JP6942677B2 - 超電導コイル、及び、超電導機器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超電導コイル、及び、超電導機器に関する。

例えば、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）や磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）では、強い磁場を発生させるために超電導コイルが用いられる。超電導コイルは、巻枠に超電導線材を巻き回すことにより形成されている。

超電導線材の一部の超電導状態が消失し常電導状態に転移するクエンチが生じると、クエンチが生じた部分でジュール熱が発生する。発生したジュール熱により、瞬時に多量の発熱が生じる熱暴走に至るおそれがある。熱暴走に至ると、超電導コイルが焼損するおそれがある。

特開平５−３３４９１９号公報

本発明が解決しようとする課題は、熱暴走の発生が抑制された超電導コイルを提供することにある。

実施形態の超電導コイルは、巻枠と、前記巻枠に巻き回され、コイル径方向に積層され、第１の領域と、前記第１の領域に対向する第２の領域を有し、前記第１の領域は前記コイル径方向に平行な側面を有する超電導線材と、前記第１の領域と前記第２の領域との間、及び、前記第１の領域の前記側面の側の少なくともいずれか一方に位置し、４Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有する第１の粒子と、前記第１の粒子を囲む第１の高分子材料と、を有する第１の層と、を備え、前記第１の粒子は、４Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で比熱のピークを有する。

第１の実施形態の超電導コイルの模式斜視図。 第１の実施形態の超電導コイルの模式断面図。 第１の実施形態の超電導線材の模式斜視図。 第１の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図。 第１の実施形態の超電導コイルの線材保護層の拡大模式断面図。 第２の実施形態の超電導コイルの線材保護層の拡大模式断面図。 第３の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図。 第４の実施形態の超電導コイルの線材保護層の拡大模式断面図。 第５の実施形態の超電導コイルの線材保護層の拡大模式断面図。 第６の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図。 第７の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図。 第８の実施形態の超電導機器のブロック図。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の部材などには同一の符号を付し、一度説明した部材などについては適宜その説明を省略する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の超電導コイルは、巻枠と、巻枠に巻き回され、コイル径方向に積層され、第１の領域と、第１の領域に対向する第２の領域を有し、第１の領域はコイル径方向に平行な側面を有する超電導線材と、第１の領域と第２の領域との間、及び、第１の領域の側面の側の少なくともいずれか一方に位置し、４Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有する第１の粒子と、第１の粒子を囲む第１の高分子材料と、を有する第１の層と、を備える。

図１は、第１の実施形態の超電導コイルの模式斜視図である。図２は、第１の実施形態の超電導コイルの模式断面図である。図３は、第１の実施形態の超電導線材の模式斜視図である。

第１の実施形態の超電導コイル１００は、例えば、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）、重粒子線治療器、又は、超電導磁気浮上式鉄道車両などの超電導機器の磁場発生用のコイルとして用いられる。

超電導コイル１００のコイル径方向を第１の方向、コイル周方向を第２の方向、コイル径方向及びコイル周方向に垂直な方向を第３の方向と定義する。

超電導コイル１００は、巻枠１０、第１の絶縁板１１ａ、第２の絶縁板１１ｂ、及び、巻線部１２を備える。巻線部１２は、超電導線材２０と、線材保護層３０（第１の層）を有する。線材保護層３０は、第１の層の一例である。

図１は、第１の絶縁板１１ａ、及び、第２の絶縁板１１ｂを除いた状態を示す。

巻枠１０は、例えば、繊維強化プラスチックで形成される。超電導線材２０は、例えば、テープ形状である。超電導線材２０は、図１に示すように、巻回中心Ｃを中心に、同心円状のいわゆるパンケーキ形状に巻枠１０に巻き回される。

線材保護層３０は、超電導線材２０を固定する機能を有する。線材保護層３０は、超電導線材２０が、超電導機器の使用中の振動や、互いの摩擦により破壊されることを抑制する機能を有する。

線材保護層３０は、例えば、超電導線材２０を巻枠１０に巻き回す際に、線材保護層３０を構成する材料を超電導線材２０の間に塗布することで形成することが可能である。また、線材保護層３０は、例えば、超電導線材２０を巻枠１０に巻き回した後に、線材保護層３０を構成する材料を含浸させることにより形成することが可能である。

第１の絶縁板１１ａ、及び、第２の絶縁板１１ｂは、例えば、繊維強化プラスチックで形成される。第１の絶縁板１１ａ、及び、第２の絶縁板１１ｂは、巻線部１２を外部に対して絶縁する機能を有する。巻線部１２は、第１の絶縁板１１ａと第２の絶縁板１１ｂとの間に位置する。

超電導線材２０は、図３に示すように、第１の安定化層２１、基板２３、中間層２４、超電導層２５、保護層２６、第２の安定化層２７を有する。超電導線材２０は、多層構造である。

第１の安定化層２１は、金属である。第１の安定化層２１は、例えば、銅又はアルミニウムである。第１の安定化層２１は、クエンチが生じた場合の電流迂回路となり、熱暴走を抑制する機能を有する。

基板２３は、第１の安定化層２１の上に設けられる。基板２３は、金属である。基板２３は、例えば、ニッケル基合金、ステンレス、又は、銅などの高強度の金属である。

中間層２４は、基板２３上に設けられる。中間層２４は、複数の酸化物の積層構造を有する。中間層２４は、超電導層２５の結晶を配向させる機能を有する。

超電導層２５は、中間層２４上に設けられる。超電導層２５は、例えば、希土類元素を含む酸化物である。超電導層２５は、例えば、希土類元素、バリウム、及び、銅を含む酸化物超電導体である。

保護層２６は、超電導層２５上に設けられる。保護層２６は、金属である。保護層２６は、超電導層２５に接して設けられる。保護層２６は、例えば、銀、金、又は、白金である。保護層２６は、超電導層２５から酸素が拡散することを抑制する機能を有する。

第２の安定化層２７は、保護層２６上に設けられる。第２の安定化層２７は、金属である。第２の安定化層２７は、例えば、銅又はアルミニウムである。第２の安定化層２７は、クエンチが生じた場合の電流迂回路となり、熱暴走を抑制する機能を有する。

図４は、第１の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図である。

図４は、超電導線材２０の一部である第１の領域２０ａ及び第２の領域２０ｂを示す。第２の領域２０ｂは、第１の領域２０ａに対向する。第１の領域２０ａは、第２の領域２０ｂに対向する対向面Ｐ１ａを有する。また、第１の領域２０ａは、コイル周方向及びコイル径方向がなす面に平行な側面Ｐ２ａを有する。第２の領域２０ｂは、第１の領域２０ａに対向する対向面Ｐ１ｂを有する。また、第２の領域２０ｂは、コイル周方向及びコイル径方向に平行な側面Ｐ２ｂを有する。

第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間、すなわち、対向面Ｐ１ａと対向面Ｐ１ｂとの間に線材保護層３０が存在する。また、第１の領域２０ａの側面Ｐ２ａの側、及び、第２の領域２０ｂの側面Ｐ２ｂの側に、線材保護層３０が存在する。

図５は、第１の実施形態の超電導コイルの線材保護層の拡大模式断面図である。

線材保護層３０は、第１の粒子３１、被覆層３３、及び、第１の高分子材料３６を含む。

第１の粒子３１は、いわゆる、フィラ―である。第１の粒子３１は、４Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有する。第１の粒子３１は、例えば、４Ｋ以上４０Ｋ以下の温度範囲で２．０Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以下の比熱を有する。第１の粒子３１は、極低温で高い比熱を有する材料を含む。

第１の粒子３１は、例えば、金属酸化物を含む。第１の粒子３１に含まれる金属酸化物は、例えば、酸化銀、又は、酸化銅である。第１の粒子３１は、例えば、Ａｇ_２Ｏ、又は、Ｃｕ_２Ｏを含む。Ａｇ_２Ｏ、及び、Ｃｕ_２Ｏは、非磁性である。Ａｇ_２Ｏ、及び、Ｃｕ_２Ｏは、２０Ｋ以上４０Ｋ以下の広い温度範囲で高い比熱を有する。

第１の粒子３１は、例えば、希土類化合物を含む。第１の粒子３１に含まれる希土類化合物は、例えば、ＨｏＣｕ_２、Ｅｒ_３Ｎｉ、ＰｒＣｕ_２、ＤｙＣｕ_２、ＧｄＣｕ_２である。ＨｏＣｕ_２、Ｅｒ_３Ｎｉ、ＰｒＣｕ_２、ＤｙＣｕ_２、ＧｄＣｕ_２は、磁性体である。

ＨｏＣｕ_２、Ｅｒ_３Ｎｉ、ＰｒＣｕ_２、ＤｙＣｕ_２、ＧｄＣｕ_２は、４Ｋ以上４０Ｋ以下の温度範囲で、反強磁性転移に伴うアスペクト比が高い大きい比熱のピークを有する。特に、ＨｏＣｕ_２、Ｅｒ_３Ｎｉ、ＰｒＣｕ_２は、４Ｋ以上２０Ｋ未満の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有する。ＨｏＣｕ_２、Ｅｒ_３Ｎｉ、ＰｒＣｕ_２は、４Ｋ以上２０Ｋ未満の少なくとも一部の温度範囲で比熱のピークを有する。

第１の粒子３１は、例えば、ガドリニウム及びイオウを含む酸化物を含む。第１の粒子３１は、例えば、例えば、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓを含む。

第１の粒子３１は、例えば、金属を含む。第１の粒子３１に含まれる金属は、例えば、ビスマス（Ｂｉ）、又は、鉛（Ｐｂ）である。ビスマス（Ｂｉ）、及び、鉛（Ｐｂ）は、２０Ｋ以上４０Ｋ以下の広い温度範囲で高い比熱を有する。

第１の粒子３１の形状は、例えば、球状、俵状、回転楕円体状、円柱状、繊維状、不定形状であり、特に、限定されるものではない。図５は、第１の粒子３１の形状が球状の場合を例示している。

第１の粒子３１の粒径は、例えば、１．５μｍ以上２００μｍ以下である。

被覆層３３は、第１の粒子３１を被覆する。被覆層３３は、導電性及び熱伝導率の高い金属である。被覆層３３は、例えば、銀、金、ニッケル、又は、銅である。被覆層３３は、例えば、第１の粒子３１の表面にめっき法により形成された膜である。

第１の高分子材料３６は、第１の粒子３１を囲む。第１の高分子材料３６は、いわゆる、バインダである。第１の高分子材料３６は、第１の粒子３１及び被覆層３３を相互に接着する。

第１の高分子材料３６は、例えば、樹脂を主成分として含む。第１の高分子材料３６は、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂である。

線材保護層３０の中の第１の粒子３１の占有率は、例えば、２０％以上８０％以下である。

第１の粒子３１及び被覆層３３に含まれる材料の判定は、例えば、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）により化学組成を分析することで可能となる。

第１の高分子材料３６に含まれる材料の判定は、例えば、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）により行うことが可能である。

線材保護層３０の中の第１の粒子３１の占有率は、例えば、光学顕微鏡画像又はＳＥＭ画像で観察される第１の粒子３１の占める面積割合で代表させる。第１の粒子３１の占有率は、例えば、光学顕微鏡画像又はＳＥＭ画像の画像解析により求めることが可能である。

第１の実施形態の超電導コイル１００は、巻枠１０に超電導線材２０を同心円状に巻き回して製造する。線材保護層３０は、例えば、超電導線材２０を巻き回す際に、線材保護層３０を構成する材料を超電導線材２０の間に塗りこんで含浸させる方法で形成する。また、線材保護層３０は、例えば、超電導線材２０を巻き回して固定させた状態で、真空中で線材保護層３０を構成する材料を流しいれて含浸させる方法で形成しても良い。

以下、第１の実施形態の超電導コイル１００の作用及び効果について説明する。

超電導コイルを有する超電導機器の使用中に、超電導コイルの超電導線材の一部の超電導状態が消失し常電導状態に転移するクエンチが生じる場合がある。クエンチが生じると、クエンチが生じた部分でジュール熱が発生する。発生したジュール熱により、瞬時に多量の発熱が生じる熱暴走に至るおそれがある。熱暴走に至ると、超電導コイルが焼損するおそれがある。

特に、第１の実施形態の超電導コイル１００のように、超電導線材２０の超電導層２５が、希土類元素を含む酸化物である場合、常電導状態に転移した箇所の伝搬が遅いため、クエンチが生じた部分での発熱が大きくなり、熱暴走に至りやすい。さらに、テープ状のＲＥ系線材はテープ長手方向への引張強度は高いものの、層間方向の強度が弱い。このため、冷却時の熱応力や通電時の電磁応力により層間方向に応力がかかると剥離が起こり、クエンチするおそれがある。

第１の実施形態の超電導コイル１００は、線材保護層３０の中に、極低温で高い比熱を有する第１の粒子３１をフィラ―として有する。また、第１の粒子３１を被覆する、導電性及び熱伝導率の高い金属の被覆層３３を有する。

仮に、クエンチが発生した場合でも、被覆層３３を通って電流が迂回することで、局所的な発熱が抑制される。したがって、超電導コイルが熱暴走に至ることを抑制できる。さらに、極低温で高い比熱を有する第１の粒子３１が発生した熱を吸収する。したがって、クエンチが発生した箇所の温度上昇を緩和する。したがって、超電導コイル１００が熱暴走に至ることを抑制できる。

第１の粒子３１は、２０Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有することが好ましい。クエンチが生じた後、２０Ｋ程度までは、温度の上昇が早いと考えられる。上記構成とすることで、温度が２０Ｋに達した後の、発熱の吸収が効果的に行われ、クエンチが発生した箇所の温度上昇を緩和することができる。

第１の粒子３１は、２０Ｋで０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有することが好ましい。超電導線材２０の第１の安定化層２１や第２の安定化層２７には、例えば、銅が適用される。銅の比熱は、２０Ｋで０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ未満である。上記構成とすることで、温度が２０Ｋ近傍の発熱の吸収が効果的に行われ、クエンチが発生した箇所の温度上昇を緩和することができる。

第１の粒子３１は、４Ｋ以上４０Ｋ以下の温度範囲で、銅以上の比熱を有することが好ましい。上述のように、超電導線材２０の第１の安定化層２１や第２の安定化層２７には、例えば、銅が適用される。上記構成とすることで、４Ｋ以上４０Ｋ以下の温度範囲での発熱の吸収が効果的に行われ、クエンチが発生した箇所の温度上昇を緩和することができる。

第１の粒子３１の比熱は、４Ｋ以上４０Ｋ以下の温度範囲で、２．０Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以下であることが好ましい。比熱が上記範囲にあることで、超電導コイルの冷却が容易となる。

以上、第１の実施形態によれば、クエンチが発生した箇所の温度上昇が抑制され、超電導コイルが熱暴走に至ることを抑制できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の超電導コイルは、第１の層が第１の粒子を被覆する被覆層を有しない点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。

図６は、第２の実施形態の超電導コイルの線材保護層の拡大模式断面図である。

線材保護層３０は、第１の粒子３１、及び、第１の高分子材料３６を含む。

第２の実施形態の超電導コイルでは、極低温で高い比熱を有する第１の粒子３１が発生した熱を吸収する。したがって、クエンチが発生した箇所の温度上昇を緩和する。したがって、超電導コイルが熱暴走に至ることを抑制できる。

以上、第２の実施形態によれば、クエンチが発生した箇所の温度上昇が抑制され、超電導コイルが熱暴走に至ることを抑制できる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態の超電導コイルは、第１の領域の側面の側のみに、第１の層を有する点で、第１の実施形態と異なっている。

図７は、第３の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図である。

図７は、超電導線材２０の一部である第１の領域２０ａ及び第２の領域２０ｂを示す。第１の領域２０ａは、第２の領域２０ｂに対向する対向面Ｐ１ａと、コイル径方向に直交する方向、すなわち第３の方向に位置する側面Ｐ２ａを有する。第２の領域２０ｂは、第１の領域２０ａに対向する対向面Ｐ１ｂと、コイル径方向に直交する方向に位置する側面Ｐ２ｂを有する。

第１の領域２０ａの側面Ｐ２ａの側、及び、第２の領域２０ｂの側面Ｐ２ｂの側に、線材保護層３０が存在する。第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間、すなわち、対向面Ｐ１ａと対向面Ｐ１ｂとの間には、線間保護層６０が存在する。

線材保護層３０は、第１の粒子３１、被覆層３３、第１の高分子材料３６を含む。一方、線間保護層６０には、第１の粒子３１、及び、被覆層３３は含まれない。

線間保護層６０は、第１の高分子材料３６と同一、又は、異なる高分子材料が含まれる。線間保護層６０には、第１の粒子３１と異なる粒子がフィラ―として含まれても構わない。

第３の実施形態の超電導コイルは、第１の実施形態と同様、巻枠１０に超電導線材２０を同心円状に巻き回して製造する。線間保護層６０は、例えば、超電導線材２０を巻き回す際に、線間保護層６０を構成する材料を超電導線材２０の間に塗りこんで含浸させる方法で形成する。また、線間保護層６０は、例えば、超電導線材２０を巻き回して固定させた状態で、真空中で線間保護層６０を構成する材料を流しいれて含浸させる方法で形成しても良い。線間保護層６０を、超電導線材２０の間に形成した後、超電導線材２０の側面の側に線材保護層３０を形成する。線材保護層３０は、例えば、超電導線材２０の側面に、超電導線材２０を構成する材料を塗布することにより形成する。

第１の実施形態の超電導コイルと比較して、第３の実施形態の超電導コイルでは、高い比熱を有する材料の体積が減少する。したがって、超電導コイルの冷却を短時間で行うことが可能である。よって、超電導コイルの利便性が向上する。

以上、第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様、クエンチが発生した箇所の温度上昇が抑制され、超電導コイルが熱暴走に至ることを抑制できる。更に、超電導コイルの利便性が向上する。

（第４の実施形態）
第４の実施形態の超電導コイルは、第１の層は、第１の粒子と形状又はサイズが異なり、４Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有する第２の粒子を、有する点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。

図８は、第４の実施形態の超電導コイルの線材保護層の拡大模式断面図である。

線材保護層３０は、第１の粒子３１、第２の粒子３２、被覆層３３、及び、第１の高分子材料３６を含む。

第１の粒子３１は、４Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有する。

第２の粒子３２は、第１の粒子３１と形状又はサイズが異なる。第２の粒子３２は、４Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有する。

第１の粒子３１は、例えば、球状である。第２の粒子３２は、例えば、円筒状である。

被覆層３３は、第１の粒子３１及び第２の粒子３２を被覆する。被覆層３３は、導電性及び熱伝導率の高い金属である。

第４の実施形態の超電導コイルでは、形状又はサイズが異なる２種の粒子を有する。このため、線材保護層３０の中の粒子の占有率を高くすることが可能となる。したがって、クエンチが発生した場合に、被覆層３３を通って大きな電流を迂回させることが可能となる。したがって、局所的な発熱が更に抑制される。よって、超電導コイルが熱暴走に至ること更に抑制できる。

また、粒子の占有率が高くなることで、発生した熱を多く吸収することができる。したがって、クエンチが発生した箇所の温度上昇を更に緩和することができる。したがって、超電導コイルが熱暴走に至ることを更に抑制できる。

なお、第２の粒子３２は、第１の粒子３１とサイズのみ異なる粒子とすることも可能である。例えば、第１の粒子３１及び第２の粒子３２の両方が球状又は円筒形状であっても構わない。

以上、第４の実施形態によれば、第１の実施形態と比較して、クエンチが発生した箇所の温度上昇が更に抑制され、超電導コイルが熱暴走に至ることを更に抑制できる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態の超電導コイルは、第１の層は、第１の粒子と化学組成が異なり、４Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有する第２の粒子を、有する点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。

図９は、第５の実施形態の超電導コイルの線材保護層の拡大模式断面図である。

線材保護層３０は、第１の粒子３１、第２の粒子３２、被覆層３３、及び、第１の高分子材料３６を含む。

第１の粒子３１は、４Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有する。

第２の粒子３２は、第１の粒子３１と化学組成が異なる。第２の粒子３２は、第１の粒子３１と異なる比熱を有する。第２の粒子３２は、４Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有する。

第１の粒子３１は、例えば、球状である。第２の粒子３２は、例えば、球状である。

被覆層３３は、第１の粒子３１及び第２の粒子３２を被覆する。被覆層３３は、導電性及び熱伝導率の高い金属である。

第５の実施形態の超電導コイルでは、比熱が異なる２種の粒子を有する。このため、例えば、広い温度範囲で熱の吸収を行うことが可能となる。したがって、クエンチが発生した箇所の温度上昇を大きく緩和することができる。よって、例えば、第１の実施形態と比較して、超電導コイルが熱暴走に至ることを更に抑制できる。

第１の粒子３１は２０Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有し、第２の粒子３２は４Ｋ以上２０Ｋ未満の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有することが好ましい。

具体的には、例えば、第１の粒子３１が、Ａｇ_２Ｏ、又は、Ｃｕ_２Ｏであり、第２の粒子３２が、ＨｏＣｕ_２、Ｅｒ_３Ｎｉ、又は、ＰｒＣｕ_２である。

４Ｋ以上４０Ｋ以下の広い温度範囲で、発熱の吸収が可能となり、超電導コイルが熱暴走に至ることを更に抑制できる。

以上、第５の実施形態によれば、第１の実施形態と比較して、クエンチが発生した箇所の温度上昇が更に抑制され、超電導コイルが熱暴走に至ることを更に抑制できる。

（第６の実施形態）
第６の実施形態の超電導コイルは、第１の領域と第１の層との間に位置し、第１の高分子材料と異なる第２の高分子材料を含む第２の層を、更に備える点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。

図１０は、第６の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図である。

図１０は、超電導線材２０の一部である第１の領域２０ａ及び第２の領域２０ｂを示す。第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間に、線材保護層３０が存在する。更に、第１の領域２０ａと線材保護層３０との間にバッファ層４０（第２の層）を有する。

バッファ層４０は、第１の高分子材料３６と異なる第２の高分子材料を含む。バッファ層４０は第２の層の一例である。

第２の高分子材料は、例えば、第１の高分子材料３６よりも引張応力に対する耐性が低い材料である。また、第２の高分子材料は、例えば、第１の高分子材料３６よりも塑性変形の大きな材料である。

第２の高分子材料は、例えば、ポリイミド樹脂、パラフィン、ワックス、又は、グリスである。

線材保護層が超電導線材の間に設けられる超電導コイルにおいて、クエンチが生じる原因の一つは、応力による超電導線材の破壊と考えられている。超電導線材と線材保護層とは熱膨張係数が異なる。一般に、金属や酸化物の超電導線材と比較して、高分子材料の線材保護層の熱膨張係数は大きい。

このため、超電導コイルが使用温度まで冷却される際、線材保護層の熱収縮の方が、超電導線材の熱収縮よりも大きくなる。したがって、冷却により超電導線材に引張応力が印加される。引張応力により、超電導線材が破壊され、破壊箇所でクエンチが生ずると考えられる。

特に超電導線材２０の超電導層２５が、希土類元素を含む酸化物である場合、超電導線材２０は、図３に示すように、超電導層２５が金属層である保護層２６と接する多層構造を有する。超電導層２５と保護層２６との間の密着性は、比較的低い。このため、超電導線材２０に引張応力が印加されると、超電導層２５と保護層２６との間が剥離して、超電導線材２０の破壊が生じやすい。

第６の実施形態の超電導コイルでは、超電導コイルが使用温度まで冷却される際、超電導線材２０に先立ち、バッファ層４０が引張応力により破壊される。或いは、バッファ層４０が塑性変形することにより、超電導線材２０に印加される引張応力が緩和される。したがって、超電導線材２０の破壊が抑制される。よって、クエンチの発生が抑制される。

なお、バッファ層４０は、第２の領域２０ｂと線材保護層３０との間に設けられても構わない。また、バッファ層４０は、第１の領域２０ａと線材保護層３０との間、及び、第２の領域２０ｂと線材保護層３０との間に設けられても構わない。

以上、第６の実施形態によれば、第１の実施形態同様、クエンチが発生した箇所の温度上昇が抑制され、超電導コイルが熱暴走に至ることを抑制できる。更に、クエンチの発生が抑制される。

（第７の実施形態）
第７の実施形態の超電導コイルは、第１の領域と第２の領域との間に、絶縁テープを、更に備える点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。

図１１は、第７の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図である。

図１１は、超電導線材２０の一部である第１の領域２０ａ及び第２の領域２０ｂを示す。第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間に、線材保護層３０が存在する。更に、第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間に絶縁テープ４５を有する。

絶縁テープ４５は、例えば、フッ素コートされたポリイミドテープである。

第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間に、絶縁テープ４５を設けることにより、第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂの間の絶縁性を高め、第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間での短絡を防止する。これにより、クエンチの発生が抑制され、超電導コイルが発生させる磁場を安定化できる。

また、絶縁テープ４５がフッ素コートされていることにより、線材保護層３０と超電導線材２０の間の密着性が低下する。したがって、冷却時に超電導線材２０加わる熱応力が緩和される。したがって、超電導線材２０の破壊が抑制される。よって、クエンチの発生が抑制される。

以上、第７の実施形態によれば、第１の実施形態同様、冷却時の熱応力を緩和しクエンチを抑制しつつ、クエンチが発生した箇所の温度上昇が抑制され、超電導コイルが熱暴走に至ることを抑制できる。

（第８の実施形態）
第８の実施形態の超電導機器は、第１ないし第７の実施形態の超電導コイルを備えた超電導機器である。以下、第１ないし第７の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。

図１２は、第８の実施形態の超電導機器のブロック図である。第８の実施形態の超電導機器は、重粒子線治療器２００である。重粒子線治療器２００は、超電導機器の一例である。

重粒子線治療器２００は、入射系５０、シンクロトロン加速器５２、ビーム輸送系５４、照射系５６、制御系５８を備える。

入射系５０は、例えば、治療に用いる炭素イオンを生成し、シンクロトロン加速器５２に入射するための予備加速を行う機能を有する。入射系５０は、例えば、イオン発生源と線形加速器を有する。

シンクロトロン加速器５２は、入射系５０から入射された炭素イオンビームを治療に適合したエネルギーまで加速する機能を有する。シンクロトロン加速器５２に、第１ないし第７の実施形態の超電導コイルが用いられる。

ビーム輸送系５４は、シンクロトロン加速器５２から入射された炭素イオンビームを照射系５６まで輸送する機能を有する。ビーム輸送系５４は、例えば、偏向電磁石を有する。

照射系５６は、ビーム輸送系５４から入射された炭素イオンビームを照射対象である患者に照射する機能を備える。照射系５６は、例えば、炭素イオンビームを任意の方向から照射可能にする回転ガントリーを有する。回転ガントリーに、第１ないし第７の実施形態の超電導コイルが用いられる。

制御系５８は、入射系５０、シンクロトロン加速器５２、ビーム輸送系５４、及び、照射系５６の制御を行う。制御系５８は、例えば、コンピュータである。

第８の実施形態の重粒子線治療器２００は、シンクロトロン加速器５２及び回転ガントリーに、第１ないし第７の実施形態の超電導コイルが用いられる。したがって、クエンチの発生が抑制され高い信頼性が実現される。

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。これら新規な実施形態は、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、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。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ともに、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。

１０ 巻枠
１１ａ 第１の絶縁板
１１ｂ 第２の絶縁板
１２ 巻線部
２０ 超電導線材
２０ａ 第１の領域
２０ｂ 第２の領域
２１ 第１の安定化層
２３ 基板
２４ 中間層
２５ 超電導層
２６ 保護層
２７ 第２の安定化層
３０ 線材保護層
３１ 第１の粒子
３２ 第２の粒子
３３ 被覆層
３６ 第１の高分子材料
４０ バッファ層
６０ 線間保護層
１００ 超電導コイル
２００ 重粒子線治療器
Ｐ１ａ 対向面
Ｐ１ｂ 対向面
Ｐ２ａ 側面
Ｐ２ｂ 側面

Claims (13)

1. 巻枠と、
   前記巻枠に巻き回され、コイル径方向に積層され、第１の領域と、前記第１の領域に対向する第２の領域を有し、前記第１の領域は前記コイル径方向に平行な側面を有する超電導線材と、
   前記第１の領域と前記第２の領域との間、及び、前記第１の領域の前記側面の側の少なくともいずれか一方に位置し、４Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有する第１の粒子と、前記第１の粒子を囲む第１の高分子材料と、を有する第１の層と、
   を備え、
   前記第１の粒子は、４Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で比熱のピークを有する超電導コイル。
2. 前記第１の粒子は、２０Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有する請求項１記載の超電導コイル。
3. 前記第１の層が、前記第１の粒子を被覆する金属の被覆層を有する請求項１又は請求項２記載の超電導コイル。
4. 前記第１の層は、前記第１の粒子と形状又はサイズが異なり、４Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有する第２の粒子を、有する請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の超電導コイル。
5. 前記第１の層は、前記第１の粒子と化学組成が異なり、４Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有する第２の粒子を、有する請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の超電導コイル。
6. 前記第１の粒子は２０Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有し、前記第２の粒子は４Ｋ以上２０Ｋ未満の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有する請求項５記載の超電導コイル。
7. 前記第１の領域と前記第１の層との間に位置し、前記第１の高分子材料と異なる第２の高分子材料を含む第２の層を、更に備える請求項１ないし請求項６いずれか一項記載の超電導コイル。
8. 前記第１の粒子は、２０Ｋで０．２Ｊ／ｃｍ^３・Ｋ以上の比熱を有する請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の超電導コイル。
9. 巻枠と、
   前記巻枠に巻き回され、コイル径方向に積層され、第１の領域と、前記第１の領域に対向する第２の領域を有し、前記第１の領域は前記コイル径方向に平行な側面を有する超電導線材と、
   前記第１の領域と前記第２の領域との間、及び、前記第１の領域の前記側面の側の少なくともいずれか一方に位置し、４Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ ^３ ・Ｋ以上の比熱を有する第１の粒子と、前記第１の粒子を囲む第１の高分子材料と、を有する第１の層と、
   を備え、
   前記第１の粒子は、酸化銀、又は、酸化銅を含む超電導コイル。
10. 巻枠と、
    前記巻枠に巻き回され、コイル径方向に積層され、第１の領域と、前記第１の領域に対向する第２の領域を有し、前記第１の領域は前記コイル径方向に平行な側面を有する超電導線材と、
    前記第１の領域と前記第２の領域との間、及び、前記第１の領域の前記側面の側の少なくともいずれか一方に位置し、４Ｋ以上４０Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で０．２Ｊ／ｃｍ ^３ ・Ｋ以上の比熱を有する第１の粒子と、前記第１の粒子を囲む第１の高分子材料と、を有する第１の層と、
    を備え、
    前記第１の粒子は、希土類化合物、又は、ガドリニウム及びイオウを含む酸化物、を含む超電導コイル。
11. 前記第１の高分子材料はエポキシ樹脂である請求項１ないし請求項１０いずれか一項記載の超電導コイル。
12. 前記超電導線材は、希土類元素を含む酸化物の超電導層を含む請求項１ないし請求項１１いずれか一項記載の超電導コイル。
13. 請求項１ないし請求項１２いずれか一項記載の超電導コイルを備える超電導機器。

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