JPS6313286B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、高磁界発生用の超電導磁石に使用
されるGa、In等の金属元素を添加したNb₃Sn系
化合物超電導線材に関するものである。

現在10T（テスラ）以上の高磁界を発生させる
超電導磁石用接材として、極細多心Nb₃Sn線が開
発され、核融合、加速器、及び物性実験装置等に
応用されている。

第１図はこれらの超電導機器に使用する矩形断
面を有する１個の超電導磁石の発生する磁界分布
図で、図に示される様に、磁石の最内層の線材は
最大磁界Bmが印加され、最外層に向かつてほぼ
一様に磁界は減少する。この超電導磁石に使用す
るNb₃Sn線材の印加磁場と臨界電流との関係は第
２図の曲線ａで表わされ、直線ｃで適当な形状の
Nb₃Snコイルの電流と最大磁界Bmとの関係が表
わされる。曲線ａと直線ｃとの交点における磁界
Bmaが曲線ａの特性をもつNb₃Sn線材で巻かれ
たコイルの最大発生磁界である。第２図からわか
るように、高磁界における臨界電流密度を高める
と、磁石の発生磁界を向上させることができるの
で、同じ磁界を発生させ得る磁石が小型化でき、
そのための線材量や冷却に必要な液体Heの使用
量を低減することができる。

近年、上記の観点からNb₃SnにGa、In、Pb、
Al、及びMg等の金属元素を添加しその上部臨界
磁場を高めることによつて、Bma近傍の高磁界
における臨界電流密度を改善する試みがなされて
いる。

即ち、Nb₃Snに添加するGaを例にとれば、ま
ずCuとSnとGaの３元合金を作成し、これをNb
棒と組合わせた後伸縮し、最終寸法で化合物生成
熱処理を施す方法である。

上記の方法で得られた線材の印加磁場と臨界電
流の関係は第２図の曲線ｂで示され、第２図から
わかるようにこの線材の臨界電流は約8T以下で
は同様の構成のGaを添加しないNb₃Sn線材の臨
界電流（曲線ａ）より低いが、それ以上の磁界で
は高く、同じ構成の磁石の最大発生磁界もBma
からBmbと高くなる。

しかしながらこの方法においては、Cuに合金
化されるSnとGaの量が加工上制限される上、加
工硬化が激しく線材加工工程において数十回にも
及ぶ中間熱処理を必要とする欠点があつた。更に
高磁界特性の改善に必要なSnの数百倍も高価な
Ga（Inも同様）を、高磁界特性を改善する必要の
ないコイルの外周部に巻かれる線材にも一様に添
加されるため、製造された線材も高価なものにな
る欠点もあつた。

後者の欠点を改良するための方法として、それ
ぞれの印加磁界に応じた線材を接続して使う方法
（グレーデイング）、あるいは特性の異なる線材で
別のコイルを作りそれを組合せて用いる方法（ハ
イブリツド化）等が従来から知られている。

しかしながら前者の方法では極細多心線の接続
が複雑で困難な工程であり、しかも接続部に生じ
た電気抵抗による発熱が起こるという別の欠点が
生じる。又、後者の方法では分割されたコイル間
のマツチングが困難であり、しかもコイル間に無
駄な空間が生じるという欠点がある。

この発明は上記した従来の第三元素を添加した
Nb₃Sn系線材や、従来構成により製作される高磁
界用超電導磁石の欠点に鑑みてなされたもので、
母相がCuSn系合金で、埋設された超電導繊維が
Nb₃Sn系化合物である超電導線材において、長手
方向に連続した線材をコイルとした場合に生ずる
高磁界部分に対応する線材の部分の母相及び超電
導繊維層にGa、In、Pb、及びAlのうち少なくと
も一種以上が含まれているという構成の線材にす
ることにより、コイルに巻いた場合高磁界が印加
される部分の特性に優れていて、しかもGa、In
等の金属元素を添加することによる原価上昇が小
さく、連続した長さのNb₃Sn系化合物超電導線材
を提供することを目的とするものである。

この発明のNb₃Sn系化合物超電導線材を容易に
かつ信頼性高く製造するためには、Nb基金属材
とSn基金属材の周辺にCu基金属材を配置した状
態で断面縮少加工して熱処理することによつて線
材を製造する方法において、Sn基金属材の線材
長手方向の一部分に、Ga、In、Pb、及びAlのう
ち少なくとも一種以上の成分が、Snに対して0.1
〜50wt％の範囲で合金化、もしくは配置されて
いることが肝要である。

以下、実施例に基き詳細に説明する。

この発明の線材長手方向の一部分にGaを含む
Nb₃Sn系化合物超電導線材を製造するには、まず
第３図の断面図に示すような、母相がCu１であ
り、この母相に多数のNb心線２が埋設された、
中央に中空部３を持つ複合多心チユーブを用意し
た。この実施例の場合チユーブの寸法は外径24
mm、内径９mm、長さ200mmであり、Nb心線の径は
約0.26mm、本数は2400本であつた。次に第４図に
示すような直径8.8mm、長さ50mmのSn−5wt％Ga
棒４ａと直径8.8mm、長さ150mmのSn棒４ｂとが長
手方向に接合された複合棒４を用意した。複合棒
４はSn−Ga棒４ａとSn棒４ｂより成る。

これを第３図の複合多心チユーブの中空部に挿
入配置し、その外側にSnやGaの拡散障壁となる
Taチユーブ５、更にその外側に安定化のための
Cuチユーブ６を被覆して、第５図にその断面が
示された複合多心棒を作成した。この複合多心棒
は直径0.35mmまで冷間引抜加工されたが、伸縮加
工は中間焼鈍の必要もなく、又SnとSnGaの合金
との接合部からの悪影響もなく、最終寸法まで極
めて良好に行なわれた。

上記方法により製造された線材の両端及びSn
とSnGa合金との接合部を適当な長さ切り出し、
熱処理してNb₃Snを生成させた後、液体ヘリウム
温度（4.2K）に冷却し、印加磁界中で臨界電流
を測定した。その測定結果を第６図に示す。図に
おいて曲線ａはGaを添加していない部分の、曲
線ｂはGaを添加した部分の、曲線ｃは両者の接
合部の印加磁界（テスラ）と臨界電流Ａの関係を
示す特性図である。12Tでの臨界電流はGaを添
加していない部分の試料では25A、Gaを添加し
た部分の試料では36A、接合部（すなわちSnと
SnGa合金の接合部を含む領域で、その長さは全
長約1400m中約10mであつた。）では25〜36Aと、
添加されているGa量に応じて変化したものとな
つた。熱処理後の線材の横断面をＸ線マイクロア
ナライザーで分析したところ、Nb₃Sn生成熱処理
中にSnとGaが母相のCuの中に拡散することによ
つて生成した母相のCuSn合金及びNb₃Sn層にGa
の存在が認められ、又、SnとSnGa合金の接合部
ではGaは連続的に変化した結果が得られたがSn
のみが配置された部分では母相及びNb₃Sn層中に
Gaは検知されなかつた。

なお、第４図の接合されたSn−SnGa合金棒の
代わりに、Sn棒とSnGa合金棒とを長手方向に並
べて接触させCuチユーブに挿入し、伸線加工を
行なつた所、両者は加工中に接合し、一体化さ
れ、以後の加工では前記実施例と同様何ら異常は
生じなかつた。したがつてSn棒とSnGa合金棒と
のあらかじめの接合は必ずしも必要でない。

次に前述と同じ寸法の複合多心棒を７本用意
し、直径14mmまで冷間引抜加工した。この複合多
心棒７本をSnGa合金側を一端に揃えてCuチユー
ブ中に組立て最終寸法まで伸線加工した。最終段
階では矩形ダイスを通し、0.75mm×15mmの断面の
導体、約1400mを得た。伸線加工は前述の実施例
と同様、極めて良好に行なわれた。この導体の両
端の一部を切断し、熱処理してNb₃Snを生成させ
た後、液体ヘリウム温度（4.2K）に冷却し印加
磁界中で臨界電流を測定した。12Tでの臨界電流
は、予めSnのみが配置された部分の試料では
180Aであつたのに対し、SnGa合金が配置された
部分の試料では260Aであつた。

因みに、従来のCu−Sn−Ca3元合金を母相と
したこの実施例と同一構成の線材の12Tでの臨界
電流は約220Aであつた。この実施例の導体を用
い、SnGa合金が配置された側をコイル内層に配
置し、ガラス絶縁物と共に巻回して内径50mm、外
径140mm長さ120mmの矩形断面コイルを製作した。
これを熱処理後、液体ヘリウムで4.2Kに冷却し、
8T発生のNb−Tiバイアス・コイル中で励磁した
ところ、高磁界中央部で13.5Tの磁界を発生する
ことができた。線材全長にわたつて、CuとSnと
Gaの３元合金を母相として製造した従来の線材
を上記と同一寸法のコイルに適用した場合の発生
磁界は12Tであり、これに較べて10％以上高い磁
界が得られた。又、この発明による線材は高磁界
の特性を向上させるに必要な高価なGaを従来材
に較べ75％以上節約できたので線材の費用も約15
％廉価になつた。

次にこの発明の線材を製造する他の実施例とし
て、円錐形状の突起を底面に持つるつぼの中に
Snを鋳込み、その後その凹部に溶融したInを流
し込むことにより第７図に示したSn−In複合棒
４を作製した。図において４a′はIn棒、４ｂはSn
棒で、複合棒４は４ａ，４ｂよりなる。これを第
４図の複合棒の代わりに用いて、前記実施例と同
様の方法でNb₃Sn線材を製造した。このNb₃Sn線
材のみで発生中心磁界12Tのコイルを製作したと
ころ、Inを添加しない線材を使用した場合に較べ
Nb₃Sn線材は30％節約でき、かつコイルの容積も
30％小さくなり、冷却コストは著しく低下した。
又、CuとSnとInの合金を線材全長にわたつて母
相としている従来の線材を同一寸法のコイルに適
用した場合に較べ、このコイルの発生磁界は10％
以上高く、且つ、Inの使用量を90％以上も節約で
きたので、使用した線材の費用は約25％廉価にな
つた。

以上、GaとInを添加した場合について述べた
が、この他にAl、Pbを前記実施例と同様にSn基
金属材にAl又はPbを組み合わせて合金化したが、
すべて高磁界電流特性に優れ、Al又はPbの節約
ができた。又この発明ではSn基金属材にGa、In、
Al又はPbを二種以上組合せること、Nb基金属材
にZr、Hf、Ta及びTiなどの元素を添加するこ
と、及びCu基金属材にSn、Ga、In、Al、及び
Pbのうち少なくとも一種以上を加工上の制限を
受けない範囲で合金化あるいは配置されているこ
とも、この発明の特徴を損なうものではない。

この発明において、Ga、In、Pb及びAlのうち
少なくとも一種以上のSnに対する量は、0.1wt％
以上から高磁界特性の向上に寄与するようになる
が、50wt％以上になると伸線加工性が阻害され
るので、これ以上の添加は望ましくない。

以上説明したようにこの発明によれば、母相が
CuSn系合金で、埋設された超電導繊維がNb₃Sn
系化合物である超電導線材にいて、長手方向に連
続した線材をコイルとした場合に生ずる高磁界部
分に対応する線材の母相及び超電導繊維層にGa、
In、Pb及びAlのうち少なくとも一種以上が含ま
れているという構成にすることにより、高磁界電
流特性にも優れ、Ga、In、PbあるいはAlを節約
できる線材が得られる。又、この発明のNb₃Sn線
材を超電導コイルに適用すれば、発生磁界の向
上、コイルの小型化、必要Nb₃Sn線材の減少、線
材費用の低減、冷却コストの低減など多くの利点
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は矩形断面を有する超電導磁石の発生す
る径方向の磁界分布を示す図である。第２図曲線
ａは従来例のGa等を添加していないNb₃Sn超電
導線材の、曲線ｂはこの発明の実施例であるGa
を添加したNb₃Sn超電導線材の、4.2Kにおける
印加磁界と臨界電流の関係を示す特性図で、又、
直線ｃは適当な寸法のNb₃Sn超電導線材を用いた
コイルの励磁電流と、コイル最内層の発生磁界
Bmとの関係を示す特性図である。第３図はこの
発明の実施例に係わる複合多心チユーブの断面
図、第４図は同じく複合多心チユーブの中空部に
挿入されるSn−SnGa合金接合棒の構成図であ
る。第５図はこの発明の実施例の線材製造過程の
断面縮少加工前の断面図である。第６図はこの発
明の実施例であるNb₃Sn超電導線材の4.2Kにお
ける印加磁界と臨界電流との関係を示したもの
で、曲線ａはGaを添加していない部分の、曲線
ｂはGaを添加した部分の、曲線ｃは両者の接合
部分の特性図である。第７図はこの発明の他の実
施例に係わるSn−In複合棒の構成図である。 図において、１は母相であるCu、２はNb心
線、３は中空部、４は（４ａ）Sn−Ga棒と（４
ｂ）Sn棒よりなる複合棒、４a′はIn棒、５はTa
チユーブ、６はCuチユーブである。なお図中同
一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 母層がCuSn系合金で、埋設された超電導繊
   維層がNb₃Sn系化合物である超電導線材におい
   て、長手方向に連続した線材をコイルとした場合
   に生ずる高磁界部分に対応する線材の部分の母相
   及び超電導繊維層にGa、In、Pb、及びAlのうち
   少なくとも一種類以上が含まれていることを特徴
   とするNb₃Sn系化合物超電導線材。