# Fileset

[【別刷り】極細素線を用いたNb3Sn撚線ケーブルの超伝導特性.pdf](https://mdr.nims.go.jp/filesets/46d4570f-15cf-40a0-9de5-f9090dcfc282/download)

## Creator

王 旭東, 土屋 清澄,, 寺島 昭男, [飯嶋 安男](https://orcid.org/0000-0002-9008-9429), [菊池 章弘](https://orcid.org/0000-0002-5044-7156)

## Rights

[In Copyright](http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/)

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[極細素線を用いたNb3Snケーブルの超伝導特性](https://mdr.nims.go.jp/datasets/d70c0d68-4f8f-4fae-ab05-ed3c198d2d64)

## Fulltext

TEION KOGAKU （J. Cryo. Super. Soc. Jpn.） Vol. 58 No. 4 （2023）196テーマ解説特集：A15 超伝導線材の研究開発 （2）1．はじめに加速器や核融合などの分野において，A15超伝導線材を用いた高磁場磁石の開発が活発に行われてきた1-9）。A15超伝導線材に代表される Nb3Sn線材は，煩雑な熱処理と機械応力によって壊れやすいことから磁石製作が非常に複雑である10-13）。特にその機械特性による制限から，熱処理後に巻線を行う react-and-wind（R&W）の製作手法が適用困難である。そのため，現在製作されている Nb3Sn磁石はほとんどが巻線してから熱処理を行う wind-and-react（W&R）法が採用されている。しかし，W&Rで製作したコイルは，サイズの変化や多数のトレーニングクエンチが報告されている2,5,14-16）。一方で，極細のNb3Sn素線を撚り合せたケーブルはR&Wに対する機械特性の制限を緩和できる可能性が高いと考えられる。そこで，我々は極細のNb3Sn素線とそれを用いたケーブルを開発し，R&WによるNb3Sn磁石製作に向けた基礎研究を行ってきた17-20）。最近の成果として，最小直径 0.03 mmのブロンズ法による Nb3Sn素線と，直径 0.05 mm素線を用いたケーブルを製作した20）。本解説では，直径 0.05 mm素線を用いて製作したケーブルの臨界電流（Ic）と臨界温度（Tc）および磁化の測定結果について紹介する。2．Nb3Sn 素線とケーブルNb3Sn素線とケーブルの諸元を Table 1に，熱処理前後の断面写真を Fig. 1に示す。Nb3Sn素線はブロンズ法で製作され，直径 45.2 mmのビレットから直径 0.05 mmまで押出しと伸線を行った20）。素線内は直径約 0.003 mmの Nb3Snフィラメントが 19本配置されており，銅比は 0.89である。ケーブルは絶縁なしの素線を 19本用いて，ピッチ 4 mmの集合撚りによって製作した。ケーブル外径は約 0.25 mmである。各試験前にケーブルを直状で 650 ℃と 48時間の条件で熱処理を行った20）。3．Nb3Sn ケーブルの Ic 測定物質・材料研究機構の低温応用ステーションにある汎用超伝導マグネットを用いて，4.2 Kと 18 Tまでの磁場中で通電法により Ic測定を行った。R&Wのコイル製作手法を模擬するために，直状で熱処理したケーブルを半径の異なる 4つのGFRPボビンに巻付けて測定し，ケーブルの曲げ限界について調査した。各ボビンにケーブルを巻付けた写真を Fig. 2に示す。4つのボビンの直径はそれぞれ 20 mm，25 mm，30 mmと 50 mmである。ケーブルはボビンに掘られた V型の溝に嵌るように巻付けられており，測定中の動きを抑え Received February 28, 2023*1 大学共同利用機関法人　高エネルギー加速器研究機構 〒305-0801　茨城県つくば市大穂 1-1 Inter-University Research Institute Corporation High Energy Accelerator Research Organization, 1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801, Japan*2 国立研究開発法人　物質・材料研究機構 〒305-0047　茨城県つくば市千現 1-2-1 National Institute for Materials Science, 1-2-1 Sengen, Tsukuba,  Ibaraki 305-0047, Japan† E-mail: wanxdon@post.kek.jp DOI: 10.2221/jcsj.58.196極細素線を用いた Nb3Snケーブルの超伝導特性王　旭東*1,†，土屋　清澄*1，寺島　昭男*1，飯嶋　安男*2，菊池　章弘*2Superconducting Characteristics of Nb3Sn Cables Stranded with Ultra-fine WiresXudong WANG*1,†, Kiyosumi TSUCHIYA*1, Akio TERASHIMA*1, Yasuo IIJIMA*2 and Akihiro KIKUCHI*2Synopsis: We are developing A15 cables made of ultra-fine wires for react-and-wind （R&W） magnet technology. Recently, we fabricated a bronze processed multifilament Nb3Sn wire with a diameter of 50 µm. We also made a prototype Nb3Sn cable by stranding 19 wires for testing. In this study, the transport critical current （Ic） of the cable was measured at 4.2 K and under an external field up to 18 T. The Non-Cu critical current density （Jc） was also calculated from the Ic results. For the Ic measurements, the cable was wound on glass fiber reinforced plastic （GFRP） cylinder bobbins after the heat treatment in straight geometry to replicate the R&W process. Four GFRP bobbins with different diameters were prepared to investigate the bending limit of the cable. The critical temperature （Tc） and magnetization properties of the cable were also measured by a magnetic property measurement system of Quantum Design.Keywords: Ultra-fine wire, react-and-wind, critical current, critical temperature, magnetization（Some figures in this article may appear in colour only in the electronic version） 23804121 08 低温工学58巻4号_テーマ解説_王様.indd   19623804121 08 低温工学58巻4号_テーマ解説_王様.indd   196 2023/07/13   18:502023/07/13   18:50低温工学　58巻 4号　2023年 197る構造となっている。外部磁場（Bext）は Fig. 2に示すようにケーブルに垂直に印可し，電磁力がボビン中心へ向くように通電を行った。Ic測定に用いた電圧タップの区間長は，ボビンの大きさに対応して 70 mmから 140 mmであり，タップから電流リードまでの距離は 30 mm以上としている。各ボビンで測定したケーブルの電界と電流の関係を Fig. 3に示す。電界は測定電圧を Icタップの区間長で割って算出した。Fig. 3の結果を用いて Icと安定化銅を除いた臨界電流密度（Non-Cu Jc）の磁場依存性を Fig. 4に示す。Icは 1.0 µV/cmの電解基準により算出し，Non-Cu Jcは Icを安定化銅を除いたケーブル断面積（0.01974 mm2）で割ることにより計算した。また，直状で測定した Icを Fig. 4に追加し，R&Wの結果と比較した。Fig. 3と Fig. 4より，曲げによる劣化は直径 25 mmまで観測されず，直径 20 mmで明確に現れた。劣化なしの Icと Non-Cu Jcは，12 Tでそれぞれ約 9.1 Aと約460 A/mm2である。これは同程度の Sn濃度の先行研究21）より 20 %ほど低い数値であるが，ブロンズとNbフィラメンTable 1　Specifications of Nb3Sn wire and cable.Nb3Sn wireOuter diameter 0.05 mmNo. of filaments 19Filament diameter 0.003 mmCu/Non-Cu ratio 0.89Barrier NbBronze composition Cu-14mass%Sn-0.3mass%Ti20)Nb3Sn cableMinimum outer diameter 0.25 mmNo. of strands 19Twist pitch 4 mmFig. 2　Photographs of the four GFRP bobbins with diameters of 50 mm, 30 mm, 25 mm, and 20 mm. The Nb3Sn cable was wound on the bobbin and soldered to current leads after reacting.Fig. 3　Electric field and current curves measured on the four bobbins with diameters of （a） 50 mm, （b） 30 mm, （c） 25 mm, and （d） 20 mm at 4.2 K and under the external field from 1 T to 18 T.Fig. 1　Cross-sectional photograph of the Nb3Sn wire and cable （a） before and （b） after the heat treatment at 650 ℃ for 48 hours.23804121 08 低温工学58巻4号_テーマ解説_王様.indd   19723804121 08 低温工学58巻4号_テーマ解説_王様.indd   197 2023/07/13   18:502023/07/13   18:50TEION KOGAKU （J. Cryo. Super. Soc. Jpn.） Vol. 58 No. 4 （2023）198トの最適化ができていないためと考えられる。劣化なしの直径 25 mmボビンでの曲げひずみは，素線径で計算すると0.2 %であるのに対して，ケーブル径では 1 %となる。先行研究10-13）から 1 %のひずみで劣化しないことは考えにくいため，このケーブルの曲げ特性はケーブル径に影響されにくいと考えられる。先行研究では，同じ直径 0.05 mm素線を 49本（1次 7本集合撚り×2次 7本集合撚り）撚線した直径約 0.45 mmのケーブル（直径が本サンプル 0.25 mmの2倍以上）においても，曲げ直径 23 mmで明確な劣化が観測された20）。これらの結果から，極細素線を用いた Nb3Snケーブルの曲げ特性はケーブルサイズや撚線方法にほとんど依存せず，素線径によってほぼ決まると考えられる。直径 0.05 mm素線の曲げ限界は，直径 20 mmと 25 mmの間にあることが明らかとなった。4．Nb3Sn ケーブルの Tc 測定Tc 測定は Quantum Design 社製の Magnetic Property Measurement System （MPMS）を用いて行った。長さ 5 mmの Nb3SnケーブルをMPMSに設置し，4.2 Kまで冷却してからケーブルに対して垂直に 1 mTの磁場を印可しながら25 Kまで昇温して磁気モーメントを測定した。ケーブルの磁気モーメントと温度の関係を Fig. 5 （a）に示す。測定結果から，9 K付近で Nbの転移と 17 K付近で Nb3Snの転移が観測された。バリア層とフィラメント内の未反応部のNbが 9 K付近の転移となっている。Fig. 5 （a）の結果を用いて，10 Kの磁気モーメントを－1に，20 K以上の平均値を 0として規格化したものを Fig. 5 （b）に示す。規格化した磁気モーメントが－0.001となる温度を Onset Tcと定義すると，Nb3Snケーブルの Onset Tcは約 17.1 Kである。これは，先行研究の通電法で行った素線の結果とよく一致している20）。5．Nb3Sn ケーブルの磁化測定磁化測定は Tc測定と同じくMPMSを用いて行った。長さ 5 mmの Nb3Snケーブルに垂直に磁場を－5 Tから 5 Tを印可しながら磁気モーメントを測定した。測定温度を4.2 K，6 K，8 Kと 10 Kに設定し，各温度の測定結果を Fig. 6に示す。各温度の測定結果において，Nbによる磁化が 0.5 T以下で現れ22），フラックスジャンプは観測されなかった。フィラメントモデルの式（1）を用いて磁化より推定したケーブルの Non-Cu Jcを Fig. 7に示す。ただし，Non-Cu領域の正確な寸法が不明なため，4.2 Kと 4 Tの磁化から推定した Non-Cu Jcを直径 50 mmボビンの Ic測定から得られたものにフィッティングして，Nb3Sn素線のNon-Cu領域の相当直径（dNon-Cu）を補正した。この補正値を用いて各温度の磁化から Non-Cu Jcを推定した。また，Nbの磁化を除外するため，Non-Cu Jcの推定は 0.5 T以上で行った。Fig. 4　Field dependance on Ic and Non-Cu Jc defined by 1.0 µV/cm. A data without bending and the four bobbin measurements with diameters of 20 mm, 25 mm, 30 mm, and 50 mm are summarized in these results.Fig. 5　Temperature dependant （a） magnetic moment and （b） normalized moment of the Nb3Sn cable under an external field of 1.0 mT. The inset of the normalized moment shows a zoomed view around the onset Tc of Nb3Sn.23804121 08 低温工学58巻4号_テーマ解説_王様.indd   19823804121 08 低温工学58巻4号_テーマ解説_王様.indd   198 2023/07/13   18:502023/07/13   18:50低温工学　58巻 4号　2023年 199Non-Cu Jc＝3π──4    2───dNon-Cu      4m─────πd2Non-CuL    （1）ここで，dNon-Cuは Nb3Sn素線の Non-Cu領域の相当直径，mは Nb3Sn素線あたりの磁気モーメント，Lはサンプル長で 5 mmである。4.2 Kの Ic測定から計算した Non-Cu Jcが磁化から推定したものより低い値を示すのは，通電による自己磁場（15 G/A）の影響と考えられる。自己磁場を補正した Non-Cu Jc（Fig. 7の □）は低磁場でも磁化の推定値とよく一致している。Ic増大に伴う自己磁場の上昇によって，Non-Cu Jcの誤差は 1 Tで約 16 %であったが，4 T以上だと 1.5 %未満となり，測定誤差範囲内として無視できるレベルまで減少した。なお，4 Tで補正した dNon-Cuを用いて磁化から Non-Cu Jcを推定したのは，この自己磁場による誤差を少なくするためである。今後は，さらに高磁場側の磁化測定を行う予定である。6．まとめ直径 0.05 mmの Nb3Sn素線を用いたケーブルを製作し，その臨界電流と臨界温度および磁化の測定評価を行った。直径 0.05 mm素線を 19本撚線したケーブル Icと Non-Cu Jcは，12 Tでそれぞれ約 9.1 Aと約 460 A/mm2である。極細の Nb3Sn素線を用いたケーブルの曲げ特性は，ケーブルサイズや撚線方法にほとんど依存せず，素線径によってほぼ決まると考えられる。今回測定した直径 0.05 mm素線の曲げ限界は直径 20 mmと 25 mmの間にあることが明らかとなった。ケーブルの Onset Tcは約 17.1 Kであり，先行研究の通電法で測定した素線の結果とよく一致している。磁化測定は，4.2 K以外に 6 K，8 Kと 10 Kでも行い，各温度での磁化から Non-Cu Jcを推定した。自己磁場を補正することで，4.2 Kの低磁場側も Ic測定による Non-Cu Jcとよく一致した。今後は，Sn濃度の増加や Nbフィラメントの最適化を図ることで超伝導特性の向上を目指していくとともに，異なる素線径を用いたケーブルの製作と特性評価を行っていく予定である。本研究の一部は JSPS科研費 JP21H04477の助成を受けたものである。参　考　文　献1） A. den Ouden, S. 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Rev. 149 （1966） 231-243王　　　旭　東　　　2011年早稲田大学大学院先進理工学研究科博士後期課程修了。2009年同大学先進理工学部助手，2012年同大学助教，2014年大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構助教。超伝導磁石やケーブルの開発に従事。低温工学・超電導学会，加速器学会会員。博士（工学）。土　屋　清　澄　　　1972年名古屋大学大学院工学研究科修了。1974年高エネルギー物理学研究所勤務。2011年高エネルギー加速器研究機構定年退職。高エネルギー加速器研究機構名誉教授，総合研究大学院大学名誉教授。超伝導磁石および超伝導線材の開発に従事。低温工学・超電導学会，加速器学会会員。博士（工学）。寺　島　昭　男　　　KEK超電導低温工学センターにて，超電導磁石の開発，低温技術の研究に従事。飯　嶋　安　男　　　1978茨城工業高等専門学校機械工学科卒業。1979独立研究開発法人物質・材料研究機構入職（旧金属材料技術研究所入所）。2018独立研究開発法人物質・材料研究機構名誉研究員。超伝導材料の線材化及び特性改善（Ti添加 Nb3Sn線材，RHQT法 Nb3Al線材等）。菊　池　章　弘　　　1995-1998年日本学術振興会特別研究員（DC1）。1996年米国ブルックヘブン国立研究所留学を経て 1998年東海大学大学院工学研究科博士課程後期修了。同年科学技術庁金属材料技術研究所（現物質・材料研究機構）入所。2006-2007年米国フェルミ国立加速器研究所訪問研究員。2013 年文部科学省研究振興局出向。その他，高エネルギー加速器研究機構客員教授，東京工業大学非常勤教員等を併任。現在，物質・材料研究機構低温超伝導線材グループグループリーダー。低温工学・超電導学会，日本金属学会，応用物理学会会員。博士（工学）。23804121 08 低温工学58巻4号_テーマ解説_王様.indd   20023804121 08 低温工学58巻4号_テーマ解説_王様.indd   200 2023/07/13   18:502023/07/13   18:50