Ｎｂ３Ａｌ多芯超電導線材
【課題】高いＪｃ特性を維持しつつ、しかも伸線加工時の断線を抑制でき長尺化が図れるＮｂ３Ａｌ超電導多芯線材を提供する。
【解決手段】ＮｂシートとＡｌシートとを合わせ巻きして作製されるＮｂ／Ａｌ積層線材の外周面に、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｂ合金、またはＴａ合金からなるバリア層６が設けられて作製されるＮｂ／Ａｌ前駆体シングル線２１〜２５を、金属管内にその中心部に配置される中心ダミー材１３と共に複数本組み込まれたＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材が、縮径加工、熱処理されて作製されるＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材において、Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の横断面内に配置される各Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線２１〜２５のバリア層６の厚みが、Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の横断面内で一定ではなく、Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の中心部の中心ダミー材１３の外周部に位置するＮｂ／Ａｌ前駆体シングル線２１のバリア層６の厚みが厚くなっている。
【解決手段】ＮｂシートとＡｌシートとを合わせ巻きして作製されるＮｂ／Ａｌ積層線材の外周面に、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｂ合金、またはＴａ合金からなるバリア層６が設けられて作製されるＮｂ／Ａｌ前駆体シングル線２１〜２５を、金属管内にその中心部に配置される中心ダミー材１３と共に複数本組み込まれたＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材が、縮径加工、熱処理されて作製されるＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材において、Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の横断面内に配置される各Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線２１〜２５のバリア層６の厚みが、Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の横断面内で一定ではなく、Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の中心部の中心ダミー材１３の外周部に位置するＮｂ／Ａｌ前駆体シングル線２１のバリア層６の厚みが厚くなっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高いＪｃ（輸送臨界電流密度）を維持しつつ、長尺化が可能なＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材に関するものであり、本発明のＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材は、例えば、送電ケーブル、核磁気共鳴分析装置、医療用磁気共鳴診断装置、磁気分離装置、磁場中単結晶引き上げ装置、超電導発電機、核融合炉用マグネット、高エネルギー粒子加速器用マグネット等の機器・装置に適用される。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｂ３Ａｌ化合物系超電導線材は、ＮｂＴｉ合金系超電導線材と比べ、特に高磁界におけるＪｃ特性が優れていることから、１２〜２５Ｔ（テスラ）程度の中磁界から高磁界下で運転する超電導マグネット用材料などへの応用が期待されている。具体的には、高エネルギー粒子加速器などに利用され、その場合には、高いＪｃ特性を得ることに加えて、長尺化するための伸縮加工技術が要請される。
【０００３】
このような要請に応えるため、従来、Ｎｂ３Ａｌ化合物超電導線材の製造方法として、ＮｂシートおよびＡｌシートを合わせ巻きし、それを渦巻状に巻付けてＮｂ／Ａｌフィラメントとするジェリーロール法が提案されている。この方法によれば、シー卜状のＮｂとＡｌとの拡散距離が短くできるため、熱処理時に両者間の拡散反応が促進され、高いＪｃ特性を得ることができる。さらに、ジェリーロール法によって製造された超電導線材を多芯組みして伸線工程を経ることで歪に強く、かつ磁気的にも安定な長尺のＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材が製造されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
多芯化された超電導線材では、各Ｎｂ／Ａｌフィラメントの外周にＮｂまたはＴａからなるバリア層を配置し、各Ｎｂ／Ａｌフィラメント間の結合を防止する方法がとられている。また、バリア層は、交流応用として適用したときの損失を低減するため、および磁気的不安定性を抑制するために設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−１３２１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のようにバリア層を配置してＮｂ／Ａｌフィラメントの結合を防止した線材を作製する際に、単純にバリア層の厚みを増やせば結合は防止できるが、Ｎｂ３Ａｌ多芯超電導線材内部での超電導体占積率が減少する。一方で、超電導体占積率を増大することを目的にバリア層の厚みを薄くすると、Ｎｂ／Ａｌフィラメント間が結合し、実用線材にはなり得ない。また、バリア層が薄いと伸線加工性が悪くなることから、断線の発生につながる。
そこで、線材設計では、予めバリア層が伸線加工途中に破損しないような厚みを確保していた。このため、Ｎｂ３Ａｌ超電導多芯線材において、超電導体占積率を増大させて高いＪｃ特性を得ることと、Ｎｂ／Ａｌフィラメント間の結合および伸線加工時の断線を防止することとを両立できなかった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決し、高いＪｃ特性を維持しつつ、しかも伸線加工時の断線を抑制でき、長尺化が図れるＮｂ３Ａｌ超電導多芯線材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。
本発明の第１の態様は、ＮｂシートとＡｌシートとを合わせ巻きして作製されるＮｂ／Ａｌ積層線材の外周面に、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｂ合金、またはＴａ合金からなるバリア層が設けられて作製されるＮｂ／Ａｌ前駆体シングル線を、金属管内にその中心部に配置される中心ダミー材と共に複数本組み込まれたＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材が、縮径加工、熱処理されて作製されるＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材において、前記Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の横断面内に配置される前記各Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線の前記バリア層の厚みが、前記Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の横断面内で一定ではなく、前記Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の中心部の前記中心ダミー材の外周部に位置する前記Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線の前記バリア層の厚みが厚くなっていることを特徴とするＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材である。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様のＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材において、前記バリア層の厚みが、前記Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の横断面における中心部から外周部側に向かって次第に薄くなっている。
【００１０】
本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様のＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材において、前記中心ダミー材と接する前記Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線の前記バリア層の厚みが、それら以外の前記中心ダミー材と接していない前記Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線のバリア層の厚みよりも少なくとも２倍以上の厚みを有する。
【００１１】
本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれかのＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材おいて、前記中心ダミー材と接する前記Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線のバリア層は、前記縮径加工後の最終的な厚みが２μｍ以上である。
【００１２】
本発明の第５の態様は、第１〜第４の態様のいずれかのＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材において、前記中心ダミー材の外周面にも、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｂ合金、またはＴａ合金からなるバリア層が設けられている。
【００１３】
本発明の第６の態様は、第１〜第５の態様のいずれかのＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材において、前記Ｎｂ３Ａｌ多芯超電導線材の横断面において、超電導線体が占める断面積に対する、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｂ合金、及びＴａ合金が占める断面積の比率であるマトリックス比が０.８５以上である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高いＪｃ特性を維持しつつ、伸線加工時の断線を抑制して長尺化が可能なＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るＮｂ３Ａｌ超電導多芯線材の製造工程を示す流れ図である。
【図２】図１の製造工程の一部を示す説明図である。
【図３】図２の製造工程に続く工程であって、図１の製造工程の一部を示す説明図である。
【図４】図２の前駆体シングル線を拡大して示す横断面図である。
【図５】図２の丸形状の前駆体シングル線を、六角形状あるいは八角形状の断面に加工した状態を示す横断面図である。
【図６】本発明の一実施例に係る前駆体シングル線を示す横断面図である。
【図７】図６の前駆体シングル線を用いて作製した本発明の一実施例に係るＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材を示す横断面図である。
【図８】比較例に係るＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材を示す横断面図である。
【図９】本発明の他の実施例に係るＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材を示す横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明に係るＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材の一実施形態を説明する。
【００１７】
Ｎｂ３Ａｌ多芯超電導線材の代表的な製造方法は、上述したジェリーロール法である。本発明のＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材の作製においても、従来のジェリーロール法による線材作製がベースとなるが、Ｎｂ３Ａｌ多芯超電導線材を形成するためのＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材内に配置される各Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線の外周部のバリア層の厚みが、Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材内で一定ではなく、Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の中心部側で厚くしたことを特徴とする。
【００１８】
本発明の一実施形態に係るＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材を、その製造方法に従って説明する。図１は、本実施形態に係るＮｂ３Ａｌ超電導多芯線材の製造工程を示す流れ図である。図２、図３は、図１の製造工程の一部を図示化した説明図である。
【００１９】
図１、図２および図３を用いて、次に代表的な製造工程を説明する。
まず、所定の厚さを有するＡｌシート１とＮｂシート２とを重ねたものを巻芯３に合わせ巻きすることにより、巻芯３の回りにＡｌとＮｂのジェリーロール部４を有するＮｂ／Ａｌ積層線材（Ｎｂ／Ａｌフィラメント）５を作製する（図２（ａ））。巻芯３には、例えば、Ｔａ、Ｎｂなどからなる丸棒が用いられる。次に、Ｎｂ／Ａｌ積層線材５の外周面に、バリア層を形成するバリアシート材６を巻付け、シングル材７を得る（図２（ｂ））。バリアシート材６は、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｂ合金、またはＴａ合金からなる。本実施形態においては、このバリアシート材６の巻付け長さを種々に変更して、バリア層の厚みが異なる複数種類のシングル材７を作製する。
【００２０】
次に、シングル材７をＣｕパイプ８に充填してシングルビレットを得る（図２（ｃ））。このときＣｕパイプ７ではなく、別の材料を用いても構わないが、加工性に優れ、かつ内部に充填された材料を傷めないことが重要である。シングル材７にＣｕパイプ８を被覆する理由は、シングル材７が表面に露出した状態では、次の縮径加工でダイスの焼き付き等が生じ、加工性が著しく低下するためである。
【００２１】
次に、静水圧押出とダイス伸線により、シングル材７がＣｕパイプ８に充填されたシングルビレットを、所望の線径まで縮径加工して、前駆体シングル線（Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線）９を作製する（図２（ｄ））。必要に応じて、焼鈍処理なども行う。焼鈍の際、加工性の低下を引き起こすＮｂとＡｌとの金属間化合物は生成させない温度で処理することが重要である。具体的には、およそ３５０℃程度の温度で熱処理する。
縮径加工後の前駆体シングル線９は、図４に示すような断面構造を有する。すなわち、中心の巻芯３の外周に、ＡｌとＮｂのジェリーロール層（ジェリーロール部）４と、バリア層（バリアシート材）６と、Ｃｕ層（Ｃｕパイプ）８とが同心配置に設けられている。
【００２２】
本実施形態では、前駆体シングル線９の表面にはＣｕが被覆されている。Ｃｕは、その後に実施する加熱冷却処理の際には、不要な金属であることから、硝酸を主成分とする液体に数時間浸してＣｕを完全に除去する。Ｃｕを除去した前駆体シングル線１０をＣｕＮｉパイプ１２に複数本充填すると共に（図３（ｅ））、ＣｕＮｉパイプ１２の中心部に中心ダミー材１３を充填することにより、複合マルチビレット（Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材）１４を得る（図３（ｆ））。
【００２３】
ＣｕＮｉパイプ１２に前駆体シングル線１０を充填する際には、図５に示すように、丸形状の前駆体シングル線１０（図５（ａ））を、六角形状や八角形状の前駆体シングル線１０（図５（ｂ））に断面形状を加工したものを充填するのが好ましい。最密充填（線材を束ねる際に隙間を最も小さくできる）という観点では、六角形状のものを組込むことが望ましい。前駆体シングル線１０の表面には、バリアシート１１を数ターン巻付ける。このバリアシート１１は、上記のバリアシート材６とは異なるものであり、本実施形態における加工性改善には顕著な効果はないことから、前駆体シングル線１０に対して、２％以上の比率となるように配置すれば十分である。バリアシート１１には、ＮｂやＴａのシートを用いる。
【００２４】
複合マルチビレット１４内に配置される各前駆体シングル線１０のバリア層の厚さを全て同じ厚さとする場合、超電導体占積率を増大すべくバリア層の厚みを薄くすると、複合マルチビレット１４の伸線工程で断線が発生してしまった。断線箇所を調べたところ、中心ダミー材１３と中心ダミー材１３に接する前駆体シングル線１０との界面近傍が断線の起点となっていることが判った。
この知見に基づき、本実施形態では、複合マルチビレット１４内に配置される各前駆体シングル線１０の外周部のバリア層６の厚みを、複合マルチビレット１４内で一定とせず、複合マルチビレット１４の中心部の中心ダミー材１３の外周部に位置する前駆体シングル線１０のバリア層６の厚みを厚くしている。このように、一律に前駆体シングル線１０のバリア層６の厚みを厚くするのではなく、中心ダミー材１３の外周部に位置する前駆体シングル線１０のバリア層６の厚みだけを厚くしているので、複合マルチビレット１４の伸線による断線を防止できると共に、高い超電導体占積率を維持できる。
【００２５】
たとえば、複合マルチビレット１４内に配置される各前駆体シングル線１０のバリア層６の厚みを、複合マルチビレット１４の横断面における中心部から外周部側に向かって次第に薄くする（後述の実施例の図７参照）。
あるいは、中心ダミー材１３と接する第一層目の前駆体シングル線１０のバリア層６の厚みを、第二層目から最外層の前駆体シングル線１０のバリア層６の厚み（一定の厚み）よりも厚くする（後述の実施例の図９参照）。
また、中心ダミー材１３と接する第一層目の前駆体シングル線１０のバリア層６の厚みを、第二層目から最外層の前駆体シングル線１０のバリア層６の厚みよりも、少なくとも２倍以上の厚みとするのが好ましい。あるいは、第一層目の前駆体シングル線のバリア層６は、縮径加工後の最終的な厚みが２μｍ以上であるのが好ましい。
【００２６】
複合マルチビレット１４内には、図３（ｆ）に示すように、例えば、前駆体シングル線１０を２２２本、中心ダミー材１３を１９本充填した２４１芯構造とする。Ｎｂ３Ａｌ超電導線材を適用する機器や使用環境などに応じて、前駆体シングル線１０、中心ダミー材１３の芯数を適宜増減させる。
また、交流応用の場合には、前駆体シングル線１０にツイスト加工を施すことも重要になってくる。Ｎｂ３Ａｌ超電導線材の中心ダミー材１３には、前駆体シングル線８と同じサイズのＮｂやＴａなどの金属が用いられる。これにより、機械的強度の確保と伸線加工性の向上が実現できる。中心ダミー材１１の材質や本数は、必要に応じて適宜変更する。複合マルチビレット１４は、静水圧押出とダイス伸線によって所望の径まで縮径加工することにより、前駆体マルチ線１５を得る（図３（ｇ））。縮径加工において、必要に応じて、焼鈍処理を施すことにより断線を防止できる。
【００２７】
本実施形態の前駆体マルチ線１５の表面にはＣｕＮｉ合金が被覆されている。ＣｕＮｉ合金は、その後の加熱冷却（急熱急冷）処理の際には、不要な金属であることから、硝酸を主成分とする液体数時間浸してＣｕＮｉ合金を完全に除去する。
その後、ＣｕＮｉを除去した前駆体マルチ線１５に急熱急冷処理を施してＮｂ−Ａｌ過
飽和固溶体を形成する。前駆体マルチ線１５は、自己通電加熱により１５００〜２０００℃の高温で短時間に急速加熱される。急速加熱された前駆体マルチ線１５は、すぐにＧａバス等で急速冷却されてＮｂ−Ａｌ過飽和固溶体が形成される。加熱冷却処理後のＮｂ−Ａｌ過飽和固溶体は、線材を８００℃で１０時間程度の再加熱処理（変態熱処理）を実施することにより、Ｎｂ３Ａｌ化合物が生成される。
【００２８】
静水圧押出後の線材の縮径加工は、ドローベンチ、スエージャー、カセットローラーダイス、或いは、溝ロールを用いて１パス当りの断面減少率が１０〜３０％程度の伸線加工を繰り返し行う。線材の多芯化を行う際には、丸断面形状或いは六角断面形状に伸線加工した前駆体シングル線材をパイプに組み込み、上記の装置を用いて、１パス当りの断面減少率が１０〜３０％程度で、所定とする線径まで伸線加工するのが一般的な加工法である。最終形状まで加工した前駆体マルチ線は、適切な温度や雰囲気で熱処理をすることによって、高いＪｃを持つＮｂ３Ａｌ超電導線材が得られる。高いＪｃを得るためには、ＮｂまたはＮｂ合金とＡｌまたはＡｌ合金との体積比（Ｎｂ／Ａｌ）は、２.５〜３.５の範囲が望ましい。
【００２９】
本発明のＮｂ３Ａｌ超電導線材は、超電導マグネットに用いることができる。本発明のＮｂ３Ａｌ超電導線材は、高靭性・高硬度性を有することから、線材自身の降伏応力、引張り強度、ヤング率などの機械的強度の面で優れている。その結果、強磁場による電磁力にも耐える超電導マグネットを製造することができる。さらに、両端抵抗を十分に抑えることで、永久電流超電導マグネットが実現できる。
また、本発明のＮｂ３Ａｌ超電導線材を、例えば、液体ヘリウム中で使用する場合には、金属系超電導体や酸化物超電導体と組み合わせた構造にすることで、より強い磁場を発生する超電導マグネット等の実用導体を実現できる。このときの金属系超電導体としては、ＮｂＴｉ系合金、Ｎｂ３Ｓｎ系化合物、Ｖ３Ｇａ系、ＭｇＢ２系、シェブレル系化合物等を用い、必要に応じて２種以上のマグネットを配置する。また、酸化物超電導体には、Ｙ系、Ｂｉ系、Ｔｌ系、Ｈｇ系、Ａｇ−Ｐｂ系の超電導体が望ましい。
また、本発明のＮｂ３Ａｌ超電導線材を、冷凍機伝導冷却で使用する場合には、ＭｇＢ２系あるいは酸化物超電導体と組合せることにより、より高性能の超電導マグネット等の実用導体を実現できる。
Ｎｂ３Ａｌ化合物超電導多芯線材を、例えば高エネルギー粒子加速器などの放射線環境下における超電導マグネットに利用する場合は、超電導線材が放射化して超電導特性が低下する他、被爆管理などの問題が生じる。したがって、Ｎｂ３Ａｌ化合物超電導多芯線材を高エネルギー粒子加速器などの放射線環境中で利用する場合には、超電導線材自身の低放射化対策として中心ダミー材には半減期が短いＴａを用いるのがよい。中心ダミー材にＴａを用いることで、超電導線材自身の低放射化を図ることができる。特に、低放射化に当たってＴａを用いることは、ＴａがＮｂに比べて液体ヘリウム温度下における磁気的な安定性に優れていることからも好ましい。
【実施例】
【００３０】
次に、本発明の実施例を説明する。
〔実施例１〕
実施例１では、上記実施形態で述べたと同様な製造方法を用いて前駆体マルチ線を作製した。まず、表１及び図６に示す５種類のバリア層の厚みの異なる前駆体シングル線２１〜２５を作製し、これら５種類の前駆体シングル線２１〜２５を用いて、図７に示す構造の前駆体マルチ線を作製した。
まず、出発素材として、厚さ０.０３ｍｍのＡｌシートと厚さ０.１０ｍｍのＮｂシートを、巻芯である直径２ｍｍのＴａ棒に合わせ巻きし、Ｎｂ／Ａｌフィラメント（Ｎｂ／Ａｌ積層線材）を作製した。その外周に厚さ０.１ｍｍのＴａシート（バリアシート材）を
バリア層として巻付け、外径１３ｍｍにした。この際、各シートを５種類の巻付け長さに
して、バリア層の厚みを調整した。
表１に５種類の線材のＮｂ／Ａｌフィラメントの径とＴａバリアの厚さを示す。なお、Ｎｂ／ＡｌフィラメントとＴａバリアを合わせた外径は、５種類とも１３ｍｍになるように設定した。Ｎｏ.１の試料は最もＴａバリアが厚く、Ｎｏ.５の試料は最もＴａバリア層が薄い構造となっている。図５（ａ）〜（ｅ）に、Ｎｏ.１〜５の試料のＮｂ／Ａｌフィ
ラメントからそれぞれ作製される前駆体シングル線２１〜２５の断面模式図を示す。図５に示すように、前駆体シングル線２１〜２５は六角形の断面を有し、中心の巻芯３の外周にＡｌ／Ｎｂのジェリーロール層４と、バリア層６とが配置されている。
【００３１】
【表１】
Ｔａバリアを備えたＮｂ／Ａｌフィラメントの外径を１３ｍｍにした後、外径１６ｍ
ｍ、内径１４ｍｍ、長さ１５０ｍｍのＣｕパイプに組込んだ。本実施例では、表１のＮｏ.１〜５の試料をいずれも各３本作製することにした。これを押出機により、線径７ｍｍ
まで押出加工した後、ドローベンチを用いて、最終的に六角対辺長を４.３０ｍｍに伸線
加工して、前駆体シングル線を得た。
次に、前駆体シングル線全体を硝酸に浸して、外側に被覆されるＣｕを完全に除去した。Ｃｕ除去後の六角対辺長は３.９５ｍｍである。Ｎｏ.１〜５のそれぞれについて、長さ３００ｍｍに切断した後、外径５８.８ｍｍ、内径５３.９ｍｍのＣｕＮｉパイプに組込んだ。本実施例では１４４芯を組込む構造にしたが、横断面内の中心部から外周部にかけてＴａバリア層の厚みを一定にせず、中央部に配置されるものほど、Ｔａバリア層の厚みを厚くした。なお、中心ダミー材には六角対辺長が２.５５ｍｍのＴａ棒を７本配置した。
なお、最外周には、厚さ０.２ｍｍのＴａシートを５ターン巻付けた。
この多芯線を押出機により、線径３０ｍｍまで押出加工した。その後、ドローベンチや釜状の伸線機を用いて、伸線加工を継続した。その結果、線径１.０ｍｍまで無断線で加
工することができた。その後、伸線加工を継続して実施したが、線径が０.７ｍｍ近傍で
断線が多発することが分かった。
図７は伸線加工後の前駆体マルチ線の断面模式図である。図７に示すように、中心部の７本の中心ダミー材１３の外周に、バリア層６の厚みが前駆体マルチ線の中心部から外周部側に向かって次第に薄くなるように、前駆体シングル線２１〜２５が配置されている。
また、本実施例では、バリア層としてＴａをＮｂ／Ａｌフィラメントの表面に巻付けたが、Ｔａ合金、ＮｂまたはＮｂ合金、非磁性の他の金属でも同様の効果を有することを確認した。但し、急熱急冷処理で１５００℃を超える温度で熱処理を行うので、融点が１５００℃以上で、かつ超電導特性を低下させない材料であることが不可欠である。
なお、前駆体シングル線の芯線数については特に限定されず、芯数が異なっても同様の結果が得られた。このように、応用する機器に応じて増減させることは何ら問題ないことが分かった。
【００３２】
〔比較例１〕
実施例１において、前駆体シングル線を作製する際のＴａバリア層の厚みをすべて一定にした以外は、実施例１と同様の工程で線材を作製した。すなわち、Ｎｂ／Ａｌフィラメントを１１.７ｍｍ、Ｔａバリアの厚みを０.６５ｍｍ（表１のＮｏ.４の試料）で統一し
て、前駆体シングル線２４を作製し、これを多芯組込みした。
図８に組込んだ複合マルチビレットを伸線した伸線途中の断面図を示す。図８に示すように、伸線途中の前駆体マルチ線の横断面内の中央部から外周部まで、全て同一断面構成の前駆体シングル線２４が配置されている。
実施例１と同様の縮径工程で複合マルチビレットから前駆体マルチ線の作製を試みたが、線径２.９ｍｍで断線した。光学顕微鏡を用いて、断線部の破断面を観察した結果、Ｔ
ａ中心ダミー材１３とそれに接する前駆体シングル線２４の界面近傍が断線の起点になっていることが分かった。
【００３３】
〔実施例２〕
出発素材として、厚さ０.０２５ｍｍのＡｌシートと厚さ０.０８ｍｍのＮｂシートを、巻芯である直径２ｍｍのＮｂ棒に合わせ巻きし、Ｎｂ／Ａｌフィラメントを作製した。その外周部に厚さ０.１ｍｍのＴａシートをバリア層として巻付け、外径１３ｍｍにした。
本実施例では、中心ダミーと直接接する中心部第一層目のＴａバリア層を、それ以外の層（第二層目から最外層までの層）に配置されるＴａバリア層（第二層目から最外層まで全て０.５ｍｍとした）よりも１.２〜４倍の厚みとし、伸線加工性を比較することにした。
表２に、第二層目から最外層までのＴａバリアの厚さを１としたときの、第二層目から最外層までのＴａバリア層の厚さに対する第一層目のＴａバリア層の厚さの比率を示す。
【００３４】
【表２】
表２の比率で合わせ巻きしたフィラメントとＴａバリアを、外径１６ｍｍ、内径１４
ｍｍ、長さ１５０ｍｍのＣｕパイプに組込んだ。これを押出機により、線径８ｍｍまで押出加工した。その後、ドローベンチを用いて、最終的に六角対辺長を４.３０ｍｍに伸線
加工して、前駆体シングル線を得た。
次に、前駆体シングル線全体を硝酸に浸して、外側に被覆されるＣｕを完全に除去した。Ｃｕ除去後の六角対辺長は３.９５ｍｍである。六角形状に伸線したＮｏ.６〜１１を所定の長さに切断した後、外径５９.０ｍｍ、内径５３.２ｍｍのＣｕＮｉパイプに組込んだ。図９に組込んだ後、縮径加工した前駆体マルチ線の断面模式図を示す。
本実施例では、１４４芯を組み込む構造にしたが、中心ダミー材１３と直接接する第一層目のみＴａバリア層６の厚みを増大し、第二層目から最外層のＴａバリア層６の厚みは一定にしている。なお、中心ダミー材１３には六角対辺長が２.５５ｍｍのＮｂ棒を７本
配置した。
この多芯線を押出機により、線径２８ｍｍまで押出加工した。その後、ドローベンチや
釜状の伸線機を用いて、伸線加工を継続した。その結果、Ｎｏ.６〜８では線径１.０ｍｍまでに５〜１０回断線したが、Ｎｏ.９〜１１では無断線で加工することができた。
その後の詳細な検討により、表３に記載の通り、中心ダミー材と直接接する中心部第一層目のバリア厚みと加工性の相関を検討し、中心部第一層目のバリア層の厚みが２μｍを下回ると断線頻度が増加することが分かった。
【００３５】
【表３】
以上のことから、中心ダミー材と直接接する中心部第一層目のバリア層の厚みは、最
終線経で２μｍ以上になるようにあらかじめ線材の断面構造の設計をしておくことが重要であることが明らかとなった。
【００３６】
〔実施例３〕
実施例１と同様にして、六角対辺長が２.８０ｍｍの前駆体シングル線を得た。次に、
前駆体シングル線全体を硝酸に浸して、外側に被覆されるＣｕを完全に除去した。除去後の前駆体シングル線の六角対辺長は２.５５ｍｍである。これを、長さ３００ｍｍに２７
６本切断した後、外径５９ｍｍ、内径５４ｍｍのＣｕＮｉパイプに組込んでマルチビレットを作製した。このとき、中心には中心ダミー材として、六角対辺長が２.５５ｍｍのＴ
ａ棒を３７本配置した。
比較例１では、中心ダミー材をそのまま配置したが、この実施例３では中心ダミー材のＴａ棒の一本一本にＴａシートを厚さ０.４ｍｍ巻付け、実質的に中心部第一層目のバリ
ア層の厚みを増加させた。そして、加工性を比較検討することにした。
得られたビレットを押出機により、線径３０ｍｍまで押出加工した。その後、ドローベンチや釜状の伸縮機を用いて、伸線加工を継続した。その結果、比較例１では断線が発生した線径２.９ｍｍ以下でも無断線で加工でき、最終的には線径１.０ｍｍまで無断線のまま加工できた。
以上のことから、多芯組込みを行う際、中心ダミー材自身に、Ｎｂ／Ａｌフィラメントの外周に巻付けるバリア層と同等のものを配置することは断線防止に有効であることが分かった。
【００３７】
〔実施例４〕
これまでに述べてきた実施例や比較例から、バリア層の厚みを厚くすることは歩留まりの向上に有効であるといえる。しかし、バリア層は線材断面内の超電導体占積率を低下させるため、超電導特性の向上という観点ではバリア層や中心ダミー材の割合をできる限り少なくすることが求められる。
本実施例では、それらの割合をマトリックス比と呼ぶが、このマトリックス比をどこまで低減可能かを検討した。その結果を表４に示す。ここで、マトリックス比とは、線材断面内に超電導体が占める面積を１とした場合の超電導体以外の材料が占める面積の比率である。また、本実施例では、最終線径を１.５ｍｍに設定し、断線回数を調査した。
また、線径１.５ｍｍまで伸縮加工した線材は、急熱急冷処理と変態熱処理を行うこと
で、Ｎｂ３Ａｌ超電導線材とし、液体ヘリウム温度で、磁場を２０Ｔまで印加してＪｃを測定した。
【００３８】
【表４】
マトリックス比が０.６の場合は、断線回数が著しく多く、Ｊｃも低いことが分かった。Ｊｃ低下の要因は、バリア層が薄くなり過ぎることで一部分が欠損してしまい、本来のバリアの役目を果たさず、急熱急冷や再加熱（変態熱処理）時に超電導ではない別の反応相ができてしまったためであることが分かった。また、マトリックス比が０.７５の場合
は、Ｊｃに関しては問題ないが、断線頻度が多くなることも分かった。
したがって、超電導体の面積比を１とした場合に、マトリックス比が０.８５以上であれば、超電導体の面積比を必要以上に減少させることがなく、高い超電導特性を維持することができ、それと同時に、伸線加工時の断線を抑制することが可能となる。したがって、超電導特性に寄与しないバリア層や中心ダミーを必要以上に配置することがなく有効である。さらに、歩留よくＮｂ３Ａｌ化合物超電導多芯線材の生産性を上げることが可能となる。
【符号の説明】
【００３９】
１ Ａｌシート
２ Ｎｂシート
３ 巻芯
４ ジェリーロール部（ジェリーロール層）
５ Ｎｂ／Ａｌ積層線材
６ バリアシート材（バリア層）
７ シングル材
８ Ｃｕパイプ（Ｃｕ層）
９ 前駆体シングル線（Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線）
１０ Ｃｕ被覆を除去した前駆体シングル線（Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線）
１１ バリアシート
１２ ＣｕＮｉパイプ
１３ 中心ダミー材
１４ 複合マルチビレット（Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材）
１５ 複合マルチ線（Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線）
２１〜２５ 前駆体シングル線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高いＪｃ（輸送臨界電流密度）を維持しつつ、長尺化が可能なＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材に関するものであり、本発明のＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材は、例えば、送電ケーブル、核磁気共鳴分析装置、医療用磁気共鳴診断装置、磁気分離装置、磁場中単結晶引き上げ装置、超電導発電機、核融合炉用マグネット、高エネルギー粒子加速器用マグネット等の機器・装置に適用される。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｂ３Ａｌ化合物系超電導線材は、ＮｂＴｉ合金系超電導線材と比べ、特に高磁界におけるＪｃ特性が優れていることから、１２〜２５Ｔ（テスラ）程度の中磁界から高磁界下で運転する超電導マグネット用材料などへの応用が期待されている。具体的には、高エネルギー粒子加速器などに利用され、その場合には、高いＪｃ特性を得ることに加えて、長尺化するための伸縮加工技術が要請される。
【０００３】
このような要請に応えるため、従来、Ｎｂ３Ａｌ化合物超電導線材の製造方法として、ＮｂシートおよびＡｌシートを合わせ巻きし、それを渦巻状に巻付けてＮｂ／Ａｌフィラメントとするジェリーロール法が提案されている。この方法によれば、シー卜状のＮｂとＡｌとの拡散距離が短くできるため、熱処理時に両者間の拡散反応が促進され、高いＪｃ特性を得ることができる。さらに、ジェリーロール法によって製造された超電導線材を多芯組みして伸線工程を経ることで歪に強く、かつ磁気的にも安定な長尺のＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材が製造されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
多芯化された超電導線材では、各Ｎｂ／Ａｌフィラメントの外周にＮｂまたはＴａからなるバリア層を配置し、各Ｎｂ／Ａｌフィラメント間の結合を防止する方法がとられている。また、バリア層は、交流応用として適用したときの損失を低減するため、および磁気的不安定性を抑制するために設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−１３２１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のようにバリア層を配置してＮｂ／Ａｌフィラメントの結合を防止した線材を作製する際に、単純にバリア層の厚みを増やせば結合は防止できるが、Ｎｂ３Ａｌ多芯超電導線材内部での超電導体占積率が減少する。一方で、超電導体占積率を増大することを目的にバリア層の厚みを薄くすると、Ｎｂ／Ａｌフィラメント間が結合し、実用線材にはなり得ない。また、バリア層が薄いと伸線加工性が悪くなることから、断線の発生につながる。
そこで、線材設計では、予めバリア層が伸線加工途中に破損しないような厚みを確保していた。このため、Ｎｂ３Ａｌ超電導多芯線材において、超電導体占積率を増大させて高いＪｃ特性を得ることと、Ｎｂ／Ａｌフィラメント間の結合および伸線加工時の断線を防止することとを両立できなかった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決し、高いＪｃ特性を維持しつつ、しかも伸線加工時の断線を抑制でき、長尺化が図れるＮｂ３Ａｌ超電導多芯線材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。
本発明の第１の態様は、ＮｂシートとＡｌシートとを合わせ巻きして作製されるＮｂ／Ａｌ積層線材の外周面に、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｂ合金、またはＴａ合金からなるバリア層が設けられて作製されるＮｂ／Ａｌ前駆体シングル線を、金属管内にその中心部に配置される中心ダミー材と共に複数本組み込まれたＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材が、縮径加工、熱処理されて作製されるＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材において、前記Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の横断面内に配置される前記各Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線の前記バリア層の厚みが、前記Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の横断面内で一定ではなく、前記Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の中心部の前記中心ダミー材の外周部に位置する前記Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線の前記バリア層の厚みが厚くなっていることを特徴とするＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材である。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様のＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材において、前記バリア層の厚みが、前記Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の横断面における中心部から外周部側に向かって次第に薄くなっている。
【００１０】
本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様のＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材において、前記中心ダミー材と接する前記Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線の前記バリア層の厚みが、それら以外の前記中心ダミー材と接していない前記Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線のバリア層の厚みよりも少なくとも２倍以上の厚みを有する。
【００１１】
本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれかのＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材おいて、前記中心ダミー材と接する前記Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線のバリア層は、前記縮径加工後の最終的な厚みが２μｍ以上である。
【００１２】
本発明の第５の態様は、第１〜第４の態様のいずれかのＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材において、前記中心ダミー材の外周面にも、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｂ合金、またはＴａ合金からなるバリア層が設けられている。
【００１３】
本発明の第６の態様は、第１〜第５の態様のいずれかのＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材において、前記Ｎｂ３Ａｌ多芯超電導線材の横断面において、超電導線体が占める断面積に対する、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｂ合金、及びＴａ合金が占める断面積の比率であるマトリックス比が０.８５以上である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高いＪｃ特性を維持しつつ、伸線加工時の断線を抑制して長尺化が可能なＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るＮｂ３Ａｌ超電導多芯線材の製造工程を示す流れ図である。
【図２】図１の製造工程の一部を示す説明図である。
【図３】図２の製造工程に続く工程であって、図１の製造工程の一部を示す説明図である。
【図４】図２の前駆体シングル線を拡大して示す横断面図である。
【図５】図２の丸形状の前駆体シングル線を、六角形状あるいは八角形状の断面に加工した状態を示す横断面図である。
【図６】本発明の一実施例に係る前駆体シングル線を示す横断面図である。
【図７】図６の前駆体シングル線を用いて作製した本発明の一実施例に係るＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材を示す横断面図である。
【図８】比較例に係るＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材を示す横断面図である。
【図９】本発明の他の実施例に係るＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材を示す横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明に係るＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材の一実施形態を説明する。
【００１７】
Ｎｂ３Ａｌ多芯超電導線材の代表的な製造方法は、上述したジェリーロール法である。本発明のＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材の作製においても、従来のジェリーロール法による線材作製がベースとなるが、Ｎｂ３Ａｌ多芯超電導線材を形成するためのＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材内に配置される各Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線の外周部のバリア層の厚みが、Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材内で一定ではなく、Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の中心部側で厚くしたことを特徴とする。
【００１８】
本発明の一実施形態に係るＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材を、その製造方法に従って説明する。図１は、本実施形態に係るＮｂ３Ａｌ超電導多芯線材の製造工程を示す流れ図である。図２、図３は、図１の製造工程の一部を図示化した説明図である。
【００１９】
図１、図２および図３を用いて、次に代表的な製造工程を説明する。
まず、所定の厚さを有するＡｌシート１とＮｂシート２とを重ねたものを巻芯３に合わせ巻きすることにより、巻芯３の回りにＡｌとＮｂのジェリーロール部４を有するＮｂ／Ａｌ積層線材（Ｎｂ／Ａｌフィラメント）５を作製する（図２（ａ））。巻芯３には、例えば、Ｔａ、Ｎｂなどからなる丸棒が用いられる。次に、Ｎｂ／Ａｌ積層線材５の外周面に、バリア層を形成するバリアシート材６を巻付け、シングル材７を得る（図２（ｂ））。バリアシート材６は、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｂ合金、またはＴａ合金からなる。本実施形態においては、このバリアシート材６の巻付け長さを種々に変更して、バリア層の厚みが異なる複数種類のシングル材７を作製する。
【００２０】
次に、シングル材７をＣｕパイプ８に充填してシングルビレットを得る（図２（ｃ））。このときＣｕパイプ７ではなく、別の材料を用いても構わないが、加工性に優れ、かつ内部に充填された材料を傷めないことが重要である。シングル材７にＣｕパイプ８を被覆する理由は、シングル材７が表面に露出した状態では、次の縮径加工でダイスの焼き付き等が生じ、加工性が著しく低下するためである。
【００２１】
次に、静水圧押出とダイス伸線により、シングル材７がＣｕパイプ８に充填されたシングルビレットを、所望の線径まで縮径加工して、前駆体シングル線（Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線）９を作製する（図２（ｄ））。必要に応じて、焼鈍処理なども行う。焼鈍の際、加工性の低下を引き起こすＮｂとＡｌとの金属間化合物は生成させない温度で処理することが重要である。具体的には、およそ３５０℃程度の温度で熱処理する。
縮径加工後の前駆体シングル線９は、図４に示すような断面構造を有する。すなわち、中心の巻芯３の外周に、ＡｌとＮｂのジェリーロール層（ジェリーロール部）４と、バリア層（バリアシート材）６と、Ｃｕ層（Ｃｕパイプ）８とが同心配置に設けられている。
【００２２】
本実施形態では、前駆体シングル線９の表面にはＣｕが被覆されている。Ｃｕは、その後に実施する加熱冷却処理の際には、不要な金属であることから、硝酸を主成分とする液体に数時間浸してＣｕを完全に除去する。Ｃｕを除去した前駆体シングル線１０をＣｕＮｉパイプ１２に複数本充填すると共に（図３（ｅ））、ＣｕＮｉパイプ１２の中心部に中心ダミー材１３を充填することにより、複合マルチビレット（Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材）１４を得る（図３（ｆ））。
【００２３】
ＣｕＮｉパイプ１２に前駆体シングル線１０を充填する際には、図５に示すように、丸形状の前駆体シングル線１０（図５（ａ））を、六角形状や八角形状の前駆体シングル線１０（図５（ｂ））に断面形状を加工したものを充填するのが好ましい。最密充填（線材を束ねる際に隙間を最も小さくできる）という観点では、六角形状のものを組込むことが望ましい。前駆体シングル線１０の表面には、バリアシート１１を数ターン巻付ける。このバリアシート１１は、上記のバリアシート材６とは異なるものであり、本実施形態における加工性改善には顕著な効果はないことから、前駆体シングル線１０に対して、２％以上の比率となるように配置すれば十分である。バリアシート１１には、ＮｂやＴａのシートを用いる。
【００２４】
複合マルチビレット１４内に配置される各前駆体シングル線１０のバリア層の厚さを全て同じ厚さとする場合、超電導体占積率を増大すべくバリア層の厚みを薄くすると、複合マルチビレット１４の伸線工程で断線が発生してしまった。断線箇所を調べたところ、中心ダミー材１３と中心ダミー材１３に接する前駆体シングル線１０との界面近傍が断線の起点となっていることが判った。
この知見に基づき、本実施形態では、複合マルチビレット１４内に配置される各前駆体シングル線１０の外周部のバリア層６の厚みを、複合マルチビレット１４内で一定とせず、複合マルチビレット１４の中心部の中心ダミー材１３の外周部に位置する前駆体シングル線１０のバリア層６の厚みを厚くしている。このように、一律に前駆体シングル線１０のバリア層６の厚みを厚くするのではなく、中心ダミー材１３の外周部に位置する前駆体シングル線１０のバリア層６の厚みだけを厚くしているので、複合マルチビレット１４の伸線による断線を防止できると共に、高い超電導体占積率を維持できる。
【００２５】
たとえば、複合マルチビレット１４内に配置される各前駆体シングル線１０のバリア層６の厚みを、複合マルチビレット１４の横断面における中心部から外周部側に向かって次第に薄くする（後述の実施例の図７参照）。
あるいは、中心ダミー材１３と接する第一層目の前駆体シングル線１０のバリア層６の厚みを、第二層目から最外層の前駆体シングル線１０のバリア層６の厚み（一定の厚み）よりも厚くする（後述の実施例の図９参照）。
また、中心ダミー材１３と接する第一層目の前駆体シングル線１０のバリア層６の厚みを、第二層目から最外層の前駆体シングル線１０のバリア層６の厚みよりも、少なくとも２倍以上の厚みとするのが好ましい。あるいは、第一層目の前駆体シングル線のバリア層６は、縮径加工後の最終的な厚みが２μｍ以上であるのが好ましい。
【００２６】
複合マルチビレット１４内には、図３（ｆ）に示すように、例えば、前駆体シングル線１０を２２２本、中心ダミー材１３を１９本充填した２４１芯構造とする。Ｎｂ３Ａｌ超電導線材を適用する機器や使用環境などに応じて、前駆体シングル線１０、中心ダミー材１３の芯数を適宜増減させる。
また、交流応用の場合には、前駆体シングル線１０にツイスト加工を施すことも重要になってくる。Ｎｂ３Ａｌ超電導線材の中心ダミー材１３には、前駆体シングル線８と同じサイズのＮｂやＴａなどの金属が用いられる。これにより、機械的強度の確保と伸線加工性の向上が実現できる。中心ダミー材１１の材質や本数は、必要に応じて適宜変更する。複合マルチビレット１４は、静水圧押出とダイス伸線によって所望の径まで縮径加工することにより、前駆体マルチ線１５を得る（図３（ｇ））。縮径加工において、必要に応じて、焼鈍処理を施すことにより断線を防止できる。
【００２７】
本実施形態の前駆体マルチ線１５の表面にはＣｕＮｉ合金が被覆されている。ＣｕＮｉ合金は、その後の加熱冷却（急熱急冷）処理の際には、不要な金属であることから、硝酸を主成分とする液体数時間浸してＣｕＮｉ合金を完全に除去する。
その後、ＣｕＮｉを除去した前駆体マルチ線１５に急熱急冷処理を施してＮｂ−Ａｌ過
飽和固溶体を形成する。前駆体マルチ線１５は、自己通電加熱により１５００〜２０００℃の高温で短時間に急速加熱される。急速加熱された前駆体マルチ線１５は、すぐにＧａバス等で急速冷却されてＮｂ−Ａｌ過飽和固溶体が形成される。加熱冷却処理後のＮｂ−Ａｌ過飽和固溶体は、線材を８００℃で１０時間程度の再加熱処理（変態熱処理）を実施することにより、Ｎｂ３Ａｌ化合物が生成される。
【００２８】
静水圧押出後の線材の縮径加工は、ドローベンチ、スエージャー、カセットローラーダイス、或いは、溝ロールを用いて１パス当りの断面減少率が１０〜３０％程度の伸線加工を繰り返し行う。線材の多芯化を行う際には、丸断面形状或いは六角断面形状に伸線加工した前駆体シングル線材をパイプに組み込み、上記の装置を用いて、１パス当りの断面減少率が１０〜３０％程度で、所定とする線径まで伸線加工するのが一般的な加工法である。最終形状まで加工した前駆体マルチ線は、適切な温度や雰囲気で熱処理をすることによって、高いＪｃを持つＮｂ３Ａｌ超電導線材が得られる。高いＪｃを得るためには、ＮｂまたはＮｂ合金とＡｌまたはＡｌ合金との体積比（Ｎｂ／Ａｌ）は、２.５〜３.５の範囲が望ましい。
【００２９】
本発明のＮｂ３Ａｌ超電導線材は、超電導マグネットに用いることができる。本発明のＮｂ３Ａｌ超電導線材は、高靭性・高硬度性を有することから、線材自身の降伏応力、引張り強度、ヤング率などの機械的強度の面で優れている。その結果、強磁場による電磁力にも耐える超電導マグネットを製造することができる。さらに、両端抵抗を十分に抑えることで、永久電流超電導マグネットが実現できる。
また、本発明のＮｂ３Ａｌ超電導線材を、例えば、液体ヘリウム中で使用する場合には、金属系超電導体や酸化物超電導体と組み合わせた構造にすることで、より強い磁場を発生する超電導マグネット等の実用導体を実現できる。このときの金属系超電導体としては、ＮｂＴｉ系合金、Ｎｂ３Ｓｎ系化合物、Ｖ３Ｇａ系、ＭｇＢ２系、シェブレル系化合物等を用い、必要に応じて２種以上のマグネットを配置する。また、酸化物超電導体には、Ｙ系、Ｂｉ系、Ｔｌ系、Ｈｇ系、Ａｇ−Ｐｂ系の超電導体が望ましい。
また、本発明のＮｂ３Ａｌ超電導線材を、冷凍機伝導冷却で使用する場合には、ＭｇＢ２系あるいは酸化物超電導体と組合せることにより、より高性能の超電導マグネット等の実用導体を実現できる。
Ｎｂ３Ａｌ化合物超電導多芯線材を、例えば高エネルギー粒子加速器などの放射線環境下における超電導マグネットに利用する場合は、超電導線材が放射化して超電導特性が低下する他、被爆管理などの問題が生じる。したがって、Ｎｂ３Ａｌ化合物超電導多芯線材を高エネルギー粒子加速器などの放射線環境中で利用する場合には、超電導線材自身の低放射化対策として中心ダミー材には半減期が短いＴａを用いるのがよい。中心ダミー材にＴａを用いることで、超電導線材自身の低放射化を図ることができる。特に、低放射化に当たってＴａを用いることは、ＴａがＮｂに比べて液体ヘリウム温度下における磁気的な安定性に優れていることからも好ましい。
【実施例】
【００３０】
次に、本発明の実施例を説明する。
〔実施例１〕
実施例１では、上記実施形態で述べたと同様な製造方法を用いて前駆体マルチ線を作製した。まず、表１及び図６に示す５種類のバリア層の厚みの異なる前駆体シングル線２１〜２５を作製し、これら５種類の前駆体シングル線２１〜２５を用いて、図７に示す構造の前駆体マルチ線を作製した。
まず、出発素材として、厚さ０.０３ｍｍのＡｌシートと厚さ０.１０ｍｍのＮｂシートを、巻芯である直径２ｍｍのＴａ棒に合わせ巻きし、Ｎｂ／Ａｌフィラメント（Ｎｂ／Ａｌ積層線材）を作製した。その外周に厚さ０.１ｍｍのＴａシート（バリアシート材）を
バリア層として巻付け、外径１３ｍｍにした。この際、各シートを５種類の巻付け長さに
して、バリア層の厚みを調整した。
表１に５種類の線材のＮｂ／Ａｌフィラメントの径とＴａバリアの厚さを示す。なお、Ｎｂ／ＡｌフィラメントとＴａバリアを合わせた外径は、５種類とも１３ｍｍになるように設定した。Ｎｏ.１の試料は最もＴａバリアが厚く、Ｎｏ.５の試料は最もＴａバリア層が薄い構造となっている。図５（ａ）〜（ｅ）に、Ｎｏ.１〜５の試料のＮｂ／Ａｌフィ
ラメントからそれぞれ作製される前駆体シングル線２１〜２５の断面模式図を示す。図５に示すように、前駆体シングル線２１〜２５は六角形の断面を有し、中心の巻芯３の外周にＡｌ／Ｎｂのジェリーロール層４と、バリア層６とが配置されている。
【００３１】
【表１】
Ｔａバリアを備えたＮｂ／Ａｌフィラメントの外径を１３ｍｍにした後、外径１６ｍ
ｍ、内径１４ｍｍ、長さ１５０ｍｍのＣｕパイプに組込んだ。本実施例では、表１のＮｏ.１〜５の試料をいずれも各３本作製することにした。これを押出機により、線径７ｍｍ
まで押出加工した後、ドローベンチを用いて、最終的に六角対辺長を４.３０ｍｍに伸線
加工して、前駆体シングル線を得た。
次に、前駆体シングル線全体を硝酸に浸して、外側に被覆されるＣｕを完全に除去した。Ｃｕ除去後の六角対辺長は３.９５ｍｍである。Ｎｏ.１〜５のそれぞれについて、長さ３００ｍｍに切断した後、外径５８.８ｍｍ、内径５３.９ｍｍのＣｕＮｉパイプに組込んだ。本実施例では１４４芯を組込む構造にしたが、横断面内の中心部から外周部にかけてＴａバリア層の厚みを一定にせず、中央部に配置されるものほど、Ｔａバリア層の厚みを厚くした。なお、中心ダミー材には六角対辺長が２.５５ｍｍのＴａ棒を７本配置した。
なお、最外周には、厚さ０.２ｍｍのＴａシートを５ターン巻付けた。
この多芯線を押出機により、線径３０ｍｍまで押出加工した。その後、ドローベンチや釜状の伸線機を用いて、伸線加工を継続した。その結果、線径１.０ｍｍまで無断線で加
工することができた。その後、伸線加工を継続して実施したが、線径が０.７ｍｍ近傍で
断線が多発することが分かった。
図７は伸線加工後の前駆体マルチ線の断面模式図である。図７に示すように、中心部の７本の中心ダミー材１３の外周に、バリア層６の厚みが前駆体マルチ線の中心部から外周部側に向かって次第に薄くなるように、前駆体シングル線２１〜２５が配置されている。
また、本実施例では、バリア層としてＴａをＮｂ／Ａｌフィラメントの表面に巻付けたが、Ｔａ合金、ＮｂまたはＮｂ合金、非磁性の他の金属でも同様の効果を有することを確認した。但し、急熱急冷処理で１５００℃を超える温度で熱処理を行うので、融点が１５００℃以上で、かつ超電導特性を低下させない材料であることが不可欠である。
なお、前駆体シングル線の芯線数については特に限定されず、芯数が異なっても同様の結果が得られた。このように、応用する機器に応じて増減させることは何ら問題ないことが分かった。
【００３２】
〔比較例１〕
実施例１において、前駆体シングル線を作製する際のＴａバリア層の厚みをすべて一定にした以外は、実施例１と同様の工程で線材を作製した。すなわち、Ｎｂ／Ａｌフィラメントを１１.７ｍｍ、Ｔａバリアの厚みを０.６５ｍｍ（表１のＮｏ.４の試料）で統一し
て、前駆体シングル線２４を作製し、これを多芯組込みした。
図８に組込んだ複合マルチビレットを伸線した伸線途中の断面図を示す。図８に示すように、伸線途中の前駆体マルチ線の横断面内の中央部から外周部まで、全て同一断面構成の前駆体シングル線２４が配置されている。
実施例１と同様の縮径工程で複合マルチビレットから前駆体マルチ線の作製を試みたが、線径２.９ｍｍで断線した。光学顕微鏡を用いて、断線部の破断面を観察した結果、Ｔ
ａ中心ダミー材１３とそれに接する前駆体シングル線２４の界面近傍が断線の起点になっていることが分かった。
【００３３】
〔実施例２〕
出発素材として、厚さ０.０２５ｍｍのＡｌシートと厚さ０.０８ｍｍのＮｂシートを、巻芯である直径２ｍｍのＮｂ棒に合わせ巻きし、Ｎｂ／Ａｌフィラメントを作製した。その外周部に厚さ０.１ｍｍのＴａシートをバリア層として巻付け、外径１３ｍｍにした。
本実施例では、中心ダミーと直接接する中心部第一層目のＴａバリア層を、それ以外の層（第二層目から最外層までの層）に配置されるＴａバリア層（第二層目から最外層まで全て０.５ｍｍとした）よりも１.２〜４倍の厚みとし、伸線加工性を比較することにした。
表２に、第二層目から最外層までのＴａバリアの厚さを１としたときの、第二層目から最外層までのＴａバリア層の厚さに対する第一層目のＴａバリア層の厚さの比率を示す。
【００３４】
【表２】
表２の比率で合わせ巻きしたフィラメントとＴａバリアを、外径１６ｍｍ、内径１４
ｍｍ、長さ１５０ｍｍのＣｕパイプに組込んだ。これを押出機により、線径８ｍｍまで押出加工した。その後、ドローベンチを用いて、最終的に六角対辺長を４.３０ｍｍに伸線
加工して、前駆体シングル線を得た。
次に、前駆体シングル線全体を硝酸に浸して、外側に被覆されるＣｕを完全に除去した。Ｃｕ除去後の六角対辺長は３.９５ｍｍである。六角形状に伸線したＮｏ.６〜１１を所定の長さに切断した後、外径５９.０ｍｍ、内径５３.２ｍｍのＣｕＮｉパイプに組込んだ。図９に組込んだ後、縮径加工した前駆体マルチ線の断面模式図を示す。
本実施例では、１４４芯を組み込む構造にしたが、中心ダミー材１３と直接接する第一層目のみＴａバリア層６の厚みを増大し、第二層目から最外層のＴａバリア層６の厚みは一定にしている。なお、中心ダミー材１３には六角対辺長が２.５５ｍｍのＮｂ棒を７本
配置した。
この多芯線を押出機により、線径２８ｍｍまで押出加工した。その後、ドローベンチや
釜状の伸線機を用いて、伸線加工を継続した。その結果、Ｎｏ.６〜８では線径１.０ｍｍまでに５〜１０回断線したが、Ｎｏ.９〜１１では無断線で加工することができた。
その後の詳細な検討により、表３に記載の通り、中心ダミー材と直接接する中心部第一層目のバリア厚みと加工性の相関を検討し、中心部第一層目のバリア層の厚みが２μｍを下回ると断線頻度が増加することが分かった。
【００３５】
【表３】
以上のことから、中心ダミー材と直接接する中心部第一層目のバリア層の厚みは、最
終線経で２μｍ以上になるようにあらかじめ線材の断面構造の設計をしておくことが重要であることが明らかとなった。
【００３６】
〔実施例３〕
実施例１と同様にして、六角対辺長が２.８０ｍｍの前駆体シングル線を得た。次に、
前駆体シングル線全体を硝酸に浸して、外側に被覆されるＣｕを完全に除去した。除去後の前駆体シングル線の六角対辺長は２.５５ｍｍである。これを、長さ３００ｍｍに２７
６本切断した後、外径５９ｍｍ、内径５４ｍｍのＣｕＮｉパイプに組込んでマルチビレットを作製した。このとき、中心には中心ダミー材として、六角対辺長が２.５５ｍｍのＴ
ａ棒を３７本配置した。
比較例１では、中心ダミー材をそのまま配置したが、この実施例３では中心ダミー材のＴａ棒の一本一本にＴａシートを厚さ０.４ｍｍ巻付け、実質的に中心部第一層目のバリ
ア層の厚みを増加させた。そして、加工性を比較検討することにした。
得られたビレットを押出機により、線径３０ｍｍまで押出加工した。その後、ドローベンチや釜状の伸縮機を用いて、伸線加工を継続した。その結果、比較例１では断線が発生した線径２.９ｍｍ以下でも無断線で加工でき、最終的には線径１.０ｍｍまで無断線のまま加工できた。
以上のことから、多芯組込みを行う際、中心ダミー材自身に、Ｎｂ／Ａｌフィラメントの外周に巻付けるバリア層と同等のものを配置することは断線防止に有効であることが分かった。
【００３７】
〔実施例４〕
これまでに述べてきた実施例や比較例から、バリア層の厚みを厚くすることは歩留まりの向上に有効であるといえる。しかし、バリア層は線材断面内の超電導体占積率を低下させるため、超電導特性の向上という観点ではバリア層や中心ダミー材の割合をできる限り少なくすることが求められる。
本実施例では、それらの割合をマトリックス比と呼ぶが、このマトリックス比をどこまで低減可能かを検討した。その結果を表４に示す。ここで、マトリックス比とは、線材断面内に超電導体が占める面積を１とした場合の超電導体以外の材料が占める面積の比率である。また、本実施例では、最終線径を１.５ｍｍに設定し、断線回数を調査した。
また、線径１.５ｍｍまで伸縮加工した線材は、急熱急冷処理と変態熱処理を行うこと
で、Ｎｂ３Ａｌ超電導線材とし、液体ヘリウム温度で、磁場を２０Ｔまで印加してＪｃを測定した。
【００３８】
【表４】
マトリックス比が０.６の場合は、断線回数が著しく多く、Ｊｃも低いことが分かった。Ｊｃ低下の要因は、バリア層が薄くなり過ぎることで一部分が欠損してしまい、本来のバリアの役目を果たさず、急熱急冷や再加熱（変態熱処理）時に超電導ではない別の反応相ができてしまったためであることが分かった。また、マトリックス比が０.７５の場合
は、Ｊｃに関しては問題ないが、断線頻度が多くなることも分かった。
したがって、超電導体の面積比を１とした場合に、マトリックス比が０.８５以上であれば、超電導体の面積比を必要以上に減少させることがなく、高い超電導特性を維持することができ、それと同時に、伸線加工時の断線を抑制することが可能となる。したがって、超電導特性に寄与しないバリア層や中心ダミーを必要以上に配置することがなく有効である。さらに、歩留よくＮｂ３Ａｌ化合物超電導多芯線材の生産性を上げることが可能となる。
【符号の説明】
【００３９】
１ Ａｌシート
２ Ｎｂシート
３ 巻芯
４ ジェリーロール部（ジェリーロール層）
５ Ｎｂ／Ａｌ積層線材
６ バリアシート材（バリア層）
７ シングル材
８ Ｃｕパイプ（Ｃｕ層）
９ 前駆体シングル線（Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線）
１０ Ｃｕ被覆を除去した前駆体シングル線（Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線）
１１ バリアシート
１２ ＣｕＮｉパイプ
１３ 中心ダミー材
１４ 複合マルチビレット（Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材）
１５ 複合マルチ線（Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線）
２１〜２５ 前駆体シングル線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮｂシートとＡｌシートとを合わせ巻きして作製されるＮｂ／Ａｌ積層線材の外周面に、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｂ合金、またはＴａ合金からなるバリア層が設けられて作製されるＮｂ／Ａｌ前駆体シングル線を、金属管内にその中心部に配置される中心ダミー材と共に複数本組み込まれたＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材が、縮径加工、熱処理されて作製されるＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材において、
前記Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の横断面内に配置される前記各Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線の前記バリア層の厚みが、前記Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の横断面内で一定ではなく、前記Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の中心部の前記中心ダミー材の外周部に位置する前記Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線の前記バリア層の厚みが厚くなっていることを特徴とするＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材。
【請求項２】
前記バリア層の厚みが、前記Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の横断面における中心部から外周部側に向かって次第に薄くなっていることを特徴とする請求項１に記載のＮｂ３Ａｌ超電導多芯線材。
【請求項３】
前記中心ダミー材と接する前記Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線の前記バリア層の厚みが、それら以外の前記中心ダミー材と接していない前記Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線のバリア層の厚みよりも少なくとも２倍以上の厚みを有することを特徴とする請求項１または２に記載のＮｂ３Ａｌ超電導多芯線材。
【請求項４】
前記中心ダミー材と接する前記Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線のバリア層は、前記縮径加工後の最終的な厚みが２μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＮｂ３Ａｌ超電導多芯線材。
【請求項５】
前記中心ダミー材の外周面にも、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｂ合金、またはＴａ合金からなるバリア層が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＮｂ３Ａｌ超電導多芯線材。
【請求項６】
前記Ｎｂ３Ａｌ多芯超電導線材の横断面において、超電導線体が占める断面積に対する、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｂ合金、及びＴａ合金が占める断面積の比率であるマトリックス比が０.８５以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＮｂ３Ａｌ超電導多
芯線材。
【請求項１】
ＮｂシートとＡｌシートとを合わせ巻きして作製されるＮｂ／Ａｌ積層線材の外周面に、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｂ合金、またはＴａ合金からなるバリア層が設けられて作製されるＮｂ／Ａｌ前駆体シングル線を、金属管内にその中心部に配置される中心ダミー材と共に複数本組み込まれたＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材が、縮径加工、熱処理されて作製されるＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材において、
前記Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の横断面内に配置される前記各Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線の前記バリア層の厚みが、前記Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の横断面内で一定ではなく、前記Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の中心部の前記中心ダミー材の外周部に位置する前記Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線の前記バリア層の厚みが厚くなっていることを特徴とするＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材。
【請求項２】
前記バリア層の厚みが、前記Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材の横断面における中心部から外周部側に向かって次第に薄くなっていることを特徴とする請求項１に記載のＮｂ３Ａｌ超電導多芯線材。
【請求項３】
前記中心ダミー材と接する前記Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線の前記バリア層の厚みが、それら以外の前記中心ダミー材と接していない前記Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線のバリア層の厚みよりも少なくとも２倍以上の厚みを有することを特徴とする請求項１または２に記載のＮｂ３Ａｌ超電導多芯線材。
【請求項４】
前記中心ダミー材と接する前記Ｎｂ／Ａｌ前駆体シングル線のバリア層は、前記縮径加工後の最終的な厚みが２μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＮｂ３Ａｌ超電導多芯線材。
【請求項５】
前記中心ダミー材の外周面にも、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｂ合金、またはＴａ合金からなるバリア層が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＮｂ３Ａｌ超電導多芯線材。
【請求項６】
前記Ｎｂ３Ａｌ多芯超電導線材の横断面において、超電導線体が占める断面積に対する、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｂ合金、及びＴａ合金が占める断面積の比率であるマトリックス比が０.８５以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＮｂ３Ａｌ超電導多
芯線材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２８２９３０（Ｐ２０１０−２８２９３０Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３７３０５（Ｐ２００９−１３７３０５）
【出願日】平成２１年６月８日（２００９．６．８）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月８日（２００９．６．８）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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