JP3671726B2

JP3671726B2 - Magnetization method of superconductor and superconducting magnet device

Info

Publication number: JP3671726B2
Application number: JP8385499A
Authority: JP
Inventors: 佳孝伊藤; 雅章吉川; 陽介柳; 徹雄岡; 宇一郎水谷; 博志生田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2019-03-26
Also published as: JP2000277333A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，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して用いる場合の，超電導体の着磁方法及び超電導体磁石装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
溶融法により作製されたＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系（ＲＥはＹ又は希土類元素）の高温超電導体は１Ｔ（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。
この超電導体を簡便に着磁する方法としては，例えば，特開平６−１６８８２３号公報（文献１），Japanese Journal of Applied Physics Vol.35 (1996) p.p. 2114-2125（文献２），特開平１０−０１２４２９号公報（文献３），特開平１０−１５４６２０号公報（文献４）に記載されているごとく，パルス磁場を超電導体に印加する方法（パルス着磁法）が開示されている。
【０００３】
上記文献１によれば，高温超電導体を７７Ｋに冷却した後，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図４に示すごときパルス磁場Ｐを印加する。これにより，超電導体は，いわゆるピン止め力によって磁場を捕捉して強力な磁石となる。
このパルス着磁法によれば，従来のＦＣ（Field Cooling：磁場中冷却）法やＺＦＣ（Zero Field Cooling：ゼロ磁場冷却）法など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はコンパクトにすることができる。
【０００４】
また，文献２においては，超電導体に最大の磁場を捕捉させるためには，印加する磁場の大きさに最適値があり，それより大きな磁場を印加すると，捕捉される磁場が減少することが報告されている。
また，文献３には，液体窒素に代えて冷凍機を用いて超電導体を冷却する方法が示されている。
また，文献４には，超電導体にパルス磁場を複数回印加する着磁方法が示されている。この方法によれば，パルス磁場を１回だけ印加する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。
【０００５】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来のパルス着磁法においては，次のような問題点がある。この問題点を明らかにするために，超電導体が磁場を捕捉するメカニズムを簡単に説明する。
【０００６】
一般に，超電導遷移温度以下に冷却された超電導体に外部から磁場を印加すると，ある定まった量の磁場が磁束線１本の単位（量子化磁束）となって，多くの磁束線の形で超電導体の内部に侵入する。この磁束線は超電導体内部に分散するピン止め点に捕捉され，外部の磁場が無くなっても磁場が超電導体内部に残る。その結果，超電導体は着磁されて磁石となる。
【０００７】
超電導体内のピン止め点が磁束線を捕捉する力（ピン止め力）は，超電導体の材料固有の特性であり，一般に低温になるほど強くなる。そのため，超電導体を冷却して低い温度にすれば，ピン止め力は向上し，超電導体が捕捉できる磁場は多くなる。
【０００８】
パルス着磁においては，図４に示したように，磁場が短時間で大きく変化するため，原理的に超電導体内に侵入する磁束線が外部磁場の変化に追随できず，印加したパルス磁場が超電導体の中心まで有効に伝わらない。従って，同じ強さの磁場を印加したときに超電導体に捕捉される磁場は，静磁場着磁の場合よりも小さくなってしまう。
【０００９】
また，パルス磁場の印加中には磁束線が超電導体内部で激しく動くため，超電導体の温度が上昇する。そのため，ピン止め力が低下し，最終的に超電導体に捕捉される磁場は，静磁場着磁の場合よりも小さくなってしまう。
これらの問題は，捕捉磁場特性の優れた（ピン止め力の強い）超電導体であるほど，また，より低温で着磁する場合ほど深刻になり，上記従来のパルス着磁法では十分な強度の磁場が捕捉できないという問題があった。
【００１０】
さらに，上記文献４に開示されているように，超電導体にできる限り大きな磁場を捕捉させるためには，捕捉される磁場より十分大きなパルス磁場を印加することが必要となる。この場合，着磁コイルの巻数を多くしたり，パルス電流を供給する電源を大型化したり，さらには，大きな電磁力に耐えうる様に着磁コイル全体を頑丈な構造にする必要がある。これらのことは，パルス着磁法が他のＦＣ法やＺＦＣ法よりも簡便な装置で超電導体を容易に着磁できるという大きな特徴を損なってしまう。
【００１１】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，捕捉磁場特性の優れた超電導体に，コンパクトな装置で高い磁場を捕捉させることができる，超電導体の着磁方法及び超電導磁石装置を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題の解決手段】
請求項１の発明は，超電導遷移温度以下の温度に冷却した超電導体に強磁性体を近接させた状態で，着磁コイルにより発生するパルス磁場を印加するに当たり，上記強磁性体は，上記超電導体の着磁方向の片側もしくは両側に対向して配設することを特徴とする超電導体の着磁方法にある。
【００１３】
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強磁性体を上記超電導体に近接させておくことである。
ここで，強磁性体を超電導体に近接させるとは，少なくとも，上記着磁コイルにより超電導体に印加するパルス磁場が上記強磁性体にも印加され，それにより誘起された強磁性体の磁化の効果が超電導体に及ぶように，該強磁性体を位置させることをいう。
【００１４】
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。具体的には，例えば表１に示すように，パーメンジュール（Fe-50Co-2V），電磁軟鉄，ケイ素鋼（Fe-3Si），Fe-3.5Al，センダスト（Fe-9.5Si-5.5Al），メタグラス2605SC（Fe-3B-2Si-0.5C），メタグラス2605S2（Fe-3B-5Si）などの高透磁率材料，Sm-Co，Nd-Fe-Bなどの永久磁石材料，Gd，Dy，Tb，EuOなどの希土類材料がある。
【００１５】
次に，本発明の作用について説明する。
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，強磁性体を超電導体に近接させて上記着磁コイルによりパルス磁場を印加すると，超電導体には着磁コイルが発する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。それ故，超電導体に実効的にかかる磁場は，上記強磁性体のない場合よりも大きくなる。従って，着磁コイルからの印加磁場の大きさが同じであっても，強磁性体を用いることにより，これを用いない場合よりも多くの磁場を超電導体に捕捉させることができる。
【００１６】
また，着磁コイルの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，従来のパルス着磁法よりも多くの磁場を捕捉することが可能となる。
【００１７】
即ち，上述したように，強磁性体がないと超電導体の発熱によりピン止め力が弱くなり，磁束線が超電導体から抜け出てしまうが，強磁性体が近接して存在すると，磁束線が強磁性体に引きつけられ超電導体から抜けにくくなる。発熱した超電導体は時間の経過と共に冷却され，一定時間後には着磁前の温度に戻るので，強磁性体により保持されていた超電導体内の磁束線がピン止め点に捕捉され，強磁性体を取り除いた後も多くの磁場を捕捉できるようになる。
【００１８】
【表１】

【００１９】
また，請求項２の発明のように，上記強磁性体は予め磁化されており，かつ上記超電導体を超電導遷移温度以下に冷却する以前に，上記強磁性体を上記超電導体に近接させておくことが好ましい。この場合には，上記強磁性体の磁化による磁場が上記超電導体にかかったまま超電導遷移温度以下に冷却されるため，上記超電導体に一定量の磁場が捕捉された状態でパルス磁場が印加される。その結果，パルス磁場の印加による超電導体の発熱が少なくなり，さらに多くの磁場捕捉が可能となる。
【００２０】
また，上記強磁性体は，上記超電導体の着磁方向の片側もしくは両側に対向して配設する。この場合には，磁場を発する超電導体の面に対向して強磁性体が近接するので，より効果的に超電導体に磁場を捕捉させることができる。強磁性体の効果を十分に発揮するためには，対向する超電導体とのギャップはできるだけ狭いことが望ましい。また，強磁性体の形状は，反磁場ができるだけ小さくなるように，着磁方向に細長いことが好ましい。
【００２１】
また，請求項３の発明のように，上記強磁性体は，上記超電導体と磁気回路を構成するように配設することが好ましい。磁気回路を構成することにより，強磁性体の反磁場が最小に抑えられ，強磁性体の効果がより増大する。この場合も，近接する超電導体とのギャップはできるだけ狭いことが望ましい。
【００２２】
さらに，請求項４の発明のように，上記強磁性体は室温以下の温度に冷却されていることが好ましい。一般に，強磁性体は，キュリー温度以下で，かつ温度が低いほどその飽和磁化が高くなる傾向にあり，超電導体の捕捉磁場を向上させる効果がより大きくなる。特に，表１に示したGd，Dy，Tb，EuOの希土類材料は，いずれも室温（３００Ｋ）以下のキュリー温度を持ち，それぞれ２９２Ｋ，８８Ｋ，２２４Ｋ，６９Ｋ以下で強磁性体となる。
【００２３】
次に，上記超電導体の着磁方法を利用した超電導磁石装置としては，次の装置がある。
即ち，請求項５の発明のように，断熱容器内に配設された超電導体と，該超電導体に近接して配設された強磁性体と，上記超電導体を固定するための試料ホルダーと，上記超電導体を冷却するための冷却装置と，上記超電導体にパルス磁場を印加するための着磁コイルとからなることを特徴とする超電導磁石装置がある。
【００２４】
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，上述した発明の着磁方法を適用するために，高い捕捉磁場を実現するための上記強磁性体と，上記超電導体を固定するための上記試料ホルダーを有することである。
【００２５】
上記強磁性体としては，例えば表１の各種材料などを用いることができる。形状は，上述したように，着磁方向に細長いものが好ましい。また，後述するように，超電導体が複数個ある場合には，それぞれの超電導体に磁場を絞り込むように，超電導体に対向する面に凹凸を設けることもできる。
【００２６】
上記試料ホルダーは，パルス磁場の印加中や，着磁後強磁性体を取り除く時に，上記超電導体が上記強磁性体と引き合うことにより移動し，上記断熱容器に接触するのを防ぐためのものである。また，上記冷却装置の冷却部に強く接触させ，上記超電導体を効率よく冷却する役割もある。
【００２７】
試料ホルダーの材質は，上記超電導体に働く電磁力に耐えうる機械的強度を有するもの用いる。また，上記超電導体の捕捉磁場に影響を及ばさない非磁性体であることが望ましい。また，上記超電導体を効率よく冷却する点から，熱伝導率が高いことが望ましい。これらの性質を持つ材料としては，SUS304，SUS316などのステンレス材料，ＦＲＰ，スタイキャストなどの複合強化樹脂などがある。
【００２８】
上記断熱容器は，外部からの熱の侵入を防いで上記超電導体の温度の上昇を防止し，かつ超電導体の冷却を容易にするためのものである。具体的には，例えば，輻射シールド板を備えた真空断熱槽といった本格的な断熱対策を施したものがある。また，例えば，単にＦＲＰや発泡スチロールといった熱伝導度の極めて低い材料を構成材料として用いた簡便なものもある。
【００２９】
上記着磁コイルは，鋸波，矩形波，正弦波，コンデンサ放電波形等の種々の波形で単発または複数の短時間電流（パルス電流）を通電することにより，パルス磁場を発生するものである。例えばコンデンサ放電を利用する場合には，着磁コイルの寸法，コイルの巻数，全回路の抵抗・インダクタンス・静電容量等を調整することにより，パルス磁場の大きさやパルスの立ち上がり時間を制御することができる。
【００３０】
また，着磁コイルは液体窒素等の冷媒や冷凍機などで冷却してもよい。この場合には，コイルの抵抗が小さくなるので，小型の電源で大きな磁場を印加することが可能となる。
また，着磁コイルの材質は，低抵抗の銅やアルミニウムもしくは超電導材料が用いられる。
【００３１】
着磁コイルの配置は，上述した文献１，２に示されているごとく，上記断熱容器の中に超電導体と共に収納されていてもよいし，文献３に示されているごとく，上記断熱容器の外に配設してあってもよい。また，着磁コイルは，必ずしも上記超電導体の周囲にある必要はなく，超電導体の着磁方向の片側もしくは両側の面に対向していればよい。
【００３２】
上記冷却装置は，上記超電導体を直接冷却するものであって，後述する冷凍機や，冷却した冷媒を循環させながら冷却する冷媒循環型の冷却装置，冷媒に浸漬してその蒸気圧を調整して冷却する冷媒貯留型の冷却装置など，種々の構成をとることができる。
【００３３】
上記超電導体は，バルク形状（塊状）であり，その形状は，円柱状，角柱状等，種々の形状をとることができる。また，必ずしも１個である必要はなく，複数個が着磁方向に積み重なっていてもよい。この場合は，長さが有限であることの影響が弱められるので，捕捉磁場を高めることができる。また，着磁方向に対して横に並べてもよい。この場合には，捕捉された強力な磁場をより遠くまで及ばせることが可能となる。
【００３４】
また，上記超電導体は，いわゆるピン止め点を有するものであって，例えば後述する高温超電導体を用いる。超電導体の捕捉磁場特性に異方性がある場合には，捕捉磁場特性が最大となる方位と着磁の方向が一致するように配置することが好ましい。
また，上記超電導体は，スタイキャスト，エポキシ樹脂等の充填含浸剤や金属リングなどで補強処理が施されていてもよい。
【００３５】
次に，本発明の超電導磁石装置の作用について説明する。
本発明の装置において超電導体を着磁する際には，まず，上記試料ホルダーにより固定された上記超電導体に上記強磁性体を近接させて配置する。次に，上記冷却装置によって超電導体を超電導遷移温度以下まで冷却する。所定の温度になった後，上記着磁コイルによって超電導体にパルス磁場を印加する。また，上述したように，超電導体を冷却した後に，強磁性体を近接させてもよい。これにより，上記のごとく，超電導体に多くの磁場が捕捉される。
【００３６】
このように，本発明の超電導磁石装置によれば，上記の超電導体の着磁方法を確実かつ容易に実施することができる。
また，本発明の超電導磁石装置は，上記のごとく簡単な構成であるため非常にコンパクトにすることができる。それ故，本発明の超電導磁石装置は，種々の機器における磁石装置として有効に利用することができる。
【００３７】
また，請求項６の発明のように，上記強磁性体は，上記超電導体の着磁方向の片側もしくは両側に対向して配設することができる。この場合には，上述のように，効果的により多くの磁場を捕捉させることができる。
【００３８】
また，請求項７の発明のように，上記強磁性体は，上記超電導体と磁気回路を構成するように配設することができる。この場合には，上述のように，強磁性体の効果がさらに増大する。
【００３９】
また，請求項８の発明のように，上記試料ホルダーは，上記強磁性体と対向している面により上記超電導体を支えていることが好ましい。この場合には，パルス磁場の印加中，または着磁後強磁性体を取り除く時に，磁場を捕捉した超電導体が強磁性体に引きつけられてその電磁力により破壊されるのを防止することができる。
【００４０】
また，請求項９の発明のように，上記着磁コイル，又は，上記強磁性体の一部または全部が脱着可能であることが好ましい。この場合には，超電導体の周囲の空間を広く確保することができ，超電導体から発せられる磁場を有効に利用することが可能となる。
【００４１】
また，請求項１０の発明のように，上記冷却装置としては冷凍機を用い，該冷凍機には上記超電導体を冷却するためのコールドヘッドを設けることができる。この場合には，超電導体を簡便に，かつ継続的に冷却することができ，上記の超電導体の着磁方法により実現した強力な磁場をより安定して利用することができる。
【００４２】
また，請求項１１の発明のように，上記超電導体は，溶融法により作製した，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔのうちの少なくとも１つを含むＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系（ここに，ＲＥはＹ, 希土類元素，又はこれらの元素の組合せ）であることが好ましい。ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の超電導体は，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，かつ捕捉磁場特性の強い方位を揃えて結晶を大きく成長させることができる。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。さらに，ＡｇやＡｕを混ぜることにより，超電導体の機械的強度が増加し，上記の超電導体の着磁方法において働く電磁力によって超電導体が破壊するのを防ぐことができる。
【００４３】
【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体の着磁方法につき，図１〜図５を用いて説明する。
本例の着磁方法は，図１，図２に示すごとく，超電導遷移温度以下の温度に冷却した超電導体２に強磁性体３を近接させた状態で，着磁コイル４により発生するパルス磁場を印加する着磁方法である。
【００４４】
即ち，本例では，超電導体の着磁方法の効果を調べるため，図１，図２に示すように，超電導体２の片側あるいは両側に強磁性体３を近接して配置し，液体窒素８中でパルス着磁を行って捕捉される磁場の量を測定した。また，比較のために，図１における強磁性体３を取り除いた場合についても同様に捕捉される磁場の量を測定した。
【００４５】
強磁性体３の材質としては，電磁軟鉄とパーメンジュールの２種類を用いた。これらのサイズはいずれもφ３８×ｔ３０（ｍｍ）である。
超電導体２は，１０重量％のＡｇ₂Ｏ（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系である。サイズはφ３６×ｔ１８（ｍｍ）である。超電導体２は，図３に示すごとく，急冷や電磁力によるクラックの発生を防ぐため，ＳＵＳリング２９とスタイキャスト２８により補強した。
【００４６】
また，超電導体２と強磁性体３の間のギャップＧ（図１，図２）は０．５ｍｍとした。
また，着磁コイル４としては，巻数２７ターンのものを用いた。
【００４７】
次に，パルス磁場を１回だけ印加したときの効果を調べた。
まず，超電導体２を，強磁性体３，着磁コイル４と共に液体窒素８中に浸漬し，７７Ｋに冷却した。
次に，パルス電源より着磁コイル４に単発のパルス電流を通電し，図４に示すパルス磁場Ｐを超電導体２に印加した。このときのパルス磁場ＰのピークＰ₀までの時間（立ち上がり時間）は１ｍｓである。
【００４８】
強磁性体３と着磁コイル４を取り除いた後，液体窒素８中で，超電導体２の表面から０．５ｍｍ離れた水平面内でホール素子をスキャンして捕捉磁場分布を測定した。この測定を印加磁場の強度を変えて実施した。
また，それぞれのパルス磁場の印加は，試料を液体窒素８から取り出して温度を上げ，捕捉磁場をゼロに（消磁）してから行った。
また，この一連のパルス磁場の印加は，上記強磁性体３の個数及び種類を変えてそれぞれ行った。
【００４９】
このようにして測定した捕捉磁場の総量（捕捉磁束）の印加磁場に対する変化を図５に示す。同図は，横軸に印加磁場（Ｔ）を，縦軸に捕捉磁束（１０^-4Ｗｂ）をとったものである。そして，測定結果の代表として，電磁軟鉄よりなる強磁性体３を２つ用いた場合（図２）を符号Ｅ１，パーメンジュールよりなる強磁性体３を２つ用いた場合（図２）を符号Ｅ２，強磁性体３を用いなかった場合を符号Ｃ１により示した。
【００５０】
図５より知られるごとく，強磁性体３が電磁軟鉄，パーメンジュールのいずれであっても（Ｅ１，Ｅ２），捕捉磁場の最大値は，強磁性体を用いない場合（Ｃ１）に比べ約１．３倍に増加するのがわかる。また，特にパーメンジュールの強磁性体を２つ用いた場合（Ｅ２）には，同じ大きさの印加磁場で捕捉される磁場が，強磁性体がない場合（Ｃ１）より大きくなっているのがわかる。
以上より，本発明の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。
【００５１】
実施形態例２
本例では，実施形態例１におけるパルス磁場の印加回数を複数回に増やした場合の捕捉磁束を測定した。
即ち，実施形態例１における１回のパルス磁場印加に代えて，まず，４Ｔ（テスラ）のパルス磁場を印加して捕捉磁場を測定し，そのまま消磁しないで，次に少しだけ弱い磁場を印加した。このように磁場の強度を弱くしながらパルス磁場を繰り返して印加した。
【００５２】
この時の捕捉磁束の変化を図６に示す。同図は，横軸に印加磁場（Ｔ）を，縦軸に捕捉磁束（１０^-4Ｗｂ）をとったものである。そして，測定結果の代表として，電磁軟鉄よりなる強磁性体３を１つ用いた場合（図１）を符号Ｅ３，電磁軟鉄よりなる強磁性体３を２つ用いた場合（図２）を符号Ｅ４，パーメンジュールよりなる強磁性体３を２つ用いた場合（図２）を符号Ｅ５，強磁性体３を用いなかった場合を符号Ｃ２により示した。
【００５３】
同図より知られるごとく，いずれの場合も印加磁場を下げながら繰り返し印加することにより捕捉磁束は増加し飽和したが，強磁性体３を用いると（Ｅ３〜Ｅ５），用いない場合（Ｃ２）に比べ，捕捉磁束はほぼ１．２倍に増加することがわかる。また，強磁性体３を片側に配置した場合（Ｅ３）でも，捕捉磁場増加の効果があることがわかる。
【００５４】
実施形態例３
本例では，本発明の超電導体の着磁方法を利用した超電導磁石装置について，図７，図８を用いて説明する。
本例の超電導磁石装置１は，図７に示すごとく，断熱容器１０内に配設された超電導体２と，該超電導体２に近接して配設された強磁性体３と，上記超電導体２を固定するための試料ホルダー５と，上記超電導体１を冷却するための冷却装置としての冷凍機６と，上記超電導体２にパルス磁場を印加するための着磁コイル４とからなる。
【００５５】
超電導体２は，１５重量％のＡｇ₂Ｏ（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系である。サイズはφ３０×ｔ１５（ｍｍ）であり，実施形態例１と同様に，図３に示すごとく，ＳＵＳリング２９とスタイキャスト２９で補強した。
【００５６】
断熱容器１０は，ＳＵＳ３０４を用い，超電導体２と冷凍機６のコールドヘッド６１を収納している。断熱容器１０の内部は，外部からの熱の侵入をできる限り防ぐために，真空状態にしてある。
強磁性体３は，超電導体２上方の断熱容器１０の外に，超電導体２との距離が３ｍｍとなるように近接して配置してある。材質は，電磁軟鉄，またはパーメンジュールを用い，サイズはφ４０×ｔ６５（ｍｍ）である。
【００５７】
着磁コイル４は，超電導体２の周囲に位置するように，断熱容器１０の外部に配設してあり，コンデンサ放電を利用したパルス電源４１に電気的に接続されている。また着磁コイル４は，図８に示すように液体窒素８に浸漬される構造になっている。また，同図に示すように，着磁コイル４と強磁性体３とは一体構造に設けてあり，その全体が超電導体２に対して脱着できるよう構成してある。このような構成により，上記強磁性体３は室温の状態で使用される。
【００５８】
冷却装置は，図７に示すごとく，コンプレッサ６２，コールドヘッド６１を有する冷凍機６よりなる。コールドヘッド６１は，熱を奪って冷却する部分であり，図８に示すように，熱伝導性に優れ，かつ渦電流を生じないサファイアブロック６９を介して超電導体に連結してある。
【００５９】
超電導体取付部の詳細を図８に示す。
試料ホルダー５は，ＳＵＳ３０４製で，ハット型をしており，内側に超電導体２が収納されている。上面の中央には穴１９を設けてあり，捕捉磁場を測定するためのホール素子１８が取り付けてある。試料ホルダー５の内側の高さは超電導体２の高さより低くしてあり，ボルト１５で試料ホルダー５のつばを下方に押しやることにより，超電導体２の上面が試料ホルダー５の天井１２に押され，超電導体２がサファイアブロック６９を介してコールドヘッド６１に固定されている。
【００６０】
次に，本例の超電導磁石装置１において超電導体２を着磁する手順の一例を説明する。
図８のように強磁性体３を配置した後，冷凍機６を作動させて超電導体２を超電導遷移温度以下に冷却する。次いで，実施形態例２と同様にして，磁場の強さが順次弱くなるように超電導体２に繰り返してパルス磁場を印加する。その後，着磁コイル４と強磁性体３を取り外すことにより，着磁された超電導体２による強磁場空間を断熱容器外に作ることができる。
【００６１】
次に，本例の超電導磁石装置１における発生磁場強度を，強磁性体３を用いない従来の磁石装置と比較する。
上記の手順により３３Ｋで着磁したときの，超電導体表面のホール素子で測定した捕捉磁場の変化を，従来の磁石装置の場合と比較して図９に示す。同図の横軸は印加磁場（Ｔ），縦軸はホール素子１８により測定した捕捉磁場（Ｔ）である。そして，本例の超電導磁石装置１において上記強磁性体３として電磁軟鉄を用いた場合を符号Ｅ６，パーメンジュールを用いた場合を符号Ｅ７，強磁性体を用いなかった場合を符号Ｃ３として示した。
【００６２】
また，Ｅ６，Ｅ７については，図９中において，印加磁場ゼロにおける縦軸の値が，強磁性体３を取り外した後の捕捉磁場である。
図９より知られるごとく，同じ超電導体２を用いているにもかかわらず，本発明の超電導磁石装置１では，強磁性体３を用いない従来の磁石装置の約１．２倍の発生磁場が得られることがわかる。
【００６３】
実施形態例４
本例の超電導磁石装置は，図１０に示すように，強磁性体３を超電導体２の上側だけでなく，下側にも取り付けてある。さらに，上側の強磁性体３（ａ）は着磁コイル４を冷却する液体窒素８により，下側の強磁性体３（ｂ）は超電導体２と共に冷凍機６のコールドヘッド６１により室温以下に冷却されるよう構成した。
【００６４】
この場合には，強磁性体３が室温以下に冷却されることにより，超電導体２にさらに効果的に磁場を捕捉させることができ，高い発生磁場が得られる。
また，試料ホルダー５は，つばの部分を下方からボルト１５で引っ張るようにして固定している。そのため，実施形態例３よりも径の大きな超電導体２を取り付けることができ，より大きな磁場をより遠くまで発生できる磁石装置となる。
その他は実施形態例３と同様の効果が得られる。
【００６５】
実施形態例５
本例の超電導磁石装置を図１１〜図１３を用いて説明する。
本例の超電導磁石装置は，図１１に示すように，着磁方向がコールドヘッド６１に対して直角となるように超電導体２が取り付けられており，２個の着磁コイル４が，超電導体２を両側から挟み込むように対向して断熱容器１０の外に配設されている。２個の着磁コイル４に同じ向きに電流を流して超電導体２を着磁する。
【００６６】
また，図１２に示すように，円柱状の７個の超電導体２を同一平面内に並べ，ＳＵＳリング２９とスタイキャスト２８で補強した超電導複合体２０を使用している。この超電導複合体２０をハット型の試料ホルダー５で両側からコールドヘッド６１に押しつけて固定している。
【００６７】
また，強磁性体３は左右の着磁コイル４内に収納され，その超電導複合体２０と対向する面は，図１３に示すように，個々の超電導体２に効率よく磁場が集中するよう円柱状の凸部３５を個々の超電導体２に対応して７つ設けた。
本例の超電導磁石装置を用いて超電導体２を着磁させた場合には，極性の異なる強力な磁場を左右の空間に発生させることができる。
【００６８】
実施形態例６
本例の超電導磁石装置は，図１４に示すように，２個の超電導体２が対向して取り付けられており，３個の着磁コイル４がそれらの両側と間に配置されている。また，強磁性体３は，各着磁コイル４の内側にあり，かつ右端と左端をつなぐ形でコイルの外側に伸びており，磁気回路を構成している。そして，強磁性体３は，着磁コイル４と共に液体窒素８で冷却されている。強磁性体３と着磁コイル４は，超電導体２の着磁後，上方に取り外される。
【００６９】
本例の超電導磁石装置を用いて超電導体２を着磁させた場合には，上記強磁性体３が磁気回路を構成することにより，強磁性体３の反磁場が最小に抑えられ，強磁性体の効果がより増大する。そのため，２個の超電導体２の間に室温の強力な磁場空間を発生させることができる。
なお，上記各実施形態例では，説明の都合上，同一機能部分には同一符号を用いた。
【００７０】
【発明の効果】
上述のごとく，本発明によれば，捕捉磁場特性の優れた超電導体に，コンパクトな装置で高い磁場を捕捉させることができる，超電導体の着磁方法及び超電導磁石装置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，強磁性体を１つ用いた着磁方法を示す説明図。
【図２】実施形態例１における，強磁性体を２つ用いた着磁方法を示す説明図。
【図３】実施形態例１における，超電導体の構成を示す説明図。
【図４】実施形態例１における，印加するパルス磁場を示す説明図。
【図５】実施形態例１における，印加磁場の強さと捕捉磁束との関係を示す説明図。
【図６】実施形態例２における，パルス磁場を複数回印加した場合の捕捉磁束の推移を示す説明図。
【図７】実施形態例３における，超電導磁石装置の構成を示す説明図。
【図８】実施形態例３における，超電導磁石装置の主要部の詳細を示す説明図。
【図９】実施形態例３における，パルス磁場を複数回印加した場合の捕捉磁束の推移を示す説明図。
【図１０】実施形態例４における，超電導磁石装置の主要部の詳細を示す説明図。
【図１１】実施形態例５における，超電導磁石装置の主要部の詳細を示す説明図。
【図１２】実施形態例５における，超電導複合体の構成を示す説明図。
【図１３】実施形態例５における，強磁性体の斜視図。
【図１４】実施形態例６における，超電導磁石装置の主要部の詳細を示す説明図。
【符号の説明】
１．．．超電導磁石装置，
１０．．．断熱容器，
２．．．超電導体，
３．．．強磁性体，
４．．．着磁コイル，
５．．．試料ホルダー，
６．．．冷凍機，
６１．．．コールドヘッド，[0001]
【Technical field】
The present invention relates to a superconductor magnetization method and a superconductor magnet device in the case of using a bulk-shaped (lumped) superconductor as a magnet by capturing a high magnetic field.
[0002]
[Prior art]
The RE-Ba-Cu-O-based (RE is Y or rare earth element) high-temperature superconductor manufactured by the melting method can capture a large magnetic field exceeding 1T (Tesla), and has performance superior to that of conventional permanent magnets. It is known to become a magnet.
As a method for easily magnetizing the superconductor, for example, JP-A-6-168823 (Reference 1), Japanese Journal of Applied Physics Vol.35 (1996) pp 2114-2125 (Reference 2), JP-A-10 As described in Japanese Unexamined Patent Publication No. 0124429 (reference 3) and Japanese Patent Laid-Open No. 10-154620 (reference 4), a method of applying a pulse magnetic field to a superconductor (pulse magnetization method) is disclosed.
[0003]
According to the above-mentioned document 1, after the high-temperature superconductor is cooled to 77K, a pulse current is applied to the magnetizing coil arranged around the high-temperature superconductor to apply a pulse magnetic field P as shown in FIG. 4 to the superconductor. . As a result, the superconductor becomes a powerful magnet by capturing the magnetic field with a so-called pinning force.
According to this pulse magnetizing method, superconductors are much easier than conventional magnetizing methods using static magnetic fields such as FC (Field Cooling) and ZFC (Zero Field Cooling) methods. The superconducting magnet device using this method can be made compact.
[0004]
In addition, in Reference 2, it is reported that there is an optimum value for the magnitude of the applied magnetic field in order to cause the superconductor to capture the maximum magnetic field, and that the captured magnetic field decreases when a larger magnetic field is applied. Has been.
Reference 3 describes a method of cooling a superconductor using a refrigerator instead of liquid nitrogen.
Reference 4 discloses a magnetization method in which a pulse magnetic field is applied to a superconductor a plurality of times. According to this method, a larger magnetic field can be captured by the superconductor than when a pulse magnetic field is applied only once.
[0005]
[Problems to be solved]
However, the conventional pulse magnetization method has the following problems. To clarify this problem, the mechanism by which the superconductor captures the magnetic field is briefly explained.
[0006]
In general, when a magnetic field is externally applied to a superconductor cooled below the superconducting transition temperature, a certain amount of magnetic field becomes a unit of one magnetic flux line (quantized magnetic flux), and the superconductivity is in the form of many magnetic flux lines. Invade inside the body. These magnetic flux lines are captured by pinning points dispersed inside the superconductor, and the magnetic field remains inside the superconductor even when the external magnetic field disappears. As a result, the superconductor is magnetized to become a magnet.
[0007]
The force (pinning force) at which the pinning point in the superconductor captures the magnetic flux line is a characteristic unique to the material of the superconductor, and generally becomes stronger as the temperature becomes lower. Therefore, if the superconductor is cooled to a low temperature, the pinning force is improved and the magnetic field that can be captured by the superconductor increases.
[0008]
In pulse magnetization, as shown in Fig. 4, the magnetic field changes greatly in a short time, so in principle the magnetic flux lines entering the superconductor cannot follow the change of the external magnetic field, and the applied pulse magnetic field is superconducting. It does not communicate effectively to the center of the body. Therefore, when a magnetic field having the same strength is applied, the magnetic field captured by the superconductor is smaller than in the case of static magnetic field magnetization.
[0009]
In addition, the magnetic flux lines move violently inside the superconductor during the application of the pulse magnetic field, so the temperature of the superconductor rises. As a result, the pinning force is reduced, and the magnetic field finally captured by the superconductor is smaller than in the case of static magnetic field magnetization.
These problems become more serious as the superconductor has better trapping magnetic field characteristics (stronger pinning force) and when magnetized at a lower temperature, and the conventional pulse magnetization method described above has a sufficient strength. There was a problem that the magnetic field could not be captured.
[0010]
Further, as disclosed in the above-mentioned document 4, in order to capture a magnetic field as large as possible in the superconductor, it is necessary to apply a pulse magnetic field sufficiently larger than the magnetic field to be captured. In this case, it is necessary to increase the number of turns of the magnetizing coil, to increase the size of the power supply for supplying the pulse current, and to make the entire magnetizing coil robust so that it can withstand a large electromagnetic force. These things impair the great feature that the pulse magnetizing method can easily magnetize a superconductor with a simpler apparatus than other FC methods and ZFC methods.
[0011]
The present invention has been made in view of such conventional problems, and allows a superconductor excellent in trapping magnetic field characteristics to capture a high magnetic field with a compact device, and a superconductor magnetization method and a superconducting magnet device. Is to provide.
[0012]
[Means for solving problems]
The invention of claim 1 applies a pulse magnetic field generated by a magnetizing coil in a state where a ferromagnetic material is brought close to a superconductor cooled to a temperature equal to or lower than a superconducting transition temperature. In this case, the ferromagnetic material is disposed opposite to one side or both sides in the magnetization direction of the superconductor. This is a method of magnetizing a superconductor.
[0013]
The most notable point in the present invention is that the ferromagnetic material is placed close to the superconductor during pulse magnetization.
Here, bringing the ferromagnet close to the superconductor means that at least the pulse magnetic field applied to the superconductor by the magnetizing coil is also applied to the ferromagnet, and the magnetization of the ferromagnet induced by it is induced. This means that the ferromagnetic material is positioned so that the effect reaches the superconductor.
[0014]
The ferromagnetic material preferably has a large saturation magnetization or residual magnetization. Specifically, as shown in Table 1, for example, permendur (Fe-50Co-2V), electromagnetic soft iron, silicon steel (Fe-3Si), Fe-3.5Al, Sendust (Fe-9.5Si-5.5Al) , High permeability materials such as Meta Glass 2605SC (Fe-3B-2Si-0.5C), Meta Glass 2605S2 (Fe-3B-5Si), permanent magnet materials such as Sm-Co, Nd-Fe-B, Gd, Dy, Tb There are rare earth materials such as EuO.
[0015]
Next, the operation of the present invention will be described.
Ferromagnetic materials are strongly magnetized when a magnetic field is applied, and themselves generate a magnetic field. For this reason, when a pulsed magnetic field is applied by the magnetizing coil with the ferromagnet close to the superconductor, not only the pulsed magnetic field generated by the magnetizing coil but also the magnetic field generated by the ferromagnet magnetized by the pulsed magnetic field is applied to the superconductor. Are superimposed and applied. Therefore, the magnetic field effectively applied to the superconductor is larger than that without the ferromagnetic material. Therefore, even if the magnitude of the applied magnetic field from the magnetizing coil is the same, the use of the ferromagnetic material allows the superconductor to capture more magnetic field than when it is not used.
[0016]
In addition, even after the magnetic field of the magnetizing coil becomes zero, residual magnetization or magnetization induced by the magnetic field trapped by the superconductor remains in the ferromagnet. Will continue. As a result, the decrease in the trapping magnetic field due to the heat generation described above is suppressed, and more magnetic fields can be trapped than in the conventional pulse magnetization method.
[0017]
That is, as described above, if there is no ferromagnetic material, the pinning force is weakened due to the heat generated by the superconductor, and the magnetic flux lines come out of the superconductor. It is attracted to the magnetic material and becomes difficult to come off from the superconductor. The heated superconductor is cooled over time, and after a certain period of time, it returns to the pre-magnetization temperature, so that the magnetic flux lines in the superconductor held by the ferromagnetic material are captured at the pinning point, and the ferromagnetic material is Even after removal, many magnetic fields can be captured.
[0018]
[Table 1]

[0019]
According to a second aspect of the present invention, the ferromagnetic material is magnetized in advance, and the ferromagnetic material is brought close to the superconductor before the superconductor is cooled to a superconducting transition temperature or lower. It is preferable. In this case, since the magnetic field due to the magnetization of the ferromagnetic material is cooled below the superconducting transition temperature while being applied to the superconductor, a pulsed magnetic field is applied in a state where a certain amount of magnetic field is captured by the superconductor. The As a result, the heat generation of the superconductor due to the application of a pulsed magnetic field is reduced, and more magnetic fields can be captured.
[0020]
Also , The ferromagnetic material is disposed opposite one or both sides of the superconductor in the magnetization direction. . In this case, since the ferromagnetic material is close to the surface of the superconductor that generates the magnetic field, the superconductor can capture the magnetic field more effectively. In order to fully demonstrate the effect of a ferromagnetic material, it is desirable that the gap between the opposing superconductors be as narrow as possible. The shape of the ferromagnetic material is preferably elongated in the magnetization direction so that the demagnetizing field is as small as possible.
[0021]
Also, Claim 3 As described above, the ferromagnetic material is preferably disposed so as to constitute a magnetic circuit with the superconductor. By configuring the magnetic circuit, the demagnetizing field of the ferromagnetic material can be minimized and the effect of the ferromagnetic material can be further increased. In this case as well, it is desirable that the gap between adjacent superconductors is as narrow as possible.
[0022]
further, Claim 4 As in the invention described above, the ferromagnetic material is preferably cooled to a temperature of room temperature or lower. In general, ferromagnetic materials tend to have higher saturation magnetization as the temperature is lower than the Curie temperature and lower, and the effect of improving the trapping magnetic field of the superconductor is greater. In particular, the rare earth materials Gd, Dy, Tb, and EuO shown in Table 1 all have Curie temperatures of room temperature (300K) or lower, and become ferromagnetic materials at 292K, 88K, 224K, and 69K or lower, respectively.
[0023]
Next, as the superconducting magnet device using the superconductor magnetization method, there are the following devices.
That is, Claim 5 As described above, the superconductor disposed in the heat insulating container, the ferromagnetic material disposed in the vicinity of the superconductor, the sample holder for fixing the superconductor, and the superconductor There is a superconducting magnet device comprising a cooling device for cooling and a magnetizing coil for applying a pulse magnetic field to the superconductor.
[0024]
The most notable point in the superconducting magnet device of the present invention is that the above-mentioned ferromagnetic material for realizing a high trapping magnetic field and the above-mentioned superconductor for fixing the superconductor are applied in order to apply the magnetization method of the above-described invention. Having a sample holder.
[0025]
As the ferromagnetic material, for example, various materials shown in Table 1 can be used. As described above, the shape is preferably elongated in the magnetization direction. In addition, as will be described later, when there are a plurality of superconductors, it is possible to provide irregularities on the surface facing the superconductor so as to narrow the magnetic field in each superconductor.
[0026]
The sample holder is used to prevent the superconductor from moving by being attracted to the ferromagnetic material during application of a pulsed magnetic field or when removing the ferromagnetic material after magnetization and coming into contact with the heat insulating container. is there. Also, it has a role of efficiently contacting the cooling section of the cooling device and cooling the superconductor efficiently.
[0027]
The material of the sample holder is one that has mechanical strength that can withstand the electromagnetic force acting on the superconductor. Further, it is desirable that the non-magnetic material does not affect the trapping magnetic field of the superconductor. In addition, it is desirable that the thermal conductivity is high from the viewpoint of efficiently cooling the superconductor. Examples of materials having these properties include stainless steel materials such as SUS304 and SUS316, and composite reinforced resins such as FRP and stycast.
[0028]
The heat insulation container prevents heat from entering from the outside, prevents the temperature of the superconductor from rising, and facilitates cooling of the superconductor. Specifically, for example, there are those with full-scale heat insulation measures such as a vacuum heat insulation tank equipped with a radiation shield plate. Further, for example, there is a simple one using a material with extremely low thermal conductivity such as FRP or polystyrene foam as a constituent material.
[0029]
The magnetizing coil generates a pulse magnetic field by energizing a single or a plurality of short-time currents (pulse currents) with various waveforms such as a sawtooth wave, a rectangular wave, a sine wave, and a capacitor discharge waveform. For example, when using capacitor discharge, control the magnitude of the pulse magnetic field and the pulse rise time by adjusting the dimensions of the magnetized coil, the number of turns of the coil, the resistance, inductance, capacitance, etc. of the entire circuit. Can do.
[0030]
The magnetized coil may be cooled by a refrigerant such as liquid nitrogen or a refrigerator. In this case, since the resistance of the coil is reduced, it is possible to apply a large magnetic field with a small power source.
In addition, the material of the magnetizing coil is low resistance copper, aluminum, or a superconducting material.
[0031]
The arrangement of the magnetizing coils may be accommodated together with the superconductor in the heat insulating container as shown in the above-mentioned

documents

1 and 2, or as shown in the document 3, It may be arranged outside. Further, the magnetizing coil does not necessarily have to be around the superconductor, and may be opposed to one or both surfaces in the magnetization direction of the superconductor.
[0032]
The cooling device directly cools the superconductor. The cooling device, which will be described later, a refrigerant circulation type cooling device that cools while circulating the cooled refrigerant, and the vapor pressure is adjusted by immersing in the refrigerant. Various configurations, such as a refrigerant storage type cooling device that cools by cooling, can be employed.
[0033]
The superconductor has a bulk shape (bulk shape), and the shape can take various shapes such as a columnar shape and a prismatic shape. Further, the number is not necessarily one, and a plurality may be stacked in the magnetization direction. In this case, since the influence of the finite length is weakened, the trapping magnetic field can be increased. Further, it may be arranged horizontally with respect to the magnetization direction. In this case, it is possible to extend the captured strong magnetic field further.
[0034]
The superconductor has a so-called pinning point, and for example, a high-temperature superconductor described later is used. When the trapping magnetic field characteristic of the superconductor has anisotropy, it is preferable that the direction in which the trapping magnetic field characteristic becomes maximum coincides with the magnetization direction.
Further, the superconductor may be reinforced with a filling impregnating agent such as stycast, epoxy resin, or a metal ring.
[0035]
Next, the operation of the superconducting magnet device of the present invention will be described.
When magnetizing a superconductor in the apparatus of the present invention, first, the ferromagnetic material is placed close to the superconductor fixed by the sample holder. Next, the superconductor is cooled to below the superconducting transition temperature by the cooling device. After reaching a predetermined temperature, a pulsed magnetic field is applied to the superconductor by the magnetizing coil. Further, as described above, after the superconductor is cooled, the ferromagnetic material may be brought close to it. Thereby, as described above, a large number of magnetic fields are trapped in the superconductor.
[0036]
As described above, according to the superconducting magnet apparatus of the present invention, the above-described superconductor magnetization method can be reliably and easily performed.
Moreover, since the superconducting magnet device of the present invention has a simple configuration as described above, it can be made very compact. Therefore, the superconducting magnet device of the present invention can be effectively used as a magnet device in various devices.
[0037]
Also, Claim 6 As described above, the ferromagnetic body can be disposed to face one side or both sides of the magnetization direction of the superconductor. In this case, as described above, more magnetic fields can be effectively captured.
[0038]
Also, Claim 7 As described above, the ferromagnetic material can be arranged so as to constitute a magnetic circuit with the superconductor. In this case, as described above, the effect of the ferromagnetic material is further increased.
[0039]
Also, Claim 8 As in the invention, the sample holder preferably supports the superconductor by a surface facing the ferromagnetic material. In this case, it is possible to prevent the superconductor capturing the magnetic field from being attracted to the ferromagnetic material and being destroyed by the electromagnetic force during application of the pulsed magnetic field or when removing the ferromagnetic material after magnetization. .
[0040]
Also, Claim 9 As in the invention, it is preferable that a part or all of the magnetized coil or the ferromagnetic material can be detached. In this case, a wide space around the superconductor can be secured, and the magnetic field generated from the superconductor can be used effectively.
[0041]
Also, Claim 10 As described above, a refrigerator can be used as the cooling device, and the refrigerator can be provided with a cold head for cooling the superconductor. In this case, the superconductor can be cooled easily and continuously, and the strong magnetic field realized by the above-described superconductor magnetization method can be used more stably.
[0042]
Also, Claim 11 As in the invention of the present invention, the superconductor is prepared by a melting method, and the RE-Ba-Cu-O system containing at least one of Ag, Au, and Pt (where RE is Y, rare earth element, or A combination of these elements) is preferred. RE-Ba-Cu-O-based superconductors can be produced by the melting method to include a myriad of powerful pinning points and to grow crystals with a large orientation with strong trapping magnetic field characteristics. be able to. Moreover, the pinning point can be made stronger by mixing Pt. Furthermore, by mixing Ag and Au, the mechanical strength of the superconductor is increased, and it is possible to prevent the superconductor from being destroyed by the electromagnetic force acting in the above-described superconductor magnetization method.
[0043]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1
A superconductor magnetization method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIGS. 1 and 2, the magnetizing method of this example is a pulse magnetic field generated by the magnetizing coil 4 in a state where the ferromagnetic material 3 is brought close to the superconductor 2 cooled to a temperature lower than the superconducting transition temperature. Is a magnetizing method for applying.
[0044]
That is, in this example, in order to investigate the effect of the superconductor magnetization method, as shown in FIGS. 1 and 2, the ferromagnetic material 3 is disposed close to one side or both sides of the superconductor 2 and the liquid nitrogen 8 The amount of magnetic field trapped by pulse magnetization was measured. For comparison, the amount of magnetic field trapped was also measured when the ferromagnetic material 3 in FIG. 1 was removed.
[0045]
As the material for the ferromagnetic material 3, two types of electromagnetic soft iron and permendur were used. All of these sizes are φ38 × t30 (mm).
Superconductor 2 is 10 wt% Ag ₂ It is an Sm—Ba—Cu—O system prepared by a melting method by adding O (silver oxide) and 0.5 wt% Pt (platinum). The size is φ36 × t18 (mm). As shown in FIG. 3, the superconductor 2 is reinforced by a SUS ring 29 and a stycast 28 in order to prevent rapid cooling and generation of cracks due to electromagnetic force.
[0046]
The gap G (FIGS. 1 and 2) between the superconductor 2 and the ferromagnetic material 3 was set to 0.5 mm.
Further, as the magnetizing coil 4, one having 27 turns was used.
[0047]
Next, the effect when the pulse magnetic field was applied only once was investigated.
First, the superconductor 2 was immersed in the liquid nitrogen 8 together with the ferromagnetic material 3 and the magnetized coil 4 and cooled to 77K.
Next, a single pulse current was applied to the magnetizing coil 4 from the pulse power source, and the pulse magnetic field P shown in FIG. 4 was applied to the superconductor 2. The peak P of the pulse magnetic field P at this time ₀ The time up to (rise time) is 1 ms.
[0048]
After removing the ferromagnet 3 and the magnetizing coil 4, the Hall element was scanned in liquid nitrogen 8 in a horizontal plane 0.5 mm away from the surface of the superconductor 2 to measure the captured magnetic field distribution. This measurement was performed by changing the strength of the applied magnetic field.
In addition, each pulse magnetic field was applied after the sample was taken out from the liquid nitrogen 8 and the temperature was raised, and the trapped magnetic field was zero (demagnetized).
The series of pulse magnetic fields were applied by changing the number and type of the ferromagnetic bodies 3.
[0049]
FIG. 5 shows the change of the total amount (captured magnetic flux) of the trapped magnetic field measured as described above with respect to the applied magnetic field. This figure shows the applied magnetic field (T) on the horizontal axis and the trapped magnetic flux (10 ^-Four Wb). As a representative measurement result, the case where two ferromagnetic bodies 3 made of electromagnetic soft iron (FIG. 2) is used (FIG. 2) and the case where two ferromagnetic bodies 3 made of E1, permendur are used (FIG. 2). A case where the symbol E2 and the ferromagnetic material 3 are not used is indicated by a symbol C1.
[0050]
As can be seen from FIG. 5, the maximum value of the trapped magnetic field is about the same as that in the case of using no ferromagnetic material (C1) regardless of whether the ferromagnetic material 3 is electromagnetic soft iron or permendur (E1, E2). It can be seen that it increases 1.3 times. In particular, when two permendurous ferromagnets are used (E2), the magnetic field captured by the same applied magnetic field is larger than when there is no ferromagnet (C1). I understand.
From the above, it was confirmed that the superconductor trapping magnetic field was improved according to the superconductor magnetization method of the present invention.
[0051]
Embodiment 2
In this example, the trapped magnetic flux was measured when the number of application times of the pulse magnetic field in Embodiment 1 was increased to a plurality of times.
That is, instead of applying a single pulse magnetic field in the first embodiment, first, a captured magnetic field is measured by applying a pulse magnetic field of 4T (Tesla), and then a slightly weak magnetic field is applied without demagnetization. . In this way, the pulsed magnetic field was repeatedly applied while reducing the strength of the magnetic field.
[0052]
The change of the trapped magnetic flux at this time is shown in FIG. This figure shows the applied magnetic field (T) on the horizontal axis and the trapped magnetic flux (10 ^-Four Wb). As a representative of the measurement results, the case where one ferromagnetic material 3 made of electromagnetic soft iron is used (FIG. 1) is E3, and the case where two ferromagnetic materials 3 made of electromagnetic soft iron are used (FIG. 2) is shown. The case where two ferromagnetic bodies 3 made of E4 and permendule are used (FIG. 2) is indicated by reference numeral E5, and the case where the ferromagnetic body 3 is not used is indicated by reference numeral C2.
[0053]
As is known from the figure, in any case, the trapped magnetic flux is increased and saturated by repeatedly applying the applied magnetic field while lowering the applied magnetic field. However, when the ferromagnetic material 3 is used (E3 to E5), it is not used (C2). In comparison, it can be seen that the trapped magnetic flux increases approximately 1.2 times. Further, it can be seen that even when the ferromagnetic material 3 is arranged on one side (E3), there is an effect of increasing the trapped magnetic field.
[0054]
Embodiment 3
In this example, a superconducting magnet apparatus using the superconductor magnetization method of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 7, the superconducting magnet device 1 of this example includes a superconductor 2 disposed in a heat insulating container 10, a ferromagnetic body 3 disposed in the vicinity of the superconductor 2, and the superconductor described above. 2 includes a sample holder 5 for fixing 2, a refrigerator 6 as a cooling device for cooling the superconductor 1, and a magnetizing coil 4 for applying a pulse magnetic field to the superconductor 2.
[0055]
Superconductor 2 is 15 wt% Ag ₂ It is an Sm—Ba—Cu—O system prepared by a melting method by adding O (silver oxide) and 0.5 wt% Pt (platinum). The size was φ30 × t15 (mm), and it was reinforced with a SUS ring 29 and a stycast 29 as shown in FIG.
[0056]
The heat insulating container 10 uses SUS304 and stores the superconductor 2 and the cold head 61 of the refrigerator 6. The inside of the heat insulating container 10 is in a vacuum state in order to prevent heat from entering from the outside as much as possible.
The ferromagnetic body 3 is disposed outside the heat insulating container 10 above the superconductor 2 so that the distance from the superconductor 2 is 3 mm. The material is electromagnetic soft iron or permendur, and the size is φ40 × t65 (mm).
[0057]
The magnetizing coil 4 is disposed outside the heat insulating container 10 so as to be located around the superconductor 2 and is electrically connected to a pulse power source 41 using capacitor discharge. The magnetized coil 4 has a structure immersed in liquid nitrogen 8 as shown in FIG. Further, as shown in the figure, the magnetizing coil 4 and the ferromagnetic body 3 are provided in an integral structure, and the whole is configured to be detachable from the superconductor 2. With this configuration, the ferromagnetic material 3 is used at room temperature.
[0058]
As shown in FIG. 7, the cooling device includes a refrigerator 6 having a compressor 62 and a cold head 61. The cold head 61 is a part that takes heat and cools it, and is connected to a superconductor via a sapphire block 69 that has excellent thermal conductivity and does not generate eddy current, as shown in FIG.
[0059]
Details of the superconductor mounting portion are shown in FIG.
The sample holder 5 is made of SUS304 and has a hat shape, and the superconductor 2 is housed inside. A hole 19 is provided in the center of the upper surface, and a Hall element 18 for measuring the trapped magnetic field is attached. The inner height of the sample holder 5 is lower than the height of the superconductor 2, and the upper surface of the superconductor 2 is pushed against the ceiling 12 of the sample holder 5 by pushing down the collar of the sample holder 5 with the bolt 15. The superconductor 2 is fixed to the cold head 61 via a sapphire block 69.
[0060]
Next, an example of a procedure for magnetizing the superconductor 2 in the superconducting magnet device 1 of this example will be described.
After arranging the ferromagnetic body 3 as shown in FIG. 8, the refrigerator 6 is operated to cool the superconductor 2 to the superconducting transition temperature or lower. Next, in the same manner as in the second embodiment, a pulse magnetic field is repeatedly applied to the superconductor 2 so that the strength of the magnetic field is gradually reduced. Thereafter, by removing the magnetizing coil 4 and the ferromagnetic body 3, a strong magnetic field space by the magnetized superconductor 2 can be created outside the heat insulating container.
[0061]
Next, the generated magnetic field intensity in the superconducting magnet device 1 of this example is compared with a conventional magnet device that does not use the ferromagnetic material 3.
FIG. 9 shows the change in the trapped magnetic field measured by the Hall element on the surface of the superconductor when magnetized at 33K by the above procedure, as compared with the conventional magnet device. In the figure, the horizontal axis represents the applied magnetic field (T), and the vertical axis represents the captured magnetic field (T) measured by the Hall element 18. In the superconducting magnet device 1 of the present example, the case where electromagnetic soft iron is used as the ferromagnetic body 3 is indicated by reference numeral E6, the case where permendule is used is indicated by reference numeral E7, and the case where no ferromagnetic body is used is indicated by reference numeral C3. It was.
[0062]
For E6 and E7, the vertical axis value at zero applied magnetic field in FIG. 9 is the trapped magnetic field after the ferromagnetic material 3 is removed.
As can be seen from FIG. 9, although the same superconductor 2 is used, the superconducting magnet device 1 of the present invention has a generated magnetic field about 1.2 times that of the conventional magnet device that does not use the ferromagnetic material 3. It turns out that it is obtained.
[0063]
Embodiment 4
In the superconducting magnet device of this example, as shown in FIG. 10, the ferromagnetic material 3 is attached not only to the upper side of the superconductor 2 but also to the lower side. Further, the upper ferromagnet 3 (a) is cooled to room temperature or lower by liquid nitrogen 8 that cools the magnetized coil 4, and the lower ferromagnet 3 (b) is cooled together with the superconductor 2 by the cold head 61 of the refrigerator 6. It was configured to be cooled.
[0064]
In this case, when the ferromagnetic material 3 is cooled to room temperature or lower, the superconductor 2 can capture the magnetic field more effectively, and a high generated magnetic field can be obtained.
Further, the sample holder 5 is fixed by pulling the collar portion from below with a bolt 15. Therefore, the superconductor 2 having a larger diameter than that of the third embodiment can be attached, and the magnet apparatus can generate a larger magnetic field farther.
Other effects are the same as those of the third embodiment.
[0065]
Embodiment 5
The superconducting magnet device of this example will be described with reference to FIGS.
In the superconducting magnet apparatus of this example, as shown in FIG. 11, the superconductor 2 is attached so that the magnetization direction is perpendicular to the cold head 61, and the two magnetizing coils 4 are composed of the superconductor. 2 is arranged outside the heat insulating container 10 so as to be sandwiched from both sides. The superconductor 2 is magnetized by flowing current in the same direction through the two magnetizing coils 4.
[0066]
In addition, as shown in FIG. 12, a superconducting composite 20 in which seven cylindrical superconductors 2 are arranged in the same plane and reinforced by a SUS ring 29 and a stycast 28 is used. The superconducting composite 20 is pressed against the cold head 61 from both sides by a hat-shaped sample holder 5 and fixed.
[0067]
Further, the ferromagnetic material 3 is housed in the left and right magnetizing coils 4, and the surface facing the superconducting composite 20 is circular so that the magnetic field is efficiently concentrated on each superconductor 2 as shown in FIG. 13. Seven columnar projections 35 were provided corresponding to the individual superconductors 2.
When the superconductor 2 is magnetized using the superconducting magnet device of this example, a strong magnetic field having different polarities can be generated in the left and right spaces.
[0068]
Embodiment 6
In the superconducting magnet device of this example, as shown in FIG. 14, two superconductors 2 are attached to face each other, and three magnetized coils 4 are arranged between both sides thereof. The ferromagnetic body 3 is inside each magnetized coil 4 and extends to the outside of the coil so as to connect the right end and the left end to constitute a magnetic circuit. The ferromagnetic body 3 is cooled with liquid nitrogen 8 together with the magnetizing coil 4. The ferromagnetic body 3 and the magnetizing coil 4 are removed upward after the superconductor 2 is magnetized.
[0069]
When the superconductor 2 is magnetized using the superconducting magnet device of this example, the ferromagnetic body 3 constitutes a magnetic circuit, so that the demagnetizing field of the ferromagnetic body 3 is minimized, and the ferromagnetic body 3 is ferromagnetic. The body effect is increased. Therefore, a strong magnetic field space at room temperature can be generated between the two superconductors 2.
In the above embodiments, the same reference numerals are used for the same functional parts for convenience of explanation.
[0070]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a superconductor magnetization method and a superconducting magnet device that can cause a superconductor excellent in capture magnetic field characteristics to capture a high magnetic field with a compact device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing a magnetization method using one ferromagnetic material in Embodiment 1. FIG.
2 is an explanatory diagram showing a magnetization method using two ferromagnetic materials in Embodiment 1. FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration of a superconductor in Embodiment 1;
4 is an explanatory diagram showing a pulse magnetic field to be applied in Embodiment 1. FIG.
5 is an explanatory diagram showing the relationship between the strength of an applied magnetic field and a trapped magnetic flux in Example 1; FIG.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a transition of a trapped magnetic flux when a pulse magnetic field is applied a plurality of times in the second embodiment.
7 is an explanatory diagram showing a configuration of a superconducting magnet device in Embodiment 3. FIG.
FIG. 8 is an explanatory view showing details of a main part of the superconducting magnet device in Embodiment 3.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the transition of the trapped magnetic flux when the pulse magnetic field is applied a plurality of times in the third embodiment.
10 is an explanatory view showing details of a main part of a superconducting magnet device in Embodiment 4. FIG.
11 is an explanatory view showing details of a main part of a superconducting magnet device in Embodiment 5. FIG.
12 is an explanatory diagram showing the configuration of a superconducting composite in Embodiment 5. FIG.
13 is a perspective view of a ferromagnetic body in Embodiment 5. FIG.
FIG. 14 is an explanatory view showing details of a main part of a superconducting magnet device in Embodiment 6.
[Explanation of symbols]
1. . . Superconducting magnet device,
10. . . Insulated container,
2. . . Superconductor,
3. . . Ferromagnetic,
4). . . Magnetized coil,
5. . . Sample holder,
6). . . refrigerator,
61. . . Cold head,

Claims

When applying a pulsed magnetic field generated by a magnetizing coil with a ferromagnetic material in proximity to a superconductor cooled to a temperature lower than the superconducting transition temperature, the ferromagnetic material is applied to one side of the superconductor. Alternatively , the superconductor magnetizing method is characterized in that it is disposed opposite to both sides .

2. The superconductivity according to claim 1, wherein the ferromagnetic body is magnetized in advance and the ferromagnetic body is brought close to the superconductor before the superconductor is cooled to a superconducting transition temperature or lower. How to magnetize the body.

3. A method of magnetizing a superconductor according to claim 1, wherein the ferromagnetic material is disposed so as to constitute a magnetic circuit with the superconductor.

4. The method of magnetizing a superconductor according to claim 1, wherein the ferromagnetic material is cooled to a temperature of room temperature or lower.

A superconductor disposed in a heat insulating container, a ferromagnetic material disposed in the vicinity of the superconductor, a sample holder for fixing the superconductor, and a cooling device for cooling the superconductor And a magnetizing coil for applying a pulse magnetic field to the superconductor.

6. The superconducting magnet device according to claim 5, wherein the ferromagnetic material is disposed so as to face one side or both sides in the magnetization direction of the superconductor.

6. The superconducting magnet device according to claim 5, wherein the ferromagnetic body is disposed so as to constitute a magnetic circuit with the superconductor.

8. The superconducting magnet device according to claim 5 , wherein the sample holder supports the superconductor by a surface facing the ferromagnetic body.

9. The superconducting magnet device according to claim 5 , wherein a part or all of the magnetized coil or the ferromagnetic material is detachable.

The superconducting magnet device according to any one of claims 5 to 9 , wherein the cooling device is a refrigerator, and the refrigerator is provided with a cold head for cooling the superconductor.

The superconductor according to any one of claims 5 to 10 , wherein the superconductor is an RE-Ba-Cu-O-based material including at least one of Ag, Au, and Pt manufactured by a melting method. Y, a rare earth element, or a combination of these elements).