JP2019179674A - Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材用前駆体、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材及びモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】臨界電流密度Ｊｃが高く、かつ有効フィラメント径Ｄｅｆｆの広がりを抑えて交流損失を抑制することが可能なＮｂ３Ｓｎ超電導線材用前駆体及びＮｂ３Ｓｎ超電導線材を提供する。【解決手段】Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材１０の製造に用いられるＮｂ３Ｓｎ超電導線材用前駆体１であって、Ｎｂ又はＮｂ基合金からなる１本のフィラメント３Ａの周囲にＳｎ又はＳｎ基合金からなる６本のフィラメント４が配置され、それらの周囲にＮｂ又はＮｂ基合金からなる１２本のフィラメント３Ｂが配置されたフィラメントバンドル２がＣｕ又はＣｕ基合金マトリクス５に所定束数埋設されて形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材及びモジュールに関する。

加速器や核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析装置、核融合装置等に用いられる超電導マグネットを構成する超電導線材として、金属間化合物であるＮｂ_３Ｓｎを用いたＮｂ_３Ｓｎ超電導線材が実用化されている。
そして、それらの機器や装置のユーザや製造元からの要請もあり、現在も、より高い臨界電流密度Ｊｃを有するＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の開発が進められている（特許文献１参照）。また、有効フィラメント径Ｄｅｆｆが大きくなると、交流損失が大きくなってしまうため、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材には、有効フィラメント径Ｄｅｆｆができるだけ小さいものであることも求められている（特許文献２参照）。

ところで、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の作製方法としては、ブロンズ法が知られている（非特許文献１参照）。ブロンズ法では、ブロンズ（Ｃｕ−Ｓｎ合金）マトリクス中にＮｂフィラメントを埋設して熱処理を行うことで、Ｎｂフィラメントの表面にＮｂ_３Ｓｎ層を形成する。
しかし、Ｃｕ中に固溶できるＳｎの量に限界（固溶限界）があるため、ブロンズ中のＳｎの濃度を十分に上げることができず、必ずしも十分に高い臨界電流密度Ｊｃを得ることができない場合があった。

また、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の作製方法として内部拡散法（内部Ｓｎ法等ともいう。非特許文献１参照）も知られている。内部拡散法では、初期には、図７に示すように、中央にＳｎロッド１０１を配置し、その周囲のＣｕマトリクス１０３中に細いＮｂフィラメント１０２を複数配置したものを熱処理して、ＳｎをＣｕ中に拡散させながらＮｂと反応させてＮｂ_３Ｓｎを形成することが提案された。
しかし、このような構成では、中央のＳｎがＣｕマトリクス１０３の隅々に拡散するのに非常に時間がかかり、必ずしも十分に高い臨界電流密度Ｊｃを得ることができない場合が少なくなかった。

そのため、これを改良して、例えば図８（Ａ）に示すように、Ｃｕマトリクス１０３の中に複数のＳｎフィラメント１０１と複数のＮｂフィラメント１０２を分散して埋設するように構成される場合がある。
この場合も、基本的な構成は図７の場合と同様であり、図８（Ｂ）に示すように、１本の太いＳｎフィラメント１０１に対してその周囲に細いＮｂフィラメント１０２が複数配置されるように構成される。

なお、図７や図８（Ａ）、（Ｂ）では、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の前駆体１００が示されており、一般的には、これらの前駆体１００の周囲に銅安定化層等が配置され、縮径処理等が行われた後、熱処理される等してＮｂ_３Ｓｎ超電導線材が形成される。

特許第５１６４８１５号公報 特開２０１０−９７９０２号公報

太刀川恭治，「金属系超電導線材［３］−Ｎｂ３Ｓｎ線材及びＶ３Ｇａ線材（その１）−」，低温工学，公益社団法人低温工学・超電導学会，２０１０年，第４５巻，第３号，ｐ．８８−９８

しかしながら、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材（前駆体１００）を図８（Ａ）、（Ｂ）に示したように構成しても、後述するように、期待されるほど高い臨界電流密度Ｊｃを得ることができない場合が少なくない。
また、各Ｎｂフィラメント１０２の部分に形成される各Ｎｂ_３Ｓｎが超電導の浸み出しのために電気的に結合してしまい、有効フィラメント径Ｄｅｆｆが大きくなりやすい。そのため、比較的大きな交流損失を生じてしまう場合があった。

本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、臨界電流密度Ｊｃが高く、かつ有効フィラメント径Ｄｅｆｆの広がりを抑えて交流損失を抑制することが可能なＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材及びモジュールを提供することを目的とする。

前記の問題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体であって、
Ｎｂ又はＮｂ基合金からなる１本のフィラメントの周囲にＳｎ又はＳｎ基合金からなる６本のフィラメントが配置され、それらの周囲にＮｂ又はＮｂ基合金からなる１２本のフィラメントが配置されたフィラメントバンドルがＣｕ又はＣｕ基合金マトリクスに所定束数埋設されて形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体において、隣接する前記フィラメントバンドル同士の最短距離が１０μｍ以上であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体において、前記フィラメントバンドル内の前記Ｎｂフィラメントと前記Ｓｎフィラメントとの最短距離が１０μｍ以下であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体において、前記フィラメントバンドルが前記Ｃｕ又はＣｕ基合金マトリクスに埋設されている部分と銅安定化層との間に、Ｔａ、Ｎｂ又はＴａとＮｂの合金からなる拡散バリア層が形成されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材において、Ｎｂ又はＮｂ基合金からなる１本のフィラメントの周囲にＳｎ又はＳｎ基合金からなる６本のフィラメントが配置され、それらの周囲にＮｂ又はＮｂ基合金からなる１２本のフィラメントが配置されたフィラメントバンドルがＣｕ又はＣｕ基合金マトリクスに所定束数埋設されて形成されたＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体を熱処理してＮｂ_３Ｓｎ超電導体を形成したものであることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材において、前記各フィラメントが前記Ｃｕ又はＣｕ基合金マトリクスに埋設されている部分と銅安定化層との間に、Ｔａ、Ｎｂ又はＴａとＮｂの合金からなる拡散バリア層が形成されていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、
Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体の製造に用いられるモジュールであって、
Ｎｂ又はＮｂ基合金からなる１本のフィラメントの周囲にＳｎ又はＳｎ基合金からなる６本のフィラメントが配置され、それらの周囲にＮｂ又はＮｂ基合金からなる１２本のフィラメントが配置され、それらがＣｕ又はＣｕ基合金マトリクスに埋設されるとともにそれらの周囲にＣｕ又はＣｕ基合金からなる層が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、臨界電流密度Ｊｃが高く、かつ有効フィラメント径Ｄｅｆｆの広がりを抑えて交流損失を抑制することが可能なＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を提供することが可能となる。

（Ａ）本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体の構成を表す断面図であり、（Ｂ）拡大図である。 Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体の作製のしかたの一例を説明する図である。 所定本数のモジュールを束ねたものを拡散バリア層と銅安定化層とで構成されるパイプ内に挿入した状態を表す断面図である。 従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体におけるＳｎフィラメントと１９芯のＮｂフィラメントの中心部分のＮｂフィラメントとの距離等を表す図である。 本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体におけるＮｂフィラメントとＳｎフィラメントとの距離を表す図である。 熱処理時間を変えた場合の、作製されるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の臨界電流密度Ｊｃの変化を表すグラフである。 従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体の一例を表す断面図である。 （Ａ）従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体の別の例を表す断面図であり、（Ｂ）拡大図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材及びモジュールについて説明する。
ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態や図示例に限定するものではない。

［Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体］
図１（Ａ）は、本実施形態に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体の構成を表す断面図であり、図１（Ｂ）は拡大図である。なお、図１（Ｂ）中のＬ３については後で説明する。
Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１は、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられる前駆体である。
本実施形態では、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１は、フィラメントバンドル２がＣｕ又はＣｕ基合金マトリクス５に所定束数埋設されて形成されている。

各フィラメントバンドル２は、それぞれ以下のように構成されている。
すなわち、Ｎｂ又はＮｂ基合金からなる１本のフィラメント３Ａの周囲に、Ｓｎ又はＳｎ基合金からなる６本のフィラメント４が配置されている。そして、それらの周囲に、Ｎｂ又はＮｂ基合金からなる１２本のフィラメント３Ｂが配置されている。
そして、それらの各フィラメントがＣｕ又はＣｕ基合金マトリクス５に埋設されている。

なお、以下、Ｎｂ又はＮｂ基合金からなるフィラメントを「Ｎｂフィラメント」といい、Ｓｎ又はＳｎ基合金からなるフィラメントを「Ｓｎフィラメント」という。
また、１本のフィラメント３Ａを「中央のＮｂフィラメント３Ａ」といい、１２本のフィラメント３Ｂを「周囲のＮｂフィラメント３Ｂ」という場合がある。また、Ｎｂフィラメント３Ａ、３Ｂをまとめて言う場合、「Ｎｂフィラメント３」という。
さらに、以下、Ｃｕ又はＣｕ基合金マトリクス５を「Ｃｕマトリクス５」という。

本実施形態では、上記のように、フィラメントバンドル２は、１３本（１本＋１２本）のＮｂフィラメント３と６本のＳｎフィラメント４とで１９芯とされている。なお、１束のフィラメントバンドル内のＮｂフィラメント３ＡとＳｎフィラメント４とは互いに略同径とされている。

Ｎｂフィラメント３やＳｎフィラメント４、Ｃｕマトリクス５は、ＮｂやＳｎ、Ｃｕで形成されていてもよく、それらの合金で形成されていてもよい。
また、Ｎｂ基合金やＳｎ基合金、Ｃｕ基合金には、例えばＴａやＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等を含むように構成することが可能である。

［Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体の作製のしかた及びモジュールについて］
ここで、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１の作製のしかたの一例について説明する。
図２に示すように、Ｎｂフィラメント３をＣｕ又はＣｕ基合金５０からなるパイプに挿入したりＣｕ又はＣｕ基合金５０で巻く等したものを、伸線加工等により縮径しダイス引きする等して、断面形状が六角形のＣｕ／Ｎｂロッド３０を形成する。
また、同様にして、Ｓｎフィラメント４をＣｕ又はＣｕ基合金５０からなるパイプに挿入する等したものを、伸線加工等により縮径しダイス引きする等して、断面形状が六角形のＣｕ／Ｓｎロッド４０を形成する。

そして、六角形の１辺同士が接するように、１本のＣｕ／Ｎｂロッド３０の周囲に６本のＣｕ／Ｓｎロッド４０を配置し、それらの周囲に１２本のＣｕ／Ｎｂロッド３０を配置する。
そして、それらをＣｕ又はＣｕ基合金からなるパイプ５１に挿入し、必要に応じて隙間にＣｕ又はＣｕ基合金のスペーサ５２を挿入したものを、上記と同様に、伸線加工等により縮径しダイス引きする等して、断面形状が六角形のモジュール６を形成する。
このようにしてモジュール６を形成すると、Ｃｕ／Ｎｂロッド３０のＣｕ又はＣｕ基合金５０やＣｕ／Ｓｎロッド４０のＣｕ又はＣｕ基合金５０、パイプ５１、必要に応じて挿入したスペーサ５２が一体化して、モジュール６のＣｕマトリクス５になる。
そして、モジュール６内で、１９芯のフィラメントバンドル２がＣｕマトリクス５に埋設された状態になる。

そして、図３に示すように、モジュール６の六角形の１辺が他のモジュール６の六角形の１辺と接するように、所定本数のモジュール６を束ね、それを、Ｔａ、Ｎｂ又はＴａとＮｂの合金からなる拡散バリア層１１とＣｕ又はＣｕ基合金からなる銅安定化層１２とで構成されるパイプ内に挿入する。
なお、モジュール６を束ねたものとパイプとの隙間に、必要に応じてＣｕ又はＣｕ基合金のスペーサを挿入してもよい。

そして、上記と同様に、それを伸線加工したりダイス引きする等して所定の径まで縮径する。このようにして、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１が作製される。
そして、上記のようにしてＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１を作製することで、前述したように、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１を、中央のＮｂフィラメント３Ａの周囲に６本のＳｎフィラメント４が配置され、それらの周囲に１２本のＮｂフィラメント３Ｂが配置されたフィラメントバンドル２がＣｕマトリクス５に所定束数埋設されるように形成することが可能となる。

また、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１では、Ｎｂフィラメント３やＳｎフィラメント４がＣｕマトリクス５に埋設されている部分と銅安定化層１２との間に、Ｔａ、Ｎｂ又はＴａとＮｂの合金からなる拡散バリア層１１が形成される。
なお、図３の構成と図１（Ａ）のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１とが図面上ではほぼ同径に記載されているが、実際には、上記のように図３に示した構成が縮径されて図１（Ａ）に示したＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１が形成されるため、図１（Ａ）に示したＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１の方が小径であることは言うまでもない。

［Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材］
次に、本実施形態に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０について説明する。
Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材１０は、上記のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１が熱処理されて形成される。そして、熱処理の際に、その内部にＮｂ_３Ｓｎ超電導体が形成される。
なお、生成されるＮｂ_３Ｓｎ超電導体が非常に脆いものであるため、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１を撚ったり形を整えたりした後、線材の設置場所で熱処理を行ってＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０が作製される。
熱処理は、６００〜８００℃程度の温度範囲で所定時間加熱するようにして行われる。後で詳しく説明するように、この熱処理の際に、ＳｎがＣｕマトリクス５中を拡散し、Ｎｂと反応して、Ｎｂフィラメント３の部分にＮｂ_３Ｓｎ超電導体が形成される。

また、本実施形態では、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材１０は、上記のようにＳｎフィラメント４等と銅安定化層１２との間に拡散バリア層１１が形成されているため、ＳｎがＣｕマトリクス５中を拡散しても拡散バリア層１１でＳｎの拡散が食い止められるため、銅安定化層１２がＳｎ等で汚染されることがない。そのため、本実施形態に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０では高い残留抵抗比（ＲＲＲ）が得られている。

［本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の特徴］
次に、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０の特徴について説明する。

［特徴その１−臨界電流密度Ｊｃについて］
Ｎｂ_３Ｓｎの場合、ピン止め点（ピン止めセンター等ともいう。）は結晶粒界であるとされており（例えば非特許文献１参照）、柱状晶（Ｓｎ濃度が低い部分に生成される。）が生成されている部分よりも、等軸晶（Ｓｎ濃度が高い部分に生成される。）が生成されている部分、特に粒径が小さい等軸晶が多数形成されている部分（ピン止め点が密に存在する部分）で臨界電流密度Ｊｃが高くなる。
そのため、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の臨界電流密度Ｊｃを高くするためには、粒径が小さいＮｂ_３Ｓｎの等軸晶を多数形成することができるものであることが望ましい。

この点において、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０では、上記のように１束のフィラメントバンドル２ごとに、１３本のＮｂフィラメント３と６本のＳｎフィラメント４を有している。すなわち、１束のフィラメントバンドル２におけるＮｂとＳｎとの原子数の比が１３：６になっており、Ｎｂ_３Ｓｎの組成比（３：１）に比べて、Ｓｎの比率が高くなっている。
そして、上記のようにＮｂ_３Ｓｎの等軸晶はＳｎ濃度が高い部分で生成されるため、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０では、フィラメントバンドル２においてＮｂ_３Ｓｎの等軸晶が生成されやすい状態になっている。

実際、上記の実施形態の構成（図１（Ａ）、（Ｂ）参照）では、熱処理後、中央のＮｂフィラメント３Ａの中心部以外の部分や周囲のＮｂフィラメント３ＢのＳｎフィラメント４に近い部分（いわゆる周囲のＮｂフィラメント３Ｂの内側の部分）に、Ｎｂ_３Ｓｎの等軸晶が多数生成される。すなわち、上記の実施形態では、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導体は、主に中央のＮｂフィラメント３Ａの中心部以外の部分や周囲のＮｂフィラメント３Ｂの内側の部分に形成される。
そして、Ｎｂ_３Ｓｎの柱状晶が生成されるのは、中央のＮｂフィラメント３Ａの中心部や周囲のＮｂフィラメント３ＢのＳｎフィラメント４から遠い部分（いわゆる周囲のＮｂフィラメント３Ｂの外側の部分）のみである。

一方、上記のようにＳｎ濃度が高い部分ではＮｂ_３Ｓｎの等軸晶が生成されるが、ＳｎとＮｂとの反応時間が長くなり過ぎるとＮｂ_３Ｓｎの等軸晶が成長して結晶が大きくなり、ピン止め点が疎らになるため、臨界電流密度Ｊｃが低下する。
すなわち、上記のようにＮｂ_３Ｓｎの等軸晶が生成される条件であっても、ＳｎとＮｂとの反応時間が長過ぎると、かえって臨界電流密度Ｊｃが低下する。

しかし、ＳｎとＮｂとの反応時間を短くするために熱処理時間を短くし過ぎると、今度は、Ｃｕマトリクス中を拡散しているＳｎがまだ全てのＮｂフィラメントに到達していないにもかかわらず熱処理が終了してしまい、未反応のＮｂが増えて臨界電流密度Ｊｃが大幅に低下してしまう。
そのため、熱処理時間は、少なくともＳｎが全てのＮｂフィラメントに拡散するまでの時間（すなわちＳｎからの距離が最も遠いＮｂフィラメントにＳｎが到達するまでの時間）以上の時間とされるべきである。

これらの点を踏まえたうえで、以下、図８（Ａ）、（Ｂ）に示したＮｂ_３Ｓｎ超電導線材やその前駆体１００（以下、従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１００という。）の場合と、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１の場合とを比較する。

なお、以下では、従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１００や本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１を図示して説明するが、それらの結果がＮｂ_３Ｓｎ超電導線材に反映されることは言うまでもない。
また、以下では、従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１００と本実施形態に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１とで、ＳｎのＣｕ中の拡散速度等の諸条件は同じであるものとする。

従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１００では、Ｓｎフィラメント１０１とＮｂフィラメント１０２が図４に示すように配置されている。また、従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１００では、１９芯が全てＮｂフィラメント１０２になっている。
そして、１９芯のＮｂフィラメント１０２のうち、Ｓｎフィラメント１０１からの距離が最も遠いのは、１９芯のＮｂフィラメント１０２の中心部分のＮｂフィラメント１０２である（そのＮｂフィラメントまでの距離をＬ２とする。）。

それに対し、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１では、図１（Ａ）、（Ｂ）に示したように全てのフィラメントバンドル２が同じ構造になっている。そして、１９芯のフィラメントバンドル２の中にＮｂフィラメント３とＳｎフィラメント４が配置されている。
そのため、図５に示すように、Ｎｂフィラメント３とＳｎフィラメント４との距離Ｌ１が、従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１００における距離Ｌ２に比べて非常に短くなっている。

そのため、従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１００では上記のように距離Ｌ２が長くＳｎの拡散距離が長いため、ＳｎがＣｕマトリクス１０３中を拡散して全てのＮｂフィラメント１０２に到達するまでの時間が長くなる。
そして、ＳｎがＣｕマトリクス１０３中を拡散して最も遠い中心部分のＮｂフィラメント１０２に到達した頃には、Ｓｎフィラメント１０１に最も近いＮｂフィラメント１０２ではＮｂ_３Ｓｎの結晶の成長が既に始まっており、結晶が大きくなっている場合がある。

このように、従来の構成では臨界電流密度Ｊｃを高くすることが難しくなる。
すなわち、Ｓｎを１９芯のＮｂフィラメント１０２の中心部分のＮｂフィラメント１０２まで到達させようとすると、Ｓｎフィラメント１０１に最も近いＮｂフィラメント１０２ではＮｂ_３Ｓｎの等軸晶の粒径が大きくなってしまい、臨界電流密度Ｊｃの向上に寄与しなくなる。
また、Ｓｎフィラメント１０１に最も近いＮｂフィラメント１０２で、Ｎｂ_３Ｓｎの等軸晶の粒径を小さくしようとすると、Ｓｎが１９芯のＮｂフィラメント１０２の中心付近のＮｂフィラメント１０２まで到達しなくなり、未反応のＭｂフィラメント１０２が多くなり、臨界電流密度Ｊｃが低下する。
そのため、いずれにせよ、従来の構成では粒径が小さいＮｂ_３Ｓｎの等軸晶を多数形成することができないため、臨界電流密度Ｊｃを高くすることが難しくなる。

それに対し、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１では、上記のようにＮｂフィラメント３とＳｎフィラメント４との距離Ｌ１が非常に短くＳｎの拡散距離が非常に短いため、Ｃｕマトリクス５中を拡散したＳｎが短時間でＮｂフィラメント３に到達する。
しかも、本発明では、Ｎｂフィラメント３とＳｎフィラメント４との距離Ｌ１がいずれのＮｂフィラメント３でも同じ（あるいはほぼ同じ）であるため、Ｓｎが全てのＮｂフィラメント３に同時に（あるいはほぼ同時に）到達し、全てのＮｂフィラメント３で同時に（あるいはほぼ同時に）Ｎｂ_３Ｓｎの等軸晶の生成が始まる。
そのため、適度に短い時間だけＳｎとＮｂとを反応させるように反応時間を調整すれば、粒径が小さいＮｂ_３Ｓｎの等軸晶を大量に生成させることが可能となる。

このように、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１では、Ｎｂフィラメント３とＳｎフィラメント４が１束のフィラメントバンドル２内に配置されており、しかも、フィラメントバンドル２内でのＳｎフィラメント４とＮｂフィラメント３との距離Ｌ１がいずれのＮｂフィラメント３でも同じ（あるいはほぼ同じ）になるように構成されている。
また、フィラメントバンドル２内で、Ｎｂ_３Ｓｎの組成比に比べてＳｎの比率が高くなるようにＳｎフィラメント４が設けられており、Ｎｂ_３Ｓｎの等軸晶が生成されやすい状態とされている。

そのため、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１では、熱処理が開始されると全てのＮｂフィラメント３で同時に（あるいはほぼ同時に）Ｎｂ_３Ｓｎの等軸晶の生成が開始されるため、ＳｎとＮｂとの反応時間を適度に短くすることで、粒径が小さいＮｂ_３Ｓｎの等軸晶を大量に生成させることが可能となる。
そのため、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０では、高い臨界電流密度Ｊｃを得ることが可能となる。

［特徴その２−熱処理時間について］
また、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１では、上記のようにＮｂフィラメント３とＳｎフィラメント４との距離Ｌ１が非常に短いため、熱処理の開始後、Ｓｎは短時間でＮｂフィラメント３に到達する。
そして、上記のように反応時間を短くすることができるため、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１では、熱処理時間（ＳｎがＮｂフィラメント３に到達するまでの時間とＳｎとＮｂとの反応時間との和）が短くなるといった特徴もある。

例えば、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１において、フィラメントバンドル２内のＮｂフィラメント３とＳｎフィラメント４との最短距離（すなわち上記の距離Ｌ１）が１０μｍ以下であれば、通常２５０時間から３００時間程度かかる熱処理時間を、１００時間以内に短縮することが可能となる。

一方、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１や従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１００では、熱処理時間が長くなると、その分ＳｎとＮｂとの反応時間が長くなるため、Ｎｂ_３Ｓｎの等軸晶が成長して粒径が大きくなり、臨界電流密度Ｊｃが低下する傾向がある。

図６は、熱処理時間ｔを変えた場合に作製されるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の臨界電流密度Ｊｃの変化を本発明の場合（図中のＡ参照）と従来の場合（図中のＢ参照）で比較したグラフである。
グラフに示されるように、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１では、従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１００に比べて短い熱処理時間ｔで高い臨界電流密度Ｊｃが得られるが、本発明の場合も従来の場合も、臨界電流密度Ｊｃが最高になる熱処理時間以上に熱処理を行うと、臨界電流密度Ｊｃが低下していく。

［特徴その３−有効フィラメント径Ｄｅｆｆについて］
一方、上記のように、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１では、フィラメントバンドル２内でＮｂ_３Ｓｎの組成比に比べてＳｎの比率が高くなっている。そのため、Ｎｂと反応せずに余ったＳｎがフィラメントバンドル２の周囲のＮｂフィラメント３Ｂ（図１（Ｂ）等参照）の外側に拡散する。
そして、本発明では、図１（Ａ）、（Ｂ）に示したように、フィラメントバンドル２の周囲のＮｂフィラメント３Ｂの外側、すなわちフィラメントバンドルと隣接するフィラメントバンドル２との間にもＣｕマトリクス５（すなわちＣｕ又はＣｕ基合金マトリクス５）が形成されている。そのため、上記のように周囲のＮｂフィラメント３Ｂの外側に拡散したＳｎがフィラメントバンドル２の外側のＣｕマトリクス５（以下、外側のＣｕマトリクス５という。）中に拡散することで青銅（bronze）が生成され、外側のＣｕマトリクス５の電気抵抗が高くなる。

本発明に係るフィラメントバンドル２では、１２本のＮｂフィラメント３Ｂ（周囲のＮｂフィラメント３Ｂ）に形成される各Ｎｂ_３Ｓｎが超電導の浸み出しのために電気的に結合し得る。そのため、有効フィラメント径Ｄｅｆｆが１２本のＮｂフィラメント３Ｂの部分に広がる可能性がある。
しかし、上記のようにフィラメントバンドル２の外側のＣｕマトリクス５の電気抵抗が高くなるため、少なくとも隣接するフィラメントバンドル２との間では、周囲のＮｂフィラメント３Ｂ同士が電気的に結合することは生じにくくなる。

このように、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０では、仮に有効フィラメント径Ｄｅｆｆが広がったとしても有効フィラメント径Ｄｅｆｆの広がりを１束のフィラメントバンドル２における周囲の１２本のＮｂフィラメント３Ｂの部分までに抑えることが可能となる。
そのため、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０では、有効フィラメント径Ｄｅｆｆが小さい範囲に抑えられるため、交流損失を効果的に抑制することが可能となる。

なお、フィラメントバンドル２の大きさや外側のＣｕマトリクス５に拡散させるＳｎの量等にもよるが、本発明では、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１での外側のＣｕマトリクス５の長さ、すなわち隣接するフィラメントバンドル２同士の最短距離（図１（Ｂ）のＬ３参照）が１０μｍ以上であれば、隣接するフィラメントバンドル２との間でＮｂフィラメント３Ｂ同士が電気的に結合しなくなり、有効フィラメント径Ｄｅｆｆが隣接するフィラメントバンドル２にまで広がることを的確に抑制することが可能となる。

［特徴その４−フィラメントバンドル２の中央にＮｂフィラメント３Ａが配置されている構造について］
図７や図８（Ａ）、（Ｂ）に示したように、従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１００やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材では、各Ｎｂフィラメント１０２に対してＳｎを十分に供給するために、通常、Ｓｎロッド１０１やＳｎフィラメント１０１がＮｂフィラメント１０２に比べて非常に太く形成される。

それに対し、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０では、図１（Ａ）、（Ｂ）に示したように、フィラメントバンドル２の中央にＳｎフィラメント４ではなくＮｂフィラメント３Ａが配置され、その周囲にＳｎフィラメント４が配置されている。
そして、Ｓｎフィラメント４とＮｂフィラメント３とは互いに略同径とされており、フィラメントバンドル２内の各Ｎｂフィラメント３に対して十分な供給量を確保するために、Ｓｎフィラメント４が６本配置されている。

一方、上記のようにＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体に対する熱処理が行われてＳｎが拡散すると、Ｓｎフィラメントの部分ではＳｎが流出するため、熱処理後に、Ｓｎフィラメントの中央部分に空洞（void）が形成される場合がある。
その際、上記の従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１００（図８（Ａ）参照）のようにＳｎフィラメント１０１が太く形成されていると、Ｓｎフィラメント１０１に形成される空洞も大きくなる。そして、そのような大きな空洞が、作製されたＮｂ_３Ｓｎ超電導線材中に点在する状態になる。

そして、例えば、作製されたＮｂ_３Ｓｎ超電導線材が超電導コイルとして使用される場合、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材に通電すると、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材に、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材を歪ませるような力が加わり、その力は、発生させる磁場が強くなるほど強くなる。
そして、上記の従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材のようにＮｂ_３Ｓｎ超電導線材中に比較的大きな空洞が点在する状態になっていると、加わった力の応力が空洞の部分に集中する。そのため、空洞の周囲の部分がその応力に耐えられずに破壊されてＮｂ_３Ｓｎ超電導線材に局所的な破壊が生じ、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材が損傷する可能性がある。

それに対し、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０では、図１（Ａ）、（Ｂ）に示したように、フィラメントバンドル２の中央のＮｂフィラメント３Ａの周囲に細いＳｎフィラメント４が分散されて配置されており、細いＳｎフィラメント４がＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０内に分散されて配置されている。
そして、その状態でＳｎフィラメント４の中央部分に空洞が形成されると、空洞は非常に細かなものになり、それらがＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０内に分散された状態になる。

そのため、上記のように例えば超電導コイルと使用されるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０に強い力が加わった場合でも、加わった力の応力は空洞には集中せずにＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０内に分散される。
そのため、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材１０に破壊等が生じることはなく、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材１０はその応力に十分に耐えることができる。

このように、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０では、フィラメントバンドル２の中央にＮｂフィラメント３Ａが配置され、Ｓｎフィラメント４がその周囲に分散されて配置されているため、熱処理後に仮にＳｎフィラメント４の部分に空洞が生じても、空洞は非常に細かなものになり、しかも、それらがＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０内に分散された状態になる。
そのため、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材１０に、当該Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材１０を歪ませる力が加わる等してもそれによく耐えて、損傷等を生じることなく安定して使用することが可能となる。

［効果］
以上のように、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材１０及びモジュール６によれば、製造されるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０を、臨界電流密度Ｊｃが高く、かつ有効フィラメント径Ｄｅｆｆの広がりが抑えられたものとすることが可能となり、交流損失を的確に抑制することが可能となる。

［実施例］
以下の手順に従って本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０を作製した。
図２に示したように、外径５５ｍｍ、内径４９ｍｍのＣｕ製のパイプに、外径４８ｍｍのＮｂフィラメントを挿入したものを縮径加工して、対角線が１０．５ｍｍの断面形状が六角形のＣｕ／Ｎｂロッドを形成した。また、外径５５ｍｍ、内径４９ｍｍのＣｕ製のパイプに、外径４８ｍｍのＳｎフィラメントを挿入したものを縮径加工して、対角線が１０．５ｍｍの断面形状が六角形のＣｕ／Ｓｎロッドを形成した。
そして、１本のＣｕ／Ｎｂロッドの周囲に６本のＣｕ／Ｓｎロッドを配置し、それらの周囲に１２本のＣｕ／Ｎｂロッドを配置したものをＣｕ製のパイプ（外径６０ｍｍ、内径４８ｍｍ）に挿入し、１２本のスペーサを挿入したものを縮径加工して、対角線が５ｍｍの断面形状が六角形のモジュール６を形成した。

続いて、モジュール６を８５本束ねたものを、厚さ０．５ｍｍのＴａ製の拡散バリア層（図３参照）を備える外径６０ｍｍ、内径４８ｍｍのＣｕ製のパイプに挿入し、それを径０．７ｍｍに縮径加工して、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１を作製した。
そして、作製したＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１を７２０℃で１００時間加熱して熱処理して、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材１０を作製した。

［比較例］
以下の手順に従って従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を作製した。
外径５５ｍｍ、内径４５ｍｍのＣｕ製のパイプに、外径４４ｍｍのＮｂフィラメントを挿入したものを縮径加工して断面形状が六角形のＣｕ／Ｎｂロッドを形成し、それを１９本束ねたものを縮径加工して、対角線が５ｍｍの断面形状が六角形のＮｂモジュールを形成した。また、外径５５ｍｍ、内径４５ｍｍのＣｕ製のパイプに、外径４４ｍｍのＳｎフィラメントを挿入したものを縮径加工して、対角線が５ｍｍの断面形状が六角形のＳｎモジュールを形成した。

続いて、ＮｂモジュールとＣｎモジュール計８５本を図８（Ａ）、（Ｂ）に示したように束ねたものを、厚さ０．５ｍｍのＴａ製の拡散バリア層を備える外径６０ｍｍ、内径４８ｍｍのＣｕ製のパイプに挿入したものを径０．４ｍｍに縮径加工して、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１００を作製した。
そして、作製したＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１００を７２０℃で１００時間加熱して熱処理して、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材を作製した。

［臨界電流密度Ｊｃの測定］
温度４．２Ｋ、磁場１６Ｔの条件下で臨界電流Ｉｃを測定し、この電流値を、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の、銅安定化層１２を除いた部分の断面積で除して臨界電流密度Ｊｃを求めた。

［有効フィラメント径Ｄｅｆｆの測定］
振動試料型磁力計（ＶＳＭ：Vibrating Sample Magnetometer）を用いて±３Ｔのヒステリシス曲線を測定して、有効フィラメント径Ｄｅｆｆを算出した。

上記のようにして求めた臨界電流密度Ｊｃと有効フィラメント径Ｄｅｆｆを表Ｉに示す。

この結果から分かるように、本発明に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材１０は、従来のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体１００やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材に比べて、高い臨界電流密度Ｊｃを得ることができる。また、有効フィラメント径Ｄｅｆｆの広がりを抑えることが可能となる。

なお、本発明が上記の実施形態等に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜変更可能であることは言うまでもない。

１ Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体
２ フィラメントバンドル
３ Ｎｂフィラメント（Ｎｂ又はＮｂ基合金からなるフィラメント）
３Ａ 中央のＮｂフィラメント（１本のフィラメント）
３Ｂ 周囲のＮｂフィラメント（１２本のフィラメント）
４ Ｓｎフィラメント（Ｓｎ又はＳｎ基合金からなるフィラメント）
５ Ｃｕマトリクス（Ｃｕ又はＣｕ基合金マトリクス）
６ モジュール
１０ Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材
１１ 拡散バリア層
１２ 銅安定化層
Ｌ１ 距離（ＮｂフィラメントとＳｎフィラメント４の最短距離）
Ｌ３ 隣接するフィラメントバンドル同士の最短距離

Claims (7)

1. Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体であって、
   Ｎｂ又はＮｂ基合金からなる１本のフィラメントの周囲にＳｎ又はＳｎ基合金からなる６本のフィラメントが配置され、それらの周囲にＮｂ又はＮｂ基合金からなる１２本のフィラメントが配置されたフィラメントバンドルがＣｕ又はＣｕ基合金マトリクスに所定束数埋設されて形成されていることを特徴とするＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体。
2. 隣接する前記フィラメントバンドル同士の最短距離が１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体。
3. 前記フィラメントバンドル内の前記Ｎｂフィラメントと前記Ｓｎフィラメントとの最短距離が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体。
4. 前記フィラメントバンドルが前記Ｃｕ又はＣｕ基合金マトリクスに埋設されている部分と銅安定化層との間に、Ｔａ、Ｎｂ又はＴａとＮｂの合金からなる拡散バリア層が形成されてい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Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体。
5. Ｎｂ又はＮｂ基合金からなる１本のフィラメントの周囲にＳｎ又はＳｎ基合金からなる６本のフィラメントが配置され、それらの周囲にＮｂ又はＮｂ基合金からなる１２本のフィラメントが配置されたフィラメントバンドルがＣｕ又はＣｕ基合金マトリクスに所定束数埋設されて形成されたＮｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体を熱処理してＮｂ_３Ｓｎ超電導体を形成したものであることを特徴とするＮｂ_３Ｓｎ超電導線材。
6. 前記各フィラメントが前記Ｃｕ又はＣｕ基合金マトリクスに埋設されている部分と銅安定化層との間に、Ｔａ、Ｎｂ又はＴａとＮｂの合金からなる拡散バリア層が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材。
7. Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材用前駆体の製造に用いられるモジュールであって、
   Ｎｂ又はＮｂ基合金からなる１本のフィラメントの周囲にＳｎ又はＳｎ基合金からなる６本のフィラメントが配置され、それらの周囲にＮｂ又はＮｂ基合金からなる１２本のフィラメントが配置され、それらがＣｕ又はＣｕ基合金マトリクスに埋設されるとともにそれらの周囲にＣｕ又はＣｕ基合金からなる層が形成されていることを特徴とするモジュール。

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