JP2000068118A

JP2000068118A - 永久電流超電導磁石装置

Info

Publication number: JP2000068118A
Application number: JP24062198A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Yoshikawa; 正敏吉川
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1998-08-26
Filing date: 1998-08-26
Publication date: 2000-03-03
Anticipated expiration: 2018-08-26
Also published as: JP3715442B2

Abstract

(57)【要約】【課題】超電導接続に特殊な技術や対策を施すことな
く、従来と同一の励磁設備および操作方法で磁石装置中
心付近の中心磁場を極めて安定にする。【解決手段】同心状の複数の超電導磁石３を構成する
複数個の単位超電導コイル２ａ，２ｂが直列接続されて
いるため、同じ割合の励磁速度で同時に同心状の複数の
超電導磁石３を励磁することができて従来のように操作
方法が煩雑とはならない。また、複数個の直列接続され
た単位超電導コイル２ａ，２ｂと第１の永久電流スイッ
チ５からなる閉回路に加えて、任意の単位超電導コイル
２ａの両端を接続して閉回路を構成する第２の永久電流
スイッチ６を設けているため、超電導磁石回路が２つの
閉回路からなり、それぞれの相互誘導により、磁石装置
中心磁場の減衰を抑えて極めて安定化させることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば理化学用Ｎ
ＭＲ（核磁気共鳴）分析装置や医療用断層映像装置（Ｍ
ＲＩ）などに組み込まれ、永久電流モードで運転される
永久電流超電導磁石装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、この理化学用ＮＭＲ分析装置で
は、磁界強度が高くしかも磁界の時間的変動（減衰）が
極めて小さい永久電流超電導磁石装置を必要としてい
る。このため、通常、この永久電流超電導磁石装置は永
久電流スイッチを用いて形成された閉回路を利用するこ
とで永久電流モードで運転されている。

【０００３】ところが、実際には、永久電流モードの運
転時に、超電導コイル間の超電導線の接続部分の微小な
接続抵抗が主な原因になって、永久電流が時間と共に徐
々に減衰するために磁場の減衰が生じている。超電導線
の接続部分における通常の半田付けでは、半田材料が超
電導材料ではないので、この接続抵抗を１０^-9オーム程
度以下にすることは困難であるが、接続しにくい超伝導
線のフィラメント同士を、スポット溶接や圧着などで直
に接続して１０^-12オーム程度とすることができる接続
技術が開発されている。これにより、磁場の減衰度が
０．０１ppm/hr程度の永久電流超電導磁石装置が実現可
能である。

【０００４】しかし、このような超電導線間の接続抵抗
値は磁界によりその抵抗値が影響を受け、その接続部分
の磁束密度が１Ｔ（テスラ＝１０⁴ガウス）程度以上に
なると、その接続部分は超電導状態から通常の金属導電
状態に移行してしまい、接続抵抗値が急激に上昇して電
流（磁場）の減衰も大きくなってしまう。そのため、接
続部分に磁気シールドを施すなどの特殊な対策が必要と
なる。このような特殊な対策を施すことなく極めて安定
な磁場を得る方法として、従来より特公平４−６１１０
３号公報に示される方法が提案されている。

【０００５】この方法による永久電流超電導磁石装置３
０は、図５に示すように、外周側の第１の超電導磁石３
１と、その内周側の第２の超電導磁石３２とを同心状に
有し内部に作用空間が形成されている。さらに、第１の
超電導磁石３１の外周側には磁場補正用超電導コイル３
３が、第１の超電導磁石３１および第２の超電導磁石３
２に対して同心状に配設されている。

【０００６】この第１の超電導磁石３１は、円筒状に巻
回された第１の超電導コイル３４と、この第１の超電導
コイル３４と並列接続された第１の永久電流スイッチ３
５と、第１の超電導コイル３４に対して励磁用の電流を
供給する励磁用電源３６と、第１の永久電流スイッチ３
５のヒータに対して電流を供給するヒータ用電源３７と
を有している。また、第２の超電導磁石３２は、第１の
超電導コイル３４の内周側に他の超電導線が同心状でか
つ円筒状に巻回された第２の超電導コイル３８と、この
第２の超電導コイル３８と並列接続された第２の永久電
流スイッチ３９と、第２の超電導コイル３８に対して励
磁用の電流を供給する励磁用電源４０と、第２の永久電
流スイッチ３９のヒータに対して電流を供給するヒータ
用電源４１とを有している。

【０００７】さらに、クライオスタット４２の内部にお
いて、これらの第１の超電導磁石３１と第２の超電導磁
石３２とがそれぞれ電気的に独立し、かつ、第２の超電
導コイル３８が第１の超電導コイル３４のボア内部に具
備されている。これによって、第２の超電導コイル３８
の電流減衰による作用空間内の磁場の減衰を、この電流
減衰に伴って第１の超電導コイル３４に相互誘導される
電流による第１の超電導コイル３４の作用空間内の磁場
の増加分で補償することにより、作用空間内の磁場を極
めて安定に保とうとしている。つまり、第２の超電導コ
イル３８の電流による磁界低下分と、それにより誘起さ
れる第１の超電導コイル３４の電流による磁界増加分を
等しくすることにより、作用空間内の磁界強度を一定に
保つようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
方法では、２つの独立した超電導磁石３１，３２をそれ
ぞれ励磁するためには、独立した別々の励磁用電源３
６，４０が必要となると共に、独立した別々の永久電流
スイッチ３５，３９に対するヒータ用電源３７，４１が
必要となる。しかも、電気的に独立した第１の超電導コ
イル３４および第２の超電導コイル３８を励磁する場合
には、磁場中のコイルに働く力のバランスが崩れてコイ
ル部分が破損する虞があるため、それぞれの超電導磁石
３１，３２を同じ割合の励磁速度で同時に励磁する必要
がある。このように、励磁用電源３６，４０などの励磁
設備を２つ用い、２つの設備を操作するため、超電導磁
石装置３０の操作方法は煩雑となり、その煩雑さ故にそ
の操作方法は、１つの超電導磁石だけからなる永久電流
超電導磁石装置の操作方法（同じ割合の励磁速度で同時
に励磁する必要がない場合）と比べると著しく異なって
いる。

【０００９】本発明は、上記従来の問題を解決するもの
で、超電導接続に特殊な技術や対策を施すことなく、し
かも、１つの超電導磁石だけからなる磁石装置と同様の
励磁設備および操作方法によって磁石装置中心付近の中
心磁場が極めて安定な永久電流超電導磁石装置を提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の永久電流超電導
磁石装置は、複数個の単位超電導コイルが直列接続され
た超電導磁石と、直列接続された単位超電導コイルより
なる直列回路の両端に接続された第１の永久電流スイッ
チと、複数個の単位超電導コイルの任意の一つまたは、
連続する所定数の単位超電導コイルの両端に接続された
少なくとも一つの第２の永久電流スイッチとを有したこ
とを特徴とするものである。この場合、第２の永久電流
スイッチは複数設けられていてもよい。

【００１１】この構成により、複数個の直列接続された
単位超電導コイルと第１の永久電流スイッチからなる閉
回路に加えて、複数個の単位超電導コイルのうち任意の
一または複数の単位超電導コイルの両端を接続して閉回
路を構成する少なくとも一つの第２の永久電流スイッチ
を設けているので、超電導磁石回路が少なくとも２つの
閉回路に分割され、それぞれの相互誘導により、磁石装
置中心付近の磁場の減衰が抑えられ、磁石装置中心付近
の磁場を極めて安定に保つことが可能となる。また、こ
れらの少なくとも２つの閉回路を構成している各超電導
磁石は、複数個の単位超電導コイルが直列接続されてい
るので、同じ割合の励磁速度で同時に容易に励磁するこ
とが可能となって、例えば従来のような電気的に独立し
た２つの超電導磁石に対して励磁用電源などの励磁設備
を２つ用いる必要がなくなって部品点数が削減され、ま
た、２つの設備を操作したりする必要はなって操作方法
が煩雑なものとはならない。よって、超電導線間の接続
にスポット溶接などの特殊な接続技術や、磁気シールド
などの特殊な対策を施すことなく、しかも、１つの超電
導磁石だけからなる場合と同様の励磁設備（各１つの励
磁用電源およびヒータ用電源）によって、さらに、１つ
の超電導磁石だけからなる場合と同様の操作方法によっ
て同じ割合の励磁速度で同時に容易に励磁され得ること
から、従来のように煩雑な操作方法とはならず、磁石装
置中心付近の中心磁場が極めて安定なものとなる。

【００１２】また、好ましくは、本発明の永久電流超電
導磁石装置における第２の永久電流スイッチが一つ設け
られ、第２の永久電流スイッチが接続されている単位超
電導コイルの自己インダクタンスをＬ₁、その単位超電
導コイルに含まれる微小抵抗をＲ₁、他の単位超電導コ
イルの自己インダクタンスをＬ₂、他の単位超電導コイ
ルに含まれる微小抵抗をＲ₂、それらの相互インダクタ
ンスをＭとしたとき、

【００１３】

【数１】

【００１４】を満足する一または所定数の単位超電導コ
イルの両端に第２の永久電流スイッチが接続されてい
る。

【００１５】この構成により、磁石装置中心付近の中心
磁場の減衰を、第２の永久電流スイッチがない場合の従
来の超電導磁石よりも低く抑える上記条件式（数１）を
満足する位置に第２の永久電流スイッチを配置して閉回
路を構成するので、第２の永久電流スイッチがない場合
の超電導磁石よりも磁場減衰率を低く抑えることがで
き、磁石装置中心付近の中心磁場が極めて安定な超電導
磁石装置となる。

【００１６】さらに、好ましくは、本発明の永久電流超
電導磁石装置における第１の永久電流スイッチと第２の
永久電流スイッチとが共に熱式永久電流スイッチであっ
て、それらのヒータ線がヒータ用電源に対して直列接続
されている。

【００１７】この構成により、第１の永久電流スイッチ
と第２の永久電流スイッチのヒータ線が直列接続されて
いるので、ヒータ用電源が共用できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る永久電流超電
導磁石装置の実施形態について図面を参照して説明する
が、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものでは
ない。

【００１９】（実施形態１）図１は本発明の実施形態１
の超電導磁石装置の基本概念を示す回路図である。

【００２０】図１において、この永久電流超電導磁石装
置１は、同心状に配列された各単位超電導コイル２ａ，
２ｂが直列接続された超電導磁石３と、単位超電導コイ
ル２ａ，２ｂの直列回路に励磁用の電流を供給可能な励
磁用電源４とを有している。これらの円筒状の単位超電
導コイル２ａ，２ｂの内側は作用空間として作用し、こ
の作用空間内に分析試料を挿入（ＮＭＲ）して高磁場を
生じさせた状態で所定の組成分析を行ったり、また、こ
の作用空間内に人体を挿入（ＭＲＩ）して高磁場を生じ
させた状態で人体の検診を行うようになっている。な
お、これらの単位超電導コイル２ａ，２ｂはそれぞれ一
または所定数の更なる単位超電導コイルから構成されて
いてもよい。

【００２１】また、超電導磁石装置１は、単位超電導コ
イル２ａ，２ｂの直列回路の両端に接続された第１の永
久電流スイッチ５と、単位超電導コイル２ａの両端に接
続された第２の永久電流スイッチ６と、第１の永久電流
スイッチ５および第２の永久電流スイッチ６のヒータ線
に対して電流を供給可能なヒータ用電源７とを有してい
る。これらの第１の永久電流スイッチ５と第２の永久電
流スイッチ６とは共に熱式永久電流スイッチであって、
それらのヒータ線が直列接続されてヒータ用電源７から
電流供給可能に構成されている。

【００２２】このように、直列接続された単位超電導コ
イル２ａ，２ｂと閉回路を構成する第１の永久電流スイ
ッチ５に加えて、単位超電導コイル２ａの両端を接続し
て閉回路を構成する第２の永久電流スイッチ６を設けて
いる。このように、超電導磁石回路が２つの閉回路から
なり、それぞれの相互誘導により、作用空間内（磁石装
置中心付近）の磁場の減衰を抑えることができて、作用
空間内の磁場を極めて安定に保つことができる。

【００２３】この場合、それぞれの相互誘導とは、第２
の永久電流スイッチ６と並列接続されている単位超電導
コイル２ａと、この単位超電導コイル２ａ以外の単位超
電導コイル２ｂとの相互誘導であり、例えば単位超電導
コイル２ｂの電流が減って磁束が減る方向に変化する
と、その磁束と鎖交する単位超電導コイル２ａに、単位
超電導コイル２ｂの電流変化（減少）分に相当する電流
が誘起されることにより、作用空間内の磁場の減衰を相
殺的に抑えることができて、作用空間内の磁場を極めて
安定に保つことができる。このとき、単位超電導コイル
２ａ，２ｂが励磁用電源４に対して直列接続されている
だけでは単位超電導コイル２ａ，２ｂに流れる電流値は
同一であるが、単位超電導コイル２ａの両端を接続した
閉回路を構成したことにより、単位超電導コイル２ｂの
電流変化（減少）分に相当する増加電流が単位超電導コ
イル２ａ側に誘起され得るようになっている。

【００２４】上記構成により、その永久電流モード動作
を説明する。まず、複数個の単位超電導コイル２ａ，２
ｂの直列回路に並列に接続されている第１の永久電流ス
イッチ５と、単位超電導コイル２ａに並列に接続されて
いる第２の永久電流スイッチ６のそれぞれのヒータ線に
外部のヒータ用電源７から通電して、それぞれの永久電
流スイッチ４，５を開状態（オフ状態）にする。この永
久電流スイッチ４，５の開状態（オフ状態）は、外部か
らの励磁用電源４によって複数個の単位超電導コイル２
ａ，２ｂに、電流値が所定の設定電流値Ｉ₀に達するま
で電流を供給する。

【００２５】次に、その供給電流値が所定の設定電流値
Ｉ₀に達したところで、外部のヒータ用電源７からの通
電をオフにして、それぞれの永久電流スイッチ４，５を
閉状態（オン状態）に切り換えて、単位超電導コイル２
ａ，２ｂと第１の永久電流スイッチ５で構成された閉回
路と、単位超電導コイル２ａと第２の永久電流スイッチ
６で構成された閉回路とで電流がそれぞれ循環する永久
電流モードでの運転を行わせる。

【００２６】このようにして、まず、単位超電導コイル
２ａ，２ｂを励磁した初期状態では、単位超電導コイル
２ａの電流Ｉ₁と単位超電導コイル２ｂの電流Ｉ₂は、何
れも設定電流Ｉ₀と等しいが、単位超電導コイル２ａ，
２ｂには微小抵抗Ｒ₁，Ｒ₂が存在するために時間と共に
それぞれ減衰を生じることとなる。

【００２７】ここで、第２の永久電流スイッチ６と閉回
路を構成する単位超電導コイル２ａの自己インダクタン
スをＬ₁、単位超電導コイル２ａに含まれる接続部等に
起因する微小抵抗をＲ₁、単位超電導コイル２ａ以外の
単位超電導コイル２ｂの自己インダクタンスをＬ₂、そ
の単位超電導コイル２ｂに含まれる接続部等に起因する
微小抵抗をＲ₂、単位超電導コイル２ａ，２ｂ間の相互
インダクタンスをＭとすると、微小抵抗Ｒ₁，Ｒ₂による
電流変化は以下の回路方程式（数２および数３）により
求められる。

【００２８】

【数２】

【００２９】

【数３】

【００３０】一方、第２の永久電流スイッチ６を設けて
いない場合の従来の超電導磁石では、励磁した後の電流
変化は以下の回路方程式（数４）により求められる。

【００３１】

【数４】

【００３２】ｔ＝０のとき、Ｉ₁＝Ｉ₂＝Ｉ₀なので、上
記（数２）および（数３）により、下記の（数５）とな
る。

【００３３】

【数５】

【００３４】また、（数４）により、

【００３５】

【数６】

【００３６】ここで、Ｌ₀は回路全体のインダクタンス
であり、Ｌ₀＝Ｌ₁＋Ｌ₂＋２Ｍを満足し、Ｒ₀は回路全体
の微小抵抗であり、Ｒ₀＝Ｒ₁＋Ｒ₂を満足する。

【００３７】したがって、第２の永久電流スイッチ６が
ない従来の超電導磁石と比較して、作用空間内の磁場の
減衰を低く抑えるためには、電流Ｉ₁，Ｉ₂が変化するこ
とによる磁場減衰が、電流Ｉが変化することによる磁場
減衰よりも小さくなればよい。すなわち、電流がＩ₁，
Ｉ₂であるコイルの磁場定数（コイルに１Ａ通電したと
きに生じる磁場の強さで定義され、単位はＴ／Ａとな
る）をＫ₁，Ｋ₂、全体の超電導磁石３の磁場定数をＫ₀
とすれば、次式（数７）が成立するようにすればよい。
但し、Ｋ₀＝Ｋ₁＋Ｋ₂を満足する。

【００３８】

【数７】

【００３９】これらのＩ₁，Ｉ₂，Ｉを上記の（数７）に
代入すると、次の（数８）となり、これを整理して次の
（数９）が得られる。

【００４０】

【数８】

【００４１】

【数９】

【００４２】この条件式（数９）を満足する位置に第２
の永久電流スイッチ６を配置して閉回路を構成すること
によって、第２の永久電流スイッチ６を設けていない場
合の従来の超電導磁石よりも磁場減衰率を低く抑えるこ
とができ、作用空間内の中心磁場が極めて安定した超電
導磁石装置１を得ることができる。

【００４３】また、この（数９）において、一般的に
は、下記の（数１０）が成り立つために、次の（数１
１）が得られる。

【００４４】

【数１０】

【００４５】

【数１１】

【００４６】すなわち、上記（数９）の場合と同様に、
この条件式（数１１）を満足する位置に第２の永久電流
スイッチ６を配置して閉回路を構成することによって、
第２の永久電流スイッチ６を設けていない場合の従来の
超電導磁石よりも磁場減衰率を低く抑えることができ、
作用空間内の中心磁場が極めて安定した超電導磁石装置
１を得ることができる。

【００４７】（実施形態２）上記実施形態１では、直列
接続された複数個の単位超電導コイル２ａ，２ｂの任意
の一つである単位超電導コイル２ａと並列に第２の永久
電流スイッチ６を接続して閉回路を構成したが、本実施
形態２では、直列接続された複数個の単位超電導コイル
のうちの、連続する一部（複数個）の単位超電導コイル
と並列に第２の永久電流スイッチを接続して閉回路を構
成した場合である。

【００４８】図２は本発明の実施形態２の、磁場補正用
の磁性体シムを具備した超電導磁石装置の概略構成を示
す縦断面図、図３は図２の超電導磁石装置の概略構成を
示す回路図である。

【００４９】図２および図３において、この永久電流超
電導磁石装置１１は、同心状に配列された複数個の単位
超電導コイルよりなる超電導コイル１２が直列接続され
た超電導磁石１３と、この超電導コイル１２の直列回路
の両端に接続され、超電導コイル１２の直列回路に励磁
用の電流を供給可能な励磁用電源１４とを有している。
この円筒状の超電導コイル１２の内側の中心軸部分に
は、高磁場による作用空間Ｓが形成されるようになって
いる。

【００５０】また、永久電流超電導磁石装置１１は、複
数個の超電導コイル１２に並列に第１の永久電流スイッ
チ１５を接続して閉回路を形成すると共に、複数個の超
電導コイル１２のうち、連続する任意の例えば超電導コ
イル１２１ａに並列に第２の永久電流スイッチ１６を接
続して閉回路を形成している。また、これらの第１の永
久電流スイッチ１５と第２の永久電流スイッチ１６とは
共に熱式永久電流スイッチであって、第１の永久電流ス
イッチ１５のヒータ線と第２の永久電流スイッチ１６の
ヒータ線とはクライオスタット１８の内部で直列に接続
され、その直列回路の両端は外部のヒータ用電源１７に
接続されてヒータ用電源１７から電流供給可能に構成さ
れている。

【００５１】さらに、超電導コイル１２は超電導コイル
１２１、１２２，１２３からなっている。この超電導コ
イル１２１（１２１ａと１２１ｂ）は、軸心方向に等し
い長さを有し、それぞれ所要のターン数を有して巻回さ
れた６個の単位超電導コイルが同心状で径方向に積層さ
れてなっている。その内側には、超電導コイル１２２が
相互作用を行う超電導コイル１２１に対して同心状に収
納配設されている。超電導コイル１２２は、超電導コイ
ル１２１とは軸心方向長が多少短かく設定されており、
それぞれ所要のターン数を有して巻回された３個の単位
超電導コイルが同心状で径方向に積層されてなるもので
ある。この超電導コイル１２２の空心部分を高磁場とす
る作用空間Ｓとしている。超電導コイル１２１の軸心長
を超電導コイル１２２に比して長くすることで、作用空
間Ｓにおける軸心方向の磁場の均一度を（軸方向両端に
よる磁界の乱れを抑制することで）可及的に高めるよう
にしている。

【００５２】また、補正用の超電導コイル１２３が最外
周部に配設され、作用空間Ｓの軸心方向の中心に対して
上下対称となる位置、本実施形態２では中央と上下両側
に、それぞれ所要数のターン数を有して（上下側は同一
ターン数）配設されている。これにより、作用空間Ｓ内
の磁場を径方向及び軸心方向に対して均一に補正可能に
している。

【００５３】なお、図示は示していないが、超電導コイ
ル１２３の外側には、外部へ漏れる磁界を抑制するシー
ルド部材、例えばシールド用の超電導コイルが必要に応
じて配設されている。

【００５４】上記において、作用空間Ｓには、その中心
部に分析試料（ＮＭＲの場合）が挿入され、あるいは人
体が入れられ（ＭＲＩの場合）て、高磁場の下で組成解
析や検診が施される。

【００５５】以上のように、超電導磁石回路が２つの閉
回路からなり、それぞれの相互誘導により、磁石装置中
心付近の作用空間Ｓの磁場の減衰を抑えることができ
る。この場合の相互誘導とは、第２の永久電流スイッチ
１６と並列接続されている位超電導コイル１２１ａと、
この超電導コイル１２１ａ以外の超電導コイル１２２，
１２１ｂ，１２３との相互誘導であり、例えば超電導コ
イル１２２，１２１ｂ，１２３に流れている電流が減っ
て磁束が減る方向に変化すると、その磁束と鎖交する超
電導コイル１２１ａ側に、その電流変化（減少）分に相
当する増加電流が誘起されることにより、作用空間Ｓの
磁場の減衰が抑制されて、作用空間Ｓの磁場を極めて安
定に保つことができる。このとき、超電導コイル１２が
直列接続されているだけでは超電導コイル１２に流れる
電流値は常に同一であるが、超電導コイル１２１ａの両
端を接続して閉回路を構成したために、それ以外の超電
導コイル１２２，１２１ｂ，１２３の電流変化（減少）
分に相当する増加電流が超電導コイル１２１ａ側に誘起
され得るようになっている。

【００５６】以下に、具体的に説明すると、超電導磁石
１３の超電導コイル１２は、内径φ８０ｍｍ，幅３５０
ｍｍの巻枠にφ０．８ｍｍのＮｂ₃Ｓｎ超電導線材が巻
回された超電導コイル１２２と、内径φ１４０ｍｍ，幅
５００ｍｍの巻枠にφ０．７ｍｍとφ０．６ｍｍのＮｂ
Ｔｉ超電導線が巻回された超電導コイル１２１と、φ
０．６ｍｍのＮｂＴｉ超電導線が巻回された磁場補正用
超電導コイル１２３から構成される合計１２個の単位超
電導コイルが直列に接続されて設けられている。また、
ＮｂＴｉ超電導線が巻回された超電導コイル１２１の一
部である、連続した３個の単位超電導コイルからなる超
電導コイル１２１ａと並列に第２の永久電流スイッチ１
６が接続されている。

【００５７】この場合、超電導コイル１２全体の自己イ
ンダクタンスＬ₀は１２０Ｈ、第２の永久電流スイッチ
１６により分割された各々の単位超電導コイル１２１ａ
の自己インダクタンスＬ₁は１５Ｈ、他の単位超電導コ
イル１２２，１２１ｂ，１２３の自己インダクタンスを
Ｌ₂は５５Ｈ、それぞれの相互インダクタンスＭは２５
Ｈである。これらを上記条件式（数１１）の右辺（数１
２）に代入すると、以下のようになる。

【００５８】

【数１２】

【００５９】一方、単位超電導コイルの微小抵抗はその
接続部の抵抗が支配的であるため、各単位超電導コイル
の微小抵抗はその接続部の数に比例する。各単位超電導
コイル毎に接続しているのは、中央側のコイルのコイル
線ほど太いコイル線を用い、かつそれらの材質も異なる
ようにして磁場発生の効率化を図っていることと、全コ
イルに渡る長いコイル線が作れないためである。

【００６０】このように、各単位超電導コイルの微小抵
抗はその接続部の数に比例するため、複数個（本実施形
態２では３個）の単位超電導コイルよりなる超電導コイ
ル１２１ａに含まれる微小抵抗をＲ₁、それ以外の全単
位超電導コイル（本実施形態２では９個）よりなる超電
導コイル１２２，１２１ｂ，１２３に含まれる微小抵抗
をＲ₂とすると、上記条件式（数１１）の左辺は、次式
（数１３）のようになって、第２の永久電流スイッチ１
６は、上記式（数１１）を満足する位置に閉回路が配置
していることになる。つまり、第２の永久電流スイッチ
１６は、上記式（数１１）を満足する一または所定数
（本実施形態２では、連続する３個）の単位超電導コイ
ルよりなる超電導コイル１２１ａの両端に接続されてい
る。

【００６１】

【数１３】

【００６２】さらに、本実施形態２において、磁場定数
Ｋ₁は０．０４４Ｔ／Ａ、Ｋ₂は１．０８６Ｔ／Ａなの
で、下記の（数１４）となる。また、下記の（数１５）
であり、下記の（数１６）であるので、上記条件式（数
９）も成立する位置に第２の永久電流スイッチ１６が配
置されて接続されている。

【００６３】

【数１４】

【００６４】

【数１５】

【００６５】

【数１６】

【００６６】上記構成により、まず、外部のヒータ用電
源１７による通電により、１２個の直列接続された単位
超電導コイルよりなる超電導コイル１２全体に並列に接
続された第１の永久電流スイッチ１５と、ＮｂＴｉ超電
導コイル１２１の一部である３個の単位超電導コイルよ
りなる超電導コイル１２１ａと並列に接続された第２の
永久電流スイッチ１６とを開状態とし、外部の励磁用電
源１４を用いて超電導コイル１２に電流を流して励磁を
行う。

【００６７】次に、超電導磁石１３の電流値が所定の設
定電流値Ｉ₀になったときに、外部のヒータ用電源１７
をオフとし、第１の永久電流スイッチ１５および第２の
永久電流スイッチ１６を共に閉状態として各閉回路を構
成する。

【００６８】この後、磁石装置中心磁場を１か月以上の
長期間に亘り測定した結果を図４に示している。一方、
比較のために、第２の永久電流スイッチ１６を用いずに
同様の測定をした結果も併せて図４に示している。図４
の測定結果からも判るように、第２の永久電流スイッチ
１６を用いることで、超電導磁石回路を２つの閉回路に
分割し、それぞれの相互誘導によって、従来の超電導磁
石装置よりも磁場減衰率を低く抑えることができ、約
０．０１ppm/hrの磁場減衰率となる極めて安定な磁場を
得ることができた。

【００６９】以上により、本発明の永久電流超電導磁石
装置１，１１によれば、複数個の直列接続された単位超
電導コイルと第１の永久電流スイッチ５，１５からなる
閉回路に加えて、複数個の単位超電導コイルのうち任意
の一または複数の単位超電導コイルの両端を接続して閉
回路を構成する第２の永久電流スイッチ６，１６を設け
ているため、超電導磁石回路が２つの閉回路よりなり、
それぞれの相互誘導により、磁石装置中心付近の磁場の
減衰を抑制でき、磁石装置中心付近の磁場を極めて安定
化させることができる。また、これらの２つの閉回路を
構成している各超電導磁石は、複数個の単位超電導コイ
ルが直列接続されているために、同じ割合の励磁速度で
同時に励磁することが容易になって、従来のような電気
的に独立した２つの超電導磁石の、２つの励磁設備を用
い同じ割合の励磁速度で同時に励磁する操作方法とは異
なって煩雑なものとはならない。よって、超電導線間の
接続にスポット溶接などの特殊な接続技術や、磁気シー
ルドなどの特殊な対策を施すことなく、しかも、従来の
１つの超電導磁石だけからなる場合と同様の励磁設備
（各１つの励磁用電源４，１４およびヒータ用電源７，
１７）によって、さらに、１つの超電導磁石だけからな
る場合と同様の操作方法によって同じ割合の励磁速度で
同時に容易に励磁され得ることから、従来のように煩雑
な操作方法とはならず、磁石装置中心付近の中心磁場を
極めて安定化させることができる。

【００７０】また、上記条件式（数１）を満足するコイ
ル位置に第２の永久電流スイッチ６，１６を配置して閉
回路を構成するようにしたため、第２の永久電流スイッ
チ６，１６を設けない場合の従来の超電導磁石よりも磁
場減衰率を低く抑えることができ、磁石装置中心付近の
中心磁場が極めて安定な超電導磁石装置とすることがで
きる。

【００７１】さらに、第１の永久電流スイッチ５，１５
と第２の永久電流スイッチ６，１６のヒータ線が直列接
続されているので、ヒータ用電源７，１７を共用化する
ことができて部品点数を削減することができ、しかも、
一つの超電導磁石だけからなる場合と同じ操作方法によ
り励磁ができる。

【００７２】なお、上記実施形態２では、第２の永久電
流スイッチ１６による閉回路は、連続して接続された３
個の単位超電導コイルよりなる超電導コイル１２１ａを
含むように構成したが、これに限らず、超電導コイル１
２２，１２１ｂ，１２３の何れかの一または複数個の単
位超電導コイルを含むように設けてもよく、また、超電
導コイル１２２，１２１ａ，１２１ｂ，１２３のうち、
連続する何れかに渡る複数個の単位超電導コイルを含む
ように設けてもよい。

【００７３】例えば、閉回路を構成する第２の永久電流
スイッチ１６の配置位置が変われば、第２の永久電流ス
イッチ１６と並列に接続される超電導コイルの自己イン
ダクタンスも変更され、その超電導コイルに含まれる接
続部等に起因する微小抵抗も変更され、さらには、その
超電導コイル以外の全超電導コイルの自己インダクタン
スも変わると共に、その超電導コイルに含まれる接続部
等に起因する微小抵抗も変わり、かつ、それらの間の相
互インダクタンスＭも変わるが、要は、上記条件式（数
１）を満足する第２の永久電流スイッチ１６の配置位置
であれば、第２の永久電流スイッチ１６を設けない場合
の従来の超電導磁石よりも磁場減衰率を低く抑えること
ができて、磁石装置中心付近の中心磁場が極めて安定な
超電導磁石装置とすることができる。

【００７４】また、上記実施形態１，２では、第１の永
久電流スイッチ５または１５による閉回路に対して一つ
の第２の永久電流スイッチ６または１６による閉回路と
の２つの閉回路を設けて、それらのコイルによる相互誘
導によって磁石装置中心付近の中心磁場を極めて安定化
させるようにしたが、これに限らず、複数の第２の永久
電流スイッチによる多段の閉回路を構成して、それらの
コイルによる相互誘導によって磁石装置中心付近の中心
磁場を極めて安定化させるようにしてもよい。この場
合、閉回路数に応じて永久電流スイッチを設ければよ
い。但し、それらのヒータ線に流れる電流が多くなるた
め、ヒータ用電源としての容量が大きいものが必要とな
ると共に、各永久電流スイッチとコイルとを接続する作
業も増えるので、これらの点を考慮して好ましい数の閉
回路を設けるようにすればよい。

【００７５】

【発明の効果】以上のように請求項１によれば、複数個
の直列接続された単位超電導コイルと第１の永久電流ス
イッチからなる閉回路に加えて、複数個の単位超電導コ
イルのうち任意の一または複数の単位超電導コイルの両
端を接続して閉回路を構成する少なくとも一つの第２の
永久電流スイッチを設けているため、超電導磁石回路が
少なくとも２つの閉回路よりなり、それぞれの相互誘導
により、磁石装置中心付近の磁場の減衰を抑制でき、磁
石装置中心付近の磁場を極めて安定化させることができ
る。また、これらの少なくとも２つの閉回路を構成して
いる各超電導磁石は、複数個の単位超電導コイルが直列
接続されているために、同じ割合の励磁速度で同時に励
磁することが容易になって、例えば従来のような電気的
に独立した２つの超電導磁石に対して励磁用電源などの
励磁設備を２つ用いる必要がなくなって部品点数が削減
され、また、２つの設備を操作したりする必要はなって
操作方法が煩雑なものとはならない。よって、超電導線
間の接続にスポット溶接などの特殊な接続技術や、磁気
シールドなどの特殊な対策を施すことなく、しかも、１
つの超電導磁石だけからなる場合と同様の励磁設備によ
って、さらに、１つの超電導磁石だけからなる場合と同
様の操作方法によって同じ割合の励磁速度で同時に容易
に励磁され得ることから、従来のように煩雑な操作方法
とはならず、磁石装置中心付近の中心磁場を極めて安定
化させることができる。

【００７６】また、請求項２によれば、上記条件式（数
１）を満足するコイル位置に第２の永久電流スイッチを
配置して閉回路を構成するようにしたため、第２の永久
電流スイッチを設けない場合の従来の超電導磁石よりも
磁場減衰率を低く抑えることができ、磁石装置中心付近
の中心磁場が極めて安定な超電導磁石装置とすることが
できる。

【００７７】さらに、請求項３によれば、第１の永久電
流スイッチと第２の永久電流スイッチのヒータ線が直列
接続されているため、ヒータ用電源を共用化することが
できて部品点数を削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の超電導磁石装置の基本概
念を示す回路図である。

【図２】本発明の実施形態２の磁場補正用の磁性体シム
を具備した超電導磁石装置の概略構成を示す縦断面図で
ある。

【図３】図２の超電導磁石装置の回路図である。

【図４】図２の超電導磁石装置による磁石装置中心磁場
の減衰率の測定結果を示す図である。

【図５】従来の磁場補正用の磁性体シムを具備した超電
導磁石装置の概略構成を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１，１１永久電流超電導磁石装置２ａ，２ｂ単位超電導コイル１２，１２１，１２１ａ，１２１ｂ，１２２，１２３
超電導コイル３，１３超電導磁石４，１４励磁用電源５，１５第１の永久電流スイッチ６，１６第２の永久電流スイッチ７，１７ヒータ用電源１８クライオスタット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の単位超電導コイルが直列接続さ
れた超電導磁石と、前記直列接続された単位超電導コイルよりなる直列回路
の両端に接続された第１の永久電流スイッチと、前記複数個の単位超電導コイルの任意の一つまたは、連
続する所定数の単位超電導コイルの両端に接続された少
なくとも一つの第２の永久電流スイッチとを有したこと
を特徴とする永久電流超電導磁石装置。
【請求項２】前記第２の永久電流スイッチが一つ設け
られ、前記第２の永久電流スイッチが接続されている単
位超電導コイルの自己インダクタンスをＬ₁、その単位
超電導コイルに含まれる微小抵抗をＲ₁、他の単位超電
導コイルの自己インダクタンスをＬ₂、前記他の単位超
電導コイルに含まれる微小抵抗をＲ₂、それらの相互イ
ンダクタンスをＭとしたとき、【数１】を満足する一または所定数の単位超電導コイルの両端に
前記第２の永久電流スイッチが接続されていることを特
徴とする請求項１に記載の永久電流超電導磁石装置。
【請求項３】前記第１の永久電流スイッチと第２の永
久電流スイッチとが共に熱式永久電流スイッチであっ
て、それらのヒータ線がヒータ用電源に対して直列接続
されていることを特徴とする請求項１または２に記載の
永久電流超電導磁石装置。