JPH0430123B2

JPH0430123B2 -

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Publication number: JPH0430123B2
Application number: JP58009856A
Authority: JP
Priority date: 1983-01-26
Filing date: 1983-01-26
Publication date: 1992-05-20
Also published as: JPS59138008A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、高磁界用超電導コイルに使用する超
電導線材に係り、特に熱拡散反応により超電導部
を形成する化合物複合超電導線材に関する。

〔従来技術〕

核融合装置に使用するトロイダルコイルは、大
型高磁界コイルを使用している。そして、化合物
複合超電導線材は、高磁界特性に優れているた
め、核融合トロイダルコイルのコイル巻線用線材
として有望視されている。しかし、化合物複合超
電導線材は、機械的に脆いため、従来種々の構造
の化合物複合超電導線材が提案されているが、大
型高磁界超電導コイルは実現していない。

第１図〜第４図は、従来の化合物複合超電導線
材の一例を示したものである。第１図は、化合物
複合超電導線材の最も一般的な構造を示す断面図
である。第１図において、化合物複合超電導線材
１０は、多数のフイラメント１２がマトリツクス
１４中に均一に分散内蔵されている。このフイラ
メント１２は、フイラメント１２内の元素とマト
リツクス１４内の元素とが高温状態において拡散
反応させられた、例えばニオブ３錫（Nb₃Sn）等
の超電導化合物を有している。マトリツクス１４
の周囲には、拡散障壁１６が被着してあり、熱拡
散反応時において、マトリツクス１４中の超電導
化合物元素の一部が安定化材１８中に拡散しない
ようにしてある。

このような化合物超電導線材１０は、拡散障壁
１６内の電流密度が高いこと、耐歪性が良いこ
と、交流損失が少ないこと、化合物複合超電導線
材として安定化されていること等が要求されてい
る。また、機械的特性として拡散障壁材の加工性
がよく拡散障壁１６の破損がないこと、化合物複
合超電導線材の製造が容易であること等が必要で
ある。しかし、第１図に示した化合物複合超電導
線材１０は、拡散障壁１６の外径が150μm以上で
あり、安定性が十分でない。

第２図〜第４図に示したものは、第１図とは異
なる構造の化合物複合超電導線材の例である。第
２図に示した化合物複合超電導線材１０は、安定
化材１８中に配置した拡散障壁１６が単一である
例であつて、線材の製造が容易である。しかし大
電流用線材においては、拡散障壁１６の平均外径
が数mm以上にもなり、化合物複合超電導線材１０
の安定性が悪くなる欠点がある。この超電導線材
の安定性Ｓは、第５図に示した電流と電圧との特
性曲線におけるI_q−I_e／I_eで表わされる。すなわち、極低温状態において超電導線材に流す電流を徐々
に増加させると、超電導状態が破れる臨界電流値
Icが存在する。そして、さらに電流を増大させる
と、完全に常電導状態になる電流値I_qに達する。
そして、超電導線材の安定性Ｓは、Ｓの値が大き
い程安定であり、Ｓの値が小さい程不安定であ
る。

第３図に示した化合物複合超電導線材１０は、
個々のフイラメント１２がそれぞれ独立して拡散
障壁１６により囲まれている。このような構造の
化合物超電導線材１０は、拡散障壁１６の平均外
径が約10μm、拡散障壁１６の厚さが1μm以下と
なり、拡散障壁１６が破損し易く化合物複合超電
導線材１０の加工性および安定性を悪くする欠点
がある。そして、拡散障壁１６の厚さを厚くする
と、拡散障壁１６の破損は少なくなるが、拡散障
壁１６内の電流密度が著しく低下する。

第４図に示した化合物複合超電導線材１０は、
拡散障壁が二重に構成されている例である。すな
わち、前記した各化合物複合超電導線材の拡散障
壁１６の外側に、補強用の拡散障壁１７を被覆し
たものである。このような構造を有する化合物複
合超電導線材１０は、外側の拡散障壁１７の補強
作用により拡散障壁１６の破損はないものの、拡
散障壁１７の厚さが非常に厚くなり、拡散障壁内
の電流密度の低下および化合物複合超電導線材１
０の安定性を悪くする欠点がある。また、上記し
た各化合物複合超電導線材１０は、フイラメント
が連続したものであるため、耐歪性が0.3〜0.8％
を超えると超電導線材としての特性が著しく悪化
し、大型高磁界超電導コイルとして用いた場合、
大きな電磁力が作用するとその限界歪量を越えて
化合物複合超電導線材が変形し、大幅なコイル性
能の劣化を招く可能性がある。

そこで、耐歪性に優れている第６図に示すよう
ないわゆるイン・サイチユー化合物超電導線を用
いた化合物複合超電導線材が開発されている。第
６図に示した化合物複合超電導線材１０は、電流
を通すフイラメントが長手方向に連続しておら
ず、短かいフイラメントがイン・サイチユー化合
物超電導線２０中に多数分散している。このイ
ン・サイチユー化合物超電導線２０を有する化合
物複合超電導線材１０は、限界歪量が1.0〜2.0％
の耐歪性を有するものの、製作上の制約からイ
ン・サイチユー化合物超電導線２０と安定化材１
８とは、はんだ２２をもつて接着している。しか
し、このような化合物複合超電導線材は、イン・
サイチユー化合物超電導線２０中のフイラメント
が連続していないために、交流損失が大きく、か
つ化合物複合超電導線材の安定化も不十分である
という欠点を有している。

〔発明の目的〕

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するため
になされたもので、超電導線材の安定性が優れた
化合物複合超電導線材を提供することを目的とす
る。

〔発明の概要〕

本発明は、拡散障壁の外径を30〜100μmにする
と、化合物複合超電導線材の安定性が向上するこ
とを見出したことに基づいてなされたもので、超
電導化合物からなるフイラメントが分散している
マトリツクスと、このマトリツクスを覆つている
安定化材とを結合する拡散障壁の外径を30〜
100μmとすることにより、化合物複合超電導線材
の安定性を向上するように構成したものである。

〔発明の実施例〕

本発明は、拡散障壁の平均外径を電気的結合が
問題とならない程度まで細分化し、細分化した多
数の化合物超電導フイラメントを拡散障壁を介し
て安定化材と複合化したものである。さらに、そ
の多数の化合物超電導フイラメントを横断面内に
おいて同心的に撚り合わせることがよい。特に、
イン・サイチユー化合物超電導線を用いた化合物
複合超電導線材においては、拡散障壁の細分化が
重要な意味をもつている。すなわち、前記したよ
うにイン・サイチユー化合物超電導線内の化合物
超電導フイラメントは、一本の連続したものでな
いため、交流損失が大きく、また電磁気的安定性
が悪い。したがつて、イン・サイチユー化合物超
電導線を用いた化合物複合超電導線材の交流損失
を小さくし、本質的安定化を図るためには、イ
ン・サイチユー化合物超電導線の平均外径を
100μm以下に細分化し、化合物超電導フイラメン
トを蜜にして拡散障壁を介して安定化材と密着さ
せることが必要となる。そして、大電流イン・サ
イチユー化合物超電導線の場合には、100μm以下
に細分化した多数の拡散障壁を有するイン・サイ
チユー化合物超電導線を安定化材を介して化合物
複合超電導線材の横断面内において同心的に撚り
合わせることが必要となる。

このように本発明に係る化合物複合超電導線材
は、拡散反応のより生成する化合物複合超電導線
材、すなわち、熱的平衡状態において超電導部を
生成する化合物複合超電導線材に関している。こ
のような化合物超電導線材料としてはニオブ３
錫、ニオブ３錫のニオブまたは錫の一部、あるい
は両者の一部を他の元素で置換したニオブ３錫系
多元化合物やバナジウム３ガリウム（V₃Ga）、
バナジウム３ガリウムのバナジウムまたはガリウ
ムの一部、あるいは両者の一部を他の元素で置換
したバナジウム３ガリウム系多元化合物などが
る。

また、超電導フイラメントが分散しているマト
リツクスは、上記拡散反応過程において化合物超
電導フイラメントを形成する元素を含む銅合金、
例えば銅錫合金、銅ガリウム合金が用いられる。
さらに、安定化材は、通常極低温において電機比
抵抗が小さく、熱伝導率の良い高純度銅または高
純度アルミニウムが用いられる。さらに、このよ
うな化合物複合超電導線材における拡散障壁は、
一般にニオブ、タンタルあるいはこれらの合金が
用いられる。

以下に本発明の具体的な実施例について説明す
る。

実施例１第７図の如き横断面構成を有し、拡散障壁１６
の平均外径Ｄの異なる４種類のニオブ３錫複合超
電導線材２６を作成し、短尺超電導線材の安定性
と実効電流密度を測定し評価した。

ニオブ３錫複合超電導線材２６の外径は、1.53
mmであり、銅安定化材２８とそれ以外の部分との
断面積比は、1.0である。そして、拡散障壁１６
の平均外径は、それぞれ17.1，70.8，232.6，
1166μmであつた。したがつて、１つの拡散障壁
１６の内部には、銅錫合金マトリツクス３０に一
様に分散した約4μmの外径を有するニオブ３錫超
電導フイラメント３２が３〜50715本内蔵されて
いる。これらのサンプルを液体ヘリウム中、10テ
ラスの磁界中において短尺超電導線材の安定性と
実効電流密度を測定した結果を第８図に示す。な
お、実効電流密度は、前記第５図に示したIcを銅
安定化材２８の部分を除いた全断面積で除した値
とした。

この結果、第８図は示すようにニオブ３錫複合
超電導線材の安定性は、拡散障壁の平均外径が30
〜50μmのところにおいて最大値をもち、また実
効電流密度は、拡散障壁１６の平均外径が70〜
100μmのとこにおいて最大値をもつことが明らか
となつた。なお、これらニオブ３錫複合超電導線
材２６のサンプルの断面積を顕微鏡観察した結
果、拡散障壁１６の平均外径が17.1μmの線材は、
拡散障壁１６の厚さが平均して1μmと薄く、局部
的に拡散障壁１６が破損していた。しかも、ニオ
ブ３錫超電導化合物の層が薄く、拡散障壁１６の
破損のためニオブ３錫超電導化合物層の生成が不
十分であることがわかつた。したがつて、拡散障
壁１６の破損は、ニオブ３錫複合超電導線材２６
の安定性と実効電流密度を著しく低下させ好まし
くない。

一方、拡散障壁１６の平均外径が大きくなるに
従い、化合物超電導フイラメント３２からの銅安
定化材への熱拡散が悪くなり、安定性が低下して
好ましくない。

実施例２次に、前記実施例１と同様な実験をイン・サイ
チユーニオブ３錫複合超電導線材を用いて行つ
た。イン・サイチユーニオブ３錫複合超電導線材
の外径は、0.656mmであつて、銅安定化材とそれ
以外の部分との断面積比は1.0である。拡散障壁
の平均外径はそれぞれ21.5，46.4，104，
215464μmであつた。これら１つの拡散障壁の内
部には、銅錫合金の層が拡散障壁に接しており、
その内部に銅を35重量％含むニオブ合金を塑性変
形させたイン・サイチユー線が内蔵してある。

イン・サイチユーニオブ３錫複合超電導線材
は、イン・サイチユー線内部の無数のニオブから
なる不連続フイラメントと、銅錫合金中の錫を
650℃、24時間熱処理をして拡散反応させること
により得られる。これらのサンプルを液体ヘリウ
ム中、10テスラの磁界中において短尺超電導線材
として安定性、実効電流密度を測定評価した結果
を第９図に示す。

実験の結果、イン・サイチユーニオブ３錫複合
超電導線材の安定性は、実施例１と同様に拡散障
壁の平均外径が30〜50μmのところにおいて最大
値をもつ。しかし、実効電流密度の最大値は、拡
散障壁の外径が50〜80μmの部分にあり、実施例
１の場合より拡散障壁の平均外径がやや小さい側
に移行する。そして、拡散障壁の平均外径が
100μm以上となると、急激に実効電流密度が低下
した。そこで、イン・サイチユーニオブ３錫複合
超電導線材の横断面を顕微鏡観察したところ、拡
散障壁の平均外径が大きい線材ほど拡散障壁内の
中央部まで錫が拡散せず、ニオブ３錫化合物超電
導フイラメントへの転化が不十分であることがわ
かつた。また、拡散障壁の平均外径が21.5μmの
線材は、実施例１と同様に局部的に拡散障壁が破
損していた。これらのことから、イン・サイチユ
ー化合物超電導線材の場合においても、拡散障壁
の平均外径が30μm以下においては、拡散障壁の
破損が生じ易く、また製造コストを大幅に上昇さ
せることになる。

実施例３厚さ1.1mm、幅2.3mmの平角断面を有するイン・
サイチユー化合物複合超電導線材を作成し、液体
ヘリウム中において臨界電流の試験を行つた。第
１０図Ａ〜Ｄはイン・サイチユー化合物複合超電
導線材の製造方法の主要部を示すものである。こ
の化合物複合超電導線材の製造方法を、バナジウ
ム３カリウムを例にとり説明する。

まず、銅を40重量％含むバナジウム合金を消耗
電極真空アーク溶解において溶解し、直径60mm
の鋳塊を作成した。第１０図Ａは、この鋳塊の横
断面図である。鋳塊３４は、銅を主体としたマト
リツクス３６中にバナジウムのフイラメント３８
が樹枝状に晶出している。このバナジウムフイラ
メント３８は、鋳塊３４の長手方向に沿つて不連
続となつている。

次に、鋳塊３４の表面を面削りしたのち、外径
が２mmになるまで伸線加工してイン・サイチユー
超電導線とし、その表面に溶融ガリウムメツキを
施した。このガリウムメツキは、メツキをしたの
ち300℃において予備拡散を行ない、メツキと予
備拡散とを数回繰り返し、約80μmに相当する厚
さのガリウムをマトリツクス３６に予備拡散させ
た。そして、第１０図Ｂに示す如く、イン・サイ
チユー超電導線４０の表面に0.25mm厚さのニオブ
拡散障壁４２を被覆したのち、0.67mm厚さの銅安
定化材４４を被覆し、単心複合線４６とした。

その後、第１０図Ｃに示す如く、単心複合線４
６を331本に束ね、５mm厚さの銅安定化材４８を
周囲に被覆し、外径が25mmになるまで押出および
伸線加工した。そして、この段階においてピツチ
30mmをもつて線材全体を撚り、第１０図Ｄに示す
ように厚さが1.1mm、幅が2.3mmの外径寸法を有す
る平角断面状の化合物超電導線材５０に伸線加工
した。このようにして作成した化合物複合超電導
線材５０に含まれている拡散障壁により囲まれた
イン・サイチユー線５２の平均外径は、47μmで
あつた。そして、イン・サイチユー線５２は、ガ
リウムを予備拡散した銅を主体とするマトリツク
ス３６の中に微細に引き伸ばされた多数のバナジ
ウムフイラメント３８がお互いに絡み合うように
均一に分散していた。

次に、上記の如くして作成した化合物複合超電
導線材５０をアルゴン雰囲気中500℃において100
時間加熱し、銅を主体としたマトリツクス３６中
のガリウムとバナジウムフイラメント３８とを拡
散反応させて、バナジウムフイラメント３８を全
てバナジウム３ガリウム超電導化合物フイラメン
トに変換し、化合物複合超電導線材を完成させ
た。

上記の如くして作成したイン・サイチユー化合
物複合超電導線材は、液体ヘリウム中、18テスラ
の磁界中において臨界電流が290アンペアであつ
た。そして、被覆した銅安定化材が、線材全断面
積の66％を占めているため、超電導状態から常電
導状態に移行する電圧の変化が緩やかであり、極
めて安定な挙動を示した。さらに、１テスラの交
流磁界中における交流損失は、１サイクルあたり
2.0×10^-2Ｊ／cm³と小さな値を示し、従来の連続
フイラメントの線材と同程度のものであつた。ま
た、この線材の最小曲げ直径は、64mmであつた。
すなわち、線材を64mmの直径をもつて曲げた場合
であつても、線材表面における歪が1.7％であり、
線材の性能劣化がないことがわかつた。

このように実施例のイン・サイチユー化合物複
合超電導線材は、高電流密度を得ることができ、
交流損失が少なく耐歪性があり、安定化された大
型大電流容量化合物複合超電導線材である。した
がつて、従来不可能であつた複雑な形状の大型高
磁界化合物超電導マグネツトを作成することがで
きる。その結果、高価な超電導線材料の使用量を
減少することができ、超電導コイルの巻き線厚み
も小さくなり、高価な液体ヘリウムなどの使用量
も減少でき、経済性に極めて優れている。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、拡散障壁
の平均外径を30〜100μmとすることにより、安定
性の優れた化合物複合超電導線材を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は化合物複合超電導線材の一般的構造を
示す一部断面図、第２図は拡散障壁が単一の化合
物複合超電導線材の断面図、第３図は個々の化合
物超電導フイラメントが拡散障壁により囲まれて
いる化合物複合超電導線材の一部断面図、第４図
は拡散障壁が二重になつている化合物複合超電導
線材の一部断面図、第５図は超電導状態における
電流と電圧の関係を示す図、第６図は従来のイ
ン・サイチユー化合物複合超電導線材の説明図、
第７図は本発明に係る実施例の化合物複合超電導
線材の一部断面図、第８図は前記実施例の化合物
複合超電導線材の拡散障壁の平均外径と安定性、
実効電流密度との関係を示す図、第９図は他の実
施例の化合物複合超電導線材の拡散障壁の外径と
安定性、実効電流密度との関係を示す図、第１０
図Ａないし第１０図Ｄは本発明の実施例に係るイ
ン・サイチユー化合物複合超電導線材の製造工程
を示す図である。１０，５０……化合物複合超電導線材、１２…
…フイラメント、１４，３６……マトリツクス、
１６，１７……拡散障壁、１８……安定化材、２
０……イン・サイチユー化合物超電導線、２６…
…ニオブ３錫複合超電導線材、２８，４４，４８
……銅安定化材、３０……銅錫合金マトリツク
ス、３２……ニオブ３錫超電導フイラメント。

Claims

【特許請求の範囲】

１周囲のマトリツクスと拡散反応により形成し
た超電導化合物を有する複数のフイラメントと、
マトリツクスの周囲を覆う安定化材と、この安定
化材と前記マトリツクスとの間に介在し、前記拡
散反応時に前記マトリツクス中の超電導化合物元
素の安定化材中への拡散を防止する拡散障壁とか
らなる化合物複合超電導線材において、前記拡散
障壁の外径が30〜100μmであることを特徴とする
化合物複合超電導線材。