(57)【要約】【課題】４.２Ｋ，２Ｔ以下の低磁場領域で使用することが可能な超電導線，接続部構造及び接続方法を提供すること、及び超電導線を使用した、信頼性の高い装置を提供することにある。【解決手段】本願発明の超電導線材は、超電導金属フィラメントを有し、常電導体の金属マトリックス内に超電導金属フィラメントが複数本埋め込まれており、かつ各超電導フィラメントに２５０℃〜５００℃においてＳｎと反応しない金属よりなるバリア層を用いることを特徴とする。バリア層は、Ｔａ，Ｍｏまたはこれらの合金がよく、バリア層の厚さとしては、０.０１μｍ〜１μｍであることが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
常電導状態と超電導状態との切り替えを行う永久電流スイッチであって、
前記永久電流スイッチは、少なくとも一部に巻線部を有する第一の超電導線と、配線用の第二の超電導線と、前記第一の超電導線と第二の超電導線の接続部との接続部を有し、
少なくとも第一の超電導線は、超電導物質よりなる複数本の超電導フィラメントと、前記複数本の超電導金属フィラメントを一体化する常電導物質のマトリックスと、前記超電導フィラメントと前記マトリックスとの間に設けられたバリア層を有し、前記バリア層は２５０℃〜５００℃においてＳｎと反応せず、かつ４.２Ｋ，０.５Ｔ以下で超電導状態にならない金属であって、
前記第一の超電導線は前記マトリックスを除去されて前記接続部で前記第二の超電導線と接続されていることを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載された永久電流スイッチであって、
前記超電導線材は、４.２Ｋ，２Ｔ以下の低磁場領域で使用され、かつ他の線材との接合のプロセスにＳｎまたはＳｎ合金中で、前記マトリックスの固溶・拡散を行われるものであることを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項３】
請求項１に記載された永久電流スイッチであって、
前記常電導物質のマトリックスは、銅を主成分とする合金であることを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項４】
請求項１に記載された永久電流スイッチであって、
前記常電導物質のマトリックスは、ＣｕＮｉ，ＣｕＳｎ，ＣｕＺｎ，ＣｕＭｎ，ＣｕＭｇ，ＣｕＩｎ，ＣｕＣｏ，ＣｕＣｒの少なくともいずれかの合金であることを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項５】
請求項１に記載された永久電流スイッチであって、前記バリア層はＴａ，Ｍｏまたはこれらの金属を主成分とする合金であることを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項６】
請求項１に記載された永久電流スイッチであって、
前記バリア層の厚さは０.０１μｍ〜１μｍであることを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項７】
超電導線を有し、常電導状態と超電導状態との切り替えを行う永久電流スイッチであって、
前記永久電流スイッチは４.２Ｋ，０.５Ｔ以下の条件下で配置され、前記永久電流スイッチは超電導線材同士の接続部を有し、前記接続部は、ＮｂＴｉ線同士又はＮｂＴｉ線と他の超電導線を接続する接続部であって、前記ＮｂＴｉ線はＮｂＴｉの超電導フィラメントと、前記超電導フィラメントを覆うＴａ，Ｍｏまたはこれらを主成分とする合金よりなるバリア層と、前記バリア層を覆うＣｕＮｉ合金層とを有し、
少なくとも一部の前記ＣｕＮｉ合金層を除去された前記ＮｂＴｉ線と、他方の超電導線とが、Ｐｂ合金を介して一体化されていることを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項８】
超電導物質よりなる複数本の超電導フィラメントと、前記複数本の超電導金属フィラメントを一体化する常電導物質のマトリックスとを有する多芯の超電導線材であって、前記超電導物質よりなる金属フィラメントはバリア層を有し、前記バリア層は２５０℃〜５００℃においてＳｎと反応せず、かつ４.２Ｋ，０.５Ｔ以下で超電導状態にならない金属であることを特徴とする超電導線材。
【請求項９】
請求項８に記載された超電導線材であって、前記超電導線材は、４.２Ｋ，２Ｔ以下の低磁場領域で使用され、かつ他の線材との接合のプロセスにＳｎまたはＳｎ合金中で、前記マトリックスの固溶・拡散を行われるものであることを特徴とする超電導線材。
【請求項１０】
請求項８に記載された超電導線材であって、前記常電導物質のマトリックスは、銅を主成分とする合金であることを特徴とする超電導線材。
【請求項１１】
請求項８に記載された超電導線材であって、前記常電導物質のマトリックスは、ＣｕＮｉ，ＣｕＳｎ，ＣｕＺｎ，ＣｕＭｎ，ＣｕＭｇ，ＣｕＩｎ，ＣｕＣｏ，ＣｕＣｒの少なくともいずれかの合金であることを特徴とする超電導線材。
【請求項１２】
請求項８に記載された超電導線材であって、前記バリア層はＴａ，Ｍｏまたはこれらの金属を主成分とする合金であることを特徴とする超電導線材。
【請求項１３】
請求項８に記載された超電導線材であって、前記バリア層の厚さは０.０１μｍ〜１μｍであることを特徴とする超電導線材。
【請求項１４】
超電導線よりなるコイルと、前記コイルを励磁する電源と、前記電源に対し超電導コイルと並列に接続された永久電流スイッチとを有する超電導マグネットであって、
前記永久電流スイッチに、請求項８ないし１３のいずれかに記載された超電導線材を用いたことを特徴とする超電導マグネット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導磁石などの永久電流運転を必要とする回路で、常電導状態と超電導状態との切り替えを行う永久電流スイッチに関する。また、本発明は超電導線材の接続部，接続方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴分析装置，医療用磁気共鳴診断装置，磁気浮上式列車，超電導電力貯蔵装置，磁気分離装置，磁場中単結晶引き上げ装置，冷凍機冷却超電導マグネット装置，超電導エネルギー貯蔵，超電導発電機，核融合炉用マグネット等では、永久電流運転を必要とする超電導マグネットを使用する。超電導マグネットの常電導状態と超電導状態との切り替えは、永久電流スイッチで行われる。
【０００３】
永久電流スイッチ用の超電導線は、細くかつ複数本の超電導フィラメントと、フィラメントを安定化／一体化する金属マトリックスを有する、多芯構造を有する超電導線材である。超電導フィラメントとして、ＮｂＴｉ超電導線材が最も広く用いられている。一般的に、ＮｂＴｉ超電導線材は多数のＮｂＴｉ合金フィラメントを安定化のための金属（例えば銅など）のマトリックス中に埋設した状態で熱間押出をし、時効熱処理と線引き加工を繰り返して製造される。しかし、熱間押出や時効熱処理時に、金属マトリックス中のＣｕとＮｂＴｉ合金中のＴｉが反応してＣｕＴｉ化合物を生成する可能性がある。このＣｕＴｉ化合物は加工性が悪く、線引き加工の断線の主要因となる。そこで、金属マトリックスとＮｂＴｉ合金フィラメントの間にＴｉ，Ｃｕのいずれとも反応せず、かつ線引き加工性のよいバリア材料を介在させることが有効である。特許文献１には、バリア材として、Ｎｂなどを使用することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２２３４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
５Ｔ以上の磁界で使用される超電導マグネットではＮｂは常電導状態を示す。しかし、一般的に永久電流スイッチは、４.２Ｋの液体ヘリウム中においては２Ｔ以下の領域に設置される。また特に永久電流スイッチと超電導マグネットを接続した部分は１Ｔ以下に設置されることが多い。Ｎｂをバリア材料として用いた場合、１Ｔ以下であれば、そのバリア層自体が超電導状態となる場合がある。
【０００６】
永久電流スイッチが設置される磁場雰囲気においてＮｂが超電導状態となると、永久電流スイッチの中で超電導フィラメント同士のカップリングが生じ、超電導クエンチが生じやすくなる。特に超電導接続部内では線材の金属マトリクスを除去した状態であるため、超電導フィラメント同士が線材の状態よりさらに接近し、カップリングによる超電導クエンチの確率が高くなる。
【０００７】
そこで本願発明の目的は、このような４.２Ｋ，２Ｔ以下の低磁場領域で使用することが可能な超電導線、接続部構造及び接続方法を提供すること、及び超電導線を使用した、信頼性の高い装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本願発明の超電導線材は、超電導金属フィラメントを有し、常電導体の金属マトリックス内に超電導金属フィラメントが複数本埋め込まれており、かつ各超電導フィラメントに２５０℃〜５００℃においてＳｎと反応しない金属よりなるバリア層を用いることを特徴とする。さらに、４.２Ｋ，０.５Ｔ以下で超電導とならないバリア層であれば、低磁場領域でも使用することが可能となる。特に、超電導金属フィラメントがＮｂＴｉよりなり、常電導体の金属マトリックスが銅、またはＣｕ−Ｎｉ合金などの銅合金よりなり、バリア層がＴａよりなることが好ましい。
【０００９】
また、本発明の超電導線材の接続方法は、上記の超電導線の金属マトリックスの少なくとも一部をスズまたはスズ合金で置換し、置換されたスズまたはスズ合金を低融点の超電導合金、特に鉛またはＰｂ−Ｂｉなどの鉛合金で置換し、置換された超電導合金により複数本の超電導線材を接続するものである、その結果、未置換の常電導体の金属マトリックスの残留が抑制され、良好な超電導接続部を達成可能である。
【００１０】
他の本発明は、超電導線材の少なくとも一部で、常電導体の金属マトリクスが除去されており、バリア層を有する複数本の超電導体のフィラメントが低融点の超電導合金を介して一体化されている超電導線材の接続部構造にある。
【００１１】
さらに本発明は、上記の接続部を有する超電導線を用いた装置にある。上記接続部を備えるとともに、超電導線の接続部以外の部分は常電導体の金属マトリックスで覆われている。このような構成によれば、４.２Ｋ，２Ｔ以下の低磁場領域で使用されても欠陥が少なく、クエンチの生じにくい永久電流スイッチを提供できる。
【００１２】
また、同様に信頼性の高い永久電流回路を達成可能な装置を提供することが可能となる。このような装置として、核磁気共鳴分析装置，医療用磁気共鳴診断装置，磁気浮上式列車，超電導電力貯蔵装置，磁気分離装置，磁場中単結晶引き上げ装置，冷凍機冷却超電導マグネット装置，超電導エネルギー貯蔵，超電導発電機，核融合炉用マグネットなどで使用される超電導マグネットが挙げられる。
【００１３】
また、超電導線材の接続部性能が問題となる装置として、超電導減流器，外乱抑制コイルなどがあり、これらにも本発明の応用展開が可能である。
【発明の効果】
【００１４】
上述の通り、本発明によれば信頼性の高い超電導回路を搭載した装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】永久電流運転用の閉回路を示す図である。
【図２】永久電流スイッチ用線材の断面構成を示す図である。
【図３】超電導接続部の断面構成例を示す図である。
【図４】永久電流スイッチの例を示す図である。
【図５】マトリックスをＳｎで置換した超電導線材の断面を示す図である。
【図６】実施例の永久電流運転用の閉回路を示す図である。
【図７】実施例２の試験結果を示す図である。
【図８】実施例３の試験結果を示す図である。
【図９】超電導マグネットの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、上記本発明について更に詳細を説明する。
【００１７】
本発明の線材は、バリア層で覆われた超電動体のフィラメントが常電導体のマトリックス内に複数本埋め込まれることで構成され、多芯構造を有する超電導線材である。これまで、化合物系の超電導線を用いた超電導マグネットで、永久電流運転する場合に、ＣｕＮｉ合金を安定化材としたＮｂＴｉ超電導線で構成した永久電流スイッチが適用された例がある。
【００１８】
本発明の線材は、まず第一に永久電流スイッチで使用されることを想定され、その場合は４.２Ｋ以下，２Ｔ以下など、低磁場領域で使用される。特に線材の接続部では、１Ｔ以下を想定している。従ってバリア層は４.２Ｋ以下、２Ｔ以下の低磁場領域で超電導性能を示さないものとする必要がある。このようなバリア層を使用すれば、超電導フィラメント間のカップリングを抑制し、接続部を要因とする超電導クエンチを抑制することが可能となる。超電導フィラメントは、ＮｂＴｉの他，ＭｇＢ2，Ｎｂ3Ｓｎ，Ｎｂ3Ａｌなどの超電導物質で構成できる。
【００１９】
また、バリア層は、Ｔａ，Ｍｏまたはこれらの合金がよく、バリア層の厚さとしては、０.０１μｍ〜１μｍであることが好ましい。なお、接続部のクエンチの課題は多芯構造を有する超電導線材には限らないため、本発明は単芯構造を有する超電導線材にも適用可能である。
【００２０】
また、永久電流回路のクエンチは、特に超電導線の接続部で生じる場合が多い。複数の超電導線を接続する場合、フィラメントを覆う金属マトリックスをＰｂやＰｂ−Ｓｎなどの低融点の超電導体で置換する方法がある。本願発明者らは、置換のときに元の金属マトリックスなどが接続部内に残留することが、接続部性能の劣化の一因であることを突き止めた。金属マトリクスを固溶・溶解させるためにＳｎを用いる場合、ＮｂとＳｎが反応し、常電導のＮｂＳｎ２やＮｂ６Ｓｎ５を形成する。金属マトリックスの固溶・溶解が阻害され、健全な超電導接続部の製品の歩留まりが悪かった。
【００２１】
接続の工程中にＳｎとの固溶・拡散反応を使用することを想定すると、超電導金属フィラメントと常電導マトリックスとの間に設置されたバリア層が２５０℃〜５００℃においてＳｎと反応しないものである必要がある。上記構成によれば、接続部の金属マトリクスを十分に置換可能であり、接続部の不具合を要因とする超電導クエンチを抑制することが可能となる。
【００２２】
３００℃〜５００℃においてＳｎと反応せず、かつ４.２Ｋ以下，２Ｔ以下の低磁場領域で超電導とならない金属として、Ｔａ，Ｍｏまたはこれらを主とする合金が有効である。なお、本発明の超電導フィラメントは、ＮｂＴｉ線のほか他の超電導体とすることも可能である。超電導体としては、合金系超電導体，化合物系超電導体が知られている。上記接続部の課題は、ＮｂＴｉ線以外の超電導接続部でも共通する。常電導体の金属マトリックスとしては、ＣｕＮｉ，ＣｕＳｎ，ＣｕＺｎ，ＣｕＭｎ，ＣｕＭｇ，ＣｕＩｎ，ＣｕＣｏ，ＣｕＣｒなどのＣｕを主とする合金が好ましい。
【００２３】
上記のように、適正な接続部を達成するための超電導金属線構造，超電導線の接続方法を特定することで、信頼性の高い永久電流スイッチ，永久電流回路を有する超電導マグネットなどの装置を提供すること可能である。
【００２４】
超電導マグネットの運転方法として、（１）常に超電導コイルに電源から電流を通電する方法、（２）図１のような回路で、電源に対して永久電流スイッチと超電導コイルを並列に接続し、超電導コイルを励磁した後、このスイッチにより超電導コイルを電源から切り離して永久電流運転に移行させる方法、がある。現在、核磁気共鳴分析装置（以下、ＮＭＲ），医療用磁気共鳴診断装置（以下、ＭＲＩ），磁気浮上式列車などではほとんどが後者の永久電流運転により超電導マグネットが動作している。超電導マグネットの模式図を図９に示す。
【００２５】
図１を用いて永久電流スイッチを用いた永久電流運転について説明する。永久電流運転する超電導マグネット１は、超電導コイル２とその端子間に設けられる短絡スイッチ３からなる。この短絡スイッチ３が永久電流スイッチと呼ばれ、短絡時の抵抗を低くするため、超電導線で形成される。
【００２６】
永久電流運転の手順は以下の通りである。まず、ヒータ加熱や励磁またはその他の外部擾乱などにより、永久電流スイッチ３を形成している超電導線の臨界温度、臨界磁場をこえる状態として、超電導線を常電導状態（以下、ＰＣＳ−ＯＦＦと略する）とし、高抵抗を発生させる。次に、電源４から定格電流値まで超電導コイル２に通電し、励磁する。その後、永久電流スイッチ３を常電導状態にしている外部擾乱を停止し、永久電流スイッチ３を超電導状態（以下、ＰＣＳ−ＯＮと略する）し、電源の電流値をさげる。その結果、超電導コイル２と永久電流スイッチ３の間では永久電流運転が可能となる。
【００２７】
上記の永久電流運転を達成するため、永久電流スイッチには、ＰＣＳ−ＯＮ時に抵抗が非常に小さく（ほとんどゼロ）、ＰＣＳ−ＯＦＦ時の抵抗が大きいことが要求される。また、ＰＣＳ−ＯＮ時には定格電流を安定に長期間、通電することができ、必要時以外に常電導転移しない安定なものである必要がある。
【００２８】
これらの特性を満たすため、永久電流スイッチの超電導線では、極細のフィラメントを多数使用し、多芯構造とする。また、線材の長さを長くする。
【００２９】
また永久電流スイッチの接続、例えば永久電流スイッチと超電導コイルなどのその他の超電導回路とを超電導体で接続する。さらに超電導接続部を安定な構造とする。
【００３０】
従来は、ＣｕＮｉ合金を安定化材とし、高い通電特性のＮｂＴｉ線を用いることが好ましいと考えられており、バリア材としてＮｂを使用していた。この永久電流スイッチは一般的には４.２Ｋの液体ヘリウム中で使用する。しかしＮｂＴｉの臨界温度は約９Ｋであり、使用温度と臨界温度間の温度マージンが約５Ｋほどしかないため、わずかな擾乱エネルギーが侵入した場合でも、超電導線が臨界温度以上に上昇し、常電導転移が生じやすい。ＮｂＴｉ線を用いた永久電流スイッチには温度マージンが小さいため常電導転移しやすいという問題点がある。従って臨界温度の低いＮｂＴｉ線を永久電流スイッチ用超電導線として適用する場合、より過酷な条件で適用することが余儀なくされる。
【００３１】
さらにこの永久電流スイッチ用のＮｂＴｉ線の安定化材に、通常の無酸素銅の１０倍以上高い電気高抵抗のＣｕＮｉ合金を使用する。これは超電導コイルの励磁をより迅速にし、永久電流スイッチの電気高抵抗を高くするためである。しかしながら、この金属マトリックスも、永久電流スイッチをより常電導転移しやすい状態とする。
【００３２】
さらに、また超電導クエンチの抑制を目的に超電導フィラメントが極細の多芯構造となっていることは、超電導接続部の安定性を下げる。
【００３３】
永久電流スイッチの使用条件としては、磁場の低い低磁界雰囲気（２Ｔ以下の低磁界）へ設置し、定格電流を低めに設定することが好ましい。またその超電導接続部も１Ｔ以下の低磁界に設置される。これより、通常の超電導コイルに使用される超電導線材とは異なる低磁界用の線材設計が必要となる。そのため、永久電流スイッチを構成する超電導線では２Ｔ以下の低磁界領域において、また、接続部を構成する超電導線では１Ｔ以下の低磁界領域において、超電導フィラメント同士のカップリングがないことが必要である。
【００３４】
さらには上述のように、超電導線の接続でＣｕＮｉを固溶・拡散させる際にＳｎを適用するプロセスを適用するのであれば、バリア層とＳｎとの反応がないことも必要となる。
【００３５】
図２に永久電流スイッチ用超電導線の断面構造の例を示す。線材５は、複数の超電導金属フィラメント７と、フィラメントを安定化させる常電導の金属のマトリックス６を有する。各フィラメントには、バリア層８が設けられている。バリア層の厚みは０.０１μｍ〜１μｍとし、成分としてはＴａ，Ｍｏが好ましい。Ｔａ，Ｍｏは、４.２Ｋ，０.５Ｔでは常電導状態であり、超電導線材内での超電導フィラメントのカップリングは見られない。また、Ｓｎを使用して接続部の製造を行っても、Ｔａ，ＭｏはＳｎと２５０℃〜５００℃において合金層を形成しない。従って、Ｓｎとバリア層の反応が抑制され、線材の金属マトリックスのＣｕＮｉの固溶・拡散を健全に実施可能である。
【００３６】
高抵抗の金属マトリックス６としては、ＣｕＮｉ，ＣｕＳｎ，ＣｕＺｎ，ＣｕＭｎ，ＣｕＭｇ，ＣｕＩｎ，ＣｕＣｏ，ＣｕＣｒなどが好適である。Ｃｕを主とした合金は、冷却効果と高抵抗を両立することができる。またＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔなどの冷却効果の高い合金でも使用することは可能である。但し、抵抗値，冷却効果，価格の面からＣｕ合金が望ましい。また、特に実用化を検討した場合、ＣｕＮｉまたはＣｕＳｎ合金を使用することが望ましい。
【００３７】
図４に永久電流スイッチ３の構造の例を示す。この永久電流スイッチ３では、円筒形状を有し、口出し線固定部１５を設けたボビン１３を使用している。超電導線材を巻くボビン１３の材質はステンレス鋼やＦＲＰ，セラミックスなどを使用できる。ボビンの円筒部に、上記の超電導線材と超電導／常電導を切り替えるためのヒータ線とを無誘導巻きもしくはソレノイド巻きし、樹脂含浸させた巻線部１４を設けている例である。口出し線固定部１５には線材の端部を固定されており、口出し線の先端側には、超電導接続部９が存在する。
【００３８】
永久電流スイッチの高抵抗値を高くするため、使用する線材長さは充分に長くすることが好ましい。また、この線材をボビンに巻く際には、永久電流スイッチのインダクタンスが小さくなる無誘導巻きが望ましい。なお、励磁する超電導コイルや電流値が小さい場合は、無誘導巻きではなく、通常のソレノイド巻きでもよい。
【００３９】
巻線部に樹脂を含浸させることにより、超電導線材及びヒータ線を固定するとともに、絶縁，破損が防止される。含浸させる樹脂としては、エポキシ樹脂，ＷＡＸ，蜜ろうなどがある。
【００４０】
永久電流スイッチの口出し部の構造としては、口出し線を巻回する口出し溝を設ける構造にすることが好ましい。ＮｂＴｉ線の安定性を向上させるため、Ｃｕ線を共線として半田付けし、一緒に巻線するためである。
【００４１】
図３に永久電流スイッチと、その他の超電導体との超電導接続部９の断面の例を示す。接続管１２の中に、永久電流スイッチ用線材５中の超電導金属フィラメント７と、接続される超電導線の超電導部１０とを入れ、間を低融点の金属または合金よりなる超電導体１１で充填することで、接続管１２の中で超電導体１１を介して永久電流スイッチとその他の超電導体とが接続された構造となる。
【００４２】
低融点の金属または合金よりなる超電導体１１としては、低融点の超電導性能を示す金属または合金であり、融点が４００℃以下で、４.２Ｋの状態で超電導特性を有するものを使用できる。また、４.２Ｋ以下のいわゆる超流動状態で用いる場合は、その温度以上で超電導状態になるものが適用できる。Ｓｎ，Ｍｇ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｔｌ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｌなどの単体の金属、もしくは２種類以上を組み合わせたこれらの合金とすることが好ましい。特に、ＰｂＢｉ合金またはＰｂＢｉＳｎ合金は、超電導特性が高く好ましい。
【００４３】
また、図３で接続される超電導部９は、図２の永久電流スイッチの線材と同様の多芯線としてもよい。図５に、二本の多芯線を用い、金属マトリクスのＳｎでの置換を行った例の模式図を示す。超電導接続部を安定でかつ健全なものにするためには、常電導マトリックスをすべて固溶・拡散させる必要がある。バリア層を設けた多数の超電導体フィラメントをＣｕＮｉ金属マトリクスで一体化した多芯構造の線材であって、バリア層がＴａまたはＭｏのものと、バリア層がＮｂのものとをそれぞれ二本用意した。ＣｕＮｉをＳｎで置換する実験では、バリア層にＴａ，Ｍｏを使用した永久電流スイッチ用線材同士の接続においては、常電導マトリックス６がすべてＳｎ１６に置換された。一方、バリア層にＮｂを使用した永久電流スイッチ用線材同士の接続においては、中央部の大部分の常電導マトリックス６が残存したままの状態であった。この状態では、常電導マトリックスが残存した部分にある超電導金属フィラメントは接続されていない状態となる。従って、電流が流れるフィラメント本数が低減し、超電導接続部が不安定となる。
【００４４】
従って、本発明のようにＴａ，Ｍｏをバリア層とした超電導線材で永久電流スイッチを作製することで、１）ＰＣＳ−ＯＮ時に抵抗がゼロでかつ、安定である、２）ＰＣＳ−ＯＦＦ時の抵抗が大きい、３）定格電流を安定に長期間、通電することができる、４）必要時以外に常電導転移しない、永久電流スイッチを提供することができる。このような永久電流スイッチは、これらはＭＲＩ，ＮＭＲ，磁気浮上式列車などの永久電流運転を必要とする超電導マグネットに利用すると効果的である。永久電流運転する超電導マグネットシステムを構築することで、熱的に安定な永久電流運転を実現できる。また、同様に超電導減流器や外乱抑制コイルにも有効である。
【００４５】
以下、実施例を用いてさらに具体的な例を説明する。
【実施例１】
【００４６】
以下、本実施例では永久電流スイッチの試作例によりその製造プロセスについて説明する。
【００４７】
今回、永久電流スイッチの超電導線として、常電導マトリックスにＣｕ−１０ｗｔ％Ｎｉ合金、バリア層にＴａを使用し、複数本のＮｂＴｉ超電導フィラメントよりなる超電導線（ＣｕＮｉ−Ｔａ−ＮｂＴｉの三重構造を有する多芯線）を使用した。一方、接続されるもう一方の超電導線として、ＮｂＴｉ線を使用した。接続するための低融点の超電導合金としてＰｂＢｉＳｎ合金を使用し、永久電流スイッチを作製した。
【００４８】
まず、永久電流スイッチ用の超電導線を熱間押出，線引き加工により作製した。ＮｂＴｉ合金ロッドにＴａシートを巻きつけ、それらをＣｕ−１０ｗｔ％Ｎｉ管へ封入し、熱間押出，線引き加工を実施し、ＣｕＮｉ／Ｔａ／ＮｂＴｉの単芯線を作製した。作製したＣｕＮｉ／Ｔａ／ＮｂＴｉを六角形に線引き加工した後、ＣｕＮｉ合金管の中に約２０００本組み込んだ。組み込んだ金属管を熱間押し出し、線引き加工により、φ１.５mmまで長尺化した。絶縁加工により、エナメルを塗布・焼付けた。なお、超電導線の製法として、線引き加工はドローベンチ加工，押出し加工，その他伸線加工，静水圧プレス加工，圧延加工などに変更しても同様の線材が得られる。また、超電導線の最終加工径は永久電流スイッチの仕様により任意に決定できるが、実際の運転上、φ０.２mm〜φ３.０mmが望ましい。
【００４９】
次に、永久電流スイッチ用の超電導線をＦＲＰ製ボビンに無誘導巻きで巻線した。永久電流スイッチのＰＣＳ−ＯＦＦ時の高抵抗値が１０Ωとした。巻線長さは３０ｍである。そして、その外側にヒータ線としてマンガニン線を巻線した。巻き線部に、樹脂含浸をすることで、永久電流スイッチを形成した。
【００５０】
なお、高抵抗値は超電導マグネットの励磁速度で、巻線長さは超電導線の単位長さあたりの電気高抵抗値と調整して決定する。ただし、高抵抗値は大きいほど超電導マグネットの励磁速度を速くすることが可能になる。また線材の単位長さあたりの電気高抵抗値が大きいほど、使用線材が短くなり、コスト低減，安定性及び冷却性が向上する。つまり、単位長さあたりの電気高抵抗値を大きくすることで使用線材を短くするが、永久電流スイッチのＰＣＳ−ＯＦＦ時の電気高抵抗は大きいものが最も望ましい。
【００５１】
今回はヒータ線としてマンガニン線を用いたが、ニクロム線などの高抵抗でかつＭｇＢ２の熱処理温度以上の融点をもつ一般的なヒータ線であれば同様の効果が得られる。また今回は超電導線を巻きつけた外側にヒータ線を巻線したが、超電導線にヒータ線を巻きつけた状態にして巻線する方法、超電導線の内側にヒータをまきつける方法、ボビンの中心軸の中、ボビンの上下部、ボビンを覆うような形状のヒータを設置することでも同様の効果が得られる。
【００５２】
さらにヒータはヒータ線を使用するものに限られず、またヒータのほかに磁場等でも永久電流スイッチの入／切を行うことができる。
【００５３】
永久電流スイッチの口出し部を固定し、その先端をもう一方のＮｂＴｉ線と超電導接続した。まず、永久電流スイッチ用超電導線材の片端５０mmを４００℃のＳｎ浴中に１２０分間浸漬させ、ＣｕＮｉ溶融プロセスを行った後、Ｓｎ浴から引き上げた。次にＮｂＴｉ線材の片端５０mmを４００℃のＳｎ浴中に２０分間浸漬させた後、Ｓｎ浴から引き上げた。この時点では、超電導線のＣｕＮｉのみが溶解し、Ｔａの上からＳｎが付着した状態になっている。ＮｂＴｉフィラメントは酸化されていなかった。
【００５４】
Ｓｎ浴に浸漬させる長さは５mm〜７００mm程度が望ましい。通常、接続長さは通電したい電流値に応じて決定するが、５mmより短くなることで通電電流量が激減する。一方逆に７００mmより長くしても効果が薄く、装置の大型化，ハイコスト化に繋がる。また、Ｓｎ浴中の浸漬条件は２５０℃〜５００℃×１０分〜１２０分程度である。浸漬条件は超電導線のＣｕ比，線材構造，線材径で決定され、高温，長時間としすぎると、超電導線の通電特性が低下する。
【００５５】
次に、溶融プロセス後の超電導線及びＮｂＴｉ線の片端５５mmを４００℃のＰｂＢｉＳｎ合金浴中に１０分間浸漬させた後、ＰｂＢｉＳｎ浴から引き上げた。この時点では、ＮｂＴｉ線は酸化が進行しない状態でＰｂＢｉＳｎが付着した状態になっている。ＰｂＢｉＳｎ浴に浸漬させる長さは５mm〜５００mm程度で、溶融プロセスを行った長さより長くする。ＰｂＢｉＳｎの濡れ性を向上させ、Ｓｎが残留しないようにする。また、ＰｂＢｉＳｎ浴中の浸漬条件は１５０℃〜６５０℃×１０分〜６０分程度が望ましい。この場合にも条件は超電導線の線材構造，線材径で決定され、高温化，長時間化させすぎることで超電導線の通電特性が低下する。
【００５６】
次に、ＰｂＢｉＳｎ合金を付着させた超電導線及びＮｂＴｉ線のＰｂＢｉＳｎ合金部（超電導部）同士をＣｕ線で固定し、線材固定部とした。線材固定部を作製することで、超電導部同士をより密着させ、通電特性を向上させることができる。線材を固定する方法としては、超電導フィラメントが破損しない程度に、かしめ接合，スポット溶接，超音波溶接，拡散接合，固相拡散を使用できる。これが可能であるのも、バリア層がＴａ，Ｍｏであるためである。
【００５７】
最後に、Ｃｕ製の接続金属管内に線材固定部を差込んだ後、ＰｂＢｉＳｎ合金を充填した。接続金属管はＣｕ製のほか、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕなどの冷却性に優れたものを同様に使用できる。接続金属管の目的はＰｂＢｉ合金で管内を充填し、線材固定部となじませるためである。
【００５８】
本実施例では、ＰｂＢｉＳｎ合金を使用したが、Ｓｎを含まないＰｂＢｉ合金も同様に好適に使用可能である。ＰｂＢｉ合金のＰｂ，Ｂｉの配合は、Ｐｂ−３５ｗｔ％Ｂｉ〜Ｐｂ−６５ｗｔ％Ｂｉが望ましい。これは、Ｔａ，Ｍｏバリアになったため、従来のＮｂバリアの超電導化の影響がなくなり、ＮｂＴｉフィラメント間に存在するＰｂＢｉ合金の高Ｊｃ化が必要となったためである。ＰｂＢｉ合金は、上記配合比以外も使用はできるが、一般的な１００mm程度の接続長の場合では、抵抗値は、１×１０-11Ω代であるため、使用可能な永久電流コイルに制限がある。そのため、上記配合比にし、特に、Ｐｂ−５０ｗｔ％Ｂｉ程度（Ｐｂ−４５ｗｔ％Ｂｉ〜Ｐｂ−５５ｗｔ％Ｂｉ）にすることで、抵抗値が１／１００以上改善するため、非常に安定でかつ、低抵抗な接続部を作製するために有効な手段となる。
【００５９】
このような超電導接続部を作製することにより、超電導コイル部と超電導接続部を兼備する永久電流スイッチが完成する。
【実施例２】
【００６０】
次に、図６に示す永久電流試験用の閉ループ回路を作成し、実施例１で作製した永久電流スイッチの永久電流試験を実施した。ＮｂＴｉ線を用いた超電導コイル２，永久電流スイッチ３，励磁電源４、を用意し、これらのＮｂＴｉ線と接続用のＮｂＴｉ線１８とを超電導接続部１９で接続した。超電導接続部の構造は、図５（ａ）のように二本の多芯ＮｂＴｉ線を一体化して接続した構造とした。ＮｂＴｉ線のバリア材としては、Ｔａ，Ｍｏをそれぞれ使用した。
【００６１】
試験は以下の手順で実施した。まず永久電流スイッチ３のヒータに通電し、永久電流スイッチを常電導に転移（９Ｋ以上）させ、スイッチ切の状態とした。次に、励磁電源４を用いて超電導コイル２に通電し、励磁した。充分に超電導コイルが励磁された後、永久電流スイッチのヒータを切り、徐々にスイッチ入の状態に移行させた。励磁電源の電流を下げ、充分に永久電流スイッチが冷却されるのを待って、永久電流運転を評価した。
【００６２】
評価は、超電導コイル内にホール素子を設置し、そこで発生する磁場を電流値に換算した値の時間変化量を測定することにより行った。図７に通電電流が６００Ａの永久電流回路の測定結果を示す。測定は１０時間実施した。永久電流運転中の常電導転移が一度もなく、そしてほとんど電流減衰がなく、閉回路全体の高抵抗値が１×１０-12Ω以下であることがわかった。
【００６３】
また通電電流を１００Ａ〜１０００Ａまで変化させ、同様の試験を実施した。図７と同様に、良好な永久電流回路となった。さらに２４時間以上の長時間評価を実施したが、常電導転移や大きな電流減衰はなかった。
【００６４】
従って、本発明のＴａ，Ｍｏをバリア材とした超電導線材で接続部を作成した場合には、永久電流スイッチの永久電流特性が高く、さらに非常に安定であることがわかった。
【実施例３】
【００６５】
実施例２では永久電流回路の超電導コイルを、ＮｂＴｉ線で作成したが、同様にＭｇＢ2線，Ｎｂ3Ｓｎ線，Ｎｂ3Ａｌ線で作製した超電導コイルを用いて試験を行った。
【００６６】
そのうち、ＭｇＢ2線超電導コイルを用いた試験結果を図８に示す。電流値は２００Ａ、測定は１０時間実施した。測定の結果、永久電流運転中の常電導転移が一度もなく、そしてほとんど電流減衰がなく、閉回路全体の高抵抗値が１×１０-12Ω以下であった。また、通電電流を１００Ａ〜５００Ａまで変化させ、同様の試験を実施したところ、いずれの電流値でも良好な永久電流運転が可能であった。さらに２４時間以上の長時間評価を実施したが、常電導転移や大きな電流減衰は見られなかった。
【００６７】
またＮｂ3ＳｎやＮｂ3Ａｌのコイルでは、１５００Ａまでの電流値の範囲で同様の結果となった。
【００６８】
この結果より、どのような種類の超電導線においても、微小な接続抵抗で超電導接続が可能となることがわかる。
【００６９】
また、本実施例では、低融点の超電導合金としてＰｂＢｉ合金を使用して接続したが、ＭｇＢ2に変更すれば２０Ｋ以上の永久電流運転が可能となる。
【符号の説明】
【００７０】
１  超電導マグネット
２  超電導コイル
３  永久電流スイッチ（短絡スイッチ）
４  電源
５  永久電流スイッチ用線材
６  常電導マトリックス
７  超電導金属フィラメント
８  バリア層
９  超電導接続部
１０  超電導部
１１  低融点の超電導合金
１２  接続管
１３  ボビン
１４  巻線部
１５  口出し固定部
１７  Ｓｎ
１８  電流リード用超電導線
１９  ＮｂＴｉ線とＮｂＴｉ線の接続部
２０  閉ループ回路
【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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【図８】
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【図９】
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