相）及びＲＥ2ＢａＣｕＯ5相（２１１相）におけるＲＥは、希土類元素を示し、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素又はそれらの組み合わせである。また、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄを含む１２３相は１：２：３の化学量論組成から外れ、ＲＥのサイトにＢａが一部置換した状態になることもあるが、本発明の１２３相に含まれるものとする。また、非超伝導相である２１１相においても、Ｌａ、Ｎｄは、Ｙ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕとは幾分異なり、金属元素の比が非化学量論的組成であったり、結晶構造が異なっていたりすることが知られているが、その場合も本発明の２１１相に含まれるものとする。また、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相のｘは、酸素欠損量であり、０＜ｘ≦０．２である。ｘがこのような範囲にあると、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相が超伝導体として超伝導性を示すからである。
【００３９】
前述のＢａ元素の置換は、臨界温度を低下させる傾向がある。また、より酸素分圧の小さい環境においては、Ｂａ元素の置換が抑制される傾向にあることから、大気中よりはむしろ、アルゴン又は窒素中に酸素を微量混合した０．１〜１％酸素雰囲気内で、結晶成長を行うことが望ましい。また、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体中に銀を含有することにより、機械的強度及びＪc特性が増加する傾向があり、銀を５〜２０質量％含有することがより望ましい。この時１２３相は１：２：３の化学量論組成から外れ、ＣｕのサイトにＡｇが一部置換した状態になることもあるが、本発明の１２３相に含まれるものとする。
【００４０】
１２３相は、２１１相とＢａとＣｕとの複合酸化物からなる液相との包晶反応、
２１１相＋液相（ＢａとＣｕの複合酸化物）→１２３相
によりできる。そして、この包晶反応により、１２３相ができる温度（Ｔｆ：１２３相生成温度）は、ほぼＲＥ元素のイオン半径に関連し、イオン半径の減少に伴いＴｆも低くなる。また、低酸素雰囲気及び銀添加に伴い、Ｔｆは低下する傾向にある。
【００４１】
単結晶状の１２３相中に２１１相が微細分散した酸化物バルク体は、１２３相が結晶成長する際、未反応の２１１粒が１２３相中に取り残されるためにできる。即ち、前記酸化物バルク体は、
２１１相＋液相（ＢａとＣｕの複合酸化物）→１２３相＋２１１相
で示される反応によりできる。前記酸化物バルク体中の２１１相の微細分散は、Ｊc向上の観点から極めて重要である。Ｐｔ、Ｒｈ又はＣｅの少なくとも一つを微量添加することにより、半溶融状態（２１１相と液相からなる状態）での２１１相の粒成長を抑制し、結果的に材料中の２１１相を約１μｍ以下に微細化する。添加量は、微細化効果が現れる量及び材料コストの観点から、Ｐｔで０．２〜２．０質量％、Ｒｈで０．０１〜０．５質量％、Ｃｅで０．５〜２．０質量％が望ましい。添加されたＰｔ、Ｒｈ、Ｃｅは１２３相中に一部固溶する。また、固溶できなかった元素は、ＢａやＣｕとの複合酸化物を形成し、材料中に点在することになる。
【００４２】
また、前記酸化物バルク体は、磁場中においても高い臨界電流密度（Ｊc）を有する必要がある。この条件を満たすには、超伝導的に弱結合となる大傾角粒界を含まない単結晶状の１２３相が有効である。さらに高いＪc特性を有するためには、磁束の動きを止めるためのピンニングセンターが有効である。このピンニングセンターとして機能するものが微細分散した２１１相であり、より細かく多数分散していることが望ましい。また、２１１相等の非超伝導相は、劈開し易い１２３相中に微細分散することによって、超伝導体を機械的に強化し、バルク材料として成り立たす重要な働きをも担っている。
【００４３】
１２３相中の２１１相の割合は、Ｊc特性及び機械強度の観点から、５〜３５体積％が望ましい。また、前記酸化物バルク体中には、５０〜５００μｍ程度のボイド（気泡）を５〜２０体積％含むことが一般的であり、さらに銀添加した場合、添加量によって１０〜５００μｍ程度の銀又は銀化合物を０体積％超２５体積％以下含む。
【００４４】
また、結晶成長後の前記酸化物バルク体の酸素欠損量は、０．５程度で半導体的な抵抗率の温度変化を示す。これを各ＲＥ系により３５０℃〜６００℃で１００時間程度、酸素雰囲気中においてアニールすることにより酸素が材料中に取り込まれ、酸素欠損量は０．２以下となり、良好な超伝導特性を示す。
【００４５】
本発明の酸化物超伝導バルク磁石部材は、所望の磁場分布を発生できる着磁性能に優れた磁石特性を示すことから、本酸化物超伝導バルク磁石部材を用いた酸化物超伝導磁石システムは、システム全体として高い磁場をより低いエネルギー投入量で簡便に発生できるシステムであり、経済性・環境調和性に優れたシステムとすることができる。
【実施例】
【００４６】
（実施例１）
純度９９．９％の各試薬ＲＥ2Ｏ3（ＲＥはＧｄ及びＤｙ）、ＢａＯ2、ＣｕをＧｄ：Ｄｙ：Ｂａ：Ｃｕの金属元素のモル比が９：１：１４：２０（即ち、最終組織の１２３相：２１１相のモル比が３：１）になるように混合した。さらに、Ｐｔを０．５質量％、Ａｇ2Ｏを１５質量％添加した混合粉を作製した。各混合粉は、一旦８８０℃で８時間仮焼した。仮焼粉は、内径８２ｍｍの円筒状金型中に充填し、厚さ約３３ｍｍの円盤状に成形した。また、Ｓｍ2Ｏ3及びＹｂ2Ｏ3を用いて、上記成形体と同様の方法により、厚さ４ｍｍのＳｍ系とＹｂ系円盤状成形体を作製した。さらに、各成形体について等方静水圧プレスにより約１００ＭＰａで圧縮加工した。
【００４７】
これらをアルミナ製支持材の上に、Ｓｍ系、Ｙｂ系、Ｇｄ−Ｄｙ系成型体（前駆体）の順番で下から重ね、炉内に配置した。これらの前駆体は、大気中において７００℃まで１５時間、１０４０℃まで１６０時間、さらに１１７０℃まで１時間で昇温し、３０分保持した後、１０３０℃まで１時間で降温し、１時間保持した。その間、予め作製しておいたＳｍ系の種結晶を用い、種結晶を半溶融状態の前駆体上に乗せた。種結晶の方位は、ｃ軸が円盤状の前駆体の法線になるように、劈開面を前駆体の上に乗せた。その後、大気中において１０００〜９８５℃まで２８０時間かけて冷却し、結晶の成長を行った。さらに、室温まで約３５時間かけて冷却し、外径約６３ｍｍ、厚さ約２８ｍｍのＧｄ−Ｄｙ系の酸化物超伝導材料を得た。また同様の方法で同様のＧｄ−Ｄｙ系の酸化物超伝導材料を更に２個作製し、合計３個（後述する試料Ａ、試料Ｂ及び試料Ｃ用）の試料を作製した。これらの材料は、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中に１μｍ程度のＲＥ2ＢａＣｕＯ5相及び５０〜５００μｍの銀が分散した組織を有していた。そして、これらの３個の試料をそれぞれ加工して、入れ子に配置してその隙間が０．１ｍｍの試料Ａ、比較例として入れ子に配置してその隙間が０．５ｍｍの試料Ｂ、及び、比較例として入れ子に配置しない隙間のない一体型の試料Ｃを作製した。
【００４８】
試料Ａは、図５に示す外径６０ｍｍの５重リング９の形状（酸化物バルク体（超伝導体）の幅（Ｗ）は、４．９ｍｍであり、酸化物バルク体間の隙間ｄ（隙間１０）は、０．１ｍｍに加工した。各リングの高さは、２０．０ｍｍである。また、試料Ｂは、図５に示す外径６０ｍｍの５重リング９の形状と同じであるが、酸化物バルク体（超伝導体）の幅（Ｗ）は、４．５ｍｍであり、酸化物バルク体間の隙間ｄは、０．５ｍｍに加工した。試料Ａ及び試料Ｂの５つのリング形状の酸化物バルク体（超伝導体）は、それぞれ酸素アニール処理の後、それぞれ入れ子に配置して、外径６４．０ｍｍ内径６０．１ｍｍのステンレスリング内に納めてエポキシ樹脂で固定した。
【００４９】
また、試料Ｃは、外径６０．０ｍｍ、高さ２０．０ｍｍにのみ加工した後、同様の酸素アニール処理を行い、外径６４．０ｍｍ内径６０．１ｍｍのステンレスリング内に配置しエポキシ樹脂で固定した。そして、これらの試料Ａ〜Ｃに対して、まず、静磁場着磁での捕捉磁場を比較した。磁場中冷却は、室温で３．５Ｔの磁場中にこれらの試料Ａ〜Ｃを配置し、液体窒素で７７Ｋに冷却した後、０．５Ｔ／分の減磁レートで外部磁場をゼロにした。
【００５０】
本実施例の試料Ａによる酸化物超伝導バルク磁石は、図７（ｂ）に示したように１．８Ｔのピーク磁場を有し、同心円状の均一な分布が得られており、極めて対称性が向上した磁場分布が得られることが確認できた。一方、比較例として試料Ｃを酸化物超伝導バルク磁石とした場合は、入れ子に配置して隙間を形成していない一体型であるので、図７（ａ）に示すように、隙間の無い分ピーク磁場は大きくなっているが、角型に近い４回対称の歪が伴って対称的に均一な磁場が得られないものであった。比較例として試料Ｂを酸化物超伝導バルク磁石とした場合は、図７（ｂ）に示すものと同様に同心円状の均一な分布が得られたが、入れ子に配置した隙間が０．５ｍｍと大き過ぎるので、１．５Ｔのピーク磁場となった。
【００５１】
次に、これら試料に対して、パルス着磁を行った。ゼロ磁場中で液体窒素中に浸漬された試料に対し、パルス幅５ｍｓで、印加磁場５Ｔのパルス磁場を印加した後、続いて４Ｔのパルス磁場を印加した。また、試料のｃ軸は、円盤面の法線方向であり、磁場は、ｃ軸と平行に印加された。
【００５２】
図７（ｃ）に試料Ｃの４Ｔパルス印加後のパルス着磁結果を示す。ピーク磁場は、０．４５Ｔで、ａ軸方向に谷間を有する対称性が低い不均一な磁場分布となった。これに対し、本実施例の試料Ａは、図７（ｄ）に示すように、１．６Ｔのピーク磁場を有し、同心円状の均一な分布が得られており、パルス着磁でも極めて対称性のよい磁場分布が得られることが確認できた。また、同様のパルス着磁を１００回繰り返した後の磁束分布を測定し、ピーク磁場を比較したところ、試料Ａは９７％と殆ど低下していなかった。次に、試料Ｂについて同様のパルス着磁を行った。ピーク磁場は、１．３Ｔであり、隙間が大き過ぎるため強い磁場が得られない。更に、パルス着磁では、図示していないが、図７（ｄ）に比べて歪んだ形状となった。これは、隙間が大き過ぎることから、パルス着磁で急激な磁場変化によって各リングが同心円からずれたことによるものと思われる。また、同様のパルス着磁を１００回繰り返した後の磁束分布を測定し、ピーク磁場を比較したところ、試料Ｂは、７２％と特性低下が認められた。これは、試料Ａに比べて隙間が大き過ぎるため繰り返しパルスによる応力変形によって特性が低下したものと考えられる。
【００５３】
以上の結果より、酸化物超伝導バルク磁石部材は、超伝導酸化物バルク体が入れ子に配置され、各酸化物バルク体間に、特定幅の隙間を有するものであると、静磁場着磁して超伝導バルク磁石としても、同心円状の対称性・均一性に優れた磁場を発生するバルク磁石であると共に、パルス着磁して超伝導バルク磁石とした場合には着磁特性に極めて優れ、対称的に均一な磁場が得られる。
【００５４】
（実施例２）
次に隙間ｄだけを変えて、実施例１と同様の製造方法で作製した試料２−１〜２−７について、実施例１と同様の試験を行った時の結果を以下の表１に示す。本実施例として、隙間ｄを０．０５ｍｍ（試料２−１）、０．１ｍｍ（試料Ａ）、０．１５ｍｍ（試料２−２）、０．２０ｍｍ（試料２−３）、０．３０ｍｍ（試料２−４）、及び０．４５ｍｍ（試料２−５）とした。また、比較例として隙間ｄを０．５ｍｍ（試料Ｂ）、１．０ｍｍ（試料２−６）、１．２ｍｍ（試料２−７）とした。
【００５５】
【表１】
【００５６】
表１に示すように、本実施例の試料２−１〜試料２−５は良好な結果が得られた。これらの結果から、隙間ｄが０．４９ｍｍを超えるものは、繰り返しパルス着磁すると磁場の応力により急激に超伝導酸化物バルク体のリングが割れ易く、安定してバルク磁石として使用できない。なお、隙間ｄを、０．００８ｍｍとするリングも加工して作製したが、各リングを組み込むことができなく、樹脂を隙間に挿入できなかった。
【００５７】
（実施例３）
次に、比較的薄い超伝導体を図３のように積層したこと以外は、実施例１とほぼ同様の製造方法で作製した同心円状の酸化物超伝導バルク磁石部材の製造条件及び試験結果を以下の表２に示す。なお、これらの超伝導体の軸方向の積層は、径方向、即ちリング間の材料と同じ物で固定した。なお、比較例として、試料Ｂの積層構造のもの、隙間ｄが０．４９ｍｍを超える試料３−２、試料３−４、試料３−６、試料３−７、試料３−９についても同様の試験を行った。また、試料３−３、試料３−４、試料３−５、試料３−６、試料３−８、試料３−９、試料３−１１、試料３−１２は、内側の超伝導体はリングではなく円板状の材料を使用した。
【００５８】
【表２】
【００５９】
表２に示すように、試料Ａの積層構造のもの、本実施例の試料３−１、試料３−３、試料３−５、試料３−８、試料３−１０、試料３−１１、試料３−１２は良好な結果が得られた。これらの結果からも、隙間ｄが０．４９ｍｍを超えるものは、パルス着磁を繰り返すとパルス磁場の応力により、急激に超伝導材料（酸化物バルク体）のリングが割れ易くなることが分かる。即ち、隙間ｄが０．４９ｍｍ以下のものでは、パルス着磁を繰り返しても、安定に対称的に均一な磁場が得られる。このことは、超伝導材料と超伝導材料間の隙間にあるエポキシ樹脂、グリース又半田との熱膨張率の違いや着磁によるフープ力に対するステンレスリングの圧縮応力の効果に超伝導体間の隙間の大きさが重要な意味を有することを示すものと考えられる。
【００６０】
（実施例４）
純度９９．９％の各試薬Ｇｄ2Ｏ3、ＢａＯ2、ＣｕＯをＧｄ：Ｂａ：Ｃｕの金属元素のモル比が５：７：１０（即ち、最終組織の１２３相：２１１相のモル比が３：１）になるように混合した。さらに、ＢａＣｅＯ3を１．５質量％、Ａｇ2Ｏを１２質量％添加した混合粉を作製した。混合粉は、一旦８８０℃で８時間仮焼した。仮焼粉は、内径８２ｍｍの円筒状金型中に充填し、厚さ約３３ｍｍの円盤状に成形した。また、Ｓｍ2Ｏ3及びＹｂ2Ｏ3を用いて、上記成形体と同様の方法により、厚さ４ｍｍのＳｍ系とＹｂ系円盤状成形体を作製した。さらに、各成形体について等方静水圧プレスにより約１００ＭＰａで圧縮加工した。
【００６１】
これらをアルミナ製支持材の上に、Ｓｍ系、Ｙｂ系、Ｇｄ系成型体（前駆体）の順番で下から重ね、炉内に配置した。これらの前駆体は、大気中において７００℃まで１５時間、１０４０℃まで４０時間、さらに１１７０℃まで１時間で昇温し、３０分保持した後、１０３０℃まで１時間で降温し、１時間保持した。その間、予め作製しておいたＳｍ系の種結晶を用い、種結晶を半溶融状態の前駆体上に乗せた。種結晶の方位は、ｃ軸が円盤状の前駆体の法線になるように、劈開面を前駆体の上に乗せた。その後、大気中において１０００〜９８５℃まで２８０時間かけて冷却し、結晶の成長を行った。さらに、室温まで約３５時間かけて冷却し、外径約６３ｍｍ、厚さ約２８ｍｍのＧｄ系の酸化物超伝導材料を得た。また同様の方法で同様のＧｄ系の酸化物超伝導材料を更に２個作製し、合計３個（後述する試料Ｄ、試料Ｅ及び試料Ｆ）の試料を作製した。これらの試料Ｄ〜Ｆは、ＧｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x相中に１μｍ程度のＧｄ2ＢａＣｕＯ5相及び５０〜５００μｍの銀が分散した組織を有していた。
【００６２】
次に、試料Ｄから、外径５９．９ｍｍ、内径４６．０ｍｍ、高さ２０．０ｍｍのリング、及び、外径３１．９ｍｍ、内径１８．０ｍｍ、高さ２０．０ｍｍのリングを切り出した。また、試料Ｅからは、外径４５．９ｍｍ、内径３２．０ｍｍ、高さ２０．０ｍｍのリング、及び、外径１７．９ｍｍ、高さ２０．０ｍｍの円柱を切り出した。それぞれ酸素アニール処理を行った後、図６に示すような外径６４．０ｍｍ内径６０．１ｍｍのステンレスリング内に入れ子状に配置しエポキシ樹脂で固定した。このとき試料Ｄから切り出した酸化物超伝導体及び試料Ｅから切り出した酸化物超伝導体のａ又はｂ軸の方向を４５°交互にずれるように配置し、酸化物超伝導バルク磁石部材（試料４−１）を作製した。
【００６３】
また、試料Ｆからは、前記のような入れ子に配置するリングは形成せずに、比較例として外径６０．０ｍｍ、高さ２０．０ｍｍに加工した後、同様の酸素アニール処理を行い、外径６４．０ｍｍ内径６０．１ｍｍのステンレスリング内に配置しエポキシ樹脂で固定した（試料４−２）。
【００６４】
これら試料に対して、磁場中冷却着磁法（静磁場着磁法）及びパルス着磁法により、着磁を行った。磁場中冷却は、室温で３．５Ｔの磁場中に試料を配置した後、ゼロ磁場中で液体窒素浸漬により冷却し、さらに、０．５Ｔ／分の減磁レートで外部磁場をゼロにした。また、パルス着磁は、液体窒素中に浸漬された試料に対し、パルス幅約５ｍｓで、最大印加磁場５．０Ｔのパルス磁場を印加した。また、試料のｃ軸は、円盤面の法線方向であり、磁場をｃ軸と平行に印加した。
【００６５】
磁場冷却着磁法による着磁結果、比較例の試料４−２を超伝導バルク磁石とすると、図７（ａ）に示した分布と類似する４回対称の歪みを伴う分布となり、ピーク磁場は２．１Ｔであった。これに対し本実施例の試料４−１を超伝導バルク磁石とすると、４回対称の歪みが比較的少ない分布が得られ、ピーク磁場は、２．０Ｔであった。静磁場着磁法でも、入れ子に配して隙間を施した酸化物超伝導バルク磁石部材の方が、より対称的に均一な磁場分布が得られるものである。
【００６６】
パルス着磁法の結果を図８に示す。比較例の試料４−２を超伝導バルク磁石とすると、図８（ａ）で示すように、同心円状の分布からかなり変形し、ピーク磁場も０．４０Ｔとかなり低い値に留まっている。これに対し本実施例の試料４−１を超伝導バルク磁石とすると、図８（ｂ）に示すように、４回対称性の歪みは僅かに残るものの同心円状の磁束密度分布が得られており、また、ピーク磁束密度は、１．８Ｔを記録している。これらの比較から、リングを入れ子状に配置して隙間を有する酸化物超伝導バルク磁石部材は、パルス着磁法で着磁して酸化物超伝導バルク磁石とすると、極めて着磁特性に優れていることが明らかになった。
【００６７】
（実施例５）
実施例４に示した製造方法と同じ製造方法により、外径約６３ｍｍ、厚さ約２８ｍｍのＧｄ系のバルク超伝導材料を３個（試料Ｇ、試料Ｈ及び試料Ｉ）作製した。
【００６８】
次に、試料Ｇからは、外周の一辺の長さが約３０ｍｍ、内周の一辺が約２０ｍｍの六角形のリングで高さが２０ｍｍの酸化物バルク体を切り出すと共に、一辺が約１０ｍｍ、高さ２０ｍｍの六角柱を切り出した。また、試料Ｈからは、外周の一辺が約２０ｍｍ、内周の一辺が約１０ｍｍ、高さ２０ｍｍの六角リング状の酸化物バルク体を切り出した。ここで、試料Ｇ及び試料Ｈの六角形リングの切り出し方は、それぞれ、試料Ｇと試料Ｈとを組み合わせたときに、結晶軸方向が互いに４５°ずれるような方向で行った。切り出した各酸化物バルク体は、それぞれ、酸素アニール処理を行った後、外径６４．０ｍｍ内径６０．１ｍｍのステンレスリング内に入れ子状に配置した。この時、各超伝導体間の隙間は０．１ｍｍ以下に調整した。さらに隙間をエポキシ樹脂で固定した。このとき試料Ｇから切り出した酸化物超伝導体と試料Ｈから切り出した酸化物超伝導体のａ又はｂ軸の方向を４５°交互にずれるように配置し、酸化物超伝導バルク磁石部材（試料５−１）を作製した。
【００６９】
また、比較例として試料Ｉを、前記のように入れ子に配置せず一体型として一辺が約３０ｍｍ、高さ２０ｍｍの六角柱に加工した後、同様の酸素アニール処理を行い、外径６４．０ｍｍ内径６０．１ｍｍのステンレスリング内に配置し、該ステンレスリングと酸化物超伝導体の隙間をエポキシ樹脂で固定した（試料５−２）。
【００７０】
これら試料に対して、磁場中冷却着磁法（静磁場着磁法）及びパルス着磁法により、着磁を行った。磁場中冷却は、室温で３．５Ｔの磁場中に試料を配置した後、液体窒素浸漬により冷却し、さらに、０．５Ｔ／分の減磁レートで外部磁場をゼロにした。また、パルス着磁法は、液体窒素中に浸漬された試料に対し、パルス幅約５ｍｓ、最大印加磁場５．Ｔのパルス磁場を印加した。また、試料のｃ軸は、六角形の面の法線方向であり、磁場をｃ軸と平行に印加した。
【００７１】
静磁場着磁法で、本実施例の試料５−１を超伝導バルク磁石とすると、ピーク磁場が１．７５Ｔであり、六角形の軸対称性が比較的よい磁場分布が得られた。これに対して、比較例の試料５−２を超伝導バルク磁石とすると、ピーク磁場は１．８Ｔと僅かに高いものの、中心部に４回対称性の歪みを伴う磁束密度分布が得られた。静磁場着磁法でも、入れ子に配して隙間を施した酸化物超伝導バルク磁石部材の方が、より対称的に均一な磁場分布が得られるものである。
【００７２】
パルス着磁法で、試料５−１を超伝導バルク磁石とすると、ピーク磁場が１．６５Ｔであり、ほぼ六角形の対称性を有する磁場分布が得られた。これに対し、試料５−２を超伝導バルク磁石とすると、ピーク値が０．７５Ｔと低く、中心部が低く、かつ、ａ軸方向と４５°の位置に４つのピークを有する六回対称性に劣る磁場分布が得られた。これらの比較から、六角形リングを入れ子状に配置して隙間を有する酸化物超伝導バルク磁石部材は、パルス着磁法で着磁して酸化物超伝導バルク磁石とすると、着磁特性に極めて優れていることが明らかになった。
【００７３】
（実施例６）
実施例１に示した製造方法によってＧｄ−Ｄｙ系の酸化物超伝導材料を作製し、実施例４に示した製造方法によってＧｄ系の酸化物超伝導材料を作製した。そして、両方の酸化物超伝導材料を試料Ａと同じように加工して図５に示したリングを作製した。作製した試料６−１は、外側のリングから内側のリングに向けて、Ｇｄ−Ｄｙ系−Ｇｄ系−Ｇｄ−Ｄｙ系−Ｇｄ系−Ｇｄ−Ｄｙ系の順に酸化物バルク体の材料を交互に変えて実施例１と同様に組み合せた酸化物超伝導バルク磁石部材である。試料６−２は、外側のリングから内側のリングに向けて、Ｇｄ系−Ｇｄ−Ｄｙ系−Ｇｄ系−Ｇｄ−Ｄｙ系−Ｇｄ系−Ｇｄ−Ｄｙ系（芯）の順に酸化物バルク体の材料を交互に変えて実施１と同様に組み合せ、芯まである酸化物超伝導バルク磁石部材である。
【００７４】
試料６−１及び試料６−２とも、静磁場着磁法で着磁して超伝導バルク磁石とすると、ピーク磁場が、それぞれ、１．７３Ｔと１．７４Ｔであり、軸対称性の良い磁場分布が得られた。また、パルス着磁法で着磁すると、試料６−１及び試料６−２を超伝導バルク磁石としても、ピーク磁場が、それぞれ、１．６３Ｔと１．６４Ｔで、軸称性性の良い磁場分布が得られた。
【符号の説明】
【００７５】
１〜３ ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体（リング状）
４ ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体（芯状）
５ リングの幅
６ 酸化物超伝導バルク磁石部材のサイズ
７ 酸化物超伝導バルク磁石部材の厚さ
８ 隙間
９ ５重リング
１０ 隙間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（ＲＥは、希土類元素又はそれらの組み合わせ。ｘは、酸素欠損量であり、０＜ｘ≦０．２である。）相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物バルク体を組み合わせた酸化物超伝導バルク磁石部材であって、前記酸化物バルク体が、複数で入れ子に配置され、前記入れ子に配置された各酸化物バルク体間に、０．０１ｍｍ以上０．４９ｍｍ以下の隙間を有し、前記隙間の少なくとも一部に樹脂、グリース又は半田を有することを特徴とする酸化物超伝導バルク磁石部材。
【請求項２】
前記酸化物バルク体の少なくとも１つが、多角形又は円の形状を有するリング、もしくは、上面及び底面がレーストラック形状を有するリングであることを特徴とする請求項１記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
【請求項３】
前記リングが、回転対称軸方向に複数積層されてなることを特徴とする請求項２記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
【請求項４】
前記積層された複数のリングの回転対称軸が、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のｃ軸に対して±３０°の範囲内であることを特徴とする請求項３記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
【請求項５】
前記リングの回転対称軸に対して垂直に隣接する各酸化物バルク体のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のａ軸が、それぞれ、ずれていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
【請求項１】
ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（ＲＥは、希土類元素又はそれらの組み合わせ。ｘは、酸素欠損量であり、０＜ｘ≦０．２である。）相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5相が分散した酸化物バルク体を組み合わせた酸化物超伝導バルク磁石部材であって、前記酸化物バルク体が、複数で入れ子に配置され、前記入れ子に配置された各酸化物バルク体間に、０．０１ｍｍ以上０．４９ｍｍ以下の隙間を有し、前記隙間の少なくとも一部に樹脂、グリース又は半田を有することを特徴とする酸化物超伝導バルク磁石部材。
【請求項２】
前記酸化物バルク体の少なくとも１つが、多角形又は円の形状を有するリング、もしくは、上面及び底面がレーストラック形状を有するリングであることを特徴とする請求項１記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
【請求項３】
前記リングが、回転対称軸方向に複数積層されてなることを特徴とする請求項２記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
【請求項４】
前記積層された複数のリングの回転対称軸が、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のｃ軸に対して±３０°の範囲内であることを特徴とする請求項３記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
【請求項５】
前記リングの回転対称軸に対して垂直に隣接する各酸化物バルク体のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x結晶のａ軸が、それぞれ、ずれていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１４２３０３（Ｐ２０１１−１４２３０３Ａ）
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３７４７１（Ｐ２０１０−２３７４７１）
【出願日】平成２２年１０月２２日（２０１０．１０．２２）
【特許番号】特許第４７１９３０８号（Ｐ４７１９３０８）
【特許公報発行日】平成２３年７月６日（２０１１．７．６）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２２日（２０１０．１０．２２）
【特許番号】特許第４７１９３０８号（Ｐ４７１９３０８）
【特許公報発行日】平成２３年７月６日（２０１１．７．６）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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