JP2013251180A

JP2013251180A - ニオブ３スズ超電導多芯線材の前駆体線材およびそれを用いたニオブ３スズ超電導多芯線材

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Publication number: JP2013251180A
Application number: JP2012125941A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Ohata; 一実大圃; Morio Kimura; 守男木村; Kazuhiko Nakagawa; 和彦中川; Katsumi Miyashita; 克己宮下
Original assignee: SH Copper Products Co Ltd
Current assignee: SH Copper Products Co Ltd
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2032-06-01
Also published as: JP5753517B2

Abstract

【課題】内部スズ法によるNb₃Sn超電導多芯線材の製造に好適に利用でき、高い臨界電流密度特性を維持しながら磁化率の増大を抑制できるNb₃Sn超電導線材を得るための前駆体線材およびそれを用いたNb₃Sn超電導多芯線材を提供する。
【解決手段】本発明に係る前駆体線材は、Nb₃Sn超電導多芯線材の前駆体線材であって、Nb芯と前記Nb芯の全周を被うCu被覆層とを有するNbフィラメントと、Sn芯を有するSnフィラメントとが互いに接するように配設され、前記Nbフィラメントのそれぞれは、前記Nb芯と前記Cu被覆層との間に、前記Nb芯の外周の全部または一部を被覆する高電気抵抗相形成層を更に有し、前記高電気抵抗相形成層の厚さが0.05μm以上0.4μm以下であることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ニオブ３スズ（Nb₃Sn）超電導線材に関し、特に、内部スズ法に好適なNb₃Sn超電導多芯線材の前駆体線材およびそれを用いたNb₃Sn超電導多芯線材に関するものである。

Nb₃Sn超電導線材の製造方法として、従来からブロンズ法が広く用いられている。ブロンズ法とは、銅-スズ合金（Cu-Sn合金、いわゆるブロンズ）のマトリクス中に多数のNbフィラメントを配置し、伸線加工の後に拡散反応熱処理を施して超電導線材を製造する方法である。該熱処理によってCu-Sn合金中のSnがNbフィラメントに拡散してNbフィラメントとの界面部分にNb₃Snが生成する。

ブロンズ法は、Nb₃Snのような塑性加工が困難な金属間化合物であっても、化合物生成前の前駆体線材を利用することによって塑性加工を可能にすると共に、高い臨界電流密度（Jc）が得られる優れた製造プロセスである。しかしながら、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、Nb₃Snの生成量に制約が生じるという弱点があった。

これに対し、Nb₃Snを効率よく生成させるために、より多くのSnを供給できるようにCu-Sn合金以外のSn供給源を用いる内部スズ法がある。例えば、特許文献１には、内部スズ法によりNb₃Sn超電導線材を製造する方法であって、銅（Cu）マトリクスの中に複数本のNbフィラメントを配置したCu/Nb複合体コアを形成し、前記Cu/Nb複合体コアをSn管に挿入したSn/Cu/Nb複合体を形成し、前記Sn/Cu/Nb複合体を薄い拡散バリアで囲み、前記薄い拡散バリアを有する前記Sn/Cu/Nb複合体を安定化材料の管で同心的に囲んだ組立体を形成し、前記組立体に対して冷間引抜加工を行って最終寸法の線材を形成し、前記最終寸法の線材に対して熱処理を施してNb₃Sn超電導線材を得る製造方法が開示されている。

内部スズ法は、各Nbフィラメントに対する実効的なSn供給量をブロンズ法の場合よりも多くできることから、Nb₃Snを効率よく生成させることができる。これは、より多くのNbフィラメントを配置できること（線材中のNbフィラメントの断面積比率を高められること）につながり、その結果、更に多くのNb₃Snを生成させることができる。そのため、内部スズ法で製造したNb₃Sn超電導線材は、高い臨界電流密度特性が得られるとされている（例えば、非特許文献１参照）。

特表平７−５０２３６７号公報

Jeffrey A. Parrel, Youzhu Zhang, Michael B. Field, Paul Cisek, and Seung Hong: "High Field Nb3Sn Conductor Development at Oxford Superconducting Technology", IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 13, no. 2, pp. 3470-3473, 2003.

しかしながら、内部スズ法で製造した超電導線材の磁気的安定性を評価するために磁化率を測定したところ、線材中のNbフィラメントの断面積比率を高めた超電導線材ほど磁化率が大きくなる傾向が見られた。これは、Nbフィラメントの断面積比率を高めるとNbフィラメント同士が接近して電磁気的に結合し易くなることを強く示唆している。磁化率の増大は、超電導線材にとって、磁気的に不安定になったり（例えば、磁束跳躍が発生する）、交流損失が増大したりすることから、実用上好ましくない問題である。

したがって、本発明の目的は、内部スズ法によるNb₃Sn超電導多芯線材の製造に好適に利用でき、高い臨界電流密度特性を維持しながら磁化率の増大を抑制できるNb₃Sn超電導線材を得るための前駆体線材およびそれを用いたNb₃Sn超電導多芯線材を提供することにある。

（I）本発明の１つの態様は、Nb₃Sn超電導多芯線材の前駆体線材であって、Nb芯と前記Nb芯の全周を被うCu被覆層とを有するNbフィラメントと、Sn芯を有するSnフィラメントとが互いに接するように配設され、前記Nbフィラメントのそれぞれは、前記Nb芯と前記Cu被覆層との間に、前記Nb芯の外周の全部または一部を被覆する高電気抵抗相形成層を更に有し、前記高電気抵抗相形成層の厚さが0.05μm以上0.4μm以下であることを特徴とする前駆体線材を提供する。

本発明は、上記の発明に係る前駆体線材において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（i）前記高電気抵抗相形成層は、少なくとも、隣接する前記Nb芯同士の間に介在するように配設されている。
（ii）前記Nb芯のそれぞれは、その外周の一部が前記Cu被覆層と接している。
（iii）前記高電気抵抗相形成層は、タンタル（Ta）層またはTa合金層であり、前記Ta合金は、Taにバナジウム、ニオブ、ハフニウム、タングステンの内の少なくとも一種を5質量％以下で含有する合金である。

（II）本発明の他の１つの態様は、Nb₃Sn超電導多芯線材であって、上記の発明に係る前駆体線材に対して拡散反応熱処理が施され、前記Nb芯のそれぞれにNb₃Sn相が形成されていることを特徴とするNb₃Sn超電導多芯線材を提供する。

本発明は、上記の発明に係るNb₃Sn超電導多芯線材において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（iv）前記高電気抵抗相形成層にTa-Sn化合物相が形成されている。

本発明によれば、内部スズ法によるNb₃Sn超電導多芯線材の製造に好適に利用でき、高い臨界電流密度特性を維持しながら磁化率の増大を抑制できるNb₃Sn超電導線材を得るための前駆体線材を提供することができる。また、該前駆体線材を利用することによって、高い臨界電流密度特性を維持しながら磁化率の増大が抑制されたNb₃Sn超電導多芯線材を提供することができる。

内部スズ法によりNb₃Sn超電導多芯線材を得るための従来の前駆体線材の一例を示す断面模式図である。内部スズ法によりNb₃Sn超電導多芯線材を得るための本発明の第１の実施形態に係る前駆体線材の一例を示す断面模式図である。内部スズ法によりNb₃Sn超電導多芯線材を得るための本発明の第２の実施形態に係る前駆体線材の一例を示す断面模式図である。内部スズ法によりNb₃Sn超電導多芯線材を得るための本発明の第２の実施形態に係る前駆体線材の他の一例を示す断面模式図である。内部スズ法によりNb₃Sn超電導多芯線材を得るための本発明の第３の実施形態に係る前駆体線材の一例を示す断面模式図である。

以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態を説明する。ただし、本発明は、ここで取り挙げた実施形態に限定されるものではなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。また、同義の部材・部位については、同じ符号を付して重複する説明を省略する。

本発明者等は、内部スズ法による従来のNb₃Sn超電導多芯線材における問題点を詳細に調査し、それを解決するための多芯線材構造を鋭意検討して本発明に至った。まず、内部スズ法による従来のNb₃Sn超電導多芯線材の構造と問題点を簡単に説明する。

図１は、内部スズ法によりNb₃Sn超電導多芯線材を得るための従来の前駆体線材の一例を示す断面模式図である。図１に示したように、従来の前駆体線材10は、超電導線材の安定化材となるCu管17の中に、複数本のNbフィラメント11と複数本のSnフィラメント14とが互いに接するように組み込まれている。Nbフィラメント11は、Nb芯12と該Nb芯12の全周を被うCu被覆層13とを有し、Snフィラメント14は、Sn芯15と該Sn芯15の全周を被うCu被覆層16とを有する。Nbフィラメント11とSnフィラメント14との本数比率（断面積比率）は、Nb₃Sn相を生成するのに好適となるように調整される（例えば、Nbフィラメント：Snフィラメント≒2：1）。組み込まれたフィラメント（Nbフィラメント11、Snフィラメント14）とCu管17との間には、Nb₃Sn相を生成するための拡散反応熱処理によってCu管17の電気抵抗率が増大しないように、通常、拡散バリア層18（例えばTa）が配設される。

この前駆体線材10に対して拡散反応熱処理を施すことにより、Sn芯15からCu被覆層16，13を経由してSnがNb芯12に拡散してNb₃Sn相が生成する。また、Snの拡散によりCu被覆層16，13はCu-Sn合金層となる。すなわち、拡散反応熱処理後のNb₃Sn超電導多芯線材は、Nb₃SnフィラメントがCu-Sn合金層で隔てられた構造になる。

前述したように、内部スズ法によるNb₃Sn超電導多芯線材は、高い臨界電流密度特性を得るためにNbフィラメントの断面積比率を大きくすることが多い。しかしながら、Nbフィラメントの断面積比率を大きくすると、隣接するNbフィラメントの間隔が小さくなり、フィラメント間の電気抵抗が小さくなるため、Nbフィラメント間の電磁気的結合が大きくなり、フィラメント結合損失が増大するデメリットがあった。なお、フィラメント結合損失とは、多芯の超電導フィラメント同士が電磁気的に結合することに起因する磁化損失であり、フィラメント間の電気抵抗値と反比例する関係がある。

［本発明の第１の実施形態］
図２は、内部スズ法によりNb₃Sn超電導多芯線材を得るための本発明の第１の実施形態に係る前駆体線材の一例を示す断面模式図である。図２に示したように、第１の実施形態に係る前駆体線材20は、超電導線材の安定化材となるCu管17の中に、複数本のNbフィラメント21と複数本のSnフィラメント14とが互いに接するように組み込まれている。前駆体線材20は、Nbフィラメント21が、Nb芯12と該Nb芯12の全周を被うCu被覆層13とを有すると共に、Nb芯12とCu被覆層13との間に、Nb芯12の外周を全部被覆する高電気抵抗相形成層22を更に有する点において、従来の前駆体線材10と異なっている。

高電気抵抗相形成層22としては、例えば、タンタル（Ta）層またはTa合金層が好ましく利用される。また、Ta合金としては、Taにバナジウム（V）、ニオブ（Nb）、ハフニウム（Hf）、タングステン（W）の内の少なくとも一種を5質量％以下で含有する合金が好ましく利用される。Ta合金を用いることにより、高電気抵抗相形成層22の伸線加工時の変形追従性が高まる。ただし、添加元素の濃度が5質量％を超えると、伸線加工時の変形追従性が低下する。

Nbフィラメント21の作製方法に特段の限定はないが、例えば、Nb芯12の全周を高電気抵抗相形成層22となる金属シートで包み、それをCu被覆層13となるCu管に挿入して伸線加工することで作製できる。

この前駆体線材20に対して拡散反応熱処理を施すと、Sn芯15からCu被覆層16，13を経由してSnが拡散して高電気抵抗相形成層22（例えばTa層）に到達し、該Ta層でTa-Sn化合物層（例えばTa₉Sn相の層）を生成する。その後、当該Ta-Sn化合物層を介してSnがNb芯12に拡散してNb₃Sn相が生成される。また、Snの拡散によりCu被覆層16，13はCu-Sn合金層となる。すなわち、拡散反応熱処理後のNb₃Sn超電導多芯線材は、隣接するNb₃SnフィラメントがCu-Sn合金層とTa-Sn化合物層とで隔てられた構造になる。Ta-Sn化合物相は電気抵抗率が高いため、隣接するNb₃Snフィラメント間の電気抵抗値が高くなり、Nb₃Snフィラメント間の結合損失を低減することができる。

本発明においては、高電気抵抗相形成層22は拡散バリアとして作用するのではなく、「Sn成分を透過させる作用」と共に「Sn成分と化合して高電気抵抗相を生成する作用」を有するところに大きな特徴がある。これら２つの作用を同時にバランス良く満たすためには、高電気抵抗相形成層22の厚さが0.05μm以上0.4μm以下であることが好ましい。

高電気抵抗相形成層22の厚さが0.4μmを超えると、Nb芯12へのSn成分の実効的な供給量が減少し、Nb₃Sn相の生成量が減少するためNb₃Sn超電導多芯線材の臨界電流密度特性が大きく低下する。一方、高電気抵抗相形成層22の厚さが0.05μm未満になると、生成したTa-Sn化合物層の電気抵抗値が十分高くならないため、結合損失の低減効果が十分得られない。また、高電気抵抗相形成層22の厚さが薄過ぎる場合は、前駆体線材の伸線加工時に、望まない破れ等の不具合が生じ易くなる。

［本発明の第２の実施形態］
図３は、内部スズ法によりNb₃Sn超電導多芯線材を得るための本発明の第２の実施形態に係る前駆体線材の一例を示す断面模式図である。図３に示したように、第２の実施形態に係る前駆体線材30は、超電導線材の安定化材となるCu管17の中に、複数本のNbフィラメント31と複数本のSnフィラメント14とが互いに接するように組み込まれている。前駆体線材30は、Nbフィラメント31の高電気抵抗相形成層32が、Nb芯12の外周の一部を被覆する点において、第１の実施形態に係る前駆体線材20と異なっている。言い換えると、Nbフィラメント31は、Nb芯12の外周の一部がCu被覆層13と接している。

Nbフィラメント31は、例えば、Nb芯12の外周を高電気抵抗相形成層32となる金属シートで包む際に、Nb芯12の全周を被わないように包み、それをCu被覆層13となるCu管に挿入して伸線加工することで作製できる。

この前駆体線材30に対して拡散反応熱処理を施すと、前駆体線材20の場合と同様に、Sn芯15からCu被覆層16，13を経由してSnが拡散して高電気抵抗相形成層32（例えばTa層）に到達し、該Ta層でTa-Sn化合物層（例えばTa₉Sn相の層）を生成する。同時に、Nbフィラメント31はNb芯12の外周の一部がCu被覆層13と接していることから、Cu被覆層13と接している領域でSn成分が高電気抵抗相形成層32を介さずに直接拡散することでNb₃Sn相を効率的に生成させることができる。そのため、第２の実施形態に係る前駆体線材30は、第１の実施形態に係る前駆体線材20よりも短時間の拡散反応熱処理でNb₃Sn超電導多芯線材を得ることができる。

ここで、第２の実施形態に係る前駆体線材30においては、高電気抵抗相形成層32が隣接するNb芯12同士の間に介在するように配設されることが好ましい。これにより、拡散反応熱処理後のNb₃Sn超電導多芯線材は、隣接するNb₃SnフィラメントがCu-Sn合金層とTa-Sn化合物層とで隔てられた構造になり、隣接するNb₃Snフィラメント間の電気抵抗値が高くなってNb₃Snフィラメント間の結合損失を低減することができる。

図４は、内部スズ法によりNb₃Sn超電導多芯線材を得るための本発明の第２の実施形態に係る前駆体線材の他の一例を示す断面模式図である。図４に示したように、前駆体線材40は、複数の高電気抵抗相形成層42によってNbフィラメント41のNb芯12の外周の一部が被覆されている点において、前駆体線材30と異なっている。言い換えると、Nbフィラメント41は、Nb芯12の外周が複数領域でCu被覆層13と接しているため、高電気抵抗相形成層32を介さない複数の方向から、Nb芯12へSn成分が直接供給される。その他の構成および作用・効果は、前駆体線材30と同様である。

［本発明の第３の実施形態］
図５は、内部スズ法によりNb₃Sn超電導多芯線材を得るための本発明の第３の実施形態に係る前駆体線材の一例を示す断面模式図である。図５に示したように、第３の実施形態に係る前駆体線材50は、超電導線材の安定化材となるCu管17の中に、複数本のNbフィラメント51と複数本のSnフィラメント14とが互いに接するように組み込まれている。前駆体線材50は、Nbフィラメント51の高電気抵抗相形成層52がNb芯12の全周を包んでいると共に、Nb芯12の外周の一部がCu被覆層13と接している点において、前駆体線材20，30，40と異なっている。言い換えると、第３の実施形態に係るNbフィラメント51は、第１の実施形態と第２の実施形態との両方の構成を有している。

Nbフィラメント51は、例えば、Nb芯12の外周を高電気抵抗相形成層52となる金属シートで包む際に、Nb芯12とCu被覆層13との両方に接するようにCuシート53を一緒に挟み込み、それをCu被覆層13となるCu管に挿入して伸線加工することで作製できる。これにより、Cuシート53は、Cu被覆層13と一体となってCu被覆層13の一部となる。

この前駆体線材50に対して拡散反応熱処理を施すと、前駆体線材20の場合と同様に、Sn芯15からCu被覆層16，13を経由してSnが拡散して高電気抵抗相形成層52（例えばTa層）に到達し、該Ta層でTa-Sn化合物層（例えばTa₉Sn相の層）を生成する。同時に、Nbフィラメント51はNb芯12の外周の一部がCu被覆層13と（元Cuシート53を介して）接していることから、Cu被覆層13と接している領域でSn成分がNb芯12に直接拡散することでNb₃Sn相を効率的に生成させることができる。また、高電気抵抗相形成層52がNb芯12の全周を包んでいることから、隣接するNb₃Snフィラメント間の電気抵抗値が第１の実施形態と同程度に高くなり、Nb₃Snフィラメント間の結合損失を低減することができる。すなわち、第３の実施形態は、第１の実施形態と第２の実施形態との両方の作用・効果のより良いところを兼ね備えている。

以下、実施例により本発明の具体例を詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜３および比較例１〜２の前駆体線材の作製）
図２に示した構造を有する前駆体線材で、高電気抵抗相形成層22の厚さが異なる5種類の試料を作製した。以下にその作製方法を示す。

Nbロッド（Nb-1mass%Ta、外径26 mm）を5本用意し、該Nbロッドの全周に、高電気抵抗相形成層となるTaシート（厚さ0.05 mm）を1層巻き付けたもの（比較例１）、2層巻き付けたもの（実施例１）、6層巻き付けたもの（実施例２）、12層巻き付けたもの（実施例３）、14層巻き付けたもの（比較例２）を用意した。次に、これらTaシートを巻き付けたNbロッドをCuパイプ（外径/内径＝30mm/26.3mm，30mm/26.46mm，30mm/26.8mm，30mm/27.4mm，30mm/27.6mm）にそれぞれ挿入して、Nbフィラメント用の複合材を作製した。作製した複合材に伸線加工（減面加工）を行い、対辺間距離1 mmの六角形状のNbフィラメント用素線を作製した。

また、Snロッド（Sn-2wt%Ti、外径26 mm）を用意し、該SnロッドをCuパイプ（外径/内径＝30mm/26.2mm）に挿入して、Snフィラメント用の複合材を作製した。これに減面加工を行い、対辺間距離1 mmの六角形状のSnフィラメント用素線を作製した。

次に、Snフィラメント用素線の周りにNbフィラメント用素線を6本配置し、かつSnフィラメント用素線同士が隣接しないように分散配置した構造で、499本のSnフィラメント用素線と996本のNbフィラメント用素線とを束ねた。束ねたフィラメント用素線（合計1495本）の外周に拡散バリア層としてTaシート（厚さ0.2 mm）を5周巻いた後、Cuパイプ（外径/内径＝50mm/44mm）に挿入して多芯複合体を作製した。最後に、当該多芯複合体に減面加工を行い、高電気抵抗相形成層の厚さが異なる前駆体線材（線径1.0 mm、実施例１〜３および比較例１〜２）を作製した。

（比較例３〜５の前駆体線材の作製）
図１に示した構造を有する前駆体線材で、隣接するNb芯同士の間隔が異なる3種類の試料を作製した。以下にその作製方法を示す。

外径が異なる3種類のNbロッド（Nb-1mass%Ta、外径26 mm，24 mm，22 mm）を用意し、内径が異なる3種類のCuパイプ（外径/内径＝30mm/26.2mm，30mm/24.2mm，30mm/22.2mm）にそれぞれ挿入して、Nbフィラメント用の複合材を作製した。作製した複合材に減面加工を行い、対辺間距離1 mmの六角形状のNbフィラメント用素線を作製した。

また、外径が異なる3種類のSnロッド（Sn-2%Ti、外径26 mm，24 mm，22 mm）を用意し、それぞれ外径が30 mmで、内径が異なる3種類のCuパイプ（外径/内径＝30mm/26.2mm，30mm/24.2mm，30mm/22.2mm）にそれぞれ挿入して、Snフィラメント用の複合材料を作製した。作製した複合材に減面加工を行い、対辺間距離1 mmの六角形状のSnフィラメント用素線を作製した。

次に、実施例１〜３と同様に、499本のSnフィラメント用素線と996本のNbフィラメント用素線とを束ね、その外周に拡散バリア層としてTaシート（厚さ0.2 mm）を5周巻いた後、Cuパイプ（外径/内径＝50mm/44mm）に挿入して多芯複合体を作製した。最後に、当該多芯複合体に減面加工を行い、隣接するNb芯同士の間隔が異なる前駆体線材（線径1.0 mm、比較例３〜５）を作製した。

（実施例４の前駆体線材の作製）
図３に示した構造を有する前駆体線材を作製した。以下にその作製方法を示す。

Nbロッド（Nb-1mass%Ta、外径26.8 mm）と、高電気抵抗相形成層となるTaシート（厚さ0.05 mm、幅70.2 mm）とを用意した。Taシートの幅70.2 mmは、Nbロッドの周長の約5/6である。Taシートを6枚重ねたものをNbロッドの外周に配置し、それをCuパイプ（外径/内径＝30mm/27mm）に挿入してNbフィラメント用素線の複合材を作製した。作製した複合材に減面加工を行い、対辺間距離1 mmの六角形状のNbフィラメント用素線を作製した。六角形状のNbフィラメント用素線を作製するにあたり、NbロッドにおけるTaシートが配設されていない領域（Nbロッドの外周の約1/6）が、六角形状の一辺となるように減面加工の条件を調整した。

次に、実施例１〜３と同様に、499本のSnフィラメント用素線と996本のNbフィラメント用素線とを束ねた。このとき、六角形状のNbフィラメント用素線におけるTaシートが配設されていない一辺を、Snフィラメント用素線と接するように（Snフィラメント用素線と対向するように）配置した（図３参照）。束ねたフィラメント用素線（合計1495本）の外周に拡散バリア層としてTaシート（厚さ0.2 mm）を5周巻いた後、Cuパイプ（外径/内径＝50mm/44mm）に挿入して多芯複合体を作製した。最後に、当該多芯複合体に減面加工を行い、図３に示した構造を有する前駆体線材（線径1.0 mm、実施例４）を作製した。

（実施例５の前駆体線材の作製）
図４に示した構造を有する前駆体線材を作製した。以下にその作製方法を示す。

Nbロッド（Nb-1mass%Ta、外径26 mm）と、高電気抵抗相形成層となるTaシート（厚さ0.05 mm、幅13.6 mm）とを用意した。Taシートの幅13.6 mmは、Nbロッドの周長の約1/6である。Taシートを6枚重ねたものを3組用意してNbロッドの外周に120°置きに3箇所配置し、それをCuパイプ（外径/内径＝30mm/27mm）に挿入してNbフィラメント用素線の複合材を作製した。作製した複合材に減面加工を行い、対辺間距離1 mmの六角形状のNbフィラメント用素線を作製した。六角形状のNbフィラメント用素線を作製するにあたり、NbロッドにおけるTaシートを配設した領域（Nbロッドの外周の約1/6が3箇所）が、六角形状の六辺の内の一つ置きの三辺に位置するように減面加工の条件を調整した。

次に、実施例１〜３と同様に、499本のSnフィラメント用素線と996本のNbフィラメント用素線とを束ねた。このとき、六角形状のNbフィラメント用素線におけるTaシートが配設されていない辺をSnフィラメント用素線と接するように（Snフィラメント用素線と対向するように）配置し、Taシートが配設されている辺をNbフィラメント用素線と接するように（Taシートが配設されている辺同士が対向するように）配置した（図４参照）。束ねたフィラメント用素線（合計1495本）の外周に拡散バリア層としてTaシート（厚さ0.2 mm）を5周巻いた後、Cuパイプ（外径/内径＝50mm/44mm）に挿入して多芯複合体を作製した。最後に、当該多芯複合体に減面加工を行い、図４に示した構造を有する前駆体線材（線径1.0 mm、実施例５）を作製した。

（実施例６の前駆体線材の作製）
図５に示した構造を有する前駆体線材を作製した。以下にその作製方法を示す。

Nbロッド（Nb-1mass%Ta、外径26.8 mm）と、高電気抵抗相形成層となるTaシート（厚さ0.05 mm、幅95 mm）と、Cuシート（厚さ0.2 mm、幅20 mm）とを用意した。Taシートの幅95 mmは、Nbロッドの周長よりも約10 mm大きい長さである。Taシートを6枚重ねたものをNbロッドの外周に巻き付けた。このとき、巻き付けたTaシートが一周して重なり合う部分の間にCuシートを挟み込んだ。Cuシートの幅方向の一方の端部領域がNbロッドと接触し、他方の端部領域がTaシートからはみ出すように配置した（図５参照）。TaシートとCuシートとを巻き付けたNbロッドをCuパイプ（外径/内径＝30mm/27mm）に挿入してNbフィラメント用素線の複合材を作製した。作製した複合材に減面加工を行い、対辺間距離1 mmの六角形状のNbフィラメント用素線を作製した。

次に、Snフィラメント用素線の周りにNbフィラメント用素線を6本配置し、かつSnフィラメント用素線同士が隣接しないように分散配置した構造で、499本のSnフィラメント用素線と996本のNbフィラメント用素線とを束ねた。束ねたフィラメント用素線（合計1495本）の外周に拡散バリア層としてTaシート（厚さ0.2 mm）を5周巻いた後、Cuパイプ（外径/内径＝50mm/44mm）に挿入して多芯複合体を作製した。最後に、当該多芯複合体に減面加工を行い、図５に示した構造を有する前駆体線材（線径1.0 mm、実施例６）を作製した。

（前駆体線材の断面観察）
上記で作製した前駆体線材（実施例１〜６および比較例１〜５）の断面観察を行い、断面構造（Nb芯の径、隣接するNb芯の間隔、高電気抵抗相形成層の厚さ）を調査した。結果を表１に示す。

（Nb₃Sn超電導多芯線材の作製と評価）
上記で作製した前駆体線材（実施例１〜６および比較例１〜５）に対して拡散反応熱処理を施し、Nb₃Sn超電導多芯線材を作製した。拡散反応熱処理は、500℃で100時間保持した後、700℃で100時間保持する条件で行った。

得られたNb₃Sn超電導多芯線材に対し、液体ヘリウム温度（約4.2 K）、18 Tの磁場中で通電して臨界電流密度の測定を行った。臨界電流密度への換算は、非銅部臨界電流密度（non-Cu Jc）とした。また、磁化率測定装置を用いて、温度4.5 K、±3 Tの1サイクルの磁場下で得られたNb₃Sn超電導多芯線材の磁化率を測定し、磁化損失を求めた。結果を表１に併記する。

比較例３〜５は、図１に示した構造を有する従来の前駆体線材および従来のNb₃Sn超電導多芯線材である。表１から判るように、Nb芯の径が16.7μm、15.4μm、14.0μmと小さくなるのに伴って、隣接するNb芯の間隔がそれぞれ2.5μm、3.7μm、5.0μmと大きくなっている。これら試料のnon-Cu Jcは、Nb芯の径が小さくなるにつれて低下していた。これは、生成するNb₃Sn相の断面積が小さくなることに起因すると考えられた。
一方、これら試料の磁化損失は、隣接するNb芯の間隔が小さくなるにつれて増大していた。これは、隣接するNb₃Snフィラメントが電磁気的に結合し易くなることに起因すると考えられた。

これらの結果から、従来構造の超電導多芯線材では、Nb₃Snフィラメントの径を拡大してフィラメントの間隔を狭めると、non-Cu Jc特性は向上するが磁化損失が増大し、Nb₃Snフィラメントの径を縮小してフィラメントの間隔を拡げると磁化損失は低減するがnon-Cu Jc特性が低下するという問題があることが確認された。

第１の実施形態に係る実施例１〜３のNb₃Sn超電導多芯線材は、従来構造の超電導多芯線材（比較例３〜５）と同等のnon-Cu Jc特性を維持しながら、磁化損失が大幅に低減した。これは、Nb₃Snフィラメントの周りに高電気抵抗相形成層を配設したことに起因して、隣接するNb₃Snフィラメント間の電気抵抗値が高くなり、フィラメント間の電磁気的結合が低減したものと考えられる。

より詳細に見ていくと、図２に示した構造を有する比較例２のNb₃Sn超電導多芯線材では、non-Cu Jc特性が大きく低下していた。これは、高電気抵抗相形成層の厚さが本発明の規定を超えていたため、Nb芯に供給されるSn成分量が減少しNb₃Sn相の生成量が減少したことに起因すると考えられた。一方、比較例１のNb₃Sn超電導多芯線材では、磁化損失が大きく増大していた。これは、高電気抵抗相形成層の厚さが本発明の規定よりも小さいため、Ta-Sn化合物層の電気抵抗値が十分高くならなかったか、または前駆体線材の伸線加工時に破れ等の不具合が生じたことに起因すると考えられた。

実施例１〜３および比較例１〜２の結果から、高電気抵抗相形成層の厚さは0.05μm以上0.4μm以下が好ましいことが実証された。

また、第２の実施形態および第３の実施形態に係る実施例４〜６のNb₃Sn超電導多芯線材は、実施例１（高電気抵抗相形成層が薄い）や比較例３（高電気抵抗相形成層を有さず、Nb₃Snフィラメントの径が大きい）と同等のnon-Cu Jc特性を維持しながら、実施例３（高電気抵抗相形成層が厚い）や比較例２（高電気抵抗相形成層の厚さが本発明の規定を超える）と同等に磁化損失が低減した。これは、Nb芯の外周の一部がCu被覆層と接していることでNb₃Sn相が効率的に生成されたこと、および隣接するNb₃Snフィラメント間に高電気抵抗相形成層が存在することでフィラメント間の結合損失が低減されたことに起因すると考えられた。

以上示したように、本発明に係るNb₃Sn超電導線材の前駆体線材は、内部スズ法によるNb₃Sn超電導多芯線材の製造に好適に利用でき、高い臨界電流密度特性を維持しながら磁化率の増大が抑制されたNb₃Sn超電導多芯線材を提供できることが確認された。

10，20，30，40，50…前駆体線材、
11，21，31，41，51…Nbフィラメント、
12…Nb芯、
13，16…Cu被覆層、
14…Snフィラメント、
15…Sn芯、
17…Cu管、
18…拡散バリア層、
22，32，42，52…高電気抵抗相形成層、
53…Cuシート。

Claims

ニオブ３スズ（Nb₃Sn）超電導多芯線材の前駆体線材であって、
ニオブ（Nb）芯と前記Nb芯の全周を被う銅（Cu）被覆層とを有するNbフィラメントと、スズ（Sn）芯を有するSnフィラメントとが互いに接するように配設され、
前記Nbフィラメントのそれぞれは、前記Nb芯と前記Cu被覆層との間に、前記Nb芯の外周の全部または一部を被覆する高電気抵抗相形成層を更に有し、
前記高電気抵抗相形成層の厚さが0.05μm以上0.4μm以下であることを特徴とする前駆体線材。
請求項１に記載の前駆体線材において、
前記高電気抵抗相形成層は、少なくとも、隣接する前記Nb芯同士の間に介在するように配設されていることを特徴とする前駆体線材。
請求項１または請求項２に記載の前駆体線材において、
前記Nb芯のそれぞれは、その外周の一部が前記Cu被覆層と接していることを特徴とする前駆体線材。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の前駆体線材において、
前記高電気抵抗相形成層は、タンタル（Ta）層またはTa合金層であり、
前記Ta合金は、Taにバナジウム、ニオブ、ハフニウム、タングステンの内の少なくとも一種を5質量％以下で含有する合金であることを特徴とする前駆体線材。
ニオブ３スズ（Nb₃Sn）超電導多芯線材であって、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の前駆体線材に対して拡散反応熱処理が施され、
前記Nb芯のそれぞれにNb₃Sn相が形成されていることを特徴とするNb₃Sn超電導多芯線材。
請求項５に記載のNb₃Sn超電導多芯線材において、
前記高電気抵抗相形成層にTa-Sn化合物相が形成されていることを特徴とするNb₃Sn超電導多芯線材。