JP7048413B2 - 超電導磁石装置の運転方法および超電導磁石装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超電導磁石装置の運転方法および超電導磁石装置に関する。

従来、超電導磁石装置を用いた技術が知られている。例えば、磁気共鳴画像診断装置のように誤差のない高磁場が求められる分野で超電導磁石装置が用いられている。

国際公開第２０１６／０９３０８５号

超電導コイルの中心磁場には、超電導コイルの内部で生じる渦電流に基づくノイズ磁場が含まれている。この中心磁場の見かけ上の値は、ノイズ磁場も含めた値となっている。ここで、停電などの事象で冷却機が一時的に停止されると超電導コイルが昇温され、ノイズ磁場の態様が変化する。例えば、昇温により渦電流が消失することでノイズ磁場も消失する。つまり、冷却機が一時的に停止されると中心磁場の値が変化してしまう。超高精度の中心磁場を求められる場面では、この中心磁場の値が変化せずに安定していることが要求される。

本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、磁場を安定させることができる超電導磁石装置の運転技術を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る超電導磁石装置の運転方法は、冷却部を用いて超電導コイルを臨界温度以下に冷却して超電導に転移させるステップと、前記超電導に転移された前記超電導コイルに励磁電源から電流を供給するステップと、前記電流の供給を停止して永久電流モードを開始するステップと、前記超電導コイルを前記臨界温度以下、かつ定常運転温度よりも高い特定温度にするステップと、前記超電導コイルの磁場が安定する特定条件が成立した後に、前記超電導コイルを前記定常運転温度以下に冷却して定常運転を開始するステップと、を含む。

本発明の実施形態により、磁場を安定させることができる超電導磁石装置の運転技術が提供される。

第１実施形態の超電導磁石装置を示す断面図。 第１実施形態の超電導磁石装置を示すブロック図。 第１実施形態の超電導磁石装置を示す回路図。 第１実施形態の中心磁場と温度との関係を示すグラフ。 第１実施形態の超電導磁石装置の解析方法を示すフローチャート。 第１実施形態の超電導磁石装置の運転方法を示すフローチャート。 第２実施形態の超電導磁石装置を示す断面図。 第３実施形態の超電導磁石装置を示す断面図。 第４実施形態の超電導磁石装置を示す断面図。 第５実施形態の超電導磁石装置を示す断面図。 第５実施形態の超電導磁石装置を示すブロック図。 第５実施形態の中心磁場と温度との関係を示すグラフ。 変形例の中心磁場と温度との関係を示すグラフ。 第５実施形態の超電導磁石装置の解析方法を示すフローチャート。 第５実施形態の超電導磁石装置の運転方法を示すフローチャート。 第６実施形態の超電導磁石装置を示す断面図。

（第１実施形態）
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。まず、第１実施形態の超電導磁石装置について図１から図６を用いて説明する。図１の符号１は、永久電流モードで運転が可能な超電導磁石装置である。なお、永久電流モードとは、超電導磁石装置１を構成する回路が閉ループを成し、この回路が臨界温度以下に冷却されて超電導に転移されたときに、電流が閉ループに沿っていつまでも流れる運転態様のことである。

図１に示すように、超電導磁石装置１は、メインコイルとしての超電導コイル２と、この超電導コイル２とともに超電導回路を構成する永久電流スイッチ３と、超電導コイル２に電力を供給する励磁電源４と、超電導コイル２および永久電流スイッチ３を冷却するための冷却部５と、超電導コイル２に取り付けられたコイルヒータ６と、超電導コイル２の温度を検出する温度センサ７と、各部品を制御する制御装置８とを備える。なお、以下の説明において、永久電流スイッチをＰＣＳ（Persistent Current Switch）と略記する場合がある。

また、超電導磁石装置１は、超電導コイル２および永久電流スイッチ３にそれぞれ接続されて冷却部５に熱を伝導するための冷却媒体９と、超電導コイル２および永久電流スイッチ３を収容する真空容器１０と、真空容器１０の内部に配置される輻射シールド１１と、冷却部５に接続される第１冷却ステージ１２と、第１冷却ステージ１２に接続される伝導部としての第２冷却ステージ１３とを備える。

さらに、超電導磁石装置１は、コイルヒータ６に電力を供給するコイルヒータ電源１４と、冷却部５に電力を供給する冷却部電源１５と、永久電流スイッチ３を加熱するためのＰＣＳヒータ１６と、ＰＣＳヒータ１６に電力を供給するＰＣＳヒータ電源１７とを備える。

超電導磁石装置１は、その製造段階または設置段階において、超電導コイル２の中心磁場Ｃの磁場を計測する磁場センサ１８が一時的に取り付けられる。また、磁場センサ１８が計測した磁場に基づいて、中心磁場Ｃと超電導コイル２の温度との関係を予め解析する解析部１９が設けられる。なお、磁場センサ１８および解析部１９は、実運用段階では、超電導磁石装置１に設けられてなくても良い。

中心磁場Ｃとは、超電導磁石装置１が実運用段階で求められる部分で生じる磁場のことである。図１では、中心磁場Ｃが超電導コイル２の中央の磁場として図示しているが、この中心磁場Ｃは、超電導コイル２の中央にあるものに限られない。例えば、複数の超電導コイル２が配置される場合には、中心磁場Ｃがそれぞれの超電導コイル２の外側にあっても良い。また、複数の超電導コイル２により生じる磁場により１箇所に中心磁場Ｃが形成されても良い。

本実施形態の超電導磁石装置１は、実運用段階で定常運転を開始するときに、超電導に転移された超電導コイル２を臨界温度以下、かつ定常運転温度よりも高い特定温度にして、超電導コイル２の中心磁場Ｃが安定する特定条件が成立した後に、超電導コイル２を定常運転温度以下に冷却して定常運転を開始するようにしている。

なお、本実施形態の超電導磁石装置１は、超電導コイル２および永久電流スイッチ３と冷却部５とが冷却媒体９を介して熱的に接続された伝導冷却方式を例示している。冷却媒体９は、アルミニウムまたは銅などの良熱伝導性を示す材質で形成される。冷却部５は、ＧＭ冷凍機などの極低温冷凍機で構成される。冷却部５が伝導冷却型であるため、液体ヘリウムなどの冷媒が必要ないので、超電導コイル２および永久電流スイッチ３を簡易に冷却することができる。また、超電導コイル２および永久電流スイッチ３が液体ヘリウムなどに浸漬されていないので、停電などの事象で冷却部５が停止されたときに、超電導コイル２および永久電流スイッチ３の温度が敏感に反応する。

次に、超電導磁石装置１のシステム構成を図２に示すブロック図を参照して説明する。この図２に示すように、制御装置８は、超電導磁石装置１の運転に関する各種設定を記憶する設定記憶部２０と、各部品を統括して超電導磁石装置１の運転を制御する運転制御部２１と、励磁電源４を制御する励磁電源制御部２２と、定常運転開始前の超電導コイル２の温度を制御する特定制御部２３と、永久電流モードの開始時に永久電流スイッチ３を制御する永久電流モード制御部としてのＰＣＳ制御部２４と、冷却部電源１５を制御する冷却制御部２５と、時間の経過を計時する計時部２６（ＲＴＣ：Real-Time Clock）とを備える。

解析部１９は、超電導状態に転移した超電導コイル２において、中心磁場Ｃと超電導コイル２の温度との対応関係を予め解析し、特定条件を決定する。なお、中心磁場Ｃと超電導コイル２の温度との対応関係は、実験（実測）によって求められるものでも良い。さらに、この対応関係は、実験結果を解析（計算）することで求められるものでも良い。

ＰＣＳ制御部２４は、超電導コイル２に励磁電源４から電流を供給された後に、電流の供給を停止して永久電流モードを開始する制御を行う。特定制御部２３は、超電導に転移された超電導コイル２を臨界温度以下、かつ定常運転温度よりも高い特定温度にする制御を行う。運転制御部２１は、超電導コイル２の中心磁場Ｃが安定する特定条件が成立した後に、特定温度Ｓの超電導コイル２を定常運転温度以下に冷却して定常運転を開始する制御を行う。

本実施形態の制御装置８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤなどのハードウェア資源を有し、ＣＰＵが各種プログラムを実行することで、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源を用いて実現されるコンピュータで構成される。さらに、本実施形態の超電導磁石装置１の運転方法は、プログラムをコンピュータに実行させることで実現される。

なお、超電導コイル２および永久電流スイッチ３は、超電導物質の導体を有する超電導線材が巻回されたコイルである。図３に示すように、永久電流スイッチ３は、その両端が超電導コイル２の両端に接続されている。つまり、超電導コイル２と永久電流スイッチ３とで並列回路を構成する。そして、永久電流モードのときには、超電導コイル２と永久電流スイッチ３とで閉ループＬ（永久電流コイル）が形成される。

さらに、コイルヒータ６またはＰＣＳヒータ１６は、超電導コイル２または永久電流スイッチ３に熱が伝わる構成をとることができればどのような構成のものでも良い。例えば、フィルム状のヒータ、または電熱線状のヒータなどが挙げられる。フィルム状のヒータを用いる場合には、ヒータをコイルの表面に接着する、或いはコイルを構成する超電導線材の層間に挿入して接着するなどの構成が望ましい。また、電熱線状のヒータを用いる場合には、コイルの表面に電熱線を巻きつける、或いはコイルを構成する超電導線材に沿って電熱線を共巻する構成が望ましい。

また、超電導物質の導体は、臨界温度以下、臨界磁場以下、さらに臨界電流以下の３条件が揃った環境で電気抵抗がゼロの状態（超電導状態）で電流を流すことができる。従って、この電気抵抗がゼロの状態で、超電導コイル２と永久電流スイッチ３とで形成された閉ループＬに電流を流すと、電流は殆ど減衰することなくほぼ一定値を維持することができる。また、閉ループＬに流れる電流は、揺らぎが生じ難くなっているので、非常に安定度が高い一定磁場を発生し続けることができる。このような超電導技術は、例えば、０．１ｐｐｍ／ｈ以下の高い磁場安定度を要求する医療用のＭＲＩ、または分子構造分析用のＮＭＲなどの装置に応用されている。

また、永久電流スイッチ３は、高電気抵抗の常電導状態（ＯＦＦ状態）と電気抵抗がゼロの超電導状態（ＯＮ状態）とを切り替えることができる。ここで、永久電流スイッチ３がＯＮ状態となると、超電導コイル２と永久電流スイッチ３との閉ループＬで、永久電流モードの運転が可能になる。一方、永久電流スイッチ３がＯＦＦ状態となると、永久電流スイッチ３の高電気抵抗によって閉ループＬでの永久電流モードの運転が不可能になる。なお、ＰＣＳヒータ１６により永久電流スイッチ３が加熱されると、常電導状態（ＯＦＦ状態）となり、ＰＣＳヒータ１６を停止すると、超電導状態（ＯＮ状態）となる。

超電導コイル２および永久電流スイッチ３の超電導線材は、複数本の超電導フィラメントと、これらの超電導フィラメントの周囲の母材（安定化材）とで構成される。なお、超電導フィラメントは、一般的にＮｂＴｉで形成されるが、Ｎｂ_３ＳｎおよびＭｇＢ_２などのＮｂＴｉ以外の超電導材料であっても良い。なお、超電導コイル２の母材は、一般的に銅などの低電気抵抗金属で形成される。また、永久電流スイッチ３の母材は、一般的にＣｕＮｉなどの高電気低抗金属で形成される。

超電導コイル２および永久電流スイッチ３の温度を臨界温度（超伝導転移温度）以下に冷却して超電導状態にすると、各超電導フィラメントの電気抵抗がゼロになり、これらの超電導フィラメントに電流が流れ続ける。また、永久電流スイッチ３の温度を臨界温度よりも高くして常電導状態にすると、高い電気抵抗が発生する。この永久電流スイッチ３の電気抵抗により超電導コイル２を励磁できる。

超電導に転移された超電導コイル２は、設計段階で予め決められた中心磁場Ｃを発生させる。しかしながら、超電導コイル２を構成する超電導線材の内部で微小な渦電流が発生し、この渦電流に起因する磁場がノイズとなって中心磁場Ｃに含まれる。この渦電流の発生原因には様々なものが考えられる。例えば、超電導線材同士を接続する半田の内部で生じたり、超電導フィラメントの周囲の母材の内部で生じたりする。

常温の常電導状態の物質中を渦電流が流れる場合には、その物質の電気抵抗により、直ぐに渦電流が消失してしまう。ここで、半田に含まれる超電導物質となる鉛および超電導物質ではないが、母材に含まれる銅などの物質は、極超低温に冷却されると電気抵抗が極端に低くなり、そこに生じた渦電流が消えずにいつまでも存在してしまう。特に、母材と超電導フィラメントとを跨ぐように流れる電気経路を有する渦電流の場合には、消失するまでに長期間を有する時定数の長い渦電流となってしまう。

このような渦電流に基づくノイズ磁場が中心磁場Ｃに含まれている場合に問題となるのが、停電などの事象で冷却部５が一時的に停止されたときである。冷却部５が一時的に停止されると超電導コイル２が昇温される。ここで、超電導コイル２が臨界温度を超えない状態で直ぐに停電が復旧されると、超電導磁石装置１の運転を継続することができる。しかし、超電導コイル２の一時的な昇温により、半田に含まれる鉛および母材に含まれる銅などの物質の電気抵抗が急激に高まり、その物質中を流れる渦電流が消失してしまう。そのため、渦電流に起因するノイズ磁場が消失し、中心磁場Ｃの値が変化してしまう。

例えば、ノイズ磁場が中心磁場Ｃを増大させるように働いている場合には、停電後に中心磁場Ｃの値が低くなる。一方、ノイズ磁場が中心磁場Ｃを打ち消すように働いている場合には、停電後に中心磁場Ｃの値が高くなる。つまり、このノイズ磁場が、中心磁場Ｃが変動する原因となる変動成分となっている。高い磁場安定度を要求する場面では、超電導コイル２の中心磁場Ｃの値が変化せずに安定していることが要求される。

そこで、本実施形態の超電導磁石装置１は、超電導に転移された超電導コイル２で永久電流モードが開始された後に、コイルヒータ６を用いて超電導コイル２を昇温する。この昇温がなされることで、超電導コイル２の内部の渦電流が消失し、ノイズ磁場も無くなる。その後に、定常運転を開始することで、停電などの事象で冷却部５が一時的に停止した場合であっても、中心磁場Ｃが変化しないようになる。

図４は、中心磁場Ｃと超電導コイル２の温度との関係の一例を示すグラフである。超電導コイル２の温度を実線で示し、中心磁場Ｃの値を点線で示している。

まず、冷却部５を用いて超電導コイル２を臨界温度Ｍ以下に冷却すると、この超電導コイル２が超電導に転移される。この超電導に転移された直後の降温期間Ｆにおいて、超電導コイル２は、定常運転温度Ｎ以下に冷却される。ここで、中心磁場Ｃは、ノイズ磁場が含まれているので高い値を示している。

時間Ｑ１において、コイルヒータ６を作動させて、超電導コイル２が特定温度Ｓになるまで加熱する。この特定温度Ｓは、臨界温度Ｍ以下、かつ定常運転温度Ｎよりも高い温度となっている。そして、超電導コイル２の温度を一定に保つ。この昇温期間Ｒにおいて、超電導コイル２の内部の渦電流が消失することで、ノイズ磁場も数分オーダーで消失してゆく。そのため、中心磁場Ｃの値が低下してゆく。

中心磁場Ｃの値が低下し、その値が低下しなくなった時点でノイズ磁場が消失したものと推定される。そして、この中心磁場Ｃの値が変化しなくなった後の時間Ｑ２において、コイルヒータ６を停止して、超電導コイル２を再び定常運転温度Ｎ以下に冷却する。この昇温期間Ｒの後の降温期間Ｆにおいて、定常運転を開始する。

第１実施形態では、超電導コイル２が特定温度Ｓになるまで加熱するときのコイルヒータ６に流す電流値を出力値として設定する。また、時間Ｑ１から時間Ｑ２までのノイズ磁場が消失するまでに充分な昇温期間Ｒをコイルヒータ６の出力期間として設定する。なお、出力期間は、連続する１つの期間でなくても良く、例えば、昇温期間Ｒと降温期間Ｆとを交互に繰り返して、複数の昇温期間Ｒが合計された期間が出力期間であっても良い。

第１実施形態では、予め決められた出力値でコイルヒータ６を作動させて、特定温度Ｓになるまで超電導コイル２を昇温し、予め決められた出力期間が経過するまでコイルヒータ６を作動させることで特定条件が成立する。この出力値と出力期間は、予め解析して求められる。そして、求められた出力値と出力期間が超電導磁石装置１の設定記憶部２０に記憶される。

このようにすれば、超電導磁石装置１の運用が開始される前に特定条件を把握し、予め制御内容を決定することができるので、運用時の超電導磁石装置１の制御を容易に行うことができる。また、コイルヒータ６の作動を制御することで特定条件を成立させることができる。

なお、第１実施形態の制御装置８の運転制御部２１は、超電導コイル２が特定温度Ｓに達したか否かを温度センサ７による検出温度により判定する。また、出力期間が経過したか否かを計時部２６による計時により判定する。

次に、中心磁場Ｃの変動成分が消失する特定条件を予め解析して求める超電導磁石装置１の解析方法について図５のフローチャートを用いて説明する。なお、図２に示すブロック図を適宜参照する。

図５に示すように、まず、ステップＳ１１において、冷却制御部２５は、冷却部電源１５から冷却部５に電流を供給し、冷却部５を作動させることで、超電導コイル２と永久電流スイッチ３の冷却を開始する。なお、冷却が開始されると、超電導コイル２と永久電流スイッチ３が臨界温度Ｍ以下に冷却される。そして、超電導コイル２と永久電流スイッチ３が超電導状態に転移される。さらに、超電導コイル２と永久電流スイッチ３が定常運転温度Ｎになるまで冷却される。

次のステップＳ１２において、冷却部５による冷却が継続されている状態で、ＰＣＳ制御部２４は、ＰＣＳヒータ電源１７からＰＣＳヒータ１６に電流を供給し、ＰＣＳヒータ１６を作動させる。そして、ＰＣＳ制御部２４は、ＰＣＳヒータ１６を用いて永久電流スイッチ３を加熱して臨界温度Ｍよりも高い温度にする。すると、永久電流スイッチ３が高電気抵抗の常電導状態（ＯＦＦ状態）に転移される。

次のステップＳ１３において、励磁電源制御部２２は、励磁電源４を制御して電流供給を開始し、超電導コイル２に電流を流し始める。そして、超電導コイル２に流れる電流が定常運転時の値になる。

次のステップＳ１４において、ＰＣＳ制御部２４は、ＰＣＳヒータ電源１７からＰＣＳヒータ１６に供給される電流を停止し、永久電流スイッチ３の温度を再び降下させる。ここで、永久電流スイッチ３の温度が臨界温度Ｍ以下になると、永久電流スイッチ３が電気抵抗の無い超電導状態（ＯＮ状態）に転移される。

次のステップＳ１５において、励磁電源制御部２２は、励磁電源４を制御して電流供給を停止する。このとき、励磁電源４の電流の供給量の低下に対応して、永久電流スイッチ３に流れる電流が増加し始める。

次のステップＳ１６において、励磁電源４から供給される電流の値がゼロになると、永久電流スイッチ３に流れる電流が定常運転時の値になる。また、超電導コイル２と永久電流スイッチ３とで閉ループＬが完成し、永久電流モードが開始される。

次のステップＳ１７において、特定制御部２３は、コイルヒータ電源１４からコイルヒータ６に電流を供給し、コイルヒータ６を作動させる。そして、特定制御部２３は、コイルヒータ６を用いて超電導コイル２を加熱し、特定温度Ｓになるまで昇温させる。なお、運転制御部２１は、超電導コイル２が特定温度Ｓに達したか否かを温度センサ７による検出温度により判定し、その判定結果を特定制御部２３に入力しても良い。そして、判定結果に基づいて特定制御部２３がコイルヒータ６を制御しても良い。

次のステップＳ１８において、特定制御部２３は、コイルヒータ６を制御し、特定温度Ｓになった超電導コイル２の温度を一定に保つ。

次のステップＳ１９において、解析部１９は、磁場センサ１８を用いて超電導コイル２の中心磁場Ｃの磁場を計測する。

次のステップＳ２０において、解析部１９は、中心磁場Ｃの値が一定になったか否かを判定する。ここで、中心磁場Ｃの値が一定になっていない場合（ステップＳ２０がＮＯ）は、前述のステップＳ１８に戻る。一方、中心磁場Ｃの値が一定になった場合（ステップＳ２０がＹＥＳ）は、ステップＳ２１に進む。

次のステップＳ２１において、超電導コイル２を特定温度Ｓに昇温するために必要なコイルヒータ６の出力値と、中心磁場Ｃの値を一定にするために必要な出力時間とを求める。そして、求められた出力値と出力期間とを超電導磁石装置１の設定記憶部２０に記憶させる。

次に、実運用段階の超電導磁石装置１の運転方法について図６のフローチャートを用いて説明する。なお、図２に示すブロック図を適宜参照する。この超電導磁石装置１の運転方法は、ステップＳ１１からステップＳ１８までのステップは、前述の超電導磁石装置１の解析方法（図５参照）と同様のステップである。

図６に示すように、ステップＳ１８の次に進むステップＳ１９Ａにおいて、運転制御部２１は、計時部２６による計時に基づいて、設定記憶部２０に記憶された予め決められた出力期間が経過したか否かを判定する。ここで、出力期間が経過していない場合（ステップＳ１９ＡがＮＯ）は、前述のステップＳ１８に戻る。一方、出力期間が経過した場合（ステップＳ１９ＡがＹＥＳ）は、ステップＳ２０Ａに進む。

次のステップＳ２０Ａにおいて、特定制御部２３は、コイルヒータ電源１４を制御して電流供給を停止することで、コイルヒータ６を停止させる。そして、超電導コイル２が再び冷却される。

次のステップＳ２１Ａにおいて、定常運転温度Ｎになるまで冷却された超電導コイル２を用いて定常運転が開始される。

第１実施形態の超電導磁石装置１では、定常運転を開始する前に特定温度Ｓになるまで超電導コイル２を昇温し、特定温度Ｓを特定条件が成立するまで一定に保つことで、中心磁場Ｃの変動成分を確実に消失させることができる。

また、コイルヒータ６が超電導コイル２に設けられることで、コイルヒータ６の熱が超電導コイル２に直接伝わるので、超電導コイル２を迅速に昇温させることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の超電導磁石装置１Ａについて図７を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図７に示すように、第２実施形態の超電導磁石装置１Ａでは、前述の第１実施形態の温度センサ７（図１参照）が設けられていない。第２実施形態では、超電導コイル２が特定温度Ｓに達するために必要な出力値が予め解析され、その設定値が設定記憶部２０（図２参照）に記憶される。制御装置８は、設定記憶部２０に記憶された出力値と出力期間のみに基づいて、実運用段階の超電導磁石装置１Ａの運転の制御を行う。

第２実施形態では、温度センサ７が設けられていないため、超電導磁石装置１Ａの部品点数を減らせるばかりか、超電導コイル２を特定温度Ｓにする制御を簡素化することができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態の超電導磁石装置１Ｂについて図８を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図８に示すように、第３実施形態の超電導磁石装置１Ｂでは、超電導コイル２を加熱するためのコイルヒータ６が伝導部としての第２冷却ステージ１３に取り付けられている。その他の構成は、前述の第１実施形態と同様である。

第３実施形態では、超電導に転移された超電導コイル２で永久電流モードが開始された後に、コイルヒータ６を用いて超電導コイル２を昇温する。コイルヒータ６の熱は、第２冷却ステージ１３を介して超電導コイル２に伝導される。

この第３実施形態では、コイルヒータ６が、超電導コイル２から冷却部５まで熱を伝導させる伝導部としての第２冷却ステージ１３に設けられることで、コイルヒータ６の熱が超電導コイル２に徐々に伝わるので、超電導コイル２全体を均一に昇温させることができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態の超電導磁石装置１Ｃについて図９を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図９に示すように、第４実施形態の超電導磁石装置１Ｃでは、前述の第３実施形態の温度センサ７（図８参照）が設けられていない。第４実施形態では、超電導コイル２が特定温度Ｓに達するために必要な出力値が予め解析され、その設定値が設定記憶部２０（図２参照）に記憶される。制御装置８は、設定記憶部２０に記憶された出力値と出力期間のみに基づいて、実運用段階の超電導磁石装置１Ｃの運転の制御を行う。

第４実施形態では、温度センサ７が設けられていないため、超電導磁石装置１Ｃの部品点数を減らせるばかりか、超電導コイル２を特定温度Ｓにする制御を簡素化することができる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態の超電導磁石装置１Ｄについて図１０から図１５を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１０および図１１に示すように、第５実施形態の超電導磁石装置１Ｄでは、前述の第１実施形態のコイルヒータ６（図１参照）および特定制御部２３（図２参照）が設けられていない。第５実施形態では、冷却部５を制御する冷却制御部２５が、超電導コイル２を特定温度Ｓにする特定制御部となっている。

この第５実施形態では、超電導に転移された超電導コイル２で永久電流モードが開始された後に、冷却部５を停止することで超電導コイル２を昇温する。この昇温がなされることで、超電導コイル２の内部の渦電流が消失し、ノイズ磁場も無くなる。その後に、定常運転を開始することで、停電などの事象で冷却部５が一時的に停止した場合であっても、中心磁場Ｃが変化しないようになる。

図１２は、中心磁場Ｃと超電導コイル２の温度との関係の一例を示すグラフである。超電導コイル２の温度を実線で示し、中心磁場Ｃの値を点線で示している。

まず、冷却部５を用いて超電導コイル２を臨界温度Ｍ以下に冷却すると、この超電導コイル２が超電導に転移される。この超電導に転移された直後の降温期間Ｆにおいて、超電導コイル２は、定常運転温度Ｎ以下に冷却される。ここで、中心磁場Ｃは、ノイズ磁場が含まれているので高い値を示している。

時間Ｑ３において、冷却部５を停止して超電導コイル２を昇温させる。すると、超電導コイル２の温度が徐々に上昇し、特定温度Ｓになる。この特定温度Ｓは、臨界温度Ｍ以下、かつ定常運転温度Ｎよりも高い温度となっている。

そして、時間Ｑ４において、超電導コイル２の温度が、特定温度Ｓになったとき、または特定温度Ｓを超えたときに、冷却部５を再び作動させて、超電導コイル２を再び定常運転温度Ｎ以下に冷却する。この時間Ｑ３からＱ４までを１回目の昇温期間Ｒ１とする。

この１回目の昇温期間Ｒ１において、超電導コイル２の内部の渦電流が消失することで、ノイズ磁場も消失する。そのため、中心磁場Ｃの値が低下する。そして、所定の降温期間Ｆを経過した後の時間Ｑ５において、冷却部５を再び停止して超電導コイル２を昇温させる。すると、超電導コイル２の温度が徐々に上昇し、再び特定温度Ｓになる。

そして、時間Ｑ６において、超電導コイル２の温度が、特定温度Ｓになったとき、または特定温度を超えたときに、冷却部５を再び作動させて、超電導コイル２を再び定常運転温度Ｎ以下に冷却する。この時間Ｑ５からＱ６までを２回目の昇温期間Ｒ２とする。

この２回目の昇温期間Ｒ２においても、超電導コイル２の内部の渦電流が消失することで、ノイズ磁場も消失する。なお、２回目の昇温期間Ｒ２では、中心磁場Ｃの値の低下率が、１回目の昇温期間Ｒ１の低下率よりも小さくなっている。これは、１回目の昇温期間Ｒ１で殆どのノイズ磁場が消失したことを示している。

第５実施形態では、昇温期間Ｒ（Ｒ１，Ｒ２，…）において中心磁場Ｃの値の低下がなくなるまで、冷却部５の停止と再作動を繰り返す。そして、この中心磁場Ｃの値の低下がなくなるまでに必要な昇温期間Ｒの時間間隔と、昇温期間Ｒの繰り返し回数が特定条件となる。

昇温期間Ｒの時間間隔と昇温期間Ｒの繰り返し回数は、予め解析して求められる。そして、求められた昇温期間Ｒの時間間隔と昇温期間Ｒの繰り返し回数が超電導磁石装置１の設定記憶部２０に記憶される。

なお、第５実施形態の制御装置８の運転制御部２１（図３参照）は、超電導コイル２が特定温度Ｓに達したか否かを温度センサ７による検出温度により判定する。また、昇温期間Ｒが経過したか否かを計時部２６による計時により判定する。

次に、中心磁場Ｃの変動成分が消失する特定条件を予め解析して求める超電導磁石装置１Ｄの解析方法について図１４のフローチャートを用いて説明する。なお、図１１に示すブロック図を適宜参照する。

図１４に示すように、まず、ステップＳ３１において、冷却制御部２５は、冷却部電源１５から冷却部５に電流を供給し、冷却部５を作動させることで、超電導コイル２と永久電流スイッチ３の冷却を開始する。なお、冷却が開始されると、超電導コイル２と永久電流スイッチ３が臨界温度Ｍ以下に冷却される。そして、超電導コイル２と永久電流スイッチ３が超電導状態に転移される。さらに、超電導コイル２と永久電流スイッチ３が定常運転温度Ｎになるまで冷却される。

次のステップＳ３２において、冷却部５による冷却が継続されている状態で、ＰＣＳ制御部２４は、ＰＣＳヒータ電源１７からＰＣＳヒータ１６に電流を供給し、ＰＣＳヒータ１６を作動させる。そして、ＰＣＳ制御部２４は、ＰＣＳヒータ１６を用いて永久電流スイッチ３を加熱して臨界温度Ｍよりも高い温度にする。すると、永久電流スイッチ３が高電気抵抗の常電導状態（ＯＦＦ状態）に転移される。

次のステップＳ３３において、励磁電源制御部２２は、励磁電源４を制御して電流供給を開始し、超電導コイル２に電流を流し始める。そして、超電導コイル２に流れる電流が定常運転時の値になる。

次のステップＳ３４において、ＰＣＳ制御部２４は、ＰＣＳヒータ電源１７からＰＣＳヒータ１６に供給される電流を停止し、永久電流スイッチ３の温度を再び降下させる。ここで、永久電流スイッチ３の温度が臨界温度Ｍ以下になると、永久電流スイッチ３が電気抵抗の無い超電導状態（ＯＮ状態）に転移される。

次のステップＳ３５において、励磁電源制御部２２は、励磁電源４を制御して電流供給を停止する。このとき、励磁電源４の電流の供給量の低下に対応して、永久電流スイッチ３に流れる電流が増加し始める。

次のステップＳ３６において、励磁電源４から供給される電流の値がゼロになると、永久電流スイッチ３に流れる電流が定常運転時の値になる。また、超電導コイル２と永久電流スイッチ３とで閉ループＬが完成し、永久電流モードが開始される。

次のステップＳ３７において、冷却制御部２５は、冷却部電源１５から冷却部５に供給される電流を停止し、超電導コイル２を昇温させる。そして、冷却制御部２５は、超電導コイル２が特定温度Ｓになるまで冷却部５の停止を継続する。なお、運転制御部２１は、超電導コイル２が特定温度Ｓに達したか否かを温度センサ７による検出温度により判定し、その判定結果を冷却制御部２５に入力しても良い。そして、判定結果に基づいて冷却制御部２５が冷却部５を制御しても良い。

次のステップＳ３８において、冷却制御部２５は、冷却部電源１５から冷却部５に電流を供給し、冷却部５を再び作動させる。この冷却部５の再作動は、超電導コイル２の温度が、特定温度Ｓになったとき、または特定温度Ｓを超えたときに行う。なお、計時部２６の計時に基づいて、冷却部５を停止してから所定の昇温期間Ｒが経過したときに、冷却部５の再作動を行っても良い。

次のステップＳ３９において、解析部１９は、磁場センサ１８を用いて超電導コイル２の中心磁場Ｃの磁場を計測する。

次のステップＳ４０において、解析部１９は、中心磁場Ｃの値に変化があるか否かを判定する。ここで、中心磁場Ｃの値に変化がない場合（ステップＳ４０がＮＯ）は、前述のステップＳ３７に戻る。一方、中心磁場Ｃの値に変化がある場合（ステップＳ４０がＹＥＳ）は、ステップＳ４１に進む。

次のステップＳ４１において、超電導コイル２を特定温度Ｓに昇温するために必要な昇温期間Ｒの時間間隔と昇温期間Ｒの繰り返し回数とを求める。そして、求められた時間間隔と繰り返し回数とを超電導磁石装置１の設定記憶部２０に記憶させる。

次に、実運用段階の超電導磁石装置１Ｄの運転方法について図１５のフローチャートを用いて説明する。なお、図１１に示すブロック図を適宜参照する。この超電導磁石装置１Ｄの運転方法は、ステップＳ３１からステップＳ３８までのステップは、前述の超電導磁石装置１の解析方法（図１４参照）と同様のステップである。

図１５に示すように、ステップＳ３８の次に進むステップＳ３９Ａにおいて、運転制御部２１は、冷却部５の停止と再作動を設定記憶部２０に記憶された予め決められた回数繰り返したか否かを判定する。ここで、冷却部５の停止と再作動を予め決められた回数繰り返していない場合（ステップＳ３９ＡがＮＯ）は、前述のステップＳ３７に戻る。一方、冷却部５の停止と再作動を予め決められた回数繰り返した場合（ステップＳ３９ＡがＹＥＳ）は、ステップＳ４０Ａに進む。

次のステップＳ４０Ａにおいて、冷却制御部２５は、冷却部電源１５から冷却部５に電流を供給し、冷却部５を作動させることで、超電導コイル２を再び冷却する。

次のステップＳ４１Ａにおいて、定常運転温度Ｎになるまで冷却された超電導コイル２を用いて定常運転が開始される。

第５実施形態では、冷却部５を停止させて特定温度Ｓになるまで超電導コイル２を昇温し、特定温度Ｓに達したときに冷却部５を再び作動させ、この冷却部５の停止と再作動を予め決められた時間間隔で予め決められた回数繰り返すことで特定条件が成立する。このようにすれば、冷却部５の制御により中心磁場Ｃの変動成分を確実に消失させることができる。

なお、第５実施形態は、冷却部５の停止と再作動を所定回数繰り返しているが、冷却部５の停止と再作動を１回行うことで、中心磁場Ｃの変動成分を確実に消失させられる場合には、冷却部５の停止と再作動を繰り返す必要はない。

図１３は、変形例としての中心磁場Ｃと超電導コイル２の温度との関係の一例を示すグラフである。超電導コイル２の温度を実線で示し、中心磁場Ｃの値を点線で示している。

まず、冷却部５を用いて超電導コイル２を臨界温度Ｍ以下に冷却すると、この超電導コイル２が超電導に転移される。この超電導に転移された直後の降温期間Ｆにおいて、超電導コイル２は、定常運転温度Ｎ以下に冷却される。ここで、中心磁場Ｃは、ノイズ磁場が含まれているので高い値を示している。

時間Ｑ７において、冷却部５を停止して超電導コイル２を昇温させる。すると、超電導コイル２の温度が徐々に上昇し、特定温度Ｓになる。この特定温度Ｓは、臨界温度Ｍ以下、かつ定常運転温度Ｎよりも高い温度となっている。

そして、時間Ｑ８において、超電導コイル２の温度が、特定温度Ｓになったとき、または特定温度Ｓを超えたときに、冷却部５を再び作動させて、超電導コイル２を再び定常運転温度Ｎ以下に冷却する。この時間Ｑ７からＱ８までの１回目の昇温期間Ｒで中心磁場Ｃの値が急激に低下し、時間Ｑ８に至る前に、中心磁場Ｃの値の低下が治まっていることが分かる。

この変形例では、冷却部５を１度停止させて特定温度Ｓになるまで超電導コイル２を昇温し、特定温度Ｓに達したときに特定条件が成立する。このようにすれば、冷却部５の作動を制御することで特定条件を成立させることができる。

（第６実施形態）
次に、第６実施形態の超電導磁石装置１Ｅについて図１６を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１６に示すように、第６実施形態の超電導磁石装置１Ｅでは、前述の第５実施形態の温度センサ７（図１０参照）が設けられていない。第６実施形態では、超電導コイル２が特定温度Ｓに達するために必要な出力値が予め解析され、その設定値が設定記憶部２０（図１１参照）に記憶される。制御装置８は、設定記憶部２０に記憶された出力値と出力期間のみに基づいて、実運用段階の超電導磁石装置１Ｅの運転の制御を行う。

第６実施形態では、温度センサ７が設けられていないため、超電導磁石装置１Ｅの部品点数を減らせるばかりか、超電導コイル２を特定温度Ｓにする制御を簡素化することができる。

本実施形態に係る超電導磁石装置の運転方法を第１実施形態から第６実施形態に基づいて説明したが、いずれか１の実施形態において適用された構成を他の実施形態に適用しても良いし、各実施形態において適用された構成を組み合わせても良い。

なお、本実施形態において、基準値を用いた任意の値の判定は、「任意の値が基準値以上か否か」の判定でも良いし、「任意の値が基準値を超えているか否か」の判定でも良い。或いは、「任意の値が基準値以下か否か」の判定でも良いし、「任意の値が基準値未満か否か」の判定でも良い。また、基準値が固定されるものでなく、変化するものであっても良い。従って、基準値の代わりに所定範囲の値を用い、任意の値が所定範囲に収まるか否かの判定を行っても良い。また、予め装置に生じる誤差を解析し、基準値を中心として誤差範囲を含めた所定範囲を判定に用いても良い。

なお、本実施形態のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されても良い。

本実施形態の制御装置８は、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、またはＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）またはＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスまたはキーボードなどの入力装置と、通信インターフェースとを備える。この制御装置８は、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。

なお、本実施形態の制御装置８で実行されるプログラムは、ＲＯＭなどに予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）などのコンピュータで読み取り可能な非一過性の記憶媒体に記憶されて提供するようにしても良い。

また、この制御装置８で実行されるプログラムは、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしても良い。また、この制御装置８は、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワークまたは専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。

なお、超電導コイル２および永久電流スイッチ３は、１個の冷却部５で冷却しなくても良い。例えば、超電導コイル２を冷却する冷却部と、永久電流スイッチ３を冷却する冷却部との複数の冷却部を設けても良い。

なお、本実施形態では、超電導コイル２および永久電流スイッチ３を冷却する方式として伝導冷却方式を例示しているが、その他の態様であっても良い。例えば、液体ヘリウムを冷媒として用いたヘリウム冷却方式であっても良い。また、液体窒素を用いた冷却方式であっても良い。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、超電導コイルの磁場が安定する特定条件が成立した後に、超電導コイルを定常運転温度以下に冷却して定常運転を開始することで、磁場を安定させることができる。

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

１（１Ａ～１Ｅ）…超電導磁石装置、２…超電導コイル、３…永久電流スイッチ、４…励磁電源、５…冷却部、６…コイルヒータ、７…温度センサ、８…制御装置、９…冷却媒体、１０…真空容器、１１…輻射シールド、１２…第１冷却ステージ、１３…第２冷却ステージ、１４…コイルヒータ電源、１５…冷却部電源、１６…ＰＣＳヒータ、１７…ＰＣＳヒータ電源、１８…磁場センサ、１９…解析部、２０…設定記憶部、２１…運転制御部、２２…励磁電源制御部、２３…特定制御部、２４…ＰＣＳ制御部、２５…冷却制御部、２６…計時部、Ｃ…中心磁場、Ｆ…降温期間、Ｌ…閉ループ、Ｍ…臨界温度、Ｎ…定常運転温度、Ｑ…時間、Ｒ…昇温期間、Ｓ…特定温度。

Claims (9)

1. 冷却部を用いて超電導コイルを臨界温度以下に冷却して超電導に転移させるステップと、
   前記超電導に転移された前記超電導コイルに励磁電源から電流を供給するステップと、
   前記電流の供給を停止して永久電流モードを開始するステップと、
   前記超電導コイルを前記臨界温度以下、かつ定常運転温度よりも高い特定温度にするステップと、
   前記超電導コイルの磁場が安定する特定条件が成立した後に、前記超電導コイルを前記定常運転温度以下に冷却して定常運転を開始するステップと、
   を含む超電導磁石装置の運転方法。
2. 前記磁場の変動成分が消失する前記特定条件を予め解析して求めるステップを含む請求項１に記載の超電導磁石装置の運転方法。
3. 前記特定温度になるまで前記超電導コイルを昇温し、前記特定温度を前記特定条件が成立するまで一定に保つ請求項１または請求項２に記載の超電導磁石装置の運転方法。
4. ヒータを用いて前記特定温度になるまで前記超電導コイルを昇温し、予め決められた出力期間が経過するまで前記ヒータを作動させることで前記特定条件が成立する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置の運転方法。
5. 前記ヒータは、前記超電導コイルに設けられる請求項４に記載の超電導磁石装置の運転方法。
6. 前記ヒータは、前記超電導コイルから前記冷却部まで熱を伝導させる伝導部に設けられる請求項４に記載の超電導磁石装置の運転方法。
7. 前記冷却部を停止させて前記特定温度になるまで前記超電導コイルを昇温し、前記特定温度に達したときに前記特定条件が成立する請求項１または請求項２に記載の超電導磁石装置の運転方法。
8. 前記冷却部を停止させて前記特定温度になるまで前記超電導コイルを昇温し、前記特定温度に達したときに前記冷却部を再び作動させ、この冷却部の停止と再作動を予め決められた回数繰り返すことで前記特定条件が成立する請求項１または請求項２に記載の超電導磁石装置の運転方法。
9. 超電導コイルと、
   前記超電導コイルを臨界温度以下に冷却して超電導に転移させる冷却部と、
   前記超電導に転移された前記超電導コイルに電流を供給する励磁電源と、
   前記電流の供給を停止して永久電流モードを開始する永久電流モード制御部と、
   前記超電導コイルを前記臨界温度以下、かつ定常運転温度よりも高い特定温度にする特定制御部と、
   前記超電導コイルの磁場が安定する特定条件が成立した後に、前記超電導コイルを前記定常運転温度以下に冷却して定常運転を開始する運転制御部と、
   を備える超電導磁石装置。

Images