JP3677166B2 - Permanent current magnet device for high magnetic field generation - Google Patents

Permanent current magnet device for high magnetic field generation Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物超電導体を応用した高磁場発生装置に係わり、特に、磁場発生装置を永久電流モードで運転し、その高い時間的安定性を応用した機器、たとえば、理化学機器や核磁気共鳴分析装置、医療用磁場発生装置（ＭＲＩ装置）等に好適な新規な高磁場発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超電導マグネット装置の用途には磁場さえ発生できれば、磁場の均一度や磁場の時間的安定度などを考慮しなくても良いような用途と、その磁場の質、すなわち磁場均一度と時間的磁場安定度が問われる用途がある。後者のような、高均一かつ高安定な磁場は、通常、物性測定などの研究用途や医療用磁場発生装置（ＭＲＩ装置）等に用いられ、高品位の超電導マグネットには必須の技術として知られている。
【０００３】
従来、このような超電導マグネットは、ニオブ・チタンやニオブ・スズなどの金属系超電導体を用いて作製され、厳しい加工精度で製作された線材を、厳しい品質管理の下、ていねいにソレノイド巻きして作られることにより高い磁場均一度が得られる。また、永久電流スイッチに接続されて電気的閉ループを構成し、永久電流モードで運転されることにより、高い時間的安定度が提供される。
【０００４】
しかしながら、近年、このような磁場発生装置においては、核磁気共鳴装置等の高性能化等のニーズによって、年々、装置に要求される発生磁場が向上しており、発生磁場の磁束密度Ｂは２２〜２５テスラ（Ｔ）程発生可能な超電導マグネットシステムの開発が望まれている。
しかし、従来の金属系超電導体では、物性上の臨界磁場の関係から、磁束密度Ｂが２０テスラ（Ｔ）程度の磁場発生が限度であって、これを大きく越える均一磁場の発生には、酸化物超電導体との組み合わせが必須である。
【０００５】
従来、酸化物超電導体を用いた磁場発生装置としては、金属系超電導マグネットと組み合わせることによって、磁束密度Ｂが２２テスラ（Ｔ）以上の磁場発生が可能となることがジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アップライド・フィジックス、第３５巻、１９９６年、パート２、Ｌ６２３−６２６に開示されている。酸化物超電導材料は従来の金属系超電導体では到達不可能な高い磁場を発生する場合には適しているが、一方、時間的に高度な磁場安定性が要求されるような、即ち永久電流モードを必要とされるような磁場を発生できない問題があった。
【０００６】
その理由は、第一には超電導体のフィラメントが不均質であって、閉ループ内を線材全長に亘って電流が伝搬する際に様々な欠陥に衝突して微小な電圧を発生し、抵抗を生じるためである。また、第二の原因として、酸化物超電導体の物性に起因するフラックスクリープの問題などが考えられる。それにより、見かけ上極めて微小な電圧を発生する。この様な酸化物超電導体で発生する微小抵抗は極めて小さなｎ値の問題として知られている。一般に、超電導線に発生する電圧Ｖと電流Ｉの間にはｎ値と次の関係がある。
【０００７】
金属系超電導材料ではこのｎ値が３０以上であるのに対し、酸化物では１０前後である。酸化物超電導線のｎ値を高めるには酸化物コアの均質性を高めたり、
形状を揃えたり、更には酸化物の異方性を小さくするなどが必要である。
【０００８】
しかしながら、酸化物超電導相はセラミックスであって金属のような塑性加工が不可能であること、また、結晶に異方性が存在することが超電導の発現機構と関わりがあること等から、ｎ値の向上は容易ではなく、金属系のような高いｎ値を達成できる見通しは得られていない。
【０００９】
ｎ値が低い材料は、線材の臨界電流よりもはるかに低いところで、電圧を発生するから、電流を通電している間その電圧に相当するジュール損失を生じて永久電流が減衰してしまうという問題がある。先に述べたように、近年超電導マグネットの高磁場化は急速に進み、酸化物超電導材料を応用した高磁場マグネットの開発が望まれている。
【００１０】
しかしながら、上記の理由によって、磁束密度Ｂが２２テスラ（Ｔ）を越える永久電流マグネット、即ち時間的な安定度（１時間当たりの磁場の減衰率）が発生磁場に対して１０−９以下である永久電流マグネットは実用化されていない。
【００１１】
また、一般に、超電導電力貯蔵装置ＳＭＥＳなどでは、エネルギーの出し入れを容易にするために鉄心を入れたりすることはなく、むしろインダクタンスＬを小さくするために大電流化している（特開平５―２１２２９号公報）。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前記のｎ値の低い酸化物超電導体を応用し、閉ループ回路内のモード運転開始から２４時間経過後の１時間当たりの磁場の減衰率が全発生磁場に対して１０ −９ 以下である高い時間的安定性を有し、かつ磁束密度Ｂが２２テスラ（Ｔ）以上の高い磁場を発生可能なマグネットシステムを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明では、酸化物超電導体と従来金属系マグネットを組み合わせることによって、高い時間的安定性と高磁場発生を両立させたマグネットシステムを提供するために、酸化物超電導体の持つ極めて小さな抵抗を実用上無視できるようなシステム上の工夫を施すことによって達成される。
【００１４】
その要旨は以下のとおりである。
（１）超電導マグネットによる高磁場発生部、超電導マグネットによる電力貯蔵部、超電導永久電流スイッチ部、該高磁場発生部と電力貯蔵部及び該電力貯蔵部と超電導永久電流スイッチ部とをそれぞれ電気的に接続する超電導リード線からなる電流リード部を有し、該高磁場発生部、電力貯蔵部及び超電導永久電流スイッチ部が閉ループ回路として構成され、該高磁場発生部が少なくとも１つの酸化物系超電導コイルを内層コイルとして内包する多層空芯ソレノイドコイルから構成されてなる高磁場発生用永久電流マグネット装置であって、該高磁場発生部が２２テスラ（Ｔ）以上の高磁場を発生でき、該酸化物超電導コイル部で生じる微小抵抗によって生じる永久電流モード運転時の閉ループ回路内の電流の減衰を相殺するために、該電力貯蔵部において該高磁場発生部より大きなインダクタンスを持たせ、該閉ループ回路内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率を１０−９以下にしたことを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００１５】
（２）超電導マグネットによる高磁場発生部、超電導マグネットによる電力貯蔵部、超電導永久電流スイッチ部、該高磁場発生部と電力貯蔵部及び該電力貯蔵部と超電導永久電流スイッチ部とをそれぞれ電気的に接続する超電導リード線からなる電流リード部を有し、該高磁場発生部、電力貯蔵部及び超電導永久電流スイッチ部が閉ループ回路として構成され、該高磁場発生部が多層空芯ソレノイドコイルで構成されてなる高磁場発生用永久電流マグネット装置であって、該高磁場発生部が少なくとも１層の酸化物超電導マグネットを内層コイルとして用い、該高磁場発生部において２２テスラ（Ｔ）以上の高磁場を発生でき、かつ閉ループ回路内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率が１０−９以下であることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００１６】
（３）超電導マグネットによる高磁場発生部、超電導マグネットによる電力貯蔵部、超電導永久電流スイッチ部、該高磁場発生部と電力貯蔵部及び該電力貯蔵部と超電導永久電流スイッチ部とをそれぞれ電気的に接続する超電導リード線からなる電流リード部を有し、該高磁場発生部、電力貯蔵部及び超電導永久電流スイッチ部が閉ループ回路として構成され、該高磁場発生部が少なくとも１つの酸化物系超電導コイルを内層コイルとして内包する多層空芯ソレノイドコイルから構成されてなる高磁場発生用永久電流マグネット装置であって、該電力貯蔵部のマグネットが完全トーラス型マグネットで構成され、該トーラス型マグネットは１０〜５００アンペア（Ａ）の電流で運転され、かつ、該トーラス型マグネットコイルのインダクタンスＬが最大となるように高磁場発生コイルの磁場中心を中心として円周状の位置に対称性を保って配置され、該高磁場発生部において２２テスラ（Ｔ）以上の高磁場を発生でき、かつ閉ループ回路内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率が１０ −９ 以下であることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００１７】
（４）前述の高磁場発生用永久電流マグネット装置において、該永久電流スイッチ部が、電力貯蔵部内に設けられていることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００１８】
（５）前述の高磁場発生用永久電流マグネット装置において、該電力貯蔵部のマグネットが完全トーラス型マグネットで構成され、該トーラスマグネットは１０〜５００アンペア（Ａ）の電流で運転され、かつ、コイルのインダクタンスＬが最大となるように高磁場発生コイルの磁場中心を中心として円周状の位置に対称性を保って配置されていることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００１９】
（６）前述の高磁場発生用永久電流マグネット装置において、該電力貯蔵部のマグネットが複数の同一仕様の形状及び電流のトロイダルコイル型マグネットで構成され、該トロイダルコイルは１０〜５００（Ａ）の電流で運転され、かつ、コイルのインダクタンスＬが最大となるように高磁場発生コイルの磁場中心を中心として円周状の位置に対称性を保って配置されていることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００２０】
（７）前述の高磁場発生用永久電流マグネット装置において、該電力貯蔵部を構成する超伝導材料が金属系超伝導体で構成されていることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００２１】
（８）前述の高磁場発生用永久電流マグネット装置において、該電力貯蔵部はインダクタンスＬを大きくするために、鉄心を内包することを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００２２】
（９）前述の高磁場発生用永久電流マグネット装置において、該電力貯蔵部、該電流リード部、該高磁場発生部及び該永久電流スイッチ部は液体ヘリウムによって冷却され、前記の各部を冷却する該液体ヘリウムは相互に循環可能な循環系を有するシステム構成であって、該電力貯蔵部においてのみ蒸発ヘリウムを液化し再循環することにより、該システム全体への液体ヘリウムの注液を不要ならしめたことを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００２３】
（１０）前述の高磁場発生用永久電流マグネット装置において、該高磁場発生部の酸化物内層マグネット用超電導体がビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸素系超電導体Ｂｉ−２２１２、又はビスマス・鉛・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸素系超電導体Ｂｉ−２２２３であって、該外層マグネットがニオブ三アルミニウム系Ｎｂ３Ａｌ、ニオブ三錫系Ｎｂ３Ｓｎもしくはニオブチタン系ＮｂＴｉもしくはこれらを組み合わせたコイル構成からなり、また、該電力貯蔵部はニオブチタンＮｂＴｉ系超電導体で構成され、また、該永久電流スイッチ部はキュプロニッケルシースからなるニオブチタンＮｂＴｉ超電導体から構成され、該電流リード部はニオブチタンＮｂＴｉ系超電導線もしくはＢｉ−２２２３系超電導線、又はＢｉ−２２１２系超電導線から構成されることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００２４】
ここで、該超電導体はＢｉ−２２１２系（Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２Ｏｘ）であることが望ましいが、他の酸化物系超電導体、たとえば、Bi-２２２３系（（Ｂｉ，Ｐｂ）２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘ）などの超電導体にも広く適用することが可能である。
【００２５】
また、本発明において使用出来る酸化物超電導体とは、例えば、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸素（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系としては、
Bi1.5-2.2-Sr1.5-2.2-Cu0.5-1.3-O5-7
Bi1.5-1.2-Sr1.5-2.2-Ca0.5-1.3-Cu1.5-2.3-O7-9
Bi1.5-2.2-Sr1.5-2.3-Ca1.5-2.3-Cu2.5-3.3-O9-11
等があり、
ビスマス・鉛・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸素（Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系超電導体としては、
(Biy-Pb1-y)1.5-2.2-Sr1.5-2.2-Cu0.5-1.3-O5-7
(Biy-Pb1-y)1.5-1.2-Sr1.5-2.2-Ca0.5-1.3-Cu1.5-2.3-O7-9
(Biy-Pb1-y)1.5-2.2-Sr1.5-2.3-Ca1.5-2.3-Cu2.5-3.3-O9-11
[上記式中、ｙ＝０．１〜０．９である。]
等が挙げられる。
【００２６】
【作用】
一般に、マグネットが発生できる磁場の強度は、コイルサイズとコイル一断面当たりの電流密度（空間電流密度）で一義的に決まる。一方、時間的な安定性は、永久電流ループ（閉ループ）におけるインダクタンスＬと回路内の全抵抗成分Ｒで決定される。たとえば、一般に市販されている最も高安定かつ高磁場の金属系超電導マグネットは、発生磁場の磁束密度Ｂが１８〜２０テスラ（Ｔ）、運転電流１００〜２００Ａ、コイル電流密度５０〜１００Ａ／ｍｍ２、インダクタンスＬ＝１０〜２０ヘンリ（Ｈ）、回路内全抵抗＜１０−１０Ω以下であり、閉ループ内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率が１０−９以下である。この磁場減衰率は、回路のインダクタンスＬと回路内の全抵抗で決定される。金属系超電導体の場合はｎ値が３０程度あるので、臨界電流値に対して、９０％程度でも抵抗値は１０−１０Ω以下となる。従って回路内の実質的な抵抗Ｒ＝０であるので、極めて時間的に安定な磁場が得られる。
【００２７】
一方、高磁場発生用のマグネットの一部に酸化物超電導体を用いた場合、同じ負荷率で運転するとｎ値が低い酸化物超電導体の発生する微小電圧（抵抗）によって永久電流が得られない。この問題を回避するには、臨界電流密度（Ｊｃ）に対する負荷率を小さくする方法と、インダクタンスＬを大きくする方法がある。しかし、負荷率を小さくすると、コイル電流密度が低下するため所望の発生磁場を得ることはできない。たとえば、磁束密度Ｂが２２テスラ（Ｔ）以上の高磁場を発生させる場合のように、超電導マグネットの性能を最大限に引き出す必要がある場合には、マグネットの運転電流を線材の臨界電流近くにまで高める必要がある。しかし、ｎ値が小さな酸化物超電導線材で臨界電流付近まで電流を大きくすると、回路内に微小な電圧が発生してしまう問題が発生する。
【００２８】
そこで、本発明では、臨界電流密度（Ｊｃ）に対して９０％以上の負荷率を維持したまま、回路のインダクタンスＬを大きくすることで、回路内で微小な電圧が発生しても実質的に永久電流モードで装置を運転可能ならしめることとした。一般に、回路のインダクタンスＬを大きくするには超電導線の線径を細くし、コイルの巻き数を増やせばよいが、事故時の発生電圧が大きくなること、線材プロセス製造上の制約、コイル巻き線精度上の制約などから線径は約１ｍｍ以上に限定される。
【００２９】
そこで、本発明では、回路インダクタンスＬを大きくするために、別途電力蓄積用の完全トーラスマグネット、又はトロイダルマグネットを閉ループ回路に付加することとした。これらのマグネットは、高磁場発生部と同じ運転電流で運転されるが、インダクタンスＬが酸化物部で発生する電圧を相殺するに十分な大きさを持っていれば、電力蓄積部で捕捉する磁場は低くても良い。
【００３０】
たとえば、トーラスマグネットの捕捉磁場の磁束密度Ｂを数テスラ程度、インダクタンスＬを１００〜１０００Hとすることで、１０−９Ω程度の回路抵抗が存在しても、閉ループ内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率を１０−１０程度とすることができ、実質的に永久電流モード運転が可能である。
【００３１】
完全トーラスマグネットは外部に磁界を漏洩しないため、高度な磁場精度が要求されるＭＲＩ装置や核磁気共鳴装置などに適用しても機器の運転の障害となるような漏洩磁場は問題にならない。
【００３２】
また、トーラスマグネットの巻き線中心に鉄心を挿入することによって、インダクタンスＬを更に１桁程度高くすることができる。一般に、超電導電力貯蔵装置などでは、エネルギーの出し入れを容易ならしめるために鉄心を入れたりすることはない。
【００３３】
これに対して、本発明では、磁場の時間的な安定性を確保するために、鉄心を用いることが望ましい。
【００３４】
【発明の実施の形態】
【００３５】
【実施例１】
図１に本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の一実施例の基本回路構成を模式的に示す。本実施例においては、超電導マグネットによる高磁場発生部１、超電導マグネットによる電力貯蔵部２、超電導永久電流スイッチ部３、及びこれらを閉ループとして電気的に接続する超電導リード線からなる電流リード部４から構成され、該高磁場発生部１が少なくとも１つの酸化物系超電導コイルを内層コイルとして内包する多層空芯ソレノイドコイルから構成される。該酸化物超電導コイル部で生じる微小抵抗によって生じる永久電流モード運転時の閉ループ回路内の電流の減衰を相殺するために、該電力貯蔵部２において該高磁場発生部より十分大きなインダクタンスＬを持たせ、実質的に閉ループ回路内の永久電流の減衰を無視できる程度に軽減している。
【００３６】
図２に高磁場発生部における多層空芯ソレノイドコイルの断面構成例を模式的に示す。コイルは液体ヘリウムで冷却された３層の円筒ソレノイドコイルで構成され、内側から、Ｂｉ−２２１２系酸化物超電導マグネット５、Ｎｂ３Ｓｎマグネット６、ＮｂＴｉマグネット７で構成されている。このマグネット装置では、外部電源で運転電流２５０Ａに設定した後、永久電流モードで運転し、マグネット中心で磁束密度Ｂが２５テスラ（Ｔ）の磁場を発生でき、１時間当たりの磁場減衰率は、運転開始後２４時間経過後に測定したところ１０−１０以下であった。
【００３７】
また、該電力貯蔵部２は図３に示すような完全なトーラス型のマグネットで構成される。このトーラス部は図４に示すようなトロイダル型のマグネット構成であってもよい。この完全なトーラス型のマグネットは外部に磁界が漏れることはなく、漏れ磁場は実用上問題のない水準であった。本発明では永久電流スイッチ部３はトーラス型のマグネット部に設けた。
【００３８】
これにより、従来、高磁場発生部近傍に永久電流スイッチが設けられていた場合と比較して、磁界の影響を受けることがなく、安価な金属系永久電流スイッチを用いることが可能になったほか、磁気シールドの設置も必要ないなどの利点がある。また、永久電流スイッチ部に印加される外部磁界を無視できるので、永久電流スイッチの動作が安定するなどの顕著な副次的効果が認められた。
【００３９】
図５は本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の一実施例を示す正面図及び断面図である。本装置では、高磁場発生部１、電力貯蔵部２、電流リード部４、永久電流スイッチ部３を全てクライオスタット中で液体ヘリウム８に浸漬冷却し、各液体ヘリウム漕１３は連結されている。蒸発した液体ヘリウムの補充はトーラス型のマグネットで構成される電力貯蔵部２で行うことにより、液体ヘリウムの注液による磁場発生部での磁場の擾乱を回避できる利点がある。高磁場発生部１と電力貯蔵部２間は超電導リード線からなる電流リード部４で接続されている。電流リード部４にはＮｂＴｉのほか酸化物超電導体を用いることも可能である。
【００４０】
このマグネット装置では、外部電源９で運転電流２５０Ａに設定した後、永久電流モードで運転し、高磁場発生部１の中心で２５テスラ（Ｔ）の磁場を発生でき、１時間当たりの磁場減衰率は、運転開始後２４時間経過後に測定したところ１０−１０以下であった。また、マグネット部は磁場均一度が得られるよう、ソレノイド巻きされており、磁場均一度は、磁場中心直径１０ｍｍ球で１０−９ であった。一方、比較のため、電力貯蔵部２のトーラス型のマグネットと接続することなく、高磁場発生部１のみで、閉ループ回路の減衰を測定したところ、２４時間経過後の磁場減衰率は１０−８ であった。
【００４１】
【実施例２】
図６に本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の冷却容器を含めた断面構成の第二の典型例を示す。本システムでは、高磁場発生部１，電力貯蔵部２，電流リード部４，永久電流スイッチ部３は全て１本の線で閉ループ回路を構成し、全てクライオスタット中で液体ヘリウム８に浸漬冷却し、液体ヘリウム槽１３は実施例１と同様に全て連結されている。蒸発した液体ヘリウムの補充はトーラスマグネット部で行うことにより、液体ヘリウム注液による磁場発生部での磁場の擾乱を回避した。高磁場発生部１と電力貯蔵部２間は超電導リード線からなる電流リード部４で接続されている。リード線にはＮｂＴｉのほか酸化物超電導体を用いることも可能である。このマグネット装置では、トーラスマグネット部２に鉄心１０を配置することにより、実施例１と比較して更に回路インダクタンスＬを一桁程度大きくしている。このマグネットシステムを外部電源９で運転電流２５０Ａに設定した後、永久電流モードで運転し、高磁場発生部１の中心で２５Ｔの磁場を発生でき、１時間当たりの磁場減衰率は、運転開始後２４時間経過後に測定したところ１０−１１以下であった。
【００４２】
一方、比較のため、トーラス型のマグネットと接続することなく、高磁場発生部１のみで、閉ループ回路の減衰を測定したところ、２４時間経過後の磁場減衰率は１０−８であった。
【００４３】
【実施例３】
図７に本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の冷却容器を含めた断面構成の第三の代表的な例を示す。本システムでは、高磁場発生部１，電力貯蔵部２，電流リード部４，永久電流スイッチ部３は全て１本の線で閉ループ回路を構成し、全てクライオスタット中で液体ヘリウム８に浸漬冷却し、液体ヘリウム槽１３は実施例１および２と同様に全て連結されている。蒸発した液体ヘリウムの補充はトーラスマグネット部で行うことにより、注液による磁場発生部での磁場の擾乱を回避した。マグネット間は超電導リード線で接続されている。リード線にはＮbＴｉのほか酸化物超電導体を用いることも可能である。このマグネットシステムでは、実施例２と同様にトーラス型のマグネットで構成される電力貯蔵部２に鉄心１０を配置することにより、実施例１と比較して更に回路インダクタンスＬを一桁程度大きくしているが、この電力貯蔵部２を居室床面１１よりも低くすることによって、高磁場発生部１を利用するユーザが、高磁場発生部１よりも大型となる電力貯蔵部２の設置を意識することなく利用可能になる。このマグネットシステムを外部電源９で運転電流２５０Ａに設定した後、永久電流モードで運転し、高磁場発生部１の中心で２５Ｔの磁場を発生でき、１時間当たりの磁場減衰率は、運転開始後２４時間経過後に測定したところ１０−１１以下であった。一方、比較のため、電力貯蔵部２と接続することなく、強磁場発生部１のみで、閉ループ回路の減衰を測定したところ、２４時間経過後の磁場減衰率は１０−８であった。
【００４４】
【実施例４】
図８に本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の冷却容器を含めた断面構成の第四の典型例を示す。本システムでは、高磁場発生部１，電力貯蔵部２，電流リード部４，永久電流スイッチ部３は全て１本の線で閉ループ回路を構成し、全てクライオスタット中で液体ヘリウム８に浸漬冷却し、液体ヘリウム槽１３は実施例１および２と同様に全て連結されている。このシステムでは蒸発した液体ヘリウムの補充は不要であり、電力貯蔵部２のトーラスマグネット部の液体ヘリウム槽１３に到達可能冷却温度が４ｏＫ（４Ｋ級）の小型冷凍機１２を設置し、ヘリウムを再度液化することにより、液化ヘリウム注液による磁場発生部１での磁場の擾乱を回避した。
【００４５】
一般に、小型冷凍機は磁場に弱く、高磁場マグネット装置への取り付けは困難と考えられているが、本例のように、電力貯蔵部２にトーラス型のマグネットを用いることで、漏れ磁場による問題点を回避できる。なお、全てのマグネット間は超電導リード線からなる電流リード部４で接続されている。リード線にはＮｂＴｉのほか酸化物超電導体を用いることも可能である。このマグネット装置では、実施例２と同様にトーラス型のマグネットで構成される電力貯蔵部２に鉄心１０を配置することにより、実施例１と比較して更に回路インダクタンスＬを一桁程度大きくしている。このマグネットシステムを外部電源９で運転電流２５０Ａに設定した後、永久電流モードで運転し、高磁場発生部１の中心で２５Ｔの磁場を発生でき、１時間当たりの磁場減衰率は、運転開始後２４時間経過後に測定したところ１０−１１以下であった。
【００４６】
一方、比較のため、電力貯蔵部２と接続することなく、高磁場発生部１のみで、閉ループ回路の減衰を測定したところ、２４時間経過後の磁場減衰率は１０−８であった。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によって、高磁場発生部において磁束密度Ｂが２２テスラ（Ｔ）以上という高強度の磁場を、閉ループ内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率を１０−９以下とすることがはじめて可能となり、酸化物超電導マグネット装置を応用した理化学実験装置、各磁気共鳴分析装置、医療用MRI装置などの各種分析装置の提供が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の基本構成を示す。
【図２】本発明に係る高磁場発生部のマグネット構成の一例を示す。
【図３】本発明に係る電力貯蔵部のトーラス型のマグネットを示す。
【図４】本発明に係る電力貯蔵部のトロイダル型のマグネットを示す。
【図５】本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の構成の一例を示す。
【図６】本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の構成の別の一例を示す。
【図７】本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の構成の別の一例を示す。
【図８】本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の構成の別の一例を示す。
【符号の説明】
１…高磁場発生部、２…電力貯蔵部、３…超電導永久電流スイッチ部、４…電流リード部、５…酸化物超電導マグネット、６…ニオブ錫マグネット、７…ニオブチタンマグネット、８…液体ヘリウム、９…電源、１０…鉄心、１１…居室床面、１２…小型冷凍機、１３…液体ヘリウム槽。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a high magnetic field generator using an oxide superconductor, and in particular, a device that operates the magnetic field generator in a permanent current mode and applies its high temporal stability, for example, physics and chemistry equipment and nuclear magnetic resonance. The present invention relates to a novel high magnetic field generator suitable for an analysis apparatus, a medical magnetic field generator (MRI apparatus) and the like.
[0002]
[Prior art]
  In general, if a magnetic field can be generated for a superconducting magnet device, it is not necessary to consider the uniformity of the magnetic field and the temporal stability of the magnetic field, and the quality of the magnetic field, that is, the magnetic field uniformity and temporal There are applications where magnetic field stability is a question. Highly uniform and highly stable magnetic fields such as the latter are usually used for research purposes such as physical property measurement and medical magnetic field generators (MRI devices), and are known as essential technologies for high-quality superconducting magnets. ing.
[0003]
  Conventionally, such superconducting magnets are manufactured using metallic superconductors such as niobium, titanium, niobium and tin, and are carefully wound with solenoids under strict quality control. High magnetic field uniformity can be obtained. Also, it is connected to a permanent current switch to form an electrical closed loop and is operated in a permanent current mode, thereby providing high temporal stability.
[0004]
  However, in recent years, in such a magnetic field generator, the generated magnetic field required for the apparatus has been improved year by year due to the need for higher performance of a nuclear magnetic resonance apparatus or the like, and the magnetic flux density B of the generated magnetic field is 22 Development of a superconducting magnet system capable of generating about -25 Tesla (T) is desired.
  However, in the conventional metallic superconductor, due to the critical magnetic field due to physical properties, magnetic field generation with a magnetic flux density B of about 20 Tesla (T) is the limit. A combination with a superconductor is essential.
[0005]
  Conventionally, as a magnetic field generator using an oxide superconductor, it is possible to generate a magnetic field having a magnetic flux density B of 22 Tesla (T) or more by combining it with a metal superconducting magnet. Ride Physics, 35, 1996, Part 2, L623-626. Oxide superconducting materials are suitable for generating a high magnetic field that cannot be achieved by conventional metal-based superconductors, while high magnetic field stability is required in terms of time, that is, a permanent current mode. There was a problem that it was not possible to generate a magnetic field as required.
[0006]
  The reason is super firstElectricThis is because the filament of the conductor is inhomogeneous, and when a current propagates through the entire length of the wire in the closed loop, it collides with various defects to generate a minute voltage and generate resistance. As a second cause, a problem of flux creep due to the physical properties of the oxide superconductor can be considered. Thereby, an apparently very small voltage is generated. The minute resistance generated in such an oxide superconductor is known as a problem of an extremely small n value. In general, the n value and the following relationship exist between the voltage V and current I generated in the superconducting wire.
[0007]
  This n value is 30 or more in the metal superconducting material, whereas it is around 10 in the oxide. To increase the n value of the oxide superconducting wire, increase the homogeneity of the oxide core,
It is necessary to make the shapes uniform and further reduce the anisotropy of the oxide.
[0008]
  However, the oxide superconducting phase is a ceramic and cannot be plastically processed like a metal, and the presence of anisotropy in the crystal is related to the mechanism of superconductivity. It is not easy to improve, and no prospect of achieving a high n value as in a metal system has been obtained.
[0009]
  A material having a low n value generates a voltage at a position much lower than the critical current of the wire, so that while the current is applied, a joule loss corresponding to the voltage is generated and the permanent current is attenuated. There is. As described above, in recent years, the magnetic field of superconducting magnets has been rapidly increased, and the development of high magnetic field magnets using oxide superconducting materials is desired.
[0010]
  However, for the above reasons, a permanent current magnet having a magnetic flux density B exceeding 22 Tesla (T), that is, a temporal stability (attenuation rate of magnetic field per hour) is 10 with respect to the generated magnetic field.-9The following permanent current magnets have not been put into practical use.
[0011]
  In general, in the superconducting power storage device SMES or the like, an iron core is not inserted in order to facilitate the input / output of energy, but rather, the current is increased to reduce the inductance L (Japanese Patent Laid-Open No. 5-21229). Publication).
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
  The object of the present invention is to apply the above-mentioned oxide superconductor having a low n value,The decay rate of the magnetic field per hour after the lapse of 24 hours from the start of mode operation in the closed loop circuit is 10 with respect to the total generated magnetic field. -9 IsAn object of the present invention is to provide a magnet system having high temporal stability and capable of generating a high magnetic field having a magnetic flux density B of 22 Tesla (T) or more.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  In the present invention, an extremely small resistance of an oxide superconductor is put into practical use in order to provide a magnet system that combines high temporal stability and high magnetic field generation by combining an oxide superconductor and a conventional metal magnet. This can be achieved by making system improvements that can be ignored.
[0014]
  The summary is as follows.
(1) SuperElectricHigh magnetic field generator with conducting magnet, power storage with superconducting magnet, superElectricConductive current switch part,The high magnetic field generation unit and the power storage unit and the power storage unit and the superconducting permanent current switch unit are electrically connected to each other.SuperElectricLead wireThe high magnetic field generator, the power storage unit, and the superconducting permanent current switch unit as a closed-loop circuit.Configured,ThePermanent current magnet device for generating a high magnetic field, wherein the high magnetic field generator comprises a multilayer air-core solenoid coil containing at least one oxide superconducting coil as an inner layer coilSoAndThe high magnetic field generator can generate a high magnetic field of 22 Tesla (T) or more,In order to cancel the attenuation of current in a closed loop circuit during permanent current mode operation caused by a minute resistance generated in the oxide superconducting coil unit, the power storage unitInHave a larger inductance than the high magnetic field generator,TheIn a closed-loop circuit24 hours after the start of mode operationPermanent currentMagnetic field per hourDecrease rate of 10-9A permanent current magnet device for generating a high magnetic field characterized by the following.
[0015]
(2)Super electricHigh magnetic field generator with conducting magnet, power storage with superconducting magnet, superElectricConductive current switch part,The high magnetic field generation unit and the power storage unit and the power storage unit and the superconducting permanent current switch unit are electrically connected to each other.SuperElectricLead wireThe high magnetic field generator, the power storage unit, and the superconducting permanent current switch unit as a closed-loop circuit.Permanent current magnet device for generating a high magnetic field, wherein the high magnetic field generating unit is formed of a multilayer air-core solenoid coilSoThus, the high magnetic field generator uses at least one oxide superconducting magnet as an inner layer coil, can generate a high magnetic field of 22 Tesla (T) or more in the high magnetic field generator, and is a closed loopcircuitThe decay rate of the magnetic field per hour of the permanent current after 24 hours from the start of mode operation is 10-9A permanent current magnet device for generating a high magnetic field, characterized in that:
[0016]
(3) SuperElectricHigh magnetic field generator with conducting magnet, power storage with superconducting magnet, superElectricConductive current switch part,The high magnetic field generation unit and the power storage unit and the power storage unit and the superconducting permanent current switch unit are electrically connected to each other.SuperElectricLead wireThe high magnetic field generator, the power storage unit, and the superconducting permanent current switch unit as a closed-loop circuit.A permanent current magnet device for generating a high magnetic field, wherein the high magnetic field generating unit includes a multilayer air-core solenoid coil including at least one oxide-based superconducting coil as an inner layer coilSoAnd the magnet of the power storage unit is a complete torus-type magnet,TypeThe magnet is operated at a current of 10 to 500 amps (A), andTorus type magnetIt is arranged with symmetry at a circumferential position around the magnetic field center of the high magnetic field generating coil so that the inductance L of the coil is maximized,The high magnetic field generating section can generate a high magnetic field of 22 Tesla (T) or more, and the decay rate of the permanent current per hour after the lapse of 24 hours from the start of the mode operation in the closed loop circuit is 10 -9 IsA permanent current magnet device for generating a high magnetic field.
[0017]
(4)The aboveIn the permanent current magnet device for generating a high magnetic field, the permanent current switch unit includes an electric power storage unit.InsideA permanent-current magnet device for generating a high magnetic field, which is provided in
[0018]
(5)The aboveIn the permanent current magnet device for generating a high magnetic field, the magnet of the power storage unit is composed of a complete torus type magnet, the torus magnet is operated at a current of 10 to 500 amperes (A), and the coil inductance L is maximum. A permanent current magnet device for generating a high magnetic field, characterized by being arranged at a circumferential position with symmetry about the magnetic field center of the high magnetic field generating coil.
[0019]
(6)The aboveIn the permanent current magnet device for generating a high magnetic field, the magnet of the power storage unit is composed of a plurality of toroidal coil magnets having the same shape and current, and the toroidal coil is operated at a current of 10 to 500 (A). The permanent current magnet device for generating a high magnetic field is characterized by being arranged symmetrically at a circumferential position around the magnetic field center of the high magnetic field generating coil so that the inductance L of the coil is maximized. .
[0020]
(7)The aboveA permanent current magnet device for generating a high magnetic field, wherein the superconducting material constituting the power storage unit is composed of a metallic superconductor.
[0021]
(8)The aboveIn the high magnetic field generating permanent current magnet device, the power storage unit includes an iron core in order to increase the inductance L. The high magnetic field generating permanent current magnet device.
[0022]
(9)The aboveIn the permanent magnetic device for high magnetic field generation, the power storage unit, the current lead unit, the high magnetic field generation unit, and the permanent current switch unit are cooled by liquid helium, and the liquid helium that cools each of the units is mutually connected A system configuration having a circulatory circulation system, characterized in that liquid helium injection into the entire system is made unnecessary by liquefying and recirculating evaporative helium only in the power storage unit. Permanent current magnet device for high magnetic field generation.
[0023]
(10)The aboveIn the high magnetic field generating permanent current magnet device, the superconductor for the oxide inner layer magnet of the high magnetic field generating portion is bismuth / strontium / calcium / copper / oxygen-based superconductor Bi-2212 or bismuth / lead / strontium / calcium / copper. An oxygen-based superconductor Bi-2223, in which the outer layer magnet is composed of a niobium trialuminum-based Nb3Al, a niobium-tritin-based Nb3Sn, a niobium-titanium-based NbTi, or a combination of these, and the power storage unit is a niobium titanium NbTi The permanent current switch part is made of a niobium titanium NbTi superconductor made of cupronickel sheath, and the current lead part is a niobium titanium NbTi superconductor wire or Bi-2223 superconductor wire, or Bi-2212. system High magnetic field generating permanent current magnet apparatus characterized by being composed of a conductive line.
[0024]
  Here, the superconductor is Bi-2212 series (Bi2Sr2Ca1Cu2Ox), but other oxide superconductors such as Bi-2223 ((Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3The present invention can also be widely applied to superconductors such as Ox).
[0025]
  The oxide superconductor that can be used in the present invention is, for example, a bismuth / strontium / calcium / copper / oxygen (Bi—Sr—Ca—Cu—O) system.
Bi1.5-2.2-Sr1.5-2.2-Cu0.5-1.3-O5-7
Bi1.5-1.2-Sr1.5-2.2-Ca0.5-1.3-Cu1.5-2.3-O7-9
Bi1.5-2.2-Sr1.5-2.3-Ca1.5-2.3-Cu2.5-3.3-O9-11
Etc.,
Bismuth / lead / strontium / calcium / copper / oxygen (Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O) based superconductor
(Biy-Pb1-y)1.5-2.2-Sr1.5-2.2-Cu0.5-1.3-O5-7
(Biy-Pb1-y)1.5-1.2-Sr1.5-2.2-Ca0.5-1.3-Cu1.5-2.3-O7-9
(Biy-Pb1-y)1.5-2.2-Sr1.5-2.3-Ca1.5-2.3-Cu2.5-3.3-O9-11
[In the above formula, y = 0.1 to 0.9. ]
Etc.
[0026]
[Action]
  In general, the strength of a magnetic field that can be generated by a magnet is uniquely determined by the coil size and the current density per coil section (spatial current density). On the other hand, temporal stability is determined by the inductance L in the permanent current loop (closed loop) and the total resistance component R in the circuit. For example, the most stable and high magnetic field metal superconducting magnet that is commercially available generally has a magnetic flux density B of generated magnetic field of 18-20 Tesla (T), an operating current of 100-200 A, a coil current density of 50-100 A / mm 2, Inductance L = 10-20 Henry (H), Total resistance in circuit <10-10Ω or less, and the decay rate of the magnetic field per hour of the permanent current after 24 hours from the start of the mode operation in the closed loop is 10-9It is as follows. This magnetic field attenuation rate is determined by the inductance L of the circuit and the total resistance in the circuit. In the case of a metallic superconductor, the n value is about 30, so that the resistance value is 10% even at about 90% of the critical current value.-10Ω or less. Therefore, since the substantial resistance R = 0 in the circuit, a very temporally stable magnetic field can be obtained.
[0027]
  On the other hand, when an oxide superconductor is used as a part of a magnet for generating a high magnetic field, a permanent current cannot be obtained due to a minute voltage (resistance) generated by the oxide superconductor having a low n value when operated at the same load factor. . To avoid this problem, there are a method of reducing the load factor with respect to the critical current density (Jc) and a method of increasing the inductance L. However, if the load factor is reduced, the coil current density is lowered, so that a desired generated magnetic field cannot be obtained. For example, when it is necessary to maximize the performance of a superconducting magnet, such as when a magnetic field having a magnetic flux density B of 22 Tesla (T) or higher is generated, the operating current of the magnet should be close to the critical current of the wire. Need to be increased up to. However, if the current is increased to near the critical current with an oxide superconducting wire having a small n value, there arises a problem that a minute voltage is generated in the circuit.
[0028]
  Therefore, in the present invention, by increasing the inductance L of the circuit while maintaining a load factor of 90% or more with respect to the critical current density (Jc), even if a minute voltage is generated in the circuit, the circuit is substantially effective. It was decided that the device could be operated in the permanent current mode. Generally, in order to increase the inductance L of the circuit, it is only necessary to reduce the diameter of the superconducting wire and increase the number of turns of the coil. However, the voltage generated at the time of the accident increases, restrictions on manufacturing the wire process, coil winding The wire diameter is limited to about 1 mm or more due to accuracy restrictions.
[0029]
  Therefore, in the present invention, in order to increase the circuit inductance L, a complete torus magnet for storing power or a toroidal magnet is separately added to the closed loop circuit. These magnets are operated with the same operating current as the high magnetic field generator, but if the inductance L is large enough to offset the voltage generated in the oxide part, the magnetic field captured by the power storage unit May be low.
[0030]
  For example, by setting the magnetic flux density B of the trapping magnetic field of the torus magnet to about several Tesla and the inductance L to 100 to 1000H, 10-9Even if there is a circuit resistance of about Ω, the attenuation rate of the magnetic field per hour of the permanent current after 24 hours from the start of mode operation in the closed loop is 10-10The permanent current mode operation is substantially possible.
[0031]
  Since the complete torus magnet does not leak a magnetic field to the outside, even if it is applied to an MRI apparatus, a nuclear magnetic resonance apparatus, or the like that requires high magnetic field accuracy, a leakage magnetic field that causes an obstacle to the operation of the apparatus is not a problem.
[0032]
  Further, the inductance L can be further increased by about one digit by inserting an iron core at the winding center of the torus magnet. In general, in a superconducting power storage device or the like, an iron core is not inserted in order to make energy in and out easily.
[0033]
  On the other hand, in the present invention, it is desirable to use an iron core in order to ensure temporal stability of the magnetic field.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0035]
[Example 1]
  FIG. 1 shows the present invention.For high magnetic field generationThe basic circuit structure of one Example of a permanent current magnet apparatus is shown typically. In this example,ElectricHigh magnetic field generator 1 with conducting magnet, power storage unit 2 with superconducting magnet, superElectricSuperconducting current switch unit 3 and super connecting these electrically as a closed loopElectricLead wireCurrent lead consisting of4 and the high magnetic field generator 1 is composed of a multilayer air-core solenoid coil including at least one oxide-based superconducting coil as an inner layer coil. In order to cancel the attenuation of the current in the closed loop circuit during the permanent current mode operation caused by the minute resistance generated in the oxide superconducting coil portion, the power storage unit 2 has a sufficiently larger inductance L than the high magnetic field generation unit. The attenuation of the permanent current in the closed loop circuit is substantially reduced to a negligible level.
[0036]
  Figure 2High magnetic field generatorInCanThe cross-sectional structural example of a multilayer air-core solenoid coil is shown typically. The coil is composed of a three-layer cylindrical solenoid coil cooled with liquid helium, and is composed of a Bi-2212 series oxide superconducting magnet 5, Nb3Sn magnet 6, and NbTi magnet 7 from the inside. In this magnet device, the operating current is set to 250A with an external power supply, and then the motor is operated in the permanent current mode, and a magnetic field having a magnetic flux density B of 25 Tesla (T) can be generated at the center of the magnet. 10 measured after 24 hours from the start of operation-10It was the following.
[0037]
  The power storage unit 2 is composed of a complete torus type magnet as shown in FIG. This torus is a toroidal as shown in FIG.MoldIt may be a magnet configuration. This complete torus-type magnet did not leak a magnetic field to the outside, and the leakage magnetic field was at a level causing no practical problem. In the present invention, a permanent current switchPart 3Is a torusMoldProvided in the magnet section.
[0038]
  As a result, compared to the conventional case where a permanent current switch is provided in the vicinity of the high magnetic field generator, it is possible to use an inexpensive metal permanent current switch without being affected by the magnetic field. There are advantages such as no need to install a magnetic shield. Further, since the external magnetic field applied to the permanent current switch portion can be ignored, significant secondary effects such as stabilization of the operation of the permanent current switch were recognized.
[0039]
  FIG. 5 is a front view and a cross-sectional view showing one embodiment of a permanent current magnet device for generating a high magnetic field according to the present invention.BookapparatusThen, high magnetic field generator1, Power storage2, Current lead part4, Permanent current switch3Are all immersed and cooled in liquid helium 8 in a cryostat.13Are concatenated. Replenishment of evaporated liquid helium is a torusMoldBy using the power storage unit 2 composed of a magnet, there is an advantage that disturbance of the magnetic field in the magnetic field generation unit due to liquid helium injection can be avoided.High magnetic field generator 1 and power storage 2Between superconducting lead wiresCurrent lead part 4 consisting ofConnected with.CurrentLeadPart 4In addition to NbTi, an oxide superconductor can also be used.
[0040]
  In this magnet device, after setting the operating current 250A with the external power source 9, it operates in the permanent current mode,High magnetic field generator 1A magnetic field of 25 Tesla (T) can be generated at the center, and the magnetic field decay rate per hour is 10 measured after 24 hours from the start of operation.-10It was the following. Further, the magnet portion is wound by a solenoid so as to obtain a magnetic field uniformity, and the magnetic field uniformity is 10 with a sphere having a magnetic field center diameter of 10 mm.-9  Met. On the other hand, for comparison, the torus of the power storage unit 2MoldWithout connecting to the magnetHighmagnetic fieldOccurrenceWhen the attenuation of the closed loop circuit was measured using only the part 1, the magnetic field attenuation rate after 24 hours was 10-8 Met.
[0041]
[Example 2]
  FIG. 6 shows the present invention.Of the permanent current magnet device for high magnetic field generation according tocoldRejectionThe 2nd typical example of the cross-sectional structure including a vessel is shown. In this system, the high magnetic field generation unit 1, the power storage unit 2, the current lead unit 4, and the permanent current switch unit 3 all constitute a closed loop circuit with one line, and all are immersed and cooled in liquid helium 8 in a cryostat, Liquid helium tank13Are all connected in the same manner as in Example 1. The replenishment of the evaporated liquid helium was performed by the torus magnet part, thereby avoiding the disturbance of the magnetic field in the magnetic field generating part due to the liquid helium injection.High magnetic field generator 1 and power storage 2Between superconducting lead wiresCurrent lead part 4 consisting ofConnected with. In addition to NbTi, an oxide superconductor can be used for the lead wire. In this magnet apparatus, by arranging the iron core 10 in the torus magnet portion 2, the circuit inductance L is further increased by an order of magnitude compared to the first embodiment. This magnet system is set to an operating current of 250 A with an external power source 9 and then operated in a permanent current mode to produce a high magnetic field.GeneratorA magnetic field of 25T can be generated at the center of 1 and the magnetic field decay rate per hour is 10 measured after 24 hours from the start of operation.-11It was the following.
[0042]
  On the other hand, for comparison, the torusMoldWithout connecting to the magnetHighmagnetic fieldOccurrencePart1When the attenuation of the closed loop circuit was measured, the magnetic field attenuation rate after 24 hours was 10-8Met.
[0043]
[Example 3]
  FIG. 7 shows the present invention.Of the permanent current magnet device for high magnetic field generation according tocoldRejectionThe 3rd typical example of the cross-sectional structure including a vessel is shown. In this system, the high magnetic field generation unit 1, the power storage unit 2, the current lead unit 4, and the permanent current switch unit 3 all constitute a closed loop circuit with one line, and all are immersed and cooled in liquid helium 8 in a cryostat, Liquid helium tank13Are all connected in the same manner as in Examples 1 and 2. Replenishment of the evaporated liquid helium was performed by the torus magnet unit, thereby avoiding disturbance of the magnetic field in the magnetic field generation unit due to the injection. The magnets are connected by superconducting lead wires. In addition to NbTi, an oxide superconductor can be used for the lead wire. In this magnet system, the torus is the same as in the second embodiment.MoldmagnetPower storage composed ofBy arranging the iron core 10 in the portion 2, the circuit inductance L is further increased by an order of magnitude compared to the first embodiment.Power storagePart2Is made lower than the floor 11 of the room, thereby generating a high magnetic field generator1The user who uses the high magnetic field generator1Larger power storage unit2It becomes possible to use without being conscious of the installation. This magnet system is set to an operating current of 250 A with an external power source 9 and then operated in a permanent current mode to produce a high magnetic field.GeneratorA magnetic field of 25T can be generated at the center of 1 and the magnetic field decay rate per hour is 10 measured after 24 hours from the start of operation.-11It was the following. On the other hand, for comparisonPower storage unit 2Strong magnetic field without connecting withGenerator 1When the attenuation of the closed loop circuit was measured, the magnetic field attenuation rate after 24 hours was 10-8Met.
[0044]
[Example 4]
  FIG. 8 shows the present invention.Of the permanent current magnet device for high magnetic field generation according tocoldRejectionThe 4th typical example of the cross-sectional structure including a vessel is shown. In this system, the high magnetic field generation unit 1, the power storage unit 2, the current lead unit 4, and the permanent current switch unit 3 all constitute a closed loop circuit with one line, and all are immersed and cooled in liquid helium 8 in a cryostat, Liquid helium tank13Are all connected in the same manner as in Examples 1 and 2. This system does not require replenishment of evaporated liquid helium, and the liquid helium tank of the torus magnet section of the power storage unit 213Can reach the cooling temperature 4oK (4K class) small refrigerator12And liquefying helium again to generate a magnetic field generator using liquid helium injection1The disturbance of the magnetic field was avoided.
[0045]
  In general, small refrigerators are vulnerable to magnetic fields and are considered difficult to attach to high-field magnet devices.In power storage 2torusMoldBy using a magnet, problems caused by a leakage magnetic field can be avoided. All magnets have superconducting lead wires.Current lead part 4 consisting ofConnected with. In addition to NbTi, an oxide superconductor can be used for the lead wire. In this magnet device, the torus is the same as in the second embodiment.MoldmagnetPower storage composed ofBy arranging the iron core 10 in the portion 2, the circuit inductance L is further increased by about one digit compared to the first embodiment. This magnet system is set to an operating current of 250 A with an external power source 9 and then operated in a permanent current mode to produce a high magnetic field.GeneratorA magnetic field of 25T can be generated at the center of 1 and the magnetic field decay rate per hour is 10 measured after 24 hours from the start of operation.-11It was the following.
[0046]
  On the other hand, for comparisonPower storage unit 2Without connecting withHighmagnetic fieldOccurrencePart1When the attenuation of the closed loop circuit was measured, the magnetic field attenuation rate after 24 hours was 10-8Met.
[0047]
【The invention's effect】
  According to the present invention,In high magnetic field generatorA high-intensity magnetic field with a magnetic flux density B of 22 Tesla (T) or more, and a magnetic field attenuation rate per hour of a permanent current after 24 hours from the start of mode operation in a closed loop is 10-9Less thanWhenFor the first time, it has become possible to provide a variety of analyzers such as physics and chemistry laboratory devices, magnetic resonance analyzers, and medical MRI devices that apply oxide superconducting magnet devices.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]BookinventionPermanent current for high magnetic field generationmagnetapparatusThe basic configuration of is shown.
[Figure 2]BookinventionPertaining toAn example of a magnet structure of a high magnetic field generation part is shown.
[Fig. 3]BookinventionPertaining toPower storageParttorusMoldIndicates a magnet.
[Fig. 4]BookinventionPertaining toPower storagePartToroidalMoldIndicates a magnet.
[Figure 5]BookinventionPertaining toHigh magnetic fieldPermanent current for generationmagnetapparatusAn example of the configuration is shown.
[Fig. 6]BookinventionPertaining toHigh magnetic fieldPermanent current for generationmagnetapparatusAnother example of the configuration is shown.
[Fig. 7]BookinventionPertaining toHigh magnetic fieldPermanent current for generationmagnetapparatusAnother example of the configuration is shown.
[Fig. 8]BookinventionPertaining toHigh magnetic fieldPermanent current for generationmagnetapparatusConfigurationofAnother example is shown.
[Explanation of symbols]
  DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... High magnetic field generating part, 2 ... Electric power storage part, 3 ... Superconducting permanent current switch part, 4 ... Current lead part, 5 ... Oxide superconducting magnet, 6 ... Niobium tin magnet, 7 ... Niobium titanium magnet, 8 ... Liquid helium , 9 ... Power source, 10 ... Iron core, 11 ... Floor surface of the room, 12 ... Small refrigerator,13 ... Liquid helium tank.

Claims (10)

超電導マグネットによる高磁場発生部、超電導マグネットによる電力貯蔵部、超電導永久電流スイッチ部、該高磁場発生部と電力貯蔵部及び該電力貯蔵部と超電導永久電流スイッチ部とをそれぞれ電気的に接続する超電導リード線からなる電流リード部を有し、該高磁場発生部、電力貯蔵部及び超電導永久電流スイッチ部が閉ループ回路として構成され、該高磁場発生部が少なくとも１つの酸化物系超電導コイルを内層コイルとして内包する多層空芯ソレノイドコイルから構成されてなる高磁場発生用永久電流マグネット装置であって、該高磁場発生部が２２テスラ（Ｔ）以上の高磁場を発生でき、該酸化物超電導コイル部で生じる微小抵抗によって生じる永久電流モード運転時の閉ループ回路内の電流の減衰を相殺するために、該電力貯蔵部において該高磁場発生部より大きなインダクタンスを持たせ、該閉ループ回路内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率を１０−９以下にしたことを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。High magnetic field generating unit by the superconducting magnet, the power storage unit by the superconducting magnet, the superconducting persistent current switch unit, the high magnetic field generating unit and the power storage unit and respectively electrically and said power storage unit and the superconducting persistent current switch unit connecting to have a current lead portion consisting of the superconducting lead, the high magnetic field generating unit, configured power storage unit and the superconducting persistent current switch unit as a closed loop circuit, the high magnetic field generating unit is at least one oxide system superconducting coils meet multilayered air-core is composed of a solenoid coil formed by high magnetic field generating permanent current magnet system enclosing the inner coil, the high magnetic field generating unit can generate a high magnetic field of 22 tesla (T) or more, In order to offset the decay of current in a closed loop circuit during permanent current mode operation caused by micro resistance generated in the oxide superconducting coil section, the power storage In to have a greater inductance than the high magnetic field generating unit, characterized in that the attenuation factor of the magnetic field per hour permanent current from the mode operation start after 24 hours in the closed loop circuit to 10-9 or less Permanent current magnet device for high magnetic field generation. 超電導マグネットによる高磁場発生部、超電導マグネットによる電力貯蔵部、超電導永久電流スイッチ部、該高磁場発生部と電力貯蔵部及び該電力貯蔵部と超電導永久電流スイッチ部とをそれぞれ電気的に接続する超電導リード線からなる電流リード部を有し、該高磁場発生部、電力貯蔵部及び超電導永久電流スイッチ部が閉ループ回路として構成され、該高磁場発生部が多層空芯ソレノイドコイルで構成されてなる高磁場発生用永久電流マグネット装置であって、該高磁場発生部が少なくとも１層の酸化物超電導マグネットを内層コイルとして用い、該高磁場発生部において２２テスラ（Ｔ）以上の高磁場を発生でき、かつ閉ループ回路内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率が１０−９以下であることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。High magnetic field generating unit by the superconducting magnet, the power storage unit by the superconducting magnet, the superconducting persistent current switch unit, the high magnetic field generating unit and the power storage unit and respectively electrically and said power storage unit and the superconducting persistent current switch unit has a current lead portion consisting of the superconducting leads connecting to, the high magnetic field generating unit, the power storage unit and the superconducting persistent current switch unit is configured as a closed loop circuit, the high magnetic field generating unit is a multilayer air-core solenoid coil in met configured becomes high magnetic field generating permanent current magnet device, the high magnetic field generating unit is an oxide superconducting magnet of at least one layer as the inner layer coil, 22 Tesla in the high magnetic field generating unit (T) or more A high magnetic field can be generated, and the attenuation rate of the magnetic field per hour of the permanent current after 24 hours from the start of mode operation in the closed loop circuit is 10 −9 or less. A permanent current magnet device for generating a high magnetic field. 超電導マグネットによる高磁場発生部、超電導マグネットによる電力貯蔵部、超電導永久電流スイッチ部、該高磁場発生部と電力貯蔵部及び該電力貯蔵部と超電導永久電流スイッチ部とをそれぞれ電気的に接続する超電導リード線からなる電流リード部を有し、該高磁場発生部、電力貯蔵部及び超電導永久電流スイッチ部が閉ループ回路として構成され、該高磁場発生部が少なくとも１つの酸化物系超電導コイルを内層コイルとして内包する多層空芯ソレノイドコイルから構成されてなる高磁場発生用永久電流マグネット装置であって、該電力貯蔵部のマグネットが完全トーラス型マグネットで構成され、該トーラス型マグネットは１０〜５００アンペア（Ａ）の電流で運転され、かつ、該トーラス型マグネットコイルのインダクタンスＬが最大となるように高磁場発生コイルの磁場中心を中心として円周状の位置に対称性を保って配置され、該高磁場発生部において２２テスラ（Ｔ）以上の高磁場を発生でき、かつ閉ループ回路内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率が１０ −９ 以下であることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。High magnetic field generating unit by the superconducting magnet, the power storage unit by the superconducting magnet, the superconducting persistent current switch unit, the high magnetic field generating unit and the power storage unit and respectively electrically and said power storage unit and the superconducting persistent current switch unit connecting to have a current lead portion consisting of the superconducting lead, the high magnetic field generating unit, configured power storage unit and the superconducting persistent current switch unit as a closed loop circuit, the high magnetic field generating unit is at least one oxide system superconductive coils meet multilayered air-core is composed of a solenoid coil formed by high magnetic field generating permanent current magnet system enclosing the inner coil, the magnet of the power storage unit is constituted by a complete torus magnet, said torus magnet is operated at a current of from 10 to 500 amps (a), and the inductance L of the torus magnet coil They are arranged while maintaining the symmetry circumferential positions around the field center of the high magnetic field generating coils so that large, can generate a high magnetic field of 22 tesla (T) or more at the high magnetic field generating portion, and a closed loop high magnetic field generating permanent current magnet apparatus attenuation rate of the magnetic field, characterized in der Rukoto 10 -9 or less per hour permanent current from the mode operation start in the 24 hours after circuit. 請求項１〜３のいずれかにおいて、該永久電流スイッチ部が、該電力貯蔵部内に設けられていることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。In any one of claims 1 to 3, the permanent current switch unit, a high magnetic field generating permanent current magnet apparatus characterized by being provided in the power storage unit. 請求項１又は２において、該電力貯蔵部のマグネットが完全トーラス型マグネットで構成され、該トーラスマグネットは１０〜５００アンペア（Ａ）の電流で運転され、かつ、コイルのインダクタンスＬが最大となるように高磁場発生コイルの磁場中心を中心として円周状の位置に対称性を保って配置されていることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。  3. The magnet according to claim 1 or 2, wherein the magnet of the power storage unit is a complete torus type magnet, the torus magnet is operated with a current of 10 to 500 amperes (A), and the inductance L of the coil is maximized. A permanent current magnet device for generating a high magnetic field, characterized in that the magnetic field is arranged symmetrically at a circumferential position around the magnetic field center of the high magnetic field generating coil. 請求項１〜３のいずれかにおいて、該電力貯蔵部のマグネットが複数の同一仕様の形状及び電流のトロイダルコイル型マグネットで構成され、該トロイダルコイルは１０〜５００アンペア（Ａ）の電流で運転され、かつ、コイルのインダクタンスＬが最大となるように高磁場発生コイルの磁場中心を中心として円周状の位置に対称性を保って配置されていることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。  The magnet of the power storage unit according to any one of claims 1 to 3, comprising a plurality of toroidal coil magnets having the same specification and current, and the toroidal coil is operated at a current of 10 to 500 amperes (A). And a permanent current magnet for generating a high magnetic field, wherein the permanent magnet is arranged symmetrically at a circumferential position around the magnetic field center of the high magnetic field generating coil so that the inductance L of the coil is maximized. apparatus. 請求項１〜３のいずれかにおいて、該電力貯蔵部を構成する超伝導材料が金属系超伝導体で構成されていることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。  4. The permanent current magnet device for generating a high magnetic field according to claim 1, wherein the superconducting material constituting the power storage unit is composed of a metal superconductor. 請求項１〜３のいずれかにおいて、該電力貯蔵部はインダクタンスＬを大きくするために、鉄心を内包することを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。  4. The permanent current magnet device for generating a high magnetic field according to claim 1, wherein the power storage unit includes an iron core in order to increase the inductance L. 請求項１〜３のいずれかにおいて、該電力貯蔵部、該電流リード部、該高磁場発生部及び該永久電流スイッチ部は液体ヘリウムによって冷却され、前記の各部を冷却する該液体ヘリウムは相互に循環可能な循環系を有するシステム構成であって、該電力貯蔵部においてのみ蒸発ヘリウムを液化し再循環することにより、該システム全体への液体ヘリウムの注液を不要ならしめたことを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。  The power storage unit, the current lead unit, the high magnetic field generation unit, and the permanent current switch unit are cooled by liquid helium, and the liquid helium that cools the units are mutually connected. A system configuration having a circulatory circulation system, characterized in that liquid helium injection into the entire system is made unnecessary by liquefying and recirculating evaporative helium only in the power storage unit. Permanent current magnet device for high magnetic field generation. 請求項１〜３のいずれかにおいて、該高磁場発生部の酸化物内層マグネット用超電導体がビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸素系超電導体Ｂｉ−２２１２又はビスマス・鉛・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸素系超電導体Ｂｉ−２２２３であって、該外層マグネットがニオブ三アルミニウム系Ｎｂ３Ａｌ、ニオブ三錫系Ｎｂ３Ｓｎもしくはニオブチタン系ＮｂＴｉもしくはこれらを組み合わせたコイル構成からなり、また、該電力貯蔵部は完全安定化ニオブチタンＮｂＴｉ系超電導体で構成され、また、該永久電流スイッチ部はキュプロニッケルシースからなるニオブチタンＮｂＴｉ超電導体から構成され、該電流リード部はニオブチタンＮｂＴｉ系超電導線もしくは該Ｂｉ−２２２３系超電導線、又は該Ｂｉ−２２１２系超電導線から構成されることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。In any one of Claims 1-3, the superconductor for oxide inner layer magnets of this high magnetic field generation part is bismuth, strontium, calcium, copper, oxygen-based superconductor Bi-2212 or bismuth, lead, strontium, calcium, copper, An oxygen-based superconductor Bi-2223, wherein the outer layer magnet has a coil configuration of niobium trialuminum Nb 3 Al, niobium tritin Nb 3 Sn, niobium titanium NbTi, or a combination thereof, and the power storage unit consists in fully stabilized niobium titanium NbTi superconductors, also the permanent current switch unit is composed of niobium titanium NbTi superconductors consisting of cupro-nickel sheath, said current lead portion niobium titanium NbTi superconducting wire or the Bi-2223-based superconducting wire, or the Bi-2212 A permanent current magnet device for generating a high magnetic field, characterized by comprising a superconducting wire.
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