JP6934878B2 - マルチフィラメントＮｂ３Ｓｎ超伝導性ワイヤを製造する方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、超伝導性材料、およびそれを製造する方法の分野にある。より詳細には、本発明は、臨界電流密度を有する、マルチフィラメントＮｂ_３Ｓｎ超伝導性ワイヤを提供する方法を提供する。

発明の背景
現在、Ｎｂ_３Ｓｎ超伝導性ワイヤの製造には、２つの基礎的な製作経路がある。最も一般的なものは、ブロンズ（銅−スズ）マトリックス中で加工されるＮｂフィラメントを特徴とする、「ブロンズ経路」である。ブロンズ経路により製造されるワイヤは、世界におけるＮｂ_３Ｓｎワイヤの製造の大多数を占めている。中間アニーリングを必要とするにもかかわらず、この製造プロセスはかなり単純であり、大きなロットサイズに適合しやすいので、ブロンズ経路は人気がある。一層高い超伝導臨界電流レベルを必要とする使用の場合、ワイヤの製造には「内部スズ」法が使用される。この方法では、存在するスズは、最終加熱処理ステップまで、存在する銅とは隔離されている。そのようにして作製されるワイヤは、ブロンズ法により作製されるワイヤと比べて、高磁場で超伝導電流を数倍、流すことができるので、この方法が使用される。これは、内部スズ法が、より多くのスズを有するワイヤの生成を可能にし、したがって、最終ワイヤの断面に、より多くのＮｂ_３Ｓｎを供給することを可能にするからである。

超伝導性ワイヤに関する重要な性能尺度は、臨界電流密度Ｊ_ｃである。臨界電流密度は、ワイヤが運ぶことができる最大電流をワイヤの断面積（または、断面積のある限定された一部分）で除したものと定義される。臨界電流密度を表す一般的な形態は、非銅臨界電流密度であり、ここで除算する面積は、ほとんど安定化銅である。「内部スズ」法により作製されるＮｂ_３Ｓｎ超伝導性ストランド（主に、Ｃｕ、ＮｂおよびＳｎ、ならびに／またはそれらの合金から作製される複合材料）のＪ_ｃは、ワイヤの断面で利用可能なＮｂおよびＳｎの比率に大きく依存する。一般に、ワイヤ内部のＮｂおよびＳｎの比率が高いほど、ストランドの加熱処理により、Ｎｂ_３Ｓｎ超伝導相に変換することができるワイヤの比率が高くなる。その結果、「内部スズ」法により作製される高いＪ_ｃのＮｂ_３Ｓｎストランドに関する今日の設計は、高いＮｂおよびＳｎ比率、および低いＣｕ量からなる。

したがって、最高の理論上のＪ_ｃを有するワイヤは、化学量論的に３：１の原子比のＮｂとＳｎだけから作製されるが（これは、断面におけるＮｂ_３Ｓｎの量を最大化し、非超伝導性Ｃｕの比率を最小化するので）、実際には、断面においてある特定の量のＣｕが必要とされる。超伝導性パッケージまたは「サブエレメント」内部の銅は、以下を含めた、いくつかの目的を果たす：
１） Ｃｕは、より硬いＮｂとより柔らかいＳｎとの間の硬度レベルを有するので、Ｃｕはワイヤをより加工し易くする。したがって、Ｃｕは、延伸プロセスの一助となるよう、フィラメントの間、ＳｎコアとＮｂフィラメントとの間、およびこれらのサブエレメントの間に置かれる。
２） ＮｂおよびＳｎをＮｂ_３Ｓｎに変換するために必要な反応温度を低下させるために、少量のＣｕが必要である。これは、高いＪ_ｃをもたらすＮｂ_３Ｓｎ微細構造を得るために望ましく、装置製造の観点からもやはり望ましい。
３） Ｃｕはまた、追加的な機能も有する。Ｎｂフィラメント間のＣｕは、Ｓｎが拡散するための通路として働き、これにより、Ｓｎ源が、サブエレメント全体に、およびＮｂフィラメントのすべてに分散することが可能になる。加熱処理中に、ワイヤ内の全Ｎｂフィラメントへ十分なＳｎを局所的に利用可能にすることは、Ｎｂを反応させてＮｂ_３Ｓｎにして、高いＪ_ｃをもたらすＮｂ_３Ｓｎ微細構造を提供するために重要である。

したがって、高電流密度Ｎｂ_３Ｓｎワイヤを設計する課題は、超伝導電流がその臨界値に接近するときに電気的に安定な、実用的に使用可能なストランドを製造するように、製作および加熱処理が行われ得るパッケージ内に最適な比のＮｂ、ＳｎおよびＣｕ構成成分を組み込むことへと軽減することができる（すなわち、その結果、小さな不均一性により、「クエンチ」として知られる、超伝導電流の上限値をかなり下回る、超伝導電流の損失が瀑落する（cascade）ことはない）。このようなワイヤを設計して、ワイヤを製造する方法を提供するのが望ましい。より詳細には、高い臨界電流密度を発生するすべての概念の他に例を見ない総括および相乗的統合を提供することが望ましい。
その開示の全体が、参照により本明細書に組み込まれている、Ｍｕｒａｓｅの米国特許第４，７７６，８９９号により教示されている「チューブ法」などの一部の過去の設計は、拡散隔壁内部のＳｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）の非常に高い値を有しており、他の設計は、以下に記載されている通り、低いＬＡＲを有する微細フィラメントを有する。さらに他の設計は、分布拡散隔壁（すべてのサブエレメントを包み込む単一拡散隔壁の代わりに、銅により隔離されている各々個別のサブエレメントの周辺の拡散隔壁）を有する。しかし、以前の設計に、有効性にとって重大なすべての問題に対処し、かつこのような問題への解決策を提供したものはない。その開示の全体が参照により本明細書に組み込まれている、Ｆｉｅｌｄらの米国特許第７，３６８，０２１号は、４．２Ｋ、１２テスラにおいて約３０００Ａ／ｍｍ^２および４．２Ｋ、１５テスラにおいて約１７００Ａ／ｍｍ^２の非銅臨界電流密度を提供しており、初期の内部スズ超伝導性ワイヤよりも約１０倍の改善、および１９９０年代後半の従来技術の値よりも約５０％の向上を提供している。この伝導体の高い性能は、サブエレメントが、０．５〜２．０ｍｍの典型的な最終ワイヤの直径で約６０〜１８０ミクロンである場合にしか達成されない。応用（例えば、粒子加速器）のために類似の性能を提供することが望ましく、この場合、磁化および交流電流の損失は、最小限に維持することが有益であり、サブエレメントサイズは、約２０〜６０ミクロンまで縮小される。Ｆｉｅｌｄらの米国特許第７，３６８，０２１号は、例えば、４５ミクロンのサブエレメントサイズにおいて、４．２Ｋ、１２テスラで２６００Ａ／ｍｍ^２、および４．２Ｋ、１５テスラで、１３００Ａ／ｍｍ^２の低下した性能を有する超伝導性ワイヤを提供している。約２０〜６０ミクロンのサブエレメントサイズを有する超伝導性ワイヤの場合、４．２Ｋ、１２テスラ値で、３０００Ａ／ｍｍ^２、および４．２Ｋ、１５テスラ値で、１７００Ａ／ｍｍ^２に近づくことが望ましい。

米国特許第４，７７６，８９９号明細書 米国特許第７，３６８，０２１号明細書

発明の概要
第１の態様では、本発明は、４．２Ｋおよび１２Ｔにおいて、少なくとも２０００Ａ／ｍｍ^２のＪ_ｃ値を有するマルチフィラメントＮｂ_３Ｓｎ超伝導性ワイヤを製造する方法であって、
ａ） 第１のマトリックス内部にＣｕにより包み込まれているＮｂロッドの複数を詰め込んで、これにより超伝導性ワイヤ用の詰め込まれたサブエレメントを形成するステップであって、前記第１のマトリックスは、介在Ｎｂ拡散隔壁と、前記隔壁の前記ロッドから遠隔にある他方側の第２のマトリックスとによって取り囲まれている、ステップ、
ｂ） 前記サブエレメント内部にＳｎの源を提供するステップ、
ｃ） 前記サブエレメント内部の前記金属を組み立てるステップであって、Ｎｂ、ＣｕおよびＳｎの相対サイズおよび比が、
（ｉ） 前記拡散隔壁を含むおよび前記拡散隔壁内部のサブエレメント断面のＮｂ比率が、５０〜６５面積％である、
（ｉｉ） 前記サブエレメントの前記拡散隔壁を含むおよび前記拡散隔壁内部のＮｂ対Ｓｎの原子比が、２．７〜３．７である、
（ｉｉｉ） 前記サブエレメントの前記拡散隔壁内部のＳｎ対Ｃｕの比が、Ｓｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）が４５％〜６５％となるような比である、
（ｉｖ） 前記Ｃｕにより包み込まれているＮｂロッドのＣｕ対Ｎｂの局所面積比（ＬＡＲ）が、０．１０〜０．３０である、
（ｖ） 前記Ｎｂ拡散隔壁が、その後の加熱処理によって、完全にまたは一部がＮｂ_３Ｓｎに変換される、ならびに
（ｖｉ） 前記Ｎｂ拡散隔壁の厚さが、前記Ｃｕにより包み込まれているＮｂロッドのＮｂ部分の半径より大きい
ように選択されるステップ、
ｄ）
（ｉ） マルチフィラメント状Ｎｂ_３Ｓｎ超伝導性ワイヤが、複数の前記サブエレメント（前記複数の前記サブエレメントのそれぞれがＮｂ拡散隔壁を有する）から形成され、これによって、分布隔壁設計を有するワイヤを形成する、
（ｉｉ） 最終ワイヤ中の銅により包み込まれているＮｂロッドのＮｂ部分が、反応前に直径が０．５〜７μｍのものである、および
（ｉｉｉ） 加熱処理によってＮｂ_３Ｓｎに完全にまたは一部が変換されるＮｂ拡散隔壁が、反応前に厚さが０．８〜１１μｍのものである、
ように、さらなるマトリックス中でサブエレメントを組み立てて、集合体をワイヤ形態に縮小するステップ、ならびに
ｅ） ステップｄ）からの最終サイズのワイヤを加熱処理して、Ｎｂ_３Ｓｎ超伝導相を形成するステップ
による、方法を提供する。

本方法は、任意選択で、ｆ）ＴａもしくはＴｉまたはそれらの両方を、ＮｂもしくはＣｕもしくはＳｎまたはそれらの任意の組合せと合金にして、加熱処理後にＮｂ_３Ｓｎへドーパントを提供して、（Ｎｂ，Ｔａ）_３Ｓｎ、（Ｎｂ，Ｔｉ）_３Ｓｎまたは（Ｎｂ，Ｔｉ，Ｔａ）_３Ｓｎを形成するステップをさらに特徴とすることができる。ＮｂまたはＣｕまたはＳｎは、複合材料を強化する目的で、他の元素または化合物と合金にされてもよい。

マルチフィラメントＮｂ_３Ｓｎ超伝導性ワイヤは、４．２Ｋの温度および１２Ｔの磁場において、少なくとも２，５００または３，０００または３，５００または４，０００または５，０００Ａ／ｍｍ^２の臨界電流密度を有することができる。このマトリックスは、Ｃｕを含有していてもよく、このマトリックスは、低スズブロンズ、例えば、Ｃｕ０．１〜２．５重量％Ｓｎ、またはＣｕ０．２〜１．５重量％Ｓｎ、またはＣｕ０．５〜１．０重量％Ｓｎ、またはＣｕ０．７重量％Ｓｎであってもよい。サブエレメントのＮｂ比率は、拡散隔壁を含むおよび拡散隔壁内部のサブエレメントの断面積の５５面積％〜６０面積％であり得る。サブエレメントの全Ｎｂ含有量のＮｂ隔壁比率は、２０〜５０面積％または２５〜３５面積％であり得る。サブエレメント中のＮｂ対Ｓｎ合金の原子比は、３．１〜３．６であり得る。サブエレメント中の銅対スズ合金の比は、拡散隔壁内部のＳｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）が５０〜６０％となるような比であり得る。銅により包み込まれているＮｂロッドのＣｕ対Ｎｂの局所面積比は、０．１〜０．５であり得る。サブエレメントは、直径が２０〜６０ミクロンのサブエレメントの場合、反応シークエンス中のＳｎ拡散を操作して、Ｊ_ｃおよびＣｕマトリックスの残留抵抗比（ＲＲＲ）を最大化するようなパターンに配列することができる。最終ワイヤ中の銅により包み込まれているＮｂロッドのＮｂ部分は、反応前に１〜５μｍの直径であり得る。実際に、最終ワイヤ中の銅により包み込まれているＮｂロッドのＮｂ部分の少なくとも２５％、３３％、５０％、６７％、７５％、８０％または９０％などは、約１．０μｍまたは１．５μｍまたは２．０μｍまたは２．５μｍまたは３．０μｍまたは４．０μｍまたは５．０μｍ未満の直径を有することができる。加熱処理によってＮｂ_３Ｓｎに完全にまたは一部が変換されるＮｂ拡散隔壁は、反応前に１．５〜８μｍの厚さであり得る。

Ｓｎは、１８０℃〜２２０℃で、２４〜１００時間、予備反応段階で、環形領域におけるＮｂの溶解を最小限にする加熱処理プロセスによりＮｂロッド中に拡散され得る。この後に、３４０℃〜４１０℃が２４〜５０時間続いてもよい。次に、この後に、６２５℃〜７２５℃でのＮｂ_３Ｓｎ形成段階が１２〜２００時間続いてもよい。これらの３段階の加熱処理の各々における浸漬時間は、Ｎｂ拡散隔壁のほぼ完全なまたは完全な反応を可能にすると同時に、超伝導性Ｎｂ_３Ｓｎ相を形成するためのＮｂおよびＳｎの変換を最大化するように選択され得る。一部の例では、Ｎｂ_３Ｓｎ反応段階の前に、加熱処理シークエンスに、５６０℃〜５８０℃で２４〜２００時間の第４の段階が追加されてもよい。さらに、一部の例では、Ｃｕにより包み込まれているＮｂロッドは、サブエレメントを詰め込むときに使用するための六角形の断面のロッドへと形成され得る。なおもさらに、Ｃｕ中のＮｂの局所面積比（ＬＡＲ）は、中央においてまたは中央の近傍ではより高いＬＡＲを提供しかつ外縁の近傍、隔壁の近傍または隔壁の最も近くではより低いＬＡＲを提供するように、調整されても、段階的に変えられてもよい。

第２の態様では、本発明は、４．２Ｋおよび１２Ｔにおいて、少なくとも２０００Ａ／ｍｍ^２のＪ_ｃ値を有するマルチフィラメントＮｂ_３Ｓｎ超伝導性ワイヤを提供する。マルチフィラメントＮｂ_３Ｓｎ超伝導性ワイヤの非銅臨界電流密度は、４．２Ｋおよび１２Ｔにおいて、２，０００Ａ／ｍｍ^２または３，０００Ａ／ｍｍ^２などの範囲であり得る。マルチフィラメントＮｂ_３Ｓｎ超伝導性ワイヤは、本明細書に記載されている方法に準拠して、作製することができる。分布隔壁サブエレメント設計における以下のパラメータの制御を使用して、マルチフィラメントＮｂ_３Ｓｎ超伝導性ワイヤを提供することができる：拡散隔壁の内側のＳｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）；拡散隔壁を含むおよび拡散隔壁内部のＮｂ：Ｓｎ原子比；フィラメントパック領域中の局所面積比；反応可能なＮｂ拡散隔壁；フィラメント半径に対するＮｂ拡散隔壁厚さ；ＴｉまたはＴａなどのドーパントのＮｂ_３Ｓｎへの任意選択の添加；および加熱処理段階における、フィラメントの最大直径を制御するための、再スタックおよびワイヤの縮小。
本発明の実施形態において、例えば以下の項目が提供される。
（項目１）
マルチフィラメントＮｂ _３ Ｓｎ超伝導性ワイヤを製造する方法であって、
ａ） マトリックス内部にＣｕにより包み込まれているＮｂロッドの複数を詰め込んで、これにより前記超伝導性ワイヤ用の詰め込まれたサブエレメントを形成するステップであって、前記マトリックスが、介在Ｎｂ拡散隔壁と、前記隔壁の前記ロッドから遠隔にある他方側のさらなるマトリックスとによって取り囲まれている、ステップ、
ｂ） 前記サブエレメント内部にＳｎの源を提供するステップ、
ｃ） 前記サブエレメント内部の前記金属を組み立てるステップであって、Ｎｂ、ＣｕおよびＳｎの相対サイズおよび比が、
ｃ１） 前記拡散隔壁を含むおよび前記拡散隔壁内部の前記サブエレメントのＮｂ比率が、５０〜６５面積％である、
ｃ２） 前記サブエレメントの前記拡散隔壁を含むおよび前記拡散隔壁内部の前記Ｎｂ対Ｓｎの原子比が、２．７〜３．７の間である、
ｃ３） 前記サブエレメントの前記拡散隔壁内部のＳｎ対Ｃｕの比が、Ｓｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）が４５％〜６５％となるような比である、
ｃ４） 前記Ｃｕにより包み込まれているＮｂロッドのＣｕ対Ｎｂの局所面積比が、０．１０〜０．５０である、
ｃ５） 前記Ｎｂ拡散隔壁が、加熱処理によって、完全にまたは一部がＮｂ _３ Ｓｎに変換される、ならびに
ｃ６） 前記Ｎｂ拡散隔壁の厚さが、前記Ｃｕにより包み込まれているＮｂロッドのＮｂ部分の半径より大きい
ように選択されるステップ、
ｄ）
ｄ１） 前記マルチフィラメント状Ｎｂ _３ Ｓｎ超伝導性ワイヤが、Ｎｂ拡散隔壁をそれぞれが有する複数の前記サブエレメントから構成され、これによって、分布隔壁設計を有するワイヤを形成する、
ｄ２） 前記最終ワイヤ中の前記銅により包み込まれているＮｂロッドの前記Ｎｂ部分が、反応前に直径が０．５〜７μｍの間のものである、および
ｄ３） 加熱処理によってＮｂ _３ Ｓｎに完全にまたは一部が変換される前記Ｎｂ拡散隔壁が、反応前に厚さが０．８〜１１μｍのものである
ように、さらなるマトリックス中で前記サブエレメントを組み立てて、集合体をワイヤ形態に縮小するステップ、ならびに
ｅ） ステップｄ）からの前記最終サイズのワイヤを加熱処理して、前記Ｎｂ _３ Ｓｎ超伝導相を形成するステップ
を含む、方法。
（項目２）
ｆ）加熱処理後に、前記Ｎｂまたは前記Ｃｕまたは前記Ｓｎを、ＴａもしくはＴｉまたはそれらの両方と合金にして、（Ｎｂ，Ｔａ） _３ Ｓｎ、（Ｎｂ，Ｔｉ） _３ Ｓｎまたは（Ｎｂ，Ｔｉ，Ｔａ） _３ Ｓｎを形成するステップをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目３）
ｆ）前記複合材料を強化する目的で、前記ＮｂまたはＣｕまたはＳｎを、元素または化合物と合金にする、項目２に記載の方法。
（項目４）
前記サブエレメントのＮｂ合金比率が、好ましくは５５面積％〜６０面積％である、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記サブエレメントの全Ｎｂ含有量のＮｂ隔壁比率が、２０面積％〜５０面積％の間、好ましくは２５面積％〜３５面積％である、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記サブエレメント中の前記Ｎｂ合金対Ｓｎ合金の原子比が、３．１〜３．６の間である、項目１に記載の方法。
（項目７）
前記サブエレメント中の前記銅対スズ合金の比が、前記拡散隔壁内部の前記Ｓｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）が、好ましくは５０〜６０％となるような比である、項目１に記載の方法。
（項目８）
前記銅により包み込まれているＮｂロッドの前記Ｃｕ対Ｎｂの局所面積比が、好ましくは０．１５〜０．４５である、項目１に記載の方法。
（項目９）
前記最終ワイヤ中の前記銅により包み込まれているＮｂロッドの前記Ｎｂ部分が、反応前に１〜５μｍである、項目１に記載の方法。
（項目１０）
加熱処理によってＮｂ _３ Ｓｎに完全にまたは一部が変換される前記Ｎｂ拡散隔壁が、反応前に１．５〜８μｍの厚さである、項目１に記載の方法。
（項目１１）
１８０℃〜２２０℃で２４〜１００時間、次いで３４０℃〜４１０℃で２４〜５０時間の予備反応段階、次いで、６２５℃〜７２５℃で１２〜２００時間のＮｂ _３ Ｓｎ形成段階による、前記環形領域における前記Ｎｂの溶解を最小限にする加熱処理プロセスによって、前記Ｓｎが前記Ｎｂロッド中に拡散される、項目１に記載の方法。
（項目１２）
前記Ｎｂ _３ Ｓｎ反応段階の前の、前記加熱処理シークエンスに、５６０℃〜５８０℃で２４〜２００時間の第４の段階が追加される、項目１１に記載の方法。
（項目１３）
前記Ｃｕにより包み込まれているＮｂロッドが、前記サブエレメントを詰め込むときに使用するための六角形の断面のロッドへと形成される、項目１に記載の方法。
（項目１４）
前記マトリックスがＣｕを含有する、項目１に記載の方法。
（項目１５）
前記マトリックスが低スズブロンズを含有する、項目１に記載の方法。
（項目１６）
前記マトリックスが、Ｃｕ０．１〜２．５重量％Ｓｎを含有する、項目１５に記載の方法。
（項目１７）
前記最終ワイヤ中の前記銅により包み込まれているＮｂロッドの前記Ｎｂ部分の少なくとも５０％が、約２．５μｍ未満の直径を有する、項目１に記載の方法。
（項目１８）
前記Ｃｕ中のＮｂの局所面積比（ＬＡＲ）が、中央においてまたは中央の近傍ではより高いＬＡＲを提供しかつ外縁の近傍、前記隔壁の近傍または前記隔壁の最も近くではより低いＬＡＲを提供するように、調整されるまたは段階的に変えられる、項目１に記載の方法。
（項目１９）
項目１に記載の方法により製造される、４．２Ｋの温度において１２Ｔの磁場中で少なくとも２，０００Ａ／ｍｍ ^２ の臨界電流密度を有する、マルチフィラメントＮｂ _３ Ｓｎ超伝導性ワイヤ。
（項目２０）
項目１に記載の方法により製造される、４．２Ｋの温度において１２Ｔの磁場中で、少なくとも３，０００Ａ／ｍｍ ^２ の臨界電流密度を有する、マルチフィラメントＮｂ _３ Ｓｎ超伝導性ワイヤ。

図１は、局所面積比またはＬＡＲの定義を補助する、フィラメントパックの例示である。

図２は、ワイヤに加熱処理を施す前の、本明細書に記載されている超伝導性ワイヤの模式断面図（縮尺通りではない）である。

図３は、ワイヤに加熱処理を施す前の、図２のワイヤにおいて使用されている１つのサブエレメントの拡大した断面の例示である。

図４は、ＴｉまたはＴａをドープしたＮｂ_３Ｓｎの場合の、拡散隔壁の内側の、非銅臨界電流密度対Ｓｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）のプロットである。

図５は、本発明により製造されたワイヤに関する、４．２Ｋ、１２Ｔ〜１６Ｔにおける非銅臨界電流密度対磁場のプロットである。

図６は、本発明により製造されたワイヤに関する、４．２Ｋおよび１．８Ｋ、２０Ｔ〜２５Ｔにおける工学的および非銅臨界電流密度対磁場のプロットである。

図７は、加熱処理反応の前および後の、本発明の方法によって製造されたワイヤの顕微鏡写真である。

図８は、図１に類似の、局所面積比またはＬＡＲの定義を補助する、フィラメントパックの第２の例示である。これは、ＬＡＲが、中央においてまたは中央の近傍ではより高いＬＡＲを提供しかつ外縁の近傍、隔壁の近傍または隔壁の最も近くではより低いＬＡＲを提供するように調整されても、段階的に変えられてもよいことを図により実証している。

好ましい実施形態の詳細な説明
本明細書に記載されている方法は、従来技術において記載されている方法よりも３つの具体的な利点を提供する。第１に、「Ｃｕ中のＮｂの局所面積比（ＬＡＲ）」は、マルチフィラメントＮｂ_３Ｓｎ超伝導性ワイヤに優れた特性を提供するよう、ビレットの内側で調整されても、段階的に変えられてもよい。「Ｃｕ中のＮｂの局所面積比（ＬＡＲ）」は、サブエレメントを通して単一の全く変化しない値でない場合がある。ＬＡＲは、最終生成物中で異なる効果を提供するように、ビレット内部で調整されても、段階的に変えられてもよい。ＬＡＲは、中央においてまたは中央の近傍ではより高いＬＡＲを提供しかつ外縁の近傍、隔壁の近傍または隔壁の最も近くではより低いＬＡＲを提供するように調整されても、段階的に変えられてもよい。これが、小さなサブエレメントの寸法において電流の改善をもたらす場合がある。銅環形に最も近い、中央または中央の近傍におけるＬＡＲを変えることは、その後のブロンズ形成および調節膜として作用するＮｂ−Ｃｕ−Ｓｎ三成分相の形成の動態を変化させることがある。ＬＡＲを変えることはまた、サブエレメントを通り抜けるＳｎ拡散のための迂回路を生成し得る。これは、コイルの加熱処理の均一性を達成するための必要条件によって指定される最小反応時間に起因して、より小さなサイズでの反応の遅延および残留抵抗比（ＲＲＲ）の維持をもたらすことがある。

第２に、少なくともある特定の百分率の、より小さな寸法を有する（すなわち、より多数の列を有し、より微細な）Ｎｂフィラメントを提供することは、結果として生じるマルチフィラメントＮｂ_３Ｓｎ超伝導性ワイヤにおいて改善された電流をもたらし得る。例えば、少なくとも２５％、３３％、５０％、６７％、７５％、８０％または９０％などの、約１．０μｍまたは１．５μｍまたは２．０μｍまたは２．５μｍまたは３．０μｍまたは４．０μｍまたは５．０μｍ未満の直径を有するＮｂフィラメントを提供することが、特に有利であり得る。

第３に、銅含有マトリックスは、明細書に記載されている方法において使用することができる一方で、該マトリックスは、低スズブロンズ（Ｃｕ０．１〜２．５重量％Ｓｎ、またはＣｕ０．２〜１．５重量％Ｓｎ、またはＣｕ０．５〜１．０重量％Ｓｎ、またはＣｕ０．７重量％Ｓｎ）であってもよい。このようなマトリックスは、他の有益な効果のなかでも、反応の速度を効率的に向上させる、反応の優れた動力学を提供することができる。
定義

本明細書の目的上、以下の用語は、以下に示されている意味を有するものとする。

「臨界電流密度」とは、指定温度および磁場における、測定された最大超伝導電流をワイヤの全径で除したものを意味する。これは、超伝導体にとっての長所の重要な数値である。

「非銅臨界電流密度」とは、銅により安定化されている領域を予め考慮して、指定される温度および磁場における、測定された最大超伝導電流をワイヤの全径で除したものを意味する。ほとんどのＮｂ_３Ｓｎストランドが、非超伝導銅スタビライザ領域と統合されているので、この値は、比較のために、銅スタビライザの面積比率を排除し、その結果、超伝導パッケージ領域の特性を、異なる銅スタビライザ比率の伝導体間で比較することができる。

「層臨界電流密度」とは、拡散隔壁の外側の安定化銅と、拡散隔壁の内側の未反応残留ブロンズ相（下記を参照されたい）および空虚な空間との両方を予め考慮して、指定される温度および磁場における、測定された最大超伝導電流をワイヤの全径で除したものを意味する。この値は、拡散隔壁の外側の安定化銅（以下を参照されたい）と、拡散隔壁の内側の未反応残留ブロンズ相（以下を参照されたい）および空虚な空間との両方を排除する。これは、反応後のＮｂ_３Ｓｎ量だけを断面積として残す。Ｎｂ_３Ｓｎ相の品質が劣っている場合、同量の高品質Ｎｂ_３Ｓｎよりも低い臨界電流密度を有する。本明細書に記載されている方法は、層臨界電流密度がＮｂ_３Ｓｎワイヤにおいて以前に達成されたものよりも高いことが一部の理由になって、全体的に高い臨界電流密度を生じる。

「サブエレメント」とは、最終再スタックを形成するために一緒にグループ化されているエレメントを意味する。「分布隔壁」設計において、銅により包み込まれているＮｂのロッドおよびスズ源は、銅管における再スタック前に、Ｎｂの拡散隔壁において組み立てられる。最終再スタックを形成するために一緒にグループ化されたエレメントを、サブエレメントと呼ぶ。これは、最終ワイヤへと延伸される再スタックである。サブエレメントは、最終ワイヤの重要な構成ブロックである。この外側のＣｕ管は、理想的には、反応シークエンス中、不活性であるので、すべての重要な活性（拡散および反応）は、サブエレメントの内側で起こる。本明細書に記載されている方法の重要な特徴は、サブエレメント内部の金属領域およびサイズ比である。

「局所面積比」またはＬＡＲとは、サブエレメントのフィラメントパック領域の局所領域内における、Ｃｕ対Ｎｂの面積比または体積比を意味する。図１は、図３で、サブエレメント２２の「フィラメントパック領域」１５を画定している多数のモノフィラメントロッド１０の拡大した「局所領域」を示している。各モノフィラメントロッド１０は、Ｎｂ１１およびＣｕ１２から構成される。ＬＡＲは、サブエレメントのフィラメントパック領域の局所領域内における、Ｃｕ対Ｎｂの面積比または体積比である。これは、Ｎｂフィラメントがどれくらいの近さの間隔で配置されているかと、（反応段階でのＳｎ拡散に必要な）Ｃｕチャネルの幅の両方を表す。サブエレメントの体積の多くは、Ｎｂフィラメントパック領域によって占有されるので、ＬＡＲの値は、伝導体内のＮｂの全体的な比率に強く影響を及ぼす。ＬＡＲ＝Ｃｕ面積％／Ｎｂ面積％であり、Ｃｕ面積％＋Ｎｂ面積％＝１であり、拡散隔壁内部のＳｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）。

内部スズワイヤは、Ｎｂと反応するために、Ｃｕを通り抜けるＳｎ拡散を必要とする。それをするときに、種々のブロンズ相が形成され、各々がＳｎおよびＣｕの特定の比を有する。しかし、Ｓｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）とは、これが、存在している真のブロンズ相を表さない場合でさえも、サブエレメントの拡散隔壁内部の、Ｓｎ対Ｓｎ＋Ｃｕの全体的な重量比となる値を指す。この値は、サブエレメント内部のＮｂとの反応に、全体でどれくらいの量のＳｎが利用可能であるかを例示するために、代わりに使用される。

「Ｃｕ中のＮｂの局所面積比（ＬＡＲ）」は、サブエレメントを通して単一の静的な値にはなり得ない。ＬＡＲは、最終生成物中で異なる効果を提供するように、ビレット内部で調整されても、段階的に変えられてもよい。ＬＡＲは、中央においてまたは中央の近傍ではより高いＬＡＲを提供しかつ外縁の近傍、隔壁の近傍または隔壁の最も近くではより低いＬＡＲを提供するように調整されても、段階的に変えられてもよい。これにより、小さなサブエレメントの寸法において、電流の改善をもたらすことができる。中央または中央の近傍におけるＬＡＲを変えることは、ブロンズ形成および調節膜として作用する三成分相の形成の動態を変化させることがある。ＬＡＲを変えることはまた、サブエレメントを通り抜けるＳｎ拡散のための迂回路を生成し得る。これは、より小さなサイズでの反応の遅延および残留抵抗比（ＲＲＲ）の維持をもたらすことがある。

図８は、図１と同様に、図３でサブエレメント２２の「フィラメントパック領域」１５を画定している多数のモノフィラメントロッド１０の拡大した「局所領域」を示している。各モノフィラメントロッド１０は、Ｎｂ１１およびＣｕ１２から構成される。ＬＡＲは、サブエレメントのフィラメントパック領域の局所領域内における、Ｃｕ対Ｎｂの面積比または体積比である。これは、Ｎｂフィラメントはどれくらいの近さの間隔で配置されているかと、（反応段階でのＳｎ拡散に必要な）Ｃｕチャネルの幅の両方を表す。サブエレメントの体積の多くは、Ｎｂフィラメントパック領域によって占有されるので、ＬＡＲの値は、伝導体内のＮｂの全体的な比率に強く影響を及ぼす。ＬＡＲ＝Ｃｕ面積％／Ｎｂ面積％であり、Ｃｕ面積％＋Ｎｂ面積％＝１であり、拡散隔壁内部のＳｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）。図８は、外縁（１１ａ）の近傍のＬＡＲがより小さいＮｂ、外縁（１１ｂ）から離れて中央の方向に向かう標準的ＬＡＲのＮｂ、および中央（１１ｃ）により近いＬＡＲがより高いＮｂから構成される、マイクロフィラメントロッド１０を示している。Ｔｉドーパントロッド（１３）およびＣｕ六角形ロッド（１４）も示されている。これは、ＬＡＲは、中央においてまたは中央の近傍ではより高いＬＡＲを提供しかつ外縁の近傍、隔壁の近傍または隔壁の最も近くではより低いＬＡＲを提供するように調整されても、段階的に変えられてもよいことを図式的に実証している。

「原子Ｎｂ：Ｓｎ」とは、Ｎｂ対Ｓｎの原子比を意味する。これは、理想的には、化学量論のＮｂ_３Ｓｎを形成するように３：１である。加熱処理シークエンス後にも余分な未反応Ｎｂ隔壁を残すべきである場合には、この値は、３：１よりも大きくなくてはならない。未反応Ｎｂ隔壁の層は、多くの場合、拡散隔壁の外側のマトリックスＣｕ内にＳｎが拡散してワイヤ残留抵抗比（ＲＲＲ）および安定性を低下させるのを防止することが所望される。この値が３：１よりかなり大きい場合、サブエレメント内に、Ｎｂ_３Ｓｎを形成するのに必要な分よりもかなり多くのＮｂが存在し、ＲＲＲは高いが、サブエレメント内部に無駄な空間が存在し、非Ｃｕ臨界電流密度を低下させる。

本明細書に記載されている方法では、Ｎｂ_３Ｓｎワイヤ設計パラメータの選択は、高いＪ_ｃをもたらす要因の理解を含んでいる。この設計は、最終ワイヤにおいて高いＮｂ_３Ｓｎ比率を達成するために必要な高いＮｂおよびＳｎ比率を、小さいＣｕ比率と組み合わせるが、それは、以下に列挙した９つの目的を満足するのにやはり好適である。この注意点は、Ｃｕは、Ｎｂの高品質Ｎｂ_３Ｓｎ微細構造への完全な変換をもたらす、適切な分布および／または合金形成元素を有さなければならないことを意味する。

本明細書に記載されている方法の目的上、Ｊ_ｃに影響を及ぼすワイヤ設計の重要な材料詳細は、以下を含む。
１．サブエレメントのＮｂ拡散隔壁を含むおよびＮｂ拡散隔壁内部のＮｂ面積比率、
２．サブエレメントのＮｂ拡散隔壁を含むおよびＮｂ拡散隔壁内部のＮｂ対Ｓｎ原子比、
３．サブエレメントのＮｂ隔壁エンベロープ内部の「非Ｃｕ比率」であるＳｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）内部のＳｎ対Ｃｕ面積比、
４．フィラメントパッケージ内のＣｕとＮｂの面積比（局所面積比）、
５．単一の拡散隔壁アプローチとは対照的な、分布隔壁（下記）アプローチ、
６．反応してＮｂ_３Ｓｎを形成することが可能な、Ｎｂ拡散隔壁、
７．Ｎｂ拡散隔壁厚さ対フィラメントの直径の比、したがって、フィラメントと外側拡散隔壁との間のＮｂ分布（比率）、
８．最終ワイヤにおけるＮｂフィラメントおよびＮｂ隔壁環の絶対サイズ、ならびに
９．フィラメントをＮｂ_３Ｓｎに完全に変換しながら加熱処理している間の、Ｓｎが豊富な環境でのＮｂフィラメントの溶解、および過剰なＮｂ_３Ｓｎ粒子の成長の最小化。

サブエレメントのＮｂ拡散隔壁を含むおよびＮｂ拡散隔壁内部のＮｂ面積比率に関しては、Ｎｂ面積比率は、サブエレメント内の非銅領域内（すなわち、Ｎｂ拡散隔壁の内側およびＮｂ拡散隔壁を含む）で最大化されなければならないが、非銅領域内に同時に必要となるＣｕおよびＳｎの量によって制限される。Ｎｂ比率は、拡散隔壁および封入Ｎｂフィラメントパック領域に由来する。個々のＮｂフィラメントは、Ｎｂを、ある形態のＣｕクラッディングと組み合わせることによって生成される。多くの場合、これは、Ｃｕジャケット中のＮｂインゴットの押出成形によるものであり、製作の容易さのため、ワイヤの延伸によって縮小されて六角形の断面が形成される。しかし、それは、丸いロッドにＣｕ箔をラップし、一パックの丸いモノフィラメントを組み立てることによって形成することができる。組み立ての詳細は重大でない。しかし、拡散隔壁を含むおよび拡散隔壁内部のＮｂ面積比率が、指定面積の５０〜６５％となることが重大である。

サブエレメントのＮｂ拡散隔壁を含むおよびＮｂ拡散隔壁内部のＮｂ対Ｓｎ原子比に関しては、サブエレメント内部の理想的なＮｂ対Ｓｎ原子比は、Ｎｂ_３Ｓｎの原子比である３：１に近いべきである。しかし、隔壁管の厚さの自然に生じるばらつきに起因して、Ｎｂ_３Ｓｎへの完全な変換が安定化マトリックスへのスズ拡散をもたらすので、実際的な考慮すべき点はこの比に影響を及ぼす。この漏れは、ひいては、ワイヤのＲＲＲおよび安定性を低下させ、試料をクエンチすることなく理論上の臨界電流を達成することを困難にする。したがって、実際には、この最小比は、約３．３：１であるが、未反応Ｎｂからなる非活用ワイヤ断面を最小にするために、約３．７：１未満である。３：１よりも低い値は、他の重要なパラメータが適当であるならば、少なくとも２０００Ａ／ｍｍ^２（４．２Ｋ、１２Ｔ）のＪ_ｃを妨げないが、ＲＲＲを大幅に低下させて、それを非実用的な伝導体にする。このパラメータの理解および制御は、本明細書に記載されている方法に重要である。

サブエレメントのＮｂ隔壁エンベロープ内部の「非Ｃｕ比率」であるＳｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）内部のＳｎ対Ｃｕ面積比に関しては、拡散隔壁内部のＳｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）は重大なパラメータである。約４５％を超えかつ最大約６５％までの値が必要とされるが、好ましくは、Ｓｎが速やかにＮｂ合金と反応して、非常に高品質のＮｂ_３Ｓｎ相を形成するために５０％〜６０％の値が必要とされる。非銅Ｊ_ｃに関しては、内部スズワイヤ中の拡散隔壁内部のＳｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）の効果を図４に例示している。このプロットは、ＴａまたはＴｉをドープしたＮｂ_３Ｓｎの変形体に関するものであるが、類似しているが相対的に低いＪ_ｃの関係は、未ドープのＮｂ_３Ｓｎに関連している。拡散隔壁内部のＳｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）の高い値は、最重要であるが、他の列挙されている基準も観察されない場合、高電流密度を保証することはできない。過去において、従来技術である「チューブ法」のＮｂ_３Ｓｎにおいて、拡散隔壁内部に、高い値のＳｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）が存在していたが、結果は不良であった。

フィラメントパッケージにおけるＣｕとＮｂの面積比（局所面積比）に関しては、局所面積比（ＬＡＲ）は小さくなければならず、好ましくは、０．１０〜０．３０の範囲内になければならない。ＬＡＲの最小化は、項目１、サブエレメント内に配置され得るＮｂの量を高めるのに重大である。しかし、Ｃｕはスズに対する拡散ネットワークとして作用することが必要とされているので、ＬＡＲはゼロよりも大きくなくてはならない。「チューブ法」内部スズ内に銅拡散ネットワークが欠如していることが、この方法が、拡散隔壁内部のＳｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）が高いにもかかわらず、高いＪ_ｃをもたらすことができなかった理由である。

分布隔壁アプローチに関しては、単一拡散隔壁アプローチとは対照的に、Ｎｂの分布隔壁が使用される。用語「分布隔壁」とは、ＩＴＥＲ融合トカマクプロジェクトに対して提案された内部スズ設計などの多数の内部スズワイヤにおいて見られるような、サブエレメントをそっくり一纏めにしたものの周囲の拡散隔壁とは対照的に、各サブエレメントがそれ自体の拡散隔壁を有するストランド設計を指す。分布隔壁法である「修正ジェリーロール」による商業規模の量で作製される従来技術の内部スズワイヤの１つは、米国特許第４，２６２，４１２号および同第４，４１４，４２８号に記載されている（これらの開示は参照により本明細書に組み込まれている）。分布隔壁アプローチは、サブエレメント内部の相対的に低いＣｕ比率を許容する。単一隔壁アプローチでは、実用的な取り扱いへの懸念に起因して有意の量の銅は、隔壁内に再スタックされ得る前にサブエレメントの外側に残らなければならないので、上記の特徴は拡散隔壁内部のＳｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）を高める。このことは、ひいては、Ｓｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）を弱める。本明細書に記載されている方法では、分布隔壁はまた、すべてのサブエレメント間に、高伝導性の銅の連続ウェブを提供し、電気的な安定性を高める。単一の隔壁構造物は、とりわけより高いＪ_ｃレベルでは、電流容量に関して電気的に準安定または不安定である。分布隔壁ワイヤの例示が図２に示されており、ここでは、７つのサブエレメント２２（各々がそれ自体の隔壁３１を有する）が、断面全体にわたって分布している。

反応してＮｂ_３Ｓｎを形成することができるＮｂ拡散隔壁に関しては、反応可能なＮｂ環は、拡散隔壁として使用される。この特徴は、ワイヤの非銅部分におけるＮｂ含有量を最大化するのに重要である。多数の内部スズワイヤ設計は、不活性なＴａ拡散隔壁を特徴とするが、これは、サブエレメントの断面内の価値ある空間を使用する。Ｎｂを使用すると、この空間は、有用な超伝導体に変換することができる。しかし、Ｎｂは、そのすべてが反応しないよう十分に厚くなければならず、こうして、スズが、銅スタビライザマトリックス内に拡散することを防止する。この適切なバランスを達成することが、本明細書に記載されている方法の有益な点の１つである。

Ｎｂ拡散隔壁の厚さ対フィラメントの直径の比、したがって、フィラメントと外側の拡散隔壁との間のＮｂ分布（比率）に関しては、Ｎｂ拡散隔壁の厚さは、加熱処理中のある段階において、フィラメントが完全に反応するが、依然として隔壁は部分的にしか反応しないことを確実とするのに十分でなければならない。したがって、所望の隔壁の比率を制御可能に反応させるために、加熱処理において追加の時間が使用される。しかし、それは厚過ぎるべきではない。そうでない場合、非銅領域は、過度に大きな比率で未反応Ｎｂを有することになり、非銅Ｊ_ｃを低下させる。好ましくは、隔壁厚さ対フィラメント半径は、１：１〜６：１の間である。隔壁厚さとフィラメント間の関係はまた、サブエレメントの非銅部分の隔壁比率に影響する。

最終ワイヤにおけるＮｂフィラメントとＮｂ隔壁環の絶対サイズに関しては、フィラメントおよび隔壁の絶対サイズは、実際的な加熱処理時間内にＮｂが完全に反応するかどうかの判定において重大である。通常、内部スズ加熱処理については、より長いかつ／またはより高い温度での加熱処理は、より大きいＮｂ_３Ｓｎ粒子サイズをもたらし、中程度の磁場、すなわち１２〜１６テスラでの層臨界電流密度の低下をもたらす。したがって、Ｎｂフィラメントがより小さいと、完全に反応したフィラメント全体にわたり粒子サイズを最小にするが、隔壁を完全にではなく、代わりに約５０〜９０％反応させるように加熱処理を選択することが可能になる。通常、このＮｂフィラメント直径は、少なくとも０．５μｍでなければならないが、完成ワイヤの状態では、７μｍ以下でなければならず、好ましくは１μｍ〜５μｍでなければならない。

一般に、少なくともある特定の百分率の、より小さな寸法（すなわち、より多数の列でより微細である）を有するＮｂフィラメントを提供することにより、結果として得られるマルチフィラメントＮｂ_３Ｓｎ超伝導性ワイヤにおいて改善された電流を提供することができる。例えば、約１．０μｍまたは１．５μｍまたは２．０μｍまたは２．５μｍまたは３．０μｍまたは４．０μｍまたは５．０μｍ未満の直径を有するＮｂフィラメントの少なくとも２５％、３３％、５０％、６７％、７５％、８０％または９０％などを提供することが、特に有利であり得る。

フィラメントをＮｂ_３Ｓｎに完全に変換する一方で、加熱処理中にＳｎが豊富な環境でのＮｂフィラメントの溶解および過剰なＮｂ_３Ｓｎ粒子の成長を最小化することに関しては、適切な加熱処理の選択は、高いＪ_ｃ伝導体を製造するのに必要な最終ステップである。すべての適切な設計パラメータを選択するが、最適なＪ_ｃ値より低い値に至るように加熱処理によりワイヤを過度にまたは弱く反応させることが可能である。フィラメントのすべて、および拡散隔壁のすべてではないが大部分を反応させるように、加熱処理を選択しなければならない。これは、固定したワイヤの設計に対する最適加熱処理が、サブエレメントサイズ、したがってワイヤ直径によって変わるので、経験的に決定しなければならない。ワイヤ直径に実質的に無関係に、最初の２つのシークエンスは、通常、２１０℃で約４８時間および４００℃で約４８時間である。これら２つのステップは、ブロンズ相を形成し、銅マトリックスを通り抜けるスズ拡散を開始するために必要である。これらのステップを省略した場合、ワイヤはスズ破裂を受け、これらのステップが長過ぎる場合、スズが豊富なブロンズ相は、内側フィラメント環内のＮｂを溶解して、反応に利用可能なＮｂを減少させ得る。完成ワイヤにおいて、約１００μｍよりも大きなサブエレメントの場合、約４８時間の５７０℃シークエンスが、スズ拡散の一助となるのに役に立つ。Ｎｂ_３Ｓｎ形成ステップは、６２５℃〜７２５℃の間が最適であり、その長さは、サブエレメントのサイズに応じて、１０時間から２００時間超までの程度である。ワイヤ設計毎に最適加熱処理を確立するために、加熱処理検討が必要である。

Ｎｂの合金（例えば、Ｎｂ−Ｔａ、Ｎｂ−Ｔｉ、Ｎｂ−Ｔａ−Ｔｉ）、および／またはＳｎの合金（例えば、Ｓｎ−Ｔｉ、Ｓｎ−Ｃｕ）は、最高のＪ_ｃストランドを製造するために、通常、必要であることが文献において周知である。ＮｂおよびＳｎの合金の選択も、重要な設計パラメータであり、例えばＴａおよび／またはＴｉによりいくらかドープすることは、最良の特性を達成するために有用である。さらに、ＴａをドープしたＮｂ_３Ｓｎは、最終加熱処理プラトーがおよそ６３０℃である場合、最終加熱処理プラトーにおいて、ＴｉをドープしたＮｂ_３Ｓｎよりもゆっくりと反応するという事実を使用して、Ｎｂ７．５重量％Ｔａ合金のサブエレメント拡散隔壁を作製し、フィラメントにＮｂ４７重量％Ｔｉロッドをドープすることによって、より効果的な拡散隔壁を生成することができる。したがって、２０〜７０ミクロンの範囲のサブエレメントの場合、およそ６３０℃の比較的長い加熱処理は、最大のＪ_ｃおよびＲＲＲを有する伝導体をもたらす。

本明細書に記載されている方法によると、複数の要素で構成されたワイヤ構造物に後で組み込まれるサブエレメントにおいて、所望の特性を生じさせるときに以下のパラメータが役に立つ：拡散隔壁内部のＳｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）は、少なくとも４５％、好ましくは５０〜５５％である；原子Ｎｂ：Ｓｎは、２．７に等しいまたはそれより大きいが、３．７以下、好ましくは約３．４５である；ＬＡＲは０．５〜０．１である；分布隔壁設計が使用される；Ｎｂ_３Ｓｎに反応可能な隔壁（すなわち、Ｎｂ）が設けられる；図１からのＮｂフィラメント１１の半径より厚い隔壁が設けられる；および、フィラメントの直径が反応段階では、およそ３ミクロンとなるように再スタックおよびワイヤ縮小が行われる。最終の加熱処理されたストランドが、２０００Ａ／ｍｍ^２またはそれよりも大きな電流密度を示すのを確実とするために、これらのパラメータがすべて必要である。

図２は、加熱処理後にマルチフィラメント状超伝導体を含む、ワイヤ２０の模式的な断面図である。ワイヤ２０は、縮尺通りに示されていないが、銅マトリックス２４内に詰め込まれた複数のサブエレメント２２を実質的に含む。この概略図における再スタック状態のサブエレメント２２の形状は六角形であるが、図３では円形である。このような形状は、超伝導性ワイヤの組み立ての一助となるよう一般に使用され、成形金属加工用ダイを使用するワイヤの延伸によって達成される。さらに、サブエレメント２２は、再スタックに都合のよい任意の形状であり得、この再スタック形状は、高い臨界電流密度を達成するために重大でない。図２中のサブエレメント六角形ロッドの数は７であるが、これは、１から１００超まで変わってよい。ワイヤ２０は、当分野において公知のその最終形態にあり、先行するサブアセンブリ自体は、銅により包み込まれているＮｂロッドとの一連の再スタックを受け、次に、サブアセンブリ２２を、図１および図２に示す配置に縮小させるために、延伸を含めた機械作業を受ける。サブエレメント２２の外側のＣｕ２４は、通常、最終ワイヤ面積の２０％〜６０％であるが、多少なりともその用途に依存する可能性がある。この値は、サブエレメントの臨界電流密度に影響を及ぼすことはなく、ワイヤの総超伝導電流にしか影響を及ぼさない。

個々のサブエレメント２２が、図３において拡大した断面で最も良好に見られる。サブエレメントは、一般に、銅ジャケット３４内で製造される。サブエレメントの重要な金属比の決定については、Ｎｂ隔壁３１を含むおよびＮｂ隔壁３１内部の金属比しか考慮しない。これは、サブエレメントの非Ｃｕ部分である。サブエレメント２２は、ＳｎまたはＳｎ合金中央３２を含む。この合金は、ほとんど全部がＳｎである。それは、通常、１重量％未満のＣｕを含むが、他のＳｎ合金が可能である。Ｓｎ合金中央３２は、サブエレメントの非銅面積の約２３％〜２７％を構成する。各サブエレメント２２は、銅１２の周囲層に包まれた複数のＮｂフィラメント１１を含む。銅３５はまた、Ｓｎをベースとする中央３２も取り囲む。局所面積比（ＬＡＲ）は、Ｎｂフィラメントロッド領域１５内の、介在銅１２とフィラメント１１との比である。Ｎｂ隔壁３１はまた、各サブエレメント２２中にも存在する。Ｎｂ隔壁３１は、サブエレメント２２間の、銅添加安定化領域３４内へのＳｎの実質的な拡散を防止し、臨界電流密度に寄与するＮｂ_３Ｓｎに部分的に反応する。拡散隔壁３１内部の全ての銅の合計面積は、サブエレメント面積の約１５％〜２５％を構成する。

ワイヤ２０の加熱処理の最初の２１０℃の段階の間に、Ｓｎは銅マトリックス内へ拡散し（例えば３５から始まる）、高いＳｎ％ブロンズ相を形成する。４００℃の加熱処理段階の間に、Ｓｎは、３５から介在銅１２へさらに拡散する。これらの予備反応シークエンスなしに、ワイヤをＮｂ_３Ｓｎ反応段階まで直接的に加熱した場合、スズの固体から液体への急速な変換により、急速で特異な膨張、およびサブエレメント全体にスズ破裂が生じ得る。本明細書に記載されている方法の有益な点の１つは、高いＮｂおよびＳｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）のサブエレメントは、加熱処理によって、首尾よく変換されて、大きな体積比率の高品質Ｎｂ_３Ｓｎを形成することができることである。反応可能な拡散隔壁とＮｂフィラメントを含む銅ウェブ内との両方に一部のＮｂを割り当てることは、ワイヤが加熱処理中にサブエレメントからのＳｎ破裂を経験することなしに、高いＪ_ｃを可能にするワイヤを達成するために最も重要である。したがって、本明細書に記載されている方法は、高いＳｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）ワイヤがスズ破裂を経験する「チューブ法」の欠点を取り除く。

１００μｍよりも大きなサブエレメントの場合、スズ源から最も遠いフィラメントへのスズ拡散の一助とするために、約４８時間の５７０℃シークエンスを追加することができる。６２５℃〜７２５℃の加熱処理段階の間、Ｃｕ−Ｓｎ相は、Ｎｂフィラメント１１と急速に反応する。Ｎｂ隔壁３１もまた、６２５℃〜７２５℃の段階の間に反応して、非銅臨界電流密度に寄与する。隔壁反応の程度は、最終加熱処理段階の温度および長さによって制御される。反応時間が増加すると、結局、ＲＲＲが減少するので、臨界電流密度とＲＲＲとの間でのトレードオフ（trade off）は、最終使用者次第である。Ｎｂフィラメント１１および隔壁３１は、サブエレメント面積の約５５％〜６０％を構成する。

表１は、本発明のワイヤを生成するために必要な、重要なパラメータを要約している。

本発明は、以下の実施例によってさらに例示されるが、それは、本発明の例示と見なされるべきであり、本発明を限定するものではない。

（実施例１）
本明細書に記載されている方法の開発および改良において、上記の原理を例示する数本の異なるワイヤを調製した。フィラメントおよび拡散隔壁に使用したＮｂ合金は、Ｎｂ７．５重量％Ｔａであり、使用したＳｎ合金は、Ｓｎ０．７重量％Ｃｕであった。ワイヤのバルクを、０．７ｍｍまたは０．８ｍｍの直径に製作したが、３５μｍ〜１９５μｍのサブエレメントサイズの範囲、および０．９μｍ〜５μｍのフィラメントサイズの範囲に対応する、０．４ｍｍ〜１．６ｍｍの直径の、より短い長さのものを作製した。最終的な小片の長さは、修正ジェリーロール法によって作製した内部スズワイヤと同程度にまたはそれより良好であり、０．７ｍｍおよび０．８ｍｍの直径のワイヤでは、＞１ｋｍの小片の長さは決まった手順で達成可能であり、ワイヤの特性の改善は、製造性を犠牲にして成り立っているものでないことを実証している。ワイヤはすべて、表１に列挙されている好ましいパラメータに適合した。図５におけるプロットは、４．２Ｋで、１２テスラ〜１６テスラの適用磁場範囲で測定した、最適ワイヤの臨界電流密度の挙動を示している。４．２Ｋ、１２Ｔでの、このワイヤのＪ_ｃ値の約５０％の改善は、磁場の幅広い範囲にわたるものであることに留意されたい。図６に示されている、４．２Ｋおよび１．８Ｋ、２０Ｔ〜２５ＴにおけるＪ_ｃおよびＪ_Ｅ（工学的臨界電流密度、すなわち断面積が銅スタビライザを含む）のプロットは、製造するのが困難なＮｂ_３Ａｌまたは高温超伝導体の使用によってしか達成可能ではないとこれまで考えられていた、２３Ｔを超えるマグネットに対する試料ワイヤの有用性を示している。事前加熱処理およびその後の事後加熱処理の場合の、典型的な試料ワイヤの断面の顕微鏡写真が図７に示されている。これらは、本発明によって３０００Ａ／ｍｍ^２級の材料を製造するための重要な構成成分が十分に理解され、再現可能であり、かつ制御可能であることを実証している。

本発明は、その具体的な実施形態に関して記載されているが、本開示に鑑みて、本発明について多数の変形例が当業者にとっていまや実施可能であり、それら変形例は、本発明の教示の範囲内に依然として存在することが理解される。したがって、本発明は、幅広く解釈されるべきであり、本明細書にここで添付されている特許請求の範囲および趣旨によってしか限定されない。

Claims (19)

1. マルチフィラメントＮｂ_３Ｓｎ超伝導性ワイヤを製造する方法であって、
   ａ） マトリックス内部にＣｕにより包み込まれているＮｂロッドの複数を詰め込んで、これにより前記超伝導性ワイヤ用の詰め込まれたサブエレメントを形成するステップであって、前記マトリックスが、Ｎｂ拡散隔壁と、前記Ｎｂ拡散隔壁の他方側のジャケットとによって取り囲まれており、前記マトリックスがＣｕ０．１〜２．５重量％Ｓｎの重量比を有する低Ｓｎブロンズを含む、ステップ、
   ｂ） 前記サブエレメント内部にＳｎの源を提供するステップ、
   ｃ） 前記サブエレメントを組み立てるステップであって、Ｎｂ、ＣｕおよびＳｎの相対サイズおよび比が、
   ｃ１） 前記Ｎｂ拡散隔壁を含むおよび前記Ｎｂ拡散隔壁内部の前記サブエレメントのＮｂ比率が、５０〜６５面積％である、
   ｃ２） 前記サブエレメントの前記Ｎｂ拡散隔壁を含むおよび前記Ｎｂ拡散隔壁内部の前記Ｎｂ対Ｓｎの原子比が、２．７〜３．７の間である、
   ｃ３） 前記サブエレメントの前記Ｎｂ拡散隔壁内部のＳｎ対Ｃｕの比が、Ｓｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）が４５％〜６５％となるような比である、
   ｃ４） 前記Ｃｕにより包み込まれているＮｂロッドのＣｕ対Ｎｂの局所面積比が、０．１０〜０．５０である、
   ｃ５） 前記Ｎｂ拡散隔壁が、加熱処理によって、完全にまたは一部がＮｂ_３Ｓｎに変換される、ならびに
   ｃ６） 前記Ｎｂ拡散隔壁の厚さが、前記Ｃｕにより包み込まれているＮｂロッドのＮｂ部分の半径より大きい
   ように選択されるステップ、
   ｄ）
   ｄ１） 前記マルチフィラメントＮｂ_３Ｓｎ超伝導性ワイヤが、Ｎｂ拡散隔壁をそれぞれが有する複数の前記サブエレメントから構成され、これによって、分布隔壁設計を有するワイヤを形成する、
   ｄ２） 最終ワイヤ中の前記Ｃｕにより包み込まれているＮｂロッドの前記Ｎｂ部分が、反応前に直径が０．５〜７μｍの間のものである、および
   ｄ３） 加熱処理によってＮｂ_３Ｓｎに完全にまたは一部が変換される前記Ｎｂ拡散隔壁が、反応前に厚さが０．８〜１１μｍのものである
   ように、さらなるマトリックス中で前記サブエレメントを組み立てて、集合体をワイヤ形態に縮小するステップ、ならびに
   ｅ） ステップｄ）からの最終サイズのワイヤを加熱処理して、Ｎｂ_３Ｓｎ超伝導相を形成するステップ
   を含む、方法。
2. 加熱処理後に（Ｎｂ，Ｔａ）_３Ｓｎ、（Ｎｂ，Ｔｉ）_３Ｓｎまたは（Ｎｂ，Ｔｉ，Ｔａ）_３Ｓｎを形成するようにＴａもしくはＴｉまたはそれらの両方の源を前記サブエレメントに提供するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記サブエレメントのＮｂ比率が、５５面積％〜６０面積％である、請求項１に記載の方法。
4. 前記サブエレメントの全Ｎｂ含有量のＮｂ隔壁比率が、２０面積％〜５０面積％の間である、請求項１に記載の方法。
5. 前記サブエレメント中の前記Ｎｂ対Ｓｎの原子比が、３．１〜３．６の間である、請求項１に記載の方法。
6. 前記サブエレメント中の前記Ｓｎ対Ｃｕの比が、前記Ｎｂ拡散隔壁内部の前記Ｓｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）が、５０〜６０％となるような比である、請求項１に記載の方法。
7. 前記Ｃｕにより包み込まれているＮｂロッドの前記Ｃｕ対Ｎｂの局所面積比が、０．１５〜０．４５である、請求項１に記載の方法。
8. 前記最終ワイヤ中の前記Ｃｕにより包み込まれているＮｂロッドの前記Ｎｂ部分が、反応前に１〜５μｍである、請求項１に記載の方法。
9. 加熱処理によってＮｂ_３Ｓｎに完全にまたは一部が変換される前記Ｎｂ拡散隔壁が、反応前に１．５〜８μｍの厚さである、請求項１に記載の方法。
10. １８０℃〜２２０℃で２４〜１００時間、次いで３４０℃〜４１０℃で２４〜５０時間の予備反応段階、次いで、６２５℃〜７２５℃で１２〜２００時間のＮｂ_３Ｓｎ形成段階による、前記Ｎｂの溶解を最小限にする加熱処理プロセスによって、前記Ｓｎが前記Ｎｂロッド中に拡散される、請求項１に記載の方法。
11. 前記Ｎｂ_３Ｓｎ反応段階の前の、前記加熱処理シークエンスに、５６０℃〜５８０℃で２４〜２００時間の第４の段階が追加される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記Ｃｕにより包み込まれているＮｂロッドが、前記サブエレメントを詰め込むときに使用するための六角形の断面のロッドへと形成される、請求項１に記載の方法。
13. 前記マトリックスがＣｕを含有する、請求項１に記載の方法。
14. 前記最終ワイヤ中の前記Ｃｕにより包み込まれているＮｂロッドの前記Ｎｂ部分の少なくとも５０％が、２．５μｍ未満の直径を有する、請求項１に記載の方法。
15. 前記Ｃｕ中のＮｂの局所面積比（ＬＡＲ）が、中央においてまたは中央の近傍ではより高いＬＡＲを提供しかつ前記Ｎｂ拡散隔壁の最も近くではより低いＬＡＲを提供するように、調整されるまたは段階的に変えられる、請求項１に記載の方法。
16. マルチフィラメントＮｂ_３Ｓｎ超伝導性ワイヤを製造する方法であって、
    ａ） マトリックス内部にＣｕにより包み込まれているＮｂロッドの複数を詰め込んで、これにより前記超伝導性ワイヤ用の詰め込まれたサブエレメントを形成するステップであって、前記マトリックスが、Ｎｂ拡散隔壁と、前記Ｎｂ拡散隔壁の他方側のジャケットとによって取り囲まれており、前記サブエレメントは、前記Ｎｂ拡散隔壁に向かって半径方向に外側に減少するように段階的に変わるＣｕ中のＮｂの局所面積比（ＬＡＲ）を含む、ステップ、
    ｂ） 前記サブエレメント内部にＳｎの源を提供するステップ、
    ｃ） 前記サブエレメントを組み立てるステップであって、Ｎｂ、ＣｕおよびＳｎの相対サイズおよび比が、
    ｃ１） 前記Ｎｂ拡散隔壁を含むおよび前記Ｎｂ拡散隔壁内部の前記サブエレメントのＮｂ比率が、５０〜６５面積％である、
    ｃ２） 前記サブエレメントの前記Ｎｂ拡散隔壁を含むおよび前記Ｎｂ拡散隔壁内部の前記Ｎｂ対Ｓｎの原子比が、２．７〜３．７の間である、
    ｃ３） 前記サブエレメントの前記Ｎｂ拡散隔壁内部のＳｎ対Ｃｕの比が、Ｓｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）が４５％〜６５％となるような比である、
    ｃ４） 前記Ｃｕにより包み込まれているＮｂロッドのＣｕ対Ｎｂの局所面積比が、０．１０〜０．５０である、
    ｃ５） 前記Ｎｂ拡散隔壁が、加熱処理によって、完全にまたは一部がＮｂ_３Ｓｎに変換される、ならびに
    ｃ６） 前記Ｎｂ拡散隔壁の厚さが、前記Ｃｕにより包み込まれているＮｂロッドのＮｂ部分の半径より大きい
    ように選択されるステップ、
    ｄ）
    ｄ１） 前記マルチフィラメントＮｂ_３Ｓｎ超伝導性ワイヤが、Ｎｂ拡散隔壁をそれぞれが有する複数の前記サブエレメントから構成され、これによって、分布隔壁設計を有するワイヤを形成する、
    ｄ２） 最終ワイヤ中の前記Ｃｕにより包み込まれているＮｂロッドの前記Ｎｂ部分が、反応前に直径が０．５〜７μｍの間のものである、および
    ｄ３） 加熱処理によってＮｂ_３Ｓｎに完全にまたは一部が変換される前記Ｎｂ拡散隔壁が、反応前に厚さが０．８〜１１μｍのものである
    ように、さらなるマトリックス中で前記サブエレメントを組み立てて、集合体をワイヤ形態に縮小するステップ、ならびに
    ｅ） ステップｄ）からの最終サイズのワイヤを加熱処理して、Ｎｂ_３Ｓｎ超伝導相を形成するステップ
    を含む、方法。
17. 加熱処理後に（Ｎｂ，Ｔａ）_３Ｓｎ、（Ｎｂ，Ｔｉ）_３Ｓｎまたは（Ｎｂ，Ｔｉ，Ｔａ）_３Ｓｎを形成するようにＴａもしくはＴｉまたはそれらの両方の源を前記サブエレメントに提供するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記サブエレメントのＮｂ合金比率が、５５面積％〜６０面積％である、請求項１６に記載の方法。
19. 前記サブエレメント中の前記Ｓｎ対Ｃｕの比が、前記Ｎｂ拡散隔壁内部の前記Ｓｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）が、５０〜６０％となるような比である、請求項１６に記載の方法。

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