81- 。
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6.
E 目 E3 4 5 6 7 8 9 10
Bronze ratio
図4-2 残存Sn濃度が2.5wt犯の場合のNb3Sn生成に必要なSn濃度とブロンズ比 の関係。
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μJ
図4-3 4.2Kにおけるブロンズの電気抵抗のSn 濃度依存性
素の添加も有効であることが指摘されている[56J。 添加元素の種類、 添加量を決 定するには常温におけるCuへの各種元素の添加量と比抵抗との関係を示した(4-3) 式を参考にすることができる[ 135Jロ これは不純物添加の場合、 室温低抗と4.2K ではその比抵抗にそれほど差がないことによる。 Cuヘ各元素をX wt児で添加した場 合の比抵抗は近似的に、
ρ= 1. 68X 10-8+1. 2X 10-8 X (0. 5XA十XB十2Xc+ 3XD+4XE+5Xr+6Xc+10XH +15Xr+17.5XJ)
ここで、 A: Zr， Zn， Ag， Pt， 1 n， Au B: Sn，Ni，Pb，Gd，Pd，Bi
C: A 1， 1 r， Mg 0: Sb， Mn， Rh，Ge E: Cr， Be
F: As G: Si， Co
H: Fe 1: P J: T i
(4-3)
で表される。 さらに添加元素に要求されることとしては添加により加工性を損な うことがないこと、 及び、Nb3Sn生成や超伝導特性に悪影響を及ぼすことがないとい う点である。 以上の点を踏まえ、 今回は比抵抗増大効果が大きいS iと近接効果の 抑制に有効なMnを選択した。 それらの添加量として以下に示す2種類のCu合金バ
リア材を用意した。
-159-①Cu-2.4wt%Si-0.94wt%Mn
②Cu-3.6wt%Si-0.64wt制n
これらの合金の4.2Kでの比抵抗はそれぞれ1.7x10-70m、 3.1X10-70mである。
この値は交流用NbTi線材のマトリクスに用いられているCuNi合金と同程度の値で ある。 最終的にはバリア中のこれらの添加元素は、 Nb3Sn生成熟処理時にブロンズ マトリクス内に拡散することも考えられるが、 その際でもマトリクスの比抵抗と して10-70mに近い値が維持される。
設計された線材は4種類である。 各線材の諸元を表4-1に示す。 使用したブロン ズSn濃度は各線材ともに共通で、 高Snブロンズの標準的な組成14. 3wt%Sn-0. 3wt児 T iを用いた。 コアの材質としてA線材は純Nbを用い、 他の線材はNb-7.5wt児Taを用 いた。 各線材のブロンズ比、 バリアの厚さ、 及びバリア材質は異なり、 それに伴 い見かけのブロンズ中の各元素濃度も異なる。 またフィラメント径とフィラメン ト間隔の比は1:0.7"'1:1と線材によって変化させている。
線材の製作工程フローを図4-4に示す。 まず一次ビレ ットとしてブロンズビレ ッ
トにガンドリルで最終的なフィラメント直径、 間隔になるように設計された複数 本穴をあけ、 そこにフィラメントとなるNbあるいはNb-TaコアとCu合金拡散バリア の管を挿入する。 この一次ビレ ットは熱間押し出しされ、 さらにブロンズの焼鈍
熱処理を行いながら伸線されて一次素線が製作される。 これらの素線を二次ビレ ットに挿入し、 熱間二次押しだしを行う。 さらにブロンズ焼鈍熱処理を行いなが ら所定の線径に仕上げる。 その後、 Nb3Sn生成熟処理を行い線材が製作される。
図4-5に製作された線材の外観、 及びA， B線材の最終押し出し後のコアのSE M像を示す。 純Nbコアを用いたA 線材はNbコアの変形が大きい。 一方、 Nb-Taコア
を使用したB線材は変形は少ない。 これはブロンズの変形抵抗がNb-Taとは比較的
-160-間程度であるがNbよりは大きいため、 Nbコアの場合には伸線加工時におけるコア ヘ応力集中が原因と考えられる。
ー161-N b 3 S n線 材 の 諸 フE
材 外 径 を 示 す。
用 車泉 流はヲ&マ
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イ乍 製
D 4 - 1
表
Wiどe D 1.92 X D X D
1.92 2.03 X D
2.11 X D
mp diameteど Filament
1.92 X D X D
1.92 1.53 X D
1.79 X D
mp spaclng Filament
12502 12179
42295 20384
filaments Number of
Nb-7.5Ta Nb-7.5 Ta
Nb-7.5Ta Nb
(wt.
Composition of core
Cu-9.1Sn-0.1Ti Cu-11.5Sn-0.2Ti
Cu-13Sn-0.3Ti Cu-13Sn-0.3Ti
Composition of matrix
-0.9Si-0.4Mn -0.5Si-0.2Mn
-0.2Si-0.1Mn (wt.
including diffusion baどどie工
1-ONl
6.4 wire C
Wiどe B Wiどe A
Specimen
6.6 4.7
10 Bronze ratio
Bronze
1st. billet
Bronze
2nd. billet
Final wire
図4-4 C u合金バリアを用いたブロンズ法による交流用Nb3Sn線材の製作工程図。
ダブルスタックで製作される。
-163-(a)
(b)
図十5 S EMによるA線材(a)及びB線材(b)の最終押し出し後のフィラメ ントの観察結果。 Nbコアを用いたA線材はフィラメントの歪みが著しい。
-1 6 4
-4. 3、 ブロンズ法による交流用Nb3Sn線材の諸特性
4. 3. 1 近接効果によるフィラメント間結合の測定
製作した各線材 の特性評価として最初に近接効果によるフィラメント間結合の 評価を実施した。 伸線に伴うフィラメント間隔の減少により、 フィラメント聞に ジョセフソン電流が流れ、 その結果磁化が増大する現象はrlli化のツイストピッチ 依存性から測定することができる[63J。 また他の方法としては、 マイスナー領域 の磁界において磁化率のバルク値からのずれから近接効果を測定する方法がある [ 136J。 今回は簡便な後者の方法を用い、 マイスナー領域の比較的低磁界における
近接効果の有無の測定を行った。 測定に用いた試料は各線材で線径を徐々に減少 させた短尺試料である。 磁化測定はSQUID磁化測定装置により行った。
通常のバルク材 ではマイスナー領域における磁化は磁場侵入長 入Lの影響がほと んど無視できるのでほぼ完全な反磁性を示し、 その単位体積あたりの磁化率χは -1/4π(emu/cm3)の一定値を示す。 しかしながら磁場侵入長が無視できないサイ ズの超伝導フィラメントにおいてはその反磁性部分が減少するために、 磁化率は 一定値からのずれを生じる。 その値は超伝導体の形状、 及び印加磁界方向によっ て決定され、 磁場と平行な無限円柱モデルでは以下の式で表される。
χ=-1/4π ・ [1一(2/x)11 (x) /10 (x) J (4-4)
入L=λ。[ 1一(T/Tc)4JーO. 5 (4-5)
ここで、 x=r/入Lであり、 rは円柱の半径、 1 1、 1 0はそれぞれ0<欠、 1 <欠 のmodified Bessel functionであり、 また 入。はOKにおける磁場の侵入長である。
伸線によりフィラメント間隔が狭くなり、 フィラメント聞にJosephson電流の環流
Fhu 円hu噌BIA
による磁化の増大が起これば、 それは磁化率の理論値からのずれとして観測でき る。 ここで磁界を横磁界でなく縦磁界(円柱方向〉に印加したのは試料長の影響 を避けるためである。
測定試料として各線材でフィラメント径を約2μmから0.3μmまで変化させた ツイスト無しの試料を 熱処理前のNbフィラメントのものと、 同じ試料を6500Cで十 分に生成熟処理を行ったNb3Snフィラメントのもの2種類を用意した。 試料は約5 mm長の適当な本数を樹脂に埋め込み、 両端をフィラメントが独立するまでエメ リー紙および研磨斉IJで十分に機械的研磨を行った。 またその際にSEMによる観 察も実施した。 磁化測定はSQUID磁化測定装置( (株) HOKUSAN製〉を用い、
Z F C (zero field cool ing)でフィラメントのH c 1以下である5mTの印加磁界
をかけて実施した。 図4-6に 熱処理前のフィラメントの結果を示す。 A線材のみフ ィラメント径が0.78μmの試料から磁化率の理論値からのずれが 観測されている。
A線材の熱処理前のマトリクスの電気抵抗はCu-10wt%Niの値に近く、 約1.5x10
-7 Q mである。 またCu-10wt児Niの近接限界距離は5mTで約O.12μmである[82Jロ
これと比較してA線材ではフィラメント間隔はO.6μmから理論値からのずれが生 じる。 これはSEM観察で確認されるように コアに用いた純Nbの変形が著しく、
フィラメント間隔が設計値より大幅に狭くなった為と理解することができる。 一 方、 B、 C、 D線材ではフィラメント間隔がO.3μmまでの測定範囲では 磁化率の 理論値からのずれは観測されなかった。 これはNbTa合金の使用でコアの変形が抑
えられていること、 及びバリア材へのSi、 Mnの元素添加の効果によると考えられ る。
図4-7は生成熟処理後の結果である。 Nb3Sn生成に伴うマトリクス中のSn量の減 少による電気抵抗の低下でマトリクスのコヒーレンス長が増加すること、 及びフ ィラメントの体積膨張によるフィラメント間隔の減少により、 D線材を除いた各 線材で近接効果による磁化の増大が生じている。 A線材ではフィラメント間隔は
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