JPH0864412A - 所定の磁場減衰度の達成を迅速に行う超伝導コイルの励減磁方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 超伝導コイルの励磁又は減磁に際し、孔内の
中心磁場強度を所定の値に到達させた後、新たに設定し
た磁場を迅速に使用可能な状態にする超伝導コイルの励
減磁方法を提供する。 【構成】 超伝導コイル５０の両端子が電源に接続さ
れ、その両端子に並列に接続された超伝導スイッチ５３
を備えた超伝導コイル励減磁回路における超伝導コイル
５０の励減磁方法において、該超伝導コイル５０を励磁
又は減磁する際に、超伝導コイル５０の所定動作電流値
を中心に、その所定電流値より上下の電流を履歴的に流
すようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超伝導永久電流モー
ドで運転される超伝導コイルを励磁又は減磁する方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超伝導コイル励磁回路装置は、図
示しないが、電源にスイッチを介して並列接続された超
伝導コイルに超伝導スイッチを並列接続するものが用い
られている。この回路装置で所定の磁場強度を得るに
は、超伝導コイルの両端子間にあらかじめ設定された固
定電圧（たとえば10ボルト）を直ちに印加し、所定の動
作電流値に到達させ、当初常伝導状態にあった超伝導ス
イッチを超伝導状態にして回路を閉路し、超伝導コイル
に永久回路を流す励磁方法が用いられている。

【０００３】ここでは、温度によって超伝導状態又は常
伝導状態を取り得る回路素子を超伝導スイッチと呼ぶ。
NbTi-キュプロニッケル複合超伝導線を用いる典型的な
超伝導スイッチは、４Ｋの極低温で超伝導性となるが、
10Ｋ以上の温度では常伝導性すなわち抵抗性となる。超
伝導スイッチは通常超伝導コイルと共にヘリウムのよう
な低沸点液体中に浸されて超伝導状態を保つようになっ
ている。超伝導スイッチの状態を制御するには、超伝導
スイッチの近傍に図示しない電気抵抗体のような熱源を
配置し、超伝導スイッチを抵抗性にしたいときには電気
抵抗体に適宜電流を流して熱源の温度を特定の値まで昇
温する。電流が遮断され熱源の温度が下がると、超伝導
スイッチは再び超伝導状態となる。超伝導スイッチは最
初に常伝導状態にしておいて、電源からあらかじめ設定
された固定電圧を直ちに印加し、電流を超伝導コイルに
流し、この電流が所定の動作電流値に到達した時点で超
伝導スイッチを超伝導状態に移し、超伝導スイッチによ
る閉回路を形成させ、電源と超伝導コイルとの間に設け
られたスイッチを解放して電源を遮断する。しかして、
電源からのエネルギー供給が無くても、閉回路中を電流
が流れ続ける。この永久電流モードの電流によって発生
する磁場の強度をコイルの中心部で計測すると、時間の
経過と共に強度が減衰していくのが観測される。減衰の
原因としては、（ａ）超伝導線や、その接続部の抵抗が
完全に０ではないため、コイル自体の時定数として生ず
るもの、（ｂ）超伝導線の中の電流密度分布が励減磁直
後には平衡に達していないため、電流が再分布する過程
で生ずるものの２種類がある。電流の再分布は、超伝導
コイルを構成する超伝導体内では励減磁の速度によって
磁束密度の空間分布のパターンが異なるので、磁束密度
の勾配によって磁束が移動し（フラックスクリープとい
う）、全体を平衡化しようとするために起こるものであ
る。超伝導コイルを励減磁する際に、所定の磁場強度に
達するまでコイルに流す電流を直線的に増加又は減少さ
せ、動作電流値に到達したところで電源を遮断すると、
磁束は超伝導コイルの外側から内側への一方向に流れ、
移動している間は超伝導コイル中心の孔内磁界作用空間
において、ある減衰度をもって中心磁場の変化を起こ
す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記のような従来の励
減磁方法は、コイル中心の孔内磁界作用空間において、
所定の強さの磁場を安定的に形成する際、所定の磁場に
至る磁場の減衰度を達成するまでに比較的長時間を要
し、孔内中心磁場強度を所定の値に到達させた後、該孔
内磁界作用空間の磁場強度を頻繁に変えたい場合、新た
に設定した磁場を迅速に使用可能な状態にすることがで
きないという問題がある。

【０００５】そこでこの発明の目的は前記のような従来
の超伝導コイルの励減磁方法のもつ問題を解消し、超伝
導コイルの励磁又は減磁に際して、中心磁場強度を所定
の値に到達させた後で、新たに設定した磁場を迅速に使
用可能な状態にする超伝導コイルの励減磁方法を提供す
るにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は前記のような
目的を達成するために、請求項１の発明は、超伝導コイ
ルの両端子が電源に接続され、その両端子に並列に接続
された超伝導スイッチを備えた超伝導コイル励減磁回路
における超伝導コイルの励減磁方法において、該超伝導
コイルを励磁又は減磁する際に、コイルの所定動作電流
値を中心に、その所定電流値より上下の電流を履歴的に
流すことを特徴とするものである。請求項２の発明は請
求項１の発明において、履歴的な電流値の変化を数回繰
り返して与えるようにしたものである。請求項３の発明
は請求項１又は２の発明において、電源に並列に電圧制
限回路を備えているものである。

【０００７】

【作用】前記のようなこの発明において、請求項１の発
明は、超伝導コイルの両端子が電源に接続され、その両
端子に並列に接続された超伝導スイッチを備えた超伝導
コイル励減磁回路における超伝導コイルを励磁又は減磁
する際に、コイルの所定動作電流値を中心に、その所定
電流値より上下の電流を履歴的に流して、所定の磁場減
衰度の達成を迅速に行う。請求項２の発明は請求項１の
発明において、履歴的な電流値の変化を数回繰り返して
与えて、所定の磁場減衰度の達成をより迅速に行う。請
求項３の発明は請求項１又は２の発明において、電源に
並列に電圧制限回路を備えていて、クェンチングが発生
した際、極度の大電流は電圧制限回路に流れる。

【０００８】

【実施例】この発明を実施する超伝導コイル50の励減磁
を行う回路装置を示す図１において、超伝導コイル50は
電源55にスイッチ56を介して接続され、超伝導スイッチ
53は超伝導コイル50に並列接続される。超伝導スイッチ
53は高電力低抵抗のものであって、超伝導コイル50と同
様な超伝導材料から作られていて、加熱されると高抵抗
をもち、冷却されると低抵抗をもつように、図示しない
隣接の熱源によってその状態が制御される。超伝導スイ
ッチ53と超伝導コイル50は、低温槽のヘリウム容器10内
に配置されているので、超伝導温度まで冷却可能であ
る。超伝導スイッチ53は、磁石装置から離れた位置に在
る電圧制限回路54と並列接続され、この電圧制限回路54
は電源55に並列接続される。これらの回路はスイッチ56
を制御することによって電源55に接続又は遮断され、超
伝導コイルは励磁又は減磁される。電圧制限回路54は、
それぞれが５個のシリコンダイオード57，58をもつ２組
の電力整流器を有し、図１に示すように、その２組は互
いに逆並列接続されている。各ダイオードの動作特性
は、図２に示すようであって、ダイオードの順方向に電
圧が印加されると、閾値電圧Ｖ_Tになるまでは電流が流
れないが、閾値電圧においてダイオードは急激に完全導
通状態となる。典型的な閾値電圧値は３〜４ボルトであ
る。ダイオードを多数直列接続すれば、合成閾値電圧が
各閾値電圧の和になるので、電圧制限回路54へ電流が流
れ始めるときの電圧を調整することができる。ダイオー
ドの各組57，58に対してダイオードを５個設ければ、合
成閾値電圧は約15ボルトになる。

【０００９】超伝導スイッチ53又は超伝導コイル53の超
伝導状態が崩れたとき、電圧制限回路54によって超伝導
スイッチ53の致命的な損傷を回避できる。超伝導状態の
崩壊現象はクェンチングと呼ばれており、短時間に超伝
導状態が常伝導状態に移行する。クェンチングが生じる
と、それまで超伝導回路を流れていた極度の大電流によ
ってかなりの高電圧が急激に発生する。その結果、超伝
導スイッチ53が大きな損傷を被るのが普通であるが、時
には超伝導コイル自身も損傷する。クェンチングの発生
に伴い合成閾値電圧よりも大きな高電圧が電圧制限回路
54に印加されると、電流は該回路を流れて超伝導スイッ
チ53を側路するので致命的な損傷が回避できる。さら
に、熱は電圧制限回路54内で消散し、超伝導コイル50や
超伝導スイッチ53での熱消散は起こらない。また、正常
動作時には超伝導コイル50を流れる電流の制御に必要な
電圧が比較的小さいので、電圧制限回路54に印加される
電圧は閾値よりも低く、電圧制限回路54内を電流が流れ
ず、したがって該回路での電力消費は起こらない。

【００１０】この実施例の回路装置を用いた励減磁方法
について説明する。電源55から超伝導コイル50の両端へ
印加される電圧の印加を制御することによって、超伝導
コイル50の励磁又は減磁を制御する。この制御は、電
流、電圧を調整しモニタする図示しないＣＰＵを用い
て、あらかじめ設定したプログラムに従って行う。

【００１１】この実施例において、或る値の中心磁界を
形成した後に所定の磁場減衰度を迅速に達成させるため
の励磁・減磁の方法を図３，４を用いて説明する。この
方法は、超伝導スイッチ53を加熱して抵抗性にし、図３
に示す期間Ｐ１時に電流をモニタしながら複合コイルの
端子51，52間に図４に示すように10ボルトの一定電圧を
印加する。期間Ｐ１を充分長くして、超伝導コイル50内
電流が所定動作電流Ｉ_Wよりも通常約２アンペアだけ大
きな値となるようにする。超伝導コイル50を流れる電流
を制御してほぼ一定値に保つ一方、約30秒の期間Ｐ２に
印加電圧を遮断して零まで落とす。約20秒の期間Ｐ３に
先の印加電圧と同一の大きさで反対極性の逆電圧を端子
51，52間に印加する。この間電流をモニタして、超伝導
コイル50を流れる電流は所定動作電流Ｉ_Wよりも通常約
２アンペアだけ小さい値へ低下させる。そこで、期間Ｐ
４では電流を一定に保つ一方、電圧をモニタしながら零
へ回復させる。次の約15秒の期間Ｐ５で、端子51，52間
に電圧を印加して初期値にし、そま間電流をモニタしな
がら動作値まで変化させる。動作値に達したら、期間Ｐ
６まで印加電圧を遮断して端子間電圧を減少させ、安定
状態が得られるまで動作電流値をモニタする。次に、超
伝導スイッチ53への熱供給を遮断して該スイッチを超伝
導状態にしてから、電源を遮断したままで超伝導コイル
50を超伝導状態に置く。動作電流値は使用する超伝導線
材や構成する超伝導コイルの径及び所要の中心磁場強度
によって決まる。この実施例の場合、典型的な動作電流
範囲は150〜400アンペアである。この所定電流値に対す
る上下のオーバーシュート電流値は±１％程度で良い。
また、各電流値に保つ期間の長さは使用する超伝導線材
や構成する超伝導コイルの径によって決まるが、数十秒
のオーダーで充分である。

【００１２】この発明は、所定の動作電流値に達しても
電源を遮断せずにオーバーシュートさせてから動作電流
値に戻し、しかる後に電源を遮断すれば、コイル内での
磁束密度の空間分布パターンが平衡化され、フラックス
クリープにも中間部から内側へと外側への二つの流れが
起こるため全体の平衡化が早まり、中心磁場の変化も早
く安定する。また上記の方法により過渡的なフラックス
クリープに伴う超伝導体内の電流密度分布の時間変化
(ｂ)を比較的短時間で終息させ、(ａ)の原因のみによる
所定の磁場減衰度（通常0.1ppm/hr以下の小さな値）に
安定させて、マグネットを迅速に実用状態にする。

【００１３】この励減磁方法によれば、複合超伝導コイ
ル50内での電流再分布のために要する長時間の問題を回
避できる。時間短縮の程度は使用する超伝導線の種類に
よっても変わるが、この実施例によれば、従来方法によ
り2.0テスラのコイルを励磁後、中心磁場の減衰度が0.1
ppm/hr以下になる迄の時間は約26時間であったのに対
し、中心磁場の減衰度が同じレベルに到達するのに要し
た時間は約３時間に過ぎなかった。また同様な過程を経
て、複合超伝導コイルの減磁や動作電流の切り替えも行
うことができる。従来の励減磁方法によれば、孔内の磁
界が安定するまでに長時間を要し、１週間に一度以上の
頻度で孔内磁界を変えなければならない場合などでは好
ましくなかったが、この励減磁方法ではそのような不都
合はない。

【００１４】

【発明の効果】この発明は前記のようであって、請求項
１の発明は、超伝導コイルの両端子が電源に接続され、
その両端子に並列に接続された超伝導スイッチを備えた
超伝導コイル励減磁回路における超伝導コイルの励減磁
方法において、該超伝導コイルを励磁又は減磁する際
に、超伝導コイルの所定動作電流値を中心に、その所定
電流値より上下の電流を履歴的に流すので、超伝導線を
流れる電流が再分布して安定するまでの時間を短縮でき
て、励磁又は減磁の後でマグネットを安定して使用開始
する迄の時間を大幅に短縮できるという効果がある。請
求項２の発明は請求項１の発明において、履歴的な電流
値の変化を数回繰り返して与えるようになっているの
で、安定化までの時間が更に短縮できるという効果があ
る。請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、
電源に並列に電圧制限回路を備えているので、クェンチ
ングが発生した際、スイッチや超伝導コイルを損傷しな
いという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を実施する超伝導コイルとその励減磁
回路装置を示すブロック図である。

【図２】同上を実施する電圧制限回路のダイオードの動
作特性図である。

【図３】同上の励減磁回路の動作時における電流と時間
との関係を示す特性図である。

【図４】同上の励減磁回路の動作時における電圧と時間
との関係を示す特性図である。

【符号の説明】

10 ヘリウム容器 50 超伝導コイル 53 超伝導スイッチ 54 電圧制限回路 55 電源 56 スイッチ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超伝導コイルの両端子が電源に接続さ
   れ、その両端子に並列に接続された超伝導スイッチを備
   えた超伝導コイル励減磁回路における超伝導コイルの励
   減磁方法において、該超伝導コイルを励磁又は減磁する
   際に、コイルの所定動作電流値を中心に、その所定電流
   値より上下の電流を履歴的に流すことを特徴とする所定
   の磁場減衰度の達成を迅速に行う超伝導コイルの励減磁
   方法。
2. 【請求項２】 履歴的な電流値の変化を数回繰り返して
   与えるようにした請求項１の所定の磁場減衰度の達成を
   迅速に行う超伝導コイルの励減磁方法。
3. 【請求項３】 電源に並列に電圧制限回路を備えている
   請求項１又は２の所定の磁場減衰度の達成を迅速に行う
   超伝導コイルの励減磁方法。