JP2006054454A

JP2006054454A - 超伝導コイル構造、超伝導スペクトルメータ、磁束の生成方法、及び荷電粒子の運動量計測方法

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Publication number: JP2006054454A
Application number: JP2005220714A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamamoto; 明山本; Yasuhiro Makita; 康博槙田
Original assignee: High Energy Accelerator Research Organization
Current assignee: High Energy Accelerator Research Organization
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2006-02-23

Abstract

【課題】宇宙空間における大規模強磁場空間を生成するために使用することのできる、軽量かつ薄肉の超伝導マグネットとして使用することのできる超伝導コイル構造を提供する。
【解決手段】超伝導素線３１０と、超導電素線３１０を囲むようにして形成されたアルミニウム合金安定化材３１１とから構成される超伝導部材３１を多層に巻回して超伝導コイル３０を作製する。各層間には薄板シェル３２を設ける。また、各超伝導部材３１と薄板シェル３２との間には電気絶縁部材３２を設ける。次いで、超伝導コイル３０をソレノイド型に巻回するとともに複数設け、これら複数の超伝導コイルを相対向する一対の超伝導コイルの極性が互いに逆向きとなるように配置し、前記複数の超伝導コイルから発生した磁束が前記複数の超伝導コイル内を貫通して閉ループを形成するようにする。
【選択図】図６

Description

本発明は、超伝導コイル構造、超伝導スペクトルメータ、磁束の生成方法、及び荷電粒子の運動量計測方法に関する。

宇宙空間における大規模強磁場空間の実現は、特に宇宙線荷電粒子の観測、また様々な宇宙環境を利用した理工学実験分野の将来には不可欠な技術である。前述した強磁場空間の実現に対しては超伝導技術が用いられ、強磁場を発生できるような超伝導マグネットの確立が求められている。

図１は、従来の超伝導マグネットの全体を概略的に示す斜視図であり、図２は、図１に示す超伝導マグネットの囲み部分を拡大して示す断面図である。図１及び図２に示すように、従来の超伝導マグネットにおいては、超伝導コイル１０の外側を、サポートシリンダー２０で保持するように構成されている。

また、図２から明らかなように、超伝導コイル１０は、その周回方向において超伝導部材１１が４層に巻回されて構成されており、各層間にはテープ状の電気絶縁部材１３が挿入されている。なお、図１及び図２に示す超伝導コイル１０の全体は図示しないエポキシ樹脂で覆われ、前記エポキシ樹脂をキュアすることによって超伝導部材１１が一体となるように構成されている。

図１及び図２に示す従来の超伝導マグネットにおいては、超伝導コイル１０の強度が十分でなく、自己が生成する電磁力によってその形態を維持することができない。したがって、上述したサポートシリンダー２０で超伝導コイル１０を保持することが必須となる。このため、軽量かつ薄肉の超伝導マグネットを製造することができず、未だ上述した宇宙空間における大規模強磁場空間を生成するために使用することのできる超伝導マグネットを実現できないでいた。

本発明は、宇宙空間などにおける大規模強磁場空間を生成するために使用することのできる、軽量かつ薄肉の超伝導マグネットコイル構造及び及びこのコイル構造を用いた、具体的な応用例としての超伝導スペクトロメータ及び荷電粒子の運動量計測方法、並びに前記コイル構造を用いた磁束の生成方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
超伝導素線と、断面方向において、前記超伝導素線の周囲を囲むようにして配置されたアルミニウム合金安定化材とからなる超伝導部材から形成され、この超伝導部材をソレノイド型に巻回してなる超伝導コイルを複数配置し、相対向する一対の前記超伝導コイルの極性を互いに逆向きにし、前記複数の超伝導コイルから発生した磁束が前記複数の超伝導コイル内を貫通して閉ループを形成するとともに、前記超伝導コイルは、生成された電磁力に対して自己保持できることを特徴とする、超伝導コイル構造に関する。

前記超伝導素線は、好ましくはＮｂＴｉ／Ｃｕ超伝導素線、ＭｇＢ_２超伝導素線、又はビスマス系高温超伝導素線から構成することができる。前記ＮｂＴｉ／Ｃｕ超伝導素線は、銅マトリックス中にＮｂＴｉフィラメントが埋設されてなる構造を有することができる。前記ビスマス系高温超伝導素線としてはＢｉＳｒＣａＣｕＯなる組成の超伝導素線を例示することができる。

本発明の超伝導コイル構造を構成する超伝導コイルは、ＮｂＴｉ／Ｃｕ超伝導素線などの超伝導素線の周囲をアルミニウム合金安定化材で囲むようにして形成された複合型の超伝導部材から構成されている。この場合、前記超伝導素線に電流が流れることによって強磁場が生成されるが、前記超伝導素線はアルミニウム合金安定化材で覆われているため、自己が生成した前記磁場に起因した電磁力の影響によって、弾性範囲を超えて変形したりすることがない。結果として、超伝導コイル全体が前記電磁力の影響によって変形することなく、自己の形態を維持できるようになる。

したがって、前述したような超伝導コイルを保持するためのサポートシリンダーを必要としなくなるため、上記超伝導コイルを直接的に超伝導マグネットとして使用することができるようになり、その結果、超伝導マグネットの軽量化及び薄肉化を達成することができる。したがって、本発明の超伝導コイル構造は、このような軽量化及び薄肉化された、複数の超伝導コイル、すなわち複数の超伝導マグネットを用いて形成されるので、それ自体が軽量化され、宇宙空間における大規模強磁場空間を生成するための超伝導マグネットとして使用することができるようになる。

また、本発明の超伝導コイル構造は、前記超伝導部材をソレノイド型に巻回してなる超伝導コイルを複数用い、前記複数の超伝導コイルを互いに対をなすように配置するとともに、相対向する一対の超伝導コイルの極性を逆向きにし、前記複数のコイルから発生した磁束が前記複数の超伝導コイル内を貫通して閉ループを形成するようにしている。

したがって、本発明の超伝導コイル構造によれば、前記超伝導コイル構造から発生した磁束は閉ループを形成するために、超伝導コイル構造全体としては磁気双極子モーメントが形成されない。したがって、前記超伝導コイル構造を宇宙空間に配置して大規模強磁場空間を生成した場合においても、地磁気との相互作用を排除することができ、前記超伝導コイルはトルクの影響を受けることがない。したがって、本発明の超伝導コイル構造によれば、特殊な設備を必要とすることなく、前記超伝導コイル構造を宇宙空間内に配置して、強磁場空間を安定的に発生させることができるようになる。

また、本発明の超伝導スペクトロメータは、上述した超伝導コイル構造の少なくとも一つにおいて、その内部に粒子検出器を配置したことを特徴とする。上述したように、本発明の超伝導コイル構造によれば、地磁気との相互作用によるトルクの影響を受けることなく、強磁場空間を形成することができる。したがって、この強磁場を用いて荷電粒子を偏向させ、前記粒子検出器を用いてその運動量を計測することができるようになる。

さらに、本発明の磁束の生成方法は、上記超伝導コイル構造を用いるものであって、
超伝導素線と、断面方向において、前記超伝導素線の周囲を囲むようにして配置されたアルミニウム合金安定化材とからなるとともに、生成された電磁力に対して自己保持できる超伝導部材をソレノイド型に巻回してなる超伝導コイルを複数準備する工程と、
前記複数の超伝導コイルを相対向する一対の超伝導コイルの極性が互いに逆向きとなるように配置し、前記複数の超伝導コイルから発生した磁束が前記複数の超伝導コイル内を貫通して閉ループを形成する工程と、
を具えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、宇宙空間における大規模強磁場空間を生成するために使用することのできる、軽量かつ薄肉の超伝導マグネットとして使用し、磁気双極子を形成することのない超伝導コイル構造を提供することができる。また、このコイル構造を用いた磁束の生成方法を提供することができる。さらには、前記超伝導コイル構造及び前記磁束の生成方法を利用した、地磁気との相互作用に起因したトルクの影響を受けることのない、超伝導スペクトロメータ及びこのスペクトロメータを利用した荷電粒子の運動量計測方法を提供することができる。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図３は、本発明の超伝導コイル構造に用いる超伝導コイルの全体を概略的に示す斜視図であり、図４は、図３に示す超伝導コイルの囲み部分を拡大して示す断面図である。

図４から明らかなように、超伝導コイル３０は、超伝導部材３１が２層に巻回されて、ソレノイド型の超伝導コイルを構成している。超伝導部材３１間は薄板シェル３２が挿入されている。この薄板シェル３２を設けることによって、超伝導部材３１のアライメントを確実に行なうことができ、機械的な安定性を向上させることができる。また、軸方向Ｘの熱伝導を容易にし、図示しない冷却装置による超伝導コイル全体の伝導冷却を簡易に行なうことができるようになる。

薄板シェル３２は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、複合プラスチック及び電気絶縁性フィルムの少なくとも一つから構成することが好ましい。

また、超伝導部材３１と薄板シェル３２との間には、テープ状の電気絶縁部材３３が設けられており、超伝導部材３１同士、及び超伝導部材３１と薄板シェル３２との電気的絶縁性を確実に保持するように構成されている。

超伝導部材３１は、図５に示すように、超伝導素線３１０と、超導電素線３１０を囲むようにして形成されたアルミニウム合金安定化材３１１とから構成されている。超伝導素線３１０は良好な超伝導特性を示し、電流を流すことによって巨大な磁場を生成する。一方、超伝導素線３１０は、その周囲が高強度のアルミニウム合金安定化材３１１で覆われている。したがって、超伝導素線３１０、すなわち超伝導部材３１は自己が生成した前記磁場に起因した電磁力を受けても、アルミニウム合金安定化材３１１によって変形することなく、自己の形態を維持することができるようになる。

したがって、図３及び図４に示すように、従来のようなサポートシリンダーを設けることなく、超伝導コイル自体の形態を維持することができるようになり、超伝導コイル単独で、宇宙空間に強磁場空間を生成できるような超伝導マグネットを構成することができる。

なお、上述したように、超伝導素線３１０は銅マトリックス中にＮｂＴｉフィラメントが埋設されてなるＮｂＴｉ／Ｃｕ超伝導素線、ＭｇＢ_２超伝導素線、又はＢｉＳｒＣａＣｕＯなる組成のビスマス系高温超伝導素線などから構成することができる。超伝導素線３１０をＮｂＴｉ／Ｃｕ超伝導素線から構成する場合、具体的には銅マトリックス中に数千本単位のＮｂＴｉ超伝導フィラメントが埋設されたような構成を採ることが好ましい。

アルミニウム合金安定化材３１１は少なくともＡｌを９５％以上含んでいることが好ましく、さらには９９％以上含んでいることが好ましい。そして、Ａｌの他にはＮｉ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ及びＭｇから選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。これによって、アルミニウム合金安定化材３１１の高強度化を簡易に達成することができ、図３及び図４に示す超伝導コイルから巨大な磁場を生成した場合においても、その形態を簡易に保持できるようになる。

超伝導素線３１０の直径ｄは２ｍｍ以下であることが好ましく、さらには０．８ｍｍ以下であることが好ましい。同様に、超伝導部材３１の直径Ｄは３ｍｍ以下であることが好ましく、さらには１．２ｍｍ以下であることが好ましい。また、超伝導素線３１０の直径ｄは０．２ｍｍ以上であることが好ましく、さらには０．４ｍｍ以上であることが好ましい。さらに、超伝導部材３１の直径Ｄは０．４ｍｍ以上であることが好ましく、さらには０．６ｍｍ以上であることが好ましい。

なお、超伝導部材３１は、一辺が前記直径Ｄと同寸法の矩形状断面を有していても良い。これによって超伝導素線３１０、すなわち超伝導部材３１から巨大な磁場を生成することができるとともに、超伝導部材３１の強度を十分に高く維持することができ、超伝導コイルの変形を防止して、その形態を維持することができるようになる。

図６は、本発明の超伝導コイル構造の一例を示す概略図であり、図７は、本発明の超伝導コイル構造の他の例を示す概略図である。図６に示す超伝導コイル構造は、図３及び図４に示す超伝導コイル３０を２つ準備し、互いの極性が逆向きで対をなすようにして構成されている。同様に、図７に示す超伝導コイル構造は、図３及び図４に示す超伝導コイル３０を４つ準備し、これらを２組に分離して、各組において互いの極性が逆向きで対をなすようにして構成している。

したがって、図６及び図７に示す超伝導コイル構造においては、上下並びに左右に配置された超伝導コイル３０で生成された磁束は、図中矢印で示すように互いに閉ループを形成し、超伝導コイルシステム全体としては磁気双極子モーメントが形成されないか、又は打ち消される。この結果、前記超伝導コイル構造を宇宙空間に配置して大規模強磁場空間を生成した場合においても、地磁気との相互作用を排除することができ、前記超伝導コイルは地磁気との相互作用によるトルクの影響を受けることがない。したがって、本発明の超伝導コイルによれば、特殊な設備を必要とすることなく、前記超伝導コイルを宇宙空間内に配置して、強磁場空間を安定的に発生させることができるようになる。

図８は、本発明の超伝導スペクトロメータの一例を示す概略図である。図８に示す超伝導スペクトロメータは、図６に示す本発明の超伝導コイル構造を含んでいる。そして、互いに対をなす２つの超伝導コイル３０内部には粒子検出システム４０が配置されている。上述したように、図８に示す超伝導スペクトロメータにおいては、各超伝導コイル３０が生成する磁束は図中矢印で示す方向に閉ループを形成するようになる。

したがって、図８に示す超伝導スペクトロメータは磁気双極子を形成せず、その結果、地磁気との相互作用によるトルクの影響を受けることなく、強磁場空間を形成することができる。したがって、この強磁場を用いて荷電粒子を偏向させ、前記粒子検出器を用いてその運動量を計測することができるようになる。

なお、粒子検出システムは、計測すべき荷電粒子の種類に応じて適宜設計して作製する。

以上、具体例を示しながら発明の実施の形態に則して本発明を説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲において、あらゆる変形や変更が可能である。

従来の超伝導マグネットの全体を概略的に示す斜視図である。図１に示す超伝導マグネットの囲み部分を拡大して示す断面図である。本発明の超伝導コイル構造に用いる超伝導コイルの全体を概略的に示す斜視図である。図３に示す超伝導コイルの囲み部分を拡大して示す断面図である。超伝導部材の断面図である。本発明の超伝導コイル構造の一例を示す概略図である。本発明の超伝導コイル構造の他の例を示す概略図である。本発明の超伝導スペクトロメータの一例を示す概略図である。

符号の説明

１０、３０超伝導コイル
１１、３１超伝導部材
１３、３３電気絶縁部材
２０サポートシリンダー
３２薄板シェル
３１０超伝導素線
３１１アルミニウム合金安定化材
４０粒子検出システム

Claims

超伝導素線と、断面方向において、前記超伝導素線の周囲を囲むようにして配置されたアルミニウム合金安定化材とからなる超伝導部材から形成され、この超伝導部材をソレノイド型に巻回してなる超伝導コイルを複数配置し、相対向する一対の前記超伝導コイルの極性を互いに逆向きにし、前記複数の超伝導コイルから発生した磁束が前記複数の超伝導コイル内を貫通して閉ループを形成するとともに、前記超伝導コイルは、生成された電磁力に対して自己保持できることを特徴とする、超伝導コイル構造。
前記超伝導素線は、銅マトリックス中にＮｂＴｉフィラメントが埋設されてなるＮｂＴｉ／Ｃｕ超伝導素線であることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導コイル構造。
前記超伝導素線は、ＭｇＢ_２超伝導素線であることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導コイル構造。
前記超伝導素線は、ビスマス系高温超伝導素線であることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導コイル構造。
前記アルミニウム合金安定化材におけるＡｌ含有量が９５％以上であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の超伝導コイル構造。
前記アルミニウム合金安定化材はＮｉ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ及びＭｇから選ばれる少なくとも一種を含むことを特徴とする、請求項５に記載の超伝導コイル構造。
前記超伝導素線の直径が２ｍｍ以下であり、前記超伝導部材の直径が３ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の超伝導コイル構造。
前記超伝導素線の直径が２ｍｍ以下であり、前記超伝導部材の一辺の長さが３ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の超伝導コイル構造。
前記超伝導部材は多層に亘って巻回し、各層間には薄板シェルが設けられていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の超伝導コイル構造。
前記薄板シェルは、アルミニウム、アルミニウム合金、複合プラスチック及び電気絶縁性フィルムの少なくとも一つからなることを特徴とする、請求項９に記載の超伝導コイル構造。
請求項１〜１０のいずれか一に記載の超伝導コイル構造における、前記複数の超伝導コイルの少なくとも一つのコイル内部に粒子検出システムを配置したことを特徴とする、超伝導スペクトルメータ。
所定の荷電粒子の運動量を計測することを特徴とする、請求項１１に記載の超伝導スペクトルメータ。
超伝導素線と、断面方向において、前記超伝導素線の周囲を囲むようにして配置されたアルミニウム合金安定化材とからなるとともに、生成された電磁力に対して自己保持できる超伝導部材をソレノイド型に巻回してなる超伝導コイルを複数準備する工程と、
前記複数の超伝導コイルを相対向する一対の超伝導コイルの極性が互いに逆向きとなるように配置し、前記複数の超伝導コイルから発生した磁束が前記複数の超伝導コイル内を貫通して閉ループを形成する工程と、
を具えることを特徴とする、磁束の生成方法。
前記超伝導素線は、銅マトリックス中にＮｂＴｉフィラメントが埋設されてなるＮｂＴｉ／Ｃｕ超伝導素線であることを特徴とする、請求項１３に記載の磁束の生成方法。
前記超伝導素線は、ＭｇＢ_２超伝導素線であることを特徴とする、請求項１３に記載の磁束の生成方法。
前記超伝導素線は、ビスマス系高温超伝導素線であることを特徴とする、請求項１３に記載の磁束の生成方法。
前記アルミニウム合金安定化材におけるＡｌ含有量を９５％以上とすることを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか一に記載の磁束の生成方法。
前記アルミニウム合金安定化材はＮｉ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ及びＭｇから選ばれる少なくとも一種を含むことを特徴とする、請求項１７に記載の磁束の生成方法。
前記超伝導素線の直径が２ｍｍ以下であり、前記超伝導部材の直径が３ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１３〜１８のいずれか一に記載の磁束の生成方法。
前記超伝導素線の直径が２ｍｍ以下であり、前記超伝導部材の一辺の長さが３ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１３〜１８のいずれか一に記載の磁束の生成方法。
前記超伝導部材を多層に亘って巻回し、各層間に薄板シェルを設けることを特徴とする、請求項１３〜２０のいずれか一に記載の磁束の生成方法。
前記薄板シェルは、アルミニウム、アルミニウム合金、複合プラスチック及び電気絶縁性フィルムの少なくとも一つから構成することを特徴とする、請求項２１に記載の磁束の生成方法。
請求項１３〜２２のいずれか一の方法で得た磁束で荷電粒子を偏向させ、粒子検出器を用いて前記荷電粒子の運動量を計測することを特徴とする、荷電粒子の運動量計測方法。