JP2010263111A - 超電導電磁石装置の励磁方法およびそれに使用される超電導電磁石装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クライオスタット内への熱侵入量を低減することができる超電導電磁石装置の励磁方法と超電導電磁石装置を提案する。
【解決手段】複数の超電導シムコイルの中の少なくとも１つの特定の超電導シムコイルによる補正磁界を調整する場合に、励磁電源から超電導メインコイルに流れる励磁電流を変化させる状態で、特定の超電導シムコイルに接続された永久電流シムスイッチをオン状態とし、特定の超電導シムコイルに誘導電流を流し、この誘導電流に基づいて励磁電流を流す。
【選択図】図２

Description

この発明は、超電導電磁石装置の励磁方法およびそれに使用される超電導電磁石装置に関するものである。

一般に超電導電磁石装置では、磁場を発生する超電導メインコイルは、冷却するためにクライオスタットの中に設置され、この超電導メインコイルによる磁場の均一度を改善するために、同じクライオスタットの中に、複数の超電導シムコイルが設置される。特許文献１の図８に開示された超電導電磁石装置では、超電導メインコイルと複数の超電導シムコイルは、それぞれクライオスタットの外部に配置された励磁電源に電流リードを通じて接続されている。超電導メインコイルには永久電流メインスイッチが並列に接続され、また、各超電導シムコイルにはそれぞれ永久電流シムスイッチが並列に接続される。

この従来の超電導電磁石装置では、永久電流メインスイッチと各永久電流シムスイッチを抵抗状態、すなわちオフ状態とし、超電導メインコイルと超電導シムコイルに励磁電源から励磁電流を流した状態において、永久電流メインスイッチと各永久電流シムスイッチをともに超電導状態、すなわちオン状態とする。その結果、超電導メインコイルと永久電流メインスイッチを含む永久電流回路、および各超電導シムコイルとそれに対応する永久電流シムスイッチを含む各永久電流回路に、永久的に電流を流し、超電導メインコイルと各超電導シムコイルにより、高い均一度の磁場を発生する。

特開２０００−１５６３１６号公報の図８とその説明

特許文献１の図８に示された従来の超電導電磁石装置では、複数の超電導シムコイルのそれぞれを励磁電源に接続する電流リードに、励磁電源から励磁電流を流す必要がある。これらの電流リードは、クライオスタットの外部の常温部と、その内部の、例えば４．２Ｋの冷媒温度とされる低温部とを接続するもので、これらに励磁電流を流すために、低温部への熱侵入量が大きくなる問題がある。

この発明は、この問題を改善し、複数の超電導シムコイルに対する電流リードからの熱侵入量を低減することのできる超電導電磁石装置の励磁方法とそれに使用される超電導電磁石装置を提案するものである。

この発明による超電導電磁石装置の励磁方法は、励磁電源に接続された超電導メインコイル、この超電導メインコイルと磁気的に結合され超電導メインコイルによる磁場の均一度を補正する複数の超電導シムコイル、超電導メインコイルに並列に接続された永久電流メインスイッチ、複数の超電導シムコイルのそれぞれに接続された複数の永久電流シムスイッチ、および超電導メインコイルと複数の超電導シムコイルと永久電流メインスイッチと複数の永久電流シムスイッチを収容するクライオスタットを備えた超電導電磁石装置の励磁方法であって、複数の超電導シムコイルの中の少なくとも１つの特定の超電導シムコイルによる補正磁界を調整する場合に、励磁電源から前記超電導メインコイルに流れる励磁電流を変化させる状態で、特定の超電導シムコイルに接続された永久電流シムスイッチをオン状態とし、特定の超電導シムコイルに誘導電流を流し、この誘導電流に基づいて励磁電流を流すことを特徴とする。

この発明による超電導電磁石装置は、励磁電源に接続された超電導メインコイル、この超電導メインコイルと磁気的に結合され超電導メインコイルによる磁場の均一度を補正する複数の超電導シムコイル、超電導メインコイルに並列に接続された永久電流メインスイッチ、複数の超電導シムコイルのそれぞれに接続された複数の永久電流シムスイッチ、および超電導メインコイルと複数の超電導シムコイルと永久電流メインスイッチと複数の永久電流シムスイッチを収容するクライオスタットを備えた超電導電磁石装置であって、複数の超電導シムコイルは励磁電源に接続されておらず、複数の超電導シムコイルの中の少なくとも１つの特定の超電導シムコイルによる補正磁界を調整する場合に、超電導メインコイルの励磁電流を変化させる状態で、特定の超電導シムコイルに接続された永久電流シムスイッチをオン状態とし、特定の超電導シムコイルに誘導電流を流し、この誘導電流に基づいて励磁電流を流すことを特徴とする。

また、この発明による超電導電磁石装置は、励磁電源に接続された超電導メインコイル、この超電導メインコイルと磁気的に結合され超電導メインコイルによる磁場の均一度を補正する複数の超電導シムコイル、超電導メインコイルに並列に接続された永久電流メインスイッチ、複数の超電導シムコイルのそれぞれに接続された複数の永久電流シムスイッチ、および超電導メインコイルと複数の超電導シムコイルと永久電流メインスイッチと複数の永久電流シムスイッチを収容するクライオスタットを備えた超電導電磁石装置であって、さらに、励磁電源と永久電流メインスイッチと複数の永久電流シムスイッチを共通に制御する制御装置を備え、複数の超電導シムコイルの中の少なくとも１つの特定の超電導シムコイルによる補正磁界を調整する場合に、制御装置が超電導メインコイルの励磁電流を変化させる状態で、制御装置が特定の超電導シムコイルに接続された永久電流シムスイッチをオン状態とすることを特徴とする。

この発明による超電導電磁石装置の励磁方法および超電導電磁石装置では、複数の超電導シムコイルの中の少なくとも１つの特定の超電導シムコイルによる補正磁界を調整する場合に、超電導メインコイルの励磁電流を変化させる状態で、特定の超電導シムコイルに接続された永久電流シムスイッチをオン状態とし、特定の超電導シムコイルに誘導電流を流し、この誘導電流に基づいて励磁電流を流すので、超電導シムコイルを励磁電源に接続する電流リードを削除するか、または、この電流リードに励磁電流を流さないようにすることができ、したがって、電流リードからクライオスタット内への熱侵入量を低減することができる。

図１は、この発明による超電導電磁石装置の励磁方法の実施の形態１に使用される超電導電磁石装置を示す電気回路図である。 図２は、実施の形態１に係る超電導電磁石装置の励磁方法の動作説明図である。 図３は、この発明による超電導電磁石装置の励磁方法の実施の形態２に使用される超電導電磁石装置を示す電気回路図である。 図４は、この発明による超電導電磁石装置の励磁方法の実施の形態３に使用される超電導電磁石装置を示す電気回路図である。

この発明のいくつかの実施の形態について、図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明による超電導電磁石装置の励磁方法の実施の形態１に使用される超電導電磁石装置を示す電気回路図である。この超電導電磁石装置は、超電導メインコイルＭＣと、超電導シムコイルＳＣと、永久電流メインスイッチＭＳと、永久電流シムスイッチＳＳと、フライホイール回路１７と、クライオスタット３０と、励磁電源４０を備えている。超電導メインコイルＭＣ、超電導シムコイルＳＣ、永久電流メインスイッチＭＳ、永久電流シムスイッチＳＳ、およびフライホイール回路１７は、クライオスタット３０の内部に収容される。このクライオスタット３０内には、液体ヘリウムが封入される。励磁電源４０は、超電導メインコイルＭＣだけを励磁するための励磁電源であって、超電導シムコイルＳＣを励磁するものではなく、クライオスタット３０の外部に配置される。

超電導メインコイルＭＣは、例えば２つの超電導メインコイルＭＣ１、ＭＣ２を直列に接続して構成される。超電導シムコイルＳＣは、互いに独立した複数の超電導シムコイルＳＣ１、ＳＣ２、・・・ＳＣｎを含んでいる。これらの超電導シムコイルＳＣ１、ＳＣ２、・・・、ＳＣｎは、超電導メインコイルＭＣによる磁場の均一度を補正するものであり、超電導メインコイルＭＣと同軸に互いに異なる位置に配置される。これらの超電導シムコイルＳＣ１、ＳＣ２、・・・、ＳＣｎは、具体的には互いに等しいインダクタンスを有し、超電導メインコイルＭＣに互いに同じ極性で磁気的に結合されている。

永久電流メインスイッチＭＳは、超電導メインコイルＭＣと並列に接続される。この永久電流メインスイッチＭＳは、例えば熱式永久電流スイッチで構成され、スイッチコイル１１と、それに対するヒータ１２を含む。この永久電流メインスイッチＭＳは、超電導状態、すなわちオン状態と、抵抗状態、すなわちオフ状態とを取り得る。ヒータ１２は、制御スイッチ１３を通じてヒータ電源１４に接続される。このヒータ電源１４と制御スイッチ１３は、クライオスタット３０の外部に配置される。スイッチコイル１１は、制御スイッチ１３がオフとされると、超電導状態、すなわちオン状態となり、また、制御スイッチ１３がオンとされ、ヒータ１２が加熱されると、抵抗状態、すなわちオフ状態となる。永久電流メインスイッチＭＳは、そのオン状態において、超電導メインコイルＭＣに対する永久電流回路１５を構成する。この永久電流回路１５は、超電導メインコイルＭＣとスイッチコイル１１を含む回路である。

フライホイール回路１７は、超電導メインコイルＭＣと並列に接続される。このフライホイール回路１７は、一対のフライホイールダイオード１７１、１７２を含む。フライホイールダイオード１７１、１７２は、互いに逆極性で並列に接続される。

励磁電源４０は、超電導メインコイルＭＣに一対の電流リード４１、４２を通じて超電導メインコイルＭＣに接続される。電流リード４１、４２は、クライオスタット３０の壁面を貫通するように配置され、超電導メインコイルＭＣと励磁電源４０を接続する。

永久電流シムスイッチＳＳは、複数の永久電流シムスイッチＳＳ１、ＳＳ２、・・・、ＳＳｎを含む。これらの永久電流シムスイッチＳＳ１、ＳＳ２、・・・、ＳＳｎは、それぞれ対応する超電導シムコイルＳＣ１、ＳＣ２、・・・、ＳＳｎに接続される。これらの永久電流シムスイッチＳＳ１、ＳＳ２、・・・、ＳＳｎは、それぞれ、例えば熱式永久電流スイッチで構成され、スイッチコイル２１と、それに対するヒータ２２を含む。これらの永久電流シムスイッチＳＳ１、ＳＳ２、・・・、ＳＳｎは、それぞれ超電導状態、すなわちオン状態と、抵抗状態、すなわちオフ状態とを取り得る。ヒータ２２は、制御スイッチ２３を通じてヒータ電源２４に接続される。このヒータ電源２４と制御スイッチ２３は、クライオスタット３０の外部に配置される。スイッチコイル２１は、制御スイッチ２３がオフとされると、超電導状態、すなわちオン状態となり、また、制御スイッチ２３がオンとされ、ヒータ２２が加熱されると、抵抗状態、すなわちオフ状態となる。これらの永久電流シムスイッチＳＳ１、ＳＳ２、・・・、ＳＳｎは、それぞれそのオン状態において、対応する超電導シムコイルＳＣ１、ＳＣ２、・・・、ＳＣｎに対する永久電流回路２５１、２５２、・・・、２５ｎを構成する。これらの永久電流回路２５１、２５２、・・・、２５ｎは、超電導シムコイルＳＣ１、ＳＣ２、・・・、ＳＣｎと、それに対応するスイッチコイル２１を含む回路である。

さて、図２は、実施の形態１に係る超電導電磁石装置の励磁方法の動作説明図である。この図２において、（ａ）は超電導メインコイルＭＣの励磁電流を示し、また、（ｂ）は永久電流メインスイッチＭＳのヒータ電流を、（ｃ）は超電導シムコイルＳＣ１の励磁電流を、（ｄ）は永久電流シムスイッチＳＳ１のヒータ電流を、（ｅ）は超電導シムコイルＳＣ２の励磁電流を、（ｆ）は永久電流シムスイッチＳＳ２のヒータ電流を、（ｇ）は超電導シムコイルＳＣ３の励磁電流を、（ｈ）は永久電流シムスイッチＳＳ３のヒータ電流を、それぞれ示す。図２（ｂ）のヒータ電流は、ヒータ１２を流れる電流であり、また、図２（ｄ）（ｆ）（ｈ）のヒータ電流は、それぞれ超電導シムコイルＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３に対応するヒータ２２に流れる電流である。図２（ｂ）（ｄ）（ｆ）（ｈ）は、それぞれのヒータ電流のハイレベルＨとロウレベルＬとともに、それぞれに対応する永久電流メインスイッチＭＳと各永久電流シムスイッチＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳ３のオフ状態（ＯＦＦ）とオン状態（ＯＮ）をカッコ内に表示している。

図２の横軸は、（ａ）〜（ｈ）に共通な時間軸である。この時間軸に沿って、時点ｔ０〜ｔ１４がプロットされる。時点ｔ０と時点ｔ２の間に初期励磁Ａが、時点ｔ１と時点ｔ２の間に磁場計測Ｂが、時点ｔ４と時点ｔ１３の間に磁場調整Ｃが、また、時点ｔ１３以降に定常運転Ｄが示される。

図２は、超電導メインコイルＭＣの励磁電流に加え、超電導シムコイルＳＣの中の代表する超電導シムコイルＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３の励磁電流を示し、併せて、それらに対応する永久電流メインスイッチＭＳと永久電流シムスイッチＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳ３のヒータ電流を示したものである。この図２を参照して、図１の超電導電磁石装置に対する励磁方法を説明する。なお、図２では、クライオスタット３０の内部は、継続して、例えば４．２Ｋの冷媒温度に維持されるものとする。この温度では、超電導メインコイルＭＣと超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎは、すべて超電導状態となり、また、永久電流メインスイッチＭＳと永久電流シムスイッチＳＣ１〜ＳＣｎは、それぞれのヒータ電流がオフされると、超電導状態、すなわちオン状態となる。

最初に初期励磁Ａが実行される。時点ｔ０において、励磁電源４０が出力を開始する。図２（ａ）に示すように、時点ｔ０から時点ｔ１に向かって、励磁電源４０から超電導メインコイルＭＣへ流れる励磁電流が増大し、時点ｔ１で、この励磁電流が定格電流値Ｉ_ＯＰに達する。時点ｔ０−ｔ１の間では、図２（ｂ）に示すように、永久電流メインスイッチＭＳはオフ状態とされ、また、時点ｔ０−ｔ１の間では、図２（ｄ）（ｆ）（ｈ）に示すように、永久電流シムスイッチＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳ３もオフ状態とされ、図２（ｃ）（ｅ）（ｇ）に示すように、超電導シムコイルＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３に対する励磁電流はゼロとなる。

時点ｔ１−ｔ２の間では、図２（ｂ）に示すように、永久電流メインスイッチＭＳはオン状態とされ、永久電流シムスイッチＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳ３は、オフ状態とされる。時点ｔ１−ｔ２の間で、磁場計測Ｂが実行される。この磁場計測Ｂは、永久電流メインスイッチＭＳをオン状態とし、超電導メインコイルＭＣの励磁電流を定格電流値Ｉ_ＯＰに保持した状態で実行される。この磁場計測Ｂでは、超電導メインコイルＭＣによる磁場の均一度が計測され、その均一度を補正するために、各超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎに対する励磁電流値が決定される。なお、時点ｔ２−ｔ３の間では、永久電流メインスイッチＭＳおよび永久電流シムスイッチＳＳ１〜ＳＳｎはともにオフ状態とされ、超電導メインコイルＭＣに流れる励磁電流が定格電流値Ｉ_ＯＰからゼロに戻される。時点ｔ３−ｔ４の間では、超電導メインコイルＭＣおよび超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎの励磁電流はゼロとなり、永久電流メインスイッチＭＳおよび永久電流シムスイッチＳＳ１〜ＳＳｎは、すべてオン状態とされる。

超電導メインコイルＭＣが作る磁場は、その製作誤差などにより、超電導電磁石装置の中心部において、磁界均一度に歪みが発生する。この磁界を例えば５００ｍｍ球の空間において、２ｐｐｍ以下の高い均一度に均一化する必要があり、この高い均一度の磁場とするために、各超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎに対する励磁電流値が決定される。各超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎに対する励磁電流値は、各超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎ毎に独立して決定される。各超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎに対する励磁電流値は、一般には、第１極性、例えば負極性の励磁電流値と、第２極性、例えば正極性の励磁電流値とが混在するものとされるが、第１極性の励磁電流値ばかりとされるケース、または第２極性の励磁電流値ばかりとされるケースもある。また、励磁電流値がゼロとされる超電導シムコイルも存在し得る。図２は、定常運転Ｄにおいて、その（ｃ）に示す超電導シムコイルＳＣ１の励磁電流が第１極性の励磁電流値−ｉ_１とされ、その（ｅ）に示す超電導シムコイルＳＣ２の励磁電流が第１極性の励磁電流値−ｉ_２とされ、また、その（ｇ）に示す超電導シムコイルＳＣ３の励磁電流が第２極性の励磁電流値＋ｉ_３とされる場合を例示する。

時点ｔ４−ｔ１３の間で、磁場調整Ｃが実行される。この磁場調整Ｃでは、その最終段階において、超電導メインコイルＭＣに対して、定格電流値Ｉ_ＯＰの励磁電流を流し、また、各超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎのそれぞれに対して、磁場計測Ｂの結果として決定された励磁電流値を流すようにして、磁場調整が行なわれる。図２の例では、磁場調整Ｃの最終段階において、図２（ｃ）に示す超電導シムコイルＳＣ１の励磁電流が励磁電流値−ｉ_１とされ、図２（ｅ）に示す超電導シムコイルＳＣ２の励磁電流が励磁電流値−ｉ_２とされ、また、図２（ｇ）に示す超電導シムコイルＳＣ３の励磁電流が励磁電流値＋ｉ_３とされる。

この磁場調整Ｃについて、超電導シムコイルＳＣ１、ＳＳ２、ＳＳ３の励磁電流の調整を具体的に説明する。先ず時点ｔ４−ｔ５の間で、永久電流メインスイッチＭＳと永久電流シムスイッチＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳ３がすべてオフ状態とされ、励磁電源４０から超電導メインコイルＭＣに流れる励磁電流を再度増大させる。時点ｔ５において、超電導メインコイルＭＣの励磁電流は、（Ｉ_ＯＰ−Ｉ_１）の励磁電流値となり、この励磁電流値が時点ｔ６まで保持される。−Ｉ_１は、超電導シムコイルＳＣ１の定常運転Ｄにおける励磁電流値−ｉ_１に対応する。時点ｔ５−ｔ６の間では、永久電流メインスイッチＭＳと永久電流シムスイッチＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳ３は、オフ状態を維持するが、時点ｔ６の直前で、永久電流シムスイッチＳＳ１のヒータ電流だけがロウレベルＬに変化し、この永久電流シムスイッチＳＳ１が以後、定常運転Ｄを含めてオン状態を維持する。

時点ｔ６−ｔ７の間では、超電導メインコイルＭＣの励磁電流が、再び増大され、時点ｔ７では、その励磁電流は、（Ｉ_ＯＰ−Ｉ_２）の励磁電流値となり、この励磁電流値が時点ｔ８まで保持される。−Ｉ_２は、超電導シムコイルＳＣ２の定常運転Ｄにおける励磁電流値−ｉ_２に対応する。時点ｔ６−ｔ７の間では、永久電流シムスイッチＳＳ１がオン状態を維持しており、この状態で超電導メインコイルＭＣの励磁電流が、（Ｉ_ＯＰ−Ｉ_１）から（Ｉ_ＯＰ−Ｉ_２）まで増大する。したがって、時点ｔ６−ｔ７の間では、超電導メインコイルＭＣの励磁電流が、（Ｉ_ＯＰ−Ｉ_１）から（Ｉ_ＯＰ−Ｉ_２）まで変化することに基づいて、超電導シムコイルＳＣ１に誘導電流が流れる。この誘導電流は、超電導メインコイルＭＣの励磁電流の変化分＋Ｉ_１２＝（Ｉ_ＯＰ−Ｉ_２）−（Ｉ_ＯＰ−Ｉ_１）＝Ｉ_１−Ｉ_２に対応する大きさとなり、その変化分の極性が正極性であるので、第１極性、すなわち負極性の励磁電流となる。結果として、超電導シムコイルＳＣ１の励磁電流は、図２（ｃ）に示すように、時点ｔ７において＋Ｉ_１２に対応する−ｉ_１２＝−（ｉ_１−ｉ_２）＝−ｉ_１＋ｉ_２となり、この励磁電流値−ｉ_１２が時点ｔ８まで維持される。

時点ｔ７−ｔ８の間では、永久電流シムスイッチＳＣ１はオン状態を維持し、永久電流メインスイッチＭＳと永久電流シムスイッチＳＳ２、ＳＳ３は、オフ状態を維持するが、時点ｔ８の直前で、永久電流シムスイッチＳＳ２のヒータ電流がロウレベルＬに変化し、この永久電流シムスイッチＳＳ２が以後、定常運転Ｄを含めオン状態を維持する。時点ｔ８−ｔ９の間では、永久電流シムスイッチＳＳ１、ＳＳ２がオン状態を維持し、永久電流メインスイッチＭＳと永久電流シムスイッチＳＳ３がオフ状態とされ、励磁電源４０から超電導メインコイルＭＣに流れる励磁電流を再度増大させる。時点ｔ９において、超電導メインコイルＭＣの励磁電流は、定格電流値Ｉ_ＯＰに達し、この定格電流値Ｉ_ＯＰが時点ｔ１０まで保持される。

時点ｔ８−ｔ９の間では、永久電流シムスイッチＳＳ１、ＳＳ２がオン状態を維持しており、この状態で超電導メインコイルＭＣの励磁電流が、（Ｉ_ＯＰ−Ｉ_２）から定格電流値Ｉ_ＯＰまで増大する。したがって、時点ｔ８−ｔ９の間では、超電導メインコイルＭＣの励磁電流が、（Ｉ_ＯＰ−Ｉ_２）から定格電流値Ｉ_ＯＰまで変化することに基づいて、超電導シムコイルＳＣ１と超電導シムコイルＳＣ２に誘導電流が流れる。この誘導電流は、超電導メインコイルＭＣの励磁電流の変化分＋Ｉ_２に対応する大きさとなり、その変化分の極性が正極性であるので、第１極性、すなわち負極性の励磁電流となる。結果として、超電導シムコイルＳＣ１の励磁電流は、図２（ｃ）に示すように、時点ｔ９において、（＋Ｉ_１２＋Ｉ_２）に対応する励磁電流値（−ｉ_１２−ｉ_２）＝−ｉ_１まで低下し、この励磁電流値−ｉ_１が時点ｔ１０まで維持される。超電導シムコイルＳＳ２の励磁電流は、図２（ｅ）に示すように、時点ｔ９において、＋Ｉ_２に対応する−ｉ_２まで低下し、この励磁電流値−ｉ_２が時点ｔ１０まで維持される。

時点ｔ１０−ｔ１１の間では、超電導メインコイルＭＣの励磁電流が、定格電流値Ｉ_ＯＰから＋Ｉ_３だけ増大される。＋Ｉ_３は、超電導シムコイルＳＣ３の定常運転Ｄにおける励磁電流ｉ_３に対応する。この時点ｔ１０−ｔ１１の間では、永久電流シムスイッチＳＳ１、ＳＳ２がオン状態を維持しており、この状態で超電導メインコイルＭＣの励磁電流が定格電流値Ｉ_ＯＰから＋Ｉ_３だけ増大する。したがって、時点ｔ１０−ｔ１１の間では、超電導メインコイルＭＣの励磁電流が、定格電流値Ｉ_ＯＰから（Ｉ_ＯＰ＋Ｉ_３）まで変化することに基づいて、超電導シムコイルＳＣ１と超電導シムコイルＳＣ２に誘導電流が流れる。この誘導電流は、超電導メインコイルＭＣの励磁電流の変化分＋Ｉ_３に対応する大きさとなり、その変化分の極性が正極性であるので、第１極性、すなわち負極性の誘導電流となる。結果として、超電導シムコイルＳＣ１の励磁電流は、図２（ｃ）に示すように、時点ｔ１１において、（＋Ｉ_１２＋Ｉ_２＋Ｉ_３）に対応する励磁電流値（−ｉ_１−ｉ_３）まで低下し、この励磁電流値（−ｉ_１−ｉ_３）が時点ｔ１２まで維持される。超電導シムコイルＳＳ２の励磁電流は、図２（ｅ）に示すように、時点ｔ１１において、（＋Ｉ_２＋Ｉ_３）に対応する（−ｉ_２−ｉ_３）まで低下し、この励磁電流値（−ｉ_２−ｉ_３）が時点ｔ１２まで維持される。

時点ｔ１１−ｔ１２の間では、永久電流シムスイッチＳＳ１、ＳＳ２はオン状態を維持し、永久電流メインスイッチＭＳと永久電流シムスイッチＳＳ３は、オフ状態を維持するが、時点ｔ１２の直前で、永久電流シムスイッチＳＳ３のヒータ電流がロウレベルＬに変化し、この永久電流シムスイッチＳＳ３が以後、定常運転Ｄを含めオン状態を維持する。

時点ｔ１２−ｔ１３の間では、超電導メインコイルＭＣの励磁電流が、（Ｉ_ＯＰ＋Ｉ_３）から定格電流値Ｉ_ＯＰまで減少される。＋Ｉ_３は、超電導シムコイルＳＣ３の定常運転Ｄにおける励磁電流ｉ３に対応する。この時点ｔ１２−ｔ１３の間では、永久電流シムスイッチＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳ３がオン状態を維持しており、この状態で超電導メインコイルＭＣの励磁電流が（Ｉ_ＯＰ＋Ｉ_３）からＩ_ＯＰまで減少する。したがって、時点ｔ１２−ｔ１３の間では、超電導メインコイルＭＣの励磁電流が、（Ｉ_ＯＰ＋Ｉ_３）から定格電流値Ｉ_ＯＰまで変化することに基づいて、超電導シムコイルＳＣ１と超電導シムコイルＳＣ２と超電導シムコイルＳＣ３に誘導電流が流れる。この誘導電流は、超電導メインコイルＭＣの励磁電流の変化分−Ｉ_３に対応する大きさとなり、その変化分の極性が負極性であるので、第２極性、すなわち正極性の誘導電流となる。結果として、超電導シムコイルＳＣ１の励磁電流は、図２（ｃ）に示すように、時点ｔ１３において、（＋Ｉ_１２＋Ｉ_２＋Ｉ_３−Ｉ_３）に対応する励磁電流値（−ｉ_１−ｉ_３＋ｉ_３）＝−ｉ_１まで増大し、この励磁電流値−ｉ_１が時点ｔ１３以降定常運転Ｄで維持される。超電導シムコイルＳＳ２の励磁電流は、図２（ｅ）に示すように、時点ｔ１３において、（＋Ｉ_２＋Ｉ_３−Ｉ_３）に対応する（−ｉ_２−ｉ_３＋ｉ_３）＝−ｉ_２まで増大し、この励磁電流値−ｉ_２が時点ｔ１３以降定常運転Ｄで維持される。超電導シムコイルＳＳ３の励磁電流は、図２（ｇ）に示すように、時点ｔ１３において、−Ｉ_３に対応する励磁電流値＋ｉ_３まで増大し、この励磁電流値＋ｉ_３が時点ｔ１３以降定常運転Ｄで維持される。

図２の磁場調整Ｃでは、超電導メインコイルＭＣは、最終時点ｔ１３の励磁電流が定格電流値Ｉ_ＯＰとされ、超電導シムコイルＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳ３は、最終時点ｔ１３の段階の励磁電流が、それぞれ超電導メインコイルＭＣによる磁場を補正するために決定された励磁電流値−ｉ_１、−ｉ_２、＋ｉ_３とされ、加えて、他の超電導シムコイルＳＳ４〜ＳＳｎも、最終時点ｔ１３の励磁電流が、それぞれ超電導メインコイルＭＣによる磁場を補正するために決定された励磁電流値に維持される。

時点ｔ１３以降に、定常運転Ｄが実行される。時点ｔ１４の直前に、永久電流メインスイッチＭＳがオン状態とされ、超電導メインコイルＭＣの励磁電流は、以降定格電流値ＩＯＰに維持される。時点ｔ１４において、図２（ａ）に点線で示すように、励磁電源４０からの励磁電流が遮断される。この定常運転Ｄは、超電導シムコイルＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳ３を代表として、他の超電導シムコイルＳＳ４〜ＳＳｎも、それぞれ決定された励磁電流を維持するので、超電導メインコイルＭＣと合わせた磁場の均一度は高い均一度に維持される。

以上のように、図２の磁場調整Ｃにおいて、図２（ｃ）に示す超電導シムコイルＳＣ１の励磁電流は、時点ｔ６−ｔ７間における超電導メインコイルＭＣの励磁電流の変化分＋Ｉ_１２に対応した誘導電流−ｉ_１２と、時点ｔ８−ｔ９間における超電導メインコイルＭＣの励磁電流の変化分＋Ｉ_２に対応した誘導電流−ｉ_２と、時点ｔ１０−ｔ１１間における超電導メインコイルＭＣの励磁電流の変化分＋Ｉ_３に対応した誘導電流−ｉ_３と、時点ｔ１２−ｔ１３間における超電導メインコイルＭＣの励磁電流の変化分−Ｉ_３に対応した誘導電流＋ｉ_３との代数和−ｉ_１２−ｉ_２−ｉ_３＋ｉ_３＝−ｉ_１＋ｉ_２−ｉ_２−ｉ_３＋ｉ_３＝−ｉ_１となる。図２（ｅ）に示す超電導シムコイルＳＣ２の励磁電流は、時点ｔ８−ｔ９間における超電導メインコイルＭＣの励磁電流の変化分＋Ｉ_２に対応した誘導電流−ｉ_２と、時点ｔ１０−ｔ１１間における超電導メインコイルＭＣの励磁電流の変化分＋Ｉ_３に対応した誘導電流−ｉ_３と、時点ｔ１２−ｔ１３間における超電導メインコイルＭＣの励磁電流の変化分−Ｉ_３に対応した誘導電流＋ｉ_３との代数和−ｉ_２−ｉ_３＋ｉ_３＝−ｉ_２となる。また、図２（ｇ）に示す超電導シムコイルＳＣ３の励磁電流は、時点ｔ１２−ｔ１３間における超電導メインコイルＭＣの励磁電流の変化分−Ｉ_３に対応した誘導電流＋ｉ_３となる。

このように、各超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎの励磁電流は、超電導メインコイルＭＣの励磁電流の変化分に対応した誘導電流として与えられる。この結果、実施の形態１に係る超電導電磁石装置の励磁方法では、各超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎに対して、それぞれ外部から励磁電流を供給する必要がなくなり、外部からの励磁電流を流す電流リードの発熱がクライオスタット３０に侵入する熱侵入量をなくすことができる。また、図１に示す超電導電磁石装置の実施の形態１では、各超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎをそれぞれシムコイル用励磁電源に接続する必要がなく、このシムコイル用励磁電源と、これを各超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎに接続する電流リードを省略することができ、この電流リードを経由して外部からクライオスタット３０へ侵入する熱侵入量をなくすことができる。例えば、超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎの最大電流を５０Ａ、その数を８個とした場合、超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎへの総電流量は８００Ａとなり、約２Ｗ程度の熱負荷となるが、この熱負荷を低減することが可能となる。

実施の形態２．
図３は、この発明による超電導電磁石装置の励磁方法の実施の形態２に使用される超電導電磁石装置を示す電気回路図である。この図３に示す超電導電磁石装置は、図１に示す超電導電磁石装置に対して、さらに各超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎのそれぞれに対するシムコイル用励磁電源５０１〜５０ｎを追加したものである。これらのシムコイル用励磁電源５０１〜５０ｎは、それぞれクライオスタット３０の壁面を貫通する一対の電流リード５０１１、５０１２〜５０ｎ１、５０ｎ２を通じて、対応する超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎの接続される。その他は、図１と同じに構成される。

実施の形態２に係る超電導電磁石装置の励磁方法では、初期励磁Ａ、磁場計測Ｂ、磁場調整Ｃ、および定常運転Ｄは、シムコイル用励磁電源５０１〜５０ｎを使用せずに、図２に示す方法と同じ方法で実施される。シムコイル用励磁電源５０１〜５０ｎは、定常運転Ｄにおいて、緊急事態が発生し、超電導電磁石装置を緊急消磁するときに、超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎの蓄積エネルギーを回収するのに使用される。この緊急消磁では、永久電流メインスイッチＭＳおよび永久電流シムスイッチＳＳ１〜ＳＳｎのすべてが同時にオフ状態とされ、磁場の消磁が行なわれるとともに、超電導メインコイルＭＣの蓄積エネルギーが励磁電源４０に、また超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎの蓄積エネルギーがシムコイル用励磁電源５０１〜５０ｎに回収される。

実施の形態２に係る超電導電磁石装置の励磁方法およびその超電導電磁石装置では、シムコイル用励磁電源５０１〜５０ｎと、それらを各超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎに接続する電流リード５０１１、５０１２〜５０ｎ１、５０ｎ２をなくすことはできないが、初期励磁Ａ、磁場計測Ｂ、磁場調整Ｃ、緊急消磁までの定常運転Ｄを通じて、各シムコイル用励磁電源５０１〜５０ｎから各超電導シムコイルＳＣ１〜ＳＣｎへの電流リード５０１１、５０１２〜５０ｎ１、５０ｎ２に励磁電流を流さないようにすることができ、したがって、これらの電流リード５０１１、５０１２〜５０ｎ１、５０ｎ２の発熱がクライオスタット３０内へ侵入する熱侵入量を低減することができる。

実施の形態３．
図４は、この発明による超電導電磁石装置の励磁方法の実施の形態３に使用される超電導電磁石装置を示す電気回路図である。この図４に示す超電導電磁石装置は、図１に示す超電導電磁石装置に対して、さらに制御装置６０を追加したものである。その他は、図１に示す超電導電磁石装置と同じに構成される。

制御装置６０は、励磁電源４０に対する制御信号Ｓ４０と、制御スイッチ１３に対する制御信号Ｓ１３と、各制御スイッチ２３に対する制御信号Ｓ２３１〜Ｓ２３ｎを共通に発生する。制御信号Ｓ４０は、図２（ａ）に示すように超電導メインコイルＭＣの励磁電流を制御し、制御信号Ｓ１３は、制御信号Ｓ４０に関連して、図２（ｂ）に示すように永久電流メインスイッチＭＳを制御し、また制御信号Ｓ２４１〜Ｓ２４ｎは、制御信号Ｓ４０に関連して、図２（ｄ）（ｆ）（ｈ）に示すように永久電流シムスイッチＳＳ１〜ＳＳｎを制御する。

図２に示す励磁方法は、励磁電源４０と、制御スイッチ１３、２３を手動操作することを前提としたものであるが、図４に示す超電導電磁石装置では、制御装置６０により、図２に示す励磁方法を自動的に実行することができる。

この発明は、例えば医療用磁気共鳴イメージング装置などに使用される超電導電磁石装置とその励磁方法として利用される。

ＭＣ：超電導メインコイル、ＳＣ１〜ＳＣｎ：超電導シムコイル、
ＭＳ：永久電流メインスイッチ、ＳＳ１〜ＳＳｎ：永久電流シムスイッチ、
４０：励磁電源、６０：制御装置。

Claims (5)

1. 励磁電源に接続された超電導メインコイル、この超電導メインコイルと磁気的に結合され前記超電導メインコイルによる磁場の均一度を補正する複数の超電導シムコイル、前記超電導メインコイルに並列に接続された永久電流メインスイッチ、前記複数の超電導シムコイルのそれぞれに接続された複数の永久電流シムスイッチ、および前記超電導メインコイルと前記複数の超電導シムコイルと前記永久電流メインスイッチと前記複数の永久電流シムスイッチを収容するクライオスタットを備えた超電導電磁石装置の励磁方法であって、
   前記複数の超電導シムコイルの中の少なくとも１つの特定の超電導シムコイルによる補正磁界を調整する場合に、前記励磁電源から前記超電導メインコイルに流れる励磁電流を変化させる状態で、前記特定の超電導シムコイルに接続された前記永久電流シムスイッチをオン状態とし、前記特定の超電導シムコイルに誘導電流を流し、この誘導電流に基づいて励磁電流を流すことを特徴とする超電導電磁石装置の励磁方法。
2. 請求項１記載の超電導電磁石装置の励磁方法であって、前記特定の超電導シムコイルによる補正磁界を調整する場合に、前記励磁電源から前記超電導メインコイルに流れる励磁電流を増加させる状態で、前記特定の超電導シムコイルに接続された前記永久電流シムスイッチをオン状態とし、前記特定の超電導シムコイルに第１極性の誘導電流を流し、この誘導電流に基づいて励磁電流として流すことを特徴とする超電導電磁石装置の励磁方法。
3. 請求項１記載の超電導電磁石装置の励磁方法であって、前記特定の超電導シムコイルによる補正磁界を調整する場合に、前記超電導メインコイルの励磁電流を減少させる状態で、前記特定の超電導シムコイルに接続された前記永久電流シムスイッチをオン状態とし、前記特定の超電導シムコイルに第２極性の誘導電流を流し、この誘導電流に基づいて励磁電流を流すことを特徴とする超電導電磁石装置の励磁方法。
4. 励磁電源に接続された超電導メインコイル、この超電導メインコイルと磁気的に結合され前記超電導メインコイルによる磁場の均一度を補正する複数の超電導シムコイル、前記超電導メインコイルに並列に接続された永久電流メインスイッチ、前記複数の超電導シムコイルのそれぞれに接続された複数の永久電流シムスイッチ、および前記超電導メインコイルと前記複数の超電導シムコイルと前記永久電流メインスイッチと前記複数の永久電流シムスイッチを収容するクライオスタットを備えた超電導電磁石装置であって、
   前記複数の超電導シムコイルは励磁電源に接続されておらず、前記複数の超電導シムコイルの中の少なくとも１つの特定の超電導シムコイルによる補正磁界を調整する場合に、前記超電導メインコイルの励磁電流を変化させる状態で、前記特定の超電導シムコイルに接続された前記永久電流シムスイッチをオン状態とし、前記特定の超電導シムコイルに誘導電流を流し、この誘導電流に基づいて励磁電流を流すことを特徴とする超電導電磁石装置。
5. 励磁電源に接続された超電導メインコイル、この超電導メインコイルと磁気的に結合され前記超電導メインコイルによる磁場の均一度を補正する複数の超電導シムコイル、前記超電導メインコイルに並列に接続された永久電流メインスイッチ、前記複数の超電導シムコイルのそれぞれに接続された複数の永久電流シムスイッチ、および前記超電導メインコイルと前記複数の超電導シムコイルと前記永久電流メインスイッチと前記複数の永久電流シムスイッチを収容するクライオスタットを備えた超電導電磁石装置であって、さらに、前記励磁電源と前記永久電流メインスイッチと前記複数の永久電流シムスイッチとを共通に制御する制御装置を備え、
   前記特定の超電導シムコイルによる補正磁界を調整する場合に、前記制御装置が前記超電導メインコイルの励磁電流を変化させる状態で、前記制御装置が前記特定の超電導シムコイルに接続された前記永久電流シムスイッチをオン状態とすることを特徴とする超電導電磁石装置。

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