JPWO2017130672A1 - 超伝導線材、超電導線材の前駆体、超電導線材の製造方法、超電導コイル、mri及びnmr - Google Patents
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Abstract
Description
一方,PIT法では緻密で連続性に優れたMgB2の微細組織を得るのが難しいという課題がある。Ex situ法では,縮径後にMgB2粉末を焼結するための熱処理をする。このとき,粉末同士を十分に結合させるには800−900℃の高温での熱処理が有効であるが,先述したように,高温での熱処理は磁束ピンニングの観点では好ましくない。In situ法では,縮径後にマグネシウムとホウ素からMgB2を合成する熱処理をする。このとき,700℃以下の低温熱処理であっても,粉末同士の結合に優れたMgB2が生成する。しかしながら,マグネシウムとホウ素からMgB2が生成する反応が体積収縮反応であるために空隙が多く生じ,最終的なMgB2の充填率が低くなるという課題が指摘されている。なお,MgB2の生成はマグネシウムがホウ素粉末の領域に拡散して起こるため,In situ法ではマグネシウム粉末がもともと存在した部分が空隙となり,数十マイクロメートルの空隙が多数分散した特徴的な微細組織となる。(例えば,非特許文献2を参照)
以上にPIT法において最も一般的なIn situ法,Ex situ法の特徴と課題を説明したが,この他にも臨界電流密度を高める様々な試みがされている。一例として,マグネシウム粉末とホウ素粉末に対して遊星ボールミル装置を用いて高エネルギー混合をすることで,粉末の反応性を高めるという試みである。以下ではこの方法を,メカニカルミリング法と呼ぶことにする。メカニカルミリング法では,混合エネルギーによっては熱処理をしなくてもMgB2が一部生成し,このように合成したMgB2は高い反応性を有し,高い臨界電流密度が得られるという報告がある。(例えば,非特許文献3,4,5,6,特許文献1を参照)
磁気共鳴イメージング装置(Magnetc Resonance Imaging:MRI)などの高い磁場均一性が求められる用途では,断面が丸や角などの対称性の良い形状が好まれる。アスペクト比の大きなテープ線は巻線の寸法精度の確保が難しいことが難点となる。加えて,磁場方向に対して異方性な臨界電流密度を有する線材はコイル設計に制約を与えるため,あまり好まれない。ここで,典型的なMgB2テープ線のアスペクト比(幅/厚)は10程度である。また,MgB2テープ線における臨界電流密度の異方性は,温度と磁場に依存するが,10−100程度に達することもある。
原料として,粒度<200mesh,純度99.8%のマグネシウム粉末と,粒径<250nm,純度98.5%のホウ素粉末を使用した。
比較例1と同一の方法で,混合粉末Mを準備した。混合粉末Mを外径18mm,内径13.5mmの鉄管に充填し,引抜加工により直径0.8mmまで縮径した。続いて、カセットロール加工により、直径0.5mmまで縮径した。
三本の線材に対して,nとθMを求めた結果を表1に示す。これらの値は,MgB2フィラメントの300μm四方の複数領域に対し,空隙の長軸の長さ,線材の軸と空隙の長軸の角度を求め,それらを平均したものである。Wire−IとWire−Mは空隙の数密度が高く,Wire−MRは空隙の数密度が低かった。したがって,Wire−MRの高い臨界電流密度は,MgB2フィラメントが緻密になり,有効な電流路となり得る断面積割合が増加したためと考えられる。Wire−IとWire−Mを比較すると空隙の数密度は同程度であるが,Wire−Iの方が臨界電流密度は高い。この差異はθMの差異に起因する。すなわち,Wire−MはθMが大きく,このことは空隙が電流経路をより遮りやすい線材の軸に直交する方向に向いているため,有効な電流路となる断面積割合が小さくなり臨界電流密度が低下したものと考えられる。
メカニカルミリング法を施した線材にカセットロール加工を加えることで,高い臨界電流密度を実現できたが,その微細組織の特徴は粗大な空隙が少ないこと(nが小さいこと),粗大な空隙が線材長手方向に対して垂直に向いていること(θMが大きい)である。
MgB2では結晶のホウ素サイトを炭素原子で置換することで電子の平均自由工程が短縮し,上部臨界磁場の向上によって高磁場域の臨界電流密度が向上することが知られている。そこで本実施例では,粒径50nmの炭化ホウ素粉末を添加した。Mg+1.80B+0.04B4Cの組成となるように粉末を秤量し,Wire−MRと同一の製法で線材を作製した。
本比較例では,メカニカルミリング法を多芯線の製造に適用する。
比較例2において,六角線材の外層材,中央の六角棒,組込材の外層材の材質を変更して,多芯線材を作製した。六角線材の外層材と中央の六角棒を鉄,組込材の外層材をモネル銅複合管とした。ここで,モネル銅複合管は,外側をモネル,内側を銅とした。
メカニカルミリング法による混合粉末を用いたMgB2線材の作製では,引抜法ではなくカセットロール加工を加えることが重要である。これは,カセットロール加工が,変形能に劣るメカニカルミリング法による混合粉末の充填率を向上させるのに有効であったためである。メカニカルミリング法による混合粉末の充填率を高めることができる手法であれば,必ずしもカセットロール加工に拘る必要はない。
本実施例では,本実施形態の超伝導線材を用いて超伝導コイルを作製する二つの方法について説明する。
本実施例では,本実施形態の超伝導線材を用いたMRI200の構成について説明する。図15にMRIの構成図を示す。
本実施例では,本実施形態の超伝導線材を用いた,垂直磁場オープンMRIについて説明する。図16に垂直磁場MRI300の斜視図を示す。
7:金属外層材、8:空隙、9:マグネシウム粒子、
10:ホウ素粒子が充填された領域、11:均一な組織、12:ホウ素粒子、
13:マグネシウムのマトリクス
14:バリア層,15:MgB2フィラメント,16:安定化層,17:最外層
Claims (12)
- MgB2フィラメントを備えた超伝導線材であって、
前記超伝導線材の縦断面における長軸10μm以上の空隙の数密度が5〜500mm−2の範囲にあり、
前記空隙の長軸と前記超伝導線材の軸との成す角の平均値が50度以上であることを特徴とする超伝導線材。 - 請求項1に記載の超伝導線材であって、
前記MgB2フィラメントが1つ存在する単芯線構造を有し、
前記MgB2フィラメントの外周を覆う金属層を備えたことを特徴とする超伝導線材。 - 請求項2に記載の超伝導線材であって、
前記金属層は鉄を含むことを特徴とする超伝導線材。 - 請求項1に記載の超伝導線材であって、
前記MgB2フィラメントが複数存在する多芯線構造を有し、
前記MgB2フィラメントの外周を覆うバリア層と、
前記バリア層の外周を覆う安定化相と、
前記安定化相の外周を覆う最外層を備え、
前記バリア層は、鉄、ニオブ、タンタル、またはチタンを含み、
前記安定化相は、銅を含み、
前記最外層は、銅よりもビッカース硬さの高い材料を含むことを特徴とする超伝導線材。 - マグネシウムのマトリクスにホウ素粒子が分散した微細組織のフィラメントと外層金属材とからなる超伝導線材の前駆体であって、
前記前駆体の縦断面における長軸10μm以上の空隙の数密度が5〜500mm−2の範囲にあり、
前記空隙の長軸と、前記前駆体の軸との成す角の平均値が60度以上であることを特徴とする超伝導線材の前駆体。 - 請求項5に記載の超伝導線材の前駆体において、
前記マグネシウムのマトリクスに炭素、炭化ホウ素、または金属炭化物の粒子が分散していることを特徴とする超伝導線材の前駆体。 - マグネシウム粉末とホウ素粉末をメカニカルミリングによりマグネシウムのマトリックスにホウ素が分散した混合粉末を作製する混合粉末作成工程と、
前記混合粉末を金属管に充填する充填工程と、
前記混合粉末が充填された金属管を縮径する縮径工程と、
縮径された金属管を熱処理しMgB2を生成させる熱処理工程と、を有し、
前記縮径工程において、
(1)回転する複数の加工治具の間に前記混合粉末が充填された前記金属管を通して前記金属管を縮径する第1縮径工程、
(2)150〜500℃の温度で加熱しながら前記金属管を縮径する第2縮径工程、
のいずれかを実行することを特徴とする超伝導線材の製造方法。 - 請求項7に記載の超伝導線材の製造方法であって、
前記縮径工程で縮径する金属管は単芯線構造を有することを特徴とする超伝導線材の製造方法。 - 請求項7に記載の超伝導線材の製造方法であって、
前記縮径工程で縮径する金属管は多芯線構造を有することを特徴とする超伝導線材の製造方法。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の超伝導線材を備えたことを特徴とする超伝導コイル。
- 請求項10に記載の超伝導コイルと、
被検体からの核磁気共鳴信号を解析する解析手段と、を備えたことを特徴とするMRI。 - 請求項10に記載の超伝導コイルと、
被検体からの核磁気共鳴信号を解析する解析手段と、を備えたことを特徴とするNMR。
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