JP5557086B2

JP5557086B2 - Ｎｂ３Ａｌ超電導線材

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Publication number: JP5557086B2
Application number: JP2009241004A
Authority: JP
Inventors: 孝夫竹内; 章弘菊池; 信哉伴野; 和英田中; 和彦中川
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: JP2011090788A

Description

本発明は、Ｎｂ_３Ａｌ超電導線材に関する。特に、本発明は、輸送臨界電流密度を高く維持できると共にｋｍ級の長尺線材に適用できるＮｂ_３Ａｌ超電導線材に関する。

一般的に、Ｎｂ_３Ａｌ超電導線材は、ジェリーロール法と呼ばれる製造方法で作製される。例えば、ＮｂシートとＡｌシートとをジェリーロール法により巻き上げてなる第１の線材をＣｕからなる安定化材で覆った第２の線材を形成して、第２の線材を複数本束ねてＣｕからなる筒に充填した後、当該筒に伸縮加工を施して、その後に加熱処理することによりＮｂ_３Ａｌ系化合物超電導線材を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のＮｂ_３Ａｌ系化合物超電導線材は上記のようにジェリーロール法により製造されるので、超電導線材として既に実用化されているＮｂＴｉ超電導線材に比べて、特に、１０Ｔ（テスラ）を超える中磁界における輸送臨界電流密度（以下、単に「Ｊｃ」とする）特性に優れ、かつ、Ｎｂ_３Ｓｎ化合物系超電導線材に比べて耐歪特性に優れている。したがって、１２〜１５Ｔ程度の磁界下で稼働する高エネルギー粒子加速器への適用が期待されている。

特開平４−１３２１１６号公報

しかし、特許文献１に記載のＮｂ_３Ａｌ系化合物超電導線材を粒子加速器に適用した場合であって、超電導線材の内部に充填された超電導フィラメントが所定のサイズより大きい場合には、磁界の増加のための励磁運転中に磁気的不安定性（フラックスジャンプ）に起因する大きな電圧が発生して粒子加速器の稼働が停止する場合がある。斯かる問題を抑制することを目的として、各フィラメント間の結合を防止すべく、Ｎｂ／Ａｌフィラメントの外周にバリア層としてのＮｂシートを巻くことが一般的に実施されている。しかしながら、Ｎｂは液体ヘリウムの温度（４．２Ｋ）においては約０．５Ｔ以下の磁界下で超電導体になるので、多芯化されたフィラメントがあたかも一つの超電導フィラメント（すなわち、フィラメント同士が結合する）のように機能して、磁気的不安定性が更に増加する。したがって、バリア層としては、磁気的不安定性を無視することができると共に、放射化の影響が小さいＴａの適用が要求されている。

そして、バリア層としてＴａを用いたＮｂ_３Ａｌ超電導線材の試作がなされてきた。しかしながら、Ｎｂ／Ａｌフィラメントの硬度とＴａからなるバリア層の硬度との硬度差が大きいことから、超電導線材の加工途中に線材の断線が多発するという問題がある。超電導線材の伸線加工性は、線材の断面内における材料の伸びの大きさと相関があり、断線の要因として、Ｎｂ／Ａｌフィラメントの伸びにＴａからなるバリア層の伸びが追従できないことが挙げられる。Ｎｂ_３Ａｌ超電導線材を工業的に広く適用可能にするためには、最低でもｋｍ級の多芯線材を製造することができ、かつ、磁界中で１０００Ａ／ｍｍ^２程度のＪｃを実現することができる超電導線材を提供する必要がある。

したがって、本発明の目的は、磁気的不安定性を生じさせるＮｂ／Ａｌフィラメント間の結合を抑制できると共に、高いＪｃ特性を維持しつつ伸線加工時の断線を防止できる、高性能かつ長尺のＮｂ_３Ａｌ超電導線材を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、巻芯と、Ｎｂ及びＡｌを含むと共に巻芯を覆うフィラメント層とを有する線材と、線材を覆う第１バリア層と、第１バリア層を覆うＴａからなる第２バリア層とを有するシングル線を備え、シングル線の第１バリア層は、フィラメント層の硬度と第２バリア層の硬度との間の硬度を有するＮｂ_３Ａｌ超電導線材が提供される。

また、上記シングル線は、巻芯とフィラメント層との間に、巻芯の硬度とフィラメント層の硬度との間の硬度を有する金属層を更に備えることができる。

また、上記Ｎｂ_３Ａｌ超電導線材は、第１バリア層は、Ｎｂ又はＮｂを含む合金からなることが好ましい。

また、上記シングル線は、第１バリア層は、第２バリア層の厚さと第１バリア層の厚さとの合計厚さの０．２倍以上０．８倍以下の厚さを有することが好ましい。

また、上記Ｎｂ_３Ａｌ超電導体は、複数本の上記シングル線を伸線加工することで得られるマルチ線を備えることができる。

本発明に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材によれば、磁気的不安定性を生じさせるＮｂ／Ａｌフィラメント間の結合を抑制できると共に、高いＪｃ特性を維持しつつ伸線加工時の断線を防止できる、高性能かつ長尺のＮｂ_３Ａｌ超電導線材を提供できる。

本発明の実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材の製造の流れを示す図である。本発明の実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材の製造の流れを示す図である。本発明の実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材の製造の内容を示す図である。本発明の実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材の製造の内容を示す図である。本発明の実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材の製造の内容を示す図である。本発明の実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材の製造の内容を示す図である。本発明の実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材の製造の内容を示す図である。本発明の実施の形態に係る前駆体シングル線の断面図である。比較例に係る前駆体シングル線の断面図である。実施例３に係る前駆体シングル線の断面図である。

［実施の形態の要約］
巻芯と、Ｎｂ及びＡｌを含むと共に前記巻芯を覆うフィラメント層とを有する線材を備えるＮｂ_３Ａｌ超電導線材において、前記線材を覆う第１バリア層と、最終形状まで加工した際の前記第１バリア層を覆うＴａからなる第２バリア層とを有し、前記第１バリア層は、前記線材の硬度と前記Ｔａ層の硬度との間の硬度を有するＮｂ_３Ａｌ超電導線材が提供される。
［実施の形態］
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材の製造の流れの一例を示し、図２Ａ〜図２Ｅは、本発明の実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材の製造の内容の概要を示す。

本実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材は、Ｎｂ_３Ａｌ化合物を含んで形成されるＮｂ_３Ａｌ化合物系超電導線材であって、例えば、ジェリーロール法で製造されるＮｂ_３Ａｌ超電導線材である。以下、詳述する。

（Ｎｂ_３Ａｌ超電導線材の製造方法）
まず、アルミニウム（Ａｌ）から形成され、所定の厚さを有するＡｌシート１０と、Ｎｂから形成され、所定の厚さを有するＮｂシート２０と、Ｎｂ又はＴａ等の高融点の金属材料から形成され、所定の径を有する巻芯３０とを準備する。そして、図２Ａの（ａ）に示すように、Ａｌシート１０とＮｂシート２０とを巻芯３０に合わせ巻きすることによりＡｌシート１０とＮｂシート２０とで巻芯３０を覆う。これにより、図２Ａの（ｂ）に示すような線材としてのＮｂ／Ａｌフィラメント４０が作製される（フィラメント作製工程：図１Ａのステップ１０。以下、ステップを単に「Ｓ」とする）。

次に、図２Ａの（ｃ）に示すように、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０の外周に、所定の長さ、所定の厚さを有する金属バリアシート５０を巻き付ける。その後、図２Ｂの（ａ）に示すように、所定の長さ、所定の厚さを有するＴａバリアシート６０を巻き付けて、図２Ｂの（ｂ）に示すようなジェリーロール／シングル線７０を作製する（シングル線作製工程：図１ＡのＳ１２）。ここで、本実施の形態に係る金属バリアシート５０は、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０とＴａバリアシート６０との間に設けられ、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０の硬度（例えば、平均の硬さである）とＴａバリアシート６０の硬度との間の硬度を有する金属材料、例えば、Ｎｂ又はＮｂを含む合金から形成することができる。ここで、本実施の形態において特に断りのない限り、「硬度」とは、ビッカース硬度である。

なお、本実施の形態において、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０の硬度（Ｈ１）、Ｔａバリアシート６０の硬度（Ｈ２）、及び金属バリアシート５０の硬度（Ｈ３）の関係は、Ｈ２＞Ｈ３＞Ｈ１を満たすようにする。ただし、斯かる硬度の関係は、後述する前駆体マルチ線に所定の加工を施す途中で変化する場合があるので、本実施の形態においては、後述する前駆体シングル線２の状態、すなわち、前駆体マルチ線を作製するために複数本の前駆体シングル線２を合金パイプ６に挿入する時点において斯かる硬度の関係が成立するようにする。

次に、図２Ｂの（ｃ）に示すように、シングルビレット８０にジェリーロール／シングル線７０を充填する（シングルビレット充填工程：Ｓ１４）。なお、シングルビレット８０は、ジェリーロール／シングル線７０の外径以上の内径を有すると共に、略円筒形の外形（すなわち、パイプ状）を呈する。そして、シングルビレット８０は、例えば、銅（Ｃｕ）又はＣｕ合金から形成することができ、本実施の形態では、Ｃｕから形成することが好ましい。

ここで、ジェリーロール／シングル線７０をシングルビレット８０に充填することにより、ジェリーロール／シングル線７０の外周をシングルビレット８０で被覆する理由は以下のとおりである。すなわち、ジェリーロール／シングル線７０の外表面が外部に露出した状態で後述するダイス伸線等の工程をジェリーロール／シングル線７０が経ると、ダイス伸線時におけるダイスの焼き付き、ジェリーロール巻き線部分のずれ等の発生に起因して加工性が低下するので、斯かる加工性の低下の抑制を目的としている。したがって、シングルビレット８０は、後の加工において加工性に優れ、伸線加工中にシングルビレット８０に充填された材料に損傷を与えない限り、Ｃｕを除く他の材料から形成することもできる。

次に、ジェリーロール／シングル線７０を充填したシングルビレット８０を所望の径、所望の長さまで加工して図２Ｃの（ａ）に示すような前駆体シングル線２を形成する（前駆体線材形成工程：Ｓ１６）。例えば、ジェリーロール／シングル線７０を充填したシングルビレット８０に、静水圧押出及びダイス伸線による加工（伸線加工）を施すことにより、ジェリーロール／シングル線７０を充填したシングルビレット８０を所望の径、所望の長さまで加工する。これにより、図２Ｃの（ａ）に示すような前駆体シングル線２が作製される。なお、必要に応じて焼鈍処理をジェリーロール／シングル線７０を充填したシングルビレット８０に施すこともできる。

なお、本実施の形態において、焼鈍処理を施す工程は、ＮｂとＡｌとの金属間化合物が実質的に生成しない条件で実施する。例えば、Ｎｂの融点より低い温度（一例として、Ｎｂの融点の１／２程度の温度）であって、不活性雰囲気又は真空での焼鈍処理を当該シングルビレット８０に施す。より具体的には、例えば、約３５０℃の温度で、所定の時間、不活性ガス（例えば、アルゴンガス）フロー中又は真空中において焼鈍処理を実施する。

図３は、本発明の実施の形態に係る前駆体シングル線の断面の概要を示す。

前駆体線材形成工程を経て得られる前駆体シングル線２は、巻芯３０と、巻芯３０の外周を覆うフィラメント層としてのＮｂ／Ａｌフィラメント４０と、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０を覆う金属バリアシート５０からなる第１バリア層としての金属バリア５２と、金属バリア５２を覆うＴａバリアシート６０からなる第２バリア層としてのＴａバリア６２と、Ｔａバリア６２を覆うシングルビレット８０とを有する。なお、第１バリア層としての金属バリア５２は、Ｔａバリア６２の厚さの０．２５倍以上４倍以下の厚さを有することが好ましい。すなわち、第１バリア層としての金属バリア５２は、第２バリア層としてのＴａバリア６２の厚さと金属バリア５２の厚さとの合計厚さの０．２倍以上０．８倍以下の厚さを有することが好ましい。また、巻芯３０とフィラメント層としてのＮｂ／Ａｌフィラメント４０との間に、巻芯３０の硬度とフィラメント層の硬度との間の硬度を有する金属層を更に設けることもできる。

次に、シングルビレット８０は、後述する加熱冷却処理（若しくは、急熱急冷処理）においては不要であるので、前駆体シングル線２の表面に露出しているシングルビレット８０を除去する。例えば、シングルビレット８０がＣｕから形成されている場合、所定の濃度の硝酸を主成分とするシングルビレット除去剤に前駆体シングル線２を所定の時間（例えば、数時間程度）、浸漬することにより、前駆体シングル線２の表面からシングルビレット８０を除去する（シングルビレット除去工程：Ｓ１８）。これにより、図２Ｃの（ｂ）に示すようなシングルビレット８０が除去された前駆体シングル線２ａが形成される。

続いて、複数本の前駆体シングル線２ａと、複数本の中心ダミー材４と、合金パイプ６とを準備する。そして、図２Ｄの（ａ）に示すように、複数本の前駆体シングル線２ａと、機械的強度の確保と伸線加工性の向上とに寄与する複数本の中心ダミー材４と、外周ダミー材５とを、合金パイプ６に充填する（多芯ビレット形成工程：Ｓ２０）。これにより、図２Ｄの（ｂ）に示すような、マルチビレット７が得られる。なお、合金パイプ６は、加工性を考慮して、Ｎｉ含有量が３０％以上の合金材料、例えば、ＣｕＮｉ合金から形成される。

なお、中心ダミー材４は、例えば、Ｎｂ又はＴａ等の金属材料から形成することができる。一例として、作製すべきＮｂ_３Ａｌ超電導線材を加速器等に用いる場合であって、低放射化が要求される場合には、液体ヘリウムの温度下で磁気的な不安定性がＮｂよりも少ないＴａを用いることが好ましい。一方、低放射化が要求されない場合には、Ｎｂ又はＴａを用いることができる。なお、合金パイプ６は、所定の内径の略円筒形状を有する。また、前駆体シングル線２ａ、中心ダミー材４は、断面が六角形状を有するように加工することもできる。更に、複数の前駆体シングル線２ａの大きさと複数の中心ダミー材４の大きさとは、略同一にすることもできる。

なお、一例として、１３２本の前駆体シングル線２ａと、１９本の中心ダミー材４と、Ｎｂ又はＴａからなる外周ダミー材５とを合金パイプ６に充填することにより、１５１芯構造のマルチビレット７を作製することができる。前駆体シングル線２ａの本数、中心ダミー材４の本数及び／又は材質は、作製すべきＮｂ_３Ａｌ超電導線材の用途に応じて適宜増減させることができる。例えば、作製すべきＮｂ_３Ａｌ超電導線材を交流に応用する場合には、前駆体シングル線２ａにツイスト加工を施すことが好ましい。

次に、マルチビレット７を所望の径、所望の長さまで加工することにより前駆体マルチ線を作製する。すなわち、マルチビレット７に、静水圧押出及びダイス伸線による加工を施すことにより、マルチビレット７を所望の径、所望の長さまで加工する（前駆体マルチ線形成工程：Ｓ２２）。なお、前駆体マルチ線形成工程において、所定の温度の焼鈍処理を実施することにより、前駆体マルチ線の断線を抑制することができる。

前駆体マルチ線の表面には、合金パイプ６が被覆されている。合金パイプ６は、後述する加熱冷却処理において不要であるので、除去する（合金パイプ除去工程：Ｓ２４）。例えば、合金パイプ６がＣｕＮｉ合金等のＣｕ合金から形成されている場合、硝酸を主成分とするエッチング溶液（例えば、１０％程度の濃度の硝酸）を用いて、前駆体マルチ線の表面を被覆している合金パイプ６を除去する。これにより、合金パイプ６が除去された前駆体マルチ線が得られる。

続いて、合金パイプ６を除去した前駆体マルチ線に加熱冷却処理（急熱急冷処理）を施して、過飽和固溶体線を作製する（熱処理工程：Ｓ２６）。この加熱冷却処理は、前駆体マルチ線が有するＡｌシート１０とＮｂシート２０との過飽和固溶体を形成する処理である。すなわち、加熱冷却処理は、前駆体マルチ線を構成するＡｌとＮｂとからＮｂ／Ａｌ過飽和固溶体を形成する。

例えば、前駆体マルチ線に電流を供給する。前駆体マルチ線に電流が供給されると、前駆体マルチ線は、自己通電加熱により１５００℃から２０００℃まで温度が上昇する。自己通電加熱により加熱するので、前駆体マルチ線は短時間で所定の温度まで急速に加熱される。続いて、加熱された前駆体マルチ線を、所定の冷却用のバス、例えば、ガリウム（Ｇａ）バスに浸すことにより、急速冷却する。これにより、前駆体マルチ線を構成するＡｌとＮｂとが反応して、Ｎｂ／Ａｌ過飽和固溶体からなる過飽和固溶体線が形成される。そして、過飽和固溶体線に再加熱処理、すなわち、変態熱処理を施して、図２Ｅの（ａ）及び（ｂ）に示すような、最終形状を有するＮｂ_３Ａｌ超電導線材１が製造される（再加熱処理工程：Ｓ２８）。なお、再加熱処理は、一例として、８００℃、１０時間程度の熱処理を過飽和固溶体線に施すことにより実施することができる。

なお、上記各工程において、静水圧押出の後に実施する径を縮小する縮径加工としてのダイス伸線は、以下のように実施できる。すなわち、縮径加工としては、ドローベンチ、スエージャー、カセットローラーダイス、又は溝ロールを用いて実施できる。そして、縮径加工における１パス当りの断面減少率が１０〜３０％程度の伸線加工を繰り返し実施する。

また、線材を多芯化する場合（例えば、Ｓ２２）には、丸断面形状、又は六角断面形状に伸線加工した線材（例えば、前駆体シングル線２ａ、中心ダミー材４等）をパイプ（例えば、合金パイプ６等）に組み込み、上記の装置を用いて、１パス当りの断面減少率が１０〜３０％程度で、所望の線径まで伸線加工する。そして、所望する形状まで加工した線材（例えば、過飽和固溶体線）は、所定の温度下、所定の雰囲気下において所定の熱処理を施すことによって、高いＪｃを有する線材（例えば、Ｎｂ_３Ａｌ超電導線材１）になる。なお、高いＪｃを実現することを目的として、最終的にＮｂ_３Ａｌ相を形成するフィラメント部分のＮｂ又はＮｂ合金と、Ａｌ又はＡｌ合金との体積比（Ｎｂ／Ａｌ）は、２．５〜４．０の範囲が望ましい。

また、本実施に形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材１は、超電導マグネットに適用することができる。具体的に、本実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材は、高靭性・高硬度性という特性を有しているので、線材自身の降伏応力、引っ張り強度、ヤング率等の機械的強度が優れている。したがって、本実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材は、強磁場における電磁力に耐えることのできる超電導マグネットの製造に適用できる。更に、本実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材は、両端抵抗を十分に抑えることにより、永久電流超電導マグネットに適用することができる。

また、本実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材を、例えば、液体ヘリウム中で使用する場合、金属系超電導体又は酸化物超電導体と組合せさせる構造にすることで、より強い磁場を発生する超電導マグネット等の実用導体を実現できる。この場合における金属系超電導体としては、ＮｂＴｉ系合金、Ｎｂ_３Ｓｎ系化合物、Ｖ_３Ｇａ系、ＭｇＢ_２系、及び／又はシェブレル系化合物等を用いることができ、若しくは、必要に応じて２種以上のマグネットを配置することができる。なお、酸化物超電導体には、Ｙ系、Ｂｉ系、Ｔｌ系、Ｈｇ系、又はＡｇ−Ｐｂ系の超電導体を用いることができる。

更に、本実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材１を冷凍機伝導冷却で使用する場合には、Ｎｂ_３Ａｌ超電導線材１と、ＭｇＢ_２系又は酸化物超電導体とを組み合わせることにより、より高性能の超電導マグネット等の実用導体を実現できる。

そして、本実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材１は、臨界温度以下の環境において超電導性を発現すると共に、高いＪｃを維持しつつ、ｋｍ級の長尺線材として用いることができる。例えば、Ｎｂ_３Ａｌ超電導線材１は、送電ケーブル、核磁気共鳴分析装置、医療用磁気共鳴診断装置、磁気分離装置、磁場中単結晶引き上げ装置、超電導発電機、核融合炉用マグネット、高エネルギー粒子加速器用マグネット等の機器に適用することができる。

特に、高エネルギー粒子加速器等の放射線環境下における超電導マグネットに従来のＮｂ_３Ａｌ超電導線材を適用する場合には、超電導線材が放射化して超電導特性が低下する等の被爆管理等の問題が生じる。一方、本実施の形態に係るＮｂ_３Ａｌ超電導線材１は、中心ダミー材４を半減期が短いＴａから形成することができ、斯かる場合、Ｎｂ_３Ａｌ超電導線材１自身の低放射化を図ることができる。なお、中心ダミー材４をＴａから形成することは、ＴａがＮｂに比べて液体ヘリウム温度下における磁気的な安定性に優れていることからも好ましい。

（実施の形態の効果）
本実施の形態においては、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０とＴａバリア６２との間に、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０を構成する材料のビッカース硬さとＴａバリアを構成する材料のビッカース硬さとの間のビッカース硬さを有する材料からなる金属バリア５２を備えているので、前駆体シングル線２の断面内におけるＮｂ／Ａｌフィラメント４０からＴａバリア６２に至るまでのビッカース硬さの差の傾斜を、金属バリア５２を備えていない場合に比べて緩やかにすることができる。これにより、加工性を向上させて断線を抑制できると共に、高Ｊｃ化（例えば、１０００Ａ／ｍｍ^２程度のＪｃ）と長尺化（例えば、ｋｍ級）とを両立することができるＮｂ_３Ａｌ超電導線材１を提供することができる。また、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０と巻芯３０との間に、巻芯３０を構成する材料のビッカース硬さとＮｂ／Ａｌフィラメント４０を構成する材料のビッカース硬さとの間のビッカース硬さを有する材料からなる金属層を更に導入することもでき、斯かる場合、Ｎｂ_３Ａｌ超電導線材１のより一層の高Ｊｃ化及び長尺化を図ることができる。

実施例１に係る前駆体マルチ線は、以下のように製造した。まず、出発素材として、厚さ０．０３ｍｍのＡｌシート１０と厚さ０．１０ｍｍのＮｂシート２０とを準備した。次に、Ａｌシート１０とＮｂシート２０とを巻芯３０として直径２ｍｍのＴａ棒に合わせ巻きした。これにより、外径が約１１．８ｍｍであるＮｂ／Ａｌフィラメント４０を作製した。続いて、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０の外周に厚さ０．１ｍｍのＮｂシートを金属バリアシート５０として５ターン巻き付けて、外径を約１２．８ｍｍにした。更に、金属バリアシート５０の外周に厚さ０．１ｍｍのＴａシートをＴａバリア６２として５ターン巻き付けることにより、外径が約１３．８ｍｍの実施例１に係るジェリーロール／シングル線７０が得られた。

次に、得られたジェリーロール／シングル線７０を、外径１７ｍｍ、内径１４．５ｍｍ、長さ１６０ｍｍのシングルビレット８０としてのＣｕパイプに充填した。そして、ジェリーロール／シングル線７０を充填したＣｕパイプを、押出機を用いて線径７ｍｍまで押出加工した。次に、ドローベンチを用いて、最終的に六角対辺長が４．３０ｍｍになるように伸線加工した。これにより、前駆体シングル線２を得た。

続いて、前駆体シングル線２の全体を硝酸に浸すことにより、前駆体シングル線２の外周を覆うＣｕパイプを完全に除去した。これにより、六角対辺長が３．９５ｍｍの前駆体シングル線２ａが得られた。次に、前駆体シングル線２ａを、長さ３００ｍｍごとに切断した。そして、外径５９．０ｍｍ、内径５４．０ｍｍのＣｕＮｉ合金パイプに、六角対辺長が２．５５ｍｍであり、Ｔａからなる７本の中心ダミー材と、Ｔａからなる外周ダミー材と共に、切断した複数本の前駆体シングル線２ａを組み込んで多芯線を作製した。具体的には、中心ダミー材をＣｕＮｉ合金パイプの中心付近に位置するように配置して、前駆体シングル線２ａを中心ダミー材の周囲に位置するように配置すると共に、前駆体シングル線２ａとＣｕＮｉ合金パイプの内表面との間に位置するように外周ダミー材を配置することにより多芯線を作製した。なお、組み込み後の断面の概要は、図２Ｅの（ｂ）に示すとおりである。

次に、押出機を用いてこの多芯線に押出加工を施して、線径を２９．０ｍｍまで加工した。その後、１パスあたりの断面減少率が１０％から３０％の範囲内に収まるようにして、ドローベンチ、釜状の伸線機を用いて伸線加工を継続した。その結果、線径が１．０ｍｍになるまで断線を発生させずに伸線加工ができ、前駆体マルチ線が得られた。その後、伸線加工を継続したが、線径が０．８２ｍｍ近傍で断線が多発することが分かった。

実施例１においては、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０とＴａバリア６２との間に、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０の硬度とＴａバリア６２の硬度との間の硬度を有するＮｂからなる金属バリア５２を用いたが、その後の実験により、Ｎｂ合金、例えば、Ｔａの重量比が５０％以下のＮｂ−Ｔａ合金、Ｔｉの重量比が５０％以下のＮｂ−Ｔｉ合金を金属バリア５２に用いた場合であっても実施例１と同様の効果が得られることが分かった。更に、非磁性の他の金属を用いた場合であっても実施例１と同様の効果が得られることが分かった。ただし、急熱急冷処理を実施する熱処理工程において１５００℃を超える温度での熱処理を実施するので、融点が１５００℃を超え、かつ、超電導特性を低下させない材料であることを要する。なお、ＣｕＮｉ合金パイプに充填する前駆体シングル線２ａの本数については特に限定されない。当該本数を実施例１の本数と異なる本数にした場合であっても同様の結果が得られた。すなわち、実施例１に係る前駆体マルチ線を用いて作製されるＮｂ_３Ａｌ超電導線材１が適用される機器に応じて前駆体シングル線の本数を変更しても、実施例１と同様の効果が得られることが示された。

（比較例）
図４は、比較例に係る前駆体シングル線の断面の概要を示す。

比較例に係る前駆体シングル線３は、実施例１に係る前駆体シングル線２と異なり、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０とＴａバリア６２との間にＮｂからなる金属バリア５２を設けていない点を除き実施例１と同様にして作製した。すなわち、外径が約１１．８ｍｍであるＮｂ／Ａｌフィラメント４０を作製して、Ｔａバリア６２の厚さが約２．０ｍｍになるようにＮｂ／Ａｌフィラメント４０の外周にＴａシートを所定ターン巻き付けて、外径が約１３．８ｍｍの比較例に係るジェリーロール／シングル線を作製した。そして、実施例１と同様にして当該ジェリーロール／シングル線とＣｕパイプとから、図４に示す断面を有するような比較例に係る前駆体シングル線３を作製した。

実施例１と同様の工程でＮｂ_３Ａｌ超電導線材の作製を試みたが、線径が２．１ｍｍ〜１．８ｍｍに縮径させると、断線が頻発に発生した。光学顕微鏡を用いて断線した部分の破断面を観察した結果、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０とＴａバリア６２との界面近傍が、断線の起点になっていることが分かった。

実施例２に係る前駆体マルチ線は、以下のように製造した。まず、出発素材として、厚さ０．０２５ｍｍのＡｌシート１０と厚さ０．０８ｍｍのＮｂシート２０とを準備した。次に、Ａｌシート１０とＮｂシート２０とを巻芯３０として直径２ｍｍのＴａ棒に合わせ巻きした。これにより、外径が約１１．５ｍｍであるＮｂ／Ａｌフィラメント４０を作製した。続いて、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０の外周に厚さ０．１ｍｍのＮｂシートを金属バリアシート５０（すなわち、線材の状態で金属バリア５２になる）として巻き付けた後、金属バリアシート５０の外周に厚さ０．１ｍｍのＴａシートをＴａバリア６２として巻き付けることにより、外径が約１３．８ｍｍの実施例２に係るジェリーロール／シングル線７０が得られた。

実施例２においては、金属バリア５２の厚さと、Ｔａバリア６２の厚さとを変化させて伸線加工性を比較した。具体的には、金属バリア５２の厚さとＴａバリア６２の厚さとの合計を基準の厚さにした場合に、金属バリア５２の厚さが当該基準の厚さの０．０５倍〜０．９５倍（すなわち、厚さの比率で５％〜９５％）になるようにジェリーロール／シングル線を作製した。例えば、金属バリア５２の厚さが基準の厚さの０．５倍の厚さである場合に、金属バリア５２の厚さとＴａバリア６２の厚さとが等しくなる。

表１に示した厚さの比率で作製したジェリーロール／シングル線のそれぞれを、外径が１６ｍｍ、内径が１４ｍｍ、長さが１５０ｍｍのＣｕパイプに充填してマルチビレットを作製した。そして、線径が８ｍｍになるまで押出機を用いてマルチビレットに押出加工を施した。その後、ドローベンチを用いて、最終的に六角対辺長が４．３０ｍｍになるように押出加工後のマルチビレットに伸線加工を施して、前駆体シングル線を作製した。

続いて、前駆体シングル線の全体を硝酸に浸すことにより、前駆体シングル線の外周を覆うＣｕパイプを完全に除去した。これにより、六角対辺長が３．９５ｍｍの前駆体シングル線が得られた。そして、この前駆体シングル線に、断面が六角形状になるように伸線加工を施した後、所定の長さに切断した。そして、切断した複数本の前駆体シングル線を、実施例１と同様にして、外径５９．０ｍｍ、内径５３．２ｍｍのＣｕＮｉ合金パイプに、中心ダミー材と外周ダミー材と共に組み込んで多芯線を作製した。そして、押出機を用いてこの多芯線に押出加工を施して、線径が２８ｍｍになるまで加工した。その後、ドローベンチ、釜状の伸線機を用いて伸線加工を継続することにより前駆体マルチ線を作製した。ここで、作製した前駆体マルチ線は表１に示す９種類であり、断線開始時の径を用いて伸線加工性を比較した。

具体的に、表１には、金属バリア５２の厚さとＴａバリア６２の厚さとの合計を「１」に規格化した場合における金属バリア５２の厚さの比率と、前駆体マルチ線の断線開始時の線径を示す。また、Ｎｂからなる金属バリア５２とＮｂ／Ａｌフィラメント４０との結合状態についても調査した。すなわち、前駆体マルチ線に含まれる一の前駆体シングル線のＮｂからなる金属バリア５２と、他の前駆体シングル線のＮｂからなる金属バリア５２同士の結合を抑制するために、Ｔａバリア６２の厚さをどの程度の厚さにすることを要するのかについて明確にすべく、実験を実施した。なお、実験方法は、４．２Ｋの温度下で、作製した前駆体マルチ線の磁化特性を評価することにより発生するフラックスジャンプの有無で判断した。

表１を参照すると、金属バリア５２の厚さの比率の増加と共に、前駆体マルチ線の断線がしにくくなることが示された。すなわち、Ｎｂからなる金属バリア５２の厚さを厚くしてＴａからなるＴａバリア６２の厚さを薄くすることで、より細い線径にまで前駆体マルチ線を伸線できることが示された。しかしながら、Ｔａバリア６２の厚さを薄くしすぎると、加速器への応用等においては、特に重要になるＮｂを介した前駆体シングル線同士の結合が、前駆体マルチ線の断面内で発生していることが確認された。したがって、伸線加工、押出加工等を施す前（すなわち、前駆体マルチ線を製造するために金属バリア５２の原料を準備した段階）における金属バリア５２の厚さは、金属バリア５２の厚さとＴａバリア６２の厚さとの合計の厚さに対して、０．２倍以上０．８倍以下にすることが好ましいことが示された。

図５は、実施例３に係る前駆体シングル線の断面の概要を示す。

実施例３に係る前駆体マルチ線は、以下のように製造した。まず、巻芯３０を作製する際に、直径が８ｍｍのＴａ丸棒の外周に、厚さが０．２ｍｍの金属バリア５４としてのＮｂシートを２０ターン巻き付けて、直径が１６ｍｍの（Ｔａ＋Ｎｂ）材を作製した。その後、外径が１６．５ｍｍの巻芯作製用のＣｕパイプに（Ｔａ＋Ｎｂ）材を組み込んで、押し出し加工及び伸線加工を施した。そして、最終的に直径が２ｍｍである（Ｔａ＋Ｎｂ）巻芯を作製した。

（Ｔａ＋Ｎｂ）巻芯に、厚さ０．０３ｍｍのＡｌシート１０と厚さ０．１０ｍｍのＮｂシート２０とを合わせ巻きして、外径が約１１．８ｍｍであるＮｂ／Ａｌフィラメント４０を作製した。続いて、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０の外周に厚さ０．１ｍｍのＮｂシートを金属バリアシート５０として５ターン巻き付けて、外径を約１２．８ｍｍにした。更に、金属バリアシート５０の外周に厚さ０．１ｍｍのＴａシートをＴａバリア６２として５ターン巻き付けることにより、外径が約１３．８ｍｍの実施例３に係るジェリーロール／シングル線７０が得られた。ここで、実施例３においては、Ｔａの硬度とＮｂ／Ａｌフィラメント４０の硬度との間の硬度を有するＮｂシートを、Ｔａ丸棒とＮｂ／Ａｌフィラメント４０との間に設けた点が、実施例１及び２とは異なる点である。

次に、得られたジェリーロール／シングル線７０を、外径１７ｍｍ、内径１４．８ｍｍ、長さ１００ｍｍのシングルビレット８０としてのＣｕパイプに充填した。そして、ジェリーロール／シングル線７０を充填したＣｕパイプを、押出機を用いて線径７ｍｍまで押出加工した。次に、ドローベンチを用いて、最終的に六角対辺長が４．３０ｍｍになるように伸線加工した。これにより、実施例３に係る前駆体シングル線２を得た。

続いて、前駆体シングル線２の全体を硝酸に浸すことにより、前駆体シングル線２の外周を覆うＣｕパイプを完全に除去した。これにより、六角対辺長が２．５５ｍｍの前駆体シングル線２ａが得られた。次に、前駆体シングル線２ａを、長さ３００ｍｍごとに切断して２７６本の前駆体シングル線２ａを作製した。そして、外径５９ｍｍ、内径５４ｍｍのＣｕＮｉ合金パイプに、六角対辺長が２．５５ｍｍであり、Ｔａからなる３７本の中心ダミー材と、切断した２７６本の前駆体シングル線２ａとを組み込むと共に、前駆体シングル線２ａの最外周に厚さが０．２ｍｍのＴａからなる外周ダミー材としてのＴａシートを５ターン巻き付けて多芯線を作製した。

次に、押出機を用いてこの多芯線に押出加工を施して、線径を２９．０ｍｍまで加工した。その後、１パスあたりの断面減少率が１０％から３０％の範囲内に収まるようにして、ドローベンチ、釜状の伸線機を用いて伸線加工を継続した。その結果、線径が１．０ｍｍになるまで断線を発生させずに伸線加工ができ、前駆体マルチ線が得られた。その後、伸線加工を継続したが、線径が０．７２ｍｍ近傍で断線が多発することが分かった。

実施例１のように巻芯３０がＴａ棒である場合には、線径が０．８２ｍｍ程度までが前駆体マルチ線の伸線加工の限界であったが、実施例３のように巻芯３０を（Ｔａ＋Ｎｂ）巻芯にすることにより、伸線加工性の向上が確認された。

実施例３においては、Ｔａからなる丸棒とＮｂ／Ａｌフィラメント４０との間に、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０の硬度とＴａからなる丸棒の硬度との間の硬度を有するＮｂからなるＮｂシートを用いたが、その後の実験により、Ｎｂ合金、例えば、Ｔａの重量比が５０％以下のＮｂ−Ｔａ合金、Ｔｉの重量比が５０％以下のＮｂ−Ｔｉ合金をＮｂシートの代わりに用いた場合であっても実施例３と同様の効果が得られることが分かった。更に、非磁性の他の金属を用いた場合であっても実施例３と同様の効果が得られることが分かった。ただし、急熱急冷処理を実施する熱処理工程において１５００℃を超える温度での熱処理を実施するので、融点が１５００℃を超え、かつ、超電導特性を低下させない材料であることを要する。

なお、ＣｕＮｉ合金パイプに充填する前駆体シングル線２ａの本数については特に限定されない。当該本数を実施例３の本数と異なる本数にした場合であっても同様の結果が得られた。すなわち、実施例３に係る前駆体マルチ線を用いて作製されるＮｂ_３Ａｌ超電導線材１が適用される機器に応じて前駆体シングル線の本数を変更しても、実施例３と同様の効果が得られることが示された。

実施例１〜３、及び比較例に係る実験以外の実験により、Ｎｂ／Ａｌフィラメント４０に対して金属バリア５２及びＴａバリア６２の厚さを厚くして、前駆体マルチ線の断面におけるバリア層（ただし、以下の実施例における記載において、「バリア層」とは、金属バリア５２及びＴａバリア６２の双方を指す）の比率を高めることは、前駆体マルチ線の製造の歩留り向上に有効であるという結果が得られた。しかしながら、バリア層は線材断面内における超電導体が占める率、すなわち、超電導占積率を低下させるので、線材の断面積が同一であれば、バリア層の厚さを薄くして（例えば、金属バリア５２の厚さとＴａバリア６２の厚さとの合計の厚さを薄くするか、又は金属バリア５２の厚さ及びＴａバリア６２の厚さのいずれかを薄くする）、超電導占積率を増加させる方が臨界電流は向上する。したがって、Ｎｂ_３Ａｌ超電導線材の特性を向上させる観点からは、バリア層、中心ダミー材の断面における割合を低下させることが要求される。

実施例４においては、斯かる割合を「マトリックス比」と称する。すなわち、「マトリックス比」は、線材の断面に占める超電導体の面積を基準にした場合におけるバリア層の面積（金属バリア５２の面積とＴａバリア６２の面積との合計の面積）の比率である。具体的には、Ｎｂ及びＡｌからなるＮｂ_３Ａｌ超電導体が線材の断面において占める面積を「１」に規格化した場合に、当該断面におけるバリア層の面積の割合である。そして、実施例４においては、マトリックス比の最適値を検討した。その結果を表２に示す。

ここでは表２に示す６種類の線材を作製して、断線開始時における線径を用いて伸線加工性を比較した。また、線径を１．３ｍｍまで伸線加工した線材については、急熱急冷処理と変態熱処理とを当該線材に施すことにより、Ｎｂ_３Ａｌ超電導線材を作製して、液体ヘリウム温度で磁場を２０Ｔまで印加して臨界電流（Ｉｃ）を測定した。

表２を参照すると、マトリックス比が０．６以下の場合、線径が１．４５ｍｍよりも太い線径において断線が発生して、臨界電流も低いことが示された。臨界電流が低下した原因は、バリア層が薄くなりすぎることでバリア層の一部が欠損して、バリア層の機能が失われたことにより、急熱急冷処理、変態熱処理時に非超電導層が生成したことに起因することが分かった。また、伸線加工性について、断線開始時の線径が１ｍｍ以上の場合に伸線加工性に優れるというように定義すると、マトリックス比は０．７５以上が好ましいことが示された。

したがって、Ｎｂ_３Ａｌ超電導線材の断面の超電導体の面積を「１」にした場合に、マトリックス比が０．７５以上であれば、超電導体の面積比を必要以上に減少させることを要さずに、高い超電導特性を維持できることが示された。また、マトリックス比を０．７５以上にすることで、伸線加工時の断線を抑制できることが示された。

したがって、線材の断面に占める超電導体の面積を「１」に規格化した場合に、マトリックス比が０．７５程度であれば、超電導体の面積比を必要以上に減少させることがなく、高い超電導特性を維持することができ、かつ、伸線加工時の断線を抑制することができる。したがって、本発明に係る実施例によれば、超電導特性に寄与しないバリア層、中心ダミー材を必要以上に用いることを要さない。更に、Ｎｂ_３Ａｌ超電導線材の生産性、及び歩留りを向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１、１ａＮｂ_３Ａｌ超電導線材
２、２ａ前駆体シングル線
３前駆体シングル線
４中心ダミー材
５外周ダミー材
６合金パイプ
７マルチビレット
１０Ａｌシート
２０Ｎｂシート
３０巻芯
４０Ｎｂ／Ａｌフィラメント
５０金属バリアシート
５２、５４金属バリア
６０Ｔａバリアシート
６２Ｔａバリア
７０ジェリーロール／シングル線
８０シングルビレット

Claims

巻芯と、Ｎｂ及びＡｌを含むと共に前記巻芯を覆うフィラメント層とを有する線材と、
前記線材を覆う第１バリア層と、
前記第１バリア層を覆うＴａからなる第２バリア層とを有するシングル線を備え、
前記シングル線の前記第１バリア層は、前記フィラメント層の硬度と前記第２バリア層の硬度との間の硬度を有するＮｂ_３Ａｌ超電導線材。
前記シングル線は、前記巻芯と前記フィラメント層との間に、前記巻芯の硬度と前記フィラメント層の硬度との間の硬度を有する金属層を更に備える請求項１に記載のＮｂ_３Ａｌ超電導線材。
前記第１バリア層は、Ｎｂ又はＮｂを含む合金からなる請求項２に記載のＮｂ_３Ａｌ超電導線材。
前記シングル線の前記第１バリア層は、前記第２バリア層の厚さと前記第１バリア層の厚さとの合計厚さの０．２倍以上０．８倍以下の厚さを有する請求項３に記載のＮｂ_３Ａｌ超電導線材。
複数本の請求項１〜４のいずれか１項に記載の前記シングル線を伸線加工することで得られるマルチ線を備えるＮｂ_３Ａｌ超電導線材。