(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理前のＮｂ３Ａｌ超伝導線材の表面を半田でコートした後、Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルと共に熱処理を行い、該熱処理と同時にニオブ母材の外周にＮｂ３Ｓｎ層を形成し、次いでＮｂ３Ｓｎ層の外周を半田で被覆した後、相手側の超伝導線材と半田を介して接続することを特徴とするＮｂ３Ａｌ超伝導コイルの接続方法。
【請求項２】
Ｎｂ３Ｓｎ層の外周に鉛ビスマススズ半田層を形成する請求項１記載のＮｂ３Ａｌ超伝導コイルの接続方法。
【請求項３】
Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材と接続するＮｂＴｉ超伝導線材から金属母材を除去し、ＮｂＴｉ超伝導芯線の表面を、Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材の表面をコートした半田と同じ半田でコートする請求項１又は２に記載のＮｂ３Ａｌ超伝導コイルの接続方法。
【請求項４】
Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材と接続するＮｂ３Ｓｎ超伝導線材について、加熱処理により芯線にＮｂ３Ｓｎを形成した後、金属母材を除去し、Ｎｂ３Ｓｎ超伝導芯線の表面を、Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材の表面をコートした半田と同じ半田でコートする請求項１又は２に記載のＮｂ３Ａｌ超伝導コイルの接続方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルの接続方法に関する。詳しくは、本願発明は、Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイル同士またはＮｂ３Ａｌ超伝導コイルとＮｂＴｉ超伝導コイルやＮｂ３Ｓｎ超伝導コイルなどの他の超伝導コイルとの接続を可能にするＮｂ３Ａｌ超伝導コイルの接続方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＭＲ磁石は、複数の超伝導コイルを直列に接続して構成される。ＮＭＲ磁石には、ＮＭＲ計測の分解能や感度を向上させるために、磁場の時間的な高安定性が必要とされる。たとえば、磁場安定性について最も厳しい仕様を持つ溶液用ＮＭＲでは、磁場減衰率が１時間当たり０．１ｐｐｍ以下であることが要求される。この仕様を実現するためには、超伝導コイルの一つの接続部当たり１０−１１オーム以下の接続抵抗とする必要がある。
【０００３】
従来、超伝導コイル同士の接続には半田ディップ法が広く用いられている。半田ディップ法では、超伝導線材の銅母材またはブロンズ母材を強い酸や半田浴槽中で加熱除去し、超伝導芯線をむき出しにした後、半田ディップにより超伝導芯線の表面に半田層を形成し、線材間を半田で埋めて接続部を形成する（特許文献１、２）。
【０００４】
ＮＭＲ磁石では、Ｎｂ３Ｓｎ超伝導コイルが高磁場領域に使用され、ＮｂＴｉ超伝導コイルが低磁場領域に用いられている。だが、１ＧＨｚＮＭＲのような超高磁場ＮＭＲを実現する場合、Ｎｂ３Ｓｎ超伝導コイルの超高磁場における超伝導特性は必ずしも十分ではないので、高磁場での超伝導特性に優れたＮｂ３Ａｌ超伝導線材の使用が望まれる。
【０００５】
また、医療用の高磁場ＭＲＩでは、超伝導コイルの直径が大きく、超伝導コイルには大きな電磁応力が加わる。Ｎｂ３Ｓｎ超伝導コイルには、電磁応力によって超伝導特性が劣化するという問題があり、応力特性に優れたＮｂ３Ａｌ超伝導コイルの使用が望まれる。
【特許文献１】米国特許第５６９０９９１号公報
【特許文献２】米国特許第４７４４５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材はニオブを母材としているので、従来の半田ディップ法に不可欠な金属母材の除去と超伝導芯線の露出が不可能であり、Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルを接続することができず、これまでＮｂ３Ａｌ超伝導コイルをＮＭＲやＭＲＩに適用することはできなかった。
【０００７】
Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材の典型的な断面構成を図１に示す。ニオブ母材１の中にニオブとアルミニウムの複合芯線２が多数埋め込まれ、外周部は安定化銅３でクラッドされている。ニオブ母材１は酸などの薬品に溶けにくく、半田浴槽中でも除去が不可能であるので、半田ディップ法に不可欠な母材の除去と超伝導芯線の露出が不可能であり、超伝導接続を形成することができなかった。
【０００８】
本願発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイル同士またはＮｂ３Ａｌ超伝導コイルとＮｂＴｉ超伝導コイルやＮｂ３Ｓｎ超伝導コイルなどの他の超伝導コイルとの接続を可能にするＮｂ３Ａｌ超伝導コイルの接続方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明は、上記の課題を解決するものとして、第１に、熱処理前のＮｂ３Ａｌ超伝導線材の表面を半田でコートした後、Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルと共に熱処理を行い、該熱処理と同時にニオブ母材の外周にＮｂ３Ｓｎ層を形成し、次いでＮｂ３Ｓｎ層の外周を半田で被覆した後、相手側の超伝導線材と半田を介して接続することを特徴としている。
【００１１】
本願発明は、第２に、Ｎｂ３Ｓｎ層の外周に鉛ビスマススズ半田層を形成することを特徴としている。
【００１２】
本願発明は、第３に、Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材と接続するＮｂＴｉ超伝導線材から金属母材を除去し、ＮｂＴｉ超伝導芯線の表面を、Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材の表面をコートした半田と同じ半田でコートすることを特徴としている。
【００１３】
本願発明は、第４に、Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材と接続するＮｂ３Ｓｎ超伝導線材について、加熱処理により芯線にＮｂ３Ｓｎを形成した後、金属母材を除去し、Ｎｂ３Ｓｎ超伝導芯線の表面を、Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材の表面をコートした半田と同じ半田でコートすることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本願発明によれば、Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルを形成するＮｂ３Ａｌ超伝導線材を半田を用いて他の超伝導線材と接続することができ、Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルの超伝導接続が可能となる。Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルをＮＭＲやＭＲＩの超伝導コイルとして使用することができ、特にＮｂ３Ａｌ超伝導線材の高磁場特性を生かした１ＧＨｚＮＭＲの実現が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本願発明のＮｂ３Ａｌ超伝導コイルの接続方法では、図１に示した二オブ母材１の外周に、図２に示すようにＮｂ３Ｓｎ層４を形成し、そして、図３に示すように、鉛ビスマススズ半田のような超伝導特性に優れた半田層６を被覆して接続する。具体的には次のように操作する。
【００１７】
Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルからＮｂ３Ａｌ超伝導線材を引き出し、接続部を半田でコートした後、接続部をＮｂ３Ａｌ超伝導コイルとともに８００℃で１０時間加熱し、図１に示した複合芯線２にＮｂ３Ａｌを形成させ、安定化銅３を図２に示すようにブロンズ５に変化させる。ブロンズ５中のスズ原子は熱処理中に拡散するので、ニオブ母材１の外周にＮｂ３Ｓｎ層４が形成される。次いで、接続部を超伝導特性に優れた鉛ビスマススズ半田などの半田浴槽中に浸漬し、図３に示すように、ブロンズ５を除去し、Ｎｂ３Ｓｎ層４の表面に半田層６を形成する。このように処理したＮｂ３Ａｌ超伝導線材を従来の半田ディップ法により相手側のＮｂ３Ａｌ超伝導線材、Ｎｂ３Ｓｎ超伝導線材、ＮｂＴｉ超伝導線材と接続する。
【００１８】
Ｎｂ３Ａｌ超伝導芯線を通った超伝導電流は、超伝導特性を示すニオブ母材１を超伝導状態で流れ、Ｎｂ３Ｓｎ層４および半田層６を介して接続した超伝導線材に流れ、超伝導接続を形成する。接続部をニオブや鉛ビスマススズ半田の臨界磁場である０．４Ｔ以下に磁気シールドすると、磁石の発生する磁場下で超伝導接続が良好に維持される。
【実施例】
【００１９】
１．Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルとＮｂＴｉ超伝導コイルの接続
まず、Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材に対して次のような３段階の工程で処理を行う。
【００２０】
処理１：Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルから引き出した熱処理前のＮｂ３Ａｌ超伝導線材の接続部から絶縁被覆を取り除き、外周を低スズ組成の鉛スズ系の半田で被覆した後、接続部をＮｂ３Ａｌ超伝導コイルとともに８００℃で１０時間加熱処理する。この加熱処理により、図１に示した複合芯線２にＮｂ３Ａｌが形成するとともに、外周部の安定化銅３が図２に示すようにブロンズ５に変化する。ブロンズ５中のスズ原子は、ニオブ母材１に固相拡散し、ニオブ母材１の外周にＮｂ３Ｓｎ層４が形成する。
【００２１】
処理２：接続部をＡｒガスなどの不活性ガスまたは真空中で溶融したスズ組成の高い鉛フリー半田に浸し、ブロンズ５を半田浴槽中に拡散させて除去するとともに、Ｎｂ３Ｓｎ層の周りに鉛フリー半田層を形成させる。スズ組成の高い鉛フリー半田の溶融温度は、半田が溶融する２００℃程度を下限とし、Ｎｂ３Ａｌの特性が変化する６００℃を上限とする範囲内の温度とする。たとえば３００℃とすることができる。
【００２２】
処理３：接続部をＡｒガスなどの不活性ガスまたは真空中で２５０℃程度で溶融した鉛ビスマススズ半田浴槽に浸し、鉛フリー半田層を超伝導臨界磁場に優れた鉛ビスマススズ半田層に置き換える。
【００２３】
次に、接続相手であるＮｂＴｉ超伝導線材に対して次のような表面処理を行う。
【００２４】
処理４：ＮｂＴｉ超伝導コイルから引き出したＮｂＴｉ超伝導線材の接続部の絶縁被覆を取り除き、安定化銅を露出させた後、Ａｒガスなどの不活性ガスまたは真空中で溶融したスズ組成の高い鉛フリー半田に浸し、銅母材を除去するとともに、ＮｂＴｉ超伝導芯線の周りを鉛フリー半田でコートする。スズ組成の高い鉛フリー半田の溶融温度は、半田が溶融する２００℃程度を下限とし、ＮｂＴｉのピンニング特性が変化し始める５００℃を上限とする範囲内の温度とする。たとえば３００℃とすることができる。なお、銅母材を除去する方法は、半田浴槽への浸漬に限られず、硝酸などの薬品による除去とすることもできる。
【００２５】
処理５：接続部をＡｒガスなどの不活性ガスまたは真空中で溶融した鉛ビスマススズ半田浴槽に浸し、鉛フリー半田層を鉛ビスマススズ半田層に置き換える。鉛ビスマススズ半田の溶融温度は、半田が溶融する２００℃程度を下限とし、ＮｂＴｉのピンニング特性が変化し始める５００℃を上限とする範囲内の温度とする。たとえば２５０℃〜３００℃とすることができる。
【００２６】
そして、図４に示すように、Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルから引き出し、処理の終了したＮｂ３Ａｌ超伝導線材７とＮｂＴｉ超伝導コイルから引き出し、処理の終了したＮｂＴｉ超伝導線材８をスイッチバックの方法で近接して並べ、Ａｒガスなどの不活性ガスまたは真空中で溶融した鉛ビスマススズ半田浴槽９に浸し、鉛ビスマススズ半田により超伝導線材７、８を接続して超伝導接続１０を形成させる。鉛ビスマススズ半田の溶融温度は、半田が溶融する２００℃程度を下限とし、ＮｂＴｉのピンニング特性が変化し始める５００℃を上限とする範囲内の温度とする。たとえば３００℃とすることができる。超伝導線材７、８を配置する方法は、図４に示したスイッチバックに限定されない。交差配置でもよく、また、超伝導線材７、８の末端端面を平面加工しておき、両超伝導線材７、８を突き合わせるようにしてもよい。
【００２７】
なお、最後の接続工程は、上記処理３と処理５の同時処理に替えることができる。
【００２８】
接続後には、Ｎｂ３Ａｌ超伝導芯線を通った超伝導電流は、第２種超伝導材料であるニオブ母材を超伝導状態で流れ、Ｎｂ３Ａｌ層および鉛ビスマススズ半田層を介してＮｂＴｉ超伝導線材に流れ、超伝導接続を形成する。
【００２９】
実際に処理３まで行ったＮｂ３Ａｌ超伝導線材の断面写真を図５（ａ）（ｂ）に示す。ニオブ母材の外周にＮｂ３Ｓｎ層が形成し、Ｎｂ３Ｓｎ層の周りに鉛ビスマススズ半田層が形成している。処理後のＮｂ３Ａｌ超伝導線材とＮｂＴｉ超伝導線材のスイッチバッグ接続部について、４．２ケルビンで接続抵抗を計測した結果を図６に示す。図の横軸は接続部の電流を示し、縦軸は接続部の電圧を示す。電圧が発生していない状態が超伝導状態であり、０．４Ｔまで超伝導状態を保っている。特に０．１Ｔ以下では十分大きな超伝導電流が流れる。したがって、図７に示すように、超伝導接続１４を磁石１１から十分遠方に置くか、超伝導接続１４を、超伝導コイルや強磁性体１５を用いて０．４Ｔ以下に磁気シールドすることにより、超伝導接続１４を維持することが可能である。磁気シールドに使用する超伝導コイルには、ＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎなどの金属系超伝導線材や酸化物高温超伝導線材を巻回したものを用いることができる。また、磁気シールドは、超伝導バルクによるものとすることもできる。
【００３０】
本実施例では、Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材と接続するＮｂＴｉ超伝導線材として銅母材のものを例に挙げたが、ＮｂＴｉ超伝導線材は、たとえば永久電流スイッチに用いられるキュプロニッケル母材のものとしてもよい。また、ＮｂＴｉ超伝導線材はＮｂＴｉ超伝導コイルから引き出したものとしたが、数ｍのＮｂＴｉ超伝導線材を用い、このＮｂＴｉ超伝導線材の一端をＮｂ３Ａｌ超伝導線材と接続し、他端を半田ディップ法などによりＮｂ３Ｓｎ超伝導コイル、ＮｂＴｉ超伝導コイル、ＮｂＴｉ永久電流スイッチなどと接続することも可能である。さらに、Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルを形成するＮｂ３Ａｌ超伝導線材についても特に制限はなく、図１に示した断面構成を有するすべてのＮｂ３Ａｌ超伝導線材を対象とすることができる。急熱急冷変態法によるＮｂ３Ａｌ超伝導線材、低温拡散法によるＮｂ３Ａｌ超伝導線材、ＴＲＵＱ法やＤＲＨＱ法などによる改良型のＮｂ３Ａｌ超伝導線材などの様々なＮｂ３Ａｌ超伝導線材があるが、基本的な断面構成は図１に示したものと同様である。
２．Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルとＮｂ３Ｓｎ超伝導コイルの接続
Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルから接続のために引き出したＮｂ３Ａｌ超伝導線材に上記処理１〜処理３の３段階の処理を行う。接続する相手側のＮｂ３Ｓｎ超伝導コイルから引き出したＮｂ３Ｓｎ超伝導線材には、以下の２段階の工程で表面処理を行う。
【００３１】
処理６：Ｎｂ３Ｓｎ化加熱処理の終了したＮｂ３Ｓｎ超伝導コイルの接続部から絶縁被覆を取り除いた後、接続部をＡｒガスなどの不活性ガスまたは真空中でスズ組成の高い鉛フリー半田浴槽に浸し、Ｎｂ３Ｓｎ超伝導線材の安定化銅やブロンズ母材を除去する。スズ組成の高い鉛フリー半田の溶融温度は、半田が溶融する２００℃程度を下限とし、Ｎｂ３Ｓｎが形成され始める５００℃を上限とする範囲内の温度とする。たとえば３００℃とすることができる。Ｎｂ３Ｓｎ超伝導芯線が露出した後、周りに鉛フリー半田層が形成する。なお、安定化銅やブロンズ母材の除去に際しては、硝酸などの強い酸で粗除去する工程を付加することもできる。
【００３２】
処理７：接続部をＡｒガスなどの不活性ガスまたは真空中で溶融した鉛ビスマススズ半田浴槽に浸し、接続部の外周の鉛フリー半田層を超伝導臨界磁場に優れた鉛ビスマススズ半田層に置き換える。鉛ビスマススズ半田の溶融温度は、半田が溶融する２００℃程度を下限とし、Ｎｂ３Ｓｎが形成され始める５００℃を上限とする範囲内と温度とする。たとえば３００℃とすることができる。
【００３３】
処理の終了したＮｂ３Ａｌ超伝導線材とＮｂ３Ｓｎ超伝導線材をスイッチバックの方法などで近接して並べ、Ａｒガスなどの不活性ガスまたは真空中で溶融した鉛ビスマススズ半田浴槽に浸し、高い超伝導臨界磁場特性を持つ鉛ビスマススズ半田を介して接続する。鉛ビスマススズ半田の溶融温度は、半田が溶融する２００℃程度を下限とし、Ｎｂ３Ｓｎが形成され始める５００℃を上限とする範囲内の温度とする。たとえば２５０℃とすることができる。両超伝導線材を接続するための配置方法はスイッチバックに限定されず、交差配置や端面突合せなどとすることもできる。
【００３４】
なお、最後の接続工程は、上記処理３と処理７の同時処理に替えることができる。
【００３５】
Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルとＮｂ３Ｓｎ超伝導コイルの接続の場合にも、図７に示すように、超伝導接続１４は、磁石１１から十分遠方で０．４Ｔ以下の磁場に置くか、超伝導コイルや強磁性体１５を用いて０．４Ｔ以下に磁気シールドして、超伝導接続１４を維持させることができる。超伝導コイルにはＮｂＴｉやＮｂ３Ｓｎなどの金属系超伝導線材を巻回したもの、酸化物高温超伝導線材を巻回したものを採用することができる。また、磁気シールドは超伝導バルクを用いたものとすることもできる。
３．Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルとＮｂ３Ａｌ超伝導コイルの接続
Ｎｂ３Ａｌ超伝導コイルから接続のために引き出した２本のＮｂ３Ａｌ超伝導線材に上記処理１〜処理３の処理を行う。
【００３６】
処理の終了した２本のＮｂ３Ａｌ超伝導線材をスイッチバックの方法で近接して並べ、Ａｒガスまたは真空中で溶融した鉛ビスマススズ半田浴槽に浸し、高い超伝導臨界磁場特性を持つ鉛ビスマススズ半田を介して接続する。鉛ビスマススズ半田の溶融温度は、半田が溶融する２００℃程度を下限とし、Ｎｂ３Ａｌの形成が始まる５００℃を上限とする範囲内の温度とする。たとえば２５０℃とすることができる。両超伝導線材を接続のために配置する方法はスイッチバックに限られず、交差配置や端面接合などとすることができる。
【００３７】
形成する超伝導接続は、図７に示すように、磁石１１から十分遠方で０．４Ｔ以下の漏れ磁場の場所に置くか、超伝導コイルや強磁性体１５によって０．４Ｔ以下の磁場に磁気シールドして、維持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材の断面構成を模式的に示した図である。
【図２】ニオブ母材の外周にＮｂ３Ｓｎ層が形成し、安定化銅がブロンズに変化した状態を示した図である。
【図３】Ｎｂ３Ｓｎ層の外周に半田層が形成した状態を示した図である。
【図４】接続部をスイッチバック方式で近接させ、半田浴槽中に浸した状態を示した図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は、それぞれ、接続前のＮｂ３Ａｌ超伝導線材を示した断面写真である。
【図６】Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材とＮｂＴｉ超伝導線材を接続した時の接続部の電圧−電流特性を示した図である。
【図７】形成する超伝導接続の配置等について示した図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    ニオブ母材
２    ニオブとアルミニウムの複合芯線
３    安定化銅
４    Ｎｂ３Ｓｎ層
５    ブロンズ
６    半田層
７    Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材
８    ＮｂＴｉ超伝導線材
９    鉛ビスマススズ半田浴槽
１０    超伝導接続
１１    磁石
１４    超伝導接続
１５    超伝導コイルや強磁性体
【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】
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