JP2009141255A

JP2009141255A - 超電導電磁石

Info

Publication number: JP2009141255A
Application number: JP2007318356A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Yoshikawa; 正敏吉川; Osamu Ozaki; 修尾崎
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2009-06-25

Abstract

【課題】クエンチが発生した場合でも破損することなく確実に保護し、且つ、均一な磁場を極めて安定に保つことができる超電導電磁石を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の超電導電磁石は、超電導メインコイル１１と、複数の超電導サブコイル２０と、コイルに対して並列に接続される保護素子３０と、を備え、複数の超電導サブコイル２０は、超電導メインコイル１１における中心軸Ｃ方向の中心位置Ｃ０に対して対称となる位置に配置される複数の対称配置コイル２２，２４を含み、対称配置コイル２２，２４が径方向に分割され、そのうち互いに径方向位置が同一の分割コイル同士２２ａ，２４ａ又は２２ｂ，２４ｂが直列に接続されると共にこの直列に接続された分割コイル群２２ａ，２４ａ又は２２ｂ，２４ｂに対して共通の保護素子３０が並列に接続されることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、超電導線材で構成された超電導コイルに電流が流されることで磁場が形成される超電導電磁石に関するもので、特に、核磁気共鳴（ＮＭＲ）や核磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）等の高均一、高安定な磁場を発生する超電導電磁石に関する。

超電導線材で構成されるソレノイドコイル（超電導コイル）に電流が流されることで磁場が形成される超電導電磁石においてクエンチが発生した場合、当該超電導コイルに蓄えられていた過大な磁場エネルギーが常電導状態に転移した超電導コイル内で消費される。その際、超電導コイルの前記エネルギーの消費に起因した発熱によって、当該超電導電磁石が破損する場合がある。

そこで、クエンチ発生時における前記発熱から超電導電磁石を保護するために特許文献１に記載されるような超電導電磁石が知られている。

この超電導電磁石では、超電導コイルが複数の単位コイルに分割され、これらの分割された各単位コイルが直列に接続されると共に各単位コイルに抵抗やダイオード等のクエンチ保護用素子が並列に接続されている。

このように構成される超電導電磁石では、いずれかの単位コイルにクエンチが発生しても、当該単位コイルに蓄積されていた前記エネルギーは、並列に接続されたクエンチ保護用素子によって消費される。そのため、クエンチが発生した単位コイル内での前記エネルギーの消費が抑制され、即ち、発熱が抑制されて当該単位コイルの保護が図られる。
特開昭６１−７４３０８号公報

前記の超電導電磁石では、単位コイルとこの単位コイルに並列に接続されたクエンチ保護用素子とで保護回路、即ち、閉回路が形成されている。そのため、超電導コイルが複数の単位コイルに分割された前記の超電導電磁石においては複数の閉回路（保護回路）が形成されている。

これらの各閉回路では、地磁気や他の装置等により前記超電導電磁石の周辺の磁場が変動した場合に当該閉回路内の磁束の変化に伴って電流（誘導電流）が誘導される。当該単位コイルにおいてはそのインダクタンスが非常に大きいが抵抗がゼロであるため、この単位コイルを含む前記閉回路で前記誘導された電流がゆっくりと減衰する。

前記超電導電磁石には複数の閉回路が形成されており、前記周辺の磁場が変動した場合に各閉回路における磁束の変化は同一ではない。そのため、前記誘導電流の電流値及びそれが減衰する時定数が閉回路毎に異なり単位コイルを流れる電流値がそれぞれ異なった状態となる。その結果、前記分割された各単位コイルが形成する磁場の大きさがそれぞれ異なったものとなり、均一な磁場を安定に保つことができないといった問題が生じていた。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、クエンチが発生した場合でも破損することなく確実に保護し、且つ、均一な磁場を極めて安定に保つことができる超電導電磁石を提供することを課題とする。

そこで、上記課題を解消すべく、本発明者らによって、超電導コイルにおける中心軸方向の中心位置に対し、対称に配置された単位コイル同士を接続した対称コイル群を有する超電導電磁石が考えられた。この超電導電磁石では、超電導コイルが中心軸方向に分割されて複数の単位コイルが形成され、これらの単位コイルが前記中心軸方向の中心位置に対して対称となる位置にそれぞれ配置される。このように対称配置された単位コイル同士が直列に接続されて対称コイル群が形成され、この対称コイル群に対して共通の保護素子が並列に接続されて保護回路（閉回路）が構成されている。

しかし、このような構成とすると、電流が流されたときに前記対称コイル群に蓄積される磁場エネルギーが大きくなった場合に、この対称コイル群を構成する一つの単位コイルにクエンチが発生すると当該対称コイル群を構成する各単位コイルを前記蓄積されたエネルギーの消費に起因した発熱から保護することができなくなる。そのため、前記周辺の磁場の変動の前後で磁場の均一性を保ちつつ、超電導コイルをクエンチから効果的に保護することができる超電導電磁石は設計上、極めて困難であった。

そこで、本発明者らが鋭意研究した結果、以下の構成の超電導電磁石を創作することにより上記課題を解消した。

本発明に係る超電導電磁石は、超電導線材で構成される超電導コイルを複数備え、これらの超電導コイル同士が互いに接続されて電流が流されることで磁場を形成する超電導電磁石において、円筒状の超電導メインコイルと、前記超電導メインコイルの中心軸と同軸となるように当該超電導メインコイルの外側又は内側の少なくとも一方に配置され且つ前記中心軸方向に沿って配置される複数の超電導サブコイルと、前記超電導メインコイル及び超電導サブコイルに対して並列に接続される保護素子と、を備え、前記複数の超電導サブコイルは、前記超電導メインコイルにおける中心軸方向の中心位置に対して対称となる位置に配置される複数の対称配置コイルを含み、前記対称配置コイルが径方向に分割され、そのうち互いに径方向位置が同一の分割コイル同士が直列に接続されると共にこの直列に接続された分割コイル群に対して共通の保護素子が並列に接続されることを特徴とする。

かかる構成によれば、直列に接続された前記対称配置の分割コイル群と、当該分割コイル群に対して並列に接続される共通の保護素子とで一つの保護回路、即ち、一つの閉回路が構成されている。そのため、当該超電導電磁石の周辺の磁場が変動した場合でも、前記対称に配置された各分割コイル群に流れる電流値は、常に同一となる。その結果、当該分割コイル群によって形成される磁場の傾きが前記周辺の磁場の変動の前後で変化することがなく、超電導電磁石が形成する均一な磁場を前記周辺の磁場の変動の前後において保つことができる。

しかも、上記構成のように各対称配置コイルがそれぞれ径方向に分割されてコイル群が形成されているため、電流が流された際に分割コイル群毎に蓄積される磁場エネルギーを効果的に小さくすることができる。そのため、前記分割コイル群のうちの一つの分割コイルにクエンチが発生しても、当該分割コイル群に蓄積された前記エネルギーが並列に接続された共通の保護素子によって十分に消費される。その結果、発熱による各分割コイルの損傷を抑制することができる。

本発明に係る超電導電磁石においては前記中心軸方向において同一位置の各分割コイルは、共通の巻き枠に設けられる構成が好ましい。

かかる構成とすることで、共通の巻き枠に対し、順次外側に超電導線材を巻き付けて超電導コイルを形成するだけで、分割コイルが容易に形成される。また、分割コイル毎に巻き枠が必要でないことから巻き枠の個数を減らすことができ、コスト削減が図られる。

前記径方向に並ぶ各分割コイル群がそれぞれ１本の超電導線材で構成されるのが好ましい。

かかる構成によれば、同一分割コイル群における直列に接続された分割コイル同士の接続点を無くすことができ、各分割コイル群における内部抵抗がより小さくなり、安定した磁場を実現することができる。

特に、ＮＭＲ等の高安定な磁場が必要とされる装置では、接続点の抵抗をできるだけ小さくする必要があるため、超電導線材の接続には特殊な技術が必要となる。従って、接続点をなくすことは、作業性や経済性の観点から有利である。

前記複数の超電導サブコイルは、前記超電導メインコイルが形成する磁場を補正するための補正コイルを含み、前記補正コイルは、前記複数の対称配置コイルを含むことが好ましい。かかる構成とすることで、前記超電導メインコイルによって形成される磁場が当該補正コイルによって補正されて均一な磁場の形成が容易になる。

また、前記補正コイルにおいても、前記同様、分割コイル群が形成されるため、当該分割コイル群によって形成される磁場の傾きが前記周辺の磁場の変動の前後で変化することがなく、超電導電磁石が形成する前記均一な磁場を前記周辺の磁場の変動の前後において保つことができる。また、前記分割コイル群のうちの一つの分割コイルにクエンチが発生しても、当該分割コイル群に蓄積された前記エネルギーが並列に接続された共通の保護素子によって十分に消費され、発熱による各分割コイルの損傷を抑制することができる。

前記複数の超電導サブコイルは、その内側で形成された磁場の外部への漏洩を防止するためのシールドコイルを含み、前記シールドコイルは、前記複数の対称配置コイルを含んでもよい。かかる構成とすることで、当該シールドコイルの内側に配置される超伝導メインコイル及び前記シールドコイルを除く超電導サブコイルの形成する磁場の外部への漏洩を抑制することができる。

また、前記シールドコイルにおいても、前記同様、分割コイル群が形成されるため、当該分割コイル群によって形成される磁場の傾きが前記周辺の磁場の変動の前後で変化することがなく、超電導電磁石が形成する前記均一な磁場を前記周辺の磁場の変動の前後において保つことができる。また、前記分割コイル群のうちの一つの分割コイルにクエンチが発生しても、当該分割コイル群に蓄積された前記エネルギーが並列に接続された共通の保護素子によって十分に消費され、発熱による各分割コイルの損傷を抑制することができる。

以上より、本発明によれば、クエンチが発生した場合でも破損することなく確実に保護し、且つ、均一な磁場を極めて安定に保つことができる超電導電磁石を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

本実施形態に係る超電導電磁石は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）や核磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）等の高均一、高安定な磁場を発生するもので、超電導線材で構成される超電導コイル（以下、単に「コイル」とも称する。）を複数備え、これらのコイル同士が互いに接続されている。

具体的には、図１及び図２に示されるように、超電導電磁石１０は、メインコイル１１と、複数の補正コイル（サブコイル）２０と、シールドコイル２６，２７と、メインコイル１１、複数の補正コイル２０及びシールドコイル２６，２７を構成するコイルに対して並列に接続される複数の保護素子３０とで構成されている。

メインコイル１１は、主磁場を発生させるためのコイルであり、巻き枠（図示せず）に沿って超電導線材を円筒状に巻回することで形成された、いわゆるソレノイドコイルである。このメインコイル１１は、当該メインコイル１１の径方向（図１においては左右方向）に複数の分割メインコイル１２，１２，…に分割されている。本実施形態においては、メインコイル１１は、３つの分割メインコイル１２ａ乃至１２ｃに分割されている。これら３つの分割メインコイル１２ａ乃至１２ｃは、それぞれの中心軸が同軸となるように配置され、当該メインコイル１１の中心軸Ｃ側から順に第１分割メインコイル１２ａ、第２分割メインコイル１２ｂ及び第３分割メインコイル１２ｃである。これら第１乃至第３分割メインコイルは、直列に接続されている（図２参照）。

尚、メインコイル１１は、本実施形態においては３つに分割されているが、これに限定される必要はない。即ち、メインコイル１１にクエンチが発生した際に、蓄積された電磁エネルギーが小さく当該メインコイル１１が損傷しなければ分割しなくてもよい。また、２つや４つ以上に分割して各分割メインコイル１２に蓄積される電磁エネルギーの大きさを前記クエンチの際に当該分割メインコイル１２が損傷しない程度に抑制してもよい。

詳細には、メインコイル１１は、ＮｂＴｉ超電導導体で形成された線材（超電導線材）で構成され、内径が５０ｍｍ、外径が９６ｍｍ、中心軸Ｃ方向の長さが１５０ｍｍとなるように形成されている。尚、各分割メインコイル１２を構成する超電導線材は、全て同一（材質、線材の直径等）の超電導線材によって形成されてもよく、それぞれ異なる超電導線材によって形成されていてもよい。また、本実施形態においては、メインコイル１１、複数のサブコイル２０及びシールドコイル２６，２７の各コイルを構成する超電導線材が全て前記のＮｂＴｉ超電導導体で形成されているが、コイル毎に異なる超電導導体で形成された超電導線材で構成されてもよい。例えば、Ｎｂ_３Ｓｎ、Ｎｂ_３Ａｌ、ＭｇＢ_２等である。

複数の補正コイル（補正コイル群）２０は、メインコイル１１が形成した磁場を補正するためのコイルであり、メインコイル１１の外側に設けられた巻き枠（図示せず）に沿って超電導線材を捲回することで形成された、いわゆるソレノイドコイルである。

この補正コイル群２０を構成する各補正コイル２１乃至２５は、メインコイル１１が形成した磁場を補正して、メインコイル１１の内側に中心軸Ｃ方向の高均一な磁場を形成するためのコイルである。

補正コイル群２０はメインコイル１１の中心軸Ｃ方向に沿って各補正コイル２１，２２，…が複数配置されることで構成されている。具体的には、メインコイル１１の中心軸Ｃと同軸となるように当該メインコイル１１の径方向外側で且つ中心軸Ｃ方向に沿って配置されている。本実施形態において、補正コイル群２０は、メインコイル１１の中心軸Ｃ方向の一端側（図１においては上端側）から順に第１から第５の５つの補正コイル２１乃至２５が配置されている。

これら５つの補正コイル２１乃至２５は、中心軸Ｃ方向の中心位置Ｃ０に対して対称となる位置に配置されている。即ち、中心軸Ｃ方向の中心位置Ｃ０に配置された第３補正コイル２３を中心にして、当該第３補正コイル２３を挟むように第２補正コイル２２と第４補正コイル２４とが対称に配置され、さらに中心軸Ｃ方向外側に第１補正コイル２１と第５補正コイル２５とが対称に配置されている。

尚、補正コイル群２０は、前記のようにメインコイル１１のみでは形成し難い中心軸Ｃ方向に均一な磁場を得るために、メインコイル１１が形成する磁場を補正するために配置されるコイルである。しかし、中心軸Ｃ方向に高均一な磁場を形成することに限定される必要ななく、中心軸Ｃに沿って一定の傾斜を持った磁場等の超電導電磁石１０の使用者における所望の磁場を高精度に実現するために用いられるコイルであればよい。

従って、本実施形態のようにメインコイル１１の径方向の外側にのみ配置される必要はなく、内側に配置されてもよく、外側と内側の両方に配置されてもよい。また、配置される数は、５つに限定されず、メインコイル１１が形成する磁場を補正して前記必要な磁場を得ることができれば、４つ以下であってもよく、６つ以上であってもよい。

さらには、本実施形態のように、全ての補正コイル２０が中心軸Ｃ方向の中心位置Ｃ０に対して対称となる位置に配置される必要もない。即ち、複数の補正コイル２０は、前記必要な磁場を得ることができ、且つ後述する対称配置コイル２２，２４を複数含んでいれば、全ての補正コイル２０が前記対称となる位置に配置される必要はない。

第２及び第４補正コイル２２，２４は、前記径方向に互いに同数で分割され、各補正コイル２２，２４において複数の分割コイル２２ａ，２２ｂ又は２４ａ，２４ｂが形成されている。この複数の分割コイル２２ａ，２２ｂ（又は２４ａ，２４ｂ）は、中心軸Ｃ方向において同一位置に、且つ共通の中心軸Ｃを有するように形成されたコイルで、内側に形成された分割コイル２２ａの外周面と外側に形成された分割コイル２２ｂの内周面とが接するように、それぞれの内径と外径とが規定されている。本実施形態においては、それぞれ径方向内側の第２（又は第４）内側分割コイル２２ａ（又は２４ａ）と径方向外側の第２（又は第４）外側分割コイル２２ｂ（又は２４ｂ）とに分割されている。即ち、この第２（又は第４）補正コイル２２（又は２４）は、共通の巻き枠に径方向内側から第２（又は第４）内側分割コイル２２ａ（又は２４ａ）と第２（又は第４）外側分割コイル２２ｂ（又は２４ｂ）とが順に形成（分割）されている。

尚、以下において、このように中心位置Ｃ０に対して対称となる位置に配置され、且つ径方向に分割されている補正コイル（第２及び第４補正コイル）２２，２４を対称配置コイル（第２及び第４対称配置コイル）２２，２４とも称する。

分割コイル２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂのうち、径方向位置が同一の分割コイル同士が直列に接続されて分割コイル群を形成している。即ち、第２内側分割コイル２２ａと第４内側分割コイル２４ａとが直列に接続されて内側分割コイル群が形成され、第２外側分割コイル２２ｂと第４外側分割コイル２４ｂとが直列に接続されて外側分割コイル群が形成されている。

本実施形態においては、各分割コイル群は、それぞれ１本の超電導線材で構成されている。即ち、１本の超電導線材が巻き枠に巻回されて、まず、第２内側分割コイル２２ａが形成され、その後、第２内側分割コイル２２ａを形成した超電導線材が第４内側分割コイル２４ａを形成する巻き枠まで導かれ、当該巻き枠に巻回されて第４内側分割コイル２４ａが形成される。その後、第２内側分割コイル２２ａと共通の巻き枠において、当該第２内側分割コイル２２ａの外側に超電導線材が巻き付けられて第２外側分割コイル２２ｂが形成され、その後、第２外側分割コイル２２ｂを形成した超電導線材が第４内側分割コイル２４ａが形成された巻き枠まで導かれ、その外側に巻回されて第４内側分割コイル２４ａの外側に第４外側分割コイル２４ｂが形成される。尚、第４内側（又は外側）分割コイル２４ａ（又は２４ｂ）を形成後、第２内側（又は外側）分割コイル２２ａ（又は２２ｂ）を形成するようにしてもよい。

このように、各分割コイル群をそれぞれ１本の超電導線材で構成することで、同一分割コイル群における直列に接続された分割コイル同士２２ａ，２４ａ又は２２ｂ，２４ｂの接続点を無くすことができ、各分割コイル群における内部抵抗がより小さくなる。そのため、安定した磁場を実現（形成）することができる。また、各内側分割コイル２２ａ，２４ａと外側分割コイル２２ｂ，２４ｂとを共通の巻き枠に対し、順次外側に超電導線材を巻き付けて形成するだけで、径方向に並ぶ分割コイルが容易に形成される。即ち、巻き枠構造を変更することなく容易に径方向に分割されたコイルを形成することができる。

補正コイル群２０を構成する各補正コイル２１乃至２５について詳細に説明する。第１補正コイル２１は、中心軸がメインコイル１１の中心軸Ｃと一致し、且つ第１補正コイルの中心位置Ｃ１が中心位置Ｃ０からメインコイル１１の前記一端側へ最も離れたところに位置するように配置されている。

第２補正コイル（第２対称配置コイル）２２は、中心軸がメインコイルの中心軸Ｃと一致し、且つ第２サブコイル２２の中心位置Ｃ２が中心位置Ｃ０と第１補正コイルの中心位置Ｃ１との中間に位置するように配置されている。

第３補正コイル２３は、その中心軸がメインコイル１１の中心軸Ｃと一致し、且つ第３補正コイル２３の中心位置Ｃ３が中心位置Ｃ０と一致するように配置されている。

第４補正コイル（第４対称配置コイル）２４は、その中心軸がメインコイル１１の中心軸Ｃと一致し、且つ第４補正コイル２４の中心位置Ｃ４が中心位置Ｃ０からメインコイルの他端側（図１においては下端側）へ前記中心位置Ｃ０から中心位置Ｃ２までの距離と等しいところ、即ち、前記中心位置Ｃ０に対して前記中心位置Ｃ２と対称なところに位置するように配置されている。

第５補正コイル２５は、その中心軸がメインコイル１１の中心軸Ｃと一致し、且つ第５補正コイル２５の中心位置Ｃ５が中心位置Ｃ０からメインコイルの前記他端側へ前記中心位置Ｃ０から中心位置Ｃ１までの距離と等しいところ、即ち、前記中心位置Ｃ０に対して前記中心位置Ｃ１と対称なところに位置するように配置されている。

シールドコイル（サブコイル）２６，２７は、内側に配置されるメインコイル１１や補正コイル（他のサブコイル）の形成する磁場の外部への漏洩を抑制するためのコイルである。シールドコイル２６，２７は、それぞれ同径の円筒状に形成されたソレノイドコイルで、メインコイル１１の中心軸Ｃと同軸となるように配置されている。これらシールドコイル２６，２７は、設計上の都合で中心軸方向に離間するように配置されている。

このようなシールドコイル２６，２７においても、中心位置Ｃ０に対して中心軸Ｃ方向に対称な位置に配置されたシールドコイル（対称配置コイル）２６，２７を径方向に互いに同数で分割し、互いに径方向位置が同一の分割シールドコイル同士（内側分割シールドコイル同士２６ａ，２７ａ又は外側分割シールドコイル同士２６ｂ，２７ｂ）が直列に接続される。尚、シールドコイル２６，２７においても、前記の第２及び第４対称配置コイル２２，２４同様に、各分割シールドコイル群２６ａ，２７ａ又は２６ｂ、２７ｂが共通の超電導線材で形成されている。また、内側分割シールドコイル２６ａ（又は２７ａ）と外側分割シールドコイル２６ｂ（２７ｂ）とは、共通の巻き枠に形成されている。

以上のように構成されるメインコイル１１、補正コイル群２０及びシールドコイル２６，２７の各コイルは、直列に接続されている（図２参照）。例えば、本実施形態においては、前述のように第１乃至第３分割メインコイル１２ａ乃至１２ｃが順に直列に接続され、次に、第１補正コイル２１、第３補正コイル２３及び第５補正コイル２５が順に直列に接続され、次に、内側分割コイル群（第２内側分割コイル２２ａ及び第４内側分割コイル２４ａ）及び外側分割コイル群（第２外側分割コイル２２ｂ及び第４外側分割コイル２４ｂ）が順に直列に接続され、次に、内側分割シールドコイル群２６ａ，２７ａが直列に接続され、次に、外側分割シールドコイル群２６ｂ，２７ｂが直列に接続されている。

このように直列に接続されたコイルに対して複数の保護素子３０がそれぞれ並列となるように接続されている。具体的には、本実施形態において、保護素子３０は、第１乃至第３分割メインコイル１２ａ乃至１２ｃにそれぞれ並列に設けられ、第１、第３及び第５補正コイル２１，２３，２５に対して並列に１つ設けられ、内側分割コイル群２２ａ，２４ａに対して並列に１つ設けられ、外側分割コイル群２２ｂ，２４ｂに対して並列に１つ設けられ、内側分割シールドコイル群２６ａ，２７ａに対して１つ並列に設けられ、外側分割シールドコイル群２６ｂ，２７ｂに対して１つ設けられている。

このように接続される保護素子３０は、コイルに並列に接続されることで閉回路（クエンチ保護回路）を形成し、当該コイルにクエンチが発生した際に前記コイルに蓄積されていた磁場エネルギーを消費することで前記コイルを発熱等による損傷から保護するためのものである。本実施形態において、保護素子３０は抵抗で構成されているが、これに限定される必要はなく、ダイオードやサイリスタ等であってもよい。即ち、保護素子３０は、対応するコイルにクエンチが発生した際に、当該コイルと保護素子３０とで構成される閉回路内を流れる電流を減衰させ、且つ超電導状態でコイル内に蓄積された電磁エネルギーをクエンチ発生時に消費できるものであればよい。尚、本実施形態において、保護素子３０は、１つの閉回路に対して１つ設けられているが、複数個設けられてもよい。

このように構成される超電導電磁石１０は、液体ヘリウム中で冷却される。そうすると、各コイルを構成する超電導線材が超電導状態となり、電気抵抗が実質的にゼロとなる。この状態で、各コイル（メインコイル１１、補正コイル群２０及びシールドコイル２６，２７）に電流を流すことで、図３に示されるような、メインコイル１１の内部にＣ軸に沿った向きの磁場強度の大きな磁場が安定して形成される。このとき、各コイルは前記のように内部抵抗が実質的にゼロとなるので、各コイルに並列に接続された保護素子３０に電流が流れることなく、各コイルのみに電流が流れて前記磁場が形成されている。前記磁場は、メインコイル１１によって形成される磁場と補正コイル群２０が形成する磁場との合成磁場であり、前記のようにメインコイル１１内部においては中心軸Ｃ方向に高均一な磁場である。

このとき、超電導電磁石１０の外部においては、シールドコイル２６，２７が形成した磁場により、メインコイル１１及び補正コイル群２０によって形成された磁場が打ち消される。そのため、超電導電磁石１０で形成された磁場がその外部に漏洩しない。

このような高均一な磁場が形成された状態で、当該超電導電磁石１０の周辺の磁場が変動した場合、各閉回路（コイルと当該コイルに並列に接続された保護素子３０とで構成される閉回路）内の磁束の量が変化してそれぞれ誘導電流が誘導される。この誘導電流は、前記各閉回路における磁束の変化が同一ではないため、前記誘導電流の電流値及びそれが減衰する時定数が閉回路毎に異なり各コイルを流れる電流値がそれぞれ異なった状態となる。

しかし、中心位置Ｃ０に対して中心軸Ｃ方向に対称に配置されるコイル同士が直列に接続されるように各閉回路が形成されているため、前記対称に配置されるコイルに流れる電流値がそれぞれ等しくなる。そのため、これらコイルによって形成される磁場の傾きが前記周辺の磁場の変動の前後で変化することがなく、超電導電磁石１０が形成する前記均一な磁場を前記周辺の磁場の変動の前後において保つことができる。

即ち、従来のような中心軸方向に配置（分割）された単位コイル同士が直列に接続され、単位コイル毎に保護素子が並列に接続されて閉回路が形成された超電導電磁石では、前記のように、周辺の磁場の変動による誘導電流により単位コイル毎に流れる電流値が異なった状態となる。そうすると、各コイルが形成する磁場の大きさがそれぞれ異なった状態となり、前記従来の超電導電磁石においては均一な磁場を安定に保つことができない。これに対し、本実施形態に係る超電導電磁石１０のように、中心軸Ｃ方向に対称に配置された対称配置コイル２２，２４において、これら対称配置コイル２２，２４を径方向に分割して形成された内側又は外側分割コイル群２２ａ，２４ａ又は２２ｂ，２４ｂ毎に保護素子が並列に接続されて閉回路が形成されるようにすることで、超電導電磁石１０が形成する前記均一な磁場を前記周辺の磁場の変動の前後において極めて安定に保つことができる。

しかも、上記構成のように各対称配置コイル２２，２４がそれぞれ径方向に並ぶ複数の分割コイル２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂに分割されて分割コイル群（内側分割コイル群２２ａ，２４ａ及び外側分割コイル群２２ｂ，２４ｂ）が形成されているため、電流が流された際に分割コイル群毎に蓄積される磁場エネルギーを効果的に小さくすることができる。そのため、前記分割コイル群のうちの一つの分割コイルにクエンチが発生しても、当該分割コイル群に蓄積された前記磁場エネルギーが並列に接続された共通の保護素子３０によって十分に消費される。

また、シールドコイル２６，２７は、最も外側に配置されるコイルであるため大きなコイルが用いられるため、蓄積される前記磁場エネルギーも大きくなる。このシールドコイル２６，２７においても、それぞれ径方向に互いに同数で分割されることで各シールドコイル２６，２７において複数の分割シールドコイル２６ａ，２６ｂ（又は２７ａ，２７ｂ）が形成され、これら複数の分割シールドコイル２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂのうち互いに径方向位置が同一の分割シールコイル同士が直列に接続されて分割シールドコイル群（内側分割シールドコイル群２６ａ，２７ａ及び外側分割シールドコイル群２６ｂ，２７ｂ）が形成されている。そのため、前記同様、当該分割シールドコイル群２６ａ，２７ａ又は２６ｂ，２７ｂのうちの一つの分割シールドコイルにクエンチが発生しても、前記磁場エネルギーが並列に接続された共通の保護素子３０によって十分に消費される。

その結果、発熱による分割コイル群及び分割シールドコイル群を構成する各分割コイル又は各分割シールドコイルの損傷を抑制することができる。

具体的には、例えば、第２内側分割コイル２２ａにクエンチが発生した場合、当該第２内側分割コイル２２ａの抵抗が大きくなり、第２内側分割コイル２２ａ及び第４内側分割コイル２４ａに流れていた電流がこれら分割コイル２２ａ，２４ａに並列に接続された保護素子３０を流れる。それと同時に、第２内側分割コイル２２ａ及び第４内側分割コイル２４ａ内に蓄積された磁場エネルギーが前記分割コイル２２ａ，２４ａと保護素子３０とで構成される閉回路（クエンチ保護回路）内をループ電流として流れ、その際、保護素子（抵抗）３０によって消費される。このように、コイルに蓄積された磁場エネルギーが保護素子３０で消費されることで、当該閉回路内のコイル（第２及び第４内側分割コイル２２ａ，２４ａ）で消費されることが回避される。そのため、コイルで前記エネルギーが消費されて発生する熱等から前記コイルが保護される。

本発明に係る実施例及び比較例について、その効果を検証するためのシミュレーションが行われた。このシミュレーションにおいては、各コイルの電流値を変化させた場合の磁場変化等をコンピュータ等での計算により求めている。前記各例の内容は次のとおりである。

このシミュレーションに用いられるモデルとして、本発明の実施例としては、上記実施形態に係る超電導電磁石１０を用い、比較例としては、図４及び図５に示される超電導電磁石１００を用いた。具体的には、比較例に係る超電導電磁石１００は、前記実施例の第２及び第４補正コイル２２，２４を径方向に分割せずにそれぞれ一つの補正コイル１２２，１２４として構成し、他の第１補正コイル１２１，第３補正コイル１２３，第５補正コイル１２５及びメインコイル１１１（第１乃至第３分割メインコイル１１２ａ乃至１１２ｃ）は同一のコイルで構成されたものである。また、前記実施例同様に、各コイルには保護素子１３０がそれぞれ並列に接続されて閉回路（クエンチ保護回路）が構成されている。但し、第２及び第４補正コイル１２２，１２４が径方向に分割されていないため、それぞれに保護素子１３０が並列に接続されて閉回路が構成されている点につき前記実施例とは相違している。

上記実施例に係る超電導電磁石の各コイルの緒元を表１に示し、比較例に係る超電導電磁石の各コイルの緒元を表２に示す。

上記各表において、コイル中心位置の数字は、中心軸Ｃに沿って図１又は図４における上側への距離をプラス、下側への距離をマイナスとして表している。また、総巻数は、図１又は図４において上側からコイルを見た場合に、反時計回りに超電導線材を巻回した回数をプラス、時計回りに超電導線材を巻回した回数をマイナスで表している。

前記シミュレーションにおいて、比較例に係る超電導電磁石１００に１２０Ａの電流を通電すると、中心軸Ｃの中心位置Ｃ０において５Ｔの磁場が発生した。定常状態においては、中心位置Ｃ０から中心軸Ｃ方向に沿って１ｍｍ離れた位置での磁場偏差が０．０１ｐｐｍと極めて高均一な磁場が形成されている。この状態で超電導電磁石１００の周辺の磁場を変動させた場合について計算を行った。

その結果、各コイルと保護素子とで構成される閉回路（クエンチ保護回路）に電流（誘導電流）が誘導され、第１分割メインコイル１１２ａに流れる電流値が０．１％変化した場合には、前記１ｍｍ離れた位置での磁場偏差は０．０３ｐｐｍとなった。同様に、第２分割メインコイル１１２ｂに流れる電流値が０．１％変化した場合には０．０３ｐｐｍ、第３分割メインコイル１１２ｃに流れる電流値が０．１％変化した場合には０．０２ｐｐｍ、第１，第３及び第５補正コイル１２１，１２３，１２５に流れる電流値が０．１％変化した場合には０．１２ｐｐｍとなった。そして、第２補正コイル１２２に流れる電流値が０．１％変化した場合には７．１ｐｐｍとなり、第４補正コイル１２４に流れる電流値が０．１％変化した場合には７．１ｐｐｍとなった。

このように、中心位置Ｃ０に対して対称に配置される第２及び第４補正コイル１２２，１２４が個別に保護素子１３０を並列に接続されて閉回路が形成された超電導電磁石１００においては、周辺磁場の変動によって各コイルを流れる電流値が僅かに変化した場合でも静磁場均一性が著しく乱される結果となった。

これに対し、前記シミュレーションにおいて、実施例に係る超電導電磁石１０に１２０Ａの電流を通電すると、中心軸Ｃの中心位置Ｃ０において５Ｔの磁場が発生した。定常状態においては、中心位置Ｃ０から中心軸Ｃ方向に沿って１ｍｍ離れた位置での磁場偏差は、比較例に係る超電導電磁石１００同様、０．０１ｐｐｍと極めて高均一な磁場が形成されている。この状態で超電導電磁石１０の周辺の磁場を変動させた場合について計算を行った。

その結果、各コイルと保護素子とで構成される閉回路に誘導電流が誘導され、比較例同様、第１分割メインコイル１２ａに流れる電流値が０．１％変化した場合には、前記１ｍｍ離れた位置での磁場偏差は０．０３ｐｐｍとなった。同様に、第２分割メインコイル１２ｂに流れる電流値が０．１％変化した場合には０．０３ｐｐｍ、第３分割メインコイル１２ｃに流れる電流値が０．１％変化した場合には０．０２ｐｐｍ、第１，第３及び第５補正コイル２１，２３，２５に流れる電流値が０．１％変化した場合には０．１２ｐｐｍとなった。そして、第２内側分割コイル２２ａと第４内側分割コイル２４ａとに流れる電流値が０．１％変化した場合には０．０４ｐｐｍ、第２外側分割コイル２２ｂと第４外側分割コイル２４ｂとに流れる電流値が０．１％変化した場合には０．０１ｐｐｍとなった。

このように、対称配置コイル２２，２４が径方向に分割されて分割コイル群が形成された超電導電磁石１０においては、周辺磁場の変動によって各コイルを流れる電流値が僅かに変化した場合に静磁場の均一性が乱されることなく、極めて高い静磁場均一性を実現可能となることが確認できる結果となった。

尚、本発明の超電導電磁石は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施形態においては、サブコイルとして補正コイル及びシールドコイルが配置されているが、どちらか一方だけが配置されていてもよい。また、径方向に互いに同数で分割された複数の対称配置コイルは、補正コイル又はシールドコイルのどちらか一方だけに設けられてもよい。

本実施形態に係る超電導電磁石の概略構成図である。同実施形態に係る超電導電磁石の回路図におけるクエンチ保護回路部分を示す図である。同実施形態に係る超電導電磁石の磁場の状態を示す図である。比較例に係る超電導電磁石の概略構成図である。比較例に係る超電導電磁石の回路図におけるクエンチ保護回路部分を示す図である。

符号の説明

１０超電導電磁石
１１メインコイル
２０複数の補正コイル（補正コイル群）
２２，２４対称配置コイル（補正コイル）
２２ａ第２内側分割コイル
２２ｂ第２外側分割コイル
２４ａ第４内側分割コイル
２４ｂ第４外側分割コイル
３０保護素子

Claims

超電導線材で構成される超電導コイルを複数備え、これらの超電導コイル同士が互いに接続されて電流が流されることで磁場を形成する超電導電磁石において、
円筒状の超電導メインコイルと、
前記超電導メインコイルの中心軸と同軸となるように当該超電導メインコイルの外側又は内側の少なくとも一方に配置され且つ前記中心軸方向に沿って配置される複数の超電導サブコイルと、
前記超電導メインコイル及び超電導サブコイルに対して並列に接続される保護素子と、を備え、
前記複数の超電導サブコイルは、前記超電導メインコイルにおける中心軸方向の中心位置に対して対称となる位置に配置される複数の対称配置コイルを含み、
前記対称配置コイルが径方向に分割され、そのうち互いに径方向位置が同一の分割コイル同士が直列に接続されると共にこの直列に接続された分割コイル群に対して共通の保護素子が並列に接続されることを特徴とする超電導電磁石。
請求項１に記載の超電導電磁石において、
前記中心軸方向において同一位置の各分割コイルは、共通の巻き枠に設けられることを特徴とする超電導電磁石。
請求項１又は２に記載の超電導電磁石において、
前記径方向に並ぶ各分割コイル群がそれぞれ１本の超電導線材で構成されることを特徴とする超電導電磁石。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導電磁石において、
前記複数の超電導サブコイルは、前記超電導メインコイルが形成する磁場を補正するための補正コイルを含み、
前記補正コイルは、前記複数の対称配置コイルを含むことを特徴とする超電導電磁石。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導電磁石において、
前記複数の超電導サブコイルは、その内側で形成された磁場の外部への漏洩を防止するためのシールドコイルを含み、
前記シールドコイルは、前記複数の対称配置コイルを含むことを特徴とする超電導電磁石。