(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金系超電導体からなる芯部または熱処理によって超電導体となる材料を具備する芯部の外周に、補強層を設け、さらにこの外周に安定化層を設ける超電導線の製造方法において、芯部の外周に、該芯部の長手方向に沿ってＣｕ−Ｎｂ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金、Ｃｕ−Ａｇ合金のうちから選ばれる補強材からなる柱状体を複数本添設し、該柱状体の外方に安定化材からなる被覆管を被せた後に縮径加工を施す工程を具備することを特徴とする超電導線の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の超電導線の製造方法において、芯部とこれの外周に添設する複数本の柱状体との間に拡散防止層を形成する工程を具備することを特徴とする超電導線の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用ＭＲＩ用マグネット、核融合炉用トロイダルマグネット、粒子加速機用マグネット、超電導発電機用マグネット、磁気浮上列車用マグネット等に利用される高強度の超電導線の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超電導線は、超電導体からなる芯部の外周に、安定化材などからなる付属部を設けた構造となっている。このような超電導線の一種に内部補強安定型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線が知られている。
図５は、内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線の例を示すものである。この内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線１は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部に無数の極細のＮｂ3Ｓｎ超電導フィラメントが配列されてなる芯部２の外周に、拡散防止層３を介してＣｕ−Ｎｂなどからなる補強層４が設けられ、さらにこの外周にＣｕや、Ａｌなどからなる安定化層５が設けられたものである。
このような構造の内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線１は、補強層を有してない構造の超電導線と比べて外部からの補強が必要がないため、コンパクトな超電導マグネットの作製に好適に用いられていた。
【０００３】
次に、このような内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線１の一般的な製造方法を図６を用いて説明する。
まず、図６（Ａ）に示すようなＮｂからなるロッド状の芯材１０の外周にＣｕ−Ｓｎ合金からなる管体１１を被せ、全体を縮径して図６（Ｂ）に示すような複合体１４を得る。次いで、図６（Ｃ）に示すように前記複合体１４を複数本集合してＣｕ−Ｓｎ合金の管体１５に挿入し、さらに縮径し、図６（Ｄ）に示す一次素線１６を得る。次いで、この一次素線１６を図６（Ｅ）に示すように複数本集合してＣｕ−Ｓｎ合金からなる管体１７に挿入し、更に縮径して図６（Ｆ）に示すような二次素線１８を作製する。
【０００４】
次いで、前記二次素線１８を複数本集合して、図６（Ｇ）に示すようにＣｕのパイプ２０に挿入した後、このパイプ２０の外方に拡散防止層３となるべきＴａあるいはＮｂからなる拡散防止管２２を被せ、ついで該拡散防止管２２の外方に補強層４となるべきＣｕ−Ｎｂなどからなるパイプ状の補強管２３を被せ、ついで該補強管２３の外方に安定化層５となるべきＣｕなどからなる被覆管２４を被せ、さらに全体を最終的に得るべき直径まで縮径した後、拡散熱処理を行うことにより、二次素線１８の内部のＮｂの極細フィラメントとＳｎを反応させてＮｂ3Ｓｎ超電導フィラメントを生成させて、図５に示すような内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線１を製造することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の超電導線の製造方法あっては、補強層４を形成する材料としてパイプ状に加工した補強管２３を使用する必要があるため、補強層４形成用材料として機械特性が良好な金属でも、切削性や加工性が悪いものはパイプ状にすることが困難であるため、補強層４形成用材料として用いることができる材料の選択の自由度が小さかった。
また、切削性や加工性が良好な金属でも、パイプ加工して補強管２３を作製するにはコストがかかり、その結果として超電導線もコスト高となってしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、補強層形成用材料として用いることができる材料の選択の自由度が大きく、しかもコストダウンが可能な超電導線の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明にあっては、合金系超電導体からなる芯部または熱処理によって超電導体となる材料を具備する芯部の外周に、補強層を設け、さらにこの外周に安定化層を設ける超電導線の製造方法において、芯部の外周に、該芯部の長手方向に沿ってＣｕ−Ｎｂ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金、Ｃｕ−Ａｇ合金のうちから選ばれる補強材からなる柱状体を複数本添設し、該柱状体の外方に安定化材からなる被覆管を被せた後に縮径加工を施す工程を具備する超電導線の製造方法を前記課題の解決手段とした。
また、請求項２記載の発明にあっては、請求項１記載の超電導線の製造方法において、芯部とこれの外周に添設する複数本の柱状体との間に拡散防止層を形成する工程を具備する超電導線の製造方法を前記課題の解決手段とした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１から図２は、内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線の製造方法に本発明を適用した例を示すもので、超電導線を製造するには、まず、図１（Ａ）に示すようにＮｂロッドからなる芯材３０にＣｕ−Ｓｎ合金の管体３１を被せ、スウェージング加工、引抜加工などの縮径加工によって所望の直径まで縮径して図１（Ｂ）に示す複合体３４を作製する。前記芯材３０としては、ＮｂまたはＮｂにＴｉを添加してなるものを用いるのが望ましく、Ｔｉが添加されていると無添加の場合と比べて高磁界における臨界電流特性が向上する。なお、管体３１は図面に示すような単管状のものに限るものではなく、柱状体に複数の透孔が形成された形状のものなどを用い、複数の透孔の各々に芯材３０を挿入して複合材を形成することもできる。
【０００９】
次いで、前記複合体３４を複数本集合してＣｕ−Ｓｎ合金の管体３５に図１（Ｃ）に示すように収納して縮径し、図１（Ｄ）に示す一次素線３６を作製し、次いで、この一次素線３６を図１（Ｅ）に示すように複数本集合してＣｕ−Ｓｎ合金からなる管体３７に挿入し、更に縮径加工を施して図１（Ｆ）に示すような二次素線（二次集合線）３８を作製する。この二次素線３８の内部構造は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部にＮｂからなる極細のフィラメントが多数分散された構造となっている。なお、前記二次素線３８を更に複数本集合してＣｕ−Ｓｎ合金管に挿入し、縮径する処理を必要に応じて複数回行って複合体を作製しても良い。なお、前記二次素線３８形成用として用いたＣｕ−Ｓｎ合金のＳｎ濃度が低い場合には、その外周にＳｎのメッキ層を形成して以下の工程に用いても良い。
【００１０】
次いで、前記二次素線３８を複数本集合して、図１（Ｇ）に示すようにＣｕパイプ４０に挿入した後、このＣｕパイプ４０の外周に拡散防止層となるべきＴａあるいはＮｂからなる拡散防止管４２を被せる。なお、ここでは二次素線３８を複数本集合してＣｕパイプ４０に挿入した後、拡散防止管４２を被せているが、目的とする超電導線に応じて二次素線（二次集合線）３８の外周に直接拡散防止管４２を被せて以下の工程に用いてもよい。
次いで図２に示すようにこの拡散防止管４２の外周に該拡散防止管４２の長手方向に沿って補強層となるべき補強材からなる柱状体４３を複数本添設し、次いで該柱状体４３の外方に安定化層となるべき安定化材からなる被覆管４４を被せ、更に全体を最終的に得るべき直径まで縮径して素線を形成する。
【００１１】
前記柱状体４３をなす補強材としては、Ｃｕ−Ｎｂ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金、Ｃｕ−Ａｇ合金などのうちから選択される金属が用いられる。柱状体４３としてＣｕ−Ｎｂ合金を用いた場合、柱状体４３はＣｕの金属マトリックスの内部にＮｂフィラメントが多数分散配列された構造を有している。この柱状体４３は、ＣｕとＮｂの両元素が互いにほとんど固溶しないという性質を有することを利用して製造されたもので、Ｃｕ−Ｎｂ合金をその溶湯から鋳造した際に、Ｃｕマトリックス中にＮｂ樹枝状晶が生成された鋳塊を得ることができ、この鋳塊を冷間線引加工することでＮｂ樹枝状晶を引き延ばしてフィラメント状に加工することができ、これによりＣｕのマトリックスの内部にＮｂフィラメントが分散配列された構造が得られる。このＮｂフィラメントは、Ｃｕのマトリックス中に分散配列されるが、このＮｂフィラメントがＣｕのマトリックスを強化するので、柱状体４３はＣｕからなるものより耐力が向上する。更に、ＮｂはＣｕにほとんど固溶しないので、柱状体４３の導電率が低下することもなく、柱状体４３の導電率は充分に高いものとなる。
また、前記被覆管４４をなす安定化材としては、Ｃｕ、Ａｌなどのうちから選択される金属が用いられる。
【００１２】
次いで、前記素線を５００〜７００℃で数十時間〜数百時間加熱する拡散熱処理を行うことにより、図５に示したものとほぼ同様の内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線１を製造することができる。前述のような拡散熱処理を行うと、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部に極細のＮｂ3Ｓｎ超電導フィラメントが配列された構造のＮｂ3Ｓｎ超電導体が得られる。
【００１３】
このようにして製造された内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線１は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部に無数のＮｂ3Ｓｎ超電導フィラメントが配列されてなる芯部２と、この芯部２の外周に設けられた拡散防止層３と、該拡散防止層３の外周に設けられた補強層４と、さらにこの補強層４の外周に設けられた安定化層５とから構成されている。このような構成の内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線１は、芯部２の外周上に補強層４が形成されているので、機械的強度が優れ、また、芯部２の外周に拡散防止層３が形成されているので、最外層の安定化層５までＳｎが拡散することがなく、Ｓｎの拡散による安定化層５の汚染は防止される。
【００１４】
この例の内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線の製造方法にあっては、熱処理によってＮｂ3Ｓｎ超電導体となる材料を具備する芯部２の外周に、該芯部２の長手方向に沿って補強材からなる柱状体４３を複数本添設し、該柱状体４３の外方に安定化材からなる被覆管４４を被せた後に縮径加工を施す工程を具備することにより、補強層４形成材料としてパイプ状に加工した補強管を使用する必要がないので、補強層４形成用材料として機械特性が良好な金属で柱状にできるものあれば、切削性や加工性が悪いものでも使用できるため、補強層４形成用材料として用いることができる材料の選択の自由度が大きくなる。また、補強層４形成材料としては柱状体を使用すればよいので、パイプ状に加工する工程がなくなるため、Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線のコストダウンが可能である。
なお、前記の例においては、Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線の製造方法に本発明の超電導線の製造方法を適用した例について説明したが、本発明の製造方法をＮｂ3Ｓｎの他、Ｎｂ3Ｇａ、Ｎｂ3Ｇｅ、Ｎｂ3Ａｌ、Ｖ3Ｇａ、Ｎｂ−Ｔｉなどの超電導線の製造方法に適用してもよいのは勿論である。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明を、実施例および比較例により、具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
（実施例１）
直径１４ｍｍのＮｂ−１．２ｗｔ％ＴｉロッドをＣｕ−１３ｗｔ％Ｓｎ合金からなる外径２５ｍｍ、内径１５ｍｍの管体に挿入し、縮径して直径１．００ｍｍの複合体を得た。次にこの複合体を９１本集合し、Ｃｕ−８ｗｔ％Ｓｎ合金からなる外径１２ｍｍ、内径１１ｍｍの管体に挿入し、縮径加工を行って直径1．14ｍｍの一次素線を得た。次いで、この一次素線を９１本集合し、Ｃｕ−８ｗｔ％Ｓｎ合金からなる外径１３ｍｍ、内径１２ｍｍの管体に挿入し、縮径加工を行って直径１１ｍｍの二次集合線を作製した。
【００１６】
次いで、このようにして得られた二次集合線の外方にＴａからなる拡散防止管を被せ、ついでこの拡散防止管の外周に拡散防止管の長手方向に沿って径２．４５ｍｍのＣｕ−２０ｗｔ％Ｎｂからなる柱状体を１８本添設し、さらにこれら柱状体の外方に外径１９ｍｍ、内径１８ｍｍのＣｕからなる被覆管を被せた後、全体を径０．８ｍｍまで縮径した後、６７５℃で１０日間加熱する拡散熱処理を行うことにより、Ｃｕ−Ｎｂ／（Ｎｂ，Ｔｉ）3Ｓｎ超電導線を得た。このようにして得られた超電導線の芯部は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部に径３．４μｍの（Ｎｂ，Ｔｉ）3Ｓｎ超電導フィラメントが８，２８１本配列された構造であった。
【００１７】
（実施例２）
直径１４ｍｍのＮｂロッドをＣｕ−６ｗｔ％Ｓｎ合金からなる外径２５ｍｍ、内径１５ｍｍの管体に挿入し、縮径して直径１．０ｍｍの複合体を得た。次にこの複合体を９１本集合し、Ｃｕ−６ｗｔ％Ｓｎ合金からなる外径１２ｍｍ、内径１１ｍｍの管体に挿入し、縮径加工を行って直径１．７ｍｍの一次素線を得た。次いで、この一次素線を３３本集合し、  Ｃｕ−６ｗｔ％Ｓｎ合金からなる外径１３ｍｍ、内径１２ｍｍの管体に挿入し、縮径加工を行って直径１１ｍｍの二次集合線を作製した。
【００１８】
次いで、このようにして得られた二次集合線の外方にＴａからなる拡散防止管を被せ、ついでこの拡散防止管の外周に該拡散防止管の長手方向に沿って  径２．４ｍｍのＣｕ−１５ｗｔ％Ｎｂからなる柱状体を１８本添設し、さらにこれら柱状体の外方に外径１９ｍｍ、内径１８ｍｍのＣｕからなる被覆管を被せた後、全体を径０．５ｍｍまで縮径したのち、前記実施例１と同様にして拡散熱処理を行うことにより、Ｃｕ−Ｎｂ／Ｎｂ3Ｓｎ超電導線を得た。ここで得られた超電導線の芯部は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部に径１．６μｍのＮｂ3Ｓｎ超電導フィラメントが３，０２５本配列された構造であった。
【００１９】
（比較例１）
前記実施例１と同様にして二次集合線を作製した。次いで、この二次集合線の外方にＴａからなる拡散防止管を被せ、ついでこの拡散防止管の外方に外径１７ｍｍ、内径１２ｍｍのＣｕ−２０ｗｔ％Ｎｂからなる補強管を被せ、さらにこの補強管の外方に外径１９ｍｍ、内径１８ｍｍのＣｕからなる被覆管を被せた後、全体を径０．８ｍｍまで縮径した後、前記実施例１と同様にして拡散熱処理を行うことにより、Ｃｕ−Ｎｂ／（Ｎｂ，Ｔｉ）3Ｓｎ系超電導線を得た。このようにして得られた超電導線の芯部は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部に径３．４μｍの（Ｎｂ，Ｔｉ）3Ｓｎ超電導フィラメントが８，２８１本配列された構造のものであった。
【００２０】
（比較例２）
前記実施例１と同様にして二次集合線を作製した。次いで、この二次集合線の外方にＴａからなる拡散防止管を被せ、さらにこの拡散防止管の外方に内径１２ｍｍのＣｕからなる被覆管を被せ、全体を径０．８ｍｍまで縮径した後、前記実施例１と同様にして拡散熱処理を行うことにより、Ｃｕ／（Ｎｂ，Ｔｉ）3Ｓｎ超電導線を得た。このようにして得られた超電導線の芯部は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部に径３．４μｍの（Ｎｂ，Ｔｉ）3Ｓｎ超電導フィラメントが８，２８１本配列された構造のものであった。
【００２１】
（比較例３）
前記実施例２と同様にして二次集合線を作製した。次いで、この二次集合線の外方にＴａからなる拡散防止管を被せ、ついでこの拡散防止管の外方に外径１７ｍｍ、内径１２ｍｍのＣｕ−１５ｗｔ％Ｎｂからなる補強管を被せ、さらにこの補強管の外方に外径１９ｍｍ、内径１８ｍｍのＣｕからなる被覆管を被せた後、全体を径０．５ｍｍまで縮径した後、前記実施例１と同様にして拡散熱処理を行うことにより、Ｃｕ−Ｎｂ／Ｎｂ3Ｓｎ超電導線を得た。このようにして得られた超電導線の芯部は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部に径１．６μｍの（Ｎｂ，Ｔｉ）3Ｓｎ超電導フィラメントが３，０２５本配列された構造のものであった。
【００２２】
（比較例４）
前記実施例２と同様にして二次集合線を作製した。次いで、この二次集合線の外方にＴａからなる拡散防止管を被せ、ついでこの拡散防止管の外方に内径１２ｍｍのＣｕからなる被覆管を被せた後、全体を径０．５ｍｍまで縮径した後、前記実施例１と同様にして拡散熱処理を行うことにより、Ｃｕ／Ｎｂ3Ｓｎ超電導線を得た。このようにして得られた超電導線の芯部は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部に径１．６μｍのＮｂ3Ｓｎ超電導フィラメントが３，０２５本配列された構造のものであった。
【００２３】
次に、前述のようにして製造された実施例１〜２、比較例１〜４の超電導線について超電導特性を調べるため、８〜２３Ｔの磁界中における臨界電流密度の測定を行った。図３にその結果を示す。
また、実施例１〜２、比較例１〜４の超電導線について機械特性を調べるため、各超電導線について室温、液体窒素温度（７７Ｋ）、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）における０．２％耐力を測定した。図４にその結果を示す。
【００２４】
図３〜図４に示した結果から明らかなように実施例１〜２で得られた超電導線は、従来の製造方法により製造された比較例１ならびに３の超電導線と同じ程度の超電導特性を有し、さらに比較例１ならびに３の超電導線と同じ程度の機械特性を有していることがわかる。
また、実施例１〜２の製造方法は、補強層形成材料としてパイプ状に加工した補強管を用いる必要がないので、超電導線の製造が容易である。
従って、実施例１〜２の製造方法によれば、機械特性ならびに超電導特性を損なうことなく、超電導線を容易に製造できることが判った。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の超電導線の製造方法は、合金系超電導体からなる芯部または熱処理によって超電導体となる材料を具備する芯部の外周に、該芯部の長手方向に沿ってＣｕ−Ｎｂ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金、Ｃｕ−Ａｇ合金のうちから選ばれる補強材からなる柱状体を複数本添設し、該柱状体の外方に安定化材からなる被覆管を被せた後に縮径加工を施す工程を具備する方法であるので、補強層形成材料としてパイプ状に加工した補強管を使用する必要がなくなり、補強層形成用材料として機械特性が良好な金属で柱状にできるものあれば、切削性や加工性が悪いものでも使用できる。また、補強層形成材料としては柱状体を使用すればよいので、パイプ状に加工する工程がなくなる。従って、本発明によれば、補強層形成用材料として用いることができる材料の選択の自由度が大きく、しかもコストダウンが可能な超電導線の製造方法を提供することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （Ａ）〜（Ｇ）は、本発明の超電導線の製造方法の一例を工程順に示した断面図である。
【図２】  本発明の超電導線の製造方法の一例を示した断面図である。
【図３】  各化合物系超電導線における磁界と臨界電流密度との関係を示したグラフである。
【図４】  各化合物系超電導線の温度と０．２％耐力との関係を示したグラフである。
【図５】  内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線の例を示す拡大断面図である。
【図６】  （Ａ）〜（Ｇ）は、従来の内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線の製造方法を工程順に示した断面図である。
【符号の説明】
１・・・超電導線、２・・・芯部、３・・・拡散防止層、４・・・補強層、５・・・安定化層、４２・・・拡散防止管、４３・・・柱状体、４４・・・被覆管。
【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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