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特許7510922超伝導体の極低温放射線照射向上のための技術並びに関連するシステム及び方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-06-26
(45)【発行日】2024-07-04
(54)【発明の名称】超伝導体の極低温放射線照射向上のための技術並びに関連するシステム及び方法
(51)【国際特許分類】
H01B 12/00 20060101AFI20240627BHJP
C01G 3/00 20060101ALI20240627BHJP
H01F 6/06 20060101ALI20240627BHJP
G21B 1/17 20060101ALI20240627BHJP
C01G 1/00 20060101ALI20240627BHJP
H05H 7/04 20060101ALN20240627BHJP
【ＦＩ】
H01B12/00
C01G3/00
H01F6/06 110
H01F6/06 140
G21B1/17 B
G21B1/17 C
C01G1/00 S
H05H7/04
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2021518071
(86)(22)【出願日】2019-10-02
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-02-07
(86)【国際出願番号】 US2019054211
(87)【国際公開番号】W WO2020142119
(87)【国際公開日】2020-07-09
【審査請求日】2022-04-07
(31)【優先権主張番号】62/740,163
(32)【優先日】2018-10-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/444,467
(32)【優先日】2019-06-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】596060697
【氏名又は名称】マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(74)【代理人】
【氏名又は名称】鳥居 健一
(72)【発明者】
【氏名】ソルボム，ブランドン・ニルス
(72)【発明者】
【氏名】ハートウィグ，ザカリー
(72)【発明者】
【氏名】ホワイト，デニス・ジー
【審査官】山本 吾一
(56)【参考文献】
【文献】特開平０６－１４０６７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】Modern Physics Letters B，2001年，Vol.15, No.2，pp.69-80
【文献】京都大学原子炉実験所共同利用研究報告，1989年，平成元年度下期，pp.22
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｂ １２／００
ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
多結晶超伝導体の少なくとも一部分が８０ケルビンよりも低い温度である間に、イオン線及び／又は中性子線を用いて前記多結晶超伝導体の前記少なくとも一部分を照射するステップを含み、
前記照射するステップが、自由陽子線を含むイオン線を用いて前記多結晶超伝導体を照射するステップを含む、方法。
【請求項2】
前記イオン線が１ＭｅＶよりも高い運動エネルギーを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
陽子ビームであるイオンビームの経路内に多結晶超伝導体を配置するステップと、前記イオンビームからのイオン線が前記多結晶超伝導体の少なくとも一部分上に入射するように前記イオンビームを作動させるステップと、
前記多結晶超伝導体の前記少なくとも一部分が８０ケルビンよりも低い温度である間に、前記イオン線を用いて前記多結晶超伝導体の前記少なくとも一部分を照射するステップと
を含む、方法。
【請求項4】
前記照射するステップが、中性子線を用いて前記多結晶超伝導体を照射するステップを含む、請求項１又は３に記載の方法。
【請求項5】
前記多結晶超伝導体の前記照射の前に核融合反応炉内部に前記多結晶超伝導体を配置するステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項6】
前記中性子線が、少なくとも１×１０１５のｃｍ２当たりの中性子のフルエンスを有する、請求項４に記載の方法。
【請求項7】
イオン線及び／又は中性子線を用いて前記多結晶超伝導体の前記少なくとも一部分を照射するステップが、真空チャンバ内部で実行される、請求項１又は３に記載の方法。
【請求項8】
超伝導磁石を製造するステップであって、前記超伝導磁石の少なくとも１つのコイルが、前記多結晶超伝導体の前記照射の後の前記多結晶超伝導体を含む、製造するステップをさらに含む、請求項１又は３に記載の方法。
【請求項9】
前記多結晶超伝導体が、粒子の整列した多結晶超伝導体である、請求項１又は３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超伝導体の極低温放射線照射向上のための技術並びに関連するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【0002】
[0001]超伝導体は、ある臨界温度よりも下で電流に対する電気抵抗を持たない（「超伝導性」である）材料である。多くの超伝導体にとって、臨界温度は３０Ｋよりも下であり、その結果、超伝導状態におけるこれらの材料の動作は、液体ヘリウムを用いてなどのかなりの冷却を必要とする。
【0003】
[0002]高温超伝導体（「ＨＴＳ」）は、５０Ｋ～１００Ｋの間などの、比較的高い臨界温度を有する超伝導体の種類である。希土類バリウム銅酸化物（「ＲＥＢＣＯ」）などのいくつかのＨＴＳ材料は、長い撚線として製造されることがあり、他の用途の中でも、融合装置における使用のための大口径磁石を巻くためにこれらの材料を使用する可能性につながる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0004】
[0003]いくつかの態様によれば、多結晶超伝導体の少なくとも一部分が８０ケルビンよりも低い温度である間に、イオン線（ｉｏｎｓ）及び／又は中性子線（ｎｅｕｔｒｏｎｓ）を用いて上記多結晶超伝導体の上記少なくとも一部分を照射するステップを含む方法が提供される。
【0005】
[0004]いくつかの実施形態によれば、上記照射するステップが、イオン線を用いて上記多結晶超伝導体を照射するステップを含む。
[0005]いくつかの実施形態によれば、上記イオン線が、自由陽子線（ｐｒｏｔｏｎｓ）を含む。
[0005]いくつかの実施形態によれば、上記イオン線が、自由陽子線（ｐｒｏｔｏｎｓ）を含む。
【0006】
[0006]いくつかの実施形態によれば、上記イオン線が、１ＭｅＶよりも高い運動エネルギーを有する。
[0007]いくつかの実施形態によれば、上記方法は、イオンビームの経路内に上記多結晶超伝導体を配置するステップと、上記イオンビームからのイオン線が上記多結晶超伝導体の上記少なくとも一部分の上に入射するように上記イオンビームを作動させるステップとをさらに含む。
[0007]いくつかの実施形態によれば、上記方法は、イオンビームの経路内に上記多結晶超伝導体を配置するステップと、上記イオンビームからのイオン線が上記多結晶超伝導体の上記少なくとも一部分の上に入射するように上記イオンビームを作動させるステップとをさらに含む。
【0007】
[0008]いくつかの実施形態によれば、上記イオンビームが、陽子ビームである。
[0009]いくつかの実施形態によれば、上記照射するステップが、中性子線を用いて上記多結晶超伝導体を照射するステップを含む。
[0009]いくつかの実施形態によれば、上記照射するステップが、中性子線を用いて上記多結晶超伝導体を照射するステップを含む。
【0008】
[0010]いくつかの実施形態によれば、上記方法は、上記多結晶超伝導体の前記照射の前に核融合反応炉内部に上記多結晶超伝導体を配置するステップをさらに含む。
[0011]いくつかの実施形態によれば、上記中性子線が、少なくとも１×１０１５のｃｍ２当たりの中性子のフルエンスを有する。
[0011]いくつかの実施形態によれば、上記中性子線が、少なくとも１×１０１５のｃｍ２当たりの中性子のフルエンスを有する。
【0009】
[0012]いくつかの実施形態によれば、イオン線及び／又は中性子線を用いて上記多結晶超伝導体の上記少なくとも一部分を照射するステップが、真空チャンバの内部で実行される。
【0010】
[0013]いくつかの実施形態によれば、上記方法は、超伝導磁石を製造するステップであって、上記超伝導磁石の少なくとも１つのコイルが上記多結晶超伝導体の前記照射の後の上記多結晶超伝導体を含む、製造するステップをさらに含む。
【0011】
[0014]いくつかの実施形態によれば、上記多結晶超伝導体が、粒子の整列した多結晶超伝導体である。
[0015]いくつかの態様によれば、多結晶超伝導体を含む磁気コイルと、上記磁気コイルの内側を通過する反応炉チャンバと、上記反応炉チャンバと上記磁気コイルとの間に配置された中性子シールドであって、上記中性子シールドがセンチメートルでＰ０．１の２５倍と３５倍との間である厚さを有し、ここでＰがメガワットでの核融合反応炉の定格パワー出力である、中性子シールドとを備える、核融合反応炉が提供される。
[0015]いくつかの態様によれば、多結晶超伝導体を含む磁気コイルと、上記磁気コイルの内側を通過する反応炉チャンバと、上記反応炉チャンバと上記磁気コイルとの間に配置された中性子シールドであって、上記中性子シールドがセンチメートルでＰ０．１の２５倍と３５倍との間である厚さを有し、ここでＰがメガワットでの核融合反応炉の定格パワー出力である、中性子シールドとを備える、核融合反応炉が提供される。
【0012】
[0016]いくつかの実施形態によれば、上記中性子シールドが、４０ｃｍと７０ｃｍとの間の厚さを有する。
[0017]いくつかの実施形態によれば、上記中性子シールドが、水素化チタンを含む。
[0017]いくつかの実施形態によれば、上記中性子シールドが、水素化チタンを含む。
【0013】
[0018]いくつかの実施形態によれば、上記中性子シールドが、ホウ素を含む。
[0019]いくつかの実施形態によれば、上記多結晶超伝導体が、希土類銅酸化物超伝導体を含む。
[0019]いくつかの実施形態によれば、上記多結晶超伝導体が、希土類銅酸化物超伝導体を含む。
【0014】
[0020]いくつかの実施形態によれば、上記多結晶超伝導体が、少なくとも１つの電導体を用いて被覆される。
[0021]いくつかの実施形態によれば、上記磁気コイルが、上記多結晶超伝導体のトロイダル巻線を備える。
[0021]いくつかの実施形態によれば、上記磁気コイルが、上記多結晶超伝導体のトロイダル巻線を備える。
【0015】
[0022]いくつかの態様によれば、多結晶超伝導体の少なくとも一部分が８０ケルビンよりも低い温度である間に、イオン線及び／又は中性子線を用いて上記多結晶超伝導体の上記少なくとも一部分を照射するステップを含むプロセスを介して形成される、向上した多結晶超伝導体が提供される。
【0016】
[0023]いくつかの実施形態によれば、上記照射するステップが、陽子線を用いて上記多結晶超伝導体を照射するステップを含む。
[0024]いくつかの実施形態によれば、上記照射するステップが、中性子線を用いて上記多結晶超伝導体を照射するステップを含む。
[0024]いくつかの実施形態によれば、上記照射するステップが、中性子線を用いて上記多結晶超伝導体を照射するステップを含む。
【0017】
[0025]いくつかの実施形態によれば、上記多結晶超伝導体が、粒子の整列した多結晶超伝導体である。
[0026]いくつかの態様によれば、放射線照射で（ｒａｄｉａｔｉｖｅｌｙ）変位した原子の拡散によって生じた超伝導体の結晶粒の境界の拡幅を効果的になくす（ｅｌｉｍｉｎａｔｅ）ように選択された極低温でイオン性物質又は中性子線を用いて多結晶超伝導体を照射するステップを含む方法が提供される。
[0026]いくつかの態様によれば、放射線照射で（ｒａｄｉａｔｉｖｅｌｙ）変位した原子の拡散によって生じた超伝導体の結晶粒の境界の拡幅を効果的になくす（ｅｌｉｍｉｎａｔｅ）ように選択された極低温でイオン性物質又は中性子線を用いて多結晶超伝導体を照射するステップを含む方法が提供される。
【0018】
[0027]いくつかの実施形態によれば、上記超伝導体が、希土類銅酸化物超伝導体を含む。
[0028]いくつかの実施形態によれば、上記極低温が、高くとも８０Ｋである。
[0028]いくつかの実施形態によれば、上記極低温が、高くとも８０Ｋである。
【0019】
[0029]いくつかの実施形態によれば、照射するステップは、弱い磁束ピニングが強い磁束ピニングを支配する条件で動作するときに上記照射した超伝導体中の臨界電流密度を最大にする照射フルエンスを選択するステップを含む。
【0020】
[0030]いくつかの実施形態によれば、照射するステップが、少なくとも０．００３の原子当たりの変位を生成するステップを含む。
[0031]いくつかの実施形態によれば、照射するステップが、上記超伝導体の内部に少なくとも１つの弱いピニングサイトを形成する。
[0031]いくつかの実施形態によれば、照射するステップが、上記超伝導体の内部に少なくとも１つの弱いピニングサイトを形成する。
【0021】
[0032]いくつかの実施形態によれば、上記方法は、少なくとも１つの電導体を用いて被覆したテープとして上記照射した超伝導体を提供するステップをさらに含む。
[0033]いくつかの実施形態によれば、上記方法は、プラズマの核を融合させるためにチャンバの周りに上記被覆テープを巻き付けるステップをさらに含む。
[0033]いくつかの実施形態によれば、上記方法は、プラズマの核を融合させるためにチャンバの周りに上記被覆テープを巻き付けるステップをさらに含む。
【0022】
[0034]いくつかの実施形態によれば、上記方法は、上記巻き付けたテープを極低温に冷却するステップと、上記テープに電流を流すステップと、これにより上記チャンバ内に上記プラズマを閉じ込めるために適した磁場を発生させるステップとをさらに含む。
【0023】
[0035]いくつかの実施形態によれば、上記巻き付けたテープを極低温に冷却するステップが、ほぼ２０Ｋの温度まで冷却するステップを含む。
[0036]いくつかの態様によれば、放射線照射で変位した原子の拡散によって生じた超伝導体の結晶粒の境界の拡幅を効果的になくすように選択された極低温でイオン性物質又は中性子線を用いて照射された多結晶超伝導体を含む、物質の構成物（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）が提供される。
[0036]いくつかの態様によれば、放射線照射で変位した原子の拡散によって生じた超伝導体の結晶粒の境界の拡幅を効果的になくすように選択された極低温でイオン性物質又は中性子線を用いて照射された多結晶超伝導体を含む、物質の構成物（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）が提供される。
【0024】
[0037]いくつかの実施形態によれば、上記超伝導体が、希土類銅酸化物超伝導体を含む。
[0038]いくつかの実施形態によれば、上記極低温が、高くとも８０Ｋであった。
[0038]いくつかの実施形態によれば、上記極低温が、高くとも８０Ｋであった。
【0025】
[0039]いくつかの実施形態によれば、上記超伝導体は、弱い磁束ピニングが強い磁束ピニングを支配する条件で動作するときに上記照射した超伝導体中の臨界電流密度を最大にするように選択されたフルエンスにしたがって照射された。
【0026】
[0040]いくつかの実施形態によれば、上記照射が、少なくとも０．００３の原子当たりの変位を生成した。
[0041]いくつかの実施形態によれば、上記照射が、少なくとも１つの弱いピニングサイトを生成した。
[0041]いくつかの実施形態によれば、上記照射が、少なくとも１つの弱いピニングサイトを生成した。
【0027】
[0042]いくつかの実施形態によれば、上記構成物が、少なくとも１つの電導体を用いて被覆したテープとして提供される。
[0043]いくつかの実施形態によれば、上記構成物は、プラズマの核を融合させるためのチャンバであって、上記テープが上記チャンバの周りに巻き付けられる上記構成物を含む、チャンバをさらに備える。
[0043]いくつかの実施形態によれば、上記構成物は、プラズマの核を融合させるためのチャンバであって、上記テープが上記チャンバの周りに巻き付けられる上記構成物を含む、チャンバをさらに備える。
【0028】
[0044]いくつかの実施形態によれば、上記構成物は、上記チャンバ内に上記プラズマを閉じ込めるための磁場を発生させるために内部で循環する電流にとって適した温度まで冷却される。
【0029】
[0045]いくつかの態様によれば、放射線照射で変位した原子の拡散によって生じた超伝導体の結晶粒の境界の拡幅を効果的になくすように選択された極低温でイオン性物質又は中性子線を用いて照射された多結晶超伝導体を含む少なくとも１つのトロイダル磁場コイルを有する核融合反応炉が提供される。
【0030】
[0046]前述の装置及び方法実施形態は、上に又は下記にさらに詳細に記述した態様、構成（ｆｅａｔｕｒｅ）、及び行為のいずれかの適切な組み合わせを用いて実装されることがある。本教示のこれらの及び他の態様、実施形態、及び構成は、添付の図面とともに下記の説明からより十分に理解され得る。
【0031】
[0047]様々な態様及び実施形態が、次に続く図を参照して説明されるだろう。図が必ずしも等尺で描かれる必要がないことが高く評価されるべきである。図面では、様々な図に図示される各々の同一の構成要素又はほぼ同一の構成要素が類似した数字によって表される。明確さのために、すべての構成要素がすべての図面で符号を付けられないことがある。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】[0048]希土類バリウム銅酸化物（「ＲＥＢＣＯ」）化合物に関する例示の結晶構造の図である。
【図2】[0049]例示の被覆導体ＲＥＢＣＯテープの層の断面図である。
【図3】[0050]多種多様な銅酸塩超伝導体に関する正孔濃度の規格化した臨界温度（Ｔｃ）依存性のプロットである。
【図4】[0051]例示のＹＢＣＯ超伝導体のＴＥＭ像である。
【図5】[0052]超伝導材料の図であり、強いピニングサイトと弱いピニングサイトとの間の違いを図示する。
【図5A】[0053]（上）電子オーダリング及び磁化からの自由エネルギー密度の寄与、及び（下）これらの和の２つのプロットであり、常電導－超伝導境界が熱力学的に安定であることを示し、一部のフラックスの浸透を可能にすることを示す図である。
【図6】[0054]異なる温度で１×１０１６ｐ／ｃｍ２及び５×１０１６ｐ／ｃｍ２のフルエンスに照射された試料の５Ｔ及び３０Ｋでの、臨界電流密度Ｊｃのプロットである。
【図7-1】[0055]様々な測定磁場及び温度での陽子照射に起因するＲＥＢＣＯ Ｊｃ悪化についての照射温度効果を図示するプロットの抜粋である。
【図7-2】[0055]様々な測定磁場及び温度での陽子照射に起因するＲＥＢＣＯ Ｊｃ悪化についての照射温度効果を図示するプロットの抜粋である。
【図8】[0056]照射した超伝導体の臨界温度対照射温度のプロットである。
【図9】[0057]測定した臨界電流密度Ｊｃと弱いピニングについての予測した依存性に対するフィッティングとの比較の図である。
【図10A】[0058]低温、低フルエンス照射（８０Ｋ及び５×１０１５ｐ／ｃｍ２）におけるＪｃと測定角θとの比較の図である。
【図10B】[0059]低温、中フルエンス照射（８０Ｋ及び１×１０１６ｐ／ｃｍ２）におけるＪｃとθとの比較の図である。
【図10C】[0060]低温、高フルエンス照射（８０Ｋ及び５×１０１６ｐ／ｃｍ２）におけるＪｃとθとの比較の図である。
【図10D】[0061]高温、低フルエンス照射（４２３Ｋ及び５×１０１５ｐ／ｃｍ２）におけるＪｃとθとの比較の図である。
【図10E】[0062]高温、中フルエンス照射（４２３Ｋ及び１×１０１６ｐ／ｃｍ２）におけるＪｃとθとの比較の図である。
【図10F】[0063]高温、高フルエンス照射（４２３Ｋ及び５×１０１６ｐ／ｃｍ２）におけるＪｃとθとの比較の図である。
【図11A】[0064]べき乗則にフィッティングした非照射のコントロール試料についてのＪｃと磁場強度Ｂとの比較の図である。
【図11B】[0065]各々のフルエンスにおけるべき乗則への計算したフィッティングとともに、中フルエンス及び高フルエンスへと８０Ｋにおいて照射した超伝導体についてのＪｃとＢとの比較の図である。
【図11C】[0066]各々のフルエンスにおけるべき乗則への計算したフィッティングとともに、中フルエンス及び高フルエンスへと４２３Ｋにおいて照射した超伝導体についてのＪｃとＢとの比較の図である。
【図12A】[0067]１×１０１５ｐ／ｃｍ２の低フルエンスへの８０Ｋにおける照射についてのピニング律速Ｊｃのプロットである。
【図12B】[0068]５×１０１５ｐ／ｃｍ２の低フルエンスへの８０Ｋにおける照射についてのピニング律速Ｊｃのプロットである。
【図12C】[0069]１×１０１６ｐ／ｃｍ２の中程度のフルエンスへの８０Ｋにおける照射についての結晶粒界律速Ｊｃレジームとピニング律速Ｊｃレジームとの間のクロスオーバーを示すプロットである。
【図12D】[0070]５×１０１６ｐ／ｃｍ２の高フルエンスへの８０Ｋにおける照射についての結晶粒界律速Ｊｃレジームとピニング律速Ｊｃレジームとの間のクロスオーバーを示すプロットである。
【図13】[0071]高フルエンスへの８０Ｋ照射及び４２３Ｋ照射についてのＪｃレジームを比較した図である。
【図14】[0072]８０Ｋ及び４２３Ｋにおける照射についての一次ノックオン原子（ＰＫＡ）当たりのシミュレーションしたフレンケル対の生成に対するＰＫＡエネルギーのプロットである。
【図15】[0073]小型融合モデル（「ＡＲＣ」と記す）にしたがって１ＭｅＶ陽子線及び中性子線からもたらされるＰＫＡエネルギー関数の累積分布の比較の図である。
【図16】[0074]８００Ｋにおける模擬ＹＢＣＯ格子内の拡散係数を決定するための二乗平均分布（「ＭＳＤ」）フィッティングのプロットである。
【図17】[0075]実施形態にしたがってＲＥＢＣＯテープを製造するための例示のプロセスについてのフローチャートである。
【図18A】[0076]ＨＴＳを照射するためのターゲット搭載台の図であり、最上部に第１のコリメータ、次いで電子抑制電極、次いで底部に二次Ｇ－１０コリメータ搭載台を示す。
【図18B】[0077]コリメータ及び抑制電極を取り除いた状態のターゲットエリアのクローズアップ図であり、動作中にターゲット上のビームを中心に置くために使用する電流ピックアップを示す。
【図19】[0078]いくつかの実施形態による、中性子線及び／又はイオン線を用いた多結晶超伝導体の照射を図示する模式図である。
【図20A】[0079]いくつかの実施形態による、融合反応炉の断面を図示する模式図である。
【図20B】[0080]いくつかの実施形態による、反応炉の様々な構成要素を図示する切り欠き部を有する融合反応炉の３次元グラフィックである。
【発明を実施するための形態】
【0033】
[0081]上に論じたように、いくつかの高温超伝導体（ＨＴＳ）材料が、長い撚線として製造され、そして磁石を形成するために（他の材料とともに）巻き付けられることがある。これらの磁石は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置、発電機（例えば、風力タービン）、医療用加速器（例えば、陽子線治療システム）、超伝導エネルギー蓄積装置、核融合反応炉（例えば、トカマク）、磁気流体力学（ＭＨＤ）発電機、等を含め、多種多様な異なる装置内に配置されることがある。
【0034】
[0082]いくつかの用途に関して、ＨＴＳ材料は、しばしば「テープ」と呼ばれる、長く薄い撚線として製造されることがある。テープ内のＨＴＳ材料は、その長さ及びテープが製造される技術のために典型的には多結晶である。多結晶材料では、「結晶粒界」として知られる微結晶同士の間の界面が、しかしながら、材料の電気的特性の妨げになることがある。特に、超伝導材料にとって、ずれて並んだ結晶粒界の存在は、材料の臨界電流を低くすることがあり、臨界電流は超伝導体が抵抗なしに維持することができる最大輸送電流密度である。結果として、多結晶超伝導体にとって、超伝導体の電気的特性への結晶粒界の効果が最小にされ得るように、隣り合う粒子同士の間に高いレベルのアライメントがあることが望ましい。したがって、ＨＴＳテープは、高いレベルの粒子アライメントでしばしば製造される。
【0035】
[0083]発明者は、多結晶超伝導体の結晶粒界が中性子線及び／又はイオン線の十分に高いフルエンスに曝されたときに変質することがあることを認識し察知している。さらにその上、発明者は、結晶粒界の変質の大きさが照射中の多結晶超伝導体の温度の関数として変化し得ることを認識し了解しており、温度が低いほど小さな変質しか作らないことをともなう。理論によっては縛られずに、入射中性子線及び／又はイオン線によって引き起こされる第１の効果は、多結晶超伝導体内部の欠陥が結晶粒界まで拡散することを可能にすることが考えられる。欠陥のこの放射線照射増速拡散の結果として、結晶粒界は、広くなることがある及び／又は低いアライメントに悩まされることがあり、超伝導体の電気的特性への上に説明した負の効果につながる。
【0036】
[0084]結晶粒界の変質が単結晶超伝導体には結晶粒界がないことのために単結晶超伝導体では予想されないことに留意されたい。加えて、焼結した多結晶超伝導体上へと入射する中性子線及び／又はイオン線が結晶粒界のいくらかの変質を生成する一方で、これらの材料には初期粒子アライメントがないことは、結晶粒界の変質が焼結した多結晶超伝導体の電気的性能の測定可能な低下につながらないことがあり得ることを意味する。対照的に、発明者によって認識され了解されたように、長く粒子が整列した多結晶超伝導体の上へと入射する中性子線及びイオン線は、材料の電気的特性の著しい低下を引き起こすことがある。
【0037】
[0085]多結晶超伝導体の上へと入射する中性子線及びイオン線の上に記述した効果は、多結晶超伝導体を含む装置を長時間にわたって低い性能で機能させることがあり得る。例えば、多結晶超伝導体を含む磁石（例えば、ＭＲＩシステム内の磁石）は、長時間にわたり、超伝導体の結晶粒界の変質を引き起こす放射線照射に曝されることがあり、超伝導体の低い臨界電流につながり、これにより磁石の性能を変える。
【0038】
[0086]発明者は、入射中性子線及び／又はイオン線への曝露が、多結晶超伝導体中のピニングサイトを形成する及び／又は増加させることがあり、この効果が極低温（例えば、８０ケルビンよりも下）でより強調されることをともなうことをさらに認識し了解している。ピニングサイトは、磁束線が決まった場所に保持される超伝導体内部の場所である。タイプＩＩ超伝導体では、磁束線は、超伝導体を通過する電流のためにロレンツ力を経験することがあるが、この力はピニングサイトにより発揮される「ピニング」力により相殺されることがある。超伝導材料中の欠陥は、例えば、ピニングサイトとして作用することがある。一般的に言って、ピニングサイトによって与えられる全ピニング力が大きいほど、大きな臨界電流につながる。結果として、入射中性子線及び／又はイオン線に多結晶超伝導体を曝すことは、超伝導体中のピニングサイトを形成すること及び／又は増加させることによって超伝導体の電気的特性を向上させることができ、そして超伝導体が極低温であるときに前記曝露が実行されるとより大きく向上させることができる。
【0039】
[0087]発明者は、装置内で超伝導体の使用中の多結晶超伝導体の電気的特性の低下が、装置への超伝導体の組込みの前に極低温で中性子線及び／又はイオン線に超伝導体を曝すことによって緩和されることがあることをさらに認識し高く評価している。上に論じたように、発明者は、入射中性子線及び／又はイオン線に曝された多結晶超伝導体の結晶粒界の変質の量が、より低い温度では減少することを認識している。さらにその上、より低い温度で入射中性子線及び／又はイオン線に多結晶超伝導体を曝すことは、超伝導体中にピニングサイトを作り出す及び／又は増加させることがある。これら２つの効果の最終的な（ｎｅｔ）結果は、臨界電流の増加などの超伝導体の電気的特性の最終的な向上であり得る。少なくともいくつかのケースでは、超伝導体の結晶粒界の変質は、上に論じたようにその後に依然として生じることがあるが、その電気的特性を向上させるための超伝導体の前「処理」が、結晶粒界の変質に起因する悪化を部分的に又は完全に打ち消すことができる。
【0040】
[0088]例えば、多結晶超伝導体を含む磁石は、ある期間にわたって環境からの放射線照射に曝されることがあり、上に論じたような多結晶超伝導体の結晶粒界の変質につながる。磁石内に多結晶超伝導体の組込みの前に、超伝導体は、超伝導体が極低温であるときに入射中性子線及び／又はイオン線に曝されることがある。このことは、結晶粒界を著しく変質させないままで超伝導体中にピニングサイトを作り出す及び／又は増加させ、超伝導体の電気的特性の最終的な改善をもたらす。したがって、磁石の動作中に生じる結晶粒界の何らかの変質は、磁石に超伝導体の組込みの前に超伝導体を「処理すること」によって生み出される改善によって相殺されることがある。
【0041】
[0089]いくつかのケースでは、トカマクなどの磁石を含む融合反応炉は、磁石中へと多結晶超伝導体を組み込むことができる。そのようなケースでは、多結晶超伝導体は、反応炉内部で生成されそして磁石によっては影響を受けない軌道を有する中性子線に曝されることがあり得る。一般に、中性子線を阻止することに有効なシールドが、磁石を保護するために炉心と反応炉内の超伝導磁石との間に配置される。所与のパワー出力の反応炉がより小型に作られるので、比例方式で中性子シールドのサイズを縮小することが望ましい。しかしながら、シールド厚さの直線的な減少は、指数関数的に高い中性子フラックスにつながり、これが十分な中性子シールドを有する小型の大パワー反応炉を作る際の難題を提示する。
【0042】
[0090]上に論じたように、発明者は、多結晶超伝導体の結晶粒界の変質が極低温で最小化され得ること、及び入射中性子線への曝露が多結晶超伝導体内にピニングサイトを作り出す及び／又は増加させることがあり、この効果が極低温でより明確にされることをともなうことを認識し高く評価している。融合反応炉内で動作する磁石内の多結晶超伝導体が極低温で保持されるので、これらの効果の発明者の認識は、中性子シールド厚さが従来から考えられているものよりも小さくてもよいことを示す。すなわち、これらの効果の発明者の認識は、多結晶超伝導体上の入射中性子線の最終的な効果が超伝導体の限定された悪化を引き起こすことがあり、そしていくつかのケースでは、その電気的特性を高めることさえあり得ることを示す。結果として、より少ないシールドを有する融合反応炉が製造されることがあり、より小型の反応炉が作られることを可能にする。
【0043】
[0091]下記に続くものは、超伝導体の極低温放射線照射の向上のための技術に関する様々な概念、及び実施形態のより詳細な説明である。本明細書において記述する様々な態様が数多くの方法のうちのいずれかで実装されてもよいことを高く評価すべきである。具体的な実装形態の例が、単に例示の目的で本明細書に提供される。加えて、下記の実施形態に記載される様々な態様は、単独で又は任意の組み合わせで使用されてもよく、そして明示的に本明細書において説明した組み合わせに限定されない。
【0044】
[0092]図１９は、いくつかの実施形態による、中性子線及び／又はイオン線を用いた多結晶超伝導体の照射を描く模式図である。図１９の例では、システム１９００は、イオン線及び／又は中性子線の線源１９２０を含み、この線源が多結晶超伝導体１９２０の一部分１９２１の上に入射する中性子ビーム及び／又はイオンビーム１９１５を生成する。多結晶超伝導体１９２０、又は多結晶超伝導体の少なくとも一部分１９２１が、極低温であってもよく、その例が下記に説明される。
【0045】
[0093]いくつかの実施形態によれば、線源１９１０は、中性子線を出力するように及び／又は、限定されないが、電子線、陽子線、アルファ粒子線、等などのイオン線を出力するように構成された装置を備えることができる。いくつかの実施形態では、例えば、線源１９１０は、デュオプラズマトロン、マグネトロンなどの陽子ビーム源、及び／又は陽子線を生成するために材料の上へとレーザビーム（例えば、金属箔の上へとレーザビーム）を向けるように構成されたレーザを備えることができる。いくつかの実施形態では、線源１９１０は、電子銃を備えることができる。いくつかの実施形態では、線源１９１０は、核破砕線源又は粒子加速器などの中性子線の線源であってもよい。
【0046】
[0094]いくつかの実施形態によれば、線源１９１０は、多結晶半導体の一部分１９２１の上へと入射する１０１２粒子／ｃｍ２と１０１６粒子／ｃｍ２との間の粒子のフルエンスを生成するように相当の期間にわたって運転されることがある。フルエンスは、ある面積の全体にわたり生成される粒子の総数である。いくつかの実施形態では、線源１９１０は、１０１２、１０１３、１０１４、１０１５又は１０１６粒子／ｃｍ２以上の粒子のフルエンスを生成することができる。いくつかの実施形態では、線源１９１０は、１０１６、５×１０１５、１０１４、又は１０１３粒子／ｃｍ２以下の粒子のフルエンスを生成することができる。上に言及した範囲の任意の適切な組み合わせ（例えば、１０１４と５×１０１５粒子／ｃｍ２との間のフルエンス）もまた可能である。フルエンス値が入射粒子の総数を表すので、上記値が多結晶半導体の一部分１９２１の上へと入射するように指定された数の粒子を生じさせるためにかかる時間とは無関係であることが察知されるだろう。実例として、線源１９１０は、１０１６粒子／ｃｍ２のフルエンスを生成するために１０００秒の間１０１２粒子／ｃｍ２／ｓである多結晶半導体の一部分１９２１の表面のところでの粒子のフラックスを生成することができる。
【0047】
[0095]いくつかの実施形態では、線源１９１０は、１０１５、５×１０１５、１０１６又は５×１０１６陽子／ｃｍ２以上の陽子線のフルエンスを生成するように構成されることがある。いくつかの実施形態では、線源１９１０は、１０１７、５×１０１６、１０１６又は５×１０１５陽子／ｃｍ２以下の陽子線のフルエンスを生成するように構成されることがある。上に言及した範囲の任意の適切な組み合わせ（例えば、５×１０１５と１０１６陽子／ｃｍ２との間のフルエンス）もまた可能である。
【0048】
[0096]いくつかの実施形態では、線源１９１０は、１０１７、５×１０１７、１０１８、５×１０１８、１０１９、又は５×１０１９中性子／ｃｍ２以上の中性子線のフルエンスを生成するように構成されることがある。いくつかの実施形態では、線源１９１０は、５×１０１９、１０１９、５×１０１８、１０１８又は５×１０１７中性子／ｃｍ２以下の中性子線のフルエンスを生成するように構成されることがある。上に言及した範囲の任意の適切な組み合わせ（例えば、５×１０１７と１０１８中性子／ｃｍ２との間のフルエンス）もまた可能である。
【0049】
[0097]いくつかの実施形態では、線源１９１０は、０．５ＭｅＶ、１ＭｅＶ、２ＭｅＶ、５ＭｅＶ、又は１０ＭｅＶ以上の平均運動エネルギーを有する陽子線を生成するように構成されることがある。いくつかの実施形態では、線源１９１０は、２０ＭｅＶ、１５ＭｅＶ、１０ＭｅＶ、５ＭｅＶ、又は２ＭｅＶ以下の平均運動エネルギーを有する陽子線を生成するように構成されることがある。上に言及した範囲の任意の適切な組み合わせ（例えば、１ＭｅＶと２ＭｅＶとの間の陽子運動エネルギー）もまた可能である。いくつかの実施形態では、線源１９１０は、０．１ＭｅＶ、０．２ＭｅＶ又は０．５ＭｅＶ以上の平均運動エネルギーを有する中性子線を生成するように構成されることがある。
【0050】
[0098]いくつかの実施形態によれば、多結晶超伝導体１９２０は、希土類バリウム銅酸化物（ＲＥＢＣＯ）材料、イットリウムバリウム銅酸化物（ＹＢＣＯ）材料、いずれかの希土類銅酸塩材料、又はこれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態によれば、多結晶超伝導体１９２０は、ＲＥＢＣＯテープなどの、いわゆる超伝導体テープを含むことができる。テープの例示の寸法は、０．００１ｍｍと０．１ｍｍとの間の厚さ、及び１ｍｍと１２ｍｍとの間の幅を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、多結晶超伝導体１９２０は、粒子の高いアライメントを示すことがある（「粒子が整列する」ことがある）。本明細書において使用するように、「粒子の整列した」多結晶超伝導体は、１０％未満の結晶粒界ミスアライメントを示す多結晶超伝導体を含むことができるが、これに限定されない。
【0051】
[0099]上に記したように、「ＲＥＢＣＯ」は、「希土類バリウム銅酸化物」の頭字語である。本明細書において使用するように、少なくともいくつかのケースでは、「ＲＥＢＣＯ」は、任意の希土類銅酸塩ＨＴＳをより一般的に呼ぶために使用されることがある。したがって、別なふうに明確に述べない限り、バリウムは、ＲＥＢＣＯ中に存在することがあるが、存在することが必ずしも必要ではない。
【0052】
[00100]いくつかの実施形態によれば、多結晶超伝導体１９２０は、超伝導体材料だけを含むことがある。あるいは、多結晶超伝導体１９２０は、他の材料に加えて被覆した超伝導体材料を含むことができる。例えば、ＲＥＢＣＯテープは、図２の例に示したような被覆導体テープを生成するために導体層及びバッファ層とともに配置され、次いで中性子線及び／又はイオン線が被覆導体テープの上へと入射するようにシステム１９００内に配置されることがある。
【0053】
[00101]いくつかの実施形態によれば、システム１９００の動作中に、多結晶半導体の一部分１９２１は、１０Ｋ、２０Ｋ、４０Ｋ、６０Ｋ又は７０Ｋ以上の温度で保持されることがある。いくつかの実施形態によれば、システム１９００の動作中に、多結晶半導体の一部分１９２１は、８０Ｋ、７７Ｋ、７０Ｋ、４０Ｋ又は３０Ｋ以下の温度で保持されることがある。上に言及した範囲の任意の適切な組み合わせ（例えば、２０Ｋと７０Ｋとの間の温度）もまた可能である。多結晶半導体の一部分１９２１の温度は、液体ヘリウム又は液体窒素などの極低温液体とのスルーコンタクトを含め、いずれかの適切な技術又は装置を通して達成されることがある。
【0054】
[00102]図２０Ａは、いくつかの実施形態による、融合反応炉の断面を図示する模式図である。上に論じたように、融合反応炉内部の磁石は、多結晶超伝導体から形成されることがあり、そして中性子シールドによって炉心（そこではプラズマが核融合を受けるために形成される）から分離されることがある。図２０Ａは、反応炉を通る断面を示し、そして多結晶超伝導体から製造される、又はそうでなければ含む、磁石コイル２０１１、中性子シールド２０１２、及び炉心領域２０１３を含む。
【0055】
[00103]いくつかの実施形態によれば、中性子シールド２０１２は、高エネルギー中性子線（「高速中性子線」）を和らげるために適した及び／又は熱中性子線を吸収するために適した１つ又は複数の材料を含むことができる。例えば、中性子シールド２０１２は、多数の軽原子を含む、ポリエチレン（これはホウ素化される及び／又は重水素化さえることがある）などの１つ又は複数のポリマ、及び／又は水素化チタン（ＴｉＨ２）を含むことができる。いくつかのケースでは、中性子シールド２０１２は、鋼板（例えば、ホウ化鋼板及び／又はフェライト系ステンレス鋼板）などの金属を含むことができる。いくつかの実施形態では、中性子シールドは、中性子線を和らげるための内側層（例えば、ポリエチレン）及び熱中性子線を捕らえるための外側層（例えば、ホウ化鋼）などの多数の層を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、中性子シールド２０１２は、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）を含むことができる。
【0056】
[00104]上に論じたように、発明者は、多結晶超伝導体上に入射する中性子線が、超伝導体に限定された変質を引き起こすことがあり、そしていくつかのケースではその電気的特性を向上させることさえあること、及び結果として、少ないシールドを有する融合反応炉が製造されることがあり、より小型の反応炉が作られることを可能にすることを認識し高く評価している。中性子シールド２０１２の厚さは、これゆえこれらの効果の理解に基づき、そして下記のように、反応炉のパワー出力及び寿命時間の関数として決定されることがある。
【0057】
[00105]融合反応炉内に配置された多結晶ＨＴＳの予想される寿命時間は、下記のように表されることがある、
【0058】
【数1】
【0059】
ここで、Ｌは予想される寿命時間であり、φは、臨界電流がある公称値（例えば、ＨＴＳが反応炉に最初に取り付けられたときの臨界電流の値）より下に低下するようにＨＴＳの変質を引き起こすことが予想される中性子線の臨界フルエンスであり、ｆｒは中性子減衰係数でありそしてシールド厚さの関数であり、Ｐは寿命時間Ｌにわたる反応炉のメガワット（ＭＷ）での予想される平均パワー出力（今後「定格パワー出力」と呼ばれる）であり、そしてＣは次元目的の一定の変換係数であり、そして寿命時間Ｌにわたる反応炉の予想される使用可能時間／稼働時間を含む。ｆｒは中性子シールドの厚さｔの指数関数であり、上記は、臨界中性子フルエンスφ＝３×１０１９中性子／ｃｍ２と仮定して、
【0060】
【数2】
【0061】
と表現し直されることがある。
[00106]この実験式は、発明者の上に述べた認識に基づいて、ＭＷでの所与の定格パワー出力を有しそして年での所与の寿命期間にわたる反応炉用の中性子シールドの（センチメートルでの）適切な厚さを決定するために利用されることがある。例えば、５００ＭＷの定格パワー出力を有し１５年の寿命時間を有する反応炉に関して、厚さはほぼ６０ｃｍである。これは、１５年の寿命時間を有する５００ＭＷ反応炉用の融合反応炉において実行可能であると従来から理解されるものよりも小さな厚さを表すことができる。
[00106]この実験式は、発明者の上に述べた認識に基づいて、ＭＷでの所与の定格パワー出力を有しそして年での所与の寿命期間にわたる反応炉用の中性子シールドの（センチメートルでの）適切な厚さを決定するために利用されることがある。例えば、５００ＭＷの定格パワー出力を有し１５年の寿命時間を有する反応炉に関して、厚さはほぼ６０ｃｍである。これは、１５年の寿命時間を有する５００ＭＷ反応炉用の融合反応炉において実行可能であると従来から理解されるものよりも小さな厚さを表すことができる。
【0062】
[00107]上記の式は、ＭＷでの定格パワー出力をｃｍでのシールドの厚さの範囲にさらに関係付けるために、近似されそして単純化されることがあり、ここでは、寿命時間の妥当な値が、値の範囲によってもたらされる。特に、ｃｍでの厚さは、下記、
ｔ＝ＡＰＢ
のようにＭＷでのパワーの関数として記述されることがあり、ここで、Ａ及びＢは定数である。
ｔ＝ＡＰＢ
のようにＭＷでのパワーの関数として記述されることがあり、ここで、Ａ及びＢは定数である。
【0063】
[00108]いくつかの実施形態によれば、Ａは、２０、２２、２５、２７、又は３０以上の値を有することがある。いくつかの実施形態によれば、Ａは、４２、４０、３７、３５、３２、又は３０以下の値を有することがある。上に言及した範囲の任意の適切な組み合わせもまた可能である（例えば、Ａは、２５と３５との間であってもよい）。いくつかの実施形態によれば、Ｂは、０．０８、０．０９、０．１０、０．１１、又は０．１２の値を有することがある。Ａの値についての上に言及した範囲の任意の適切な組み合わせが、Ｂのこれらの値のうちのいずれかと組み合わせられることがある。例えば、いくつかの実施形態では、ｔは、２５×Ｐ０．１と３５×Ｐ０．１との間（５００ＭＷの定格の反応炉に関してほぼ４７ｃｍと６５ｃｍとの間）であってもよく、いくつかの実施形態では、ｔは、２２×Ｐ０．１１と３２×Ｐ０．１１との間（５００ＭＷの定格の反応炉に関してほぼ４４ｃｍと６３ｃｍとの間）であってもよい。
【0064】
[00109]図２０Ｂは、いくつかの実施形態による、反応炉の様々な構成要素を図示する切り欠き部を有する融合反応炉の３次元グラフィックである。例示の反応炉２０００は、多結晶超伝導体から製造される又はそうでなければ含む磁石コイル２０２１、及び炉心領域２０２３を描く。中性子シールドは、図２０Ａの例には描かれていないが、白い楕円で強調され設置された２０２１のところにコイル２０２１と炉心領域２０２３との間に配置されることがある。
【0065】
[00110]いくつかの実施形態によれば、動作では、磁石コイル２０１１及び／又は磁石コイル２０２１は、多結晶ＨＴＳを含み、そしてＨＴＳの超伝導遷移温度よりも下である温度で保持されることがある。上に論じたように、多結晶ＨＴＳ上への入射中性子線の負の効果（結晶粒界の変質）がより低い温度において緩和され、そして多結晶ＨＴＳ上への入射中性子線のプラスの効果（ピニングサイトの生成及び／又は増加）がより低い温度で増大するので、超伝導状態で多結晶ＨＴＳを動作させるために必要な低温でそしていくつかのケースでははるかに低い温度で多結晶ＨＴＳを動作させるという利点があり得る。例えば、５０Ｋよりも上の臨界温度を有する多結晶ＨＴＳが、２０Ｋ付近で動作されることがある、又は３０Ｋよりも上の臨界温度を有する多結晶ＨＴＳが、２０Ｋ付近で動作されることがある。
【0066】
[00111]上に記述した技術に関するさらなる補足情報が、下記に説明される。下記の説明は、背景材料に加えて実験の検討を含み、決して限定するように見られるべきではない。
ＲＥＢＣＯ超伝導体のさらなる検討
[00112]上に論じたように、希土類バリウム銅酸化物（「ＲＥＢＣＯ」）は、セラミック系の高温超伝導体（「ＨＴＳ」）である。ＲＥＢＣＯについての例示の結晶構造が図１に示される。セラミック系のＨＴＳが１９８７年に初めて発見されたが、ＲＥＢＣＯ ＨＴＳ導線の大規模生産は、高い性能を維持したままでＲＥＢＣＯの長い撚線を製造する際の困難さのために最近まで不可能であった。ローリングアシステッドバイアキシャルテクスチャードサブストレート（「ＲＡＢｉＴＳ」）及びイオンビームアシステッドデポジション（「ＩＢＡＤ」）などの堆積前躯体法における進歩は、過去数年でＲＥＢＣＯのキロメートル長さの撚線の製造を可能にし、他の用途の中で、融合装置での使用のために大口径磁石を巻くためにＨＴＳを使用することの可能性を開拓している。
ＲＥＢＣＯ超伝導体のさらなる検討
[00112]上に論じたように、希土類バリウム銅酸化物（「ＲＥＢＣＯ」）は、セラミック系の高温超伝導体（「ＨＴＳ」）である。ＲＥＢＣＯについての例示の結晶構造が図１に示される。セラミック系のＨＴＳが１９８７年に初めて発見されたが、ＲＥＢＣＯ ＨＴＳ導線の大規模生産は、高い性能を維持したままでＲＥＢＣＯの長い撚線を製造する際の困難さのために最近まで不可能であった。ローリングアシステッドバイアキシャルテクスチャードサブストレート（「ＲＡＢｉＴＳ」）及びイオンビームアシステッドデポジション（「ＩＢＡＤ」）などの堆積前躯体法における進歩は、過去数年でＲＥＢＣＯのキロメートル長さの撚線の製造を可能にし、他の用途の中で、融合装置での使用のために大口径磁石を巻くためにＨＴＳを使用することの可能性を開拓している。
【0067】
[00113]これまでは、超伝導トカマク融合装置内の最大コイル上磁場強度は、ほぼ１３テスラ（１３Ｔ）に制限され、標準アスペクト比に関して約６Ｔに軸上磁場強度を制約した。しかしながら、ＲＥＢＣＯの磁場、電流、及び温度における動作空間の拡大がこの制約を取り除いた。高磁場におけるＲＥＢＣＯの著しい臨界電流低下の欠如は、トカマクがはるかに高い軸上磁場で設計されることを可能にする。より高い磁場の利用（ａｃｃｅｓｓ）は、プラズマ物理の制約を著しく緩和し、そしてより高い磁場でより小さな装置がより低い磁場を用いたより大きな装置と同じ性能を利用することを可能にする。
【0068】
[00114]すべてのタイプの超伝導磁石、低温超伝導体（「ＬＴＳ」）及びＨＴＳの両者は、高エネルギー中性子放射線照射に敏感である。典型的には、しかしながら、融合関連ＨＴＳ放射線照射研究は、放射状構造内に十分なシールドを有する大きな（すなわち、主半径Ｒ＞６ｍ）反応炉に集中する傾向がある。ＬＴＳ磁石もまた、超伝導体自体よりも放射線照射に対して典型的により敏感である大量の電気的絶縁物を必要とする。結果として、中性子照射研究は、単位面積当たりの照射した粒子のフルエンスとして測定した、大きな融合反応炉における使用のために被覆導体を認定するのに「十分である」ある量に単に至るまで放射線照射損傷の効果に焦点を当てることがある。例えば、＞０．１ミリオン電子ボルト（０．１ＭｅＶ）のエネルギーを有する「高速」中性子線のほぼ３×１０１８中性子／ｃｍ２のフルエンスは、大きな反応炉にとって十分であり得る。ＩＴＥＲトカマクなどの大きな融合反応炉では、そのコイルに対する寿命フルエンスは、約２×１０１８中性子／ｃｍ２になると予想される。
【0069】
[00115]ＨＴＳを利用する小型、高磁場反応炉では、しかしながら、この状況は著しく変化する。高磁場磁石は小さな高性能装置が設計されることを可能にするので、特にインボードレグ内の磁石中性子シールドの厚さは、装置のサイズとともに低下する。一方で中性子線が重水素－トリチウム（「Ｄ－Ｔ」）融合における一次エネルギー源であるので、中性子線が電荷を搬送しないという理由で、中性子線の軌跡は高い磁場によっては影響されない。中性子の減衰が、直線的な効果とは反対に指数関数的であるので、シールド厚さの直線的な減少が、磁石に到達する指数関数的に高い中性子フラックスにつながる。加えて、遮断されていないＨＴＳ融合磁石を設計する可能性は、電気的な絶縁よりはむしろ、このような磁石内の一次放射線照射律速材料を超伝導体にさせる。最後に、高磁場磁石に対して望まれる高性能を得るために、小型装置内のＨＴＳは、その臨界温度よりもはるかに低い、例えば、１０～２０Ｋの間の温度まで「サブクール」されることがある。これらの新たな条件は、小型の高磁場設計において存在するであろう低温及び高磁場で実行される測定を用いて、より高いフルエンスへのＲＥＢＣＯ照射研究の拡大を動機づける。
【0070】
[00116]多種多様なＲＥＢＣＯテープ製造方法は、極低温照射温度など小型反応炉に関連する動作条件の下で異なるテープ成分についての放射線照射効果を比較するために大規模な照射研究を動機づける。このような研究がＮｂ３Ｓｎに実行されたとはいえ、極低温中性子照射を実行できる施設は現在のところ存在しない。このような施設が１９９０年代に段階的に廃止される前に、少数の極低温ＹＢＣＯ中性子照射が実行された。これらの研究が、極低温照射と室温照射との間の違いを示したが、小型ＨＴＳ融合反応炉に関連するより高いフルエンス及び低温／高磁場条件でのデータはない。加えて、これらの研究の照射したＹＢＣＯ試料は、今日利用可能な長い長さで、高品質で、粒子の整列した、被覆導体超伝導体とは対照的に、ＨＴＳ開発の初期からの単結晶試料又は焼結した多結晶試料のどちらかであった。図２は、例示の被覆導体ＲＥＢＣＯテープの層の断面を示す。
【0071】
[00117]融合磁石用の超伝導体性能の文脈では、超伝導体への「損傷」又は「改善」を評価するための１つの適切な性能指数は、臨界電流Ｉｃである。Ｉｃが直接測定可能な量であるとはいえ、顕微鏡的な物理性能パラメータは、実際のところ、（市販のテープに存在する機械的層及び安定化層の追加を無視して）超伝導体自体の断面を通る臨界電流密度Ｊｃである。量Ｊｃは、測定したＩｃを、例えば、トンネル電子顕微鏡（「ＴＥＭ」）測定によって決定されるような、被覆導体の幅及びＲＥＢＣＯ層の厚さで割り算することによって決定されることがあり、下記ではテープ性能測定基準と呼ばれる。
【0072】
[00118]ＲＥＢＣＯが照射されるにつれて、多種多様な変化が規則正しい超伝導結晶格子の内部に生じることがあり、そしてＪｃについての競合効果が現れることがある。一方で、原子の変位及び欠陥クラスターの生成が、（ａ）超伝導臨界温度Ｔｃの抑制、（ｂ）格子非晶質化、（ｃ）粒子間電流転送の低下、及び（ｄ）固有のピニングサイトの乱れ、のうちの１つ又は複数を通してＪｃを低下させる傾向を有する。他方で、（ｅ）点欠陥及び欠陥クラスターが、人工的なピニング中心として作用することがあり、有益なピニングサイトの生成によってＪｃを大きくする。これらのメカニズムの累積の効果が、測定されるＪｃの最終的な増加又は減少として観測されることがある。メカニズムのうちのいくつかが簡潔に上に既に説明されたこれらのメカニズムの要約が、下記に提示される。
【0073】
（ａ）臨界温度の抑制
[00119]Ｊｃが超伝導体の照射を通して悪化されることがある１つのメカニズムが、放射線照射誘起欠陥の蓄積による臨界温度Ｔｃの抑制を表面化させる。Ｔｃの近くでは、温度についてのＪｃの依存性は、Ｇｉｎｚｂｕｒｇ－Ｌａｎｄａｕ〈「ＧＬ」〉理論により次式、
[00119]Ｊｃが超伝導体の照射を通して悪化されることがある１つのメカニズムが、放射線照射誘起欠陥の蓄積による臨界温度Ｔｃの抑制を表面化させる。Ｔｃの近くでは、温度についてのＪｃの依存性は、Ｇｉｎｚｂｕｒｇ－Ｌａｎｄａｕ〈「ＧＬ」〉理論により次式、
【0074】
【数3】
【0075】
として与えられることがある。
[00120]このように、Ｔｃの悪化は、臨界電流Ｊｃの低下をもたらすだろう。ＹＢＣＯ超伝導体内のＴｃ悪化に関する化学的理由は、ＣｕＯ２平面内のＣｕ原子当たりの正孔の濃度として定義される、「ドープト正孔濃度」ｐの尺度であるＹＢ２Ｃｕ３Ｏ７－δの酸素欠損δに関係すると理解される。Ｔｃは、図３に見られるように、ｐ≒０．１６の最適正孔濃度の状態で、正孔濃度とともに放物線的に変化する。
[00120]このように、Ｔｃの悪化は、臨界電流Ｊｃの低下をもたらすだろう。ＹＢＣＯ超伝導体内のＴｃ悪化に関する化学的理由は、ＣｕＯ２平面内のＣｕ原子当たりの正孔の濃度として定義される、「ドープト正孔濃度」ｐの尺度であるＹＢ２Ｃｕ３Ｏ７－δの酸素欠損δに関係すると理解される。Ｔｃは、図３に見られるように、ｐ≒０．１６の最適正孔濃度の状態で、正孔濃度とともに放物線的に変化する。
【0076】
[00121]Ｔｃについて正孔濃度の効果に関する説明は、超伝導電流を搬送するクーパー対の「デペアリング」につながる添加した磁性不純物及び非磁性不純物に起因する強められた電子散乱であるように理論化されてきている。この散乱は、より多くのＣｕ及びＯ空格子点が導入されるので超伝導性ＣｕＯ２平面内で生じる。
【0077】
[00122]対破壊についての他の微細構造的な説明は、銅酸塩格子の構造に関係する。上に述べたように、銅酸塩超伝導体の酸素の化学量論性は、格子定数及び超導電性結晶の構造に大きな影響を有することがある。ほぼ０．６のδ値で、正方晶から斜方晶への相転移が、銅酸塩の結晶格子内に生じる。この観測が、「電荷貯蔵／移動」モデルの開発につながり、このモデルでは、Ｃｕ－ＯチェーンがＣｕＯ２超伝導性平面における電荷に関する貯蔵部として作用する。Ｃｕ－Ｏチェーンの乱れは、ＣｕＯ２平面に対して利用可能な電子ホール（すなわち、電荷キャリア）の数に影響を及ぼす。Ｔｃ悪化をもたらす放射線照射損傷は、上に説明したように損傷を受けたＣｕＯ２平面がまだ超伝導電流を搬送できるので、超伝導格子の完全な非晶質化とは異なる。微細構造的な観点から、Ｔｃ悪化に結びつく損傷のタイプは、欠陥又は点欠陥の小さなクラスターである。
【0078】
（ｂ）格子非晶質化
[00123]超伝導体内で生じることがある放射線照射損傷の第２の一般的なタイプは、超伝導格子の完全な非晶質化であり、超伝導体内部に常電導性（すなわち、非超伝導性）領域をもたらす。Ｍｏｅｃｋｌｙ他のフィラメンタリモデルは、超伝導コヒーレンス長、ξ、のオーダーであるフィラメントのサイズを有する「非超伝導母材中に埋め込まれた超伝導フィラメントのネットワークから構成される複合系」として高温超伝導体を記述する。欠陥クラスター及びカスケードが超伝導材料へと導入されるので、超伝導フィラメントのネットワークは、超伝導性状態が完全に崩壊するまで密度がどんどん小さくなる。
[00123]超伝導体内で生じることがある放射線照射損傷の第２の一般的なタイプは、超伝導格子の完全な非晶質化であり、超伝導体内部に常電導性（すなわち、非超伝導性）領域をもたらす。Ｍｏｅｃｋｌｙ他のフィラメンタリモデルは、超伝導コヒーレンス長、ξ、のオーダーであるフィラメントのサイズを有する「非超伝導母材中に埋め込まれた超伝導フィラメントのネットワークから構成される複合系」として高温超伝導体を記述する。欠陥クラスター及びカスケードが超伝導材料へと導入されるので、超伝導フィラメントのネットワークは、超伝導性状態が完全に崩壊するまで密度がどんどん小さくなる。
【0079】
[00124]いくつかの実験は、照射されたＹＢＣＯ結晶内の高度に非晶質な領域によって囲まれた約５～１０ｎｍの直径を有する超伝導セルの粒間「セル状」微細構造の形成を観察している。この微細構造の始まりが、これらのセル状境界による超伝導電流の完全な遮断を示唆しているＴｃ（及びしたがってＪｃ）の急速な悪化に対応した。興味深い観察結果は、セル状構造の始まりが当初の超伝導体品質（超伝導状態と通常状態との間の遷移の素早さとして定義される）及び照射のタイプの両方に大きく依存したことであった。セル化の始まりは、イオン照射に関して０．０７の計算された原子当たりの変位（「ＤＰＡ」）で観測されたが、中性子照射に関してはたった０．００３であり、この構造が中性子照射の高エネルギーはね返り特性によって生成される大きなカスケードによって作り出されるだけであったことを示唆している。より高い品質のＹＢＣＯ結晶を用いた他の実験は、８×１０１７ｎ／ｃｍ２に至るまでのフルエンスに対してセル状微細構造の始まりを観察しなかった、そして改善したＹＢＣＯ結晶の高フルエンスイオン照射に基づいてセル状微細構造の始まりを観察するために約５～１０×１０１８ｎ／ｃｍ２のオーダーのフルエンスを必要とするだろうということが仮定された。
【0080】
（ｃ）結晶粒界の乱れ
[00125]ＲＥＢＣＯテープなどの被覆導体に関して、粒子内部の臨界電流と粒子同士の間の臨界電流との間に違いがある。２～３度でさえの結晶粒界の配向ズレは、１０から５０倍の試料Ｊｃのバルク悪化につながり、そして磁場の印加は、この有害な効果を増加させるだけである。格子（粒子内）電流低下と結晶粒界（粒子間）電流低下との間の微細構造的なメカニズムは、同様でありそして超伝導フィラメント同士の間の弱いカップリングと関係する。
[00125]ＲＥＢＣＯテープなどの被覆導体に関して、粒子内部の臨界電流と粒子同士の間の臨界電流との間に違いがある。２～３度でさえの結晶粒界の配向ズレは、１０から５０倍の試料Ｊｃのバルク悪化につながり、そして磁場の印加は、この有害な効果を増加させるだけである。格子（粒子内）電流低下と結晶粒界（粒子間）電流低下との間の微細構造的なメカニズムは、同様でありそして超伝導フィラメント同士の間の弱いカップリングと関係する。
【0081】
[00126]弱いカップリングは、「ジョセフソン効果」、超伝導体の量子力学的性質の巨視的な兆候のために生じる。ジョセフソン効果は、量子トンネリングのために薄い（約１ｎｍ）絶縁性層（「ジョセフソン接合」と呼ばれる）を通って流れる超伝導電流の特性である。ＨＴＳ超伝導体のフィラメントモデル内で、フィラメントが、これらの弱いリンクによって接続されることがあり、いわゆる「ガラス状」超伝導性相が単一粒子内に生じることを可能にする。初期の実験が臨界電流密度に対する２つの別々の寄与、「弱いリンクカップリング」が支配する寄与及びピニング寄与、に関する証拠を示した。前者の寄与は、低磁場で支配的であり、後者の寄与が高磁場で支配的である。粒子内の弱いカップリングが極端に低い磁場で存在することが示されたが、融合用途にとってより関連性のある弱いカップリングレジームが、粒子間（結晶粒界）カップリングに関して存在し、非照射超伝導体中に数テスラの磁場に至るまで存在できる。
【0082】
[00127]被覆導体内の典型的な結晶粒界は、ナノメートルのオーダーである。例えば、図４は、その構造的単位が結晶粒界のおおよその幅（約１ｎｍ）を示すように強調されてきている３０度［００１］チルトの結晶粒界を有する例示のＹＢＣＯ超伝導体のＴＥＭ像を示す。バルクＨＴＳ被覆導体が照射されるので、その結晶粒界は、欠陥に対するシンクとして作用しそして広がるだろう、粒子がコヒーレンス長を超えるにつれて電流を輸送するために徐々により強い障壁になる。結晶粒界を通る電流輸送はＪｃ＝Ｊ０ｅｘｐ（－２κΔ）として計算されることがあり、ここでＪｃが境界を通るトンネル電流密度であり、Ｊ０が境界のところの電流密度であり、κが減衰係数、例えば、７．７ｎｍ－１であり、そしてΔが境界界面の幅である。このように、ＨＴＳが照射されるにつれて、結晶粒界の拡幅に起因する弱いリンクカップリングが、Ｊｃがピニング律速のＪｃより下に低下するのでもっともっと高い磁場における臨界電流密度を制限する支配的な効果になるだろう。照射した被覆導体及び非照射の被覆導体に関する輸送Ｊｃ対Ｂ曲線の観測されるクロスオーバーは、臨界電流が結晶粒界律速のレジームからフラックスピニング律速のレジームへと変化する磁場をおおよそ決定するために使用されることがある。
【0083】
（ｄ）（ｅ）フラックスピニング
[00128]照射が超伝導体特性に影響することがある最終的な方法は、フラックスピニング効果を通してである。特に、磁束線が超伝導体に浸透することを可能にするタイプＩＩ超伝導体の特性は、臨界電流に影響を及ぼすことがある。電流が超伝導体を通過するので、常電導芯内のフラックス線は、ロレンツ力：
[00128]照射が超伝導体特性に影響することがある最終的な方法は、フラックスピニング効果を通してである。特に、磁束線が超伝導体に浸透することを可能にするタイプＩＩ超伝導体の特性は、臨界電流に影響を及ぼすことがある。電流が超伝導体を通過するので、常電導芯内のフラックス線は、ロレンツ力：
【0084】
【数4】
【0085】
を経験することがある。
この力は、磁束線を動かすだろう、そして下記に説明する欠陥構成の異なるタイプに対して図５に示したように、決まった場所でフラックス線を保持する超伝導体材料内の欠陥により働かせられる「ピニング」力によって相殺されるだけである。
この力は、磁束線を動かすだろう、そして下記に説明する欠陥構成の異なるタイプに対して図５に示したように、決まった場所でフラックス線を保持する超伝導体材料内の欠陥により働かせられる「ピニング」力によって相殺されるだけである。
【0086】
[00129]ピニング力の原因になるメカニズムは、上に説明したタイプＩＩ超伝導体のフラックス包含の原因である同じ熱力学的メカニズムであり、これに関して、自由エネルギー密度プロットが図５Ａに示される。タイプＩＩ超伝導体では、超伝導性領域の一部に浸入することが（第１の臨界磁場よりも高い）印加した磁場からのフラックス線にとってエネルギー的に好ましく、純粋な超伝導体を超伝導領域と常電導領域との混合状態へと変換する。このようにして、系は、フラックスのある量が超伝導体に浸入したときに平衡に達する。しかしながら、常電導領域又は部分的に常電導の領域が欠陥の存在のために既に存在する場合には、フラックス渦の自由エネルギー密度は、フラックス渦がピニングサイトのところにあるときに減少し、フラックス線に関するポテンシャル井戸を作り出す。
【0087】
[00130]一般に、より多くのピニングサイトの存在が、全体のピニング力、したがって臨界電流値を大きくする。ピニングサイトは、多くの異なるカテゴリに分類されることがあり、下記にまとめられる。
【0088】
[00131]第１のピニング分類は、単純にピニングサイトが理想的な超伝導格子に固有であるかどうか又はピニングサイトが外因性であるもしくは人工的に作られたかどうかである。ＲＥＢＣＯでは、例えば、磁場の向きに依存する電流搬送能力間の大きな非対称性は、Ｃｕ－Ｏチェーン層がテープのａｂ平面に平行な磁束線に対する２Ｄ固有ピニング中心として作用するという事実から生じる。
【0089】
[00132]第２のピニング分類は、その全体にわたってピニング力が働く長さに関係する。図５Ａを参照して、フラックス渦に関係する２つの長さスケールは、浸入深さ（λ）及び前述のコヒーレンス長（ξ）であり、ここでλはスクリーニング電流渦に関する長さスケールであり、ξは常電導芯に関する長さスケールである。ＹＢＣＯに関して、λがξの値のほぼ１００倍であるので、ピニング密度を最大にするためにξのオーダー（約１から４ｎｍ）のピンを導入することがさらに有効であることがあり、そのため数ｎｍのオーダーのＢＺＯナノロッド又はＲＥ２Ｏ３析出物などの人工的なサイトが性能を高めるために導入されることがある。放射線照射損傷の文脈では、中性子照射によってＲＥＢＣＯ内に作られた観察される欠陥クラスターの多くは、ξと同等の数ナノメートルのオーダーである。
【0090】
[00133]第３の分類は、ピンの強さである。強いピニングサイトはフラックス線格子自体を歪め、そして高温における格子原子の振動に起因する熱運動に対して一般に非常に安定である。弱いピニングサイトは、集合的に作用し、フラックス線格子の形状が保存されることがある。強いピニングサイトの例は、ＢＺＯナノロッド又はＲＥ２Ｏ３析出物であろう。弱いピニングサイトは、点欠陥又は小さな欠陥クラスターなどのサイズの小さなものである。違いを図説するために、図５は、磁場のフラックス線を変形させる強いピニングサイト１２及び変形させない弱いピニングサイト１４を含む超伝導材料１０を示す。
【0091】
[00134]強いピンに関係する体積ピニング力は、次のように表現されることがある、
Ｆｐ，ｓ＝ｎａ，ｆｆｐ，ｌ （３）
ここでｎａ，ｆは面積フラックス渦密度を表し、ｆｐ，ｌはピニングされたフラックス線に沿った単位長さ当たりのピニング力である。弱いピニング力密度は、次のように表されることがある、
Ｆｐ，ｓ＝ｎａ，ｆｆｐ，ｌ （３）
ここでｎａ，ｆは面積フラックス渦密度を表し、ｆｐ，ｌはピニングされたフラックス線に沿った単位長さ当たりのピニング力である。弱いピニング力密度は、次のように表されることがある、
【0092】
【数5】
【0093】
ここでｎｖ，ｗは弱いピンの体積密度であり、ｆｐ，０は弱いピン当たりの力であり、ＶＣは単一のフラックス線をピニングするために作用する弱いピンの体積である。
[00135]「強い」及び「弱い」という術語は、本明細書において使用するように、格子内の熱揺らぎと比較したピニングサイトの強さを指し、より強い又は弱い印加磁場のピンニングにおけるその有効性を必ずしも指す必要がない。実際に、その集合的な性質のために、「弱い」ピニングサイトは、熱運動が極低温において自然に抑制されることがあるという理由で、高い磁場条件ではしばしば支配的である。
[00135]「強い」及び「弱い」という術語は、本明細書において使用するように、格子内の熱揺らぎと比較したピニングサイトの強さを指し、より強い又は弱い印加磁場のピンニングにおけるその有効性を必ずしも指す必要がない。実際に、その集合的な性質のために、「弱い」ピニングサイトは、熱運動が極低温において自然に抑制されることがあるという理由で、高い磁場条件ではしばしば支配的である。
【0094】
[00136]第４の分類は、ピニングサイトの方向性である。ランダムなピニング中心は、すべての印加磁場角度で特定の方向を持たずそしてＪｃの増加もない。しかしながら、関連付けられたピニングサイトは、１つの向きのフラックス線を主にピンニングするように作用する。例えば、超伝導体のｃ－軸に平行に導入されたＢＺＯナノロッドは、ｃ－軸に平行な印加された磁場を効果的にピニングするだろうが、そのピニングの有効性は、他の角度では失われる。この効果は、低温及び高磁場では減少するが、撚線ケーブル構成がＡＣ損失を防止するために典型的に使用されたそして最小Ｊｃが制限される融合磁石を設計する目的で角度分解されたＪｃ測定値を得ることの望ましさを示唆する。
【0095】
[00137]第５のピン分類は、ピニングサイトの次元性である。点欠陥は、０Ｄピニングサイトと考えられ、そしてすべてのより大きなピニングサイトが、１Ｄ、２Ｄ、又は３Ｄとして分類され得る。大きなピニングサイトの例は、１Ｄ欠陥としてＢＺＯ柱、２Ｄ欠陥としてＣｕ－Ｏチェーン層、及び３Ｄ欠陥としてＲＥ２Ｏ３析出物であろう。
例示の実験－概要
[00138]異なるフルエンス及び照射温度で陽子照射したＲＥＢＣＯテープのＪｃ変化に関する結果が下記に提示される。簡潔に、極低温でのイオン照射は、高フルエンスに照射したＲＥＢＣＯ試料中のＪｃ悪化の量を実質的に減少させることが見出され、結果は放射線照射がＴ≦８０Ｋで生じるだろう融合用途における超伝導ＲＥＢＣＯ磁石に関連する。Ｊｃの温度、磁場、及び角度依存性の解析は、所与のフルエンスに対する照射温度でのＪｃの違いの背景にある微細構造メカニズムが２倍であることを示唆する。
例示の実験－概要
[00138]異なるフルエンス及び照射温度で陽子照射したＲＥＢＣＯテープのＪｃ変化に関する結果が下記に提示される。簡潔に、極低温でのイオン照射は、高フルエンスに照射したＲＥＢＣＯ試料中のＪｃ悪化の量を実質的に減少させることが見出され、結果は放射線照射がＴ≦８０Ｋで生じるだろう融合用途における超伝導ＲＥＢＣＯ磁石に関連する。Ｊｃの温度、磁場、及び角度依存性の解析は、所与のフルエンスに対する照射温度でのＪｃの違いの背景にある微細構造メカニズムが２倍であることを示唆する。
【0096】
[00139]Ｊｃを悪化させる大きな効果は、高温照射が著しく多くの結晶粒界損傷を生じさせ、高温照射に関するすべての磁場にわたるＪｃの大きな測定される減少によって証明される。理論に拘われずに、この効果は、（分子動力学シミュレーションを通してモデル化される）高温におけるはるかに大きな酸素拡散係数によって説明されることがあり、照射中に結晶粒界シンクへの欠陥の増速マイグレーションにつながる。分子動力学シミュレーションは、イオン（例えば、陽子）照射のための試料温度制御について実験的に観察した依存性の背景の同じメカニズム（すなわち、増速結晶粒界乱れ）が中性子照射にも当てはまることを示唆する。
【0097】
[00140]より小さな効果は、有効な弱く無関係のピニングサイトの生成が、Ｊｃ悪化とは反対に、より低温照射においてわずかに高められるように見えることである。この効果は、低い照射温度における欠陥移動度の低下によって引き起こされる可能性が最も高く、より有効な弱いピニングサイトとして作用する点欠陥又は小さな欠陥クラスターの選択的な生成につながる。この効果の実際的な結果は、高磁場でのＲＥＢＣＯ性能が高められ、照射からの格子の乱れに起因する有害な効果を部分的に取り消すことである。
【0098】
[00141]これゆえ、これらの知見の第１の実施形態は、放射線照射で変位した原子の拡散によって生じた超伝導体の結晶粒の境界の拡幅を効果的になくすように選択した極低温で、陽子線、大きなイオン線、又は中性子線を用いて多結晶超伝導体を照射するステップを含む方法である。第２の関連する実施形態は、このプロセスによって形成された物質の構成物である。
【0099】
[00142]方法又は物質の構成物のいずれかのいくつかの実施形態では、超伝導体は、限定されないがＲＥＢＣＯ化合物を含む希土類銅酸化物超伝導体を含む。いくつかの実施形態では、超伝導体の極低温は、液体窒素冷却によって達成可能な、高くても８０Ｋである。いくつかの実施形態では、照射するステップは、弱い磁束ピニングが強い磁束ピニングを支配する条件で動作するときに照射した超伝導体内の臨界電流密度を最大にするイオンフルエンス又は中性子フルエンスを選択するステップを含む。いくつかの実施形態では、照射するステップは、少なくとも０．００３の原子当たりの変位（ＤＰＡ）を生成するステップを含む。いくつかの実施形態では、照射するステップは、超伝導体内部に少なくとも１つの弱いピニングサイトを形成する。
【0100】
[00143]いくつかの用途特定実施形態は、テープとして照射した超伝導体を提供するステップを含む。テープは、少なくとも１つの電導体を用いて被覆されることがある。この被覆導体テープが、例えば、手頃で、堅固で、小型（ＡＲＣ）の核融合反応炉で使用されることがあり、そして特に、プラズマの核を融合するためのチャンバの周りに巻き付けられることがある。反応炉の運転は、テープを極低温に冷却するステップ、及びテープに電流を流すステップ、これによってチャンバ内にプラズマを閉じ込めるために適した磁場を発生させるステップを含むことができる。いくつかの実施形態では、巻き付けたテープを極低温に冷却するステップは、照射温度及び超伝導臨界温度よりもはるかに低い－ほぼ２０Ｋの温度までテープを「サブクールするステップ」を含む。
【0101】
[00144]この点について、第３の実施形態は、放射線照射で変位した原子の拡散によって生じた超伝導体の結晶粒の境界の拡幅を効果的になくすように選択した極低温でイオン線又は中性子線を用いて照射された多結晶超伝導体を含む少なくとも１つのトロイダル磁場コイルを有する核融合反応炉である。
【0102】
[00145]当業者は、本明細書において開示された概念、結果、及び技術の他の実施形態を高く評価することができる。本明細書において説明した概念及び技術にしたがって照射した超伝導体が多種多様な用途に対して有用であり得ることが高く評価される。１つのそのような用途は、このような超伝導体が既存のシステムよりも高い磁場（１０Ｔから２５Ｔ）及びより簡単な設計を提供できる、例えば、固体物理学、生理学、又はタンパク質類への核磁気共鳴（ＮＭＲ）研究を実施することである。もう１つの用途は、小型の高磁場超伝導体が高価なクリオゲン（液体ヘリウムなど）又は費用のかかる保守管理を必要とせずに有機体又はそのタンパク質の医療用スキャニングのために臨床的な磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）を実行することである。さらにもう１つの用途は、大口径ソレノイドが必要とされる高磁場ＭＲＩである。さらにもう１つの用途は、物理学、化学、及び材料科学において磁気研究を実行するためである。さらなる用途は、小さな双極子磁石のような超伝導体が小型さ、高磁場、安定性、及び可搬性を提供する材料処理又は照合のための小型の粒子加速器においてである。もう１つの用途は、開示した実施形態が小型で、軽量であり、高温及び高磁場に耐えるので、風力タービンを含め発電機においてである。もう１つの用途は、とりわけ、陽子線療法、放射線療法、及び一般に放射線発生のための医療用加速器である。さらにもう１つの用途は、開示した実施形態がより高温、より高磁場、より高い安定性、及びより簡単な蓄積装置設計を提供する超伝導エネルギー蓄積装置においてである。もう１つの用途は、磁場が大きいほど高い発電効率に変換する磁気流体力学（ＭＨＤ）発電機においてである。もう１つの用途は、開示した小口径双極子実施形態が既存のシステムよりも堅固であり、そして大電流密度及び高温を許容するので、鉱山、半導体製造、及びリサイクルなどの材料分離においてである。応用の上記の列挙が網羅的ではなく、そして本明細書において開示した概念、プロセス、及び技術がその意図から乖離せずに行われ得るさらなる用途が存在することが高く評価される。
例示の実験－手順
[00146]マサチューセッツ工科大学（「ＭＩＴ」）のＤＡＮＴＥ加速器によって提供される１．２ＭｅＶ陽子線を使用して、ＲＥＢＣＯ試料が３つの異なる照射温度（８０Ｋ、３２３Ｋ、及び４２３Ｋ）で４つの異なるフルエンス（１×１０１５ｐ／ｃｍ２、５×１０１５ｐ／ｃｍ２、１×１０１６ｐ／ｃｍ２、及び５×１０１６ｐ／ｃｍ２）に照射された。最大のフルエンス値は、以前の研究が中性子照射に起因するＪｃ悪化を観測した０．００３の原子当たりの変位（「ＤＰＡ」）にほぼ一致するように選択された。ロビンソン研究所（「ＲＲＩ」）ＳｕｐｅｒＣｕｒｒｅｎｔシステムが、照射した試料中の臨界電流Ｉｃを解析するために引き続いて使用された、これからＪｃが計算された。
例示の実験－手順
[00146]マサチューセッツ工科大学（「ＭＩＴ」）のＤＡＮＴＥ加速器によって提供される１．２ＭｅＶ陽子線を使用して、ＲＥＢＣＯ試料が３つの異なる照射温度（８０Ｋ、３２３Ｋ、及び４２３Ｋ）で４つの異なるフルエンス（１×１０１５ｐ／ｃｍ２、５×１０１５ｐ／ｃｍ２、１×１０１６ｐ／ｃｍ２、及び５×１０１６ｐ／ｃｍ２）に照射された。最大のフルエンス値は、以前の研究が中性子照射に起因するＪｃ悪化を観測した０．００３の原子当たりの変位（「ＤＰＡ」）にほぼ一致するように選択された。ロビンソン研究所（「ＲＲＩ」）ＳｕｐｅｒＣｕｒｒｅｎｔシステムが、照射した試料中の臨界電流Ｉｃを解析するために引き続いて使用された、これからＪｃが計算された。
【0103】
[00147]上に論じたように、照射温度は、照射中に引き起こされるＪｃ悪化において、そしてＪｃへの引き続く強い影響において役割を担った。この効果が、１×１０１６ｐ／ｃｍ２及び５×１０１６ｐ／ｃｍ２のフルエンスに異なる温度で照射された試料の臨界電流密度を表示する図６に見られる。小型の高磁場融合反応炉に関連する測定条件（例えば、磁場強度５Ｔ及び温度３０Ｋ）で、照射温度は、高いフルエンスでの８０Ｋ照射と４２３Ｋ照射との間でほぼ２倍だけ最小Ｊｃを悪化させることが示される。この結果は、融合環境における超伝導体の寿命時間を決定するためにすべてのこれまでのＲＥＢＣＯ照射が３２３Ｋと３８３Ｋとの間の温度で実行されているので、融合磁石に関する重要な掛かり合いを有する。
【0104】
[00148]少なくともいくつかのケースでは、Ｊｃが悪化する支配的なメカニズムは、放射線照射増速拡散によって生じるＲＥＢＣＯ結晶粒界変質であり得る。拡散速度が温度低下とともに指数関数的に減少するので、この知見は、耐放射線照射動作を促進させるために臨界温度よりもはるかに低い融合磁石のＲＥＢＣＯの「サブクーリング」を動機づける。
【0105】
[00149]図７は、多種多様な動作条件及びフルエンスについて最小Ｊｃ対照射温度を表示する。プロットは、各々の列が異なる磁場強度（左から右へ増加する）でありそして各々の行が異なる温度（上から下へ増加する）であるように配置される。示した条件のすべてにわたり、図７は、照射温度が大きな効果を有し、Ｊｃ悪化に対する普遍的な傾向が極低温の後でははるかに弱いことを示している。この結果は、したがって、動作条件中の放射線照射がＴ＜８０Ｋで起きるだろう融合用途では超伝導ＲＥＢＣＯ磁石に対して妥当である。
例示の実験結果－臨界温度修正
[00150]臨界温度を決定するために、Ｊｃ対Ｔのスキャンが求められ、そして上記の式（１）で説明したＧＬ理論的依存性を使用してフィッティングされた。臨界温度がすべての照射した試料について計算された、そして図８に示される。先ず注目に値する傾向は、照射フルエンスが増加するにつれて臨界温度Ｔｃが低下することである。予想に反して、すべての３つのフルエンスについて、臨界温度は、照射温度についての依存性が存在せず弱いことが観察される。１×１０１６ｐ／ｃｍ２フルエンスと５×１０１６ｐ／ｃｍ２フルエンスとの間でＴｃの明確な低下がある。この低下は、図７に示したＪｃ悪化対照射温度の明確な変化（ｂｒｅａｋ）と一致し、このようにＴｃ効果がＪｃ悪化に少なくとも互いに関係することを示唆する。図８の結果は、ＴｃがＴｉｒｒａｄでは強く変化しないが、低いフルエンスで異なる照射温度についてのＴｃ値同士の間に測定可能な違いがあることを示す。
例示の実験結果－強いピニング領域と弱いピニング領域との区別
[00151]下記での解析の目的に関して、Ｊｃ測定パラメータ空間を２つの広いレジーム：強いピニング及び弱いピニングへと分解することは有用である。図５に関連して上に述べたように、強いピニングサイトは、フラックス線格子自体を歪めそして熱格子振動に対して一般に非常に安定である、一方で弱いピニングサイトは、フラックス格子の形状を保存するように集団として作用しそして熱振動に対してより不安定になる傾向がある。このように、強いピンは、高温及び低磁場の条件でより効果的である、ところが弱いピニングサイトは、小型の融合反応炉で見られることがある低温及び高磁場においてより効果的である。
例示の実験結果－臨界温度修正
[00150]臨界温度を決定するために、Ｊｃ対Ｔのスキャンが求められ、そして上記の式（１）で説明したＧＬ理論的依存性を使用してフィッティングされた。臨界温度がすべての照射した試料について計算された、そして図８に示される。先ず注目に値する傾向は、照射フルエンスが増加するにつれて臨界温度Ｔｃが低下することである。予想に反して、すべての３つのフルエンスについて、臨界温度は、照射温度についての依存性が存在せず弱いことが観察される。１×１０１６ｐ／ｃｍ２フルエンスと５×１０１６ｐ／ｃｍ２フルエンスとの間でＴｃの明確な低下がある。この低下は、図７に示したＪｃ悪化対照射温度の明確な変化（ｂｒｅａｋ）と一致し、このようにＴｃ効果がＪｃ悪化に少なくとも互いに関係することを示唆する。図８の結果は、ＴｃがＴｉｒｒａｄでは強く変化しないが、低いフルエンスで異なる照射温度についてのＴｃ値同士の間に測定可能な違いがあることを示す。
例示の実験結果－強いピニング領域と弱いピニング領域との区別
[00151]下記での解析の目的に関して、Ｊｃ測定パラメータ空間を２つの広いレジーム：強いピニング及び弱いピニングへと分解することは有用である。図５に関連して上に述べたように、強いピニングサイトは、フラックス線格子自体を歪めそして熱格子振動に対して一般に非常に安定である、一方で弱いピニングサイトは、フラックス格子の形状を保存するように集団として作用しそして熱振動に対してより不安定になる傾向がある。このように、強いピンは、高温及び低磁場の条件でより効果的である、ところが弱いピニングサイトは、小型の融合反応炉で見られることがある低温及び高磁場においてより効果的である。
【0106】
[00152]これらの領域を特徴付けるための１つの方法は、Ｔによるｌｏｇ（Ｊｃ）の変化を解析することによることである。弱いピニングについての臨界電流密度依存性は、関係式、
【0107】
【数6】
【0108】
にしたがい、
ここで、Ｊ０，ｗ及びＴ０，ｗは、臨界電流密度並びに（例えば、フラックスクリープ及び熱的に活性化されるピニング解離につながる熱揺らぎのない）ゼロ温度におけるピニング障壁エネルギーに比例するフィッティングパラメータである。式５は、データの領域を大雑把に近似するために使用されることがある。Ｊｃ対Ｔ傾向が式５に上手くフィッティングする場合には、データが弱いピニングレジームに関係することが推測されることがあり、そしてＴが増加するにつれて、データ傾向が式５から外れる場合、これは強いピニングレジームへの遷移温度として特定される。
ここで、Ｊ０，ｗ及びＴ０，ｗは、臨界電流密度並びに（例えば、フラックスクリープ及び熱的に活性化されるピニング解離につながる熱揺らぎのない）ゼロ温度におけるピニング障壁エネルギーに比例するフィッティングパラメータである。式５は、データの領域を大雑把に近似するために使用されることがある。Ｊｃ対Ｔ傾向が式５に上手くフィッティングする場合には、データが弱いピニングレジームに関係することが推測されることがあり、そしてＴが増加するにつれて、データ傾向が式５から外れる場合、これは強いピニングレジームへの遷移温度として特定される。
【0109】
[00153]図９は、非照射のコントロール試料並びに４２３Ｋで５×１０１６ｐ／ｃｍ２に照射した試料におけるいくつかの磁場（テープに垂直に向いた磁場）に関する温度とのＪｃ依存性を比較する。垂直の破線は、データが式５へのフィッティングから５％を超えて外れた点に目を導くためにプロットされた。ゼロ磁場では、強いピニングと弱いピニングとの間の遷移温度はほぼ６４Ｋで生じ、印加した磁場が増加するにつれて着実に減少し、Ｂ＝７Ｔに対して約５２Ｋで終わる。高磁場データ中の温度点の悪い分解能は、真の遷移温度が示したものよりも高いはずである一方で、プロットした結果が、おおよその遷移温度として使用されることがあることを意味する。
【0110】
[00154]本明細書において開示した測定磁場の範囲に関して、次いで、弱いピニングによって一般に支配される約４０Ｋよりも低い動作温度の領域及び強いピニングによって一般に支配される約６５Ｋよりも高い領域がある。この決定は、２つのレジームのうちの一方における振る舞いを区別するために使用されることがある。これら２つの温度の間の範囲は、より複雑であり、そして照射フルエンス及び印加される磁場のレベルに依存するように見える。より高いフルエンス及びより高い印加される磁場の両者は、クロスオーバー温度を低い値へ押し下げる効果を有する。データの低い分解能のために、ピニングレジームについての照射温度の効果に関する強い結論を引き出すことは困難である、とはいえ、遷移温度は、照射温度よりもフルエンスの関数としてより強くシフトすることが見える。
例示の実験結果－Ｊｃ対θ比較
[00155]ＲＲＩにおいて実行された高分解能測定の主なグループは、いくつかの異なる温度と磁場との組み合わせで行われた高忠実度角度分解Ｊｃ測定であった。図１０Ａから図１０Ｆは、異なる動作レジーム下での角度Ｊｃ依存性についての放射線照射フルエンス及び放射線照射温度の測定した効果を示す。各々の試料は、Ｊｃの向上又は悪化の程度を立証するために非照射コントロール試料に対して比較された。
例示の実験結果－Ｊｃ対θ比較
[00155]ＲＲＩにおいて実行された高分解能測定の主なグループは、いくつかの異なる温度と磁場との組み合わせで行われた高忠実度角度分解Ｊｃ測定であった。図１０Ａから図１０Ｆは、異なる動作レジーム下での角度Ｊｃ依存性についての放射線照射フルエンス及び放射線照射温度の測定した効果を示す。各々の試料は、Ｊｃの向上又は悪化の程度を立証するために非照射コントロール試料に対して比較された。
【0111】
[00156]強いピニングレジーム及び弱いピニングレジームの両者での角度Ｊｃ変化を調査するために、２つのケースが各々の試料について比較された。前のセクションの結果に基づいて、強いピニング条件が７７Ｋ、１Ｔであると選択された、そして弱いピニング領域が３０Ｋ、５Ｔであると選択された。弱いピニングレジームにおける同じ振る舞いが、（予想されたように）１５Ｋの温度に低下するまで観測されたが、関係する大きな測定電流及び測定装置の限界のために、すべての照射した試料について１５Ｋ測定値を得ることが不可能であった、そのため３０Ｋが比較のベースラインとして使用された。
【0112】
[00157]図１０Ａでは、８０Ｋ及び低フルエンス（５×１０１５ｐ／ｃｍ２）での照射の後で、試料の臨界電流密度Ｊｃは、角度の全範囲にわたりそして両方のピニングレジームにおいてほぼ一様に増加し、両方のレジームで照射に起因する有効なピニングサイトの含有を示唆する。照射フルエンスが図１０Ｂの中（１×１０１６ｐ／ｃｍ２）フルエンス及び図１０Ｃの高（５×１０１６ｐ／ｃｍ２）フルエンスに増加されるにつれて、Ｊｃは、超伝導体動作の強いピニングレジーム内のすべての角度にわたり低下する。弱いピニングレジームにおけるＪｃの振る舞いは、もっと複雑である。フルエンスが増加するにつれて、９０度のところのＪｃは低下する。０度のところでは、しかしながら、Ｊｃは事実上変化しないままであり、０度と９０度との間の領域での最小Ｊｃは、フルエンスとともに実際には増加する。このことは、フルエンスが増加するにつれてコヒーレントな弱いピニング中心の追加があるが、Ｃｕ－Ｏチェーン層からの強い互いに関係するピニングの破壊を強く示唆する。
【0113】
[00158]図１０Ａから図１０Ｃが、８０Ｋにおいて異なるフルエンスでの照射の結果を示す一方で、図１０Ｄから図１０Ｆは、４２３Ｋのより高い照射温度における増加するフルエンスの同じ範囲を示す。８０Ｋにおいて実行した照射とは対照的に、４２３Ｋ照射のどれもが、強いピニングレジーム又は弱いピニングレジームに関してＪｃ増大を生み出さなかった。Ｊｃの減少は、強いレジームで実行された測定のためのすべての照射にわたり一致しており、より高いフルエンスにおける相対的なＪｃ悪化が増えることをともなう。第１のフルエンスに関して、この悪化は、角度では多かれ少なかれ一定である、とはいえ、最大の照射（図１０Ｆ）に関して、９０度ピークがほとんど完全に消失しているように見える。臨界電流Ｉｃが測定するためには小さ過ぎたという理由で図１０Ｆの強いピニングレジームに関する７７Ｋ測定データがなかった、そのため５０Ｋ測定値が代わりに使用されたことに留意すべきである。弱いピニングレジームでは、Ｊｃもまた、より高いフルエンスでますます悪化する、とはいえ、この効果は、他の角度と比較して９０度ピークエリアに関してはるかに明白である。
【0114】
[00159]２つの照射温度におけるＪｃ対θ測定値の比較は、ＣｕＯ２平面の部分的な破壊が９０度ピークの低下によって観察されたように、より高いフルエンスにおける両方の照射温度で生じることを示唆する。加えて、両方の照射温度についての強いピニング領域内のすべての角度にわたるＪｃの減少は、大きな欠陥カスケードがいずれの温度における照射によっても生成されないことを示す。
例示の実験結果－Ｊｃ対Ｂの比較
[00160]０度の角度での磁場に関する（弱いピニングレジームにおける）ピニングの効果を研究する一般的な方法は、３Ｔの磁場よりも上で形式Ｊｃ∝Ｂ－αのべき乗則を用いて印加した磁場Ｂに対するＪｃの依存性をフィッティングすることである。αの値が大きいほど、印加した磁場に対するＪｃの感度が高いことに対応し（すなわち、ＪｃはＢの増加とともにより早く悪化する）、効果の低いフラックスピニングを意味する。図１１Ａは、非照射コントロール試料についてＪｃの磁場依存性を示し、ほぼ０．６５のα値を有し、ＢＺＯナノロッドドーパントを有する非照射テープについて以前に報告された値と矛盾しない。
例示の実験結果－Ｊｃ対Ｂの比較
[00160]０度の角度での磁場に関する（弱いピニングレジームにおける）ピニングの効果を研究する一般的な方法は、３Ｔの磁場よりも上で形式Ｊｃ∝Ｂ－αのべき乗則を用いて印加した磁場Ｂに対するＪｃの依存性をフィッティングすることである。αの値が大きいほど、印加した磁場に対するＪｃの感度が高いことに対応し（すなわち、ＪｃはＢの増加とともにより早く悪化する）、効果の低いフラックスピニングを意味する。図１１Ａは、非照射コントロール試料についてＪｃの磁場依存性を示し、ほぼ０．６５のα値を有し、ＢＺＯナノロッドドーパントを有する非照射テープについて以前に報告された値と矛盾しない。
【0115】
[00161]８０Ｋの照射温度に関する図１１ＢのＢ－磁場依存性の第１のセットは、フルエンスの増加にともなうαの減少を示し、この温度での照射で導入される有効な弱いコヒーレントピニング中心の生成に関するさらなる証拠を示唆する。より低い動作温度におけるαの減少は、ξがＴとともに減少するのでより有効なピニングサイトであるはずの小さなサイズの欠陥を示唆する。実際的な視点から、αが小さいほど、Ｊｃ対Ｂ曲線を平坦にし、小型のトカマク反応炉に存在することがある高い絶対磁場においてテープ実現性を改善するという理由で非常に魅力的である。
【0116】
[00162]４２３Ｋの照射温度に関する図１１ＣのＢ－磁場依存性の第２のセットもまた、フルエンスの増加及び動作温度の低下とともにαの減少を示し、小さく有効なピニングサイトもまたこの照射温度で生成されることを示唆している。しかしながら、αのこの減少は小さく、８０Ｋにおける照射とは違って、絶対Ｊｃの減少によって同時に起きることもある。
【0117】
[00163]これらの結果の組み合わせは、より高温の照射が、照射によって超伝導体に作られた損傷の量を増幅することよりもピニングサイトの生成の抑制における効果が少ないことを意味する、とはいえ、ピニングサイトの生成は、より低温照射においてはわずかに効果的であることがある。もう１つの可能性は、点欠陥（すなわち、ピニングサイト）が結晶粒界までより早く移動することを、より高温の照射での増速された欠陥移動度が意味し、超伝導領域内に有効でないピニングサイトを残すことである。高い照射温度及び低い照射温度の両方がアルファの減少をもたらすので、このことは、照射温度の依存性が異なる温度における異なるピニングメカニズム、破壊、又は生成に起因することの可能性を見掛け上なくす。このことが、支配的なピニングメカニズムに関するクロスオーバー温度の照射温度への依存性の欠如と矛盾しないことに留意されたい。
例示の実験結果－結晶粒界対ピニング領域
[00164]Ｔｃで、ピニングサイトの抑制及び生成又は破壊が、高温照射と低温照射との間のＪｃの違いを生じさせる可能なメカニズムとしては削除され、４２３Ｋ照射試料内のＪｃのはるかに大きな悪化に関する２つの残っている可能な説明は、格子非晶質化及び結晶粒界非晶質化である。実行した最大フルエンス照射（５×１０１６ｐ／ｃｍ２）が約０．００３のＤＰＡに対応するので、粒子内部の格子非晶質化に起因するセル状の微細構造の生成は、予想されない。結晶粒界の乱れを調査するために、Ｊｃ対Ｂの照射した曲線及びコントロール曲線が、上に述べたように、結晶粒界律速Ｊｃがピニング律速Ｊｃへと遷移するクロスオーバー領域を見つけるために解析された。
例示の実験結果－結晶粒界対ピニング領域
[00164]Ｔｃで、ピニングサイトの抑制及び生成又は破壊が、高温照射と低温照射との間のＪｃの違いを生じさせる可能なメカニズムとしては削除され、４２３Ｋ照射試料内のＪｃのはるかに大きな悪化に関する２つの残っている可能な説明は、格子非晶質化及び結晶粒界非晶質化である。実行した最大フルエンス照射（５×１０１６ｐ／ｃｍ２）が約０．００３のＤＰＡに対応するので、粒子内部の格子非晶質化に起因するセル状の微細構造の生成は、予想されない。結晶粒界の乱れを調査するために、Ｊｃ対Ｂの照射した曲線及びコントロール曲線が、上に述べたように、結晶粒界律速Ｊｃがピニング律速Ｊｃへと遷移するクロスオーバー領域を見つけるために解析された。
【0118】
[00165]図１２Ａから図１２Ｄは、８０Ｋでの照射について結晶粒界律速Ｊｃレジームとピニング律速Ｊｃレジームとの間のクロスオーバーを示す。図１２Ａ及び図１２Ｂの１×１０１６ｐ／ｃｍ２よりも低い低フルエンスでは、クロスオーバーがない。フルエンスは、Ｊｃ対θの目立った変化が認められ、図１２Ｃの１×１０１６ｐ／ｃｍ２及び図１２Ｄの５×１０１６ｐ／ｃｍ２まで増加するので、そのときにはクロスオーバーが現れ、そしてこれらの２つのフルエンスの間で約４．５Ｔから約５．５Ｔまで増加する。フルエンスとともに増加するクロスオーバー磁場のこの振る舞いは、文献の結果と矛盾せず、そして本明細書において開示した３２３Ｋ及び４２３Ｋ照射の系列についても観察される。
【0119】
[00166]図１２Ｃ及び図１２Ｄの２つの高いフルエンスにおいて、照射は、クロスオーバー磁場の位置に影響するＪｃ対Ｂ曲線について２つの別個の効果を有するように見えることに留意すべきである。第１の効果は、曲線の勾配のゆるやかな「平坦化」であり、このことはαの値を低くさせそしてより高い磁場における小さなＪｃ悪化に結びつく有益なピニング中心の増加のためであると上に論じられた。第２の効果は、印加した磁場の全体の範囲わたるＪｃの減少であり、照射した曲線を下方へと効果的にシフトさせる。この下方へのシフトは、結晶粒界の乱れの効果を表す。上に論じたように、ＲＥＢＣＯ試料が照射されるので、その結晶粒界は、欠陥に対するシンクとして作用しそして幅広くなり、電流を輸送することへのより強い障壁を徐々に作り出す。試料の結晶粒界が広くなるにつれて、Ｊｃはすべての印加した磁場で減少するだろう。
【0120】
[00167]図１３では、５×１０１６ｐ／ｃｍ２のフルエンスでの８０Ｋ及び４２３Ｋ照射が比較される。このフルエンスでは、（右側の）４２３Ｋ照射曲線は、クロスオーバー磁場が（たとえ存在するとしても）利用可能な試験用磁石の能力を超えるのに十分過ぎるほど下方にシフトしている。観察されるクロスオーバー磁場がないことは、全体の磁場領域にわたりＪｃが結晶粒界輸送律速であることを示唆する。約５．６Ｔのクロスオーバー磁場を有する（左側の）同じフルエンスでの低温照射と比較したときに、このことは、試料が高温で照射されると、結晶粒界損傷がはるかに早い速度で生じることを強く示唆する。同じフルエンスでの極低温照射と加熱照射との間のクロスオーバー磁場における大きな違いは、結晶粒界の乱れが、異なる照射温度についてＪｃの全体的な観察される違いの背景にある最も支配的な効果の可能性であることを示す。
例示の実験結果－分子動力学モデル化との比較
[00168]上記の実験的研究をガイドし解釈するために、シミュレーションワークフローが、いくつかのソフトウェアの構成要素を組み合わせることによって開発された。１番目は、ＤＡＲＴ、Ｆｒｅｎｃｈ Ｃｏｍｍｉｓｓａｒｉａｔ ａ ｌ‘Ｅｎｅｒｇｉｅ Ａｔｏｍｉｑｕｅによって開発された二体衝突近似コードであった。２番目は、陽子照射をモデル化するために使用される、Ｊａｍｅｓ Ｚｉｅｇｌｅｒ及びＪｏｃｈｅｎ Ｂｉｅｒｓａｃｋによって開発されたＳＲＩＭ、Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｔｏｐｐｉｎｇ ａｎｄ Ｒａｎｇｅ ｏｆ Ｉｏｎｓ ｉｎ Ｍａｔｔｅｒ（物質中のイオンの停止及び飛程用のモンテカルロシミュレータ）であった。３番目は、比較のため中性子照射をモデル化するために使用される、ロスアラモス国立研究所によって開発されたＭＣＮＰ、ａ Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ Ｎ－Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ（Ｎ－粒子放射線照射用のモンテカルロシミュレータ）であった。４番目のコードは、サンディア国立研究所によって開発されたＬＡＭＭＰＳ、ａ Ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ Ａｔｏｍｉｃ／Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｍａｓｓｉｖｅｌｙ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ（大量原子／分子大規模並列シミュレータ）であった。
例示の実験結果－分子動力学モデル化との比較
[00168]上記の実験的研究をガイドし解釈するために、シミュレーションワークフローが、いくつかのソフトウェアの構成要素を組み合わせることによって開発された。１番目は、ＤＡＲＴ、Ｆｒｅｎｃｈ Ｃｏｍｍｉｓｓａｒｉａｔ ａ ｌ‘Ｅｎｅｒｇｉｅ Ａｔｏｍｉｑｕｅによって開発された二体衝突近似コードであった。２番目は、陽子照射をモデル化するために使用される、Ｊａｍｅｓ Ｚｉｅｇｌｅｒ及びＪｏｃｈｅｎ Ｂｉｅｒｓａｃｋによって開発されたＳＲＩＭ、Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｔｏｐｐｉｎｇ ａｎｄ Ｒａｎｇｅ ｏｆ Ｉｏｎｓ ｉｎ Ｍａｔｔｅｒ（物質中のイオンの停止及び飛程用のモンテカルロシミュレータ）であった。３番目は、比較のため中性子照射をモデル化するために使用される、ロスアラモス国立研究所によって開発されたＭＣＮＰ、ａ Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ Ｎ－Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ（Ｎ－粒子放射線照射用のモンテカルロシミュレータ）であった。４番目のコードは、サンディア国立研究所によって開発されたＬＡＭＭＰＳ、ａ Ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ Ａｔｏｍｉｃ／Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｍａｓｓｉｖｅｌｙ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ（大量原子／分子大規模並列シミュレータ）であった。
【0121】
[00169]最初に、照射用粒子エネルギーが見出された。イオン照射に関して、ＨＴＳ超伝導テープの幾何学形状及び構成がＳＲＩＭでモデル化された、そして所望のエネルギー及び種類の模擬粒子が超伝導性層における粒子エネルギーを決定するために材料の中へと送られた。融合照射条件に関して、ＭＣＮＰモデルが、融合磁石の内部中間平面位置のところの中性子エネルギースペクトルを決定するために使用された。イオンエネルギースペクトル又は中性子エネルギースペクトルは、次いで、（イオン照射に対して）実験的に測定したフラックス又は（中性子に対して）予測されるフラックス、並びに上に記述したようなＹＢＣＯの材料組成とともに、ＤＡＲＴコードへの入力として渡された。ＤＡＲＴコードは、次いで、入射照射粒子によって発生される一次ノックオン原子（ＰＫＡ）エネルギーの累積分布関数を出力する。ＤＡＲＴによって発生されたＰＫＡエネルギーの代表試料を使用して、ＶＥＳＴＡ（日本国立科学博物館のＫｏｉｃｈｉ Ｍｏｍｍａによって開発されたｔｈｅ Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ（電子的及び構造的解析のための可視化）プログラム）で発生されたＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７格子についての分子動力学シミュレーションが、アイダホ国立研究所のＦａｌｃｏｎスーパーコンピュータでＬＡＭＭＰＳを使用して実行された。ＬＡＭＭＰＳシミュレーションの結果が、Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ｓｔｕｋｏｗｓｋｉによって開発されたＯＶＩＴＯ（Ｏｐｅｎ Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｔｏｏｌ（オープン可視化ツール））科学データ可視化パッケージで後処理され解析された。多数のシミュレーションが、実験結果の背後にあるメカニズムを理解すること及びこのメカニズムを融合条件に適用することの最終的なゴールとともに、異なるイオンエネルギー、入射粒子方向、及び照射温度を使用することの結果を比較するために実行された。
【0122】
[00170]完全変位カスケードが伝播することを可能にするため十分に大きな体積を提供するために、ＹＢＣＯ単位格子（図１参照）が、ＶＥＳＴＡ可視化ソフトウェアを使用して構築され、そして斜方晶［１００］、［０１０］、及び［００１］方向に対応するａ、ｂ、及びｃ軸を有するＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７の４０×４０×１６単位格子模擬体積を作り出すために繰り返された。これは、ＹＢＣＯのほぼ１５ｎｍ×１５ｎｍ×１９ｎｍの体積に対応し、そして１０ｋｅＶまでのカスケードが体積の完全に内部で行われることを可能にするためには十分に大きいが、扱いやすい計算時間を可能にするために十分に小さくなるように選択された。周期的境界条件が体積の面に割り当てられた。モデル内の原子同士の間の電位をモデル化するために、Ｃｈａｐｌｏｔの４部分電位が長距離相互作用のために利用された、そしてＺｉｅｇｌｅｒ－Ｂｉｅｒｓａｃｋ－Ｌｉｔｔｍａｒｋ（ＺＢＬ）スクリーンド電位が短距離（すなわち、ノックオン）相互作用をモデル化するために使用された。
例示の実験結果－欠陥形成比較
[00171]様々なＰＫＡエネルギーに関する欠陥形成を評価するために、Ｗｉｇｎｅｒ－Ｓｅｉｔｚ欠陥解析が、基準として時間ｔ＝０フレームを使用してｔ＝３０ピコ秒（ｐｓ）でＯＶＩＴＯパッケージを使用して実行された。クラスター解析が、クラスターの選択のための、欠陥から熱運動によって生成されるフレンケル対（ＦＰ）を実効的に「フィルタして除去する」ためのカットオフ半径を決定するためにベースラインフレンケル対発生しきい値を使用して実行された。８０Ｋと４２３Ｋとの間の陽子照射条件の比較が、多数の異なるＰＫＡエネルギーに対して発生されたフレンケル対の数を計算することによって実行された。各々のエネルギー条件が、各々のエネルギーについてのＦＰ生成の平均値及び標準偏差を決定するために３回シミュレーションされた。図１４は、２つの温度におけるＦＰ生成を比較し、そして低エネルギーで、フレンケル対のほぼ等しい数がカスケードで生成される、ところがエネルギー≧１ｋｅＶでは、曲線がずれ始め、そしてより多くのＦＰがより高い照射温度で生成されることを示す。
例示の実験結果－欠陥形成比較
[00171]様々なＰＫＡエネルギーに関する欠陥形成を評価するために、Ｗｉｇｎｅｒ－Ｓｅｉｔｚ欠陥解析が、基準として時間ｔ＝０フレームを使用してｔ＝３０ピコ秒（ｐｓ）でＯＶＩＴＯパッケージを使用して実行された。クラスター解析が、クラスターの選択のための、欠陥から熱運動によって生成されるフレンケル対（ＦＰ）を実効的に「フィルタして除去する」ためのカットオフ半径を決定するためにベースラインフレンケル対発生しきい値を使用して実行された。８０Ｋと４２３Ｋとの間の陽子照射条件の比較が、多数の異なるＰＫＡエネルギーに対して発生されたフレンケル対の数を計算することによって実行された。各々のエネルギー条件が、各々のエネルギーについてのＦＰ生成の平均値及び標準偏差を決定するために３回シミュレーションされた。図１４は、２つの温度におけるＦＰ生成を比較し、そして低エネルギーで、フレンケル対のほぼ等しい数がカスケードで生成される、ところがエネルギー≧１ｋｅＶでは、曲線がずれ始め、そしてより多くのＦＰがより高い照射温度で生成されることを示す。
【0123】
[00172]陽子照射に関して、上に記述した結果は、より高い温度では、より大きなエネルギー（Ｅ≧１ｋｅＶ）のＰＫＡが低エネルギーＰＫＡよりも連続的により多くの損傷を生成することを示す。しかしながら、図１５に示したＰＫＡエネルギー分布関数は、１ｋｅＶ（すなわち、１０３ｅＶ）より高いＰＫＡエネルギーが非常に稀であり、そしてすべての衝突の数パーセントを構成するに過ぎないことを示す。図１４に示した１０ｋｅＶ（すなわち、１０４ｅＶ）の非常に稀なＰＫＡエネルギーでさえ、高温ＦＰ生成と低温ＦＰ生成との間の比率は、約１．５に過ぎず、比率は、ＰＫＡエネルギーが低くされるにつれて減少する。このように、クラスター形成への照射温度の効果は、イオン照射に関して実験的に観察されたＪｃ悪化効果において大きな役割を果たすことは期待されなかった。
例示の実験結果－ＹＢＣＯ中の酸素拡散
[00173]照射がＹＢＣＯの微細構造に影響することがあるもう１つの方法は、結晶粒界への欠陥の放射線照射増速拡散を通してである。材料が照射されるので、単純化した放射線照射増速拡散係数は、
Ｄｒａｄ＝ＤｖＣｖ＋ＤｉＣｉ （６）
として与えられることがあり、ここで、それぞれ、Ｄｖ及びＤｉは空孔及び格子間原子の拡散係数、そしてＣｖ及びＣｉは空孔及び格子間原子の濃度分率である。Ｃｖ及びＣｉが照射中に増加するので、（所与の温度における）拡散係数もまた増加する。前のセクションの結果は、イオン照射に関して、欠陥サイズが照射温度に実質的に影響されず、そのため照射中のフレンケル対の生成によるＣｖ及びＣｉの増加は高温及び低温の両方について（短い時間尺度で）同様になることが予想されるはずであることを示す。しかしながら、非照射の拡散係数は、下記に示されるように、照射温度に大きく依存する。
例示の実験結果－二乗平均変位（「ＭＳＤ」）シミュレーション
[00174]系が熱平衡である（そして照射されていない）ときの拡散係数を決定するために、二乗平均変位（「ＭＳＤ」）解析がＬＡＭＭＰＳで実行された。最初に、シミュレーション体積は、各々の原子の速度が目標温度に中心を置かれた分布からランダムに選択される初期構成から１００ｐｓにわたって緩和された。系緩和の後で、基準状態に比較した原子の動きが追跡された、そして原子変位長が各々の原子について各々の主要な方向に沿って記録された、次いで、シミュレーション体積内の原子を全体として平均して、各々の時間ステップにおいて各々の成分（ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）方向（ｄｘ、ｄｙ、及びｄｚ）の変位の平均値を求めた。全二乗平均変位（ＭＳＤ）は、
〈ｒ２（ｔ）〉＝〈ｄｘ２（ｔ）〉＋〈ｄｙ２（ｔ）〉＋〈ｄｚ２（ｔ）〉 （７）
として二乗した方向の寄与率を加えことによって決定された。
例示の実験結果－ＹＢＣＯ中の酸素拡散
[00173]照射がＹＢＣＯの微細構造に影響することがあるもう１つの方法は、結晶粒界への欠陥の放射線照射増速拡散を通してである。材料が照射されるので、単純化した放射線照射増速拡散係数は、
Ｄｒａｄ＝ＤｖＣｖ＋ＤｉＣｉ （６）
として与えられることがあり、ここで、それぞれ、Ｄｖ及びＤｉは空孔及び格子間原子の拡散係数、そしてＣｖ及びＣｉは空孔及び格子間原子の濃度分率である。Ｃｖ及びＣｉが照射中に増加するので、（所与の温度における）拡散係数もまた増加する。前のセクションの結果は、イオン照射に関して、欠陥サイズが照射温度に実質的に影響されず、そのため照射中のフレンケル対の生成によるＣｖ及びＣｉの増加は高温及び低温の両方について（短い時間尺度で）同様になることが予想されるはずであることを示す。しかしながら、非照射の拡散係数は、下記に示されるように、照射温度に大きく依存する。
例示の実験結果－二乗平均変位（「ＭＳＤ」）シミュレーション
[00174]系が熱平衡である（そして照射されていない）ときの拡散係数を決定するために、二乗平均変位（「ＭＳＤ」）解析がＬＡＭＭＰＳで実行された。最初に、シミュレーション体積は、各々の原子の速度が目標温度に中心を置かれた分布からランダムに選択される初期構成から１００ｐｓにわたって緩和された。系緩和の後で、基準状態に比較した原子の動きが追跡された、そして原子変位長が各々の原子について各々の主要な方向に沿って記録された、次いで、シミュレーション体積内の原子を全体として平均して、各々の時間ステップにおいて各々の成分（ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）方向（ｄｘ、ｄｙ、及びｄｚ）の変位の平均値を求めた。全二乗平均変位（ＭＳＤ）は、
〈ｒ２（ｔ）〉＝〈ｄｘ２（ｔ）〉＋〈ｄｙ２（ｔ）〉＋〈ｄｚ２（ｔ）〉 （７）
として二乗した方向の寄与率を加えことによって決定された。
【0124】
[00175]全ＭＳＤは、拡散係数を決定するために時間に対してプロットされた。一旦系が平衡に達すると、ＭＳＤは時間に対して直線的であるはずであり、拡散係数がアインシュタインの関係、
〈ｒ２（ｔ）〉＝Ｂ＋６ＤΔｔ （８）
から決定されることがある。
〈ｒ２（ｔ）〉＝Ｂ＋６ＤΔｔ （８）
から決定されることがある。
【0125】
ここでＢは定数であり、Ｄは全自己拡散係数であり、そしてΔｔは経過した時間である。統計的に有意な結果を決定するために、大きな（すなわち、１オングストロームよりも大きな）全ＭＳＤが望ましいことがあり、このことは、熱振動によるブラウン運動が大きくなる高温でさえ長いシミュレーション時間を必要とすることがある。シミュレーションを計算的に扱いやすくさせるために、シミュレーション体積が、１０×１０×４セルに減らされ、シミュレーションは、７００Ｋ以上の温度に対して可能であるだけであった。図１６は、２５００ｐｓの時間までの８００Ｋ ＭＳＤシミュレーションの結果を表示する。最初の約５００～１０００ｐｓは、ＭＳＤの直線でない勾配から分かるように平衡ではない。したがって、式８へのフィッティングは、時間ｔ＞１０００ｐｓまで適用されなかった。
例示の実験結果－拡散係数の計算
[00176]上に記述した方法を使用して、酸素（ＹＢＣＯの中で最も早く拡散する原子）についての原子拡散係数が７００、８００、９００、及び１０００Ｋの温度について決定された。上に述べたように、長い計算時間は、低い温度の拡散係数を直接計算することを不可能にさせるが、拡散係数が温度の指数関係式にしたがうので、より高い温度の拡散係数が、温度に対してプロットされることがあり、許容される精度でより低い温度の拡散係数まで外挿するために使用される曲線とフィッティングされてもよい。
例示の実験結果－拡散係数の計算
[00176]上に記述した方法を使用して、酸素（ＹＢＣＯの中で最も早く拡散する原子）についての原子拡散係数が７００、８００、９００、及び１０００Ｋの温度について決定された。上に述べたように、長い計算時間は、低い温度の拡散係数を直接計算することを不可能にさせるが、拡散係数が温度の指数関係式にしたがうので、より高い温度の拡散係数が、温度に対してプロットされることがあり、許容される精度でより低い温度の拡散係数まで外挿するために使用される曲線とフィッティングされてもよい。
【0126】
[00177]フィッティングは、必要とされる計算上扱いにくいシミュレーション時間のために分子動力学モデリングでは現在のところ得ることができない温度まで外挿するために使用されることがある。本明細書において開示した照射温度までの外挿の結果が、下記の表に提示され、実験の加熱した（４２３Ｋ）照射と極低温（８０Ｋ）照射との間で拡散係数値の非常に大きな（１７桁の大きさの）減少を示す。加えて、２０Ｋまでの外挿は、８０Ｋにおけるよりもさらにほぼ１００桁小さい拡散係数を示す。この知見は、図２０Ｂに関連して上に論じたように、結晶粒界への損傷の放射線照射増速拡散を抑制する放射線照射環境において動作するときに、「サブクーリング」ＲＥＢＣＯ磁石が望ましいことがあることを示唆する。
【0127】
【表1】
【0128】
[00178]この表の結果がいくつかの近似値を用いた理想的な材料のシミュレーションにそれ自体が基づく外挿であることは、何度も繰り返す価値がある。このように、上に提示された絶対値は、照射されたＲＥＢＣＯ中の真の酸素拡散係数の粗い近似値であり得る。しかしながら、極低温照射と加熱照射との間の大きな相対的な違いは、結晶粒界乱れの増速が欠陥に対するシンクとして作用する結晶粒界への欠陥の拡散の増大のために高温照射で生じるという仮定と矛盾しない高温における大きく増速された放射線照射支援拡散を指し示す。
【0129】
[00179]所与の時間ｔにわたって、粒子が拡散するだろう距離ｄは、
【0130】
【数7】
【0131】
として近似的に与えられることがある。
高フルエンス（５×１０１６ｐ／ｃｍ２）照射は、ほぼ８０分（４８００ｓ）かかる。この時間を使用して、８０Ｋ照射及び４２３Ｋ照射についてのおおよその平均拡散距離が計算され得る。４２３Ｋにおいて、ｄ＝２．８μｍであり、これは最近のＲＥＢＣＯ導体における粒子サイズ程度である。しかしながら、８０Ｋにおいては、酸素原子の幅よりもはるかに小さいｄ＝１．２×１０－９Ａでさえあり、拡散に起因する結晶粒の境界の拡幅が効果的になくされていることを意味する。これらの数字が近似値であるとはいえ、これらの数字は、２つの異なる照射温度における拡散同士の間の極端な違いを例証する。
高フルエンス（５×１０１６ｐ／ｃｍ２）照射は、ほぼ８０分（４８００ｓ）かかる。この時間を使用して、８０Ｋ照射及び４２３Ｋ照射についてのおおよその平均拡散距離が計算され得る。４２３Ｋにおいて、ｄ＝２．８μｍであり、これは最近のＲＥＢＣＯ導体における粒子サイズ程度である。しかしながら、８０Ｋにおいては、酸素原子の幅よりもはるかに小さいｄ＝１．２×１０－９Ａでさえあり、拡散に起因する結晶粒の境界の拡幅が効果的になくされていることを意味する。これらの数字が近似値であるとはいえ、これらの数字は、２つの異なる照射温度における拡散同士の間の極端な違いを例証する。
【0132】
[00180]結晶粒界拡幅の大きさが、それ自体照射温度の関数である拡散係数の関数であることが高く評価される。このように、結晶粒界拡幅の大きさは、照射温度を選択することによって制御されることがある。その上、結晶粒界拡幅をなくすことの有効性は、（例えば、ＴＥＭによって測定されるような）実際の拡幅距離と粒子サイズとの間の比率として計算されることがあることが高く評価される。この開示の目的で、結晶粒界拡幅は、この比率が所定の設計しきい値よりも下であるときに「実効的になくされる」、この設計しきい値は（例えば）粒子サイズの１０％、５％、１％、０．１％、又は他の割合であってもよい。あるいは、結晶粒界拡幅は、拡散距離の絶対的な大きさが所定の設計しきい値よりも下であるときに「効果的になくされる」、この設計しきい値は（例えば）１μｍ、１００ｎｍ、１０ｎｍ、１ｎｍ、０．１ｎｍ、又は他の距離であってもよい。
【0133】
[00181]フレンケル対生成を解析するこのセクション及び前のセクションの結果は、両者とも、高温において照射したＲＥＢＣＯに関するＪｃ輸送を制限する支配的なメカニズムとして結晶粒界の乱れについての実験的な証拠を支持する。
ＲＥＢＣＯテープでの結果の実施形態
[00182]上の結果によれば、図１７は、高磁場及び高エネルギー中性子照射の動作条件で向上した臨界電流密度を有する超伝導体を製造するために実施形態にしたがった例示の方法２０に関するフローチャートである。図１７の方法は、例えば、上に論じた図１９のシステムを動作させるための一つの可能な方法を表すことがある。
ＲＥＢＣＯテープでの結果の実施形態
[00182]上の結果によれば、図１７は、高磁場及び高エネルギー中性子照射の動作条件で向上した臨界電流密度を有する超伝導体を製造するために実施形態にしたがった例示の方法２０に関するフローチャートである。図１７の方法は、例えば、上に論じた図１９のシステムを動作させるための一つの可能な方法を表すことがある。
【0134】
[00183]方法２０は、多結晶銅酸塩超伝導体を得るプロセス２２で始まる。超伝導体の選択は、用途特定であってもよく、例えば、極めて粒子の整列したＲＥＢＣＯ超伝導体（すなわち、バリウムを含んでも含まなくてもよい希土類銅酸塩超伝導体又は別のセラミック超伝導体）が使用されることがある。上に論じたように、多結晶超伝導体は、照射によって効果的に変位されることがある酸素の相当の原子分率を少なくとも含むはずであることが高く評価される。
【0135】
[00184]プロセス２４では、方法は、照射を受けたときの超伝導格子内の酸素についての拡散係数の温度依存性を決定する。この決定プロセス２４は、分子動力学シミュレーションによる、又はこの分野では知られている他の技術による直接の（しかし定型の）実験的観察によってこのような拡散係数の既存の表を調べることによって実施されることがある。室温照射と極低温照射との間の係数変化が何桁の大きさであるかが与えられると、拡散係数に関する正確な値が必ずしも決定される必要はないが、むしろ係数と温度との間のおおよその関係が次のプロセス２６を遂行するためには十分であることが高く評価される。
【0136】
[00185]プロセス２６では、方法は、少なくとも部分的に超伝導体の物理的特性に基づいて、所与のフルエンスまでの陽子照射が結晶粒界を実効的に拡幅しないはずの最大温度を決定する。すなわち、超伝導体の平均結晶粒界直径及び所与のフルエンスに対する照射時間が与えられると、式（９）又はこの分野で知られている同様の手段を使用して最大の許容可能な拡散係数を計算し、次いでおおよその最大の許容可能な照射温度を特定するために、この最大の許容可能な拡散係数をプロセス２４において決定した関係に対して比較する。所与のフルエンス自体は、弱い磁束ピニングが強いピニングを支配する条件で動作するときに、照射した超伝導体中の臨界電流密度Ｊｃを最大にするために決定されることがある。
【0137】
[00186]プロセス２８では、方法は、最大の許容可能な照射温度よりも下まで銅酸塩超伝導体を極低温に冷却するステップを含む。例えば、いくつかの実施形態では、最大の許容可能な照射温度は、８０Ｋなどの少なくとも７７．３６Ｋ（液体窒素の沸点）であり、そのためこれらの実施形態では、プロセス２８は、液体窒素を使用して冷却するステップを含む。他の実施形態では、最大の許容可能な照射温度は、８０Ｋよりも低いことがあり、そのため液体ネオン、液体水素、又は超臨界もしくは液体ヘリウムなどの他のクリオゲンが、照射中に使用されることがある。いくつかのケースでは、最大の許容可能な照射温度よりも下で冷却するステップは、液体クリオゲンを用いずに実現することができ、そして代わりに伝導冷却を利用する。
【0138】
[00187]プロセス３０では、方法は、所与のフルエンスまで銅酸塩超伝導体を極低温で照射するステップを含む。照射は、例えば、下記に説明するようなこの分野において知られた装置及び技術を使用して実行されることがある。いくつかの特に有利な実施形態では、照射プロセス３０は、格子の少なくとも０．００３の原子当たりの酸素の変位（ＤＰＡ）を生成する。照射は、これにより超伝導体内部に少なくとも１つの弱いピニングサイト、理想的には多くのこのようなピニングサイトを生成し、これにより超伝導結晶粒界の拡幅を介して臨界電流密度を悪化させずに高磁場及び高エネルギー中性子照射の動作条件下で超伝導体の臨界電流密度を向上させる。
【0139】
[00188]いくつかの用途は、超伝導体がテープ形式で使用されることを必要とする。このように、方法２０は、照射した超伝導体をテープへと形成し、図２の構造と類似の（又は同じ）構造を形成するためにテープを少なくとも１つの電導体で被覆するプロセス３２に拡張されることがある。あるいは、銅酸塩超伝導体は、プロセス２２において既にテープ構成で得られることがある。
【0140】
[00189]上に記述した概念、技術、及び構造の１つの特に有利な用途は、このような被覆導体テープを小型核融合反応炉のトロイダル磁場コイルとして使用する。このように、テープは、加熱したプラズマの核を融合させるためのチャンバの周りに巻き付けられることがある。磁場コイルは、（以前に照射した）超伝導体についての臨界温度よりも低くまでテープを極低温冷却するステップ、次いで、被覆導体テープに電流を流すステップ、これによりチャンバ内にプラズマを閉じ込めるために適した磁場を発生させるステップによって動作される。
照射装置
[00190]ＲＥＢＣＯ劣化についての照射温度の効果を調査するために、ＳｕｐｅｒＰｏｗｅｒからの２Ｇ ＲＥＢＣＯ試料のイオン照射が、１．２ＭｅＶ陽子ビームを使用してＭＩＴのＤＡＮＴＥ線形タンデム加速器施設において実行された。ＹＢＣＯ上の陽子線の一次ノックオン（ＰＫＡ）エネルギースペクトルは、ＹＢＣＯ中の中性子線のものよりもはるかに低く、陽子線は、重たいイオン線よりもＹＢＣＯ中でのはるかに低いストッピングパワーを有し、そして超伝導層ではほぼ単一エネルギーと考えられ得る。上に記述したＳＲＩＭを用いて実行されるモンテカルロ計算は、ビームが２μｍの銀キャップ層中で２００ｋｅＶ遅くなるだろうこと及び平均陽子エネルギーがほぼ一定であることを示す。このことは、層の中へとより深くはね返る大きく増加するエネルギーを有するより重いイオン線とは対照的であり、超伝導体の異なる深さに異なる損傷を効果的に生成する。
照射装置
[00190]ＲＥＢＣＯ劣化についての照射温度の効果を調査するために、ＳｕｐｅｒＰｏｗｅｒからの２Ｇ ＲＥＢＣＯ試料のイオン照射が、１．２ＭｅＶ陽子ビームを使用してＭＩＴのＤＡＮＴＥ線形タンデム加速器施設において実行された。ＹＢＣＯ上の陽子線の一次ノックオン（ＰＫＡ）エネルギースペクトルは、ＹＢＣＯ中の中性子線のものよりもはるかに低く、陽子線は、重たいイオン線よりもＹＢＣＯ中でのはるかに低いストッピングパワーを有し、そして超伝導層ではほぼ単一エネルギーと考えられ得る。上に記述したＳＲＩＭを用いて実行されるモンテカルロ計算は、ビームが２μｍの銀キャップ層中で２００ｋｅＶ遅くなるだろうこと及び平均陽子エネルギーがほぼ一定であることを示す。このことは、層の中へとより深くはね返る大きく増加するエネルギーを有するより重いイオン線とは対照的であり、超伝導体の異なる深さに異なる損傷を効果的に生成する。
【0141】
[00191]全体の試料にわたって面積的に一様な照射を確実にするように努力した。４探針輸送法を使用して測定した臨界電流は、テープ上の最も損傷した領域によって制限され、そのため不均一なビームカバレッジによって引き起こされた何らかの照射「ホットスポット」が、不自然に低い臨界電流測定値という結果をもたらすはずである。ビーム一様性を確実にするために、陽子ビームプロファイルが、隣接するビームラインのＲＥＢＣＯターゲットホルダと同じビームドリフト空間内の距離の金被覆した石英窓上のビームのＣＣＤ画像の強度分析を実行することによって最初に決定された。ビーム焦点は、ピーク強度の７５％でのビームスポットサイズが全ＨＴＳターゲット面積を覆うためには十分に大きいように調節された。
【0142】
[00192]満足のいくビームスポットが実現された後で、ビームは、ＲＥＢＣＯ試料ホルダ上へと向けられた、このホルダでは、ビームはＲＥＢＣＯターゲット上に当たる前にコリメータのセットを通過した（図１８Ａ参照）。第１のコリメータは、所望のターゲット外形よりもわずかに大きかったそしてビームの使用されない部分からの熱負荷を除去した。Ｇ－１０から作成された第２のコリメータには、ＲＥＢＣＯ上の６×４ｍｍの照射エリアの外形を作ったそして瞬間的なビーム電流を測定するために開口部の各々の辺の端部のところに４個の銅ピックアップがあった（図１８Ｂ参照）。ビームは、測定したビーム電流が長方形のコリメータ開口部の対向する辺の上で同じであることを確実にすることによってターゲット上に中心を置かれた。ＨＴＳテープ上の典型的な瞬間ビーム電流値は、３００ｎＡであった。試料ホルダは、８０Ｋの低温に達することが可能な伝導冷却型の極低温ステージに張り付けられたそして試料が同様に加熱されることを可能にするカートリッジヒータとともに機器に取り付けられた。カートリッジヒータは、照射エリアの直ぐ隣の試料に取り付けられた熱電対からのフィードバックを使用するディジタル比例－積分－微分（ＰＩＤ）コントローラを使用して制御され、ビームがターゲット上であったときに試料温度が８０Ｋから４２３Ｋ±３Ｋの範囲内に維持されることを可能にした。すべての照射中に、チャンバ内の真空条件は、１０－７と１０－６Ｔｏｒｒ（１．３３×１０－５と１．３３×１０－４Ｐａ）との間に保たれた。－２００Ｖにバイアスされた二次電子抑制電極が、正確なビーム電流（したがって正確なフルエンス）測定を確実にするために使用された。
ＳｕｐｅｒＣｕｒｒｅｎｔ測定システムを用いた臨界電流解析
[00193]大きなスキャンの高忠実度測定を実現するために、加速器照射試料が、自動ＳｕｐｅｒＣｕｒｒｅｎｔ測定システムを用いた解析のためにニュージーランドのＲｏｂｉｎｓｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（ＲＲＩ）に持ち込まれた。ＳｕｐｅｒＣｕｒｒｅｎｔは、所望のセットの磁場（０～８Ｔ）、温度（１５～９０Ｋ）、及び磁場角度（０～１８０度）を通して掃引すること、並びに各々の組み合わせでのＶ－Ｉ輸送曲線を得ることの自動モードで動作され得る。この方式で動作させることで、ＲＲＩ ＳｕｐｅｒＣｕｒｒｅｎｔは、照射した試料及びコントロール試料のほぼ１８，０００のＩｃ測定値を集めた。
測定値の再現性及び誤差解析
[00194]製造プロセスに起因する試料バラツキを減少させるために、すべての試料は、処理条件が可能な限り同等であることを確実にするために連続する３メートルの長さから取られた。残っているバラツキの効果を取り除くために、実験テープスプールの臨界電流の十分な特性評価が行われた。磁気ヒステリシスＩｃ測定値が理論モデルの解釈に依存するので、磁気ヒステリシス測定値は、Ｉｃの絶対測定を行うことが不可能なことがあり、代わりに輸送測定対して較正することが望ましい。しかしながら、３メートルの長からの各々の試料の位置が既知である場合には、相対Ｉｃ測定値が、長さから「初期」臨界電流を規格化するために使用されることがある。この補正係数を適用するために、コントロール試料の位置は、「標準」臨界電流であるように選択された、そしてすべての他の電流値がこの値に対してスケーリングされた。
ＳｕｐｅｒＣｕｒｒｅｎｔ測定システムを用いた臨界電流解析
[00193]大きなスキャンの高忠実度測定を実現するために、加速器照射試料が、自動ＳｕｐｅｒＣｕｒｒｅｎｔ測定システムを用いた解析のためにニュージーランドのＲｏｂｉｎｓｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（ＲＲＩ）に持ち込まれた。ＳｕｐｅｒＣｕｒｒｅｎｔは、所望のセットの磁場（０～８Ｔ）、温度（１５～９０Ｋ）、及び磁場角度（０～１８０度）を通して掃引すること、並びに各々の組み合わせでのＶ－Ｉ輸送曲線を得ることの自動モードで動作され得る。この方式で動作させることで、ＲＲＩ ＳｕｐｅｒＣｕｒｒｅｎｔは、照射した試料及びコントロール試料のほぼ１８，０００のＩｃ測定値を集めた。
測定値の再現性及び誤差解析
[00194]製造プロセスに起因する試料バラツキを減少させるために、すべての試料は、処理条件が可能な限り同等であることを確実にするために連続する３メートルの長さから取られた。残っているバラツキの効果を取り除くために、実験テープスプールの臨界電流の十分な特性評価が行われた。磁気ヒステリシスＩｃ測定値が理論モデルの解釈に依存するので、磁気ヒステリシス測定値は、Ｉｃの絶対測定を行うことが不可能なことがあり、代わりに輸送測定対して較正することが望ましい。しかしながら、３メートルの長からの各々の試料の位置が既知である場合には、相対Ｉｃ測定値が、長さから「初期」臨界電流を規格化するために使用されることがある。この補正係数を適用するために、コントロール試料の位置は、「標準」臨界電流であるように選択された、そしてすべての他の電流値がこの値に対してスケーリングされた。
【0143】
[00195]エラーバーが臨界電流測定値に対して一般に報告されないとはいえ、測定値の不確定性を定量化するための試みが行われた。同じ試料の繰返し測定が、ＳｕｐｅｒＣｕｒｒｅｎｔ装置の測定不確定性を立証するために実行された。各々のＪｃ測定に対して個々にエラーバーを計算するために多数の繰返し測定を行うことは実行不可能であるはずであるとはいえ、専用のスキャンが１つの試料に複数回実行された。
【0144】
[00196]各々の測定条件（磁場、温度、及び磁場角度）についてのＪｃの３つの値が、平均された、そしてグループの標準偏差が算出された。計算された標準偏差は、９０度付近の７Ｔ、３０Ｋ測定値を除いて、すべての角度、磁場、及び温度全体にわたり相対的に矛盾がなかった。これについての説明は、試料を曲げる大電流及び高磁場における試料上の大きなロレンツ力のためである可能性が最も高く、そのため試料ロッドの内部にマウントされたホールセンサを有する試料は、平坦ではない。９０度付近のＩｃの鋭いピークのために、磁場を有する試料の、測定したホール角と実際の角度との間の小さな相違でさえ、２つの測定値同士の間に大きな相違を生じさせることがある。生憎、測定中に試料のたわみを測定することは実行できそうではなかった、そのためこの誤差を補正するための唯一の方法は、測定値同士の間の全角度スキャンを比較し、９０度ピークがシフトするときを記録することである。臨界電流測定値についてのエラーバーを設定するために、標準偏差が平均されて、１．３％のグローバル標準偏差が生み出され、これが上記のデータ解析に適用された。
【0145】
[00197]この発明の少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様をこのように説明すると、様々な変更、修正、及び改善が、当業者には容易に思い浮かぶだろうことが高く評価されるべきである。
【0146】
[00198]このような、変更、修正、及び改善は、この開示の一部をなすものであり、本発明の思想及び範囲内になるものとする。さらに、本発明の利点が示されたが、本明細書において記述した技術のすべての実施形態がすべての記述した利点を必ずしも含まないだろうことが高く評価されるべきである。いくつかの実施形態は、本明細書において有利であると記述したいずれかの特徴を実装しなくてもよく、いくつかの事例では、記述した特徴のうちの１つ又は複数がさらなる実施形態を実現するために実装されてもよい。したがって、前述の記載及び図面は、単に例に過ぎない。
【0147】
[00199]本発明の様々な態様は、単独で、組み合わせて、又は上記で説明した実施形態において具体的に検討しなかった様々な配置で使用されることがあり、これゆえ、上記の説明に記述された又は図面に図示された構成要素の詳細及び配置への適用に限定されない。例えば、１つの実施形態において記述した態様は、他の実施形態において記述した態様と任意の方式で組み合わせられてもよい。
【0148】
[00200]また、発明は、方法として具体化されることがあり、その例が提供されてきている。方法の一部として実行された行為は、任意の適切な方法で順序づけてもよい。したがって、行為が図示したものとは異なる順序で実行される実施形態が構築されてもよく、例示の実施形態では連続的な行為として示されたとしても、同時にいくつかの行為を実行することを含むことができる。
【0149】
[00201]さらに、いくつかの行為が、「ユーザ」によって行われるように記載されることがある。「ユーザ」が必ずしも単一の個人である必要がなく、そしていくつかの実施形態では、「ユーザ」に帰属する行為が、個人個人のチーム及び／又はコンピュータ支援ツールもしくは他のメカニズムと組み合わせて個人によって実行されてもよいことが高く評価されるはずである。
【0150】
[00202]クレーム要素を修飾するため特許請求の範囲における「第１の」、「第２の」、「第３の」、等のような順序を示す用語の使用は、それ自体によっては、何らかの優先順位、優先権、又は１つのクレーム要素のもう１つのものに対する順序もしくは方法の行為が実行される一時的な順序を含まないが、クレーム要素を区別するために、ある名前を有する１つのクレーム要素を同じ名前を有する（しかし、順序を示す用語の使用のために）もう１つの要素とは区別するための符号として単に使用される。
【0151】
[00203]「ほぼ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」及び「約（ａｂｏｕｔ）」という用語は、いくつかの実施形態では目標値の±２０％以内、いくつかの実施形態では目標値の±１０％以内、いくつかの実施形態では目標値の±５％以内、そしてさらにいくつかの実施形態では目標値の±２％以内を意味するように使用されることがある。「ほぼ」及び「約」という用語は、目標値を含んでもよい。「実質的に等しい（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｅｑｕａｌ）」という用語は、いくつかの実施形態では互いに±２０％以内、いくつかの実施形態では互いに±１０％以内、いくつかの実施形態では互いに±５％以内、そしてさらにいくつかの実施形態では互いに±２％以内である値に言及するために使用されることがある。
【0152】
[00204]「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語は、いくつかの実施形態では比較の尺度の±２０％以内、いくつかの実施形態では±１０％以内、いくつかの実施形態では±５％以内、そしてさらにいくつかの実施形態では±２％以内である値に言及するために使用されることがある。例えば、第２の方向に「実質的に」垂直である第１の方向は、いくつかの実施形態では第２の方向と９０度の角度を作る±２０％以内、いくつかの実施形態では第２の方向と９０度の角度を作る±１０％以内、いくつかの実施形態では第２の方向と９０度の角度を作る±５％以内、そしてさらにいくつかの実施形態では第２の方向と９０度の角度を作る±２％以内である第１の方向に言及することができる。
【0153】
[00205]また、本明細書において使用した表現法及び用語法は、説明の目的のためであり、制限するように考えられるべきではない。「含むこと（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備えること（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、又は「有すること（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有すること（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「取り込むこと（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」及び本明細書におけるこれらの変形の使用は、以降に列挙する項目及びその等価物並びに追加項目を包含することを意味する。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図5A】
【図6】
【図7-1】
【図7-2】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図10E】
【図10F】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図12D】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18A】
【図18B】
【図19】
【図20A】
【図20B】
