(57)【要約】【課題】中間焼鈍を必要とすること無く、高い臨界電流密度で電力損失の小さい化合物超電導体及びその製造方法を提供すること。【解決手段】熱処理によりＳｎとＮｂは反応してＮｂ３Ｓｎの超電導層が生成されるが、その層は熱処理時間が長い程その超電導層が厚くなってくる。この場合Ｓｎ−Ｎｂ管のＮｂの周りはＮｂ３Ｓｎの超電導層がＮｂ管の肉厚まで生成される。すると、Ｎｂ管の中のＳｎはＮｂ３Ｓｎの超電導層を拡散し、Ｃｕマトリックスの方へも拡散してくるため、必然的にはＣｕマトリックスのＳｎ濃度が高くなる。Ｃｕ中のＮｂはさらに反応が進み、Ｎｂ３Ｓｎの超電導層を増加させる。このため、Ｎｂ３Ｓｎの超電導層が増加することになるので、従来のブロンズ法による臨界電流密度（Ａ／ｍｍ２）の上昇が起こる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
安定化材料からなる管体内にＮｂ管体を配設し、該Ｎｂ管体内に収納される少なくとも一組の素線単位からなり、
該素線単位は、Ｓｎ棒及び、該Ｓｎ棒の周囲に配設されるＮｂ管からなるＳｎ−Ｎｂ管と、
Ｎｂ棒及び、該Ｎｂ棒の周囲に配設されるＣｕ管からなるＮｂ−Ｃｕ管を、前記Ｓｎ−Ｎｂ管の外周囲に複数個均等に配設したものであって、これらの全体に熱処理及び減面加工を交互に施すことにより得られる化合物超電導体。
【請求項２】
前記Ｓｎ棒の中心にはＴａ、Ｂｂ、Ｃｕ−Ｎｂ合金、アルミナ分散強化銅のいずれかから選択された補強線材が存在するようにした請求項１記載の化合物超電導体。
【請求項３】
安定化材料からなる管体内にＮｂ管体を配設し、該Ｎｂ管体内に収納される少なくとも一組の素線単位からなり、
該素線単位は、Ａｌ棒及び、該Ａｌ棒の周囲に配設されるＮｂ管からなるＡｌ−Ｎｂ管と、
Ｎｂ棒及び、該Ｎｂ棒の周囲に配設されるＣｕ管からなるＮｂ−Ｃｕ管を、前記Ａｌ−Ｎｂ管の外周囲に複数個均等に配設したものであって、これらの全体に熱処理及び減面加工を交互に施すことにより得られる化合物超電導体。
【請求項４】
少なくとも一組の素線単位からなり、
該素線単位は、Ｓｎ棒および、該Ｓｎ棒の周囲に配設されるＮｂ管からなるＳｎ−Ｎｂ管と、
Ｎｂ棒及び、該Ｎｂ棒の周囲に配設されるＣｕ管からなるＮｂ−Ｃｕ管を、前記Ｓｎ−Ｎｂ管の外周囲に複数個均等に配設したものであって、該素線全体に真空中で６８０℃で１８０時間以上の熱処理と、この熱処理と減面加工を交互に施すことにより、Ｎｂ３Ｓｎの超電導層が拡散されるようにした化合物超電導体の製造方法。
【請求項５】
少なくとも一組の素線単位からなり、
該素線単位は、Ａｌ棒及び、該Ａｌ棒の周囲に配設されるＮｂ管からなるＡｌ−Ｎｂ管と、
Ｎｂ棒及び、該Ｎｂ棒の周囲に配設されるＣｕ管からなるＮｂ−Ｃｕ管を、前記Ａｌ−Ｎｂ管の外周囲に複数個均等に配設したものであって、該素線全体に真空中で６８０℃で１８０時間以上の熱処理と、この熱処理と減面加工を交互に施すことにより、Ｎｂ３Ａｌの超電導層が拡散されるようにした化合物超電導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物超電導体及びその製造方法に関し、特に、Ｎｂ３Ｓｎ又はＮｂ３Ａｌ超電導体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、実用化されている超電導体としては、Ｎｂ３Ｓｎ又はＮｂ３Ａｌ等の化合物超電導体（化合物系超電導体）を用いたものや、Ｎｂ−Ｔｉの金属系超電導体（金属系超電導体）が知られている。それらは、超電導状態においては電力をほとんど消費することがないため、強磁界の形成が可能な超電導マグネット或は送電ケーブルへの実用化が進められている。
【０００３】
上記のような超電導体のうち、化合物超電導体は、予めＳｎを添加した銅系マトリックスを使用するブロンズ法、Ｓｎ棒及びＮｂ棒を夫々配置した銅系マトリックスをしようする内部Ｓｎ拡散法、Ｎｂ管（Ｎｂチューブ）に、Ｃｕ管とＳｎ棒を一体化したものを挿入した銅系マトリックスを使用するＮｂチューブ法によって製造されている。
【０００４】
ところが、以上述べた製造方法はいずれも一長一短がある。すなわち、Ｎｂチューブ法は、Ｓｎ濃度を工業規模で５５％程度にできることから、Ｎｂ層を厚く形成でき、この結果臨界電流密度が大きくなるという利点を有する。
【０００５】
この反面、従来のチューブ法では、Ｎｂ管（Ｎｂチューブ）はＳｎが銅マトリックスへの拡散を防止する役目を果たすものとしていると考えられていた。ところが、最近例えば特許文献１にも開示されているように熱処理がある限度を超えると、Ｓｎが銅マトリックスへ拡散することが、最近わかってきた。
【０００６】
図３は、これを説明するための図であり、図３（ａ）は従来のチューブ法により製造した化合物超電導導体の断面図である。Ｃｕ管からなる安定化材２４と、安定化材２４の内周側に配設される第１及び第２の拡散防止層２５、２６と、拡散防止層２６の内周側の内部空間に充填配設されたＣｕ−Ｓｎマトリックス２８及び複数の構造体２９から構成されている。
【０００７】
各構造体２９は、図３（ｂ）に示すようにＳｎからなる芯材２９ａと、芯材２９ａの外周側にＣｕ層２９ａと、Ｎｂ層２９ａを順次介して配設した安定化材層（例えばＣｕ層）２９ｄからなっている。
【０００８】
このような構成の化合物超電導導体を製造する際に、所定の温度例えば６８０℃１８０時間熱処理すると、図３（ｃ）［図３（ａ）のＣｕ−Ｓｎマトリックス２８の一部を顕微鏡で拡大して見た図］に示すように各構造体２９のＮｂ層２９ｃは、芯材２９ａのＳｎがＣｕ−Ｓｎマトリックス２８への拡散を防止する役目を果たしている。
【０００９】
ところが、前述したように熱処理がある限度を越えると、図３（ｄ）［図３（ａ）のＣｕ−Ｓｎマトリックス２８の一部を顕微鏡で拡大して見た図］の矢印で示す位置（安定化材層２９ｄの厚さの薄い部分）において、芯材２９ａのＳｎがＣｕ−Ｓｎマトリックス２８への拡散が生じる。
【００１０】
このように芯材２９ａのＳｎがＣｕ−Ｓｎマトリックス２８へ拡散すると、抵抗が大きくなり、損失も大きくなるという欠点がある。さらに、Ｎｂチューブ法は、現時点では工業規模で線の直径を７０ミクロン以下にできないことから、これを交流系統等に使用した場合には、抵抗の発生源となる。
【００１１】
これに対して、従来のブロンズ法では、工業規模で線の直径を２〜５ミクロン程度にできることから、これを交流系統等に使用した場合には、抵抗の発生源とはならないという利点を有する。
【特許文献１】特開平２−２７６１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところが、従来のブロンズ法では、次のような欠点がある。すなわち、Ｓｎ濃度が１０％を超えると、線材加工中に加工硬化が起こり断線するため、その濃度を１０％程度にしている。通常、製品として用いるためには４ｋｍ全てに亘って均一な機能が得られることが必要である。このため、加工硬化した線材に、一旦熱を加えて軟化させる、所謂中間焼鈍（５００℃で２〜３時間加熱する）を行い、再び減面加工を行う作業を何度か繰り返す。この時に、Ｓｎ濃度が加工硬化による断線の原因となることから、限定されることはＮｂ３Ｓｎの超電導層が薄くなることを意味し、それゆえ臨界電流密度（Ａ／ｍｍ２）が小さくなる欠点がある。
【００１３】
内部Ｓｎ拡散法は、純ＳｎをＣｕ管の中に挿入し、その周りにＮｂ棒を多数配置して細線化する。そして、熱処理するとＳｎが銅マトリックス内に拡散し、Ｎｂフィラメント（配置されたＮｂ棒）と反応してＮｂ３Ｓｎ層を生成する。しかし、Ｎｂフィラメントの配置の仕方によりＳｎの拡散が抑制もしくは、偏在することにより、多数のＮｂ３Ｓｎ層が生成されない欠点がある。また、その欠点を補うために、多段熱処理を長時間行なわなければならないなど実用上の大きな欠点になっている。
【００１４】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、ブロンズ法とＮｂチューブ法との欠点をそれぞれ補い合い、中間焼鈍を必要とすること無く、高い臨界電流密度で電力損失の小さい化合物超電導体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、安定化材料からなる管体内にＮｂ管体を配設し、該Ｎｂ管体内に収納される少なくとも一組の素線単位からなり、該素線単位は、Ｓｎ棒及び、該Ｓｎ棒の周囲に配設されるＮｂ管からなるＳｎ−Ｎｂ管と、Ｎｂ棒及び、該Ｎｂ棒の周囲に配設されるＣｕ管からなるＮｂ−Ｃｕ管を、前記Ｓｎ−Ｎｂ管の外周囲に複数個均等に配設したものであって、これらの全体に熱処理及び減面加工を交互に施すことにより得られる化合物超電導体である。
【００１６】
前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、安定化材料からなる管体内にＮｂ管体を配設し、該Ｎｂ管体内に収納される少なくとも一組の素線単位からなり、該素線単位は、Ａｌ棒及び、該Ａｌ棒の周囲に配設されるＮｂ管からなるＡｌ−Ｎｂ管と、Ｎｂ棒及び、該Ｎｂ棒の周囲に配設されるＣｕ管からなるＮｂ−Ｃｕ管を、前記Ａｌ−Ｎｂ管の外周囲に複数個均等に配設したものであって、これらの全体に熱処理及び減面加工を交互に施すことにより得られる化合物超電導体である。
【００１７】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、少なくとも一組の素線単位からなり、該素線単位は、Ｓｎ棒および、該Ｓｎ棒の周囲に配設されるＮｂ管からなるＳｎ−Ｎｂ管と、Ｎｂ棒及び、該Ｎｂ棒の周囲に配設されるＣｕ管からなるＮｂ−Ｃｕ管を、前記Ｓｎ−Ｎｂ管の外周囲に複数個均等に配設したものであって、該素線全体に真空中で６８０℃で１８０時間以上の熱処理と、この熱処理と減面加工を交互に施すことにより、Ｎｂ３Ｓｎの超電導層が拡散されるようにした化合物超電導体の製造方法である。
【００１８】
前記目的を達成するため、請求項５に対応する発明は、少なくとも一組の素線単位からなり、該素線単位は、Ａｌ棒及び、該Ａｌ棒の周囲に配設されるＮｂ管からなるＡｌ−Ｎｂ管と、Ｎｂ棒及び、該Ｎｂ棒の周囲に配設されるＣｕ管からなるＮｂ−Ｃｕ管を、前記Ａｌ−Ｎｂ管の外周囲に複数個均等に配設したものであって、該素線全体に真空中で６８０℃で１８０時間以上の熱処理と、この熱処理と減面加工を交互に施すことにより、Ｎｂ３Ａｌの超電導層が拡散されるようにした化合物超電導体の製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ブロンズ法とＮｂチューブ法との欠点をそれぞれ補い合い、中間焼鈍を必要とすること無く、高い臨界電流密度で電力損失の小さい化合物超電導体及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２１】
図１は、本発明に係るＮｂ３Ｓｎ化合物超電導体及びその製造方法の実施形態を説明するための図である。本実施形態の化合物超電導体は、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように少なくとも一組の素線単位１と、素線単位１を内包するＮｂ管体２３と、Ｎｂ管２３の周囲に配設される安定化材となる銅管体２４からなるものである。
【００２２】
該素線単位１は図１（ｂ）で示すコアとなる断面が略円形のＳｎ棒２をＮｂ管３に挿入した後、断面正六角形状に成型してなるＳｎ−Ｎｂ管４と、このＳｎ−Ｎｂ管４の外周囲に密着するように６個配設され、コアとなる断面円形のＮｂ棒５をＣｕ管（銅管）６に挿入した後、断面正六角形状に成型してなるＮｂ−Ｃｕ（ブロンズ）管４ａ（図１（ｃ）で示す）からなるものである。
【００２３】
このような構成の素線単位１を、安定化材を構成する銅管２４の内側にＮｂ管２３を配設し、Ｎｂ管２３内に該内部空間がほとんど埋まるように収納した状態で、例えばスェージングマシンにより一体化した後、全体を真空中で６８０℃で１８０時間以上の熱処理と、この熱処理と減面加工を交互に施すことにより化合物超電導体を得る。
【００２４】
本発明は、熱処理を施さないと純粋なＮｂ層のみの場合、Ｓｎへの拡散が抑えられ、逆に熱処理を施すとＮｂ層がＳｎへ拡散されてＮｂ３Ｓｎ超電導層が形成され、このＮｂ３Ｓｎ超電導層が形成されると、Ｓｎへの拡散が起こることを利用したものであり、さらに、熱処理すると、ＮｂとＳｎの反応が進み、Ｎｂ３Ｓｎ層が厚くすることができる。
【００２５】
つまり、前述のように熱処理すると、加工上、歪んだ状態になっている場合とか、肉厚の薄いところがあると、全部Ｎｂ３Ｓｎ層になってしまう。
【００２６】
すると、Ｎｂ３ＳｎはＳｎを拡散させる現象が発生する。Ｎｂ層の薄いところの反応速度が律速、つまり全体が弱い反応速度となるため、そのＮｂ３Ｓｎ層からＳｎはＣｕ層へ拡散する。そして、外側において、Ｃｕ−Ｓｎの反応が進み、Ｎｂ３Ｓｎの密度が高くなる。
【００２７】
以上述べたことから、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｃｕはいずれも純粋な金属であるため、減面加工が可能であり、Ｎｂ３Ｓｎが成長する方向に拡散されるので、臨界電流密度が高くなる。
【００２８】
本発明の実施形態は前述した従来例で必要としていた、中間焼鈍（５００℃で２〜３時間加熱する）をなくし、例えば直径３００ｍｍのものを一気に例えば直径１ｍｍにすることができる。
【００２９】
次に、今回試作した本発明の化合物超電導体では、Ｃｕ管とＮｂ棒を一体化したもの（Ｎｂ−Ｃｕ管）以外に、Ｎｂ管に挿入したＳｎ棒を一体化したもの（略称してＳｎ−Ｎｂ管）も挿入する（図１参照）。
【００３０】
このような構成の線材を４、４ａを所定の熱処理すなわち、真空中の６８０℃で１８０時間以上行うと、次に述べるような反応が起きる。図１（ｄ）に示すようにＣｕ管６はＮｂ棒５及びＳｎ−Ｎｂ管４とＮｂ管３とに反応し、Ｎｂ３Ｓｎの超電導層７になる。
【００３１】
この超電導層７は熱処理時間（反応時間）と熱処理温度等の熱処理条件に依存するが、この試作線材ではＣｕ管６に接するところに、本発明の重要な構成である、Ｓｎ−Ｎｂ管４が存在するため、その界面もＮｂ３Ｓｎの超電導層７になっている。熱処理時間が経つにつれて超電導層７も厚くなっていく。
【００３２】
やがて、図１（ｂ）のＳｎ−Ｎｂ管４のＮｂ管３が全部超電導層になると、今度はその中のＳｎ棒２が超電導層７に拡散し、図１（ｅ）に示すようにＣｕマトリックスの方向（矢印Ｂの方向）へ移動する。拡散したＳｎはＮｂ棒５とＳｎ−Ｎｂ管４のＮｂ管３とも反応するため、Ｎｂ棒５とＳｎ−Ｎｂ管４との反応層である、Ｎｂ３Ｓｎの超電導層７の厚みも厚くなっていく。このことは、臨界電流密度（Ａ／ｍｍ２）の上昇を意味している。
【００３３】
上記の実施形態において、Ｓｎ−Ｎｂ管をＣｕ管に被せて一体化したものを使用するようにしてもよい。また、Ｓｎ棒のＮｂ管への挿入が困難な場合には、銅箔を被せた後挿入するように構成してもよい。
【００３４】
図２は、本発明の線の熱処理による臨界電流密度（Ａ／ｍｍ２）の特性を示している。熱処理時間が１５０時間ごろから臨海電流密度（Ａ／ｍｍ２）の上昇が見られた。１８０時間では、磁場強度が１２テスラ（一定）で１４００Ａ／ｍｍ２となり、通常のブロンズ法によって製造した比較例の臨海電流密度（Ａ／ｍｍ２）よりも３００Ａ／ｍｍ２上昇していた。
【実施例】
【００３５】
次に、本発明の具体的実施例について説明する。すなわち、ＮｂチューブにＳｎ棒を挿入して六角形状に成型したＳｎ−Ｎｂ棒の周りにＣｕ−Ｓｎ管に、Ｎｂ棒を挿入し、六角形状に成型した従来型のブロンズ−Ｎｂ棒に並べ、その構成を一単位とした。今回は、それを多数束ねてＳｎ拡散防止バーリヤとなるＴａ管に挿入し、次に安定化材となる銅管に挿入して一体化し試作線とし、その比較用線として同数のフィラメント本数の従来型のＣｕ−Ｓｎ線も試作した。線引き（減面加工）と熱処理（中間焼鈍）を繰り返し、最終線径１．４ｍｍの線を加工した。
【００３６】
次に、真空中で６８０℃で１８０時間で、Ｎｂ３Ｓｎの超電導層の生成熱処理を行った。これらの線を１２テスラの磁場中で比較線材、本発明の線材の夫々の臨海電流密度（Ａ／ｍｍ２）を測定したところ、比較用線材では７３０Ａ／ｍｍ２であるのに対し、本発明では１０８０Ａ／ｍｍ２であった。±３テスラの磁場をかけたときの熱的安定性を示す電力損失（履歴損失）は、比較用の超電導線では９１（ｍＪ／ｃｍ３）であったが、本発明では１３０（ｍＪ／ｃｍ３）であった。このように本発明の超電導線が比較用より高くなったが、従来のチューブ法で製造したＮｂ３Ｓｎの超電導線より、１／２０に軽減できた。
【００３７】
以上述べた実施形態によれば、次のような作用効果が得られる。すなわち、熱処理によりＳｎとＮｂは反応してＮｂ３Ｓｎの超電導層が生成されるが、その層は熱処理時間が長い程その超電導層が厚くなってくる。この場合Ｓｎ−Ｎｂ管のＮｂの周りはＮｂ３Ｓｎの超電導層がＮｂ管の肉厚まで生成される。すると、Ｎｂ管の中のＳｎはＮｂ３Ｓｎの超電導層を拡散し、Ｃｕマトリックスの方へも拡散してくるため、必然的にはＣｕマトリックスのＳｎ濃度が高くなる。ブロンズ中のＮｂはさらに反応が進み、Ｎｂ３Ｓｎの超電導層を増加させる。このため、Ｎｂ３Ｓｎの超電導層が増加することになるので従来のブロンズ法による臨界電流密度（Ａ／ｍｍ２）の上昇が起こる。
【００３８】
本発明は、前述の実施形態に限らず次のように変形して実施できる。前述のＳｎ（錫）の代りにＡｌ（アルミニューム）を使用してもよく、Ｃｕ管の代わりにＡｌ管であってもよい。
【００３９】
一つの素線を構成するＳｎ−Ｎｂ管のＳｎの中心には、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｕ−Ｎｂ合金、アルミナ分散強化銅などから選択された補強線材を設けたものであってもよい。さらに、前述の実施形態で用いたＮｂ−Ｓｎ管の代わりに、Ｎｂ−Ｓｎ管にＣｕ管を被せて一体化したものを用いてもよい。また、Ｎｂ管に挿入するＳｎ棒は、Ｓｎ棒だけでは軟らかくてその挿入が困難な場合には、Ｓｎ棒に銅箔を巻回するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態に係る化合物超電導体及びその製造方法を説明するための図。
【図２】同実施形態における熱処理による臨界電流密度の特性を説明するための図。
【図３】従来の一例に係る化合物超電導体及びその製造方法を説明するための図。
【符号の説明】
【００４１】
１…素線、２…Ｓｎ棒、３…Ｎｂ管、４…Ｓｎ−Ｎｂ管、５…Ｎｂ棒、６…Ｃｕ管（銅管）、２３…Ｎｂ管体、２４…銅管体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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