WO2020090259A1 - 超電導線およびこれを用いた超電導コイル、ｍｒｉ - Google Patents

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田中　秀樹
孝明 鈴木
一宗 児玉
学 青木
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株式会社日立製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a superconducting wire, a superconducting coil using the same, and an MRI.
  • a desired magnetic field is obtained by passing a current that does not substantially attenuate in the superconducting coil.
  • the current density per cross-sectional area of the copper wire is about several A / mm 2 , but in the case of a superconducting coil, it can be set to a high current density of about several hundred A / mm 2.
  • a small sized coil is used to generate a strong magnetic field.
  • NbTi wire rods which are low-temperature superconducting wire rods, are mainly used in conventional superconducting coils, but since their operating temperature is as low as about 4K, cooling with liquid helium is mainly required. With the recent tight supply of helium, superconducting wire rods have been developed that can be used at high temperatures that do not require liquid helium.
  • the MgB2 superconductor has a high critical temperature of about 39K, and it is possible to maintain the superconducting state without cooling to about 4K, which requires liquid helium. With the recent development of MgB2 superconductor wire rods, it has become possible to fabricate superconducting coils using MgB2 wire rods.
  • Patent Document 1 discloses that "a superconducting wire having a wire made of MgB2 and a first metal that does not react with Mg, and being orthogonal to the longitudinal direction of the superconducting wire.
  • the superconducting wire is characterized in that the region from the center of the superconducting wire to the installation position of the elemental wire is composed of the elemental wire and the first metal.
  • MgB2 wire before heat treatment a wire filled with a mixed powder of magnesium powder and boron powder before heat treatment
  • the other is a method called the react-and-wind method.
  • This is a method of winding a heat-treated MgB2 wire into a coil.
  • the heat-treated MgB2 wire has an allowable bending radius, and if the wire is bent with a curvature smaller than the bending radius, the superconducting characteristics will be deteriorated. Therefore, when designing and manufacturing a superconducting coil using the MgB2 wire. It can be a constraint.
  • the allowable tensile strain when a tensile load or a bending load is applied to a heat-treated MgB2 wire at room temperature is about 0.2% (Non-Patent Document 1).
  • the allowable compression strain in the heat-treated MgB2 wire is about 0.5% (Non-Patent Document 2). Therefore, when a superconducting coil is manufactured by winding the heat-treated MgB2 wire, there is a concern that tensile strain or bending of the wire will exceed the allowable tensile strain of the MgB2 wire and deteriorate its superconducting properties.
  • the performance degradation due to bending of the MgB2 wire occurs when the strain applied to the MgB2 filament portion exceeds the allowable value (Non-Patent Document 1).
  • the strain applied to the MgB2 filament portion accompanying the bending of the wire is proportional to the distance from the neutral line of bending of the filament, generally the distance between the filament and the center of the MgB2 wire. Therefore, in order to reduce the allowable bending radius, the MgB2 filament may be arranged only in the center of the wire, or the entire MgB2 wire may be thinned. However, in these solutions, the area of the MgB2 filament is reduced, so that the critical current value and the critical current density of the MgB2 wire are extremely reduced.
  • the present invention is a superconducting wire having a plurality of MgB2 strands and a first base metal, wherein the plurality of MgB2 strands are used in a cross section orthogonal to a wire longitudinal direction.
  • a superconducting wire is used in which the center point of the enclosed region and the central axis of the cross section of the superconducting wire are apart from each other.
  • the present invention it is possible to provide a MgB2 wire rod that can be bent with a bending radius smaller than that of a conventional MgB2 wire rod without significantly reducing the critical current value or the critical current density.
  • Example 1 Schematic diagram of the MgB2 wire during heat treatment and coil winding in Example 1 Schematic configuration diagram of MRI using the present invention
  • Cross-sectional view of the MgB2 wire in Example 2 Transverse sectional view of the MgB2 wire in Example 3
  • Cross-sectional view of the MgB2 wire in Example 4 Cross-sectional view of the MgB2 wire in Example 5
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a superconducting wire 100 common to each embodiment.
  • the element wire 1 mainly composed of MgB2 is contained in the first base metal 2.
  • the plurality of wires 1 are arranged so as to draw a circle.
  • the region 3 surrounded by the strands is also composed of the first base metal 2.
  • the cross-sectional view shown in FIG. 1 is composed only of Mg, B, iron, and their reaction products.
  • the first base metal 2 may be BCC metal, and niobium or the like may be used in addition to iron.
  • a wire surrounded by the wire 1 and having a substantially circular cross-sectional shape is manufactured.
  • the first manufacturing method it can be manufactured by forming a plurality of holes in a columnar iron material, filling the holes with MgB2, magnesium, boron or the like, and performing wire drawing and heat treatment as necessary.
  • an iron pipe is filled with MgB2, magnesium, boron or the like, and if necessary, a plurality of single core wires that have been subjected to wire drawing and heat treatment are bundled, and these are filled into the iron pipe, It can be manufactured by performing wire drawing and heat treatment as necessary.
  • a die drawing process or a cassette roll process is performed so that the cross-sectional shape approaches a square shape, and a line with a substantially square cross-sectional shape surrounded by element wires is produced.
  • An iron ribbon-shaped wire having a width that encloses a wire whose cross-sectional shape is substantially quadrangle is used to cover the wire whose cross-sectional shape is substantially quadrangle so that a part of the wire is doubled, and die drawing or cassette roll is performed.
  • the line shown in FIG. 1 is obtained.
  • the line produced by the above-described production method is located at a position apart from the center point 4 of the region 3 surrounded by the wire and the center axis 5 of the wire rod cross section, and at which position It has a similar cross-section structure even when cut by.
  • the cross-sectional shape as shown in FIG. 1 is a quadrangle
  • the direction of the longer side of the quadrangle is the height direction
  • the direction of the shorter side is the width direction.
  • the center point 4 is defined by the center axis 61 of the line segment 6 which is the maximum in the height direction and the center axis 71 of the line segment 7 which is the maximum in the width direction in the region 3 surrounded by the strands. It is the intersection.
  • the central axis referred to here is the perpendicular bisector of the line segment.
  • the central axis 5 is a vertical bisector of the line segment 51 that is the maximum in the width direction in the cross section of the created superconducting wire 100.
  • the present invention is directed to the superconducting wire 100 having a plurality of the strands 1 and is not limited to eight.
  • a low-resistivity material may be required for its cross-sectional structure.
  • the iron shown in this embodiment can also be used as a low resistance material by sufficiently reducing the impurity concentration, but when a material having a smaller resistivity such as copper or oxygen-free copper is added, the embodiment 2 described later will be described.
  • the cross-sectional structure is shown in.
  • the bending radius of the heat-treating is generally set to that after the heat-treating. Since the bending radius is larger than the bending radius, the bending is performed so that the center point 4 of the region surrounded by the strands is located inside the bending.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram thereof.
  • the bending radius in the heat treatment is smaller than the bending radius in the subsequent winding after the heat treatment, the bending is performed so that the center points 4 of the regions surrounded by the strands are located outside the bending.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a state in which the superconducting wire 100 before heat treatment is wound around a bobbin, and the bobbin exists in the direction of arrow 21.
  • the bending radius in the heat treatment is larger than the bending radius in the winding after the heat treatment, so the bending direction in FIG. 2 is adopted.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a state in which the superconducting wire 100 after heat treatment is wound as a superconducting coil 102, and the direction of arrow 22 is the center direction of the winding.
  • the bending radius in the heat treatment is larger than the bending radius in the subsequent winding after the heat treatment. Therefore, the bending direction in FIG. 2 is adopted. Bend so that it is on the outside.
  • the superconducting wire 100 When the superconducting wire 100 is wound around a bobbin, heat-treated, and wound to form the superconducting coil 102, the superconducting wire 100 is once linear between the bobbin and the coil.
  • the heat-treated state when the heat-treated state is linearly deformed, tensile strain is applied to the wires inside the center axis 5 of the wire rod section, for example, the wire 11, and compressive strain is applied to the wires outside, for example, the wire 12. Is added.
  • the superconducting wire 100 is wound from a linear shape to the shape of the superconducting coil 102 and the bending radius in the shape of the superconducting coil 102 is smaller than the bending radius in the heat treatment, the bending radius from the linear shape to the heat treatment is increased. At the moment of bending to a bending radius equal to, the applied pulling / compressive strain is canceled.
  • a compressive strain is applied to the wire inside the central axis 5 of the wire rod section, for example, the wire 11, and the wire outside the wire, for example, the wire.
  • a tensile strain is applied to the wire 12.
  • the strain applied to the first wire group becomes maximum in a state of being wound around the shape of the superconducting coil 102.
  • the strain applied to the first wire group becomes maximum in the state where the heat treatment state is changed to the linear shape.
  • the maximum strain of compression and tension applied to the first wire group is proportional to the distance between the first wire 1 and the central axis 5 of the wire cross section in the radial direction of the superconducting coil.
  • the wire 11 is subject to the maximum compression strain
  • the wire 12 is subjected to the maximum tensile strain. Therefore, in consideration of the distance from the central axis 5, the maximum compressive strain applied to the first wire group is larger than the maximum tensile strain.
  • the strain resistance of the strand 1 can be improved by arranging the center point 4 away from the center axis 5 toward the center of the coil winding.
  • the cross-sectional shape can be removed. That is, it is possible to provide an MgB2 wire having a smaller allowable bending radius than the conventional wire.
  • the allowable tensile strain when a tensile load or a bending load is applied to the heat-treated MgB2 wire at room temperature is about 0.2% (Non-Patent Document 1).
  • the allowable compression strain in the heat-treated MgB2 wire is about 0.5% (Non-Patent Document 2).
  • the center axis 5 and the center point 4 are formed to have a shape of about 20% of the length of the line segment 7 and a distance of 10% or more and 30% or less in consideration of a manufacturing error and a difference in characteristics of the wire material.
  • the cross-sectional shape can maximize the strain resistance of the wire 1, and it is possible to provide the MgB2 wire having a smaller allowable bending radius.
  • the superconducting wire 100 After the heat treatment of the superconducting wire 100, the superconducting wire 100 is often subjected to insulation processing before being wound around the superconducting coil 102.
  • a reel-to-reel device is used to continuously perform insulation processing on the superconducting wire 100.
  • the strain applied to the wire 1 in this step is also within the allowable strain.
  • the chemical reaction of copper occurs due to the heating in the superconducting connecting step, and the copper or the copper compound exists before the heating. Precipitation occurs at a place different from the place where it was formed, and the mechanical strength is impaired due to the formation of a gap in the region 3 surrounded by the elemental wire 1, or it is precipitated at the connection interface between the MgB2 and the connection between the MgB2. Was hindering.
  • the present invention since there is no copper in the region 3 surrounded by the strands, it is advantageous that no gap is generated in this region and the mechanical strength is not impaired.
  • FIG. 3 shows a schematic configuration of the MRI 200 using the present invention.
  • the superconducting coil 102 using the superconducting wire 100 is stored in the freezing container 109 together with the permanent current switch 108 and cooled by a refrigerant or a refrigerator.
  • the permanent current flowing through the superconducting coil 102 and the persistent current switch 108 generates a static magnetic field with high time stability at the position of the measurement target 110.
  • the higher the static magnetic field strength the higher the nuclear magnetic resonance frequency and the higher the nuclear magnetic resonance signal strength.
  • the gradient magnetic field coil 111 is supplied with a time-varying current from the gradient magnetic field amplifier 112 as needed, and generates a static magnetic field having a spatial distribution at the position of the measurement target 110.
  • NMR NMR can also be realized using the same configuration.
  • the configuration of the MRI shown in FIG. 3 is an example, and does not limit the present invention.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of the superconducting wire 100 when the second base metal 8 is arranged in the outermost layer.
  • the use of copper or oxygen-free copper as the second base metal 8 is excellent in that the thermal stability of the superconducting wire 100 can be improved.
  • the superconducting wire 100 of the present embodiment is the same as the manufacturing method described in the first embodiment until a wire having a quadrangular cross section centered on the center point 4 of the region surrounded by the element wire is manufactured.
  • the superconducting wire 100 of this embodiment can be manufactured by using copper or oxygen-free copper for the ribbon-shaped wire for covering after manufacturing. If you want to increase the distance between the center point 4 of the area surrounded by the wire and the center point 5 of the wire rod cross section, use a ribbon of copper or oxygen-free copper that is partly thicker to surround the wire. It is possible to adjust the distance between the center point 4 of the isolated region and the center axis 5 of the wire rod cross section. By adjusting the distance between the center point 4 of the region surrounded by the wire and the center axis 5 of the wire rod cross section, the ratio of the maximum compressive strain and the maximum tensile strain applied to the wire 1 when the superconducting coil 102 is formed can be adjusted. It can be controlled, and the performance of the superconducting wire 100 can be maximized.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a superconducting wire 100 produced by covering the first base metal 2 and the second base metal 8 containing the strand 1 with the outermost third base metal 9 The figure is shown.
  • the thermal stability of the superconducting wire 100 is improved as in the second embodiment. it can. Furthermore, it is excellent in that the mechanical strength of the wire can be improved.
  • the line of this example is the same as that of Example 1 until the line having a quadrangular cross section centered on the center point 4 of the region surrounded by the element wire is produced. It can be manufactured by using a copper alloy for the ribbon-shaped wire for covering thereafter and simultaneously covering the ribbon-shaped wire of copper or oxygen-free copper.
  • FIG. 6 shows a cross-sectional view of the superconducting wire 100 when the strands 1 are arranged in multiple layers.
  • the present example is excellent in that the number of strands 1 is increased to increase the critical current density per cross section of the wire or to make the strands 1 thin at the same critical current density.
  • FIG. 6 shows a case where the second base metal 8 and the third base metal 9 are used for the cross-sectional structure, and the number of the wires 1 arranged in two layers is 16, but the present invention is not limited to this.
  • the target is a superconducting wire 100 having a plurality of strands 1, and the arrangement and number of strands 1 are not limited to two layers and 16.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view of the superconducting wire 100 when the cross-sectional shape of the wire is a shape obtained by removing a part of the circle.
  • the present embodiment is excellent in that the manufacturing process can be simplified because there is no need to manufacture a wire having a rectangular cross section or to cover with a ribbon-shaped wire in the wire manufacturing process.
  • the superconducting wire 100 of the present embodiment has the second outermost layer formed in the outermost layer when the wire having the circular cross-sectional shape centered on the center point 4 of the region surrounded by the strand 1 shown in the first embodiment is manufactured. It can be manufactured by arranging a metal pipe made of the base metal 8 and performing wire drawing, and then chemically or mechanically etching the two surfaces.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment.
  • other configurations can be added / deleted / replaced.
  • strand 1 ... strand (MgB2 strand), 2 ... first base metal, 3 ... region surrounded by strand, 4 ... center point of region surrounded by strand, 5 ... central axis of superconducting wire cross section , 8 ... Second base metal, 9 ... Third base metal, 100 ... Superconducting wire, 101 ... Superconducting wire during heat treatment, 102 ... Superconducting wire after coil winding, 108 ... Permanent current switch, 109 ... Freezing container, 110 ... Measuring object, 111 ... Gradient magnetic field coil 112 ... Gradient magnetic field amplifier, 113 ... RF antenna, 114 ... RF transceiver, 200 ... MRI

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Abstract

ＭｇＢ２線材の臨界電流値や臨界電流密度を極端に低下させることなく、許容曲げ半径の小さなＭｇＢ２線材およびこれを用いた超電導コイル、ＭＲＩを提供することを課題とする。この課題の解決のため、複数のＭｇＢ２素線と、第１の母材金属とを有する超電導線であって、線長手方向と直交する断面において、前記複数のＭｇＢ２素線で囲まれた領域の中心点と超電導線断面の中心軸とが離れた位置にあることを特徴とする超電導線およびこれを用いた超電導コイル、ＭＲＩとする。

Description

超電導線およびこれを用いた超電導コイル、ＭＲＩ
　本発明は超電導線およびこれを用いた超電導コイル、ＭＲＩに関する。
　ＭＲＩなどで強力かつ安定的な磁場を必要とする場合、超電導コイルにほぼ減衰しない電流を通電することで所望の磁場を得ている。銅線で電磁石を作製する場合、銅線の断面積あたりの電流密度は数Ａ／ｍｍ２程度であるが、超電導コイルの場合は数百Ａ／ｍｍ２程度の高い電流密度に設定することで、小さな体格のコイルで強力な磁場を発生させている。従来の超電導コイルには主に低温超電導線材であるＮｂＴｉ線材が用いられているが、その動作温度は約４Ｋと低いため、主に液体ヘリウムによる冷却が必要である。近年のヘリウム受給逼迫に伴い、液体ヘリウムを必要としない高い温度で使用できる超電導線材が開発されている。
　ＭｇＢ２超伝導体は臨界温度が約３９Ｋと高く、液体ヘリウムを必要とする約４Ｋまで冷却せずに超電導状態の維持が可能である。近年のＭｇＢ２超電導体の線材開発により、ＭｇＢ２線材を用いた超電導コイルを作製できるようになった。
　たとえば、ＭｇＢ２線材を用いた超電導コイルに関して、特許文献１には、「ＭｇＢ２で構成する素線と、Ｍｇと反応しない第１の金属を有する超電導線であって、前記超電導線の長手方向と直交する断面において、前記超電導線の中心から前記素線の設置位置までの領域を前記素線及び前記第１の金属で構成することを特徴とする超電導線。」が開示されている。
特願２０１７－５３０４６２号公報
IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 28, No. 4, JUNE 2018, 8400605 Supercond. Sci. Technol., vol. 18, No. 12, Nov. 2005, Art no. S284
　ＭｇＢ２線材を用いた超電導コイルの作製方法は大きく分けて２種類ある。一つは、ワインド・アンド・リアクト法と呼ばれる方法である。熱処理前のＭｇＢ２線材（厳密には熱処理前はマグネシウム粉末とホウ素粉末の混合粉末が充填された線材）をコイル状に巻回した後に熱処理を施す方法である。
　他方は、リアクト・アンド・ワインド法と呼ばれる方法である。熱処理済みのＭｇＢ２線材をコイル状に巻きまわす方法である。ここで、熱処理済みのＭｇＢ２線材には許容曲げ半径が存在し、その曲げ半径よりも小さな曲率で線を曲げると超電導特性が低下してしまうため、ＭｇＢ２線材を用いた超電導コイルの設計・作製の制約になりうる。
　例えば、熱処理済みのＭｇＢ２線材に対して室温で引っ張り負荷や曲げ負荷を印加した際の許容引っ張り歪みは、０．２％程度である（非特許文献１）。一方で、熱処理済みのＭｇＢ２線材における許容圧縮歪みは、０．５％程度である（非特許文献２）。よって、熱処理済みのＭｇＢ２線材を巻きまわして超電導コイルを作製する際、線材に対する引っ張りや曲げにより、ＭｇＢ２線材に許容される引っ張り歪みを超過してその超電導特性を低下させる懸念がある。
　ＭｇＢ２線材の曲げによる性能低下は、ＭｇＢ２フィラメント部に加えられる歪みが許容値を超えることで発生する（非特許文献１）。線材の曲げに伴うＭｇＢ２フィラメント部へ加わる歪みは、そのフィラメントの曲げの中立線からの距離、一般的にはフィラメントとＭｇＢ２線材の中心との距離、に比例する。よって、許容曲げ半径を小さくするためにはＭｇＢ２フィラメントを線材の中心のみに配置するか、ＭｇＢ２線材全体を細くすればよい。しかし、これらの解決法ではＭｇＢ２フィラメント面積が減少するため、ＭｇＢ２線材の臨界電流値および臨界電流密度が極端に低下してしまう。
　以上より、ＭｇＢ２線材の臨界電流値や臨界電流密度を極端に低下させることなく、許容曲げ半径の小さなＭｇＢ２線材を提供することが求められている。
　上記目的を達成するために、本発明は、複数のＭｇＢ２素線と、第１の母材金属とを有する超電導線であって、線長手方向と直交する断面において、前記複数のＭｇＢ２素線で囲まれた領域の中心点と超電導線断面の中心軸とが離れた位置にあることを特徴とする超電導線を用いる。
　本発明によって、臨界電流値や臨界電流密度を極端に低下させることなく、従来のＭｇＢ２線材よりも小さな曲げ半径で曲げること出来るＭｇＢ２線材を提供可能となる。
実施例１におけるＭｇＢ２線材の横断面図 実施例１における熱処理時およびコイル巻線時のＭｇＢ２線材の概略図 本発明を用いたＭＲＩの概略構成図 実施例２におけるＭｇＢ２線材の横断面図 実施例３におけるＭｇＢ２線材の横断面図 実施例４におけるＭｇＢ２線材の横断面図 実施例５におけるＭｇＢ２線材の横断面図
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
　以下本発明の一実施例を図１、図２に沿って説明する。
　線の長手方向に直交する断面を横断面と記す。図１に、各実施例に共通する超電導線１００の横断面略図を示す。主にＭｇＢ２からなる素線１は、第１の母材金属２の中に含有される。図１において複数の素線１は円を描くように配置されている。この素線で囲まれた領域３も第１の母材金属２で構成されている。ＢＣＣ金属のひとつである鉄を例にとると、図１に示した断面図は、Ｍｇ、Ｂ、鉄、およびこれらの反応物のみで構成されることになる。なお、本実施例では鉄を例に説明するが、第一の母材金属２はＢＣＣ金属であればよく、鉄以外にもニオブなどを取り得る。
　この断面構成を有する超電導線１００の作製方法としては、まず素線１で囲まれた断面形状が略円形の線を作製する。その第一の作製方法としては、円柱状の鉄材に複数の穴を設け、その穴にＭｇＢ２、マグネシウム、ホウ素などを充填し、必要に応じて伸線加工、熱処理を施すことで作製できる。第二の作製方法としては、鉄パイプにＭｇＢ２、マグネシウム、ホウ素などを充填し、必要に応じて伸線加工、熱処理を施した単芯線を複数本束ね、これらを鉄パイプの中に充填し、必要に応じて伸線加工、熱処理を施すことで作製できる。
　次に、断面形状がおよそ四角形に近づくように、ダイス引抜き加工やカセットロール加工を施し、素線で囲まれた断面形状が略四角形の線を作製する。その断面形状が略四角形である線を囲める幅を有する鉄のリボン状の線を用いて、その一部が二重となるよう断面形状が略四角形である線を覆い、ダイス引抜き加工やカセットロール加工を施すことで図１に示す線を得る。
　図１に示すように、上述した作成方法により作製した線は、素線で囲まれた領域３の中心点４と、線材断面の中心軸５とは交わることなく離れた位置にあり、どの位置で切断しても概略同じような横断面構造を有している。図１に示すような断面形状がおよそ四角形である場合、略四角形の長い辺の方向を高さ方向、短い辺の方向を幅方向と示すことにする。
　ここで中心点４は、素線で囲まれた領域３において、高さ方向にみて最大となる線分６の中心軸６１と、幅方向にみて最大となる線分７の中心軸７１との交点である。なお、ここで言及する中心軸とは、線分の垂直二等分線である。
　一方中心軸５は、作成した超電導線１００の横断面において、幅方向にみて最大となる線分５１の垂直二等分線である。
　なお、図１では素線１の本数が８本の場合を示したが、本発明は複数の素線１を有する超電導線１００を対象としており、８本に限定するものではない。
　超電導線１００の熱的安定性のためには、その断面構成に低抵抗率材を必要とする場合もある。本実施例で示した鉄も不純物濃度を十分小さくすることで低抵抗材として使用可能であるが、銅や無酸素銅など、さらに小さな抵抗率の材料を付加する場合は、後述する実施例２にその断面構成を示す。
　本発明に示す超電導線１００を熱処理する際と、熱処理ずみの超電導線１００を巻き回して超電導コイル１０７を作製する際は、一般的には熱処理する際の曲げ半径が熱処理後に後に巻き回す際の曲げ半径よりも大きいため、素線で囲まれた領域の中心点４が曲げの内側に位置するように曲げる。図２にその概略図を示す。逆に熱処理する際の曲げ半径が熱処理後に後に巻き回す際の曲げ半径よりも小さい場合は、素線で囲まれた領域の中心点４がそれぞれ曲げの外側に位置するように曲げる。（図示せず）
　その長さが数百メートルから数ｋｍにおよぶ超電導線材１００を熱処理する際には、ボビンに巻きつけて熱処理する場合が多い。その際、素線で囲まれた領域の中心点４がボビン中心から見て中心軸５の内側に位置するように熱処理用のボビンに巻きつける。図２左側図は熱処理前の超電導線１００をボビンに巻きつけた状態を示す概略図であり、矢印２１の方向にボビンが存在している。なお一般的には熱処理する際の曲げ半径が熱処理後に巻き回す際の曲げ半径よりも大きいため、図２の曲げ方向を採用するが、曲げ半径の大小関係が逆の場合は中心点４が外側となるように曲げる。熱処理後の超電導線材１００を超電導コイル１０２を形成するために巻きまわす際、熱処理時と曲げ方向が同じ方向となるように巻きつけて超電導コイル１０２を形作る。図２右側図は熱処理後の超電導線１００を超電導コイル１０２として巻きつけた状態を示す概略図であり、矢印２２の方向が巻線の中心方向となる。なお一般的には熱処理する際の曲げ半径が熱処理後に後に巻き回す際の曲げ半径よりも大きいため、図２の曲げ方向を採用するが、曲げ半径の大小関係が逆の場合は中心点４が外側となるように曲げる。
　超電導線材１００をボビンに巻きつけて熱処理し、超電導コイル１０２を形成するために巻きまわす際には、超電導線材１００はボビンとコイル間とで一度直線状となる。ここで、熱処理状態から直線状に変形することで線材断面の中心軸５よりも内側の素線、例えば素線１１には引っ張り歪みが加わり、外側の素線、例えば素線１２には圧縮歪みが加わる。
　次に、超電導線材１００が直線状から超電導コイル１０２の形状に巻きまわされる際、熱処理時の曲げ半径よりも超電導コイル１０２の形状における曲げ半径が小さい場合には、直線状から熱処理時の曲げ半径と等しい曲げ半径まで曲げた瞬間においては、加えられたひっぱり・圧縮歪みがキャンセルされる。さらに曲げ半径を小さくして超電導コイル１０２の形状となった際には、線材断面の中心軸５よりも内側の素線、例えば素線１１には圧縮歪みが加わり、外側の素線、例えば素線１２には引っ張り歪みが加わる。このように巻線することで、熱処理状態～直線状態～超電導コイル状態にわたるプロセスにおいて素線１群に加わる最大引っ張り歪みを最小化することが可能となる。
　このように熱処理時の曲げ半径よりも超電導コイル１０２の形状における曲げ半径が小さい場合には、超電導コイル１０２の形状に巻きまわされた状態において素線１群に加わる歪みが最大となる。なお、熱処理時の曲げ半径よりも超電導コイル１０２の形状における曲げ半径が大きい場合には、熱処理状態から直線状に変化した状態において素線１群に加わる歪みが最大となる。以下、一般的な例である熱処理時の曲げ半径よりも超電導コイル１０２の形状における曲げ半径が小さい場合について示すが、実施例を限定するものではない。
　素線１群に加わる圧縮および引っ張りの最大歪みは、素線１と線材断面の中心軸５との超電導コイルの半径方向における距離に比例する。コイル巻線後の超電導線１０２においては、圧縮の最大歪みがかかるのは素線１１であり、引っ張りの最大歪みがかかるのは素線１２となる。したがって中心軸５との距離を考慮すれば、素線１群に加わる最大圧縮歪みは最大引っ張り歪みよりも大きい。
　素線１は引っ張り歪みよりも圧縮歪みへの耐性が強いため、中心点４を中心軸５に対してコイルの巻線の中心側に離れた構造とすることで、素線１の歪み耐性をいかすことができる断面形状となる。すなわち従来の線材に比して、許容曲げ半径の小さなＭｇＢ２線材を提供することが可能となる。
　より具体的には、中心軸５と中心点４との距離２３をＸ、線分７の半分の長さを１とすると、素線１１にかかる圧縮の最大歪みと、素線１２にかかる最大歪みの比は（１＋Ｘ）：（１－Ｘ）で表される。
　ここで、熱処理済みのＭｇＢ２線材に対して室温で引っ張り負荷や曲げ負荷を印加した際の許容引っ張り歪みは、０．２％程度である（非特許文献１）。一方で、熱処理済みのＭｇＢ２線材における許容圧縮歪みは、０．５％程度である（非特許文献２）。以上を考慮しＸを求めると、Ｘはおよそ０．４３であることが導き出される。
　したがって、中心軸５と中心点４は、線分７の長さの２０％前後、作製時の誤差や線材の特性の差を考慮して１０％以上３０％以下の距離離れている形状とすることで、素線１の歪み耐性を最大限にいかすことができる断面形状となり、許容曲げ半径のより小さなＭｇＢ２線材を提供することが可能となる。
　なお、超電導線１００を熱処理した後に、超電導コイル１０２へ巻きまわす前に超電導線１００に絶縁加工を施す場合が多い。超電導線１００に連続的に絶縁加工を施すために、リールトゥリール装置を用いる。この工程において素線１に加わる歪みも許容歪み内に納める。
　横断面において素線１で囲まれた領域３の中に銅を有しているＭｇＢ２超電導線では、超電導接続工程における加熱により銅の化学反応が生じ、銅または銅化合物が加熱前に銅が存在していた場所とは異なる箇所に析出し、素線１で囲まれた領域３の中に隙間が生じることで機械的強度を損なったり、ＭｇＢ２同士の接続界面に析出するなどでＭｇＢ２同士の接続を阻害していた。本発明では素線で囲まれた領域３の中に銅を有していないため、この領域内に隙間は生じず、機械的強度を損なわないことが優位である。
　図３に、本発明を用いたＭＲＩ２００の概略構成を示す。超電導線１００を用いた超電導コイル１０２は、永久電流スイッチ１０８と共に、冷凍容器１０９に格納され、冷媒または冷凍機で冷却される。超電導コイル１０２と永久電流スイッチ１０８に流れる永久電流は、測定対象１１０の位置に、時間安定性の高い静磁場を発生させる。この静磁場強度が高いほど、核磁気共鳴周波数が高くなり、核磁気共鳴信号強度も高くなる。傾斜磁場コイル１１１は、傾斜磁場用アンプ１１２から必要に応じて時間変化する電流を供給され，測定対象１１０の位置に空間的に分布を持つ静磁場を発生させる。さらに、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）アンテナ１１３とＲＦ送受信機１１４を用いて測定対象に核磁気共鳴周波数の磁場を印加、反応信号を測定することで、測定対象１１０の断面画像診断が可能となる。
　本実施例の提供する形状を用いることで、許容曲げ半径のより小さい超電導コイルをＭＲＩ装置に導入することが可能となり、装置を小型化することが可能となる。
　同じ構成を用いてＮＭＲも実現可能である。なお、図３に示したＭＲＩの構成は一例であり、本発明を限定するものではない。
　以下に示す実施例では、実施例１との相違点のみを説明する。図４に第２の母材金属８を最外層に配置した場合の超電導線１００の横断面図を示す。第２の母材金属８として銅や無酸素銅を用いることで、超電導線１００の熱的安定性を向上できる点で優れている。本実施例の超電導線１００は、実施例１に示した、素線で囲まれた領域の中心点４を中心とする断面形状が四角形の線を作製するまでは同じ作製方法である。
　作製後に覆うためのリボン状の線に銅または無酸素銅を用いることで本実施例の超電導線１００を作製可能である。素線で囲まれた領域の中心点４と線材断面の中心点５との距離を大きくしたい場合は、一部が厚くなっている銅または無酸素銅のリボンを用いることで、素線で囲まれた領域の中心点４と線材断面の中心軸５との距離を調整可能である。素線で囲まれた領域の中心点４と線材断面の中心軸５との距離を調整することで、超電導コイル１０２を形成した際の素線１に加わる最大圧縮歪みと最大引張り歪みの比を制御でき、超電導線１００の性能を最大限に引き出すことが可能となる。
　図５に、素線１を含有する第１の母材金属２と第２の母材金属８を最外層の第３の母材金属９が覆うことにより作製した場合の超電導線１００の横断面図を示す。第２の母材金属８に銅または無酸素銅を用い、第３の母材金属９に機械強度が高い銅合金を用いることで、実施例２同様に超電導線１００の熱的安定性を向上できる。さらに、線材の機械強度を向上できる点で優れている。
　本実施例の線は、実施例１に示した、素線で囲まれた領域の中心点４を中心とする断面形状が四角形の線を作製するまでは同じ作製方法である。その後に覆うためのリボン状の線に銅合金を用い、銅または無酸素銅のリボン状の線を同時に覆うことで作製可能である。
　図６に素線１を複数層に配置した場合の超電導線１００の横断面図を示す。本実施例は、素線１の本数を増やすことで、線材断面あたりの臨界電流密度を高める、または、同じ臨界電流密度において素線１を細くすることができる点で優れている。図６では第２の母材金属８と第３の母材金属９を用いる断面構造で、かつ、素線１の配置が２層であり本数が１６本の場合を示したが、本発明は複数の素線１を有する超電導線１００を対象としており、素線１の配置および本数は２層および１６本に限定するものではない。
　図７に線の断面形状が円形の一部を除去した形状である場合の超電導線１００の横断面図を示す。本実施例は線の作製工程において断面が矩形の線を作製する工程やリボン状の線で覆う必要がなく、加工プロセスが簡易化できる点で優れている。本実施例の超電導線１００は、実施例１に示した、素線１で囲まれた領域の中心点４を中心とする断面形状が円形の線を作製する際に、最外層に第２の母材金属８からなる金属パイプを配置して伸線加工した後に、２面を化学的または機械的にエッチングすることで作製可能である。
　なお、本発明は上記した実施例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、上記した実施例は本発明を分かりやす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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例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。
１…素線（ＭｇＢ２素線）、　２…第１の母材金属、　３…素線で囲まれた領域、　４…素線で囲まれた領域の中心点、５…超電導線断面の中心軸、　８…第２の母材金属、　９…第３の母材金属、　１００…超電導線、１０１…熱処理時の超電導線、　１０２…コイル巻線後の超電導線、　１０８…永久電流スイッチ、　１０９…冷凍容器、　１１０…測定対象、　１１１…傾斜磁場コイル　１１２…傾斜磁場用アンプ、　１１３…ＲＦアンテナ、　１１４…ＲＦ送受信機、　２００…ＭＲＩ

Claims (12)

  1. 　複数のＭｇＢ２素線と、第１の母材金属とを有する超電導線であって、
    　線長手方向と直交する断面において、前記複数のＭｇＢ２素線で囲まれた領域の中心点と超電導線断面の中心軸とが離れた位置にあることを特徴とする超電導線。
  2. 　請求項１に記載の超電導線であって、
    　略四角形である前記超電導線断面の短辺方向となる幅方向において、前記中心点と前記中心軸との距離は、前記複数のＭｇＢ２素線で囲まれた領域の幅方向の最大長さの１０％以上３０％以下であることを特徴とする超電導線。
  3. 　請求項１に記載の超電導線であって、
    　略四角形である前記超電導線断面の短辺方向となる幅方向において、前記中心点と前記中心軸との距離は、前記複数のＭｇＢ２素線で囲まれた領域の幅方向の最大長さと前記ＭｇＢ２素線の許容圧縮歪みと許容引っ張り歪みとに基づいて算出される所定の距離であることを特徴とする超電導線。
  4. 　請求項２又は３に記載の超電導線であって、
    　前記中心軸は、前記超電導線断面の前記幅方向における最大長さを有する線分の中心軸であることを特徴とする超電導線。
  5. 　請求項２又は３に記載の超電導線であって、
    　前記中心点は、複数のＭｇＢ２素線で囲まれた領域において、略四角形である前記超電導線断面の長辺方向となる高さ方向において最大長さを有する線分の垂直二等分線と前記幅方向において最大長さを有する線分の垂直二等分線との交点であることを特徴とする超電導線。
  6. 　請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の超電導線であって、
    　前記第１の母材金属は、ＢＣＣ金属であることを特徴とする超電導線。
  7. 　請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の超電導線であって、
    　前記断面において、前記第１の母材金属の外側に第２の母材金属を有することを特徴とする超電導線。
  8. 　請求項７に記載の超電導線であって、
    　前記第２の母材金属は、銅または無酸素銅であることを特徴とする超電導線。
  9. 　請求項７に記載の超電導線であって、
    　前記断面において、前記第１の母材金属と前記第２の母材金属とを外側から囲む第３の母材金属を有することを特徴とする超電導線。
  10. 　請求項９に記載の超電導線であって、
    　前記第３の母材金属は銅合金であることを特徴とする超電導線。
  11. 　請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超電導線を含む超電導コイル。
  12. 　請求項１１に記載の超電導コイルを含有することを特徴とするＭＲＩ。
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