JP6326804B2 - 超電導マグネットおよび測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、伝導冷却型の超電導マグネットおよび超電導マグネットが発生する変動磁場を利用して被測定対象の磁化特性を測定する測定装置に関する。

冷凍機と超電導コイルとを熱的に接触させて超電導コイルを冷却する、いわゆる伝導冷却型の超電導マグネットにおいては、冷凍機に起因する振動が発生し、この振動が超電導コイルを保持するクライオスタットに伝わる。たとえば、冷凍機を駆動するコンプレッサ（圧縮機）が発生する機械振動が、クライオスタットに取り付けられた冷却部である冷却ヘッドに伝わり、クライオスタット全体に影響を及ぼす。このため、超電導マグネットの発生磁場を用いて被測定対象の磁化特性を測定する測定装置においては、測定時に振動による信号ノイズが発生し、高精度化・高感度化の実現を困難なものとしていた。

このような問題点を解決するべく、たとえば特開２００９−５２８８１号公報（特許文献１）においては、冷凍機の冷却ヘッドをクライオスタットに直接固定せず、クライオスタットとは別に設けたサポートステージに荷重を載せるとともに、このサポートステージとクライオスタットとをベローズで連結することにより、冷凍機に起因する振動がクライオスタット全体に伝わるのを防いでいる。

また、冷凍機の低振動化に対する取り組みも行なわれている（たとえば、非特許文献１，２参照）。非特許文献１：幾島他、「超低振動パルス管冷凍装置」−冷凍能力と振動−、低温工学４３巻１号、２００８年においては、パルス管冷凍機の振動低減対策として、ベローズの導入、バルブユニットの分離および振動低減ステージの導入について言及している。

特開２００９−５２８８１号公報

幾島他、「超低振動パルス管冷凍装置」−冷凍能力と振動−、低温工学４３巻１号、２００８年 幾島他、「無振動冷却への道」−Cryogenic Laser Interferometer Observatory（ＣＬＩＯ）用低振動冷凍装置の開発−、低温工学４６巻７号、２０１１年

しかしながら、上述したような、冷凍機をクライオスタットに接続する冷却経路や冷凍機自体に振動低減対策を施しても、冷凍機が運転する限り必ず振動が発生すること、および装置コスト・装置サイズの制約から、冷凍機の低振動化には限界がある。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、伝導冷却型の超電導マグネットにおいて冷凍機に起因する振動の影響を簡易な構成で抑制することにより、磁化特性の測定の高精度化を実現することである。

この発明に従った超電導マグネットは、超電導線が巻き回されることによって形成されたコイル部を含む超電導コイルと、コイル部を伝導冷却するための冷却装置と、コイル部に電流を供給する電源と、コイル部の通電電流を制御するとともに、冷却装置の起動および停止を制御可能に構成された制御装置とを備える。制御装置は、冷却装置を停止させた状態においてコイル部の通電電流を変化させる一方で、コイル部の通電電流を一定値に保った状態において冷却装置を起動させる。

この発明によれば、伝導冷却型の超電導マグネットの発生磁場を用いて被測定対象の磁化特性を測定する測定装置において、簡易な構成で冷凍機に起因する振動の影響を抑制することができる。これにより、高精度の測定装置を簡易な構成で実現できる。

本発明の実施の形態に従う超電導マグネットの構成を概略的に示す断面図である。 図１の超電導マグネットが有する超電導コイルの構成を概略的に示す図であり、図３の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図である。 図２の超電導コイルの構成を概略的に示す上面図である。 被測定対象の磁化特性の測定時における、コイル部の通電電流および発生磁場、コイル部の温度、ならびに冷却装置の作動／停止の時間変化を示す図である。 被測定対象の磁化特性の測定時における、コイル部の通電電流、発生磁場および発熱量、コイル部の温度、ならびに冷却装置の作動／停止の時間変化を示す図である。 本実施の形態に従う超電導マグネットの制御処理手順を説明するフローチャートである。

[本願発明の実施形態の説明]
最初に、本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。

（１） この発明に従った超電導マグネットは、超電導線が巻き回されることによって形成されたコイル部を含む超電導コイルと、コイル部を伝導冷却するための冷却装置と、コイル部に電流を供給する電源と、コイル部の通電電流を制御するとともに、冷却装置の起動および停止を制御可能に構成された制御装置とを備える。制御装置は、冷却装置を停止させた状態においてコイル部の通電電流を変化させる一方で、コイル部の通電電流を一定値に保った状態において冷却装置を起動させる。

この構成によれば、冷却装置の運転に伴なう振動の無い状態で、超電導コイルが変動磁場を発生するため、この変動磁場を利用することにより、高精度の磁化特性の測定を簡易な構成で実現できる。

（２） 上記超電導マグネットにおいて、好ましくは、冷却装置の作動時間におけるコイル部の最低温度と、冷却装置の停止時間におけるコイル部の最高温度との差は、１０Ｋ以上である。

この構成によれば、冷却装置の冷却能力によって冷却装置を停止させることができる時間が制限されるのを回避することができる。

（３） 上記超電導マグネットにおいて、好ましくは、コイル部は、コイル部の通電電流を変化させるときの最大電流を通電した場合における発熱量が１０Ｗ以下である。

これによれば、冷却装置の停止時間において、コイル部にクエンチが発生するのを防止することができる。

（４） 上記超電導マグネットにおいて、より好ましくは、コイル部は、コイル部の通電電流を変化させるときの最大電流を通電した場合における発熱量が２Ｗ以下である。

これによれば、冷却装置の停止時間において、コイル部にクエンチが発生するのをより確実に防止することができる。

（５） この発明に従う測定装置は、上記（１）から（４）のいずれかに記載の超電導マグネットを備え、超電導コイルが発生する変動磁場を利用して被測定対象の磁化特性を測定する。

この構成によれば、冷却装置の運転に伴なう振動の無い状態で、超電導コイルが変動磁場を発生するため、この変動磁場を利用することにより、高精度の磁化特性の測定を簡易な構成で実現できる。

[本願発明の実施形態の詳細]
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明については繰り返さない。

（超電導マグネットの構成）
図１は、本発明の実施の形態に従う超電導マグネットの構成を概略的に示す断面図である。図２は、図１の超電導マグネットが有する超電導コイルの構成を概略的に示す図であり、図３の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図である。図３は、図２の超電導コイルの構成を概略的に示す上面図である。

図１を参照して、本実施の形態に従う超電導マグネット１００は、超電導コイル９１と、断熱容器１１１と、冷却装置１２１と、ホース１２２と、コンプレッサ１２３と、ケーブル１３１と、電源１３２と、制御装置１４０とを備える。断熱容器１１１は超電導コイル９１を収めている。本実施の形態においては、磁場が印加される試料（図示せず）を収めるための磁場印加領域ＳＣが断熱容器１１１内に設けられている。

図２および図３を参照して、超電導コイル９１は、コイル部１０と、冷却ヘッド２０と、伝熱部３０と、芯部８１とを有する。伝熱部３０は伝熱板群３１および固定具３２を有する。伝熱板群３１は伝熱板３１ａ〜３１ｅから構成されている。

コイル部１０は、超電導線が巻き回されることによって形成されており、磁束ＭＦを発生させるためのものである。またコイル部１０は、磁束ＭＦが通過する端部（図２における上端または下端）を有する。またコイル部１０は、ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｎを有する。ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｎは、この順に並ぶように積層されている。軸方向Ａａ（図２）は積層方向に対応しており、径方向Ａｒは積層方向に垂直な方向に対応している。

ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｎの各々は、互いに積層された２つのパンケーキコイル（図示せず）を有する。２つのパンケーキコイルの各々は、帯状の形状を有する酸化物超電導線が巻き回されることによって形成されている。たとえば、酸化物超電導線は、その延在方向に延びるビスマス（Ｂｉ）系超電導体と、この超伝導体を被覆するシースとを有する。シースは、たとえば銀や銀合金により形成されている。酸化物超電導線は、帯状面に垂直な磁場が印加されるほど交流損失が増大するような特性を有する。

冷却装置１２１は、たとえばギフォード・マクマホン式冷凍機、パルス管冷凍機またはスターリング冷凍機であって、ホース１２２を通じて、冷媒を圧縮するコンプレッサ１２３に接続されている。コンプレッサ１２３で高圧に圧縮された冷媒（たとえば、ヘリウムガス）は冷却装置１２１に供給される。この冷媒が冷却装置１２１内部のモータにより駆動されるディスプレーサによって膨張されることにより、冷却装置１２１に内設された蓄冷材が冷却される。膨張することにより低圧となった冷媒はコンプレッサ１２３に戻されて再び高圧化される。

冷却ヘッド２０は、コイル部１０を冷却するためのものであり、冷却可能な端部２１と、端部２１および冷却装置１２１とをつなぐ接続部２２とを含む。

伝熱板群３１の各々はコイル部１０に取り付けられている。固定具３２は冷却ヘッド２０の端部２１に取り付けられている。固定具３２は伝熱板群３１を把持している。伝熱板群３１のうち固定具３２に把持されている部分において、伝熱板３１ａ〜伝熱板３１ｅは互いに直接積層されている。このような構造によって、伝熱部３０はコイル部１０および冷却ヘッド２０を互いに繋いでいる。

コイル部１０と冷却ヘッド２０との間の相対位置は、様々な要因によって変動し得る。この要因は、たとえば、熱膨張収縮の差異、冷却ヘッド２０を駆動するためのコンプレッサ１２３（図１）による振動、コイル部１０とコイル部１０によって磁界が印加される試料との磁気的相互作用などである。この変動に起因してコイル部１０から冷却ヘッド２０へ荷重が加わり得る。冷却ヘッド２０が耐え得る荷重は、たとえば１００（Ｎ）程度までである。

コイル部１０と、伝熱板群３１のコイル部１０に取り付けられた部分とは、伝導板とパンケーキコイルとが交互に積層された構成を有している。伝熱板３１ａは、コイル部１０の両端において、ダブルパンケーキコイル１１ａおよび１１ｍの各々の位置に取り付けられている。伝熱板３１ｂは、ダブルパンケーキコイル１１ａおよび１１ｂの間と、ダブルパンケーキコイル１１ｍおよび１１ｌの間との各々の位置に取り付けられている。伝熱板３１ｃは、ダブルパンケーキコイル１１ｂおよび１１ｃの間と、ダブルパンケーキコイル１１ｌおよび１１ｋの間との各々の位置に取り付けられている。伝熱板３１ｄは、ダブルパンケーキコイル１１ｃおよび１１ｄの間と、ダブルパンケーキコイル１１ｋおよび１１ｊの間との各々の位置に取り付けられている。伝熱板３１ｅは、ダブルパンケーキコイル１１ｅおよび１１ｆの間と、ダブルパンケーキコイル１１ｊおよび１１ｉの間と、ダブルパンケーキコイル１１ｆおよび１１ｇの間との各々の位置に取り付けられている。

言い換えると、伝熱板３１ａ〜３１ｅはこの順に、コイル部１０のより端部に近い位置に取り付けられている。また伝熱板３１ａ〜３１ｅのそれぞれは、コイル部１０における互いに離れた位置に取り付けられている。

伝熱板３１ａは、積層板であってもよく、好ましくは、同一の厚さを有する単層板が積層されることによって形成されている。あるいは伝熱板３１ａは、単層板であってもよい。伝熱板３１ｂ〜３１ｄの各々も同様である。伝熱板３１ａ〜３１ｄの各々の厚さは、コイル部１０の端部（図２における上端または下端）に近いほど大きい。伝熱板３１ａ〜３１ｄとして積層板が用いられる場合、伝熱板３１ａ〜３１ｄの厚さは、たとえば、各積層板を構成する単層板１１の数によって調整することができる。この場合、伝熱板３１ａ〜３１ｄの各々の積層数は、コイル部１０の端部に近いほど大きい。

伝熱板３１ａ〜３１ｅの材料は、熱伝導率および可撓性が大きい材料が好ましく、たとえばアルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）である。Ａｌ（またはＣｕ）の純度は９９．９％以上が好ましい。伝熱板３１ａ〜３１ｅは、固定具３２まで延びることができるように、折曲部ＦＤを有してもよい。

固定具３２は、部材３２ａおよび３２ｂと、ねじ３４ａおよび３４ｂとを有する。ねじ３４ａは、部材３２ａおよび３２ｂの間の隙間を調整することができるように設けられている。部材３２ａおよび３２ｂの間の隙間に伝熱板群３１が挟まれており、かつねじ３４ａが締め付けられていることによって、伝熱板群３１が固定具３２に把持されている。すなわち伝熱板３１ａ〜３１ｅが共に固定具３２に把持されている。ねじ３４ｂは、部材３２ａおよび３２ｂの各々が冷却ヘッド２０の端部２１の側面ＳＤを締め付けることができるように設けられている。これにより固定具３２は冷却ヘッド２０の端部２１に取り付けられている。

本実施の形態に従う超電導マグネット１００は、被測定対象の電磁気的特性評価を行なうときに使用する測定装置に適用することが可能である。このような測定装置としては、たとえば、振動試料型磁力計（ＶＳＭ：Vibrating Sample Magnetometer）やＢＨカーブトレーサなどがある。一例として、振動試料型磁力計においては、超電導コイル９１により磁場を発生させて、磁場印加領域ＳＣ（図１）に設置した被測定対象を一定振幅、一定周波数にて振動させる。これにより、被測定対象の磁化の程度を検出コイルに誘起する磁気誘導電圧として取り込み測定する。また、ＢＨカーブトレーサにおいては、超電導コイル９１により磁場を発生させて、被測定対象の磁化曲線（外部磁場と被測定対象の磁化との関係を示す）を測定する。

制御装置１４０は、上述した被測定対象の磁化特性の測定時において、予め設定された磁場発生パターンに従って超電導コイル９１に磁場を発生させるために、コイル部１０に通電する電流を制御する。一例として、制御装置１４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶部とを含むマイクロコンピュータを主体として構成される。

このコイル部１０の通電電流の制御に加えて、制御装置１４０は、冷却装置１２１の起動および停止をも制御する。具体的には、制御装置１４０は、コンプレッサ１２３の動作を停止することにより冷却装置１２１の冷却ヘッド２０を停止（オフ）させる。また、制御装置１４０は、コンプレッサ１２３を駆動することにより、停止している冷却ヘッド２０を起動（オン）する。

ここで、冷却装置１２１が作動中であるときには、コンプレッサ１２３およびディスプレーサなどが発生する機械的な振動が超電導コイル９１や被測定対象に伝わり、信号ノイズを発生させることがある。このような信号ノイズは、高感度および高精度化が進んでいる測定装置の高性能化を阻害する要因となる。

そこで、本実施の形態に従う超電導マグネット１００では、超電導コイル９１に発生させる磁場パターンに応じて、冷却装置１２１の起動および停止を制御する。より具体的には、超電導コイル９１が発生する磁場を変化させている状態において、冷却装置１２１を停止させる。冷却装置１２１を停止させた状態において超電導コイル９１に変動磁場を発生させることにより、振動の無い状態で被測定対象の磁化特性を測定することができる。これにより、被測定対象の電磁気的特性評価を高精度に行なうことが可能となる。なお、超電導コイル９１が発生する磁場が定常状態であるときには、冷却装置１２１を作動させてコイル部１０を冷却する。

（超電導マグネット１００の制御構成）
以下、被測定対象の磁化特性の測定時における制御装置１４０の制御処理手順について説明する。

図４は、被測定対象の磁化特性の測定時における、コイル部１０の通電電流および発生磁場、コイル部１０の温度（コイル温度とも称する）、ならびに冷却装置１２１の作動／停止の時間変化を示す図である。

図４を参照して、磁化特性の測定時には、所定の磁場発生パターンに従ってコイル部１０に磁場を発生させるために、コイル部１０の通電電流を制御する。図４では、磁場発生パターンの一例として、α［Ｔ］→−α［Ｔ］→α［Ｔ］の順で強度が変化する磁場を１サイクルとする（α＞０とする）。制御装置１４０は、この１サイクルの周期でコイル部１０に変動磁場が発生するように、コイル部１０の通電電流を変化させる。

この１サイクルには、磁場を変化させない、すなわちコイル部１０の通電電流を一定値に保つためのインターバルが設けられている。具体的には、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間にコイル部１０の通電電流を変化させることによって磁場をα［Ｔ］から０［Ｔ］に変化させた後、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間をインターバルとして、通電電流を一定値（電流値＝０）に保つことによって磁場を一定値（０［Ｔ］）に固定させる。なお、本発明において、通電電流を一定値に保つとは、通電電流がある値に厳密に一致している場合に限定されず、当該値を中心とする許容範囲（たとえば±１０％）に収まっている状態とも含んでいる。

次に、インターバルが終了した時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間にコイル部１０の通電電流を再び変化させることによって、磁場を０［Ｔ］から−α［Ｔ］を経て０［Ｔ］に変化させ、その後、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間をインターバルとして、通電電流を一定値（電流値＝０）に保つことによって磁場を０［Ｔ］に固定させる。最後に、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの間に通電電流を変化させて磁場を０［Ｔ］からα［Ｔ］に変化させる。

制御装置１４０は、上述した１サイクルにおいて、コイル部１０が変動磁場を発生している時間に冷却装置１２１を停止（オフ）させる一方で、コイル部１０の磁場を一定値に固定している時間（インターバルに相当）に冷却装置１２１を作動（オン）させる。これにより、コイル部１０の温度（コイル温度）は、１サイクルのうち、コイル部１０が変動磁場を発生している時間（時刻ｔ１からｔ２、時刻ｔ３からｔ４、時刻ｔ５からｔ６）において上昇し、インターバル（時刻ｔ２からｔ３、時刻ｔ４からｔ５）において低下する。

このように、変動磁場の１サイクル内に、磁場を変化させないインターバルを設け、このインターバルにのみ冷却装置１２１を作動させる構成とすることにより、コイル部１０の冷却性能を低下させることなく、実質的に、コイル部１０が発生する変動磁場を振動のない状態で用いることができる。これにより、磁化特性の測定時の信号ノイズの発生を防止できるため、被測定対象の電磁気的特性評価を高精度に行なうことが可能となる。

なお、図４では、変動磁場の１サイクル内に、磁場を変化させないインターバルを設ける構成について説明したが、図５に示すように、サイクルと次のサイクルとの間にインターバルを設けるようにしてもよい。

図５は、被測定対象の磁化特性の測定時における、コイル部１０の通電電流、発生磁場および発熱量、コイル温度、ならびに冷却装置１２１の作動／停止の時間変化を示す図である。

図５では、磁場発生パターンを、０［Ｔ］→α［Ｔ］→−α［Ｔ］→α［Ｔ］→０［Ｔ］の順で強度が変化する磁場を１．５サイクルとする。制御装置１４０は、この１．５サイクルの周期でコイル部１０に変動磁場が発生するように、コイル部１０の通電電流を変化させる。

この１．５サイクルと次の１．５サイクルとの間には、磁場を変化させない、すなわちコイル部１０の通電電流を一定値に保つためのインターバルが設けられている。具体的には、時刻ｔ＝０から時刻ｔ１１までの間にコイル部１０の通電電流を変化させることによって０［Ｔ］→α［Ｔ］→−α［Ｔ］→α［Ｔ］→０［Ｔ］の順で磁場を変化させた後、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの間をインターバルとして、通電電流を一定値（電流値＝０）に保つことによって磁場を０［Ｔ］に固定させる。次に、インターバルが終了した時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの間にコイル部１０の通電電流を再び変化させることによって、磁場を変化させ、その後、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までの間をインターバルとして、通電電流を一定値（電流値＝０）に保つことによって磁場を０［Ｔ］に固定させる。さらに、時刻ｔ１４から時刻ｔ１５までの間に通電電流を変化させて磁場を変化させる。

制御装置１４０は、上述した１．５サイクル（すなわち、コイル部１０が変動磁場を発生している時間）に冷却装置１２１をオフさせる一方で、コイル部１０の磁場を固定している時間（インターバルに相当）に冷却装置１２１をオンさせる。これにより、コイル部１０の温度（コイル温度）は、１．５サイクルの時間（時刻ｔ＝０からｔ１１、時刻ｔ１２からｔ１３、時刻ｔ１４からｔ１５）において上昇し、インターバル（時刻ｔ１１からｔ１２、時刻ｔ１３からｔ１４）において低下する。

このように、変動磁場のサイクル間に、磁場を変化させないインターバルを設け、このインターバルに冷却装置１２１を作動させる構成とすることにより、コイル部１０の冷却性能を低下させることなく、変動磁場を振動のない状態で用いることができる。

ここで、図４および図５において、コイル部１０に変動磁場を発生させている時間は、冷却装置１２１がオフ状態となっている。このため、コイル部１０の一部が常伝導転移した部分に電圧が生じることによってコイル部１０に発熱が生じると、コイル部１０が常伝導化してクエンチに至る可能性がある。クエンチの発生を防止するためには、インターバル中にコイル部１０を十分に冷却できるだけの冷却能力が必要となる。また、インターバル中の冷却装置１２１の冷却能力が低いと、変動磁場を発生させる時間を短くせざるを得なくなり、磁化特性の測定が困難となる。たとえば、冷却装置１２１のオン時間におけるコイル部１０の最低温度と、冷却装置１２１のオフ時間におけるコイル部１０の最高温度との差は、１０Ｋ以上であることが好ましい。

また、クエンチの発生を防止するためには、上述したインターバル中の冷却装置１２１の冷却能力に加えて、変動磁場を発生しているときのコイル部１０の発熱量を抑える必要がある。クエンチを抑制するために、好ましくは、コイル部１０は、コイル部１０の通電電流を変化させるときの最大電流を通電した場合における発熱量が１０Ｗ以下である。より好ましくは、コイル部１０は、コイル部１０の通電電流を変化させるときの最大電流を通電した場合における発熱量が２Ｗ以下である。なお、ビスマス系超電導線で形成したコイル部１０を有する超電導マグネット１００の運転実験においては、運転温度が３０Ｋ以上になると、コイル部１０の発熱の影響を受けてコイル部１０の磁気的特性が低下することが確認された。

図６は、本実施の形態に従う超電導マグネット１００の制御処理手順を説明するフローチャートである。なお、図６に示すフローチャートは、制御装置１４０において予め格納したプログラムを実行することで実現できる。

図６を参照して、まず、被測定対象の磁化特性を測定するために、ステップＳ０１により、制御装置１４０は、記憶部に予め格納された磁場発生パターンを読み出す。この磁場発生パターンは、図４および図５に例示したように、磁場を変化させる１サイクル内、またはサイクルと次回のサイクルとの間に、磁場を変化させないインターバルを設けた構成となっている。制御装置１４０は、この磁場発生パターンに従ってコイル部１０に磁場を発生させるように、コイル部１４０の通電電流を制御する。

具体的には、制御装置１４０は、ステップＳ０２により、被測定対象の磁化特性の測定を開始した時点からの経過時間の計時を開始する。制御装置１４０は、ステップＳ０３により、磁場発生パターンを参照することにより、測定開始からの経過時間に基づいて、コイル部１０が変動磁場を発生しているか否かを判定する。

コイル部１０が変動磁場を発生しているときには（ステップＳ０３のＹＥＳ判定時）、制御装置１４０は、ステップＳ０４により、コンプレッサ１２３の動作を停止することにより、冷却装置１２１を停止（オフ）させる。また、制御装置１４０は、ステップＳ０５により、コイル部１０の通電電流を変化させることにより、コイル部１０が発生する磁場を変化させる。ステップＳ０６により、コイル部１０が発生する変動磁場を利用して被測定対象の磁化特性が測定される。

これに対して、コイル部１０が変動磁場を発生していないときには（ステップＳ０３ＮＯ判定時）、制御装置１４０は、ステップＳ０７により、コンプレッサ１２３を作動することにより、冷却装置１２１を作動（オン）させる。また、制御装置１４０は、ステップＳ０８により、コイル部１０の通電電流を一定値に保つことにより、コイル部１０が発生する磁場を固定させる。

制御装置１４０は、被測定対象の磁化特性の測定中、ステップＳ０３からＳ０８までの処理を繰り返し実行する。このようにして、振動の無い状態で、変動磁場を用いた磁化特性の測定が行なわれる。

この発明の実施の形態に従う超電導マグネットによれば、コイル部の磁場発生パターンに、変動磁場を発生させる時間と磁場を変化させないインターバルとを設け、変動磁場を発生させる時間では冷却装置を停止させた状態においてコイル部の通電電流を変化させる一方で、インターバルではコイル部の通電電流を一定値に保った状態において冷却装置を起動させる。これにより、コイル部の冷却性能を低下させることなく、振動の無い状態で変動磁場を用いて被測定対象の磁化特性を測定することができる。よって、被測定対象の電磁気的特性評価を高精度に行なうことが可能となる。

以上に関して、さらに以下の付記を開示する。
＜付記＞
（付記１）高温超電導線を巻き回して形成した超電導コイルを備える超電導マグネットの運転方法であって、上記超電導コイルを形成する高温超電導線の長さ方向に１ｃｍ以下の分解能で全長を測定した臨界電流の最低値を用いて、上記超電導マグネットの運転電流を決定する、超電導マグネットの運転方法
（付記２）上記臨界電流を磁気的に測定する、付記１記載の超電導マグネットの運転方法。

高温超電導線を巻き回して形成した超電導コイルを備える高温超電導マグネットが開発されている。高温超電導線が超電導になる温度（臨界温度）は、（Ｂｉ，Ｐｂ）_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０で表されるビスマス系超電導線が１１０Ｋであり、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７で表されるイットリウム系超電導線が９０Ｋである。このため、これらの高温超電導線を用いた超電導マグネットにおいて、冷却温度は、液体ヘリウム温度（４Ｋ）から液体窒素温度（７７Ｋ）までに及ぶ広い温度幅を有している。また、高価な液体ヘリウムを冷媒に使わずに、２０Ｋ前後の冷却ヘッドによって直接的に超電導コイルを伝導冷却できることから、冷凍機の運転スイッチをオンするだけで冷却できるという簡便さがある。これらの利便性から、高温超電導マグネットのいろいろな用途への使用が検討されている。

通常、高温超電導マグネットの運転電流は、そのマグネットの運転温度と、超電導コイルに用いた高温超電導線が感じる最大磁場とを条件として、高温超電導線の全長の臨界電流に応じて決定される。この高温超電導線の全長の臨界電流は、高温超電導線をリールからリールへ移動させて、その途中で液体窒素中に浸漬させるとともに、液体窒素中に浸漬させた高温超電導線において、予め定められた長さの区間の臨界電流を４端子法で測定する。この区間の長さは、装置によって異なるが、測定を合理的に行なう観点から、１ｍから１０ｍ程度の範囲内に設定されることが多い。このように、１ｍから１０ｍ程度の長さ単位で全長の臨界電流を測定し、得られた臨界電流の最低値に基づいて運転電流を決めていた。

より具体的には、たとえば、イットリウム系超電導線を用いた超電導マグネットにおいて、液体窒素温度での４ｍごとの臨界電流が１１０Ａから１２０Ａとなる場合には、臨界電流の最低値である１１０Ａを用いて運転電流を決定する。すなわち、臨界電流の最低値である１１０Ａを、超電導マグネットの運転温度および超電導線が感じる最大磁場の条件下での臨界電流に換算することによって運転電流を決定する。

しかしながら、上記のような手法で運転電流を決定した場合、超電導マグネットの運転中に高温超電導線の一部において温度が上昇してしまい、高い信頼性で超電導マグネットを運転することができないという問題があった。

このような問題に対して種々の検討を行なった結果、発明者は、磁気的に臨界電流を測定する手法であるホール素子を用いた、０．１ｃｍごとの分解能を持つ測定装置を使って、上記と同様の超電導線を評価した結果、超電導線のほとんどの部分は液体窒素温度での臨界電流が１１０Ａから１２０Ａであるのに対して、一部において液体窒素温度での臨界電流が８０Ａとなる部分が存在しており、この部分が超電導マグネットの信頼性を低下させていることを見出した。そこで、発明者は、液体窒素温度での臨界電流として最低値である８０Ａを用いて超電導マグネットの運転電流を決定した。この結果、超電導マグネットを、何ら支障を生じることなく運転することが可能であった。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、超電導線材が巻回されて形成されたコイル部を有する超電導コイルを備えた超電導マグネットおよびこれを用いた測定装置に特に有利に適用される。

１０ コイル部
１１ａ〜１１ｎ ダブルパンケーキコイル
２０ 冷却ヘッド
２１ 端部
２２ 接続部
３０ 伝熱部
３１ 伝熱板群
３１ａ〜３１ｅ 伝熱板
３２ 固定具
３４ａ，３４ｂ ねじ
８１ 芯部
９１ 超電導コイル
１００ 超電導マグネット
１１１ 断熱容器
１２１ 冷却装置
１２２ ホース
１２３ コンプレッサ
１３１ ケーブル
１３２ 電源
１４０ 制御装置

Claims (5)

1. 超電導線が巻き回されることによって形成されたコイル部を含む超電導コイルと、
   冷媒を圧縮するコンプレッサに接続され、前記コイル部を伝導冷却するための冷却装置と、
   前記コイル部に電流を供給する電源と、
   前記コイル部の通電電流を制御するとともに、前記冷却装置および前記コンプレッサの起動および停止を制御可能に構成された制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記冷却装置および前記コンプレッサを停止させた状態において前記コイル部の通電電流を変化させる一方で、前記コイル部の通電電流を一定値に保った状態において前記冷却装置および前記コンプレッサを起動させる、超電導マグネット。
2. 前記冷却装置の作動時間における前記コイル部の最低温度と、前記冷却装置の停止時間における前記コイル部の最高温度との差は、１０Ｋ以上である、請求項１に記載の超電導マグネット。
3. 前記コイル部は、前記コイル部の通電電流を変化させるときの最大電流を通電した場合における発熱量が１０Ｗ以下である、請求項１または請求項２に記載の超電導マグネット。
4. 前記コイル部は、前記コイル部の通電電流を変化させるときの最大電流を通電した場合における発熱量が２Ｗ以下である、請求項３に記載の超電導マグネット。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超電導マグネットを備え、前記超電導コイルが発生する変動磁場を利用して被測定対象の磁化特性を測定する、測定装置。

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