説明

Nb3Al化合物超電導線材の製造方法、およびNb3Al化合物超電導線材

【課題】高磁界特性向上に有効な添加元素を含んだNbAl化合物超電導線材を生産性よく製造することを可能とする。
【解決手段】Nbシート及びAlシートをジェリーロール状に巻いて形成した線材を急熱急冷処理した後、再度加熱処理してNbAl化合物超電導線材を製造する方法であって、前記Nbシートを前記ジェリーロール状に巻く前に、前記Nbシート上にTi層又はTa層からなる金属薄膜層を1層、又は間にNb層を挟んで複数層積層形成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はNbAl化合物超電導線材及びその製造方法に関するものである。
【0002】
NMRマグネット分野においては、ヒトゲノム研究などに見られるような、たんぱく質の構造解析などに用いる場合、高精度の分解能が求められる。近年、このような高分解能のNMRマグネットに対する実現要求が非常に強くなり、マグネットの発生磁場も高くなっている。磁場の上昇には超電導線材の高磁場特性の向上が不可欠で、特に最内層のマグネット用線材は、従来のブロンズ法NbSn線材では要求磁場を実現できないようなものまである。
【0003】
このような高磁界特性が求められる超電導線材として、急熱急冷・変態法NbAl超電導線材があり、この線材は20Tを超えるような高磁界における超電導特性が、ブロンズ法NbSn線材の約2倍優れていることが知られている。
【0004】
また、近年ではNbSn分野においても新規な製造方法による高磁界特性に優れた線材が発表されており、この分野におけるNbAl線材もさらに高特性化が求められている状況にある。
【背景技術】
【0005】
これまでに急熱急冷・変態法NbAl線材の製造方法として開発されたのは以下のような方法である。
【0006】
Nbシート、及びAlシートを積層し、それを渦巻状断面形状に巻き付けた後、減面加工を施して、その後必要に応じて、再度この伸線材を複数本組み込んで減面加工を施してNb/Al線材を得る。この線材を一定の速度で通線しながら通電加熱し、約2,000℃程度まで加熱した直後にGa中に通して冷却することで、Nb/Alの過飽和固溶体線材を生成し、その後再度800℃程度に加熱することによりNbAl化合物超電導線材を作製するものである。
【0007】
上記のような製造方法によれば高磁界特性に優れたNbAl超電導線材を作製することができるが、実用マグネットに要求される通電電流値からは、さらに高特性化が必要な場合もあった。
【0008】
本線材の場合、急熱急冷処理時の線径を太くすることは現状ではほぼ上限に達しており困難である為に、超電導線材の高磁界特性を向上させることが必要な状況であった。
【0009】
高磁界特性をさらに向上させるためには、NbAl化合物超電導材に別の金属元素を添加することが有効であることがこれまでの試作でわかっている。そこで、従来、これらの添加元素を予めAlに添加してAl合金を作製し、このAl合金とNbとからなる複合材を線材加工することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【特許文献1】特公平6−36331号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかしながら、上述した従来技術のようなAl合金の場合、線材用素材の製作時に溶解鋳造や、減面加工をする際に、Alと添加元素間で金属間化合物を生成してしまい、線材
化の加工が困難になるという欠点があった。
【0011】
特に、添加元素がTi又はTaの場合は、Alと合金化すると、加工性が非常に悪くなり、減面加工が行えず、線材化は実現できていない。
【0012】
本発明の目的は、高磁界特性向上に有効な添加元素を含みながら生産性よく製造することが可能なNbAl化合物超電導線材の製造方法を提供することにある。また本発明の目的は、高磁界特性の向上したNbAl化合物超電導線材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明の第一の態様によれば、Nbシート及びAlシートをジェリーロール状に巻いて形成した線材を急熱急冷処理した後、再度加熱処理してNbAl化合物超電導線材を製造する方法であって、前記Nbシートを前記ジェリーロール状に巻く前に、前記Nbシート上にTi層又はTa層からなる金属薄膜層を1層、又は間にNb層を挟んで複数層積層形成するNbAl化合物超電導線材の製造方法が提供される。
【0014】
前記金属薄膜層の薄膜厚さは、前記Nbシートに対して5at%以下であることが好ましい。
【0015】
本発明の第二の態様によれば、Nbシート及びAlシートをジェリーロール状に巻いて形成した線材を急熱急冷処理した後、再度加熱処理してNbAl化合物超電導線材を製造する方法であって、前記Alシートを前記ジェリーロール状に巻く前に、前記Alシート上にTi層又はTa層からなる金属薄膜層を1層、又は間にAl層を挟んで複数層積層形成するNbAl化合物超電導線材の製造方法が提供される。
【0016】
前記金属薄膜層の薄膜厚さは、前記Alシートに対して5at%以下であることが好ましい。
【0017】
前記金属薄膜層を物理蒸着法により形成することができる。
【0018】
本発明の第三の態様によれば、上述したNbAl化合物超電導線材の製造方法により得られるNbAl化合物超電導線材が提供される。
【0019】
本発明の第四の態様によれば、NbAl化合物超電導体を有するNbAl化合物超電導線材において、前記NbAl化合物超電導体は、Ti又は/及びTa元素が総量で0.05at%以上1.7at%以下添加されたNbAl化合物超電導線材が提供される。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、高磁界特性向上に有効な添加元素を含んだNbAl化合物超電導線材を生産性よく製造することができる。また高磁界特性の向上したNbAl化合物超電導線材が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
本発明の実施の形態におけるNbAl化合物超電導線材の製造方法及びNbAl化合物超電導線材について、図を用いて説明する。
【0022】
図1は一実施の形態におけるシングルビレットの構造及び製造方法を示す説明図、図2は一実施の形態における急熱急冷・変態法NbAl線材の製造方法の工程図、図3は本発明の一実施の形態におけるマルチ線材の製造方法の説明図をそれぞれ示している。
【0023】
本一実施の形態では、ジェリーロール法を用いてシングル線材を製作するために、素材となるNbシート10、Alシート20、巻き芯30、金属管40を用意する(ステップ100)。
【0024】
図1(a)に示すように、Nbシート10は、その上にTi又はTa層からなる金属薄膜層11を物理蒸着法により形成しておく。Ti又はTa層からなる金属薄膜層11は1層、又はNb層を挟んで複数層形成する。金属薄膜層11の形成は、Nbシート10をジェリーロール状に巻く前に行う。なお、その上、すなわちNbシート10の上とは、Nbシート10の上面、下面のうちの片面、又は両面のいずれも含む。また、物理的蒸着法としては、スパッタリング法などのドライメッキ法や、湿式メッキ法、あるいはイオンプレーティングなどが挙げられる。
【0025】
ステップ101では、図1(a)、(b)に示すように巻き芯30の周囲にNbシート10、及びAlシート20を重ねてジェリーロール状に巻きつける。巻き付けた後、それらを金属管40に挿入してシングルビレットを形成する(ステップ102)。これを押出しや伸線などの減面加工を施し(ステップ103)、金属管4を除去して(ステップ104)、シングル線材を形成する(ステップ105)。例えば、巻き芯30はNb、金属管40はCu管で構成される。
【0026】
引き続き、複合線材を作製するために、上述して形成したシングル線材を複数本と、Nb管60と、Cu管70とを用意する(ステップ106)。図3に示すように、シングル線材50を複数本組み合わせ、Nb管60に詰め、これをCu管70に挿入してマルチビレットを形成する(ステップ107)。これに減面加工を施し(ステップ108)、Cu管70(Cu合金)を除去してNb/Al複合線材を製作する(ステップ109)。
【0027】
このNb/Al複合線材を急熱急冷処理(ステップ110)、及び化合物生成熱処理すなわち変態熱処理して(ステップ111)、NbAl化合物超電導線材を作製する(ステップ112)。
【0028】
ステップ109の急熱急冷処理は、具体的には図4に示す装置内で行われる。一定速度で供給リール201から送り出された複合線材80は通電キャプスタン202とGaバス203間で、直流電源204用いて連続的に通電加熱され、約2000℃に達した直後、Gaバス203内の液体Ga204により急冷され、Nb/Al過飽和固溶体が生成される。このNb/Al過飽和固溶体からなるNb/Alの過飽和固溶体線材205は巻き取りロール206により巻き取られる。Nb/Alの過飽和固溶体線材205は、その後再度800℃程度に加熱されることにより、NbAl化合物超電導線材が作製される。
【0029】
なお、過飽和固溶体線材の状態は塑性加工も可能である為に、マグネット用線材の場合には、この段階でマグネット用の巻き線を行い、巻き線後に化合物生成熱処理を加えるのが通例である。
【0030】
ところで、急熱急冷・変態法NbAl化合物線材のNb/Al複合線材をジェリーロール法で作製する場合、特性アップのために金属元素であるTiやTaをAl材に添加して合金化すると化合物を形成するため、加工性に悪影響が出てシート化が困難になる。
この点で、本実施の形態では、Alシートに金属元素を添加するのではなく、Nbシート上にTiやTaの金属薄膜層を形成しておき、これをAlシートと重ねて巻きつけて減面加工時に複合化するようにしたので、素材作製時の加工面の困難さを解決することができる。また金属薄膜層を構成するTiやTaが、Nb/Al過飽和固溶体を生成時に、NbAl化合物に添加されることとなり、添加元素をAl材に入れるのと同等に、超電導
特性を向上させることができる。
【0031】
Nbシート上には、Ti又はTa層(以下、X層という)を形成すればよい。また、X層は1層だけを形成してもよいが、X層が1層だけでは層厚みの均一性が確保できない場合、複数層を形成してもよい。その場合、X層、Nb層、X層…というように、X層の間にNb層を挟んで、X層とNb層とを交互に積層するとよい。
臨界電流密度特性に優れたNbAl化合物線材を得るには、Nbに対してX層の厚みは原子量比(at%)で5%以下であればよい。
【0032】
上述したNbAl化合物超電導線材の製造方法によれば、高磁界特性向上に有効な添加元素を含んだNbAl化合物超電導線材を生産性よく製造することができる。また、これにより製造されたAl化合物超電導体を有するNbAl化合物超電導線材は、超電導部としてのNbAl化合物超電導体にTi又は/及びTa元素が総量で0.05at%以上1.7at%以下が添加される。
【0033】
このようにして、本一実施の形態によれば、Nbシート側に形成したX層を用いれば、素材シートの作製においての加工性の困難さは解消し、同時に高磁界特性を向上させるための添加元素も添加できる。従って、高磁界での超電導特性に優れたNbAl超電導線材を、その素材の製造上の加工性の問題を解消して製作することができる。
【0034】
なお、上述した実施の形態では、X層はNbシート上に形成するようにしたが、Alシート上に形成してもよい。すなわち、Nbシート及びAlシートをジェリーロール状に巻いて形成した複合線材を急熱急冷処理した後、再度加熱処理してNbAl化合物超電導線材を製造する方法であって、Alシートをジェリーロール状に巻く前に、Alシート上にTi層又はTa層からなる金属薄膜層を1層、又は間にAl層を挟んで複数層積層形成するようにしてもよい。
この場合においも、X層の膜厚みは、Alシートに対して5at%以下であればよい。また、NbAl化合物超電導体は、Ti又は/及びTa元素が総量で0.05at%以上1.7at%以下が添加される。
【0035】
また、上述した実施の形態は、NbAl線材に関するものであるがNbSn線材にも適用可能である。すなわち、素材シートを用いてジェリーロール法による製造方法を適用する場合、シート化における加工性の課題を解決し、高性能化を実現できる方法としてNbSnにも適用可能である。
【0036】
次に本発明の実施例について述べる。
【実施例】
【0037】
(実施例1)
図1、2において、厚さ75μmの純Nbシートの片面に、Ti層をスパッタリングで3μm蒸着した。この蒸着シート1と、厚さ25μmの純Alシート2と、線径φ1.5mmのNb巻き芯3を使用して、巻き芯3の周囲にシートを重ねて巻きつけ、それをCu管4に挿入した後、減面加工を加えて、Cuを除去してシングル線材5を作製した。
【0038】
図3において、このシングル線を85本組み込んで、Nbパイプ6に挿入し、さらにそれらをCu管7に挿入した。これらを再度減面加工した後、Cu管7を除去してφ1mmのNb/Al複合線材を作製した。
【0039】
この線材を急熱急冷処理した後、NbAl生成熱処理を施して、NbAl化合物超電導線材を作製した。
【0040】
(実施例2)
厚さ75μmの純Nbシートの片面にTa層を2μm蒸着した蒸着Nbシートを用いた点を除いて、実施例1と同様な方法で、NbAl化合物超電導線材を作製した。
(実施例3)
厚さ75μmの純Nbシートの片面にTa層を3.8μm蒸着した蒸着Nbシートを用いた点を除いて、実施例1と同様な方法で、NbAl化合物超電導線材を作製した。
(実施例4)
【0041】
厚さ75μmの純Nbシート側ではなく、厚さ25μmの純Alシートの片面にTi層を0.8μm蒸着した蒸着Alシートを用いた点を除いて、実施例1と同様な方法で、NbAl化合物超電導線材を作製した。
【0042】
(実施例5)
厚さ75μmの純Nbシート側ではなく、厚さ25μmの純Alシートの片面にTa層を0.5μm蒸着した点を除いて、実施例1と同様な方法で、NbAl化合物超電導線材を作製した。
【0043】
(実施例6)
厚さ75μmの純Nbシートではなく、厚さ25μmの純Alシートの片面にTa層を0.12μm蒸着した蒸着Alシートを用いた点を除いて、実施例1と同様な方法で、NbAl化合物超電導線材を作製した。
【0044】
(比較例)
厚さ75μmの純Nbシート1と、厚さ25μmの純Alシート2とを用い、いずれのシートにも金属薄膜を蒸着していない点を除いて、実施例1と同様な方法で、NbAl化合物超電導線材を作製した。
【0045】
表1に、以上の実施例1〜6及び比較例によって得られた各線材の諸元と超電導部の単位断面積当たりの臨界電流密度特性を示す。表中の臨界電流密度の値は、温度4.2Kおよび20Tの磁場における臨界電流値を測定して得たものである。
【0046】
【表1】

【0047】
この表1によれば、本発明による実施例1〜6のいずれもが、従来法である比較例に比べて優れた臨界電流密度特性を示していることがわかる。この臨界電流密度値は現在までに製造されているNbAl化合物超電導線の1.2〜1.5倍に相当し、本実施例によって超電導部としてのNbAl化合物超電導体の単位断面積当たりの臨界電流密度特性が向上することが認められた。
また表1の結果からわかるように、本実施例では添加元素量(at%、対Nb比)、換言すればX層の膜厚みは、Nbシート又はAlシートに対して5at%以下であった。また、本実施例のNbAl化合物超電導体に対するTi又はTa元素の添加量は総量で0.05at%以上1.7at%以下であった。
【図面の簡単な説明】
【0048】
【図1】本発明の一実施の形態によるシングルビレットの構造及び製造方法を示す説明図である。
【図2】本発明の一実施の形態による線材製造方法の工程図である。
【図3】本発明の一実施の形態によるマルチ線材の製造方法の説明図である。
【図4】本発明の一実施の形態で使用する急熱急冷処理装置の外略図である。
【符号の説明】
【0049】
10 Nbシート
11 金属薄膜層
20 Alシート
30 巻き芯
40 Cu管
60 Nbパイプ
70 Cuパイプ
105 シングル線材

【特許請求の範囲】
【請求項1】
Nbシート及びAlシートをジェリーロール状に巻いて形成した線材を急熱急冷処理した後、再度加熱処理してNbAl化合物超電導線材を製造する方法であって、
前記Nbシートを前記ジェリーロール状に巻く前に、前記Nbシート上にTi層又はTa層からなる金属薄膜層を1層、又は間にNb層を挟んで複数層積層形成する
NbAl化合物超電導線材の製造方法。
【請求項2】
前記金属薄膜層の膜厚みは、前記Nbシートに対して5at%以下である請求項1に記載のNbAl化合物超電導線材の製造方法。
【請求項3】
Nbシート及びAlシートをジェリーロール状に巻いて形成した線材を急熱急冷処理した後、再度加熱処理してNbAl化合物超電導線材を製造する方法であって、
前記Alシートを前記ジェリーロール状に巻く前に、前記Alシート上にTi層又はTa層からなる金属薄膜層を1層、又は間にAl層を挟んで複数層積層形成する
NbAl化合物超電導線材の製造方法。
【請求項4】
前記金属薄膜層の膜厚みは、前記Alシートに対して5at%以下である請求項3に記載のNbAl化合物超電導線材の製造方法。
【請求項5】
前記金属薄膜層を物理蒸着法により形成する請求項1ないし4のいずれかに記載のNbAl化合物超電導線材の製造方法。
【請求項6】
請求項1ないし5のいずれかに記載のNbAl化合物超電導線材の製造方法により得られるNbAl化合物超電導線材。
【請求項7】
NbAl化合物超電導体を有するNbAl化合物超電導線材において、前記NbAl化合物超電導体は、Ti又は/及びTa元素が総量で0.05at%以上1.7at%以下添加されたNbAl化合物超電導線材。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2009−193818(P2009−193818A)
【公開日】平成21年8月27日(2009.8.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−33370(P2008−33370)
【出願日】平成20年2月14日(2008.2.14)
【出願人】(000005120)日立電線株式会社 (3,358)
【Fターム(参考)】