超伝導線

超伝導磁石に使用される線材（ V 3 Ga合金）の例

超伝導線は超伝導材料で作られた電線です。転移温度以下に冷却すると電気抵抗がゼロになります。最も一般的には、ニオブ-チタンなどの従来型超伝導体が用いられますが、[ 1 ] YBCOなどの高温超伝導体も市場に登場しています。

超伝導線は銅やアルミニウムに比べて、最大電流密度が高く、電力損失がゼロであることなどの利点がある。一方、超伝導線を超伝導温度まで冷却するためのコスト（液体窒素や液体ヘリウムなどの極低温冷媒が必要となることが多い）、線材の急冷（超伝導性の突然の喪失）、一部の超伝導体の機械的特性の劣り、そして線材の材料と製造コストが高いことなどが欠点である。[ 2 ]

その主な用途は超伝導磁石であり、高磁場が必要な科学機器や医療機器に使用されます。

重要なパラメータ

構造と動作温度は通常、以下を最大化するように選択されます。

  • 臨界温度 T c、それ以下では線材が超伝導体になる温度
  • 臨界電流密度J c 、超伝導線が単位断面積あたりに流せる最大電流（20 kA/cm 2の例については下の画像を参照）。

超伝導ワイヤ/テープ/ケーブルは、通常、次の 2 つの主要な特徴から構成されます。

  • 超伝導化合物（通常はフィラメント/コーティングの形態）
  • 超伝導材料の超伝導性が失われた場合（クエンチングと呼ばれる）に電流を流す伝導安定器。 [ 3 ] [ 4 ]

電流共有温度T csは、超伝導体を通って輸送された電流が安定器にも流れ始める温度である。[ 5 ] [ 6 ]しかし、T csはクエンチ温度（または臨界温度）T cと同じではない。前者の場合、超伝導は部分的に失われるが、後者の場合、超伝導は完全に失われる。[ 7 ]

LTSワイヤー

低温超伝導（LTS）線材は、 Nb 3 Sn（ニオブ・スズ）やNbTi（ニオブ・チタン）などの臨界温度の低い超伝導体から作られています。多くの場合、超伝導体は銅またはアルミニウムのマトリックス中にフィラメント状に充填されており、何らかの理由で超伝導体がクエンチした場合には、このフィラメントに電流が流れます。超伝導フィラメントは、線材全体の体積の3分の1を占めることもあります。

準備

伸線加工

通常の伸線加工は、ニオブ - チタンなどの展性合金に使用できます。

表面拡散

バナジウム・ガリウム（V 3 Ga）は、高温成分を固体として液体または気体として他の元素に浸す表面拡散によって製造できます。[ 8 ] 高温拡散中にすべての成分が固体のままである場合、これはブロンズ法として知られています。[ 9 ]

  • 各種の (Nb,Ti)3Sn 複合超伝導ケーブルおよびワイヤの断面。(8 ～ 19 テスラの磁場で 440 ～ 7,800 A)
    各種の (Nb,Ti) 3 Sn 複合超伝導ケーブルおよびワイヤの断面。(8 ～ 19 テスラの磁場で 440 ～ 7,800 A)
  • V3Ga超伝導テープ（断面積10×0.14 mm）。バナジウムコアを15 μmのV3Ga層で覆い、さらに20 μmのブロンズ（安定化層）、そして15 μmの絶縁層で覆う。臨界電流180 A（19.2テスラ、4.2 K）、臨界電流密度20 kA/cm²
    V 3 Ga超伝導テープ（断面積10×0.14 mm）。バナジウムコアを15 μmのV 3 Ga層で覆い、さらに20 μmのブロンズ（安定化層）、そして15 μmの絶縁層で覆う。臨界電流180 A（19.2テスラ、4.2 K）、臨界電流密度20 kA/cm 2
  • Nb/Cu-7.5at%Sn-0.4at%Tiテープ（断面積9.5×1.8 mm）。当初は18.1 Tの磁石用に開発されました。Nbコア：直径5 μmのフィラメント361×348パック。臨界電流1700 A（16テスラ、4.2 K）、臨界電流密度20 kA/cm2
    Nb/Cu-7.5at%Sn-0.4at%Tiテープ（断面積9.5×1.8 mm）。当初は18.1 Tの磁石用に開発されました。Nbコア：直径5 μmのフィラメント361×348パック。臨界電流1700 A（16テスラ、4.2 K）、臨界電流密度20 kA/cm 2

HTSワイヤー

高温超伝導体（HTS）線材は、YBCOやBSCCOなどの高い臨界温度（高温超伝導性）を持つ超伝導体から作られています。

チューブ入り粉末

PITプロセスの簡略図

パウダー・イン・チューブ（PITまたは酸化物パウダー・イン・チューブ、OPIT）プロセスは、ニオブ・スズ[ 10 ]や二ホウ化マグネシウム[ 11 ]などの脆い超伝導材料や、BSCCO [12 ]などのセラミック銅酸塩超伝導体から電気伝導体を作るためによく使用される押し出しプロセスです。[ 13 ]このプロセスは、鉄ニクタイドのワイヤを形成するために使用されています。[ 14 ] （PITは、イットリウムバリウム銅酸化物には、PITプロセスで適切な「テクスチャ」（配列）を生成するために必要な弱い層がないため、使用されません。）

このプロセスは、高温超伝導体が通常の線材形成プロセスでは脆すぎるために用いられます。チューブは金属（多くの場合銀）でできています。多くの場合、チューブは加熱され、粉末混合物と反応します。反応後、チューブは平らにされ、テープ状の導体を形成します。得られた線材は従来の金属線ほど柔軟ではありませんが、多くの用途に十分な強度を備えています。

このプロセスには原位置法と原位置外法の2種類があり、さらに両者を組み合わせた「ダブルコア法」もある。[ 15 ]

コーティングされた超伝導テープまたはワイヤ

これらの線は、幅約10 mm、厚さ約100マイクロメートルの金属テープ状で、YBCOなどの超伝導材料でコーティングされています。 YBCOなどの高温超伝導材料が発見されてから数年後、酸化マグネシウムMgO、チタン酸ストロンチウム（SrTiO 3） 、サファイアなどの格子整合単結晶上に成長したエピタキシャルYBCO薄膜は、10～40 kA/mm 2という高い超臨界電流密度を示すことが実証されました。[ 16 ] [ 17 ]しかし、長いテープを製造するには、格子整合した柔軟な材料が必要でした。 金属基板材料上に直接堆積したYBCO膜は、超伝導特性が不十分です。金属基板上にc軸配向したイットリア安定化ジルコニア（YSZ）中間層を形成することで、単結晶基板上に作製したものよりも臨界電流密度が1～2桁低い、より高品質のYBCO膜が得られることが実証された。[ 18 ] [ 19 ]

この画期的な進歩は、金属テープ上に二軸配向イットリア安定化ジルコニア（YSZ）薄膜を製造するイオンビーム支援堆積（IBAD）技術と、熱機械的処理によって二軸配向金属基板を製造する圧延支援二軸配向基板（RABiTS）プロセスの発明によってもたらされました。[ 20 ] [ 21 ]

IBADプロセスでは、二軸配向YSZ膜がYBCO膜のエピタキシャル成長のための単結晶のようなテンプレートを提供しました。これらのYBCO膜は、1 MA/cm 2を超える臨界電流密度を達成しました。酸化セリウム（CeO 2）や酸化マグネシウム（MgO）などの他のバッファ層は、超伝導膜のIBAD技術を使用して生成されました。 [ 22 ] [ 23 ] IBAD基板と技術の詳細については、Arendtがレビューしました。[ 24 ] LMO対応IBAD-MgOプロセスは、オークリッジ国立研究所で発明され、開発され、2007年にR&D100賞を受賞しました。[ 25 ] このLMO対応基板プロセスは現在、IBAD基板に基づくHSTワイヤのほぼすべてのメーカーによって使用されています。 RABiTS基板では、金属テンプレート自体が二軸配向されており、その上にY 2 O 3、YSZ、CeO 2のヘテロエピタキシャルバッファ層が堆積され、その後、超伝導層がヘテロエピタキシャル堆積された。RABiTS基板と技術の詳細は、Goyalによってレビューされている。[ 26 ]

2015年現在、高磁場下で77 Kで500 A/cm幅以上、30 Kで1000 A/cm幅以上を流せるYBCO被覆超伝導テープが実証されている。[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] 2021年には、77 Kで250 A/cm幅以上、20 Kで2500 A/cm幅以上を流せるYBCO被覆超伝導テープが市販ワイヤとして報告された。[ 31 ] 2021年には、過剰ドープされたYBCO膜の実験的実証で、7 T磁場中、5 Kで90 MA/cm 2、77 Kで6 MA/cm 2が報告された。 [ 32 ]

金属有機化学蒸着

有機金属化学気相成長法（MOCVD）は、 YBCOコーティングされた導体テープの製造に用いられる堆積プロセスの一つです。Ignatievは、MOCVD堆積法を用いてYBCO膜を堆積するMOCVDプロセスの概要を説明しています。[ 33 ]

反応性共蒸発

第2世代超伝導線材の超伝導層は、構成金属である希土類元素、バリウム、銅の熱蒸着によっても成長させることができる。Prusseitは、高品質のYBCO膜を堆積するために使用される熱蒸着プロセスの概要を示している。[ 34 ]

パルスレーザー蒸着

第2世代超伝導線材の超伝導層は、パルスレーザー堆積法（PLD）によっても成長させることができる。Christenは、高品質のYBCO膜を堆積するために使用されるPLDプロセスの概要を述べている。[ 35 ]

標準

TC90には超伝導線に関する IEC（国際電気標準会議）規格がいくつかあります。

参照

参考文献

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