Ｔｉソース・ロッドを用いて（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎワイヤを製造するための方法
【課題】マルチフィラメント（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎ超伝導ワイヤを製造するための方法における改善を開示する。
【解決手段】この方法は、ＮｂまたはＮｂ合金モノフィラメントを銅または銅合金シース内に包んだ複数のＮｂまたはＮｂ合金ロッドを調製するステップ、これらのＮｂまたはＮｂ合金ロッドを、銅を含むマトリクス内に詰め込んで、超伝導ワイヤのためのパック・サブエレメントを形成するステップ、このサブエレメント内にＳｎソース及びＴｉソースを設けるステップ、複数のサブエレメントを、もう一つの銅を含むマトリクス内に組み付けるステップ、そしてＮｂまたはＮｂ合金ロッド内へＳｎ及びＴｉを拡散させて（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎを形成するステップからなる。この方法は、ＮｂまたはＮｂ合金ロッド間に配置した、少数のＴｉドーパント・ソース・ロッドからＴｉをＮｂ内へ拡散させるという改善がなされている。
【解決手段】この方法は、ＮｂまたはＮｂ合金モノフィラメントを銅または銅合金シース内に包んだ複数のＮｂまたはＮｂ合金ロッドを調製するステップ、これらのＮｂまたはＮｂ合金ロッドを、銅を含むマトリクス内に詰め込んで、超伝導ワイヤのためのパック・サブエレメントを形成するステップ、このサブエレメント内にＳｎソース及びＴｉソースを設けるステップ、複数のサブエレメントを、もう一つの銅を含むマトリクス内に組み付けるステップ、そしてＮｂまたはＮｂ合金ロッド内へＳｎ及びＴｉを拡散させて（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎを形成するステップからなる。この方法は、ＮｂまたはＮｂ合金ロッド間に配置した、少数のＴｉドーパント・ソース・ロッドからＴｉをＮｂ内へ拡散させるという改善がなされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
この出願は、２００３年１０月１７日に出願した、米国仮出願第６０/５１２，３５４号からの優先権を主張する。
この本発明は、概して、超伝導ワイヤ及びケーブルを調製する方法に関するもので、特に（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎの調製のための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高磁場（〜>１２Ｔ）で最も高いＢｃ２（上側臨界磁界）と最も高い臨界電流とを得るためには、Ｎｂ３ＳｎへＴｉまたはＴａを添加する必要がある。（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎは、代替の（Ｎｂ，Ｔａ）３Ｓｎ材料よりも交流損失が低いため、急速に変化する磁場に懸念を抱く超伝導マグネットのメーカには、魅力的なソースとなっている。また、（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎは、（Ｎｂ，Ｔａ）３Ｓｎよりも歪み耐性が良いため、高応力マグネットの設計には、より有用である。（Ｎｂ，Ｔａ）３Ｓｎ複合材は、一般に、（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎ複合材内に用いる純Ｎｂフィラメントよりも硬く製造が困難なＮｂ７．５ｗｔ%Ｔａフィラメントで製造する。
【０００３】
内部スズ・ワイヤにＴｉを添加する現在最も一般的な方法は、Ｓｎ−Ｔｉ合金を使用することである。熱処理中、Ｓｎ内のＴｉは、複合線のＣｕマトリクスを介してＳｎと共に拡散して、Ｎｂフィラメントと化学反応し、必要な高Ｂｃ２相を形成する。しかし、この従来のＳｎ−Ｔｉ合金による方法の使用中には、いくつかの問題が発生する。一つの問題は、Ｓｎ−Ｔｉ合金の鋳造中に、寸法において直径が〜２５μｍで長さが〜１００μｍの硬い、ロッド状のＳｎ−Ｔｉ金属間粒子が不可避的に形成されることである。これらの金属間粒子は、寸法がスズ・リザーバ寸法に相当する大きさに発達した場合、製造中、フィラメント（そして結局ワイヤ）を破壊する。結果は、ワイヤ、またはワイヤ内に使用するエレメントの最小径が制限されるということである。
【０００４】
さらに、Ｓｎ−Ｔｉ合金は、製造が困難であり、高価である。品質管理も問題である。次世代融合マグネットに対するワイヤの注文を満たすだけの合金量を考えた場合、特に問題である。
【０００５】
内部スズまたはブロンズ法ワイヤへＴｉを添加するもう一つの方法は、Ｎｂフィラメントの各々の中央に、ＴｉあるいはＮｂ−Ｔｉロッドを用いて、熱処理中に、各々のフィラメントの中央からＴｉを拡散させることである。この方法に関する問題は、実に、各フィラメントがその中央にＴｉまたはＮｂ−Ｔｉソースを持つ必要があり、ひどく高価であるということである。
【０００６】
ブロンズ法ワイヤへＴｉを添加するさらにもう一つの方法は、Ｃｕ−Ｓｎの代わりに、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ合金マトリクスを用いることである。この方法の問題は、割れのない状態で製造することが難しいことである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述した問題の全てを克服する。本発明によれば、（本文で「Ｔｉドーパント・ソース」ロッドと言及する）Ｎｂ−Ｔｉ合金またはＴｉロッドは、ＮｂまたはＮｂ合金のロッド間に配置し、ロッド間に少なくともいくらかのＣｕまたはＣｕ合金を介在させる。Ｔｉドーパント・ソース・ロッドの数は、ＮｂまたはＮｂ合金ロッドの数に比べ小さく、これらのドーパント・ソース・ロッドを、より多数のＮｂまたはＮｂ合金ロッド間に対称的に配置することが好ましい。本発明は、Ｎｂ３Ｓｎ生産のためのブロンズ法と共に用いることができるが、特に、内部スズ法を用いる場合に適用できる。一つの好適実施例では、Ｎｂ（またはＮｂ合金）ロッドを、純ＳｎまたはＳｎ−Ｃｕ合金コアを囲むＣｕマトリクス内に分散させ、最終的なマルチフィラメント・ワイヤのためのこのサブエレメントを、ＴａまたはＮｂまたはＮｂ合金拡散隔壁によって囲む。以下で、さらに明らかになるが、用語「サブエレメント」は、同類サブアセンブリと一緒にしっかりとまとめる（詰め込む）と、最終的な超伝導ワイヤのための前駆体アセンブリを形成するサブアセンブリに言及する。サブエレメント内のＴｉドーパント・ソース・ロッドは、Ｎｂ（またはＮｂ合金ロッド）間に均一に、そして対称的に配置する。ロッドがＮｂ合金からなる場合、そのような合金は、７０ｗｔ%Ｎｂ以上からなる。Ｔｉドーパント・ソース・ロッド内のＴｉの可能な濃度範囲は、およそ１０から１００重量％である。Ｎｂ４７ｗｔ%Ｔｉ合金から形成したＴｉドーパント・ソース・ロッドは、延性が良く、また購入し易いため、特に有用である。熱処理中、Ｓｎ拡散と、Ｃｕ−Ｓｎ合金を通るＴｉの高拡散速度に助けられて、Ｔｉドーパント・ソース・ロッドからのＴｉが、Ｔｉドーパント・ソース・ロッドから周囲のＮｂまたはＮｂ合金ロッドへ拡散する。Ｎｂ（またはＮｂ合金）ロッドに対するＴｉドーパント・ソース・ロッドの正確な体積比の設計は、Ｔｉドーパント・ソース・ロッド内のＴｉの重量％、ＮｂまたはＮｂ合金ロッドの量、そして所望の最終Ｔｉドーピング濃度から決定する。Ｔｉドーパント・ソース・ロッドは、加工ステップ中のＣｕ−Ｔｉ金属間粒子形成を防止するために、Ｎｂ拡散隔壁によって保護すべきである。Ｔｉ拡散の有益な副作用は、反応過程でＴｉソース・ロッドがＣｕに置換されることである。このことは、有効フィラメント径及び交流損失を減少させるための、Ｔｉソース・ロッドが超伝導領域を細分割するように作用可能なサブエレメントの設計（例えば、Ｔｉソース・ロッドのスポーク）を示唆する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の方法は、内部スズ及びブロンズ法の方法を含む、あらゆるＡ１５タイプ超伝導ビレットの設計に使用することができる。本発明によれば、マルチフィラメント（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎ超伝導ワイヤを製造するための方法が提供される。この方法では、複数のＮｂまたはＮｂ合金ロッドを、銅を含むマトリクス内に詰め込んで、超伝導ワイヤのためのパック・サブエレメントを形成する。銅を含むマトリクス内のＮｂまたはＮｂ合金ロッド間に、Ｔｉドーパント・ソース・ロッドを詰め込み、そしてＳｎソースを、サブエレメント内に設ける、あるいはサブエレメントに隣接させて配置する。これらのサブエレメントを、もう一つの銅を含むマトリクス内に組み入れ、超伝導体のための前駆体と、この安定化させる銅との間に一つ以上の拡散隔壁を設け、そしてこの組み合わせ材をワイヤ形状へ絞る。それから、適切な熱処理によってＳｎ及びＴｉをＮｂまたはＮｂ合金ロッド内へ拡散させて、（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎを形成する。
【０００９】
図１の概略図は、内部スズ法によってマルチフィラメント超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する。内部スズ・ビレットへのキーは、フィラメントの金属比率及び形状を設定するサブエレメントの設計である。一つの一般的なアプローチは、銅または銅合金でクラッディング（被覆）したＮｂまたはＮｂ合金のモノフィラメントを押出成形することである。六角形状の再スタック内に詰め込むために、これらのモノフィラメントを六角形にして切断し、高電流密度ワイヤ設計に典型的なサブエレメント・ビレットを形成する。図１では、このアプローチを用いている。サブエレメント・ビレットを形成するためのもう一つの一般的な方法は、銅または銅合金ビレット・マトリクスに孔を開けて、それらの孔内に丸いＮｂ合金ロッドを補充する。これは、低交流損失の適度な電流密度のワイヤ設計に典型的なものであり、例えば、ＩＴＥＲ（国際熱核実験用原子炉）ＴＦ（トロイダル磁界）及びＣＳ（中央ソレノイド）コイルのためのワイヤがある。図２に図解する方法では、このアプローチを用いる。本発明は、これらの一般的なタイプのサブエレメントの両方の用途、そしてＮｂまたはＮｂ合金フィラメント持つ如何なるタイプの内部スズ・スタイル・サブエレメントの用途に適当である。
【００１０】
次に図１ａ−１を参照する。ＮｂまたはＮｂ合金（例えば、Ｎｂ７．５%Ｔａ、Ｎｂ１%Ｚｒ）モノフィラメント１０が、銅または銅合金１２のシース内に入っている。このＣｕで包んだＮｂモノフィラメントを、六角形（「ヘックス」）断面を持つロッド１４へ引き抜き加工する。同様に図１ａ−２では、（Ｔｉコアと化学反応する銅によるその後の処理ステップにおけるＣｕ−Ｔｉ形成を阻止するために）Ｎｂ拡散隔壁１５、そしてＣｕまたはＣｕ合金（例えば、Ｃｕ０．７%Ｓｎ、酸化物分散強化型ＣｕＡｌ２Ｏ３）シース１８で包んだＴｉまたはＴｉ合金（例えば、Ｎｂ４７%Ｔｉ、Ｎｂ５０%Ｔｉ）モノフィラメント１６を、断面が六角形のロッド１９へ形成する。複数の銅六角形要素によって、あるいは銅の固まりから形成した中央銅マトリクス２２を持つ、成形または機械加工した銅缶２０内に、これらの六角ロッド１４及び１９を再スタックする。六角要素と銅缶２０との間には、（反応シーケンス中の、スズの拡散を制限するために）Ｎｂ合金拡散隔膜２３が設けられている。拡散隔壁２３の選択、Ｔａ、Ｎｂまたはそのような隔壁として有用であると知られる類似合金の選択は、最終的な応用に依存するが、本発明の実施例を実質的に変化させるものではない。隔壁は、チューブ状であっても、あるいはシートを巻いたものであってもよい。しかし、反応可能な隔壁（例えばＮｂ）を選択した場合は、Ｎｂ−Ｔｉ合金の量及び配分を決定する際に、この反応可能な隔壁の面積を考慮に入れなければならない。最終的な拡散の効果を増加させるために、Ｔｉドーパント・ソース・ロッド１９を、Ｎｂロッド１４全部に対して対称形に均一に配置することが好ましい。Ｔｉドーパント・ソース・ロッドの数は、Ｔｉ合金ロッドの成分、Ｎｂ及びＴｉドーパント・ソース・ロッドの相対数及びサイズ、そして所望の最終Ｔｉ濃度に応じて決定する。およそ０．５〜３．０原子量%Ｔｉに関係する文献に、（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎに対する最良の超電導特性が示されている。
【００１１】
図１ｂのサブエレメント２５を押出成形したら、最終再スタック方法のタイプを選択しなければならない。再スタックは、サブエレメントの絞りを促進し、有効な拡散及び反応のために十分に小さな寸法のフィラメントを得る、そして／あるいは拡散隔壁を加えるために、概して必要である（が、常に必要なものではない）。二つの基本的技術は、「ホット」及び「コールド」再スタッキングである。「ホット」方法は、最終再スタックをまず最初に熱間押出によって絞り、サブエレメントと銅マトリクスとの間の冶金結合を促進させることを含む。この方法は、文献で「熱間押出ロッド」と言及されている。「コールド」方法は、最終再スタックを冷間伸線加工技術のみによって絞ることを含む（欠点は結束が弱いことで、利点は単純であることである）。この方法は、文献で「再スタック・ロッド加工」と言及されている。「ホット」方法によって再スタックするには、サブエレメント２５を引き抜き加工して、図１ｃのような六角要素を形成し、ガンドリルまたは他の適当な手段によって、孔２７を形成する。本技術で既知であるように、孔２７内に塩を充填し、サブエレメントと銅缶の再スタック２９に詰め込み、再スタックを空にして、溶接し、そして熱間押出成形する。その後、孔２８から塩を取り除き、図１ｄの複合ワイヤ・アセンブリ２９のようにＳｎまたはＳｎ合金で置き換える。「コールド」方法によって再スタックするには、押出成形したサブエレメント２５の中央領域２２にガンドリルで孔を開けて、スズまたはスズ合金を詰め込む。サブエレメントを絞って、（図１ｄの２９内のパターンのように）再スタックし、それを最終ワイヤ・サイズへ冷間引き抜き加工する。
【００１２】
ワイヤを最終サイズへ加工したら、熱処理を用いて、Ｓｎ及びＴｉをＮｂへ拡散させ、超伝導相を発生させる。Ｃｕマトリクス内に詰め込んだ複数の六角サブエレメント２６を含む図１ｄの複合構造物２９は、その後、加熱スケジュールによって、Ｃｕを介してＳｎ及びＴｉをＮｂモノフィラメント内へ拡散させ、超伝導体を製造する。典型的に内部スズの場合、１８０℃〜５７０℃間で十時間から数百時間に渡る、マトリクス全域にスズを拡散させて高重量％Ｓｎブロンズ相を形成する前期反応シーケンスがある。その後、十時間から数百時間に渡る６００℃〜７２５℃の反応過程があり、Ａ１５相（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎが形成される。さらに、使用する主要Ｎｂ合金ロッドまたは拡散隔壁が、Ｎｂ−Ｔａ（例えば、Ｎｂ７．５ｗｔ%Ｔａ）である場合、この技術によって、（Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ）３Ｓｎを形成することが可能であることは明らかである。
【００１３】
図２は、内部スズ法の変形における本発明の使用を図解する。図２ａでは、銅ビレット３１内のガンドリル孔３５には、多数のＮｂ合金ロッド３２が充填され、これらのロッド３２間には、対称的な間隔で少数のＴｉドーパント・ソース・ロッド３４がある。ロッド３２には銅のクラッディングは必要でないが、ロッド３４は、Ｎｂ拡散隔壁で包まなければならないという点で、図１ａ−２のものに類似している。図２ｂでは、サブエレメント３７のガンドリル中心３３に、ＳｎまたはＳｎ合金３９を挿入している。その後、これを引き抜き加工して、再パック・サイズへ成形する。図２ｃでは、成形サブエレメント３８を銅管４０内のＴａ拡散隔壁３６内に詰め込んで、最終ワイヤ・サイズへ引き抜き加工し、その後、先に述べたように、熱処理で拡散を促す。
【００１４】
Ｓｎソースをサブエレメント内にあるものとして主に説明したが、サブエレメント＋スズが拡散隔壁内にある限り、加えてＳｎをサブエレメントに並べて配置することが可能な、それほど一般的でない技術を使用することも可能である。したがって図２ｃでは、サブエレメントに隣接させて、しかし拡散隔壁の内側に、多数の追加Ｓｎ領域を設けることができる。原則として、サブエレメントに隣接するスズをさらに増加させて補正すれば、サブエレメント内のスズをゼロまでさえも減らすことができる。
【００１５】
図３では、本発明の方法を「ブロンズ法」に用いる。図３ａに示す第一の押出加工では、Ｎｂ合金ロッド４１は、アルファ相Ｃｕ−Ｓｎ合金のマトリクス４２内にある。（図１ａ−２のように加工した）Ｔｉドーパント・ソース・ロッド４４を、ＮｂまたはＮｂ合金ロッド４１間に対称的に配置している。図３ｂに示す第二の押出加工では、第一の押出加工からの六角成形ロッド５０を、Ｃｕ−Ｓｎ缶５１内に詰める。サブエレメントの中心に、例えばＴａの一つのように、Ｃｕ安定化剤４５を配置し、それを拡散隔膜４６によって囲む。注目すべきことは、安定するＣｕが、複合材中央に配置される必要がない点である。代わりに、複合材の外側ジャケットをＣｕにしてもよい。そして、それをＣｕ−Ｓｎ合金から拡散隔壁によって切り離す。製造業者は、現在、ＴａでＮｂフィラメントをドーピングする、またはＴｉでブロンズ・マトリクスをドーピングすることによって、高臨界電流密度Ａ１５材を得ている。本発明によれば、無ドープＣｕ−Ｓｎマトリクス内に、ＮｂまたはＮｂ合金ロッドと共に分配させたＴｉドーパント・ソース・ロッドを使用することができる。製造コストを削減し、製造を容易にする。図３は、したがって、これを、内部的に安定した二重の押出工法に対して行う方法を示す。従来の技術による方法と異なる点は、第一の押出加工の設計において、Ｔｉドーパント・ソース・ロッドを分配することである。そして必要ならば、熱処理を修正して、均一なＴｉの分散を確実にする。
【００１６】
本発明を以下の例によってさらに説明するが、これらは、単に例であって、本発明を限定するものではないと考えるべきである。
【実施例１】
【００１７】
この例では、加工に、図１に示すタイプのサブエレメントを使用して、ワイヤを調製した。したがって、分配した反応可能なＮｂ拡散隔壁と共に、六角フィラメント・サブエレメント設計を用いた。三つの熱間押出加工（≧９００°Ｆ）を含んだ。
【００１８】
第一の押出加工。銅缶内でＮｂインゴットを押出成形し、その結果として生じたロッドを、再スタッキング（図１ａ）のための六角ロッドへ引き抜き加工して、Ｎｂの銅被覆六角モノフィラメントを製造した。六角ロッドの典型的な寸法は、対辺が１/８インチ、長さが２フィートである。（図１ａに示す）Ｎｂロッドと共に再スタックするために、銅缶内で（Ｎｂ拡散隔壁と共に）Ｎｂ４７ｗｔ%Ｔｉを押出成形し、それによって生じたロッドを六角ロッドへ引き抜き加工することによって、Ｎｂ４７ｗｔ%Ｔｉの六角モノフィラメントを製造した。
【００１９】
第二の押出加工。図１ｂの断面図に示すように、Ｎｂ合金隔壁チューブ内に、第一の押出加工からのロッドを再スタックした。銅被覆ＮｂまたはＮｂ合金六角のスタックの間に、対称形に一様な間隔のパターンで、Ｔｉドーパント・ソース・ロッドを配置した。Ｎｂ六角マトリクスには、僅かに少数のＮｂ４７ｗｔ%Ｔｉロッドで、最大Ｂｃ２に望ましい１〜３原子パーセントを得るに十分であったが、均等なＴｉ拡散を促進するために、それらを再スタック内に対称的に、そして均一に分散しなければならない。これまでに議論した要素は、サブエレメントを形成する押出加工前に空にして溶接した銅缶内に配置した。押出成形したサブエレメント・ロッドは、六角形断面へ引き抜き加工し、ガンドリルで孔を開け、塩を詰め込んだ（図１ｃ）。
【００２０】
第三の押出加工。図１ｄに示すように、空にし、溶接して、２インチ径のロッドに押出成形した銅缶内に、１８本のサブエレメント六角ロッドを再スタックした。この第三の押出加工ロッドは、水洗して塩を取り除き、Ｓｎ−Ｃｕ合金で置き換え（図１ｄ）、それから最終サイズ（０．８ｍｍの直径）へ引き抜き加工した。それから、典型的な内部スズ熱処理（１００時間２１０℃、４８時間４００℃、そして１８０時間６７５℃）を用いて反応させた（図４を参照）。反応過程中、両フィラメントは完全に反応し、Ｎｂ４７ｗｔ%Ｔｉロッド中のチタンが、導体断面を通って分散した。これの証拠は三つあった。第一に、断面は、ワイヤ内のフィラメントがほぼ完全に反応したことを示した。第二に、臨界電流密度対外部磁場印加プロット（図５）は、Ｔｉドープの成功なしにはあり得ないの大きさの臨界電流密度及びＢｃ２（クレイマー外挿＝２７Ｔ）を示す。第三に、反応していないワイヤと反応したワイヤの断面を、ＳＥＭ−ＥＤＳ（エネルギー分散分光測定法）によって調べた。反応前に、Ｎｂフィラメントが純Ｎｂであり、Ｎｂ−Ｔｉフィラメントが〜４７ｗｔ％Ｔｉであることを確認した。反応後、反応Ｎｂフィラメント及び隔壁の全測定領域は、Ｔｉ濃度が〜０．６ｗｔ%Ｔｉである（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎを示した。Ｎｂ４７ｗｔ%Ｔｉフィラメントが当初に存在した位置の大部分には銅が現れた。このことは、Ｔｉ拡散中に、その位置へ銅が拡散したと考察できる。注目すべきことは、この効果のため、交流損失を減少させるために、超伝導領域の内部セパレータとしてＴｉソース・フィラメントを使用することが可能である。サンプルを横切るＸ線ライン・スキャンは、Ｔｉ濃度勾配を示さず、均一なＴｉ分散を示した。
【００２１】
また、このロッドが、最終サイズへ、一本のワイヤの破壊もなく製造できたことにも注目すべきである。Ｎｂ７．５ｗｔ%Ｔａフィラメント及び隔壁以外の、同じサイズの類似設計の類似ビレットでは、最終サイズへの製造に、１ダース以上のワイヤの破壊があった。これは、Ｎｂが柔らかく、複合材を形成する銅及びスズと共に引き抜くのが容易なためであると考えられる。必要な高臨界電流密度ドーパントが、少ない延性Ｎｂ４７ｗｔ%Ｔｉロッド内に位置し、Ｎｂフィラメント、ＳｎソースまたはＣｕマトリクス内に存在しないため、優れた成形性を達成した。
【実施例２】
【００２２】
この例では、加工に、図２に示すタイプのサブエレメントで使用してワイヤを調製した。したがって、単一の非反応Ｔａ拡散隔壁と共に、丸いフィラメント・サブエレメントの設計を用いた。これは、一つの押出加工（≧９００°Ｆ）を特徴とした。
【００２３】
第一の押出加工
ガンドリルで孔を開けた銅ビレット（直径１２．２５インチ、図２ａ）内に、Ｎｂロッド及びＮｂ４７ｗｔ%Ｔｉロッド（直径０．５４インチ）を詰め込み、このサブエレメントを３．１インチへ押出成形した。Ｎｂ４７ｗｔ%Ｔｉのモノフィラメント・ロッドを、例１で説明した方法と同様で製造した。
【００２４】
このサブエレメントを、ガンドリルで孔を開け、スズを詰め、引き延ばして、再スタックのサイズに成形した。
【００２５】
再スタック
Ｃｕチューブ内のＴａ隔壁内に成形サブエレメントを詰め込んで、最終サイズ（直径０．８１ｍｍ）へ引き抜き加工した。典型的な内部スズ熱処理（４８時間２１０℃、４８時間４００℃、そして１００時間６７５℃）を用いて、ワイヤを反応させた（図６）。反応過程中、両フィラメントが完全に反応し、Ｎｂ４７ｗｔ%Ｔｉロッド中のチタンが導体断面を通って分散した。これの証拠は三つあった。第一に、断面は、ワイヤのフィラメントがほぼ完全に反応したことを示した。第二に、臨界電流密度対外部磁場印加プロット（図７）は、Ｔｉドープの成功なしにはあり得ない大きさの臨界電流密度及びＢｃ２（クレイマー外挿＝２９Ｔ）を示す。第三に、反応していないワイヤと反応したワイヤの断面を、ＳＥＭＥＤＳ（エネルギー分散分光測定法）で調べた。反応前に、Ｎｂフィラメントが純Ｎｂであり、Ｎｂ−Ｔｉフィラメントが〜４７ｗｔ％Ｔｉであることを確認した。反応後、反応Ｎｂフィラメントの全測定領域は、Ｔｉ濃度が〜１．０ｗｔ%Ｔｉである（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎを示した。当初Ｎｂ−Ｔｉフィラメントが存在した位置には、主にＮｂ、Ｓｎ及びＣｕが現れた。Ｔｉの%は、約６３ｗｔ%から約８ｗｔ%へ低下した。このことは、その箇所から離れてＴｉが拡散したことを示す。Ｔｉ拡散中に、Ｃｕ及びＳｎが、その箇所へ拡散したようだ（図９）。フィラメントを横切るＸ線ライン・スキャンは、Ｔｉ濃度の勾配を示さず、均一なＴｉ分散を示した。
【００２６】
本発明を、その特定な実施例に関して説明したが、この開示を考慮すると、当業技術者には本発明に対する多数の変形が可能であるが、そのような変形は本発明の範囲内にあることは明らかである。したがって、本発明は、広く解釈すべきであり、本文に添付の請求項の範囲によってのみ限定できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明を、例として、本文書に添付の図面に概略的に図解する。
【図１ａ−１】内部スズ法によって複合超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する概略図である。
【図１ａ−２】内部スズ法によって複合超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する概略図である。
【図１ｂ】内部スズ法によって複合超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する概略図である。
【図１ｃ】内部スズ法によって複合超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する概略図である。
【図１ｄ】内部スズ法によって複合超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する概略図である。
【図２ａ】内部スズ法によってさらに複合超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する概略図である。
【図２ｂ】内部スズ法によってさらに複合超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する概略図である。
【図２ｃ】内部スズ法によってさらに複合超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する概略図である。
【図３ａ】ブロンズ法によって超伝導体ワイヤを調製する際に本発明を用いる実施例の、いくつかの押出加工ステップを図解する概略図である。
【図３ｂ】ブロンズ法によって超伝導体ワイヤを調製する際に本発明を用いる実施例の、いくつかの押出加工ステップを図解する概略図である。
【図４】図１に図解する方法によって調製した反応ワイヤの断面顕微鏡写真である。
【図５】図４の反応ワイヤに対する非銅臨界電流密度対外部磁場印加を示すグラフである。
【図６】図２に図解する方法によって調製した反応ワイヤの断面顕微鏡写真である。
【図７】図５の反応ワイヤに対する非銅臨界電流密度対外部磁場印加を示すグラフである。
【図８】図２に図解する方法によって調製した反応ワイヤの、断面のＳＥＭ/ＥＤＳ顕微鏡写真である。
【技術分野】
【０００１】
関連出願
この出願は、２００３年１０月１７日に出願した、米国仮出願第６０/５１２，３５４号からの優先権を主張する。
この本発明は、概して、超伝導ワイヤ及びケーブルを調製する方法に関するもので、特に（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎの調製のための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高磁場（〜>１２Ｔ）で最も高いＢｃ２（上側臨界磁界）と最も高い臨界電流とを得るためには、Ｎｂ３ＳｎへＴｉまたはＴａを添加する必要がある。（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎは、代替の（Ｎｂ，Ｔａ）３Ｓｎ材料よりも交流損失が低いため、急速に変化する磁場に懸念を抱く超伝導マグネットのメーカには、魅力的なソースとなっている。また、（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎは、（Ｎｂ，Ｔａ）３Ｓｎよりも歪み耐性が良いため、高応力マグネットの設計には、より有用である。（Ｎｂ，Ｔａ）３Ｓｎ複合材は、一般に、（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎ複合材内に用いる純Ｎｂフィラメントよりも硬く製造が困難なＮｂ７．５ｗｔ%Ｔａフィラメントで製造する。
【０００３】
内部スズ・ワイヤにＴｉを添加する現在最も一般的な方法は、Ｓｎ−Ｔｉ合金を使用することである。熱処理中、Ｓｎ内のＴｉは、複合線のＣｕマトリクスを介してＳｎと共に拡散して、Ｎｂフィラメントと化学反応し、必要な高Ｂｃ２相を形成する。しかし、この従来のＳｎ−Ｔｉ合金による方法の使用中には、いくつかの問題が発生する。一つの問題は、Ｓｎ−Ｔｉ合金の鋳造中に、寸法において直径が〜２５μｍで長さが〜１００μｍの硬い、ロッド状のＳｎ−Ｔｉ金属間粒子が不可避的に形成されることである。これらの金属間粒子は、寸法がスズ・リザーバ寸法に相当する大きさに発達した場合、製造中、フィラメント（そして結局ワイヤ）を破壊する。結果は、ワイヤ、またはワイヤ内に使用するエレメントの最小径が制限されるということである。
【０００４】
さらに、Ｓｎ−Ｔｉ合金は、製造が困難であり、高価である。品質管理も問題である。次世代融合マグネットに対するワイヤの注文を満たすだけの合金量を考えた場合、特に問題である。
【０００５】
内部スズまたはブロンズ法ワイヤへＴｉを添加するもう一つの方法は、Ｎｂフィラメントの各々の中央に、ＴｉあるいはＮｂ−Ｔｉロッドを用いて、熱処理中に、各々のフィラメントの中央からＴｉを拡散させることである。この方法に関する問題は、実に、各フィラメントがその中央にＴｉまたはＮｂ−Ｔｉソースを持つ必要があり、ひどく高価であるということである。
【０００６】
ブロンズ法ワイヤへＴｉを添加するさらにもう一つの方法は、Ｃｕ−Ｓｎの代わりに、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ合金マトリクスを用いることである。この方法の問題は、割れのない状態で製造することが難しいことである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述した問題の全てを克服する。本発明によれば、（本文で「Ｔｉドーパント・ソース」ロッドと言及する）Ｎｂ−Ｔｉ合金またはＴｉロッドは、ＮｂまたはＮｂ合金のロッド間に配置し、ロッド間に少なくともいくらかのＣｕまたはＣｕ合金を介在させる。Ｔｉドーパント・ソース・ロッドの数は、ＮｂまたはＮｂ合金ロッドの数に比べ小さく、これらのドーパント・ソース・ロッドを、より多数のＮｂまたはＮｂ合金ロッド間に対称的に配置することが好ましい。本発明は、Ｎｂ３Ｓｎ生産のためのブロンズ法と共に用いることができるが、特に、内部スズ法を用いる場合に適用できる。一つの好適実施例では、Ｎｂ（またはＮｂ合金）ロッドを、純ＳｎまたはＳｎ−Ｃｕ合金コアを囲むＣｕマトリクス内に分散させ、最終的なマルチフィラメント・ワイヤのためのこのサブエレメントを、ＴａまたはＮｂまたはＮｂ合金拡散隔壁によって囲む。以下で、さらに明らかになるが、用語「サブエレメント」は、同類サブアセンブリと一緒にしっかりとまとめる（詰め込む）と、最終的な超伝導ワイヤのための前駆体アセンブリを形成するサブアセンブリに言及する。サブエレメント内のＴｉドーパント・ソース・ロッドは、Ｎｂ（またはＮｂ合金ロッド）間に均一に、そして対称的に配置する。ロッドがＮｂ合金からなる場合、そのような合金は、７０ｗｔ%Ｎｂ以上からなる。Ｔｉドーパント・ソース・ロッド内のＴｉの可能な濃度範囲は、およそ１０から１００重量％である。Ｎｂ４７ｗｔ%Ｔｉ合金から形成したＴｉドーパント・ソース・ロッドは、延性が良く、また購入し易いため、特に有用である。熱処理中、Ｓｎ拡散と、Ｃｕ−Ｓｎ合金を通るＴｉの高拡散速度に助けられて、Ｔｉドーパント・ソース・ロッドからのＴｉが、Ｔｉドーパント・ソース・ロッドから周囲のＮｂまたはＮｂ合金ロッドへ拡散する。Ｎｂ（またはＮｂ合金）ロッドに対するＴｉドーパント・ソース・ロッドの正確な体積比の設計は、Ｔｉドーパント・ソース・ロッド内のＴｉの重量％、ＮｂまたはＮｂ合金ロッドの量、そして所望の最終Ｔｉドーピング濃度から決定する。Ｔｉドーパント・ソース・ロッドは、加工ステップ中のＣｕ−Ｔｉ金属間粒子形成を防止するために、Ｎｂ拡散隔壁によって保護すべきである。Ｔｉ拡散の有益な副作用は、反応過程でＴｉソース・ロッドがＣｕに置換されることである。このことは、有効フィラメント径及び交流損失を減少させるための、Ｔｉソース・ロッドが超伝導領域を細分割するように作用可能なサブエレメントの設計（例えば、Ｔｉソース・ロッドのスポーク）を示唆する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の方法は、内部スズ及びブロンズ法の方法を含む、あらゆるＡ１５タイプ超伝導ビレットの設計に使用することができる。本発明によれば、マルチフィラメント（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎ超伝導ワイヤを製造するための方法が提供される。この方法では、複数のＮｂまたはＮｂ合金ロッドを、銅を含むマトリクス内に詰め込んで、超伝導ワイヤのためのパック・サブエレメントを形成する。銅を含むマトリクス内のＮｂまたはＮｂ合金ロッド間に、Ｔｉドーパント・ソース・ロッドを詰め込み、そしてＳｎソースを、サブエレメント内に設ける、あるいはサブエレメントに隣接させて配置する。これらのサブエレメントを、もう一つの銅を含むマトリクス内に組み入れ、超伝導体のための前駆体と、この安定化させる銅との間に一つ以上の拡散隔壁を設け、そしてこの組み合わせ材をワイヤ形状へ絞る。それから、適切な熱処理によってＳｎ及びＴｉをＮｂまたはＮｂ合金ロッド内へ拡散させて、（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎを形成する。
【０００９】
図１の概略図は、内部スズ法によってマルチフィラメント超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する。内部スズ・ビレットへのキーは、フィラメントの金属比率及び形状を設定するサブエレメントの設計である。一つの一般的なアプローチは、銅または銅合金でクラッディング（被覆）したＮｂまたはＮｂ合金のモノフィラメントを押出成形することである。六角形状の再スタック内に詰め込むために、これらのモノフィラメントを六角形にして切断し、高電流密度ワイヤ設計に典型的なサブエレメント・ビレットを形成する。図１では、このアプローチを用いている。サブエレメント・ビレットを形成するためのもう一つの一般的な方法は、銅または銅合金ビレット・マトリクスに孔を開けて、それらの孔内に丸いＮｂ合金ロッドを補充する。これは、低交流損失の適度な電流密度のワイヤ設計に典型的なものであり、例えば、ＩＴＥＲ（国際熱核実験用原子炉）ＴＦ（トロイダル磁界）及びＣＳ（中央ソレノイド）コイルのためのワイヤがある。図２に図解する方法では、このアプローチを用いる。本発明は、これらの一般的なタイプのサブエレメントの両方の用途、そしてＮｂまたはＮｂ合金フィラメント持つ如何なるタイプの内部スズ・スタイル・サブエレメントの用途に適当である。
【００１０】
次に図１ａ−１を参照する。ＮｂまたはＮｂ合金（例えば、Ｎｂ７．５%Ｔａ、Ｎｂ１%Ｚｒ）モノフィラメント１０が、銅または銅合金１２のシース内に入っている。このＣｕで包んだＮｂモノフィラメントを、六角形（「ヘックス」）断面を持つロッド１４へ引き抜き加工する。同様に図１ａ−２では、（Ｔｉコアと化学反応する銅によるその後の処理ステップにおけるＣｕ−Ｔｉ形成を阻止するために）Ｎｂ拡散隔壁１５、そしてＣｕまたはＣｕ合金（例えば、Ｃｕ０．７%Ｓｎ、酸化物分散強化型ＣｕＡｌ２Ｏ３）シース１８で包んだＴｉまたはＴｉ合金（例えば、Ｎｂ４７%Ｔｉ、Ｎｂ５０%Ｔｉ）モノフィラメント１６を、断面が六角形のロッド１９へ形成する。複数の銅六角形要素によって、あるいは銅の固まりから形成した中央銅マトリクス２２を持つ、成形または機械加工した銅缶２０内に、これらの六角ロッド１４及び１９を再スタックする。六角要素と銅缶２０との間には、（反応シーケンス中の、スズの拡散を制限するために）Ｎｂ合金拡散隔膜２３が設けられている。拡散隔壁２３の選択、Ｔａ、Ｎｂまたはそのような隔壁として有用であると知られる類似合金の選択は、最終的な応用に依存するが、本発明の実施例を実質的に変化させるものではない。隔壁は、チューブ状であっても、あるいはシートを巻いたものであってもよい。しかし、反応可能な隔壁（例えばＮｂ）を選択した場合は、Ｎｂ−Ｔｉ合金の量及び配分を決定する際に、この反応可能な隔壁の面積を考慮に入れなければならない。最終的な拡散の効果を増加させるために、Ｔｉドーパント・ソース・ロッド１９を、Ｎｂロッド１４全部に対して対称形に均一に配置することが好ましい。Ｔｉドーパント・ソース・ロッドの数は、Ｔｉ合金ロッドの成分、Ｎｂ及びＴｉドーパント・ソース・ロッドの相対数及びサイズ、そして所望の最終Ｔｉ濃度に応じて決定する。およそ０．５〜３．０原子量%Ｔｉに関係する文献に、（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎに対する最良の超電導特性が示されている。
【００１１】
図１ｂのサブエレメント２５を押出成形したら、最終再スタック方法のタイプを選択しなければならない。再スタックは、サブエレメントの絞りを促進し、有効な拡散及び反応のために十分に小さな寸法のフィラメントを得る、そして／あるいは拡散隔壁を加えるために、概して必要である（が、常に必要なものではない）。二つの基本的技術は、「ホット」及び「コールド」再スタッキングである。「ホット」方法は、最終再スタックをまず最初に熱間押出によって絞り、サブエレメントと銅マトリクスとの間の冶金結合を促進させることを含む。この方法は、文献で「熱間押出ロッド」と言及されている。「コールド」方法は、最終再スタックを冷間伸線加工技術のみによって絞ることを含む（欠点は結束が弱いことで、利点は単純であることである）。この方法は、文献で「再スタック・ロッド加工」と言及されている。「ホット」方法によって再スタックするには、サブエレメント２５を引き抜き加工して、図１ｃのような六角要素を形成し、ガンドリルまたは他の適当な手段によって、孔２７を形成する。本技術で既知であるように、孔２７内に塩を充填し、サブエレメントと銅缶の再スタック２９に詰め込み、再スタックを空にして、溶接し、そして熱間押出成形する。その後、孔２８から塩を取り除き、図１ｄの複合ワイヤ・アセンブリ２９のようにＳｎまたはＳｎ合金で置き換える。「コールド」方法によって再スタックするには、押出成形したサブエレメント２５の中央領域２２にガンドリルで孔を開けて、スズまたはスズ合金を詰め込む。サブエレメントを絞って、（図１ｄの２９内のパターンのように）再スタックし、それを最終ワイヤ・サイズへ冷間引き抜き加工する。
【００１２】
ワイヤを最終サイズへ加工したら、熱処理を用いて、Ｓｎ及びＴｉをＮｂへ拡散させ、超伝導相を発生させる。Ｃｕマトリクス内に詰め込んだ複数の六角サブエレメント２６を含む図１ｄの複合構造物２９は、その後、加熱スケジュールによって、Ｃｕを介してＳｎ及びＴｉをＮｂモノフィラメント内へ拡散させ、超伝導体を製造する。典型的に内部スズの場合、１８０℃〜５７０℃間で十時間から数百時間に渡る、マトリクス全域にスズを拡散させて高重量％Ｓｎブロンズ相を形成する前期反応シーケンスがある。その後、十時間から数百時間に渡る６００℃〜７２５℃の反応過程があり、Ａ１５相（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎが形成される。さらに、使用する主要Ｎｂ合金ロッドまたは拡散隔壁が、Ｎｂ−Ｔａ（例えば、Ｎｂ７．５ｗｔ%Ｔａ）である場合、この技術によって、（Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ）３Ｓｎを形成することが可能であることは明らかである。
【００１３】
図２は、内部スズ法の変形における本発明の使用を図解する。図２ａでは、銅ビレット３１内のガンドリル孔３５には、多数のＮｂ合金ロッド３２が充填され、これらのロッド３２間には、対称的な間隔で少数のＴｉドーパント・ソース・ロッド３４がある。ロッド３２には銅のクラッディングは必要でないが、ロッド３４は、Ｎｂ拡散隔壁で包まなければならないという点で、図１ａ−２のものに類似している。図２ｂでは、サブエレメント３７のガンドリル中心３３に、ＳｎまたはＳｎ合金３９を挿入している。その後、これを引き抜き加工して、再パック・サイズへ成形する。図２ｃでは、成形サブエレメント３８を銅管４０内のＴａ拡散隔壁３６内に詰め込んで、最終ワイヤ・サイズへ引き抜き加工し、その後、先に述べたように、熱処理で拡散を促す。
【００１４】
Ｓｎソースをサブエレメント内にあるものとして主に説明したが、サブエレメント＋スズが拡散隔壁内にある限り、加えてＳｎをサブエレメントに並べて配置することが可能な、それほど一般的でない技術を使用することも可能である。したがって図２ｃでは、サブエレメントに隣接させて、しかし拡散隔壁の内側に、多数の追加Ｓｎ領域を設けることができる。原則として、サブエレメントに隣接するスズをさらに増加させて補正すれば、サブエレメント内のスズをゼロまでさえも減らすことができる。
【００１５】
図３では、本発明の方法を「ブロンズ法」に用いる。図３ａに示す第一の押出加工では、Ｎｂ合金ロッド４１は、アルファ相Ｃｕ−Ｓｎ合金のマトリクス４２内にある。（図１ａ−２のように加工した）Ｔｉドーパント・ソース・ロッド４４を、ＮｂまたはＮｂ合金ロッド４１間に対称的に配置している。図３ｂに示す第二の押出加工では、第一の押出加工からの六角成形ロッド５０を、Ｃｕ−Ｓｎ缶５１内に詰める。サブエレメントの中心に、例えばＴａの一つのように、Ｃｕ安定化剤４５を配置し、それを拡散隔膜４６によって囲む。注目すべきことは、安定するＣｕが、複合材中央に配置される必要がない点である。代わりに、複合材の外側ジャケットをＣｕにしてもよい。そして、それをＣｕ−Ｓｎ合金から拡散隔壁によって切り離す。製造業者は、現在、ＴａでＮｂフィラメントをドーピングする、またはＴｉでブロンズ・マトリクスをドーピングすることによって、高臨界電流密度Ａ１５材を得ている。本発明によれば、無ドープＣｕ−Ｓｎマトリクス内に、ＮｂまたはＮｂ合金ロッドと共に分配させたＴｉドーパント・ソース・ロッドを使用することができる。製造コストを削減し、製造を容易にする。図３は、したがって、これを、内部的に安定した二重の押出工法に対して行う方法を示す。従来の技術による方法と異なる点は、第一の押出加工の設計において、Ｔｉドーパント・ソース・ロッドを分配することである。そして必要ならば、熱処理を修正して、均一なＴｉの分散を確実にする。
【００１６】
本発明を以下の例によってさらに説明するが、これらは、単に例であって、本発明を限定するものではないと考えるべきである。
【実施例１】
【００１７】
この例では、加工に、図１に示すタイプのサブエレメントを使用して、ワイヤを調製した。したがって、分配した反応可能なＮｂ拡散隔壁と共に、六角フィラメント・サブエレメント設計を用いた。三つの熱間押出加工（≧９００°Ｆ）を含んだ。
【００１８】
第一の押出加工。銅缶内でＮｂインゴットを押出成形し、その結果として生じたロッドを、再スタッキング（図１ａ）のための六角ロッドへ引き抜き加工して、Ｎｂの銅被覆六角モノフィラメントを製造した。六角ロッドの典型的な寸法は、対辺が１/８インチ、長さが２フィートである。（図１ａに示す）Ｎｂロッドと共に再スタックするために、銅缶内で（Ｎｂ拡散隔壁と共に）Ｎｂ４７ｗｔ%Ｔｉを押出成形し、それによって生じたロッドを六角ロッドへ引き抜き加工することによって、Ｎｂ４７ｗｔ%Ｔｉの六角モノフィラメントを製造した。
【００１９】
第二の押出加工。図１ｂの断面図に示すように、Ｎｂ合金隔壁チューブ内に、第一の押出加工からのロッドを再スタックした。銅被覆ＮｂまたはＮｂ合金六角のスタックの間に、対称形に一様な間隔のパターンで、Ｔｉドーパント・ソース・ロッドを配置した。Ｎｂ六角マトリクスには、僅かに少数のＮｂ４７ｗｔ%Ｔｉロッドで、最大Ｂｃ２に望ましい１〜３原子パーセントを得るに十分であったが、均等なＴｉ拡散を促進するために、それらを再スタック内に対称的に、そして均一に分散しなければならない。これまでに議論した要素は、サブエレメントを形成する押出加工前に空にして溶接した銅缶内に配置した。押出成形したサブエレメント・ロッドは、六角形断面へ引き抜き加工し、ガンドリルで孔を開け、塩を詰め込んだ（図１ｃ）。
【００２０】
第三の押出加工。図１ｄに示すように、空にし、溶接して、２インチ径のロッドに押出成形した銅缶内に、１８本のサブエレメント六角ロッドを再スタックした。この第三の押出加工ロッドは、水洗して塩を取り除き、Ｓｎ−Ｃｕ合金で置き換え（図１ｄ）、それから最終サイズ（０．８ｍｍの直径）へ引き抜き加工した。それから、典型的な内部スズ熱処理（１００時間２１０℃、４８時間４００℃、そして１８０時間６７５℃）を用いて反応させた（図４を参照）。反応過程中、両フィラメントは完全に反応し、Ｎｂ４７ｗｔ%Ｔｉロッド中のチタンが、導体断面を通って分散した。これの証拠は三つあった。第一に、断面は、ワイヤ内のフィラメントがほぼ完全に反応したことを示した。第二に、臨界電流密度対外部磁場印加プロット（図５）は、Ｔｉドープの成功なしにはあり得ないの大きさの臨界電流密度及びＢｃ２（クレイマー外挿＝２７Ｔ）を示す。第三に、反応していないワイヤと反応したワイヤの断面を、ＳＥＭ−ＥＤＳ（エネルギー分散分光測定法）によって調べた。反応前に、Ｎｂフィラメントが純Ｎｂであり、Ｎｂ−Ｔｉフィラメントが〜４７ｗｔ％Ｔｉであることを確認した。反応後、反応Ｎｂフィラメント及び隔壁の全測定領域は、Ｔｉ濃度が〜０．６ｗｔ%Ｔｉである（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎを示した。Ｎｂ４７ｗｔ%Ｔｉフィラメントが当初に存在した位置の大部分には銅が現れた。このことは、Ｔｉ拡散中に、その位置へ銅が拡散したと考察できる。注目すべきことは、この効果のため、交流損失を減少させるために、超伝導領域の内部セパレータとしてＴｉソース・フィラメントを使用することが可能である。サンプルを横切るＸ線ライン・スキャンは、Ｔｉ濃度勾配を示さず、均一なＴｉ分散を示した。
【００２１】
また、このロッドが、最終サイズへ、一本のワイヤの破壊もなく製造できたことにも注目すべきである。Ｎｂ７．５ｗｔ%Ｔａフィラメント及び隔壁以外の、同じサイズの類似設計の類似ビレットでは、最終サイズへの製造に、１ダース以上のワイヤの破壊があった。これは、Ｎｂが柔らかく、複合材を形成する銅及びスズと共に引き抜くのが容易なためであると考えられる。必要な高臨界電流密度ドーパントが、少ない延性Ｎｂ４７ｗｔ%Ｔｉロッド内に位置し、Ｎｂフィラメント、ＳｎソースまたはＣｕマトリクス内に存在しないため、優れた成形性を達成した。
【実施例２】
【００２２】
この例では、加工に、図２に示すタイプのサブエレメントで使用してワイヤを調製した。したがって、単一の非反応Ｔａ拡散隔壁と共に、丸いフィラメント・サブエレメントの設計を用いた。これは、一つの押出加工（≧９００°Ｆ）を特徴とした。
【００２３】
第一の押出加工
ガンドリルで孔を開けた銅ビレット（直径１２．２５インチ、図２ａ）内に、Ｎｂロッド及びＮｂ４７ｗｔ%Ｔｉロッド（直径０．５４インチ）を詰め込み、このサブエレメントを３．１インチへ押出成形した。Ｎｂ４７ｗｔ%Ｔｉのモノフィラメント・ロッドを、例１で説明した方法と同様で製造した。
【００２４】
このサブエレメントを、ガンドリルで孔を開け、スズを詰め、引き延ばして、再スタックのサイズに成形した。
【００２５】
再スタック
Ｃｕチューブ内のＴａ隔壁内に成形サブエレメントを詰め込んで、最終サイズ（直径０．８１ｍｍ）へ引き抜き加工した。典型的な内部スズ熱処理（４８時間２１０℃、４８時間４００℃、そして１００時間６７５℃）を用いて、ワイヤを反応させた（図６）。反応過程中、両フィラメントが完全に反応し、Ｎｂ４７ｗｔ%Ｔｉロッド中のチタンが導体断面を通って分散した。これの証拠は三つあった。第一に、断面は、ワイヤのフィラメントがほぼ完全に反応したことを示した。第二に、臨界電流密度対外部磁場印加プロット（図７）は、Ｔｉドープの成功なしにはあり得ない大きさの臨界電流密度及びＢｃ２（クレイマー外挿＝２９Ｔ）を示す。第三に、反応していないワイヤと反応したワイヤの断面を、ＳＥＭＥＤＳ（エネルギー分散分光測定法）で調べた。反応前に、Ｎｂフィラメントが純Ｎｂであり、Ｎｂ−Ｔｉフィラメントが〜４７ｗｔ％Ｔｉであることを確認した。反応後、反応Ｎｂフィラメントの全測定領域は、Ｔｉ濃度が〜１．０ｗｔ%Ｔｉである（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎを示した。当初Ｎｂ−Ｔｉフィラメントが存在した位置には、主にＮｂ、Ｓｎ及びＣｕが現れた。Ｔｉの%は、約６３ｗｔ%から約８ｗｔ%へ低下した。このことは、その箇所から離れてＴｉが拡散したことを示す。Ｔｉ拡散中に、Ｃｕ及びＳｎが、その箇所へ拡散したようだ（図９）。フィラメントを横切るＸ線ライン・スキャンは、Ｔｉ濃度の勾配を示さず、均一なＴｉ分散を示した。
【００２６】
本発明を、その特定な実施例に関して説明したが、この開示を考慮すると、当業技術者には本発明に対する多数の変形が可能であるが、そのような変形は本発明の範囲内にあることは明らかである。したがって、本発明は、広く解釈すべきであり、本文に添付の請求項の範囲によってのみ限定できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明を、例として、本文書に添付の図面に概略的に図解する。
【図１ａ−１】内部スズ法によって複合超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する概略図である。
【図１ａ−２】内部スズ法によって複合超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する概略図である。
【図１ｂ】内部スズ法によって複合超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する概略図である。
【図１ｃ】内部スズ法によって複合超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する概略図である。
【図１ｄ】内部スズ法によって複合超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する概略図である。
【図２ａ】内部スズ法によってさらに複合超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する概略図である。
【図２ｂ】内部スズ法によってさらに複合超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する概略図である。
【図２ｃ】内部スズ法によってさらに複合超伝導ワイヤを調製する際に用いる本発明を図解する概略図である。
【図３ａ】ブロンズ法によって超伝導体ワイヤを調製する際に本発明を用いる実施例の、いくつかの押出加工ステップを図解する概略図である。
【図３ｂ】ブロンズ法によって超伝導体ワイヤを調製する際に本発明を用いる実施例の、いくつかの押出加工ステップを図解する概略図である。
【図４】図１に図解する方法によって調製した反応ワイヤの断面顕微鏡写真である。
【図５】図４の反応ワイヤに対する非銅臨界電流密度対外部磁場印加を示すグラフである。
【図６】図２に図解する方法によって調製した反応ワイヤの断面顕微鏡写真である。
【図７】図５の反応ワイヤに対する非銅臨界電流密度対外部磁場印加を示すグラフである。
【図８】図２に図解する方法によって調製した反応ワイヤの、断面のＳＥＭ/ＥＤＳ顕微鏡写真である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチフィラメント（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎ超伝導ワイヤを製造するための方法であって、
ａ）複数のＮｂまたはＮｂ合金ロッドを、銅を含むマトリクス内へ詰め込んで、前記超伝導ワイヤのためのパック・サブエレメントを形成するステップ、
ｂ）前記銅を含むマトリクス内の前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッド間にＴｉドーパント・ソース・ロッドを詰め込むステップ、
ｃ）前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッド内へ拡散させるためにアクセス可能なＳｎのソースを提供するステップ、
ｄ）前記サブエレメントを、もう一つの銅を含むマトリクス内に組み入れるステップ、
ｅ）ステップｄ）からの前記組み合わせ材をワイヤ形状へ絞るステップ、そして
ｆ）前記Ｓｎ及び前記Ｔｉを前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッド内へ拡散させて（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎを形成するステップからなる、方法。
【請求項２】
ステップａ）において、前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッドを銅または銅合金内に包含する、請求項１による方法。
【請求項３】
前記Ｔｉドーパント・ソース・ロッドが、銅または銅合金シース内のＴｉまたはＴｉ合金ロッドからなる、請求項１による方法。
【請求項４】
前記ＴｉまたはＴｉ合金ロッドと前記銅シースとの間にＮｂ拡散隔壁を設ける、請求項３による方法。
【請求項５】
前記Ｔｉドーパント・ソース・ロッドの数が、前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッドの数に比べて小さい、請求項３による方法。
【請求項６】
前記Ｔｉドーパント・ソース・ロッドが、前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッドの間で対称的に配置される、請求項５による方法。
【請求項７】
前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッド内へ前記Ｓｎを内部Ｓｎ法によって拡散させる、請求項１による方法。
【請求項８】
前記Ｓｎソースが前記サブエレメント内にある、請求項７による方法。
【請求項９】
前記Ｓｎソースが前記サブエレメントに隣接している、請求項７による方法。
【請求項１０】
ステップ（ｄ）からの押出成形サブエレメントにガンドリルで孔を開け、それらの孔を前記ＳｎまたはＳｎ合金で充填する、請求項７による方法。
【請求項１１】
前記サブエレメントの全体を単一の拡散隔壁によって囲む、請求項１０による方法。
【請求項１２】
前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッド内へ前記Ｓｎをブロンズ法によって拡散させる、請求項１による方法。
【請求項１３】
各サブエレメントが拡散隔壁を持つ、請求項１０による方法。
【請求項１４】
ステップ（１ｄ）からの押出成形サブエレメントにガンドリルで孔を開け、塩を充填し、再スタックし、再び押出成形し、そして前記塩をＳｎまたはＳｎ合金で置換する、請求項１０による方法。
【請求項１５】
前記包含ＮｂまたはＮｂ合金ロッドを、前記サブエレメントを詰め込むのに使用するための六角断面ロッドへ形成する、請求項２による方法。
【請求項１６】
前記Ｔｉドーパント・ソース・ロッドを、前記六角ＮｂまたはＮｂ合金ロッド間に詰め込めるように六角形断面へ形成する、請求項３による方法。
【請求項１７】
ステップ（ｄ）において、前記サブエレメントは断面が六角である、請求項１による方法。
【請求項１８】
ステップ（ａ）において、前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッドを、前記マトリクス内に開けた孔内に設置する、請求項１による方法。
【請求項１９】
前記マトリクスがＣｕ−Ｓｎ合金からなる、請求項１８による方法。
【請求項２０】
前記マトリクスがＣｕからなる、請求項１８による方法。
【請求項２１】
前記Ｔｉドーパント・ソース・ロッドを、前記マトリクス内にさらに開けた孔内に挿入する、請求項１８による方法。
【請求項２２】
前記Ｔｉドーパント・ソース・ロッドを前記サブエレメント内に、超伝導領域を分離するように戦略的に配置して、有効フィラメント径及び交流損失を減少させる、請求項５による方法。
【請求項１】
マルチフィラメント（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎ超伝導ワイヤを製造するための方法であって、
ａ）複数のＮｂまたはＮｂ合金ロッドを、銅を含むマトリクス内へ詰め込んで、前記超伝導ワイヤのためのパック・サブエレメントを形成するステップ、
ｂ）前記銅を含むマトリクス内の前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッド間にＴｉドーパント・ソース・ロッドを詰め込むステップ、
ｃ）前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッド内へ拡散させるためにアクセス可能なＳｎのソースを提供するステップ、
ｄ）前記サブエレメントを、もう一つの銅を含むマトリクス内に組み入れるステップ、
ｅ）ステップｄ）からの前記組み合わせ材をワイヤ形状へ絞るステップ、そして
ｆ）前記Ｓｎ及び前記Ｔｉを前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッド内へ拡散させて（Ｎｂ，Ｔｉ）３Ｓｎを形成するステップからなる、方法。
【請求項２】
ステップａ）において、前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッドを銅または銅合金内に包含する、請求項１による方法。
【請求項３】
前記Ｔｉドーパント・ソース・ロッドが、銅または銅合金シース内のＴｉまたはＴｉ合金ロッドからなる、請求項１による方法。
【請求項４】
前記ＴｉまたはＴｉ合金ロッドと前記銅シースとの間にＮｂ拡散隔壁を設ける、請求項３による方法。
【請求項５】
前記Ｔｉドーパント・ソース・ロッドの数が、前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッドの数に比べて小さい、請求項３による方法。
【請求項６】
前記Ｔｉドーパント・ソース・ロッドが、前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッドの間で対称的に配置される、請求項５による方法。
【請求項７】
前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッド内へ前記Ｓｎを内部Ｓｎ法によって拡散させる、請求項１による方法。
【請求項８】
前記Ｓｎソースが前記サブエレメント内にある、請求項７による方法。
【請求項９】
前記Ｓｎソースが前記サブエレメントに隣接している、請求項７による方法。
【請求項１０】
ステップ（ｄ）からの押出成形サブエレメントにガンドリルで孔を開け、それらの孔を前記ＳｎまたはＳｎ合金で充填する、請求項７による方法。
【請求項１１】
前記サブエレメントの全体を単一の拡散隔壁によって囲む、請求項１０による方法。
【請求項１２】
前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッド内へ前記Ｓｎをブロンズ法によって拡散させる、請求項１による方法。
【請求項１３】
各サブエレメントが拡散隔壁を持つ、請求項１０による方法。
【請求項１４】
ステップ（１ｄ）からの押出成形サブエレメントにガンドリルで孔を開け、塩を充填し、再スタックし、再び押出成形し、そして前記塩をＳｎまたはＳｎ合金で置換する、請求項１０による方法。
【請求項１５】
前記包含ＮｂまたはＮｂ合金ロッドを、前記サブエレメントを詰め込むのに使用するための六角断面ロッドへ形成する、請求項２による方法。
【請求項１６】
前記Ｔｉドーパント・ソース・ロッドを、前記六角ＮｂまたはＮｂ合金ロッド間に詰め込めるように六角形断面へ形成する、請求項３による方法。
【請求項１７】
ステップ（ｄ）において、前記サブエレメントは断面が六角である、請求項１による方法。
【請求項１８】
ステップ（ａ）において、前記ＮｂまたはＮｂ合金ロッドを、前記マトリクス内に開けた孔内に設置する、請求項１による方法。
【請求項１９】
前記マトリクスがＣｕ−Ｓｎ合金からなる、請求項１８による方法。
【請求項２０】
前記マトリクスがＣｕからなる、請求項１８による方法。
【請求項２１】
前記Ｔｉドーパント・ソース・ロッドを、前記マトリクス内にさらに開けた孔内に挿入する、請求項１８による方法。
【請求項２２】
前記Ｔｉドーパント・ソース・ロッドを前記サブエレメント内に、超伝導領域を分離するように戦略的に配置して、有効フィラメント径及び交流損失を減少させる、請求項５による方法。
【図１ａ−１】
【図１ａ−２】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【図１ｄ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１ａ−２】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【図１ｄ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２００７−５０９４６６（Ｐ２００７−５０９４６６Ａ）
【公表日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５３５３３４（Ｐ２００６−５３５３３４）
【出願日】平成１６年１０月１４日（２００４．１０．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０３４０２２
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０８１７００
【国際公開日】平成１７年９月９日（２００５．９．９）
【出願人】（５０６１２８０３１）オックスフォード スーパーコンダクティング テクノロジー (2)
【氏名又は名称原語表記】ＯＸＦＯＲＤ ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
【住所又は居所原語表記】６００ Ｍｉｌｋ Ｓｔｒｅｅｔ， Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ４２９， Ｃａｒｔｅｒｅｔ， ＮＪ ０７００８−０４２９， Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月１４日（２００４．１０．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０３４０２２
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０８１７００
【国際公開日】平成１７年９月９日（２００５．９．９）
【出願人】（５０６１２８０３１）オックスフォード スーパーコンダクティング テクノロジー (2)
【氏名又は名称原語表記】ＯＸＦＯＲＤ ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
【住所又は居所原語表記】６００ Ｍｉｌｋ Ｓｔｒｅｅｔ， Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ４２９， Ｃａｒｔｅｒｅｔ， ＮＪ ０７００８−０４２９， Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
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