JP5276542B2 - 超電導回路、超電導接続部の作製方法、超電導マグネット、及び、超電導マグネットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超電導接続部を有する超電導回路と、その超電導接続部の作製方法に関し、さらに、その超電導回路を備えた超電導マグネットとその製造方法に関する。

超電導マグネットは、高強度で低減衰の磁場を発生可能であるため、核磁気共鳴分析装置（以下、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonanceの略称）装置と称す）、医療用磁気共鳴診断装置（以下、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imagingの略称）装置と称す）や、リニアモータカーなどで用いられている。特に、ＮＭＲ装置やＭＲＩ装置などの核磁気共鳴現象を利用した装置は、磁場の強度を高くし、磁場の時間安定性を高めることで分析感度及び画質が向上するため、高強度・低減衰の磁場を発生可能な超電導マグネットの適用が主流になりつつある。

超電導マグネットは、永久電流モードにおいて、外部から電力を供給することなく、超電導コイルに低減衰の大電流を流すことで、高強度・低減衰の磁場を発生させている。ただ、永久電流モードでも磁場は僅かに減衰する。この磁場の減衰の一因は、超電導線材同士を接続する超電導接続部における損失であると考えられ、超電導線材の接続方法が、例えば、特許文献１及び２に提案されている。

特許文献１には、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）製のフィラメントが銅（Ｃｕ）製のマトリックス内に配置された構造を持つ超電導線材の接続方法が記載されている。その接続方法では、超電導線材の端部のマトリックスを錫（Ｓｎ）に置換し、さらに、その錫を超電導材である鉛ビスマス（ＰｂＢｉ）合金に置換し、この超電導線材の端部同士を溶融した鉛ビスマスが充填された金属管に共に挿入して互いを接続している。

特許文献２には、超電導線材の端部のマトリックスを溶解してフィラメントを露出させ、超電導線材の端部同士の露出したフィラメントを、スリーブに共に挿入したままスリーブごとプレスする接続方法が記載されている。

米国特許４９０７３３８号明細書 特開平５−１５２０４５号公報

特許文献１の接続方法では、鉛（Ｐｂ）を含有する鉛ビスマス合金を用いているが、近年、高まる環境への配慮から鉛を使用しない接続方法が望まれていた。鉛を使用しない公知の方法として、特許文献２の接続方法があったが、特許文献２の接続方法を用いた超電導接続部では、超電導材料に特有の不安定現象であるフラックスジャンプを誘発しやすいという問題があった。フラックスジャンプでは、超電導接続部の温度が上昇して常電導転移するため、場合によっては超電導マグネットのクエンチを誘発させると考えられた。

そこで、特許文献２の接続方法を用いた超電導接続部で、なぜ、フラックスジャンプが発生しやすいのか検討した。

ニオブチタン製のフィラメントが銅製のマトリックス内に配置された構造を持つ超電導線材において、そのフィラメントは磁場中で内部に磁束が侵入した状態をつくり出す第２種超電導体であり、その性質のために高磁場中でも超電導状態を維持可能となっている。したがって、超電導マグネットの運転中には、超電導線材の内部に磁束が侵入しており、磁束分布が生じている。そして、何らかの擾乱がきっかけとなって超電導線材の内部の磁束分布が変動する（磁束が移動する）と発熱が起こり、フィラメント（超電導体）の温度を上昇させる。この温度上昇により、フィラメントの臨界電流密度が低下するため、超電導線材の内部の磁束分布が変動して（磁束が移動して）新たな発熱が起こる。この発熱の連鎖により、超電導線材の温度が大きく上昇する。この温度上昇の現象がフラックスジャンプである。

厚さ２ａ（ｍ）の超電導平板において、断熱下でフラックスジャンプの発生しない条件としては、「超伝導応用の基礎」（産業図書）にも記載されているように、式１で表される。

ただし、μ₀：真空の透磁率（Ｈ/ｍ）、Ｊｃ：使用温度における臨界電流密度（Ａ／ｃｍ^２）、γ：ニオブチタン合金の密度（ｋｇ/ｍ^３）、Ｃ：ニオブチタン合金の比熱（Ｊ／ｋｇＫ）、Ｔｃ：ニオブチタン合金の臨界温度（Ｋ）、Ｔ_０：使用温度（Ｋ）である。

なお、式１は、実際の超電動線材及び超電導接続部の構造と比較すると簡略化されたモデルに基づくものであるが、定性的には成立すると考えてよく、フラックスジャンプが発生しないための対策を次のように導くことができる。

対策１）超電導フィラメントの細線化（ａを小さくする）
対策２）超電導フィラメントの臨界電流密度の低下（Ｊｃを小さくする）

通常、ニオブチタン製の超電導線材では、銅材によりニオブチタン合金を細いフィラメントに分割することで、対策１を達成している。

一方、特許文献２の接続方法を用いた超電導接続部では、スリーブ内で複数のフィラメントが互いに圧接して配置されているため、実効的なフィラメント径が大きくなっていると考えられる。このため、超電導接続部では、フラックスジャンプが、超電導接続部でない超電導線材より発生しやすくなっていると考えられる。

また、通常、超電導線材毎の中央部に超電導コイルが形成され、超電導接続部は、超電導コイルから離れた超電導線材の端部に形成されることになる。超電導コイルを構成する超電導線材は、超電導コイルが発生させる磁場によって強磁場中に配置されることになる。一方、超電導接続部は超電導コイルから離れているので、超電導接続部が置かれる磁場は、超電導コイルを構成する超電導線材が置かれる磁場よりも弱くなっている。フィラメントの臨界電流密度Ｊｃは、そのフィラメントの置かれた磁場の強度に依存し、磁場が小さくなる程、大きくなる傾向がある。このため、磁場の小さい超電導接続部における臨界電流密度Ｊｃは、磁場の大きい超電導コイルにおける臨界電流密度Ｊｃより大きくなっている。このことを、前記の対策２に当てはめると、超電導接続部のフィラメントでは、超電導コイルの超電導線材のフィラメントより、臨界電流密度Ｊｃが大きくなり、このことによっても、超電導接続部では、フラックスジャンプが、超電導コイルより発生しやすくなっていると考えられた。

また、超電導接続部において、超電導線材の端部同士のフィラメントの接触が均一でないために、電流分布も不均一になり、局所的に電流密度が高くなることも考えられた。

これらの課題は、解決すべき本質的な課題であり、鉛を用いることなく、フラックスジャンプさらにはクエンチの発生を抑制可能な超電導接続部を備えた超電導マグネット等の複数の超電導線材から構成された回路（超電導回路）を提供することは、非常に有益である。

そこで、本発明の目的は、鉛を用いることなく、フラックスジャンプさらにはクエンチの発生を抑制可能な超電導回路、その超電導接続部の作製方法、その超電導接続部を搭載した超電導マグネット、及び、その超電導マグネットの製造方法を提供することである。

本発明は、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）合金製のフィラメントが銅（Ｃｕ）又は銅合金製のマトリックス内に配置された構造を持つニオブチタン超電導線材と他の超電導線材とを、接続した超電導接続部を有する超電導回路において、
運転時に前記超電導接続部が置かれる磁場は、前記超電導接続部以外の前記ニオブチタン超電導線材で形成された主コイルが置かれる磁場よりも小さく、
前記超電導接続部における前記フィラメントのニオブチタン合金中のアルファチタン（α−Ｔｉ）析出相の体積率もしくは表面積密度が、前記超電導接続部以外の前記ニオブチタン超電導線材における前記フィラメントのニオブチタン合金中のアルファチタン析出相の体積率、もしくは表面積密度より少なく、前記超電導接続部と前記超電導接続部以外の前記ニオブチタン超電導線材とが同じ強度の磁場に置かれた場合に、前記超電導接続部における前記フィラメントの臨界電流密度が、前記超電導接続部以外の前記ニオブチタン超電導線材における前記フィラメントの臨界電流密度の５〜８０％になっていることを特徴としている。また、前記超電導接続部における前記フィラメントのビッカース硬さが、前記超電導接続部以外の前記ニオブチタン超電導線材における前記フィラメントのビッカース硬さの３０〜９０％になっていることを特徴としている。そして、これらの特徴を有する超電導回路を備え、超電導コイルまたは永久電流スイッチを構成する前記ニオブチタン超電導線材と他の超電導線材とを接続した前記超電導接続部を有する超電導マグネットであることを特徴としている。

また、本発明は、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）合金製のフィラメントが銅（Ｃｕ）又は銅合金製のマトリックス内に配置された構造を持つニオブチタン超電導線材とその他の超電導線材を接続した超電導接続部の作製方法において、
前記フィラメントを、４００〜６００℃になるように加熱する工程と、
前記マトリックスを除去し、前記フィラメントを露出させる工程と、
前記フィラメントを、一体化部材を用いて密着させる工程とを有し、前記加熱する工程は、前記露出させる工程の前に実施されることを特徴としている。そして、この特徴を有する超電導接続部の作製方法を用いて、超電導コイルまたは永久電流スイッチを構成する前記ニオブチタン超電導線材と他の超電導線材とを接続した前記超電導接続部を作製する超電導マグネットの製造方法であることを特徴としている。

本発明によれば、鉛を用いることなく、フラックスジャンプさらにはクエンチの発生を抑制可能な超電導回路、その超電導接続部の作製方法、その超電導接続部を搭載した超電導マグネット、及び、その超電導マグネットの製造方法を提供できる。

本発明の実施形態に係る超電導マグネット（超電導回路）を備えた磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）装置の側面図（左側）及び断面図（右側）である。 本発明の実施形態に係る超電導マグネット（超電導回路）の回路図である。 超電導線材の断面図である。 超電導線材のフィラメントの断面の一部拡大図である。 超電導接続部の斜視図である。 図４のＡ−Ａ方向の矢視断面図である。 超電導接続部のフィラメントの断面の一部拡大図である。 主（シールド）コイルと超電導接続部それぞれのフィラメントの磁場に対する臨界電流密度の関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る超電導接続部の作製方法を説明するための図（その１）であり、局所的な加熱をされた超電導線材の端部の側面図である。 本発明の実施形態に係る超電導接続部の作製方法を説明するための図（その２）であり、フィラメントを露出させた超電導線材の端部の側面図である。 本発明の実施形態に係る超電導接続部の作製方法を説明するための図（その３）であり、露出したフィラメントを挿入したスリーブの断面図である。 本発明の実施形態に係る超電導接続部の作製方法を説明するための図（その４）であり、露出したフィラメントを挿入したスリーブの斜視図である。 実施例と比較例で作製した超電導接続部の評価試料の斜視図である。 比較例の超電導接続部の断面図である。 実施例の評価試料における経過時間に対する試料電流の関係を示すグラフである。 比較例の評価試料における経過時間に対する試料電流の関係を示すグラフである。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に、ＭＲＩ装置１０を示す。図１の左半分がＭＲＩ装置１０の左半分の側面図であり、図１の右半分がそのＭＲＩ装置１０の右半分の断面図である。図１に示すＭＲＩ装置１０は、いわゆるオープン型ＭＲＩ装置であり、アクティブシールド型の超電導マグネット３を有している。そして、超電導マグネット３は、いわゆる、垂直磁場式の開放型磁石である。ＭＲＩ装置１０には、撮像領域１１に高強度で低減衰、すなわち時間的に安定な磁場を発生させるために、超電導マグネット３が搭載されている。そして、超電導マグネット３のこの特性により、超電導マグネット３は、ＭＲＩ装置１０だけでなく、ＮＭＲ装置やリニアモータカーにも搭載することができる。

超電導マグネット３は、１対の主コイル（超電導コイル）１ａ、１ｂと、１対のシールドコイル（超電導コイル）２ａ、２ｂを有している。１対の主コイル１ａ、１ｂは、それぞれの中心軸Ｚが一致するように配置されている。主コイル１ａ、１ｂは、撮像領域１１に均一磁場を生成する。１対のシールドコイル２ａ、２ｂも対向配置され、それぞれの中心軸が中心軸Ｚに一致するように配置されている。シールドコイル２ａは、主コイル１ａに隣接し、主コイル１ａと反対の方向の磁場を生成し、超電導マグネット３さらにはＭＲＩ装置１０の外部への磁場の漏れを低減させている。同様に、シールドコイル２ｂは、主コイル１ｂに隣接し、主コイル１ｂと反対の方向の磁場を生成し、超電導マグネット３さらにはＭＲＩ装置１０の外部への磁場の漏れを低減させている。超電導マグネット３の上部には、主コイル１ａおよびシールドコイル２ａを旋巻し支持・固定するためのボビン５が設けられている。同様に、超電導マグネット３の下部に主コイル１ｂと、シールドコイル２ｂとを旋巻し支持・固定するためのボビン５が設けられている。

超電導マグネット３は、クライオスタット４を有している。クライオスタット４は、主コイル１ａ、１ｂとシールドコイル２ａ、２ｂとボビン５とを冷媒と共に内包する冷媒容器６と、冷媒容器６を内包し内部への熱輻射を遮断する熱輻射シールド７と、冷媒容器６及び熱輻射シールド７を内包し内部が真空に保持された真空容器８とを有している。冷媒としては、液体ヘリウム（Ｈｅ）、場合によっては液体窒素（Ｎ_２）を用いることができる。冷媒容器６と熱輻射シールド７と真空容器８とは、撮像領域１１を避けるように上側と下側に分けて配置され、その上側と下側とは連結柱９で連結され、互いに支持している。

ＭＲＩ装置１０では、被検者は、自身の被検査領域が撮像領域１１の中に納まるように横たわる。そして、ＭＲＩ装置１０は、ＮＭＲ現象により水素原子核スピンが放出する核磁気共鳴信号を計測し、その核磁気共鳴信号を演算処理することで、被検者体内を水素原子核密度によって断層像化する。

図２に、実施形態に係る超電導マグネット（超電導回路）３の回路図を示す。超電導マグネット３は、クライオスタット４に収納された超電導回路であり、超電導マグネット（超電導回路）３は、磁場の励磁方向が同方向の主コイル（超電導コイル）１ａ及び主コイル（超電導コイル）１ｂと、主コイル１ａとは磁場の励磁方向が逆方向のシールドコイル（超電導コイル）２ａ及び主コイル１ｂとは磁場の励磁方向が逆方向のシールドコイル（超電導コイル）２ｂと、超電導永久電流スイッチ１５とが、直列に接続された閉回路となっている。すなわち、超電導マグネット３は、複数の超電導コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂを接続した両端を、超電導永久電流スイッチ１５で短絡した閉回路構造となっている。なお、この閉回路の配線はすべて超電導線材１２で構成されている。また、励磁用電源端子１６が、常電導線材１７によって、超電導永久電流スイッチ１５に対して並列に接続されている。

超電導コイル１ａ等は、液体ヘリウム中などの極低温環境で通電時の損失がほぼゼロの超電導線材を密に巻いたもので、通電することで高磁場を発生させることが可能である。超電導永久電流スイッチ１５は、超電導線材１２（１２ｅ）に近接してヒータが設置されたもので、ヒータによる超電導線材１２ｅの加熱・冷却により超電導状態と常電導状態の切り替えが可能である。

超電導マグネット３の運転手順は、まず、超電導永久電流スイッチ１５を加熱して常電導転移させた状態で、外部電源から励磁用電源端子１６を介して超電導コイル１ａ等に所定の電流を通電して励磁する。次に、超電導永久電流スイッチ１５を冷却して超電導転移させ、外部電源の電流値をゼロに下げる。これにより、超電導マグネット（超電導回路）３は、永久電流モードとなり、外部から電力を供給することなく、超電導コイル１ａ等に、永久電流が流れ、強磁場を発生させることができる。

超電導マグネット（超電導回路）３を、さらに詳細に見ると、超電導線材１２ａの中ほどがボビン８に巻かれて、シールドコイル（超電導コイル）２ａを構成している。同様に、超電導線材１２ｂの中ほどがボビン５に巻かれて、主コイル（超電導コイル）１ａを構成している。超電導線材１２ｃの中ほどがボビン５に巻かれて、主コイル（超電導コイル）１ｂを構成している。超電導線材１２ｄの中ほどがボビン５に巻かれて、シールドコイル（超電導コイル）２ｂを構成している。また、超電導線材１２ｅの中ほどは近傍に前記ヒータを配して、超電導永久電流スイッチ１５を構成している。

そして、超電導線材１２ａの端部と超電導線材１２ｂの端部とが、超電導接続部１３ａにおいて接続されている。同様に、超電導線材１２ｂのもう一方の端部と超電導線材１２ｃの端部とが、超電導接続部１３ｂにおいて接続されている。超電導線材１２ｃのもう一方の端部と超電導線材１２ｄの端部とが、超電導接続部１３ｃにおいて接続されている。超電導線材１２ｄのもう一方の端部と超電導線材１２ｅの端部とが、超電導接続部１３ｄにおいて接続されている。超電導線材１２ｅのもう一方の端部と超電導線材１２ａのもう一方の端部とが、超電導接続部１３ｅにおいて接続されている。なお、超電導線材の接続では、超電導線材１２の端部同士を接続するのが一般的ではあるが、接続する超電導線材１２のうち少なくとも１本が端部ではなく線材の途中で他の超電導線材と接続されている超電導回路とすることも可能である。

図３Ａに、超電導線材１２（１２ａ〜１２ｅ）の断面図を示す。超電導線材１２は、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）合金製の複数本のフィラメント１８が、銅（Ｃｕ）又は銅合金製のマトリックス１９内に分散して配置された構造を持っている。フィラメント１８の直径としては、１μｍ以上２００μｍ以下の範囲のものを用いるのが一般的である。マトリックス１９内に分散させたフィラメント１８の本数としては、図３Ａでは１９本の場合を示しているが、１０本以上１００００本以下の範囲のものも用いるのが一般的である（なお、本発明は、これらの一般的なフィラメント１８の径、本数の範囲に含まれない超電導線材１２にも適用可能である。）。

図３Ｂに、超電導線材１２のフィラメント１８の断面の一部の拡大図を示す。アルファチタン（α−Ｔｉ）析出相２１は、小さく、均一に分散して析出している様子が観察できる。また、加工により微細化されたニオブチタン（ＮｂＴｉ）の結晶２４も観察できる。

図４に、超電導接続部１３（１３ａ）の斜視図を示す。なお、図４には、超電導接続部１３ａを示しているが、他の超電導接続部１３（１３ｂ〜１３ｅ）も同様の構造をしている。この図４は、超電導線材１２（１２ａ）の端部と超電導線材１２（１２ｂ）の端部とが、超電導接続部１３（１３ａ）で接続されている様子を示している。超電導接続部１３では、２本の超電導線材１２（１２ａと１２ｂ）の端部のマトリックスが除去されて、超電導線材１２（１２ａと１２ｂ）のフィラメント１８が露出している。超電導線材１２ａと超電導線材１２ｂのフィラメント１８は、混在して、一体化部材（金属製の筒状の部材（スリーブ１４））に挿入され、互いに密着し圧接している。なお、接続する超電導線材１２は必ずしも２本とは限らず、３本以上であってもよい。また、接続する複数の超電導線材１２は全てニオブチタン超電導線材である必要はなく、少なくとも一本がニオブチタン超電導線材１２であれば、本発明の効果を得られる。例えば、もう一本の超電導線材１２が、ニオブ三スズ、ニホウ化マグネシウム、銅酸化物などの超電導材料から構成されたものであってもよい。また、一体化部材（スリーブ１４）の材料としては、マトリックス１９の材料と同様に低抵抗率で高熱伝導率であることが望ましく、銅はもちろん、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の内の少なくとも１つを主成分にする金属（合金）を用いることができる。また、一体化部材は、フィラメント１８が互いに密着し圧接された状態を保持できるような構造であればよく、必ずしもスリーブ（円筒）形状である必要はない。

図５Ａに、図４のＡ−Ａ方向の矢視断面図である超電導接続部１３（１３ａ）の断面図を示す。スリーブ１４の内側では、隣接するフィラメント１８同士は隙間なく密着している。このため、フィラメント１８同士の接触が均一となり、電流分布も均一となって、局所的な電流密度の偏りを抑制できる。

図５Ｂに、図５Ａの超電導接続部１３（１３ａ）の複数のフィラメント１８の中の１本のフィラメント１８の断面の一部の拡大図を示す。図５Ｂの超電導接続部１３のフィラメント１８と、図３Ｂの超電導接続部１３以外の超電導線材１２のフィラメント１８とを比較すると、超電導接続部１３の方が、超電導接続部１３以外の方より、フィラメント１８のニオブチタン合金中のアルファチタン（α−Ｔｉ）析出相２１の体積率、もしくは表面積密度が少なく、アルファチタン（α−Ｔｉ）析出相２１の大きさは大きくなっている。なお、アルファチタン（α-Ｔｉ）析出相２１の体積率は次のように算出した。超電導線材１２または超電導接続部１３を切断後、切断面を適切に調製をした後、フィラメント１８の断面を走査型電子顕微鏡で観察すると、アルファチタン（α-Ｔｉ）析出相２１はニオブチタン合金の部分とはコントラストが異なって観察される。そこで、５μｍ四方の領域内の電子顕微鏡像内におけるアルファチタン析出相の面積率を求め、それを２分の３乗したものを体積率とした。また、アルファチタン析出相２１の表面積密度は、前述の断面内の観察において、単位断面積あたりのアルファチタン界面の周長の総和とした。また、超電導接続部１３の方が、超電導接続部１３以外の方より、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）の結晶２４が大きくなっている。また、超電導接続部１３におけるフィラメント１８のビッカース硬さが、超電導接続部１３以外の超電導線材１２におけるフィラメント１８のビッカース硬さより低くなっている。超電導接続部１３におけるフィラメント１８のビッカース硬さの低下により、図５Ａに示すように、隣接するフィラメント１８同士が隙間なく密着するように変形させることが、後記するプレス工程において可能になっている。

そして、これらの差異は、超電導接続部１３のフィラメント１８に熱処理を行い、超電導接続部１３以外の部分のフィラメント１８には、その熱処理を行っていないことによっている。なお、熱処理の詳細については後記するが、ここでの熱処理は、アルファチタン析出相２１の析出を抑制する熱処理であり、臨界電流密度を向上するために従来行われてきた、アルファチタン析出相２１の析出を促進させる熱処理とは異なるものである。従来の熱処理では、超電導線材１２の磁場中における臨界電流密度を向上させるため、強加工と時効熱処理を施して、フィラメント１８に微細ピニングセンタの役割を果たす微細析出相であるアルファチタン析出相２１を導入している。

図６に、超電導接続部１３におけるフィラメント１８（熱処理あり）と、超電導接続部１３以外の例えば主コイル１ａ等におけるフィラメント１８（熱処理なし）それぞれの、磁場に対する臨界電流密度の関係を示す。熱処理ありの超電導接続部１３のフィラメント１８も、熱処理なしの主コイル１ａ等のフィラメント１８も、磁場が小さくなる程、臨界電流密度は大きくなっている。ただ、どの強度の磁場においても、熱処理ありの超電導接続部１３の方が、熱処理なしの主コイル１ａ等よりも、臨界電流密度が低くなっている。すなわち、熱処理ありの超電導接続部１３と、熱処理なしの主コイル１ａ等とが、同じ強度の磁場に置かれた場合に、熱処理ありの超電導接続部１３の方が、熱処理なしの主コイル１ａ等よりも、フィラメント１８の臨界電流密度が低くなっている。

そして、主コイル１ａ等には、例えば、ＭＲＩ装置１０の撮像領域１１（図１参照）に所望の強度の磁場が生成できるように、主コイル１ａ等を流れる永久電流が設定され、主コイル１ａ等を構成する超電導線材１２を流れる永久電流の運転時電流密度が設定される。この運転時電流密度は、主コイル１ａ等（熱処理なし）の前記所望の強度の磁場が生成している際の臨界電流密度より小さくなる範囲で設定される。

超電導マグネット３は、超電導線材１２による閉回路なので、運転時において、超電導接続部１３における運転時電流と、主コイル１ａ等における運転時電流は等しくなる。

また、主コイル１ａ等は、超電導線材１２の中ほどに形成され、超電導接続部１３は、主コイル１ａ等から離れた超電導線材１２の端部に形成される。このため、超電導接続部１３が置かれる磁場は、主コイル１ａ等を構成する部分の超電導線材１２が置かれる磁場よりも弱くなっている。

従来、ＭＲＩ装置１０等の中の弱い磁場中に置かれる超電導接続部１３の臨界電流密度は、主コイル１ａ等（熱処理なし）の臨界電流密度の左上がりのグラフの延長上にあり、大きくなっていた。つまり、フィラメント１８の臨界電流密度Ｊｃは、そのフィラメント１８の置かれた磁場の強度に依存し、磁場が小さくなる程、大きくなる傾向があるため、磁場の小さい超電導接続部１３における臨界電流密度Ｊｃは、磁場の大きい主コイル１ａ等における臨界電流密度Ｊｃより大きくなり、超電導接続部１３のフィラメント１８では、主コイル１ａ等の超電導線材１２のフィラメント１８より、臨界電流密度Ｊｃが大きくなっていた。このため、超電導接続部１３では、フラックスジャンプが、主コイル１ａ等より発生しやすくなっていた。

このような従来の超電導接続に対し、本発明の実施形態では、超電導接続部１３における臨界電流密度には、フィラメント１８を熱処理したことにより低減した臨界電流密度が適用されるようにしている。実施形態では、超電導接続部１３における臨界電流密度を低減できたことで、フラックスジャンプの発生を抑制でき、さらには、クエンチの発生も抑制できる。これらの点は、シールドコイル２ａ等におけるフィラメント１８に対しても同じである。

次に、実施形態に係る超電導接続部１３（１３ａ〜１３ｅ）の作製方法を説明する。

まず、図７Ａに示すように、超電導線材１２（１２ａと１２ｂ）それぞれの端部１２Ａへの局所的な加熱（熱処理）を実施する。なお、超電導線材１２ｃ〜１２ｅについても同様である、また、端部１２Ａの長さとしては、例えば、３０ｍｍ程度とすればよい。なお、端部１２Ａの加熱（熱処理）では、４００℃以上６００℃未満の範囲内の温度で、１時間程度加熱すればよい。

次に、図７Ｂに示すように、超電導線材１２（１２ａ、１２ｂ）それぞれの端部１２Ａのマトリックス１９を選択的に溶解して除去し、端部１２Ａのフィラメント１８を露出させる。なお、ニオブチタン合金製のフィラメント１８と銅製のマトリックス１９の場合は、マトリックス１９の選択的な溶解に、硝酸（ＨＮＯ_３）を用いることができ、硝酸に端部１２Ａのみを浸漬させればよい。なお、本プロセスは、超電導体であるニオブチタンのフィラメント１８を常電導体であるマトリックス１９を介さずに接続するためにマトリックス１９を除去することが目的であり、硝酸等を用いた化学的な方法に限らず、研磨等の機械的な方法で除去してもよい。

次に、図７Ｃと図７Ｄに示すように、超電導線材１２（１２ａ、１２ｂ）の端部１２Ａ同士の露出したフィラメント１８を金属製のスリーブ１４に挿入する。なお、スリーブ１４としては、例えば、内径４ｍｍ、外径１５ｍｍ、長さ２５ｍｍの円筒形で、銅製のスリーブ１４を用いることができる。ただ、スリーブ１４の内径は、スリーブ１４の孔断面積が挿入する複数本のフィラメント１８の総断面積の２倍以上１０倍以下となるようにすることが望ましい。２倍未満の場合、フィラメント１８の挿入作業が困難になる。１０倍を超える場合、プレス後にフィラメント１８が密集した構造とならない。また、スリーブ１４の外径は１５ｍｍとしたが、スリーブ１４内に挿入するフィラメント１８の量（総断面積）を考慮して、スリーブ１４の体積を適切かつ充分に確保できる大きさ以上とするのが望ましい。具体的に、スリーブ１４の外径は、スリーブ１４の断面積が、挿入する全フィラメント１８の総断面積の１０倍以上となるようにするのが好ましい。スリーブ１４の長さは２５ｍｍとしたが、この長さは超電導接続部１３に流す電流値に応じて最適な長さに調整することが望ましい。

なお、端部１２Ａの境界となる境界部１２Ｂは、フィラメント１８をスリーブ１４に挿入した際に、スリーブ１４、特にスリーブ１４の端面から離れて配置することが望ましい。これは、後記するプレスの際に、境界部１２Ｂで、フィラメント１８が折れ曲がる程度を緩和し断線し難くするためである。

最後に、図４に示すように、超電導線材１２（１２ａ、１２ｂ）の端部１２Ａ同士のフィラメント１８を挿入したまま、スリーブ１４をプレスして潰し、超電導線材１２（１２ａ、１２ｂ）同士のフィラメント１８を互いに密着させ圧接させる。なお、プレスには、一軸プレス機を用いることができる。なお、本プロセスは、ニオブチタンのフィラメント１８を圧接して密着させることが目的であり、ニオブチタンのフィラメント１８同士が強い力で互いに押付けられ、更にその状態を保持できるようなプロセスであればよい。従って、例えば分割された金属部材の間にニオブチタンのフィラメント１８を挟み込み、ネジで押さえ込むような構造とすることも考えられる。また、例えばスリーブ１４にフィラメント１８を挿入した後に、スリーブ１４を捻る、または等方的な力を加えるなどの方法をとることも考えられる。
また、実施形態では、１箇所をプレスすることで超電導接続しているが、スリーブ１４を複数個の短いものに分割して別々にプレスすることで、同一のプレス荷重で１箇所あたりのプレス圧を上げることができ、フィラメント１８の密着度を向上させることが可能である。この方法は、作業スペース等の制約から、プレス機の規模が制限される場合に有効である。

また、実施形態に係る超電導接続部１３（１３ａ〜１３ｅ）の作製方法として、熱処理工程を、マトリックス１９の除去前に実施したが、これに限らず、マトリックス１９の除去後でも同様の効果が得られる。ただし、その場合、フィラメント１８の酸化を防止するため、熱処理中の雰囲気の酸素濃度をより厳密に管理することとする。また、プレス工程の最中に、プレスと同時に熱処理する場合、フィラメント１８が充分に柔らかくなっていないときからプレスするので、隙間２５を減少させるのは容易でないので、熱処理は、プレスの前に実施することが望ましい。ただ、プレスの最中や後に、熱処理を実施しても、臨界電流密度を適切な範囲に低減させる効果は得られるので、フラックスジャンプの抑制効果は得られる。

図８に、実施例と比較例で作製した超電導接続部１３の評価試料の斜視図を示す。評価試料は、１本の超電導線材１２の両端を超電導接続部１３で接続した閉回路構造をしている。なお、符号２３は、比較例の超電導接続部を示す。超電導線材１２の中央部には、１巻きのコイルである１ターン部２２が形成され、１ターン部２２と超電導接続部１３とは離れている。そして、実施例と比較例とで、超電導線材１２の端部１２Ａ（図７Ａ参照）への局所的な加熱（熱処理）の有無によって評価試料を作製し、さらに、超電導線材１２の端部１２Ａへの局所的な加熱（熱処理）の際の温度を変えて、評価試料を作製した。具体的に、加熱（熱処理）による超電導線材１２の端部１２Ａの温度として、３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃、６５０℃、７００℃の９通りの評価試料を作製した。なお、加熱（熱処理）の時間は１時間とした。なお、加熱（熱処理）した実施例の評価試料と、加熱（熱処理）していない比較例の評価試料とは、外見上の差異はほとんどなく、フィラメント１８が柔らかくなっているために、プレスによって実施例の超電導接続部１３の方が、比較例の超電導接続部２３よりよく潰れて、若干薄くなっている程度である。なお、プレスの際に印加する力は、どの評価試料でも等しくしている。

そして、評価試料について、超電導接続部１３、２３の切断面の観察と、その切断面のフィラメントのビッカース硬さの測定と、電気特性の測定を行った。

図９に、比較例（熱処理なし）の超電導接続部２３の断面図を示す。また、実施例（熱処理あり、熱処理温度５５０℃）の超電導接続部１３の断面は、図５Ａの断面と同様であった。比較例（熱処理なし）の超電導接続部２３では、隣接するフィラメント１８の間に隙間２５が観察され、フィラメント１８自身の断面形状も、円形をとどめていた。一方、実施例（熱処理あり、熱処理温度５５０℃）の超電導接続部１３では、隣接するフィラメント１８同士は隙間２５なく密着している。このため、フィラメント１８同士の接触が均一となり、電流分布も均一となって、局所的な電流密度の上昇を抑制できる。また、フィラメント１８はスリーブ１４とも隙間２５なく密着しているので、フィラメント１８で発熱しても、その熱はスリーブ１４を速やかに伝導しフィラメント１８から除去され、フィラメント１８を極低温に維持することができる。一方、図９に示すように、フィラメント１８とスリーブ１４との間に隙間２５があると、その隙間２５は液体ヘリウム（Ｈｅ）などの冷媒で満たされるので、一見すると、フィラメント１８での発熱に対して速やかに冷却可能であると考えるが、冷媒の熱伝導率は、金属で作られるスリーブ１４の熱伝導率より小さいので、フィラメント１８の温度は不安定になりやすい。

また、実施例（熱処理あり、熱処理温度５５０℃）の超電導接続部１３の１本のフィラメント１８の断面の一部の拡大図は、図５Ｂの断面と同様であり、比較例（熱処理なし）の超電導接続部２３の１本のフィラメント１８の断面の一部の拡大図は、図３Ｂの断面と同様であった。これより、実施例（熱処理あり、熱処理温度５５０℃）の超電導接続部１３の１本のフィラメント１８では、比較例（熱処理なし）の超電導接続部２３の１本のフィラメント１８に比べて、フィラメント１８のニオブチタン合金中のアルファチタン析出相２１の体積率、表面積密度が小さくなっている。また、実施例の方が、比較例の方より、ニオブチタンの結晶２４の粒界が大きくなっている。また、実施例の超電導接続部１３におけるフィラメント１８のビッカース硬さが、比較例の超電導接続部２３におけるフィラメント１８のビッカース硬さより低く柔らかくなっている。実施例では、超電導接続部１３におけるフィラメント１８のビッカース硬さが低いので、塑性変形しやすく、図５Ａに示すように、隣接するフィラメント１８同士が隙間なく密着するように変形させることが可能になっている。

次に、実施例と比較例の評価試料の電気特性について説明する。図１０に、実施例の経過時間に対する試料電流の関係を示し、図１１に、比較例の経過時間に対する試料電流の関係を示している。

電気特性の測定としては、超電導接続部１３、２３に所定の磁場、例えば、ＭＲＩ装置１０の超電導接続部１３における磁場の強度と同程度の磁場、例えば、０．５Ｔを外部装置によって外部磁場として発生させておいた。そして、１ターン部２２（図８参照）には所定の磁束を捕捉させ、１ターン部２２の中心位置につくられる磁場を計測して超電導線材１２を流れる試料電流を算出し、前記捕捉からの経過時間に対する前記試料電流を、捕捉直後の電流値で規格化して求めた。なお、試料電流が式２に従うと仮定して、目標とする超電導接続部１３、２３の抵抗値である接続抵抗１０^−１３Ωの場合の試料電流（目標とする電流）を算出して、図１０と図１１に表示し、試料電流の目標とする電流との比較を容易にしている。

ただし、Ｉ（ｔ）：試料電流（Ａ）、Ｉ_０：誘導直後の試料電流（Ａ）、t：誘導後の経過時間（ｓ）、Ｒ：接続抵抗（Ω）、Ｌ：評価試料のインダクタンス（Ｈ）である。

実施例では、試料電流の減衰は極めて小さく、接続抵抗１０^−１３Ωの場合の試料電流（目標とする電流）を上回った。

一方、比較例では、試料電流が、ある時間が経過すると不連続に減少した。この試料電流の不連続な減少は、超電導接続部２３で発生したフラックスジャンプによると推察された。

次に、熱処理の温度を、３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃、６５０℃、７００℃の９通りに変えた評価試料の評価結果について述べる。

まず、超電導接続部１３の１本のフィラメント１８の断面の一部を拡大して、走査型電子顕微鏡で観察した。これにより、フィラメント１８中のアルファチタン析出相２１の分散状態を観察した。その結果、熱処理の温度を４００℃以上とすると、これを境に、高温化に伴いアルファチタン析出相２１が減少し、粗大化することがわかった。

次に、超電導接続部１３のフィラメント１８の臨界電流密度を測定した。その結果、熱処理の温度を、４００℃以上とすると、これを境に、高温化に伴いフィラメント１８の臨界電流密度が低下し、４００℃では、熱処理していないフィラメント１８の８０％程度まで低下し、６００℃では、５％程度まで低下することがわかった。

次に、超電導接続部１３のフィラメント１８のビッカース硬さを測定した。その結果、熱処理の温度を、４００℃以上とすると、これを境に、高温化に伴いフィラメント１８のビッカース硬さが低下した。４００℃では、熱処理していないフィラメント１８のビッカース硬さの９０％程度まで低下し、６００℃では、３０％程度まで低下していることがわかった。

次に、隙間２５（図９参照）の大きさを、スリーブ１４の内部空間の容積に対して、フィラメント１８の占有する割合（占有割合）によって評価した。その結果、熱処理の温度を、４００℃以上とすると、高温化に伴いフィラメント１８の変形量が増大し、占有割合が増大した。占有割合は、４００℃では、７０％程度まで上昇し、６００℃程度では、９０％以上に達していることがわかった。なお、この内部空間の容積は、スリーブ１４の断面形状の内側の面積から算出することができる。

前記の評価結果から、熱処理工程の導入に伴い、フィラメント１８の臨界電流密度及びビッカース硬さが変化することがわかった。ただし、熱処理の温度が、６００℃以上の場合、臨界電流密度が実用的な値より低くなることがあり、超電導接続部１３に必要な電流を通電することができなくなる場合があると考えられた。また、熱処理の温度が、３５０℃以下の場合、臨界電流密度及びビッカース硬さの低下が小さいため、フラックスジャンプ抑制の効果が小さく、比較例の結果と同様に試料電流の不連続な減少が観測された。
なお、前述した通り、重要なのは、フィラメント１８の臨界電流密度を低下させてフラックスジャンプを抑制することである。
そのひとつのプロセスとして熱処理を例に挙げたが、この目的が達成できるのであれば、レーザー照射、超音波振動印加のようにエネルギーを投入できる別のプロセスを用いてもよい。
また、超電導接続部１３におけるフィラメント１８（熱処理あり）と、超電導接続部１３以外の例えば主コイル１ａ等におけるフィラメント１８（熱処理なし）の相違点としてアルファチタン（α-Ｔｉ）相２１の体積率（表面積密度）について言及した。
アルファチタン相２１は、磁束ピニングセンタとして働くため、その体積率（表面積密度）を減少させることで臨界電流密度を低下させることができる。しかし、臨界電流密度はアルファチタン相２１の体積率（表面積密度）で一義的に決まるわけではなく、アルファチタン相２１の形状、ニオブチタンの結晶２４の状態などにも依存する。
したがって、超電導接続部１３におけるフィラメント１８（熱処理あり）と、超電導接続部１３以外の例えば主コイル１ａ等におけるフィラメント１８（熱処理なし）を比較したときに、例えアルファチタン相２１の体積率（表面積密度）が同じであっても、超電導接続部１３におけるフィラメント１８（熱処理あり）のアルファチタン相２１の形状及びニオブチタンの結晶２４の状態が、超電導接続部１３以外の例えば主コイル１ａ等におけるフィラメント１８（熱処理なし）のそれと比較した場合、磁束ピニングセンタとしての役割が低下するようになっていれば、アルファチタン相２１の体積率（表面積密度）を減少させるのと同様の効果を得ることができる。

１ａ、１ｂ 主コイル
２ａ、２ｂ シールドコイル
３ 超電導マグネット
４ クライオスタット
５ ボビン
６ 冷却容器
７ 熱輻射シールド
８ 真空容器
９ 連結柱
１０ 磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）
１１ 撮像領域
１２（１２ａ乃至１２ｅ） 超電導線材
１２Ａ 超電導線材の端部
１３（１３ａ乃至１３ｅ） 超電導接続部
１４ スリーブ
１５ 超電導永久電流スイッチ
１６ 励磁用電源端子
１７ 常電導線材
１８ フィラメント
１９ マトリックス
２１ α−Ｔｉ析出相
２２ １ターン部
２３ 超電導接続部
２４ ニオブチタンの結晶
２５ 隙間

Claims (10)

1. ニオブチタン（ＮｂＴｉ）合金製のフィラメントが銅（Ｃｕ）又は銅合金製のマトリックス内に配置された構造を持つニオブチタン超電導線材と他の超電導線材とを接続した超電導接続部を有する超電導回路において、
   運転時に前記超電導接続部が置かれる磁場は、前記超電導接続部以外の前記ニオブチタン超電導線材で形成された主コイルが置かれる磁場よりも小さく、
   前記超電導接続部における前記フィラメントのニオブチタン合金中のアルファチタン（α−Ｔｉ）析出相の体積率もしくは表面積密度が、前記超電導接続部以外の前記ニオブチタン超電導線材における前記フィラメントのニオブチタン合金中のアルファチタン析出相の体積率もしくは表面積密度より少なく、
   前記超電導接続部と前記超電導接続部以外の前記ニオブチタン超電導線材とが同じ強度の磁場に置かれた場合に、前記超電導接続部における前記フィラメントの臨界電流密度が、前記超電導接続部以外の前記ニオブチタン超電導線材における前記フィラメントの臨界電流密度の５〜８０％になっていることを特徴とする超電導回路。
2. ニオブチタン合金製のフィラメントが銅又は銅合金製のマトリックス内に配置された構造を持つニオブチタン超電導線材と他の超電導線材とを接続した超電導接続部を有する超電導回路において、
   運転時に前記超電導接続部が置かれる磁場は、前記超電導接続部以外の前記ニオブチタン超電導線材で形成された主コイルが置かれる磁場よりも小さく、
   前記超電導接続部における前記フィラメントのビッカース硬さが、前記超電導接続部以外の前記ニオブチタン超電導線材における前記フィラメントのビッカース硬さの３０〜９０％になっていることを特徴とする超電導回路。
3. 前記超電導接続部では、前記ニオブチタン超電導線材の前記マトリックスが除去されて前記フィラメントが露出しており、前記ニオブチタン超電導線材の露出した前記フィラメントが前記他の超電導線材の露出したフィラメントと一体化部材内で互いに密着して配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導回路。
4. 前記一体化部材として、金属製の筒状部材を用いることを特徴とする請求項３に記載の超電導回路。
5. 前記他の超電導線材が、ニオブチタン超電導線材であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超電導回路。
6. 前記一体化部材の内部空間の容積に対して、前記フィラメントの占有する割合が７０〜１００％であることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の超電導回路。
7. 前記一体化部材が、銅、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の内の少なくとも１つを主成分にすることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか１項に記載の超電導回路。
8. ニオブチタン（ＮｂＴｉ）合金製のフィラメントが銅（Ｃｕ）又は銅合金製のマトリックス内に配置された構造を持つニオブチタン超電導線材と他の超電導線材とを接続した超電導接続部の作製方法において、
   前記ニオブチタン超電導線材の前記フィラメントを、４００〜６００℃になるように加熱する工程と、
   前記ニオブチタン超電導線材の前記マトリックスを除去し、前記ニオブチタン超電導線材のフィラメントを露出させる工程と、
   前記フィラメントを、一体化部材を用いて密着させる工程とを有し、
   前記加熱する工程は、前記露出させる工程の前に実施されることを特徴とする超電導接続部の作製方法。
9. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の超電導回路を備え、
   超電導コイルまたは永久電流スイッチを構成する前記ニオブチタン超電導線材と他の超電導線材とを接続した超電導接続部を有することを特徴とする超電導マグネット。
10. 請求項８に記載の超電導接続部の作製方法を用いて、
    超電導コイルまたは永久電流スイッチを構成する前記ニオブチタン超電導線材と他の超電導線材とを接続した前記超電導接続部を作製することを特徴とする超電導マグネットの製造方法。

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