JP3603565B2

JP3603565B2 - Nb (3) Sn superconducting wire capable of obtaining high critical current density and method for producing the same

Info

Publication number: JP3603565B2
Application number: JP27305097A
Authority: JP
Inventors: 隆好宮崎; 雅生嶋田; 孝之宮武; 隆司長谷; 幸伸村上
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1997-10-06
Filing date: 1997-10-06
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2017-10-06
Also published as: JPH11111084A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導発電機，核融合炉，磁気浮上列車，核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置，物性研究等に用いられる超電導マグネットと、マグネット用コイルに用いられるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材と、その製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導マグネットのコイル材として用いられている金属系超電導線材には、ＮｂＴｉ線材とＮｂ_３Ｓｎ線材の２種類がある。ＮｂＴｉ線材は、柔軟であることから加工しやすいという特長があるが、超電導線材として使用可能な磁場が約１０Ｔ以下の低磁場領域に限られている。一方Ｎｂ_３Ｓｎは硬い金属間化合物であり、変形すると脆性破壊を招くことから、マグネットとして用いる場合には、Ｎｂ線の周囲にＳｎを存在させた複合線材を作製し、これをコイル状に形成した後、熱処理を施すことによりＮｂ線にＳｎを拡散させＮｂ_３Ｓｎとすることが必要である。しかしながら、Ｎｂ_３Ｓｎ線材の臨界磁場は２０Ｔ以上であり、上記ＮｂＴｉ線材を用いることができない約１１Ｔ以上の領域でも超電導特性を示すことから、高磁場が要求される超電導マグネットには不可欠である。
【０００３】
Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の製法の一つとしてブロンズ法が知られている。この方法は、Ｃｕ−Ｓｎ基合金（ブロンズ）マトリックス中に、複数のＮｂ製芯材を埋設し、その後伸線加工により上記芯材をフィラメントとし、６００℃〜８００℃で熱処理を施すことによりＮｂ製のフィラメントに上記マトリックスのＳｎを拡散させＮｂ_３Ｓｎを生成する方法である。尚、上記Ｃｕ−Ｓｎ基合金やＮｂ製芯材には、高磁場領域での臨界電流密度（Ｊｃ）を改善することを目的としてＴｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ等が添加された合金も用いられている。
【０００４】
これらの超電導線材をコイルにして超電導マグネットは作製されるが、コイルは、クエンチ時の保護のために複数のコイルに分割されている。また線材の使用量を減らすために、図１に示す様に、それぞれのコイルは配設位置により大きさの適正化が図られており、内側のコイルは、コイルの高さを低くする工夫（グレーディング）がなされている。このような断面構成をもつ超電導マグネットを実際に励磁した場合、マグネットの各コイルの磁場の大きさに分布が生じて、一般的に超電導コイルの内側ほど磁場が高くなる傾向にあることから、外側のコイルには、臨界磁場の低いＮｂＴｉ製線材を用い、内側にはＮｂ_３Ｓｎ製線材を用いた超電導マグネットが開発されている。
【０００５】
ところで、これらの超電導線材が用いられる超電導マグネットに要求される特性としては、発生磁場の高いことがあり、発生磁場はコイルの巻数と相関があるので巻数は多くなる傾向にあり、高磁場を得る上で超電導マグネットは益々大型化しており、装置のコンパクト化が要望されていた。
【０００６】
尚、特公平７−３５５５８号公報及び特公平７−３５５５９号公報には、Ｎｂ_３Ｓｎ線材のフィラメント径を０．３〜５．０μｍに規定するＮｂ_３Ｓｎ超電導線材が開示されている。但し、この技術は、４．２Ｋで１０Ｔという低磁場におけるＪｃに基づいてフィラメント径が設定されたものであり、実際に超電導マグネットのコイル材としたときに生じる磁場分布は考慮されておらず、１１Ｔ以上の磁場が要求される超電導マグネットのコンパクト化に寄与する技術ではなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に着目してなされたものであって、超電導マグネットとした際に、コンパクト化を実現でき、しかも１１Ｔ以上の磁場で高い臨界電流密度を得ることができるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材及びその製造方法と、上記Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材を用いた超電導マグネットを提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明とは、複数本のＮｂまたはＮｂ合金からなるフィラメントがＣｕ−Ｓｎ基合金からなる母材中に埋設され、超電導線として磁場１１〜１８Ｔで用いられるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材であって、上記フィラメントの直径が３μｍ以下であることを要旨とするものであり、また超電導線として磁場１８Ｔ以上で用いられるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の場合には、上記フィラメントの直径が３〜８μｍであることを要旨とする。
【０００９】
更に、磁場１１〜１８Ｔで用いる超電導線材を製造する場合には、ＮｂまたはＮｂ合金からなるフィラメントの直径を３μｍ以下とし、磁場１８Ｔ以上で用いる超電導線材を製造する場合には、上記フィラメントの直径を３〜８μｍとすることにより高臨界電流密度が得られるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を製造することができる。
【００１０】
またＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を用いて発生磁場の高い超電導マグネットを得るにあたっては、磁場が１１〜１８Ｔとなる部分には、フィラメントの直径が３μｍ以下であるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材製コイルを配設し、磁場が１８Ｔ以上となる部分には、フィラメントの直径が３〜８μｍであるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材製コイルを配設することが推奨され、更に、磁場が１１〜１８Ｔとなるコイルは、６００〜７００℃で熱処理を施し、磁場が１８Ｔ以上となるコイルは、７００〜８００℃で熱処理が施せばより高い臨界電流密度を得ることができる。
【００１１】
尚、前述の通り、Ｎｂ_３Ｓｎは硬い金属間化合物であるので、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材は、ブロンズ法における熱処理前の段階で流通することが一般的であり、最終的な使用形態に形成した後、熱処理を施すことによりＮｂ_３Ｓｎが生成されている。従って、本発明におけるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材のフィラメント径とは、熱処理が施される前のＮｂまたはＮｂ合金製のフィラメントの直径であり、換言すれば、ブロンズ法においてＣｕ−Ｓｎ基合金の母材中にＮｂまたはＮｂ合金製芯材を埋設しフィラメントに伸線加工した後の直径である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
発生磁場の高い超電導マグネットをコンパクト化するには、電流密度を増加する方法が考えられる。この為には、超電導マグネットに用いる超電導線の臨界電流密度Ｊｃを向上させることが必要である。
【００１３】
本発明者らはＮｂ₃Ｓｎ超電導線材の超電導特性について鋭意研究を重ねた結果、Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材のフィラメント径とＪｃとの間には特異な依存性があることを見出した。即ち、磁場の強さによって、Ｊｃとフィラメント径の相関が正負反対になるのである。図２は、後述の実施例１の試験結果であり、１５〜２３Ｔの磁場におけるＪｃとフィラメント径の関係をグラフに示したものである。磁場が１８Ｔの場合には、フィラメント径が８μｍ以下の範囲においてＪｃはフィラメント径に関係なくほぼ一定であるが、１８Ｔ未満の磁場では、フィラメント径が５μｍ以下の範囲において、フィラメント径が小さいほどＪｃは増加している。更に磁場が１８Ｔを超えると、フィラメント径が約６μｍ以下の範囲において、フィラメント径が大きいほうがＪｃは増加している。
【００１４】
従って、超電導線材に用いるフィラメントの径を一定にするのではなく、超電導線材として用いる環境の磁場に応じてフィラメント径を設定することが、高いＪｃを得る上で、非常に有効であることが分かる。具体的には、（ｉ）１８Ｔ未満の磁場で用いる場合には、５μｍ以下でできるだけ小さい径のフィラメント径を用いて超電導線材を製造することにより、高いＪｃを得ることができ、３μｍ以下が望ましい。但し、フィラメント径が１μｍより小さくなると逆に臨界電流密度が低くなる傾向があるので、下限は０．２μｍとすることが必要であり、０．３μｍ以上が望ましい。（ｉｉ）１８Ｔ以上の磁場で用いる場合には、フィラメント径が大きい程、高いＪｃが得られるが、８μｍを超えるとＪｃが低くなるので、上限は８μｍとすべきであり、６μｍ以下が望ましい。一方フィラメント径の下限は、高いＪｃを得る上で、３μｍ以上とすべきであり、４μｍ以上がより望ましい。
【００１５】
超電導マグネットを設計するにあたっては、高磁場となる内側のコイルに、１８Ｔ以上の磁場用超電導線材を採用し、低磁場となる外側のコイルに、１８Ｔ未満の磁場用超電導線材を採用すれば良い。また、１８Ｔ未満の磁場に用いられるコイルには、フィラメント径で０．２μｍを下限として、細いフィラメントを採用すれば良いので、その分Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材を細くすることができ、１８Ｔ未満の磁場に用いるコイルを大幅にコンパクト化することが可能である。
このような磁場領域によるＪｃのフィラメント径依存性の違いについては、完全に解明された訳ではないが、以下のように考察できる。
【００１６】
超電導体のＪｃは量子化磁束のピンニングのされ方に依存することは知られている。但し、Ｎｂ_３Ｓｎの場合は、図３に示す様に、規格化した磁場の値：ｈ（Ｈ／Ｈ_ｃ２ ^＊であり、Ｈは磁場，Ｈ_ｃ２ ^＊は上部臨界磁場）が約０．７（〜０．８）以上の領域では、ピンニング力が飽和特性を示すのであり、この領域でのＪｃはＨ_ｃ２ ^＊に大きく依存することを本発明者らは見出し、既に報告している（東北大学金属材料研究所強磁場超伝導材料研究センター平成８年度年次報告、第１２０〜１２３頁）。すなわち、規格化磁場ｈが約０．７（〜０．８）以上の領域では、Ｈ_ｃ２ ^＊が高くなるほどＪｃも高くなるのである。これは、規格化磁場ｈが約０．７（〜０．８）を境として量子化磁束とピンニングセンターの間の相関が変化するために、このようなＪｃのフィラメント径依存性が発現するものと考えられ、詳細には上部臨界磁場の７，８割程度より低い約１８Ｔ未満では、ピンニング効果によりＪｃは高まるのでフィラメント径をできるだけ小さくしてフィラメント断面における結晶粒面積を小さくすることが有効であり、一方、上部臨界磁場に近い高磁場領域ではピンニング効果が飽和し、むしろフィラメント径を大きくすることでＨ_ｃ２ ^＊を高めることができ、Ｊｃも高まるものと考えられる。
【００１７】
尚、図４は、後述する実施例１で得られた線材のＨ_ｃ２ ^＊をＫｒａｍｅｒｐｌｏｔにより求めフィラメント径との関係で整理したグラフであり、フィラメント径が大きいほどＨ_ｃ２ ^＊も高くなっており、フィラメント径とＨ_ｃ２ ^＊の間にも相関のあることが分かる。特に３μｍまでは、Ｈ_ｃ２ ^＊のフィラメント径依存性が大きく、図２のグラフと同様、フィラメント径３μｍに変曲点が見られる。図４のグラフにおいて、フィラメント径３μｍ以上におけるＨ_ｃ２ ^＊は約２５Ｔであり、ｈが約０．７（〜０．８）以上の磁場領域とは、約１８Ｔ以上の磁場となる。この結果は、図２のグラフにおいて１８Ｔ以上の場合に、フィラメント径が大きいほどＪｃが高くなり、特に３μｍ以上で大きな値を示す結果と一致している。
【００１８】
ところで、特公平７−３５５５８号公報及び特公平７−３５５５９号公報には、Ｎｂ_３Ｓｎ線材のフィラメント径を０．３〜５．０μｍに規定するＮｂ_３Ｓｎ超電導線材が開示されているが、この技術は、４．２Ｋで１０Ｔという低磁場におけるＪｃに基づいてフィラメント径が設定されたものであり、実際に超電導マグネットのコイル材としたときに生じる磁場分布は考慮されていない。換言すれば、従来技術では、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材を用いた超電導マグネットにおいて、１１Ｔ以上の（特に１８Ｔを超えるような）高磁場におけるＪｃとフィラメント径の関係は知られておらず、超電導コイルの磁場に応じてフィラメント径を制御することは行われていなかった。即ち、これまでは超電導線材の各経験磁場でのフィラメント径の最適化ができていなかったため十分に高いＪｃが得られておらず、これが高磁場マグネットの肥大化につながり、コストも必要以上に高くなっていたものである。これに対して、本発明では、前述の通り、低磁場と高磁場との間の磁場領域によるＪｃのフィラメント径依存性の違いを最大限に生かすことで、高いＪｃを得ることができる超電導マグネットをよりコンパクトな形で製造することを可能にしたものである。
【００１９】
更に本発明者らは、１８Ｔ以上の高磁場で高Ｊｃを実現するためにはＮｂ_３Ｓｎ生成熱処理の条件も最適化することも有効であることを見出した。図５は、後述の実施例２の試験結果であり、熱処理温度とＨ_ｃ２ ^＊の関係について調べたものである。６５０〜７５０℃において熱処理温度の上昇とともにＨ_ｃ２ ^＊は増加し、特に７００℃よりも高温でのＨ_ｃ２ ^＊の値が大きくなることが分かる。この様にＨ_ｃ２ ^＊の増加とともにＪｃも増加するので、高いＪｃを得る上で、熱処理温度を７００℃以上とすることが望ましい。但し、熱処理温度が高過ぎると、熱的及び電磁気的な安定化のために配置している銅が一部蒸発してしまい、線材の安定化を損なうので、８００℃を以下とすることが必要である。
【００２０】
一方、ｈが約０．７未満の低磁場側では、ピンニング力は非飽和的な特性を示し、Ｎｂ_３Ｓｎ結晶粒が微細な程、高いＪｃを実現できる。従って、磁場が１８Ｔ未満の領域で用いる場合には、Ｎｂ_３Ｓｎを生成する際の熱処理温度は低い方が望ましく、６００〜７００℃の温度範囲が望ましい。
【００２１】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の主旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００２２】
【実施例】
実施例１
図６に、本実施例で作製した超電導線材の基本的構造を示す。
Ｃｕ−１４ｗｔ％Ｓｎ−０．３ｗｔ％Ｔｉ合金からなるマトリックス１１の中に１９本のＮｂ合金製ロッド１２を挿入し、これを用いて静水圧押出しを行った後、引き抜き加工により六角材１３に加工した。尚、上記Ｎｂ合金製ロッド１２としては、Ｔａ量の異なる２種類のＮｂ合金を用いた。ここでＮｂ−７．５ｗｔ％Ｔａを用いたものをＡ材、Ｎｂ−１．０ｗｔ％Ｔａを用いたものをＢ材と呼ぶ。Ａ材では２８５１本の六角材１３を束ね、Ｂ材では２０５３本の六角材をスタックした後、その外周にＮｂのシートを約１０層巻き付けＳｎ拡散防止用のバリア１４とし、その外周に安定化のために無酸素銅１５を配置した。このようにして組み立てたビレットを用いて再び静水圧押出しを行い、次いで引き抜き加工により以下の種々の線径のフィラメントとした。即ち、Ａ材はフィラメント径が１．６μｍ，２．７μｍ，４．５μｍ，４．８μｍ，６．３μｍ，７．９μｍになる様に伸線加工し、Ｂ材は１．９μｍ，３．０μｍ，５．０μｍ，６．０μｍ，７．０μｍ，８．０μｍ，８．７μｍになるよう伸線加工した。尚、この伸線加工の工程においては、途中で適宜中間焼鈍を施した。
【００２３】
得られたＮｂ_３Ｓｎ超電導線材に６７０℃で１００時間の熱処理を施すことにより、マトリックス１１に含有されるＳｎをＮｂ合金製フィラメントに拡散させてＮｂ_３Ｓｎを生成してＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を得た。
【００２４】
得られた各種のＮｂ_３Ｓｎ超電導線の１５〜２３Ｔにおける臨界電流（Ｉｃ）を４端子法（基準電圧１００μＶ／ｍ）で測定し、Ｉｃを非銅部の面積で除してＪｃを求めた。結果は、図２に示す。ここで、○印はＡ材の、▲印はＢ材についての実験結果である。これより、Ａ材，Ｂ材ともに、ほぼ１８Ｔを境としてＪｃのフィラメント径依存性の相関が正負逆転しており、磁場１１〜１８Ｔで用いる超電導線材を製造する場合には、上記フィラメントの直径を３μｍ以下とし、磁場１８Ｔ以上で用いる超電導線材を製造する場合には、上記フィラメントの直径を３〜８μｍとすることにより高臨界電流密度が得られるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を製造することができることが分かる。
【００２５】
実施例２
Ｃｕ−１５ｗｔ％Ｓｎ−０．３ｗｔ％Ｔｉからなるマトリックスと、純Ｎｂ製ロッドを用いて六角材に加工し、これを１３２１本スタックしたこと以外は、実施例１と同様にして、ビレットを組み立て静水圧押出を行い、引き抜き加工によりフィラメント径が６μｍとなるまで伸線加工した。得られたＮｂ_３Ｓｎ超電導線材に対して６５０℃，６７０℃，７００℃，７２０℃，７５０℃で、それぞれ１００時間または１５０時間の熱処理を施して、Ｎｂ製フィラメントにＳｎを拡散させＮｂ_３Ｓｎを生成させた。
【００２６】
得られたＮｂ_３Ｓｎ超電導線について、臨界電流Ｉｃを測定した。結果は図７に示す。ここで、■は各温度における熱処理を１００時間施したもの、○は１５０時間施したＮｂ_３Ｓｎ超電導線のデータであり、いずれの場合にも、熱処理温度とともにＩｃが上昇しており、特に７００℃以上で熱処理をしたときのＩｃが高くなることが分かる。
【００２７】
尚、図５は２．１Ｋおよび４．２ＫにおけるＨ_ｃ２ ^＊と生成熱処理温度の関係を示すグラフであり、ここに示すように、測定温度を変化させた場合でもＨ_ｃ２ ^＊は７００℃以上の熱処理によって著しく向上することが分かる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されているので、超電導マグネットとした際に、コンパクト化を実現でき、しかも１１Ｔ以上の磁場で高い臨界電流密度を得ることができるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材及びその製造方法と、上記Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材を用いた超電導マグネットが提供できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】超電導マグネットのコイル構成の一例を示す概略断面説明図である。
【図２】実施例１における各磁場でのＪｃとフィラメント径の関係を示すグラフである。
【図３】規格化磁場（ｈ）とピンニング力（Ｆｐ）の関係を示すグラフである。
【図４】実施例１におけるＨ_ｃ２ ^＊とフィラメント径の関係を示すグラフである。
【図５】実施例２におけるＨ_ｃ２ ^＊と熱処理温度の関係を示すグラフである。
【図６】実施例１及び２において作製した超電導線材を示す概略断面説明図である。
【図７】実施例２における２１ＴでのＩｃと熱処理温度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１コイル
１１ブロンズ製マトリックス
１２Ｎｂ合金製ロッド
１３六角材
１４Ｓｎ拡散防止用バリア
１５無酸素銅[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is a superconducting generator, nuclear fusion reactors, magnetic levitation trains, nuclear magnetic resonance (NMR) apparatus, superconducting magnet for use in Physics Research, etc., and Nb 3 _Sn superconducting wire used in the magnet coil, a method of manufacturing It is about.
[0002]
[Prior art]
There are two types of metal superconducting wires used as coil materials for superconducting magnets: NbTi wires and Nb ₃ Sn wires. The NbTi wire has a feature that it is easy to process because it is flexible, but the magnetic field that can be used as a superconducting wire is limited to a low magnetic field region of about 10 T or less. On the other hand, Nb ₃ Sn is a hard intermetallic compound, and when it is deformed, it causes brittle fracture. Therefore, when it is used as a magnet, a composite wire in which Sn is present around the Nb wire is produced and formed into a coil shape. After that, it is necessary to diffuse Sn into the Nb line by performing a heat treatment to form Nb ₃ Sn. However, the critical magnetic field of the Nb ₃ Sn wire is 20 T or more and the superconductivity is exhibited even in a region of about 11 T or more where the NbTi wire cannot be used. Therefore, it is indispensable for a superconducting magnet requiring a high magnetic field.
[0003]
The bronze method is known as one of the methods for producing an Nb ₃ Sn superconducting wire. In this method, a plurality of Nb core materials are buried in a Cu-Sn base alloy (bronze) matrix, and then the core material is made into a filament by wire drawing, and a heat treatment is performed at 600 to 800 ° C. This is a method in which Sn of the matrix is diffused into a filament made of Nb ₃ to generate Nb ₃ Sn. In addition, as the Cu-Sn base alloy or the core material made of Nb, an alloy to which Ti, Ta, Zr, Hf or the like is added for the purpose of improving the critical current density (Jc) in a high magnetic field region is used. ing.
[0004]
A superconducting magnet is manufactured by using these superconducting wires as coils, but the coils are divided into a plurality of coils for protection during quench. In order to reduce the amount of wire used, as shown in FIG. 1, the size of each coil is optimized according to the arrangement position, and the inner coil is devised to reduce the height of the coil ( Grading). When a superconducting magnet having such a cross-sectional configuration is actually excited, a distribution occurs in the magnitude of the magnetic field of each coil of the magnet, and the magnetic field generally tends to be higher inside the superconducting coil. A superconducting magnet using an NbTi wire having a low critical magnetic field and an Nb ₃ Sn wire inside has been developed for the coil.
[0005]
By the way, as a characteristic required for the superconducting magnet in which these superconducting wires are used, the generated magnetic field may be high, and since the generated magnetic field is correlated with the number of turns of the coil, the number of turns tends to increase, and a high magnetic field is obtained. Above, superconducting magnets have become increasingly larger, and there has been a demand for a more compact apparatus.
[0006]
Note that the KOKOKU 7-35558 and JP fair 7-35559 discloses, _Nb 3 Sn superconducting wire defining a filament diameter of _Nb 3 Sn wire rod 0.3~5.0μm is disclosed. However, in this technique, the filament diameter is set based on Jc in a low magnetic field of 10 T at 4.2 K, and the magnetic field distribution generated when the coil material of the superconducting magnet is actually used is not considered. It was not a technique contributing to downsizing of a superconducting magnet requiring a magnetic field of 11 T or more.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and when a superconducting magnet is used, it is possible to realize a compact superconducting magnet and obtain a high critical current density in a magnetic field of 11 T or more, and an Nb ₃ Sn superconducting wire and An object of the present invention is to provide a manufacturing method thereof and a superconducting magnet using the above Nb ₃ Sn superconducting wire.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention which solves the above problems, is embedded in the base material to a filament comprising a plurality of Nb or Nb alloy consisting of Cu-Sn-based alloy, Nb 3 _Sn superconducting wire used in the magnetic field 11~18T as superconducting wire Wherein the diameter of the filament is 3 μm or less, and in the case of Nb ₃ Sn superconducting wire used as a superconducting wire at a magnetic field of 18 T or more, the diameter of the filament is 3 to 8 μm The gist is that
[0009]
Furthermore, when manufacturing a superconducting wire used in a magnetic field of 11 to 18 T, the diameter of a filament made of Nb or an Nb alloy is set to 3 μm or less. By setting the thickness to 3 to 8 μm, it is possible to manufacture an Nb ₃ Sn superconducting wire capable of obtaining a high critical current density.
[0010]
Also in obtaining a high superconducting magnet of generating a magnetic field using a Nb 3 _Sn superconducting wire, the portion where the magnetic field is 11～18T, arranged a Nb 3 _Sn superconducting wire manufactured by the coil diameter of the filament is 3μm or less It is recommended that a coil made of an Nb ₃ Sn superconducting wire having a filament diameter of ₃ to 8 μm be provided in a portion where the magnetic field is 18 T or more. Further, a coil having a magnetic field of 11 to 18 T is 600 to A coil subjected to heat treatment at 700 ° C. and having a magnetic field of 18 T or more can obtain a higher critical current density if heat treated at 700 to 800 ° C.
[0011]
As described above, since Nb ₃ Sn is a hard intermetallic compound, the Nb ₃ Sn superconducting wire is generally circulated before the heat treatment in the bronze method, and is formed into a final use form. Thereafter, Nb ₃ Sn is generated by performing a heat treatment. Therefore, the filament diameter of the Nb ₃ Sn superconducting wire in the present invention is the diameter of the filament made of Nb or Nb alloy before the heat treatment is performed, in other words, the base material of the Cu—Sn based alloy in the bronze method. It is the diameter after the core material made of Nb or Nb alloy is buried therein and drawn into a filament.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In order to make the superconducting magnet having a high generated magnetic field compact, a method of increasing the current density can be considered. For this purpose, it is necessary to improve the critical current density Jc of the superconducting wire used for the superconducting magnet.
[0013]
As a result of intensive studies on the superconducting properties of the Nb ₃ Sn superconducting wire, the present inventors have found that there is a unique dependence between the filament diameter of the Nb ₃ Sn superconducting wire and Jc. That is, the correlation between Jc and the filament diameter becomes opposite depending on the strength of the magnetic field. FIG. 2 is a test result of Example 1 described later, and is a graph showing a relationship between Jc and a filament diameter in a magnetic field of 15 to 23 T. When the magnetic field is 18T, Jc is almost constant irrespective of the filament diameter in the range of the filament diameter of 8 μm or less. Is increasing. Further, when the magnetic field exceeds 18 T, in a range where the filament diameter is about 6 μm or less, Jc increases as the filament diameter increases.
[0014]
Therefore, it is found that setting the filament diameter according to the magnetic field of the environment used as the superconducting wire, instead of keeping the diameter of the filament used for the superconducting wire constant, is very effective in obtaining a high Jc. . Specifically, (i) when used in a magnetic field of less than 18 T, a high Jc can be obtained by producing a superconducting wire using a filament diameter as small as 5 μm or less, and a thickness of 3 μm or less is desirable. . However, when the filament diameter is smaller than 1 μm, the critical current density tends to be low, so the lower limit needs to be 0.2 μm, and preferably 0.3 μm or more. (Ii) When used in a magnetic field of 18 T or more, the higher the filament diameter, the higher Jc is obtained. However, if the filament diameter exceeds 8 μm, the Jc becomes lower. Therefore, the upper limit should be 8 μm, and preferably 6 μm or less. On the other hand, the lower limit of the filament diameter should be 3 μm or more, and more preferably 4 μm or more, in order to obtain a high Jc.
[0015]
In designing a superconducting magnet, a superconducting wire for a magnetic field of 18 T or more may be used for the inner coil having a high magnetic field, and a superconducting wire for a magnetic field of less than 18 T may be used for the outer coil having a low magnetic field. In addition, a thin filament having a filament diameter of 0.2 μm as a lower limit may be used for a coil used for a magnetic field of less than 18 T, so that the Nb ₃ Sn superconducting wire can be made correspondingly thinner and a magnetic field of less than 18 T It is possible to greatly reduce the size of the coil used in the method.
Such a difference in the dependence of Jc on the filament diameter due to the magnetic field region has not been completely elucidated, but can be considered as follows.
[0016]
It is known that the Jc of the superconductor depends on how the quantization magnetic flux is pinned. However, in the case of Nb ₃ Sn, as shown in FIG. 3, a normalized magnetic field value: h (H / H _c2 ^* , H is a magnetic field, H _c2 ^* is an upper critical magnetic field) is about 0.7. The present inventors have found out that the pinning force shows a saturation characteristic in the region of (〜0.8) or more, and Jc greatly depends on H _c2 ^* in this region, and have already reported (Tohoku) High-Magnetic Field Superconducting Materials Research Center, Institute of Metals, University of Tokyo 1996 Annual Report, pp. 120-123). That is, the normalized magnetic field h is at about 0.7 (0.8) or more _regions, Jc as _{H c2} ^* is high is also becoming higher. This is because the correlation between the quantizing magnetic flux and the pinning center changes when the normalized magnetic field h is about 0.7 (up to 0.8) as a boundary, and thus the Jc filament diameter dependence is expressed. Specifically, when the upper critical magnetic field is lower than about 70% and lower than about 18 T, the pinning effect increases Jc. Therefore, it is effective to reduce the filament diameter as much as possible to reduce the crystal grain area in the filament cross section. On the other hand, it is considered that the pinning effect is saturated in a high magnetic field region close to the upper critical magnetic field, and rather, it is possible to increase _Hc2 ^* by increasing the filament diameter, thereby increasing Jc.
[0017]
FIG. 4 is a graph in which _Hc2 ^* of the wire obtained in Example 1 described later is obtained by Kramer plot and arranged in relation to the filament diameter. As the filament diameter increases, _Hc2 ^* increases. It can be seen that there is also a correlation between the filament diameter and _Hc2 ^* . In particular, up to 3 μm, the dependence of H _c2 ^{* on} the filament diameter is large, and an inflection point is seen at a filament diameter of 3 μm as in the graph of FIG. In the graph of FIG. 4, _Hc2 ^{* at} a filament diameter of 3 μm or more is about 25 T, and a magnetic field region where h is about 0.7 (〜0.8) or more means a magnetic field of about 18 T or more. This result is consistent with the result that Jc increases as the filament diameter increases in the case of 18 T or more in the graph of FIG.
[0018]
By the way, Japanese Patent Publication No. 7-35558 and Japanese Patent Publication No. 7-35559 disclose an Nb ₃ Sn superconducting wire in which the filament diameter of the Nb ₃ Sn wire is regulated to 0.3 to 5.0 μm. In this technique, a filament diameter is set based on Jc in a low magnetic field of 10 T at 4.2 K, and a magnetic field distribution generated when a coil material of a superconducting magnet is actually used is not considered. In other words, in the prior art, in a superconducting magnet using an Nb ₃ Sn superconducting wire, the relationship between Jc and the filament diameter in a high magnetic field of 11 T or more (especially exceeding 18 T) is not known. The filament diameter has not been controlled in accordance with the magnetic field. That is, until now, a sufficiently high Jc has not been obtained because the filament diameter in each empirical magnetic field of the superconducting wire has not been optimized, and this has led to an enlargement of the high magnetic field magnet, and the cost has been higher than necessary. That was what it was. On the other hand, in the present invention, as described above, the superconducting magnet that can obtain a high Jc by maximizing the difference in the filament diameter dependence of the Jc depending on the magnetic field region between the low magnetic field and the high magnetic field. Can be manufactured in a more compact form.
[0019]
Furthermore, the present inventors have found that it is also effective to optimize the conditions of the Nb ₃ Sn generation heat treatment in order to realize high Jc in a high magnetic field of 18 T or more. FIG. 5 shows the test results of Example 2 described later, and was obtained by examining the relationship between the heat treatment temperature and _Hc2 ^* . It can be seen that at 650 to 750 ° C., H _c2 ^* increases as the heat treatment temperature increases, and that the value of H _c2 ^* particularly at temperatures higher than 700 ° C. increases. Since Jc also increases with increasing H _c2 ^* Thus, in obtaining a high Jc, it is desirable that the heat treatment temperature and 700 ° C. or higher. However, if the heat treatment temperature is too high, the copper disposed for thermal and electromagnetic stabilization will partially evaporate, thereby impairing the stabilization of the wire rod. It is.
[0020]
On the other hand, on the low magnetic field side where h is less than about 0.7, the pinning force exhibits non-saturated characteristics, and the higher the Nb ₃ Sn crystal grain, the higher Jc can be realized. Therefore, when the magnetic field is used in the region of less than 18T, the heat treatment temperature at the time of generating the _Nb 3 Sn is lower is desirable, the desired temperature range of 600 to 700 ° C..
[0021]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.However, the following examples are not intended to limit the present invention, and any design change based on the gist of the preceding and following descriptions is not a technical limitation of the present invention. It is included in the range.
[0022]
【Example】
Example 1
FIG. 6 shows a basic structure of the superconducting wire manufactured in this example.
After inserting 19 Nb alloy rods 12 into a matrix 11 made of Cu-14wt% Sn-0.3wt% Ti alloy and performing hydrostatic extrusion using the rods, a hexagonal material 13 is formed by drawing. processed. As the Nb alloy rod 12, two types of Nb alloys having different Ta amounts were used. Here, a material using Nb-7.5 wt% Ta is referred to as an A material, and a material using Nb-1.0 wt% Ta is referred to as a B material. For material A, 2851 hexagonal materials 13 are bundled, and for material B, 2053 hexagonal materials are stacked. Then, about 10 layers of Nb sheet are wrapped around the outer circumference to form a barrier 14 for preventing Sn diffusion, and stabilized on the outer circumference. Oxygen-free copper 15 was placed for the purpose. The billet assembled in this manner was again subjected to hydrostatic extrusion and then drawn to obtain filaments having the following various wire diameters. That is, material A is drawn to have a filament diameter of 1.6 μm, 2.7 μm, 4.5 μm, 4.8 μm, 6.3 μm, 7.9 μm, and material B is 1.9 μm, 3.0 μm. , 5.0 μm, 6.0 μm, 7.0 μm, 8.0 μm, and 8.7 μm. In the wire drawing process, intermediate annealing was appropriately performed on the way.
[0023]
By subjecting the obtained Nb ₃ Sn superconducting wire to a heat treatment at 670 ° C. for 100 hours, Sn contained in the matrix 11 is diffused into the Nb alloy filament to generate Nb ₃ Sn, and the Nb ₃ Sn superconducting wire is produced. Obtained.
[0024]
The critical current (Ic) of each of the obtained Nb ₃ Sn superconducting wires at 15 to 23 T was measured by a four-terminal method (reference voltage 100 μV / m), and Jc was obtained by dividing Ic by the area of the non-copper part. . The results are shown in FIG. Here, the mark ○ indicates the experimental result of the material A, and the mark ▲ indicates the experimental result of the material B. Thus, for both materials A and B, the correlation of the filament diameter dependency of Jc is reversed at about 18T as a boundary, and when manufacturing a superconducting wire used in a magnetic field of 11 to 18T, the diameter of the filament is reduced. In the case of manufacturing a superconducting wire having a diameter of 3 μm or less and a magnetic field of 18 T or more, it is understood that an Nb ₃ Sn superconducting wire capable of obtaining a high critical current density can be manufactured by setting the diameter of the filament to 3 to 8 μm. .
[0025]
Example 2
A billet was assembled in the same manner as in Example 1 except that a hexagonal material was processed using a matrix made of Cu-15 wt% Sn-0.3 wt% Ti and a rod made of pure Nb, and 1321 were stacked. Hydrostatic extrusion was performed, and drawing was performed by drawing until the filament diameter became 6 μm. The obtained Nb ₃ Sn superconducting wire is subjected to a heat treatment at 650 ° C., 670 ° C., 700 ° C., 720 ° C., and 750 ° C. for 100 hours or 150 hours, respectively, to diffuse Sn into the Nb-made filament, and to diffuse Nb ₃ Sn. Was generated.
[0026]
The critical current Ic was measured for the obtained Nb ₃ Sn superconducting wire. The results are shown in FIG. Here, ■ indicates data obtained by performing heat treatment at each temperature for 100 hours, and ○ indicates data of a Nb ₃ Sn superconducting wire subjected to 150 hours. In each case, Ic increases with the heat treatment temperature, and particularly, 700 It can be seen that Ic when the heat treatment is performed at a temperature of not less than ℃.
[0027]
FIG. 5 is a graph showing the relationship between H _c2 ^{* at} 2.1 K and 4.2 K and the heat treatment temperature. As shown here, even when the measurement temperature was changed, H _c2 ^* was 700 ° C. or more. It can be seen that the heat treatment significantly improves the heat treatment.
[0028]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, when a superconducting magnet is used, it is possible to realize compactness and obtain a high critical current density in a magnetic field of 11 T or more, and a Nb ₃ Sn superconducting wire and a method of manufacturing the same. Thus, a superconducting magnet using the above Nb ₃ Sn superconducting wire can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view illustrating an example of a coil configuration of a superconducting magnet.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between Jc and a filament diameter in each magnetic field in Example 1.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a normalized magnetic field (h) and a pinning force (Fp).
FIG. 4 is a graph showing a relationship between H _c2 ^* and a filament diameter in Example 1.
FIG. 5 is a graph showing a relationship between H _c2 ^* and a heat treatment temperature in Example 2.
FIG. 6 is a schematic sectional view showing a superconducting wire produced in Examples 1 and 2.
FIG. 7 is a graph showing a relationship between Ic at 21 T and a heat treatment temperature in Example 2.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Coil 11 Bronze matrix 12 Nb alloy rod 13 Hexagonal material 14 Sn diffusion prevention barrier 15 Oxygen-free copper

Claims

Filaments comprising a plurality of Nb or Nb alloy are embedded in the base material made of Cu-Sn-based alloy, a Nb ₃ Sn superconducting wire used in the magnetic field 18T or more as a superconducting wire,
Nb ₃ Sn superconducting wire with high critical current densities, wherein the diameter of the filament is 4.5 ～8Myuemu is obtained.

After embedded core material comprising a plurality of Nb or Nb alloy base material made of Cu-Sn based alloy, the drawing method for manufacturing a Nb ₃ Sn superconducting wire and filament the core material,
When manufacturing a superconducting wire used in the magnetic field 18T or more, high critical current density Nb ₃ Sn method of manufacturing a superconducting wire obtained, characterized in that the diameter of 4.5 ～8Myuemu of the filament.

A superconducting magnet made by using a plurality of Nb or filaments composed of Nb alloy are embedded in the base material made of Cu-Sn-based alloy Nb ₃ Sn superconducting wire,
A coil made of an Nb ₃ Sn superconducting wire having a filament diameter of 3 μm or less is provided on an outer coil portion where the magnetic field is 11 to 18 T.
The coil portions of the inner magnetic field is greater than or equal to 18T, a superconducting magnet, characterized in that the Nb ₃ Sn superconducting wire manufactured by a coil of the filament diameter of 4.5 ～8Myuemu is disposed.

A superconducting magnet made by using a plurality of Nb or filaments composed of Nb alloy are embedded in the base material made of Cu-Sn-based alloy Nb ₃ Sn superconducting wire,
In a portion where the magnetic field is 11 to 18 T, a coil made of an Nb ₃ Sn superconducting wire having a diameter of the filament of 3 μm or less is arranged,
A coil made of a Nb ₃ Sn superconducting wire having a diameter of ₃ to 8 μm is disposed in a portion where the magnetic field is 18 T or more ,
The coil of the portion where the magnetic field is 11 to 18 T is subjected to heat treatment at 600 to 700 ° C.
A superconducting magnet , characterized in that a portion of the coil having a magnetic field of 18 T or more is heat-treated at 700 to 800C.