JPH09511098A - 超電導磁気コイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 超電導磁気コイル（１０）は、コイルの長手方向軸に沿って軸方向に位置決めされた複数の区分（１２ａ〜１２ｉ）を含む。各区分は、コイルの長手方向軸の周囲に巻かれ且つコイルの磁場の配向に依存する関連臨界電流値を有する異方性高温超電導体材料で形成されている。コイルの軸方向及び半径方向軸に沿う区分内の超電導体の断面、または超電導体材料の型を変化させて、磁場が導体面により直角に近く配向される領域における臨界電流を増加させ、これらの領域における臨界電流を増加させることによりコイルの総合臨界電流を高める。

Description

【発明の詳細な説明】 超電導磁気コイル 連邦政府保証研究に関するステートメント 本発明は部分的に、エネルギー省により裁定された下請け契約No．86X-SK700V に準拠した研究の成果からなされたものである。 本発明は、超電導磁気コイル及びそれらの製造方法に関する。 公知のように、超電導体の最も顕著な特性は、それを臨界温度Ｔ_C以下に冷却 した時にその電気抵抗が消滅することである。別の重要な特性は、臨界磁場Ｈ_C に等しいか、またはそれより大きい磁場を印加することによって超電導性が破壊 されることである。任意の超電導体のＨ_cの値は温度の関数として、 Ｈ_C＝Ｈ₀（１−Ｔ²／Ｔ_C ²） によって近似的に与えられる。ここに、０°Ｋにおける臨界磁場であるＨ₀は、 一般に超電導体毎に異なる。Ｈ_C以下の磁場が印加された場合には、磁束は超電 導体サンプルのバルクから締め出され、突入深さとして知られる浅い深さまでし か超電導体の表面内に突入しない。 臨界磁場が存在することは、単に超電導体の臨界電流（Ｉ_C）として知られて いる臨界的な通電電流が存在することを暗示している。臨界電流は、材料がその 超電導性を失ってその常電導状態へ逆戻りする点を発生させる電流である。 超電導材料は、一般に4.2°Ｋ以下で作動する低温超電導体、及び108°Ｋ以下 で作動する高温超電導体の何れかに分類される。セラミックまたは金属酸化物で 作られるような高温超電導体（ＨＴＳ）は異方性であり、このことは、それらが ある方向に（別の方向よりも）良好に導電することを意味している。更に、この 異方特性の故に、超電導材料の結晶軸に対する磁場の配向の関数として臨界電流 が変化することが分かっている。高温酸化物超電導体は、一般的なＣｕ・Ｏ基セ ラミック超電導体、希土類・銅・酸化物ファミリー（ＹＢＣＯ）、タリウム・バ リウム・カルシウム・銅・酸化物ファミリー（ＴＢＣＣＯ）、水銀・バリウム・ カルシウム・銅・酸化物ファミリー（Ｈ_gＢＣＣＯ）、及び化学量論的な量の 鉛を含むＢＳＣＣＯ化合物（即ち、（Ｂi，Ｐb）₂ Ｓr₂Ｃa₂Ｃu₃Ｏ₁₀）のメンバ ーを含む。 高温超電導体はソレノイド、競技場のトラック形の磁石、多極磁石等のように 超電導体がコイルの形状に巻かれている超電導磁気コイルを製造するのに使用す ることができる。コイルの温度を十分に低くすると導体は超電導状態に入ること ができるようになり、通電容量及びコイルが発生する磁場の大きさが十分に増加 する。 このような超電導磁気コイルを製造する際、超電導体を薄いテープの形状に形 成することができ、このようにすると導体を比較的小さい直径で曲げることが可 能になり、またコイルの巻線密度を増加させることができる。薄いテープはマル チフィラメント複合超電導体からなり、このマルチフィラメント複合超電導体は 、その全長にわたって伸び且つマトリクス形成材料（典型的には、銀または別の 貴金属）によって取り囲まれている個々の超電導フィラメントを含む。マトリク ス形成材料は導電性ではあるが、それは超電導体ではない。超電導フィラメント 及びマトリクス形成材料が一緒になって、マルチフィラメント複合導体を形成す る。若干の応用では、超電導フィラメント及びマトリクス形成材料は絶縁層によ って覆われる。超電導フィラメントとマトリクス形成材料との比は「充填係数(f ill factor)」として知られ、一般には30乃至50％の間にある。異方性超電導材 料がテープに形成されている場合の臨界電流は、印加磁場がテープの広い方の面 に直角に向いている場合、磁場がこの広い方の面に平行に印加される場合よりも 低いことが多い。 発明の概要 超電導コイルに巻かれる異方性超電導体のジオメトリ及び／または型を制御す ることによって、コイルのある領域に関連する臨界電流特性が磁場の配向によっ て増加し（そのようにしない場合には低い）、それにより通電容量が増加して超 電導コイルが発生する中心磁場が増加する。 一般に、軸方向長さに沿って高温超電導体が均一に分布するように巻かれた超 電導ソレノイドの場合には、コイルの端領域から発する磁力線は導体の面（導体 面は超電導テープの広い表面に平行である）に対して直角に近づき始め、これら の領域の臨界電流密度を大きく低下させる。実際に、磁場が導体面に対して直角 に向いている場合には、臨界電流は最小値になる。コイルの中心に近い領域では 臨界電流密度は比較的高いが、端領域における臨界電流密度の急激な減少が、超 電導状態にあるコイルの通電容量を総合的に低下させる。 磁場が導体面に対してより直角に近く配向される領域の臨界電流値を増加させ るには幾つかの方法がある。並列に接続されている超電導体のストランドの数を 増加させて幾つかの超電導体を「束ね」ると断面積が増加し、それによって低Ｉ_C 領域における臨界電流が増加する。この配列では、通常は同一の超電導体テー プ製造工程で製造される同一の型の超電導体を、コイルの異なる区分に使用する 。超電導体の束ねは、超電導コイルの軸に沿って変えることができる。例えば、 １つのパンケーキ区分と次のパンケーキ区分とで変化させたり、導体の断面積を コイルの内側部分と外側部分とで半径方向で異ならせ、パンケーキ自体内で変化 させることができる。 一方、充填係数が異なる超電導体を使用し、超電導体を分布させることによっ てコイルの異なる区分における臨界電流を制御することができる。更に別の実施 例では、異なるＩ_C特性を有する異なる高温超電導体をコイルの異なる区分に一 緒に使用することができる。 超電導コイルが発生する磁場はコイルの通電容量に直接関係するので、コイル が発生する磁場を相応に増加させることもできる。コイルに使用する超電導体の 体積を実質的に一定に維持することが望まれ、また超電導体の束ねがコイルのそ の区分の巻回数を減少させることを要求するような応用においても、これらの区 分が関連しているコイルの領域の磁場の低下が、コイルの中心領域における磁場 の大きさに重大な影響を及ぼさないようにする必要がある。コイルの区分のジオ メトリを調整しても、コイルの臨界電流密度を高めに維持しながら、所望の磁場 分布プロファイルをある程度発生させることができる。 更に、多重区分均一電流密度超電導コイルにおいて一般に当面する他の問題を 軽減することができる。例えば、多重区分均一電流密度超電導コイルの各区分は 、任意時点にその区分に入射する磁場の向きに依存する関連臨界電流値を有して い る。全ての区分が同量の超電導体で均一に巻かれているような均一電流密度コイ ルにおいては、若干の区分（一般には、コイルの端領域の区分）の臨界電流値は 、コイルの中心に位置する区分よりも大幅に小さくなる。超電導コイルを、これ らの区分の最低臨界電流値より低い臨界電流で作動させない限り、最低Ｉ_Cを有 する区分はその通常の、非超電導状態で動作してしまう。若干の状況においては 、例えば、その製造中に欠陥を生じた超電導区分のＩ_C値は、他の超電導区分よ りも大きく低下する。常導電区分を通過する電流は熱の形状のＩ²Ｒ損を発生し 、この熱は超電導体の長さに沿って隣接する区分へ伝播する。常導電区分内で発 生した熱のために隣接する区分は温まり始め、それらは非超電導になる。「ノー マルゾーン伝播」として知られるこの現象は、これらの区分の超電導特性を劣化 させ、コイル全体の超電導性を失わせる（「クェンチ(quench)」と呼ばれる）。 グレード分け型超電導コイルの個々の各区分の臨界電流値（その区分に入射す る磁場の向きに対して測定）は、本発明によれば、互いに接近したＩ_C値を有し ているので、コイルはより高い総合臨界電流で作動することが可能である。超電 導コイルの個々の区分の臨界電流値の間の差を小さく維持して得られる別の利点 は、コイルの総合臨界電流への移行が比較的迅速に得られることである。従って 、コイルが超電導状態から常状態へ逆戻り（クェンチ）する場合には、コイル内 に蓄えられた誘導性エネルギがコイル全体に均一に分布するようになる（加熱に より損傷を生じさせるように局所化することはない）。 本発明の一面においては、磁気コイルがコイルの長手方向軸に沿って軸方向に 位置決めされている複数の区分からなることを特徴とし、各区分はコイルの長手 方向軸の周囲に巻かれた高温超電導体を含み、０磁場で測定したそれぞれの臨界 電流値を有する複数の領域を有し、これらの臨界電流値はコイルの中心部分から コイルの端部分に向かって増加させてある。 本発明の特定実施例は、以下の特色の１またはそれ以上を含んでいる。即ち、 各区分の臨界電流値は、コイルの磁場の角度的配向に依存し、コイルに所望の磁 場プロファイルを与えるように選択されている。各区分の臨界電流値は、少なく とも１つの区分の超電導体の断面積を変えることによって、または少なくとも１ つの区分の超電導体の型を変えることによって選択することができる。超電導体 は、モノフィラメントであっても、またはその全長にわたって伸びる個々の超電 導フィラメントを含み且つマトリクス形成材料によって取り囲まれているマルチ フィラメント複合超電導体であってもよい。複数の区分の第１の区分の個々の超 電導フィラメントの数は、複数の区分の第２の区分の個々の超電導フィラメント の数と異ならせることができる。超電導体の断面積は、コイルの長手方向軸に平 行な方向に変化させてあり、コイルの中心部分に位置する区分の断面積を、コイ ルの端部分に位置する区分の断面積よりも大きくする。超電導体の断面積は、コ イルの長手方向軸を横切る方向に変えてもよく、その場合、半径方向内側の部分 に近い領域からコイルの半径方向外側の部分の領域に向かって減少させる。個々 のテープ状超電導フィラメントの配向は、テープの広い表面によって限定される 導体面に対して平行になってはいない。超電導体の区分はパンケーキまたは二重 パンケーキコイルに形成され、超電導体の断面積は並列に接続されている超電導 体のストランドの数を増加させることによって変化させる。高温超電導体はＢi₂ Ｓr₂Ｃa₂Ｃu₃Ｏからなる。 本発明の別の面においては、超電導磁気コイルはコイルの長手方向軸に沿って 軸方向に位置決めされている複数の区分からなることを特徴とし、これらの区分 はコイルの長手方向軸の周囲に巻かれた高温超電導体を含み、各区分は予め選択 された動作電流が超電導コイルに供給された時に実質的に等しい臨界電流値を呈 する領域を有している。 本発明の別の面においては、軸に沿って軸方向に位置決めされている複数の区 分を含む超電導磁気コイルを製造する方法が提供され、各区分はコイルの長手方 向軸の周囲に巻かれ、それぞれの臨界電流値を有する予め選択された高温超電導 体で形成され、各区分はコイルの総合磁場に貢献し、上記方法は、 ａ）コイルの軸に沿って区分を位置決めし、超電導体材料をコイルの軸に沿っ て実質的に均一に分布させる段階と、 ｂ）各区分に関連する超電導体材料、及び磁場の大きさ及び角度に基づいて各 区分毎の臨界電流データを決定する段階と、 ｃ）磁気コイル内の１組の離間した点について磁場の大きさの分布及び方向値 を決定する段階と、 ｄ）磁場の大きさ及び方向値、及び臨界電流データに基づいてコイル内の各点 毎の臨界電流値を決定する段階と、 ｅ）コイルの総合磁場に対する各区分の貢献度を決定する段階と、 ｆ）コイルの、そしてコイルの軸に沿って位置決めされている各区分毎の臨界 電流値を決定する段階と、 ｇ）コイルの少なくとも１つの区分の臨界電流値を変化させ、各区分の臨界電 流値を互いに実質的に等価にする段階と、 からなることを特徴としている。 好ましい実施例では、上記方法は以下の付加的な段階の１またはそれ以上を含 むことを特色とする。即ち、各区分の臨界電流値の分布が互いに所望の範囲内に 入るまで段階ｃ）乃至ｇ）を繰り返す。コイルの少なくとも１つの区分の臨界電 流値を変える段階は、超電導体の型を変えるか、またはコイルの少なくとも１つ の区分においてコイルの中心から軸方向に、または半径方向に離れた超電導体の 区分に関連する超電導体材料の断面積を増加させることを含む。コイルの軸に沿 って位置決めされている各区分毎の臨界電流値を決定する段階は、中心から軸方 向、または半径方向の何れかに離れた点の臨界電流値に基づいて各区分毎の平均 臨界電流値を決定する段階を含む。コイルの少なくとも１つの区分の臨界電流値 を変える段階は、コイルの中心から離れている超電導体の区分に関連する超電導 体材料の断面積を増加させることを含む。コイルの各区分毎の臨界電流データを 決定する段階は、背景磁場の大きさ及び角度をいろいろに変えて印加しながら各 区分に関連する超電導体材料の臨界電流を測定し、測定されない背景磁場の大き さ及び角度については臨界電流データを補外（外挿）する段階をも特色とする。 この方法によれば、所定の体積の超電導体を有する超電導コイルは、超電導コ イルの長手方向及び半径方向の両軸に沿ってジオメトリ（例えば、断面積）を変 化させた区分を持つことができ、それによってコイル内の超電導体の体積を増加 させることなく、通電容量及び中心磁場を増加させることができる。 他の長所及び特色は、以下の詳細な説明及び請求の範囲から明らかになるであ ろう。 図面の簡単な説明 図１は、「パンケーキ」コイルを有する多重スタック超電導コイルの斜視図で ある。 図２は、図１の２−２矢視断面図である。 図３は、磁場（単位：テスラ）の関数として正規化された臨界電流を示すグラ フである。 図４は、部分的に巻き戻して導体を示すコイルの斜視図である。 図５は、コイル巻線機を示す。 図６は、本発明の超電導コイルの製造方法を記述する流れ図である。 図７は、均一電流分布を有する超電導コイル内の合計磁場を示すプロットであ る。 図８は、均一電流密度超電導コイル内の導体面に直角に配向された磁場の分布 を示すプロットである。 図９は、均一電流密度超電導コイル内の正規化した臨界電流分布を示すプロッ トである。 図１０は、均一電流密度超電導コイルの軸方向長さの関数として平均正規化臨 界電流分布を示すグラフである。 図１１は、超電導コイルの電圧・電流特性を示すグラフである。 図１２は、超電導コイルの領域間に分割された臨界電流分布を示すプロットで ある。 図１３は、非均一電流密度を有する非最適化超電導コイル内の磁場分布を示す プロットである。 図１４は、図１及び２のパンケーキの一例の断面図である。 図１５は、均一電流密度超電導コイルの半径の関数として平均正規化臨界電流 分布を示すグラフである。 好ましい実施例の説明 図１及び２を参照する。機械的に頑丈で、高性能の超電導コイル組立体１０は 、複数の二重「パンケーキ」コイル１２ａ〜１２ｉ（図示の例では９つの分離し た パンケーキ区分）を組合せてあり、各区分は共巻きの複合導体を有している。図 示の導体は、一般にＢＳＣＣＯ（２２２３）と呼ばれ、Ｂi₂Ｓr₂Ｃa₂Ｃu₃Ｏとし て知られる高温金属酸化物セラミック超電導材料である。コイル組立体１０の各 二重「パンケーキ」コイル１２ａ〜１２ｉは並列に巻かれた共巻きの導体を有し 、これらは互いに重ねて同軸状にスタックされ、隣接し合うコイルはプラスチッ ク絶縁体１４の層によって分離されている。 パンケーキコイル１２ａ〜１２ｉは、テープレコーダのスプール上のテープの ように、超電導テープをそれ自体の上に連続的に巻付けることによって形成され る。薄いポリエステルフィルム（時には、接着剤を塗布してある）の絶縁テープ を、巻回の間に巻くことができる。代替として、導体にフィルムまたは酸化物絶 縁体を巻付けの前に付着させておくことができる。超電導体は、巻付けの前にそ の最終状態に完全に処理してもよいし（「反応後巻付け」コイル）、またはパン ケーキを巻いた後にある程度の熱処理を施してもよい（「巻付け後反応」コイル ）が、後者の方法は選択した絶縁系に影響を与えることに注目されたい。一実施 例では、完了したパンケーキをスタックし、スタックの間を半田付けして導電性 テープの片を橋絡することによって直列に接続する。円板状のスペーサとして形 成されているプラスチック絶縁体１４は、適当に穿孔されていて冷却材が自由に 循環できるようになっており、通常はスタックする際にパンケーキの間に挿入さ れる。本例ではパンケーキコイル１２ａ〜１２ｉは「二重パンケーキ」コイルと して構成されており、テープは、第１のパンケーキの外側から内側へ巻かれ、次 いで第２のパンケーキの内側から外側へ巻かれたように接続されるので、２つの パンケーキの間の半田付け橋絡が排除される（このようにしない場合には、コイ ルの内径のところで半田付け橋絡が発生する）。 プラスチック状材料で作られた内部支持管１６が、コイル１２ａ〜１２ｉを支 持している。第１の端フランジ１８が内部支持管１６の頂部に取付けられ、第２ の端フランジ２０が内部支持管１６の反対端上にねじ込まれて二重「パンケーキ 」コイルを圧縮している。代替実施例では、内部支持管１６及び端フランジ１８ 、２０を取り除いて自立型コイル組立体を形成することができる。 長さが短い超電導材料からなる電気接続がなされていて（図示してない）、個 々のコイルを直列回路に結合している。また、コイル組立体１０に電流を供給す るために、ある長さの超電導材料２２がコイル１０の一方の端と、端フランジ１ ８上に位置する終端ポスト２４の１つとを接続している。電流が反時計方向に流 れ、磁場ベクトル２６がコイル組立体１０の頂部を形成している端フランジ１８ にほぼ垂直に発生するものとする。 図２に示すように、超電導磁気コイル１０は普通のソレノイドに類似する磁場 特性を有している。即ち、一般に、コイルの外側の点（例えば、点Ｐ）における 磁場強度は、コイル内部の点における磁場強度よりも小さい。普通の磁気コイル の場合には、通電容量は導体の巻線を通して実質的に一定である。一方、低温超 電導体を使用する場合には、臨界電流は磁場の大きさのみに依存し、その方向に は依存しない。 更に、上述したように、高温超電導体の通電容量は磁場の大きさの関数である だけではなく、磁場の角度的配向の関数でもある。磁力線３２は、コイルの中心 領域３０ではコイルの長手方向軸３４に概ね平行であり（矢印３３で示す）、コ イル１０の中心領域３０から端領域に向かって磁力線が伸びるにつれて少なくな る。実際に、端領域３６における磁力線３２の向き（矢印３７で示す）は軸３４ に対して実質的に直角になる。 図３に、ＢＳＣＣＯ（２２２３）高温超電導体の異方特性を、磁場（即ち、導 体面に平行に配向して印加される磁場（線４０）、及び導体面に直角に配向して 印加される磁場（線４２））の関数として示す。実際の臨界電流値は、０磁場に おいて測定された超電導体の臨界電流の値に対して正規化してある。正規化した 臨界電流を臨界電流保存（リテンション）と呼ぶことが多い。図３に示すように 、2.0Ｔ（テスラ）の磁場において正規化した臨界電流は、平行に配向された磁 場の場合の約0.38から、直角に配向された磁場の場合の約0.22まで大きく低下し ている。 磁場の大きさ及び配向に依存するのに加えて、高温超電導体の臨界電流は超電 導体の特定の型、並びにその断面積と共に変化する。従って、磁場が導体面に対 してより直角に近づくことが原因でコイル１０の端領域３６における超電導体の 臨界電流が低下するのを補償するために、端領域に位置するパンケーキ（例えば 、 １２ａ、１２ｂ、１２ｇ、１２ｈ）をより高い臨界電流特性を有する超電導体で 製造してもよいし、または代わりに、これらの領域の超電導体の断面積を、コイ ルの中心に近い領域よりも大きくしてもよい。 例えば、図４に示すグレード分け型超電導コイル組立体１０は、最も端の３つ の二重パンケーキ１２ａ、１２ｂ、及び１２ｃの一方の側を巻き戻し、コイルの 中心領域３０から軸方向に離れる程二重パンケーキに使用されている超電導体テ ープの量が増加していることを示している。詳しく述べれば、パンケーキ１２ａ が絶縁用テープの巻きの間に５層の導体テープを含んでいるのに対して中心領域 ３０により近く位置しているパンケーキ１２ｃは２層の導体テープしか含んでい ない。パンケーキ１２ａとパンケーキ１２ｃとの間に位置するパンケーキ１２ｂ は３層の導体テープを含んでいるので超電導体は徐々に増加し、発生する磁場の ためにパンケーキ１２ｃからパンケーキ１２ａに向かって徐々に低下する臨界電 流を補償する。図１３及び１４を参照して後述するように、超電導体の断面積を 、コイルの製造中にその半径方向軸に沿って変化させることもできる。 図５に示す超電導コイルを製造する一つの例では、心棒７０が旋盤チャック７ １に取付けられた巻付けシャフト７２によって定位置に保持されている。チャッ ク７１は旋盤または回転モータのようなデバイスによって種々の角速度で回転さ せることができる。マルチフィラメント複合導体はテープ７３の形状に形成され ており、始めに導体スプール７４の周囲に巻かれる。超電導コイルを製造するた めの反応後巻付けコイルプロセスでは導体は先駆材料であり、線形ジオメトリに 作るか、またはゆるくコイルに巻いて、処理のために炉内に配置する。次いで、 超電導状態に変換するのに必要な処理中に、先駆材料を酸化環境内に配置する。 反応後巻付け処理方法では、絶縁体は複合導体を処理した後に適用することがで き、絶縁層材料の酸素透過性及び熱分解のような特性を問題にする必要はない。 一方、巻付け後反応処理方法では、超電導材料への先駆物質はコイルを形成させ るように心棒に巻付けた後に高温及び酸化環境で処理する。超電導コイルの製造 の詳細に関しては1994年1月24日付M.D．Manlief、G.N．Riley，Jr．、J．Viccio 及びA.J．Rodenbush の出願第08/186,328号“Superconducting Composite Wind -and-React Coils and Methods of Manufacture”を参照され たい。 巻付け後反応処理方法では、絶縁用材料からなる布７７を絶縁体スプール７８ に巻いて両者を腕７５上に取付ける。テープ７３及び布７７の張りは、張りブレ ーキ７９を調整することによって所望の設定にセットする。張力の典型的な値は １〜５１ｂｓであるが、この量は異なる巻線密度の要求に応じてコイル毎に調整 することができる。コイル形成手順は、結果として得られる導体材料及び絶縁材 料を、コイルの中心軸を形成する回転材料上に案内することによって達成する。 腕７５上のスプール７４上に貯蔵されている材料の始めの部分を心棒上に巻付け た後に巻付け予定のテープ７３の部分を貯蔵する付加的な貯蔵スプール７６も巻 付けシャフト７２上に取付けられている。 コイル８０を形成するために貯蔵スプール７６の次に心棒７０を巻付けシャフ ト７２上に配置し、デバイスを旋盤チャック７１によって時計方向または反時計 方向に回転させる。本発明の若干の好ましい実施例では、「パンケーキ」コイル はテープ７３と布７７とを回転心棒７０上に共巻きすることによって形成する。 テープ７３及び布７７の爾後の層を先行層の上に直接共巻きし、テープ７３の幅 に等しい高さ８１を有する「パンケーキ」コイルを形成する。「パンケーキ」コ イルにすると熱処理段階中にテープの全長にわたって両縁を酸化環境に曝すこと ができる。 本発明の他の好ましい実施例では、先ず心棒７０を、旋盤チャック７１に取付 けられている巻付けシャフト７２上に取付けることによって二重「パンケーキ」 コイルを形成することができる。貯蔵スプール７６を巻付けシャフト７２上に取 付け、始めにスプール７４上に巻付けるテープ７３の合計長の半分を貯蔵スプー ル７６上に巻く。これによりテープ７３の全長は２つのスプールの間に分割され ることになる。腕７５に取付けられているスプール７４はテープ７３の長さの第 １の半分を含み、テープ７３の第２の半分を含んでいる貯蔵スプール７６を心棒 ７０に対して回転しないように固定する。次いで、絶縁体スプール７８上に巻か れた布７７を腕７５上に取付ける。次に心棒を回転させ、布７７をテープ７３の 第１の半分と共に心棒７０上に共巻きして単一の「パンケーキ」コイルを形成す る。熱電対ワイヤを第１の「パンケーキ」コイルの周囲に巻いてそれを心棒に固 定する。次に、巻付けシャフト７２を旋盤チャック７１から取り外し、テープ７ ３の長さの第２の半分を含む貯蔵スプール７６を腕７５上に取付ける。次いで絶 縁材料の層を第１の「パンケーキ」コイルに対して配置し、テープ７３の第２の 半分及び布７７を、上述したプロセスを使用して心棒７０上に巻付ける。これに より、始めに形成された「パンケーキ」コイルに接して第２の「パンケーキ」コ イルが形成され、絶縁材料の層が２つのコイルを分離するようになる。次に、最 終的な熱処理中コイル構造を支持するために、熱電対ワイヤを第２の「パンケー キ」コイルの周囲に巻付ける。コイルの温度及び電気的挙動を監視するために、 二重「パンケーキ」コイルのテープ７３上のいろいろな点に電圧テープ及び熱電 対ワイヤを取付けることができる。更に、絶縁特性を改善し、種々の層を定位置 にしっかりと保持するために、熱処理の後に全てのコイルにエポキシを含浸させ ることができる。二重「パンケーキ」コイルにすると、最終熱処理段階中に、テ ープの全長にわたって一方の縁を直接酸化環境に曝すことができる。 グレード分け型超電導コイルを製造する方法を図６を参照して説明する。本方 法を説明するために、図１及び２に示したものと類似し、以下の表Ｉに示す特性 を有するグレード分け型超電導磁気コイルを使用する。 図６を参照する。本発明の特定実施例によるクルード分け型超電導コイルの設 計の第１段階は、コイルの軸方向長さに沿って導体が一様に分布している均一電 流密度（非グレード分け型）を設計することである。このようなコイルの設計は 、例えばD．Bruce Montgomery，“Solenoid Magnet Design”，pp 1-14（Robert E．Krieger Publishing Company 1969）を参照して決定することができる。若 干のジオメトリの制約(例えば、低温環境を発生するクライオスタットの大きさ) 、選択する高温超電導体の電流密度、及びコイルに要求される所望磁場を考慮し て、コイルに要求されるジオメトリを決定するために以下の関係を使用すること ができる。 ｊ＝H_cen／a₁λＦ（α，β）・・・・・・・・・・・・・・・・・（１） ここに、Ｈ_cenはコイルの中心における磁場、λ（コイルの巻線密度）は巻線の 活動区分を合計巻線区分で除した値に等しく、そしてＦは次式によって定義され るジオメトリ定数である。 Ｆ＝（４πβ／10）［sinh^-1（α／β）−sinh^-1（１／β）］・・（２） 但し、α＝ａ₂／ａ₁であり、β＝ｂ／ａ₁である。またａ₁及びａ₂はコイルの内 側半径及び外側半径であり、ｂはコイルの合計軸方向長さの半分である（図２参 照）。 コイルの臨界電流及びその区分を決定するためには、コイルに使用する特定の （１または複数の）高温超電導体の臨界電流特性を知る必要がある。この情報（ 段階５２）は、屡々、特定の超電導体材料に関して与えられるだけではなく、製 造プロセスが変動する可能性があるので、一般的には超電導体の各製造ラン毎に 与えられる。図３に示すように磁場（Ｂ）の関数としてのＩ_Cを得る一つの方法 は、所望の動作温度（この場合には4.2°Ｋ）で、超電導体のある長さにまたが る電圧を監視しながら、超電導体の長さ方向に電流を流すことである。超電導体 の固有抵抗がある値に接近するまで電流を増加させ、それによってその磁場にお ける臨界電流値を求める。超電導体の臨界電流を決定する方法に関してはD．Aiz ed et al，Comparing the Accuracy of Critical-Current Measurements Using the Voltage-Current Simulator，IEEE Transactions on Magnetics,Vol．30，N o.．4，P．2014，July 1994を参照されたい。いろいろな磁場強度及び配向で超 電導体に背景磁場を与えるために、外部磁石を使用する。上述したよう に、図３は導体面に平行及び垂直に配向された背景磁場を印加し、この磁場の関 数としての臨界電流の測定超電導体を示している。 できる限り多くの磁場強度及び配向角度において各超電導体を測定することが 望ましいのではあるが、明らかにこのようなデータ収集は膨大且つ時間を消費す るものであるので、制限された数の点において測定されたデータを補外法を使用 して拡張する。即ち、異なる角度で測定されたデータを入手できない場合には、 磁場を導体面に平行及び直角に印加して測定したデータを近似モデルと共に使用 し、異なる角度で印加した磁場における臨界電流値を求めることができる。 最小保存モデルと呼ばれる一つの近似モデルでは、検討中の点における臨界電 流としてより低い臨界電流を用いて、平行及び直角両磁場成分について導体の臨 界電流を決定する。 ガウス分布モデルと呼ばれる別の近似モデルでは、テープの面（即ち、導体面 ）に対する超電導体の個々のフィラメントの配向の効果を考える。超電導体が上 述したようにマルチフィラメント複合超電導体として形成されている場合には、 超電導フィラメント及びマトリクス形成材料は絶縁セラミック層に覆われてマル チフィラメント複合導体を形成している。個々のフィラメントは概して複合導体 テープの面に平行であるが、若干のフィラメントは平行からずれることがあり得 るから、それらに起因する直角磁場成分を有することになる。ガウス分布モデル では、導体面に対する個々の超電導フィラメントの配向がガウス分布に従うもの とする。段階５２において測定された臨界電流データに整合するように特性分散 が変えられ、一旦分散が見出されればそれを使用して任意の磁場及び角度におけ る臨界電流を決定することができる。 重畳モデルと呼ばれる更に別のモデルでは、磁場の直角及び平行の両成分につ いて正規化した臨界電流を決定し、次いで２つの値の積を求める。 測定したデータに基づく曲線の当てはめを使用して、任意の磁場強度及び配向 角の臨界電流値を与える多項式を導出する。以下の表IIに示す定数を有する多項 式を使用して図３に示す曲線を生成した。 I_C(B)＝1/(a₀＋a₁B＋a₂B²＋a₃B³＋a₄B⁴＋a₅B⁵＋a₆B⁶) 最小保持モデル及びガウス分布モデルからの結果は概ね同一であって、重畳モ デルよりも測定したデータに良く一致していた。最小保持モデルの方が、その実 現の容易さから好ましい。 グレード分け型超電導コイルに使用される各超電導体材料毎に磁場の関数とし ての臨界電流のデータベースを入手した後に、コイル内の所定数の点（例えば、 1000点）について磁場分布が決定される（段階５４）。コイル内の磁場分布を決 定するための磁場計算は、コイルのジオメトリ（例えば、コイルの内径、外径、 及び長さ）、超電導体の特性（例えば、テープの場合は導体の幅及び厚み、ワイ ヤの場合は導体の半径）、並びに絶縁体の厚み、及びコイルの個々の区分の相対 位置に依存する。ＭＡＧと呼ばれるソフトウェアプログラム(American Supercon ductor Corporation，Westboro，MA.において使用されている企業内プログラム) は、超電導コイル内の半径方向及び軸方向位置の関数としての合計磁場、並びに 半径方向及び軸方向成分を与える。表IIIは、上述したジオメトリ及び特性を有 するコイルについてＭAＧによって与えられる出力データベースの代表的部分を 示している。 磁場分布情報を生成させるためにＡＮＳＹＳ（Swanson Analysis Systems Inc., Houston，PA.の製品）またはＣＯＳＭＯＳ（Structural Research and Analysis Group，Santa Monica，CA.の製品）のような市販されているソフトウェアも使 用することができる。 図７は、表Ｉに限定したコイルの総合磁場分布データを、Stanford Graphics （3-D Visions，Torrance，CA．の製品）のような多くの市販されているソフト ウェアプログラムの何れかを使用してグラフ形状にプロットしたものである。更 に図８に示すように、磁場が導体面に対して直角に配向されている場合、同一コ イルが発生する磁場は、コイルの端領域付近（コイルの中心から長手方向軸に沿 って約5.2ｃｍ）の、そしてコイルの外径までの半径方向距離の半分よりも僅か に大きい（約2.7ｃｍ）点５６において最大である。 段階５４において求めた磁場分布データは、コイル内の所定数の各点における 磁場値を表し、段階５２において求めたＩ_C対Ｂデータと共に使用してコイル内 の臨界電流分布を導出することがきる（段階５８）。換言すれば、磁場分布デー タからの磁場値を上述した多項式内に使用して各点毎の臨界電流値を決定する。 詳しく述べれば、その点についての臨界電流値を表すのに使用される最小値を用 いて、平行磁場及び直角磁場の両配向における臨界電流値を決定する。図９に示 すＩ_C分布データは、図８に示す磁場分布データと矛盾がなく、最小臨界電流保 存値（即ち、正規化された臨界電流）がコイルの端領域の陰影領域６０内に見出 されることを示している。 方法の次の段階は、コイルの中心磁場に向かってコイルの各区分（即ち、パン ケーキ１２ａ〜１２ｉ）の分布を決定することを含む。各パンケーキ１２ａ〜１ ２ｉからの貢献度を、均一密度コイルの磁場分布の決定について説明した関係（ 段階５４）を使用して決定する（段階６２）。各貢献度を決定するために、コイ ルは、軸３５（図２）を通る中央面を中心として対称的にされ、そして中央面３ ５の両側のパンケーキは対称的に対にされている（例えば、１２ａと１２ｉ、１ ２ｂと１２ｈ、１２ｃと１２ｇ、等々）ものとする。次に上述した関係を使用し て、１）関心対区分の最も外側の長さによって限定される長さを有するコイルに よって発生される合計磁場を決定または評価し、２）関心対区分の最も内側の長 さによって限定される長さを有するコイルによって発生される合計磁場を決定ま たは評価し、そして３）２つの決定または評価の結果を減算することによって、 区分の各対の貢献度を決定する。次いで、各対区分を半分で除し、その区分対の 各パンケーキ毎の貢献度を決定する。例えば、再度図２を参照して、対パンケー キ１２ａ及び１２ｉの貢献度を決定するために、長さ２ｚを有するコイルについ て決定された磁場を、長さ２ｂを有するコイルの磁場から減算する。各パンケー キ１２ａ及び１２ｉからの中心磁場に対する貢献度は、対称対の貢献度の半分で ある。同様に、パンケーキ１２ｂ及び１２ｈの貢献度を決定するために、長さ２ （ｂ−ｄ）即ち２ｚを有するコイルについて決定された磁場を、長さ２（ｂ−２ ｄ）を有するコイルから減算する。（内側半径ａ₁及び外側半径ａ₂は、全ての計 算に関して同一であることに留意されたい。）コイルの全組立体によって発生さ れる合計磁場は、異なるパンケーキからの全ての貢献度の和である。 次に、段階５８において生成したＩ_C貢献度データを使用して、コイルの異な る領域について超電導体の分布を最適化する。二重パンケーキコイル１２ａ〜１ ２ｉを使用する超電導コイル（図１及び２に示すものと同じようなコイル）の場 合、各位置は個々のパンケーキの関連する１つに一致し、コイルの長手方向軸に 沿うこれらの位置についてＩ_C値が決定される（段階６４）。 臨界電流平均法と呼ばれる一つの方法では、次の関係を使用して、各軸方向位 置またはパンケーキ毎に、その領域内の半径方向の全てのＩ_C値の加重平均を決 定する。 Ｉ_C平均（z）＝（ΣＩ_C×その半径）／（Σそれらの半径） 即ち、コイルの任意の軸方向位置に関して、その領域内のその軸方向位置に対応 する全ての臨界電流値の平均が、各点の半径（その点のための平均重みである） を用いて求められる。更に各区分が関連する領域内の各半径方向位置毎の平均臨 界電流値（各点毎に同じ重みが与えられている）が以下の関係を使用して決定さ れる。 Ｉ_C平均（ｒ）＝ΣＩ_C／（点の数） 図１０は、コイルの中心からの軸方向距離の関数として、均一電流分布を有す る表Ｉの超電導コイルの平均Ｉ_Cを示している。均一電流分布コイルの異なる区 分の平均臨界電流を推定し、そしてそれらの相対的な差に注目することによって 、低い臨界電流値を有する区分の臨界電流値を増加させるには導体の断面積また は超電導体の型をどの程度変化させるかを決定することができるので、コイルの 全ての区分の臨界電流値はその値がコイルの中心の区分の臨界電流値に比較的接 近するようになる。 図１０に示すように、表Ｉに示したジオメトリを有する超電導コイルの、コイ ル１０の中心に最も近くの、そしてパンケーキ１２ｅが関連している領域の平均 正規化Ｉ_Cは、約0.68（即ち、０磁場における臨界電流の68％）である。しかし ながら、コイルの中心から約４ｃｍ軸方向に離れて位置する領域の平均正規化Ｉ_C はパンケーキ１２ｅが関連している領域の平均正規化Ｉ_Cのほぼ半分の約0.35ま で低下している。従って、パンケーキ１２ａ及び１２ｉの超電導体の断面積を２ 倍程度まで増加させれば、臨界電流値が接近するようになる。 例えば、一実施例では、中心パンケーキ１２ｅ及びパンケーキ１２ｄ及び１２ ｆにおいては２つの導体を束ね、パンケーキ１２ｂ、１２ｃ、１２ｇ、１２ｈに おいては３つの導体を束ね、そしてコイル１０の端のパンケーキ１２ａ及び１２ ｉにおいては４つの導体を束ねてコイルの領域の断面積を増加させることによっ て、グレード分け型超電導コイルの中心領域３０から端領域３６までの断面積を 徐々に増加させている。図４に示すように、一実施例では、絶縁テープの巻きの 間に重ね巻きする導体テープの数を増加させることによって超電導体の束ねを達 成することができる。 更に、コイル全体の平均Ｉ_Cは、個々のパンケーキのＩ_Cを平均し、その区分に 使用されている導体の長さを考慮することによって決定される。これを数学的に 表せば、 Ｉ_C（コイル平均） ＝Σ（パンケーキのＩ_C）×（その区分の導体長）／コイルの合計導体長 になる。 代替として、以下の関係に基づいてコイルの異なる領域の臨界電圧値（ｖ）を 決定することによって、コイル全体の臨界電流の値をより正確に表す臨界電流値 を求めることができる。 （ｖ／ｖ_C）＝（ｉ／ｉ_C）ⁿ ここに、 ｉ_Cはその領域の臨界電流であり、 ｖ_Cはその領域の導体のジオメトリに依存する臨界電流基準であり、そして ｎは前記Aizedらの論文“Comparing the Accuracy of Critical-Current Meas urements Using the Voltage-Current Simulator”に詳細に記述されている指標 値である。各領域の電圧（ｖ）は各電流レベル（ｉ）毎に決定され、合計されて その電流レベルにおける合計電圧Ｖ_Tが求められる。次に合計電圧Ｖ_Tが電流の関 数としてプロットされ（図１１のライン６２）、上記関係を使用してコイルの合 計臨界電流基準Ｖ_Cが決定される。次いで、図１１に示すこのプロットされた関 数を使用してＶ_Cに対応付けられたコイル全体の臨界電流Ｉ_Cが求められる。 「最小Ｉ_C」法と呼ばれる、コイルの異なる領域の超電導体の分布を最適化す る別の方法では、コイル全体にわたる位置のＩ_C値が、コイルの中心に近接した 位置における最小臨界電流値に基づいて決定される。この方法では、コイルは多 数の小さい領域に分割され、各領域は関連する最小Ｉ_C値を有している。軸方向 にも、半径方向にもコイルの中心に最も近い領域が、コイルの残余の領域を分類 する参照レベルになる。 例えば、図１２に示すように、図１０に関して説明したものと同一の超電導コ イルは、軸方向にも、半径方向にもコイルの中心に最も近く位置する領域１１１ を含み、領域１１１内のある点の最小正規化Ｉ_C値は0.44（即ち、０磁場におけ る臨界電流の44％）である。この最小正規化Ｉ_C値を基準にして、残余の領域の 他の全ての最小正規化値が参照される。従って、もし領域１１１に関連するコイ ルの区分が超電導体の２つの束を含み（図４のパンケーキ１２ｃのように）、コ イルの端領域である領域１５１〜１５６の最小正規化Ｉ_C値が0.27であるものと すれば、領域１５１〜１５６の臨界電流値を増加させて領域１１１に最も近い区 分に関連する臨界電流値に近付けるのに必要な変化の程度は、領域１１１に使用 されている超電導体の約3-1/3倍[(44/27)×(2)＝3.3]である。この場合、領域１ ５１〜１５６は、比例的により高いＩ_C保存値を有する超電導体の３つの束を巻 くか、または比例的により低いＩ_C保存値を有する超電導体の４つの束を巻けば よい。 一般的に、中心領域における最小臨界電流方法は、それが最小臨界電流値に基 づいていて、臨界電流値の平均に基づいてはいないので、導体の最適分布を決定 する上で、臨界電流平均方法に比してより保守的な方法であると考えられる。即 ち、中心領域における最小臨界電流法は、一般的に、超電導体のどの部分の最小 臨界電流値にも極めて近く作動するものと考えられ、従ってノーマルゾーン伝播 をより受け易い高性能超電導磁石の設計により適している。 表Ｉに定義したコイルの場合、中心領域における最小Ｉ_C法を使用するとコイ ル全体のＧ／Ａ（ガウス／アンペア）定格が、均一電流分布コイル（即ち、２２ ２２２超電導体分布）の場合の172Ｇ／Ａから、２２２３４超電導体分布を有す るグレード分け型コイルの場合の162Ｇ／Ａまで低下する。これは、低臨界電流 区分に関連する巻回が減少するためであって、通常は増加するコイルの中心 における磁場の大きさを表してはいない。更にコイルの中心において所望の１テ スラの磁場を発生させるのに必要な理論的Ｉ_Cも215Ａ＝10000/(172×0.27)から1 40.3Ａ＝10000/(172×0.44)まで大幅に低下する。 「臨界電流平均」法、または「最小Ｉ_C」法の何れかを使用することによって 、コイルのより高い平均Ｉ_C値を得るために、及び全ての個々のパンケーキのた めの値が接近したＩ_C値を得るために、各パンケーキ毎に導体の断面積を変化さ せることができる（段階６６）。この目的は、保存Ｉ_C値を最大Ｉ_C値に近づける ように各パンケーキの超電導体の型を比例的に変えることによっても達成するこ とができる。 コイルの区分の超電導体の断面積または型を変えることによって、その区分が 位置しているコイルの領域の臨界電流を増加させることができるので、一般的に は、新たに構成されるコイルのためには段階５４〜６６を繰り返す必要がある。 超電導コイルの区分の導体の分布を変えるには、磁場及び臨界電流分布、並びに 新しいコイルの各区分の磁場分布を再決定する必要がある（段階６８）。各区分 の超電導体の断面積または型を変えると、その区分並びにコイル全体の磁場特性 が変化するために、これが必要なのである。例えば、超電導コイルの体積を実質 的に維持することが一般には望ましいので、コイルのある区分の超電導体の断面 を増加させる場合にはその区分の巻回の数を減少させ、それによって磁場特性と 、コイルの中心磁場に対する貢献度とを変化させるのが一般的である。しかしな がら、一般にこの変化は、臨界電流が低い（磁場が実質的に直角に配向されるた めに）コイルの端領域において行われるので、この低めの磁場（巻回の減少によ る）は中心磁場の大きさには殆ど貢献しない。換言すれば、総体的にはコイルの 端領域における磁場の大きさは減少するのであるが、コイルの臨界電流及び通電 容量は比較的大きく増加するのである。 コイル全体の所望平均Ｉ_C（即ち、コイルの全ての区分がほぼ同一のＩ_Cになっ た時のＩ_C）が得られるまで、各パンケーキの超電導体の断面積または超電導体 の型、従ってそれらの関連臨界電流超電導体を繰り返して調整することができる （段階７０）。コイル区分の標準偏差を計算するために、及びコイルの異なる区 分内の導体の数を調整してその値を最小にするために、統計的解析を使用する ことができる。コイル１０の中心領域３０における超電導体の束の数を多くする 程、中心領域３０と端領域３６との中間のコイルの区分に使用することができる 束の数は多くなり、それによってコイルに滑らかなグレーディングが得られるこ とに注目することが重要である。 表Ｉに示したジオメトリを有する超電導コイルの場合、図４に示すように超電 導体の層の数を変えることによってパンケーキ１２ａ〜１２ｉの断面積を変化さ せ、平均臨界電流超電導体が増加した、従ってコイルの通電容量及び磁場が増加 した超電導コイルを得ている。表IVは、コイルに対する各繰り返し後の結果を要 約したものであって、構成配列（第１列）は導体の層の数を表している。例えば 、２２２２２は均一電流密度コイル（即ち、各パンケーキが１つの導体層を有し ている）を定義し、一方２２２３４は最も内側の３つのパンケーキ１２ｄ〜１２ ｆが２つの層を有し、パンケーキ１２ｂ、１２ｃ、１２ｇ、及び１２ｈが３つの 層を有し、そして最も外側の層１２ａ及び１２ｉが４つの層を有している構成を 表している。構成（２２３３４）は、それがコイル体積上の臨界電流の変化が小 さく（Ｉ_C標準偏差＝9.26）、しかも大きい平均Ｉ_C（89.41Ａ）と、高い磁場（1 .357Ｔ）とが得られるから選択したものである。構成２２３３４は、比較的低い 標準偏差と、高めの平均Ｉ_C及び磁場を発生するが、図１３に示すように、この 構成が発生する磁場分布は、導体面に直角に配向された磁場に対して磁場強度が 最大になるような多重領域（「デプレッション」と呼ぶ）を発生する。このよう な磁場分布を有する構成は超電導コイルの総合性能を劣化させる。 上述したように、コイルの異なる区分のジオメトリは、コイルの長手方向軸に 沿ってではなく、コイルの半径方向軸に沿って変化させることもできることに注 目することも重要である。例えば、図１及び２の二重パンケーキ１２ａ〜１２ｉ の１つのある部分（一方の側の半分）を断面図で示す図１４は、束ねた導体９０ の数をパンケーキ全体にわたって同一にする必要がないことを示している。実際 に、超電導体の断面積をコイルの長手方向軸に沿って変化させるのと殆ど同じよ うにして、超電導体の断面積をコイルの各区分またはパンケーキの半径方向軸に 沿って変化させることができる。例えば、図７に示すように、均一分布コイルの 合計磁場は、コイルの内側半径から外側半径に向かって減少する。従って、パン ケーキのこの領域の断面積を減少させて導体の巻回の数を増加可能にし、コイル の中心磁場を増加させることが望ましい。 臨界電流平均法を使用して、コイルの各軸方向位置毎の平均に関して説明した のと殆ど同じようにして、パンケーキの各半径方向位置毎に、領域内を軸方向に 伸びる全てのＩ_C値の加重平均を決定する。図１５を参照する。均一電流分布を 有する表Ｉの超電導コイルの中央パンケーキ１２ｅの平均正規化Ｉ_C（ライン９ ８）をコイルの中心からの半径方向距離の関数としてプロットすることができる 。均一電流分布コイルの異なる区分間の平均臨界電流の相対的な差を観測するこ とによって、コイル内の低臨界電流超電導体を有する領域の臨界電流値を増加さ せるには導体の断面積をどの程度変化させるのかを決定することができる。同様 に、図１２に示すように、臨界電流分布データは、「最小臨界電流」法を使用し た時に増加させるべき低Ｉ_C値を有するコイルの半径方向軸に沿う領域を示して いる。 上述した「臨界電流平均」法または「最小Ｉ_C」法の何れかを使用して、コイ ルの平均Ｉ_C値をより高くし、また個々のパンケーキの全てのＩ_C値を実質的に等 しくするように、各パンケーキ内の超電導体の断面積を変化させることができる 。 一般に、Ｉ_Cはコイルの中心から外側巻線へ向かって増加して行く。従って、 一般的には中心に近い領域（即ち、内部巻線）の超電導体の断面積を半径方向外 側の領域よりも大きくすることが望ましい。例えば、再度図１４を参照して、も し部分９４（例えば、領域１１１〜１１３に関連）において３つの導体を束ねる のであれば、コイルの部分９６（半径方向に最も外側の領域１１４〜１１６に関 連）においては２つの導体だけを必要としよう。パンケーキコイルの一実施例を 製造中に、導体の数を減少させることを望む半径方向距離に到達するまで、３つ の導体をコイルに巻く。この点において１つの導体を切断し、その端を残余の導 体の隣接する１つに例えば半田付けし、残余の導体の巻きを続行する。臨界電流 が十分に高い値を有する領域においてコイルの導体の数を減少させることによっ て、これらの領域におけるコイルの巻回の数をより多くすることができ、それに よりコイルが発生する磁場を増加させることが可能になる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年１２月２８日 【補正内容】 請求の範囲 (1) 磁気コイルの長手方向軸に沿って軸方向に位置決めされた複数の区分を備え ている磁気コイルであって、上記各区分は上記コイルの長手方向軸の周囲に巻か れた高温超電導体を含み、上記各区分はゼロ磁場において測定されるその値が上 記コイルの中心部分から上記コイルの端部分まで増加する臨界電流値を有する領 域を有していることを特徴とする磁気コイル。 (2) 上記各領域の臨界電流値は、上記超電導体の型及び上記コイルの磁場の角度 的配向に依存する請求項(1)に記載の磁気コイル。 (3) 上記区分の領域の臨界電流値は、上記コイルの長手方向軸に近い上記コイル の半径方向内側部分から上記コイルの半径方向外側部分まで値が減少する請求項 (1)に記載の磁気コイル。 (4) 上記領域の臨界電流値は、上記各区分の領域の超電導体の断面積を変化させ ることによって変化する請求項(1)に記載の磁気コイル。 (5) 上記超電導体は、マルチフィラメント複合超電導体の長さにわたって伸び、 そしてマトリクス形成材料によって取り囲まれている個々の超電導フィラメント を含むマルチフィラメント複合超電導体からなる超電導体テープとして形成され ている請求項(4)に記載の磁気コイル。 (6) 上記領域の超電導体の断面積は、上記コイルの長手方向軸に平行な方向に変 化している請求項(5)に記載の磁気コイル。 (7) 上記超電導体の断面積は、上記コイルの中心部分に位置する区分から上記コ イルの端部分に位置する区分まで増加する請求項(6)に記載の磁気コイル。 (8) 上記領域の超電導体の断面積は、上記コイルの長手方向軸を横切る方向にお いて変化している請求項(5)に記載の磁気コイル。 (9) 上記各区分毎の超電導体の断面積は、上記コイルの半径方向内側部分に近い 領域から上記コイルの半径方向外側部分まで減少する請求項(8)に記載の磁気コ イル。 (10)上記複数の区分の第１の区分に関連付けられた個々の超電導フィラメントの 数は、上記複数の区分の第２の区分に関連付けられた個々の超電導フィラメン トの数とは異なる請求項(5)に記載の磁気コイル。 (11)上記個々の超電導フィラメントの配向は、上記テープの幅広の表面によって 限定される導体面に対して平行ではない請求項(5)に記載の磁気コイル。 (12)上記各領域の臨界電流値は、少なくとも１つの区分の超電導体の型を変える ことによって選択される請求項(1)に記載の磁気コイル。 (13)上記超電導体の区分はパンケーキコイルで形成され、上記超電導体の断面積 は超電導体のストランドの数を並列に増加させることによって変化させる請求項 (4)に記載の磁気コイル。 (14)上記超電導体の区分は、二重パンケーキコイルで形成されている請求項(1) に記載の磁気コイル。 (15)上記各区分の領域の臨界電流値を変化させて、上記コイルに所望の磁場プロ ファイルを発生させる請求項(1)に記載の磁気コイル。 (16)上記高温超電導体は、Ｂi₂Ｓr₂Ｃa₂Ｃu₃Ｏからなる請求項(1)に記載の磁気 コイル。 (17)コイルの長手方向軸に沿って軸方向に位置決めされた複数の区分を備えてい る磁気コイルであって、上記各区分は上記コイルの長手方向軸の周囲に巻かれた 高温超電導体を含み、上記各区分は臨界電流値を有する領域を有し、これらの臨 界電流値は予め選択された動作電流を上記超電導コイルを通して供給した時に実 質的に等しいことを特徴とする磁気コイル。 (18)軸に沿って軸方向に位置決めされた複数の区分を備えている磁気コイルを製 造する方法であって、上記各区分は上記コイルの長手方向軸の周囲に巻かれた予 め選択された高温超電導体材料で形成されていて関連付けられた臨界電流値を有 し、上記各区分は上記コイルの総合磁場に貢献し、上記方法は、 ａ）高温超電導体材料の複数の区分を設ける段階と、 ｂ）上記コイルの軸に沿って上記区分を位置決めし、上記コイルの軸に沿っ て超電導体材料を実質的に均一に分布させる段階と、 ｃ）上記各区分に関連付けられた予め選択された高温超電導体材料、及び上 記超電導体材料に印加した磁場の大きさ及び角度に基づいて上記各区分毎の臨界 電流特性データを決定する段階と、 ｄ）上記磁気コイルのジオメトリ及び上記超電導体材料の特性に基づいて上 記磁気コイル内の１組の予め選択された離間した点における磁場の大きさ及び方 向値の分布を決定する段階と、 ｅ）上記段階ｄ）において決定された磁場の大きさ及び方向値の分布、及び 上記段階ｃ）において決定された臨界電流特性データに基づいて上記磁気コイル 内の上記各予め選択された離間した点毎の臨界電流値を決定する段階と、 ｆ）上記各区分のジオメトリ及び上記区分の超電導体材料の特性に基づいて 上記各区分に関連付けられた磁場値を決定することによって、上記コイルの中心 磁場への上記各区分の貢献度を決定する段階と、 ｇ）上記段階ｅ）において決定された上記磁気コイル内の１組の予め選択さ れた離間した点に関する臨界電流値の分布に基づいて上記コイルの、及び上記コ イルの軸に沿って位置決めされた上記各区分の臨界電流値を決定する段階と、 ｈ）上記段階ｆ）において決定された中心磁場への貢献度、及び上記段階ｇ ）において決定された各区分毎の臨界電流値に基づいて上記コイルの少なくとも １つの区分の臨界電流値を変化させ、上記各区分の臨界電流値を所定値より大き くする段階と からなることを特徴とする方法。 (19)上記各区分の臨界電流値が互いの所望範囲内に入るまで、上記段階ｄ）乃至 ｈ）を繰り返す請求項(18)に記載の方法。 (20)上記コイルの少なくとも１つの区分の臨界電流値を変化させる段階ｈ）は、 上記コイルの少なくとも１つの区分の断面積を変化させる段階をも備えている請 求項(18)に記載の方法。 (21)上記コイルの少なくとも１つの区分の臨界電流値を変化させる段階ｈ）は、 上記コイルの少なくとも１つの区分の超電導体の型を変化させる段階をも備えて いる請求項(18)に記載の方法。 (22)上記コイルの軸に沿って位置決めされた各区分毎の臨界電流値を決定する段 階ｇ）は、上記各区分毎の平均臨界電流値を決定する段階を含み、上記平均臨界 電流値は上記区分から離れて軸方向に伸びる予め選択された離間した点の対応す る点に関連付けられた臨界電流の値に基づいている請求項(18)に記載の方 法。 (23)上記コイルの軸に沿って位置決めされた各区分毎の臨界電流値を決定する段 階は、上記各区分毎の平均臨界電流値を決定する段階を含み、上記平均臨界電流 値は上記区分から離れて半径方向に伸びる予め選択された離間した点の対応する 点に関連付けられた臨界電流の値に基づいている請求項(18)に記載の方法。 (24)上記コイルの少なくとも１つの区分の臨界電流値を変化させる段階ｈ）は、 上記コイルの中心から離れている超電導体の区分に関連付けられた超電導体材料 の断面積を増加させる段階をも含む請求項(18)に記載の方法。 (25)上記コイルの各区分毎の臨界電流特性データを決定する段階ｃ）は、 複数の異なる大きさで、及び方向に背景磁場を印加し、上記各区分に関連付 けられた超電導体材料の臨界電流を測定する段階と、 背景磁場の測定されない大きさ及び角度について臨界電流データを補外する 段階 をも含む請求項(18)に記載の方法。 (26)上記軸に沿って区分を位置決めする段階の前に、バルク半導体材料の形状の 各区分を準備する段階をも含む請求項(18)に記載の方法。 (27)上記バルク半導体材料の形状の各区分を準備する段階は、テープ形状の超電 導フィラメントを準備することからなる請求項(26)に記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，ＣＮ，ＪＰ，Ｎ Ｚ，ＲＵ (72)発明者 シュウォール ロバート イー アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 01532 ノースボロー トウリートップ サークル 27

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 (1) コイルの長手方向軸に沿って軸方向に位置決めされた複数の区分を備えてい る磁気コイルであって、上記各区分は上記コイルの長手方向軸の周囲に巻かれた 高温超電導体を含み、上記各区分はゼロ磁場において測定されるその値が上記コ イルの中心部分から上記コイルの端部分まで増加する臨界電流値を有する領域を 有していることを特徴とする磁気コイル。 (2) 上記各領域の臨界電流値は、上記超電導体の型及び上記コイルの磁場の角度 的配向に依存する請求項(1)に記載の磁気コイル。 (3) 上記区分の領域の臨界電流値は、上記コイルの長手方向軸に近い上記コイル の半径方向内側部分から上記コイルの半径方向外側部分まで値が減少する請求項 (1)に記載の磁気コイル。 (4) 上記領域の臨界電流値は、上記各区分の領域の超電導体の断面積を変化させ ることによって変化する請求項(1)に記載の磁気コイル。 (5) 上記超電導体は、マルチフィラメント複合超電導体の長さにわたって伸び、 そしてマトリクス形成材料によって取り囲まれている個々の超電導フィラメント を含むマルチフィラメント複合超電導体からなる超電導体テープとして形成され ている請求項(4)に記載の磁気コイル。 (6) 上記領域の超電導体の断面積は、上記コイルの長手方向軸に平行な方向に変 化している請求項(5)に記載の磁気コイル。 (7) 上記超電導体の断面積は、上記コイルの中心部分に位置する区分から上記コ イルの端部分に位置する区分まで増加する請求項(6)に記載の磁気コイル。 (8) 上記領域の超電導体の断面積は、上記コイルの長手方向軸を横切る方向にお いて変化している請求項(5)に記載の磁気コイル。 (9) 上記各区分毎の超電導体の断面積は、上記コイルの半径方向内側部分に近い 域から上記コイルの半径方向外側部分まで減少する請求項(8)に記載の磁気コイ ル。 (10)上記複数の区分の第１の区分に関連付けられた個々の超電導フィラメントの 数は、上記複数の区分の第２の区分に関連付けられた個々の超電導フィラメン トの数とは異なる請求項(5)に記載の磁気コイル。 (11)上記個々の超電導フィラメントの配向は、上記テープの幅広の表面によって 限定される導体面に対して平行ではない請求項(5)に記載の磁気コイル。 (12)上記各領域の臨界電流値は、少なくとも１つの区分の超電導体の型を変える ことによって選択される請求項(1)に記載の磁気コイル。 (13)上記超電導体の区分はパンケーキコイルで形成され、上記超電導体の断面積 は超電導体のストランドの数を並列に増加させることによって変化させる請求項 (4)に記載の磁気コイル。 (14)上記超電導体の区分は、二重パンケーキコイルで形成されている請求項(1) に記載の磁気コイル。 (15)上記各区分の領域の臨界電流値を変化させて、上記コイルに所望の磁場プロ ファイルを発生させる請求項(1)に記載の磁気コイル。 (16)上記高温超電導体は、Ｂi₂Ｓr₂Ｃa₂Ｃu₃Ｏからなる請求項(1)に記載の磁気 コイル。 (17)コイルの長手方向軸に沿って軸方向に位置決めされた複数の区分を備えてい る磁気コイルであって、上記各区分は上記コイルの長手方向軸の周囲に巻かれた 高温超電導体を含み、上記各区分は臨界電流値を有する領域を有し、これらの臨 界電流値は予め選択された動作電流を上記超電導コイルを通して供給した時に実 質的に等しいことを特徴とする磁気コイル。 (18)軸に沿って軸方向に位置決めされた複数の区分を備えている磁気コイルを製 造する方法であって、上記各区分は上記コイルの長手方向軸の周囲に巻かれた予 め選択された高温超電導体材料で形成されていて関連付けられた臨界電流値を有 し、上記各区分は上記コイルの総合磁場に貢献し、上記方法は、 ａ）上記コイルの軸に沿って上記区分を位置決めし、上記コイルの軸に沿っ て超電導体材料を実質的に均一に分布させる段階と、 ｂ）上記各区分に関連付けられた超電導体材料、及び磁場の大きさ及び角度 に基づいて上記各区分毎の臨界電流データを決定する段階と、 ｃ）上記磁気コイル内の１組の離間した点における磁場の大きさ及び方向値 の分布を決定する段階と、 ｄ）上記磁場の大きさ及び方向値の分布、及び臨界電流データに基づいて上 記コイル内の各点毎の臨界電流値を決定する段階と、 ｅ）上記コイルの総合磁場への上記各区分の貢献度を決定する段階と、 ｆ）上記コイルの、及び上記コイルの軸に沿って位置決めされた上記各区分 の臨界電流値を決定する段階と、 ｇ）上記コイルの少なくとも１つの区分の臨界電流値を変化させ、上記各区 分の臨界電流値を所定値より大きくする段階と からなることを特徴とする方法。 (19)上記各区分の臨界電流値が互いの所望範囲内に入るまで、上記段階ｃ）乃至 ｇ）を繰り返す請求項(18)に記載の方法。 (20)上記コイルの少なくとも１つの区分の臨界電流値を変化させる段階は、上記 コイルの少なくとも１つの区分の断面積を変化させる段階をも備えている請求項 (18)に記載の方法。 (21)上記コイルの少なくとも１つの区分の臨界電流値を変化させる段階は、上記 コイルの少なくとも１つの区分の超電導体の型を変化させる段階をも備えている 請求項(18)に記載の方法。 (22)上記コイルの軸に沿って位置決めされた各区分毎の臨界電流値を決定する段 階は、上記各区分毎の平均臨界電流値を決定する段階を含み、上記平均臨界電流 値は上記区分から離れて軸方向に伸びる点に関連付けられた臨界電流の値に基づ いている請求項(18)に記載の方法。 (23)上記コイルの軸に沿って位置決めされた各区分毎の臨界電流値を決定する段 階は、上記各区分毎の平均臨界電流値を決定する段階を含み、上記平均臨界電流 値は上記区分から離れて半径方向に伸びる点に関連付けられた臨界電流の値に基 づいている請求項(18)に記載の方法。 (24)上記コイルの少なくとも１つの区分の臨界電流値を変化させる段階は、上記 コイルの中心から離れている超電導体の区分に関連付けられた超電導体材料の断 面積を増加させる段階をも含む請求項(18)に記載の方法。 (25)上記コイルの各区分毎の臨界電流データを決定する段階は、 複数の異なる大きさで、及び方向に背景磁場を印加し、上記各区分に関連付 けられた超電導体材料の臨界電流を測定する段階と、 背景磁場の測定されない大きさ及び角度について臨界電流データを補外する 段階 をも含む請求項(18)に記載の方法。