JP2013225598A - ＭｇＢ２超電導マグネット - Google Patents

Abstract

【課題】超電導接続部の通電特性を高める。
【解決手段】ＭｇＢ₂コア８が金属シース９に被覆されたフィラメント４を複数有する多芯超電導線材１８と、前記多芯超電導線材を捲回した超電導コイル１２と、前記多芯超電導線材の端部と別の超電導線材の端部とがＭｇＢ₂を含む焼結体５を介して一体化された超電導接続部１１とを備えた超電導マグネット１７において、前記超電導接続部における複数の前記フィラメントがそれぞれ分離した状態であり、前記フィラメントの各々が前記端部の周方向の一部でＭｇＢ₂コアを露出すると共に、前記端部から長さ方向に一部露出した露出面を形成し、前記露出面の面積が、前記フィラメントの端部で前記長さ方向に対して直角に切断したときのＭｇＢ₂コアの断面積よりも大きい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＭｇＢ₂超電導マグネットに関する。

二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ₂）の臨界温度（転移温度）は３９Ｋであり、従来の金属超電導体（例えばニオブチタン（ＮｂＴｉ）やニオブ３スズ（Ｎｂ₃Ｓｎ）等）の臨界温度よりも高い。また、酸化物超電導体を用いた線材とは異なり、ＭｇＢ₂を用いた線材は、それを使用した閉回路において永久電流モードで運転したとき、磁場安定度が高いという特徴を有する。

永久電流モードは、超電導体を用いて形成される閉回路に電流を流し続ける運転方法である。即ち、超電導線材は抵抗がゼロであるため、いったん閉回路に電流を流すと、その電流が減衰せずに流れ続けることになる。このような永久電流モードを実現させるためには、超電導線材の端部同士を超電導体で接続する技術が重要となる。なお超電導線材は、電流容量・線材長・磁気的安定性・交流損失の観点から、一般に複数の超電導フィラメントで構成される多芯線として使用されるため、多芯線同士を接続可能であることが要求される。

例えば、ＭｇＢ₂線材同士、又はＭｇＢ₂線材と、ＮｂＴｉ線材やＮｂ₃Ｓｎ線材等の他の線材とを接続する技術として、以下の技術が知られている。

特許文献１には、超電導はんだを用いるＭｇＢ₂線材の接続方法が記載されている。超電導はんだを用いる超電導線材の接続方法は、ＮｂＴｉ線材等の他の超電導線材の接続にも使用されている。

特許文献２には、ＭｇＢ₂線材をパイプに挿入した後ＭｇＢ₂粉末を充填し、それらを圧着するＭｇＢ₂線材の接続方法が記載されている。また、ＭｇＢ₂粉末の粒子間の結合性を向上するため、低融点の金属を混合する方法が記載されている。

非特許文献１には、マグネシウムとホウ素との混合粉末を含む線材、又はＭｇＢ₂線材を筒状の容器に挿入し、線材に対して逆側から前記混合粉末を充填及び加圧し、熱処理をすることが記載されている。熱処理によりＭｇＢ₂の焼結体が生成し、線材同士が接続される。

特開２００６−１７４５４６号公報 特開２００３−２２７１９号公報

W. Yao et al. "A Superconducting Joint Technique for MgB2 Round Wires", IEEE Transaction on Applied Superconductivity, Vol. 19, No. 3, (2009)

特許文献１に記載の技術においては、超電導はんだの臨界温度が約９Ｋ以下であるため、運転温度を１０Ｋ以上にして使用することができない。即ち、比較的高温の臨界温度（３９Ｋ）を有するＭｇＢ₂を用いた超電導マグネットにおいても、１０Ｋ以下まで冷却しなければならず、その特性を十分に活かすことができない。

また、特許文献２に記載の技術においては、ＭｇＢ₂粉末を充填して圧着するので、ＭｇＢ₂粒間の結合性が良好ではない。その結果、超電導マグネットに要求される良好な通電特性が得られにくい。そして、このような粒間の結合性を向上させようとする場合には、低融点金属を混合しなければならない等の手間を要する。

さらに、非特許文献１に記載のＭｇとＢの混合粉末を使用する方法では、線材挿入方向の逆側から粉末を充填し、加圧するため、加圧した付近が最も高密度化され、加圧部分から離れるに従って密度が低下する。加圧部分と線材端部が離れていると粉末密度は低く、逆に近づけても加圧したときに線材が曲がってしまい、高密度化することができない。従って、線材端部近傍のＭｇとＢの粉末密度を高めにくいという問題がある。多芯線材の場合、個々のフィラメントが細いため、その問題はより深刻である。また線材端部を長さ方向（軸方向）に対して直角に切断し、研磨しているため、接続部における線材コア部と充填粉末の接触面積が小さいという問題もある。

本発明の目的は、超電導接続部の通電特性を高めることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ＭｇＢ₂コアが金属シースに被覆されたフィラメントを複数有する多芯超電導線材と、前記多芯超電導線材を捲回した超電導コイルと、前記多芯超電導線材の端部と別の超電導線材の端部とがＭｇＢ₂を含む焼結体を介して一体化された超電導接続部とを備えた超電導マグネットにおいて、前記超電導接続部における複数の前記フィラメントがそれぞれ分離した状態であり、前記フィラメントの各々が前記端部の周方向の一部でＭｇＢ₂コアを露出すると共に、前記端部から長さ方向に一部露出した露出面を形成し、前記露出面の面積が、前記フィラメントの端部で前記長さ方向に対して直角に切断したときのＭｇＢ₂コアの断面積よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、超電導接続部の通電特性を高めることができる。

超電導マグネットの構成例。 多芯撚り線の端部処理の例。 接続に用いる容器（正面図、上面図、側面図）の例。 接続部断面図の例。 加圧部材引抜後の接続部断面図の例。 接続部におけるフィラメント配置の例。 各線材のフィラメントを交互に配置した例。 フィラメント間に仕切りを設けた例。

本発明では、ＭｇおよびＢ、もしくはそれらを含む化合物を含む複数本のフィラメントが束ねられて一本の超電導線材（多芯超電導線材）を形成する。超電導線材の接続構造は、超電導線材内の各フィラメントを１本ずつ分離した状態で容器に挿入し、その容器にＭｇおよびＢ、もしくはそれらを含む化合物の粉末を充填して加圧し、その後熱処理をすることで接続部においてＭｇＢ₂を生成させる。各フィラメントを分離することで、フィラメント内のＭｇＢ₂コアの露出面積を大きくすることが可能であり、それにより通電特性の向上を図るものである。

超電導マグネットは、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging：磁気共鳴イメージング）装置、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance：核磁気共鳴）装置等で用いられる。このような機器では高い磁場安定度が必要となるため、超電導マグネットは超電導体のみで閉回路を構成し、電流を流し続ける「永久電流モード」で運転される。そのためには、超電導コイル、永久電流スイッチ、それらをつなぐ配線を、超電導体を介して接続する技術が必須である。

従来の超電導マグネット装置では、ＮｂＴｉやＮｂ₃Ｓｎの超電導線材が使用されており、それらの多くは液体ヘリウムによって４.２Ｋに冷却して運転される。そのような超電導マグネットにおいては、ＰｂＢｉ合金に代表される超電導はんだによる接続技術が確立されている。

二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ₂）は超電導に転移する臨界温度が従来の金属系材料よりも高いため、液体ヘリウムを使用しない冷凍機冷却による超電導マグネットとして実用化が期待されている。その場合１０Ｋ以上で運転することが求められるため、臨界温度が１０Ｋ以下である従来の超電導はんだ接続を適用できない。そこでＭｇＢ₂線材同士をＭｇＢ₂によって接続する技術の確立が必要となる。

（概要）
本発明の接続構造は、ＭｇＢ₂を含む多芯超電導線材と、接続される別の超電導線材と、それらをＭｇＢ₂を含む焼結体で一体化した超電導接続部である。多芯超電導線材を構成する複数本のフィラメントがそれぞれ分離した状態で、焼結体によって別の超電導線材と接続されている。フィラメントとはＭｇＢ₂コアが金属シースに被覆された単芯線のことである。つまり、多芯線材内の各フィラメントを分離して加圧容器に挿入し、該容器にＭｇおよびＢ、もしくはそれらを含む化合物の粉末を充填して加圧し、熱処理をすることでＭｇとＢを反応させ、ＭｇＢ₂を生成させた接続構造である。ＭｇＢ₂を充填するのではなく、接続部である容器内でＭｇＢ₂を生成するので、ＭｇＢ₂粒子間の結合性が良い。

各フィラメントは、研磨等によって広くＭｇＢ₂コアを露出させる。フィラメントの周方向の一部であって、フィラメントの端部から長さ方向に所定の長さだけコアを露出させる。こうすることで、母材中にフィラメントが複数本組み込まれて一体となった多芯超電導線材の場合と比較して、ＭｇＢ₂コアの露出面積を大きくすることができる。ＭｇＢ₂コアを露出させた複数本のフィラメントを並べて、焼結体を形成する粉末を充填し、フィラメントの長さ方向ではなく径方向に加圧する。つまり、充填した粉末を加圧する方向にはフィラメントが突出していないため、フィラメントを曲げることがないので、原料粉末を高密度に加圧することが可能である。それを熱処理し、ＭｇＢ₂を生成すれば、粒間結合性が良好な高い通電特性を有する接続構造を実現可能である。

（超電導マグネット）
上記のような超電導線材の接続構造を有する超電導マグネットは、接続部における高い通電特性を有するため、クエンチすることなく安定した運転が可能である。図１に超電導マグネットの構成例を示す。図１の超電導マグネット１７は、冷却容器１６の内部に超電導コイル１２と永久電流スイッチ１３が配置されており、これらは支持板１５を介して、図示しない冷凍機によって冷却される。超電導接続部１１は、超電導コイル１２と、永久電流スイッチ１３の間に２箇所設けられている。

接続される少なくとも一方の超電導線材は、ＭｇＢ₂もしくはＭｇＢ₂の原料粉末を含むコアが金属シースに被覆されたフィラメントを複数有する多芯超電導線材である。このような線材を他の線材と接続する場合には、線材端部の周囲にＭｇ粉末またはＭｇ化合物粉末と、Ｂ粉末またはＢ化合物粉末とを配置し、加圧焼結してＭｇＢ₂を生成する。本実施例は、異なる種類の超電導線材の接続にも使用できる。接続されるもう一方の超電導線材は、上記のＭｇＢ₂超電導線材の他、ＮｂＴｉ線やＮｂ₃Ｓｎ線などとすることができ、また単一のフィラメントを有する単芯線でも構わない。

多芯超電導線材の製法としては、金属管に原料粉末を充填し、伸線加工した単芯線を、金属管（母材）に組み込み、それをさらに伸線加工する方法が一般的であり、最終的に母材と複数本の単芯線（フィラメント）が一体化した状態となる。接続するためには、端部において超電導コアを露出させることが必要となるが、長さ方向に対して多芯超電導線材を直角に切断し研磨する方法では、コア露出面積が小さいため大きな通電容量を確保できない。斜めに切断したとしても、全てのフィラメントに対してコア露出面積を十分に大きくすることは困難である。

そこで、多芯超電導線材の端部において、各フィラメントを分離して、それぞれについてコアを露出させるように研磨することとした。母材と一体化したフィラメントを分離するためには、機械的に母材を研磨する方法、化学的に母材を溶かす方法が考えられるが、いずれもフィラメント内のコアを損傷および劣化させる恐れがある。そこで多芯線の製法を見直し、複数の単芯線を母材に組み込む方法ではなく、単芯線を最終的に必要なフィラメント径まで伸線加工し、それを複数撚り合わせて多芯超電導線材を形成する方法とした。撚り線の状態であれば、多芯超電導線材として使用できると共に、特別な処理をすることなく線材をほどくだけで各フィラメントを分離可能である。

図２に、多芯超電導線材の端部を分離し、コアを露出させた例を示す。多芯超電導線材１８を構成するフィラメント４をほどいて一本ずつ分離し、端部のシース９を除去してコア８を露出させる。コアを損傷・劣化させない限りどのようにコアを露出させてもよいが、機械的に研磨する方法が一般的である。コアの露出面の面積は大きい方が焼結体との接触面積が増えるので、焼結体との界面における通電容量は大きくなる。しかし、フィラメントの通電容量以上に電流を流すことはできないため、フィラメントの通電特性によって露出させる面積を決定すべきである。なお、本発明の露出面とは、シースがはぎ取られてフィラメントの長さ方向にコアが露出した部分を言う。

また、焼結体の原料粉末を加圧する方向に対向するように露出面を配置する方がコアと焼結体の結合性が良くなるため、各フィラメントを一平面上に並べて配置し、露出面を同じ方向に向けることが望ましい。また、フィラメントの露出面と逆側はシース９が残っているため、焼結体の加圧時にもコアを崩れにくくすることができる。

（接続部の原料粉）
接続部を構成するためのＭｇＢ₂の原料粉には、Ｍｇ粉末またはＭｇ化合物粉末と、Ｂ粉末またはＢ化合物粉末とを使用する。このときに、反応性を改善するためにＭｇ合金を使用したり、密度を上げるためにＭｇＢ₂粉末を混合したりすることも可能である。また高磁場における通電特性向上を目的として、ＳｉＣに代表されるような炭素を含む化合物を添加することも考えられる。

図３は、超電導線材の接続に用いる容器の正面図、上面図、側面図を示している。容器１には、フィラメントを挿入するための穴２と、粉末を充填・加圧するための穴３が設けられている。穴２と穴３の方向が何れもフィラメントの長さ方向を向いている場合、粉末を加圧したときに、フィラメントが曲がってしまい、線材端部の粉末密度を高めることができない。そこで、図３に示すように穴３をフィラメントの径方向に開けることで、加圧したときにフィラメントが寝た状態で穴３の底面に押し付けられるため、線材端部付近の粉末密度を高めることができる。穴２と穴３の角度は厳密に直角である必要はなく、容器１も直方体でなくてもよいが、フィラメントのコアと焼結体の結合性を向上させるためには、直角に近いことが望ましい。

図３では、７本のフィラメントで形成された多芯超電導線材を２本接続する場合を示す。容器１にはフィラメントを挿入するための穴２を１４個設けている。全フィラメントを１つの穴にすべて挿入するように、穴２を大きく空けておいても構わないが、穴２とフィラメントの隙間をできるだけ小さくして、焼結体の原料粉末を加圧する際に粉末が漏れないようにすること、またフィラメントを固定することを考慮すると、各フィラメントに対して１つずつ穴２を空けておくことが望ましい。なお、線材の本数やフィラメント数が変われば、穴２の数も変更する必要がある。また、接続する線材を同方向から容器に挿入すると、スペースに無駄が生じにくく、作業性が良く、また熱処理などの工程が容易になるため、図３では穴２を同じ方向から空けている。ただし、線材の挿入方向は作業性や設置場所に合わせて変更可能である。また粉末を充填するための穴３は、充填時の作業性を考慮して、入り口がテーパとなっていることが望ましい。

接続部の作製手順は以下の通りである。図４の断面図に示すように、まず容器１にフィラメント４を挿入する。このときのコア部分は、ＭｇとＢが未反応状態でもＭｇＢ₂生成済みでもどちらでも構わない。フィラメント４を挿入後、ＭｇとＢを含む粉末を充填し、粉末を加圧部材６で加圧する。加圧部材６の材質は、硬い材料であれば良く、ステンレスや鉄等が考えられる。加圧後は、図５に示すように加圧するための加圧部材６を抜いてしまっても構わない。抜いた場合、加圧部材６を何度も再利用することが可能である。

次に加圧した粉末を加熱し、ＭｇＢ₂を生成させる。ＭｇＢ₂を生成させるための熱処理は通常、電気炉を用いて、真空中もしくはアルゴン、窒素などの不活性ガス中で、５００℃〜８００℃に設定する。挿入した線材のＭｇとＢが未反応であった場合、接続部と同時にＭｇＢ₂が生成する。熱処理中に容器１がＭｇやＢと反応しないように、容器１の材質としては、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｔａもしくはそれらの合金を使用する。

ＭｇＢ₂はもろいため、熱処理後はできるだけ動かさない方が良い。そのために、容器１とフィラメント４を樹脂やはんだのような線材固定部材７で固定することが望ましい。フィラメント４と容器１の固定は、熱処理後に行う。熱処理温度は高温であるため、はんだや樹脂が溶融するためである。

本実施例は、実施例１のような接続構造とすることに加え、さらに通電特性および磁気的安定性を向上させるための方法に関する例である。図５に示した接続部断面図におけるＡ−Ａ′断面図を図６に示す。７芯線材（フィラメント）４Ａと７芯線材（フィラメント）４Ｂを横に並べて、それぞれのフィラメント４Ａ、４Ｂを容器１へ挿入している。ここではフィラメント４Ａで構成される多芯超電導線材とフィラメント４Ｂで構成される多芯超電導線材とを接続する。

フィラメント４Ａからフィラメント４Ｂに電流が流れる場合、その境界部分の焼結体に流れる電流は、各フィラメントに流れる電流の和となり、局所的に大電流が流れてしまうことになる。そこで、フィラメント４Ａ、４Ｂが隣り合うように配置すれば、焼結体に全体的に電流が流れ易くなり、局所的に大電流が流れることを低減することができる。特に図７に示すようにフィラメント４Ａ、４Ｂを交互に配置すれば、焼結体を流れる電流が均等化され、局所的に大電流が流れることはない。

さらに図８に示すように、非超電導材料による仕切り１０を設ければ、複数の焼結体を流れる電流の経路を確実に制御することが可能となる。それにより、大きな電流経路となることを防ぐことができるため、磁気的安定性の向上につながる。ただし、フィラメント４Ａのうちの１本とフィラメント４Ｂのうちの１本を一組として、一組ずつ仕切り１０で分割してしまうと、接続部において電流が再配分されなくなってしまうため、数組のフィラメントごとに仕切ることが望ましい。

１ 容器
２，３ 穴
４ フィラメント
５ 焼結体
６ 加圧部材
７ 線材固定部材
８ コア
９ シース（金属シース）
１０ 仕切り
１１ 超電導接続部
１２ 超電導コイル
１３ 永久電流スイッチ
１４ 電流リード
１５ 支持板
１６ 冷却容器
１７ 超電導マグネット
１８ 多芯超電導線材

Claims (10)

1. ＭｇＢ₂コアが金属シースに被覆されたフィラメントを複数有する多芯超電導線材と、前記多芯超電導線材を捲回した超電導コイルと、前記多芯超電導線材の端部と別の超電導線材の端部とがＭｇＢ₂を含む焼結体を介して一体化された超電導接続部とを備えた超電導マグネットにおいて、
   前記超電導接続部における複数の前記フィラメントがそれぞれ分離した状態であり、
   複数の前記フィラメントの各々が前記端部の周方向の一部でＭｇＢ₂コアを露出すると共に、前記端部から長さ方向に一部露出した露出面を形成し、
   前記露出面の面積が、前記フィラメントの端部で前記長さ方向に対して直角に切断したときのＭｇＢ₂コアの断面積よりも大きいことを特徴とする超電導マグネット。
2. 請求項１において、前記超電導接続部は、前記焼結体を形成する粉末を充填する穴を有する容器を備え、前記露出面が前記粉末を充填する穴に向いていることを特徴とする超電導マグネット。
3. 請求項１において、前記露出面が、前記粉末が加圧される方向に対向していることを特徴とする超電導マグネット。
4. 請求項１において、前記焼結体は、前記フィラメントの長さ方向と直交する方向より前記粉末が加圧され形成されることを特徴とする超電導マグネット。
5. 請求項１において、前記多芯超電導線材は複数の前記フィラメントを撚り合わせた線材であることを特徴とする超電導マグネット。
6. 請求項２において、前記容器の上面に前記粉末を充填する穴を有する場合に、前記容器の側面に前記フィラメントを挿入する穴を有することを特徴とする超電導マグネット。
7. 請求項６において、前記容器の１つの側面に前記フィラメントを挿入する穴を有することを特徴とする超電導マグネット。
8. 請求項６において、前記容器は複数の前記フィラメントを挿入する穴を有し、複数の前記フィラメントの各々が複数の前記フィラメントを挿入する穴の各々に挿入されていることを特徴とする超電導マグネット。
9. 請求項１において、前記多芯超電導線材を構成するフィラメントと前記別の超電導線材を構成するフィラメントとが、少なくとも１箇所は隣り合っていることを特徴とする超電導マグネット。
10. 請求項１において、前記焼結体を複数に分ける仕切りを有し、複数の前記焼結体の各々は、前記多芯超電導線材を構成するフィラメントと前記別の超電導線材を構成するフィラメントとを複数組一体化していること特徴とする超電導マグネット。