JP2015142044A - Superconducting magnet device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、超伝導マグネット装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a superconducting magnet device.
従来から医療用機器、例えばＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）などに、医療用超伝導マグネットが使用されている。また近年では医療用加速器にも超伝導マグネットが利用されることがある。これら医療用超伝導マグネットは安定した冷却を維持するため、液体ヘリウムによる浸漬冷却が主流である。しかし、ヘリウム（Ｈｅ）は有限資源であり、現在は世界各国で枯渇のリスクが高まっている。一方で液体ヘリウムを用いない伝導冷却方式の超伝導マグネットも存在する。これは超伝導コイルと極低温冷凍機を伝熱部材でつなぎ、伝導冷却で超伝導コイルを冷却する方式である。 Conventionally, medical superconducting magnets have been used in medical equipment such as MRI (Magnetic Resonance Imaging). In recent years, superconducting magnets are sometimes used in medical accelerators. Since these medical superconducting magnets maintain stable cooling, immersion cooling with liquid helium is the mainstream. However, helium (He) is a finite resource, and now the risk of depletion is increasing in countries around the world. On the other hand, there is a conduction cooling type superconducting magnet that does not use liquid helium. This is a system in which a superconductive coil and a cryogenic refrigerator are connected by a heat transfer member, and the superconductive coil is cooled by conductive cooling.
伝導冷却方式はヘリウム枯渇の影響を受けにくいというメリットがあるが、冷却に非常に時間がかかるというデメリットが存在する。例えば３Ｔクラスの超伝導マグネットの場合では、クエンチが発生し温度が上昇すると、再び超伝導状態に回復するまでに約２００時間の冷却時間が必要となり、装置の稼働率に多大な影響を与える。 The conduction cooling method has the merit that it is less susceptible to helium depletion, but has the disadvantage that it takes a very long time for cooling. For example, in the case of a 3T class superconducting magnet, if a quench occurs and the temperature rises, a cooling time of about 200 hours is required until the superconducting state is restored again, which greatly affects the operating rate of the apparatus.
そこで本発明の一態様は、上記問題に鑑みてなされたものであり、伝導冷却方式の超伝導マグネット装置において、クエンチ発生時から超伝導状態に回復するまでの冷却時間を短縮することを課題とする。 Accordingly, one aspect of the present invention has been made in view of the above problems, and in a conduction cooling type superconducting magnet device, it is an object to shorten the cooling time from the occurrence of a quench to the recovery of the superconducting state. To do.
本発明の実施形態による超伝導マグネット装置において、磁場を形成する超伝導コイルと、前記超伝導コイルが形成する磁場により誘導電流を発生させる誘導コイルと、前記誘導コイルにて発生した誘導電流が流れる保護抵抗と、第１の温度以下になるよう冷却された第１のステージと、前記第１の温度より低い第２の温度以下になるよう冷却された第２のステージであって前記超伝導コイルに連結されて前記超伝導コイルを冷却する第２のステージと、を有する冷凍機と、前記超伝導コイル及び前記誘導コイルを収容し、内部を真空状態に保つ真空容器と、を備える。前記保護抵抗は、前記第１のステージまたは前記真空容器に連結されている。 In a superconducting magnet device according to an embodiment of the present invention, a superconducting coil that forms a magnetic field, an induction coil that generates an induced current by the magnetic field formed by the superconducting coil, and an induced current that is generated in the induction coil flows. The superconducting coil, comprising: a protective resistor; a first stage cooled to be equal to or lower than a first temperature; and a second stage cooled to be equal to or lower than a second temperature lower than the first temperature. A refrigerator having a second stage that cools the superconducting coil, and a vacuum container that houses the superconducting coil and the induction coil and keeps the inside in a vacuum state. The protective resistor is connected to the first stage or the vacuum vessel.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。まず、本実施形態の概要について説明する。本実施形態の超伝導マグネット装置は、マグネット中心の常温ボア内に有効磁場領域を生成する一般的な超電導マグネットである。本実施形態は、電磁誘導の原理を用いてクエンチ発生時に超伝導コイルから放出されるエネルギーを回収し、超伝導コイルの温度上昇を抑える具体的な構成について提示するものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, an outline of the present embodiment will be described. The superconducting magnet device of this embodiment is a general superconducting magnet that generates an effective magnetic field region in a room temperature bore at the center of the magnet. This embodiment presents a specific configuration that recovers energy released from a superconducting coil when a quench occurs using the principle of electromagnetic induction, and suppresses the temperature rise of the superconducting coil.
（超伝導マグネット装置ＳＭの構成について）
続いて、図１を用いて、超伝導マグネット装置ＳＭの構成について説明する。図１は、本実施形態における超伝導マグネット装置ＳＭの構成を示す概略構成図である。図１に示すように、超伝導マグネット装置ＳＭは、電源ＰＳ、スイッチＳＷ、陽極端子ＰＴ、陰極端子ＮＴ、冷凍機ＣＨ、輻射シールドＳＬＤ、真空容器ＶＶ、超伝導コイルＳＣ、誘導コイルＩＣ、第１の高温超伝導電流リードＨＬＤ１、第２の高温超伝導電流リードＨＬＤ２、保護抵抗ＲＳ、ダイオードＤ、及び連結部ＭＣを備える。
(Configuration of superconducting magnet device SM)
Next, the configuration of the superconducting magnet device SM will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the configuration of the superconducting magnet device SM in the present embodiment. As shown in FIG. 1, the superconducting magnet device SM includes a power source PS, a switch SW, an anode terminal PT, a cathode terminal NT, a refrigerator CH, a radiation shield SLD, a vacuum vessel VV, a superconducting coil SC, an induction coil IC, 1 high-temperature superconducting current lead HLD1, a second high-temperature superconducting current lead HLD2, a protective resistor RS, a diode D, and a connecting part MC.
電源ＰＳは、一端が陽極端子ＰＴを介して超伝導コイルＳＣの一端に接続され、他端がスイッチＳＷの一端に接続されている。スイッチＳＷは、他端が陰極端子ＮＴを介して超伝導コイルＳＣの他端に接続されている。 One end of the power source PS is connected to one end of the superconducting coil SC via the anode terminal PT, and the other end is connected to one end of the switch SW. The other end of the switch SW is connected to the other end of the superconducting coil SC via the cathode terminal NT.
輻射シールドＳＬＤは、超伝導コイルＳＣ及び誘導コイルＩＣを覆い、外部からの熱輻射を遮蔽する。
真空容器ＶＶは、超伝導コイルＳＣ、誘導コイルＩＣ、及び輻射シールドＳＬＤを収容し、内部を真空状態に保つ。
The radiation shield SLD covers the superconducting coil SC and the induction coil IC, and shields heat radiation from the outside.
The vacuum container VV accommodates the superconducting coil SC, the induction coil IC, and the radiation shield SLD, and keeps the inside in a vacuum state.
冷凍機ＲＭは、コールドヘッドＣＨ、及びコールドヘッドＣＨと接続されコールドヘッドＣＨを冷却する冷却器ＣＬを備える。ここでコールドヘッドＣＨは、第１のステージＳＴＧ１、第２のステージＳＴＧ２、第１のステージＳＴＧ１と第２のステージＳＴＧ２を接続する接続部ＣＵを備える。 The refrigerator RM includes a cold head CH and a cooler CL that is connected to the cold head CH and cools the cold head CH. Here, the cold head CH includes a first stage STG1, a second stage STG2, and a connection unit CU that connects the first stage STG1 and the second stage STG2.
第１のステージＳＴＧ１は、第１の温度（本実施形態では一例として４０Ｋ（ケルビン））以下になるよう冷却されており、輻射シールドＳＬＤに連結されて輻射シールドＳＬＤを冷却する。これにより、輻射シールドＳＬＤ内が、第２の温度（本実施形態では一例として４０Ｋ）以下に冷却される。第１のステージＳＴＧ１は、例えば、第２のステージＳＴＧよりも冷却能力が高くなっている。 The first stage STG1 is cooled to be equal to or lower than a first temperature (40K (Kelvin) as an example in the present embodiment), and is coupled to the radiation shield SLD to cool the radiation shield SLD. Thereby, the inside of the radiation shield SLD is cooled to a second temperature (40K as an example in the present embodiment) or lower. For example, the first stage STG1 has a higher cooling capacity than the second stage STG.
第２のステージＳＴＧ２は、第１の温度より低い第２の温度（本実施形態では一例として４Ｋ）以下になるよう冷却されており、超伝導コイルＳＣと誘導コイルＩＣに、連結部ＭＣを介して連結されて超伝導コイルＳＣと誘導コイルを冷却する。 The second stage STG2 is cooled to be equal to or lower than a second temperature (4K as an example in the present embodiment) lower than the first temperature, and is connected to the superconducting coil SC and the induction coil IC via the connecting part MC. Are connected to cool the superconducting coil SC and the induction coil.
超伝導コイルＳＣは、一例として円筒状に巻かれており、連結部ＭＣを介して第２のステージＳＴＧ２に連結されている。これにより、超伝導コイルＳＣは、第２の温度以下に冷却され、超伝導状態を維持する。超伝導コイルＳＣは、電源ＰＳから供給された直流電流によりその内周側に磁場を形成する。 The superconducting coil SC is wound in a cylindrical shape as an example, and is connected to the second stage STG2 via the connecting part MC. As a result, the superconducting coil SC is cooled to the second temperature or lower and maintains the superconducting state. Superconducting coil SC forms a magnetic field on the inner circumference side by a direct current supplied from power supply PS.
誘導コイルＩＣは、一例として、超伝導コイルＳＣの内周側に円筒状に巻かれた状態で配置され、連結部ＭＣを介して第２のステージＳＴＧ２に連結されている。これにより、誘導コイルＩＣは、第２の温度以下に冷却され、超伝導状態を維持する。誘導コイルＩＣは、超伝導コイルが形成する磁場により誘導電流を発生させる。誘導コイルＩＣは、一例として、超伝導コイルＳＣと同心円周上で、外周が超伝導コイルＳＣの内周と絶縁を確保しながら物理的に接触するように配置されている。これにより、超伝導コイルＳＣと誘導コイルＩＣの結合係数が大きくなるので、誘導コイルＩＣは超伝導コイルＳＣのクエンチ発生時に多くのエネルギーを回収することができる。 As an example, the induction coil IC is disposed in a state of being wound in a cylindrical shape on the inner peripheral side of the superconducting coil SC, and is coupled to the second stage STG2 via the coupling portion MC. Thereby, induction coil IC is cooled below to 2nd temperature, and maintains a superconducting state. The induction coil IC generates an induced current by a magnetic field formed by the superconducting coil. As an example, the induction coil IC is arranged on a concentric circumference with the superconducting coil SC so that the outer circumference is in physical contact with the inner circumference of the superconducting coil SC while ensuring insulation. This increases the coupling coefficient between the superconducting coil SC and the induction coil IC, so that the induction coil IC can recover a large amount of energy when the superconducting coil SC is quenched.
誘導コイルＩＣを構成する導体は、低温超伝導材料を含む超伝導材料により作製されていることが好ましい。これにより、誘導コイルＩＣは第２の温度以下に冷却されることで、超伝導状態になり誘導電流が流れても発熱を抑えられる。このため、誘導コイルＩＣの発熱によって超伝導コイルＳＣがクエンチする事態を防ぐことができる。 The conductor constituting the induction coil IC is preferably made of a superconducting material including a low-temperature superconducting material. As a result, the induction coil IC is cooled to the second temperature or lower, so that heat generation can be suppressed even when an induction current flows due to a superconducting state. For this reason, it is possible to prevent the superconducting coil SC from being quenched by the heat generation of the induction coil IC.
より好ましくは、誘導コイルＩＣを構成する導体を作製する超伝導材料は、高温超伝導材料である。これにより、誘導コイルＩＣの温度が例えば４０Ｋ程度に上昇したとしても、超伝導状態を維持することができ誘導電流が流れても発熱を抑えられる。このため、誘導コイルＩＣの温度が例えば４０Ｋ程度に上昇したとしても誘導コイルＩＣから発熱がないので、誘導コイルＩＣに発熱に起因する超伝導コイルＳＣの温度上昇を抑えることができる。本実施形態では、誘導コイルＩＣは、一例として、高温超伝導材料から作製されているものとして以後説明する。 More preferably, the superconducting material for producing the conductor constituting the induction coil IC is a high-temperature superconducting material. As a result, even if the temperature of the induction coil IC rises to about 40K, for example, the superconducting state can be maintained, and heat generation can be suppressed even if an induced current flows. For this reason, even if the temperature of the induction coil IC rises to, for example, about 40K, no heat is generated from the induction coil IC, so that the temperature rise of the superconducting coil SC caused by the heat generation in the induction coil IC can be suppressed. In the present embodiment, the induction coil IC will be described hereinafter as an example made of a high-temperature superconducting material.
なお、誘導コイルＩＣは、常伝導材料から作製され常伝導状態であってもよい。これにより、誘導コイルＩＣが超伝導材料から作製される場合よりも、超伝導マグネット装置ＳＭの製造コストを低くすることができる。 The induction coil IC may be made of a normal conductive material and may be in a normal conductive state. Thereby, the manufacturing cost of the superconducting magnet device SM can be made lower than when the induction coil IC is made of a superconducting material.
ダイオードＤは、カソードが超伝導コイルの一端に接続され、アノードが超伝導コイルの他端に接続されている。
第１の高温超伝導電流リードＨＬＤ１及び第２の高温超伝導電流リードＨＬＤ２は、輻射シールドＳＬＤ内に設置されている。第１の高温超伝導電流リードＨＬＤ１は、一端が誘導コイルＩＣの一端と接続され、他端が保護抵抗ＲＳの一端と接続されている。第２の高温超伝導電流リードＨＬＤ２は、一端が誘導コイルＩＣの他端と接続され、他端が保護抵抗ＲＳの他端と接続されている。
The diode D has a cathode connected to one end of the superconducting coil and an anode connected to the other end of the superconducting coil.
The first high temperature superconducting current lead HLD1 and the second high temperature superconducting current lead HLD2 are installed in the radiation shield SLD. One end of the first high-temperature superconducting current lead HLD1 is connected to one end of the induction coil IC, and the other end is connected to one end of the protective resistor RS. The second high-temperature superconducting current lead HLD2 has one end connected to the other end of the induction coil IC and the other end connected to the other end of the protective resistor RS.
このように、誘導コイルＩＣの両端部は、保護抵抗ＲＳの対応する端部に高温超伝導電流リードを介して接続されている。これにより、高温超伝導電流リードの温度は、誘導コイルＩＣに接続されている端部で第２の温度（例えば４Ｋ）と最も低く、保護抵抗ＲＳに近づくにつれて温度が上昇し、保護抵抗ＲＳに接続されている端部で第１の温度（例えば４０Ｋ）と最も高くなる。このように、高温超伝導電流リードは、第２の温度（例えば４Ｋ）と第１の温度（例えば４０Ｋ）の間の温度に冷却されて超伝導状態を維持するので、高温超伝導電流リード自身が発熱することを防止することができる。その結果、誘導コイルＩＣが回収したエネルギーがほぼそのまま保護抵抗ＲＳで熱として消費され、この熱が輻射シールドＳＬＤに放出される。これにより、誘導コイルＩＣが回収したエネルギーを効率良く消費することができる。 Thus, both ends of the induction coil IC are connected to corresponding ends of the protective resistor RS via the high-temperature superconducting current leads. As a result, the temperature of the high-temperature superconducting current lead is the lowest at the second temperature (for example, 4K) at the end connected to the induction coil IC, and the temperature rises as it approaches the protective resistance RS. It becomes the highest at the first temperature (for example, 40 K) at the connected end. Thus, the high-temperature superconducting current lead is cooled to a temperature between the second temperature (for example, 4K) and the first temperature (for example, 40K) to maintain the superconducting state, so that the high-temperature superconducting current lead itself Can be prevented from generating heat. As a result, the energy collected by the induction coil IC is almost directly consumed as heat by the protective resistor RS, and this heat is released to the radiation shield SLD. Thereby, the energy recovered by the induction coil IC can be consumed efficiently.
更に、第１の高温超伝導電流リードＨＬＤ１及び第２の高温超伝導電流リードＨＬＤ２を構成する導体は、一例としてセラミックにより作製されている。セラミックは熱伝導率が低いので、通常運転時に、抵抗ＲＳから誘導コイルＩＣへ伝導する熱を低減することができる。その結果、通常運転時に誘導コイルＩＣの温度上昇を抑えるので、その温度上昇に伴う超伝導コイルＳＣの温度上昇を抑えることができる。 Furthermore, the conductors constituting the first high-temperature superconducting current lead HLD1 and the second high-temperature superconducting current lead HLD2 are made of ceramic as an example. Since ceramic has low thermal conductivity, heat conducted from the resistor RS to the induction coil IC can be reduced during normal operation. As a result, since the temperature rise of the induction coil IC is suppressed during normal operation, the temperature rise of the superconducting coil SC accompanying the temperature rise can be suppressed.
保護抵抗ＲＳは、一端が第１の高温超伝導電流リードＨＬＤ１を介して誘導コイルＩＣの一端に接続され、他端が第２の高温超伝導電流リードＨＬＤ２を介して誘導コイルＩＣの他端に接続されている。これにより、保護抵抗ＲＳには、誘導コイルＩＣにて発生した誘導電流が流れる。保護抵抗ＲＳは、輻射シールドＳＬＤに物理的に接触しており、輻射シールドＳＬＤを介して第１のステージＳＴＧ１に連結されている。このようにして、保護抵抗ＲＳは、第１の温度を有するようになっている。第１のステージＳＴＧ１の冷却能力は第２のステージＳＴＧより高く、保護抵抗ＲＳは、輻射シールドＳＬＤを介して第１のステージＳＴＧ１に連結されている。このため、保護抵抗ＲＳに生じる熱は第１のステージＳＴＧ１によって効率的に放出される。 One end of the protective resistor RS is connected to one end of the induction coil IC via the first high temperature superconducting current lead HLD1, and the other end is connected to the other end of the induction coil IC via the second high temperature superconducting current lead HLD2. It is connected. Thereby, the induced current generated in the induction coil IC flows through the protective resistor RS. The protective resistor RS is in physical contact with the radiation shield SLD and is connected to the first stage STG1 via the radiation shield SLD. In this way, the protective resistance RS has the first temperature. The cooling capacity of the first stage STG1 is higher than that of the second stage STG, and the protective resistance RS is connected to the first stage STG1 via the radiation shield SLD. For this reason, the heat generated in the protective resistor RS is efficiently released by the first stage STG1.
なお、保護抵抗ＲＳは、輻射シールドＳＬＤではなく第１のステージＳＴＧ１と他の連結部材（図示せず）を介して連結されていてもよい。これにより、第１のステージＳＴＧ１の冷却能力が第２のステージＳＴＧより高いので、第１のステージＳＴＧ１は、保護抵抗ＲＳで生じる熱を効率的に冷ますことができる。 Note that the protective resistor RS may be connected to the first stage STG1 via another connecting member (not shown) instead of the radiation shield SLD. Thereby, since the cooling capacity of the first stage STG1 is higher than that of the second stage STG, the first stage STG1 can efficiently cool the heat generated in the protection resistor RS.
電磁誘導でエネルギーを回収する場合、一般的に誘導コイルＩＣ側にエネルギーを効率良く回収するのに最適な時定数が存在する。この最適な時定数の具体的な値は、超伝導コイルの構造によって異なる。例えば３Ｔクラスの超伝導マグネットの場合、最適な時定数は、数１００秒程度である。 When energy is recovered by electromagnetic induction, there is generally an optimum time constant for recovering energy efficiently on the induction coil IC side. The specific value of this optimum time constant varies depending on the structure of the superconducting coil. For example, in the case of a 3T class superconducting magnet, the optimum time constant is about several hundred seconds.
回収可能なエネルギーの理論上の最大値は、超伝導コイルと誘導コイルとの結合係数によって決定されるため、おおよそ誘導コイルの形状、配置も決定される。このとき、時定数を長くするには誘導コイルＩＣ自体の抵抗率を小さくし、抵抗値をμΩオーダーにしなければ効率的なエネルギー回収ができない。誘導コイルＩＣを冷却することにより誘導コイルＩＣの抵抗値は小さくできるが、温度が常温〜４０Ｋでは、ある一定のインダクタンスを確保しつつ抵抗値をμΩオーダーにすることは極めて困難である。したがって、本実施形態では、一例として、誘導コイルＩＣを第２の温度以下に冷却し、誘導コイルＩＣにより回収されたエネルギーを保護抵抗ＲＳで熱に変換し、変換した熱を輻射シールドＳＬＤに放出する。このとき、誘導コイルＩＣに超伝導体を用いると誘導回路のインダクタンスおよび抵抗値をそれぞれ任意に決定することができ、すなわち最適な時定数を選ぶことが可能となる。 Since the theoretical maximum value of recoverable energy is determined by the coupling coefficient between the superconducting coil and the induction coil, the shape and arrangement of the induction coil are also determined approximately. At this time, in order to increase the time constant, efficient energy recovery cannot be performed unless the resistivity of the induction coil IC itself is reduced and the resistance value is set to the μΩ order. Although the resistance value of the induction coil IC can be reduced by cooling the induction coil IC, it is extremely difficult to make the resistance value on the order of μΩ while securing a certain inductance at a temperature of room temperature to 40K. Therefore, in this embodiment, as an example, the induction coil IC is cooled to the second temperature or lower, the energy recovered by the induction coil IC is converted into heat by the protection resistor RS, and the converted heat is released to the radiation shield SLD. To do. At this time, when a superconductor is used for the induction coil IC, the inductance and the resistance value of the induction circuit can be arbitrarily determined, that is, an optimal time constant can be selected.
（超伝導マグネット装置ＳＭの動作について）
続いて、図２を用いて、本実施形態の超伝導マグネット装置ＳＭの動作について説明する。図２は、本実施形態における超伝導マグネット装置ＳＭの等価回路である。
通常運転時には、スイッチＳＷが閉じられ、電源ＰＳは、陽極端子ＰＴを介して超伝導コイルＳＣに直流電流ｉ１を供給する。これにより、超伝導コイルＳＣは、直流電流ｉ１に応じた磁場を形成する。
(Operation of superconducting magnet device SM)
Subsequently, the operation of the superconducting magnet device SM of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is an equivalent circuit of the superconducting magnet device SM in the present embodiment.
During normal operation, the switch SW is closed and the power source PS supplies the direct current i 1 to the superconducting coil SC via the anode terminal PT. Thereby, the superconducting coil SC forms a magnetic field according to the direct current i 1 .
超伝導コイルＳＣにおいてクエンチが発生した場合、スイッチＳＷが開かれる。その場合、超伝導コイルＳＣは、これまで流れていた直流電流ｉ１を流そうとして、超伝導コイルＳＣからダイオードＤに直流電流ｉ２が流れ込む。超伝導コイルＳＣに蓄えられていた磁気エネルギーの一部は、誘導コイルＩＣによって回収され、誘導コイルＩＣにて発生した誘導電流が保護抵抗ＲＳに流れて保護抵抗ＲＳが発熱する。これにより、超伝導コイルＳＣに蓄えられていた磁気エネルギーの一部が、保護抵抗ＲＳで熱として消費される。また、超伝導コイルＳＣに蓄えられていた磁気エネルギーの残りの部分は、超伝導コイルＳＣがクエンチすることにより生じた抵抗によって消費される。この結果、超伝導コイルＳＣに流れる電流が時間の経過とともに減衰する。 When a quench occurs in the superconducting coil SC, the switch SW is opened. In that case, the superconducting coil SC tries to flow the DC current i 1 that has been flowing so far, and the DC current i 2 flows from the superconducting coil SC into the diode D. Part of the magnetic energy stored in the superconducting coil SC is recovered by the induction coil IC, and the induced current generated in the induction coil IC flows to the protective resistor RS, and the protective resistor RS generates heat. As a result, a part of the magnetic energy stored in the superconducting coil SC is consumed as heat by the protective resistance RS. Further, the remaining part of the magnetic energy stored in the superconducting coil SC is consumed by the resistance generated by the quenching of the superconducting coil SC. As a result, the current flowing through the superconducting coil SC is attenuated over time.
このようにして、超伝導コイルＳＣにおいてクエンチが発生した場合、この超伝導コイルＳＣにおける蓄えられていたエネルギーの一部が、保護抵抗ＲＳで熱として消費されるので、超伝導コイルＳＣの内部で熱として消費される量を低減することができる。この結果、超伝導コイルＳＣの温度上昇を抑制することができ、クエンチ発生時から超伝導状態に回復するまでの冷却時間を短縮することができる。 In this way, when a quench occurs in the superconducting coil SC, a part of the energy stored in the superconducting coil SC is consumed as heat by the protective resistance RS. The amount consumed as heat can be reduced. As a result, the temperature rise of the superconducting coil SC can be suppressed, and the cooling time from the occurrence of quenching to the recovery of the superconducting state can be shortened.
（誘導コイルの第１の配置例）
続いて、誘導コイルＩＣの第１の配置例（Ｃａｓｅ１）について図３を用いて説明する。図３は、誘導コイルＩＣの第１の配置例を示す模式図である。図３の超伝導マグネット装置ＳＭは、超伝導主コイルＳ０、第１の超伝導シールドコイルＳ１、及び第２の超伝導シールドコイルＳ２を更に備える。第１の超伝導シールドコイルＳ１及び第２の超伝導シールドコイルＳ２は、超伝導主コイルＳ０の外周側に設けられており、超伝導主コイルＳ０が形成する磁場の漏れを防止する。
(First arrangement example of induction coil)
Subsequently, a first arrangement example (Case 1) of the induction coil IC will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing a first arrangement example of the induction coil IC. The superconducting magnet device SM of FIG. 3 further includes a superconducting main coil S0, a first superconducting shield coil S1, and a second superconducting shield coil S2. The first superconducting shield coil S1 and the second superconducting shield coil S2 are provided on the outer peripheral side of the superconducting main coil S0, and prevent leakage of the magnetic field formed by the superconducting main coil S0.
例えば、図３に示すように超伝導主コイルＳ０が円筒状に巻かれている場合、例えば、第１の超伝導シールドコイルＳ１及び第２の超伝導シールドコイルＳ２は、超伝導主コイルＳ０の外周側で円筒状に巻かれており、巻き方向が超伝導主コイルＳ０とは反対である。これにより、第１の超伝導シールドコイルＳ１及び第２の超伝導シールドコイルＳ２には、超伝導主コイルＳ０とは反対回りに電流が流れるので、磁場の漏れを防止することができる。 For example, when the superconducting main coil S0 is wound in a cylindrical shape as shown in FIG. 3, the first superconducting shield coil S1 and the second superconducting shield coil S2 are, for example, the superconducting main coil S0. It is wound in a cylindrical shape on the outer peripheral side, and the winding direction is opposite to that of the superconducting main coil S0. Thereby, since a current flows through the first superconducting shield coil S1 and the second superconducting shield coil S2 in the opposite direction to the superconducting main coil S0, leakage of the magnetic field can be prevented.
なお、第１の超伝導シールドコイルＳ１及び第２の超伝導シールドコイルＳ２の巻き方向が超伝導主コイルＳ０とは反対であるとしたが、これに限ったものではない。第１の超伝導シールドコイルＳ１及び第２の超伝導シールドコイルＳ２には、超伝導主コイルＳ０が形成する磁場を打ち消す磁場を形成する電流が流れるように構成されていればよい。 Although the winding direction of the first superconducting shield coil S1 and the second superconducting shield coil S2 is opposite to that of the superconducting main coil S0, the present invention is not limited to this. The first superconducting shield coil S1 and the second superconducting shield coil S2 may be configured so that a current for forming a magnetic field that cancels the magnetic field formed by the superconducting main coil S0 flows.
（誘導コイルの第２の配置例）
続いて、図４を用いて誘導コイルＩＣの第２の配置例（Ｃａｓｅ２）について説明する。図４は、誘導コイルの第２の配置例を示す模式図である。図４の超伝導マグネット装置ＳＭは、図３の超伝導マグネット装置ＳＭと同様に、超伝導主コイルＳ０、第１の超伝導シールドコイルＳ１、及び第２の超伝導シールドコイルＳ２を更に備える。図４の第２の配置例では、誘導コイルＩＣは、超伝導主コイルＳ０と第１の超伝導シールドコイルＳ１及び第２の超伝導シールドコイルＳ２との間に配置され、超伝導主コイルＳ０を囲むように円筒状に巻かれている。
(Second arrangement example of induction coil)
Subsequently, a second arrangement example (Case 2) of the induction coil IC will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a second arrangement example of the induction coils. The superconducting magnet device SM of FIG. 4 further includes a superconducting main coil S0, a first superconducting shield coil S1, and a second superconducting shield coil S2, similarly to the superconducting magnet device SM of FIG. In the second arrangement example of FIG. 4, the induction coil IC is arranged between the superconducting main coil S0, the first superconducting shield coil S1, and the second superconducting shield coil S2, and the superconducting main coil S0. It is wound in a cylindrical shape so as to surround.
（誘導コイルの第３の配置例）
続いて、図５を用いて誘導コイルＩＣの第３の配置例（Ｃａｓｅ３）について説明する。図５は、誘導コイルの第３の配置例を示す模式図である。図５の超伝導マグネット装置ＳＭは、図３の超伝導マグネット装置ＳＭと同様に、超伝導主コイルＳ０、第１の超伝導シールドコイルＳ１、及び第２の超伝導シールドコイルＳ２を更に備える。図５の第３の配置例では、誘導コイルは、超伝導主コイルＳ０の内周側に配置されている。
(Third arrangement example of induction coil)
Subsequently, a third arrangement example (Case 3) of the induction coil IC will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a third arrangement example of the induction coils. The superconducting magnet device SM of FIG. 5 further includes a superconducting main coil S0, a first superconducting shield coil S1, and a second superconducting shield coil S2, similarly to the superconducting magnet device SM of FIG. In the third arrangement example of FIG. 5, the induction coil is arranged on the inner peripheral side of the superconducting main coil S0.
続いて、図６を用いて上述した三つの配置例における超伝導コイルＳＣと誘導コイルＩＣとの結合係数を説明する。図６は、誘導コイルＩＣの配置例毎の結合係数を示す表である。図６の表では、配置例（Ｃａｓｅ）毎に、誘導コイルＩＣの位置と結合係数の組が示されている。三つの配置例のうち第３の配置例で、最も結合係数が高いので、超伝導コイルＳＣのクエンチ発生時に誘導コイルＩＣで最も多くのエネルギーを回収できる。このように、結合係数が高くなるように、誘導コイルＩＣは超伝導主コイルＳ０のなるべく近くに配置されていることが好ましい。これにより、超伝導コイルＳＣのクエンチ発生時に誘導コイルＩＣでなるべく多くのエネルギーを回収することができる。 Next, the coupling coefficient between the superconducting coil SC and the induction coil IC in the three arrangement examples described above will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a table showing the coupling coefficient for each arrangement example of the induction coil IC. In the table of FIG. 6, a set of the position of the induction coil IC and a coupling coefficient is shown for each arrangement example (Case). Of the three arrangement examples, the third arrangement example has the highest coupling coefficient, so that the induction coil IC can recover the most energy when the superconducting coil SC is quenched. Thus, it is preferable that the induction coil IC is disposed as close as possible to the superconducting main coil S0 so as to increase the coupling coefficient. Thereby, as much energy as possible can be recovered by the induction coil IC when the superconducting coil SC is quenched.
また、超伝導マグネット装置ＳＭが、超伝導コイルＳＣの外周側に設けられ、超伝導コイルが形成する磁場の漏れを防止する超伝導シールドコイルを更に備える場合、誘導コイルＩＣは、超伝導コイルＳＣの外周側よりも、超伝導コイルＳＣの内周側に配置されていることが好ましい。超伝導コイルＳＣの外周側において、超伝導シールドコイルが形成する磁場によって超伝導主コイルＳ０が形成する磁場が打ち消されて低減する。このため、仮に、誘導コイルＩＣが超伝導コイルＳＣの外周側に配置された場合、その打ち消された分だけ、誘導コイルＩＣの誘導電流が小さくなる。例えば、仮に超伝導コイルＳＣの外周側と内周側それぞれに、超伝導コイルＳＣから同じ距離だけ離れた位置に誘導コイルＩＣを配置する場合を比較すると、超伝導コイルＳＣの内周側に配置した方が、誘導コイルＩＣには大きな誘導電流が流れるので、誘導コイルＩＣは、超伝導コイルＳＣのクエンチ発生時により多くのエネルギーを回収できる。 In addition, when the superconducting magnet device SM is further provided with a superconducting shield coil that is provided on the outer peripheral side of the superconducting coil SC and prevents leakage of the magnetic field formed by the superconducting coil, the induction coil IC includes the superconducting coil SC. It is preferable to be arranged on the inner peripheral side of the superconducting coil SC rather than the outer peripheral side. On the outer peripheral side of the superconducting coil SC, the magnetic field formed by the superconducting main coil S0 is canceled and reduced by the magnetic field formed by the superconducting shield coil. For this reason, if the induction coil IC is arranged on the outer peripheral side of the superconducting coil SC, the induction current of the induction coil IC is reduced by the amount canceled. For example, comparing the case where the induction coil IC is arranged at the same distance from the superconducting coil SC on the outer circumferential side and the inner circumferential side of the superconducting coil SC, it is arranged on the inner circumferential side of the superconducting coil SC. However, since a large induction current flows through the induction coil IC, the induction coil IC can recover more energy when the superconducting coil SC is quenched.
超伝導コイルＳＣのクエンチ発生後に誘導コイルＩＣが回収するエネルギーが所定値以上になるように、保護抵抗ＲＳの設置場所、すなわち保護抵抗ＲＳの温度が設定されていてもよい。 The installation location of the protection resistor RS, that is, the temperature of the protection resistor RS, may be set so that the energy recovered by the induction coil IC after the quench of the superconducting coil SC becomes equal to or higher than a predetermined value.
以上、本実施形態における超伝導マグネット装置ＳＭは、磁場を形成する超伝導コイルＳＣと、超伝導コイルＳＣが形成する磁場により誘導電流を発生させる誘導コイルＩＣと、誘導コイルＩＣにて発生した誘導電流が流れる保護抵抗ＲＳと、第１の温度以下になるよう冷却された第１のステージＳＴＧ１と、第１の温度より低い第２の温度以下になるよう冷却された第２のステージＳＴＧ２であって超伝導コイルＳＣに連結されて超伝導コイルＳＣを冷却する第２のステージＳＴＧ２と、を有する冷凍機ＲＭと、超伝導コイルＳＣ及び誘導コイルＩＣを収容し、内部を真空状態に保つ真空容器ＶＶと、を備える。保護抵抗ＲＳは、第１のステージＳＴＧ１または真空容器ＶＶに連結されている。 As described above, the superconducting magnet device SM in the present embodiment includes the superconducting coil SC that forms a magnetic field, the induction coil IC that generates an induced current by the magnetic field formed by the superconducting coil SC, and the induction that is generated by the induction coil IC. A protection resistor RS through which a current flows, a first stage STG1 cooled to be lower than the first temperature, and a second stage STG2 cooled to be lower than the second temperature lower than the first temperature. A vacuum vessel that is connected to the superconducting coil SC and has a second stage STG2 that cools the superconducting coil SC, the superconducting coil SC and the induction coil IC, and keeps the inside in a vacuum state. VV. The protective resistor RS is connected to the first stage STG1 or the vacuum vessel VV.
これにより、超伝導コイルＳＣにクエンチが発生した場合に、誘導コイルＩＣは、超伝導コイルＳＣに発生したエネルギーの一部を回収し、回収されたエネルギーが保護抵抗ＲＳで熱として消費される。この結果、超伝導コイルＳＣで熱として消費されるエネルギーを低減できるので、超伝導コイルＳＣの温度上昇を抑制することができ、クエンチ発生時から超伝導状態に回復するまでの冷却時間を短縮することができる。 Thereby, when quenching occurs in the superconducting coil SC, the induction coil IC recovers a part of the energy generated in the superconducting coil SC, and the recovered energy is consumed as heat by the protection resistor RS. As a result, the energy consumed as heat in the superconducting coil SC can be reduced, so that the temperature rise of the superconducting coil SC can be suppressed, and the cooling time from the occurrence of quenching to the recovery of the superconducting state can be shortened. be able to.
また、本実施形態における誘導コイルＩＣを構成する導体は高温超伝導材料により作製されている。このため、超伝導コイルＳＣのクエンチ発生時に超伝導コイルＳＣが発熱して誘導コイルＩＣの温度が超伝導状態を維持できる範囲である程度上昇しても、誘導コイルＩＣにおいてエネルギーを消費することを防止し、誘導コイルＩＣが回収したエネルギーを保護抵抗ＲＳに供給することができる。これにより、超伝導コイルＳＣのクエンチ発生時に誘導コイルＩＣが回収するエネルギーが所定の値以上になるように、保護抵抗ＲＳの抵抗値Ｒを任意に決めることができる。 Moreover, the conductor which comprises the induction coil IC in this embodiment is produced with the high temperature superconducting material. For this reason, even if the superconducting coil SC generates heat when the superconducting coil SC quenches and the temperature of the induction coil IC rises to some extent within a range where the superconducting state can be maintained, energy consumption in the induction coil IC is prevented. Then, the energy recovered by the induction coil IC can be supplied to the protective resistor RS. Thereby, the resistance value R of the protective resistor RS can be arbitrarily determined so that the energy recovered by the induction coil IC when the quenching of the superconducting coil SC occurs becomes a predetermined value or more.
なお、保護抵抗ＲＳは、真空容器ＶＶと輻射シールドＳＬＤとの間に配置され、輻射シールドＳＬＤではなく真空容器ＶＶに連結されていてもよい。この場合においても、保護抵抗ＲＳで生じる熱を真空容器ＶＶに放出することができる。その場合、第１の高温超伝導電流リードＨＬＤ１及び第２の高温超伝導電流リードＨＬＤ２は、輻射シールドＳＬＤを貫通して設けられていてもよい。高温超伝導電流リードが含有するセラミックは熱伝導率が低いので、輻射シールドＳＬＤ外から輻射シールドＳＬＤ内へ伝導する熱を低減することができる。この結果、超伝導コイルＳＣのクエンチ発生時に、輻射シールドＳＬＤ内の温度上昇を抑えることができるので、輻射シールドＳＬＤ内に設置された超伝導コイルＳＣの温度上昇を抑制することができ、クエンチ発生時から超伝導状態に回復するまでの冷却時間を短縮することができる。 The protective resistor RS may be disposed between the vacuum vessel VV and the radiation shield SLD, and may be connected to the vacuum vessel VV instead of the radiation shield SLD. Even in this case, the heat generated by the protective resistance RS can be released to the vacuum vessel VV. In that case, the first high temperature superconducting current lead HLD1 and the second high temperature superconducting current lead HLD2 may be provided through the radiation shield SLD. Since the ceramic contained in the high-temperature superconducting current lead has low thermal conductivity, heat conducted from the outside of the radiation shield SLD to the inside of the radiation shield SLD can be reduced. As a result, since the temperature rise in the radiation shield SLD can be suppressed when the quench of the superconducting coil SC occurs, the temperature rise of the superconducting coil SC installed in the radiation shield SLD can be suppressed, and the quench occurs. The cooling time from the time until recovery to the superconducting state can be shortened.
以上、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the components without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
ＳＭ 超伝導マグネット装置
ＰＳ 電源
ＳＷ スイッチ
ＰＴ 陽極端子
ＮＴ 陰極端子
ＲＭ 冷凍機
ＣＨ コールドヘッド
ＳＴＧ２ 第２のステージ
ＳＴＧ１ 第１のステージ
ＳＬＤ 輻射シールド
ＶＶ 真空容器
ＳＣ 超伝導コイル
ＩＣ 誘導コイル ＨＬＤ１ 第１の高温超伝導電流リード
ＨＬＤ２ 第２の高温超伝導電流リード
ＲＳ 保護抵抗
Ｄ ダイオード
ＭＣ 連結部
ＣＵ 接続部
Ｓ０ 超伝導主コイル
Ｓ１ 第１の超伝導シールドコイル
Ｓ２ 第２の超伝導シールドコイル
SM superconducting magnet device PS power supply SW switch PT anode terminal NT cathode terminal RM refrigerator CH cold head STG2 second stage STG1 first stage SLD radiation shield VV vacuum vessel SC superconducting coil IC induction coil HLD1 first high temperature super Conduction current lead HLD2 Second high-temperature superconducting current lead RS Protection resistor D Diode MC Connection part CU Connection part S0 Superconducting main coil S1 First superconducting shield coil S2 Second superconducting shield coil
Claims (7)
前記超伝導コイルが形成する磁場により誘導電流を発生させる誘導コイルと、
前記誘導コイルにて発生した誘導電流が流れる保護抵抗と、
第１の温度以下になるよう冷却された第１のステージと、前記第１の温度より低い第２の温度以下になるよう冷却された第２のステージであって前記超伝導コイルに連結されて前記超伝導コイルを冷却する第２のステージと、を有する冷凍機と、
前記超伝導コイル及び前記誘導コイルを収容し、内部を真空状態に保つ真空容器と、
を備え、
前記保護抵抗は、前記第１のステージまたは前記真空容器に連結されている
超伝導マグネット装置。 A superconducting coil that forms a magnetic field;
An induction coil that generates an induced current by a magnetic field formed by the superconducting coil; and
A protective resistor through which an induced current generated in the induction coil flows;
A first stage cooled to a temperature equal to or lower than a first temperature, and a second stage cooled to a temperature lower than a second temperature lower than the first temperature, coupled to the superconducting coil. A refrigerator having a second stage for cooling the superconducting coil;
A vacuum vessel that houses the superconducting coil and the induction coil and that maintains a vacuum inside;
With
The protective resistance is a superconducting magnet device connected to the first stage or the vacuum vessel.
前記保護抵抗は、前記輻射シールドを介して前記第１のステージに連結されている
請求項１に記載の超伝導マグネット装置。 A radiation shield that is cooled by the first stage and covers the superconducting coil and the induction coil and shields heat radiation from the outside;
The superconducting magnet device according to claim 1, wherein the protective resistor is connected to the first stage via the radiation shield.
前記誘導コイルを構成する導体は、超伝導材料により作製されている
請求項１または２に記載の超伝導マグネット装置。 The second stage is coupled to the induction coil to cool the induction coil;
The superconducting magnet device according to claim 1, wherein the conductor constituting the induction coil is made of a superconducting material.
請求項３に記載の超伝導マグネット装置。 The superconducting magnet device according to claim 3, wherein the superconducting material is a high-temperature superconducting material.
前記誘導コイルの両端部は、前記保護抵抗の対応する端部に前記高温超伝導電流リードを介して接続されている
請求項１から４のいずれか一項に記載の超伝導マグネット装置。 Further comprising a high temperature superconducting current lead;
The superconducting magnet device according to any one of claims 1 to 4, wherein both end portions of the induction coil are connected to corresponding end portions of the protective resistance via the high-temperature superconducting current leads.
請求項５に記載の超伝導マグネット装置。 The superconducting magnet device according to claim 5, wherein the high-temperature superconducting current lead is made of ceramic.
前記誘導コイルは、前記超伝導コイルの内周側に配置されている
請求項１から６のいずれか一項に記載の超伝導マグネット装置。 A shield coil that is provided on the outer peripheral side of the superconducting coil and prevents leakage of a magnetic field formed by the superconducting coil;
The superconducting magnet device according to any one of claims 1 to 6, wherein the induction coil is disposed on an inner peripheral side of the superconducting coil.
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