Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体及びそれを用いたＮｂ３Ｓｎ超電導線材並びにＮｂ３Ｓｎ超電導線材の製造方法
【課題】内部スズ法によるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の作製において、伸線加工時のＳｎ単芯線の変形に伴うＮｂ単芯線の配置の乱れ、熱処理のＳｎの溶融によるＮｂ単芯線の配置の乱れ、熱処理によりＳｎ単芯線に発生するボイドのサイズ、を低減できるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体を提供する。
【解決手段】Ｔａ、Ｔａ合金、Ｎｂ、Ｎｂ合金のいずれかからなるバリア層１３が内面に形成されたＣｕ管１２と、Ｃｕ管１２内に配置され、Ｓｎ若しくはＳｎ合金１４、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金１４をＣｕ１５で被覆してなる複数のＳｎ単芯線１６と、Ｃｕ管１２内に配置され、Ｎｂ若しくはＮｂ合金１７、あるいはＮｂ若しくはＮｂ合金１７をＣｕ１８で被覆してなる複数のＮｂ単芯線１９と、からなり、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９とが、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接しないようにＣｕ管１２内に配置した前駆体１１である。
【解決手段】Ｔａ、Ｔａ合金、Ｎｂ、Ｎｂ合金のいずれかからなるバリア層１３が内面に形成されたＣｕ管１２と、Ｃｕ管１２内に配置され、Ｓｎ若しくはＳｎ合金１４、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金１４をＣｕ１５で被覆してなる複数のＳｎ単芯線１６と、Ｃｕ管１２内に配置され、Ｎｂ若しくはＮｂ合金１７、あるいはＮｂ若しくはＮｂ合金１７をＣｕ１８で被覆してなる複数のＮｂ単芯線１９と、からなり、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９とが、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接しないようにＣｕ管１２内に配置した前駆体１１である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高磁場マグネットなどに応用可能な高臨界電流密度（Ｊｃ）なＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体及びそれを用いたＮｂ3Ｓｎ超電導線材並びにＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法として、従来よりブロンズ法が広く用いられている。ブロンズ法はＣｕ−Ｓｎ合金いわゆるブロンズ製のマトリクス中に多数のＮｂフィラメントを配置した構造の線材を形成し、熱処理を施すことによりＣｕ−Ｓｎ合金中のＳｎがＮｂフィラメントに拡散してＮｂフィラメントの部分にＮｂ3Ｓｎを生成し、超電導線材とする方法である。
【０００３】
しかしＣｕ−Ｓｎ合金におけるＳｎの固溶限は１６質量％程度が上限であるため、それ以上のＮｂ3Ｓｎの生成はできず、臨界電流値（Ｉｃ）にも限界が生じていた。
【０００４】
そのためＳｎの供給源をＣｕ−Ｓｎ合金以外の方法で行い、より多くのＳｎを供給できる内部スズ法が開発された。
【０００５】
図１１に示すように、内部スズ法は、Ｔａ合金などからなるバリア層１１３を内面に設けたＣｕ製のマトリクス（Ｃｕ管）１１２の内部に、Ｎｂ合金１１４をＣｕ１１５で被覆してなる複数本のＮｂ単芯素線１１６を配置し、さらにＣｕマトリクス１１２の中心部に、ＳｎまたはＳｎ合金１１７をＣｕ１１８で被覆してなるＳｎ芯１１９をＳｎ供給源として配置した構造の多芯ビレット１２０を作製し、これを減面加工して作製したサブエレメント線１２１をＣｕ管１２２に複数本束ねて配置した前駆体１１１を用いて多芯線材（前駆体線材）を作製し、しかる後、前駆体線材に対して熱処理を行うことにより、Ｓｎ層（Ｓｎ芯１１９）からＣｕマトリクスを介してＳｎが拡散してＮｂフィラメント部分でＮｂ3Ｓｎフィラメント（線材）を生成する方法である。
【０００６】
また内部スズ法の別の線材作製法として、図１２に示すように、Ｃｕマトリクス（Ｃｕ管）１２３中に、複数のＮｂ単芯素線１１６を配置してなる多芯ビレット１２４を減面加工して作製した複数のサブエレメント線１２５と、Ｓｎ１２６あるいはその外周にＣｕ１２７を配置してなるＳｎ単芯素線１２８とを、内面にバリア層１３０が設けられたＣｕ管１２９内部に配置して前駆体１３１を作製し、これを用いて多芯線材を作製する方法も行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
内部スズ法はブロンズ法に比べてＳｎの複合化の割合を高くすることができるため、線材の臨界電流密度（Ｊｃ）としてたとえば１２Ｔ（テスラ）の磁場中でｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃ（非銅部面積基準臨界電流密度）＝２９００Ａ／ｍｍ2の高い特性が得られている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−４６８４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】J.A. Parrell et al., "High field Nb3Sn conductor development at Oxford Superconducting Technology", IEEE Trans. Appl. Supercond., 2003, vol.13, No.2, pp.3470-3473
【非特許文献２】理科年表，国立天文台編，丸善
【非特許文献３】久保芳生ほか，「内部拡散法によるＮｂ3Ｓｎフィラメントのブリッジング生成機構の解明」，低温工学，第３１巻，第６号，１９９６年，ｐｐ．３０６−３１３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の２種類の製法は、各Ｓｎ素線（すなわち、図１１のＳｎ芯１１９あるいは図１２のＳｎ単芯素線１２８）の周りに多数のＮｂ素線が配置された構成となっている。言い換えるとＮｂ素線の寸法に対して大きな寸法のＳｎ素線が組み込まれている。例えば、第１の方法、すなわちＳｎ芯の周りに多数のＮｂフィラメントを配置した素線を用いる場合、１本のＳｎ芯に対して、数１０〜数１００本のＮｂフィラメントが配置されている。
【００１１】
Ｎｂ3Ｓｎをちょうど生成するのに必要なＮｂとＳｎの割合はモル比で３：１であるが、これを体積比率すなわち断面積の比率に換算するとＮｂとＳｎの割合は理論的におよそ２：１である。
【００１２】
以下に、その根拠となる式を示す。
【００１３】
物質の体積は、その物質のモル数、原子量、密度を用いて次式で表される。
体積＝モル数×原子量／密度
従って、ＮｂとＳｎの体積比は
ＮｂとＳｎの体積比＝（Ｎｂモル数×Ｎｂ原子量／Ｎｂ密度）／（Ｓｎモル数×Ｓｎ原子量／Ｓｎ密度）
となる。
【００１４】
Ｎｂ原子量は９２．９１、Ｎｂ密度は８．５７ｇ／ｃｍ3、Ｓｎ原子量は１１８．７１、Ｓｎ密度は７．３１ｇ／ｃｍ3（非特許文献２より）なので、Ｎｂのモル数を３、Ｓｎのモル数を１とすると、ＮｂとＳｎの体積比は次式で求められる。
ＮｂとＳｎの体積比＝（３×９２．９１／８．５７）／（１×１１８．７１／７．３１）≒２．０
【００１５】
従って、仮にＮｂフィラメント数が２００本の場合、これと反応してＮｂ3Ｓｎを生成するのに必要なＳｎはＮｂフィラメントの半分の１００本分の断面積が必要となる。したがって、Ｓｎフィラメントを単芯線とした場合の外径はＮｂフィラメントの１０倍となり、Ｎｂフィラメントに対してＳｎフィラメントが非常に大きい構成となる。
【００１６】
さらに、超電導線材の断面を構成する主な材料はＮｂ、Ｃｕ、およびＳｎであるが、このうちＳｎはＮｂ、Ｃｕ、と比較して非常に軟らかく、容易に変形する特性を有する。
【００１７】
このため、上記の場合のように、１本のＳｎ芯の周りに、それより寸法の小さな多数のＮｂフィラメントが配置された構成の場合には、多芯線材のビレットを組み立てた後、押出加工や伸線加工などの減面加工を行って所定の線径の線材を作製する際に、線材断面内でＳｎ芯の部分の形状が変形すると、それによってＳｎ芯の周囲にある多くのＮｂフィラメントの配置が乱れて、超電導特性の不均一性の原因になるという問題が生じる。Ｎｂフィラメントに対するＳｎフィラメントの寸法が大きいほどその傾向が顕著であった。
【００１８】
また、内部スズ法は、熱処理によりＳｎエレメントのＳｎが周囲のＣｕに拡散してＣｕ−Ｓｎ合金あるいはＣｕ−Ｓｎ化合物を生成し、その後ＳｎはさらにＮｂフィラメントに拡散してＮｂ3Ｓｎを生成する方法であるが、６５０〜７５０℃で行うＮｂ3Ｓｎ生成熱処理温度に対して、単体のＳｎは融点が約２３０℃と非常に低く、またＳｎの拡散の過程で生成するＣｕ−Ｓｎ合金あるいはＣｕ−Ｓｎ化合物についてもＳｎ含有量が高いとＮｂ3Ｓｎ生成熱処理温度では液相が一部生成する。
【００１９】
従って、線材のサブエレメント中にあるＮｂの多芯フィラメントは熱処理中に周囲が液相あるいは液相を含む軟らかいＣｕ−Ｓｎ合金で囲まれた状態となる場合があり、特に周囲と接する部分のＮｂフィラメントは液相中に移動してしまい、超電導特性が低下するという問題が生じることがあった。これについても前述と同様にＮｂフィラメントに対するＳｎフィラメントの寸法が大きいほどその傾向が顕著であった（非特許文献３）。
【００２０】
またさらに、ＳｎがＮｂに拡散した跡には空隙（ボイド）が残る場合が散見される。上述したように従来の内部スズ法による超電導線材では、Ｎｂフィラメントに対してＳｎフィラメントのサイズが大きいことから、Ｎｂフィラメントより大きな寸法のボイドができる場合がある。超電導線材を超電導マグネットとして使用する場合は、超電導線材に強力な磁界が加わり、超電導電流の流れるＮｂ3Ｓｎフィラメントには大きな電磁力が加わる。フィラメントの近傍に大きなボイドが有ると電磁力を受けたフィラメントが動く可能性があり、これにより線材の超電導状態が急に壊れて常電導状態になる（いわゆるクエンチ現象）、あるいは線材の特性劣化に至る可能性が有り、安定した超電導線材への通電を妨げる原因となっていた。
【００２１】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、内部スズ法によるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の作製において、伸線加工時のＳｎ単芯線の変形に伴うＮｂ単芯線の配置の乱れ、熱処理のＳｎの溶融によるＮｂ単芯線の配置の乱れ、熱処理によりＳｎ単芯線に発生するボイドのサイズ、を低減し、超電導特性の低下を防止できるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体及びそれを用いたＮｂ3Ｓｎ超電導線材並びにＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するために本発明は、内部スズ法によるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であって、Ｔａ、Ｔａ合金、Ｎｂ、Ｎｂ合金のいずれかからなるバリア層が内面に形成されたＣｕ管と、前記Ｃｕ管内に配置され、Ｓｎ若しくはＳｎ合金、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金をＣｕで被覆してなる複数のＳｎ単芯線と、前記Ｃｕ管内に配置され、Ｎｂ若しくはＮｂ合金、あるいはＮｂ若しくはＮｂ合金をＣｕで被覆してなる複数のＮｂ単芯線と、からなり、前記Ｓｎ単芯線と前記Ｎｂ単芯線とが、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように前記Ｃｕ管内に配置されるものである。
【００２３】
前記Ｓｎ単芯線および前記Ｎｂ単芯線が内部に配置された前記Ｃｕ管を伸線加工した後の断面において、前記Ｎｂ単芯線と前記Ｓｎ単芯線の径がいずれも３０μｍ以下であるとよい。
【００２４】
前記Ｓｎ単芯線の断面積に対する前記Ｎｂ単芯線の断面積の比率が０．３〜２．２であるとよい。
【００２５】
前記Ｎｂ単芯線の合計の断面積と、前記Ｓｎ単芯線の合計の断面積の比率［Ｎｂ単芯線合計断面積］／［Ｓｎ単芯線合計断面積］は１．２〜２．２であるとよい。
【００２６】
前記Ｎｂ単芯線が、前記Ｓｎ単芯線を囲むように前記Ｃｕ管内に配置され、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないようにされるとよい。
【００２７】
前記Ｓｎ単芯線と前記Ｎｂ単芯線とＣｕ単芯線とが、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように前記Ｃｕ管内に配置されてもよい。
【００２８】
また本発明は、上記いずれかのＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体を熱処理してなるＮｂ3Ｓｎ超電導線材である。
【００２９】
また本発明は、Ｎｂ若しくはＮｂ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＮｂ単芯線を作製する工程と、Ｓｎ若しくはＳｎ合金棒を減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程と、Ｃｕ管内面にＮｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｔａ合金のいずれかからなるバリア層を設け、その内部に複数の前記Ｎｂ単芯線と前記Ｓｎ単芯線を、前記Ｓｎ単芯線の周囲に前記Ｎｂ単芯線が隣接し、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように配置して前駆体を作製する工程と、前記前駆体を伸線加工して前駆体線材とする工程と、前記前駆体線材を熱処理する工程と、からなるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００３０】
また本発明は、Ｎｂ若しくはＮｂ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＮｂ単芯線を作製する工程と、Ｓｎ若しくはＳｎ合金棒を減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程と、Ｃｕ管内面にＮｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｔａ合金のいずれかからなるバリア層を設け、その内部に複数の前記Ｎｂ単芯線と前記Ｓｎ単芯線を、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように配置して多芯ビレットを作製する工程と、前記多芯ビレットを減面加工してサブエレメント線とする工程と、前記サブエレメント線を複数本束ねてＣｕ管中に収容して前駆体を作製する工程と、前記前駆体を伸線加工して前駆体線材とする工程と、前記前駆体線材を熱処理する工程と、からなるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００３１】
また本発明は、Ｎｂ若しくはＮｂ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＮｂ単芯線を作製する工程と、Ｓｎ若しくはＳｎ合金棒を減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程と、Ｃｕ管内部に複数の前記Ｎｂ単芯線と前記Ｓｎ単芯線を、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように配置して多芯ビレットを作製する工程と、前記多芯ビレットを減面加工してサブエレメント線とする工程と、Ｃｕ管内面にＮｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｔａ合金のいずれかからなるバリア層を設け、その内部に前記サブエレメント線を複数本束ねて収容して前駆体を作製する工程と、前記前駆体を伸線加工して前駆体線材とする工程と、前記前駆体線材を熱処理する工程と、からなるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、内部スズ法によるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の作製において、伸線加工時のＳｎ単芯線の変形に伴うＮｂ単芯線の配置の乱れ、熱処理のＳｎの溶融によるＮｂ単芯線の配置の乱れ、熱処理によりＳｎ単芯線に発生するボイドのサイズ、を低減し、超電導特性の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、Ｓｎ単芯線１本：Ｎｂ単芯線２本で組み込む断面構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、Ｓｎ単芯線１本：Ｎｂ単芯線３本で組み込む断面構成を示す断面図である。
【図３】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、Ｓｎ単芯線１本：Ｎｂ単芯線４本で組み込む断面構成を示す断面図である。
【図４】Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、Ｓｎ単芯線１本：Ｎｂ単芯線６本で組み込む断面構成を示す断面図である。
【図５】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、Ｓｎ単芯線１本：Ｎｂ単芯線１本：Ｃｕ単芯線１本で組み込む断面構成を示す断面図である。
【図６】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、Ｓｎ単芯線１本：Ｎｂ単芯線２本：Ｃｕ単芯線１本で組み込む断面構成を示す断面図である。
【図７】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、Ｓｎ単芯線２本：Ｎｂ単芯線３本：Ｃｕ単芯線１本で組み込む断面構成を示す断面図である。
【図８】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、多芯ビレットから作製したサブエレメント線を組み込む断面構成を示す図である。
【図９】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、多芯ビレットから作製したサブエレメント線を組み込む断面構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施例１により得られたＮｂ3Ｓｎ超電導線材の断面の顕微鏡写真を示す図である。
【図１１】従来の内部スズ法によるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体の断面構成を示す断面図である。
【図１２】従来の内部スズ法によるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体の断面構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明は、内部スズ法によるＮｂ3Ｓｎ多芯線材を作製する際に、単芯のＮｂフィラメント（Ｎｂ単芯線）と単芯のＳｎフィラメント（Ｓｎ単芯線）を、Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように、それぞれ複数本束ねて複合化して作製することを特徴とする。これにより、Ｓｎ単芯線のサイズをＮｂ単芯線と同じ程度にすることができ、Ｓｎ単芯線変形時のＮｂ単芯線の配置の乱れを低減する。同様にＳｎ単芯線サイズをＮｂ単芯線サイズと同程度にすることによりＳｎ単芯線が熱処理時に溶融した際にＮｂ単芯線の配置が乱れるのを低減できる。またＳｎ単芯線に生成するボイドの大きさをＮｂ単芯線サイズ以下として、電磁力を受けたときのＮｂ3Ｓｎフィラメントの不安定性を改良する。
【００３５】
熱処理により生成するＮｂ3Ｓｎフィラメントは、その寸法を小さくすることで交流損失が低減し超電導特性が安定化されるため、従来よりブロンズ法線材では単芯線径が５μｍ程度の極細多芯線材が作製されている。単芯線径は用途に応じて設計される必要があるが、超電導マグネット用線材として用いる場合、少なくとも磁場の昇降で超電導状態が破れないようにするため、伸線加工後の前駆体におけるＮｂ単芯線寸法は３０μｍ以下の径であることが好ましく、本発明ではＳｎ単芯線寸法をＮｂ単芯線寸法と同等程度にすることが特徴であるため、Ｓｎ単芯線の寸法も３０μｍ以下の径であることが好ましい。
【００３６】
なお、伸線加工後の各フィラメントの径は、伸線加工により、正六角形を保っていないことがある。このため、本明細書における径は、各フィラメントの断面における最も長い部分（最大長さ）と、それに直交する方向における最も長い部分の長さとの平均値をとることとした。
【００３７】
本発明では、Ｎｂ単芯線の合計の断面積（合計断面積）と、Ｓｎ単芯線の合計の断面積の比率［Ｎｂ単芯線合計断面積］／［Ｓｎ単芯線合計断面積］（以下、合計断面積比とも呼ぶ）は１．２〜２．２の範囲で作製が可能である。Ｎｂ3Ｓｎがちょうど生成するＮｂとＳｎのモル比（Ｓｎに対するＮｂ比）は３であり、上述したように、これは体積比でおよそ２に相当する。しかし、発明者らは、鋭意検討の結果、上記の範囲の構成とすることで、性能（Ｉｃ、フィラメントＪｃ）のよい超電導線を得られるという知見を得た。
【００３８】
なお、本発明において、熱処理後の前後で、体積比は実質的に変化しないものとみなす。すなわち、合計断面積比は、体積比と実質的に等価である。
【００３９】
熱処理後に過不足なくＮｂとＳｎが反応してＮｂ3Ｓｎを生成させるためにはＮｂとＳｎの合計断面積比はちょうど２であればよいが、さらに超電導特性を向上するためにＳｎ比率を多くしたり、逆にＮｂ3Ｓｎの中心に未反応のＮｂを残して線材の機械的強度を向上するためにＮｂ比率を多くすることができる。より好ましくは、Ｎｂ単芯線とＳｎ単芯線の合計断面積比が１．４〜２．０であるとよい。
【００４０】
また本発明では、Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように単芯線を配置する方法として、Ｓｎ単芯線１本に対してＮｂ単芯線１本を組み込む方法、あるいはＮｂ単芯線２本を組み込む方法、あるいはＮｂ単芯線３本を組み込む方法、あるいはＮｂ単芯線４本を組み込む方法が可能である。このためＮｂ単芯線とＳｎ単芯線の断面積の比率は、前記のＮｂ単芯線の合計断面積（すなわち、合計体積）とＳｎ単芯線の合計断面積の比率１．２〜２．２を、前記のＮｂ単芯線本数とＳｎ単芯線本数の比率１〜４で除して０．３〜２．２が望ましい範囲として導き出される。
【００４１】
以上の検討に基づいて為された本発明の一実施の形態について、図面に基づき以下に説明する。
【００４２】
図１は、本実施の形態に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体の断面構成を示す断面図である。
【００４３】
図１に示すように、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体１１は、Ｔａ、Ｔａ合金、Ｎｂ、Ｎｂ合金のいずれかからなるバリア層１３が内面に形成されたＣｕ管１２と、Ｃｕ管１２内に配置され、Ｓｎ合金１４若しくはＳｎ合金１４をＣｕ１５で被覆してなる複数のＳｎ単芯線１６と、Ｃｕ管１２内に配置され、Ｎｂ若しくはＮｂ合金１７、あるいはＮｂ若しくはＮｂ合金１７をＣｕ１８で被覆してなる複数のＮｂ単芯線１９と、からなり、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９とが、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接しないようにＣｕ管１２内に配置される。
【００４４】
ここでは、Ｓｎ単芯線１６およびＮｂ単芯線１９は断面六角形状を有するが、本発明は単芯線を断面六角形状に限るものではない。
【００４５】
図１では、Ｓｎ単芯線１６およびＮｂ単芯線１９の断面積が同一であり、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９が１本：２本の割合で、すなわち、Ｓｎ単芯線１６の合計体積に対するＮｂ単芯線１９の合計体積の割合（すなわち、Ｓｎの合計断面積とＮｂの合計断面積の割合（以下、合計断面積比とも呼ぶ））が２となるようにＣｕ管１２内に配置されている。
【００４６】
このような構成とされる前駆体１１においては、伸線加工時のＳｎ単芯線１６の不安定変形によるＮｂ単芯線１９の配置の乱れを防止できるため、熱処理して製造されたＮｂ3Ｓｎ超電導線材における超電導特性の不均一性を防止することが可能となる。
【００４７】
本発明は上記実施の形態に限られるものではなく、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体は、例えば図２，３に示すように、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９が１本：３本の割合で配置される前駆体２１、１本：４本の割合で配置される前駆体３１としてもよい。
【００４８】
図２，３では、便宜上、Ｓｎ単芯線１６およびＮｂ単芯線１９の断面積が同一であるように示しているが、実際には、Ｓｎ単芯線１６の合計断面積に対するＮｂ単芯線１９の合計断面積の比が１．２〜２．２の範囲内となるように、Ｓｎ単芯線１６に対するＮｂ単芯線１９の本数の比に応じて、Ｎｂ単芯線１９の断面積が小さくされている。
【００４９】
すなわち、図２に示す前駆体２１においては、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９が１本：３本の割合で配置されているので、単芯線の合計断面積の比が上述の範囲内となるように、Ｓｎ単芯線１６の断面積に対するＮｂ単芯線１９の断面積の比は０．５強〜０．８の範囲とされる。図３に示す前駆体３１においては、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９が１本：４本の割合で配置されているので、単芯線の合計断面積の比が上述の範囲内となるように、Ｓｎ単芯線１６の断面積に対するＮｂ単芯線１９の断面積の比は０．３〜０．６の範囲とされる。
【００５０】
なお、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接しないようにＳｎ単芯線１６およびＮｂ単芯線１９をＣｕ管１２に配置するには、例えば図４に示すように、Ｓｎ単芯線１６が１本に対してＮｂ単芯線１９が６本となるように配置して前駆体４１を構成するなど、Ｓｎ単芯線１６に対するＮｂ単芯線１９の本数の割合を高めることも可能ではある。しかしながら、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９の合計断面積の比をＮｂ3Ｓｎをちょうど生成できる割合とするためには、Ｓｎ単芯線１６の断面積に対するＮｂ単芯線１９の断面積の比をより小さくする（図４であれば、Ｓｎ単芯線１６の断面積３に対してＮｂ単芯線１９の断面積を１とする）必要がある。Ｎｂ単芯線１９の断面積がより小さくされた前駆体４１では、上述したように、減面加工時の単芯線の配置の乱れや熱処理時に発生しうるボイドのサイズが大きくなり、超電導特性が低下するため、好ましくない。そのため、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９の本数の割合は、Ｓｎ単芯線が１本に対してＮｂ単芯線が１〜４本となるようにする。
【００５１】
本発明では、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９の面積比が異なってＳｎ単芯線１６間に隙間が生じ、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接する虞があるときには、Ｓｎ単芯線１６間の隙間に小径のＣｕダミー線を配置し、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接することを防止することができる。
【００５２】
また本発明では、図５〜７に示すように、内面にバリア層１３を設けたＣｕ管１２内部に、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９に加えて、さらにＣｕ単芯線４２が、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接しないように配置された前駆体５１〜７１とすることができる。
【００５３】
図５〜７に示した前駆体５１〜７１は、図１に示した前駆体１１の構造に比較して、一部のＮｂ単芯線１９がＣｕ単芯線４２で置き換えられた構造を有している。図５ではＳｎ単芯線１本：Ｎｂ単芯線１本：Ｃｕ単芯線１本の割合で、図６ではＳｎ単芯線１本：Ｎｂ単芯線２本：Ｃｕ単芯線１本の割合で、図７ではＳｎ単芯線２本：Ｎｂ単芯線３本：Ｃｕ単芯線１本の割合で、バリア層１３を内面に設けたＣｕ管１２の内部に配置され、前駆体５１〜７１が構成される。このような構造とすると、熱処理後にＮｂ3Ｓｎ超電導線材となる部分が減少して超電導線材のＩｃ値が低下するが、一方で、前駆体５１〜７１を伸線加工（あるいは減面加工）する際には、前駆体１１の場合と比較してさらに安定的にＳｎ単芯線１６を変形させることができ、加工後における単芯線の配置の乱れや、製造した超電導線材の超電導特性が劣化することを防止できる。
【００５４】
なお、本発明では、複数のＳｎ単芯線およびＮｂ単芯線をＣｕ管の内部に配置して多芯ビレットとし、これを減面加工して作製した複数のサブエレメント線をさらにＣｕ管に配置して超電導線材の前駆体とすることができる。
【００５５】
例えば、図８に示すように、複数のＳｎ単芯線１６およびＮｂ単芯線１９を、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接しないようにＣｕ管８２内部に配置して多芯ビレット８３を形成し、これを減面加工して作製した複数のサブエレメント線８４を、内面にバリア層８６が設けられたＣｕ管８５内部に配置して前駆体８１を作製することができる。
【００５６】
また図９に示すように、内面にバリア層９３を設けたＣｕ管９２内部に、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接しないように複数のＳｎ単芯線１６およびＮｂ単芯線１９を配置して多芯ビレット９４を形成し、この多芯ビレット９４を減面加工してサブエレメント線９５とし、複数のサブエレメント線９５をＣｕ管９６内部に複数配置した前駆体９１としてもよい。
【００５７】
これら前駆体８１，９１を減面加工および熱処理して得られる超電導線材では、上記前駆体１１〜３１をそのまま用いて製造した超電導線材と比較して、Ｎｂ単芯線１９の線径が小さくなり、Ｎｂ単芯線１９へのＳｎ原子の拡散が容易になり、製造される超電導線材の超電導特性を更に向上させることができる。
【００５８】
以上説明した本発明の前駆体１１〜３１，５１〜９１は、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造するための前駆体として好適であり、減面加工中のＳｎ単芯線の不均一変形や、熱処理時のＳｎ単芯線近傍に発生しうるボイドのサイズを低減した、超電導特性の高いＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造することができる。
【００５９】
本発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体は上記実施の形態に限られるものではなく、これら実施の形態を組合わせた構造としてもよい。
【００６０】
次に、本発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法に係る一実施の形態について以下に説明する。
【００６１】
本実施の形態に係る製造方法においては、まず、Ｎｂ若しくはＮｂ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＮｂ単芯線を作製する工程と、Ｓｎ若しくはＳｎ合金棒を減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程とを行う。これにより、Ｓｎ単芯線およびＮｂ単芯線が得られる。
【００６２】
このとき、得られるＳｎ単芯線およびＮｂ単芯線の寸法は、上述の前駆体１１〜８１の構造において説明したように、Ｓｎ単芯線の合計断面積に対するＮｂ単芯線の合計断面積の比が１．２〜２．２の範囲内となるようにし、Ｎｂ単芯線のＳｎ単芯線に対する断面積の比率が０．３〜２．２となるようにすると良い。
【００６３】
次に、Ｃｕ管内面にＮｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｔａ合金のいずれかからなるバリア層を設け、その内部に複数のＮｂ単芯線とＳｎ単芯線を、Ｓｎ単芯線の周囲にＮｂ単芯線が隣接し、Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように配置して前駆体を作製する。
【００６４】
本発明はバリア層をＣｕ管内面に設ける方法を限定するものではなく、例えばＣｕ管の内面にシート材を挿入して設けても良いし、Ｃｕ管内にパイプ材を挿入して設けても良い。
【００６５】
得られた前駆体を減面加工して前駆体線材とし、これに対して所定の条件にて熱処理を行うことで、本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造することができる。
【００６６】
次に、本発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法に係る他の実施の形態について説明する。
【００６７】
本実施の形態においては、まず、上記実施の形態と同じくＮｂ単芯線を作製する工程と、Ｓｎ単芯線を作製する工程を行い、Ｎｂ単芯線およびＳｎ単芯線を得る。
【００６８】
次いで、得られた複数のＮｂ単芯線およびＳｎ単芯線を、Ｓｎ単芯線同士が隣接しないようにＣｕ管内部に配置して多芯ビレットを形成する。
【００６９】
形成した多芯ビレットを減面加工することにより複数のサブエレメント線を作製し、さらに、内面にバリア層を設けたＣｕ管の内部に複数のサブエレメント線を配置して前駆体を得る。
【００７０】
この前駆体を減面加工して前駆体線材とし、これに対して所定の条件にて熱処理を行うことで、本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造することができる。
【００７１】
サブエレメントを用いて前駆体を作製する本実施の形態は種々の変更が可能であり、例えば、Ｓｎ単芯線およびＮｂ単芯線をＣｕ管内部に配置して多芯ビレットを形成するに際し、予めＣｕ管の内面にバリア層を設けておき、そのＣｕ管の内部にＳｎ単芯線およびＮｂ単芯線を配置して多芯ビレットを形成するようにしても良い。この場合、多芯ビレットから作製したサブエレメント線を内部に配置するＣｕ管は、その内面にバリア層を設ける必要が無くなる。
【００７２】
なお、本発明の製造方法においては、Ｓｎ単芯線とＮｂ単芯線の面積比が異なってＳｎ単芯線間に隙間が生じ、Ｓｎ単芯線同士が隣接する虞があるときには、Ｓｎ単芯線間の隙間に小径のＣｕダミー線を配置するようにしても良い。また、Ｓｎ単芯線とＮｂ単芯線に加え、さらにＣｕ単芯線をＣｕ管内部に配置して前駆体あるいは多芯ビレットを作製するようにしても良い。
【００７３】
以上要するに、本発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体及びそれを用いたＮｂ3Ｓｎ超電導線材並びにＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法では、前駆体あるいは多芯ビレットを作製するに際して、Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように、Ｃｕ管内部にＳｎ単芯線とＮｂ単芯線を配置するようにされる。これにより、減面加工および伸線加工におけるＳｎ単芯線の不均一変形による単芯線の配置の乱れや、その後の熱処理においてＳｎ単芯線近傍に生じうるボイドのサイズを低減でき、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材の超電導特性を向上することができる。
【実施例】
【００７４】
以下に、本発明の実施例を説明する。
【００７５】
［実施例１］
図１に示したように、外径３０ｍｍ、内径２６．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２６ｍｍのＮｂを挿入後、減面加工を行い対辺間距離１ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＮｂ素線（Ｎｂ単芯線）を作製した。
【００７６】
次に、外径３０ｍｍ、内径２６．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２６ｍｍの２質量％のＴｉを含むＳｎ合金材料（Ｓｎ−２ｍａｓｓ％Ｔｉ）を挿入し、これを減面加工して対辺間距離１ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＳｎ素線（Ｓｎ単芯線）を作製した。
【００７７】
最後に、外径５０ｍｍ、内径４４ｍｍのＣｕ製パイプに、本実施例ではＳｎ素線本数１本に対してＮｂ素線が本数約２本となるように、Ｓｎ素線４９９本およびＮｂ素線９９６本（合計１４９５本）を、Ｓｎ素線のまわりにＮｂ素線を６本配置しＳｎ素線同士が隣接しないように分散配置した。素線とＣｕパイプの間には、Ｓｎが外周のＣｕに拡散して超電導の安定性を損なうのを防止するための拡散バリア層として、厚さ０．２ｍｍのＴａシートを５周巻いて挿入して多芯複合体（前駆体）を作製し、これを減面加工して、全体の線径が１ｍｍの多芯線材（前駆体線材）を作製した。なお、前駆体とは、最終的に熱処理を施し、超電導線材を生成する前の構造を呼ぶ。
【００７８】
［実施例２］
図２に示したように、外径３０ｍｍ、内径２２．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２２ｍｍのＮｂを挿入後、減面加工を行い対辺間距離１ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＮｂ素線を作製した。
【００７９】
次に、外径３０ｍｍ、内径２７．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２７ｍｍの２質量％のＴｉを含むＳｎ合金材料（Ｓｎ−２ｍａｓｓ％Ｔｉ）を挿入し、これを減面加工して対辺間距離１ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＳｎ素線を作製した。
【００８０】
最後に、外径５０ｍｍ、内径４４ｍｍのＣｕ製パイプに、本実施例ではＳｎ素線本数１本に対してＮｂ素線が本数約３本となるように、Ｓｎ素線３６７本およびＮｂ素線１１２８本（合計１４９５本）を、Ｓｎ素線のまわりにＮｂ素線を配置しＳｎ素線同士が隣接しないように分散配置した。素線とＣｕパイプの間には、Ｓｎが外周のＣｕに拡散して超電導の安定性を損なうのを防止するための拡散バリア層として、厚さ０．２ｍｍのＴａシートを５周巻いて挿入して多芯複合体を作製し、これを減面加工して、全体の線径が１ｍｍの多芯線材（前駆体線材）を作製した。
【００８１】
［実施例３］
図８に示したように、外径３０ｍｍ、内径２６．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２６ｍｍのＮｂを挿入後、減面加工を行い対辺間距離２．５ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＮｂ素線を作製した。
【００８２】
次に、外径３０ｍｍ、内径２６．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２６ｍｍの２質量％のＴｉを含むＳｎ合金材料（Ｓｎ−２ｍａｓｓ％Ｔｉ）を挿入し、これを減面加工して対辺間距離２．５ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＳｎ素線を作製した。
【００８３】
外径４０ｍｍ、内径３６ｍｍのＣｕパイプに、本実施例ではＳｎ素線本数１本に対してＮｂ素線が本数約２本となるように、Ｓｎ素線５５本およびＮｂ素線１０８本（合計１６３本）を、Ｓｎ素線のまわりにＮｂ素線を配置しＳｎ素線同士が隣接しないように分散配置してサブエレメントのビレット（多芯ビレット）を作製した。これを減面加工して対辺間距離３ｍｍの六角形状に加工して、サブエレメント線を作製した。
【００８４】
作製したサブエレメント線を８５本束ねて、外径４０ｍｍ、内径３３ｍｍのＣｕパイプに挿入した。パイプとサブエレメント線の間に厚さ０．２ｍｍのＴａシートを５周巻いて挿入して拡散バリア層として多芯複合体を作製し、これを減面加工して線径１ｍｍの多芯線材を作製した。
【００８５】
本実施例では、Ｓｎ素線のＳｎが多芯線材の最外周の安定化Ｃｕに拡散するのを防止するために、多芯線材のＣｕパイプとサブエレメント線の間にバリア材を配置したが、図９に示したように、サブエレメント線のＣｕパイプの内側にバリア層を設けても同様にＳｎがバリア層の外側に拡散するのを防止する効果がある。
【００８６】
［実施例４］
実施例４は、Ｓｎ側にＣｕ被覆されていないものである。具体的には、図１において、Ｓｎ単芯線１６が、Ｓｎ基合金１４のみでなる超電導前駆体である。
【００８７】
外径３０ｍｍ、内径２３．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２３ｍｍのＮｂを挿入後、減面加工を行い対辺間距離１ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＮｂ素線（Ｎｂ単芯線）を作製した。
【００８８】
次に、２質量％のＴｉを含むＳｎ合金材料（Ｓｎ−２ｍａｓｓ％Ｔｉ）を減面加工して対辺間距離１ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＳｎ素線を作製した。
【００８９】
最後に、外径５０ｍｍ、内径４４ｍｍのＣｕ製パイプに、Ｓｎ素線を４９９本、Ｎｂ素線を９９６本、合計１４９５本を、Ｓｎ素線のまわりにＮｂ素線を６本配置しＳｎ素線同士が隣接しないように分散配置した構造で、挿入し、素線とＣｕパイプの間にはＳｎが外周のＣｕに拡散して超伝導の安定性を損なうのを防止することを目的として、すなわち、拡散バリア層として厚さ０．２ｍｍのＴａシートを５周巻いて挿入して多芯複合体を作製し、これを減面加工して、全体の線径が１ｍｍの多芯線材（前駆体線材）を作製した。 次に、比較例について説明する。
【００９０】
［比較例１］
図１１に示したように、外径３０ｍｍ、内径２６．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２６ｍｍのＮｂを挿入後、減面加工を行い対辺間距離２．５ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＮｂ素線を作製した。
【００９１】
また、外径３０ｍｍ、内径２７．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２７ｍｍの２質量％のＴｉを含むＳｎ合金材料（Ｓｎ−２ｍａｓｓ％Ｔｉ）を挿入し、これを減面加工して対辺間距離６ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＳｎ素線を作製した。
【００９２】
外径３８ｍｍ、内径３４ｍｍのＣｕパイプ内に、中央に六角形状（対辺間距離６ｍｍ）の単芯のＳｎ素線１本と、その周囲に六角形状（対辺間距離２．５ｍｍ）の単芯のＮｂ素線１３８本を配置してサブエレメントのビレットを作製した。これを減面加工して対辺間距離３ｍｍの六角形状に加工して、サブエレメント線を作製した。
【００９３】
最後に、外径３５ｍｍ、内径２６ｍｍのＣｕパイプ内に、上記で作製したサブエレメント線を５５本束ねて挿入し、パイプと素線（サブエレメント線）の間に厚さ０．２ｍｍのＴａシートを５周巻いて挿入して拡散バリア層として、多芯複合体を作製し、これを減面加工により全体の線径が１ｍｍの多芯線材（前駆体線材）を作製した。
【００９４】
［比較例２］
図１２に示したように、外径３０ｍｍ、内径２６．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２６ｍｍのＮｂを挿入後、減面加工を行い対辺間距離３ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＮｂ素線を作製した。
【００９５】
さらに外径３８ｍｍ、内径３２ｍｍのＣｕパイプ内に上記のＮｂ素線を８５本挿入し、これを減面加工して対辺間距離２．５ｍｍの六角形状に加工して、サブエレメント線を作製した。
【００９６】
一方、外径３０ｍｍ、内径２４．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２４ｍｍの２質量％のＴｉを含むＳｎ合金材料（Ｓｎ−２ｍａｓｓ％Ｔｉ）を挿入し、これを減面加工して対辺間距離２．５ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＳｎ素線を作製した。
【００９７】
最後に、外径４６ｍｍ、内径３８．５ｍｍのＣｕ製パイプに、サブエレメント線１０８本およびＳｎ素線５５本（合計１６３本）を、Ｓｎ素線のまわりにサブエレメント線を６本配置しＳｎ素線同士が隣接しないように分散配置した構造で挿入した。素線とＣｕパイプの間には、Ｓｎが外周のＣｕに拡散して超電導の安定性を損なうのを防止するための拡散バリア層として、厚さ０．２ｍｍのＴａシートを５周巻いて挿入して、多芯複合体を作製し、これを減面加工して、全体の線径が１ｍｍの多芯線材（前駆体線材）を作製した。
【００９８】
上記の実施例１〜４（本発明）および比較例１，２（従来の方法）で作製されたＮｂ3Ｓｎ前駆体線材の一部に対して、５００℃×１００時間＋７００℃×１００時間の熱処理を行い、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材とした。
【００９９】
得られた超電導線材に対して、液体ヘリウム中（絶対温度４．２Ｋ）で１２Ｔ（テスラ）、１１Ｔ、１０Ｔの磁場中で臨界電流値（Ｉｃ値）の測定を行い、測定した臨界電流値を線材のＮｂフィラメントの断面積（設計値）で除したフィラメント臨界電流密度（Ｊｃ）を算出した。
【０１００】
表１に各実施例と比較例の（１）各線材のフィラメント（前駆体の状態の単芯線）寸法を示す。さらに、前駆体の状態の（２）単芯断面積比率、すなわち、Ｓｎフィラメント（単芯線）１本に対するＮｂフィラメント（単芯線）１本の断面積の比率、（３）合計断面積比率、すなわち、Ｓｎフィラメントの合計断面積に対するＮｂフィラメントの合計断面積の比率、（４）Ｎｂフィラメントの断面積比率（％）、すなわち、前駆体線材全体に対するＮｂフィラメントの合計断面積（％）を表す。さらに、超電導線材生成後の性能について（５）Ｉｃ、すなわち、熱処理後のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の臨界電流値を測定したもの、および（６）フィラメントＪｃ、すなわち、Ｎｂフィラメントの領域にＮｂ3Ｓｎが生成されたと近似して、測定されたＩｃと、Ｎｂフィラメントの断面積からＮｂ3Ｓｎ部分の臨界電流密度を算出したものを示す。
【０１０１】
【表１】
【０１０２】
（１）のフィラメントの寸法について、具体的には、断面において、径（実施例においては、対辺の距離（対辺間距離））を十点平均し、四捨五入し小数点１桁を有効数字として記載した。この値は、設計値と一致している。
【０１０３】
上記の実施例および比較例において、各素線、前駆体の長さは、熱処理後の各フィラメント長さと等しいので、実質的には、各材料の断面積合計の比は、各材料の体積比と等しくなっている。
【０１０４】
比較例１、２では、１２Ｔの磁場におけるフィラメントＪｃはそれぞれ２８３０、２８４０Ａ／ｍｍ2であったのに対し、本発明の実施例１、２の線材では、１２Ｔの磁場でのフィラメントＪｃはおよそ３０００Ａ／ｍｍ2であり、また実施例３の線材のフィラメントＪｃは３１００Ａ／ｍｍ2を示し、本発明の線材は従来の方法による線材に比較して高いＪｃであることが示された。
【０１０５】
比較例１，２の線材では、伸線加工時および超電導化熱処理時にＮｂ単芯線の配置が乱れて、特性が低下したものと考えられ、これに対して本発明の線材は伸線加工時あるいは熱処理時の単芯線の配置の乱れが低減されたことにより高いＪｃ特性を示したものと考えられる。
【０１０６】
実施例１の線材の熱処理後の断面を観察した結果、Ｎｂ3Ｓｎフィラメントの寸法は約１６μｍ程度であった。一方、図１０に示すように、Ｓｎ単芯線のあった場所には一部にボイド（空隙部）が観察されたが、観察されたボイドの寸法及びＳｎ単芯線の寸法は、Ｎｂ単芯線とおよそ同じかあるいはそれ以下の寸法であった。これは元々Ｎｂ単芯線と同じ寸法のＳｎ単芯線を組み込んで作製したのでＳｎ単芯線の位置に生成するボイドの寸法も当然Ｎｂ単芯線の寸法程度かそれ以下の大きさとなったものである。これによりＮｂ3Ｓｎフィラメントが電磁力を受けた場合でも容易に動く可能性は小さい。
【０１０７】
実施例３は実施例１、２より高いＪｃを示しているが、これは多芯化することにより単芯線寸法が４．５μｍに小さくなったことによりＮｂ単芯線へのＳｎの拡散が容易になりＮｂ3Ｓｎの生成が促進した効果である。
【０１０８】
また実施例３において、熱処理後の断面より、Ｎｂ3Ｓｎフィラメントの寸法はおよそ５μｍであった。これは従来のブロンズ法によるＮｂ3Ｓｎ線材の典型的なフィラメントサイズに等しい。また当然Ｓｎ芯（単芯線）の寸法もＮｂと同じ寸法の素線を組み込んで多芯線材を作製したのでおよそ５μｍである。本実施例では多芯化を２回行うことで作製工程数は増加したが、Ｎｂ3Ｓｎフィラメントサイズとして従来ブロンズ法と同等のサイズが得られ、その場合にもＳｎ芯の大きさはＮｂ3Ｓｎと同程度であるので、伸線加工時あるいは熱処理時のＮｂ単芯線の配置の乱れやボイドの発生によるＮｂ単芯線の移動を防止することが可能であった。
【０１０９】
磁場を１１Ｔおよび１０Ｔに低下すると各線材ともＪｃ特性は向上し、通常の臨界電流測定では電流を増加するとＩｃ値付近の電流で徐々に電圧が発生する。
【０１１０】
実施例１〜４の線材は、１２Ｔ、１１Ｔ、１０Ｔのいずれの磁場においても、上記のように電流値を増加してＩｃ付近で徐々に電圧が発生したので、所定の電圧発生をもってＩｃ値を求める測定が可能であった。
【０１１１】
上述のとおり、実施例１〜４では、フィラメントＪｃを上げるという効果を得るとともに、全体に対する超電導線材の断面積率（体積率）が上がることによって、より一層の臨界電流（Ｉｃ）を得ることが可能となる。
【０１１２】
比較例１、２の線材も１２Ｔおよび１１Ｔの磁場ではＩｃ値付近の電流で徐々に電圧が発生し、Ｉｃを求めることが可能であったが、１０Ｔの磁場では表に示した電流値のときに急激に電圧が発生し（いわゆるクエンチ現象、表１中に＊印で示す）、所定の電圧をもってＩｃ値を定義することができなかった。
【０１１３】
従来の方法による線材では加工時あるいは熱処理時におけるＮｂ単芯線の配置の乱れが大きく、さらに熱処理によりＮｂ3Ｓｎフィラメントより大きなボイドがＳｎ単芯線のあった部分に発生したため、磁場中で通電した際にＮｂ3Ｓｎフィラメントが電磁力を受けて動いたものと考えられる。本発明による線材では、Ｎｂ3Ｓｎフィラメントに対してＳｎ単芯線の寸法が同じ程度であることから、単芯線の配置の乱れあるいはＮｂ3Ｓｎフィラメントより大きなボイドの発生がなく、磁場中で通電して電磁力を受けてもＮｂ3Ｓｎフィラメントが動くことが抑制されてクエンチが起こらなかったものと思われる。
【符号の説明】
【０１１４】
１１ 前駆体
１２ Ｃｕ管
１３ バリア層
１４ Ｓｎ合金
１５ Ｃｕ
１６ Ｓｎ単芯線
１７ ＮｂまたはＮｂ合金
１８ Ｃｕ
１９ Ｎｂ単芯線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高磁場マグネットなどに応用可能な高臨界電流密度（Ｊｃ）なＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体及びそれを用いたＮｂ3Ｓｎ超電導線材並びにＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法として、従来よりブロンズ法が広く用いられている。ブロンズ法はＣｕ−Ｓｎ合金いわゆるブロンズ製のマトリクス中に多数のＮｂフィラメントを配置した構造の線材を形成し、熱処理を施すことによりＣｕ−Ｓｎ合金中のＳｎがＮｂフィラメントに拡散してＮｂフィラメントの部分にＮｂ3Ｓｎを生成し、超電導線材とする方法である。
【０００３】
しかしＣｕ−Ｓｎ合金におけるＳｎの固溶限は１６質量％程度が上限であるため、それ以上のＮｂ3Ｓｎの生成はできず、臨界電流値（Ｉｃ）にも限界が生じていた。
【０００４】
そのためＳｎの供給源をＣｕ−Ｓｎ合金以外の方法で行い、より多くのＳｎを供給できる内部スズ法が開発された。
【０００５】
図１１に示すように、内部スズ法は、Ｔａ合金などからなるバリア層１１３を内面に設けたＣｕ製のマトリクス（Ｃｕ管）１１２の内部に、Ｎｂ合金１１４をＣｕ１１５で被覆してなる複数本のＮｂ単芯素線１１６を配置し、さらにＣｕマトリクス１１２の中心部に、ＳｎまたはＳｎ合金１１７をＣｕ１１８で被覆してなるＳｎ芯１１９をＳｎ供給源として配置した構造の多芯ビレット１２０を作製し、これを減面加工して作製したサブエレメント線１２１をＣｕ管１２２に複数本束ねて配置した前駆体１１１を用いて多芯線材（前駆体線材）を作製し、しかる後、前駆体線材に対して熱処理を行うことにより、Ｓｎ層（Ｓｎ芯１１９）からＣｕマトリクスを介してＳｎが拡散してＮｂフィラメント部分でＮｂ3Ｓｎフィラメント（線材）を生成する方法である。
【０００６】
また内部スズ法の別の線材作製法として、図１２に示すように、Ｃｕマトリクス（Ｃｕ管）１２３中に、複数のＮｂ単芯素線１１６を配置してなる多芯ビレット１２４を減面加工して作製した複数のサブエレメント線１２５と、Ｓｎ１２６あるいはその外周にＣｕ１２７を配置してなるＳｎ単芯素線１２８とを、内面にバリア層１３０が設けられたＣｕ管１２９内部に配置して前駆体１３１を作製し、これを用いて多芯線材を作製する方法も行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
内部スズ法はブロンズ法に比べてＳｎの複合化の割合を高くすることができるため、線材の臨界電流密度（Ｊｃ）としてたとえば１２Ｔ（テスラ）の磁場中でｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃ（非銅部面積基準臨界電流密度）＝２９００Ａ／ｍｍ2の高い特性が得られている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−４６８４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】J.A. Parrell et al., "High field Nb3Sn conductor development at Oxford Superconducting Technology", IEEE Trans. Appl. Supercond., 2003, vol.13, No.2, pp.3470-3473
【非特許文献２】理科年表，国立天文台編，丸善
【非特許文献３】久保芳生ほか，「内部拡散法によるＮｂ3Ｓｎフィラメントのブリッジング生成機構の解明」，低温工学，第３１巻，第６号，１９９６年，ｐｐ．３０６−３１３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の２種類の製法は、各Ｓｎ素線（すなわち、図１１のＳｎ芯１１９あるいは図１２のＳｎ単芯素線１２８）の周りに多数のＮｂ素線が配置された構成となっている。言い換えるとＮｂ素線の寸法に対して大きな寸法のＳｎ素線が組み込まれている。例えば、第１の方法、すなわちＳｎ芯の周りに多数のＮｂフィラメントを配置した素線を用いる場合、１本のＳｎ芯に対して、数１０〜数１００本のＮｂフィラメントが配置されている。
【００１１】
Ｎｂ3Ｓｎをちょうど生成するのに必要なＮｂとＳｎの割合はモル比で３：１であるが、これを体積比率すなわち断面積の比率に換算するとＮｂとＳｎの割合は理論的におよそ２：１である。
【００１２】
以下に、その根拠となる式を示す。
【００１３】
物質の体積は、その物質のモル数、原子量、密度を用いて次式で表される。
体積＝モル数×原子量／密度
従って、ＮｂとＳｎの体積比は
ＮｂとＳｎの体積比＝（Ｎｂモル数×Ｎｂ原子量／Ｎｂ密度）／（Ｓｎモル数×Ｓｎ原子量／Ｓｎ密度）
となる。
【００１４】
Ｎｂ原子量は９２．９１、Ｎｂ密度は８．５７ｇ／ｃｍ3、Ｓｎ原子量は１１８．７１、Ｓｎ密度は７．３１ｇ／ｃｍ3（非特許文献２より）なので、Ｎｂのモル数を３、Ｓｎのモル数を１とすると、ＮｂとＳｎの体積比は次式で求められる。
ＮｂとＳｎの体積比＝（３×９２．９１／８．５７）／（１×１１８．７１／７．３１）≒２．０
【００１５】
従って、仮にＮｂフィラメント数が２００本の場合、これと反応してＮｂ3Ｓｎを生成するのに必要なＳｎはＮｂフィラメントの半分の１００本分の断面積が必要となる。したがって、Ｓｎフィラメントを単芯線とした場合の外径はＮｂフィラメントの１０倍となり、Ｎｂフィラメントに対してＳｎフィラメントが非常に大きい構成となる。
【００１６】
さらに、超電導線材の断面を構成する主な材料はＮｂ、Ｃｕ、およびＳｎであるが、このうちＳｎはＮｂ、Ｃｕ、と比較して非常に軟らかく、容易に変形する特性を有する。
【００１７】
このため、上記の場合のように、１本のＳｎ芯の周りに、それより寸法の小さな多数のＮｂフィラメントが配置された構成の場合には、多芯線材のビレットを組み立てた後、押出加工や伸線加工などの減面加工を行って所定の線径の線材を作製する際に、線材断面内でＳｎ芯の部分の形状が変形すると、それによってＳｎ芯の周囲にある多くのＮｂフィラメントの配置が乱れて、超電導特性の不均一性の原因になるという問題が生じる。Ｎｂフィラメントに対するＳｎフィラメントの寸法が大きいほどその傾向が顕著であった。
【００１８】
また、内部スズ法は、熱処理によりＳｎエレメントのＳｎが周囲のＣｕに拡散してＣｕ−Ｓｎ合金あるいはＣｕ−Ｓｎ化合物を生成し、その後ＳｎはさらにＮｂフィラメントに拡散してＮｂ3Ｓｎを生成する方法であるが、６５０〜７５０℃で行うＮｂ3Ｓｎ生成熱処理温度に対して、単体のＳｎは融点が約２３０℃と非常に低く、またＳｎの拡散の過程で生成するＣｕ−Ｓｎ合金あるいはＣｕ−Ｓｎ化合物についてもＳｎ含有量が高いとＮｂ3Ｓｎ生成熱処理温度では液相が一部生成する。
【００１９】
従って、線材のサブエレメント中にあるＮｂの多芯フィラメントは熱処理中に周囲が液相あるいは液相を含む軟らかいＣｕ−Ｓｎ合金で囲まれた状態となる場合があり、特に周囲と接する部分のＮｂフィラメントは液相中に移動してしまい、超電導特性が低下するという問題が生じることがあった。これについても前述と同様にＮｂフィラメントに対するＳｎフィラメントの寸法が大きいほどその傾向が顕著であった（非特許文献３）。
【００２０】
またさらに、ＳｎがＮｂに拡散した跡には空隙（ボイド）が残る場合が散見される。上述したように従来の内部スズ法による超電導線材では、Ｎｂフィラメントに対してＳｎフィラメントのサイズが大きいことから、Ｎｂフィラメントより大きな寸法のボイドができる場合がある。超電導線材を超電導マグネットとして使用する場合は、超電導線材に強力な磁界が加わり、超電導電流の流れるＮｂ3Ｓｎフィラメントには大きな電磁力が加わる。フィラメントの近傍に大きなボイドが有ると電磁力を受けたフィラメントが動く可能性があり、これにより線材の超電導状態が急に壊れて常電導状態になる（いわゆるクエンチ現象）、あるいは線材の特性劣化に至る可能性が有り、安定した超電導線材への通電を妨げる原因となっていた。
【００２１】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、内部スズ法によるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の作製において、伸線加工時のＳｎ単芯線の変形に伴うＮｂ単芯線の配置の乱れ、熱処理のＳｎの溶融によるＮｂ単芯線の配置の乱れ、熱処理によりＳｎ単芯線に発生するボイドのサイズ、を低減し、超電導特性の低下を防止できるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体及びそれを用いたＮｂ3Ｓｎ超電導線材並びにＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するために本発明は、内部スズ法によるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であって、Ｔａ、Ｔａ合金、Ｎｂ、Ｎｂ合金のいずれかからなるバリア層が内面に形成されたＣｕ管と、前記Ｃｕ管内に配置され、Ｓｎ若しくはＳｎ合金、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金をＣｕで被覆してなる複数のＳｎ単芯線と、前記Ｃｕ管内に配置され、Ｎｂ若しくはＮｂ合金、あるいはＮｂ若しくはＮｂ合金をＣｕで被覆してなる複数のＮｂ単芯線と、からなり、前記Ｓｎ単芯線と前記Ｎｂ単芯線とが、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように前記Ｃｕ管内に配置されるものである。
【００２３】
前記Ｓｎ単芯線および前記Ｎｂ単芯線が内部に配置された前記Ｃｕ管を伸線加工した後の断面において、前記Ｎｂ単芯線と前記Ｓｎ単芯線の径がいずれも３０μｍ以下であるとよい。
【００２４】
前記Ｓｎ単芯線の断面積に対する前記Ｎｂ単芯線の断面積の比率が０．３〜２．２であるとよい。
【００２５】
前記Ｎｂ単芯線の合計の断面積と、前記Ｓｎ単芯線の合計の断面積の比率［Ｎｂ単芯線合計断面積］／［Ｓｎ単芯線合計断面積］は１．２〜２．２であるとよい。
【００２６】
前記Ｎｂ単芯線が、前記Ｓｎ単芯線を囲むように前記Ｃｕ管内に配置され、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないようにされるとよい。
【００２７】
前記Ｓｎ単芯線と前記Ｎｂ単芯線とＣｕ単芯線とが、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように前記Ｃｕ管内に配置されてもよい。
【００２８】
また本発明は、上記いずれかのＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体を熱処理してなるＮｂ3Ｓｎ超電導線材である。
【００２９】
また本発明は、Ｎｂ若しくはＮｂ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＮｂ単芯線を作製する工程と、Ｓｎ若しくはＳｎ合金棒を減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程と、Ｃｕ管内面にＮｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｔａ合金のいずれかからなるバリア層を設け、その内部に複数の前記Ｎｂ単芯線と前記Ｓｎ単芯線を、前記Ｓｎ単芯線の周囲に前記Ｎｂ単芯線が隣接し、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように配置して前駆体を作製する工程と、前記前駆体を伸線加工して前駆体線材とする工程と、前記前駆体線材を熱処理する工程と、からなるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００３０】
また本発明は、Ｎｂ若しくはＮｂ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＮｂ単芯線を作製する工程と、Ｓｎ若しくはＳｎ合金棒を減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程と、Ｃｕ管内面にＮｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｔａ合金のいずれかからなるバリア層を設け、その内部に複数の前記Ｎｂ単芯線と前記Ｓｎ単芯線を、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように配置して多芯ビレットを作製する工程と、前記多芯ビレットを減面加工してサブエレメント線とする工程と、前記サブエレメント線を複数本束ねてＣｕ管中に収容して前駆体を作製する工程と、前記前駆体を伸線加工して前駆体線材とする工程と、前記前駆体線材を熱処理する工程と、からなるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００３１】
また本発明は、Ｎｂ若しくはＮｂ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＮｂ単芯線を作製する工程と、Ｓｎ若しくはＳｎ合金棒を減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程と、Ｃｕ管内部に複数の前記Ｎｂ単芯線と前記Ｓｎ単芯線を、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように配置して多芯ビレットを作製する工程と、前記多芯ビレットを減面加工してサブエレメント線とする工程と、Ｃｕ管内面にＮｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｔａ合金のいずれかからなるバリア層を設け、その内部に前記サブエレメント線を複数本束ねて収容して前駆体を作製する工程と、前記前駆体を伸線加工して前駆体線材とする工程と、前記前駆体線材を熱処理する工程と、からなるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、内部スズ法によるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の作製において、伸線加工時のＳｎ単芯線の変形に伴うＮｂ単芯線の配置の乱れ、熱処理のＳｎの溶融によるＮｂ単芯線の配置の乱れ、熱処理によりＳｎ単芯線に発生するボイドのサイズ、を低減し、超電導特性の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、Ｓｎ単芯線１本：Ｎｂ単芯線２本で組み込む断面構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、Ｓｎ単芯線１本：Ｎｂ単芯線３本で組み込む断面構成を示す断面図である。
【図３】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、Ｓｎ単芯線１本：Ｎｂ単芯線４本で組み込む断面構成を示す断面図である。
【図４】Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、Ｓｎ単芯線１本：Ｎｂ単芯線６本で組み込む断面構成を示す断面図である。
【図５】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、Ｓｎ単芯線１本：Ｎｂ単芯線１本：Ｃｕ単芯線１本で組み込む断面構成を示す断面図である。
【図６】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、Ｓｎ単芯線１本：Ｎｂ単芯線２本：Ｃｕ単芯線１本で組み込む断面構成を示す断面図である。
【図７】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、Ｓｎ単芯線２本：Ｎｂ単芯線３本：Ｃｕ単芯線１本で組み込む断面構成を示す断面図である。
【図８】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、多芯ビレットから作製したサブエレメント線を組み込む断面構成を示す図である。
【図９】本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であり、多芯ビレットから作製したサブエレメント線を組み込む断面構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施例１により得られたＮｂ3Ｓｎ超電導線材の断面の顕微鏡写真を示す図である。
【図１１】従来の内部スズ法によるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体の断面構成を示す断面図である。
【図１２】従来の内部スズ法によるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体の断面構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明は、内部スズ法によるＮｂ3Ｓｎ多芯線材を作製する際に、単芯のＮｂフィラメント（Ｎｂ単芯線）と単芯のＳｎフィラメント（Ｓｎ単芯線）を、Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように、それぞれ複数本束ねて複合化して作製することを特徴とする。これにより、Ｓｎ単芯線のサイズをＮｂ単芯線と同じ程度にすることができ、Ｓｎ単芯線変形時のＮｂ単芯線の配置の乱れを低減する。同様にＳｎ単芯線サイズをＮｂ単芯線サイズと同程度にすることによりＳｎ単芯線が熱処理時に溶融した際にＮｂ単芯線の配置が乱れるのを低減できる。またＳｎ単芯線に生成するボイドの大きさをＮｂ単芯線サイズ以下として、電磁力を受けたときのＮｂ3Ｓｎフィラメントの不安定性を改良する。
【００３５】
熱処理により生成するＮｂ3Ｓｎフィラメントは、その寸法を小さくすることで交流損失が低減し超電導特性が安定化されるため、従来よりブロンズ法線材では単芯線径が５μｍ程度の極細多芯線材が作製されている。単芯線径は用途に応じて設計される必要があるが、超電導マグネット用線材として用いる場合、少なくとも磁場の昇降で超電導状態が破れないようにするため、伸線加工後の前駆体におけるＮｂ単芯線寸法は３０μｍ以下の径であることが好ましく、本発明ではＳｎ単芯線寸法をＮｂ単芯線寸法と同等程度にすることが特徴であるため、Ｓｎ単芯線の寸法も３０μｍ以下の径であることが好ましい。
【００３６】
なお、伸線加工後の各フィラメントの径は、伸線加工により、正六角形を保っていないことがある。このため、本明細書における径は、各フィラメントの断面における最も長い部分（最大長さ）と、それに直交する方向における最も長い部分の長さとの平均値をとることとした。
【００３７】
本発明では、Ｎｂ単芯線の合計の断面積（合計断面積）と、Ｓｎ単芯線の合計の断面積の比率［Ｎｂ単芯線合計断面積］／［Ｓｎ単芯線合計断面積］（以下、合計断面積比とも呼ぶ）は１．２〜２．２の範囲で作製が可能である。Ｎｂ3Ｓｎがちょうど生成するＮｂとＳｎのモル比（Ｓｎに対するＮｂ比）は３であり、上述したように、これは体積比でおよそ２に相当する。しかし、発明者らは、鋭意検討の結果、上記の範囲の構成とすることで、性能（Ｉｃ、フィラメントＪｃ）のよい超電導線を得られるという知見を得た。
【００３８】
なお、本発明において、熱処理後の前後で、体積比は実質的に変化しないものとみなす。すなわち、合計断面積比は、体積比と実質的に等価である。
【００３９】
熱処理後に過不足なくＮｂとＳｎが反応してＮｂ3Ｓｎを生成させるためにはＮｂとＳｎの合計断面積比はちょうど２であればよいが、さらに超電導特性を向上するためにＳｎ比率を多くしたり、逆にＮｂ3Ｓｎの中心に未反応のＮｂを残して線材の機械的強度を向上するためにＮｂ比率を多くすることができる。より好ましくは、Ｎｂ単芯線とＳｎ単芯線の合計断面積比が１．４〜２．０であるとよい。
【００４０】
また本発明では、Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように単芯線を配置する方法として、Ｓｎ単芯線１本に対してＮｂ単芯線１本を組み込む方法、あるいはＮｂ単芯線２本を組み込む方法、あるいはＮｂ単芯線３本を組み込む方法、あるいはＮｂ単芯線４本を組み込む方法が可能である。このためＮｂ単芯線とＳｎ単芯線の断面積の比率は、前記のＮｂ単芯線の合計断面積（すなわち、合計体積）とＳｎ単芯線の合計断面積の比率１．２〜２．２を、前記のＮｂ単芯線本数とＳｎ単芯線本数の比率１〜４で除して０．３〜２．２が望ましい範囲として導き出される。
【００４１】
以上の検討に基づいて為された本発明の一実施の形態について、図面に基づき以下に説明する。
【００４２】
図１は、本実施の形態に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体の断面構成を示す断面図である。
【００４３】
図１に示すように、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体１１は、Ｔａ、Ｔａ合金、Ｎｂ、Ｎｂ合金のいずれかからなるバリア層１３が内面に形成されたＣｕ管１２と、Ｃｕ管１２内に配置され、Ｓｎ合金１４若しくはＳｎ合金１４をＣｕ１５で被覆してなる複数のＳｎ単芯線１６と、Ｃｕ管１２内に配置され、Ｎｂ若しくはＮｂ合金１７、あるいはＮｂ若しくはＮｂ合金１７をＣｕ１８で被覆してなる複数のＮｂ単芯線１９と、からなり、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９とが、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接しないようにＣｕ管１２内に配置される。
【００４４】
ここでは、Ｓｎ単芯線１６およびＮｂ単芯線１９は断面六角形状を有するが、本発明は単芯線を断面六角形状に限るものではない。
【００４５】
図１では、Ｓｎ単芯線１６およびＮｂ単芯線１９の断面積が同一であり、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９が１本：２本の割合で、すなわち、Ｓｎ単芯線１６の合計体積に対するＮｂ単芯線１９の合計体積の割合（すなわち、Ｓｎの合計断面積とＮｂの合計断面積の割合（以下、合計断面積比とも呼ぶ））が２となるようにＣｕ管１２内に配置されている。
【００４６】
このような構成とされる前駆体１１においては、伸線加工時のＳｎ単芯線１６の不安定変形によるＮｂ単芯線１９の配置の乱れを防止できるため、熱処理して製造されたＮｂ3Ｓｎ超電導線材における超電導特性の不均一性を防止することが可能となる。
【００４７】
本発明は上記実施の形態に限られるものではなく、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体は、例えば図２，３に示すように、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９が１本：３本の割合で配置される前駆体２１、１本：４本の割合で配置される前駆体３１としてもよい。
【００４８】
図２，３では、便宜上、Ｓｎ単芯線１６およびＮｂ単芯線１９の断面積が同一であるように示しているが、実際には、Ｓｎ単芯線１６の合計断面積に対するＮｂ単芯線１９の合計断面積の比が１．２〜２．２の範囲内となるように、Ｓｎ単芯線１６に対するＮｂ単芯線１９の本数の比に応じて、Ｎｂ単芯線１９の断面積が小さくされている。
【００４９】
すなわち、図２に示す前駆体２１においては、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９が１本：３本の割合で配置されているので、単芯線の合計断面積の比が上述の範囲内となるように、Ｓｎ単芯線１６の断面積に対するＮｂ単芯線１９の断面積の比は０．５強〜０．８の範囲とされる。図３に示す前駆体３１においては、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９が１本：４本の割合で配置されているので、単芯線の合計断面積の比が上述の範囲内となるように、Ｓｎ単芯線１６の断面積に対するＮｂ単芯線１９の断面積の比は０．３〜０．６の範囲とされる。
【００５０】
なお、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接しないようにＳｎ単芯線１６およびＮｂ単芯線１９をＣｕ管１２に配置するには、例えば図４に示すように、Ｓｎ単芯線１６が１本に対してＮｂ単芯線１９が６本となるように配置して前駆体４１を構成するなど、Ｓｎ単芯線１６に対するＮｂ単芯線１９の本数の割合を高めることも可能ではある。しかしながら、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９の合計断面積の比をＮｂ3Ｓｎをちょうど生成できる割合とするためには、Ｓｎ単芯線１６の断面積に対するＮｂ単芯線１９の断面積の比をより小さくする（図４であれば、Ｓｎ単芯線１６の断面積３に対してＮｂ単芯線１９の断面積を１とする）必要がある。Ｎｂ単芯線１９の断面積がより小さくされた前駆体４１では、上述したように、減面加工時の単芯線の配置の乱れや熱処理時に発生しうるボイドのサイズが大きくなり、超電導特性が低下するため、好ましくない。そのため、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９の本数の割合は、Ｓｎ単芯線が１本に対してＮｂ単芯線が１〜４本となるようにする。
【００５１】
本発明では、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９の面積比が異なってＳｎ単芯線１６間に隙間が生じ、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接する虞があるときには、Ｓｎ単芯線１６間の隙間に小径のＣｕダミー線を配置し、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接することを防止することができる。
【００５２】
また本発明では、図５〜７に示すように、内面にバリア層１３を設けたＣｕ管１２内部に、Ｓｎ単芯線１６とＮｂ単芯線１９に加えて、さらにＣｕ単芯線４２が、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接しないように配置された前駆体５１〜７１とすることができる。
【００５３】
図５〜７に示した前駆体５１〜７１は、図１に示した前駆体１１の構造に比較して、一部のＮｂ単芯線１９がＣｕ単芯線４２で置き換えられた構造を有している。図５ではＳｎ単芯線１本：Ｎｂ単芯線１本：Ｃｕ単芯線１本の割合で、図６ではＳｎ単芯線１本：Ｎｂ単芯線２本：Ｃｕ単芯線１本の割合で、図７ではＳｎ単芯線２本：Ｎｂ単芯線３本：Ｃｕ単芯線１本の割合で、バリア層１３を内面に設けたＣｕ管１２の内部に配置され、前駆体５１〜７１が構成される。このような構造とすると、熱処理後にＮｂ3Ｓｎ超電導線材となる部分が減少して超電導線材のＩｃ値が低下するが、一方で、前駆体５１〜７１を伸線加工（あるいは減面加工）する際には、前駆体１１の場合と比較してさらに安定的にＳｎ単芯線１６を変形させることができ、加工後における単芯線の配置の乱れや、製造した超電導線材の超電導特性が劣化することを防止できる。
【００５４】
なお、本発明では、複数のＳｎ単芯線およびＮｂ単芯線をＣｕ管の内部に配置して多芯ビレットとし、これを減面加工して作製した複数のサブエレメント線をさらにＣｕ管に配置して超電導線材の前駆体とすることができる。
【００５５】
例えば、図８に示すように、複数のＳｎ単芯線１６およびＮｂ単芯線１９を、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接しないようにＣｕ管８２内部に配置して多芯ビレット８３を形成し、これを減面加工して作製した複数のサブエレメント線８４を、内面にバリア層８６が設けられたＣｕ管８５内部に配置して前駆体８１を作製することができる。
【００５６】
また図９に示すように、内面にバリア層９３を設けたＣｕ管９２内部に、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接しないように複数のＳｎ単芯線１６およびＮｂ単芯線１９を配置して多芯ビレット９４を形成し、この多芯ビレット９４を減面加工してサブエレメント線９５とし、複数のサブエレメント線９５をＣｕ管９６内部に複数配置した前駆体９１としてもよい。
【００５７】
これら前駆体８１，９１を減面加工および熱処理して得られる超電導線材では、上記前駆体１１〜３１をそのまま用いて製造した超電導線材と比較して、Ｎｂ単芯線１９の線径が小さくなり、Ｎｂ単芯線１９へのＳｎ原子の拡散が容易になり、製造される超電導線材の超電導特性を更に向上させることができる。
【００５８】
以上説明した本発明の前駆体１１〜３１，５１〜９１は、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造するための前駆体として好適であり、減面加工中のＳｎ単芯線の不均一変形や、熱処理時のＳｎ単芯線近傍に発生しうるボイドのサイズを低減した、超電導特性の高いＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造することができる。
【００５９】
本発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体は上記実施の形態に限られるものではなく、これら実施の形態を組合わせた構造としてもよい。
【００６０】
次に、本発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法に係る一実施の形態について以下に説明する。
【００６１】
本実施の形態に係る製造方法においては、まず、Ｎｂ若しくはＮｂ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＮｂ単芯線を作製する工程と、Ｓｎ若しくはＳｎ合金棒を減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程とを行う。これにより、Ｓｎ単芯線およびＮｂ単芯線が得られる。
【００６２】
このとき、得られるＳｎ単芯線およびＮｂ単芯線の寸法は、上述の前駆体１１〜８１の構造において説明したように、Ｓｎ単芯線の合計断面積に対するＮｂ単芯線の合計断面積の比が１．２〜２．２の範囲内となるようにし、Ｎｂ単芯線のＳｎ単芯線に対する断面積の比率が０．３〜２．２となるようにすると良い。
【００６３】
次に、Ｃｕ管内面にＮｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｔａ合金のいずれかからなるバリア層を設け、その内部に複数のＮｂ単芯線とＳｎ単芯線を、Ｓｎ単芯線の周囲にＮｂ単芯線が隣接し、Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように配置して前駆体を作製する。
【００６４】
本発明はバリア層をＣｕ管内面に設ける方法を限定するものではなく、例えばＣｕ管の内面にシート材を挿入して設けても良いし、Ｃｕ管内にパイプ材を挿入して設けても良い。
【００６５】
得られた前駆体を減面加工して前駆体線材とし、これに対して所定の条件にて熱処理を行うことで、本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造することができる。
【００６６】
次に、本発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法に係る他の実施の形態について説明する。
【００６７】
本実施の形態においては、まず、上記実施の形態と同じくＮｂ単芯線を作製する工程と、Ｓｎ単芯線を作製する工程を行い、Ｎｂ単芯線およびＳｎ単芯線を得る。
【００６８】
次いで、得られた複数のＮｂ単芯線およびＳｎ単芯線を、Ｓｎ単芯線同士が隣接しないようにＣｕ管内部に配置して多芯ビレットを形成する。
【００６９】
形成した多芯ビレットを減面加工することにより複数のサブエレメント線を作製し、さらに、内面にバリア層を設けたＣｕ管の内部に複数のサブエレメント線を配置して前駆体を得る。
【００７０】
この前駆体を減面加工して前駆体線材とし、これに対して所定の条件にて熱処理を行うことで、本発明に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造することができる。
【００７１】
サブエレメントを用いて前駆体を作製する本実施の形態は種々の変更が可能であり、例えば、Ｓｎ単芯線およびＮｂ単芯線をＣｕ管内部に配置して多芯ビレットを形成するに際し、予めＣｕ管の内面にバリア層を設けておき、そのＣｕ管の内部にＳｎ単芯線およびＮｂ単芯線を配置して多芯ビレットを形成するようにしても良い。この場合、多芯ビレットから作製したサブエレメント線を内部に配置するＣｕ管は、その内面にバリア層を設ける必要が無くなる。
【００７２】
なお、本発明の製造方法においては、Ｓｎ単芯線とＮｂ単芯線の面積比が異なってＳｎ単芯線間に隙間が生じ、Ｓｎ単芯線同士が隣接する虞があるときには、Ｓｎ単芯線間の隙間に小径のＣｕダミー線を配置するようにしても良い。また、Ｓｎ単芯線とＮｂ単芯線に加え、さらにＣｕ単芯線をＣｕ管内部に配置して前駆体あるいは多芯ビレットを作製するようにしても良い。
【００７３】
以上要するに、本発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体及びそれを用いたＮｂ3Ｓｎ超電導線材並びにＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法では、前駆体あるいは多芯ビレットを作製するに際して、Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように、Ｃｕ管内部にＳｎ単芯線とＮｂ単芯線を配置するようにされる。これにより、減面加工および伸線加工におけるＳｎ単芯線の不均一変形による単芯線の配置の乱れや、その後の熱処理においてＳｎ単芯線近傍に生じうるボイドのサイズを低減でき、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材の超電導特性を向上することができる。
【実施例】
【００７４】
以下に、本発明の実施例を説明する。
【００７５】
［実施例１］
図１に示したように、外径３０ｍｍ、内径２６．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２６ｍｍのＮｂを挿入後、減面加工を行い対辺間距離１ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＮｂ素線（Ｎｂ単芯線）を作製した。
【００７６】
次に、外径３０ｍｍ、内径２６．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２６ｍｍの２質量％のＴｉを含むＳｎ合金材料（Ｓｎ−２ｍａｓｓ％Ｔｉ）を挿入し、これを減面加工して対辺間距離１ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＳｎ素線（Ｓｎ単芯線）を作製した。
【００７７】
最後に、外径５０ｍｍ、内径４４ｍｍのＣｕ製パイプに、本実施例ではＳｎ素線本数１本に対してＮｂ素線が本数約２本となるように、Ｓｎ素線４９９本およびＮｂ素線９９６本（合計１４９５本）を、Ｓｎ素線のまわりにＮｂ素線を６本配置しＳｎ素線同士が隣接しないように分散配置した。素線とＣｕパイプの間には、Ｓｎが外周のＣｕに拡散して超電導の安定性を損なうのを防止するための拡散バリア層として、厚さ０．２ｍｍのＴａシートを５周巻いて挿入して多芯複合体（前駆体）を作製し、これを減面加工して、全体の線径が１ｍｍの多芯線材（前駆体線材）を作製した。なお、前駆体とは、最終的に熱処理を施し、超電導線材を生成する前の構造を呼ぶ。
【００７８】
［実施例２］
図２に示したように、外径３０ｍｍ、内径２２．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２２ｍｍのＮｂを挿入後、減面加工を行い対辺間距離１ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＮｂ素線を作製した。
【００７９】
次に、外径３０ｍｍ、内径２７．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２７ｍｍの２質量％のＴｉを含むＳｎ合金材料（Ｓｎ−２ｍａｓｓ％Ｔｉ）を挿入し、これを減面加工して対辺間距離１ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＳｎ素線を作製した。
【００８０】
最後に、外径５０ｍｍ、内径４４ｍｍのＣｕ製パイプに、本実施例ではＳｎ素線本数１本に対してＮｂ素線が本数約３本となるように、Ｓｎ素線３６７本およびＮｂ素線１１２８本（合計１４９５本）を、Ｓｎ素線のまわりにＮｂ素線を配置しＳｎ素線同士が隣接しないように分散配置した。素線とＣｕパイプの間には、Ｓｎが外周のＣｕに拡散して超電導の安定性を損なうのを防止するための拡散バリア層として、厚さ０．２ｍｍのＴａシートを５周巻いて挿入して多芯複合体を作製し、これを減面加工して、全体の線径が１ｍｍの多芯線材（前駆体線材）を作製した。
【００８１】
［実施例３］
図８に示したように、外径３０ｍｍ、内径２６．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２６ｍｍのＮｂを挿入後、減面加工を行い対辺間距離２．５ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＮｂ素線を作製した。
【００８２】
次に、外径３０ｍｍ、内径２６．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２６ｍｍの２質量％のＴｉを含むＳｎ合金材料（Ｓｎ−２ｍａｓｓ％Ｔｉ）を挿入し、これを減面加工して対辺間距離２．５ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＳｎ素線を作製した。
【００８３】
外径４０ｍｍ、内径３６ｍｍのＣｕパイプに、本実施例ではＳｎ素線本数１本に対してＮｂ素線が本数約２本となるように、Ｓｎ素線５５本およびＮｂ素線１０８本（合計１６３本）を、Ｓｎ素線のまわりにＮｂ素線を配置しＳｎ素線同士が隣接しないように分散配置してサブエレメントのビレット（多芯ビレット）を作製した。これを減面加工して対辺間距離３ｍｍの六角形状に加工して、サブエレメント線を作製した。
【００８４】
作製したサブエレメント線を８５本束ねて、外径４０ｍｍ、内径３３ｍｍのＣｕパイプに挿入した。パイプとサブエレメント線の間に厚さ０．２ｍｍのＴａシートを５周巻いて挿入して拡散バリア層として多芯複合体を作製し、これを減面加工して線径１ｍｍの多芯線材を作製した。
【００８５】
本実施例では、Ｓｎ素線のＳｎが多芯線材の最外周の安定化Ｃｕに拡散するのを防止するために、多芯線材のＣｕパイプとサブエレメント線の間にバリア材を配置したが、図９に示したように、サブエレメント線のＣｕパイプの内側にバリア層を設けても同様にＳｎがバリア層の外側に拡散するのを防止する効果がある。
【００８６】
［実施例４］
実施例４は、Ｓｎ側にＣｕ被覆されていないものである。具体的には、図１において、Ｓｎ単芯線１６が、Ｓｎ基合金１４のみでなる超電導前駆体である。
【００８７】
外径３０ｍｍ、内径２３．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２３ｍｍのＮｂを挿入後、減面加工を行い対辺間距離１ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＮｂ素線（Ｎｂ単芯線）を作製した。
【００８８】
次に、２質量％のＴｉを含むＳｎ合金材料（Ｓｎ−２ｍａｓｓ％Ｔｉ）を減面加工して対辺間距離１ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＳｎ素線を作製した。
【００８９】
最後に、外径５０ｍｍ、内径４４ｍｍのＣｕ製パイプに、Ｓｎ素線を４９９本、Ｎｂ素線を９９６本、合計１４９５本を、Ｓｎ素線のまわりにＮｂ素線を６本配置しＳｎ素線同士が隣接しないように分散配置した構造で、挿入し、素線とＣｕパイプの間にはＳｎが外周のＣｕに拡散して超伝導の安定性を損なうのを防止することを目的として、すなわち、拡散バリア層として厚さ０．２ｍｍのＴａシートを５周巻いて挿入して多芯複合体を作製し、これを減面加工して、全体の線径が１ｍｍの多芯線材（前駆体線材）を作製した。 次に、比較例について説明する。
【００９０】
［比較例１］
図１１に示したように、外径３０ｍｍ、内径２６．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２６ｍｍのＮｂを挿入後、減面加工を行い対辺間距離２．５ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＮｂ素線を作製した。
【００９１】
また、外径３０ｍｍ、内径２７．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２７ｍｍの２質量％のＴｉを含むＳｎ合金材料（Ｓｎ−２ｍａｓｓ％Ｔｉ）を挿入し、これを減面加工して対辺間距離６ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＳｎ素線を作製した。
【００９２】
外径３８ｍｍ、内径３４ｍｍのＣｕパイプ内に、中央に六角形状（対辺間距離６ｍｍ）の単芯のＳｎ素線１本と、その周囲に六角形状（対辺間距離２．５ｍｍ）の単芯のＮｂ素線１３８本を配置してサブエレメントのビレットを作製した。これを減面加工して対辺間距離３ｍｍの六角形状に加工して、サブエレメント線を作製した。
【００９３】
最後に、外径３５ｍｍ、内径２６ｍｍのＣｕパイプ内に、上記で作製したサブエレメント線を５５本束ねて挿入し、パイプと素線（サブエレメント線）の間に厚さ０．２ｍｍのＴａシートを５周巻いて挿入して拡散バリア層として、多芯複合体を作製し、これを減面加工により全体の線径が１ｍｍの多芯線材（前駆体線材）を作製した。
【００９４】
［比較例２］
図１２に示したように、外径３０ｍｍ、内径２６．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２６ｍｍのＮｂを挿入後、減面加工を行い対辺間距離３ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＮｂ素線を作製した。
【００９５】
さらに外径３８ｍｍ、内径３２ｍｍのＣｕパイプ内に上記のＮｂ素線を８５本挿入し、これを減面加工して対辺間距離２．５ｍｍの六角形状に加工して、サブエレメント線を作製した。
【００９６】
一方、外径３０ｍｍ、内径２４．２ｍｍのＣｕ製パイプに外径２４ｍｍの２質量％のＴｉを含むＳｎ合金材料（Ｓｎ−２ｍａｓｓ％Ｔｉ）を挿入し、これを減面加工して対辺間距離２．５ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＳｎ素線を作製した。
【００９７】
最後に、外径４６ｍｍ、内径３８．５ｍｍのＣｕ製パイプに、サブエレメント線１０８本およびＳｎ素線５５本（合計１６３本）を、Ｓｎ素線のまわりにサブエレメント線を６本配置しＳｎ素線同士が隣接しないように分散配置した構造で挿入した。素線とＣｕパイプの間には、Ｓｎが外周のＣｕに拡散して超電導の安定性を損なうのを防止するための拡散バリア層として、厚さ０．２ｍｍのＴａシートを５周巻いて挿入して、多芯複合体を作製し、これを減面加工して、全体の線径が１ｍｍの多芯線材（前駆体線材）を作製した。
【００９８】
上記の実施例１〜４（本発明）および比較例１，２（従来の方法）で作製されたＮｂ3Ｓｎ前駆体線材の一部に対して、５００℃×１００時間＋７００℃×１００時間の熱処理を行い、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材とした。
【００９９】
得られた超電導線材に対して、液体ヘリウム中（絶対温度４．２Ｋ）で１２Ｔ（テスラ）、１１Ｔ、１０Ｔの磁場中で臨界電流値（Ｉｃ値）の測定を行い、測定した臨界電流値を線材のＮｂフィラメントの断面積（設計値）で除したフィラメント臨界電流密度（Ｊｃ）を算出した。
【０１００】
表１に各実施例と比較例の（１）各線材のフィラメント（前駆体の状態の単芯線）寸法を示す。さらに、前駆体の状態の（２）単芯断面積比率、すなわち、Ｓｎフィラメント（単芯線）１本に対するＮｂフィラメント（単芯線）１本の断面積の比率、（３）合計断面積比率、すなわち、Ｓｎフィラメントの合計断面積に対するＮｂフィラメントの合計断面積の比率、（４）Ｎｂフィラメントの断面積比率（％）、すなわち、前駆体線材全体に対するＮｂフィラメントの合計断面積（％）を表す。さらに、超電導線材生成後の性能について（５）Ｉｃ、すなわち、熱処理後のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の臨界電流値を測定したもの、および（６）フィラメントＪｃ、すなわち、Ｎｂフィラメントの領域にＮｂ3Ｓｎが生成されたと近似して、測定されたＩｃと、Ｎｂフィラメントの断面積からＮｂ3Ｓｎ部分の臨界電流密度を算出したものを示す。
【０１０１】
【表１】
【０１０２】
（１）のフィラメントの寸法について、具体的には、断面において、径（実施例においては、対辺の距離（対辺間距離））を十点平均し、四捨五入し小数点１桁を有効数字として記載した。この値は、設計値と一致している。
【０１０３】
上記の実施例および比較例において、各素線、前駆体の長さは、熱処理後の各フィラメント長さと等しいので、実質的には、各材料の断面積合計の比は、各材料の体積比と等しくなっている。
【０１０４】
比較例１、２では、１２Ｔの磁場におけるフィラメントＪｃはそれぞれ２８３０、２８４０Ａ／ｍｍ2であったのに対し、本発明の実施例１、２の線材では、１２Ｔの磁場でのフィラメントＪｃはおよそ３０００Ａ／ｍｍ2であり、また実施例３の線材のフィラメントＪｃは３１００Ａ／ｍｍ2を示し、本発明の線材は従来の方法による線材に比較して高いＪｃであることが示された。
【０１０５】
比較例１，２の線材では、伸線加工時および超電導化熱処理時にＮｂ単芯線の配置が乱れて、特性が低下したものと考えられ、これに対して本発明の線材は伸線加工時あるいは熱処理時の単芯線の配置の乱れが低減されたことにより高いＪｃ特性を示したものと考えられる。
【０１０６】
実施例１の線材の熱処理後の断面を観察した結果、Ｎｂ3Ｓｎフィラメントの寸法は約１６μｍ程度であった。一方、図１０に示すように、Ｓｎ単芯線のあった場所には一部にボイド（空隙部）が観察されたが、観察されたボイドの寸法及びＳｎ単芯線の寸法は、Ｎｂ単芯線とおよそ同じかあるいはそれ以下の寸法であった。これは元々Ｎｂ単芯線と同じ寸法のＳｎ単芯線を組み込んで作製したのでＳｎ単芯線の位置に生成するボイドの寸法も当然Ｎｂ単芯線の寸法程度かそれ以下の大きさとなったものである。これによりＮｂ3Ｓｎフィラメントが電磁力を受けた場合でも容易に動く可能性は小さい。
【０１０７】
実施例３は実施例１、２より高いＪｃを示しているが、これは多芯化することにより単芯線寸法が４．５μｍに小さくなったことによりＮｂ単芯線へのＳｎの拡散が容易になりＮｂ3Ｓｎの生成が促進した効果である。
【０１０８】
また実施例３において、熱処理後の断面より、Ｎｂ3Ｓｎフィラメントの寸法はおよそ５μｍであった。これは従来のブロンズ法によるＮｂ3Ｓｎ線材の典型的なフィラメントサイズに等しい。また当然Ｓｎ芯（単芯線）の寸法もＮｂと同じ寸法の素線を組み込んで多芯線材を作製したのでおよそ５μｍである。本実施例では多芯化を２回行うことで作製工程数は増加したが、Ｎｂ3Ｓｎフィラメントサイズとして従来ブロンズ法と同等のサイズが得られ、その場合にもＳｎ芯の大きさはＮｂ3Ｓｎと同程度であるので、伸線加工時あるいは熱処理時のＮｂ単芯線の配置の乱れやボイドの発生によるＮｂ単芯線の移動を防止することが可能であった。
【０１０９】
磁場を１１Ｔおよび１０Ｔに低下すると各線材ともＪｃ特性は向上し、通常の臨界電流測定では電流を増加するとＩｃ値付近の電流で徐々に電圧が発生する。
【０１１０】
実施例１〜４の線材は、１２Ｔ、１１Ｔ、１０Ｔのいずれの磁場においても、上記のように電流値を増加してＩｃ付近で徐々に電圧が発生したので、所定の電圧発生をもってＩｃ値を求める測定が可能であった。
【０１１１】
上述のとおり、実施例１〜４では、フィラメントＪｃを上げるという効果を得るとともに、全体に対する超電導線材の断面積率（体積率）が上がることによって、より一層の臨界電流（Ｉｃ）を得ることが可能となる。
【０１１２】
比較例１、２の線材も１２Ｔおよび１１Ｔの磁場ではＩｃ値付近の電流で徐々に電圧が発生し、Ｉｃを求めることが可能であったが、１０Ｔの磁場では表に示した電流値のときに急激に電圧が発生し（いわゆるクエンチ現象、表１中に＊印で示す）、所定の電圧をもってＩｃ値を定義することができなかった。
【０１１３】
従来の方法による線材では加工時あるいは熱処理時におけるＮｂ単芯線の配置の乱れが大きく、さらに熱処理によりＮｂ3Ｓｎフィラメントより大きなボイドがＳｎ単芯線のあった部分に発生したため、磁場中で通電した際にＮｂ3Ｓｎフィラメントが電磁力を受けて動いたものと考えられる。本発明による線材では、Ｎｂ3Ｓｎフィラメントに対してＳｎ単芯線の寸法が同じ程度であることから、単芯線の配置の乱れあるいはＮｂ3Ｓｎフィラメントより大きなボイドの発生がなく、磁場中で通電して電磁力を受けてもＮｂ3Ｓｎフィラメントが動くことが抑制されてクエンチが起こらなかったものと思われる。
【符号の説明】
【０１１４】
１１ 前駆体
１２ Ｃｕ管
１３ バリア層
１４ Ｓｎ合金
１５ Ｃｕ
１６ Ｓｎ単芯線
１７ ＮｂまたはＮｂ合金
１８ Ｃｕ
１９ Ｎｂ単芯線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部スズ法によるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であって、
Ｔａ、Ｔａ合金、Ｎｂ、Ｎｂ合金のいずれかからなるバリア層が内面に形成されたＣｕ管と、
前記Ｃｕ管内に配置され、Ｓｎ若しくはＳｎ合金、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金をＣｕで被覆してなる複数のＳｎ単芯線と、
前記Ｃｕ管内に配置され、Ｎｂ若しくはＮｂ合金、あるいはＮｂ若しくはＮｂ合金をＣｕで被覆してなる複数のＮｂ単芯線と、からなり、
前記Ｓｎ単芯線と前記Ｎｂ単芯線とが、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように前記Ｃｕ管内に配置されるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体。
【請求項２】
前記Ｓｎ単芯線および前記Ｎｂ単芯線が内部に配置された前記Ｃｕ管を伸線加工した後の断面において、前記Ｎｂ単芯線と前記Ｓｎ単芯線の径がいずれも３０μｍ以下である請求項１記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体。
【請求項３】
前記Ｓｎ単芯線の断面積に対する前記Ｎｂ単芯線の断面積の比率が０．３〜２．２である請求項１または２に記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体。
【請求項４】
前記Ｎｂ単芯線の合計の断面積と、前記Ｓｎ単芯線の合計の断面積の比率［Ｎｂ単芯線合計断面積］／［Ｓｎ単芯線合計断面積］は１．２〜２．２である請求項１〜３いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体。
【請求項５】
前記Ｎｂ単芯線が、前記Ｓｎ単芯線を囲むように前記Ｃｕ管内に配置され、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないようにされる請求項１〜４いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体。
【請求項６】
前記Ｓｎ単芯線と前記Ｎｂ単芯線とＣｕ単芯線とが、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように前記Ｃｕ管内に配置される請求項１〜５いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体。
【請求項７】
請求項１〜６いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体を熱処理してなるＮｂ3Ｓｎ超電導線材。
【請求項８】
Ｎｂ若しくはＮｂ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＮｂ単芯線を作製する工程と、
Ｓｎ若しくはＳｎ合金棒を減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程と、
Ｃｕ管内面にＮｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｔａ合金のいずれかからなるバリア層を設け、その内部に複数の前記Ｎｂ単芯線と前記Ｓｎ単芯線を、前記Ｓｎ単芯線の周囲に前記Ｎｂ単芯線が隣接し、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように配置して前駆体を作製する工程と、
前記前駆体を伸線加工して前駆体線材とする工程と、
前記前駆体線材を熱処理する工程と、からなることを特徴とするＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法
【請求項９】
Ｎｂ若しくはＮｂ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＮｂ単芯線を作製する工程と、
Ｓｎ若しくはＳｎ合金棒を減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程と、
Ｃｕ管内面にＮｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｔａ合金のいずれかからなるバリア層を設け、その内部に複数の前記Ｎｂ単芯線と前記Ｓｎ単芯線を、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように配置して多芯ビレットを作製する工程と、
前記多芯ビレットを減面加工してサブエレメント線とする工程と、
前記サブエレメント線を複数本束ねてＣｕ管中に収容して前駆体を作製する工程と、
前記前駆体を伸線加工して前駆体線材とする工程と、
前記前駆体線材を熱処理する工程と、からなることを特徴とするＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項１０】
Ｎｂ若しくはＮｂ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＮｂ単芯線を作製する工程と、
Ｓｎ若しくはＳｎ合金棒を減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程と、
Ｃｕ管内部に複数の前記Ｎｂ単芯線と前記Ｓｎ単芯線を、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように配置して多芯ビレットを作製する工程と、
前記多芯ビレットを減面加工してサブエレメント線とする工程と、
Ｃｕ管内面にＮｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｔａ合金のいずれかからなるバリア層を設け、その内部に前記サブエレメント線を複数本束ねて収容して前駆体を作製する工程と、
前記前駆体を伸線加工して前駆体線材とする工程と、
前記前駆体線材を熱処理する工程と、からなることを特徴とするＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項１】
内部スズ法によるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体であって、
Ｔａ、Ｔａ合金、Ｎｂ、Ｎｂ合金のいずれかからなるバリア層が内面に形成されたＣｕ管と、
前記Ｃｕ管内に配置され、Ｓｎ若しくはＳｎ合金、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金をＣｕで被覆してなる複数のＳｎ単芯線と、
前記Ｃｕ管内に配置され、Ｎｂ若しくはＮｂ合金、あるいはＮｂ若しくはＮｂ合金をＣｕで被覆してなる複数のＮｂ単芯線と、からなり、
前記Ｓｎ単芯線と前記Ｎｂ単芯線とが、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように前記Ｃｕ管内に配置されるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体。
【請求項２】
前記Ｓｎ単芯線および前記Ｎｂ単芯線が内部に配置された前記Ｃｕ管を伸線加工した後の断面において、前記Ｎｂ単芯線と前記Ｓｎ単芯線の径がいずれも３０μｍ以下である請求項１記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体。
【請求項３】
前記Ｓｎ単芯線の断面積に対する前記Ｎｂ単芯線の断面積の比率が０．３〜２．２である請求項１または２に記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体。
【請求項４】
前記Ｎｂ単芯線の合計の断面積と、前記Ｓｎ単芯線の合計の断面積の比率［Ｎｂ単芯線合計断面積］／［Ｓｎ単芯線合計断面積］は１．２〜２．２である請求項１〜３いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体。
【請求項５】
前記Ｎｂ単芯線が、前記Ｓｎ単芯線を囲むように前記Ｃｕ管内に配置され、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないようにされる請求項１〜４いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体。
【請求項６】
前記Ｓｎ単芯線と前記Ｎｂ単芯線とＣｕ単芯線とが、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように前記Ｃｕ管内に配置される請求項１〜５いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体。
【請求項７】
請求項１〜６いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体を熱処理してなるＮｂ3Ｓｎ超電導線材。
【請求項８】
Ｎｂ若しくはＮｂ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＮｂ単芯線を作製する工程と、
Ｓｎ若しくはＳｎ合金棒を減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程と、
Ｃｕ管内面にＮｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｔａ合金のいずれかからなるバリア層を設け、その内部に複数の前記Ｎｂ単芯線と前記Ｓｎ単芯線を、前記Ｓｎ単芯線の周囲に前記Ｎｂ単芯線が隣接し、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように配置して前駆体を作製する工程と、
前記前駆体を伸線加工して前駆体線材とする工程と、
前記前駆体線材を熱処理する工程と、からなることを特徴とするＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法
【請求項９】
Ｎｂ若しくはＮｂ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＮｂ単芯線を作製する工程と、
Ｓｎ若しくはＳｎ合金棒を減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程と、
Ｃｕ管内面にＮｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｔａ合金のいずれかからなるバリア層を設け、その内部に複数の前記Ｎｂ単芯線と前記Ｓｎ単芯線を、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように配置して多芯ビレットを作製する工程と、
前記多芯ビレットを減面加工してサブエレメント線とする工程と、
前記サブエレメント線を複数本束ねてＣｕ管中に収容して前駆体を作製する工程と、
前記前駆体を伸線加工して前駆体線材とする工程と、
前記前駆体線材を熱処理する工程と、からなることを特徴とするＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項１０】
Ｎｂ若しくはＮｂ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＮｂ単芯線を作製する工程と、
Ｓｎ若しくはＳｎ合金棒を減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程、あるいはＳｎ若しくはＳｎ合金棒をＣｕパイプ中に挿入し、これを減面加工してＳｎ単芯線を作製する工程と、
Ｃｕ管内部に複数の前記Ｎｂ単芯線と前記Ｓｎ単芯線を、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように配置して多芯ビレットを作製する工程と、
前記多芯ビレットを減面加工してサブエレメント線とする工程と、
Ｃｕ管内面にＮｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｔａ合金のいずれかからなるバリア層を設け、その内部に前記サブエレメント線を複数本束ねて収容して前駆体を作製する工程と、
前記前駆体を伸線加工して前駆体線材とする工程と、
前記前駆体線材を熱処理する工程と、からなることを特徴とするＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−９４４３６（Ｐ２０１２−９４４３６Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４２３７９（Ｐ２０１０−２４２３７９）
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【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２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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