ニオブ-スズ

ニオブスズは、ニオブ(Nb) とスズ(Sn)の金属間化合物で、工業的には第 2 種超伝導体として使用されています。この金属間化合物は A3Bという単純な構造をしています。ニオブスズ合金(NbTi)よりも高価ですが、磁束密度30テスラ[T] (300,000 G)まで超伝導性を維持します。 ^[1]一方、NbTi の限界は約 15 T です。

Nb ₃ Sn は 1954 年に超伝導体として発見されました。この材料が高電流と高磁場に耐えられることが 1961 年に発見され、超伝導の大規模応用の時代が始まりました。

臨界温度は18.3ケルビン(-254.8 °C、-426.7 °F) です。一般的に使用される温度は、大気圧での液体ヘリウムの沸点である 4.2 K (-268.95 °C、-452.11 °F) 前後です。

2008年4月には、 12T、4.2Kで2,643A mm ^{−2という非銅}電流密度の記録が達成されたと主張された。 ^[2]

歴史

Nb _{3 Snは、A}₃ B超伝導体の最初の例であるV ₃ Siの発見から1年後の1954年に超伝導体として発見されました。 ^[3] 1961年に、ニオブ-スズは大電流と強い磁場でも超伝導を示すことが発見され、有用な高出力磁石や電力機械の製造に必要な高電流と高磁場に耐えられる最初の既知の材料となりました。^[4]^[5]

注目すべき用途

計画中の実験用核融合炉 ITERの中央ソレノイドとトロイダル磁場超伝導磁石は、超伝導体としてニオブ・スズを使用している。^[6]中央ソレノイドコイルは13.5テスラ（135,000 G）の磁場を生成する。トロイダル磁場コイルは最大11.8 Tの磁場で動作する。推定使用量は、Nb _{3 Snストランド600トン（590ロングトン）と}NbTiストランド250トンである。^[7]^[8]

欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）では、2018年後半から2020年初頭にかけて、加速器の主要部にニオブスズ製の超強力四重極磁石（ビームを収束させるため）が設置される予定である。^{[9]ニオブスズは、}超流動ヘリウムよりも冷却材が複雑でないため、 1986年にニオブチタンの代替として提案されていたが、^[^要説明^]^[^要出典^{] 、当時計画されていた米国主導の}超伝導超大型加速器（Superconducting Super Collider）との競合による遅延を避けるため、追求されなかった。

複合ワイヤー

機械的に見ると、Nb ₃ Sn は極めて脆いため、超伝導磁石を巻くために必要な線材に簡単には引き伸ばすことができません。これを克服するために、線材メーカーは通常、延性前駆体を含む複合線材を引き伸ばします。「内部錫」プロセスには、Nb、Cu、Sn の個別の合金が含まれます。「ブロンズ」プロセスには、銅-錫ブロンズマトリックスに Nb が含まれます。どちらのプロセスでも、ストランドは通常、最終サイズに引き伸ばされ、熱処理の前にソレノイドまたはケーブルに巻き付けられます。Sn が Nb と反応して脆い超伝導ニオブ - 錫化合物を形成するのは、熱処理中のみです。^[10]粉末インチューブプロセスも使用されます。^[2]^[11]

現代のNMR磁石の高磁場部分はニオブ-スズ線で構成されています。

ひずみの影響

磁石の中では、ワイヤは冷却中に高いローレンツ力と熱応力にさらされます。ニオブスズに歪みが生じると、材料の超伝導性能が低下し、脆い材料が破損する原因になります。このため、ワイヤは可能な限り剛性が高くなければなりません。ニオブスズのヤング率は室温で約140 GPaです。しかし、材料が50 K (-223.2 °C; -369.7 °F) 以下に冷却されると、剛性は50 GPaまで低下します。^[12]そのため、技術者は材料の強度を向上させる方法を見つけなければなりません。複合ニオブスズワイヤには、剛性を高めるために強化繊維が組み込まれることがよくあります。一般的な強化材料には、極低温での剛性が高いことから、インコネル、ステンレス鋼、モリブデン、タンタルなどがあります。 ^[13]マトリックス、繊維、ニオブスズの熱膨張係数はすべて異なるため、ワイヤを焼鈍し、動作温度まで冷却した後、かなりの量の歪みが発生する可能性があります。この歪みはワイヤの予歪みと呼ばれます。ニオブスズに歪みがあると、一般に材料の超伝導性能が低下するため、この値を最小限に抑えるには適切な材料の組み合わせを使用する必要があります。複合ワイヤの予歪みは、次の式で計算できます。

\varepsilon _{m}={\frac {V_{c}E_{c}\{{\frac {\Delta L}{L_{c}}}-{\frac {\Delta L}{L_{f}}}\}-\sigma _{cu,y}V_{cu}-\sigma _{bz,y}V_{bz}}{V_{f}E_{f}+V_{c}E_{c}}}.

ここで、 ε _mは予ひずみ、 ΔL/L _cおよび ΔL/L _{f は}それぞれニオブスズ導管と強化繊維の熱膨張による長さの変化です。V _c、 V _f、 V _cu、および V _{bz は}導管、繊維、銅、および青銅の体積分率です。 σ _cu,y、および σ _{bz,y は}銅と青銅の降伏応力です。 E _c、および E _{f は}導管と繊維のヤング率です。^[14]銅と青銅のマトリックスは冷却中に塑性変形するため、降伏応力に等しい一定の応力がかかります。ただし、導管と繊維は設計により弾性変形します。青銅プロセスで製造される市販の超伝導体は、通常、予ひずみ値が約 0.2% ～ 0.4% です。いわゆるひずみ効果により、ニオブスズを含む多くの材料の超伝導特性が低下します。臨界ひずみ、すなわち超伝導が失われる最大許容ひずみは、次の式で与えられる。

\varepsilon _{c}=\varepsilon _{co}\{1-{\frac {B}{B_{c2m}}}\}.

ここで、ε _cは臨界ひずみ、ε _{co は}材料に依存するパラメータで、ニオブスズの場合、引張では 1.5% (圧縮では -1.8%) に等しく、B は印加磁場、B _c2mは材料の最大上側臨界磁場です。 ^[15]ニオブスズのひずみにより、結晶格子に正方歪みが生じ、電子-フォノン相互作用スペクトルが変化します。これは、A15 結晶構造の無秩序性が増加するのと同じです。^[16]約 1% という十分に高いひずみでは、ニオブスズ導管に破損が生じ、ワイヤの電流搬送能力が不可逆的に損なわれます。高磁場条件を除くほとんどの状況では、ニオブスズ導管は臨界ひずみに達する前に破損します。

開発と将来の用途

ニオブ・スズにハフニウムやジルコニウムを加えると、磁場中の最大電流密度が増加する。これにより、欧州原子核研究機構（CERN）が計画している将来の円形衝突型加速器で16テスラでの使用が可能になる可能性がある。^[17]

参照

ニオブ-チタン、Nb-Snよりも延性が高い

参考文献

^ Godeke, A.; Cheng, D.; Dietderich, DR; Ferracin, P.; Prestemon, SO; Sa Bbi, G.; Scanlan, RM (2006 年 9 月 1 日)。NbTi と Nb3Sn の限界と W&R Bi-2212 高磁場加速器磁石の開発。米国エネルギー省高エネルギー物理学科学局。2015年12 月 26 日閲覧。
^ ab 「粉末チューブ型超伝導体による記録的な電流」laboratorytalk.com。2008年10月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008年9月6日閲覧。
^ Matthias, BT; Geballe, TH ; Geller, S.; Corenzwit, E. (1954). 「Nb ₃ Snの超伝導」. Physical Review . 95 (6): 1435. Bibcode :1954PhRv...95.1435M. doi :10.1103/PhysRev.95.1435.
^ Geballe, Theodore H. (1993). 「超伝導: 物理学から技術へ」. Physics Today . 46 (10): 52–56. Bibcode :1993PhT....46j..52G. doi :10.1063/1.881384.
^ Godeke, A. (2006). 「Nb3Snの特性と組成、形態、ひずみ状態による変化のレビュー」。Supercond . Sci. Technol. 19 (8): R68–R80. arXiv : cond-mat/0606303 . Bibcode :2006SuScT..19R..68G. doi :10.1088/0953-2048/19/8/R02. S2CID 73655040.
^ "ITER トロイダル磁石導体に関する最初の試験の結果".エネルギー委員会アトミック。 2001 年 9 月 10 日。2008 年9 月 6 日に取得。
^ Grunblatt, G.; Mocaer, P.; Verwaerde, Ch.; Kohler, C. (2005). 「成功事例: ALSTOM-MSA での LHC ケーブル製造」.核融合工学と設計(第 23 回核融合技術シンポジウム議事録) . 75–79: 1–5. doi :10.1016/j.fusengdes.2005.06.216. S2CID 41810761.
^ 「アルストムとオックスフォード・インストゥルメンツがニオブ・スズ超伝導ストランドの提供で提携」アルストロム、2007年6月27日。 2008年9月6日閲覧。
^ Rossi, Lucio (2011年10月25日). 「超伝導とLHC: 初期の日々」. CERN Courier . 2013年12月10日閲覧。 {{cite journal}}:不明なパラメータ|agency=は無視されました (ヘルプ)
^ Scanlan, R.; Greene, AF; Suenaga, M. (1986 年 5 月)。加速器用磁石のための高磁場超伝導材料の調査。1986 ICFA 超伝導磁石および極低温ワークショップ。ニューヨーク州アップトン。レポート LBL-21549。^{[永久リンク切れ‍ ]}
^ Lindenhovius, JLH; Hornsveld, EM; den Ouden, A.; Wessel, WAJ; ten Kate, HHJ (2000). 「高磁場磁石用パウダーインチューブ (PIT) Nb3Sn 導体」. IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 10 (1): 975–978. Bibcode :2000ITAS...10..975L. doi :10.1109/77.828394. S2CID 26260700.
^ Bussiére, JF; LeHuy, H.; Faucher, B. (1984). 「多結晶 Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge の弾性挙動」 Clark, A. F; Reed, R. P (編)。極低温工学材料の進歩。第 30 巻。 Springer、ボストン、マサチューセッツ州。 pp. 859–866。doi :10.1007/978-1-4613-9868-4。ISBN 978-1-4613-9870-7. 2020年5月20日閲覧。
^ Flükiger, R.; Drost, E.; Specking, W. (1984). 「Nb 3 Sn ワイヤの臨界電流密度に対する内部強化の影響」 Clark, A. F; Reed, R. P (編)。極低温工学材料の進歩。第 30 巻。 Springer、ボストン、マサチューセッツ州。 pp. 875–882。doi :10.1007/978-1-4613-9868-4。ISBN 978-1-4613-9870-7. 2020年5月20日閲覧。
^ Steeves, MM; Hoenig, MO; Cyders, CJ (1984)。「インコロイ 903 とタンタル導管が Nb3Sn ケーブルインコンジット導体の臨界電流に与える影響」。Clark, A. F; Reed, R. P (編)。極低温工学材料の進歩。第 30 巻。Springer、ボストン、MA。pp. 883–890。doi : 10.1007 /978-1-4613-9868-4。ISBN 978-1-4613-9870-7. 2020年5月20日閲覧。
^ Ekin, JW (1984)。「超伝導化合物のひずみ効果」。Clark, A. F; Reed, R. P (編)。極低温工学材料の進歩。第 30 巻。Springer、ボストン、マサチューセッツ州。pp. 823–836。doi : 10.1007 /978-1-4613-9868-4。ISBN 978-1-4613-9870-7. 2020年5月20日閲覧。
^ Godeke, A. (2008). 「Nb 3 Snの特性と組成、形態、ひずみ状態による変化のレビュー」。超伝導科学技術。19 (8)。IOP Publishing Ltd: 68–80。
^ MagLabは、2020年7月に米国エネルギー省からより優れた超伝導体の開発のために150万ドルの助成金を獲得した。

外部リンク

欧州先進超伝導体

[1] Godeke, A.; Cheng, D.; Dietderich, DR; Ferracin, P.; Prestemon, SO; Sa Bbi, G.; Scanlan, RM (2006 年 9 月 1 日)。NbTi と Nb3Sn の限界と W&R Bi-2212 高磁場加速器磁石の開発。米国エネルギー省高エネルギー物理学科学局。2015年12 月 26 日閲覧。

[EAS-2] 「粉末チューブ型超伝導体による記録的な電流」laboratorytalk.com。2008年10月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008年9月6日閲覧。

[3] Matthias, BT; Geballe, TH ; Geller, S.; Corenzwit, E. (1954). 「Nb ₃ Snの超伝導」. Physical Review . 95 (6): 1435. Bibcode :1954PhRv...95.1435M. doi :10.1103/PhysRev.95.1435.

[geballe-4] Geballe, Theodore H. (1993). 「超伝導: 物理学から技術へ」. Physics Today . 46 (10): 52–56. Bibcode :1993PhT....46j..52G. doi :10.1063/1.881384.

[5] Godeke, A. (2006). 「Nb3Snの特性と組成、形態、ひずみ状態による変化のレビュー」。Supercond . Sci. Technol. 19 (8): R68–R80. arXiv : cond-mat/0606303 . Bibcode :2006SuScT..19R..68G. doi :10.1088/0953-2048/19/8/R02. S2CID 73655040.

[6] "ITER トロイダル磁石導体に関する最初の試験の結果".エネルギー委員会アトミック。 2001 年 9 月 10 日。2008 年9 月 6 日に取得。

[alstrom-7] Grunblatt, G.; Mocaer, P.; Verwaerde, Ch.; Kohler, C. (2005). 「成功事例: ALSTOM-MSA での LHC ケーブル製造」.核融合工学と設計(第 23 回核融合技術シンポジウム議事録) . 75–79: 1–5. doi :10.1016/j.fusengdes.2005.06.216. S2CID 41810761.

[8] 「アルストムとオックスフォード・インストゥルメンツがニオブ・スズ超伝導ストランドの提供で提携」アルストロム、2007年6月27日。 2008年9月6日閲覧。

[9] Rossi, Lucio (2011年10月25日). 「超伝導とLHC: 初期の日々」. CERN Courier . 2013年12月10日閲覧。 {{cite journal}}:不明なパラメータ|agency=は無視されました (ヘルプ)

[10] Scanlan, R.; Greene, AF; Suenaga, M. (1986 年 5 月)。加速器用磁石のための高磁場超伝導材料の調査。1986 ICFA 超伝導磁石および極低温ワークショップ。ニューヨーク州アップトン。レポート LBL-21549。^{[永久リンク切れ‍ ]}

[11] Lindenhovius, JLH; Hornsveld, EM; den Ouden, A.; Wessel, WAJ; ten Kate, HHJ (2000). 「高磁場磁石用パウダーインチューブ (PIT) Nb3Sn 導体」. IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 10 (1): 975–978. Bibcode :2000ITAS...10..975L. doi :10.1109/77.828394. S2CID 26260700.

[12] Bussiére, JF; LeHuy, H.; Faucher, B. (1984). 「多結晶 Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge の弾性挙動」 Clark, A. F; Reed, R. P (編)。極低温工学材料の進歩。第 30 巻。 Springer、ボストン、マサチューセッツ州。 pp. 859–866。doi :10.1007/978-1-4613-9868-4。ISBN 978-1-4613-9870-7. 2020年5月20日閲覧。

[13] Flükiger, R.; Drost, E.; Specking, W. (1984). 「Nb 3 Sn ワイヤの臨界電流密度に対する内部強化の影響」 Clark, A. F; Reed, R. P (編)。極低温工学材料の進歩。第 30 巻。 Springer、ボストン、マサチューセッツ州。 pp. 875–882。doi :10.1007/978-1-4613-9868-4。ISBN 978-1-4613-9870-7. 2020年5月20日閲覧。

[14] Steeves, MM; Hoenig, MO; Cyders, CJ (1984)。「インコロイ 903 とタンタル導管が Nb3Sn ケーブルインコンジット導体の臨界電流に与える影響」。Clark, A. F; Reed, R. P (編)。極低温工学材料の進歩。第 30 巻。Springer、ボストン、MA。pp. 883–890。doi : 10.1007 /978-1-4613-9868-4。ISBN 978-1-4613-9870-7. 2020年5月20日閲覧。

[15] Ekin, JW (1984)。「超伝導化合物のひずみ効果」。Clark, A. F; Reed, R. P (編)。極低温工学材料の進歩。第 30 巻。Springer、ボストン、マサチューセッツ州。pp. 823–836。doi : 10.1007 /978-1-4613-9868-4。ISBN 978-1-4613-9870-7. 2020年5月20日閲覧。

[16] Godeke, A. (2008). 「Nb 3 Snの特性と組成、形態、ひずみ状態による変化のレビュー」。超伝導科学技術。19 (8)。IOP Publishing Ltd: 68–80。

[17] MagLabは、2020年7月に米国エネルギー省からより優れた超伝導体の開発のために150万ドルの助成金を獲得した。

歴史