Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線及びその前駆体
【課題】 実用的に高いＪｃを有すると共に、Ｑｈの上昇が抑制されたＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線を得ることができる。
【解決手段】 Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線１５は、ブロンズにＮｂ３Ｓｎフィラメント１６が埋設され、中心部がブロンズ１７のみからなり、その周囲に、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線１５の径方向においては、放射状に上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメント１６が配置されるとともに、放射状にそれぞれが接触し、かつ外側の上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントほどその直径が大である。また、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線１５の周方向においては、それぞれのＮｂ３Ｓｎフィラメント１６の間隔が電磁気的に孤立する間隔である。
【解決手段】 Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線１５は、ブロンズにＮｂ３Ｓｎフィラメント１６が埋設され、中心部がブロンズ１７のみからなり、その周囲に、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線１５の径方向においては、放射状に上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメント１６が配置されるとともに、放射状にそれぞれが接触し、かつ外側の上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントほどその直径が大である。また、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線１５の周方向においては、それぞれのＮｂ３Ｓｎフィラメント１６の間隔が電磁気的に孤立する間隔である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線及びその前駆体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線としては、線材の超電導特性の１つである臨界電流密度（Ｊｃ）を少しでも大きくするため、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントをなるべく密に、ブロンズマトリックス中に埋設させた構造のものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、線材の電気的特性であるヒステリシス損失（Ｑｈ）を低減させるために、予備熱処理時に生成されるε相ブロンズの領域内にＮｂフィラメントを配置しないようにした構成のものや、上記領域内のフィラメント間隔を熱処理後に生成されるＮｂ３Ｓｎ同士が接触しない程度に広げた構成のものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特公昭６１−１６１４１号公報（第１頁）
【特許文献２】特開平６−３３８２２８号公報（第１頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載された超電導線は、いわゆる高Ｊｃタイプのもので、Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体は、上記のようになるべく密にＮｂフィラメントが配置され、Ｊｃは１５００Ａ／ｍｍ２（１２テスラの磁界において測定された値であり、以下本明細書におけるＪｃは同様の磁界における値である。）程度のものが得られるが、超電導層を生成するための熱処理時にＮｂ３Ｓｎフィラメント同士が接触したり、電磁気的に結合するため、線材のＱｈが２０００ｍＪ／ｃｍ３（外部磁界を＋３テスラと−３テスラ間で１サイクル変化させることにより超電導体内部で発生する損失を示す値であり、以下本明細書におけるＱｈは、同様の外部磁界の変化による値である。）程度或いはそれ以上に増大して、その結果、直流電流に対しては問題を生じないが、パルス電流を通電する時には大きなヒステリシス損失を生じ、超電導コイルの発熱により安定性が損なわれるという問題がある。
また、上記特許文献２に記載された超電導線は、いわゆる低ヒステリシス損失タイプのもので、Ｑｈを２００ｍＪ／ｃｍ３程度以下に小さく制御することができるが、製造時に接触の生じやすい領域のＮｂ３Ｓｎフィラメント同士の間隔を広げたり、最内層フィラメントとＳｎコアとの距離を確保するため、Ｊｃ≧１０００Ａ／ｍｍ２の達成は困難であった。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、実用的に高いＪｃを有すると共に、Ｑｈの上昇が抑制された線材を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る第１のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線は、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントがブロンズに埋設されたＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線であって、中心部がブロンズのみからなり、その周囲に、上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の径方向において、放射状に配置されるとともに、放射状にそれぞれが電磁気的に結合し、かつ外側のＮｂ３Ｓｎフィラメントほどその直径が大であり、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の周方向において、上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが、それぞれ電磁気的に孤立する間隔で配置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の第１のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線は、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントがブロンズに埋設されたＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線であって、中心部がブロンズのみからなり、その周囲に、上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の径方向において、放射状に配置されるとともに、放射状にそれぞれが電磁気的に結合し、かつ外側のＮｂ３Ｓｎフィラメントほどその直径が大であり、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の周方向において、上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが、それぞれ電磁気的に孤立する間隔で配置されていることを特徴とするもので、実用的に高いＪｃを有すると共に、Ｑｈの上昇が抑制されるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
上記従来の内部拡散法により製造されたＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線では、高いＪｃを得ようとすればＱｈが上昇し、低いＱｈを得ようとすればＪｃが減少する。
そのため、実用的に高いＪｃと共に、実用的なＱｈ値である、Ｊｃ≧１０００Ａ／ｍｍ２、かつＱｈ≦８００ｍＪ／ｃｍ３という、特性の両立は困難であった。
そこで本発明の実施の形態は、Ｊｃを増加するために生じるＱｈの上昇を抑制することにより、Ｊｃ≧１０００Ａ／ｍｍ２且つＱｈ≦８００ｍＪ／ｃｍ３という両立した特性のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線を得るものである。
そして、例えば核融合用マグネットの分野では、マグネットをコンパクト化するために、Ｎｂ３Ｓｎ線材にはＪｃの値が大きいと共に、マグネットの冷凍負荷を軽減するためにはＱｈの値がそれ程大きくならないことが要求されるが、本実施の形態の超電導線が上記分野へ有効に適用されることになる。
【０００９】
図１は、本発明の実施の形態１のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線１５の説明図であり、ブロンズにＮｂ３Ｓｎフィラメント１６が埋設され、中心部がブロンズ１７のみからなり、その周囲に、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の径方向においては、放射状に上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメント１６が配置されるとともに、放射状にそれぞれが接触し、かつ外側の上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントほどその直径が大である。
また、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線１５の周方向においては、それぞれのＮｂ３Ｓｎフィラメント１６の間隔が電磁気的に孤立している間隔である。
さらに、図に示すように、これらはＮｂ、Ｔａに代表されるバリヤ材５で取り囲まれており、バリヤ材５の外側には無酸素銅等の安定化材６が配置されている。
なお、中心部のブロンズ１７は、下記実施の形態において説明するように、内部拡散法により、Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体を熱処理することにより超電導線を製造する場合に、上記熱処理過程で一旦生じるブロンズのＳｎ含量よりも低含量のＳｎを含む低Ｓｎ濃度のブロンズである。
【００１０】
また、図は径方向において放射状に配置されたＮｂ３Ｓｎフィラメントがそれぞれ接触している場合を示すが、物理的に接触するだけでなく、０．４μｍ未満の間隔で、それぞれが電磁気的に結合する程、密に配置されておれば良く、このように径方向の放射状に配置されたフィラメントを密に配置することにより、周方向のフィラメント間隔を従来より広げることができる。つまり、径方向のフィラメントのみを結合させることにより、Ｑｈは８００ｍＪ／ｃｍ３以下に収めることができると共に、それによりフィラメントをより密に配置することができるのである。
なお、電磁気的な結合とは、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントの周囲にしみ出した超電導電子が、隣のＮｂ３Ｓｎフィラメントからしみ出した超電導電子と相互に重なり合い、あたかもこれらの分離されたフィラメントが、１本の結合されたフィラメントのように電磁気的に振る舞うことを意味し、電磁気的に孤立とはこれらのしみ出した超電導電子が相互に干渉し合わないことを意味する。
また、図１に示すように、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線の中心部のブロンズ１７の周囲に同心状に複数層配置され、最内層からＮ層目における上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントの直径をＤＮとし、Ｎ層目におけるＮｂ３Ｓｎフィラメントの中心から、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線の中心までの距離をＬＮとした時、
Ｄ１／Ｌ１≦Ｄ２／Ｌ２≦Ｄ３／Ｌ３≦Ｄ４／Ｌ４≦・・・
となるように、外側のフィラメント径ほど、より増大させることより、有効にＪｃを向上させることができる。
【００１１】
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体の説明図であり、Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体１の中心部にはＳｎ基金属材２が設けられ、そのＳｎ基金属材２の周囲に同心状にＮｂ基金属材３が複数層、Ｃｕ基金属材４中に分離して配置され、下記熱処理により超電導線となるように構成されて埋設されている。これらのＳｎ基金属材２、熱処理により超電導となるＮｂ基金属材３、及びＣｕ基金属材４による複合体を基本モジュール７と称する。基本モジュール７はＮｂ、Ｔａに代表されるバリヤ材５で取り囲まれており、バリヤ材５の外側には無酸素銅等の安定化材６が配置されている。
【００１２】
そして、上記前駆体のＮｂ基金属材の配置構成としては、上記熱処理により超電導となった時に、互いに電磁気的に結合するように配置され、前駆体の径方向の最内層からＮ層目における直径をｄＮ（μｍ）、Ｎ＋１層目における直径をｄＮ＋１（μｍ）とした時、最内層からＮ層目とＮ＋１層目とのＮｂ基金属材の間隔をｓｒ（μｍ）とし、上記Ｎ層目におけるＮｂ基金属材の周方向の間隔をｓｔ（μｍ）として、
ｓｒ＜０．０７×（ｄＮ＋ｄＮ＋１）＋０．４
ｓｔ≧０．１４×ｄＮ＋０．９
を満足させるべく配置した。
Ｓｒ及びＳｔに関する上式の第一項は熱処理に伴うフィラメント径の増大に関わる量であり、第二項は熱処理により、Ｃｕ／Ｓｎの相互拡散によりマトリックスであるブロンズが減少することにともなうフィラメント間隔の減少に関わる量を表している。
また、実施の形態１の超電導線において、上記のように外側のフィラメント径ほど有効に増大させるために、本実施の形態の前駆体において、Ｎｂ基合金材の各層において、最内層からＮ層目におけるＮｂ基金属材の直径をｄＮとし、上記Ｎｂ基金属材の中心から、上記前駆体の中心までの距離をｌＮとした時、下式
ｄ１／ｌ１≦ｄ２／ｌ２≦ｄ３／ｌ３≦ｄ４／ｌ４≦・・・
を満たすように配置する。
具体的には、最内層、第二層及び最外層のフィラメント径／間隔は、それぞれ２．７／１．３μｍ、３．２／１．６μｍ、及び３．８／１．９μｍ、最内層と第二層及び第二層と最外層のフィラメント間隔は、それぞれ０．４μｍ及び０．５μｍのように作製した。
【００１３】
本実施の形態における、Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体１は、例えば以下のように製造することによって得ることができる。
図３に示すように、直径２２９ｍｍ、厚さ２０ｍｍの無酸素銅の円盤１０上に内層側から直径１０．６ｍｍ、１２．６ｍｍ、１４．９ｍｍの孔をそれぞれ各２８個、ＮＣボール盤により放射状に穿孔した。この円盤を、図４に示すように、３０枚、孔の位置が合うように、外径２５０ｍｍ、内径２３０ｍｍの無酸素銅の容器中１１に組み込み、この円盤群の孔中にそれぞれ直径が１０．５ｍｍ、１２．５ｍｍ、１４．８ｍｍ、長さ６００ｍｍのＮｂ棒１２を挿入し、真空排気と蓋を電子ビーム溶接し複合体を作製した。
次に、この複合体を熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）した後、熱間押し出し加工を行ってＮｂ／Ｃｕ複合体の円柱を得た。この複合体の余分な外周のＣｕを切削し、中央部を穿孔してＳｎ棒を挿入した後、伸線加工を行って基本モジュールとなる複合線を得た。これをＳｎの拡散障壁材であるＴａパイプ中に挿入し、安定化のためのＣｕパイプを被せて二次複合を行った後、線径０．５ｍｍまで伸線加工してＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体を得た。
【００１４】
次に、上記超電導線の前駆体について、６００〜７５０℃で１００〜３００時間の熱処理を行い、Ｎｂフィラメント部分にＮｂ３Ｓｎ超電導体を形成させた。
このＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の断面を光学顕微鏡で観察した結果、径方向に放射状に並んでいる１〜３層のフィラメント同士は熱処理により互いに結合しているのを確認した。なお、フィラメント径と間隔が反応前後で変化する理由は、Ｎｂ３Ｓｎ化合物生成時にＮｂ３Ｓｎフィラメントが３０％ほど面積が増加するためと、マトリックスであるブロンズがＣｕ／Ｓｎの相互拡散により減少するためである。
上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線を液体ヘリウム中でＪｃとＱｈの測定を行ったところ、Ｊｃは１０５７Ａ／ｍｍ２、Ｑｈは７００ｍＪ／ｃｍ３となり、本実施の形態の超電導線はＪｃ≧１０００Ａ／ｍｍ２とＱｈ≦８００ｍＪ／ｃｍ３を同時に達成することを確認した。
【００１５】
なお、前駆体の構成として、バリヤ材内に基本モジュールを１本のみ設けたものを示したが、大電流容量化するためには、得られた基本モジュールを多数本バリヤ材内に組み込んだ構成でもよい。
また、本実施の形態では、Ｃｕで代表される安定化材とＴａやＮｂで代表されるバリヤ材を備えた超電導線の前駆体について説明したが、安定化材や拡散障壁材がない構成であってもよく、本実施の形態と同様の効果がある。
また、本実施の形態における超電導線、及びその前駆体としては、実施例で示したＮｂ３Ｓｎの他に、更にＴｉ、Ｔａ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｍｎなどを少量添加したものなど数多くあるが、いずれの場合も含まれることは言うまでもない。
【００１６】
実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の説明図であり、実施の形態２のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線において、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントの層数が４層の構成のもので、実施の形態２と同様にして製造することができるが、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントの層数として、４層の構成を採用したため、実施の形態２における前駆体の最内層の、さらに内側にＮｂ基金属材として直径が８．８ｍｍ、長さ６００ｍｍのＮｂ棒を２８本追加した。
【００１７】
上記のようにして得られた超電導線の断面観察を行った結果、最内層、第二層、第三層及び最外層のフィラメント径／間隔は、それぞれ２．６／０．５μｍ、３．１／０．６μｍ、３．６／０．７μｍ、及び４．３／０．９μｍであり、最内層と第二層、第二層と第三層、及び第三層と最外層のフィラメントは接触していた。
この超電導線を液体ヘリウム中でＪｃの測定を行ったところ、Ｊｃは１１００Ａ／ｍｍ２、Ｑｈは７９０ｍＪ／ｃｍ３が得られ、本実施の形態は実施の形態２と同様の効果があることを確認した。
【００１８】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線は、実施の形態２においては層当たりのＮｂ３Ｓｎフィラメントの本数が２８本であったのに対して２９本に増加させて、実施の形態２より密に配置したもので、最内層のＮｂ３Ｓｎフィラメント径／間隔が３．１／０．４μｍであり、周方向のＮｂ３Ｓｎフィラメント同士が電磁気的結合をきたさない程度に密に配置されたものである。
つまり、本実施の形態に係わる前駆体としては、最内層のＮｂ基金属材フィラメント径／間隔を２．７／１．２μｍ、第二層と最外層の径／間隔をそれぞれ３．２／１．４、及び３．８／１．７μｍに設定して実施の形態２と同様にして作製した。
上記前駆体について、６００〜７５０℃で１００〜３００時間の熱処理を行い、Ｎｂフィラメント部分にＮｂ３Ｓｎ超電導体を形成させた。上記のようにして得られた本実施の形態のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線を液体ヘリウム中でＪｃとＱｈの測定を行ったところ、Ｊｃは１０９４Ａ／ｍｍ２、Ｑｈは７１０ｍＪ／ｃｍ３という値が得られた。
【００１９】
比較例１．
本比較例の超電導線は、実施の形態４のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線において、最内層の周方向のＮｂ３Ｓｎフィラメント間隔が０．３μｍ、第二層、最外層でのフィラメント間隔が０．４μｍ、０．５μｍとなるように配置されたもので、前駆体の作製において、二次複合線の伸線加工を実施の形態４では線径を０．５ｍｍまで行う代わりに、０．３５７ｍｍまで施してＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体を作製した。
上記のようにして得られた超電導線の前駆体について、６００〜７５０℃で１００〜３００時間の熱処理を行い、Ｎｂフィラメント部分にＮｂ３Ｓｎ超電導体を形成させた。このＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線を液体ヘリウム中でＪｃとＱｈの測定を行ったところ、Ｊｃは１１３３Ａ／ｍｍ２という値が、Ｑｈは２２００ｍＪ／ｃｍ３という値が得られた。このＱｈの値は１層目のフィラメントが電磁気的に結合しているのに相当する値である。
【００２０】
上記実施の形態４と比較例１とから、最内層における上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメント間隔は、０．４μｍ未満であると電磁気的結合によりＱｈが急激に増大する。また、０．８μｍ以上だとＪｃの減少が顕著になるため、周方向におけるフィラメント間隔は、０．４μｍ以上、０．８μｍ未満とすることで、Ｑｈ≦８００ｍＪ／ｃｍ３を達成する効果があることを確認した。
【００２１】
実施の形態５．
本実施の形態では、実施の形態２により製作したＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線（最内層におけるＮｂ３Ｓｎフィラメント間隔は０．６μｍ）よりも、更に高いＪｃを得るため、熱処理後における最内層、第二層、最外層におけるＮｂ３Ｓｎフィラメント間隔が０．５μｍとなるように、Ｎｂ基金属材フィラメント径／間隔を以下のように設定して前駆体を作製した。
図６は、本発明の実施の形態５のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体に係わるＮｂ基金属材の配置状態の説明図で、最内層、第二層及び最外層におけるＮｂ基金属材フィラメント径／各層におけるＮｂ基金属材フィラメント間隔を、それぞれ２．８／１．３μｍ、３．４／１．４μｍ、及び４．２／１．５μｍとした。
【００２２】
上記前駆体に６００〜７５０℃で１００〜３００時間の熱処理を行い、Ｎｂフィラメント部分にＮｂ３Ｓｎ超電導体を形成させた。この線材の断面観察を行った結果、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが径方向では結合していることが確認され、最内層、第二層、最外層のフィラメントの直径と間隔はそれぞれ３．１／０．５μｍ、３．９／０．５μｍ、及び４．８／０．５μｍであった。
このＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線を液体ヘリウム中でＪｃとＱｈの測定を行ったところ、Ｊｃは１２１５Ａ／ｍｍ２という値が、Ｑｈは７５０ｍＪ／ｃｍ３という値が得られた。このＱｈの値は周方向のフィラメントが電磁気的に結合していないことを表している。
【００２３】
一方、実施の形態２のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体の最内層、第二層及び最外層のＮｂ基金属材フィラメント径／間隔は、それぞれ２．７／１．３μｍ、３．２／１．６μｍ、及び３．８／１．９μｍであり、ＪｃとＱｈの特性は、Ｊｃ＝１０５７Ａ／ｍｍ２、Ｑｈは７００ｍＪ／ｃｍ３であることから、本実施の形態の超電導線は、周方向におけるフィラメント間隔を電磁気的結合が発生しない程度にフィラメント径を増加させて密に配列したことにより、実施の形態２よりも更にＪｃが増大する効果があることを確認した。
【００２４】
実施の形態６．
図７は、本発明の実施の形態６のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体に係わるＮｂ基金属材の配置状態の説明図で、実施の形態２のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線よりも、更に高いＪｃを得るため、本実施の形態の前駆体のＮｂ基金属材フィラメントの、各層における周方向の間隔は実施の形態２と同じで、最内層と第二層、及び第二層と最外層のＮｂ基金属材フィラメント間隔を、それぞれ０．３μｍ、及び０．４μｍと、実施の形態２より狭くなるように設定して製作した。
上記前駆体について、６００〜７５０℃で１００〜３００時間の熱処理を行い、Ｎｂフィラメント部分にＮｂ３Ｓｎ超電導体を形成させた。この線材の断面観察を行った結果、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが径方向では結合していることが確認され、最内層、第二層、最外層のフィラメントの直径と間隔はそれぞれ３．１／０．６μｍ、３．６／０．７μｍ、及び４．３／０．９μｍ（実施の形態２における、最内層、第二層、最外層のフィラメントの直径と間隔はそれぞれ３．１／０．６、３．６／０．７、４．３／０．９）であった。
このＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線を液体ヘリウム中でＪｃとＱｈの測定を行ったところ、Ｊｃは１１０５Ａ／ｍｍ２という値が、Ｑｈは７８０ｍＪ／ｃｍ３という値が得られた。なお、このＱｈの値は周方向のフィラメントが電磁気的に結合していないことを表している。
【００２５】
一方、実施の形態２のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体の最内層と第二層、及び第二層と最外層のＮｂ基金属材フィラメント間隔は、それぞれ０．４μｍ、及び０．５μｍであり、ＪｃとＱｈの特性は、Ｊｃは１０５７Ａ／ｍｍ２、Ｑｈは７００ｍＪ／ｃｍ３であったことから、本実施の形態の超電導線は、放射状に結合している１〜３層目のＮｂ３Ｓｎフィラメントを更に密に詰めて配列したことにより、実施の形態２よりも更にＪｃが増大することを確認した。
【００２６】
実施の形態７．
本発明の実施の形態のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線は、放射状に配置された１層目、２層目及び３層目のフィラメントが、互いに接触はしていないが、電磁気的に結合する程、密に配置されているものである。
図８は、本実施の形態７のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体に係わるＮｂ基金属材の配置状態の説明図であり、最内層と第二層、及び第二層と最外層のＮｂ基金属材フィラメント間隔を、それぞれ１．１μｍ、及び１．２μｍに設定して実施の形態２と同様に製作されたもので、上記前駆体に６００〜７５０℃で１００〜３００時間の熱処理を施すことにより、Ｎｂフィラメント部分にＮｂ３Ｓｎ超電導体を形成させた。
上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線について断面観察を行った結果、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが径方向では最内層と第二層間が０．３μｍ、第二層と最外層間が０．３μｍと、接触していないが、電磁気的には結合するほど密に配置された状態であった。また、最内層、第二層、最外層のフィラメントの直径と間隔はそれぞれ３．１／０．６μｍ、３．６／０．７μｍ、及び４．３／０．９μｍであった。
このＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線を液体ヘリウム中でＪｃとＱｈの測定を行ったところ、Ｊｃは１０００Ａ／ｍｍ２という値が、Ｑｈは６７０ｍＪ／ｃｍ３という値が得られた。
なお、本実施の形態では実施の形態２よりも、径方向に放射状に並んでいるＮｂ３Ｓｎフィラメント同士が接触していないため、超伝導電子のしみ出し効果による電磁気的結合範囲が減少するため、更にＱｈが低減する効果があることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施の形態１のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の説明図である。
【図２】実施の形態２のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体の説明図である。
【図３】実施の形態２のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体に係わる無酸素銅の円盤の説明図である。
【図４】実施の形態２のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体に係わる押し出し加工前の複合体の説明図である。
【図５】実施の形態３のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の説明図である。
【図６】実施の形態５のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体に係わるＮｂ基金属材の配置状態の説明図である。
【図７】実施の形態６のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体に係わるＮｂ基金属材の配置状態の説明図である。
【図８】実施の形態７のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体に係わるＮｂ基金属材の配置状態の説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１ Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体、２ Ｓｎ基金属材、３ Ｎｂ基金属材、４ Ｃｕ基金属材、１５ Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線、１６ Ｎｂ３Ｓｎフィラメント、１７ ブロンズ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線及びその前駆体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線としては、線材の超電導特性の１つである臨界電流密度（Ｊｃ）を少しでも大きくするため、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントをなるべく密に、ブロンズマトリックス中に埋設させた構造のものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、線材の電気的特性であるヒステリシス損失（Ｑｈ）を低減させるために、予備熱処理時に生成されるε相ブロンズの領域内にＮｂフィラメントを配置しないようにした構成のものや、上記領域内のフィラメント間隔を熱処理後に生成されるＮｂ３Ｓｎ同士が接触しない程度に広げた構成のものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特公昭６１−１６１４１号公報（第１頁）
【特許文献２】特開平６−３３８２２８号公報（第１頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載された超電導線は、いわゆる高Ｊｃタイプのもので、Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体は、上記のようになるべく密にＮｂフィラメントが配置され、Ｊｃは１５００Ａ／ｍｍ２（１２テスラの磁界において測定された値であり、以下本明細書におけるＪｃは同様の磁界における値である。）程度のものが得られるが、超電導層を生成するための熱処理時にＮｂ３Ｓｎフィラメント同士が接触したり、電磁気的に結合するため、線材のＱｈが２０００ｍＪ／ｃｍ３（外部磁界を＋３テスラと−３テスラ間で１サイクル変化させることにより超電導体内部で発生する損失を示す値であり、以下本明細書におけるＱｈは、同様の外部磁界の変化による値である。）程度或いはそれ以上に増大して、その結果、直流電流に対しては問題を生じないが、パルス電流を通電する時には大きなヒステリシス損失を生じ、超電導コイルの発熱により安定性が損なわれるという問題がある。
また、上記特許文献２に記載された超電導線は、いわゆる低ヒステリシス損失タイプのもので、Ｑｈを２００ｍＪ／ｃｍ３程度以下に小さく制御することができるが、製造時に接触の生じやすい領域のＮｂ３Ｓｎフィラメント同士の間隔を広げたり、最内層フィラメントとＳｎコアとの距離を確保するため、Ｊｃ≧１０００Ａ／ｍｍ２の達成は困難であった。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、実用的に高いＪｃを有すると共に、Ｑｈの上昇が抑制された線材を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る第１のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線は、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントがブロンズに埋設されたＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線であって、中心部がブロンズのみからなり、その周囲に、上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の径方向において、放射状に配置されるとともに、放射状にそれぞれが電磁気的に結合し、かつ外側のＮｂ３Ｓｎフィラメントほどその直径が大であり、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の周方向において、上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが、それぞれ電磁気的に孤立する間隔で配置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の第１のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線は、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントがブロンズに埋設されたＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線であって、中心部がブロンズのみからなり、その周囲に、上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の径方向において、放射状に配置されるとともに、放射状にそれぞれが電磁気的に結合し、かつ外側のＮｂ３Ｓｎフィラメントほどその直径が大であり、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の周方向において、上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが、それぞれ電磁気的に孤立する間隔で配置されていることを特徴とするもので、実用的に高いＪｃを有すると共に、Ｑｈの上昇が抑制されるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
上記従来の内部拡散法により製造されたＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線では、高いＪｃを得ようとすればＱｈが上昇し、低いＱｈを得ようとすればＪｃが減少する。
そのため、実用的に高いＪｃと共に、実用的なＱｈ値である、Ｊｃ≧１０００Ａ／ｍｍ２、かつＱｈ≦８００ｍＪ／ｃｍ３という、特性の両立は困難であった。
そこで本発明の実施の形態は、Ｊｃを増加するために生じるＱｈの上昇を抑制することにより、Ｊｃ≧１０００Ａ／ｍｍ２且つＱｈ≦８００ｍＪ／ｃｍ３という両立した特性のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線を得るものである。
そして、例えば核融合用マグネットの分野では、マグネットをコンパクト化するために、Ｎｂ３Ｓｎ線材にはＪｃの値が大きいと共に、マグネットの冷凍負荷を軽減するためにはＱｈの値がそれ程大きくならないことが要求されるが、本実施の形態の超電導線が上記分野へ有効に適用されることになる。
【０００９】
図１は、本発明の実施の形態１のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線１５の説明図であり、ブロンズにＮｂ３Ｓｎフィラメント１６が埋設され、中心部がブロンズ１７のみからなり、その周囲に、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の径方向においては、放射状に上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメント１６が配置されるとともに、放射状にそれぞれが接触し、かつ外側の上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントほどその直径が大である。
また、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線１５の周方向においては、それぞれのＮｂ３Ｓｎフィラメント１６の間隔が電磁気的に孤立している間隔である。
さらに、図に示すように、これらはＮｂ、Ｔａに代表されるバリヤ材５で取り囲まれており、バリヤ材５の外側には無酸素銅等の安定化材６が配置されている。
なお、中心部のブロンズ１７は、下記実施の形態において説明するように、内部拡散法により、Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体を熱処理することにより超電導線を製造する場合に、上記熱処理過程で一旦生じるブロンズのＳｎ含量よりも低含量のＳｎを含む低Ｓｎ濃度のブロンズである。
【００１０】
また、図は径方向において放射状に配置されたＮｂ３Ｓｎフィラメントがそれぞれ接触している場合を示すが、物理的に接触するだけでなく、０．４μｍ未満の間隔で、それぞれが電磁気的に結合する程、密に配置されておれば良く、このように径方向の放射状に配置されたフィラメントを密に配置することにより、周方向のフィラメント間隔を従来より広げることができる。つまり、径方向のフィラメントのみを結合させることにより、Ｑｈは８００ｍＪ／ｃｍ３以下に収めることができると共に、それによりフィラメントをより密に配置することができるのである。
なお、電磁気的な結合とは、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントの周囲にしみ出した超電導電子が、隣のＮｂ３Ｓｎフィラメントからしみ出した超電導電子と相互に重なり合い、あたかもこれらの分離されたフィラメントが、１本の結合されたフィラメントのように電磁気的に振る舞うことを意味し、電磁気的に孤立とはこれらのしみ出した超電導電子が相互に干渉し合わないことを意味する。
また、図１に示すように、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線の中心部のブロンズ１７の周囲に同心状に複数層配置され、最内層からＮ層目における上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントの直径をＤＮとし、Ｎ層目におけるＮｂ３Ｓｎフィラメントの中心から、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線の中心までの距離をＬＮとした時、
Ｄ１／Ｌ１≦Ｄ２／Ｌ２≦Ｄ３／Ｌ３≦Ｄ４／Ｌ４≦・・・
となるように、外側のフィラメント径ほど、より増大させることより、有効にＪｃを向上させることができる。
【００１１】
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体の説明図であり、Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体１の中心部にはＳｎ基金属材２が設けられ、そのＳｎ基金属材２の周囲に同心状にＮｂ基金属材３が複数層、Ｃｕ基金属材４中に分離して配置され、下記熱処理により超電導線となるように構成されて埋設されている。これらのＳｎ基金属材２、熱処理により超電導となるＮｂ基金属材３、及びＣｕ基金属材４による複合体を基本モジュール７と称する。基本モジュール７はＮｂ、Ｔａに代表されるバリヤ材５で取り囲まれており、バリヤ材５の外側には無酸素銅等の安定化材６が配置されている。
【００１２】
そして、上記前駆体のＮｂ基金属材の配置構成としては、上記熱処理により超電導となった時に、互いに電磁気的に結合するように配置され、前駆体の径方向の最内層からＮ層目における直径をｄＮ（μｍ）、Ｎ＋１層目における直径をｄＮ＋１（μｍ）とした時、最内層からＮ層目とＮ＋１層目とのＮｂ基金属材の間隔をｓｒ（μｍ）とし、上記Ｎ層目におけるＮｂ基金属材の周方向の間隔をｓｔ（μｍ）として、
ｓｒ＜０．０７×（ｄＮ＋ｄＮ＋１）＋０．４
ｓｔ≧０．１４×ｄＮ＋０．９
を満足させるべく配置した。
Ｓｒ及びＳｔに関する上式の第一項は熱処理に伴うフィラメント径の増大に関わる量であり、第二項は熱処理により、Ｃｕ／Ｓｎの相互拡散によりマトリックスであるブロンズが減少することにともなうフィラメント間隔の減少に関わる量を表している。
また、実施の形態１の超電導線において、上記のように外側のフィラメント径ほど有効に増大させるために、本実施の形態の前駆体において、Ｎｂ基合金材の各層において、最内層からＮ層目におけるＮｂ基金属材の直径をｄＮとし、上記Ｎｂ基金属材の中心から、上記前駆体の中心までの距離をｌＮとした時、下式
ｄ１／ｌ１≦ｄ２／ｌ２≦ｄ３／ｌ３≦ｄ４／ｌ４≦・・・
を満たすように配置する。
具体的には、最内層、第二層及び最外層のフィラメント径／間隔は、それぞれ２．７／１．３μｍ、３．２／１．６μｍ、及び３．８／１．９μｍ、最内層と第二層及び第二層と最外層のフィラメント間隔は、それぞれ０．４μｍ及び０．５μｍのように作製した。
【００１３】
本実施の形態における、Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体１は、例えば以下のように製造することによって得ることができる。
図３に示すように、直径２２９ｍｍ、厚さ２０ｍｍの無酸素銅の円盤１０上に内層側から直径１０．６ｍｍ、１２．６ｍｍ、１４．９ｍｍの孔をそれぞれ各２８個、ＮＣボール盤により放射状に穿孔した。この円盤を、図４に示すように、３０枚、孔の位置が合うように、外径２５０ｍｍ、内径２３０ｍｍの無酸素銅の容器中１１に組み込み、この円盤群の孔中にそれぞれ直径が１０．５ｍｍ、１２．５ｍｍ、１４．８ｍｍ、長さ６００ｍｍのＮｂ棒１２を挿入し、真空排気と蓋を電子ビーム溶接し複合体を作製した。
次に、この複合体を熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）した後、熱間押し出し加工を行ってＮｂ／Ｃｕ複合体の円柱を得た。この複合体の余分な外周のＣｕを切削し、中央部を穿孔してＳｎ棒を挿入した後、伸線加工を行って基本モジュールとなる複合線を得た。これをＳｎの拡散障壁材であるＴａパイプ中に挿入し、安定化のためのＣｕパイプを被せて二次複合を行った後、線径０．５ｍｍまで伸線加工してＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体を得た。
【００１４】
次に、上記超電導線の前駆体について、６００〜７５０℃で１００〜３００時間の熱処理を行い、Ｎｂフィラメント部分にＮｂ３Ｓｎ超電導体を形成させた。
このＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の断面を光学顕微鏡で観察した結果、径方向に放射状に並んでいる１〜３層のフィラメント同士は熱処理により互いに結合しているのを確認した。なお、フィラメント径と間隔が反応前後で変化する理由は、Ｎｂ３Ｓｎ化合物生成時にＮｂ３Ｓｎフィラメントが３０％ほど面積が増加するためと、マトリックスであるブロンズがＣｕ／Ｓｎの相互拡散により減少するためである。
上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線を液体ヘリウム中でＪｃとＱｈの測定を行ったところ、Ｊｃは１０５７Ａ／ｍｍ２、Ｑｈは７００ｍＪ／ｃｍ３となり、本実施の形態の超電導線はＪｃ≧１０００Ａ／ｍｍ２とＱｈ≦８００ｍＪ／ｃｍ３を同時に達成することを確認した。
【００１５】
なお、前駆体の構成として、バリヤ材内に基本モジュールを１本のみ設けたものを示したが、大電流容量化するためには、得られた基本モジュールを多数本バリヤ材内に組み込んだ構成でもよい。
また、本実施の形態では、Ｃｕで代表される安定化材とＴａやＮｂで代表されるバリヤ材を備えた超電導線の前駆体について説明したが、安定化材や拡散障壁材がない構成であってもよく、本実施の形態と同様の効果がある。
また、本実施の形態における超電導線、及びその前駆体としては、実施例で示したＮｂ３Ｓｎの他に、更にＴｉ、Ｔａ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｍｎなどを少量添加したものなど数多くあるが、いずれの場合も含まれることは言うまでもない。
【００１６】
実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の説明図であり、実施の形態２のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線において、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントの層数が４層の構成のもので、実施の形態２と同様にして製造することができるが、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントの層数として、４層の構成を採用したため、実施の形態２における前駆体の最内層の、さらに内側にＮｂ基金属材として直径が８．８ｍｍ、長さ６００ｍｍのＮｂ棒を２８本追加した。
【００１７】
上記のようにして得られた超電導線の断面観察を行った結果、最内層、第二層、第三層及び最外層のフィラメント径／間隔は、それぞれ２．６／０．５μｍ、３．１／０．６μｍ、３．６／０．７μｍ、及び４．３／０．９μｍであり、最内層と第二層、第二層と第三層、及び第三層と最外層のフィラメントは接触していた。
この超電導線を液体ヘリウム中でＪｃの測定を行ったところ、Ｊｃは１１００Ａ／ｍｍ２、Ｑｈは７９０ｍＪ／ｃｍ３が得られ、本実施の形態は実施の形態２と同様の効果があることを確認した。
【００１８】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線は、実施の形態２においては層当たりのＮｂ３Ｓｎフィラメントの本数が２８本であったのに対して２９本に増加させて、実施の形態２より密に配置したもので、最内層のＮｂ３Ｓｎフィラメント径／間隔が３．１／０．４μｍであり、周方向のＮｂ３Ｓｎフィラメント同士が電磁気的結合をきたさない程度に密に配置されたものである。
つまり、本実施の形態に係わる前駆体としては、最内層のＮｂ基金属材フィラメント径／間隔を２．７／１．２μｍ、第二層と最外層の径／間隔をそれぞれ３．２／１．４、及び３．８／１．７μｍに設定して実施の形態２と同様にして作製した。
上記前駆体について、６００〜７５０℃で１００〜３００時間の熱処理を行い、Ｎｂフィラメント部分にＮｂ３Ｓｎ超電導体を形成させた。上記のようにして得られた本実施の形態のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線を液体ヘリウム中でＪｃとＱｈの測定を行ったところ、Ｊｃは１０９４Ａ／ｍｍ２、Ｑｈは７１０ｍＪ／ｃｍ３という値が得られた。
【００１９】
比較例１．
本比較例の超電導線は、実施の形態４のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線において、最内層の周方向のＮｂ３Ｓｎフィラメント間隔が０．３μｍ、第二層、最外層でのフィラメント間隔が０．４μｍ、０．５μｍとなるように配置されたもので、前駆体の作製において、二次複合線の伸線加工を実施の形態４では線径を０．５ｍｍまで行う代わりに、０．３５７ｍｍまで施してＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体を作製した。
上記のようにして得られた超電導線の前駆体について、６００〜７５０℃で１００〜３００時間の熱処理を行い、Ｎｂフィラメント部分にＮｂ３Ｓｎ超電導体を形成させた。このＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線を液体ヘリウム中でＪｃとＱｈの測定を行ったところ、Ｊｃは１１３３Ａ／ｍｍ２という値が、Ｑｈは２２００ｍＪ／ｃｍ３という値が得られた。このＱｈの値は１層目のフィラメントが電磁気的に結合しているのに相当する値である。
【００２０】
上記実施の形態４と比較例１とから、最内層における上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメント間隔は、０．４μｍ未満であると電磁気的結合によりＱｈが急激に増大する。また、０．８μｍ以上だとＪｃの減少が顕著になるため、周方向におけるフィラメント間隔は、０．４μｍ以上、０．８μｍ未満とすることで、Ｑｈ≦８００ｍＪ／ｃｍ３を達成する効果があることを確認した。
【００２１】
実施の形態５．
本実施の形態では、実施の形態２により製作したＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線（最内層におけるＮｂ３Ｓｎフィラメント間隔は０．６μｍ）よりも、更に高いＪｃを得るため、熱処理後における最内層、第二層、最外層におけるＮｂ３Ｓｎフィラメント間隔が０．５μｍとなるように、Ｎｂ基金属材フィラメント径／間隔を以下のように設定して前駆体を作製した。
図６は、本発明の実施の形態５のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体に係わるＮｂ基金属材の配置状態の説明図で、最内層、第二層及び最外層におけるＮｂ基金属材フィラメント径／各層におけるＮｂ基金属材フィラメント間隔を、それぞれ２．８／１．３μｍ、３．４／１．４μｍ、及び４．２／１．５μｍとした。
【００２２】
上記前駆体に６００〜７５０℃で１００〜３００時間の熱処理を行い、Ｎｂフィラメント部分にＮｂ３Ｓｎ超電導体を形成させた。この線材の断面観察を行った結果、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが径方向では結合していることが確認され、最内層、第二層、最外層のフィラメントの直径と間隔はそれぞれ３．１／０．５μｍ、３．９／０．５μｍ、及び４．８／０．５μｍであった。
このＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線を液体ヘリウム中でＪｃとＱｈの測定を行ったところ、Ｊｃは１２１５Ａ／ｍｍ２という値が、Ｑｈは７５０ｍＪ／ｃｍ３という値が得られた。このＱｈの値は周方向のフィラメントが電磁気的に結合していないことを表している。
【００２３】
一方、実施の形態２のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体の最内層、第二層及び最外層のＮｂ基金属材フィラメント径／間隔は、それぞれ２．７／１．３μｍ、３．２／１．６μｍ、及び３．８／１．９μｍであり、ＪｃとＱｈの特性は、Ｊｃ＝１０５７Ａ／ｍｍ２、Ｑｈは７００ｍＪ／ｃｍ３であることから、本実施の形態の超電導線は、周方向におけるフィラメント間隔を電磁気的結合が発生しない程度にフィラメント径を増加させて密に配列したことにより、実施の形態２よりも更にＪｃが増大する効果があることを確認した。
【００２４】
実施の形態６．
図７は、本発明の実施の形態６のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体に係わるＮｂ基金属材の配置状態の説明図で、実施の形態２のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線よりも、更に高いＪｃを得るため、本実施の形態の前駆体のＮｂ基金属材フィラメントの、各層における周方向の間隔は実施の形態２と同じで、最内層と第二層、及び第二層と最外層のＮｂ基金属材フィラメント間隔を、それぞれ０．３μｍ、及び０．４μｍと、実施の形態２より狭くなるように設定して製作した。
上記前駆体について、６００〜７５０℃で１００〜３００時間の熱処理を行い、Ｎｂフィラメント部分にＮｂ３Ｓｎ超電導体を形成させた。この線材の断面観察を行った結果、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが径方向では結合していることが確認され、最内層、第二層、最外層のフィラメントの直径と間隔はそれぞれ３．１／０．６μｍ、３．６／０．７μｍ、及び４．３／０．９μｍ（実施の形態２における、最内層、第二層、最外層のフィラメントの直径と間隔はそれぞれ３．１／０．６、３．６／０．７、４．３／０．９）であった。
このＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線を液体ヘリウム中でＪｃとＱｈの測定を行ったところ、Ｊｃは１１０５Ａ／ｍｍ２という値が、Ｑｈは７８０ｍＪ／ｃｍ３という値が得られた。なお、このＱｈの値は周方向のフィラメントが電磁気的に結合していないことを表している。
【００２５】
一方、実施の形態２のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体の最内層と第二層、及び第二層と最外層のＮｂ基金属材フィラメント間隔は、それぞれ０．４μｍ、及び０．５μｍであり、ＪｃとＱｈの特性は、Ｊｃは１０５７Ａ／ｍｍ２、Ｑｈは７００ｍＪ／ｃｍ３であったことから、本実施の形態の超電導線は、放射状に結合している１〜３層目のＮｂ３Ｓｎフィラメントを更に密に詰めて配列したことにより、実施の形態２よりも更にＪｃが増大することを確認した。
【００２６】
実施の形態７．
本発明の実施の形態のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線は、放射状に配置された１層目、２層目及び３層目のフィラメントが、互いに接触はしていないが、電磁気的に結合する程、密に配置されているものである。
図８は、本実施の形態７のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体に係わるＮｂ基金属材の配置状態の説明図であり、最内層と第二層、及び第二層と最外層のＮｂ基金属材フィラメント間隔を、それぞれ１．１μｍ、及び１．２μｍに設定して実施の形態２と同様に製作されたもので、上記前駆体に６００〜７５０℃で１００〜３００時間の熱処理を施すことにより、Ｎｂフィラメント部分にＮｂ３Ｓｎ超電導体を形成させた。
上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線について断面観察を行った結果、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが径方向では最内層と第二層間が０．３μｍ、第二層と最外層間が０．３μｍと、接触していないが、電磁気的には結合するほど密に配置された状態であった。また、最内層、第二層、最外層のフィラメントの直径と間隔はそれぞれ３．１／０．６μｍ、３．６／０．７μｍ、及び４．３／０．９μｍであった。
このＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線を液体ヘリウム中でＪｃとＱｈの測定を行ったところ、Ｊｃは１０００Ａ／ｍｍ２という値が、Ｑｈは６７０ｍＪ／ｃｍ３という値が得られた。
なお、本実施の形態では実施の形態２よりも、径方向に放射状に並んでいるＮｂ３Ｓｎフィラメント同士が接触していないため、超伝導電子のしみ出し効果による電磁気的結合範囲が減少するため、更にＱｈが低減する効果があることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施の形態１のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の説明図である。
【図２】実施の形態２のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体の説明図である。
【図３】実施の形態２のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体に係わる無酸素銅の円盤の説明図である。
【図４】実施の形態２のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体に係わる押し出し加工前の複合体の説明図である。
【図５】実施の形態３のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の説明図である。
【図６】実施の形態５のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体に係わるＮｂ基金属材の配置状態の説明図である。
【図７】実施の形態６のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体に係わるＮｂ基金属材の配置状態の説明図である。
【図８】実施の形態７のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体に係わるＮｂ基金属材の配置状態の説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１ Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体、２ Ｓｎ基金属材、３ Ｎｂ基金属材、４ Ｃｕ基金属材、１５ Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線、１６ Ｎｂ３Ｓｎフィラメント、１７ ブロンズ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｂ３Ｓｎフィラメントがブロンズに埋設されたＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線であって、中心部がブロンズのみからなり、その周囲に、上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の径方向において、放射状に配置されるとともに、放射状にそれぞれが電磁気的に結合し、かつ外側のＮｂ３Ｓｎフィラメントほどその直径が大であり、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の周方向において、上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが、それぞれ電磁気的に孤立する間隔で配置されていることを特徴とするＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線。
【請求項２】
Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の径方向において放射状に配置されたＮｂ３Ｓｎフィラメントが接触していることを特徴とする請求項１に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線。
【請求項３】
Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の径方向において放射状に配置されたＮｂ３Ｓｎフィラメントが、それぞれ０．４μｍ未満の間隔で配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線。
【請求項４】
Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の周方向におけるＮｂ３Ｓｎフィラメントの間隔が、０．４μｍ以上、０．８μｍ未満であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線。
【請求項５】
Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線の中心部のブロンズの周囲に同心状に複数層配置され、最内層からＮ層目における上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントの直径をＤＮとし、Ｎ層目におけるＮｂ３Ｓｎフィラメントの中心から、上記Ｎｂ３Ｓｎ超電導線の中心までの距離をＬＮとした時、
Ｄ１／Ｌ１≦Ｄ２／Ｌ２≦Ｄ３／Ｌ３≦Ｄ４／Ｌ４≦・・・
であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線。
【請求項６】
線状のＣｕ基金属材と、このＣｕ基金属材の中心部に長手方向に埋設されたＳｎ基金属材と、上記Ｓｎ基金属材の周囲に長手方向に埋設されたＮｂ基金属材とからなり、熱処理により超電導線となるように構成されたＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体であって、上記Ｎｂ基金属材が、上記前駆体の径方向においては、上記Ｓｎ基金属材の周囲から放射状に配置されると共に、上記熱処理後に電磁気的に結合するような間隔で配置され、外側の上記Ｎｂ基金属材ほどその直径が大であり、上記前駆体の周方向においては、上記熱処理後に電磁気的に孤立しているような間隔で配置されていることを特徴とするＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体。
【請求項７】
Ｎｂ基金属材が、前駆体の径方向においては、熱処理によりＮｂ３Ｓｎ化合物が生成された時に接触するように配置されていることを特徴とする請求項６に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体。
【請求項８】
Ｎｂ基金属材が、前駆体の径方向においては、熱処理によりＮｂ３Ｓｎ化合物が生成された時に０．４μｍ未満の間隔となるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体。
【請求項９】
Ｎｂ基金属材がＳｎ基金属材の周囲に同心状に複数層埋設され、上記Ｎｂ基金属材の最内層からＮ層目と、Ｎ＋１層目との間隔ｓｒ（μｍ）が、上記Ｎ層目、Ｎ＋１層目における上記Ｎｂ基金属材の直径をｄＮ（μｍ）、ｄＮ＋１（μｍ）とした時、下式
ｓｒ＜０．０７×（ｄＮ＋ｄＮ＋１）＋０．４
を満たすことを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれかに記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体。
【請求項１０】
Ｎｂ基金属材の周方向における間隔ｓｔ（μｍ）が、上記Ｎｂ基金属材の直径をｄ（μｍ）とした時、下式
ｓｔ≧０．１４×ｄ＋０．９
を満たすことを特徴とする請求項９に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体。
【請求項１１】
Ｎｂ基合金材の各層において、最内層からＮ層目におけるＮｂ基金属材の直径をｄＮとし、上記Ｎｂ基金属材の中心から、上記前駆体の中心までの距離をｌＮとした時、下式
ｄ１／ｌ１≦ｄ２／ｌ２≦ｄ３／ｌ３≦ｄ４／ｌ４≦・・・
を満たすことを特徴とする請求項９に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体。
【請求項１】
Ｎｂ３Ｓｎフィラメントがブロンズに埋設されたＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線であって、中心部がブロンズのみからなり、その周囲に、上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の径方向において、放射状に配置されるとともに、放射状にそれぞれが電磁気的に結合し、かつ外側のＮｂ３Ｓｎフィラメントほどその直径が大であり、上記Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の周方向において、上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが、それぞれ電磁気的に孤立する間隔で配置されていることを特徴とするＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線。
【請求項２】
Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の径方向において放射状に配置されたＮｂ３Ｓｎフィラメントが接触していることを特徴とする請求項１に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線。
【請求項３】
Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の径方向において放射状に配置されたＮｂ３Ｓｎフィラメントが、それぞれ０．４μｍ未満の間隔で配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線。
【請求項４】
Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の周方向におけるＮｂ３Ｓｎフィラメントの間隔が、０．４μｍ以上、０．８μｍ未満であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線。
【請求項５】
Ｎｂ３Ｓｎフィラメントが、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線の中心部のブロンズの周囲に同心状に複数層配置され、最内層からＮ層目における上記Ｎｂ３Ｓｎフィラメントの直径をＤＮとし、Ｎ層目におけるＮｂ３Ｓｎフィラメントの中心から、上記Ｎｂ３Ｓｎ超電導線の中心までの距離をＬＮとした時、
Ｄ１／Ｌ１≦Ｄ２／Ｌ２≦Ｄ３／Ｌ３≦Ｄ４／Ｌ４≦・・・
であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線。
【請求項６】
線状のＣｕ基金属材と、このＣｕ基金属材の中心部に長手方向に埋設されたＳｎ基金属材と、上記Ｓｎ基金属材の周囲に長手方向に埋設されたＮｂ基金属材とからなり、熱処理により超電導線となるように構成されたＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体であって、上記Ｎｂ基金属材が、上記前駆体の径方向においては、上記Ｓｎ基金属材の周囲から放射状に配置されると共に、上記熱処理後に電磁気的に結合するような間隔で配置され、外側の上記Ｎｂ基金属材ほどその直径が大であり、上記前駆体の周方向においては、上記熱処理後に電磁気的に孤立しているような間隔で配置されていることを特徴とするＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体。
【請求項７】
Ｎｂ基金属材が、前駆体の径方向においては、熱処理によりＮｂ３Ｓｎ化合物が生成された時に接触するように配置されていることを特徴とする請求項６に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体。
【請求項８】
Ｎｂ基金属材が、前駆体の径方向においては、熱処理によりＮｂ３Ｓｎ化合物が生成された時に０．４μｍ未満の間隔となるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体。
【請求項９】
Ｎｂ基金属材がＳｎ基金属材の周囲に同心状に複数層埋設され、上記Ｎｂ基金属材の最内層からＮ層目と、Ｎ＋１層目との間隔ｓｒ（μｍ）が、上記Ｎ層目、Ｎ＋１層目における上記Ｎｂ基金属材の直径をｄＮ（μｍ）、ｄＮ＋１（μｍ）とした時、下式
ｓｒ＜０．０７×（ｄＮ＋ｄＮ＋１）＋０．４
を満たすことを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれかに記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体。
【請求項１０】
Ｎｂ基金属材の周方向における間隔ｓｔ（μｍ）が、上記Ｎｂ基金属材の直径をｄ（μｍ）とした時、下式
ｓｔ≧０．１４×ｄ＋０．９
を満たすことを特徴とする請求項９に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体。
【請求項１１】
Ｎｂ基合金材の各層において、最内層からＮ層目におけるＮｂ基金属材の直径をｄＮとし、上記Ｎｂ基金属材の中心から、上記前駆体の中心までの距離をｌＮとした時、下式
ｄ１／ｌ１≦ｄ２／ｌ２≦ｄ３／ｌ３≦ｄ４／ｌ４≦・・・
を満たすことを特徴とする請求項９に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−３２１９０（Ｐ２００６−３２１９０Ａ）
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２１１１２２（Ｐ２００４−２１１１２２）
【出願日】平成１６年７月２０日（２００４．７．２０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２０日（２００４．７．２０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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