JP7004700B2 - 金属超電導ワイヤのための拡散障壁 - Google Patents
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Description
本願は、米国仮特許出願第62/383,676号(2016年9月6日出願)の利益およびそれに対する優先権を主張し、上記出願の全開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
種々の実施形態では、本発明は、低導電性相の防止のために拡散障壁を組み込む、超電導ワイヤの形成および処理に関する。
このCu安定剤は、それ自体が超電導性ではないが、Cuの高導電性は、ワイヤの満足のいく全体的電気性能を可能にすることができる。残念ながら、超電導フィラメントからの種々の元素(例えば、Sn)が、Cu安定剤の部分と反応し、ワイヤ全体の全体的導電性に悪影響を及ぼす低導電性相を形成し得る。拡散障壁が、超電導フィラメントからCu安定剤を遮蔽するために利用されているが、これらの障壁は、非一様な断面積を有する傾向があり、拡散障壁およびCu安定剤の共処理中の非一様な変形に起因して、局所的に破裂さえし得る。そのような拡散障壁は、単純に、より厚く作製され得るが、そのような解決策は、拡散障壁材料自体のより低い伝導性に起因して、ワイヤの全体的導電性に影響を及ぼす。例えば、新しい粒子加速器および衝突器等の最先端ならびに将来の用途に対して、磁石が、既存のワイヤ能力を超えて設計されており、そのようなワイヤは、15テスラにおいて2,000A/mm2を上回る非銅臨界電流密度を要求するであろう。拡散障壁が非銅断片の一部であるので、いかなる障壁材料の体積も最小化することが、重要である一方で、いかなる強度利益も、有利である。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
拡散抵抗および機械的強度を保有する超電導ワイヤであって、前記超電導ワイヤは、
Cuを備えている外側ワイヤマトリクスと、
0.2%~10%のWを含むTa合金を備えている拡散障壁であって、前記拡散障壁は、前記ワイヤマトリクス内に配置されている、拡散障壁と、
前記拡散障壁によって包囲され、前記拡散障壁によって前記外側ワイヤマトリクスから分離された複数の複合フィラメントと
を備え、
各複合フィラメントは、(i)複数のモノフィラメントと、(ii)前記複数のモノフィラメントを包囲するCuを備えているクラッディングとを備え、
各モノフィラメントは、Nbを備えているコアと、前記コアを包囲するCuを備えているクラッディングとを備え、
前記拡散障壁は、前記超電導ワイヤの断面積の3%~10%を占有し、
前記拡散障壁は、前記超電導ワイヤの軸方向寸法を通して延びている、
超電導ワイヤ。
(項目2)
各モノフィラメントの前記コアは、Ti、Zr、Hf、Ta、Y、またはLaのうちの少なくとも1つと混ぜて合金にされたNbを備えている、項目1に記載のワイヤ。
(項目3)
各モノフィラメントの前記コアは、Nb 3 Snを備えている、項目1に記載のワイヤ。
(項目4)
前記拡散障壁は、Ta-3Wを備えている、項目1に記載のワイヤ。
(項目5)
前記拡散障壁は、Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re、またはSiから成る群から選択される1つ以上の合金化元素をさらに含む、項目1に記載のワイヤ。
(項目6)
前記複合フィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、項目1に記載のワイヤ。
(項目7)
前記モノフィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、項目1に記載のワイヤ。
(項目8)
前記複数の複合フィラメント内に配置され、前記拡散障壁によって包囲された安定化要素をさらに備え、前記安定化要素は、0.2%~10%のWを含むTa合金を備えている、項目1に記載のワイヤ。
(項目9)
前記超電導ワイヤの降伏強度は、少なくとも100MPaである、項目1に記載のワイヤ。
(項目10)
拡散抵抗および機械的強度を保有する超電導ワイヤであって、前記超電導ワイヤは、
Cuを備えているワイヤマトリクスと、
前記ワイヤマトリクス内に埋め込まれた複数の複合フィラメントと
を備え、
各複合フィラメントは、(i)複数のモノフィラメントと、(ii)0.2%~10%のWを含むTa合金を備えている拡散障壁であって、前記拡散障壁は、前記複合フィラメントの軸方向寸法を通して延び、前記複数のモノフィラメントを包囲している、拡散障壁と、(iii)前記拡散障壁を包囲するCuを備えているクラッディングであって、前記拡散障壁は、前記複数のモノフィラメントから前記クラッディングを分離する、クラッディングとを備え、
前記拡散障壁は、前記超電導ワイヤの断面積の3%~10%を集合的に占有し、
各モノフィラメントは、Nbを備えているコアと、Cuを備えているクラッディングとを備え、前記クラッディングは、前記コアを包囲している、
超電導ワイヤ。
(項目11)
各モノフィラメントの前記コアは、Ti、Zr、Hf、Ta、Y、またはLaのうちの少なくとも1つと混ぜて合金にされたNbを備えている、項目10に記載のワイヤ。
(項目12)
各モノフィラメントの前記コアは、Nb 3 Snを備えている、項目10に記載のワイヤ。
(項目13)
前記拡散障壁は、Ta-3Wを備えている、項目10に記載のワイヤ。
(項目14)
前記拡散障壁は、Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re、またはSiから成る群から選択される1つ以上の合金化元素をさらに含む、項目10に記載のワイヤ。
(項目15)
前記超電導ワイヤの降伏強度は、少なくとも100MPaである、項目10に記載のワイヤ。
(項目16)
前記複合フィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、項目10に記載のワイヤ。
(項目17)
前記モノフィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、項目10に記載のワイヤ。
(項目18)
前記複数の複合フィラメント内に配置された安定化要素をさらに備え、前記安定化要素は、0.2%~10%のWを含むTa合金を備えている、項目10に記載のワイヤ。
(項目19)
拡散抵抗および機械的強度を保有する超電導ワイヤであって、前記超電導ワイヤは、
Cuを備えている内側ワイヤ安定化マトリクスと、
0.2%~10%のWを含むTa合金を備えている拡散障壁であって、前記拡散障壁は、前記ワイヤ安定化マトリクスの周囲に配置されている、拡散障壁と、
前記拡散障壁の周囲に配置され、前記拡散障壁によって前記ワイヤ安定化マトリクスから分離された複数の複合フィラメントと
を備え、
各複合フィラメントは、(i)複数のモノフィラメントと、(ii)前記複数のモノフィラメントを包囲するCuを備えているクラッディングとを備え、
各モノフィラメントは、Nbを備えているコアと、Cuを備えているクラッディングとを備え、前記クラッディングは、前記コアを包囲しており、
前記拡散障壁は、前記超電導ワイヤの断面積の3%~10%を占有し、
前記拡散障壁は、前記超電導ワイヤの軸方向寸法を通して延びている、
超電導ワイヤ。
(項目20)
各モノフィラメントの前記コアは、Ti、Zr、Hf、Ta、Y、またはLaのうちの少なくとも1つと混ぜて合金にされたNbを備えている、項目19に記載のワイヤ。
(項目21)
各モノフィラメントの前記コアは、Nb 3 Snを備えている、項目19に記載のワイヤ。
(項目22)
前記拡散障壁は、Ta-3Wを備えている、項目19に記載のワイヤ。
(項目23)
前記拡散障壁は、Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re、またはSiから成る群から選択される1つ以上の合金化元素をさらに含む、項目19に記載のワイヤ。
(項目24)
前記超電導ワイヤの降伏強度は、少なくとも100MPaである、項目19に記載のワイヤ。
(項目25)
前記複合フィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、項目19に記載のワイヤ。
(項目26)
前記モノフィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、項目19に記載のワイヤ。
本発明の実施形態による超電導ワイヤは、安定化要素も組み込み得、安定化要素は、ワイヤの引き伸ばし可能性および/または電気性能を損なわずに、さらなる機械的強度を提供する。図3A-3Cは、モノフィラメント100に関して上で詳述されるものに類似する方法を介した安定化要素300の製作を描写する。本発明の実施形態によると、ロッド305が、CuまたはCu合金を含むか、本質的にそれから成るか、もしくはそれから成る管310内に配置される。ロッド305は、モノフィラメント100を製作するために利用されるロッド105のものを上回る機械的強度(例えば、引張強度、降伏強度等)を有する1つ以上の金属を含むか、本質的にそれから成るか、もしくはそれから成り得る。例えば、ロッド305は、TaまたはTa合金(例えば、Ta-3W等のTa-W合金)、もしくは拡散障壁に好適であるような本明細書に開示される任意の他の材料を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。他の実施形態では、ロッド305は、実質的に純Nbを上回る機械的強度を有するNb合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。例えば、本発明の実施形態によるロッド305(したがって、安定化要素)は、Hf、Ti、Zr、Ta、V、Y、Mo、もしくはWのうちの1つ以上のものとのNbの合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。例えば、本発明の実施形態による安定化要素は、Nb C103合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得、Nb C103合金は、約10%のHfと、約0.7%~1.3%のTiと、約0.7%のZrと、約0.5%のTaと、約0.5%のWと、残りのNbとを含む。他の実施形態では、安定化要素は、Nb B66合金および/またはNb B77合金を含むか、本質的にそれから成るか、もしくはそれから成り得る。
一連の実験が、処理可能性および性能(すなわち、最終的なワイヤ内の拡散を妨害すること)の観点からTa-3W拡散障壁を評価するために実施された。初期Nbベースのフィラメントの製作は、ロッドの直径よりもわずかに大きい内径を有する管を沈めることによって、無酸素電子(OFE)Cu管類で焼きなましNbロッドを被覆することによって始まった。(当技術分野で公知であるように、OFE Cuは、少なくとも99.99%純粋であり、0.0005%と同程度の酸素含有量を有する。)モノフィラメントの各々におけるCu対Nb比は、約1:3であった。被覆ロッドは、3.66mmの円形に引き伸ばされ、次いで、3.05mmの平坦六角ダイを通して引かれた。結果として生じる六角形のモノフィラメントが、複合フィラメントを形成するために、19本の群に積み重ねられ、別のCu管の中に設置され、3.66mmまで低温で引き伸ばされ、その後、3.05mmの平坦六角ダイを通して引かれた。
Claims (24)
- 拡散抵抗および機械的強度を保有する超電導ワイヤであって、前記超電導ワイヤは、
Cuを備えている外側ワイヤマトリクスと、
Ta-3Wを備えている拡散障壁であって、前記拡散障壁は、前記外側ワイヤマトリクス内に配置されている、拡散障壁と、
前記拡散障壁によって包囲され、前記拡散障壁によって前記外側ワイヤマトリクスから分離された複数の複合フィラメントと
を備え、
各複合フィラメントは、(i)複数のモノフィラメントと、(ii)前記複数のモノフィラメントを包囲するCuを備えているクラッディングとを備え、
各モノフィラメントは、Nbを備えているコアと、前記コアを包囲するCuを備えているクラッディングとを備え、
前記拡散障壁は、前記超電導ワイヤの断面積の3%~10%を占有し、
前記拡散障壁は、前記超電導ワイヤの軸方向寸法を通して延びている、
超電導ワイヤ。 - 各モノフィラメントの前記コアは、Ti、Zr、Hf、Ta、Y、またはLaのうちの少なくとも1つと混ぜて合金にされたNbを備えている、請求項1に記載のワイヤ。
- 各モノフィラメントの前記コアは、Nb3Snを備えている、請求項1に記載のワイヤ。
- 前記拡散障壁は、Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re、またはSiから成る群から選択される1つ以上の合金化元素をさらに含む、請求項1に記載のワイヤ。
- 前記複合フィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、請求項1に記載のワイヤ。
- 前記モノフィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、請求項1に記載のワイヤ。
- 前記複数の複合フィラメント内に配置され、前記拡散障壁によって包囲された安定化要素をさらに備え、前記安定化要素は、0.2%~10%のWを含むTa合金を備えている、請求項1に記載のワイヤ。
- 前記超電導ワイヤの降伏強度は、少なくとも100MPaである、請求項1に記載のワイヤ。
- 拡散抵抗および機械的強度を保有する超電導ワイヤであって、前記超電導ワイヤは、
Cuを備えている外側ワイヤマトリクスと、
前記外側ワイヤマトリクス内に埋め込まれた複数の複合フィラメントと
を備え、
各複合フィラメントは、(i)複数のモノフィラメントと、(ii)Ta-3Wを備えている拡散障壁であって、前記拡散障壁は、前記複合フィラメントの軸方向寸法を通して延び、前記複数のモノフィラメントを包囲している、拡散障壁と、(iii)前記拡散障壁を包囲するCuを備えているクラッディングであって、前記拡散障壁は、前記複数のモノフィラメントから前記クラッディングを分離する、クラッディングとを備え、
前記拡散障壁は、前記超電導ワイヤの断面積の3%~10%を集合的に占有し、
各モノフィラメントは、Nbを備えているコアと、Cuを備えているクラッディングとを備え、前記クラッディングは、前記コアを包囲している、
超電導ワイヤ。 - 各モノフィラメントの前記コアは、Ti、Zr、Hf、Ta、Y、またはLaのうちの少なくとも1つと混ぜて合金にされたNbを備えている、請求項9に記載のワイヤ。
- 各モノフィラメントの前記コアは、Nb3Snを備えている、請求項9に記載のワイヤ。
- 前記拡散障壁は、Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re、またはSiから成る群から選択される1つ以上の合金化元素をさらに含む、請求項9に記載のワイヤ。
- 前記超電導ワイヤの降伏強度は、少なくとも100MPaである、請求項9に記載のワイヤ。
- 前記複合フィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、請求項9に記載のワイヤ。
- 前記モノフィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、請求項9に記載のワイヤ。
- 前記複数の複合フィラメント内に配置された安定化要素をさらに備え、前記安定化要素は、0.2%~10%のWを含むTa合金を備えている、請求項9に記載のワイヤ。
- 拡散抵抗および機械的強度を保有する超電導ワイヤであって、前記超電導ワイヤは、
Cuを備えている内側ワイヤ安定化マトリクスと、
0.2%~10%のWを含むTa合金を備えている拡散障壁であって、前記拡散障壁は、前記内側ワイヤ安定化マトリクスの周囲に配置されている、拡散障壁と、
前記拡散障壁の周囲に配置され、前記拡散障壁によって前記内側ワイヤ安定化マトリクスから分離された複数の複合フィラメントと
を備え、
各複合フィラメントは、(i)複数のモノフィラメントと、(ii)前記複数のモノフィラメントを包囲するCuを備えているクラッディングとを備え、
各モノフィラメントは、Nbを備えているコアと、Cuを備えているクラッディングとを備え、前記クラッディングは、前記コアを包囲しており、
前記拡散障壁は、前記超電導ワイヤの断面積の3%~10%を占有し、
前記拡散障壁は、前記超電導ワイヤの軸方向寸法を通して延びている、
超電導ワイヤ。 - 各モノフィラメントの前記コアは、Ti、Zr、Hf、Ta、Y、またはLaのうちの少なくとも1つと混ぜて合金にされたNbを備えている、請求項17に記載のワイヤ。
- 各モノフィラメントの前記コアは、Nb3Snを備えている、請求項17に記載のワイヤ。
- 前記拡散障壁は、Ta-3Wを備えている、請求項17に記載のワイヤ。
- 前記拡散障壁は、Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re、またはSiから成る群から選択される1つ以上の合金化元素をさらに含む、請求項17に記載のワイヤ。
- 前記超電導ワイヤの降伏強度は、少なくとも100MPaである、請求項17に記載のワイヤ。
- 前記複合フィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、請求項17に記載のワイヤ。
- 前記モノフィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、請求項17に記載のワイヤ。
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