(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｂ／Ａｌ複合体を金属管内に挿入して多芯ビレットを形成し、その多芯ビレットに減面加工を施して線材を形成し、その線材に高温加熱・急冷処理を施してＮｂ／Ａｌ複合体を体心立方構造のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体に変質させた後、その線材を複数本撚り合わせて撚線を形成し、その撚線に６００〜８００℃の熱処理を施すことによって、上記Ｎｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体からＮｂ3Ａｌ系超電導化合物相を析出させる方法であって、上記体心立方構造のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体が、Ｎｂ或いはＮｂ基合金とＡｌ或いはＡｌ基合金との組成比が略化学量論組成であるＮｂ／Ａｌ複合体に高温加熱・急冷処理を施してなるものであることを特徴とするＮｂ3Ａｌ系超電導導体の製造方法。
【請求項２】
上記高温加熱・急冷処理が、１，２００℃以上の加熱および５００℃／秒以上の冷却速度である請求項１記載のＮｂ3Ａｌ系超電導導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎｂ3Ａｌ系超電導導体の製造方法に係り、特に、１０Ｔ以上の高磁界中で使用されるＮｂ3Ａｌ系超電導導体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高エネルギー粒子加速器におけるベンディング超電導マグネットには、Ｎｂ−Ｔｉ合金系超電導線材からなる素線を多数本撚り合わせた断面形状が平角の大電流容量撚線導体が用いられ、核融合実験炉における高磁界超電導マグネットには、Ｎｂ3Ｓｎ系化合物超電導線材を素線とした大電流容量平角撚線導体が用いられてきた。
【０００３】
また、大断面積の単一導体（モノリス導体）を用いたＮｂ−Ｔｉ合金系、或いはＮｂ3Ｓｎ系化合物超電導導体が、大電流超電導導体として用いられてきた。
【０００４】
大規模超電導マグネットシステムは、年々、発生磁界が高くなってきている。
Ｎｂ−Ｔｉ合金系超電導線材を素線とした撚線導体では、Ｎｂ−Ｔｉ合金系超電導体の臨界磁界が低いため、適用可能な磁界レベルは運転温度が４．２Ｋで７Ｔ程度、１．８Ｋで１０Ｔ程度であり、このレベル以上の超電導マグネットシステムには適用不可能である。
【０００５】
これに対して、Ｎｂ3Ｓｎ系化合物超電導線材を素線とした撚線導体では、臨界磁界が２５Ｔと高いため、高磁界マグネット用導体として適用可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般的に、Ｎｂ3Ｓｎ系化合物超電導導体は、機械的歪みによる超電導特性、特に臨界電流特性の劣化が著しいという問題を有している。また、高磁界中で大電流を通電した場合、導体には巨大な電磁力が作用するため、この歪感受性により性能が劣化してしまうおそれがある。
【０００７】
これを防ぐためには、補強材を組込む等の複雑な対策が必要であり、マグネット製作コストおよびマグネット自体の性能の問題となっている。
【０００８】
また、大断面積のモノリス導体では、導体長に制約が生じるため、大量の導体を必要とする大規模超電導マグネットに適用する場合、必然的に接続部が多くなり、マグネットの不安定性を助長するおそれがある。さらに、上述した問題も加味される。
【０００９】
そこで本発明は、上記課題を解決し、容易に、かつ、低コストで、高磁界中で大電流を安定して通電することが可能なＮｂ3Ａｌ系超電導導体の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、Ｎｂ／Ａｌ複合体を金属管内に挿入して多芯ビレットを形成し、その多芯ビレットに減面加工を施して線材を形成し、その線材に高温加熱・急冷処理を施してＮｂ／Ａｌ複合体を体心立方構造のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体に変質させた後、その線材を複数本撚り合わせて撚線を形成し、その撚線に６００〜８００℃の熱処理を施すことによって、上記Ｎｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体からＮｂ3Ａｌ系超電導化合物相を析出させる方法であって、上記体心立方構造のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体が、Ｎｂ或いはＮｂ基合金とＡｌ或いはＡｌ基合金との組成比が略化学量論組成であるＮｂ／Ａｌ複合体に高温加熱・急冷処理を施してなるものであることを特徴とする方法である。
【００１１】
請求項２の発明は、上記高温加熱・急冷処理が、１，２００℃以上の加熱および５００℃／秒以上の冷却速度である請求項１記載のＮｂ3Ａｌ系超電導導体の製造方法である。
【００１２】
以上の構成によれば、高融点金属マトリックス中に複数本配置された体心立方構造のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメントから略化学量論組成のＮｂ3Ａｌ系超電導化合物相を析出生成させてなる素線で構成されているため、容易に、かつ、低コストで、高磁界中で大電流を安定して通電することが可能なＮｂ3Ａｌ系超電導導体を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
本発明のＮｂ3Ａｌ系超電導導体は、高融点金属マトリックス中に複数本配置された体心立方構造のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメントから略化学量論組成のＮｂ3Ａｌ系超電導化合物相を析出生成させてなる素線で構成されるものである。Ｎｂ−Ａｌ系過飽和固溶体フィラメントは、その前駆体であるＮｂ／Ａｌ複合体フィラメントから形成されるものである。
【００１５】
高融点金属マトリックスが占める断面積比は、素線の全断面積の１０〜７０％である。
【００１６】
高融点金属マトリックスの材料としては、特に限定しないが、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔｉ、Ｗ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、或いはこれらの金属を基とする合金が望ましい。
【００１７】
Ｎｂ或いはＮｂ基合金とＡｌ或いはＡｌ基合金からなるＮｂ／Ａｌ複合体を形成する場合、両者間の変形抵抗差が非常に大きいため、Ｎｂ／Ａｌ複合体を健全に形成することが大きな課題となり、Ｎｂ／Ａｌ複合体に健全性が欠ける場合、Ｎｂ／Ａｌ系過飽和固溶体を生成させるための高温加熱・急冷処理を良好に行うことができない。
【００１８】
Ｎｂ／Ａｌ複合体としては、健全に形成されたものであれば特に限定するものではなく、様々な種類のものが挙げられるが、例えば、Ｎｂ／Ａｌ積層複合体、Ｎｂ或いはＮｂ基合金チューブにＡｌ或いはＡｌ基合金ロッドを挿入したもの、Ｎｂ或いはＮｂ基合金とＡｌ或いはＡｌ基合金の冷間接合シート細片から形成されるもの等が挙げられる。
【００１９】
Ｎｂ／Ａｌ積層複合体では、その形成母材として、薄肉（シート状）のＮｂ或いはＮｂ基合金材とＡｌ或いはＡｌ基合金材を用いることが可能であり、Ｎｂ−Ａｌ系過飽和固溶体を生成するに十分なＮｂ／Ａｌ複合体（Ｎｂ／Ａｌ積層複合体）を低加工度で形成することができる。
【００２０】
次に、本発明の方法を説明する。
【００２１】
Ｎｂ3Ａｌ系超電導線材は、Ｎｂ3Ａｌ系超電導化合物相が略化学量論組成の場合、
Ｎｂ3Ｓｎ系化合物超電導線材以上の高磁界特性が得られるものの、化学量論組成のＮｂ3Ａｌ系超電導化合物相は、１，５００℃以上の高温でのみ安定に存在することができる非平衡相である。このため、Ｎｂ3Ｓｎ系化合物超電導線材のように、１，０００℃以下の拡散反応による化合物生成熱処理では、化学量論組成のＮｂ3Ａｌ系超電導化合物相は生成されないのが一般的である。
【００２２】
本発明において、略化学量論組成のＮｂ3Ａｌ系超電導化合物相を生成することができる理由を以下に説明する。
【００２３】
先ず、金属管内に、Ｎｂ或いはＮｂ基合金とＡｌ或いはＡｌ基合金との組成比が略化学量論組成になるように形成した複数本のＮｂ／Ａｌ複合体フィラメントを束ねたものを挿入配置してビレットを形成する。
【００２４】
次に、ビレットに押出加工と伸線加工を施して線材を形成すると共に、この線材に、１，２００℃以上の加熱および５００℃／秒以上の冷却速度からなる高温加熱・急冷処理を施す。
【００２５】
この高温加熱・急冷処理により、Ｎｂ／Ａｌ複合体が体心立方構造を有するＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体に変態する。このようにして変態生成したＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体は延性を有するため、高温加熱・急冷処理後の成形加工および撚線加工が可能である。
【００２６】
その後、線材に更に熱処理を施すことにより、Ｎｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメントから略化学量論組成のＮｂ3Ａｌ系超電導化合物相が析出し、高磁界特性および耐歪特性に優れたＮｂ3Ａｌ系超電導導体を得る。
【００２７】
Ｎｂ−Ａｌ系過飽和固溶体から略化学量論組成のＮｂ3Ａｌ系超電導化合物相を析出生成するための熱処理は、６００〜８００℃の実用的な温度域で十分である。
【００２８】
すなわち、本発明のＮｂ3Ａｌ系超電導導体においては、Ｎｂ／Ａｌ複合体に高温加熱・急冷処理を施してＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体に変態させ、このＮｂ−Ａｌ系過飽和固溶体から略化学量論組成のＮｂ3Ａｌ系超電導化合物相を析出生成させているため、６００〜８００℃の実用的な温度域の熱処理で、容易に、かつ、低コストで、高磁界中で大電流を安定して通電することが可能なＮｂ3Ａｌ系超電導導体を得ることができる。
【００２９】
次に、本発明の他の実施の形態を説明する。
【００３０】
本発明のＮｂ3Ａｌ系超電導導体は、素線単体からなるものであった。
【００３１】
第１の実施の形態のＮｂ3Ａｌ系超電導導体の横断面図を図２に示す。
【００３２】
図２に示すように、第１の実施の形態のＮｂ3Ａｌ系超電導導体１１は、撚線導体を構成する各素線１４が高融点金属マトリックス１２中に複数本配置された体心立方構造のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメント１３から略化学量論組成のＮｂ3Ａｌ系超電導化合物相を析出生成させたものからなっている。
【００３３】
第１の実施の形態のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメント１３も、本発明のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメントと同様に、その前駆体であるＮｂ／Ａｌ複合体フィラメントに高温加熱・急冷処理を施して形成されるものである。
【００３４】
このようにして変態生成したＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体は延性を有するため、高温加熱・急冷処理後の素線の撚線加工および撚線導体の矩形断面成形加工が可能となる。ここで、Ｎｂ3Ａｌ系超電導導体１１の断面形状を矩形としたのは、矩形断面とすることで、マグネット巻線断面内のＮｂ3Ａｌ系超電導導体の充填率を高くすることが可能となるためである。
【００３５】
本実施の形態のＮｂ3Ａｌ系超電導導体においても、本発明と同様の作用効果を奏することは言うまでもない。
【００３６】
第１の実施の形態のＮｂ3Ａｌ系超電導導体１１では、超電導導体において一般的なＣｕ等の安定化材の複合が、素線の作製過程における高温加熱・急冷処理のために困難である。
【００３７】
本発明および第１の実施の形態のＮｂ3Ａｌ系超電導導体は、高磁界特性および高い臨界温度を有し、かつ、基本的には温度マージンが高いため、安定化材を複合しなくても超電導マグネットに適用可能であるが、大電流通電下で外部擾乱が発生した場合には、本発明および第１の実施の形態のＮｂ3Ａｌ系超電導導体においても熱暴走するおそれがある。
【００３８】
そこで、第２の実施の形態のＮｂ3Ａｌ系超電導導体は、熱暴走防止のため、安定化金属線材を素線と共に撚線して撚線導体を形成するものである。
【００３９】
第２の実施の形態のＮｂ3Ａｌ系超電導導体の横断面図を図３に示す。
【００４０】
すなわち、図３に示すように、第２の実施の形態のＮｂ3Ａｌ系超電導導体２１は、撚線導体が高融点金属マトリックス２２中に複数本配置された体心立方構造のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメント２３から略化学量論組成のＮｂ3Ａｌ系超電導化合物相を析出生成させてなる複数本（図中では３本の）素線２４と、複数本（図中では６本）の安定化金属線材２５とで構成されたものである。
【００４１】
安定化金属線材２４が占める断面積比は、Ｎｂ3Ａｌ系超電導導体２１の全断面積の７０％以内である。
【００４２】
安定化金属線材２４の材料としては、特に限定しないが、導体自体の安定性マージンにより、残留抵抗比が２５以上のＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、或いはこれらの金属を基とする合金が望ましい。
【００４３】
本実施の形態のＮｂ3Ａｌ系超電導導体は、本発明および第１の実施の形態のＮｂ3Ａｌ系超電導導体と比較して特性はやや劣るものとなるが、安定性を大幅に向上させることができるという新たな作用効果を奏する。
【００４４】
【実施例】
（実施例１）
Ｎｂ素線の横断面図を図１に示す。
【００４５】
図１に示すように、工業用純Ｎｂ管内（図示せず）に、工業用純Ｎｂロッド４の周りに、工業用純Ｎｂシート（図示せず）と工業用純Ａｌシート（図示せず）を密巻きして形成したＮｂ／Ａｌ積層複合体（Ｎｂ／Ａｌ複合体；図示せず）を３６本束ねて挿入してビレット（図示せず）を形成する。
【００４６】
このビレットに押出加工と伸線加工を施して、直径０．５ｍｍの線材（図示せず）を形成する。その後、この線材に高温加熱・急冷処理を施して、Ｎｂ／Ａｌ積層複合体のＮｂ／Ａｌ層をＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体５に相変態させて、Ｎｂ素線（素線）１を作製する。
【００４７】
Ｎｂマトリックス素線１は、Ｎｂマトリックス（高融点金属マトリックス）２中に、直径５９μｍのＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメント３が３６本配置されてなるものである。この時、Ｎｂマトリックス素線１におけるＮｂマトリックス２部の断面積比は５０％である。
【００４８】
このＮｂマトリックス素線１にツイスト方向がＺ方向、ピッチ１５ｍｍのツイスト加工を施す。
【００４９】
このツイスト加工を施したＮｂマトリックス素線１を９本束ねて撚り合わせて撚り方向がＳ方向、撚りピッチ２０ｍｍで成形撚線し、図２に示したような幅２．３ｍｍ、高さ０．９ｍｍの横断面平角形状のＮｂ3Ａｌ系超電導導体前駆体を形成する。このＮｂ3Ａｌ系超電導導体前駆体に８００℃×１０ｈｒの熱処理を施して、Ｎｂ3Ａｌ系超電導導体を作製する。
【００５０】
（実施例２）
実施例１のＮｂ管の代わりにＴａ管を用い、後は実施例１と同様にして、図２に示したような幅２．３ｍｍ、高さ０．９ｍｍの横断面平角形状のＮｂ3Ａｌ系超電導導体前駆体を形成する。このＮｂ3Ａｌ系超電導導体前駆体に８００℃×１０ｈｒの熱処理を施して、Ｎｂ3Ａｌ系超電導導体を作製する。
【００５１】
（実施例３）
実施例１と同様にして作製した直径０．５ｍｍのＮｂマトリックス素線を３本および同径の安定化銅線６本を束ねて撚り合わせて撚り方向がＳ方向、撚りピッチ２０ｍｍで成形撚線し、図３に示したような幅２．３ｍｍ、高さ０．９ｍｍの横断面平角形状のＮｂ3Ａｌ系超電導導体前駆体を含む撚線導体を形成する。この時、撚線導体における安定化銅線部の断面積比は６６．７％である。その後、その撚線導体に８００℃×１０ｈｒの熱処理を施して、Ｎｂ3Ａｌ系超電導導体前駆体をＮｂ3Ａｌ系超電導導体に生成される。
【００５２】
（比較例１）
Ｎｂ3Ｓｎ素線の横断面図を図４に、Ｎｂ3Ｓｎ系超電導導体の横断面図を図５に示す。
【００５３】
図４に示すように、ブロンズ管内（図示せず）に、Ｎｂロッド（図示せず）を挿入してシングルビレットを形成する。このシングルビレットに押出加工と伸線加工を施して、単芯線（図示せず）を形成する。
【００５４】
この単芯線を６，６３１本束ねてＮｂ管内（図示せず）に挿入した後、更に、Ｃｕ管内（図示せず）に挿入してマルチビレット（図示せず）を形成する。
【００５５】
このマルチビレットに押出加工と伸線加工を施して、直径０．５ｍｍのマルチ線（図示せず）を形成する。
【００５６】
Ｎｂ3Ｓｎ素線３１は、ブロンズマトリックス中に、直径３μｍのフィラメントが６，６３１本配置されてなるブロンズフィラメント複合部３２の外周に、Ｎｂ拡散バリア３３および安定化銅３４が形成されてなるものである。この時、Ｎｂ3Ｓｎ素線３１における安定化銅部の断面積比は２３％である。
【００５７】
このＮｂ3Ｓｎ撚線３１を９本束ねて撚り合わせて撚り方向がＳ方向、撚りピッチ２０ｍｍ、幅２．３ｍｍ、高さ０．９ｍｍの横断面平角形状の撚線導体に形成し、その撚線導体に６５０℃×２００ｈｒの熱処理を施して、Ｎｂ3Ｓｎ系超電導導体５１を作製する。
【００５８】
実施例１〜３のＮｂ3Ａｌ系超電導導体および比較例１のＮｂ3Ｓｎ系超電導導体の諸元を表１に示す。
【００５９】
◎【表１】
0003603535.tif 000002
【００６０】
次に、実施例１〜３のＮｂ3Ａｌ系超電導導体および比較例１のＮｂ3Ｓｎ系超電導導体の臨界電流Ｉｃと、各超電導導体を構成する超電導素線の臨界電流Ｉｃとをそれぞれ測定した。
【００６１】
超電導導体および超電導素線の臨界電流Ｉｃの測定には４端子法を用い、巻径４０ｍｍ、巻ピッチ１０ｍｍのコイル状サンプルの２ターン間に電圧測定端子を取り付け、４．２Ｋにおいて各外部磁界（１６Ｔ、１７Ｔ、１８Ｔ、１９Ｔ、２０Ｔ、および２１Ｔ）での臨界電流Ｉｃを測定する。なお、各臨界電流Ｉｃは、０．１μＶ／ｃｍ基準での値である。
【００６２】
各臨界電流Ｉｃの測定結果を表２に示す。
【００６３】
◎【表２】
0003603535.tif 000003
【００６４】
表２に示すように、実施例１および実施例２のＮｂ3Ａｌ系超電導導体においては、いずれも超電導素線の臨界電流Ｉｃの約９倍の値が得られた。特に、外部磁界１６Ｔで１，０００Ａを超える臨界電流Ｉｃが得られ、比較例１のＮｂ3Ｓｎ系超電導導体と比較して、同じ外部磁界における臨界電流Ｉｃは約３倍であり、高磁界中で大電流容量通電が可能である。
【００６５】
また、実施例３のＮｂ3Ａｌ系超電導導体の臨界電流Ｉｃは、比較例１のＮｂ3Ｓｎ系超電導導体の臨界電流Ｉｃと略同程度である。これは、実施例３のＮｂ3Ａｌ系超電導導体においては、安定化銅線６本をＮｂ撚線３本と共に束ねて撚線しており、超電導導体における安定化銅部の断面積比が６７％と高めであることに起因している。
【００６６】
比較例１のＮｂ3Ｓｎ系超電導導体においては、超電導導体における安定化銅部の断面積比が２３％であり、実施例３のＮｂ3Ａｌ系超電導導体における断面積比６７％の約１／３である。
【００６７】
すなわち、本発明のＮｂ3Ａｌ系超電導導体においては、安定化銅材の複合量を、従来の超電導導体であるＮｂ3Ｓｎ系超電導導体における安定化銅材の複合量の３倍にしても、従来の超電導導体と同等の性能を達成することが可能であり、延いては、超電導体の安定性を大幅に改善することが可能となる。
【００６８】
また、表２の結果からもわかるように、安定化銅線７本をＮｂ撚線２本と共に束ねて撚線した場合、超電導導体における安定化銅部の断面積比が７８％と規定範囲（７０％以内）外となり、明らかに特性が比較例１以下となってしまうため、本発明には不適格となる。
【００６９】
本発明のＮｂ3Ａｌ系超電導導体は、高エネルギー粒子加速器、核融合炉、および物性研究用の大規模高磁界超電導マグネットに適用することが可能であり、また、本発明のＮｂ3Ａｌ系超電導導体を適用することにより、それらの実現可能性を飛躍的に高めることができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、Ｎｂ／Ａｌ複合体に高温加熱・急冷処理を施してＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体に変態させ、このＮｂ−Ａｌ系過飽和固溶体から略化学量論組成のＮｂ3Ａｌ系超電導化合物相を析出生成させることで、６００〜８００℃の実用的な温度域の熱処理で、容易に、かつ、低コストで、高磁界中で大電流を安定して通電することが可能なＮｂ3Ａｌ系超電導導体を得ることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＮｂ3Ａｌ系超電導導体の横断面図である。
【図２】第１の実施の形態のＮｂ3Ａｌ系超電導導体の横断面図である。
【図３】第２の実施の形態のＮｂ3Ａｌ系超電導導体の横断面図である。
【図４】Ｎｂ3Ｓｎ素線の横断面図である。
【図５】従来の超電導導体であるＮｂ3Ｓｎ系超電導導体の横断面図である。
【符号の説明】
１  Ｎｂマトリックス素線（素線）
２，１２，２２  Ｎｂマトリックス（高融点金属マトリックス）
３，１３，２３  Ｎｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメント
５  Ｎｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体
１１，２１  Ｎｂ3Ａｌ系超電導導体
１４，２４  素線
２５  安定化金属線材
【図１】
0003603535.tif 000004
【図２】
0003603535.tif 000005
【図３】
0003603535.tif 000006
【図４】
0003603535.tif 000007
【図５】
0003603535.tif 000008