JPH06231950A - 超電導磁石 - Google Patents

超電導磁石

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JPH06231950A
JPH06231950A JP3942393A JP3942393A JPH06231950A JP H06231950 A JPH06231950 A JP H06231950A JP 3942393 A JP3942393 A JP 3942393A JP 3942393 A JP3942393 A JP 3942393A JP H06231950 A JPH06231950 A JP H06231950A
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JP
Japan
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superconducting
superconducting coil
superconducting magnet
liquid nitrogen
current lead
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Pending
Application number
JP3942393A
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English (en)
Inventor
Junichi Shimoyama
淳一 下山
Toshiya Matsubara
俊哉 松原
Eiji Yanagisawa
栄治 柳沢
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AGC Inc
Original Assignee
Asahi Glass Co Ltd
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Publication date
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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】小型の冷凍機を用いて効率的に冷却できる超電
導磁石を得る。 【構成】真空断熱容器1内に、冷凍機の冷却ヘッドによ
り保持された超電導コイル8と、超電導コイル8を取り
囲み液体窒素により保冷された放射シールド2と、超電
導コイルに電力を供給する電流リードとを有する超電導
磁石であって、該電流リードは液体窒素により保冷され
たアンカー部を有し、電流リードのアンカー部4と超電
導コイル8間は酸化物超電導体よりなされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超電導磁石に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】従来、臨界温度が高々18K程度のNb
−Ti、Nb3 Sn系の超電導線材を用いた超電導磁石
が知られている。この超電導磁石は、特殊な取扱を要す
る高価な液体ヘリウム(沸点=4.2K[1気圧中])
を冷媒として用いることが不可欠であるため、装置の高
価格、保守の困難さといった問題を発生し、一般に広く
普及するための妨げとなっていた。
【0003】近年、臨界温度が液体窒素温度を超える酸
化物高温超電導体の出現によりこの問題が解決されるこ
とが期待され、現在各方面で勢力的に研究開発が行われ
ている。まだ開発の初期段階にあり、液体窒素温度にお
いては、試験的に低磁界コイルが作製されている程度で
あり、実用磁石の開発にはまだ相当の期間を要するもの
と考えられている。
【0004】一方、近年冷凍技術の進歩も著しく、GM
冷凍機を初めとして、小型、省電力タイプで10K程度
の温度まで、または、蓄冷材を工夫することにより4K
程度まで、比較的容易に冷却可能な装置が開発されるよ
うになった。
【0005】そこで、従来線材とGM冷凍機などとの組
合せで、液体ヘリウムを使用せずに冷凍機のみで冷却す
る方式の超電導磁石が考案されている(袴田他、199
2年度 秋季低温工学・超電導学会予稿集 p30
0)。これらの装置は、真空断熱された容器内に超電導
コイルを保持し、冷凍機のみでコイルの冷却と、主とし
て電流リードを介して侵入する熱を除去している。
【0006】従来の常電導金属製の電流リードでは、電
流リードを介して侵入、あるいは、電流リード部で通電
により発生する熱が大きく、冷凍機のみで超電導コイル
を10K以下に冷却することは事実上不可能であった。
そこで上述の超電導磁石では、1段ステージと2段ステ
ージの間の電流リードにBi系の酸化物超電導体を用い
ることにより、電流リードでの通電による熱の発生を極
限まで小さくし、かつ、酸化物超電導体の熱電導度が従
来の電流リードに用いられていた常電導金属より1桁以
上小さいことを利用して、コイル部への熱の侵入を抑制
して冷凍機のみにより冷却される方式の超電導磁石を実
現したものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の超電導
磁石では冷凍機の1段ステージまでは温度が酸化物超電
導体の臨界温度以上の部分があるため、従来と同様、常
電導金属性の電流リードを用いている。そのため、冷凍
機の1段ステージまでは電流リードを介して侵入する熱
が大きく、冷凍機の能力は1段ステージへの熱侵入量に
より決定され、コイルの大きさに一義的には依存せず、
超電導コイルが小型のものであっても能力の大きな冷凍
機が必要であった。そのため、装置全体として冷凍機の
占めるコストが大きなものになり、装置が1000万円
以上の高価なものとなっていた。本発明の目的は、従来
技術が有していた前述の問題点を解消し、小型の冷凍機
を用いて効率的に冷却することのできる安価な超電導磁
石を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、真空断熱容器
内に、最低到達温度が4K〜70Kの冷凍機の冷却ヘッ
ドにより保持された超電導コイルと、超電導コイルを取
り囲み液体窒素により保冷された放射シールドと、超電
導コイルに電力を供給する電流リードとを有する超電導
磁石であって、該電流リードは液体窒素により保冷され
たアンカー部を有し、電流リードのアンカー部と超電導
コイル間は酸化物超電導体より構成され、かつ、冷凍機
は実質的に超電導コイルのみと熱的に接触した構成を有
する超電導磁石を提供するものである。
【0009】本発明は、冷凍機の1段ステージの温度ま
での電流リードを介して侵入する熱を液体窒素により除
去し、冷凍機の負担を軽減し、超電導コイル部の冷却の
みに必要最小限の能力を有する冷凍機を用いることによ
り、装置のコストを低減する。そのため、冷凍機は超電
導コイル部のみと熱的に接触する構造を採用し、かつ、
電流リードには液体窒素により保冷されるアンカー部を
設け、かつ、アンカー部と超電導コイル間には酸化物超
電導体より構成された導電部を設ける。
【0010】図1は、本発明の超電導電磁石の1の実施
態様を構成を示す説明図である。図1において、電磁石
装置は真空断熱容器1の内部に納められている。超電導
コイル8は、冷凍機6の冷却ヘッド上に保持され、4K
〜70Kに冷却される。超電導コイル8は、液体窒素に
より保冷された放射シールド2で取り囲まれる。超電導
コイル8に電流を供給する電流リードは、同様に液体窒
素により保冷されたアンカー部4を有する。放射シール
ド2およびアンカー部4は、それぞれ液体窒素導入口1
1と気化窒素排出口12を有しており、導入する液体窒
素の顕熱および潜熱で冷却する。
【0011】冷凍機6は実質的に超電導コイル8とのみ
熱的に接触し、他の部材との間には断熱材3が介在す
る。図1の装置においてアンカー部4は、銅製の円筒で
あり、液体窒素により冷却できると同時に、円筒自体が
導電体として機能する。
【0012】電流リードにおいて、超電導コイル8とア
ンカー部4との間は、酸化物超電導体7で構成される。
容器外部からアンカー部4まで電力を供給する電流リー
ド5について、その材質は特に限定されないが、銅など
の電導性の良好な金属が好ましく使用できる。図1の装
置では、さらに外部と接続するための電流端子9を設け
ている。
【0013】電流リードに使用する酸化物超電導体7の
材質は、使用される温度で超電導状態になり0抵抗で必
要な電流が流せるものであればどのようなものを用いて
もかまわない。しかし、臨界電流密度が高いほど電流リ
ードの断面積を小さくでき、熱侵入量を小さくできるた
めと、また、通電電流による自己磁界、および、超電導
コイルで発生した磁界の漏れ磁界により超電導特性が劣
化しないことが望ましいので、希土類系超電導体を用い
るのが好ましい。具体的には、ReBa2 Cu37-y
(ReはY,Lu,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,G
d,Eu,Sm,Nd,Pr,Laからなる群より選ば
れた1種以上の元素、yは酸素欠損量)の溶融凝固体を
用いることが好ましい。
【0014】希土類系超電導体の場合さらに、直径0.
01〜20μmの微細な常電導相、例えば希土類元素か
ら構成される常電導相(代表例Y2 BaCuO5 )、B
aSnO3 、Ag、Au等をピン止め中心として含んだ
配向成長した溶融凝固体により構成されたものであるこ
とが好ましい。さらに、希土類元素から構成される常電
導相(代表例Y2 BaCuO5 )を微細分散させるのに
有効なPtを微量に添加してもよい。
【0015】酸化物超電導体は単独で用いても、また、
機械強度を増強するためまたは配向組織を連続して成長
させるために、バッファー層を施したセラミックスある
いは金属、繊維強化プラスチックと複合化したものを用
いてもよい。
【0016】本発明の超電導磁石としては、超電導コイ
ルの線材としてNb−Ti、Nb3n、Nb3 Ge, N
3 Al等の合金あるいは化合物型の臨界温度が25K
以下の、従来型実用超電導線材を用いる場合は、比較的
臨界電流を低く保つことにより、電流リードの断面積、
接続部分の抵抗発熱の絶対値を総合的に抑えながら常電
導磁石では発生できない高磁界を発生することができ
る。
【0017】超電導コイルの線材として、4.2K、1
0テスラ以上の高磁界中で従来材料を上回る超電導特性
を有しかつ臨界温度が液体窒素温度近傍かそれ以上の、
Bi2212/Ag部分溶融凝固線材を用いる場合は、
動作温度が従来に比べて高温となり、液体ヘリウム冷媒
に比べて冷却能力の小さな冷凍機冷却システムにおい
て、線材の超電導状態を安定に保ち、超電導状態が破れ
た際の、復帰に要する時間を短縮する面からより望まし
い。
【0018】本発明の電磁石において、超電導コイルを
保冷するために最低限必要な能力の冷凍機を用いた場合
には、超電導コイルを室温から動作温度に冷却するのに
必要な時間が増大するという新たな実用上の問題点が生
じるおそれがある。そのため、真空断熱容器内部に液体
窒素を導入する導入口を設け、液体窒素により超電導コ
イルを予冷した後、液体窒素を排出し、さらに真空排気
して、この後で冷凍機により動作温度まで超電導コイル
を冷却することが望ましい。
【0019】
【実施例】原料粉としてYBa2 Cu37-y 、Ho2
BaCuO5 、BaSnO3 、Agの微粉末を各々、
6:4:2:0.1モルの割合でボールミルを用いて均
一に混合し、1.5トン/cm2 の圧力で静水圧プレス
して、直径4mm、長さ170mmの円柱状成形体を得
た。この成形体を、940℃,20時間大気中で焼成し
た後、温度勾配が200℃/cmの電気炉で最高温度を
1030℃として、鉛直方向に1mm/hの移動速度で
一方向溶融凝固成長を行い、液体窒素温度での臨界電流
が600A(77K,0T)のY系配向多結晶ロッドか
らなる電流リードを作製した。
【0020】金属元素の仕込み組成を、Bi:Sr:C
a:Cu=2:2.05:0.95:2となるように秤
量後、ボールミルを用いて混合し750℃,780℃、
800℃の各温度で20時間大気中で仮焼し粉砕した原
料粉を用いてドクターブレード成形を行い、厚さ80μ
mのグリンシートテープを得た。これを厚さ50μmの
銀板の表および裏に接着し、最高温度880℃で部分溶
融凝固して幅12mm長さ120mのc軸配向テープを
得た。これを内径35mm,外径120mm高さ15m
mに巻回し、さらにこれを4段重ねて高さ約120mm
の超電導コイルを作製した。
【0021】これらを用いて、図1に示す超電導磁石シ
ステムを作製し、70Kの1段ステージが10W,20
Kの2段ステージが3WのGM冷凍機と組み合わせるこ
とにより動作温度20Kにおいて、通電電流が200A
で3.5テスラの発生磁界を得ることができた。
【0022】
【発明の効果】本発明は、液体ヘリウムを用いることな
しに冷凍機で冷却する方式の安価な超電導磁石を提供す
るものであり、この発明によりこれまで液体ヘリウムと
いう特殊な冷媒を使用するが故に一般への普及が制限さ
れていた、常電導磁石、あるいは永久磁石では発生でき
ない3テスラ以上の高磁界を発生できる超電導磁石を実
現でき、またこれを一般に広く普及できるという効果を
有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の超電導電磁石の1実施態様の構成を示
す説明図
【符号の説明】
1:真空断熱容器 2:放射シールド 3:断熱材 4:アンカー部 5:銅製電流リード 6:冷凍機 7:酸化物超電導体電流リード 8:超電導コイル 9:電流端子 11:気化窒素排出口 12:液体窒素導入口

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】真空断熱容器内に、最低到達温度が4K〜
    70Kの冷凍機の冷却ヘッドにより保持された超電導コ
    イルと、超電導コイルを取り囲み液体窒素により保冷さ
    れた放射シールドと、超電導コイルに電力を供給する電
    流リードとを有する超電導磁石であって、該電流リード
    は液体窒素により保冷されたアンカー部を有し、電流リ
    ードのアンカー部と超電導コイル間は酸化物超電導体よ
    り構成され、かつ、冷凍機は実質的に超電導コイルのみ
    と熱的に接触した構成を有する超電導磁石。
  2. 【請求項2】電流リードのアンカー部と超電導コイル間
    に用いられる酸化物超電導体が、ReBa2 Cu3
    7-y (ReはY,Lu,Yb,Tm,Er,Ho,D
    y,Gd,Eu,Sm,Nd,Pr,Laからなる群よ
    り選ばれた1種以上の元素、yは酸素欠損量)の溶融凝
    固体である請求項1の超電導磁石。
  3. 【請求項3】電流リードのアンカー部と超電導コイル間
    に用いられる酸化物超電導体が、ReBa2 Cu3
    7-y 結晶を母相として、その内部にRe2 BaCuO
    5 ,BaSnO3 ,Ag,Auから選ばれる少なくとも
    1種の常電導相からなる直径0.01〜20μmの粒子
    を含有する溶融凝固体である請求項2の超電導磁石。
  4. 【請求項4】超電導コイルの線材が、50K以上の臨界
    温度を有する酸化物超電導体線材である請求項1〜3い
    ずれか1の超電導磁石。
  5. 【請求項5】超電導コイルの線材が、Bi−Sr−Ca
    −Cu−O系2212相を、銀基板上または銀シース内
    で部分溶融した後で凝固して作製した酸化物超電導線材
    である請求項1〜4いずれか1の超電導磁石。
  6. 【請求項6】超電導コイルの線材が、Nb−Ti、Nb
    3 Sn、Nb3 Ge、Nb3 Al等の合金あるいは化合
    物型であって、臨界温度が25K以下の超電導線材であ
    る請求項1〜5いずれか1の超電導磁石。
  7. 【請求項7】真空断熱容器が、液体窒素を導入する導入
    口および導入した液体窒素を排出し、さらに容器内を真
    空排気するための排出口を有し、液体窒素により超電導
    コイルを予冷できる構造を有する請求項1〜5いずれか
    1の超電導磁石。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017217930A1 (de) 2017-10-09 2019-04-11 Bruker Biospin Ag Magnetanordnung mit Kryostat und Magnetspulensystem, mit Kältespeichern an den Stromzuführungen

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