JP6199628B2 - 超電導コイル装置 - Google Patents

Description

本発明は、巻回した超電導コイルを複数組み合わせて構成される超電導コイル装置に関する。

超電導コイルは、高磁場を発生することが可能なために、荷電粒子ビームの軌道半径を小さくできる小型軽量の偏向電磁石に応用される。
そして、さらに高い磁場や所望の磁場分布を得るために、複数の超電導コイルを組み合わせて超電導コイル装置が構成されている（例えば、特許文献１）。

特開２００７−２６０２２２号公報

複数の超電導コイルを組み合わせて電気的に接続するためには、各コイルの線端を連結する必要がある。
しかし、このコイル同士を連結する配線からも磁場が生成するために、荷電粒子ビームの軌道領域の磁場が乱れる課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、コイル同士の連結配線が生成する磁場の影響を抑制し、均一性の高い磁場空間を形成する超電導コイル装置を提供することを目的とする。

本発明の超電導コイル装置において、順方向に巻回した第ｍ超電導コイルと、第ｍ支持面上に前記第ｍ超電導コイルと同心配置され順方向に巻回した第ｍ＋１超電導コイルと、前記第ｍ超電導コイルの内側の線端と前記第ｍ＋１超電導コイルの外側の線端とを短絡させる第ｍ短絡部と、前記第ｍ超電導コイルに積層配置され逆方向に巻回した第ｎ超電導コイルと、第ｎ支持面上に前記第ｎ超電導コイルと同心配置され逆方向に巻回した第ｎ＋１超電導コイルと、前記第ｎ超電導コイルの内側の線端と前記第ｎ＋１超電導コイルの外側の線端とを短絡させる第ｎ短絡部と、を備え、前記第ｍ短絡部及び第ｎ短絡部は、前記第ｍ支持面に対する垂直方向に互いに重なるように位置する。

本発明により、コイル同士の連結配線が生成する磁場の影響を抑制し均一性の高い磁場空間を形成する超電導コイル装置を提供することを目的とする。

（Ａ）荷電粒子ビームダクトに設けられた超電導コイル装置の実施形態を示す上面図、（Ｂ）側面図、（Ｃ）断面図。 実施形態に係る超電導コイル装置を構成する超電導コイルの展開図。 （Ａ）奇数番目に積層される超電導コイルの平面図、（Ｂ）偶数番目に積層される超電導コイルの平面図。 積層配置される超電導コイルを連結する連結部を含む断面の断面図。 同心配置される超電導コイルを短絡させる短絡部を含む支持面の上面図。 同心配置される超電導コイルを短絡させる短絡部を含む断面図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１（Ａ）は、加速器用偏向電磁石として、荷電粒子ビームダクト３１に設けられた超電導コイル装置１０の実施形態を示す上面図を示している。
図１（Ｂ）に示すように、超電導コイル装置１０は、曲面を有する荷電粒子ビームダクト３１の外周面に端面がフィットする鞍型形状に巻回されている。この鞍型形状とは偏向部と屈曲部から構成され、偏向部は直線または一定曲率をもった形状である。円筒状の荷電粒子ビームダクト３１に沿って巻きまわされる構成で示しているが、円筒状に限らず楕円筒状や角に曲率のついた多角形断面の筒状であっても良い。

さらに、この外周面に、一対の超電導コイル装置１０ａ，１０ｂがその端面を密着させて、互いに対向するように設けられている。なお、図示を省略するが超電導コイル装置１０は、周回りに複数対設けることにより、多極電磁石を構成することもできる。
この超電導コイル装置１０の働きにより、図１（Ｃ）に示すように、荷電粒子ビームダクト３１の中心部にその軸心（Ｘ軸）に沿って、均一な磁場空間３２が形成される。この均一磁場により、荷電粒子ビームの偏向や収束がコントロールされる。

図２に示すように、超電導コイル装置１０は、複数の超電導コイル１１，２１が、同心状及び積層状に組み合わされ電気的に直列に接続されている。
それぞれの超電導コイル１１，２１は、両側に線端を有し連続したテープ状の超電導材料を内側から外側に巻回したり、両側に線端を有し連続した線状の超電導材料を螺旋状に密巻して内側から外側に層を重ねたりして作成される。

図２に示すように、超電導コイル装置１０の構成を展開すると、順方向に巻回した第ｍ超電導コイル１１₀と、第ｍ支持面１２上に第ｍ超電導コイル１１₀と同心配置され順方向に巻回した第ｍ＋１超電導コイル１１₁と、第ｍ超電導コイル１１₀の内側の線端と第ｍ＋１超電導コイル１１₁の外側の線端とを短絡させる第ｍ短絡部１３₀と、第ｍ超電導コイル１１₀に積層配置され逆方向に巻回した第ｎ超電導コイル２１₀と、第ｎ支持面２２上に第ｎ超電導コイル２１₀と同心配置され逆方向に巻回した第ｎ＋１超電導コイル２１₁と、第ｎ超電導コイル２１₀の内側の線端と第ｎ＋１超電導コイル２１₁の外側の線端とを短絡させる第ｎ短絡部２３₀と、を備えている。

さらに第ｍ支持面１２上に順方向に巻回した第ｍ＋２超電導コイル１１₂と、第ｍ＋１超電導コイル１１₁の内側の線端と第ｍ＋２超電導コイル１１₂の外側の線端とを短絡させる第ｍ＋１短絡部１３₁と、第ｎ支持面２２上に逆方向に巻回した第ｎ＋２超電導コイル２１₂と、第ｎ＋１超電導コイル２１₁の内側の線端と第ｎ＋２超電導コイル２１₂の外側の線端とを短絡させる第ｎ＋１短絡部２３₁と、を備えている。

さらに超電導コイル装置１０は、第ｍ支持面１２及び第ｎ支持面２２の積層体がさらに交互に積層されている。
そして、第ｍ短絡部１３₀及び第ｎ短絡部２３₀は、第ｍ支持面１２に対する垂直方向に互いに重なるように位置している。この第ｍ短絡部１３₀及び第ｎ短絡部２３₀に流れる電流は、方向が互いに逆向きであるために、誘導磁場が互いに打ち消される。
同様に、第ｍ＋１短絡部１３₁及び第ｎ＋１短絡部２３₁も、第ｍ支持面１２に対する垂直方向に互いに重なるように位置している。この第ｍ＋１短絡部１３₁及び第ｎ＋１短絡部２３₁に流れる電流は、方向が互いに逆向きであるために、互いに相手が生成する磁場をキャンセルする。
よって、これら短絡部１３，２３で生成する磁場が、磁場空間３２（図１（Ｃ））の均一性を乱すことが抑制される。

さらに超電導コイル装置１０は、第ｍ支持面１２及び第ｎ支持面２２の最内側に配置される超電導コイル（実施形態では第ｍ＋２超電導コイル１１₂及び第ｎ＋２超電導コイル２１₂）の内側の線端を互いに連結する内側連結部１４と、この内側連結部１４で連結されていない第ｍ支持面１２及び第ｎ支持面２２の最外側に配置される超電導コイル（実施形態では第ｍ超電導コイル１１₀及び第ｎ超電導コイル２１₀）の外側の線端を互いに連結する外側連結部２４と、を備えている。

さらに超電導コイル装置１０は、最上層の最外側に配置される超電導コイル（実施形態では第ｎ超電導コイル２１₀）の外側の線端からの引出線２５が、内側連結部１４及び外側連結部２４と平行に配置されている。
この内側連結部１４及び外側連結部２４に流れる電流と引出線２５に流れる電流とは、方向が互いに逆向きであるために、誘導磁場が互いに打ち消される。
よって、これら連結部１４，２４で生成する磁場が、磁場空間３２（図１（Ｃ））の均一性を乱すことが抑制される。
なお、図示を省略するが最下層の最外側に配置される超電導コイル（実施形態では第ｍ超電導コイル１１₀）の外側の線端からの引出線１５が、内側連結部１４及び外側連結部２４と平行に配置されていてもよい。

図３（Ａ）は奇数番目（第ｍ支持面１２）に積層される超電導コイルの平面図であり、図３（Ｂ）は偶数番目（第ｎ支持面２２）に積層される超電導コイルの平面図である。
超電導コイル１１，１２は偏向部３４と屈曲部３５から構成される。偏向部３４は直線または一定曲率の曲線である。

超電導コイル１１，２１は、奇数層と偶数層とでは巻線方向が逆向きとなっている。
短絡部１３（２３）の電極は、偏向部３４の同位相部分の隙間に挿入され、共通の支持面１２（２２）において超電導コイル１１（２１）を直列に接続している。
このように、超電導コイル１１，２１が接続されていることにより、電流の流れる周方向が全てのコイルにおいて一致することになる。

短絡部１３（２３）に流れる電流は、径方向において、積層間で互いに逆向きであるために、短絡部１３（２３）の位置が超電導コイル１１（２１）の同位相部分であれば、生成する磁場を互いにキャンセルする作用が得られる。
しかし、積層間における短絡部１３（２３）の位置は、一致させる必要は特になく、磁場空間３２（図１（Ｃ））の均一性が損なわれない範囲で決定することができる。

なお、短絡部１３（２３）は、直線または一定曲率の曲線状である偏向部３４に設けられることが製作性の観点から好ましい。また短絡部１３（２３）は、超電導コイル１１（２１）とは別体で製作が可能なため、製作性や保守性に優れる。

図４は、積層関係にある超電導コイル１１，２１を連結する連結部１４，２４、及び最上層の最外側に配置される第ｎ超電導コイル２１₀の外側の線端に接続する引出電極２５ａ、最下層の最外側に配置される第ｍ超電導コイル１１₀の外側の線端に接続する引出電極１５ａを含む断面を示している。
ここで、超電導コイル１１，２１の積層数は偶数である方が、コイル間接続を偶数層と奇数層とで漏れなくペアとすることが出来るため望ましいが、特に限定しない。

また、内側連結部１４、外側連結部２４及び引出電極１５ａ，２５ａは、同一断面内にあることが望ましいが、特に限定しない。
内側連結部１４、外側連結部２４及び引出電極１５ａ，２５ａは、銅や銀などの導電性金属又は超電導線材で構成することができる。この材料を採用することによって発熱が抑制され、冷却して使用する超電導コイル装置をより良好に運転することができる。

図５は、図３（Ａ）の領域Ｑを拡大したもので短絡部１３の上面を示している。
短絡部１３は、超電導コイル１１の内周面を支持する巻軸４１に保持されるとともに超電導コイルの内側の線端に接続する短絡電極４２ａと、超電導コイルの外側の線端に接続する短絡電極４２ｂと、に両端がボルトやねじで接続されている。また、この固定方法はボルトやねじに限らず、必要に応じて樹脂などの接着剤を用いる方法や、はめ合わせ、ストッパーを設けることによって固定することも可能である。
このように、短絡部１３が構成されることにより、電磁力により受ける力を巻軸４１で受け止めて、この短絡部１３の動きや超電導特性が損なわれるのを防止することができる。

図６は、図１（Ｃ）の領域Ｐを拡大したもので短絡部１３，２３の側面を示している。
図６に示すように、第ｍ短絡部１３₀及び第ｎ短絡部２３₀は、第ｎ支持面２２または第ｍ支持面１２を挟んで互いに近接するように位置している。
なお奇数層の短絡部１３は、第ｍ支持面１２に配置したスペーサ（図示略）を介して、支持されてもよい。
このように構成されることにより、短絡部１３，２３を互いに逆方向に流れる電流が近接するために、この電流によって生成する磁場が打ち消しあい、磁場空間３２の均一性の乱れが抑制される。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の超電導コイル装置によれば、超電導コイル同士の連結配線が生成する磁場の影響を抑制することにより、均一性の高い磁場空間を形成することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０（１０ａ，１０ｂ）…超電導コイル装置、１１，２１…超電導コイル、１１₀…第ｍ超電導コイル、１１₁…第ｍ＋１超電導コイル、１１₂…第ｍ＋２超電導コイル、１２…第ｍ支持面（支持面）、１３，２３…短絡部、１３₀…第ｍ短絡部、１３₁…第ｍ＋１短絡部、１４…内側連結部（連結部）、１５…引出線、１５ａ…引出電極、２１₀…第ｎ超電導コイル、２１₁…第ｎ＋１超電導コイル、２１₂…第ｎ＋２超電導コイル、２２…第ｎ支持面（支持面）、２３₀…第ｎ短絡部、２３₁…第ｎ＋１短絡部、２４…外側連結部（連結部）、２５ａ…引出電極、２５…引出線、３１…荷電粒子ビームダクト、３２…磁場空間、３４…偏向部、３５…屈曲部、４１…巻軸、４２ａ，４２ｂ…短絡電極。

Claims (6)

1. 順方向に巻回した第ｍ超電導コイルと、
   第ｍ支持面上に前記第ｍ超電導コイルと同心配置され順方向に巻回した第ｍ＋１超電導コイルと、
   前記第ｍ超電導コイルの内側の線端と前記第ｍ＋１超電導コイルの外側の線端とを短絡させる第ｍ短絡部と、
   前記第ｍ超電導コイルに積層配置され逆方向に巻回した第ｎ超電導コイルと、
   第ｎ支持面上に前記第ｎ超電導コイルと同心配置され逆方向に巻回した第ｎ＋１超電導コイルと、
   前記第ｎ超電導コイルの内側の線端と前記第ｎ＋１超電導コイルの外側の線端とを短絡させる第ｎ短絡部と、を備え、
   前記第ｍ短絡部及び第ｎ短絡部は、前記第ｍ支持面に対する垂直方向に互いに重なるように位置することを特徴とする超電導コイル装置。
2. 請求項１に記載の超電導コイル装置において、
   前記第ｍ支持面及び第ｎ支持面の積層体がさらに交互に積層されて形成されることを特徴とする超電導コイル装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の超電導コイル装置において、
   前記第ｍ短絡部及び第ｎ短絡部は、前記第ｎ支持面を挟んで互いに近接するように位置することを特徴とする超電導コイル装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導コイル装置において、
   前記第ｍ支持面及び前記第ｎ支持面の最内側に配置される超電導コイルの内側の線端を互いに連結する内側連結部と、
   前記内側連結部で連結されていない前記第ｍ支持面及び前記第ｎ支持面の最外側に配置される超電導コイルの外側の線端を互いに連結する外側連結部と、をさらに備えることを特徴とする超電導コイル装置。
5. 請求項４に記載の超電導コイル装置において、
   最上層の最外側に配置される超電導コイルの外側の線端又は最下層の最外側に配置される超電導コイルの外側の線端からの引出線は、前記内側連結部及び前記外側連結部と平行に配置されることを特徴とする超電導コイル装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超電導コイル装置において、
   前記第ｍ超電導コイル及び前記第ｍ＋１超電導コイルは、曲面を有する前記第ｍ支持面に端面がフィットする鞍型形状に巻回されていることを特徴とする超電導コイル装置。

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