高温超伝導電流リードと臨界電流密度増加方法
【課題】本発明は、外部応力や熱サイクルによる膨張、収縮に対して耐性があり、臨界電流密度を増すことができ、端子を接続するとき高温超伝導体を損傷することが少ない高温超伝導電流リードと、高温超伝導電流リードの臨界電流密度増加方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、基材面に高温超伝導材料の薄膜が形成され、金属皮膜が被覆された可撓性でテープ状の高温超伝導体８ａと、１対の電極端子１１と、電極端子１１に固定され高温超伝導体８ａを補強する支持部材１４とを備えた高温超伝導電流リード８であって、高温超伝導材料の結晶のｃ軸が基材面に対して所定の角度で配向されていることを特徴とする。また、臨界電流密度増加方法は、高温超伝導材料の結晶のｃ軸を基材表面の法線に対して所定の角度だけ配向させた薄膜を有する高温超伝導リードを形成し、磁場の磁束を結晶のｃ軸に垂直または基材に垂直な角度で交差する方向に印加する。
【解決手段】本発明は、基材面に高温超伝導材料の薄膜が形成され、金属皮膜が被覆された可撓性でテープ状の高温超伝導体８ａと、１対の電極端子１１と、電極端子１１に固定され高温超伝導体８ａを補強する支持部材１４とを備えた高温超伝導電流リード８であって、高温超伝導材料の結晶のｃ軸が基材面に対して所定の角度で配向されていることを特徴とする。また、臨界電流密度増加方法は、高温超伝導材料の結晶のｃ軸を基材表面の法線に対して所定の角度だけ配向させた薄膜を有する高温超伝導リードを形成し、磁場の磁束を結晶のｃ軸に垂直または基材に垂直な角度で交差する方向に印加する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温超伝導電流リードと、高温超伝導電流リードの臨界電流密度増加方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、極低温に冷却された超伝導コイルと室温の電源とを電気的に接続した超伝導マグネット装置がクライオスタットなどに用いられている。図１１（ａ）に従来の高温超伝導電流リードが設けられた超伝導マグネット装置の全体概念図、図１１（ｂ）は（ａ）の超伝導マグネット装置の超伝導コイル付近の拡大概念図を示す。
【０００３】
この従来の超伝導マグネット装置は、臨界温度以下で電気抵抗がゼロになる超伝導線材を巻回して構成された超伝導コイル１０１を収容した熱遮蔽シールド１０２と、この熱遮蔽シールド１０２を収容すると共に、断熱状態を保つため真空ポンプで内部を高真空にされる真空容器１０３、さらにはＧＭ冷凍機等の冷凍機１０４から構成されている。
【０００４】
超伝導コイル１０１は、例えば２段のステージを有する冷凍機１０４のセカンドステージ１０６（４Ｋ）によって、フレキシブル熱伝導体１０６ａおよび熱伝導体１１０を介して冷却される。超伝導コイル１０１に電流を供給する電流リード１０７は、外部の室温側電流リード１０７ｃが外部から真空空間に導入され、真空容器１０３内に導入された電流リード１０７は、中間電流リード１０７ｂと低温側電流リード１０７ａに区分され、その間にセカンドステージ熱アンカー１０９とファーストステージ熱アンカー１１０ａが設置される。
【０００５】
セカンドステージ熱アンカー１０９は、熱伝導体１１０から電気的には絶縁されているが熱的には接続されていて、中間電流リード１０７ｂで発生したジュール発熱および低温側リード１０７ａを通して侵入する伝導熱を吸収し、熱伝導体１１０に放熱する役割を果たしている。熱伝導体１１０は、フレキシブル熱伝導体１０６ａを通してセカンドステージ１０６に熱接触しているため、侵入熱をセカンドステージ１０６に排熱して約４Ｋに保たれる。
【０００６】
同様に、ファーストステージ熱アンカー１１０ａも熱伝導体１０５ａから電気的には絶縁されているが熱的には接続されていて、中間電流リード１０７ｂによって熱伝導で侵入する真空容器１０３の外部からの熱と、中間電流リード１０７ｂや室温側電流リード１０７ｃで発生したジュール熱などを、熱伝導体１０５ａ（４０Ｋ）に放熱する役目を果たしている。熱伝導体１０５ａは、ファーストステージ１０５に熱接触しているため、侵入熱をファーストステージ１０５に排熱して約４０Ｋに保たれる。
【０００７】
ところで、一般的な金属を使用した場合中間電流リード１０７ｂには上述したようにジュール熱が発生し、また外部の熱を低温側電流リード１０７ａ側へ良好に熱伝導する。しかし、この装置では高温超伝導体１０８ａを備えた高温超伝導電流リード１０８が使用されるため８０Ｋ程度以下の温度環境で通電すればジュール熱が発生せず、しかも外部の熱をほとんど熱伝導しない。
【０００８】
この高温超伝導体１０８ａとしては希土類系高温超伝導体などが使用され、従来、バルク材を薄く切り出したものや、銀シース線材などが使われてきたが、今後は薄膜状高温超伝導体が最も優れた材料として有力視されている。なお、この希土類系高温超伝導体は、Ｙ，Ｄｙ，Ｇｄなど多数の希土類元素をＲで表わすと、ＲＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（δは微少量）と表わされる物質（以下、ＲＢＣＯという）である。銀シース線材はＲＢＣＯの粉やＢｉ系超伝導体を銀合金のチューブに容れて扁平化したものである。また、薄膜状高温超伝導体はＲＢＣＯを真空蒸着法を用いて薄膜状に製作したものであり、コーテッドコンダクタ（Coated Conductor）と呼ばれることがある。
【０００９】
さて、高温超伝導体１０８ａは、磁場環境におかれたとき臨界電流密度Ｊｃが低下することが知られている。従来の超伝導マグネット装置においては、中間電流リード１０７ｂに問題視しなければならないほどの漏洩磁場がかかるようなことはなかった。しかし、磁場の強さが増すと、中間電流リード１０７ｂの高温側の条件は厳しくなる。
【００１０】
このため、強磁場化に伴い、電流リードに作用する大きな漏洩磁場下において、この電流リードの臨界電流密度低下を防止する臨界電流密度低下防止方法と、これに使用する磁気シールド体が提案された（特許文献１参照）。
【００１１】
特許文献１の超伝導マグネット装置では、酸化物超伝導電流リードを酸化物高温超伝導体材料からなる磁気シールド体でシールドし、該シールド体を極低温に冷却することにより酸化物超伝導電流リードの臨界電流密度の低下を防止する。また、磁気シールド筒体の内外両表面に銀を溶射し、銀の薄膜層を形成させることによりシールド体の冷却効率を向上させるものである。
【００１２】
しかし、この特許文献１の臨界電流は２００Ａ程度にすぎない。例えば超伝導コイルが作る磁場でプラズマを閉じ込めて核融合させるトカマク型核融合炉のような場合には、４５０００Ａ〜６８０００Ａの電流を流さなければならない。電流リードも４２本必要になると予想されている（非特許文献１参照）。しかも、このような大電流を流す超伝導マグネット装置は核融合炉の磁気閉じ込め装置に限られない。磁気浮上装置、物性研究用、その他の用途でも同様である。
【００１３】
また、超伝導電流リード自体の構造の改善も試みられている。超伝導機器の運転時に発生する熱収縮や電磁力などによる負荷に対して、十分な機械強度を持たせられるように、また低抵抗金属導体と酸化物超伝導体との接続部分で発生する発熱を抑えるために、改良技術が提案された（特許文献２参照）。図１２は従来の超伝導電流リードの断面図である。
【００１４】
特許文献２の超伝導電流リードは、図１２に示すように複数枚の板状の酸化物超伝導体１１１を間隙を隔てて平行状態に配置し、且つ各酸化物超伝導体の両端を低抵抗金属製の電極端子１１２に接続する。さらに隙間及び酸化物超伝導体の周囲をエポキシ樹脂等の絶縁材１１３で充填するものである。
【００１５】
なお、このほかの技術情報として、従来臨界電流密度がコーテッドコンダクタと磁束の方向に対して角度依存性を有することも報告されている（非特許文献２参照）。
【００１６】
【特許文献１】特開２００１−２７４４６８号公報
【特許文献２】特開２００６−２６９１８４号公報
【非特許文献１】日本原子力研究所、「“高温超伝導体を用いた６万アンペア電流リードの開発に成功−世界最高の電流値を達成しＩＴＥＲでの使用に目処−”２００３年８月２８日公開情報」添付資料−１、［オンライン］、平成１９年３月７日検索、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.jaeri.go.jp/jpn/open/press/2003/030828/fig01.html＞
【非特許文献２】W. Prusseit, et al.、“Reel to Reel Coated Conductor Fabrication by Evaporation” 、THEVA-Literature database2005［オンライン］、平成１９年３月１３日検索、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.theva.com/downloads/ldb/MT19.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
以上説明したように、高温超伝導体は、磁場環境におかれたとき臨界電流密度が低下する。中間電流リードに問題となるほどの漏洩磁場が印加されるようなことは従来あまり例がなかった。しかし、装置からの漏洩磁場が大きくなると、この磁場に無関心では中間電流リードの臨界電流密度が低下してしまう。
【００１８】
この点、特許文献１の超伝導マグネット装置は、酸化物超伝導電流リードを酸化物高温超伝導体材料からなる磁気シールド体でシールドし、このシールド体を極低温に冷却することによって酸化物超伝導電流リードの臨界電流密度の低下を防止する。また、磁気シールド筒体の内外両表面に銀の薄膜層を形成させることによりシールド体の冷却効率を向上させる。
【００１９】
しかし、非特許文献１のような大電流が必要となる超伝導マグネット装置においては、高温超伝導体の電流リードを流れる電流自身の作る磁場によって超伝導状態が崩れてクエンチしてしまう。従って、高温超伝導電流リードでの臨界電流密度の低下防止はシールド体だけでは達成が難しく、逆に増加させたり、最大化させたりすることはできない。シールド体だけを備えた電流リードでは、発熱によって異常な温度上昇をきたし、場合によっては焼き切れてしまう。しかもシールド体を存在させるために真空容器のコンパクトさが損なわれ、部品点数が増え、断熱すべき表面積を増大させることも無視できない。
【００２０】
また、従来一般的にセラミックの高温超伝導体は、脆くてひび割れし易く、扱い辛いものである。この点特許文献２の酸化物超伝導電流リードは、酸化物超伝導体全体が板バネ構成になり、並列設置方向の弾性率が高くなって剛性を向上させることができる。しかし、エポキシ樹脂等の絶縁体で覆うため、熱サイクルを繰り返した場合、超伝導体とエポキシ樹脂との熱膨張率の違いによって界面での劣化の問題が発生しやすく、扱い易さにも越えることのできない限界がある。
【００２１】
そこで、本発明は、外部応力や熱サイクルによる膨張、収縮に対して耐性があり、臨界電流密度を増すことができ、端子を接続するとき高温超伝導体を損傷することが少ない高温超伝導電流リードと、高温超伝導電流リードの臨界電流密度増加方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、基材を有し該基材面に高温超伝導材料の薄膜が形成され、且つ該薄膜に金属皮膜が被覆された可撓性でテープ状の高温超伝導体と、金属皮膜によって高温超伝導体に接合された1対の電極端子と、電極端子のそれぞれに固定され高温超伝導体を補強する支持部材とを備えた高温超伝導電流リードであって、高温超伝導材料の結晶のｃ軸が基材の法線に対して所定の配向角度で配向されていることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の高温超伝導リードの臨界電流密度増加方法は、高温超伝導材料の結晶のｃ軸を基材表面の法線に対して所定の角度だけ配向させた薄膜を有する高温超伝導リードを形成し、磁場の磁束を結晶のｃ軸に垂直または基材に垂直な角度で交差する方向に印加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の高温超伝導電流リードは、外部応力や熱サイクルによる膨張、収縮に対して耐性があり、高温超伝導電流リードの臨界電流密度を増すことができ、端子を接続するときに外部応力によって高温超伝導体を損傷することが少ない。さらに超伝導コイル装置をコンパクトにすることができる。
【００２５】
また、本発明の高温超伝導電流リードの臨界電流密度増加方法は、高温超伝導電流リードの臨界電流密度を容易に最大化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の第１の形態は、基材を有し該基材面に高温超伝導材料の薄膜が形成され、且つ該薄膜に金属皮膜が被覆された可撓性でテープ状の高温超伝導体と、金属皮膜によって高温超伝導体に接合された1対の電極端子と、電極端子のそれぞれに固定され高温超伝導体を補強する支持部材とを備えた高温超伝導電流リードであって、高温超伝導材料の結晶のｃ軸が基材面に対して所定の角度で配向されていることを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、高温超伝導電流リードの臨界電流密度を増すことができ、端子を接続するとき高温超伝導体を損傷することが少ない。さらに超伝導コイル装置をコンパクトにすることができる。
【００２７】
本発明の第２の形態は、第１の形態に従属する形態であって、支持部材の熱膨張率が高温超伝導体の熱膨張率より大きいことを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、室温時すなわち最大膨張時に支持部材の長さを高温超伝導体の長さにしておけば、極低温にしたとき支持部の方が高温超電導体よりも多く収縮するため、高温超伝導体はフレキシブルに変形して応力を分散でき、外部応力や熱サイクルによる膨張、収縮に対して耐性を与えることができる。
【００２８】
本発明の第３の形態は、第１または第２の形態に従属する形態であって、磁場中に置かれたとき、該磁場の磁束がｃ軸に対して垂直となる向きに高温超伝導体の基材を設置する角度設定熱アンカーを備えたことを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、高温超伝導電流リードの臨界電流密度を最大化することができる。
【００２９】
本発明の第４の形態は、第１または第２の形態に従属する形態であって、磁場中に置かれたとき、該磁場の磁束が高温超電導体の基材に垂直となる向きに高温超伝導体の基材を設置する角度設定熱アンカーを備えたことを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、高温超伝導電流リードの臨界電流密度を極大化することができる。
【００３０】
本発明の第５の形態は、第１乃至第３の何れかの形態に従属する形態であって、高温超伝導材料がＲＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（δは微少量であり、Ｒは希土類元素）で表わされる希土類系高温超伝導体であることを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、ｃ軸を所定の角度だけ配向させた高温超伝導材料の薄膜を容易に形成することができる。
【００３１】
本発明の第６の形態は、第１乃至第４の何れかの形態に従属する形態であって、ｃ軸の配向角度が５°〜３０°の範囲であることを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、この配向角度の範囲にあれば、高温超伝導電流リードの臨界電流密度を容易に増すことができる。
【００３２】
本発明の第７の形態は、第３または第４の形態に従属する形態であって、角度設定熱アンカーがラチェットギヤ状の外周形状を備え、該外周形状の傾斜面に沿って高温超伝導体が配置されることを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、複数の高温超伝導体を配設しなければならない超伝導マグネット装置の構成をコンパクトにすることができ、全体の臨界電流密度を簡単に最大化することができる。
【００３３】
本発明の第８の形態は、第１乃至第７の何れかの形態に従属する形態であって、電極端子の表裏に配置する１対を１組として高温超伝導体が複数組設けられたことを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、高温超伝導電流リードの構成をコンパクトにすることができ、大電流を流すことができる。
【００３４】
本発明の第９の形態は、第１乃至第８の何れかの形態に従属する形態であって、高温超伝導体の端部の金属皮膜と電極端子とがフラックスを含まないハンダで接合されたことを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、高温超伝導材料を腐食することがなく、長期間劣化しない接合ができる。
【００３５】
本発明の第１０の形態は、高温超伝導材料の結晶のｃ軸を基材表面の法線に対して所定の角度だけ配向させた薄膜を有する高温超伝導リードを形成し、磁場の磁束を結晶のｃ軸に垂直な方向方向に印加することを特徴とする高温超伝導リードの臨界電流密度増加方法である。この構成によって、高温超伝導電流リードの臨界電流密度を容易に最大化することができる。
【００３６】
本発明の第１１の形態は、高温超伝導材料の結晶のｃ軸を基材表面の法線に対して所定の角度だけ配向させた薄膜を有する高温超伝導リードを形成し、磁場の磁束を基材面に垂直な方向に印加することを特徴とする高温超伝導リードの臨界電流密度増加方法である。この構成によって、高温超伝導電流リードの臨界電流密度を容易に極大化することができる。
【００３７】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードと臨界電流密度増加方法について説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードが設けられた超伝導マグネット装置の全体概念図、図１（ｂ）は（ａ）の超伝導マグネット装置の超伝導コイル付近の拡大概念図、図２は本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードを１組配列したときの第１の断面図、図３は図２の高温超伝導電流リードの要部斜視図、図４は本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードの高温超伝導体の断面図、図５（ａ）は本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードの結晶軸と印加される磁場の関係図、図５（ｂ）は温度７０Ｋ、磁束密度１Ｔの条件下で（ａ）の高温超伝導電流リードに対して傾斜角φで磁場を印加したときの臨界電流密度Ｊｃのグラフ、図６は本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードの角度設定熱アンカーの機能説明図、図７は本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードを２組配列したときの第２の断面図である。
【００３８】
まず、図１（ａ）（ｂ）に基づいて、実施の形態１における高温超伝導電流リードが設けられた超伝導マグネット装置について説明する。従来の超伝導マグネット装置の構成と基本的には変わらない。図１（ａ）（ｂ）において、１は臨界温度以下で電気抵抗が激減する超伝導線材を巻回して構成された超伝導コイル、２は超伝導コイル１を収容した熱遮蔽シールド、３は熱遮蔽シールド２を収容して断熱状態を保つため高真空にされる真空容器、４は例えばＧＭ冷凍機等の４０Ｋと４Ｋの２段のステージを有する冷凍機である。なお、図１（ｂ）中に示すＢは超伝導マグネットが作る磁束である。
【００３９】
次に、５は例えば４０Ｋとなる冷凍機４のファーストステージ、６は例えば４Ｋとなる冷凍機４のセカンドステージであり、７は電流リードであって、７ａは低温側電流リード、７ｂは中間電流リード、７ｃは室温側電流リードである。
【００４０】
さらに、８は中間電流リード７ｂに用いられるフレキシブル（可撓性）でテープ状の高温超伝導電流リード、８ａは少なくとも４０Ｋ以上で１００Ｋ程度（できれば高い材質のものがよい）の温度環境で通電したとしてもジュール熱が発生せず、熱伝導率の小さな第II種の超伝導体であるテープ状の高温超伝導体、９は磁場中に置かれたとき、この磁場の磁束が後述する高温超伝導電流リード８と所定の向きになるように設置できる角度を自在に変更することができる実施の形態１の角度設定熱アンカー、１０は熱伝導体、１０ａはファーストステージ熱アンカーである。
【００４１】
ここで、第II種の超伝導体は第Ｉ種の超伝導体と異なって、外部の磁束が高温超伝導電流リード８の超伝導体内部から排除されることなく、内部へ進入する。また、角度設定熱アンカー９は回動自在の２つのＬ型金具６ａ，６ｂ（後述する）の組合せによって三軸周りに回転でき、高温超伝導体８ａを任意の角度に固定することができる。
【００４２】
さて、実施の形態１の超伝導マグネット装置では、超伝導コイル１は冷凍機４のセカンドステージ６（４Ｋ）によって冷却され、ファーストステージ熱アンカー１０ａは、中間電流リード７ｂによって熱伝導で伝えられた真空容器３の外部からの熱と、中間電流リード７ｂや室温側電流リード７ｃで発生したジュール熱などを、熱伝導体５ａを通して冷凍機４のファーストステージ５（４０Ｋ）に放熱させる。
【００４３】
この高温超伝導体８ａを構成する材料としては、Ｙ，Ｄｙ，Ｇｄなど多数の希土類元素をＲで表わしたとき、ＲＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（δは微少量）と表わされる単結晶の希土類系高温超伝導体（本発明の高温超伝導材料、以下ＲＢＣＯという）が適当であり、薄膜状に基材に蒸着されて形成される。この高温超伝導体８の構成について、図２，３，４，５に基づいて説明する。
【００４４】
そこで、角度設定熱アンカー１０について説明する。図２、図６において、６ａ，６ｂは磁場の方向から決定される所定の方向に高温超伝導体８ａを熱伝導体１０に固定するための例えば銅等の高電導率のＬ型金具であり、１１は低抵抗の銅等の金属から構成された電極端子、１１ａ，１１ｂは電極端子１１と低温側電流リード７ａとを電気的に接続するボルト・ナット等の締結具、１６ａはＬ型金具６ｂを熱伝導体１０から電気的に絶縁し熱的に接触させるための薄い絶縁体、１６ｂは締付具１１ｄを熱伝導体１０から電気的に絶縁するための絶縁体ワッシャ、１２は高温超伝導体８ａと電極端子１１をフラックスを含まないハンダで接合した接合部である。接合部１２は実施の形態１においては金属皮膜２０（後述する）にフラックスを含まないハンダを超音波ハンダゴテで過熱しながら超音波振動を加えて溶着することにより接続される。さらに、１１ｃ，１１ｄはＬ型金具６ａ，６ｂをそれぞれ回動自在に取付け角度を変更して固定できるボルト・ナット等の締結具である。
【００４５】
さらにこの構成を詳細に説明すると、Ｌ型金具６ａの一片は、高温超伝導電流リード８の電極端子１１と締結具１１ｂによって回動可能に軸支固定され、残りの一片がＬ型金具６ｂの一片に締結具１１ｃによって回動自在に固定される。さらに、Ｌ型金具６ｂの残りの一片は締結具１１ｄによってセカンドステージ６に回動可能に軸支固定される。従って、実施の形態１の角度設定熱アンカー１０はＬ型金具６ａ，６ｂという簡単な構成の組合せによって、３軸周りに回動できるため、図６の機能説明図に示すように、３次元的に任意の方向に高温超伝導体８ａを向けて固定することができる。なお、角度設定熱アンカー１０の構成が実施の形態１の構成に限られないのはいうまでもないし、実施の形態１においては角度設定熱アンカー１０は高温超伝導電流リード８の低温端を熱伝導体１０に固定しているが、高温超伝導電流リード８の高温端を熱伝導体５ａに固定する構成でもよいことはいうまでもない。
【００４６】
次に、図２において、１３はネジ止めのための挿通孔であり、１４は冷却時の熱応力やその他の物理力の作用で高温超伝導体８が破壊するのを補強するＦＲＰ等の支持部材、１５は挿通孔１３に挿通させて電極端子１１をその端部で支持部材１４と固定するボルト・ナット等の締結具、１６は電極端子１１と支持部材１４との間に介在される絶縁体のスペーサである。支持部材１４は室温時すなわち最大熱膨張したときに対応して高温超伝導体８の長さを決定する。このとき高温超伝導体８はフレキシブルなテープ状の構造であるため、図３に示すように熱収縮時に自在に変形して応力を分散でき、外部応力や熱サイクルによる熱膨張、収縮を支持部材１４が負担し、これらに対する高温超伝導電流リード８の耐性を増すことができる。なお、図３においては、分かり易くするため高温超電導体８ａの撓みを強調して大きく描いているが、実際には目に見えないくらいに小さい。
【００４７】
次に、図４に基づいて実施の形態１の高温超伝導体８ａの構造について説明する。１７はハステロイ（ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ：登録商標）等のニッケル基の耐熱・耐食合金やステンレス鋼等からなる弾力性を有するテープ状の基材である。これにより高温超伝導体８ａの可撓性が得られる。そして、１８はＲＢＣＯを基材１７上で均一にエピタキシャル成長させるために予め基材１７の法線から２５°〜３０°程度傾けた方向から斜方向蒸着される酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの中間層、１８ａは中間層１８の上に基材１７の面に垂直な方向から蒸着された酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの薄い中間層上皮、１９は中間層上皮１８ａ上に蒸着された高温超伝導薄膜層（本発明の薄膜）、２０は高温超伝導薄膜層１９を電極端子１１に接合させるための銀（Ａｇ）若しくは銅（Ｃｕ）の金属皮膜である。金属皮膜２０は高温超伝導薄膜層１９を安定化し保護するためのものでもある。
【００４８】
実施の形態１の場合、基材１７の厚さは１００μｍ程度、また、中間層１８の厚さは３μｍ、中間層上皮１８ａは０．２μｍ、高温超伝導薄膜層１９の厚さも３μｍ、金属皮膜２０の厚さは１μｍ程度に形成される。なお、中間層１８の配向性の良し悪しは、その上に形成される高温超伝導薄膜１９の結晶の均一性に影響を与える。そのため、中間層１８の配向性を高め結晶の質を良くする目的で、中間層１８を形成する際に斜方向蒸着が採用される。
【００４９】
ところで、高温超伝導電流リード８に上記膨張、収縮に対する耐性を付与するために、実施の形態１の高温超伝導体８ａと支持部材１４の熱膨張率の関係は、支持部材１４の熱膨張率の方が高温超伝導体８ａの熱膨張率よりも大きくなるように形成している。このとき、高温超伝導体８ａは熱収縮したとき自由に撓むことが可能になり、繰り返し熱収縮の作用が加わってもフレキシブルな高温超伝導体８ａがこれを吸収して破壊することはない。また、両側に引張力が作用しても基材１７が引張力を負担し、高温超伝導薄膜層１９に亀裂が生じたりすることはない。
【００５０】
そして、実施の形態１の高温超伝導薄膜層１９と電極端子１１との接合は次のようにして行う。まず、あらかじめ金属皮膜２０と電極端子１１の表面を超音波ハンダゴテを用いてフラックスを含まないハンダで被覆しておく。超音波を加える理由は、金属表面に存在する酸化物を振動により剥ぎ取り、フラックスを用いなくてもハンダを容易に溶着させるためである。次に、電極端子１１と金属皮膜２０のハンダで被覆された面どうしを当接させて加圧しながら熱を加えることで、予め被覆しておいたハンダを溶かし接合する。加圧して過熱するため余分のハンダが押し出され、電極端子１１と金属皮膜２０の間に介在する電気抵抗の大きなハンダが最少になり、電気抵抗の小さな接合ができる。高温超伝導薄膜層１９と電極端子１１をフラックスを含むハンダで接合した場合には、フラックスがＲＢＣＯの内部に拡散して腐食が進むため時間が経過すると接合が剥れてしまう。銀等の金属皮膜２０と電極端子１１を前記方法で接合した場合、高温超伝導薄膜層１９が腐食されることはなく、接合部１２の抵抗値を低レベル、少なくとも０．１μΩ以下に保つことができる。
【００５１】
このように実施の形態１の高温超伝導電流リード８は、セラミックの一般的な特性としての脆さを有すものではなく、外部応力や熱サイクルによる膨張、収縮に対して耐性を有し、繰り返して応力が加わっても、撓むことで力を分散し、長期間にわたって使用することができる。また、通電したとき接合部１２でジュール熱を発生することがないし、劣化した高温超伝導薄膜層１９からジュール熱を発生することはなく、クエンチの可能性を減らすことができる。
【００５２】
また、高温超伝導体の破壊を免れさせるために、従来のようにエポキシ樹脂等で周囲を固めるのではなく、フレキシブルなテープ状の構造を採用して周囲に露出されているために、破壊するようなことはなく、簡単な構成で臨界電流を増大させることができる。
【００５３】
続いて、本発明の実施の形態１における高温超伝導体８ａの高温超伝導薄膜層１９の配向性と臨界電流密度Ｊｃの関係、さらにはこの臨界電流密度を増加し、最大にする方法について説明する。
【００５４】
図５（ａ）は流す電流に垂直な面で切ったときの超伝導リードの断面を示す。すなわち、電流は紙面を貫く方向に流れる。さて、実施の形態１では、図５（ａ）に示すように高温超伝導体８ａの基材１７に対して傾斜角φの方向に磁場を印加するものとする。温度は一例であるが７０Ｋ、磁束密度は１Ｔ程度である。このとき、高温超伝導薄膜層１９の結晶構造はｃ軸が基材１７の法線ｎ（基材１７表面と垂直な方向）に対して角度αだけ傾いて配向された構造となっている。すなわち、ＲＢＣＯの結晶のａ−ｂ平面とこれと等価なミラー指数｛００１｝面は基材１７に対して角度αだけ傾斜している。この理由は、中間層１８の結晶軸が斜方向蒸着によって傾いて形成されるので、その影響を受けるためである。
【００５５】
臨界電流密度Ｊｃは温度、磁束密度、磁場の印加角度の関数であるが、いま、温度を７０Ｋ、磁束密度を１Ｔに設定し、印加する磁場の方向、すなわち傾斜角φを変化させたときの臨界電流密度Ｊｃの変化を図５（ｂ）に示す。
【００５６】
図５（ｂ）は、ｃ軸が法線から角度α、言い換えればａ−ｂ平面が基材１７の表面から角度αだけ傾いて配向した結晶からなるＲＢＣＯに対する臨界電流密度のグラフで、このαと同一角度（傾斜角φ＝α）で磁場が高温超伝導電流リード８に印加されたときに、臨界電流密度が最大となることを示している。このような配向角度αは経験的に５°〜３０°のときに良好な結晶になることが知られており、おおむね１５°近傍で最も良好な結晶が得られている。磁場の印加角度を配向角度に一致させることで、高温超伝導電流リード８の臨界電流密度を容易に最大化させることができる。最適磁場印加角度は、サンプルによって多少の違いがあるが、おおむね１５°となる。
【００５７】
図５（ｂ）は、磁場の方向が基材１７に対して＋９０°または−９０°のとき、すなわち基材１７に対して垂直に磁束が透過するときにも臨界電流密度がピークになることを示している。しかも、このピークはブロードであるため、多少の角度設定誤差があってもあまり問題とはならない。従って、最も適した設定角度条件は磁束がｃ軸に垂直になるように高温超伝導リードを配置することであるが、２番目に適した設定角度条件は磁束が基材面に対して垂直になるように高温超伝導リードを配置することである。
【００５８】
なお、このようにＲＢＣＯを基材１７上で角度αの配向性を与えるには、図示はしないが、まず中間層１８をレーザー蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタなどの蒸着によって形成し、更にこの中間層１８上で同じレーザー蒸着、電子ビーム蒸着、抵抗体加熱蒸着、スパッタなどの蒸着によってＲＢＣＯを角度αの方向にエピタキシャル成長させればよい。なお、この上に金属皮膜２０を更に蒸着する。
【００５９】
具体的に説明すると、蒸着源となるターゲットと、このターゲットから所定の方向に基材１７を傾斜配置する。このターゲットに対してレーザーや電子・イオン等のビームを照射し、この照射でＭｇＯ等を放出し基材１７上に斜方向蒸着する。このときＭｇＯ等は傾斜した方向に成長する。その後、このＭｇＯ等の上に基材面に対して垂直方向からＭｇＯ等の上皮層（中間層上皮１８ａ）を形成する。さらに、Ｒ，Ｂａ，Ｃｕの元素を加熱蒸着し、酸素雰囲気中で加熱して酸化させＲＢＣＯ膜が形成される。最後に、金属皮膜を加熱蒸着する。この際、下地の中間層１８の配向角によって最終的にＲＢＣＯの配向性が決定される。
【００６０】
従って、臨界電流密度を最大とするためには、ＲＢＣＯとＭｇＯなどに対して、この組合せで形成される薄膜が高い均一性を示す構造となる配向角度αを予め求めておき、この方向に配向すべくＲＢＣＯの薄膜を形成し、この薄膜が形成された基材１７に対して傾斜角αで磁場を印加、言い換えればＲＢＣＯのｃ軸に垂直に磁場を印加すればよいことが分かる。
【００６１】
続いて、図７に基づいて高温超伝導体８ａを２組配列したときの構造の説明を行う。図６の高温超伝導電流リード８の断面は図２に示したとおりである。図７の高温超伝導電流リード８の場合、電極端子１１の表裏に高温超伝導体８ａが合計４本ハンダ接合されている。電極端子１１の表と裏の２本が対応して配置されており、これが１対の高温超伝導体８ａとなる。この高温超伝導電流リード８を２組配列することで臨界電流を１本の場合の４倍まで増加ことができる。組数は３組以上自在に増すことが可能である。なお、スペーサ１６を配置して支持部材１４を固定するため、電極端子１１全体を薄くすることができ、平板であるため加工が容易になる。詳細は図２〜図６で説明したとおりである。なお、リード配設装置６ａは図示していない。
【００６２】
このように実施の形態１の高温超伝導電流リードは、外部応力や熱サイクルによる膨張、収縮に対して耐性があり、臨界電流密度を向上することができ、端子を接続するとき高温超伝導体を損傷することが少ない。また、きわめて容易に高温超伝導電流リードの臨界電流密度を向上させることができる。
【００６３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における高温超伝導電流リードについて図８、図９に基づいて説明する。図８は本発明の実施の形態２における高温超伝導電流リードを３組配列したときの一部破砕斜視図、図９は図８の高温超伝導電流リードの要部のＸ−Ｘ断面図である。臨界電流密度を向上させる方法の詳細は実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。また、実施の形態１と実施の形態２とは基本的構成が同一であり、同一符号は同一の構成を意味するから、詳細は実施の形態１に譲って省略する。
【００６４】
実施の形態２の高温超伝導電流リード８は、実施の形態１のスペーサ１６を省き、電極端子１１の表裏に高温超伝導体８ａを合計６本ハンダ接合したものである。図８、図９において、Ｓは電極端子１１の一端側に形成された薄板部である。電極端子１１はそれぞれの薄板部Ｓを対向させて、１対配置され、この薄板部Ｓに高温超伝導体８ａが表裏１対ずつ、合計３組並行に並べて配置される。
【００６５】
このように高温超伝導電流リード８を３組配列することで臨界電流を１本の場合の６倍の大電流を流すことができる。また、スペーサ１６を除いたため部品点数が少なくなり、組立が容易になる。詳細は実施の形態１で説明したとおりである。組数は自在に増すことが可能である。
【００６６】
このように実施の形態２の高温超伝導電流リードは、外部応力や熱サイクルによる膨張、収縮に対して耐性があり、臨界電流密度を増すことができ、端子を接続するとき高温超伝導体を損傷することが少ない。また、きわめて容易に高温超伝導電流リードの臨界電流密度を最大化することができる。
【００６７】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における高温超伝導電流リードと臨界電流密度増加方法について図１０に基づいて説明する。超伝導マグネット装置が核融合炉のような大電流を必要とする場合の高温超伝導リードである。図１０（ａ）は本発明の実施の形態３における高温超伝導電流リードの角度設定熱アンカーの斜視図、図１０（ｂ）は（ａ）の高温超伝導電流リードと高温超伝導リードに流れる電流が作る磁束Ｂの関係図である。なお、図１０（ｂ）は核融合炉の平面図上での磁束Ｂと高温超伝導電流リードの関係を示す。臨界電流密度を向上させる方法の詳細は実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。また、実施の形態１，２と実施の形態３とは基本的構成が同一であり、同一符号は同一の構成を意味するから、詳細は実施の形態１，２に譲って省略する。
【００６８】
超伝導マグネット装置がトカマク型核融合炉のような場合には、４５０００Ａ〜６８０００Ａの電流を流さなければならない。高温超伝導電流リードも、テープ状Ｂｉ系超伝導体６枚をスタックしたものが並列に４８本必要になると予想されている。このように大電流が必要とされ、超伝導マグネット装置に多数の高温超伝導電流リードが必要になるのは、核融合炉に限らず、磁気浮上装置、物性研究用、その他でも同様である。
【００６９】
さて、このような大電流を流す場合、電流リードに流れる電流自体が作る大きな磁場が高温超伝導電流リード８に多大な影響を与えるようになる。この場合、電流が作る磁束線は、図１０のＢで表されるような閉じた円になる。この円と基材１７のなす角がαとなるように超伝導電流リードを配置すれば、磁束線がｃ軸と直行する方向に高温超電導体８ａを透過するため、臨界電流密度は最大になる。
【００７０】
以下、実施の形態３の構成を説明する。図１０（ａ）（ｂ）において、１０ｂは核融合炉に設置する高温超伝導電流リード８を所定の方向に設定してヘリウムガスで５０Ｋ程度に冷却された銅製の室温側電流リードに接続するための角度設定熱アンカーである。
【００７１】
磁界の方向が各高温超伝導電流リード８ごとに異なるため、角度設定熱アンカー１０ｂはラチェットギヤ状の多数の突部をもつ歯形形状をしており、所定ピッチで設けられた突部の傾斜面に高温超伝導電流リード８を取り付ける。この高温超伝導電流リード８が取り付けられる傾斜面の設置角度は、磁束Ｂの方向と交角φ=配向角度αで交わるように設定される。なお、交角φ=配向角度αで交われば必ずしも各高温超伝導電流リード８の配置は等ピッチである必要はない。また、図１０（ｂ）では高温超伝導リード８を９本用いているが、本数を自在に増減してもよいし、高温超伝導リード８は図８のように高温超伝導体８ａを複数組配列したものでもよいことはいうまでもない。
【００７２】
このように実施の形態３の高温超伝導電流リードは、大電流を流す必要がある核融合炉のような超電流マグネット装置に対しても、外部応力や熱サイクルによる膨張、収縮に対して耐性を付与し、臨界電流密度を増すことができ、端子を接続するとき高温超伝導体を損傷することが少ない。また、きわめて容易に臨界電流密度を最大化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、超電流マグネット装置の高温超伝導電流リードに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードが設けられた超伝導マグネット装置の全体概念図、（ｂ）（ａ）の超伝導マグネット装置の超伝導コイル付近の拡大概念図
【図２】図２は本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードを１組配列したときの第１の断面図
【図３】図２の高温超伝導電流リードの要部斜視図
【図４】本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードの高温超伝導体の断面図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードの結晶軸と印加される磁束Ｂの関係図、（ｂ）温度７０Ｋ、磁束密度１Ｔの条件下で（ａ）の高温超伝導電流リードに対して傾斜角φで磁場を印加したときの臨界電流密度Ｊｃのグラフ
【図６】本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードの角度設定熱アンカーの機能説明図
【図７】本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードを２組配列したときの第２の断面図
【図８】本発明の実施の形態２における高温超伝導電流リードを３組配列したときの一部破砕斜視図
【図９】図８の高温超伝導電流リードの要部のＸ−Ｘ断面図
【図１０】（ａ）本発明の実施の形態３における高温超伝導電流リードの角度設定熱アンカーの斜視図、（ｂ）（ａ）の高温超伝導電流リードと高温超伝導リードに流れる電流が作る磁束Ｂの関係図
【図１１】（ａ）従来の高温超伝導電流リードが設けられた超伝導マグネット装置の全体概念図、（ｂ）（ａ）の超伝導マグネット装置の超伝導コイル付近の拡大概念図
【図１２】従来の超伝導電流リードの断面図
【符号の説明】
【００７５】
１，１０１ 超伝導コイル
１ａ，１０１ａ 超伝導コイル巻回端
２，１０２ 熱遮蔽シールド
３，１０３ 真空容器
４，１０４ 冷凍機
５，１０５ ファーストステージ
６，１０６ セカンドステージ
６ａ，１０６ａ フレキシブル熱伝導体
６ａ，６ｂ Ｌ型金具
７，１０７ 電流リード
７ａ，１０７ａ 低温側電流リード
７ｂ，１０７ｂ 中間電流リード
７ｃ，１０７ｃ 室温側電流リード
８，１０８ 高温超伝導電流リード
８ａ，１０８ａ 高温超伝導体
９，１０ｂ 角度設定熱アンカー
１０，１１０ 熱伝導体
１０ａ，１１０ａ ファーストステージ熱アンカー
１１ 電極端子
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１５ 締結具
１２ 接合部
１３ 挿通孔
１４ 支持部材
１６ スペーサ
１６ａ 薄い絶縁体
１６ｂ 絶縁体ワッシャ
１７ 基材
１８ 中間層
１８ａ 中間層上皮
１９ 高温超伝導薄膜層
２０ 金属皮膜
１０５ａ 熱伝導体
１０９ セカンドステージ熱アンカー
１１１ 酸化物超伝導体
１１２ 電極端子
１１３ 絶縁材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温超伝導電流リードと、高温超伝導電流リードの臨界電流密度増加方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、極低温に冷却された超伝導コイルと室温の電源とを電気的に接続した超伝導マグネット装置がクライオスタットなどに用いられている。図１１（ａ）に従来の高温超伝導電流リードが設けられた超伝導マグネット装置の全体概念図、図１１（ｂ）は（ａ）の超伝導マグネット装置の超伝導コイル付近の拡大概念図を示す。
【０００３】
この従来の超伝導マグネット装置は、臨界温度以下で電気抵抗がゼロになる超伝導線材を巻回して構成された超伝導コイル１０１を収容した熱遮蔽シールド１０２と、この熱遮蔽シールド１０２を収容すると共に、断熱状態を保つため真空ポンプで内部を高真空にされる真空容器１０３、さらにはＧＭ冷凍機等の冷凍機１０４から構成されている。
【０００４】
超伝導コイル１０１は、例えば２段のステージを有する冷凍機１０４のセカンドステージ１０６（４Ｋ）によって、フレキシブル熱伝導体１０６ａおよび熱伝導体１１０を介して冷却される。超伝導コイル１０１に電流を供給する電流リード１０７は、外部の室温側電流リード１０７ｃが外部から真空空間に導入され、真空容器１０３内に導入された電流リード１０７は、中間電流リード１０７ｂと低温側電流リード１０７ａに区分され、その間にセカンドステージ熱アンカー１０９とファーストステージ熱アンカー１１０ａが設置される。
【０００５】
セカンドステージ熱アンカー１０９は、熱伝導体１１０から電気的には絶縁されているが熱的には接続されていて、中間電流リード１０７ｂで発生したジュール発熱および低温側リード１０７ａを通して侵入する伝導熱を吸収し、熱伝導体１１０に放熱する役割を果たしている。熱伝導体１１０は、フレキシブル熱伝導体１０６ａを通してセカンドステージ１０６に熱接触しているため、侵入熱をセカンドステージ１０６に排熱して約４Ｋに保たれる。
【０００６】
同様に、ファーストステージ熱アンカー１１０ａも熱伝導体１０５ａから電気的には絶縁されているが熱的には接続されていて、中間電流リード１０７ｂによって熱伝導で侵入する真空容器１０３の外部からの熱と、中間電流リード１０７ｂや室温側電流リード１０７ｃで発生したジュール熱などを、熱伝導体１０５ａ（４０Ｋ）に放熱する役目を果たしている。熱伝導体１０５ａは、ファーストステージ１０５に熱接触しているため、侵入熱をファーストステージ１０５に排熱して約４０Ｋに保たれる。
【０００７】
ところで、一般的な金属を使用した場合中間電流リード１０７ｂには上述したようにジュール熱が発生し、また外部の熱を低温側電流リード１０７ａ側へ良好に熱伝導する。しかし、この装置では高温超伝導体１０８ａを備えた高温超伝導電流リード１０８が使用されるため８０Ｋ程度以下の温度環境で通電すればジュール熱が発生せず、しかも外部の熱をほとんど熱伝導しない。
【０００８】
この高温超伝導体１０８ａとしては希土類系高温超伝導体などが使用され、従来、バルク材を薄く切り出したものや、銀シース線材などが使われてきたが、今後は薄膜状高温超伝導体が最も優れた材料として有力視されている。なお、この希土類系高温超伝導体は、Ｙ，Ｄｙ，Ｇｄなど多数の希土類元素をＲで表わすと、ＲＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（δは微少量）と表わされる物質（以下、ＲＢＣＯという）である。銀シース線材はＲＢＣＯの粉やＢｉ系超伝導体を銀合金のチューブに容れて扁平化したものである。また、薄膜状高温超伝導体はＲＢＣＯを真空蒸着法を用いて薄膜状に製作したものであり、コーテッドコンダクタ（Coated Conductor）と呼ばれることがある。
【０００９】
さて、高温超伝導体１０８ａは、磁場環境におかれたとき臨界電流密度Ｊｃが低下することが知られている。従来の超伝導マグネット装置においては、中間電流リード１０７ｂに問題視しなければならないほどの漏洩磁場がかかるようなことはなかった。しかし、磁場の強さが増すと、中間電流リード１０７ｂの高温側の条件は厳しくなる。
【００１０】
このため、強磁場化に伴い、電流リードに作用する大きな漏洩磁場下において、この電流リードの臨界電流密度低下を防止する臨界電流密度低下防止方法と、これに使用する磁気シールド体が提案された（特許文献１参照）。
【００１１】
特許文献１の超伝導マグネット装置では、酸化物超伝導電流リードを酸化物高温超伝導体材料からなる磁気シールド体でシールドし、該シールド体を極低温に冷却することにより酸化物超伝導電流リードの臨界電流密度の低下を防止する。また、磁気シールド筒体の内外両表面に銀を溶射し、銀の薄膜層を形成させることによりシールド体の冷却効率を向上させるものである。
【００１２】
しかし、この特許文献１の臨界電流は２００Ａ程度にすぎない。例えば超伝導コイルが作る磁場でプラズマを閉じ込めて核融合させるトカマク型核融合炉のような場合には、４５０００Ａ〜６８０００Ａの電流を流さなければならない。電流リードも４２本必要になると予想されている（非特許文献１参照）。しかも、このような大電流を流す超伝導マグネット装置は核融合炉の磁気閉じ込め装置に限られない。磁気浮上装置、物性研究用、その他の用途でも同様である。
【００１３】
また、超伝導電流リード自体の構造の改善も試みられている。超伝導機器の運転時に発生する熱収縮や電磁力などによる負荷に対して、十分な機械強度を持たせられるように、また低抵抗金属導体と酸化物超伝導体との接続部分で発生する発熱を抑えるために、改良技術が提案された（特許文献２参照）。図１２は従来の超伝導電流リードの断面図である。
【００１４】
特許文献２の超伝導電流リードは、図１２に示すように複数枚の板状の酸化物超伝導体１１１を間隙を隔てて平行状態に配置し、且つ各酸化物超伝導体の両端を低抵抗金属製の電極端子１１２に接続する。さらに隙間及び酸化物超伝導体の周囲をエポキシ樹脂等の絶縁材１１３で充填するものである。
【００１５】
なお、このほかの技術情報として、従来臨界電流密度がコーテッドコンダクタと磁束の方向に対して角度依存性を有することも報告されている（非特許文献２参照）。
【００１６】
【特許文献１】特開２００１−２７４４６８号公報
【特許文献２】特開２００６−２６９１８４号公報
【非特許文献１】日本原子力研究所、「“高温超伝導体を用いた６万アンペア電流リードの開発に成功−世界最高の電流値を達成しＩＴＥＲでの使用に目処−”２００３年８月２８日公開情報」添付資料−１、［オンライン］、平成１９年３月７日検索、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.jaeri.go.jp/jpn/open/press/2003/030828/fig01.html＞
【非特許文献２】W. Prusseit, et al.、“Reel to Reel Coated Conductor Fabrication by Evaporation” 、THEVA-Literature database2005［オンライン］、平成１９年３月１３日検索、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.theva.com/downloads/ldb/MT19.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
以上説明したように、高温超伝導体は、磁場環境におかれたとき臨界電流密度が低下する。中間電流リードに問題となるほどの漏洩磁場が印加されるようなことは従来あまり例がなかった。しかし、装置からの漏洩磁場が大きくなると、この磁場に無関心では中間電流リードの臨界電流密度が低下してしまう。
【００１８】
この点、特許文献１の超伝導マグネット装置は、酸化物超伝導電流リードを酸化物高温超伝導体材料からなる磁気シールド体でシールドし、このシールド体を極低温に冷却することによって酸化物超伝導電流リードの臨界電流密度の低下を防止する。また、磁気シールド筒体の内外両表面に銀の薄膜層を形成させることによりシールド体の冷却効率を向上させる。
【００１９】
しかし、非特許文献１のような大電流が必要となる超伝導マグネット装置においては、高温超伝導体の電流リードを流れる電流自身の作る磁場によって超伝導状態が崩れてクエンチしてしまう。従って、高温超伝導電流リードでの臨界電流密度の低下防止はシールド体だけでは達成が難しく、逆に増加させたり、最大化させたりすることはできない。シールド体だけを備えた電流リードでは、発熱によって異常な温度上昇をきたし、場合によっては焼き切れてしまう。しかもシールド体を存在させるために真空容器のコンパクトさが損なわれ、部品点数が増え、断熱すべき表面積を増大させることも無視できない。
【００２０】
また、従来一般的にセラミックの高温超伝導体は、脆くてひび割れし易く、扱い辛いものである。この点特許文献２の酸化物超伝導電流リードは、酸化物超伝導体全体が板バネ構成になり、並列設置方向の弾性率が高くなって剛性を向上させることができる。しかし、エポキシ樹脂等の絶縁体で覆うため、熱サイクルを繰り返した場合、超伝導体とエポキシ樹脂との熱膨張率の違いによって界面での劣化の問題が発生しやすく、扱い易さにも越えることのできない限界がある。
【００２１】
そこで、本発明は、外部応力や熱サイクルによる膨張、収縮に対して耐性があり、臨界電流密度を増すことができ、端子を接続するとき高温超伝導体を損傷することが少ない高温超伝導電流リードと、高温超伝導電流リードの臨界電流密度増加方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、基材を有し該基材面に高温超伝導材料の薄膜が形成され、且つ該薄膜に金属皮膜が被覆された可撓性でテープ状の高温超伝導体と、金属皮膜によって高温超伝導体に接合された1対の電極端子と、電極端子のそれぞれに固定され高温超伝導体を補強する支持部材とを備えた高温超伝導電流リードであって、高温超伝導材料の結晶のｃ軸が基材の法線に対して所定の配向角度で配向されていることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の高温超伝導リードの臨界電流密度増加方法は、高温超伝導材料の結晶のｃ軸を基材表面の法線に対して所定の角度だけ配向させた薄膜を有する高温超伝導リードを形成し、磁場の磁束を結晶のｃ軸に垂直または基材に垂直な角度で交差する方向に印加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の高温超伝導電流リードは、外部応力や熱サイクルによる膨張、収縮に対して耐性があり、高温超伝導電流リードの臨界電流密度を増すことができ、端子を接続するときに外部応力によって高温超伝導体を損傷することが少ない。さらに超伝導コイル装置をコンパクトにすることができる。
【００２５】
また、本発明の高温超伝導電流リードの臨界電流密度増加方法は、高温超伝導電流リードの臨界電流密度を容易に最大化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の第１の形態は、基材を有し該基材面に高温超伝導材料の薄膜が形成され、且つ該薄膜に金属皮膜が被覆された可撓性でテープ状の高温超伝導体と、金属皮膜によって高温超伝導体に接合された1対の電極端子と、電極端子のそれぞれに固定され高温超伝導体を補強する支持部材とを備えた高温超伝導電流リードであって、高温超伝導材料の結晶のｃ軸が基材面に対して所定の角度で配向されていることを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、高温超伝導電流リードの臨界電流密度を増すことができ、端子を接続するとき高温超伝導体を損傷することが少ない。さらに超伝導コイル装置をコンパクトにすることができる。
【００２７】
本発明の第２の形態は、第１の形態に従属する形態であって、支持部材の熱膨張率が高温超伝導体の熱膨張率より大きいことを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、室温時すなわち最大膨張時に支持部材の長さを高温超伝導体の長さにしておけば、極低温にしたとき支持部の方が高温超電導体よりも多く収縮するため、高温超伝導体はフレキシブルに変形して応力を分散でき、外部応力や熱サイクルによる膨張、収縮に対して耐性を与えることができる。
【００２８】
本発明の第３の形態は、第１または第２の形態に従属する形態であって、磁場中に置かれたとき、該磁場の磁束がｃ軸に対して垂直となる向きに高温超伝導体の基材を設置する角度設定熱アンカーを備えたことを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、高温超伝導電流リードの臨界電流密度を最大化することができる。
【００２９】
本発明の第４の形態は、第１または第２の形態に従属する形態であって、磁場中に置かれたとき、該磁場の磁束が高温超電導体の基材に垂直となる向きに高温超伝導体の基材を設置する角度設定熱アンカーを備えたことを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、高温超伝導電流リードの臨界電流密度を極大化することができる。
【００３０】
本発明の第５の形態は、第１乃至第３の何れかの形態に従属する形態であって、高温超伝導材料がＲＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（δは微少量であり、Ｒは希土類元素）で表わされる希土類系高温超伝導体であることを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、ｃ軸を所定の角度だけ配向させた高温超伝導材料の薄膜を容易に形成することができる。
【００３１】
本発明の第６の形態は、第１乃至第４の何れかの形態に従属する形態であって、ｃ軸の配向角度が５°〜３０°の範囲であることを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、この配向角度の範囲にあれば、高温超伝導電流リードの臨界電流密度を容易に増すことができる。
【００３２】
本発明の第７の形態は、第３または第４の形態に従属する形態であって、角度設定熱アンカーがラチェットギヤ状の外周形状を備え、該外周形状の傾斜面に沿って高温超伝導体が配置されることを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、複数の高温超伝導体を配設しなければならない超伝導マグネット装置の構成をコンパクトにすることができ、全体の臨界電流密度を簡単に最大化することができる。
【００３３】
本発明の第８の形態は、第１乃至第７の何れかの形態に従属する形態であって、電極端子の表裏に配置する１対を１組として高温超伝導体が複数組設けられたことを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、高温超伝導電流リードの構成をコンパクトにすることができ、大電流を流すことができる。
【００３４】
本発明の第９の形態は、第１乃至第８の何れかの形態に従属する形態であって、高温超伝導体の端部の金属皮膜と電極端子とがフラックスを含まないハンダで接合されたことを特徴とする高温超伝導電流リードである。この構成によって、高温超伝導材料を腐食することがなく、長期間劣化しない接合ができる。
【００３５】
本発明の第１０の形態は、高温超伝導材料の結晶のｃ軸を基材表面の法線に対して所定の角度だけ配向させた薄膜を有する高温超伝導リードを形成し、磁場の磁束を結晶のｃ軸に垂直な方向方向に印加することを特徴とする高温超伝導リードの臨界電流密度増加方法である。この構成によって、高温超伝導電流リードの臨界電流密度を容易に最大化することができる。
【００３６】
本発明の第１１の形態は、高温超伝導材料の結晶のｃ軸を基材表面の法線に対して所定の角度だけ配向させた薄膜を有する高温超伝導リードを形成し、磁場の磁束を基材面に垂直な方向に印加することを特徴とする高温超伝導リードの臨界電流密度増加方法である。この構成によって、高温超伝導電流リードの臨界電流密度を容易に極大化することができる。
【００３７】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードと臨界電流密度増加方法について説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードが設けられた超伝導マグネット装置の全体概念図、図１（ｂ）は（ａ）の超伝導マグネット装置の超伝導コイル付近の拡大概念図、図２は本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードを１組配列したときの第１の断面図、図３は図２の高温超伝導電流リードの要部斜視図、図４は本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードの高温超伝導体の断面図、図５（ａ）は本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードの結晶軸と印加される磁場の関係図、図５（ｂ）は温度７０Ｋ、磁束密度１Ｔの条件下で（ａ）の高温超伝導電流リードに対して傾斜角φで磁場を印加したときの臨界電流密度Ｊｃのグラフ、図６は本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードの角度設定熱アンカーの機能説明図、図７は本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードを２組配列したときの第２の断面図である。
【００３８】
まず、図１（ａ）（ｂ）に基づいて、実施の形態１における高温超伝導電流リードが設けられた超伝導マグネット装置について説明する。従来の超伝導マグネット装置の構成と基本的には変わらない。図１（ａ）（ｂ）において、１は臨界温度以下で電気抵抗が激減する超伝導線材を巻回して構成された超伝導コイル、２は超伝導コイル１を収容した熱遮蔽シールド、３は熱遮蔽シールド２を収容して断熱状態を保つため高真空にされる真空容器、４は例えばＧＭ冷凍機等の４０Ｋと４Ｋの２段のステージを有する冷凍機である。なお、図１（ｂ）中に示すＢは超伝導マグネットが作る磁束である。
【００３９】
次に、５は例えば４０Ｋとなる冷凍機４のファーストステージ、６は例えば４Ｋとなる冷凍機４のセカンドステージであり、７は電流リードであって、７ａは低温側電流リード、７ｂは中間電流リード、７ｃは室温側電流リードである。
【００４０】
さらに、８は中間電流リード７ｂに用いられるフレキシブル（可撓性）でテープ状の高温超伝導電流リード、８ａは少なくとも４０Ｋ以上で１００Ｋ程度（できれば高い材質のものがよい）の温度環境で通電したとしてもジュール熱が発生せず、熱伝導率の小さな第II種の超伝導体であるテープ状の高温超伝導体、９は磁場中に置かれたとき、この磁場の磁束が後述する高温超伝導電流リード８と所定の向きになるように設置できる角度を自在に変更することができる実施の形態１の角度設定熱アンカー、１０は熱伝導体、１０ａはファーストステージ熱アンカーである。
【００４１】
ここで、第II種の超伝導体は第Ｉ種の超伝導体と異なって、外部の磁束が高温超伝導電流リード８の超伝導体内部から排除されることなく、内部へ進入する。また、角度設定熱アンカー９は回動自在の２つのＬ型金具６ａ，６ｂ（後述する）の組合せによって三軸周りに回転でき、高温超伝導体８ａを任意の角度に固定することができる。
【００４２】
さて、実施の形態１の超伝導マグネット装置では、超伝導コイル１は冷凍機４のセカンドステージ６（４Ｋ）によって冷却され、ファーストステージ熱アンカー１０ａは、中間電流リード７ｂによって熱伝導で伝えられた真空容器３の外部からの熱と、中間電流リード７ｂや室温側電流リード７ｃで発生したジュール熱などを、熱伝導体５ａを通して冷凍機４のファーストステージ５（４０Ｋ）に放熱させる。
【００４３】
この高温超伝導体８ａを構成する材料としては、Ｙ，Ｄｙ，Ｇｄなど多数の希土類元素をＲで表わしたとき、ＲＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（δは微少量）と表わされる単結晶の希土類系高温超伝導体（本発明の高温超伝導材料、以下ＲＢＣＯという）が適当であり、薄膜状に基材に蒸着されて形成される。この高温超伝導体８の構成について、図２，３，４，５に基づいて説明する。
【００４４】
そこで、角度設定熱アンカー１０について説明する。図２、図６において、６ａ，６ｂは磁場の方向から決定される所定の方向に高温超伝導体８ａを熱伝導体１０に固定するための例えば銅等の高電導率のＬ型金具であり、１１は低抵抗の銅等の金属から構成された電極端子、１１ａ，１１ｂは電極端子１１と低温側電流リード７ａとを電気的に接続するボルト・ナット等の締結具、１６ａはＬ型金具６ｂを熱伝導体１０から電気的に絶縁し熱的に接触させるための薄い絶縁体、１６ｂは締付具１１ｄを熱伝導体１０から電気的に絶縁するための絶縁体ワッシャ、１２は高温超伝導体８ａと電極端子１１をフラックスを含まないハンダで接合した接合部である。接合部１２は実施の形態１においては金属皮膜２０（後述する）にフラックスを含まないハンダを超音波ハンダゴテで過熱しながら超音波振動を加えて溶着することにより接続される。さらに、１１ｃ，１１ｄはＬ型金具６ａ，６ｂをそれぞれ回動自在に取付け角度を変更して固定できるボルト・ナット等の締結具である。
【００４５】
さらにこの構成を詳細に説明すると、Ｌ型金具６ａの一片は、高温超伝導電流リード８の電極端子１１と締結具１１ｂによって回動可能に軸支固定され、残りの一片がＬ型金具６ｂの一片に締結具１１ｃによって回動自在に固定される。さらに、Ｌ型金具６ｂの残りの一片は締結具１１ｄによってセカンドステージ６に回動可能に軸支固定される。従って、実施の形態１の角度設定熱アンカー１０はＬ型金具６ａ，６ｂという簡単な構成の組合せによって、３軸周りに回動できるため、図６の機能説明図に示すように、３次元的に任意の方向に高温超伝導体８ａを向けて固定することができる。なお、角度設定熱アンカー１０の構成が実施の形態１の構成に限られないのはいうまでもないし、実施の形態１においては角度設定熱アンカー１０は高温超伝導電流リード８の低温端を熱伝導体１０に固定しているが、高温超伝導電流リード８の高温端を熱伝導体５ａに固定する構成でもよいことはいうまでもない。
【００４６】
次に、図２において、１３はネジ止めのための挿通孔であり、１４は冷却時の熱応力やその他の物理力の作用で高温超伝導体８が破壊するのを補強するＦＲＰ等の支持部材、１５は挿通孔１３に挿通させて電極端子１１をその端部で支持部材１４と固定するボルト・ナット等の締結具、１６は電極端子１１と支持部材１４との間に介在される絶縁体のスペーサである。支持部材１４は室温時すなわち最大熱膨張したときに対応して高温超伝導体８の長さを決定する。このとき高温超伝導体８はフレキシブルなテープ状の構造であるため、図３に示すように熱収縮時に自在に変形して応力を分散でき、外部応力や熱サイクルによる熱膨張、収縮を支持部材１４が負担し、これらに対する高温超伝導電流リード８の耐性を増すことができる。なお、図３においては、分かり易くするため高温超電導体８ａの撓みを強調して大きく描いているが、実際には目に見えないくらいに小さい。
【００４７】
次に、図４に基づいて実施の形態１の高温超伝導体８ａの構造について説明する。１７はハステロイ（ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ：登録商標）等のニッケル基の耐熱・耐食合金やステンレス鋼等からなる弾力性を有するテープ状の基材である。これにより高温超伝導体８ａの可撓性が得られる。そして、１８はＲＢＣＯを基材１７上で均一にエピタキシャル成長させるために予め基材１７の法線から２５°〜３０°程度傾けた方向から斜方向蒸着される酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの中間層、１８ａは中間層１８の上に基材１７の面に垂直な方向から蒸着された酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの薄い中間層上皮、１９は中間層上皮１８ａ上に蒸着された高温超伝導薄膜層（本発明の薄膜）、２０は高温超伝導薄膜層１９を電極端子１１に接合させるための銀（Ａｇ）若しくは銅（Ｃｕ）の金属皮膜である。金属皮膜２０は高温超伝導薄膜層１９を安定化し保護するためのものでもある。
【００４８】
実施の形態１の場合、基材１７の厚さは１００μｍ程度、また、中間層１８の厚さは３μｍ、中間層上皮１８ａは０．２μｍ、高温超伝導薄膜層１９の厚さも３μｍ、金属皮膜２０の厚さは１μｍ程度に形成される。なお、中間層１８の配向性の良し悪しは、その上に形成される高温超伝導薄膜１９の結晶の均一性に影響を与える。そのため、中間層１８の配向性を高め結晶の質を良くする目的で、中間層１８を形成する際に斜方向蒸着が採用される。
【００４９】
ところで、高温超伝導電流リード８に上記膨張、収縮に対する耐性を付与するために、実施の形態１の高温超伝導体８ａと支持部材１４の熱膨張率の関係は、支持部材１４の熱膨張率の方が高温超伝導体８ａの熱膨張率よりも大きくなるように形成している。このとき、高温超伝導体８ａは熱収縮したとき自由に撓むことが可能になり、繰り返し熱収縮の作用が加わってもフレキシブルな高温超伝導体８ａがこれを吸収して破壊することはない。また、両側に引張力が作用しても基材１７が引張力を負担し、高温超伝導薄膜層１９に亀裂が生じたりすることはない。
【００５０】
そして、実施の形態１の高温超伝導薄膜層１９と電極端子１１との接合は次のようにして行う。まず、あらかじめ金属皮膜２０と電極端子１１の表面を超音波ハンダゴテを用いてフラックスを含まないハンダで被覆しておく。超音波を加える理由は、金属表面に存在する酸化物を振動により剥ぎ取り、フラックスを用いなくてもハンダを容易に溶着させるためである。次に、電極端子１１と金属皮膜２０のハンダで被覆された面どうしを当接させて加圧しながら熱を加えることで、予め被覆しておいたハンダを溶かし接合する。加圧して過熱するため余分のハンダが押し出され、電極端子１１と金属皮膜２０の間に介在する電気抵抗の大きなハンダが最少になり、電気抵抗の小さな接合ができる。高温超伝導薄膜層１９と電極端子１１をフラックスを含むハンダで接合した場合には、フラックスがＲＢＣＯの内部に拡散して腐食が進むため時間が経過すると接合が剥れてしまう。銀等の金属皮膜２０と電極端子１１を前記方法で接合した場合、高温超伝導薄膜層１９が腐食されることはなく、接合部１２の抵抗値を低レベル、少なくとも０．１μΩ以下に保つことができる。
【００５１】
このように実施の形態１の高温超伝導電流リード８は、セラミックの一般的な特性としての脆さを有すものではなく、外部応力や熱サイクルによる膨張、収縮に対して耐性を有し、繰り返して応力が加わっても、撓むことで力を分散し、長期間にわたって使用することができる。また、通電したとき接合部１２でジュール熱を発生することがないし、劣化した高温超伝導薄膜層１９からジュール熱を発生することはなく、クエンチの可能性を減らすことができる。
【００５２】
また、高温超伝導体の破壊を免れさせるために、従来のようにエポキシ樹脂等で周囲を固めるのではなく、フレキシブルなテープ状の構造を採用して周囲に露出されているために、破壊するようなことはなく、簡単な構成で臨界電流を増大させることができる。
【００５３】
続いて、本発明の実施の形態１における高温超伝導体８ａの高温超伝導薄膜層１９の配向性と臨界電流密度Ｊｃの関係、さらにはこの臨界電流密度を増加し、最大にする方法について説明する。
【００５４】
図５（ａ）は流す電流に垂直な面で切ったときの超伝導リードの断面を示す。すなわち、電流は紙面を貫く方向に流れる。さて、実施の形態１では、図５（ａ）に示すように高温超伝導体８ａの基材１７に対して傾斜角φの方向に磁場を印加するものとする。温度は一例であるが７０Ｋ、磁束密度は１Ｔ程度である。このとき、高温超伝導薄膜層１９の結晶構造はｃ軸が基材１７の法線ｎ（基材１７表面と垂直な方向）に対して角度αだけ傾いて配向された構造となっている。すなわち、ＲＢＣＯの結晶のａ−ｂ平面とこれと等価なミラー指数｛００１｝面は基材１７に対して角度αだけ傾斜している。この理由は、中間層１８の結晶軸が斜方向蒸着によって傾いて形成されるので、その影響を受けるためである。
【００５５】
臨界電流密度Ｊｃは温度、磁束密度、磁場の印加角度の関数であるが、いま、温度を７０Ｋ、磁束密度を１Ｔに設定し、印加する磁場の方向、すなわち傾斜角φを変化させたときの臨界電流密度Ｊｃの変化を図５（ｂ）に示す。
【００５６】
図５（ｂ）は、ｃ軸が法線から角度α、言い換えればａ−ｂ平面が基材１７の表面から角度αだけ傾いて配向した結晶からなるＲＢＣＯに対する臨界電流密度のグラフで、このαと同一角度（傾斜角φ＝α）で磁場が高温超伝導電流リード８に印加されたときに、臨界電流密度が最大となることを示している。このような配向角度αは経験的に５°〜３０°のときに良好な結晶になることが知られており、おおむね１５°近傍で最も良好な結晶が得られている。磁場の印加角度を配向角度に一致させることで、高温超伝導電流リード８の臨界電流密度を容易に最大化させることができる。最適磁場印加角度は、サンプルによって多少の違いがあるが、おおむね１５°となる。
【００５７】
図５（ｂ）は、磁場の方向が基材１７に対して＋９０°または−９０°のとき、すなわち基材１７に対して垂直に磁束が透過するときにも臨界電流密度がピークになることを示している。しかも、このピークはブロードであるため、多少の角度設定誤差があってもあまり問題とはならない。従って、最も適した設定角度条件は磁束がｃ軸に垂直になるように高温超伝導リードを配置することであるが、２番目に適した設定角度条件は磁束が基材面に対して垂直になるように高温超伝導リードを配置することである。
【００５８】
なお、このようにＲＢＣＯを基材１７上で角度αの配向性を与えるには、図示はしないが、まず中間層１８をレーザー蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタなどの蒸着によって形成し、更にこの中間層１８上で同じレーザー蒸着、電子ビーム蒸着、抵抗体加熱蒸着、スパッタなどの蒸着によってＲＢＣＯを角度αの方向にエピタキシャル成長させればよい。なお、この上に金属皮膜２０を更に蒸着する。
【００５９】
具体的に説明すると、蒸着源となるターゲットと、このターゲットから所定の方向に基材１７を傾斜配置する。このターゲットに対してレーザーや電子・イオン等のビームを照射し、この照射でＭｇＯ等を放出し基材１７上に斜方向蒸着する。このときＭｇＯ等は傾斜した方向に成長する。その後、このＭｇＯ等の上に基材面に対して垂直方向からＭｇＯ等の上皮層（中間層上皮１８ａ）を形成する。さらに、Ｒ，Ｂａ，Ｃｕの元素を加熱蒸着し、酸素雰囲気中で加熱して酸化させＲＢＣＯ膜が形成される。最後に、金属皮膜を加熱蒸着する。この際、下地の中間層１８の配向角によって最終的にＲＢＣＯの配向性が決定される。
【００６０】
従って、臨界電流密度を最大とするためには、ＲＢＣＯとＭｇＯなどに対して、この組合せで形成される薄膜が高い均一性を示す構造となる配向角度αを予め求めておき、この方向に配向すべくＲＢＣＯの薄膜を形成し、この薄膜が形成された基材１７に対して傾斜角αで磁場を印加、言い換えればＲＢＣＯのｃ軸に垂直に磁場を印加すればよいことが分かる。
【００６１】
続いて、図７に基づいて高温超伝導体８ａを２組配列したときの構造の説明を行う。図６の高温超伝導電流リード８の断面は図２に示したとおりである。図７の高温超伝導電流リード８の場合、電極端子１１の表裏に高温超伝導体８ａが合計４本ハンダ接合されている。電極端子１１の表と裏の２本が対応して配置されており、これが１対の高温超伝導体８ａとなる。この高温超伝導電流リード８を２組配列することで臨界電流を１本の場合の４倍まで増加ことができる。組数は３組以上自在に増すことが可能である。なお、スペーサ１６を配置して支持部材１４を固定するため、電極端子１１全体を薄くすることができ、平板であるため加工が容易になる。詳細は図２〜図６で説明したとおりである。なお、リード配設装置６ａは図示していない。
【００６２】
このように実施の形態１の高温超伝導電流リードは、外部応力や熱サイクルによる膨張、収縮に対して耐性があり、臨界電流密度を向上することができ、端子を接続するとき高温超伝導体を損傷することが少ない。また、きわめて容易に高温超伝導電流リードの臨界電流密度を向上させることができる。
【００６３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における高温超伝導電流リードについて図８、図９に基づいて説明する。図８は本発明の実施の形態２における高温超伝導電流リードを３組配列したときの一部破砕斜視図、図９は図８の高温超伝導電流リードの要部のＸ−Ｘ断面図である。臨界電流密度を向上させる方法の詳細は実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。また、実施の形態１と実施の形態２とは基本的構成が同一であり、同一符号は同一の構成を意味するから、詳細は実施の形態１に譲って省略する。
【００６４】
実施の形態２の高温超伝導電流リード８は、実施の形態１のスペーサ１６を省き、電極端子１１の表裏に高温超伝導体８ａを合計６本ハンダ接合したものである。図８、図９において、Ｓは電極端子１１の一端側に形成された薄板部である。電極端子１１はそれぞれの薄板部Ｓを対向させて、１対配置され、この薄板部Ｓに高温超伝導体８ａが表裏１対ずつ、合計３組並行に並べて配置される。
【００６５】
このように高温超伝導電流リード８を３組配列することで臨界電流を１本の場合の６倍の大電流を流すことができる。また、スペーサ１６を除いたため部品点数が少なくなり、組立が容易になる。詳細は実施の形態１で説明したとおりである。組数は自在に増すことが可能である。
【００６６】
このように実施の形態２の高温超伝導電流リードは、外部応力や熱サイクルによる膨張、収縮に対して耐性があり、臨界電流密度を増すことができ、端子を接続するとき高温超伝導体を損傷することが少ない。また、きわめて容易に高温超伝導電流リードの臨界電流密度を最大化することができる。
【００６７】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における高温超伝導電流リードと臨界電流密度増加方法について図１０に基づいて説明する。超伝導マグネット装置が核融合炉のような大電流を必要とする場合の高温超伝導リードである。図１０（ａ）は本発明の実施の形態３における高温超伝導電流リードの角度設定熱アンカーの斜視図、図１０（ｂ）は（ａ）の高温超伝導電流リードと高温超伝導リードに流れる電流が作る磁束Ｂの関係図である。なお、図１０（ｂ）は核融合炉の平面図上での磁束Ｂと高温超伝導電流リードの関係を示す。臨界電流密度を向上させる方法の詳細は実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。また、実施の形態１，２と実施の形態３とは基本的構成が同一であり、同一符号は同一の構成を意味するから、詳細は実施の形態１，２に譲って省略する。
【００６８】
超伝導マグネット装置がトカマク型核融合炉のような場合には、４５０００Ａ〜６８０００Ａの電流を流さなければならない。高温超伝導電流リードも、テープ状Ｂｉ系超伝導体６枚をスタックしたものが並列に４８本必要になると予想されている。このように大電流が必要とされ、超伝導マグネット装置に多数の高温超伝導電流リードが必要になるのは、核融合炉に限らず、磁気浮上装置、物性研究用、その他でも同様である。
【００６９】
さて、このような大電流を流す場合、電流リードに流れる電流自体が作る大きな磁場が高温超伝導電流リード８に多大な影響を与えるようになる。この場合、電流が作る磁束線は、図１０のＢで表されるような閉じた円になる。この円と基材１７のなす角がαとなるように超伝導電流リードを配置すれば、磁束線がｃ軸と直行する方向に高温超電導体８ａを透過するため、臨界電流密度は最大になる。
【００７０】
以下、実施の形態３の構成を説明する。図１０（ａ）（ｂ）において、１０ｂは核融合炉に設置する高温超伝導電流リード８を所定の方向に設定してヘリウムガスで５０Ｋ程度に冷却された銅製の室温側電流リードに接続するための角度設定熱アンカーである。
【００７１】
磁界の方向が各高温超伝導電流リード８ごとに異なるため、角度設定熱アンカー１０ｂはラチェットギヤ状の多数の突部をもつ歯形形状をしており、所定ピッチで設けられた突部の傾斜面に高温超伝導電流リード８を取り付ける。この高温超伝導電流リード８が取り付けられる傾斜面の設置角度は、磁束Ｂの方向と交角φ=配向角度αで交わるように設定される。なお、交角φ=配向角度αで交われば必ずしも各高温超伝導電流リード８の配置は等ピッチである必要はない。また、図１０（ｂ）では高温超伝導リード８を９本用いているが、本数を自在に増減してもよいし、高温超伝導リード８は図８のように高温超伝導体８ａを複数組配列したものでもよいことはいうまでもない。
【００７２】
このように実施の形態３の高温超伝導電流リードは、大電流を流す必要がある核融合炉のような超電流マグネット装置に対しても、外部応力や熱サイクルによる膨張、収縮に対して耐性を付与し、臨界電流密度を増すことができ、端子を接続するとき高温超伝導体を損傷することが少ない。また、きわめて容易に臨界電流密度を最大化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、超電流マグネット装置の高温超伝導電流リードに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードが設けられた超伝導マグネット装置の全体概念図、（ｂ）（ａ）の超伝導マグネット装置の超伝導コイル付近の拡大概念図
【図２】図２は本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードを１組配列したときの第１の断面図
【図３】図２の高温超伝導電流リードの要部斜視図
【図４】本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードの高温超伝導体の断面図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードの結晶軸と印加される磁束Ｂの関係図、（ｂ）温度７０Ｋ、磁束密度１Ｔの条件下で（ａ）の高温超伝導電流リードに対して傾斜角φで磁場を印加したときの臨界電流密度Ｊｃのグラフ
【図６】本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードの角度設定熱アンカーの機能説明図
【図７】本発明の実施の形態１における高温超伝導電流リードを２組配列したときの第２の断面図
【図８】本発明の実施の形態２における高温超伝導電流リードを３組配列したときの一部破砕斜視図
【図９】図８の高温超伝導電流リードの要部のＸ−Ｘ断面図
【図１０】（ａ）本発明の実施の形態３における高温超伝導電流リードの角度設定熱アンカーの斜視図、（ｂ）（ａ）の高温超伝導電流リードと高温超伝導リードに流れる電流が作る磁束Ｂの関係図
【図１１】（ａ）従来の高温超伝導電流リードが設けられた超伝導マグネット装置の全体概念図、（ｂ）（ａ）の超伝導マグネット装置の超伝導コイル付近の拡大概念図
【図１２】従来の超伝導電流リードの断面図
【符号の説明】
【００７５】
１，１０１ 超伝導コイル
１ａ，１０１ａ 超伝導コイル巻回端
２，１０２ 熱遮蔽シールド
３，１０３ 真空容器
４，１０４ 冷凍機
５，１０５ ファーストステージ
６，１０６ セカンドステージ
６ａ，１０６ａ フレキシブル熱伝導体
６ａ，６ｂ Ｌ型金具
７，１０７ 電流リード
７ａ，１０７ａ 低温側電流リード
７ｂ，１０７ｂ 中間電流リード
７ｃ，１０７ｃ 室温側電流リード
８，１０８ 高温超伝導電流リード
８ａ，１０８ａ 高温超伝導体
９，１０ｂ 角度設定熱アンカー
１０，１１０ 熱伝導体
１０ａ，１１０ａ ファーストステージ熱アンカー
１１ 電極端子
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１５ 締結具
１２ 接合部
１３ 挿通孔
１４ 支持部材
１６ スペーサ
１６ａ 薄い絶縁体
１６ｂ 絶縁体ワッシャ
１７ 基材
１８ 中間層
１８ａ 中間層上皮
１９ 高温超伝導薄膜層
２０ 金属皮膜
１０５ａ 熱伝導体
１０９ セカンドステージ熱アンカー
１１１ 酸化物超伝導体
１１２ 電極端子
１１３ 絶縁材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材を有し該基材面に高温超伝導材料の薄膜が形成され、且つ該薄膜に金属皮膜が被覆された可撓性でテープ状の高温超伝導体と、前記金属皮膜によって前記高温超伝導体に接合された1対の電極端子と、前記電極端子のそれぞれに固定され前記高温超伝導体を補強する支持部材とを備えた高温超伝導電流リードであって、前記高温超伝導材料の結晶のｃ軸が前記基材の法線に対して所定の配向角度で配向されていることを特徴とする高温超伝導電流リード。
【請求項２】
前記支持部材の熱膨張率が前記高温超伝導体の熱膨張率より大きいことを特徴とする請求項１記載の高温超伝導電流リード。
【請求項３】
磁場中に置かれたとき、該磁場の磁束が前記ｃ軸に対して垂直となる向きに前記高温超伝導体の基材を設置する角度設定熱アンカーを備えたことを特徴とする請求項１または２記載の高温超伝導電流リード。
【請求項４】
磁場中に置かれたとき、該磁場の磁束が前記高温超電導体の基材面に垂直となる向きに前記高温超伝導体の基材を設置する角度設定熱アンカーを備えたことを特徴とする請求項１または２記載の高温超伝導電流リード。
【請求項５】
前記高温超伝導材料がＲＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（δは微少量であり、Ｒは希土類元素）で表わされる希土類系高温超伝導体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された高温超伝導電流リード。
【請求項６】
前記ｃ軸の配向角度が５°〜３０°の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載された高温超伝導電流リード。
【請求項７】
前記角度設定熱アンカーがラチェットギヤ状の外周形状を備え、該外周形状の傾斜面に沿って前記高温超伝導体が配置されることを特徴とする請求項３または４記載の高温超伝導電流リード。
【請求項８】
前記電極端子の表裏に配置する１対を１組として前記高温超伝導体が複数組設けられたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載された高温超伝導電流リード。
【請求項９】
前記高温超伝導体の端部の前記金属皮膜と前記電極端子とがフラックスを含まないハンダで接合されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載された高温超伝導電流リード。
【請求項１０】
高温超伝導材料の結晶のｃ軸を基材表面の法線に対して所定の角度だけ配向させた薄膜を有する高温超伝導リードを形成し、磁場の磁束を前記ｃ軸に垂直な方向に印加することを特徴とする高温超伝導リードの臨界電流密度増加方法。
【請求項１１】
高温超伝導材料の結晶のｃ軸を基材表面の法線に対して所定の角度だけ配向させた薄膜を有する高温超伝導リードを形成し、磁場の磁束を前記基材面に垂直な方向に印加することを特徴とする高温超伝導リードの臨界電流密度増加方法。
【請求項１】
基材を有し該基材面に高温超伝導材料の薄膜が形成され、且つ該薄膜に金属皮膜が被覆された可撓性でテープ状の高温超伝導体と、前記金属皮膜によって前記高温超伝導体に接合された1対の電極端子と、前記電極端子のそれぞれに固定され前記高温超伝導体を補強する支持部材とを備えた高温超伝導電流リードであって、前記高温超伝導材料の結晶のｃ軸が前記基材の法線に対して所定の配向角度で配向されていることを特徴とする高温超伝導電流リード。
【請求項２】
前記支持部材の熱膨張率が前記高温超伝導体の熱膨張率より大きいことを特徴とする請求項１記載の高温超伝導電流リード。
【請求項３】
磁場中に置かれたとき、該磁場の磁束が前記ｃ軸に対して垂直となる向きに前記高温超伝導体の基材を設置する角度設定熱アンカーを備えたことを特徴とする請求項１または２記載の高温超伝導電流リード。
【請求項４】
磁場中に置かれたとき、該磁場の磁束が前記高温超電導体の基材面に垂直となる向きに前記高温超伝導体の基材を設置する角度設定熱アンカーを備えたことを特徴とする請求項１または２記載の高温超伝導電流リード。
【請求項５】
前記高温超伝導材料がＲＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（δは微少量であり、Ｒは希土類元素）で表わされる希土類系高温超伝導体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された高温超伝導電流リード。
【請求項６】
前記ｃ軸の配向角度が５°〜３０°の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載された高温超伝導電流リード。
【請求項７】
前記角度設定熱アンカーがラチェットギヤ状の外周形状を備え、該外周形状の傾斜面に沿って前記高温超伝導体が配置されることを特徴とする請求項３または４記載の高温超伝導電流リード。
【請求項８】
前記電極端子の表裏に配置する１対を１組として前記高温超伝導体が複数組設けられたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載された高温超伝導電流リード。
【請求項９】
前記高温超伝導体の端部の前記金属皮膜と前記電極端子とがフラックスを含まないハンダで接合されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載された高温超伝導電流リード。
【請求項１０】
高温超伝導材料の結晶のｃ軸を基材表面の法線に対して所定の角度だけ配向させた薄膜を有する高温超伝導リードを形成し、磁場の磁束を前記ｃ軸に垂直な方向に印加することを特徴とする高温超伝導リードの臨界電流密度増加方法。
【請求項１１】
高温超伝導材料の結晶のｃ軸を基材表面の法線に対して所定の角度だけ配向させた薄膜を有する高温超伝導リードを形成し、磁場の磁束を前記基材面に垂直な方向に印加することを特徴とする高温超伝導リードの臨界電流密度増加方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−２５１５６４（Ｐ２００８−２５１５６４Ａ）
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−８７０１３（Ｐ２００７−８７０１３）
【出願日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【出願人】（５０４１４５３４２）国立大学法人九州大学 (960)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【出願人】（５０４１４５３４２）国立大学法人九州大学 (960)
【Ｆターム（参考）】
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