2015 Fiscal Year Annual Research Report
高効率超伝導送電技術へのナノ組織制御・フォースフリー融合技術の構築
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15H04252
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
吉田 隆 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20314049)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 超伝導 / 縦磁界効果 / 臨界電流 / 積層講造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
REBa2Cu3Oy (REBCO) 超伝導体は従来の金属系超伝導体や他の高温超伝導体と比較して高磁場においても高い臨界電流密度 (Jc) を有しているため、さらに高性能な超伝導線材の実現に向けて研究が行われている。磁場中超伝導特性の向上には超伝導体内への人工ピンニングセンター (APC) と呼ばれる常伝導体の導入が有効である。
超伝導特性の向上は量子化磁束に働く Lorentz 力を低減することでも達成できる。理想的には電流と磁場が平行である状態 (縦磁場) を実現すれば Lorentz 力はゼロになる。縦磁場下では Lorentz 力はゼロであるが、自己磁場 (誘導磁場) に起因するフォース・フリートルクの発生により量子化磁束が運動するため磁束ピンニングが重要である。この状態で観察される様々な超伝導電磁現象は縦磁場効果と呼ばれる。縦磁場効果の中でも、磁場中 Jc が自己磁場下における Jc (Jcself) と比較して向上し、ピークを持つ現象は線材の臨界電流 (Ic) を大幅に向上させる可能性を有するため、この現象を積極的に利用したフォース・フリーケーブルが提案されている。この設計には利用する線材の縦磁場下における超伝導特性評価が重要であるが、縦磁場効果による Jc ピーク向上はほとんどが金属系超伝導体に関する報告であった。
本年度は、BHO 添加 SmBCO 積層薄膜における縦磁場効果による Jc ピークの発現機構の解明を目的として、積層薄膜構造が縦磁場下における磁束ピンニング機構に与える影響について検討した。総膜厚依存性評価より、400 nm 以上の総膜厚で Jc ピークが観察された。総膜厚の増加に伴う Ic 及び自己磁場の増加に起因して磁束ピンニングの寄与が大きくなったことを示唆している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
縦磁場効果の中でも、磁場中 Jc が自己磁場下における Jc (Jcself) と比較して向上し、ピークを持つ現象は線材の臨界電流 (Ic) を大幅に向上させる可能性を有するため、この現象を積極的に利用したフォース・フリーケーブルが提案されている。本年度は、BHO 添加 SmBCO 積層薄膜における縦磁場効果による Jc ピークの発現機構の解明を目的として、積層薄膜構造が縦磁場下における磁束ピンニング機構に与える影響について検討した。
BHO 添加 SmBCO 積層薄膜はパルスレーザー蒸着 (PLD) 法により LaAlO3 単結晶基板上に作製した。BHO はターゲット交換法により SmBCO に添加し、BHO ターゲットへのレーザー照射パルス数の制御により BHO 添加量を制御した。BHO 添加量は BHO 添加 SmBCO 層において 1.6 vol.% 程度に固定した。無添加 SmBCO 層及びBHO 添加 SmBCO 層を交互に積層し、基板直上は無添加 SmBCO 層とした。
積層薄膜の総膜厚及び積層界面密度が縦磁場中 Jc に与える影響を評価した。
総膜厚依存性評価より、400 nm 以上の総膜厚で Jc ピークが観察された。総膜厚の増加に伴う Ic 及び自己磁場の増加に起因して磁束ピンニングの寄与が大きくなったことを示唆している。また、積層界面密度依存性評価より、Jc ピークの発現には 80 layers/μm 以上が必要であることが明らかになった。この結果は、フォース・フリートルク及び Lorentz 力の双方を十分にピン止めできる薄膜構造が必要であることを示している。さらに、Jc ピークの発現には各層厚よりも積層界面密度が大きく寄与していることも明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
縦磁場効果の中でも、磁場中 Jc が自己磁場下における Jc と比較して向上し、ピークを持つ現象は線材の臨界電流 を大幅に向上させる可能性を有するため、この現象を積極的に利用したフォース・フリーケーブルの実現のため、縦磁場下における超伝導特性とともに、その導入技術などのプロセス提案が必要な課題と考える。特に来年度は、さらにケーブル応用に向けたより簡素な薄膜構造の探索とJcピークの発現に寄与する根本的な要因を特定するために、薄膜作製条件を変化させ、その過程で自然に導入される結晶欠陥等による磁束ピンニングに関して検討した。APCを導入していないREBCO薄膜において、測定環境温度を低下させるにつれ、縦磁場中のJcが向上することを検討する。これまで、多層構造のようにAPC導入や薄膜構造を制御できないため、系統的にJcピークの発現する条件を特定するには至っていない、そこで、薄膜内の積層欠陥が、環境温度の低下に伴い細くなる量子化磁束のピン留めに寄与したためであると推察し、測定環境温度依存性を検討する予定にしている。
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