JPH07115016A - 超電導装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 永久電流モードで、安定して運転できる超電
導マグネットを用いた超電導装置を提供する。 【構成】 超電導コイル１と永久電流スイッチ４とを有
し、永久電流スイッチ４は、その近傍での磁場分布をほ
ぼ均一とするため、強磁性体で作製された巻き枠７を用
いる。 【効果】 永久電流スイッチにおける、磁場強度の不足
および磁場強度の時間的変化による不安定性が解決さ
れ、安定で信頼性の高い超電導装置が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、永久電流モードでの運
転に好適な超電導マグネットを用いた超電導装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＭＲＩ(磁気共鳴イメージング医
療診断システム)や、物性研究用磁場発生装置等に使用
される、永久電流モードで運転される超電導マグネット
では、永久電流スイッチが使用される。永久電流モード
で運転すると、励磁電源を切り離すことができるので、
電力供給なしに電磁石として使用できる。ＭＲＩ用ある
いは物性研究用の超電導マグネットでは、永久電流モー
ドにすると、磁場変動の非常に小さい、安定した磁場を
得ることができ、高精度の測定が可能となる。

【０００３】この永久電流スイッチは、超電導線の温度
をヒータで変化させて、超電導状態（ＯＮ状態）と常電
導状態（ＯＦＦ状態）を切り換えるスイッチである。

【０００４】永久電流モードで磁場発生を行うには、ま
ず、超電導コイル両端を短絡するように接続された永久
電流スイッチをＯＦＦにした状態で、励磁電源から超電
導コイルに電流を流す。発生する磁場の強度が、所定の
値となった時点で、永久電流スイッチをＯＮし、励磁電
源の電流をゼロとする。超電導コイルと永久電流スイッ
チとの閉回路には、電流が流れ続け、永久電流モードと
なる。

【０００５】永久電流スイッチにおいては、コイル励磁
時に、永久電流スイッチに電流が流れないように、ＯＦ
Ｆ状態での永久電流スイッチの抵抗を大きくする必要が
ある。そのため、通常、永久電流スイッチでは、電気比
抵抗が高いCu-Ni合金を母材としたNb-Ti極細多芯線を超
電導線として用い、その線をコイル状に巻いてスイッチ
を形成する。

【０００６】このとき、ヒータ線を共に巻き込み、樹脂
で含浸しておく。超電導コイルと永久電流スイッチとの
接続は、半田を用いて、極力低電気抵抗となるようにし
たり、母材のCuやCu-Niを溶解除去して、超電導フィラ
メントを相互にスポット熔接で超電導接続する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の超電導
装置では、永久電流モードで運転中に、時間と共に磁場
が大きく減衰したり、突然、超電導マグネットが常電導
転移（クエンチ）して磁場が喪失したりする等の問題が
あった。このような超電導装置の不安定性を改善するた
め、従来は、永久電流スイッチの接続部等を含めて、捲
き線が動かないように固定したり、個々の永久電流スイ
ッチに通電する電流量に裕度を持たすため、永久電流ス
イッチを複数個並列で使用している。

【０００８】このような種々の方策にもかかわらず、上
記のような問題は、必ずしも十分に解決されていなかっ
た。

【０００９】本発明は、永久電流モードで安定して通電
可能な永久電流スイッチを用いることで、安定に磁場発
生が可能な、永久電流モードで運転する超電導マグネッ
トを備える超電導装置を提供することを目的としてい
る。

【００１０】

【問題点を解決するための手段】上記目的は、超電導コ
イルと永久電流スイッチとを有する超電導装置におい
て、 永久電流スイッチ近傍に設置され、周辺磁場の磁
束を予め定めた位置に収束させることで、永久電流スイ
ッチ内の磁場分布に、予め定めた均一性を持たせる磁束
収束部を有することを特徴とする超電導装置により達成
される。

【００１１】上記目的は、また、超電導コイルと永久電
流スイッチとを有する超電導装置において、永久電流ス
イッチ近傍に配置され、永久電流スイッチ内の磁場強度
が、予め定めた磁場強度以上になった時点で、周辺の磁
束を固定する磁束固定部を有することを特徴とする超電
導装置により達成される。

【００１２】

【作用】永久電流スイッチの不安定性の原因の一つとし
て、永久電流スイッチに使用する超電導線の母材が、高
電気抵抗のCu-Ni合金であるため、フラックスジャンプ
による電磁気的不安定性が大きいことが考えられる。ま
た、他の原因としては、この超電導線内部の超電導フィ
ラメント間の電流分布に偏りがある場合、外部からの擾
乱により、フィラメント間で起こる電流再配分時に、ジ
ュール発熱してクエンチすることが考えられる。

【００１３】この状況を図３を用いて説明する。図３に
示されるＪｃは、永久電流スイッチに用いるCu-Ni合金
母材のNb-Ti多芯超電導線を試料として、３ターン巻き
して超電導マグネットにセットした装置において、加わ
る磁場を一定にして、試料に直流電流を掃引し、試料電
圧が発生したときの臨界電流値から求めている。また、
Ｊｃｓは、コイルを模擬して試料に印加される磁場が、
試料に通電される電流と共に変化するようにして求めて
いる。ここで、Ｊｃｓは、いわゆる、コイルシミュレー
ションテストと言われる、超電導線の安定性評価の手法
の一つの測定法により得られるものである。

【００１４】Ｊｃの磁場依存性は、図３に示されるよう
に、１Ｔ以下の低磁場領域で大きな変化を示している。
Ｊｃｓは、この低磁場領域でＪｃに比べ大きな低下を見
せており、いわゆる、低磁場不安定性を示している。す
なわち、磁場が変動する状態で電流を流すと、電磁気的
な不安定性が、低磁場領域で顕著に現われる。

【００１５】また、超電導線に加わる磁場方向と電流密
度との関係を示すため、図４に示すように、超電導マグ
ネット２３の中に前記超電導線をＵ型にした試料２１を
セットし、電極２２から電流を流し込んだときの、試料
長さ方向に配置した電圧端子（ａ、ｂ、・・・）間の発
生電圧を調べ、その結果を、図５に示した。

【００１６】試料２１の臨界電流性能は、磁場の最も強
い場所に配置された端子間ｄーｅの電流量により決定さ
れる。試料２１に流す電流を増加して行くと、あるとこ
ろから電圧が発生し始め、さらに、電流を増加させると
電圧は急峻となる。電圧が出始める点を臨界電流密度Ｊ
ｃ、急峻な増大を示す点をクエンチ電流密度Ｊｑと呼
ぶ。

【００１７】端子間ａーｂでは、電極２２からの電流が
流れ込むため、その際に生じる電流の分流に伴う電圧発
生が見られる。端子間ｂーｃでは、Ｊｑまで電圧発生は
見られない。端子間ｃーｄでは特異な様子を示し、おお
よそＪｃの１／２あたりから電圧が徐々に出始める。

【００１８】この現象は、次にように定性的に説明され
る。つまり、試料２１に流し込んだ電流は、ｂーｃ間で
は表面側のフィラメントに流れ、ｄーｅ間では内側のフ
ィラメントにも流れるので、ｃーｄ間では分流に伴う電
圧が発生するためである。このとき、磁場の方向が電流
に対して直角のときＪｃが最も小さく、磁場に対して平
行のときＪｃが２倍以上であることが知られている。し
たがって、磁場と電流が平行なｂーｃ間では、磁場と電
流とが直角のｄーｅ間の半分のフィラメント数により、
同じ量の電流を流すことができる。

【００１９】図４の配置では、磁場の向きでＪｃが異な
る場合を示している。これと、同様な現象は、磁場の方
向が同じで、磁場強度が大きく異なる配置の場合にも見
られる。

【００２０】したがって、超電導線内部の超電導フィラ
メント間の電流分布の偏りを無くし、さらに、超電導線
に対し、外部からの磁気的擾乱を加えないようにするこ
とで、安定性が増大する。

【００２１】本発明では、超電導フィラメント間に電流
分布の偏りが無く、加わる磁場分布がほぼ均一となるよ
うに、磁束を予め定めた位置に収束させる手段を備えた
永久電流スイッチを、超電導装置に用いる。

【００２２】これは、通常の構成配置上、磁場分布が均
一な空間が確保できない場合が多いためである。

【００２３】また、前述したように、超電導線の接続部
において、電流は表面側のフィラメントより流れ始め、
順次内側フィラメントへ分流する。このときフィラメン
トに流れる電流は、臨界状態モデルによれば、その磁場
におけるＪｃで流れる。

【００２４】Ｊｃは、前述したように、低磁場ほど大き
なＪｃを持ち、磁場が高くなるとＪｃは大きく低下する
という磁場依存性を有する。したがって、超電導線の長
さ方向に、大きな磁場勾配があると、その近辺でフィラ
メント間の分流現象が大きくなり、ジュール発熱でクエ
ンチしやすい。さらに、フラックスジャンプによる超電
導線の不安定性は、超電導フィラメントのＪｃが大きい
ほど不安定であり、低磁場領域で不安定性が大となる。

【００２５】したがって、不安定性が低減される領域の
磁場強度になるように、予め定めた磁場強度を維持する
ため、磁束固定部を永久電流スイッチを配置する。これ
によって、さらに永久電流スイッチの安定性が増大す
る。

【００２６】本発明に用いることのできる磁場強度は、
超電導フィラメントの太さ及びＪｃにより異なるが、
０．５〜1Ｔの範囲にある。

【００２７】

【実施例】本発明を適用した超電導装置の一実施例を、
図１、図２を用いて説明する。

【００２８】本実施例は、図１の回路図に示すように、
超電導コイル１と、永久電流スイッチ４と、保護回路３
と、超電導コイル１へ並列に接続される励磁電源２と、
ヒータ５用のヒータ電源６と、励磁電源２およびヒータ
電源６のそれぞれの出力線をＯＮ−ＯＦＦするスイッチ
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４とを有する。

【００２９】永久電流スイッチ４は、永久電流スイッチ
４のＯＮーＯＦＦ制御用ヒータ５と、永久電流スイッチ
４用の超電導線が巻かれている、強磁性体の巻き枠７と
を備える。

【００３０】永久電流スイッチ４は、図２に示すよう
に、強磁性体の巻き枠７にヒータ５を巻き、その外側に
超電導線を巻いて構成される。このように巻かれた超電
導線は、エポキシ樹脂等で含浸処理して固定させてあ
る。さらに、永久電流スイッチ４の超電導線口出し部９
と、超電導コイル１の超電導線１０とは、巻き枠７内で
接続されている。ヒータ５の口出し線１１は、永久電流
スイッチ４外部に引き出され、ＳＷ２、ＳＷ３に接続さ
れる。

【００３１】永久電流モードでコイル１に磁場発生させ
るには、まずＳＷ２及びＳＷ３を閉じ、ヒータ電源６に
より制御用ヒータ５に通電し、永久電流スイッチ４をＯ
ＦＦ状態にする。次に、ＳＷ１及びＳＷ４を閉じ、励磁
用電源２により、超電導コイル１を励磁する。

【００３２】超電導コイル１の発生する磁場強度が、予
め定めた値になったら、ヒータ電源６をＯＦＦして、制
御用ヒータ５の電力をゼロにし、永久電流スイッチ４を
ＯＮにする。さらに、励磁用電源２を制御して出力電流
をゼロにする。この時点で、超電導コイル１に流れる電
流は、超電導コイル１と永久電流スイッチ４とで構成さ
れる閉回路で流れ続ける。なお、図１で、破線で囲んだ
領域は、超電導状態を得るために冷却される装置領域で
ある。

【００３３】永久電流モードにした後、必要とするとき
は、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４をＯＦＦにして、
励磁用電源２及びヒータ電源６を取り外すことができ
る。また、保護回路３は、超電導コイル１あるいは永久
電流スイッチ４に、クエンチが発生した場合等の非常時
に、永久電流回路に蓄積されている膨大なエネルギー
で、この超電導装置自体が破壊されるのを防止するため
に、設けられている。

【００３４】本実施例では、永久電流スイッチ４近傍に
は、超電導コイル１の発生する漏洩磁場が存在するが、
永久電流スイッチ４が強磁性体の巻き枠７に巻かれてい
るため、周辺磁場の磁束が巻き枠７内部に集中し、永久
電流スイッチ４内のほかの部分、すなわち超電導線の配
置された位置では、磁場分布がほぼ均一となる。

【００３５】本発明をよれば、永久電流スイッチ４内の
超電導線の配置された位置では、磁場分布が均一とな
り、安定性に優れ、信頼性の高い永久電流モードで運転
する超電導装置が得られる。

【００３６】本発明を適用した超電導装置の他の実施例
を、図６を用いて説明する。

【００３７】本実施例は、永久電流スイッチの構造を除
いて、上記実施例と同じ構成（図１参照）を有する。す
なわち、本実施例は、超電導コイル１と、永久電流スイ
ッチ４と、保護回路３と、超電導コイル１へ並列に接続
される励磁電源２と、ヒータ５用のヒータ電源６と、励
磁電源２およびヒータ電源６のそれぞれの出力線をＯＮ
−ＯＦＦするスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４
とを有する。

【００３８】永久電流スイッチ４は、上記実施例の永久
電流スイッチ４の構成（図２参照）に加え、上記実施例
の永久電流スイッチ４を覆う、超電導体で構成される円
筒８と、円筒８の外側にヒータ線１２ａを巻いて構成さ
せる円筒制御用ヒータ１２と、図示されていない円筒制
御用ヒータ１２に給電する円筒ヒータ電源と、円筒ヒー
タ電源用のスイッチとを有する。

【００３９】本実施例の円筒８には、Pb-40%Bi合金に、
微細なアルミナ粒子を分散させた超電導体を用いてい
る。この超電導体は、PbとBiの粉末に、１０％の割合で
アルミナ粉末を配合し、ボールミルにより撹拌混合を行
い、プレス成型した後、圧延して作製したものである。

【００４０】この超電導体は、低融点合金で容易に加工
ができ、臨界磁場が約２Ｔで、アルミナ微粒子を分散さ
せてある。そのためＪｃが大きく、シールド性能に優れ
ている。超電導磁気シールドでは、超電導体の内部に磁
束線が侵入するのを妨げるように、シールド電流が流れ
る。

【００４１】この超電導体には、さらに、フラックスジ
ャンプによる不安定性を無くすために、Cu安定化材を複
合化させている。

【００４２】本実施例の作用は、上記実施例とほぼ同様
である。ただし、本実施例では、永久電流スイッチ４内
の磁場分布が均一となるだけでなく、超電導体により構
成された円筒８のため、予め定めた磁場強度に、磁場強
度を保持することができる。

【００４３】本実施例において、永久電流モードへの移
行方法は上記実施例と同じである。

【００４４】円筒８は、最初、ヒータ１２によって加熱
されており、常伝導状態にある。この状態で、超電導コ
イル１から発生された磁場に起因する、永久電流スイッ
チ４近傍の磁場強度が、予め定めた強度以上になった時
点で、ヒータ１２をＯＦＦにして、加熱を停止する。

【００４５】ヒータ１２がＯＦＦされると、円筒８は、
常伝導状態から超電導状態に転移する。この時、円筒８
内部にある磁束線は補足され、永久電流スイッチ４内の
磁場強度を一定に保持する。また、円筒８は、超電導体
の磁気シールド効果により、円筒８外部の磁場に時間的
変動があった場合でも、その変動磁場を吸収し、内部の
磁場を一定に保持することができ、永久電流スイッチへ
の擾乱が大幅に低減できる。

【００４６】以上説明したように、本発明によれば、動
作が安定し、かつ、信頼性の高いＭＲＩ、ＮＭＲ、物性
研究用磁場発生装置等の応用システムがえられる。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、永久電流スイッチ内の
磁場分布を均一にできるため、永久電流スイッチでは、
低磁場強度および時間的磁場変化による不安定性がな
く、信頼性のある超電導装置を提供することができる。

【００４８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した超電導装置の一実施例を説明
する回路図。

【図２】本発明の一実施例における永久電流スイッチの
構成を示す断面図。

【図３】超電導線における磁場強度と電流密度との関係
を説明するためのグラフ。

【図４】超電導線における磁場方向と電流密度との関係
を説明するための実験装置の概略構成を示す正面図。

【図５】図４における各端子間を流れる電流密度と電圧
との関係を示すグラフ。

【図６】本発明の他の実施例における永久電流スイッチ
の構成を示す断面図。

【符号の説明】

１…超電導コイル、２…励磁用電源、３…保護回路、４
…永久電流スイッチ、５…永久電流スイッチ制御用ヒー
タ、６…ヒータ電源、７…永久電流スイッチ巻き枠、８
…超電導円筒、９…永久電流スイッチ口出し線、１０…
超電導コイル口出し線、１１…ヒータ口出し線、１２…
円筒制御用ヒータ、２１…超電導線試料、２２…電極、
２３…超電導マグネット。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導コイルと永久電流スイッチとを有す
   る超電導装置において、 永久電流スイッチ近傍に設置され、その周辺磁場の磁束
   を予め定めた位置に収束させることで、永久電流スイッ
   チ内の磁場分布に、予め定めた均一性を持たせる磁束収
   束部を有することを特徴とする超電導装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記永久電流スイッチは、永久電流スイッチ用超電導線
   と、当該超電導線を巻き回す、強磁性体からなる巻き枠
   とを有し、 巻き枠は、前記磁束収束部であることを特徴とする超電
   導装置。
3. 【請求項３】超電導コイルと永久電流スイッチとを有す
   る超電導装置において、 永久電流スイッチ近傍に配置され、永久電流スイッチ内
   の磁場強度が、予め定めた磁場強度以上になった時点
   で、その周辺磁場の磁束を固定する磁束固定部を有する
   ことを特徴とする超電導装置。
4. 【請求項４】請求項３において、 前記磁束固定部は、 前記永久電流スイッチを覆う、超電導体からなる円筒
   と、 円筒を加熱するヒータとを有し、 ヒータは、前記永久電流スイッチ内の磁場強度が、予め
   定めた磁場強度以上になった時に、加熱を停止すること
   を特徴とする超電導装置。