JP2013143474A - 超電導マグネット装置及びその電流リード - Google Patents

Abstract

【課題】電流リードを構成する材料として酸化物系超電導材を使用することにより熱侵入の抑制を図りながら、当該酸化物系超電導導体の温度が上昇してその超電導状態が一時的に消失しても定常運転に復帰することが可能な超電導マグネット装置１０、及びこの超電導マグネット装置１０に好適な電流リード３０を提供する。
【解決手段】超電導マグネット装置１０は、超電導マグネット１２と、首管１５を有して超電導マグネット１２及び液体ヘリウム１３を収容する液体ヘリウム容器１４と、電流リード３０とを備える。電流リードは、首管１５内に挿入された状態で超電導マグネット１２と外部電源とを接続する接続用導体３１，３２を含む。接続用導体３１，３２は、金属導体３７と、酸化物系超電導材料からなる超電導導体３８とを有する。両導体３７，３８は、互いに並列に配置され、前記首管に沿って延び、かつ、その長手方向と直交する方向に互いに重ね合わされていてその重ね合わせ領域内の任意の位置で互いに導通可能となるように接合されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、液体ヘリウムを利用した超電導マグネット装置及びその電流リードに関するものである。

従来、超電導マグネットの超電導状態を保持する手段として、これを液体ヘリウム容器内の液体ヘリウムに浸漬することが一般に行われている。このような超電導マグネット及び液体ヘリウム容器を備えた超電導マグネット装置では、当該液体ヘリウム容器内の超電導マグネットと、当該液体ヘリウム容器の外部に設けられている電源とを接続するための電流リードが必要である。

前記電流リードについては、当該電流リードを通じての液体ヘリウム容器内への熱侵入が大きな課題となる。当該電流リードには、導電率の高い銅が多用されているが、この銅は高い熱導電率を有していて外部からの熱侵入を許容し易いのに加え、銅自身のもつ電気抵抗による発熱が前記熱侵入の大きな要因となる。この熱侵入は、液体ヘリウムの消費量の増大を招く。特に、超電導マグネットが電流リードと切り離された状態で永久電流が流される永久運転モードではなく、超電導マグネットと外部電源とが電流リードにより接続されたままの駆動モードで運転が行われる超電導マグネット装置、例えば、超電導マグネットのコイルが酸化物系超電導線材により構成されていて永久電流スイッチの使用が困難な装置、では、当該電流リードを通じての熱侵入の抑制が強く望まれる。

従来、前記のような熱侵入を抑制するための電流リードとして、例えば特許文献１に記載されるようなものが知られている。この電流リードは、銅などの良導電性金属からなる高温側リードと、酸化物系超電導導体からなる低温側リードとを有し、これらが直列に接続されている。両リードのうち、前記低温側リードが液体ヘリウム容器内の超電導コイルに接続され、前記高温側リードが外部接続用の常温端子に接続される。

この電流リードにおいて、液体ヘリウムに近い低温側リードを構成する酸化物系超電導導体は、蒸発するヘリウムガスにより冷却されて超電導状態を維持し、これにより、電気抵抗による発熱の大幅な削減に寄与する。その一方、前記低温側リードよりも高い位置にあって前記ヘリウムガスによる冷却度合いの低い高温側リードは、銅等の良導電性金属により構成され、常温下においても比較的高い導電率を保有する。

特開平５−１１４７５３号公報

前記特許文献１に記載される電流リードでは、酸化物系超電導導体の温度が何らかの要因で上昇してその少なくとも一部（一般には液体ヘリウムの液面から遠い上部）の超電導状態が消失することがあり、その場合に定常運転に復帰することが困難であるという課題がある。具体的に、前記酸化物系超電導導体の冷却条件は、これを冷却しているヘリウムガスの流れが何らかの熱擾乱によって変化したり、液体ヘリウムの液面高さが変動したりすることにより変動する可能性があり、その変動が大きいと前記酸化物系超電導導体の少なくとも一部の温度が超電導転移温度（例えば９０Ｋ）を超えてその超電導状態が破れる可能性がある。この超電導状態の消失は酸化物系超電導導体の抵抗を著しく増大させるが（例えば１ｍΩ・ｃｍ程度以上）、当該抵抗の増大にかかわらず電流は継続して当該酸化物系超電導導体を流れざるを得ない。この電流により、当該酸化物系超電導導体の温度は上昇の一途をたどり、最終的には当該酸化物系超電導導体が溶断するおそれがある。

このような事態を避けるには、前記電流リードにおける前記酸化物系超電導導体の長さの比率を小さく抑えて当該酸化物系超電導導体が確実に低温領域内に収まるように設計する必要があるが、このような設計は前記酸化物系超電導導体の使用領域を著しく制限し、その熱侵入抑制効果を必要以上に低下させる結果となる。

本発明の目的は、前記課題を解決すること、すなわち、電流リードを構成する材料として酸化物系超電導材を使用することにより熱侵入の抑制を図りながら、当該酸化物系超電導導体の温度が上昇してその超電導状態が一時的に消失しても定常運転に復帰することが可能な超電導マグネット装置、及びこの超電導マグネット装置に好適な電流リードを提供することを目的とする。

本発明が提供する超電導マグネット装置は、超電導マグネットと、この超電導マグネット及びこれを冷却するための液体ヘリウムを収容する液体ヘリウム容器と、前記超電導マグネットと前記液体ヘリウム容器の外部の電源とを接続するための電流リードとを備える。前記液体ヘリウム容器は、上下方向に延びて当該液体ヘリウム容器内に連通する首管を上部に有し、前記電流リードは、前記首管内に挿入された状態で前記超電導マグネットと前記電源とを接続する接続用導体を含む。この接続用導体は、例えば銅や銅系合金といった常温で導電性を有する金属からなる金属導体と、前記液体ヘリウム容器内の蒸発ヘリウムガスにより所定温度以下に冷却されることにより超電導状態となり得る酸化物系超電導材料からなる超電導導体とを有する。前記金属導体及び前記超電導導体は、互いに並列に配置され、前記首管に沿って延び、かつ、当該長手方向と直交する方向に互いに重ね合わされていてその重ね合わせ領域内の任意の位置で互いに導通可能となるように接合されている。

この超電導マグネット装置では、前記電流リードに含まれる超電導導体の少なくとも一部の領域（一般には液体ヘリウムの液面に近い少なくとも下部を含む領域）が液体ヘリウム容器内のヘリウムガスによる冷却で超電導状態となる。従って、この領域での温度勾配はほとんど０となり、このことが熱侵入の著しい低減に寄与する。また、前記超電導導体に超電導状態に移行していない領域（一般には前記液体ヘリウムの液面から遠い上側の領域）、すなわち、その抵抗が大きい領域が残っていても、この領域では、当該超電導導体と重ね合わされて導通可能な金属導体が低抵抗で電流が流れるのを許容する。従って、この電流リードは、前記超電導導体の冷却状態にかかわらず、その冷却状態において最も抵抗の小さい電流経路を提供することができる。

さらに、この超電導マグネット装置では、従来の装置と異なり、何らかの要因で前記超電導導体の温度が一時的に上昇してその超電導状態が破れても、その後に自動的に正常運転に復帰することが可能である。すなわち、従来のように酸化物系超電導導体と銅等の金属導体とが直列に並べられたものでは、当該酸化物系超電導導体の一部または全部の超電導状態が破れると、その抵抗が著しく増大しているにもかかわらず電流は当該酸化物系超電導導体に流れ続けざるを得ず、このことが当該酸化物系超電導導体の著しい温度上昇さらには溶断を招くおそれがあるが、本発明に係る超電導マグネット装置では、酸化物系超電導材料からなる超電導導体の冷却状態が急変してその超電導状態が破れても、あるいはその超電導状態が形成されている領域が著しく縮小されても、当該超電導導体と並列に配置されかつその長手方向と直交する方向に重ね合わされている金属導体が最低限の電流経路を担保することにより、前記超電導導体の著しい温度上昇を防ぐことができる。従って、前記超電導導体は、その冷却状態の一時的な悪化が解消された後に元の超電導状態に復帰することが可能である。

この超電導マグネット装置は、前記接続用導体の周囲にヘリウムガス上昇流路を形成しながら当該接続用導体を囲む断熱層を有することが、より好ましい。この断熱層は、前記接続用導体の周囲を上向きに流れるヘリウムガスの冷熱が径方向すなわち前記接続用導体の長手方向と直交する方向に外向きに逃がされるのを抑制し、これにより、当該ヘリウムガスによる超電導導体の冷却効率を高めることができる。

前記断熱層は、例えば前記首管に形成されてもよいが、前記電流リードが、当該断熱層を構成する断熱管を備え、この断熱管が前記接続用導体と一体に前記首管に挿入されるように当該断熱管と当該接続用導体とが連結されているものが、好ましい。この電流リードによれば、首管に断熱層が設けられていない既設の液体ヘリウム容器であっても、当該電流リードの挿入によって好適な断熱層を容易に形成することができる。

また、当該電流リードにおける断熱管の下端は前記接続用導体における超電導導体の下端よりも上側に位置していることが、好ましい。このことは、当該超電導導体の下端を液体ヘリウムに浸漬させ、もしくは当該液体ヘリウムの液面に極力近づけることで、その冷却を促しながら、前記断熱管の下端を前記液体ヘリウムの液面よりも上側に位置させることで液体ヘリウム容器内の蒸発ヘリウムガスを前記断熱管の内側のヘリウムガス上昇流路に積極的に取り込むことを可能にする。

また本発明は、超電導マグネットと、この超電導マグネット及びこれを冷却するための液体ヘリウムを収容する液体ヘリウム容器とを備え、この液体ヘリウム容器が上下方向に延びて当該液体ヘリウム容器内に連通する首管を上部に有する超電導マグネット装置に用いられる電流リードを提供する。この電流リードは、前記首管内に挿入されて前記超電導マグネットと前記液体ヘリウム容器の外部の電源とを接続する接続用導体を含み、この接続用導体は、銅または銅系合金からなる金属導体と、前記液体ヘリウム容器内の蒸発ヘリウムガスにより所定温度以下に冷却されることにより超電導状態となり得る酸化物系超電導材料からなる超電導導体とを有する。前記金属導体及び超電導導体は、互いに並列に配置され、前記首管に沿って延び、かつ、当該長手方向と直交する方向に互いに重ね合わされていてその重ね合わせ領域内の任意の位置で互いに導通可能となるように接合されている。

この電流リードは、前記接続用導体の周囲にヘリウムガス上昇流路を形成しながら当該接続用導体を囲む断熱管を備え、この断熱管が前記接続用導体と一体に前記首管に挿入されるように当該断熱管及び当該接続用導体が相互に連結されているのが、好ましい。この電流リードによれば、ヘリウムガス上昇流路を囲む断熱層が設けられていない既設の液体ヘリウム容器であっても、その首管への前記電流リードの挿入によって好適な断熱層を容易に配設することができる。

前記断熱管としては、内部に真空層を有する真空断熱管が好適である。また、当該電流リードにおける断熱管の下端は前記接続用導体における超電導導体の下端よりも上側に位置していることが、好ましい。

本発明に係る電流リードは、前記超電導マグネットを通電させるために、前記接続用導体として第１接続用導体と第２接続用導体とを備えるのが、好ましい。この場合において、前記第１及び第２接続用導体がその長手方向と直交する方向に互いに間隔をおいて配置され、各接続用導体ではその金属導体の外側面すなわち相手方接続用導体と反対側の面に超電導導体が重ねられ、両接続用導体の金属導体の内側面同士の間に電気絶縁性を有するスペーサが介設されるのが、より好ましい。この配置によれば、前記スペーサが前記両接続用導体同士の短絡を確実に防ぐ一方、その反対側の金属導体の外側面に重ねられた超電導導体がその外側のヘリウムガス上昇流路を流れるヘリウムガスと直接接触することで効果的に冷却される。

前記金属導体としては、銅または銅系合金からなるものが、好適である。その場合、当該金属導体の長さをＬ（ｍ）、断面積をＳ（ｍ^２）、残留抵抗比をＲＲＲ、接続用導体に流される電流をＩ（Ａ）とした時に、下記の式の条件を満たすことによって、当該金属導体を通じての熱侵入を効果的に抑制することが可能である。

０．８×１０^−６≦Ｓ／（Ｌ・Ｉ）・（ＲＲＲ）^{０．５７４}≦４０×１０^−７

以上のように、本発明によれば、電流リードを構成する材料として酸化物系超電導材を使用することにより熱侵入の抑制を図りながら、これを超電導導体としたときに当該超電導導体と銅または銅系合金からなる金属導体とを互いに並列に配置してその長手方向と直交する方向に重ね合わせて互いに導通可能とすることにより、当該酸化物系超電導導体の温度が上昇してその超電導状態が一時的に消失しても定常運転に復帰することが可能な超電導マグネット装置、及びこの超電導マグネット装置に好適な電流リードを提供することができる。

本発明の実施の形態に係るＮＭＲ用超電導マグネット装置の全体構成を示す断面正面図である。 前記超電導マグネット装置の要部を示す断面正面図である。 図４のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記超電導マグネット装置における電流リードの下端部の詳細を示す拡大断面図である。 本発明の実施例１および比較例１に係る実験結果を示すグラフである。 本発明の実施例２に係る実験結果を示すグラフである。 本発明の実施例３に係る実験結果を示すグラフである。 本発明の実施例４に係る実験結果を示すグラフである。

本発明の好ましい実施の形態を図１〜図４を参照しながら説明する。この実施の形態は、本発明に係る超電導マグネット装置の具体例として核磁気共鳴分析装置（以下、ＭＲＳ装置と称する。）１０を示すが、本発明に係る超電導マグネット装置の用途は限定されない。

前記ＭＲＳ装置１０は、超電導マグネット１２と、この超電導マグネット１２及びこれを冷却するための液体ヘリウム１３を収容する液体ヘリウム容器である液体ヘリウム槽１４と、この液体ヘリウム槽１４の外側に配置される低温側（例えば４０Ｋ）熱シールド板１６と、この低温側熱シールド板１６の外側に配置される高温側（例えば７７Ｋ）熱シールド板１７と、この高温側熱シールド板１７を包囲しながら液体窒素１９を収容する液体窒素槽１８と、以上示した構成要素を収容する真空容器２０と、電流リード３０と、を備えている。

前記超電導マグネット１２は、コイル線が中空状に巻回されてドーナツ状に形成されたものであり、その形状に応じて前記液体ヘリウム槽１４、熱シールド板１６、液体窒素槽１８、及び真空容器２０も上下方向に延びる中央の試料空間１１を取り巻くドーナツ状に形成されている。前記液体ヘリウム槽１４には、前記液体ヘリウム１３に前記超電導マグネット１２が浸漬されるに十分な量の当該液体ヘリウム１３が収容されている。

前記液体ヘリウム槽１４は、その上部に首管１５を有している。この首管１５は、前記液体ヘリウム槽１４の天壁から上下方向に沿って上向きに延び、液体ヘリウム槽１４内に連通している。また、前記熱シールド板１６，１７及び真空容器２０の天壁が前記首管１５に接合されている。

前記電流リード３０は、図２に示すように、前記首管１５内に上から挿入された状態で前記超電導マグネット１２のコイル線と前記液体ヘリウム槽１４の外部の電源とを接続するものであり、左右一対の第１接続用導体３１及び第２接続用導体３２と、これら接続用導体３１，３２を囲む断熱管３４と、前記両接続用導体３１，３２及び前記断熱管３４のそれぞれの上端を保持する保持部３６とを有している。

前記第１及び第２接続用導体３１，３２は、前記首管１５の長手方向に沿って互いに平行に延び、当該首管１５内に挿入された状態で前記超電導マグネット１２と前記電源とを接続する。具体的に、各接続用導体３１，３２の下端は前記超電導マグネット１２から引き出されたリード線１２ａに接続され、各接続用導体３１，３２の上端はケーブル３５を介して前記電源に接続される。

この電流リード３０の特徴として、前記各接続用導体３１，３２は、図３及び図４に示すような金属導体３７と超電導導体３８とで構成される。前記金属導体３７は、常温でも比較的良好な導電率を示す金属材料、例えば銅または銅系合金、からなり、前記超電導導体３８は酸化物系超電導材料からなる。この酸化物系超電導材料は、前記液体ヘリウム槽１４内の蒸発ヘリウムガスにより所定の転移温度以下に冷却されることにより超電導状態となり得るものであって、例えば、９０Ｋ以上の転移温度を有するビスマス系高温超電導材料やイットリウム系高温超電導材料が好適である。これに対して金属導体３７は、前記超電導状態に転移していないときの前記超電導導体３８の導電率（例えば１×１０^５Ω^−１・ｍ^−１）よりも高い導電率（例えば３×１０^８Ω^−１・ｍ^−１）を保有し、後述のように超電導導体３８の超電導状態が不意に消失したときの電流経路を担保する。

この実施の形態では、前記両接続用導体３１，３２の金属導体３７が矩形状の断面を有する長尺な平板に形成され、当該矩形の短辺方向である厚み方向に互いに間隔をおいて対向するように配置されている。前記ケーブル３５、すなわち電源接続用のケーブルは、前記金属導体３７の上端につながれている。

前記両接続用導体３１，３２の超電導導体３８は、前記金属導体３７よりも薄肉のシート状をなし、当該金属導体３７の外側面、すなわち、相手方の接続用導体と反対の側を向く面にその全長にわたって重ねられて半田付けにより固定されている。すなわち、各接続用導体３１，３２を構成する金属導体３７及び超電導導体３８は、互いに並列に配置され、前記首管に沿って延び、かつ、当該長手方向と直交する方向（この実施の形態では厚み方向）に互いに重ね合わされていてその重ね合わせ領域内の任意の位置で互いに導通可能となるように接合されている。また、前記超電導マグネット１２につながるリード線１２ａは、前記各接続用導体３１，３２のうちの超電導導体３８の下端に半田付け等で接続されている。

この実施の形態に係る電流リード３０は、さらに、図３及び図４に示すようなスペーサ３３を具備する。このスペーサ３３は、例えばＦＲＰ樹脂のような絶縁材料からなり、前記両接続用導体３１，３２の内側面（この実施の形態では両接続用導体３１，３２における金属導体３７，３８が互いに対向する面）同士の間に介在する。このスペーサ３３は、本発明において必須のものではないが、その介在は接続用導体３１，３２同士の短絡を確実に阻止する。

前記断熱管３４は、前記両接続用導体３１，３２を外側から囲む円筒状をなし、その厚み方向の熱伝導を抑止する断熱機能を有する。この実施の形態に係る断熱管３４は、その内部に真空層３４ａを有する真空断熱管により構成される。この断熱管３４の内周面と両接続用導体３１，３２の外表面との間にはヘリウムガス上昇流路３９が形成され、このヘリウムガス上昇流路３９内を前記液体ヘリウム１３の蒸発により生ずる低温のヘリウムガスが上昇する。

前記断熱管３４の下端の高さ位置は、前記両接続用導体３１，３２の下端の高さ位置と同等であってもよいが、図４に示されるように、前記断熱管３４の下端の高さ位置が前記接続用導体３１，３２の下端（特に超電導導体３８の下端）の高さ位置よりも上側にあることが、より好ましい。このことは、同図に示されるように前記超電導導体３８の下端を液体ヘリウム１３に浸漬させ、もしくは当該液体ヘリウム１３の液面に極力近づけることで、当該超電導導体３８の冷却を促しながら、前記断熱管３４の下端を前記液体ヘリウム１３の液面よりも上側に位置させることで前記液体ヘリウム１３から蒸発したヘリウムガスを前記断熱管３４の下端側の開口を通じて当該断熱管３４の内側のヘリウムガス上昇流路３９に積極的に取り込むことを可能にする。

前記保持部３６は、例えばＦＲＰ樹脂といった絶縁材料からなり、前記両接続用導体３１，３２の上端及び前記断熱管３４の上端を保持することにより、これらの相対位置関係を一定に保ち、前記ヘリウムガス上昇流路３９を確保しながら当該接続用導体３１，３２及び当該断熱管３４が一体に前記首管１５内に挿入されることを可能にする。換言すれば、この保持部３６は、前記接続用導体３１，３２と前記断熱管３４とを相互に連結する。さらに、この実施の形態に係る保持部３６は、前記各接続用導体３１，３２の金属導体３７の端部に接続されるケーブル３５の端部を保持するとともに、前記ヘリウムガス上昇流路３９を通じて上昇するヘリウムガスを外部に逃がすためのヘリウムガス排出流路を形成する機能を有する。

以上示した超電導マグネット装置では、電流リード３０の各接続用導体３１，３２を介して超電導マグネット１２と外部電源とを接続しながら、各接続用導体３１，３２において互いに並列に配置される金属導体３７と超電導導体３８との組み合わせが、当該接続用導体３１，３２から液体ヘリウム槽１４内への熱侵入を安定して抑えることを可能にする。具体的に、前記電流リード３０では、断熱管３４の下端からその内側のヘリウムガス上昇流路３９を通じて上昇するヘリウムガスが各接続用導体３１，３２の超電導導体３８の外表面に接触して当該超電導導体３８の少なくとも一部の領域（一般には前記液体ヘリウム１３の液面に近い下部の領域）をその転移温度（例えば約９０Ｋ）以下の温度まで冷却し、この領域での接続用導体３１，３２における温度勾配を実質上０にする。このことが前記熱侵入の著しい低減に寄与する。その一方、前記超電導導体３８に超電導状態に移行していない領域（一般には前記液体ヘリウム１３の液面から遠い上側の領域）、すなわち、その抵抗が大きい領域が残っていても、この領域では、当該超電導導体と並列に配置されかつこれと導通可能な金属導体が当該金属導体を通じて低抵抗で電流が流れるのを許容する。従って、この電流リード３０は、前記超電導導体３８の冷却状態、すなわち当該超電導導体３８のどの領域までが超電導状態に転移するまで冷却されているかにかかわらず、その冷却状態において最も抵抗の小さい電流経路を提供することができる。

さらに、この超電導マグネット装置では、金属導体と超電導導体とが直列に配置される従来の装置と異なり、何らかの要因で前記超電導導体３８の温度が一時的に上昇してその超電導状態が破れても、その後に自動的に正常運転に復帰することが可能である。例えば、前記ヘリウムガス上昇流路３９でのヘリウムガスの流れが何らかの熱擾乱によって乱されあるいは液体ヘリウム１３の液面高さが大きく変動することによって、前記超電導導体３８の冷却状態が一時的に急変してその超電導状態が破れても、あるいはその超電導状態が形成されている領域が著しく縮小されても、当該超電導導体３８と長手方向と直交する方向に重ね合わされている金属導体３７が最低限の電流経路、すなわち前記超電導状態を消失した超電導導体３８の抵抗よりも小さい抵抗を有する経路を担保することにより、前記超電導導体３８の著しい温度上昇を防ぐことができる。従って、前記超電導導体３８は、その冷却状態の一時的な悪化が解消された後に元の超電導状態に正常に復帰することが可能である。

本発明は、以上示した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施態様を含むことが可能である。

例えば、前記断熱層は本発明において必須ではない。また、この断熱層は、前記断熱管３４により構成されるものの他、例えば首管１５に形成されたものでもよい。具体的には、首管１５の内部に真空層が形成されたり、首管１５の内周面または外周面上にその径方向に断熱材が積層されたりしてもよい。しかし、前記のように接続用導体３１，３２とこれらを囲む断熱管３４とが相互に連結された電流リード３０は、首管に断熱層が設けられていない既設の液体ヘリウム容器であっても、当該電流リード３０の挿入によって好適な断熱層を容易に形成することを可能にする利点がある。また、前記接続用導体３１，３２と前記断熱管３４との連結は、保持部３６とは別の部材、例えば接続用導体３１，３２の長手方向の中間部分と断熱管３４とを径方向に連結する複数のリブ、を媒介にしたものでもよい。

本発明では、前記接続用導体の本数や、接続用導体を構成する金属導体及び超電導導体の具体的な形状、配置も限定されない。例えば、図４に示される断面において、前記スペーサ３３が省略される場合には、各金属導体３７の両面にそれぞれ超電導導体３８が重ねられてもよい。あるいは、金属導体３７が丸棒であって、その外周面上に超電導導体３８からなる層が重ねられてもよい。

本発明において金属導体及び前記超電導導体の具体的な断面形状や断面積も、仕様に応じて適宜設定されることが可能であり、熱侵入を効果的に抑制できるように設計されるのがよい。例えば、前記金属導体が銅または銅系合金からなる場合、当該金属導体の長さをＬ（ｍ）、断面積をＳ（ｍ^２）、残留抵抗比をＲＲＲ、接続用導体に流される電流をＩ（Ａ）とすると、下記の式の条件を満たすことによって、当該金属導体を通じての熱侵入を効果的に抑制することが可能である。

０．８×１０^−６≦Ｓ／（Ｌ・Ｉ）・（ＲＲＲ）^{０．５７４}≦４０×１０^−７
ここで、残留抵抗比ＲＲＲは、４．２Ｋでの電気抵抗率Ｒｏに対する３００Ｋでの電気抵抗率Ｒ１の比（＝Ｒ１／Ｒｏ）である。材料の純度が高くなると、Ｒ１はほとんど変化しないがＲｏは小さくなるため、結果的にＲＲＲの値は大きくなる。

また、前記の式においてＳ／（Ｌ・Ｉ）・（ＲＲＲ）^{０．５７４} を指標に選定したのは、液体ヘリウムの蒸発量を最小にする場合の条件としてＳ／（ＬＩ）・（ＲＲＲ）^{０．５７４}＝４．０８×１０^−５という関係式が学術的に知られているからであり（例えば低温工学Ｖｏｌ．８．Ｎｏ．２（１９７３）６７−７１頁「極低温装置の電流リード（パワーリード）」）、実際に、この指標と熱侵入との間には明確な関係性が認められる。かかる事実は、以下に記載される各実施例、とくに実施例２〜４ついての実験結果により明らかとされる。

実施例１では、図３及び図４に示される金属導体３７として、残留抵抗比ＲＲＲ＝３０のタフピッチ銅からなる直方体状の２本の部材、すなわち２本の銅製ブスバーが用いられる。これらのブスバーは、長さＬ＝１，１００ｍ、幅Ｗ＝１５ｍｍを有し、厚さｔは０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲で変更される。各金属導体３７の外側面に超電導導体３８として幅４．５ｍｍ×厚さ０．４５ｍｍの断面を有するＢｉ−２２２３酸化物超電導線材が全長に亘って重ねられて半田付けされる。金属導体３７の一端はＦＲＰ製の保持部３６に固定され、他端にリード線１２ａであるＮｂＴｉ超電導線が半田付けされ、これらが内径３２ｍｍの真空断熱管３４内に挿入されて電流リード３０が構築される。

この電流リード３０は液体ヘリウム槽１４の首管１５内に上から挿入され、両導体３７，３８の先端すなわち下端から長さ１００ｍｍまでの部分が４．２Ｋの液体ヘリウム１３に浸漬される。一方、保持部３６に固定された側の端部すなわち上端部にはヒータ線が巻き付けられ、その温度が３００Ｋに調整される。液体ヘリウム槽１４内の液体ヘリウム１３が蒸発して生成されたヘリウムガスは、前記保持部３６に設けられたヘリウムガス排出流路を通じて外部に放出される。一方、各金属導体３７の上端すなわち高温端にそれぞれケーブル３５が接続されて２５０Ａの電流が流される。

これに対して比較例１では、前記金属導体３７と同じ材質及び形状の２本の銅製ブスバーが用いられ、その上端が保持部３６に固定され、下端にＮｂＴｉ超電導線であるリード線１２ａが半田付けされるが、超電導導体３８及び断熱管３４は具備されず、両銅ブスバーはそのまま前記ＮｂＴｉ超電導線とともに液体ヘリウム槽１４の首管１５内に挿入され、当該銅ブスバーの下端から長さ１００ｍｍまでの部分が温度４．２Ｋの液体ヘリウム１３に浸漬される。その他は、実施例１と同様である。すなわち、銅製ブスバーのうち保持部３６に固定される側の端部である上端部にヒータ線が巻き付けられてその温度が３００Ｋに調整され、液体ヘリウム槽１４内の液体ヘリウム１３が蒸発して生成されたヘリウムガスは、前記保持部３６に設けられたヘリウムガス排出流路を通じて外部に放出され、各金属導体３７の上端にそれぞれケーブル３５が接続されて２５０Ａの電流が流される。

前記実施例１及び前記比較例１において、銅製ブスバー（金属導体３７）の厚さを適宜変更して蒸発ヘリウムガスの流量を、流量計を用いて測定する実験が行われた。当該流量を液体の蒸発量さらには銅ブスバー１本当たりの熱侵入量に変換した結果を図５に示す。

この図５は、実施例１によれば、その金属導体３７の長さに対する断面積の比率が比較例１における銅製ブスバーのそれと同一であっても、当該比較例１に比べて熱侵入量を半分以下に低減することができることを示している。

実施例２では、前記実施例１のタフピッチ銅に代えてＲＲＲ＝５のリン青銅及びＲＲＲ＝１００の無酸素銅が金属導体３７に用いられ、これに２５０Ａの電流が流される。他の条件は実施例１と同一である。この実施例２について行われた実験の結果、すなわち、金属導体３７の厚さを変えた場合の銅ブスバー１本当たりの熱侵入量、を図６に示す。図６の横軸は、前記の指標、すなわち、金属導体３７の断面積をＳ（ｍ^２）、金属導体３７に流す電流をＩ（Ａ）としたときの値Ｓ／（Ｌ・Ｉ）・（ＲＲＲ）^{０．５７４}である。

この図６は、前記指標が０．８×１０^−６≦Ｓ／（ＬＩ）・（ＲＲＲ）^{０．５７４}≦４０×１０^−７となる範囲で熱侵入量が２ｍＷ／（Ａ・本）以下に抑えられることを示している。

実施例３では、実施例２と同様にして、ＲＲＲ＝５のリン青銅、ＲＲＲ＝３０のタフピッチ銅、及びＲＲＲ＝１００の無酸素銅のそれぞれからなる銅製ブスバーについて、１００Ａの電流を流し、かつ、それぞれの銅製ブスバーの厚さを変えた場合の銅ブスバー１本当たりの熱侵入量が測定された。その結果を図７に示す。この図７は、実施例２と同じく実施例３においても、前記指標が０．８×１０^−６≦Ｓ／（ＬＩ）・（ＲＲＲ）^{０．５７４}≦４０×１０^−７となる範囲で熱侵入量が２ｍＷ／（Ａ・本）以下に抑えられることを示している。

実施例４では、前記実施例２及び３と同様にして、ＲＲＲ＝５のリン青銅、ＲＲＲ＝３０のタフピッチ銅、及びＲＲＲ＝１００の無酸素銅のそれぞれからなる銅製ブスバーについて、５００Ａの電流を流し、かつ、それぞれの銅製ブスバーの厚さを変えた場合の銅ブスバー１本当たりの熱侵入量が測定された。その結果を図８に示す。この図８は、実施例２及び３と同じく、実施例４においても、前記指標が０．８×１０^−６≦Ｓ／（ＬＩ）・（ＲＲＲ）^{０．５７４}≦４０×１０^−７となる範囲で熱侵入量が２ｍＷ／（Ａ・本）以下に抑えられることを示している。

１０ 超電導マグネット装置
１２ 超電導マグネット
１２ａ リード線
１３ 液体ヘリウム
１４ 液体ヘリウム槽（液体ヘリウム容器）
１５ 首管
２０ 真空容器
３０ 電流リード
３１ 第１接続用導体
３２ 第２接続用導体
３３ スペーサ
３４ 断熱管
３４ａ 真空層
３５ ケーブル
３６ 保持部
３７ 金属導体
３８ 超電導導体
３９ ヘリウムガス上昇流路

Claims (9)

1. 超電導マグネット装置であって、
   超電導マグネットと、
   この超電導マグネット及びこれを冷却するための液体ヘリウムを収容する液体ヘリウム容器と、
   前記超電導マグネットと前記液体ヘリウム容器の外部の電源とを接続するための電流リードとを備え、
   前記液体ヘリウム容器は、上下方向に延びて当該液体ヘリウム容器内に連通する首管を上部に有し、
   前記電流リードは、前記首管内に挿入された状態で前記超電導マグネットと前記電源とを接続する接続用導体を含み、この接続用導体は、導電性を有する金属からなる金属導体と、前記液体ヘリウム容器内の蒸発ヘリウムガスにより所定温度以下に冷却されることにより超電導状態となる酸化物系超電導材料からなる超電導導体とを有し、前記金属導体及び前記超電導導体は、互いに並列に配置され、前記首管に沿って延び、かつ、その長手方向と直交する方向に互いに重ね合わされていてその重ね合わせ領域内の任意の位置で互いに導通可能となるように接合されている、超電導マグネット装置。
2. 請求項１記載の超電導マグネット装置であって、前記接続用導体の周囲にヘリウムガス上昇流路を形成しながら当該接続用導体を囲む断熱層を有する、超電導マグネット装置。
3. 請求項２記載の超電導マグネット装置であって、前記電流リードは、前記断熱層を構成する断熱管を備え、この断熱管が前記接続用導体と一体に前記首管に挿入されるように当該断熱管と当該接続用導体とが連結されている、超電導マグネット装置。
4. 請求項３記載の超電導マグネット装置であって、前記電流リードにおける断熱管の下端は前記接続用導体における超電導導体の下端よりも上側に位置している、超電導マグネット装置。
5. 超電導マグネットと、この超電導マグネット及びこれを冷却するための液体ヘリウムを収容する液体ヘリウム容器とを備え、この液体ヘリウム容器が上下方向に延びて当該液体ヘリウム容器内に連通する首管を上部に有する超電導マグネット装置に用いられる電流リードであって、
   前記首管内に挿入されて前記超電導マグネットと前記液体ヘリウム容器の外部の電源とを接続する接続用導体を含み、この接続用導体は、銅または銅系合金からなる金属導体と、前記液体ヘリウム容器内の蒸発ヘリウムガスにより所定温度以下に冷却されることにより超電導状態となる酸化物系超電導材料からなる超電導導体とを有し、前記金属導体及び超電導導体は、互いに並列に配置され、前記首管に沿って延び、かつ、その長手方向と直交する方向に互いに重ね合わされていてその重ね合わせ領域内の任意の位置で互いに導通可能となるように接合されている、電流リード。
6. 請求項５記載の電流リードであって、前記接続用導体の周囲にヘリウムガス上昇流路を形成しながら当該接続用導体を囲む断熱管をさらに備え、この断熱管が前記接続用導体と一体に前記首管に挿入されるように当該断熱管及び当該接続用導体が相互に連結されている、電流リード。
7. 請求項６記載の電流リードであって、前記断熱管は、内部に真空層を有する真空断熱管である、電流リード。
8. 請求項５〜７のいずれかに記載の電流リードであって、前記接続用導体として第１接続用導体と第２接続用導体とを有し、前記第１及び第２接続用導体がその長手方向と直交する方向に互いに間隔をおいて配置され、各接続用導体ではその金属導体の外側面すなわち相手方接続用導体と反対側の面に超電導導体が重ねられ、両接続用導体の金属導体の内側面同士の間に電気絶縁性を有するスペーサが介設されている、電流リード。
9. 請求項５〜７のいずれかに記載の電流リードであって、前記金属導体は、銅または銅系合金からなり、当該金属導体の長さをＬ（ｍ）、断面積をＳ（ｍ^２）、残留抵抗比をＲＲＲ、接続用導体に流される電流をＩ（Ａ）とした時に下記の式の条件を満たす、電流リード。
   ０．８×１０^−６≦Ｓ／（Ｌ・Ｉ）・（ＲＲＲ）^{０．５７４}≦４０×１０^−７

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