JP2007172978A - Superconductive electric wire, method for manufacturing same, and superconductive electromagnet device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、主として核磁気共鳴を利用した磁気共鳴画像法(MRI;Magnetic Resonance Imaging)による画像診断装置に用いられる超電導線、その超電導線の製造方法、及び超電導線を用いた超電導電磁石装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE
従来の超電導線は、超電導線として安定した働きをさせるために、例えば無酸素銅やアルミニウムなどの電気抵抗の低い常電導性金属からなる安定化材の中に、多数の細いNbTiやNb3Sn等の超電導物質からなるフィラメントが埋め込まれた構造を有している。 In order for the conventional superconducting wire to function stably as a superconducting wire, a large number of thin NbTi, Nb3Sn, and the like are included in a stabilizing material made of a normal conducting metal having a low electrical resistance such as oxygen-free copper or aluminum. It has a structure in which a filament made of a superconducting material is embedded.
このような超電導線において、安定化材のマトリクスと超電導物質のフィラメントとの径方向の断面積比を安定化材比と称し、安定化材が銅の場合、特に銅比と称する。超電導線において、安定化材の断面積が大きくフィラメントの断面積が小さいほど安定化材比の値は大きくなり、安定化材が銅であれば銅比の値は大きい。逆に、安定化材の断面積が小さくフィラメントの断面積が大きいほど安定化材比の値は小さく、安定化材が銅であれば銅比の値は小さい。そして、従来の超電導線では、安定化材比は全線長に亘って一定である。 In such a superconducting wire, the radial cross-sectional area ratio between the stabilizing material matrix and the superconducting material filament is referred to as a stabilizing material ratio, and when the stabilizing material is copper, it is particularly referred to as a copper ratio. In the superconducting wire, the value of the stabilizing material ratio increases as the cross-sectional area of the stabilizing material is large and the cross-sectional area of the filament is small. If the stabilizing material is copper, the value of the copper ratio is large. Conversely, the smaller the cross-sectional area of the stabilizing material and the larger the cross-sectional area of the filament, the smaller the value of the stabilizing material, and if the stabilizing material is copper, the value of the copper ratio is small. And in the conventional superconducting wire, the stabilizer ratio is constant over the entire wire length.
このような構造の超電導線の製造方法として、押出し用の複合ビレットの中にフィラメントと安定化材とを間隙が存在するように配置し、その複合ビレットを押出して製造する方法(例えば、特許文献1参照)や、線材の径方向断面(横断面)のフィラメント直径の範囲及び銅比の範囲を限定しフィラメントの健全性を確保するようにした製造方法(例えば、特許文献2参照)等がある。 As a method of manufacturing a superconducting wire having such a structure, a method of manufacturing a composite billet by extruding the composite billet by arranging a filament and a stabilizing material in the composite billet for extrusion so that there is a gap (for example, Patent Documents). 1) and a manufacturing method (for example, see Patent Document 2) in which the filament diameter range and the copper ratio range in the radial cross section (transverse section) of the wire are limited to ensure the integrity of the filament. .
超電導線の臨界電流は、一般に、(1)磁場が高いほど臨界電流が低く、磁場が低いほど臨界電流が高い、(2)同じ径の超電導線で比較すれば、安定化材比が大きいほど臨界電流は低く、安定化材比が小さいほど臨界電流が高い、という特性を有する。 In general, the critical current of a superconducting wire is as follows: (1) the higher the magnetic field, the lower the critical current, and the lower the magnetic field, the higher the critical current. (2) Compared with superconducting wires of the same diameter, The critical current is low, and the smaller the stabilizing material ratio, the higher the critical current.
一方、ソレノイド型のコイルでは、一般に、コイル最内層中央付近で磁場が最大となるが、外層になるにつれてコイル内磁場は低くなる。従来の超電導電磁石装置では、コイル最内層近くの高磁場の条件に合わせて超電導線の線種(径、安定化材比)を選定していたため、コイル最内層付近以外のそれほど磁場の高くない部分では、超電導物質の比率が過剰に高い安定化材比の小さな超電導線、即ち過剰に性能の良い超電導線を使用していた。しかし、コストの観点から考えると、超電導物質は安定化材に比べて高価であり、極力その使用量を減らすのが望ましい。 On the other hand, in a solenoid type coil, the magnetic field generally becomes maximum near the center of the innermost layer of the coil, but the magnetic field in the coil becomes lower as the outer layer is reached. In the conventional superconducting electromagnet apparatus, the line type (diameter and stabilizing material ratio) of the superconducting wire is selected according to the condition of the high magnetic field near the innermost layer of the coil. In this case, a superconducting wire having an excessively high superconducting substance ratio and a small stabilizing material ratio, that is, an excessively high performance superconducting wire is used. However, from the viewpoint of cost, the superconducting material is more expensive than the stabilizing material, and it is desirable to reduce its usage as much as possible.
通常、超電導電磁石装置は、径及び安定化材比が軸方向(長さ方向)で一定の一本の超電導線を巻回することによりコイルを形成する。しかし、コイル内層には安定化材比の小さな超電導線を使用し、外層には安定化材比の大きな超電導線を使用してコイルを形成する場合もある(例えば、特許文献3参照)。 Usually, a superconducting electromagnet apparatus forms a coil by winding a single superconducting wire whose diameter and stabilizing material ratio are constant in the axial direction (length direction). However, a coil may be formed by using a superconducting wire having a small stabilizing material ratio for the inner layer of the coil and using a superconducting wire having a large stabilizing material ratio for the outer layer (see, for example, Patent Document 3).
特許文献3に示された超電導コイルでは、コイル内の径方向応力を引っぱり応力から圧縮応力に変えることを目的として、2種類の銅比一定の超電導線を用いて形成しているが、同様に2種類の銅比一定の超電導線を用いて、コイル上層部の性能過剰を是正することもできる。即ち、コイル上層部ではコイル内磁場が低いため、臨界電流を低くすることなく安定化材比の大きな超電導線を用いることで性能過剰を是正することができる。
The superconducting coil shown in
しかし、上記のように1つのコイルを複数の超電導線を用いて構成する場合、超電導線同士の超電導接続の箇所が増えるという問題が発生する。超電導接続された部分は、通常の超電導線に比べてクエンチを起こしやすく、また、製造の工程が煩雑となり、加工によるコスト増の要因となるため、超電導接続はできるだけ少ないことが望ましい。 However, when one coil is configured using a plurality of superconducting wires as described above, there arises a problem that the number of superconducting connections between the superconducting wires increases. The superconducting connection portion is more susceptible to quenching than a normal superconducting wire, and the manufacturing process is complicated and causes a cost increase due to processing. Therefore, it is desirable that the number of superconducting connections is as small as possible.
さらに、より適正な安定化材比分布を実現するためには、超電導コイル内での安定化材比をより細かく分けることが望ましいが、安定化材比の異なる多くの種類の超電導線を使用する必要がある。しかし、超電導線の種類を多くすると超電導接続の箇所が増えるため、クエンチに対する弱点を増やすこととなり、また、工程が煩雑になることによるコスト増が大きい。逆に、安定化材比の異なる超電導線の種類が少ないと、コイル内磁場の変化に追従できなくなることから、安定化材比変更の効果は薄い。 Furthermore, in order to achieve a more appropriate distribution of stabilizing material ratio, it is desirable to divide the stabilizing material ratio in the superconducting coil more finely, but many types of superconducting wires with different stabilizing material ratios are used. There is a need. However, if the number of types of superconducting wires is increased, the number of superconducting connections increases, which increases the weakness against quenching, and increases the cost due to complicated processes. Conversely, if there are few types of superconducting wires with different stabilizing material ratios, it will not be possible to follow changes in the magnetic field in the coil, so the effect of changing the stabilizing material ratio will be small.
以上のように、従来の超電導線は、1本の超電導線では一つの安定化材比しか有せず、従がってこの超電導線を用いた超電導線コイルでは、安定化材比を変えることができない。また、超電導コイルの部位に応じて超電導線の安定化材比を変えようとすれば、前記のように安定化材比の異なる複数の超電導コイルを用いる必要があり、前記のように超電導接続の箇所が増えクエンチに対する弱点を備えることとなる。従がってコイル上層部の性能過剰を是正するためには、線材の種類を増やす方法以外の方法をとらなければならない。 As described above, the conventional superconducting wire has only one stabilizing material ratio in one superconducting wire, and therefore the stabilizing material ratio is changed in the superconducting wire coil using this superconducting wire. I can't. Further, if the stabilizer ratio of the superconducting wire is changed in accordance with the part of the superconducting coil, it is necessary to use a plurality of superconducting coils having different stabilizer ratios as described above. The number of points will increase, and weak points against quenching will be provided. Therefore, in order to correct the excessive performance of the upper layer portion of the coil, it is necessary to take a method other than the method of increasing the kind of the wire.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、安定化材比の値が、超電導線の軸方向に沿って変化する連続した超電導線を提供することを目的としたものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a continuous superconducting wire in which the value of the stabilizing material ratio changes along the axial direction of the superconducting wire. Is.
又、この発明は、安定化材比の値が、超電導線の軸方向に沿って変化する連続した超電導線の製造方法を提供することを目的としたものである。 Another object of the present invention is to provide a continuous superconducting wire manufacturing method in which the value of the stabilizing material ratio varies along the axial direction of the superconducting wire.
更に、この発明は、超電導コイルの過剰性能を抑え、コストの低い超電導電磁石装置を提供することを目的としたものである。 Furthermore, an object of the present invention is to provide a superconducting electromagnet apparatus that suppresses excess performance of a superconducting coil and is low in cost.
この発明に係る超電導線は、金属からなる安定化材により構成されたマトリクス内に、超電導物質からなるフィラメントが埋込まれてなる超電導線であって、前記マトリクスと前記フィラメントとの前記超電導線の径方向の断面積比が、前記超電導線の軸方向に沿って変化するよう構成したものである。 A superconducting wire according to the present invention is a superconducting wire in which a filament made of a superconducting material is embedded in a matrix made of a stabilizing material made of metal, and the superconducting wire of the matrix and the filament The cross-sectional area ratio in the radial direction is configured to change along the axial direction of the superconducting wire.
また、この発明に係る超電導線は、前記断面積比を、前記超電導線の軸方向に沿って増大のみ、又は減少のみにより変化するよう構成したものである。 Moreover, the superconducting wire according to the present invention is configured such that the cross-sectional area ratio is changed only by increasing or decreasing along the axial direction of the superconducting wire.
また、この発明による超電導線は、前記断面積比を、前記超電導線の軸方向に沿って増大と減少とが交互に連続して変化するよう構成したものである。 Further, the superconducting wire according to the present invention is configured such that the cross-sectional area ratio is continuously increased and decreased alternately along the axial direction of the superconducting wire.
更に、この発明による超電導線は、前記のように構成された超電導線において、前記安定化材を、Cu、又はAlにより構成したものである。 Furthermore, the superconducting wire according to the present invention is the superconducting wire constructed as described above, wherein the stabilizing material is composed of Cu or Al.
また、この発明による超電導線は、前記のように構成された超電導線において、前記超電導物質を、NbTi合金、又はNb3Snにより構成したものである。 The superconducting wire according to the present invention is the superconducting wire constructed as described above, wherein the superconducting material is composed of an NbTi alloy or Nb 3 Sn.
更に、この発明による超電導線の製造方法は、金属からなる安定化材により構成されたマトリクスと超電導物質からなるフィラメントとの径方向の断面積比が軸方向に沿って連続的に変化する超電導線を製造する方法であって、金属からなる安定化材により被覆された超電導単心線を形成する第1の工程と、金属からなる安定化材により構成され径方向の断面積が軸方向に沿って連続的に変化する管体の内部に前記超電導単心線を複数本収容して複合ビレットを形成する第2の工程と、前記複合ビレットに断面縮小加工を施す第3の工程とを備えたものである。 Furthermore, the method of manufacturing a superconducting wire according to the present invention includes a superconducting wire in which a radial cross-sectional area ratio between a matrix made of a metal stabilizing material and a filament made of a superconducting material varies continuously along the axial direction. A first step of forming a superconducting single core wire covered with a metal-stabilized material, and a radial cross-sectional area formed along the axial direction, the metal-made stabilizer. A second step of forming a composite billet by accommodating a plurality of the superconducting single core wires inside a continuously changing tube, and a third step of subjecting the composite billet to a cross-sectional reduction process Is.
更に、この発明による超電導線の製造方法は、金属からなる安定化材により被覆され安定化材と超電導物質との径方向の断面積比が軸方向に沿って連続的に変化する超電導単心線を形成する第1の工程と、金属からなる安定化材により構成された管体の内部に前記超電導単心線を複数本収容して複合ビレットを形成する第2の工程と、前記複合ビレットに断面縮小加工を施す第3の工程とを備えたものである。 Furthermore, in the method of manufacturing a superconducting wire according to the present invention, the superconducting single core wire is covered with a metal stabilizing material, and the radial cross-sectional area ratio between the stabilizing material and the superconducting material continuously changes along the axial direction. A second step of forming a composite billet by accommodating a plurality of the superconducting single core wires inside a tubular body made of a metal-stabilizing material, and forming the composite billet And a third step of performing cross-sectional reduction processing.
また、この発明による超電導線の製造方法は、金属からなる安定化材により構成されたマトリクスと超電導物質からなるフィラメントとの径方向の断面積比が軸方向に沿って増大と減少とが交互に連続して変化する超電導線を製造する方法であって、金属からなる安定化材により被覆された超電導単心線を形成する第1の工程と、金属からなる安定化材により構成され径方向の断面積が軸方向に増大と減少とが交互に連続して変化する管体の内部に前記超電導単心線を複数本収容して複合ビレットを形成する第2の工程と、前記複合ビレットに断面縮小加工を施す第3の工程とを備えたものである。 In the superconducting wire manufacturing method according to the present invention, the cross-sectional area ratio in the radial direction between the matrix made of the metal stabilizing material and the filament made of the superconducting material alternately increases and decreases along the axial direction. A method of manufacturing a continuously changing superconducting wire, comprising a first step of forming a superconducting single core wire coated with a metal-stabilizing material, and a radial direction composed of a metal-stabilizing material. A second step of forming a composite billet by accommodating a plurality of the superconducting single core wires inside a tubular body in which the cross-sectional area increases and decreases alternately in the axial direction; and a cross-section in the composite billet And a third step for performing reduction processing.
更に、この発明による超電導線の製造方法は、金属からなる安定化材により被覆され安定化材と超電導物質との径方向の断面積比が軸方向に沿って増大と減少とが交互に連続して変化する超電導単心線を形成する第1の工程と、金属からなる安定化材により構成された管体の内部に前記超電導単心線を複数本収容して複合ビレットを形成する第2の工程と、前記複合ビレットに断面縮小加工を施す第3の工程とを備えたものである。 Furthermore, in the method of manufacturing a superconducting wire according to the present invention, the radial cross-sectional area ratio between the stabilizing material and the superconducting material is alternately increased and decreased along the axial direction. A first step of forming a superconducting single-core wire that changes in length, and a second step of forming a composite billet by accommodating a plurality of the superconducting single-core wires inside a tubular body made of a metal stabilizing material. A step and a third step of subjecting the composite billet to a cross-sectional reduction process.
また、この発明による超電導電磁石装置は、超電導線を巻回して形成されたソレノイド状の超電導コイルを備えた超電導電磁石装置であって、前記超電導線は、金属からなる安定化材により構成されたマトリクス内に超電導物質からなるフィラメントが埋込まれて構成されると共に前記マトリクスと前記フィラメントとの径方向の断面積比が軸方向に沿って連続的に変化するよう構成され、前記超電導コイルは、そのコイル内の磁場が高い部位では前記超電導線の前記断面積比が小さい部位で構成され、前記コイル内磁場が前記高い部位より低い部位では前記超電導線の前記断面積比が大きい部位で形成されたものである。 The superconducting electromagnet apparatus according to the present invention is a superconducting electromagnet apparatus comprising a solenoidal superconducting coil formed by winding a superconducting wire, wherein the superconducting wire is a matrix made of a stabilizing material made of metal. A filament made of a superconducting material is embedded therein, and the radial cross-sectional area ratio between the matrix and the filament is continuously changed along the axial direction. In the part where the magnetic field in the coil is high, the cross-sectional area ratio of the superconducting wire is composed of a small part, and in the part where the magnetic field in the coil is lower than the high part, the superconducting wire is formed in a part where the cross-sectional area ratio is large. Is.
更に、この発明による超電導電磁石装置は、超電導線を巻回して形成されたソレノイド状の超電導コイルを複数個直列接続してなる超電導電磁石装置であって、前記超電導線は、金属からなる安定化材により構成されたマトリクス内に超電導物質からなるフィラメントが埋込まれて構成されると共に、前記マトリクスと前記フィラメントとの径方向の断面積比が軸方向に沿って増大と減少とが交互に連続して変化するよう構成され、前記複数個の超電導コイルは、連続した一本の前記超電導線により構成されると共に、前記夫々の超電導コイルに於いてそのコイル内の磁場が高い部位では前記超電導線の前記断面積比が小さい部位で構成され、前記コイル内磁場が前記高い部位より低い部位では前記超電導線の前記断面積比が大きい部位で形成されたものである。 Furthermore, the superconducting electromagnet apparatus according to the present invention is a superconducting electromagnet apparatus in which a plurality of solenoidal superconducting coils formed by winding a superconducting wire are connected in series, wherein the superconducting wire is a stabilizing material made of metal. A filament made of a superconducting material is embedded in a matrix constituted by the above, and the radial cross-sectional area ratio between the matrix and the filament is alternately increased and decreased along the axial direction. The plurality of superconducting coils are constituted by a single continuous superconducting wire, and in each of the superconducting coils, the portion of the superconducting wire has a high magnetic field in the coil. The cross-sectional area ratio is configured with a small part, and the superconducting wire has a large cross-sectional area ratio at a part where the magnetic field in the coil is lower than the high part. It is those that have been.
この発明による超電導線によれば、マトリクスと前記フィラメントとの前記超電導線の径方向の断面積比が、前記超電導線の軸方向に沿って変化するよう構成したので、超電導線の軸長方向に安定化材比が変化する連続した超電導線を得ることができる。 According to the superconducting wire according to the present invention, the radial sectional area ratio of the matrix and the filament to the superconducting wire changes along the axial direction of the superconducting wire. A continuous superconducting wire in which the stabilizing material ratio changes can be obtained.
また、この発明による超電導線によれば、前記断面積比を、前記超電導線の軸方向に沿って増大のみ、又は減少のみにより変化するよう構成したので、先端部で銅比が最も小さく、軸方向に沿って銅比が連続的に増加していき、後端部で銅比が最も大きい超電導線を得ることができる。 Further, according to the superconducting wire according to the present invention, the cross-sectional area ratio is configured to change only by increasing or decreasing along the axial direction of the superconducting wire. The copper ratio increases continuously along the direction, and a superconducting wire having the largest copper ratio at the rear end can be obtained.
また、この発明による超電導線によれば、前記断面積比を、前記超電導線の軸方向に沿って増大と減少とが交互に連続して変化するよう構成したので、銅比が任意に増減する超電導線を製造することができる。 Further, according to the superconducting wire according to the present invention, the cross-sectional area ratio is configured so that the increase and decrease are alternately and continuously changed along the axial direction of the superconducting wire, so that the copper ratio is arbitrarily increased or decreased. A superconducting wire can be manufactured.
更に、この発明による超電導線によれば、前記のように構成された超電導線において、前記安定化材を、Cu、又はAlにより構成したので、比較的安価で且つ超電導線の軸長方向に安定化材比が変化する連続した超電導線を得ることができる。 Furthermore, according to the superconducting wire according to the present invention, in the superconducting wire constructed as described above, since the stabilizing material is composed of Cu or Al, it is relatively inexpensive and stable in the axial direction of the superconducting wire. A continuous superconducting wire in which the chemical ratio changes can be obtained.
また、この発明による超電導線によれば、前記のように構成された超電導線において、前記超電導物質を、NbTi合金、又はNb3Snにより構成したので、比較的安価で且つ超電導線の軸長方向に安定化材比が変化する連続した超電導線を得ることができる。 Further, according to the superconducting wire according to the present invention, since the superconducting material is composed of NbTi alloy or Nb 3 Sn in the superconducting wire configured as described above, the axial length direction of the superconducting wire is relatively inexpensive. In this way, a continuous superconducting wire in which the stabilizer ratio changes can be obtained.
また、この発明による超電導線の製造方法によれば、金属からなる安定化材により被覆された超電導単心線を形成する第1の工程と、金属からなる安定化材により構成され径方向の断面積が軸方向に沿って連続的に変化する管体の内部に前記超電導単心線を複数本収容して複合ビレットを形成する第2の工程と、前記複合ビレットに断面縮小加工を施す第3の工程とを備えたので、先端部で銅比が最も小さく、軸方向に沿って銅比が連続的に増加していき、後端部で銅比が最も大きい超電導線を、簡単且つ安価に製造することができる。 Further, according to the method of manufacturing a superconducting wire according to the present invention, a first step of forming a superconducting single-core wire covered with a metal-stabilizing material, and a radial disconnection composed of the metal-stabilizing material. A second step of forming a composite billet by accommodating a plurality of the superconducting single core wires inside a tubular body whose area continuously changes along the axial direction; and a third step of subjecting the composite billet to a cross-sectional reduction process The superconducting wire with the smallest copper ratio at the front end, the copper ratio continuously increasing along the axial direction, and the largest copper ratio at the rear end can be easily and inexpensively provided. Can be manufactured.
また、この発明による超電導線の製造方法によれば、金属からなる安定化材により被覆され安定化材と超電導物質との径方向の断面積比が軸方向に沿って連続的に変化する超電導単心線を形成する第1の工程と、金属からなる安定化材により構成された管体の内部に前記超電導単心線を複数本収容して複合ビレットを形成する第2の工程と、前記複合ビレットに断面縮小加工を施す第3の工程とを備えたので、伸線後の超電導線内部おけるフィラメント同士の間隔を、全線長を通して一定とし、先端部で銅比が最も小さく、軸方向に沿って銅比が連続的に増加していき、後端部で銅比が最も大きい超電導線を、簡単且つ安価に製造することができる。 Further, according to the method of manufacturing a superconducting wire according to the present invention, the superconducting unit is coated with a metal stabilizing material, and the radial cross-sectional area ratio between the stabilizing material and the superconducting substance continuously changes along the axial direction. A first step of forming a core wire, a second step of forming a composite billet by accommodating a plurality of the superconducting single core wires inside a tubular body made of a metal stabilizing material, and the composite And a third step of reducing the cross-section of the billet, the distance between the filaments inside the superconducting wire after drawing is constant throughout the wire length, the copper ratio is the smallest at the tip, and along the axial direction Thus, the superconducting wire having the largest copper ratio at the rear end can be manufactured easily and inexpensively.
更にまた、この発明による超電導線の製造方法によれば、金属からなる安定化材により被覆された超電導単心線を形成する第1の工程と、金属からなる安定化材により構成され径方向の断面積が軸方向に増大と減少とが交互に連続して変化する管体の内部に前記超電導単心線を複数本収容して複合ビレットを形成する第2の工程と、前記複合ビレットに断面縮小加工を施す第3の工程とを備えたので、銅比が任意に増減する超電導線を、簡単且つ安価に製造することができる。 Furthermore, according to the method of manufacturing a superconducting wire according to the present invention, a first step of forming a superconducting single core wire coated with a metal stabilizing material, and a radial direction constituted by the metal stabilizing material. A second step of forming a composite billet by accommodating a plurality of the superconducting single core wires inside a tubular body in which the cross-sectional area increases and decreases alternately in the axial direction; and a cross-section in the composite billet And the third step of performing reduction processing, it is possible to easily and inexpensively manufacture a superconducting wire in which the copper ratio is arbitrarily increased or decreased.
また、この発明による超電導線の製造方法によれば、金属からなる安定化材により被覆され安定化材と超電導物質との径方向の断面積比が軸方向に沿って増大と減少とが交互に連続して変化する超電導単心線を形成する第1の工程と、金属からなる安定化材により構成された管体の内部に前記超電導単心線を複数本収容して複合ビレットを形成する第2の工程と、前記複合ビレットに断面縮小加工を施す第3の工程とを備えたので、伸線後の超電導線内部におけるNbTiフィラメント同士の間隔を、全線長を通して一定とし、銅比が任意に増減する超電導線を、簡単且つ安価に製造することができる。 Further, according to the method of manufacturing a superconducting wire according to the present invention, the radial cross-sectional area ratio between the stabilizing material and the superconducting material, which is covered with the metal stabilizing material, alternately increases and decreases along the axial direction. A first step of forming a continuously changing superconducting single core wire, and a first step of forming a composite billet by accommodating a plurality of superconducting single core wires inside a tubular body made of a metal stabilizing material. 2 and the third step of reducing the cross section of the composite billet, the spacing between the NbTi filaments inside the superconducting wire after wire drawing is constant throughout the entire wire length, and the copper ratio is arbitrarily set The superconducting wire which increases or decreases can be manufactured easily and inexpensively.
また、この発明による超電導電磁石装置によれば、超電導線は、金属からなる安定化材により構成されたマトリクス内に超電導物質からなるフィラメントが埋込まれて構成されると共に前記マトリクスと前記フィラメントとの径方向の断面積比が軸方向に沿って連続的に変化するよう構成され、前記超電導コイルは、そのコイル内の磁場が高い部位では前記超電導線の前記断面積比が小さい部位で構成され、前記コイル内磁場が前記高い部位より低い部位では前記超電導線の前記断面積比が大きい部位で形成されたので、超電導接続を増やすことなく超電導コイルの部位に対応して適正な銅比の超電導線を使用することができ、過剰に銅比の低い超電導線を使用することが避けられ、コストの低い超電導電磁石装置を得ることができる。 Further, according to the superconducting electromagnet apparatus according to the present invention, the superconducting wire is formed by embedding a filament made of a superconducting substance in a matrix made of a stabilizing material made of metal, and between the matrix and the filament. The superconducting coil is configured in a portion where the cross-sectional area ratio of the superconducting wire is small at a portion where the magnetic field in the coil is high, and the cross-sectional area ratio in the radial direction is continuously changed along the axial direction. The superconducting wire having an appropriate copper ratio corresponding to the portion of the superconducting coil without increasing the superconducting connection because the cross-sectional area ratio of the superconducting wire is formed at a portion where the magnetic field in the coil is lower than the high portion. Therefore, it is possible to avoid using a superconducting wire having a low copper ratio and to obtain a superconducting electromagnet apparatus having a low cost.
更に、この発明による超電導電磁石装置によれば、超電導線は、金属からなる安定化材により構成されたマトリクス内に超電導物質からなるフィラメントが埋込まれて構成されると共に、前記マトリクスと前記フィラメントとの径方向の断面積比が軸方向に沿って増大と減少とが交互に連続して変化するよう構成され、前記複数個の超電導コイルは、連続した一本の前記超電導線により構成されると共に、前記夫々の超電導コイルに於いてそのコイル内の磁場が高い部位では前記超電導線の前記断面積比が小さい部位で構成され、前記コイル内磁場が前記高い部位より低い部位では前記超電導線の前記断面積比が大きい部位で形成されたので、超電導接続を増やすことなく複数の超電導コイルの各部位に対応して適正な銅比の超電導線を使用することができ、過剰に銅比の低い超電導線を使用することが避けられ、更にコストの低い超電導電磁石装置を得ることができる。 Furthermore, according to the superconducting electromagnet apparatus according to the present invention, the superconducting wire is constructed by embedding a filament made of a superconducting substance in a matrix made of a stabilizing material made of metal, and the matrix, the filament, The radial cross-sectional area ratio of the plurality of superconducting coils is constituted by a single continuous superconducting wire. In each of the superconducting coils, a portion where the magnetic field in the coil is high is constituted by a portion where the cross-sectional area ratio of the superconducting wire is small, and in a portion where the magnetic field in the coil is lower than the high portion, the superconducting wire Since the cross-sectional area ratio is large, the superconducting wire with the appropriate copper ratio is used for each part of multiple superconducting coils without increasing the number of superconducting connections. Rukoto can excessively it is unavoidable to use a low superconducting wire of copper ratio, it is possible to further obtain a low superconducting electromagnet apparatus cost.
実施の形態1
この発明の実施の形態1に係る超電導線は、安定化材としてCUを用いたマトリクスに、超電導物質としてNbTi合金からなるフィラメントを埋め込んで形成した超電導線であり、そのマトリクスとフィラメントとの径方向の断面積比は、同一径の超電導線の軸方向に沿って連続的に変化しているものである。
A superconducting wire according to
即ち、安定化材比である銅比が、1本の連続した超電導線の軸方向に沿って連続的に変化するよう構成されている。その銅比の変化の仕方は、超電導線の一端から他端に向って軸方向に沿って連続的に増大する、換言すれば他端から一端に向って軸方向に連続的に減少するように変化している。
尚、安定化材はCU以外の金属でも良く、またフィラメントはNbTi合金以外の超電導材料であっても良い。
That is, the copper ratio, which is the stabilizing material ratio, is configured to continuously change along the axial direction of one continuous superconducting wire. The method of changing the copper ratio increases continuously along the axial direction from one end of the superconducting wire to the other end, in other words, continuously decreases axially from the other end to the one end. It has changed.
The stabilizing material may be a metal other than CU, and the filament may be a superconducting material other than an NbTi alloy.
次に、この実施の形態1に係る超電導線の製造方法を、図1及び図2により説明する。図1は押出し用複合ビレットの縦断面図、図2は引抜き加工前の超電導単心線の縦断面図である。先ず、図2に示すように、Cuパイプ6の内部に、NbTi棒7と、Nbシート8とを組み込んで引抜き前の超電導単心線11を形成する。この超電導単心線11に於いて、Cuパイプ6は外面及び内面とも、軸方向に沿って直径は変化せず、従がってCuパイプ6の厚みは軸方向に沿って一定に構成されており、また、NbTi棒7、及びNbシート8も、軸方向に沿ってその直径は変化せず一定である。このように構成された引抜き前の超電導単心線11に引抜き加工を施し、径が一定のCu被覆NbTi合金単心線1を形成する。
Next, a method for manufacturing the superconducting wire according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a composite billet for extrusion, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a superconducting single core wire before drawing. First, as shown in FIG. 2, the NbTi rod 7 and the
次に、図1に示すように、大径のCuパイプ2の中空部にCu被覆NbTi合金単心線1を多数挿入し、両端部に先端部材3及び後端部材4を取付け、これらを一体に溶接し、押出し用複合ビレット5を形成する。本実施の形態1において、大径のCuパイプ2は、その内面が軸方向に沿って均一な直径を有する円筒形であり、外面が軸方向に沿って直径が連続的に変化するテーパー形状を有している。従がって、CUパイプ2は、軸方向に沿ってその外径及び厚みが連続的に変化している。
Next, as shown in FIG. 1, a large number of Cu-coated NbTi alloy
テーパー状の形状を有する押出し用複合ビレット5は、軸方向に沿ってCUの径方向の断面積が連続的に変化するが、NbTiの径方向の断面積は軸方向に沿って変化せず同一である。したがって、押出し用複合ビレット5に於ける、径方向のNbTiの断面積に対するCUの断面積の比は、図1の先端部材3の直後で最も小さく、軸方向に沿って図1の左方向に向うに従がって連続的に増加し、後端部材4の直前で最も大きくなる。
In the extruded
次に、押出し用複合ビレット5に静水圧押出し加工を施し、外形が軸方向に添ってテーパー状に形成されている形状を、軸方向に沿って同一直径の円筒形に変形する。さらに、このようにして一定の直径の円筒形に変形された複合ビレットに、引抜き加工と熱処理を複数回施し、長尺の線条体のNbTi超電導線を製造するものである。
Next, the
このようにして複合ビレット5を伸線して超電導線を製造すると、超電導線の銅比は、大径のCuパイプ2の厚さに対応して連続的に変化する。Cuパイプ2の肉厚が薄い部分は銅比の小さい超電導線になり、Cuパイプ2の肉厚が厚い部分は銅比の大きい超電導線になる。即ち、実施の形態1によれば、先端部で銅比が最も小さく、軸方向に沿って銅比が連続的に増加していき、後端部で銅比が最も大きい超電導線を得ることができる。
When the
実施の形態2
実施の形態1では、大径のCuパイプ2の厚さを軸方向に沿って変化させることで、銅比が変化する超電導線を得るものであるが、実施の形態2は、Cu被覆NbTi合金単心線の銅比を軸方向に連続的に変化させることによって、銅比が軸方向に沿って連続的に変化する超電導線を得るものである。図3及び図4は、実施の形態2による超電導線の製造方法を示し、図3は押出し用複合ビレットの縦断面図、図4は引抜き加工前の超電導単心線の縦断面図である。
In the first embodiment, a superconducting wire in which the copper ratio changes is obtained by changing the thickness of the large-
実施の形態2では、先ず、図4に示すように、Cuパイプ26の内部に、NbTi棒27と、Nbシート28とを組み込み、引抜き前の超電導単心線211を形成する。この超電導単心線211に於いて、Cuパイプ26は、外面が軸方向に沿って直径が均一の円筒形、内面が軸方向に沿って直径が連続的に変化するテーパー形状を有している。従がってCuパイプ26は、軸方向に沿って外面の直径は均一で変わらないが肉厚が連続的に変化している。また、NbTi棒27は、Cuパイプの内面に合わせてテーパー形状に形成されている。この様に構成した引抜き前の超電導単心線211に引抜き加工を施し、Cu被覆NbTi合金単心線21を作る。
In the second embodiment, first, as shown in FIG. 4, the
このCu被覆NbTi合金単心線21は、加工前のCuパイプ26の内径が軸方向に連続して変化しており、またNbTi棒27の直径もCuパイプの内径に対応して軸方向に沿って連続的に変化している。従がってCuとNbTiの径方向の断面積比、即ち銅比が軸方向に沿って連続的に変化している。NbTi棒27の直径が小さい部分は銅比の大きいCu被覆NbTi合金単心線になり、NbTi棒27の径が大きい部分は銅比の小さいCu被覆NbTi合金単心線になる。
In this Cu-coated NbTi alloy
次に、図3に示すように、大径のCuパイプ22の中空部にCu被覆NbTi合金単心線21を多数挿入し、両端部に先端部材23及び後端部材24を取付け、これらを一体に溶接し、押出し用複合ビレット25を形成する。本実施の形態2において、大径のCuパイプ22は、その内面及び外面とも、軸方向に沿って均一な直径を有する円筒形であり、従がって、CUパイプ22は、その外径及び肉厚は軸方向に沿って変化せず一定である。
Next, as shown in FIG. 3, a large number of Cu-coated NbTi alloy
次に、このように構成した押出し用複合ビレット25に、静水圧押出し加工を施すことで複合棒とし、引抜き加工と熱処理を複数回施し、長尺の線条体のNbTi超電導線を製作する。
Next, the
本実施の形態2による超電導線の製造方法によれば、先端部で銅比が小さく、軸方向に沿って銅比が連続的に増加していき、後端部で銅比が最も大きい超電導線を製造することができる。尚、実施の形態1による超電導線では、外側の銅の厚みが変化する押出し用複合ビレット5を一定の径に加工するため、銅比が大きくなるに従って超電導線中のNbTiフィラメント同士の間隔が狭くなるが、本実施の形態2では、大径のCuパイプ22は一定の外形を有するものを使用するため、伸線後の超電導線内部おけるNbTiフィラメント同士の間隔を、全線長を通して一定とすることができる。
According to the method of manufacturing a superconducting wire according to the second embodiment, the copper ratio is small at the front end, the copper ratio is continuously increased along the axial direction, and the copper ratio is the largest at the rear end. Can be manufactured. In the superconducting wire according to the first embodiment, since the extruded
実施の形態3
実施の形態2では、外面が軸方向に沿って直径が均一の円筒形、内面が軸方向に沿って直径が連続的に変化するテーパー形状を有するCuパイプと、このCuパイプの内面のテーパー形状に合わせたテーパー形状の外面を有するNbTi棒を用いて、超電導線の銅比を変化させたが、実施の形態3では、NbTi棒の直径を軸方向に沿って均一とし、Cuパイプの内面の直径をNbTi棒の外面に合わせて軸方向に沿って均一とし、その外面を直径が軸方向に沿って連続的に変化するテーパー形状として、軸方向に銅比が連続的に変化する超電導線を製造するようにしたものである。以下、この発明の実施の形態3を図5に基づいて説明する。
In the second embodiment, the outer surface has a cylindrical shape whose diameter is uniform along the axial direction, the inner surface has a tapered shape whose diameter changes continuously along the axial direction, and the tapered shape of the inner surface of this Cu pipe. The copper ratio of the superconducting wire was changed using an NbTi rod having a tapered outer surface adapted to the above, but in
まず、Cuパイプ36の内部に、NbTi棒37、及びNbシート38を図5に示すように挿入して組み合わせる。本実施の形態3において、Cuパイプは内面が直径が軸方向に沿って均一の円筒形、外面が軸方向に沿って直径が連続的に変化するテーパー形状を有しており、軸方向に沿ってパイプの厚みが連続的に変化する。NbTi棒37は、直径が軸方向に沿って均一な直線円筒形である。Nbシーと38はNbTi棒37の外面Cuパイプ36の内面に配置されている。
First, an NbTi rod 37 and an Nb sheet 38 are inserted into the Cu pipe 36 and combined as shown in FIG. In
次に、このCuパイプ36、NbTi棒37、及びNbシート38を組み合わせて形成した引抜き前の超電導単心線311に、引抜き加工を施すことでCu被覆NbTi合金単心線を作る。このCu被覆NbTi合金単心線は、加工前のCuパイプ36の外径が軸方向に連続して変化しており、従がってCuとNbTiの径方向の断面積比、即ち銅比が軸方向に沿って連続的に変化している。Cuパイプ36の外面の直径が小さい部分は銅比の小さいCu被覆NbTi合金単心線になり、Cuパイプ36の外面の直径が大きい部分は銅比の大きいCu被覆NbTi合金単心線になる。
Next, a Cu-coated NbTi alloy single core wire is made by subjecting the unconducted superconducting
その後、多数のCu被覆NbTi合金単心線を、銅比が大きい端部と銅比が小さい端部の方向を合わせ、その図5に於いて右端側を、図3に示す押出し用複合ビレットの先端部材23の方向に合わせて組み合わせて大径のCuパイプ22に挿入し、両端部に先端部材23及び後端部材24を取付けてこれらを溶接し、押出し用複合ビレットを形成する。そして該押出し用複合ビレットに静水圧押出し加工、及び複数回の引抜き加工と熱処理を施し、長尺の線条体のNbTi超電導線を製造する。
Thereafter, the direction of the end portion having a large copper ratio and the end portion having a small copper ratio were aligned with a large number of Cu-coated NbTi alloy single core wires, and the right end side in FIG. Combined with the direction of the
以上のように、本発明の実施の形態3によれば、軸方向に沿って銅比が連続的に変化する超電導線を製造することができる。尚、実施の形態1の超電導線では、外側の銅の厚みが変化する押出し用複合ビレットを均一の直径に加工するため、銅比が大きくなるに従って超電導線中のNbTiフィラメント同士の間隔が狭くなるが、本実施の形態3では、大径のCuパイプは、その内面及び外面ともに均一の直径を有するものを使用するため、伸線後の超電導線内部おけるNbTiフィラメント同士の間隔を、全線長を通して一定とすることができる。 As described above, according to the third embodiment of the present invention, it is possible to manufacture a superconducting wire in which the copper ratio continuously changes along the axial direction. In the superconducting wire of the first embodiment, since the composite billet for extrusion whose outer copper thickness changes is processed into a uniform diameter, the spacing between NbTi filaments in the superconducting wire becomes narrower as the copper ratio increases. However, in the third embodiment, since the large-diameter Cu pipe having a uniform diameter on both the inner surface and the outer surface is used, the distance between the NbTi filaments inside the superconducting wire after the drawing is set through the entire wire length. Can be constant.
実施の形態4
実施の形態1、2、及び3により製造された超電導線の銅比の変化は、軸方向に沿って単調増加又は単調減少のみの変化であるが、実施の形態4は、軸方向に沿って、銅比が任意に増減する超電導線を提供するものである。以下、実施の形態4について説明する。
The change in the copper ratio of the superconducting wires manufactured according to the first, second, and third embodiments is a change that is monotonously increased or decreased monotonically along the axial direction. The present invention provides a superconducting wire in which the copper ratio is arbitrarily increased or decreased. Hereinafter, the fourth embodiment will be described.
先ず、実施の形態1と同様に、図2に示す引抜き前の超電導単心線に引抜き加工を施し、径が一定で、且つ軸方向に沿って銅比が変化しないCu被覆NbTi合金単心線41を形成する。 First, in the same manner as in the first embodiment, the superconducting single-core wire before drawing shown in FIG. 2 is drawn, and the Cu-coated NbTi alloy single-core wire that has a constant diameter and does not change the copper ratio along the axial direction. 41 is formed.
次に、この径が一定のCu被覆NbTi合金単心線41を多数揃えて、図6に示すように大径のCuパイプ42の内部に挿入する。そして、先端部に先端部材43、後端部に後端部材44を組み合わせ、これらを溶接して押出し用複合ビレット45を形成する。
Next, a large number of Cu-coated NbTi alloy
次に、該押出し用複合ビレット45に静水圧押出し加工を施し、一定の直径の円筒形に変形し、さらに、この一定の直径の円筒形に変形された押出し用複合ビレット45に、引抜き加工と熱処理を複数回施して線条体を形成し、NbTi超電導線を製造する。
Next, the
本実施の形態4における押出し用複合ビレット45は、軸方向に沿ってCuの断面積が変化するが、NbTiの断面積は変化しない。これを伸線して超電導線を製造するため、超電導線の銅比は、大径のCuパイプ42の厚さに対応して連続的に増減する。Cuパイプ42の外面の直径の小さい部分、即ち肉厚の薄い部分では銅比の小さい超電導線となり、Cuパイプ42の外面の直径の大きい部分、即ち肉厚の大きい部分では銅比の大きい超電導線となる。
In the extruded
したがって、大径のCuパイプ42の肉厚の厚さ分布を適宜調整し、CuとNbTiの径方向の断面積比を軸方向で増減し、超電導線の所望の銅比の増減と一致させることで任意の銅比分布を有する超電導線を製造することができる。図6に示した例においては、先端から後端に向けて、銅比の増減を2度繰り返した後、最終的に後端で最も銅比が大きくなる超電導線を製造することができる。
Therefore, the thickness distribution of the wall thickness of the large-
このように本発明の実施の形態4によれば、軸方向に沿って安定化材であるCuにより構成されたマトリクスと超電導材からなるフィラメントとの径方向の断面積比を、軸方向に沿って任意に増大と減少とを交互に連続させ、その結果、銅比が任意に増減する超電導線を製造することができる。 As described above, according to the fourth embodiment of the present invention, the radial cross-sectional area ratio between the matrix made of Cu that is the stabilizing material and the filament made of the superconducting material is set along the axial direction. As a result, it is possible to manufacture a superconducting wire in which increase and decrease are alternately continued, and as a result, the copper ratio is arbitrarily increased or decreased.
実施の形態5
実施の形態4では、大径のCuパイプの外径を増減させることにより、軸方向に銅比が増減するNbTi超電導線を製造するものであるが、実施の形態5では、Cu被覆NbTi合金単心線の銅比を軸方向に増減することにより、軸方向に銅比が増減する超電導線を提供するものである。以下、実施の形態5に係る超電導線の製造方法について説明する。
In the fourth embodiment, an NbTi superconducting wire in which the copper ratio increases or decreases in the axial direction is manufactured by increasing or decreasing the outer diameter of the large-diameter Cu pipe. The present invention provides a superconducting wire in which the copper ratio increases or decreases in the axial direction by increasing or decreasing the copper ratio of the core wire in the axial direction. Hereinafter, the manufacturing method of the superconducting wire which concerns on
先ず、図7に示すように、Cuパイプ56の内部に、NbTi棒57、及びNbシート58を挿入する。Cuパイプ56は、内面が軸方向に沿って直径が均一の円筒形であるが、外面は軸方向に沿って直径が増減するよう構成されている。このようなCuパイプは、例えば、通常のパイプの外面に任意の削り加工を施すことで製造することができる。これらを図7のように組み合わせて引抜き前の超電導単心線511を形成し、これを引抜き加工を施すことで、断面の大きさが一定のCu被覆NbTi合金単心線を作る。
First, as shown in FIG. 7, an NbTi rod 57 and an Nb sheet 58 are inserted into the Cu pipe 56. The Cu pipe 56 has a cylindrical shape whose inner surface has a uniform diameter along the axial direction, and the outer surface is configured such that the diameter increases and decreases along the axial direction. Such a Cu pipe can be manufactured, for example, by subjecting the outer surface of a normal pipe to arbitrary shaving. These are combined as shown in FIG. 7 to form a superconducting
このようにして形成したCu被覆NbTi合金単心線の銅比は、加工前のCuパイプ56の肉厚に対応して軸方向に連続的に増減する。即ち、Cuパイプ56の肉厚が薄い部分は銅比の小さいCu被覆NbTi合金単心線になり、Cuパイプ56が肉厚が大きい部分は銅比の大きいCu被覆NbTi合金単心線になる。 The copper ratio of the Cu-coated NbTi alloy single core wire formed in this way continuously increases or decreases in the axial direction corresponding to the thickness of the Cu pipe 56 before processing. That is, a portion where the thickness of the Cu pipe 56 is thin becomes a Cu-coated NbTi alloy single core wire having a small copper ratio, and a portion where the Cu pipe 56 has a large thickness becomes a Cu coated NbTi alloy single core wire having a large copper ratio.
次に、実施の形態2と同様に、図3に示しように、軸方向に沿って外面及び内面の直径が均一の、円筒形の大径のCuパイプ22の中空部に、図7の超電導単心線511を引抜いて形成したCu被覆NbTi合金単心線を多数挿入し、両端部に先端部材23及び後端部材24を取付けて溶接し、押出し用複合ビレット25を形成する。そして該押出し用複合ビレット25に静水圧押出し加工、及び複数回の引抜き加工と熱処理を施し、線条体を形成することでNbTi超電導線を製造する。
Next, as in the second embodiment, as shown in FIG. 3, the superconductivity of FIG. 7 is formed in the hollow portion of the cylindrical large-
本実施の形態5によれば、Cuパイプ56の外面の直径を軸方向に沿って変化させて厚さ分布を適宜調整し、CuとNbTiの径方向の断面積比を軸方向に沿って増減させ、所望の銅比の増減と一致させることで任意の銅比分布を有する超電導線を製造することができる。例えば、先端から後端に向けて、銅比の増減を2度繰り返した後、最終的に後端で最も銅比が大きくなる超電導線を製造することができる。 According to the fifth embodiment, the thickness distribution is appropriately adjusted by changing the diameter of the outer surface of the Cu pipe 56 along the axial direction, and the radial sectional area ratio of Cu and NbTi is increased or decreased along the axial direction. Thus, a superconducting wire having an arbitrary copper ratio distribution can be manufactured by matching the increase / decrease of the desired copper ratio. For example, after repeating the increase / decrease of the copper ratio twice from the front end to the rear end, a superconducting wire that finally has the largest copper ratio at the rear end can be manufactured.
尚、実施の形態4の超電導線では、外側の銅の厚みが変化する押出し用複合ビレット45を一定の直径に加工するため、銅比が大きくなるに従って超電導線中のNbTiフィラメント同士の間隔が狭くなるが、本実施の形態5では、大径のCuパイプは一定の直径を有するものを使用するため、伸線後の超電導線内部におけるNbTiフィラメント同士の間隔を、全線長を通して一定とすることができる。
In the superconducting wire of the fourth embodiment, the
実施の形態6
次に、実施の形態6に係るこの発明に係る超電導電磁石装置について説明する。図8は、この発明に係る前述の実施の形態1〜3の方法により製造した、銅比が超電導線の軸方向に連続的に増大または減少するよう変化する超電導線を用いた超電導電磁石装置を説明する構成図である。
Next, a superconducting electromagnet apparatus according to the present invention relating to
図8に示すように、実施の形態6による超電導電磁石は、MRI用の超電導電磁石装置であり、電磁石装置内周側端部に設置された超電導コイルであるサイドコイル61a及び61bと、これらのサイドコイル61a、61b間の電磁石装置内周側に設置された超電導コイルであるミドルコイル62、63a、63b、64a、及び64bと、電磁石装置外周側に設置された超電導コイルであるシールドコイル65a、66bからなる超電導コイル群を備えている。
As shown in FIG. 8, the superconducting magnet according to the sixth embodiment is a superconducting magnet device for MRI, and includes
本実施の形態では、サイドコイル61a及び61bは、実施の形態1〜5のいずれかの方法により製造された超電導線を巻回して形成されたものであり、ミドルコイル62、63a、63b、64a、及び64b及びシールドコイル65a、65bは、通常の超電導線を巻き回して形成されたものである。
In the present embodiment, the side coils 61a and 61b are formed by winding the superconducting wire manufactured by any of the methods of the first to fifth embodiments, and the middle coils 62, 63a, 63b, 64a. , 64b and
これら超電導コイル群は、夫々円環状に構成され、超電導電磁石装置の中心軸X上に同軸で、且つ軸方向に所定の間隔を介して配置されている。これらの超電導コイル群は、液体ヘリウムと共に、円筒状のヘリウム容器内に収納される。ヘリウム容器は断熱構造と冷却装置を装備し、被検体(図示せず)を挿入するための筒状の開口部が設けられたクライオスタット66の中に設置される。クライオスタット66は、容器に相当し、その形状は略円筒状である。尚、図8では、断熱構造や冷却装置については省略している。
Each of these superconducting coil groups is formed in an annular shape, and is coaxially arranged on the central axis X of the superconducting electromagnet apparatus and arranged in the axial direction with a predetermined interval. These superconducting coils are housed in a cylindrical helium container together with liquid helium. The helium vessel is equipped with a heat insulating structure and a cooling device, and is installed in a
このように構成された超電導電磁石装置は、超電導コイル群に電流を流すことで、超電導電磁石装置の円筒形の内部に所要の磁場が発生する。この時、サイドコイル61a及び61bは主に磁場を発生し、ミドルコイル62、63a、63b、64a、及び64bは、主に磁場中心周辺に磁場均一空間67(磁場均一度10ppm以下)を形成し、シールドコイル65a、66bは、サイドコイル及びミドルコイルと逆向きの磁場を発生して超電導電磁石装置の外部への漏洩磁場を低減する。図8に示した本実施の形態6に係る超電導電磁石装置は、約400[A]の電流を流すことで約1.5[T]の磁場を磁場中心に発生するよう設計されている。 The superconducting electromagnet apparatus configured as described above generates a required magnetic field inside the cylindrical shape of the superconducting electromagnet apparatus by passing a current through the superconducting coil group. At this time, the side coils 61a and 61b mainly generate a magnetic field, and the middle coils 62, 63a, 63b, 64a, and 64b form a magnetic field uniform space 67 (magnetic field uniformity of 10 ppm or less) mainly around the center of the magnetic field. The shield coils 65a and 66b generate a magnetic field opposite to the side coil and the middle coil to reduce the leakage magnetic field to the outside of the superconducting electromagnet apparatus. The superconducting electromagnet apparatus according to the sixth embodiment shown in FIG. 8 is designed to generate a magnetic field of about 1.5 [T] at the center of the magnetic field by flowing a current of about 400 [A].
図8の右側に、サイドコイル61aの断面を拡大して示している。尚、サイドコイル61bも同様の構成である。本実施の形態6では、直径1.5[mm]の超電導線68を、各層59ターンとして第1層から第58層まで巻回し、断面寸法100[mm]×100[mm]の断面を有するサイドコイル61aを構成している。尚、上記断面寸法は絶縁物等(図示せず)を含む。このサイドコイル61aは、最内層である第1層目から巻始め、59ターン巻く毎に上層に進んで巻回される。
The cross section of the
上記の寸法で構成されたサイドコイル61aに通電すると、コイル内部の磁場分布は図9のようになる。図9に示すように、コイル内における磁場が最大5.5[T]となる場所は、環状の超電導コイルの内周面の中央付近であり、また、コイル内磁場が5.0[T]を超える場所は、コイル内周付近の、コイル全体から見れば僅かな領域に限られる。また、コイル内磁場2.5[T]、3.0[T]、3.5[T]、4.5[T]の場所は夫々図9に示すとおりである。
When the
このように図9に示す磁場分布によれば、超電導コイルであるサイドコイル61aの内層では磁場が高く、外層では磁場が低いことが判る。一方、巻線の順序としては、内層から巻き始めて順次外層へと向かっていくので、超電導コイルの巻始めは磁場が高く、後になるにつれて磁場が低くなることになる。
Thus, according to the magnetic field distribution shown in FIG. 9, it can be seen that the magnetic field is high in the inner layer of the
そこで、実施の形態6によるこの発明の超電導電磁石装置は、実施の形態1〜3のいずれかに記載された方法で製造された、銅比が軸方向に連続的に増大または減少する超電導線を使用し、磁場が高い巻始めには銅比が小さい超電導線の部位を使用し、磁場が低い後の部分には銅比が大きい超電導線の部位を使用するものである。 Therefore, the superconducting electromagnet apparatus according to the sixth embodiment of the present invention includes a superconducting wire manufactured by the method described in any one of the first to third embodiments and having a copper ratio continuously increasing or decreasing in the axial direction. The part of the superconducting wire with a small copper ratio is used at the beginning of the winding with a high magnetic field, and the part of the superconducting wire with a large copper ratio is used in the part after the low magnetic field.
このように構成することで、超電導接続を増やすことなく超電導コイルの部位に対応して適正な銅比の超電導線を使用することができ、過剰に銅比の低い超電導線を使用することが避けられ、NbTiの使用量を抑えることができる。NbTiはCuに比べてコストが高いため、NbTiの使用量を抑えることはコストを下げることにつながる。 With this configuration, it is possible to use a superconducting wire with an appropriate copper ratio corresponding to the portion of the superconducting coil without increasing the superconducting connection, and avoid using a superconducting wire with an excessively low copper ratio. Therefore, the amount of NbTi used can be suppressed. Since NbTi has a higher cost than Cu, reducing the amount of NbTi used leads to a reduction in cost.
本実施の形態6において、図9に示すような磁場分布のコイルで一定のクエンチ耐性を保ち、かつ使用するNbTiの量を最小にするためには、図10に実線で示す銅比分布を有する超電導線をサイドコイルに用いるとよい。図10に示す銅比分布は、図10に破線で示すコイルの各層毎の最大磁場の変化に対して逆相関になっており、コイルの各層において、MQE(最小クエンチエネルギー;超電導電磁石装置をクエンチさせるのに必要な最小熱エネルギーをいい、MQEが大きいほど超電導の安定性が高い)がほぼ一定となるように決められたものである。 In the sixth embodiment, in order to maintain a constant quench resistance with a coil having a magnetic field distribution as shown in FIG. 9 and to minimize the amount of NbTi to be used, the coil has a copper ratio distribution shown by a solid line in FIG. A superconducting wire may be used for the side coil. The copper ratio distribution shown in FIG. 10 is inversely correlated with the change in the maximum magnetic field for each layer of the coil indicated by the broken line in FIG. 10, and in each layer of the coil, the MQE (minimum quench energy; quenching the superconducting electromagnet apparatus is performed. The minimum thermal energy required to make the superconductivity the higher the MQE, the higher the stability of superconductivity).
このとき、超電導線の銅比の平均値は5.9となるため、サイドコイル61aの製造に用いられるNbTiの量は、全て銅比4の線材を用いた場合と比較すると、約73%に抑えることができる。Cuの使用量は約1.5倍となるが、NbTiの単位体積あたりの価格はCuに比べて約14倍高いことから、本実施の形態6では、全て銅比4の線材を使用する場合に比べ、サイドコイル61aの超電導線の素材に係る費用を約25%低減することができる。
At this time, since the average value of the copper ratio of the superconducting wire is 5.9, the amount of NbTi used for manufacturing the
尚、上記超電導線の銅比は連続的に変化しているため、超電導コイルの同一層内のターン方向でも銅比はわずかに変化する。しかし、層毎に順次巻回していくため、同一層ターン方向の銅比変化は層方向の銅比の変化に比べ極めて小さな変化であり、同一層内の銅比は一定であると考えてよい。 In addition, since the copper ratio of the superconducting wire changes continuously, the copper ratio slightly changes even in the turn direction in the same layer of the superconducting coil. However, since winding is performed sequentially for each layer, the copper ratio change in the same layer turn direction is extremely small compared to the change in the copper ratio in the layer direction, and the copper ratio in the same layer may be considered to be constant. .
本実施の形態6では、実施の形態1〜3のいずれかの方法により製造された超電導線をサイドコイル61a、61bにのみ適用しているが、一般にソレノイドタイプのコイルは、最内層付近でコイル内磁場が最も高く外層になるにつれてコイル内磁場が低くなるという、本実施の形態のサイドコイルと同様のコイル内磁場分布を有しているため、ミドルコイル62、63a、63b、64a、及び64b、及びシールドコイル65a、65bにも本実施の形態6のサイドコイル61a、61bと同様の手法を適用することによりNbTi使用量低減よるコストの低減は可能である。
In the sixth embodiment, the superconducting wire manufactured by any of the methods of the first to third embodiments is applied only to the side coils 61a and 61b. Generally, the solenoid type coil is a coil near the innermost layer. Since the internal magnetic field is the highest and the magnetic field in the coil becomes lower as the outer layer becomes the same, the magnetic field distribution in the coil is the same as that of the side coil of the present embodiment, so the
実施の形態7
実施の形態6では、実施の形態1〜3のいずれかにより製造した銅比が単調に増加または減少する超電導線を、コイル単体に適用した超電導電磁石装置を示したが、実施の形態7に係る超電導電磁石装置は、実施の形態5または6により製造した銅比が任意に増減する超電導線を、複数コイルの連続巻に適用するようにしたものである。この実施の形態7により、更にコストを抑えた超電導電磁石装置を得ることができる。以下、実施の形態7による超電導電磁石装置について説明する。
Embodiment 7
In the sixth embodiment, a superconducting electromagnet apparatus in which the superconducting wire in which the copper ratio manufactured according to any of the first to third embodiments is monotonously increased or decreased is applied to a single coil is shown. In the superconducting electromagnet apparatus, the superconducting wire with the copper ratio manufactured according to the fifth or sixth embodiment arbitrarily increased or decreased is applied to continuous winding of a plurality of coils. According to the seventh embodiment, a superconducting electromagnet apparatus with further reduced costs can be obtained. Hereinafter, a superconducting electromagnet apparatus according to Embodiment 7 will be described.
本実施の形態7における超電導電磁石装置の全体の構成は実施の形態6と同様であり、図8に示すように超電導コイルであるサイドコイル61a及び61bと、サイドコイル間の超電導電磁石装置の内周側に設置された超電導コイルであるミドルコイル62、63a、63b、64a、及び64bと、超電導電磁石装置の外周側に設置された超電導コイルであるシールドコイル65a、66bからなる超電導コイル群を備える。
The overall configuration of the superconducting electromagnet apparatus according to the seventh embodiment is the same as that of the sixth embodiment, and as shown in FIG. 8, side coils 61a and 61b, which are superconducting coils, and the inner circumference of the superconducting electromagnet apparatus between the side coils. A superconducting coil group including
通常、ミドルコイル62、63a、63b、64a、及び64bは、コイル1つあたりの線長が短いため、一本の超電導線材を用いて複数のコイルを連続巻きして製造される。本実施の形態7においては、ミドルコイル62、63a、及び64aに図11の矢印で示したように、ミドルコイル62の最内層→ミドルコイル62の最外層→ミドルコイル63aの最内層→ミドルコイル63aの最外層→ミドルコイル64aの最内層→ミドルコイル64aの最外層という順序で超電導線を巻回し、1本の超電導線で3コイルを製造する。
Usually, the middle coils 62, 63a, 63b, 64a, and 64b are manufactured by continuously winding a plurality of coils using a single superconducting wire since the wire length per coil is short. In the seventh embodiment, as indicated by the arrows in FIG. 11 in the middle coils 62, 63a and 64a, the innermost layer of the
各ミドルコイルは、直径1.2[mm]の超電導線を、ミドルコイル62では各層34ターンを10層、ミドルコイル63aでは各層49ターンを10層、ミドルコイル64aでは各層61ターンを10層巻回して製造している。
Each middle coil is a superconducting wire having a diameter of 1.2 [mm], the
コイル内部の磁場は、コイルの最内層近くで急激に高くなり、それ以外の場所の磁場はそれほど高くはならない。具体的には、上記のターン数のミドルコイル62、63a、64aに400[A]を通電したときに発生するコイル内磁場の分布はそれぞれ、図12に示すようになる。図11に示す巻線順序と図12の磁場分布から、本実施の形態7に於いて連続巻きに用いられる超電導線は、磁場が高い場所と低い場所を交互に通過することになる。 The magnetic field inside the coil increases rapidly near the innermost layer of the coil, and the magnetic field in other locations does not increase that much. Specifically, the distribution of the magnetic field in the coil generated when 400 [A] is energized through the middle coils 62, 63a, 64a having the above-mentioned number of turns is as shown in FIG. From the winding sequence shown in FIG. 11 and the magnetic field distribution shown in FIG. 12, the superconducting wire used for continuous winding in the seventh embodiment alternately passes through places where the magnetic field is high and places where the magnetic field is low.
このとき、コイル内各位置における磁場強度に応じた適切な性能の超電導線を使用し、かつ、高価なNbTiの使用量を必要最小限にするためには、超電導線の銅比が各コイルの最内層付近で小さく、それ以外の場所では大きくなるように、適切に増減させる必要がある。具体的には、図11及び図12に示した磁場分布及び巻線順序の場合、超電導線が図13のような銅比分布を有していれば、MQEはほぼ一定となる。このような銅比分布を有する超電導線は、実施の形態4及び5に記載の方法によって実現される。 At this time, in order to use a superconducting wire having an appropriate performance according to the magnetic field strength at each position in the coil and to minimize the amount of expensive NbTi used, the copper ratio of the superconducting wire is set to the value of each coil. It is necessary to increase or decrease appropriately so that it is small near the innermost layer and large at other places. Specifically, in the case of the magnetic field distribution and winding sequence shown in FIGS. 11 and 12, if the superconducting wire has a copper ratio distribution as shown in FIG. 13, the MQE is substantially constant. A superconducting wire having such a copper ratio distribution is realized by the method described in the fourth and fifth embodiments.
図13に示した銅比分布の超電導線を用いて図8の電磁石装置のミドルコイルを製造したときのコストを、全て銅比4の超電導線で同じコイルを製造した場合と比較する。図13の銅比分布では、銅比の平均値は約6.2となるため、NbTiの使用量は約69%に抑えられる。このときCuの使用量は約1.6倍となるが、NbTiの単位体積あたりの価格はCuに比べて約14倍高いことから、本実施例では、全て銅比4の線材を使用してミドルコイルを製造する従来の場合に比べ、超電導線の素材に係る費用を約28%低減することができる。 The cost when the middle coil of the electromagnet device of FIG. 8 is manufactured using the superconducting wire with the copper ratio distribution shown in FIG. 13 is compared with the case where the same coil is manufactured with all the superconducting wires having a copper ratio of 4. In the copper ratio distribution of FIG. 13, since the average value of the copper ratio is about 6.2, the amount of NbTi used is suppressed to about 69%. At this time, the amount of Cu used is about 1.6 times, but the price per unit volume of NbTi is about 14 times higher than that of Cu. Therefore, in this example, all wires with a copper ratio of 4 are used. Compared to the conventional case of manufacturing a middle coil, the cost of the superconducting wire material can be reduced by about 28%.
1 Cu被覆NbTi合金単心線
2、22、42 大径のCuパイプ
3、23、43 先端部材
4、24、44 後端部材
5、25、、45 押出し用複合ビレット
6、26、36、56 Cuパイプ
7、27、37、57 NbTi棒
8、28、38、58 Nbシート
11、211、311、511 引抜き前の超電導単心線
65a、65b サイドコイル
62、63a、63b、64a、64b ミドルコイル
65a、65b シールドコイル
66 クライオスタット
67 磁場均一空間
68 超電導線
1 Cu-coated NbTi alloy
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JP2005368017A JP2007172978A (en) | 2005-12-21 | 2005-12-21 | Superconductive electric wire, method for manufacturing same, and superconductive electromagnet device |
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