JP2022041709A - Superconducting wire for permanent current switch and manufacturing method, and superconducting magnet device - Google Patents

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Abstract

To provide a superconducting wire for a permanent current switch having a small heat capacity and good connectivity of a superconducting connection, a manufacturing method thereof, and a superconducting magnet device using the same.SOLUTION: A superconducting wire 100 for a permanent current switch includes a small diameter portion 120 between end portions 110, in which the cross-sectional area of a superconducting filament 10 is smaller than the cross-sectional area at the end portion 110. A manufacturing method of a superconducting wire for a permanent current switch includes the steps of: filling a metal tube with magnesium and boron powder; wire-drawing the metal tube; forming a small diameter portion 120 by performing aging processing between the end portions of the metal tube; and heat-treating the powder filled in the metal tube to produce magnesium diboride. A superconducting magnet device includes a superconducting coil, a permanent current switch composed of the superconducting wire for the permanent current switch, a cryostat, and a demagnetization mechanism that attenuates the energy stored when the superconducting coil is demagnetized.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、超伝導磁石の永久電流スイッチを構成する永久電流スイッチ用の超伝導線材、その製造方法、および、それを用いた超伝導磁石装置に関する。 The present invention relates to a superconducting wire for a permanent current switch constituting a permanent current switch of a superconducting magnet, a method for manufacturing the superconducting wire, and a superconducting magnet device using the same.

磁気共鳴イメージング(Magnetic Resonance Imaging:MRI)装置は、医療分野で画像診断に用いられており、病態の診断に必要不可欠なツールとなっている。MRI装置は、超伝導磁石が作る強磁場を利用した装置であり、磁場の時間変化を抑制するために永久電流モードで運転される。超伝導磁石は、超伝導線材によって形成された超伝導コイルをクライオスタット内に備えている。 Magnetic resonance imaging (MRI) equipment is used for diagnostic imaging in the medical field, and has become an indispensable tool for diagnosing pathological conditions. The MRI device is a device that utilizes a strong magnetic field created by a superconducting magnet, and is operated in a permanent current mode in order to suppress a time change of the magnetic field. The superconducting magnet includes a superconducting coil formed of a superconducting wire in the cryostat.

超伝導磁石において、超伝導コイルの正極と負極は、永久電流スイッチ(Persistent Current Switch:PCS)によって短絡されている。超伝導線材は、臨界温度以下で超伝導体となる超伝導フィラメントを心線としており、超伝導コイルを形成する超伝導線材と、永久電流スイッチを構成する超伝導線材が、閉回路を形成している。 In a superconducting magnet, the positive electrode and the negative electrode of the superconducting coil are short-circuited by a permanent current switch (PCS). The superconducting wire has a core wire of a superconducting filament that becomes a superconductor at a critical temperature or lower, and the superconducting wire forming the superconducting coil and the superconducting wire constituting the permanent current switch form a closed circuit. ing.

永久電流スイッチは、抵抗が高い状態(オフ状態)とゼロ抵抗の状態(オン状態)とに切り替え可能な素子であり、一般に熱式が用いられている。熱式の永久電流スイッチは、ボビン等に巻回された超伝導線材と、切り替え時に超伝導線材を加熱するヒータを備えている。永久電流スイッチは、超伝導線材が臨界温度以下に冷却されるとオン状態となり、超伝導線材が加熱されるとオフ状態となる。 The permanent current switch is an element that can switch between a high resistance state (off state) and a zero resistance state (on state), and a thermal type is generally used. The thermal type permanent current switch includes a superconducting wire wound around a bobbin or the like and a heater that heats the superconducting wire at the time of switching. The permanent current switch is turned on when the superconducting wire is cooled below the critical temperature, and turned off when the superconducting wire is heated.

超伝導コイルの正極と負極を電源と接続し、永久電流スイッチをオフ状態として、超伝導コイルへの電流を増加させると、超伝導コイルが励磁される。超伝導コイルの励磁後に、永久電流スイッチをオン状態として超伝導コイルへの電流を減少させると、永久電流スイッチで短絡された閉回路に実質的にゼロ抵抗で永久電流が流れる。 When the positive and negative electrodes of the superconducting coil are connected to the power supply and the permanent current switch is turned off to increase the current to the superconducting coil, the superconducting coil is excited. After the superconducting coil is excited, when the permanent current switch is turned on to reduce the current to the superconducting coil, the permanent current flows through the closed circuit short-circuited by the permanent current switch with substantially zero resistance.

超伝導コイルと永久電流スイッチは、互いにゼロ抵抗で繋がるように超伝導体を介して超伝導接続される。超伝導コイルや永久電流スイッチは、クライオスタットの内部で冷却されるため、閉回路の抵抗は実質的にゼロとなり、永久電流モードの運転が可能になる。永久電流モードによると、電流が殆ど減衰することがなく、時間変化が極めて小さい磁場を発生させることができる。 The superconducting coil and the permanent current switch are superconductingly connected via a superconductor so as to be connected to each other with zero resistance. Since the superconducting coil and the permanent current switch are cooled inside the cryostat, the resistance of the closed circuit becomes virtually zero, and the operation in the permanent current mode becomes possible. According to the permanent current mode, it is possible to generate a magnetic field in which the current is hardly attenuated and the time change is extremely small.

従来、商業的に流通している超伝導磁石装置では、超伝導コイルを形成する超伝導線材に、ニオブチタン(NbTi)が用いられている。一般に、ニオブチタンの冷却には、液体ヘリウムが用いられており、クライオスタットの内部には、1500~2000Lの液体ヘリウムが充填されている。しかし、近年、ヘリウムの入手が難しくなっており、価格が高騰しているため、代替技術の開発が進められている。 Conventionally, in commercially available superconducting magnet devices, niobium-titanium (NbTi) is used as the superconducting wire for forming the superconducting coil. Generally, liquid helium is used for cooling niobium-titanium, and 1500 to 2000 L of liquid helium is filled inside the cryostat. However, in recent years, it has become difficult to obtain helium and the price is soaring, so the development of alternative technologies is underway.

ヘリウムの使用量を削減する技術としては、サーモサイフォン式の冷却機構を備えた超伝導磁石装置等が開発されており、一部で製品化されている。サーモサイフォン式によると、重力による熱対流が利用されるため、少量の液体ヘリウムであっても高い冷却能力が得られる。また、二ホウ化マグネシウム(MgB)や高温超伝導体の実用化も進められている。 As a technology for reducing the amount of helium used, a superconducting magnet device equipped with a thermosiphon type cooling mechanism has been developed, and some of them have been commercialized. According to the thermosiphon type, since heat convection due to gravity is used, high cooling capacity can be obtained even with a small amount of liquid helium. In addition, magnesium diboride (MgB 2 ) and high-temperature superconductors are being put into practical use.

MgBや高温超伝導体は、臨界温度が数十K以上と高いため、液体ヘリウムによる冷却が不要になることが期待されている。MgBや高温超伝導体を用いた超伝導線材は、従来のニオブチタンを用いた場合と比較して、クエンチ裕度が大きいという特徴がある。クエンチ裕度Δeは、装置の運転温度をTop、コアとシースとの複合材料である超伝導線材について合成した複合熱容量をC、定格電流をゼロ抵抗で通電可能な上限温度をTとしたとき、次の数式(1)で表される。

Figure 2022041709000002
Since MgB 2 and high-temperature superconductors have a high critical temperature of several tens of K or more, it is expected that cooling with liquid helium will not be necessary. The superconducting wire using MgB 2 or a high-temperature superconductor is characterized by having a large quenching margin as compared with the case of using conventional niobium-titanium. For the quench margin Δe , the operating temperature of the device is Top, the composite heat capacity synthesized for the superconducting wire that is the composite material of the core and sheath is Cp , and the rated current is the upper limit temperature that can be energized with zero resistance as T1. Then, it is expressed by the following formula (1).
Figure 2022041709000002

非特許文献1には、超伝導線材のクエンチ裕度が、ニオブチタンの場合には、1kJm-3程度であるのに対し、MgBや高温超伝導体の場合には、その10~10000倍であることが記載されている。ニオブチタンの場合、摺動等の機械的要因によるクエンチが問題となるのに対し、MgBや高温超伝導体の場合、このようなクエンチが実質的に起こらないことを意味する。 In Non-Patent Document 1, the quenching margin of superconducting wire is about 1 kJm -3 in the case of niobium-titanium, whereas it is 10 to 10,000 times that in the case of MgB2 or high - temperature superconductor. It is stated that there is. In the case of niobium-titanium, quenching due to mechanical factors such as sliding becomes a problem, whereas in the case of MgB2 and high - temperature superconductors, it means that such quenching does not occur substantially.

クエンチ裕度が大きいMgBや高温超伝導体を用いた場合、クエンチのリスクが低くなるため、液体ヘリウムによる浸漬冷却の必要性が低くなる。しかし、液体ヘリウムを使用しない場合や、液体ヘリウムの使用量を減らす場合、新たな問題が生じることが懸念される。液体ヘリウムによる浸漬冷却には、冷却喪失、緊急減磁等の異常事態における防護作用があるが、このような作用が得られなくなるというものである。 When MgB 2 or a high-temperature superconductor having a high quenching margin is used, the risk of quenching is low, so that the need for immersion cooling with liquid helium is reduced. However, there is concern that new problems will arise if liquid helium is not used or if the amount of liquid helium used is reduced. Immersion cooling with liquid helium has a protective effect in abnormal situations such as loss of cooling and emergency demagnetization, but such an effect cannot be obtained.

液体ヘリウムは、冷却喪失の際には、クライオスタットを数時間にわたって極低温に保つ。このような作用により、冷却機能の復旧や安全な減磁を行うための十分な猶予が得られる。また、液体ヘリウムは、緊急減磁の際には、クライオスタットの内部の熱を蒸発潜熱として吸収する。このような作用により、緊急減磁中の超伝導コイルや永久電流スイッチの急激な温度上昇が抑制される。温度上昇が小さいと、液体ヘリウムの再充填による迅速な復旧が可能になる。 Liquid helium keeps the cryostat at a very low temperature for several hours in the event of a loss of cooling. Such an action provides sufficient grace for restoration of the cooling function and safe demagnetization. In addition, liquid helium absorbs the heat inside the cryostat as latent heat of vaporization during emergency demagnetization. Due to such an action, a rapid temperature rise of the superconducting coil and the permanent current switch during emergency demagnetization is suppressed. Small temperature rises allow for rapid recovery by refilling liquid helium.

液体ヘリウムを使用しない場合や、液体ヘリウムの使用量を減らす場合、このような防護作用が得られなくなるため、冷却喪失の際の猶予が短くなる。また、緊急減磁の際の温度上昇が大きくなり、復旧に時間がかかるようになる。そのため、MgBや高温超伝導体を用いる場合、液体ヘリウムによる浸漬冷却の代わりに、新たな対策を講じる必要がある。 When liquid helium is not used or when the amount of liquid helium used is reduced, such a protective effect cannot be obtained, so that the grace period in the event of loss of cooling is shortened. In addition, the temperature rise during emergency demagnetization becomes large, and it takes time to recover. Therefore, when MgB 2 or a high-temperature superconductor is used, it is necessary to take new measures instead of immersion cooling with liquid helium.

特に、クエンチ裕度が大きいMgBや高温超伝導体を用いる場合、ニオブチタンの場合と比較して、常伝導領域が自発的に拡大し難い点が問題になる。MgBや高温超伝導体は、温度上昇時に常伝導領域が広がり難いため、広範囲を積極的に加熱しない限り、蓄積されているエネルギが狭い領域で消費される。冷却喪失、緊急減磁等の異常事態に際して、エネルギが狭い領域で消費されると、超伝導線材が焼損するという問題がある。 In particular, when MgB 2 or a high-temperature superconductor having a large quenching margin is used, there is a problem that the normal conduction region is difficult to expand spontaneously as compared with the case of niobium-titanium. Since MgB 2 and high-temperature superconductors do not easily expand the normal conduction region when the temperature rises, the stored energy is consumed in the narrow region unless a wide range is actively heated. In the event of an abnormal situation such as loss of cooling or emergency demagnetization, if energy is consumed in a narrow area, there is a problem that the superconducting wire is burnt out.

冷却喪失、緊急減磁等の異常事態に際して、超伝導コイルを安全に減磁させるための対策としては、保護抵抗や外部電源等の緊急減磁機構の利用が考えられる。永久電流スイッチをオフ状態に切り替え、超伝導コイルに蓄積されているエネルギを保護抵抗で消費させたり、超伝導コイルの閉回路に外部電源から負電圧を印加したりすると、超伝導線材の焼損のリスクを低減することができる。 As a measure to safely demagnetize the superconducting coil in the event of an abnormal situation such as loss of cooling or emergency demagnetization, the use of an emergency demagnetization mechanism such as a protective resistor or an external power supply can be considered. If the permanent current switch is turned off to consume the energy stored in the superconducting coil with a protective resistor, or if a negative voltage is applied from an external power supply to the closed circuit of the superconducting coil, the superconducting wire will burn out. The risk can be reduced.

保護抵抗や外部電源等の緊急減磁機構は、クライオスタットの外部に設けられるため、緊急減磁の際に、クライオスタットの内部の温度上昇は抑制されることになる。従来用いられているニオブチタンの場合には、交流損失によってクエンチが起こり易いため、このような緊急減磁機構を利用することはできない。しかし、クエンチ裕度が大きいMgBや高温超伝導体であれば、保護抵抗や外部電源等で安全に減磁することができる。 Since the emergency demagnetization mechanism such as the protection resistor and the external power supply is provided outside the cryostat, the temperature rise inside the cryostat is suppressed during the emergency demagnetization. In the case of the conventionally used niobium-titanium, quenching is likely to occur due to AC loss, so such an emergency demagnetization mechanism cannot be used. However, if MgB 2 or a high-temperature superconductor having a high quenching margin is used, it can be safely demagnetized by a protective resistance, an external power source, or the like.

保護抵抗や外部電源等の緊急減磁機構を利用する場合に、残された大きな問題は、永久電流スイッチの焼損を如何に回避するかである。緊急減磁の際に、永久電流スイッチを抵抗が高い状態(オフ状態)に切り替えると、一部の電流は、閉回路を短絡している永久電流スイッチに分流し得る。オフ状態の永久電流スイッチに大電流が流れると、永久電流スイッチを構成する超伝導線材がジュール熱で焼損する虞があり、超伝導線材の断線が緊急減磁後の復旧の妨げとなる。 When using an emergency demagnetization mechanism such as a protective resistor or an external power supply, the remaining major problem is how to avoid burning of the permanent current switch. If the permanent current switch is switched to a high resistance state (off state) during emergency demagnetization, some current can be diverted to the permanent current switch shorting the closed circuit. When a large current flows through the permanent current switch in the off state, the superconducting wire constituting the permanent current switch may be burnt out due to Joule heat, and the disconnection of the superconducting wire hinders recovery after emergency demagnetization.

例えば、最も普及している磁場強度1.5TのMRI装置では、超伝導コイルのインダクタンスが10~80H程度である。通常の緊急減磁においては、中心磁場を60秒以内に0.02T以下にする必要があるとされている。超伝導コイルのインダクタンスLを80H、運転電流Iopを300Aとしたとき、永久電流スイッチの切り替えに要する時間が10秒であるとすると、残りの50秒内に、6A・s-1で電流を減少させなければならない。 For example, in the most popular MRI apparatus having a magnetic field strength of 1.5 T, the inductance of the superconducting coil is about 10 to 80 H. In normal emergency demagnetization, it is said that the central magnetic field needs to be 0.02T or less within 60 seconds. Assuming that the time required to switch the permanent current switch is 10 seconds when the inductance L of the superconducting coil is 80H and the operating current I op is 300A, the current is 6A · s -1 within the remaining 50 seconds. Must be reduced.

このような条件では、永久電流スイッチの端子間の電圧Vが、V=L・dIop/dt=480Vとなる。永久電流スイッチに流れる電流Iは、オフ状態における永久電流スイッチの抵抗をRとしたとき、I=V・R -1で表される。オフ状態における永久電流スイッチの抵抗Rは、永久電流スイッチを構成する超伝導線材の線径をD、超伝導線材の長さをL、複合材料である超伝導線材の複合抵抗率をρとしたとき、R=4ρ・L/π・D である。 Under such conditions, the voltage V p between the terminals of the permanent current switch becomes V p = L · dI op / dt = 480 V. The current I p flowing through the permanent current switch is represented by I p = V p · R p -1 when the resistance of the permanent current switch in the off state is R p . The resistance R p of the permanent current switch in the off state is D p for the wire diameter of the superconducting wire constituting the permanent current switch, L p for the length of the superconducting wire, and the resistivity of the superconducting wire which is a composite material. When ρ p , R p = 4ρ p · L p / π · D p 2 .

永久電流スイッチを構成する超伝導線材の焼損の可能性は、温度の時間変化に基づいて評価することができる。永久電流スイッチを構成する超伝導線材の温度Tの時間変化dT/dtは、断熱変化であると仮定すると、複合材料である超伝導線材の単位体積あたりの複合熱容量をcとしたとき、次の数式(2)で表される。

Figure 2022041709000003
The possibility of burning of the superconducting wire constituting the permanent current switch can be evaluated based on the time change of the temperature. Assuming that the time change dT p / dt of the temperature T p of the superconducting wire constituting the permanent current switch is an adiabatic change, when the composite heat capacity per unit volume of the superconducting wire which is a composite material is cp . , Expressed by the following formula (2).
Figure 2022041709000003

したがって、冷却喪失、緊急減磁等の異常事態に際して、永久電流スイッチの焼損を防止するためには、永久電流スイッチを構成する超伝導線材の複合抵抗率ρを高くすることや、超伝導線材の線長Lを長くすることが有効といえる。その一方で、超伝導線材の線径は、断熱変化であるとの仮定の下では、焼損の起こり易さと無関係である。 Therefore, in order to prevent the permanent current switch from burning in the event of an abnormal situation such as loss of cooling or emergency demagnetization, the composite resistivity ρ p of the superconducting wire constituting the permanent current switch should be increased, or the superconducting wire should be increased. It can be said that it is effective to lengthen the line length Lp of. On the other hand, the wire diameter of the superconducting wire is irrelevant to the likelihood of burning under the assumption that it is an adiabatic change.

特許第6047341号公報Japanese Patent No. 6047341 米国特許出願公開第2015/0018220号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2015/0018220

Supercond. Sci. Technol. 30 (2017) 053001Supercond. Sci. Technol. 30 (2017) 053001 Supercond. Sci. Technol. 30 (2017) 014007Supercond. Sci. Technol. 30 (2017) 014007

永久電流スイッチ用の超伝導線材は、緊急減磁中の焼損を防止する観点からは、コアとなる超伝導フィラメントやコアを覆うシースについて合成した複合抵抗率が高いことが望まれる。また、線長が長いことが望まれる。しかし、超伝導線材の線長が長いと、永久電流スイッチをオフ状態に切り替えるときに、ヒータからの入熱量を大きくせざるを得なくなる。入熱量が大きいと、クライオスタットの内部の温度上昇を招くため、クエンチのリスクが高くなったり、緊急減磁後の復旧に時間がかかったりすることが問題となる。 From the viewpoint of preventing burnout during emergency demagnetization, the superconducting wire for the permanent current switch is desired to have a high composite resistivity synthesized from the core superconducting filament and the sheath covering the core. Moreover, it is desired that the line length is long. However, if the wire length of the superconducting wire is long, the amount of heat input from the heater must be increased when the permanent current switch is switched off. If the amount of heat input is large, the temperature inside the cryostat will rise, which raises the risk of quenching and takes time to recover after emergency demagnetization.

永久電流スイッチを構成する超伝導線材は、ヒータからの入熱量を小さくする観点からは、体積が小さく、熱容量が小さいことが望ましいといえる。超伝導線材の線径は、断熱変化であるとの仮定の下では、焼損の起こり易さと無関係であるため、必要な運転電流を流せる範囲で線径を小さくすると、緊急減磁中の焼損を防止しつつ、クライオスタットの温度上昇を抑制できるといえる。 From the viewpoint of reducing the amount of heat input from the heater, it is desirable that the superconducting wire constituting the permanent current switch has a small volume and a small heat capacity. The wire diameter of the superconducting wire is irrelevant to the likelihood of burning under the assumption that it is an adiabatic change. It can be said that the temperature rise of the cryostat can be suppressed while preventing it.

その一方で、永久電流スイッチ用の超伝導線材は、オン状態においてゼロ抵抗で通電が可能なように、超伝導コイルに対して超伝導接続させる必要がある。超伝導接続のためには、永久電流スイッチを構成する超伝導線材の端部を、超伝導コイルを形成する超伝導線材に対して、超伝導体を介して一体化させなければならない。しかし、超伝導線材の端部の線径が小さすぎると、接続作業中に折損が起こり易くなるという別の問題を生じる。 On the other hand, the superconducting wire for the permanent current switch needs to be superconductingly connected to the superconducting coil so that it can be energized with zero resistance in the on state. For superconducting connection, the end of the superconducting wire constituting the permanent current switch must be integrated with the superconducting wire forming the superconducting coil via the superconductor. However, if the wire diameter at the end of the superconducting wire is too small, another problem arises that breakage is likely to occur during the connection work.

このように、永久電流スイッチ用の超伝導線材に関して、線材の体積や熱容量と、線材の端部の機械的強度や超伝導接続の接続性とは、トレードオフの関係にある。緊急減磁中の焼損を回避できるような複合抵抗率が高く線長が長い超伝導線材においても、小さい熱容量と良好な接続性とが両立するような超伝導線材が求められている。 As described above, regarding the superconducting wire for the permanent current switch, the volume and heat capacity of the wire and the mechanical strength of the end of the wire and the connectivity of the superconducting connection are in a trade-off relationship. Even in a superconducting wire having a high composite resistivity and a long wire length that can avoid burning during emergency demagnetization, there is a demand for a superconducting wire that has both a small heat capacity and good connectivity.

そこで、本発明は、熱容量が小さく抑制されており、超伝導接続の接続性も良好な永久電流スイッチ用の超伝導線材、その製造方法、および、それを用いた超伝導磁石装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a superconducting wire for a permanent current switch having a small heat capacity and good connectivity of a superconducting connection, a manufacturing method thereof, and a superconducting magnet device using the same. With the goal.

前記課題を解決するために本発明に係る永久電流スイッチ用の超伝導線材は、超伝導磁石の永久電流スイッチを構成する永久電流スイッチ用の超伝導線材であって、超伝導線材の端部同士の間に、超伝導フィラメントの横断面積が前記端部における横断面積よりも小さい小径部を有する。 In order to solve the above problems, the superconducting wire for a permanent current switch according to the present invention is a superconducting wire for a permanent current switch constituting the permanent current switch of a superconducting magnet, and the ends of the superconducting wires are connected to each other. Has a small diameter portion between which the cross-sectional area of the superconducting filament is smaller than the cross-sectional area at the end.

また、本発明に係る永久電流スイッチ用の超伝導線材の製造方法は、マグネシウムとホウ素の粉末を金属管に充填する工程と、前記粉末が充填された前記金属管を伸線加工する工程と、伸線加工された前記金属管の端部同士の間に、スエージング加工を施して、超伝導フィラメントの横断面積が前記端部における横断面積よりも小さい小径部を形成する工程と、前記金属管に充填された前記粉末を熱処理して二ホウ化マグネシウムを生成させる工程と、を含む。 Further, the method for manufacturing a superconducting wire for a permanent current switch according to the present invention includes a step of filling a metal tube with magnesium and boron powder, and a step of wire drawing the metal tube filled with the powder. A step of forming a small diameter portion in which the cross-sectional area of the superconducting filament is smaller than the cross-sectional area at the end portion by performing a swaying process between the end portions of the wire-drawn metal pipe and the metal pipe. Includes a step of heat-treating the powder filled in to produce magnesium diboride.

また、本発明に係る超伝導磁石装置は、超伝導コイルと、永久電流スイッチ用の超伝導線材で構成された永久電流スイッチと、前記超伝導コイルおよび前記永久電流スイッチを収容したクライオスタットと、前記超伝導コイルを減磁するときに前記超伝導コイルに蓄積されたエネルギを減衰させる減磁機構と、を備え、前記永久電流スイッチ用の超伝導線材は、超伝導線材の末端同士の間に、超伝導フィラメントの横断面積が前記末端における横断面積よりも小さい小径部を有する超伝導線材であり、前記減磁機構は、前記超伝導コイルに蓄積されたエネルギを前記クライオスタットの外部で減衰させる。 Further, the superconducting magnet device according to the present invention includes a superconducting coil, a permanent current switch composed of a superconducting wire for a permanent current switch, a cryostat accommodating the superconducting coil and the permanent current switch, and the above. A demagnetization mechanism that attenuates the energy stored in the superconducting coil when the superconducting coil is demagnetized is provided, and the superconducting wire for the permanent current switch is provided between the ends of the superconducting wire. It is a superconducting wire having a small diameter portion whose cross-sectional area of the superconducting filament is smaller than the cross-sectional area at the end, and the demagnetization mechanism attenuates the energy stored in the superconducting coil outside the cryostat.

本発明によると、熱容量が小さく抑制されており、超伝導接続の接続性も良好な永久電流スイッチ用の超伝導線材、その製造方法、および、それを用いた超伝導磁石装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a superconducting wire for a permanent current switch having a small heat capacity and good connectivity of a superconducting connection, a manufacturing method thereof, and a superconducting magnet device using the same. can.

本発明の実施形態に係る永久電流スイッチ用の超伝導線材を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the superconducting wire for the permanent current switch which concerns on embodiment of this invention. 永久電流スイッチを備える超伝導磁石装置の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the superconducting magnet apparatus provided with a permanent current switch. 伸線加工後の超伝導線材の前駆体の横断面を示す画像である。It is an image which shows the cross section of the precursor of a superconducting wire after wire drawing. 熱処理後の超伝導線材の横断面を示す画像である。It is an image which shows the cross section of a superconducting wire after heat treatment. 実施例に係る超伝導線材の臨界電流密度と外部磁場との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the critical current density of the superconducting wire material which concerns on an Example, and an external magnetic field. 実施例に係る超伝導線材の複合抵抗率と温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the composite resistivity and the temperature of the superconducting wire material which concerns on an Example. 実施例に係る超伝導線材の単位体積あたりの複合熱容量と温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the composite heat capacity per unit volume, and the temperature of the superconducting wire material which concerns on an Example. 永久電流スイッチの到達温度と超伝導線材の長さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the ultimate temperature of a permanent current switch, and the length of a superconducting wire. 永久電流スイッチの一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows an example of a permanent current switch schematically. 永久電流スイッチの要部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which shows the main part of a permanent current switch in an enlarged manner. 本発明の変形例に係る永久電流スイッチ用の超伝導線材を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the superconducting wire for the permanent current switch which concerns on the modification of this invention.

以下、本発明の一実施形態に係る永久電流スイッチ用の超伝導線材、その製造方法、および、それを用いた超伝導磁石装置について、図を参照しながら説明する。なお、以下の各図において、共通する構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。 Hereinafter, a superconducting wire for a permanent current switch according to an embodiment of the present invention, a method for manufacturing the superconducting wire, and a superconducting magnet device using the same will be described with reference to the drawings. In each of the following figures, common configurations are designated by the same reference numerals and duplicated description will be omitted.

図1は、本発明の実施形態に係る永久電流スイッチ用の超伝導線材を模式的に示す図である。
図1に示すように、本実施形態に係る永久電流スイッチ用の超伝導線材100は、超伝導フィラメント10を備えており、線径が相対的に大きく、超伝導フィラメント10の断面積が相対的に大きい端部110と、線径が相対的に小さく、超伝導フィラメント10の断面積が相対的に小さい小径部120と、を有する。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a superconducting wire for a permanent current switch according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the superconducting wire 100 for a permanent current switch according to the present embodiment includes a superconducting filament 10, has a relatively large wire diameter, and has a relative cross-sectional area of the superconducting filament 10. It has a large end portion 110 and a small diameter portion 120 having a relatively small wire diameter and a relatively small cross-sectional area of the superconducting filament 10.

本実施形態に係る永久電流スイッチ用の超伝導線材100は、特に、熱式の永久電流スイッチを構成する超伝導線材として用いられる。超伝導線材100は、臨界温度以下で超伝導体となる超伝導フィラメント10と、超伝導フィラメント10の周囲を覆うシース11と、を備えている。 The superconducting wire 100 for a permanent current switch according to the present embodiment is particularly used as a superconducting wire constituting a thermal permanent current switch. The superconducting wire 100 includes a superconducting filament 10 that becomes a superconductor at a critical temperature or lower, and a sheath 11 that covers the periphery of the superconducting filament 10.

永久電流スイッチ用の超伝導線材100は、超伝導フィラメント10の断面積が相対的に大きい端部110と、超伝導フィラメント10の断面積が相対的に小さい小径部120とを有する構造であるため、線材自体の体積や熱容量が小さくなり、且つ、末端の機械的強度や超伝導接続の接続性が良好になる。 Since the superconducting wire 100 for a permanent current switch has a structure having an end portion 110 having a relatively large cross-sectional area of the superconducting filament 10 and a small diameter portion 120 having a relatively small cross-sectional area of the superconducting filament 10. The volume and heat capacity of the wire itself are reduced, and the mechanical strength at the end and the connectivity of the superconducting connection are improved.

超伝導フィラメント10の断面積が相対的に大きい端部110は、超伝導線材100の両端に設けられる。端部110は、永久電流スイッチを超伝導コイル等と超伝導接続するための接続部となる。端部110の長さは、特に制限されるものではないが、永久電流スイッチを構成するボビンから引き出される口出線として必要な長さを確保することが好ましい。 The ends 110 having a relatively large cross-sectional area of the superconducting filament 10 are provided at both ends of the superconducting wire 100. The end portion 110 serves as a connection portion for superconductingly connecting the permanent current switch to a superconducting coil or the like. The length of the end portion 110 is not particularly limited, but it is preferable to secure the length required for the lead wire drawn from the bobbin constituting the permanent current switch.

超伝導フィラメント10の断面積が相対的に小さい小径部120は、超伝導線材100の端部110同士の間に設けられる。図1において、小径部120は、テーパ状の部位を介して端部110から連続的に縮径されている。このような小径部120は、後記するように、スエージング加工によって形成することができる。 The small diameter portion 120 having a relatively small cross-sectional area of the superconducting filament 10 is provided between the end portions 110 of the superconducting wire rod 100. In FIG. 1, the small diameter portion 120 is continuously reduced in diameter from the end portion 110 via the tapered portion. Such a small diameter portion 120 can be formed by aging processing as described later.

また、図1において、小径部120は、端部110同士の間に、超伝導線材100の長手方向に沿って連続的に設けられており、長手方向の中央部の横断面積は、端部の横断面積よりも常に小さく設けられている。このような小径部120であると、スエージング加工時に超伝導フィラメント10に歪みが生じ難く、小径部120が断続的に設けられる場合とは異なり、線材自体の体積や熱容量が長手方向に均一に縮小される。 Further, in FIG. 1, the small diameter portion 120 is continuously provided between the end portions 110 along the longitudinal direction of the superconducting wire 100, and the cross-sectional area of the central portion in the longitudinal direction is the end portion. It is always smaller than the cross-sectional area. With such a small diameter portion 120, the superconducting filament 10 is unlikely to be distorted during aging processing, and unlike the case where the small diameter portion 120 is provided intermittently, the volume and heat capacity of the wire itself are uniform in the longitudinal direction. It will be reduced.

図2は、永久電流スイッチを備える超伝導磁石装置の等価回路を示す図である。
図2に示すように、超伝導磁石装置200は、超伝導コイル1と、超伝導接続された接続部2と、永久電流スイッチ3と、クライオスタット4と、電流リード5と、励磁電源6と、保護抵抗7と、を備えている。図1に示す永久電流スイッチ用の超伝導線材100は、図2に示すような超伝導磁石装置200の永久電流スイッチ3を構成する線材として用いることができる。
FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of a superconducting magnet device including a permanent current switch.
As shown in FIG. 2, the superconducting magnet device 200 includes a superconducting coil 1, a superconductingly connected connection portion 2, a permanent current switch 3, a cryostat 4, a current lead 5, and an exciting power supply 6. It is equipped with a protection resistor 7. The superconducting wire 100 for the permanent current switch shown in FIG. 1 can be used as a wire constituting the permanent current switch 3 of the superconducting magnet device 200 as shown in FIG.

超伝導磁石装置200は、複数の超伝導コイル1を備えている。複数の超伝導コイル1は、互いに直列に超伝導接続されている。超伝導コイル1の個数は、特に限定されるものではないが、例えば、8個等とすることができる。超伝導コイル1を形成する超伝導線材と、永久電流スイッチ3を構成する超伝導線材とは、互いに超伝導接続されており、ゼロ抵抗で通電可能な閉回路を形成している。 The superconducting magnet device 200 includes a plurality of superconducting coils 1. The plurality of superconducting coils 1 are superconductingly connected in series with each other. The number of superconducting coils 1 is not particularly limited, but may be, for example, eight. The superconducting wire forming the superconducting coil 1 and the superconducting wire forming the permanent current switch 3 are superconductingly connected to each other, forming a closed circuit that can be energized with zero resistance.

超伝導コイル1は、MgBまたは高温超伝導体を用いた超伝導線材によって形成される。MgBや高温超伝導体は、クエンチ裕度が大きいため、冷却喪失、緊急減磁等の異常事態に際して、保護抵抗7等の緊急減磁機構の利用が可能である。そのため、保護艇庫7等の緊急減磁機構を付属した超伝導磁石装置200に好適である。高温超伝導体としては、YBCO等のイットリウム系銅酸化物や、BSCCO等のビスマス系銅酸化物等が挙げられる。 The superconducting coil 1 is formed of a superconducting wire using MgB 2 or a high-temperature superconductor. Since MgB 2 and high-temperature superconductors have a large quenching margin, it is possible to use an emergency demagnetization mechanism such as a protective resistance 7 in the event of an abnormal situation such as loss of cooling or emergency demagnetization. Therefore, it is suitable for a superconducting magnet device 200 to which an emergency demagnetization mechanism such as a protective boathouse 7 is attached. Examples of the high-temperature superconductor include yttrium-based copper oxides such as YBCO and bismuth-based copper oxides such as BSCCO.

超伝導磁石装置200は、MRI装置等に用いられる場合、超伝導コイル1の合成インダクタンスが、10~80H程度とされる。超伝導コイル1に蓄積されるエネルギの合計は、2~4MJ程度である。超伝導コイル1に流される運転電流は、300~500A程度である。永久電流スイッチ3を構成する超伝導線材100には、必要な運転電流に対応した臨界電流値や、励磁や減磁を適切に行うためのオフ抵抗が求められる。 When the superconducting magnet device 200 is used in an MRI device or the like, the combined inductance of the superconducting coil 1 is about 10 to 80H. The total energy stored in the superconducting coil 1 is about 2 to 4 MJ. The operating current passed through the superconducting coil 1 is about 300 to 500 A. The superconducting wire 100 constituting the permanent current switch 3 is required to have a critical current value corresponding to a required operating current and an off resistance for appropriately performing excitation and demagnetization.

永久電流スイッチ3は、熱式であり、永久電流スイッチ用の超伝導線材100と、超伝導線材100を加熱するためのヒータと、を備える。熱式の永久電流スイッチ3は、ヒータで加熱されると、ゼロ抵抗であるオン状態から、抵抗を示すオフ状態に切り替わる。永久電流スイッチ3がオフ状態であるとき、超伝導コイル1は、励磁電源6や、保護抵抗7等の緊急減磁機構に対して閉回路を形成するように接続される。 The permanent current switch 3 is a thermal type and includes a superconducting wire 100 for the permanent current switch and a heater for heating the superconducting wire 100. When the thermal type permanent current switch 3 is heated by a heater, it switches from an on state having zero resistance to an off state showing resistance. When the permanent current switch 3 is in the off state, the superconducting coil 1 is connected so as to form a closed circuit with respect to the exciting power supply 6 and the emergency demagnetization mechanism such as the protection resistor 7.

クライオスタット4は、断熱性の容器として設けられ、真空容器や熱輻射シールド等を備える。超伝導コイル1や永久電流スイッチ3は、クライオスタット4の内部に収容される。クライオスタット4の内部は、超伝導コイル1に対して実質的にゼロ抵抗で運転電流を流せるように、臨界温度以下の極低温に冷却される。クライオスタット4の冷却は、例えば、ギフォード・マクマホン(GM)型冷凍機による伝導冷却によって行うことができる。 The cryostat 4 is provided as a heat insulating container, and includes a vacuum container, a heat radiation shield, and the like. The superconducting coil 1 and the permanent current switch 3 are housed inside the cryostat 4. The inside of the cryostat 4 is cooled to an extremely low temperature below the critical temperature so that an operating current can flow through the superconducting coil 1 with substantially zero resistance. Cooling of the cryostat 4 can be performed by, for example, conduction cooling by a Gifford McMahon (GM) type refrigerator.

電流リード5は、クライオスタット4の内部にある永久電流スイッチ3で短絡された超伝導コイル1の閉回路と、クライオスタット4の外部にある励磁電源6、保護抵抗7等とを、断熱的に超伝導接続している。電流リード5は、高温超伝導体で形成され、超伝導線材同士の間に、超伝導半田による半田付けで接続される。電流リード5は、実質的にゼロ抵抗で大電流を通電可能であるが、熱伝導率が低いため、クライオスタット4の内部への熱侵入を抑制することができる。 The current lead 5 adiabatically superconducts the closed circuit of the superconducting coil 1 short-circuited by the permanent current switch 3 inside the cryostat 4, the exciting power supply 6 outside the cryostat 4, the protection resistance 7, and the like. You are connected. The current lead 5 is formed of a high-temperature superconductor, and is connected between the superconducting wires by soldering with superconducting solder. The current lead 5 can carry a large current with substantially zero resistance, but since it has a low thermal conductivity, it is possible to suppress heat intrusion into the cryostat 4.

励磁電源6は、超伝導コイル1に対してコイルを励磁するための電流を供給する電源である。励磁電源6は、クライオスタット4の外部に設置される。励磁電源6の両端子は、電流リード5を介して超伝導コイル1と超伝導接続される。超伝導コイル1は、永久電流スイッチ3がオフ状態であるとき、励磁電源6から電流を供給されて、所定の磁場を発生させる。 The excitation power supply 6 is a power supply that supplies a current for exciting the coil to the superconducting coil 1. The excitation power supply 6 is installed outside the cryostat 4. Both terminals of the exciting power supply 6 are superconductingly connected to the superconducting coil 1 via the current lead 5. When the permanent current switch 3 is in the off state, the superconducting coil 1 is supplied with a current from the exciting power supply 6 to generate a predetermined magnetic field.

保護抵抗7は、緊急時に超伝導コイル1を減磁するときに、超伝導コイル1に蓄積されたエネルギを減衰させる緊急減磁機構を構成している。保護抵抗7は、クライオスタット4の外部に設置される。保護抵抗7の両端部は、電流リード5を介して超伝導コイル1と超伝導接続される。保護抵抗7には、緊急減磁の際に永久電流スイッチ3がオフ状態に切り替わると、超伝導コイル1から電流が流される。保護抵抗7は、超伝導コイル1に蓄積されているエネルギをジュール熱等として消費する。 The protection resistance 7 constitutes an emergency demagnetization mechanism that attenuates the energy stored in the superconducting coil 1 when the superconducting coil 1 is demagnetized in an emergency. The protection resistance 7 is installed outside the cryostat 4. Both ends of the protection resistor 7 are superconductingly connected to the superconducting coil 1 via the current lead 5. When the permanent current switch 3 is switched to the off state at the time of emergency demagnetization, a current flows through the protection resistor 7 from the superconducting coil 1. The protection resistance 7 consumes the energy stored in the superconducting coil 1 as Joule heat or the like.

なお、図2において、緊急減磁機構としては、超伝導コイル1に流れる電流を減衰させる保護抵抗7のみが備えられている。保護抵抗7としては、金属等を用いた固体抵抗器、導電性液体を用いた液体抵抗器等を用いることができる。しかしながら、緊急減磁機構としては、超伝導コイル1に負電圧を印加する電源を備えることもできる。 In FIG. 2, as the emergency demagnetization mechanism, only the protective resistance 7 for attenuating the current flowing through the superconducting coil 1 is provided. As the protection resistance 7, a solid resistor using a metal or the like, a liquid resistor using a conductive liquid, or the like can be used. However, as an emergency demagnetization mechanism, a power source that applies a negative voltage to the superconducting coil 1 can also be provided.

ここで、永久電流スイッチ用の超伝導線材100の構成や作用について、より具体的に説明する。 Here, the configuration and operation of the superconducting wire 100 for the permanent current switch will be described more specifically.

図2に示すような超伝導磁石装置200の緊急減磁の際には、永久電流スイッチ3がオフ状態に切り替えられるが、超伝導コイル1から保護抵抗7等の緊急減磁機構へ向かう電流が、永久電流スイッチ3に分流し得る。永久電流スイッチ3に大電流が分流すると、永久電流スイッチ3を構成する超伝導線材が、ジュール熱で焼損する虞がある。超伝導線材が断線等を起こすと、緊急減磁後の復旧が不能になる。したがって、永久電流スイッチを構成する超伝導線材は、数式(2)で表されるように、複合抵抗率ρが高く、線長Lが長いことが好ましい。 At the time of emergency demagnetization of the superconducting magnet device 200 as shown in FIG. 2, the permanent current switch 3 is switched to the off state, but the current from the superconducting coil 1 to the emergency demagnetization mechanism such as the protection resistor 7 flows. , Can be split into the permanent current switch 3. When a large current is diverted to the permanent current switch 3, the superconducting wire constituting the permanent current switch 3 may be burnt out due to Joule heat. If the superconducting wire breaks, recovery after emergency demagnetization becomes impossible. Therefore, it is preferable that the superconducting wire constituting the permanent current switch has a high resistivity ρ p and a long wire length L p , as expressed by the mathematical formula (2).

しかし、超伝導線材の材料は、超伝導体の種類や、超伝導体の製法毎に、種々の制約の下で選択しなければならない。永久電流スイッチを構成する超伝導線材の線長Lを長くするとしても、製造上や実用上の限界がある。また、線長Lが長いほど、熱容量が大きくなるため、永久電流スイッチをオフ状態に切り替えるとき、ヒータからの入熱量を大きくせざるを得なくなる。入熱量が大きいと、クライオスタットの内部の温度が上昇するため、クエンチのリスクの増大や、緊急減磁後の復旧の長時間化が問題となる。 However, the material of the superconducting wire must be selected under various restrictions depending on the type of superconductor and the manufacturing method of the superconductor. Even if the wire length Lp of the superconducting wire constituting the permanent current switch is lengthened, there are limits in manufacturing and practical use. Further, the longer the wire length Lp , the larger the heat capacity. Therefore, when the permanent current switch is switched to the off state, the amount of heat input from the heater must be increased. If the amount of heat input is large, the temperature inside the cryostat rises, which causes problems such as an increased risk of quenching and a long recovery time after emergency demagnetization.

数式(2)で表されるように、超伝導線材の線径は、断熱変化であるとの仮定の下では、焼損の起こり易さと無関係である。したがって、永久電流スイッチを構成する超伝導線材は、熱容量を小さくする観点からは、線径を小さく設けることが好ましいといえる。但し、永久電流スイッチを構成する超伝導線材の線径は、オン状態で必要な運転電流を流せる範囲で細線化しなければならない。 As expressed by the formula (2), the wire diameter of the superconducting wire is irrelevant to the likelihood of burning under the assumption that it is an adiabatic change. Therefore, it can be said that the superconducting wire constituting the permanent current switch is preferably provided with a small wire diameter from the viewpoint of reducing the heat capacity. However, the wire diameter of the superconducting wire that constitutes the permanent current switch must be thinned to the extent that the required operating current can flow in the ON state.

一般に流通しているMRI装置は、超伝導コイルの電流密度が100~150A・mm-2程度である(非特許文献2参照)。MRI装置の超伝導コイルを形成する超伝導線材は、ホルマールやガラス編組による絶縁被覆で絶縁されている。また、超伝導コイル中の超伝導線材同士の隙間には、機械的擾乱を防ぐために、絶縁性の樹脂が含浸されている。 In the MRI apparatus generally distributed, the current density of the superconducting coil is about 100 to 150 A · mm -2 (see Non-Patent Document 2). The superconducting wire forming the superconducting coil of the MRI apparatus is insulated with an insulating coating made of formal or glass braid. Further, the gap between the superconducting wires in the superconducting coil is impregnated with an insulating resin in order to prevent mechanical disturbance.

超伝導コイルを形成する超伝導線材の断面において、絶縁被覆および含浸樹脂の体積率が15%であると仮定すると、超伝導コイルを形成する超伝導線材の電流密度は、118~176A・mm-2程度と計算される。超伝導コイルに流される運転電流は、300~500A程度であるから、超伝導コイル用の超伝導線材の線径は、1.5~2.5mm程度が一般的であるといえる。 Assuming that the volume ratio of the insulating coating and the impregnated resin is 15% in the cross section of the superconducting wire forming the superconducting coil, the current density of the superconducting wire forming the superconducting coil is 118 to 176 A · mm-. It is calculated as about 2 . Since the operating current flowing through the superconducting coil is about 300 to 500 A, it can be said that the wire diameter of the superconducting wire for the superconducting coil is generally about 1.5 to 2.5 mm.

よって、永久電流スイッチ用の超伝導線材100の線径は、必要な運転電流を流せる範囲で細線化する観点からは、好ましくは2.5mmと同等かそれ以下、より好ましくは1.5mm以下と同等かそれ以下である。超伝導コイルと同様の超伝導体や製法を用いる場合、少なくともこのような線径であれば、簡単には曲がらなくなるため、折損の可能性が低くなる。小径部120の直径は、永久電流スイッチ用の超伝導線材100の線径よりも小さく、好ましくは2.5mm以下、より好ましくは1.5mm以下とする必要がある。 Therefore, the wire diameter of the superconducting wire 100 for the permanent current switch is preferably equal to or less than 2.5 mm, more preferably 1.5 mm or less, from the viewpoint of thinning the wire within the range in which the required operating current can flow. Equivalent or less. When a superconductor or a manufacturing method similar to that of a superconducting coil is used, at least such a wire diameter does not easily bend, so that the possibility of breakage is low. The diameter of the small diameter portion 120 needs to be smaller than the wire diameter of the superconducting wire 100 for the permanent current switch, preferably 2.5 mm or less, and more preferably 1.5 mm or less.

永久電流スイッチ用の超伝導線材100は、超伝導コイル1を形成する超伝導線材と同様に、MgBまたは高温超伝導体を用いて形成することができる。MgBや高温超伝導体を用いた超伝導線材は、クエンチ裕度が大きいため、冷却喪失、緊急減磁等の異常事態に際して、保護抵抗7等の緊急減磁機構の利用が可能である。そのため、保護艇庫7等の緊急減磁機構を付属した超伝導磁石装置200に好適である。 The superconducting wire 100 for the permanent current switch can be formed by using MgB 2 or a high-temperature superconductor, similarly to the superconducting wire forming the superconducting coil 1. Since the superconducting wire using MgB 2 or a high-temperature superconductor has a large quenching margin, it is possible to use an emergency demagnetization mechanism such as a protective resistance 7 in the event of an abnormal situation such as cooling loss or emergency demagnetization. Therefore, it is suitable for a superconducting magnet device 200 to which an emergency demagnetization mechanism such as a protective boathouse 7 is attached.

永久電流スイッチ用の超伝導線材100は、MgBを用いる場合、パウダーインチューブ(PIT)法によって作製することができる。PIT法では、超伝導体の原料粉末を金属管に充填し、金属管に伸線加工を施した後に、反応焼結または自己焼結のための熱処理を施して、コアの超伝導体となる超伝導フィラメントを形成する。 The superconducting wire 100 for the permanent current switch can be manufactured by the powder in-tube (PIT) method when MgB 2 is used. In the PIT method, a metal tube is filled with the raw material powder of a superconductor, the metal tube is wire-drawn, and then heat-treated for reaction sintering or self-sintering to obtain a core superconductor. Form a superconducting filament.

MgBを用いた超伝導線材の製法は、in-situ法とex-situ法とに大別される。in-situ法は、マグネシウムとホウ素の混合粉末を金属管に充填し、熱処理による反応焼結でMgBの超伝導フィラメントを形成する方法である。ex-situ法は、MgBの粉末を金属管に充填し、熱処理による自己焼結でMgBの超伝導フィラメントを形成する方法である。 The method for producing a superconducting wire using MgB 2 is roughly classified into an in-situ method and an ex-situ method. The in-situ method is a method in which a mixed powder of magnesium and boron is filled in a metal tube and reaction sintering by heat treatment is performed to form a superconducting filament of MgB 2 . The ex-situ method is a method in which a powder of MgB 2 is filled in a metal tube and a superconducting filament of MgB 2 is formed by self-sintering by heat treatment.

永久電流スイッチ用の超伝導線材100は、in-situ法およびex-situ法のうち、いずれの方法で作製してもよいが、in-situ法で作製することが好ましい。ex-situ法は、均一な線材の作製が容易であるとされている。in-situ法は、高い臨界電流密度を得るのに有効である。 The superconducting wire 100 for the permanent current switch may be produced by either the in-situ method or the ex-situ method, but it is preferably produced by the in-situ method. The ex-situ method is said to facilitate the production of uniform wire rods. The in-situ method is effective in obtaining a high critical current density.

PIT法において、原料粉末を充填する金属管としては、バリア材で形成された管が用いられる。バリア材は、マグネシウムやホウ素と反応し難い材料であり、熱処理中、原料粉末が意図しない反応を起こすのを防ぐ。熱処理中にマグネシウムやホウ素が他の物質と反応すると、超伝導フィラメントの形成が妨げられ、超伝導線材の臨界電流密度が低くなる。しかし、バリア材で形成された金属管を用いると、マグネシウムとホウ素が適切に反応するため、高い臨界電流密度が得られる。 In the PIT method, a tube formed of a barrier material is used as the metal tube for filling the raw material powder. The barrier material is a material that does not easily react with magnesium and boron, and prevents the raw material powder from causing an unintended reaction during the heat treatment. When magnesium or boron reacts with other substances during the heat treatment, the formation of superconducting filaments is hindered and the critical current density of the superconducting wire becomes low. However, when a metal tube made of a barrier material is used, magnesium and boron react appropriately, so that a high critical current density can be obtained.

原料粉末を充填した金属管は、熱処理後に得られる超伝導線材において、超伝導フィラメントを覆う母材ないしシースとなる。永久電流スイッチの焼損を防止する観点からは、永久電流スイッチ用の超伝導線材100の複合抵抗率が高いことが好ましいため、金属管を構成するバリア材の抵抗率も高いことが好ましい。 The metal tube filled with the raw material powder serves as a base material or a sheath for covering the superconducting filament in the superconducting wire obtained after the heat treatment. From the viewpoint of preventing the permanent current switch from burning, it is preferable that the composite resistivity of the superconducting wire 100 for the permanent current switch is high, so that the resistivity of the barrier material constituting the metal tube is also preferable.

バリア材としては、ニオブ(Nb)、鉄(Fe)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)や、これらの合金等を用いることができる。バリア材としては、永久電流スイッチ用の超伝導線材100の複合抵抗率を高くする観点からは、合金が好ましく、ニオブチタンが特に好ましい。純金属は、不純物散乱が起こり難い。また、臨界温度以下の極低温では、フォノン散乱が起こり難い。これに対し、合金を用いると、永久電流スイッチのオフ抵抗を不純物散乱によって効果的に高めることができる。 As the barrier material, niobium (Nb), iron (Fe), tantalum (Ta), titanium (Ti), alloys thereof and the like can be used. As the barrier material, an alloy is preferable, and niobium-titanium is particularly preferable, from the viewpoint of increasing the composite resistivity of the superconducting wire 100 for a permanent current switch. Impurity scattering is unlikely to occur in pure metals. In addition, phonon scattering is unlikely to occur at extremely low temperatures below the critical temperature. On the other hand, when an alloy is used, the off resistance of the permanent current switch can be effectively increased by scattering impurities.

ここで、永久電流スイッチ用の超伝導線材100をin-situ法で作製した実施例を示す。なお、超伝導フィラメントの材料としては、Cを添加したMgBを用いた。また、超伝導フィラメントを覆うシースの材料、すなわち、原料粉末を充填する金属管のバリア材としては、ニオブチタンを用いた。 Here, an example in which the superconducting wire 100 for a permanent current switch is manufactured by the in-situ method is shown. As the material of the superconducting filament, MgB 2 to which C was added was used. Further, niobium-titanium was used as the material of the sheath covering the superconducting filament, that is, the barrier material of the metal tube filled with the raw material powder.

はじめに、マグネシウム粉末(粒径<45μm、純度99.8%)、ホウ素粉末(粒径<350nm、純度98.5%)、および、炭素源としてのコロネン粉末(C2412)を、元素比がMg:B:C=1:1.94:0.06となるように秤量し、ポットミル装置を用いて十分に混合した。 First, magnesium powder (particle size <45 μm, purity 99.8%), boron powder (particle size <350 nm, purity 98.5%), and coronen powder as a carbon source (C 24 H 12 ) are mixed in elemental ratio. Was weighed so that Mg: B: C = 1: 1.94: 0.06, and the mixture was sufficiently mixed using a pot mill device.

次いで、得られた混合粉末を、直径20mmの二重管に充填した。なお、二重管は、内層がニオブチタン、外層が銅であり、銅で被覆されたニオブチタン製の棒材の中央に貫通孔を加工したものである。銅で被覆されたニオブチタン製の棒材は、ニオブチタンを用いた従来の超伝導線材の中間材料に相当する。 Then, the obtained mixed powder was filled in a double tube having a diameter of 20 mm. In the double tube, the inner layer is niobium-titanium and the outer layer is copper, and a through hole is formed in the center of a bar made of niobium-titanium coated with copper. A bar made of niobium-titanium coated with copper corresponds to an intermediate material of a conventional superconducting wire using niobium-titanium.

二重管に混合粉末を充填した後、二重管に伸線加工を施した。伸線加工の結果、二重管の線径を0.79mmまで縮径させることができた。伸線加工を施した後、二重管を30%硝酸に浸漬させて外層の銅を除去した。その後、アルゴンガスによる不活性雰囲気または真空雰囲気下、700℃で3時間の熱処理を施して、MgBを生成させた。得られた超伝導線材は、線径が0.64mm、MgBの体積率が64%であった。 After filling the double tube with the mixed powder, the double tube was wire drawn. As a result of wire drawing, the wire diameter of the double pipe could be reduced to 0.79 mm. After the wire drawing process, the double tube was immersed in 30% nitric acid to remove the copper in the outer layer. Then, it was heat-treated at 700 ° C. for 3 hours under an inert atmosphere or a vacuum atmosphere with argon gas to generate MgB 2 . The obtained superconducting wire had a wire diameter of 0.64 mm and a volume fraction of MgB 2 of 64%.

図3は、伸線加工後の超伝導線材の前駆体の横断面を示す画像である。
図3には、外層が銅、内層がニオブチタンである二重管に、マグネシウムとホウ素の混合粉末を充填し、伸線加工を施した後に、走査型電子顕微鏡による反射電子像を撮影した結果を示す。図3に示すように、伸線加工後の超伝導線材の前駆体は、内層211と外層212を有する二重管内に、マグネシウムとホウ素の混合粉末210が充填された状態である。
FIG. 3 is an image showing a cross section of a precursor of a superconducting wire after wire drawing.
FIG. 3 shows the results of photographing a backscattered electron image with a scanning electron microscope after filling a double tube having a copper outer layer and a niobium-titanium inner layer with a mixed powder of magnesium and boron and performing wire drawing. show. As shown in FIG. 3, the precursor of the superconducting wire after wire drawing is in a state where a mixed powder 210 of magnesium and boron is filled in a double tube having an inner layer 211 and an outer layer 212.

銅で形成された外層212は、主として、伸線加工時の焼き付きを防ぐために設けられている。銅は、マグネシウム等と反応してMgBの生成を妨げるが、マグネシウムとホウ素の混合粉末210は、バリア材であるニオブチタンで形成された内層211で覆われているため、熱処理時の意図しない反応が防止される。なお、銅で形成された外層212は、超伝導線材の作製後に安定化材として機能し得るが、不要である場合は、熱処理の前等に除去することができる。 The outer layer 212 made of copper is mainly provided to prevent seizure during wire drawing. Copper reacts with magnesium and the like to prevent the formation of MgB 2 , but since the mixed powder 210 of magnesium and boron is covered with the inner layer 211 formed of niobium-titanium, which is a barrier material, an unintended reaction during heat treatment is performed. Is prevented. The outer layer 212 made of copper can function as a stabilizing material after the production of the superconducting wire, but if it is unnecessary, it can be removed before the heat treatment or the like.

図4は、熱処理後の超伝導線材の横断面を示す画像である。
図4には、伸線加工後の超伝導線材の前駆体から外層のみを除去し、熱処理を施した後に、走査型電子顕微鏡による反射電子像を撮影した結果を示す。図4に示すように、熱処理後の超伝導線材は、MgBで形成された超伝導フィラメント10と、超伝導フィラメント10を覆うニオブチタン製のバリア材であるシース11と、を備えている。
FIG. 4 is an image showing a cross section of the superconducting wire after heat treatment.
FIG. 4 shows the results of taking a reflected electron image with a scanning electron microscope after removing only the outer layer from the precursor of the superconducting wire after wire drawing and performing heat treatment. As shown in FIG. 4, the superconducting wire after heat treatment includes a superconducting filament 10 formed of MgB 2 and a sheath 11 which is a barrier material made of niobium titanium for covering the superconducting filament 10.

MgBで形成された超伝導フィラメント10は、バリア材であるシース11の内側に微小な空隙を形成している。マグネシウムとホウ素の反応は、熱処理中、溶融・揮発したマグネシウムがホウ素粒子中に拡散することによって進む。マグネシウムとホウ素の反応でMgBが生成すると、物質としての体積は小さくなり、空隙が形成される。しかし、メカニカルミリングした混合粉末を用いると、最終的な空隙率を低減することができる。 The superconducting filament 10 formed of MgB 2 forms a minute void inside the sheath 11 which is a barrier material. The reaction between magnesium and boron proceeds by the diffusion of molten and volatilized magnesium into the boron particles during the heat treatment. When MgB 2 is produced by the reaction of magnesium and boron, the volume as a substance becomes small and voids are formed. However, mechanically milled mixed powders can be used to reduce the final porosity.

次に、作製した実施例に係る超伝導線材の臨界電流密度を測定した結果を示す。臨界電流密度の測定は、磁気特性測定システム(Magnetic Property Measurement System:MPMS)(Quantum Design社製)を用いて磁化法で行った。線長が約4mmの超伝導線材を切り出し、垂直磁場下で磁化曲線を計測して、次の数式(3)で表される拡張Beanモデルに基づいて、臨界電流密度Jを求めた。 Next, the results of measuring the critical current density of the superconducting wire rod according to the produced example are shown. The critical current density was measured by the magnetization method using a Magnetic Property Measurement System (MPMS) (manufactured by Quantum Design). A superconducting wire having a wire length of about 4 mm was cut out, the magnetization curve was measured under a vertical magnetic field, and the critical current density Jc was obtained based on the extended Bean model represented by the following mathematical formula (3).

Figure 2022041709000004
Figure 2022041709000004

数式(3)中、dは、超伝導フィラメントの直径、ΔMは、磁気ヒステリシスループ(M-H曲線)の幅を表す。 In formula (3), d represents the diameter of the superconducting filament, and ΔM represents the width of the magnetic hysteresis loop (MH curve).

図5は、実施例に係る超伝導線材の臨界電流密度と外部磁場との関係を示す図である。
図5に示すように、作製した実施例に係る超伝導線材の臨界電流密度Jは、外部磁場Bに対して減少関数を示す結果となった。実施例に係る超伝導線材の臨界電流密度Jは、磁場依存性を示し、低温であるほど、外部磁場Bの増加に対する減少が小さくなった。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the critical current density of the superconducting wire according to the embodiment and the external magnetic field.
As shown in FIG . 5, the critical current density Jc of the superconducting wire rod according to the produced example showed a decreasing function with respect to the external magnetic field B. The critical current density Jc of the superconducting wire according to the example showed magnetic field dependence, and the lower the temperature, the smaller the decrease with respect to the increase of the external magnetic field B.

一般に普及している磁場強度1.5TのMRI装置の超伝導コイルは、最大経験磁場が3~5T程度である。一方、永久電流スイッチは、通常、外部磁場が低い場所に設置されており、経験磁場が1T程度以下である。作製した実施例に係る超伝導線材は、15Kにおいて、磁場強度1Tで、臨界電流Icが864Aであった。実施例に係る超伝導線材は、300~500Aの一般的な運転電流に対し、永久電流スイッチ用の超伝導線材として十分な余裕を持っている。 A superconducting coil of a MRI apparatus having a magnetic field strength of 1.5 T, which is widely used, has a maximum empirical magnetic field of about 3 to 5 T. On the other hand, the permanent current switch is usually installed in a place where the external magnetic field is low, and the empirical magnetic field is about 1T or less. The superconducting wire according to the produced example had a magnetic field strength of 1 T and a critical current Ic of 864 A at 15 K. The superconducting wire according to the embodiment has a sufficient margin as a superconducting wire for a permanent current switch with respect to a general operating current of 300 to 500 A.

したがって、実施例に係る超伝導線材は、必要とされる運転電流を流せる範囲で、更なる細線化が可能であるといえる。例えば、線径を0.46mmに縮径させた場合、臨界電流Iが432Aとなるため、運転電流が300A程度であれば、十分な余裕を持つことになる。0.46mm程度の線径は、超伝導コイル用の超伝導線材の数分の一でしかなく、断面積としては一桁小さい。しかし、ある程度の運転電流を流せるため、熱容量を小さくすることができる点で好ましい線径となる。 Therefore, it can be said that the superconducting wire according to the embodiment can be further thinned within the range in which the required operating current can flow. For example, when the wire diameter is reduced to 0.46 mm, the critical current Ic is 432 A, so that if the operating current is about 300 A, there is a sufficient margin. The wire diameter of about 0.46 mm is only a fraction of the superconducting wire for superconducting coils, and the cross-sectional area is an order of magnitude smaller. However, since a certain amount of operating current can be passed, the wire diameter is preferable in that the heat capacity can be reduced.

永久電流スイッチ用の超伝導線材100は、熱容量を小さくする観点からは、線径が小さいほど好ましく、超伝導フィラメント10の直径が、好ましくは1.0mm以下、より好ましくは0.75mm以下、更に好ましくは0.50mm以下であり、0.46mm以下に細線化されることが特に好ましいといえる。永久電流スイッチ用の超伝導線材100は、超伝導コイルよりも低磁場に設置されるため、超伝導コイル用の超伝導線材よりも細線化することができる。 From the viewpoint of reducing the heat capacity, the superconducting wire 100 for the permanent current switch is preferably as small as the wire diameter, and the diameter of the superconducting filament 10 is preferably 1.0 mm or less, more preferably 0.75 mm or less, and further. It is preferably 0.50 mm or less, and it can be said that it is particularly preferable that the wire is thinned to 0.46 mm or less. Since the superconducting wire 100 for the permanent current switch is installed in a lower magnetic field than the superconducting coil, it can be made thinner than the superconducting wire for the superconducting coil.

図6は、実施例に係る超伝導線材の複合抵抗率と温度との関係を示す図である。
図6に示すように、作製した実施例に係る超伝導線材の複合抵抗率は、温度の低下に伴って減少し、37.7Kで超伝導転移を示した。実施例に係る超伝導線材の複合抵抗率は、40Kにおいて、38.7μΩcmであった。なお、電気抵抗の測定は、物理特性測定システム(Physical Property Measurement System:PPMS)(Quantum Design社製)を用いて行った。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the composite resistivity and the temperature of the superconducting wire according to the embodiment.
As shown in FIG. 6, the composite resistivity of the superconducting wire rod according to the produced example decreased with a decrease in temperature, and showed a superconducting transition at 37.7 K. The composite resistivity of the superconducting wire according to the example was 38.7 μΩcm at 40 K. The electrical resistance was measured using a Physical Property Measurement System (PPMS) (manufactured by Quantum Design).

実施例に係る超伝導線材の複合抵抗率は、超伝導フィラメントに不純物を添加することによって高めることができる。例えば、MgBの原料となる粉末に炭素源を添加すると、熱処理中に、MgBの結晶中のホウ素の蜂の巣格子の一部を炭素に置換することができる。異種元素による置換を行うと、原子配列の周期性が乱れるため、超伝導フィラメント自体の残留抵抗を増大させて、緊急減磁中の焼損を防止することができる。 The composite resistivity of the superconducting wire according to the embodiment can be increased by adding an impurity to the superconducting filament. For example, when a carbon source is added to the powder that is the raw material of MgB 2 , a part of the honeycomb lattice of boron in the crystals of MgB 2 can be replaced with carbon during the heat treatment. When substitution with a different element is performed, the periodicity of the atomic arrangement is disturbed, so that the residual resistance of the superconducting filament itself can be increased and burnout during emergency demagnetization can be prevented.

炭素源としては、コロネン、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン等の炭化水素や、ステアリン酸等の有機酸や、有機酸のマグネシウム塩等や、BC、SiC等の無機炭素化合物等を用いることができる。炭素源の添加量は、超伝導フィラメントの原料あたり、2~3質量%とすることが好ましい。このような添加量であると、高い臨界電流を確保しつつ、残留抵抗を増大させる効果を十分に得ることができる。 As the carbon source, hydrocarbons such as coronene, benzene, naphthalene and anthracene, organic acids such as stearic acid, magnesium salts of organic acids and the like, and inorganic carbon compounds such as B4C and SiC can be used. .. The amount of the carbon source added is preferably 2 to 3% by mass per raw material of the superconducting filament. With such an addition amount, the effect of increasing the residual resistance can be sufficiently obtained while ensuring a high critical current.

図7は、実施例に係る超伝導線材の単位体積あたりの複合熱容量と温度との関係を示す図である。
図7において、MgBの比熱は、文献値(Phys. Rev. B 64 (2001) 172515)による。NbTiの比熱は、文献値(CERN Accelerator School-2013講義資料<https://indico.cern.ch/event/194284/contributions/1472798/attachments/281498/393574/CAS_propmat_2013.pdf>)による。MgBフィラメントの比熱は、通常、超伝導フィラメントが40%程度の空隙を生じることを考慮して、物質固有の比熱の60%として計算した値である。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the combined heat capacity and the temperature per unit volume of the superconducting wire according to the embodiment.
In FIG. 7, the specific heat of MgB 2 is based on the literature value (Phys. Rev. B 64 (2001) 172515). The specific heat of NbTi is based on the literature value (CERN Accelerator School-2013 lecture material <https://indico.cern.ch/event/194284/contributions/1472798/attachments/281498/393574/CAS_propmat_2013.pdf>). The specific heat of the MgB 2 filament is a value calculated as 60% of the specific heat peculiar to the substance, considering that the superconducting filament usually produces a void of about 40%.

図7に示すように、実施例に係る超伝導線材の単位体積あたりの複合熱容量は、比熱が大きいニオブチタンを用いることにより、従来のMgBフィラメントよりも大きくなり、40Kにおいて、1.0×10J・m-3・K-1以上、1.0×10J・m-3・K-1以下となった。よって、実施例に係る超伝導線材は、同じ体積で比較した場合に、従来のMgBフィラメントよりも、クエンチ裕度が大きくなり、数式(2)で表される温度の時間変化や積分による到達温度が小さくなる。 As shown in FIG. 7, the composite heat capacity per unit volume of the superconducting wire according to the embodiment is larger than that of the conventional MgB 2 filament by using niobium-titanium having a large specific heat, and is 1.0 × 10 at 40K. It was 5 J ・ m -3・ K -1 or more and 1.0 × 10 6 J ・ m -3・ K -1 or less. Therefore, the superconducting wire according to the embodiment has a larger quenching margin than the conventional MgB 2 filament when compared at the same volume, and is reached by the time change or integration of the temperature represented by the mathematical formula (2). The temperature decreases.

すなわち、実施例に係る超伝導線材は、バリア材としてニオブチタンを用いているため、同じ線長で比較した場合に、従来のMgBフィラメントよりも焼損し難いといえる。バリア材としてニオブチタンを用いると、従来のMgBフィラメントよりも現実的な線長で、緊急減磁の際の焼損を防止できることを意味する。 That is, since the superconducting wire according to the embodiment uses niobium-titanium as the barrier material, it can be said that it is less likely to burn out than the conventional MgB 2 filament when compared with the same wire length. When niobium-titanium is used as the barrier material, the wire length is more realistic than that of the conventional MgB 2 filament, which means that it is possible to prevent burning during emergency demagnetization.

図8は、永久電流スイッチの到達温度と超伝導線材の長さとの関係を示す図である。
図8に示すように、永久電流スイッチの到達温度Tfは、超伝導線材の線長Lが長いほど低くなる。なお、永久電流スイッチの到達温度Tfは、超伝導線材の複合抵抗率(図6参照)と、超伝導線材の複合熱容量(図7参照)から、数式(2)に基づいて、超伝導線材の線長Lの関数として求めることができる。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the ultimate temperature of the permanent current switch and the length of the superconducting wire.
As shown in FIG. 8, the ultimate temperature Tf of the permanent current switch becomes lower as the wire length Lp of the superconducting wire becomes longer. The ultimate temperature Tf of the permanent current switch is determined by the composite resistivity of the superconducting wire (see FIG. 6) and the combined heat capacity of the superconducting wire (see FIG. 7) based on the mathematical formula (2). It can be obtained as a function of the line length L p .

永久電流スイッチを構成する超伝導線材の線長Lが250m以上であれば、永久電流スイッチの到達温度Tfが300K以下となるため、緊急減磁中の焼損が実質的に起こらなくなる。したがって、永久電流スイッチ用の超伝導線材100は、複合抵抗率にもよるが、線長が250m以上であることが好ましいといえる。 When the wire length L p of the superconducting wire constituting the permanent current switch is 250 m or more, the ultimate temperature Tf of the permanent current switch is 300 K or less, so that burning during emergency demagnetization does not occur substantially. Therefore, it can be said that the superconducting wire 100 for the permanent current switch preferably has a wire length of 250 m or more, although it depends on the composite resistivity.

一方、数百m程度の現実的な線長Lに対して、永久電流スイッチの到達温度Tfをより低くするには、高い複合抵抗率が必要である。複合抵抗率を高くするためには、超伝導フィラメントへの不純物の添加や、母材・シースの材料の選定が重要となる。但し、実際の永久電流スイッチでは、超伝導線材の周囲に含浸樹脂やボビンが存在し、含浸樹脂やボビンへの熱伝導が起こるため、到達温度Tfが低くなり、必要な線長Lも短くなる。 On the other hand, in order to lower the ultimate temperature Tf of the permanent current switch for a realistic line length Lp of about several hundred meters, a high resistivity is required. In order to increase the composite resistivity, it is important to add impurities to the superconducting filament and select the base material / sheath material. However, in an actual permanent current switch, an impregnated resin or bobbin exists around the superconducting wire, and heat conduction to the impregnated resin or bobbin occurs, so that the ultimate temperature Tf becomes low and the required wire length Lp is also short. Become.

図8に示すように、永久電流スイッチを構成する超伝導線材の焼損を防止する観点からは、超伝導線材を数百mの線長に設けることが望まれるが、超伝導線材の線長Lが長いと、超伝導線材の体積が大きくなり、全体としての熱容量が大きくなるため、永久電流スイッチを切り替えるとき、ヒータからの入熱量を大きくせざるを得なくなる。 As shown in FIG. 8, from the viewpoint of preventing the superconducting wire constituting the permanent current switch from burning, it is desirable to provide the superconducting wire with a wire length of several hundred meters, but the wire length L of the superconducting wire is L. If p is long, the volume of the superconducting wire becomes large and the heat capacity as a whole becomes large. Therefore, when the permanent current switch is switched, the amount of heat input from the heater must be increased.

超伝導線材の線径は、断熱変化であるとの仮定の下では、焼損の起こり易さとは無関係であるため、ある程度の線長が確保されている限り、線径の自由度がある。したがって、緊急減磁機構を利用する超伝導磁石装置200では、焼損を防止しつつ入熱量を抑制するのに、永久電流スイッチ用の超伝導線材100の細線化が有効であり、製造上や実用上の線長の範囲に対して小径部120を設けることによる効果が大きいといえる。 Since the wire diameter of the superconducting wire is irrelevant to the likelihood of burning under the assumption that it is an adiabatic change, there is a degree of freedom in the wire diameter as long as a certain wire length is secured. Therefore, in the superconducting magnet device 200 that utilizes the emergency demagnetization mechanism, it is effective to make the superconducting wire 100 for the permanent current switch thinner in order to suppress the amount of heat input while preventing burning, and it is effective in manufacturing and practical use. It can be said that the effect of providing the small diameter portion 120 with respect to the range of the upper line length is large.

従来、超伝導コイルにニオブチタンを用いた超伝導磁石装置が普及しているが、ニオブチタンの場合には、クエンチ裕度が小さいため、緊急減磁機構を利用した超伝導コイルの減磁が困難である。ニオブチタンで形成された超伝導コイルは、急激な電流の減少があると、交流損失によってクエンチを起こし、クライオスタットの内部でエネルギを消費することになる。 Conventionally, superconducting magnet devices using niobium-titanium for the superconducting coil have become widespread, but in the case of niobium-titanium, it is difficult to demagnetize the superconducting coil using the emergency demagnetization mechanism because the quenching margin is small. be. A superconducting coil made of niobium-titanium causes a quench due to AC loss when there is a sudden decrease in current, and consumes energy inside the cryostat.

そのため、ニオブチタンを用いた従来の超伝導磁石装置では、クエンチを起こすことを前提とした設計がなされており、焼損を防止するために、超伝導コイルの広い領域でエネルギを消費するように設計されている。従来の超伝導磁石装置の永久電流スイッチを構成する超伝導線材は、高い複合抵抗率が要求されない点や、小径部120が設けられない点等で、永久電流スイッチ用の超伝導線材100と異なっている。 Therefore, conventional superconducting magnet devices using niobium-titanium are designed on the premise of causing quenching, and are designed to consume energy in a wide area of the superconducting coil in order to prevent burning. ing. The superconducting wire that constitutes the permanent current switch of the conventional superconducting magnet device is different from the superconducting wire 100 for the permanent current switch in that a high composite resistivity is not required and that the small diameter portion 120 is not provided. ing.

永久電流スイッチを構成する超伝導線材の端部は、超伝導コイルを形成する超伝導線材と超伝導接続する必要がある。永久電流スイッチを構成する超伝導線材の超伝導フィラメントと、超伝導コイルを形成する超伝導線材の超伝導フィラメントは、運転温度で超伝導転移する組み合わせでなければならない。例えば、MgBを用いた超伝導線材同士を超伝導接続する方法としては、線材同士の間にMgBのバルクを形成する方法(特許文献2等参照)を用いることができる。 The end of the superconducting wire constituting the permanent current switch needs to be superconductingly connected to the superconducting wire forming the superconducting coil. The superconducting filament of the superconducting wire constituting the permanent current switch and the superconducting filament of the superconducting wire forming the superconducting coil must be a combination of superconducting transition at the operating temperature. For example, as a method of superconductingly connecting superconducting wires using MgB 2 , a method of forming a bulk of MgB 2 between the wires (see Patent Document 2 and the like) can be used.

はじめに、互いに超伝導接続させる各超伝導線材の端部に、切削加工、エッチングによる溶解加工等を施し、超伝導フィラメントを露出させる。そして、超伝導線材のそれぞれの端部側を接続用容器に挿入し、露出させた超伝導フィラメント同士を近接させる。その後、接続用容器内の超伝導線材の端部の周辺に、MgBの原料となる粉末を充填し、粉末を加圧して圧縮した後に、金属容器を封止して熱処理する。熱処理を行うと、端部同士の間にMgBのバルクが形成されるため、超伝導フィラメント同士が一体化して互いに超伝導接続される。 First, the ends of each superconducting wire to be superconductingly connected to each other are subjected to cutting, melting by etching, etc. to expose the superconducting filament. Then, each end side of the superconducting wire is inserted into the connecting container, and the exposed superconducting filaments are brought close to each other. After that, the powder as a raw material for MgB 2 is filled around the end of the superconducting wire in the connection container, the powder is pressurized and compressed, and then the metal container is sealed and heat-treated. When the heat treatment is performed, a bulk of MgB 2 is formed between the ends, so that the superconducting filaments are integrated and superconductingly connected to each other.

永久電流スイッチを構成する超伝導線材を超伝導接続するとき、超伝導線材の端部の線径が小さ過ぎると、ハンドリングや前駆体の圧縮等を原因として折損が起こり易くなることが問題となる。超伝導フィラメントは脆いため、過度な歪みが加わると、永久電流を流せないような損傷を受ける。また、超伝導線材の端部の線径が小さ過ぎると、超伝導体同士の接触面積が確保され難くなるため、高い臨界電流が得られなくなる。 When superconducting connections of superconducting wires that make up a permanent current switch, if the wire diameter at the end of the superconducting wires is too small, there is a problem that breakage is likely to occur due to handling, compression of precursors, etc. .. Since superconducting filaments are brittle, excessive strain can cause damage that prevents them from passing a permanent current. Further, if the wire diameter at the end of the superconducting wire is too small, it becomes difficult to secure the contact area between the superconductors, so that a high critical current cannot be obtained.

これに対し、永久電流スイッチ用の超伝導線材100は、線径が相対的に大きく、超伝導フィラメント10の断面積が相対的に大きい端部110を有するため、小径部120を細線化したとしても、末端における機械的強度や、超伝導接続の作業性や、超伝導体同士の接触面積を確保することができる。線材の末端側が大径となり、線材の中央側が小径となるように、線径を長手方向で変えると、熱容量と接続性とのトレードオフに対応することができる。 On the other hand, since the superconducting wire 100 for the permanent current switch has an end portion 110 having a relatively large wire diameter and a relatively large cross-sectional area of the superconducting filament 10, it is assumed that the small diameter portion 120 is thinned. However, it is possible to secure the mechanical strength at the end, the workability of the superconducting connection, and the contact area between the superconductors. By changing the wire diameter in the longitudinal direction so that the end side of the wire has a large diameter and the center side of the wire has a small diameter, it is possible to deal with the trade-off between heat capacity and connectivity.

小径部120における超伝導フィラメント10の横断面積は、端部110における超伝導フィラメント10の横断面積の1/2以下であることが好ましい。1/2以下であると、小径部120に対する端部110の機械的強度に大きな差異が現れ、ハンドリング時や前駆体の圧縮時等に、端部110の折損や損傷が起こり難くなる。 The cross-sectional area of the superconducting filament 10 in the small diameter portion 120 is preferably ½ or less of the cross-sectional area of the superconducting filament 10 in the end portion 110. When it is 1/2 or less, a large difference appears in the mechanical strength of the end portion 110 with respect to the small diameter portion 120, and the end portion 110 is less likely to be broken or damaged during handling, compression of the precursor, or the like.

次に、永久電流スイッチ用の超伝導線材100の製造方法を、MgBを用いる場合を例にとり、より具体的に説明する。 Next, a method for manufacturing the superconducting wire 100 for a permanent current switch will be described more specifically by taking the case of using MgB 2 as an example.

本実施形態に係る永久電流スイッチ用の超伝導線材の製造方法は、マグネシウムとホウ素の粉末を金属管に充填する工程と、粉末が充填された金属管を伸線加工する工程と、伸線加工された金属管の端部同士の間に、スエージング加工を施して、超伝導フィラメントの横断面積が端部における横断面積よりも小さい小径部を形成する工程と、金属管に充填された粉末を熱処理して二ホウ化マグネシウムを生成させる工程と、を含む。 The method for manufacturing a superconducting wire for a permanent current switch according to the present embodiment includes a step of filling a metal tube with magnesium and boron powder, a step of drawing a metal tube filled with the powder, and a wire drawing process. A step of forming a small diameter portion in which the cross-sectional area of the superconducting filament is smaller than the cross-sectional area at the end portion by performing a swaying process between the ends of the metal pipes, and the powder filled in the metal pipe. It includes a step of heat-treating to produce magnesium diboride.

原料の粉末としては、マグネシウム粉末と、ホウ素粉末と、必要に応じて添加する炭素源とを、それぞれ秤量し、均一に粉砕・混合した混合粉末を用いる。混合粉末は、バリア材で形成された金属管に充填する。粉末の粉砕・混合は、ボールミル装置、遊星型ミル装置、V型ミキサ、乳鉢等で行うことができる。粉末は、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気または真空雰囲気で取り扱うことが好ましい。 As the raw material powder, a mixed powder in which magnesium powder, boron powder, and a carbon source to be added as needed are weighed and uniformly crushed and mixed is used. The mixed powder is filled in a metal tube formed of a barrier material. The powder can be crushed and mixed with a ball mill device, a planetary mill device, a V-type mixer, a mortar and the like. The powder is preferably handled in an inert gas atmosphere such as argon gas or nitrogen gas or in a vacuum atmosphere.

粉末の粉砕・混合は、メカニカルミリング法で行うことが好ましい。メカニカルミリング法では、粉末をボール等のメディアやポットの内壁と激しく衝突させて、MgBが明確には生成しない程度の衝突エネルギを加えて、強加工しながら粉砕・混合を行う。なお、MgBが明確に生成しないとは、粉末X線回折においてMgBのピークが実質的に確認されないことを意味する。 The powder is preferably pulverized and mixed by a mechanical milling method. In the mechanical milling method, powder is violently collided with a medium such as a ball or the inner wall of a pot, collision energy is applied to such an extent that MgB 2 is not clearly generated, and crushing / mixing is performed while performing strong processing. The fact that MgB 2 is not clearly generated means that the peak of MgB 2 is not substantially confirmed in the powder X-ray diffraction.

メカニカルミリング法を用いると、Mg粒子の隙間にB粒子が侵入し、MgのマトリックスにBが微細に分散した粉末組織が得られるため、充填率が高い超伝導フィラメントを形成することができる。メカニカルミリングは、例えば、ジルコニア製等のボールメディアや、ジルコニア製等のポットを用いて、遊星型ミル装置等によって行うことができる。 When the mechanical milling method is used, the B particles penetrate into the gaps between the Mg particles, and a powder structure in which B is finely dispersed in the Mg matrix is obtained, so that a superconducting filament having a high filling rate can be formed. Mechanical milling can be performed by a planetary mill device or the like using, for example, a ball medium made of zirconia or the like, or a pot made of zirconia or the like.

粉末が充填された金属管を伸線加工は、超伝導コイルを形成する超伝導線材の場合と同様に、必要な運転電流を流せる範囲で、例えば、1.5~2.5mm程度か、それ以下の線径となるまで行う。伸線加工は、引抜加工、押出加工、スエージ加工、カセットロール加工、溝ロール加工等で行うことができる。伸線加工には、ドローベンチ、静水圧押出機、伸線機、スエージャ、カセットローラダイス、溝ロール等を用いることができる。 As with the superconducting wire that forms a superconducting coil, wire drawing of a metal tube filled with powder is performed within a range in which the required operating current can flow, for example, about 1.5 to 2.5 mm or so. Repeat until the wire diameter is as follows. The wire drawing process can be performed by drawing process, extrusion process, swage process, cassette roll process, groove roll process, or the like. For wire drawing, a draw bench, a hydrostatic pressure extruder, a wire drawing machine, a swager, a cassette roller die, a groove roll, or the like can be used.

スエージング加工は、分割されたダイスが回転しながら棒材を叩いて縮径する鍛造加工であり、回転鍛造とも呼ばれている。スエージング加工は、端部110同士の間に、線径が相対的に小さく、超伝導フィラメント10の断面積が相対的に小さい小径部120が形成されるように、線材の長手方向の中央側のみに施して、端部側に施さない方法や、線材の長手方向に沿って、絞りや圧縮力を変える方法で行うことができる。 The swaging process is a forging process in which the divided dies rotate and hit a bar to reduce the diameter, and is also called rotary forging. In the aging process, the central side in the longitudinal direction of the wire rod is formed so that the small diameter portion 120 having a relatively small wire diameter and a relatively small cross-sectional area of the superconducting filament 10 is formed between the end portions 110. It can be applied only to the end side and not applied to the end side, or it can be applied by changing the drawing force or the compressive force along the longitudinal direction of the wire.

例えば、線材の一方の末端を、加工装置のダイスに通し、細線化する部分に到達したら、絞りを変えて小径部を形成し、他方の末端に到達したら、再び絞りを戻してダイスを通過させると、線材の長手方向の中央側に小径部120を形成することができる。スエージング加工によると、線材の長手方向の一部のみを選択的に縮径させることができるため、任意の長さの小径部120を形成することができる。また、原料粉末を十分に圧縮することができるため、充填率が高い超伝導フィラメントが得られる。 For example, pass one end of the wire through the die of the processing device, and when it reaches the part to be thinned, change the drawing to form a small diameter part, and when it reaches the other end, return the drawing again and let it pass through the die. And, the small diameter portion 120 can be formed on the central side in the longitudinal direction of the wire rod. According to the aging process, only a part of the wire rod in the longitudinal direction can be selectively reduced in diameter, so that the small diameter portion 120 having an arbitrary length can be formed. Further, since the raw material powder can be sufficiently compressed, a superconducting filament having a high filling rate can be obtained.

例えば、粉末が充填された金属管を、線径1.5~2.0mm程度まで引抜加工で細線化した後、金属管の端部同士の間を0.46mm以下程度等までスエージング加工で縮径することができる。なお、これらの線径値は、二重管を用いる場合、二重管の外層を除いた直径を意味する。二重管を用いた場合、スエージング加工を施した後、金属管の外層を除去する。外層の銅は、硝酸で溶解させて除去することができる。 For example, a metal tube filled with powder is thinned by drawing to a wire diameter of about 1.5 to 2.0 mm, and then aged to about 0.46 mm or less between the ends of the metal tube. The diameter can be reduced. When a double pipe is used, these wire diameter values mean the diameter excluding the outer layer of the double pipe. When a double tube is used, the outer layer of the metal tube is removed after aging. The copper in the outer layer can be removed by dissolving it with nitric acid.

スエージング加工を施した金属管には、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気で、MgBを生成させるための熱処理を施す。熱処理温度は、例えば、550~800℃、好ましくは580~700℃とすることができる。このような温度であると、マグネシウムの拡散が進む一方で、生成したMgBの粒成長が抑制されるため、粒界密度が増加して高い臨界電流密度が得られる。線材は、ボビンに巻回し、線材同士の隙間に絶縁性の樹脂を含浸する。 The swaged metal tube is heat-treated to generate MgB 2 in an atmosphere of an inert gas such as argon gas or nitrogen gas. The heat treatment temperature can be, for example, 550 to 800 ° C, preferably 580 to 700 ° C. At such a temperature, while the diffusion of magnesium progresses, the grain growth of the produced MgB 2 is suppressed, so that the grain boundary density increases and a high critical current density can be obtained. The wire is wound around a bobbin, and the gap between the wires is impregnated with an insulating resin.

コイル状に巻回された超伝導線材を作製する方法には、ワインド・アンド・リアクト法と、リアクト・アンド・ワインド法がある。ワインド・アンド・リアクト法は、線材をコイル状に巻回した後に、超伝導フィラメントを形成するための熱処理を施す方法である。リアクト・アンド・ワインド法は、超伝導フィラメントを形成するための熱処理を施した後に、線材をコイル状に巻回する方法である。 There are a wind-and-react method and a reactor-and-wind method as a method for producing a superconducting wire wound in a coil shape. The wind-and-react method is a method in which a wire rod is wound into a coil and then heat-treated to form a superconducting filament. The reactor-and-wind method is a method in which a wire rod is wound into a coil after being heat-treated to form a superconducting filament.

永久電流スイッチ用の超伝導線材100を作製する方法としては、ワインド・アンド・リアクト法を用いることが好ましい。リアクト・アンド・ワインド法の場合、熱処理後の巻回時に歪みを生じ、超伝導フィラメントが損傷する虞があるため、多大な注意を払う必要があり作業性が悪い。ワインド・アンド・リアクト法であれば、小径部120の境界を含む歪みを低減することができる。ワインド・アンド・リアクト法の場合、高温の熱処理を経るため、絶縁被覆としては、ガラス編組を用いることが好ましい。 As a method for producing the superconducting wire 100 for a permanent current switch, it is preferable to use a wind-and-react method. In the case of the reactor-and-wind method, distortion occurs during winding after heat treatment, and the superconducting filament may be damaged. Therefore, great care must be taken and workability is poor. The wind-and-react method can reduce the distortion including the boundary of the small diameter portion 120. In the case of the wind-and-react method, it is preferable to use a glass braid as the insulating coating because it undergoes high-temperature heat treatment.

図9は、永久電流スイッチの一例を模式的に示す図である。
図9に示すように、永久電流スイッチ3は、ボビン301と、ボビン301に巻回された超伝導線材302と、を備えている。ボビン301に巻回する超伝導線材302として、前記の永久電流スイッチ用の超伝導線材100を用いることができる。
FIG. 9 is a diagram schematically showing an example of a permanent current switch.
As shown in FIG. 9, the permanent current switch 3 includes a bobbin 301 and a superconducting wire 302 wound around the bobbin 301. As the superconducting wire 302 wound around the bobbin 301, the superconducting wire 100 for the permanent current switch can be used.

ボビン301は、銅で形成されることが好ましく、無酸素銅で形成されることが特に好ましい。銅は、熱伝導率が高いため、ボビン301に巻回された超伝導線材302を伝導冷却する際に、均一な温度分布を保って冷却を行うことができる。 The bobbin 301 is preferably formed of copper, and particularly preferably of oxygen-free copper. Since copper has a high thermal conductivity, it is possible to maintain a uniform temperature distribution when cooling the superconducting wire 302 wound around the bobbin 301.

ボビン301に巻回される超伝導線材302は、無誘導巻きとされる。無誘導巻きは、超伝導線材302の途中に折り返し部303を作り、折り返し部303からボビン301に巻き付ける方法で形成することができる。無誘導巻きでは、超伝導線材302の両端部が同じ側で口出線304となる。 The superconducting wire 302 wound around the bobbin 301 is non-inductively wound. The non-inductive winding can be formed by forming a folded portion 303 in the middle of the superconducting wire rod 302 and winding the folded portion 303 around the bobbin 301. In the non-inductive winding, both ends of the superconducting wire 302 are on the same side to form the lead wire 304.

図10は、永久電流スイッチの要部を拡大して示す断面図である。図10は、図9における永久電流スイッチ3のA領域を拡大して模式的に示している。
図10に示すように、永久電流スイッチ3には、永久電流スイッチ3をオフ状態に切り替えるためのヒータ305が備えられる。また、ボビン301に巻回された超伝導線材302は、絶縁性の樹脂306に含浸される。
FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view showing a main part of the permanent current switch. FIG. 10 schematically shows the A region of the permanent current switch 3 in FIG. 9 in an enlarged manner.
As shown in FIG. 10, the permanent current switch 3 is provided with a heater 305 for switching the permanent current switch 3 to the off state. Further, the superconducting wire 302 wound around the bobbin 301 is impregnated with the insulating resin 306.

無誘導巻きとされた永久電流スイッチ3では、超伝導線材302が二本一組でボビン301に巻回される。無誘導巻きによると、互いに隣接する超伝導線材302のそれぞれに反対方向の電流が流れるため、インダクタンスが低減される。 In the non-inductive winding permanent current switch 3, the superconducting wire 302 is wound around the bobbin 301 in pairs. According to the non-inductive winding, the inductance is reduced because the current flows in the opposite direction to each of the superconducting wires 302 adjacent to each other.

ボビン301に巻回された超伝導線材302の周囲には、巻線の一層毎に、ヒータ305としてフィルムヒータが挿入されている。フィルムヒータによると、超伝導線材302の端部同士の間を、線材の長手方向に沿って全体的に加熱することができる。すなわち、永久電流スイッチ用の超伝導線材100の小径部120を、線材の長手方向に沿って全体的に加熱することができるため、入熱量を最低限に抑制すると共に、局所的な加熱を防ぐことができる。 A film heater is inserted as a heater 305 for each layer of the winding around the superconducting wire 302 wound around the bobbin 301. According to the film heater, the space between the ends of the superconducting wire 302 can be heated as a whole along the longitudinal direction of the wire. That is, since the small diameter portion 120 of the superconducting wire 100 for the permanent current switch can be heated as a whole along the longitudinal direction of the wire, the amount of heat input can be minimized and local heating can be prevented. be able to.

なお、図10においては、永久電流スイッチ3をオフ状態に切り替えるためのヒータ305として、フィルムヒータを用いているが、フィルムヒータに代えて、ニクロム線を用いてもよい。ニクロム線は、超伝導線材302と共にボビン301に巻回することができる。ワインド・アンド・リアクト法でニクロム線を熱処理する場合、高温の熱処理を経るため、ニクロム線の絶縁被覆としては、ガラス編組を用いることが好ましい。 In FIG. 10, a film heater is used as the heater 305 for switching the permanent current switch 3 to the off state, but a nichrome wire may be used instead of the film heater. The nichrome wire can be wound around the bobbin 301 together with the superconducting wire 302. When the nichrome wire is heat-treated by the wind-and-react method, it undergoes high-temperature heat treatment. Therefore, it is preferable to use a glass braid as the insulating coating of the nichrome wire.

以上の永久電流スイッチ用の超伝導線材や、その製造方法によると、超伝導線材の端部同士の間に、線径が相対的に小さく、超伝導フィラメントの断面積が相対的に小さい小径部が設けられるため、端部について機械的強度や超伝導接続の接続性を確保しつつ、線材全体としての体積および熱容量を小さくすることができる。永久電流スイッチをオフ状態に切り替えるときに、ヒータからの入熱量が小さく済むため、クライオスタットの内部の温度上昇を抑制して、クエンチのリスクの増大や、緊急減磁後の復旧の所要時間の長時間化を防ぐことができる。 According to the above-mentioned superconducting wire rod for permanent current switch and its manufacturing method, a small diameter portion having a relatively small wire diameter and a relatively small cross-sectional area of the superconducting filament between the ends of the superconducting wire rod. Therefore, it is possible to reduce the volume and heat capacity of the wire as a whole while ensuring the mechanical strength and the connectivity of the superconducting connection at the end portion. Since the amount of heat input from the heater is small when the permanent current switch is switched off, the temperature rise inside the cryostat is suppressed, the risk of quenching increases, and the time required for recovery after emergency demagnetization is long. It is possible to prevent time.

また、以上の永久電流スイッチ用の超伝導線材や、その製造方法によると、線径が相対的に大きく、超伝導フィラメントの断面積が相対的に大きい端部が設けられるため、端部の機械的強度や超伝導接続の接続性が良好になる。永久電流スイッチを超伝導接続するにあたり、永久電流スイッチを構成する超伝導線材の端部において、折損や、超伝導フィラメントの損傷が抑制される。また、接続用容器等を用いる超伝導接続の作業性を改善することができる。 Further, according to the above-mentioned superconducting wire for a permanent current switch and the manufacturing method thereof, an end having a relatively large wire diameter and a relatively large cross-sectional area of the superconducting filament is provided, so that the end machine is provided. The strength of the target and the connectivity of the superconducting connection are improved. In superconducting connection of the permanent current switch, breakage and damage to the superconducting filament are suppressed at the end of the superconducting wire constituting the permanent current switch. In addition, the workability of superconducting connection using a connection container or the like can be improved.

また、以上の永久電流スイッチ用の超伝導線材や、その製造方法によると、超伝導線材の複合抵抗率に影響する材料や、超伝導線材の線長の適切な選定により、緊急減磁中の永久電流スイッチの焼損を防止することができる。線径が相対的に小さく、超伝導フィラメントの断面積が相対的に小さい小径部を設けるにあたり、超伝導線材の線径は、焼損の起こり易さと無関係と見做せるため、線材全体としての熱容量を小さくするという目標に対して、線長の選定自由度が高くなるといえる。 In addition, according to the above-mentioned superconducting wire for permanent current switch and its manufacturing method, the material that affects the composite resistivity of the superconducting wire and the wire length of the superconducting wire are appropriately selected for emergency demagnetization. It is possible to prevent the permanent current switch from burning. In providing a small diameter portion with a relatively small wire diameter and a relatively small cross-sectional area of the superconducting filament, the wire diameter of the superconducting wire is considered to be irrelevant to the likelihood of burning, so the heat capacity of the entire wire is It can be said that the degree of freedom in selecting the line length increases with respect to the goal of reducing the size.

よって、以上の永久電流スイッチ用の超伝導線材や、その製造方法によると、熱容量が小さい永久電流スイッチを備えた超伝導磁石装置を、良好な超伝導接続の作業性の下で提供することができる。クエンチ裕度が大きいMgBや高温超伝導体を用いることにより、保護抵抗や電源等の緊急減磁機構の利用が可能になると共に、永久電流スイッチを構成する超伝導線材の大幅な細線化が可能になる。 Therefore, according to the above-mentioned superconducting wire rod for a permanent current switch and the manufacturing method thereof, it is possible to provide a superconducting magnet device equipped with a permanent current switch having a small heat capacity under good workability of a superconducting connection. can. By using MgB 2 with a large quenching margin and high-temperature superconductors, it is possible to use emergency demagnetization mechanisms such as protection resistance and power supply, and the superconducting wires that make up the permanent current switch can be significantly thinned. It will be possible.

このような緊急減磁機構の利用や大幅な細線化は、クエンチ裕度が大きいMgBや高温超伝導体に限られた対策である可能性が高い。従来のニオブチタンでは、熱的安定性が低く、常にクエンチのリスクを伴うため、含浸樹脂のクラック等による僅かな発熱で焼損する可能性がある。クエンチ裕度が大きいMgBや高温超伝導体であれば、十分な細線化が可能であり、線径が相対的に小さく、超伝導フィラメントの断面積が相対的に小さい小径部による効果を適切に得ることができる。 It is highly possible that the use of such an emergency demagnetization mechanism and the drastic thinning of wires are measures limited to MgB 2 having a large quenching margin and high-temperature superconductors. Conventional niobium-titanium has low thermal stability and always has a risk of quenching, so that it may be burnt out by a slight heat generation due to cracks in the impregnated resin or the like. If MgB 2 or a high-temperature superconductor with a large quenching margin, sufficient thinning is possible, the effect of the small diameter part with a relatively small wire diameter and a relatively small cross-sectional area of the superconducting filament is appropriate. Can be obtained.

図11は、本発明の変形例に係る永久電流スイッチ用の超伝導線材を模式的に示す図である。
図11に示すように、永久電流スイッチを構成する超伝導線材は、端部から段階的に細線化された形態(変形例に係る永久電流スイッチ用の超伝導線材500)として設けることもできる。
FIG. 11 is a diagram schematically showing a superconducting wire for a permanent current switch according to a modified example of the present invention.
As shown in FIG. 11, the superconducting wire constituting the permanent current switch can also be provided as a form in which the wire is gradually thinned from the end portion (superconducting wire 500 for the permanent current switch according to the modified example).

変形例に係る永久電流スイッチ用の超伝導線材500は、線径が相対的に大きく、超伝導フィラメント10の断面積が相対的に大きい端部510と、線径が相対的に小さく、超伝導フィラメント10の断面積が相対的に小さい小径部520と、を有している。図11において、小径部520は、後記するように、端部510から段階的に縮径されている。このような小径部520は、スエージング加工によって形成することができる。 The superconducting wire 500 for a permanent current switch according to a modified example has an end portion 510 having a relatively large wire diameter and a relatively large cross-sectional area of the superconducting filament 10, and a superconducting wire having a relatively small wire diameter. The filament 10 has a small diameter portion 520 having a relatively small cross-sectional area. In FIG. 11, the small diameter portion 520 is gradually reduced in diameter from the end portion 510 as described later. Such a small diameter portion 520 can be formed by aging processing.

例えば、線材の一方の末端を、加工装置を停止してダイスに通し、細線化する部分に到達したら、装置を始動して小径部を形成し、他方の末端に到達したら、再び装置を停止してダイスを通過させると、線材の長手方向の中央側に小径部520を形成することができる。或いは、線材の末端側については、小さい圧縮力・大きい絞りで加工し、中央側については、大きい圧縮力・小さい絞りで加工する方法を用いてもよい。 For example, when one end of the wire is passed through the die by stopping the processing device and reaches the part to be thinned, the device is started to form a small diameter part, and when it reaches the other end, the device is stopped again. When the die is passed through the die, a small diameter portion 520 can be formed on the central side in the longitudinal direction of the wire rod. Alternatively, a method may be used in which the end side of the wire is processed with a small compressive force and a large drawing, and the center side is processed with a large compressive force and a small drawing.

図11において、永久電流スイッチ用の超伝導線材500の小径部520は、端部510から一段階で縮径されているが、二以上の複数段階で縮径されてもよい。例えば、線材の端部よりも長手方向の中央側に、線径が小さい部位を形成し、その部位よりも長手方向の中央側に、線径が更に小さい部位を形成することができる。 In FIG. 11, the small diameter portion 520 of the superconducting wire 500 for the permanent current switch is reduced in diameter from the end portion 510 in one step, but may be reduced in two or more steps. For example, a portion having a smaller wire diameter can be formed on the central side in the longitudinal direction from the end portion of the wire rod, and a portion having a smaller wire diameter can be formed on the central side in the longitudinal direction than the portion.

このような永久電流スイッチ用の超伝導線材500によると、端部510から段階的に細線化される形状であるため、加工装置の簡単な操作で作製することができる。端部510から複数段階で細線化すると、小径部520の超伝導フィラメントを形成する原料粉末が急激には圧縮されないため、長手方向の均一性が高い超伝導フィラメントを形成することができる。 According to the superconducting wire 500 for such a permanent current switch, since the shape is gradually thinned from the end 510, it can be manufactured by a simple operation of a processing device. When the end portion 510 is thinned in a plurality of steps, the raw material powder forming the superconducting filament of the small diameter portion 520 is not rapidly compressed, so that a superconducting filament having high uniformity in the longitudinal direction can be formed.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、本発明は、必ずしも前記の実施形態が備える全ての構成を備えるものに限定されない。或る実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えたり、或る実施形態の構成の一部を他の形態に追加したり、或る実施形態の構成の一部を省略したりすることができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the present invention is not necessarily limited to those having all the configurations included in the above embodiment. Replacing part of the configuration of one embodiment with another, adding part of the configuration of one embodiment to another, or omitting part of the configuration of one embodiment. Can be done.

例えば、前記の永久電流スイッチ用の超伝導線材100,500においては、小径部120,520は、超伝導線材100,500の長手方向に沿って連続的に設けられているが、線径が相対的に小さく、超伝導フィラメントの断面積が相対的に小さい小径部は、超伝導線材の長手方向に沿って断続的に設けられてもよい。すなわち、相対的に大径に設けられた部位を挟むように、線材の長手方向に沿って複数箇所に設けられてもよい。複数の小径部は、線径が互いに同一であってもよいし、線径が互いに異なっていてもよい。 For example, in the superconducting wire rods 100 and 500 for the permanent current switch, the small diameter portions 120 and 520 are continuously provided along the longitudinal direction of the superconducting wire rods 100 and 500, but the wire diameters are relative to each other. Small diameter portions that are relatively small and have a relatively small cross-sectional area of the superconducting filament may be provided intermittently along the longitudinal direction of the superconducting wire. That is, they may be provided at a plurality of locations along the longitudinal direction of the wire so as to sandwich the portions provided with a relatively large diameter. The plurality of small diameter portions may have the same wire diameter or different wire diameters.

また、前記の永久電流スイッチ用の超伝導線材100,500は、一本の超伝導フィラメントを備える単芯線とされているが、複数本の超伝導フィラメントを備える多芯線とされてもよい。超伝導線材を多芯線とすると、交流損失を低減しつつ、高い運転電流を流すことができる。多芯線は、原料粉末を充填した複数の金属管を束ねて別の金属管に挿入し、伸線加工、スエージング加工、熱処理を行うことによって作製することができる。 Further, the superconducting wires 100 and 500 for the permanent current switch are single-core wires having one superconducting filament, but may be multi-core wires having a plurality of superconducting filaments. If the superconducting wire is a multi-core wire, a high operating current can be passed while reducing the AC loss. The multi-core wire can be produced by bundling a plurality of metal tubes filled with raw material powder, inserting them into another metal tube, and performing wire drawing, aging, and heat treatment.

また、前記の永久電流スイッチ用の超伝導線材100,500は、超伝導接続を適切に行うために端部110,510を設けられるが、超伝導接続の方法は、特に限定されるものではない。互いに超伝導接続させる超伝導線材の位置関係、前駆体の種類、超伝導接続に用いる容器の形状・構造、前駆体の圧縮方法等は、適宜の条件とすることができる。前駆体としては、マグネシウムとホウ素の他に、MgBの粉末を用いることもできる。 Further, the superconducting wires 100 and 500 for the permanent current switch are provided with ends 110 and 510 in order to appropriately perform superconducting connection, but the method of superconducting connection is not particularly limited. .. The positional relationship of the superconducting wires to be superconductingly connected to each other, the type of the precursor, the shape and structure of the container used for the superconducting connection, the compression method of the precursor, and the like can be set as appropriate conditions. As the precursor, in addition to magnesium and boron, MgB 2 powder can also be used.

1 超伝導コイル
2 接続部
3 永久電流スイッチ
4 クライオスタット
5 電流リード
6 励磁電源
7 保護抵抗
10 超伝導フィラメント
11 シース
100 超伝導線材
110 端部
120 小径部
200 超伝導磁石装置
301 ボビン
302 超伝導線材
303 折り返し部
304 口出線
305 ヒータ
306 樹脂
1 Superconducting coil 2 Connection part 3 Permanent current switch 4 Cryostat 5 Current lead 6 Excited power supply 7 Protective resistance 10 Superconducting filament 11 Sheath 100 Superconducting wire 110 End 120 Small diameter 200 Superconducting magnet device 301 Bobin 302 Superconducting wire 303 Folded part 304 Outlet wire 305 Heater 306 Resin

Claims (9)

超伝導磁石の永久電流スイッチを構成する永久電流スイッチ用の超伝導線材であって、
超伝導線材の端部同士の間に、超伝導フィラメントの横断面積が前記端部における横断面積よりも小さい小径部を有する超伝導線材。
A superconducting wire for a permanent current switch that constitutes a permanent current switch of a superconducting magnet.
A superconducting wire having a small diameter portion between the ends of the superconducting wire whose cross-sectional area of the superconducting filament is smaller than the cross-sectional area at the end.
請求項1に記載の永久電流スイッチ用の超伝導線材であって、
前記小径部は、前記超伝導線材の端部同士の間に、前記超伝導線材の長手方向に沿って設けられており、
前記超伝導線材の長手方向の中央部の前記超伝導フィラメントの横断面積が、前記超伝導線材の端部の前記超伝導フィラメントの横断面積よりも小さい超伝導線材。
The superconducting wire for the permanent current switch according to claim 1.
The small diameter portion is provided between the ends of the superconducting wire along the longitudinal direction of the superconducting wire.
A superconducting wire whose cross-sectional area of the superconducting filament at the center in the longitudinal direction of the superconducting wire is smaller than the cross-sectional area of the superconducting filament at the end of the superconducting wire.
請求項1に記載の永久電流スイッチ用の超伝導線材であって、
前記小径部における前記超伝導フィラメントの横断面積は、前記端部における前記超伝導フィラメントの横断面積の1/2以下である超伝導線材。
The superconducting wire for the permanent current switch according to claim 1.
A superconducting wire whose cross-sectional area of the superconducting filament in the small diameter portion is ½ or less of the cross-sectional area of the superconducting filament at the end portion.
請求項1に記載の永久電流スイッチ用の超伝導線材であって、
前記超伝導フィラメントと、前記超伝導フィラメントの周囲を覆うバリア材と、を備え、
前記超伝導フィラメントは、二ホウ化マグネシウムで形成されており、
前記バリア材は、ニオブチタンで形成されている超伝導線材。
The superconducting wire for the permanent current switch according to claim 1.
A superconducting filament and a barrier material that covers the periphery of the superconducting filament are provided.
The superconducting filament is made of magnesium diboride.
The barrier material is a superconducting wire made of niobium-titanium.
永久電流スイッチ用の超伝導線材の製造方法であって、
マグネシウムとホウ素の粉末を金属管に充填する工程と、
前記粉末が充填された前記金属管を伸線加工する工程と、
伸線加工された前記金属管の端部同士の間に、スエージング加工を施して、超伝導フィラメントの横断面積が前記端部における横断面積よりも小さい小径部を形成する工程と、
前記金属管に充填された前記粉末を熱処理して二ホウ化マグネシウムを生成させる工程と、を含む超伝導線材の製造方法。
A method for manufacturing superconducting wires for permanent current switches.
The process of filling a metal tube with magnesium and boron powder,
The step of wire drawing the metal tube filled with the powder, and
A step of performing aging processing between the ends of the wire-drawn metal pipes to form a small diameter portion in which the cross-sectional area of the superconducting filament is smaller than the cross-sectional area at the ends.
A method for producing a superconducting wire, which comprises a step of heat-treating the powder filled in the metal tube to produce magnesium diboride.
請求項5に記載の超伝導線材の製造方法であって、
前記金属管は、内層と外層を備える二重管であり、
前記内層は、ニオブチタンで形成されており、
前記外層は、銅で形成されている超伝導線材の製造方法。
The method for manufacturing a superconducting wire according to claim 5.
The metal tube is a double tube having an inner layer and an outer layer.
The inner layer is made of niobium-titanium.
The method for manufacturing a superconducting wire whose outer layer is made of copper.
請求項6に記載の超伝導線材の製造方法であって、
前記外層は、前記スエージング加工の後、且つ、前記熱処理の前に前記二重管から除去される超伝導線材の製造方法。
The method for manufacturing a superconducting wire according to claim 6.
A method for producing a superconducting wire, wherein the outer layer is removed from the double tube after the aging process and before the heat treatment.
超伝導コイルと、
永久電流スイッチ用の超伝導線材で構成された永久電流スイッチと、
前記超伝導コイルおよび前記永久電流スイッチを収容したクライオスタットと、
前記超伝導コイルを減磁するときに前記超伝導コイルに蓄積されたエネルギを減衰させる緊急減磁機構と、を備え、
前記永久電流スイッチ用の超伝導線材は、超伝導線材の末端同士の間に、超伝導フィラメントの横断面積が前記末端における横断面積よりも小さい小径部を有する超伝導線材であり、
前記緊急減磁機構は、前記超伝導コイルに蓄積されたエネルギを前記クライオスタットの外部で減衰させる超伝導磁石装置。
With a superconducting coil
Permanent current switch composed of superconducting wire for permanent current switch,
A cryostat containing the superconducting coil and the permanent current switch,
It is equipped with an emergency demagnetization mechanism that attenuates the energy stored in the superconducting coil when the superconducting coil is demagnetized.
The superconducting wire for the permanent current switch is a superconducting wire having a small diameter portion between the ends of the superconducting wire whose cross-sectional area of the superconducting filament is smaller than the cross-sectional area at the end.
The emergency demagnetization mechanism is a superconducting magnet device that attenuates the energy stored in the superconducting coil outside the cryostat.
請求項8に記載の超伝導磁石装置であって、
前記緊急減磁機構は、電流を減衰させる保護抵抗、または、負電圧を印加する電源である超伝導磁石装置。
The superconducting magnet device according to claim 8.
The emergency demagnetization mechanism is a superconducting magnet device that is a protective resistance that attenuates a current or a power source that applies a negative voltage.
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