JP2002217020A

JP2002217020A - 高温超伝導体を備えた磁束ポンプとこれにより駆動される超伝導電磁石

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Publication number: JP2002217020A
Application number: JP2001394715A
Authority: JP
Inventors: Guenter Ries; リースギュンター
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2002-08-02
Also published as: DE10065420C2; KR20020070084A; CN1230844C; US20020171521A1; US7068133B2; DE10065420A1; CN1369884A

Abstract

(57)【要約】【課題】変圧器と、その二次側に可制御スイッチを備え
た整流回路とにより構成された磁束ポンプ（２）によっ
て電磁石（１１１）の超伝導コイル（１１）に電流を供
給して高安定度の磁場を形成する装置を高温（ＨＴ_C）
超伝導材料により実現するための手段を得る。【解決手段】変圧器（１３）の二次側巻線（２１３、３
１３）及び各スイッチ（１５、１６、１１５、１１６）
をＨＴ_C超伝導材料から構成し、このスイッチを加熱装
置（４８）により、特にトリガパルス（Ｄ’）で、そし
て整流リズムで安定化制御する。磁束ポンプと、これに
より電流を供給される超伝導電磁石は１つの共通のクラ
イオスタット（１００）容器内に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＨＴ_C（高温）超伝
導スイッチを備えた整流器型の磁束ポンプ（Flusspump
e）とこの磁束ポンプで駆動されるＨＴ_C超伝導電磁石に
関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば核スピン断層撮影のため、各磁場
の強さの時間的安定度を有する高磁場が必要である。こ
のために超伝導コイルを備えた電磁石が開発された。既
に数十年来、ニオブ・錫又はニオブ・チタンのような低
温（ＬＴ_C）超伝導材料からなるコイルが知られてい
る。このような電磁石は約４Ｋの温度範囲で駆動され
る。

【０００３】約１０年前より、液体空気の温度以上迄、
即ち７７Ｋ以下の温度で超伝導性である高温超伝導材料
（ＨＴ_C超伝導体）も知られている。そして、既に、高
磁場に対し、例えば約４０Ｋ以下の温度迄使用可能なＨ
Ｔ_C超伝導コイルを備えた電磁石も製造されている。こ
の比較的低い動作温度は、これに使用されるＨＴ_C超伝
導材料、例えば、（Ｂｉ、Ｐｂ）₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ₁₀
やＢｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ ₂Ｏ₈等のビスマス銅酸塩やＲＥＢ
ａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇（但し、ＲＥ＝Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、
Ｙ）の希土類元素銅酸塩のＨＴ_C電流容量が、支配する
磁場の高さに応じ制限された、各動作温度迄しか充分で
ないということに基づいている。

【０００４】一旦電磁石のこのような超伝導磁石コイル
に発生した短絡超伝導電流は、理想的な場合には永久に
続く。かかる超伝導電流を超伝導コイルに供給するた
め、例えば、磁束ポンプとして知られる装置が使用され
る。このような磁束ポンプは、例えば、「全波超伝導整
流器型磁束ポンプの研究」、ＩＥＥＥトランザクショ
ン、オン、マグネティックス、第３２巻（１９９６）２
６９９〜２７０２頁及び「完全超伝導整流器及び磁束ポ
ンプについて」、クライオジェニクス、１９９１年５
月、２６２〜２７５頁から公知である。

【０００５】上述の従来の技術は、主として低温（ＬＴ
_C）型の超伝導体、即ち、例えば先に挙げたニオブ・錫
やニオブ・チタンのような材料に関するものである。従
来の技術（上記ＩＥＥＥトランザクション）の整流器型
の磁束ポンプ２の例を示す図１において、１１で、例え
ば前述の核スピン断層撮影に使用される電磁石１１１の
ＬＴ_C超伝導体を備えた超伝導コイルを示す。１２は、
電気エネルギーを供給し、それにより電磁石の動作時に
コイル１１に流れる超伝導電流を形成する電流源を示
す。１３は、一次巻線１１３と、この例では直列に接続
された２つの二次巻線２１３及び３１３を備えた変圧器
である。１５及び１６は、各二次巻線２１３及び３１３
の電流回路に流れる超伝導電流を開閉するスイッチであ
る。この両方の二次巻線及びスイッチは、従来の技術で
はＬＴ_C超伝導材料からなるが、以下に説明する本発明
においては、ＨＴ_C超伝導材料からなる。変圧器１３と
して動作できるように、電流源１２は、一般的に表示さ
れるように、交流電流を、即ち繰り返し次々に反対方向
の電流を供給する。この電流方向の変化に同期してスイ
ッチ１５及び１６は、各々互いに反対に、開・閉する。
それにより２０及び２１で示す導体に流れる電流の整流
が行われる。この電流は電磁石のコイル１１の供給電流
である。２３は、ここでは詳しく説明しないが、磁束ポ
ンプ２を保護するための公知の安全装置を示す。２５は
電流源１２とスイッチ１５及び１６の供給電流の交替の
タイミングを制御する制御システムを示す。

【０００６】図１の公知の磁束ポンプにおいてスイッチ
１５及び１６は低温（ＬＴ_C）超伝導体スイッチであ
る。その「開」及び「閉」状態は、それを構成する導体
材料の状態「超伝導」および「常伝導」により決まる。
超伝導状態は適当の低温に冷却された状態で出現する。
各スイッチ要素を加熱すると、この状態はスイッチを開
いた常伝導状態に変化する。この変換は双方向である。

【０００７】公知の方法で、スイッチ１５及び１６を周
期的に切り換えることで、電磁石のコイル１１又はその
電流回路が超伝導電流で漸次充電され、それに応じて漸
次電磁石のコイル１１には高い磁場の強さ又は高い磁束
の対応する電磁石直流磁場が作られ、この磁場は超伝導
が維持される場合永久である。この永久性は、ＬＴ_C超
伝導に対し、またそのために使用した上述の材料に対し
て大幅に当て嵌まる。例えば一旦充電された、例えば核
スピン断層撮影装置の超伝導電磁石は、その磁場の強さ
を長期にわたり一定に保つから、この磁場により核スピ
ン断層撮影の磁場の安定度に対する極めて高い要求も維
持される。再充電は、何らの技術的欠陥も運転上の失敗
もないとすれば、例えば約１００時間後に必要となる。

【０００８】この公知の磁束ポンプの基本原理は、この
発明において予定する高温（ＨＴ_C）超伝導材料の使用
に対してはある程度しか妥当性を持っていない。このよ
うな材料を備えたこの発明によるプロジェクトや装置に
対してはさまざまな特別の或いは異なった条件や事情を
考慮せねばならない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、この
発明による磁束ポンプ又はこのような磁束ポンプと高い
安定度の磁場に対する超伝導電磁石との組み合わせに対
し、それらの装置をＨＴ _C超伝導材料で有利な方法で実
現できる手段を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この課題は、この発明に
よれば、二次側に少なくとも１つの超伝導巻線を有する
変圧器を備え、その二次側が少なくとも２つの可制御ス
イッチを有する整流回路に結線された超伝導磁束ポンプ
を備え、これにより電磁石の超伝導コイルに電流を供給
する装置において、変圧器の各二次側巻線がＨＴ_C超伝
導材料からなり、各スイッチとして、そのスイッチ間隙
に、同様にＨＴ_C超伝導材料からなる条片として構成し
たものを設けられ、このスイッチ間隙に熱接触するよう
隣接して制御可能に駆動される加熱装置を配置すること
により解決される。

【００１１】

【発明の実施の形態】特にこの発明に関する以下の記載
に対して付加的に説明するため、この発明の開示内容を
も含む以下の図面を提示してこの発明を説明する。

【００１２】図１は、磁束ポンプ２に対し２つの二次巻
線による双方向整流回路と称される回路を示す。これに
代えて、この発明に対しては、同様に整流動作をする、
例えば電子技術の分野においてダイオードにとして一般
に知られ、かつこの発明の１つの構成例として図２に示
すような、ブリッジ回路もまた使用できる。図１と少な
くとも主要部において一致する図２のブリッジ回路の各
部は、既に定義した同一の符号を持っている。１１５及
び１１６は全体で４つのスイッチを含むブリッジ回路の
２つの付加的なスイッチを示す。この回路において、変
圧器１３は唯一の二次巻線２１３しか必要としない。

【００１３】この発明の１つの手段は、少なくとも電磁
石の超伝導コイル１１と、そのための磁束ポンプとを同
一のクライオスタット１００の真空室内に配置すること
である。この手段の利点は、結果的に唯一の低温供給装
置と、唯一のクライオスタット容器しか必要としないこ
とにある。

【００１４】上述の課題を解決する請求項１による本発
明及びその他の請求項による構成例に対し、例えば考慮
すべき１つの特別の条件は、超伝導磁束ポンプと超伝導
電磁石とを備えたこの装置が、この発明によれば、好ま
しくは比較的高い動作温度のＨＴ_C超伝導材料を備え、
加えて、磁束ポンプにより電磁石の再充電を常に数秒の
間隔で行うよう構成せねばならないことである。これが
必要なのは、ＨＴ_C超伝導材料を備えたこの発明による
装置に対し、電磁石の磁場強さに要求される所定の許容
限界内の安定度が、このような短時間で次々に行われる
再充電によってしか守れないが故にである。これは、主
に通常に使用されるＬＴ_C超伝導材料を、この発明のよ
うに使用するＨＴ_C超伝導材料に交換することによる。
また、ＨＴ_C超伝導材料を備えたこの発明による装置に
おいて、磁束ポンプと電磁石とは好ましくはより高い温
度において、しかし両者は異なる温度で、磁束ポンプは
例えば７７ｋ以下の近くで、電磁石は凡そ４０Ｋの範囲
で駆動されることも考慮せねばならない。

【００１５】本発明の好ましい実施例では、変圧器の１
つ或いは複数の二次巻線に対し、Ｂｉ系２２１２、Ｂｉ
系２２２３の帯導体をベースとし、これらを銀マトリク
スに構成したＨＴ_C超伝導導体及び／又はＹＢａＣｕＯ
導体を金属製の支持板上に設ける。また他のＨＴ_C超伝
導材料を、ワイヤーとして使用することもできる。変圧
器の一次巻線として、同様にＨＴ_C超伝導材料が使用で
きるが、この巻線として、低温、例えば７７Ｋにおいて
非常に高い比電気導電度を有し、若干不利ではあるがジ
ュール熱損失を生ずる銅線でも充分である。一次巻線と
各二次巻線との巻線比として、１より遥かに大きい比、
好ましくは凡そ１００〜１０００が選ばれる。主に使用
される変圧器コアは、特に積層された鉄片、他の軟磁性
材料又はフェライトである。また空心コイルを備えた変
圧器も使用できる。

【００１６】図３は、共通のクライオスタット１００
に、主に電磁石１１１の超伝導コイル１１、スイッチ１
５、１６を備えた磁束ポンプ２及び一次巻線１１３と二
次巻線２１３、３１３とを備えた変圧器１３からなるこ
の発明の構成が配置されていることを示す。一次巻線と
二次巻線とは互いに重なり合って設けられている。符号
１２は供給電流源を示す。４１３は、ここに設けられた
変圧器１３の鉄心の磁束を監視するセンサコイルを示し
ている。

【００１７】図４はこの発明で使用するスイッチの一構
成例を示す。スイッチ１５、１６、１１５、１１６に対
しＨＴ_C超伝導材料、特に０．２〜２μｍの厚さの薄膜
４１で、少なくとも１０⁶、好ましくは１０⁷Ａ／ｃｍ²
より大きい電流容量を持つものが使用されている。特に
適したＨＴ_C材料はＲＥＢａＣｕＯ（ここで、ＲＥ＝Ｎ
ｄ、Ｌａ、Ｄｄ、Ｅｕ、Ｓｍ等或いはイットリウム）で
ある。同様に、Ｂｉ系２２１２、Ｂｉ系２２２３或いは
ＬａＳｒ−ＣｕＯの酸化物超伝導体も適する。薄膜４１
は、特に多結晶基板の場合電気絶縁性で、結晶方向に配
列されたバッファ層４２’上に設けられる。このバッフ
ァ層４２’は、例えば公知のＩＢＡＤ法（Iijima，App
l．Phys．Lett．６０（１９９０）７６９頁参照）によ
り析出される。このバッファ層は特にその上に形成され
る上述の薄膜４１の軸方向結晶配列又はテクスチュアに
役立つ。薄膜４１又はこの薄膜４１をその上に形成する
バッファ層４２’は、例えば０．１〜０．０５ｍｍの薄
い、熱不良伝導性、非導電性の基板４２の上に設けられ
る。このために多結晶ＺｒＯ、ＭｇＯ、ガラス等が適し
ている。例えばＳｒＴｉＯ₃、ＭｇＯのような単結晶基
板の場合、バッファ層は省略可能である。補足的に前述
の種類の超伝導薄膜４１に、なおＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ等か
らなる常伝導性の保護及び／又は分路層４３を形成でき
る。４４は、互いに側面方向に間隔を持って、例えばＨ
Ｔ_C超伝導材料の薄膜４１に、低抵抗に例えばロウ付け
により接触して形成された端子である。これら端子は、
スイッチ、即ち薄膜を通して側面方向にこれらの端子４
４の間を流れ、開閉される電流を導入及び導出するため
のものである。

【００１８】上述の各構造は、各スイッチ１５、１６、
１１５、１１６に対し、主に側面方向において条片状に
構成されている。各スイッチに相当するこのような条片
状の構造４１ないし４４は、特に全スイッチに対して共
通に設けるのがよい基台４５上に配置される。この基台
は銅等の良熱伝導性材料からなる。しかし、この層構造
４１ないし４３と、基台４５の接合面との間に、なお１
つの層又は被膜４６を基台４６側に設けるとよい。この
層又は被膜４６は、その熱伝導性により選び出されかつ
その厚さにより選定された材料からなる。この材料は、
好ましくは例えばガラス繊維強化プラスチック（ＧＦ
Ｋ）等、しかし必要な場合には、耐低温材料とすること
ができる。構造４１ないし４３は、接着剤又はグリース
により基台４５又は被膜４６に接合される。いずれにし
ても、各スイッチの動作が保証されるようにするため、
選択され、所定値に設定された熱抵抗が、基台４５とそ
の上にある構造４１ないし４３との間に存在することが
重要である。

【００１９】基台４５は、動作時、薄膜４１として設け
たＨＴ_C超伝導材料の臨界温度Ｔ_C以下の低温に保持され
る。この結果、該ＨＴ_C超伝導薄膜４１は何もしないで
も超伝導状態を保つ。この状態で超伝導電流は、端子４
４間の薄膜４１を通って流れ、即ちスイッチ１５又は１
６、１１５、１１６は「閉成」されている。

【００２０】物理的にスイッチの薄膜４１において開
閉、即ちさもなければ流れている電流の遮断を行うべき
ところに、加熱装置４８が、例えば加熱装置として適し
た材料からなる箔の形で、薄膜４１又は場合によっては
この上にある分路層４３上に設けられている。この加熱
装置４８は、その接続導体４７を介して電流パルスを供
給され、その発生したジュール熱によりその下にあるス
イッチの超伝導材料を超伝導の状態から抵抗のある状態
にする。即ち少なくとも臨海温度Ｔ_Cの付近或いはそれ
より上に、このスイッチが開かれているべき時間の間加
熱する。

【００２１】図４はさらにこのスイッチの動作時の温度
分布図表を含む。この図表においてＸ軸は薄膜４１の側
面方向である。縦軸には温度をとってある。Ｔ_Cで、薄
膜４１のＨＴ_C超伝導材料の臨界温度を記入している。
基台４５の動作温度は凡そ値Ｔ₀の高さにある。例えば
これはクライオスタットにおける磁石コイルの動作温度
である。図４に示す曲線１４１は、少なくとも近似的に
薄膜４１のＨＴ_C超伝導材料内部の、即ち両端子間の側
面方向における及びスイッチが開かれている状態又は相
における温度分布を示す。図から判るように、この状態
で薄膜４１の温度は、加熱装置４８の下側の範囲で臨界
温度Ｔ_C以上の値に、即ち熱供給により基台４５による
冷却に抗して高められる。加熱装置４８を通って流れ、
スイッチ間隙１４６を加熱する電流を再遮断する度に、
このスイッチ間隙１４６は再び臨界温度Ｔ_C以下の温度
に冷却される。なおその場合、スイッチ間隙１４６で
は、そこに存在する薄膜の超伝導物質の常伝導状態相の
間、この物質にスイッチを通って流れるオーム性常伝導
電流のジュール熱が生ずることを考慮せねばならない。
これは冷却効果に逆作用し、従ってそれだけ量的に考慮
せねばならない。

【００２２】本発明について、以下にスイッチの動作態
様を説明する。上述のように、スイッチを開いている状
態の間、加熱装置４８を継続的に動作させる代わりに、
この発明の改良例として代替的な動作方式を適用でき
る。この方式で、加熱装置４８に、トリガ動作の方法に
従って、各スイッチ相の期間に比較して短い電流パルス
を与える。この電流パルスで加熱装置に発生するジュー
ル熱は、この熱がスイッチ間隙をそれに応じた短い時間
の間、臨界温度Ｔ_C以上の温度に加熱するよう設定され
ている。薄膜４１のスイッチ間隙１４６の範囲に、その
とき先ず短時間外部から強制されて、ジュール熱Ｕ²／
Ｒ（Ｕ＝スイッチ間隙１４６に印加された整流回路の二
次コイルの誘起電圧）の発生に伴い、抵抗Ｒを持つ常伝
導状態が出現し、さらにこの電圧に関係して、端子４４
間にオーム性残留電流が発生する。スイッチ範囲におけ
る薄膜４１と基台４５との間の熱漏洩を適当に定めるこ
とで、基台への熱放出と、開・閉したスイッチにおける
残留電流の発生したジュール熱との間の平衡が生ずる。
その場合、さもなければ閉成されたスイッチにおいて、
端子４４間と、コイル１１を通って流れる電流の阻止の
自己安定化した状態が生じる。

【００２３】「開放されたスイッチ」機能のこの好まし
く安定化された状態は、上記の残留電流の強さが著しく
低下することで終わる。この状態は、変圧器１３の一次
側において電流の供給が、変圧器のコアにおける時限τ
に対する磁束の時間的変化ｄφ／ｄｔ、即ち変圧器の一
次電流が一定電流振幅となる間隔で凡そ零になるような
場合に常に生ずる。この状態においても、変圧器及び整
流回路に誘起された二次電圧は開放されたスイッチにお
いて零値になる。これにより残留電流及びこの電流に伴
いスイッチ間隙に生ずるジュール熱は小さくなり、熱漏
洩の方が大きくなってスイッチ間隙は臨界温度以下に冷
却され、自己安定性が途切れる。スイッチ間隙は、この
結果再び超伝導状態に達し、当該スイッチは再び、即ち
次のトリガとなる加熱パルスが与えられる迄閉じる。従
って、この発明の構成では、磁束ポンプに対して必要
な、一次側の電流供給を整流回路のスイッチの動作のタ
イミングに同期させる他に、さらになお一次交流電流又
は交流電流パルス励起の形状を、この特殊なスイッチの
駆動に合わせることができる。この適合に関し、図５の
以下の記載を参照する。

【００２４】この結果、臨界温度以上の温度で抵抗を伴
うスイッチ間隙１４６に蓄積されたエネルギー及びこれ
からの熱漏洩をできるだけ小さく保持又は設定し、抵抗
を伴う状態から（再び）超伝導状態への冷却時間を最小
にするという目的が達成される。これにより磁束ポンプ
は、高いサイクル周波数を持つサイクルで駆動され、即
ち繰り返しスイッチング動作を実行する際に、このよう
な大量の熱エネルギーをクライオスタットの低温動作範
囲に投入することはない。

【００２５】磁束ポンプにより、電磁石１１１は電流源
１２からの電流の供給により充電される。これについて
図５を参照されたい。この図はその特性線図ＡないしＦ
で以下に記載する行程を示している。図５の左半分の行
程は、電磁石のフル充電に関する。図５の右半分は、時
間的に生じた損失を補償するための行程、即ち電磁石１
１１の磁場の時間的な安定化のための行程に関する。

【００２６】図５の線図Ａは、変圧器１３に電流を供給
することでそのコアに生じた磁束φの代表的な時間的経
過を示す。横軸には時間ｔがとられている。磁束φの時
間的変化により、二次側に線図Ｂのような各電圧パルス
が各二次巻線、例えば２１３、３１３に生ずる。導電接
続されたスイッチ、例えばスイッチ１５を備えた二次巻
線の電流回路、例えば２１３に、その際電流が流れる。
この電流により、磁石コイル１１における電流は線図Ｃ
の階段曲線のように上昇する。線図Ａにおいて、それに
続く時間的磁束変化は変圧器の二次側に再び電圧パル
ス、即ち線図Ｂに示すように、反対の符号を持つパルス
を発生させる。これにより閉成されたスイッチ１６を備
える整流回路の機能に応じ、今度は電流が二次巻線３１
３を通って流れ、この結果、線図Ｃに示すように、磁石
コイル１１における電流をさらに増加させる。磁束ポン
プにおいて公知のように、この行程は磁石コイル１１が
その所定の高い磁場に達する電流強さに最終的に充電す
る迄続けられる。

【００２７】上述の行程の時間的経過において交互に、
あるときは整流回路の一分路のスイッチ１５が、またあ
るときは他方の分路のスイッチ１６が閉じる、即ち超伝
導状態になる。例えばスイッチ１５を通って電流が流れ
る際に一緒に阻止されるスイッチ１６は、線図Ｄのよう
に、薄膜４１の材料の臨界温度Ｔ_C又はそれ以上に加熱
されており、このため上記の残留電流を除いて阻止する
よう開閉される。

【００２８】自己安定化効果を利用しないこの発明の構
成に対し、加熱装置４８は線図Ｂの各パルスの全期間に
ついて、あるときは一方のスイッチ１６に、またあると
きは他方のスイッチ１６に、上述のように加熱電流を供
給し、その各薄膜４１のスイッチ間隙１４６において臨
界温度Ｔ_Cを越えた温度に達し、スイッチが開いている
期間にわたりこの温度を維持する。

【００２９】スイッチの自己安定の効果を備えたこの発
明の構成例に対し、図５の線図Ｄ’はスイッチ１５又は
１６の各開放のトリガ状の始動のための上述の電流パル
ス列を示す。線図Ｄ’の個々の電流パルスは、先ず少な
くとも臨界温度Ｔ_Cへの上昇をもたらす。これによりこ
の状態を自己安定化する、ジュール熱を伴うオーム性残
留電流が発生し、各スイッチをさらに阻止する状態に保
時する。特に線Ａ及びＤから、線図Ａの２つの連続する
時間的な磁束変化の間にあり、少なくとも近似的に一定
の磁束φを持つ時限τの意義を知ることができる。この
時限内では、変圧器の両方の二次巻線に殆ど電圧がかか
らず、それによりこれらに、閉成された各スイッチ１
５、１６においても、誘導的な励磁電流の流れは存在し
ない。これにより開放されたスイッチを通る残留電流
の、従って自己安定効果の上述の時間的破壊又は中断が
生じ、これにより各スイッチ１５、１６が再び薄膜４１
の超伝導状態に復帰し、即ちその温度を、線図Ｄに示す
ように、温度Ｔ₀に落とす。

【００３０】この発明により、開閉の際の熱放出を、再
充電のパルス周波数を許容できないほど減少させる必要
なく、最小にすることができる。

【００３１】線図Ｅは、変圧器１３又は変圧器１３の一
次巻線１１３の一次電流を、線図Ｆはその一次電圧を示
す。

【００３２】図の右半分は電磁石１１１の磁場強さの時
間的安定化に関するもので、これは図５の左半分の充電
行程とは、変圧器１３における一次電流又は磁束の符号
の変換が時間的に延びて行われる、即ち線図Ｃの右半分
から分かるように、再充電が必要な程度に行われる点で
異なっている。

【００３３】電磁石１１１の充電又はその磁場の時間的
安定化のための再充電は、図５によりパルス周波数及び
／又はパルス振幅を調整し、磁束ポンプの整流回路のス
イッチをそれに応じて制御することにより行われる。パ
ルス周波数は、特に制御回路により又はそれと共に定め
るのがよい。

【００３４】制御回路は、例えば電磁石における周期的
ＮＭＲ（核磁気共鳴）磁場測定の手段を含む。例えば、
ＮＭＲ周波数の現在値及び目標値の差が確定される。こ
の発生した差は、磁束ポンプを入力側で、即ち変圧器１
３の一次巻線１１３で制御して、パルス周波数を各々に
応じ比例的に変化させることで再び平衡される。

【００３５】磁場の安定化を得るためのこれに代わる手
段として、必要な低温が保たれている範囲で、この偏差
を電流の測定により或いはホールセンサで求め、再び修
正された周波数に変換することもできる。

【００３６】図５に示す行程に応じ、一旦充電された電
磁石１１１は磁束ポンプにより、即ちこれを逆方向に動
作させて、可逆的に再び放電することもできる。この場
合、スイッチは同一のパルスで開かれ、充電の場合には
逆に閉じられる。

【００３７】この発明によれば、磁束ポンプ２及び電磁
石１１１は共に１つの共通のクライオスタットに配置す
ることができる。このクライオスタットの温度は、電磁
石に予定される温度値、例えば上述の値Ｔ₀に設定さ
れ、電磁石のコイルのＨＴ_C超伝導材料が必要な電流容
量を発生した磁場において持つように設定される。その
場合、スイッチ装置の基台４５は、それより高いが、超
伝導材料の臨界温度Ｔ_Cを越えない温度に保たれる。こ
れにはスイッチの加熱装置（図４）の必要な加熱出力及
び薄膜４１の基台４５への熱伝導度の設定が関係する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明においても考慮される公知の回路構成の
基本図を示す。

【図２】図１の整流回路の変形例を示す。

【図３】磁束ポンプと電磁石とからなるこの発明による
構成を共通のクライオスタットに配置した基本構造を平
面図及びそのＩ−Ｉ’切断断面で示す。

【図４】この発明による磁束ポンプの整流回路のスイッ
チの１つの構成例を示す。

【図５】この発明による磁束ポンプの動作を表す線図を
示す。

【符号の説明】

２磁束ポンプ１１超伝導コイル１１１電磁石１００クライオスタット１２電流源１３変圧器１３１変圧器のコア１１３変圧器の一次巻線２１３、３１３変圧器の二次巻線１５、１６、１１５、１１６スイッチ２０、２１導体２３安全装置２５制御装置４１薄膜４２基板４２’ バッファ層４３分路層４４端子４５基台４６被膜４７接続導体４８加熱装置１４６スイッチ間隙４１３センサコイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二次側に少なくとも１つの超伝導巻線（２
１３、３１３）を持つ変圧器（１３）を備え、その二次
側が少なくとも２つの可制御スイッチ（１５、１６、１
１５、１１６）を有する整流回路に結線された超伝導磁
束ポンプ（２）により電磁石（１１１）の超伝導コイル
（１１）に電流を供給する装置において、変圧器（１
３）の各二次巻線（２１３、３１３）がＨＴ_C超伝導材
料からなり、各スイッチ（１５、１６、１１５、１１
６）としてそのスイッチ間隙（１４６）が同様にＨＴ_C
超伝導材料からなる条片として形成されたものが設けら
れ、このスイッチ間隙（１４６）に熱伝導性に接触する
ように隣接して可制御に駆動される加熱装置（４８）が
配置されたことを特徴とする装置。
【請求項２】磁束ポンプ（２）及び電磁石（１１１）の
超伝導コイル（１１）が、共に１つの共通のクライオス
タット（１００）に配置されたことを特徴とする請求項
１記載の装置。
【請求項３】スイッチ間隙（１４６）が薄膜（４１）と
して形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の
装置。
【請求項４】薄膜（４１）がスイッチ間隙（１４６）の
範囲で０．２〜２μｍの厚み設定されたことを特徴とす
る請求項３記載の装置。
【請求項５】薄膜（４１）の断面の電流容量が、スイッ
チ間隙（１４６）の範囲内で少なくとも１０⁶Ａ／ｃｍ²
に設定されたことを特徴とする請求項３又は４記載の装
置。
【請求項６】スイッチ（１５、１６）に対し、ＨＴ_C超
伝導材料として、ＲＥとして少なくとも１つの希土類元
素、即ちＮｄ、Ｌａ、Ｄｄ、Ｅｕ、Ｓｍ或いはイットリ
ウムを含むＲＥＢａＣｕＯ群の材料が選ばれたことを特
徴とする請求項１から５の１つに記載の装置。
【請求項７】スイッチ（１５、１６）の材料としてＢｉ
系２２１２又はＢｉ系２２２３或いはＬａＳｒ−ＣｕＯ
が選ばれたことを特徴とする請求項１から４の１つに記
載の装置。
【請求項８】薄膜（４１）がこの薄膜のテクスチュアの
ためのバッファ層（４２’）上に設けられたことを特徴
とする請求項３から７の１つに記載の装置。
【請求項９】薄膜（４１）の基板（４２）として多結晶
ＺｒＯ、ＭｇＯ又はガラスが使用されたことを特徴とす
る請求項３から８の１つに記載の装置。
【請求項１０】薄膜（４１）の基板（４２）の厚さが
０．０５〜０．１ｍｍに設定されたことを特徴とする請
求項９記載の装置。
【請求項１１】スイッチ（１５、１６、１１５、１１
６）が良熱伝導性物質からなる基台（４５）上に形成さ
れたことを特徴とする請求項１から１０の１つに記載の
装置。
【請求項１２】基台（４５）が銅からなることを特徴と
する請求項１１記載の装置。
【請求項１３】基台（４５）の表面が少なくともスイッ
チ間隙（１４６）の範囲で、基台（４５）と薄膜（４
１）との間の所定の熱伝導度を示す厚さである材料から
なる被膜を備えることを特徴とする請求項１１又は１２
記載の装置。
【請求項１４】被膜（４６）としてプラスチック材料が
使用されることを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項１５】被膜（４６）として脂肪が使用されるこ
とを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項１６】各スイッチ（１５、１６、１１５、１１
６）として使用される材料が、スイッチ間隙（１４６）
の電流の流れを阻止すべく制御された状態において、こ
の阻止が自己安定化するよう相互に選定かつ設定された
ことを特徴とする請求項１から１５の１つに記載の装
置。
【請求項１７】磁束ポンプ（２）の変圧器（１３）に、
電流パルスで電流を供給することを特徴とする請求項１
から１６の１つに記載の装置の駆動方法。
【請求項１８】各スイッチ（１５、１６：１１５、１１
６）の加熱装置（４８）を、該スイッチを各々開放する
ためにこのスイッチ相の時間に比較して時間的に短い加
熱パルスで次に続く自己安定化状態のために制御し、こ
の状態を残電流が制御されて低下することにより初めて
終わすことを特徴とする請求項１から１６に記載の装置
の駆動方法又は請求項１７記載の方法。
【請求項１９】残留電流のその都度の低下を変圧器（１
３）の電流供給の各時限（τ）によって行い、この時限
（τ）内で変圧器における磁束（φ）を少なくともほぼ
一定に保つことを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２０】電磁石（１１１）における電流の安定化
を、磁束ポンプ（２）の変圧器（１３）の電流供給を制
御することにより行うことを特徴とする請求項１７から
１９の１つに記載の方法。
【請求項２１】前記制御を、変圧器（１３）の電流供給
のパルス列の制御された周波数によって行うことを特徴
とする請求項２０記載の方法。
【請求項２２】前記制御を、変圧器（１３）の電流供給
のパルスの制御された振幅によって行うことを特徴とす
る請求項２０記載の方法。