JP2010262759A - Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】均一で連続的なＮｂ_３Ｓｎ層を備えたＮｂ_３Ｓｎ超電導線材及びその製造方法を提供する。
【解決手段】棒状の金属からなる巻芯１の外周に、Ｓｎ又はＳｎ合金シート２ａとＣｕ又はＣｕ合金シート２ｂとの積層物を巻き付けてジェリーロール積層体１５を形成する工程と、１本又は複数本のジェリーロール積層体１５の外周にＮｂ又はＮｂ合金層３を設けて前躯体２０を形成する工程と、前駆体２０を伸線加工する工程と、伸線する工程で伸線加工された前駆体２０に熱処理を施して、１本又は複数本のジェリーロール積層体１５からＮｂ又はＮｂ合金層３にＳｎを拡散させてＮｂ_３Ｓｎ層を生成する工程と、を含むＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【選択図】図３

Description

本発明はＮｂ_３Ｓｎ超電導線材及びその製造方法に関し、特にジェリーロール積層体を用いたＮｂ_３Ｓｎ超電導線材及びその製造方法に関する。

従来、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法として、ブロンズ法が広く用いられている。ブロンズ法では、Ｃｕ−Ｓｎ合金マトリックス中にＮｂフィラメントを配置した構造の線材を伸線加工した後に、熱処理を施すことにより、Ｃｕ−Ｓｎ合金中のＳｎをＮｂフィラメントに拡散供給して、Ｎｂフィラメントの表面にＮｂ_３Ｓｎを生成させる方法である。

しかし、Ｃｕ−Ｓｎ合金におけるＳｎの固溶限界は約１６重量％であって供給できるＳｎの量が制限されるため、生成されるＮｂ_３Ｓｎの量を増大できず、得られる臨界電流値（以下、「Ｉｃ値」とも記す）には限界があった。

そこで、Ｃｕ−Ｓｎ合金以外からＳｎを供給し、ブロンズ法よりも多くのＳｎを供給できるジェリーロール法が提案されている。

図６、図７を用いて、従来のジェリーロール法によるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法の一例を説明する（例えば、特許文献１参照）。図６（ａ）はＮｂ_３Ｓｎを生成させる前の前躯体（複合体）の横断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ部を拡大した断面図である。図７（ａ）は図６の前躯体を伸線・熱処理して得られたＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の横断面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＣ部を拡大した断面図である。

まず、Ｎｂ合金製の丸棒の巻芯１００の外周に、Ｎｂ合金シート２０１とＳｎ合金シート２０２とを重ねあわせたものを多数回巻き付けてジェリーロール層２００を形成し、さらにその外周にＳｎの拡散を防止するための拡散バリア層としてのＮｂ合金シート３００を巻き付け、これを安定化層としてのＣｕパイプ４００に充填して前躯体１５０を形成する（図６）。この前躯体１５０を伸線加工して線材形状とし、さらに熱処理を施し拡散によってＳｎ合金シート２０２からＮｂ合金シート２０１にＳｎを供給し、Ｎｂ_３Ｓｎを生成させて超電導線材を製造している（図７）。

従来のジェリーロール法ではＳｎ合金シート及びＮｂ合金シートを用いるため、シートの厚みを調節することでＳｎの組込量（割合）を任意に選択することができる。したがって、ブロンズ法よりも多くのＳｎを供給でき、Ｎｂ_３Ｓｎの生成量を増大でき、超電導線材のＩｃ値を向上させることが可能である。

従来のブロンズ法によるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材には、Ｎｂフィラメントが配置されたＣｕ−Ｓｎ合金マトリックスを拡散バリア層としてのＮｂシートなどで巻き付け、これを安定化層としてのＣｕパイプに充填したものを前駆体として作製したＮｂ_３Ｓｎ超電導線材が知られている。このＮｂ_３Ｓｎ超電導線材では、安定化層のＣｕを除いた超電導線材の断面積でＩｃ値を除して得られるｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃ（非銅部面積基準の臨界電流密度）
が、２０Ｔ（テスラ）の磁場中で１００Ａ／ｍｍ^２程度である。これに対し、ジェリーロール法で製造されたＮｂ_３Ｓｎ超電導線材は、２０Ｔの磁場中で約２５０Ａ／ｍｍ^２の高いｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃが得られている（例えば、非特許文献１参照）。

特許３９４５６００号公報

Tachikawa, "Structure and high field performance of (Nb,Ta)3Sn wires prepared from Sn-Ta sheets with Ti addition", Adv.Cryog.Eng./Materials, 52(2006)481

ところで、前躯体１５０のジェリーロール層２００は、Ｎｂ合金シート２０１とＳｎ合金シート２０２とが整然と交互に積層された渦巻状の構造となっている（図６（ｂ））。しかし、この前躯体１５０を伸線加工により所定の線径に縮径すると、次第にジェリーロール層２００の積層構造が崩れていき、Ｎｂ合金シート２０１の部分もＳｎ合金シート２０２の部分も共に、元々のシート形状から大きく変形、あるいは細かく分断した不連続な状態となった。

この伸線加工した線材にＮｂ_３Ｓｎを生成するための熱処理を施し、線材の断面を観察したところ、図７（ａ）に示すように、ジェリーロール層２００外側のＮｂ合金シート３００であった部分の内周側部３００ａと、ジェリーロール層２００内側のＮｂ合金の巻芯１００であった部分の外周側部１００ａとには連続的にＮｂ_３Ｓｎ層が形成されていた。ところが、図７（ｂ）に示すように、本来、Ｎｂ_３Ｓｎを生成させることを企図したジェリーロール層２００であった部分２００ａには、層状構造のＮｂ_３Ｓｎは生成されず、大きく変形した状態、あるいは不連続に分散した状態のＮｂ_３Ｓｎ部２００ｂが生成された。

超電導線材のＩｃ値は、超電導特性の低い部分で線材全長の超電導特性が制限されてしまう。つまり、上述のように不連続・不均質なＮｂ_３Ｓｎ部２００ｂは超電導特性に寄与できない部分であって、このような不連続・不均質なＮｂ_３Ｓｎ相が多く生成されても、Ｎｂ_３Ｓｎ相の生成量から期待されるほどには、臨界電流密度（以下、「Ｊｃ」とも記す）の向上の効果が得られない。

本発明の目的は、均一で連続的なＮｂ_３Ｓｎ層を備えたＮｂ_３Ｓｎ超電導線材及びその製造方法を提供することにある。

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、１本又は複数本の、Ｓｎ（錫）又はＳｎ合金層とＣｕ（銅）又はＣｕ合金層とが積層されたジェリーロール積層体から、その外周に設けられたＮｂ（ニオブ）又はＮｂ合金層へＳｎを拡散供給して生成されたＮｂ_３Ｓｎ層を備えているＮｂ_３Ｓｎ超電導線材である。

本発明の第２の態様は、第１の態様のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材において、前記Ｓｎ又はＳｎ合金層中のＳｎの体積と前記Ｃｕ又はＣｕ合金層中のＣｕの体積との体積比が０．２５以上３以下であり、かつ、前記Ｓｎ又はＳｎ合金層中のＳｎの体積及び前記Ｃｕ又はＣｕ合金層中のＣｕの体積と、前記Ｎｂ又はＮｂ合金層中のＮｂの体積との体積比が２以下であるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材である。

本発明の第３の態様は、棒状の金属からなる巻芯の外周に、Ｓｎ又はＳｎ合金シートとＣｕ又はＣｕ合金シートとの積層物を巻き付けてジェリーロール積層体を形成する工程と、１本又は複数本の前記ジェリーロール積層体の外周にＮｂ又はＮｂ合金層を設けて前躯
体を形成する工程と、前記前駆体を伸線加工する工程と、前記伸線加工する工程で伸線された前記前駆体に熱処理を施して、１本又は複数本の前記ジェリーロール積層体から前記Ｎｂ又はＮｂ合金層にＳｎを拡散させてＮｂ_３Ｓｎ層を生成する工程と、を含むＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法である。

本発明の第４の態様は、第３の態様のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法において、前記伸線加工する工程において、伸線される前記前躯体が、複数本の前躯体からなるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法である。

本発明の第５の態様は、第３又は第４の態様のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法において、前記Ｓｎ又はＳｎ合金シート中のＳｎの体積と前記Ｃｕ又はＣｕ合金シート中のＣｕの体積との体積比が０．２５以上３以下であり、かつ、前記Ｓｎ又はＳｎ合金シート中のＳｎの体積及び前記Ｃｕ又はＣｕ合金シート中のＣｕの体積と、前記Ｎｂ又はＮｂ合金層中のＮｂの体積との体積比が２以下であるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法である。

本発明の第６の態様は、第３乃至５の態様のいずれかに記載のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法において、前記熱処理が、１５０℃以上６５０℃未満の温度領域を５０時間以上１５０時間以下で実施する第１段の熱処理と、６５０℃以上７５０℃以下の温度領域を１００時間以上２００時間以下で実施する第２段の熱処理とを有するＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法である。

本発明によれば、均一で連続的なＮｂ_３Ｓｎ層を備えたＮｂ_３Ｓｎ超電導線材及びその製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態におけるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の横断面図である。 本発明の一実施形態におけるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造過程で形成されるジェリーロール積層体の横断面図である。 本発明の実施形態におけるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造過程で形成される前躯体の横断面図である。 図２のジェリーロール積層体が複数本束ねられて形成された、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の前躯体の横断面図である。 本発明の他の実施形態におけるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の前躯体の横断面図である。 従来のジェリーロール法におけるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の前躯体の横断面図である。 図６の前躯体から得られた従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の横断面図である。

本発明の主たる特徴は、Ｓｎを供給する部分（ジェリーロール積層体）と、Ｎｂ_３Ｓｎが生成される部分とを分離した点にある。
図６、図７に示したような、従来の、ＮｂシートとＳｎシートとを用いたジェリーロール法では、ジェリーロール層（ジェリーロール積層体）にＮｂ_３Ｓｎ原料のＮｂとＳｎとを配置し、ジェリーロール層の部分にＮｂ_３Ｓｎを生成する構成となっていた。しかしながら、この構成では、上述したように肝心のジェリーロール層であった部分には不連続的に分散した状態でしかＮｂ_３Ｓｎ相が生成されず、むしろジェリーロール層以外のＮｂバリア層やＮｂ巻芯の部分に連続的にＮｂ_３Ｓｎが生成されていた。
そこで、本発明では、ジェリーロール積層体をＳｎを供給する部分として、Ｃｕ又はＣｕ合金シート（Ｃｕ又はＣｕ合金層）とＳｎ又はＳｎ合金シート（Ｓｎ又はＳｎ合金層）
とを積層して形成し、このジェリーロール積層体の外周にＮｂ_３Ｓｎが生成される部分としてＮｂ又はＮｂ合金層を配置して、ジェリーロール積層体からその外周のＮｂ又はＮｂ合金層にＳｎを拡散供給してＮｂ_３Ｓｎが生成されるような構成とした。

この特徴的な構成を実現する、本発明の一実施形態に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材及びその製造方法を説明する。

本発明の一実施形態に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材は、１本又は複数本の、Ｓｎ又はＳｎ合金層とＣｕ又はＣｕ合金層とが積層されたジェリーロール積層体から、その外周に設けられたＮｂ又はＮｂ合金層へＳｎを拡散供給して生成されたＮｂ_３Ｓｎ層を備えているＮｂ_３Ｓｎ超電導線材である。
また、本発明の一実施形態に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法は、棒状の金属からなる巻芯の外周に、Ｓｎ又はＳｎ合金シートとＣｕ又はＣｕ合金シートとの積層物を巻き付けてジェリーロール積層体を形成する工程と、１本又は複数本の前記ジェリーロール積層体の外周にＮｂ又はＮｂ合金層を設けて前躯体を形成する工程と、前記前駆体を伸線加工する工程と、前記伸線加工する工程で伸線された前記前駆体に熱処理を施して、１本又は複数本の前記ジェリーロール積層体から前記Ｎｂ又はＮｂ合金層にＳｎを拡散させてＮｂ_３Ｓｎ層を生成する工程と、を有するＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法である。

ジェリーロール積層体の外周に設けられるＮｂ又はＮｂ合金層は、概ね円環状の形状を保ったまま伸線加工することができ、伸線加工後に行う熱処理によってＮｂ又はＮｂ合金層に生成されるＮｂ_３Ｓｎも、均一な形状とすることが可能である。従って、本実施形態のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材では、Ｎｂ_３Ｓｎ相はすべてＮｂ又はＮｂ合金層に連続的に生成され、従来のジェリーロール法のように不連続なＮｂ_３Ｓｎ相とはならないことから、高い超電導特性を得ることが可能である。

本実施形態では、熱処理の初期段階で、ジェリーロール積層体のＳｎが溶融してＣｕと相互拡散して、Ｃｕ−Ｓｎ合金あるいはＣｕ・Ｓｎ化合物が生成される。さらに熱処理を施すことにより、ジェリーロール積層体であった部分のＣｕ−Ｓｕ合金又はＣｕ・Ｓｎ化合物から、外周のＮｂ又はＮｂ合金層の部分にＳｎが拡散してＮｂ_３Ｓｎが生成される。

Ｎｂ_３Ｓｎを生成させる熱処理は、１５０℃以上６５０℃未満の温度領域を５０時間以上１５０時間以下で実施する第１段の熱処理と、６５０℃以上７５０℃以下の温度領域を１００時間以上２００時間以下で実施する第２段の熱処理との２段階で行うのが好ましい。

伸線加工した線材に熱処理を施してＮｂ_３Ｓｎを生成する場合、５０時間以下の時間で比較的に急速に焼成温度まで昇温すると、線材端末からジェリーロール積層体からＳｎ又はＳｎ合金が溶け出してきて特性の低下をもたらす場合がある。
Ｓｎの溶融温度は約２３０℃であるため、ＣｕとＳｎとが十分に反応するように、まず第１段の熱処理として、１５０℃以上６５０℃未満の温度領域を５０時間以上１５０時間以下で実施する。これにより、ジェリーロール積層体に十分にＣｕ−Ｓｎ合金を形成することができると共に、Ｓｎ又はＳｎ合金の溶け出しを防止できる。その後、第２段の熱処理として、６５０℃以上７５０℃以下の温度領域を１００時間以上２００時間以下で実施し、第１段の熱処理で生成されたＣｕ−Ｓｎ合金等から、外周のＮｂ又はＮｂ合金層の部分にＳｎを拡散させてＮｂ_３Ｓｎを生成する。
なお、上記熱処理は、第１段の熱処理を実施せずに、第２段の熱処理のみ実施するようにしてもよい。第２段の熱処理（第２段の熱処理のみ実施する場合も含む）は、７００℃以上７５０℃以下の温度領域を１００時間以上２００時間以下で実施するのがより好ましい。また、熱処理温度は、Ｓｎ合金に含まれる元素の種類に応じて最適な温度を選定する
のがよい。

従来のジェリーロール層の形成材料であるＮｂ合金とＳｎ合金の硬さは、Ｎｂではビッカース硬さで１５０以上であり、Ｎｂ合金では更にこれ以上の硬さを示す。一方、Ｓｎ合金のビッカース硬さは３０程度である。このような硬さの大きく異なる、すなわち変形しやすさの大きく異なる材料を隣接して配置したものを伸線加工した場合に、両材料が均等に加工されないことが不均一変形の原因である。
これに対し、本実施形態のジェリーロール積層体に使用されるＣｕのビッカース硬さは１２０程度である。従って、本実施形態のジェリーロール積層体におけるＣｕ又はＣｕ合金とＳｎ又はＳｎ合金との硬さの差は、従来のジェリーロール積層体（ジェリーロール層）におけるＮｂ合金とＳｎ合金との場合に比べて小さくなる。このため、ジェリーロール積層体を均一な層状構造を維持したまま伸線加工することが可能となり、Ｎｂ又はＮｂ合金層の部分に均一にＳｎを供給でき、Ｎｂ_３Ｓｎを層状に且つ線材長手方向に連続的に生成させることが可能となる。

従来のブロンズ法では、Ｃｕ−Ｓｎ合金（いわゆるブロンズ）がＳｎ供給源であり、Ｃｕ−Ｓｎ合金のＳｎ濃度は約１６重量％が上限であった。これに対し、本実施形態のＳｎ供給源であるジェリーロール積層体は、Ｃｕ又はＣｕ合金シート（Ｃｕ又はＣｕ合金層）とＳｎ又はＳｎ合金シート（Ｓｎ又はＳｎ合金層）との厚みなどを変えることにより、Ｓｎの量を調整することが可能であるため、ブロンズ法よりも高いＳｎ濃度のＳｎ供給源を容易に形成できる。

また、ブロンズ法におけるブロンズ材料のＳｎ濃度は、上限値が約１６重量％（体積に換算すると約１９体積％）であるため、得られるＪｃ値に限界があった。本実施形態では、ブロンズ法以上にＳｎ濃度を向上させるために、ジェリーロール積層体中のＳｎ濃度を約２０体積％以上、より好ましくは約３０体積％以上とする。
Ｓｎ濃度を表す体積％を、ジェリーロール積層体のＳｎ又はＳｎ合金シート（Ｓｎ又はＳｎ合金層）中のＳｎの体積と、Ｃｕ又はＣｕ合金シート（Ｃｕ又はＣｕ合金層）中のＣｕの体積とのＳｎ／Ｃｕ体積比（Ｓｎ体積／Ｃｕ体積）に換算すると、Ｓｎ濃度の約２０体積％は、Ｓｎ／Ｃｕ体積比では０．２５であり、Ｓｎ濃度の約３０体積％は、Ｓｎ／Ｃｕ体積比では０．５である。
また、Ｓｎ濃度を高くし過ぎてＣｕ濃度が低くなった場合には、熱処理によりジェリーロール積層体のＳｎがＮｂ層に拡散したあとに空隙が残り、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材を使用する際に線材の機械的な強度が減少して、特性の劣化を引き起こす可能性が考えられる。このため、Ｓｎ／Ｃｕ体積比は３以下が好ましい。
以上の理由により、ジェリーロール積層体中のＳｎ／Ｃｕ体積比は０．２５以上３以下が好ましく、０．５以上３以下がより好ましい。

従来のブロンズ法では、Ｃｕ−Ｓｎ合金の体積とＮｂ（フィラメント）の体積との体積比（Ｃｕ−Ｓｎ合金体積／Ｎｂ体積）は約２であった。本発明では、ブロンズ法に比較して高い濃度のＳｎをジェリーロール積層体に仕込ませることができることから、ジェリーロールの体積を減少させ、その分Ｎｂ又はＮｂ合金層中のＮｂの体積を増加させて、より多くのＮｂ_３Ｓｎを生成させることが可能になる。したがって、本実施形態では、ジェリーロール積層体中のＳｎとＣｕとの体積（（Ｓｎ＋Ｃｕ）体積）と、Ｎｂ又はＮｂ合金層中のＮｂの体積との体積比（(Ｓｎ＋Ｃｕ)体積／Ｎｂ体積）は２以下とすることが好ましい。

以下に、本発明の、より具体的な実施形態について図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法について説明する。

第１の実施形態におけるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法では、ジェリーロール積層体を形成する工程と、ジェリーロール積層体を用いて前躯体を形成する工程と、前躯体を伸線加工する工程と、伸線された前躯体に熱処理を施してＮｂ_３Ｓｎ層を生成する工程とを有する。

＜ジェリーロール積層体の形成工程（図２）＞
図２に、ジェリーロール積層体１５の横断面を示す。

まず、棒状のＣｕ又はＣｕ合金製の巻芯１と、Ｓｎを主成分とするＳｎ合金シート２ａと、Ｃｕシート２ｂとを用意する。Ｓｎ合金シート２ａはＳｎシートであってもよく、Ｃｕシート２ｂはＣｕを主成分とするＣｕ合金シートであってもよい。
巻芯１の外周に、Ｓｎ合金シート２ａとＣｕシート２ｂとを重ね合わせた二層の積層シートを巻きつけることによってジェリーロール積層体１５を形成する。ジェリーロール積層体１５は、図２に示すように、巻芯１を中心とし、その外周に渦巻き形状に積層シートが巻き付けられた構造となる。

＜前躯体の形成工程（図３）＞
図３に、図２のジェリーロール積層体１５を用いて作製された、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の前躯体２０の横断面を示す。
前躯体２０のＮｂ合金層３には、Ｎｂ又はＮｂを主成分とするＮｂ合金シートを用い、ジェリーロール積層体１５の外周にＮｂ又はＮｂ合金シートを巻き付けることによってＮｂ合金層３を形成する。あるいは、Ｎｂ合金層３には、シートの代わりにＮｂ又はＮｂ合金製のパイプを用い、ジェリーロール積層体１５をＮｂ又はＮｂ合金製のパイプに充填して形成してもよい。
第１の実施形態の前躯体２０は、図示するように、Ｎｂ合金層３の外側に、更にＣｕパイプなどからなる超電導安定化のための安定化層４を設けている。

なお、前躯体としては、図３に示すような１本のジェリーロール積層体１５からなる構造の前躯体２０に限らず、図４に示すように、ジェリーロール積層体１５を複数本（図示例では７本）束ねて、それらの外周にＮｂ合金層３及び安定化層４を設けた構造の前躯体３０としてもよい。

＜伸線加工工程＞
上記の前躯体２０を伸線加工することで、前躯体２０を線材の状態にする。なお、線状材を作製するために必要に応じて、一体化処理、押出加工などを行ってもよい。
伸線加工の工程において、前躯体２０のうちＮｂ合金層３は、概ね円環形状を維持したまま伸線することができる。その結果、熱処理を施すことによって、Ｎｂ合金層３に生成されるＮｂ_３Ｓｎも均一な形状に形成することができる。

＜熱処理工程＞
伸線工程で得た線材状態の前躯体２０に熱処理を施し、ジェリーロール積層体１５のＳｎをＮｂ合金層３に拡散させてＮｂ_３Ｓｎを生成する。本実施形態における熱処理は、６５０℃以上７５０℃以下の温度領域を、１００時間以上２００時間以下で実施する。この熱処理により、ジェリーロール積層体１５の部分に形成されたＣｕ−Ｓｎ合金等から、外周のＮｂ合金層３の部分にＳｎが拡散しＮｂ_３Ｓｎ相が生成される。

以上により、均一で、層状かつ連続的なＮｂ_３Ｓｎ層を有する第１の実施形態のＮｂ_３
Ｓｎ超電導線材が得られる。
図１に、第１の実施形態のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０を示す。図１は第１の実施形態のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０の横断面図である。

第１の実施形態のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０は、Ｃｕ又はＣｕ合金の巻芯１であった部分と、その外周のジェリーロール積層体１５であった部分には、Ｓｎを拡散供給した後の、一体的なＣｕ−Ｓｎ合金部６が形成されている。Ｃｕ−Ｓｎ合金部６の外周には、ジェリーロール積層体１５からのＳｎ拡散によって、層状かつ厚く連続的にＮｂ_３Ｓｎ層３ａが生成されている。このＣｕ−Ｓｎ合金部６は、以下のようにして形成されるものと推定される。上記熱処理により前躯体２０の温度が上がると、まず、Ｃｕ又はＣｕ合金の巻芯１とジェリーロール積層体１５のＳｎ合金及びＣｕとは、すべてＣｕ・Ｓｎ混合物（Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｃｕ・Ｓｎ化合物、Ｓｎ融液）となる。更に長時間の熱処理によって、ＳｎがＮｂ合金層３に拡散してＮｂ_３Ｓｎが生成されると共に、Ｃｕ・Ｓｎ混合物は、Ｓｎの供給によりＳｎ濃度が低下してＣｕ−Ｓｎ合金となり、円環状断面のＮｂ_３Ｓｎ層３ａ内部に一体的にＣｕ−Ｓｎ合金部６が形成される。
また、Ｎｂ_３Ｓｎ層３ａの外周には、Ｎｂ合金層３と、Ｃｕなどの安定化層４を有する。前躯体２０のＮｂ合金層３は、Ｎｂ_３Ｓｎ層３ａの生成層であると共に、Ｓｎが安定化層４へ拡散するのを防止するためのバリア層でもある。

本実施形態では、Ｎｂ_３Ｓｎ層３ａは、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材１０中に均一に厚く連続的に生成されているので、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材１０は、生成されたＮｂ_３Ｓｎ相に応じた高いＪｃを得ることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図５を用いて説明する。

図５（ａ）は、図３の前躯体２０を伸線加工し、断面六角形状とした前躯体線材２０ａを示す横断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の前躯体線材２０ａを用いた多芯構造の前躯体４０の横断面図である。

まず、上述した第１の実施形態の前躯体２０（図３）を、伸線加工して図５（ａ）に示すような断面六角形状とした前躯体線材２０ａを形成する。前躯体線材２０ａの断面形状は、六角形に限らず、円形、楕円形、多角形状などの断面であってもよい。六角形状は、複数本の前躯体線材２０ａを隙間なく束ねることができるので好ましい。

次に、前躯体線材２０ａを所定の長さに切断する。切断された前躯体線材２０ａを多数本束ねた状態にし、その外周にＴａ合金バリア層５と、Ｃｕパイプなどの安定化層４を設けることで、図５（ｂ）に示すような多芯前躯体４０を形成する。Ｔａ合金バリア層５は、Ｔａ又はＴａ合金シート、あるいはシートの代わりにＴａ又はＴａ合金製のパイプを用いてもよい。なお、前躯体としては、図４（ｂ）に示すような構造の前躯体３０を用いてもよい。
このようにして得られた多芯前躯体４０に、上記第１の実施形態と同様に、伸線加工及び熱処理を施すことで、多芯構造のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を得ることができる。

なお、上記実施形態において、ジェリーロール積層体中のＳｎ合金シート（Ｓｎ合金層）に含まれる元素としては、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｖ（バナジウム）、Ｃｕのグループから選択される１種類又は２種類以上の元素を用いることができる。
また、上記実施形態において、ジェリーロール積層体中のＣｕ合金シート（Ｃｕ合金層）に含まれる元素としては、Ｓｎ、Ｚｎ（亜鉛）、Ｓｉ（ケイ素）、Ａｌ（アルミニウム
）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）、Ａｇ（銀）のグループから選択される１種類又は２種類以上の元素を用いることができる。
更に、上記実施形態において、Ｎｂ合金層中に含まれる元素としては、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖのグループから選択される１種類または２種類以上の元素を用いることができる。

次に、本発明の実施例を説明する。

［実施例１］
実施例１では、図３に示す構造の前躯体２０を作製した。直径６ｍｍのＣｕ製の丸棒を巻芯１とし、厚さ１００μｍのＣｕシート２ｂと、厚さ１００μｍでＳｎ−２．０重量％Ｔｉの組成のＳｎ合金シート２ａとを重ねたものを、約２０周巻き付けてジェリーロール積層体１５を形成した。このジェリーロール積層体１５の外周に、Ｎｂ合金層３として厚さ１００μｍのＮｂ−１．０重量％Ｔａシートを約２０周巻き付け、これを内径１８ｍｍ、外径２０ｍｍの安定化層４としてのＣｕパイプに挿入して、前躯体２０であるビレットを作製した。このビレットに伸線加工を施して直径１ｍｍの線材を作製した。作製した線材の一部を７００℃で１５０時間の条件で熱処理を行い、Ｎｂ_３Ｓｎの生成を行った。
熱処理後の試料（Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材）を温度４．２Ｋの液体ヘリウム中で１２Ｔの磁場を加えて臨界電流値を測定した。その結果、ｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃは約３０００Ａ／ｍ
ｍ^２の非常に高い超電導特性を示した。これは、本発明のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の構造により、超電導電流が流れるＮｂ_３Ｓｎ相の領域が、均一で連続的であることによる効果と考えられる。

［実施例２］
実施例２では、図４に示す構造の前躯体３０を作製した。直径２ｍｍのＣｕ製の丸棒を巻芯１とし、厚さ１００μｍのＣｕシート２ｂと、厚さ１００μｍのＳｎ−２．０重量％Ｔｉの組成のＳｎ合金シート２ａとを重ねたものを、巻芯１の外周に約８周巻き重ねてジェリーロール積層体１５を形成した。このジェリーロール積層体１５を７個作製し、Ｎｂ合金層３として内径１５．８ｍｍ、外径１７．８ｍｍのＮｂ−１重量％Ｔａ製のＮｂ合金パイプに装填し、さらにこれを内径１８ｍｍ、外径２０ｍｍの安定化層４としてのＣｕパイプに装填して、前躯体３０であるビレットを作製した。このビレットに伸線加工を施して直径１ｍｍの線材を作製した。作製した線材の一部を７００℃で１５０時間の条件で熱処理を行い、Ｎｂ_３Ｓｎの生成を行った。
熱処理後の試料（Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材）を温度４．２Ｋの液体ヘリウム中で１２Ｔの磁場を加えて臨界電流値を測定した。その結果、ｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃは実施例１と同様に
約３０００Ａ／ｍｍ^２の高い超電導特性を示した。

［実施例３］
実施例３では、図５に示す構造の前躯体４０を作製した。実施例１で作製した前躯体２０のビレットに、伸線加工を施して、断面が六角形状（互いに平行な対辺間の寸法が１．２ｍｍ）の線材２０ａを形成した。これを所定の長さに切断し、１９９本を束ね、その外周にＳｎが外周部にもれるのを防止する拡散バリア層として厚さ０．１ｍｍのＴａ製のシート５を２周巻き、内径２０ｍｍ、外径２２ｍｍの安定化層４としてのＣｕパイプ中に組み込んで多芯構造の前躯体４０を作製した。これに伸線加工を施して直径１ｍｍの多芯線材を作製した。作製した多芯線材の一部を７００℃で１５０時間の条件で熱処理を行い、Ｎｂ_３Ｓｎの生成を行った。
熱処理後の試料（Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材）を温度４．２Ｋの液体ヘリウム中で１２Ｔの磁場を加えて臨界電流値を測定した。その結果、ｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃは、実施例１及び実
施例２と同様に約３０００Ａ／ｍｍ^２の高い超電導特性を示した。
また、上記実施例３において、前躯体２０のビレットに代えて実施例２で作製した前躯
体３０のビレットを用いて多芯構造の前躯体を作製し、これに上記実施例３と同様に伸線加工と熱処理を行って、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材を製造したが、同様の高い超電導特性を示した。

［その他の実施例］
上記実施例１〜３におけるＳｎ合金シートとＣｕシートを重ねたものとして、Ｓｎ−２．０重量％ＴｉシートとＣｕシートをあらかじめ圧延加工して一体化した複合シートを用いることも可能である。

また、上記実施例１〜３におけるジェリーロール積層体としては、巻芯にＳｎ又はＳｎ合金シートとＣｕ又はＣｕ合金シートとを重ねたものを巻き付け、これをＣｕパイプなどに入れて所定の外径に伸線加工したものを用いてもよい。この構造のジェリーロール積層体の外周にＮｂ又はＮｂ合金層を設け、さらにＣｕパイプなどに入れて、前躯体としての初期ビレットを形成することも可能である。

１ 巻芯
１ａ Ｃｕ−Ｓｎ巻芯
２ａ Ｓｎ合金シート
２ｂ Ｃｕシート
３ Ｎｂ合金層
３ａ Ｎｂ_３Ｓｎ層
４ 安定化層
５ Ｔａ合金バリア層
６ Ｃｕ−Ｓｎ合金部
１０ Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材
１５ ジェリーロール積層体
２０ 前躯体
２０ａ 前躯体線材
３０ 前躯体
４０ 前躯体

Claims (6)

1. １本又は複数本の、Ｓｎ又はＳｎ合金層とＣｕ又はＣｕ合金層とが積層されたジェリーロール積層体から、その外周に設けられたＮｂ又はＮｂ合金層へＳｎを拡散供給して生成されたＮｂ_３Ｓｎ層を備えていること、
   を特徴とするＮｂ_３Ｓｎ超電導線材。
2. 前記Ｓｎ又はＳｎ合金層中のＳｎの体積と前記Ｃｕ又はＣｕ合金層中のＣｕの体積との体積比が０．２５以上３以下であり、かつ、前記Ｓｎ又はＳｎ合金層中のＳｎの体積及び前記Ｃｕ又はＣｕ合金層中のＣｕの体積と、前記Ｎｂ又はＮｂ合金層中のＮｂの体積との体積比が２以下であること、
   を特徴とする請求項１に記載のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材。
3. 棒状の金属からなる巻芯の外周に、Ｓｎ又はＳｎ合金シートとＣｕ又はＣｕ合金シートとの積層物を巻き付けてジェリーロール積層体を形成する工程と、
   １本又は複数本の前記ジェリーロール積層体の外周にＮｂ又はＮｂ合金層を設けて前躯体を形成する工程と、
   前記前駆体を伸線加工する工程と、
   前記伸線加工する工程で伸線された前記前駆体に熱処理を施して、１本又は複数本の前記ジェリーロール積層体から前記Ｎｂ又はＮｂ合金層にＳｎを拡散させてＮｂ_３Ｓｎ層を生成する工程と、
   を含むことを特徴とするＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法。
4. 前記伸線加工する工程において、伸線される前記前躯体が、複数本の前躯体からなること、
   を特徴とする請求項３に記載のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法。
5. 前記Ｓｎ又はＳｎ合金シート中のＳｎの体積と前記Ｃｕ又はＣｕ合金シート中のＣｕの体積との体積比が０．２５以上３以下であり、かつ、前記Ｓｎ又はＳｎ合金シート中のＳｎの体積及び前記Ｃｕ又はＣｕ合金シート中のＣｕの体積と、前記Ｎｂ又はＮｂ合金層中のＮｂの体積との体積比が２以下であること、
   を特徴とする請求項３又は４に記載のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法。
6. 前記熱処理が、１５０℃以上６５０℃未満の温度領域を５０時間以上１５０時間以下で実施する第１段の熱処理と、６５０℃以上７５０℃以下の温度領域を１００時間以上２００時間以下で実施する第２段の熱処理とを有すること、
   を特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造方法。

Images