JP6078501B2 - Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体 - Google Patents
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Description
本発明は、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体に関する。
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造するためのＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体が、例えば特許文献１、２などに記載されている。特許文献２の図１および図２には、二次集合体（二次多芯ビレット（７））内に、複数の一次集合体（一次スタック材（５））が配置されたものが記載されている。この一次集合体（５）は、ブロンズ部（ブロンズマトリックス（２））内に、複数のＮｂ芯（ＮｂまたはＮｂ合金芯（１））が埋め込まれたものである。
特許文献２の段落［０００８］および［０００９］には次の記載がある。「ブロンズマトリックス中のＳｎ濃度が高いほど高磁場中の臨界電流密度Ｊｃが向上し、より高い磁場を発生させる超電導マグネットの実現に有利となる。しかしながら、Ｃｕ−Ｓｎ基合金のα相中のＳｎ固溶限界は１５．８質量％であり、これを超えてＳｎを含有させる場合には、Ｃｕ−Ｓｎの金属間化合物（代表的なものとして「δ相」）が生成する。・・・実際のブロンズインゴットの製造段階では、冷却の関係から１５．６質量％程度が固溶限界となる。そして、δ相はα相よりも硬く延性が乏しいため、減面加工中に線材割れの原因となる。」
同文献の段落［００２１］には次の記載がある。「Ｃｕ−Ｓｎ基合金に第三元素のＴｉおよび／またはＺｒを含有させることによって、Ｃｕ−Ｓｎ基合金中のδ相そのものを消失することができることが判明したのである。これによって、これまで常温での固溶限界とされる１５．６質量％よりも多くのＳｎをＣｕ−Ｓｎ基合金に含有させてもδ相が生成しないことになる。」
さらに、同段落には次の記載がある。「１５．６質量％を超えてＳｎを含有させると、α相に固溶できないＳｎが生じるが、このＳｎはＣｕ−Ｓｎ−ＴｉやＣｕ−Ｓｎ−Ｚｒとなって析出することになる。しかしながら、これらの析出物は、第三元素（Ｔｉおよび／またはＺｒ）の濃度が適量であれば、その大きさは２μｍ程度以下と非常に小さなものとなり、Ｎｂフィラメント径よりも小さくなっており、線材全体の加工性には影響しない。」
しかし、ブロンズ部（Ｃｕ−Ｓｎ基合金）中のＳｎ濃度が１５［ｗｔ％］以上の高濃度である場合、ブロンズ部中のＣｕ−Ｓｎ−ＴｉやＣｕ−Ｓｎ−Ｚｒの析出物の数密度が高い（Ｓｎ濃度が１５［ｗｔ％］未満の場合と比べた場合）。そのため、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉなどの析出物が、Ｎｂ芯の健全な形状での加工を阻害し、Ｎｂ芯が変形するおそれがある（詳細は後述）。Ｎｂ芯が健全な形状に加工されない場合は、Ｎｂ芯が健全な形状に加工される場合に比べ、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材の臨界電流密度が低くなる。
そこで本発明は、Ｎｂ芯を健全な形状で加工できるようにすることで臨界電流密度を向上させ、かつ、ｎ値を確保できる、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体を提供することを目的とする。
第１の発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体は、複数の一次集合体を備える。前記一次集合体は、Ｓｎ濃度が１５［ｗｔ％］以上であるブロンズ部と、前記ブロンズ部に複数本埋め込まれるＮｂ芯と、を備える。前記一次集合体の軸方向から見た断面において、１個の前記一次集合体内で隣り合うとともに前記一次集合体の中央部分に向かう方向に隣り合う前記Ｎｂ芯の間隔をｄｓとし、前記Ｎｂ芯の直径をｄｆとしたとき、０．１０≦ｄｓ／ｄｆ≦０．３５である。
第２の発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体は、複数の一次集合体を備える。前記一次集合体は、Ｓｎ濃度が１５［ｗｔ％］以上であるブロンズ部と、前記ブロンズ部に複数本埋め込まれるＮｂ芯と、を備える。前記一次集合体の軸方向から見た断面において、隣り合う前記一次集合体それぞれから１個ずつ選択した２個の前記Ｎｂ芯であって最短距離で隣り合う２個の前記Ｎｂ芯の間隔をＬとし、前記Ｎｂ芯の直径をｄｆとしたとき、２．１≦Ｌ／ｄｆ≦３．１である。
第３の発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体は、円形状断面を有し、複数の一次集合体を備える。前記一次集合体は、Ｓｎ濃度が１５［ｗｔ％］以上であるブロンズ部と、前記ブロンズ部に複数本埋め込まれるＮｂ芯と、を備える。前記一次集合体の軸方向から見た断面において、１個の前記一次集合体内で隣り合うとともに前記一次集合体の中央部分に向かう方向に隣り合う前記Ｎｂ芯の間隔をｄｓとし、前記Ｎｂ芯の直径をｄｆとしたとき、０．０８≦ｄｓ／ｄｆ≦０．４０である。
第４の発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体は、円形状断面を有し、複数の一次集合体を備える。前記一次集合体は、Ｓｎ濃度が１５［ｗｔ％］以上であるブロンズ部と、前記ブロンズ部に複数本埋め込まれるＮｂ芯と、を備える。前記一次集合体の軸方向から見た断面において、隣り合う前記一次集合体それぞれから１個ずつ選択した２個の前記Ｎｂ芯であって最短距離で隣り合う２個の前記Ｎｂ芯の間隔をＬとし、前記Ｎｂ芯の直径をｄｆとしたとき、１．９≦Ｌ／ｄｆ≦３．２である。
第１〜第４の発明それぞれでは、Ｎｂ芯を健全な形状で加工できるようにすることで臨界電流密度を向上させることができ、かつ、ｎ値を確保できる。
（第１実施形態）
図１〜図５を参照して、図１に示す第１実施形態の前駆体１（Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体）について説明する。
図１〜図５を参照して、図１に示す第１実施形態の前駆体１（Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体）について説明する。
前駆体１（高Ｓｎ濃度ブロンズＮｂ3Ｓｎ超電導線材の前駆体）は、ブロンズ法により製造されるＮｂ3Ｓｎ超電導線材（以下「超電導線材」）の製造に用いられる。前駆体１に対してＮｂ3Ｓｎ生成熱処理を施し、Ｎｂ3Ｓｎ系超電導相（Ｎｂ3Ｓｎ相）を形成させることで、超電導線材が製造される。この超電導線材は、超電導マグネットのコイルの巻線などとして用いられる。この超電導マグネットは、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析装置、物性評価装置、電力貯蔵や核融合炉等に用いられる。詳細は後述するが、前駆体１は、二次多芯材を加工（伸線加工、縮径加工）した後の段階の前駆体である。
この前駆体１は、前駆体１を用いて製造した超電導線材を巻線としてコイルを形成したときに、巻線どうしの隙間（デッドスペース）を減らせるように形成される。具体的には、前駆体１は、矩形状断面を有する。前駆体１は、例えば平角線材である。さらに詳しくは、前駆体１の軸方向から見たときの前駆体１の断面は、矩形状（略矩形状を含む）である。以下の「断面」についても、前駆体１の軸方向（後述する一次集合体１０の軸方向）から見た断面である。上記「矩形状」には、矩形の４つの角が丸いものが含まれる。矩形の４つの角が直角に近いほど、上記デッドスペースが少なくなる。ただし、矩形の２つの隣り合う角（対角を除く２つの角）の間に直線部分があることが、上記「矩形状」であることの必要条件とする。さらに詳しくは、前駆体１の断面の外周が、平行な２本の直線と、この２本の直線に直交する平行な２本の直線と、を備えることが、上記「矩形状」であることの必要条件とする。上記「平行」および「直交」は、「略平行」および「略直交」でもよい。前駆体１の断面の幅（長辺側長さ）をＷ、前駆体１の厚さ（短辺側長さ）をＴとしたとき、アスペクト比Ｗ／Ｔは、２．３０以下である（詳細は後述）。なお、前駆体１から製造された超電導線材の断面構造は、前駆体１の断面構造と同一（略同一を含む）である。前駆体１は、安定化銅層２と、拡散障壁層３と、超電導マトリックス部４と、を備える。
安定化銅層２は、Ｎｂ3Ｓｎ相が焼損すること抑制するための層である。さらに詳しくは、超電導線材が超電導状態から常電導状態になったときに、Ｎｂ3Ｓｎ相に過電流が流れ、Ｎｂ3Ｓｎ相が焼損するおそれがあるところ、安定化銅層２はこの焼損を抑制する。安定化銅層２は、前駆体１の最も外周側部分に配置される。なお、安定化銅層２の断面の外周側端部に囲まれた形状が、前駆体１の断面形状である。
拡散障壁層３は、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理の際に超電導マトリックス部４内のＳｎが外部（安定化銅層２）に拡散することを抑制する層である。拡散障壁層３は、安定化銅層２よりも内周側、かつ、超電導マトリックス部４よりも外周側に配置される。
超電導マトリックス部４は、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理によりＮｂ3Ｓｎ相が形成される部分である。超電導マトリックス部４は、複数（多数）の一次集合体１０を備える。なお、図１では複数の一次集合体１０のうち一部のみを図示し、図示した一次集合体１０のうち一部のみに符号を付した。
一次集合体１０は、ブロンズ部１１（後述）と、複数（多数）のＮｂ芯１２（後述）と、が集合したものである。超電導マトリックス部４を構成する一次集合体１０の数は、例えば、数十本、百数十本、数百本、千数百本、または数千本などである。複数の一次集合体１０は、密集して配置される（互いに接触し、束ねられる）。１個の一次集合体１０の断面は、例えば六角形状である（円形などでもよい）。一次集合体１０の断面の図心（図形の中心）を中心Ｏとする。なお、一次集合体１０どうしの境界は、加工後（後述する二次多芯材加工工程の後）には見えない。図１ではこの境界を図示した。図２ではこの境界を想像線（二点鎖線）で図示した。図１に示すように、一次集合体１０は、ブロンズ部１１と、Ｎｂ芯１２と、を備える。
ブロンズ部１１は、Ｃｕ−Ｓｎ基合金を含む。ブロンズ部１１の材料の全部または大部分はＣｕ−Ｓｎ基合金である。ブロンズ部１１の大部分は、Ｃｕの中にＳｎが溶け込んだ固溶体（α相）である。ブロンズ部１１におけるＳｎの濃度（Ｓｎ濃度）は、１５［ｗｔ％］以上である。ブロンズ部１１には、添加元素（ＴｉまたはＺｒ）が、例えば０．３〜０．５［ｗｔ％］程度含まれる。ブロンズ部１１には、微量（例えば０．５［ｗｔ％］未満）の不純物が含まれてもよい。
Ｎｂ芯１２（Ｎｂフィラメント）は、純ＮｂまたはＮｂ基合金を含む。Ｎｂ芯１２の材料の全部または大部分は、純ＮｂまたはＮｂ基合金である。Ｎｂ芯１２には、微量（例えば０．５［ｗｔ％］未満）の不純物が含まれてもよい。Ｎｂ芯１２には、添加元素（例えばＴａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉなど）が０．５［ｗｔ％］〜１０［ｗｔ％］程度含まれてもよい。Ｎｂ芯１２は、ブロンズ部１１に複数本埋め込まれる。Ｎｂ芯１２は、１個の一次集合体１０中に例えば１９本設けられる（１８本以下や２０本以上設けられてもよい）。なお、図１および図２では、複数のＮｂ芯１２のうち、一部のＮｂ芯１２にのみ符号を付した。複数のＮｂ芯１２それぞれの断面は、例えば円形状（詳細は後述）である。
このＮｂ芯１２は、次のように配置される。図２に示すように、一次集合体１０の断面において、１個の一次集合体１０中のＮｂ芯１２全体は、円形状（略円形状でもよい）に配置される。１個の一次集合体１０中のＮｂ芯１２全体が形成する形状の図心の位置は、一次集合体１０の断面の中心Ｏと一致する（略一致してもよい）。複数のＮｂ芯１２は、一次集合体１０の断面の中央部分に寄せられるように（集められるように）配置される。一次集合体１０の断面におけるＮｂ芯１２の配置の具体例は次の通りである。１個のＮｂ芯１２は、一次集合体１０の断面の中心Ｏ上に配置される。他のＮｂ芯１２は、円周（円周Ｃ１、円周Ｃ２）上に並ぶように配置される。円周Ｃ１および円周Ｃ２それぞれの円の中心の位置は、中心Ｏと一致する（略一致してもよい）。上記「円周」（円周Ｃ１、円周Ｃ２）は、１個の一次集合体１０あたり２つ設けられる（１つや３つ以上設けられてもよい）。内側の円周Ｃ１上のＮｂ芯１２は、６０°ごとに等間隔に６個配置される。外側の円周Ｃ２上のＮｂ芯１２は、３０°ごとに等間隔に１２個配置される。一次集合体１０の軸方向から見た断面における、Ｎｂ芯１２などに関する寸法には、直径ｄｆと、間隔ｄｓと、間隔Ｌと、中心間距離Ｌｃと、がある。
直径ｄｆは、Ｎｂ芯１２の直径である。直径ｄｆは、平均値である。さらに詳しくは、直径ｄｆは、複数（１０以上が好ましい）のＮｂ芯１２の直径を加算平均した値である。前駆体１が矩形状断面を有する場合は、前駆体１の断面の外周側部分（最も外周側部分、またはその近傍）のＮｂ芯１２の直径を、図２に示す直径ｄｆとする。その理由は次の通りである。図１に示すように前駆体１が矩形状断面を有する場合、前駆体１の断面の外周側部分の一次集合体１０は、図２に示すような断面構造となる。しかし、前駆体１の断面の中央部分の一次集合体１０は、図２に示す断面構造を扁平に変形させたような断面構造となる。具体的には、前駆体１（図１参照）の断面の中央部分では、Ｎｂ芯１２の断面が略楕円形状などになる。そこで、前駆体１（図１参照）の断面の外周側部分のＮｂ芯１２の直径を、直径ｄｆとする。
間隔ｄｓは、１個の一次集合体１０内で隣り合うＮｂ芯１２の間隔であって、一次集合体１０の断面の中央部分に向かう方向に隣り合うＮｂ芯１２の間隔である。間隔ｄｓは、平均値である。さらに詳しくは、間隔ｄｓは、隣り合うＮｂ芯１２間の間隔を複数箇所（１０以上が好ましい）で測り、測った値を加算平均した値である。上記「一次集合体１０の断面の中央部分に向かう方向」（「方向α」とする）は、一次集合体１０の断面の外周から、一次集合体１０の断面の中心Ｏ（または中心Ｏの近傍）に向かう方向である。一次集合体１０の断面が円形状の場合（図３参照）、上記「方向α」は、一次集合体１０の断面の径方向である。なお、上記「方向α」以外の方向におけるＮｂ芯１２の間隔は、間隔ｄｓ以上である。例えば、円周Ｃ１や円周Ｃ２に沿う方向（周方向）におけるＮｂ芯１２の間隔は、間隔ｄｓ以上であり、例えば間隔ｄｓと同一（略同一でもよい）である。また、間隔ｄｓは、「円周Ｃ１の半径−直径ｄｆ」と等しい。また、間隔ｄｓは、「円周Ｃ２の半径−円周Ｃ１の半径−直径ｄｆ」と等しい。
間隔Ｌは、隣り合う一次集合体１０それぞれから１個ずつ選択した２個のＮｂ芯１２であって最短距離（最短ギャップ）で隣り合う２個のＮｂ芯１２の間隔である。間隔Ｌは、直径ｄｆなどと同様に、平均値である。前駆体１（図１参照）が矩形状断面を有する場合は、直径ｄｆと同様に、前駆体１の断面の外周側部分でのＮｂ芯１２の間隔を間隔Ｌとする。
中心間距離Ｌｃは、隣り合う一次集合体１０それぞれの中心Ｏ間の距離である。中心間距離Ｌｃは、直径ｄｆなどと同様に、平均値である。前駆体１（図１参照）が矩形状断面を有する場合は、直径ｄｆなどと同様に、前駆体１の断面の外周側部分での中心Ｏ間の距離を中心間距離Ｌｃとする。
（製造方法）
図１に示す前駆体１の製法は、一次多芯材作製工程と、一次多芯材加工工程と、二次多芯材作製工程と、二次多芯材加工工程と、を備える。
図１に示す前駆体１の製法は、一次多芯材作製工程と、一次多芯材加工工程と、二次多芯材作製工程と、二次多芯材加工工程と、を備える。
一次多芯材作製工程は、図３に示す一次多芯材１１０（一次多芯ビレット）が作製される（組み立てられる）工程である。一次多芯材１１０は、図１に示す前駆体１の段階での一次集合体１０に対応する。以下、前駆体１の段階での構成要素名を単に括弧を付して記載する場合がある（前駆体１の段階での構成要素については図１を参照）。図３に示す一次多芯材１１０（一次集合体１０）は、次の［工程１Ａ」〜［工程１Ｄ］のように作製される。なお、下記の寸法などの数値は一例であり、適宜変更してもよい。［工程１Ａ］インゴットであるブロンズ部１１１（ブロンズ部１１）が用意される。ブロンズ部１１１は、Ｃｕ−１５［ｗｔ％］Ｓｎ−０．３［ｗｔ％］Ｔｉの組成を有する。このブロンズ部１１１の寸法は、外径φ１００［ｍｍ］、長さ３５０［ｍｍ］である。［工程１Ｂ］このブロンズ部１１１の径方向の中心Ｏとその周囲に、穴があけられる。穴の数は１９である。ブロンズ部１１１の径方向に隣り合う穴どうしの間隔Ｄｓ（図２の間隔ｄｓに対応）は２．４５［ｍｍ］である。穴の寸法は、φ１２＋０．０２［ｍｍ］である。［工程１Ｃ］この穴に、Ｎｂ棒１１２（Ｎｂ芯１２）が挿入される。Ｎｂ棒１１２の直径Ｄｆ（図２の直径ｄｆに対応）は、φ１２［ｍｍ］である。その結果、間隔Ｄｓと直径Ｄｆとの比Ｄｓ／Ｄｆ（図２のｄｓ／ｄｆに対応）は、Ｄｓ／Ｄｆ＝０．２０となる。［工程１Ｄ］上記［工程１Ｃ］を経たブロンズ部１１１およびＮｂ棒１１２（一次集合体１０）の軸方向両端が、溶接によって真空封止される。上記［工程１Ａ］〜［工程１Ｄ］により、一次多芯材１１０（一次集合体１０）が作製される。図３に示す一次多芯材１１０の断面構造は、［工程１Ａ］〜［工程１Ｄ］を経た段階のものである。一次多芯材１１０のブロンズ比は、２．５である。ブロンズ比とは、ブロンズ部１１１（ブロンズ部１１）の断面積を、Ｎｂ棒１１２（Ｎｂ芯１２）の断面積で割った値である。この一次多芯材１１０が複数本作製される。
一次多芯材加工工程は、一次多芯材１１０（一次集合体１０）が加工される工程である。一次多芯材１１０の加工は次の［工程２Ａ］〜［工程２Ｂ］のように行われる。［工程２Ａ］一次多芯材１１０が、熱間静水圧押出しされる。その後、一次多芯材１１０に対し、抽伸加工と中間焼鈍とが繰り返し行われる。［工程２Ｂ］上記［工程２Ａ］を経た一次多芯材１１０が、六角ダイスにより六角形状の断面に加工される（図３の二点鎖線を参照）。この段階での一次多芯材１１０の六角形断面の対角の長さは、約２〜３［ｍｍ］である。
二次多芯材作製工程は、二次多芯材（二次多芯ビレット）（前駆体１）が作製される工程である。二次多芯材（前駆体１）は次の［工程３Ａ］〜［工程３Ｃ］のように作製される。［工程３Ａ］図１に示すように、上記［工程２Ｂ］を経た一次多芯材１１０（図３参照）（一次集合体１０）が１４７０本束ねられる。束ねられた一次多芯材１１０（一次集合体１０）の外側（外周）にＮｂシート（拡散障壁層３）が巻き付けられる。［工程３Ｂ］上記［工程３Ａ］を経た一次多芯材１１０（一次集合体１０）およびＮｂシート（拡散障壁層３）が、無酸素銅パイプ（安定化銅層２）の中に挿入される。［工程３Ｃ］上記［工程３Ｂ］を経た無酸素銅パイプ（安定化銅層２）の軸方向両端部が溶接によって真空封止される。上記［工程３Ａ］〜［工程３Ｃ］により二次多芯材（下記の［工程４Ｂ］を経た後の前駆体１に対応）が作製される。
二次多芯材加工工程は、二次多芯材（前駆体１）が加工される工程である。二次多芯材の加工は次の［工程４Ａ］〜［工程４Ｂ］のように行われる。［工程４Ａ］上記［工程３Ｃ］を経た二次多芯材（前駆体１）が熱間静水圧押出しされる。その後、二次多芯材（前駆体１）に対し、抽伸加工と中間焼鈍とが繰り返し行われる。［工程４Ｂ］上記［工程４Ａ］を経た二次多芯材（前駆体１）の断面が、厚さＴ＝１．４０［ｍｍ］、幅Ｗ＝２．３０［ｍｍ］、アスペクト比Ｗ／Ｔ＝１．６４、断面積＝１．４０×２．３０［ｍｍ2］の矩形状になるように加工される。この［工程４Ｂ］を経ることにより、前駆体１が製造される。［工程５］前駆体１に対して、真空中で７２０℃×１００時間のＮｂ3Ｓｎ生成熱処理が施されることにより、ブロンズ部１１とＮｂ芯１２との界面にＮｂ3Ｓｎ化合物（Ｎｂ3Ｓｎ相）が生成される。これにより、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材が製造される。このように、前駆体１は、上記［工程４Ｂ］を経たものであり、かつ、上記［工程５］が行われる前のものである。
（寸法などの例）
上記［工程１Ａ］〜［工程４Ｂ］により製造された前駆体１に関する寸法は次のようになる。図２に示す一次集合体１０では、間隔ｄｓ（＝１．２［μｍ］）と直径ｄｆ（＝６．０［μｍ］）との比は、ｄｓ／ｄｆ＝０．２０である。ここで、図３に示す一次多芯材１１０では、直径Ｄｆ（＝φ１２［ｍｍ］）と間隔Ｄｓ（＝４．９［ｍｍ］）との比は、Ｄｓ／Ｄｆ＝０．２０である。このように、図２に示す一次集合体１０でのｄｓ／ｄｆは、図３に示す一次多芯材１１０でのＤｓ／Ｄｆと等しい（ほぼ等しくてもよい）。そのため、一次多芯材１１０でのＤｓ／Ｄｆを調整することにより、図２に示す一次集合体１０でのｄｓ／ｄｆを調整できる。また、一次集合体１０では、間隔Ｌ（＝１６．２［μｍ］）と直径ｄｆ（＝６．０［μｍ］）との比は、Ｌ／ｄｆ＝２．７である。図３に示す一次多芯材１１０での、ブロンズ部１１１の直径と、直径Ｄｆと、間隔Ｄｓと、を調整することにより、図２に示す一次集合体１０でのＬ／ｄｆを調整できる。また、隣り合う一次集合体１０どうしの中心間距離Ｌｃは、５１［μｍ］である。
上記［工程１Ａ］〜［工程４Ｂ］により製造された前駆体１に関する寸法は次のようになる。図２に示す一次集合体１０では、間隔ｄｓ（＝１．２［μｍ］）と直径ｄｆ（＝６．０［μｍ］）との比は、ｄｓ／ｄｆ＝０．２０である。ここで、図３に示す一次多芯材１１０では、直径Ｄｆ（＝φ１２［ｍｍ］）と間隔Ｄｓ（＝４．９［ｍｍ］）との比は、Ｄｓ／Ｄｆ＝０．２０である。このように、図２に示す一次集合体１０でのｄｓ／ｄｆは、図３に示す一次多芯材１１０でのＤｓ／Ｄｆと等しい（ほぼ等しくてもよい）。そのため、一次多芯材１１０でのＤｓ／Ｄｆを調整することにより、図２に示す一次集合体１０でのｄｓ／ｄｆを調整できる。また、一次集合体１０では、間隔Ｌ（＝１６．２［μｍ］）と直径ｄｆ（＝６．０［μｍ］）との比は、Ｌ／ｄｆ＝２．７である。図３に示す一次多芯材１１０での、ブロンズ部１１１の直径と、直径Ｄｆと、間隔Ｄｓと、を調整することにより、図２に示す一次集合体１０でのＬ／ｄｆを調整できる。また、隣り合う一次集合体１０どうしの中心間距離Ｌｃは、５１［μｍ］である。
（Ｎｂ芯１２の加工性）
上記のように一次多芯材１１０（一次集合体１０）のＮｂ棒１１２（Ｎｂ芯１２）が伸線加工（熱間静水圧押出しや抽伸加工）される。以下では、前駆体１（図１参照）の段階での一次集合体１０だけでなく、一次多芯材１１０から一次集合体１０への加工途中の集合体も一次集合体１０という。また、前駆体１（図１参照）の段階でのＮｂ芯１２だけでなく、Ｎｂ棒１１２からＮｂ芯１２への加工途中のＮｂも、Ｎｂ芯１２という。Ｎｂ芯１２は、健全な形状で加工（健全加工）されることが好ましい。Ｎｂ芯１２が健全加工されない場合、Ｎｂ芯１２が健全加工された場合に比べ、超電導線材の臨界電流密度が低くなる。「健全な形状」のＮｂ芯１２は、このＮｂ芯１２の断面が円形状（略円形状を含む）であり、かつ、このＮｂ芯１２の直径ｄｆが一定（略一定を含む）である。
上記のように一次多芯材１１０（一次集合体１０）のＮｂ棒１１２（Ｎｂ芯１２）が伸線加工（熱間静水圧押出しや抽伸加工）される。以下では、前駆体１（図１参照）の段階での一次集合体１０だけでなく、一次多芯材１１０から一次集合体１０への加工途中の集合体も一次集合体１０という。また、前駆体１（図１参照）の段階でのＮｂ芯１２だけでなく、Ｎｂ棒１１２からＮｂ芯１２への加工途中のＮｂも、Ｎｂ芯１２という。Ｎｂ芯１２は、健全な形状で加工（健全加工）されることが好ましい。Ｎｂ芯１２が健全加工されない場合、Ｎｂ芯１２が健全加工された場合に比べ、超電導線材の臨界電流密度が低くなる。「健全な形状」のＮｂ芯１２は、このＮｂ芯１２の断面が円形状（略円形状を含む）であり、かつ、このＮｂ芯１２の直径ｄｆが一定（略一定を含む）である。
Ｎｂ芯１２の健全加工は、Ｎｂ芯１２よりも固い物質により阻害される。Ｎｂ芯１２の加工性の詳細は次の通りである。上記（背景技術）のように、図１に示すブロンズ部１１でのＳｎ濃度を高くするほど、前駆体１を用いて製造された超電導線材の臨界電流密度を高くできる。しかし、Ｓｎ濃度を約１５．８［ｗｔ％］よりも大きくしようとすると、Ｃｕ−Ｓｎ化合物（金属間化合物）（代表的なものとしてδ相）が生成する。このＣｕ−Ｓｎ化合物は、Ｎｂよりも固く、Ｎｂ芯１２の直径ｄｆに比べて大きい。このＣｕ−Ｓｎ化合物は、上記［工程２Ｂ］が行われた段階で、粒径が例えば５０〜１００［μｍ］などである。このＣｕ−Ｓｎ化合物により、Ｎｂ芯１２の健全加工が阻害される（例えば不可能になる）。
そこで、ブロンズ部１１に、ＴｉおよびＺｒの少なくともいずれかである添加物を０．３〜０．５［ｗｔ％］程度添加すると、Ｃｕ−Ｓｎ化合物が生成されなくなる（または生成が抑制される）。よって、Ｓｎ濃度を１５．８［ｗｔ％］よりも大きくできる。一方、ブロンズ部１１への添加物の添加により、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物およびＣｕ−Ｓｎ−Ｚｒ化合物の少なくともいずれか（以下Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物とする）が生成する。このＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物は、Ｎｂよりも固いが、Ｃｕ−Ｓｎ化合物に比べて小さく、Ｎｂ芯１２の直径ｄｆに比べて小さい場合がある。このＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物は、上記［工程４Ｂ］が行われた段階で、粒径が例えば５［μｍ］以下である。そのため、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が形成されても、Ｎｂ芯１２を健全加工できる場合がある。
しかし、Ｓｎ濃度が１５［ｗｔ％］以上の場合（特に１５．８［ｗｔ％］を超える場合）には、Ｎｂ芯１２の健全加工が、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物により阻害されるおそれがある。その理由は次の通りである。上記のように、一次集合体１０に対し、抽伸加工と中間焼鈍とが繰り返される（上記［工程２Ａ］参照）。すると、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物は小さくなる。さらに、一次集合体１０の断面の中央部分に比べ外周側部分でＳｎ濃度が高くなり、この外周側部分でＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が多く形成される（Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物の数密度が高くなる）。そのため、この外周側部分のＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が、Ｎｂ芯１２の健全加工を阻害するおそれがある。また、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物は、一次集合体１０の断面の中央部分にも存在する。そのため、この中央部分のＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が、Ｎｂ芯１２（図１参照）の健全加工を阻害するおそれもある（後述）。
（実験）
様々なｄｓ／ｄｆおよびＬ／ｄｆ（図２参照）を有する前駆体（実施形態の前駆体１および比較例の前駆体）を作製した。各前駆体に対して上記［工程５］のＮｂ3Ｓｎ生成熱処理を施すことで、超電導線材を製造した。そして、各超電導線材について、外部磁場２０Ｔ（テスラ）中で臨界電流密度（ｎｏｎＣｕ−Ｊｃ）を測定した。臨界電流密度（ｎｏｎＣｕ−Ｊｃ）は、臨界電流を、前駆体１から安定化銅層２を除いた部分の断面積で割った値である。作製した前駆体には、例えば次の「比較例１」と、「実施例１」と、がある。
［実施例１］実施例１は、上記［工程１Ａ］〜［工程４Ｂ］により作製した前駆体１である。「実施例１」では、ｄｓ／ｄｆ＝０．２０である。
［比較例１］比較例１では、ｄｓ／ｄｆ＝０．４０である。比較例１の前駆体は次のように作製される。上記［工程１Ｂ］において、図３に示す間隔ＤｓをＤｓ＝２．４５［ｍｍ］としたことに代えて、Ｄｓ＝４．９［ｍｍ］とすることにより、Ｄｓ／Ｄｆ＝０．４０とした。その他の工程は、上記［工程１Ａ］〜［工程４Ｂ］と同様に行われる。なお、各前駆体について、Ｎｂ芯１２の直径ｄｆ（＝６．０［μｍ］）、および、中心間距離Ｌｃ（＝５１［μｍ］）を統一した。
様々なｄｓ／ｄｆおよびＬ／ｄｆ（図２参照）を有する前駆体（実施形態の前駆体１および比較例の前駆体）を作製した。各前駆体に対して上記［工程５］のＮｂ3Ｓｎ生成熱処理を施すことで、超電導線材を製造した。そして、各超電導線材について、外部磁場２０Ｔ（テスラ）中で臨界電流密度（ｎｏｎＣｕ−Ｊｃ）を測定した。臨界電流密度（ｎｏｎＣｕ−Ｊｃ）は、臨界電流を、前駆体１から安定化銅層２を除いた部分の断面積で割った値である。作製した前駆体には、例えば次の「比較例１」と、「実施例１」と、がある。
［実施例１］実施例１は、上記［工程１Ａ］〜［工程４Ｂ］により作製した前駆体１である。「実施例１」では、ｄｓ／ｄｆ＝０．２０である。
［比較例１］比較例１では、ｄｓ／ｄｆ＝０．４０である。比較例１の前駆体は次のように作製される。上記［工程１Ｂ］において、図３に示す間隔ＤｓをＤｓ＝２．４５［ｍｍ］としたことに代えて、Ｄｓ＝４．９［ｍｍ］とすることにより、Ｄｓ／Ｄｆ＝０．４０とした。その他の工程は、上記［工程１Ａ］〜［工程４Ｂ］と同様に行われる。なお、各前駆体について、Ｎｂ芯１２の直径ｄｆ（＝６．０［μｍ］）、および、中心間距離Ｌｃ（＝５１［μｍ］）を統一した。
図４および図５に測定結果を示す。図４は、ｄｓ／ｄｆ（図２参照）と、臨界電流密度（ｎｏｎＣｕ−Ｊｃ）と、の関係を示すグラフである。図５は、Ｌ（図２参照）と、臨界電流密度（ｎｏｎＣｕ−Ｊｃ）と、の関係を示すグラフである。
［比較例１の結果］比較例１（ｄｓ／ｄｆ＝０．４０）の結果は次のようになった。図４に示すように、比較例１では、臨界電流密度が１２５［Ａ／ｍｍ2］となった。比較例１の臨界電流密度は、高磁場ＮＭＲ用線材として使用可能と考えられる基準（以下「合格基準」）の１３０［Ａ／ｍｍ2］未満となった。比較例１では、ｎ値が１８となり、後述する実施例１などと比べてｎ値が低い値に留まった。ｎ値とは、超電導状態から常電導状態への転位の鋭さを示す量であり、ｎ値が高いほど好ましい。
［実施例１］実施例１（ｄｓ／ｄｆ＝０．２０）の結果は次のようになった。実施例１では、臨界電流密度が１４８［Ａ／ｍｍ2］となり、合格基準の１３０［Ａ／ｍｍ2］以上となった。実施例１では、ｎ値が３４となり、比較例１に比べて高い値が得られた。
［比較例１の結果］比較例１（ｄｓ／ｄｆ＝０．４０）の結果は次のようになった。図４に示すように、比較例１では、臨界電流密度が１２５［Ａ／ｍｍ2］となった。比較例１の臨界電流密度は、高磁場ＮＭＲ用線材として使用可能と考えられる基準（以下「合格基準」）の１３０［Ａ／ｍｍ2］未満となった。比較例１では、ｎ値が１８となり、後述する実施例１などと比べてｎ値が低い値に留まった。ｎ値とは、超電導状態から常電導状態への転位の鋭さを示す量であり、ｎ値が高いほど好ましい。
［実施例１］実施例１（ｄｓ／ｄｆ＝０．２０）の結果は次のようになった。実施例１では、臨界電流密度が１４８［Ａ／ｍｍ2］となり、合格基準の１３０［Ａ／ｍｍ2］以上となった。実施例１では、ｎ値が３４となり、比較例１に比べて高い値が得られた。
（ｄｓ／ｄｆ、ｄｓについて）
図４に示すように、０．１０≦ｄｓ／ｄｆ≦０．３５（０．６０［μｍ］≦ｄｓ≦２．１０［μｍ］）の範囲では、臨界電流密度が合格基準の１３０［Ａ／ｍｍ2］以上となり、ｎ値が３０〜３４の高い値（比較例１に比べて高い値）となった。さらに、０．１５≦ｄｓ／ｄｆ≦０．２５（０．９０［μｍ］≦ｄｓ≦１．５０［μｍ］）の範囲では、臨界電流密度が１４０［Ａ／ｍｍ2］（「好ましい合格基準」）以上となった。
図４に示すように、０．１０≦ｄｓ／ｄｆ≦０．３５（０．６０［μｍ］≦ｄｓ≦２．１０［μｍ］）の範囲では、臨界電流密度が合格基準の１３０［Ａ／ｍｍ2］以上となり、ｎ値が３０〜３４の高い値（比較例１に比べて高い値）となった。さらに、０．１５≦ｄｓ／ｄｆ≦０．２５（０．９０［μｍ］≦ｄｓ≦１．５０［μｍ］）の範囲では、臨界電流密度が１４０［Ａ／ｍｍ2］（「好ましい合格基準」）以上となった。
（Ｌ、Ｌ／ｄｆについて）
図５に示すように、１２．６［μｍ］≦Ｌ≦１８．６［μｍ］（２．１≦Ｌ／ｄｆ≦３．１）の範囲では、臨界電流密度が合格基準の１３０［Ａ／ｍｍ2］以上となり、ｎ値が３０〜３４の高い値（比較例１に比べて高い値）となった。さらに、１５．０［μｍ］≦Ｌ≦１７．４［μｍ］（２．５≦Ｌ／ｄｆ≦２．９）の範囲では、臨界電流密度が好ましい合格基準の１４０［Ａ／ｍｍ2］以上となった。
図５に示すように、１２．６［μｍ］≦Ｌ≦１８．６［μｍ］（２．１≦Ｌ／ｄｆ≦３．１）の範囲では、臨界電流密度が合格基準の１３０［Ａ／ｍｍ2］以上となり、ｎ値が３０〜３４の高い値（比較例１に比べて高い値）となった。さらに、１５．０［μｍ］≦Ｌ≦１７．４［μｍ］（２．５≦Ｌ／ｄｆ≦２．９）の範囲では、臨界電流密度が好ましい合格基準の１４０［Ａ／ｍｍ2］以上となった。
（間隔ｄｓの最大値、間隔Ｌの最小値）
図２に示す間隔ｄｓが大きいほど、または、間隔Ｌが小さいほど、一次集合体１０の断面の外周側にＮｂ芯１２が近づく（図９に示す一次集合体３１０を参照）。すると、一次集合体３１０（図９参照）の断面の外周側部分のＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物により、この外周側部分のＮｂ芯１２の健全加工が阻害され、臨界電流密度が低くなる。具体的には、図４および図５に示すように、ｄｓ／ｄｆ＞０．３５、または、Ｌ／ｄｆ＜２．１の場合は、合格基準である１３０［Ａ／ｍｍ2］以上の臨界電流密度が得られない。一方、図２に示すように、Ｎｂ芯１２の間隔ｄｓや間隔Ｌが適切な場合、一次集合体１０の断面の外周側部分よりも中央部分に寄るようにＮｂ芯１２が配置される。よって、一次集合体１０の断面の外周側部分のＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物の影響を受けにくい位置で、Ｎｂ芯１２が健全加工され、臨界電流密度が高くなる。具体的には、図４および図５に示すように、ｄｓ／ｄｆ≦０．３５、および、Ｌ／ｄｆ≧２．１、それぞれの場合に、合格基準である１３０［Ａ／ｍｍ2］以上の臨界電流密度が得られた。
図２に示す間隔ｄｓが大きいほど、または、間隔Ｌが小さいほど、一次集合体１０の断面の外周側にＮｂ芯１２が近づく（図９に示す一次集合体３１０を参照）。すると、一次集合体３１０（図９参照）の断面の外周側部分のＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物により、この外周側部分のＮｂ芯１２の健全加工が阻害され、臨界電流密度が低くなる。具体的には、図４および図５に示すように、ｄｓ／ｄｆ＞０．３５、または、Ｌ／ｄｆ＜２．１の場合は、合格基準である１３０［Ａ／ｍｍ2］以上の臨界電流密度が得られない。一方、図２に示すように、Ｎｂ芯１２の間隔ｄｓや間隔Ｌが適切な場合、一次集合体１０の断面の外周側部分よりも中央部分に寄るようにＮｂ芯１２が配置される。よって、一次集合体１０の断面の外周側部分のＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物の影響を受けにくい位置で、Ｎｂ芯１２が健全加工され、臨界電流密度が高くなる。具体的には、図４および図５に示すように、ｄｓ／ｄｆ≦０．３５、および、Ｌ／ｄｆ≧２．１、それぞれの場合に、合格基準である１３０［Ａ／ｍｍ2］以上の臨界電流密度が得られた。
また、図２に示す隣り合うＮｂ芯１２の間隔ｄｓを小さくするほど、ｎ値が向上する。この理由は次の通りである。Ｎｂ芯１２（Ｎｂ3Ｓｎ相）の臨界電流密度を超えて電流が流れようとする時、このＮｂ芯１２に隣接するとともにこのＮｂ芯１２よりも臨界電流密度が高いＮｂ芯１２に電流が移る。この際、間隔ｄｓが小さいほど、隣り合うＮｂ芯１２間のブロンズ部１１（Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理後は銅になる）の距離が短くなり、微小抵抗が低下する。その結果、ｎ値が向上する。具体的には、ｄｓ／ｄｆ≦０．３５、および、Ｌ／ｄｆ≧２．１、それぞれの場合に３０〜３４のｎ値が得られた。
（間隔ｄｓの最小値、間隔Ｌの最大値）
図２に示す一次集合体１０の断面の中央部分にも、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物は存在する。そのため、直径ｄｆに比べて間隔ｄｓが小さすぎると、または、直径ｄｆに比べて間隔Ｌが大きすぎると、図１０に示すように、隣り合うＮｂ芯３１２にまたがるようにＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物（化合物３１３）が配置される場合がある。その結果、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物（化合物３１３）によりＮｂ芯３１２の健全加工が阻害され、臨界電流密度が低くなる。具体的には、図４および図５に示すように、ｄｓ／ｄｆ＜０．１０、または、Ｌ／ｄｆ＞３．１の場合、合格基準である１３０［Ａ／ｍｍ2］以上の臨界電流密度が得られない。一方、図２に示すように、Ｎｂ芯１２の間隔ｄｓや間隔Ｌが適切な場合、一次集合体１０の断面の中央部分のＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が、隣り合うＮｂ芯１２にまたがるように配置されにくい。よって、Ｎｂ芯１２が健全加工されやすく、臨界電流密度が高くなる。具体的には、図４および図５に示すように、ｄｓ／ｄｆ≦０．３５、および、Ｌ／ｄｆ≧２．１、それぞれの場合に、合格基準である１３０［Ａ／ｍｍ2］以上の臨界電流密度が得られた。
図２に示す一次集合体１０の断面の中央部分にも、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物は存在する。そのため、直径ｄｆに比べて間隔ｄｓが小さすぎると、または、直径ｄｆに比べて間隔Ｌが大きすぎると、図１０に示すように、隣り合うＮｂ芯３１２にまたがるようにＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物（化合物３１３）が配置される場合がある。その結果、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物（化合物３１３）によりＮｂ芯３１２の健全加工が阻害され、臨界電流密度が低くなる。具体的には、図４および図５に示すように、ｄｓ／ｄｆ＜０．１０、または、Ｌ／ｄｆ＞３．１の場合、合格基準である１３０［Ａ／ｍｍ2］以上の臨界電流密度が得られない。一方、図２に示すように、Ｎｂ芯１２の間隔ｄｓや間隔Ｌが適切な場合、一次集合体１０の断面の中央部分のＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が、隣り合うＮｂ芯１２にまたがるように配置されにくい。よって、Ｎｂ芯１２が健全加工されやすく、臨界電流密度が高くなる。具体的には、図４および図５に示すように、ｄｓ／ｄｆ≦０．３５、および、Ｌ／ｄｆ≧２．１、それぞれの場合に、合格基準である１３０［Ａ／ｍｍ2］以上の臨界電流密度が得られた。
（アスペクト比について）
図１に示すアスペクト比Ｗ／Ｔが２．３０以下の場合、上記の実験結果と同様の結果が得られる。しかし、アスペクト比Ｗ／Ｔが２．３０よりも大きくなると、上記と同様の結果が得られない場合がある。さらに詳しくは、Ｗ／Ｔ＞２．３０の場合、合格基準である１３０［Ａ／ｍｍ2］以上の臨界電流密度が得られるようなｄｓ／ｄｆおよびＬ／ｄｆそれぞれの範囲が狭くなる、または、合格基準の臨界電流密度が得られない。これは、矩形状断面を有する前駆体１では、前駆体１の断面の中央部分で、Ｎｂ芯１２の断面形状が扁平（楕円状など）だからである。アスペクト比Ｗ／Ｔは、２．０以下であることが好ましい。アスペクト比Ｗ／Ｔが２．０以下の場合、前駆体１の断面中央部分のＮｂ芯１２の断面が円形状に近い（Ｗ／Ｔ＞２．０の場合に比べて）。なお、アスペクト比Ｗ／Ｔは、１以上である。
図１に示すアスペクト比Ｗ／Ｔが２．３０以下の場合、上記の実験結果と同様の結果が得られる。しかし、アスペクト比Ｗ／Ｔが２．３０よりも大きくなると、上記と同様の結果が得られない場合がある。さらに詳しくは、Ｗ／Ｔ＞２．３０の場合、合格基準である１３０［Ａ／ｍｍ2］以上の臨界電流密度が得られるようなｄｓ／ｄｆおよびＬ／ｄｆそれぞれの範囲が狭くなる、または、合格基準の臨界電流密度が得られない。これは、矩形状断面を有する前駆体１では、前駆体１の断面の中央部分で、Ｎｂ芯１２の断面形状が扁平（楕円状など）だからである。アスペクト比Ｗ／Ｔは、２．０以下であることが好ましい。アスペクト比Ｗ／Ｔが２．０以下の場合、前駆体１の断面中央部分のＮｂ芯１２の断面が円形状に近い（Ｗ／Ｔ＞２．０の場合に比べて）。なお、アスペクト比Ｗ／Ｔは、１以上である。
（効果１）
図１に示す前駆体１による効果を説明する。前駆体１は、アスペクト比Ｗ／Ｔが２．３０以下の矩形状断面を有する。前駆体１は、複数の一次集合体１０を備える。一次集合体１０は、Ｓｎ濃度が１５［ｗｔ％］以上であるブロンズ部１１と、ブロンズ部１１に複数本埋め込まれるＮｂ芯１２と、を備える。
［構成１］図２に示すように、一次集合体１０の軸方向から見た断面において、１個の一次集合体１０内で隣り合うとともに一次集合体１０の中央部分に向かう方向に隣り合うＮｂ芯１２の間隔をｄｓとし、Ｎｂ芯１２の直径をｄｆとしたとき、
０．１０≦ｄｓ／ｄｆ≦０．３５である（図４参照）。
図１に示す前駆体１による効果を説明する。前駆体１は、アスペクト比Ｗ／Ｔが２．３０以下の矩形状断面を有する。前駆体１は、複数の一次集合体１０を備える。一次集合体１０は、Ｓｎ濃度が１５［ｗｔ％］以上であるブロンズ部１１と、ブロンズ部１１に複数本埋め込まれるＮｂ芯１２と、を備える。
［構成１］図２に示すように、一次集合体１０の軸方向から見た断面において、１個の一次集合体１０内で隣り合うとともに一次集合体１０の中央部分に向かう方向に隣り合うＮｂ芯１２の間隔をｄｓとし、Ｎｂ芯１２の直径をｄｆとしたとき、
０．１０≦ｄｓ／ｄｆ≦０．３５である（図４参照）。
（効果１−１）上記［構成１］では、ｄｓ／ｄｆ≦０．３５である。ｄｓ／ｄｆ≦０．３５の場合は、ｄｓ／ｄｆ＞０．３５の場合に比べ、一次集合体１０の断面の中央部分に寄るようにＮｂ芯１２が配置される。よって、一次集合体１０の断面の外周側部分に多く形成されるＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物（またはＣｕ−Ｓｎ−Ｚｒ化合物、以下同様）の影響を受けにくい位置に、Ｎｂ芯１２が配置されやすい。よって、Ｎｂ芯１２を健全な形状で加工できる。その結果、前駆体１により製造されるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の臨界電流密度を向上させることができる。
（効果１−２）上記［構成１］では、０．１０≦ｄｓ／ｄｆである。０．１０≦ｄｓ／ｄｆの場合は、ｄｓ／ｄｆ＜０．１の場合に比べ、隣り合うＮｂ芯１２どうしの間隔ｄｓが大きい。よって、隣り合うＮｂ芯１２どうしの間にＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が配置されても、Ｎｂ芯１２を健全な形状で加工できる。その結果、前駆体１により製造されるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の臨界電流密度を向上させることができる。
（効果１−３）上記［構成１］では、ｄｓ／ｄｆ≦０．３５であるので、ｄｓ／ｄｆ＞０．３５の場合に比べ、隣り合うＮｂ芯１２どうしの間隔が小さい。よって、ｄｓ／ｄｆ＞０．３５の場合に比べ、ｎ値を確保できる。さらに詳しくは、上記「（効果１−２）」を得るために、単に隣り合うＮｂ芯１２どうしの間隔ｄｓを大きくすれば、ｎ値が小さくなるおそれがある。しかし、ｄｓ／ｄｆ≦０．３５とすることにより、ｎ値を確保できる。
（効果２）
［構成２］一次集合体１０の軸方向から見た断面において、隣り合う一次集合体１０それぞれから１個ずつ選択した２個のＮｂ芯１２であって最短距離で隣り合うＮｂ芯１２の間隔をＬとし、Ｎｂ芯１２の直径をｄｆとしたとき、
２．１≦Ｌ／ｄｆ≦３．１である（図５参照）。
［構成２］一次集合体１０の軸方向から見た断面において、隣り合う一次集合体１０それぞれから１個ずつ選択した２個のＮｂ芯１２であって最短距離で隣り合うＮｂ芯１２の間隔をＬとし、Ｎｂ芯１２の直径をｄｆとしたとき、
２．１≦Ｌ／ｄｆ≦３．１である（図５参照）。
（効果２−１）上記［構成２］では、２．１≦Ｌ／ｄｆである。２．１≦Ｌ／ｄｆの場合は、Ｌ／ｄｆ＜２．１の場合に比べ、一次集合体１０の断面の外周側部分から離れるようにＮｂ芯１２が配置される。よって、一次集合体１０の断面の外周側部分に多く形成されるＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物の影響を受けにくい位置に、Ｎｂ芯１２が配置される。よって、Ｎｂ芯１２を健全な形状で加工できる。その結果、前駆体１により製造されるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の臨界電流密度を向上させることができる。
（効果２−２）上記［構成２］では、Ｌ／ｄｆ≦３．１である。Ｌ／ｄｆ≦３．１の場合は、３．１＜Ｌ／ｄｆの場合に比べ、隣り合うＮｂ芯１２どうしの間隔ｄｓが大きくなりやすい。よって、隣り合うＮｂ芯１２どうしの間にＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が配置されても、Ｎｂ芯１２を健全な形状で加工できる。その結果、前駆体１により製造されるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の臨界電流密度を向上させることができる。
（効果２−３）上記［構成２］では、２．１≦Ｌ／ｄｆであるので、Ｌ／ｄｆ＜２．１の場合に比べ、隣り合うＮｂ芯１２どうしの間隔が小さくなりやすい。隣り合うＮｂ芯１２どうしの間隔が小さくなることにより、ｎ値を確保できる。さらに詳しくは、上記「（効果２−２）」を得るために、単に間隔Ｌを小さくして直径ｄｆを大きくすれば、ｎ値が小さくなるおそれがある。しかし、２．１≦Ｌ／ｄｆとすることにより、ｎ値を確保できる。
（第２実施形態）
図６を参照して、第２実施形態の前駆体２０１（Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体）について、第１実施形態との相違点を説明する。なお、前駆体２０１のうち、第１実施形態との共通点については、第１実施形態と同一の符号を付し、説明を省略した。図１に示す第１実施形態の前駆体１の断面は矩形状であったが、図６に示す第２実施形態の前駆体２０１の断面は円形状である。
図６を参照して、第２実施形態の前駆体２０１（Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体）について、第１実施形態との相違点を説明する。なお、前駆体２０１のうち、第１実施形態との共通点については、第１実施形態と同一の符号を付し、説明を省略した。図１に示す第１実施形態の前駆体１の断面は矩形状であったが、図６に示す第２実施形態の前駆体２０１の断面は円形状である。
前駆体２０１は、円形状断面を有する。前駆体２０１は、丸線材である。上記「円形状断面」の「円形状」には、略円形状（例えばほぼ円形状の楕円形状など）を含む。第１実施形態では、上記［工程４Ｂ］で、二次多芯材（前駆体１）の断面が矩形状になるように加工された。一方、第２実施形態では、［工程４Ｂ］に代えて、二次多芯材（前駆体２０１）の断面が、φ＝１．６２［ｍｍ］の円形状になるように加工される（この工程を［工程４Ｂ’］とする）。
（実験）
様々なｄｓ／ｄｆおよびＬ／ｄｆを有する前駆体（前駆体２０１、および、円形状断面を有する比較例の前駆体）を作製した。そして、各前駆体に対して上記［工程５］のＮｂ3Ｓｎ生成熱処理を施すことで、超電導線材を製造した。そして、各超電導線材について、外部磁場２０Ｔ中で臨界電流密度（ｎｏｎＣｕ−Ｊｃ）を測定した。図７および図８に測定結果を示す。図７は、ｄｓ／ｄｆと臨界電流密度（ｎｏｎＣｕ−Ｊｃ）との関係を示すグラフである。図８は、Ｌ／ｄｆと臨界電流密度（ｎｏｎＣｕ−Ｊｃ）との関係を示すグラフである。
様々なｄｓ／ｄｆおよびＬ／ｄｆを有する前駆体（前駆体２０１、および、円形状断面を有する比較例の前駆体）を作製した。そして、各前駆体に対して上記［工程５］のＮｂ3Ｓｎ生成熱処理を施すことで、超電導線材を製造した。そして、各超電導線材について、外部磁場２０Ｔ中で臨界電流密度（ｎｏｎＣｕ−Ｊｃ）を測定した。図７および図８に測定結果を示す。図７は、ｄｓ／ｄｆと臨界電流密度（ｎｏｎＣｕ−Ｊｃ）との関係を示すグラフである。図８は、Ｌ／ｄｆと臨界電流密度（ｎｏｎＣｕ−Ｊｃ）との関係を示すグラフである。
（ｄｓ／ｄｆ、ｄｓについて）
図７に示すように、０．０８≦ｄｓ／ｄｆ≦０．４０（０．４８［μｍ］≦ｄｓ≦２．４［μｍ］）の範囲では、臨界電流密度が合格基準の１３０［Ａ／ｍｍ2］以上となり、ｎ値が３０〜３５（上記の比較例１よりも高い値）となった。さらに、０．１１≦ｄｓ／ｄｆ≦０．３５（０．６６［μｍ］≦ｄｓ≦２．１［μｍ］）の範囲では、臨界電流密度が好ましい合格基準の１４０［Ａ／ｍｍ2］」以上となった。
図７に示すように、０．０８≦ｄｓ／ｄｆ≦０．４０（０．４８［μｍ］≦ｄｓ≦２．４［μｍ］）の範囲では、臨界電流密度が合格基準の１３０［Ａ／ｍｍ2］以上となり、ｎ値が３０〜３５（上記の比較例１よりも高い値）となった。さらに、０．１１≦ｄｓ／ｄｆ≦０．３５（０．６６［μｍ］≦ｄｓ≦２．１［μｍ］）の範囲では、臨界電流密度が好ましい合格基準の１４０［Ａ／ｍｍ2］」以上となった。
（Ｌ、Ｌ／ｄｆについて）
図８に示すように、１１．４［μｍ］≦Ｌ≦１９．１［μｍ］（１．９≦Ｌ／ｄｆ≦３．２）の範囲では、臨界電流密度が合格基準の１３０［Ａ／ｍｍ2］以上となり、ｎ値が３０〜３４となった。さらに、１２．６［μｍ］≦Ｌ≦１８．４［μｍ］（２．１≦Ｌ／ｄｆ≦３．１）の範囲では、臨界電流密度がより好ましい合格基準の１４０［Ａ／ｍｍ2］以上となった。
図８に示すように、１１．４［μｍ］≦Ｌ≦１９．１［μｍ］（１．９≦Ｌ／ｄｆ≦３．２）の範囲では、臨界電流密度が合格基準の１３０［Ａ／ｍｍ2］以上となり、ｎ値が３０〜３４となった。さらに、１２．６［μｍ］≦Ｌ≦１８．４［μｍ］（２．１≦Ｌ／ｄｆ≦３．１）の範囲では、臨界電流密度がより好ましい合格基準の１４０［Ａ／ｍｍ2］以上となった。
これらのように、第２実施形態では、合格基準を満たすｄｓ／ｄｆの範囲、好ましい合格基準を満たすｄｓ／ｄｆの範囲、合格基準を満たすＬ／ｄｆの範囲、および、好ましい合格基準を満たすＬ／ｄｆの範囲それぞれが、第１実施形態よりも広くなった。この理由は次の通りである。上記のように、図１に示す矩形状断面を有する前駆体１では、前駆体１の断面の中央部分でＮｂ芯１２が扁平である（図示なし）。一方、図６に示す円形状断面を有する前駆体２０１では、前駆体２０１の断面の中央部分でＮｂ芯１２が円形状である。よって、矩形状断面を有する前駆体１よりも円形状断面を有する前駆体２０１のほうが、高い臨界電流密度を得られる。例えば、上記［工程４Ｂ］および［工程４Ｂ’］が行われるよりも前の段階まで、前駆体１と前駆体２０１とで製造工程が同一であっても、前駆体２０１の方が高い臨界電流密度を得られる。
（効果３）
図６に示す前駆体２０１による効果を説明する。前駆体２０１は、円形状断面を有する。
［構成３］図２に示すように、一次集合体１０の軸方向から見た断面において、１個の一次集合体１０内で隣り合うとともに一次集合体１０の中央部分に向かう方向に隣り合うＮｂ芯１２の間隔をｄｓとし、Ｎｂ芯１２の直径をｄｆとしたとき、
０．０８≦ｄｓ／ｄｆ≦０．４０である（図７参照）。
図６に示す前駆体２０１による効果を説明する。前駆体２０１は、円形状断面を有する。
［構成３］図２に示すように、一次集合体１０の軸方向から見た断面において、１個の一次集合体１０内で隣り合うとともに一次集合体１０の中央部分に向かう方向に隣り合うＮｂ芯１２の間隔をｄｓとし、Ｎｂ芯１２の直径をｄｆとしたとき、
０．０８≦ｄｓ／ｄｆ≦０．４０である（図７参照）。
上記［構成３］により、上記「（効果１−１）」および「（効果１−２）」と同様に、Ｎｂ芯１２を健全な形状で加工できる。その結果、図６に示す円形状断面を有する前駆体２０１により製造されるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の臨界電流密度を向上させることができる。また、上記「（効果１−３）」と同様に、ｎ値を確保できる。
（効果４）
［構成４］図２に示すように、一次集合体１０の軸方向から見た断面において、隣り合う一次集合体１０それぞれから１個ずつ選択した２個のＮｂ芯１２であって最短距離で隣り合うＮｂ芯１２の間隔をＬとし、Ｎｂ芯１２の直径をｄｆとしたとき、
１．９≦Ｌ／ｄｆ≦３．２である（図８参照）。
［構成４］図２に示すように、一次集合体１０の軸方向から見た断面において、隣り合う一次集合体１０それぞれから１個ずつ選択した２個のＮｂ芯１２であって最短距離で隣り合うＮｂ芯１２の間隔をＬとし、Ｎｂ芯１２の直径をｄｆとしたとき、
１．９≦Ｌ／ｄｆ≦３．２である（図８参照）。
上記［構成４］により、上記「（効果２−１）」および「（効果２−２）」と同様に、Ｎｂ芯１２を健全な形状で加工できる。その結果、図６に示す円形状断面を有する前駆体２０１により製造されるＮｂ3Ｓｎ超電導線材の臨界電流密度を向上させることができる。また、上記「（効果２−３）」と同様に、ｎ値を確保できる。
（変形例１）
上記実施形態は様々に変形できる。上記実施形態では、前駆体１（図１参照）は矩形状断面を有し、前駆体２０１（図６参照）は円形状断面を有した。しかし、前駆体１の断面は、矩形状以外かつ円形状以外の形状（例えば楕円形状など）でもよい。
上記実施形態は様々に変形できる。上記実施形態では、前駆体１（図１参照）は矩形状断面を有し、前駆体２０１（図６参照）は円形状断面を有した。しかし、前駆体１の断面は、矩形状以外かつ円形状以外の形状（例えば楕円形状など）でもよい。
（変形例２）
前駆体１および前駆体２０１（以下「前駆体１」）は、上記実施形態にはない部材や層などを備えてもよい。例えば、前駆体１は、補強材を備えてもよい。この補強材は、例えばＴａやＴｉなどを含む高強度材により構成される。例えば、この補強材は、前駆体１の断面の中央に配置される。また例えば、この補強材は、超電導マトリックス部４内に分散して配置されてもよい。
前駆体１および前駆体２０１（以下「前駆体１」）は、上記実施形態にはない部材や層などを備えてもよい。例えば、前駆体１は、補強材を備えてもよい。この補強材は、例えばＴａやＴｉなどを含む高強度材により構成される。例えば、この補強材は、前駆体１の断面の中央に配置される。また例えば、この補強材は、超電導マトリックス部４内に分散して配置されてもよい。
（変形例３）
前駆体１では、ブロンズ部１１のブロンズ比は２．５であった。しかし、このブロンズ比が、２．０以上、３．０以下でも、上記と同様の結果が得られる。好ましいブロンズ比の範囲は、２．２以上２．７以下である。より好ましいブロンズ比の範囲は、２．４以上２．６以下である。
前駆体１では、ブロンズ部１１のブロンズ比は２．５であった。しかし、このブロンズ比が、２．０以上、３．０以下でも、上記と同様の結果が得られる。好ましいブロンズ比の範囲は、２．２以上２．７以下である。より好ましいブロンズ比の範囲は、２．４以上２．６以下である。
（変形例４）
上記実施形態の数値範囲は適宜変換できる。例えば、上記実施形態では、ｄｓ／ｄｆやＬ／ｄｆの数値範囲が規定された。この数値範囲は、図２に示す中心間距離Ｌｃを用いて、ｄｓ／ＬｃやＬ／Ｌｃの数値範囲に変換されてもよい。この変換の詳細は次の通りである。上記実施形態では、ｄｆ＝６．０［μｍ］、Ｌｃ＝５１［μｍ］とした。そこで、ｄｓ／ｄｆやＬ／ｄｆの数値範囲の上限値および下限値を６／５１倍することで、ｄｓ／ＬｃやＬ／Ｌｃの数値範囲に変換してもよい。具体的には例えば、前駆体１での「２．１≦Ｌ／ｄｆ≦３．１」を、「０．２５≦Ｌ／Ｌｃ≦０．３７」としてもよい。また例えば、前駆体２０１での「１．９≦Ｌ／ｄｆ≦３．２」を、「０．２２≦Ｌ／Ｌｃ≦０．３８」としてもよい。
上記実施形態の数値範囲は適宜変換できる。例えば、上記実施形態では、ｄｓ／ｄｆやＬ／ｄｆの数値範囲が規定された。この数値範囲は、図２に示す中心間距離Ｌｃを用いて、ｄｓ／ＬｃやＬ／Ｌｃの数値範囲に変換されてもよい。この変換の詳細は次の通りである。上記実施形態では、ｄｆ＝６．０［μｍ］、Ｌｃ＝５１［μｍ］とした。そこで、ｄｓ／ｄｆやＬ／ｄｆの数値範囲の上限値および下限値を６／５１倍することで、ｄｓ／ＬｃやＬ／Ｌｃの数値範囲に変換してもよい。具体的には例えば、前駆体１での「２．１≦Ｌ／ｄｆ≦３．１」を、「０．２５≦Ｌ／Ｌｃ≦０．３７」としてもよい。また例えば、前駆体２０１での「１．９≦Ｌ／ｄｆ≦３．２」を、「０．２２≦Ｌ／Ｌｃ≦０．３８」としてもよい。
（変形例５）
上記の数値範囲（上記「（変形例４）」を含む）の上限値および下限値を適宜組み合わせて、数値範囲を規定してもよい。例えば、前駆体１での「０．１０≦ｄｓ／ｄｆ≦０．３５」および「２．１≦Ｌ／ｄｆ≦３．１」の一部どうしを組み合わせて、「０．１０≦ｄｓ／ｄｆ、かつ、２．１≦Ｌ／ｄｆ」としてもよい。また例えば、前駆体２０１での「０．０８≦ｄｓ／ｄｆ≦０．４０」および「１．９≦Ｌ／ｄｆ≦３．２」の一部どうしを組み合わせて、「０．０８≦ｄｓ／ｄｆ、かつ、１．９≦Ｌ／ｄｆ」としてもよい。
上記の数値範囲（上記「（変形例４）」を含む）の上限値および下限値を適宜組み合わせて、数値範囲を規定してもよい。例えば、前駆体１での「０．１０≦ｄｓ／ｄｆ≦０．３５」および「２．１≦Ｌ／ｄｆ≦３．１」の一部どうしを組み合わせて、「０．１０≦ｄｓ／ｄｆ、かつ、２．１≦Ｌ／ｄｆ」としてもよい。また例えば、前駆体２０１での「０．０８≦ｄｓ／ｄｆ≦０．４０」および「１．９≦Ｌ／ｄｆ≦３．２」の一部どうしを組み合わせて、「０．０８≦ｄｓ／ｄｆ、かつ、１．９≦Ｌ／ｄｆ」としてもよい。
１、２０１ 前駆体（Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体）
１０ 一次集合体
１１ ブロンズ部
１２ Ｎｂ芯
ｄｆ 直径（Ｎｂ芯の直径）
ｄｓ 間隔（Ｎｂ芯の間隔）
Ｌ 間隔（Ｎｂ芯の間隔）
１０ 一次集合体
１１ ブロンズ部
１２ Ｎｂ芯
ｄｆ 直径（Ｎｂ芯の直径）
ｄｓ 間隔（Ｎｂ芯の間隔）
Ｌ 間隔（Ｎｂ芯の間隔）
Claims (4)
- アスペクト比が２．３０以下の矩形状断面を有するＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体であって、
複数の一次集合体を備え、
前記一次集合体は、
Ｓｎ濃度が１５［ｗｔ％］以上であるブロンズ部と、
前記ブロンズ部に複数本埋め込まれるＮｂ芯と、
を備え、
前記一次集合体の軸方向から見た断面において、１個の前記一次集合体内で隣り合うとともに前記一次集合体の中央部分に向かう方向に隣り合う前記Ｎｂ芯の間隔をｄｓとし、前記Ｎｂ芯の直径をｄｆとしたとき、
０．１０≦ｄｓ／ｄｆ≦０．３５である、
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。 - アスペクト比が２．３０以下の矩形状断面を有するＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体であって、
複数の一次集合体を備え、
前記一次集合体は、
Ｓｎ濃度が１５［ｗｔ％］以上であるブロンズ部と、
前記ブロンズ部に複数本埋め込まれるＮｂ芯と、
を備え、
前記一次集合体の軸方向から見た断面において、隣り合う前記一次集合体それぞれから１個ずつ選択した２個の前記Ｎｂ芯であって最短距離で隣り合う２個の前記Ｎｂ芯の間隔をＬとし、前記Ｎｂ芯の直径をｄｆとしたとき、
２．１≦Ｌ／ｄｆ≦３．１である、
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。 - 円形状断面を有するＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体であって、
複数の一次集合体を備え、
前記一次集合体は、
Ｓｎ濃度が１５［ｗｔ％］以上であるブロンズ部と、
前記ブロンズ部に複数本埋め込まれるＮｂ芯と、
を備え、
前記一次集合体の軸方向から見た断面において、１個の前記一次集合体内で隣り合うとともに前記一次集合体の中央部分に向かう方向に隣り合う前記Ｎｂ芯の間隔をｄｓとし、前記Ｎｂ芯の直径をｄｆとしたとき、
０．０８≦ｄｓ／ｄｆ≦０．４０である、
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。 - 円形状断面を有するＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体であって、
複数の一次集合体を備え、
前記一次集合体は、
Ｓｎ濃度が１５［ｗｔ％］以上であるブロンズ部と、
前記ブロンズ部に複数本埋め込まれるＮｂ芯と、
を備え、
前記一次集合体の軸方向から見た断面において、隣り合う前記一次集合体それぞれから１個ずつ選択した２個の前記Ｎｂ芯であって最短距離で隣り合う２個の前記Ｎｂ芯の間隔をＬとし、前記Ｎｂ芯の直径をｄｆとしたとき、
１．９≦Ｌ／ｄｆ≦３．２である、
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
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|---|---|---|---|
| JP2014148076A JP6078501B2 (ja) | 2014-07-18 | 2014-07-18 | Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体 |
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- 2014-07-18 JP JP2014148076A patent/JP6078501B2/ja active Active
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