JP2577682B2

JP2577682B2 - 超電導体の温度測定方法及び装置並びに超電導マグネットのクエンチ予知方法及び装置

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Publication number: JP2577682B2
Application number: JP12542892A
Authority: JP
Inventors: 定五岡田; 邦茂黒田; 広衛山本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-04-20
Filing date: 1992-04-20
Publication date: 1997-02-05
Anticipated expiration: 2012-02-05
Also published as: JPH05299245A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超電導体の温度測定とそ
れを用いる超電導マグネットのクエンチ予知に係り、特
に超電導体が熱攪乱等により常電導状態に転位したクエ
ンチする直前の僅かな温度上昇を検出する方法及びそれ
によるクエンチの予知方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導コイルは、一般に冷却媒体（液体
ヘリウムなど）で冷されているが、通電され磁界が生じ
た際に、超電導コイルの一部分に導体の動きや含浸剤の
破損等の異常が発生した場合には、これらが熱攪乱とな
って超電導体の一部が温度上昇し常電導転位、即ちクエ
ンチする。クエンチが発生するとコイルから発生した大
量の熱で冷媒が沸騰し、時には、コイルが溶断するなど
の大事故につながるため超電導マグネットではこのクエ
ンチを防止することが重要な課題である。従来、このク
エンチを検出する方法は超電導体に電圧端子線を設ける
ことにより、常電導転位時に発生する電圧から検知して
いた。

【０００３】その他クエンチの検知方法としては、超電
導体の温度を測定する方法がある。一般に温度センサと
して銅とコンスタンタンや金、鉄とクロメルなどの熱電
対線を、直接超電導体に取り付けて、その熱起電力から
測定している場合が多い。また、カーボンを用いた温度
センサとしては、薄いプラスチックフィルム上にカーボ
ンを塗布した、幅３．４ｍｍ、長さ１３．３ｍｍ、厚さ
約１ｍｍの極低温高速温度計が、共和技報、２７６（Ｆ
ＥＢ、１９８１年）第１９３７頁から１９４０頁に記載
されている。また、常電導転位を検出する方法として、
光ファイバの干渉縞の位相差から温度を検出する方法
が、フジクラ技報、８０（１９９１年）第１頁から６頁
に記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】コイルの端子電圧によ
る方法では、超電導コイルの超電導状態が破れ常電導転
位しない限り検出されない。すなわち、コイルがクエン
チしてしまった後でないと検出されないという問題があ
る。またこの端子電圧による方法では、超電導コイルの
高磁界化、高電流密度化にともない、コイル間の電磁誘
導によるノイズや電源ノイズが近年高いレベルに達して
いるので、常電導転位によって発生する微弱な電気信号
を検出する従来の方法は、その信頼性が著しく低下して
いる。また、超電導状態から常電導状態に転位する分流
開始温度は、磁界の強さと電流密度の大きさによっても
異なるが、通常極めて微小な温度上昇である。このた
め、熱電対線を利用した温度センサによる検知方法で
は、熱起電力としての感度が小さいので測定不可能であ
った。また、温度センサを利用したクエンチ検知では、
長尺の超電導コイルの温度測定には無数の温度センサを
設置する必要があり、計測上にも問題があった。

【０００５】さらに、光ファイバを用いた常電導転位の
検出方法でも、温度の検出精度が１０Ｋ以上と大きいの
で、常電導転位を発生する以前の微小な温度を検出する
ことは不可能であった。本発明の目的は、超電導状態に
あるコイルの一部が任意の攪乱により温度上昇した際
の、常電導転位する以前の微小な温度上昇を検出する温
度測定方法及び装置と安全性の高い超電導マグネットの
クエンチ予知方法及び装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、超電導体上にカーボン膜を設け、該カ
ーボン膜の両端に電極を設け、該電極間の電圧を検出
し、検出した電圧を温度に変換することを特徴とする超
電導体の温度測定方法としたものである。そして、前記
温度の測定は、超電導体の冷却媒体の温度から数Ｋ（ケ
ルビン）までの温度領域で行うことができる。また、本
発明は、超電導体上に設けたカーボン膜と、該カーボン
膜の両端に設けた電極と、該電極間の電圧を検出する手
段と、検出した電圧を温度に変換する手段とを有するこ
とを特徴とする超電導体の温度測定装置としたものであ
る。上記において、超電導体上のカーボン膜は、塗布又
はスパッタリングにより超電導体へ密着して設けられて
いる。

【０００７】また、本発明では、上記他の目的を達成す
るために、前記の超電導体の温度測定方法を用いて、超
電導体の冷却媒体の温度からその磁場における分流開始
温度までの範囲で温度を検知することによる超電導マグ
ネットのクエンチ予知方法としたものである。さらに、
本発明では、前記の超電導体の温度測定装置を用いて、
該装置に、測定した温度とクエンチ予知の危険温度とを
比較する比較器と、クエンチ予知を知らせる警報器とを
設けた超電導マグネットのクエンチ予知装置としたもの
であり、この装置に電流遮断器を接続することにより安
全性の高い超電導マグネットができる。そして、上記予
知装置における温度測定用のカーボン膜は超電導コイル
の特定の一部分に設ければよい。上記のように、本発明
によれば、超電導体のクエンチ予知装置において、温度
に対する電気抵抗値の変化率の大きなカーボン膜を超電
導体に接着させることによって、このカーボン膜の抵抗
変化より温度を検出することができ、これによりクエン
チを予知したものである。

【０００８】

【作用】超電導体に接着されたカーボン膜は、冷媒温度
近傍の極低温領域で特に、温度変化に対する感度が非常
に大きいために、超電導体の微小な動きや含浸剤の破
損、クラックの発生に伴って生じる微小な温度上昇、す
なわち、超電導体が常電導転位をはじめる分流開始温度
以前の微小な温度上昇が検知できるので、クエンチに至
る前の状態が予知可能である。

【０００９】図７及び図８は、いずれも本発明に用いる
カーボン膜温度センサの特性図を示す。図７はカーボン
ペーストを絶縁被膜の上に２０〜３０μｍの厚さに塗付
し乾燥させたカーボン膜について、温度に対する電気抵
抗値の変化を示したものである。この図から電気抵抗値
を測定することにより温度を測定することができる。特
に、温度が１０Ｋ以下の液体ヘリウム温度に漸近する
程、電気抵抗値が著しく大きくなっている。つまり、こ
の付近ではｄＲ／ｄＴの変化率が大きい。この範囲はと
くに超電導体が常電導転位するまでの温度領域になって
いるので、この温度センサを利用するとクエンチを予知
するのに甚だ好都合である。また図８は、絶縁被膜上に
２μｍの厚さのカーボン膜をスパッタリングで付けた場
合の温度に対する電気抵抗値の変化を示したものであ
る。このカーボン膜は非晶質になっていることもあり、
ｄＲ／ｄＴの変化率が前記図７の塗付したカーボン膜に
比べて、格段に大きな変化率を示しており、超電導体が
液体ヘリウム温度から常電導転位するまでの間の微小な
温度変化も鋭敏にキャッチすることができるので、クエ
ンチ予知の温度センサとして最適である。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
るが、本発明はこれらの実施例に限定されない。実施例１図１に本発明を超電導体に適用した場合の一実施例を示
す。図１において、１は超電導コイルに使われている超
電導体であり、内部にはＮｂＴｉと安定化銅等からなる
複合超電導体１ａとその外側にホルマ−ルやポリイミド
などの絶縁被膜１ｂとで構成されている。２は超電導体
１の表面に薄膜状に塗付又はスパッタリングされたカー
ボン膜である。３はカーボン膜上の任意の位置に設けか
つ、カーボン膜と導電性を有する電極である。４は定電
流電源であり、前記電極３と接続されておりカーボン膜
に常時一定電流を流す役目を行うものである。５はカー
ボン膜２に設けられた電極３間に接続された電圧検出器
である。６は前記電圧検出器から得られた信号をもと
に、カーボン膜の電気抵抗値から超電導体の温度を換算
し、その超電導体の磁界に対する分流開始温度に達して
いるか否かチェックする働きを行なう比較器である。７
は前記比較器６の信号をもとにクエンチを予知するため
の警報器であり、８は前記比較器６の信号に従って、超
電導コイルへの供給電流を抑制するための電流遮断器で
ある。

【００１１】図２及び図３は本発明に用いる超電導体の
構造図を示す。図２において、１ａはＮｂＴｉと安定化
銅等から成る断面が円形の複合超電導体であり、その外
周を絶縁被膜１ｂでおおわれている超電導体である。本
発明に用いるカーボン膜２は、前記超電導体の絶縁被膜
１ｂの外周に塗付又はスパッタリングで接着した構造
で、さらに前記カーボン膜２の外周を絶縁被膜２ａでお
おい、超電導コイルを構成した場合にコイル相互間の絶
縁が保持される。図３は、断面が短形の超電導体であ
り、その一側面に本発明に用いるカーボン膜２を絶縁被
膜１ｂの外側に接着した構造である。

【００１２】次に動作について説明する。図１におい
て、超電導コイルを構成している超電導体１が液体ヘリ
ウムなどの冷媒で冷却され、超電導状態で複合超電導体
１ａに所定の電流値Ｉ（Ａ）が通電されている。この状
態において、超電導体１の一部分に導体のずれや含浸剤
の破損等の異常が発生したとき、これが熱攪乱となっ
て、超電導体の一部の温度が上昇し、超電導状態が破れ
常電導転位が起こる。この際、複合超電導体１ａ内では
安定化銅などに電流が分流される。この時の分流開始温
度Ｔ_Sは、液体ヘリウム温度をＴ_H、超電導体の臨界温
度をＴ_C、液体ヘリウム温度Ｔ_Hにおける超電導体の臨
界電流をＩ_Cとすると、Ｔ_S＝Ｔ_C−（Ｉ／Ｉ_C）・（Ｔ_C−Ｔ_H）で表される。ここで、超電導体の臨界温度Ｔ_Cや臨界電
流Ｉ_Cは超電導体の材料、線材寸法や磁界の強さによっ
て変わるが、一般的に磁界が３〜７テスラぐらいの範囲
で、超電導コイルの電流Ｉを臨界電流Ｉ_Cに対して５０
〜７０％位とすると、分流開始温度Ｔ_Sは大体４．５Ｋ
から６．６Ｋの温度である。従って、冷媒である液体ヘ
リウム温度Ｔ_H（４．２Ｋ）から、０．３Ｋ乃至２．２
Ｋのわずかな温度上昇によって超電導体が分流開始温度
に達し、常電導転位してしまうことがわかる。

【００１３】ところで、図１の超電導体１の温度が上昇
した時、超電導体１に接着されたカーボン膜２の温度も
急上昇し、定電流電源４によって発生するカーボン膜２
の電圧が電圧検出器５で検出される。ここで検出された
電圧は、予め、前記図７又は図８に示した較正曲線によ
ってカーボン膜の電気抵抗値から温度に変換される。一
方、クエンチ予知の危険温度を（数式１）から得られる
超電導体の分流開始温度Ｔ_Sの冷媒温度Ｔ_Hからの上昇
分の約６０〜７０％とすると、比較器６はこの危険温度
を越えたかどうか比較する働きを行なう。そこで、この
クエンチ予知の危険温度に達した場合には、警報器７で
クエンチ予知の表示を行なうと共に、場合によっては、
電流遮断器８で超電導コイルの電流を遮断もしくは、電
流値を減少させるなどの制御を行ないクエンチを防止さ
せるものである。

【００１４】次に、本発明に用いる超電導体の構造は前
記図２及び図３に示したように、超電導体の温度を検出
するためのカーボン膜２は、いずれも超電導体の絶縁被
膜１ｂの外側に接着させたものである。通常、絶縁被膜
１ｂは、数１０μｍ以下の薄い膜であるため、複合超電
導体１ａの熱は良好にカーボン膜２に伝えることができ
る。また、長尺の超電導体でも、連続的に温度測定がで
きる利点もある。また、本発明のカーボン膜の温度に対
する電気抵抗値の特性は、前記図７及び図８に示したよ
うに、液体ヘリウム温度Ｔ_Hに近くなる程、ｄＲ／ｄＴ
の応答感度が極めて大きくなる。したがって、超電導体
の分流開始温度Ｔ_Sが液体ヘリウム温度の近傍にあるた
め、カーボン膜による温度検出は極めて良好に行なえる
特徴を有する。

【００１５】実施例２図４は、一超電導コイルに適用した本発明のクエンチ予
知装置の実施例を示す。図４において、１は超電導体で
あり、１０は前記超電導体１をパンケーキ巻き状に形成
した超電導コイルである。本発明に用いるカーボン膜２
は、前記超電導コイル１０のパンケーキ巻きの最内周の
第１ターン目から外側へ第３ターン目までの間に設けた
場合について示したものであり、３は前記カーボン膜２
の両端に取りつけた電極である。４は定電流電源、５は
電圧検出器、６は比較器、７は警報器、８は電流遮断器
を示し、それぞれは前記図１の実施例で説明した構成と
同じものである。

【００１６】図５及び図６は、その他の超電導コイルに
適用した本発明のクエンチ予知装置の実施例を示す。図
５及び図６はいずれもソレノイド巻き超電導コイル１０
の一部断面図を示したもので、超電導コイル１０の超電
導体１のうち、本発明に用いるカーボン膜２においては
内側の第１ターン目でコイル軸方向の中央寄り３列に接
着した場合の実施例を示す。また図６は中央の列で、内
側より第１ターン目から第３ターン目までのコイルにカ
ーボン膜２を接着した場合の実施例を示したものであ
る。

【００１７】前記図４から図６までの実施例は、本発明
に用いるカーボン膜を超電導コイルのどの位置に具体的
に適用するかについて示した。すなわち、一般に磁界の
強さの大きい場所でクエンチが起り易いため、パンケー
キ巻きコイルでは図４に示したように最内周より数ター
ン目までの範囲の超電導体にカーボン膜を接着させるこ
とが適当であり、ソレノイド巻きコイルでは図５及び図
６に示したように、最内周のコイル又は、コイル軸方向
中央の最内周より数ターン目までの範囲、あるいは、前
記の組合せの範囲としてコイル軸方向に数列で、最内周
より外側へ数ターン目までの範囲にカーボン膜を接着さ
せることが適当である。なお、本発明のカーボン膜は超
電導コイルの一部分に接着する場合について示したが、
勿論、超電導コイルの全体に接着してもよいことは言う
までもない。

【００１８】以上、本発明を超電導コイルに適用した場
合の実施例について説明したが、本発明は、前記実施例
で示さなかったその他の超電導コイルにも適用できると
共に、超電導コイル本体に付属するもの、例えば、コイ
ルの接続部分や永久電流スイッチなどのようなクエンチ
の起り易い部分にも適用することが容易に考えられる。
また、本発明の温度センサとしてのカーボン膜は、純粋
に炭素だけでなく、さらに特性を向上するために炭素に
特殊な添加物を混入したものや、炭素に代る特性を有す
る物質例えば、半導体のようなものでも利用できる。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、超電導体に接着された
カーボン膜で、超電導体の常電導転位の発生すなわち分
流開始温度以内の微小な温度上昇を検知することによっ
て、超電導体がクエンチに至る前の状態が容易に予知す
ることができるため、安全性の高い超電導マグネットを
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すクエンチ予知の構成図
である。

【図２】本発明に用いる超電導体の構造図である。

【図３】本発明に用いる超電導体の構造図である。

【図４】本発明の一超電導コイルに適用したクエンチ予
知装置の概略図である。

【図５】本発明の他の超電導コイルに適用したクエンチ
予知装置の部分概略図である。

【図６】本発明の他の超電導コイルに適用したクエンチ
予知装置の部分概略図である。

【図７】本発明に用いるカーボン膜温度センサの特性図
である。

【図８】本発明に用いる他のカーボン膜温度センサの特
性図である。

【符号の説明】

１…超電導体、２…カーボン膜、３…電極、４…定電流
電源、５…電圧検出器、６…比較器、７…警報器、８…
電流遮断器。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導体上にカーボン膜を設けて、該カ
ーボン膜の両端に電極を設け、該電極間の電圧を検出
し、検出した電圧を温度に変換することを特徴とする超
電導体の温度測定方法。
【請求項２】前記温度の測定は、超電導体の冷却媒体
の温度から数Ｋ（ケルビン）までの温度領域で行うこと
を特徴とする請求項１記載の超電導体の測定方法。
【請求項３】超電導体上に設けたカーボン膜と、該カ
ーボン膜の両端に設けた電極と、該電極間の電圧を検出
する手段と、検出した電圧を温度に変換する手段とを有
することを特徴とする超電導体の温度測定装置。
【請求項４】前記カーボン膜は、塗布又はスパッタリ
ングにより超電導体へ密着して設けられていることを特
徴とする請求項３記載の超電導体の温度測定装置。
【請求項５】請求項１記載の温度測定方法を用いて、
超電導体の冷却媒体の温度からその磁場における分流開
始温度までの範囲で温度を検知することを特徴とする超
電導マグネットのクエンチ予知方法。
【請求項６】請求項３記載の温度測定装置と、測定し
た温度とクエンチ予知の危険温度とを比較する比較器
と、クエンチ予知を知らせる警報器とからなることを特
徴とする超電導マグネットのクエンチ予知装置。
【請求項７】前記温度測定装置のカーボン膜は、超電
導コイルの特定部分に設けることを特徴とする請求項６
記載の超電導マグネットのクエンチ予知装置。