JP7048451B2 - 超電導線材、超電導コイル、磁気発生装置および超電導線材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＭｇＢ_２超電導体を用いた超電導線材、超電導コイル、磁気発生装置および超電導線材の製造方法に関する。

超電導線材の利点は、ゼロ抵抗で電流を流すことができる点にある。超電導材料の中でも、ＭｇＢ_２超電導体は、金属系超電導体として最も高い臨界温度（約３９Ｋ）を有している。そのため、ＭｇＢ_２超電導体は、液体ヘリウム温度４．２Ｋまで冷却せずに超電導状態を維持できる特徴があり、優れた超電導材料として期待されている。

ＭｇＢ_２超電導体を用いたＭｇＢ_２超電導線材の一般的な製造方法として、原料となる粉末を金属管に充填し、伸線加工するＰｏｗｄｅｒ ｉｎ Ｔｕｂｅ（ＰＩＴ）法がある。ＰＩＴ法には、原料粉末として予めＭｇＢ_２に合成した粉末を用いる方法（ｅｘ－ｓｉｔｕ法）と、マグネシウム粉末とホウ素粉末を混合した混合粉を用いて、細線化後に熱処理を行ってＭｇＢ_２を合成する方法（ｉｎ－ｓｉｔｕ法）と、がある。

実用化されている超電導線材では、磁束を安定に保持する目的から、線径を細くした超電導フィラメントを複数本束ねた多芯線を構成して用いられる。

例えば、特許文献１には、中心材と、前記中心材の周囲に配置された混合粉エレメントと、前記中心材および前記混合粉エレメントの外側に配置された外殻層を有する超電導線材の前駆体が記載されている。この超電導線材の前駆体において、前記混合粉エレメントは、マグネシウム粉末およびホウ素粉末を含む混合粉と、前記混合粉を覆う金属シース材と、で構成され、前記外殻層は前記中心材よりビッカース硬さが大きいことを特徴としている。

また、例えば、特許文献２には、二ホウ化マグネシウムからなる超電導相を備える超電導複合ワイヤが記載されている。この超電導複合ワイヤは、導電性の金属からなるコア（１）、二ホウ化マグネシウムのコアを有しており、導電性金属のコア（１）の周囲に配置されている複数のフィラメント（３）、前記複数のフィラメント（３）を囲んでいる収容および機械的補強のための外側の金属鞘（４）、および二ホウ化マグネシウムと化学的に適合でき、かつコア（１）の導電性金属の前記フィラメント（３）への拡散に対して障壁として機能できる金属からなる少なくとも１つの層（２、２ａ、２ｂ）を有している。そして、特許文献２に記載されている超電導複合ワイヤは、前記層が、ａ）導電性金属のコアのコーティング（２）として、さらには／あるいはｂ）前記フィラメント（３）のコーティング（２ａ、２ｂ）として、塗布されていることを特徴としている。

国際公開第２０１７／１４１４１０号公報 特表２００８－５０８６７７号公報

これまでの研究の成果により、ＭｇＢ_２超電導体を用いた多芯線において、多芯線を構成する中心材、ＭｇＢ_２単芯線、外周材の材質やレイアウトによっては、伸線加工の際に、ＭｇＢ_２超電導体を用いたコア材（ＭｇＢ_２コア材）の形状が不均一に変形することが判明した。例えば、中心にＣｕを配置した場合、柔らかいＣｕの変形を受けて変形しやすく、また、外周に配置した金属の縮径による影響を受け不均一な変形を生じやすい。そのため、ＭｇＢ_２コア材の面積の減少などによって超電導特性が低下することが懸念された。

本発明は前記状況に鑑みてなされたものであり、ＭｇＢ_２コア材の形状の不均一な変形が抑制された超電導線材、超電導コイル、磁気発生装置および超電導線材の製造方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、前記課題を解決するため鋭意研究開発した結果、次のようにすることによって前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明に係る超電導線材は、少なくとも外周面がＭｇと反応しない金属で形成されている中心材と、前記中心材の周囲に複数配置されており、ＭｇＢ_２超電導体のコア材が、Ｍｇと反応しない金属で形成された第１の被覆材によって被覆されている単芯線と、複数配置されている前記単芯線の外側に配置された外殻材と、を有し、前記外殻材における少なくとも内周面がＭｇと反応しない金属で形成されており、前記外殻材は少なくとも２層からなり、最も内側の層がＭｇと反応しない金属で形成した緩和層であることとしている。

本発明によれば、ＭｇＢ_２コア材の形状の不均一な変形が抑制された超電導線材、超電導コイル、磁気発生装置および超電導線材の製造方法を提供できる。
前記した以外の課題、構成および効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１実施形態に係る超電導線材１００Ａの概略断面図である。 第１実施形態に係る超電導線材１００Ａの概略断面図である。 細線化前の第１実施形態に係る組み込み材１００ａの概略断面図である。 第２実施形態に係る超電導線材１００Ｂの概略断面図である。 細線化前の第２実施形態に係る組み込み材１００ｂの概略断面図である。 本実施形態に係る超電導コイル６００の構成を示す概略構成図である。 本実施形態に係る磁気発生装置７００の構成を示す概略構成図である。 本実施形態に係る超電導線材の製造方法の内容を説明するフローチャートである。 比較例に係る超電導線材１００Ｚの概略断面図である。 細線化前の比較例に係る組み込み材１００ｚの概略断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面において、共通する構成要素には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、部材のサイズおよび形状は、説明の便宜上、変形または誇張して模式的に表す場合がある。

［超電導線材１００Ａ］
［第１実施形態］
図１および図２は、第１実施形態に係る超電導線材１００Ａの概略断面図である。なお、図１は、ケミカルエッチング処理後の光学顕微鏡写真をもとに作図したものである。図２は、ケミカルエッチング処理を行わないで撮影した光学顕微鏡写真をもとに作図したものである。超電導線材１００Ａの横断面を単に観察した場合、図２に示すように構成要素の区別が難しい箇所があるが、ケミカルエッチング処理を行うと各構成要素の界面を際立たせることができ、区別が容易になる。そこで、第１実施形態に関して、主に図１を参照して説明する。なお、図１および図２に示す超電導線材１００Ａの断面形状は一例であり、図示しているものに限定されない。超電導線材１００Ａの断面形状は、中心材１０６の材料や単芯線１０３の材料、組み込み本数、配置位置などによって任意に設定できる。構成要素の確認のためのケミカルエッチング処理は、各構成要素の界面を際立たせることができればよく、任意の条件で行うことができる。

図１に示すように、超電導線材１００Ａは、少なくとも外周面がＭｇと反応しない金属で形成されている中心材１０６を有している。超電導線材１００Ａは、中心材１０６の周囲に複数配置された単芯線１０３を有している。この単芯線１０３は、ＭｇＢ_２超電導体のコア材（ＭｇＢ_２コア材）１０１が、Ｍｇと反応しない金属で形成された第１の被覆材１０２によって被覆されている。超電導線材１００Ａは、複数配置されている単芯線１０３の外側に配置された外殻材１０５を有している。

超電導線材１００Ａは、前記中心材１０６の少なくとも外周面（具体的には、後記する第２の被覆材１０７）、ＭｇＢ_２コア材１０１の被覆層（第１の被覆材１０２）および外殻材１０５の内周面（具体的には、後記する緩和層１０４）にＭｇと反応しない金属を用いた構造としている。超電導線材１００Ａは、このようにすることによって、これまでの組み込み単芯線のシース材（ＭｇＢ_２コアのシース材）だけでは不十分であった減面加工中の中心材１０６および外殻材１０５の形状変化などの影響によるＭｇＢ_２コア材１０１の形状の不均一な変形を抑制できる。
さらに、超電導線材１００Ａは、中心材１０６の外周面、ＭｇＢ_２コア材１０１の被覆層および外殻材１０５の内周面に用いるＭｇと反応しない金属を同一の金属材料で構成するのが好ましい。それぞれの部分を異なる金属材料で被覆・配置した場合、金属材料の硬さや伸びなどの特性の違いが加工性に悪影響をおよぼすことが考えられる。しかし、当該好ましい実施形態のようにこれらを同一の金属材料で構成すると、そのような影響を大幅に低減できる。その結果、当該好ましい実施形態によれば、ＭｇＢ_２コア材１０１の形状の不均一な変形をより抑制することができる。また、個々のＭｇＢ_２コア材１０１に異常な変形が生じないので、ＭｇＢ_２コア材１０１の面積の減少や中心材１０６にＣｕを配置した場合にＣｕとの反応を防止できる。

（中心材１０６）
中心材１０６は、超電導線材１００Ａの中心に配置される。この中心材１０６は、前記したように、少なくとも外周面がＭｇと反応しない金属で形成されている。具体的には、図１に示すように、中心材１０６は、例えば、Ｍｇと反応し得る金属で形成されたコア１０９と、当該コア１０９を被覆するＭｇと反応しない金属で形成された第２の被覆材１０７と、で形成されている。中心材１０６は、第２の被覆材１０７を配置することで、ＭｇＢ_２コア材１０１の不均一な変形を抑制することができる。特に中心に配置されるコア１０９にＣｕを用いた場合、Ｃｕは柔らかく変形しやすいため、その影響を受けて、単芯線１０３が不均一に変形しやすくなる。第２の被覆材１０７を配置することで、Ｃｕの変形を抑制することができ、不均一な変形を抑制することができる。

中心材１０６の外周面に用いられるＭｇと反応しない金属としては、例えば、Ｆｅ、ＮｂおよびＴａの群から選択される少なくとも１種が挙げられ、これらの中でもＦｅが好ましい。このようにすると、中心材１０６は、少なくとも外周面がＭｇと反応しない金属で形成（被覆）されているので、例えば、コア１０９にＣｕを用いた場合、Ｃｕの変形を抑制することができ、不均一な変形を抑制することができる。なお、前記したＭｇと反応しない金属は、本発明の効果を阻害しないものであれば、Ｆｅ、ＮｂおよびＴａのいずれか１種を主成分として含む合金であってもよい。

本実施形態において、中心材１０６は、ＭｇＢ_２コア材１０１の超電導状態が破れたときに電流を迂回させて安定化を図る役割を担っている。そのため、中心材１０６は、電導性の良い材料で形成するのが好ましい。また、中心材１０６は、線材作製において減面加工（伸線加工）を行うので、延性（加工性）の良い材料で形成するのが好ましい。これらの理由から、本実施形態における中心材１０６のコア１０９は、Ｃｕを用いることが好ましく、無酸素Ｃｕを用いることがより好ましい。

（単芯線１０３）
単芯線１０３は、前記したように、超電導材料として機能するＭｇＢ_２コア材１０１が、Ｍｇと反応しない金属で形成された第１の被覆材１０２によって被覆されている。このように、単芯線１０３は、ＭｇＢ_２コア材１０１を被覆する第１の被覆材１０２がＭｇと反応しない金属で形成されているので、減面加工中の中心材１０６および外殻材１０５の形状変化などの影響によるＭｇＢ_２コア材１０１の形状の不均一な変形を抑制できる。なお、本実施形態では、図１に示すように、単芯線１０３の本数を１０本としているがこれに限定されるものではなく、必要とされる線材性能に応じて任意に設定できる。第１の被覆材１０２で用いることのできるＭｇと反応しない金属は、中心材１０６で述べたのと同じものが挙げられる。

なお、前記した第１の被覆材１０２の厚さは、第２の被覆材１０７の厚さよりも厚いことが好ましい。第１の被覆材１０２と第２の被覆材１０７の厚さをこのような関係にすると、第１の被覆材１０２の厚さが厚いので、減面加工中の中心材１０６および外殻材１０５の変形の影響などによるＭｇＢ_２コア材１０１の形状の不均一な変形をより抑制できる。

（外殻材１０５）
外殻材１０５は、前記したように、中心材１０６を中心にしてその周囲に複数配置されている単芯線１０３の外側に配置される。このような構成とすることにより、外殻材１０５は、超電導線材１００Ａに強度等の機械的特性を付与している。

そして、本実施形態における外殻材１０５は、少なくとも内周面がＭｇと反応しない金属で形成されている。具体的には、図１に示すように、外殻材１０５は、少なくとも２層からなり、最も内側の層がＭｇと反応しない金属で形成した緩和層１０４である。ダイスを用いた伸線加工では、ダイス直下の線材表面で応力が高いため、外殻材１０５のうちの外層材１０８のみを配置した場合、外層材１０８の内側への縮径に伴う変形の影響が単芯線１０３に生じ、不均一な変形が生じやすくなる。本実施形態では、緩和層１０４を設けることにより、外層材１０８の特に内側への変形による影響を軽減することができる。なお、緩和層１０４および外層材１０８については後述する。外殻材１０５で用いることのできるＭｇと反応しない金属は、中心材１０６で述べたのと同じものが挙げられる。

前記したように、第１の被覆材１０２と、中心材１０６の外周面（具体的には、第２の被覆材１０７）と、外殻材１０５の内周面（具体的には、緩和層１０４）とは、同じ金属で形成されていることが好ましい。それぞれの部分を異なる金属材料で被覆・配置すると、金属材料の特性の違いが、加工性に悪影響をおよぼすことが考えられる。本実施形態のように前記した各部材を同一の金属材料で構成することでそのような影響を大幅に低減でき、その結果、ＭｇＢ_２コア材１０１の形状の不均一な変形をより抑制することができる。

緩和層１０４の外側に配置される外層材１０８は、例えば、ＮｉにＣｕを２０～８０質量％の範囲で添加した合金（モネル（登録商標））などを用いて好適に形成できる。

なお、前記した第１の被覆材１０２の厚さが、緩和層１０４の厚さよりも厚いことが好ましい。第１の被覆材１０２と緩和層１０４の厚さをこのような関係にすると、第１の被覆材１０２の厚さが厚いので、減面加工中の中心材１０６および外殻材１０５の変形の影響などによるＭｇＢ_２コア材１０１の形状の不均一な変形をより抑制できる。

本実施形態においては、細線化した後の外殻材１０５の外周表面にＣｕをめっきや蒸着などの手法で付着させてＣｕ層（図示せず）を形成することができる。また、このＣｕ層は、例えば、横断面がほぼＵ字形であるＣｕ製の長尺部材の内側に超電導線材１００Ａを入れて減面加工を行うことで形成することができる。つまり、外殻材１０５を３層構造とすることができる。このようにすると、超電導線材１００ＡにおけるＣｕの比率を調整することができ、電気抵抗率を抑制できるので、超電導線材１００Ａの超電導状態が破れたときの安定性が向上する。なお、ＭｇＢ_２コア材１０１超電導状態が破れると超電導線材１００Ａは発熱するが、本実施形態のように、細線化した後の外殻材１０５の外周表面などにＣｕ層を形成して電気抵抗率を調整しておくことで、超電導線材１００Ａが焼損し難くなる。

図３は、細線化前の第１実施形態に係る組み込み材１００ａの概略断面図である。つまり、図３に示す組み込み材１００ａを細線化し、熱処理を行うと、図１および図２に示す超電導線材１００Ａとなる。
なお、図１および図２に示す超電導線材１００Ａの線径（太さ）は、例えば、０．５～２ｍｍφであり、図３に示す組み込み材１００ａの線径（太さ）は、例えば、３０ｍｍφ超であるが、これらに限定されない。

図３に示すように、細線化前の組み込み材１００ａは、コア１０９と第２の被覆材１０７とで形成された断面が円形の中心材１０６を有している。また、組み込み材１００ａは、中心材１０６の周囲に複数配置された断面が円形の単芯線１０３を有している。組み込み材１００ａは、複数配置されている単芯線１０３の外側に配置された外殻材１０５を有している。なお、外殻材１０５は、少なくとも内周面がＭｇと反応しない金属で形成されている。外殻材１０５は、具体的には、図３に示すように、最も内側の層がＭｇと反応しない金属で形成した緩和層１０４となっている。これらの構成要素は、前述した第１実施形態に係る超電導線材１００Ａと同様である。

図３に示す組み込み材１００ａは熱処理前であるので、単芯線１０３の第１の被覆材１０２で被覆されているものが、Ｍｇ粉末およびＢ粉末の混合粉末１０１ａである。前記混合粉末１０１ａは、目的の線径に加工した後、熱処理を行うことでＭｇＢ_２を生成してＭｇＢ_２コア材１０１となる。熱処理の温度は、例えば、６００℃とすることが挙げられるが、前記反応を起こすことができればよく、これに限定されない。

超電導コイル６００（図６参照）の作製では前記熱処理を行う。超電導コイル６００の作製方法は、ワインド・アンド・リアクト法で行うのが好ましい。当該手法を採用した場合、細線化した組み込み材１００ａ（細線化することにより組み込み材１００ａの断面形状は図１に図示した形状となる）をボビン６０２（図６参照）に巻き回して超電導コイル６００（図６参照）を形成した後に前記熱処理を行い、超電導線材１００Ａにする。なお、本実施形態では、当該手法に限定されるものではない。ワインド・アンド・リアクト法を行う場合、ボビン６０２および超電導線材１００Ａに施す絶縁材６０１としては、熱処理に耐えられるガラス繊維を用いるのが好ましい。ボビン６０２に巻き回した超電導線材１００Ａは、この状態で必要に応じて樹脂含浸などを行い、固定する。

組み込み材１００ａの中心材１０６が、Ｍｇと反応し得る金属で形成されたコア１０９と、当該コア１０９を被覆するＭｇと反応しない金属で形成された第２の被覆材１０７と、で形成されている場合において、第１の被覆材１０２の厚さが、第２の被覆材１０７の厚さよりも厚いことが好ましい。第１の被覆材１０２と第２の被覆材１０７の厚さをこのような関係にすると、第１の被覆材１０２の厚さが厚いので、減面加工中の中心材１０６および外殻材１０５の変形の影響などによるＭｇＢ_２コア材１０１の形状の不均一な変形をより抑制できる。

また、組み込み材１００ａの外殻材１０５が少なくとも２層からなり、最も内側の層がＭｇと反応しない金属で形成した緩和層１０４である場合において、第１の被覆材１０２の厚さが、緩和層１０４の厚さよりも厚いことが好ましい。第１の被覆材１０２と緩和層１０４の厚さをこのような関係にすると、第１の被覆材１０２の厚さが厚いので、減面加工中の中心材１０６および外殻材１０５の変形の影響などによるＭｇＢ_２コア材１０１の形状の不均一な変形をより抑制できる。

［第２実施形態］
図４は、第２実施形態に係る超電導線材１００Ｂの概略断面図である。なお、図４は、ケミカルエッチング処理後の光学顕微鏡写真をもとに作図したものである。図５は、細線化前の第２実施形態に係る組み込み材１００ｂの概略断面図である。つまり、図５に示す組み込み材１００ｂを細線化し、熱処理を行うと、図４に示す超電導線材１００Ｂとなる。

図４に示す第２実施形態に係る超電導線材１００Ｂと、図１に示す第１実施形態に係る超電導線材１００Ａとは、超電導線材１００Ｂの中心材１０６ｂの構成が、超電導線材１００Ａの中心材１０６と異なっている。
同様に、細線化前の状態である、図５に示す第２実施形態に係る組み込み材１００ｂと、図３に示す第１実施形態に係る組み込み材１００ａとは、組み込み材１００ｂの中心材１０６ｂの構成が、組み込み材１００ａの中心材１０６と異なっている。

第１実施形態でも述べたように、中心材１０６は、少なくとも外周面がＭｇと反応しない金属で形成されていればよい。そこで、超電導線材１００Ｂの中心材１０６ｂは、Ｍｇと反応しない金属のみで形成したものである（つまり、中心材１０６ｂの全部がＭｇと反応しない金属で形成されている）。このようにすると、超電導線材１００Ｂの内部にＭｇと反応する金属のない構成になる。そして、中心材１０６ｂは、少なくとも外周面がＭｇと反応しない金属のみで形成されている（中心材１０６ｂの全部がＭｇと反応しない金属で形成されている）ことから、ＭｇＢ_２コア材１０１の形状の不均一な変形の抑制に寄与できる。

中心材１０６ｂを形成するＭｇと反応しない金属は、第１実施形態における中心材１０６で述べたものと同じものを用いることができる。もちろん、このような構成とした場合であっても、超電導線材１００Ｂは、Ｍｇと反応しない金属で形成した第１の被覆材１０２と、外殻材１０５の少なくとも内周面（具体的には、緩和層１０４）をＭｇと反応しない金属で形成している。そのため、超電導線材１００Ｂは、従来の超電導線材のように、単芯線に被覆材を設けていただけでは不十分であった減面加工中の中心材１０６および外殻材１０５の変形の影響などによるＭｇＢ_２コア材１０１の形状の不均一な変形を抑制できる。

なお、第１実施形態のように、Ｍｇと反応し得る金属で形成されたコア１０９と、当該コア１０９を被覆するＭｇと反応しない金属で形成された第２の被覆材１０７と、で中心材１０６を形成するか、第２実施形態のように、Ｍｇと反応しない金属で中心材１０６ｂを形成するかは、任意に選択することができる。

［超電導コイル６００］
図６は、本実施形態に係る超電導コイル６００の構成を示す概略構成図である。
本実施形態に係る超電導コイル６００は、第１実施形態で説明した超電導線材１００Ａまたは第２実施形態で説明した超電導線材１００Ｂを用いている。超電導コイル６００は、例えば、図６に示すように、ガラス繊維などの絶縁材６０１を被覆した金属製のボビン６０２と、このボビン６０２の所定の位置に巻き回した、細線化および絶縁材６０１を被覆した超電導線材１００Ａ（１００Ｂ）と、超電導線材１００Ａを固定する図示しない樹脂と、を備えて構成されている。なお、この超電導コイル６００は、ボビン６０２の所定の位置に巻き回した状態で前記した熱処理を行い、混合粉末１０１ａをＭｇＢ_２コア材１０１（いずれも図６において図示せず）としている。そして、この超電導コイル６００は、熱処理後に樹脂に含浸させて固定化したものである。ここで、絶縁材６０１としてガラス繊維を挙げたが、熱処理に耐えられるものであればこれに限定されることなく任意の絶縁材を用いることができる。

図６に示すように、超電導コイル６００は、冷凍容器６０３内にセットし、冷媒または冷凍機で冷却された状態で通電することにより、磁気を発生することが可能な磁気発生装置７００（図７参照）を作製することができる。

［磁気発生装置７００］
図７は、本実施形態に係る磁気発生装置７００の構成を示す概略構成図である。なお、図７は、磁気発生装置７００の一例として、開放型の磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置７００Ａを図示している。

ＭＲＩ装置７００Ａは、一対の静磁場発生部７０１、７０１と連結部材（図示せず）を有する。一対の静磁場発生部７０１、７０１と連結部材により形成された空間を撮像領域７０２という。この撮像領域７０２を挟むようにして傾斜磁場発生部７０３、７０３が配置される。また、ＭＲＩ装置７００Ａは、被写体７０４を載せるベッド７０５と、ベッド７０５に載せた被写体７０４を撮像領域７０２へ搬送する搬送機構７０６と、を備えている。

一対の静磁場発生部７０１、７０１は、図６を参照して説明した超電導コイル６００が冷凍容器６０３内にセットされ、冷媒または冷凍機で冷却された状態となっている。一対の静磁場発生部７０１、７０１は、この状態で通電されることにより、静磁場を発生することができる。

なお、ＭＲＩ装置７００Ａは、前記した構成要素以外の要素として、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）発信部、受診コイル、制御装置、解析装置などのＭＲＩ装置が一般的に備えている装置等を備えている。

［超電導線材の製造方法］
図８は、本実施形態に係る超電導線材の製造方法の内容を説明するフローチャートである。
図８に示すように、本製造方法は、充填工程Ｓ１と、配置工程Ｓ２と、挿入工程Ｓ３と、減面加工工程Ｓ４と、熱処理工程Ｓ５と、を有する。

（充填工程Ｓ１）
充填工程Ｓ１は、Ｍｇと反応しない金属で形成された第１の被覆材１０２の中にＭｇ粉末およびＢ粉末の混合粉末１０１ａを充填する工程と、これに続けて伸線加工する工程とを行い、単芯線１０３を作製する工程である。この第１の被覆材１０２としては、Ｍｇと反応しない金属で形成した金属パイプが挙げられる。

（配置工程Ｓ２）
配置工程Ｓ２は、少なくとも外周面がＭｇと反応しない金属で形成されている中心材１０６の周囲に単芯線１０３を複数配置する工程である。

（挿入工程Ｓ３）
挿入工程Ｓ３は、少なくとも内周面がＭｇと反応しない金属で形成されている外殻材１０５の中に、中心材１０６およびこの中心材１０６の周囲に複数配置した単芯線１０３を挿入して多芯組込み材、すなわち、組み込み材１００ａ、１００ｂを作製する工程である。挿入工程Ｓ３で用いる素材・構成を変更することで、第１実施形態に係る組み込み材１００ａおよび第２実施形態に係る組み込み材１００ｂのいずれを作製するか任意に決定できる。

（減面加工工程Ｓ４）
減面加工工程Ｓ４は、多芯組込み材を減面加工して細線化する工程（伸線する工程）である。この減面加工工程Ｓ４は、例えば、ドローベンチなどを用いて行うことができる。減面加工工程Ｓ４を行うことにより、組み込み材１００ａ、１００ｂの線径（太さ）を目的の線径にすることができる。

（熱処理工程Ｓ５）
熱処理工程Ｓ５は、細線化した多芯組込み材（組み込み材１００ａ、１００ｂ（なお、この段階での断面形状は図１、図４参照））を熱処理して混合粉末１０１ａ中のＭｇとＢを反応させ、ＭｇＢ_２コア材１０１とする工程である。熱処理工程Ｓ５は、例えば、ボビン６０２に巻き回した状態で電気炉などの熱処理装置で約６００℃に昇温することにより好適に行うことができる。

本製造方法は、以上に述べた各工程を前記した順で行うことで、ＭｇＢ_２コア材１０１の形状の不均一な変形が抑制された第１実施形態に係る超電導線材１００Ａおよび第２実施形態に係る超電導線材１００Ｂを好適に製造できる。

実施例１では、図１に示す構造の超電導線材１００Ａを製造した。中心材１０６のコア１０９はＣｕで形成されている。このコア１０９は、Ｆｅで形成された第２の被覆材１０７で被覆されている。そして、Ｆｅで形成された第１の被覆材１０２でＭｇＢ_２コア材１０１を被覆した単芯線１０３を、前記中心材１０６を囲むように複数配置している。そして、外層材１０８の内側にＦｅの緩和層１０４を設けたパイプ状の外殻材１０５の内部に、中心材１０６および単芯線１０３が配置されている。

単芯線１０３は次のようにして作製した。まず、純Ｍｇ粉と純Ｂ粉をそれぞれ所定量秤量し、ボールミルを用いて混合粉末１０１ａとした。混合粉末１０１ａをＦｅ製のパイプに充填し、ドローベンチを用いた減面加工を繰り返し行い、Ｆｅ製の第１の被覆材１０２を設けた単芯線１０３を作製した。

そして、細線化前の多芯組込み材（図３に示す組み込み材１００ａ）は次のようにして作製した。まず、Ｆｅ製のパイプ内にＣｕの棒（コア１０９）を挿入して中心材１０６を作製した。なお、必要に応じて、ドローベンチやスエージャーによる加工を加えてＦｅとＣｕの密着性を高めてもよい。これにより、Ｆｅ製の第２の被覆材１０７を被覆したＣｕ製のコア１０９を有する中心材１０６となる。

そして、中心材１０６を囲むように単芯線１０３を１０本配置し、Ｆｅ製のパイプ内に挿入した。さらに、これをモネル製のパイプ内に挿入して多芯組込み材を作製した。このように、Ｆｅ製のパイプをモネル製のパイプ内へ挿入することで、モネル製の外層材１０８の内側にＦｅ製の緩和層１０４を配置した外殻材１０５を作製した。

作製した多芯組込み材に対してドローベンチを用いた減面加工を繰り返し行い、所定の線径まで細線化した。その後、約６００℃で熱処理を行って前記混合粉末１０１ａ中のＭｇとＢを反応させてＭｇＢ_２コア材１０１とし、超電導線材１００Ａを製造した。

このようにして製造した超電導線材１００Ａの断面を光学顕微鏡で観察・撮影し、それをもとに作図したものが、図２である。図２に示すように、超電導線材１００Ａの断面を観察した結果、同一形状のＭｇＢ_２コア材１０１が形成されていることが確認された。ただし、各構成要素の区別が難しい箇所があった。

そこで、各構成要素の界面を際立たせるため、超電導線材１００Ａの断面をケミカルエッチング処理した。そして、光学顕微鏡でその断面を観察・撮影し、それをもとに作図したのが、図１である。図１に示すように、前記多芯組込み材で配置した第２の被覆材１０７、第１の被覆材１０２および緩和層１０４が、細線化した超電導線材１００Ａにおいても配置されていることが確認された。これらの構成要素の厚みを比較したところ、ほぼ同一の厚みであった。

そして、図１に示すように、超電導線材１００Ａは、第１の被覆材１０２と、第２の被覆材１０７と、外殻材１０５の緩和層１０４と、を有しているため、従来の超電導線材のように、単芯線に被覆材を設けていただけでは不十分であった減面加工中の中心材１０６および外殻材１０５の変形の影響などによるＭｇＢ_２コア材１０１の形状の不均一な変形を抑制できることが確認された。

実施例１と同様の手順で純Ｍｇ粉と純Ｂ粉の混合粉末１０１ａを作製した。この混合粉末１０１ａをＮｂ製のパイプに充填し、ドローベンチを用いた減面加工を繰り返し行い、Ｎｂ製の第１の被覆材１０２を設けた単芯線１０３を作製した。

そして、次のようにして、細線化前の多芯組込み材（組み込み材１００ａ）を作製した。
まず、Ｎｂ製のパイプ内にＣｕの棒（コア１０９）を挿入して中心材１０６を作製した。これにより、Ｎｂ製の第２の被覆材１０７を被覆したＣｕ製のコア１０９を有する中心材１０６となる。そして、この中心材１０６を囲むように単芯線１０３を１０本配置し、Ｎｂ製のパイプ内に挿入した。さらに、これをモネル製のパイプに挿入して多芯組込み材を作製した。このように、Ｎｂ製のパイプをモネル製のパイプ内へ挿入することで、モネル製の外層材１０８の内側にＮｂ製の緩和層１０４を配置した外殻材１０５を作製した。

作製した多芯組込み材に対してドローベンチを用いた減面加工を繰り返し行い、所定の線径まで細線化した。その後、約６００℃で熱処理を行って前記混合粉末１０１ａ中のＭｇとＢを反応させてＭｇＢ_２コア材１０１とし、超電導線材１００Ａを製造した。

このようにして製造した超電導線材１００Ａの断面を光学顕微鏡で観察・撮影した結果、同一形状のＭｇＢ_２コア材１０１が形成されていることが確認された（図２参照）。また、この断面を実施例１と同様にケミカルエッチング処理をした後に光学顕微鏡で観察・撮影した。この結果でも、同一形状のＭｇＢ_２コア材１０１が形成されていることが確認された（図１参照）。このことから、Ｎｂでも第２の被覆材１０７と、第１の被覆材１０２と、緩和層１０４と、を形成できることが確認された。

そして、この結果から、これらの構成要素をＮｂ製とした場合も、超電導線材１００Ａは、第１の被覆材１０２と、第２の被覆材１０７と、外殻材１０５の緩和層１０４と、を有しているため、従来の超電導線材のように、単芯線に被覆材を設けていただけでは不十分であった減面加工中の中心材１０６および外殻材１０５の変形の影響などによるＭｇＢ_２コア材１０１の形状の不均一な変形を抑制できることが確認された。

実施例１と同様の手順で純Ｍｇ粉と純Ｂ粉の混合粉末１０１ａを作製した。この混合粉末１０１ａを実施例１で使用したＦｅ製のパイプ（第１の被覆材１０２）より厚みの厚いＦｅ製のパイプに充填した。なお、実施例１で使用したＦｅ製のパイプ（第１の被覆材１０２）の厚み：実施例３で使用したＦｅ製のパイプ（第１の被覆材１０２）の厚み＝１：１．５とした。そして、これをドローベンチを用いて減面加工を繰り返し行い、所定の線径まで加工して厚みの厚いＦｅ製の第１の被覆材１０２を設けた単芯線１０３を作製した。

そして、実施例１と同様にＦｅ製のパイプ内にＣｕ製の棒（コア１０９）を挿入して中心材１０６を作製した。これにより、Ｆｅ製の第２の被覆材１０７を被覆したＣｕ製のコア１０９を有する中心材１０６となる。次いで、この中心材１０６を囲むように１０本の単芯線１０３を配置し、Ｆｅ製のパイプ内に挿入した。さらに、これをモネル製のパイプに挿入して多芯組込み材（組み込み材１００ａ）を作製した。

作製した多芯組込み材に対してドローベンチを用いた減面加工を繰り返し行い、所定の線径まで細線化した。その後、約６００℃で熱処理を行って前記混合粉末１０１ａ中のＭｇとＢを反応させてＭｇＢ_２コア材１０１とし、超電導線材１００Ａを作製した。

このようにして製造した超電導線材１００Ａの断面をケミカルエッチング処理して光学顕微鏡で観察・撮影した。その結果、実施例３は、実施例１、２と同一形状のＭｇＢ_２コア材１０１が形成されていることが確認された。また、第２の被覆材１０７の厚みと、第１の被覆材１０２の厚みと、緩和層１０４の厚みと、を比較したところ、実施例３で作製した超電導線材１００Ａは、実施例１で作製した超電導線材１００Ａよりも第１の被覆材１０２の厚みが厚くなっていた。このことから、第１の被覆材１０２が厚くなっても同一形状の単芯線１０３が形成されることが確認された。つまり、第１の被覆材１０２の厚みが、第２の被覆材１０７および緩和層１０４の厚みよりも厚い場合でも、同一形状のＭｇＢ_２コア材１０１を形成できることが確認された。
なお、第１の被覆材１０２の厚みが、第２の被覆材１０７の厚みおよび緩和層１０４の厚みよりも薄い場合でもこれと同様に同一形状のＭｇＢ_２コア材１０１を形成できた。このことから、ＭｇＢ_２コア材１０１の形状の不均一な変形を抑制するという効果を得るにあたって第２の被覆材１０７と、緩和層１０４が重要な役割を果たしていることがわかった。

実施例４では、図４に示す構造の超電導線材１００Ｂを製造した。
まず、実施例１と同様の手順で純Ｍｇ粉と純Ｂ粉の混合粉末１０１ａを作製した。混合粉末１０１ａを実施例１と同様、Ｆｅ製のパイプに充填し、ドローベンチを用いて減面加工を繰り返し行い、Ｆｅ製の第１の被覆材１０２を設けた単芯線１０３を作製した。

そして、次のようにして、細線化前の多芯組込み材（図５に示す組み込み材１００ｂ）を作製した。
実施例４では、中心材１０６ｂをＦｅのみで作製した。すなわち、Ｆｅの棒を所定の径まで加工して中心材１０６ｂを作製した。このＦｅ製の中心材１０６ｂを囲むように、単芯線１０３を１０本配置し、Ｆｅ製のパイプ内に挿入した。そして、これをさらにモネル製のパイプ内に挿入して多芯組込み材を作製した。

作製した多芯組込み材に対してドローベンチを用いた減面加工を繰り返し行い、所定の線径まで細線化した。その後、約６００℃で熱処理を行って前記混合粉末１０１ａ中のＭｇとＢを反応させてＭｇＢ_２コア材１０１とし、超電導線材１００Ｂを製造した。

このようにして製造した超電導線材１００Ｂの断面をケミカルエッチング処理して光学顕微鏡で観察・撮影し、それをもとに作図したものが、図４である。図４に示すように、超電導線材１００Ｂの断面を観察した結果、同一形状のＭｇＢ_２コア材１０１が形成されていることが確認された。

このことから、Ｆｅで作製した中心材１０６ｂであっても、第１の被覆材１０２および緩和層１０４を有していれば、ＭｇＢ_２コア材１０１の形状の不均一な変形を抑制できることが確認された。

〔比較例〕
図９は、比較例に係る超電導線材１００Ｚの概略断面図である。図１０は、細線化前の比較例に係る超電導線材１００ｚの概略断面図である。
比較例では、図９に示す構造の超電導線材１００Ｚを作製した。
図９および図１０に示すように、比較例は、中心材１０６ｚに被覆材を設けておらず、また、外殻材１０５ｚの最も内側に緩和層を設けていない多芯構造を有する。

まず、実施例１と同様の手順で純Ｍｇ粉と純Ｂ粉の混合粉末１０１ｚ（図１０）を作製した。混合粉末１０１ｚをＦｅ製のパイプに充填し、ドローベンチを用いて減面加工を繰り返し行い、Ｆｅ製の被覆材１０２ｚを設けた単芯線１０３ｚ（図１０）を作製した。

そして、Ｃｕ製の中心材１０６ｚを囲むように１０本の単芯線１０３ｚを配置し、モネル製のパイプ内にこれらを挿入して、細線化前の多芯組込み材（図１０に示す超電導線材１００ｚ）を作製した。

作製した多芯組込み材に対してドローベンチを用いて減面加工を繰り返し行い、所定の線径まで細線化した。その後、約６００℃で熱処理を行って前記混合粉末１０１ｚ中のＭｇとＢを反応させてＭｇＢ_２コア材１０１Ｚとし、超電導線材１００Ｚ（図９）を作製した。

このようにして製造された超電導線材１００Ｚの断面をケミカルエッチング処理して光学顕微鏡で観察・撮影し、それをもとに作図したものが、図９である。図９に示すように、超電導線材１００Ｚの断面を観察した結果、個々のＭｇＢ_２コア材１０１Ｚの形状に違いが認められ、不均一な変形が生じていることが確認された。

このことから、ＭｇＢ_２コア材１０１Ｚを覆うＦｅ製の被覆材（シース材）１０２ｚだけでは、中心材１０６ｚおよび外殻材１０５ｚの加工による変形の影響に対して不十分であり、ＭｇＢ_２コア材１０１Ｚの形状の不均一な変形につながったと考えられる。

次に、実施例５として、図６に示す超電導コイル６００を作製した。まず、ガラス繊維製の絶縁材６０１を被覆した金属製のボビン６０２に、同様にガラス繊維の絶縁材を被覆した実施例１に示す構成の細線化した組み込み材１００ａを巻き回した後に、約６００℃の熱処理を行ってＭｇＢ_２コア材１０１とした超電導線材１００Ａを製造した。そして、その後に、樹脂を含浸させて超電導線材１００Ａを固定することで、超電導コイル６００を作製した。

作製した超電導コイル６００は、冷凍容器６０３内にセットし、冷媒または冷凍機で冷却し、通電できるようにした。このようにすることで、超電導コイル６００は、磁場を発生することが可能となる。

次に、実施例６として、図７に示す開放型のＭＲＩ装置７００Ａを作製した。ＭＲＩ装置７００Ａは、一対の静磁場発生部７０１、７０１と連結部材（図示せず）を有している。一対の静磁場発生部７０１、７０１と連結部材により形成された撮像領域７０２を挟むようにして傾斜磁場発生部７０３、７０３が配置されている。また、ＭＲＩ装置７００Ａは、被写体７０４を載せるベッド７０５と、ベッド７０５に載せた被写体７０４を撮像領域７０２へ搬送する搬送機構７０６と、を備えている。
一対の静磁場発生部７０１、７０１は、実施例５で説明した超電導コイル６００が冷凍容器６０３内にセットされ、冷媒または冷凍機で冷却された状態となっている。一対の静磁場発生部７０１、７０１は、この状態で通電されることにより、静磁場を発生することできる。

以上、本発明に係る超電導線材、超電導コイル、磁気発生装置および超電導線材の製造方法について実施形態および実施例により詳細に説明したが、本発明の主旨はこれに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００Ａ、１００Ｂ 超電導線材
１００ａ、１００ｂ 組み込み材
１０１ ＭｇＢ_２コア材（ＭｇＢ_２超電導体のコア材）
１０２ 第１の被覆材
１０３ 単芯線
１０４ 緩和層
１０５、１０５ｃ 外殻材
１０６、１０６ｂ 中心材
１０７ 第２の被覆材
１０８、１０８ｃ 外層材
１０９ コア
１０１ａ 混合粉末
６００ 超電導コイル
７００ 磁気発生装置

Claims (11)

1. 少なくとも外周面がＭｇと反応しない金属で形成されている中心材と、
   前記中心材の周囲に複数配置されており、ＭｇＢ_２超電導体のコア材が、Ｍｇと反応しない金属で形成された第１の被覆材によって被覆されている単芯線と、
   複数配置されている前記単芯線の外側に配置された外殻材と、を有し、
   前記外殻材における少なくとも内周面がＭｇと反応しない金属で形成されており、
   前記外殻材は少なくとも２層からなり、最も内側の層がＭｇと反応しない金属で形成した緩和層であることを特徴とする超電導線材。
2. 少なくとも外周面がＭｇと反応しない金属で形成されている中心材と、
   前記中心材の周囲に複数配置されており、ＭｇＢ _２ 超電導体のコア材が、Ｍｇと反応しない金属で形成された第１の被覆材によって被覆されている単芯線と、
   複数配置されている前記単芯線の外側に配置された外殻材と、を有し、
   前記外殻材における少なくとも内周面がＭｇと反応しない金属で形成されており、
   前記第１の被覆材と、前記中心材の外周面と、前記外殻材の内周面と、が同じ金属で形成されていることを特徴とする超電導線材。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記中心材が、
   Ｍｇと反応し得る金属で形成されたコアと、当該コアを被覆するＭｇと反応しない金属で形成された第２の被覆材と、で形成されているか、または、Ｍｇと反応しない金属で形成されていることを特徴とする超電導線材。
4. 請求項３において、
   前記Ｍｇと反応し得る金属がＣｕであることを特徴とする超電導線材。
5. 請求項１または請求項２において、
   前記Ｍｇと反応しない金属が、Ｆｅ、ＮｂおよびＴａの群から選択される少なくとも１種であることを特徴とする超電導線材。
6. 請求項３において、
   前記第１の被覆材の厚さが、前記第２の被覆材の厚さよりも厚いことを特徴とする超電導線材。
7. 請求項１において、
   前記第１の被覆材の厚さが、前記緩和層の厚さよりも厚いことを特徴とする超電導線材。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超電導線材を用いた超電導コイル。
9. 請求項８に記載の超電導コイルを用いた磁気発生装置。
10. Ｍｇと反応しない金属で形成された第１の被覆材の中にＭｇ粉末およびＢ粉末の混合粉末を充填して単芯線を作製する充填工程と、
    少なくとも外周面がＭｇと反応しない金属で形成されている中心材の周囲に前記単芯線を複数配置する配置工程と、
    少なくとも内周面がＭｇと反応しない金属で形成されている外殻材の中に、前記中心材および前記中心材の周囲に複数配置した前記単芯線を挿入して多芯組込み材を作製する挿入工程と、
    前記多芯組込み材を減面加工して細線化する減面加工工程と、
    細線化した前記多芯組込み材を熱処理して前記混合粉末を反応させ、ＭｇＢ_２超電導体のコア材とする熱処理工程と、
    を有し、
    前記外殻材は少なくとも２層からなり、最も内側の層がＭｇと反応しない金属で形成した緩和層であることを特徴とする超電導線材の製造方法。
11. Ｍｇと反応しない金属で形成された第１の被覆材の中にＭｇ粉末およびＢ粉末の混合粉末を充填して単芯線を作製する充填工程と、
    少なくとも外周面がＭｇと反応しない金属で形成されている中心材の周囲に前記単芯線を複数配置する配置工程と、
    少なくとも内周面がＭｇと反応しない金属で形成されている外殻材の中に、前記中心材および前記中心材の周囲に複数配置した前記単芯線を挿入して多芯組込み材を作製する挿入工程と、
    前記多芯組込み材を減面加工して細線化する減面加工工程と、
    細線化した前記多芯組込み材を熱処理して前記混合粉末を反応させ、ＭｇＢ _２ 超電導体のコア材とする熱処理工程と、
    を有し、
    前記第１の被覆材と、前記中心材の外周面と、前記外殻材の内周面と、が同じ金属で形成されていることを特徴とする超電導線材の製造方法。

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