内部Ｓｎ法Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材およびそのための前駆体
【課題】内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材における機械的強度の強化を図ると共に、縮径加工の際の均一加工を可能とすることによって良好な超電導特性を発揮することのできる内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材、およびそのための前駆体（超電導線材前駆体）を提供する。
【解決手段】内部拡散法によってＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材前駆体において、中央にＳｎまたはＳｎ基合金芯が配置されると共に、その周囲にＣｕまたはＣｕ基合金マトリクスと、複数本のＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントが配置されたシングルエレメント線を複数本束ねて配置して構成されるマルチエレメント線であって、前記シングルエレメント相互間および／またはシングルエレメントの外周には、棒状の補強部材を配設したものである。
【解決手段】内部拡散法によってＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材前駆体において、中央にＳｎまたはＳｎ基合金芯が配置されると共に、その周囲にＣｕまたはＣｕ基合金マトリクスと、複数本のＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントが配置されたシングルエレメント線を複数本束ねて配置して構成されるマルチエレメント線であって、前記シングルエレメント相互間および／またはシングルエレメントの外周には、棒状の補強部材を配設したものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を内部Ｓｎ法によって製造するための前駆体（超電導線材製造用前駆体：以下「超電導線材前駆体」と呼ぶことがある）およびこうした前駆体によって製造されるＮｂ3Ｓｎ超電導線材に関するものであり、殊に超電導マグネットの素材として有用なＮｂ3Ｓｎ超電導線材およびその前駆体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導線材が実用化されている分野のうち、高分解能核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析装置や核融合装置、加速器等に用いられる超電導マグネットがある。これらの超電導マグネットでは、ＮＭＲ信号の分解性能向上やデータ習得の短時間化の要求から高磁場化が求められている。超電導マグネットの高磁場化・コンパクト化に対しては、超電導マグネットに使用する超電導線材の高性能化が必須となっており、特に超電導マグネットの最内層部に使用される超電導コイルの高性能化が求められている。
【０００３】
超電導マグネットに使用される超電導線材としては、Ｎｂ3Ｓｎ線材が実用化されており、このＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造には主にブロンズ法が採用されている。このブロンズ法では、Ｃｕ−Ｓｎ基合金（ブロンズ）マトリクス中に、複数のＮｂまたはＮｂ基合金からなる芯材を埋設して複合線材が構成される。この複合線材を、押出し若しくは伸線加工等の縮径加工を施すことによって、上記芯材を細径化してフィラメント（以下、「Ｎｂフィラメント」と呼ぶ）とし、このＮｂフィラメントとブロンズからなる複合線材を複数束ねて線材群となし、その外周に安定化の為の銅（安定化銅）を配置した後、更に減面加工する。引き続き、縮径加工後の上記線材群を６００℃以上、８００℃以下程度で熱処理（拡散熱処理）することにより、Ｎｂ基フィラメントとブロンズマトリクスの界面にＮｂ3Ｓｎ化合物層を生成する方法である。
【０００４】
しかしながら、この方法ではブロンズ中に固溶できるＳｎ濃度には限界があり（１５．８質量％以下）、生成されるＮｂ3Ｓｎ化合物層の厚さが薄く、また結晶性が劣化してしまい、高い臨界電流密度Ｊｃが得られないという欠点がある。超電導マグネット（以下、「ＮＭＲマグネット」で代表することがある）は、線材の臨界電流密度Ｊｃが高いほど、ＮＭＲマグネットをコンパクトにすることができ、マグネットのコストダウンが可能である。また、導体中の超電導部分の面積を小さくできることから、線材自体のコストダウンも可能となる。
【０００５】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する方法としては、上記ブロンズ法の他に、内部Ｓｎ法も知られている。この内部Ｓｎ法（「内部拡散法」とも呼ばれている）では、ブロンズ法のような固溶限によるＳｎ濃度に限界がないのでＳｎ濃度をできるだけ高く設定でき、良質なＮｂ3Ｓｎ相が生成可能であるため、高い臨界電流密度Ｊｃが得られるといわれている。こうしたことから、内部Ｓｎ法によって製造される超電導線材（以下、「内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材」と呼ぶことがある）のＮＭＲマグネット用途への適用が望まれている。
【０００６】
内部Ｓｎ法では、図１（Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体の模式図）に示すように、ＣｕまたはＣｕ基合金マトリクス（以下、「Ｃｕマトリクス」と呼ぶことがある）４ａの中央部に、ＳｎまたはＳｎ基合金からなる芯材（以下、「Ｓｎ基金属芯」と呼ぶことがある）３を埋設すると共に、Ｓｎ基金属芯３の周囲のＣｕマトリクス４ａ中に、複数のＮｂまたはＮｂ基合金からなる芯材（以下、「Ｎｂフィラメント」と呼ぶことがある）２を相互に接触しないように配置して前駆体（超電導線材前駆体）１とし、これを伸線加工した後、熱処理（拡散熱処理）によってＳｎ基金属芯３中のＳｎを拡散させ、Ｎｂフィラメント２と反応させることによって線材中にＮｂ3Ｓｎ相を生成させる方法である（例えば、特許文献１）。
【０００７】
また上記のような前駆体においては、図２に示すように、前記Ｎｂフィラメント２とＳｎ基金属芯３が配置されたＣｕマトリクス４ａと、その外部の安定化銅層４ｂの間に拡散バリア層６ａを配置した構成（超電導線材前駆体５）を採用することもある。この拡散バリア層６ａは、例えばＮｂ層またはＴａ層、或いはＮｂ層とＴａ層の２層からなり、拡散熱処理の際にＳｎ基金属芯３中のＳｎが外部に拡散してしまうことを防止し、超電導線材内でのＳｎの純度を高める作用を発揮するものである。
【０００８】
上記のような、超電導線材前駆体の製造は、下記の手順で行われる。まず、ＮｂフィラメントをＣｕマトリクス管に挿入し、押出し加工や伸線加工等の縮径加工を施して複合体とし（通常、断面形状が六角形に形成される）、これを適当な長さに裁断する。そして、Ｃｕ製外筒を有し、拡散バリア層６ａを設け或いは設けないビレット内に前記複合体を充填し、その中央部にＣｕマトリクス（Ｃｕ製中実ビレット）を配置して押出し加工した後、中央部のＣｕマトリクスを機械的に穿孔してパイプ状複合体を構成する。或いは、他の方法として、Ｃｕ外筒とＣｕ内筒で構成され、拡散バリア層６ａを有しまたは有さない中空ビレット内（外筒と内筒の間）に前記複合体を複数本充填してパイプ押出ししてパイプ状複合体を構成する。
【０００９】
そして、これらの方法で作製されたパイプ状複合体の中央空隙部内に、Ｓｎ基金属芯３を挿入して縮径加工して、前記図１、２に示したような、Ｎｂフィラメント２とＳｎ基金属芯３を含む前駆体エレメントが製造される。以下では、これらのものを、「シングルエレメント線」と呼ぶことがある。
【００１０】
上記のようにして構成された各超電導線材前駆体（シングルエレメント線１、５）は、図１のシングルエレメント線の場合は拡散バリア層６ｂ（後記図３参照）を有するＣｕマトリクス管内に、図２のシングルエレメント線の場合は拡散バリア層を含まないＣｕマトリクス管内に、複数本束ねた集合体として充填され、更に縮径加工されて多芯型の超電導線材前駆体（以下、「マルチエレメント線」と呼ぶことがある）とされる。
【００１１】
図３、４は、マルチエレメント線の加工前の組立断面の構成例を示したものである。このうち図３は、前記図１に示した超電導線材前駆体１（シングルエレメント線）を、拡散バリア層６ｂおよび安定化銅層４ｃ内に複数本束ねた集合体として配置して構成されるマルチエレメント線７ａとしたものである（例えば、非特許文献１）。図４は、前記図２に示した前駆体５（シングルエレメント線）を、拡散バリア層を有さない安定化銅層４ｃ内に複数本束ねた集合体として配置して構成されるマルチエレメント線８ａとしたものである。
【００１２】
超電導電流は、超電導線材前駆体を作製した後に拡散熱処理（通常６００〜７００℃で１００〜３００時間程度）を施すことによって生成させたＮｂ3Ｓｎ相を流れることになる。そしてこのＮｂ3Ｓｎ相は、機械的な歪に対して非常に敏感であり、僅か１％程度の歪量であっても、急激に超電導特性（特に、臨界電流密度Ｊｃ）が低下することになる。
【００１３】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材が使用される場合、その殆ど全てが超電導マグネットの状態となるが、超電導マグネットではマグネットの磁界と通電電流によって、線材に対して常時電磁力が作用することになる。またＮｂ3Ｓｎ超電導線材では、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理が７００℃に近い高温で行われ、４．２Ｋ以下の極低温で通電されるため、Ｎｂ3Ｓｎ相には周囲に配置されるＣｕの熱収縮による力も作用することになって、歪を受けて特性が劣化することになる。
【００１４】
また、従来の内部Ｓｎ法超電導線材では、マルチエレメント線材の横断面で、中心部付近のシングルエレメント線と外周付近のシングルエレメント線では、変形状態が異なるということがある。即ち、前記図３、４のいずれの構成を採用しても、前駆体の伸線加工時において、中央部付近では、配置された各シングルエレメント線内のＮｂフィラメントは均一に加工できるのであるが、外周付近では、前駆体組み立て時のＣｕ管、拡散バリア層との間に形成される空隙を埋めるようにしてシングルエレメント線が変形するので、その内部に存在するＮｂフィラメント変形は不均一となってしまい、特に線材の外側になるほど、Ｎｂフィラメントの直径が大きくなる傾向がある。
【００１５】
こうした状況が発生すると、Ｎｂ3Ｓｎ生成のために必要なＳｎの距離が外周付近で大きくなってしまい、超電導特性（特に、臨界電流密度Ｊｃ）が劣化するという問題が生じる。また、ＮＭＲ用途で必要なｎ値の低下を招いたり、加工中の断線につながる可能性がある。尚、前記「ｎ値」とは、超電導線材における線材方向に流れる電流の均一性、即ち線材長手方向での超電導フィラメントの均一性を示す指標となるものであり、このｎ値が大きいほど超電導特性（即ち、電流の均一性）が優れているといわれているものである。
【００１６】
更に、上記したようなＮｂ3Ｓｎ超電導線材の臨界電流密度Ｊｃの劣化を防止するために、線材断面に適切な補強部材を配置して線材の強度を向上させることも必要である。線材の強度を向上させるという観点から、安定化銅中にＡｌ2Ｏ3を分散させたものを用いて前駆体を構成する技術も提案されているが（例えば、非特許文献２）、Ａｌ2Ｏ3分散銅は非常に高価なため、使用できない。
【特許文献１】特開昭４９−１１４３８９号公報
【非特許文献１】「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ」,Ｖｏｌ，ＭＡＧ−１９，Ｎｏ．３，ＭＡＹ １９８３ ｐ１１３１−１１３４
【非特許文献２】「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ」,Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．２，Ｊｕｎｅ ２００５ ｐ１２００−１２０４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材における機械的強度の強化を図ると共に、縮径加工の際の均一加工を可能とすることによって良好な超電導特性を発揮することのできる内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材、およびそのための前駆体（超電導線材前駆体）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成することのできた本発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体とは、内部Ｓｎ法によってＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材前駆体において、中央にＳｎまたはＳｎ基合金芯が配置されると共に、その周囲にＣｕまたはＣｕ基合金マトリクスと、複数本のＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントが配置されたシングルエレメント線を複数本束ねて配置して構成されるマルチエレメント線であって、前記シングルエレメント線相互間および／またはシングルエレメント線の外周には、棒状の補強部材が配設されたものである点に要旨を有するものである。
【００１９】
本発明の上記Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体においては、その構成例として、（ａ）前記補強部材の直径は前記シングルエレメント線の直径よりも小さく構成されるもの、（ｂ）前記棒状の補強部材は、Ｎｂおよび／またはＴａを含む金属または合金からなる芯材の外周を、ＣｕまたはＣｕ基合金によって被覆したもの、（ｃ）前記棒状の補強部材は、Ｎｂおよび／またはＴｉを含む金属または合金からなる芯材の外周に、Ｎｂからなる拡散バリアを配置し、その外周をＣｕまたはＣｕ基合金によって被覆したもの、（ｄ）前記補強部材中の心材の断面積割合は、前駆体の全断面積に対して２〜２５％であるもの、（ｅ）前記補強部材の表面に被覆されるＣｕまたはＣｕ基合金層は、補強部材中における伸線加工前の段階の銅比で０．１〜１．０であるもの、等の構成を採用することが好ましい。
【００２０】
本発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体においては、前記シングルエレメント線の外周付近および／またはマルチエレメント線の外周付近には、拡散バリア層が配置する構成を採用することもできる。
【００２１】
上記のような各種超電導線材製造用前駆体を用いて、拡散熱処理することによって希望する超電導特性（臨界電流密度Ｊｃおよび強度）を発揮する内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明においては、内部Ｓｎ法によってＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に構成される超電導線材前駆体（マルチエレメント線）において、シングルエレメント線相互間および／またはシングルエレメント線の外周に、棒状の補強部材を配設する構成を採用することによって、良好な超電導特性を維持しつつ強度的にも十分な超電導線材を得ることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
前駆体を伸線加工したときに、内部の変形状況が半径方向で異なる状況について、図面を用いて説明する。図５は、前記図３に示した超電導線材前駆体７ａを伸線加工したときの内部の状況を示す断面図（超電導線材前駆体７ｂ）であり、図６は、前記図４に示した超電導線材前駆体８ａを伸線加工したときの内部の状況を示す断面図（超電導線材前駆体８ｂ）である。これらの図に示すように、伸線加工によって、各超電導線材前駆体７ｂ，８ｂ（マルチエレメント線）は、中心付近では配置された各シングルエレメント線内のＮｂフィラメント（ＮｂまたはＮｂ基合金からなる芯材２）は均一に加工できるのであるが、外周付近では、前駆体組み立て時に形成される空隙の存在によって、その空隙を埋めるようにシングルエレメント線が変形することになるので、特に外周付近に存在するシングルエレメント線は歪（いびつ）になり、その内部のＮｂフィラメントは断面が不均一な状態となる。
【００２４】
図５、６に示したような状況が発生すると、マルチエレメント線７ｂ、８ｂの外周付近に存在するＮｂフィラメントは相対的に大きい状態となり、拡散熱処理時にＮｂ3Ｓｎ生成のために必要となるＳｎの拡散距離が長くなって、Ｎｂ3Ｓｎに十分に反応しきれず、臨界電流密度Ｊｃやｎ値の低下を招くことになる。また、こうした状態では、加工歪みが部分的に集中することになって、押出しや伸線等の縮径加工中に断線が発生する危険性も高くなる。更に、こうした状態の内部Ｓｎ法超電導線材前駆体を熱処理して得られた超電導線材では、臨界電流密度Ｊｃとｎ値の低下が見られ、特にｎ値についてはブロンズ法によって得られる超電導線材よりも極端に低いものとなることがある。
【００２５】
本発明の超電導線材前駆体の構成を、図面を用いて説明する。本発明の超電導線材前駆体では、前記図３、４に示したようなマルチエレメント線（図３の７ａ、図４の８ａ）を構成する際に、線材内部に形成される空隙に補強部材を配置することによって、超電導線材の強度向上と共に、Ｎｂフィラメントの均一加工を可能にするものである。
【００２６】
図７は、本発明で用いる補強部材の構成を示す概略説明図であり、この補強部材９ａは、外観が棒状に形成されるが、その中心にＮｂまたはＮｂ−Ｔａ合金或いはＴａからなる芯材１０と、その外周に配置されるＣｕまたはＣｕ基合金層４ｄとから構成される。
【００２７】
図８は、本発明で用いる補強部材の他の構成例を示す概略説明図である。図８に示した補強部材９ｂでは、外観が棒状に形成されるが、その中心にＴｉまたはＮｂ−Ｔｉ合金が芯材１１として配置されると共に、最外層にＣｕまたはＣｕ基合金層４ｄが配置されるのは、基本的に図７に示した構成を同様であるが、芯材１１としてＴｉを含む金属若しくは合金を用いた場合には、縮小加工途中や焼鈍の際に、ＴｉとＣｕとが反応して脆いＣｕ−Ｔｉ系化合物が生成し、断線が発生しやすい状態になる。こうした不都合を回避するために、Ｔｉを含む金属または合金を芯材として使用する場合には、ＣｕまたはＣｕ基合金層４ｄと芯材１１との間に、Ｎｂからなる拡散バリア層６ｃを介在させたものである。こうした構成の補強部材９ｂを採用することによって、ＣｕとＴｉとの直接接触を避け、上記のような脆いＣｕ−Ｔｉ系化合物の生成を抑制し、断線等の不都合を回避することができる。
【００２８】
但し、こうした拡散バリア層６ｃを形成するときには、短時間の熱（押し出し加工時の熱や加工発熱）での化合物生成を抑制すれば良く、超電導線材の強度を確保するという観点からして、その後の拡散熱処理でのＣｕのＴｉへの拡散を大きく阻害しないようにすることが有効である。こうした観点から、Ｎｂ拡散バリア層６ｃの厚みは芯材１１の直径の０．２〜２％程度とすることが好ましい。また、補強部材におけるＣｕ被覆層（ＣｕまたはＣｕ基合金層４ｄ）の割合は、加工性と強度（芯材による補強効果）を考慮すれば、補強部材中における伸線加工前の銅比（銅の非銅部に対する面積割合）で０．１〜１．０程度が適切である。この銅比は、好ましくは０．３〜０．６程度である。
【００２９】
本発明の前駆体は、前記図３、４に示した前駆体（マルチエレメント線７ａ，８ａ）を構成する際に、上記図７、８に示したような棒状の補強部材９ａまたは９ｂ（以下、「９ａ，９ｂ」と記す）をシングルエレメント線相互間や、シングルエレメント線の外周に配置することによって構成されるものである。ここで、棒状（棒状の補強部材）とは、円柱状、角柱状や、多少変形した状態の柱状態を指す。また、マルチエレメント線中には、複数本の補強部材が配置されることになるが、マルチエレメント線中における複数本の補強部材の材質は、異ならせても良いが、加工バランスの観点から同一材質とする方が好ましい。
【００３０】
図９は、本発明の超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の構成例を示す概略説明図であり、基本的な構成は、前記図３に示したマルチエレメント線に類似するものであり、対応する部分には同一の参照符号を付してある。この構成では、前記図１に示したシングルエレメント線１（拡散バリア層を形成していないもの）と、前記図７、８に示したような補強部材９ａ，９ｂを組み合わせてマルチエレメント線１２とするものである。
【００３１】
即ち、図９に示した超電導線材前駆体では、図１に示したシングルエレメント線１を複数束ねて図３に示したようなマルチエレメント線を構成するに際して、シングルエレメント線１の相互間や、シングルエレメント線１の外周（即ち、拡散バリア層６ｂとシングルエレメント線１の間）に補強部材９ａ，９ｂを配置するようにしたものである。こうした構成を採用することによって、伸線加工等の際に、補強部材９ａ，９ｂは、空隙に合わせて変形しようとするので、外周付近に存在するシングルエレメント線１の歪（いびつ）な変形を軽減でき、且つ最終的に超電導線材の強度も高くなって歪みに対する耐性も向上することになる。図９に示した超電導線材前駆体を伸線加工した後の、内部の形状の概略を図１０に示す。
【００３２】
前記図９に示した前駆体の構成では、補強部材９ａ，９ｂは、シングルエレメント線１の相互間と、シングルエレメント線１の外周（即ち、拡散バリア層６ｂとシングルエレメント線１群の間）の両方に配置する構成を示したけれども、そのどちらか一方だけに補強部材を配置する構成も採用できる。
【００３３】
また、図９に示した構成は、シングルエレメント線１の外周部付近に配置される補強部材９ａ，９ｂの大きさ（断面形状）が、シングルエレメント線相互間に配置される補強部材９ａ，９ｂよりも大きくなるものを配置した構成を示したけれども、その逆になっても良いことは勿論である。但し、補強部材９ａ，９ｂとシングルエレメント線１の大きさの関係は、本発明の前駆体が、前駆体を構成するときの空隙を有効利用して補強部材９ａ，９ｂを配置する趣旨からして、シングルエレメント線１よりも補強部材９ａ，９ｂの方が小さいものであることが好ましい（例えば、補強部材９ａ，９ｂの直径がシングルエレメント線１の直径に対して０．１以上、１．０未満）。
【００３４】
図１１は、本発明の前駆体の他の構成例を示す概略説明図である。この構成では、前記図１に示したシングルエレメント線１を束ねてマルチエレメント線を構成する際に、シングルエレメント線１群の外周付近（即ち、拡散バリア層６ｂとシングルエレメント線１の間）にだけ補強部材９ａ，９ｂを配置したものである。即ち、図１１に示した構成では、シングルエレメント線１を束ねてマルチエレメント線１３を構成するに際して、シングルエレメント線１の組立ての容易性から、シングルエレメント線１は横断面（軸直角断面）が六角形に形成されるものであるが、こうしたシングルエレメント線１を束ねた場合には、シングルエレメント線１の相互間には、空隙が形成されにくいことから、シングルエレメント線１の外周付近にだけ補強部材を配置したものである。この構成では、隣り合う２本のシングルエレメント線と、拡散バリア層との間に１本の補強部材が配置されており、全体として、複数の補強部材が概略円周状に均等に点在配置されている。
【００３５】
こうした構成を採用することによっても、外周付近に存在するシングルエレメント線１の歪（いびつ）な変形を軽減でき、且つ最終的に超電導線材の強度も高くなって歪みに対する耐性も向上することになる。図１１に示した超電導線材前駆体を伸線加工したときの、内部の形状の概略を図１２に示す。
【００３６】
図１３は、本発明の超電導線材前駆体の更に他の構成例を示す概略説明図である。この構成では、図１に示したシングルエレメント線１を複数束ねて図３に示したようなマルチエレメント線１４を構成するに際して、シングルエレメント線１の外周に補強部材９ａ，９ｂを配置せずに、内側のシングルエレメント線１の相互間の空隙にだけ補強部材９ａ，９ｂを配置するようにしたものである。こうした構成を採用することによっても、本発明の目的が達成される。図１３に示した超電導線材前駆体を伸線加工した後の、内部の形状の概略を図１４に示す。この構成では、隣り合う２本のシングルエレメント線と、その中心側に配置された１１本のシングルエレメント線との間に、１本の補強部材が配置されており、全体として、複数の補強部材が概略円周状に点在配置されている。
【００３７】
前記図３、４に示した超電導線材前駆体（マルチエレメント線）を構成するに際して、必要とされる臨界電流密度Ｊｃに対応して、マルチエレメント線の中央部にＣｕまたはＣｕ基合金芯を配置することがある。図１５は、こうした構成を基本的に採用するときの本発明の超電導線材前駆体の構成例を示す概略説明図である。即ち、図１５に示した超電導線材前駆体１５では、図２に示したシングルエレメント線５を複数束ねて図４に示したようなマルチエレメント線８ａを構成するに際して、前駆体中央部にＣｕまたはＣｕ基合金芯１６を配置すると共に、その周囲に複数のシングルエレメント線５を配置し、且つこのシングルエレメント線５の相互間（シングルエレメント線とＣｕまたはＣｕ基合金芯との間）や、シングルエレメント線５の外周（即ち、安定化銅層４ｃとシングルエレメント線５の間）に補強部材９ａ，９ｂを配置するようにしたものである。こうした構成を採用することによっても、本発明の目的を達成することができる。図１５に示した超電導線材前駆体１５を伸線加工したときの、内部の形状の概略を図１６に示す。
【００３８】
本発明では、図１、２に示したシングルエレメント線１，５と、前記図７、８に示したような補強部材９ａ，９ｂを用いてマルチエレメント線１２，１３，１４，１５を構成することによって、シングルエレメント線１の不均一変形を防止しつつ、内部のＮｂフィラメントもより均一な大きさとし、高い臨界電流密度Ｊｃとｎ値が達成できるものとなるものであるが、本発明で用いる補強部材９ａ、９ｂは、超電導線材前駆体に組み込む際に予め焼鈍したものであることが好ましい。即ち、５００〜９００℃程度で予め焼鈍した補強部材９ａ，９ｂをマルチエレメント線の構成要素として組み込むことによって、縮径加工を行ときに補強部材９ａ，９ｂがシングルエレメント線１，５相互間、或いはシングルエレメント線１，５と拡散バリア層６ｂまたは安定化銅層４ｃとの間の空隙に追随して変形しやすい状態となる。その結果、シングルエレメント線１，５の変形が均一となり、内部のＮｂフィラメントもより均一に変形されるので、高い臨界電流密度Ｊｃとｎ値を確保でき、縮径加工の際の断線も現象することになる。
【００３９】
ところで補強部材をマルチエレメント線に配置すると、超電導部（Ｎｂ3Ｓｎ相）の面積が減少してしまい、臨界電流密度Ｊｃを低下することにもなる。こうしたことから、補強部材９ａ，９ｂの配置割合を大きくして高強度化を指向することにも限界がある。また、補強部材９、９ｂの配置割合が小さ過ぎると上記の効果が達成されにくくなる。こうした観点から、補強部材の断面積割合は、前駆体の全断面積に対して２〜２５％程度であることが好ましい。
【００４０】
本発明の超電導線材前駆体を構成するに際して、シングルエレメント線を作製する際に用いるＣｕ基合金や、補強部材の表面に被覆されるＣｕ基合金としては、Ｓｎ，Ｎｉ等の合金元素を２〜５質量％程度含有したものを用いることができる。またシングルエレメント線の中央に配置されるＳｎ基合金芯においても、Ｔｉ等の合金元素を２質量％程度含有したものを用いることができる。
【００４１】
本発明においては、上記のような前駆体を用い、ブロンズ化熱処理を含めた拡散熱処理（通常６００℃以上、７００℃以下程度）することによって、良好な超電導特性（臨界電流密度Ｊｃ）を発揮するＮｂ3Ｓｎ超電導線材を得ることができる。具体的には、１８０〜６００℃の温度範囲でブロンズ化熱処理（ＳｎをＣｕに拡散させる）を行なった後に、６００〜７００℃の温度範囲で１００〜３００時間程度のＮｂ3Ｓｎを生成させる熱処理を行なう。尚、ブロンズ化熱処理としては、１８０〜２００℃で５０時間程度、３４０℃前後で５０時間程度、５５０℃前後で５０〜１００時間等の多段階の熱処理の組合せにすることもできる。
【００４２】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００４３】
（実施例１）
Ｃｕ製パイプ（外径：２１ｍｍ、内径：１８ｍｍ）内に、Ｎｂ金属芯（直径：１７ｍｍ）を挿入後、縮径加工して六角断面形状（六角対辺：４．３ｍｍ）と丸断面形状（直径：３．２ｍｍおよび１．４ｍｍ）のＣｕ／Ｎｂ複合線を作製した。丸断面形状のＣｕ／Ｎｂ複合線については、真空中で６００℃×１時間の焼鈍を施した。
【００４４】
Ｃｕ製中空ビレットのＣｕ内筒（外径：７０ｍｍ、内径：６１ｍｍ）の外周に前記六角断面形状のＣｕ／Ｎｂ複合線５１１本を束ねて配置し、これをＣｕ製中空ビレットのＣｕ外筒（外径：１４３ｍｍ、内径：１３１ｍｍ）に挿入した後、蓋をして真空引きし溶接を行って両端を封止し、ビレットを作製した。このビレットをパイプ押出し加工し、更に前記Ｃｕ内筒内にＳｎ−２質量％Ｔｉ合金を挿入して伸線加工し、シングルエレメント線（外径：８．８ｍｍ）を作製した。
【００４５】
Ｃｕ製パイプ（外径：３３ｍｍ、内径：２９ｍｍ）内にＮｂシート（厚み：０．１ｍｍ）を重ね巻きして全体としての厚みを０．７ｍｍとしたものを挿入して内面に貼り付かせ、その内部に前記シングルエレメント線を裁断したものと７本束ねて挿入し、更に前記丸断面のＣｕ／Ｎｂ複合線（直径：３．２ｍｍと１．４ｍｍのもの）を夫々６本ずつ裁断して、外径：１．４ｍｍ材をシングルエレメント線間の空隙に、外径：３．２ｍｍ材をシングルエレメントとＮｂ間の空隙に挿入した後、縮径加工を行い、外径：１．０ｍｍのマルチエレメント線を作製した（前記図１０参照）。このときの補強部材の銅比は、０．３５、断面積割合（前駆体の全断面積に対する補強部材の面積割合：以下同じ）は９％であった。
【００４６】
こうして得られたマルチエレメント線（直径：１．０ｍｍのもの）を、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理（５５０℃×１００時間＋７００℃×１００時間）を施した後、下記の方法によって臨界電流密度Ｊｃおよびｎ値を測定した。同サンプルについて、液体ヘリウム（４．２Ｋ）中に浸漬した状態で、引張試験を実施して０．２％耐力（σ0.2）を測定した。また、伸線加工中の断線回数についても計測した。尚、臨界電流密度Ｊｃは外部磁場１４Ｔで１０００Ａ／ｍｍ2以上であることが必要であり、０．２％耐力（σ0.2）は１５０ＭＰａ以上であることが必要である。
【００４７】
［臨界電流密度Ｊｃの測定］
液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）で、１４Ｔの外部磁場の下、試料（超電導線材）に通電し、４端子法によって発生電圧を測定し、この値が０．１μＶ／ｃｍの電界が発生した電流値（臨界電流Ｉｃ）を測定し、この電流値を、線材断面中の非銅部断面で除し、非銅部の臨界電流密度Ｊｃを求めた。
【００４８】
［ｎ値の測定］
臨界電流Ｉｃを求めたのと同じ計測によって得られた（Ｉｃ−Ｖｃ）曲線において、０．１μＶと１．０μＶの間のデータを両対数表示し、その傾きとして求めた。尚、上記電流Ｉｃと電圧Ｖｃの関係は、経験的に下記（１）式のような近似式で表されるが、この（１）式に基づいてｎの値（即ち、「ｎ値」）を求めたものである。
Ｖ＝Ｖｃ（Ｉ／Ｉｃ）n …（１）
但し、ＶおよびＩは、夫々Ｖｃ，Ｉｃよりも低い任意の電圧と電流である。
【００４９】
（実施例２）
Ｃｕ製パイプ（外径：２１ｍｍ、内径：１８ｍｍ）内に、Ｎｂ金属芯（直径：１７ｍｍ）を挿入後、縮径加工して六角断面形状（六角対辺：４．３ｍｍ）のＣｕ／Ｎｂ複合線を作製した。
【００５０】
一方、Ｃｕビレット（外径：１４３ｍｍ、内径：１２０ｍｍ）内にＮｂシート（厚み：０．２ｍｍ）を重巻きして貼り付かせた後、Ｎｂ−４７質量％Ｔｉ合金芯（外径：１１９ｍｍ）を挿入後、押出し・伸線して丸断面（外径：２．７ｍｍまたは１．１ｍｍ）のＣｕ／Ｎｂ／Ｎｂ−Ｔｉ複合線を作製した。この丸断面線については、真空中で６００℃×１時間の焼鈍を行った。
【００５１】
Ｃｕ製中空ビレットのＣｕ外筒（外径：１４３ｍｍ、内径：１３１ｍｍ）に、Ｎｂシートを重ね巻きしたものを内面に貼り付かせ、拡散バリア層を形成した中に、Ｃｕ内筒（外径：７０ｍｍ、内径：６１ｍｍ）の周りに前記六角断面のＣｕ／Ｎｂ複合線を４５６本束ねて挿入した後、蓋をして真空引きし溶接を行って両端を封止し、ビレットを作製した。このビレットをパイプ押出し加工し、更に前記Ｃｕ内筒内にＳｎ−２質量％Ｔｉ合金を挿入して伸線加工し、シングルエレメント線（外径：７．４ｍｍ）を作製した。
【００５２】
Ｃｕ製パイプ（外径：３３ｍｍ、内径：２９ｍｍ）内に、Ｃｕ芯（直径：１１．５ｍｍ）の周囲に、前記シングルエレメント線を裁断したものを８本束ねて挿入し、更に前記丸断面のＣｕ／Ｎｂ／Ｎｂ−Ｔｉ複合線（直径：２．７ｍｍと１．１ｍｍのもの）を夫々８本ずつ裁断して、外径：１．１ｍｍ材をシングルエレメント線をＣｕ芯間の空隙に、外径：２．７ｍｍ材をシングルエレメントとＣｕパイプ間の空隙に挿入した後、縮径加工を行い、外径：１．０ｍｍのマルチエレメント線を作製した（前記図１５参照）。このときの補強部材の銅比は、０．５５、断面積割合は８％であった。
【００５３】
こうして得られたマルチエレメント線（直径：１．０ｍｍのもの）を、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理（５５０℃×１００時間＋７００℃×１００時間）を施した後、実施例と同様にして、臨界電流密度Ｊｃ、ｎ値および０．２％耐力（σ0.2）を測定した。
【００５４】
（実施例３）
実施例1と同様にして、シングルエレメント線（外径：７．５ｍｍ）と丸断面形状のＣｕ／Ｎｂ複合線（外径：３．２ｍｍ）を作製した。Ｃｕ／Ｎｂ複合線は、真空中で６００℃×１時間の焼鈍を行った。
【００５５】
Ｃｕ製パイプ（外径：３３ｍｍ、内径：２９ｍｍ）内に、Ｎｂシート（厚み：０．２ｍｍ）を重巻きしたものを挿入して内面に貼付かせ、その内部に前記シングルエレメント線を裁断したものを中心部に1本配置し、その周囲に８本束ねて挿入し、更に前記丸断面形状のＣｕ／Ｎｂ複合線を８本裁断して、シングルエレメント線間の空隙に挿入した後、縮径加工を行い、外径：１．０ｍｍのマルチエレメント線を作製した（前記図１３参照）。このときの補強部材の銅比は０．３５、断面積割合は１０％であった。
【００５６】
こうして得られたマルチエレメント線（直径：１．０ｍｍのもの）を、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理（５５０℃×１００時間＋７００℃×１００時間）を施した後、実施例と同様にして、臨界電流密度Ｊｃ、ｎ値および０．２％耐力（σ0.2）を測定した。
【００５７】
（実施例４）
実施例１と同様にして、六角断面形状のシングルエレメント線（六角対辺：３．２ｍｍ）と丸断面のＣｕ／Ｎｂ複合線（外径：４ｍｍ）を作製した。Ｃｕ／Ｎｂ複合線は、真空中で６００℃×１時間の焼鈍を行った。
【００５８】
Ｃｕ製パイプ（外径：３３ｍｍ、内径：２９ｍｍ）内に、Ｎｂシート（厚み：０．２ｍｍ）を重巻きしたものを挿入して内面に貼付かせ、その内部に前記シングルエレメント線を裁断したものを７本束ねて挿入し、更に前記丸断面形状のＣｕ／Ｎｂ複合線を６本裁断して、シングルエレメントとＮｂシート間の空隙に挿入した後、縮径加工を行い、外径：１．０ｍｍのマルチエレメント線を作製した。このときの補強部材の銅比は０．３４、断面積割合は９．５％であった。
【００５９】
こうして得られたマルチエレメント線（直径：１．０ｍｍのもの）を、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理（５５０℃×１００時間＋７００℃×１００時間）を施した後、実施例と同様にして、臨界電流密度Ｊｃ、ｎ値および０．２％耐力（σ0.2）を測定した。
【００６０】
（比較例１）
実施例１と同様にして、シングルエレメント線を作製し、Ｃｕ／Ｎｂ複合線をスペーサ（補強材）として挿入しない点を除いて、実施例１と同様にして外径：１．０ｍｍのマルチエレメント線を作製した（前記図３、５参照）。こうして得られたマルチエレメント線（直径：１．０ｍｍのもの）を、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理（５５０℃×１００時間＋７００℃×１００時間）を施した後、実施例１と同様にして、臨界電流密度Ｊｃ、ｎ値および０．２％耐力（σ0.2）を測定した。
【００６１】
（比較例２）
実施例２と同様にして、外径：８．８ｍｍのシングルエレメント線を作製して裁断し、Ｃｕ製パイプ（外径：３３ｍｍ、内径：２９ｍｍ）内に７本束ねて挿入して縮径加工を行い、外径：１．０ｍｍのマルチエレメント線を作製した（前記図４、６参照）。こうして得られたマルチエレメント線（直径：１．０ｍｍのもの）を、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理（５５０℃×１００時間＋７００℃×１００時間）を施した後、実施例１と同様にして、臨界電流密度Ｊｃ、ｎ値および０．２％耐力（σ0.2）を測定した。
【００６２】
実施例１〜４、比較例１，２で得られた超電導線材の超電導特性（臨界電流密度Ｊｃ、ｎ値）および機械的特性［０．２％耐力（σ0.2）］を伸線加工中の断線回数と共に、下記表１に示す。尚、下記表１には、ブロンズ法で得られた超電導線材（製造条件は、Ｃｕ−１４質量％Ｓｎ−０．３質量％Ｔｉを使用した場合のもの）の標準的な超電導特性および機械的特性についても参考のために同時に示した。
【表１】
【００６３】
この結果から明らかなように、本発明で規定する要件を満足する実施例１〜４のものでは、良好な超電導特性（ｎ値および臨界電流密度Ｊｃ）が得られている共に、０．２％耐力（σ0.2）も１５０ＭＰａ以上を確保していることが分かる。
【００６４】
これに対し、比較例１、２のものでは、補強部材を組込んでいないので、４．２Ｋにおける０．２％耐力（σ0.2）が低い値となっている。また、ブロンズ法で得られたものでは、ｎ値や０．２％耐力（σ0.2）では良好な値を示しているが、臨界電流密度Ｊｃが低い値にとどまっている。尚、上記実施例以外にも、Ｔａ若しくはＮｂ−Ｔａを用いた補強部材とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】内部Ｓｎ法に適用される超電導線材前駆体（シングルエレメント線）の構成例を模式的に示した断面図である。
【図２】内部Ｓｎ法に適用される超電導線材前駆体（シングルエレメント線）の他の構成例を模式的に示した断面図である。
【図３】内部Ｓｎ法に適用される超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の加工前の組立断面の構成例を模式的に示した図である。
【図４】内部Ｓｎ法に適用される超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の加工前の組立断面の他の構成例を模式的に示した図である。
【図５】図３に示した超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の伸線加工後の内部の状態を模式的に示した断面図である。
【図６】図４に示した超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の伸線加工後の内部の状態を模式的に示した断面図である。
【図７】補強部材の断面構造例を示す概略説明図である。
【図８】補強部材の断面構造の他の例を示す概略説明図である。
【図９】本発明の超電導線材前駆体の構成例を模式的に示した断面図である。
【図１０】図９に示した超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の伸線加工後の内部の状態を模式的に示した断面図である。
【図１１】本発明の前駆体の他の構成例を模式的に示した断面図である。
【図１２】図１１に示した超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の伸線加工後の内部の状態を模式的に示した断面図である。
【図１３】本発明の超電導線材前駆体の更に他の構成例を模式的に示した断面図である。
【図１４】図１３に示した超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の伸線加工後の内部の状態を模式的に示した断面図である。
【図１５】本発明の超電導線材前駆体の他の構成例を模式的に示した断面図である。
【図１６】図１５に示した超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の伸線加工後の内部の状態を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１，５ 超電導線材前駆体（シングルエレメント線）
２ ＮｂまたはＮｂ基合金芯（Ｎｂフィラメント）
３ ＳｎまたはＳｎ基合金芯（Ｓｎ基金属芯）
４ａ ＣｕまたはＣｕ基合金マトリクス
４ｂ，４ｃ 安定化銅層
６ａ，６ｂ，６ｃ 拡散バリア層
７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，１２〜１５ 超電導線材前駆体（マルチエレメント線）
９ａ，９ｂ 補強部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を内部Ｓｎ法によって製造するための前駆体（超電導線材製造用前駆体：以下「超電導線材前駆体」と呼ぶことがある）およびこうした前駆体によって製造されるＮｂ3Ｓｎ超電導線材に関するものであり、殊に超電導マグネットの素材として有用なＮｂ3Ｓｎ超電導線材およびその前駆体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導線材が実用化されている分野のうち、高分解能核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析装置や核融合装置、加速器等に用いられる超電導マグネットがある。これらの超電導マグネットでは、ＮＭＲ信号の分解性能向上やデータ習得の短時間化の要求から高磁場化が求められている。超電導マグネットの高磁場化・コンパクト化に対しては、超電導マグネットに使用する超電導線材の高性能化が必須となっており、特に超電導マグネットの最内層部に使用される超電導コイルの高性能化が求められている。
【０００３】
超電導マグネットに使用される超電導線材としては、Ｎｂ3Ｓｎ線材が実用化されており、このＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造には主にブロンズ法が採用されている。このブロンズ法では、Ｃｕ−Ｓｎ基合金（ブロンズ）マトリクス中に、複数のＮｂまたはＮｂ基合金からなる芯材を埋設して複合線材が構成される。この複合線材を、押出し若しくは伸線加工等の縮径加工を施すことによって、上記芯材を細径化してフィラメント（以下、「Ｎｂフィラメント」と呼ぶ）とし、このＮｂフィラメントとブロンズからなる複合線材を複数束ねて線材群となし、その外周に安定化の為の銅（安定化銅）を配置した後、更に減面加工する。引き続き、縮径加工後の上記線材群を６００℃以上、８００℃以下程度で熱処理（拡散熱処理）することにより、Ｎｂ基フィラメントとブロンズマトリクスの界面にＮｂ3Ｓｎ化合物層を生成する方法である。
【０００４】
しかしながら、この方法ではブロンズ中に固溶できるＳｎ濃度には限界があり（１５．８質量％以下）、生成されるＮｂ3Ｓｎ化合物層の厚さが薄く、また結晶性が劣化してしまい、高い臨界電流密度Ｊｃが得られないという欠点がある。超電導マグネット（以下、「ＮＭＲマグネット」で代表することがある）は、線材の臨界電流密度Ｊｃが高いほど、ＮＭＲマグネットをコンパクトにすることができ、マグネットのコストダウンが可能である。また、導体中の超電導部分の面積を小さくできることから、線材自体のコストダウンも可能となる。
【０００５】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する方法としては、上記ブロンズ法の他に、内部Ｓｎ法も知られている。この内部Ｓｎ法（「内部拡散法」とも呼ばれている）では、ブロンズ法のような固溶限によるＳｎ濃度に限界がないのでＳｎ濃度をできるだけ高く設定でき、良質なＮｂ3Ｓｎ相が生成可能であるため、高い臨界電流密度Ｊｃが得られるといわれている。こうしたことから、内部Ｓｎ法によって製造される超電導線材（以下、「内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材」と呼ぶことがある）のＮＭＲマグネット用途への適用が望まれている。
【０００６】
内部Ｓｎ法では、図１（Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体の模式図）に示すように、ＣｕまたはＣｕ基合金マトリクス（以下、「Ｃｕマトリクス」と呼ぶことがある）４ａの中央部に、ＳｎまたはＳｎ基合金からなる芯材（以下、「Ｓｎ基金属芯」と呼ぶことがある）３を埋設すると共に、Ｓｎ基金属芯３の周囲のＣｕマトリクス４ａ中に、複数のＮｂまたはＮｂ基合金からなる芯材（以下、「Ｎｂフィラメント」と呼ぶことがある）２を相互に接触しないように配置して前駆体（超電導線材前駆体）１とし、これを伸線加工した後、熱処理（拡散熱処理）によってＳｎ基金属芯３中のＳｎを拡散させ、Ｎｂフィラメント２と反応させることによって線材中にＮｂ3Ｓｎ相を生成させる方法である（例えば、特許文献１）。
【０００７】
また上記のような前駆体においては、図２に示すように、前記Ｎｂフィラメント２とＳｎ基金属芯３が配置されたＣｕマトリクス４ａと、その外部の安定化銅層４ｂの間に拡散バリア層６ａを配置した構成（超電導線材前駆体５）を採用することもある。この拡散バリア層６ａは、例えばＮｂ層またはＴａ層、或いはＮｂ層とＴａ層の２層からなり、拡散熱処理の際にＳｎ基金属芯３中のＳｎが外部に拡散してしまうことを防止し、超電導線材内でのＳｎの純度を高める作用を発揮するものである。
【０００８】
上記のような、超電導線材前駆体の製造は、下記の手順で行われる。まず、ＮｂフィラメントをＣｕマトリクス管に挿入し、押出し加工や伸線加工等の縮径加工を施して複合体とし（通常、断面形状が六角形に形成される）、これを適当な長さに裁断する。そして、Ｃｕ製外筒を有し、拡散バリア層６ａを設け或いは設けないビレット内に前記複合体を充填し、その中央部にＣｕマトリクス（Ｃｕ製中実ビレット）を配置して押出し加工した後、中央部のＣｕマトリクスを機械的に穿孔してパイプ状複合体を構成する。或いは、他の方法として、Ｃｕ外筒とＣｕ内筒で構成され、拡散バリア層６ａを有しまたは有さない中空ビレット内（外筒と内筒の間）に前記複合体を複数本充填してパイプ押出ししてパイプ状複合体を構成する。
【０００９】
そして、これらの方法で作製されたパイプ状複合体の中央空隙部内に、Ｓｎ基金属芯３を挿入して縮径加工して、前記図１、２に示したような、Ｎｂフィラメント２とＳｎ基金属芯３を含む前駆体エレメントが製造される。以下では、これらのものを、「シングルエレメント線」と呼ぶことがある。
【００１０】
上記のようにして構成された各超電導線材前駆体（シングルエレメント線１、５）は、図１のシングルエレメント線の場合は拡散バリア層６ｂ（後記図３参照）を有するＣｕマトリクス管内に、図２のシングルエレメント線の場合は拡散バリア層を含まないＣｕマトリクス管内に、複数本束ねた集合体として充填され、更に縮径加工されて多芯型の超電導線材前駆体（以下、「マルチエレメント線」と呼ぶことがある）とされる。
【００１１】
図３、４は、マルチエレメント線の加工前の組立断面の構成例を示したものである。このうち図３は、前記図１に示した超電導線材前駆体１（シングルエレメント線）を、拡散バリア層６ｂおよび安定化銅層４ｃ内に複数本束ねた集合体として配置して構成されるマルチエレメント線７ａとしたものである（例えば、非特許文献１）。図４は、前記図２に示した前駆体５（シングルエレメント線）を、拡散バリア層を有さない安定化銅層４ｃ内に複数本束ねた集合体として配置して構成されるマルチエレメント線８ａとしたものである。
【００１２】
超電導電流は、超電導線材前駆体を作製した後に拡散熱処理（通常６００〜７００℃で１００〜３００時間程度）を施すことによって生成させたＮｂ3Ｓｎ相を流れることになる。そしてこのＮｂ3Ｓｎ相は、機械的な歪に対して非常に敏感であり、僅か１％程度の歪量であっても、急激に超電導特性（特に、臨界電流密度Ｊｃ）が低下することになる。
【００１３】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材が使用される場合、その殆ど全てが超電導マグネットの状態となるが、超電導マグネットではマグネットの磁界と通電電流によって、線材に対して常時電磁力が作用することになる。またＮｂ3Ｓｎ超電導線材では、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理が７００℃に近い高温で行われ、４．２Ｋ以下の極低温で通電されるため、Ｎｂ3Ｓｎ相には周囲に配置されるＣｕの熱収縮による力も作用することになって、歪を受けて特性が劣化することになる。
【００１４】
また、従来の内部Ｓｎ法超電導線材では、マルチエレメント線材の横断面で、中心部付近のシングルエレメント線と外周付近のシングルエレメント線では、変形状態が異なるということがある。即ち、前記図３、４のいずれの構成を採用しても、前駆体の伸線加工時において、中央部付近では、配置された各シングルエレメント線内のＮｂフィラメントは均一に加工できるのであるが、外周付近では、前駆体組み立て時のＣｕ管、拡散バリア層との間に形成される空隙を埋めるようにしてシングルエレメント線が変形するので、その内部に存在するＮｂフィラメント変形は不均一となってしまい、特に線材の外側になるほど、Ｎｂフィラメントの直径が大きくなる傾向がある。
【００１５】
こうした状況が発生すると、Ｎｂ3Ｓｎ生成のために必要なＳｎの距離が外周付近で大きくなってしまい、超電導特性（特に、臨界電流密度Ｊｃ）が劣化するという問題が生じる。また、ＮＭＲ用途で必要なｎ値の低下を招いたり、加工中の断線につながる可能性がある。尚、前記「ｎ値」とは、超電導線材における線材方向に流れる電流の均一性、即ち線材長手方向での超電導フィラメントの均一性を示す指標となるものであり、このｎ値が大きいほど超電導特性（即ち、電流の均一性）が優れているといわれているものである。
【００１６】
更に、上記したようなＮｂ3Ｓｎ超電導線材の臨界電流密度Ｊｃの劣化を防止するために、線材断面に適切な補強部材を配置して線材の強度を向上させることも必要である。線材の強度を向上させるという観点から、安定化銅中にＡｌ2Ｏ3を分散させたものを用いて前駆体を構成する技術も提案されているが（例えば、非特許文献２）、Ａｌ2Ｏ3分散銅は非常に高価なため、使用できない。
【特許文献１】特開昭４９−１１４３８９号公報
【非特許文献１】「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ」,Ｖｏｌ，ＭＡＧ−１９，Ｎｏ．３，ＭＡＹ １９８３ ｐ１１３１−１１３４
【非特許文献２】「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ」,Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．２，Ｊｕｎｅ ２００５ ｐ１２００−１２０４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材における機械的強度の強化を図ると共に、縮径加工の際の均一加工を可能とすることによって良好な超電導特性を発揮することのできる内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材、およびそのための前駆体（超電導線材前駆体）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成することのできた本発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体とは、内部Ｓｎ法によってＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材前駆体において、中央にＳｎまたはＳｎ基合金芯が配置されると共に、その周囲にＣｕまたはＣｕ基合金マトリクスと、複数本のＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントが配置されたシングルエレメント線を複数本束ねて配置して構成されるマルチエレメント線であって、前記シングルエレメント線相互間および／またはシングルエレメント線の外周には、棒状の補強部材が配設されたものである点に要旨を有するものである。
【００１９】
本発明の上記Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体においては、その構成例として、（ａ）前記補強部材の直径は前記シングルエレメント線の直径よりも小さく構成されるもの、（ｂ）前記棒状の補強部材は、Ｎｂおよび／またはＴａを含む金属または合金からなる芯材の外周を、ＣｕまたはＣｕ基合金によって被覆したもの、（ｃ）前記棒状の補強部材は、Ｎｂおよび／またはＴｉを含む金属または合金からなる芯材の外周に、Ｎｂからなる拡散バリアを配置し、その外周をＣｕまたはＣｕ基合金によって被覆したもの、（ｄ）前記補強部材中の心材の断面積割合は、前駆体の全断面積に対して２〜２５％であるもの、（ｅ）前記補強部材の表面に被覆されるＣｕまたはＣｕ基合金層は、補強部材中における伸線加工前の段階の銅比で０．１〜１．０であるもの、等の構成を採用することが好ましい。
【００２０】
本発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体においては、前記シングルエレメント線の外周付近および／またはマルチエレメント線の外周付近には、拡散バリア層が配置する構成を採用することもできる。
【００２１】
上記のような各種超電導線材製造用前駆体を用いて、拡散熱処理することによって希望する超電導特性（臨界電流密度Ｊｃおよび強度）を発揮する内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明においては、内部Ｓｎ法によってＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に構成される超電導線材前駆体（マルチエレメント線）において、シングルエレメント線相互間および／またはシングルエレメント線の外周に、棒状の補強部材を配設する構成を採用することによって、良好な超電導特性を維持しつつ強度的にも十分な超電導線材を得ることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
前駆体を伸線加工したときに、内部の変形状況が半径方向で異なる状況について、図面を用いて説明する。図５は、前記図３に示した超電導線材前駆体７ａを伸線加工したときの内部の状況を示す断面図（超電導線材前駆体７ｂ）であり、図６は、前記図４に示した超電導線材前駆体８ａを伸線加工したときの内部の状況を示す断面図（超電導線材前駆体８ｂ）である。これらの図に示すように、伸線加工によって、各超電導線材前駆体７ｂ，８ｂ（マルチエレメント線）は、中心付近では配置された各シングルエレメント線内のＮｂフィラメント（ＮｂまたはＮｂ基合金からなる芯材２）は均一に加工できるのであるが、外周付近では、前駆体組み立て時に形成される空隙の存在によって、その空隙を埋めるようにシングルエレメント線が変形することになるので、特に外周付近に存在するシングルエレメント線は歪（いびつ）になり、その内部のＮｂフィラメントは断面が不均一な状態となる。
【００２４】
図５、６に示したような状況が発生すると、マルチエレメント線７ｂ、８ｂの外周付近に存在するＮｂフィラメントは相対的に大きい状態となり、拡散熱処理時にＮｂ3Ｓｎ生成のために必要となるＳｎの拡散距離が長くなって、Ｎｂ3Ｓｎに十分に反応しきれず、臨界電流密度Ｊｃやｎ値の低下を招くことになる。また、こうした状態では、加工歪みが部分的に集中することになって、押出しや伸線等の縮径加工中に断線が発生する危険性も高くなる。更に、こうした状態の内部Ｓｎ法超電導線材前駆体を熱処理して得られた超電導線材では、臨界電流密度Ｊｃとｎ値の低下が見られ、特にｎ値についてはブロンズ法によって得られる超電導線材よりも極端に低いものとなることがある。
【００２５】
本発明の超電導線材前駆体の構成を、図面を用いて説明する。本発明の超電導線材前駆体では、前記図３、４に示したようなマルチエレメント線（図３の７ａ、図４の８ａ）を構成する際に、線材内部に形成される空隙に補強部材を配置することによって、超電導線材の強度向上と共に、Ｎｂフィラメントの均一加工を可能にするものである。
【００２６】
図７は、本発明で用いる補強部材の構成を示す概略説明図であり、この補強部材９ａは、外観が棒状に形成されるが、その中心にＮｂまたはＮｂ−Ｔａ合金或いはＴａからなる芯材１０と、その外周に配置されるＣｕまたはＣｕ基合金層４ｄとから構成される。
【００２７】
図８は、本発明で用いる補強部材の他の構成例を示す概略説明図である。図８に示した補強部材９ｂでは、外観が棒状に形成されるが、その中心にＴｉまたはＮｂ−Ｔｉ合金が芯材１１として配置されると共に、最外層にＣｕまたはＣｕ基合金層４ｄが配置されるのは、基本的に図７に示した構成を同様であるが、芯材１１としてＴｉを含む金属若しくは合金を用いた場合には、縮小加工途中や焼鈍の際に、ＴｉとＣｕとが反応して脆いＣｕ−Ｔｉ系化合物が生成し、断線が発生しやすい状態になる。こうした不都合を回避するために、Ｔｉを含む金属または合金を芯材として使用する場合には、ＣｕまたはＣｕ基合金層４ｄと芯材１１との間に、Ｎｂからなる拡散バリア層６ｃを介在させたものである。こうした構成の補強部材９ｂを採用することによって、ＣｕとＴｉとの直接接触を避け、上記のような脆いＣｕ−Ｔｉ系化合物の生成を抑制し、断線等の不都合を回避することができる。
【００２８】
但し、こうした拡散バリア層６ｃを形成するときには、短時間の熱（押し出し加工時の熱や加工発熱）での化合物生成を抑制すれば良く、超電導線材の強度を確保するという観点からして、その後の拡散熱処理でのＣｕのＴｉへの拡散を大きく阻害しないようにすることが有効である。こうした観点から、Ｎｂ拡散バリア層６ｃの厚みは芯材１１の直径の０．２〜２％程度とすることが好ましい。また、補強部材におけるＣｕ被覆層（ＣｕまたはＣｕ基合金層４ｄ）の割合は、加工性と強度（芯材による補強効果）を考慮すれば、補強部材中における伸線加工前の銅比（銅の非銅部に対する面積割合）で０．１〜１．０程度が適切である。この銅比は、好ましくは０．３〜０．６程度である。
【００２９】
本発明の前駆体は、前記図３、４に示した前駆体（マルチエレメント線７ａ，８ａ）を構成する際に、上記図７、８に示したような棒状の補強部材９ａまたは９ｂ（以下、「９ａ，９ｂ」と記す）をシングルエレメント線相互間や、シングルエレメント線の外周に配置することによって構成されるものである。ここで、棒状（棒状の補強部材）とは、円柱状、角柱状や、多少変形した状態の柱状態を指す。また、マルチエレメント線中には、複数本の補強部材が配置されることになるが、マルチエレメント線中における複数本の補強部材の材質は、異ならせても良いが、加工バランスの観点から同一材質とする方が好ましい。
【００３０】
図９は、本発明の超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の構成例を示す概略説明図であり、基本的な構成は、前記図３に示したマルチエレメント線に類似するものであり、対応する部分には同一の参照符号を付してある。この構成では、前記図１に示したシングルエレメント線１（拡散バリア層を形成していないもの）と、前記図７、８に示したような補強部材９ａ，９ｂを組み合わせてマルチエレメント線１２とするものである。
【００３１】
即ち、図９に示した超電導線材前駆体では、図１に示したシングルエレメント線１を複数束ねて図３に示したようなマルチエレメント線を構成するに際して、シングルエレメント線１の相互間や、シングルエレメント線１の外周（即ち、拡散バリア層６ｂとシングルエレメント線１の間）に補強部材９ａ，９ｂを配置するようにしたものである。こうした構成を採用することによって、伸線加工等の際に、補強部材９ａ，９ｂは、空隙に合わせて変形しようとするので、外周付近に存在するシングルエレメント線１の歪（いびつ）な変形を軽減でき、且つ最終的に超電導線材の強度も高くなって歪みに対する耐性も向上することになる。図９に示した超電導線材前駆体を伸線加工した後の、内部の形状の概略を図１０に示す。
【００３２】
前記図９に示した前駆体の構成では、補強部材９ａ，９ｂは、シングルエレメント線１の相互間と、シングルエレメント線１の外周（即ち、拡散バリア層６ｂとシングルエレメント線１群の間）の両方に配置する構成を示したけれども、そのどちらか一方だけに補強部材を配置する構成も採用できる。
【００３３】
また、図９に示した構成は、シングルエレメント線１の外周部付近に配置される補強部材９ａ，９ｂの大きさ（断面形状）が、シングルエレメント線相互間に配置される補強部材９ａ，９ｂよりも大きくなるものを配置した構成を示したけれども、その逆になっても良いことは勿論である。但し、補強部材９ａ，９ｂとシングルエレメント線１の大きさの関係は、本発明の前駆体が、前駆体を構成するときの空隙を有効利用して補強部材９ａ，９ｂを配置する趣旨からして、シングルエレメント線１よりも補強部材９ａ，９ｂの方が小さいものであることが好ましい（例えば、補強部材９ａ，９ｂの直径がシングルエレメント線１の直径に対して０．１以上、１．０未満）。
【００３４】
図１１は、本発明の前駆体の他の構成例を示す概略説明図である。この構成では、前記図１に示したシングルエレメント線１を束ねてマルチエレメント線を構成する際に、シングルエレメント線１群の外周付近（即ち、拡散バリア層６ｂとシングルエレメント線１の間）にだけ補強部材９ａ，９ｂを配置したものである。即ち、図１１に示した構成では、シングルエレメント線１を束ねてマルチエレメント線１３を構成するに際して、シングルエレメント線１の組立ての容易性から、シングルエレメント線１は横断面（軸直角断面）が六角形に形成されるものであるが、こうしたシングルエレメント線１を束ねた場合には、シングルエレメント線１の相互間には、空隙が形成されにくいことから、シングルエレメント線１の外周付近にだけ補強部材を配置したものである。この構成では、隣り合う２本のシングルエレメント線と、拡散バリア層との間に１本の補強部材が配置されており、全体として、複数の補強部材が概略円周状に均等に点在配置されている。
【００３５】
こうした構成を採用することによっても、外周付近に存在するシングルエレメント線１の歪（いびつ）な変形を軽減でき、且つ最終的に超電導線材の強度も高くなって歪みに対する耐性も向上することになる。図１１に示した超電導線材前駆体を伸線加工したときの、内部の形状の概略を図１２に示す。
【００３６】
図１３は、本発明の超電導線材前駆体の更に他の構成例を示す概略説明図である。この構成では、図１に示したシングルエレメント線１を複数束ねて図３に示したようなマルチエレメント線１４を構成するに際して、シングルエレメント線１の外周に補強部材９ａ，９ｂを配置せずに、内側のシングルエレメント線１の相互間の空隙にだけ補強部材９ａ，９ｂを配置するようにしたものである。こうした構成を採用することによっても、本発明の目的が達成される。図１３に示した超電導線材前駆体を伸線加工した後の、内部の形状の概略を図１４に示す。この構成では、隣り合う２本のシングルエレメント線と、その中心側に配置された１１本のシングルエレメント線との間に、１本の補強部材が配置されており、全体として、複数の補強部材が概略円周状に点在配置されている。
【００３７】
前記図３、４に示した超電導線材前駆体（マルチエレメント線）を構成するに際して、必要とされる臨界電流密度Ｊｃに対応して、マルチエレメント線の中央部にＣｕまたはＣｕ基合金芯を配置することがある。図１５は、こうした構成を基本的に採用するときの本発明の超電導線材前駆体の構成例を示す概略説明図である。即ち、図１５に示した超電導線材前駆体１５では、図２に示したシングルエレメント線５を複数束ねて図４に示したようなマルチエレメント線８ａを構成するに際して、前駆体中央部にＣｕまたはＣｕ基合金芯１６を配置すると共に、その周囲に複数のシングルエレメント線５を配置し、且つこのシングルエレメント線５の相互間（シングルエレメント線とＣｕまたはＣｕ基合金芯との間）や、シングルエレメント線５の外周（即ち、安定化銅層４ｃとシングルエレメント線５の間）に補強部材９ａ，９ｂを配置するようにしたものである。こうした構成を採用することによっても、本発明の目的を達成することができる。図１５に示した超電導線材前駆体１５を伸線加工したときの、内部の形状の概略を図１６に示す。
【００３８】
本発明では、図１、２に示したシングルエレメント線１，５と、前記図７、８に示したような補強部材９ａ，９ｂを用いてマルチエレメント線１２，１３，１４，１５を構成することによって、シングルエレメント線１の不均一変形を防止しつつ、内部のＮｂフィラメントもより均一な大きさとし、高い臨界電流密度Ｊｃとｎ値が達成できるものとなるものであるが、本発明で用いる補強部材９ａ、９ｂは、超電導線材前駆体に組み込む際に予め焼鈍したものであることが好ましい。即ち、５００〜９００℃程度で予め焼鈍した補強部材９ａ，９ｂをマルチエレメント線の構成要素として組み込むことによって、縮径加工を行ときに補強部材９ａ，９ｂがシングルエレメント線１，５相互間、或いはシングルエレメント線１，５と拡散バリア層６ｂまたは安定化銅層４ｃとの間の空隙に追随して変形しやすい状態となる。その結果、シングルエレメント線１，５の変形が均一となり、内部のＮｂフィラメントもより均一に変形されるので、高い臨界電流密度Ｊｃとｎ値を確保でき、縮径加工の際の断線も現象することになる。
【００３９】
ところで補強部材をマルチエレメント線に配置すると、超電導部（Ｎｂ3Ｓｎ相）の面積が減少してしまい、臨界電流密度Ｊｃを低下することにもなる。こうしたことから、補強部材９ａ，９ｂの配置割合を大きくして高強度化を指向することにも限界がある。また、補強部材９、９ｂの配置割合が小さ過ぎると上記の効果が達成されにくくなる。こうした観点から、補強部材の断面積割合は、前駆体の全断面積に対して２〜２５％程度であることが好ましい。
【００４０】
本発明の超電導線材前駆体を構成するに際して、シングルエレメント線を作製する際に用いるＣｕ基合金や、補強部材の表面に被覆されるＣｕ基合金としては、Ｓｎ，Ｎｉ等の合金元素を２〜５質量％程度含有したものを用いることができる。またシングルエレメント線の中央に配置されるＳｎ基合金芯においても、Ｔｉ等の合金元素を２質量％程度含有したものを用いることができる。
【００４１】
本発明においては、上記のような前駆体を用い、ブロンズ化熱処理を含めた拡散熱処理（通常６００℃以上、７００℃以下程度）することによって、良好な超電導特性（臨界電流密度Ｊｃ）を発揮するＮｂ3Ｓｎ超電導線材を得ることができる。具体的には、１８０〜６００℃の温度範囲でブロンズ化熱処理（ＳｎをＣｕに拡散させる）を行なった後に、６００〜７００℃の温度範囲で１００〜３００時間程度のＮｂ3Ｓｎを生成させる熱処理を行なう。尚、ブロンズ化熱処理としては、１８０〜２００℃で５０時間程度、３４０℃前後で５０時間程度、５５０℃前後で５０〜１００時間等の多段階の熱処理の組合せにすることもできる。
【００４２】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００４３】
（実施例１）
Ｃｕ製パイプ（外径：２１ｍｍ、内径：１８ｍｍ）内に、Ｎｂ金属芯（直径：１７ｍｍ）を挿入後、縮径加工して六角断面形状（六角対辺：４．３ｍｍ）と丸断面形状（直径：３．２ｍｍおよび１．４ｍｍ）のＣｕ／Ｎｂ複合線を作製した。丸断面形状のＣｕ／Ｎｂ複合線については、真空中で６００℃×１時間の焼鈍を施した。
【００４４】
Ｃｕ製中空ビレットのＣｕ内筒（外径：７０ｍｍ、内径：６１ｍｍ）の外周に前記六角断面形状のＣｕ／Ｎｂ複合線５１１本を束ねて配置し、これをＣｕ製中空ビレットのＣｕ外筒（外径：１４３ｍｍ、内径：１３１ｍｍ）に挿入した後、蓋をして真空引きし溶接を行って両端を封止し、ビレットを作製した。このビレットをパイプ押出し加工し、更に前記Ｃｕ内筒内にＳｎ−２質量％Ｔｉ合金を挿入して伸線加工し、シングルエレメント線（外径：８．８ｍｍ）を作製した。
【００４５】
Ｃｕ製パイプ（外径：３３ｍｍ、内径：２９ｍｍ）内にＮｂシート（厚み：０．１ｍｍ）を重ね巻きして全体としての厚みを０．７ｍｍとしたものを挿入して内面に貼り付かせ、その内部に前記シングルエレメント線を裁断したものと７本束ねて挿入し、更に前記丸断面のＣｕ／Ｎｂ複合線（直径：３．２ｍｍと１．４ｍｍのもの）を夫々６本ずつ裁断して、外径：１．４ｍｍ材をシングルエレメント線間の空隙に、外径：３．２ｍｍ材をシングルエレメントとＮｂ間の空隙に挿入した後、縮径加工を行い、外径：１．０ｍｍのマルチエレメント線を作製した（前記図１０参照）。このときの補強部材の銅比は、０．３５、断面積割合（前駆体の全断面積に対する補強部材の面積割合：以下同じ）は９％であった。
【００４６】
こうして得られたマルチエレメント線（直径：１．０ｍｍのもの）を、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理（５５０℃×１００時間＋７００℃×１００時間）を施した後、下記の方法によって臨界電流密度Ｊｃおよびｎ値を測定した。同サンプルについて、液体ヘリウム（４．２Ｋ）中に浸漬した状態で、引張試験を実施して０．２％耐力（σ0.2）を測定した。また、伸線加工中の断線回数についても計測した。尚、臨界電流密度Ｊｃは外部磁場１４Ｔで１０００Ａ／ｍｍ2以上であることが必要であり、０．２％耐力（σ0.2）は１５０ＭＰａ以上であることが必要である。
【００４７】
［臨界電流密度Ｊｃの測定］
液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）で、１４Ｔの外部磁場の下、試料（超電導線材）に通電し、４端子法によって発生電圧を測定し、この値が０．１μＶ／ｃｍの電界が発生した電流値（臨界電流Ｉｃ）を測定し、この電流値を、線材断面中の非銅部断面で除し、非銅部の臨界電流密度Ｊｃを求めた。
【００４８】
［ｎ値の測定］
臨界電流Ｉｃを求めたのと同じ計測によって得られた（Ｉｃ−Ｖｃ）曲線において、０．１μＶと１．０μＶの間のデータを両対数表示し、その傾きとして求めた。尚、上記電流Ｉｃと電圧Ｖｃの関係は、経験的に下記（１）式のような近似式で表されるが、この（１）式に基づいてｎの値（即ち、「ｎ値」）を求めたものである。
Ｖ＝Ｖｃ（Ｉ／Ｉｃ）n …（１）
但し、ＶおよびＩは、夫々Ｖｃ，Ｉｃよりも低い任意の電圧と電流である。
【００４９】
（実施例２）
Ｃｕ製パイプ（外径：２１ｍｍ、内径：１８ｍｍ）内に、Ｎｂ金属芯（直径：１７ｍｍ）を挿入後、縮径加工して六角断面形状（六角対辺：４．３ｍｍ）のＣｕ／Ｎｂ複合線を作製した。
【００５０】
一方、Ｃｕビレット（外径：１４３ｍｍ、内径：１２０ｍｍ）内にＮｂシート（厚み：０．２ｍｍ）を重巻きして貼り付かせた後、Ｎｂ−４７質量％Ｔｉ合金芯（外径：１１９ｍｍ）を挿入後、押出し・伸線して丸断面（外径：２．７ｍｍまたは１．１ｍｍ）のＣｕ／Ｎｂ／Ｎｂ−Ｔｉ複合線を作製した。この丸断面線については、真空中で６００℃×１時間の焼鈍を行った。
【００５１】
Ｃｕ製中空ビレットのＣｕ外筒（外径：１４３ｍｍ、内径：１３１ｍｍ）に、Ｎｂシートを重ね巻きしたものを内面に貼り付かせ、拡散バリア層を形成した中に、Ｃｕ内筒（外径：７０ｍｍ、内径：６１ｍｍ）の周りに前記六角断面のＣｕ／Ｎｂ複合線を４５６本束ねて挿入した後、蓋をして真空引きし溶接を行って両端を封止し、ビレットを作製した。このビレットをパイプ押出し加工し、更に前記Ｃｕ内筒内にＳｎ−２質量％Ｔｉ合金を挿入して伸線加工し、シングルエレメント線（外径：７．４ｍｍ）を作製した。
【００５２】
Ｃｕ製パイプ（外径：３３ｍｍ、内径：２９ｍｍ）内に、Ｃｕ芯（直径：１１．５ｍｍ）の周囲に、前記シングルエレメント線を裁断したものを８本束ねて挿入し、更に前記丸断面のＣｕ／Ｎｂ／Ｎｂ−Ｔｉ複合線（直径：２．７ｍｍと１．１ｍｍのもの）を夫々８本ずつ裁断して、外径：１．１ｍｍ材をシングルエレメント線をＣｕ芯間の空隙に、外径：２．７ｍｍ材をシングルエレメントとＣｕパイプ間の空隙に挿入した後、縮径加工を行い、外径：１．０ｍｍのマルチエレメント線を作製した（前記図１５参照）。このときの補強部材の銅比は、０．５５、断面積割合は８％であった。
【００５３】
こうして得られたマルチエレメント線（直径：１．０ｍｍのもの）を、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理（５５０℃×１００時間＋７００℃×１００時間）を施した後、実施例と同様にして、臨界電流密度Ｊｃ、ｎ値および０．２％耐力（σ0.2）を測定した。
【００５４】
（実施例３）
実施例1と同様にして、シングルエレメント線（外径：７．５ｍｍ）と丸断面形状のＣｕ／Ｎｂ複合線（外径：３．２ｍｍ）を作製した。Ｃｕ／Ｎｂ複合線は、真空中で６００℃×１時間の焼鈍を行った。
【００５５】
Ｃｕ製パイプ（外径：３３ｍｍ、内径：２９ｍｍ）内に、Ｎｂシート（厚み：０．２ｍｍ）を重巻きしたものを挿入して内面に貼付かせ、その内部に前記シングルエレメント線を裁断したものを中心部に1本配置し、その周囲に８本束ねて挿入し、更に前記丸断面形状のＣｕ／Ｎｂ複合線を８本裁断して、シングルエレメント線間の空隙に挿入した後、縮径加工を行い、外径：１．０ｍｍのマルチエレメント線を作製した（前記図１３参照）。このときの補強部材の銅比は０．３５、断面積割合は１０％であった。
【００５６】
こうして得られたマルチエレメント線（直径：１．０ｍｍのもの）を、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理（５５０℃×１００時間＋７００℃×１００時間）を施した後、実施例と同様にして、臨界電流密度Ｊｃ、ｎ値および０．２％耐力（σ0.2）を測定した。
【００５７】
（実施例４）
実施例１と同様にして、六角断面形状のシングルエレメント線（六角対辺：３．２ｍｍ）と丸断面のＣｕ／Ｎｂ複合線（外径：４ｍｍ）を作製した。Ｃｕ／Ｎｂ複合線は、真空中で６００℃×１時間の焼鈍を行った。
【００５８】
Ｃｕ製パイプ（外径：３３ｍｍ、内径：２９ｍｍ）内に、Ｎｂシート（厚み：０．２ｍｍ）を重巻きしたものを挿入して内面に貼付かせ、その内部に前記シングルエレメント線を裁断したものを７本束ねて挿入し、更に前記丸断面形状のＣｕ／Ｎｂ複合線を６本裁断して、シングルエレメントとＮｂシート間の空隙に挿入した後、縮径加工を行い、外径：１．０ｍｍのマルチエレメント線を作製した。このときの補強部材の銅比は０．３４、断面積割合は９．５％であった。
【００５９】
こうして得られたマルチエレメント線（直径：１．０ｍｍのもの）を、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理（５５０℃×１００時間＋７００℃×１００時間）を施した後、実施例と同様にして、臨界電流密度Ｊｃ、ｎ値および０．２％耐力（σ0.2）を測定した。
【００６０】
（比較例１）
実施例１と同様にして、シングルエレメント線を作製し、Ｃｕ／Ｎｂ複合線をスペーサ（補強材）として挿入しない点を除いて、実施例１と同様にして外径：１．０ｍｍのマルチエレメント線を作製した（前記図３、５参照）。こうして得られたマルチエレメント線（直径：１．０ｍｍのもの）を、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理（５５０℃×１００時間＋７００℃×１００時間）を施した後、実施例１と同様にして、臨界電流密度Ｊｃ、ｎ値および０．２％耐力（σ0.2）を測定した。
【００６１】
（比較例２）
実施例２と同様にして、外径：８．８ｍｍのシングルエレメント線を作製して裁断し、Ｃｕ製パイプ（外径：３３ｍｍ、内径：２９ｍｍ）内に７本束ねて挿入して縮径加工を行い、外径：１．０ｍｍのマルチエレメント線を作製した（前記図４、６参照）。こうして得られたマルチエレメント線（直径：１．０ｍｍのもの）を、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理（５５０℃×１００時間＋７００℃×１００時間）を施した後、実施例１と同様にして、臨界電流密度Ｊｃ、ｎ値および０．２％耐力（σ0.2）を測定した。
【００６２】
実施例１〜４、比較例１，２で得られた超電導線材の超電導特性（臨界電流密度Ｊｃ、ｎ値）および機械的特性［０．２％耐力（σ0.2）］を伸線加工中の断線回数と共に、下記表１に示す。尚、下記表１には、ブロンズ法で得られた超電導線材（製造条件は、Ｃｕ−１４質量％Ｓｎ−０．３質量％Ｔｉを使用した場合のもの）の標準的な超電導特性および機械的特性についても参考のために同時に示した。
【表１】
【００６３】
この結果から明らかなように、本発明で規定する要件を満足する実施例１〜４のものでは、良好な超電導特性（ｎ値および臨界電流密度Ｊｃ）が得られている共に、０．２％耐力（σ0.2）も１５０ＭＰａ以上を確保していることが分かる。
【００６４】
これに対し、比較例１、２のものでは、補強部材を組込んでいないので、４．２Ｋにおける０．２％耐力（σ0.2）が低い値となっている。また、ブロンズ法で得られたものでは、ｎ値や０．２％耐力（σ0.2）では良好な値を示しているが、臨界電流密度Ｊｃが低い値にとどまっている。尚、上記実施例以外にも、Ｔａ若しくはＮｂ−Ｔａを用いた補強部材とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】内部Ｓｎ法に適用される超電導線材前駆体（シングルエレメント線）の構成例を模式的に示した断面図である。
【図２】内部Ｓｎ法に適用される超電導線材前駆体（シングルエレメント線）の他の構成例を模式的に示した断面図である。
【図３】内部Ｓｎ法に適用される超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の加工前の組立断面の構成例を模式的に示した図である。
【図４】内部Ｓｎ法に適用される超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の加工前の組立断面の他の構成例を模式的に示した図である。
【図５】図３に示した超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の伸線加工後の内部の状態を模式的に示した断面図である。
【図６】図４に示した超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の伸線加工後の内部の状態を模式的に示した断面図である。
【図７】補強部材の断面構造例を示す概略説明図である。
【図８】補強部材の断面構造の他の例を示す概略説明図である。
【図９】本発明の超電導線材前駆体の構成例を模式的に示した断面図である。
【図１０】図９に示した超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の伸線加工後の内部の状態を模式的に示した断面図である。
【図１１】本発明の前駆体の他の構成例を模式的に示した断面図である。
【図１２】図１１に示した超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の伸線加工後の内部の状態を模式的に示した断面図である。
【図１３】本発明の超電導線材前駆体の更に他の構成例を模式的に示した断面図である。
【図１４】図１３に示した超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の伸線加工後の内部の状態を模式的に示した断面図である。
【図１５】本発明の超電導線材前駆体の他の構成例を模式的に示した断面図である。
【図１６】図１５に示した超電導線材前駆体（マルチエレメント線）の伸線加工後の内部の状態を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１，５ 超電導線材前駆体（シングルエレメント線）
２ ＮｂまたはＮｂ基合金芯（Ｎｂフィラメント）
３ ＳｎまたはＳｎ基合金芯（Ｓｎ基金属芯）
４ａ ＣｕまたはＣｕ基合金マトリクス
４ｂ，４ｃ 安定化銅層
６ａ，６ｂ，６ｃ 拡散バリア層
７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，１２〜１５ 超電導線材前駆体（マルチエレメント線）
９ａ，９ｂ 補強部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部Ｓｎ法によってＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材前駆体において、中央にＳｎまたはＳｎ基合金芯が配置されると共に、その周囲にＣｕまたはＣｕ基合金マトリクスと、複数本のＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントが配置されたシングルエレメント線を複数本束ねて配置して構成されるマルチエレメント線であって、前記シングルエレメント線相互間および／またはシングルエレメント線の外周に、棒状の補強部材を配設したものであることを特徴とする内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項２】
前記補強部材の直径は前記シングルエレメント線の直径よりも小さく構成される請求項１に記載の内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項３】
前記補強部材は、Ｎｂおよび／またはＴａを含む金属または合金からなる芯材の外周を、ＣｕまたはＣｕ基合金によって被覆したものである請求項１または２に記載の内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項４】
前記補強部材は、Ｎｂおよび／またはＴｉを含む金属または合金からなる芯材の外周に、Ｎｂからなる拡散バリアを配置し、その外周をＣｕまたはＣｕ基合金によって被覆したものである請求項１または２に記載の内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項５】
前記補強部材の断面積割合は、前駆体の全断面積に対して２〜２５％である請求項１〜４のいずれかに記載の内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項６】
前記補強部材の表面に被覆されるＣｕまたはＣｕ基合金層は、補強部材中における伸線加工前の段階の銅比で０．１〜１．０である請求項３〜５のいずれかに記載の内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項７】
前記補強部材は、５００〜９００℃の温度範囲で予め焼鈍されたものである請求項１〜６のいずれかに記載の内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項８】
前記シングルエレメント線の外周付近および／またはマルチエレメント線の外周付近には、拡散バリア層が配置されたものである請求項１〜７のいずれかに記載の内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の超電導線材前駆体を、拡散熱処理することによってＮｂ3Ｓｎ超電導相を形成したものである内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材。
【請求項１】
内部Ｓｎ法によってＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材前駆体において、中央にＳｎまたはＳｎ基合金芯が配置されると共に、その周囲にＣｕまたはＣｕ基合金マトリクスと、複数本のＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントが配置されたシングルエレメント線を複数本束ねて配置して構成されるマルチエレメント線であって、前記シングルエレメント線相互間および／またはシングルエレメント線の外周に、棒状の補強部材を配設したものであることを特徴とする内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項２】
前記補強部材の直径は前記シングルエレメント線の直径よりも小さく構成される請求項１に記載の内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項３】
前記補強部材は、Ｎｂおよび／またはＴａを含む金属または合金からなる芯材の外周を、ＣｕまたはＣｕ基合金によって被覆したものである請求項１または２に記載の内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項４】
前記補強部材は、Ｎｂおよび／またはＴｉを含む金属または合金からなる芯材の外周に、Ｎｂからなる拡散バリアを配置し、その外周をＣｕまたはＣｕ基合金によって被覆したものである請求項１または２に記載の内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項５】
前記補強部材の断面積割合は、前駆体の全断面積に対して２〜２５％である請求項１〜４のいずれかに記載の内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項６】
前記補強部材の表面に被覆されるＣｕまたはＣｕ基合金層は、補強部材中における伸線加工前の段階の銅比で０．１〜１．０である請求項３〜５のいずれかに記載の内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項７】
前記補強部材は、５００〜９００℃の温度範囲で予め焼鈍されたものである請求項１〜６のいずれかに記載の内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項８】
前記シングルエレメント線の外周付近および／またはマルチエレメント線の外周付近には、拡散バリア層が配置されたものである請求項１〜７のいずれかに記載の内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の超電導線材前駆体を、拡散熱処理することによってＮｂ3Ｓｎ超電導相を形成したものである内部Ｓｎ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
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【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００９−２１１８８０（Ｐ２００９−２１１８８０Ａ）
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５２１８３（Ｐ２００８−５２１８３）
【出願日】平成２０年３月３日（２００８．３．３）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月３日（２００８．３．３）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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