JP2016125115A5

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Publication number: JP2016125115A5
Application number: JP2015001510A
Authority: JP
Filing date: 2015-01-07
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2035-01-07

Description

本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明の超伝導線は、超伝導体からなる素線と、この素線に接触して配置される超伝導安定化材と、を備えた超伝導線であって、前記超伝導安定化材は、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素を合計で３質量ｐｐｍ以上４００質量ｐｐｍ以下の範囲内で含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物とされるとともに、ガス成分であるＯ，Ｈ，Ｃ，Ｎ，Ｓを除く前記不可避不純物の濃度の総計が５質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下とされた銅材からなることを特徴としている。

上述の構成の超伝導線によれば、前記超伝導安定化材が、ガス成分であるＯ，Ｈ，Ｃ，Ｎ，Ｓを除く不可避不純物の濃度の総計が５質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下とされた銅に、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素を合計で３質量ｐｐｍ以上４００質量ｐｐｍ以下の範囲内で含有させた銅材で構成されているので、銅中のＳ，Ｓｅ，Ｔｅが化合物として固定されることになり、前記超伝導安定化材の残留抵抗比（ＲＲＲ）を向上させることが可能となる。また、前記超伝導安定化材が超伝導体からなる素線に電気的に接触していることによって、超伝導体の一部で超伝導状態が破れた場合であっても、超伝導体を流れる電流を超伝導安定化材へと迂回させることができ、超伝導線全体が常伝導状態に転移してしまうことを抑制できるため、超伝導線を安定して使用することができる。
また、前記超伝導安定化材においては、ガス成分であるＯ，Ｈ，Ｃ，Ｎ，Ｓを除く不可避不純物の濃度の総計が５質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下とされた銅を用いているので、過度に銅の高純度化を図る必要がなく、製造プロセスが簡易となり、製造コストを低減することができる。
ここで、本発明の超伝導線においては、さらに添加元素として希土類元素から選択される１種又は２種以上を３２質量ｐｐｍ以下の範囲内で含有するとともに、前記添加元素の合計含有量が４００質量ｐｐｍ以下とされていてもよい。なお、本発明において希土類元素（ＲＥ）とは、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｓｃ，Ｙである。

また、本発明の超伝導線においては、前記超伝導安定化材は、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの合計含有量（Ｘ質量ｐｐｍ）と、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素の合計含有量（Ｙ質量ｐｐｍ）との比Ｙ／Ｘが、０．５≦Ｙ／Ｘ≦１００の範囲内とされた前記銅材からなることが好ましい。
この場合、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの合計含有量（Ｘ質量ｐｐｍ）と、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素の合計含有量（Ｙ質量ｐｐｍ）との比Ｙ／Ｘが上述の範囲内とされているので、銅中のＳ，Ｓｅ，Ｔｅを、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素との化合物として確実に固定することができ、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅによる残留抵抗比（ＲＲＲ）の低下を確実に抑制することができる。

さらに、本発明の超伝導線においては、前記超伝導安定化材は、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素とＳ，Ｓｅ，Ｔｅから選択される１種又は２種以上の元素とを含む化合物が存在する前記銅材からなることが好ましい。
この場合、銅中に存在するＳ，Ｓｅ，Ｔｅが、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素との化合物によって確実に固定されており、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅによる残留抵抗比（ＲＲＲ）の低下を確実に抑制することができる。

本実施形態である超伝導線の横断面模式図である。図１に示す超伝導線に用いられるフィラメントの縦断面模式図である。他の実施形態である超伝導線の模式図である。実施例における本発明例４における超伝導安定化材のＳＥＭ観察結果及び化合物の分析結果を示す図である。実施例における本発明例１０における超伝導安定化材のＳＥＭ観察結果及び化合物の分析結果を示す図である。実施例における参考例１９における超伝導安定化材のＳＥＭ観察結果及び化合物の分析結果を示す図である。

そして、本実施形態においては、超伝導安定化材２０は、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素を合計で３質量ｐｐｍ以上４００質量ｐｐｍ以下の範囲内で含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物とされるとともに、ガス成分であるＯ，Ｈ，Ｃ，Ｎ，Ｓを除く不可避不純物の濃度の総計が５質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下とされた銅材によって構成されている。なお、さらに添加元素として希土類元素から選択される１種又は２種を３２質量ｐｐｍ以下の範囲内で含有するとともに、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上を含めた添加元素の合計含有量が４００質量ｐｐｍ以下とされていてもよい。
また、本実施形態では、超伝導安定化材２０を構成する銅材は、不可避不純物であるＦｅの含有量が１０質量ｐｐｍ以下、Ｎｉの含有量が１０質量ｐｐｍ以下、Ａｓの含有量が５質量ｐｐｍ以下、Ａｇの含有量が５０質量ｐｐｍ以下、Ｓｎの含有量が４質量ｐｐｍ以下、Ｓｂの含有量が４質量ｐｐｍ以下、Ｐｂの含有量が６質量ｐｐｍ以下、Ｂｉの含有量が２質量ｐｐｍ以下、Ｐの含有量が３質量ｐｐｍ以下とされている。
さらに、本実施形態である超伝導安定化材２０においては、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの合計含有量（Ｘ質量ｐｐｍ）と、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素の合計含有量（Ｙ質量ｐｐｍ）との比Ｙ／Ｘが、０．５≦Ｙ／Ｘ≦１００の範囲内とされている。

また、本実施形態においては、超伝導安定化材２０を構成する銅材には、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素と、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅから選択される１種又は２種以上の元素と、を含む化合物が存在している。
さらに、本実施形態においては、超伝導安定化材２０は、残留抵抗比（ＲＲＲ）が２５０以上とされている。

（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素）
銅に含まれる不可避不純物のうちＳ，Ｓｅ，Ｔｅは、銅中に固溶することによって残留抵抗比（ＲＲＲ）を大きく低下させる元素である。このため、残留抵抗比（ＲＲＲ）を向上させるためには、これらＳ，Ｓｅ，Ｔｅの影響を排除する必要がある。
ここで、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素は、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅと反応性が高い元素であることから、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅと化合物を生成することによって、これらＳ，Ｓｅ，Ｔｅが銅中に固溶することを抑制することが可能となる。これにより、超伝導安定化材２０の残留抵抗比（ＲＲＲ）を十分に向上させることができる。
なお、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素は、銅中に固溶しにくい元素であり、さらに銅に固溶しても残留抵抗比（ＲＲＲ）を低下させる作用が小さいことから、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの含有量に対して過剰に添加した場合であっても、超伝導安定化材２０の残留抵抗比（ＲＲＲ）が大きく低下することはない。

ここで、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素の含有量が３質量ｐｐｍ未満では、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅを固定する作用効果を十分に奏功せしめることができないおそれがある。一方、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素の含有量が４００質量ｐｐｍを超えると、これらの添加元素の粗大な析出物等が生成して加工性が劣化するおそれがある。以上のことから、本実施形態では、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素の含有量を３質量ｐｐｍ以上４００質量ｐｐｍ以下の範囲内に規定している。
なお、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅを確実に固定するためには、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素の含有量の下限を３．５質量ｐｐｍ以上とすることが好ましく、４．０質量ｐｐｍ以上とすることがさらに好ましい。一方、加工性の低下を確実に抑制するためには、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素の含有量の上限を３００質量ｐｐｍ以下にすることが好ましく、１００質量ｐｐｍ以下とすることがさらに好ましい。

（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの合計含有量と添加元素の合計含有量との比Ｙ／Ｘ）
上述のように、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素は、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅといった元素と化合物を生成することになる。ここで、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの合計含有量と添加元素の合計含有量との比Ｙ／Ｘが０．５未満では、添加元素の含有量が不足し、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅといった元素を十分に固定できなくなるおそれがある。
一方、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの合計含有量と添加元素の合計含有量との比Ｙ／Ｘが１００を超えると、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅと反応しない余剰の添加元素が多く存在することになり、加工性が低下してしまうおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの合計含有量と添加元素の合計含有量との比Ｙ／Ｘを０．５以上１００以下の範囲内に規定している。
なお、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅといった元素を化合物として確実に固定するためには、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの合計含有量と添加元素の合計含有量との比Ｙ／Ｘの下限を０．７５以上とすることが好ましく、１．０以上とすることがさらに好ましい。また、加工性の低下を確実に抑制するためには、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの合計含有量と添加元素の合計含有量との比Ｙ／Ｘの上限を７５以下とすることが好ましく、５０以下とすることがさらに好ましい。

（添加元素とＳ，Ｓｅ，Ｔｅから選択される１種又は２種以上の元素とを含む化合物）
上述のように、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素は、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅといった元素と化合物を生成することにより、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅといった元素が銅中に固溶することを抑制している。よって、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素と、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅから選択される１種又は２種以上の元素と、を含む化合物が存在することにより、残留抵抗比（ＲＲＲ）を確実に向上させることが可能となる。

ここで、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素とＳ，Ｓｅ，Ｔｅといった元素とを含む化合物が、０．００１個／μｍ^２以上の個数密度で存在することにより、確実に残留抵抗比（ＲＲＲ）を向上させることが可能となる。また、残留抵抗比（ＲＲＲ）をさらに向上させるためには、化合物の個数密度を０．００５個／μｍ^２以上とすることが好ましい。より好ましくは０．００７個／μｍ^２以上である。
本実施形態においては、上述の個数密度は粒径０．１μｍ以上の化合物を対象とした。
なお、本実施形態においては、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅといった元素の含有量が十分に少ないことから、上述の化合物（粒径０．１μｍ以上）の個数密度の上限は０．１個／μｍ^２以下となり、さらに好ましくは０．０９個／μｍ^２以下である。より好ましくは０．０８個／μｍ^２以下である。

以上のような構成とされた本実施形態である超伝導線１０によれば、超伝導体からなる素線１５と、この素線１５に接触して配置される超伝導安定化材２０と、を備えており、この超伝導安定化材２０が、ガス成分であるＯ，Ｈ，Ｃ，Ｎ，Ｓを除く不可避不純物の濃度の総計が５質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下とされた銅に、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素を合計で３質量ｐｐｍ以上４００質量ｐｐｍ以下の範囲内で含有させた銅材によって構成されているので、銅中のＳ、Ｓｅ、Ｔｅが化合物として固定され、超伝導安定化材２０の残留抵抗比（ＲＲＲ）を向上させることが可能となる。また、前記超伝導安定化材が超伝導体からなる素線に電気的に接触していることによって、超伝導体からなる素線１５において超伝導状態が破れた常伝導領域Ａが発生した場合であっても電流を超伝導安定化材２０に確実に迂回させることができる。よって、超伝導線１０全体が常伝導状態に転移することを抑制でき、本実施形態である超伝導線１０を安定して使用することができる。
また、ガス成分であるＯ，Ｈ，Ｃ，Ｎ，Ｓを除く不可避不純物の濃度の総計が５質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下とされた銅を用いているので、過度に銅の高純度化を図る必要がなく、製造プロセスが簡易となり、超伝導安定化材２０の製造コストを低減することができる。

また、本実施形態では、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの合計含有量（Ｘ質量ｐｐｍ）と、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素の合計含有量（Ｙ質量ｐｐｍ）との比Ｙ／Ｘが、０．５≦Ｙ／Ｘ≦１００の範囲内とされているので、銅中のＳ，Ｓｅ，Ｔｅを添加元素との化合物として確実に固定することができ、残留抵抗比（ＲＲＲ）の低下を確実に抑制することができる。また、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅと反応しない余剰の添加元素が多く存在せず、超伝導安定化材２０の加工性を確保することができる。

さらに、本実施形態では、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素と、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅから選択される１種又は２種以上の元素と、を含む化合物が存在しているので、銅中に存在するＳ，Ｓｅ，Ｔｅが、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素との化合物によって確実に固定されており、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅによる超伝導安定化材２０の残留抵抗比（ＲＲＲ）の低下を確実に抑制することができる。
特に本実施形態では、粒径０．１μｍ以上の化合物の個数密度が０．００１個／μｍ^２以上とされているので、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅを確実に化合物として固定でき、超伝導安定化材２０の残留抵抗比（ＲＲＲ）を十分に向上させることができる。

（化合物粒子観察）
Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素と、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅのうち１種又は２種以上と、を含む化合物粒子の有無を確認するために、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて粒子観察し、この化合物粒子のＥＤＸ分析（エネルギー分散型Ｘ線分光法）を実施した。
また、化合物の個数密度（個／μｍ^２）を評価するために、化合物の分散状態が特異ではない領域について、１００００倍（観察視野：２×１０^８ｎｍ^２）で観察し、１０視野（観察視野合計：２×１０^９ｎｍ^２）の撮影を行った。化合物の粒径については、化合物の長径（途中で粒界に接しない条件で粒内に最も長く引ける直線の長さ）と短径（長径と直角に交わる方向で、途中で粒界に接しない条件で最も長く引ける直線の長さ）の平均値とした。そして、粒径０．１μｍ以上の化合物の個数密度（個／μｍ^２）を求めた。

評価結果を表１に示す。また、本発明例４の化合物のＳＥＭ観察結果及び分析結果を図４に、本発明例１０の化合物のＳＥＭ観察結果及び分析結果を図５に、参考例１９の化合物のＳＥＭ観察結果及び分析結果を図６に示す。

これに対して、本発明例１−１７、２１、２２においては、残留抵抗比（ＲＲＲ）が２５０以上となっており、超伝導安定材として特に適していることが確認された。
また、図４に示すように、Ｃａを添加した場合には、ＣａとＳを含む化合物が観察された。
さらに、図５に示すように、Ｓｒを添加した場合には、ＳｒとＳを含む化合物が観察された。
さらに、図６に示すように、希土類元素を添加した場合には、希土類元素とＳの化合物が観察された。
以上のことから、本発明によれば、製造プロセスが比較的簡単で廉価で製造でき、残留抵抗比（ＲＲＲ）が十分に高い超伝導安定化材を備えた超伝導線を提供できることが確認された。

Claims

超伝導体からなる素線と、この素線に接触して配置される超伝導安定化材と、を備えた超伝導線であって、
前記超伝導安定化材は、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される１種又は２種以上の添加元素を合計で３質量ｐｐｍ以上４００質量ｐｐｍ以下の範囲内で含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物とされるとともに、ガス成分であるＯ，Ｈ，Ｃ，Ｎ，Ｓを除く前記不可避不純物の濃度の総計が５質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下とされた銅材からなることを特徴とする超伝導線。
さらに添加元素として希土類元素から選択される１種又は２種以上を３２質量ｐｐｍ以下の範囲内で含有するとともに、前記添加元素の合計含有量が４００質量ｐｐｍ以下とされていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導線。
前記超伝導安定化材は、前記不可避不純物であるＦｅの含有量が１０質量ｐｐｍ以下、Ｎｉの含有量が１０質量ｐｐｍ以下、Ａｓの含有量が５質量ｐｐｍ以下、Ａｇの含有量が５０質量ｐｐｍ以下、Ｓｎの含有量が４質量ｐｐｍ以下、Ｓｂの含有量が４質量ｐｐｍ以下、Ｐｂの含有量が６質量ｐｐｍ以下、Ｂｉの含有量が２質量ｐｐｍ以下、Ｐの含有量が３質量ｐｐｍ以下とされた前記銅材からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超伝導線。
前記超伝導安定化材は、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの合計含有量（Ｘ質量ｐｐｍ）と、前記添加元素の合計含有量（Ｙ質量ｐｐｍ）との比Ｙ／Ｘが、０．５≦Ｙ／Ｘ≦１００の範囲内とされた前記銅材からなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の超伝導線。
前記超伝導安定化材は、前記添加元素とＳ，Ｓｅ，Ｔｅから選択される１種又は２種以上の元素とを含む化合物が存在する前記銅材からなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の超伝導線。
前記超伝導安定化材は、残留抵抗比（ＲＲＲ）が２５０以上であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の超伝導線。
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の超伝導線が巻枠の周面に巻回されてなる巻線部を備えた構造を有することを特徴とする超伝導コイル。