JP4391403B2 - 二ホウ化マグネシウム超電導線の接続構造及びその接続方法 - Google Patents

Description

本発明は、臨界温度以下の環境において、高い超電導臨界電流密度を有する二ホウ化マグネシウム(以下、ＭｇＢ_２とする)超電導線の接続構造及びその接続方法に関する。

ＭｇＢ_２線の臨界温度は３９Ｋであり、通常の金属系超電導材料より約２０Ｋ以上も高い。また、上部臨界磁場も高く、薄膜では約４０Ｔを有する。さらに、磁場異方性が極めて小さく、曲げ特性にも優れることから、線材作製、取扱に関しても通常の金属系超電導材料と差異は少ない。ＭｇＢ_２の線材化には、現在でも多くの研究がされているが、これらの特長を利用すれば、冷凍機冷却、又は、強磁場中での応用も現実的なものになると考えられる。これらの用途のうち、永久電流運転が必要とする製品には超電導接続が必要である。

特許文献１にはＭｇＢ_２にＹ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｆｅ及びＡｌの少なくとも１種を添加した超電導線材とその接続として接続部にＭｇＢ_２粉末が塗布され加圧接合する接続方法が示され、特許文献２にはＭｇＢ_２超電導線材とＮｂＴｉ超電導線材とが安定化材が除去されて超電導コア同士が接触しはんだが塗りこまれて接続され方法が示されている。

特開２００２−３５８９７２号公報 特開２００３−０３７３０３号公報

一般に、ＭｇＢ_２線はパウダーインチューブ法で作製され、Ｆｅ、ＳＵＳ、Ｃｕ、Ｎｉなどの金属シース管、又はそれらを複合させた金属シース管内にＭｇＢ_２やＭｇ、Ｂを内包し、加工、必要に応じて熱処理することで作製している。

このＭｇＢ_２線を超電導接続するには、ＭｇＢ_２線ごと接続する場合、接続部分の金属シース管を除去し、ＭｇＢ_２の超電導部を露出させて接続する方法が特許文献２に知られているが、発明者らは、この方法及び特許文献１においては、いずれも優れた通電特性及び安定性を有する超電導接続部を作製するには不向きな接続方法であることを見出した。

即ち、ＭｇＢ_２線の接続部分の安定化材としての金属シース管を除去し、ＭｇＢ_２を露出させると金属シース管によって蜜に形成されていたＭｇＢ_２線自身の緻密性がなくなり、その部分の超電導性が著しく低下し、通電特性及び安定性に欠ける接続部となってしまうことである。

本発明の目的は、二ホウ化マグネシウム超電導線と同種又は異種の超電導線との超電導接続により優れた通電特性及び安定性を有する二ホウ化マグネシウム超電導線の接続構造及びその接続方法を提供することにある。

本発明は、超電導被覆層によって覆われている二ホウ化マグネシウム超電導線と他の超電導線とが以下に示す前記超電導被覆層を介して互いに接して接続部が形成され、該接続部が接続金属管内に充填されたはんだに埋め込まれていることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続構造にある。

前記超電導被覆層はＮｂ、Ｎｂを主にしたＮｂ合金、Ｎｂ−Ｔｉ合金及びＮｂ−Ｔａ合金のいずれかである。そして、前記他の超電導線がＭｇＢ_２、ＮｂＴｉ、Ｎｂ_３Ｓｎ及びＮｂ_３Ａｌのいずれかの超電導線からなること、前記超電導被覆層は前記接続部以外が高導電性金属層で覆われていることのいずれか又は組み合わせが好ましい。

前記高導電性金属層はＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、これらの金属を主にした合金又はＣｕ−Ｎｉ合金からなること、前記高導電性金属層は前記接続部において溶融したＳｎ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｔｌ、Ｚｎ、Ｂｉ又はＡｌに浸漬させることによって少なくとも互いに接触する部分又は浸漬された全体が除去されていること、前記はんだが重量でＰｂ３０〜７０％及びＢｉ３０〜７０％を有する超電導はんだであることのいずれか又は組み合わせが好ましい。

前記二ホウ化マグネシウム超電導線が複数本配置されていること、前記二ホウ化マグネシウム超電導線の中央部に高強度金属線が配置されていること、前記高強度金属線がＴａ、Ｆｅ及びＮｂの少なくとも１種であることのいずれか又は組み合わせが好ましい。

又、本発明は、超電導被覆層と該層上に設けられた高導電性金属層とによって覆われている二ホウ化マグネシウム超電導線と他の超電導線とを接続金属管内に挿入し該接続金属管内にはんだを充填させて接続する二ホウ化マグネシウム超電導線の接続方法であって、前記接続される部分の前記高導電性金属層を溶融金属によって溶解除去して前記超電導被覆層を露出させ、該露出部と前記他の超電導線とを接触させて接続部を形成し、該接続部を前記充填された前記はんだに埋め込んで前記接続させることを特徴とする。

前記露出した前記超電導被覆層を有する部分の前記二ホウ化マグネシウム超電導線と前記他の超電導線とを超電導線材によって巻回して固定する固定部を形成し、該固定部を前記接続金属管内に挿入し、該接続金属管内に前記はんだを充填することが好ましい。

本発明によれば、二ホウ化マグネシウム超電導線と同種又は異種の超電導線との超電導接続により優れた通電特性及び安定性を有する二ホウ化マグネシウム超電導線の接続構造及びその接続方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体的な比較例及び実施例によって説明する。

比較例１

図１はＭｇＢ_２線ごと接続する超電導接続の断面図、図２は図１のＡ-Ａ部の断面図である。図３は、ＭｇＢ_２線の断面図である。本比較例では、すべてＭｇＢ_２線と超電導接続する超電導線としてＮｂＴｉ線を使用した。ＭｇＢ_２線１が金属シース２、ＭｇＢ_２超電導部３からなり、もう一方の超電導線４の超電導部５とＭｇＢ_２線１を固定することで線材固定部６を形成し、それらに超電導はんだ７を充填させた接続金属管８を差込んだ構造となっている。この接続構造ではＭｇＢ_２超電導部３が金属シース２を介して、超電導はんだ７、もう一方の超電導部５と接続されている。

この接続構造を有する超電導接続サンプルを作製し、臨界電流測定を実施した。測定は一般的な直流四端子法を用いて、試料全体を液体ヘリウム中に浸漬して行った。本実施例の超電導接続サンプルの場合、１５Ａまでの通電で抵抗発生が認められなかった。ＭｇＢ_２線及びＮｂＴｉ線の通電特性はそれ以上を有することから、超電導接続部へ通電する電流が非常に低いことがわかった。

この要因は、ＭｇＢ_２超電導部は超電導体であるが、その外部の金属シース２は常電導体であるためと考える。そのためＭｇＢ_２線ごと接続する場合、その接続部に必要な通電特性を有するには、非常に長い接続長となる。また常電導体を含んだ接続構造となっているため超電導接続部の接続抵抗が高くなり、必要な安定性を有する超電導コイルを作製する場合、インダクタンスを大きくとらなければならないため非常に大きな超電導コイルを作製する必要がある。

一方で、近年、超電導接続部に必要とされる通電特性や安定性が増加傾向にある。以上のことから、ＭｇＢ_２線ごと接続する方法は非常にロスが大きくなるため、優れた通電特性及び磁場安定性を持つ超電導接続部の作製に不向きな接続構造であるといえる。つまりＭｇＢ_２線の超電導接続部には、その使用環境において超電導特性を示す物質で形成する必要があると考える。

比較例２

図４はＭｇＢ_２の超電導部を露出させ接続する超電導接続構造を示す断面図、図５は図４のＢ-Ｂ部の断面図である。ＭｇＢ_２線１には図３の断面構造のものを用いた。ＭｇＢ_２線１が金属シース２、ＭｇＢ_２超電導部３からなり、もう一方の超電導線４の超電導部５とＭｇＢ_２超電導部３を固定することで線材固定部６を形成し、それらに超電導はんだ７を充填させた接続金属管８を差込んだ構造となっている。実施例１と異なる点は、ＭｇＢ_２線１の超電導部であるＭｇＢ_２超電導部３を露出させ、その露出させた超電導部同士を接続したことである。この構造が一般的な超電導接続である。
（試作２−１）
金属シース２がＦｅ、ＳＵＳ、ＮｉであるＭｇＢ_２線１を超電導接続した。ＭｇＢ_２線のＭｇＢ_２超電導部３を露出させるために、酸性溶液へ浸漬して溶解又は金属シース２の片側の機械研磨を実施した。この超電導接続サンプルを作製し、臨界電流測定を実施した。測定は比較例１と同様に一般的な直流四端子法を用いて、試料全体を液体ヘリウム中に浸漬して行った。この超電導接続サンプルの場合、通電せず、接続部が超電導化されていなかった。ＭｇＢ_２線１及びＮｂＴｉ線４の通電特性は超電導化することから、超電導接続部が超電導化していないことが分かった。

この要因はＭｇＢ_２超電導部３が金属シース２除去時に著しく酸化し、接続した際にもう一方の超電導線の超電導部との間に厚い酸化膜層が形成されたためと考える。つまりこの接続方法ではＭｇＢ_２超電導部が常電導体である酸化膜層を介して、超電導はんだ、もう一方の超電導部と接続されていることとなる。またＭｇＢ_２線を酸性溶液に浸漬させることで、粉末から形成されたＭｇＢ_２超電導部に酸性溶液が侵入し、破壊するため、ＭｇＢ_２線自体の超電導特性を著しく低下させたことも要因と考える。
（試作２−２）
次に金属シース２がＣｕ、ＡｌであるＭｇＢ_２線１を超電導接続した。ＭｇＢ_２線１のＭｇＢ_２超電導部３を露出させるために、溶融金属中への浸漬を実施した。この製法では酸化させずにＭｇＢ_２超電導部を露出させることが可能である。この製法で超電導接続サンプルを作製し、臨界電流測定を実施した。測定は前述と同様に試料全体を液体ヘリウム中に浸漬して行った。試作２−２の超電導接続サンプルの場合、６Ａまでの通電で抵抗発生が認められなかった。ＭｇＢ_２線１及びＮｂＴｉ線４の通電特性はそれ以上を有することから、超電導接続部へ通電する電流が非常に低いことがわかった。

この要因は、試作２−１の酸性溶液同様、溶融金属がＭｇＢ_２超電導部３へ侵入し、破壊するため、ＭｇＢ_２線１自体の超電導特性を著しく低下したためと考える。

ここで、ＭｇＢ_２線を作製するプロセスについて検討する。ＭｇＢ_２線はパウダーインチューブ法で作製され、Ｆｅ、ＳＵＳ、Ｃｕ、Ｎｉなどの金属シース管、又はそれらを複合させた金属シース管内にＭｇＢ_２やＭｇ、Ｂを内包し、加工、必要に応じて熱処理することで作製している。それらの通電特性を向上させるため、加工度増加、第３元素添加、熱処理条件最適化、粉末最適化などが実施されている。

ＭｇＢ_２線１が超電導線として成立しているのは、様々な線引き加工を経て、金属シース内に高い内部応力で、高密度かつ高純度なＭｇＢ_２を充填することが可能であるためと考える。従って、それらを開放することは、内部応力を開放させ、密度を低下させ、純度を劣化させることとなるため、ＭｇＢ_２線の超電導特性が著しく低下すると考えられる。つまり、金属シースの種類により、ＭｇＢ_２超電導部３を露出させる製法は異なり、その製法によってＭｇＢ_２超電導部３の状態は異なるが、それ以上にＭｇＢ_２超電導部３を露出させること自体が最も超電導接続部の通電特性の劣化させている要因であると考える。

以上のことから、ＭｇＢ_２超電導部３を露出させ接続する方法は、優れた通電特性及び磁場安定性を持つ超電導接続部の作製に不向きな接続方法であるといえる。つまりＭｇＢ_２線１の超電導接続には、ＭｇＢ_２超電導部３を露出させないこと、また露出時に酸化層を形成しないことが必要であると考える。

試作２−１及び２−２の結果から、ＭｇＢ_２線の超電導接続には以下の３点が必須条件となることがわかった。
I．超電導体を超電導体で接続すること(常電導層を介さない)
II．超電導部を酸化させずに露出させること(酸化層形成防止)
III．ＭｇＢ_２超電導部を露出させないこと
特にI、IIはＮｂＴｉ線やＮｂ_３Ｓｎ線の超電導接続にも重要であるが、IIIに関しては、パウダーインチューブ法で作製するＭｇＢ_２線だけに必要となる項目である。つまりＭｇＢ_２線の超電導接続には、超電導接続部のみを最適な構造にするだけではなく、ＭｇＢ_２線の構造を含めた最適な構造が必要となることがわかる。以上の結果を元に、本発明について以下に示す。

図６は本発明に係る超電導線材と超電導線材との超電導接続構造を示す断面図、図７は図６のＣ-Ｃ部の断面図である。図８は、この試作に用いたＭｇＢ_２線の断面図である。ＭｇＢ_２線９が高導電性金属層に金属シース２、超電導金属層にＮｂ管１０、ＭｇＢ_２超電導部３からなり、他方の超電導線４の超電導部５とＮｂ管１０を固定することで線材固定部６を形成し、それらに超電導はんだ７を充填させた接続金属管８を差込んだ構造となっている。この接続方法ではＭｇＢ_２超電導部３がＮｂ管１０を介して、超電導はんだ７、もう一方の超電導部５と接続されている。

本実施例の構造は、ＭｇＢ_２線９の超電導接続に必要な上記I〜IIIをすべて満たしている。以下にそれを説明する。
I．超電導接続部が、ＭｇＢ_２超電導部３、Ｎｂ管１０、超電導はんだ７、もう一方の超電導線の超電導部５から形成されていることから、すべて超電導体で構成した超電導接続部となっている。
II．製造プロセスにも記載しているが、金属シース２を除去する際にその下層のＮｂ管１０が酸化しないプロセスとなっている。またＮｂ管１０とＭｇＢ_２線１間も線引き加工中に限りなく酸化層は除去されている。つまり、ＭｇＢ_２−Ｎｂ管間、Ｎｂ管-超電導はんだ間、超電導はんだ-もう一方の超電導線の超電導部間、これらすべての境界の酸化層は限りなくゼロに近い状態となっている。
III．ＭｇＢ_２超電導部３を超電導体であるＮｂ管１０で覆ったまま、超電導接続する構造とした。これにより上記Ｉを満たす構造でかつ、ＭｇＢ_２線９の超電導特性を劣化させることなく、超電導接続が可能となる。従来の超電導接続では、超電導接続部にできるだけ高い通電特性、安定性を有したいため、超電導部を直接露出させていた。しかしながら比較例２で示したように、パウダーインチューブ法で作製するＭｇＢ_２線９では直接ＭｇＢ_２超電導部３を露出させることで、ＭｇＢ_２線の超電導特性が著しく低下する。そこでＭｇＢ_２線９の線材構造自体をＮｂ管１０+金属シース２とすることで、超電導接続時に金属シース２のみを除去し、ＭｇＢ_２超電導部３を露出させることなく、超電導接続することが可能となる。

以上、本実施例においては、ＭｇＢ_２線９の線材構造をＭｇＢ₂超電導部３、Ｎｂ管１０、金属シース２の３重構造とし、超電導接続時に金属シース２のみを酸化させずに除去し、もう一方の超電導部線の超電導部５とＭｇＢ_２超電導部３を覆っているＮｂ管１０を超電導はんだで接続することで、ＭｇＢ_２線１の超電導接続が可能となる。

これらの構造の代替としては、Ｎｂ管１０では、Ｎｂ−Ｔｉ合金、Ｎｂ−Ｔａ合金、Ｔａ、Ｐｂ、Ｖなど４．２Ｋ以上の臨界温度を有する超電導金属であれば可能であり、実用上、ＭｇＢ２の熱処理温度以上の融点で、高い臨界温度、磁場であり、線引き加工に耐えうる硬さ及び靭性を有する超電導金属が有望であることから、Ｎｂ、Ｎｂを主にしたＮｂ合金、Ｎｂ−Ｔｉ合金、Ｎｂ−Ｔａ合金などで形成することが望ましい。金属シース２では、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、これらの合金、Ｃｕ−Ｎｉ合金が有望で、それらを２層又はそれ以上の層にすることも可能であるが、実用上、冷却効果等からＣｕが望ましい。

製造プロセスは次の通りである。使用したＭｇＢ_２線９は金属シース２にＣｕ、を適用したＣｕ層−Ｎｂ層によって覆われたＭｇＢ_２超電導部の三重構造の超電導線である。このＭｇＢ_２線９とＮｂＴｉ線４の超電導接続を試作した。

まずＭｇＢ_２線９の片端５０ｍｍを４００℃のＳｎ浴中に１０分間浸漬させた後、Ｓｎ浴から引き上げた。次にＮｂＴｉ線材の片端５０ｍｍを４００℃のＳｎ浴中に３０分間浸漬させた後、Ｓｎ浴から引き上げた。この時点では、ＭｇＢ_２線９はＣｕ層の金属シース２のみが溶解し、Ｎｂ管１０は実質的に酸化されずにＳｎが付着した状態になっている。

この際、Ｓｎ浴に浸漬させる長さはＭｇＢ₂超電導線に流される電流の大きさに応じて５ｍｍ〜５００ｍｍ程度が望ましい。浸漬させる長さは接続長さに等しい。通常、接続長さは通電したい電流値に応じて決定させるが、５ｍｍより短くなることで通電電流量が激減し、逆に５００ｍｍより長くなることで装置の大型化、ハイコスト化に繋がるため効果的ではない。

Ｓｎ浴中の浸漬条件は２５０℃〜６５０℃×１０分〜１２０分程度が望ましい。この条件は超電導線材のＣｕ比、線材構造、線材径で決定する。したがって一概には決定できないが、高温化、長時間化させすぎることで超電導線の通電特性が低下するため、上記条件の範囲内にすることが望ましい。

Ｓｎ浴以外にＭｇ浴、Ｉｎ浴、Ｇａ浴、Ｐｂ浴、Ｔｅ浴、Ｔｌ浴、Ｚｎ浴、Ｂｉ浴、Ａｌ浴でも同様の超電導接続部を作製できる。超電導線を浴に浸漬させる目的は酸化させずに超電導線材中の超電導部を露出させるためである。したがって、できるだけ低融点で超電導線の外周を形成しているＣｕやＡｇを固溶することが可能な金属浴であれば、同様の効果が得られる。

次にＳｎ浴浸漬後のＭｇＢ₂線の片端6０ｍｍを４００℃の超電導はんだ（以下、ＰｂＢｉと呼称する）７浴中に１０分間浸漬させた後、ＰｂＢｉ浴から引き上げた。次にＳｎ浴浸漬後のＮｂＴｉ線の片端６０ｍｍを４００℃のＰｂＢｉ浴中に１０分間浸漬させた後、ＰｂＢｉ浴から引き上げた。この時点では、ＭｇＢ_２線はＮｂ管１０が酸化されずにＰｂＢｉが付着した状態になっている。この際、ＰｂＢｉ浴に浸漬させる長さは５ｍｍ〜５００ｍｍ程度でＳｎ浸漬深さより深く浸漬させることが望ましい。これはよりＰｂＢｉの濡れ性を向上させるためである。またＰｂＢｉ浴中の浸漬条件は１５０℃〜６５０℃×１０分〜６０分程度が望ましい。この条件は超電導線材のＣｕ比、線材構造、線材径で決定する。したがって一概には決定できないが、高温化、長時間化させすぎることで超電導線の通電特性が低下するため、上記条件の範囲内にすることが望ましい。

ＰｂＢｉ浴は、重量で、Ｐｂ３０〜７０％、Ｂｉ３０〜７０％を有する超電導はんだが望ましい。これはこの成分外にすることで、ＰｂＢｉ自体の超電導性能が低下するためである。またＳｎ浴に浸漬させた後にＰｂＢｉ浴に浸漬させるので浸漬させた金属が５ｗｔ％程度混入しても同様の通電特性が得られる。

次にＭｇＢ_２線を酸化させずにその表面にＰｂＢｉを付着させ、ＮｂＴｉ線の超電導部同士をＣｕ線で固定させ線材固定部を作製した。この際、ＭｇＢ_２超電導線が破損しない程度に、かしめ接合、スポット溶接、超音波溶接、拡散接合、固相拡散で線材固定部を作製することで、超電導部同士をより密接に接触させることができるため通電特性が向上する。

最後にＣｕ製の接続金属管８内に線材固定部を差込んだ後、ＰｂＢｉを充填した。この際、接続金属管８はＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどの冷却性にすぐれたもの、Ｎｂ、Ｔａなどの超電導性を有するもの、Ｎｂ−Ｔｉ合金、Ｎｂ−Ｔａ合金などを用いることができ、いずれでも同様の超電導接続部を作製できる。接続金属管８の目的はＰｂＢｉを管内で保持し、線材固定部となじむことである。

図９は、作製した超電導接続サンプルの臨界電流を評価した結果を示す線図である。測定は一般的な直流四端子法を用いて、試料全体を液体ヘリウム中に浸漬して行った。本実施例の超電導接続サンプルの場合、３８０Ａまでの通電で抵抗発生が認められなかった。現状の性能はＩｃ＝３８０Ａであるが、更に、ＭｇＢ_２線の高Ｊｃ化、接続長さを適度に長くすること、接続部の酸化要因の低減を図ることによりより高い臨界電流が期待できる。

図１０は、超電導接続部に外部磁場を印加して同様の臨界電流測定を実施した結果を示す線図である。磁場が高くなるに伴い臨界電流が減少し、超電導はんだが有効とされている約１．５Ｔまで接続部が超電導化されていることがわかった。特に０Ｔ〜０．３Ｔ間では１５０Ａ以上の高い臨界電流を有した。これはＮｂの臨界磁場が約０．４Ｔであるためと考える。このことからもＮｂ管をＮｂＴｉなどのさらに高い臨界磁場を有する超電導金属に代替するとさらに超電導接続部の臨界電流が向上すると考える。

図１１は、超電導接続部の接続抵抗を測定する接続抵抗測定用サンプルの構成図である。ＮｂＴｉ線からなる１ターンのコイル１１とＭｇＢ_２線からなる短絡線１２、本実施例による超電導接続部１３から構成されている。超電導接続部１３に必要な磁場を印加した後、１ターンコイル１１に外部から電流を誘導させ必要な電流を通電させることで永久電流運転を行い、超電導接続部の接続抵抗を評価した。この評価方法は磁場の時間変化を観測することで、回路全体のエネルギーロスを見積もることができる。回路を構成する超電導線のエネルギーロスが十分に小さいとき、磁場減衰率Ｂ（Ｔ）／Ｂ（Ｔ＝０）と時間変化t 、ならびに回路のインダクタンスの値Ｌから、超電導接続部の全抵抗Rが求められる。

図１２は図１１の方法にて超電導接続部の接続抵抗を評価した結果を示す線図である。図１２に示すように、臨界電流以下の電流を印加した結果、超電導接続の接続抵抗が１×１０−^１２Ω以下であることが分かった。また外部磁場を０Ｔ〜１．４Ｔまで印加した際も同様の接続抵抗を有することが分かった。

本実施例においては、種々の超電導接続が可能なＭｇＢ_２線の構造及びその接続断面構造について説明する。本実施例においては、ＭｇＢ_２線の超電導接続にはＭｇＢ_２超電導部を露出させないためにＮｂ又はＮｂＴｉなどの超電導特性を有する合金でそれらを覆うことが重要である。そこでこれらの特性を有するＭｇＢ_２線構造を設計、作製した後、前記と同様にＮｂＴｉ線と超電導接続した。

図１３は複合多芯ＭｇＢ_２線の例を示す断面図である。複合多芯ＭｇＢ_２線１４は、ＭｇＢ_２超電導部３をＮｂ管１０で囲い、それらを金属シース２内に複数本埋め込んだ構造となっている。このＭｇＢ_２線を用いて超電導接続を実施した。

図１４は図１３の複合多芯ＭｇＢ_２線を用いた超電導接続構造を示す断面図である。複合多芯ＭｇＢ_２線１４が有する多数本のＭｇＢ_２超電導部３を充填させたＮｂ管１０及びＭｇＢ_２超電導部３と一方の超電導線４の超電導部５を固定することで線材固定部６を形成し、それらに超電導はんだ７を充填させた接続金属管８を差込んだ構造である。この接続構造でも実施例１と同様に、金属シース２を接続部で除去したもので、複数本のＭｇＢ_２超電導部３がＮｂ管１０を介して、超電導はんだ７、一方の超電導部５と接続されていることからすべてが超電導体で構成されている。またＭｇＢ_２超電導部３が小径であるため、ＭｇＢ_２超電導部３が高密度化し、その結果臨界電流密度が向上する。またフラックスジャンプが生じにくい構造となることから、超電導線自体の安定性、特性は向上し、超電導接続部の特性、安定性も向上する。

図１５は本発明に係る高強度ＭｇＢ_２線の例を示す断面図である。高強度ＭｇＢ_２線１５は、中央部に高強度金属線１６を有し、ＭｇＢ_２超電導部３をＮｂ管１０で囲い、それらを金属シース２内に配置させた構造となっている。このＭｇＢ_２線を用いて超電導接続を実施した。

図１６は図１５の複合多芯ＭｇＢ_２線を用いた超電導接続構造を示す断面図である。高強度ＭｇＢ_２線１５が有するＭｇＢ_２超電導部３を充填させたＮｂ管１０及びＭｇＢ_２超電導部３と他方の超電導線４の超電導部５を固定することで線材固定部６を形成し、それらに超電導はんだ７を充填させた接続金属管８を差込んだ構造となっている。この接続構造でも前述と同様に、金属シース２を接続部で除去したもので、ＭｇＢ_２超電導部３がＮｂ管１０を介して、超電導はんだ７、他方の超電導部５と接続されていることからすべてが超電導体で構成されている。またＭｇＢ_２線自体が高強度化されているため超電導接続部全体も高強度化されている。又、超電導線自体の安定性、特性は向上し、従って、超電導接続部の特性、安定性も向上する。

図１７は本発明に係る複合多芯ＭｇＢ_２線の例を示す断面図である。複合多芯ＭｇＢ_２線１７は、中央部に高強度金属線１６を有し、ＭｇＢ_２超電導部３をＮｂ管１０で囲い、それらを金属シース２内に複数本配置させた構造となっている。このＭｇＢ_２線を用いて超電導接続を実施した。

図１８は図１７の複合多芯ＭｇＢ_２線を用いた超電導接続構造を示す断面図である。複合多芯ＭｇＢ_２線１７が有する多数本のＭｇＢ_２超電導部３を充填させたＮｂ管１０及びＭｇＢ_２超電導部３と他方の超電導線４の超電導部５を固定することで線材固定部６を形成し、それらに超電導はんだ７を充填させた接続金属管８を差込んだ構造となっている。この接続方法でも前述と同様に、金属シース２を接続部で除去したもので、複数本のＭｇＢ_２超電導部３がＮｂ管１０を介して、超電導はんだ７、もう一方の超電導部５と接続されていることからすべてが超電導体で構成されている。またＭｇＢ_２超電導部が小径であるため、ＭｇＢ_２超電導部が高密度化し、その結果臨界電流密度が向上する。またフラックスジャンプが生じにくい構造となることから、超電導線自体の安定性、特性は向上する。さらにＭｇＢ_２超電導線自体が高強度化される。従って、超電導接続部の特性、安定性も向上する。なお、中央部の高強度金属線１６はＴａ、Ｎｂ、Ｎｂ−Ｔａ合金、Ｎｂ−Ｔｉ合金を代表とする非磁性で靭性に優れている金属が適用される。

図１９は複合多芯ＭｇＢ_２線の例を示す断面図である。複合多芯ＭｇＢ２線１８は、高強度用金属１６、ＭｇＢ_２超電導部３をＮｂ管１０で囲い、それらを金属シース２内に複数本配置させ、中央部に高強度用金属１６を配置させた構造となっている。このＭｇＢ_２線を用いて超電導接続を実施した。

図２０は、図１９の複合多芯ＭｇＢ_２線を用いた超電導接続構造を示す断面図である。複合多芯ＭｇＢ_２線１８が有する多数本のＭｇＢ_２超電導部３を充填させたＮｂ管１０及びＭｇＢ_２超電導部３ともう一方の超電導線４の超電導部５を固定することで線材固定部６を形成し、それらに超電導はんだ７を充填させた接続金属管８を差込んだ構造となっている。この接続構造でも前述と同様に、金属シース２を接続部で除去したもので、複数本のＭｇＢ_２超電導部３がＮｂ管１０を介して、超電導はんだ７、もう一方の超電導部５と接続されていることからすべてが超電導体で構成されている。またＭｇＢ_２超電導部３が小径であるため、ＭｇＢ_２超電導部３が高密度化し、その結果臨界電流密度が向上する。またフラックスジャンプが生じにくい構造となることから、超電導線自体の安定性、特性は向上し、ＭｇＢ_２超電導線自体が高強度化される。従って、超電導接続部の特性、安定性も向上する。

図２１は複合ＭｇＢ_２線の例を示す断面図である。複合多芯ＭｇＢ_２線１９は、ＭｇＢ_２超電導部３をＮｂ管１０及び超電導シース２０で囲い、それらを金属シース２内に配置させた構造となっている。このＭｇＢ_２線を用いて超電導接続を実施した。

図２２は、図２１の複合多芯ＭｇＢ_２線を用いた超電導接続構造を示す断面図である。複合ＭｇＢ_２線１９が有するＭｇＢ_２超電導部３を充填させたＮｂ管１０、超電導シース２０ともう一方の超電導線４の超電導部５を固定することで線材固定部６を形成し、それらに超電導はんだ７を充填させた接続金属管８を差込んだ構造となっている。この接続構造でも前述と同様に、金属シース２を接続部で除去したもので、ＭｇＢ_２超電導部３がＮｂ管１０、超電導シース２０を介して、超電導はんだ７、もう一方の超電導部５と接続されていることからすべてが超電導体で構成されている。従って、超電導線自体の安定性、特性が向上し、ＭｇＢ_２超電導線自体が高強度化される。

本実施例においては、Ｎｂ管、超電導シースの順序が逆の場合、さらに超電導シースが２重、３重でも同様に超電導接続が可能である。つまり、ＭｇＢ_２超電導部を超電導シースで覆われた構造であり、それが多重構造になっていても同様に超電導接続が可能である。またこれは図１３〜図２０に示した多芯構造、高強度構造に適用した場合でも同様に超電導接続が可能である。

本実施例では、ＭｇＢ_２線とＮｂＴｉ線の超電導接続ではなく、ＭｇＢ_２線とＮｂ_３Ｓｎ線、ＭｇＢ_２線とＭｇＢ_２線、ＭｇＢ_２線とＮｂ _３ Ａｌ線について前述と同様に超電導接続を作製し、評価した。接続する超電導線がＮｂＴｉ線から、Ｎｂ_３Ｓｎ線、Ｎｂ_３Ａｌ線に変わった場合でも、Ｎｂ_３Ｓｎ及びＮｂ_３ＡｌのＣｕを酸化させずに溶解させ、超電導部を露出し、ＭｇＢ_２線と上記の方法で超電導接続すれば同様の超電導特性が得られる。またＭｇＢ_２線同士を接続する場合でも、前述したＭｇＢ_２線の断面構造をとり、同様の構造で超電導接続することで、同様の超電導特性を得ることができる。又、（ＮｂＴｉ）_３Ｓｎ、その他Ｎｂ系の超電導線においても同様の超電導特性が得られる。

更に、酸化物超電導体においても、同様の構造で超電導接続することで、前述よりやや低いが良好な超電導特性を得ることができる。しかし、酸化物超電導体の構造を超電導接続に適した構造にすることで、同様の性能を得ることができる。

図２３は、ＭｇＢ_２線を含めて３本の超電導線を超電導接続した超電導接続構造を示す断面図である。ＭｇＢ_２線９のＭｇＢ_２超電導部３を充填させたＮｂ管１０、他方の超電導線の超電導部５、更にもう一方の超電導線の超電導部２１を固定することで複数本固定部２２を形成し、それらに超電導はんだ7を充填させた接続金属管８を差込んだ構造となっている。この接続構造でも前述と同様に、金属シース２を接続部で除去したもので、ＭｇＢ_２超電導部３がＮｂ管１０を介して、超電導はんだ７、超電導部２１、超電導部５と接続されていることからすべてが超電導体で構成されている。また接続本数が４本、５本と本数が増加した場合でも、同様にＭｇＢ_２線を適用し、他の超電導線を同様に酸化させずに超電導部を露出させ、接続部すべてを超電導体で構成することで、２本の場合と同様の特性を有する超電導接続部を作製することが可能であり、前述と同様の超電導特性を得ることができる。

図２４は、ＭｇＢ_２線ともう一方の超電導線の間に他の超電導線の超電導部や超電導金属でできた超電導体を設置する他の超電導接続構造を示す断面図である。ＭｇＢ_２線９のＭｇＢ_２超電導部３を充填させたＮｂ管１０、もう一方の超電導体２３、他方の超電導線の超電導部５を順次接続固定することで接続固定部２４を形成し、それらに超電導はんだ７を充填させた接続金属管８を差込んだ構造となっている。この接続構造でも前述と同様に、金属シース２を接続部で除去したもので、ＭｇＢ_２超電導部３がＮｂ管１０を介して、超電導体２３、超電導はんだ７、他方の超電導部５と超電導体で接続され、接続部が全て超電導化されていることから前述と同様の超電導特性を得ることができる。

本実施例は、ＭｇＢ_２線と同様に、実施例１〜９に記載の超電導被覆層及び高導電性金属層を有するＮｂＴｉ線、Ｎｂ_３Ｓｎ線、Ｎｂ _３ Ａｌ線をパウダーインチューブ法で作製し、同様に接続部で高導電性金属層を除去して超電導接続することができ、従って、接続部が全て超電導化されていることからＮｂＴｉ線、Ｎｂ_３Ｓｎ線、Ｎｂ _３ Ａｌ線の各々との接続、他の超電導線との接続についても前述と同様の超電導特性を得ることができるものである。これは、前述の３種類だけでなく、パウダーインチューブ法で作製され、その超電導部をＮｂ又はＮｂ合金で覆われた構造になっている超電導線であれば、同様の効果が得られる。

ＭｇＢ_２線は、臨界温度が他の金属系超電導材料より２０Ｋ以上も高い３９Ｋであること、上部臨界磁場も他の金属系超電導材料より高く、薄膜では４０Ｔであること、磁場異方性が極めて小さいことから、銅系酸化物のように、結晶方位を基板と揃えなくても高い臨界電流密度が得られること、１．５％の歪みが加わっても、歪みなしの線材に対して９０％以上の臨界電流密度が維持できるものである。これらの特長を利用すれば、冷凍機冷却、強磁場中での応用が期待できる。

この強磁場中での応用の一つにＮＭＲ（核磁気共鳴スペクトロメータ）装置やＭＲＩ（磁気共鳴イメージング）装置がある。これらの装置には極めて高度な静磁場の発生と制御が可能なマグネットシステムが必要であり、これらの実現には何層もの超電導コイルを超電導接続した永久電流運転が可能な超電導マグネットが必要不可欠である。永久電流運転とは、超電導コイルの両端を短絡し、超電導体で作られた閉ループ回路に電流を流し続けることにより、電流値の変動を抑え、時間的な変動の極めて少ない磁場を得ることができる運転方法である。

この永久電流運転を実現するためには、永久電流スイッチ（ＰＣＳ）が必要であり、超電導コイルを形成する線材両端と、ＰＣＳを構成する超電導線の両端とを接続し、超電導体から成る閉ループ回路を形成しなければならない。従って、超電導接続技術に前述した実施例における接続方法を適用することにより、これらのＮＭＲやＭＲＩを実現化することができる。

又、ＭｇＢ_２線はパウダーインチューブ法が用いられ、Ｆｅ、ＳＵＳ、Ｃｕ、Ｎｉなどの一重金属シース管、又はそれらを複合させた金属シース管内にＭｇＢ_２を直接内包し、加工度が非常に高い線引き加工することでＭｇＢ_２超電導線を作製するｅｘ−ｓｉｔｕ法と、Ｍｇ、Ｂを内包し、線引き加工した後、熱処理することでＭｇＢ₂を生成させるｉｎ−ｓｉｔｕ法がある。

以上のことから、前述した実施例によってＭｇＢ_２線と同種又は他種の超電導線の超電導接続することで、ＮＭＲやＭＲＩをはじめとする永久電流運転が必要な装置開発などにＭｇＢ_２線が適用可能となる。ＭｇＢ_２線を適用しその高い臨界温度、臨界磁場を用いることで、従来の金属系超電導線を適用した場合より、よりクエンチレスな超電導コイルを作製でき、超電導マグネット自体の性能が向上される。またＭｇＢ_２線は一般的にｎ値が高いため、ＰＣＳに適用することで、超電導マグネット全体の特性が向上される。

具体的には、電流リード、送電ケーブル、大型マグネット、核磁気共鳴分析装置、医療用磁気共鳴診断装置、超電導電力貯蔵装置、磁気分離装置、磁場中単結晶引き上げ装置、冷凍機冷却超電導マグネット装置、超電導エネルギー貯蔵、超電導発電機、核融合炉用マグネット等の機器の超電導線に適用できるものである。

ＭｇＢ_２線ごと接続する比較例の超電導接続構造を示す断面図である。 図１のＡ-Ａ部の断面図である。 図１のＭｇＢ_２線の断面図である。 ＭｇＢ_２超電導部を露出させ接続する比較例の超電導接続構造を示す断面図である。 図４のＢ-Ｂ部の断面図である。 本発明に係るＭｇＢ_２超電導線材と他の超電導線材との超電導接続構造を示す断面図である。 図６のＣ-Ｃ部の断面図である。 図６の本発明に係るＭｇＢ_２線の断面図である。 本発明に係る超電導接続構造の臨界電流を評価した電圧と電流との関係を示す線図である。 本発明に係る超電導接続構造に外部磁場を印加して臨界電流を評価した電圧と電流との関係を示す線図である。 超電導接続部の接続抵抗を測定する接続抵抗測定用サンプルの構成図である。 図１１の構造にて超電導接続部の接続抵抗を評価した電流と時間との関係を示す線図である。 本発明に係る複合多芯ＭｇＢ_２線の断面図である。 図１３の複合多芯ＭｇＢ_２線を用いた超電導接続構造を示す断面図である。 本発明に係る高強度ＭｇＢ_２線の断面図である。 図１５の高強度ＭｇＢ_２線を用いた超電導接続構造を示す断面図である。 本発明に係る複合多芯ＭｇＢ_２線の断面図である。 図１７の複合多芯ＭｇＢ_２線を用いた超電導接続構造を示す断面図である。 本発明に係る複合多芯ＭｇＢ_２線の断面図である。 図１９の複合多芯ＭｇＢ_２線を用いた超電導接続構造を示す断面図である。 本発明に係る複合多芯ＭｇＢ_２線の断面図である。 図２１の複合多芯ＭｇＢ_２線を用いた超電導接続構造を示す断面図である。 本発明に係るＭｇＢ_２線を含めて３本の超電導線を超電導接続した超電導接続構造を示す断面図である。 本発明に係るＭｇＢ_２線と他方の超電導線との間に他の超電導体を設置した超電導接続構造を示す断面図である。

符号の説明

１…ＭｇＢ_２線、２…金属シース、３…ＭｇＢ_２超電導部、４…超電導線、５…超電導部、６…線材固定部、７…超電導はんだ、８…接続金属管、９…ＭｇＢ_２線、１０…Ｎｂ管、１１…１ターンコイル、１２…短絡線、１３…超電導接続部、１４…複合多芯ＭｇＢ_２線、１５…高強度ＭｇＢ_２線、１６…高強度金属線、１７〜１９…複合多芯ＭｇＢ_２線、２０…超電導シース、２１…超電導部、２２…複数本固定部、２３…超電導体、２４…接続固定部。

Claims (19)

1. 超電導被覆層によって覆われている二ホウ化マグネシウム超電導線と他の超電導線とが前記超電導被覆層を介して互いに接して接続部が形成され、該接続部が接続金属管内に充填されたはんだに埋め込まれ、前記超電導被覆層がＮｂ、Ｎｂを主にしたＮｂ合金、Ｎｂ−Ｔｉ合金及びＮｂ−Ｔａ合金のいずれかであることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続構造。
2. 請求項１において、前記他の超電導線が、ＭｇＢ_２、ＮｂＴｉ、Ｎｂ_３Ｓｎ及びＮｂ_３Ａｌのいずれかの超電導線からなることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続構造。
3. 請求項１又は２において、前記超電導被覆層は、前記接続部以外が高導電性金属層で覆われていることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続構造。
4. 請求項３において、前記高導電性金属層は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、これらの金属を主にした合金及びＣｕ−Ｎｉ合金のいずれかよりなることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続構造。
5. 請求項３又は４において、前記高導電性金属層は、前記接続部において、溶融したＳｎ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｔｌ、Ｚｎ、Ｂｉ又はＡｌへの浸漬によって除去されていることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続構造。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記はんだが、重量で、Ｐｂ３０〜７０％及びＢｉ３０〜７０％を有する超電導はんだであることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続構造。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、前記二ホウ化マグネシウム超電導線が複数本配置されていることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続構造。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、前記二ホウ化マグネシウム超電導線の中央部に高強度金属線が配置されていることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続構造。
9. 請求項８において、前記高強度金属線が、Ｔａ、Ｎｂ、Ｎｂ−Ｔａ合金及びＮｂ−Ｔｉ合金のいずれかであることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続構造。
10. 超電導被覆層と該層上に設けられた高導電性金属層とによって覆われている二ホウ化マグネシウム超電導線と他の超電導線とを接続金属管内に挿入し該接続金属管内にはんだを充填させて接続する二ホウ化マグネシウム超電導線の接続方法であって、前記接続される部分の前記高導電性金属層を溶融金属によって溶解除去して前記超電導被覆層を露出させ、該露出部と前記他の超電導線とを接触させて接続部を形成し、該接続部を前記充填された前記はんだに埋め込んで前記接続させることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続方法。
11. 請求項１０において、前記溶融金属が、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｔｌ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ａｌ及びこれらの金属を主にした合金の少なくとも１種であることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続方法。
12. 請求項１０又は１１において、前記はんだが、重量で、Ｐｂ３０〜７０％及びＢｉ３０〜７０％を有する超電導はんだであることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続方法。
13. 請求項１０〜１２のいずれかにおいて、前記他の超電導線が、ＭｇＢ_２、ＮｂＴｉ及びＮｂ_３Ｓｎのいずれかであることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続方法。
14. 請求項１０〜１３のいずれかにおいて、前記超電導被覆層は、Ｎｂ、Ｎｂを主にしたＮｂ合金、Ｎｂ−Ｔｉ合金及びＮｂ−Ｔａ合金のいずれかであることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続方法。
15. 請求項１０〜１４のいずれかにおいて、前記超電導被覆層は、前記接続部以外が高導電性金属層で覆われていることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続方法。
16. 請求項１５において、前記高導電性金属層は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、これらの金属を主にした合金及びＣｕ−Ｎｉ合金のいずれかよりなることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続方法。
17. 請求項１０〜１６のいずれかにおいて、前記二ホウ化マグネシウム超電導線を複数本配置することを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続方法。
18. 請求項１０〜１７のいずれかにおいて、前記二ホウ化マグネシウム超電導線の中央部に高強度金属線を配置することを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続方法。
19. 請求項１８において、前記高強度金属線が、Ｔａ、Ｎｂ、Ｎｂ−Ｔａ合金及びＮｂ−Ｔｉ合金のいずれかであることを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線の接続方法。

Images