JP2012248725A - 超電導マグネット装置、ならびに超電導コイルのクエンチ検出装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも精度良くクエンチ検出を行なう。
【解決手段】超電導マグネット装置１は、超電導コイル１１と、第１の電圧差検出部ＤＵ（１）とを備える。第１の電圧差検出部ＤＵ（１）は、超電導コイルの第１の端点ＥＰＡと第１の区分点ＤＰＡとの間にかかる電圧と、超電導コイルの第２の端点ＥＰＢと第２の区分点ＤＰＢとの間にかかる電圧との電圧差を検出する。第１の区分点ＤＰＡは、超電導コイルの中点ＭＰと第１の端点ＥＰＡとの間のコイル導体上に位置する。第２の区分点ＤＰＢは、超電導コイルの中点ＭＰと第２の端点ＥＰＢとの間のコイル導体上に位置し、中点ＭＰに関して第１の区分点ＥＰＡと対称である。
【選択図】図４

Description

この発明は、超電導コイルのクエンチを検出する装置および方法、ならびにクエンチ検出装置を含む超電導マグネット装置に関する。

超電導コイルがクエンチした場合、できるだけ早く電源電圧を遮断するとともに保護抵抗を介してコイルに蓄積されたエネルギーを放出する必要がある。このために、クエンチを早期に検出する必要がある。クエンチ検出方法として、電圧による検出方法、アコースティック・エミッションの検出による方法、超音波を用いた音響的方法、光ファイバを用いた光学的方法、および冷媒圧力上昇を検出する方法などが知られている（低温工学協会編、「超伝導・低温工学ハンドブック」、第１版、ｐ．603-606（非特許文献１）を参照）。

上記の方法の中で電圧による検出方法は、最も基本的な方法である。この方法は、コイル導体の一部が超電導から常伝導に転移したときに、常伝導に転移した部分の常伝導抵抗によって生じる電圧降下を検出するものである。通常、常伝導電圧の測定には、超電導コイルの中点タップと両端の端子とに接続されたブリッジ回路を用いて行なわれる。ブリッジ回路を用いることによって自己誘導による誘起電圧を除去することができる。

電圧による検出方法には、常伝導転移部分の位置の同定と電磁的ノイズの抑制とに課題がある。超電導コイルは、それ自身がアンテナとして機能するので、外部から到来した電磁波を確実に拾う。励磁電源が発生するノイズも、クエンチの検出精度に大きく影響する。特に超電導コイルが大型化した場合には、コイルのインダクタンスが大きくなるので、電磁的ノイズによって発生する電圧も大きくなるので問題となる。

常伝導転移部分の位置を同定するためと、電磁的ノイズの影響を抑制するために、超電導コイルの所定ターン数ごとに電圧タップを取付ける方法がしばしば用いられる。この方法では、電圧タップによって区分された区間のうち隣り合う区間同士に生じる電圧を比較することによって、電磁的ノイズの影響が除去される。

社団法人 低温工学協会編、「超伝導・低温工学ハンドブック」、第１版、株式会社オーム社、平成５年１１月３０日、ｐ．603-606

ところで、酸化物超電導体などの超電導材料は、磁場の印加方向によって電磁気特性（臨界電流、交流損失）が変化する性質のあることが知られている。このような磁場印加方向による異方性を有する超電導線材を用いて超電導コイルを作製した場合には、上記のように多数の電圧タップを取付けることによって複数の区間に区分したとしても、常伝導電圧の測定は容易でない。なぜなら、隣り合う区間同士の電圧を比較したとしても、両区間で交流損失が異なるために交流損失に起因して発生する電圧も異なるので、常伝導電圧の違いだけを比較することが困難であるからである。

この発明の目的は、従来よりも精度良くクエンチ検出を行なうことができる超電導コイルのクエンチ検出方法および装置を提供することである。

この発明は一局面において、超電導マグネット装置であって、超電導コイルと、第１の電圧差検出部とを備える。第１の電圧差検出部は、超電導コイルの第１の端点と第１の区分点との間にかかる電圧と、超電導コイルの第２の端点と第２の区分点との間にかかる電圧との電圧差を検出する。第１の区分点は、超電導コイルの中点と第１の端点との間のコイル導体上に位置する。第２の区分点は、超電導コイルの中点と第２の端点との間のコイル導体上に位置し、中点に関して第１の区分点と対称である。

この構成によれば、超電導コイルの中点に関して対称な区間の電圧が比較される。したがって、電磁的ノイズの影響を抑制するとともに、超電導コイルを構成する超電導線材の電磁気特性に磁場印加方向に対する依存性があったとしても、交流損失によって生じる電圧をキャンセルすることができる。特に、超電導線材に磁場印加方向に対する依存性がある場合に発熱が大きくなるコイルの両端部分に生じた常伝導抵抗による電圧を確実に検出することができる。

好ましくは、第１の電圧差検出部は、第１〜第４の抵抗体と第１の電圧計とを含む。第１および第２の抵抗体は、第１および第２の端点間に直列に設けられ、少なくとも一方の抵抗値が調整可能である。第３および第４の抵抗体は、第１および第２の区分点間に直列に設けられ、互いに抵抗値が等しい。第１の電圧計は、第１および第２の抵抗体の接続ノードと第３および第４の抵抗体の接続ノードとの間に設けられる。

このように第１の電圧差検出部をブリッジ回路によって構成することによって、簡単かつ精度良く電圧差を検出することができる。

好ましい実施の一形態において、超電導マグネット装置は、第１の区分点と中点との間の電圧と、第２の区分点と中点と間の電圧との電圧差を検出する第２の電圧差検出部をさらに備える。

この構成によれば、超電導コイルの両端部分および中央部分のいずれでクエンチが生じているかを特定することができる。

好ましくは、上記の実施の一形態において、第２の電圧差検出部は、第１および第２の区分点間に直列に設けられ、少なくとも一方の抵抗値が調整可能な第５および第６の抵抗体と、超電導コイルの中点と第５および第６の抵抗体の接続ノードとの間に設けられた第２の電圧計とを含む。

このように第２の電圧差検出部をブリッジ回路によって構成することによって、簡単かつ精度良く電圧差を検出することができる。

好ましい実施の他の形態において、超電導マグネット装置は、超電導コイルの第１の区分点と第３の区分点との間にかかる電圧と、超電導コイルの第２の区分点と第４の区分点との間にかかる電圧との電圧差を検出する第２の電圧差検出部をさらに備える。第３の区分点は、超電導コイルの中点と第１の区分点との間のコイル導体上に位置する。第４の区分点は、超電導コイルの中点と第２の区分点との間のコイル導体上に位置し、中点に関して第３の区分点と対称である。

この構成によれば、超電導コイル中点に関して対称な複数の区間の電圧を比較することによって、電磁的ノイズの影響を抑制するとともにクエンチが生じた位置の特定が可能になる。さらに、超電導コイルを構成する超電導線材の電磁気特性に磁場印加方向に対する依存性があったとしても、交流損失によって生じる電圧の影響を除去して常伝導抵抗による電圧成分を精度良く検出することができる。

好ましくは、上記の実施の他の形態において、第２の電圧差検出部は、第５〜第８の抵抗体と第２の電圧計とを含む。第５および第６の抵抗体は、第１および第２の区分点間に直列に設けられ、少なくとも一方の抵抗値が調整可能である。第７および第８の抵抗体は、第３および第４の区分点間に直列に設けられ、互いに抵抗値が等しい。第２の電圧計は、第５および第６の抵抗体の接続ノードと第７および第８の抵抗体の接続ノードとの間に設けられる。

このように第２の電圧差検出部の各々をブリッジ回路によって構成することによって、簡単かつ精度良く電圧差を検出することができる。

好ましくは、上記の超電導コイルに用いられる超電導体は、磁場の印加方向によって電磁気特性が変化する。上記のクエンチ検出装置は、このように超電導線材の電磁気特性が磁場印加方向に対する依存性を有している場合に好適に用いることができる。

この発明は他の局面において、超電導コイルのクエンチ装置であって、第１の電圧差検出部を備える。第１の電圧差検出部は、超電導コイルの第１の端点と第１の区分点との間にかかる電圧と、超電導コイルの第２の端点と第２の区分点との間にかかる電圧との電圧差を検出する。第１の区分点は、超電導コイルの中点と第１の端点との間のコイル導体上に位置する。第２の区分点は、超電導コイルの中点と第２の端点との間のコイル導体上に位置し、中点に関して第１の区分点と対称である。

この発明はさらに他の局面において、超電導コイルのクエンチ検出方法であって、超電導コイルの第１の端点と第１の区分点との間にかかる電圧と、超電導コイルの第２の端点と第２の区分点との間にかかる電圧との電圧差を第１の電圧差として検出するステップと、第１の電圧差が所定の閾値を超えたか否かに基づいて、超電導コイルの異常の有無を判定するステップとを備える。第１の区分点は、超電導コイルの中点と第１の端点との間のコイル導体上に位置する。第２の区分点は、超電導コイルの中点と第２の端点との間のコイル導体上に位置し、中点に関して第１の区分点と対称である。

このクエンチ検出方法によれば、電磁的ノイズの影響を抑制できるとともに、超電導コイルを構成する超電導線材の電磁気特性に磁場印加方向に対する依存性があったとしても、交流損失によって生じる電圧成分を確実に除去することができる。特に、超電導線材に磁場印加方向に対する依存性がある場合に発熱が大きくなるコイルの両端部分に生じた常伝導抵抗による電圧を精度良く検出することができる。

好ましい実施の一形態において、上記のクエンチ検出方法は、第１の区分点と中点との間の電圧と、第２の区分点と中点と間の電圧との電圧差を第２の電圧差として検出するステップをさらに備える。上記の判定するステップでは、第１および第２の電圧差のいずれかが所定の閾値を超えたか否かに基づいて、超電導コイルの異常の有無を判定する。

この方法によれば、超電導コイルの両端部分および中央部分のいずれでクエンチが生じているかを特定することができる。

好ましい実施の他の形態において、上記のクエンチ検出方法は、超電導コイルの第１の区分点と第３の区分点との間にかかる電圧と、超電導コイルの第２の区分点と第４の区分点との間にかかる電圧との電圧差を第２の電圧差として検出するステップをさらに備える。第３の区分点は、超電導コイルの中点と第１の区分点との間のコイル導体上に位置する。第４の区分点は、超電導コイルの中点と第２の区分点との間のコイル導体上に位置し、中点に関して第３の区分点と対称である。上記の判定するステップでは、第１および第２の電圧差のいずれかが所定の閾値を超えたか否かに基づいて、超電導コイルの異常の有無を判定する。

このクエンチ検出方法によれば、超電導コイル中点に関して対称な複数の区間の電圧を比較することによって、電磁的ノイズの影響を抑制するとともにクエンチが生じた位置の特定が可能になる。さらに、超電導コイルを構成する超電導線材の電磁気特性に磁場印加方向に対する依存性があったとしても、交流損失によって生じる電圧の影響を除去して常伝導抵抗による電圧成分を精度良く検出することができる。

したがって、この発明によれば、従来よりも精度良くクエンチ検出を行なうことができる。

クエンチ検出方法の基本原理を説明するための図である。 図１の電流源１２から出力される電流Ｉに応じて、超電導コイル１１１に生じる電圧ＶＣＬの時間変化を示す図である。 超電導線材に流れる電流Ｉと電圧Ｖとの関係を示す図である。 この発明の実施の形態１によるクエンチ検出装置１０の構成を示すブロック図である。 超電導線材の外観と、臨界電流Ｊｃの磁場依存性を示す図である。 テープ状の超電導線材２０を用いて形成された超電導コイルの構成を模式的に示す断面図である。 図４のクエンチ検出装置１０を用いたクエンチ検出手順を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２によるクエンチ検出装置１０Ａの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。

＜実施の形態１＞
［常伝導電圧によるクエンチ検出方法の基本原理］
図１は、クエンチ検出方法の基本原理を説明するための図である。図１には、この発明の前提となるクエンチ検出装置１１０の構成が示される。クエンチ検出装置１１０と、超電導コイル１１１と、超電導コイル１１１に電流Ｉを供給する電流源１２とによって超電導マグネット装置１０１が構成される。

クエンチ検出装置１１０は、端子ＭＴ，ＥＴＡ，ＥＴＢと電圧差検出部ＤＵとを含む。端子ＭＴは、超電導コイル１１１の中点ＭＰに接続される。端子ＥＴＡ，ＥＴＢは、超電導コイル１１１の両端ＥＰＡ，ＥＰＢにそれぞれ接続される。超電導コイル１１１のコイル導体のうち、中点ＭＰから端点ＥＰＡまでを区間ＳＧＡ、中点ＭＰから端点ＥＰＢまでを区間ＳＧＢと称する。区間ＳＧＢは、中点ＭＰに関して区間ＳＧＡと対称である。

電圧差検出部ＤＵは、区間ＳＧＡの両端ＥＰＡ，ＭＰにかかる電圧（すなわち、端子ＥＴＡ，ＭＴ間の電圧）と、区間ＳＧＢの両端ＥＰＢ，ＭＰにかかる電圧（すなわち、端子ＥＴＢ，ＭＴ間の電圧）とを比較し、これらの電圧差を検出する。

具体的に、電圧差検出部ＤＵは、可動端子Ｔ１および固定端子Ｔ２，Ｔ３を有する可変抵抗器ＰＭ（ポテンショメータとも称される）と、電圧計Ｖ１とを含む。固定端子Ｔ２，Ｔ３は、端子ＥＴＡ，ＥＴＢにそれぞれ接続される。電圧計Ｖ１は、可動端子Ｔ１と端子ＭＴとの間に接続される。可動端子Ｔ１の位置に応じて、端子Ｔ１，Ｔ３間の抵抗値と、端子Ｔ２，Ｔ３間の抵抗値が変化する。

可変抵抗器ＰＭは、可動端子Ｔ１と固定端子Ｔ２との間に接続された抵抗体ＲＣと、可動端子Ｔ１と固定端子Ｔ２との間に接続された抵抗体ＲＤとが直列接続されたものに置き換えることができる。可動端子Ｔ１の位置が変化することによって、抵抗体ＲＣ，ＲＤの一方が増加し、他方が減少する。より一般的には、抵抗体ＲＣ，ＲＤの少なくとも一方の抵抗値が調整可能であればよい。

クエンチが発生していない正常時において、電圧計Ｖ１で検出される電圧が０になるように可動端子Ｔ１の位置が調整される。そうすると、区間ＳＧＡ，ＳＧＢのいずれか一方でクエンチが発生すると、電圧計Ｖ１によって閾値を超える電圧が検出される。

図２は、図１の電流源１２から出力される電流Ｉに応じて、超電導コイル１１１に生じる電圧ＶＣＬの時間変化を示す図である。

図１、図２を参照して、電流源１２から出力される電流Ｉは、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間、一定の割合で増加し、時刻ｔ１以降、定常値Ｉａになる。この電流値の変化に伴って、超電導コイル１１１に生じる電圧ＶＣＬが変化する。時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間における電圧Ｖａは、自己誘導によって生じる誘起電圧、交流損失によって生じる電圧、常伝導転移した部分によって生じる電圧、およびノイズ電圧などの和になる。ここで、超電導コイル１１１のインダクタンスをＬとすると、自己誘導によって生じる誘起電圧Ｖｉｎｄは、
Ｖｉｎｄ＝Ｌ×ｄＩ／ｄｔ …(1)
で表わされる。ノイズ電圧は、外来の電磁波や、電流源１２の出力電流のリップルなどに起因する。時刻ｔ１以降の電圧Ｖｂは、電流Ｉが一定になるので、常伝導転移した部分の電圧およびノイズ電圧などの和によって表わされる。

電流Ｉが変化する時刻ｔ０から時刻ｔ１までの時間帯におけるクエンチ検出が特に重要となる。この時間帯において常伝導部分の電圧を測定するためには、自己誘導による誘起電圧を取除く必要がある。たとえば、超電導コイルのインダクタンスを１０［Ｈ］とし、励磁速度を３．２［Ａ／秒］とすると、超電導コイルには自己誘導によって３２［Ｖ］の誘起電圧が発生する。クエンチか否かを判断する基準となる常伝導電圧は数ｍＶ程度であるので、自己誘導によって生じる誘起電圧に比べて極めて小さい。超電導コイルに生じた電圧ＶＣＬから自己誘導によって生じる誘起電圧を取除くため、図１で説明したブリッジ回路が利用される。可変抵抗器ＰＭの可動端子Ｔ１は、区間ＳＧＡ，ＳＧＢの各々において生じる誘起電圧が打ち消されるように調整される。

図３は、超電導線材に流れる電流Ｉと電圧Ｖとの関係を示す図である。図３を参照して、超電導線材に電流Ｉが流れる場合、超電導線材の一部の常伝導転移した部分に電圧Ｖが発生し、これによって、超電導線材に発熱が生じる。この発熱が冷却能力を超えた場合、超電導部分の多くが急激に常伝導化してクエンチに至る。したがって、冷却能力を超える直前の値、たとえば数ｍＶに閾値電圧Ｖｔｈを設定し、常伝導部分に生じた電圧が閾値電圧Ｖｔｈを超えたとき異常と判定される。

この常伝導部分の電圧を測定する際に問題となるのがノイズである。特に、超電導コイルが大型化するとインダクタンスＬが増加するためにノイズ電圧が増加する。このため、常伝導転移部分に生じる電圧の検出がますます困難になる。そこで、以下に示すように、超電導コイルを複数の区間に分割して、区間ごとの電圧に基づいてクエンチ検出が行なわれる。複数の区間に分割することによって、ノイズの影響を抑制できるだけでなく、クエンチが生じた位置を特定することも可能になる。

［実施の形態１によるクエンチ検出装置１０の構成］
図４は、この発明の実施の形態１によるクエンチ検出装置１０の構成を示すブロック図である。クエンチ検出装置１０と、超電導コイル１１と、電流源１２とによって超電導マグネット装置１が構成される。図４では図示を省略しているが、超電導マグネット装置１は、クエンチ検出装置１０によって異常が検出されたときに超電導コイル１１を保護する保護回路などをさらに含む。クエンチ検出装置１０は、電圧差検出部ＤＵ（１），ＤＵ（２）と、異常判定部１３とを含む。

クエンチ検出装置１０には、超電導コイル１１と接続するための端子ＭＴ，ＥＴＡ，ＥＴＢ，ＤＴＡ，ＤＴＢが設けられる。端子ＭＴは、超電導コイル１１の中点ＭＰに接続される。端子ＥＴＡ，ＥＴＢは、超電導コイル１１の両端ＥＰＡ，ＥＰＢにそれぞれ接続される。端子ＤＴＡは、超電導コイル１１の端点ＥＰＡから中点ＭＰまでのコイル導体を２区間ＳＧＡ（１），ＳＧＡ（２）に区分する区分点ＤＰＡに接続される。端子ＤＴＢは、中点ＭＰに関して区分点ＤＰＡと対称な区分点ＤＰＢに接続される。中点ＭＰから区分点ＤＰＡまでのコイル導体の長さは、中点ＭＰから区分点ＤＰＢまでのコイル導体の長さに等しい。超電導コイル１１の端点ＥＰＢから中点ＭＰまでのコイルで導体は、区分点ＤＰＢによって２区間ＳＧＢ（１），ＳＧＢ（２）に区分される。区間ＳＧＢ（１），ＳＧＢ（２）は、中点ＭＰに関してＳＧＡ（１），ＳＧＡ（２）と対称である。

電圧差検出部ＤＵ（１）は、区間ＳＧＡ（１）の両端ＥＰＡ，ＤＰＡにかかる電圧（すなわち、端子ＥＴＡ，ＤＴＡ間の電圧）と、区間ＳＧＢ（１）の両端ＥＰＢ，ＤＰＢにかかる電圧（すなわち、端子ＥＴＢ，ＤＴＢ間の電圧）とを比較し、これらの電圧差を検出する。電圧差検出部ＤＵ（２）は、区間ＳＧＡ（２）の両端ＤＰＡ，ＭＰにかかる電圧（すなわち、端子ＤＴＡ，ＭＴ間の電圧）と、区間ＳＧＢ（２）の両端ＤＰＢ，ＭＰにかかる電圧（すなわち、端子ＤＴＢ，ＭＴ間の電圧）とを比較し、これらの電圧差を検出する。

具体的に、電圧差検出部ＤＵ（１）は、可変抵抗器ＰＭ（１）と、抵抗体ＲＡ（１），ＲＢ（１）と、電圧計Ｖ１とを含む。可変抵抗器ＰＭ（１）は、図１の可変抵抗器ＰＭと同じ構成であり、端子ＥＴＡ，ＥＴＢ間に直列接続された抵抗体ＲＣ（１），ＲＤ（１）に置換えることができる。ただし、抵抗体ＲＣ（１），ＲＤ（１）の少なくとも一方の抵抗値が調整可能である。抵抗体ＲＡ（１），ＲＢ（１）は、端子ＤＴＡ，ＤＴＢ間に直列に接続され、互いに抵抗値が等しい。電圧計Ｖ１は、抵抗体ＲＡ（１），ＲＢ（１）の接続ノードと、抵抗体ＲＣ（１），ＲＤ（１）の接続ノード（すなわち、可変抵抗器ＰＭの可動端子）との間に接続される。

クエンチが発生していない正常時において、電圧計Ｖ１で検出される電圧が０となるように可変抵抗器ＰＭ（１）の可動端子の位置（すなわち、抵抗体ＲＣ（１），ＲＤ（１）の各抵抗値）が調整される。そうすると、区間ＳＧＡ（１），ＳＧＢ（１）のいずれか一方でクエンチが発生すると、電圧計Ｖ１によって閾値を超える電圧が検出される。

抵抗体ＲＡ（１），ＲＢ（１），ＲＣ（１），ＲＤ（１）の各抵抗値は、１００Ω程度から数ｋΩ程度の範囲で選択される。抵抗値が小さすぎると、超電導コイル１１を励磁および減磁するときにこれらの抵抗体に流れる電流が増加するので非効率であり、抵抗値が大きすぎると、電磁的ノイズを拾いやすくなるのでクエンチの検出感度が劣化する。

抵抗体ＲＡ（１），ＲＢ（１）には、０．０１％程度の精度が必要である。たとえば、超電導コイルのインダクタンスを１０［Ｈ］とし、励磁速度を３．２［Ａ／秒］とすると、超電導コイルには３２［Ｖ］の電圧が発生する。区間ＳＧＡ（１），ＳＧＢ（１）の各々のコイル導体の長さを超電導コイル１１の全長の１／８とすれば、端子ＤＴＡ，ＤＴＢ間（抵抗体ＲＡ（１），ＲＢ（１））には２４Ｖの電圧がかかる。したがって、抵抗体ＲＡ（１），ＲＢ（１）の各々の抵抗値の精度を±０．０１％とすれば、抵抗値の誤差によって電圧計Ｖ１に生じる最大電圧差は、２．４ｍＶとなるので、区間ＳＧＡ（１）の電圧と区間ＳＧＢ（１）の電圧との電圧差の検出感度に大きな影響を与えない。

電圧差検出部ＤＵ（２）は、図１で説明した電圧差検出部ＤＵの構成と同様である。すなわち、電圧差検出部ＤＵ（２）は、可変抵抗器ＰＭ（２）と、電圧計Ｖ２とを含む。可変抵抗器ＰＭ（２）は、図１の可変抵抗器ＰＭと同じ構成であり、端子ＤＴＡ，ＤＴＢ間に直列接続された抵抗体ＲＣ（２），ＲＤ（２）に置き換えることができる。ただし、抵抗体ＲＣ（２），ＲＤ（２）の少なくとも一方の抵抗値が調整可能である。電圧計Ｖ２は、抵抗体ＲＣ（２），ＲＤ（２）の接続ノード（可変抵抗器ＰＭの可動端子）と端子ＭＴとの間に接続される。

クエンチが発生していない正常時において、電圧計Ｖ２で検出される電圧が０となるように可変抵抗器ＰＭ（２）の可動端子の位置（すなわち、抵抗体ＲＣ（２），ＲＤ（２）の各抵抗値）が調整される。そうすると、区間ＳＧＡ（２），ＳＧＢ（２）のいずれか一方でクエンチが発生すると、電圧計Ｖ２によって閾値を超える電圧が検出される。

異常判定部１３は、電圧計Ｖ１，Ｖ２のいずれか一方の検出電圧が閾値を超えたときに異常と判定し、超電導マグネット装置に設けられた保護回路（図示省略）に異常信号を出力する。保護回路は、異常信号を受けたときに、超電導コイル１１への電流供給を遮断するとともに、保護抵抗を介して超電導コイル１１に蓄積されたエネルギーを放出させる。

異常判定部１３は、たとえば、マイクロコンピュータによって構成することができる。マイクロコンピュータに設けられた中央処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）は、Ａ／Ｄ（Analog-to-Digital）変換器を介して取り込んだ電圧計Ｖ１，Ｖ２の検出値に基づいて異常の有無を判定する。なお、電流源１２の出力電流や可変抵抗器ＰＭ（１），ＰＭ（２）の抵抗値などもこのコンピュータからの指令によって調整できるようにしてもよい。

［クエンチ検出装置１０の特徴］
図４のクエンチ検出装置１０の特徴の１つは、超電導コイル１１の中点ＭＰに関して対称な位置にある区間ＳＧＡ（１），ＳＧＢ（１）の各々の電圧を比較する点にある。これによって、超電導線材の電磁気特性に磁場印加方向に対する依存性がある場合でも、交流損失によって生じる電圧成分をキャンセルすることができ、常伝導転移によって生じる電圧成分を精度良く検出することができる。以下、その理由を詳細に説明する。

図５は、超電導線材の外観と、臨界電流Ｊｃの磁場依存性を示す図である。
図５（Ａ）には、Ｂｉ系の酸化物超電導体を一般的なＰＩＴ（Powder-In-Tube）法によってテープ状の線材に加工した場合の超電導線材２０の外観図が示される。図５（Ａ）において、超電導線材２０を流れる電流Ｉの方向をＹ方向とし、テープ面に垂直な方向をＺ方向とする。テープ状線材では、酸化物超電導体のｃ軸はテープ面に垂直な方向（Ｚ方向）に配向する。このため、テープ面に垂直な方向（Ｚ方向）に磁場Ｂ⊥が印加された場合と、テープ面に平行な方向（Ｘ方向）に磁場Ｂ//が印加された場合とで、超電導線材２０の電磁気特性が異なる。

図５（Ｂ）には、テープ状の超電導線材２０の臨界電流Ｊｃと磁場の大きさとの関係が示される。テープ面に垂直な方向（Ｚ方向）に磁場Ｂ⊥が印加された場合のほうが、テープ面に平行な方向（Ｘ方向）に磁場Ｂ//が印加された場合に比べて臨界電流Ｊｃが低下する。

図５には図示していないが、テープ状の酸化物超電導線材２０に交流電流が流れる場合の交流損失の大きさも磁場の印加方向によって異なる。テープ面に垂直な方向（Ｚ方向）に磁場Ｂ⊥が印加された場合のほうが、テープ面に平行な方向（Ｘ方向）に磁場Ｂ//が印加された場合に比べて交流損失が増加する。

図６は、テープ状の超電導線材２０を用いて形成された超電導コイルの構成を模式的に示す断面図である。図６を参照して、超電導コイル１１は、テープ状の超電導線材２０を巻回軸２３のまわりに螺旋状に巻回することによって形成される。もしくは、複数のパンケーキコイルを積層することによって超電導コイル１１を形成してもよい。隣接する超電導線材２０同士の間は、ポリイミドなどの絶縁性のテープ（図示省略）で絶縁されている。

テープ状の超電導線材２０を用いて超電導コイル１１を形成した場合には、テープ面に沿った方向（図５（Ａ）のＸ方向）が巻回軸２３の方向と平行になる。一方、超電導コイル１１によって生じる自己磁場２４の方向は、超電導コイル１１の中央付近では巻回軸２３と平行（図５（Ａ）の平行磁場Ｂ//）になるが、超電導コイル１１の端部では巻回軸２３に垂直な方向（図５（Ａ）の垂直磁場⊥）の成分が増加する。このため、超電導コイル１１の端部では、中央部に比べて、交流損失および常伝導転移部分による損失のいずれも増加する結果、発熱量が増大するのでクエンチが生じやすい。

そこで、図４に示すように、電圧差検出部ＤＵ（１）によって、超電導コイル１１のうち特に発熱の大きい両端の区間ＳＧＡ（１），ＳＧＢ（１）の電圧が比較される。これらの区間ＳＧＡ（１），ＳＧＢ（１）は超電導コイル１１の中点ＭＰに関して対称な位置にあるために磁場分布が対称になっている。このため、交流損失による電圧をブリッジ測定によってキャンセルすることができる。さらに、ノイズの影響を抑制することもできる。これらの理由で、常伝導転移部分に生じた電圧を精度良く検出することができる。

［クエンチ検出装置１０によるクエンチ検出手順］
図７は、図４のクエンチ検出装置１０を用いたクエンチ検出手順を示すフローチャートである。以下、図４、図７を参照して、クエンチ検出手順を総括的に説明する。

ステップＳ１では、クエンチが生じていない通常状態における電圧計Ｖ１，Ｖ２の検出電圧が０になるように、可変抵抗器ＰＭ（１），ＰＭ（２）の各々の可動端子の位置が調整される。この調整は、たとえば、クエンチが生じないように、超電導コイル１１の使用時よりも小さな振幅の交流電流を流しながら行なわれる。

次のステップＳ２で、電流源１２から超電導コイル１１への通電が開始される。
次のステップＳ３で、電圧計Ｖ１は、区間ＳＧＡ（１）の両端に接続された端子ＥＴＡ，ＤＴＡ間の電圧と、区間ＳＧＢ（１）の両端に接続された端子ＥＴＢ，ＤＴＢ間の電圧との電圧差を検出する。電圧計Ｖ２は、区間ＳＧＡ（２）の両端に接続された端子ＤＴＡ，ＭＴ間の電圧と、区間ＳＧＢ（２）の両端に接続された端子ＤＴＢ，ＭＴ間の電圧との電圧差を検出する。

次のステップＳ４で、異常判定部１３は、電圧計Ｖ１の検出値および電圧計Ｖ２の検出値の各々について所定の閾値を超えているか否かを判定する。いずれの検出値も閾値を超えていない場合には、処理はステップＳ３に戻り、ステップＳ３，Ｓ４が繰返される。いずれかの検出値が閾値を超えている場合には、処理はステップＳ５に進む。

ステップＳ５で、異常判定部１３はクエンチ検出を示す異常信号を出力する。図示省略した保護回路は、異常判定部１３からの異常信号に基づいて、超電導コイル１１への通電経路を遮断し、超電導コイル１１に蓄積されたエネルギーを保護抵抗器を介して放出させる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では、超電導コイル１１の端点ＥＰＡから中点ＭＰまでのコイル導体が２区間に区分されたが、これをｎ区間（ｎは３以上の整数）に区分してもよい。

図８は、この発明の実施の形態２によるクエンチ検出装置１０Ａの構成を示すブロック図である。図８では、端点ＥＰＡから中点ＭＰまでのコイル導体を４区間に分割し、端点ＥＰＢから中点ＭＰまでのコイル導体を４区間に分割した例が示される。クエンチ検出装置１０Ａ、超電導コイル１１Ａ、および電流源１２などによって超電導マグネット装置２が構成される。

図８を参照して、クエンチ検出装置１０Ａは、電圧差検出部ＤＵ（１）〜ＤＵ（４）と、異常判定部１３とを備える。

クエンチ検出装置１０Ａには、超電導コイル１１Ａと接続するための端子ＭＴ，ＥＴＡ，ＥＴＢ，ＤＴＡ（１）〜ＤＴＡ（３），ＤＴＢ（１）〜ＤＴＢ（３）が設けられる。端子ＭＴは超電導コイル１１Ａの中点ＭＰと接続され、端子ＥＴＡ，ＥＴＢは、超電導コイル１１Ａの第１および第２の端点ＥＰＡ，ＥＰＢとそれぞれ接続される。端子ＤＴＡ（１）〜ＤＴＡ（３）は、第１の端点ＥＰＡと中点ＭＰとの間のコイル導体を４個の区間ＳＧＡ（１）〜ＳＧＡ（４）に区分する区分点ＤＰＡ（１）〜ＤＰＡ（３）とそれぞれ接続される。端子ＤＴＢ（１）〜ＤＴＢ（３）は、第２の端点ＥＰＢと中点ＭＰとの間のコイル導体を４個の区間ＳＧＢ（１）〜ＳＧＢ（４）に区分する区分点ＤＰＢ（１）〜ＤＰＢ（３）とそれぞれ接続される。区分点ＤＰＢ（１）〜ＤＰＢ（３）は、中点ＭＰに関して区分点ＤＰＡ（１）〜ＤＰＡ（３）とそれぞれ対称である。区間ＳＧＡ（１）〜ＳＧＡ（４）は、中点に関して区間ＳＧＢ（１）〜ＳＧＢ（４）とそれぞれ対称である。

電圧差検出部ＤＵ（１）は、区間ＳＧＡ（１）にかかる電圧（すなわち、端子ＥＴＡ，ＤＴＡ（１）間の電圧）と区間ＳＧＢ（１）にかかる電圧（すなわち、端子ＥＴＢ，ＤＴＢ（１）間の電圧）との電圧差を検出する。電圧差検出部ＤＵ（２）は、区間ＳＧＡ（２）にかかる電圧（すなわち、端子ＤＴＡ（１），ＤＴＡ（２）間の電圧）と区間ＳＧＢ（２）にかかる電圧（すなわち、端子ＤＴＢ（１），ＤＴＢ（２）間の電圧）との電圧差を検出する。電圧差検出部ＤＵ（３）は、区間ＳＧＡ（３）にかかる電圧（すなわち、端子ＤＴＡ（２），ＤＴＡ（３）間の電圧）と区間ＳＧＢ（３）にかかる電圧（すなわち、端子ＤＴＢ（２），ＤＴＢ（３）間の電圧）との電圧差を検出する。電圧差検出部ＤＵ（４）は、区間ＳＧＡ（４）にかかる電圧（すなわち、端子ＤＴＡ（３），ＭＴ間の電圧）と区間ＳＧＢ（４）にかかる電圧（すなわち、端子ＤＴＢ（３），ＭＴ間の電圧）との電圧差を検出する。

具体的には、電圧差検出部ＤＵ（１）は、第１〜第４の抵抗体ＲＣ（１），ＲＤ（１），ＲＡ（１），ＲＢ（１）と電圧計Ｖ１とを含む。第１および第２の抵抗体ＲＣ（１），ＲＤ（１）は、端点ＥＰＡ，ＥＰＢにそれぞれ接続される端子ＥＴＡ，ＥＴＢ間に直列に設けられ、少なくとも一方の抵抗値が調整可能である。図８では、３端子付の可変抵抗器ＰＭ（１）によって抵抗体ＲＣ（１），ＲＤ（１）が構成される。第３および第４の抵抗体ＲＡ（１），ＲＢ（１）は、区分点ＤＰＡ（１），ＤＰＢ（１）にそれぞれ接続される端子ＤＴＡ（１），ＤＴＢ（１）間に直列に設けられ、互いに抵抗値が等しい。電圧計Ｖ１は、第１および第２の抵抗体ＲＣ（１），ＲＤ（１）の接続ノードと第３および第４の抵抗体ＲＡ（１），ＲＢ（１）の接続ノードとの間に設けられる。クエンチが生じていない正常状態において、電圧計Ｖ１の検出値が０になるように、抵抗体ＲＣ（１），ＲＤ（１）の抵抗値（可変抵抗器ＰＭ（１）の可動端子の位置）が調整される。

電圧差検出部ＤＵ（２）は、第１〜第４の抵抗体ＲＣ（２），ＲＤ（２），ＲＡ（２），ＲＢ（２）と電圧計Ｖ２とを含む。第１および第２の抵抗体ＲＣ（２），ＲＤ（２）は、区分点ＤＰＡ（１），ＤＰＢ（１）にそれぞれ接続される端子ＤＴＡ（１），ＤＴＢ（１）間に直列に設けられ、少なくとも一方の抵抗値が調整可能である。図８では、３端子付の可変抵抗器ＰＭ（２）によって抵抗体ＲＣ（２），ＲＤ（２）が構成される。第３および第４の抵抗体ＲＡ（２），ＲＢ（２）は、区分点ＤＰＡ（２），ＤＰＢ（２）にそれぞれ接続される端子ＤＴＡ（２），ＤＴＢ（２）間に直列に設けられ、互いに抵抗値が等しい。電圧計Ｖ２は、第１および第２の抵抗体ＲＣ（２），ＲＤ（２）の接続ノードと第３および第４の抵抗体ＲＡ（２），ＲＢ（２）の接続ノードとの間に設けられる。クエンチが生じていない正常状態において、電圧計Ｖ２の検出値が０になるように、抵抗体ＲＣ（２），ＲＤ（２）の抵抗値（可変抵抗器ＰＭ（２）の可動端子の位置）が調整される。

電圧差検出部ＤＵ（３）は、第１〜第４の抵抗体ＲＣ（３），ＲＤ（３），ＲＡ（３），ＲＢ（３）と電圧計Ｖ３とを含む。第１および第２の抵抗体ＲＣ（３），ＲＤ（３）は、区分点ＤＰＡ（２），ＤＰＢ（２）にそれぞれ接続される端子ＤＴＡ（２），ＤＴＢ（２）間に直列に設けられ、少なくとも一方の抵抗値が調整可能である。図８では、３端子付の可変抵抗器ＰＭ（３）によって抵抗体ＲＣ（３），ＲＤ（３）が構成される。第３および第４の抵抗体ＲＡ（３），ＲＢ（３）は、区分点ＤＰＡ（３），ＤＰＢ（３）にそれぞれ接続される端子ＤＴＡ（３），ＤＴＢ（３）間に直列に設けられ、互いに抵抗値が等しい。電圧計Ｖ３は、第１および第２の抵抗体ＲＣ（３），ＲＤ（３）の接続ノードと第３および第４の抵抗体ＲＡ（３），ＲＢ（３）の接続ノードとの間に設けられる。クエンチが生じていない正常状態において、電圧計Ｖ３の検出値が０になるように、抵抗体ＲＣ（３），ＲＤ（３）の抵抗値（可変抵抗器ＰＭ（３）の可動端子の位置）が調整される。

電圧差検出部ＤＵ（４）は、第１および第２の抵抗体ＲＣ（４），ＲＤ（４）と電圧計Ｖ４とを含む。第１および第２の抵抗体ＲＣ（４），ＲＤ（４）は、区分点ＤＰＡ（３），ＤＰＢ（３）にそれぞれ接続される端子ＤＴＡ（３），ＤＴＢ（３）間に直列に設けられ、少なくとも一方の抵抗値が調整可能である。図８では、３端子付の可変抵抗器ＰＭ（４）によって抵抗体ＲＣ（４），ＲＤ（４）が構成される。電圧計Ｖ４は、中点ＭＰに接続される端子ＭＴと第１および第２の抵抗体ＲＣ（４），ＲＤ（４）の接続ノードとの間に設けられる。クエンチが生じていない正常状態において、電圧計Ｖ４の検出値が０になるように、抵抗体ＲＣ（４），ＲＤ（４）の抵抗値（可変抵抗器ＰＭ（４）の可動端子の位置）が調整される。

異常判定部１３は、電圧計Ｖ１〜Ｖ４のいずれか１つでも検出電圧が閾値を超えたときに異常と判定し、超電導マグネット装置に設けられた保護回路（図示省略）に異常信号を出力する。保護回路は、異常信号を受けたときに超電導コイル１１Ａへの電流供給を遮断するとともに、抵抗体を介して超電導コイル１１Ａに蓄積されたエネルギーを放出させる。

上記の構成によれば、超電導コイル１１Ａを複数の区間ＳＧＡ（１）〜ＳＧＡ（４），ＳＧＢ（１）〜ＳＧＢ（４）に分割することによって、電磁的ノイズの影響を抑制するとともにクエンチが生じた位置の特定が可能になる。さらに、超電導コイル１１Ａの中点ＭＰに関して対称な位置にある区間同士の電圧を比較することによって、超電導コイルを構成する超電導線材の電磁気特性に磁場印加方向に対する依存性があったとしても、交流損失によって生じる電圧の影響を除去して常伝導抵抗による電圧成分を精度良く検出することができる。さらに、第１〜第４の電圧差検出部ＤＵ（１）〜ＤＵ（４）をブリッジ回路によって構成することによって、簡単かつ精度良く電圧差を検出することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，２ 超電導マグネット装置、１０，１０Ａ クエンチ検出装置、１１，１１Ａ 超電導コイル、１２ 電流源、１３ 異常判定部、２０ 超電導線材、ＤＰＡ，ＤＰＢ 区分点、ＤＵ 電圧差検出部、ＥＰＡ，ＥＰＢ 端点、ＭＰ 中点、ＭＴ，ＥＴＡ，ＥＴＢ，ＤＴＡ，ＤＴＢ 端子、ＰＭ 可変抵抗器、ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤ 抵抗体、ＳＧＡ，ＳＧＢ 区間、Ｖ１〜Ｖ４ 電圧計。

Claims (11)

1. 超電導コイルと、
   前記超電導コイルの第１の端点と第１の区分点との間にかかる電圧と、前記超電導コイルの第２の端点と第２の区分点との間にかかる電圧との電圧差を検出する第１の電圧差検出部とを備え、
   前記第１の区分点は、前記超電導コイルの中点と前記第１の端点との間のコイル導体上に位置し、
   前記第２の区分点は、前記超電導コイルの前記中点と前記第２の端点との間のコイル導体上に位置し、前記中点に関して前記第１の区分点と対称である、超電導マグネット装置。
2. 前記第１の電圧差検出部は、
   前記第１および第２の端点間に直列に設けられ、少なくとも一方の抵抗値が調整可能な第１および第２の抵抗体と、
   前記第１および第２の区分点間に直列に設けられ、互いに抵抗値が等しい第３および第４の抵抗体と、
   前記第１および第２の抵抗体の接続ノードと前記第３および第４の抵抗体の接続ノードとの間に設けられた第１の電圧計とを含む、請求項１に記載の超電導マグネット装置。
3. 前記第１の区分点と前記中点との間の電圧と、前記第２の区分点と前記中点と間の電圧との電圧差を検出する第２の電圧差検出部をさらに備える、請求項１に記載の超電導マグネット装置。
4. 前記第１の電圧差検出部は、
   前記第１および第２の端点間に直列に設けられ、少なくとも一方の抵抗値が調整可能な第１および第２の抵抗体と、
   前記第１および第２の区分点間に直列に設けられ、互いに抵抗値が等しい第３および第４の抵抗体と、
   前記第１および第２の抵抗体の接続ノードと前記第３および第４の抵抗体の接続ノードとの間に設けられた第１の電圧計とを含み、
   前記第２の電圧差検出部は、
   前記第１および第２の区分点間に直列に設けられ、少なくとも一方の抵抗値が調整可能な第５および第６の抵抗体と、
   前記中点と前記第５および第６の抵抗体の接続ノードとの間に設けられた第２の電圧計とを含む、請求項３に記載の超電導マグネット装置。
5. 前記超電導コイルの前記第１の区分点と第３の区分点との間にかかる電圧と、前記超電導コイルの前記第２の区分点と第４の区分点との間にかかる電圧との電圧差を検出する第２の電圧差検出部をさらに備え、
   前記第３の区分点は、前記超電導コイルの前記中点と前記第１の区分点との間のコイル導体上に位置し、
   前記第４の区分点は、前記超電導コイルの前記中点と前記第２の区分点との間のコイル導体上に位置し、前記中点に関して前記第３の区分点と対称である、請求項１に記載の超電導マグネット装置。
6. 前記第１の電圧差検出部は、
   前記第１および第２の端点間に直列に設けられ、少なくとも一方の抵抗値が調整可能な第１および第２の抵抗体と、
   前記第１および第２の区分点間に直列に設けられ、互いに抵抗値が等しい第３および第４の抵抗体と、
   前記第１および第２の抵抗体の接続ノードと前記第３および第４の抵抗体の接続ノードとの間に設けられた第１の電圧計とを含み、
   前記第２の電圧差検出部は、
   前記第１および第２の区分点間に直列に設けられ、少なくとも一方の抵抗値が調整可能な第５および第６の抵抗体と、
   前記第３および第４の区分点間に直列に設けられ、互いに抵抗値が等しい第７および第８の抵抗体と、
   前記第５および第６の抵抗体の接続ノードと前記第７および第８の抵抗体の接続ノードとの間に設けられた第２の電圧計とを含む、請求項５に記載の超電導マグネット装置。
7. 前記超電導コイルに用いられる超電導体は、磁場の印加方向によって電磁気特性が変化する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の超電導マグネット装置。
8. 超電導コイルの第１の端点と第１の区分点との間にかかる電圧と、前記超電導コイルの第２の端点と第２の区分点との間にかかる電圧との電圧差を検出する第１の電圧差検出部を備え、
   前記第１の区分点は、前記超電導コイルの中点と前記第１の端点との間のコイル導体上に位置し、
   前記第２の区分点は、前記超電導コイルの前記中点と前記第２の端点との間のコイル導体上に位置し、前記中点に関して前記第１の区分点と対称である、超電導コイルのクエンチ検出装置。
9. 超電導コイルの第１の端点と第１の区分点との間にかかる電圧と、前記超電導コイルの第２の端点と第２の区分点との間にかかる電圧との電圧差を第１の電圧差として検出するステップと、
   前記第１の電圧差が所定の閾値を超えたか否かに基づいて、前記超電導コイルの異常の有無を判定するステップとを備え、
   前記第１の区分点は、前記超電導コイルの中点と前記第１の端点との間のコイル導体上に位置し、
   前記第２の区分点は、前記超電導コイルの前記中点と前記第２の端点との間のコイル導体上に位置し、前記中点に関して前記第１の区分点と対称である、超電導コイルのクエンチ検出方法。
10. 前記第１の区分点と前記中点との間の電圧と、前記第２の区分点と前記中点と間の電圧との電圧差を第２の電圧差として検出するステップをさらに備え
    前記判定するステップでは、前記第１および第２の電圧差のいずれかが所定の閾値を超えたか否かに基づいて、前記超電導コイルの異常の有無を判定する、請求項９に記載の超電導コイルのクエンチ検出方法。
11. 前記超電導コイルの前記第１の区分点と第３の区分点との間にかかる電圧と、前記超電導コイルの前記第２の区分点と第４の区分点との間にかかる電圧との電圧差を第２の電圧差として検出するステップをさらに備え、
    前記第３の区分点は、前記超電導コイルの前記中点と前記第１の区分点との間のコイル導体上に位置し、
    前記第４の区分点は、前記超電導コイルの前記中点と前記第２の区分点との間のコイル導体上に位置し、前記中点に関して前記第３の区分点と対称であり、
    前記判定するステップでは、前記第１および第２の電圧差のいずれかが所定の閾値を超えたか否かに基づいて、前記超電導コイルの異常の有無を判定する、請求項９に記載の超電導コイルのクエンチ検出方法。

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