JP2008300337A - Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材およびそのための前駆体 - Google Patents

Abstract

【課題】内部拡散法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材が備えている優れた超電導特性を十分に発揮させるべく、内部拡散法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材における機械的強度の強化を図り、従来のブロンズ法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材を超電導特性および強度の両面で凌駕することのできる内部拡散法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材、およびそのための前駆体を提供する。
【解決手段】中央にＳｎまたはＳｎ基合金芯が配置されると共に、その周囲にＣｕまたはＣｕ基合金マトリクスと、複数本のＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントが配置されたモノエレメント線を複数本束ねて配置して構成されるマルチエレメント線であって、Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，ＭｏおよびＨｆよりなる群から選ばれる１種以上の金属または合金からなる棒状の補強部材をＣｕまたはＣｕ基合金に埋設した補強用エレメント線によって、前記モノエレメント線の一部を置き換えて配置したものであり、且つ前記棒状の補強部材の断面積の割合は、線材の全断面積に対して２〜２５％である。
【選択図】図５

Description

本発明は、Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材を内部Ｓｎ法によって製造するための前駆体（超電導線材前駆体）およびこうした前駆体によって製造されるＮｂ₃Ｓｎ超電導線材に関するものであり、殊に超電導マグネットの素材として有用なＮｂ₃Ｓｎ超電導線材およびその前駆体に関するものである。

超電導線材が実用化されている分野のうち、高分解能核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析装置や核融合装置、加速器等に用いられる超電導マグネットがある。これらの超電導マグネットでは、ＮＭＲ信号の分解性能向上やデータ習得の短時間化の要求から高磁場化が求められている。超電導マグネットの高磁場化・コンパクト化に対しては、超電導マグネットに使用する超電導線材の高性能化が必須となっており、特に超電導マグネットの最内層部に使用される超電導コイルの高性能化が求められている。

超電導マグネットに使用される超電導線材としては、Ｎｂ₃Ｓｎ線材が実用化されており、このＮｂ₃Ｓｎ超電導線材の製造には主にブロンズ法が採用されている。このブロンズ法では、Ｃｕ−Ｓｎ基合金（ブロンズ）マトリクス中に、複数のＮｂまたはＮｂ基合金からなる芯材を埋設して複合線材が構成される。この複合線材を、押出し若しくは伸線加工等の縮径加工を施すことによって、上記芯材を細径化してフィラメント（以下、「Ｎｂ基フィラメント」と呼ぶ）とし、このＮｂ基フィラメントとブロンズからなる複合線材を複数束ねて線材群となし、その外周に安定化の為の銅（安定化銅）を配置した後、更に減面加工する。引き続き、縮径加工後の上記線材群を６００℃以上、８００℃以下程度で熱処理（拡散熱処理）することにより、Ｎｂ基フィラメントとブロンズマトリクスの界面にＮｂ₃Ｓｎ化合物層を生成する方法である。

しかしながら、この方法ではブロンズ中に固溶できるＳｎ濃度には限界があり（１５．８質量％以下）、生成されるＮｂ₃Ｓｎ化合物層の厚さが薄く、また結晶性が劣化してしまい、高い臨界電流密度Ｊｃが得られないという欠点がある。超電導マグネット（以下、「ＮＭＲマグネット」で代表することがある）は、線材の臨界電流密度Ｊｃが高いほど、ＮＭＲマグネットをコンパクトにすることができ、マグネットのコストダウンが可能である。また、導体中の超電導部分の面積を小さくできることから、線材自体のコストダウンも可能となる。

Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材を製造する方法としては、上記ブロンズ法の他に、内部拡散法も知られている。この内部拡散法（「内部Ｓｎ法」とも呼ばれている）では、ブロンズ法のような固溶限によるＳｎ濃度に限界がないのでＳｎ濃度をできるだけ高く設定でき、良質なＮｂ₃Ｓｎ相が生成可能であるため、高い臨界電流密度Ｊｃが得られるといわれている。また上記ブロンズ法線材では、Ｃｕ−Ｓｎ合金が冷間加工中に加工硬化を起こすため多数回の焼鈍が必要となるが、内部Ｓｎ法ではほとんど焼鈍の必要はなく、納期短縮も可能であるため、内部拡散法によって製造される超電導線材（以下、「内部拡散法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材」と呼ぶことがある）のＮＭＲマグネット用途への適用が望まれている。

内部Ｓｎ法では、図１（Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材製造用前駆体の模式図）に示すように、ＣｕまたはＣｕ基合金（以下、「Ｃｕマトリクス」と呼ぶことがある）４の中央部に、ＳｎまたはＳｎ基合金からなる芯材（以下、「Ｓｎ基金属芯」と呼ぶことがある）３ａを埋設すると共に、Ｓｎ基金属芯３ａの周囲のＣｕマトリクス４中に、複数のＮｂまたはＮｂ基合金からなる芯材（以下、「Ｎｂ基金属芯」と呼ぶことがある）２を相互に接触しないように配置して前駆体（超電導線材製造用前駆体）１とし、これを伸線加工した後、熱処理（拡散熱処理）によってＳｎ基金属芯３ａ中のＳｎを拡散させ、Ｎｂ基金属芯２と反応させることによって線材中にＮｂ₃Ｓｎ相を生成させる方法である（例えば、特許文献１）。

また上記のような前駆体においては、図２に示すように、前記Ｎｂ基金属芯２とＳｎ基金属芯３ａが配置されたＣｕマトリクス４ａと、その外部の安定化銅層４ｂの間に拡散バリア層６ａを配置した構成（前駆体５ａ）を採用するのが一般的である。この拡散バリア層６ａは、例えばＮｂ層またはＴａ層、或いはＮｂ層とＴａ層の２層からなり、拡散熱処理の際にＳｎ基金属芯３ａ中のＳｎが外部に拡散してしまうことを防止し、超電導線材内でのＳｎの純度を高める作用を発揮するものである。

上記のような、超電導線材製造用前駆体の製造は、下記の手順で行われる。まず、Ｎｂ基金属芯をＣｕマトリスク管に挿入し、押出し加工や伸線加工等の縮径加工を施して複合体とし（通常、断面形状が六角形に形成される）、これを適当な長さに裁断する。そして、Ｃｕ製外筒を有し、拡散バリア層６ａを設け或いは設けないビレット内に前記複合体を充填し、その中央部にＣｕマトリクス（Ｃｕ製中実ビレット）を配置して押出し加工した後、中央部のＣｕマトリクスを機械的に穿孔してパイプ状複合体を構成する。或いは、他の方法として、Ｃｕ外筒とＣｕ内筒で構成され、拡散バリア層６ａを有しまたは有さない中空ビレット内（外筒と内筒の間）に前記複合体を複数本充填してパイプ押出ししてパイプ状複合体を構成する。

そして、これらの方法で作製されたパイプ状複合体の中央空隙部内に、Ｓｎ基金属芯３ａを挿入して縮径加工して、前記図１、２に示したような、Ｎｂ基金属芯２とＳｎ基金属芯３ａを含む前駆体エレメントが製造される。以下では、これらのものを、「モノエレメント線」と呼ぶことがある。

上記のようにして構成された各前駆体（モノエレメント線）は、図１のモノエレメント線の場合は拡散バリア層６ｂ（後記図３参照）を有するＣｕマトリクス管内に、図２のシングルエレメント線の場合は拡散バリア層を含まないＣｕマトリクス管内に、複数本束ねた集合体として充填され、更に縮径加工されて多芯型の超電導線材製造用前駆体（以下、「マルチエレメント線」と呼ぶことがある）とされる。

図３、４は、マルチエレメント線の構成例を示したものである。このうち図３は、前記図１に示した前駆体１（モノエレメント線）を、拡散バリア層６ｂおよび安定化銅４ｄを有するＣｕマトリクス４ｃ内に複数本束ねた集合体として埋設し、その部分が超電導マトリクス部として構成されるマルチエレメント線７としたものである（例えば、非特許文献１）。図４は、前記図２に示した前駆体５ａ（モノエレメント線）を、拡散バリア層を有さないＣｕマトリクス４ｅ内に複数本束ねた集合体として埋設し、その部分が超電導マトリクス部として構成されるマルチエレメント前駆体８としたものである（例えば、非特許文献２）。
特開昭４９−１１４３８９号公報 「低温工学」３９巻９号 ２００４ ｐ３９１〜３９７ 「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ」,Ｖｏｌ，ＭＡＧ−１９，Ｎｏ．３，ＭＡＹ １９８３ ｐ１１３１〜１１３４

超電導電流は、前駆体線材を作製した後に拡散熱処理（通常６００〜７００℃で１００〜３００時間程度）を施すことによって生成させたＮｂ₃Ｓｎ相を流れることになる。そしてこのＮｂ₃Ｓｎ相は、機械的な歪に対して非常に敏感であり、僅か１％程度の歪量であっても、急激に超電導特性（特に、臨界電流密度Ｊｃ）が低下することになる。

Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材が使用される場合、その殆ど全てが超電導マグネットの状態となるが、超電導マグネットではマグネットの磁界と通電電流によって、線材に対して常時電磁力が作用することになる。またＮｂ₃Ｓｎ超電導線材では、Ｎｂ₃Ｓｎ生成熱処理が７００℃に近い高温で行われ、４．２Ｋ以下の極低温で通電されるため、Ｎｂ₃Ｓｎ相には周囲に配置されるＣｕの熱収縮による力も作用することになって、歪を受けて特性が劣化することになる。

前述の如く、内部拡散法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材では、ブロンズ法で製造されるＮｂ₃Ｓｎ超電導線材に比べて高い臨界電流密度Ｊｃが得られるものである。こうした特性は、線材単位断面積内におけるＮｂ₃Ｓｎ相面積がブロンズ法によって作製されたＮｂ₃Ｓｎ超電導線材（以下、「ブロンズ法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材」と呼ぶことがある）に比べて大きいことに起因しているものと考えられる。このことは、内部拡散法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材では、良好な超電導特性が得られる分だけ歪に対して非常に敏感であるという問題を含んでいることになる。

こうした事情の下において、内部拡散法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材は、実用上は電磁力を加味した複雑なマグネット設計が強いられることになり、超電導線材は耐え得る電磁力（特性が劣化しない電磁力範囲）によって使用状態が制限されており、内部拡散法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材が本来備えている高い超電導特性を十分に発揮するところまでに至っていないのが実情である。

本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、内部拡散法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材が備えている優れた超電導特性を十分に発揮させるべく、内部拡散法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材における機械的強度の強化を図り、従来のブロンズ法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材を超電導特性および強度の両面で凌駕することのできる内部拡散法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材、およびそのための前駆体（超電導線材製造用前駆体）を提供することにある。

上記目的を達成することのできた本発明のＮｂ₃Ｓｎ超電導線材前駆体とは、内部拡散法によってＮｂ₃Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材前駆体において、中央にＳｎまたはＳｎ基合金芯が配置されると共に、その周囲にＣｕまたはＣｕ基合金マトリクスと、複数本のＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントが配置されたモノエレメント線を複数本束ねて配置して構成されるマルチエレメント線であって、Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，ＭｏおよびＨｆよりなる群から選ばれる１種以上の金属または合金からなる棒状の補強部材を埋設した補強用エレメント線によって、前記モノエレメント線の一部を置き換えて配置したものであり、且つ前記棒状の補強部材の断面積の割合は、線材の全断面積に対して２〜２５％である点に要旨を有するものである。

本発明の上記Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材前駆体においては、その構成例として、前記モノエレメント線および補強用エレメント線は、断面外形状が同一の六角形状であるものが挙げられる。また、前記棒状の補強部材の表面に被覆されるＣｕまたはＣｕ基合金層は、その最小厚みが拡散熱処理前の段階で２０〜１００μｍであることが好ましい。

前記補強用エレメント線は、線材中心を中心点として点対称となるように配置されたものであることが好ましく、こうした配置に具体的な構成として、（ａ）前記補強用エレメント線が、線材断面の外周囲に沿って連続的または断続的に複数本配置されると共に、その内側に前記モノエレメント線が配置されたものや、（ｂ）前記補強用エレメント線が、線材断面の中央部に相互に接触させて集合配置されると共に、その周囲に前記モノエレメント線が配置されたもの、等が挙げられる。

上記のような各種超電導線材製造用前駆体を用いて、拡散熱処理することによって希望する超電導特性（臨界電流密度Ｊｃおよび強度）を発揮するＮｂ₃Ｓｎ超電導線材を製造することができる。

本発明においては、内部拡散法によってＮｂ₃Ｓｎ超電導線材を製造する際に構成される前駆体（マルチエレメント線）において、本来Ｎｂ₃Ｓｎ相を形成するために配置されるモノエレメント線の一部を、Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，ＭｏおよびＨｆよりなる群から選ばれる１種以上の金属または合金からなる棒状の補強部材を埋設した補強用エレメント線によって、所定の面積割合となるように置き換えて配置する構成を採用することによって、良好な超電導特性を維持しつつ強度的にも十分な超電導線材を得ることができた。

本発明の前駆体線材では、前記図３、４に示したようなマルチエレメント線（図３の７、図４の８）を構成する際に、その構成素材となるモノエレメント線（図３の１、図４の５ａ）の一部を、Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，ＭｏおよびＨｆよりなる群から選ばれる１種以上の金属または合金からなる棒状の補強部材を埋設した補強用エレメント線によって、前駆体を構成するときに特別な作業をすることなく、比較的容易に前駆体を製造することができるという利点もある。

内部拡散法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材を製造するときの最終熱処理（拡散熱処理）は、上述の如く６００〜７００℃程度となるのであるが、本発明で補強部材として用いる金属若しくは合金は、こうした熱処理による焼きなまし効果によっても軟化の程度が少ないと共に（高融点金属）、加工性にも優れている必要がある。また、４．２Ｋの低温における機械的強度（例えば、０．２％耐力σ_0.2）が十分に高いことも必要である。こうした観点から、本発明では、補強部材を構成する素材として、Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，ＭｏおよびＨｆよりなる群から選ばれる１種以上の金属または合金が選ばれる。このうち、特に好ましいのはＮｂ，ＴａおよびＴｉ（少なくともこれらの金属を含むもの）である。

上記補強用エレメント線は、上記のような金属または合金からなる補強部材をＣｕまたはＣｕ基合金に埋設して構成されるものであるが、補強部材としてＴｉを採用した場合には、拡散熱処理の際にＴｉ部分にＣｕが拡散反応して硬いＣｕ−Ｔｉ化合物が線材内に形成されることになるが、こうしたＣｕ−Ｔｉ化合物の存在は、最終的な超電導線材の強度向上に寄与することになる。

但し、拡散熱処理までに熱間加工（例えば、熱間押し出し）を行う必要があるときには、その作製中での熱によって、最終伸線加工までに上記のようなＣｕ−Ｔｉ化合物が形成されることになると、伸線加工性に悪影響を及ぼすことになる。こうした事態が懸念される場合には、Ｔｉ（補強部材）と、ＣｕまたはＣｕ基合金との界面にＮｂ等によって薄い層（拡散障壁層）を形成してＣｕのＴｉへの拡散を防止するようにすれば良い。尚、こうした拡散障壁層を形成するときには、短時間の熱（押し出し加工時の熱や加工発熱）での化合物生成を抑制すれば良く、その後の拡散熱処理でのＣｕのＴｉへの拡散を大きく阻害しないようにすることが有効である。こうした観点から、Ｎｂ等の拡散障壁層の厚みはＴｉの直径の０．２〜０．８％程度とすることが好ましい。

本発明で用いる補強用エレメント線では、上記のような金属または合金からなる棒状の補強部材をＣｕまたはＣｕ基合金に埋設することによって構成されるものであるが、こうした補強用エレメント線を前駆体の補強のために配置すると、超電導部（Ｎｂ₃Ｓｎ相）の面積が減少してしまい、全断面積に対する臨界電流密度Ｊｃが低下することになる。こうしたことから、補強用エレメント線の配置割合を大きくして高強度化を指向することにも限界がある。

補強部材の素材としてＴｉを用いたときに（即ち、拡散熱処理によってＣｕ−Ｔｉ化合物を形成したとき）、補強部材の面積率（線材全体の面積率に対する補強部材の面積割合）が０．２％耐力や臨界電流密度Ｊｃに与える影響を図５に示す。また、補強部材の素材としてＮｂを用いたときに、補強部材の面積率が０．２％耐力や臨界電流密度Ｊｃに与える影響を図６に示す。尚、０．２％耐力や臨界電流密度Ｊｃの測定方法や、超電導線材の作製条件については、後記実施例１、２に示す通りである。

図５、６から明らかなように、補強部材の面積率が増加するにつれて、強度（０．２％耐力σ_0.2）が増大すると共に、臨界電流密度Ｊｃが低下する傾向を示すことが分かる。一般的なブロンズ法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材では、外部磁場１８Ｔ（テスラ）における臨界電流密度および０．２％耐力σ_0.2は、夫々１３０〜１５０Ａ／ｍｍ²、１５０〜１８０ＭＰａ程度であることから、ブロンズ法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材での両特性を凌駕するためには、内部拡散法Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材中の補強部材の面積率は、２〜２５％程度にすれば良いことが分かる。この面積率の好ましい範囲は６〜１８％程度である。

本発明の前駆体線材では、前記図１、２に示したようなモノエレメント線（図１の１、図２の５ａ）と、上記のようにして構成される補強用エレメント線を組み合わせて束ね、これをＣｕ製パイプ内に挿入した後、伸線加工することによって、マルチエレメント線としたものである。こうした前駆体の構成を、図面を用いて説明する。

図７は、本発明の前駆体を構成する状態を説明する図であり、図中１０は前記図１、２に示したモノエレメント線（図１の１、図２の５ａ）、１１は上記補強部材をＣｕまたはＣｕ基合金に埋設することによって構成される補強用エレメント線を夫々示す。これらモノエレメント線１０（以下、「内部拡散法エレメント線１０」と呼ぶことがある）と、補強用エレメント線とを複数本束ねて組合わせ、Ｃｕ製パイプ１２内に挿入した後、伸線加工してマルチエレメント線とすることによって、本発明の前駆体が構成される。また、このときのＣｕ製パイプ１２はＣｕマトリクスを構成することになる（図４に示した４ｅの一部）。また、こうした前駆体を構成する際に、前記図３に示したような、拡散バリア層（図３の６ｂ相当）を形成しても良いことは勿論である。

本発明の前駆体を構成するに当たっては、図７に示したように、内部拡散法エレメント線（モノエレメント線）１０と補強用エレメント線１１は、断面外形状が同一の六角形状であることが好ましい。こうした構成を採用することによって、内部拡散法エレメント線１０と補強用エレメント線１１を束ねて組み合わせる際に容易に行えることになる。またこれらのエレメント線（内部拡散法エレメント線１０、補強用エレメント線１１）は、その表面がＣｕまたはＣｕ基合金によって被覆された構成となるが、これらのＣｕまたはＣｕ基合金部分は、組合わせの際に相互に接合されてＣｕまたはＣｕマトリクス層（図３の４ｃ、図４の４ｅ相当）を形成することになる。

尚、内部拡散法エレメント線１０と補強用エレメント線１１は、断面の外観形状（外形状）が同一であれば、上記の効果が発揮されるものであり、必ずしも内部の形状（例えば、棒状の補強部材の埋設位置）まで同じである必要はないことは勿論である。また、上記「同一」とは、厳密に同一である必要もなく、設計上の誤差（例えば、Ｃｕ製パイプの組込みの段階で±１ｍｍ程度）は許容できるのである。

前記補強用エレメント線１１において、その表面のＣｕまたはＣｕ合金層の厚さ（六角断面形状の場合は最小厚さ）は、周囲との密着性向上による加工性向上という観点から、拡散熱処理前の段階で２０〜１００μｍであることが好ましい。即ち、この厚さが２０μｍ未満では、周囲エレメントとの密着性が低くなって加工時の断線の一因となり、１００μｍを超えると補強部材の面積率の低下による強度不足や、補強用エレメント線の使用量増による臨界電流密度Ｊｃの低下を招くことになる。

上記のようにして内部拡散法エレメント線１０と補強用エレメント線１１とを組み合わせてＣｕ製パイプ１２内に挿入して加工するに際しては、夫々の構成部材の機械的特性は異なることになる。線材を押し出しや伸線によって縮径していくに当たっては、円形状を保持したまま、線材断面構成を崩さないようにダイスを用いた引き抜きによる伸線加工等を経ることになる。断面構成（各材料の面積率）が伸線加工によって変化する場合、拡散熱処理の際にＮｂとＳｎの反応比率が線材長さ方向で希望する超電導特性が得られなくなったり、断面内における補強部材の比率が変化してしまうという事態も発生する。特に、本発明で構成される前駆体では、断面構成が非常に複雑なものとなり、加工に際しては線材断面内での加工のし易さの違い（変形抵抗の違い）が幾分か生じることは避けることはできない。

こうした現象を考慮すると、本発明の前駆体において、円形状を保持したまま加工する伸線加工を施すためには、Ｃｕパイプ内に配置される内部拡散法エレメント線は勿論のこと、補強用エレメント線は、線材中心を中心点として点対称となるように配置されることが好ましい。

図８は、点対称の構成を採用するときの具体的な構成例を示す説明図であり、この構成は補強用エレメント線１１を、線材断面の外周囲に沿って連続的または断続的に複数本配置すると共に、その内側に内部拡散法エレメント線（モノエレメント線）１０を配置した構成を示したものである。また図９は、点対称の構成を採用するときの具体的な他の構成例を示す説明図であり、この構成は、補強用エレメント線１１を、線材断面の中央部に相互に接触させて集合配置すると共に、その周囲にモノエレメント線１０を配置したものである。

本発明においては、上記のような前駆体を用い、ブロンズ化熱処理を含めた拡散熱処理（通常６００℃以上、７００℃以下程度）することによって、良好な超電導特性（臨界電流密度Ｊｃ）を発揮するＮｂ₃Ｓｎ超電導線材を得ることができる。具体的には、１８０〜６００℃の温度範囲でブロンズ化熱処理（ＳｎをＣｕに拡散させる）を行なった後に、６００〜７００℃の温度範囲で１００〜３００時間程度のＮｂ₃Ｓｎを生成させる熱処理を行なう。尚、ブロンズ化熱処理としては、１８０〜２００℃で５０時間程度、３４０℃前後で５０時間程度、５５０℃前後で５０〜１００時間等の多段階の熱処理の組合せにすることもできる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

（実施例１）
純度：９９．９％のＮｂ棒（直径：５５ｍｍ）を、Ｃｕ製パイプ（内径：６５ｍｍ）中に挿入後、このＣｕ製パイプの両端をＣｕで封止し、Ｃｕ／Ｎｂ複合ビレットを作製した。この複合ビレットを、押し出し・伸線して六角断面形状のＣｕ／Ｎｂ複合単芯線（六角対辺：４ｍｍ）を作製した。

上記Ｃｕ／Ｎｂ複合単芯線：３０６本を外周に、同形状のＣｕスペーサ：４３９本をその中心に配置して、Ｃｕ製パイプ（外径：１５０ｍｍ、内径：１３０ｍｍ）内に組込み、両端をＣｕで封止し、内部拡散法ビレットを作製した。このビレットを押出し後矯正し、機械加工により中心（Ｃｕスペーサ部分）に直径２０ｍｍの孔を開けた。その孔にＳｎ棒（直径：１９．５ｍｍ）を挿入した後伸線加工し、六角断面形状に加工することによって、内部拡散法エレメント線（前記図１）を作製した。このとき、六角断面形状の大きさ（六角対角辺長さ）、最終的に組込む本数によって変化させた（この点については、後述する）。

一方、純度：９９．９％のＴｉ棒（直径：５７ｍｍ）を、Ｃｕ製パイプ（外径：６５ｍｍ、内径：５７．５ｍｍ）中に挿入後、このＣｕ製パイプの両端をＣｕで封止し、Ｃｕ／Ｔｉ複合ビレットを作製した。この複合ビレットを、押し出し・伸線して六角断面形状のＣｕ／Ｔｉ複合単芯線（補強用エレメント線）を作製した。このとき、Ｔｉ棒の周囲に厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを巻き付ける以外は上記と同様にして作製したＣｕ／Ｔｉ複合単芯線についても準備した（後記実験Ｎｏ．２，７）。このとき、六角断面形状の大きさ（六角対角辺長さ）は、上記内部拡散法エレメント線と同様に、最終的に組込む本数によって変化させた（この点については、後述する）。

上記内部拡散法エレメント線：Ｘ本と、Ｃｕ／Ｔｉ複合単芯線（補強用エレメント線）：Ｙ本とを束ね、Ｃｕ製パイプ（外径：４６ｍｍ、内径：３８ｍｍ）中に組込んで、抽伸法により内部拡散法多芯線（前記図３、４相当）を作製した。このときの、全断面積に対する補強部材（Ｃｕ／Ｔｉ複合単芯線のＴｉ部分）の面積割合はＺ％である。

尚、内部拡散エレメント線と補強用エレメント線の大きさ（六角対辺距離）は、組込む本数によって変化させたが、例えば合計本数（Ｘ＋Ｙ）が１９本の場合（下記表１の実験Ｎｏ．１，４）は、六角対辺：７．３ｍｍであり、合計本数（Ｘ＋Ｙ）が５５本の場合（下記表１の実験Ｎｏ．２，６，７）は、六角対辺：４．５ｍｍであり、合計本数（Ｘ＋Ｙ）が３７本の場合（下記表１の実験Ｎｏ．３，５）は、六角対辺：５．３ｍｍである。また、こうした加工に伴って、Ｃｕ／Ｔｉ複合単芯線における、Ｃｕ層の厚さは伸線加工後で（直径：１．５ｍｍの段階で）、３３μｍ（実験Ｎｏ．１，４）、２０μｍ（実験Ｎｏ．２，６，７）、２５μｍ（実験Ｎｏ．３，５）となる。

こうして得られた各種内部拡散多芯線を、直径：１．５ｍｍとなるまで伸線加工してＮｂ₃Ｓｎ生成熱処理（６００℃×２００時間）を施した後、下記の方法によって臨界電流密度Ｊｃを測定した。また、同サンプルについて、液体ヘリウム（４．２Ｋ）中に浸漬した状態で、引張試験を実施して０．２％耐力（σ_0.2）を測定した。尚、臨界電流密度Ｊｃは１４０Ａ／ｍｍ²以上であることが必要であり、０．２％耐力（σ_0.2）は１５０ＭＰａ以上であることが必要である。

［臨界電流密度Ｊｃの測定］
液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）で、１８Ｔの外部磁場の下、試料（超電導線材）に通電し、４端子法によって発生電圧を測定し、この値が０．１μＶ／ｃｍの電界が発生した電流値（臨界電流Ｉｃ）を測定し、この電流値を、線材の全導体断面当りの断面積で除して臨界電流密度Ｊｃを求めた。尚、「全導体断面」とは、線材全体の断面を意味する。

その結果を（臨界電流密度Ｊｃ、０．２％耐力）を、内部拡散法エレメントの本数Ｘ、補強用エレメントの本数Ｙ、補強部材の面積割合Ｚおよび銅比（線材全断面積に対する銅部分の断面積の割合）と共に、下記表１に示す。尚、下記表１に示した実験Ｎｏ．１〜４、７のものは、補強用エレメント線を線材中心部に集合させて配置したものであり（前記図９）、実験Ｎｏ．５のものは補強用エレメント線を内部拡散法エレメントの外周に配置したものである（前記図８）。また、補強部材の面積割合（％）は、Ｃｕ／Ｔｉ複合単芯線のＴｉ部分の合計断面積Ｓ_０の線材全断面積Ｓに対する割合［（Ｓ_０／Ｓ）×１００（％）］を示す。

この結果から明らかなように、本発明で規定する要件を満足する実験Ｎｏ．１〜５のものでは、良好な臨界電流密度Ｊｃが良好な値（２００Ａ／ｍｍ²）が得られている共に、適切な０．２％耐力（σ_0.2）も１５０ＭＰａ以上を確保していることが分かる。

これに対し、実験Ｎｏ．６のものでは、補強部材を組込んでいないので、４．２Ｋにおける０．２％耐力（σ_0.2）が１３９ＭＰａと低い値となっている。また、実験。Ｎｏ．７のものでは、補強部材の面積割合が３３．６％と多くすることによって、４．２Ｋにおける０．２％耐力（σ_0.2）は大きい値（４２１ＭＰａ）を示しているが、臨界電流密度が低下している。

尚、実験Ｎｏ．２，７については、Ｔｉ棒の周囲に厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを巻き付けてＣｕ／Ｔｉ複合単芯線を構成したものであり、これらはＮｂシートの存在によって、Ｎｂ₃Ｓｎ拡散熱処理後においても補強材としてのＴｉ芯は他の元素と反応しないままであったが、その他のもの（実験Ｎｏ．１，３〜５）については、Ｎｂ₃Ｓｎ拡散熱処理の際のＴｉ中にＣｕが拡散しており、Ｔｉ棒部分はＣｕ−Ｔｉ化合物に変化していた。即ち、Ｔｉを補強部材として用いた場合には、Ｃｕと反応してＣｕ−Ｔｉ系化合物を形成した場合においても補強部材としての機能を発揮することが分かる。

（実施例２）
純度：９９．９％のＮｂ棒（直径：５５ｍｍ）を、Ｃｕ製パイプ（内径：６５ｍｍ）中に挿入後、このＣｕ製パイプの両端をＣｕで封止し、Ｃｕ／Ｎｂ複合ビレットを作製した。この複合ビレットを、押し出し・伸線して六角断面形状のＣｕ／Ｎｂ複合単芯線（六角対辺：４ｍｍ）を作製した。

上記Ｃｕ／Ｎｂ複合単芯線：３０６本を外周に、同形状のＣｕスペーサ：４３９本をその中心に配置して、Ｃｕ製パイプ（外径：１５０ｍｍ、内径：１３０ｍｍ）内に組込み、両端をＣｕで封止し、内部拡散法ビレットを作製した。このビレットを押出し後矯正し、機械加工により中心（Ｃｕスペーサ部分）に直径２０ｍｍの孔を開けた。その孔にＳｎ棒（直径：１９．５ｍｍ）を挿入した後伸線加工し、六角断面形状に加工することによって、内部拡散法エレメント（前記図１）を作製した。このとき、六角断面形状の大きさ（六角対角辺長さ）、最終的に組み込む本数によって変化させた（この点については、後述する）。

一方、純度：９９．９％のＮｂ棒（直径：５７ｍｍ）を、Ｃｕ製パイプ（外径：６５ｍｍ、内径：５７．５ｍｍ）中に挿入後、このＣｕ製パイプの両端をＣｕで封止し、Ｃｕ／Ｎｂ複合ビレットを作製した。この複合ビレットを、押し出し・伸線して六角断面形状のＣｕ／Ｎｂ複合単芯線を作製した。このとき、六角断面形状の大きさ（六角対角辺長さ）、最終的に組み込む本数によって変化させた（この点については、後述する）。このとき、六角断面形状の大きさ（六角対辺距離）、内部拡散法エレメント線と同様に、最終的に組込む本数によって変化させた（この点については、後述する）。

上記内部拡散法エレメント：ｘ本と、Ｃｕ／Ｎｂ複合単芯線：ｙ本とを束ね、Ｃｕ製パイプ（外径：４６ｍｍ、内径：３８ｍｍ）中に組込んで、抽伸法により内部拡散法多芯線（前記図３、４相当）を作製した。このときの、全断面積に対する補強部材（Ｃｕ／Ｎｂ複合単芯線のＮｂ部分）の面積割合はｚ％である。

尚、内部拡散エレメント線と補強用エレメント線の大きさ（六角対辺距離）は、実施例１と同様に、組込む本数によって変化させたが、例えば合計本数（ｘ＋ｙ）が１９本の場合（下記表２の実験Ｎｏ．８，１１）は、六角対辺：７．３ｍｍであり、合計本数（ｘ＋ｙ）が５５本の場合（下記表２の実験Ｎｏ．９，１３，１４）は、六角対辺：４．５ｍｍであり、合計本数（ｘ＋ｙ）が３７本の場合（下記表２の実験Ｎｏ．１０，１２）は、六角対辺：５．３ｍｍである。また、こうした加工に伴って、Ｃｕ／Ｔｉ複合単芯線における、Ｃｕ層の厚さは伸線加工後で（直径：１．５ｍｍの段階で）、３３μｍ（実験Ｎｏ．８，１１）、２０μｍ（実験Ｎｏ．９，１３，１４）、２５μｍ（実験Ｎｏ．１０，１２）となる。

こうして得られた各種内部拡散多芯線を、直径：１．５ｍｍとなるまで伸線加工してＮｂ₃Ｓｎ生成熱処理（６００℃×２００時間）を施した後、実施例１と同様の方法で臨界電流密度Ｊｃおよび０．２％耐力（σ_0.2）を測定した（その基準は実施例１と同じ）。

その結果を（臨界電流密度Ｊｃ、０．２％耐力）を、内部拡散法エレメントの本数ｘ、補強用エレメント線の本数ｙ、補強部材の面積割合ｚおよび銅比（線材全断面積に対する銅部分の断面積の割合）と共に、下記表２に示す。尚、下記表２に示した実験Ｎｏ．８〜１１、１４のものは、補強用エレメント線を線材中心部に集合させて配置したものであり（前記図９）、実験Ｎｏ．１２のものは補強用エレメント線を内部拡散法エレメントの外周に配置したものである（前記図８）。

この結果から明らかなように、本発明で規定する要件を満足する実験Ｎｏ．８〜１２のものでは、臨界電流密度Ｊｃが良好な値（２００Ａ／ｍｍ²）が得られている共に、適切な０．２％耐力（σ_0.2）も１５０ＭＰａ以上を確保していることが分かる。

これに対し、実験Ｎｏ．１３のものでは、補強部材を組込んでいないので、４．２Ｋにおける０．２％耐力（σ_0.2）が１３９ＭＰａと低い値となっている。また、実験Ｎｏ．１４のものでは、補強部材の面積割合が３３．６％と多くすることによって、４．２Ｋにおける０．２％耐力（σ_0.2）は大きい値（３００ＭＰａ）を示しているが、臨界電流密度が低下している。

内部Ｓｎ法に適用される超電導線材製造用前駆体（モノエレメント線）の構成例を模式的に示した断面図である。 内部Ｓｎ法に適用される超電導線材製造用前駆体（モノエレメント線）の他の構成例を模式的に示した断面図である。 内部Ｓｎ法に適用される超電導線材製造用前駆体（マルチエレメント線）の構成例を模式的に示した断面図である。 内部Ｓｎ法に適用される超電導線材製造用前駆体（マルチエレメント線）の他の構成例を模式的に示した断面図である。 補強部材の素材としてＴｉを用いたときに、補強部材の面積率が０．２％耐力や臨界電流密度Ｊｃに与える影響を示したグラフである。 補強部材の素材としてＮｂを用いたときに、補強部材の面積率が０．２％耐力や臨界電流密度Ｊｃに与える影響を示したグラフである。 本発明の前駆体を構成する状態を説明する図である。 点対称の構成を採用するときの具体的な構成例を示す説明図である。 点対称の構成を採用するときの具体的な他の構成例を示す説明図である。

符号の説明

１，５ａ 超電導線材製造用前駆体（モノエレメント線）
２ ＮｂまたはＮｂ基合金芯（Ｎｂ基金属芯）
３ａ ＳｎまたはＳｎ基合金芯（Ｓｎ基金属芯）
４，４ａ，４ｃ，４ｅ ＣｕまたはＣｕ基合金マトリクス
６ａ，６ｂ 拡散バリア層
７，８ 超電導線材製造用前駆体（マルチエレメント線）
１０ 内部拡散法エレメント線（モノエレメント線）
１１ 補強用エレメント線
１２ Ｃｕ製パイプ

Claims (7)

1. 内部拡散法によってＮｂ₃Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材前駆体において、中央にＳｎまたはＳｎ基合金芯が配置されると共に、その周囲にＣｕまたはＣｕ基合金マトリクスと、複数本のＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントが配置されたモノエレメント線を複数本束ねて配置して構成されるマルチエレメント線であって、Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，ＭｏおよびＨｆよりなる群から選ばれる１種以上の金属または合金からなる棒状の補強部材をＣｕまたはＣｕ基合金に埋設した補強用エレメント線によって、前記モノエレメント線の一部を置き換えて配置したものであり、且つ前記棒状の補強部材の断面積の割合は、線材の全断面積に対して２〜２５％であることを特徴とするＮｂ₃Ｓｎ超電導線材前駆体。
2. 前記モノエレメント線および補強用エレメント線は、断面外形状が同一の六角形状である請求項１に記載のＮｂ₃Ｓｎ超電導線材前駆体。
3. 棒状の補強部材の表面に被覆されるＣｕまたはＣｕ基合金層は、その最小厚みが拡散熱処理前の段階で２０〜１００μｍである請求項２に記載のＮｂ₃Ｓｎ超電導線材前駆体。
4. 前記補強用エレメント線は、線材中心を中心点として点対称となるように配置されたものである請求項１〜３のいずれかに記載のＮｂ₃Ｓｎ超電導線材前駆体。
5. 前記補強用エレメント線は、線材断面の外周囲に沿って連続的または断続的に複数本配置されると共に、その内側に前記モノエレメント線が配置されたものである請求項４に記載のＮｂ₃Ｓｎ超電導線材前駆体。
6. 前記補強用エレメント線は、線材断面の中央部に相互に接触させて集合配置されると共に、その周囲に前記モノエレメント線が配置されたものである請求項４に記載のＮｂ₃Ｓｎ超電導線材前駆体。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の超電導線材前駆体を、拡散熱処理することによってＮｂ₃Ｓｎ超電導相を形成したものであるＮｂ₃Ｓｎ超電導線材。