超伝導線

超伝導線は超伝導材料で作られた電線です。遷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-チタンなどの従来の超伝導体が使用されていますが、^[1] YBCOなどの高温超伝導体が市場に参入しています。

超伝導線が銅やアルミニウムより優れている点としては、最大電流密度が高く、電力損失がゼロである点が挙げられます。欠点としては、超伝導温度まで線を冷却するコスト（液体窒素や液体ヘリウムなどの極低温物質が必要になることが多い）、線が急激に冷える（超伝導性が突然失われる）危険性、一部の超伝導体の機械的特性が劣ること、線材と構造のコストが高いことが挙げられます。^[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。

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、それ以下では電線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すことができる最大電流（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 つの主要な特徴で構成されます。

• 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}、超伝導体を通って運ば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]

低温超伝導体 (LTS) ワイヤは、Nb ₃ Sn (ニオブ-スズ) や NbTi (ニオブ-チタン) などの臨界温度が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内のフィラメントの形をしており、何らかの理由で超伝導体がクエンチした場合に電流を流します。超伝導体のフィラメントは、ワイヤの全体積の 3 分の 1 を占めることがあります。

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。

バナジウム・ガリウム（V ₃ Ga）は、高温成分を固体として他の元素を液体または気体として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、これはブロンズプロセスとして知られています。^[9]

• 
  _{さまざまな (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)。
• 
  V ₃ Ga 超伝導テープ (10×0.14 mm 断面)。バナジウムコアは 15 μm の V ₃ Ga 層で覆われ、その上に 20 μm のブロンズ (安定化層) と 15 μm の絶縁層が重ねられています。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（9.5×1.8 mm断面）は、もともと18.1 T磁石用に開発されました。Nbコア：直径5μm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

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

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] [13]}などのセラミック銅酸化物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。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使用されません。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です。）

このプロセスが使用されるのは、高温超伝導体が通常のワイヤ形成プロセスには脆すぎるためです。チューブは金属で、多くの場合は銀です。多くの場合、チューブは粉末の混合物を反応させるために加熱されます。反応後、チューブは平らにされ、テープ状の導体を形成することがあります。結果として得られるワイヤは従来の金属ワイヤほど柔軟ではありませんが、多くの用途には十分です。

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、また、両者を組み合わせた「ダブルコア」法もある。^[15]

これらのワイヤは、幅約10 mm、厚さ約100マイクロメートルの金属テープの形状をしており、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の高い超臨界電流密度を持つ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。金属基板上のc軸配向イットリア安定化ジルコニア（YSZ）中間層により、単結晶基板上に生成されたものよりも1～2桁低い臨界電流密度を持つ、より高品質のYBCO膜が得られることが実証されました。^{[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、熱機械処理によって二軸テクスチャ金属基板を製造する圧延支援二軸テクスチャ基板（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、超伝導体膜用のIBAD技術を使用して製造された。 ^{[22] [23]} IBAD基板と技術の詳細は、Arendtによってレビューされた。^[24] LMO対応IBAD-MgOプロセスのプロセスは、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る。 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、その後、金属テンプレート上に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、続いて超伝導層がヘテロエピタキシャル堆積される。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^{[アップデート]}、高磁場下で77 Kで500 A/cm幅以上、30 Kで1000 A/cm幅以上を伝送できる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幅以上を伝送できるYBCO被覆超伝導テープが市販ワイヤで報告された。^[31] 2021年には、過剰ドープされたYBCO膜の実験的実証で、7 Tの磁場中、5 Kで90 MA/cm 2、77 Kで⁶ MA/cm ^{2が報告された。 [32]}

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使用される堆積プロセスの1つです。Ignatievは、MOCVD堆積法によるYBCOフィルムの堆積に使用されるMOCVDプロセスの概要を示しています。^[33]

第2世代超伝導線の超伝導層は、構成金属、希土類元素、バリウム、銅の熱蒸発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発プロセスの概要を示しています。^[34]

第2世代超伝導線の超伝導層は、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プロセスの概要を説明しています。 ^[35]

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

• 銅被覆アルミ線
• グラフェン被覆線
• 表皮効果
• 残留抵抗比