JP2021136341A - 超電導マグネット、超電導線材および超電導マグネットの生産方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】安価に構成できる超電導マグネットを実現する。【解決手段】超電導材部と、高抵抗導体層と、高抵抗導体層よりも単位長あたりの抵抗値が低い低抵抗導体層と、を有する第１の超電導線材５０を巻回したマグネット部１と、超電導材部５と、高抵抗導体層７と、を有する第２の超電導線材５２を含んだ電流スイッチ３０と、を備え、第２の超電導線材５２は、低抵抗導体層を含まず、または第１の超電導線材５０における低抵抗導体層よりも薄く形成された低抵抗導体層を有する。【選択図】図１
Description
本発明は、超電導マグネット、超電導線材および超電導マグネットの生産方法に関する。
本技術分野の背景技術として、下記特許文献１の明細書の段落００１９には、「コイルボビンＣへ無接続超電導線１を巻回し超電導コイルＳ１を製作し、その同一線材の一部分へヒーター線Ｈを巻き付けた。そのヒーター線Ｈを巻き付けた部分を無誘導巻で超電導コイルＳ２を製作した。超電導コイルＳ２は、熱式永久電流スイッチとして使用する。超電導コイル全体を冷媒中に浸けたままで、超電導コイルＳ２のヒーター線Ｈへ電流を流し超電導転移温度以上に加熱して、超電導状態を破壊させる。その状態で、電極ＰＬ１と電極ＰＬ２から給電すると、超電導コイルＳ１を励磁することができる。」と記載されている。
ところで、超電導マグネットには、特許文献１にあるように、永久電流スイッチが設けられることが多い。しかし、永久電流スイッチを設けることによって超電導マグネットのコストアップが大きくなるという問題が生じる。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、安価に構成できる超電導マグネット、超電導線材および超電導マグネットの生産方法を提供することを目的とする。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、安価に構成できる超電導マグネット、超電導線材および超電導マグネットの生産方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため本発明の超電導マグネットは、超電導材部と、高抵抗導体層と、前記高抵抗導体層よりも単位長あたりの抵抗値が低い低抵抗導体層と、を有する第１の超電導線材を巻回したマグネット部と、前記超電導材部と、前記高抵抗導体層と、を有する第２の超電導線材を含んだ電流スイッチと、を備え、前記第２の超電導線材は、前記低抵抗導体層を含まず、または前記第１の超電導線材における前記低抵抗導体層よりも薄く形成された前記低抵抗導体層を有することを特徴とする。
本発明によれば、安価に構成できる超電導マグネット、超電導線材および超電導マグネットの生産方法を実現できる。
［実施形態の前提］
超電導線材を用いた超電導マグネットは、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging；磁気共鳴イメージング）、ＮＭＲ（nuclear magnetic resonance；核磁気共鳴）、粒子線医療装置などで利用されており、また電動機等への応用も日々検討されている。超電導マグネットは、超電導線材に直流電流を流しても損失が生じない特徴から、超電導マグネットを含む閉回路全体を超電導で構成し直流電流を流し続ける、いわゆる永久電流モードで運転する場合がある。永久電流モードでは、超電導マグネットに電流を流す電源が接続されていない状態で、超電導マグネットが磁場を維持できる。
超電導線材を用いた超電導マグネットは、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging；磁気共鳴イメージング）、ＮＭＲ（nuclear magnetic resonance；核磁気共鳴）、粒子線医療装置などで利用されており、また電動機等への応用も日々検討されている。超電導マグネットは、超電導線材に直流電流を流しても損失が生じない特徴から、超電導マグネットを含む閉回路全体を超電導で構成し直流電流を流し続ける、いわゆる永久電流モードで運転する場合がある。永久電流モードでは、超電導マグネットに電流を流す電源が接続されていない状態で、超電導マグネットが磁場を維持できる。
一般に永久電流モード運転は、超電導マグネットと励磁用電源とを接続して超電導マグネットに励磁電流を供給する閉回路と、上記超電導マグネットとＰＣＳ（Persistent Current Switch；永久電流スイッチ）を超電導接続して永久電流を流す閉回路と、を設けた装置で実行される。すなわち、ＰＣＳを常電導状態にした状態で励磁用電源から超電導マグネットに励磁電流を印加し、励磁電流が所望の値になった際にＰＣＳを超電導状態にしつつ励磁用電源を超電導マグネットから電気回路的に切り離すとよい。
逆に、超電導マグネットを消磁する場合は、ＰＣＳを常電導状態に転移させる。その方法は、超電導線材をヒーターで加熱する、または超電導線材に磁場を印加する等の方法が採用される。励消磁に要する時間は、超電導マグネットのインダクタンスＬと常電導状態のＰＣＳの電気抵抗（以下単に抵抗と記す）Ｒから決まる時定数（＝Ｌ／Ｒ）に依る。時定数を如何に設定するかは、一般に超電導マグネット応用機器の仕様等から決定される事項であり、常電導状態のＰＣＳは所望の電気抵抗を有することが求められる。
ＰＣＳの常電導状態での抵抗値は、ＰＣＳに用いる超電導線材を構成する材料の電気抵抗率（以下単に抵抗率と記す）と、断面の寸法と、長さと、によって決定される。一般に超電導線材は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ等や、それらを基とする合金を管状にして内部に超電導材料を詰め、あるいはそれら金属と超電導材料をテープ状に積層することで実現される。すなわち、超電導線材の断面には超電導材と金属を含むことが一般的である。金属は超電導線の安定化材としての役割があり、安定化材としての金属は低抵抗であることが求められる。一方、ＰＣＳでは上記のように常電導状態で所望の電気抵抗を有することが求められるため、超電導マグネットと同じ超電導線材でＰＣＳを構成する場合、ＰＣＳの線材長が長くなるという問題が生じる。
ＰＣＳの線材長を短くするには、超電導マグネットと異なるＰＣＳ用超電導線材として、金属部分の断面積を減少する、抵抗率の高い金属（例えばＣｕ−Ｎｉ合金）を用いる等の手段で、単位長あたりの抵抗を大きくする方法がある。これらの方法は、安定化とはトレードオフの施策となるため、ＰＣＳを比較的磁場の低い場所に設置する、超電導材の断面積を大きくする等の方法で、負荷マージンを大きく取り、これによって安定性を確保するのが一般的である。なお、超電導材に接触する金属には、超電導線材加工時に超電導材の原料が反応して超電導材になることを妨げないものが選ばれる。これらの方法によると、超電導マグネットとＰＣＳとは、それらの二か所の端部同士で超電導接続された閉回路を構成する。
永久電流モードで運転する超電導マグネットにおいては、超電導マグネットとＰＣＳを超電導接続し、ＰＣＳには常電導時に所望の電気抵抗値を付与し、かつ超電導マグネットとＰＣＳの回路全体として経済的な構成を実現することが望ましい。一方、特許文献１の内容を適用した構成においては、ループになった超電導線材の一部を、流れる電流が同じ向きになるように巻回して超電導マグネットを構成し、それ以外の部分を無誘導巻きにすることでＰＣＳを構成することになる。これらの構成によると超電導マグネットとＰＣＳの間には超電導接続を設ける必要がなくなるか、あるいは超電導接続を１箇所にすることができる。
一般に超電導接続には高い技術が要求され、かつ超電導マグネットの応用機器内での取り回しや作業性の確保が必要であるため、従来の超電導接続が２か所必要な構成と比べ経済的である。一方、超電導線マグネットとＰＣＳを同じ超電導線材で構成することから、ＰＣＳに必要な線材長が長くなる。
そこで、後述する好適な実施形態は、超電導マグネットとＰＣＳ間の超電導接続を１か所とし、かつＰＣＳ用の超電導線材を超電導マグネットの超電導線材と同じ構成とした場合のＰＣＳと比較して、小型軽量なＰＣＳを実現し、これによって超電導マグネットを経済的に実現しようとするものである。
そこで、後述する好適な実施形態は、超電導マグネットとＰＣＳ間の超電導接続を１か所とし、かつＰＣＳ用の超電導線材を超電導マグネットの超電導線材と同じ構成とした場合のＰＣＳと比較して、小型軽量なＰＣＳを実現し、これによって超電導マグネットを経済的に実現しようとするものである。
［第１実施形態］
図１は、好適な第１実施形態による超電導マグネット１００の模式的な回路図である。
図１において、超電導マグネット１００は、ＰＣＳ３０（電流スイッチ）と、第１の超電導線材５０（超電導線材）と、第２の超電導線材５２と、励磁用電源１５（直流電源）と、スイッチ１６と、を備えている。そして、第１の超電導線材５０がコイル状に巻回されることにより、マグネット部１が構成されている。
図１は、好適な第１実施形態による超電導マグネット１００の模式的な回路図である。
図１において、超電導マグネット１００は、ＰＣＳ３０（電流スイッチ）と、第１の超電導線材５０（超電導線材）と、第２の超電導線材５２と、励磁用電源１５（直流電源）と、スイッチ１６と、を備えている。そして、第１の超電導線材５０がコイル状に巻回されることにより、マグネット部１が構成されている。
励磁用電源１５は直流電源であり、スイッチ１６およびリード線１４を介して、マグネット部１の始端１１と終端１２とに接続されている。なお、リード線１４と第１の超電導線材５０との接続は、通常のハンダ接続でよい。これにより、励磁用電源１５は、スイッチ１６によってオン状態にされると、マグネット部１の始端１１と終端１２との間に電流を供給する。
ＰＣＳ３０は、一般的に永久電流スイッチ（Persistent Current Switch）と呼ばれているものであり、第２の超電導線材５２を加熱する加熱部２０と、加熱部２０に電流を流す電源装置２１と、を備えている。本実施形態によれば、マグネット部１の始端１１および終端１２は、そのままＰＣＳ３０の始端および終端になっており、マグネット部１とＰＣＳ３０とは連続的に第１の超電導線材５０よって結合されている。
図２は、図１における第１の超電導線材５０のII−II断面図である。
図２において第１の超電導線材５０は、超電導材部５と、低抵抗導体層６と、高抵抗導体層７と、を備えている。低抵抗導体層６は、ＣｕまたはＣｕ基合金を円筒状に形成したものである。高抵抗導体層７は、低抵抗導体層６の内周側に配置され、ＦｅまたはＦｅ基合金を円筒状に形成したものである。また、超電導材部５は、ＭｇＢ2（二ホウ化マグネシウム）を主成分とし、高抵抗導体層７の内周側に配置されている。但し、超電導材部５の一部には、超電導材以外の物質を含んでいてもよい。
図２において第１の超電導線材５０は、超電導材部５と、低抵抗導体層６と、高抵抗導体層７と、を備えている。低抵抗導体層６は、ＣｕまたはＣｕ基合金を円筒状に形成したものである。高抵抗導体層７は、低抵抗導体層６の内周側に配置され、ＦｅまたはＦｅ基合金を円筒状に形成したものである。また、超電導材部５は、ＭｇＢ2（二ホウ化マグネシウム）を主成分とし、高抵抗導体層７の内周側に配置されている。但し、超電導材部５の一部には、超電導材以外の物質を含んでいてもよい。
図３は、図１における第２の超電導線材５２のIII−III断面図である。
図３において、第２の超電導線材５２は、第１の超電導線材５０（図２参照）から低抵抗導体層６を除去したものである。すなわち、第２の超電導線材５２は、高抵抗導体層７と、超電導材部５と、を備えている。なお、第２の超電導線材５２においては、必ずしも低抵抗導体層６を完全に除去する必要はなく、第１の超電導線材５０よりも低抵抗導体層６を薄く加工しつつ、低抵抗導体層６を残存させておいてもよい。
図３において、第２の超電導線材５２は、第１の超電導線材５０（図２参照）から低抵抗導体層６を除去したものである。すなわち、第２の超電導線材５２は、高抵抗導体層７と、超電導材部５と、を備えている。なお、第２の超電導線材５２においては、必ずしも低抵抗導体層６を完全に除去する必要はなく、第１の超電導線材５０よりも低抵抗導体層６を薄く加工しつつ、低抵抗導体層６を残存させておいてもよい。
このように、本実施形態によれば、第１の超電導線材５０から低抵抗導体層６の全てまたは一部を取り除くことによって第２の超電導線材５２を構成することができる。これにより、ＰＣＳ３０を小型かつ安価に構成することができる。
第１の超電導線材５０を、例えば直径１．６ｍｍ程度のＭｇＢ2超電導線材に適用する場合、超電導材部５は、ＭｇＢ2を２５％（重量パーセント、以下同）以上含むとよい。また、高抵抗導体層７は、Ｆｅを３５％以上、ＳＵＳ３１６Ｌを１５％以上含むとよい。また、低抵抗導体層６は、Ｃｕを２５％以上含むとよい。
上述した第１の超電導線材５０の構成によれば、ＭｇＢ2が常電導転移する約４０Ｋにおいて、単位長さ当たりの抵抗値を１×１０-3Ω／ｍオーダにすることができる。そして、第１の超電導線材５０から低抵抗導体層６を除去した第２の超電導線材５２においては、単位長さ当たりの抵抗値を１×１０-2Ω／ｍオーダにすることができる。従って、第２の超電導線材５２をＰＣＳ３０に適用すると、第１の超電導線材５０をそのままＰＣＳ３０に適用する場合と比較して、ＰＣＳ３０における線材長を約１０分の１に短縮できる。
ここで、低抵抗導体層６の単位長あたりの抵抗値をＲ６（図示せず）とし、高抵抗導体層７の単位長あたりの抵抗値をＲ７（図示せず）としたとき、比Ｒ７／Ｒ６は、「２」以上かつ「１０12」未満にすると好ましい。その理由は、比Ｒ７／Ｒ６が「２」未満であれば、「ＰＣＳ３０における線材長を短縮する」という効果が不十分になり、比Ｒ７／Ｒ６が「１０12」以上になると、超電導マグネット１００の動作が不安定になるためである。また、比Ｒ７／Ｒ６は、「１０7」以下にすると、一層好ましい。その理由は、廉価に入手できる材料で高抵抗導体層７を実現できるため、超電導マグネット１００のコストを下げられるためである。
上述のように構成された第１の超電導線材５０を濃硝酸に浸けると、Ｃｕを主成分とする低抵抗導体層６は溶解する。一方、Ｆｅを主成分とする高抵抗導体層７は、濃硝酸に対して不働態を形成するため、殆ど溶解しない。すなわち、第１の超電導線材５０の一部を濃硝酸に浸けると、浸けた部分が第２の超電導線材５２に変化する。但し、低抵抗導体層６の除去方法は必ずしも化学的なものである必要はなく、機械的な切削加工によって低抵抗導体層６を除去してもよい。
図１に戻り、超電導接続部３は、第１の超電導線材５０と同等の特性を維持しつつ、第１の超電導線材５０の端部同士を接続した箇所である。上述したように、本実施形態によれば、マグネット部１の始端１１および終端１２は、そのままＰＣＳ３０の始端および終端になっており、マグネット部１とＰＣＳ３０とは連続的に形成されている。従って、必要な超電導接続部３は、図示のように１か所でよい。
ここで、超電導マグネット１００の製造方法をまとめておくと、次のようになる。これらステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３のうち、ステップＳ２，Ｓ３の実行順序は入れ替えてもよい。
・ステップＳ１：第１の超電導線材５０を巻回してマグネット部１を形成する。
・ステップＳ２：第１の超電導線材５０のうちマグネット部１以外の所定箇所において、低抵抗導体層６を除去し（または薄く加工して）第２の超電導線材５２を形成する。
・ステップＳ３：第１の超電導線材５０および第２の超電導線材５２の集合体の両端を接合して、該集合体を環状に形成する。
・ステップＳ１：第１の超電導線材５０を巻回してマグネット部１を形成する。
・ステップＳ２：第１の超電導線材５０のうちマグネット部１以外の所定箇所において、低抵抗導体層６を除去し（または薄く加工して）第２の超電導線材５２を形成する。
・ステップＳ３：第１の超電導線材５０および第２の超電導線材５２の集合体の両端を接合して、該集合体を環状に形成する。
上記構成において、永久電流モード運転を行う場合は、マグネット部１およびＰＣＳ３０を常電導状態にし、スイッチ１６をオン状態にしてマグネット部１に励磁電流を流す。次に、マグネット部１およびＰＣＳ３０を冷却して超電導状態にし、励磁電流が所望の値になった際にスイッチ１６をオフ状態にする。これにより、マグネット部１とＰＣＳ３０との間で電流が継続的に環流する。
その後、マグネット部１を消磁する場合は、電源装置２１によって加熱部２０に電流を供給する。これによって、加熱部２０は、第２の超電導線材５２を加熱して常電導状態に遷移させる。従って、マグネット部１とＰＣＳ３０に環流する電流はゼロになる。
その後、マグネット部１を消磁する場合は、電源装置２１によって加熱部２０に電流を供給する。これによって、加熱部２０は、第２の超電導線材５２を加熱して常電導状態に遷移させる。従って、マグネット部１とＰＣＳ３０に環流する電流はゼロになる。
［第２実施形態］
図４は、好適な第２実施形態による超電導マグネット１０２の模式的な回路図である。なお、以下の説明において、上述した第１実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図４において、超電導マグネット１０２は、巻きボビン１０と、ＰＣＳ３１（電流スイッチ）と、第１の超電導線材５０と、第２の超電導線材５２と、を備えている。そして、第１の超電導線材５０が巻きボビン１０に巻回されることにより、マグネット部１が構成されている。
図４は、好適な第２実施形態による超電導マグネット１０２の模式的な回路図である。なお、以下の説明において、上述した第１実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図４において、超電導マグネット１０２は、巻きボビン１０と、ＰＣＳ３１（電流スイッチ）と、第１の超電導線材５０と、第２の超電導線材５２と、を備えている。そして、第１の超電導線材５０が巻きボビン１０に巻回されることにより、マグネット部１が構成されている。
また、図４において図示は省略するが、本実施形態においても、マグネット部１の始端１１と終端１２との間には、第１実施形態のもの（図１参照）と同様に、励磁用電源１５が、スイッチ１６およびリード線１４が接続されている。マグネット部１の始端１１および終端１２は、そのままＰＣＳ３１の始端および終端になっており、マグネット部１とＰＣＳ３１とは連続的に形成されている。本実施形態におけるＰＣＳ３１は、第２の超電導線材５２を加熱するヒーター８と、ヒーター８に電流を流すヒーター用電源９と、を備えている。
ヒーター８は、高抵抗な金属（例えばＣｕ−Ｎｉ）に電流を流し発熱させるものである。ＰＣＳ３１の内部において、第２の超電導線材５２は直線状に配置されている。第２の超電導線材５２の長さが短い場合には、図２に示すように、第２の超電導線材５２を単に直線状に配置するとよい。但し、第２の超電導線材５２として、ある程度の長さを要する場合には、スペースを節約するために、第２の超電導線材５２を巻回し、あるいは折り曲げることが好ましい。例えば、マグネット部１のボビン１０とは別の位置にＰＣＳ３１用のボビンやジグ（図示せず）を配置し、ここに第２の超電導線材５２を巻回してもよい。その際には、インダクタンスを低減するように第２の超電導線材５２を配置することが好ましい。図５および図６を参照して、その例を説明する。
図５および図６は、ＰＣＳ３１における第２の超電導線材５２の他の配置方法を示す図である。
図５において、第２の超電導線材５２は、無誘導巻きによって構成されている。また、図６において、第２の超電導線材５２は、ミアンダ状に配置されている。図５および図６の何れの配置方法においても、第２の超電導線材５２におけるインダクタンスを低減することができる。
本実施形態によれば、上述の第１実施形態と同様に、超電導接続部３が１か所で済み、ＰＣＳ３１を小型かつ安価に構成することができる。
図５において、第２の超電導線材５２は、無誘導巻きによって構成されている。また、図６において、第２の超電導線材５２は、ミアンダ状に配置されている。図５および図６の何れの配置方法においても、第２の超電導線材５２におけるインダクタンスを低減することができる。
本実施形態によれば、上述の第１実施形態と同様に、超電導接続部３が１か所で済み、ＰＣＳ３１を小型かつ安価に構成することができる。
［第３実施形態］
図７は、好適な第３実施形態による超電導マグネット１０４の要部の断面図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図７において、超電導マグネット１０４は、巻きボビン１０と、ＰＣＳ３１と、第１の超電導線材５０と、第２の超電導線材５２と、を備えている。さらに、図示は省略するが、超電導マグネット１０４は、第１実施形態の超電導マグネット１００と同様に、励磁用電源１５（図１参照）と、スイッチ１６（図１参照）と、を備えている。
図７は、好適な第３実施形態による超電導マグネット１０４の要部の断面図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図７において、超電導マグネット１０４は、巻きボビン１０と、ＰＣＳ３１と、第１の超電導線材５０と、第２の超電導線材５２と、を備えている。さらに、図示は省略するが、超電導マグネット１０４は、第１実施形態の超電導マグネット１００と同様に、励磁用電源１５（図１参照）と、スイッチ１６（図１参照）と、を備えている。
本実施形態においても、第１の超電導線材５０がボビン１０に巻回され、これによってマグネット部１が形成されている。また、ＰＣＳ３１は、第２の超電導線材５２と、ヒーター８と、を備えている。但し、本実施形態においては、ＰＣＳ３１がマグネット部１に近接配置されており、両者の間に断熱層１９が挿入されている。なお、上述した以外の超電導マグネット１０４の構成および動作は、第２実施形態の超電導マグネット１０２（図４参照）のものと同様である。このように、本実施形態によれば、マグネット部１とＰＣＳ３１とを近接配置できるため、超電導マグネット１０４を小型化できるという利点がある。
［第４実施形態］
図８は、好適な第４実施形態による超電導マグネット１０６の模式的な回路図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図８において、超電導マグネット１０６は、ＰＣＳ３２（電流スイッチ）と、第１の超電導線材７０（超電導線材）と、第２の超電導線材７２と、励磁用電源１５と、スイッチ１６と、を備えている。そして、第１の超電導線材７０がコイル状に巻回されることにより、マグネット部７１が構成されている。励磁用電源１５およびスイッチ１６の機能は、第１実施形態（図１参照）のものと同様である。
図８は、好適な第４実施形態による超電導マグネット１０６の模式的な回路図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図８において、超電導マグネット１０６は、ＰＣＳ３２（電流スイッチ）と、第１の超電導線材７０（超電導線材）と、第２の超電導線材７２と、励磁用電源１５と、スイッチ１６と、を備えている。そして、第１の超電導線材７０がコイル状に巻回されることにより、マグネット部７１が構成されている。励磁用電源１５およびスイッチ１６の機能は、第１実施形態（図１参照）のものと同様である。
図９は、図８における第１の超電導線材７０のIX−IX断面図である。
図９において、第１の超電導線材７０は、順次積層された超電導材部７５と、低抵抗導体層７６と、高抵抗導体層７７と、を備えている。これらは、何れも矩形断面のテープ状に形成されているが、これらの材質は、第１実施形態（図２参照）における超電導材部５、低抵抗導体層６、および高抵抗導体層７のものと、それぞれ同様である。
図９において、第１の超電導線材７０は、順次積層された超電導材部７５と、低抵抗導体層７６と、高抵抗導体層７７と、を備えている。これらは、何れも矩形断面のテープ状に形成されているが、これらの材質は、第１実施形態（図２参照）における超電導材部５、低抵抗導体層６、および高抵抗導体層７のものと、それぞれ同様である。
図１０は、図８における第２の超電導線材７２のX−X断面図である。
第２の超電導線材７２は、第１の超電導線材７０から低抵抗導体層７６を除去したものである。すなわち、第２の超電導線材７２は、超電導材部７５と、高抵抗導体層７７と、を備えている。第１実施形態のものと同様に、第２の超電導線材７２においても、必ずしも低抵抗導体層７６を完全に除去する必要はなく、第１の超電導線材７０よりも低抵抗導体層７６を薄くしつつ、低抵抗導体層７６を残存させておいてもよい。また、第１の超電導線材７０または第２の超電導線材７２をそれぞれ並列導体状に複数本束ね、これによってマグネット部７１またはＰＣＳ３２を構成してもよい。
第２の超電導線材７２は、第１の超電導線材７０から低抵抗導体層７６を除去したものである。すなわち、第２の超電導線材７２は、超電導材部７５と、高抵抗導体層７７と、を備えている。第１実施形態のものと同様に、第２の超電導線材７２においても、必ずしも低抵抗導体層７６を完全に除去する必要はなく、第１の超電導線材７０よりも低抵抗導体層７６を薄くしつつ、低抵抗導体層７６を残存させておいてもよい。また、第１の超電導線材７０または第２の超電導線材７２をそれぞれ並列導体状に複数本束ね、これによってマグネット部７１またはＰＣＳ３２を構成してもよい。
このように、本実施形態によれば、第１の超電導線材７０から低抵抗導体層７６の全てまたは一部を取り除くことによって第２の超電導線材７２を構成することができる。これにより、第１実施形態と同様に、ＰＣＳ３２を小型かつ安価に構成することができる。なお、上述した以外の本実施形態の構成および動作は、第１実施形態（図１〜図３参照）のものと同様である。
［第５実施形態］
図１１は、好適な第５実施形態による超電導マグネット１０８の模式的な回路図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図１１において、超電導マグネット１０８は、第２実施形態の超電導マグネット１０２（図４参照）と比較すると、ＰＣＳ３１に代えて、ＰＣＳ３４が適用される点が異なっている。それ以外の点では、超電導マグネット１０８は、超電導マグネット１０２と同様に構成されている。従って、第１の超電導線材５０および第２の超電導線材５２の構成も、図２および図３に示したものと同様である。
図１１は、好適な第５実施形態による超電導マグネット１０８の模式的な回路図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図１１において、超電導マグネット１０８は、第２実施形態の超電導マグネット１０２（図４参照）と比較すると、ＰＣＳ３１に代えて、ＰＣＳ３４が適用される点が異なっている。それ以外の点では、超電導マグネット１０８は、超電導マグネット１０２と同様に構成されている。従って、第１の超電導線材５０および第２の超電導線材５２の構成も、図２および図３に示したものと同様である。
また、図７に示した例と同様に、マグネット部１とＰＣＳ３４との間に断熱層１９を挿入してＰＣＳ３４を設置してもよい。ＰＣＳ３４は、第２の超電導線材５２と、交流電源１７と、を備えている。そして、交流電源１７は、第２の超電導線材５２の高抵抗導体層７（図３参照）に接続されている。
上記構成において、永久電流モード運転を行う場合の動作は、第１実施形態と同様である。一方、マグネット部１を消磁する場合は、交流電源１７は所定の交流電圧を第２の超電導線材５２に印加する。マグネット部１のインダクタンスは、第２の超電導線材５２のインダクタンスよりも充分に大きいため、交流電源１７から供給された電流のほとんどは第２の超電導線材７２に流れる。これにより、第２の超電導線材７２がヒーターとして機能して、第２の超電導線材５２を常電導状態に遷移させ、マグネット部１とＰＣＳ３４に環流する電流はゼロになる。
具体例を述べると、高抵抗導体層７（図３参照）がＦｅ基合金であって、抵抗率が１．５×１０-2［μΩｍ］であり、交流電圧の周波数が１ＭＨｚであったとする。この場合、表皮深さは６×１０-2［ｍｍ］になり、第２の超電導線材５２に流れる電流の大部分を高抵抗導体層７に流すことができる。
［第６実施形態］
図１２は、好適な第６実施形態による超電導マグネット１１０の模式的な回路図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図１１において、超電導マグネット１０８は、第２実施形態の超電導マグネット１０２（図４参照）と比較すると、ＰＣＳ３１に代えて、ＰＣＳ３６が適用される点が異なっている。それ以外の点では、超電導マグネット１１０は、超電導マグネット１０２と同様に構成されている。
図１２は、好適な第６実施形態による超電導マグネット１１０の模式的な回路図である。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図１１において、超電導マグネット１０８は、第２実施形態の超電導マグネット１０２（図４参照）と比較すると、ＰＣＳ３１に代えて、ＰＣＳ３６が適用される点が異なっている。それ以外の点では、超電導マグネット１１０は、超電導マグネット１０２と同様に構成されている。
ＰＣＳ３６は、第２の超電導線材５２と、電磁石１８（交流磁場発生部）と、交流電源１７と、を備えている。そして、電磁石１８は、第２の超電導線材５２に近接する位置に配置されている。
上記構成において、永久電流モード運転を行う場合の動作は、第１実施形態と同様である。一方、マグネット部１を消磁する場合は、交流電源１７は所定の交流電圧を電磁石１８に印加する。すると、電磁石１８によって第２の超電導線材５２の高抵抗導体層７（図３参照）に交流磁場が発生し、高抵抗導体層７に渦電流が生じる。これにより、高抵抗導体層７が発熱し、第２の超電導線材５２を常電導状態に遷移させ、マグネット部１とＰＣＳ３４に環流する電流はゼロになる。さらに、上述した交流磁場によって超電導材部５（図３参照）の臨界電流が低下する効果が生じるため、この効果も第２の超電導線材５２の常電導転移に用いてもよい。
［実施形態の効果］
以上のように好適な本実施形態によれば、超電導マグネット１００〜１１０は、超電導材部５，７５と、高抵抗導体層７，７７と、高抵抗導体層７，７７よりも単位長あたりの抵抗値が低い低抵抗導体層６，７６と、を有する第１の超電導線材５０，７０を巻回したマグネット部１，７１と、超電導材部５，７５と、高抵抗導体層７，７７と、を有する第２の超電導線材５２，７２を含んだ電流スイッチ３０〜３６と、を備え、第２の超電導線材５２，７２は、低抵抗導体層６，７６を含まず、または第１の超電導線材５０，７０における低抵抗導体層６，７６よりも薄く形成された低抵抗導体層６，７６を有する。これにより、第１の超電導線材５０，７０から低抵抗導体層６，７６を除去することによって第２の超電導線材５２，７２を構成することができ、超電導マグネット１００〜１１０を安価に構成することができる。
以上のように好適な本実施形態によれば、超電導マグネット１００〜１１０は、超電導材部５，７５と、高抵抗導体層７，７７と、高抵抗導体層７，７７よりも単位長あたりの抵抗値が低い低抵抗導体層６，７６と、を有する第１の超電導線材５０，７０を巻回したマグネット部１，７１と、超電導材部５，７５と、高抵抗導体層７，７７と、を有する第２の超電導線材５２，７２を含んだ電流スイッチ３０〜３６と、を備え、第２の超電導線材５２，７２は、低抵抗導体層６，７６を含まず、または第１の超電導線材５０，７０における低抵抗導体層６，７６よりも薄く形成された低抵抗導体層６，７６を有する。これにより、第１の超電導線材５０，７０から低抵抗導体層６，７６を除去することによって第２の超電導線材５２，７２を構成することができ、超電導マグネット１００〜１１０を安価に構成することができる。
また、電流スイッチ３１は、第２の超電導線材５２を加熱するヒーター８を備えることが一層好ましい。これにより、マグネット部１を消磁する際には、ヒーター８によって第２の超電導線材５２を常電導状態に遷移させることができる。
また、電流スイッチ３４は、第２の超電導線材５２の高抵抗導体層７に交流電圧を印加する交流電源１７を備えることが一層好ましい。これにより、高抵抗導体層７に電流が流れ、高抵抗導体層７が発熱し、第２の超電導線材５２を常電導状態に遷移させることができる。
また、電流スイッチ３６は、交流磁場を発生させることにより、第２の超電導線材５２の高抵抗導体層７に渦電流を生じさせる交流磁場発生部１８を備えることが一層好ましい。これにより、高抵抗導体層７が渦電流によって発熱し、第２の超電導線材５２を常電導状態に遷移させることができる。
また、超電導材部（５，７５）は、ＭｇＢ2を含むことが好ましい。これにより、転移温度が比較的高い超電導材部５，７５を安価に製造することができる。
また、低抵抗導体層６はＣｕまたはＣｕ基合金を円筒状に形成したものとし、高抵抗導体層７は、低抵抗導体層６の内周側に配置され、ＦｅまたはＦｅ基合金を円筒状に形成したものとし、超電導材部５を、高抵抗導体層７の内周側に配置すると、一層好ましい。これにより、低抵抗導体層６を最外周に配置でき、第２の超電導線材５２を形成する際に低抵抗導体層６を容易に除去できる。
また、超電導マグネット１００〜１１０は、第１の超電導線材５０に電流を供給する直流電源（１５）と、直流電源（１５）と第１の超電導線材５０との間に挿入されたスイッチ１６と、をさらに備えることが一層好ましい。これにより、スイッチ１６と直流電源（１５）とによってマグネット部１とＰＣＳ３０との間で電流を環流させることができる。
また、高抵抗導体層７，７７の単位長あたりの抵抗値は、低抵抗導体層６，７６の単位長あたりの抵抗値に対して、２倍以上かつ１０12倍未満であることが一層好ましい。これにより、超電導マグネット１００〜１１０の動作を安定させつつ、電流スイッチ（３０〜３６）における第２の超電導線材５２，７２の線材長を充分に短縮できる。
また、低抵抗導体層６，７６は、所定の処理剤によって溶解する性質を有し、高抵抗導体層７，７７は、処理剤によって溶解せず、または低抵抗導体層６，７６よりも溶解し難い性質を有すると一層好ましい。これにより、第１の超電導線材５０，７０から処理剤によって低抵抗導体層６，７６を除去して第２の超電導線材５２，７２を容易に形成することができる。
［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
（１）上記各実施形態において、低抵抗導体層６，７６は、所定の処理剤（すなわち濃硝酸）によって溶解する性質を有し、高抵抗導体層７，７７は、この処理剤では溶解しない（または、少なくとも低抵抗導体層６，７６よりも溶解し難い）性質を有する。このような化学的性質を有する低抵抗導体層６，７６、高抵抗導体層７，７７および処理剤の組み合わせは多数存在するため、上記各実施形態に記載のものに限定されるわけではない。
（２）上記各実施形態は、何れも本発明を超電導マグネットに適用した例を説明したが、第１の超電導線材５０，７０のみを単独で流通させてもよい。
１，７１ マグネット部
５，７５ 超電導材部
６，７６ 低抵抗導体層
７，７７ 高抵抗導体層
８ ヒーター
１５ 励磁用電源（直流電源）
１６ スイッチ
１７ 交流電源
１８ 電磁石（交流磁場発生部）
３０〜３６ ＰＣＳ（電流スイッチ）
５０，７０ 第１の超電導線材（超電導線材）
５２，７２ 第２の超電導線材
１００〜１１０ 超電導マグネット
５，７５ 超電導材部
６，７６ 低抵抗導体層
７，７７ 高抵抗導体層
８ ヒーター
１５ 励磁用電源（直流電源）
１６ スイッチ
１７ 交流電源
１８ 電磁石（交流磁場発生部）
３０〜３６ ＰＣＳ（電流スイッチ）
５０，７０ 第１の超電導線材（超電導線材）
５２，７２ 第２の超電導線材
１００〜１１０ 超電導マグネット
Claims (11)
- 超電導材部と、高抵抗導体層と、前記高抵抗導体層よりも単位長あたりの抵抗値が低い低抵抗導体層と、を有する第１の超電導線材を巻回したマグネット部と、
前記超電導材部と、前記高抵抗導体層と、を有する第２の超電導線材を含んだ電流スイッチと、を備え、
前記第２の超電導線材は、前記低抵抗導体層を含まず、または前記第１の超電導線材における前記低抵抗導体層よりも薄く形成された前記低抵抗導体層を有する
ことを特徴とする超電導マグネット。 - 前記電流スイッチは、前記第２の超電導線材を加熱するヒーターを備える
ことを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット。 - 前記電流スイッチは、前記第２の超電導線材の前記高抵抗導体層に交流電圧を印加する交流電源を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット。 - 前記電流スイッチは、交流磁場を発生させることにより、前記第２の超電導線材の前記高抵抗導体層に渦電流を生じさせる交流磁場発生部を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット。 - 前記超電導材部は、ＭｇＢ2を含む
ことを特徴とする請求項１ないし４の何れか一項に記載の超電導マグネット。 - 前記低抵抗導体層は、ＣｕまたはＣｕ基合金を円筒状に形成したものであり、
前記高抵抗導体層は、前記低抵抗導体層の内周側に配置され、ＦｅまたはＦｅ基合金を円筒状に形成したものであり、
前記超電導材部は、前記高抵抗導体層の内周側に配置されている
ことを特徴とする請求項５に記載の超電導マグネット。 - 前記第１の超電導線材に電流を供給する直流電源と、
前記直流電源と前記第１の超電導線材との間に挿入されたスイッチと、をさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット。 - 前記高抵抗導体層の単位長あたりの抵抗値は、前記低抵抗導体層の単位長あたりの抵抗値に対して、２倍以上かつ１０12倍未満である
ことを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット。 - 前記低抵抗導体層は、所定の処理剤によって溶解する性質を有し、
前記高抵抗導体層は、前記処理剤によって溶解せず、または前記低抵抗導体層よりも溶解し難い性質を有する
ことを特徴とする請求項８に記載の超電導マグネット。 - 超電導材部と、
高抵抗導体層と、
前記高抵抗導体層よりも単位長あたりの抵抗値が低い低抵抗導体層と、
を有し、
前記高抵抗導体層の単位長あたりの抵抗値は、前記低抵抗導体層の単位長あたりの抵抗値に対して、２倍以上かつ１０12倍未満である
ことを特徴とする超電導線材。 - 超電導材部と、高抵抗導体層と、前記高抵抗導体層よりも単位長あたりの抵抗値が低い低抵抗導体層と、を有する第１の超電導線材を巻回してマグネット部を形成する過程と、
前記第１の超電導線材のうち前記マグネット部以外の箇所において前記低抵抗導体層を除去し、または薄く加工して第２の超電導線材を形成する過程と、
前記第１の超電導線材および前記第２の超電導線材の集合体の両端を接合することによって、前記集合体を環状に形成する過程と、を有する
ことを特徴とする超電導マグネットの生産方法。
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