JP2021093440A - Superconducting magnet device and superconducting magnet control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超伝導磁石装置および超伝導磁石制御方法に関する。 The present invention relates to a superconducting magnet device and a superconducting magnet control method.
超伝導コイルを液体ヘリウムに浸漬して冷却するとともに、そこから気化した低温のヘリウムガスでパワーリードを冷却することが知られている。パワーリードを冷却したヘリウムガスは大気開放弁から排出される。冷却不良によるパワーリードの過熱および焼損を未然に防ぐために、この大気開放弁の開閉状態とパワーリードの温度に基づいて、超伝導コイルの電流を強制的に遮断する緊急消磁が行われる(例えば、特許文献1参照。)。 It is known that the superconducting coil is immersed in liquid helium to cool it, and the power lead is cooled by the low-temperature helium gas vaporized from the superconducting coil. The helium gas that cooled the power lead is discharged from the air release valve. In order to prevent overheating and burning of the power lead due to poor cooling, emergency degaussing is performed to forcibly cut off the current of the superconducting coil based on the open / closed state of the air release valve and the temperature of the power lead (for example). See Patent Document 1).
超伝導コイルの励磁電源には、コイルに流れる電流の時間変化率とコイルのインダクタンスとの積に応じて決まる電圧をコイルに印加することが必要とされる。超伝導コイルが正常に定格電流で運用されているとき、電流値それ自体は大きく例えば少なくとも数百A(アンペア)に達するがその変動は小さいので、励磁電源は比較的低い電圧を出力できれば十分である。一方、緊急消磁においては、そうした大電流からゼロまで電流を急速に減少させることになり、この電流減少速度に応じた高電圧が電源に求められる。言い換えれば、電源の電圧容量によって、とりうる電流の減少速度が制限され、それにより緊急消磁にかかる時間が長くなる。同様に、緊急消磁からの復旧や超伝導磁石装置の通常の運転開始のために超伝導コイルを励磁するときにも、短時間で行うには高電圧の電源が必要になる。超伝導コイルには電流がゼロ付近であるときインダクタンスが大きく増加するものがあり、この場合、必要な電圧はより高まり、問題は一層顕著となりうる。しかし、高電圧の励磁電源を採用すれば、製造コストが相応に高くなる。 The exciting power supply of the superconducting coil is required to apply a voltage to the coil, which is determined by the product of the time change rate of the current flowing through the coil and the inductance of the coil. When the superconducting coil is normally operated at the rated current, the current value itself is large, for example, reaching at least several hundred amperes (ampere), but the fluctuation is small, so it is sufficient for the exciting power supply to be able to output a relatively low voltage. is there. On the other hand, in emergency degaussing, the current is rapidly reduced from such a large current to zero, and a high voltage corresponding to this current reduction rate is required for the power supply. In other words, the voltage capacity of the power supply limits the rate of decrease in possible current, which increases the time required for emergency degaussing. Similarly, when exciting a superconducting coil for recovery from emergency degaussing or for starting normal operation of a superconducting magnet device, a high-voltage power supply is required to perform it in a short time. Some superconducting coils have a large increase in inductance when the current is near zero, in which case the required voltage is higher and the problem can be even more pronounced. However, if a high voltage excitation power supply is adopted, the manufacturing cost will be correspondingly high.
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、超伝導コイルの強制的な電流遮断の可能性を減らし、超伝導磁石装置の運転継続性を向上することにある。 One of the exemplary objects of an aspect of the present invention is to reduce the possibility of forced current interruption of the superconducting coil and improve the operational continuity of the superconducting magnet device.
本発明のある態様によると、超伝導磁石装置は、超伝導コイルと、超伝導コイルを冷却する極低温冷凍機と、超伝導コイルに励磁電流を供給する励磁電源と、超伝導コイルの温度または極低温冷凍機によって超伝導コイルとともに冷却される部位の温度を測定し、測定温度を示す測定信号を出力する温度センサと、温度センサから測定信号を受け、測定温度を温度しきい値と比較し、測定温度が温度しきい値を超える場合、定格電流値より小さい目標電流値へと励磁電流を調整するように励磁電源を制御する制御部と、を備える。 According to an aspect of the present invention, the superconducting magnet device includes a superconducting coil, a cryogenic refrigerator that cools the superconducting coil, an exciting power supply that supplies an exciting current to the superconducting coil, and the temperature of the superconducting coil. A temperature sensor that measures the temperature of the part cooled together with the superconducting coil by a cryogenic refrigerator and outputs a measurement signal indicating the measurement temperature, receives the measurement signal from the temperature sensor, and compares the measurement temperature with the temperature threshold. A control unit that controls the exciting power supply so as to adjust the exciting current to a target current value smaller than the rated current value when the measured temperature exceeds the temperature threshold is provided.
本発明のある態様によると、超伝導磁石制御方法は、超伝導コイルの温度または極低温冷凍機によって超伝導コイルとともに冷却される部位の温度を測定することと、測定温度を温度しきい値と比較することと、測定温度が温度しきい値を超える場合、定格電流値より小さい目標電流値へと超伝導コイルの励磁電流を調整することと、を備える。 According to an aspect of the present invention, the superconducting magnet control method measures the temperature of a superconducting coil or the temperature of a portion cooled together with the superconducting coil by a cryogenic refrigerator, and uses the measured temperature as a temperature threshold. It includes comparison and adjustment of the exciting current of the superconducting coil to a target current value smaller than the rated current value when the measured temperature exceeds the temperature threshold.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above components or components and expressions of the present invention that are mutually replaced between methods, devices, systems, and the like are also effective as aspects of the present invention.
本発明によれば、超伝導コイルの強制的な電流遮断の可能性を減らし、超伝導磁石装置の運転継続性を向上することができる。 According to the present invention, the possibility of forced current interruption of the superconducting coil can be reduced, and the operation continuity of the superconducting magnet device can be improved.
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description and drawings, the same or equivalent components, members, and processes are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted as appropriate. The scales and shapes of the illustrated parts are set for convenience of explanation and are not to be interpreted in a limited manner unless otherwise specified. Embodiments are exemplary and do not limit the scope of the invention in any way. Not all features and combinations thereof described in the embodiments are essential to the invention.
図1は、実施の形態に係る超伝導磁石装置およびサイクロトロンを示す概略断面図である。サイクロトロン100は、荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出力する円形加速器である。荷電粒子としては、例えば陽子、重粒子(重イオン)、電子などが挙げられる。荷電粒子は、イオン源(図示せず)から供給される。サイクロトロン100は、例えば荷電粒子線治療用の加速器として用いられる。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a superconducting magnet device and a cyclotron according to an embodiment. The
サイクロトロン100は、超伝導磁石装置10、ヨーク102、一対のポール104を備える。超伝導磁石装置10は、超伝導コイル12と、極低温冷凍機16を有するクライオスタット14と、励磁電源18と、真空排気系20と、温度センサ22と、制御部24とを備える。
The
以下の説明では、サイクロトロン100の中心軸(すなわち超伝導磁石装置10の中心軸)Cが上下方向に延在する姿勢(横置きの姿勢)で配置された例について説明する。構成要素どうしの位置関係を説明するために、「上」、「下」、「左」、「右」といった表現を使用することがあるが、これはサイクロトロン100が特定の姿勢で配置されなければならないことを意味しない。サイクロトロン100は、例えば中心軸Cが水平方向に延在する姿勢(縦置きの姿勢)で配置されてもよい。
In the following description, an example in which the central axis of the cyclotron 100 (that is, the central axis of the superconducting magnet device 10) C is arranged in a posture extending in the vertical direction (horizontal posture) will be described. Expressions such as "top", "bottom", "left", and "right" are sometimes used to describe the positional relationship between the components, unless the
超伝導コイル12は、円環状の形状を有し、その中心軸を中心軸Cと一致させるようにしてクライオスタット14内に配置されている。超伝導コイル12は、二個の空芯コイルと金属製のコイル支持枠13を有する。二個の空芯コイルは中心軸Cの方向に並置され、それぞれコイル支持枠13に取り付けられて一体的に支持されている。コイル支持枠13は、上側の空芯コイルの上部に取り付けられた上部フランジと、二個の空芯コイルに挟まれた中央フランジと、下側の空芯コイルに下部に取り付けられた下部フランジとを有する。また、超伝導コイル12は、一対の支持体26によってクライオスタット14に支持される。一対の支持体26は、超伝導コイル12を挟むように上下に配置され、それぞれコイル支持枠13の上部フランジと下部フランジに取り付けられている。
The
クライオスタット14は、超伝導コイル12を超伝導状態とするための環境を提供する真空容器である。クライオスタット14は、中空円環状の形状を有し、中心軸Cと同軸配置され、内部に超伝導コイル12を収容する。
The
ヨーク102は、中空の円盤型ブロックであり、その内部にクライオスタット14が配置される。ヨーク102内におけるクライオスタット14の位置は、クライオスタット14が配置された穴を塞ぐように差し込まれたブロック体102aにより維持される。また、一対のポール104は、クライオスタット14の空芯部位(超伝導コイル12の空芯部位)に配置される。こうして、超伝導コイル12およびポール104は、鉄心付きの超伝導電磁石を構成する。一対のポール104間の空間Gには、図示しない一対のディー電極(加速電極)が配置される。
The
極低温冷凍機16は、クライオスタット14に設置され、超伝導コイル12を伝導冷却により冷却するように超伝導コイル12に熱的に結合されている。例えば、極低温冷凍機16の低温部がコイル支持枠13(例えば下部フランジ)に直接取り付けられ、または適宜の伝熱部材を介して接続されており、極低温冷凍機16は、超伝導コイル12が直接的に冷却する。極低温冷凍機16が二段式の極低温冷凍機の場合、超伝導コイル12は第2段の低温部によって冷却されうる。超伝導磁石装置10においては、超伝導コイル12の冷却に液体ヘリウムなどの極低温冷媒は使用されない。クライオスタット14には典型的に、複数台の極低温冷凍機16が設置されるが、図においては簡単のため1台のみを示している。
The
極低温冷凍機16は、作動ガス(たとえばヘリウムガス)の圧縮機(図示せず)と、コールドヘッドとも呼ばれる膨張機とを備え、圧縮機と膨張機により極低温冷凍機16の冷凍サイクルが構成され、それにより低温部が所望の極低温に冷却される。極低温冷凍機16は、一例として、単段式または二段式のギフォード・マクマホン(Gifford-McMahon;GM)冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。
The
励磁電源18は、電流導入ライン19を介して超伝導コイル12に接続され、超伝導コイル12に励磁電流を供給するように構成される。励磁電源18は、制御部24に通信可能に接続され、制御部24の制御のもとで励磁電流を調整することができる。例えば、励磁電源18は、超伝導磁石装置10の起動の際、励磁電流をゼロから超伝導コイル12の定格電流値まで予め定められた電流増加速度(例えば一定の電流増加速度)で増加させる。また、励磁電源18は、超伝導磁石装置10の運転停止(例えば、超伝導のクエンチなど異常発生時の緊急停止)の際、超伝導コイル12の励磁電流を定格電流値からゼロまで予め定められた電流減少速度(例えば一定の電流減少速度)で減少させる。
The
後述するように、励磁電源18は、例えば超伝導コイル12の温度または極低温冷凍機16によって超伝導コイル12とともに冷却される部位(例えば電流導入ライン19、またはクライオスタット14内の被冷却部位)の温度に基づいて、超伝導コイル12の励磁電流を目標電流値に調整するように構成される。目標電流値は、ゼロより大きく、定格電流値より小さくてもよい。上述の予め定められた電流増加速度は、現在の電流値から目標電流値へと励磁電流を増加させるとき使用されてもよい。上述の予め定められた電流減少速度は、現在の電流値から目標電流値へと励磁電流を減少させるとき使用されてもよい。
As will be described later, the
電流導入ライン19は、超伝導材料からなる超伝導電流リード、および例えば銅などその他の導電部材を有する。極低温冷凍機16が二段式の極低温冷凍機の場合、電流導入ライン19は第1段の低温部によって冷却されうる。あるいは、電流導入ライン19は、超伝導コイル12を冷却する極低温冷凍機16とは別の極低温冷凍機によって冷却されてもよい。
The
真空排気系20は、クライオスタット14を真空排気するように構成されている。真空排気系20は、真空ポンプ20a、真空バルブ20b、真空計20cを有し、クライオスタット14の接続ポート21に接続されている。真空ポンプ20aは、例えば、ターボ分子ポンプ、ロータリーポンプ、またはそのほか適切な真空ポンプであり、またはそれらの組み合わせであってもよい。真空バルブ20bは例えばオンオフバルブであってもよく、真空排気系20は、真空ポンプ20aと真空バルブ20bが両方ともオンのときクライオスタット14の真空排気をすることができる。接続ポート21は、真空バルブ20bとは別の真空バルブを有してもよい。超伝導磁石装置10の動作時には、接続ポート21の真空バルブが閉鎖され、それによりクライオスタット14内部の真空が保持されてもよい。
The
真空計20cは、真空排気系20の圧力を測定するように構成されている。真空計20cは、例えば、真空ポンプ20aを真空バルブ20bに接続する真空排気流路または真空配管に設置され、その圧力を測定することができる。ただし、真空計20cは、例えば真空バルブ20bを接続ポート21に接続する真空排気流路または真空配管、または真空排気系20のその他の場所に設置されてもよい。あるいは、真空計20cは、クライオスタット14の内部に設置され、クライオスタット14の内部の圧力を測定してもよい。必要とされる場合には、真空計20cは、測定圧力(例えば、真空排気系20の圧力、またはクライオスタット14内の圧力)を示す測定信号を生成し、当該測定信号を制御部24に出力してもよい。
The
温度センサ22は、超伝導コイル12の温度または極低温冷凍機16によって超伝導コイル12とともに冷却される部位(例えば電流導入ライン19、またはクライオスタット14内の被冷却部位)の温度を測定し、測定温度を示す測定信号S1を出力するように構成されている。温度センサ22は、測定信号S1を制御部24に出力するように制御部24に通信可能に接続されている。
The
温度センサ22は、超伝導コイル12の表面に取り付けられ、または超伝導コイル12の内部に埋め込まれていてもよい。例えば、温度センサ22は、図1に示されるように、コイル支持枠13の表面に取り付けられている。あるいは、温度センサ22は、電流導入ライン19に取り付けられてもよい。
The
温度センサ22の設置場所は、極低温冷凍機16によって冷却される部位であれば、種々ありうる。例えば、温度センサ22は、極低温冷凍機16の低温部、または低温部を超伝導コイル12に接続する伝熱部材に設置されてもよい。温度センサ22は、超伝導コイル12において極低温冷凍機16の低温部(または伝熱部材)から遠い部位に設置されてもよい。温度センサ22は、超伝導コイル12の内周部に設置されてもよい。温度センサ22は、クライオスタット14に設置されてもよく、例えば、超伝導コイル12を包囲するクライオスタット14の熱シールド板に取り付けられてもよい。超伝導磁石装置10には、複数の温度センサ22が設けられてもよい。
The
詳細は後述するが、制御部24は、温度センサ22から測定信号S1を受け、測定温度を温度しきい値と比較し、測定温度が温度しきい値を超える場合、目標電流値へと励磁電流を調整するように励磁電源18を制御するように構成される。制御部24は、測定信号S1に基づいて、電源制御信号S2を生成し、電源制御信号S2を励磁電源18に出力する。
Although the details will be described later, the control unit 24 receives the measurement signal S1 from the
制御部24は、励磁電源18の状態を監視するように構成されていてもよい。励磁電源18は、電源状態信号S3を生成し、電源状態信号S3を制御部24に出力してもよい。電源状態信号S3は、励磁電源18の電圧及び/または電流を示すものであってもよい。
The control unit 24 may be configured to monitor the state of the
制御部24は、入力信号S4を受け、入力信号S4に基づいて超伝導磁石装置10(およびサイクロトロン100)を制御するように構成されていてもよい。入力信号S4は、ユーザからの入力を受け付けるためのマウスやキーボード等の入力手段がユーザによって操作されることによって生成され、及び/または、制御部24と通信可能に接続された他の機器によって生成されうる。 The control unit 24 may be configured to receive the input signal S4 and control the superconducting magnet device 10 (and the cyclotron 100) based on the input signal S4. The input signal S4 is generated by the user operating an input means such as a mouse or a keyboard for receiving an input from the user, and / or is generated by another device communicably connected to the control unit 24. Can be done.
例えば、入力信号S4は、超伝導磁石装置10の緊急消磁を指示する制御信号であってもよい。超伝導コイル12のクエンチが発生したとき、制御部24は、この信号に応答して、超伝導コイル12への電流を強制的に遮断するように励磁電源18を制御してもよい。あるいは、入力信号S4は、超伝導磁石装置10の再起動を指示する制御信号であってもよい。何らかの異常により超伝導磁石装置10が動作停止した場合、その原因が解消されたとき例えばユーザの操作に基づいて入力信号S4が制御部24に入力されてもよい。制御部24は、入力信号S4に応答して、超伝導磁石装置10の再起動を開始してもよい。
For example, the input signal S4 may be a control signal instructing the emergency degaussing of the
また、制御部24は、超伝導磁石装置10(およびサイクロトロン100)の制御に関連するデータを記憶するよう構成され、例えば、半導体メモリまたはその他のデータ記憶媒体を備えてもよい。 Further, the control unit 24 is configured to store data related to the control of the superconducting magnet device 10 (and the cyclotron 100), and may include, for example, a semiconductor memory or other data storage medium.
制御部24は、ハードウェア構成としてはコンピュータのCPUやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。 The control unit 24 is realized by elements and circuits such as a computer CPU and memory as a hardware configuration, and is realized by a computer program or the like as a software configuration, but is appropriately realized by cooperation thereof in the figure. It is drawn as a functional block. Those skilled in the art will understand that these functional blocks can be realized in various ways by combining hardware and software.
超伝導磁石装置10においては、真空状態のクライオスタット14内の超伝導コイル12が極低温冷凍機16により冷却され、超伝導コイル12に励磁電源18から電流を流すことにより強力な磁場が形成される。サイクロトロン100には、イオン源(不図示)から荷電粒子が供給され、荷電粒子は一対のポール104及びディー電極(不図示)の働きにより加速される。それにより、サイクロトロン100から荷電粒子ビームが出力される。
In the
図2は、実施の形態に係る超伝導コイル12の電流インダクタンス特性の一例を示すグラフである。横軸は超伝導コイル12に流れる電流を示し、縦軸は超伝導コイル12のインダクタンスを示す。なお横軸の電流は対数で示す。
FIG. 2 is a graph showing an example of the current inductance characteristics of the
鉄心付きの超伝導コイル12の場合、励磁電流が小さく鉄心が磁気飽和していない状態では超伝導コイル12のインダクタンスは大きく、励磁電流が増加して鉄心が磁気飽和するとインダクタンスは大きく低下する。鉄心が磁気飽和した状態での超伝導コイル12のインダクタンスは、空芯コイルと同程度の大きさとなる。図2に示される例では、10A未満の小電流領域ではインダクタンスが約800H(ヘンリー)に達するが、10Aを超える大電流領域ではインダクタンスが約100H未満に低下する。
In the case of the
以下では説明の便宜上、鉄心の磁気飽和によりインダクタンスが小さくなる大電流領域を「第1電流領域」と称し、電流の減少につれてインダクタンスが急増する過渡的な中間の電流領域を「第2電流領域」と称し、さらに電流が減少して鉄心が磁気飽和していないことによってインダクタンスが大きい小電流領域を「第3電流領域」と称する。図2には、第1電流領域31、第2電流領域32、第3電流領域33が示される。第1電流領域31では、励磁電流が減少するにつれてインダクタンスが漸増し又は実質的に一定である。第3電流領域33でも、励磁電流が減少するにつれてインダクタンスが漸増し又は実質的に一定である。ただし、上述のように、第2電流領域32で励磁電流が減少するにつれてインダクタンスが急増するので、第3電流領域33でのインダクタンスは、第1電流領域31に比べてかなり大きい。
In the following, for convenience of explanation, a large current region in which the inductance decreases due to magnetic saturation of the iron core is referred to as a “first current region”, and a transient intermediate current region in which the inductance rapidly increases as the current decreases is referred to as a “second current region”. The small current region in which the inductance is large due to the fact that the current is further reduced and the iron core is not magnetically saturated is referred to as the "third current region". FIG. 2 shows a first
ここで、励磁電源18に必要とされる電圧を考える。電圧は、超伝導コイル12に流れる電流の時間変化率と超伝導コイル12のインダクタンスとの積に応じて決まる。超伝導コイル12が正常に定格電流で運用されているときには、電流値は大きく、例えば少なくとも数百アンペアに達する(第1電流領域31)。定常的な運用の場面では、電流値は一定に維持されうる。あるいは、電流値が変動するとしても変動幅は小さい(超伝導コイル12の通常の運用では、第1電流領域31を逸脱するほど電流値を大きく減少させる必要はない)。超伝導コイル12の電流の時間変化率は小さく、加えて、上述のように大電流領域ではインダクタンスが小さいので、励磁電源18は比較的低い電圧を出力できれば十分である。
Here, consider the voltage required for the
一方、超伝導コイル12の電流を強制的に遮断する場合、電流は、大電流からゼロまで急速に減少される。励磁電源18には、この電流減少速度に応じた高電圧が求められることになる。とくに、電流が0A近くの小電流領域にまで減少するとき、図2に示されるように、インダクタンスも急増するため(第2電流領域32、第3電流領域33)、励磁電源18には相当に高い電圧が求められることになる。高電圧を印加する励磁電源18は、低電圧のものと比べて高価であるから、高電圧の励磁電源18を採用すれば、超伝導磁石装置10の製造コストが高まる。
On the other hand, when the current of the
したがって、製造コストを低減する観点からは、第1電流領域31に適合する低電圧の励磁電源18を採用することが望まれる。そうした低電圧の励磁電源18を、超伝導コイル12が安定的に励磁された定常的な運用中に不都合のないように設計することは可能である。
Therefore, from the viewpoint of reducing the manufacturing cost, it is desired to adopt a low-voltage
しかし、第1電流領域31から第3電流領域33へと電流を落とすときには、励磁電源18の電圧が不足しうる。とくに、このとき起こるインダクタンスの急増を考慮すると、超伝導コイル12の電流を極度にゆっくりと減少させなければ、必要な電圧が励磁電源18の最大電圧を超えるおそれがある。これを避けるために、電流の減少速度を十分に小さくすると、消磁の所要時間が許容範囲を超えて長くなりうる。同様に、緊急消磁からの復旧や超伝導磁石装置10の通常の運転開始のために超伝導コイル12を励磁するときにも、励磁電流の増加速度が小さければ、時間が長くかかるが、それは望ましくない。
However, when the current is dropped from the first
ところで、何らかの要因で超伝導コイル12に局所的な発熱が生じて温度が上昇することがあり、これは放置されれば最終的には超伝導のクエンチへと進行しうる。したがって、超伝導コイル12の冷却不良が検出されたとき、典型的には超伝導コイル12は直ちに強制的に消磁される。しかし、低電圧の励磁電源18が採用される場合には、上述のように、超伝導コイル12の電流減少速度が制限され、短時間で超伝導コイル12を消磁することが困難である。また、超伝導コイル12を再び励磁するときにも、電流増加速度が小さく、励磁の完了に時間がかかる。場合によっては、例えば一日以上の時間を要する。
By the way, for some reason, local heat generation may occur in the
また、クエンチに直接的につながりうる発熱とは別の要因、例えば極低温冷凍機16の動作における何らかの変動、外部からの入熱増加またはその他の事情によって、超伝導コイル12の冷却が弱められ、超伝導コイル12にいくらかの温度上昇が見られることもある。このような温度上昇は、超伝導磁石装置10の長期的な運転において時々起こりうるが、たいていの場合、一時的な現象でありうる。しばらくすれば温度上昇が自然に解消されて元の正常な状態に戻る可能性がある。すなわち、超伝導コイル12は強制的に消磁される必要がない。このような場合に超伝導コイル12を消磁したとすると、これは結果として、超伝導磁石装置10の運転を単に妨げたにすぎず、望まれるものではない。
In addition, the cooling of the
そこで、実施の形態に係る超伝導磁石装置10には、通常モード、強制消磁モード、一時待機モードの3つの制御モードが実装される。通常モードは、極低温冷凍機16による超伝導コイル12の正常に冷却され安定して励磁されている最中に使用され、超伝導コイル12には定格電流値またはこれに近い大きさの励磁電流が供給される。強制消磁モードは、超伝導コイル12の冷却不良が検出されたとき使用され、超伝導コイル12の電流が直ちに強制的に遮断される。一時待機モードは、超伝導コイル12が通常モードと強制消磁モードの中間の温度範囲にあるとき使用され、超伝導コイル12には 鉄心の磁気飽和を維持するように調整された比較的小さい電流値で励磁電流の供給が継続される。
Therefore, the
図3は、実施の形態に係る超伝導磁石装置の制御方法を例示するフローチャートである。この方法は、通常モードにおいて実行される。よって、本方法が開始されるとき、超伝導コイル12は、極低温冷凍機16によって極低温に冷却され、励磁電源18によって定格電流に励磁され、正常に高磁場を発生している。一例として、超伝導コイル12は4K以下(例えば3K〜4K)の通常冷却温度に冷却され、例えば400A〜500Aの電流が超伝導コイル12に流れている。
FIG. 3 is a flowchart illustrating a control method of the superconducting magnet device according to the embodiment. This method is performed in normal mode. Therefore, when this method is started, the
まず、超伝導コイル12の温度が測定される(S10)。温度センサ22は、その設置場所の温度を測定し、測定温度を示す測定信号S1を生成し制御部24に出力する。制御部24は、測定信号S1を取得する。上述のように、温度センサ22は、超伝導コイル12、または例えば電流導入ライン19など極低温冷凍機16によって超伝導コイル12とともに冷却されるクライオスタット14の各所に設置されうる。複数の温度センサ22が設けられている場合には、制御部24は、各温度センサ22から測定信号S1を受け、複数の被冷却部位の測定温度を把握することができる。
First, the temperature of the
制御部24は、測定温度を許容上限温度値と比較する(S12)。許容上限温度値は、超伝導コイル12を消磁すべき基準温度として、予め設定された温度値であり、例えば7K〜10Kの温度範囲から選択されてもよい。測定温度がこの温度値を超えるとき、例えば超伝導のクエンチが予測される等、超伝導磁石装置10の運転を停止すべきと判断される。
The control unit 24 compares the measured temperature with the allowable upper limit temperature value (S12). The allowable upper limit temperature value is a preset temperature value as a reference temperature for degaussing the
測定温度が許容上限温度値を超える場合(S12のY)、制御部24は、超伝導コイル12の励磁電流を遮断するように励磁電源18を制御する(S20)。すなわち、超伝導コイル12の冷却不良が検出されたものとみなされ、制御モードが通常モードから強制消磁モードに切り替えられる。制御部24は、超伝導コイル12の励磁電流を現在の電流値(例えば定格電流値)からゼロまで減少させることを指示する電源制御信号S2を生成し、電源制御信号S2を励磁電源18に出力する。こうして、超伝導コイル12は、強制的に消磁され、本処理は終了する。
When the measurement temperature exceeds the allowable upper limit temperature value (Y in S12), the control unit 24 controls the
一方、測定温度が許容上限温度値を超えない場合(S12のN)、制御部24は、測定温度を温度しきい値と比較する(S14)。この温度しきい値は、超伝導コイル12の通常冷却温度より高い温度に設定される。また、温度しきい値は、許容上限温度値より低い温度に設定される。温度しきい値は、例えば5K〜8Kの温度範囲から選択されてもよい。
On the other hand, when the measurement temperature does not exceed the allowable upper limit temperature value (N in S12), the control unit 24 compares the measurement temperature with the temperature threshold value (S14). This temperature threshold is set to a temperature higher than the normal cooling temperature of the
測定温度が温度しきい値を超える場合(S14のY)、制御部24は、励磁電流を目標電流値へと調整するように励磁電源18を制御する(S30)。すなわち、制御モードが通常モードから一時待機モードに切り替えられる。制御部24は、超伝導コイル12の励磁電流を現在の電流値(例えば定格電流値)から目標電流値まで減少させることを指示する電源制御信号S2を生成し、電源制御信号S2を励磁電源18に出力する。
When the measurement temperature exceeds the temperature threshold value (Y in S14), the control unit 24 controls the
図2に示されるように、目標電流値I0は、超伝導コイル12の定格電流値Imaxより小さい。目標電流値I0は、第1電流領域31から選択される。第1電流領域31の下限値は、電流インダクタンス特性においてインダクタンスが定格電流値Imaxでのインダクタンスの例えば2倍または1.5倍となる電流値であるとみなしてもよい。電流インダクタンス特性を示す曲線の形状によるが、第1電流領域31の下限値は例えば10Aであってもよい。よって、目標電流値I0は、例えば少なくとも10Aであってもよい。定格電流値Imaxは、例えば、100Aより大きく、または500Aより大きくてもよい。定格電流値Imaxは、例えば、10kAより小さく、または1kAより小さくてもよい。定格電流値Imaxは上述のように、例えば400Aから500Aの範囲にあってもよい。
As shown in FIG. 2, the target current value I 0 is smaller than the rated current value I max of the superconducting coil 12. The target current value I 0 is selected from the first
したがって、超伝導コイル12の励磁電流を定格電流値Imaxから目標電流値I0へと低下させても、超伝導コイル12の鉄心の磁気飽和は維持されており、超伝導コイル12のインダクタンスは小さいままである。よって、低電圧の励磁電源18であっても、定格電流値Imaxから目標電流値I0へと素早く励磁電流を低下させることが可能である。このようにして、一時待機モードにおいて超伝導コイル12には、鉄心の磁気飽和を維持するように調整された比較的小さい電流値で励磁電流の供給が継続される。本処理は終了する。
Therefore, even if the exciting current of the
一方、測定温度が温度しきい値を超えない場合(S14のN)、超伝導コイル12は正常に冷却されているものと評価されるので、そのまま通常モードが継続される。この場合、本処理が一旦終了した後、次回のタイミングで再び実行され、測定温度の監視(S10〜S14)および制御モードの切替(S20、S30)が行われてもよい。
On the other hand, when the measurement temperature does not exceed the temperature threshold value (N in S14), the
図4は、実施の形態に係る超伝導磁石装置の制御方法を例示するフローチャートである。この方法は、一時待機モードにおいて実行される。よって、本方法が開始される前に、図3に示される方法が既に実行されている。超伝導コイル12の励磁電流は、制御部24による制御のもとで、目標電流値へと変化しているか、又は目標電流値に一致している。
FIG. 4 is a flowchart illustrating a control method of the superconducting magnet device according to the embodiment. This method is performed in temporary standby mode. Therefore, the method shown in FIG. 3 has already been executed before the method is started. The exciting current of the
図3に示される制御方法と同様に、超伝導コイル12の温度が監視される。すなわち、超伝導コイル12またはその他の被冷却部位の温度が測定され(S10)、測定温度は、許容上限温度値と比較される(S12)。測定温度が許容上限温度値を超える場合(S12のY)、制御部24は、超伝導コイル12の励磁電流を遮断するように励磁電源18を制御する(S20)。すなわち、制御モードが一時待機モードから強制消磁モードに切り替えられる。こうして、超伝導コイル12は、強制的に消磁され、本処理は終了する。
Similar to the control method shown in FIG. 3, the temperature of the
測定温度が許容上限温度値を超えない場合(S12のN)、測定温度は、温度しきい値と比較される(S14)。測定温度が温度しきい値を超えない場合(S14のN)、制御部24は、超伝導コイル12の励磁電流を定格電流値に向けて復帰させるように励磁電源18を制御する(S40)。すなわち、制御モードが一時待機モードから通常モードに切り替えられる。制御部24は、超伝導コイル12の励磁電流を現在の電流値(例えば目標電流値)から定格電流値まで増加させることを指示する電源制御信号S2を生成し、電源制御信号S2を励磁電源18に出力する。超伝導コイル12は、定格電流値へと再び励磁される。
When the measured temperature does not exceed the permissible upper limit temperature value (N in S12), the measured temperature is compared with the temperature threshold (S14). When the measurement temperature does not exceed the temperature threshold value (N in S14), the control unit 24 controls the
このようにして、一時待機モードにおいて測定温度が通常冷却温度に向けて低下する場合に、一時待機モードを解除して通常モードに復帰することができる。こうして本処理は終了する。超伝導コイル12にいくらかの温度上昇が見られたとしても、超伝導コイル12を直ちに強制的に消磁することなく、超伝導磁石装置10の運転を継続することができる。
In this way, when the measured temperature drops toward the normal cooling temperature in the temporary standby mode, the temporary standby mode can be released and the normal mode can be restored. This process ends in this way. Even if some temperature rise is observed in the
測定温度が温度しきい値を超える場合(S14のY)、超伝導コイル12の温度上昇がまだ解消されていないので、そのまま一時待機モードが継続される。この場合、本処理が一旦終了した後、次回のタイミングで再び実行され、測定温度の監視(S10〜S14)および制御モードの切替(S20、S40)が行われてもよい。
When the measurement temperature exceeds the temperature threshold value (Y in S14), the temperature rise of the
なお、複数の温度しきい値と複数の目標電流値が予め設定され、測定温度に応じて適切な目標電流値が選択されてもよい。制御部24は、段階的に定められた複数の温度しきい値と、複数の温度しきい値に対応して段階的に定められた複数の目標電流値と、を有するコイル電流設定を備えてもよい。制御部24は、コイル電流設定に基づいて、複数の目標電流値からいずれか一つを測定温度に応じて選択し、選択された目標電流値へと励磁電流を調整するように励磁電源を制御してもよい。制御部24は、超伝導コイル12の励磁電流を現在の目標電流値から新たに選択された目標電流値まで増加または減少させることを指示する電源制御信号S2を生成し、電源制御信号S2を励磁電源18に出力してもよい。
A plurality of temperature threshold values and a plurality of target current values may be set in advance, and an appropriate target current value may be selected according to the measurement temperature. The control unit 24 includes a coil current setting having a plurality of temperature thresholds determined in stages and a plurality of target current values determined in stages corresponding to the plurality of temperature thresholds. May be good. The control unit 24 selects one of a plurality of target current values according to the measurement temperature based on the coil current setting, and controls the exciting power supply so as to adjust the exciting current to the selected target current value. You may. The control unit 24 generates a power supply control signal S2 instructing to increase or decrease the exciting current of the
一例として、制御部24は、測定温度が通常冷却温度にあるか又は第1温度しきい値(例えば5.5K)以下の場合に励磁電流を定格電流値(例えば500A)へと調整し、測定温度が第1温度しきい値を超え第2温度しきい値(例えば6.5K)以下の場合に励磁電流を第1目標電流値(例えば200A)へと調整し、測定温度が第2温度しきい値を超え第3温度しきい値(例えば7.5K)以下の場合に励磁電流を第2目標電流値(例えば50A)へと調整し、測定温度が第3温度しきい値を超え許容上限温度値(例えば8K)以下の場合に励磁電流を第3目標電流値(例えば20A)へと調整するように励磁電源18を制御してもよい。
As an example, the control unit 24 adjusts the exciting current to the rated current value (for example, 500A) when the measurement temperature is at the normal cooling temperature or is equal to or less than the first temperature threshold (for example, 5.5K), and measures the measurement. When the temperature exceeds the first temperature threshold and is equal to or less than the second temperature threshold (for example, 6.5K), the exciting current is adjusted to the first target current value (for example, 200A), and the measurement temperature becomes the second temperature. When the threshold value is exceeded and the temperature is below the third temperature threshold (for example, 7.5K), the exciting current is adjusted to the second target current value (for example, 50A), and the measured temperature exceeds the third temperature threshold and is the allowable upper limit. The
以上説明したように、実施の形態に係る超伝導磁石装置10においては、制御部24は、温度センサ22から測定信号S1を受け、測定温度を温度しきい値と比較し、測定温度が温度しきい値を超える場合、定格電流値より小さい目標電流値へと励磁電流を調整するように励磁電源18を制御する。このようにして、超伝導コイル12の強制的な電流遮断の可能性を減らし、超伝導磁石装置10の運転継続性を向上することができる。
As described above, in the
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。 The present invention has been described above based on examples. It will be understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above embodiment, various design changes are possible, various modifications are possible, and such modifications are also within the scope of the present invention. By the way. The various features described in relation to one embodiment are also applicable to other embodiments. The new embodiments resulting from the combination have the effects of each of the combined embodiments.
上述の実施の形態では、測定温度に基づいて励磁電流が調整されるが、他の測定値、例えば測定真空度に基づいて励磁電流が調整されてもよい。真空度は、例えば上述の真空計20cによって測定されてもよい。この場合、上述の説明において、「測定温度」、「温度しきい値」はそれぞれ、「測定真空度」、「真空度しきい値」と読み替えられてもよい。例えば、制御部24は、測定真空度を真空度しきい値と比較し、測定真空度が温度しきい値を超える場合、定格電流値より小さい目標電流値へと励磁電流を調整するように励磁電源18を制御してもよい。
In the above embodiment, the exciting current is adjusted based on the measured temperature, but the exciting current may be adjusted based on other measured values, for example, the measured vacuum degree. The degree of vacuum may be measured by, for example, the above-mentioned
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific terms and phrases based on the embodiments, the embodiments show only one aspect of the principles and applications of the present invention, and the embodiments are claimed. Many modifications and arrangement changes are permitted within the range not departing from the idea of the present invention defined in the scope.
10 超伝導磁石装置、 12 超伝導コイル、 16 極低温冷凍機、 18 励磁電源、 22 温度センサ、 24 制御部、 31 第1電流領域、 32 第2電流領域。 10 Superconducting magnet device, 12 Superconducting coil, 16 Cryogenic refrigerator, 18 Excitation power supply, 22 Temperature sensor, 24 Control unit, 31 First current region, 32 Second current region.
Claims (5)
前記超伝導コイルを冷却する極低温冷凍機と、
前記超伝導コイルに励磁電流を供給する励磁電源と、
前記超伝導コイルの温度または前記極低温冷凍機によって前記超伝導コイルとともに冷却される部位の温度を測定し、測定温度を示す測定信号を出力する温度センサと、
前記温度センサから前記測定信号を受け、前記測定温度を温度しきい値と比較し、前記測定温度が前記温度しきい値を超える場合、定格電流値より小さい目標電流値へと前記励磁電流を調整するように前記励磁電源を制御する制御部と、を備えることを特徴とする超伝導磁石装置。 With superconducting coil
A cryogenic refrigerator that cools the superconducting coil,
An exciting power supply that supplies an exciting current to the superconducting coil,
A temperature sensor that measures the temperature of the superconducting coil or the temperature of the part cooled together with the superconducting coil by the cryogenic refrigerator and outputs a measurement signal indicating the measured temperature.
The measurement signal is received from the temperature sensor, the measurement temperature is compared with the temperature threshold value, and when the measurement temperature exceeds the temperature threshold value, the excitation current is adjusted to a target current value smaller than the rated current value. A superconducting magnet device including a control unit that controls the exciting power supply so as to perform the above.
前記目標電流値は、前記第1電流領域から選択されることを特徴とする請求項1に記載の超伝導磁石装置。 In the first current region including the rated current value, the inductance of the superconducting coil gradually increases or is substantially constant as the exciting current decreases, and in the second current region smaller than the first current region, the inductance is described. It has a current inductance characteristic in which the inductance increases rapidly as the exciting current decreases.
The superconducting magnet device according to claim 1, wherein the target current value is selected from the first current region.
前記制御部は、前記測定温度を前記許容上限温度値と比較し、前記測定温度が前記許容上限温度値を超える場合、前記励磁電流を遮断するように前記励磁電源を制御することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の超伝導磁石装置。 The temperature threshold is set to a temperature lower than the allowable upper limit temperature value.
The control unit compares the measured temperature with the allowable upper limit temperature value, and controls the exciting power supply so as to cut off the exciting current when the measured temperature exceeds the allowable upper limit temperature value. The superconducting magnet device according to any one of claims 1 to 3.
測定温度を温度しきい値と比較することと、
前記測定温度が前記温度しきい値を超える場合、定格電流値より小さい目標電流値へと前記超伝導コイルの励磁電流を調整することと、を備えることを特徴とする超伝導磁石制御方法。 To measure the temperature of the superconducting coil or the temperature of the part cooled together with the superconducting coil by the cryogenic refrigerator,
Comparing the measured temperature with the temperature threshold
A superconducting magnet control method comprising: adjusting the exciting current of the superconducting coil to a target current value smaller than the rated current value when the measured temperature exceeds the temperature threshold value.
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