JPH0261764B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超電導導体に係り、特に安定性の良好
なAl安定化ニオブ３スズ（Nb₃Sn）極細多芯超
電導導体に関する。

Nb₃Sn極細多芯超電導線は、10テスラ以上の高
磁界を発生させる超電導マグネツト用導体として
使用されている。第１図に、最も一般的なNb₃Sn
極細多芯超電導線の従来例を示す。Nb₃Sn極細多
芯線１はCu−Snブロンズ２にNb₃Sn極細フイラ
メント３が多数本埋込まれ、拡散障壁４に包まれ
たバンドル５がCu部材６に多数本埋込まれた構
造である。第１図ａは円形断面、第１図ｂは矩形
断面構造の例である。通常、工学的立場からは、
Nb₃Sn極細フイラメント３直径は数μｍ程度、１
つのバンドル５に含まれるNb₃Sn極細フイラメン
ト３の数は数十本乃至数千本、Nb₃Sn極細多芯線
１に含まれるバンドル５の数は数本乃至数百本と
なつている。超電導線は一般に、電磁気的安定性
を良好にする為、電気比抵抗の小さな金属性物質
を安定化材として構成させる。第１図ａ及びｂに
おけるCu部材６はそのためのものであり、一般
的には無酸素Cuを使用する。Nb₃Sn極細多芯線
１を作製する工程で、Nb₃Snを形成させるための
拡散熱処理を必要とする。この拡散熱処理時に、
Cn−Snブロンズ２中のSnがCu部材６に拡散し
て、Cuが汚染するのを防止するために拡散障壁
４が設けられている。

ところで、超電導マグネツトの製造においては
次式(1)で示すαを安定化パラメータとして用い
る。

α＝ρ_st・I_d ²／A_st・ｐ・ｑ ………(1) 式(1)でρ_stは安定化材の電気比抵抗、I_dは超電導
マグネツトにおける通電電流、A_stは安定化材の
断面積、ｐは冷却面の実効周囲長、ｑは冷却面か
らの熱流束である。式(1)でαが小さいほど安定性
が良好である。特に、α＜１の場合には完全安定
化と呼ばれ、たとえ超電導状態が破壊されたとし
てもジユール発熱よりも冷却性が勝る状態にあ
る。

さて、式(1)においてαを小さくするためには、
幾何学的寸法を同一とすれば、ρ_stの小さい安定
化材を用いれば良いことになる。高純度Al（純度
99.99％以上）は無酸素Cuにくらべ極低温におけ
る電気比抵抗が1/5乃至1/10と非常に小さいため、
安定化材として無酸素銅のかわりに高純度Alを
用いると、電磁気的安定性は飛躍的に向上する。
しかるに、高純度Alは非常に軟かく、極細多芯
超電導線としての複合体加工において、他の構成
要素との間での塑性加工性に差がありすぎる。従
つてAl安定化された極細多芯超電導線の実現に
は大きな制約があつた。

第２図にAl安定化極細多芯超電導線の従来例
を示す。第２図ａは、高純度のAl部材７の中に
超電導合金（例えばNb−Ti、Nb−Ti−Zrなど）
のフイラメント８が複数本埋込まれた構造のAl
安定化合金系多芯超電導線９の断面を示す。ま
た、第２図ｂはCu部材６中に超電導合金のフイ
ラメント８が多数本埋込まれた構造の合金系極細
多芯超電導線１０の複数本と、高純度Al線１１
の複数本を撚合せ、たとえばPb−Snなどの半田
材１２にて接続させた構造を有するAl安定化合
金系極細多芯超電導線９の断面を示す。

第２図に示す如く、従来のAl安定化極細多芯
線は、いずれも合金系超電導体を対象としたもの
で、Nb₃Sn極細多芯線でAl安定化した例は見当
らない。この理由としては、例えば、第２図ａの
構成をNb₃Sn極細多芯線に適用すなわち第１図の
Cu部材６をAlで置換えようとすると、第１にAl
と他の構成要素間で塑性加工性に大きな差があ
り、目的とする極細多芯のNb₃Snフイラメントを
得るに十分な複合加工がきわめて困難であり、第
２に複合加工体を600〜800℃で拡散熱処理を行
い、Nb₃Sn超電導体を形成させる時に、Alが溶
融あるいは軟化して形状を保つことができないこ
とによる。また、例えば、拡散熱処理後第２図ｂ
の構成をNb₃Sn極細多芯線に適用しようとする場
合、Al線１１とNb₃Sn極細多芯超電導線１０と
を撚合せる時に、Nb₃Sn極細多芯線に大きな歪が
加わり、超電導特性が大きく劣化して使用に供し
得ない。

従つて、本発明の目的は、従来実現されていな
かつた、Al安定化したNb₃Sn極細多芯線を提供
することにある。

上記目的に従つて、本発明のAl安定化Nb₃Sn
極細多芯線は、少なくとも、Cu部材に埋込まれ
た構造のNb₃Sn極細多芯線と、Al部材と、Cu部
材とAl部材との界面に構成された拡散障壁材と
からなる。更に望ましくは拡散障壁断面積とAl
部材の断面積の比をｍとするとき、0.03ｍ＜３
となる構造をとる。

第３図に、本発明の基本となる断面構造例を示
す。第３図ａが円形断面、第３図ｂが矩形断面の
構造例である。本例に係るAl安定化超電導導線
はCu−Snブロンズ２にNb₃Sn極細フイラメント
３が多数本埋込まれ、拡散障壁４に包まれたバン
ドル５が、Cu部材６に多数本埋込まれており、
中心近傍にAl部材７が拡散障壁１３に囲まれて
配置されている。

本発明のAl安定化Nb₃Sn極細多芯超電導線の
製造方法の１例を第４図にて説明する。無酸素
Cuパイプ１４とパイプ状の拡散障壁１３と棒状
のAl部材７を組合せ伸線加工により複合体１５
を作る。別途、Cu−Snブロンズ２中に線状のNb
部材１６が多数本埋込まれ拡散障壁４に包まれた
バンドル５がCu部材６に埋込まれた複合体１７
を作る。複合体１７は複合体１５と共に、Cuパ
イプ１８に組込み複合体１９を作る。ついでこの
複合体１９を伸線加工により細線化し所望の形状
とし、拡散熱処理を施こして、前記したNb部材
１６とCu−Snブロンズ２中のSnとを反応させ
Nb₃Snを形成させる。一般にNb₃Sn極細多芯線で
は、拡散熱処理条件として、600〜800℃で50〜
200時間の範囲でなされるが、本発明においては、
Alを用いているため、Alの溶融温度（660℃）を
越えないのが望ましい。

本発明において、拡散障壁の役目は２つある。
第１は、安定化材としてのAlは高純度である必
要があり、拡散熱処理により、CuとAlが反応し
てAlが汚染されないようにすることである。こ
の為には、拡散障壁材としては、Cu及びAlと反
応しにくい材質を選ぶ必要がある。この目的に従
う材質として、Nb、Taあるいはこれ等を基本と
する合金が適している。また、第４図に示されて
いる、拡散障壁１３とは必ずしも同一の材質であ
る必要性はない。第２の役目は、各構成材料間で
の熱膨張収縮率の違いからくる、Nb₃Snフイラメ
ントへ印加される熱収縮線歪を緩和させることで
ある。即ち、一般に、Nb₃Sn極細多芯線では、ブ
ロンズとNb₃Snフイラメントとの間で拡散熱処理
温度から、4.2Kの液体ヘリウム温度に冷却され
る過程で熱収縮率に約１％の差があり、この為
に、Nb₃Snフイラメントに圧縮歪が加わる。
Nb₃Snフイラメントに歪が加わると、臨界電流が
低下してしまい、実用に供せなくなる。実用的に
は、この圧縮歪を0.4％以下にする必要がある。
ところで、Alはブロンズよりさらに約0.5％熱収
縮率が大きく、拡散障壁を有しないAl安定化線
を考えた場合には、この為にNb₃Snフイラメント
の圧縮歪が更に増加されることになる。拡散障壁
材は一般に機械強度が強く、熱収縮率が小さい。
このことから、AlがNb₃Snフイラメントへ与え
る圧縮歪を拡散障壁で緩和させることができる。

拡散障壁材の4.2Kにおけるヤング率をE_B、拡
散障壁の圧縮歪をε_B、Alの4.2Kにおける塑性応
力σ_Alとし、拡散障壁断面積とAl部材７の断面積
の比をｍとすれば、Alを用いたためにNb₃Snフ
イラメントの圧縮歪が0.4％を越えないようにす
るには第２式を満足するようにすれば良い。

ｍσ_Al／E_B×ε_B ………(2) 第２式に具体的数値を入れると、E_Bとして
1700Kg／mm²、ε_Bとして0.004、σ_Alとして２Kg／mm²
を用いれば、ｍ0.03となる。

また、本発明の目的に従えば、拡散障壁とAl
との合成電気比抵抗はCuの電気比抵抗より小さ
くする必要がある。拡散障壁材の電気比抵抗は、
AlおよびCuにくらべ非常に大きいので、Cuの電
気比抵抗ρ_eo、Alの電気比抵抗をρ_Alとすれば、第
３式を満足させれば良い。

ｍ＜ρ_eo／ρ_Al−１ ………(3) 電気比抵抗は磁界が印加されると増大する。10
テスラの磁界中ではCuの電気比抵抗は４×10^-8
Ωcm、Alの電気比抵抗は１×10^-8Ωcmである。
磁界が大きくなると、Alはほとんど変化しない
が、Cuはさらに増大し、たとえば12テスラでは
５×10^-8Ωcmとなる。Al安定化Nb₃Sn極細多芯
線は10テスラ以上で使用されるから、第３式に10
テスラでの電気比抵抗の値を代入すればｍ＜３と
なる。

以下、本発明の実施例を説明する。

前記した第４図の方法を用いて、第３図ａに示
す構造を有するAl安定化Nb₃Sn極細多芯線を作
製した。Nb₃Sn極細フイラメント３の直径は約
4μｍで、331本がNbの拡散障壁４に包まれてい
る。このバンドル５が合計59本、無酸素Cu部材
６に埋込まれている。拡散障壁１３にはNbを用
い、この外直径は0.68mmであつた。Al部材７には
99.995％の高純度Alを使用し、その直径は0.66mm
であつた。この寸法から計算した、拡散障壁断面
積は0.021mm²、Al断面積は0.342mm²であり、断面積
比ｍは0.06であつた。また、本実施例に係るAl安
定化超電導導線２０の外寸法は1.5mmで、Cu部材
６の断面積は0.527mm²であつた。拡散熱処理条件
は630℃で200時間とした。

本発明の効果を明瞭にするため、別途、Al安
定化でない従来のNb₃Sn極細多芯線を作製した。
その断面構造は、上記本発明品において、Al部
材７と拡散障壁１３をCu部材６で置換えたもの
で、他の寸法及び拡散熱処理条件は同一とした。
すなわち、この場合Cu断面積は0.89mm²であつた。

第５図は、4.2Kの液体ヘリウム中に、約15cm
長さの測定試料を入れ、外部から10テスラの磁界
を試料長さ方向に対し直角となるように印加して
試料の通電電流を増加したときの端子電圧と電流
との関係を測定した結果である。この時、端子間
距離は５cm長さとした。実線が本発明品で実線
が従来品の結果である。また、破線は安定化材
の抵抗を示し、破線は2.2×10^-6Ω／cmを示し、
破線は4.8×10^-6Ω／cmを示す。電流を増加さ
せて行くと、試料は最初、超電導状態にあるの
で、抵抗が零すなわち端子電圧は発生しない。あ
る電流値を越えると、電圧発生が見られるが、こ
の時の電流を臨界電流と呼んでいる。さらに電流
を増加させると、安定化材に電流が分流し、最終
的には全電流が安定化材に流れることになる。

第５図の結果から、臨界電流は従来品が480A
であつたのに対し、本発明品では500Aを示し、
ほぼ同一の値を示した。全電流が安定化材に流れ
た時の電圧と電流の勾配から、安定化材の抵抗を
求めたところ、従来品が4.8×10^-6Ω／cmであつ
たのに対し、本発明品は2.2×10^-6Ω／cmで1/2以
上小さい値を示した。以上の結果から、本発明を
用いれば、安定性のすこぶる良好なAl安定化
Nb₃Sn極細多芯線が得られることが分る。

つぎに、本発明の変形例を説明する。

近年、エネルギー事情を反映して、核融合炉の
実現に向けて、研究開発が進めらている。プラズ
マ閉込めには、超電導マグネツトが必要となる
が、その超電導導体には、数万Ａの大電流容量が
必要で、かつ装置の安全性から、完全安定化され
た超電導導体でなければならない。

本発明を用いることにより、このような大電流
容量でかつ完全安定化された超電導導体は容易に
得られる。第６図は、本発明を適用した大電流容
量の導体断面の１例を示す。本発明によるAl安
定化Nb₃Sn超電導導線２０が合計45本撚合わされ
て、ステンレス鋼からなるケース２１に収納され
ている大容量導体２２を示す。また空隙２３は液
体ヘリウムの流路である。本変形例の説明の意図
するところは、本発明のAl安定化Nb₃Sn極細多
芯線を用いれば、容易に大電流容量化ができる点
にある。１例として、前記実施例に示したAl安
定化極細多芯線を用いた場合には、10テスラの磁
界中で22500Aの臨界電流を有する大容量導体が
得られる。

以上、実施例を含めて、本発明を説明したが、
本発明によれば、安定性の非常に優れたAl安定
化Nb₃Sn極細多芯線が得られ、また、大容量化が
容易であるという利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のNb₃Sn極細多芯線の断面図、第
２図は従来のAl安定化合金系超電導線の断面図、
第３図は本発明によるAl安定化Nb₃Sn極細多芯
線の断面図、第４図は本発明のAl安定化Nb₃Sn
極細多芯線の製造方法の１例を説明する図、第５
図は本発明の効果を示す図、第６図は本発明の変
形例を説明する図である。 １……Nb₃Sn極細多芯超電導導線、２……Cu
−Snブロンズ、３……Nb₃Sn極細フイラメント、
４，１３……拡散障壁、５……バンドル、６……
Cu部材、７……Al部材、１４，１８……Cuパイ
プ、１５，１７，１９……複合体、１６……Nb
部材、２０……Al安定化超電導導線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アルミニウム部材と、銅部材と、該両部材の
   間に形成した第一の拡散障壁とからなり、更に該
   銅部材中に夫々が第二の拡散障壁で覆われた複数
   のバンドルを配設し、該バンドルはニオブ３スズ
   の極細線を銅乃至銅合金に埋め込んだものである
   ことを特徴とするアルミニウム安定化超電導導
   体。 ２ 前記第一の拡散障壁の断面積と、前記アルミ
   ニウム部材の断面積との比をｍとするとき、ｍが
   0.03ｍ＜３であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のアルミニウム安定化超電導導
   体。