(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本のＮｂまたはＮｂ合金からなるフィラメントがＣｕ−Ｓｎ基合金からなる母材中に埋設され、超電導線として磁場１８Ｔ以上で用いられるＮｂ3Ｓｎ超電導線材であって、
上記フィラメントの直径が４．５〜８μｍであることを特徴とする高臨界電流密度が得られるＮｂ3Ｓｎ超電導線材。
【請求項２】
複数本のＮｂまたはＮｂ合金からなる芯材をＣｕ−Ｓｎ基合金からなる母材中に埋設した後、伸線加工により上記芯材をフィラメントとするＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法であって、
磁場１８Ｔ以上で用いる超電導線材を製造する場合には、上記フィラメントの直径を４．５〜８μｍとすることを特徴とする高臨界電流密度が得られるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項３】
複数本のＮｂまたはＮｂ合金からなるフィラメントがＣｕ−Ｓｎ基合金からなる母材中に埋設されたＮｂ3Ｓｎ超電導線材を用いてなる超電導マグネットであって、
磁場が１１〜１８Ｔとなる外側のコイル部分には、上記フィラメントの直径が３μｍ以下であるＮｂ3Ｓｎ超電導線材製コイルが配設されると共に、
磁場が１８Ｔ以上となる内側のコイル部分には、上記フィラメントの直径が４．５〜８μｍであるＮｂ3Ｓｎ超電導線材製コイルが配設されてなることを特徴とする超電導マグネット。
【請求項４】
複数本のＮｂまたはＮｂ合金からなるフィラメントがＣｕ−Ｓｎ基合金からなる母材中に埋設されたＮｂ3Ｓｎ超電導線材を用いてなる超電導マグネットであって、
磁場が１１〜１８Ｔとなる部分には、上記フィラメントの直径が３μｍ以下であるＮｂ3Ｓｎ超電導線材製コイルが配設されると共に、
磁場が１８Ｔ以上となる部分には、上記フィラメントの直径が３〜８μｍであるＮｂ3Ｓｎ超電導線材製コイルが配設されてなり、
磁場が１１〜１８Ｔとなる部分のコイルは、６００〜７００℃で熱処理が施され、
磁場が１８Ｔ以上となる部分のコイルは、７００〜８００℃で熱処理が施されてなることを特徴とする超電導マグネット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導発電機，核融合炉，磁気浮上列車，核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置，物性研究等に用いられる超電導マグネットと、マグネット用コイルに用いられるＮｂ３  Ｓｎ超電導線材と、その製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導マグネットのコイル材として用いられている金属系超電導線材には、ＮｂＴｉ線材とＮｂ３  Ｓｎ線材の２種類がある。ＮｂＴｉ線材は、柔軟であることから加工しやすいという特長があるが、超電導線材として使用可能な磁場が約１０Ｔ以下の低磁場領域に限られている。一方Ｎｂ３  Ｓｎは硬い金属間化合物であり、変形すると脆性破壊を招くことから、マグネットとして用いる場合には、Ｎｂ線の周囲にＳｎを存在させた複合線材を作製し、これをコイル状に形成した後、熱処理を施すことによりＮｂ線にＳｎを拡散させＮｂ３  Ｓｎとすることが必要である。しかしながら、Ｎｂ３  Ｓｎ線材の臨界磁場は２０Ｔ以上であり、上記ＮｂＴｉ線材を用いることができない約１１Ｔ以上の領域でも超電導特性を示すことから、高磁場が要求される超電導マグネットには不可欠である。
【０００３】
Ｎｂ３  Ｓｎ超電導線材の製法の一つとしてブロンズ法が知られている。この方法は、Ｃｕ−Ｓｎ基合金（ブロンズ）マトリックス中に、複数のＮｂ製芯材を埋設し、その後伸線加工により上記芯材をフィラメントとし、６００℃〜８００℃で熱処理を施すことによりＮｂ製のフィラメントに上記マトリックスのＳｎを拡散させＮｂ３  Ｓｎを生成する方法である。尚、上記Ｃｕ−Ｓｎ基合金やＮｂ製芯材には、高磁場領域での臨界電流密度（Ｊｃ）を改善することを目的としてＴｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ等が添加された合金も用いられている。
【０００４】
これらの超電導線材をコイルにして超電導マグネットは作製されるが、コイルは、クエンチ時の保護のために複数のコイルに分割されている。また線材の使用量を減らすために、図１に示す様に、それぞれのコイルは配設位置により大きさの適正化が図られており、内側のコイルは、コイルの高さを低くする工夫（グレーディング）がなされている。このような断面構成をもつ超電導マグネットを実際に励磁した場合、マグネットの各コイルの磁場の大きさに分布が生じて、一般的に超電導コイルの内側ほど磁場が高くなる傾向にあることから、外側のコイルには、臨界磁場の低いＮｂＴｉ製線材を用い、内側にはＮｂ３  Ｓｎ製線材を用いた超電導マグネットが開発されている。
【０００５】
ところで、これらの超電導線材が用いられる超電導マグネットに要求される特性としては、発生磁場の高いことがあり、発生磁場はコイルの巻数と相関があるので巻数は多くなる傾向にあり、高磁場を得る上で超電導マグネットは益々大型化しており、装置のコンパクト化が要望されていた。
【０００６】
尚、特公平７−３５５５８号公報及び特公平７−３５５５９号公報には、Ｎｂ３  Ｓｎ線材のフィラメント径を０．３〜５．０μｍに規定するＮｂ３  Ｓｎ超電導線材が開示されている。但し、この技術は、４．２Ｋで１０Ｔという低磁場におけるＪｃに基づいてフィラメント径が設定されたものであり、実際に超電導マグネットのコイル材としたときに生じる磁場分布は考慮されておらず、１１Ｔ以上の磁場が要求される超電導マグネットのコンパクト化に寄与する技術ではなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に着目してなされたものであって、超電導マグネットとした際に、コンパクト化を実現でき、しかも１１Ｔ以上の磁場で高い臨界電流密度を得ることができるＮｂ３  Ｓｎ超電導線材及びその製造方法と、上記Ｎｂ３  Ｓｎ超電導線材を用いた超電導マグネットを提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明とは、複数本のＮｂまたはＮｂ合金からなるフィラメントがＣｕ−Ｓｎ基合金からなる母材中に埋設され、超電導線として磁場１１〜１８Ｔで用いられるＮｂ３  Ｓｎ超電導線材であって、上記フィラメントの直径が３μｍ以下であることを要旨とするものであり、また超電導線として磁場１８Ｔ以上で用いられるＮｂ３  Ｓｎ超電導線材の場合には、上記フィラメントの直径が３〜８μｍであることを要旨とする。
【０００９】
更に、磁場１１〜１８Ｔで用いる超電導線材を製造する場合には、ＮｂまたはＮｂ合金からなるフィラメントの直径を３μｍ以下とし、磁場１８Ｔ以上で用いる超電導線材を製造する場合には、上記フィラメントの直径を３〜８μｍとすることにより高臨界電流密度が得られるＮｂ３  Ｓｎ超電導線材を製造することができる。
【００１０】
またＮｂ３  Ｓｎ超電導線材を用いて発生磁場の高い超電導マグネットを得るにあたっては、磁場が１１〜１８Ｔとなる部分には、フィラメントの直径が３μｍ以下であるＮｂ３  Ｓｎ超電導線材製コイルを配設し、磁場が１８Ｔ以上となる部分には、フィラメントの直径が３〜８μｍであるＮｂ３  Ｓｎ超電導線材製コイルを配設することが推奨され、更に、磁場が１１〜１８Ｔとなるコイルは、６００〜７００℃で熱処理を施し、磁場が１８Ｔ以上となるコイルは、７００〜８００℃で熱処理が施せばより高い臨界電流密度を得ることができる。
【００１１】
尚、前述の通り、Ｎｂ３  Ｓｎは硬い金属間化合物であるので、Ｎｂ３  Ｓｎ超電導線材は、ブロンズ法における熱処理前の段階で流通することが一般的であり、最終的な使用形態に形成した後、熱処理を施すことによりＮｂ３  Ｓｎが生成されている。従って、本発明におけるＮｂ３  Ｓｎ超電導線材のフィラメント径とは、熱処理が施される前のＮｂまたはＮｂ合金製のフィラメントの直径であり、換言すれば、ブロンズ法においてＣｕ−Ｓｎ基合金の母材中にＮｂまたはＮｂ合金製芯材を埋設しフィラメントに伸線加工した後の直径である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
発生磁場の高い超電導マグネットをコンパクト化するには、電流密度を増加する方法が考えられる。この為には、超電導マグネットに用いる超電導線の臨界電流密度Ｊｃを向上させることが必要である。
【００１３】
本発明者らはＮｂ3Ｓｎ超電導線材の超電導特性について鋭意研究を重ねた結果、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材のフィラメント径とＪｃとの間には特異な依存性があることを見出した。即ち、磁場の強さによって、Ｊｃとフィラメント径の相関が正負反対になるのである。図２は、後述の実施例１の試験結果であり、１５〜２３Ｔの磁場におけるＪｃとフィラメント径の関係をグラフに示したものである。磁場が１８Ｔの場合には、フィラメント径が８μｍ以下の範囲においてＪｃはフィラメント径に関係なくほぼ一定であるが、１８Ｔ未満の磁場では、フィラメント径が５μｍ以下の範囲において、フィラメント径が小さいほどＪｃは増加している。更に磁場が１８Ｔを超えると、フィラメント径が約６μｍ以下の範囲において、フィラメント径が大きいほうがＪｃは増加している。
【００１４】
従って、超電導線材に用いるフィラメントの径を一定にするのではなく、超電導線材として用いる環境の磁場に応じてフィラメント径を設定することが、高いＪｃを得る上で、非常に有効であることが分かる。具体的には、（ｉ）  １８Ｔ未満の磁場で用いる場合には、５μｍ以下でできるだけ小さい径のフィラメント径を用いて超電導線材を製造することにより、高いＪｃを得ることができ、３μｍ以下が望ましい。但し、フィラメント径が１μｍより小さくなると逆に臨界電流密度が低くなる傾向があるので、下限は０．２μｍとすることが必要であり、０．３μｍ以上が望ましい。（ｉｉ）１８Ｔ以上の磁場で用いる場合には、フィラメント径が大きい程、高いＪｃが得られるが、８μｍを超えるとＪｃが低くなるので、上限は８μｍとすべきであり、６μｍ以下が望ましい。一方フィラメント径の下限は、高いＪｃを得る上で、３μｍ以上とすべきであり、４μｍ以上がより望ましい。
【００１５】
超電導マグネットを設計するにあたっては、高磁場となる内側のコイルに、１８Ｔ以上の磁場用超電導線材を採用し、低磁場となる外側のコイルに、１８Ｔ未満の磁場用超電導線材を採用すれば良い。また、１８Ｔ未満の磁場に用いられるコイルには、フィラメント径で０．２μｍを下限として、細いフィラメントを採用すれば良いので、その分Ｎｂ３  Ｓｎ超電導線材を細くすることができ、１８Ｔ未満の磁場に用いるコイルを大幅にコンパクト化することが可能である。
このような磁場領域によるＪｃのフィラメント径依存性の違いについては、完全に解明された訳ではないが、以下のように考察できる。
【００１６】
超電導体のＪｃは量子化磁束のピンニングのされ方に依存することは知られている。但し、Ｎｂ３  Ｓｎの場合は、図３に示す様に、規格化した磁場の値：ｈ（Ｈ／Ｈｃ２＊  であり、Ｈは磁場，Ｈｃ２＊  は上部臨界磁場）が約０．７（〜０．８）以上の領域では、ピンニング力が飽和特性を示すのであり、この領域でのＪｃはＨｃ２＊  に大きく依存することを本発明者らは見出し、既に報告している（東北大学金属材料研究所強磁場超伝導材料研究センター平成８年度年次報告、第  １２０〜１２３  頁）。すなわち、規格化磁場ｈが約０．７（〜０．８）以上の領域では、Ｈｃ２＊  が高くなるほどＪｃも高くなるのである。これは、規格化磁場ｈが約０．７（〜０．８）を境として量子化磁束とピンニングセンターの間の相関が変化するために、このようなＪｃのフィラメント径依存性が発現するものと考えられ、詳細には上部臨界磁場の７，８割程度より低い約１８Ｔ未満では、ピンニング効果によりＪｃは高まるのでフィラメント径をできるだけ小さくしてフィラメント断面における結晶粒面積を小さくすることが有効であり、一方、上部臨界磁場に近い高磁場領域ではピンニング効果が飽和し、むしろフィラメント径を大きくすることでＨｃ２＊  を高めることができ、Ｊｃも高まるものと考えられる。
【００１７】
尚、図４は、後述する実施例１で得られた線材のＨｃ２＊  をＫｒａｍｅｒ  ｐｌｏｔ  により求めフィラメント径との関係で整理したグラフであり、フィラメント径が大きいほどＨｃ２＊  も高くなっており、フィラメント径とＨｃ２＊  の間にも相関のあることが分かる。特に３μｍまでは、Ｈｃ２＊  のフィラメント径依存性が大きく、図２のグラフと同様、フィラメント径３μｍに変曲点が見られる。図４のグラフにおいて、フィラメント径３μｍ以上におけるＨｃ２＊  は約２５Ｔであり、ｈが約０．７（〜０．８）以上の磁場領域とは、約１８Ｔ以上の磁場となる。この結果は、図２のグラフにおいて１８Ｔ以上の場合に、フィラメント径が大きいほどＪｃが高くなり、特に３μｍ以上で大きな値を示す結果と一致している。
【００１８】
ところで、特公平７−３５５５８号公報及び特公平７−３５５５９号公報には、Ｎｂ３  Ｓｎ線材のフィラメント径を０．３〜５．０μｍに規定するＮｂ３  Ｓｎ超電導線材が開示されているが、この技術は、４．２Ｋで１０Ｔという低磁場におけるＪｃに基づいてフィラメント径が設定されたものであり、実際に超電導マグネットのコイル材としたときに生じる磁場分布は考慮されていない。換言すれば、従来技術では、Ｎｂ３  Ｓｎ超電導線材を用いた超電導マグネットにおいて、１１Ｔ以上の（特に１８Ｔを超えるような）高磁場におけるＪｃとフィラメント径の関係は知られておらず、超電導コイルの磁場に応じてフィラメント径を制御することは行われていなかった。即ち、これまでは超電導線材の各経験磁場でのフィラメント径の最適化ができていなかったため十分に高いＪｃが得られておらず、これが高磁場マグネットの肥大化につながり、コストも必要以上に高くなっていたものである。これに対して、本発明では、前述の通り、低磁場と高磁場との間の磁場領域によるＪｃのフィラメント径依存性の違いを最大限に生かすことで、高いＪｃを得ることができる超電導マグネットをよりコンパクトな形で製造することを可能にしたものである。
【００１９】
更に本発明者らは、１８Ｔ以上の高磁場で高Ｊｃを実現するためにはＮｂ３  Ｓｎ生成熱処理の条件も最適化することも有効であることを見出した。図５は、後述の実施例２の試験結果であり、熱処理温度とＨｃ２＊  の関係について調べたものである。６５０〜７５０℃において熱処理温度の上昇とともにＨｃ２＊  は増加し、特に７００℃よりも高温でのＨｃ２＊  の値が大きくなることが分かる。この様にＨｃ２＊  の増加とともにＪｃも増加するので、高いＪｃを得る上で、熱処理温度を７００℃以上とすることが望ましい。但し、熱処理温度が高過ぎると、熱的及び電磁気的な安定化のために配置している銅が一部蒸発してしまい、線材の安定化を損なうので、８００℃を以下とすることが必要である。
【００２０】
一方、ｈが約０．７未満の低磁場側では、ピンニング力は非飽和的な特性を示し、Ｎｂ３  Ｓｎ結晶粒が微細な程、高いＪｃを実現できる。従って、磁場が１８Ｔ未満の領域で用いる場合には、Ｎｂ３  Ｓｎを生成する際の熱処理温度は低い方が望ましく、６００〜７００℃の温度範囲が望ましい。
【００２１】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の主旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００２２】
【実施例】
実施例１
図６に、本実施例で作製した超電導線材の基本的構造を示す。
Ｃｕ−１４ｗｔ％Ｓｎ−０．３ｗｔ％Ｔｉ合金からなるマトリックス１１の中に１９本のＮｂ合金製ロッド１２を挿入し、これを用いて静水圧押出しを行った後、引き抜き加工により六角材１３に加工した。尚、上記Ｎｂ合金製ロッド１２としては、Ｔａ量の異なる２種類のＮｂ合金を用いた。ここでＮｂ−７．５ｗｔ％Ｔａを用いたものをＡ材、Ｎｂ−１．０ｗｔ％Ｔａを用いたものをＢ材と呼ぶ。Ａ材では２８５１本の六角材１３を束ね、Ｂ材では２０５３本の六角材をスタックした後、その外周にＮｂのシートを約１０層巻き付けＳｎ拡散防止用のバリア１４とし、その外周に安定化のために無酸素銅１５を配置した。このようにして組み立てたビレットを用いて再び静水圧押出しを行い、次いで引き抜き加工により以下の種々の線径のフィラメントとした。即ち、Ａ材はフィラメント径が１．６μｍ，２．７μｍ，４．５μｍ，４．８μｍ，６．３μｍ，７．９μｍになる様に伸線加工し、Ｂ材は１．９μｍ，３．０μｍ，５．０μｍ，６．０μｍ，７．０μｍ，８．０μｍ，８．７μｍになるよう伸線加工した。尚、この伸線加工の工程においては、途中で適宜中間焼鈍を施した。
【００２３】
得られたＮｂ３  Ｓｎ超電導線材に６７０℃で１００時間の熱処理を施すことにより、マトリックス１１に含有されるＳｎをＮｂ合金製フィラメントに拡散させてＮｂ３  Ｓｎを生成してＮｂ３  Ｓｎ超電導線材を得た。
【００２４】
得られた各種のＮｂ３  Ｓｎ超電導線の１５〜２３Ｔにおける臨界電流（Ｉｃ）を４端子法（基準電圧１００μＶ／ｍ）で測定し、Ｉｃを非銅部の面積で除してＪｃを求めた。結果は、図２に示す。ここで、○印はＡ材の、▲印はＢ材についての実験結果である。これより、Ａ材，Ｂ材ともに、ほぼ１８Ｔを境としてＪｃのフィラメント径依存性の相関が正負逆転しており、磁場１１〜１８Ｔで用いる超電導線材を製造する場合には、上記フィラメントの直径を３μｍ以下とし、磁場１８Ｔ以上で用いる超電導線材を製造する場合には、上記フィラメントの直径を３〜８μｍとすることにより高臨界電流密度が得られるＮｂ３  Ｓｎ超電導線材を製造することができることが分かる。
【００２５】
実施例２
Ｃｕ−１５ｗｔ％Ｓｎ−０．３ｗｔ％Ｔｉからなるマトリックスと、純Ｎｂ製ロッドを用いて六角材に加工し、これを１３２１本スタックしたこと以外は、実施例１と同様にして、ビレットを組み立て静水圧押出を行い、引き抜き加工によりフィラメント径が６μｍとなるまで伸線加工した。得られたＮｂ３  Ｓｎ超電導線材に対して６５０℃，６７０℃，７００℃，７２０℃，７５０℃で、それぞれ１００時間または１５０時間の熱処理を施して、Ｎｂ製フィラメントにＳｎを拡散させＮｂ３  Ｓｎを生成させた。
【００２６】
得られたＮｂ３  Ｓｎ超電導線について、臨界電流Ｉｃを測定した。結果は図７に示す。ここで、■は各温度における熱処理を１００時間施したもの、○は１５０時間施したＮｂ３  Ｓｎ超電導線のデータであり、いずれの場合にも、熱処理温度とともにＩｃが上昇しており、特に７００℃以上で熱処理をしたときのＩｃが高くなることが分かる。
【００２７】
尚、図５は２．１Ｋおよび４．２ＫにおけるＨｃ２＊  と生成熱処理温度の関係を示すグラフであり、ここに示すように、測定温度を変化させた場合でもＨｃ２＊  は７００℃以上の熱処理によって著しく向上することが分かる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されているので、超電導マグネットとした際に、コンパクト化を実現でき、しかも１１Ｔ以上の磁場で高い臨界電流密度を得ることができるＮｂ３  Ｓｎ超電導線材及びその製造方法と、上記Ｎｂ３  Ｓｎ超電導線材を用いた超電導マグネットが提供できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】超電導マグネットのコイル構成の一例を示す概略断面説明図である。
【図２】実施例１における各磁場でのＪｃとフィラメント径の関係を示すグラフである。
【図３】規格化磁場（ｈ）とピンニング力（Ｆｐ）の関係を示すグラフである。
【図４】実施例１におけるＨｃ２＊  とフィラメント径の関係を示すグラフである。
【図５】実施例２におけるＨｃ２＊  と熱処理温度の関係を示すグラフである。
【図６】実施例１及び２において作製した超電導線材を示す概略断面説明図である。
【図７】実施例２における２１ＴでのＩｃと熱処理温度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１    コイル
１１  ブロンズ製マトリックス
１２  Ｎｂ合金製ロッド
１３  六角材
１４  Ｓｎ拡散防止用バリア
１５  無酸素銅
【図１】
0003603565.tif 000002
【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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