(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部拡散法によって製造するＮｂ３Ｓｎ線材の前駆体であって、Ｃｕ基マトリックスが被覆された複数のＮｂ基芯とＣｕ基マトリックスが被覆された複数のＳｎ基芯が、筒状のＴａあるいはＮｂの拡散バリア内部に規則的に配置された前駆体において、
前記Ｎｂ基単芯線のＣｕ基被覆のＣｕ／Ｎｂ面積比が０．４未満のものが、一つのＳｎ基単芯線の周囲に隣接して配置されたセグメントからなり、これらのセグメントが面積比０．４以上のＮｂ基単芯線およびＳｎ基単芯線で区切られているＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体。
【請求項２】
請求項１に記載のＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体を熱処理することで、Ｎｂ基芯とＳｎ基芯を拡散反応させて作製するＮｂ３Ｓｎ超電導線材。
【請求項３】
請求項２に記載のＮｂ３Ｓｎ超電導線材を巻線して、その両端部に永久電流スイッチを直列に接続した電気回路を含む超電導マグネットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の製造方法、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材、及び超電導マグネットシステムに関する。特に本発明は、優れた臨界電流特性と磁気安定性とを兼備し、内部拡散法により作製されるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の製造方法、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材、及び超電導マグネットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導線材が適用されている分野として、永久電流モードによる時間安定な磁場を応用した核磁気共鳴分析装置や磁気共鳴イメージング装置がある。特に核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）用のマグネットにおいては、システムの共鳴周波数の増加と高分解能化、及び小型化を図るために、高い磁場中で高い電流密度を有する超電導線材の適用が要求されている。
【０００３】
ここで、内部拡散法により作製されるＮｂ３Ｓｎ超電導線材が知られている。このＮｂ３Ｓｎ超電導線材は、その前駆体断面においてＣｕ（あるいはＣｕ合金）マトリックス中にＮｂ（あるいはＮｂ合金）芯、Ｓｎ（あるいはＳｎ合金）芯を配置し、熱処理によってＳｎ芯のＳｎをＣｕマトリックスを介してＮｂと反応させることでＮｂ３Ｓｎを生成することにより作製される。この方法は他の製法であるブロンズ法と比較して多量のＳｎを配置することができるので、Ｎｂ３Ｓｎの生成厚さが厚く、かつ高い臨界電流密度が得られる利点がある。
【０００４】
なお、ブロンズ法はＣｕ−Ｓｎ合金とＮｂ芯の前駆体を反応させてＮｂ３Ｓｎを生成するものであるのに対して、内部拡散法は上述の部材構成を反応させるためその前駆体にブロンズ（Ｃｕ−Ｓｎ合金）が存在しない。
【０００５】
しかし、ブロンズ法と比べるとＳｎを配置するスペースを余分に必要とするため、結果としてＮｂ芯を限られたスペースに配置することになり、同一面積のＮｂ芯を配置する場合にはその間隔が自ずと狭くなる。これらが要因で、隣接するＮｂ３Ｓｎ超電導フィラメントが磁気的に結合し、交流損失が大きくなることが課題であった。また、フィラメント間の磁気結合の度合いが極端に大きい場合は、超電導線材が磁気跳躍（フラックスジャンプ）を生じ、磁石システムに適用した場合に本来の臨界電流特性にまで通電できなくなる問題も生じていた。
【０００６】
高い臨界電流密度を保持しながら交流損失を低減させる内部拡散法Ｎｂ３Ｓｎ線材としては、その前駆体断面において、ＳｎのエレメントとＮｂのエレメントを分散配置し、かつＮｂのエレメントをＳｎエレメントで複数の領域に分割したもの（例えば、特許文献１）が知られている。特許文献１においては、前駆体を熱処理して得られるＮｂ３Ｓｎ線材の断面において、反応前にＳｎが存在した非超電導域でＮｂ３Ｓｎ芯が密集する領域を分割し、超電導領域間の結合を抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−９７９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の方法で得られるＮｂ３Ｓｎ線材は、交流損失を低減できるものの、ＮｂエレメントとＳｎエレメントの配置が均一でなく局所的にＳｎ濃度が異なるため、拡散反応で生成するＮｂ３Ｓｎ芯の臨界電流性能にも分布が生じ、高い臨界電流を有するＮｂ３Ｓｎ芯の占有率が必ずしも大きいものではない。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、優れた臨界電流と交流損失及び磁気安定性を兼備するＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の製造方法、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材、及び超電導マグネットシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明は、上記課題を解決することを目的として、内部拡散法によって製造するＮｂ３Ｓｎ線材の前駆体であって、Ｃｕ基マトリックスが被覆された複数のＮｂ基芯とＣｕ基マトリックスが被覆された複数のＳｎ基芯が、筒状のＴａあるいはＮｂの拡散バリア内部に規則的に配置された前駆体において、前記Ｎｂ基芯を囲むＣｕ基被覆の面積比が異なるＮｂ基単芯線が２種以上配置されているＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体が提供される。
【００１１】
（２）また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、内部拡散法によって製造するＮｂ３Ｓｎ線材の前駆体であって、Ｃｕ基マトリックスが被覆された複数のＮｂ基芯とＣｕ基マトリックスが被覆された複数のＳｎ基芯が、筒状のＴａあるいはＮｂの拡散バリア内部に規則的に配置された前駆体において、前記Ｃｕ基被覆されたＮｂ基単芯線における面積比が０．４以上のものを含むＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体が提供される。
【００１２】
（３）また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、内部拡散法によって製造するＮｂ３Ｓｎ線材の前駆体であって、Ｃｕ基マトリックスが被覆された複数のＮｂ基芯とＣｕ基マトリックスが被覆された複数のＳｎ基芯が、筒状のＴａあるいはＮｂの拡散バリア内部に規則的に配置された前駆体において、前記Ｎｂ基単芯線においてそのＣｕ基被覆の面積比が０．４以上のものが、線材断面内に放射状に配置されているＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体が提供される。
【００１３】
（４）また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、内部拡散法によって製造するＮｂ３Ｓｎ線材の前駆体であって、Ｃｕ基マトリックスが被覆された複数のＮｂ基芯とＣｕ基マトリックスが被覆された複数のＳｎ基芯が、筒状のＴａあるいはＮｂの拡散バリア内部に規則的に配置された前駆体において、前記Ｎｂ基芯の中心間距離が、Ｎｂ基芯径の１．２倍以上であるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体が提供される。
【００１４】
（５）また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、内部拡散法によって製造するＮｂ３Ｓｎ線材の前駆体であって、Ｃｕ基マトリックスが被覆された複数のＮｂ基芯とＣｕ基マトリックスが被覆された複数のＳｎ基芯が、筒状のＴａあるいはＮｂの拡散バリア内部に規則的に配置された前駆体において、前記Ｎｂ基単芯線においてそのＣｕ基被覆の面積比が０．４未満のものが、相互に隣接した領域の直径が３００μｍ以下であるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体が提供される。
【００１５】
（６）また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、内部拡散法によって製造するＮｂ３Ｓｎ線材の前駆体であって、Ｃｕ基マトリックスが被覆された複数のＮｂ基芯とＣｕ基マトリックスが被覆された複数のＳｎ基芯が、筒状のＴａあるいはＮｂの拡散バリア内部に規則的に配置された前駆体において、前記Ｎｂ基単芯線のＣｕ基被覆の面積比が０．４未満のものが、一つのＳｎ基単芯線の周囲に隣接して配置されたセグメントからなり、これらのセグメントが面積比０．４以上のＮｂ基単芯線およびＳｎ基単芯線で区切られているＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体が提供される。
【００１６】
（７）また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、Ｎｂ基芯、及びＳｎ基芯にＣｕ基マトリックスを被せて各々の単芯線を作製する工程と、これら単芯線を規則的に束ねて筒状のＴａあるいはＮｂの拡散バリア内に挿入配置する工程と、該単芯線と該拡散バリアからなる集合体をＣｕ管内部に挿入配置する工程を含むＮｂ３Ｓｎ線材の前駆体の製造方法において、前記Ｃｕ基マトリックスで覆われたＮｂ基単芯線、及びＳｎ基単芯線の外形状が同一であり、かつ、その銅被覆率が異なるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の製造方法が提供される。
【００１７】
（８）また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、Ｎｂ基芯、及びＳｎ基芯にＣｕ基マトリックスを被せて各々の単芯線を作製する工程と、これら単芯線を規則的に束ねて筒状のＴａあるいはＮｂの拡散バリア内に挿入配置する工程と、該単芯線と該拡散バリアからなる集合体をＣｕ管内部に挿入配置する工程を含むＮｂ３Ｓｎ線材の前駆体の製造方法において、Ｃｕ基とＮｂ基の断面構成比が異なる２種以上のＮｂ基単芯線を配置するＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の製造方法が提供される。
【００１８】
（９）また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、上記（１）〜（６）のいずれか１つに記載のＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体を熱処理することで、Ｎｂ基芯とＳｎ基芯を拡散反応させて作製するＮｂ３Ｓｎ超電導線材において、そのフィラメント相互の間隔が狭い領域と広い領域があり、該狭い領域が該広い領域によって複数のセグメントに分割されているＮｂ３Ｓｎ超電導線材が提供される。
【００１９】
（１０）また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、上記（１）〜（６）のいずれか１つに記載のＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体を熱処理することで、Ｎｂ基芯とＳｎ基芯を拡散反応させて作製するＮｂ３Ｓｎ超電導線材において、Ｎｂ３Ｓｎフィラメント相互の間隔が広い領域において、その間隔が０．５μｍ以上であるＮｂ３Ｓｎ超電導線材が提供される。
【００２０】
（１１）また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、上記（１）〜（６）のいずれか１つに記載のＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体を熱処理することで、Ｎｂ基芯とＳｎ基芯を拡散反応させて作製するＮｂ３Ｓｎ超電導線材において、その結晶組織及びＳｎ濃度の分布がフィラメントの中心軸に対して軸対象であることＮｂ３Ｓｎ超電導線材が提供される。
【００２１】
（１２）また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、上記（１）〜（６）のいずれか１つに記載のＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体を熱処理することで、Ｎｂ基芯とＳｎ基芯を拡散反応させて作製するＮｂ３Ｓｎ超電導線材において、超電導フィラメント中心部に未反応のＮｂ芯が残存するＮｂ３Ｓｎ超電導線材が提供される。
【００２２】
（１３）また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、上記（９）〜（１２）のいずれか１つに記載のＮｂ３Ｓｎ超電導線材を巻線して、その両端部に永久電流スイッチを直列に接続した電気回路を含む超電導マグネットシステムが提供される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係るＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の製造方法、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材、及び超電導マグネットシステムによれば、優れた臨界電流と交流損失及び磁気安定性を兼備するＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の製造方法、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材、及び超電導マグネットシステムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の基本構成例を模式的に示した断面図である。
【図２】Ｎｂ３Ｓｎ線材の前駆体におけるＮｂ芯、及び熱処理された線材における超電導フィラメントの直径、及び間隔に関する説明図である。
【図３】Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の基本構成において、その最適条件の決定に係る磁気特性の測定結果である。
【図４】Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の基本構成において、その最適条件の決定に係る磁気特性の測定結果である。
【図５】Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の基本構成において、その最適条件の決定に係る磁気特性とＮｂ芯間隔の関係図である。
【図６】Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の基本構成において、その最適条件の決定に係る磁気特性と超電導フィラメント間隔の関係図である。
【図７】Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の他の基本構成例を模式的に示した断面図である。
【図８】Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の他の基本構成例を模式的に示した断面と、Ｎｂ芯が密集した領域の寸法形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
［実施の形態の概要］
本実施の形態に係るＮｂ３Ｓｎ超電導線材は、内部拡散法により製造されるＮｂ３Ｓｎ線材であり、このＮｂ３Ｓｎ線材の断面構造において、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントの占有率が高い領域をＮｂ３Ｓｎフィラメントの占有率が低い領域で分割して構成される。これにより、Ｎｂ３Ｓｎ占有率が高い領域ではフィラメント間の磁気結合を部分的に許容して高い臨界電流密度を確保し、これらの領域の磁気結合をＮｂ３Ｓｎ占有率が低い領域で分割することによって、大きな磁気結合領域が形成されることを抑制し、磁気不安定を回避できる。したがって、本実施の形態に係るＮｂ３Ｓｎ超電導線材により、線材全断面にわたって優れた臨界電流密度と交流損失特性を同時に実現できる。
【００２６】
具体的に、本実施の形態に係る内部拡散法によって製造されるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体は、Ｃｕ基マトリックスにより外周を被覆された複数のＮｂ基芯とＣｕ基マトリックスにより外周を被覆された複数のＳｎ基芯とが拡散バリア内部に規則的に配置された前駆体である。ここで、拡散バリアは筒状を有し、ＴａあるいはＮｂから形成される。そして、一のＮｂ基芯と一のＮｂ基芯の隣の他のＮｂ基芯との中心間距離が、Ｎｂ基芯径の１．２倍以上を有して形成される。
【００２７】
また、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体は、Ｎｂ基芯を囲むＣｕ基被覆の面積比（すなわち、Ｃｕ基被覆／Ｎｂ基芯）が互いに異なるＮｂ基単芯線が２種以上、配置して形成することもできる。そして、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体は、Ｃｕ基被覆されたＮｂ基単芯線における面積比が０．４以上のものを含むこともできる。更に、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体は、Ｎｂ基単芯線においてそのＣｕ基被覆の面積比が０．４以上のものが、線材断面内に放射状（すなわち、線材の中心から外周側に向かって（径方向に）直線状に並んだＮｂ単芯線の列が、周方向に規則的に配列している状態）に配置されていてもよい。
【００２８】
また、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体は、Ｎｂ基単芯線においてそのＣｕ基被覆の面積比が０．４未満のものについて、相互に隣接した領域の直径を３００μｍ以下にすることもできる。そして、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体においては、Ｎｂ基単芯線のＣｕ基被覆の面積比が０．４未満のものが一つのＳｎ基単芯線の周囲に隣接して配置されたセグメントを規定した場合、これらのセグメントが面積比０．４以上のＮｂ基単芯線で区切ることもできる。
【００２９】
そして、本実施の形態に係るＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体は、以下のようにして製造することができる。まず、Ｎｂ基芯、Ｓｎ基芯、及びＣｕ基マトリックスを準備する。次に、Ｎｂ基芯、及びＳｎ基芯にＣｕ基マトリックスを被せて各々の単芯線を作製する。続いて、これら単芯線を規則的に束ねて筒状のＴａあるいはＮｂの拡散バリア内に挿入配置する。次に、単芯線と拡散バリアとからなる集合体をＣｕ管内部に挿入配置する。ここで、本実施の形態においては、Ｃｕ基マトリックスで覆われたＮｂ基単芯線、及びＳｎ基単芯線の外形状を同一にし、かつ、その銅被覆率を異ならせることが好ましい。
【００３０】
また、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の製造方法において、Ｃｕ基とＮｂ基との断面構成比が異なる２種以上のＮｂ基単芯線を配置することもできる。
【００３１】
更に、本実施の形態の他の形態においては、上記Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体を熱処理することでＮｂ基芯とＳｎ基芯とを拡散反応させ、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材を作製することができる。そして、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の熱処理により形成されるＮｂ３Ｓｎ超電導線材は、フィラメント相互の間隔が狭い領域（つまり、一の領域）と広い領域（つまり、一の領域より間隔が広い他の領域）とを含むことになる。本実施の形態においては、この狭い領域は、広い領域によって複数のセグメントに分割される。また、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材は、Ｎｂ３Ｓｎフィラメント相互の間隔として、０．５μｍ以上の間隔を有して形成される。
【００３２】
ここで、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の熱処理により形成されるＮｂ３Ｓｎ超電導線材は、その結晶組織及びＳｎ濃度の分布がフィラメントの中心軸に対して軸対象若しくはほぼ軸対象である。また、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の熱処理により形成されるＮｂ３Ｓｎ超電導線材は、超電導フィラメントの中心部に未反応のＮｂ芯が残存していてもよい。
【００３３】
更に、本実施の形態の他の形態においては、上記Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材を巻線して、その両端部に永久電流スイッチを直列に接続した電気回路を構成することができる。そして、この電気回路を含み、超電導安定性に優れた磁気共鳴現象を応用した超電導マグネットシステムを構成することができる。
【００３４】
以下、実施例により詳細を説明する。
【００３５】
（実施例１）
図１は、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の基本構成例を模式的に示す。具体的に図１は、実施例１に係るＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の基本構成の断面を模式的に示す（以下、断り無く「基本構成」と言った場合、図１の構成を指す。）。
【００３６】
実施例１に係るＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体は、Ｎｂ芯２３とＮｂ芯２３を被覆するＣｕ被覆２４（厚い）とからなる複数のＮｂ単芯線と、Ｓｎ芯２５とＳｎ芯２５を被覆するＣｕ被覆２６とからなる複数のＳｎ単芯線とを含み、予め定められた配置で配列された複数のＮｂ単芯線及び複数のＳｎ単芯線が拡散バリア２７により被覆され、拡散バリア２７の外周に接する安定化Ｃｕ２８とを備えて構成される。このようなＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体は以下のようにして作製した。
【００３７】
まず、外径２５．５ｍｍ、内径２０．２ｍｍの銅管に、外径２０ｍｍのＮｂ棒（最終形状においてＮｂ芯２３になる）を挿入したものを減面加工し、対辺間距離が１．７ｍｍの六角棒（以下、Ｎｂ単芯線（つまり、ＮｂにＣｕ被覆を施した線））を作製した。併せて、外径１９．４ｍｍ、内径１６．３ｍｍの銅管に外径１５．９ｍｍのＳｎ合金棒（最終形状においてＳｎ芯２５になる）を挿入したものを減面加工し、対辺間距離が１．７ｍｍの六角棒（以下、Ｓｎ単芯線（つまり、ＳｎにＣｕ被覆を施した線））を作製した。
【００３８】
次に、図１に示すように、Ｓｎ単芯線の周囲にＮｂ単芯線を６本配置する断面構成で、Ｎｂ単芯線を７２本、Ｓｎ素線を３７本の合計１０９本を束ねて、外径２５．６ｍｍ、内径２１．２ｍｍの銅管（最終形状において安定化Ｃｕ２８になる）に挿入し、更に、単芯線束と銅管の間に厚さ０．２ｍｍのＴａシート（最終形状において拡散バリア２７になる）を５層挿入した。組み立てた多芯線を減面加工して、線径０．５ｍｍのＮｂ３Ｓｎ前駆体を作製した。
【００３９】
図２は、Ｎｂ３Ｓｎ線材の前駆体におけるＮｂ芯の直径、及び間隔に関する説明を示す。具体的に図２（ａ）は、Ｎｂ３Ｓｎ線材の前駆体におけるＮｂ芯の直径、及び間隔に関する説明図を示し、図２（ｂ）は、前駆体に熱処理を施した後の断面の概要（すなわち、超電導フィラメントの寸法に関する説明図）を示す。
【００４０】
まず、図２（ａ）を参照する。この前駆体（つまり、熱処理前の前駆体）の断面構造を測定した結果、Ｎｂ芯径が２７μｍ、Ｎｂ芯の中心間距離（つまり、芯間隔）が３４μｍであった。
【００４１】
続いて、得られた前駆体に２１０℃で１００時間、４００℃で５０時間、７００℃で１５０時間の熱処理を施してＮｂ３Ｓｎ線材を作製した。得られたＮｂ３Ｓｎ線材の断面の概要が図２（ｂ）である。Ｎｂ３Ｓｎ線材は、断面観察にて、反応前にＳｎ芯があった領域（非超電導部）と超電導Ｎｂ３Ｓｎフィラメント、及びその外周のＣｕ基マトリックス（非超電導部）を有していた。
【００４２】
このＮｂ３Ｓｎ線材の臨界電流密度を直流四端子法で測定し、０．１μＶ／ｃｍの電界が発生した時の電流値を、線材の非Ｃｕ部の断面積で除することで求めた。得られたＮｂ３Ｓｎ線材の臨界電流密度は１２Ｔの磁場中において約１２００Ａ／ｍｍ２であった。
【００４３】
更に、Ｎｂ３Ｓｎ線材の交流損失特性を評価するため、超電導磁束量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）によりその磁化特性を測定した。ここでは、交流損失特性を比較するものとして、超電導フィラメントの等価直径を用いた。等価直径は超電導フィラメントの結合状態を表す指標でもある。これは、フィラメントの間隔が狭いと近接効果によって隣接するフィラメントが磁気的に結合し、等価的なフィラメント径が実際より大きくなるものである。等価フィラメント径（ｄｅｆｆ）は、次式で算出される。
【００４４】
ｄｅｆｆ＝（３π／２μ０）・（ΔＭ／Ｊｃ）
【００４５】
ここで、ｄｅｆｆは等価フィラメント径であり、μ０は真空の透磁率でμ０＝４π×１０−７であり、ΔＭは磁化ヒステリシスであり、Ｊｃは臨界電流密度である。
【００４６】
上記の熱処理されたＮｂ３Ｓｎ線材の磁場３Ｔにおける有効フィラメント径は約３０μｍで、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントの直径とほぼ同等の直径であった。すなわち、隣接するＮｂ３Ｓｎ超電導フィラメントは相互に磁気結合しておらず、優れた交流損失特性と磁気安定性を有することが確認された。
【００４７】
（実施例２および実施例３）
次に、Ｎｂ３Ｓｎ線材の前駆体におけるＮｂ芯間隔の最適条件を求めるために、上記と同様の方法で、Ｎｂ単芯線を被覆するＣｕの厚さを変化させ、Ｎｂに対するＣｕ比が０．４以上の前駆体試料を作製し、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理後の磁気特性を測定評価した。なお、前駆体の製作では単芯線の仕上がり形状を同一とし、その内部のＮｂとＣｕの断面積比を調整することで、Ｎｂ芯間隔を変化させた。
（比較例１および比較例２）
同様に、Ｎｂ単芯線を被覆するＣｕの厚さを変化させ、Ｎｂに対するＣｕ比が０．４以上の前駆体試料を作製し、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理後の磁気特性を測定評価した。
【００４８】
以上をまとめて、表１に実験に用いた前駆体のＮｂ芯径と間隔を示す。Ｎｂ芯径は約２５〜３０μｍで、その間隔を約３〜９μｍの範囲で変化させた。
【００４９】
【表１】
0005671324.tif 000002
【００５０】
図３及び図４はそれぞれ、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の基本構成において、その最適条件の決定に係る磁気特性の測定結果である。
【００５１】
図３を参照すると、試料１（比較例１）及び試料２（比較例２）は、外部磁場の変化に対応して磁化が一様に変化せず不安定な現象を生じることが示された。これは磁気跳躍（フラックスジャンプ）であり、超電導フィラメントの直径が大きい、あるいは細いフィラメント群が磁気的に結合して等価的に太くなった挙動を示している。また、図４を参照すると分かるように、試料３〜５（実施例１〜３）は磁気跳躍が認められず磁気的に安定であることが分かった。
【００５２】
図５は、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の基本構成（図１）を熱処理した超電導線材を熱処理した超電導線材において、その最適条件の決定に係る磁気特性（磁気結合度）とＮｂ芯間隔の関係を示す。
【００５３】
Ｎｂ芯間隔は、Ｎｂ芯の中心間距離とＮｂ芯径の割合とした。Ｎｂ芯間隔の最適条件を求める実験の結果、Ｎｂ芯の中心間距離とＮｂ芯径の割合が１．２以上の場合に磁気結合度が小さく、割合が１．２未満の場合では、磁気結合度が急激に大きくなり、磁気跳躍を生じることが示された。この時のＮｂ芯の中心間距離とＮｂ芯径の割合は、Ｎｂ芯の外周に被覆されたＣｕ層の厚さ、あるいはＣｕ被覆とＮｂ芯との断面積比でも表すことができるが、面積比で示すと約０．４以上が好ましいことが分かった。すなわち、Ｎｂ芯の中心間距離とＮｂ芯径の割合が１．２以上、あるいは、Ｃｕ被覆とＮｂ芯の断面積比が０．４以上を確保することで、磁気結合度を小さくして交流損失も低減できる。
【００５４】
ここで、超電導フィラメント間の磁気結合が小さいと、図３、４に記載の磁化曲線において、その曲線に囲まれた面積も小さくなる。一般的に交流損失は、磁化ヒステリシス損失、結合損失、渦電流損失に大別されるが、外部の磁界変化が小さい場合には磁化ヒステリシス損失が支配的である。この磁化ヒステリシス損失は、磁化曲線の閉面積と等価であるため、磁気結合度を小さくすることにより、交流損失が小さくなる。
【００５５】
図６は、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の基本構成（図１）について熱処理した超電導線材において、その最適条件の決定に係る磁気特性と超電導フィラメント間隔の関係を示す。具体的に図６は、Ｎｂ３Ｓｎ超電導フィラメントの磁気結合度と超電導フィラメントの間隔の関係を示すと共に、超電導フィラメントの等価直径と超電導フィラメント間隔の関係も併せて示す。
【００５６】
超電導フィラメントの間隔は、Ｎｂ３Ｓｎのフィラメントの間隙に存在する非超電導部の距離とした。図２（ｂ）を参照する。図２（ｂ）に示すように、超電導フィラメントは、熱処理によって生成したＮｂ３Ｓｎを示し、その外径はＮｂ３Ｓｎ相の外周縁とＣｕ基マトリックス（非超電導部）との境界から定義される。この結果により、熱処理後のフィラメント間隔の絶対値が０．５μｍ以下になるとフィラメント間の磁気結合が大きくなり磁気不安的を生じること、また間隔が０．５μｍより大きくなると、磁気結合度が小さくなることが分かった。すなわち、熱処理後の超電導フィラメントの間隔を０．５μｍ以上にすることで、優れた磁気安定性と交流損失特性が得られた。
【００５７】
図６を参照する。超電導フィラメントの等価直径は、フィラメント径と磁気結合度の積で表せるが、その絶対値が約３００μｍ以上になると磁気不安定を生じており、Ｎｂ芯とＳｎ芯とを多数本配置させてＮｂ３Ｓｎ線材を作製する内部拡散法においては、その等価直径は３００μｍ以下にすることが好ましい。
【００５８】
これら最適化条件の選定に用いた試料の臨界電流密度は、１２Ｔの外部磁場において、試料１：１５００Ａ／ｍｍ２、試料２：１４５０Ａ／ｍｍ２、試料３：１３００Ａ／ｍｍ２、試料４：１１５０Ａ／ｍｍ２、試料５：１２００Ａ／ｍｍ２であり、磁気安定に優れた試料３〜試料５は、試料１及び試料２と比較すると若干臨界電流密度が低いものの、優れた臨界電流特性を有している。
【００５９】
熱処理されたＮｂ３Ｓｎ超電導線材の断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察したところ、Ｎｂ芯の周囲に拡散生成したＮｂ３Ｓｎ結晶層の厚さとＳｎ含有量は、その中心軸に対してほぼ軸対象に均質に分布していた。これは、Ｎｂ単芯線とＳｎ単芯線を線材断面内にほぼ均等に配置できる本実施例を用いることにより、Ｎｂ芯のＣｕ被覆厚さが若干異なるものの、拡散反応時にＮｂ芯へ供給できるＳｎ量が線材断面内において均質とすることができたためである。その結果として優れた臨界電流密度を有する超電導フィラメントの占有率を大きくすることができた。
【００６０】
また、本実施例に係るＮｂ３Ｓｎ線材の前駆体を熱処理する条件を適切に選定することにより、Ｎｂ芯の周囲に生成するＮｂ３Ｓｎ層の厚さを制御することができるため、熱処理の終了時点で未反応のＮｂ芯を残留させることにより機械的に脆弱なＮｂ３Ｓｎ超電導フィラメントの内部に延性を有するＮｂの配置させた構造とすることも可能である。
【００６１】
本実施例に係るＮｂ３Ｓｎ線材の前駆体を構成する単芯線は、Ｎｂ基単芯線、Ｓｎ基単芯線共に同一の断面形状であるため、配置レイアウトの変更が容易であり、かつ減面加工性に優れている。また、本実施例に係るＮｂ３Ｓｎ線材の前駆体を構成するＮｂ基芯の組成は、ＮｂのみならずＴａを添加したＮｂ−Ｔａ等の合金、Ｓｎ基芯の組成はＳｎのみならず、ＴｉやＧｅを添加したＳｎ合金を用いてもその効果を発揮することができる。
【００６２】
また、本実施例に係るＮｂ３Ｓｎ線材の前駆体を構成するＮｂ基芯の組成は、ＮｂのみならずＴａを添加したＮｂ−Ｔａ等の合金を用いることで減面加工性が向上し、最終形状にまで加工した前駆体の断面における単芯配置の規則性が保持されやすくなる。またＳｎ基芯の組成はＳｎのみならず、ＴｉやＧｅを添加したＳｎ合金を用いることで、熱処理されたＮｂ３Ｓｎ線材の臨界電流特性を改善することができる。
【００６３】
（実施例４）
図７は、実施例４に係るＮｂ３Ｓｎ超電導線材の断面の概要を示す。具体的に図７は、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の他の基本構成例を模式的に示す。
【００６４】
実施例２に係るＮｂ３Ｓｎ超電導線材はＮｂ芯２３とＮｂ芯２３を被覆するＣｕ被覆２４（厚い）とからなる複数の第１のＮｂ線材と、Ｓｎ芯２５とＳｎ芯２５を被覆するＣｕ被覆２６とからなる複数のＳｎ線材と、Ｎｂ芯２１とＮｂ芯２１を被覆するＣｕ被膜２２（薄い）とからなる複数の第２のＮｂ線材とを含み、所定の配置で配列された複数の第１のＮｂ線材、複数のＳｎ線材、及び複数の第２のＮｂ線材が拡散バリア２７により被覆され、拡散バリア２７の外周に接する安定化Ｃｕ２８とを備えて構成される。ここで、Ｃｕ被覆２２の厚さはＣｕ被覆２４の厚さより薄く構成される。
【００６５】
また、実施例４に係るＮｂ３Ｓｎ超電導線材においては、Ｎｂ基単芯線において、そのＣｕ基被覆の面積比（Ｃｕ基被覆／Ｎｂ基芯）が０．４以上のものが線材断面内に放射状に配置されている。つまり、図７に示すように、被覆Ｃｕの厚いＮｂ単芯線とＳｎ単芯線とが並んでいるが、Ｓｎ芯は熱処理後の最終形態で超電導フィラメントとならず磁気結合に悪影響を及ぼさないため、断面内の規則的な配列を極力乱さないよう、線材の中心から外周側に向かって（径方向に）直線状に並んだＮｂ単芯線の列を、周方向に規則的に配列させた。
【００６６】
実施例４に係るＮｂ３Ｓｎ超電導線材は以下のようにして作製した。
【００６７】
まず、外径２５．５ｍｍ、内径２０．２ｍｍの銅管に、外径２０ｍｍのＮｂ棒（最終形状においてＮｂ芯２３になる）を挿入したものを減面加工し、対辺間距離が１．７ｍｍの六角棒（以下、Ｃｕ被覆の厚いＮｂ単芯線）とした。これと同様に、外径２２．５ｍｍ、内径２０．２ｍｍの銅管に、外径２０ｍｍのＮｂ棒（最終形状においてＮｂ芯２１になる）を挿入したものを減面加工し、対辺間距離が１．７ｍｍの六角部（以下、Ｃｕ被覆の薄いＮｂ単芯線）を作製した。併せて、外形１９．４ｍｍ、内径１６．３ｍｍの銅管に外径１５．９ｍｍのＳｎ合金棒（最終形状においてＳｎ芯２５になる）を挿入したものを減面加工し、対辺間距離が１．７ｍｍの六角棒（以下、Ｓｎ単芯線）とした。
【００６８】
その後、図７に示すような断面構成で、Ｃｕ被覆の厚いＮｂ線を１８本、Ｃｕ被覆の薄いＮｂ単芯線を５４本、Ｓｎ素線を３７本の合計１０９本を束ねて、外径２５．６ｍｍ、内径２１．２ｍｍの銅管（最終形状において安定化Ｃｕ２８になる）に挿入し、更に、単芯線束と銅管の間に厚さ０．２ｍｍのＴａシート（最終形状において拡散バリア２７になる）を５層挿入した。組み立てた多芯線を減面加工して、線径０．５ｍｍのＮｂ３Ｓｎ前駆体を作製した。この前駆体の断面構造を評価した結果、Ｃｕ被覆の厚いＮｂ単芯線のＣｕ被覆とＮｂ芯の断面積比が０．６、Ｃｕ被覆の薄いＮｂ単芯線の同断面積比が０．３であった。
【００６９】
得られた前駆体に２１０℃で１００時間、４００℃で５０時間、７００℃で１５０時間の熱処理を施して、Ｎｂ３Ｓｎ線材とした。なお、厚いＣｕ被覆２４のＮｂ単芯線（Ｃｕ／Ｎｂの断面積比０．４以上）の領域は、中心間距離が芯径の１．２倍以上であった。この前駆体の断面構造を評価した結果、上述のごとくＣｕ被覆の厚いＮｂ単芯線のＣｕ被覆とＮｂ芯の断面積比が０．６、Ｃｕ被覆の薄いＮｂ単芯線の同断面積比が０．３であった。また、これらＣｕ被覆の厚さが異なるＮｂ単芯線の断面形状を、その中心間距離と芯径の比率に換算すると、Ｃｕ被覆の厚い単芯線が１．２６、薄い単芯線が１．１４であった。
【００７０】
このＮｂ３Ｓｎ超電導線材の特性を評価した結果、有効フィラメント径が１００μｍで、１２Ｔの磁場中での臨界電流密度が１３５０Ａ／ｍｍ２であり、優れた臨界電流密度と交流損失、磁気安定性を兼備していた。この線材の磁気特性を±５Ｔの磁場領域で測定した場合においても磁気跳躍（磁気不安定）を生じることもなく、臨界電流測定においてもその通電特性は安定したものであった。
【００７１】
（実施例５）
図８は、実施例５に係るＮｂ３Ｓｎ超電導線材の断面の概要を示す。具体的に図８は、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の他の基本構成例を模式的に示した断面と、Ｎｂ芯が密集した領域の寸法形状を示す。
【００７２】
上述の実施例と同様に２種のＮｂ単芯線、及びＳｎ単芯線を作製し、図８に示すような単芯線の配置で線径０．５ｍｍのＮｂ３Ｓｎ線材の前駆体を作製した。図に示すようにＣｕ被覆の薄いＮｂ単芯線が六方最密構造に配置されており、これらＣｕ被覆の薄いＮｂ単芯線が隣接した領域（つまり、セグメント）が、Ｃｕ被覆の厚いＮｂ単芯線で区切られている。ここで、Ｃｕ被覆の薄いＮｂ単芯線からなるセグメント、すなわち、Ｎｂ芯が隣接した領域の直径は図８中の補助図に示すようなハニカム形状で表される。
【００７３】
得られた前駆体に２１０℃で１００時間、４００℃で５０時間、７００℃で１５０時間の熱処理を施して、Ｎｂ３Ｓｎ線材とした。そのＮｂ３Ｓｎ超電導線材の特性を評価した結果、有効フィラメント径が７０μｍ、１２Ｔの磁場中での臨界電流密度が１３８０Ａ／ｍｍ２であり、優れた臨界電流密度と交流損失、磁気安定性を兼備していた。この線材の磁気特性を±５Ｔの磁場領域で測定した場合においても磁気跳躍（磁気不安定）を生じることもなく、臨界電流測定においてもその通電特性は安定したものであった。
【００７４】
Ｎｂ芯が隣接した領域においては、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理後に超電導フィラメントが磁気的に結合していたが、その有効フィラメント径は前記のセグメントの直径とほぼ同等なものであった。また、実施例５におけるＣｕ被覆の薄いＮｂ単芯線からなるセグメント、すなわち、Ｎｂ芯が隣接した領域の直径を変化させた線材を作製し、その有効フィラメント径と磁気安定性を評価した結果、図６で得られた結果と同様に、有効フィラメント径が３００μｍ以下、すなわち、セグメントの直径が３００μｍ以下であれば、磁気不安定を生じないことが明らかとなった。これらの結果より、超電導フィラメント単独のみならず、これらフィラメントが磁気的に結合した場合の両方においても、その磁気的な挙動を示す有効フィラメント径を３００μｍの閾値以下にすれば磁気安定となることが分かる。（なお、セグメントの直径は、図８を参照のこと）。
【００７５】
上述の実施例および比較例で得られた熱処理前の前駆体の断面構造と熱処理後の超電導特性の結果一覧を表２に示す。これらを比較することにより、銅被覆率が異なる２種のＮｂ単芯線を組み合わせることで、優れた臨界電流特性と磁気安定性を兼備する線材を実現することが確認できた。
【００７６】
【表２】
0005671324.tif 000003
【００７７】
上述の実施例で得られた熱処理後の線材の断面構成と超電導特性の結果一覧を表３に示す。各実施例を比較することにより、銅被覆率が異なる２種のＮｂ単芯線を組み合わせることで、優れた臨界電流特性と磁気安定性を兼備する線材を実現することが確認できた。
【００７８】
なお、Ｃｕ／Ｎｂ比については、良好な磁気安定性を得るためには、いずれの構成もＣｕ／Ｎｂが０．４以上であることが好ましい。これは、図５に示すごとく、磁気安定性に及ぼすＮｂ芯間隔／Ｎｂ芯径、即ちＮｂ芯に被覆されたＣｕの断面積比の影響は、遷移領域を有している。Ｃｕ/Ｎｂ断面積比が０．３の場合が磁気不安定であり、同断面積比が０．５の場合は磁気安定な結果が得られたことより、同値が０．４付近が閾値であると結論付けられた。
一方、上限値については、Ｃｕ／Ｎｂが０．６以上であると、その特性に違いがなくなる（飽和する）。また、コストの面から、または、等価フィラメント径が小さくなるという理由から、Ｃｕ／Ｎｂが０．６以上とする理由はない。
【００７９】
（実施例１０）
上述の実施例１０で得られたＮｂ３Ｓｎの前駆体を用いて、巻きボビンの形状が内径φ１００ｍｍ、外径φ１５０ｍｍ、軸長１００ｍｍのソレノイドコイルを製作した。巻線した線材の両端部は、安定化Ｃｕと拡散バリアを除去し、各々の端部を接近させた状態で固定し、コイルとその線材端部を熱処理した。熱処理は、２１０℃で１００時間、４００℃で５０時間、６５０℃で１００時間で、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントの中央部に未反応のＮｂ芯が残留する条件とした。その後、熱処理された線材端部のＣｕ被覆を化学除去して内部の超電導フィラメントを露出させ、永久電流スイッチを直列にＰｂＢｉ超電導合金で半田付けすることで、永久電流運転が可能な超電導コイルとした。
【００８０】
なお、未反応のＮｂ芯を残す目的は、脆弱なＮｂ３Ｓｎ化合物の内部に延性のあるＮｂを残すことで機械特性を改善することができるからである。これにより、熱処理後のコイル口出し線を超電導接続する際、安定化銅を除去して内部のＮｂ３Ｓｂフィラメントを露出させる場合において、この作業時におけるフィラメントの破損を低減できる。
【００８１】
このコイルを励磁したところ、Ｎｂ３Ｓｎ線材の臨界電流まで安定に通電でき、励磁過程で磁気跳躍等の磁気不安定が生じることがなかった。この超電導コイルを永久電流モードとして、その磁場減衰を測定したところ、減衰率は１ｐｐｍ／ｈであり、核磁気共鳴分析装置や磁気共鳴イメージング装置等の超電導マグネットに適用できる優れた性能を有することが確認できた。
【００８２】
（効果）
実施例に係るＮｂ３Ｓｎ線材の断面構造において、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントの占有率が高い領域を非超電導域で分割するのではなく、占有率が低い領域で分割するようにしたので、高い臨界電流密度と優れた磁気特性を兼備するＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体の製造方法、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材、及び超電導マグネットシステムを実現することができる。
【００８３】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００８４】
２１  Ｎｂ芯
２２  Ｃｕ被覆（薄い）
２３  Ｎｂ芯
２４  Ｃｕ被覆（厚い）
２５  Ｓｎ芯
２６  Ｃｕ被覆
２７  拡散バリア
２８  安定化Ｃｕ
【図１】
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【図２】
0005671324.tif 000005
【図３】
0005671324.tif 000006
【図４】
0005671324.tif 000007
【図５】
0005671324.tif 000008
【図６】
0005671324.tif 000009
【図７】
0005671324.tif 000010
【図８】
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