JP2010283186A - 冷凍機冷却型超電導磁石 - Google Patents

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Abstract

【課題】永久電流モード運転時の磁場減衰を防止し、永久電流スイッチと超電導コイルとの連結部における発熱を抑制し、電流供給モードの超電導コイル冷却温度の上昇を最低限に抑える。
【解決手段】本発明の冷凍機冷却型超電導磁石は、超電導コイル２と、永久電流モードと電流供給モードとを切り替える永久電流スイッチ１と、超電導コイル２、永久電流スイッチ１をそれぞれ冷却する第１・第２極低温冷凍機３、４と、超電導コイル２、永久電流スイッチ１および第１・第２極低温冷凍機３、４の冷却ステージ３１、３２、４１、４２を格納する真空容器１０とを備える冷凍機冷却型超電導磁石Ｊであって、超電導コイル２と永久電流スイッチ１とを連結する超電導線５と、超電導線５と並列に長手方向に沿って電気的に結合される超電導バイパス線６とを備え、超電導バイパス線６の超電導臨界温度は、永久電流スイッチ１の超電導臨界温度よりも高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍機により超電導臨界温度以下に冷却された状態で使用される冷凍機冷却型超電導磁石に関する。
近年、強磁場環境を利用した分析装置の応用が盛んになっている。例えば、医療分野では、水素原子の原子核に磁気共鳴を起こさせた際に発生する電磁波で体内の様子を映し出す磁気共鳴イメージング（Magnetic Resonance Imaging：ＭＲＩ）があり、磁場強度３テスラを超える製品が既に市販化され、高い解像度と高速検査を可能としている。また、バイオ関係では、核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance：ＮＭＲ）を利用した分光システムにおいて、水素原子の共鳴周波数が１ＧＨｚを超える強磁場ＮＭＲシステムが開発されつつある。
超電導を応用する限り、電気抵抗がゼロとなる超電導臨界温度以下の環境を実現しなければならない。一般には、超電導臨界温度以下の環境を実現するため、液体ヘリウムが使用されているが、ヘリウムは有限な天然資源であり、将来、枯渇する可能性が指摘されている。現在、液体ヘリウムで冷却され超電導材のコイルを用いる超電導磁石は、医療や分析の分野で必要不可欠となっており、液体ヘリウムの使用が困難になった場合には、様々な問題が生じると考えられる。
そこで、液体ヘリウムを利用せずに超電導臨界温度以下の環境を実現するために、極低温冷凍機を用いた冷却システムが開発されている。極低温冷凍機の内部にも加圧されたヘリウムガスが使用されるが、量としては僅かであり、また、密閉された状態で使用されるため、外気へ放出しない限り減少することはない。
或いは、極低温冷凍機と液体ヘリウムを両方用いる場合もある。この場合、蒸発したヘリウムガスを極低温冷凍機が再凝縮することにより、液体ヘリウムの外部への放出をゼロとした構造である。しかし、励磁時にクエンチが発生した場合には貯蔵された液体ヘリウムが大量に蒸発するため、液体ヘリウムの供給が制限された場合には、超電導臨界温度以下の環境の実現が困難となる。
ところで、超電導コイルに通電可能な電流値（臨界電流値）は冷却温度に依存し、冷却温度が高くなるほど、臨界電流値は小さくなる。高い磁場を発生するためには、大電流を供給する必要があり、超電導コイルの温度をできるだけ低くしなければならない。
液体ヘリウムを使用する場合には、超電導コイルは液体ヘリウム温度（絶対温度４．２Ｋ）に維持されていた。しかし、極低温冷凍機を冷却源とした場合、超電導コイルの冷却温度は極低温冷凍機の性能により左右される。例えば、極低温冷凍機が受ける熱負荷が大きくなると、極低温冷凍機の冷却到達温度が上昇する。したがって、超電導コイルの温度を低くするためには、超電導コイル及び極低温冷凍機が受ける熱負荷を小さくする必要がある。
ＭＲＩやＮＭＲでは、極めて高い磁場安定性が要求されている。外部から電流を供給する場合（電流供給モード）は、供給される電流自体がある程度の不安定性を持つため、電流供給モードはＭＲＩやＮＭＲには適用困難である。
そのため、ＭＲＩやＮＭＲ用超電導磁石は、一般に永久電流モードで運転されている。永久電流モードとは、外部から印加した電流が、超電導材料で作られた閉ループを周り続ける状態であり、外部からの電流供給が不要である。
超電導材料で作られた閉ループは電気抵抗が極めて小さく、エネルギ損失が僅少であり閉ループを流れる電流の減衰が極めて小さい。そのため、ＭＲＩやＮＭＲのように検査空間における高い磁場安定度が要求されるシステムでは、この超電導材料で作られた閉ループの電気抵抗を許容値以下に抑制する必要がある。
具体的には、１００年間で磁界の減少が１％以下である必要があり、超電導線の電気抵抗がないだけでなく、超電導接続部の電気抵抗を１ナノΩ以下に抑制する必要がある。ＮｂＴｉ(ニオブチタン)やＮｂ３Ｓｎ(ニオブセレン)といった金属系超電導材料では、超電導線同士を結合する部分の接続方法が確立されており、接合部を含めても閉ループの電気抵抗を許容範囲内に抑えることができる。一方、高温超電導体では接合部の超電導接続が確立されておらず、高温超電導体を含む閉ループではＭＲＩやＮＭＲに使用できるだけの電気抵抗に抑えることが困難である（非特許文献１参照）。
ここで、永久電流モードでの運転が可能な超電導磁石では、外部の直流電源から超電導コイルに電流を供給するために、永久電流モードと電流供給モードとを切り替えるための永久電流スイッチの切り替えが必要となる。
永久電流スイッチは、超電導材料で作られた素子である。電流供給モードでは、永久電流スイッチは超電導臨界温度以上に加熱され、常電導状態となる。常電導状態の永久電流スイッチの電気抵抗は超電導コイルの電気抵抗よりも大きいため、外部の直流電源から供給された電流は、電気抵抗の小さい超電導コイルに流れる。そのため、外部の直流電源の電流値を操作することにより、超電導コイルに流れる電流量を決めることができる。任意の電流量が供給された後、永久電流スイッチを超電導臨界温度以下に冷却して超電導化すると、超電導で作られた閉ループが完成し、超電導コイルを流れる電流は、電気抵抗がゼロであるため、減衰することなく流れ続ける。
しかし、電流供給モードでは、永久電流スイッチは超電導臨界温度以上に維持されており、超電導臨界温度以下に冷却された超電導コイルへの加熱源となる。すなわち、電流供給モードでは、永久電流スイッチが熱源となるため、永久電流スイッチの熱が超電導コイルに伝播し、超電導コイルへの熱負荷が大きくなり、超電導コイルの冷却源である極低温冷凍機の到達温度が上昇する。そのために、臨界電流値が低下し、低い磁場しか発生することができなくなる。
超電導コイルと永久電流スイッチをつなぐ超電導線は、一部でも常電導状態に遷移すると、常電導化した部分に有意な電気抵抗が発生し、この部分を通過する電流によって発熱する。強磁場を発生するために供給する電流量が大きいので、常電導遷移した部分での発熱量も大きくなり、これを冷却するための冷却体が必要となる。
超電導磁石を液体ヘリウムで冷却する場合には、超電導線の周囲の液体ヘリウムが冷却体となり、液体ヘリウムが蒸発することによって熱を放出していた。しかし、液体ヘリウムを使用しない極低温冷凍機による冷却構造を持つ超電導磁石では、超電導線の周囲は真空状態であるため、冷却源と熱的に接触した冷却体を設置しなければ超電導線を冷却することはできない。
冷却体は、超電導コイルまたは永久電流スイッチ、或いは超電導コイルおよび永久電流スイッチの両方と熱的に結合して冷却されている。超電導コイルまたは永久電流スイッチの何れかに接触していない部分が生じると、その部分で大きな発熱が生じるため、超電導コイルと永久電流スイッチの両方をまたぐような形で設置されるのが一般的である。
電流供給モードでは、超電導臨界温度以上に加熱された永久電流スイッチから超電導臨界温度以下に冷却された超電導コイルに冷却体が直接接続されるため、冷却体を介して永久電流スイッチから超電導コイルへ伝わる熱伝導が、超電導コイルの超電導状態を維持する上で大きな問題となる。
超電導コイルと永久電流スイッチをつなぐ超電導線を冷却する冷却体に必要な冷却能力は、超電導線の発熱を冷却する能力が大部分を占めており、超電導線の発熱量を小さくすることができれば、冷却体を介して冷却源に伝える熱量が小さくなるため、冷却体の伝熱面積を小さくすることが可能となる。これにより、電流供給モードにおいて永久電流スイッチから超電導コイルへ伝わる熱伝導を小さくすることができる。
そこで、永久電流スイッチと超電導コイルとの間の熱伝導を抑制する方法として、永久電流スイッチと超電導コイルとの間に、永久電流スイッチよりも超電導臨界温度の高い材料で製作した超電導体を取り付ける方法が提案されている。
この構造によると、永久電流スイッチが超電導臨界温度以上に加熱された状態でも，永久電流スイッチと超電導コイルとを結ぶ高温超電導体は超電導状態を保つことができるため発熱は生じない。
また、高温超電導体に熱伝導率が銅よりも２桁程度小さいイットリウム系超電導体を適用することにより、超電導コイルと永久電流スイッチとの間の熱抵抗を大きくしている。
更に、超電導コイルに高温超電導体を使用することによって、永久電流スイッチの動作に関わらず安定した運転を可能としている（特許文献１参照）。
特開２００３−１５１８２１号公報
財団法人 国際超電導産業技術研究センター著、「超電導Ｗｅｂ２１」２００９年１月号 発行者 財団法人 国際超電導産業技術研究センター 超電導Ｗｅｂ２１編集局
ところで、永久電流スイッチと超電導コイルとを接続する超電導線の発熱を防止するためには、超電導線の発熱を冷却源に伝えるための冷却体が必要になる。
しかし、超電導臨界温度以上に加熱された永久電流スイッチから冷却体を介して超電導コイルに伝わる熱伝導が生じ、超電導コイルの熱負荷が大きくなるため、極低温冷凍機の冷却温度が上昇し、超電導コイル温度も上昇する。これにより、超電導コイルの臨界電流値が減少し、高磁場発生のために必要な電流を供給できないという問題がある。
特許文献１で述べられているように、永久電流スイッチと超電導コイルとを連結する超電導線の材質を、永久電流スイッチよりも超電導臨界温度の高い高温超電導体にすることは、発熱を抑制する上で有効である。
しかし、超電導コイルと永久電流スイッチとの間に高温超電導体を取り付けるためには、少なくとも２箇所の超電導接続部が必要となる。
前述のように、高温超電導体の超電導接続部における電気抵抗は、金属系超電導の超電導接続における電気抵抗よりも大きく、超電導材料で構成された閉ループの途中に高温超電導体を接続した超電導磁石では、永久電流モードにおいて有意な磁場減衰が生じることになる。そのため、ＮＭＲやＭＲＩといった高い磁場安定度が必要とされる機器に対して使用することができないという問題がある。
本発明は上記実状に鑑み、永久電流モード運転時の磁場減衰を防止するとともに、永久電流スイッチと超電導コイルとの連結部における発熱を抑制し、電流供給モードにおける超電導コイル冷却温度の上昇を最低限に抑える冷凍機冷却型超電導磁石を提供することにある。
上記目的を達成すべく、本発明に関わる冷凍機冷却型超電導磁石は、磁場を発生する超電導コイルと、超電導材料の超電導臨界温度を利用して前記超電導コイルに外部電源から電流を供給しない永久電流モードと電流を供給する電流供給モードとを切り替える永久電流スイッチと、前記超電導コイルを冷却する第１極低温冷凍機と、前記永久電流スイッチを冷却する別の第２極低温冷凍機と、前記超電導コイルおよび前記永久電流スイッチおよび前記第１・第２極低温冷凍機の冷却ステージを真空状態で内部に格納する真空容器とを備える冷凍機冷却型超電導磁石であって、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとを連結する超電導線と、前記超電導線と並列に設置され長手方向に沿って電気的に結合される少なくとも１本の超電導バイパス線とを備え、前記超電導バイパス線の超電導臨界温度は、前記永久電流スイッチの超電導臨界温度よりも高いことを特徴としている。
本発明に関わる冷凍機冷却型超電導磁石によれば、永久電流モード運転時の磁場減衰を防止するとともに、永久電流スイッチと超電導コイルとの連結部における発熱を抑制し、電流供給モードにおける超電導コイル冷却温度の上昇を最低限に抑える冷凍機冷却型超電導磁石を実現できる。
本発明の実施形態の冷凍機冷却超電導磁石の構造を示す断面図である。 実施形態の冷凍機冷却超電導磁石の電流供給モードにおける電流回路および冷却構造を示す簡略概念図である。 実施形態の冷凍機冷却超電導磁石の永久電流モードにおける電流回路および冷却構造を示す簡略概念図である。 実施形態の超電導線と超電導バイパス線の接続部を示す図３のＡ−Ａ線断面図である。 変形形態１の超電導線と超電導バイパス線との接続部における図３のＡ−Ａ線断面図である。 変形形態２の超電導線と超電導バイパス線との接続部における図３のＡ−Ａ線断面図である。 変形形態３の超電導線と超電導バイパス線との接続部における図３のＡ−Ａ線断面図である。
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の代表的な実施形態である冷凍機冷却超電導磁石Ｊの構造を示す断面図である。
＜冷凍機冷却超電導磁石Ｊの全体構成＞
実施形態の冷凍機冷却超電導磁石Ｊは、電流が流れ磁力を発生する超電導コイル２と、超電導コイル２に電流を供給するための外部直流電源１００と、外部直流電源１００と超電導コイル２とを連結する電流リード９と、外部直流電源１００から超電導コイル２に電流を供給する電流供給モードと電流を供給しない永久電流モードとの切り替えを行う永久電流スイッチ１と、超電導コイル２を超電導臨界温度以下に冷却する極低温冷凍機３と、永久電流スイッチ１を超電導臨界温度以下に冷却する極低温冷凍機４と、超電導臨界温度以下に冷却される超電導コイル２の周囲に設置される輻射シールド７と、超電導臨界温度以下に冷却される永久電流スイッチ１の周囲に設置される輻射シールド８と、超電導コイル２、永久電流スイッチ１、輻射シールド７、８を真空状態で格納する真空容器１０とを備え構成されている。
以下、冷凍機冷却超電導磁石Ｊの各部の構成について、詳細に説明する。
＜超電導コイル２＞
図１に示す超電導コイル２は、所定の超電導臨界温度以下で超電導状態となる超電導線２ｃをコイルボビン２ｂに巻線したものである。
コイルボビン２ｂと超電導線２ｃは間に図示しない絶縁層が設けられ電気的に絶縁されている。超電導線２ｃ同士も間に図示しない絶縁層が設けられ電気的に絶縁されている。
超電導コイル２の超電導線２ｃに所定の電流が流れた際、超電導線２ｃから所定の強度の磁場が発生するように、超電導線２ｃのコイルボビン２ｂへの巻数が決定されている。
超電導コイル２は、複数の超電導コイル２を別々に製作し、超電導コイル２同士を図示しない連結体で接続している。
超電導コイル２には、外部への漏洩磁場を遮蔽するための図示しないシールドコイルも含まれている。
＜永久電流スイッチ１＞
図１に示す永久電流スイッチ１は、前記したように、外部直流電源１００から超電導コイル２に、電流を供給する永久電流モード(図３参照)と電流を供給しない電流供給モード(図２参照)とを切り替えるためのスイッチである。
具体的には、永久電流スイッチ１は、超電導線１ｃの超電導臨界温度以下での極めて小さな電気抵抗と、超電導線１ｃの超電導臨界温度以上での有意な電気抵抗との違いを利用して、入／切を行うスイッチである。
永久電流スイッチ１は、ボビン１ｂとボビン１ｂに巻線される超電導線１ｃとを有し構成されている。永久電流スイッチ１では、中心で折り返した２本の超電導線１ｃを折り返し部から同じ方向に、ボビン１ｂに巻きつけている。これは、無誘導巻きと称され、超電導線１ｃを流れる電流によって発生する磁場が、２本の超電導線１ｃで逆向きに流れるため、お互い超電導線１ｃから出る磁場を打ち消す効果を有する。
永久電流スイッチ１の超電導線１ｃ同士は絶縁状態である必要があり、図示しない絶縁体が間に設置されている。また、ボビン１ｂと超電導線１ｃの間も同様に絶縁状態とされている。
永久電流スイッチ１の超電導線１ｃは、極低温冷凍機４により、超電導臨界温度以下に冷却されている。永久電流スイッチ１のボビン１ｂ内には、図示しないヒータが内蔵され、ヒータによる加熱によって超電導線１ｃを常電導状態として電気抵抗を大きくしスイッチＯＦＦする一方、ヒータによる加熱停止によって超電導線１ｃを超電導状態として電気抵抗をゼロとしてスイッチＯＮする構成である。
＜極低温冷凍機３、極低温冷凍機４＞
図１に示す超電導コイル２は、極低温冷凍機３により超電導臨界温度以下に冷却されている。
上述の如く、永久電流スイッチ１は、極低温冷凍機４により、超電導臨界温度以下に冷却されている。
極低温冷凍機３および極低温冷凍機４は、例えば、Gifford-McMahon型冷凍機（ＧＭ冷凍機）やStirling型冷凍機（スターリング冷凍機）、またはパルス管型冷凍機であり、冷凍機内部に封入されるガスにはヘリウムが使用されている。極低温冷凍機３および極低温冷凍機４が受ける熱負荷が大きい場合には、ＧＭ／ＪＴ冷凍機を使用してもよい。
極低温冷凍機３および極低温冷凍機４は、超電導コイル２から発生する磁場が極低温冷凍機３または極低温冷凍機４の動作に影響を与えないだけの距離を、超電導コイル２から離隔して設置している。また、極低温冷凍機３または極低温冷凍機４の動作が、超電導コイル２による主磁場を乱すことが無いだけの距離、超電導コイル２から離隔して設置する場合もある。
極低温冷凍機３および極低温冷凍機４により液体ヘリウムの液化温度（４．２Ｋ）まで冷却する場合には、それぞれ１台の冷凍機で２つの冷却ステージを持つ２段ステージ型の極低温冷凍機を使用することが望ましい。
極低温冷凍機３の第１ステージ３１および極低温冷凍機４の第１ステージ４１は、最低到達温度が２０Ｋ以上である。
超電導コイル２の周囲に設置される輻射シールド７の冷却源として極低温冷凍機３の第１ステージ３１が使用され、永久電流スイッチ１の周囲に設置される輻射シールド８の冷却源として極低温冷凍機４の第１ステージ４１が使用される。
極低温冷凍機３の第２ステージ３２および極低温冷凍機４の第２ステージ４２は、それぞれ極低温冷凍機の種類によっては液体ヘリウムの液化温度（４．２Ｋ）以下まで冷却することが可能である。
図１に示す超電導コイル２は、極低温冷凍機３の第２ステージ３２で冷却される。極低温冷凍機３の第２ステージ３２と超電導コイル２との間の接触部３２ａには、極低温環境下での接触熱抵抗を小さくするために図示しないインジウムを設置している。インジウムは極低温領域で高い熱伝導率を有し、非常に柔らかい金属であるため、接触部３２ａの隙間を埋める効果があり、接触面積を増加させて接触部３２ａの熱抵抗を小さくし、熱伝達を良好にしている。
永久電流スイッチ１は、極低温冷凍機４の第２ステージ４２で冷却される。極低温冷凍機４の第２ステージ４２と永久電流スイッチ１との間の接触部４２ａには、図示しないインジウムを設置し、接触面積を増加させて極低温環境下での接触部４２ａの熱抵抗を小さく、熱伝達を良好にしている。
＜輻射シールド７、輻射シールド８＞
超電導コイル２をシールドする輻射シールド７は、超電導線２ｃの超電導臨界温度以下に冷却された超電導コイル２が、室温である真空容器１０からの輻射熱量を直接受けないために、超電導コイル２の周囲に超電導コイル２を覆って設けられている。
同様に、永久電流スイッチ１をシールドする輻射シールド８は、超電導線１ｃの超電導臨界温度以下に冷却された永久電流スイッチ１が、室温である真空容器１０からの輻射熱量を直接受けないために、永久電流スイッチ１の周囲に永久電流スイッチ１を覆って設けられている。
なお、輻射シールド８には、電流リード９が接触して挿通され、電流リード９の熱が超電導時の超電導コイル２に伝達されないように吸熱するリード伝熱部８ａが形成されている。
絶対温度５０Ｋ程度に冷却された輻射シールド７、８をそれぞれ超電導コイル２、永久電流スイッチ１の廻りに設置した場合、超電導臨界温度以下に冷却された超電導コイル２および永久電流スイッチ１の周囲には、５０Ｋの輻射シールド７、８が存在するため、超電導コイル２および永久電流スイッチ１は、それぞれ５０Ｋの輻射シールド７および輻射シールド８からの輻射熱量を受けることになる。
輻射熱量は絶対温度の４乗に比例する。
そのため、超電導コイル２、永久電流スイッチ１の廻りに、例えば、５０Ｋの輻射シールド７、８を設置することで超電導コイル２、永久電流スイッチ１への輻射熱量は、５０の４乗に比例することになり、輻射シールド７および輻射シールド８を設置しない場合の３００Ｋの室温からの３００の４乗に比例する輻射熱量に比べて、１０００分の１以下に小さくすることができる。
一方、輻射シールド７、８は、真空内に設けられ、室温である真空容器１０からの輻射熱を受けることになる。
輻射シールド７および輻射シールド８が受ける真空容器１０からの輻射熱を小さくするために、輻射シールド７および輻射シールド８と真空容器１０との間の真空層には、図示しない積層断熱材を設置している。積層断熱材は、プラスチックフィルムの表面に金やアルミニウムを蒸着した反射材と、反射材同士が接触しないための断熱スペーサを交互に重ねたものである。断熱スペーサには、例えば、ネットや不織布などが用いられている。
＜電流リード９＞
図１に示す超電導コイル２に流れる電流は、外部に設置した外部直流電源１００から供給される。電流リード９、９は、外部電源１００に接続する室温部９ａ、９ａと超電導臨界温度以下に冷却された超電導コイル２の超電導線２ｃの一方端と他方端とに連結している。なお、図１においては、電流リード９が超電導コイル２の一方端に接続している状態を示しており、電流リード９が超電導コイル２の他方端に接続している箇所は目視できない箇所にあるため、図示を省略している。
ところで、外部直流電源１００から超電導コイル２に、電流リード９を介して、電流を供給すると、電流リード９は電気抵抗により発熱する。
電流リードは、一般に、電気抵抗の小さいリン脱酸銅を用いて製作されるが、リン脱酸銅は熱伝導率が高いため、熱伝導による輻射シールド７内の超電導コイル２への大きな熱侵入経路となる。特に、輻射シールド７内の超電導コイル２への熱伝導の増大は、超電導コイル２の温度を超電導状態の低温にするためには大きな問題となる。
そこで、冷凍機冷却超電導磁石Ｊでは、電流リード９からの熱伝導を小さくするために、電流リード９の室温端部９１ａと輻射シールド８のリード伝熱部８ａの間のリード高温部９１はリン脱酸銅で製作し、電流リード９の輻射シールド８のリード伝熱部８ａと超電導コイル２の間のリード低温部９２は、輻射シールド８の冷却温度で超電導状態となる材料、例えば、イットリウム系超電導体を使用して製作している。
イットリウム系超電導体の熱伝導率は銅に比べて２桁程度低く、リード低温部９２を介して超電導コイル２に伝わる熱伝導を小さくすることができる。
電流リード９のリード高温部９１の低温端部９１ｂおよび電流リード９のリード低温部９２の高温端部９２ａは、永久電流スイッチ１を冷却する極低温冷凍機４の第１ステージ４１で、輻射シールド８のリード伝熱部８ａを介して、熱伝導により冷却されている。
図１に示す外部直流電源１００から電流リード９を介して超電導コイル２に電流を流す時に、電流リード９のリード高温部９１ではリード高温部９１の電気抵抗により発熱する。
電流リード９のリード高温部９１での発熱は、リード伝熱部８ａを介しての熱伝導により永久電流スイッチ１を冷却する極低温冷凍機４の第１ステージ４１に伝わり、極低温冷凍機４の第１ステージ４１の温度は上昇する。電流供給時には永久電流スイッチ１の温度は、永久電流スイッチ１の超電導線１ｃの超電導臨界温度以上であるため、極低温冷凍機４の第１ステージ４１の温度が上昇しても問題はない。
一方、超電導コイル２を冷却する極低温冷凍機３の第１ステージ３１は、電流リード９を介しての超電導コイル２への電流供給に伴う発熱が、電流リード９との連結が回避されていることから熱伝導がないため、生じない。また、電流リード９のリード低温部９２は超電導コイル２とつながっているが、電流リード９のリード低温部９２は高温超電導体で製作されているため、通電しても電気抵抗がゼロであり、発熱しない。
そのため、極低温冷凍機３の第２ステージ３２および超電導コイル２の温度は安定している。
＜電流供給モード＞
次に、図１に示す冷凍機冷却超電導磁石Ｊにおける外部直流電源１００から超電導コイル２へ電流を供給する電流供給モードについて、図２を用いて説明する。
図２は、冷凍機冷却超電導磁石Ｊの電流供給モードにおける電流回路および冷却構造を示す簡略概念図である。
電流供給モードでは、永久電流スイッチ１は、超電導線１ｃ(図１参照)の超電導臨界温度以上に加熱される。
このように、永久電流スイッチ１が、ボビン１ｂに内蔵されるヒータ(図示せず)を用いて加熱されたり、極低温冷凍機４(図１参照)を停止したりすることによって、永久電流スイッチ１の温度が、超電導臨界温度以上に上昇すると、超電導線１ｃが、超電導状態から常電導状態となり、有意な電気抵抗を持つようになる。
この時、超電導コイル２は、極低温冷凍機３の第２冷却ステージ３２(図１参照)によって超電導臨界温度以下に冷却されているため、超電導コイル２は超電導状態であり、電気抵抗は極めて小さい。したがって、外部直流電源１００から供給される電流は，永久電流スイッチ１の有意な電気抵抗を持つ超電導線１ｃに流れず、電気抵抗が極めて小さい超電導コイル２に流れることになり、外部直流電源１００で供給する電流量を調整することにより、超電導コイル２に流れる電流量をコントロールすることができる。こうして、図２に示すように、電流供給モードにおいては、永久電流スイッチ１は、切状態に等しくなる。
＜永久電流モード＞
次に、図１に示す冷凍機冷却超電導磁石Ｊの外部直流電源１００から超電導コイル２へ電流を供給しない永久電流モードについて、図３を用いて説明する。
図３は、冷凍機冷却超電導磁石Ｊの永久電流モードにおける電流回路および冷却構造を示す簡略概念図である。
電流供給モード(図２参照)において超電導コイル２に所定の電流が流れることを確認した後、永久電流スイッチ１を超電導線１ｃの超電導臨界温度以下に冷却する。この時、永久電流スイッチ１の超電導線１ｃが常電導状態から超電導状態に変化し、電気抵抗が極めて小さくなる。
永久電流スイッチ１が超電導状態になると、図３に示すように、超電導コイル２と永久電流スイッチ１とを含む超電導材料により閉回路が形成される。こうして、外部直流電源１００から供給された電流は、超電導材料で形成された超電導コイル２、永久電流スイッチ１等の閉回路を回り続けることになり、永久電流モードでの運転状態となる。
このように、超電導コイル２、永久電流スイッチ１等の閉回路が形成されると、図３に示すように、外部直流電源１００は、超電導コイル２、永久電流スイッチ１等の閉回路との接続が物理的に切断され、外部直流電源１００からの超電導コイル２への電流の供給は停止される。
＜電流供給モードでの永久電流スイッチ１から超電導コイル２への熱伝導＞
図２に示す電流供給モードでは、超電導線１ｃの超電導臨界温度以上に加熱され常電導状態の永久電流スイッチ１と、超電導臨界温度以下に冷却された超電導コイル２が共存することとなる。この時、温度の高い常電導状態の永久電流スイッチ１から温度の低い超電導状態の超電導コイル２に向かって熱伝導が生じる。
永久電流スイッチ１と超電導コイル２を連結する超電導線５からの超電導コイル２への熱伝導は、温度の低い超電導状態の超電導コイル２への熱負荷となる。
従来、永久電流スイッチ１と超電導コイル２を連結する超電導線５は、超電導材料で作られた複数のフィラメントを銅の筒に入れて引き伸ばした構造であり，熱伝導は銅の筒部分で生じると考えられる。
超電導線５の直径を１ｍｍ、連結部長さを５０ｍｍ、永久電流スイッチ１と超電導コイル２との温度差を１０Ｋとすれば、銅の熱伝導率を４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）として、永久電流スイッチ１から超電導コイル２への超電導線５を介しての熱伝導を、(断面積／長さ)×熱伝導率×温度差の演算で計算すると、超電導線(５)１本当り０．０６３Ｗの熱伝導があることが分かる。
一方、常電導化した場合に生じる発熱量は，超電導線５の抵抗率を銅の抵抗率と仮定して１．６８×１０−８Ωｍを用いて算出する。超電導線５の直径(１ｍｍ)と長さ(５０ｍｍ)から電気抵抗を、(長さ／断面積)×抵抗率の演算で算出すると、約０．００１１Ωとなる。
定格３００アンペアの場合に、１０％の電流（３０アンペア）が永久電流スイッチ１側に流れた場合、超電導線５での発熱量は約１Ｗとなる。直径１ｍｍ、長さ５０ｍｍの超電導線５で１Ｗの発熱が生じた場合、超電導線５では連結部の断面積が不足し、連結部の超電導線５の温度が上昇し、焼損することが考えられる。
これを防止するために、従来は、銅で製作された図示しない冷却体を超電導線５に沿わせ、超電導線５で生じた発熱は冷却体を通して冷却源である永久電流スイッチ１に伝えていた。しかし、この場合、連結部の超電導線５全体が永久電流スイッチ１と同じ温度となり、超電導線５を伝わる熱伝導距離が逆に短くなるため、超電導コイル２への熱伝導が増加し、超電導コイル２の温度が上昇するという現象が発生する。
＜超電導バイパス線６＞
そこで、本実施形態では、従来の冷凍機冷却型超電導磁石にあった冷却体をなくし、代わりに、図１〜図４に示すように、超電導線５と並列に超電導バイパス線６を設置している。なお、図４は、実施形態の超電導線５と超電導バイパス線６の接続部を示す図３のＡ−Ａ線断面図である。
図４に示すように、超電導線５は、超電導材料で作られた複数のフィラメント５ｆと複数のフィラメント５ｆの廻りの断面円形状の銅等の被覆材５ｄとを有している。
超電導線５は、導電性の鉛等の超伝導材の連結部５ｒを介して超電導バイパス線６に電気的に結合されている。超電導線５に、断面円形状の銅等の被覆材５ｄを用いることで、渦電流損を被覆材５ｄに発生させ、渦電流損がフィラメント５ｆに発生するのを抑制し、エネルギ効率を向上させている。
超電導バイパス線６は、超電導材料で作られた複数のフィラメント６ｆと複数のフィラメント６ｆの廻りの断面円形状の銅等の被覆材６ｄとを有している。断面円形の銅等の被覆材６ｄを用いることで、渦電流損がフィラメント５ｆに発生するのを抑制し、エネルギ効率を向上させている。
この超電導バイパス線６のフィラメント６ｆは、永久電流スイッチ１に使用されている超電導線１ｃよりも超電導臨界温度が高い材料である。例えば、永久電流スイッチ１がＮｂＴｉ（ニオブチタン：超電導臨界温度１０Ｋ）の場合には、超電導バイパス線６のフィラメント６ｆにはＭｇＢ２（二ホウ化マグネシウム：超電導臨界温度３９Ｋ）を適用することにより、永久電流スイッチ１が常電導状態であっても、超電導臨界温度が高い超電導バイパス線６は超電導状態を維持することができる。
永久電流スイッチ１の超電導線１ｃと超電導バイパス線６のフィラメント６ｆとの超電導材料の組み合わせは、ＮｂＴｉとＭｇＢ２に限るものではない。超電導バイパス線６ののフィラメント６ｆの超電導臨界温度が永久電流スイッチ１の超電導線１ｃの超電導臨界温度よりも高いという条件を満たせば、超電導臨界温度が異なる材料同士により、様々な組み合わせが適用可能である。
例えば、超電導バイパス線６の全体に高温超電導体の一つであるイットリウム系超電導体を使用する場合、イットリウム系超電導体の熱伝導率は約７Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、銅と比較して２桁小さいため、図１に示すように、超電導バイパス線６を設置したことによる永久電流スイッチ１から超電導コイル２への熱負荷の大部分は、削減不可能な超電導線５からの熱伝導のみに抑制することができる。
超電導バイパス線６の輻射シールド７内における長さおよび輻射シールド８内における長さは、超電導バイパス線６の冷却効率等を考慮して適宜決定される。
永久電流スイッチ１が、超電導線１ｃの超電導臨界温度以上に加熱され、常電導状態となり、永久電流スイッチ１の超電導線１ｃの抵抗により熱が発生する。この永久電流スイッチ１の熱により、永久電流スイッチ１と超電導コイル２を連結する超電導線５の温度が上昇し、超電導線５の一部が常電導化した場合、超電導線５の常電導部に有意な電気抵抗が生じる。
しかし、永久電流スイッチ１と超電導コイル２を連結する超電導線５と並列に電気的に結合され設置された超電導バイパス線６が、超電導状態であり電気抵抗が極めて小さいため、超電導線５を流れる電流は電気抵抗の小さい超電導バイパス線６側に転流する。
これにより、超電導線５の常電導に遷移した部分に電流が流れなくなるため、超電導線５が超電導臨界温度以上になっても発熱しない。
超電導バイパス線６の直径が永久電流スイッチ１と超電導コイル２を連結する超電導線５と同じ直径だった場合、永久電流スイッチ１と超電導コイル２の温度差を１０Ｋと仮定すれば、超電導バイパス線６が１本あたり０．０６３Ｗの熱侵入が生じることになる。
一方、超電導線５がＱ＝１Ｗで発熱した場合、超電導線５で発熱した熱量Ｑ(＝１Ｗ)を冷却体を介して冷却源に伝えるためには冷却体の熱伝導率をλ＝４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、温度差をΔＴ＝１０Ｋとして計算すると、
Ａ／Ｌ＝Ｑ／λ／ΔＴ＝０．０００２５（ｍ２／ｍ） (１)
ここで、Ａ：冷却体の伝熱面積
Ｌ：冷却体の連結部長さ
の関係がある。
(１)式において、冷却体の連結部長さを５０ｍｍとすると，熱を伝えるために必要な冷却体の伝熱面積Ａは１２．５ｍｍ２となる。これは直径１ｍｍの超電導線の断面積（０．７８５ｍｍ２）の約１６倍の面積に相当する。
超電導バイパス線６を設置して超電導線５での発熱を抑制する、すなわち超電導線５の発熱量Ｑ＝０とすることによって、直径１ｍｍの超電導線の断面積（０．７８５ｍｍ２）の約１６倍の面積に相当する冷却体が不要になる。これは、超電導バイパス線６を設置することで、永久電流スイッチ１から超電導コイル２への熱負荷を大きく低減できることを定量的に裏付けるものである。
図１に示す超電導線５と超電導バイパス線６は、超電導線５と超電導バイパス線６とが並列に配置される並列区間全体で、図４に示す導電性の鉛等の超伝導材の連結部５ｒを介して、電気的に接触するようにしている。すなわち、超電導線５と超電導バイパス線６とが並列に配置される並列区間全体で、超伝導材の連結部５ｒを介して、電気的に結合している。
超電導線５および超電導バイパス線６は、通常、図４に示すような円形断面であるが、以下に示す変形形態１〜３の超電導線５および超電導バイパス線６とすると好適である。
＜変形形態１の超電導線５と超電導バイパス線６との接続＞
次に、変形形態１の超電導線５と超電導バイパス線６との接続について、図５を用いて説明する。
図５は、変形形態１の超電導線５と超電導バイパス線６との接続部における図３のＡ−Ａ線断面図である。
図５に示すように、変形形態１の超電導線５と超電導バイパス線６は、それぞれを矩形断面に形成し、超電導線５の接続部ｓ１と超電導バイパス線６の接続部ｓ２とを介して、超電導線５と超電導バイパス線６とを直接接触させ、電気的に結合したものである。
詳細には、変形形態１の超電導線５は、超電導材料で作られた複数のフィラメント５ｆ1と複数のフィラメント５ｆ1の廻りの矩形断面の銅等の被覆材５ｄ1とを有している。
変形形態１の超電導バイパス線６は、超電導材料で作られた複数のフィラメント６ｆ1と複数のフィラメント６ｆ1の廻りの断面矩形の銅等の被覆材６ｄ1とを有している。
そして、矩形断面の超電導線５と矩形断面の超電導バイパス線６とは、接続部ｓ１、ｓ２を介して、直接接触させ電気的に結合されている。
このように、超電導線５と超電導バイパス線６とをそれぞれ矩形断面に形成し、１辺を形成する接続部ｓ１、ｓ２を介して、超電導線５と超電導バイパス線６とを電気的に結合することで、超電導線５と超電導バイパス線６との接触面積を前記実施形態に比較して、大きくすることができる。これにより、超電導線５と超電導バイパス線６との間の接続部ｓ１、ｓ２の電気抵抗を小さくすることができる。
なお、変形形態１では、超電導線５と超電導バイパス線６とをそれぞれ矩形断面にする場合を例示して説明したが、三角形断面、五角形断面等の任意の多角形断面として、多角形断面の一辺、すなわち超電導線５と超電導バイパス線６とのそれぞれの一側平面で接合する構成としてもよい。
また、変形形態１では、超電導線５と超電導バイパス線６との多角形断面として、正方形断面の場合を例示して説明したが、必ずしも、正多角形の断面でない単なる多角形の断面でもよい。
また、超電導線５と超電導バイパス線６とを、それぞれの一側面を介して並列に長手方向に沿って電気的に結合すれば、超電導線５の断面と超電導バイパス線６の断面とは同じ多角形でなくともよい。なお、様々な多角形が適用できるが、超電導線５と超電導バイパス線６との接触面積(結合面積)を大きく構成する方が好適である。
＜変形形態２の超電導線５と超電導バイパス線６との接続＞
次に、変形形態２の超電導線５と超電導バイパス線６との接続について、図６を用いて説明する。
図６は、変形形態２の超電導線５と超電導バイパス線６との接続部における図３のＡ−Ａ線断面図である。
図６に示すように、変形形態２の超電導線５と超電導バイパス線６は、互いの接触箇所(接続部ｓ３、ｓ４)のみを平面に加工して、形成したものである。
変形形態２の超電導線５は、超電導材料で作られた複数のフィラメント５ｆ2と、複数のフィラメント５ｆ2の廻りに、平面状の接続部ｓ３(図６では直線で図示)を除いて円形断面をもつ銅等の被覆材５ｄ2とを有している。
超電導バイパス線６は、超電導材料で作られた複数のフィラメント６ｆ2と、複数のフィラメント６ｆ2の廻りに、平面状の接続部ｓ４(図６では直線で図示)を除いて円形断面をもつ銅等の被覆材６ｄ2とを有している。
このように、超電導線５の側表面の一部と超電導バイパス線６の側表面の一部とが加工され、直接接触する接続部ｓ３、ｓ４を形成している。
そして、超電導線５と超電導バイパス線６とは、超電導線５の接続部ｓ３と超電導バイパス線６の接続部ｓ４とで直接接触し接合され電気的に結合されており、接続部ｓ３、接続部ｓ４の周囲に導電性の鉛等の超電導材の連結部５ｒ2を設けている。
変形形態２の超電導線５と超電導バイパス線６とによれば、接触箇所(接続部ｓ３、ｓ４)のみを平面に加工したので接触面積が増加し、超電導線５と超電導バイパス線６との接触箇所(接続部ｓ３、ｓ４)の電気抵抗を小さくするのに有効である。
なお、図６の二点鎖線で示すように、超電導線５の表面の一部が加工された接続部ｓ５を、超電導バイパス線６の接続部ｓ６に直接接触する構成としてもよい。或いは、逆に、超電導バイパス線６の表面の一部が加工された接続部(図示せず)を、超電導線５の接続部(図示せず)に直接接触する構成としてもよい。
＜変形形態３の超電導線５と超電導バイパス線６との接続＞
次に、変形形態３の超電導線５と超電導バイパス線６との接続について、図７を用いて説明する。
図７は、変形形態３の超電導線５と超電導バイパス線６との接続部における図３のＡ−Ａ線断面図である。
図７に示すように、変形形態３の超電導線５と超電導バイパス線６は、超電導線５の周囲に細い超電導バイパス線６を複数設置したものである。
変形形態３の超電導線５は、超電導材料で作られた複数のフィラメント５ｆ3と、複数のフィラメント５ｆ3の廻りの略円形断面をもつ銅等の被覆材５ｄ3とを有している。
超電導バイパス線６は、超電導材料で作られた１本のフィラメント６ｆ3と、フィラメント６ｆ3の廻りの円形断面をもつ銅等の被覆材６ｄ3とを有する形状に、複数形成されている。
超電導線５と複数の超電導バイパス線６とは、超電導線５の接続部ｓ７と、複数の超電導バイパス線６の接続部ｓ８とで直接接触し電気的に結合されている。
そして、複数本の超電導バイパス線６は、超電導線５の略円形断面をもつ銅等の被覆材５ｄ3に接触する態様で、導電性の鉛等の超電導材の連結部５ｒ3を設けている。
変形形態３の超電導線５と超電導バイパス線６との接続によれば、超電導線５と複数本の超電導バイパス線６との距離が短くなるとともに、超電導線５と超電導バイパス線６との接触面積が増加し、超電導線５と超電導バイパス線６との接触部(接続部ｓ７、ｓ８)の電気抵抗を小さくできる。
なお、超電導線５と超電導バイパス線６とが直接接触する接続部ｓ３、ｓ４、ｓ５(変形形態２)、接続部ｓ７(変形形態３)は、加工以外の型成形等の方法によって形成してもよい。
＜永久電流スイッチ１と超電導コイル２との連結部(超電導線５、超電導バイパス線６)の構成＞
図１に示すように、超電導バイパス線６は、永久電流スイッチ１と超電導コイル２との連結部の超電導線５だけでなく、永久電流スイッチ１の超電導線１ｃの一部および超電導コイル２の一部に接触させ、接触部では確実に永久電流スイッチ１の超電導線１ｃおよび超電導コイル２と超電導バイパス線６とが接合するように設置している。これにより、超電導バイパス線６を、極低温冷凍機４、極低温冷凍機３で確実に冷却している。
図２に示す電流供給モードでは、超電導線５と超電導バイパス線６のそれぞれから熱伝導が生じるが、電流供給に伴う発熱がないため、超電導コイル２では最低限の温度上昇に抑制できる。
この時、超電導バイパス線６は永久電流スイッチ１との間で絶縁状態となるように設置しなければならない。具体的には、カプトンテープなどの絶縁体を超電導バイパス線６と永久電流スイッチ１との間に設置し、絶縁状態としている。超電導バイパス線６と超電導コイル２との間も同じように絶縁状態にしなければならないので、同様に、カプトンテープなどの絶縁体を超電導バイパス線６と超電導コイル２との間に設置し、絶縁状態としている。
永久電流スイッチ１と超電導コイル２の連結部であって超電導線５と超電導バイパス線６を並列に電気的に結合した部分は、図示しない低熱伝導率の材料で製作した支持体で固定し、連結部の超電導線５と超電導バイパス線６とが動かないようにしている。
＜＜作用効果＞＞
上記構成によれば、永久電流スイッチ１と超電導コイル２とを連結する超電導線５に並列して、超電導線５よりも超電導臨界温度の高い超電導バイパス線６を設置し、超電導線５と超電導バイパス線６を並列に長手方向に沿って電気的に結合している。
このように、永久電流スイッチ１と超電導コイル２との連結部の超電導線５の周囲に永久電流スイッチ１よりも超電導臨界温度の高い超電導バイパス線６を設けることで、永久電流スイッチ１から超電導コイル２への熱移動が小さくなる。
これにより、少ない加熱量でも永久電流スイッチ１の温度が上昇することになり、永久電流スイッチ１のヒータの加熱量を小さくすることができる。
また、超電導コイル２への熱負荷が小さくなるため、永久電流スイッチ１を超電導臨界温度以上に加熱し常電導状態にした電流供給モードで、超電導コイル２の温度を低温化することができ、超電導コイル２へ供給する電流量を高くすることができる。これにより、冷凍機冷却超電導磁石Ｊにおける発生磁場強度の高磁場化が可能となる。
また、電流供給モードにおいて、超電導コイル２と永久電流スイッチ１を連結する超電導線５が常電導状態になっても、超電導線５の周囲の超電導バイパス線６は超電導状態を保ち、超電導線５を流れていた電流は電気抵抗の小さい超電導バイパス線６に転流する。
そのため、永久電流スイッチ１と超電導コイル２とを連結する超電導線５の常電導部での発熱を抑制することができる。
また、外部直流電源１００から電流が供給される電流供給モードから、電流が供給されない永久電流モードに移行すると、永久電流は超電導コイル２と永久電流スイッチ１とで形成される閉ループを流れる。この時、永久電流スイッチ１と超電導コイル２の連結部の超電導線５と超電導バイパス線６の両方が超電導臨界温度以下に冷却されている。この状態では、超電導線５と超電導バイパス線６の接合部(連結部５ｒ(図４参照))の電気抵抗が、超電導線５の電気抵抗よりも大きくなるため、永久電流は超電導バイパス線６には流れず、超電導線５側を流れる(図３参照)。
すなわち、永久電流モードでは、超電導バイパス線６よりも電気抵抗の小さい超電導線５を電流が流れるため、閉ループの電気抵抗は従来の超電導磁石と同じレベルにすることができ、永久電流モードでの磁場減衰を防止することができる。
超電導材料で形成される閉ループは、従来のＮＭＲやＭＲＩで使用されているものと同じであり、永久電流の減衰はＮＭＲやＭＲＩの計測に問題のないレベルに抑制することができる。
永久電流スイッチ１を冷却する極低温冷凍機４と超電導コイル２を冷却する極低温冷凍機３の２台の極低温冷凍機を使用することにより、永久電流スイッチ１を超電導状態から常電導状態に切り替えるために加える永久電流スイッチ１へのヒータ入力は、永久電流スイッチ１を冷却する極低温冷凍機４の熱負荷となるが、超電導コイル２を冷却する極低温冷凍機３には直接熱負荷として作用しない。永久電流スイッチ１の温度が上昇するため、永久電流スイッチ１から超電導コイル２に伝わる熱伝導が増加するが、ヒータ入力に比べると桁違いに小さいため、本構造を採用することによって、超電導コイル２の温度を低温で安定させることができる。
なお、前記実施形態では、図４〜図７に示すように、超電導線５と超電導バイパス線６とをそれぞれ、超電導材料のフィラメントと銅等の被覆材で形成した場合を例示して説明したが、図４〜図７に示す超電導線５と超電導バイパス線６とをそれぞれ全て超電導材料のフィラメントで形成してもよい。或いは、図４〜図７に示す超電導線５と超電導バイパス線６とを複数の超電導材料のフィラメント線を寄り合わせて形成してもよい。
また、前記実施形態では、ヒータを永久電流スイッチ１に内蔵する場合を例示して説明したが、ヒータを極低温冷凍機４に付けて熱負荷をかける構成としてもよく、ヒータが永久電流スイッチ１を加熱すれば、ヒータの位置は限定されない。
なお、前記実施形態、変形形態１、２、３では、超電導バイパス線６が１本の場合を例示して説明したが、２本以上の複数本として、前記実施形態(図４参照)、変形形態１、２、３(図５〜図７参照)と同様な構成とすることも可能である。
１ 永久電流スイッチ
２ 超電導コイル
３ 極低温冷凍機(第１極低温冷凍機)
４ 極低温冷凍機(第２極低温冷凍機)
５ 超電導線
６ 超電導バイパス線
７ 輻射シールド(第１シールド)
８ 輻射シールド(第２シールド)
９ 電流リード
１０ 真空容器
３１ (極低温冷凍機３の)第１冷却ステージ(冷却ステージ)
３２ (極低温冷凍機３の)第２冷却ステージ(冷却ステージ)
４１ (極低温冷凍機４の)第１冷却ステージ(冷却ステージ)
４２ (極低温冷凍機４の)第２冷却ステージ(冷却ステージ)
９２ リード低温部(第１電流リード部)
１００ 外部直流電源
ｓ１、ｓ２ 接続部(平面、一側平面、接触部)
ｓ３、ｓ４ 接続部(平面、接触部)
ｓ５、ｓ６、ｓ７、ｓ８ 接続部(曲面、接触部)
Ｊ 冷凍機冷却超電導磁石(冷凍機冷却型超電導磁石)

Claims (9)

  1. 磁場を発生する超電導コイルと、超電導材料の超電導臨界温度を利用して前記超電導コイルに外部電源から電流を供給しない永久電流モードと電流を供給する電流供給モードとを切り替える永久電流スイッチと、前記超電導コイルを冷却する第１極低温冷凍機と、前記永久電流スイッチを冷却する別の第２極低温冷凍機と、前記超電導コイルおよび前記永久電流スイッチおよび前記第１・第２極低温冷凍機の冷却ステージを真空状態で内部に格納する真空容器とを備える冷凍機冷却型超電導磁石であって、
    前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとを連結する超電導線と、
    前記超電導線と並列に設置され長手方向に沿って電気的に結合される少なくとも１本の超電導バイパス線とを備え、
    前記超電導バイパス線の超電導臨界温度は、前記永久電流スイッチの超電導臨界温度よりも高い
    ことを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石。
  2. 請求項１記載の冷凍機冷却型超電導磁石において、
    前記超電導コイルおよび前記永久電流スイッチは、金属系超電導材料で構成され、
    前記超電導バイパス線は、前記超電導コイルおよび前記永久電流スイッチよりも超電導臨界温度が高い高温超電導体である
    ことを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石。
  3. 請求項１記載の冷凍機冷却型超電導磁石において、
    前記超電導バイパス線と前記超電導線とが、それぞれの平面またはそれぞれの曲面を介して、互いに並列に長手方向に沿って電気的に結合される
    ことを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石。
  4. 請求項３記載の冷凍機冷却型超電導磁石において、
    前記超電導バイパス線の断面が多角形であり、
    前記超電導線の断面が多角形であり、
    前記超電導バイパス線と前記超電導線とが、それぞれの一側平面を介して、並列に長手方向に沿って電気的に結合される
    ことを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石。
  5. 請求項１記載の冷凍機冷却型超電導磁石において、
    前記超電導バイパス線が複数の超電導線で構成されている
    ことを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石。
  6. 請求項１記載の冷凍機冷却型超電導磁石において、
    前記超電導線と前記超電導バイパス線とが直接接触する接触部を有する
    ことを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石。
  7. 請求項６記載の冷凍機冷却型超電導磁石において、
    前記接触部は、前記超電導バイパス線または前記超電導線、或いは、前記超電導バイパス線および前記超電導線の両方が、表面の一部を加工され形成される
    ことを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石。
  8. 請求項１記載の冷凍機冷却型超電導磁石において、
    前記超電導コイルを覆って形成され前記超電導コイルへの輻射熱をシールドする第１シールドと、
    該第１シールドと独立して、前記永久電流スイッチを覆って形成され、前記永久電流スイッチへの輻射熱をシールドする第２シールドとを
    備えることを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石。
  9. 請求項８記載の冷凍機冷却型超電導磁石において、
    前記超電導コイルに外部電源から電流を供給するための電流リードは、
    前記第２シールドの一部との連結箇所から前記超電導コイル間に、前記超電導コイルが超電導状態の際の前記第２シールドの冷却温度で、超電導状態である第１電流リード部を備える
    ことを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石。








































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