JP2010524219A - 準永久超電導磁石におけるクエンチ保護および減衰安定化のための装置 - Google Patents

Abstract

稼動条件下で稼動量の磁界を発生する超電導磁石（１）を備え、超電導磁石が超電導故障電流限流器（７）および抵抗器（５）の直列組合せと並列に接続された、超電導磁石アセンブリ。磁石はさらにＤＣ電源（４）と並列に接続され、それにより稼動条件下で磁石を電源によって通電して、稼動量の所望の磁界を発生させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、準永久モードで動作する超電導磁石の減衰の安定化、およびそのような磁石のクエンチ保護に関する。

典型的な超電導磁石システムは、所望の磁界強度を発生する主マグネットコイル、およびコイルと平行に取り付けられて永久動作モードを可能にする超電導スイッチから構成される。

超電導磁石は通常永久モードで動作し、このモード時に、電流はランプアップ手順を用いて電源から電流リードを介して超電導コイルに導入され、その間、スイッチは開かれている。次いで超電導スイッチは閉じられ、電流は比較的長い時間、超電導コイルを流れ続ける。それによって定常磁界が発生する。しかし、電流源によって磁石に連続的に電力を供給し続ける必要はない。超電導スイッチを閉じ、こうして電流が磁石およびスイッチによって形成された連続超電導ループ内を循環することを可能にすることによって、かつリードの電流を零に減衰させることによって、磁石は永久モードになる。

電流リードの電流を零に減衰させた後、電流リードは一般的に完全に除去される。その結果として、電流は、磁石およびスイッチによって形成された超電導ループ内を連続的に循環することができる。そのような従来の永久モード磁石において公知の通り、電流は時間と共にドリフトし、磁石は超電導ジョイントの抵抗に大きく依存する減衰性能によって特徴付けられる。減衰磁石については、米国特許出願公開第２００３／００５７９４２号明細書に記載されるような、超電導スイッチと連動する抵抗回路による安定化解決策が開発され、超電導磁石に実現するのに成功している。上記特許出願に記載されたスイッチと連動する抵抗器安定化解決策は特に、一般的に磁石の少なくとも一部のセクションの各セクションの端子に接続された抵抗器および／またはダイオードの配列を含む保護回路によって、複数のセクションに分けて保護される磁石に適用される。従来超電導磁石回路の一部として設けられる超電導スイッチも同様に保護される。これらのタイプの磁石は一般的に、通常数百アンペアの定格および通常１０Ｖのオーダーの比較的低いコンプライアンス電圧を持つ電源により通電される。

図１に示すように、超電導磁石１は一般的に超電導スイッチ３を並列に担持する。通電中に、電源４から印加される電流の大きさを上げていくことによって設定電流まで磁石１に通電することができるように、スイッチ内に組み込まれたヒータ（図示せず）を用いて、スイッチ３は抵抗モードになる。抵抗モード時のスイッチ３の比較的大きな抵抗は、スイッチを通過する電流を制限し、事実上全ての電流がまっすぐ磁石１に流れる。ひとたび所要磁石動作電流に達すると、スイッチヒータはオフになり、超電導スイッチ３は超電導状態に戻る。電流リードの電流は、零に達するまで低減される。磁石１内を流れる電流は、スイッチ３および磁石１によって形成された超電導ループを循環する。ひとたび電流リードの電流が零まで低下すると、ここで電源４のスイッチを切り、完全に除去することができる。

当技術分野で周知の通り、超電導磁石はクエンチ事象を生じ易い。そのような事象が発生すると、何らかの理由で、磁石の一部が超電導でなくなる。例えばこれは、１本の短いワイヤの移動またはコイルの構造上の完全性に関連する事象によって引き起こされる局所的加熱のため、発生することがある。超電導でなくなった部分は抵抗になる。磁石を流れる電流はこの抵抗部分の加熱を引き起こし、それが今度はより多くの超電導ワイヤを加熱し、そのより多くの超電導ワイヤを抵抗に変え、そのようにして熱は磁石の残部に伝搬する。これの効果は、磁石に蓄積されたエネルギーが、マグネットコイルのワイヤの熱として放散されることである。加えて、結果的に生じる磁石のインダクタンスを流れる電流の降下は、磁石の端子に高電圧を発生させる。クエンチ中に、電流、電圧、および温度は全て上昇する。これらは非常に高くなるので、保護が不十分な磁石（およびスイッチ）は損傷し易いことが知られている。したがって、クエンチを阻止しかつ管理するために、一般的に保護回路が設けられる。

公知の超電導磁石、例えばＭＲＩ、ＮＭＲ撮像、粒子加速器、および研究物理学用に意図された超電導磁石は一般的に、幾つかのコイルおよびコイル内のセクションにより構築される。クエンチ保護のための２大戦略が一般的に採用される。第一に、単一保護回路で磁石全体の保護をもたらすことが予想される。そのような回路には一般的に、超電導磁石を収容する低温保持装置の内部または外部に、単一保護抵抗器または抵抗器ネットワークが設けられる。または、磁石および／またはスイッチ内の個々のコイルまたはコイルセクションを保護するために、抵抗器および／またはダイオードのネットワークを用いて、保護回路機構が構成される。この第２の構成は、米国特許出願公開第２００３／００５７９４２号明細書によって改善のために意図されたものである。個々の保護抵抗器の使用は通常、保護抵抗器が低温保持装置内にあることを意味するが、保護抵抗器を低温保持装置の外に配置することもでき、一方単一抵抗器を使用する構成は一般的に、その抵抗器を低温保持装置の外に配置するが、相応じて、単一抵抗器は低温保持装置内に配置することもできる。そのような外部保護抵抗器は、導電体を低温保持装置から外に通すという問題を追加するが、クエンチ中に抵抗器によって放散される熱がクライオゲンを消費せず、または低温保持装置内に熱を導入しないという利点を有する。

クエンチ中に、超電導スイッチは当業者が精通しているプロセスによって正常または抵抗状態にされ、残りの電流はスイッチの保護回路に送られ、それによって磁界に蓄積されたエネルギーを放散する。

磁石全体がその端子に接続された単一抵抗器を用いて保護される場合、超電導磁石が数百アンペアの永久電流により作動することを考えると、その結果、おそらく数キロボルトのオーダーの非常に高い電圧が、磁石の端子間に、およびしたがって安定化回路に使用されるスイッチ３および抵抗器５の組合せにも発生し得る。超電導スイッチは一般的にそのような高電圧に耐えるように設計されておらず、したがって破壊される。超電導素子の破壊を防止するために、一般的に保護回路機構が超電導スイッチの一部として設けられる。そのような保護回路機構は、スイッチ自体に対するダイオードおよび／または抵抗器の並列回路の形を取ることができる。それにもかかわらず、超電導スイッチは数十ボルトの電圧にしか耐えることができない。

超電導スイッチ３は一般的に、どれだけの電流を通すことができるか（通常数百アンペア）、およびどれだけの電圧を許容することができるか（通常わずか数十ボルト）が制限されている。超電導スイッチ３は通常ダイオードおよび／または抵抗器により保護される。スイッチの保護は一般的に例えば数十ないし数百対１の比率であるので、クエンチ中にスイッチが抵抗状態になると、電流の大部分はクエンチ保護回路に流れる。その結果、クエンチ中にスイッチに流れる電流は非常に小さく、したがってそこを通して放散される熱が最小限に維持される。スイッチが適切に保護されなければ、それは焼損し、磁石および／またはスイッチは修理または交換しなければならなくなる。

図１および図２に関連して、米国特許出願公開第２００３／００５７９４２号明細書は、超電導磁石における磁界減衰を安定化させるための方法および構成を記載している。以前は、超電導磁石はランプアップ中に通電され、次いで、磁石を流れる電流が所望の値に達すると、超電導スイッチによって短絡された。米国特許出願公開第２００３／００５７９４２号明細書で、抵抗器５は超電導スイッチ３と直列に追加され、図２の手順に示すように、電流は通常の動作電流より少し上に上昇する。これは、磁石、スイッチ、および抵抗器によって画定される回路の電圧の代数和を調整して、零磁界ドリフトに要求される条件である零または零の近くにすることを可能にする。保護抵抗器は図１および図２に示されないが、この解決策は特に、磁石の種々のセクションのために別々の保護回路を有する磁石に適用可能である。

特に、米国特許出願公開第２００３／００５７９４２号明細書は、稼働条件下で稼動量の磁界を発生する超電導磁石１を備え、該超電導磁石が超電導スイッチ３と並列に接続され、スイッチおよび磁石が電源４に並列に接続されるように適応され、それによって稼動条件下でスイッチ３が開いた状態（すなわち抵抗モード）で、磁石が電源によって通電されて稼動量の所望の磁界を発生することができ、その後スイッチ３が閉じる（すなわち超電導モードに戻される）、超電導磁石アセンブリを記載している。特に、アセンブリはスイッチ３と直列に接続された抵抗器５をさらに備え、抵抗器５およびスイッチ３は一緒に磁石１および電源４の各々に並列に接続される。抵抗器５は、図１に抵抗２として概略的に表わされた磁石の抵抗の１〜１０００倍、好ましくは１０〜１００倍の範囲の抵抗を有することができる。電源４、磁石１、および抵抗２は、使用中に発生する磁界の不安定性が１０ｐｐｍ／時未満となるように、より好ましくは０．０１ｐｐｍ／時未満となるように構成することができる。

米国特許出願公開第２００３／００５７９４２号明細書はまた、そのような超電導磁石アセンブリに通電する方法であって、
ｉ）スイッチ３を開いて電源４から磁石１に通電するステップと、
ｉｉ）スイッチ３を閉じるステップと、
ｉｉｉ）稼動量発生する磁界のドリフトを低減させるように、電源４からの電流供給を変化させるステップと、
を備えた方法をも記載している。

該方法は、磁界減衰を監視するステップｉｖ）、および磁界減衰を低減するようにステップｉｉｉ）で異なる電流変化を用いてステップｉｉｉ）〜ｉｖ）を繰り返すステップをさらに含むことができる。

本発明のより完全な背景を提供するために、主として米国特許出願公開第２００３／００５７９４２号明細書の教示を以下で再現する。

稼動量の安定した磁界を生成するために超電導磁石が使用される多くの用途が存在する。例としてＭＲＩ、ＮＭＲ、ＩＣＲ、およびサイクロトロンが挙げられ、そこで磁石はいわゆる「永久モード」で動作する。これは、ひとたび磁石が通電されると、磁石の始まりと終わりとの間に零オームに近い結線が接続されることを含む。これを達成するための技術は周知である。結果的に生じる磁界の安定性は次いで、磁石インダクタンスおよび全回路抵抗の時定数によって決定される。

時定数はＬ／Ｒと定義される。ここでＬはヘンリー単位の磁石インダクタンスであり、Ｒはオーム単位の全回路抵抗であり、時定数は秒単位で測定される。

したがって、Ｌ＝∞またはＲ＝０Ωでない限り、結果的に得られる時定数は有限であり、その結果、時間と共に磁石の電流および磁界の両方の指数関数的な減衰が生じる。

用途によっては、できるだけ零に近い減衰率を有することが望ましい。一般的に、ＮＭＲ用途は減衰率を０．０１ｐｐｍ／時未満にすることが好ましい。

多くのシステムでは、磁石インダクタンスは、要求される非常に高度の均一磁界および動作電流を生じるために必要な形状によって固定される。したがって、実際には磁石の回路抵抗が磁界減衰率を決定する。

以前からこの磁界ドリフトは認められた問題であり、唯一の解決策は磁石に再度通電することであった。

磁界ドリフトに関連して上述した問題は、抵抗器をスイッチと直列に追加することによって克服される。これは、磁石、スイッチ、および抵抗器によって画定される回路の電圧の代数和を調整して、零磁界ドリフトに要求される条件である零または零の近くにすることを可能にする。

ひとたびスイッチが閉じると、磁石回路に供給される電力が零まで低減される従来のシステムとは対照的に、電源は接続されたままにしなければならないが、非常に長い期間安定した磁界を達成するという利点は、電源を維持するコストに勝ると考えられる。

一般的に、抵抗器は、磁石の抵抗の少なくとも１０〜１００倍大きい抵抗を有するが、磁石抵抗の１〜１０００倍の範囲の抵抗も可能である。加えて、抵抗器はインダクタンスが実質的に零でなければならない。

零の磁界ドリフトを達成する正しい電流を決定することのできる種々の方法がある。

第１の方法では、磁石の抵抗を決定することができる。これは、第２の超電導スイッチを磁石および電源と並列に設け、ひとたび磁石が所要磁界強度までパワーアップされると第２スイッチが閉じられるようにし、次いで磁界減衰を監視して磁石抵抗の値を得ることによって、簡便に達成することができる。減衰率＝１／時定数であり、時定数はＬ／Ｒでもある（ここでＬは磁石インダクタンス、Ｒは磁石抵抗である）。したがって磁石抵抗Ｒ＝減衰率（ｐｐｍ／秒）×磁石インダクタンスＬである。例えばＬ＝１００Ｈであり、減衰率＝３．６ｐｐｍ／時、すなわち３．６×１０^-6／３６００＝１０^-9秒である場合、インダクタンスＬ＝１００Ｈから、Ｒ＝１０^-7オームとなる。

第２の方法では、磁石に電圧計を取り付け、抵抗を既知の電流の通過に応答して直接決定することができる。

第３の手法では、方法はさらに、
ｉｖ）磁界減衰を監視するステップ、および
磁界減衰を低減するようにステップｉｉｉ）で異なる電流変化を用いてステップｉｉｉ）〜ｉｖ）を繰り返すステップ、
を含む。この反復技法は追加コンポーネントの必要性を回避する。

磁石は、低温および高温超電導材料の一方もしくは両方またはバルク抵抗の低い他の材料を利用した、任意の従来の構造を持つことができる。電源は磁石に接続されたままであるので、熱伝導を低減しかつ環境における熱放出を最小化するために、高温超電導電流リードが好ましい。

図１に示すように、アセンブリは従来の形の超電導磁石１を備え、磁石の抵抗Ｒ₁は、２に別個に示されている。磁石は超電導スイッチ３および電源４と並列に接続される。これまで記載したコンポーネントは従来通りである。そのような従来のシステムでは、スイッチ３は当初開いており、磁石１は、それが稼働量の所要磁界を発生するまで電源４によってパワーアップされる。次いで超電導スイッチ３は閉じられるが、電源４が徐々に作動を停止するまで、電流はこのスイッチ３を流れ始めない。この作動停止により、電流は磁石１（抵抗Ｒ₁を含む）およびスイッチ３によって形成された直列回路に「永久モード」で流れる。しかし、上で説明した通り、磁石１の固有抵抗２（Ｒ₁）のため、磁石１によって生じる稼動量磁界は徐々にドリフトまたは減衰する。

これは本発明では、超電導スイッチ３と直列に追加抵抗器５（Ｒ２）を挿入することによって克服される。

ここで図２を参照すると、スイッチ３が開いた状態で、磁石１は通常動作電流Ｉまで通電され（ステップ１０）、次いでスイッチ３は閉じられ（ステップ１１）、次いで、スイッチ３と直列の抵抗器５に流れる追加電流が等価で逆極性の電圧を発生して、磁石１内で内部発生した抵抗電圧を厳密に相殺するまで、すなわち回路電圧の代数和が零になるまで、電流はΔＩだけさらに増加される（ステップ１２）
増大した電源電流は磁石１に流れず（スイッチ３が閉じる）、スイッチ３および抵抗器５のみに流れることを理解されたい。これは、ひとたびスイッチ３が閉じると、電源の電流の変化が、スイッチ回路および磁石回路の両方に分割されて流れるためである。２つの電流間の比率は、回路のインダクタンスの逆比によって決定される。磁石は非常に大きいインダクタンス（一般的に１００Ｈ）を有し、スイッチのインダクタンスは非常に小さい（一般的に１００ナノヘンリー）ので、電流比は１０^-9であり、したがって全ての実践的な考察では、全ての電源電流変化はスイッチ回路に流れる。ここでは、永久モード時とは異なり、磁石１の動作中に、電源ユニット４は接続されたままであり、電流Ｉ＋ΔＩを回路に供給することも留意されたい。

磁界安定性のために望ましい状態は、磁石の電圧が降下し、磁石‐スイッチループの抵抗器５が等価かつ逆である場合、すなわち
Ｉ・Ｒ（磁石）＝ΔＩ・Ｒ（抵抗器５） ［１］
の場合である。

電力供給の小さな変動は回路抵抗および磁石インダクタンスの時定数によってフィルタリングされるので、結果的に生じる磁界の時間変化率は、「永久モード」で動作する磁石の時定数によって決定される場合または電源のみによって直接通電される場合より数桁小さい大きさにすることができる。

典型値は次の通りである。
磁石インダクタンス＝１００ヘンリー
磁石抵抗＝１０^-7Ω
抵抗器５＝１０^-6Ω
Ｉ電源＝１００アンペア
ΔＩ過電流＝１０アンペア
通常「永久モード」で動作する磁石は、１０^-9秒の時定数または３．６ｐｐｍ／時の減衰率を示す。

上述の通り抵抗器５を使用し「準永久」モードで動作する同じ磁石は、１０^-5の電力供給変動に対しては３．６×１０^-4ｐｐｍ／時の磁界安定性、１０^-4の電力供給変動に対しては３．６×１０^-3ｐｐｍ／時の磁界安定性を示す。したがって、この後者のモードの磁界安定性を支配するのは電源電流の不安定性である。ところで、電源が永久モードで接続されたままの場合、回路の時定数が小さいので、準永久モードと比較して、はるかに大きい磁界不安定性が生じることが理解される。

所望される減衰が零の状態に到達するために、電流変化ΔＩを正しく設定する必要がある。これを達成することのできる種々の方法が存在する。

第１の手法では、追加の超電導スイッチ６をスイッチ３および抵抗器５と並列に接続することができる。当初、電源４は起動されると磁石１を所望の電界強度までパワーアップし、スイッチ６は閉じられ、電源は作動停止する。次いで、例えば従来のＮＭＲ技術を用いて磁界減衰が監視され（ステップ１３）、これから、ＮＭＲ共振周波数の時間による変化を測定することによって磁石減衰を算出することができ、次いでそれは時間による磁界の変化率を決定するために使用される。磁石インダクタンスおよび磁石動作電流が分かると、等価磁石抵抗電圧を算出することができる。次いで磁石抵抗電圧は抵抗器５の値で除算され、上記方程式［１］を用いて電源から増加電流ΔＩの値が得られる。次いでスイッチ６は開かれ、スイッチ３を閉じた後、事前に算出された追加電流ΔＩを印加して、上述したプロセスが実行される。

第２の手法では、磁石１の抵抗２を決定するために、磁石１の両端に電圧計（図示せず）を取り付けることができる。

第３の手法では、ΔＩの大まかな値が供給され（ステップ１２）、磁界減衰またはドリフトがステップ１３で測定される。そのドリフトが大きすぎる場合（ステップ１４）、電力供給が増大され、ステップ１２および１３のプロセスが繰り返される。所要磁界減衰が達成されるまで、このステップの組を繰り返すことができる。

言うまでもなく、この場合、所要磁界減衰またはドリフトを達成するために電流の増加が必要であることを想定しているが、電流の低下が必要になることがあるかもしれないので、ステップ１２はそれに応じて調整される。

次に準永久モードについてさらに詳しく説明する。

通常、公知の方法では、永久モード時に、磁石と直列の磁石抵抗器２（Ｒ₁）によって磁石の減衰が優勢になる。この状況で、磁石インダクタの電流の変化によるその電圧降下は、磁石抵抗２の電圧降下と同等である。すなわち

ここでＬは磁石インダクタンス、Ｉ₁は磁石を流れる電流、Ｒ₁は磁石抵抗２である。

したがって、特定の磁石の場合、ＮＭＲ陽子周波数は磁石の電流に比例するので、磁石の動作陽子周波数ｆの減衰Δｆは、次式によって得られる。

例えば周波数ｆ＝４００ＭＨｚの磁石、Ｌ＝５８ヘンリー、および公称Ｒ₁＝４μΩの場合、これは約１００，０００ＰＨｚ／時の理論的周波数減衰率になる（「ＰＨｚ／時」は陽子共振周波数の減衰を表わす）。

上記とは対照的に、準永久モードでは、電流源４は磁石に接続されたままであり、スイッチ３は閉じられるので、磁石１ならびに同時にスイッチ３および抵抗器５にも電流が流れる。電源は接続されたままであるので、それは、磁石抵抗２（ここではＲ₁と表わされた抵抗値を有する）に流れる直流電流Ｉ⁰ ₁に加えて、直流電流Ｉ⁰ ₂を抵抗器５（抵抗Ｒ₂を有する）に供給する。静的モード時に、Ｒ₂に生じる電圧は磁石抵抗Ｒ₁の場合と同一のはずである。したがって、電圧は等しいため、次のようになる。

スイッチ３および抵抗器５の電流Ｉ₂（ｔ）＝（Ｉ⁰ ₂＋δＩ₂）内の変化δＩ₂は、電流Ｉ₁（ｔ）＝（Ｉ⁰ ₁＋δＩ₁）の時間変化δＩ₁を伴い、またはそれによって均衡される。電源は作動状態に維持され、したがって減衰率を決定する上で決定的な因子は電源の安定性である。これをさらに考慮するために、ここで小さい数学的表記法を採用する。

電源４のわずかな不安定性から来る電流の小さな変化の結果、電圧バランス計算によって次のようになる

項の簡約により、次のようになる。

また、総電流ＩはＩ₁＋Ｉ₂であるので、電流の総変化は次の通りである。

δＩ₂＝δＩ−δＩ₁を代入すると、次のようになる。

項を次のように再配列する。

電流源の安定性は最も重要になる。１０ｐｐｍ／時の電流安定性を持つ電源の場合、変化δＩ₁は３．６×１０^-4ｐｐｍ／時に低減される。時間δ_t＜＜Ｌ／（Ｒ₁＋Ｒ₂）の場合、δＩ₁は次式によって得られる。

上記解析を試験するために、抵抗が零に近くかつ５７．５２ヘンリーのインダクタンスを有する実験的超電導磁石を故意に、４μΩの有限公称抵抗Ｒ₁と直列に配置した。永久モードおよび準永久モードの両方で、稼動条件下で減衰率を測定した。

永久モードで、４００．４１９ＭＨｚの陽子周波数で９５．５Ａの電流を用いて磁石を作動させ、４μΩ抵抗に０．３８２ｍＶの電圧降下を生じた。結果的に生じた減衰率は１１１，０００ＰＨｚ／時と測定された。

準永久モードで、９０μΩ抵抗器（図１の抵抗器５）を磁石と並列に（したがってスイッチ３と直列に）配置した。並列抵抗２を考慮するために、９９．２５６Ａの増大電流を使用した。これは＋４９ＰＨｚ／時の測定減衰率を生じ、電流が最適値より少し大きくなったことを示し、その結果、陽子周波数は実際には上昇する。しかし、陽子周波数の全体的変化率は実質的に低減したことが分かる。したがって、９９．２５４Ａのわずかに小さい電流を使用することによって、改善された値を達成することができる。この結果は、４μΩの高い磁石抵抗であっても０．０１ｐｐｍ／時の減衰率（前述）が本発明により達成可能であることを実証する。

上記方程式を用いて９０μΩ抵抗器に０．３８２ｍＶの電圧を発生させるには、９９．７Ａの総電流をもたらす４．２４Ａの電流が必要である。

９９．７Ａの電流（すなわち４００ＭＨｚの運転に適した電流）に対し１０ｐｐｍ／時の電源電流のドリフトを想定すると、電流源の期待不安定率は約１ｍＡ／時である。

Ｒ₂＝９０μΩと共にδＩ／δｔ＝ＩｍＡ／時を使用すると、磁石の電流の変化率はδＩ／δｔ＝５．６×１０^-6Ａ／時となる。

これは２３ＰＨｚ／時の算出減衰率に等しい。

したがって、並列抵抗Ｒ₂を設け、かつ磁石の運転中に電源を使用することにより、磁界安定性をかなり改善することができることが分かる。

実験的磁石システムを使用するさらなる試験として、電流を２ｍＡだけ低減して電源電流の変化をシミュレートした。この変化に対応するステップ証拠は減衰トレースに見られず、減衰勾配に３４ＰＨｚ／時の小さい変化だけが見られ、この結果は磁石回路の大きい時定数と整合する。

一部の超電導磁石では、磁石自体の抵抗（Ｒ₁）が非常に小さく、例えば１０^-10Ωないし１０^-13Ωであり、よって永久モードで磁石回路に非常に長い時定数が生じる。しかし、他の超電導磁石はより高い抵抗値を有する。これらの１特定例が「有限」抵抗を有する高温超電導体であり、したがってそのような磁石はそれらの磁界により大きい不安定性を生じ易い。製作プロセスもまた、より伝統的な低温超電導材料の抵抗の増加を引き起こし得る。有限抵抗値を有するこれらのタイプの磁石の場合、磁石回路の時定数をかなり低減させることができるので、本発明は特に適している。

米国特許出願公開第２００３／００５７９４２号明細書で公開された先行技術について上述したが、ここからは本発明について説明する。

米国特許出願公開第２００３／００５７９４２号明細書に記載された解決策は、少なくとも以下の潜在的欠点を免れない。本発明は、これらの欠点の１つ以上を緩和するために、改善された超電導磁石電流安定化回路を提供することを目的とする。

米国特許出願公開第２００３／００５７９４２号明細書に記載された解決策は、磁石の種々のセクション用に別々の保護回路を有する磁石への適用に適しているが、単一保護回路によって保護される磁石には適用できない。磁石のドリフトを緩和するための上述した構成は、スイッチ３および安定性抵抗器５の電圧が数十ボルト未満である場合にのみ有効であり、そうでない場合は過度の加熱および電流がスイッチ３を破壊する。そのような構成は、これから説明するように、クエンチが発生した場合に損傷し易い。

１０００Ａまで通電され、例えば関連付けられたスイッチ３の両端に接続された２Ω並列保護抵抗器を持つ超電導磁石１の場合を考える。クエンチ中に、約１０００Ａの電流が２Ω抵抗器を流れ始め、これは磁石１およびスイッチ３に約２ｋＶの電圧を発生させる。明らかに、電圧したがって加熱力が非常に大きいので、そのようなスイッチおよび保護抵抗器をそのような磁石に使用することは不可能である。抵抗モード時の超電導スイッチ３の抵抗は、数オームから数百オームの間とすることができる。

それ自体は従来型の超電導故障電流限流器（ＳＦＣＬ）は、配電産業で例えば短絡のため過剰な電流が流れることによる配電網の損傷を防止するために使用される。抵抗型、誘導型、および整流器型のような幾つかの異なるタイプのＳＦＣＬが公知である。そのようなタイプの比較は、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｓｅｒｉｅｓ ４３（２００６） ９０９〜９１２（Ａ．Ｍｏｒａｎｄｉら）に発表された。公知の通り、超電導体は、温度、磁界、および電流密度の特定の限度内で運転する場合、電気抵抗が零である。各超電導材料で異なるこれらの量が特定の値を超えると、超電導体は「通常」の抵抗状態に戻る。種々のタイプのＳＦＣＬはこの特徴を利用して、キロボルト電位時に数百アンペアの電流を取り扱うことのできる限流装置を提供する。一部のタイプのＳＦＣＬは、過度の電流、磁界、または温度に対し、装置に流れる電流を現在のレベルに制限することによって反応する。他のタイプは、電流を比較的低レベルまたは零に低減することによって反応する。

米国特許出願公開第２００３／００５７９４２号明細書に記載された装置の概略ブロック図である。 米国特許出願公開第２００３／００５７９４２号明細書に記載された方法の実施例を示す流れ図である。 本発明の実施形態に係る装置の概略ブロック図を示す。 本発明の別の実施形態に係る装置の概略ブロック図を示す。 本発明の別の実施形態に係る装置の概略ブロック図を示す。

本発明の上記およびさらなる目的、特徴、および利点は、添付の図面と併せて、単なる実施例として掲げる特定の実施形態の以下の説明からさらに明らかになる。

記載した先行技術の解決策は、磁石が小さいか、または各々が保護抵抗器によって保護された多数の回路からできた構成に適用することができる。磁石全体が、通常低温保持装置の外にあるが低温保持装置の内部に設けることもできる１つの抵抗器によってしか保護されない場合、先行技術の解決策は、少なくとも以下の理由から、もはや充分でない。超電導磁石の自然クエンチ中に、マグネットコイルの始めと終わりの間に数キロボルトが発生する。超電導磁石（例えばＭＲＩ磁石）で使用されるような従来の超電導スイッチは、そのような極端な状態に耐えるように作られていない。

本発明は、そのような状況で適用可能な安定化回路を設けることによってこの問題に対処する。特に、本発明の安定化回路は、特定レベルを超える電流を遮断する超電導故障電流限流器を使用する。これは、電流を特定の最大値に制限することによって、または電流をより低い値に低減することによって行なうことができ、より低い値は零であるかもしれない。

本発明は、ある意味で米国特許出願公開第２００３／００５７９４２号明細書の構成に似ているが、クエンチ事象中の損傷が発生し難く、かつ単一保護回路を備えた超電導磁石に適用することのできる超電導磁石用の電流安定性回路を提供する。

本発明の実施形態に係る回路を図３に示す。本発明は、安定化抵抗器５と直列に、それ自体がマグネットコイルおよび抵抗２を備えた被保護磁石１と並列に、超電導故障電流限流器７を設けることによって、超電導磁石の電流ドリフトを低減または排除するための安定化回路を提案する。接続手段９が設けられ、それによって、超電導故障電流限流器７および安定化抵抗器５の直列組合せと並列に接続された磁石１はさらに、ＤＣ電源４と並列に接続することができる。

基本的に、超電導故障電流限流器７は先行技術の米国特許出願公開第２００３／００５７９４２号明細書（図１）のスイッチ３に取って代わる。しかし、クエンチが発生した場合、超電導故障電流限流器７は、それが受ける高い電流および電圧に耐えるだけの充分な強さがあり、極限負荷の状況では、その特徴を変化させて、磁石に流れる電流を保護抵抗器８に分流させ、そこで磁石に蓄積されたエネルギーは放散される。超電導故障電流限流器は、超電導スイッチの制限値をはるかに超える印加電圧および電流に耐えることのできる装置である。例えば公知の超電導電流故障限流器は、数千アンペアおよび数キロボルトに損傷無く耐えることができる。

ひとたび電流が充分に高い値に達し、過度の電流密度、過度の磁界、または過度の温度のため、含まれる超電導体が抵抗を持つようになると、超電導電流故障限流器はそれらに流れる電流を制限するように働く。図３の回路は、例えば低温保持装置の外部に配置することのできる保護抵抗器８の形の保護回路を示す。これは、単一抵抗器または複数の抵抗器の配列によって実現することができる。これらは、クライオゲンの蒸発損を最小化し、またはクライオゲン無しの低温保持装置の温度を最低に維持するために、低温保持装置の外部に配置することが好ましい。保護抵抗器８は磁石１全体のための単一保護構成を提供する。

先行技術のスイッチ３および本発明の超電導故障電流限流器７は両方とも超電導装置である。それらは各々、それらの抵抗が超電導状態で零であり、次いで臨界電流または温度を超えると、それらが大きい抵抗を示すという原理に基づいて機能する。２つの装置の間の基本的な相違は、超電導故障電流限流器が高い電流および電圧に対する耐性が高く、したがってより頑健であることである。

超電導故障電流限流器は、それ自体公知のコンポーネントであり、一般的に配電回路における故障を検出して分離するために使用される。それは次のように動作する。超電導ワイヤは、超電導が可能になる温度まで冷却される。通常の動作状態中には、臨界電流密度より低い電流が、超電導ワイヤおよび関連回路機構に流れる。臨界電流密度とは、それが超電導ワイヤに流れると、その温度に関係なく、超電導を停止させ、通常の抵抗モードに戻させる電流密度値である。故障（本発明においてはクエンチ事象）状態中に、過電流は超電導故障電流限流器の超電導ワイヤに流される。超電導故障電流限流器は、この過電流が臨界電流密度を超えるように構成される。過電流は超電導ワイヤの超電導を止めさせ、抵抗性になるようにする。超電導ワイヤおよび超電導ワイヤに適用される任意の導電性クラッディングは、そこに流れる電流を関連回路機構にとって安全なレベルに制限するために、そのインピーダンスが充分高くなるように構成される。この状態で電流の一部分を通すために、並列抵抗性導電経路を設けることができる。本発明においては、そのような並列抵抗性経路は少なくとも保護抵抗器８によって提供される。一般的に超電導故障電流限流器は、その臨界温度を超える温度でそれが維持されることをそのインピーダンスが確実にするので、電流がそこを流れる間、その高インピーダンス状態を維持する。一般的にサービスエンジニアの介入の後に回路がオフになるため、またはリセット回路の動作のため、電流の流れが停止すると、超電導故障電流限流器は超電導が可能な温度に戻るまで冷却され、超電導故障電流限流器は再びその通常の状態でいつでも作動することができるようになる。

そのような動作は通常、例えばカナダ特許第２０７０３２２号およびＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｓｅｒｉｅｓ ４３（２００６）９０９〜９１２（Ａ．Ｍｏｒａｎｄｉら）に記載される通り、配電システムにおいて故障状態で過度の電流が流れるのを回避するために使用される。

本発明は、そのような超電導故障電流限流器を新しい用途、すなわち超電導磁石で磁界強度の安定性を維持するのに使用する。

本発明によって構想される超電導故障電流限流器（ＳＦＣＬ）は、任意のタイプの超電導材料、ＨＴＳ、ＭｇＢ₂、またはＬＴＳから作ることができる。ＨＴＳは、クライオゲンをあまり多く消散し過ぎずしかも低電流で遮断する高温領域にＳＦＣＬを配置することを可能にするので、好ましい。前記ＳＦＣＬは、かなり迅速に遮断するように、クライオクーラーによって独立に冷却することができる。

図３は本発明の実施形態を概略的に示す。本発明の好適な実施形態では、高電力保護抵抗器８は、超電導磁石を収容する低温保持装置の外部に配置し、ケーブルで低温保持装置内の磁石および超電導故障電流限流器に接続することが好ましい。また、外部抵抗器を別個のコンパートメントに、または磁石低温保持装置の内部に配置することも可能である。保護抵抗器は、磁石からエネルギーを効果的に放散させるために、例えば空冷もしくは水冷または他の冷媒で冷却することが好ましい。

典型的なＤＣ作動超電導磁石の文脈で、先行技術の抵抗器安定化解決策におけるスイッチの代わりに使用される直列超電導故障電流限流器７は、クエンチ中に電流を制限し、それを保護抵抗器８に分流させる。

磁石に対しかつ超電導故障電流限流器７および抵抗器５の直列組合せに対する並列のＤＣ電源の接続および切断を可能にするために、接続手段９が設けられる。そのような接続手段は例えばプラグ、ソケット、端子板、露出導電体、永久（超電導）ジョイントなどを含むことができる。ＤＣ電源４は、磁石が使用されるときに、接続手段に接続される。

したがって本発明は、超電導故障電流限流器を使用して超電導磁石の永久安定性およびクエンチ保護を達成する。

図４は、本発明の代替的実施形態を示す。この第２の実施形態では、さらなる超電導故障電流限流器７ａが接続手段９と磁石１との間に直列に配置される。そのような超電導故障電流限流器７ａを電源４と直列に使用する場合も、磁石のクエンチはさらなる超電導故障電流限流器７ａを本質的に開路させ、したがって電源４は分離され、保護抵抗器８だけが磁石に接続し続けるので、電源４を保護し、かつ標準１０Ｖ電源による磁石の通電を可能にすることに役立つ。

図示する通り、この実施形態では、さらなる超電導故障電流限流器７ａが接続手段９と磁石１との間に直列に配置される。さらなる超電導故障電流限流器７ａは、磁石１と、故障電流限流器７および抵抗器５の直列組合せとの間に直列に配置することが好ましい。磁石１、さらなる超電導故障電流限流器７ａ、故障電流限流器７、および抵抗器５は直列閉回路を形成する。

図５は、図４の実施形態と一定の類似性を持つ本発明の第３の実施形態を示す。この第３の実施形態では、図４のさらなる超電導故障電流限流器７ａは、接続手段９と磁石１、保護抵抗器８、ならびに故障電流限流器７および抵抗器５の直列組合せを接続するノードとの間の直列の新しい位置に移動する。図４の実施形態と同様に、そのようなさらなる超電導故障電流限流器７ａを電源４と直列に使用する場合も、磁石のクエンチは超電導故障電流限流器７、７ａを本質的に開路させ、したがって電源４は分離され、保護抵抗器８だけが磁石に接続し続けるので、電源４を保護し、かつ標準１０Ｖ電源による磁石の通電を可能にすることに役立つ。

図示する通り、この実施形態で、電源４、故障電流限流器７および抵抗器５の直列組合せ、ならびにさらなる超電導故障電流限流器７ａは直列閉回路を形成する。

Claims (8)

1. 稼動条件下で稼動量の磁界を発生させる超電導磁石（１）を備え、前記超電導磁石が超電導故障電流限流器（７）および抵抗器（５）の直列組合せと並列に接続された超電導磁石アセンブリであって、
   前記磁石をさらにＤＣ電源（４）と並列に接続するための接続手段（９）をさらに備え、それにより稼動条件下で前記磁石がそのような電源によって通電されて、稼動量の所望の磁界を発生するように構成された、
   超電導磁石アセンブリ。
2. ＤＣ電源（４）が、前記磁石と並列に、かつ前記故障電流限流器（７）および前記抵抗器（５）の直列組合せと並列に、前記接続手段に接続される、請求項１に記載の超電導磁石アセンブリ。
3. さらなる超電導故障電流限流器（７ａ）が前記接続手段（９）と前記磁石（１）との間に直列に配置される、請求項１または２に記載の超電導磁石アセンブリ。
4. 前記さらなる超電導故障電流限流器（７ａ）が前記磁石（１）と、前記故障電流限流器（７）および前記抵抗器（５）の直列組合せとの間に直列に配置され、
   前記磁石（１）、前記さらなる超電導故障電流限流器（７ａ）、前記故障電流限流器（７）、および前記抵抗器（５）が直列閉回路を形成する、
   請求項３に記載の超電導磁石アセンブリ。
5. 前記さらなる超電導故障電流限流器（７ａ）が前記接続手段（９）と、
   ‐前記磁石（１）、
   ‐前記保護抵抗器（８）、および
   ‐前記故障電流限流器（７）と前記抵抗器（５）との直列組合せ、
   を接続するノードとの間に直列に配置され、
   前記電源（４）、前記故障電流限流器（７）と前記抵抗器（５）との直列組合せ、および前記さらなる超電導故障電流限流器（７ａ）が直列閉回路を形成する、
   請求項３に記載の超電導磁石アセンブリ。
6. 前記抵抗器（５）が、前記磁石（１）の抵抗（２）の１〜１０００倍の範囲の抵抗を有する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の超電導磁石アセンブリ。
7. 前記抵抗器（５）が、前記磁石（１）の抵抗（２）の１０〜１００倍の範囲の抵抗を有する、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の超電導磁石アセンブリ。
8. 前記電源、磁石、および抵抗は、使用中に発生する磁界の不安定性が実質的に１０ｐｐｍ／時未満となるように構成される、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の超電導磁石アセンブリ。

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