(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニオブ（Ｎｂ）とアルミニウム（Ａｌ）の箔を多層に巻き上げ、銅（Ｃｕ）管に挿入して複合体を組み立てる第１工程と、前記複合体を細線化加工する第２工程と、前記細線化した複合体を多数本、銅（Ｃｕ）管に挿入して多芯複合体を組み立てる第３工程と、前記多芯複合体を細線化加工する第４工程と、前記細線化した多芯複合体の外周に銀（Ａｇ）を被覆する第５工程と、前記銀（Ａｇ）を被覆した多芯複合体の複数本を撚り線加工をする第６工程と、Ａ１５型超電導化合物を形成させるとともに前記多芯複合体の界面で銅（Ｃｕ）を拡散接合させる熱処理を行う第７工程とからなるＮｂ−Ａｌ系超電導導体の製造方法。
【請求項２】
ニオブ（Ｎｂ）とアルミニウム（Ａｌ）の箔を多層に巻き上げ、ニオブ（Ｎｂ）管に挿入して複合体を組み立てる第１工程と、前記複合体を細線化加工する第２工程と、前記細線化した複合体を多数本、ニオブ（Ｎｂ）管に挿入して多芯複合体を組み立てる第３工程と、前記多芯複合体を細線化加工する第４工程と、前記細線化した多芯複合体を急熱及び急冷した熱処理を行う第５工程と、前記熱処理した多芯複合体に銅（Ｃｕ）を被覆する第６工程と、前記銅（Ｃｕ）を被覆した多芯複合体の外周に銀（Ａｇ）を被覆する第７工程と、前記銀（Ａｇ）を被覆した多芯複合体の複数本を撚り線加工をする第８工程と、Ａ１５型超電導化合物を形成させるとともに前記多芯複合体の界面で銅（Ｃｕ）を拡散接合させる熱処理を行う第９工程とからなるＮｂ−Ａｌ系超電導導体の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の製造方法によって製造したことを特徴とするＮｂ−Ａｌ系超電導導体。
【請求項４】
巻枠に超電導導体を整列蜜巻きして構成した超電導コイルにおいて、前記超電導導体に、請求項３に記載のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を用いていることを特徴とする超電導コイル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体及びその製造方法に係わり、特に、高い安定度を有し、大電流容量の超電導導体を構成することが可能なＮｂ−Ａｌ系超電導導体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超電導導体においては、高い電流密度を達成することが可能な超電導導体の製造方法の１つとして、「ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ」Ｖｏｌ．ＭＡＧ−１１、Ｎｏ２、Ｍａｒｃｈ  １９７５、ｐｐ２６３〜２６５に開示されているようなジェリーロール法が知られている。
【０００３】
このジェリーロール法は、ニオブ（Ｎｂ）とアルミニウム（Ａｌ）の箔を多層に巻き上げて長尺複合ワイヤを多数本構成し、得られた多数本の複合ワイヤを銅（Ｃｕ）管に並べて挿入して多芯線構造の線材を構成し、得られた多芯線構造の線材を伸線加工してＮｂ3 Ａｌ超電導導体を構成しているものである。このＮｂ3 Ａｌ超電導導体は、ニオブ（Ｎｂ）とアルミニウム（Ａｌ）の各層間距離が５０ｎｍ程度にまで超近接配置されているため、反応速度が高められ、１０００℃以下の低温熱処理においても、Ａ１５超電導化合物を形成させることが可能なものである。
【０００４】
また、既知の超電導導体の他の一例として、２０Ｔ（テスラー）級の高磁場用Ｎｂ3 Ａｌ超電導線材の開発が進められている。このＮｂ3 Ａｌ超電導線材は、急熱急冷処理を行って、ｂｃｃ結晶構造の過飽和固溶体を経由し、最終熱処理でＡ１５型Ｎｂ3 Ａｌ化合物を析出させた析出法Ｎｂ3 Ａｌ超電導線材であって、Ｎｂ3 Ａｌフィラメントがニオブ（Ｎｂ）母材に埋め込まれた構造のもので、急熱急冷処理が行われ、その後に安定化銅（Ｃｕ）が被覆される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような既知のＮｂ3 Ａｌ超電導導体を超電導マグネット等の超電導応用装置に適用する場合には、Ｎｂ3 Ａｌ超電導導体に通流する運転電流を適切な値にする必要があり、例えば、超電導マグネットにおいては、１０Ｔ（テスラー）の磁場中で１０ＫＡの通電を可能にしたＮｂ3 Ａｌ超電導導体が必要になる。
【０００６】
しかるに、前記既知のＮｂ3 Ａｌ超電導導体は、その製造方法から見て、大容量の電流を通流可能なモノリス超電導線材を得ることが困難であった。そこで、従来は、Ｎｂ3 Ａｌ超電導導体を多数本撚り合わせて束ねた構造の撚り線型超電導導体にし、大容量の電流を通流可能にしていた。
【０００７】
ところが、Ｎｂ3 Ａｌ超電導導体を多数本撚り合わせた撚り線型超電導導体は、大容量の電流が通流可能になる反面、撚り合わせた多数本のＮｂ3 Ａｌ超電導導体間において、多数本のＮｂ3 Ａｌ超電導導体間の結合性が悪くなり、多数本のＮｂ3 Ａｌ超電導導体間の電流分流をスムースに行うことができないため、多数本のＮｂ3 Ａｌ超電導導体にそれぞれ流れる電流の大きさが不揃いになって電流分布に不均等を生じる、いわゆる偏流が生じるようになって、これが超電導マグネットの動作の安定性を阻害するという問題がある。
【０００８】
この点に関して、超電導材料としてＮｂ−Ｔｉ系合金を用いた撚り線型超電導導体においては、Ｎｂ−Ｔｉ合金系超電導導体間の結合に半田含浸を用いることにより、Ｎｂ−Ｔｉ合金系超電導導体間の接触状態を改良することができるが、Ｎｂ3 Ａｌ超電導導体を用いた撚り線型超電導導体は、コイル状に形成した後で、熱処理を行うＷ＆Ｒ法を用いているため、超電導導体間を半田含浸によって結合させることができない。
【０００９】
また、この撚り線型超電導導体を構成する場合に、既知の製造手段の１つである成型手段を用いると、撚り線超電導導体における多数本の超電導導体間に隙間が形成され、撚り線超電導導体に大容量の電流が流れたとき、それぞれの超電導導体に働く電磁力によって、いずれかの超電導導体がこれらの隙間を動くため、超電導導体の何本かのものがクエンチを起こし、その結果、超電導マグネットを構成超電導コイルが同様にクエンチを起こしてしまうという問題もある。
【００１０】
本発明は、これらの問題点を解消するものであって、その目的は、安定な動作状態が維持できるとともに、大容量電流の通流が可能で、高い磁場の発生が可能なＮｂ−Ａｌ系超電導導体及びその製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によるＮｂ−Ａｌ系超電導導体の製造方法は、ニオブ（Ｎｂ）とアルミニウム（Ａｌ）の箔を多層に巻き上げ、銅（Ｃｕ）管に挿入して複合体を組み立てる工程、複合体を細線化加工する工程、細線化した複合体を多数本、銅（Ｃｕ）管に挿入して多芯複合体を組み立てる工程、多芯複合体を細線化加工する工程、細線化した多芯複合体の外周に銀（Ａｇ）を被覆する工程、銀（Ａｇ）を被覆した多芯複合体の複数本を撚り線加工をする工程、Ａ１５型超電導化合物を形成させるとともに多芯複合体の界面で銅（Ｃｕ）を拡散接合させる熱処理を行う工程からなる第１の手段を具備する。
【００１４】
また、前記目的を達成するために、本発明によるＮｂ−Ａｌ系超電導導体の製造方法は、ニオブ（Ｎｂ）とアルミニウム（Ａｌ）の箔を多層に巻き上げ、ニオブ（Ｎｂ）管に挿入して複合体を組み立てる工程、複合体を細線化加工する工程、細線化した複合体を多数本、ニオブ（Ｎｂ）管に挿入して多芯複合体を組み立てる工程、多芯複合体を細線化加工する工程と、細線化した多芯複合体を急熱及び急冷した熱処理を行う工程、熱処理した多芯複合体に銅（Ｃｕ）を被覆する工程、銅（Ｃｕ）を被覆した多芯複合体の外周に銀（Ａｇ）を被覆する工程、銀（Ａｇ）を被覆した多芯複合体の複数本を撚り線加工をする工程、Ａ１５型超電導化合物を形成させるとともに多芯複合体の界面で銅（Ｃｕ）を拡散接合させる熱処理を行う工程からなる第２の手段を具備する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態において、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体の製造方法は、ニオブ（Ｎｂ）とアルミニウム（Ａｌ）の箔を多層に巻き上げ、銅（Ｃｕ）管に挿入して複合体を組み立てる第１工程と、複合体を細線化加工する第２工程と、細線化した複合体を多数本、銅（Ｃｕ）管に挿入して多芯複合体を組み立てる第３工程と、多芯複合体を細線化加工する第４工程と、細線化した多芯複合体の外周に銀（Ａｇ）を被覆する第５工程と、銀（Ａｇ）を被覆した多芯複合体の複数本を撚り線加工をする第６工程と、Ａ１５型超電導化合物を形成させるとともに多芯複合体の界面で銅（Ｃｕ）を拡散接合させる熱処理を行う第７工程とからなるものである。
【００２１】
本発明の第２の実施の形態において、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体の製造方法は、ニオブ（Ｎｂ）とアルミニウム（Ａｌ）の箔を多層に巻き上げ、ニオブ（Ｎｂ）管に挿入して複合体を組み立てる第１工程と、複合体を細線化加工する第２工程と、細線化した複合体を多数本、ニオブ（Ｎｂ）管に挿入して多芯複合体を組み立てる第３工程と、多芯複合体を細線化加工する第４工程と、細線化した多芯複合体を急熱及び急冷した熱処理を行う第５工程と、熱処理した多芯複合体に銅（Ｃｕ）を被覆する第６工程と、銅（Ｃｕ）を被覆した多芯複合体の外周に銀（Ａｇ）を被覆する第７工程と、銀（Ａｇ）を被覆した多芯複合体の複数本を撚り線加工をする第８工程と、Ａ１５型超電導化合物を形成させるとともに多芯複合体の界面で銅（Ｃｕ）を拡散接合させる熱処理を行う第９工程とからなるものである。
【００２４】
本発明の第１及び第２の実施の形態によれば、ニオブ（Ｎｂ）とアルミニウム（Ａｌ）の箔を多層に巻き上げ、それをニオブ（Ｎｂ）管に挿入して複合体を組み立て、その複合体を細線化加工し、細線化加工した複合体を多数本ニオブ（Ｎｂ）管に挿入して多芯複合体を組み立て、この多芯複合体を細線化加工した後で、多芯複合体の外周に銀（Ａｇ）を被覆する工程を経て、多芯複合体の界面で銅（Ｃｕ）を拡散接合させる熱処理を行う製造プロセスを採用したことによって、Ｎｂ−Ａｌ系超電導素線の接触界面の少なくとも一部が相互に安定化銅（Ｃｕ）によって拡散接合されるようになり、その結果、Ｎｂ−Ａｌ系超電導素線間の接続抵抗が小さくなって、多数本のＮｂ−Ａｌ系超電導素線間の偏流の発生を低減することができ、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体の動作時の不安定性が大幅に改善されるだけでなく、個々のＮｂ−Ａｌ系超電導素線の機械的強度が増大し、Ｎｂ−Ａｌ系超電導素線間に隙間ができ難くなるので、Ｎｂ−Ａｌ系超電導素線を流れる大電流に基づく電磁力の発生によって、Ｎｂ−Ａｌ系超電導素線が動くことがなくなり、クエンチの発生を防ぐことが可能なＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造することが可能になる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００２６】
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明によるＮｂ−Ａｌ系超電導導体の第１実施例の構成を示す断面図で、（ａ）は超電導導体全体の断面図、（ｂ）は超電導導体における超電導素線部分の断面図であって、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体の断面形状が平角形である例を示すものである。
【００２７】
図１（ａ）、（ｂ）において、１はＮｂ3 Ａｌフィラメント、２はニオブ（Ｎｂ）層、３は安定化銅（Ｃｕ）材、４は超電導素線、５は拡散接合部である。
【００２８】
そして、Ｎｂ3 Ａｌフィラメント１は、線状体のものであって、その外周にニオブ（Ｎｂ）層２が設けられ、ニオブ（Ｎｂ）層２を設けたＮｂ3 Ａｌフィラメント１が多数本集められた状態で安定化銅（Ｃｕ）材３の中に埋め込まれ、１本の超電導素線４が構成されている。超電導素線４は、図１（ａ）に示されるように、横長の平角形の断面形状になるように複数本、例えば９本が組み合わされ、その組み合わせが行われた際に、隣接配置される超電導素線４の接触領域の少なくとも一部に拡散接合部５が構成されている。
【００２９】
次いで、図２は、図１（ａ）、（ｂ）に図示の第１実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造する場合の製造方法の一実施例を示す製造工程図である。
【００３０】
図２の製造工程図を用い、第１実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体が製造される経緯について説明する。
【００３１】
始めに、工程１において、ニオブ（Ｎｂ）箔とアルミニウム（Ａｌ）箔とを、ジェリーロール（Ｊｅｌｌｙ−ｒｏｌｌ）法を用いて、多層状態になるように巻き上げて線状態のものにし、この線状態のものを銅（Ｃｕ）管内に挿入して複合体を構成する。
【００３２】
次に、工程２において、工程１で得られた複合体を、細線化装置を用いて細線化加工し、細くて長いＮｂ3 Ａｌフィラメント１を構成する。
【００３３】
次いで、工程３において、多数本のＮｂ3 Ａｌフィラメント１を銅（Ｃｕ）管内に挿入して多芯複合体を構成する。
【００３４】
続く、工程４において、工程３で得られた多芯複合体を、細線化装置を用いて細線化加工し、細線化した多芯複合体、即ち、超電導素線４を構成する。
【００３５】
続いて、工程５において、超電導素線４の外周に、メッキ装置を用いて銀（Ａｇ）メッキを行い、銀（Ａｇ）被覆を設けた超電導素線４を構成する。ただし、本実施例において、銀（Ａｇ）被覆の厚さは限定的なものではなく、例えば、厚さが２μｍ乃至５μｍの範囲内であれば、適宜選択することができる。また、本実施例において、銀（Ａｇ）被覆の形成手段はメッキ装置を用いたものに限定されるものではなく、他の手段、例えば、後述する工程６における撚り線加工時に、銀（Ａｇ）箔を用いた複合加工手段によって被覆を行うようにしてもよい。
【００３６】
この場合、超電導素線４の外周に銀（Ａｇ）被覆を設ける理由は、以下の工程７で行われる最終熱処理時に、超電導素線４の接触界面における銅（Ｃｕ）の拡散接合を容易にするためである。具体的には、超電導素線４の外周に銀（Ａｇ）被覆を設けると、超電導素線４の外周に酸化被膜が形成されるのを防止できるとともに、超電導素線４の接触界面における銅（Ｃｕ）の拡散速度を速め、拡散接合部５が効果的に形成されるようになる。
【００３７】
次に、工程６において、複数本の銀（Ａｇ）被覆を設けた超電導素線４を、撚り線装置を用いて撚り合わせ加工を行い、断面形状が平角形の撚り合わせ導体を構成する。
【００３８】
次いで、工程７において、工程６で得られた撚り合わせ導体を、熱処理装置を用いて最終熱処理を行い、超電導素線４の接触界面の少なくとも一部に拡散接合部５を形成し、また、超電導素線４の内部にＡ１５型超電導化合物を形成させて、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体を得ている。この場合、最終熱処理は、アルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中で、温度を７８０℃にして、１０時間にわたって行う。ただし、本実施例において、最終熱処理を行う際の処理温度や処理時間は限定的なものではなく、例えば、銅（Ｃｕ）−銀（Ａｇ）の２元系の共晶温度が７７９℃であることから、７５０℃乃至８００℃の間の処理温度で、５０時間乃至２０時間の間の処理時間であれば、適宜それらの値を選択することが可能である。
【００３９】
得られたＮｂ−Ａｌ系超電導導体は、一例として、超電導素線４の外径が０．８１ｍｍであり、Ｎｂ3 Ａｌフィラメント１と安定化銅（Ｃｕ）材３との断面積比が１．０：２．０であり、Ｎｂ3 Ａｌフィラメント１の直径が５０μｍであり、Ｎｂ3 Ａｌフィラメント１の本数が９０本のものである。また、超電導素線４における銀（Ａｇ）被覆の厚さは３μｍであり、撚り線加工を行った超電導素線４の本数は１１本であって、平角形部分の縦幅（短幅の長さ）は１．４５ｍｍ、横幅（長幅の長さ）は４ｍｍであり、アスペクト比は２．７６のものである。そして、得られたＮｂ−Ａｌ系超電導導体の断面を顕微鏡で観察したところ、超電導素線４の接触界面に拡散接合部５が形成されていることが確認できた。
【００４０】
また、図３は、図２に図示の製造方法によって製造された図１に図示の第１実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体の端子間電圧−通流電流を示す特性図、及び、超電導素線４の外周に銀（Ａｇ）被覆を設けていない比較例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体の端子間電圧−通流電流を示す特性図である。
【００４１】
図３において、縦軸はμＶで表した端子間電圧であり、横軸はＡで表した通流電流であって、線イは第１実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体の特性、線ロは比較例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体の特性である。
【００４２】
図３の特性図の線イに示されるように、第１実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体は、１０Ｔ（テスラー）の磁場中において通流電流を順次増大させていったところ、通流電流が１８００Ａ近くになるまで端子間電圧は０Ｖであり、通流電流が１８００Ａを超えると徐々に端子間電圧が増え始めるようになった。そして、端子間電圧が０．１μＶを示す通流電流は１８２０Ａであり、１本の超電導素線４における臨界電流は同じ１０Ｔ（テスラー）の磁場中で１６７Ａであって、１１本の超電導素線４を撚り線状態にして構成したＮｂ−Ａｌ系超電導導体は、臨界電流の加算性が保持されており、超電導素線４を流れる大電流に基づく電磁力の発生による超電導素線４の動きもなくなり、安定した動作状態で大容量の電流を通流可能なＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造することができた。
【００４３】
一方、図２に図示の製造方法の中で、超電導素線４の外周に銀（Ａｇ）被覆を設ける工程５のみを除外した比較例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体は、断面を顕微鏡で観察しても、超電導素線４の接触界面に拡散接合部５が形成されていることを確認することはできないだけでなく、図３の特性図の線ロに示されるように、１０Ｔ（テスラー）の磁場中において通流電流を順次増大させていった場合、通流電流が１３５０Ａまでは端子間電圧は０Ｖであったが、１３５０Ａを超えると、急激に端子間電圧が上昇するようになった。これは超電導素線４を流れる大容量の電流に基づく電磁力により、超電導素線４が動き、クエンチ現象が生じたためであると考えられる。
【００４４】
次いで、図４は、本発明によるＮｂ−Ａｌ系超電導導体の第２実施例の構成を示す断面図で、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体の断面形状が円形である例を示すものである。
【００４５】
図４において、６は安定化材として働く銅（Ｃｕ）素線であり、その他、図１（ａ）、（ｂ）に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付けている。
【００４６】
この第２実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体（以下、これを第２実施例導体という）と、前記第１実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体（以下、これを第１実施例導体という）との間の構成の違いは、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体の断面形状に関して、第１実施例導体が平角形であるのに対し、第２実施例導体が円形である点（第１相違点）、及び、撚り合わせた複数本の超電導素線４の配置に関して、第１実施例導体が全本数を超電導導体４で構成しているのに対し、第２実施例が真中の１本を銅（Ｃｕ）素線６で構成し、残りの本数を超電導導体４で構成している点（第２相違点）だけであって、第１及び第２相違点以外に、第２実施例導体と第１実施例導体との間に構成上の違いはない。このため、第２実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体の構成については、これ以上の詳しい説明を省略する。
【００４７】
また、第２実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造する場合の製造方法は、既に図２に図示された第１実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造する場合の製造方法と殆んど同じであるので、第２実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造する場合の製造方法についても、これ以上の詳しい説明を省略するが、第２実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体においても、図３の特性図の線イに示すような良好な端子間電圧−通流電流特性を得ることができる。
【００４８】
なお、第２実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体においては、安定化材として銅（Ｃｕ）素線６を用いた例を挙げて説明したが、本発明のＮｂ−Ａｌ系超電導導体における安定化材は銅（Ｃｕ）素線６である場合に限られるものではなく、銅（Ｃｕ）素線６の代わりに他の素線、例えば、Ｎｂ3 Ａｌ素線を用いてもよい。
【００４９】
なお、第２実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体においては、安定化材として１本の銅（Ｃｕ）素線６を用いた例を挙げて説明したが、本発明のＮｂ−Ａｌ系超電導導体における銅（Ｃｕ）素線６の使用本数は１本である場合に限れられるものではなく、必要に応じて、２本またはそれ以上の本数を用いるようにしてもよい。
【００５０】
続く、図５は、本発明によるＮｂ−Ａｌ系超電導導体の第３実施例の構成を示す断面図で、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体の断面形状が楕円形である例を示すものである。
【００５１】
図５において、７は補強材として働く断面楕円形状の銅（Ｃｕ）被覆したステンレススチィール素線であり、その他、図４に図示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付けている。
【００５２】
この第３実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体（以下、これを第３実施例導体という）と、前記第２実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体との間の構成の違いは、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体の断面形状に関して、第３実施例導体が楕円形であるのに対し、第２実施例導体が円形である点（第１相違点）、及び、銅（Ｃｕ）被覆ステンレススチィール素線の断面形状に関して、第３実施例導体が楕円形であるのに対し、第２実施例が円形である点（第２相違点）だけである。このため、第３実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体の構成については、特に、導体全体の機械強度の増大が図られている。
【００５３】
また、第３実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造する場合の製造方法は、図２に図示された第１実施例または第２実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造する場合の製造方法と殆んど同じであるので、第３実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造する場合の製造方法についても、これ以上の詳しい説明を省略するが、第３実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体においても、図３の特性図の線イに示すような良好な端子間電圧−通流電流特性を得ることができる。
【００５４】
なお、第３実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体においても、補強材として断面楕円形状の銅（Ｃｕ）素線７を用いた例を挙げて説明したが、本発明のＮｂ−Ａｌ系超電導導体における補強材はステンレススチィール７である場合に限られるものではなく、代わりに他の素線、例えば、ニオブ（Ｎｂ）やタンタル（Ｔａ）等を用いてもよい。
【００５５】
続いて、図６は、本発明によるＮｂ−Ａｌ系超電導導体の第４実施例の構成を示す断面図で、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体の断面形状が円形であり、複数本の銅（Ｃｕ）素線を設けている例を示すものである。
【００５６】
図６において、６1 、６2 、６3 は補強材または安定化材として働く３本の銅（Ｃｕ）素線であり、その他、図４に図示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付けている。
【００５７】
この第４実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体（以下、これを第４実施例導体という）と、前記第２実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体との間の構成の違いは、銅（Ｃｕ）素線の使用本数に関して、第４実施例導体が真中に１本、周辺に２本の合計３本であるのに対し、第２実施例が真中だけの１本である点だけであって、この相違点以外に、第４実施例導体と第２実施例導体との間に構成上の違いはない。このため、第４実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体の構成についても、これ以上の詳しい説明を省略する。
【００５８】
また、第４実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造する場合の製造方法は、図２に図示された第１実施例乃至第３実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造する場合の製造方法と殆んど同じであるので、第４実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造する場合の製造方法についても、これ以上の詳しい説明を省略するが、第４実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体においても、図３の特性図の線イに示すような良好な端子間電圧−通流電流特性を得ることができる。
【００５９】
なお、第４実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体においても、補強材として銅（Ｃｕ）素線６1 、６2 、６3 を用いた例を挙げて説明したが、本発明のＮｂ−Ａｌ系超電導導体における補強材は銅（Ｃｕ）素線６1 、６2 、６3 である場合に限られるものではなく、銅（Ｃｕ）素線６1 、６2 、６3 の代わりに他の素線、例えば、Ｎｂ3 Ａｌ素線を用いてもよい。
【００６０】
また、第４実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体は、複数本の銅（Ｃｕ）素線６1 、６2 、６3 を用いた例として３本を用いた例を挙げて説明したが、本発明のＮｂ−Ａｌ系超電導導体に使用される複数本の銅（Ｃｕ）素線６1 、６2 、６3 の本数は３本である場合に限られるものではなく、２本または４本またはそれ以上であってもよい。
【００６１】
次に、図７（ａ）、（ｂ）は、本発明によるＮｂ−Ａｌ系超電導導体の第５実施例の構成を示す断面図で、（ａ）は超電導導体全体の断面図、（ｂ）は超電導導体における超電導素線部分の断面図であり、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体の断面形状が平角形である例を示すものである。そして、この第５実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体は、第１乃至第４実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体の製造方法と若干異なる製造方法によって製造されたものである。
【００６２】
図７（ａ）、（ｂ）において、８はニオブ（Ｎｂ）母材、９は安定化銅（Ｃｕ）材であり、その他、図１（ａ）、（ｂ）に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付けている。
【００６３】
第５実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体は、複数本のＮｂ3 Ａｌフィラメント１が１フィラメントブロックを構成するようにまとめて配置され、この１フィラメントブロックが複数本まとめて配置された状態でニオブ（Ｎｂ）母材８の中に埋め込まれ、このニオブ（Ｎｂ）材母８の外周に安定化銅（Ｃｕ）材９が設けられて１本の超電導素線４が構成されている。超電導素線４は、図７（ａ）に示されるように、横長の平角形の断面形状になるように複数本、この例では１１本が組み合わされ、その組み合わせが行われた際に、隣接配置される超電導素線４の接触領域の少なくとも一部が拡散接合部５を構成している。
【００６４】
次いで、図８は、図７（ａ）、（ｂ）に図示の第５実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造する場合の製造方法の一実施例を示す製造工程図である。
【００６５】
図８の製造工程図を用い、第５実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体が製造される経緯について説明する。
【００６６】
始めに、工程１において、ニオブ（Ｎｂ）箔とアルミニウム（Ａｌ）箔とを、ジェリーロール（Ｊｅｌｌｙ−ｒｏｌｌ）法を用いて、多層状態になるように巻き上げて線状態のものにし、この線状態のものをニオブ（Ｎｂ）管内に挿入して複合体を構成する。
【００６７】
次に、工程２において、工程１で得られた複合体を、細線化装置を用いて細線化加工し、細くて長いＮｂ3 Ａｌフィラメント１を構成する。
【００６８】
次いで、工程３において、多数本のＮｂ3 Ａｌフィラメント１をニオブ（Ｎｂ）管内に挿入して多芯複合体を構成する。
【００６９】
続く、工程４において、工程３で得られた多芯複合体を、細線化装置を用いて細線化加工し、細線化した多芯複合体を構成する。
【００７０】
続いて、工程５において、細線化した多芯複合体を、熱処理装置を用いて、急熱急冷熱処理を行う。この場合、急熱時の熱処理は、温度が１９００℃で、時間が０．５秒間であり、熱処理装置における昇温速度及び降温速度は、ともに１００００℃／秒である。ただし、本実施例において、これらの温度や時間、それに昇温及び降温速度は限定的なものではなく、例えば、急熱時の熱処理温度は１８００℃乃至２０００℃の間の温度であり、急熱時の熱処理時間は０．１秒乃至１．０秒の間の時間であり、昇温及び降温速度は２０００℃／秒乃至２００００℃／秒の間であれば、適宜選択することが可能なものである。
【００７１】
次に、工程６において、熱処理した細線化多芯複合体の外周に銅（Ｃｕ）材３を被覆し、超電導素線４を構成する。
【００７２】
次いで、工程７において、超電導素線４の外周に、メッキ装置を用いて銀（Ａｇ）メッキし、３μｍの厚さに銀（Ａｇ）被覆をした超電導素線４を構成する。ただし、本実施例において、銀（Ａｇ）被覆の厚さは限定的なものではなく、例えば、厚さが２μｍ乃至５μｍの範囲内であれば、適宜選択することができる。また、本実施例において、銀（Ａｇ）被覆の形成手段はメッキ装置を用いたものに限定されるものではなく、他の手段、例えば、後述する工程８における撚り線加工時に、銀（Ａｇ）箔を用いた複合加工手段によって被覆を行うようにしてもよい。
【００７３】
続く、工程８において、複数本の銀（Ａｇ）被覆をした超電導素線４を、撚り線装置を用いて撚り線加工を行い、断面形状が平角形の撚り合わせ導体を構成する。
【００７４】
続いて、工程８において、工程８で得られた撚り合わせ導体を、熱処理装置を用いて最終熱処理を行い、銅（Ｃｕ）材３を溶融して、超電導素線４の接触界面の少なくとも一部に拡散接合部５を形成し、また、超電導素線４の内部にＡ１５型超電導化合物を形成させて、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体を得ているものである。この場合、最終熱処理は、アルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中で、温度が７８０℃で、時間が２０時間である。ただし、本実施例において、これらの温度や時間は限定的なものではなく、例えば、銅（Ｃｕ）−銀（Ａｇ）の２元系の共晶温度が７７９℃であることから、熱処理温度は、７５０℃乃至８００℃の間の温度であり、熱処理時間は５０時間乃至１０時間の間であれば、適宜選択することが可能なものである。
【００７５】
得られたＮｂ−Ａｌ系超電導導体は、一例として、超電導素線４の外径が０．５ｍｍであり、Ｎｂ3 Ａｌフィラメント１とニオブ（Ｎｉ）母材２と安定化銅（Ｃｕ）材３との断面積比が１：１．５：０．３であり、Ｎｂ3 Ａｌフィラメント１の直径が５０μｍであり、Ｎｂ3 Ａｌフィラメント１の本数が３６本のものである。また、超電導素線４における銀（Ａｇ）被覆の厚さは３μｍであり、撚り線加工を行った超電導素線４の本数は９本であって、平角形部分の縦幅（短幅方向の長さ）は０．９ｍｍ、横幅（長幅方向の長さ）は２．２５ｍｍであり、アスペクト比は２．５のものである。そして、得られたＮｂ−Ａｌ系超電導導体についても、その断面を顕微鏡で観察した結果、超電導素線４の接触界面に拡散接合部５が形成されていることが確認できた。
【００７６】
このＮｂ−Ａｌ系超電導導体について、臨界電流を測定したところ、１０Ｔ（テスラー）の磁場中で１２６０Ａであり、２０Ｔ（テスラー）の磁場中で１２５Ａであった。この場合、１本の超電導素線４における臨界電流は、１０Ｔ（テスラー）の磁場中で１４０Ａであり、２０Ｔ（テスラー）の磁場中で１４Ａであるので、９本の超電導素線４を撚り線状態にして構成したＮｂ−Ａｌ系超電導導体は、臨界電流の加算性が保持されており、超電導素線４を流れる大電流に基づく電磁力の発生による超電導素線４の動きもなく、安定した動作状態で大容量の電流を通流することが可能なＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造することができた。
【００７７】
また、第５実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体においても、図３の特性図の線イに示すような良好な端子間電圧−通流電流特性を得ることができる。
【００７８】
次に、図９は、本発明によるＮｂ−Ａｌ系超電導導体の第６実施例の構成を示す断面図で、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体の断面形状が円形である例を示すものである。
【００７９】
図９において、図４及び図７（ａ）、（ｂ）に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付けている。
【００８０】
第６実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体（以下、これを第６実施例導体という）と、前記第５実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体（以下、これを第５実施例導体という）との間の構成の違いは、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体の断面形状に関して、第６実施例が円形であるのに対し、第５実施例が平角形である点（第１相違点）、及び、撚り合わせた複数本の超電導素線４の配置に関して、第６実施例が真中の１本を銅（Ｃｕ）素線６で構成し、残りの本数を超電導導体４で構成しているのに対し、第５実施例が全本数を超電導導体４で構成している点（第２相違点）だけであって、第１及び第２相違点以外に、第６実施例と第５実施例との間に構成上の違いはない。このため、第６実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体の構成については、これ以上の詳しい説明を省略する。
【００８１】
また、第６実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造する場合の製造方法は、図８に図示された第５実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造する場合の製造方法と殆んど同じであるので、第６実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造する場合の製造方法についても、これ以上の詳しい説明を省略するが、第６実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体においても、図３の特性図の線イに示すような良好な端子間電圧−通流電流特性を得ることができる。
【００８２】
なお、第６実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体においては、安定化材として銅（Ｃｕ）素線６を用いた例を挙げて説明したが、本発明のＮｂ−Ａｌ系超電導導体における安定化材は銅（Ｃｕ）素線６である場合に限られるものではなく、銅（Ｃｕ）素線６の代わりに他の素線、例えば、Ｎｂ3 Ａｌ素線を用いてもよい。
【００８３】
また、第６実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体においては、安定化材として真中に１本の銅（Ｃｕ）素線６を用いた例を挙げて説明したが、本発明のＮｂ−Ａｌ系超電導導体における銅（Ｃｕ）素線６の使用本数は真中に１本用いる場合に限られるものでなく、図６に図示されるように、必要に応じて、真中に１本用いる他に、周囲に１本またはそれ以上の本数を用いるようにしてもよい。
【００８４】
さらに、第６実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体においては、安定化材として銅（Ｃｕ）素線６の断面が円形である例を挙げて説明したが、本発明のＮｂ−Ａｌ系超電導導体における銅（Ｃｕ）素線６は断面が円形である場合に限られるものでなく、断面が円形の銅（Ｃｕ）素線６の代わりに、図５に示されるように、断面が楕円形の銅（Ｃｕ）被覆ステンレススティール素線７を真中に１本用いて断面形状が楕円形のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を構成することもできる。
【００８５】
なお、第５実施例及び第６実施例においては、複数本のＮｂ3 Ａｌフィラメント１を埋め込む際に、ニオブ（Ｎｂ）母材８を用いた例を挙げて説明したが、本発明においてＮｂ3 Ａｌフィラメント１を埋め込む材質はニオブ（Ｎｂ）母材８に限られるものではなく、ニオブ（Ｎｂ）を含有する他の材質、例えば、ニオブ（Ｎｂ）を基体とする合金母材であってもよい。
【００８６】
ところで、本発明による超電導導体は、本来、Ｎｂ3 Ａｌ超電導導体を意図したものであるが、ニオブ（Ｎｂ）とアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする超電導体として、ニオブ（Ｎｂ）とアルミニウム（Ａｌ）の原子比が３：１のＡ１５型結晶構造を有するＮｂ3 Ａｌ金属間化合物は、製造方法によって得られる結晶の組成が必ずしもニオブ（Ｎｂ）とアルミニウム（Ａｌ）の間で３：１になるとは限らないもので、３：１のものから４：１に近い組成のものまで得られることになり、また、この種の超電導体は、超電導特性を向上させるために、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）等の第３の元素を添加することが常套手段であることから、本発明による超電導導体は、Ｎｂ3 Ａｌ超電導導体と呼ぶ代わりに、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体と呼んでいる。
【００８７】
このようにして得られた本発明のＮｂ−Ａｌ系超電導導体、例えば、第２実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を用いて、超電導マグネットを構成するコイルを形成した。このコイルは、絶縁材として厚さが０．０７５ｍｍのアルミナヤーンを編組し、ＳＵＳ３０４Ｌ製の巻枠を用い、最終熱処理を行っていないＮｂ−Ａｌ系超電導導体、即ち、撚り合わせ導体を全ターン数が２００ターンになるように整列密巻して構成した。コイル巻きした撚り合わせ導体を高熱炉の中に入れ、真空雰囲気で温度７５０℃で、５０時間の最終熱処理を行い、最終熱処理を行った後、コイルにエポキシ樹脂含浸を行い、さらに、コイルの外周側に補強用のＳＵＳ３０４Ｌテープを巻回してＮｂ−Ａｌ系超電導導体のコイルを構成した。このとき、コイル巻線の寸法は巻線内直径が２５ｍｍであり、外直径が４８ｍｍであり、軸長が５０ｍｍであった。
【００８８】
得られたコイルを高磁場を発生可能なマグネットの中に挿入し、コイルの励磁試験を行った。その結果、外層部分のバイアス磁場が２０Ｔ（テスラー）のときに、コイルに１２０Ａの電流を通電することができ、このときコイルが発生する磁場は０．４９Ｔ（テスラー）であった。また、外層部分のバイアス磁場を１５Ｔ（テスラー）に変化させたとき、コイルに６００Ａの電流を通電することができ、コイルが発生する磁場は２．５Ｔ（テスラー）であった。このコイルは、ほぼ導体性能１００％に相当するもので、本発明によるＮｂ−Ａｌ系超電導導体を用いたコイルは、安定に高磁場を発生することが確認できた。
【００８９】
なお、本発明によるＮｂ−Ａｌ系超電導導体を用いたコイルを構成する場合、前述のように、撚り合わせ導体をコイル巻きをしてから最終熱処理を行ってＮｂ−Ａｌ系超電導導体のコイルを構成するＷ＆Ｒ法と、撚り合わせ導体を最終熱処理し、Ｎｂ−Ａｌ系超電導導体にした後でコイル巻きを行うＲ＆Ｗ法との２方法を適用することができる。ただし、Ｒ＆Ｗ法を適用する場合は、撚り合わせ導体の最終熱処理後に、Ｎｂ3 Ａｌ超電導化合物が形成されるので、コイル巻き時に撚り合わせ導体に過大な歪み力を加えると、歪み劣化によって超電導特性が大きく低下することになるので、通常、歪み力の印加を０．８％以下に抑える必要がある。また、Ｗ＆Ｒ法を適用する場合は、曲げ直径の小さなコイルを得たいときに好適であって、このときの絶縁材としては熱処理温度に耐えるシリカあるいはアルミナ等の無機絶縁材を用いる。
【００９０】
このように、本発明によるＮｂ−Ａｌ系超電導導体を用いたコイルは、既知のこの種の超電導導体を用いたコイルに比べて、コイルの剛性を高くすることができ、かつ、超電導素線の電流励磁に基づく電磁力によって超電導素線の動きを抑えることができ、容易に高磁場を発生することができる。
【００９１】
【発明の効果】
以上のように、本発明のＮｂ−Ａｌ系超電導導体によれば、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）系の合金母材、あるいは、ニオブ（Ｎｂ）またはニオブ（Ｎｂ）系の合金母材中に多数本のＮｂ−Ａｌ系超電導フィラメントが埋め込まれた超電導素線の接触界面の少なくとも一部が安定化銅（Ｃｕ）による拡散接合部を構成しているので、Ｎｂ−Ａｌ系超電導素線間の接続抵抗が小さくなって、接続抵抗の不均一が低減され、多数本のＮｂ−Ａｌ系超電導素線間における電流の分流が容易になり、その結果、偏流の発生がなくなって、動作時の不安定性が大幅に改善されるという効果がある。
【００９２】
また、本発明のＮｂ−Ａｌ系超電導導体によれば、多数本のＮｂ−Ａｌ系超電導素線間に拡散接合部が構成されていることにより、個々のＮｂ−Ａｌ系超電導素線の機械的強度が増大し、Ｎｂ−Ａｌ系超電導素線間に隙間ができ難くなり、その結果、Ｎｂ−Ａｌ系超電導素線に流れる大電流に基づく電磁力によって、Ｎｂ−Ａｌ系超電導素線が動くことがなくなり、クエンチの発生が防げるという効果がある。
【００９３】
さらに、本発明のＮｂ−Ａｌ系超電導導体の製造方法によれば、多芯複合体の外周に銀（Ａｇ）を被覆する工程を経て、多芯複合体の界面で銅（Ｃｕ）を拡散接合させる最終熱処理を含む製造プロセスを採用しているので、Ｎｂ−Ａｌ系超電導素線の接触界面の少なくとも一部に安定化銅（Ｃｕ）による拡散接合部が構成され、その結果、本発明のＮｂ−Ａｌ系超電導導体と同様に、Ｎｂ−Ａｌ系超電導素線間の接続抵抗が小さくなって、偏流の発生がなくなり、動作時の不安定性を大幅に改善できる他に、個々のＮｂ−Ａｌ系超電導素線の機械的強度が増大し、Ｎｂ−Ａｌ系超電導素線が動くことがなくない、クエンチの発生を防ぐことが可能なＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるＮｂ−Ａｌ系超電導導体の第１実施例の構成を示す断面図である。
【図２】図１に図示の第１実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造する場合の製造方法の一実施例を示す製造工程図である。
【図３】図２に図示の製造方法によって製造された図１に図示の第１実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体の端子間電圧−通流電流を示す特性図である。
【図４】本発明に係わるＮｂ−Ａｌ系超電導導体の第２実施例の構成を示す断面図である。
【図５】本発明に係わるＮｂ−Ａｌ系超電導導体の第３実施例の構成を示す断面図である。
【図６】本発明に係わるＮｂ−Ａｌ系超電導導体の第４実施例の構成を示す断面図である。
【図７】本発明に係わるＮｂ−Ａｌ系超電導導体の第５実施例の構成を示す断面図である。
【図８】図７に図示の第５実施例のＮｂ−Ａｌ系超電導導体を製造する場合の製造方法の一実施例を示す製造工程図である。
【図９】本発明に係わるＮｂ−Ａｌ系超電導導体の第６実施例の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１  Ｎｂ3 Ａｌフィラメント
２  ニオブ（Ｎｂ）層
３、９  銅（Ｃｕ）材
４  超電導素線
５  拡散接合層
６、６1 、６2   銅（Ｃｕ）被覆素線
７  断面楕円形状の銅（Ｃｕ）素線
８  ニオブ（Ｎｂ）母材
【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】
0003635893.tif 000008
【図８】
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【図９】
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