(57)【要約】【課題】  MgB2線材の臨界電流値や臨界電流密度を極端に低下させることなく、許容曲げ半径の小さなMgB2線材を提供すること。【解決手段】  複数のMgB2素線と、第１の母材金属とを有する超電導線であって、線長手方向と直行する断面において、前記複数のMgB2素線で囲まれた領域の中心点と超電導線断面の中心軸とが離れた位置にあることを特徴とする超電導線。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のMgB2素線と、第１の母材金属とを有する超電導線であって、
線長手方向と直行する断面において、前記複数のMgB2素線で囲まれた領域の中心点と超電導線断面の中心軸とが離れた位置にあることを特徴とする超電導線。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導線であって、
略四角形である前記超電導線断面の短辺方向となる幅方向において、前記中心点と前記中心軸との距離は、前記複数のMgB2素線で囲まれた領域の幅方向の最大長さの１０％以上３０％以下であることを特徴とする超電導線。
【請求項３】
請求項１に記載の超電導線であって、
略四角形である前記超電導線断面の短辺方向となる幅方向において、前記中心点と前記中心軸との距離は、前記複数のMgB2素線で囲まれた領域の幅方向の最大長さと前記MgB2素線の許容圧縮歪みと許容引っ張り歪みとに基づいて算出される所定の距離であることを特徴とする超電導線。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の超電導線であって、
前記中心軸は、前記超電導線断面の前記幅方向における最大長さを有する線分の中心軸であることを特徴とする超電導線。
【請求項５】
請求項２又は３に記載の超電導線であって、
前記中心点は、複数のMgB2素線で囲まれた領域において、略四角形である前記超電導線断面の長辺方向となる高さ方向において最大長さを有する線分の中心軸と前記幅方向において最大長さを有する線分の中心軸との交点であることを特徴とする超電導線。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の超電導線であって、
前記第１の母材金属は、BCC金属であることを特徴とする超電導線。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の超電導線であって、
前記断面において、前記第１の母材金属の外側に第２の母材金属を有することを特徴とする超電導線。
【請求項８】
請求項７に記載の超電導線であって、
前記第２の母材金属は、銅または無酸素銅であることを特徴とする超電導線。
【請求項９】
請求項７に記載の超電導線であって、
前記断面において、前記第１の母材金属と前記第２の母材金属とを外側から囲む第３の母材金属を有することを特徴とする超電導線。
【請求項１０】
請求項９に記載の超電導線であって、
前記第３の母材は銅合金であることを特徴とする超電導線。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の超電導線を含む超電導コイル。
【請求項１２】
請求項１１に記載の超電導コイルを直流磁場発生機構として含有することを特徴とするMRI。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導線、超電導コイル、MRIに関する。
【背景技術】
【０００２】
MRIなどで強力かつ安定的な磁場を必要とする場合、超電導コイルにほぼ減衰しない電流を通電することで所望の磁場を得ている。銅線で電磁石を作製する場合、銅線の断面積あたりの電流密度は数A/mm2程度であるが、超電導コイルの場合は数百A/mm2程度の高い電流密度に設定することで、小さな体格のコイルで強力な磁場を発生させている。従来の超電導コイルには主に低温超電導線材であるNbTi線材が用いられているが、その動作温度は約4Kと低いため、主に液体ヘリウムによる冷却が必要である。近年のヘリウム受給逼迫に伴い、液体ヘリウムを必要としない高い温度で使用できる超電導線材が開発されている。
【０００３】
MgB2超伝導体は臨界温度が約39Kと高く、液体ヘリウムを必要とする約4Ｋまで冷却せずに超電導状態の維持が可能である。近年のMgB2超電導体の線材開発により、MgB2線材を用いた超電導コイルを作製できるようになった。
【０００４】
たとえば、MgB2線材を用いた超電導コイルに関して、特許文献１には、「ＭｇＢ２で構成する素線と、Ｍｇと反応しない第１の金属を有する超電導線であって、前記超電導線の長手方向と直交する断面において、前記超電導線の中心から前記素線の設置位置までの領域を前記素線及び前記第１の金属で構成することを特徴とする超電導線。」が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特願２０１７−５３０４６２
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 28, No. 4, JUNE 2018, 8400605
【非特許文献２】Supercond. Sci. Technol., vol. 18, No. 12, Nov. 2005, Art no. S284
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
MgB2線材を用いた超電導コイルの作製方法は大きく分けて２種類ある。一つは、ワインド・アンド・リアクト法と呼ばれる方法である。熱処理前のMgB2線材（厳密には熱処理前はマグネシウム粉末とホウ素粉末の混合粉末が充填された線材）をコイル状に巻回した後に熱処理を施す方法である。
【０００８】
他方は、リアクト・アンド・ワインド法と呼ばれる方法である。熱処理済みのMgB2線材をコイル状に巻きまわす方法である。ここで、熱処理済みのMgB2線材には許容曲げ半径が存在し、その曲げ半径よりも小さな曲率で線を曲げると超電導特性が低下してしまうため、MgB2線材を用いた超電導コイルの設計・作製の制約になりうる。
【０００９】
例えば、熱処理済みのMgB2線材に対して室温で引っ張り負荷や曲げ負荷を印加した際の許容引っ張り歪みは、0.2%程度である（非特許文献１）。一方で、熱処理済みのMgB2線材における許容圧縮歪みは、0.5%程度である（非特許文献２）。よって、熱処理済みのMgB2線材を巻きまわして超電導コイルを作製する際、線材に対する引っ張りや曲げにより、MgB2線材に許容される引っ張り歪みを超過してその超電導特性を低下させる懸念がある。
【００１０】
MgB2線材の曲げによる性能低下は、MgB2フィラメント部に加えられる歪みが許容値を超えることで発生する(非特許文献１)。線材の曲げに伴うMgB2フィラメント部へ加わる歪みは、そのフィラメントの曲げの中立線からの距離、一般的にはフィラメントとMgB2線材の中心との距離、に比例する。よって、許容曲げ半径を小さくするためにはMgB2フィラメントを線材の中心のみに配置するか、MgB2線材全体を細くすればよい。しかし、これらの解決法ではMgB2フィラメント面積が減少するため、MgB2線材の臨界電流値および臨界電流密度が極端に低下してしまう。
【００１１】
以上より、MgB2線材の臨界電流値や臨界電流密度を極端に低下させることなく、許容曲げ半径の小さなMgB2線材を提供することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、複数のMgB2素線と、第１の母材金属とを有する超電導線であって、線長手方向と直行する断面において、前記複数のMgB2素線で囲まれた領域の中心点と超電導線断面の中心軸とが離れた位置にあることを特徴とする超電導線を用いる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によって、臨界電流値や臨界電流密度を極端に低下させることなく、従来のMgB2線材よりも小さな曲げ半径で曲げること出来るMgB2線材を提供可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１におけるMgB2線材の横断面図
【図２】実施例１における熱処理時およびコイル巻線時のMgB2線材の概略図
【図３】本発明を用いたＭＲＩの概略構成図
【図４】実施例２におけるMgB2線材の横断面図
【図５】実施例３におけるMgB2線材の横断面図
【図６】実施例４におけるMgB2線材の横断面図
【図７】実施例５におけるMgB2線材の横断面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１６】
以下本発明の一実施例を図１、図２に沿って説明する。
【００１７】
線の長手方向に直行する断面を横断面と記す。図１に、各実施例に共通する超電導線１００の横断面略図を示す。主にMgB2からなる素線１は、第１の母材金属２の中に含有される。図１において複数の素線１は円を描くように配置されている。この素線で囲まれた領域３も第１の母材金属２で構成されている。ＢＣＣ金属のひとつである鉄を例にとると、図１に示した断面図は、Mg、B、鉄、およびこれらの反応物のみで構成されることになる。なお、本実施例では鉄を例に説明するが、第一の母材はＢＣＣ金属であればよく、鉄以外にもニオブなどを取り得る。
【００１８】
この断面構成を有する超電導線１００の作製方法としては、まず素線１で囲まれた断面形状が略円形の線を作製する。その第一の作製方法としては、円柱状の鉄材に複数の穴を設け、その穴にMgB2、マグネシウム、ホウ素などを充填し、必要に応じて伸線加工、熱処理を施すことで作製できる。第二の作製方法としては、鉄パイプにMgB2、マグネシウム、ホウ素などを充填し、必要に応じて伸線加工、熱処理を施した単芯線を複数本束ね、これらを鉄パイプの中に充填し、必要に応じて伸線加工、熱処理を施すことで作製できる。
【００１９】
次に、断面形状がおよそ四角形に近づくように、ダイス引抜き加工やカセットロール加工を施し、素線で囲まれた断面形状が略四角形の線を作製する。その断面形状が略四角形である線を囲める幅を有する鉄のリボン状の線を用いて、その一部が二重となるよう断面形状が略四角形である線を覆い、ダイス引抜き加工やカセットロール加工を施すことで図１に示す線を得る。
【００２０】
図１に示すように、上述した作成方法により作製した線は、素線で囲まれた領域３の中心点４と、線材断面の中心軸５とは交わることなく離れた位置にあり、どの位置で切断しても概略同じような横断面構造を有している。図１に示すような断面形状がおよそ四角形である場合、略四角形の長い辺の方向を高さ方向、短い辺の方向を幅方向と示すことにする。
【００２１】
ここで中心点４は、素線で囲まれた領域３において、高さ方向にみて最大となる線分６の中心軸６１と、幅方向にみて最大となる線分７の中心軸７１との交点である。なお、ここで言及する中心軸とは、線分の垂直二等分線である。
【００２２】
一方中心軸５は、作成した超電導線１００の横断面において、幅方向にみて最大となる線分５１の垂直二等分線である。
【００２３】
なお、図１では素線１の本数が８本の場合を示したが、本発明は複数の素線１を有する超電導線１００を対象としており、８本に限定するものではない。
【００２４】
超電導線１００の熱的安定性のためには、その断面構成に低抵抗率材を必要とする場合もある。本実施例で示した鉄も不純物濃度を十分小さくすることで低抵抗材として使用可能であるが、銅や無酸素銅など、さらに小さな抵抗率の材料を付加する場合は、後述する実施例２にその断面構成を示す。
【００２５】
本発明に示す超電導線１００を熱処理する際と、熱処理ずみの超電導線１００を巻き回して超電導コイル１０７を作製する際は、一般的には熱処理する際の曲げ半径が熱処理後に後に巻き回す際の曲げ半径よりも大きいため、素線で囲まれた領域の中心点４が曲げの内側に位置するように曲げる。図２にその概略図を示す。逆に熱処理する際の曲げ半径が熱処理後に後に巻き回す際の曲げ半径よりも小さい場合は、素線で囲まれた領域の中心点４がそれぞれ曲げの外側に位置するように曲げる。（図示せず）
その長さが数百メートルから数kmにおよぶ超電導線材１００を熱処理する際には、ボビンに巻きつけて熱処理する場合が多い。その際、素線で囲まれた領域の中心点４がボビン中心から見て中心軸５の内側に位置するように熱処理用のボビンに巻きつける。図２左側図は熱処理前の超電導線１００をボビンに巻きつけた状態を示す概略図であり、矢印２１の方向にボビンが存在している。なお一般的には熱処理する際の曲げ半径が熱処理後に巻き回す際の曲げ半径よりも大きいため、図２の曲げ方向を採用するが、曲げ半径の大小関係が逆の場合は中心点４が外側となるように曲げる。熱処理後の超電導線材１００を超電導コイル１０２を形成するために巻きまわす際、熱処理時と曲げ方向が同じ方向となるように巻きつけて超電導コイル１０２を形作る。図２右側図は熱処理後の超電導線１００を超電導コイル１０２として巻きつけた状態を示す概略図であり、矢印２２の方向が巻線の中心方向となる。なお一般的には熱処理する際の曲げ半径が熱処理後に後に巻き回す際の曲げ半径よりも大きいため、図２の曲げ方向を採用するが、曲げ半径の大小関係が逆の場合は中心点４が外側となるように曲げる。
【００２６】
超電導線材１００をボビンに巻きつけて熱処理し、超電導コイル１０２を形成するために巻きまわす際には、超電導線材１００はボビンとコイル間とで一度直線状となる。ここで、熱処理状態から直線状に変形することで線材断面の中心軸５よりも内側の素線、例えば素線１１には引っ張り歪みが加わり、外側の素線、例えば素線１２には圧縮歪みが加わる。
【００２７】
次に、超電導線材１００が直線状から超電導コイル１０２の形状に巻きまわされる際、熱処理時の曲げ半径よりも超電導コイル１０２の形状における曲げ半径が小さい場合には、直線状から熱処理時の曲げ半径と等しい曲げ半径まで曲げた瞬間においては、加えられたひっぱり・圧縮歪みがキャンセルされる。さらに曲げ半径を小さくして超電導コイル１０２の形状となった際には、線材断面の中心軸５よりも内側の素線、例えば素線１１には圧縮歪みが加わり、外側の素線、例えば素線１２には引っ張り歪みが加わる。このように巻線することで、熱処理状態〜直線状態〜超電導コイル状態にわたるプロセスにおいて素線１群に加わる最大引っ張り歪みを最小化することが可能となる。
【００２８】
このように熱処理時の曲げ半径よりも超電導コイル１０２の形状における曲げ半径が小さい場合には、超電導コイル１０２の形状に巻きまわされた状態において素線１群に加わる歪みが最大となる。なお、熱処理時の曲げ半径よりも超電導コイル１０２の形状における曲げ半径が大きい場合には、熱処理状態から直線状に変化した状態において素線１群に加わる歪みが最大となる。以下、一般的な例である熱処理時の曲げ半径よりも超電導コイル１０２の形状における曲げ半径が小さい場合について示すが、実施例を限定するものではない。
【００２９】
素線１群に加わる圧縮および引っ張りの最大歪みは、素線１と線材断面の中心軸５との超電導コイルの半径方向における距離に比例する。コイル巻線後の超電導線１０２においては、圧縮の最大歪みがかかるのは素線１１であり、引っ張りの最大歪みがかかるのは素線１２となる。したがって中心軸５との距離を考慮すれば、素線１群に加わる最大圧縮歪みは最大引っ張り歪みよりも大きい。
【００３０】
素線１は引っ張り歪みよりも圧縮歪みへの耐性が強いため、中心点４を中心軸５に対してコイルの巻線の中心側に離れた構造とすることで、素線１の歪み耐性をいかすことができる断面形状となる。すなわち従来の線材に比して、許容曲げ半径の小さなMgB2線材を提供することが可能となる。
【００３１】
より具体的には、中心軸５と中心点４との距離２３をＸ、線分７の半分の長さを１とすると、素線１１にかかる圧縮の最大歪みと、素線１２にかかる最大歪みの比は（１＋Ｘ）：（１−Ｘ）で表される。
【００３２】
ここで、熱処理済みのMgB2線材に対して室温で引っ張り負荷や曲げ負荷を印加した際の許容引っ張り歪みは、0.2%程度である（非特許文献１）。一方で、熱処理済みのMgB2線材における許容圧縮歪みは、0.5%程度である（非特許文献２）。以上を考慮しＸを求めると、Ｘはおよそ０．４３であることが導き出される。
【００３３】
したがって、中心軸５と中心点４は、線分７の長さの２０％前後、作製時の誤差や線材の特性の差を考慮して１０％以上３０％以下の距離離れている形状とすることで、素線１の歪み耐性を最大限にいかすことができる断面形状となり、許容曲げ半径のより小さなMgB2線材を提供することが可能となる。
【００３４】
なお、超電導線１００を熱処理した後に、超電導コイル１０２へ巻きまわす前に超電導線１００に絶縁加工を施す場合が多い。超電導線１００に連続的に絶縁加工を施すために、リールトゥリール装置を用いる。この工程において素線１に加わる歪みも許容歪み内に納める。
【００３５】
横断面において素線１で囲まれた領域３の中に銅を有しているMgB2超電導線では、超電導接続工程における加熱により銅の科学反応が生じ、銅または銅化合物が加熱前に銅が存在していた場所とは異なる箇所に析出し、素線１で囲まれた領域３の中に隙間が生じることで機械的強度を損なったり、MgB2同士の接続界面に析出するなどでMgB2同士の接続を阻害していた。本発明では素線で囲まれた領域３の中に銅を有していないため、この領域内に隙間は生じず、機械的強度を損なわないことが優位である。
【００３６】
図３に、本発明を用いたＭＲＩ２００の概略構成を示す。超電導線１００を用いた超電導コイル１０２は、永久電流スイッチ１０３と共に、冷凍容器１０９に格納され、冷媒または冷凍機で冷却される。超電導コイル１０２と永久電流スイッチ１０８に流れる永久電流は、測定対象１１０の位置に、時間安定性の高い静磁場を発生させる。この静磁場強度が高いほど、核磁気共鳴周波数が高くなり、核磁気共鳴信号強度も高くなる。傾斜磁場コイル１１１は、傾斜磁場用アンプ１１２から必要に応じて時間変化する電流を供給され，測定対象１１０の位置に空間的に分布を持つ静磁場を発生させる。さらに、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）アンテナ１１３とＲＦ送受信機１１４を用いて測定対象に核磁気共鳴周波数の磁場を印加、反応信号を測定することで、測定対象１１０の断面画像診断が可能となる。
【００３７】
本実施例の提供する形状を用いることで、許容曲げ半径のより小さい超電導コイルをMRI装置に導入することが可能となり、装置を小型化することが可能となる。
【００３８】
同じ構成を用いてＮＭＲも実現可能である。なお、図３に示したＭＲＩの構成は一例であり、本発明を限定するものではない。
【実施例２】
【００３９】
以下に示す実施例では、実施例１との相違点のみを説明する。図４に第２の母材金属８を最外層に配置した場合の超電導線１００の横断面図を示す。第２の母材金属８として銅や無酸素銅を用いることで、超電導線１００の熱的安定性を向上できる点で優れている。本実施例の超電導線１００は、実施例１に示した、素線で囲まれた領域の中心点４を中心とする断面形状が四角形の線を作製するまでは同じ作製方法である。
【００４０】
作製後に覆うためのリボン状の線に銅または無酸素銅を用いることで本実施例の超電導線１００を作製可能である。素線で囲まれた領域の中心点４と線材断面の中心点５との距離を大きくしたい場合は、一部が厚くなっている銅または無酸素銅のリボンを用いることで、素線で囲まれた領域の中心点４と線材断面の中心軸５との距離を調整可能である。素線で囲まれた領域の中心点４と線材断面の中心軸５との距離を調整することで、超電導コイル１０２を形成した際の素線１に加わる最大圧縮歪みと最大引張り歪みの比を制御でき、超電導線１００の性能を最大限に引き出すことが可能となる。
【実施例３】
【００４１】
図５に、素線１を含有する第１の母材金属２と第２の母材金属８を最外層の第３の母材金属９が覆うことにより作製した場合の超電導線１００の横断面図を示す。第２の母材金属８に銅または無酸素銅を用い、第３の母材金属９に機械強度が高い銅合金用いることで、実施例２同様に超電導線１００の熱的安定性を向上できる。さらに、線材の機械強度を向上できる点で優れている。
【００４２】
本実施例の線は、実施例１に示した、素線で囲まれた領域の中心点４を中心とする断面形状が四角形の線を作製するまでは同じ作製方法である。その後に覆うためのリボン状の線に銅合金を用い、銅または無酸素銅のリボン状の線を同時に覆うことで作製可能である。
【実施例４】
【００４３】
図６に素線１を複数層に配置した場合の超電導線１００の横断面図を示す。本実施例は、素線１の本数を増やすことで、線材断面あたりの臨界電流密度を高める、または、同じ臨界電流密度において素線１を細くすることができる点で優れている。図６では第２の母材金属８と第３の母材金属９を用いる断面構造で、かつ、素線１の配置が２層であり本数が１６本の場合を示したが、本発明は複数の素線１を有する超電導線１００を対象としており、素線１の配置および本数は２層および１６本に限定するものではない。
【実施例５】
【００４４】
図７に線の断面形状が円形の一部を除去した形状である場合の超電導線１００の横断面図を示す。本実施例は線の作製工程において断面が矩形の線を作製する工程やリボン状の線で覆う必要がなく、加工プロセスが簡易化できる点で優れている。本実施例の超電導線１００は、実施例１に示した、素線１で囲まれた領域の中心点４を中心とする断面形状が円形の線を作製する際に、最外層に第２の母材金属８からなる金属パイプを配置して伸線加工した後に、２面を科学的または機械的にエッチングすることで作製可能である。
【００４５】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１…素線、  ２…第１の母材金属、  ３…素線で囲まれた領域、  ４…素線で囲まれた領域の中心点、５…超電導線断面の中心軸、  ８…第２の母材金属、  ９…第３の母材金属、  １００…超電導線、１０１…熱処理時の超電導線、  １０２…コイル巻線後の超電導線、  １０８…永久電流スイッチ、  １０９…冷凍容器、  １１０…測定対象、  １１１…傾斜磁場コイル  １１２…傾斜磁場用アンプ、  １１３…ＲＦアンテナ、  １１４…ＲＦ送受信機、  ２００…ＭＲＩ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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