JPH02152118A - 化合物系超電導線の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、核融合炉用トロイダルマグネット、粒子加速
機用マグネット、超電導発電機用マグネット等に利用さ
れる化合物系超電導線の製造方法に関する。

「従来の技術」 従来、金属基地の内部に極細のＮｂ３Ａｌ超電導フィラ
メントを配列した構造の超電導線を製造する方法の一例
として、以下に説明する方法が知られている。

このＮｂ１Ａｌ系の超電導線を製造する場合、まＶ、第
５図に示すようなＡ１０ツドからなる芯材ｌにＮｂから
なる管体２を被せて形成した複合体を複数本集合し、更
にＮｂの管体３に挿入した後に縮径加工を施し、第６図
に示す１次素線４を作製する。

次にこの１次索線４を複数本集合して第７図に示すＮｂ
の管体５に挿入し、更に縮径して第８図に示す２次素線
７を作成し、この２次索線７に拡散熱処理を施し、ＡＩ
を拡散させてその周囲のＮｂフィラメントと反応させ、
Ｎｂ５Ａ＋超電導フイラメントを生成させることにより
第８図に示す断面構造の超電導線８を製造している。

「発明が解決しようとする課題」 前記の製造方法で超電導線８を製造した場合、線材の断
面積に対してＮｂの占める割合が高いので、高価なＮｂ
の使用量が増大し、コスト高になる欠点がある。

更にこの種の超電導線において、特に交流用として製造
されろものは、素線の集合と縮径が繰り返し行なわれる
結果、超電導フィラメントの直径が１μｍ以下の小さい
ものとなっているが、前述の如＜Ｎｂの断面積割合が多
い状態で縮径加工がなされると、ＮｂとＡＩの間の硬度
差が大きいことから、得られる超電導フィラメントがい
びつなテープ状に変形し、交流用として不利になる欠点
があった。

また、この種の超電導線において、超電導フィラメント
の直径が１μｍ以下などのように極めて小さくなってい
るものにあっては、超電導フィラメント間の間隔ら小さ
くなるので、交流通電を行った場合、極細の超電導フィ
ラメントの間で近接効果により結合電流が生じ易く、結
合損失を生じる傾向がある。即ち、超電導電子のクーパ
ー電子ベアが超電導フィラメントの周囲にしみ出し、隣
接する超電導フィラメントの間で結合するために交流通
電時の結合損失が増大する問題かある。

本発明は前記課題を解決するｆこめになされたしので、
交流通電時の結合損失が少なく、交流用として優れた超
電導線を安価に製造できるとともに、生成される超電導
金属間化合物の組成を調整することも容易な化合物系超
電導線の製造方法を提供することを目的とする。

１課題を解決するための手段」 本発明は前記課題を解決するために、超電導金属間化合
物を構成する複数の元素のうち、少なくとも１つの元素
を含有した金属材料からなり、溝部あるいは透孔などの
収納部を長さ方向に形成した長尺の母材を用意し、この
母材の収納部に、前記超電導金属間化合物を構成する元
素のうち、残りの元素を含有する芯材を挿入して複合体
を形成し、この複合体の外方にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ
などの磁性元素の中から選択される１種以上の元素を含
有するＣｕ合金からなる管体を複合して素線を作成し、
次いでこの素線を複数本集合した後に縮径加工を施す工
程を必要回敢行って最終素線を作成し、次にこの最終素
線に拡散熱処理を施して超電導金属間化合物を生成させ
るものである。

「作用　」 超電導フィラメントの周囲の金属基地に磁性元素が含有
されているので、クーパー電子ベアが超電導フィラメン
トから常電導の金属基地側にしみ出した場合に、磁性元
素のもつ磁性モーメントによってベアがこわされ、交流
通電時に超電導フィラメントの間の金属基地側に流れよ
うとする結合電流が抑制されて交流損失が減少する。ま
た、母材に形成する収納部の数と大きさを調節し、収納
する芯材の大きさと数を調節することにより、生成され
る超電導フィラメントの組成と磁性元素の農産が調節さ
れる。

「実施例」 第１図（Ａ）ないし第１図（Ｊ）は、本発明方法をＮｂ
３Ａｌ系の超電導線の製造方法に適用した一実施例を説
明するためのもので、超電導線を製造するには、第１図
に示すＮｂからなるロッド状の母材１０を用意し、この
母材１０の外周に母材１０の長さ方向に沿って１つ以上
の溝部（収納部）＋　１を溝ロール加工あるいは切削加
工などの方法により第１図（Ｂ）に示すように形成する
。ここで形成する溝部１１の数と大きさは必要に応じて
適宜設定することができる。

続いて各溝部１１にＡ１あるいはＡ１合金からなる芯材
１２を第１図（Ｃ）に示すように挿入して複合体１３を
作成する。ここで用いるＡ１合金は、Ａ１にＡｇＭｇ、
Ｇｅ、Ｇａなどの元素を添加した合金が用いられる。な
お、これらの元素はＮｂ３Ａｌの高磁界域における臨界
電流密度を向上させる元素であるので、これらの元素を
添加することで後述するように超電導線を製造した場合
に、超電導線の臨界電流密度を向上させることができる
。

次に前記複合体１３にＮｂからなる管体１４を第１図（
Ｄ）に示すように被せ、更にその外側に、磁性元素を含
有したＣｕ合金からなる管体１５を被せ、更に縮径加工
を施して第１図（Ｅ）に示す＞ａ合体１６を作成する。

くこで前記管体Ｉ５に添加される元素は、Ｓｃ、’Ｉ”
ｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ。

Ｓｒ　Ｙ、Ｃｂ、Ｚｒ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ
、Ｓｍ、Ｅｕ。

Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍなどの磁性元素の
中から選択される１種、あるいは、２種以上が用いられ
る。なお、管体１５における磁性元素の含有量は、超電
導フィラメントを囲む金属基地（この例の場合はＣｕ合
金）を構成する金属元素に対して磁性元素が全率固溶す
るものである場合は、３０重量％以下が好ましく、金属
間化合物を生じるおそれがある磁性元素の場合は、０．
５重量％以下が好ましい。この例のように、Ｃｕ合金の
金属基地を用いる場合はＭｎとＮｉなどかＣｕに対して
全率固溶するのでＭｎまたはＮｉを添加する場合に３０
重量％以下添加するものとする。

次にこの複合体Ｉ６を第１図（Ｆ）に示すように複数本
集合した後に前記管体１５の構成材料と同等の材料から
なる管体１７に挿入し、更に縮径して第１図（Ｇ）に示
す１次素線１８を作成し、次いでこの１次索線１８を第
１図（ｔ−ｒ　）に示すように複数本集合して前記管体
１５と同等の材料からなる管体１９に挿入し、更に縮径
して第１図（１）に示す２次索線（最終素線）２０を作
成する。この２次素線２０は磁性元素を含有するＣｕ合
金からなる金属基地の内部に無数の極細のＮｂフィラメ
ントが配列された構造となっている。なお、前記索線を
複数゛本集合して縮径する工程は必要に応じて複数回行
っても差し支えない。

続いてこの２次索線２０を７００〜１０００°Ｃで数分
〜数十時間加熱する拡散熱処理を行う。この拡散熱処理
によってＡＩを拡散させてＮｂの極細フィラメントと反
応させてＮｂ３Ａｌ超電導フィラメントを生成させ、第
１図（Ｊ）に示す構造のＮｂ３Ａｌ超電導線Ａを得るこ
とができる。なお、前記拡散熱処理により、管体１５，
１７．１９に含有されている磁性元素が周囲に拡散する
が、各フィラメントはＮｂからなる管体１４により囲ま
れていて、管体１４か磁性元素の拡散を阻止するので超
電導フィラメント側への磁性元素の拡散は阻止されて超
電導フィラメント自体に磁性元素の影響は生じない。

なおまた、前記熱処理時・において、９００〜９５０°
Ｃの高温で数秒〜数分程度の短時間にわたり熱処理した
後に、８００〜９００℃程度の温度で長時間熱処理する
段階的な熱処理を行うことが好ましい。以下にこの理由
を説明する。Ｎｂ３Ａｌを効率良く生成させるには、高
温で熱処理した方が何利であるが、熱処理温度を高く設
定すると熱処理温度が金属基地を構成するＣｕ合金の融
点に接近することになって金属基地の溶融の問題を生じ
る。更に、高温で長時間加熱すると、生成されたＮｂ３
Ｓｎの結晶粒が粗大化して臨界電流密度が低下すること
が考えられる。従って熱処理温度の上限はＣｕの融点よ
りも低い温度に規制される。このためＮｂ３Ａｌを効率
良く生成させて結晶粒の粗大化を抑制し、しかも金属基
地の溶融の問題を生しないようにするために、９００〜
９５０℃の高温で短時間熱処理することが好ましい。ま
た、このような高温で短時間の熱処理を行って生成した
ＮｂａＳｎの結晶粒は整っていない傾向があるので、結
晶粒を整えるために８００〜８５０℃の温度で長時間加
熱することが好ましい。

以上のように製造された超電導線Ａにあっては、磁性元
素を含有するＣｕ合金の金属基地内に極細のＮｂ３Ａｌ
超電導フィラメントが分散配列された構造になっている
。

前記超電導線Ａは液体ヘリウムなどの冷媒によって極低
温に冷却して使用する。そして、交流通電を行った場合
、金属基地に磁性元素が含有されているので、超電導フ
ィラメント間に生じる結合損失を低減させることができ
る。即ち、超電導線において交流通電を行い、極細径の
超電導フィラメントから、その周囲の金属基地側に超電
導電子のクーパー電子ペアがしみ出した場合であっても
、超電導フィラメントの周囲の基地内に前述の如く磁性
を有する元素が含有されているので、前記り−パー電子
のペアがその磁性モーメントによりこわされて結合が生
じにくくなり、交流損失が減少する。

ところで、前述のように超電導線を製造する場合、母材
ｌＯに形成する溝部１１の数と大きさを調節し、溝部１
１に挿入する芯材１２の数と断面積を調節するならば、
磁性元素の量を所望の値に調整できるので、交流通電時
の結合損失を調整することができる。また、同様に芯材
１２の数と断面積を調節するならば、超電導線Ａの内部
に複合するＮｂとＡＩの比率を調節できるので、拡散熱
処理により生成されるＮｂ３Ａｌの量も調節することが
でき、所望の特性の超電導線Ａを得ることができる。更
にまた、金属基地をＣｕ合金から形成すると、金属基地
をＮｂから形成していた従来例に比較して材料コストが
低下するとともに、縮径加工時のフィラメントのいびつ
な変形が少なくなって整った形状の超電導フィラメント
を生成できる効果かある。

第２図はこの発明の製造方法を安定化材付きの超電導線
の製造方法に適用した例を説明するためのもので、この
例を実施して超電導線を製造するには、まず、無酸素銅
などの純銅からなる安定化材２２の外周に、Ｔａ、Ｎｂ
などの金属材料からなる拡散防止層２３を形成し、更に
その外周にＣｕ５ｎ合金からなる被覆層２４を形成して
安定化導体２５を作成する。

ここで前記拡散防止層２３は、後工程で行う拡散熱処理
時に、安定化材２２側に元素が拡散することを防止して
安定化材２２の汚染を防止するために設けるものであり
、その溝成材料としては融点が１０００℃以上の金属材
料であって、銅に対する反応性の低いＴａやＮｂなどが
好適に用いられる。

次にこの安定化導体２５を複数本集合し、その外方に、
前記の例で用いた１次素線Ｉ８あるいは２次素線２０を
更に複数本集合し、それらをＣｕ５ｎ合金の管体２７に
挿入し、これを縮径して素線を得、この素線に熱処理を
施すと安定化材付きのＮｂ３Ａｌ超電導線を製造するこ
とができる。

この超電導線においては中心部に設けた安定化材２２に
対するＡ１あるいは磁性元素の汚染が防止されているの
で、安定化材２２の極低温における電気抵抗は十分に低
い値になり、超電導線の安定性が十分に高いものとなる
。更？こ、超電導線の中心部に安定化材２２を複合した
構造になっているので超電導線の外方に新たに安定化材
を添設する場合に比較してコンパクトな構造にすること
ができる。

第３図はこの発明の製造方法を安定化材付きの超電導線
の製造方法に適用した第２の例を説明するためのもので
、この例を実施して超電導線を製造するには、前記の例
で用いた安定化導体２５と同等の安定化導体２５を用意
する。

次にこの安定化導体２５を複数本集合して第３図に示す
ように逆Ｙ字状に配列し、安定化導体２５・・・の間に
、前記の例で用いた１次索線１８あるいは２次素線２０
を更に複数本集合し、それらをＣｕ合金の管体２８に挿
入し、全体を縮径して素線を作成した後に拡散熱処理を
施すと安定化材付きの超電導線を製造することができる
。

第４図はこの発明の製造方法を安定化材付きの超電導線
の製造方法に適用した第３の例を説明するためのもので
、この例では、まず、無酸素銅なとの純銅からなる安定
化材３０の外周にＴａ、Ｎｂなどの金属材料からなる拡
散防止層３１を形成して安定化導体を作成する。

前記拡散防止層３１を形成したならば、その全周にわた
り、前述の１次素線１８あるいは２次素線２０を配列し
て添設する。素線を添設したならば、その外方にＣｕあ
るいはＣｕ−５ｎ合金からなる管体３３を第４図に示す
ように被せ、この後に縮径加工を施して得るべき超電導
線と同等の線径まで縮径して素線を得る。

次にこの索線に拡散熱処理を前述と同等の条件で施すな
らば、超電導線を得ることができる。

なお、前記の６例においては、Ｎｂ３Ａｌ系に本発明方
法を適用した例について説明したが、本発明方法をＮｔ
）＋Ｓｎ系、Ｖ３Ｇａ系などの他の化合物系超電導線の
製造方法に適用してもよいのは勿論である。

「実施例ゴ 直径７　、５　＋ｎ＋ｎのＮｂロッドの周まわりに、９
０゜おきに４つの溝部（幅２　、２　ｍｍ、深さ２　、
２　ｍｍ）を切削加工により形成し、その溝にＡ　！−
３ｗｔ％Ａｇ合金からなる直径２　、　Ｉ　＋ｎｍの芯
材を埋め込み、更に全体を外径１０ｍｍ、内径８ｍｍの
Ｎｂ管に挿入し、更に、Ｃｕ−０，５ｗｔ％Ｍｎ合金か
らなる外径１８ｍｍ、内径１１ｍｍの管体に挿入し、続
いて線引加工を施し直径１．０ｍｍまで縮径して１次素
線を得た。

次にこの１次素線を１２７本束ね、Ｃｕ−５ｗｔ％Ｍｎ
合金からなる外径１５ｍｍ、内径１３ｍｍの管体に挿入
し、その後線引加工を行って直径１．Ｏｍｍの２次素線
を得た。以上の集合線引工程を更に１回行った後に直径
０．２ｍｍまで線引加工を行って２次素線を得た。この
２次素線においては、１２７ｘ１２７ｘ１２７本＝２０
４８３８３本のＮｂフィラメントが複合されており、フ
ィラメントの直径は約０．１μｍであった。

次に萌記２次素線を９５０℃で３０秒加熱し、更に８０
０°Ｃで２４時間加熱する熱処理を施して内部のＮｂの
極細フィラメントとＡＩを反応させてＮｂ３Ａｌ超電導
フィラメントを生成さけ、超電導線を製造した。

以上説明したように製造されたＮｂ３Ａｌ超電導線の臨
界電流密度（Ｊｃ）を４．２Ｋに冷却し、ｌＯＴの磁場
中において測定したところ、 Ｊｃ＝１．５Ｘ　Ｉ　Ｏ３Ａ／ｍｍ”の優秀な値を示し
た。

また、得られた超電導線をＸ線回折分析したところ、Ａ
−１５型化合物（Ｎｂ３Ａｌ化合物）の生成を確認する
ことができた。

「発明の効果」 以上説明したように本発明によれば、超電導フィラメン
トの周囲の金属基地に磁性元素を含有させるので、交流
通電時に超電導フィラメントの周囲の金属基地に超電導
電子のベアのしみ出しが生じた場合であっても、磁性元
素の磁性によってクーパー電子のベアがくずれ、交流通
電時の結合電流を抑制することができる。従って交流通
電時の結合損失が少ない化合物系超電導線を得ることが
できる。

また、芯材の外周に形成する収納部の大きさと数を調節
し、その内部に挿入する芯材の大きさと数を調節するこ
とにより磁性元素の添加量を自由に調節できるので、所
望量の磁性元素を添加できるとともに、芯材の大きさと
数を調節することにより、生成させる超電導金属間化合
物の組成比率を調節することができるので所望の特性の
超電導線を製造できる効果がある。

更に、超電導フィラメントの周囲を囲む金属基地を磁性
元素を含有するＣｕ合金から形成するので、Ｎｂの金属
基地を形成していた従来の超電導線に比較してより安価
に製造することができる。

また、金属基地をＣｕ合金から形成するので、金属基地
をＮｂから形成していた従来方法に比較して超電導フィ
ラメントの変形が円滑になされて形の整った超電導フィ
ラメントを生成できる効果かある。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）ないし第１図（Ｊ）は本発明の製造方法の
一例を説明するためのもので、第１図（Ａ）は母材の断
面図、第１図（Ｂ）は母材に収納部を形成した状態を示
す断面図、第１図（Ｃ）は芯材と母材の複合状態を示す
断面図、第１図（Ｄ）は母材を管体に挿入した状態を示
す断面図、第１図（Ｅ）は複合体の断面図、第１図（Ｆ
）は複合体の集合状態を示す断面図、第１図（Ｇ）は１
次素線の断面図、第１図（）−１）は１次素線の集合状
態を示す断面図、第１図（１）は２次素線の断面図、第
１図（Ｊ）は超電導線の断面図、第２図ないし第４図は
この発明を安定化材付きの超電導線の製造方法に応用し
た例を示すもので、第２図は第１の例を説明するための
断面図、第３図は第２の例を説明するための断面図、第
４図は第３の例を説明するための断面図、第５図ないし
第９図は従来の超電導線の製造方法の一例を示すもので
、第５図は複合体の集合状態を示す断面図、第６図は１
次素線の断面図、第７図は１次素線の集合状態を示す断
面図、第８図は２次素線の断面図、第９図は超電導線の
断面図である。 Ａ・・・超電導線、１ １２　・芯材、１３ １８・・何次素線、 ０・・・母材、１１・・・溝部（収納部）、複合体、１
６・・・複合体、 ２０・・・２次素線（最終索線）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超電導金属間化合物を構成する複数の元素のうち、少な
   くとも１つの元素を含有した金属材料からなり、溝部あ
   るいは透孔などの収納部を長さ方向に形成した長尺の母
   材を用意し、この母材の収納部に、前記超電導金属間化
   合物を構成する元素のうち、残りの元素を含有する芯材
   を挿入して複合体を形成し、この複合体の外方にＦｅ、
   Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎなどの磁性元素の中から選択される１
   種以上の元素を含有するＣｕ合金からなる管体を複合し
   て素線を作成し、次いでこの素線を複数本集合した後に
   縮径加工を施す工程を必要回数行って最終素線を作成し
   、次にこの最終素線に拡散熱処理を施して超電導金属間
   化合物を生成させることを特徴とする化合物系超電導線
   の製造方法。