JPS5933653B2 - 安定化超電導体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は拡散反応によつて超電導性化合物又は ・合金
を形成する安定化超電導体の製造方法に関するものであ
る。

従来拡散反応工程を経て安定化化合物超電導体を製造す
る方法では拡散熱処理工程の後に安定化金属を付与して
いたものである。

先ず目的とする超電導体の構成元素を含む２種類以上の
構成元素から相互拡散反応によつてその超電導性化合物
を上記構成元素間に形成する。例えばＮｂとＳｎ、、Ａ
ｌ）Ａｌ−Ｇｅ、、Ｇａ）又はこれらを含む合金とから
拡散反応により夫々Ｎｂ３Ｓｎ、、Ｎｂ３Ａｌ、、Ｎｂ
３（Ａｌ−Ｇｅ）、Ｎｂ３Ｇａの如き化合物超電導体、
又同様にＶとＧａ）Ｓｉ、、Ａｌ、、Ｈｆ、、Ｚｒ又は
これらを含む合金とから夫夫Ｖ３Ｇａ、、Ｖ３Ｓｌ、、
Ｖ３Ａｌ、Ｖ２Ｈｆ、、ＶａＺｒの如き化合物超電導体
を形成する。次には、このようにして作られた超電導体
を含む複合体の表面に安定化金属をメ’ノキ法又は半田
付け法によつていたものである。この従来法について一
例を挙げて説明すると次のようである。

ＶとＣｕ−Ｇａ合金とを圧延加工によつて圧着し、複合
条としたのち、加熱によつて拡散反応を起し圧着界面に
Ｖ３Ｇａ層を形成し、この複合条の表面に安定化金属層
を半田付け又はメッキ等によつて設けていた。

第１図こうして作られた安定化化合物超電導体テープの
断面図であり、１は拡散反応後の残存バナジウム、２は
圧着面に形成されたＶ３Ｇａ化合物超電導体層、３は拡
散反応後の残存Ｃｕ−Ｇａ合金、４は半導層、５は安定
化金属の銅層である。超電導体の安定化とはよく知られ
ているように超電導現象自体が不安定な現象であるため
に安定化金属を設けることによつて電気的なバイパス、
磁気的なダンピング、熱拡散などの効果を付与すること
により安定性を高めることである。実用的な超電導体に
はこの安定性は不可欠の要素である。このために、安定
化金属としては、電気的かつ熱的に良好な伝導体でなけ
ればならずしかも超電導体との密着性が電気的にも熱的
にも良好である必要がある。従つて超電導体の安定化と
いう点から見た場合上記従来の安定化化合物超電導体の
製造方法には種々の欠点がある。

すなわち、半田法による安定化金属の貼合せ方法では安
定化金属自体の性能は良好であつても、貼合せの際に脆
い化合物超電導体に損傷を与える危険性があり、その上
安定化金属と超電導体との貼合せ後は、その寸法を変え
ることが固難であり、その工程上から生産性が悪い。

さらに超電導体との間に半田が介在しているので必然的
に電気的及び熱的抵抗が高い等の欠点がある。またメツ
キ法によつても、メツキで形成された安定化金属層はそ
れ自体電気抵抗が高くかつ密着性が悪いために性能が劣
り、このため焼鈍が必要であるが、この焼鈍時の加熱に
よつて超電導体等の構成元素と安定化金属とが拡散反応
を起し、安定化金属の鈍度が低下し電気的及び熱的特性
が悪いものしか得られないという欠点がある。この欠点
を改善するためにつぎの提案がなされている。

その一つとして、第２図の如くニオブ又はバナジウムを
含む化合物又は合金の超電導体の場合にはニオブ、バナ
ジウム又はこれらを主体とする金属管６の内部に安定化
材７を配し、この外側にこれと拡散反応して目的とする
超電導性化合物又は合金を形成する構成成分元素の一方
又はこれを含む合金の芯８と構成成分元素の他方又はこ
れを含む合金のマトリツクス９の復合層を設けた構造の
複合体にすることによつて拡散熱処理前から安定化金属
の付与を可能にしたものである。

なお拡散熱処理によつて金属管６及び芯８がそれぞれマ
トリツクス９と接する界面に超電導性化合物又は合金が
形成する。また別のものとして、第３図の如くたとえば
Ｎｂ３Ｓｎ化合物超電導体の場合にはタンタル管１０の
内部に安定化材７を配し、この外側にこれと拡散反応せ
ず目的とする超電導性化合物または合金を形成する構成
成分元素の一方またはこれを含む合金の芯８と構成成分
元素の他方又はこれを含む合金のマトリツクス９の複合
層を設けた構造の複合体にすることによつて拡散熱処理
前から安定化金属を付与するものである。

なお拡散熱処理によつて芯８とマトリツクス９とが接す
る界面すなわち芯８の周囲に超電導性化合物又は合金が
形成される。これらの構造は原理的に拡散熱処理前の機
械加工などで安定化金属とニオブ、バナジウムやタンタ
ル等の金属との密着性がよく、しかも拡散熱処理時に安
定化金属の純度低下を防止するものである。

しかし、実際これらの複合体を製造する場合つぎのよう
な問題点がある。すなわち、１ニオブ、バナジウムやタ
ンタル等の隔壁となる金属管が薄肉の場合機械加工によ
つて破れ拡散処理時に安定化金属の純度低下が起る。２
導体構成における超電導体の占積率を向上するためには
隔壁管を出来るだけ薄肉にする必要があるが、このよう
な場合隔壁材と他の元素との相互拡散が無視できなくな
り、結果的には安定化金属の純度を低下させる。

５拡散熱処理時の安定化金属の純度低下は、目的とする
超電導性物質の生成反応系において原系溶質元素濃度を
低下することになり、所望量の超電導体を得るに長時間
要したり、場合によつては不可能にさえする。

本発明は、かかる問題点を解決すべく種々研究を行なつ
た結果得られたもので、隔壁材が薄く、加工性を改善し
、安定化金属との相互反応を防止し、目的の超電導体生
成反応を助ける安定化超電導体の製造方法である。

すなわち、第４図ａに示す如く、安定化材７をニオブ、
バナジウム、タンタルまたはこれらを主体とする金属（
隔壁材）１０て包囲し、かつその外側に拡散反応制御材
１１で包囲し、さらにその外側に目的とする超電導体を
構成する成分元素の一方またはその合金からなる芯８と
成分元素の他方またはその合金からなるマトリツクス９
とを配置し、かくして得られた複合体を拡散熱処理する
ことにより芯８の周囲に超電導体を形成又は芯８全体を
超電導体にする。

ここで、ニオブ・バナジウム、タンタルまたはその合金
からなる隔壁材１０の働きは、安定化金属７と目的とす
る超電導体を構成する少なくとも二種類の成分元素また
は合金成分との相互拡散を防止するものであつて、隔壁
材自身はこれらのいずれとも拡散反応を起さないか、極
めてわずかしか反応しないものでなければならない。ま
た、隔壁材の形態は第４図ａに示す如く安定化材７を単
純に包囲したものの他、第４図ｂに示す如く拡散反応制
御材１１内部にニオブ、バナジウム、タンタルまたはこ
れらを主体とする金属（隔壁材）１０を設けて安定化材
７を分割した構造でもよいし、また、これらの隔壁材で
包囲された安定化材を導体内に数箇所に分散させた構造
でもよい。

上述の安定化材を分割する理由は、導体の常電導部に係
わる交流損失を小さくするためである。また、安定化材
を導体内に分散させる理由は、導体内に発生する熱伝達
をよくするためである。一方、銅、銀、アルミニウム、
金、マグネシウム、鉛などからなる拡散反応制御材１１
はつぎの働きをする。すなわち、１安定化金属を包囲す
るニオブ、バナジウム、タンタルなどの金属の製造工程
における酸化防止 ２隔壁材の外部に溶質元素の濃度溝
（ギヤツプ）を作り相互拡散を制御する。３隔壁外部で
起る目的とする超電導体の生成反応を促進し、反応時間
を短縮する。

これによつて隔壁を通しての外部の溶質元素の安定化金
属への拡散はもちろんのこと隔壁材と安定化金属との相
互拡散を実質的になくさせる。４力学的な観点から、安
定化材は一般に純金属で極めて軟かく、隔壁材およびそ
の外部の金属層と安定化材との硬さおよび加工硬化率の
差が大きいために加工中に隔壁材の座屈や管破れが発生
する場合拡散反応制御材はこうした事故を防止するため
の力学的緩和材としても働く。

したがつて、本発明はつぎのような効果がある。

まず、安定化金属の純度の低下がなく、安定化金属自体
の電気的かつ熱的に良好な伝導性を保証し、しかも上記
の如く機械的加工による完全な密着性のため安定化金属
と超電導体との電気的及び熱的抵抗が著しく低い安定化
超電導体を容易に製造できるものである。さらに本発明
では安定化金属を超電導体の内側に設けてあるので次の
ような利点がある。

すなわち１安定化金属層の実用的な厚さが、安定化金属
を外側に設けた場合に比べて大きいために電気抵抗にお
けるサイズ効果、磁気抵抗効果の点から有利である。

２安定化金属層をニオブ、バナジウム、タンタル又はこ
れらを主体とする金属の内側に設け、この外側に拡散反
応制御材を配しているため、目的とする超電導性化合物
又は合金を生成するに必要な拡散反応のみとなる。

また拡散反応系の選択によつては超電導体の生成反応を
促進するため、それだけ短時間で多量の拡散反応層を形
成することができる。３同一断面積の超電導体層を形成
する場合、上記２と同様の理由によつて実効的な厚さを
小さくさせることができる。

従つて断熱的安定性（Ａｄｉａｂａｔｉｃｓｔａｂｉｌ
ｉｔｙ；フラックスジャンプが起つたときの断熱状態で
の発熱によつて超電導体が温度上昇し磁束はさらに侵入
し発熱を繰返すような不安定性を抑える性質）及び動的
安定性（Ｄｙｎａｍｉｃｓｔａｂｉｌｉｔｙ；超電導体
の発熱が常伝導体を通して熱逃散する場合、上記断熱的
安定性と同様の不安定性を抑える性質）の両方の点から
優れているものである。４安定化材が外気にさらされる
ことがなく、拡散熱処理等における雰囲気による汚染を
防ぐことができる。

５安定化材は純金属でありニオブやバナジウム又は残り
の構成金属に比べて軟かいために起る機械加工によるシ
ース割れや鞘状切れを防止することができる。

本発明における、ニオブ又はバナジウムを含む化合物又
は合金には、例えばＮｂ３ＳｎｌＮｂ３ＡｌｌＮｂ３（
Ｍ』ｅ）、Ｎｂ３（ト）、Ｖ３Ｇａｌｖ３ｓｉ、Ｖ３Ａ
ｌｌＶ２ＨｆＳＶ２Ｚｌ・、の如き化合物、Ｎ卜Ｔｉｌ
Ｎｂ−Ｚｒの如き合金があるがこれらに限定されない。

次に本発明の実施例を示す。

実施例 １ 第４図ａに示す如き複合体を得るために先ずアルミニウ
ム１１で外装されたバナジウム（以下Ｖと記す）のパイ
プ１０中に銀捧７を挿入し、ドローベンチ加工によりパ
イプの外径２１ｍ翫銀の外径１７ｍｍの複合棒を作り、
この複合棒を中心にしその廻りに３ｍｍφのニオブ棒８
３０本を適当な間隔で林立させて、これらの間にＣｕ−
１４重量％Ｓｎ合金９の溶湯を鋳込み全体を４５ｍｍφ
の外径とした。

次にこの複合体を押出し、伸線等の加工により０．１２
ｍ７１Ｌφとして、これを７本撚線したのち６５０ｒＣ
で１００時間加熱し拡散反応によつてＮｂ３Ｓｎ化合物
超電導層を形成せしめた。

アルミニウム層１１は本発明の意図した通り殆んど全て
がＣｕ−Ｓｎ合金マトリツクス中に拡散していた。

一方、Ｖ管１０はＡｇ７の汚染を防止した。次に、この
撚線をインジウム溶湯中に通して一体化したのちワニス
で絶縁処理した。この撚線の臨界電流値を測定したとこ
ろ、この値は４．２のＫにおいて、７０キロガウスの磁
界下で７０Ａであつた。この撚線を用いて内径３０關、
外径６１ｍｕ１長さ７２ｍｍのコイルを持つマグネツト
を作つた。これは４．２のＫにおいて６８Ａの電流を通
電したところ７２キロガウスの磁界を発生した。この結
果十分実用に耐えることが確認された。尚、この撚線の
素線の銀芯７と同じ形状の銀だけからなる線を６５０℃
で１００時間の熱処理した後、４．２をＫでその電気抵
抗を測定して、この値と上記実施例の超電導素線の銀芯
７の比抵抗との間には実質的に差異は認められなかつた
。

したがつて銀芯７中にはＣｕ，．Ｓｎ．ＶおよびＭが拡
散していないことが確認できた。実施例 ２ 第４図ｂに示す如く、７本の銅棒７をタンタル管１０の
蓮根状の孔内に挿入し、その外側に銀管１１を被覆し、
外径２１ｍｍの複合棒を作り、この複合棒を中心にしそ
の廻りに３ｍ７７！φのバナジウム（以下Ｖと記す）棒
８３０本を適当な間隔で林立させて、これらの間にＣｕ
−１８ｗｔ％Ｇａ合金９の溶湯を鋳込み全体を４５７！
１７！Ｌφの外径とした。

次にこの複合体を押出し、伸線等の加工により１辺が６
ｍ７！Ｌの六角棒とし、外径４５ｍｍφ、内径３９ｍｍ
φのＣ『１０ｗｔ％Ｇａ合金管の中に６１本複合し、伸
線加工等により外径０．３ｍｍφとし、ついで１０ｍｍ
のピツチに捩り加工を行なつて素線１２を得た。この素
線１２１５本をピツチ２０ｍ１Ｌで空芯同心撚線を作製
し、タークスヘツド（２方向ロール）により圧潰し断面
寸法０．２５ｍ７ｎ×４．１ｍｍの第５図（簡単のため
素線７本の場合を示す）の如き成形撚線型複合ケーブル
を得た。この時の素線充填率は９５％であつた。このケ
ーブルを１×１０−JモV！Ｈｇの真空炉において６２５
℃の温度で５０時間加熱し、バナジウム棒と銅−ガリウ
ム合金との界面にＶ３Ｇａ化合物超電導体を形成させた
。ケーブル断面を検鏡したところ素線内部のタンタル隔
壁の厚さは実施例１の場合より一様なものでシース割れ
は全く観察されなかつた。このことは軟質の安定化材の
補強による効果と、タンタル管外に被覆された銀層の応
力緩和による効果のためと考えられる。また、従来Ｖ３
Ｇａ化合物超電導体を形成させる反応系に銀を関与させ
ないものでは反応時間が７５時間要したものが、本発明
の銀を関与させた反応系では５０時間で反応が完了した
。これは、反応系へ銀の働きにより拡散反応が促進され
たと考えられる。さらに、安定化金属の抵抗測定による
と、複合前の銅の比抵抗と実質的差異は認められなかつ
た。したがつて、タンタル壁は約１μの厚さであるにも
拘らず安定化材を汚染する程の相互拡散を起さなかつた
ことが確実となつた。以上の如く本発明は実施例からも
明らかなように拡散熱処理前の機械加工などによつて安
定化金属とニオブ、バナジウム又はタンタル等の金属と
の密着性が完全に達成され、しかも拡散熱処理時に安定
化金属の純度低下を防止するものである。

したがつて拡散熱処理工程後に安定化金属の純度低下の
危険性が大きかつた従来法に比べて本発明は、安定化金
属自体の電気的かつ熱的に良好な伝導性を保証し、しか
も機械的加工などによる完全な密着性のため安定化金属
と超電導体との電気的及び熱的抵抗が著しく低い安定化
超電導体を容易に製造できるものである。さらに隔壁材
の外周部に拡散反応制御材を配置しているため均一な超
電導体を有効に形成することが可能であり、線の全体的
な電流密度を高くすることができる。本発明は化合物超
電導体の場合のみならず、拡散熱処理によつて合金系の
超電導体を得る場合にも適用できる。

特に中空超電導体線や複雑な形状の超電導線には加工性
の良い複合体の状態で加工を行つて後拡散熱処理して目
的の超電導体に変えることにより容易に製造できるもの
である。また複合体の加工から作る場合だけに限らず安
定化金属の表面に二以上の構成金属元素をメツキ蒸着等
により被覆し拡散熱処理して超電導体を造る方法も本発
明に含まれる。さらに安定化材やニオブ、バナジウム又
はタンタルや外部の複合層の形状はいかなるものでも、
本発明に含まれる。図面の簡単な？明 第１図、第２図及び第３図は従来法における拡散反応前
の安定化超電導体製造用複合体の断面図であり、第４図
は本発明における拡散反応前の安定化超電導？製造用複
合体の断面図であり、第５図は本発明１方法によつて得
られる成形撚線型化合物超電導線の断面図である。

７・・・・・・安定化材、８・・・・・・超電導性化合
物又は合金を構成する成分元素の一方又はその合金、９
・・・・・・超電導性化合物又は合金を構成する成分元
素の他方又はその合金、１０・・・・・・隔壁材、１１
・・・・・・拡散反応制御材、１２・・・・・・素線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ニオブまたはバナジウムを含む化合物または合金の
   超電導体の製造において、安定化材としての銅、銀、ア
   ルミニウムおよび金の１種または２種以上をニオブ、バ
   ナジウム、タンタルまたはこれを主体とする金属からな
   る隔壁材で包囲し、かつその外側に拡散反応制御材とし
   ての銅、銀、アルミニウム、金、マグネシウム、及び鉛
   の１種または２種以上の金属で包囲し、さらにその外側
   に目的とする超電導体を構成する少なくとも二種類の元
   素または合金を接触させて配置し、かくして得られた複
   合体を拡散熱処理することを特徴とする安定化超電導体
   の製造方法。 ２ 上記安定化材の複数本を隔壁材金属マトリツクス中
   に埋め込んだ構造としたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の安定化超電導体の製造方法。