JP2023164061A - MgB2超電導線材、MgB2超電導線材の製造方法、超電導コイルおよび磁気発生装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】臨界電流を大きく低下させることなく、曲げ半径を現実的な値まで小さくすることが可能であり、更なる長尺化や細線化が可能になるMgB2超電導線材、MgB2超電導線材の製造方法、これを用いた超電導コイル、および、これを備えた磁気発生装置を提供する。【解決手段】超電導線材200は、MgB2を含む複数の素線201が線材の中心に対して周方向および径方向に配列した素線群と、素線群を覆うように配置された、室温における熱膨張係数が素線201よりも高い高熱膨張金属204と、高熱膨張金属204を覆うように配置された、超電導を安定化させる安定化材205と、安定化材205を覆うように配置された、硬度が安定化材205よりも高い高硬度金属206とを備える。超電導線材の製造方法は、複数の素線201の前駆体が多重管に収容された組込材を形成する工程と、組込材を伸線加工する工程と、組込材を熱処理してMgB2を生成させる工程とを含む。【選択図】図2
Description
本発明は、二ホウ化マグネシウム(MgB2)を用いたMgB2超電導線材、MgB2超電導線材の製造方法、超電導コイルおよび磁気発生装置に関する。
超電導線材の利点は、電流をゼロ抵抗で流すことができる点にある。従来、超電導コイルには、低温超電導体であるニオブチタン(NbTi)の線材が広く用いられてきた。NbTi線材を用いた超電導コイルは、動作温度が約4Kと低いため、液体ヘリウムによる冷却が行われる。しかし、近年では、ヘリウムの需給逼迫が懸念されている。そこで、臨界温度が高く、液体ヘリウムを使用しない超電導体の開発や線材化が進められている。
臨界温度が高い超電導体として、ニオブスズ(Nb3Sn)、イットリウム(Y)系酸化物、ビスマス(Bi)系酸化物、二ホウ化マグネシウム(MgB2)等が知られている。MgB2は、臨界温度が約39Kと高く、原料の入手が比較的容易である。また、磁気異方性が小さく、軽量で機械的特性に優れている。そのため、超電導体としてMgB2を用いたMgB2超電導線材は、種々の用途への応用が期待されている。
MgB2超電導線材の一般的な製造方法としては、原料となる粉末を金属管に充填し、金属管に伸線加工を施すパウダーインチューブ(Powder In Tube:PIT)法が用いられている。PIT法には、ex situ法とin situ法がある。ex situ法は、予め合成されたMgB2を原料として用いる方法である。in situ法は、マグネシウム粉末とホウ素粉末とを原料とし、マグネシウムとホウ素を熱処理してMgB2を生成させる方法である。
MgB2超電導線材を用いた超電導コイルの作製法としては、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、超電導線材の前駆体をコイル状に捲回した後に熱処理を施す方法である。リアクト・アンド・ワインド法は、熱処理を施した超電導線材をコイル状に捲回する方法である。
MgB2超電導線材には、許容曲げ半径があり、大きな曲率で曲げると超電導特性が低下することが知られている。MgB2超電導線材は、コイル形状への捲回、引き回し等の際に、許容曲げ半径を下回る大きな曲率で曲げると、臨界電流等の超電導特性が低下する。このような特性のために、MgB2超電導線材を用いた超電導磁石の作製等が制約されている現状がある。
特許文献1には、MgB2で形成されたフィラメントと、フィラメントの外周を覆う母材と、母材の外周を覆う高熱膨張金属と、高熱膨張金属の外周を覆う超電導を安定化させる安定化材と、を備えた線材が記載されている。高熱膨張金属は、室温における熱膨張係数がMgB2および母材よりも高い金属とされている。
特許文献1では、高熱膨張金属によって、MgB2のフィラメントに圧縮残留応力を付与して、線材の曲げに対する耐性を高めている。線材の曲げひずみ耐性を向上させることによって、臨界電流を確保しつつ許容曲げ半径を小さくしている。しかし、本発明者らによる検討の結果、MgB2超電導線材の曲げひずみ耐性および線材の細線化や長尺化について、更なる向上の余地があることが確認された。
そこで、本発明は、臨界電流を大きく低下させることなく、曲げ半径を現実的な値まで小さくすることが可能であり、更なる長尺化や細線化が可能になるMgB2超電導線材、MgB2超電導線材の製造方法、これを用いた超電導コイル、および、これを備えた磁気発生装置を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために本発明に係る超電導線材は、MgB2を含む複数の素線が金属層で覆われたMgB2超電導線材であって、複数の前記素線が線材の中心に対して周方向および径方向に配列した素線群と、前記素線群を覆うように配置された、室温における熱膨張係数が前記素線よりも高い高熱膨張金属と、前記高熱膨張金属を覆うように配置された、超電導を安定化させる安定化材と、前記安定化材を覆うように配置された、硬度が前記安定化材よりも高い高硬度金属と、を備える。
また、本発明に係る超電導線材の製造方法は、MgB2を含む複数の素線が金属層で覆われたMgB2超電導線材の製造方法であって、複数の前記素線の前駆体が多重管に収容された組込材を形成する工程と、前記組込材を伸線加工する工程と、伸線加工された前記組込材を熱処理してMgB2を生成させる工程と、を含み、前記組込材は、複数の前記素線の前駆体を前記多重管の中心に対して周方向および径方向に配列させて前記多重管に収容しており、前記多重管は、室温における熱膨張係数が前記素線よりも高い高熱膨張金属で形成された高熱膨張金属管、超電導を安定化させる安定化材で形成された安定化材管、および、硬度が前記安定化材よりも高い高硬度金属で形成された高硬度金属管が、この順に内側から外側に向けて配置されている。
本発明によると、臨界電流を大きく低下させることなく、曲げ半径を現実的な値まで小さくすることが可能であり、更なる長尺化や細線化が可能になるMgB2超電導線材、MgB2超電導線材の製造方法、これを用いた超電導コイル、および、これを備えた磁気発生装置を提供することができる。
以下、本発明の一実施形態に係るMgB2超電導線材、MgB2超電導線材の製造方法、これを用いた超電導コイル、および、これを備えた磁気発生装置について、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。
図1は、本発明の実施形態に係るMgB2超電導線材の前駆体である組込材の一例を模式的に示す断面図である。
図1に示すように、本実施形態に係るMgB2超電導線材は、超電導フィラメントの前駆体である素線前駆体101を組み込んだ組込材100を前駆体として製造される。組込材100は、複数の素線前駆体101を、金属製の多重管(104,105,106)に対して、規則的な配列で組み込むことによって形成される。素線前駆体101は、原料粉末102を金属管103に充填することによって形成される。
図1に示すように、本実施形態に係るMgB2超電導線材は、超電導フィラメントの前駆体である素線前駆体101を組み込んだ組込材100を前駆体として製造される。組込材100は、複数の素線前駆体101を、金属製の多重管(104,105,106)に対して、規則的な配列で組み込むことによって形成される。素線前駆体101は、原料粉末102を金属管103に充填することによって形成される。
図2は、本発明の実施形態に係るMgB2超電導線材の一例を模式的に示す断面図である。
図2に示すように、本実施形態に係るMgB2超電導線材200は、超電導フィラメントである複数の素線201と、素線群を埋設したマトリクス(母材)202と、多層構造の金属層(204,205,206)と、を備えている。
図2に示すように、本実施形態に係るMgB2超電導線材200は、超電導フィラメントである複数の素線201と、素線群を埋設したマトリクス(母材)202と、多層構造の金属層(204,205,206)と、を備えている。
図2に示すMgB2超電導線材200は、図1に示す組込材100を伸線加工した後に熱処理することによって製造される。本実施形態に係るMgB2超電導線材200の製造方法は、MgB2超電導線材の前駆体である組込材100を形成する工程と、組込材100を伸線加工する工程と、伸線加工された組込材100を熱処理してMgB2を生成させる工程と、を含む。
本実施形態に係るMgB2超電導線材200は、MgB2を含む複数の素線201が多層構造の金属層(204,205,206)で覆われた超電導線材である。このMgB2超電導線材200は、超電導フィラメントである複数の素線201を備える多芯線構造とされている。複数の素線201は、線材の中心に対して周方向および径方向に配列して素線群を形成している。マトリクス202は、金属層(204,205,206)の内側に素線群を埋設している。
金属層(204,205,206)は、高熱膨張金属204、安定化材205および高硬度金属206が、この順に内側から外側に向けて配置された多層構造に設けられている。高熱膨張金属204は、高熱膨張金属管104で形成されている。安定化材205は、安定化材管105で形成されている。高硬度金属206は、高硬度金属管106で形成されている。
本実施形態に係るMgB2超電導線材200によると、安定化材205の外側に高硬度金属206が設けられるため、組込材100の伸線加工時の不具合が防止される。高硬度金属206によって、伸線加工時に生じる高熱膨張金属204と安定化材205との不均一な変形が防止される。そのため、従来と比較して、線材の長尺化や細線化が可能になる。素線201が規則的に配置される多芯線構造が採用されるにもかかわらず、素線群の偏りが防止される。
素線前駆体101は、素線201の前駆体である組込用単芯線であり、マグネシウムとホウ素を含む原料粉末102を金属管103に収容したものである。超電導フィラメントである素線201は、パウダーインチューブ(Powder In Tube:PIT)法によって形成される。PIT法は、原料粉末を金属管に充填し、金属管に伸線加工を施して線材を作製する方法である。組込材100を伸線加工した後に熱処理すると、原料粉末102がMgB2を含む素線201となり、金属管103がマトリクス202となる。
MgB2を含む素線201を形成する方法としては、PIT法のうち、ex situ法およびin situ法のいずれを用いてもよいが、in situ法を用いることが好ましい。in situ法によると、粒子同士の結合が多く、且つ、空隙が少ないMgB2を、比較的低温の熱処理で生成させることができる。低温でMgB2を焼成すると、ピンニングセンタとなる粒界の密度が増加するため、臨界電流密度等の超電導特性を向上させることができる。
マグネシウムとホウ素を含む原料粉末102には、炭素源を添加することができる。炭素源を添加すると、MgB2を生成させる熱処理時に、MgB2のBをCに元素置換させることができる。超電導体に不純物となるCが導入されるため、MgB2超電導線材200の臨界電流や臨界磁場を向上させることができる。
炭素源としては、B4C、SiC等の無機炭素化合物や、ベンゼン、ナフタレン、コロネン、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を用いることができる。
原料粉末102を収容した金属管103は、組込材100を伸線加工した後に熱処理すると、マトリクス202となり、複数の素線201で構成される素線群を埋設して機械的に支持する。金属管103は、MgB2を生成させる熱処理時には、バリア材として機能する。原料粉末102をバリア材である金属管103に充填することよって、原料粉末102に含まれるMgやBと銅等の阻害因子との反応が防止される。
金属管103の材料としては、鉄、ニオブ、タンタル、ニッケル、チタン、これらの合金等を用いることができる。これらの金属は、MgB2を生成させる熱処理時に、MgやBと反応し難い。そのため、MgB2の生成を妨げることなく、バリア材として有効である。金属管103の材料としては、鉄またはニオブが好ましい。鉄やニオブは、加工性が良好であり、比較的安価であるため、伸線加工に適した金属管103が低コストで得られる。
図1において、組込材100は、複数の素線前駆体101が組込材100の中心に対して周方向および径方向に配列した構造に設けられている。組込材100の中心には、中心材107が配置されている。中心材107としては、超電導フィラメントとならない常電導体の金属で形成された金属が配置されている。
このような組込材100を伸線加工した後に熱処理すると、図2に示すように、複数の素線201が線材の中心に対して周方向および径方向に配列した素線群が形成される。MgB2超電導線材200の中心には、金属で形成されたマトリクス202が形成される。
図1に示すように、組込材100の中心に金属で形成された中心材107を配置すると、複数の素線前駆体101で構成される前駆体群の配列を、中心材107によって機械的に支持させることができる。そのため、組込材100の伸線加工時に、素線前駆体101が組込材100の径方向に偏るのを抑制することができる。
中心材107の材料としては、鉄、ニオブ、タンタル、ニッケル、チタン、これらの合金等を用いることができる。中心材107は、原料粉末102を収容した金属管103と同じ金属で形成されていることが好ましい。同種の金属であると、中心材107と金属管103との加工ひずみ差や熱膨張差が小さくなる。伸線加工時や熱処理時に、素線前駆体101に対して塑性変形や熱変形による不均一な力が加わり難くなるため、素線前駆体101が組込材100の径方向に偏るのを抑制することができる。
図1において、複数の素線前駆体101は、中心材107の周囲に、中心材107と同心の第1同心円上となるように配置されている。また、複数の素線前駆体101は、第1同心円よりも外側に、中心材107と同心の第2同心円上となるように配置されている。第1同心円上および第2同心円上において、素線前駆体101は、周方向に沿って規則的に配置されている。
このような組込材100を伸線加工した後に熱処理すると、図2に示すように、複数の素線201が中心材107と同心の同心円上に配置された第1素線群が、中心材107の周囲に形成される。また、複数の素線201が中心材107と同心の同心円上に配置された第2素線群が、第1素線群よりも外側に形成される。
このような多層構造の多芯線構造によると、交流損失の低減や超電導の安定化を図りつつ、線材当たりの輸送電流の電流密度を増大させることができる。多層構造の多芯線構造の場合、伸線加工によって、線材の軸方向視の断面において、素線201が不均一な偏りを生じる虞がある。しかし、このような偏りは、中心材107や高硬度金属206を設けることによって防止できる。そのため、MgB2超電導線材200では、多層構造の多芯線構造を採用することができる。
図3は、本発明の実施形態に係るMgB2超電導線材の素材である組込材の一例を模式的に示す断面図である。
図3に示すように、本実施形態に係るMgB2超電導線材は、中心に超電導フィラメントの前駆体である素線前駆体を配置した構造に設けることもできる。図3に示す組込材300は、前記の組込材100と同様に、複数の素線前駆体301を、金属製の多重管304,305,306に対して、規則的な配列で組み込むことによって形成される。素線前駆体301は、原料粉末302を金属管303に充填することによって形成される。
図3に示すように、本実施形態に係るMgB2超電導線材は、中心に超電導フィラメントの前駆体である素線前駆体を配置した構造に設けることもできる。図3に示す組込材300は、前記の組込材100と同様に、複数の素線前駆体301を、金属製の多重管304,305,306に対して、規則的な配列で組み込むことによって形成される。素線前駆体301は、原料粉末302を金属管303に充填することによって形成される。
図3に示す組込材300が、前記の組込材100と異なる点は、中心材307として、常電導体の金属で形成された金属(107)に代えて、超電導フィラメントの前駆体である素線前駆体301を備えている点である。組込材300の他の主要な構成は、前記の組込材100と同様である。
図4は、本発明の実施形態に係るMgB2超電導線材の一例を模式的に示す断面図である。
図4に示すように、本実施形態に係るMgB2超電導線材400は、超電導フィラメントである複数の素線401と、素線群を埋設したマトリクス(母材)402と、多層構造の金属層404,405,406と、を備えている。
図4に示すように、本実施形態に係るMgB2超電導線材400は、超電導フィラメントである複数の素線401と、素線群を埋設したマトリクス(母材)402と、多層構造の金属層404,405,406と、を備えている。
図4に示すMgB2超電導線材400は、図3に示す組込材300を伸線加工した後に熱処理することによって製造される。本実施形態に係るMgB2超電導線材400の製造方法は、MgB2超電導線材の前駆体である組込材300を形成する工程と、組込材300を伸線加工する工程と、伸線加工された組込材300を熱処理してMgB2を生成させる工程と、を含む。
本実施形態に係るMgB2超電導線材400は、MgB2を含む複数の素線401が多層構造の金属層(404,405,406)で覆われた超電導線材である。このMgB2超電導線材400は、超電導フィラメントである複数の素線401を備える多芯線構造とされている。複数の素線401は、線材の中心に対して周方向および径方向に配列して素線群を形成している。マトリクス402は、金属層(404,405,406)の内側に素線群を埋設している。
金属層(404,405,406)は、高熱膨張金属404、安定化材405および高硬度金属406が、この順に内側から外側に向けて配置された多層構造に設けられている。高熱膨張金属404は、高熱膨張金属管304で形成されている。安定化材405は、安定化材管305で形成されている。高硬度金属406は、高硬度金属管306で形成されている。
図3において、組込材300は、複数の素線前駆体301が組込材300の中心に対して周方向および径方向に配列した構造に設けられている。組込材300の中心には、中心材307が配置されている。中心材307としては、超電導フィラメントの前駆体である素線前駆体が配置されている。
このような組込材300を伸線加工した後に熱処理すると、図4に示すように、MgB2超電導線材400の中心には、超電導フィラメントである素線401が形成される。また、複数の素線401が線材の中心に対して周方向および径方向に配列した素線群が形成される。
図3に示すように、組込材300の中心に超電導フィラメントの前駆体である中心材307を配置すると、複数の素線前駆体301で構成される前駆体群の配列を維持しつつ、線材の軸方向視の断面において、超電導フィラメントの面積が大きくなるため、線材当たりの輸送電流の電流密度を増大させることができる。
なお、本実施形態に係るMgB2超電導線材200,400において、素線201,401の層数や、一層当たりの素線201,401の数は、特に限定されるものではない。素線201,401の層数や、一層当たりの素線201,401の数は、2以上の適宜の数とすることができる。
図1および図3に示すように、多重管(104,105,106,304,305,306)は、高熱膨張金属(204,404)で形成された高熱膨張金属管(104,304)、安定化材(205,405)で形成された安定化材管(105,305)、および、高硬度金属(206,406)で形成された高硬度金属管(106,306)を、この順に内側から外側に向けて配置することによって形成される。
高熱膨張金属(204,404)は、線材の長さ方向にわたって、素線(201,401)で構成される素線群およびマトリクス(202,402)の外周を覆うように設けられる。高熱膨張金属は、室温における熱膨張係数が素線やマトリクス、すなわち、MgB2やバリア材である金属管の材料よりも高い金属で形成される。高い熱膨張係数は、MgB2を生成させる熱処理の温度から室温までの温度範囲や、MgB2の臨界温度以下の極低温の温度範囲においても、確保されることが好ましい。
一般に、超電導線材に引張り負荷がかかり、限界引張ひずみを超過すると、超電導フィラメントにクラック等が生じて、超電導特性が低下すると考えられている。超電導線材は、コイル形状への捲回、引き回し等の際に曲げられると、曲げ外側に引張ひずみを生じ、曲げ内側に圧縮ひずみを生じる。引張ひずみが、熱処理時に生じた残留圧縮ひずみを上回ると、超電導フィラメントにクラック等を生じる。
これに対し、高熱膨張金属を設けると、MgB2を生成させる熱処理以後に、素線群に対して熱膨張差による圧縮力をかけて、超電導フィラメントに残留圧縮ひずみを付与することができる。残留圧縮ひずみの増加によって、素線の限界引張ひずみが拡大されるため、線材の許容曲げ半径を、従来よりも小さくすることができる。
高熱膨張金属の室温における熱膨張係数は、好ましくは14.0×10-6℃-1以上、より好ましくは14.5×10-6℃-1以上、更に好ましくは15.0×10-6℃-1以上である。このような高い熱膨張係数であると、素線やマトリクスに対して十分に高い残留圧縮ひずみを付与することができる。
高熱膨張金属としては、ステンレス鋼、炭素鋼、ニッケル鋼、ニッケルクロム鋼等が挙げられる。高熱膨張金属としては、ステンレス鋼や炭素鋼が好ましい。ステンレス鋼や炭素鋼は、安価であり、入手性に優れているため、線材の材料コストを抑制することができる。ステンレス鋼や炭素鋼としては、室温における熱膨張係数がMgB2やバリア材である金属管の材料よりも高く、且つ、適切な加工性が確保される限り、適宜の種類を用いることができる。
高熱膨張金属としては、C量が0.03質量%以下である低炭素ステンレス鋼や、C量が0.01質量%以上0.25質量%未満である低炭素鋼がより好ましい。低炭素ステンレス鋼の具体例としては、SUS301L、SUS304L、SUS316L等が挙げられる。高熱膨張金属としては、MgB2の生成を妨げるニッケルの含有量が10質量%以下の材料が好ましい。
低炭素ステンレス鋼や低炭素鋼は、熱膨張係数が高く、或る程度の延性があるステンレス鋼や炭素鋼の中でも、硬度が比較的高い材料である。そのため、低炭素ステンレス鋼や低炭素鋼と高硬度金属との間に安定化材を挟むと、伸線加工時に外側から加わる加工力によって、高熱膨張金属と安定化材とを互いに均一性高く密着させることができる。高熱膨張金属と安定化材とを密着させると、伸線加工時に、高熱膨張金属と安定化材との変形量差が抑制される。そのため、低炭素ステンレス鋼や低炭素鋼以外の場合と比較して、線材の長尺化や細線化が可能になる。また、素線群の径方向の偏りが防止される。
安定化材(205,405)は、線材の長さ方向にわたって、高熱膨張金属(204,404)の外周を覆うように設けられる。安定化材は、抵抗率が低く、熱伝導率が高い良導体で形成される。安定化材を設けると、超電導を熱的・磁気的に安定化させて、線材のクエンチや熱暴走を抑制することができる。
安定化材としては、銅が好ましい。銅としては、リン脱酸銅、タフピッチ銅、無酸素銅等が挙げられる。銅としては、特に無酸素銅が好ましい。無酸素銅であると、高い導電率や熱伝導率が得られるため、超電導の熱的安定性や磁気的安定性をより向上させることができる。
高硬度金属(206,406)は、線材の長さ方向にわたって、安定化材(205,405)の外周を覆うように設けられる。高硬度金属は、硬度が安定化材よりも高い金属で形成される。その硬度は、MgB2を生成させる熱処理の温度から室温までの温度範囲において少なくとも確保されることが好ましい。高硬度金属の硬度は、例えば、ビッカース硬さ(HV)によって評価できる。
図5は、従来のMgB2超電導線材の前駆体である組込材の一例を模式的に示す断面図である。
図5に示すように、従来のMgB2超電導線材は、多芯線構造とされた組込材500を前駆体として製造されている。組込材500は、超電導フィラメントの前駆体である複数の素線前駆体501を金属製の多重管504,505に組み込むことによって形成されている。素線前駆体501は、原料粉末502を金属管503に充填することによって形成されている。
図5に示すように、従来のMgB2超電導線材は、多芯線構造とされた組込材500を前駆体として製造されている。組込材500は、超電導フィラメントの前駆体である複数の素線前駆体501を金属製の多重管504,505に組み込むことによって形成されている。素線前駆体501は、原料粉末502を金属管503に充填することによって形成されている。
従来の組込材500では、多重管504,505が、高熱膨張金属で形成された高熱膨張金属管504、および、安定化材で形成された安定化材管505を、この順に内側から外側に向けて配置することによって形成されている。安定化材管505の外側には、硬度が高い金属管が配置されてなく、安定化材が最外層を形成している。
従来のように、組込材の最外層が安定化材であると、伸線加工時に、最外層の安定化材が、外側から直接的な加工力を受ける。銅等の安定化材は、変形し易く加工性に優れた材料である。一方、ステンレス鋼等の高熱膨張金属は、変形し難く加工性に劣る。そのため、組込材の最外層が安定化材であると、高熱膨張金属が大きく変形しない一方で、安定化材が大きく変形することになる。
その結果、内側の高熱膨張金属と外側の安定化材との間で変形量の違いを生じ易くなる。安定化材のみが大きく減面されると共に、伸線方向に大きく伸びる。一方、高熱膨張金属や、その内側の素線群は、十分に減面されず、伸線方向に伸びなくなる。組込材の伸線加工時に、減面率や線長が頭打ちとなるため、組込材の線材化が妨げられるという問題がある。
特に、安定化材に対して外側から不均一に加工力が加わると、安定化材の周方向の一部のみが局所的に薄肉化することがある。線材の軸方向視の断面において、高熱膨張金属と安定化材との界面に凹凸を生じる場合がある。この程度の変形量の違いを生じると、伸線加工時に、素線前駆体が径方向の偏りを生じるという問題がある。
偏りを生じた素線前駆体が焼成されると、素線も径方向に偏る。このような素線が形成されると、線材が曲げられたとき、一部の素線の曲率が大きくなる。一部の素線に過大な引張負荷がかかり易くなるため、クラック等を生じて、超電導特性が低下してしまう。
これに対し、安定化材(205,405)の外側に高硬度金属(206,406)を設けると、伸線加工時に、高熱膨張金属と安定化材との間に生じる変形量差を抑制することができる。安定化材の外側に高硬度金属があるため、外側から加えられる加工力を、素線前駆体や高熱膨張金属や安定化材に対して、高硬度金属を介して周方向に均一性高く加えることが可能になる。
そのため、安定化材(205,405)の外側に高硬度金属(206,406)を設けると、高熱膨張金属と安定化材とを、バランスよく減面させると共に伸線方向に伸ばすことができる。従来と比較して、素線の配列や超電導特性が確保される範囲において、線材の更なる長尺化や、更なる細線化が可能になる。また、伸線加工時に、素線前駆体の配列に径方向の偏りが生じるのを防止できる。多層構造の多芯線構造を採用したとしても、線材の許容曲げ半径を従来よりも小さくすることができる。
高硬度金属としては、室温における熱膨張係数が素線やマトリクス、すなわち、MgB2やバリア材である金属管の材料よりも高い金属が好ましい。また、室温における熱膨張係数が安定化材よりも高い金属が好ましい。熱膨張係数が高い金属であると、MgB2を生成させる熱処理以後に、超電導フィラメントに対して熱膨張差による圧縮力をかけることができる。
高硬度金属としては、銅合金または銅を含む合金が好ましい。銅合金または銅を含む合金であると、線材を超電導接続する際に、高硬度金属を容易に除去することができる。線材を超電導接続する際には、超電導フィラメントである素線を露出させる必要がある。しかし、高硬度金属が銅合金や銅を含む合金であれば、硝酸等で溶解させて容易に除去することができる。
高硬度金属としては、Ni-Cu合金、Cu-Ni合金、または、分散強化銅がより好ましく、Ni-Cu合金またはCu-Ni合金が特に好ましい。これらの銅合金であると、加工可能な範囲で適切な高硬度を得ることができる。また、Niを含む合金であると、非磁性や耐食性が得られるため、線材の最外層として好ましい。
Cu-Ni合金としては、特に限定されるものではないが、Niの含有量が10質量%以上30質量%以下である白銅等が挙げられる。Ni-Cu合金としては、特に限定されるものではないが、Cuの含有量が20質量%以上35質量%以下であるモネル等が挙げられる。分散強化銅としては、アルミナを分散させたアルミナ分散強化銅、ジルコニアを分散させたジルコニア分散強化銅、イットリアを分散させたイットリア分散強化銅等が挙げられる。
伸線加工後において、高熱膨張金属、安定化材、および、高硬度金属は、互いに密着して一体化した金属層を形成していることが好ましい。このような金属層は、組込材(100,300)の形成時に、高熱膨張金属管(104,304)、安定化材管(105,305)および高硬度金属管(106,306)を、互いの隙間を小さくして配置することによって形成できる。
このような一体化した金属層を形成すると、伸線加工時に外側から加わる加工力によって、高熱膨張金属と安定化材とを、互いに周方向に均一性高く密着させることができる。安定化材のみが大きく変形するのが防止されるため、高熱膨張金属と安定化材との変形量差を十分に抑制することができる。このような一体化した金属層を形成する場合、高熱膨張金属と安定化材との間や、安定化材と高硬度金属との間には、他の機能を示す層が設けられないことが好ましい。
なお、図1、図2、図3および図4において、MgB2超電導線材200,400や組込材100,300は、丸線として設けられている。しかし、MgB2超電導線材200,400や組込材100,300は、矩形、六角形等の多角形や、平角線等の適宜の断面形状に設けることができる。素線201,401の層数や、一つの層当たりの素線201,401の本数は、2以上の適宜の数とすることができる。
次に、前記の超電導線材の製造方法について説明する。なお、以下の説明では、図2に示すMgB2超電導線材200を、図1に示す組込材100を用いてin situ法で製造する方法を例示する。
本実施形態に係るMgB2超電導線材は、組込材を形成する準備工程と、組込材を伸線加工する伸線加工工程と、伸線加工された組込材を熱処理してMgB2を生成させる熱処理工程と、を含む。準備工程では、多芯線構造を形成するための素線前駆体として複数の組込用単芯線を作製する。組込用単芯線は、高熱膨張金属管、安定化材管および高硬度金属管で構成される多重管に組み込まれる。
準備工程では、マグネシウム粉末とホウ素粉末とを混合した原料粉末を調製し、その原料粉末をバリア材で形成された金属管に充填する。原料粉末は、MgB2の原料となるマグネシウム粉末とホウ素粉末とを、MgとBとのモル比が略1:2となるように秤量し、粉砕および混合することによって調製する。原料粉末には、必要に応じて、元素置換のための炭素源を添加することができる。
原料粉末は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気や、真空雰囲気等の非酸化性雰囲気で取り扱うことが好ましい。雰囲気中の酸素量及び水分量は、10ppm以下であることが好ましい。原料粉末の混合は、ボールミル装置、遊星型ミキサ、V型ミキサ、乳鉢等で行うことができる。
また、原料粉末の混合は、メカニカルミリング法によって行うことができる。メカニカルミリング法では、原料粉末の粒子を、ジルコニア製の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、強加工しながら粉砕および混合を行う。メカニカルミリングでは、MgB2が明確には生成しない程度の衝突エネルギを加えることが好ましい。なお、MgB2の生成は、粉末X線回折においてMgB2のピークの実質的な有無で確認できる。
メカニカルミリング法によると、Mg粒子にB粒子が侵入し、MgのマトリックスにBが微細に分散して内包された混合度が高い粉末組織が得られる。そのため、このような粉末組織を熱処理すると、MgB2同士の結合が多く空隙が少ない超電導フィラメントを形成できる。空隙が少ない超電導フィラメントを形成すると、高い臨界電流密度が得られる。
続いて、原料粉末が充填された金属管を伸線加工して組込用単芯線を作製する。組込用単芯線としては、多芯線構造の素線群を構成する複数本を作製する。複数の組込用単芯線は、互いに同等の線径で作製することが好ましい。組込用単芯線の伸線加工は、適宜のパス数で行うことができる。組込用単芯線の伸線加工は、1パス当たりの減面率を8~12%として行うことが好ましい。
組込用単芯線の伸線加工は、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。伸線加工装置としては、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。
続いて、伸線加工された複数の組込用単芯線を、中心材と共に、多層構造の多重管に組み込み、MgB2超電導線材の前駆体である組込材を作製する。多重管は、高熱膨張金属で形成された高熱膨張金属管、安定化材で形成された安定化材管、および、高硬度金属で形成された高硬度金属管を、この順に内側から外側に向けて配置することによって形成される。
組込用単芯線を多重管に組み込む際には、複数の組込用単芯線を、中心材の周囲に、中心材と同心となるように配置することが好ましい。各組込用単芯線は、中心材を通る中心線に対して線対称となるように、等間隔で規則的に配置することが好ましい。また、中心材と組込用単芯線や、組込用単芯線同士や、組込用単芯線と高熱膨張金属管とは、互いに接触した状態に配置することが好ましい。
このような配置であると、伸線加工時に、高硬度金属管から内側の安定化材管等に対して周方向に均一性高く加工力を加えることができる。また、MgB2を生成させる熱処理以後に、高熱膨張金属から素線群に対して熱膨張差による圧縮力を均一にかけることができる。伸線加工時に、素線前駆体の配列の径方向の偏りが抑制されるため、線材の曲げ時の過大な負荷や磁気的な損失を低減することができる。
伸線加工工程では、複数の組込用単芯線が多重管に組み込まれた組込材を伸線加工する。組込材を所定の減面率で伸線加工することによって、組込材を長尺化および細線化させる。組込材の伸線加工は、適宜のパス数で行うことができる。組込材100の伸線加工は、例えば、線径が0.3~2.0mmとなるように行うことができる。また、用途に応じた線径に行うことができる。
組込材の伸線加工は、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。伸線加工装置としては、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。
また、伸線加工された組込材は、螺旋状にツイスト加工することもできる。組込用単芯線を螺旋状にツイストさせると、超電導フィラメント間の結合電流を小さくすることができる。ツイストピッチは、例えば、10~100mm等とすることができる。
熱処理工程では、伸線加工した組込材を熱処理してMgB2を生成させる。組込材を所定の温度以上で熱処理すると、組込用単芯線に充填された原料粉末中のMgとBが反応し、MgB2を含む素線(MgB2フィラメント)が形成される。得られたMgB2超電導線材が熱処理後に室温や臨界温度以下に冷却されると、高熱膨張金属から素線群に対して熱膨張差による圧縮力がかかり、MgB2フィラメントに残留圧縮ひずみが付与される。
熱処理雰囲気は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気や、真空雰囲気等の非酸化性雰囲気とすることが好ましい。雰囲気中の酸素量や水分量は、10ppm以下であることが好ましい。熱処理は、伸線加工した組込材を、コイル形状等に捲回した後に行ってもよいし、コイル形状等に捲回する前に行ってもよい。例えば、ガラス繊維などの耐熱性のある絶縁材を用いる場合は、熱処理前に絶縁被覆を施すこともできる。
熱処理温度は、例えば、550~800℃、好ましくは560~700℃、より好ましくは580~620℃である。熱処理温度が550℃以上で高いほど、Mgの拡散によってMgB2の生成反応が進み易くなる。また、高熱膨張金属の熱膨張が大きくなるため、大きい残留圧縮ひずみを付与できる。一方、熱処理温度が800℃以下で低いほど、MgB2の粒成長が抑制されるため、ピンニングセンタとなる粒界の密度が増加し、高い臨界電流密度が得られる。
熱処理時間は、例えば、数十分~数十時間、好ましくは2~16時間、より好ましくは3~12時間である。熱処理時間が3時間以上であると、通常、MgB2を十分に生成させることができる。また、熱処理時間が12時間以下であると、MgB2の粒成長が抑制されて、ピンニングセンタとなる粒界の密度が増加し、高い臨界電流密度が得られる。
以上の本実施形態に係るMgB2超電導線材およびMgB2超電導線材の製造方法によると、安定化材の外側に高硬度金属が設けられるため、伸線加工時に、変形し難い高硬度金属を介して、内側に加工力を加えることができる。そのため、高熱膨張金属と安定化材とを、互いに周方向に均一性高く密着させることができる。伸線加工時に、安定化材のみが大きく減面したり、安定化材のみが伸線方向に大きく伸びたりするのが防止されるため、高熱膨張金属と安定化材との変形量差が抑制される。そのため、従来と比較して、線材の超電導特性を確保しつつ減面率が大きい伸線加工を行うことが可能になり、線材の更なる長尺化や細線化が可能になる。
また、安定化材や高熱膨張金属の不均一な変形が抑制されるため、素線群の径方向の偏りが防止される。多層構造の多芯線構造を採用する場合であっても、線材の中心に対して素線群が対称的な配置となるため、線材が曲げられたとき、素線群のうちの一部のみに過大な引張ひずみを生じるのが防止される。そのため、従来と比較して、線材の許容曲げ半径をより小さくすることができる。素線群の全体としての曲げひずみ耐性が向上するため、半径が小さい曲げが加えられても、線材の超電導特性を安定に保つことができる。
図6は、本発明の実施形態に係る超電導コイルの一例を模式的に示す断面図である。
図6に示すように、高硬度金属を備えた前記のMgB2超電導線材は、コイル状に捲回した超電導コイル600として用いることができる。本実施形態に係る超電導コイル600は、ボビン601と、コイル状に捲回された前記のMgB2超電導線材602と、冷却容器603と、を備えている。
図6に示すように、高硬度金属を備えた前記のMgB2超電導線材は、コイル状に捲回した超電導コイル600として用いることができる。本実施形態に係る超電導コイル600は、ボビン601と、コイル状に捲回された前記のMgB2超電導線材602と、冷却容器603と、を備えている。
超電導コイル600を作製する方法としては、ワインド・アンド・リアクト法およびリアクト・アンド・ワインド法のいずれを用いてもよい。リアクト・アンド・ワインド法を用いる場合、熱処理後の捲回時に素線にひずみを生じ易い。しかし、高硬度金属を備えた前記のMgB2超電導線材は、許容曲げ半径が小さいため、従来と比較して、曲げによる歪みを経験しても適切な超電導特性を得ることができる。
ボビン601は、例えば、熱伝導率が高い金属によって形成できる。ボビン601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。ボビン601の熱伝導率が高いと、MgB2超電導線材602を均一性高く冷却することができる。ボビン601は、不図示の絶縁材によって被覆される。絶縁材としては、ワインド・アンド・リアクト法を用いる場合、熱処理に耐える耐熱性の材料を用いることが好ましい。耐熱性の絶縁材としては、例えば、ガラス繊維を用いたガラス編組等が挙げられる。
MgB2超電導線材602は、ボビン601に対して捲回することができる。ワインド・アンド・リアクト法を用いる場合、MgB2超電導線材602は、MgB2を生成させる熱処理前に、耐熱性の絶縁材によって電気的に絶縁されてもよい。また、MgB2を生成させる熱処理後に、絶縁樹脂に含浸されて電気的に絶縁されてもよい。一方、リアクト・アンド・ワインド法を用いる場合、MgB2を生成させる熱処理およびコイル状への捲回後に、絶縁樹脂に含浸されて電気的に絶縁されてもよい。
冷却容器603は、密閉構造の容器であり、ボビン601に対してコイル状に捲回されたMgB2超電導線材602を収容している。冷却容器603は、真空断熱、断熱材、遮熱シールド等で、内外が断熱された構造に設けられる。冷却容器603は、冷却媒体が充填されてもよいし、冷凍機によって伝導冷却されてもよい。
このような超電導コイルによると、安定化材の外側に高硬度金属が設けられたMgB2超電導線材を備えるため、従来と比較して、線材の許容曲げ半径がより小さくなる。半径が小さい曲げが許容されるため、コイル径が小さい超電導コイルや、超電導コイルの口出部の曲げ半径が小さい構造を採用することが可能になる。よって、小型化や省スペース化に適した超電導コイルを得ることができる。
図7は、本発明の実施形態に係る磁気発生装置の一例を模式的に示す断面図である。図7には、磁気発生装置の一例として、MRI(Magnetic Resonance Imaging:磁気共鳴画像診断)装置を示す。
図7に示すように、高硬度金属を備えた前記のMgB2超電導線材は、超電導コイル600としてMRI装置(磁気発生装置)700に備えることができる。本実施形態に係るMRI装置700は、コイル状に捲回された前記のMgB2超電導線材の超電導コイル600で構成された静磁場発生部701を備えている。
図7に示すように、高硬度金属を備えた前記のMgB2超電導線材は、超電導コイル600としてMRI装置(磁気発生装置)700に備えることができる。本実施形態に係るMRI装置700は、コイル状に捲回された前記のMgB2超電導線材の超電導コイル600で構成された静磁場発生部701を備えている。
MRI装置700は、一対の静磁場発生部701と、撮像領域702と、傾斜磁場発生部703と、を備えている。図7において、静磁場発生部701は、不図示の連結部材を介して、互いに連結されている、静磁場発生部701は、撮像領域702を挟んで、互いに対向するように上下に配置されている。静磁場発生部701と撮像領域702との間には、それぞれ、傾斜磁場発生部703が配置されている。
また、MRI装置700は、被写体704を載せるベッド705と、ベッド705を搬送する搬送機構706と、を備えている。ベッド705は、撮像領域702に対して進退可能に設けられている。搬送機構706によってベッド705が搬送されると、ベッド705に載せられた被写体704が、撮像領域702に対して進退することができる。
静磁場発生部701は、前記の超電導コイル600で構成されている。静磁場発生部701は、コイル部と、永久電流スイッチと、を備えている。コイル部や永久電流スイッチは、前記のMgB2超電導線材で形成することができる。静磁場発生部701の回路は、不図示の電源に対して、常電導体を介して電気的に接続される。
静磁場発生部701のコイル部には、永久電流スイッチがOFFの状態において励磁電流が流される。また、永久電流スイッチがONの状態に切り替えられると、永久電流が流される。コイル部を流れる永久電流は、撮像領域702に時間的安定性が高い静磁場を発生させる。静磁場の強度が高いほど、核磁気共鳴周波数が高くなるため、周波数分解能を向上させることができる。
傾斜磁場発生部703は、時間変化する電流が供給されて、撮像領域702に空間的な分布を持つ傾斜磁場を発生させる。撮像領域702に核磁気共鳴周波数の振動磁場が印加されると、被写体704から共鳴信号が発せられ、不図示の受信コイルによって受信される。受信された共鳴信号は、フーリエ変換によって、被写体704の磁気共鳴断層画像として画像化される。二次元コントラスト画像等に画像化することによって、被写体704を検査・診断することができる。
このようなMRI装置によると、安定化材の外側に高硬度金属が設けられたMgB2超電導線材を捲回した超電導コイルを備えるため、従来と比較して、線材の許容曲げ半径がより小さくなり、磁場発生部の小型化や省スペース化が可能になる。また、超電導コイルの口出部の曲げ半径が小さい構造を採用することが可能になるため、超電導コイルの多重化が容易になる。
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。
例えば、前記の超電導コイルは、MRI装置に備えられているが、高硬度金属を備えた前記のMgB2超電導線材は、超電導コイルとしてNMR装置(Nuclear Magnetic Resonance:核磁気共鳴)装置等の他の磁気発生装置に備えてもよい。他の磁気発生装置においても、小型化や省スペース化を図ることができる。また、超電導コイルの口出部の曲げ半径を小さくすることができるため、超電導コイルの多重化が容易になる。
以下、実施例を示して本発明について具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。
<実施例1>
図1に示す多芯線構造のMgB2超電導線材を作製した。
図1に示す多芯線構造のMgB2超電導線材を作製した。
はじめに、超電導フィラメントの前駆体である組込用単芯線を、次の手順で作製した。原料となるマグネシウム粉末とホウ素粉末を、MgとBとのモル比が約1:2となるように秤量し、ボールミルを用いて粉砕および混合して原料粉末を調製した。そして、得られた原料粉末をFe管に充填した。
続いて、混合粉末を充填したFe管を伸線加工して、組込用単芯線を得た。Fe管の伸線加工は、引抜きダイスを用いた引抜き伸線加工で行った。1パス当たりの減面率を8~12%として、複数回パスを繰り返して行った。また、原料粉末を充填したFe管と同じ材質の中心材を、スエージャを用いたスエージ加工によって作製した。なお、組込用単芯線と中心材の線径を同一とした。
続いて、作製した中心材の周囲を囲むように、6本の組込用単芯線を配置し、更に、その外周を覆うように12本の組込用単芯線を配置した。そして、これらの組込用単芯線群を高熱膨張金属管に挿入し、その高熱膨張金属管を安定化材管に挿入し、その安定化材管を高硬度金属管に挿入して、MgB2超電導線材の前駆体である組込材を得た。
なお、高熱膨張金属管としては、SUS316L管を、安定化材管としては、無酸素銅管を、高硬度金属管としては、モネル管を用いた。
続いて、作製した組込材を伸線加工して細線化させた。伸線加工は、引抜きダイスを用いた引抜き伸線加工で行った。伸線加工は、1パス当たりの減面率を5~12%として、複数回パスを繰り返して細線化を行った。
続いて、細線化した組込材の径方向の断面を顕微鏡観察した。その結果、内側の6本の組込用単芯線群、および、外側の12本の組込用単芯線群が、挿入時の配置のとおり、径方向に規則的に配置されていることが確認された。また、高熱膨張金属、安定化材および高硬度金属が、この順に内側から外側に向けて配置された多層構造が確認された。高熱膨張金属および安定化材は、周方向に均一性高い厚さに減面されていた。安定化材の外側に高硬度金属を配置することによって、伸線加工時の変形や配置の乱れを低減できることが確認された。
続いて、細線化した組込材に対して、600℃の温度で熱処理して、原料粉末からMgB2を生成させて、MgB2超電導線材を製造した。
<実施例2>
図3に示す多芯線構造のMgB2超電導線材を作製した。
図3に示す多芯線構造のMgB2超電導線材を作製した。
はじめに、超電導フィラメントの前駆体である組込用単芯線を、実施例1と同様の手順で作製した。金属管の伸線加工は、1パス当たりの減面率を9~12%として、複数回パスを繰り返して行った。
続いて、作製した1本の組込用単芯線の周囲を囲むように、6本の組込用単芯線を配置し、更に、その外周を覆うように12本の組込用単芯線を配置した。そして、実施例1と同様に、これらの組込用単芯線群を高熱膨張金属管に挿入し、その高熱膨張金属管を安定化材管に挿入し、その安定化材管を高硬度金属管に挿入して、MgB2超電導線材の前駆体である組込材を得た。
続いて、作製した組込材を伸線加工して細線化させた。伸線加工は、引抜きダイスを用いた引抜き伸線加工で行った。伸線加工は、1パス当たりの減面率を5~12%として、複数回パスを繰り返して細線化を行った。
続いて、細線化した組込材の径方向の断面を顕微鏡観察した。その結果、中心の1本の組込用単芯線、内側の6本の組込用単芯線群、および、外側の12本の組込用単芯線群が、挿入時の配置のとおり、径方向に規則的に配置されていることが確認された。また、高熱膨張金属、安定化材および高硬度金属が、この順に内側から外側に向けて配置された多層構造が確認された。高熱膨張金属および安定化材は、周方向に均一性高い厚さに減面されていた。安定化材の外側に高硬度金属を配置することによって、伸線加工時の素線の変形や配置の乱れを低減できることが確認された。
続いて、細線化した組込材に対して、600℃の温度で熱処理して、原料粉末からMgB2を生成させて、MgB2超電導線材を製造した。
<比較例1>
図5に示す多芯線構造のMgB2超電導線材を作製した。
図5に示す多芯線構造のMgB2超電導線材を作製した。
はじめに、超電導フィラメントの前駆体である組込用単芯線を、実施例1と同様の手順で作製した。また、原料粉末を充填した金属管と同じ材質の中心材を、実施例1と同様の手順で作製した。金属管の伸線加工は、1パス当たりの減面率を9~12%として、複数回パスを繰り返して行った。
続いて、実施例1と同様の手法で、作製した中心材の周囲を囲むように、6本の組込用単芯線を配置し、更に、その外周を覆うように12本の組込用単芯線を配置した。そして、これらの組込用単芯線群を高熱膨張金属管に挿入し、その高熱膨張金属管を安定化材管に挿入して、MgB2超電導線材の前駆体である組込材を得た。
なお、高熱膨張金属管としては、SUS316L管を、安定化材管としては、無酸素銅管を用いた。
続いて、作製した組込材を伸線加工して細線化させた。伸線加工は、引抜きダイスを用いた引抜き伸線加工で行った。伸線加工は、1パス当たりの減面率を8~12%として、複数回パスを繰り返して行った。
続いて、細線化した組込材の径方向の断面を顕微鏡観察した。その結果、安定化材の周方向の一部のみに、局所的に薄肉化している箇所が認められた。また、安定化材の厚さが不均一であり、高熱膨張金属との界面に凹凸が認められた。安定化材の外側に高硬度金属を配置していない場合、伸線加工を行うと、素線の変形や配置の乱れに繋がることが確認された。
実施例1、2と比較例1との比較の結果、安定化材の外側に高硬度金属を配置していない場合、線材の長尺化や細線化に限界があることが分かった。安定化材の外側に高硬度金属を配置すると、従来よりも線材の長尺化や細線化が可能になることが確認された。
<実施例3>
図1に示す多芯線構造のMgB2超電導線材を用いて超電導コイルを作製した。
図1に示す多芯線構造のMgB2超電導線材を用いて超電導コイルを作製した。
はじめに、実施例1と同様の手順で組込材を作製し、その組込材を伸線加工した。そして、伸線加工で細線化した組込材を、ガラス繊維製の絶縁材で被覆した。また、金属製のボビンを、ガラス繊維製の絶縁材で被覆した。そして、細線化した組込材をボビンに対して捲回し、600℃の温度で熱処理を行ってMgB2を生成させた。その後、MgB2超電導線材に絶縁樹脂を含浸させて固定し、超電導コイルを製造した。
続いて、得られた超電導コイルを冷凍容器に収容し、超電導コイルを電源に対して電気的に接続させた。そして、超電導コイルを励磁させて磁場安定性を確認した。
<実施例4>
図1に示す多芯線構造のMgB2超電導線材を用いた超電導コイルを備えるMRI装置を作製した。
図1に示す多芯線構造のMgB2超電導線材を用いた超電導コイルを備えるMRI装置を作製した。
MRI装置は、一対の静磁場発生部と、傾斜磁場発生部と、を備えている。静磁場発生部は、不図示の連結部材を介して、互いに連結させた、静磁場発生部は、互いに対向するように上下に配置した。静磁場発生部同士の間には、撮像領域を挟むように、傾斜磁場発生部を配置した。また、撮像領域に対して進退可能なように、ベッドと、ベッドを搬送する搬送機構を設けた。
続いて、得られた超電導コイルを冷凍容器に収容し、静磁場発生部に配置した。そして、超電導コイルを電源に対して電気的に接続させた。作製したMgB2超電導線材を用いた超電導コイルは、MRI装置において正常に動作することが確認された。
100,300,500…組込材、101,301,501…素線前駆体、102,302,502…原料粉末、103,303,503…金属管、104,304,504…高熱膨張金属管、105,305,505…安定化材管、106,306…高硬度金属管、107,307,507…中心材、200,400…MgB2超電導線材、201,401…素線、202,402…マトリクス(母材)、204,404…高熱膨張金属、205,405…安定化材、206,406…高硬度金属、
600…超電導コイル、601…ボビン、602…MgB2超電導線材、603…冷却容器、
700…MRI装置(磁気発生装置)、701…静磁場発生部、702…撮像領域、703…傾斜磁場発生部、704…被写体、705…ベッド、706…搬送機構
600…超電導コイル、601…ボビン、602…MgB2超電導線材、603…冷却容器、
700…MRI装置(磁気発生装置)、701…静磁場発生部、702…撮像領域、703…傾斜磁場発生部、704…被写体、705…ベッド、706…搬送機構
Claims (14)
- MgB2を含む複数の素線が金属層で覆われたMgB2超電導線材であって、
複数の前記素線が線材の中心に対して周方向および径方向に配列した素線群と、
前記素線群を覆うように配置された、室温における熱膨張係数が前記素線よりも高い高熱膨張金属と、
前記高熱膨張金属を覆うように配置された、超電導を安定化させる安定化材と、
前記安定化材を覆うように配置された、硬度が前記安定化材よりも高い高硬度金属と、を備えるMgB2超電導線材。 - 請求項1に記載の超電導線材であって、
前記素線群を埋設した母材を備え、
前記高熱膨張金属は、室温における熱膨張係数が前記素線および前記母材よりも高い金属であるMgB2超電導線材。 - 請求項1に記載の超電導線材であって、
前記高熱膨張金属、前記安定化材、および、前記高硬度金属は、互いに密着して一体化した前記金属層を形成しているMgB2超電導線材。 - 請求項1に記載の超電導線材であって、
前記高熱膨張金属は、低炭素ステンレス鋼または低炭素鋼であるMgB2超電導線材。 - 請求項1に記載の超電導線材であって、
前記安定化材は、銅であるMgB2超電導線材。 - 請求項1に記載の超電導線材であって、
前記高硬度金属は、Ni-Cu合金またはCu-Ni合金であるMgB2超電導線材。 - 請求項1に記載の超電導線材であって、
前記素線群を埋設した母材を備え、
前記母材は、鉄またはニオブであるMgB2超電導線材。 - 請求項1に記載の超電導線材であって、
線材の中心に配置された中心材と、
前記素線群および前記中心材を埋設した母材と、を備え、
前記中心材は、前記母材と同じ金属で形成されているMgB2超電導線材。 - 請求項1に記載の超電導線材であって、
線材の中心に配置された中心材を備え、
前記中心材は、MgB2を含む素線であるMgB2超電導線材。 - MgB2を含む複数の素線が金属層で覆われたMgB2超電導線材の製造方法であって、
複数の前記素線の前駆体が多重管に収容された組込材を形成する工程と、
前記組込材を伸線加工する工程と、
伸線加工された前記組込材を熱処理してMgB2を生成させる工程と、を含み、
前記組込材は、複数の前記素線の前駆体を前記多重管の中心に対して周方向および径方向に配列させて前記多重管に収容しており、
前記多重管は、室温における熱膨張係数が前記素線よりも高い高熱膨張金属で形成された高熱膨張金属管、超電導を安定化させる安定化材で形成された安定化材管、および、硬度が前記安定化材よりも高い高硬度金属で形成された高硬度金属管が、この順に内側から外側に向けて配置されているMgB2超電導線材の製造方法。 - 請求項10に記載の超電導線材の製造方法であって、
前記組込材は、前記多重管の中心に中心材を配置されており、
前記素線の前駆体は、マグネシウムとホウ素を含む粉末を金属管に収容しており、
前記中心材は、前記金属管と同じ金属で形成されているMgB2超電導線材の製造方法。 - 請求項10に記載の超電導線材の製造方法であって、
前記高熱膨張金属は、低炭素ステンレス鋼または低炭素鋼であり、
前記安定化材は、銅であり、
前記高硬度金属は、Ni-Cu合金またはCu-Ni合金であるMgB2超電導線材の製造方法。 - 請求項1から請求項9のいずれか一項に記載された超電導線材を捲回した超電導コイル。
- 請求項1から請求項9のいずれか一項に記載された超電導線材を捲回した超電導コイルを備えた磁気発生装置。
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