超電導導体用冷媒としての液体窒素の流動様式と熱伝達

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今後の超電導体の冷却用媒体として有力な候補となる液体窒素の加熱時の挙動ならびに液体窒素温度で動作する超電導体の作成を行った。1.液体窒素の加熱時の流動様式流量を設定・測定できる管路に加熱用ヒータと観測窓、温度計を設置した。ここに液体窒素デュワーから加圧方式で液体窒素を流し、流動様式図(通称ベーカー線図)を測定した。測定の結果層状流、波状流、プラグ流、スラグ流、環状流、気泡流の6種類の流動様式が観測された。水等のくらべると気泡流の領域が拡っているが、これは液体窒素の表面張力が水の約1/7であるため大気泡が出来にくいことによる。ベーカー線図は表面張力等の補正が入っているが、気泡流と他の流動様式との境目はよく一致している。しかし表面張力効果を入れたため層状流、波状流のように小気泡の存在しない場合には水とのずれが大きくなった。このようにベーカー線図が流体の種類によらず一定とされていたことに対して本研究は液体窒素と水とでは異った様相を示すことを明らかにした。このことは後に測定した液体ヘリウムについてもさらに異っていることが本実験から判明し支持されている。2.高温超電導薄膜の作成現在液体窒素温度で使用できる超電導体としてYBCOがある。実用的な超電導体としてはYBCOを冷却管路の上に蒸着した強制冷却型が考えられる。本研究はその第一歩としてイオニスパッタ法によりYBCO薄膜を作成した。C軸配向した結晶性の良い膜を得るにはMgOの基板を用いて900℃で熱処理すると良く、臨界温度88kを得ている。しかし膜表面の均一性、平担性などに関してはまだ最適化されたとは言えず、また成膜温度を下げることが実用化のためにも必要であろう。