CN116982127A - 超导磁铁装置、nmr装置及mri装置 - Google Patents

超导磁铁装置、nmr装置及mri装置 Download PDF

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Abstract

超导磁铁装置(20)具备：卷绕了超导线材的超导线圈即主线圈(1)、以及对于超导线圈用的励磁电源(4)与超导线圈并联地电连接的持续电流开关PCS(2)，励磁电源(4)经由电流引线(8)与超导线圈及持续电流开关电连接，持续电流开关具备用于从超导状态转变为常导状态的PCS加热器绕组(11)以及PCS加热器电源(12)，从PCS加热器电源(12)向PCS加热器绕组(11)投入的电流经由电流引线(8)的至少一部分流向加热器。

Description

超导磁铁装置、NMR装置及MRI装置
技术领域
本发明涉及产生高磁场并利用该磁场的超导磁铁装置，尤其涉及需要磁铁的高速切断，通过加热器进行切断动作的超导磁铁装置。
背景技术
超导磁铁能够产生比永磁铁、常导磁铁高的磁场，因此被用作通过永磁铁等无法实现的研究用超高磁场磁体、NMR(Nuclear Magnetic Resonance：核磁共振)那样的分析装置用的磁体、或者医疗用MRI(Magnetic Resonance Imaging：磁共振成像)用的磁体。
作为实用超导材料，利用了金属类的NbTi、Nb3Sn等，但这些材料被称为低温超导材料(LTS：Low Temperature Superconductor)，在利用液氦的温度区域中利用。与此相对，表现出超导特性的临界温度高的高温超导材料(HTS：High Temperature Superconductor)的实用化研究不断发展，近年来，开发了各种HTS磁铁。作为高温超导材料，正在推进包含稀土类元素(Y、Gd等)的REBCO、含有Bi的BSCCO等铜氧化物超导材料、金属类材料的MgB2的实用化。
超导磁铁的使用方法是利用直流电阻为零的性质来流过比常导的导体大的电流，因此一般避免从超导状态急剧转变为常导状态的失超现象。高温超导材料的临界温度高，另外，利用其性质在比液体氦温度区域大得多的比热的温度区域运转，因此对于由紊流造成的向超导磁铁的热能输入而引起的失超，具有比LTS磁铁大很多的失超能量裕度。
耐失超性高是HTS的优点，但该性质有时会成为缺点。在MRI等磁铁中，为了实现磁场稳定性而进行持续电流模式运转。在进行持续电流模式运转的情况下，超导磁铁的电路中不能存在电阻，电路形成电阻为零的超导环路。由于无法使电流流入超导环路，所以在持续电流模式磁铁中配备有被称为持续电流开关(PCS：Persistent Current Switch)的能够切换超导状态和常导状态(电阻状态)的开关。
持续电流开关由超导线材构成，通常具备用于从超导状态转变为常导状态的加热器。通过向加热器投入能量来提高持续电流开关的温度从而实现电阻状态(即开关断开)，通过切断加热器来降低温度从而实现超导状态(即开关接通)。
在专利文献1中公开了由超导线圈、持续电流开关、保护电路以及励磁电源构成的一般的持续电流模式电路，持续电流开关通过持续电流开关开闭用加热器而被接通断开。并且，将保护电阻用作用于断开持续电流开关的加热器。
在进行持续电流模式运转的MRI中，需要在紧急时迅速地切断磁场的功能。通过使PCS成为电阻状态(开关断开)，能够抽出磁铁的能量而使磁场消磁，但为了紧急消磁，需要迅速地切断开关。在持续电流模式运转的HTS磁铁中，PCS绕线也使用HTS线材，因此难以在短时间内使PCS成为电阻状态。
另外，在超导磁铁一旦失超的情况下，HTS磁铁与LTS磁铁相比具有容易烧损的性质。这是因为，由于HTS具有难以失超的性质，因此常导区域不会迅速扩大，积蓄在磁铁中的能量集中在发生了失超的局部区域而转换为热，形成热点。
为了防止由热点的产生而引起的烧损，具有以下的磁铁的保护方法：在超导线圈设置被称为失超加热器的加热器，在发生失超时特意使超导的区域广泛地转移到常导状态从而扩大电阻区域。HTS磁铁由于耐失超性高，难以通过失超加热器进行电阻区域的扩大。
在非专利文献1、非专利文献2中，在层叠由氧化物超导带线材卷绕而成的扁平线圈而构成的磁体中，在扁平线圈层之间插入失超加热器。另外，在非专利文献2中示出了用于驱动失超加热器的电池组。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平07-142773号公报
非专利文献
非专利文献1：M Breschi et al.:“Analysis of quench in the NHMFL REBCOprototype coils for the 32T Magnet Project”,May 2016Superconductor Scienceand Technology 29(5)055002
非专利文献2：H.W.Weijers et al.:“The NHMFL 32T superconductingmagnet”,https://indico.cern.ch/event/659554/contributions/2708372/attachments/1525993/2386079/3P1-01_Huub_Weijers_Room_1.pdf
发明内容
发明所要解决的课题
在以往的使用了Nb系材料(NbTi、Nb3Sn)超导体的超导磁铁中，这些材料的临界温度低，另外，在比热小的液体氦温度下使用，因此能够通过微小的加热器热输入容易地产生失超。另外，由加热器产生的失超的萌芽(常导区域)通过向线圈通电的电流产生的焦耳发热而急速扩大，能够使整个超导磁铁成为电阻状态。
另一方面，作为HTS磁铁的材料特性，临界温度高，另外，由于在比热大很多的温度区域中使用，因此用于诱发失超的热量非常大，另外，常导区域的扩大速度(称为失超传播速度)慢，为了在超导线圈形成大的电阻区域，需要在广大的区域设置加热器，并且还需要投入用于使该区域升温的加热器能量。因此，HTS磁铁为了进行高速切断，需要大的能量以进行常导转移，另外，为了瞬间投入能量，需要容量(W)大的加热器电源装置。
为了失超加热器而配备大容量的电源装置，始终处于待机状态是浪费的，因此在加热器用电源中利用电容器组是合理的。由此，预先充入使超导绕组部温度上升预定量的能量，在需要时放出，由此能够构成简便的加热器电源。
加热器能量的释放时间由时间常数τ(＝RC)决定，该时间常数τ由电容器组的电容C以及包含加热器和加热器通电电路电阻的电阻R来决定。为了高速切断，需要以极短的时间(0.1sec)放出电容器组的全部能量，因此要求时间常数为20～30msec。HTS磁铁与LTS磁铁相比需要大很多的能量，因此所需的电容器组的容量变大，因此电容C变大。
在加热器电路中，由于超导线圈设置在低温恒温器内的极低温中，因此为了降低经过加热器通电电路的来自外部的热输入，利用热阻大(因此电阻大)的康铜等导线，无法降低加热器通电电路的电阻。因此，在使用电容器组的情况下，HTS磁铁无法进行高速的切断动作。
本发明是用于解决上述课题的发明，其目的在于提供一种能够使超导绕组高速地转移至常导的加热器装置，并提供一种能够进行超导磁铁的高速切断或能够防止超导绕组烧损的超导磁铁装置。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，本发明的超导磁铁装置具备：超导线圈，卷绕了超导线材；以及持续电流开关，其对于所述超导线圈用的励磁电源与所述超导线圈并联地电连接，所述励磁电源经由电流引线与所述超导线圈及所述持续电流开关电连接，所述持续电流开关具备用于从超导状态转变为常导状态的加热器及加热器驱动电源，从所述加热器驱动电源向所述加热器投入的电流经由所述电流引线的至少一部分流向加热器。关于本发明的其他方式，在后述的实施方式中进行说明。
发明效果
根据本发明，提供一种能够使超导绕组高速地转移至常导的加热器装置，能够进行超导磁铁的高速切断或能够防止超导绕组烧损。
附图说明
图1是表示第一实施方式的持续电流模式运行磁铁的基本结构的电路图。
图2是表示一般的持续电流模式运行磁铁的基本结构的电路图。
图3是表示第一实施方式的超导磁铁装置的电路图。
图4是表示第一实施方式的电路模拟模型的说明图。
图5是表示第一实施方式的电路模拟模型的结果的电流的时间变化图。
图6是表示第一实施方式的超导磁铁装置的结构图。
图7是表示第二实施方式的超导磁铁装置的电路图。
图8是表示第二实施方式的超导磁铁装置的结构图。
具体实施方式
对本发明的一个实施方式进行说明。但是，本发明并不限于在此举出的实施方式，能够在不变更主旨的范围内适当组合或改进。
《第一实施方式》
<持续电流模式磁铁结构>
首先，参照图2说明一般的持续电流模式运行磁铁的基本结构及其课题。
图2是表示一般的持续电流模式运行磁铁的基本结构的电路图。图2表示卷绕了MgB2的中心磁场强度为1.5T的磁铁的持续电流模式运转磁铁的一般的励磁电路。该磁铁的运转电流为250A，以传导冷却方式进行冷却，积蓄能量为3MJ。
主线圈1(超导线圈)与额定300A的励磁电源连接，用于进行持续电流模式运转的PCS2(持续电流开关)与主线圈1并联连接。另外，在低温恒温器10的外部设置有10Ω的保护电阻5，使得在失超时能够在低温恒温器10的外部回收磁铁的积蓄能量的大部分(90％以上)。
在一般的市场销售的持续电流模式磁铁中，为了降低向低温恒温器10的热输入量，在确立了持续电流模式运转之后，用于向磁体投入电流的动力引线8被拔出，但在本磁铁的结构中，为了利用外部的保护电阻5回收能量而保持设置了动力引线的状态。
PCS2由MgB2超导线材卷绕，设置为与用于进行开关动作的PCS加热器绕组3(加热器)热耦合。配备有用于驱动加热器的PCS加热器电源7，为了降低向低温恒温器10的热侵入，通常PCS加热器绕组3与PCS加热器电源7通过热阻大的康铜线连接。
PCS2在持续电流模式运转时电阻为零，但为了在主线圈的失超或紧急切断时利用外部的保护电阻回收积蓄能量的大部分，将PCS2设计为在断开时电阻为100～300Ω。为了断开PCS2，需要投入最低1500～4000J的能量。本磁铁的PCS2的断开时间目标规格为0.1秒，在该情况下，为了驱动加热器，需要15kW至40kW的待机电源。为了加热器而使这样大的电源待机是浪费的，因此对总电容为47000μF的电容器组进行300～600V的充电并使其待机。
<加热器电路的低电阻化>
被动地进行从电容器组向加热器电路的能量投入，为了投入能量而花费的时间由时间常数τ＝RC支配，该时间常数τ＝RC由电容器组的电容C和加热器电路的电阻R来决定。为了将电容器组的能量几乎全部地向加热器投入完毕，需要时间常数的3～4倍的时间，因此所要求的电路时间常数为25～33msec。
因此，使加热器电路(包括加热器)的电阻大致为0.5Ω左右。从电容器投入的能量根据加热器的电阻与途中路径的电阻之比而分配，因此，途中路径的电阻需要比加热器的电阻足够小(例如1成以下)。
因为想要减小向低温恒温器10的热侵入量，因此希望加热器电路的导体材料使用热阻大的材料。在不在意热侵入量的情况下，通过电阻小(因此热阻小)的铜线等构成加热器励磁电路。
在减小来自加热器电路的热阻时，通常选择康铜等热阻大的(因此，电阻大的)材料，但由于电阻变大得非常大，因此能量投入时间常数大幅增加，无法实现25～33msec的时间常数。在本实施方式中，变更电路结构来解决以往的课题。
图1是表示第一实施方式的持续电流模式运行磁铁的基本结构的电路图。为了降低热侵入量，不另外设置加热器励磁用的电路，如图1所示，共用主线圈1的励磁电路的一部分来构成加热器励磁电路。在励磁时以大电流对超导磁铁装置20的主线圈1进行通电，因此电流引线8的电阻足够小，能够实现该短的时间常数。
在图1中，励磁电源4经由电流引线8与主线圈1(超导线圈)及PCS2(持续电流开关)电连接，PCS2具备用于从超导状态转变为常导状态的PCS加热器绕组11(加热器)以及PCS加热器电源12(加热器驱动电源)。构成为从加热器驱动电源向加热器投入的电流经由电流引线8的至少一部分流向加热器。另外，PCS加热器电源12成为交流驱动。稍后描述详细内容。
通过利用主线圈1的励磁电路的一部分，能够使来自加热器励磁电路的热输入量为零，能够降低制冷机的负荷。此外，本加热器以及加热器励磁电路用于高速地断开PCS2，另外安装用于将超导线圈1的励磁所需的PCS2维持为断开状态的加热器以及加热器电源(未图示)。
<加热器交流驱动>
在高速切断时，通过切断器6将励磁电源4从电路切离，因此在从PCS加热器电源12观察主线圈1(超导线圈)侧时，在PCS加热器电源12，主线圈1、PCS2(PCS超导绕组)以及PCS加热器绕组11(加热器)与主线圈1的励磁电路并联连接。因此，从电容器组投入的能量(电流)根据各自的阻抗而分配。
在加热器的阻抗(交流电阻部分+加热器的直流电阻)充分小于主线圈1以及PCS2的超导绕组部的阻抗的情况下，通过分流而流过加热器的电流(即投入能量)减少。与主线圈1的电感相比，PCS2的超导绕组的电感足够小，因此PCS超导绕组与加热器之间的电流分配成为主要。
在以往的PCS中，PCS超导绕组一般通过无感应卷绕构成，电感几乎为零，但在本实施方式中，加热器的电阻为0.5Ω，加热器能量投入的时间常数不足够短，因此为了抑制分流，需要使PCS超导绕组具有一些电感来进行设计。在本实施方式的磁铁中，构成为PCS超导绕组的电感约为0.01H。
为了使分流几乎为零，需要以更快的电流变化速度投入能量。作为用于该目的的结构，在电容器组中由半导体开关元件等构成全桥，与能量投入时间常数相比足够快地切换从加热器观察到的电容器组的电压极性，由此能够实现该结构。
<隔直电容器>
在本实施方式的磁铁中，为了防止失超时的主线圈烧损，设计为增大外部保护电阻的电阻值(例如，10Ω)，使能量回收速度变大。在PCS加热器绕组11(加热器)的电阻比该保护电阻小的情况下，在能量回收过程中相比于外部保护电阻，电流向加热器电阻流动，其结果是利用加热器回收能量的大部分。需要防止这种情况的对策。
图3是表示第一实施方式的超导磁铁装置20A的电路图。为了防止利用上述加热器回收能量的大部分，如图3所示，可以在加热器电路中设置隔直电容器13，使得不流过直流电流。
为了抑制分流，希望加热器由直流电源来驱动，但在配置隔直电容器13的情况下，加热器无法用直流驱动，因此必须进行具备全桥的交流驱动。对于足够快的交流电流，隔直电容器13的阻抗几乎视为零，因此不会对加热器动作造成影响。
<电路模拟模型>
图4是表示第一实施方式的电路模拟模型的说明图。PCS加热器电源12由电容器组CA和开关元件(开关SW1、SW2、SW3、SW4)的全桥电路来模拟。在本实施方式中，将开关速度设为10kHz，通过该开关动作，由直流电压构成的电容器组CA被视为交流电源，通过电流变化速度增加，PCS2的PCS超导绕组的阻抗大幅增加，能够抑制分流。另外，开关元件使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：指绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等。
<模拟结果>
图5是表示第一实施方式的电路模拟模型的结果的电流的时间变化图。使用图5，表示了与本实施方式的磁铁的PCS动作相关的电路模拟的结果。相对于能量投入0.1秒的时间尺度，开关频率为10kHz为高速，因此在曲线图中能看到被涂满，看不到电流的变化。从包络线可知，成为由电容器组CA的电容和加热器电路的电阻决定的时间常数的衰减特性，时间常数与直流动作相同，约为24msec。
另外，向主线圈1和PCS2的PCS超导绕组的电流分流(向主线圈的漏电流、向PCS的漏电流)相对于时刻为零时的向加热器的电流700A，分别为μA级(大致为零)、1A级，几乎能够忽视，可知电容器组CA的能量几乎被投入到加热器(PCS加热器)。
图6是表示第一实施方式的超导磁铁装置20A的结构图。图6是基于图3及图4表示超导磁体装置的结构的图。在图6中，在低温恒温器10中配置有作为超导线圈的主线圈1、PCS2、作为加热器的PCS加热器绕组11、隔直电容器13。励磁电源4经由电流引线8与主线圈1以及PCS2(持续电流开关)电连接，PCS2具备用于从超导状态转移到常导状态的PCS加热器绕组11(加热器)以及PCS加热器电源12(加热器驱动电源)。PCS加热器电源12由电容器组CA和开关元件(开关SW1、SW2、SW3、SW4)的全桥电路构成。构成为从PCS加热器电源12向PCS加热器绕组11投入的电流经由电流引线8向PCS加热器绕组11流动。在图6中，隔直电容器13向电流引线8的连接部位不需要是电流引线8的前端，也可以连接在电流引线8的途中。同样地，PCS加热器绕组11向电流引线8的连接部位不需要是电流引线8的前端，也可以连接在电流引线8的途中。此外，为了使主线圈1励磁，需要实现使PCS2稳定地断开的状态，但省略了为此设置在PCS2的稳定加热器以及用于驱动该加热器的加热器电源。
在本实施方式的超导磁铁装置20A中，将持续电流开关的用于使超导绕组部转移至常导的加热器设置在超导绕组部，具备积蓄加热器驱动用能量的电容器组CA，用于从电容器组CA向加热器投入电力的电路的一部分共用超导磁铁的励磁电路的低电阻电流引线。由此，能够使超导绕组高速地转移至常导，能够进行超导磁铁装置的高速切断。
《第二实施方式》
第一实施方式示出了PCS2的加热器驱动方式，但在第二实施方式中，对于不具有PCS2的驱动模式磁铁的防失超用的失超加热器的使用进行说明。
<REBCO磁铁的失超消除>
通过失超加热器进行的磁铁保护在积蓄能量大的低温超导磁铁中被利用，但在失超传播速度慢的氧化物超导磁铁中，无论积蓄能量的大小如何，有时将这样的磁铁保护用于防止发生异常电压时的超导的烧损。氧化物超导体的临界温度高，因此为了使氧化物超导线圈绕组成为通常状态(电阻状态)需要大的能量，因此第一实施方式所示的加热器能量投入方式是有效的。此外，REBCO是指具有由REBa2CuOy(RE为稀土元素)表示的组成式的铜氧化物超导体的简称。
图7是表示第二实施方式的超导磁铁装置20B的电路图。图8是表示第二实施方式的超导磁铁装置20B的结构图。使用图7及图8，对具备失超加热器14的超导磁铁进行说明。
与为了使PCS绕组部升温而设置加热器的方式同样地，失超加热器14(加热器)是为了使超导线圈绕组升温而设置的。构成为从失超加热器电源15(加热器驱动电源)向失超加热器14投入的电流经由电流引线8的至少一部分流向加热器。在失超传播速度大的低温超导磁铁中，加热器只要安装在超导绕组的一部分即可，但在失超传播速度慢的高温超导磁铁中，希望在超导线圈绕组全体配置加热器。例如，在非专利文献2中，在由层叠扁平线圈构成的氧化物超导磁体的各扁平线圈之间插入了不锈钢制的加热器。
失超加热器电源15由电容器组CA和开关元件(开关SW1、SW2、SW3、SW4)的全桥电路构成。在从电容器组CA投入加热器能量的本方式中，优点在于，与使用电池等相比能够廉价地构成加热器电源，并且能够更高速地投入能量。并且，以在电容器组CA中积蓄的能量的量向加热器投入能量，因此与电池或电源装置等主动的电源相比，不需要加热器本身的烧损防止电路(投入能量的控制)，更为优选。
在本实施方式的超导磁铁装置20B中，将用于使超导绕组部转移至常导的加热器设置在超导绕组部，并具备用于积蓄加热器驱动用能量的电容器组CA，用于从电容器组CA向加热器投入电力的电路的一部分共用超导磁铁的励磁电路的低电阻电流引线。由此，能够使超导绕组高速地转移至常导，能够防止超导绕组烧损。
本发明的电磁铁装置能够适用于全部的高温超导持续电流模式磁铁，特别是适用于MRI装置、NMR装置。另外，无论驱动模式运转、持续电流模式运转，都能够利用于高温超导磁铁的失超保护。
附图标记说明
1主线圈(超导线圈、超导电磁铁)
2PCS(持续电流开关)
3PCS加热器绕组(PCS加热器、加热器)
4励磁电源(直流电源)
5保护电阻
6切断器
7PCS加热器电源
8电流引线
10低温恒温器
11PCS加热器绕组(PCS加热器、加热器)
12PCS加热器电源(加热器驱动电源)
13隔直电容器(电容器)
14失超加热器(加热器)
15失超加热器电源(加热器驱动电源)
20、20A、20B超导磁铁装置
CA电容器组
SW1、SW2、SW3、SW4开关。

Claims (14)

1.一种超导磁铁装置，其具备：卷绕了超导线材的超导线圈、以及对于所述超导线圈用的励磁电源与所述超导线圈并联地电连接的持续电流开关，
其特征在于，
所述励磁电源经由电流引线与所述超导线圈及所述持续电流开关电连接，
所述持续电流开关具备用于从超导状态转变为常导状态的加热器以及加热器驱动电源，
从所述加热器驱动电源向所述加热器投入的电流经由所述电流引线的至少一部分流向加热器。
2.根据权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于，
所述加热器驱动电源由电容器组构成。
3.根据权利要求1或2所述的超导磁铁装置，其特征在于，
在设置于所述持续电流开关的加热器电路中串联地插入了用于防止直流电流的电容器。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的超导磁铁装置，其特征在于，
所述加热器驱动电源是交流电源。
5.根据权利要求4所述的超导磁铁装置，其特征在于，
所述加热器驱动电源由电容器组和开关元件的全桥电路构成。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的超导磁铁装置，其特征在于，
所述超导线材为高温超导材料。
7.一种超导磁铁装置，其具有：卷绕了超导线材的超导线圈、用于对所述超导线圈进行励磁的励磁电源、以及将所述超导线圈与所述励磁电源电连接的电流引线，
其特征在于，
在所述超导线材的绕组设置了用于使一部分或全体从超导状态转变为常导状态的加热器以及加热器驱动电源，
从加热器驱动电源向所述加热器投入的电流经由所述电流引线的至少一部分流向加热器。
8.根据权利要求7所述的超导磁铁装置，其特征在于，
所述加热器驱动电源由电容器组构成。
9.根据权利要求7或8所述的超导磁铁装置，其特征在于，
在包含所述加热器的加热器电路中串联地插入了用于防止直流电流的电容器。
10.根据权利要求7至9中的任意一项所述的超导磁铁装置，其特征在于，
所述加热器驱动电源是交流电源。
11.根据权利要求10所述的超导磁铁装置，其特征在于，
所述加热器驱动电源由电容器组和开关元件的全桥电路构成。
12.根据权利要求7至11中的任意一项所述的超导磁铁装置，其特征在于，
所述超导线材为高温超导材料。
13.一种NMR装置，其特征在于，具备权利要求1至12中的任意一项所述的所述超导磁铁装置。
14.一种MRI装置，其特征在于，具备权利要求1至12中的任意一项所述的所述超导磁铁装置。
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