JP6996683B2 - 超電導コイル及び超電導コイル装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導コイル及び超電導コイル装置に関する。

加速器やＭＲＩ（magnetic resonance imaging）等の医療装置においては、高温超電導線を用いた超電導コイル装置が用いられている。具体的には、粒子にエネルギーを与えて加速してターゲットに衝突させることにより、原子核を破壊することができ、これを医療や物理実験に適用することが盛んに行われている。これを実現するための装置の一つとして超電導コイル装置を用いた加速器がある。

加速器等において磁界を形成するためには、超電導コイル装置の断面形状を工夫する必要があり、例えば、一例として非特許文献１に開示されている断面形状のものがある。

特開２０１１－９１８９３号公報 特開２００２－１８４６１８号公報 特開２０００－２７７３２２号公報

第８回日本加速器学会年会プロシーディングス、「重イオン用超伝導回転ガントリーの設計」、2011、p.737-p.740 低温工学、「ＲＥＢＣＯコイルにおける遮蔽電流磁場のメカニズムと抑制方法」、2013、48巻、4号、p.165-p.171

ところで、実用化されている加速器用の超電導コイル装置には低温超電導線が用いられている。超電導コイル装置において、非特許文献１の図６に示されるような超電導線の配置をすることは、低温超電導線であれば可能である。即ち、低温超電導線は、断面形状や寸法をある範囲で任意で設定することが可能であり、また、超電導特性低下を起こさない曲げ半径が小さいため、非特許文献１の図６に示されるような超電導線の配置をすることが可能である。

これに対し、高温超電導線を用いた超電導コイル装置においては、高温超電導線の断面形状は略矩形であり、厚さが薄く幅が広い形状に限定され、かつ、超電導特性低下を起こさない許容曲げ半径が大きい。このため、単純に低温超電導線を用いた超電導コイル装置における低温超電導線を高温超電導線に置き換えることはできない。

また、高温超電導線を用いて大電流容量化を図るためには、超電導素線を複数本並列させて導体化を図ることが必要となるが、断面の寸法や許容曲げ半径の制約から、撚り合わせることができず、鎖交磁束が線材の位置で決まってしまい、並列した素線で電流が分流し許容電流値を超える可能性があり、所定の電流容量を確保することができない。

また、加速器の運用においては、時間的に安定した磁界を発生させることが必要となり、遮断電流磁場の抑制が重要となるが、これを解決するためには、超電導部を細分化してフィラメントを形成すればよく、低温超電導線では容易に形成することが可能である。同様に、高温超電導線においても細分化してフィラメントを形成した構造のものが、例えば、非特許文献２に開示されているが、単にフィラメントを形成しても、超電導コイルの形状においてはフィラメント間で電流分流が発生して所定の電流容量を確保することができない可能性がある。

このため、高温超電導線を用いた超電導コイル装置において、大電流容量を確保することのできる超電導コイル装置が求められている。

本実施の形態の一観点によれば、薄膜超電導線における超電導層をフィラメント化することにより複数の超電導素線が形成されており、複数の該薄膜超電導線を用いて導体化した超電導コイルであって、超電導コイルは、その軸長方向に沿って分割される半筒状の第１の巻線群と半筒状の第２の巻線群とにより形成された筒状構造のコイルであり、前記第１の巻線群と前記第２の巻線群とは、それぞれの間における軸に対称となるように形成されており、前記第１の巻線群における複数の前記薄膜超電導線と、前記第２の巻線群における複数の前記薄膜超電導線とは、前記超電導コイルの軸長方向に直交する断面視において、複数の前記薄膜超電導線の厚さ方向が前記軸に平行になり複数の前記薄膜超電導線の幅方向が前記軸に直角になるように前記超電導コイルの半径方向の外側から前記超電導コイルの半径方向の内側に向かって前記超電導コイルの周方向にずれて重ねて前記幅方向に曲げずに配置され、且つ、前記断面視において、前記軸に対称となるように重ねて配置されており、前記第１の巻線群における前記薄膜超電導線の超電導素線と、前記第２の巻線群における前記薄膜超電導線の超電導素線とは、前記軸に対称となるように接続されていることを特徴とする。

開示の高温超電導線を用いた超電導コイル装置によれば、大電流容量を確保することができる。

薄膜超電導線の構造図 フィラメント化された薄膜超電導線の構造図 超電導コイルの構造図 超電導コイルの接続部の説明図 フィラメント化された薄膜超電導線の接続方法の説明図 超電導コイルの電流の流れを例示する図 本実施の形態における超電導コイル装置の構造図 本実施の形態における超電導コイル装置の薄膜超電導線の接続方法の説明図

本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

図１は、一般的な薄膜超電導線の形状を示している。薄膜超電導線は、基板１の上面に、中間層２、超電導層３、金属層４が積層して形成されている。基板１の厚さは約０．１ｍｍであるのに対し、中間層２、超電導層３、金属層４における厚さは、数十μｍ以下であり、極めて薄い。基板１の幅は、２ｍｍ～１０ｍｍ程度であるため、薄膜超電導線は、厚さ方向に曲げることは容易ではあるが、幅方向に曲げることは容易ではない。

図２は、３分割フィラメント加工した薄膜超電導線１１の構造を示している。具体的には、図１に示されるような薄膜超電導線を作製した後、薄膜超電導線の伸びる方向に沿って２本の溝５ａ、５ｂを形成することにより、薄膜超電導線をフィラメント化することができる。本実施の形態においては、薄膜超電導線を３分割にフィラメント化することによりフィラメント１０ａ、１０ｂ、１０ｃが形成される。薄膜超電導線をフィラメント化することにより、遮断電流を小さくすることができる。尚、本実施の形態においては、フィラメントを超電導素線と記載する場合がある。また、超電導層を超電導部と記載する場合がある。

図３は、図２に示される３分割フィラメント加工した薄膜超電導線１１を４本重ねて導体化することにより形成される超電導コイル２０を模式的に示したものである。この超電導コイル２０は、上下に２分割された巻線群により形成される上の超電導コイル上部６ａ（第１の巻線群）と下の超電導コイル下部６ｂ（第２の巻線群）とにより形成されている。なお、「上」「下」は理解を容易にするための例示であって、第１の巻線群と第２の巻線群とは「左」「右」に２分割されたものであってもよいし、本実施形態が当該例示に限られることはない。

図４は、超電導コイル２０の断面における超電導コイル上部６ａと超電導コイル下部６ｂとの間の接続部７の様子を示す。図４に示されるように、フィラメント化されている薄膜超電導線１１－１、１１－２、１１－３、１１－４が積層されており、各々の薄膜超電導線におけるフィラメント１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、薄膜超電導線の重ね方向の位置に対応して接続されている。

具体的には、図５に示されるように、超電導コイル上部６ａにおける薄膜超電導線１１－４のフィラメント１０ａは、超電導コイル下部６ｂにおける薄膜超電導線１１－４のフィラメント１０ａに接続する。同様に、超電導コイル上部６ａにおける薄膜超電導線１１－４のフィラメント１０ｂは、超電導コイル下部６ｂにおける薄膜超電導線１１－４のフィラメント１０ｂに接続する。超電導コイル上部６ａにおける薄膜超電導線１１－４のフィラメント１０ｃは、超電導コイル下部６ｂにおける薄膜超電導線１１－４のフィラメント１０ｃに接続する。他の薄膜超電導線１１－３、１１－２、１１－１についても同様に接続することにより、超電導コイル上部６ａと超電導コイル下部６ｂにおける各々のフィラメントの位置は、超電導コイル上部６ａと超電導コイル下部６ｂとの間の一点鎖線３Ａで示される軸に対称となる。これにより、各々のフィラメントの鎖交磁束が略均等となるため、遮断電流は誘起されにくくなるとともに、各々のフィラメントにおけるインダクタンスも略均等となるため、電流分流も抑制される。

なお、本実施形態では、薄膜超電導線１１－１、１１－２、１１－３、１１－４を内側または外側に向かって重ねているが、これを非軸側または軸側に向かって重ねてもよい。

図６は、超電導コイルの電流の流れを例示する図である。図６（ａ）は、第１の巻線群と第２の巻線群が別のコイルの場合を示し、図６（ｂ）は、第１の巻線群と第２の巻線群が同一のコイルの場合を示す。図６（ｂ）においては、第１の巻線群の外側と第２の巻線群の外側とが接続されていて、第１の巻線群では、内側から外側に向かって電流が流れ、第２の巻線群では、外側から内側に向かって電流が流れる。尚、第１の巻線群と第２の巻線群は、同一のものであって、第１の巻線群に対し第２の巻線群を反対に設置し、即ち、第１の巻線群に対し第２の巻線群が上下逆となるように設置し、外側同士を接続したものである。

図８は、複数の図３に示される超電導コイル２０を円環状に配置した超電導コイル装置である。図７では、説明の便宜上、超電導コイル２０の数が８個の場合を示しており、８個の超電導コイル２０は、各々超電導コイル２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈで示している。本実施の形態においては、各々の超電導コイルにおけるコイル接続部においては、フィラメント化されている薄膜超電導線の位置を入れ替えて接続されている。

具体的には、図８に示すように、超電導コイル２０Ａにおいては、外側から内側に向かって、薄膜超電導線１１－４、１１－３、１１－２、１１－１の順に重ねる。超電導コイル２０Ａの最も内側の薄膜超電導線１１－１は、超電導コイル２０Ａの隣の超電導コイル２０Ｂの最も外側の薄膜超電導線１１－１に接続する。よって、超電導コイル２０Ｂにおいては、外側から内側に向かって、薄膜超電導線１１－１、１１－４、１１－３、１１－２の順に重なるように接続する。これは、超電導コイル２０Ａと超電導コイル２０Ｂにおいて、薄膜超電導線１１－１から１１－４の内側・外側の位置を入れ替えることに相当する。

以下同様に、超電導コイル２０Ｂの最も内側の薄膜超電導線１１－２は、超電導コイル２０Ｂの隣の超電導コイル２０Ｃの最も外側の薄膜超電導線１１－２に接続する。よって、超電導コイル２０Ｃにおいては、外側から内側に向かって、薄膜超電導線１１－２、１１－１、１１－４、１１－３の順に重なるように接続する。

超電導コイル２０Ｃの最も内側の薄膜超電導線１１－３は、超電導コイル２０Ｃの隣の超電導コイル２０Ｄの最も外側の薄膜超電導線１１－３に接続する。よって、超電導コイル２０Ｄにおいては、外側から内側に向かって、薄膜超電導線１１－３、１１－２、１１－１、１１－４の順に重なるように接続する。

超電導コイル２０Ｄの最も内側の薄膜超電導線１１－４は、超電導コイル２０Ｄの隣の超電導コイル２０Ｅの最も外側の薄膜超電導線１１－４に接続する。よって、超電導コイル２０Ｅにおいては、外側から内側に向かって、薄膜超電導線１１－４、１１－３、１１－２、１１－１の順に重なるように接続する。

超電導コイル２０Ｅの最も内側の薄膜超電導線１１－１は、超電導コイル２０Ｅの隣の超電導コイル２０Ｆの最も外側の薄膜超電導線１１－１に接続する。よって、超電導コイル２０Ｆにおいては、外側から内側に向かって、薄膜超電導線１１－１、１１－４、１１－３、１１－２の順に重なるように接続する。

超電導コイル２０Ｆの最も内側の薄膜超電導線１１－２は、超電導コイル２０Ｆの隣の超電導コイル２０Ｇの最も外側の薄膜超電導線１１－２に接続する。よって、超電導コイル２０Ｇにおいては、外側から内側に向かって、薄膜超電導線１１－２、１１－１、１１－４、１１－３の順に重なるように接続する。

超電導コイル２０Ｇの最も内側の薄膜超電導線１１－３は、超電導コイル２０Ｇの隣の超電導コイル２０Ｈの最も外側の薄膜超電導線１１－３に接続する。よって、超電導コイル２０Ｈにおいては、外側から内側に向かって、薄膜超電導線１１－３、１１－２、１１－１、１１－４の順に重なるように接続する。

このようにして、超電導コイル２０Ａ～２０Ｈまで接続された超電導コイル装置を不図示の電源に接続して所望の磁界を発生させる。

本実施の形態においては、超電導コイル２０Ａ～２０Ｈまでにおける薄膜超電導線１１－１～１１－４の位置関係が対称となるため、複数の薄膜超電導線間における鎖交磁束を略均等にすることができる。この結果、複数の超電導線のインダクタンスが略均等となり、所定の電流容量を確保することができる。従って、時間的磁界均等特性に関係する遮断電流を抑制し、かつ、大電流容量の超電導コイル装置を得ることができる。即ち、本実施の形態における超電導コイル装置は、フィラメント化されている薄膜超電導線を重ねて配置し、薄膜超電導線におけるフィラメント同士を軸対象となるように接続することにより、一つの超電導コイルにおいて、フィラメント間での電流分流を抑制することができ、更に、超電導コイルの接続部において、薄膜超電導線の重ねる順番を入れ替えることにより、薄膜超電導線間における電流分流を抑制することができる。これにより、大電流を確保することのできる超電導コイル装置を提供することができる。このような本実施の形態における超電導コイル装置は、加速器や医療装置等の用途に用いることができる。

尚、上記においては、薄膜超電導線を４本用い、８個の超電導コイルを接続した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、超電導線が４本であれば、１２個の超電導コイルを接続したり、１６個の超電導コイルを接続したものであってもよい。即ち、超電導線の本数の整数倍の超電導コイルを接続する場合においても、同様の効果を得ることができる。また、超電導線の入替方法についても、本願の目的である複数の超電導線のインダクタンスが略均等となり所定の電流容量を確保できれば、上述した構造に限定されるものではない。

以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。

１ 基板
２ 中間層
３ 超電導層
４ 金属層
５ａ、５ｂ 溝
６ａ 超電導コイル上部
６ｂ 超電導コイル下部
７ 接続部
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ フィラメント
１１ 薄膜超電導線
１１－１、１１－２、１１－３、１１－４ 薄膜超電導線
２０ 超電導コイル
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈ 超電導コイル

Claims (5)

1. 薄膜超電導線における超電導層をフィラメント化することにより複数の超電導素線が形成されており、複数の該薄膜超電導線を用いて導体化した超電導コイルであって、
   超電導コイルは、その軸長方向に沿って分割される半筒状の第１の巻線群と半筒状の第２の巻線群とにより形成された筒状構造のコイルであり、
   前記第１の巻線群と前記第２の巻線群とは、それぞれの間における軸に対称となるように形成されており、
   前記第１の巻線群における複数の前記薄膜超電導線と、前記第２の巻線群における複数の前記薄膜超電導線とは、前記超電導コイルの軸長方向に直交する断面視において、複数の前記薄膜超電導線の厚さ方向が前記軸に平行になり複数の前記薄膜超電導線の幅方向が前記軸に直角になるように前記超電導コイルの半径方向の外側から前記超電導コイルの半径方向の内側に向かって前記超電導コイルの周方向にずれて重ねて前記幅方向に曲げずに配置され、且つ、前記断面視において、前記軸に対称となるように重ねて配置されており、
   前記第１の巻線群における前記薄膜超電導線の超電導素線と、前記第２の巻線群における前記薄膜超電導線の超電導素線とは、前記軸に対称となるように接続されていることを特徴とする超電導コイル。
2. 前記第１の巻線群の外側と前記第２の巻線群の外側とが接続されていて、
   前記第１の巻線群では、内側から外側に向かって電流が流れ、
   前記第２の巻線群では、外側から内側に向かって電流が流れることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル。
3. 前記第１の巻線群と前記第２の巻線群は、同一の構造のものであって、
   前記第１の巻線群に対し、前記第２の巻線群を反対に設置し、外側同士を接続したものであることを特徴とする請求項２に記載の超電導コイル。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の超電導コイルを複数有する超電導コイル装置であって、
   隣り合う前記超電導コイルにおいては、重ねられる複数の前記薄膜超電導線の積層順序が異なることを特徴とする超電導コイル装置。
5. 配置される前記超電導コイルの数が、重ねられる複数の前記薄膜超電導線の本数の整数倍であることを特徴とする請求項４に記載の超電導コイル装置。

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