JPH02152119A - Ｎｂ↓３Ａ１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Ｎｂ５Ａ＋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Ｎｂ３Ａｌ系の超電導線を製造する場合、まず、第
１Ｉ図に示すように、Ａｌ０ツドからなる芯材１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
、次いでＮｂＯ管体３に挿入した後に縮径加工を施し、
第１２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１３図に示すよ
うにＮｂからなる管体５に挿入し、更に縮径加工を施し
て第１４図に示す２次素線６を作製し、この２次素線６
に拡散熱処理を施してＡｌを拡散させ、その周囲のＮｂ
フィラメントと反応させてＮｂ３Ａｌ超電導フィラメン
トを生成させることにより、第１５図に示す超電導線８
を製造することができる。

「発明が解決しようとする課題」 前記の製造方法で製造された超電導線８において、特に
交流用として製造されたものは、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ｌ
Ｊｉｍ以下の小さいものとなっているが、萌述の如＜Ｎ
ｂの断面積割合が多い状態で縮径加工がなされると、Ｎ
ｂとＡｌ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も小さ
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
ー電子ペアが周囲の金属基地側にしみ出し、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があった。

本発明は前記課題を解決するためになされたもので、交
流通電時の結合損失が少なく、交流用として優れたＮｂ
３Ａｌ系超電導線を安価に製造できろ方法を提供するこ
とを目的とする。

「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、Ｎｂからなる芯
材とこの芯材の外方に形成されたＡｌまたはＡｌ合金か
らなる１次被覆層とこの１次被覆層の外方に形成された
Ｎｂからなる２次被覆層を具備する複合体を形成し、こ
の複合体に、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒなどの磁性元素を含有す
るＣｕ合金からなる磁性金属被覆層を形成して素線を形
成し、この素線を複数本集合して縮径する加工を必要回
数行って金属基地の内部にフィラメントを多数埋設した
構造の最終素線を作成し、次いでこの最終素線に拡散熱
処理を施し、元素拡散を行わせて超電導フィラメントを
生成させるものである。

「作用　」 ＮｂｆｆＡｌ超電導フィラメントが分散配列された金属
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金属基地側にしみ出
した場合に、磁性元素のもつ磁気モーメントによってペ
アがこわされ、交流通電時に超電導フィラメントの間の
金属基地に流れようとする結合電流が抑制され、交流損
失が減少する。また、Ｎｂ芯材の直径と１次被覆層と２
次被覆層の厚さを適宜調節することにより、生成される
Ｎｂ３Ａｌ金属間化合物の量を調節することができる。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

第１図ないし第７図は、本発明方法をＮｂ５Ａ］系超電
導線の製造方法に適用した一実施例を示すもので、本発
明方法を実施して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芯材９の外方にＡｌあるいは
Ａｌ合金からなる管体（１次被覆層）１０を被せ、更に
その外方にＮｂからなる管体（２次被覆層）１１を被せ
、更にその外方に磁性元素を含有したＣｕ合金からなる
管体（磁性金属被覆層）＋２を被せ、更に縮径加工を施
して第２図に示す複合体１３を作製する。なお、前記の
ように管体を披せて１次被覆層１０と２次被覆層１と磁
性金属層１２を形成する代わりに、テープ巻き付けなど
の手段を用いて各層を形成しても良い。

前記管体１０をＡｌ合金で形成する場合は、ＡｌにＡｇ
、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｇａなどの元素を添加した合金が用いら
れる。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ろ元素であるので、これらの元
素を添加することで後述するようにＮｂ５Ａ＋を生成さ
せて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、前記管体１２に含
有させる磁性元素としては、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍ
ｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉＳｒ、Ｙ、Ｃｂ、Ｚｒ、Ｒｈ、Ｐ
ｃｌ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ　ＥｕＧｄ、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１
２における磁性元素の含有量は、管体１２を形成する主
体金属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
おそれのある元素の場合は０．５重重％以下が好ましい
。

従って前記の例のようにＣｕ合金から管体１２を構成す
る場合は、ＭｎとＮｉｈ＜Ｃｕに対して全率固溶するの
でＭｎあるいはＮｉの添加量を３０重量％以下にするこ
とが好ましい。

次に前記複合体１３を複数本、第３図に示すよ・）に集
合した後に前記管体１２を構成する材料と同等の材料か
らなる管体！４に収納して縮径し、第４図に示す１次素
線１５を作成し、次いでこの１次素線１５を第５図に示
すように複数本集合した後に、前記管体１２を構成する
材料と同等の材料からなる管体１６に挿入し、更に縮径
して第６図に示す２次素線（最終素線）１８を作成する
。この２次索線１゛８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、前記素線を集合
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次素線１８を７００〜１０００℃で数分間
〜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Ａｌを拡散させてＮｂの極細フ
ィラメントと反応させてＮｂ３Ａｌ超電導金属間化合物
フィラメントを生成させ、第７図に示す構造のＮｂ３Ａ
ｌ超電導線２０を得ることができる。

なお、前記拡散熱処理により、管体１２，１４．１６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ＩＩにより囲まれていて、管
体１１が磁性元素の拡散を阻止するので、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℃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℃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
理した方が有ｆｉｌであるが、熱処理温度を高く設定す
ると熱処理温度か金属基地を構成構成する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、高温で熱処理すると、生成されたＮｂ。

Ａｌ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じないようにするために、９００〜
９５０℃の高温で短詩間部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
Ｎｂ５Ａｌの結晶粒は整っていない傾向があるので、こ
の結晶粒を整えるために、８００〜９００℃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２０にあっては、磁性
元素を含有するＣｕ合金からなる基地の内部に極細のＮ
ｂ３Ａｌ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２０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ベ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
を有する元素が含まれているので、前記クーパー電子ベ
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、管体
１２，１４．１６の断面積を各々調節するならば、磁性
元素の量を所望の量に調節できるので、交流通電時の結
合損失を調節することができる。また、同様に、Ｎｂの
芯材９の直径およびＮｂの管体１１の断面積とＡｌの管
体１１の断面積を適宜調節するならば、超電導線２０の
内部に複合するＮｂとＡｌ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２０を得ることができ
る。

更に、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方法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
を生成できる効果がある。

第８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、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Ｃｕ−Ａ　Ｉ合金などからなる被覆層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
、その構成材料としては融点が８００°Ｃ以上の金属材
料であ２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１５あるいは２次素線１８を更
に複数本集合して束ね、それらをＣｕあるいはＣｕ合金
の管体２７に挿入し、これを縮径して素線を得、この索
線に熱処理を施すと安定化材付きのＮｂ、Ａｌ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Ａｌ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
導線の安定性か十分に高いものとなる。更に、超電導線
の中心部に安定化材２２を複合した構造？こなっている
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
比較してよりコンパクトな構造にすることができる。

第９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らので
、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９図に示す
ように逆Ｙ字上に配列し、安定化導体２５・・・の間に
、前記の例で用いた１次素線！５あるいは２次素線２０
を更に複数本集合し、それらをＣｕ−９ｎ合金の管体２
８に挿入し、全体を縮径して素線を作成した後に熱処理
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１０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らの
で、無酸素銅などの純銅からなる安定化材３θ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１５あるいは２次素線１８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合金からなる管体３３を第１０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。

次にこの素線に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、前記の例において索線を集合して縮径する工程は
必要回数繰り返し行っても差し支えない。

「実施例」 直径７ａ＋ｍのＮｂロッドにＡｌ−３豐ｔ％Ａｇ合金か
らなる外径１２ｍｍ、内径８ｍｍのチューブを被せ、そ
の外方に外径１５ｍｍ、内径１３ｍｍのＮｂ管を被せ、
更にその外方にＣｕ−０，５ｗｔ％Ｍｎ合金からなる合
金管を被せ、更に線引して直径１．０ｍｍの複合体を作
製する。

次に前記複合体を１２７本集合口て外径１５ｍｍ、内径
２３ｍｍのＣｕ−０，５ｗｔ％Ｍｎ合金管に挿入し、線
引加工を施して直径１．Ｏｎ＋ｎ＋の１次素線を作製す
る。次にこの１次素線を再び１２７本集合口てＣｕ−０
，５ｗｔ％Ｍｎ合金からなる外径１５ｎｖ、内径１３１
１１１１１の管体に挿入し、線引加工を行って直径ｌ。

０ｍｌ１１の２次素線を作製する。次いで前記集合工程
と線引工程をもう１度行って最終索線を作製した。

この最終素線には１２７ｘ１２７ｘ１２７＝２０４８３
７３本の極細Ｎｂフィラメントが含まれている。

続いて前記最終素線を９００°Ｃで３０秒加熱し、その
後に８００℃で２４時間加熱する拡散熱処理を行ってＡ
ｌを拡散させ、Ｎｂ３Ａｌ超電導金属間化合物を生成さ
せて超電導線を製造した。

この超電導線を液体ヘリウムで４．２Ｋに冷却してＩＯ
Ｔの磁場のもとて臨界電流密度（Ｊｃ）を測定したとこ
ろ、Ｊｃ−＝１．５ＸＩ　Ｏ３Ａ／ｍｍ’の優秀な値を
示した。

また、前記超電導線をＸ線回折分析したところ、Ａ−１
５型化合物相（Ｎｂ３Ａｌ相）か生成されていることを
確認できた。

「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
トを囲む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常電導の金属基地に
超電導電子のペアのしみ出しが生じた場合であっても、
磁性元素の磁気モーメントによってクーパー電子のペア
がこわれ、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損失が少ない化合物系超電導線
を得ることができろ。

また、金属基地をＮｂで形成していた従来の超電導線に
比較すると、金属基地をＣｕ合金から形成するので、材
料コストを低減できるとと乙に、Ｎｂ芯オのいびつな変
形が抑制されて形の整った超電導フィラメントを生成で
きる効果がある。

更に、芯部の直径と被覆層の厚さを適宜調節することで
、生成される金属間化合物の虫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。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第７図は本発明方法の一例を説明するため
のもので、第１図は芯材と管体の複合状態を示す断面図
、第２図は複合体の断面図、第３図は複合体の集合状態
を示す断面図、第４図は１次素線の断面図、第５図は１
次索線の集合状態を示す断面図、第６図は２次索線の断
面図、第７図は超電導線の断面図、第８図ないし第１０
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８図は第１の例を説明するた
めの断面図、第９図は第２の例を説明するための断面図
、第１０図は第３の例を説明するための断面図、第１１
図ないし第１５図は従来の超電導線の製造方法の一例を
示すもので、第１ｔ図は複合体の集合状態を示す断面図
、第１２図は１次素線の断面図、第１３図は１次索線の
集合状態を示す断面図、第１４図は２次素線の断面図、
第１５図は超電導線の断面図である。 第１図 ｎ 第４図 ソ ４２図 第５図 ９・・・芯材、１０・・・管体（１次被覆層）、１１・
・・管体（２次被覆層）、Ｉ２・・・管体（＠性金属被
覆層）、１３・・・複合体、１５・・何次索線、１８・
・・２次素線、２０・・・超電導線。 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｎｂからなる芯材とこの芯材の外方に形成されたＡｌま
   たはＡｌ合金からなる１次被覆層とこの１次被覆層の外
   方に形成されたＮｂからなる２次被覆層を具備する複合
   体を形成し、この複合体に、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒなどの磁
   性元素を含有するＣｕ合金からなる磁性金属被覆層を形
   成して素線を形成し、この素線を複数本集合して縮径す
   る加工を必要回数行って金属基地の内部にフィラメント
   を多数埋設した構造の最終素線を作成し、次いでこの最
   終素線に拡散熱処理を施し、元素拡散を行わせて超電導
   フィラメントを生成させることを特徴とするＮｂ＿３Ａ
   ｌ系超電導線の製造方法。