JP2010245261A - 超電導マグネット - Google Patents

Abstract

【課題】径方向において分割された超電導コイルの層間での損傷を抑制する。
【解決手段】超電導マグネット１に係る内層分割コイル３０ａ、３０ｂ、および３０ｃの間には、マイカシート５１を挿入している。よって、これらのコイル同士の間を絶縁できる。したがって、これらのコイルの間に高電圧がかかっても、これらのコイルの損傷を抑制できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、超電導マグネットに関する。本発明は１０Ｔ以上の高磁場を必要とするプロトンの磁気共鳴周波数にて５００ＭＨｚ以上のＮＭＲ（核磁気共鳴、Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）や物性研究に用いる超電導マグネットとして好適なものである。

従来より、ＮＭＲや物性研究などに超電導マグネットが用いられている。この超電導マグネットには、線種が異なる超電導コイルを有するものがある。この種の超電導マグネットには例えば、内層コイルにＮｂ_３Ｓｎ化合物（以下単にＮｂ_３Ｓｎと言う）を用い、外層コイルにＮｂＴｉ合金（以下単にＮｂＴｉと言う）を用いたものがある（以下これらのコイルをＮｂ_３Ｓｎコイル、ＮｂＴｉコイルと言う）。また、この超電導マグネットには、複数の超電導コイルのうち、１つまたは複数のコイルごとに並列に保護素子を接続し、複数のセクションを形成したものがある（このようなセクションは「クエンチ保護セクション」と呼ばれる）。

この超電導マグネットでは、コイルの導体（超電導線）は電磁力を受ける。この電磁力により、導体のすべりが生じ、摩擦発熱が生じる場合がある。この摩擦発熱による熱的な擾乱により、このコイルにはクエンチ（超電導状態から常電導状態へ転移する現象）が生ずる場合がある。このクエンチが生じると、クエンチが生じたコイルの電気抵抗が大きくなる。この電気抵抗の増大により、クエンチが生じたコイルを有するクエンチ保護セクションでは、コイルを流れる電流が減衰する（保護素子を流れる電流は増加する）。この電流の減衰と共に、このセクションの電磁エネルギーは、他のセクションに電磁誘導により転送される。電磁エネルギーが転送されたセクションでは、コイルに流れる電流値が増加する。この電流値の増加により以下に述べる問題が生ずる場合がある。

この超電導コイルの導体は、線種により温度マージン（超電導マグネット使用中の極低温温度からクエンチが生じる臨界温度までの温度差）が異なる。言い換えると臨界電流値が異なる。例えばＮｂＴｉ導体はＮｂ_３Ｓｎ導体と比べて温度マージンが低い。これらの導体を有するＮｂＴｉコイル、およびＮｂ_３Ｓｎコイルは、電磁エネルギーが転送され電流値が増加することで、次のようになる。
ＮｂＴｉコイルでは、直ぐに臨界電流値を上回りクエンチが生じる。クエンチが生じると、上述したように、このコイルを流れる電流はそれ以上増加しない。
一方Ｎｂ_３Ｓｎコイルでは、直ぐには臨界電流値を上回らない。例えば定格電流値の１．５倍から２．５倍程度まで電流値が増加しないとクエンチが生じない。この場合、電磁力（電流に比例する）は通常時の１．５倍から２．５倍になり得る。この電磁力により、Ｎｂ_３Ｓｎ導体は塑性変形を起こす。金属間化合物であり歪に弱いＮｂ_３Ｓｎ化合物は、この塑性変形により超電導特性が劣化する場合がある。

特許文献１には、この問題を回避する電気回路が記載されている。この回路では、Ｎｂ_３Ｓｎコイルの一部とＮｂＴｉコイルの一部を、同一のクエンチ保護セクションに直列に接続している。この回路では次のような動作をする。あるセクションに上述したように電磁エネルギーが転送される。これにより、このセクションのＮｂＴｉコイルにクエンチが生ずる。このクエンチにより、このセクションでは電流がそれ以上増加しない。すなわち、このセクションのＮｂ_３Ｓｎコイルがクエンチを起こさなくても、このＮｂ_３Ｓｎコイルに流れる電流は増加しない。こうしてＮｂ_３Ｓｎコイルが保護される。

特許第３６６７９５４号公報

ところで、特許文献１に記載の電気回路に係る超電導マグネットでは、１つの巻枠体に径方向において複数に分割してＮｂ_３Ｓｎコイルを巻線している。この複数に分割したＮｂ_３Ｓｎコイルそれぞれを、別個の保護セクションに配置している。すなわち、分割されたＮｂ_３Ｓｎコイルは、電気回路上ではセクションごとに切り離されているが、物理的には層間が接している。したがって、クエンチが生じたセクションと、クエンチが生じていないセクションがある場合、分割したＮｂ_３Ｓｎコイルの隣接する層間に高電圧（例えば５００Ｖ以上）がかかる。
分割したＮｂ_３Ｓｎコイルの隣接する層間にこのような高電圧がかかると、Ｎｂ_３Ｓｎコイルが損傷する問題が生じうる。これは以下の理由による。この超電導コイルに用いるＮｂＴｉ導体は、例えばホルマール被覆により絶縁する。一方、Ｎｂ_３Ｓｎ導体は、巻線後に７００℃前後の高温で熱処理して超電導相を生成する必要がある。よって、Ｎｂ_３Ｓｎ導体ではホルマール被覆ができない。そこでＮｂ_３Ｓｎ導体は耐熱性に優れたガラス繊維で被覆する。しかし、このガラス繊維は絶縁性が低い。したがって、分割されたＮｂ_３Ｓｎコイルの隣接する層間に高電圧がかかった場合、この層間でアーク放電などが生じうる。これにより、Ｎｂ_３Ｓｎコイルが損傷する場合がある。

本発明の目的は、径方向において分割された超電導コイルの層間での損傷を抑制できる超電導マグネットを提供することである。

第１の発明に係る超電導マグネットは、第１超電導コイルと、径方向において複数の分割コイル（第２分割コイル）に分割され、前記第１超電導コイルよりも温度マージンの大きい第２超電導コイルと、前記第１超電導コイルおよび前記第２超電導コイルに対して並列に接続され複数のセクションを形成する保護素子と、を備え、前記複数の分割コイルの一部と、前記第１超電導コイルとが、同じセクション内で直列に接続され、物理的には隣接し、異なるセクションに配置された前記分割コイル同士の間に絶縁体が挿入されている。

この超電導マグネットでは、物理的に隣接する分割コイル（第２超電導コイルを構成する分割コイル）同士の間を絶縁できる。したがって、物理的に隣接する分割コイル同士の間に高電圧がかかっても、分割コイルの損傷を抑制できる。

第２の発明に係る超電導マグネットは、第1の発明に係る超電導マグネットにおいて、 前記第1超電導コイルは径方向において複数の分割コイル（第１分割コイル）に分割され、前記第２超電導コイルを構成する複数の分割コイルの一部と、前記第１超電導コイルを構成する複数の分割コイルの一部とが、同じセクション内で直列に接続されていることを特徴としている。

この超電導マグネットでは、第１超電導コイルが径方向において分割されている場合でも、第２超電導コイルを構成する複数の分割コイルの損傷を抑制できる。

第３の発明に係る超電導マグネットは、第１又は第２の発明に係る超電導マグネットにおいて、前記絶縁体はマイカシートであることを特徴としている。

この超電導マグネットでは、第２超電導コイルが巻線後に高温での熱処理を要するコイルであっても、第２超電導コイルを構成する複数の分割コイル同士の間を絶縁しうる。

第４の発明に係る超電導マグネットでは、第１〜第３のいずれかの発明に係る超電導マグネットにおいて、前記第１超電導コイルはＮｂＴｉ合金製のコイルであり、前記第２超電導コイルはＮｂ_３Ｓｎ化合物製のコイルであることを特徴としている。

この超電導マグネットでは、第１超電導コイルがＮｂＴｉ合金製のコイルであり、第２超電導コイルがＮｂ_３Ｓｎ化合物製のコイルである場合でも、第２超電導コイルを構成する複数の分割コイル同士の間を絶縁できる。

第５の発明に係る超電導マグネットでは、第１〜第４のいずれかの発明に係る超電導マグネットにおいて、前記絶縁体は、前記第２超電導コイルを構成する複数の分割コイルの軸方向および周方向の全体にわたって挿入されていることを特徴としている。

この超電導マグネットでは、絶縁体が第２超電導コイルを構成する分割コイルの軸方向または周方向の一部のみ挿入されている場合に比べ、分割コイル同士の間を広く絶縁できる。したがって、分割コイルの損傷をより抑制できる。

以上の説明に述べたように、第１〜第５の発明では第２超電導コイルを構成する分割コイルの損傷を抑制できる。

超電導マグネットを構成する超電導コイルの配置を示す模式断面図である。 図１に示す内層コイルの断面図である。 超電導マグネットを構成する電気回路を示す回路図である。 図１に示す超電導コイルの電位と時間との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る超電導マグネットの実施形態について図面を参照して説明する。

図１は超電導マグネットを構成する超電導コイルの配置を示す模式断面図である。図２は図１に示す内層コイルの断面図である。図３は超電導マグネットを構成する電気回路を示す回路図である。以下、図１〜図３を参照して超電導マグネット１の構成について詳細に説明する。

超電導マグネット１は、例えば１０Ｔ以上の高磁場を必要とするプロトンの磁気共鳴周波数にて５００ＭＨｚ以上のＮＭＲ、および物性研究に用いる。この超電導マグネット１は図１に示す超電導コイル１０、および電気回路４０（図３参照）を有する。

（コイルの配置）
超電導コイル１０は、超電導線３２（図２参照）をソレノイド状に巻いたものである。この超電導線３２に電流を流すことで磁場を発生させる。またこの超電導コイル１０は、断熱真空容器（図示なし）に収容した液体ヘリウム容器（図示なし）などに収容して冷却する。これは超電導線３２（図２参照）を超電導状態にするためである。
また、この超電導コイル１０は、図１に示すように、複数のコイルから構成される。これら複数のコイルは次の形状および配置である。各コイルは、それぞれ巻枠体（図２参照）に巻いたものである。各コイルの形状は筒状である。各コイルは同軸である。各コイルは軸方向Ｚに対して対象に配置する。また、これら複数のコイルは、径方向外側の外層コイル２０、および径方向内側の内層コイル３０から構成される。

外層コイル２０（第１超電導コイル）は、超電導コイル１０の径方向外側に配置するコイルである（以下、超電導コイル１０の径方向外側を「外層側」、径方向内側を「内層側」などと呼ぶ）。この外層コイル２０はＮｂＴｉ合金製である。この外層コイル２０の超電導線３２（図２参照）はホールマルで被覆する。また、この外層コイル２０は、内層側から順に、外層内側メインコイル２１、外層外側メインコイル２２、補正コイル２３、およびシールドコイル２４を有する。

外層内側メインコイル２１は、外層コイル２０の最も内側に配置したコイルである。この外層内側メインコイル２１は径方向において分割される。内層側から順に、外層内側分割コイル２１ａ、２１ｂ、および２１ｃ（第１超電導コイルを構成する分割コイル）を有する。これらのコイルの形状および配置は次の通りである。各コイルは径方向に接する。各コイルの軸方向の両端部は揃う。外層内側分割コイル２１ｂの径方向の長さ（以下、コイルの径方向の長さを「厚さ」と言う）は外層内側分割コイル２１ａの厚さの約２倍である。外層内側分割コイル２１ｃの厚さは外層内側分割コイル２１ａの厚さの約３倍である。すなわち、外層内側分割コイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃでは、それぞれ巻き数が異なる。

外層外側メインコイル２２は、外層内側メインコイル２１の外層側に配置したコイルである。この外層外側メインコイル２２は次のような形状および配置である。厚さは、外層内側メインコイル２１の厚さとほぼ同一である。軸方向両端部は、外層内側メインコイル２１の軸方向両端部と揃うように設ける。
また、この外層外側メインコイル２２は径方向において分割される。内層側から順に、外層外側分割コイル２２ａ、２２ｂ、および２２ｃを有する。これらのコイルの形状および配置は次の通りである。各コイルは径方向に接する。各コイルの軸方向の両端部は揃う。各コイルの厚さはそれぞれほぼ同一である。

補正コイル２３は超電導マグネット１の磁場が均一になるよう補正するため設ける。この補正コイル２３は次のように配置する。外層外側メインコイル２２の外層側に配置する。軸方向の一端（図１における下端）は、外層外側メインコイル２２の軸方向の一端（図１における下端）より内側（図１における上側）に設ける。軸方向の他端（図１における上端）は、外層外側メインコイル２２の軸方向の他端（図１における上端）と揃うように設ける（以下、軸方向Ｚにおいて、補正コイル２３の一端側を「下側」、補正コイル２３の他端側を「上側」などと言う）。
また、この補正コイル２３は６つに分割され、補正分割コイル２３Ａａ、２３Ａｂ、２３Ａｃ、２３Ｂａ、２３Ｂｂ、および２３Ｂｃから構成される。これらの補正分割コイルの配置および形状は次の通りである。補正コイル２３の内層側下端に補正分割コイル２３Ａａを設ける。補正分割コイル２３Ａａの上側に補正分割コイル２３Ａｃを、その上側に補正分割コイル２３Ｂｃを、その上側に補正分割コイル２３Ｂａを、それぞれ間隔を開けて配置する。補正分割コイル２３Ａｂを補正分割コイル２３Ａａの外層側に設ける。補正分割コイル２３Ａａと２３Ａｂは、径方向に接し、軸方向の端部が揃う。補正分割コイル２３Ｂａと２３Ｂｂとは、補正分割コイル２３Ａａと２３Ａｂとの関係と同様である。また、これらの補正分割コイルは、それぞれ厚さがほぼ同一である。

シールドコイル２４は、超電導マグネット１外側の漏れ磁場を少なくするため設ける。すなわち、超電導コイル１０の内部（径方向中央部）に発生させる磁場の方向と逆向きの磁場を発生させる。このシールドコイル２４は、次のように配置する。補正コイル２３の外層側に設ける。軸方向両端部は、外層内側メインコイル２１や補正コイル２３の軸方向両端部より内側に設ける。
また、このシールドコイル２４は径方向に層単位に分割され、シールド分割コイル２４Ａａ、２４Ａｂ、２４Ａｃ、２４ａｄ、２４Ｂａ、２４Ｂｂ、２４Ｂｃ、および２４Ｂｄを有する。これらのシールド分割コイルは次のように配置する。シールドコイル２４の内層側下端にシールド分割コイル２４Ａａを設ける。このシールド分割コイル２４Ａａの外層側に、内層側から順に、シールド分割コイル２４Ａｂ、２４Ａｃ、および２４Ａｄをそれぞれ設ける。これらのシールド分割コイル２４Ａａ、２４Ａｂ、２４Ａｃ、および２４Ａｄは径方向に接し、軸方向の端部が揃う。また、シールド分割コイル２４Ａａの上側に間隔を開けてシールド分割コイル２４Ｂａを設ける。このシールド分割コイル２４Ｂａの外層側に、内層側から順に、シールド分割コイル２４Ｂｂ、２４Ｂｃ、２４Ｂｄを、それぞれ設ける。これらのシールド分割コイル２４Ｂａ、２４Ｂｂ、２４Ｂｃ、および２４Ｂｄは、径方向に接し、軸方向の端部が揃う。また、シールド分割コイル２４Ａａ、２４Ａｃ、２４Ａｄ、２４Ｂａ、２４Ｂｃ、２４Ｂｄはそれぞれほぼ同じ厚さである。シールド分割コイル２４Ａｂおよび２４Ｂｂの厚さは、シールド分割コイル２４Ａａの厚さの約３倍である。

内層コイル３０（第２超電導コイル）は、外層コイル２０の内層側に設けるコイルである。この内層コイル３０の軸方向両端部は、外層コイル２０の軸方向両端部より内側に設ける。また、この内層コイル３０はＮｂ_３Ｓｎ化合物製のコイルである。
また、この内層コイル３０は径方向において３層に分割され、内層側から、内層分割コイル３０ａ（１層目）、３０ｂ（２層目）、および３０ｃ（３層目）（それぞれ第２超電導コイルを構成する分割コイル）を有する。これらの内層分割コイル３０ａ、３０ｂ、および３０ｃは、径方向に隣接し、軸方向の端部が揃う。また、それぞれの厚さがほぼ同一である。

（内層コイルの詳細）
また、図２に示すように、この内層コイル３０は、巻枠体３１に巻かれた超電導線３２からなる。すなわち、内層分割コイル３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、３本の超電導線３２ａ、３２ｂ、３２ｃからなる。また、内層分割コイル３０ａと３０ｂとの間、および内層分割コイル３０ｂと３０ｃとの間にはそれぞれマイカシート５１を挟む。

巻枠体３１は、外周に内層コイル３０を取り付けるため設ける。この巻枠体３１はボビン形状である。すなわち、超電導コイル１０の軸方向中央部は筒状であり（この部分を筒状部３１ａとする）、この筒状部３１ａの軸方向両端部にはここから径方向外側に延びるツバ部３１ｂを有する。この筒状部３１ａの外周に沿うように超電導線３２をソレノイド状に巻く。すなわち内層コイル３０を巻枠体３１の外周に取り付ける。この巻枠体３１はアルミニウム材またはステンレス材などの非磁性材料である。なお外層コイル２０を構成する各コイルもこれと同様の巻枠体の外周に取り付けられる。

超電導線３２は、ソレノイド状に巻かれることで、筒状の内層コイル３０を形成する部材である。また、この超電導線３２は、内層分割コイル３０ａ、３０ｂ、および３０ｃそれぞれから、超電導線３２ａ、３２ｂ、３２ｃの両端を引き出す。なお、外層コイル２０を構成する各コイルからもこれと同様に超電導線が引き出されている。
また、この超電導線３２はガラス繊維（図示なし）で被覆され、絶縁される。このガラス繊維は布状であり、超電導線３２の周方向に沿うように巻く。このガラス繊維の厚みにより超電導線３２間の距離をとる。また、このガラス繊維は耐熱性に優れる。すなわち、巻枠体３１に超電導線３２を巻いた後、これらを７００℃前後で熱処理し、Ｎｂ_３Ｓｎ導体の超電導相を生成する。このガラス繊維は、この熱処理に耐えることができる。なお外層コイル２０に用いたＮｂＴｉ導体のホールマル被覆に比べ、このガラス繊維の被覆は絶縁性が低い。このため、内層分割コイル３０ａ、３０ｂ、および３０ｃのうち２つの隣接する層間に高電圧（例えば５００Ｖ以上）が発生した場合（この高電圧の発生については後述する）、この層間にアーク放電などが生ずる場合がある。

なお、マイカシート５１については後述する。

（電気回路）
電気回路４０は、図３に示すように、超電導コイル１０（図１参照）に電流を流すと共に、超電導コイル１０をクエンチなどから保護するため設ける。この電気回路４０は複数のセクション４２および永久電流スイッチ４３を有する。

複数のセクション４２のうちの、１つのセクション４２Ａは次のように構成される。内層コイル３０の一部である内層分割コイル３０ａと、外層コイル２０の一部である外層内側分割コイル２１ａとを直列に接続する。これら２つのコイルに対して１つの保護ダイオード４１（保護素子）を並列に接続する。これら２つのコイルおよび１つの保護ダイオード４１で１つのセクション４２Ａが構成される。
このように、１または複数のコイルに対し並列に保護ダイオード４１を接続したセクション４２を直列に１１個設ける。これらのセクション４２は、セクション４２Ａに近い側から（図３における上から）順に次のように構成される。内層分割コイル３０ｃと外層内側分割コイル２１ａとがセクション４２Ｂを構成する。内層分割コイル３０ｂと外層内側分割コイル２１ｃとがセクション４２Ｃを構成する。また、外層外側分割コイル２２ａで１つの、外層外側分割コイル２２ｂで１つの、外層外側分割コイル２２ｃで１つの、補正分割コイル２３Ｂａと補正分割コイル２３Ａａとで１つの、補正分割コイル２３Ｂｂと補正分割コイル２３Ａｂとで１つの、補正分割コイル２３Ｂｃと補正分割コイル２３Ａｃとで１つの、シールド分割コイル２４Ａａと２４Ａｂと２４Ｂａと２４Ｂｂとで１つの、シールド分割コイル２４Ａｃと２４Ａｄと２４Ｂｃと２４Ｂｄとで１つの、それぞれセクション４２が構成される（なお図３では、セクション４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ以外のセクション４２の符号を省略している）。

永久電流スイッチ４３（Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈ）は、超電導コイル１０（図１参照）に電流を流し続けるため設ける。この永久電流スイッチ４３は、直列に接続された超電導コイル１０の両端（すなわち内層分割コイル３０ａの一端、およびシールド分割コイル２４Ｂｄの一端。図３における上下端）に並列に接続する。これにより閉回路が形成される。
また、この永久電流スイッチ４３には電源（図示なし）が並列に接続される。超電導コイル１０の電流を増やす時は、永久電流スイッチ４３を切る。これにより電源から超電導コイル１０へ電流が流れる。超電導コイル１０の電流が所定の値になると永久電流スイッチ４３をつなぐ。これにより、電源を切っても超電導コイル１０に電流が流れ続ける。また、この超電導マグネット１は一電源（図示なし）で運転している。

この電気回路４０は、定常状態およびクエンチ発生時に次のように動作する。

定常状態（各コイルが超電導の状態）では、電源（図示なし）や永久電流スイッチ４３から各コイルへ電流が流れる。そしてこの電流は電源や永久電流スイッチ４３へ戻る。

クエンチ発生時には次のように動作する。
あるコイルでクエンチが発生すると、このコイルは急激に電気抵抗が生じる。この電気抵抗により、このコイルを含むセクション４２を流れる電流は急激に減少する（このセクション４２の保護ダイオード４１に流れる電流は増加する）。これにより、このセクション４２のコイルは保護される。
このクエンチは、他のセクション４２に伝播しうる。すなわち次のように動作する。クエンチを起こしたコイルを有するセクションの電磁エネルギーは、他のセクションに電磁誘導により転送される。このエネルギーが転送されたセクションを流れる電流は増大する。この電流の増大により、温度マージンが小さい（臨界電流値が小さい）ＮｂＴｉコイルは直ぐにクエンチが生じうる。
また、このクエンチ発生時、次のようにＮｂ_３Ｓｎコイルが保護される。上記の電流の増大があった場合、ＮｂＴｉコイルで直ぐにクエンチが生じる。このクエンチが生じたコイルを有するセクションに流れる電流は急激に減少する。すると、このセクションのＮｂ_３Ｓｎコイルへ流れる電流も減少する。したがって、Ｎｂ_３Ｓｎコイルが保護される。

この電気回路４０では、以下のように物理的に隣接する内層分割コイルの層間に高電圧がかかる場合がある。このような動作をする電気回路４０では、クエンチが生じているセクション４２と、クエンチが生じていないセクション４２とが存在する場合がある。例えば、セクション４２Ａでクエンチが生じ、セクション４２Ｃでクエンチが生じない場合がある。この場合、セクション４２Ａを構成する内層分割コイル３０ａの電流は減少し、セクション４２Ｃを構成する内層分割コイル３０ｂの電流は増大する。内層分割コイル３０ａと内層分割コイル３０ｂは、図３に示すように電気回路４０上では別個のセクション４２Ａと４２Ｃとに切り離されている。一方で、図２に示すように、物理的には内層分割コイル３０ａと内層分割コイル３０ｂとは隣接している。よって、これらのコイルの層間に高電圧（例えば５００Ｖ以上）がかかる。なお、内層分割コイル３０ｂと３０ｃとの層間においても、内層分割コイル３０ａと３０ｂとの層間と同様に高電圧がかかりうる。

図２に示すマイカシート５１は、内層分割コイル３０ａ、３０ｂ、３０ｃ同士を絶縁するために設ける。このマイカシート５１はシート状であり、内層分割コイル３０ａと３０ｂとの間に挿入する。すなわち、物理的には隣接し、異なるセクションに配置された内層分割コイル３０ａと３０ｂとの間（第２超電導コイルを構成する分割コイル同士の間）に挿入する。さらに言い換えれば、内層分割コイル３０ａとマイカシート５１とは径方向に接し、マイカシート５１と内層分割コイル３０ｂとは径方向に接している。内層分割コイル３０ｂと３０ｃとの間にも、内層分割コイル３０ａと３０ｂとの間と同様に、マイカシート５１を挿入する。
また、このマイカシート５１は、内層コイル３０の、軸方向および周方向の全体にわたって挿入する。すなわち、このマイカシート５１は略円筒状となるように、内層分割コイル３０ａおよび３０ｂそれぞれの外周の全周に巻かれている。なお、このマイカシート５１は、１周巻きでも良く、２周３周など複数巻きでも良い。また、内層コイル３０と略同一形状である。なお、内層コイル３０の形状は例えば、コイルの円周の半径を軸方向の長さの約１／５、径方向の厚さを軸方向の長さの約１／２０とする。
また、このマイカシート５１の厚さは０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下とする。また、このマイカシート５１は耐熱性に優れる。市販のマイカシートを用いることができる。この「耐熱性」は、上述したＮｂ_３Ｓｎ導体の超電導相を形成するための熱処理に耐えられる程度の耐熱性を要する。

なお、内層コイル３０と巻枠体３１との間には図示しないマイカシートをさらに設ける。この図示しないマイカシートは次のように設ける。巻枠体３１の筒状部３１ａと内層分割コイル３０ａとの間に挿入する。すなわち略円筒状となるように、筒状部３１ａの外周全体に巻かれる。また、巻枠体３１のツバ部３１ｂに沿うようにツバ部３１ｂと内層コイル３０との間に挿入する。
また、この図示しないマイカシートは、マイカシート５１と、マイカシート５１の軸方向端部（図２における左右の端部）で接するように配置している。マイカシート５１の厚さは、この図示しないマイカシートの厚さと同じかそれ以下が良い。

（実施例）
図４に示すグラフは、上記実施形態に係る超電導マグネット１（図１参照）を励磁したときの、各コイルに生ずる電位Ｖ（縦軸）と時間Ｔ（横軸）との関係を示す。このグラフはシミュレーションでの結果を示すものである。このグラフから、Ｎｂ_３Ｓｎコイルの層間で最大約６００Ｖの電圧が発生することが予測できた。この予測は次のように行った。例えば、図３に示す、内層分割コイル３０ｃを含むセクション４２Ｂでクエンチが生じない場合、この内層分割コイル３０ｃの電位は最大約−６００Ｖになる（図４参照）。一方、内層分割コイル３０ｂを含むセクション４２Ｃでクエンチが生じた場合、この内層分割コイル３０ｂの電位は約０Ｖとなる。したがって内層分割コイル３０ｃと内層分割コイル３０ｂとの間で約６００Ｖの電圧が発生することが予測できる。

そこで、厚さ０．２ｍｍのマイカシート５１を用いた、上記実施形態に係る超電導マグネット１を励磁した。すると励磁途中に、同一セクションにＮｂ_３Ｓｎコイルを有するＮｂＴｉコイルがクエンチした。すなわちＮｂ_３Ｓｎコイル内部の隣接する層間に高電圧が生じた。しかしＮｂ_３Ｓｎコイルは破損しなかった。

（本実施形態の超電導マグネットの特徴）
本実施形態の超電導マグネット１には以下の特徴がある。

図２に示すように物理的には隣接し、図３に示すように異なるセクション４２に配置された、内層分割コイル３０ａ、３０ｂ、および３０ｃの間には、図２に示すように、マイカシート５１が挿入されている。よって、内層分割コイル３０ａ、３０ｂ、および３０ｃの間を絶縁できる。したがって、物理的に隣接する内層分割コイル３０ａ、３０ｂ、および３０ｃの間に高電圧がかかっても、これらのコイルの損傷を抑制できる。

また、内層分割コイル３０ａ、３０ｂ、および３０ｃの間に挿入する絶縁体として、耐熱性を有するマイカシート５１を用いている。したがって、内層コイル３０が巻線後に高温で熱処理を要するコイルであっても、内層分割コイル３０ａ、３０ｂ、および３０ｃの間を絶縁できる。

また、この超電導マグネット１に係る外層コイル２０はＮｂＴｉ合金製のコイルであり、内層コイル３０はＮｂ_３Ｓｎ化合物製のコイルである。この場合でも、内層分割コイル３０ａ、３０ｂ、および３０ｃの間を絶縁できる。

また、マイカシート５１は、内層コイル３０の軸方向および周方向の全体にわたって挿入されている。よって、絶縁体が内層分割コイル３０ａ、３０ｂ、および３０ｃの軸方向または周方向の一部のみ挿入されている場合に比べ、これらのコイル同士の間を広く絶縁できる。したがって、内層コイル３０の損傷をより抑制できる。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、前記実施形態では、外層コイル２０（第１超電導コイル）を構成する、外層内側メインコイル２１、外層外側メインコイル２２、補正コイル２３、およびシールドコイル２４それぞれを層単位に分割した。しかし、これらは層単位に分割されていなくても本発明を適用できる。

また、前記実施形態では、２種類の線材を用いた超電導コイルを示した。すなわち第１超電導コイル、および第２超電導コイルにはそれぞれ１種類の線材を用いた。しかし３種類以上の線材を用いた超電導コイルでも本発明を適用できる。

また、前記実施形態では、電気回路の保護素子としてダイオードを用いたが、抵抗を用いても本発明を適用できる。

なお、マイカシート５１の軸方向端部と、ツバ部３１ｂに沿う図示しないマイカシートとのすき間は、できるだけない方が良いが、絶縁性を損なわない程度に超電導線３２の線径以下、さらには、線径の半分以下とすることもできる。

１ 超電導マグネット
２０ 外層コイル（第１超電導コイル）
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ 外層内側分割コイル（分割コイル）
３０ 内層コイル（第２超電導コイル）
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 内層分割コイル（分割コイル）
４２ セクション
４１ 保護ダイオード（保護素子）
５１ マイカシート（絶縁体）

Claims (5)

1. 第１超電導コイルと、
   径方向において複数の分割コイルに分割され、前記第１超電導コイルよりも温度マージンの大きい第２超電導コイルと、
   前記第１超電導コイルおよび前記第２超電導コイルに対して並列に接続され複数のセクションを形成する保護素子と、
   を備え、
   前記複数の分割コイルの一部と、前記第１超電導コイルとが、同じセクション内で直列に接続され、
   物理的には隣接し、異なるセクションに配置された前記分割コイル同士の間に絶縁体が挿入されている、超電導マグネット。
2. 請求項1に記載の超電導マグネットにおいて、
   前記第1超電導コイルは径方向において複数の分割コイルに分割され、
   前記第２超電導コイルを構成する複数の分割コイルの一部と、前記第１超電導コイルを構成する複数の分割コイルの一部とが、同じセクション内で直列に接続されていることを特徴とする、超電導マグネット。
3. 請求項１又は２に記載の超電導マグネットにおいて、
   前記絶縁体はマイカシートであることを特徴とする、超電導マグネット。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の超電導マグネットにおいて、
   前記第１超電導コイルはＮｂＴｉ合金製のコイルであり、前記第２超電導コイルはＮｂ_３Ｓｎ化合物製のコイルであることを特徴とする、超電導マグネット。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の超電導マグネットにおいて、
   前記絶縁体は、前記第２超電導コイルを構成する複数の分割コイルの軸方向および周方向の全体にわたって挿入されていることを特徴とする、超電導マグネット。

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