JP2022157696A - 超伝導線材、超伝導磁石および超伝導機器 - Google Patents

Abstract

【課題】実用的なフィラメント径を有するＰＣＳ用または変動磁場用ＭｇＢ２線材において、臨界電流密度特性および工業的臨界電流密度特性の向上と、金属シースの高抵抗化とを両立した超伝導線材およびこれを用いた超伝導磁石ならびに超伝導機器を提供することにある。【解決手段】本発明に係る超伝導線材１０は、超伝導フィラメント１と、前記超伝導フィラメント１を被覆するステンレス鋼シース２と、を有し、前記超伝導フィラメント１の直径が、０．６ｍｍ以下であり、前記超伝導フィラメント１の組成が、マグネシウム１モルに対してホウ素が２．６モル以上であることとした。【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導線材、超伝導磁石および超伝導機器に関する。

磁気共鳴画像（ＭＲＩ；Magnetic Resonance Imaging）装置や核磁気共鳴（ＮＭＲ；Nuclear Magnetic Resonance）装置などの超伝導機器は、超伝導コイルに大きな電流密度で通電することによって強力な磁場を得ている。銅線で電磁石を作製する場合、銅線の断面積あたりの電流密度は数Ａ／ｍｍ^２程度であるが、超伝導コイルの場合は数百Ａ／ｍｍ^２程度の高い電流密度に設定している。従来の超伝導コイルには主に低温超伝導線材であるＮｂＴｉ線材が用いられているが、その動作温度は約４Ｋと低いため、主に液体ヘリウムによる冷却が必要である。近年のヘリウム受給逼迫に伴い、液体ヘリウムを必要としない高い温度で使用できるＭｇＢ_２超伝導線材（以下、単に「ＭｇＢ_２線材」と呼ぶことがある）が開発されている。

一般的なＭｇＢ_２線材の製法としてパウダーインチューブ法がある。パウダーインチューブ法は、金属管の中にＭｇ粉末およびＢ粉末の混合粉末（またはＭｇＢ_２粉末）を充填した後、所望の線径まで伸線加工を施し、熱処理を行う。このようにして製造されるＭｇＢ_２線材中のＭｇＢ_２部は、超伝導フィラメント、ＭｇＢ_２フィラメントあるいは単にフィラメントなどと呼ばれている。また、ＭｇＢ_２線材中の金属部分は、金属シース、バリア材、鞘（以下、これらを代表して「金属シース」と呼んだり、素材に応じて「ステンレス鋼シース」などと呼んだりする）などと呼ばれている。なお、フィラメント部と金属シースの界面において、ホウ素化合物の層が生成される場合があるが、このホウ素化合物の層までをフィラメントに含める。

ＭｇＢ_２超伝導体の臨界温度は３９Ｋであり、従来の低温超伝導線材よりも高温域で使用可能である。一般的に、ＮｂＴｉ線材からなる超伝導コイルは、液体ヘリウムの温度に近い４Ｋ程度で運転されるが、ＭｇＢ_２線材からなる超伝導コイルは、１０Ｋ以上で運転されることが多い。金属材料の熱容量は、温度が４Ｋから１０Ｋに上昇すると、一桁程度増大する。この熱容量の増大は、ある発熱に対する超伝導コイルの温度上昇を防ぐ役割をもつ。

ＭｇＢ_２線材をＭＲＩ装置などの超伝導機器に用いる場合、磁場の高安定性が求められる。そのため、複数個の超伝導コイルおよび超伝導線材からなる永久電流スイッチ（ＰＣＳ）の間をほぼ電気抵抗ゼロとなる超伝導接続にて接続する必要がある（永久電流運転）。一方で、ＰＣＳには一般的に超伝導状態を維持できない温度へと昇温することで所望の電気抵抗を発生させて超伝導コイルの永久電流運転をＯＦＦにする機能（スイッチＯＦＦ）が必要である。よって、ＭｇＢ_２線材からなるＰＣＳでは、比較的少ない熱量によるスイッチＯＦＦ化のために、ＰＣＳに用いるＭｇＢ_２線材の単位長さあたりの電気抵抗を高める必要がある。そのため、ＭｇＢ_２線材に用いられる金属シースの高抵抗化が望まれている。

また、ＭＲＩのように、超伝導コイルを一定の磁場を発生させる電磁石として用いる応用が実現されている一方で、モータや発電機のように変動磁場を発生させる電磁石として用いる応用も検討されている。超伝導線材・コイルを変動磁場中で使用する際、超伝導線材における履歴損失と結合損失とからなる交流損失を低減することが課題である。なお、履歴損失とは、磁束の移動に伴う損失をいう。履歴損失の低減には超伝導線材中の超電導フィラメントの直径を細くすればよいことが知られている。また、結合損失とは、フィラメントを複数有する多芯線特有のものであり、誘起される遮蔽電流が常伝導母材を横切る際に発生するジュール損失をいう。結合損失の低減には、超伝導線材におけるツイストピッチの短縮化、フィラメント間の金属や金属シースの非磁性化および高抵抗化が重要であることが知られている。

このように、ＰＣＳ用や変動磁場用のＭｇＢ_２線材における金属シースの高抵抗化が重要である一方、高抵抗化を担う金属管（金属シース）の入手性や加工性、さらにＭｇＢ_２フィラメントの臨界電流密度特性も重要である。

ＰＣＳ用や変動磁場用のＭｇＢ_２線材の作製にあたっては、例えば、パウダーインチューブ法に関する技術が開示されている特許文献１に、十分な加工性を有する金属管としてステンレス鋼管が記載されている。ステンレス鋼管は入手しやすく、また、従来の金属シースである鉄やニオブと比較して高抵抗率であるため、前記した用途における金属シースとして好ましい候補といえる。

また、例えば、特許文献２には、炭素化二ホウ化マグネシウム（二ホウ化マグネシウムを構成するホウ素の一部が炭素に置換されたもの）に含まれるホウ素および炭素のモル比をマグネシウムに対して所定の割合とする旨記載されている。特許文献２には、このようにすることで高臨界電流密度が得られると記載されている。

特開２００５－３１０６００号公報 特開２０１３－１６３９６号公報

実際のＰＣＳ用や変動磁場用のＭｇＢ_２線材では、必要とされるフィラメントの直径（フィラメント径）が異なる。ＰＣＳ用のＭｇＢ_２線材においては、交流損失抑制は主な課題ではないため、比較的太い０．６ｍｍ程度のフィラメント径を有する単芯線構造が適している。一方、変動磁場用のＭｇＢ_２線材においては、交流損失を抑制する必要があるため、０．５ｍｍ以下さらには０．０５ｍｍ以下のフィラメント径を有する多芯線構造が適している。

いずれのＭｇＢ_２線材においても、ＭｇＢ_２フィラメントを直接包む金属シースとしてステンレス鋼管を用いることがある。ステンレス鋼管は入手性に優れる反面、熱処理によってＭｇＢ_２を生成する際に、ステンレス鋼に含まれるＦｅ、ＮｉなどがＢと反応してしまう。そのため、ＭｇＢ_２の生成反応が阻害されるという問題がある。金属シースにＮｂを用いることで、すなわちステンレス鋼管とＭｇＢ_２フィラメントの間にＮｂ管を挿入する形とすることで、臨界電流特性の低下を防ぐことができる。しかし、ＭｇＢ_２線材に占めるＭｇＢ_２フィラメントの面積率が低下し、線材断面積あたりの臨界電流密度、すなわち、工業的臨界電流密度が低下してしまうため、好ましい線材構成とは言えない。なお、単に臨界電流密度とは、ＭｇＢ_２フィラメントの臨界電流密度をいい、工業的臨界電流密度とは区別して使用する。また、前述したように、ＰＣＳ用や変動磁場用のＭｇＢ_２線材における金属シースの高抵抗化が重要である。

本発明の課題は、実用的なフィラメント径を有するＰＣＳ用または変動磁場用ＭｇＢ_２線材において、臨界電流密度特性および工業的臨界電流密度特性の向上と、金属シースの高抵抗化とを両立した超伝導線材およびこれを用いた超伝導磁石ならびに超伝導機器を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明に係る超伝導線材は、超伝導フィラメントと、前記超伝導フィラメントを被覆するステンレス鋼シースと、を有し、前記超伝導フィラメントの直径が、０．６ｍｍ以下であり、前記超伝導フィラメントの組成が、マグネシウム１モルに対してホウ素が２．６モル以上であることとした。

本発明によれば、実用的なフィラメント径を有するＰＣＳ用または変動磁場用ＭｇＢ_２線材において、臨界電流密度特性および工業的臨界電流密度特性の向上と、金属シースの高抵抗化とを両立した超伝導線材およびこれを用いた超伝導磁石ならびに超伝導機器を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る超伝導線材の横断面概略図である。 本発明の第６実施形態に係る超伝導線材の一態様を示す横断面概略図である。 本発明の第６実施形態に係る超伝導線材の他の態様を示す横断面概略図である。 本発明の第７実施形態に係る超伝導磁石の構成を示す概念図である。 超伝導接続部の一構成例を示す斜視透視図である。 本発明の第９実施形態に係る超伝導機器の構成を示す概略構成図である。 超伝導回転機の構成の一例を示す概略図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

（第１実施形態）
［超伝導線材］
図１は、本発明の第１実施形態に係る超伝導線材１０の横断面概略図である。図１に示すように、超伝導線材１０は、超伝導フィラメント１と、超伝導フィラメント１を被覆するステンレス鋼シース２とを有する。この超伝導線材１０は、横断面における中心に超伝導フィラメント１を１本有しており、単芯線と呼ばれている。なお、図１では、横断面が円形となる超伝導線材１０を示したが、これに限定されるものではない。例えば、超伝導線材１０の横断面の形状は、四角形、五角形、六角形などとすることができる。

第１実施形態における超伝導フィラメント１の直径（フィラメント径）は、０．６ｍｍ以下である。なお、前記フィラメント径は、超伝導フィラメント１の横断面の形状が円形以外の場合には、その横断面における最大寸法（例えば、最大の長さを有する対角線）をいう。フィラメント径が０．６ｍｍ以下であると、ＰＣＳ用や変動磁場用の線材として好適に用いることができる。なお、フィラメント径は０．５ｍｍ以下、０．４ｍｍ以下、０．３ｍｍ以下、０．２ｍｍ以下、０．１ｍｍ以下または０．０５ｍｍ以下とすることができる。このようにすると、ＰＣＳに用いた際にＯＦＦ時の単位長さあたりの抵抗を高めることができる。また、フィラメント径は０．２ｍｍ以上とすることが好ましい。このようにすると、線材のハンドリングによる断線を回避しやすくできる。なお、フィラメント径は、伸線工程により伸線した後の径である。

また、第１実施形態における超伝導フィラメント１の組成は、マグネシウム（Ｍｇ）１モルに対してホウ素（Ｂ）が２．６モル以上である。超伝導フィラメント１の組成をこのようにすると、超伝導フィラメント１生成時の熱処理によってステンレス鋼シース２に含まれる鉄（Ｆｅ）やニッケル（Ｎｉ）などがＢと反応してしまい、狙い通りにＭｇＢ_２が生成されない（生成反応が阻害される）という事態を防ぐことができる。つまり、このようにすると、ＭｇＢ_２を狙い通りの含有量で含有させた超伝導フィラメント１を得ることができる。そのため、超伝導フィラメント１は、臨界電流値が向上するとともに、超伝導状態における電気抵抗を極小とすることができる。また、超伝導フィラメント１は、超伝導状態を維持できない温度へと昇温した場合には電気抵抗を大きくすることができるので、永久電流運転とそれ以外の状態とを切り替えることができる。従って、超伝導線材１０は、この超伝導フィラメント１を有することで、実用的なフィラメント径を有するＰＣＳ用ＭｇＢ_２線材において、臨界電流密度特性および工業的臨界電流密度特性を向上させることができる。また、超伝導線材１０は、超伝導フィラメント１を有しているので、超伝導コイル３０（図４）とした場合には起磁力を大きくすることができるとともに、時間的に安定な磁場を発生させることができる。なお、これらの効果をより高める観点から、Ｍｇ１モルに対するＢのモル数は２．７モル以上とすることが好ましく、２．８以上とすることがより好ましい。また、Ｍｇ１モルに対するＢのモル数は３．９モル以下であることが好ましい。このようにすると、Ｍｇ粉末とＢ粉末の混合粉末においてＢ粉末が支配的にならず、柔らかいＭｇ粉末が変形できるため、伸線加工が容易になる。

ステンレス鋼シース２は、任意の組成のステンレス鋼管を用いて形成できる。超伝導線材１０は、ステンレス鋼シース２を備えているので、高抵抗化を図ることができる。

超伝導線材１０は、例えば、充填工程、伸線工程、熱処理工程を経て製造される。
充填工程では、ステンレス鋼シース２となるステンレス鋼管の中に超伝導フィラメント１となるＭｇ粉末とＢ粉末との混合粉末を充填する。
そして、伸線工程では、混合粉末を充填したステンレス鋼管に対して所望の線径（例えば、前記したフィラメント経）となるまで伸線加工を行う。伸線加工は、例えば、ダイス引抜加工、溝ロール加工、カセットロール加工、回転鍛造加工などで行うことができる。
そして、熱処理工程では、伸線加工した線材を６００℃程度の温度で熱処理を施すことにより混合粉末からＭｇＢ_２を生成させ、超伝導線材１０を製造する。

（第１実施形態に関する実施例）
Ｍｇ粉末とＢ粉末とを以下のモル比で混合した混合粉末をステンレス鋼管（ＳＵＳ３１６Ｌ）に充填し、フィラメント径が０．６ｍｍとなるまで伸線加工を行った。その後、設定温度６００℃で熱処理を行って単芯線に係る超伝導線材を製造した。このようにして製造した超伝導線材を対象に、温度４．２Ｋ、磁場強度９Ｔにおける臨界電流密度Ｊ_ｃを測定した。臨界電流密度Ｊ_ｃは、一般的な四端子法により測定した。

表１に示すように、Ｎｏ．２に係る超伝導線材は、超伝導フィラメントの組成がＭｇ１モルに対してＢが２．６モルであったので、Ｎｏ．１よりも臨界電流密度Ｊ_ｃが顕著に高くなることが確認された。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る超伝導線材１０は、第１実施形態と同様に、超伝導フィラメント１と、超伝導フィラメント１を被覆するステンレス鋼シース２とを有する。ただし、第２実施形態に係る超伝導線材１０は、フィラメント径が０．５ｍｍ以下であり、超伝導フィラメント１の組成が、Ｍｇ１モルに対してＢが２．７モル以上である点でそれぞれ第１実施形態に係る超伝導線材１０と異なっている。従って、第２実施形態に係る超伝導線材１０については、これらの相違点について説明する。

後述するように、超伝導コイル３０（図４）は、超伝導線材１０をボビンに巻き回して製造される。このようにして得られる超伝導コイル３０における起磁力は、電流とターン数との積である。そのため、所望の起磁力を得るために、例えば、通電電流値を低くし、ターン数を増やすといった配分が行われる。この場合、超伝導線材１０は細く長く作製する必要がある。従って、伸線加工後のフィラメント径は、前記したように０．５ｍｍ以下とすることが好ましく、また、そのようにする場合は、Ｍｇ１モルに対してＢを２．７モル以上で混合することが好ましい。このようにすることにより、第２実施形態に係る超伝導線材１０は、臨界電流密度特性および工業的臨界電流密度特性を維持しつつ、超伝導線材１０の線径および加工単位長さを調整できる。なお、臨界電流密度特性および工業的臨界電流密度特性を高める観点から、フィラメント径は０．４ｍｍ以下、０．３ｍｍ以下、０．２ｍｍ以下、０．１ｍｍ以下または０．０５ｍｍ以下とすることが好ましい。また、フィラメント径を細くする観点から、Ｍｇ１モルに対するＢのモル数は２．８モル以上であることが好ましく、２．９モル以上であることがより好ましい。一方、第１実施形態で述べた理由と同様の理由により、フィラメント径は０．２ｍｍ以上とすることが好ましく、Ｍｇ１モルに対するＢのモル数は３．９モル以下とすることが好ましい。

（第２実施形態における超伝導フィラメント１の組成に関する考察）
ここで、第２実施形態においては超伝導フィラメント１のフィラメント径を０．５ｍｍ以下としており、そのために、第２実施形態における超伝導フィラメント１の組成を第１実施形態と異ならせている。そのようにした理由を以下に説明する。
まず、フィラメント径をｒとし、ステンレス鋼シース２からＭｇＢ_２の反応阻害を強く受ける距離をＬとする。この場合、超伝導フィラメント１の面積はπｒ^２であり、ステンレス鋼シース２からＭｇＢ_２の反応阻害を強く受ける面積は約２πｒＬになると考えられる。
よって、超伝導フィラメント１の面積に対するステンレス鋼シース２からＭｇＢ_２の反応阻害を強く受ける面積の割合は、２πｒＬ／πｒ^２＝２Ｌ／ｒとなる。
ここで、Ｌは一定と推定されるので、フィラメント径が小さくなるほどステンレス鋼シース２がＭｇＢ_２の反応阻害に与える影響（面積率）は大きくなる。
すなわち、前記実施例で確認されたように、臨界電流密度Ｊ_ｃを顕著に高くするためには、フィラメント径が０．６ｍｍの時点でＭｇ１モルに対してＢが２．６モル以上であることが必要であったことから、フィラメント径が０．５ｍｍ以下の場合はＢのモル数をより高くすることが好ましいと考察された。そして、このことから、フィラメント径が０．５ｍｍ以下の場合、具体的には、Ｍｇ１モルに対してＢが２．７モル以上であることが好ましいと考察された。

（第３実施形態）
一般的に、超伝導体における臨界電流密度特性および工業的臨界電流密度特性は磁場強度依存性を有する。そのため、超伝導線材１０においては、使用される磁場強度に応じて臨界電流密度特性および工業的臨界電流密度特性を向上するために添加剤を混合することができる。添加剤としては、例えば、炭化水素が挙げられる。炭化水素を添加すると、混合粉末からＭｇＢ_２を生成させる際の熱処理によって炭化水素が分解され、Ｃが超伝導線材１０の結晶格子に取り込まれてＢの一部が置換される。この置換した部分によってＭｇＢ_２の結晶性が低下してコヒーレンス長が短くなり、量子化磁束における常伝導コアの径が小さくなる。そのため、多くの磁束が侵入することができるようになり、上部臨界磁場Ｂ_ｃ２が向上すると考えられている。そして、これにより、磁場中の臨界電流密度特性および工業的臨界電流密度特性が向上すると考えられている。

炭化水素としては、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレン、アントラセン、コロネンなどが挙げられるが、これらに限定されない。
炭化水素の添加量は、例えば、Ｃのモル数がＢのモル数に対して数モル％（例えば、１～４モル％）となるようにすることが挙げられる。このようにすると、超伝導フィラメント１にＣを含ませることができ、好ましくはＢのモル数に対してＣのモル数が数モル％（例えば、１～４モル％）となるようにＣを含ませることができる。本実施形態により、数テスラなどの磁場中で使用する場合においても、超伝導線材１０の臨界電流密度特性および工業的臨界電流密度特性を極端に低下させることなく作製可能となる。

炭化水素の添加は、フィラメント径が０．５ｍｍ以下となる場合においても同様に適用できる。この場合も前記と同様、例えば、Ｃのモル数がＢのモル数に対して数モル％（例えば、１～４モル％）となるようにすることが好ましい。

（第４実施形態）
ステンレス鋼シース２は、超伝導線材１０のおよその使用温度である１０Ｋにおける比抵抗が０．３μΩ・ｍ以上であることが好ましい。このようにすると、例えば、第１実施形態などに示した単芯線においては、ステンレス鋼シース２の抵抗率と超伝導フィラメント１の抵抗率とが同程度の大きさとなり、結果として超伝導線材１０の単位長さあたりの電気抵抗を高めることができる。また、このような比抵抗とすれば、例えば、後述する第６実施形態に示す多芯線においては、超伝導フィラメント１間の電気抵抗が十分高くなるため、結合損失を抑制することができる。
なお、ステンレス鋼シース２は、単芯線および多芯線における前記効果をより高める観点から、温度１０Ｋにおける比抵抗が０．４μΩ・ｍ以上であることが好ましい。また、ステンレス鋼シース２は、その入手を容易にする観点から、温度１０Ｋにおける比抵抗が０．５μΩ・ｍ以下であることが好ましく、０．４５μΩ・ｍ以下であることがより好ましい。
前記した比抵抗のステンレス鋼シース２は、当該比抵抗を有するステンレス鋼管を適宜選択して製造に用いることにより得ることができる。当該比抵抗を有するステンレス鋼管は種々市販されている。

（第５実施形態）
ステンレス鋼シース２は、炭素含有率が０．０１５質量％以下であることが好ましく、０．０１０質量％以下であることがより好ましい。超伝導線材１０は、例えば、伸線加工前の超伝導フィラメント部の直径を５ｍｍ、伸線加工後の超伝導フィラメント１の直径を０．５ｍｍまたは０．０５ｍｍとすると、伸線加工によりステンレス鋼管の長さはおよそ１００倍または１０，０００倍に伸ばされる。ステンレス鋼シース２（ステンレス鋼管）の炭素含有率を０．０１５質量％以下、好ましくは０．０１０質量％以下とすることで、このような伸線加工を行った場合であっても断線を防止できる。なお、その入手を容易にする観点から、ステンレス鋼シース２の炭素含有率は０．００１質量％以上であることが好ましく、０．００２質量％以上であることがより好ましい。
前記した炭素含有率のステンレス鋼シース２は、当該炭素含有率のステンレス鋼管を適宜選択して製造に用いることにより得ることができる。当該炭素含有率のステンレス鋼管は種々市販されている。そのようなステンレス鋼管として、例えば、ＪＩＳ規定のＳＵＳ３１６Ｌがあり、当該鋼種の中から炭素含有率が低い管を選択するとよい。

（第６実施形態）
図２は、本発明の第６実施形態に係る超伝導線材１０の一態様を示す横断面概略図である。図２に示すように、第６実施形態に係る超伝導線材１０は、複数本の超伝導フィラメント１と、この複数本の超伝導フィラメント１を被覆するステンレス鋼シース２とを有する。また、第６実施形態に係る超伝導線材１０は、図２に示すように、ステンレス鋼シース２を被覆する第１の金属シース３を有していてもよい。超伝導フィラメント１は、第１実施形態から第３実施形態で説明したいずれか１つの構成を有している。
このような構成の超伝導線材１０は、超伝導フィラメント１を複数本有しているので、多芯線と呼ばれている。変動磁場中で用いるＭｇＢ_２線材（超伝導線材１０）においては交流損失低減の観点から、このような多芯線構造が適している。

なお、超伝導フィラメント１のフィラメント径は０．５ｍｍ以下が好ましく、０．０５ｍｍ以下がより好ましい。このようなフィラメント径の場合、超伝導フィラメント１の組成は、Ｍｇ１モルに対してＢが２．７モル以上であることが好ましい。
第１の金属シース３は、銅、鉄、ニッケルなどの純金属またはこれらのいずれかの純金属に他の元素を含有させた合金からなる管を選択して得ることができる。第１の金属シース３は、結合損失低減の観点から、抵抗率が比較的大きな合金を用いることが好ましい。

なお、本実施形態では、図２に示すように、超伝導フィラメント１が１９本であり、第１の金属シース３を外周に配置した線材断面構成を示したが、これに限定されない。超伝導フィラメント１の本数は要望に応じて任意に設定でき、２～１８本とすることもできるし、２０本以上とすることもできる。

また、例えば、図３に示すように、超伝導線材１０は、第１の金属シース３の外周に第２の金属シース４を配置した構成とすることもできる。なお、図３は、本発明の第６実施形態に係る超伝導線材１０の他の態様を示す横断面概略図である。第２の金属シース４を配置すると、超伝導線材１０としての強度が高まるとともに、熱伝導パスの役割を持たせることができる。第２の金属シース４は、第１の金属シース３と同様の純金属または合金からなる管を選択して得ることができる。

第６実施形態に係る超伝導線材１０は、例えば、ステンレス鋼管内にＭｇ粉末とＢ粉末の混合粉末を充填したものを複数本用意し、それらを第１の金属シース３となる第１の金属管内に入れ、また、必要に応じてこれを第２の金属シース４となる第２の金属管内に入れた後、伸線加工と６００℃程度の熱処理加工を行うことで製造できる。

（第７実施形態）
［超伝導磁石］
図４は、本発明の第７実施形態に係る超伝導磁石１００の構成を示す概念図である。図４に示すように、超伝導磁石１００は、ＰＣＳ２０と、超伝導コイル３０と、超伝導接続部４０とを有する。

ＰＣＳ２０は、前述したいずれかの態様の超伝導線材１０をコイル状に巻き回してなる。ＰＣＳ２０は、具体的には無誘導巻きコイルとして巻き回してなる。超伝導コイル３０も前述したいずれかの態様の超伝導線材１０をコイル状に巻き回してなる。
なお、ＰＣＳ２０および超伝導コイル３０のうちいずれか一方は、一般的な超伝導線材５０（図５）で形成されていてもよい。なお、一般的な超伝導線材５０については後述する。

超伝導接続部４０は、超伝導線材１０を超伝導接続している。例えば、図４に示すように、超伝導接続部４０は、ＰＣＳ２０の超伝導線材１０および超伝導コイル３０の超伝導線材１０を超伝導接続している。すなわち、超伝導磁石１００は、超伝導接続部４０によってＰＣＳ２０および超伝導コイル３０が超伝導接続されることにより、超伝導体の閉回路を形成しており、永久電流運転を行うことができる。

超伝導フィラメント１が混合粉末の状態のままでコイル状に巻き回した後に熱処理するＷｉｎｄ＆Ｒｅａｃｔ法と、超伝導線材１０を別のボビンに巻き回した状態で熱処理したのちに、最終コイル形状に巻き回すＲｅａｃｔ＆Ｗｉｎｄ法とがある。ＰＣＳ２０および超伝導コイル３０は、これらのうちのいずれの方法でも製造できる。このような態様とすることで、超伝導磁石１００は、ＰＣＳ２０については電気抵抗を高めることができ、少ない加熱量で臨界温度以上に温めることが可能となる。その結果、超伝導磁石１００は、スイッチＯＦＦまでの時間を短縮できる。また、超伝導磁石１００は、超伝導コイル３０については変動磁場中における交流損失を抑制できる。

図５は、超伝導接続部４０の一構成例を示す斜視透視図である。図５に示すように、超伝導接続部４０は超伝導接続容器４１を有している。超伝導接続容器４１は、例えば、ステンレス鋼やニオブなどを用いて有底の箱状に形成することで得られる。超伝導接続部４０は、この超伝導接続容器４１の開口部に対象となる超伝導線材１０の端部（好ましくは超伝導フィラメント１およびステンレス鋼シース２のみ）を２本差し込み、Ｍｇ粉末とＢ粉末を装填・圧縮した後、適切な温度で熱処理することで得られる。超伝導接続容器４１に充填するＭｇ粉末とＢ粉末とのモル比は、Ｍｇ：Ｂ＝１：２であってもよい。また、熱処理の温度はＭｇＢ_２を生成できればよく、例えば、６００℃などとすることができる。超伝導磁石１００は、この超伝導接続部４０を備えていることにより、２本の超伝導線材１０の間の電気抵抗を極小とすることができる。そのため、超伝導磁石１００は、ＭＲＩなどに必要な永久電流運転を行うことができる。また、超伝導磁石１００は、超伝導接続部４０によって超伝導接続されたＰＣＳ２０を用いている場合にはスイッチＯＦＦまでの時間を短くできるので、永久電流運転とそれ以外との状態の切り替え時間を短くすることができる。

なお、図５では、超伝導接続部４０に前記した超伝導線材１０を２本接続する例を示したが、これに限定されない。すなわち、これらのうちの一方の超伝導線材１０が一般的な超伝導線材５０であってもよい。つまり、前記した超伝導線材１０をコイル状に巻き回してなるＰＣＳ２０および超伝導コイル３０のうちいずれか一方が一般的な超伝導線材５０で形成されていてもよい。ここで、一般的な超伝導線材５０とは、組成がＭｇ：Ｂ＝１：２である超伝導フィラメントを備えた線材（ＭｇＢ_２線材）をいう。このような場合であっても、２本の超伝導線材１０、５０は超伝導接続部４０によって超伝導接続が維持される。

（第８実施形態）
第８実施形態に係る超伝導磁石１００は、超伝導接続部４０に用いるＭｇ粉末とＢ粉末の混合粉末をＭｇ１モルに対してＢを２．６モル以上、好ましくは２．７モル以上としている。つまり、第８実施形態に係る超伝導磁石１００は、超伝導接続部４０の組成がＭｇ１モルに対してＢを２．６モル以上、好ましくは２．７モル以上としている。混合粉末における混合比をこのようにすることで、第１実施形態で説明したように、ステンレス鋼シース２に含まれるＦｅ、Ｎｉに起因するＭｇＢ_２への生成反応阻害を避けることができる。そのため、超伝導接続部４０の臨界電流値が向上するとともに電気抵抗が極小となり、起磁力も大きく、時間的に安定な超伝導磁石１００を具現できる。

（第９実施形態）
［超伝導機器］
図６は、本発明の第９実施形態に係る超伝導機器２００の構成を示す概略構成図である。なお、図６には、超伝導機器２００の一例として磁気共鳴断層画像診断装置（ＭＲＩ装置）２０１の構成を示している。図６に示したＭＲＩ装置２０１の構成は一例を概略的に示したに過ぎず、これに限定されない。

図６に示すように、超伝導コイル３０は、ＰＣＳ２０とともに冷凍容器２０２に格納されており、冷媒や冷凍機などで冷却されている。
超伝導コイル３０とＰＣＳ２０に流れる永久電流は、測定対象２１０の位置に、時間安定性の高い静磁場を発生させる。この静磁場強度が高いほど、核磁気共鳴周波数が高くなり、核磁気共鳴信号強度も高くなる。

傾斜磁場コイル２１１は、傾斜磁場用アンプ２１２から必要に応じて時間変化する電流が供給され、測定対象２１０の位置に空間的に分布を持つ静磁場を発生させる。さらに、ＭＲＩ装置２０１は、ＲＦ（Radio Frequency）アンテナ２１３とＲＦ送受信機２１４とを用いて測定対象２１０に核磁気共鳴周波数の磁場を印加し、それによって得られた反応信号を測定する。これにより、ＭＲＩ装置２０１は、測定対象２１０の断面画像診断を行うことができる。

本実施形態に係る超伝導機器２００（ＭＲＩ装置２０１）は、単位長さあたりの電気抵抗が大きい超伝導線材１０から構成したＰＣＳ２０を用いている。そのため、ＭＲＩ装置２０１は、永久電流運転とそれ以外との状態の切り替え時間を短くすることができる。さらに、超伝導線材１０は、前記したように単位長さあたりの電気抵抗が大きいので、従来よりも大きな電気抵抗を発生させるＰＣＳ２０を具現できる。そのため、このＰＣＳ２０を備えるＭＲＩ装置２０１は、超伝導磁石１００の励磁時間および消磁時間を短縮できる。ここで、ＰＣＳ２０のＯＦＦ時の電気抵抗をＲ_PCS、超伝導コイル３０のインダクタンスをＬ_coil、励磁中または消磁中にＰＣＳ２０に流れる電流をＩ_PCS、超伝導コイル３０に流れる電流をＩ_coilとすると、励磁中または消磁中はＰＣＳ２０と超伝導コイル３０は電源から見て並列回路とみなせるため、Ｒ_PCS・Ｉ_PCS＝Ｌ_coil・ｄＩ_coil／ｄｔが成り立つ。ここで、ｄＩ_coil／ｄｔは超伝導コイル３０に流れる電流の時間変化である。Ｌ_coilは超電導コイル３０で発生させる磁場で決まるため、励磁時間および消磁時間を短縮する、すなわちｄＩ_coil／ｄｔは超伝導コイル３０に流れる電流の時間変化を大きくするためには、Ｒ_PCSを大きくすればよいことが分かる。

超伝導機器２００の他の例としてＮＭＲ装置が挙げられる。ＮＭＲ装置もＭＲＩ装置２０１と同じ構成で具現できる。
また、超伝導機器２００のさらなる他の例として、超伝導回転機が挙げられる。図７は、超伝導回転機３００の構成の一例を示す概略図である。なお、図７は、超伝導回転機３００の構成の一例を概略的に示しているに過ぎず、その構成はこれに限定されるものではない。

図７に示すように、超伝導回転機３００は、界磁子３０１と電機子３０２とを主な構成要素として有する。界磁子３０１は直流磁場を発生させる。電機子３０２は交流通電を行う。界磁子３０１のみを超伝導体で構成するものは半超伝導回転機と呼ばれることが多い。界磁子３０１および電機子３０２を超伝導体で構成するものは全超伝導回転機と呼ばれることが多い。つまり、超伝導回転機３００は、界磁子３０１および電機子３０２の少なくとも一方を前記したいずれかの態様の超伝導線材１０で形成することができる。なお、交流損失の抑制が重要である電機子３０２に対しては、第６実施形態で説明した多芯線に係る超伝導線材１０を用いることが好適である。このようにすると、電機子３０２の発熱量が低減されるため、冷却構造が簡略化された超伝導回転機３００が具現される。

以上、本発明に係る超伝導線材、超伝導磁石および超伝導機器について実施形態により詳細に説明したが、本発明の主旨はこれに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 超伝導フィラメント
２ ステンレス鋼シース
３ 第１の金属シース
４ 第２の金属シース
１０ 超伝導線材
２０ ＰＣＳ
３０ 超伝導コイル
４０ 超伝導接続部
４１ 超伝導接続容器
１００ 超伝導磁石
２００ 超伝導機器
２０１ ＭＲＩ装置
２０２ 冷凍容器
２１０ 測定対象
２１１ 傾斜磁場コイル
２１２ 傾斜磁場用アンプ
２１３ アンテナ
２１４ ＲＦ送受信機
３００ 超伝導回転機
３０１ 界磁子
３０２ 電機子

Claims (10)

1. 超伝導フィラメントと、
   前記超伝導フィラメントを被覆するステンレス鋼シースと、
   を有し、
   前記超伝導フィラメントの直径が、０．６ｍｍ以下であり、
   前記超伝導フィラメントの組成が、マグネシウム１モルに対してホウ素が２．６モル以上であることを特徴とする超伝導線材。
2. 請求項１において、
   前記超伝導フィラメントの直径が、０．５ｍｍ以下であり、
   前記超伝導フィラメントの組成が、前記マグネシウム１モルに対して前記ホウ素が２．７モル以上であることを特徴とする超伝導線材。
3. 請求項１において、
   前記超伝導フィラメントが炭素を含んでいることを特徴とする超伝導線材。
4. 請求項１において、
   前記ステンレス鋼シースは、温度１０Ｋにおける比抵抗が０．３μΩ・ｍ以上であることを特徴とする超伝導線材。
5. 請求項１において、
   前記ステンレス鋼シースは、炭素含有率が０．０１５質量％以下であることを特徴とする超伝導線材。
6. 請求項１において、
   複数本の前記超伝導フィラメントと、
   複数本の前記超伝導フィラメントを被覆するステンレス鋼シースと、
   を有することを特徴とする超伝導線材。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の超伝導線材をコイル状に巻き回してなる永久電流スイッチおよび／または超伝導コイルと、
   前記超伝導線材を超伝導接続する超伝導接続部と、
   を有することを特徴とする超伝導磁石。
8. 請求項７において、
   前記超伝導接続部の組成が、マグネシウム１モルに対してホウ素２．６モル以上であることを特徴とする超伝導磁石。
9. 請求項７に記載の超伝導磁石を用いたことを特徴とする超伝導機器。
10. 請求項９において、
    前記超伝導機器が、磁気共鳴断層画像診断装置または超伝導回転機であることを特徴とする超伝導機器。

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