JP6227917B2 - Active quench detection method for superconducting magnets - Google Patents

Active quench detection method for superconducting magnets Download PDF

Info

Publication number
JP6227917B2
JP6227917B2 JP2013151067A JP2013151067A JP6227917B2 JP 6227917 B2 JP6227917 B2 JP 6227917B2 JP 2013151067 A JP2013151067 A JP 2013151067A JP 2013151067 A JP2013151067 A JP 2013151067A JP 6227917 B2 JP6227917 B2 JP 6227917B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
superconducting
loop circuit
signal
superconducting coil
coil
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2013151067A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2015023191A (en
Inventor
紀治 玉田
紀治 玉田
敏弘 駒込
敏弘 駒込
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mayekawa Manufacturing Co
Original Assignee
Mayekawa Manufacturing Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mayekawa Manufacturing Co filed Critical Mayekawa Manufacturing Co
Priority to JP2013151067A priority Critical patent/JP6227917B2/en
Publication of JP2015023191A publication Critical patent/JP2015023191A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6227917B2 publication Critical patent/JP6227917B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Description

本発明は、超電導コイルに対して直流電源が直列接続されて構成される電気回路を有する超電導マグネットにおいてアクティブ信号である交流信号を入力することによってクエンチを検出する超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法の技術分野に関する。   The present invention relates to a superconducting magnet active quench detection method for detecting a quench by inputting an AC signal which is an active signal in a superconducting magnet having an electric circuit configured by connecting a DC power supply in series to a superconducting coil. Technical field.

電動機や発電機などの電気機器やMRIなどの医療用診断装置のような磁場を利用した機器では、しばしば強力な磁場が必要とされる。一般的に強磁場は例えばサマリウム・コバルト系やネオジム・鉄・ボロン等の永久磁石によって得ることができるが、単体の永久磁石では利用できる最大磁束密度Bは約0.5T程度が限度とされている。より強力な磁場を得る手段として、例えば、永久磁石を組み合わせたハルバッハ磁気回路が知られている。ハルバッハ磁気回路は永久磁石が作る双極子磁場の磁場分布方向に合わせて永久磁石の磁化容易軸を配置してドーナツ状磁気回路を構成することで、ドーナツの中心部分に均一で強磁場を発生させる磁気回路である。図5はハルバッハ磁気回路の構成例であり、中空の筐体30内に複数の永久磁石32を組み合わせて構成しており、最大磁束密度B=1.5(T)を実現している。   In a device using a magnetic field such as an electric device such as an electric motor or a generator or a medical diagnostic apparatus such as MRI, a strong magnetic field is often required. Generally, a strong magnetic field can be obtained by a permanent magnet such as samarium / cobalt or neodymium / iron / boron, but the maximum magnetic flux density B that can be used by a single permanent magnet is limited to about 0.5T. Yes. As a means for obtaining a stronger magnetic field, for example, a Halbach magnetic circuit combined with a permanent magnet is known. The Halbach magnetic circuit generates a uniform and strong magnetic field in the center of the donut by configuring the doughnut-shaped magnetic circuit by arranging the easy magnetization axis of the permanent magnet according to the magnetic field distribution direction of the dipole magnetic field created by the permanent magnet. It is a magnetic circuit. FIG. 5 shows a configuration example of the Halbach magnetic circuit, which is configured by combining a plurality of permanent magnets 32 in a hollow housing 30, and realizes a maximum magnetic flux density B = 1.5 (T).

このようなハルバッハ磁気回路は、磁気を帯びた永久磁石を多数組み合わせることで構成するため、その組み立てに膨大な力を要するため、更に強力な磁場を得ることは困難であるとされている。そこで、より強力な磁場を得る手段として、近年、超電導マグネットが注目されている。超電導マグネットは、極低温状態において電気抵抗値が略ゼロとなる超電導線をコイル状に巻回して構成されており、大電流を流すことで数T以上の強磁場を容易に発生することができる。   Since such a Halbach magnetic circuit is configured by combining a large number of magnetized permanent magnets, it requires an enormous amount of force for its assembly, and it is therefore difficult to obtain a stronger magnetic field. Therefore, superconducting magnets have recently attracted attention as a means for obtaining a stronger magnetic field. A superconducting magnet is formed by winding a superconducting wire whose electric resistance value is substantially zero in a cryogenic state in a coil shape, and can easily generate a strong magnetic field of several T or more by flowing a large current. .

超電導マグネットは膨大な電流を印加することによって強力な磁場を発生できる。超電導マグネットを運転するにあたり、超電導相が突然破壊されて常電導相に転移すると過熱し、超電導コイルを破壊(焼損)する、いわゆるクエンチ現象が発生する。実際の超電導マグネットの運用では、このようなクエンチ現象の回避が極めて重要である。クエンチ現象が生じる原因は様々であるが、超電導コイル巻線の一部が局部的に動くワイヤー・ムーブメントが原因の一つとして挙げられる。例えば、超電導コイル巻線の一部が何らかの理由によって微小ながら動くと、磁場中における線材移動によって起電力が発生し、発熱が生じる。そして発熱によって温度が超電導線の臨界温度以上に達すると、超電導相が破壊されてクエンチ現象となって観測される。このようなクエンチ現象は、超電導コイル巻線の溶断のような重大な故障事故の原因となるため、早期且つ精度よく検出することが求められている。   A superconducting magnet can generate a strong magnetic field by applying a huge current. When the superconducting magnet is operated, when the superconducting phase is suddenly destroyed and transitions to the normal conducting phase, the superconducting coil is overheated and a so-called quench phenomenon occurs that destroys (burns) the superconducting coil. In actual superconducting magnet operation, it is extremely important to avoid such a quench phenomenon. There are various causes of the quench phenomenon, but one of the causes is a wire movement in which a part of the superconducting coil winding moves locally. For example, if a part of the superconducting coil winding moves while being minute for some reason, an electromotive force is generated by movement of the wire in the magnetic field, and heat is generated. When the temperature rises above the critical temperature of the superconducting wire due to heat generation, the superconducting phase is destroyed and a quench phenomenon is observed. Such a quenching phenomenon causes a serious failure such as fusing of the superconducting coil winding, so that it is required to detect it quickly and accurately.

この種のクエンチ検出方法は様々な手法が検討されているが、その一例として例えば特許文献1がある。特許文献1では超電導コイルを電圧タップを用いて複数区間に区分し、それぞれの電位差を測定することによってクエンチの検出を行う手法が開示されている。   Various techniques have been studied for this kind of quench detection method. For example, there is Patent Document 1. Patent Document 1 discloses a method of detecting a quench by dividing a superconducting coil into a plurality of sections using voltage taps and measuring each potential difference.

特開2012−248725号公報JP 2012-248725 A

Y系或いはBi系と呼ばれる高温超電導線は、従来の金属超電導線に比べて高い臨界温度Tcを有するため、一般的にクエンチ現象は生じにくいとされている。しかしながら、超電導マグネットではコイル巻線が強磁場に曝されるため、クエンチの発生リスクが比較的高くなる。   A high-temperature superconducting wire called Y-based or Bi-based has a critical temperature Tc higher than that of a conventional metal superconducting wire, so that it is generally considered that a quenching phenomenon hardly occurs. However, in the superconducting magnet, the coil winding is exposed to a strong magnetic field, so that the risk of occurrence of quenching is relatively high.

また高温超電導線は製法上の制約からテープ形状の線材を用いるのが一般的である。このようなテープ形状の高温超電導線をコイル巻線に用いる場合、図6に示すパンケーキ構造が広く採用されている。この例では、外側から内側に向かってパンケーキ状に巻回された第1の超電導コイルL1と、内側から外側に向かってパンケーキ状に巻回された第2の超電導コイルL2とが、内側において連続に電気的に接続された、いわゆるダブルパンケーキ構造を有している。このようなダブルパンケーキ構造は、磁場強度の低い外周部で接続しながら階層を増やすことで、簡易に強力な磁場の発生が可能となるメリットがある。   Moreover, it is common to use a tape-shaped wire for the high-temperature superconducting wire because of restrictions on the manufacturing method. When such a tape-shaped high-temperature superconducting wire is used for the coil winding, the pancake structure shown in FIG. 6 is widely adopted. In this example, the first superconducting coil L1 wound in a pancake shape from the outside to the inside and the second superconducting coil L2 wound in a pancake shape from the inside to the outside are arranged on the inside. 2 has a so-called double pancake structure electrically connected continuously. Such a double pancake structure has an advantage that a strong magnetic field can be easily generated by increasing the number of layers while being connected at the outer peripheral portion having a low magnetic field strength.

一方で、テープ形状の高温超電導線はその薄さから、略円形断面を有する線材に比べて、熱伝達特性が小さい。そのため、常電導相が生じた場合に、発熱によって溶断のような重大な故障につながりやすいため、より早期に精度のよいクエンチ検出が求められる。   On the other hand, a tape-shaped high-temperature superconducting wire has a smaller heat transfer characteristic than a wire having a substantially circular cross section due to its thinness. For this reason, when a normal conducting phase is generated, it is easy to cause a serious failure such as fusing due to heat generation, so that accurate quench detection is required at an earlier stage.

本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、超電導マグネットにおいてクエンチ現象を早期且つ精度よく検出可能な超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an active quench detection method for a superconducting magnet capable of detecting a quench phenomenon in a superconducting magnet early and with high accuracy.

本発明に係る超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法は上記課題を解決するために、第1の超電導コイル及び第2の超電導コイルに対して直流電源が直列接続されて構成された電気回路と、前記電気回路に対して並列に接続され、且つ、第1の超電導コイルに対して第1のコンデンサ及び第1の電圧検出部が直列接続されて構成された第1のループ回路と、前記電気回路に対して並列に接続され、且つ、第2の超電導コイルに対して第2のコンデンサ及び第2の電圧検出部が直列接続されて構成された第2のループ回路と、前記第1のループ回路及び前記第2のループ回路のうち、前記第1の超電導コイル及び前記第2の超電導コイル間の中点において共有される共通電位線上に設けられた交流信号供給部とを備える超電導マグネットにおいてクエンチを検出する超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法であって、前記交流信号供給部から所定周波数を有する交流信号を入力するアクティブ信号入力工程と、前記第1の電圧検出部の検出値V1及び前記第2の電圧検出部の検出値V2を取得し、その電位差ΔV=V1−V2を求める電位差算出工程と、前記電位差ΔVが所定の閾値を超えた場合に、前記超電導マグネットのクエンチを検出したと判定する判定工程とを備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, an active quench detection method for a superconducting magnet according to the present invention includes an electric circuit configured by connecting a DC power source in series to the first superconducting coil and the second superconducting coil, A first loop circuit connected in parallel to the electric circuit and configured by connecting a first capacitor and a first voltage detection unit in series to the first superconducting coil; and A second loop circuit connected in parallel to the second superconducting coil and connected in series with a second capacitor and a second voltage detector; and the first loop circuit, A superconducting magnet comprising: an AC signal supply unit provided on a common potential line shared at a midpoint between the first superconducting coil and the second superconducting coil in the second loop circuit. An active quench detection method for a superconducting magnet that detects quenching in the active signal, an active signal input step of inputting an AC signal having a predetermined frequency from the AC signal supply unit, and a detection value V1 of the first voltage detection unit And detecting the detected value V2 of the second voltage detecting unit and calculating the potential difference ΔV = V1−V2, and detecting the quench of the superconducting magnet when the potential difference ΔV exceeds a predetermined threshold value. And a determination step for determining that it has been performed.

本発明によれば、直流電源が設けられた直流電気回路とは独立に解析可能な交流回路である同等の第1のループ回路及び第2のループ回路を設け、それぞれのループ回路における電位差に基づいて、クエンチに密接な関連性がある磁束フロー抵抗等で発生した微小抵抗値を求めることによりクエンチを検出することができる。   According to the present invention, an equivalent first loop circuit and second loop circuit, which are AC circuits that can be analyzed independently of a DC electric circuit provided with a DC power supply, are provided, and based on potential differences in the respective loop circuits. Thus, the quench can be detected by obtaining a minute resistance value generated by a magnetic flux flow resistance or the like closely related to the quench.

本発明の一態様では、第1のコンデンサ及び電圧検出部の定数は前記第1のループ回路において共振条件が成立するように設定されており、第2のコンデンサ及び電圧検出部の定数は前記第2のループ回路において共振条件が成立するように設定されているとよい。
この態様によれば、各ループ回路を共振回路になるように構成することで、近似計算を用いた磁束フロー抵抗等で発生した微小抵抗値の演算上精度を高めることができる。その結果、クエンチを高精度で検出可能とすることができる。
In one aspect of the present invention, the constants of the first capacitor and the voltage detector are set so that a resonance condition is established in the first loop circuit, and the constants of the second capacitor and the voltage detector are It is preferable that the resonance condition is established in the loop circuit 2.
According to this aspect, by configuring each loop circuit to be a resonance circuit, it is possible to improve the accuracy of calculation of a minute resistance value generated by a magnetic flux flow resistance or the like using approximate calculation. As a result, quench can be detected with high accuracy.

また、前記第1の電圧検出部及び前記第2の検圧検出部は、前記第1のループ回路及び前記第2のループ回路においてそれぞれ直列に接続された抵抗素子であってもよい。
この態様によれば、抵抗素子の両端電位を測定することにより、簡易な構成で各ループ回路における電圧降下を直接電圧検出することができる。
The first voltage detection unit and the second pressure detection detection unit may be resistive elements connected in series in the first loop circuit and the second loop circuit, respectively.
According to this aspect, it is possible to directly detect the voltage drop in each loop circuit with a simple configuration by measuring the potential across the resistor element.

尚、上記のループ回路の電流検出方法として電流トランスを用いた態様も考えられる。例えば、前記第1の電圧検出部及び前記第2の検圧検出部は、第1のループ回路を流れる電流を検出する第1の電流トランスと、第2のループ回路を流れる電流を検出する第2の電流トランスと、前記第1の電流トランス及び前記第2の電流トランスの検出値を対応する電圧値に変換して前記電位差ΔVを求めるようにしてもよい。
尚、この態様のように電流検知を行う場合でも、共振状態では無限大の高周波電流が流れることを防止するために、交流電流を制限する抵抗が必要である。
An embodiment using a current transformer is also conceivable as a current detection method for the loop circuit. For example, the first voltage detection unit and the second pressure detection detection unit detect a current flowing through the first loop circuit and a current flowing through the second loop circuit. The potential difference ΔV may be obtained by converting the detected values of the two current transformers, the first current transformer, and the second current transformer into corresponding voltage values.
Even when current detection is performed as in this aspect, a resistor that limits the alternating current is required to prevent an infinite high-frequency current from flowing in the resonance state.

本発明の他の態様では、前記判定工程では、前記電位差ΔVを電気信号として取得し、バンドパスフィルタによって該電気信号のうち前記交流信号の周波数に対応する帯域成分に基づいて判定を行ってもよい。
この態様によれば、磁束フロー抵抗等の微小抵抗の算出に用いられる電位差に含まれるノイズ成分を、バンドパスフィルタによって除去することができる。この態様では特に、交流信号のキャリア周波数帯域以外の成分をバンドパスフィルタによって除去することで、直流電源や外部の影響によるノイズを排除し、精度よくクエンチを検出することができる。
In another aspect of the present invention, in the determination step, the potential difference ΔV may be acquired as an electric signal, and the determination may be performed based on a band component corresponding to the frequency of the AC signal in the electric signal by a band pass filter. Good.
According to this aspect, the noise component included in the potential difference used for calculation of the minute resistance such as the magnetic flux flow resistance can be removed by the band pass filter. Particularly in this aspect, by removing components other than the carrier frequency band of the AC signal by the band pass filter, it is possible to eliminate noise due to the influence of the DC power source and the outside, and to detect the quench with high accuracy.

この場合、前記判定工程では、前記バンドパスフィルタの出力信号を増幅する増幅器の出力に基づいて判定を行ってもよい。
この態様によれば、バンドパスフィルタによって余分なノイズが除去されているため増幅した場合でも必要な信号がノイズに埋もれることなく、大きな信号として取り出すことができるので、より高精度にクエンチを検出することができる。
In this case, in the determination step, the determination may be performed based on an output of an amplifier that amplifies the output signal of the bandpass filter.
According to this aspect, since unnecessary noise is removed by the band-pass filter, a necessary signal can be extracted as a large signal without being buried in the noise even when amplified, so that quench is detected with higher accuracy. be able to.

また、前記交流信号供給部は、交流信号源から交流信号が入力される第1のコイルと前記共通電位線に接続された第2のコイルとを含んで構成される変圧器であってもよい。
この態様によれば、交流信号の入力の際に変圧器を介することによって、非接触な信号入力が可能となり、よりノイズの少ないクエンチ検出が可能となる。
The AC signal supply unit may be a transformer including a first coil to which an AC signal is input from an AC signal source and a second coil connected to the common potential line. .
According to this aspect, by inputting the AC signal through the transformer, non-contact signal input is possible, and quench detection with less noise is possible.

また、前記検出工程においてクエンチが検出された場合に、前記電気回路を自動的に遮断する保護工程を備えてもよい。
この態様によれば、磁束フロー抵抗等で発生した微小抵抗の増加によってクエンチが生じるおそれがあると判断された場合には、自動的に電気回路を遮断することによって(例えば保護回路などを組み込むとよい)、重大な故障事故につながるリスクを早期に回避することができる。
Moreover, you may provide the protection process which interrupts | blocks the said electric circuit automatically, when quenching is detected in the said detection process.
According to this aspect, when it is determined that there is a risk of quenching due to an increase in the minute resistance generated by the magnetic flux flow resistance or the like, by automatically shutting down the electric circuit (for example, incorporating a protection circuit or the like) Good), risk that could lead to serious breakdowns can be avoided early.

また、前記第1の超電導コイル及び前記第2の超電導コイルは、互いに前記中点を介して直列接続されたダブルパンケーキ構造を有してもよい。
この態様では、ダブルパンケーキ構造は図6を参照して上述したようにパンケーキ状に巻回されたコイル内側に構造上、中点を設けやすいため、本発明に係るアクティブ・クエンチ検出方法で用いられる回路構成を容易に組み込むことができる。
The first superconducting coil and the second superconducting coil may have a double pancake structure connected in series with each other via the midpoint.
In this aspect, since the double pancake structure is structurally easy to provide a midpoint inside the coil wound in a pancake shape as described above with reference to FIG. 6, the active quench detection method according to the present invention is used. The circuit configuration used can be easily incorporated.

本発明によれば、直流電源が設けられた直流電気回路とは独立に解析可能な交流回路である同等の第1のループ回路及び第2のループ回路を設け、それぞれのループ回路における電位差に基づいて、クエンチに密接な関連性がある磁束フロー抵抗を求めることによりクエンチを検出することができる。   According to the present invention, an equivalent first loop circuit and second loop circuit, which are AC circuits that can be analyzed independently of a DC electric circuit provided with a DC power supply, are provided, and based on potential differences in the respective loop circuits. Thus, the quench can be detected by determining a flux flow resistance closely related to the quench.

YBCO高温超電導線の外部磁場ゼロにおける電流・電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the electric current and voltage characteristic in the external magnetic field zero of a YBCO high temperature superconducting wire. 超電導体における磁束フロー抵抗の発生原理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the generation principle of the magnetic flux flow resistance in a superconductor. 参考技術に係るクエンチ検出装置の全体構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the whole structure of the quench detection apparatus which concerns on a reference technique. 本実施例に係るクエンチ検出装置の全体構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the whole structure of the quench detection apparatus which concerns on a present Example. ハルバッハ磁気回路の構成例である。It is a structural example of a Halbach magnetic circuit. パンケーキ構造を有する超電導コイルの一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the superconducting coil which has a pancake structure.

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be exemplarily described in detail with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention only to those unless otherwise specified. This is just an example.

本実施例では、高温超電導材料であるYBCO高温超電導体を線材とする超電導線を巻回してなる超電導コイルL1及びL2をクエンチの検出対象とした場合について説明する。図1は超電導コイルL1及びL2を構成するYBCO高温超電導線の外部磁場ゼロ(自己磁場特性)における電流電圧特性(VI)を示すグラフである。この例では、SuperPower社の長さ500cm、線幅12mmのYBCO高温超電導線を用いており、横軸は電流(A)、縦軸は電圧(V)を示している。
図1に示すように、超電導コイルL1及びL2に流す直流電流を0Aから臨界電流Ic(≒400A)に向かって増加していくと、約200Aを超えた近傍から電圧が上昇し始め約350Aから急激な電圧上昇が確認できた。この電圧は超電導線内の磁束が動いた事により発生する電圧であり、クエンチ現象の前兆現象として磁束フロー抵抗の増加が生じている事を示している。
In the present embodiment, a case will be described in which superconducting coils L1 and L2 formed by winding a superconducting wire having a YBCO high-temperature superconductor, which is a high-temperature superconducting material, as a wire are used as detection targets for quenching. FIG. 1 is a graph showing the current-voltage characteristics (VI) at zero external magnetic field (self-magnetic field characteristics) of the YBCO high-temperature superconducting wires constituting the superconducting coils L1 and L2. In this example, a SuperPower YBCO high-temperature superconducting wire having a length of 500 cm and a line width of 12 mm is used, the horizontal axis indicates current (A), and the vertical axis indicates voltage (V).
As shown in FIG. 1, when the DC current flowing through the superconducting coils L1 and L2 is increased from 0A toward the critical current Ic (≈400A), the voltage starts to increase from the vicinity exceeding about 200A and from about 350A. A rapid voltage increase was confirmed. This voltage is a voltage generated by the movement of the magnetic flux in the superconducting wire, and indicates that an increase in magnetic flux flow resistance occurs as a precursor of the quench phenomenon.

図2は超電導体における磁束フロー抵抗の発生原理を示す模式図である。ここでは、超電導体1に磁場Bが印加されており、該超電導体1に侵入した磁場は磁束2として存在することとなる。磁束2は、超電導体1に流れる電流が微小である場合には、超電導体1に存在する欠陥等にピン止めされる。一方、超電導体1に大きな電流Iを流すと、ピン止めされている磁束2は図2に示すように、電流I及び磁場Bに対して直交方向にローレンツ力Fを受ける。電流Iの大きさを更に増やしていくと、ローレンツ力Fもまた増加し、ある閾値を超えるタイミングで磁束2はピン止めを外れて移動し始める。このとき、磁束フローによって電圧ΔEが発生し、等価的にr=ΔE/I(電流は通電電流)の磁束フロー抵抗が発生することとなり、当該磁束フロー抵抗によって超電導体1ではq=rIの発熱が生じる。
このとき、超電導コイルの冷却が不十分であると、この発生熱によって超電導線は等価抵抗の増大を招き、最終的には超電導マグネットのクエンチ現象として観測される。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the principle of generation of magnetic flux flow resistance in the superconductor. Here, the magnetic field B is applied to the superconductor 1, and the magnetic field that has entered the superconductor 1 exists as a magnetic flux 2. The magnetic flux 2 is pinned to a defect or the like existing in the superconductor 1 when the current flowing through the superconductor 1 is very small. On the other hand, when a large current I is passed through the superconductor 1, the pinned magnetic flux 2 receives a Lorentz force F in a direction orthogonal to the current I and the magnetic field B as shown in FIG. As the magnitude of the current I is further increased, the Lorentz force F also increases, and the magnetic flux 2 begins to move out of pinning at a timing exceeding a certain threshold. At this time, a voltage ΔE is generated by the magnetic flux flow, and equivalently, a magnetic flux flow resistance of r = ΔE / I (current is an energization current) is generated, and q = rI 2 in the superconductor 1 due to the magnetic flux flow resistance. An exotherm occurs.
At this time, if the superconducting coil is not sufficiently cooled, the superconducting wire causes an increase in equivalent resistance due to the generated heat, and is finally observed as a quench phenomenon of the superconducting magnet.

超電導コイルにおける磁束フロー抵抗は、原理的には、単純に超電導コイルの両端電圧を検出することによって測定すればよい。しかしながら、実際の超電導マグネットでは、駆動用の直流電源や外部からのノイズが存在するため、微小な磁束フロー抵抗に起因する電圧信号が埋もれてしまい、クエンチ検出が難しいという問題がある。
また、超電導マグネットのクエンチは電源電流を増加させている最中に発生することが多い。このとき、超電導コイルの両端には、超電導コイルのインダクタンスをLとし、該超電導コイルに直流電源から供給される電流をi(t)とすると、超電導コイルの両端には磁束フロー抵抗の他に、

Figure 0006227917
の電圧が生じることとなる。この電圧は数Vであるため、数〜数10μV程度の磁束フロー電圧を分離して検出することは難しい。 In principle, the magnetic flux flow resistance in the superconducting coil may be measured by simply detecting the voltage across the superconducting coil. However, in an actual superconducting magnet, there is a problem that it is difficult to detect quenching because a drive DC power supply and noise from the outside exist, and a voltage signal due to a minute magnetic flux flow resistance is buried.
Further, quenching of the superconducting magnet often occurs while the power supply current is being increased. At this time, assuming that the inductance of the superconducting coil is L at both ends of the superconducting coil and the current supplied from the DC power source to the superconducting coil is i (t), in addition to the magnetic flux flow resistance at both ends of the superconducting coil,
Figure 0006227917
Will be generated. Since this voltage is several volts, it is difficult to separately detect a magnetic flux flow voltage of about several to several tens of μV.

本発明に係る超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法は、このような問題点を解決することを目的としている。本実施例ではアクティブ・クエンチ検出方法を実施するための検出装置10について詳しく後述するが、ここではまず図3を参照して、本発明に至る前提となった参考技術について説明する。図3は参考技術に係るクエンチ検出装置10´の全体構成を示す概略図である。   The superconducting magnet active quench detection method according to the present invention aims to solve such problems. In the present embodiment, the detection apparatus 10 for carrying out the active quench detection method will be described in detail later. First, a reference technique that is a prerequisite for the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing the overall configuration of the quench detection apparatus 10 ′ according to the reference technique.

(参考技術)
参考技術に係るクエンチ検出装置10´の検出対象である超電導マグネットは、パンケーキ構造を有する超電導コイルL1及びL2を直列接続してダブルパンケーキ型として構成されており(図6を参照)、該超電導コイルL1及びL2は互いに同等のインダクタンスを有するものが用いられている。超電導コイルL1及びL2には、商用電源で動作可能な直流電源3が直列接続されてなる電気回路4が形成されており、図3では電気回路4を流れる直流電流をIdcで示している。直流電流Idcの大きさは、超電導コイルL1及びL2で発生する磁場の大きさに応じて、不図示の電源コントローラによって制御される。
(Reference technology)
The superconducting magnet that is the detection target of the quench detection apparatus 10 ′ according to the reference technology is configured as a double pancake type by connecting the superconducting coils L1 and L2 having a pancake structure in series (see FIG. 6). Superconducting coils L1 and L2 have the same inductance. In the superconducting coils L1 and L2, an electric circuit 4 is formed in which a DC power source 3 operable with a commercial power source is connected in series. In FIG. 3, a DC current flowing through the electric circuit 4 is indicated by Idc. The magnitude of the direct current Idc is controlled by a power supply controller (not shown) according to the magnitude of the magnetic field generated in the superconducting coils L1 and L2.

電気回路4から超電導コイルに電流を流し、電流を増加させると、超電導コイルにはインダクタンスによる電圧VLと磁束フロー等で発生した抵抗rによる電圧Vrが合計電圧Ecとして現われる。

Figure 0006227917
When a current is passed from the electric circuit 4 to the superconducting coil and the current is increased, the voltage VL due to the inductance and the voltage Vr due to the resistance r generated by the magnetic flux flow appear in the superconducting coil as the total voltage Ec.

Figure 0006227917

また電気回路4には超電導コイルL1及びL2の一端側にノイズ補償コイルL0(常電導線から構成されたコイル)が設けられている。コイルL0は常電導線なので有限抵抗rnを有し、電流の増加の際には、超電導コイルと同様にコイルL0にはインダクタンス電圧VL0と有限抵抗電圧Vrnの合計電圧E0として現われる。

Figure 0006227917
The electric circuit 4 is provided with a noise compensation coil L 0 (coil composed of normal conducting wires) on one end side of the superconducting coils L1 and L2. Since the coil L 0 is a normal conducting wire, it has a finite resistance rn. When the current increases, the coil L 0 appears as a total voltage E 0 of the inductance voltage VL 0 and the finite resistance voltage Vrn in the coil L 0 like the superconducting coil.

Figure 0006227917

差動増幅器6において、補償コイルL0からの電圧を増幅ゲインAoの増幅器7で増幅し、超電導コイルの電圧も増幅ゲインAcの増幅器8で増幅して、これらの電圧を差し引くと、次式で示す電圧が差動増幅器6の出力として現われる。

Figure 0006227917
ここでL1、L2、L0は既知量なので、微分項dIdc/dtの係数をゼロになるように差動増幅器6の増幅率A0、Acを調整する事が出来る。従って、差動増幅器6の出力は電流Idc に比例した電圧
Figure 0006227917
となる。補償コイルL0の線抵抗も事前に調べることができ既知量になるので、最終的に差動増幅器6の出力ΔVは超電導コイルの磁束フロー等で発生した抵抗rに比例した値となる。このようにして、超電導コイル内に発生する磁束フロー等の微小抵抗rを検出する事ができる。 In the differential amplifier 6 amplifies the voltage from the compensation coil L 0 by an amplifier 7 for amplifying the gain Ao, the voltage of the superconducting coil may be amplified by the amplifier gain Ac of the amplifier 8, the subtracting these voltages, by the following formula The voltage shown appears as the output of the differential amplifier 6.

Figure 0006227917
Here, since L1, L2, L 0 is a known quantity, it is possible to adjust the amplification factor A 0, Ac of the differential amplifier 6 so that the coefficient of differential term dI dc / dt to zero. Therefore, the output of the differential amplifier 6 is a voltage proportional to the current I dc
Figure 0006227917
It becomes. Since the line resistance of the compensation coil L 0 can be examined in advance and becomes a known amount, the output ΔV of the differential amplifier 6 finally becomes a value proportional to the resistance r generated by the magnetic flux flow of the superconducting coil. In this way, a minute resistance r such as a magnetic flux flow generated in the superconducting coil can be detected.

このように参考技術に係るクエンチ検出装置10´では、ある程度の精度でクエンチの発生の有無が可能である。しかしながら、L1、L2、L0及びrnが正確に事前に求めていないと超電導コイル内に発生する磁束フロー等の微小抵抗rを検出する事ができない。さらに常電導線で構成された補償コイルL0に大電流を流すので、膨大な発熱があり、超電導コイルを使用するメリットが損なわれてしまうため、実現性が極めて乏しい。
以下に説明する実施例では、このような参考技術の課題を解決することが可能となる。
Thus, in the quench detection apparatus 10 ′ according to the reference technique, it is possible to determine whether or not a quench has occurred with a certain degree of accuracy. However, it is impossible to detect the L1, L2, L 0 and minute resistance r of the magnetic flux flows like rn occurs precisely beforehand determined not when the superconducting in the coil. Furthermore, since a large current is passed through the compensation coil L 0 composed of a normal conducting wire, there is enormous heat generation, and the merit of using the superconducting coil is impaired, so the feasibility is extremely poor.
In the embodiment described below, it is possible to solve such a problem of the reference technique.

図4は本実施例に係るクエンチ検出装置10の全体構成を示す概略図である。尚、以下の説明では前述の説明と共通する箇所には同じ符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略する。   FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the overall configuration of the quench detection device 10 according to the present embodiment. In the following description, parts that are the same as those described above are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted as appropriate.

クエンチ検出装置10は、超電導コイルL1及びL2に対して直流電源3が直列接続されて構成された電気回路4を有する超電導マグネットを検出対象としている。該電気回路4には、交流回路である第1のループ回路11及び第2のループ回路12がそれぞれ並列に設けられている。特に、第1のループ回路11及び前記第2のループ回路12は、ダブルパンケーキ構造を有する超電導コイルL1及びL2間の中点13において共通電位線14が共有されるように構成されている。   The quench detection device 10 is intended for detection of a superconducting magnet having an electric circuit 4 configured by connecting a DC power supply 3 in series to the superconducting coils L1 and L2. The electric circuit 4 is provided with a first loop circuit 11 and a second loop circuit 12 which are AC circuits in parallel. In particular, the first loop circuit 11 and the second loop circuit 12 are configured such that the common potential line 14 is shared at the midpoint 13 between the superconducting coils L1 and L2 having a double pancake structure.

第1のループ回路11にはコンデンサC1及び抵抗R1が直列接続されており、第2のループ回路12にはコンデンサC2及び抵抗R2が直列接続されている。コンデンサC1及びC2、並びに、抵抗R1及びR2は互いに同じ素子が用いられており、第1のループ回路11と第2のループ回路12が等価になるように構成されている。   A capacitor C1 and a resistor R1 are connected in series to the first loop circuit 11, and a capacitor C2 and a resistor R2 are connected in series to the second loop circuit 12. The capacitors C1 and C2 and the resistors R1 and R2 use the same elements, and the first loop circuit 11 and the second loop circuit 12 are configured to be equivalent.

共通電位線14上には変圧器16が設けられており、該変圧器16を介して信号発生源15で生成された一定振幅を有する正弦波交流信号が入力される。変圧器16は信号発生源15に接続された第1のコイル16aと、共通電位線14に接続された第2のコイル16bとを含んで構成されており、交流信号を第1のループ回路11及び第2のループ回路12に入力するインターフェイスとして機能する。本実施例では、このように交流信号の入力インターフェイスとして変圧器16を用いることで、非接触な信号入力が可能となり、よりノイズの少ないクエンチ検出が可能となる。   A transformer 16 is provided on the common potential line 14, and a sine wave AC signal having a constant amplitude generated by the signal generation source 15 is input via the transformer 16. The transformer 16 is configured to include a first coil 16 a connected to the signal generation source 15 and a second coil 16 b connected to the common potential line 14, and an AC signal is sent to the first loop circuit 11. And functions as an interface for input to the second loop circuit 12. In this embodiment, by using the transformer 16 as an AC signal input interface in this manner, non-contact signal input is possible, and quench detection with less noise is possible.

ここで、交流回路である第1のループ回路11及び第2のループ回路12はそれぞれコンデンサC1及びC2を有しているため、電気回路4を流れる直流電流Idcは第1のループ回路11及び第2のループ回路12を流れることなく、電気回路4のみを循環する。
一方、第1のループ回路11及び第2のループ回路12にそれぞれ含まれる素子(抵抗R1及びR2、並びに、コンデンサC1及びC2)は等しくなるように設定されているため、超電導コイルL1及びL2の両端電圧は互いに等電位となる。そのため、第1のループ回路11及び第2のループ回路12に供給される交流信号は、電気回路4に流れることなく、第1のループ回路11及び第2のループ回路12をそれぞれ循環することとなる。
このように検出装置10が有する検出回路では、直流回路と交流回路は互いに独立して解析可能に構成されている。
Here, since the first loop circuit 11 and the second loop circuit 12 which are AC circuits have capacitors C1 and C2, respectively, the DC current Idc flowing through the electric circuit 4 is the first loop circuit 11 and the second loop circuit 12. Only the electric circuit 4 is circulated without flowing through the second loop circuit 12.
On the other hand, since the elements (resistors R1 and R2 and capacitors C1 and C2) included in the first loop circuit 11 and the second loop circuit 12 are set to be equal, the superconducting coils L1 and L2 Both end voltages are equipotential to each other. Therefore, the AC signal supplied to the first loop circuit 11 and the second loop circuit 12 circulates through the first loop circuit 11 and the second loop circuit 12, respectively, without flowing through the electric circuit 4. Become.
As described above, the detection circuit included in the detection device 10 is configured such that the DC circuit and the AC circuit can be analyzed independently of each other.

抵抗R1及びR2における電圧降下は電圧信号V1及びV2として取り出され、差動アンプ6に入力される。差動アンプ6は、電圧信号V1及びV2の差分ΔVを出力する。これにより、超電導コイルL1及びL2のいずれかでクエンチ現象に伴う磁束フロー抵抗の増加が生じた場合には、ΔVとして検出される。   The voltage drops in the resistors R1 and R2 are taken out as voltage signals V1 and V2 and input to the differential amplifier 6. The differential amplifier 6 outputs a difference ΔV between the voltage signals V1 and V2. As a result, when an increase in magnetic flux flow resistance associated with the quench phenomenon occurs in any of the superconducting coils L1 and L2, it is detected as ΔV.

差動アンプ6の出力ΔVは、交流信号が有する周波数f=f0に対応する帯域を有するバンドパスフィルタ18に入力される。差動アンプ6からの入力信号には様々な周波数ノイズが含まれているため、バンドパスフィルタ18によって交流信号が有する周波数(キャリア周波数)を抽出することで、余分なノイズを除去することができる。特に超電導マグネットL1及びL2の駆動用電源である直流電源3は大きな電圧ノイズを発生することが多いため、微小な磁束フロー電圧はノイズに埋もれがちである。そこで、本実施例ではバンドパスフィルタ18によって検出信号に含まれるノイズを除去することで、精度のよいクエンチ検出が可能となっている。   The output ΔV of the differential amplifier 6 is input to a bandpass filter 18 having a band corresponding to the frequency f = f0 of the AC signal. Since various frequency noises are included in the input signal from the differential amplifier 6, extraneous noise can be removed by extracting the frequency (carrier frequency) of the AC signal by the band-pass filter 18. . In particular, since the DC power source 3 that is a driving power source for the superconducting magnets L1 and L2 often generates large voltage noise, a minute magnetic flux flow voltage tends to be buried in the noise. Therefore, in the present embodiment, the noise included in the detection signal is removed by the bandpass filter 18 so that accurate quench detection can be performed.

バンドパスフィルタ18の出力信号は、磁束フロー抵抗の演算を行う検出部19に入力される。 ここで共通電位線14に供給される交流信号を、振幅e0、周波数f(各周波数ω=2πf)の連続な正弦波とする。そして、第1のループ回路11及び第2のループ回路12を流れる交流電流をそれぞれi(t)及びi(t)とすると、以下の交流方程式が得られる。

Figure 0006227917
ここでrは超電導コイルL1あるいはL2で発生した磁束フロー抵抗を示しており(尚、図4では超電導コイルL2側に磁束フロー抵抗rが生じた場合を例示している)、変圧器16のインピーダンスは十分に小さく無視できると仮定する。また、Mは超電導コイルL1及びL2間の相互インダクタンスであり、磁気結合係数Kを用いて
Figure 0006227917
と表わされる。 The output signal of the band-pass filter 18 is input to the detection unit 19 that calculates the magnetic flux flow resistance. Here, the AC signal supplied to the common potential line 14 is a continuous sine wave having an amplitude e0 and a frequency f (each frequency ω = 2πf). If the alternating currents flowing through the first loop circuit 11 and the second loop circuit 12 are i 1 (t) and i 2 (t), respectively, the following alternating equations are obtained.
Figure 0006227917
Here, r represents the magnetic flux flow resistance generated in the superconducting coil L1 or L2 (in FIG. 4, the case where the magnetic flux flow resistance r is generated on the superconducting coil L2 side is illustrated), and the impedance of the transformer 16 Is sufficiently small and negligible. Further, M is the mutual inductance between the superconducting coils L1, and L2, using magnetic coupling coefficient K
Figure 0006227917
It is expressed as

(4)式をフーリエ変換すると、次式が得られる。

Figure 0006227917
(5)式に示す連立方程式を解くことにより、第1のループ回路及び第2のループ回路を流れる交流電流I及びIが得られる。 When the equation (4) is Fourier transformed, the following equation is obtained.
Figure 0006227917
By solving the simultaneous equations shown in the equation (5), the alternating currents I 1 and I 2 flowing through the first loop circuit and the second loop circuit are obtained.

ここで第1のループ回路11及び第2のループ回路12が共振状態にあると仮定すると、

Figure 0006227917
が成立する。この場合、抵抗R及びRにおける電圧降下V及びVは、次式により求められる。
Figure 0006227917
Here, assuming that the first loop circuit 11 and the second loop circuit 12 are in a resonance state,
Figure 0006227917
Is established. In this case, the voltage drops V 1 and V 2 at the resistors R 1 and R 2 are obtained by the following equation.
Figure 0006227917

ここで、磁束フロー抵抗rは微小であることから

Figure 0006227917
と仮定すると、(5)式の分母はrを無視して
Figure 0006227917
と近似できるので、差動アンプ6の出力ΔVは次式により求められる。
Figure 0006227917
Here, the magnetic flux flow resistance r is very small.
Figure 0006227917
Assuming that the denominator of equation (5) ignores r
Figure 0006227917
Therefore, the output ΔV of the differential amplifier 6 can be obtained by the following equation.
Figure 0006227917

(7)式によれば、差動アンプ6の出力ΔVは磁束フロー抵抗rに比例することが示されている。また、E0は交流信号の振幅であることから、ΔVもまた交流信号となる。このように本実施例は磁束フロー抵抗を交流信号として得られるため、増幅器で増幅した場合でも、増幅器のドリフトの影響を受けることなく増幅することができる。 The expression (7) shows that the output ΔV of the differential amplifier 6 is proportional to the magnetic flux flow resistance r. Since E 0 is the amplitude of the AC signal, ΔV is also an AC signal. In this way, since the magnetic flux flow resistance is obtained as an AC signal in this embodiment, even when amplified by an amplifier, it can be amplified without being affected by the drift of the amplifier.

ところで、直流電源3や外部からのノイズは、互いに等価である第1のループ回路11及び第2のループ回路12に対して同時・同相で印加されると考えられるため、これらのノイズは時間的に相殺される。また、上述したようにΔVはバンドパスフィルタ18でキャリア周波数を抽出して解析されるため、微小な磁束フロー抵抗rを精度よく検出できる。   By the way, the noise from the DC power supply 3 and the outside is considered to be applied to the first loop circuit 11 and the second loop circuit 12 which are equivalent to each other at the same time and in the same phase. Is offset by Further, as described above, ΔV is analyzed by extracting the carrier frequency by the band pass filter 18, so that the minute magnetic flux flow resistance r can be accurately detected.

検出部19では、このように求めた磁束フロー抵抗rが所定の閾値r1より大きいか否かに基づいて、超電導コイルL1及びL2におけるクエンチの有無を判定する。閾値r1はクエンチの発生を示唆する磁束フロー抵抗として設定され、例えば図1に示すV-I特性を予め実験的に求めて選択するとよい。   The detection unit 19 determines whether or not there is a quench in the superconducting coils L1 and L2 based on whether or not the magnetic flux flow resistance r thus obtained is larger than a predetermined threshold value r1. The threshold value r1 is set as a magnetic flux flow resistance that suggests the occurrence of quenching. For example, the VI characteristic shown in FIG.

そして検出部19は磁束フロー抵抗rが閾値r1を越えた場合(r>r1)、DC電源3に設けられた保護回路20を作動させることにより、超電導マグネットの運転を中断させ保護を図る。このとき、超電導コイルL1及びL2への供給電力を急激に遮断すると、電磁誘導作用によって大きな逆起電力が生ずるため、時間的に次第に減衰させるように制御するとよい。   When the magnetic flux flow resistance r exceeds the threshold value r1 (r> r1), the detection unit 19 activates the protection circuit 20 provided in the DC power source 3 to interrupt the operation of the superconducting magnet and protect it. At this time, if the power supplied to the superconducting coils L1 and L2 is suddenly cut off, a large counter electromotive force is generated due to the electromagnetic induction action, so that it is preferable to control so as to attenuate gradually.

続いて、上述のクエンチ検出装置10を用いて超電導マグネットの応用例であるSMES( Superconducting Magnet Energy Storage)に本発明を適用した場合について、具体的に検証する。ここではSMESのエネルギーを例えば実験室規模のE=1000(J)とし、超電導コイルL1及びL2に流れる直流電流Idcを400(A)とする。この場合、インダクタンスの計算式

Figure 0006227917
に基づいて、超電導コイルL1及びL2の総インダクタンスLは12.5(mH)となり、それぞれのインダクタンスL1及びL2は6.25(mH)となる。また磁気結合係数をK=1とすると、相互インダクタンスは

Figure 0006227917
となる。 Subsequently, the case where the present invention is applied to SMES (Superconducting Magnet Energy Storage), which is an application example of a superconducting magnet, using the above-described quench detection device 10 will be specifically verified. Here, SMES energy is, for example, E = 1000 (J) on a laboratory scale, and DC current Idc flowing through superconducting coils L1 and L2 is 400 (A). In this case, inductance calculation formula
Figure 0006227917
Therefore, the total inductance L of the superconducting coils L1 and L2 is 12.5 (mH), and the respective inductances L1 and L2 are 6.25 (mH). If the magnetic coupling coefficient is K = 1, the mutual inductance is

Figure 0006227917
It becomes.

また信号発生源15から出力される交流信号として、商用電源で作動する直流電源3からのノイズによる影響を減らすために、周波数f=42.414(Hz)を選択するとよい。この場合、第1のループ回路11及び第2のループ回路12における共振条件

Figure 0006227917
を成立させるために、コンデンサC1及びC2は、それぞれ0.088(μF)とする。また抵抗R1及びR2は10(Ω)とし、交流信号の振幅をE0=1(V)とした場合、磁気フロー抵抗rとして100(nΩ)が超電導コイルL2に発生したと仮定すると、(6)式により、ΔVは約10(nV)の交流電圧として検出される。ΔVは差分電圧なので超電導コイルL1及びL2に対して同位相で入り込んだノイズは互いに相殺される。一方で、不平衡なノイズは相殺することができないが、バンドパスフィルタ18を介して検出部19に取り込むことで、キャリア周波数以外をカットすることができる。またΔVは交流信号であるので増幅器で増幅させたとしても、増幅器のドリフトによる影響を回避することができ、良好な精度でクエンチを検出できる。
例えばΔVを10000倍に増幅することで、磁束フロー抵抗r=100(nΩ)を0.1(mV)の検出信号として得ることができるので、一般的なデジタルボルトメータでも測定が可能となり、コストを抑えることができる。 Further, as the AC signal output from the signal generation source 15, the frequency f = 42.414 (Hz) may be selected in order to reduce the influence of noise from the DC power source 3 that operates on the commercial power source. In this case, the resonance condition in the first loop circuit 11 and the second loop circuit 12
Figure 0006227917
In order to establish the above, capacitors C1 and C2 are each set to 0.088 (μF). Further, assuming that the resistances R1 and R2 are 10 (Ω) and the amplitude of the AC signal is E 0 = 1 (V), it is assumed that 100 (nΩ) is generated in the superconducting coil L2 as the magnetic flow resistance r (6 ) Is detected as an AC voltage of about 10 (nV). Since ΔV is a differential voltage, noises entering the superconducting coils L1 and L2 in the same phase cancel each other. On the other hand, unbalanced noise cannot be canceled out, but by capturing the unbalanced noise in the detection unit 19 via the bandpass filter 18, it is possible to cut other than the carrier frequency. Since ΔV is an AC signal, even if it is amplified by an amplifier, the influence of drift of the amplifier can be avoided and quench can be detected with good accuracy.
For example, by amplifying ΔV by 10,000 times, a magnetic flux flow resistance r = 100 (nΩ) can be obtained as a detection signal of 0.1 (mV), so that measurement can be performed even with a general digital voltmeter. Can be suppressed.

また検出部19におけるクエンチ検出の閾値r1は数μΩ程度に設定するとよい。仮に閾値r1を1(μΩ)と設定した場合、上述したように直流電流が400(A)であることから、超電導コイルL2において

Figure 0006227917
の発熱が発生すると、保護回路20を作動するように制御する。 The threshold r1 for quench detection in the detection unit 19 is preferably set to about several μΩ. If the threshold value r1 is set to 1 (μΩ), since the direct current is 400 (A) as described above, in the superconducting coil L2,
Figure 0006227917
When the heat generation occurs, the protection circuit 20 is controlled to operate.

以上説明したように、本実施例に係る検出装置10では、直流電源3が設けられた直流電気回路4とは独立に解析可能な交流回路である同等の第1のループ回路11及び第2のループ回路12を設け、それぞれのループ回路における電位差に基づいて、クエンチに密接な関連性がある磁束フロー抵抗を求めることによりクエンチを検出することができる。   As described above, in the detection apparatus 10 according to the present embodiment, the equivalent first loop circuit 11 and second loop circuit that are AC circuits that can be analyzed independently of the DC electric circuit 4 provided with the DC power supply 3. Quench can be detected by providing a loop circuit 12 and determining a flux flow resistance closely related to the quench based on the potential difference in each loop circuit.

尚、本実施例に係る検出装置10では交流信号が超電導コイルL1及びL2に流れるため、超電導体に特有な交流損失にも留意する必要がある。交流損失は1サイクルあたりのエネルギー損失として表すことができる。例えば超電導ハンドブック(電気学会出版)によれば、交流損失P/fは交流信号Iacの振幅をIm、超電導コイルL1及びL2を構成する超電導線の臨界電流密度をJc、試料の領域をaとすると、次式で得られる。

Figure 0006227917
例えば、超電導線の線臨界電流密度をJc=10(MA/m)程度とし、超電導線幅をa=4(mm)とする。本実施例では、交流電流の振幅Im=100(mA)であるから、超電導線で発生する交流損失は10−5(W/m)程度である。超電導コイルに使用される超電導線の全長が500(m)であるとすると、超電導マグネット全体での交流損失は5(mW)であり、無視できる程小さな値となる。
尚、更に交流損失を小さく抑えたい場合には、交流電源の電圧を更に下げればよい。 In the detection apparatus 10 according to the present embodiment, since an AC signal flows through the superconducting coils L1 and L2, it is necessary to pay attention to an AC loss peculiar to the superconductor. AC loss can be expressed as energy loss per cycle. For example, according to the Superconducting Handbook (published by the Institute of Electrical Engineers of Japan), the AC loss P / f is assumed that the amplitude of the AC signal Iac is Im, the critical current density of the superconducting wires constituting the superconducting coils L1 and L2 is Jc, and the sample region is a. Is obtained by the following equation.
Figure 0006227917
For example, the line critical current density of the superconducting wire is set to about Jc = 10 (MA / m), and the width of the superconducting wire is set to a = 4 (mm). In this embodiment, the alternating current amplitude Im = 100 (mA), so the alternating current loss generated in the superconducting wire is about 10 −5 (W / m). If the total length of the superconducting wire used for the superconducting coil is 500 (m), the AC loss in the entire superconducting magnet is 5 (mW), which is a negligibly small value.
In order to further reduce the AC loss, the voltage of the AC power source may be further reduced.

本発明は、超電導コイルに対して直流電源が直列接続されて構成される電気回路を有する超電導マグネットにおいてクエンチを検出する超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法に利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a superconducting magnet active quench detection method for detecting quench in a superconducting magnet having an electric circuit configured by connecting a DC power source in series to a superconducting coil.

3 直流電源
4 電気回路
6 差動アンプ
11 第1のループ回路
12 第2のループ回路
13 中点
15 信号発生源
16 変圧器
18 バンドパスフィルタ
19 検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 DC power supply 4 Electric circuit 6 Differential amplifier 11 1st loop circuit 12 2nd loop circuit 13 Midpoint 15 Signal generation source 16 Transformer 18 Band pass filter 19 Detection part

Claims (6)

第1の超電導コイル及び第2の超電導コイルに対して直流電源が直列接続されて構成された電気回路と、
前記電気回路に対して並列に接続され、且つ、第1の超電導コイルに対して第1のコンデンサ及び第1の電圧検出部が直列接続されて構成された第1のループ回路と、
前記電気回路に対して並列に接続され、且つ、第2の超電導コイルに対して第2のコンデンサ及び第2の電圧検出部が直列接続されて構成された第2のループ回路と、
前記第1のループ回路及び前記第2のループ回路のうち、前記第1の超電導コイル及び前記第2の超電導コイル間の中点において共有される共通電位線上に設けられた交流信号供給部と
を備える超電導マグネットにおいてクエンチを検出する超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法であって、
前記交流信号供給部から所定周波数を有する交流信号を入力するアクティブ信号入力工程と、
前記第1の電圧検出部の検出値V1及び前記第2の電圧検出部の検出値V2を取得し、その電位差ΔV=V1−V2を求める電位差算出工程と、
前記電位差ΔVが所定の閾値を超えた場合に、前記超電導マグネットのクエンチを検出したと判定する判定工程と
を備え
第1のコンデンサ及び電圧検出部の定数は前記第1のループ回路において共振条件が成立するように設定されており、
第2のコンデンサ及び電圧検出部の定数は前記第2のループ回路において共振条件が成立するように設定されていることを特徴とする超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法。
An electric circuit configured by connecting a DC power source in series to the first superconducting coil and the second superconducting coil;
A first loop circuit that is connected in parallel to the electrical circuit and is configured by connecting a first capacitor and a first voltage detection unit in series to the first superconducting coil;
A second loop circuit connected in parallel to the electric circuit, and configured by connecting a second capacitor and a second voltage detection unit in series to the second superconducting coil;
An alternating-current signal supply unit provided on a common potential line shared at a midpoint between the first superconducting coil and the second superconducting coil of the first loop circuit and the second loop circuit; A superconducting magnet active quench detection method for detecting quenching in a superconducting magnet comprising:
An active signal input step of inputting an AC signal having a predetermined frequency from the AC signal supply unit;
Obtaining a detection value V1 of the first voltage detection unit and a detection value V2 of the second voltage detection unit, and calculating a potential difference ΔV = V1−V2;
A determination step of determining that quenching of the superconducting magnet is detected when the potential difference ΔV exceeds a predetermined threshold ,
The constants of the first capacitor and the voltage detector are set so that a resonance condition is established in the first loop circuit,
Active quench detection method of a superconducting magnet constant of the second capacitor and the voltage detection unit is characterized that you have been set so that the resonance condition is satisfied in the second loop circuit.
第1の超電導コイル及び第2の超電導コイルに対して直流電源が直列接続されて構成された電気回路と、  An electric circuit configured by connecting a DC power source in series to the first superconducting coil and the second superconducting coil;
前記電気回路に対して並列に接続され、且つ、第1の超電導コイルに対して第1のコンデンサ及び第1の電圧検出部が直列接続されて構成された第1のループ回路と、  A first loop circuit that is connected in parallel to the electrical circuit and is configured by connecting a first capacitor and a first voltage detection unit in series to the first superconducting coil;
前記電気回路に対して並列に接続され、且つ、第2の超電導コイルに対して第2のコンデンサ及び第2の電圧検出部が直列接続されて構成された第2のループ回路と、  A second loop circuit connected in parallel to the electric circuit, and configured by connecting a second capacitor and a second voltage detection unit in series to the second superconducting coil;
前記第1のループ回路及び前記第2のループ回路のうち、前記第1の超電導コイル及び前記第2の超電導コイル間の中点において共有される共通電位線上に設けられた交流信号供給部と  An AC signal supply unit provided on a common potential line shared at a midpoint between the first superconducting coil and the second superconducting coil of the first loop circuit and the second loop circuit;
を備える超電導マグネットにおいてクエンチを検出する超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法であって、A superconducting magnet active quench detection method for detecting a quench in a superconducting magnet comprising:
前記交流信号供給部から所定周波数を有する交流信号を入力するアクティブ信号入力工程と、  An active signal input step of inputting an AC signal having a predetermined frequency from the AC signal supply unit;
前記第1の電圧検出部の検出値V1及び前記第2の電圧検出部の検出値V2を取得し、その電位差ΔV=V1−V2を求める電位差算出工程と、  Obtaining a detection value V1 of the first voltage detection unit and a detection value V2 of the second voltage detection unit, and calculating a potential difference ΔV = V1−V2;
前記電位差ΔVが所定の閾値を超えた場合に、前記超電導マグネットのクエンチを検出したと判定する判定工程と  A determination step of determining that quenching of the superconducting magnet is detected when the potential difference ΔV exceeds a predetermined threshold;
を備え、With
前記交流信号供給部は、  The AC signal supply unit
交流信号源から交流信号が入力される第1のコイルと前記共通電位線に接続された第2のコイルとを含んで構成される変圧器であることを特徴とする超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法。  An active quench detection of a superconducting magnet, characterized in that it is a transformer comprising a first coil to which an AC signal is input from an AC signal source and a second coil connected to the common potential line. Method.
前記第1の電圧検出部及び前記第2の電圧検出部は、前記第1のループ回路及び前記第2のループ回路においてそれぞれ直列に接続された抵抗素子であることを特徴とする請求項1又は2に記載の超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法。   The first voltage detection unit and the second voltage detection unit are resistance elements connected in series in the first loop circuit and the second loop circuit, respectively. 3. The active quench detection method for a superconducting magnet according to 2. 前記判定工程では、前記電位差ΔVを電気信号として取得し、バンドパスフィルタによって該電気信号のうち前記交流信号の周波数に対応する帯域成分に基づいて判定を行うことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法。   The determination step is characterized in that the potential difference ΔV is acquired as an electric signal, and a determination is made by a band pass filter based on a band component corresponding to the frequency of the AC signal. The active quench detection method for a superconducting magnet according to any one of the above. 前記判定工程においてクエンチが検出された場合に、前記直流電源を自動的に遮断する保護工程を備えることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法。The determination if the quench in the process is detected, the active quench detection of the superconducting magnet according to claim 1, any one of 4, characterized in that it comprises a protection step of automatically interrupting the DC power supply Method. 前記第1の超電導コイル及び前記第2の超電導コイルは、互いに前記中点を介して直列接続されたダブルパンケーキ構造を有することを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の超電導マグネットのアクティブ・クエンチ検出方法。
It said first superconducting coil and the second superconducting coil according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises a double pancake structure connected in series through the midpoint to each other Active quench detection method for superconducting magnets.
JP2013151067A 2013-07-19 2013-07-19 Active quench detection method for superconducting magnets Active JP6227917B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013151067A JP6227917B2 (en) 2013-07-19 2013-07-19 Active quench detection method for superconducting magnets

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013151067A JP6227917B2 (en) 2013-07-19 2013-07-19 Active quench detection method for superconducting magnets

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015023191A JP2015023191A (en) 2015-02-02
JP6227917B2 true JP6227917B2 (en) 2017-11-08

Family

ID=52487381

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013151067A Active JP6227917B2 (en) 2013-07-19 2013-07-19 Active quench detection method for superconducting magnets

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6227917B2 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109917310A (en) * 2019-01-29 2019-06-21 兰州大学 Signal high speed synchronous sample and Protection control system are quenched in a kind of superconducting experiment
US11521771B2 (en) 2019-04-03 2022-12-06 General Electric Company System for quench protection of superconducting machines, such as a superconducting wind turbine generator
CN111812562B (en) * 2020-06-01 2024-01-30 国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院 Quench detection method and quench detection device for high-temperature superconductive ring magnet
CN111707978B (en) * 2020-07-09 2021-09-10 华中科技大学 Quench detection method, device and equipment for superconducting magnet and storage medium
CN114217252B (en) * 2021-12-14 2023-09-29 中国科学院合肥物质科学研究院 Same-winding compensation coil and quench detection system with same

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS52130298A (en) * 1976-04-26 1977-11-01 Hitachi Ltd Protection system for superconductor device
US4764837A (en) * 1987-11-16 1988-08-16 General Electric Company Superconductive circuit for controlling quench events
US5999383A (en) * 1998-03-05 1999-12-07 Siemens Westinghouse Power Corporation Arrangement for detecting quenches in superconducting coils
JP2012248725A (en) * 2011-05-30 2012-12-13 Sumitomo Electric Ind Ltd Superconducting magnet device, and quenching detector and detection method of superconducting coil

Also Published As

Publication number Publication date
JP2015023191A (en) 2015-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6227917B2 (en) Active quench detection method for superconducting magnets
US9030210B2 (en) Insulation deterioration diagnosis apparatus
JP2609295B2 (en) Superconducting magnet for nuclear magnetic resonance tomography
Tosaka et al. R&D project on HTS magnets for ultrahigh-field MRI systems
WO2014136975A1 (en) Magnetism measurement device
US10401393B2 (en) Method for determining persistent critical current of superconducting materials
JP5656734B2 (en) Superconducting magnet having parallel winding and superconducting magnet system
KR101034761B1 (en) Measuring method of critical current density of superconductor wires using measurement of magnetization loss
JP6310221B2 (en) Passive quench detection method for superconducting magnets
Geithner et al. Low temperature permeability and current noise of ferromagnetic pickup coils
Kajikawa et al. AC losses in monofilamentary MgB2 round wire carrying alternating transport currents
JP2019524177A5 (en)
US20230184862A1 (en) Magnetic particle imaging device
Lee et al. Experimental analysis of charging characteristics of HTS field coils with HTS contactless rotary excitation device considering various HTS loads
Kim et al. Contact resistance and current characteristics of NI HTS coils in low frequency AC method
JP5998824B2 (en) AC loss measurement method for superconducting coils
JP2012248725A (en) Superconducting magnet device, and quenching detector and detection method of superconducting coil
Lalwani et al. Hall-effect sensor technique for no induced voltage in AC magnetic field measurements without current spinning
Enpuku et al. HTS SQUID magnetometer using resonant coupling of cooled Cu pickup coil
Yen et al. Induced currents in close-ended type-ii superconducting coils
Habu et al. The contactless detection of local normal transitions in superconducting coils by using Poynting’s vector method
JP2018159637A (en) Magnetic field generating device, nmr analysis device, and mri device
Wang et al. A Large-bore HTS magnet for generating AC magnetic field
KR101194717B1 (en) Coil current measurement apparatus of superconducting tokamak Quench detection
Tu et al. Study on the effect of temperature on magnetization of permanent magnet

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160607

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170525

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170602

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170727

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170929

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20171012

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6227917

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250