JP3598237B2

JP3598237B2 - Superconducting magnet device and method of magnetizing superconductor

Info

Publication number: JP3598237B2
Application number: JP24355199A
Authority: JP
Inventors: 佳孝伊藤; 徹雄岡; 陽介柳; 雅章吉川
Original assignee: IMRA Material R&D Co Ltd
Current assignee: IMRA Material R&D Co Ltd
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2019-08-30
Also published as: JP2001068338A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，磁場発生装置，着磁装置，磁気分離装置，磁場プレス機，核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置，発電機・モータ等の強磁場を必要とする各種装置に利用可能であって，バルク形状（塊状）の超電導体に高い磁場を捕捉させて磁石となす超電導磁石装置及び超電導体の着磁方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
溶融法により作製されたバルク形状（塊状）のＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系高温超電導体（ＲＥはＹ又は希土類元素）は，１テスラを越える大きな磁場を捕捉することができ，従来の永久磁石を凌ぐ性能の磁石となることが知られている。
【０００３】
近年，この超電導バルク磁石を，磁場発生装置，着磁装置，磁気分離装置，磁場プレス機，核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置，発電機・モータ等の強磁場を必要とする各種装置に磁石装置として利用することが検討され始めている。
【０００４】
このような高温超電導体を用いた磁石装置及び超電導体を着磁する方法としては，例えば，
特開平６−１６８８２３（文献１），
特開平１０−０１２４２９（文献２），
特願平１０−１００３０６（文献３），
特願平１１−０８３８５４（文献４），
等が開示されている。
【０００５】
上記文献１によれば，高温超電導体を冷媒中で冷却した後，高温超電導体の周囲に配置した着磁コイルにパルス電流を通電することにより超電導体にパルス磁場を印加する。これにより，超電導体は，いわゆるピン止め効果によって磁場を捕捉して強力な磁石となる。
【０００６】
このパルス着磁法によれば，従来のＦＣ（ＦｉｅｌｄＣｏｏｌｉｎｇ：磁場中冷却）法やＺＦＣ（ＺｅｒｏＦｉｅｌｄＣｏｏｌｉｎｇ：ゼロ磁場冷却）法等の静磁場による着磁方法に比べて非常に簡便に超電導体を着磁することができ，この方法を利用した超電導磁石装置をコンパクトにすることができる。
【０００７】
また，上記文献２においては，冷媒に代えて冷凍機で超電導体を冷却する方法が示されている。超電導体に捕捉される磁場は温度が低いほど大きくなり，磁石としての発生磁場が増加する。従って，この方法により磁石装置としての性能が向上する。
【０００８】
また，上記文献３には，超電導体用の冷却装置や真空排気装置等の付帯設備をケース内にコンパクトに収納し超電導体による磁場発生空間を広く確保した超電導磁石装置が示されている。
【０００９】
また，上記文献４には，強磁性体を超電導体に近接させた状態でパルス着磁を行う着磁方法が示されている。この方法によれば，強磁性体を用いない場合よりも大きな磁場を超電導体に捕捉させることができる。
【００１０】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の超電導磁石装置及び超電導体の着磁方法においては，次のような問題点がある。
まず，超電導体から発せられる磁場は，マクロ的にみると超電導体内を同心円状に流れる超電導電流により生ずるため，その磁場強度は超電導体からの距離が大きくなるに従い指数関数的に減少する。
従って，超電導体のごく近傍でしか強磁場が得られないという問題があった。
【００１１】
また，超電導体は磁場の捕捉により磁石となるため，着磁後は原理的に発生磁場の強度を変化させることができない。
また，従来のパルス磁場による着磁方法では超電導体に捕捉される磁場の強度が不十分であった。
【００１２】
さらに，従来の方法で個別に着磁した超電導体を近づけてその間に強磁場空間を形成しようとすると，一方の超電導体による磁場が他方の超電導体のシールド効果により排除されるため，磁場の足し合わせが成り立たず，両者の間に期待する強度の磁場空間を実現できないという問題があった。
【００１３】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，強い磁場空間を形成可能な超電導磁石装置及び超電導体の着磁方法を提供しようとするものである。
【００１４】
【課題の解決手段】
請求項１に記載の発明は，真空断熱容器に収納された超電導体より構成された磁場発生部を複数個備え，該磁場発生部は磁場空間を形成するよう互いに近接して配設されてなると共に，上記磁場発生部は互いの位置関係を変更可能に配設されてなり，
また，上記超電導体を着磁するための着磁コイルと，上記超電導体を冷却するための冷却装置と，上記真空断熱容器内を真空排気するための真空排気装置とを備えたことを特徴とする超電導磁石装置にある。
【００１５】
本発明の超電導磁石装置において最も注目すべきことは，複数の磁場発生部を磁場空間が形成するように互いに近接して配設させたことである。
ここに『磁場発生部』とは磁場が放射される部位のことであり，『磁場空間が形成されるように配置』とは，複数の上記磁場発生部から発せられる磁場を集中させて所望の磁場分布が得られるように配置することである。
【００１６】
上記磁場発生部は，例えば２個を向き合わせるように配置することができる（後述する実施形態例１，図１参照）。
この場合には，対向する２個の磁極を異なる極性になるように着磁することにより，磁極間に一方から他方に向かう磁場の空間が，磁場発生部１個の場合よりも大きな磁場強度で形成することができる。
【００１７】
また，４個の磁場発生部を，それぞれの磁極が１点に集中して向き合うように配置することができる（図８参照）。
この場合には，隣り合う磁極が異なる極性となるように着磁することにより，４個の磁極方向にＮ極とＳ極が交互に強くなるような多極磁場のパターンを形成することができる。
【００１８】
また，上記磁場発生部は真空断熱容器に収納された超電導体より構成され，超電導体は例えば後述するようにコールドヘッドに接触して冷却され超電導状態にある。
上記超電導体は，超電導体の磁場を発生する面と真空断熱容器の内壁面との間隔をできるだけ狭くして配設することが好ましい。これにより，より強い磁場を真空断熱容器の外部に出すことができる。
【００１９】
上記冷却装置は，例えばコールドヘッドを有する冷凍部と圧縮機とより構成することができ，上記コールドヘッドに超電導体を直接あるいは間接的に接触させて該超電導体の冷却を行うように構成することができる。
上記コールドヘッドとは圧縮機と冷凍部の作動により低温が得られる部分であり，上記超電導体は超電導遷移温度（以下Ｔｃと記す）以下に保持される。
また，上記コールドヘッドと上記超電導体とを共に上記真空断熱容器内に配設することが好ましい。これにより効率よく超電導体を冷却することができる。
【００２０】
上記冷却装置としては，ＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）冷凍機，スターリング冷凍機，パルス管冷凍機等を使用することができる。
また，上記冷却装置の圧縮機は各磁場発生部をそれぞれ冷却するように磁場発生部と同数設けてもよいし，１台で複数の磁場発生部を冷却するように構成することもできる。
【００２１】
また，上記真空排気装置は，真空断熱容器内に真空度の高い状態を形成するために，粗引き用真空ポンプを用いてある程度の真空状態を確保した後，より高性能な高真空ポンプを用いて目的とする真空状態を形成するよう構成することが好ましい。
【００２２】
上記真空排気装置としては，粗引き用として油回転ポンプ，ダイアフラムポンプ等を使用することができ，高真空用としてターボ分子ポンプ，油拡散ポンプ，クライオポンプ等を使用することができる。
【００２３】
また，上記超電導体は，例えば溶融法により作製された，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ等を含むＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超電導体（ＲＥはＹ，希土類元素，又はこれらの元素の組み合わせ）を使用することができる。
ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超電導体は，溶融法で作製することにより強力なピン止め点を無数に含ませることができるため，高い捕捉磁場性能を得ることができる。また，Ｐｔを混ぜることにより，ピン止め点をより強力にすることができる。また，ＡｇやＡｕを混ぜることにより，超電導体の機械的強度を増すことができる。
【００２４】
また，上記着磁コイルは，上記磁場発生部の個々に配設されていてもよいし，１個の着磁コイルで複数の磁場発生部の超電導体を着磁できるように構成することもできる。
また，上記着磁コイルは，超電導体の近傍であれば真空断熱容器の外部又は内部のいずれにも対しても配設することができる。
上記着磁コイルを真空断熱容器の外部に配設する場合には，上記着磁コイルが上記磁場発生部から脱着できることが好ましい。この場合には，真空断熱容器の周囲の空間を広く確保することができ，超電導体の捕捉磁場により形成された強磁場空間を有効に利用することができる。
また，上記着磁コイルは外部電源より電流を通電し，該電流により発生する磁場によって超電導体を着磁できるよう構成することができる。
【００２５】
次に，本発明の作用につき説明する。
本発明の超電導磁石装置は，複数の磁場発生部が磁場空間を形成するように互いに近接して配設されている。
よって，２個の異なる磁極を持つ磁場発生部を対向させた場合には，上述したように，両方の磁極の磁場が重なり合うので一方の磁極から遠ざかったときの磁場の減衰が少なくなる。従って，磁極表面から離れた両磁極の間に磁場発生部１個の場合よりも強力な磁場空間を実現することができる。
【００２６】
さらに，３個以上の磁場発生部を対向させた場合には，各磁極の種類（Ｎ極，Ｓ極）に対応した多極磁場のパターンを持つ強磁場空間が形成される。従って，磁場発生部１個で不可能であった種々なパターンの強磁場空間を実現することができる。
【００２７】
以上，本発明によれば，強い磁場空間を形成可能な超電導磁石装置を提供することができる。
【００２８】
また，本発明で上記磁場発生部は互いの位置関係を変更可能に配設されている。
これにより，例えば２個の磁場発生部の磁極を向かい合わせた場合には，両磁極間の距離を変えることにより磁極間磁場の強度を変化させることができる。また，同様にして磁場空間の大きさや磁場分布も変化させることができる。
また，３個以上の磁場発生部を対向させた場合には，隣り合う磁極の距離や向かい合う磁極の距離を変えることにより，多極パターンの形状や磁場強度を変化させることができる。
また，着磁コイルを磁場発生部に脱着する際には，その操作が容易である。
さらに，強磁場空間を利用する際，磁場に曝す部品や材料の取り付け取り外しが容易である。
【００２９】
次に，請求項２に記載の発明のように，上記着磁コイルはパルス電流を流すことにより上記超電導体を着磁するよう構成されていることが好ましい。
１回のパルス電流の通電時間は数秒以下とすることができるので，通電によるコイル巻き線の温度上昇を少なくすることができる。そのため，温度上昇による電気抵抗の増加で困難であった着磁コイルへの大電流の通電が可能となり，コイル巻き線の断面積を小さくしたり，コイル巻き線の巻き数を少なくしたりすることができる。従って，小型・軽量なコイルで超電導体の着磁に必要な磁場を発生することが可能となる。
【００３０】
また，上記着磁コイルは，液体窒素等の冷媒や冷凍機により室温以下に冷却されていることが望ましい。着磁コイルを冷却することにより，コイル巻き線の電気抵抗が小さくなり，断面積がより小さいコイル巻き線で同じ大きさの電流を流すことができ，着磁コイルをより小型・軽量にすることができる。
また，同じ断面積のコイル巻き線を使った場合でも，パルス電流の供給する電源を小型化できるため，装置全体をコンパクトにできる。
【００３１】
また，上記パルス電流としては，正弦波，矩形波，鋸波，コンデンサ放電波形等の波形のものを用いることができ，単発もしくは繰り返して通電することができる。
【００３２】
次に，請求項３の発明のように，上記着磁コイルは超電導線材を巻回して構成され，かつ上記着磁コイルは定常電流を流すことにより上記超電導体を着磁するよう構成されていることが好ましい。
これにより，着磁コイルに電気抵抗ゼロで比較的大きな電流を定常的に流すことができる。従って，定常磁場を印加しながら超電導体を所定の温度に冷却しその磁場を切る，いわゆるＦＣ(Field Cooling：磁場中冷却)法による着磁を可能とすることができる。
【００３３】
定常磁場によるＦＣ着磁では，超電導体の捕捉磁場性能の範囲内で印加した磁場とほぼ同じ大きさの磁場を超電導体に捕捉させることができる。即ち，材料の捕捉磁場性能を十分に引き出すことができる。
【００３４】
次に，請求項４の発明のように，上記着磁コイルは上記複数個の磁場発生部における超電導体の全てを同時に，またはいくつかを同時に着磁するよう構成されていることが好ましい。
【００３５】
これにより，後述するように，複数の超電導体を近接させた状態で同時に着磁することが可能となり，単独で着磁するよりも捕捉磁場を強くすることができる。また，超電導体を個別に着磁してから近づけた時のシールド効果の問題をなくすことができ，発生磁場部の磁極間により強い磁場空間を実現することが可能となる。
また，上記着磁コイルは，個々の磁場発生部に配設しそれらを電気的に直列に接続する構成をとることができる。この場合には，１回の着磁で複数の超電導体に磁場を捕捉させることができるので，着磁の回数を少なくすることができ，装置の操作性が向上する。
また，上記着磁コイルは，１個の着磁コイルで複数の超電導体を着磁するように配設することができる。この場合には，着磁コイルの数が少なくなるので，装置をコンパクトにすることができる。
【００３６】
次に，請求項５の記載の発明のように，上記冷却装置及び上記真空排気装置はケースに一体的に収納されていることが好ましい。
また，本発明の超電導磁石装置は，超電導体を超電導状態に維持するのに必要な低温，断熱を得るための冷却装置，真空排気装置，各種配管類等の付帯設備が，磁場空間を形成するのに必要な磁場発生部とは別のケース内に一体的に収納されている。
よって，装置全体がコンパクトであり，磁場空間を広く有効に使えて操作性が良く，また，運搬が容易である。
また，上記冷却装置と上記真空排気装置における各種配管類等が必要最小限の長さとなるよう構成することが好ましい。
【００３７】
請求項６記載の発明は，超電導遷移温度以下の温度に冷却した複数の互いの位置関係を変更可能に配設されてなる超電導体を互いに近接させた状態で，着磁コイルにより発生するパルス磁場を上記超電導体に対し同時に印加することを特徴とする超電導体の着磁方法にある。
【００３８】
本発明において最も注目すべきことは，パルス着磁の際に上記超電導体を互いに近接させておくことである。
【００３９】
ここで，「超電導体を互いに近接させる」とは，超電導体を着磁した時に１個の超電導体に捕捉された磁場が他の超電導体に届く距離まで超電導体同士を予め近づけて位置させることをいう。
例えば，２個の超電導体の場合には，超電導体の磁場を発する面を互いに向かい合わせた配置をとることができる。また，３個以上の超電導体の場合には，個々の超電導体の磁場を発する面が一点に向かうような配置をとることができる。
【００４０】
また，着磁後の捕捉された磁場の利用に関しては，超電導体の配置は着磁時のままとし，超電導体の間に形成された磁場空間をそのまま使うことができる。あるいは，超電導体間の距離や位置関係を変えて，磁場空間の形状や磁場分布，磁場強度を変化させて使うこともできる。また，複数の超電導体を完全に分離して，個別に単独の磁石として使うこともできる。
【００４１】
次に，本発明の作用及び効果について説明するために，まず，超電導体が着磁されるメカニズムを簡単に説明する。
超電導体の内部には無数のピン止め点が存在し，このピン止め点には超電導体内の磁束の動きを止める働き（ピン止め効果）がある。超電導体に磁場が印加されると，磁場が弱いときにはピン止め効果により磁場の超電導体内部への侵入が妨げられ，超電導体により磁場が排除される（シールド効果）。
【００４２】
磁場が強くなるに従い磁場は次第に超電導体の中心まで侵入するようになり，十分な磁場が侵入した後に印加された磁場が取り除かれると，今度はピン止め効果により磁場が超電導体から抜け出るのが妨げられ，磁場が超電導体に捕捉され超電導体が着磁される。
【００４３】
図９（ａ）に示すごとく，超電導体５が単独で着磁される通常の場合には，超電導体５の外部にはピン止め点５０が無いため，磁場は着磁された超電導体５の内部では表面に近づくにつれて広がるように捕捉され，超電導体５の外部では超電導体５の一方の面より反対の面にもどるように放射される。
なお，同図において符号５１が磁束線である。
【００４４】
また，超電導体５に印加される磁場がパルス磁場の場合には，パルス磁場の印加中に磁束線５１が超電導体５内部で激しく動くため，超電導体５の温度が上昇する。そのため，ピン止め力が低下し，超電導体５に捕捉される磁場は発熱の分だけ減少する。
従って，超電導体５により強い磁場空間を得るためには，超電導体５から発せられる磁場の広がりを少なくすることと，パルス着磁における捕捉磁場の減少を抑えることが必要となる。
【００４５】
次に，本発明の作用及び効果について説明する。
本発明においては，複数の超電導体を近接させた状態でパルス着磁を実施する。そのため，別の超電導体が近くに存在していることによりピン止め効果が強くなる。
【００４６】
図９（ｂ）に示すごとく，近接している超電導体５２，５３の表面近傍では磁場の広がりが少ない状態で磁場が捕捉される。また，超電導体５２，５３の発熱によるピン止め力の低下も相対的に小さくなる。
従って，超電導体５２，５３に捕捉される磁場を大きくすることができ，複数個の超電導体５２，５３を着磁後に分離しても超電導体５２，５３から発する磁場は単独で着磁する場合よりも強力にすることができる。
【００４７】
また，超電導体を互いに近接させた状態で着磁した後，超電導体の距離や位置を変えて磁場空間の形状や磁場分布，磁場強度を変化させる場合には，予め近接させた状態で着磁を行っているので，従来技術の問題点で指摘したような，単独で着磁した超電導体を近づけて磁場空間を形成する際に問題となっていた超電導体のシールド効果の影響をなくすことができ，位置関係を変えた超電導体の間に強い磁場空間を形成することが可能となる。
【００４８】
以上，本発明によれば，強い磁場空間を形成可能な超電導体の着磁方法を提供することができる。
【００４９】
次に，請求項７の発明のように，複数の上記超電導体の間に強磁性体を配置しておくことが好ましい。
この場合には，強磁性体は磁場がかかると強く磁化され，それ自体が磁場を発生するようになる。そのため，超電導体にはパルス磁場だけでなく，そのパルス磁場により磁化された強磁性体による磁場が重畳して印加される。従って，超電導体に効率よく磁場を印加することができる。
【００５０】
また，強磁性体は磁場を収束させる，いわゆるヨークの働きをする。従って，上述した，超電導体の表面近傍における磁場の広がりを少なくすることができる。
また，超電導体に印加された磁場がゼロになった後でも，残留磁化，もしくは超電導体に捕捉された磁場により誘起される磁化が強磁性体に残るので，超電導体には引き続き磁場がかかった状態が継続される。これにより，上述した発熱による捕捉磁場の減少が抑制され，より多くの磁場を捕捉することが可能となる。
【００５１】
上記強磁性体は，飽和磁化，又は残留磁化が大きいことが好ましい。
このような材料には，パーメンジュール，電磁軟鉄，ケイ素鋼等の高透磁率材料，Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ，Ｓｍ−Ｃｏ等の永久磁石材料，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｔｂ等の希土類材料がある。
【００５２】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかる超電導磁石装置につき，図１〜図５を用いて説明する。
図１及び図２に示すごとく，本例にかかる超電導磁石装置１は，真空断熱容器２０に収納された超電導体２１より構成された磁場発生部２，２９を２個備え，該磁場発生部２，２９は磁場空間２６を形成するよう互いに近接して配設されてなり，また，上記超電導体２１を着磁するための着磁コイル２５と，上記超電導体２１を冷却するための冷却装置１１と，上記真空断熱容器２０内を真空排気するための真空排気装置１２とを備えている。
そして，上記超電導磁石装置１において，冷却装置１１を稼働させることで，２個の超電導体２１を互いに近接させた状態で超電導遷移温度以下の温度に冷却できる。その後，着磁コイル２５により発生するパルス磁場を上記超電導体２１に対し同時に印加することで，上記超電導体２１を着磁することができる。
【００５３】
以下，詳細に説明する。
本例の超電導磁石装置１は，図１に示すごとく，２台の磁場発生部２，２９がケース１０の天板テーブル１００の上に磁極を近接・対向させて左右に配置されている。左側の磁場発生部２は天板テーブル１００に固定され，右側の磁場発生部２９は移動ステージ１０２のハンドル１０１を回すことにより磁極間距離ｇを０〜２００ｍｍの範囲で変えられるように設置されている。
【００５４】
図１に示すごとく，ケース１０内には，冷却装置１１，真空排気装置１２，図示を略した各種配管類等が一体に収納されている。
冷却装置１１はＧＭ冷凍機を用いており，その圧縮機１１１，１１２は左右の磁場発生部２，２９の冷却用に左右に１個ずつ配置されている。
真空排気装置１２は，粗引き用真空ポンプとして油回転ポンプ１２１，高真空用としてターボ分子ポンプ１２２を用いている。
【００５５】
図１に示すごとく，ケース１０の前面には，冷却装置１１と真空排気装置１２の制御ユニット１３が取り付けられている。
制御ユニット１３１には，電源スイッチ１３１，真空排気装置用の運転スイッチ１３２と停止スイッチ１３３，冷却装置１１の運転スイッチ１３４と停止スイッチ１３５が設けてある。
ケース１０には，可搬性を確保するためのキャスター１０９が設けてある。
【００５６】
左右それぞれの磁場発生部２，２９の冷凍部１１０には，図２に示すごとく，コールドヘッド２２５が設けてあり，コールドヘッド２２５の先端にはサファイアブロック２２３を介して超電導体２１が取り付けられている。
超電導体２１は，ホルダ２２７によりサファイアブロック２２３と共にコールドヘッド２２５にねじ止めされている。
【００５７】
超電導体２１，サファイアブロック２２３，コールドヘッド２２５はステンレス製の真空断熱容器２０内に密閉収納されており，上述した真空排気装置１２により真空排気されている。
コールドヘッド２２５の先端近傍にはＰｔ−Ｃｏ温度計２２６が取り付けられ，コールドヘッド２２５の温度が測定できるようになっている。
【００５８】
図２に示すごとく，超電導体２１の磁場を発する表面の中央にはホール素子２２１が設置されており，超電導体２１が発生する磁場が測定できるようになっている。
超電導体２１とサファイアブロック２２３との間には両者の熱接触を良くするためにインジウムシート２２２が設けてある。
サファイアブロック２２３とコールドヘッド２２５との間には高さ調整用の銅製のスペーサ２２４が設けてあり，超電導体２１と真空断熱容器２０の天井面との隙間が，断熱を保ちつつできるだけ狭くできるようになっている。
【００５９】
超電導体２１は，１５重量％のＡｇ_２Ｏ（酸化銀）と０．５重量％のＰｔ（白金）を添加して溶融法で作製したＳｍ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系を用いた。サイズは，直径３６ｍｍ×高さ１６ｍｍの円柱状である。
超電導体２１は，冷却や電磁力によるクラックの発生を防ぐため，ステレンレスリングとスタイキャストにより補強した（図示略）。
【００６０】
図２に示すごとく，着磁コイル２５は，ステンレス製のボビンに平角銅線が６８ターン巻かれたコイル巻き線からなり，外周にはステンレスリングがはめ込まれ溶接されている。リングとコイル巻き線との間隙には高熱電導性のスタイキャスト２５０が充填されている。
【００６１】
着磁コイル２５はリング状の冷媒容器２５１の内部に一体的に固定して収納されている。
冷媒容器２５１の上部には冷媒注入口２５２が設けられており，冷媒容器２５１の周囲には冷媒の蒸発を最小限に抑えるための断熱材２５３が巻かれている。
着磁コイル２５と冷媒容器２５１の全体とそれを支えるベースプレート２３４がフランジ，スタッドボルト２３５により真空断熱容器２０に対し脱着可能に固定されている。
【００６２】
図２に示すごとく，着磁コイル２５にはパーメンジュール製の強磁性体２３が固定プレート２３１を介して固定ボルト２３２により脱着可能に固定され，真空断熱容器２０の天井面２００を挟んで超電導体２１と対向するように配置されている。
強磁性体２３の反対側の面は凸部２３０になっており，固定プレート２３１と同一平面をなすように構成されている。
【００６３】
固定プレート２３１の外縁部には，着磁後に磁化した超電導体２１との引力に打ち勝って強磁性体２３と固定プレート２３１の全体を着磁コイル２５から分離するための取り外しボルト２３３が設けてある。
【００６４】
図２に示すごとく，取り外しボルト２３３の固定プレート２３１側は段のついた丸棒状で回転できるように固定プレート２３１にはまっており，ベースプレート２３４側はねじになっており，ベースプレート２３４にねじ込まれている。
取り外しボルト２３３を回すと，固定プレート２３１がベースプレート２３４に対して引き離される。
２個の磁場発生部２の真空断熱容器２００の内部と着磁コイル２５の構造は左右対称になっている。
【００６５】
移動ステージ１０２を操作して，図３に示すごとく，左右の磁場発生部２，２９を固定プレート２３１が接触するまで近づけると，左右の強磁性体２３が凸部２３０で接触してつながるようになる。この状態で左右の着磁コイル２５に同時に電流を流すことにより，近接した超電導体２１の間に強磁性体２３を配置して着磁をすることができる。
【００６６】
図４に示すごとく，強磁性体２３と固定プレート２３１を着磁コイル２５から取り外し，１個の着磁コイル２５の中で左右の磁場発生部２，２９の磁極を接触させた状態で着磁コイル２５に電流を流した。
超電導体２１を最も近接させた状態で着磁をすることができる。
この場合には，着磁コイル２５の中心に対して左右の超電導体２１が対称の位置になるように，左右のスタッドボルト２３６は図１〜図３にかかる図面に示したものと同形で長さを変えたものを使用する。
【００６７】
次に，超電導磁石装置１の作動について説明する。
電源スイッチを入れ，真空排気装置１２の運転スイッチをＯＮにすることで，まず油回転ポンプ１２１が作動し，真空断熱容器２０内が予備排気される。一定時間後にターボ分子ポンプ１２２が作動し真空断熱容器２０内が高真空まで排気される。
【００６８】
冷却装置１１の運転スイッチをＯＮにすることにより冷凍部１１０が作動し，コールドヘッド２２５が３２Ｋ以下まで冷却される。
目的に応じて，着磁コイル２５を左右の磁場発生部２のそれぞれに取り付けたり，図３のように左右の着磁コイル２５を連結したり，図４のように１個の着磁コイル２５の中に左右の磁極が入るように取り付けたりする。
【００６９】
冷媒容器２５１に液体窒素を入れて着磁コイル２５を７７Ｋに冷却した後，パルス電源より着磁コイル２５にパルス電流を通電し，発生したパルス磁場により超電導体２１を着磁する。
【００７０】
強磁性体２３が取り付いている場合には，固定ボルト２３２を外した後，取り外しボルトを回すことにより強磁性体２３と固定プレートを対向している超電導体２１から引き離す。
スタッドボルト２３６のナットを外して冷媒容器２５１ごと着磁コイル２５を取り外し，左右の磁場発生部２，２９の磁極間に強い磁場空間２６を得る。
【００７１】
本例にかかる超電導磁石装置１における，左右の磁場発生部２，２９の磁極間の磁場分布例を，図１に示すごとく，磁場発生部２，２９が磁極間距離ｇ＝２０ｍｍで近接している場合について測定し，図５に示す。
本例にかかる超電導磁石装置１において，左右の磁場発生部２，２９は，磁極がそれぞれＮ極とＳ極になるように着磁コイル２５に電流を流し着磁を行っている。縦軸は磁極の中心軸上の磁束密度であり，横軸は左側の超電導体２１の表面からの距離である。
【００７２】
図中，実線Ｃは対向磁極間の発生磁場分布であり，破線Ａ，Ｂは磁場発生部が単独である場合の磁場分布である。単独の場合には磁極の表面から離れるに従い発生磁場は急激に小さくなるのに対し，本例では磁極間中央近傍に極小部を持つ形状の強い磁場空間が得られるのがわかる。
また，磁極間の距離を小さくすることにより磁場分布の形状を保ったまま磁場強度を強くすることができる。
【００７３】
本例の作用効果について説明する。
本例の超電導磁石装置１は，２個の磁場発生部２，２９が磁場空間を形成するように互いに近接して配設されている。よって，両方の磁極の磁場が重なり合うので一方の磁極から遠ざかったときの磁場の減衰が少なくなる。従って，磁極表面から離れた両磁極の間に磁場発生部が１個の場合よりも強力な磁場空間を実現することができる（実施形態例２参照）。
【００７４】
以上，本例によれば，強い磁場空間を形成可能な超電導磁石装置を提供することができる。
【００７５】
実施形態例２
本発明の超電導磁石装置に適用する超電導体の着磁方法について説明する。
本例の着磁方法は，図４に示すように，２個の超電導体２１を近接させた状態で，着磁コイル２５により発生するパルス磁場を同時に印加する着磁方法である。
【００７６】
本例では，図１，図２にかかる超電導磁石装置１を用い，超電導体２１により形成される磁場について説明する。
冷凍機１１０で３２Ｋに冷却された左右の磁場発生部２，２９にある２個の超電導体２１を，図４に示すように１個の着磁コイル２５内に近接して配置し，パルス着磁を行った。
この着磁により超電導体２１に捕捉される磁場を評価した。
また，比較のため，図１，図２において強磁性体２３を外した着磁コイル２５を用いて，１個の超電導体２１をパルス着磁したときの捕捉磁場も評価した。
【００７７】
超電導体２１は，１５重量％のＡｇ_２Ｏ（酸化銀）と０．５重量％のＰｔ（白金）を添加して溶融法で作製したＳｍ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系で，サイズは直径３６×高さ１６ｍｍの円柱形である。
超電導体２１の周囲には外形４３ｍｍのステレンレスリングをはめ，その間隙をスタイキャストで充填した。左右の超電導体２１間の距離は８ｍｍとした。
着磁コイル２５は６８ターンで，液体窒素で冷却した。
【００７８】
パルス着磁は，まず印加磁場の強度が次第に大きくなるように繰り返してパルス磁場を印加し，捕捉磁場が減少し始めた後，今度は磁場強度を小さくしながらさらに繰り返して印加した。
着磁終了後，２個の超電導体を引き離して，単独で着磁した場合との比較をした。この一連のパルス着磁過程における捕捉磁場の履歴を，左右それぞれの超電導体表面に配置してあるホール素子で測定した。
【００７９】
図６に，超電導磁石装置１の右側の超電導体における捕捉磁場の履歴を示す。図中の矢印は印加したパルス磁場の順番を表し，最終の縦軸との交点は２個の超電導体２１を引き離した状態を表す。
これより，２個の超電導体２１を近接して着磁した場合には，着磁後，超電導体２１を引き離すことにより捕捉磁場は僅かに減少するが，単独で着磁した場合の約１．３倍の捕捉磁場が得られることがわかる。
以上より，本発明にかかる超電導体の着磁方法によれば，超電導体の捕捉磁場が向上することが確認できた。
【００８０】
実施形態例３
本例では，図３に示すように，超電導体２１の間に強磁性体２３を配置した状態でパルス着磁を行った時の捕捉磁場を測定した。
また，比較のため，図３のコイル配置で強磁性体２３を取り外してパルス着磁を行った時の捕捉磁場も測定した。
強磁性体２３としてはパーメンジュールを用い，サイズは直径４０ｍｍ×高さ３７ｍｍの円柱状である。
【００８１】
使用した超電導体２１，着磁コイル２５，パルス着磁の仕方等は，実施形態例２と同様で，図７に，右側の超電導体２１における捕捉磁場の履歴を示す。
最終の縦軸との交点は，強磁性体２３を取り外して２個の超電導体２１を分離した状態を表す。これより，２個の超電導体２１間に強磁性体２３を配置して着磁を行った場合には，強磁性体２３を用いない場合よりも捕捉磁場は約１．３倍強くなることがわかる。また，本例での最終の捕捉磁場２．８Ｔは，実施形態例２の２個の超電導体２１を近接させた場合の２．４Ｔより大きく，単純に超電導体２１を近接させるより強磁性体２３を間に配置した方が捕捉磁場を増加させる効果が大きいことがわかる。
【００８２】
実施形態例４
本例は，４個の磁場発生部２を有し，それぞの磁極が１点に集中して向き合うように配置された超電導磁石装置である。それぞれの磁場発生部２には実施形態例１で示したような移動ステージが設けられており，向かい合う磁極間の距離を変えられるように構成されている。
【００８３】
図８に，隣り合う磁極が異なる極性となるように着磁し，４個の磁極で囲まれた空間が正方形となるように磁場発生部２の位置関係を調節したときの発生磁場分布を示す。これより，各磁極の極性に対応した４極の磁場パターンを持つ強磁場空間が形成されるのがわかる。
また，４個の磁極間の位置関係を変えることにより，４極磁場パターンの形状や磁場強度を変化させることができる。
【００８４】
【発明の効果】
上述のごとく，本発明によれば，強い磁場空間を形成可能な超電導磁石装置及び超電導体の着磁方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，超電導磁石装置の構成を示す説明図。
【図２】実施形態例１における，磁場発生部の要部説明図。
【図３】実施形態例１における，強磁性体を介して二つの磁場発生部を接触させた状態を示す説明図。
【図４】実施形態例１における，二つの磁場発生部を接触させた状態を示す説明図。
【図５】実施形態例１における，磁束密度と左側の超電導体からの距離との関係を示す線図。
【図６】実施形態例２における，捕捉磁場と印加磁場との関係を示す線図。
【図７】実施形態例３における，捕捉磁場と印加磁場との関係を示す線図。
【図８】実施形態例４における，４つの磁場発生部とこれらにより形成される磁場空間の説明図。
【図９】（ａ）１つの超電導体が着磁された場合の説明図，（ｂ）２つの超電導体が着磁された場合の説明図。
【符号の説明】
１．．．超電導磁石装置，
１０．．．ケース，
１１．．．冷却装置，
１２．．．真空排気装置，
２，２９．．．磁場発生部，
２０．．．真空断熱容器，
２１．．．超電導体，
２６．．．磁場空間，[0001]
【Technical field】
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for various devices requiring a strong magnetic field, such as a magnetic field generator, a magnetizer, a magnetic separator, a magnetic field press, a nuclear magnetic resonance (NMR) device, a generator and a motor. The present invention relates to a superconducting magnet device in which a high magnetic field is captured by a superconductor having a shape (lump) to form a magnet, and a method of magnetizing the superconductor.
[0002]
[Prior art]
RE-Ba-Cu-O-based high-temperature superconductors (RE is Y or a rare earth element) manufactured by the melting method can capture a large magnetic field exceeding 1 Tesla, and a conventional permanent magnet It is known that the performance of the magnet will surpass.
[0003]
In recent years, this superconducting bulk magnet has been used as a magnet device in various devices requiring a strong magnetic field, such as a magnetic field generator, a magnetizer, a magnetic separator, a magnetic field press, a nuclear magnetic resonance (NMR) device, a generator and a motor. Use is beginning to be considered.
[0004]
Examples of such a magnet device using a high-temperature superconductor and a method of magnetizing the superconductor include, for example,
JP-A-6-168823 (Document 1),
JP-A-10-012429 (Reference 2),
Japanese Patent Application No. 10-100306 (Reference 3),
Japanese Patent Application No. 11-083854 (Reference 4),
Are disclosed.
[0005]
According to Document 1, after a high-temperature superconductor is cooled in a refrigerant, a pulse magnetic field is applied to the superconductor by applying a pulse current to a magnetizing coil arranged around the high-temperature superconductor. As a result, the superconductor captures a magnetic field by a so-called pinning effect and becomes a strong magnet.
[0006]
According to the pulse magnetization method, the superconductor is very simply compared with a conventional magnetization method using a static magnetic field such as a FC (Field Cooling) method or a ZFC (Zero Field Cooling) method. Can be magnetized, and the superconducting magnet device using this method can be made compact.
[0007]
Further, in the above-mentioned Document 2, there is disclosed a method of cooling a superconductor by a refrigerator instead of a refrigerant. The magnetic field captured by the superconductor increases as the temperature decreases, and the generated magnetic field as a magnet increases. Therefore, the performance of the magnet device is improved by this method.
[0008]
Further, the above-mentioned document 3 discloses a superconducting magnet device in which auxiliary equipment such as a superconductor cooling device and a vacuum exhaust device is compactly housed in a case and a large magnetic field generating space is secured by the superconductor.
[0009]
Reference 4 discloses a magnetization method in which pulse magnetization is performed in a state where a ferromagnetic substance is brought close to a superconductor. According to this method, a larger magnetic field can be captured by the superconductor than when no ferromagnetic material is used.
[0010]
[Problem to be solved]
However, the conventional superconducting magnet apparatus and the conventional method for magnetizing a superconductor have the following problems.
First, since the magnetic field generated from the superconductor is generated by a superconducting current flowing concentrically in the superconductor in a macroscopic view, the magnetic field intensity decreases exponentially as the distance from the superconductor increases.
Therefore, there is a problem that a strong magnetic field can be obtained only in the vicinity of the superconductor.
[0011]
Further, since the superconductor becomes a magnet by capturing the magnetic field, the intensity of the generated magnetic field cannot be changed in principle after magnetization.
In addition, the intensity of the magnetic field captured by the superconductor is insufficient with the conventional magnetizing method using a pulse magnetic field.
[0012]
Furthermore, if the superconductors individually magnetized by the conventional method are brought close to each other to form a strong magnetic field space between them, the magnetic field of one superconductor is eliminated by the shielding effect of the other superconductor, so the addition of the magnetic field There was a problem that the matching could not be established and a magnetic field space of the expected strength could not be realized between the two.
[0013]
The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a superconducting magnet device and a method of magnetizing a superconductor capable of forming a strong magnetic field space.
[0014]
[Means for solving the problem]
According to the first aspect of the present invention, there are provided a plurality of magnetic field generators each composed of a superconductor housed in a vacuum insulated container, and the magnetic field generators are not disposed close to each other so as to form a magnetic field space.In addition, the magnetic field generators are arranged so that their mutual positional relationship can be changed.
Further, it is provided with a magnetizing coil for magnetizing the superconductor, a cooling device for cooling the superconductor, and a vacuum exhaust device for evacuating the inside of the vacuum insulated container. Superconducting magnet device.
[0015]
The most remarkable thing in the superconducting magnet device of the present invention is that a plurality of magnetic field generating units are arranged close to each other so as to form a magnetic field space.
Here, the “magnetic field generating part” is a part from which a magnetic field is radiated, and “arranged so as to form a magnetic field space” means that a magnetic field generated from a plurality of the magnetic field generating parts is concentrated to a desired level. The arrangement is such that a magnetic field distribution is obtained.
[0016]
The magnetic field generators can be arranged, for example, such that two magnetic field generators face each other (see Embodiment 1 and FIG. 1 described later).
In this case, by magnetizing the two opposing magnetic poles so that they have different polarities, the space of the magnetic field from one side to the other between the magnetic poles has a larger magnetic field strength than that of a single magnetic field generating unit. Can be formed.
[0017]
Further, the four magnetic field generators can be arranged such that the respective magnetic poles face one point (see FIG. 8).
In this case, by magnetizing the magnetic poles so that adjacent magnetic poles have different polarities, it is possible to form a multi-pole magnetic field pattern in which N poles and S poles are alternately strengthened in four magnetic pole directions. .
[0018]
Further, the magnetic field generating section is constituted by a superconductor housed in a vacuum insulated container, and the superconductor is cooled by contacting a cold head, for example, as described later, and is in a superconductive state.
It is preferable that the superconductor is disposed so that the distance between the surface of the superconductor generating the magnetic field and the inner wall surface of the vacuum insulated container is as small as possible. Thereby, a stronger magnetic field can be emitted outside the vacuum insulated container.
[0019]
The cooling device may be composed of, for example, a refrigeration unit having a cold head and a compressor, and configured to cool the superconductor by directly or indirectly contacting the superconductor with the cold head. Can be.
The cold head is a portion where a low temperature is obtained by the operation of the compressor and the refrigeration unit, and the superconductor is maintained at a superconducting transition temperature (hereinafter referred to as Tc) or lower.
It is preferable that both the cold head and the superconductor are disposed in the vacuum heat insulating container. Thereby, the superconductor can be efficiently cooled.
[0020]
As the cooling device, a GM (Gifford-McMahon) refrigerator, a Stirling refrigerator, a pulse tube refrigerator, or the like can be used.
Further, the same number of compressors of the cooling device as the number of magnetic field generating units may be provided so as to cool each magnetic field generating unit, or a single unit may be configured to cool a plurality of magnetic field generating units.
[0021]
In order to form a high degree of vacuum in the vacuum insulated container, the above vacuum evacuation device uses a roughing vacuum pump to secure a certain degree of vacuum, and then uses a more sophisticated high vacuum pump. It is preferable to form a desired vacuum state.
[0022]
As the vacuum evacuation device, an oil rotary pump, a diaphragm pump, or the like can be used for roughing, and a turbo molecular pump, an oil diffusion pump, a cryopump, or the like can be used for high vacuum.
[0023]
For the superconductor, a RE-Ba-Cu-O-based superconductor containing Ag, Au, Pt, or the like (RE is Y, a rare earth element, or a combination of these elements) produced by, for example, a melting method is used. can do.
The RE-Ba-Cu-O-based superconductor can include a myriad of strong pinning points by being produced by a melting method, and thus can obtain high trapping magnetic field performance. Also, by mixing Pt, the pinning point can be made stronger. Further, by mixing Ag or Au, the mechanical strength of the superconductor can be increased.
[0024]
Further, the magnetizing coils may be provided individually for the magnetic field generating units, or may be configured such that a single magnetizing coil can magnetize superconductors of a plurality of magnetic field generating units. .
In addition, the magnetizing coil can be disposed outside or inside the vacuum insulated container as long as it is near the superconductor.
When the magnetizing coil is provided outside the vacuum heat insulating container, it is preferable that the magnetizing coil can be detached from the magnetic field generator. In this case, a large space around the vacuum heat insulating container can be ensured, and the strong magnetic field space formed by the magnetic field captured by the superconductor can be effectively used.
The magnetizing coil may be configured so that a current is supplied from an external power supply and the superconductor is magnetized by a magnetic field generated by the current.
[0025]
Next, the operation of the present invention will be described.
In the superconducting magnet device according to the present invention, a plurality of magnetic field generating units are arranged close to each other so as to form a magnetic field space.
Therefore, when the magnetic field generating sections having two different magnetic poles are opposed to each other, the magnetic fields of both magnetic poles overlap as described above, so that the attenuation of the magnetic field when moving away from one magnetic pole decreases. Therefore, a stronger magnetic field space can be realized between the two magnetic poles separated from the magnetic pole surface than in the case of a single magnetic field generating unit.
[0026]
Further, when three or more magnetic field generating units are opposed to each other, a strong magnetic field space having a multi-pole magnetic field pattern corresponding to the type of each magnetic pole (N pole, S pole) is formed. Therefore, it is possible to realize a strong magnetic field space of various patterns that cannot be realized by one magnetic field generating unit.
[0027]
As described above, according to the present invention, a superconducting magnet device capable of forming a strong magnetic field space can be provided.
[0028]
In the present invention,The magnetic field generators are arranged so that their positional relationship can be changed.You.
Thus, for example, when the magnetic poles of the two magnetic field generating units face each other, the intensity of the magnetic field between the magnetic poles can be changed by changing the distance between the two magnetic poles. Similarly, the size of the magnetic field space and the magnetic field distribution can be changed.
When three or more magnetic field generating units are opposed to each other, the shape of the multipole pattern and the magnetic field strength can be changed by changing the distance between the adjacent magnetic poles and the distance between the opposite magnetic poles.
In addition, when the magnetizing coil is detached from the magnetic field generator, the operation is easy.
Furthermore, when using a strong magnetic field space, it is easy to attach and detach parts and materials exposed to the magnetic field.
[0029]
Next, the claim2Preferably, the magnetizing coil is configured to magnetize the superconductor by passing a pulse current.
Since the energization time of one pulse current can be set to several seconds or less, the temperature rise of the coil winding due to energization can be reduced. This makes it possible to supply a large current to the magnetized coil, which was difficult due to the increase in electrical resistance due to temperature rise, and to reduce the cross-sectional area of the coil winding and the number of turns of the coil winding. Can be. Therefore, it is possible to generate a magnetic field required for magnetizing the superconductor with a small and lightweight coil.
[0030]
Further, it is desirable that the magnetized coil is cooled to a room temperature or lower by a refrigerant such as liquid nitrogen or a refrigerator. By cooling the magnetized coil, the electric resistance of the coil winding is reduced, and the same amount of current can flow through the coil winding having a smaller cross-sectional area, making the magnetized coil smaller and lighter. Can be.
Further, even when coil windings having the same cross-sectional area are used, the power supply for supplying the pulse current can be reduced in size, so that the entire device can be made compact.
[0031]
The pulse current may have a waveform such as a sine wave, a rectangular wave, a sawtooth wave, and a capacitor discharge waveform, and may be energized once or repeatedly.
[0032]
Next, the claim3Preferably, the magnetizing coil is formed by winding a superconducting wire, and the magnetizing coil is configured to magnetize the superconductor by flowing a steady current.
This allows a relatively large current to flow constantly through the magnetized coil with zero electrical resistance. Therefore, the superconductor can be cooled to a predetermined temperature while applying a steady magnetic field, and the magnetic field can be cut off, that is, magnetization by a so-called FC (Field Cooling: magnetic field cooling) method can be performed.
[0033]
In the FC magnetization using a steady magnetic field, a magnetic field having substantially the same magnitude as the magnetic field applied within the range of the trapping magnetic field performance of the superconductor can be captured by the superconductor. That is, it is possible to sufficiently bring out the trapping magnetic field performance of the material.
[0034]
Next, the claim4Preferably, the magnetizing coil is configured to magnetize all or some of the superconductors in the plurality of magnetic field generators at the same time.
[0035]
As a result, as described later, it is possible to simultaneously magnetize a plurality of superconductors in a state of being close to each other, and it is possible to increase the trapped magnetic field as compared to magnetizing alone. In addition, it is possible to eliminate the problem of the shielding effect when the superconductors are individually magnetized and then approached, thereby realizing a stronger magnetic field space between the magnetic poles of the generated magnetic field.
Further, the magnetizing coil can be arranged in each magnetic field generating section and electrically connected in series. In this case, since the magnetic field can be captured by a plurality of superconductors by one magnetization, the number of times of magnetization can be reduced, and the operability of the device is improved.
The magnetizing coil can be arranged so that a single magnetizing coil magnetizes a plurality of superconductors. In this case, since the number of magnetized coils is reduced, the device can be made compact.
[0036]
Next, the claim5It is preferable that the cooling device and the evacuation device are integrally housed in a case as in the invention described in the above item.
In the superconducting magnet device of the present invention, a cooling device for obtaining the low temperature and heat insulation necessary for maintaining the superconductor in the superconducting state, a vacuum exhaust device, and various facilities such as various pipes form a magnetic field space. This is housed integrally in a case separate from the magnetic field generator required for this.
Therefore, the whole device is compact, the magnetic field space can be used widely and effectively, the operability is good, and the transportation is easy.
In addition, it is preferable that various pipes and the like in the cooling device and the evacuation device have a minimum length.
[0037]
Claim6The described invention is a method for cooling a plurality of superconducting transition temperatures.It is arranged so that the mutual positional relationship can be changedA superconductor magnetizing method characterized in that a pulse magnetic field generated by a magnetizing coil is simultaneously applied to the superconductor while the superconductors are close to each other.
[0038]
What is most remarkable in the present invention is that the superconductors are brought close to each other during pulse magnetization.
[0039]
Here, “to bring the superconductors close to each other” means that the superconductors are brought close to each other in advance until the magnetic field captured by one superconductor reaches another superconductor when the superconductor is magnetized. Say.
For example, in the case of two superconductors, the superconductors can be arranged such that the surfaces of the superconductors that emit a magnetic field face each other. In the case of three or more superconductors, an arrangement can be employed in which the surface of each superconductor that emits a magnetic field faces one point.
[0040]
Further, regarding the use of the captured magnetic field after the magnetization, the arrangement of the superconductors can be left as it is at the time of magnetization, and the magnetic field space formed between the superconductors can be used as it is. Alternatively, the shape and the magnetic field distribution of the magnetic field space and the magnetic field strength can be changed by changing the distance and the positional relationship between the superconductors. Also, a plurality of superconductors can be completely separated and used individually as individual magnets.
[0041]
Next, in order to explain the function and effect of the present invention, first, a mechanism of magnetizing the superconductor will be briefly described.
There are countless pinning points inside the superconductor, and these pinning points have the function of stopping the movement of magnetic flux in the superconductor (pinning effect). When a magnetic field is applied to the superconductor, when the magnetic field is weak, the penetration of the magnetic field into the superconductor is prevented by the pinning effect, and the magnetic field is eliminated by the superconductor (shield effect).
[0042]
As the magnetic field becomes stronger, the magnetic field gradually penetrates to the center of the superconductor, and if the applied magnetic field is removed after the sufficient magnetic field has entered, the pinning effect prevents the magnetic field from exiting the superconductor. Then, the magnetic field is captured by the superconductor and the superconductor is magnetized.
[0043]
As shown in FIG. 9A, in the normal case where the superconductor 5 is magnetized alone, there is no pinning point 50 outside the superconductor 5, and therefore the magnetic field is generated by the magnetized superconductor 5. Inside, it is trapped so as to spread as it approaches the surface, and outside the superconductor 5, it is radiated so as to return to a surface opposite to one surface of the superconductor 5.
Note that, in the figure, reference numeral 51 denotes a magnetic flux line.
[0044]
When the magnetic field applied to the superconductor 5 is a pulse magnetic field, the temperature of the superconductor 5 rises because the magnetic flux lines 51 move violently inside the superconductor 5 during the application of the pulse magnetic field. Therefore, the pinning force is reduced, and the magnetic field captured by the superconductor 5 is reduced by the heat.
Therefore, in order to obtain a stronger magnetic field space by the superconductor 5, it is necessary to reduce the spread of the magnetic field emitted from the superconductor 5 and to suppress the decrease in the trapped magnetic field in pulse magnetization.
[0045]
Next, the operation and effect of the present invention will be described.
In the present invention, pulse magnetization is performed with a plurality of superconductors brought close to each other. Therefore, the pinning effect is enhanced by the presence of another superconductor nearby.
[0046]
As shown in FIG. 9B, near the surfaces of the superconductors 52 and 53 that are close to each other, the magnetic field is captured with a small spread of the magnetic field. Further, the decrease in the pinning force due to the heat generated by the superconductors 52 and 53 is relatively small.
Therefore, the magnetic field captured by the superconductors 52 and 53 can be increased, and even when the plurality of superconductors 52 and 53 are separated after being magnetized, the magnetic field generated from the superconductors 52 and 53 is magnetized alone. Can be more powerful.
[0047]
When the superconductors are magnetized in close proximity to each other, and the distance and position of the superconductors are changed to change the shape of the magnetic field space, the magnetic field distribution, and the magnetic field strength, the magnets should be magnetized in close proximity in advance. In order to eliminate the influence of the shielding effect of the superconductor, which was a problem when forming a magnetic field space by bringing a single-magnetized superconductor close to each other as pointed out in the problem of the prior art, This makes it possible to form a strong magnetic field space between the superconductors whose positional relationship has been changed.
[0048]
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a method for magnetizing a superconductor capable of forming a strong magnetic field space.
[0049]
Next, the claim7It is preferable to arrange a ferromagnetic material between the plurality of superconductors as in the invention of the first aspect.
In this case, the ferromagnetic material is strongly magnetized when a magnetic field is applied, and generates a magnetic field by itself. Therefore, not only a pulse magnetic field but also a magnetic field of a ferromagnetic material magnetized by the pulse magnetic field is applied to the superconductor in a superimposed manner. Therefore, a magnetic field can be efficiently applied to the superconductor.
[0050]
The ferromagnetic material functions as a so-called yoke for converging the magnetic field. Therefore, the spread of the magnetic field near the surface of the superconductor as described above can be reduced.
In addition, even after the magnetic field applied to the superconductor becomes zero, the residual magnetization or the magnetization induced by the magnetic field trapped by the superconductor remains in the ferromagnetic material, so that the magnetic field was continuously applied to the superconductor. The state continues. As a result, the decrease in the trapped magnetic field due to the above-described heat generation is suppressed, and it is possible to trap more magnetic fields.
[0051]
The ferromagnetic material preferably has a large saturation magnetization or a large residual magnetization.
Examples of such a material include high permeability materials such as permendur, electromagnetic soft iron and silicon steel; permanent magnet materials such as Nd-Fe-B and Sm-Co; and rare earth materials such as Gd, Dy and Tb.
[0052]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiment 1
FIGS. 1 to 3 show a superconducting magnet device according to an embodiment of the present invention.FIG.This will be described with reference to FIG.
As shown in FIGS. 1 and 2, the superconducting magnet device 1 according to the present embodiment includes two magnetic field generators 2 and 29 each including a superconductor 21 housed in a vacuum insulated container 20. , 29 are disposed close to each other so as to form a magnetic field space 26. A magnetizing coil 25 for magnetizing the superconductor 21 and a cooling device 11 for cooling the superconductor 21 are provided. And a vacuum exhaust device 12 for evacuating the inside of the vacuum insulated container 20.
By operating the cooling device 11 in the superconducting magnet device 1, it is possible to cool the superconducting magnet 21 to a temperature lower than the superconducting transition temperature in a state where the two superconductors 21 are close to each other. Thereafter, by applying a pulse magnetic field generated by the magnetizing coil 25 to the superconductor 21 at the same time, the superconductor 21 can be magnetized.
[0053]
The details are described below.
As shown in FIG. 1, the superconducting magnet device 1 of the present embodiment has two magnetic field generators 2 and 29 arranged on the top table 100 of the case 10 with their magnetic poles approaching and facing each other on the left and right sides. The left magnetic field generator 2 is fixed to the top table 100, and the right magnetic field generator 29 is installed so that the distance g between the magnetic poles can be changed in the range of 0 to 200 mm by turning the handle 101 of the moving stage 102. I have.
[0054]
As shown in FIG. 1, a cooling device 11, a vacuum exhaust device 12, various pipes (not shown) and the like are integrally accommodated in a case 10.
The cooling device 11 uses a GM refrigerator, and the compressors 111 and 112 are disposed one by one on the left and right sides for cooling the left and right magnetic field generating units 2 and 29.
The vacuum evacuation device 12 uses an oil rotary pump 121 as a roughing vacuum pump and a turbo molecular pump 122 as a high vacuum.
[0055]
As shown in FIG. 1, a control unit 13 of a cooling device 11 and a vacuum exhaust device 12 is mounted on a front surface of the case 10.
The control unit 131 is provided with a power switch 131, an operation switch 132 and a stop switch 133 for an evacuation device, and an operation switch 134 and a stop switch 135 of the cooling device 11.
The case 10 is provided with casters 109 for ensuring portability.
[0056]
As shown in FIG. 2, a cold head 225 is provided in the refrigerating units 110 of the left and right magnetic field generating units 2 and 29, and a superconductor 21 is attached to a tip of the cold head 225 via a sapphire block 223. I have.
The superconductor 21 is screwed together with the sapphire block 223 to the cold head 225 by a holder 227.
[0057]
The superconductor 21, the sapphire block 223, and the cold head 225 are hermetically housed in a vacuum insulation container 20 made of stainless steel, and are evacuated by the above-described evacuation device 12.
A Pt-Co thermometer 226 is attached near the tip of the cold head 225 so that the temperature of the cold head 225 can be measured.
[0058]
As shown in FIG. 2, a Hall element 221 is provided at the center of the surface of the superconductor 21 that emits a magnetic field, so that the magnetic field generated by the superconductor 21 can be measured.
An indium sheet 222 is provided between the superconductor 21 and the sapphire block 223 to improve thermal contact between the two.
A copper spacer 224 for height adjustment is provided between the sapphire block 223 and the cold head 225 so that the gap between the superconductor 21 and the ceiling surface of the vacuum insulation container 20 can be made as narrow as possible while maintaining heat insulation. It has become.
[0059]
The superconductor 21 is composed of 15% by weight of Ag.₂An Sm-Ba-Cu-O system prepared by adding O (silver oxide) and 0.5% by weight of Pt (platinum) by a melting method was used. The size is a column with a diameter of 36 mm and a height of 16 mm.
The superconductor 21 was reinforced by stellen wrestling and stycasting (not shown) in order to prevent cracks due to cooling and electromagnetic force.
[0060]
As shown in FIG. 2, the magnetizing coil 25 is formed of a coil winding in which a rectangular copper wire is wound on a stainless steel bobbin for 68 turns, and a stainless steel ring is fitted on the outer periphery and welded. The gap between the ring and the coil winding is filled with stycast 250 having high thermal conductivity.
[0061]
The magnetizing coil 25 is integrally fixed and housed inside the ring-shaped refrigerant container 251.
A refrigerant injection port 252 is provided at an upper portion of the refrigerant container 251, and a heat insulating material 253 for minimizing evaporation of the refrigerant is wound around the refrigerant container 251.
The entirety of the magnetizing coil 25 and the refrigerant container 251 and the base plate 234 supporting the same are detachably fixed to the vacuum heat insulating container 20 by flanges and stud bolts 235.
[0062]
As shown in FIG. 2, a ferromagnetic material 23 made of permendur is fixed to the magnetized coil 25 by a fixing bolt 232 via a fixing plate 231 so as to be detachable. It is arranged so as to face the body 21.
The surface on the opposite side of the ferromagnetic material 23 is a convex portion 230, and is configured to be flush with the fixed plate 231.
[0063]
A detachment bolt 233 is provided on the outer edge of the fixed plate 231 to separate the ferromagnetic body 23 and the entire fixed plate 231 from the magnetized coil 25 by overcoming the attractive force of the superconductor 21 magnetized after the magnetization. .
[0064]
As shown in FIG. 2, the fixing plate 231 side of the removal bolt 233 is fitted in the fixing plate 231 so as to be rotatable in a round bar shape with a step, and the base plate 234 side is a screw, and is screwed into the base plate 234. I have.
When the removal bolt 233 is turned, the fixing plate 231 is separated from the base plate 234.
The inside of the vacuum heat insulating container 200 of the two magnetic field generating units 2 and the structure of the magnetizing coil 25 are symmetrical.
[0065]
When the moving stage 102 is operated to bring the left and right magnetic field generators 2 and 29 close to each other until the fixed plate 231 comes into contact as shown in FIG. Become. In this state, by passing a current through the left and right magnetizing coils 25 at the same time, it is possible to arrange the ferromagnetic material 23 between the adjacent superconductors 21 and perform magnetizing.
[0066]
As shown in FIG. 4, the ferromagnetic material 23 and the fixed plate 231 are removed from the magnetizing coil 25, and the magnetizing is performed in a state where the magnetic poles of the left and right magnetic field generators 2 and 29 are brought into contact in one magnetizing coil 25. An electric current was applied to the coil 25.
Magnetization can be performed in a state where the superconductor 21 is closest to the superconductor 21.
In this case, the left and right stud bolts 236 have the same shape and length as those shown in FIGS. 1 to 3 so that the left and right superconductors 21 are located symmetrically with respect to the center of the magnetized coil 25. Use a different one.
[0067]
Next, the operation of the superconducting magnet device 1 will be described.
When the power switch is turned on and the operation switch of the vacuum exhaust device 12 is turned on, first, the oil rotary pump 121 operates, and the inside of the vacuum insulated container 20 is pre-evacuated. After a certain period of time, the turbo molecular pump 122 operates to evacuate the vacuum insulated container 20 to a high vacuum.
[0068]
When the operation switch of the cooling device 11 is turned on, the refrigeration unit 110 operates, and the cold head 225 is cooled to 32K or less.
Depending on the purpose, the magnetizing coil 25 is attached to each of the left and right magnetic field generating units 2, the left and right magnetizing coils 25 are connected as shown in FIG. 3, or one magnetizing coil 25 is used as shown in FIG. The left and right magnetic poles are installed so that they fit inside.
[0069]
After cooling the magnetizing coil 25 to 77K by putting liquid nitrogen into the refrigerant container 251, a pulse current is applied to the magnetizing coil 25 from a pulse power source, and the superconductor 21 is magnetized by the generated pulse magnetic field.
[0070]
When the ferromagnetic body 23 is attached, the fixing bolt 232 is removed, and then the ferromagnetic body 23 and the fixing plate are separated from the facing superconductor 21 by turning the removal bolt.
The nut of the stud bolt 236 is removed and the magnetized coil 25 is removed together with the refrigerant container 251 to obtain a strong magnetic field space 26 between the magnetic poles of the left and right magnetic field generators 2 and 29.
[0071]
An example of the magnetic field distribution between the magnetic poles of the left and right magnetic field generating units 2 and 29 in the superconducting magnet device 1 according to the present embodiment is shown in FIG. Fig. 5
In the superconducting magnet device 1 according to the present example, the left and right magnetic field generating units 2 and 29 perform magnetization by passing a current through the magnetizing coil 25 so that the magnetic poles become the N pole and the S pole, respectively. The vertical axis represents the magnetic flux density on the center axis of the magnetic pole, and the horizontal axis represents the distance from the left superconductor 21 surface.
[0072]
In the figure, the solid line C is the generated magnetic field distribution between the opposing magnetic poles, and the broken lines A and B are the magnetic field distributions when the magnetic field generating unit is single. In the case of a single magnetic pole, the generated magnetic field sharply decreases as the distance from the surface of the magnetic pole increases, whereas in this example, a strong magnetic field space having a minimum portion near the center between the magnetic poles is obtained.
In addition, by reducing the distance between the magnetic poles, the magnetic field strength can be increased while maintaining the shape of the magnetic field distribution.
[0073]
The operation and effect of this example will be described.
In the superconducting magnet device 1 of the present example, two magnetic field generating units 2 and 29 are arranged close to each other so as to form a magnetic field space. Therefore, the magnetic field of both magnetic poles overlaps, and the attenuation of the magnetic field when moving away from one magnetic pole is reduced. Therefore, a stronger magnetic field space can be realized between the two magnetic poles separated from the magnetic pole surface than when one magnetic field generating unit is provided (see Embodiment 2).
[0074]
As described above, according to this example, a superconducting magnet device capable of forming a strong magnetic field space can be provided.
[0075]
Embodiment 2
A method of magnetizing a superconductor applied to the superconducting magnet device of the present invention will be described.
As shown in FIG. 4, the magnetizing method of this embodiment is a magnetizing method in which a pulse magnetic field generated by the magnetizing coil 25 is simultaneously applied in a state where two superconductors 21 are close to each other.
[0076]
In this example, a magnetic field formed by the superconductor 21 will be described using the superconducting magnet device 1 according to FIGS.
The two superconductors 21 in the left and right magnetic field generators 2 and 29 cooled to 32K by the refrigerator 110 are arranged close to one magnetizing coil 25 as shown in FIG. Made magnetism.
The magnetic field captured by the superconductor 21 by this magnetization was evaluated.
For comparison, the trapped magnetic field when one superconductor 21 was pulse-magnetized using the magnetizing coil 25 from which the ferromagnetic material 23 was removed in FIGS. 1 and 2 was also evaluated.
[0077]
The superconductor 21 is composed of 15% by weight of Ag.₂It is an Sm-Ba-Cu-O system produced by a melting method with the addition of O (silver oxide) and 0.5% by weight of Pt (platinum), and has a cylindrical shape with a diameter of 36 x 16 mm in height.
A 43 mm outer diameter stainless steel wrestling was fitted around the superconductor 21, and the gap was filled with stycast. The distance between the left and right superconductors 21 was 8 mm.
The magnetizing coil 25 was cooled by liquid nitrogen for 68 turns.
[0078]
In the pulse magnetization, the pulse magnetic field was repeatedly applied so that the intensity of the applied magnetic field gradually increased, and after the trapped magnetic field began to decrease, this time, the magnetic field intensity was further reduced and applied again.
After the magnetization was completed, the two superconductors were separated from each other, and a comparison was made with the case where the two were superposed alone. The history of the trapped magnetic field in this series of pulse magnetization processes was measured using Hall elements arranged on the left and right superconductor surfaces.
[0079]
FIG. 6 shows the history of the trapped magnetic field in the superconductor on the right side of the superconducting magnet device 1. The arrows in the figure indicate the order of the applied pulse magnetic fields, and the intersection with the final vertical axis indicates a state in which the two superconductors 21 are separated.
As a result, when the two superconductors 21 are magnetized close to each other, the magnetized magnetic field is slightly reduced by separating the superconductors 21 after the magnetization. It can be seen that three times the trapping magnetic field can be obtained.
From the above, it was confirmed that according to the method for magnetizing a superconductor according to the present invention, the trapped magnetic field of the superconductor was improved.
[0080]
Embodiment 3
In this example, as shown in FIG. 3, the trapped magnetic field when pulse magnetizing was performed with the ferromagnetic material 23 disposed between the superconductors 21 was measured.
Further, for comparison, the trapped magnetic field when the ferromagnetic material 23 was removed and the pulse magnetization was performed with the coil arrangement of FIG. 3 was also measured.
Permendur is used as the ferromagnetic material 23 and has a cylindrical shape with a diameter of 40 mm and a height of 37 mm.
[0081]
The used superconductor 21, the magnetizing coil 25, the method of pulse magnetization, and the like are the same as those in the second embodiment, and FIG. 7 shows the history of the trapped magnetic field in the right superconductor 21.
The final intersection with the vertical axis represents a state where the ferromagnetic material 23 is removed and the two superconductors 21 are separated. Thus, when the ferromagnetic material 23 is disposed between the two superconductors 21 and magnetized, the trapped magnetic field is about 1.3 times stronger than when the ferromagnetic material 23 is not used. Understand. Further, the final trapping magnetic field of 2.8 T in this example is larger than 2.4 T when two superconductors 21 of Embodiment 2 are brought close to each other. It can be seen that the effect of increasing the trapping magnetic field is greater when 23 is disposed therebetween.
[0082]
Embodiment 4
This example is a superconducting magnet device having four magnetic field generating units 2 and arranged so that the magnetic poles of each of the magnetic field generating units 2 face one point. Each of the magnetic field generating units 2 is provided with the moving stage as described in the first embodiment, and is configured so that the distance between the facing magnetic poles can be changed.
[0083]
FIG. 8 shows a generated magnetic field distribution when adjacent magnetic poles are magnetized so as to have different polarities and the positional relationship of the magnetic field generating unit 2 is adjusted so that the space surrounded by the four magnetic poles becomes a square. . From this, it can be seen that a strong magnetic field space having a four-pole magnetic field pattern corresponding to the polarity of each magnetic pole is formed.
Also, by changing the positional relationship between the four magnetic poles, the shape of the quadrupole magnetic field pattern and the magnetic field strength can be changed.
[0084]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a superconducting magnet device and a superconducting magnetizing method capable of forming a strong magnetic field space.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a superconducting magnet device according to a first embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a main part of a magnetic field generation unit according to the first embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state in which two magnetic field generating units are brought into contact via a ferromagnetic material in the first embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a state in which two magnetic field generating units are brought into contact in the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a magnetic flux density and a distance from a left superconductor in the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a trapping magnetic field and an applied magnetic field in a second embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a trapping magnetic field and an applied magnetic field in a third embodiment.
FIG. 8 is an explanatory diagram of four magnetic field generation units and a magnetic field space formed by the four magnetic field generation units in the fourth embodiment.
FIG. 9A is an explanatory diagram when one superconductor is magnetized, and FIG. 9B is an explanatory diagram when two superconductors are magnetized.
[Explanation of symbols]
1. . . Superconducting magnet device,
10. . . Case,
11. . . Cooling system,
12. . . Vacuum pumping equipment,
2,29. . . Magnetic field generator,
20. . . Vacuum insulated container,
21. . . Superconductor,
26. . . Magnetic field space,

Claims

Comprising a plurality of magnetic field generating unit which is composed of the superconductor housed in a vacuum insulated container, such magnetic field generating unit is disposed in proximity to each other to form a magnetic field space Rutotomoni, the magnetic-field generating unit to each other It is arranged so that the positional relationship of can be changed,
Further, it is provided with a magnetizing coil for magnetizing the superconductor, a cooling device for cooling the superconductor, and a vacuum exhaust device for evacuating the inside of the vacuum insulated container. Superconducting magnet device.

Oite to claim 1, said magnetizing coil is a superconducting magnet apparatus characterized by being configured to magnetize the superconductor by a pulse current.

Oite to claim 1, said magnetizing coil is constructed by winding a superconducting wire, and said magnetizing coil is characterized by being configured to magnetize the superconductor by passing a constant current Superconducting magnet device.

In any one of claims 1 to 3, wherein the magnetizing coil is characterized by being configured to magnetized simultaneously all of the superconductor in the plurality of magnetic field generating unit, or some simultaneously Superconducting magnet device.

In the claims 1-4, the cooling device and the evacuation device is a superconducting magnet apparatus characterized by being housed integrally with the casing.

A pulse magnetic field generated by a magnetizing coil is simultaneously applied to the superconductors in a state in which a plurality of superconductors cooled to a temperature below the superconducting transition temperature and arranged in such a manner that their mutual positional relationship can be changed are brought close to each other. A method of magnetizing a superconductor.

7. The method according to claim 6, wherein a ferromagnetic material is disposed between the plurality of superconductors.