JPH0766986B2 - Permanent current switch device - Google Patents
Permanent current switch deviceInfo
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- JPH0766986B2 JPH0766986B2 JP4015911A JP1591192A JPH0766986B2 JP H0766986 B2 JPH0766986 B2 JP H0766986B2 JP 4015911 A JP4015911 A JP 4015911A JP 1591192 A JP1591192 A JP 1591192A JP H0766986 B2 JPH0766986 B2 JP H0766986B2
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、超電導マグネットおよ
び回転機、磁気共鳴診断装置、磁気浮上列車、加速器等
の超電導マグネットを使用した装置において、超電導マ
グネットを永久電流モードで通電させるのに必要とされ
る永久電流スイッチ装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is necessary for energizing a superconducting magnet in a permanent current mode in an apparatus using the superconducting magnet such as a superconducting magnet and a rotating machine, a magnetic resonance diagnostic device, a magnetic levitation train, an accelerator and the like. Permanent current switch device.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の超電導マグネットを永久電流モー
ドで用いるための、いわゆる永久電流スイッチあるいは
超電導スイッチは超電導線を熱的にあるいは機械的にス
イッチさせる手法が用いられていた。すなわち超電導マ
グネットを構成する超電導コイルに並列に超電導スイッ
チを配する。超電導スイッチの動作方式は(1)超電導
線間の機械的な接触による回路接続、あるいは切断法、
(2)ヒータを超電導線に巻きつけて、ヒータの発熱の
有無によって超電導線を超電導状態と常伝導状態の間で
転移させる方法、または(3)超電導線にコイルを巻き
つけて、コイルの発生する磁場によって超電導線を超電
導状態と常伝導状態の間で転移させる方法等が用いられ
てきた。方式(1)は機械的な方法であり、(2)およ
び(3)は超電導線の超電導‐常伝導転移を利用するス
イッチである。2. Description of the Related Art For using a conventional superconducting magnet in a permanent current mode, a so-called permanent current switch or a superconducting switch has used a method of thermally or mechanically switching a superconducting wire. That is, the superconducting switch is arranged in parallel with the superconducting coil forming the superconducting magnet. The operation method of superconducting switch is (1) circuit connection or disconnection method by mechanical contact between superconducting wires,
(2) A method in which a heater is wound around a superconducting wire and the superconducting wire is transitioned between a superconducting state and a normal conducting state depending on whether or not the heater generates heat, or (3) A coil is wound around the superconducting wire to generate a coil. A method of transitioning a superconducting wire between a superconducting state and a normal conducting state by a magnetic field that has been used has been used. The method (1) is a mechanical method, and the methods (2) and (3) are switches that utilize the superconducting-normal conduction transition of the superconducting wire.
【0003】なお、この種の技術が記載されている文献
として、例えば、岡田東一編集、“低温工学ハンドブッ
ク"、内田老鶴圃新社、1978年出版、474〜47
5頁が挙げられる。Documents describing this type of technology include, for example, Toichi Okada's "Cryogenic Engineering Handbook", Uchida Lao Tsurugai Shinsha, 1978, 474-47.
Page 5 is mentioned.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】従来の超電導スイッチ
を超電導マグネットの永久電流スイッチとして用いよう
とする場合、以下に述べる問題点を有していた。すなわ
ち方式(1)の機械的なスイッチング法は信頼性の点で
問題があった。機械的な接触の場合、接触圧力によって
スイッチに流れる超電導電流を調節する。しかしながら
液体ヘリウム温度あるいは液体窒素温度等の低温で超電
導線を接触させる場合、線材表面に吸着物質が付着し、
接触圧力と超電導臨界電流との間で再現性のある対応関
係を得ることができない。さらに機械的な方法ではスイ
ッチングの速度に限界があり、ミリ秒のレベルが限界で
ある。However, when the conventional superconducting switch is used as the permanent current switch of the superconducting magnet, there are the following problems. That is, the mechanical switching method of the method (1) has a problem in reliability. In the case of mechanical contact, the contact pressure regulates the superconducting current flowing through the switch. However, when the superconducting wire is contacted at a low temperature such as liquid helium temperature or liquid nitrogen temperature, the adsorbed substance adheres to the surface of the wire,
A reproducible correspondence between contact pressure and superconducting critical current cannot be obtained. Further, the mechanical method has a limit in switching speed, and has a limit of millisecond level.
【0005】方式(2)および(3)の超電導‐常伝導
転移を利用する超電導スイッチの場合、機械的なスイッ
チング方法と比較して信頼性は高いが、スイッチング速
度が低く、マイクロ秒以上のレベルである。In the case of the superconducting switch utilizing the superconducting-normal conduction transitions of the methods (2) and (3), the reliability is high as compared with the mechanical switching method, but the switching speed is low and the level is higher than microsecond. Is.
【0006】以上述べた超電導スイッチの問題点は金属
系超電導マグネットおよび酸化物系超電導マグネットに
共通の問題である。酸化物系の超電導マグネットの場
合、さらに酸化物に特有の問題点が生じる。方式(1)
の接触式の場合、酸化物超電導材料は塑性変形をほとん
ど生じないために、機械的に接触させても接触断面積が
小さい。酸化物超電導材料は超電導相特有の結晶構造を
示さないかぎり、高臨界電流密度を示さないが、接触部
分が原子層レベルで超電導結晶と同様の原子配列を形成
するのが確率的にきわめて低い。これらの理由により、
酸化物超電導材料どうしを接触させてもジョセフソン接
合的な特性となり、高臨界電流密度は得られない。した
がって高い電流容量の永久電流スイッチに用いることは
できない。方式(2)および(3)の場合、酸化物超電
導材料は数十テスラの高い臨界磁場を有するために磁場
によってスイッチングさせることは困難である。一方、
酸化物超電導材料はイットリウム系材料等90K以上の
臨界温度を示すために、ヒータによる加熱によって常伝
導転移を生じさせるためには、金属系の超電導材料に比
べて数桁長い時間を必要とする。The above-mentioned problems of the superconducting switch are common to metal-based superconducting magnets and oxide-based superconducting magnets. In the case of oxide-based superconducting magnets, there are further problems peculiar to oxides. Method (1)
In the case of the contact type, since the oxide superconducting material hardly causes plastic deformation, the contact cross-sectional area is small even when mechanically contacting. The oxide superconducting material does not show a high critical current density unless it shows a crystal structure peculiar to the superconducting phase, but it is stochastic that the contact portion forms an atomic arrangement similar to that of the superconducting crystal at the atomic layer level. For these reasons,
Even if the oxide superconducting materials are brought into contact with each other, the characteristics become like Josephson junction, and a high critical current density cannot be obtained. Therefore, it cannot be used for a persistent current switch having a high current capacity. In the cases of the methods (2) and (3), it is difficult to switch by the magnetic field because the oxide superconducting material has a high critical magnetic field of several tens of tesla. on the other hand,
Since the oxide superconducting material exhibits a critical temperature of 90 K or higher such as yttrium-based material, it takes several orders of magnitude longer time than the metal-based superconducting material to generate the normal conduction transition by heating with the heater.
【0007】本発明の目的は、超電導スイッチを超電導
マグネットの永久電流スイッチとして用いるにさいし
て、安定性と再現性を有し、高い電流レベルあるいは臨
界電流密度が確保でき、かつマイクロ秒以下の速度でス
イッチングを行える永久電流スイッチ装置を提供するこ
とにある。The object of the present invention is to use a superconducting switch as a permanent current switch of a superconducting magnet, with stability and reproducibility, ensuring a high current level or a critical current density, and a speed of microsecond or less. An object of the present invention is to provide a permanent current switch device that can perform switching by.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項1においては、絶縁性基板上に酸化
物系の常伝導膜が形成され、この常伝導膜上に酸化物系
の超電導膜が積層化して形成され、この超電導膜が微小
距離を隔てて2つの領域に分けられて一方がソース電
極、他方がドレイン電極となり、このソース電極とドレ
イン電極間は下層の常伝導膜を介して電気的に接続され
ており、さらに常伝導膜上の超電導膜の存在しない領域
に絶縁膜を介して導電性の第3電極が配された構成の超
電導スイッチ素子を備え、このスイッチ素子のソース電
極とドレイン電極の両端子間に並列状に、超電導線材か
らなる超電導マグネット巻線を接続して電気的閉回路を
形成し、この電気的閉回路の超電導モードと常伝導モー
ド間の遷移を、上記第3電極への電圧印加によりスイッ
チング制御する構成の永久電流スイッチ装置とする。In order to achieve the above object, according to claim 1 of the present invention, an oxide-based normal conductive film is formed on an insulating substrate, and an oxide is formed on the normal conductive film. A system superconducting film is formed by stacking, and this superconducting film is divided into two regions with a small distance, one of which serves as a source electrode and the other serves as a drain electrode. The switch is provided with a superconducting switch element having a structure in which a conductive third electrode is arranged through an insulating film in a region where the superconducting film does not exist on the normal conducting film. A superconducting magnet winding made of a superconducting wire is connected in parallel between both terminals of the source electrode and drain electrode of the device to form an electrically closed circuit, and between the superconducting mode and the normal conduction mode of this electrically closed circuit. Transition above By applying voltage to the third electrode to a permanent current switch device arrangement for switching control.
【0009】また本発明の請求項2においては、前記の
超電導スイッチ素子を複数個備え、各スイッチ素子のソ
ース電極はそれぞれ超電導線を介して1つのソース電極
共通端子に、ドレイン電極はそれぞれ超電導線を介して
1つのドレイン電極共通端子に、第3電極もそれぞれ超
電導線を介して1つの第3電極共通端子に接続し、この
ソース電極共通端子とドレイン電極共通端子間に並列状
に前記超電導マグネット巻線を接続して電気的閉回路を
形成し、この電気的閉回路の超電導モードと常伝導モー
ド間の遷移を、上記第3電極共通端子への電圧印加によ
りスイッチング制御する構成の永久電流スイッチ装置と
する。According to a second aspect of the present invention, a plurality of the above-mentioned superconducting switch elements are provided, the source electrode of each switch element is connected to one source electrode common terminal via the superconducting wire, and the drain electrode is connected to the superconducting wire. To the drain electrode common terminal, and the third electrode is also connected to the one third electrode common terminal via the superconducting wire. The superconducting magnet is connected in parallel between the source electrode common terminal and the drain electrode common terminal. A permanent current switch having a structure in which windings are connected to form an electrically closed circuit, and the transition between the superconducting mode and the normal conduction mode of the electrically closed circuit is controlled by applying a voltage to the third electrode common terminal. The device.
【0010】さらに本発明の請求項3においては、前記
の超電導膜がCuと酸素原子からなる原子層面を有する
酸化物であるY‐Ba‐Cu系酸化物、Bi‐Sr‐Ca‐
Cu系酸化物、Tl‐Ba‐Ca‐Cu系酸化物のうちの1
つであり、常伝導膜がおなじくCuと酸素原子からなる
原子層面を有する酸化物であるLa‐Ba‐Cu系酸化
物、Pr‐Ba‐Cu系酸化物、Bi‐Sr‐Cu系酸化物の
うちの1つである永久電流スイッチ装置とする。Further, according to a third aspect of the present invention, the superconducting film is a Y-Ba-Cu-based oxide, which is an oxide having an atomic layer surface composed of Cu and oxygen atoms, and Bi-Sr-Ca-.
One of Cu-based oxide and Tl-Ba-Ca-Cu-based oxide
Of the La-Ba-Cu-based oxides, Pr-Ba-Cu-based oxides, and Bi-Sr-Cu-based oxides, which have the same atomic layer plane of Cu and oxygen atoms as the normal conductive film. A permanent current switch device, which is one of them.
【0011】また、本発明の請求項4においては、常伝
導膜内のCuと酸素原子からなる原子層面が、超電導膜
からなるソース電極とドレイン電極間を結ぶ方向に対し
て垂直でない構成の永久電流スイッチ装置とする。Further, according to claim 4 of the present invention, the atomic layer plane composed of Cu and oxygen atoms in the normal conductive film is not perpendicular to the direction connecting the source electrode and the drain electrode composed of the superconducting film. Current switch device.
【0012】[0012]
【作用】上記永久電流スイッチ装置の構造および動作方
式は以下に述べる理由により、発明が解決しようとする
課題の項において述べた超電導マグネツト用の永久電流
スイッチとしての要件である高い電流レベルあるいは臨
界電流密度を確保でき、かつマイクロ秒以下の速度でス
イッチングを行うことが可能である。The structure and operation method of the above-mentioned permanent current switch device are, for the reasons described below, a high current level or a critical current which is a requirement as a permanent current switch for a superconducting magnet described in the section of the problem to be solved by the invention. The density can be secured and switching can be performed at a speed of microsecond or less.
【0013】本発明にかかる永久電流スイッチ装置は以
下の原理によりスイッチング動作を行う。すなわちY‐
Ba‐Cu酸化物等、酸化物系の超電導薄膜に同一結晶構
造の常伝導薄膜が接すると、常伝導薄膜の超電導薄膜に
接する部分は界面からサブミクロンの範囲で超電導性を
帯びる。このような現象は同一結晶構造で超電導層と常
伝導層を形成した酸化物接合に特有の現象である。従っ
て距離を数ミクロンあるいはサブミクロンの寸法に保っ
た超電導薄膜の電極配置においては、電極間で超電導電
流が流れるか、あるいはさらにサブミクロンの寸法で電
極間距離を縮小すれば超電導電流が流れ得る。超電導電
流が流れない電極配置の場合、第3電極に電圧を印加
し、常伝導層のキャリア濃度を高めることにより、超電
導電流を得ることができる。印加電圧は常伝導層が蓄積
層あるいは反転層を形成するのに必要な値とする。電圧
の印加によるキャリア濃度の変化は電子構造にギャップ
の存在する系において電界によるバンドの曲がりを利用
した、いわゆる電界効果によるものである。超電導電流
が流れる電極配置の場合、第3電極に電圧を印加し、常
伝導層のキャリア濃度を低下させることにより、常伝導
状態にすることができる。印加電圧は常伝導層が空乏層
を形成するのに必要な値とする。The permanent current switch device according to the present invention performs a switching operation according to the following principle. Ie Y-
When a normal-conducting thin film having the same crystal structure contacts an oxide-based superconducting thin film such as Ba-Cu oxide, the part of the normal-conducting thin film which contacts the superconducting thin film is superconducting in the submicron range from the interface. Such a phenomenon is a phenomenon peculiar to an oxide junction in which a superconducting layer and a normal conducting layer are formed with the same crystal structure. Therefore, in the electrode arrangement of the superconducting thin film in which the distance is maintained at a dimension of several microns or submicrons, the superconducting current can flow between the electrodes, or the superconducting current can flow if the distance between the electrodes is further reduced at the submicron size. In the case of the electrode arrangement in which the superconducting current does not flow, a voltage is applied to the third electrode to increase the carrier concentration in the normal conductive layer, whereby the superconducting current can be obtained. The applied voltage is set to a value required for the normal conductive layer to form the storage layer or the inversion layer. The change in carrier concentration due to the application of voltage is due to the so-called electric field effect, which utilizes the bending of the band due to the electric field in a system having a gap in the electronic structure. In the case of an electrode arrangement in which a superconducting current flows, a normal conduction state can be achieved by applying a voltage to the third electrode and decreasing the carrier concentration in the normal conduction layer. The applied voltage is set to a value necessary for the normal conductive layer to form a depletion layer.
【0014】このようなスイッチング方式はマクロで平
衡的な熱の移動を伴う従来方式、あるいはコイルに発生
する磁場を利用する方式におけるインダクタンスに伴う
時定数と比較して、極めて速いスイッチング速度を有す
る。この理由は本発明における永久電流スイッチ装置の
スイッチング方式が常伝導層における超電導状態と常伝
導状態間のミクロな遷移に相当しているからである。す
なわち常伝導層における常伝導状態から超電導状態への
遷移はキャリアの発生に伴う超電導対状態の形成過程で
あり、超電導状態から常伝導状態への遷移は超電導対の
散逸によって達成される。これらの過程は電極間距離や
スイッチ装置のゲート容量等の回路定数によって決定さ
れ、ナノ秒以下の速度でスイッチングが実行される。と
くに電極間距離がサブミクロンの微細な寸法の場合、ス
イッチングは数ピコ秒あるいは数十ピコ秒で完了する。
この理由は酸化物超電導材料における準粒子すなわち常
伝導キャリアが結合して超電導電子になる時間が1〜2
ピコ秒であり、従来の金属系超電導材料と比較して極め
て短いからである。Such a switching system has an extremely high switching speed as compared with a conventional system involving macro and equilibrium heat transfer, or a time constant associated with an inductance in a system utilizing a magnetic field generated in a coil. The reason for this is that the switching system of the persistent current switch device of the present invention corresponds to a microscopic transition between the superconducting state and the normal conducting state in the normal conducting layer. That is, the transition from the normal state to the superconducting state in the normal conducting layer is the formation process of the superconducting pair state accompanying the generation of carriers, and the transition from the superconducting state to the normal conducting state is achieved by the dissipation of the superconducting pair. These processes are determined by circuit constants such as the distance between the electrodes and the gate capacitance of the switching device, and switching is performed at a speed of nanosecond or less. In particular, when the distance between the electrodes is a fine dimension of submicron, the switching is completed in several picoseconds or tens of picoseconds.
The reason for this is that the quasi-particles in the oxide superconducting material, that is, the time when normal carriers are combined to become superconducting conductors, are 1 to 2 times.
This is because it is a picosecond and is extremely short as compared with the conventional metal-based superconducting material.
【0015】本発明で用いる超電導スイッチ素子は電極
間の超電導キャリア系の位相変化、すなわちジョセフソ
ン効果によってスイッチング動作を行うモードを用いて
いるのではない。ジョセフソン効果によって流れる電流
は数十mA以下であり、素子の断面寸法を大きくして
も、これに比例して大きくならず、飽和してしまう。し
たがってジョセフソン電流モードを数十Aあるいは数百
Aの電流を通じる超電導マグネットに適用することはで
きない。しかるに本発明にかかる永久電流スイッチ装置
はジョセフソン電流モードを用いるものではなく、超電
導電流の振幅を制御するものである。したがって超電導
電極の超電導性、あるいは常伝導層におけるキャリア濃
度、Cu‐O2次元面の原子配列の秩序度等に依存して
超電導電流を無制限に増大させることができる。The superconducting switch element used in the present invention does not use the mode in which the switching operation is performed by the phase change of the superconducting carrier system between the electrodes, that is, the Josephson effect. The current flowing by the Josephson effect is several tens of mA or less, and even if the cross-sectional size of the element is increased, it does not increase in proportion to this and is saturated. Therefore, the Josephson current mode cannot be applied to a superconducting magnet that passes a current of tens or hundreds of amperes. However, the permanent current switch device according to the present invention does not use the Josephson current mode but controls the amplitude of the superconducting current. Therefore, the superconducting current can be increased indefinitely depending on the superconducting property of the superconducting electrode, the carrier concentration in the normal conducting layer, the ordering degree of the atomic arrangement of the Cu-O two-dimensional plane, and the like.
【0016】超電導状態における電流レベルをさらに高
めるために、常伝導膜内のCuと酸素原子からなる原子
層面、いわゆるCu‐O2次元面が超電導電極間を結ぶ
方向に対して平行であるか、少なくとも垂直ではないよ
うな常伝導膜の原子配置とする。このことは酸化物超電
導材料におけるCu‐O2次元面内の臨界電流密度はc
軸方向の臨界電流密度より高いが、このような現象は超
電導スイッチ素子の常伝導層における超電導電流レベル
にもあてはまる。本永久電流スイッチにおいて、さらに
電流レベルを増大させるためには超電導線を介して複数
個の超電導スイッチ素子を互いに並列に接続させた構造
の永久電流スイッチ装置が適合することはいうまでもな
い。In order to further increase the current level in the superconducting state, the atomic layer plane of Cu and oxygen atoms in the normal conducting film, the so-called Cu-O two-dimensional plane, is parallel to the direction connecting the superconducting electrodes, or at least The atomic arrangement of the normal conducting film is not vertical. This means that the critical current density in the Cu-O two-dimensional plane in the oxide superconducting material is c
Although higher than the critical current density in the axial direction, such a phenomenon also applies to the superconducting current level in the normal conducting layer of the superconducting switch element. Needless to say, in order to further increase the current level in the present persistent current switch, a persistent current switching device having a structure in which a plurality of superconducting switch elements are connected in parallel with each other via a superconducting wire is suitable.
【0017】[0017]
【実施例】実施例1 本発明の永久電流スイッチ装置に用いる超電導スイッチ
素子の構造を図1に示す。図1(a)は上面図、図1
(b)はそのA‐B断面図である。酸化物系の超電導膜
3,4および酸化物系の常伝導膜2を絶縁性基板1上に
形成し、常伝導膜と超電導膜を積層化し、かつ超電導膜
を2個の領域に分かち、ソース3およびドレイン電極4
とする。ソース電極3とドレイン電極4間の距離は0.
5〜1マイクロメートルとする。常伝導膜2を介して2
個の超電導膜間を電気的に接続した構造の超電導素子を
形成する。この超電導素子において超電導膜の存在しな
い領域で、絶縁膜5を介して導電性を有する第3の電極
膜6を配する。本超電導素子において絶縁性基板1をチ
タン酸ストロンチウム、超電導膜3,4をHo‐Ba‐C
u酸化物、常伝導膜2をPr‐Ba‐Cu酸化物、絶縁膜5
をチタン酸ストロンチウム、および第3の電極膜6をA
uとする。図2に示すごとく、本超電導スイッチ素子7
を酸化物線材から成る超電導マグネット8に対して並列
に接続することにより、永久電流スイッチ装置とする。
なお超電導マグネット8も酸化物超電導線材によって構
成される。EXAMPLE 1 FIG. 1 shows the structure of a superconducting switch element used in the permanent current switch device of the present invention. 1 (a) is a top view, FIG.
(B) is the AB sectional view. The oxide-based superconducting films 3 and 4 and the oxide-based normal conducting film 2 are formed on the insulating substrate 1, the normal conducting film and the superconducting film are laminated, and the superconducting film is divided into two regions. 3 and drain electrode 4
And The distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4 is 0.
5 to 1 micrometer. 2 through normal conductive film 2
A superconducting element having a structure in which individual superconducting films are electrically connected is formed. In this superconducting element, the third electrode film 6 having conductivity is arranged in the region where the superconducting film does not exist via the insulating film 5. In this superconducting device, the insulating substrate 1 is made of strontium titanate and the superconducting films 3 and 4 are made of Ho-Ba-C.
u oxide, normal conductive film 2, Pr-Ba-Cu oxide, insulating film 5
The strontium titanate and the third electrode film 6 as A
Let u. As shown in FIG. 2, the present superconducting switch element 7
Is connected in parallel to the superconducting magnet 8 made of an oxide wire to form a permanent current switch device.
The superconducting magnet 8 is also made of an oxide superconducting wire.
【0018】超電導スイッチ素子7は以下の方法により
作製される。Pr‐Ba‐Cu酸化物常伝導膜およびHo‐
Ba‐Cu酸化物超電導膜は酸素プラズマを用いた反応性
蒸着法、あるいは高周波マグネトロンスパッタリング法
によって作製される。Pr‐Ba‐Cu酸化物常伝導膜お
よびHo‐Ba‐Cu酸化物超電導膜ともに方位の揃った
結晶形態を有し、結晶のc軸が通電方向、すなわちソー
スおよびドレイン電極を結ぶ線に対して垂直となる配置
とする。The superconducting switch element 7 is manufactured by the following method. Pr-Ba-Cu oxide normal conductive film and Ho-
The Ba-Cu oxide superconducting film is formed by a reactive vapor deposition method using oxygen plasma or a high frequency magnetron sputtering method. Both the Pr-Ba-Cu oxide normal-conducting film and the Ho-Ba-Cu oxide superconducting film have crystal morphology with uniform orientation, and the c-axis of the crystal is the direction of conduction, that is, the line connecting the source and drain electrodes. The arrangement is vertical.
【0019】Pr‐Ba‐Cu酸化物常伝導膜とHo‐Ba
‐Cu酸化物超電導膜の積層膜を形成後、Ho‐Ba‐Cu
酸化物超電導膜に電子線描画法とイオンビームエッチン
グ法によってサブミクロン幅の溝を掘り、超電導膜を2
個に分割することにより、ソースおよびドレイン電極と
する。チタン酸ストロンチウム薄膜はレーザ蒸着法によ
って形成する。さらにAu第3電極膜は真空蒸着法によ
って成膜する。超電導マグネット8を構成する酸化物の
線材には極細多芯線を用い、超電導線の直径を1ミクロ
ン以下の極細線とする。極細超電導線はAgシースに埋
め込まれる。超電導線はソースあるいはドレイン電極に
対して、Agを介して接合される。Agは超電導接続およ
び接着剤としての役割を有する。Au第3電極膜6は通
常の金属接合法によってリード線に接続される。Pr-Ba-Cu oxide normal conductive film and Ho-Ba
-Cu oxide superconducting film after forming a laminated film, Ho-Ba-Cu
A submicron-wide groove was formed in the oxide superconducting film by electron beam drawing and ion beam etching to form a superconducting film.
The source and drain electrodes are formed by dividing into individual pieces. The strontium titanate thin film is formed by the laser deposition method. Further, the Au third electrode film is formed by the vacuum evaporation method. An ultrafine multifilamentary wire is used as the oxide wire forming the superconducting magnet 8, and the diameter of the superconducting wire is 1 micron or less. The ultrafine superconducting wire is embedded in an Ag sheath. The superconducting wire is joined to the source or drain electrode via Ag. Ag serves as a superconducting connection and an adhesive. The Au third electrode film 6 is connected to the lead wire by an ordinary metal bonding method.
【0020】以上の方法によって作製した超電導スイッ
チ素子7に酸化物系の超電導マグネット8を接続し、通
電テストを行う。まず、超電導スイッチ素子7のAu第
3電極膜6に電圧を印加しない場合、スイッチ素子は1
ミリオームの抵抗を生じ、直流電源から通電された電流
はすべて超電導マグネット8に流れる。超電導マグネッ
ト8に1Aの電流を通電した状態で、超電導スイッチ素
子7のAu第3電極膜6に電圧を印加し、超電導状態に
遷移させる。これと同時に電流源11の通電を停止す
る。このとき超電導マグネット8と超電導スイッチ素子
7を結ぶ閉回路には1Aの永久電流が流れる。本永久電
流スイッチ装置は再現性のあるスイッチング特性、すな
わち電圧状態における素子抵抗、および零電圧状態にお
ける臨界電流値を有する。また超電導マグネット8を接
続しない状態でのスイッチングは1マイクロ秒以下の時
間で完了することがリアルタイムの測定で確認される。An oxide-based superconducting magnet 8 is connected to the superconducting switch element 7 manufactured by the above method, and an energization test is conducted. First, when no voltage is applied to the Au third electrode film 6 of the superconducting switch element 7, the switch element is set to 1
All of the current generated from the DC power source flows through the superconducting magnet 8 due to the Milliohm resistance. While the superconducting magnet 8 is supplied with a current of 1 A, a voltage is applied to the Au third electrode film 6 of the superconducting switch element 7 to make a transition to the superconducting state. At the same time, the energization of the current source 11 is stopped. At this time, a permanent current of 1 A flows in the closed circuit connecting the superconducting magnet 8 and the superconducting switch element 7. The persistent current switch device has reproducible switching characteristics, that is, the element resistance in the voltage state and the critical current value in the zero voltage state. In addition, it is confirmed by real-time measurement that switching in a state where the superconducting magnet 8 is not connected is completed in a time of 1 microsecond or less.
【0021】実施例2 図3に、本発明にかかる大電流容量永久電流スイッチ装
置に用いる、並列構造体のスイッチ素子の回路構成を示
す。各基本素子は図1(b)に示した断面構造を持ち、
酸化物系の超電導膜3,4および酸化物系の常伝導膜2
を絶縁性基板1上に形成し、常伝導膜4と超電導膜3,
4を積層化し、かつ超電導膜を2個の領域に分かち、ソ
ース3およびドレイン電極4とする。ソース電極3とド
レイン電極4間の距離は0.5〜1マイクロメートルと
する。常伝導膜を介して2個の超電導膜間を電気的に接
続した構造の超電導素子を形成する。この超電導素子に
おいて超電導膜の存在しない領域で、絶縁膜5を介して
導電性を有する第3の電極膜6を配する。本超電導素子
において絶縁性基板1をマグネシウム酸化物、超電導膜
3,4をBi‐Sr‐Ca‐Cu酸化物、常伝導膜2をBi
‐Sr‐Cu酸化物、絶縁膜5をチタン酸ストロンチウ
ム、および第3の電極膜6をAuとする。この基本素子
構造を図3のように10個並列に接続する。基本素子の
接続はBi‐Sr‐Ca‐Cu酸化物薄膜を介して行う。図
2に示されるごとく、本超電導スイッチ素子の端子
3′,4′を酸化物線材から成る超電導マグネット8に
対して並列に接続することにより、永久電流スイッチ装
置となす。なお超電導マグネット8も酸化物超電導線材
によって構成される。Embodiment 2 FIG. 3 shows a circuit structure of a switch element of a parallel structure used in a large current capacity permanent current switch device according to the present invention. Each basic element has the sectional structure shown in FIG.
Oxide-based superconducting films 3 and 4 and oxide-based normal conductive film 2
Is formed on the insulating substrate 1, and the normal conductive film 4 and the superconducting film 3,
4 are laminated, and the superconducting film is divided into two regions, which will be the source 3 and the drain electrode 4. The distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4 is 0.5 to 1 μm. A superconducting element having a structure in which two superconducting films are electrically connected via a normal conducting film is formed. In this superconducting element, the third electrode film 6 having conductivity is arranged in the region where the superconducting film does not exist via the insulating film 5. In this superconducting element, the insulating substrate 1 is made of magnesium oxide, the superconducting films 3 and 4 are made of Bi-Sr-Ca-Cu oxide, and the normal conducting film 2 is made of Bi.
-Sr-Cu oxide, the insulating film 5 is strontium titanate, and the third electrode film 6 is Au. As shown in FIG. 3, ten basic element structures are connected in parallel. The connection of the basic elements is made via a Bi-Sr-Ca-Cu oxide thin film. As shown in FIG. 2, terminals 3'and 4'of the present superconducting switch element are connected in parallel to the superconducting magnet 8 made of an oxide wire to form a permanent current switch device. The superconducting magnet 8 is also made of an oxide superconducting wire.
【0022】各基本素子は以下の方法により作製され
る。Bi‐Sr‐Cu酸化物常伝導膜およびBi‐Sr‐Ca
‐Cu酸化物超電導膜は酸素プラズマを用いた反応性蒸
着法、あるいは高周波マグネトロンスパッタリング法に
よって作製される。Bi‐Sr‐Cu酸化物常伝導膜およ
びBi‐Sr‐Ca‐Cu酸化物超電導膜ともに方位の揃っ
た結晶形態を有し、結晶のc軸が基板面に対して垂直と
なる配置とする。Bi‐Sr‐Cu酸化物常伝導膜および
Bi‐Sr‐Ca‐Cu酸化物超電導膜の積層膜を形成後、
Bi‐Sr‐Ca‐Cu酸化物超電導膜に電子線描画法とイ
オンビームエッチング法によってサブミクロン幅の溝を
掘り、超電導膜を2個に分割することにより、ソースお
よびドレイン電極とする。チタン酸ストロンチウム薄膜
はレーザ蒸着法によって形成する。さらにAu第3電極
膜は真空蒸着法によって成膜する。超電導マグネットを
構成する酸化物の線材には極細多芯線を用い、超電導線
の直径を1ミクロン以下の極細線とする。極細超電導線
はAgシースに埋め込まれる。超電導線はソースあるい
はドレイン電極に対して、Agを介して接合される。Ag
は超電導接続および接着剤としての役割を有する。Au
第3電極膜は通常の金属接合法によってCuのリード線
に接続される。Each basic element is manufactured by the following method. Bi-Sr-Cu oxide normal conductive film and Bi-Sr-Ca
The -Cu oxide superconducting film is formed by a reactive vapor deposition method using oxygen plasma or a high frequency magnetron sputtering method. Both the Bi-Sr-Cu oxide normal conductive film and the Bi-Sr-Ca-Cu oxide superconducting film have crystal forms with uniform orientations, and the c-axis of the crystal is perpendicular to the substrate surface. After forming a laminated film of Bi-Sr-Cu oxide normal conductive film and Bi-Sr-Ca-Cu oxide superconducting film,
A submicron-wide groove is formed in the Bi-Sr-Ca-Cu oxide superconducting film by an electron beam drawing method and an ion beam etching method, and the superconducting film is divided into two to form source and drain electrodes. The strontium titanate thin film is formed by the laser deposition method. Further, the Au third electrode film is formed by the vacuum evaporation method. An ultrafine multifilamentary wire is used as the oxide wire material forming the superconducting magnet, and the diameter of the superconducting wire is 1 micron or less. The ultrafine superconducting wire is embedded in an Ag sheath. The superconducting wire is joined to the source or drain electrode via Ag. Ag
Has a role as a superconducting connection and an adhesive. Au
The third electrode film is connected to the Cu lead wire by a normal metal bonding method.
【0023】以上の方法によって作製した並列構造の超
電導スイッチ素子の端子3′,4′に酸化物系の超電導
マグネット8を接続し、通電テストを行う。まず、永久
電流スイッチ装置7のAu第3電極膜6に電圧を印加し
ない場合、スイッチ装置7は0.1ミリオームの抵抗を
生じ、電流源11から通電された電流はすべて超電導マ
グネット8に流れる。超電導マグネット8に10Aの電
流を通電した状態で、超電導スイッチ素子のAu第3電
極膜6に電圧を印加し、超電導状態に遷移させる。これ
と同時に電流源11の通電を停止する。このとき超電導
マグネット8と超電導スイッチ素子を結ぶ閉回路には1
0Aの永久電流が流れる。本永久電流スイッチ装置は再
現性のあるスイッチング特性、すなわち電圧状態におけ
る素子抵抗、および零電圧状態における臨界電流値を有
する。また超電導マグネット8を接続しない状態でのス
イッチングは1マイクロ秒以下の時間で完了することが
リアルタイムの測定で確認される。An oxide type superconducting magnet 8 is connected to the terminals 3'and 4'of the superconducting switch element having a parallel structure manufactured by the above method, and an energization test is conducted. First, when no voltage is applied to the Au third electrode film 6 of the permanent current switch device 7, the switch device 7 generates a resistance of 0.1 milliohm, and all the current supplied from the current source 11 flows to the superconducting magnet 8. With a current of 10 A applied to the superconducting magnet 8, a voltage is applied to the Au third electrode film 6 of the superconducting switch element to cause a transition to the superconducting state. At the same time, the energization of the current source 11 is stopped. At this time, the closed circuit connecting the superconducting magnet 8 and the superconducting switch element has 1
A permanent current of 0 A flows. The persistent current switch device has reproducible switching characteristics, that is, the element resistance in the voltage state and the critical current value in the zero voltage state. In addition, it is confirmed by real-time measurement that switching in a state where the superconducting magnet 8 is not connected is completed in a time of 1 microsecond or less.
【0024】以上示した永久電流スイッチ装置は単一の
超電導マグネット8を永久電流モードで使用するのに用
いられるだけでなく、回転機、磁気共鳴診断装置、磁気
浮上列車、あるいは加速器等の強磁場を発生するための
超電導マグネットを使用した装置を永久電流モードで動
作するのに使用されることはいうまでもない。さらに本
永久電流スイッチ装置は上に述べたごとく、酸化物超電
導マグネットに接続して液体窒素温度近傍の温度で動作
させる。The permanent current switching device shown above is used not only for using the single superconducting magnet 8 in the permanent current mode, but also for a strong magnetic field such as a rotating machine, a magnetic resonance diagnostic device, a magnetic levitation train, or an accelerator. It goes without saying that it is used to operate a device using a superconducting magnet for generating a current in the permanent current mode. Further, as described above, the permanent current switch device is connected to the oxide superconducting magnet and operated at a temperature near the liquid nitrogen temperature.
【0025】[0025]
【発明の効果】実施例の項において述べたごとく、本発
明においては永久電流スイッチ装置に関して以下に述べ
る効果を有する。(1)半導体トランジスタと同じく3
端子素子であり、第3電極による零電圧状態すなわち超
電導状態と、電圧状態すなわち常電導状態間のスイッチ
ング動作を行うので、機械的なスイッチングあるいは熱
的なスイッチングと比較して、スイッチング動作が安定
であり、再現性を有する。(2)第3電極に電圧を印加
し、キャリア濃度を調節することによりスイッチング動
作を行わせるので、機械的なスイッチングあるいは熱的
なスイッチングと比較してスイッチング速度が大幅に増
大し、1マイクロ秒以下のスイッチング時間が得られ
る。(3)酸化物超電導材料において不利となる機械的
な接続法を用いないので、酸化物超電導マグネットに接
続して液体窒素温度近傍の温度で動作させることができ
る。As described in the section of the embodiments, the present invention has the following effects regarding the permanent current switch device. (1) 3 same as semiconductor transistors
Since it is a terminal element and performs switching operation between the zero voltage state, that is, the superconducting state and the voltage state, that is, the normal conducting state by the third electrode, the switching operation is stable as compared with mechanical switching or thermal switching. Yes, with reproducibility. (2) Since a switching operation is performed by applying a voltage to the third electrode and adjusting the carrier concentration, the switching speed is significantly increased as compared with mechanical switching or thermal switching, and the switching time is 1 microsecond. The following switching times are obtained: (3) Since the mechanical connection method which is disadvantageous in the oxide superconducting material is not used, the oxide superconducting material can be connected to the oxide superconducting magnet and operated at a temperature near the liquid nitrogen temperature.
【図1】本発明のスイッチ素子の実施例図で、(a)は
上面図、(b)はそのA‐B断面図である。FIG. 1 is an embodiment view of a switch element of the present invention, (a) is a top view and (b) is an AB sectional view thereof.
【図2】本発明にかかる永久電流スイッチ装置の構成図
である。FIG. 2 is a configuration diagram of a permanent current switch device according to the present invention.
【図3】本発明にかかる大電流容量永久電流スイッチの
構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of a large current capacity permanent current switch according to the present invention.
1…絶縁性基板 2…酸化物常伝導膜 3…ソース電極 4…ドレイン電極 5…酸化物絶縁膜 6…第3電極 7…超電導スイッチ素子 8…超電導マグネット巻線 9…低温容器 10…電圧源 11…電流源 1 ... Insulating substrate 2 ... Oxide normal conductive film 3 ... Source electrode 4 ... Drain electrode 5 ... Oxide insulating film 6 ... Third electrode 7 ... Superconducting switch element 8 ... Superconducting magnet winding 9 ... Low temperature container 10 ... Voltage source 11 ... Current source
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高木 一正 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 塚本 晃 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 平谷 正彦 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 須賀 三雄 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 岡本 政邦 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Kazumasa Takagi 1-280, Higashi Koikekubo, Kokubunji, Tokyo Inside the Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Akira Tsukamoto 1-280, Higashi Koikeku, Kokubunji, Tokyo Hitachi, Ltd. (72) Inventor Masahiko Hiratani 1-280 Higashi Koikeku, Kokubunji, Tokyo Inside the Hitachi Central Research Laboratory (72) Inventor Mitsuo Suga 1-280, Higashi Koikeku, Tokyo Kokubunji City Inside the Hitachi Central Research Center (72) Inventor Masakuni Okamoto 1-280, Higashi Koigokubo, Kokubunji, Tokyo Inside the Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd.
Claims (4)
され、この常伝導膜上に酸化物系の超電導膜が積層化し
て形成され、この超電導膜が微小距離を隔てて2つの領
域に分けられて一方がソース電極、他方がドレイン電極
となり、このソース電極とドレイン電極間は下層の常伝
導膜を介して電気的に接続されており、さらに常伝導膜
上の超電導膜の存在しない領域に絶縁膜を介して導電性
の第3電極が配された構成の超電導スイッチ素子を備
え、このスイッチ素子のソース電極とドレイン電極の両
端子間に並列状に、超電導線材からなる超電導マグネッ
ト巻線を接続して電気的閉回路を形成し、この電気的閉
回路の超電導モードと常伝導モード間の遷移を、上記第
3電極への電圧印加によりスイッチング制御することを
特徴とする永久電流スイッチ装置。1. An oxide-based normal-conducting film is formed on an insulating substrate, and an oxide-based superconducting film is laminated on the normal-conducting film. The superconducting film is separated by a minute distance. It is divided into two regions, one is the source electrode and the other is the drain electrode.The source electrode and the drain electrode are electrically connected through the lower normal conductive film, and the superconducting film on the normal conductive film is further connected. A superconducting switch element having a structure in which a conductive third electrode is arranged in an area not present via an insulating film, and a superconducting wire made of a superconducting wire is provided in parallel between both terminals of a source electrode and a drain electrode of the switch element. A permanent magnet characterized in that an electrically closed circuit is formed by connecting magnet windings, and a transition between a superconducting mode and a normal conduction mode of the electrically closed circuit is switching-controlled by applying a voltage to the third electrode. Electric current Switch devices.
数個備え、各スイッチ素子のソース電極はそれぞれ超電
導線を介して1つのソース電極共通端子に、ドレイン電
極はそれぞれ超電導線を介して1つのドレイン電極共通
端子に、第3電極もそれぞれ超電導線を介して1つの第
3電極共通端子に接続し、このソース電極共通端子とド
レイン電極共通端子間に並列状に前記超電導マグネット
巻線を接続して電気的閉回路を形成し、この電気的閉回
路の超電導モードと常伝導モード間の遷移を、上記第3
電極共通端子への電圧印加によりスイッチング制御する
ことを特徴とする永久電流スイッチ装置。2. A plurality of superconducting switch elements according to claim 1, wherein each switch element has a source electrode via a superconducting wire to a common source electrode terminal and a drain electrode via a superconducting wire. One drain electrode common terminal, the third electrode is also connected to one third electrode common terminal via a superconducting wire, and the superconducting magnet winding is connected in parallel between the source electrode common terminal and the drain electrode common terminal. To form an electrically closed circuit, and the transition between the superconducting mode and the normal conduction mode of this electrically closed circuit is performed by
A persistent current switching device characterized in that switching control is performed by applying a voltage to a common electrode terminal.
と酸素原子からなる原子層面を有する酸化物であるY‐
Ba‐Cu系酸化物、Bi‐Sr‐Ca‐Cu系酸化物、Tl
‐Ba‐Ca‐Cu系酸化物のうちの1つであり、常伝導
膜がおなじくCuと酸素原子からなる原子層面を有する
酸化物であるLa‐Ba‐Cu系酸化物、Pr‐Ba‐Cu系
酸化物、Bi‐Sr‐Cu系酸化物のうちの1つであるこ
とを特徴とする永久電流スイッチ装置。3. The superconducting film according to claim 1 or 2 is Cu.
Y-, which is an oxide having an atomic layer surface composed of oxygen and oxygen atoms
Ba-Cu-based oxide, Bi-Sr-Ca-Cu-based oxide, Tl
-Ba-Ca-Cu-based oxides, which are ones of the Ba-Ca-Cu-based oxides and which have the same atomic layer plane of Cu and oxygen atoms as the normal-conducting film, and La-Ba-Cu-based oxides, Pr-Ba-Cu A persistent current switch device, characterized in that it is one of a Bi-Sr-Cu-based oxide.
原子からなる原子層面が、超電導膜からなるソース電極
とドレイン電極間を結ぶ方向に対して垂直でないことを
特徴とする永久電流スイッチ装置。4. The permanent layer according to claim 3, wherein the atomic layer plane composed of Cu and oxygen atoms in the normal conductive film is not perpendicular to the direction connecting the source electrode and the drain electrode composed of the superconducting film. Current switch device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4015911A JPH0766986B2 (en) | 1992-01-31 | 1992-01-31 | Permanent current switch device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4015911A JPH0766986B2 (en) | 1992-01-31 | 1992-01-31 | Permanent current switch device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05218514A JPH05218514A (en) | 1993-08-27 |
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Family Applications (1)
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| JP5356663B2 (en) * | 2007-06-27 | 2013-12-04 | 東海旅客鉄道株式会社 | Semiconductor switch and permanent current switch system |
-
1992
- 1992-01-31 JP JP4015911A patent/JPH0766986B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JPH05218514A (en) | 1993-08-27 |
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