JP2019012743A - 超電導マグネット、超電導マグネットの運転方法および検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で、超電導コイルが発生する磁場の安定性を確保することができる超電導マグネットの運転方法、超電導マグネットおよび検査装置を提供する。【解決手段】超電導マグネットの運転方法は、超電導線材を巻回すことによって形成された超電導コイルの温度を予め定められた目標温度に調整する工程（Ｓ２０）と、超電導コイルの温度が目標温度に到達した後に、超電導コイルの励減磁を繰り返し実行する工程（Ｓ３０）と、超電導コイルの励減磁の実行中に、超電導コイルを超電導状態に維持する工程（Ｓ４０）とを備える。目標温度は、超電導状態に冷却された超電導コイルの励減磁の実行中において超電導コイルが熱平衡状態となる温度に設定される。【選択図】図４

Description

この発明は、超電導マグネット、超電導マグネットの運転方法および検査装置に関する。

国際公開２０１２／１５７７４５号（特許文献１）は、超電導巻線と、該超電導巻線に生じる遮蔽電流による磁化方向に対して垂直方向の交流磁場を印加する磁場印加手段とを備える超電導磁石を開示している。

特開２０１６−１４３７３３号公報（特許文献２）は、超電導コイルを該超電導コイルが超電導状態となる第１の温度にするステップと、第１の温度にした後に、等価的な抵抗成分を発生する磁束フローまたは磁束クリープ状態が生じる電流まで通電して超電導コイルの発生磁場を安定させるステップと、超電導コイルの発生磁場を安定させた後に該超電導コイルを第１の温度よりも低い第２の温度に冷却するステップとを含む、超電導コイルの運転方法を開示する。

国際公開２０１２／１５７７４５号 特開２０１６−１４３７３３号公報

本発明の一態様の目的は、短時間で、超電導コイルが発生する磁場の安定性を確保することができる超電導マグネットの運転方法を提供することである。本発明の一態様の目的は、短時間で、超電導コイルが発生する磁場の安定性を確保することができる超電導マグネットおよび検査装置を提供することである。

本発明の一態様に係る超電導マグネットの運転方法は、超電導線材を巻回すことによって形成された超電導コイルの温度を予め定められた目標温度に調整する工程と、超電導コイルの温度が目標温度に到達した後に、超電導コイルの励減磁を繰り返し実行する工程と、超電導コイルの励減磁の実行中に、超電導コイルを超電導状態に維持する工程とを備える。目標温度は、超電導状態に冷却された超電導コイルの励減磁の実行中において超電導コイルが熱平衡状態となる温度に設定される。

本発明の一態様に係る超電導マグネットは、巻回された超電導線材を有する超電導コイルと、超電導コイルを冷却するための冷却装置と、超電導コイルに電流を供給する電源と、超電導コイルの温度を検出する温度センサと、温度センサの検出値に基づいて、冷却装置および電源を制御する制御装置とを含む。制御装置は、冷却装置を用いて、超電導コイルの温度を予め定められた目標温度に調整し、超電導コイルの温度が目標温度に到達した後に、電源から超電導コイルへの通電電流を制御することにより、超電導コイルの励減磁を繰り返し実行する。制御装置は、さらに、超電導コイルの励減磁の実行中に、冷却装置を用いて超電導コイルを超電導状態に維持するように構成される。目標温度は、超電導状態に冷却された超電導コイルの励減磁の実行中において超電導コイルが熱平衡状態となる温度に設定される。

本発明の一態様に係る検査装置は、本発明の一態様に係る超電導マグネットを備える。検査装置は、超電導状態に冷却された超電導コイルを励磁磁することにより、超電導コイルが発生する磁束が通過する部分に配置された被検査対象の磁化特性を測定するように構成される。

上記によれば、短時間で、超電導コイルが発生する磁場の安定性を確保することができる。

実施の形態１に係る超電導マグネットを概略的に示した断面図である。 試料の磁化特性の測定時における、超電導コイルの発生磁場およびコイル温度の時間変化を示す図である。 実施の形態１に係る超電導マグネットの制御構成を説明するためのブロック図である。 実施の形態１に係る超電導マグネットの運転方法を説明するフローチャートである。 図４に示したコイル温度を目標温度に調整する工程（Ｓ３０）の一態様を説明するためのタイムチャートである。 図５に示した期間Ｔ１〜Ｔ３における冷却装置の冷却条件を説明するための図である。 図４に示したコイル温度を目標温度に調整する工程（Ｓ２０）の一態様を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１の変形例に係る超電導マグネットの制御構成を示すブロック図である。 図５に示した期間Ｔ１〜Ｔ３におけるヒータの制御を説明するための図である。 図４に示したコイル温度を目標温度に調整する工程（Ｓ２０）の別の態様を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態２に係る超電導マグネットの運転方法における、コイル温度を目標温度に調整する工程を説明するためのフローチャートである。

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

（１）本発明の一態様に係る超電導マグネットの運転方法は、超電導線材を巻回すことによって形成された超電導コイル９１の温度を予め定められた目標温度Ｔ＊に調整する工程（図４：Ｓ２０）と、超電導コイル９１の温度が目標温度Ｔ＊に到達した後に、超電導コイル９１の励減磁を繰り返し実行する工程（図４：Ｓ３０）と、超電導コイル９１の励減磁の実行中に、超電導コイル９１を超電導状態に維持する工程（図４：Ｓ４０）とを備える。目標温度Ｔ＊は、超電導状態に冷却された超電導コイル９１の励減磁の実行中において超電導コイル９１が熱平衡状態となる温度（安定温度）に設定される。

上記（１）に係る超電導マグネットの運転方法によれば、超電導コイル９１の励減磁を繰り返したときに超電導コイル９１の発生磁場が安定するときの温度（超電導コイル９１の温度が安定するときの温度）を目標温度Ｔ＊に設定し、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に調整した後に、超電導コイル９１の励減磁を開始する。このようにすると、冷却装置１２１における超電導コイル９１の冷却能力を制御することで、超電導コイル９１を繰り返し励減磁して超電導コイル９１の温度が安定するのに要する時間よりも短時間で、超電導コイル９１が発生する磁場の安定性を確保することができる。

（２）上記（１）に係る超電導マグネットの運転方法において、超電導コイル９１を超電導状態に維持する工程（図４：Ｓ４０）では、超電導コイル９１の冷却条件を、目標温度Ｔ＊に調整する工程（図４：Ｓ２０）における超電導コイルの冷却条件から変更する。

このようにすると、超電導コイル９１の励減磁の実行中は、超電導コイル９１の温度を、超電導コイル９１が熱平衡状態となる温度に保つことができるため、超電導コイル９１の発生磁場を安定させることができる。

（３）上記（１）に係る超電導マグネットの運転方法において、目標温度Ｔ＊に調整する工程（図４：Ｓ２０）は、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊よりも低い閾値温度Ｔｔｈに冷却する工程（図７：Ｓ２１）と、超電導コイル９１の温度が閾値温度Ｔｔｈに達した後に、超電導コイル９１の温度を目標温度Ｔ＊に昇温する工程（図７：Ｓ２２）とを含む。

このようにすると、超電導コイル９１全体を、超電導コイル９１の発生磁場が安定する温度に調整することができる。

（４）上記（３）に係る超電導マグネットの運転方法において、目標温度Ｔ＊に昇温する工程（図７：Ｓ２２）では、閾値温度Ｔｔｈに冷却する工程（図７：Ｓ２１）に比べて、超電導コイル９１の冷却能力を低下させる。このようにすると、冷却装置１２１の制御のみによって、短時間で、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に調整することができる。

（５）上記（３）に係る超電導マグネットの運転方法において、目標温度Ｔ＊に昇温する工程（図７：Ｓ２２）では、閾値温度Ｔｔｈに冷却する工程（図７：Ｓ２１）に比べて、超電導コイル９１を冷却する冷却装置１２１の運転周波数を低くする。超電導コイル９１を超電導状態に冷却する工程（図４：Ｓ４０）では、目標温度Ｔ＊に昇温する工程（図７：Ｓ２２）に比べて、冷却装置１２１の運転周波数を高くする。

このようにすると、冷却装置１２１の運転周波数の制御のみによって、短時間で、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に調整することができる。また、超電導コイル９１の励減磁の実行中は、超電導コイル９１の温度を、超電導コイルが熱平衡状態となる温度に保つことができるため、超電導コイル９１の発生磁場を安定させることができる。

（６）上記（３）に係る超電導マグネットの運転方法において、閾値温度Ｔｔｈに冷却する工程（図７：Ｓ２１）では、超電導コイル９１を冷却する冷却装置１２１の連続運転を実行する。目標温度Ｔ＊に昇温する工程（図７：Ｓ２２）では、冷却装置１２１の間欠運転を実行する。超電導コイル９１を超電導状態に冷却する工程（図４：Ｓ４０）では、冷却装置１２１の連続運転を実行する。

このようにすると、冷却装置１２１のオンオフ制御のみによって、短時間で、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に調整することができる。また、超電導コイル９１の励減磁の実行中は、超電導コイル９１の温度を、超電導コイルが熱平衡状態となる温度に保つことができるため、超電導コイル９１の発生磁場を安定させることができる。

（７）上記（３）に係る超電導マグネットの運転方法において、目標温度Ｔ＊に昇温する工程（図７：Ｓ２２）では、加熱装置１４を用いて超電導コイル９１を加熱する。超電導コイル９１を超電導状態に維持する工程（図４：Ｓ４０）では、加熱装置１４を停止させる。

このようにすると、加熱装置１４のオンオフ制御によって、短時間で、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に調整することができる。また、超電導コイル９１の励減磁の実行中は、加熱装置１４を停止させることで、超電導コイル９１の温度が、超電導コイルが熱平衡状態となる温度に保たれるため、超電導コイル９１の発生磁場を安定させることができる。

（８）上記（１）または（２）に係る超電導マグネットの運転方法において（図１１参照）、目標温度Ｔ＊に調整する工程（図４：Ｓ２０）は、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に冷却する工程（図１１：Ｓ２３）と、超電導コイル９１が目標温度Ｔ＊に到達した後に、一定時間、超電導コイル９１の温度を保持する工程（図１１：Ｓ２４）とを含む。超電導コイル９１の励減磁を繰り返し実行する工程（図４：Ｓ３０）では、超電導コイル９１が目標温度Ｔ＊に到達してから一定時間が経過した後に、超電導コイル９１の励減磁を開始する。

このようにすると、超電導コイル９１全体を、超電導コイル９１の発生磁場が安定する温度に調整することができる。

（９）本発明の一態様に係る超電導マグネット１００（図１および図３参照）は、巻回された超電導線材を有する超電導コイル９１と、超電導コイル９１を冷却するための冷却装置１２１と、超電導コイル９１に電流を供給する電源１３２と、超電導コイル９１の温度を検出する温度センサ１２と、温度センサ１２の検出値に基づいて、冷却装置１２１および電源１３２を制御する制御装置１４０とを含む。制御装置１４０は、冷却装置１２１を用いて、超電導コイル９１の温度を予め定められた目標温度Ｔ＊に調整し、超電導コイル９１の温度が目標温度Ｔ＊に到達した後に、電源１３２から超電導コイル９１への通電電流を制御することにより、超電導コイル９１の励減磁を繰り返し実行する。制御装置１４０は、さらに、超電導コイル９１の励減磁の実行中に、冷却装置１２１を用いて超電導コイル９１を超電導状態に維持するように構成される。目標温度Ｔ＊は、超電導状態に冷却された超電導コイル９１の励減磁の実行中において超電導コイル９１が熱平衡状態となる温度に設定される。

上記（９）に係る超電導マグネット１００によれば、超電導コイル９１の発生磁場が安定する温度（超電導コイルが熱平衡状態となる温度）を目標温度Ｔ＊に設定し、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に調整した後に、超電導コイル９１の励減磁を開始する。このようにすると、冷却装置１２１における冷却能力を制御することで、超電導コイル９１の発生磁場が安定するのに要する時間よりも短時間で、超電導コイル９１が発生する磁場の安定性を確保することができる。

（１０）上記（９）に係る超電導マグネット１００において、制御装置１４０は、冷却装置１２１を用いて、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊よりも低い閾値温度Ｔｔｈに冷却し、超電導コイル９１の温度が閾値温度Ｔｔｈに達した後に、冷却装置１２１の冷却能力を低下させることにより、超電導コイル９１の温度を目標温度Ｔ＊に昇温する。

このようにすると、超電導コイル９１全体を、超電導コイル９１の発生磁場が安定する温度に調整することができる。

（１１）上記（９）に係る超電導マグネット１００は、超電導コイル９１を加熱するための加熱装置１４をさらに備える。制御装置１４０は、冷却装置１２１および加熱装置１４を用いて、超電導コイル９１の温度を目標温度Ｔ＊に調整する。

このようにすると、冷却装置１２１および加熱装置１４の制御によって、短時間で、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に調整することができる。

（１２）上記（１１）に係る超電導マグネット１００において、制御装置１４０は、冷却装置１２１を用いて、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊よりも低い閾値温度Ｔｔｈに冷却する。制御装置１４０は、さらに、超電導コイル９１の温度が閾値温度Ｔｔｈに達した後に、加熱装置１４を用いて、超電導コイル９１の温度を目標温度Ｔ＊に昇温する。

このようにすると、冷却装置１２１および加熱装置１４の制御によって、短時間で、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に調整することができる。

（１３）上記（９）に係る超電導マグネット１００において、制御装置１４０は、冷却装置１２１を用いて、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に冷却し、超電導コイル９１が目標温度Ｔ＊に到達した後に、一定時間、超電導コイル９１の温度を保持する。制御装置１４０は、さらに、超電導コイル９１が目標温度Ｔ＊に到達してから一定時間が経過した後に、超電導コイル９１の励減磁を実行する。

このようにすると、超電導コイル９１全体を、超電導コイル９１の発生磁場が安定する温度に調整することができる。

（１４）本発明の一態様に係る検査装置は、上記（９）から（１３）に係る超電導マグネット１００を備える。検査装置は、超電導状態に冷却された超電導コイル９１を励磁磁することにより、超電導コイル９１が発生する磁束が通過する部分に配置された被検査対象２００の磁化特性を測定するように構成される。

上記（１４）に係る検査装置によれば、被検査対象２００の磁化特性を測定を開始する時点において超電導コイル９１の発生磁場を安定させることができるため、高い測定精度で被検査対象２００の磁化特性を測定することができる。

[本発明の実施形態の詳細]
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る超電導マグネットを概略的に示した断面図である。図１に示されるように、実施の形態１に係る超電導マグネット１００は、超電導コイル９１と、断熱容器１１１と、冷却装置１２１と、ホース１２２と、コンプレッサ１２３と、ケーブル１３１と、電源１３２と、制御装置１４０とを備える。

断熱容器１１１は、非磁性体（たとえばＳＵＳ３０４）によって形成され、超電導コイル９１を収容する。断熱容器１１１は、超電導コイル９１の巻軸Ａｗが通る磁束通過部１１５を有する。磁束通過部１１５は、超電導コイル９１によって発生した磁束を通すことができる。たとえば図１に示されるように、断熱容器１１１の壁に、磁束を断熱容器１１１の内部から外部へ通すための貫通孔が形成される。この貫通孔を磁束通過部１１５として利用することができる。

超電導コイル９１は、テープ状の形状を有する酸化物超電導線材を巻き回して形成されたコイル部１０を有する。酸化物超電導線材は、たとえば、延在方向に延びるビスマス（Ｂｉ）系超伝導体と、この超伝導体を被覆するシースとを有する。シースは、たとえば銀または銀合金により形成されている。酸化物超電導線材は、テープ状面に垂直な磁場が印加されるほど交流損失が増大するような特性を有する。

超電導コイル９１は、冷却装置１２１によって冷却される。冷却装置１２１は、超電導コイル９１に熱的に接続された冷却ヘッド２０を有する。冷却装置１２１は、たとえばギフォード・マクマホン式冷凍機、パルス管冷凍機またはスターリング式冷凍機である。冷却装置１２１は、ホース１２２を介してコンプレッサ１２３につながっている。冷却装置１２１は、超電導コイルを構成する酸化物超電導材料の臨界温度以下の極低温を冷却ヘッド２０に発生させる。冷却ヘッド２０で得られた極低温は、伝熱板を介して超電導コイルに伝達される。

超電導コイル９１は、ケーブル１３１を介して電源１３２に電気的に接続される。電源１３２から電流が与えられることにより、超電導コイル９１は磁場（磁束）を発生させる。

試料２００（被検査対象）は、ステージ２１０上において磁束通過部１１５の直下に配置される。試料２００には、超電導コイル９１から発生した磁場が印加される。試料２００の位置における磁場の強度が所望の強度となるように超電導コイル９１に電流が印加される。

本実施の形態１に係る超電導マグネット１００は、試料２００の磁化特性を測定するための検査装置に適用することが可能である。このような検査装置の一態様として、超電導コイル９１により変動磁場を発生させて、試料２００の磁化曲線（外部磁場と試料２００の磁化との関係を示す曲線）を測定する。

図１の例では、超電導マグネット１００およびステージ２１０は本発明における「検査装置」を構成する。検査装置は、ステージ２１０上に配置された複数の試料２００に対して、超電導コイル９１から発生した磁場を順番に印加することにより、各試料２００の磁化特性を測定する。ステージ２１０は、複数の試料２００を順番に磁束通過部１１５の直下に導入するための位置決め機構を構成する。

制御装置１４０は、試料２００の磁化特性の測定時において、予め設定された磁場発生パターンに従って超電導コイル９１に磁場を発生させるために、超電導コイル９１の通電電流を制御する。一例として、制御装置１４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶部とを含むマイクロコンピュータを主体として構成される。

超電導コイル９１の通電電流の制御に加えて、制御装置１４０は、冷却装置１２１を制御する。一般に、超電導コイルの冷却に用いられる冷却装置には、冷却装置を作動（オン）および停止（オフ）を制御するオンオフ制御方式と、コンプレッサ１２３の運転周波数をインバータで制御する方式とがある。

冷却装置１２１がオンオフ制御方式である場合、制御装置１４０は、コンプレッサ１２３の動作を停止することにより、冷却装置１２１を停止（オフ）させる。また、制御装置１４０は、コンプレッサ１２３を駆動することにより、停止している冷却装置１２１を作動（オン）させる。冷却装置１２１の作動中、冷却装置１２１の冷却能力は一定（たとえば、定格能力）となっている。

これに対して、冷却装置１２１がインバータ制御方式である場合、制御装置１４０は、インバータによってコンプレッサ１２３の運転周波数を制御することにより、冷却装置１２１の冷却能力を制御するように構成される。具体的には、制御装置１４０は、コンプレッサ１２３の運転周波数を上げることにより、冷却装置１２１の冷却能力を上昇させることができる。また、制御装置１４０は、コンプレッサ１２３の運転周波数を下げることにより、冷却装置１２１の冷却能力を低下させることができる。

図２は、試料２００の磁化特性の測定時における、超電導コイル９１の発生磁場およびコイル部１０の温度（以下、コイル温度とも称する）の時間変化を示す図である。図２の縦軸は発生磁場の強度およびコイル温度を示し、横軸は超電導コイル９１の励減磁を開始してからの経過時間を示している。

図２に示されるように、磁化特性の測定時には、所定の磁場発生パターンに従って超電導コイル９１に磁場を発生させる。図２では、磁場発生パターンの一例として、０［Ｔ］→７［Ｔ］→−７［Ｔ］→０［Ｔ］の順で強度が変化する磁場を１サイクルとする。制御装置１４０は、この１サイクルの周期で超電導コイル９１に変動磁場が発生するように、超電導コイル９１の通電電流を変化させる。

この１サイクルの周期で試料２００の磁化特性を測定すると、ステージ２１０は、試料２００を磁束通過部１１５の直下から搬出するとともに、次の試料２００を磁束通過部１１５の直下に搬入する。制御装置１４０は、次の１サイクルの周期で超電導コイル９１に変動磁場を発生させて、次の試料２００の磁化特性を測定する。このようにして、検査装置は、１サイクルの周期で超電導コイル９１に変動磁場を発生させて、複数の試料２００の磁化特性を順番に測定する。

超電導コイル９１が変動磁場を発生している間、制御装置１４０は、冷却装置１２１を作動（オン）させる。図２の例では、制御装置１４０は、冷却装置１２１の冷却能力を定格能力としている。

超電導コイル９１を励減磁すると、超電導コイル９１には交流損失が発生する。そのため、超電導コイル９１を繰り返し励減磁すると、コイル温度は徐々に上昇する。図２の例では、コイル温度は、励減磁開始時の１６Ｋから徐々に上昇し、２５Ｋ付近で安定している。コイル温度が安定しているとは、超電導コイル９１の発熱量と冷却装置１２１の冷却能力とが釣り合うことで、超電導コイル９１が熱平衡状態になっていることを表している。以下の説明では、励減磁の実行中に超電導コイル９１が熱平衡状態となるときのコイル温度を「安定温度」とも称する。

検査装置においては、高い測定精度を実現するために、時間的に安定した磁場を生成することが求められる。しかしながら、励磁中に超電導線材の超電導層に誘導される遮蔽電流により、超電導コイル９１には付加的な磁場（遮蔽電流磁場）が発生する。遮蔽電流磁場は、通電電流により発生する磁場と磁場分布が異なる。コイル温度が高いほど遮蔽電流は小さくなり、よって、遮蔽電流磁場も小さくなる。この遮蔽電流磁場の影響により、磁場が時間的に変動するという問題がある。

ここで、超電導線材の超電導層に誘導される遮蔽電流は、コイル温度が高くなるほど小さくなる傾向がある。したがって、励減磁の開始時とコイル温度の安定時とでは、安定時の方が遮蔽電流が小さくなるため、遮蔽電流磁場の影響が低減されることとなる。よって、コイル温度の安定時には、時間的に安定した磁場を得ることができる。

これによれば、検査装置においては、コイル温度が安定するのを待って試料２００の磁化特性の測定を開始することが望ましいといえる。しかしながら、図２に示されるように、超電導コイル９１の励減磁を開始してからコイル温度が安定するまでには長時間（１８０分程度）かかってしまうという課題が存在する。

そこで、本実施の形態１に係る超電導マグネット１００では、超電導コイル９１の安定温度を目標温度Ｔ＊に設定し、超電導コイル９１の励減磁を開始する前に、すなわち、超電導マグネット１００の運転を停止している状態で、超電導コイル９１の温度を目標温度Ｔ＊になるように調整する。

図３は、実施の形態１に係る超電導マグネット１００の制御構成を説明するためのブロック図である。図３に示されるように、超電導コイル９１には、超電導コイル９１の温度（コイル温度）を検出するための温度センサ１２が設置されている。温度センサ１２は、コイル温度を検出し、検出したコイル温度を示す信号を制御装置１４０へ出力する。図３の例では、温度センサ１２は、超電導コイル９１の巻軸Ａｗ方向の端部に設置されている。

超電導コイル９１は、励磁中において、巻軸Ａｗ方向の中央部に比べて端部の方が温度が高くなりやすい。これは、超電導コイル９１の巻軸Ａｗ方向の端部は、中央部に比べて垂直磁場の強度が大きいため、交流損失がより大きくなることによる。そこで、超電導コイル９１の巻軸Ａｗ方向の端部に温度センサ１２を設置し、コイル温度として端部の温度を管理することで、超電導コイル９１の端部が常電導化してクエンチが生じることを防止することができる。ただし、超電導コイル９１の温度分布を測定するためには、超電導コイル９１の巻軸Ａｗ方向の端部および中央部の各々に温度センサを設置することが望ましい。

制御装置１４０は、温度センサ１２の検出値に基づいて冷却装置１２１を制御することにより、コイル温度を目標温度Ｔ＊である安定温度に調整する。そして、コイル温度が目標温度Ｔ＊に到達した後、制御装置１４０は、電源１３２から超電導コイル９１への通電を開始することにより、図２に示した磁場発生パターンに従って超電導コイル９１に磁場を発生させる。

このようにすると、試料２００の磁化特性の測定を開始する時点において、超電導コイル９１は安定温度になっているため、遮蔽電流磁場の影響が低減されて、時間的に安定した磁場を発生させることができる。したがって、時間的に安定した磁場を用いて試料２００の磁化特性を測定できるため、高い測定精度を実現することができる。

また、冷却装置１２１における冷却能力の制御によってコイル温度を目標温度Ｔ＊に調整するため、図２に示したような、超電導コイル９１で発生する交流損失によってコイル温度を安定させる構成に比べて、より短時間でコイル温度を安定させることができる。すなわち、短時間で、安定した磁場を生成することができる。

（超電導マグネット１００の運転方法）
次に、本実施の形態１に係る超電導マグネット１００の運転方法について説明する。

図４は、実施の形態１に係る超電導マグネット１００の運転方法を説明するフローチャートである。なお、図４に示すフローチャートは、制御装置１４０において予め格納されたプログラムを実行することで実現できる。

図４に示されるように、超電導マグネット１００の運転方法は、目標温度Ｔ＊を設定する工程（Ｓ１０）と、コイル温度を目標温度Ｔ＊に調整する工程（Ｓ２０）と、超電導コイル９１を励減磁する工程（Ｓ３０）と、超電導コイル９１を冷却する工程（Ｓ４０）とを備える。

最初に、目標温度Ｔ１＊を設定する工程（Ｓ１０）が実施される。目標温度Ｔ１＊の設定には、超電導コイル９１の安定温度を取得する必要がある。超電導コイル９１の安定温度は、たとえば、冷却装置１２１の冷却能力を一定（定格能力）に保った状態で超電導コイル９１を繰り返し励減磁し、超電導コイル９１が熱平衡状態となったときの温度を温度センサ１２で測定することで取得することができる。本実施の形態では、図２に示される励減磁中におけるコイル温度の時間変化に基づいて、超電導コイル９１の安定温度である２５Ｋを目標温度Ｔ＊に設定することができる。

あるいは、励減磁中に超電導コイル９１が発生する熱量（交流損失）および冷却装置１２１の冷却能力を用いたシミュレーションを実行することによっても、安定温度を取得することができる。

なお、超電導コイル９１の安定温度は、超電導コイル９１の磁場発生パターン、冷却装置１２１の冷却条件、および超電導コイル９１の熱容量などに依存する。したがって、安定温度の取得にあたっては、実験およびシミュレーションの各々において、実際に試料２００の磁化特性を測定するときの超電導マグネット１００の運転条件（超電導コイル９１の磁場発生パターンおよび冷却装置１２１の冷却条件など）を再現させることが好ましい。

次に、コイル温度を目標温度Ｔ＊に調整する工程（Ｓ２０）が実施される。具体的には、冷却装置１２１によって超電導コイル９１を冷却することにより、コイル温度を目標温度Ｔ＊（２５Ｋ）に調整する。

図５は、図４に示したコイル温度を目標温度Ｔ＊に調整する工程（Ｓ３０）の一態様を説明するためのタイムチャートである。図５は、コイル温度の時間変化を示している。

図５に示されるように、コイル温度を目標温度Ｔ＊に調整する工程（Ｓ３０）では、最初に、目標温度Ｔ＊よりも低い閾値温度Ｔｔｈになるように超電導コイル９１を冷却する。本実施の形態では、閾値温度Ｔｔｈは、たとえば、２５Ｋよりも低い１６Ｋに設定される。

時刻ｔ１にて、温度センサ１２により検出されたコイル温度が閾値温度Ｔｔｈに到達すると、続いて、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に昇温する。超電導コイル９１を昇温するため、制御装置１４０は、時刻ｔ１以前での冷却装置１２１の冷却能力に比べて冷却装置１２１の冷却能力が低下するように、冷却装置１２１の冷却条件を変更する。

冷却装置１２１の冷却能力を低下させたことにより、時刻ｔ１以降、コイル温度が上昇する。時刻ｔ２においてコイル温度が目標温度Ｔ＊に達すると、制御装置１４０は、超電導コイル９１の励減磁を開始する。励減磁の実行中は、図２に示したように、超電導コイル９１が熱平衡状態となるため、コイル温度は目標温度Ｔ＊に保持される。

図５に示したコイル温度の時間変化を実現するために、制御装置１４０は、温度センサ１２の検出値に基づいて、冷却装置１２１の冷却能力を制御する。具体的には、制御装置１４０は、超電導コイル９１の冷却を開始してから（時刻ｔ０）コイル温度が閾値温度Ｔｔｈになるまで（時刻ｔ１）の期間Ｔ１、コイル温度が閾値温度Ｔｈから（時刻ｔ１）目標温度Ｔ＊になるまで（時刻ｔ２）の期間Ｔ２、および、超電導コイル９１の励減磁を開始した後（時刻ｔ２）の期間Ｔ３において、冷却装置１２１の冷却条件を変更する。

図６は、図５に示した期間Ｔ１〜Ｔ３における冷却装置１２１の冷却条件を説明するための図である。図６に示されるように、冷却装置１２１がオンオフ制御方式である場合、制御装置１４０は、期間Ｔ１および期間Ｔ３では、冷却装置１２１を連続的に作動（オン）する連続運転を実行する。一方、期間Ｔ２では、冷却装置１２１の作動（オン）および停止（オフ）を繰り返す間欠運転を実行する。冷却装置１２１の間欠運転では、冷却装置１２１の１制御周期に対するオン時間の比率に応じて冷却能力が変化する。具体的には、比率を大きくすると（すなわち、オン時間を長くする）冷却能力が高くなる一方で、比率を小さくすると（すなわち、オフ時間を長くする）冷却能力が低下する。期間Ｔ２では、比率を小さくすることで、冷却装置１２１の冷却能力を低下させることにより、超電導コイル９１を昇温する。

また、冷却装置１２１がインバータ制御方式である場合には、制御装置１４０は、期間Ｔ２におけるコンプレッサ１２３の運転周波数が、期間Ｔ１および期間Ｔ３におけるコンプレッサ１２３の運転周波数よりも低くなるように、インバータを制御する。

このように、期間Ｔ２では、期間Ｔ１に比べて冷却装置１２１の冷却能力を低下させることによって、コイル温度が上昇に転じる。そして、温度センサ１２により検出されたコイル温度が目標温度Ｔ１＊に到達すると、超電導コイル９１を励減磁する工程（Ｓ３０）が実施される。具体的には、制御装置１４０は、電源１３２から超電導コイル９１への通電を開始することにより、図２に示した磁場発生パターンに従って超電導コイル９１に磁場を発生させる。制御装置１４０は、１サイクルの周期で試料２００の磁化特性を測定すると、ステージ２１０を駆動させて、試料２００を磁束通過部１１５の直下から搬出するとともに、次の試料２００を磁束通過部１１５の直下に搬入する。制御装置１４０は、次の１サイクルの周期で超電導コイル９１に変動磁場を発生させて、次の試料２００の磁化特性を測定する。このようにして、制御装置１４０は、１サイクルの周期で超電導コイル９１に変動磁場を発生させて、複数の試料２００の磁化特性を順番に測定する。

超電導コイル９１の励減磁が開始されると、超電導コイル９１を冷却する工程（Ｓ４０）が実施される。図６で説明したように、超電導コイル９１を冷却する工程（Ｓ４０）では、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に調整する工程（Ｓ２０）に対して、冷却装置１２１の冷却条件を変更する。これにより、コイル温度は安定温度（目標温度Ｔ＊）に保持される。

図７は、図４に示したコイル温度を目標温度Ｔ＊に調整する工程（Ｓ２０）の一態様を説明するためのフローチャートである。図７に示されるように、最初に、超電導コイル９１を閾値温度Ｔｔｈに冷却する工程（Ｓ２１）が実施される。次に、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に昇温する工程（Ｓ２２）が実施される。

本実施の形態では、温度センサ１２は、交流損失が大きい、超電導コイル９１の巻軸Ａｗ方向の端部の温度を検出するように構成されている。一方、冷却装置１２１は、高温となりやすい端部を積極的に冷却する構造を採っており、超電導コイル９１の巻軸Ａｗ方向の中央部はこの端部を通して冷却されることとなる。そのため、超電導コイル９１が熱平衡状態であるときに温度センサ１２の検出値が２５Ｋであっても、超電導コイル９１の巻軸Ａｗ方向の中央部は２５Ｋよりも高い温度となっている可能性がある。すなわち、超電導コイル９１の巻軸Ａｗ方向の中央部における安定温度は、端部における安定温度とは異なる可能性がある。

これによれば、コイル温度を目標温度Ｔ＊に調整する工程（Ｓ２０）において、超電導コイル９１を室温から冷却した場合、超電導コイル９１の巻軸Ａｗ方向の端部の温度が２５Ｋに達していても、中央部の温度が安定温度に達していない可能性がある。

本実施の形態１では、図５および図７に示したように、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊よりも低い温度（閾値温度Ｔｔｈ）に冷却した後に、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に昇温することにより、超電導コイル９１全体を安定温度に調整することができる。

以上説明したように、実施の形態１に係る超電導マグネット１００の運転方法によれば、冷却装置１２１における超電導コイル９１の冷却能力を制御することで、超電導コイル９１を繰り返し励減磁して超電導コイル９１の温度が安定するのに要する時間よりも短時間で、超電導コイル９１が発生する磁場の安定性を確保することができる。

（変形例）
上述した実施の形態１では、冷却装置１２１の冷却能力を低下させることにより、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に昇温する構成について説明したが、本変形例で示すように、ヒータを用いて超電導コイル９１を加熱することによっても超電導コイル９１を昇温することができる。

図８は、実施の形態１の変形例に係る超電導マグネット１００の制御構成を示すブロック図である。図８に示した超電導マグネット１００の制御構成は、図３に示した超電導マグネット１００の制御構成に対して、ヒータ１４を追加したものである。

ヒータ１４は、超電導コイル９１と冷却装置１２１との間に設置される。制御装置１４０は、ヒータ１４の作動（オン）および停止（オフ）を制御する。ヒータ１４は、超電導コイル９１のコイル部１０において、巻軸Ａｗ方向に積層されたパンケーキコイルの間に設置してもよい。

図９は、図５に示した期間Ｔ１〜Ｔ３におけるヒータ１４の制御を説明するための図である。図９に示されるように、期間Ｔ１および期間Ｔ３では、制御装置１４０は、ヒータ１４を停止させる一方で、期間Ｔ２ではヒータ１４を作動させる。期間Ｔ２では、超電導コイル９１はヒータ１４から与えられる熱を受けて昇温する。

（実施の形態２）
実施の形態２では、図４に示したコイル温度を目標温度Ｔ＊に調整する工程（Ｓ３０）の別の態様について説明する。

図１０は、図４に示したコイル温度を目標温度Ｔ＊に調整する工程（Ｓ３０）の別の態様を説明するためのタイムチャートである。図１０は、コイル温度の時間変化を示している。

図１０に示されるように、コイル温度を目標温度Ｔ＊に調整する工程（Ｓ３０）では、最初に、目標温度Ｔ＊になるように超電導コイル９１を冷却する。時刻ｔ１にて、温度センサ１２により検出されたコイル温度が目標温度Ｔ＊に到達すると、一定時間、コイル温度を目標温度Ｔ＊に保持する。超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に保持するため、制御装置１４０は、時刻ｔ１以前での冷却装置１２１の冷却能力に比べて冷却装置１２１の冷却能力が低下するように、冷却装置１２１の冷却条件を変更する。

時刻ｔ１から一定時間が経過すると（時刻ｔ２）、制御装置１４０は、超電導コイル９１の励減磁を開始する。励減磁の実行中は、図２に示したように、超電導コイル９１が熱平衡状態となるため、コイル温度は目標温度Ｔ＊に保持される。

図１０に示したコイル温度の時間変化を実現するために、制御装置１４０は、温度センサ１２の検出値に基づいて、冷却装置１２１の冷却能力を制御する。具体的には、制御装置１４０は、超電導コイル９１の冷却を開始してから（時刻ｔ０）コイル温度が目標温度Ｔ＊になるまで（時刻ｔ３）の期間Ｔ４、コイル温度が目標温度Ｔ＊になってから一定時間が経過するまで（時刻ｔ４）の期間Ｔ５、および、超電導コイル９１の励減磁を開始した後（時刻ｔ５）の期間Ｔ６において、冷却装置１２１の冷却条件を変更する。

図１１は、実施の形態２に係る超電導マグネットの運転方法における、コイル温度を目標温度Ｔ＊に調整する工程を説明するためのフローチャートである。

図１１に示されるように、最初に、超電導コイル９１を目標温度Ｔ＊に冷却する工程（Ｓ２３）が実施される。次に、超電導コイル９１を一定時間、目標温度Ｔ＊に保持する工程（Ｓ２４）が実施される。

上述したように、超電導コイル９１を室温から冷却した場合、超電導コイル９１の巻軸Ａｗ方向の端部の温度が安定温度に達していても、超電導コイル９１の巻軸Ａｗ方向の中央部の温度が安定温度に達していない可能性がある。本実施の形態２では、超電導コイル９１の巻軸Ａｗ方向の端部の温度が安定温度に達した後、一定時間端部を安定温度に保持することにより、超電導コイル９１の巻軸Ａｗ方向における中央部の温度も安定温度に調整する。これにより、超電導コイル９１全体を安定温度に調整することができる。

以上説明したように、実施の形態２に係る超電導マグネットの運転方法によれば、実施の形態１に係る超電導マグネットの運転方法と同様の作用効果を得ることができる。

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。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく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。

１０ コイル部
１２ 温度センサ
１４ ヒータ
２０ 冷却ヘッド
９１ 超電導コイル
１００ 超電導マグネット
１１１ 断熱容器
１１５ 磁束通過部
１２１ 冷却装置
１２２ ホース
１２３ コンプレッサ
１３１ ケーブル
１３２ 電源
１４０ 制御装置
２００ 試料
２１０ ステージ

Claims (14)

1. 超電導線材を巻回すことによって形成された超電導コイルを有する超電導マグネットの運転方法であって、
   前記超電導コイルの温度を予め定められた目標温度に調整する工程と、
   前記超電導コイルの温度が前記目標温度に到達した後に、前記超電導コイルの励減磁を繰り返し実行する工程と、
   前記超電導コイルの励減磁の実行中に、前記超電導コイルを超電導状態に維持する工程とを備え、
   前記目標温度は、超電導状態に冷却された前記超電導コイルの励減磁の実行中において前記超電導コイルが熱平衡状態となる温度に設定される、超電導マグネットの運転方法。
2. 前記超電導コイルを超電導状態に冷却する工程では、前記超電導コイルの冷却条件を、前記目標温度に調整する工程における前記超電導コイルの冷却条件から変更する、請求項１に記載の超電導マグネットの運転方法。
3. 前記目標温度に調整する工程は、
   前記超電導コイルを前記目標温度よりも低い閾値温度に冷却する工程と、
   前記超電導コイルの温度が前記閾値温度に達した後に、前記超電導コイルの温度を前記目標温度に昇温する工程とを含む、請求項１に記載の超電導マグネットの運転方法。
4. 前記目標温度に昇温する工程では、前記閾値温度に冷却する工程に比べて、前記超電導コイルの冷却能力を低下させる、請求項３に記載の超電導マグネットの運転方法。
5. 前記目標温度に昇温する工程では、前記閾値温度に冷却する工程に比べて、前記超電導コイルを冷却する冷却装置の運転周波数を低くし、
   前記超電導コイルを超電導状態に冷却する工程では、前記目標温度に昇温する工程に比べて、前記冷却装置の運転周波数を高くする、請求項３に記載の超電導マグネットの運転方法。
6. 前記閾値温度に冷却する工程では、前記超電導コイルを冷却する冷却装置の連続運転を実行し、
   前記目標温度に昇温する工程では、前記冷却装置の間欠運転を実行し、
   前記超電導コイルを超電導状態に冷却する工程では、前記冷却装置の連続運転を実行する、請求項３に記載の超電導マグネットの運転方法。
7. 前記目標温度に昇温する工程では、加熱装置を用いて前記超電導コイルを加熱し、
   前記超電導コイルを超電導状態に冷却する工程では、前記加熱装置を停止させる、請求項３に記載の超電導マグネットの運転方法。
8. 前記目標温度に調整する工程は、
   前記超電導コイルを前記目標温度に冷却する工程と、
   前記超電導コイルが前記目標温度に到達した後に、一定時間、前記超電導コイルの温度を保持する工程とを含み、
   前記超電導コイルの励減磁を繰り返し実行する工程では、前記超電導コイルが前記目標温度に到達してから前記一定時間が経過した後に、前記超電導コイルの励減磁を開始する、請求項１または請求項２に記載の超電導マグネットの運転方法。
9. 巻回された超電導線材を有する超電導コイルと、
   前記超電導コイルを冷却するための冷却装置と、
   前記超電導コイルに電流を供給する電源と、
   前記超電導コイルの温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの検出値に基づいて、前記冷却装置および前記電源を制御する制御装置とを含み、
   前記制御装置は、
   前記冷却装置を用いて、前記超電導コイルの温度を予め定められた目標温度に調整し、
   前記超電導コイルの温度が前記目標温度に到達した後に、前記電源から前記超電導コイルへの通電電流を制御することにより、前記超電導コイルの励減磁を繰り返し実行し、かつ、
   前記超電導コイルの励減磁の実行中に、前記冷却装置を用いて前記超電導コイルを超電導状態に維持するように構成され、
   前記目標温度は、超電導状態に冷却された前記超電導コイルの励減磁の実行中において前記超電導コイルが熱平衡状態となる温度に設定される、超電導マグネット。
10. 前記制御装置は、
    前記冷却装置を用いて、前記超電導コイルを前記目標温度よりも低い閾値温度に冷却し、
    前記超電導コイルの温度が前記閾値温度に達した後に、前記冷却装置の冷却能力を低下させることにより、前記超電導コイルの温度を前記目標温度に昇温する、請求項９に記載の超電導マグネット。
11. 前記超電導コイルを加熱するための加熱装置をさらに備え、
    前記制御装置は、前記冷却装置および前記加熱装置を用いて、前記超電導コイルの温度を前記目標温度に調整する、請求項９に記載の超電導マグネット。
12. 前記制御装置は、
    前記冷却装置を用いて、前記超電導コイルを前記目標温度よりも低い閾値温度に冷却し、
    前記超電導コイルの温度が前記閾値温度に達した後に、前記加熱装置を用いて、前記超電導コイルの温度を前記目標温度に昇温する、請求項１１に記載の超電導マグネット。
13. 前記制御装置は、
    前記冷却装置を用いて、前記超電導コイルを前記目標温度に冷却し、
    前記超電導コイルが前記目標温度に到達した後に、一定時間、前記超電導コイルの温度を保持し、かつ、
    前記超電導コイルが前記目標温度に到達してから前記一定時間が経過した後に、前記超電導コイルの励減磁を実行する、請求項９に記載の超電導マグネット。
14. 請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の超電導マグネットを備え、
    超電導状態に冷却された前記超電導コイルを励磁磁することにより、前記超電導コイルが発生する磁束が通過する部分に配置された被検査対象の磁化特性を測定するように構成される、検査装置。

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