説明

混合バリア型Nb3Al超電導線材

【課題】NbAl超電導線材開発において従来問題とされていたTaに起因する伸線加工性の問題を解決し、かつ極低温環境下で誘発されるフィラメントの磁気的結合を抑制できる新しいNbAl多芯線断面構造を提供する。
【解決手段】NbAl多芯超伝導線材において、中心コアに近いフィラメント領域に、延性の高いNbバリアフィラメントを集中配置し、外周部に磁気的結合抑制材であるTaバリアのフィラメントとNbバリアフィラメントを分散配置することで、優れた伸線加工性を有し、かつ極低温環境下で誘発されるフィラメントの磁気的結合を抑制できる新しいNbAl多芯線断面構造。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、NbAl多芯超電導線材に関するものである。更に詳しくは、NbAl多芯超伝導線材において、中心コアに近いフィラメント領域に、延性の高いNbバリアフィラメントを集中配置し、外周部に磁気的結合抑制材であるTaバリアのフィラメントとNbバリアフィラメントを分散配置することで、伸線加工性に優れ、かつ極低温環境下で誘発されるフィラメントの磁気的結合を抑制できる新しいNbAl多芯線断面構造を提案する。
【背景技術】
【0002】
これまで急熱急冷法NbAl多芯超伝導線材では、延性に優れかつ融点が2000℃を超える高融点材料であるNbを、NbAl超伝導フィラメントのバリア材として使用してきた。しかしながらNbは約9Kの臨界温度を有し、極低温環境下では超伝導性を示して、フィラメント同士の磁気的結合を誘発させていた。一方、その磁気的結合を抑制するために、超伝導性の低い同じく高融点材料であるTaの使用が試みられてきたが、延性に劣り伸線加工時の断線リスクを高めていた。
【0003】
急熱急冷法NbAl線材は、その特殊な超高温熱処理のために、マトリクス材料としては延性のある高融点金属のNbもしくはTaに限定される。その制限により断面構成は、図1に示されるようなNbの中心ダミーコアの周囲にNbバリアのNbAl超伝導フィラメントが配置されたオールNbバリアフィラメント線材、もしくは、図2に示されるようなNbもしくはTaの中心ダミーコアの周囲にTaバリアのNbAl超伝導フィラメントが配置されたオールTaバリアフィラメント線材の2種類しかなかった。
【0004】
しかしながらオールNbバリアフィラメント線材の場合には、加工性に優れている反面、Nbの超伝導性により極低温環境下で使用した場合に、フィラメント同士が磁気的に結合するいわゆるフィラメント結合現象が生じる。そのために、極細多芯構造であるにもかかわらず、一本のバルク体のような振る舞いをし、磁化の増大に伴った磁束跳躍と呼ばれる不安定現象が生じ、さらに磁気ヒステレシス損失を増大させる原因にもなっていた。
【0005】
そうしたNbの超伝導性に起因するフィラメント結合を抑制する新しい線材として、超伝導性が低く同じく高融点材料であるTaをバリアとして用いた、オールTaバリアフィラメント線材が開発されたが、この線材では、確かにフィラメント結合は抑制されるものの、伸線加工性がNbに比べて劣るために、今度は伸線加工時の断線リスクを高めるという問題点が新たに発生した。
【0006】
これらを解決するためにNbバリアへの合金添加による常伝導化や、Taバリア材として使用されるTa圧延シートの純度・焼鈍条件を操作してTaマトリクスの伸線加工性を向上させることが検討されてきたが、いずれも十分な加工性が得られず、根本的な解決には至っていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2002−33025号 公報
【特許文献2】特開2005−85555号 公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】K. Tsuchiya, T. Takeuchi, N. Banno et al., “Study of Nb3Al Wires for High-field Accelerator Magnet Applications”, IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 20, pp. 1411-1414, 2010.
【非特許文献2】N. Banno, T. Takeuchi et al., “Minimization of the hysteresis loss and low-field instability in technical Nb3Al conductors”, Supercond. Sci, Technol., vol. 21, 115020 (7pp), 2008
【非特許文献3】T. Takeuchi, A. Kikuchi, N. Banno et al., “Status and perspective of the Nb3Al development”, Cryogenics, vol. 48, pp. 371-380, 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は、こうした問題を解決する画期的な断面構成について提案するものである。すなわち伸線加工性を維持しながら、かつフィラメントの磁気的結合を抑制した混合バリア型NbAl線材について新たに提案する。
【0010】
これまでの試作を通じ、伸線工程における線材の断線は、いわゆるセンターバーストと呼ばれる、変形応力の行き届きにくい中心付近を起点として発生することがわかってきた。つまり断線の起点が中心ダミーの周囲に集中する。特に、その現象はTaバリアフィラメント線材に多く、Taの伸線加工性の低さが主な原因と考えられていたが、これまで断面構成の断線へ与える影響については十分検討されてこなかった。
【0011】
そうした背景の中で、中心ダミー周囲の断線リスクの高い領域に部分的にNbバリアフィラメントを集中配置し、更にその周囲のフィラメント領域には、フィラメントの磁気的結合を抑制するTaバリアフィラメントとNbバリアフィラメントを分散配置することで、伸線加工性を維持し、同時にフィラメントの磁気的結合を抑制する新しい断面構成の発案に至った。
【課題を解決するための手段】
【0012】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして第1に、Nbバリアフィラメント、Taバリアフィラメント、Nbバルクダミーフィラメント、並びに、Nb又はTa外皮で構成され、Nbバルクダミーフィラメント中心コア近傍のフィラメント領域に、Nbバリアフィラメントを集中配置し、前記Nbバリアフィラメントの外側より外皮内側までの領域を、Taバリアフィラメント及びNbバリアフィラメントで充填されるNbAl超電導多芯線材であって、NbバリアフィラメントがTaバリアフィラメントにより分散配置されていることを特徴とするNbAl超電導多芯線材を提供する。
【0013】
第2に、1本あるいは複数本のNbバリアフィラメントが、1本あるいは複数本のTaバリアフィラメントにより分散配置されていることを特徴とするNbAl超電導多芯線材提供する。
【0014】
第3に、NbAl超電導多芯線材のNbバリアフィラメントがNbシートとAlシートをジェリーロール状に巻きその周りにNb層を設けて伸線加工を施したNbバリアフィラメントであることを特徴とするNbAl超電導多芯線材を提供する。
【0015】
第4に、NbAl超電導多芯線材のTaバリアフィラメントがNbシートとAlシートをジェリーロール状に巻きその周りにTa層を設けて伸線加工を施したTaバリアフィラメントであることを特徴とするNbAl超電導多芯線材を提供する。
【0016】
第5に、NbAl超電導多芯線材のNbバルクダミーフィラメントの断面占有率が3〜20%、Nbバリアフィラメント断面占有率が4〜40%、外皮の断面占有率が5〜30%、で、これら以外の断面がNbバリアフィラメントとTaバリアフィラメントの分散領域で占有されることを特徴とするNbAl超電導多芯線材を提供する。
【0017】
第6に、前記の分散領域におけるNbAl超電導多芯線材のNbバリアフィラメント断面占有率とTaバリアフィラメント断面占有率の比が、0〜0.8の範囲にあることを特徴とするNbAl超電導多芯線材を提供する。
【発明の効果】
【0018】
本発明に係るNbAl超電導多芯線材によれば、減面率99%以上でも断線が生じず、優れた加工性を有するNbAl超電導多芯線材が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】オールNbバリアフィラメント線材の断面構造を示す。
【図2】オールTaバリアフィラメント線材の断面構造を示す。
【図3】混合バリア型線材構成例1の断面構造を示す。
【図4】混合バリア型線材構成例2の断面構造を示す。
【図5】混合バリア型線材構成例3の断面構造を示す。
【図6】混合バリア型線材構成例4の断面構造を示す。
【図7】オールNbバリアフィラメント線材と混合バリア型線材の磁化曲線の比較を示すものである。
【図8】オールNbバリアフィラメント線材と混合バリア型線材の臨界電流密度特性の比較を示すものである。
【図9】Ag内部安定化NbAl線材構成例の断面構造を示す写真である。
【図10】Cu内部安定化NbAl線材構成例の断面構造を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
本発明は、上記の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
図3は、本発明の概念を示した線材断面構成図である。NbシートとAlシートをジェリーロール状に巻きその周りにNb層を設けて伸線加工により作製されたNbバリアフィラメント1、NbシートとAlシートのジェリーロール芯の周りにTa層を設けて作製されたTaバリアフィラメント2、及びNbバルクダミーフィラメント3の混合バリア型で構成される。
【0021】
この混合バリア型構成において、伸線加工性を維持しフィラメントの磁気的結合抑制にも効果のある配置に対する、各領域の断面占積率は次のようである。すなわち、Nb中心ダミーの占積率は3%〜20%、その周りに配置するNbバリアフィラメントの占積率は4〜40%、外皮の占積率は5%〜30%、残りがTaバリアフィラメントおよびNbバリアフィラメント分散領域である。
【0022】
このうちNb中心ダミー領域では、その占積率が3%を下回ると、たとえフィラメント領域すべてにNbバリアフィラメントを使用したとしても、もはや十分な伸線加工性を確保できず、断線リスクが急激に増大する。そのため中心ダミー占積率は3%以上とすることが望ましい。また断線リスクの軽減は、占積率20%以下で十分な効果がみられ、占積率がそれ以上になると、逆に線材内部における超伝導部の占積率がその分減少するために、優れた超伝導電流特性を維持することができない。従ってNb中心ダミー占積率は20%以下であることが望ましい。
【0023】
また中心ダミー周囲に配置するNbバリアフィラメント領域では、その占積率が4%を下回ると、もはや中心ダミー周囲に十分なNbバリアフィラメントを配置することができなくなり、断線リスクが増大するものと予想される。従って中心ダミー周囲に配置するNbバリアフィラメントの占積率は、4%以上が望ましい。また占積率を40%以上に増加させると、中心ダミー周囲のフィラメント結合する層の厚みが増大するため、混合バリア型構成の効果が十分に得られない。従って中心ダミー周囲に配置するNbバリアフィラメントの占積率は、40%以下であることが望ましい。
【0024】
さらに外皮に関しては、その占積率が5%を下回ると、伸線加工中に外皮が破れたり、急熱急冷処理をする際に2000℃の高温下で十分な強度が保たれず、断線する可能性が高くなる。従って外皮の占積率は、5%以上であることが望ましい。また外皮の占積率は30%以下で加工性や強度に十分な効果が見られ、逆に占積率が30%を超えると、線材内部における超伝導部の占積率がその分減少するために、優れた超伝導電流特性を維持することができない。従って外皮の占積率は、30%以下であることが望ましい。
【0025】
その残りのフィラメント領域が、TaバリアフィラメントとNbバリアフィラメントを分散配置した領域であるが、その領域の中では、Nbバリアフィラメントの占積率は0〜80%であることが望ましい。このフィラメント領域では、断線リスクが小さく、仮にNbバリアフィラメントを配置せずにTaバリアフィラメントのみを配置しても、すなわちNbバリアフィラメントの占積率を0%としても、十分な伸線加工性を維持できるものと予想される。またできる限り伸線加工性を向上させ、かつフィラメントの磁気的結合を抑制する効果を維持できるNbバリアフィラメントの混合領域における占積率は、80%以下とする必要がある。それ以上になると、Nbバリアフィラメント同士がフィラメント領域にわたって結合してしまい、もはやTaバリアフィラメントでその結合を分離することはできなくなる。0〜80%の範囲内で分散配置させる態様としては、図3の他に、たとえば図4〜6に示すような構成が考えられる。
【0026】
また最終的なNbAl超伝導線材の優れた電流特性を確保するために、NbバリアフィラメントおよびTaバリアフィラメントにおける芯部のNb/Al比は原子比で2.3〜4とする。
【実施例】
【0027】
<実施例1>
具体例として、図3で示すような総フィラメント数241本組みNbAl多芯線材の試作伸線を実施した。本線材における中心Nbダミーフィラメント本数は19(占積率7%)、中心ダミー周囲のNbバリアフィラメント本数は30(占積率11%)、その周囲の混合領域におけるTaバリアフィラメント本数は144、Nbバリアフィラメント本数は48(混合領域におけるNbバリアフィラメント占積率25%)とした。また外周部のマトリクス外皮にはTa(占積率13%)を使用した。Nbバリアフィラメント及びTaバリアフィラメント芯部におけるNb/Al比は原子比で3とした。
【0028】
より具体的な手順は次のとおりである。Nbバリアフィラメント並びにTaバリアフィラメントは従来技術であるいわゆるジェリーロール法によって作製して押出し、超鋼ダイスを用いて外径2mmまで線引きした。得られたフィラメントとNbダミーフィラメントを図3のように配置し、その周囲に外皮としてTaシートを数ターン巻いて、静水圧押出後、超鋼ダイスによる伸線加工により線材化した。このように伸線加工は従来技術のみで行うことが可能である。
【0029】
この試作により、従来のオールTaバリアフィラメント線材において減面加工率95%で断線が始まったのに対し、本線材では減面率99%以上でも断線が生じず、優れた加工性を有することが示された。
【0030】
更に、NbAl超伝導相を生成するため800℃で10時間の熱処理を行った後、本線材の効果を確かめるために、SQUIDによる磁化測定を行った。その結果図7に示されるように、フィラメントの磁気的結合によって磁化が増大したオールNbバリアフィラメント線材に比べて、格段に磁化を抑えられることが確認され、フィラメント結合の抑制にも効果があることが示された。オールNbバリアフィラメント線材において見られる低磁界側での突発的な磁化の増大は、フィラメントの磁気的結合現象の現れである。
【0031】
この他、臨界電流特性については、図8に示されるように15Tの磁界下において非銅部線材断面積あたりの値が700A/mmであり、従来線材と同等の性能を有していることが示された。
【0032】
本発明における要点は、急熱急冷法NbAl線材において、先に示したように伸線加工性を維持し、極低温下におけるバリア材を介したフィラメントの磁気的結合を抑制するということの2点である。より具体的には、高融点金属であるNbの優れた新線加工性を生かし、NbをバリアとしたNbバリアフィラメントを中心ダミー周囲に重点的に配置することで伸線加工性を維持し、その外側のフィラメント領域では、Nbバリアフィラメントが全体にわたって隣接することにより生じるフィラメントの磁気的結合を、Taバリアフィラメントによって分離する。従って、その意図に合ったNbバリアフィラメント及びTaバリアフィラメントの配置であれば、本発明に該当するものと思われる。配置の具体例としては、例えば図3〜6のようなものが考えられるが、これらに限定されるものではない。
【0033】
急熱急冷法NbAl線材の中には、図9や図10に示されるように、NbバリアフィラメントもしくはTaバリアフィラメントの芯部がNb/Al複合材ではなく、CuやAgで埋められたフィラメントを配置したいわゆる内部安定化線材があるが、これらは線材の通電安定性の向上を意図したものであり、伸線加工性やフィラメント結合の抑制を解決する手段とはならない。従って本発明をこの内部安定化線材に適用することも可能である。具体的には、中心ダミー周囲にNbバリアフィラメントを重点配置している構造を有していれば、図9や図10に示されるように中心ダミーにTaやNbで被覆したCuあるいはAgフィラメントを配置しても構わない。同じようにNbバリアフィラメントとTaバリアフィラメントの混合領域においても、TaやNbで被覆したCuあるいはAgフィラメントを配置しても構わない。
【0034】
また実施例では、Nbバリアフィラメント及びTaバリアフィラメントをNbシートとAlシートを用いたいわゆるジェリーロール法で作製したが、NbAl相を生成するにはNbとAlが微細な拡散対を形成していれば良い。そのような微細なNb/Al拡散対を形成する方法として、例えばNbチューブとAlコアを用いたロッドインチューブ法、Nb粉末とAl粉末の混合粉末を充填して作製するパウダーインチューブ法などを利用しても構わない。
【0035】
もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部に付いては様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【0036】
本発明は従来の断線リスクの問題やフィラメントの磁気的結合の問題を一気に解決でき、超伝導特性も従来線材と同等以上の性能が得られる点から、従来技術に比べて優位性がある。具体的な応用先としては、20T級の高分解能NMR分析装置、核融合実証炉、高エネルギー粒子加速器などの大型高磁場マグネットなどがある。
【符号の説明】
【0037】
1 Nbバリアフィラメント
2 Taバリアフィラメント
3 Nbバルクダミーフィラメント
4 Nb又はTa外皮


【特許請求の範囲】
【請求項1】
Nbバリアフィラメント、Taバリアフィラメント、Nbバルクダミーフィラメント、並びに、Nb又はTa外皮で構成され、Nbバルクダミーフィラメント中心コア近傍のフィラメント領域に、Nbバリアフィラメントを集中配置し、前記Nbバリアフィラメントの外側より外皮内側までの領域を、Taバリアフィラメント及びNbバリアフィラメントで充填されるNbAl超電導多芯線材であって、NbバリアフィラメントがTaバリアフィラメントにより分散配置されていることを特徴とするNbAl超電導多芯線材。

【請求項2】
請求項1記載のNbAl超電導多芯線材であって、1本あるいは複数本のNbバリアフィラメントが、1本あるいは複数本のTaバリアフィラメントにより分散配置されていることを特徴とするNbAl超電導多芯線材。

【請求項3】
請求項1記載のNbAl超電導多芯線材のNbバリアフィラメントがNbシートとAlシートをジェリーロール状に巻きその周りにNb層を設けて伸線加工を施したNbバリアフィラメントであることを特徴とするNbAl超電導多芯線材。

【請求項4】
請求項1記載のNbAl超電導多芯線材のTaバリアフィラメントがNbシートとAlシートをジェリーロール状に巻きその周りにTa層を設けて伸線加工を施したTaバリアフィラメントであることを特徴とするNbAl超電導多芯線材。

【請求項5】
請求項1記載のNbAl超電導多芯線材のNbバルクダミーフィラメントの断面占有率が3〜20%、Nbバリアフィラメント断面占有率が4〜40%、外皮の断面占有率が5〜30%、で、これら以外の断面がNbバリアフィラメントとTaバリアフィラメントの分散領域で占有されることを特徴とするNbAl超電導多芯線材。

【請求項6】
請求項5記載の分散領域においてNbAl超電導多芯線材のNbバリアフィラメント断面占有率とTaバリアフィラメント断面占有率の比が、0〜0.8の範囲にあることを特徴とするNbAl超電導多芯線材。



【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate

【図9】
image rotate

【図10】
image rotate


【公開番号】特開2012−150958(P2012−150958A)
【公開日】平成24年8月9日(2012.8.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−8007(P2011−8007)
【出願日】平成23年1月18日(2011.1.18)
【出願人】(301023238)独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Fターム(参考)】