JP4513142B2

JP4513142B2 - Oxide superconducting wire, oxide superconducting conductor assembled therewith, and manufacturing method of oxide superconducting wire

Info

Publication number: JP4513142B2
Application number: JP20041999A
Authority: JP
Inventors: 昌也小西; 恒雄中原; 謙一佐藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1998-07-30
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2019-07-14
Also published as: JP2000106043A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流に対して超電導臨界電流が大きく、電力損失の小さい酸化物超電導導体およびそれを作製するための酸化物超電導素線とそれらの製造方法とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導素線を集合して超電導導体を製造することは実施されている。この素線を集合する場合に、素線の臨界電流密度が高く、すべての素線に均等に電流が流れることが、超電導状態で大きな電流を流す、あるいは低損失で電流を流すために必要である。交流損失を低減するために、金属系超電導導体では径の細い素線が大量に束ねられて使用されている。
【０００３】
また、超電導素線についても、可撓性に優れ、大きな臨界電流（Ｉｃ）を持つ細い超電導素線を得る努力がなされている。金属系超電導素線では、被覆された線を束ねて伸線する方法が採られており、Ｂｉ系酸化物超電導線でも似た方法が実施されている。
【０００４】
また、Ｒ_XＢａ_YＣｕ_ZＯ_W酸化物超電導線については、カーボンファイバや金属ファイバを芯にしたものが試みられている。
【０００５】
このことは、たとえば特開平１−９３００６号公報、あるいは J. G. Wang et. al.,“Y-Ba-Cu-O superconducting fibers and wires by spray pyrolysis on corbon fibers”, J. Appl. Phys. Vol.67 No.4, pp.2160-2162、あるいは L. D. Woolf et. al., “Continuas fabrication of high-temperature superconductor coated metal fiber and multifilamentary wire ”, Appl. Phys. Lett. Vol.58 No.5, pp.534-536 に記載されている。
【０００６】
また、Ｒ_XＢａ_YＣｕ_ZＯ_W酸化物超電導体では、臨界電流密度が結晶粒界により制限されてしまうため、より大きな臨界電流密度（Ｊｃ）を得る必要がある。このため、イオンビームアシストデポジション法、基板傾斜法（ＩＳＤ法）により結晶配向性を持たせた中間層を円盤状の基板上に形成し、その上にパルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）や有機金属化学堆積法（ＭＯＣＶＤ法）により結晶配向性を持った超電導薄膜を形成する方法が行なわれている。また、細長い単結晶基材上に液相エピタキシャル法などの薄膜を利用し、その酸化物超電導薄膜に結晶配向性を持たせてやる方法も行なわれている。
【０００７】
イオンビームアシストデポジション法については、たとえば Y. Iijima et. al., “In-plane aligned YBa₂Cu₃O_7-x thin-films doposited on polycrystalline metallic substrates”,Appl. Phys. Lett. Vol.60 No.6, 1992, pp.769-771に記載されており、基板傾斜法、液相エピタキシャル法についてはたとえば Y. Yamada et. al., “Liquid Phase Epitaxy of YBCO Single-Crystalline Oxide Fibers for Power Application”, Advances in Superconductivity IX Vol.2, 1996, pp.653-655に記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
（１）上述の従来例のうちファイバを芯としたものでは、超電導層の結晶軸方向を３軸とも揃えることができないため、（ａ）臨界電流密度が低く制限されてしまうという問題点と、（ｂ）超電導層の厚みが厚いため特性が劣化しやすいという問題点と、（ｃ）超電導層の厚みを均一にし難いという問題点とがあった。以下、そのことについて詳細に説明する。
【０００９】
（ａ）酸化物超電導体は、結晶方位により超電導特性に異方性があり、また結晶粒界が超電導電流を阻害する。このため、超電導特性に優れた酸化物超電導薄膜を形成するためには、酸化物超電導薄膜の結晶配向性を揃える必要がある。結晶配向性を揃えるためには、基材に対してある角度をもってイオンビームを照射するか、あるいは基材に対してある角度をもって原料を蒸着する必要がある。
【００１０】
しかし、ファイバのように細く丸い基材では、基材の薄膜が堆積される面に対するイオンビームの照射角度や原料の蒸着角度を一定にすることができないため、結晶配向性の揃った酸化物超電導薄膜を得ることができない。したがって、臨界電流密度が低く制限されてしまう。
【００１１】
なお、カーボンファイバを芯としてパルスレーザデポジション（ＰＬＤ）法で薄い超電導層をつける試み（A. Al-Sharif et. al., “Attempts to prepare Bi-based superconductors on a carbon fiber substrate”, J. Appl. Phys. Vol.67 No.9, pp.5023-5025）もあるが、超電導電流を流すことには成功していない。
【００１２】
（ｂ）また超電導層の厚みに関しては、よく知られているように、超電導電流は超電導体のごく表面にしか流れない。その厚みは１μｍ前後とみられている。これに対して上述した従来例では超電導層が数十μｍとなっている。超電導層が厚いと電流に寄与しない部分が大きくなって効率が悪くなるばかりでなく、電流の流れる外周部で曲げによる歪みが大きくなって特性劣化の原因となりやすい。
【００１３】
（ｃ）また、ＰＬＤ法を始めとする物理堆積法では、薄膜が堆積される方向が薄膜原料の飛行方向により制限される。このため、ファイバのように細く丸い基材上にＰＬＤ法などの物理堆積法により薄膜を堆積する場合、基材の断面の半分には超電導層が形成されない。よって、上記基材の全面を超電導層で覆うためには、薄膜形成工程を２回繰返すか、基材に対してターゲットを２ヵ所に設置する必要がある。また厚みの均一性まで考えると、より多くの成膜の繰返しが必要となるか、もしくはより多くのターゲットを設置する必要がある。
【００１４】
また、基材表面に多数の凹部が存在する場合、これらの凹部にも均一に超電導層を形成するためには、上記の成膜の繰返し回数もしくはターゲットの設置個数をさらに多くする必要がある。
【００１５】
また基材と超電導層との間に中間層を形成する場合にも、上記と同様のことがいえる。特に中間層は基材材料の超電導層への拡散による超電導特性の劣化を防止するために必要となることが多い。このため、この中間層が基材全面に形成されていないと、そこからの拡散により超電導層全体が劣化し、場合によっては超電導電流が流れないこともあり得る。
【００１６】
このように従来例では、超電導層や中間層の厚みの均一性が悪いため、その厚みを薄くしようとした場合に、部分的に超電導層や中間層のない部分ができてしまう。これにより、電流を流すことができなくなったり、それに至らなくとも超電導層の薄い部分で超電導電流の流せる大きさ（超電導臨界電流：Ｉｃ）が制限されてしまう。
【００１７】
（２）また上述の従来例のうち薄膜を利用したものでは、素線としてテープ状あるいは円盤状のものを用いているため集合の形状が著しく制限される、インダクタンスを正確に設計することが困難であるなどの問題がある。以下、そのことについて詳細に説明する。
【００１８】
上述の従来例のように薄膜を利用して高いＪｃを得るために、結晶配向性をもたせて薄膜を形成することも試みられている。この場合、超電導層に結晶配向性をもたせるためにテープ状、円盤状などの基材が用いられている。なぜなら、テープ状の基材なら、基材の薄膜が堆積される面に対するイオンビームの照射角度や原料の蒸着角度を一定にすることができるからである。
【００１９】
しかし、テープ状の基材を用いているため、それによって得られる超電導素線では曲げられる方向が制限されることになり、自由な形状への加工が不可能となる。特に、得られた超電導線を集合して利用する場合に、集合の形状が著しく制限されてしまう。たとえば、素線を撚り合わせる場合のピッチをある程度大きくする必要がある。これらの要因は、超電導導体を使用するために曲げる場合にも、これを阻害する原因となる。
【００２０】
またこのような超電導線は、ある程度の幅をもっているため、電流の流れる方向はその幅の中で自由度がある。そのため、素線を撚り合わせたり、スパイラル状に集合させたりする場合、そのインダクタンスを正確に設計してやることが難しくなる。
【００２１】
それゆえ、本発明の一の目的は、超電導電流を多く流すことができ、集合の形状の自由度が高く、かつインダクタンスの設計が容易な酸化物超電導素線とそれを集合した酸化物超電導導体および酸化物超電導素線の製造方法を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、中間層と酸化物超電導薄膜とをパルスレーザデポジション法により円形断面の基材上に形成したところ、結晶配向性のない場合よりも高い超電導臨界電流密度（Ｊｃ）を示すものがあることを見出した。これは、円形断面の一部において基板傾斜法による場合と同様の角度が、蒸着粒子と基材表面との間に形成され、その部分において結晶軸方向が３軸ともに配向したためと考えられる。つまり、円形断面の基材上であっても、結晶軸方向の揃った部分を有する中間層を形成することができ、その中間層上に酸化物超電導薄膜を形成したため、酸化物超電導薄膜に結晶軸方向の揃った部分が生じることがわかった。そして、表面に中間層が形成された基材を移動させながら酸化物超電導薄膜を長手方向に連続的に成膜することで、結晶軸方向の揃った部分が長手方向に連続した酸化物超電導薄膜を形成できることがわかった。
【００２４】
それゆえ本発明の酸化物超電導素線は、長尺で可撓性のある基材の表面に酸化物超電導薄膜を形成した酸化物超電導素線において、基材の長手方向に垂直な断面は円形、楕円形または正多角形であり、酸化物超電導薄膜は結晶軸方向の揃った部分を有し、結晶軸方向の揃った部分は長手方向に連続している。
【００２５】
この酸化物超電導素線は、表面に形成された酸化物超電導薄膜全体が結晶配向しているわけではないので、酸化物超電導体のみのＪｃを考えると、従来例のテープ状の基材を用いる方がＪｃの高いものが得られる。しかし、このような形状の素線を集合した酸化物超電導導体では、酸化物超電導体の断面積がテープ状の素線を集合する場合よりも大きくなるため、超電導電流を多く流すことが可能となる。
【００２６】
たとえば以下の表１に、１ｃｍ角サイズの超電導導体を、幅１０ｍｍ、厚み０．１ｍｍのテープ状の超電導素線を１００本重ねて形成した場合と、円形断面の細い素線を束ねて形成した場合とのＩｃなどの試算例を示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
表１からわかるように、同等のＩｃを得るための超電導薄膜のＪｃは円形断面の細い素線の場合、テープ状素線の場合よりかなり小さくてもよい。これは、超電導素線を単純に束ねた場合の試算であるが、交流伝送用の超電導導体では素線をスパイラル状などの形に集合することが、電流の内部への侵入や損失低減のために必要となる。そのような加工を行なう場合には加工性の優れた細い円形素線の方が、超電導導体の断面直径をより小さくすることができる。
【００２９】
また、円形断面の細い素線はテープ状の素線よりも加工性が良いため、集合の形状を自由に設計することが可能となる。このことは、必要な電流値により細い超電導導体を作製することができる、設置する場所により偏平な超電導導体を作製することができる、交流を低損失で流せるように素線を転位させ、撚り合わせて集合させることができる、などのメリットとなる。また、テープ状の素線と比較して、円形断面の細い素線ではそのインダクタンスを正確に設計することが容易である。
【００３０】
また、より配向部分の面積を大きくするためには、線の断面を正多角形とすることも有効である。正多角形の各面に対し、原料の蒸着方向、あるいはイオンビームの照射方向を一定とすることで、基材のその面上において酸化物超電導薄膜を３軸ともに配向させることができるからである。
【００３１】
実際には、細い正多角形の基材を使用した場合には、その基材の特定の面を、原料蒸着方向に対して一定に保持することが困難である。しかし、基材断面を正多角形に成形する工程に連続して原料の蒸着を実施すれば、基材の特定の面を原料蒸着方向に対して一定に保持することが可能となる。また、成形部を加熱することにより基材の温度が蒸着部で最適な温度になるように加熱すれば、より簡単な工程で高性能の酸化物超電導素線を作製することができる。
【００３２】
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、結晶軸方向の揃った部分は、酸化物超電導素線の一方端近傍から他方端近傍まで連続して延びている。
【００３３】
これにより、一方端近傍から他方端近傍へ多くの超電導電流を流すことが可能となる。
【００３４】
上記酸化物超電導素線を実現する１つの方法として、酸化物超電導薄膜と基材の間に中間層を備え、その中間層において結晶軸方向の揃った部分を長手方向に連続して形成し、その表面上に酸化物超電導薄膜を形成することにより、酸化物超電導薄膜の結晶軸方向が中間層の結晶軸方向に従って長手方向に揃ったものとする方法が有効である。
【００３５】
これにより、円形断面の表面上でも、結晶軸方向の揃った部分を有する酸化物超電導薄膜を得ることができる。
【００３６】
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、基材は金属線またはセラミック繊維である。
【００３７】
これにより、基材の材質を適宜選択することができる。
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、酸化物超電導薄膜の厚みは、伝送しようとする電磁エネルギーが酸化物超電導薄膜内部まで侵入し得る程度に小さい。
【００３８】
これにより、超電導電流に寄与しない超電導薄膜の部分を小さくできるため、効率が良くなるばかりでなく、電流の流れる外周部での曲げによる歪みを小さくでき特性を良好にすることができる。
【００３９】
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、酸化物超電導薄膜の厚みが１．２μｍ以下である。
【００４０】
代表的な酸化物超電導体の磁場侵入長は大きいもので１μｍ強とされており、ほぼ１．２μｍ以上の膜厚であれば、導体の体積当りのエネルギー伝送効率が良くなる。ただし、酸化物超電導薄膜の界面部分に劣化層が存在すれば、その劣化層の厚みを減じて考える必要があり、また良好な超電導薄膜の形成のためには薄膜の厚みをある程度厚くすることが必要な場合もある。このため、この酸化物超電導薄膜の膜厚は本発明を本質的に制限するものではない。
【００４１】
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、酸化物超電導薄膜の外周を被覆する金属薄膜がさらに備えられている。
【００４２】
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、酸化物超電導薄膜の外周を被覆する絶縁体薄膜がさらに備えられている。
【００４３】
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、酸化物超電導薄膜はＲ_XＢａ_YＣｕ_ZＯ_W（０．１≦Ｘ≦１．５、１．５≦Ｙ≦２．５、２．５≦Ｚ≦３．５、６．５≦Ｗ≦７．５）の組成を有し、ＲはＹ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｎｄ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｔｂ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｄｙ、Ｌｕ、ＥｒおよびＴｍの群から選ばれる１種以上の元素からなる。
【００４４】
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、その素線の長手方向に垂直な断面の最大径（直径を含む）が１ｍｍ以下である。
【００４５】
超電導素線の最大径については、大き過ぎると外側の超電導素線による電磁界の遮蔽により中心部の超電導素線に電流が流れなくなる。また、最大径の大き過ぎる超電導素線では、導体の可撓性が阻害される。これらの点より、素線サイズとしては、５０Ｈｚ以上６０Ｈｚ以下の商用周波数に対しては１ｍｍ以下であることが望ましい。この周波数の数値については、現状での代表的な例を示したもので、数値に多少のずれがあっても、この効果に本質的な差異はない。
【００４６】
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、基材は、酸化物超電導薄膜の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する材質よりなっている。
【００４７】
その理由は、通常酸化物超電導薄膜は、圧縮歪よりも引張歪に対してその特性が劣化し易いため、薄膜を高温で形成した後使用温度に冷却したときに、引張応力を受けないのが望ましいためである。
【００４８】
本発明の酸化物超電導導体は、上述した酸化物超電導素線のいずれかの素線を複数本集合したものである。
【００４９】
これにより、超電導電流を多く流すことができ、集合の形状の自由度が高く、かつインダクタンスの設計が容易な酸化物超電導導体を得ることができる。
【００５０】
上記の酸化物超電導導体において好ましくは、複数本の酸化物超電導素線を互いに撚り合わせた、または酸化物超電導素線の各々は酸化物超電導導体の内周側から外周側へまた外周側から内周側へと径方向位置を変えながら（つまり転位させながら）延びるよう集合されている。
【００５１】
このように複数本の酸化物超電導素線を撚り合わせたり転位させたりすることで酸化物超電導導体を得ることができる。
【００５２】
本発明の一の局面に従う酸化物超電導素線の製造方法は以下の工程を備えている。
【００５３】
まず長尺で可撓性があり、かつ長手方向に垂直な断面が円形、楕円形または正多角形の基材が準備される。そして基材の表面に結晶軸方向の揃った部分が長手方向に連続している構造の中間層が形成される。そして中間層の表面に酸化物超電導薄膜が形成される。
【００５４】
本発明の一の局面に従う酸化物超電導素線の製造方法では、上述したように結晶軸方向の揃った部分を有する中間層上に酸化物超電導薄膜を形成するために、結晶軸方向の揃った部分を有する酸化物超電導薄膜を形成することができる。これにより、超電導電流を多く流すことができ、集合の形状の自由度が高く、かつインダクタンスの設計が容易な酸化物超電導導体をなす酸化物超電導素線を得ることができる。
【００５５】
上記局面の酸化物超電導素線の製造方法において好ましくは、長手方向に垂直な断面が正多角形となるように金属線よりなる基材を成形しつつ加熱する工程に連続して中間層が形成される。中間層の形成時に、基材の特定の面に対して一定の角度で中間層の原料を蒸着する、または一定の角度でイオンビームを照射しつつ中間層の原料を蒸着することによって、基材の特定の面上の中間層の部分に面内配向性が与えられる。
【００５６】
これにより、中間層に面内配向性を与えることが可能となる。
上記局面の酸化物超電導素線の製造方法において好ましくは、酸化物超電導薄膜はパルスレーザデポジション法、スパッタ法、化学気相堆積法、液相エピタキシャル法よりなる群から選ばれる１種以上の方法により形成される。
【００５７】
これにより、酸化物超電導薄膜の形成方法を適宜選択することができる。
上記局面の酸化物超電導素線の製造方法において好ましくは、酸化物超電導薄膜の外周を被覆する金属薄膜および絶縁体薄膜の少なくともいずれかを形成する工程がさらに備えられている。金属薄膜および絶縁体薄膜の少なくともいずれかを形成する工程は、中間層および酸化物超電導薄膜を形成する工程に連続して行なわれる。
【００５８】
これにより、たとえば中間層形成と酸化物超電導薄膜形成との間に中間層の表面が劣化することが防止され、生産性が向上するのみならず超電導特性の性能が良好となる。
【００５９】
本発明の一の局面に従う酸化物超電導導体の製造方法では、上記一の局面のいずれかの製造方法で得られた酸化物超電導素線を集合することで酸化物超電導導体が形成される。
【００６０】
これにより、超電導電流を多く流すことができ、集合の形状の自由度が高く、かつインダクタンスの設計が容易な酸化物超電導導体を得ることができる。
【００６１】
上記局面の酸化物超電導導体の製造方法において好ましくは、酸化物超電導素線を集合して酸化物超電導導体を形成する工程は、酸化物超電導薄膜を形成する工程または金属薄膜および絶縁体薄膜の少なくともいずれかを形成する工程に連続して行なわれる。
【００６２】
これにより、酸化物超電導素線の各々を巻き取って保管することなく、連続的に集合してそのまま酸化物超電導導体を形成することが可能であり、より効率的に酸化物超電導導体を製造することができる。もちろん、このように集合したものをさらに何本か集合してより臨界電流密度の大きい酸化物超電導導体を製造することもできる。また、何本もの素線を同時に作製することができるため、生産性がより効率的となる。
【００６３】
また本願発明者らは、薄膜を形成する手段として、基材への堆積の異方性の程度が大きい先に述べたパルスレーザデポジション法などの代わりに、たとえばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積法）などの方法で断面が円形、楕円形または正多角形の基材表面に酸化物超電導薄膜を形成することで、簡単な成膜装置で１回の成膜工程により酸化物超電導薄膜を基材断面の外周全周に略均一な膜厚で形成できることを見出した。
【００６４】
ここで、略均一な厚みとは、厚みのばらつきが±１０％以内であることを言う。
【００６５】
この製造方法は、薄膜を形成する手段として、基材への堆積の異方性の程度が先に述べたパルスレーザデポジション法などよりも小さいため、基材全周に均一な膜厚で薄膜を形成できる。この方法で得られた超電導素線においても、テープ状基材を用いた場合に比較して、酸化物超電導体のみのＪｃは低い。しかし、この方法で得られた超電導素線を束ねた超電導導体においては、表１で示す通り、テープ状基材を用いた場合よりも超電導電流を多く流すことが可能となる。
【００６６】
この方法を用いて製造される酸化物超電導素線の材質、構造およびその素線を集合した酸化物超電導導体の製造方法については、先に述べた材質、構造、製造方法が適用されることを改めて確認しておく。
【００６７】
なお、必要な各層（中間層、超電導薄膜、保護層）を形成する工程を連続して実施することが、生産性のみならず性能の面からも有利である。たとえば中間層形成と超電導薄膜形成の間、あるいは超電導薄膜と保護層形成の間に下の層の表面が劣化する問題は、各層を連続して形成することにより避けることができる点を言及しておく。
【００６８】
また円形断面の素線の線径は、テープ状の素線のものより小さくすることができるため、成膜装置内で複数本の素線を同時に処理することができる。このため、本発明で述べた超電導素線を製造する場合には、何本もの素線を同時に作製することがより効率的である。
【００６９】
さらに、超電導導体を構成する素線のすべてを同時に連続的に製造すれば、その素線を巻き取って保管することなく連続的に集合することも可能であり、より効率的に超電導導体を製造することができる。もちろんこのようにして集合したものをさらに何本か集合してより臨界電流の大きい超電導導体を製造することもできる。
【００７０】
また、中間層および保護層についても、基材断面の外周全周において１回の薄膜形成工程のみで略均一な厚みで成膜可能な方法（たとえば有機金属化学気相堆積法）により形成される。
【００７１】
これにより、中間層および保護層についても簡単な成膜装置で１回の成膜工程により均一な膜厚で形成することができ、拡散により超電導薄膜全体が劣化することおよび超電導薄膜の保護が損なわれることは防止される。
【００７２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００７３】
図１は、本発明の一実施の形態における酸化物超電導素線の構成を概略的に示す断面図である。この図１は酸化物超電導素線の長手方向に垂直な断面を示している。
【００７４】
図１を参照して、直径がたとえば５０μｍのステンレス線よりなる基材１の外周面に、たとえばＰＬＤ法により部分的に結晶配向したＹＳＺよりなる中間層２が形成されており、さらにその外周には、たとえばＰＬＤ法によりＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_7-X層よりなる酸化物超電導体層３が形成されている。
【００７５】
この酸化物超電導体層３も、図２に示すように長手方向に沿って連続的に結晶配向した部分３ａを有している。この結晶配向した部分３ａは、素線の一方端近傍から他方端近傍へ連続的に延びている。中間層２の部分的に結晶配向した部分も基材１の長手方向に沿って連続的に分布している。また図１を参照して、酸化物超電導体層３の外周には、たとえばスパッタ法により銀層よりなる保護層４が形成されており、さらにその外周には、たとえばスパッタ法によりＹＳＺ層よりなる絶縁層５が形成されている。なお、図２は長手方向に延びる素線の一部のみを示している。
【００７６】
図３は、本発明の一実施の形態における酸化物超電導導体の構成を概略的に示す断面図である。図３を参照して、この酸化物超電導導体３０は、図１および２に示す酸化物超電導素線を複数本束ねて撚り合わせた構成を有している。また複数の素線を単に撚り合わせるのではなく、各素線が酸化物超電導導体の内周側から外周側へまた外周側から内周側へと径方向位置を変えながらその長手方向に延びるように集合（すなわち転位）されていてもよい。
【００７７】
具体的には、酸化物超電導導体３０は素線２０を２本撚り合わせて撚り合わせ線２０Ａとし、さらにその撚り合わせ線２０Ａを２本撚り合わせて構成されている。これにより全ての素線２０が均等に導体３０の内周側と外周側とを通ることになる。もちろん素線２０を撚り合わせるのは２本ずつである必要はなく、数本ずつ一度に撚り合わせていくことも可能である。
【００７８】
なお、基材１には、ステンレス以外に、ニッケル、ハステロイ、銀などの金属線やＳｉＣ繊維などのセラミックファイバが用いられてもよい。また酸化物超電導薄膜３の厚みは、伝送しようとする電磁エネルギーがその薄膜３内部まで侵入し得る程度に小さい（たとえば１．２μｍ以下）ことが好ましい。
【００７９】
また酸化物超電導薄膜３は、ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_7-Xに限られず、Ｒ_XＢａ_YＣｕ_ZＯ_W（０．１≦Ｘ≦１．５、１．５≦Ｙ≦２．５、２．５≦Ｚ≦３．５、６．５≦Ｗ≦７．５）の組成を有し、ＲはＹ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｎｄ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｔｂ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｄｙ、Ｌｕ、ＥｒおよびＴｍの群から選ばれる１種以上の元素からなっていることが好ましい。
【００８０】
またこの酸化物超電導素線２０の直径は１ｍｍ以下であることが好ましい。
なお、酸化物超電導素線２０の長手方向に垂直な断面が楕円形または正多角形であってもよい。この場合には、断面の最大径が１ｍｍ以下であることが好ましい。ここで、正多角形における最大径とは、断面の頂角を結ぶ径のうち最大の寸法を有するものである。
【００８１】
また基材１は、酸化物超電導薄膜３の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する材質よりなっていることが好ましい。
【００８２】
なお、素線２０の直径は、伝送しようとする電磁エネルギーの周波数において、電磁エネルギーの伝送方向を実効的に規定できる程度に小さいものであることが好ましい。また素線２０の直径は、導体の曲げを実質的に阻害しない程度に小さいものであることが好ましい。
【００８３】
次に本発明の一実施の形態における超電導導体を作製する方法について説明する。
【００８４】
図４は、本発明の一実施の形態における超電導導体の第１の製造方法を示す図である。図４を参照して、基材となる線６（たとえばステンレス、ニッケル、ハステロイ、銀などの金属線やＳｉＣ繊維などのセラミックファイバ）が複数本同時に供給される。この線６は薄膜形成用容器に導入され、中間層、酸化物超電導層、保護層の順に薄膜が形成される。中間層は、ヒータ９によって加熱された状態で中間層ターゲット７にレーザビーム８を照射してターゲットを飛散させることで線６上に堆積される。また酸化物超電導薄膜３は、ヒータ９によって加熱された状態で酸化物超電導体ターゲット１１にレーザビーム８を照射してターゲットを飛散させることで線６上に堆積される。また保護層は、原料ターゲット１２からターゲットを飛散させることで線６上に堆積される。
【００８５】
なお、薄膜形成用容器内の各成膜室は隔壁１０によって仕切られており、この隔壁１０には、線６の通る部分に細孔があいている。また、中間層、酸化物超電導薄膜、保護層を線６の全面に形成するために、線６の上側と下側との双方にターゲット７、１２が配置されている。
【００８６】
なお中間層と酸化物超電導薄膜はＰＬＤ法により形成され、保護層はＲＦスパッタ法により形成される。このように各層が形成された線６は、細孔を通じて薄膜形成用容器から出た後、素線集合部１３で集合されて酸化物超電導導体を構成する。
【００８７】
なお、上記においては、複数の素線６を同時に作製して連続的に集合する例について説明したが、単一の線６を高速で作製して保管した後に集合してもよく、複数の線６を同時に作製した後、１本ずつ保管し、その後にそれぞれ必要な導体の設計に合わせて必要な本数を必要な形状、方法で集合する方が効率が良い場合も考えられる。一度集合した素線６の集合体を、後で複数集合し、より臨界電流の大きい導体としてもよい。これらの方法は、導体の設計や生産形態に合わせて使い分ければよい。
【００８８】
なお、上記においては、酸化物超電導薄膜３はＰＬＤ法により形成する場合について説明したが、これ以外にスパッタ法、化学気相堆積法、液相エピタキシャル法またはこれらの組合せによる方法で形成されてもよい。また中間層２を形成する場合には、一部が長手方向に連続して結晶配向するような条件で形成される。
【００８９】
図５は、本発明の一実施の形態における超電導導体の第２の製造方法を示す図である。図５を参照して、中間層成膜室３１と超電導薄膜成膜室３２と保護層成膜室３３とがフランジ３８を介して接続されている。中間層成膜室３１と超電導薄膜成膜室３２との周囲にはヒータ３６が設置されており、中間層成膜室３１と超電導薄膜成膜室３２との各々には、中間層原料ガス導入部３４と超電導薄膜原料ガス導入部３５とガス排出口４１とが接続されている。また保護層成膜室３３内には保護層の原料となるターゲット３７が配置されている。
【００９０】
なお、フランジ３８には、基材６を通すための細孔が設けられており、この細孔は、隣り合う成膜室間および成膜室と外部との雰囲気が混合しないよう構成されている。
【００９１】
基材６は、基材の供給部３９から集合および巻き取り部４０により巻き取られることでこの成膜装置内を移動する。基材６はまず中間層成膜室３１内に導入され、ここでたとえばＭＯＣＶＤ法により基材６の表面に中間層が形成される。この際、外部からヒータ３６により加熱され、かつ中間層原料ガス導入部３４から原料ガスが導入される。
【００９２】
次に、超電導薄膜成膜室３２内で、たとえばＭＯＣＶＤ法により、中間層の表面に酸化物超電導薄膜が形成される。この際、外部からヒータ３６により加熱され、かつ超電導薄膜原料ガス導入部３５から原料ガスが導入される。
【００９３】
次に、保護層成膜室３３内で、たとえばＤＣスパッタ法で、超電導薄膜の表面に保護層が形成される。この際、保護層原料ターゲット３７からターゲットを飛散させることで保護層が堆積される。
【００９４】
このようにして、超電導素線が形成され、集合および巻き取り部４０にて集合されて巻き取られることで酸化物超電導導体を構成する。
【００９５】
この方法によれば、ＭＯＣＶＤ法により酸化物超電導薄膜が形成されるため、断面が円形、楕円形、正多角形の素線の外周全周に略均一な膜厚で酸化物超電導薄膜を形成することができる。また、素線を移動させながら成膜を行なうため、略均一な膜厚の酸化物超電導薄膜を素線の長手方向に連続的に形成することができる。また、この方法によれば、酸化物超電導薄膜の結晶軸方向の揃った部分が基材の長手方向に連続するように形成することができる。
【００９６】
なお、上記においては、保護層をＤＣスパッタ法により成膜する場合について説明したが、保護層はＭＯＣＶＤ法により成膜されてもよく、またこれ以外の方法で成膜されてもよい。また、中間層は、ＭＯＣＶＤ法により成膜する場合について説明したが、これ以外にスパッタ法などにより成膜されてもよい。また酸化物超電導薄膜は、たとえばＭＯＣＶＤ法により成膜する場合について説明したが、これ以外に、酸化物超電導薄膜を基材断面の外周全周において１回の薄膜形成工程のみで略均一な厚みで成膜可能な方法であれば、これ以外の方法で成膜されてもよい。
【００９７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００９８】
実施例１
まず図１に示す構成で、基材１にステンレス線を、中間層にＹＳＺ層を、酸化物超電導薄膜３にＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_7-Xを、保護層４に銀層を、絶縁層５にＹＳＺ層を用いて酸化物超電導素線を作製した。この酸化物超電導素線における各層の形成方法、形成温度、形成雰囲気および厚みを表２に示す。
【００９９】
【表２】

【０１００】
なお、これらの各層２〜５の形成は、それぞれ基材１の２方向から繰返して行ない、基材１の全面に各層２〜５が形成されるようにした。各層２〜５の厚みは、同時に各層２〜５を形成したステンレス板上の各薄膜層２〜５の厚みより見積もった。
【０１０１】
このようにして作製した酸化物超電導素線を２０本束ねて酸化物超電導導体を作製した。各素線の７７ＫでのＩｃの平均値は５．６ｍＡであり、それを束ねた導体のＩｃは１０８ｍＡであり、テープ状の素線を集合した酸化物超電導導体のＩｃよりも高いことを確認した。ＹＢＣＯ層（酸化物超電導薄膜）の臨界電流密度は、約４×１０³ Ａ／ｃｍ² と見積もられる。これは研究設備において試作した例であり、専用設備において適切な条件コントロールを行なえば、特性や集合される超電導素線の数はより向上する。
【０１０２】
実施例２
図１を参照して、まず基材１には５０μｍ径のステンレス線を用い、その表面にＭＯＣＶＤ法によりＹＳＺ中間層２を形成した。次にＭＯＣＶＤ法により酸化物超電導薄膜であるＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-X層３を形成した。その表面には、ＤＣスパッタ法で銀層４を保護層として形成した。
【０１０３】
このようにして作製した超電導素線を２０本束ねて超電導導体を作製した。各素線の７７ＫでのＩｃの平均値は４ｍＡであり、それを束ねた導体のＩｃは７７ｍＡであった。これは研究設備において試作した例であり、専用設備において適切な条件コントロールを行なえば、特性や集合される超電導素線の数はより向上する。
【０１０４】
今回開示された実施の形態および実施例は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【０１０５】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、非常に加工性に優れた超電導素線を集合して超電導導体を構成するため、超電導導体の設計つまり集合のさせ方に自由度が大きくなり、使用目的に応じた超電導導体を得ることができるとともに超電導電流を多く流すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における酸化物超電導素線の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態における酸化物超電導素線の構成を示す部分斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態における酸化物超電導導体の構成を示す概略断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態における酸化物超電導導体の第１の製造方法を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態における酸化物超電導導体の第２の製造方法を示す図である。
【符号の説明】
１基材
２中間層
３酸化物超電導薄膜
４保護層
５絶縁層
２０酸化物超電導素線
３０酸化物超電導体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an oxide superconducting conductor having a large superconducting critical current with respect to alternating current and a small power loss, an oxide superconducting element wire for producing the same, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Production of a superconducting conductor by assembling superconducting wires has been practiced. When assembling these strands, the critical current density of the strands is high, and it is necessary for the current to flow evenly through all the strands in order to flow a large current in the superconducting state or to flow a current with low loss. is there. In order to reduce AC loss, a thin wire with a small diameter is used in a bundle in a metal superconducting conductor.
[0003]
In addition, with regard to superconducting wires, efforts have been made to obtain thin superconducting wires that are excellent in flexibility and have a large critical current (Ic). For metal-based superconducting wires, a method of bundling coated wires and drawing is used, and a similar method is also performed for Bi-based oxide superconducting wires.
[0004]
R_XBa_YCu_ZO_WAs for the oxide superconducting wire, a carbon fiber or metal fiber core has been tried.
[0005]
For example, JP-A-1-93006 or JG Wang et. Al., “Y-Ba—Cu—O superconducting fibers and wires by spray pyrolysis on corbon fibers”, J. Appl. Phys. Vol. No.4, pp.2160-2162, or LD Woolf et. Al., “Continuas fabrication of high-temperature superconductor coated metal fiber and multifilamentary wire”, Appl. Phys. Lett. Vol.58 No.5, pp.534 -536.
[0006]
R_XBa_YCu_ZO_WIn the oxide superconductor, since the critical current density is limited by the grain boundary, it is necessary to obtain a larger critical current density (Jc). For this reason, an intermediate layer having crystal orientation is formed on a disk-shaped substrate by an ion beam assisted deposition method or a substrate tilt method (ISD method), on which a pulse laser deposition method (PLD method) or organic A method of forming a superconducting thin film having crystal orientation by a metal chemical deposition method (MOCVD method) has been performed. In addition, there is a method in which a thin film such as a liquid phase epitaxial method is used on an elongated single crystal substrate, and the oxide superconducting thin film is given crystal orientation.
[0007]
For example, Y. Iijima et. Al., “In-plane aligned YBa”₂Cu_ThreeO_7-x Vol.60 No.6, 1992, pp.769-771, for thin-films doposited on encapsulated metallic substrates ”, Appl. Phys. Lett. Vol.60, 1992, pp.769-771. et. al., “Liquid Phase Epitaxy of YBCO Single-Crystalline Oxide Fibers for Power Application”, Advances in Superconductivity IX Vol.2, 1996, pp.653-655.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
(1) Among the above-described conventional examples, in the case where the fiber is the core, the crystal axis direction of the superconducting layer cannot be aligned with all three axes, and (a) the problem that the critical current density is limited to be low, (B) There is a problem that the characteristic is easily deteriorated because the thickness of the superconducting layer is thick, and (c) a problem that it is difficult to make the thickness of the superconducting layer uniform. This will be described in detail below.
[0009]
(A) The oxide superconductor has anisotropy in superconducting characteristics depending on the crystal orientation, and the crystal grain boundary inhibits the superconducting current. For this reason, in order to form an oxide superconducting thin film having excellent superconducting characteristics, it is necessary to align the crystal orientation of the oxide superconducting thin film. In order to make the crystal orientation uniform, it is necessary to irradiate the ion beam at a certain angle with respect to the base material or to deposit the raw material at a certain angle with respect to the base material.
[0010]
However, with thin and round substrates such as fibers, the ion beam irradiation angle and the material deposition angle with respect to the surface on which the thin film of the substrate is deposited cannot be made constant. A thin film cannot be obtained. Therefore, the critical current density is limited to be low.
[0011]
Attempts to prepare a thin superconducting layer using a pulsed laser deposition (PLD) method with carbon fiber as the core (A. Al-Sharif et. Al., “Attempts to prepare Bi-based superconductors on a carbon fiber substrate”, J. Appl. Phys. Vol.67 No.9, pp.5023-5025), but it has not succeeded in flowing a superconducting current.
[0012]
(B) Regarding the thickness of the superconducting layer, as is well known, the superconducting current flows only on the very surface of the superconductor. Its thickness is considered to be around 1 μm. In contrast, in the conventional example described above, the superconducting layer is several tens of μm. When the superconducting layer is thick, not only does the portion not contributing to the current increase and the efficiency deteriorates, but also the distortion due to bending increases at the outer peripheral portion where the current flows, which tends to cause characteristic deterioration.
[0013]
(C) In the physical deposition method such as the PLD method, the direction in which the thin film is deposited is limited by the flight direction of the thin film material. For this reason, when a thin film is deposited on a thin and round substrate such as a fiber by a physical deposition method such as the PLD method, a superconducting layer is not formed on half of the cross section of the substrate. Therefore, in order to cover the entire surface of the base material with the superconducting layer, it is necessary to repeat the thin film forming process twice or to install the target at two locations with respect to the base material. In consideration of the uniformity of thickness, it is necessary to repeat more film formations or to install more targets.
[0014]
Further, when a large number of recesses are present on the surface of the substrate, it is necessary to further increase the number of repeated film formations or the number of targets to be formed in order to form a superconducting layer uniformly in these recesses.
[0015]
The same applies to the case where an intermediate layer is formed between the base material and the superconducting layer. In particular, the intermediate layer is often required to prevent deterioration of superconducting characteristics due to diffusion of the base material into the superconducting layer. For this reason, if this intermediate layer is not formed on the entire surface of the substrate, the entire superconducting layer is deteriorated by diffusion from there, and the superconducting current may not flow in some cases.
[0016]
As described above, since the thickness of the superconducting layer and the intermediate layer is poor in the conventional example, when the thickness is reduced, a part without the superconducting layer and the intermediate layer is partially formed. As a result, it becomes impossible to flow current, or the magnitude (superconducting critical current: Ic) at which the superconducting current can flow is limited in a thin portion of the superconducting layer even if it does not reach it.
[0017]
(2) Of the above-mentioned conventional examples, those using a thin film use a tape-like or disk-like wire, and the shape of the assembly is significantly limited. It is difficult to accurately design the inductance. There are problems such as. This will be described in detail below.
[0018]
In order to obtain high Jc by using a thin film as in the above-described conventional example, it has been attempted to form a thin film with crystal orientation. In this case, a base material such as a tape shape or a disk shape is used in order to give the superconducting layer crystal orientation. This is because, in the case of a tape-shaped substrate, the irradiation angle of the ion beam and the deposition angle of the raw material with respect to the surface on which the thin film of the substrate is deposited can be made constant.
[0019]
However, since a tape-like base material is used, the direction of bending is limited in the superconducting element wire obtained thereby, and processing into a free shape becomes impossible. In particular, when the obtained superconducting wires are assembled and used, the shape of the assembly is significantly limited. For example, it is necessary to increase the pitch when strands are twisted together to some extent. These factors also obstruct this when bending to use a superconducting conductor.
[0020]
In addition, since such a superconducting wire has a certain width, the direction of current flow has a degree of freedom within the width. Therefore, when the strands are twisted or gathered in a spiral shape, it is difficult to accurately design the inductance.
[0021]
Therefore, an object of the present invention is to provide an oxide superconducting wire that can flow a large amount of superconducting current, has a high degree of freedom in the shape of the assembly, and can easily design an inductance, and an oxide superconducting conductor in which the oxide superconducting conductor is assembled. andOxide superconducting wireIt is to provide a manufacturing method.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present application have formed a superconducting critical current density (Jc) higher than that in the case of no crystal orientation when an intermediate layer and an oxide superconducting thin film are formed on a substrate having a circular cross section by a pulse laser deposition method. Found that there is something. This is presumably because the same angle as in the case of the substrate tilt method is formed between the vapor deposition particles and the substrate surface in a part of the circular cross section, and the crystal axis direction is oriented in all three axes in that part. In other words, even on a base material having a circular cross section, an intermediate layer having a portion aligned in the crystal axis direction can be formed, and the oxide superconducting thin film is formed on the intermediate layer. It turned out that the part with which the axial direction became uniform arises. Then, the oxide superconducting thin film in which the aligned portions in the crystal axis direction are continuously formed in the longitudinal direction by continuously forming the oxide superconducting thin film in the longitudinal direction while moving the substrate having the intermediate layer formed on the surface. It was found that can be formed.
[0024]
Therefore, the oxide superconducting wire of the present invention is an oxide superconducting wire in which an oxide superconducting thin film is formed on the surface of a long and flexible substrate, and the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the substrate is circular. The oxide superconducting thin film has an aligned part in the crystal axis direction, and the aligned part in the crystal axis direction is continuous in the longitudinal direction.
[0025]
This oxide superconducting wire does not mean that the entire oxide superconducting thin film formed on the surface is crystal-oriented. Therefore, considering Jc of only the oxide superconductor, a conventional tape-like substrate is used. The one with higher Jc is obtained. However, in the oxide superconducting conductor in which the strands of such a shape are assembled, the cross-sectional area of the oxide superconductor is larger than that in the case of gathering the tape-shaped strands. Become.
[0026]
For example, in Table 1 below, a 1 cm square size superconducting conductor is formed by stacking 100 tape-shaped superconducting wires having a width of 10 mm and a thickness of 0.1 mm, and a bundle of thin strands having a circular cross section. A trial calculation example of Ic and the like is shown.
[0027]
[Table 1]

[0028]
As can be seen from Table 1, the Jc of the superconducting thin film for obtaining the equivalent Ic may be considerably smaller in the case of a thin wire having a circular cross section than in the case of a tape-like wire. This is a trial calculation when the superconducting wires are simply bundled, but in the case of a superconducting conductor for AC transmission, the wires are gathered in a spiral shape to reduce the current penetration into the interior and reduce loss. Is required. In the case of performing such processing, the thin circular wire excellent in workability can make the cross-sectional diameter of the superconducting conductor smaller.
[0029]
In addition, since the strand having a thin circular cross section has better workability than the tape-shaped strand, the shape of the assembly can be freely designed. This means that a thin superconducting conductor can be produced with the required current value, a flat superconducting conductor can be produced depending on the installation location, and the strands are displaced and twisted so that alternating current can flow with low loss. And so on. In addition, it is easy to accurately design the inductance of a thin wire having a circular cross section compared to a tape-shaped wire.
[0030]
In order to further increase the area of the oriented portion, it is also effective to make the cross section of the line a regular polygon. This is because the oxide superconducting thin film can be oriented along all three axes on the surface of the substrate by making the deposition direction of the raw material or the irradiation direction of the ion beam constant for each surface of the regular polygon. .
[0031]
Actually, when a thin regular polygonal base material is used, it is difficult to keep a specific surface of the base material constant with respect to the raw material deposition direction. However, if vapor deposition of the raw material is carried out continuously with the step of forming the cross section of the base material into a regular polygon, a specific surface of the base material can be kept constant with respect to the raw material vapor deposition direction. In addition, if the substrate is heated so that the temperature of the base material becomes an optimum temperature in the vapor deposition section, a high-performance oxide superconducting element wire can be manufactured in a simpler process.
[0032]
Preferably, in the above oxide superconducting element wire, the aligned part in the crystal axis direction continuously extends from the vicinity of one end of the oxide superconducting element wire to the vicinity of the other end.
[0033]
As a result, a large amount of superconducting current can flow from the vicinity of one end to the vicinity of the other end.
[0034]
As one method for realizing the oxide superconducting wire, an intermediate layer is provided between the oxide superconducting thin film and the base material, and a portion in which the crystal axis direction is aligned in the intermediate layer is continuously formed in the longitudinal direction. It is effective to form an oxide superconducting thin film on the surface so that the crystal axis direction of the oxide superconducting thin film is aligned in the longitudinal direction according to the crystal axis direction of the intermediate layer.
[0035]
Thereby, an oxide superconducting thin film having a portion in which the crystal axis direction is aligned can be obtained even on the surface of the circular cross section.
[0036]
In the above oxide superconducting element wire, the substrate is preferably a metal wire or a ceramic fiber.
[0037]
Thereby, the material of a base material can be selected suitably.
In the above oxide superconducting element wire, the thickness of the oxide superconducting thin film is preferably small enough that electromagnetic energy to be transmitted can penetrate into the oxide superconducting thin film.
[0038]
As a result, the portion of the superconducting thin film that does not contribute to the superconducting current can be reduced, so that not only the efficiency is improved, but also distortion due to bending at the outer peripheral portion where current flows can be reduced and the characteristics can be improved.
[0039]
In the above oxide superconducting wire, the thickness of the oxide superconducting thin film is preferably 1.2 μm or less.
[0040]
A typical oxide superconductor has a large magnetic penetration depth of 1 μm or more, and if the film thickness is approximately 1.2 μm or more, the energy transmission efficiency per volume of the conductor is improved. However, if there is a deteriorated layer at the interface part of the oxide superconducting thin film, it is necessary to reduce the thickness of the deteriorated layer, and it is necessary to increase the thickness of the thin film to some extent in order to form a good superconducting thin film. It may be necessary. For this reason, the thickness of the oxide superconducting thin film does not essentially limit the present invention.
[0041]
Preferably, the oxide superconducting wire further includes a metal thin film covering the outer periphery of the oxide superconducting thin film.
[0042]
Preferably, the oxide superconducting wire further includes an insulator thin film covering the outer periphery of the oxide superconducting thin film.
[0043]
In the oxide superconducting wire, the oxide superconducting thin film is preferably R_XBa_YCu_ZO_W(0.1 ≦ X ≦ 1.5, 1.5 ≦ Y ≦ 2.5, 2.5 ≦ Z ≦ 3.5, 6.5 ≦ W ≦ 7.5), and R is Y , Gd, Eu, Nd, Ho, Yb, Tb, Sm, Pr, Dy, Lu, Er, and Tm.
[0044]
In the above oxide superconducting element wire, the maximum diameter (including the diameter) of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the element wire is preferably 1 mm or less.
[0045]
If the maximum diameter of the superconducting element wire is too large, current does not flow to the superconducting element wire at the center due to shielding of the electromagnetic field by the outer superconducting element wire. In addition, the superconducting element wire having the largest maximum diameter impairs the flexibility of the conductor. From these points, the wire size is desirably 1 mm or less for commercial frequencies of 50 Hz to 60 Hz. This frequency value is a typical example at present, and even if there is a slight difference in the value, there is no essential difference in this effect.
[0046]
In the oxide superconducting element wire, the base material is preferably made of a material having a thermal expansion coefficient larger than that of the oxide superconducting thin film.
[0047]
The reason is that the properties of oxide superconducting thin films are usually less susceptible to tensile strain than compressive strain. Therefore, when a thin film is formed at a high temperature and then cooled to operating temperature, it is not subject to tensile stress. This is desirable.
[0048]
The oxide superconducting conductor of the present invention is a set of a plurality of strands of any of the oxide superconducting strands described above.
[0049]
As a result, a large amount of superconducting current can be flown, and an oxide superconducting conductor having a high degree of freedom in the shape of the assembly and an easy inductance design can be obtained.
[0050]
In the above oxide superconducting conductor, preferably, a plurality of oxide superconducting strands are twisted together, or each of the oxide superconducting strands is from the inner peripheral side to the outer peripheral side and from the outer peripheral side to the inner side from the outer peripheral side. They are assembled so as to extend toward the circumferential side while changing the radial position (that is, while being displaced).
[0051]
Thus, an oxide superconducting conductor can be obtained by twisting or transposing a plurality of oxide superconducting wires.
[0052]
A method for manufacturing an oxide superconducting wire according to one aspect of the present invention includes the following steps.
[0053]
First, a long and flexible base material having a circular, elliptical or regular polygonal cross section perpendicular to the longitudinal direction is prepared. And the intermediate layer of the structure where the part where the crystal-axis direction became uniform continues in the longitudinal direction on the surface of a base material. Then, an oxide superconducting thin film is formed on the surface of the intermediate layer.
[0054]
In the method for manufacturing an oxide superconducting wire according to one aspect of the present invention, the oxide superconducting thin film is formed on the intermediate layer having the portions aligned in the crystal axis direction as described above. An oxide superconducting thin film having a portion can be formed. As a result, a large amount of superconducting current can be flowed, an oxide superconducting element wire that forms an oxide superconducting conductor with a high degree of freedom in the shape of the assembly and an easy inductance design can be obtained.
[0055]
Preferably, in the method for manufacturing an oxide superconducting wire of the above aspect, an intermediate layer is formed continuously with the step of heating while forming a substrate made of a metal wire so that a cross section perpendicular to the longitudinal direction is a regular polygon. Is done. When forming the intermediate layer, the intermediate layer raw material is deposited at a certain angle with respect to a specific surface of the substrate, or the intermediate layer raw material is deposited while irradiating an ion beam at a certain angle. In-plane orientation is imparted to the portion of the intermediate layer on a particular plane.
[0056]
As a result, in-plane orientation can be imparted to the intermediate layer.
Preferably, in the method for manufacturing an oxide superconducting wire according to the above aspect, the oxide superconducting thin film is one or more methods selected from the group consisting of a pulse laser deposition method, a sputtering method, a chemical vapor deposition method, and a liquid phase epitaxial method. It is formed by.
[0057]
Thereby, the formation method of an oxide superconducting thin film can be selected suitably.
Preferably, the method for manufacturing an oxide superconducting wire of the above aspect further includes a step of forming at least one of a metal thin film and an insulator thin film covering the outer periphery of the oxide superconducting thin film. The step of forming at least one of the metal thin film and the insulator thin film is performed continuously with the step of forming the intermediate layer and the oxide superconducting thin film.
[0058]
Thereby, for example, the surface of the intermediate layer is prevented from being deteriorated between the intermediate layer formation and the oxide superconducting thin film formation, and not only the productivity is improved but also the performance of the superconducting characteristics is improved.
[0059]
In the method for manufacturing an oxide superconducting conductor according to one aspect of the present invention, the oxide superconducting conductor is formed by collecting the oxide superconducting wires obtained by any one of the manufacturing methods according to the above one aspect.
[0060]
As a result, a large amount of superconducting current can be flown, and an oxide superconducting conductor having a high degree of freedom in the shape of the assembly and an easy inductance design can be obtained.
[0061]
Preferably, in the method for producing an oxide superconducting conductor according to the above aspect, the step of assembling the oxide superconducting wires to form the oxide superconducting conductor is a step of forming an oxide superconducting thin film or at least of a metal thin film and an insulator thin film. It is continuously performed in the process of forming either.
[0062]
As a result, it is possible to form the oxide superconducting conductor as it is gathered continuously without winding up and storing each of the oxide superconducting wires, and to produce the oxide superconducting conductor more efficiently. be able to. Of course, it is also possible to produce an oxide superconducting conductor having a larger critical current density by gathering a number of such aggregates. Moreover, since many strands can be produced simultaneously, productivity becomes more efficient.
[0063]
Further, the inventors of the present application have used, for example, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) as a means for forming a thin film, instead of the pulse laser deposition method described above having a large degree of anisotropy of deposition on a substrate. Etc.), the oxide superconducting thin film is formed on the surface of the substrate having a circular, elliptical or regular polygonal cross section by a single film forming process. It has been found that the film can be formed with a substantially uniform film thickness on the entire outer periphery of the cross section of the material.
[0064]
Here, the substantially uniform thickness means that the variation in thickness is within ± 10%.
[0065]
In this manufacturing method, as a means for forming a thin film, the degree of anisotropy of deposition on the base material is smaller than that of the pulse laser deposition method described above. Can be formed. Also in the superconducting wire obtained by this method, Jc of only the oxide superconductor is low as compared with the case where a tape-shaped substrate is used. However, in the superconducting conductor obtained by bundling the superconducting wires obtained by this method, as shown in Table 1, it is possible to flow a larger amount of superconducting current than when using a tape-like substrate.
[0066]
Regarding the material and structure of the oxide superconducting wire manufactured using this method and the method of manufacturing the oxide superconducting conductor assembled from the wires, the material, structure and manufacturing method described above should be applied. Check again.
[0067]
In addition, it is advantageous from the viewpoint of performance as well as productivity to continuously perform the steps of forming each necessary layer (intermediate layer, superconducting thin film, protective layer). For example, mentioning that the problem that the surface of the lower layer deteriorates during intermediate layer formation and superconducting thin film formation or between the superconducting thin film and protective layer formation can be avoided by forming each layer continuously. deep.
[0068]
Moreover, since the wire diameter of the strand having a circular cross section can be made smaller than that of the tape-shaped strand, a plurality of strands can be processed simultaneously in the film forming apparatus. For this reason, when manufacturing the superconducting strand described in the present invention, it is more efficient to fabricate several strands simultaneously.
[0069]
Furthermore, if all the strands that make up a superconducting conductor are manufactured continuously at the same time, it is possible to assemble the superconducting conductors more efficiently without winding up and storing them. can do. Of course, it is possible to produce a superconducting conductor having a larger critical current by assembling a number of such aggregates.
[0070]
Further, the intermediate layer and the protective layer are also formed by a method (for example, metal organic chemical vapor deposition method) capable of forming a film with a substantially uniform thickness by only one thin film forming step on the entire outer periphery of the cross section of the substrate. .
[0071]
As a result, the intermediate layer and the protective layer can also be formed with a uniform film thickness by a single film forming process with a simple film forming apparatus, the entire superconducting thin film is deteriorated by diffusion, and the protection of the superconducting thin film is impaired. Is prevented.
[0072]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0073]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of an oxide superconducting element wire according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the oxide superconducting wire.
[0074]
Referring to FIG. 1, an intermediate layer 2 made of YSZ partially crystallized by, for example, the PLD method is formed on the outer peripheral surface of a base material 1 made of a stainless steel wire having a diameter of 50 μm, for example, and further on the outer periphery thereof. For example, YBa by the PLD method₂ Cu_Three O_7-XAn oxide superconductor layer 3 made of layers is formed.
[0075]
The oxide superconductor layer 3 also has a portion 3a that is continuously crystallized along the longitudinal direction as shown in FIG. The crystal-oriented portion 3a continuously extends from the vicinity of one end of the strand to the vicinity of the other end. The partially crystallized portion of the intermediate layer 2 is also continuously distributed along the longitudinal direction of the substrate 1. Referring to FIG. 1, protective layer 4 made of a silver layer, for example, is formed on the outer periphery of oxide superconductor layer 3 by, for example, a sputtering method, and further, a YSZ layer is made on the outer periphery, for example, by a sputtering method. An insulating layer 5 is formed. FIG. 2 shows only a part of the strand extending in the longitudinal direction.
[0076]
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the oxide superconducting conductor in one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, this oxide superconducting conductor 30 has a configuration in which a plurality of oxide superconducting wires shown in FIGS. 1 and 2 are bundled and twisted together. Also, instead of simply twisting a plurality of strands, each strand extends in the longitudinal direction while changing its radial position from the inner circumference side to the outer circumference side and from the outer circumference side to the inner circumference side of the oxide superconducting conductor. May be aggregated (ie, dislocations).
[0077]
Specifically, the oxide superconducting conductor 30 is formed by twisting two strands 20 into a twisted wire 20A and further twisting the two twisted wires 20A. As a result, all the strands 20 pass evenly between the inner peripheral side and the outer peripheral side of the conductor 30. Of course, it is not necessary to twist the strands 20 two by two, and several strands can be twisted at a time.
[0078]
In addition to the stainless steel, a metal wire such as nickel, hastelloy, silver, or a ceramic fiber such as SiC fiber may be used for the substrate 1. The thickness of the oxide superconducting thin film 3 is preferably small (for example, 1.2 μm or less) such that electromagnetic energy to be transmitted can penetrate into the thin film 3.
[0079]
The oxide superconducting thin film 3 is made of YBa.₂ Cu_Three O_7-XNot limited to R_XBa_YCu_ZO_W(0.1 ≦ X ≦ 1.5, 1.5 ≦ Y ≦ 2.5, 2.5 ≦ Z ≦ 3.5, 6.5 ≦ W ≦ 7.5), and R is Y , Gd, Eu, Nd, Ho, Yb, Tb, Sm, Pr, Dy, Lu, Er, and Tm.
[0080]
The diameter of the oxide superconducting wire 20 is preferably 1 mm or less.
The cross section perpendicular to the longitudinal direction of the oxide superconducting element wire 20 may be elliptical or regular polygonal. In this case, the maximum diameter of the cross section is preferably 1 mm or less. Here, the maximum diameter in the regular polygon has the largest dimension among the diameters connecting the apex angles of the cross sections.
[0081]
The base material 1 is preferably made of a material having a thermal expansion coefficient larger than that of the oxide superconducting thin film 3.
[0082]
In addition, it is preferable that the diameter of the strand 20 is small so that the transmission direction of electromagnetic energy can be effectively defined at the frequency of electromagnetic energy to be transmitted. Moreover, it is preferable that the diameter of the strand 20 is as small as not to substantially inhibit the bending of the conductor.
[0083]
Next, a method for producing a superconducting conductor in one embodiment of the present invention will be described.
[0084]
FIG. 4 is a diagram showing a first method for manufacturing a superconducting conductor in one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, a plurality of wires 6 (for example, metal wires such as stainless steel, nickel, hastelloy, silver, and ceramic fibers such as SiC fibers) are supplied simultaneously. The wire 6 is introduced into a thin film forming container, and a thin film is formed in the order of the intermediate layer, the oxide superconducting layer, and the protective layer. The intermediate layer is deposited on the line 6 by irradiating the intermediate layer target 7 with the laser beam 8 and scattering the target while being heated by the heater 9. The oxide superconducting thin film 3 is deposited on the line 6 by irradiating the oxide superconductor target 11 with the laser beam 8 and scattering the target while being heated by the heater 9. The protective layer is deposited on the line 6 by scattering the target from the raw material target 12.
[0085]
Each film forming chamber in the thin film forming container is partitioned by a partition wall 10, and the partition wall 10 has pores in a portion through which the line 6 passes. Further, in order to form the intermediate layer, the oxide superconducting thin film, and the protective layer on the entire surface of the line 6, the

targets

7 and 12 are disposed on both the upper side and the lower side of the line 6.
[0086]
The intermediate layer and the oxide superconducting thin film are formed by the PLD method, and the protective layer is formed by the RF sputtering method. The wires 6 on which the respective layers are formed in this way exit from the thin film forming container through the pores, and are then aggregated at the strand assembly part 13 to constitute an oxide superconducting conductor.
[0087]
In the above description, an example in which a plurality of strands 6 are simultaneously produced and continuously assembled has been described. However, a single wire 6 may be assembled after being produced and stored at high speed. It can be considered that it is more efficient to produce 6 at the same time and store them one by one, and then collect the required number of conductors in the required shape and method according to the required conductor design. A plurality of aggregates of the strands 6 once assembled may be assembled later to be a conductor having a larger critical current. These methods may be properly used according to the design and production form of the conductor.
[0088]
In the above description, the oxide superconducting thin film 3 is formed by the PLD method. However, the oxide superconducting thin film 3 may be formed by a sputtering method, a chemical vapor deposition method, a liquid phase epitaxial method, or a combination thereof. Good. Moreover, when forming the intermediate | middle layer 2, it forms on the conditions that a part crystallizes continuously in a longitudinal direction.
[0089]
FIG. 5 is a diagram showing a second method for manufacturing a superconducting conductor in one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, intermediate layer deposition chamber 31, superconducting thin film deposition chamber 32, and protective layer deposition chamber 33 are connected via a flange 38. A heater 36 is installed around the intermediate layer film forming chamber 31 and the superconducting thin film film forming chamber 32, and an intermediate layer source gas is introduced into each of the intermediate layer film forming chamber 31 and the superconducting thin film film forming chamber 32. The part 34, the superconducting thin film source gas introduction part 35, and the gas discharge port 41 are connected. A target 37 serving as a raw material for the protective layer is disposed in the protective layer film forming chamber 33.
[0090]
The flange 38 is provided with pores for allowing the base material 6 to pass through, and the pores are configured so that the atmosphere between the adjacent deposition chambers and between the deposition chambers and the outside is not mixed. .
[0091]
The substrate 6 moves in the film forming apparatus by being rolled up by the collecting and winding unit 40 from the substrate supply unit 39. The base material 6 is first introduced into the intermediate layer film forming chamber 31, where an intermediate layer is formed on the surface of the base material 6 by, for example, MOCVD. At this time, the heater 36 is heated from the outside, and the source gas is introduced from the intermediate layer source gas inlet 34.
[0092]
Next, in the superconducting thin film deposition chamber 32, an oxide superconducting thin film is formed on the surface of the intermediate layer, for example, by MOCVD. At this time, the heater 36 is heated from the outside, and the raw material gas is introduced from the superconducting thin film raw material gas introduction part 35.
[0093]
Next, a protective layer is formed on the surface of the superconducting thin film in the protective layer deposition chamber 33 by, for example, DC sputtering. At this time, the protective layer is deposited by scattering the target from the protective layer raw material target 37.
[0094]
In this way, the superconducting element wire is formed, and is assembled and wound up by the collecting and winding unit 40 to constitute an oxide superconducting conductor.
[0095]
According to this method, since the oxide superconducting thin film is formed by MOCVD, the oxide superconducting thin film is formed with a substantially uniform film thickness on the entire circumference of the strand having a circular, elliptical, or regular polygonal cross section. be able to. In addition, since film formation is performed while moving the strand, an oxide superconducting thin film having a substantially uniform thickness can be continuously formed in the longitudinal direction of the strand. Also, according to this method, the oxide superconducting thin film can be formed so that the aligned portions in the crystal axis direction are continuous in the longitudinal direction of the substrate.
[0096]
Although the case where the protective layer is formed by the DC sputtering method has been described above, the protective layer may be formed by the MOCVD method or may be formed by other methods. In addition, although the intermediate layer has been described as being formed by the MOCVD method, the intermediate layer may be formed by a sputtering method or the like. In addition, the oxide superconducting thin film has been described as being formed by, for example, the MOCVD method. In addition, the oxide superconducting thin film has a substantially uniform thickness only by a single thin film forming process on the entire circumference of the cross section of the substrate. As long as the film can be formed, the film may be formed by other methods.
[0097]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
[0098]
Example 1
First, in the configuration shown in FIG. 1, a stainless steel wire is used for the base material 1, a YSZ layer is used for the intermediate layer, and YBa is used for the oxide superconducting thin film 3.₂ Cu_Three O_7-XAn oxide superconducting element wire was manufactured using a silver layer as the protective layer 4 and a YSZ layer as the insulating layer 5. Table 2 shows the forming method, forming temperature, forming atmosphere and thickness of each layer in this oxide superconducting wire.
[0099]
[Table 2]

[0100]
Each of these layers 2 to 5 was repeatedly formed from two directions of the base material 1 so that each of the layers 2 to 5 was formed on the entire surface of the base material 1. The thickness of each layer 2-5 was estimated from the thickness of each thin film layer 2-5 on the stainless steel plate which formed each layer 2-5 simultaneously.
[0101]
An oxide superconducting conductor was produced by bundling 20 thus produced oxide superconducting wires. The average value of Ic at 77K for each strand is 5.6 mA, the Ic of the conductor bundled with it is 108 mA, and it is confirmed that it is higher than Ic of the oxide superconducting conductor assembled with tape-like strands. did. The critical current density of the YBCO layer (oxide superconducting thin film) is about 4 × 10^Three A / cm² It is estimated. This is an example of a prototype in a research facility. If appropriate conditions are controlled in a dedicated facility, the characteristics and the number of superconducting wires assembled will be improved.
[0102]
Example 2
With reference to FIG. 1, first, a 50 μm diameter stainless steel wire was used as the substrate 1, and a YSZ intermediate layer 2 was formed on the surface thereof by MOCVD. Next, the oxide superconducting thin film YBa is formed by MOCVD.₂Cu_ThreeO_7-XLayer 3 was formed. On the surface, a silver layer 4 was formed as a protective layer by DC sputtering.
[0103]
A superconducting conductor was produced by bundling 20 superconducting wires thus produced. The average value of Ic at 77K of each strand was 4 mA, and the Ic of the conductor bundled with it was 77 mA. This is an example of a prototype in a research facility. If appropriate condition control is performed in a dedicated facility, the characteristics and the number of superconducting strands to be assembled are further improved.
[0104]
It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0105]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a superconducting conductor is assembled by assembling superconducting wires that are extremely excellent in workability. A superconducting conductor according to the purpose of use can be obtained and a large amount of superconducting current can flow.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross sectional view schematically showing a configuration of an oxide superconducting element wire in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial perspective view showing a configuration of an oxide superconducting element wire in an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of an oxide superconducting conductor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a first method of manufacturing an oxide superconducting conductor in one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a second method of manufacturing an oxide superconducting conductor in one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Base material
2 Middle layer
3 Oxide superconducting thin film
4 Protective layer
5 Insulation layer
20 Oxide superconducting wire
30 oxide superconductor

Claims

There are flexible elongated, and a step of preparing a section perpendicular positive polygonal base in the longitudinal direction,
A step of forming an intermediate layer having a structure in which the aligned portions in the crystal axis direction are continuous in the longitudinal direction on the surface of the substrate;
Forming an oxide superconducting thin film on the surface of the intermediate layer ,
The intermediate layer is formed continuously with the step of heating while forming the base material whose cross section perpendicular to the longitudinal direction is a regular polygon.
By depositing the intermediate layer material at a certain angle with respect to a specific surface of the substrate during the formation of the intermediate layer, or by depositing the intermediate layer material while irradiating an ion beam at a certain angle Providing in-plane orientation to a portion of the intermediate layer on the particular surface of the substrate;
The oxide superconducting thin film is triaxially formed by forming the oxide superconducting thin film by one or more methods selected from the group consisting of a pulse laser deposition method, a sputtering method, a chemical vapor deposition method, and a liquid phase epitaxial method. A method for producing an oxide superconducting wire that is oriented together .

An oxide superconducting wire manufactured by the method according to claim 1,
Section perpendicular to the longitudinal direction of the base is positive polygonal,
The oxide superconducting thin film has an oxide superconducting wire having a portion in which crystal axis directions are aligned in all three axes, and the portion in which the crystal axis direction is aligned is continuous in the longitudinal direction.

3. The oxide superconducting wire according to claim 2 , wherein the aligned portions in the crystal axis direction continuously extend from the vicinity of one end of the oxide superconducting wire to the vicinity of the other end.

An intermediate layer located between the oxide superconducting thin film and the substrate;
The intermediate layer has a uniform portion of the crystal axis direction, the uniform portion of the crystal axis direction is continuous in the longitudinal direction, the oxide superconducting wire according to claim 2 or 3.

The oxide superconducting element wire according to any one of claims 2 to 4 , wherein the base material is a metal wire or a ceramic fiber.

The oxide superconducting wire according to any one of claims 2 to 5 , wherein the thickness of the oxide superconducting thin film is so small that electromagnetic energy to be transmitted can penetrate into the oxide superconducting thin film.

The oxide superconducting element wire according to any one of claims 2 to 6 , further comprising a metal thin film covering an outer periphery of the oxide superconducting thin film.

The oxide superconducting wire according to any one of claims 2 to 7 , further comprising an insulator thin film covering an outer periphery of the oxide superconducting thin film.

The oxide superconducting thin film is _{_{_{_{R X Ba Y Cu Z O W}}}} (0.1 ≦ X ≦ 1.5,1.5 ≦ Y ≦ 2.5,2.5 ≦ Z ≦ 3.5,6.5 ≦ W ≦ 7.5), R is composed of one or more elements selected from the group of Y, Gd, Eu, Nd, Ho, Yb, Tb, Sm, Pr, Dy, Lu, Er, and Tm The oxide superconducting element wire according to any one of claims 2 to 8 .

The oxide superconducting element wire according to any one of claims 2 to 9 , wherein the oxide superconducting thin film has a thickness of 1.2 µm or less.

The oxide superconducting wire according to any one of claims 2 to 10 , wherein a maximum diameter of a cross section perpendicular to the longitudinal direction is 1 mm or less.

The oxide superconducting wire according to any one of claims 2 to 11 , wherein the substrate is made of a material having a thermal expansion coefficient larger than that of the oxide superconducting thin film.

An oxide superconducting conductor in which a plurality of oxide superconducting wires according to any one of claims 2 to 12 are assembled.

A plurality of the oxide superconducting wires are twisted together, or each of the oxide superconducting wires is radially positioned from the inner circumference side to the outer circumference side and from the outer circumference side to the inner circumference side of the oxide superconductor The oxide superconducting conductor according to claim 13 , wherein the oxide superconducting conductors are assembled so as to extend while being changed.