(57)【要約】【課題】交流損失が低く、低コストで、長尺のＮｂ3Ｓｎ超電導線及びその製造方法を提供するものである。【解決手段】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線は、ブロンズ法により作製され、Ｎｂ／ブロンズ１の周りにＳｎ拡散防止用のＮｂバリア３を、さらにその外周に安定化銅部４を備えたＮｂ3Ｓｎ超電導線であり、Ｎｂ／ブロンズ１とＮｂバリア３との間にＣｕ層２を介在させたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブロンズ法により作製され、Ｎｂ／ブロンズの周りにＳｎ拡散防止用のＮｂバリアを、さらにその外周に安定化銅部を備えたＮｂ3Ｓｎ超電導線において、上記Ｎｂ／ブロンズと上記Ｎｂバリアとの間にＣｕ層を介在させたことを特徴とするＮｂ3Ｓｎ超電導線。
【請求項２】
上記Ｃｕ層の層厚が２μｍ以上、１０μｍ以下である請求項１記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線。
【請求項３】
ブロンズマトリックス中に多数本のＮｂコアが配置されたサブマルチ六角線を多数本集合させ、その六角線集合体を、内周面にＮｂシートが配置されたＣｕパイプ内に装填してマルチビレットを形成した後、最終線径まで加工し、その後、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理を施すＮｂ3Ｓｎ超電導線の製造方法において、上記Ｃｕパイプの内周面にＮｂシートを配置した後、更にＣｕシートを配置し、そのＣｕパイプ内に上記六角線集合体を装填することを特徴とするＮｂ3Ｓｎ超電導線の製造方法。
【請求項４】
上記Ｃｕシートの厚さが、上記Ｎｂシートのシート厚以下である請求項３記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線の製造方法。
【請求項５】
上記マルチビレットを形成した後、そのマルチビレットに加熱した状態で静水圧押出しを施し、その後、伸線加工と中間熱処理を繰り返して最終線径まで加工してマルチ線を形成し、そのマルチ線にＮｂ3Ｓｎ生成熱処理を施す請求項３又は４記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高磁界を発生するための超電導マグネットに用いられるＮｂ3Ｓｎ超電導線及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線は、９Ｔ以上の磁界を発生させるほとんど全ての超電導マグネットに使用されている代表的な超電導線材である。
【０００３】
現在、量産されている代表的な製造方法として、ブロンズ法と内部拡散法の２つがあり、この２つの製法で全体の９５％以上が占められる。
【０００４】
このうちブロンズ法は、Ｎｂ（あるいはＮｂ合金）コアとＣｕ−Ｓｎ（ブロンズ）マトリックスを複合化したサブマルチ六角線を多数本集合させ、それらをＣｕパイプ（安定化銅）中に装填して極細多芯化し、この極細多芯線に熱処理を施してブロンズマトリックス中のＳｎ原子をＮｂコアへ拡散させ、Ｎｂ3Ｓｎを生成させる製法である。得られたＮｂ3Ｓｎ超電導線は、その外周部に安定化銅部を有する。ブロンズ法は、最終的なフィラメント径を均一なサブミクロンオーダーとすることも可能であり、交流損失（ヒステリシス損失）の低減に有効である。
【０００５】
ここで、熱処理時にブロンズマトリックス中のＳｎ原子が安定化銅部に拡散すると、安定化銅がＳｎで汚染されて極低温における電気抵抗が高くなり、安定性が低下するので、安定化銅とサブマルチ六角線の集合体との境界にＮｂバリアが配置される。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３４２５６１号公報
【特許文献２】特開平８−１９０８２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述した従来製法のブロンズ法により作製したＮｂ3Ｓｎ超電導線（以下、従来のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線という）では、以下に示す問題があった。
【０００８】
Ｎｂ3Ｓｎの生成熱処理時に、ブロンズマトリックス中のＳｎ原子とＮｂバリアが反応して、Ｎｂバリアの内層側にＮｂ3Ｓｎの層が生成される。このＮｂ3Ｓｎ層は、線材の交流損失を増加させる大きな原因となるため、核融合等のパルス運転されるマグネット用線材においては、解決すべき問題である。
【０００９】
六角線集合体と安定化銅との境界に配置されるＮｂバリアをＴａバリアに置き換えることで、バリア部におけるＮｂ3Ｓｎの層の生成を防止することができる。しかしながら、Ｔａの原材料コストが高いこと、ＴａはＮｂと比較すると加工性が低く、断線の可能性が高くなることから、「性能」、「低コスト」、「長尺材（加工性）」の３つのバランスを考慮すると、Ｎｂバリアの方が有利である。
【００１０】
そこで本発明の目的は、交流損失が低く、低コストで、長尺のＮｂ3Ｓｎ超電導線及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、ブロンズ法により作製され、Ｎｂ／ブロンズの周りにＳｎ拡散防止用のＮｂバリアを、さらにその外周に安定化銅部を備えたＮｂ3Ｓｎ超電導線において、上記Ｎｂ／ブロンズと上記Ｎｂバリアとの間にＣｕ層を介在させたことを特徴とするＮｂ3Ｓｎ超電導線である。
【００１２】
請求項２の発明は、上記Ｃｕ層の層厚が２μｍ以上、１０μｍ以下である請求項１記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線である。
【００１３】
請求項３の発明は、ブロンズマトリックス中に多数本のＮｂコアが配置されたサブマルチ六角線を多数本集合させ、その六角線集合体を、内周面にＮｂシートが配置されたＣｕパイプ内に装填してマルチビレットを形成した後、最終線径まで加工し、その後、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理を施すＮｂ3Ｓｎ超電導線の製造方法において、上記Ｃｕパイプの内周面にＮｂシートを配置した後、更にＣｕシートを配置し、そのＣｕパイプ内に上記六角線集合体を装填することを特徴とするＮｂ3Ｓｎ超電導線の製造方法である。
【００１４】
請求項４の発明は、上記Ｃｕシートの厚さが、上記Ｎｂシートのシート厚以下である請求項３記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線の製造方法である。
【００１５】
請求項５の発明は、上記マルチビレットを形成した後、そのマルチビレットに加熱した状態で静水圧押出しを施し、その後、伸線加工と中間熱処理を繰り返して最終線径まで加工してマルチ線を形成し、そのマルチ線にＮｂ3Ｓｎ生成熱処理を施す請求項３又は４記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線の製造方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線は、従来のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線とほぼ同じコストで製造可能であり、加えて性能面ではＮｂバリアの部分において発生していた交流損失を格段に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下本発明の実施の形態を添付図面により説明する。
【００１８】
本発明の好適一実施の形態に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線の横断面図を図１に示す。
【００１９】
図１に示すＮｂ3Ｓｎ超電導線は、ブロンズ法により作製され、Ｎｂ／ブロンズ１の周りにＳｎ拡散防止用のＮｂバリア３を、さらにその外周に安定化銅部４を備えている。本実施の形態に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線の特徴は、Ｎｂ／ブロンズ１とＮｂバリア３との間に、薄いＣｕ層２を介在させたことにある。
【００２０】
この薄いＣｕ層の層厚は２μｍ以上、１０μｍ以下とされる。また、Ｃｕ層２の構成材としては、純銅が挙げられる。
【００２１】
次に、本実施の形態に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線の製造方法を、図２に基づいて説明する。
【００２２】
先ず、ブロンズマトリックス（ブロンズビレット）中に多数本のＮｂコア（Ｎｂ棒）が配置されたサブマルチ六角線１１を多数本（例えば３１３本）集合させ、六角線集合体が作製される。
【００２３】
次に、Ｃｕパイプ１４の内周面に、先ずＮｂシート１３が配置され、そのＮｂシート１３の上（表面）にＣｕシート１２が配置される。Ｃｕシート１２の厚さは、Ｎｂシート１３のシート厚以下とされる。この内周面にシートが配置されたＣｕパイプ１４内に六角線集合体を装填し、マルチビレット１５が作製される。
【００２４】
次に、マルチビレット１５を加熱した状態で静水圧押出しを施し（処理Ａ）、その後、伸線加工と中間熱処理を繰り返して最終線径まで加工し（処理Ｂ）、マルチ線が作製される。この時、マルチ線におけるＣｕ層の層厚が２〜１０μｍとなるように、マルチ線の最終線径が調整される。
【００２５】
最後に、このマルチ線にＮｂ3Ｓｎ生成熱処理を施すことで（処理Ｃ）、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線１６が得られる。
【００２６】
ここで、Ｃｕ層の層厚を規定した理由を以下に述べる。
【００２７】
Ｎｂ3Ｓｎの生成熱処理条件は、６００〜７００℃×１００〜２００時間である。平均的な生成熱処理条件として６５０℃×１５０時間を考えた場合、Ｃｕ層２の厚さが２μｍ未満の場合、Ｃｕ層２を拡散して通過したＳｎ原子がＮｂバリアと反応してＮｂ3Ｓｎの層が生成し、無視できないほどの交流損失が発生して従来構造のＮｂ3Ｓｎ超電導線（Ｃｕ層なし）との違いが無くなってしまう。
【００２８】
逆に、Ｃｕ層２が１０μｍ超の場合、Ｎｂ3Ｓｎの層の生成防止には効果があるものの、線材断面において、Ｃｕ層２の占積率が高くなり、結果的に非超電導部の面積が増加する（超電導部の面積が減少する）ことで、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線の臨界電流が低下してしまう。加えて、Ｎｂ／ブロンズ１からＣｕ層２へＳｎ原子が過剰に拡散するため、Ｃｕ層２近傍のＮｂフィラメントと反応するＳｎ原子が供給不足となり、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線の一部のＮｂ3Ｓｎフィラメントの電流密度が低下する。
【００２９】
以上より、本実施の形態に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線は、Ｎｂ／ブロンズ１とＮｂバリア３との間に、Ｎｂバリア厚さ以下、具体的には２〜１０μｍの厚さのＣｕ層２を介在させることで、Ｎｂ3Ｓｎの生成熱処理時におけるＮｂ／ブロンズ１からのＳｎ拡散を防止でき、Ｎｂバリア３の内層側におけるＮｂ3Ｓｎの層の生成を抑制できる。特に、Ｎｂ3Ｓｎの生成熱処理は固相拡散反応であるため、このＣｕ層２を介在させることで、Ｎｂ3Ｓｎの層の生成を大幅に抑制することができる。このＮｂ3Ｓｎの層の生成抑制により、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線のＮｂバリアの部分において発生していた交流損失を大幅（格段）に低減することができる。ここで、本実施の形態に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線の、磁界振幅±５Ｔのヒステリシス損失Ｑｈと、Ｂ＝１２Ｔの臨界電流Ｉｃとの比（Ｑｈ／Ｉｃ）は６．５０以下が好ましく、４．４０〜６．００がより好ましい。この時の臨界電流Ｉｃは、１０２Ａ以上が好ましい。
【００３０】
また、本実施の形態に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線と、従来のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線との構造上の違いはＣｕ層の有無だけであり、製法上の違いはＣｕシートの配置の有無だけであることから、本実施の形態に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線は、従来のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線とほぼ同じコストで製造可能である。
【実施例】
【００３１】
Ｃｕ−１４．５ｗｔ％Ｓｎ−０．３ｗｔ％Ｔｉマトリックス中に１９芯のＮｂ−１ｗｔ％Ｔａコアが配置され、断面の対辺距離が１．２ｍｍ、長さが１５０ｍｍのサブマルチ六角線を作製し、このサブマルチ六角線を３１３本束ねたもの（六角線集合体）をＣｕパイプ内に装填し、マルチビレットを作製した。
【００３２】
マルチビレットにおけるＣｕパイプ内面と六角線集合体との境界部の構造は、以下に示す４種類とした。
（Ｔｙｐｅ−１）；Ｃｕパイプと六角線集合体との境界に、厚さ０．４ｍｍのＮｂシートが配置されたもの（比較例１）。
（Ｔｙｐｅ−２）；厚さ０．４ｍｍのＮｂシートの内側に、更に厚さ０．１ｍｍのＣｕシートが配置されたもの（実施例１）。
（Ｔｙｐｅ−３）；厚さ０．４ｍｍのＮｂシートの内側に、更に厚さ０．２ｍｍのＣｕシートが配置されたもの（実施例２）。
（Ｔｙｐｅ−４）；厚さ０．４ｍｍのＮｂシートの内側に、更に厚さ０．５ｍｍのＣｕシートが配置されたもの（比較例２）。
【００３３】
各マルチビレットを４００℃に加熱して静水圧押出した後、伸線加工と中間熱処理を繰り返し、最終線径０．８ｍｍまで加工した。これらの最終線径の線材（マルチ線）におけるＮｂバリアの平均厚さは約１２μｍであった。また、比較例１、実施例１，２、比較例２の各マルチビレットを用いたマルチ線におけるＣｕ層厚さは、それぞれ０μｍ、３μｍ、６μｍ、１２μｍであった。
【００３４】
４種類のφ０．８ｍｍのマルチ線に、真空中、６５０℃×１５０時間の熱処理を施し、マルチ線内のブロンズマトリックス中のＳｎ原子をＮｂコアへ拡散させることでＮｂ3Ｓｎが生成され、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線を作製した。
【００３５】
比較例１，２及び実施例１，２のマルチビレットを用いて作製した各Ｎｂ3Ｓｎ超電導線の、磁界振幅±５Ｔのヒステリシス損失Ｑｈ（Ｊ／ｃｃ）、Ｂ＝１２Ｔの臨界電流Ｉｃ（Ａ）、及びヒステリシス損失Ｑｈと臨界電流Ｉｃとの比（Ｑｈ／Ｉｃ）を表１に示す。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
表１に示すように、臨界電流Ｉｃは、比較例１のマルチビレットを用いて作製したＮｂ3Ｓｎ超電導線が最も高いが、ヒステリシス損失Ｑｈも最も高かった。
【００３８】
ここで、臨界電流Ｉｃとヒステリシス損失Ｑｈのバランスを係数α（＝Ｑｈ／Ｉｃ）で定義すると、αが小さいほど高性能ということになる。作製した４種類のＮｂ3Ｓｎ超電導線の係数αは、それぞれ６．５３、５．８５、４．５５、４．６５であり、これらの中では実施例２のマルチビレットを用いて作製したＮｂ3Ｓｎ超電導線が、最も臨界電流Ｉｃとヒステリシス損失Ｑｈのバランスがとれており、高性能であった。比較例２のマルチビレットを用いて作製したＮｂ3Ｓｎ超電導線も、臨界電流Ｉｃとヒステリシス損失Ｑｈのバランスがとれているものの、Ｃｕ層厚さが１２μｍと規定範囲（２〜１０μｍ）を超えているため、臨界電流Ｉｃが低かった。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の好適一実施の形態に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線の横断面図である。
【図２】図１のＮｂ3Ｓｎ超電導線の製造方法を説明するためのフロー図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  Ｎｂ／ブロンズ
２  Ｃｕ層
３  Ｎｂバリア
４  安定化銅部
【図１】
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【図２】
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