JPH11102808A - Method of protecting superconducting magnet device against quenching - Google Patents
Method of protecting superconducting magnet device against quenchingInfo
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- JPH11102808A JPH11102808A JP26368197A JP26368197A JPH11102808A JP H11102808 A JPH11102808 A JP H11102808A JP 26368197 A JP26368197 A JP 26368197A JP 26368197 A JP26368197 A JP 26368197A JP H11102808 A JPH11102808 A JP H11102808A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、クエンチによる超
電導線の破損を防止した高磁場超電導磁石装置のクエン
チ保護方法に関し、特に永久電流モードで運転される永
久電流超電導磁石装置に適した、高磁場超電導磁石装置
のクエンチ保護方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a quench protection method for a high magnetic field superconducting magnet device which prevents a superconducting wire from being damaged by a quench, and more particularly to a high magnetic field suitable for a permanent current superconducting magnet device operated in a permanent current mode. The present invention relates to a quench protection method for a superconducting magnet device.
【0002】[0002]
【従来の技術】一般に、磁場を利用する核磁気共鳴分光
分析装置(以下、単にNMR 装置という) 、電子スピン共
鳴分析装置(以下、単にESR 装置という) 、ドハースフ
ァンアルフェン効果の測定装置などにおいては、発生磁
場が高い程分解能が高まり、分析精度が向上する。ま
た、発生磁場が高い程、不純物濃度やサンプル量などの
分析対象試料にたいする制約も緩和される。したがっ
て、これらの装置は、近年益々高磁場化する傾向にあ
る。これに対し、現在一般に用いられている超電導磁石
(超電導マグネット) には、NbTi、Nb3Sn などの金属超
電導線をコイル化したものが用いられている。これら金
属超電導線の臨界磁場( 超電導性を保持できる最高磁
場) は、通常、NbTiで11T(テスラ) 、Nb3Sn で 23Tであ
るので、前記装置の中・低磁場用には比較的コストの安
いNbTi超電導線が用いられ、高磁場用には、超電導性能
が高く、また比較的コストの高いNb3Sn 超電導線が、前
記NbTi超電導線と組み合わせて用いられている。しか
し、4.2Kで運転される超電導磁石では、最高磁場は18T
止まりであり、1.8K程度の超流動冷却型でも20T の発生
が上限となっている。2. Description of the Related Art Generally, nuclear magnetic resonance spectroscopy (hereinafter simply referred to as NMR) using a magnetic field, electron spin resonance (hereinafter simply referred to as ESR), and a measuring device for the de Haas-van Alphen effect, etc. In, the higher the generated magnetic field, the higher the resolution, and the higher the analysis accuracy. In addition, as the generated magnetic field is higher, restrictions on the sample to be analyzed such as the impurity concentration and the sample amount are relaxed. Therefore, these devices tend to have increasingly higher magnetic fields in recent years. In contrast, superconducting magnets commonly used today
The (superconducting magnet), NbTi, which was coiled metal superconducting wire, such as Nb 3 Sn is used. Critical magnetic field of the metal superconducting wire (maximum magnetic field capable of holding a superconducting) is usually, 11T (tesla) in NbTi, since it is 23T in Nb 3 Sn, relatively cost is for low field-in said apparatus Inexpensive NbTi superconducting wires are used. For high magnetic fields, Nb 3 Sn superconducting wires having high superconducting performance and relatively high cost are used in combination with the NbTi superconducting wires. However, for a superconducting magnet operated at 4.2K, the maximum magnetic field is 18T.
It stops, and the generation of 20T is the upper limit even in the superfluid cooling type of about 1.8K.
【0003】このため、更なる高磁場化が必要な場合に
は、外・中層の磁石を各々NbTi、Nb 3Sn 金属超電導線コ
イルにより構成し、内側のコイルを酸化物超電導線材に
より構成することが提案されている。酸化物超電導体の
臨界磁場は、通常、100T以上であり、酸化物超電導線を
巻回した円筒状の超電導コイルを内側に、金属超電導線
を巻回した円筒状の超電導コイルを外側に配置した超電
導磁石装置とすることにより、20T 以上の高い磁場が得
られる。For this reason, when it is necessary to further increase the magnetic field,
Indicates that the outer and middle layer magnets are NbTi and Nb, respectively. ThreeSn metal superconducting wire
The inner coil is made of oxide superconducting wire
It has been proposed to make more. Oxide superconductor
The critical magnetic field is usually 100 T or more, and the oxide superconducting wire
A metal superconducting wire with a wound cylindrical superconducting coil inside
Superconducting coil with a cylindrical superconducting coil placed outside
By using a magnet device, a high magnetic field of 20T or more can be obtained.
Can be
【0004】このような、より高磁場の超電導磁石装置
を実用化するためには、酸化物超電導線材の臨界電流密
度を向上させる必要がある。また、強磁場下で大電流を
通電するので、線材には極めて大きな応力が働くため、
この応力に耐える高い強度の酸化物超電導線材を実現す
ることも重要となる。したがって、このような観点か
ら、酸化物超電導線材について、高臨界電流密度化や高
耐力化を目指した開発が盛んに進められている。In order to put such a superconducting magnet device having a higher magnetic field into practical use, it is necessary to improve the critical current density of the oxide superconducting wire. In addition, since a large current flows under a strong magnetic field, extremely large stress acts on the wire,
It is also important to realize a high-strength oxide superconducting wire that can withstand this stress. Therefore, from such a viewpoint, development of an oxide superconducting wire aiming at a higher critical current density and a higher yield strength has been actively pursued.
【0005】一方、このような高磁場超電導磁石装置を
実用化するためには、更に、超電導コイルのクエンチ
(超電導状態から常電導状態への転移)が生じた場合
の、超電導コイルの保護対策も必要となる。即ち、超電
導磁石装置が高磁場になればなるほど、その磁石の蓄積
しているエネルギーは巨大となる。したがって、何らか
の原因により、磁石の低温ステージ( クライオスタッ
ト) への熱侵入が生じて、磁石システム全体の温度が上
昇し、超電導コイルの温度も上昇して、超電導コイルの
クエンチが生じ、このクエンチにより、前記蓄積エネル
ギーが放出された場合の対策が必要となる。仮に、超電
導コイルのクエンチ保護対策が無く、この蓄積エネルギ
ーが超電導コイルの一箇所に集中した場合には、その集
中した部分の超電導線乃至コイルの破断や溶断等の破損
などが生じる可能性がある。そして、この超電導線コイ
ルの破損が生じた場合には、超電導磁石装置全体が再起
動不能の致命的なダメージを被ることになる。On the other hand, in order to put such a high magnetic field superconducting magnet device into practical use, measures to protect the superconducting coil when a quench of the superconducting coil (transition from a superconducting state to a normal conducting state) occurs. Required. That is, the higher the magnetic field of the superconducting magnet device, the greater the energy stored in the magnet. Therefore, for some reason, heat enters the low-temperature stage (cryostat) of the magnet, and the temperature of the entire magnet system rises, the temperature of the superconducting coil also rises, and the quench of the superconducting coil occurs. It is necessary to take measures when the stored energy is released. If there is no quench protection measure for the superconducting coil and this accumulated energy is concentrated in one place of the superconducting coil, there is a possibility that breakage or breakage of the superconducting wire or coil in the concentrated part may occur. . If the superconducting wire coil is damaged, the entire superconducting magnet device suffers fatal damage that cannot be restarted.
【0006】したがって、従来から、このクエンチによ
って超電導磁石装置全体が致命的なダメージを被ること
のないよう、NbTi、Nb3Sn などの金属超電導線コイルの
保護対策が種々なされている。例えば、クエンチが発
生した際に、前記蓄積エネルギーをできるだけコイル全
体に分散させるため、金属超電導線コイルを小さなセク
ションに分割するとともに、各セクション毎に保護抵抗
を繋ぎ、ある特定のコイルへの電力流入の集中を防止す
る。また、図4 に示すような、ヒータ19を金属超電導
線コイル4 の外周に巻くとともにエポキシ樹脂21などで
固定し、一方で金属超電導線コイル4 の両端の発生電圧
をモニターしておき、クエンチによる過電圧発生と同時
に、ヒーター19に通電し、金属超電導線コイル4 全体を
強制的にクエンチさせ、ある特定のコイルへの電力流入
の集中を防止するなどの手段も使用されている。但し、
これらのいずれの方法も、クエンチが発生する当該コイ
ルである金属超電導線コイルの異常を検出してから、金
属超電導線コイルの保護策を開始する点で共通してい
る。Accordingly, conventionally, by the quenching entire superconducting magnet apparatus so as not to suffer a fatal damage, NbTi, protection of the metal superconducting wire coils, such as Nb 3 Sn have made various. For example, when a quench occurs, the metal superconducting wire coil is divided into small sections in order to disperse the stored energy as much as possible throughout the coil, and a protection resistor is connected to each section, so that power inflow to a specific coil is performed. Prevent concentration. In addition, as shown in FIG. 4, a heater 19 is wound around the outer periphery of the metal superconducting wire coil 4 and fixed with an epoxy resin 21 or the like.On the other hand, the voltage generated at both ends of the metal superconducting wire coil 4 is monitored, and Simultaneously with the occurrence of the overvoltage, the heater 19 is energized to forcibly quench the entire metal superconducting wire coil 4 to prevent concentration of electric power flowing into a specific coil. However,
Both of these methods have a common feature in that after detecting an abnormality of the metal superconducting wire coil, which is the coil in which quench occurs, protection measures for the metal superconducting wire coil are started.
【0007】一方、酸化物超電導線コイルのクエンチ対
策については、前記金属超電導線コイルのような対策
は、まだ検討されていない。これは前記した通り、酸化
物超電導線コイルが、酸化物超電導線材について、高臨
界電流密度化や高耐力化を目指した開発中であること
と、酸化物超電導体が極めて安定でクエンチを起こしに
くいと考えられているからである。即ち、金属超電導線
コイルでは、金属超電導線材の僅かの温度上昇の動き
が、クエンチ発生の引き金になりうる。しかし、酸化物
超電導線材においては、使用中の極低温温度から臨界温
度までの温度マージン(温度差) が、金属超電導線材と
比較してかなり大きいため、実際の酸化物超電導線材の
温度上昇の動きは、金属超電導線材と比較すると、かな
り小さく、クエンチ発生までに時間を要する。On the other hand, with respect to the quenching countermeasure of the oxide superconducting wire coil, the countermeasure such as the metal superconducting wire coil has not been studied yet. This is because, as described above, the oxide superconducting wire coil is under development with the aim of increasing the critical current density and increasing the yield strength of the oxide superconducting wire, and the oxide superconductor is extremely stable and hardly causes quenching This is because it is considered. That is, in the metal superconducting wire coil, a slight increase in temperature of the metal superconducting wire can trigger quench. However, the temperature margin (temperature difference) from the cryogenic temperature to the critical temperature during use of oxide superconducting wires is considerably larger than that of metal superconducting wires. Is considerably smaller than a metal superconducting wire, and it takes time to generate quench.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかし、この酸化物超
電導線コイルにおけるクエンチの起こりにくさは、あく
まで、酸化物超電導線コイルが単体で用いられた場合の
みに適用できるものである。本発明が対象とする、NbT
i、Nb3Sn などの金属超電導線コイルと、酸化物超電導
線コイルとを組み合わせて構成される高磁場超電導磁石
装置では、金属超電導線コイルのクエンチが発生した際
には、必然的に、酸化物超電導線コイルにクエンチが伝
播する。そして、この場合、前記したように、クエンチ
が発生する当該コイルの異常を検出してからコイルの保
護策を開始するような、従来のクエンチ対策方法では、
酸化物超電導線コイルに対して、大きなストレスがかか
り、線材が破断する等の致命的なダメージを与える場合
があることが判明した。However, the difficulty of quenching in this oxide superconducting wire coil can be applied only when the oxide superconducting wire coil is used alone. NbT targeted by the present invention
In a high-field superconducting magnet device composed of a combination of a metal superconducting wire coil such as i, Nb 3 Sn and an oxide superconducting wire coil, when a quench occurs in the metal superconducting wire coil, the Quench propagates through the superconducting wire coil. Then, in this case, as described above, in the conventional quench countermeasure method of starting the protection measure of the coil after detecting the abnormality of the coil where the quench occurs,
It has been found that a large stress may be applied to the oxide superconducting wire coil, causing fatal damage such as breakage of the wire.
【0009】即ち、金属超電導線コイルにクエンチが発
生すると、酸化物超電導線コイルの電流が電磁誘導によ
り変化する。次に酸化物超電導線コイルにクエンチが伝
播して、酸化物超電導線コイルの一部にクエンチの芽が
発生する。ここにおいて、酸化物超電導線コイルの臨界
温度は高いので、この芽の部分の温度が上昇して臨界温
度に達するには時間がかかる。また、この芽の領域の回
りが加熱されて常電導部分が広がっていくのにも時間が
かかる。例えば、この常電導部分が広がっていく速度
は、金属超電導線コイルの百分の一以下の速度である。
したがって、従来の技術思想のように、クエンチが発生
する当該酸化物超電導線コイルのコイル両端の発生電圧
をモニターしていたとしても、酸化物超電導線コイルの
常電導部分がなかなか広がらないために、既にクエンチ
が生じているにも拘らず、これを検知することが実質的
に困難である。このように酸化物超電導線コイルにクエ
ンチが生じていることを検知するまでに時間がかかる
と、その間に誘導電流が増大して、酸化物超電導線コイ
ルに対して、大きなストレスがかかり、線材が破断する
等の致命的なダメージを与えることにつながる。That is, when quench occurs in the metal superconducting wire coil, the current in the oxide superconducting wire coil changes due to electromagnetic induction. Next, the quench propagates to the oxide superconducting wire coil, and quench buds occur in a part of the oxide superconducting wire coil. Here, since the critical temperature of the oxide superconducting wire coil is high, it takes time for the temperature of the bud portion to rise and reach the critical temperature. In addition, it takes time for the area around the bud to be heated and the normal conducting portion to spread. For example, the speed at which the normal conducting portion spreads is less than one-hundredth of that of the metal superconducting wire coil.
Therefore, even if the voltage generated at both ends of the oxide superconducting wire coil where quench occurs is monitored as in the conventional technical idea, the normal conducting portion of the oxide superconducting wire coil does not easily spread, Despite the quench already occurring, it is substantially difficult to detect this. If it takes a long time to detect that the quench has occurred in the oxide superconducting wire coil, the induced current increases during that time, and a large stress is applied to the oxide superconducting wire coil, and the wire material becomes It leads to fatal damage such as breaking.
【0010】この従来のクエンチ保護対策を金属超電導
線コイルと酸化物超電導線コイルとを組み合わせて構成
される高磁場超電導磁石装置に適用した際に、酸化物超
電導線コイルがどの程度の応力(ストレス)を受けるか
をシミュレーションした結果を図6 に示す。図6 の条件
等は追って実施例にて詳述するが、同図から明らかな通
り、金属超電導線コイルにクエンチが発生した際には、
クエンチ発生から約2.5 秒後に、酸化物超電導線コイル
に、最大で450MPa程度の応力がかかることが分かる。酸
化物超電導線コイルの、現在達成されている最大の強度
は210MPa程度である。したがって、図6 から、金属超電
導線コイルにクエンチが発生した際には、約2.5 秒以内
にクエンチ保護対策を実施しない限り、酸化物超電導線
材に最大線材強度以上の応力がかかり、酸化物超電導線
材が破断する可能性が大きいことが分かる。そして、現
状では、前記した通り、酸化物超電導線コイル両端の発
生電圧をモニターしていたとしても、酸化物超電導線コ
イルにクエンチが生じていることを検知するまでには時
間がかかり、とてもこの約2.5 秒以内に、クエンチ保護
対策を実施することができない。[0010] When this conventional quench protection measure is applied to a high magnetic field superconducting magnet device composed of a combination of a metal superconducting wire coil and an oxide superconducting wire coil, the stress of the oxide superconducting wire coil is determined. Fig. 6 shows the results of a simulation of whether or not to receive this. The conditions and the like in FIG. 6 will be described later in detail in Examples, but as is apparent from FIG. 6, when a quench occurs in the metal superconducting wire coil,
It can be seen that about 2.5 seconds after the occurrence of the quench, a stress of up to about 450 MPa is applied to the oxide superconducting wire coil. The currently achieved maximum strength of the oxide superconducting wire coil is about 210 MPa. Therefore, from Fig. 6, when a quench occurs in the metal superconducting wire coil, a stress greater than the maximum wire strength is applied to the oxide superconducting wire unless a quench protection measure is taken within about 2.5 seconds, and the oxide superconducting wire It can be seen that there is a high possibility that And, as described above, even if the voltage generated at both ends of the oxide superconducting wire coil is monitored as described above, it takes time to detect that the quench occurs in the oxide superconducting wire coil, and this is very difficult. Quench protection measures cannot be implemented within about 2.5 seconds.
【0011】したがって、本発明は、このような従来技
術の問題に鑑み、金属超電導線コイルと酸化物超電導線
コイルとを組み合わせて構成される高磁場超電導磁石装
置において、金属超電導線コイルにクエンチが発生した
際に、酸化物超電導線コイルを保護することのできる高
磁場超電導磁石装置のクエンチ保護方法を提供すること
を目的とする。Accordingly, the present invention has been made in view of such problems of the prior art, and in a high magnetic field superconducting magnet device constituted by combining a metal superconducting wire coil and an oxide superconducting wire coil, the metal superconducting wire coil is quenched. It is an object of the present invention to provide a quench protection method for a high-field superconducting magnet device that can protect an oxide superconducting wire coil when it occurs.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】この目的のための本発明
の要旨は、主磁場を発生する超電導コイルが、酸化物超
電導線コイルと金属超電導線コイルとを組み合わせた超
電導磁石装置において、金属超電導線コイルのクエンチ
発生と同時に、酸化物超電導線コイル全体を強制的にク
エンチさせ、酸化物超電導線コイルを保護することであ
る。SUMMARY OF THE INVENTION The gist of the present invention for this purpose is that a superconducting coil for generating a main magnetic field is a superconducting magnet device combining an oxide superconducting wire coil and a metal superconducting wire coil. Simultaneously with the quench of the wire coil, the whole oxide superconducting wire coil is forcibly quenched to protect the oxide superconducting wire coil.
【0013】このように本発明では、従来のように酸化
物超電導線を巻回した超電導コイルのクエンチを検出す
るのではなく、金属超電導線を巻回した超電導コイルの
クエンチを検出し、この情報により、金属超電導線を巻
回した超電導コイルのクエンチ発生と同時に、酸化物超
電導線を巻回した超電導コイル全体を強制的にクエンチ
させることを特徴とする。As described above, according to the present invention, instead of detecting the quench of the superconducting coil wound with the oxide superconducting wire as in the prior art, the quench of the superconducting coil wound with the metal superconducting wire is detected. Accordingly, the quench occurs in the superconducting coil wound with the metal superconducting wire, and simultaneously, the entire superconducting coil wound with the oxide superconducting wire is forcibly quenched.
【0014】本発明の基本的な概念を図1 の回路図を用
いて説明する。図1 は核磁気共鳴分光分析(NMR) 装置用
超電導磁石装置の回路図を示している。この図1 におい
て、主磁場を発生する超電導磁石は、極低温に保持され
たクライオスタット10内に収容されている。主磁場を発
生する超電導磁石は、酸化物超電導線が巻回された酸化
物超電導線コイル1 と、これに直列に接続され、NbTi超
電導線コイル2 とNb3Sn 超電導線コイル3 が直列に接続
された金属超電導線コイル4 とからなる。また、11は超
電導コイル4 の外側に配置されたNbTi超電導線が巻回さ
れた磁場補正用のコイルである。The basic concept of the present invention will be described with reference to the circuit diagram of FIG. FIG. 1 shows a circuit diagram of a superconducting magnet device for a nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) device. In FIG. 1, a superconducting magnet for generating a main magnetic field is accommodated in a cryostat 10 kept at a very low temperature. The superconducting magnet that generates the main magnetic field is composed of an oxide superconducting wire coil 1 wound with an oxide superconducting wire and connected in series with the coil, and an NbTi superconducting wire coil 2 and an Nb 3 Sn superconducting wire coil 3 connected in series. And a metal superconducting wire coil 4. Reference numeral 11 denotes a magnetic field correction coil around which an NbTi superconducting wire disposed outside the superconducting coil 4 is wound.
【0015】そして、酸化物超電導線コイル1 の外側に
は、本発明の特徴である電源7 と回路8 で結ばれたヒー
タ5 が配置されている。このような回路構成において、
金属超電導線コイル4 にクエンチが発生すると同時に、
その電圧降下により生じる電流の変化を、金属超電導線
コイル4 に接続された回路9 により、ヒータ5 の回路8
におけるスイッチ6 に伝える。そして、これによってス
イッチ6 を作動させて、電源7 とヒータ5 とを導通さ
せ、ヒータ5 を発熱させることにより酸化物超電導線コ
イル1 全体を強制的に、短時間でクエンチさせて、酸化
物超電導線コイル1 への応力負荷を防止して、酸化物超
電導線コイル1 を保護する。Outside the oxide superconducting wire coil 1, a heater 5 connected to a power supply 7 and a circuit 8 which is a feature of the present invention is disposed. In such a circuit configuration,
When quench occurs in the metal superconducting wire coil 4,
The circuit 9 connected to the metal superconducting wire coil 4 uses the circuit 9 of the heater 5 to
To switch 6 in. Then, the switch 6 is operated to make the power source 7 and the heater 5 conductive, and the heater 5 generates heat, thereby forcibly quenching the entire oxide superconducting wire coil 1 in a short time, and The oxide superconducting wire coil 1 is protected by preventing a stress load on the wire coil 1.
【0016】また、この図1 では、好ましい態様とし
て、NbTi、Nb3Sn などの金属超電導線コイル4 に対する
クエンチ保護対策がなされている。具体的には、クエン
チが発生した際に、前記蓄積エネルギーをできるだけ金
属超電導線コイル全体に分散させるため、前記従来技術
と同様に、NbTi、Nb3Sn などの金属超電導線コイルを小
さなセクション、例えば、Nb3Sn 金属超電導線コイル3
を、図1 に示すように、a1、a2、a3毎の小さなセクショ
ンに複数分割するとともに、直列に接続された保護抵抗
22を、各セクション毎に並列に繋いで保護回路を構成
し、クエンチが発生した際に、ある特定のコイルへの電
力流入の集中を防止している。In FIG. 1, as a preferred embodiment, a quench protection measure is taken for the metal superconducting wire coil 4 such as NbTi, Nb 3 Sn or the like. Specifically, when a quench occurs, in order to disperse the stored energy as much as possible throughout the metal superconducting wire coil, a metal superconducting wire coil such as NbTi, Nb 3 Sn, etc. , Nb 3 Sn metal superconducting wire coil 3
The, as shown in FIG. 1, a 1, with a plurality of divided into smaller sections of each a 2, a 3, a protective resistor connected in series
22 are connected in parallel for each section to form a protection circuit to prevent concentration of power inflow to a specific coil when a quench occurs.
【0017】より具体的には、このような回路構成とす
ることによって、Nb3Sn 金属超電導コイル3 のクエンチ
が発生した部分の電流は、クエンチした部分の電気抵抗
値と、そのクエンチした部分を含んでいるセクションa
(又はb又はc)が持つインダクタンスの比に応じて減
衰する。この際、超電導マグネット3 全体のインダクタ
ンスに比べて各セクションa、b、cのそれぞれが持つ
インダクタンスは小さい。したがって、超電導コイル3
のクエンチした部分の電流値の減衰は、超電導コイル3
を前記セクションに分割しない場合に比して、速くな
り、クエンチした部分の破損を防ぐことができる。ま
た、クエンチしたセクションa以外のセクションb、c
でも、セクションaに蓄えられていた電磁エネルギーが
電磁誘導によって転送され、セクションb、cの電流値
が上昇する。更に、クエンチ中の磁場変動による交流損
失によってセクションb、cの超電導状態の部分が温度
上昇を起こし、臨界電流値が減少する。その結果、セク
ションb、cで誘導によって増加した電流値が、前記交
流損失による温度上昇で減少した臨界電流値を超える
と、セクションb、cでもクエンチが発生し、セクショ
ンb、cにおいても電流値はセクションaと同等の速さ
で減衰し、コイルの破損を防ぐことができる。More specifically, by adopting such a circuit configuration, the current of the quenched portion of the Nb 3 Sn metal superconducting coil 3 is determined by the electric resistance value of the quenched portion and the quenched portion. Section a containing
(Or b or c) attenuates in accordance with the ratio of the inductances. At this time, the inductance of each of the sections a, b, and c is smaller than the inductance of the entire superconducting magnet 3. Therefore, the superconducting coil 3
The decay of the current value in the quenched part of
Is not divided into the sections, the speed is increased, and damage to the quenched portion can be prevented. Sections b and c other than the quenched section a
However, the electromagnetic energy stored in section a is transferred by electromagnetic induction, and the current values in sections b and c increase. Further, due to the AC loss due to the magnetic field fluctuation during the quench, the temperature in the superconducting state of the sections b and c increases, and the critical current value decreases. As a result, when the current value increased by the induction in the sections b and c exceeds the critical current value reduced by the temperature rise due to the AC loss, quench occurs in the sections b and c, and the current value also increases in the sections b and c. Is attenuated at the same speed as that of the section a, thereby preventing the coil from being damaged.
【0018】なお、この好ましい態様では、金属超電導
線コイルに対するクエンチ保護対策を示したが、酸化物
超電導線コイルに同様のクエンチ保護対策を実施しても
良い。酸化物超電導線コイルは、前記した通り、それ自
体ではクエンチしにくい点で、金属超電導線コイルより
も、クエンチ保護対策の必要性は薄いが、本発明のよう
に、金属超電導線コイルと組み合わせて用いられる場合
には、超電導磁石装置の構成によって必要となる場合も
ある。In this preferred embodiment, a quench protection measure for the metal superconducting wire coil is described, but a similar quench protection measure may be implemented for the oxide superconducting wire coil. As described above, the oxide superconducting wire coil is less likely to be quenched by itself, and thus the necessity of quench protection measures is thinner than that of the metal superconducting wire coil, but as in the present invention, in combination with the metal superconducting wire coil. When used, it may be necessary depending on the configuration of the superconducting magnet device.
【0019】また、この図1 の態様では、前記保護抵抗
22を繋ぐことに加えて、更に好ましい態様として、保護
抵22とダイオード23を直列に接続している。これは、超
電導線コイルの励磁中に、保護抵抗でジュール発熱が起
き、超電導磁石装置の冷却に用いている液体ヘリウム等
の寒剤の蒸発が増加するのを防止するためである。より
具体的には、例えば、Nb3Sn 超電導線コイル3 の励磁中
には、超電導線コイル3 の両端および分割したセクショ
ンa1、a2、a3の両端に、励磁度に応じて電位差が生じ
る。この結果、保護抵抗22にも電流が流れて、保護抵抗
22でジュール発熱が起き、前記寒剤の蒸発が増加する場
合がある。これに対し、保護抵22とダイオード23を直列
に接続していると、超電導線コイル3 の両端および分割
したセクションa1、a2、a3の両端に電位差が生じても、
その電位差がダイオード23のオン電圧以下であるなら
ば、保護抵抗22に電流は流れないので、励磁中の保護抵
抗のジュール発熱を防ぐことができる。Further, in the embodiment shown in FIG.
In addition to connecting 22, the protection resistor 22 and the diode 23 are connected in series as a more preferable embodiment. This is to prevent the Joule heat from being generated by the protection resistor during the excitation of the superconducting wire coil, thereby preventing the evaporation of the cryogen such as liquid helium used for cooling the superconducting magnet device from increasing. More specifically, for example, during the excitation of the Nb 3 Sn superconducting wire coil 3, at both ends of the sections a 1, a 2, a 3 were both ends and dividing the superconducting coil 3, a potential difference depending on the excitation of Occurs. As a result, current also flows through the protection resistor 22 and the protection resistor
Joule heating occurs at 22 and evaporation of the cryogen may increase. On the other hand, if the protection resistor 22 and the diode 23 are connected in series, even if a potential difference occurs between both ends of the superconducting wire coil 3 and both ends of the divided sections a 1 , a 2 , a 3 ,
If the potential difference is equal to or less than the ON voltage of the diode 23, no current flows through the protection resistor 22, so that Joule heating of the protection resistor during excitation can be prevented.
【0020】[0020]
【発明の実施の形態】本発明の実施態様を、図2 に示
す、NMR 装置用の高磁場超電導磁石装置を用いて説明す
る。なお、図2 における回路の基本的な構成は図1 と同
じである。図2において、主磁場を発生する超電導磁石
は、極低温に保持されたクライオスタット10内に収容さ
れている。クライオスタット10内の超電導磁石として
は、内側に配置され、ビスマス系酸化物超電導線が巻
回された主磁場を発生する円筒状の酸化物超電導コイル
1 と、この酸化物超電導コイル1 の外側に配置される
とともに直列に接続され、内側にNb3Sn 超電導線および
外側にNbTi超電導線が巻回された主磁場を発生する円筒
状の金属超電導コイル4 とからなる。そして、酸化物超
電導コイル1 には、永久電流スイッチ12が並列に接続さ
れるとともに、永久電流スイッチ12にはヒータ用電源15
が、酸化物超電導コイル1 には励磁用電源14が、各々配
線13、16により接続されている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described using a high-field superconducting magnet device for an NMR device shown in FIG. Note that the basic configuration of the circuit in FIG. 2 is the same as that in FIG. In FIG. 2, a superconducting magnet for generating a main magnetic field is accommodated in a cryostat 10 kept at a very low temperature. As the superconducting magnet in the cryostat 10, a cylindrical oxide superconducting coil that is arranged inside and generates a main magnetic field wound with a bismuth-based oxide superconducting wire
1 and a cylindrical metal superconducting coil which is arranged outside the oxide superconducting coil 1 and connected in series, and has a Nb 3 Sn superconducting wire inside and an NbTi superconducting wire wound outside to generate a main magnetic field. 4 A permanent current switch 12 is connected in parallel to the oxide superconducting coil 1, and a heater power supply 15 is connected to the permanent current switch 12.
However, an excitation power supply 14 is connected to the oxide superconducting coil 1 by wirings 13 and 16, respectively.
【0021】ここで、前記酸化物超電導線の酸化物材料
としては、Bi2-x Pbx Sr2Ca2Cu3Oy、Bi2Sr2CaCu2O yな
どのビスマス系酸化物が好ましい。そして、酸化物超電
導線コイルの製法についても、これら酸化物原料を銀な
どの良電導性金属でシースした上で、伸線等の公知の加
工方法で線に加工するとともに、コイル化および熱処理
するなどの公知の製法が、適宜使用可能である。[0021] As the oxide material of the oxide superconducting wire, Bi 2-x Pb x Sr 2 Ca 2 Cu 3 O y, bismuth oxide such as Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O y being preferred. And also about the manufacturing method of an oxide superconducting wire coil, after sheathing these oxide raw materials with a good conductive metal such as silver, processing the wire into a wire by a known processing method such as drawing, coiling and heat treatment. Known production methods such as the above can be used as appropriate.
【0022】なお、特に磁場の均一性が要求される、NM
R 装置用の高磁場超電導磁石装置では、磁場の均一性を
保証するために、金属超電導コイル4 の外側に配置され
るとともに直列に接続された、NbTi超電導線が巻回され
た磁場補正用の円筒状のコイル11を設けることが好まし
い。また、この主磁場補正用のコイル11を配置する場所
は、主磁場発生用の超電導線コイル1 や2 に対して、よ
り外側に配置する方が、磁場乃至磁束を補償しやすい。It is to be noted that NM which particularly requires uniformity of the magnetic field
In the high-field superconducting magnet device for the R device, in order to guarantee the uniformity of the magnetic field, an NbTi superconducting wire wound around an NbTi superconducting wire, which is placed outside the metal superconducting coil 4 and connected in series, is used. Preferably, a cylindrical coil 11 is provided. In addition, it is easier to compensate for the magnetic field or magnetic flux if the main magnetic field correction coil 11 is disposed outside the superconducting wire coils 1 and 2 for generating the main magnetic field.
【0023】本発明において、金属超電導線コイル4 に
クエンチが発生すると同時に、酸化物超電導線コイル1
全体を強制的にクエンチさせて、酸化物超電導線コイル
1 を保護するため、酸化物超電導線コイル1 の外側に
は、外部電源7 と回路8 で結ばれたヒータ5 が配置され
ている。より具体的には、ヒータ5 は、図3(a)、(b) に
示す通り、円筒状の酸化物超電導線コイル1 の、それぞ
れ外周と内周の円周方向の複数箇所( 図3(a)では円周方
向の4 箇所) で、かつコイル1 の軸方向に、ヒータ線貫
通用の孔17、17を設けるとともに、この孔17にヒータ線
8 を通し、全体として、酸化物超電導線コイル1 を囲む
形にて構成される。また、ヒータ線8 のコイル1 の外周
と内周に沿う部分は、断熱剤18 (断熱パテ等) により、
ヒータ線8の発熱がコイル1 の外周と内周の空間に拡散
しないように、断熱被覆されるのが好ましい。In the present invention, the quench occurs in the metal superconducting wire coil 4 and at the same time, the oxide superconducting wire coil 1
The whole is forcibly quenched and the oxide superconducting wire coil
A heater 5 connected to an external power supply 7 and a circuit 8 is disposed outside the oxide superconducting wire coil 1 to protect the coil 1. More specifically, as shown in FIGS. 3 (a) and (b), the heater 5 is provided at a plurality of locations in the circumferential direction of the outer and inner circumferences of the cylindrical oxide superconducting wire coil 1 (FIG. a), four holes 17 and 17 for heater wire penetration are provided in the circumferential direction of the coil 1 and in the axial direction of the coil 1.
8 to surround the oxide superconducting wire coil 1 as a whole. The portion of the heater wire 8 along the outer and inner circumferences of the coil 1 is covered with a heat insulating agent 18 (insulating putty or the like).
It is preferable that the heater wire 8 be covered with heat so that the heat generated by the heater wire 8 is not diffused into the outer and inner spaces of the coil 1.
【0024】なお、酸化物超電導線コイル1 が十分小さ
く、部分的な加熱でも、酸化物超電導線コイル全体が短
時間に強制的にクエンチできる場合には、この例のよう
に、必ずしもヒータ線8 を酸化物超電導線コイル1 を囲
む形にて構成しなくても、前記図4 に示したように、ヒ
ータ (線) を酸化物超電導線コイルの外周に部分的に設
けても良い。しかし、本発明で問題とするのは、金属超
電導線コイルにクエンチが発生してから、酸化物超電導
線コイル全体を強制的にクエンチできるまでの時間であ
る。したがって、本発明では、酸化物超電導線コイルの
条件に拘らず、クエンチ発生から酸化物超電導線コイル
に許容される以上の応力(負荷) がかかるまでに、酸化
物超電導線コイル全体を強制的にクエンチする必要があ
る。If the oxide superconducting wire coil 1 is sufficiently small and the entire oxide superconducting wire coil can be forcibly quenched in a short time even with partial heating, the heater wire 8 is not always required, as in this example. , The heater (wire) may be partially provided on the outer periphery of the oxide superconducting wire coil as shown in FIG. However, what matters in the present invention is the time from when quench occurs in the metal superconducting wire coil to when the entire oxide superconducting wire coil can be forcibly quenched. Therefore, in the present invention, regardless of the conditions of the oxide superconducting wire coil, the entire oxide superconducting wire coil is forcibly forced from the occurrence of quenching until a stress (load) exceeding the allowable level is applied to the oxide superconducting wire coil. Need to be quenched.
【0025】より具体的には、前記図6 の通り、金属超
電導線コイルにクエンチが発生してから、約2.5 秒以内
のような極めて短時間に、酸化物超電導線コイルに許容
される以上の応力がかかる。酸化物超電導線コイルの、
現在達成されている最大の強度は、前記した通り、210M
Pa程度である。このため、例えば、図6 の場合では、ク
エンチが発生してから、酸化物超電導線コイルに210MPa
程度の応力がかかるまでの時間、約0.9 秒以内のような
極めて短時間に、酸化物超電導線コイル全体を強制的に
クエンチできない限り、酸化物超電導線材が破断する可
能性がある。また、高磁場超電導磁石装置の大型化に伴
い、酸化物超電導線コイルが大型化すればするほど、前
記図4 に示したような、ヒータ (線) を酸化物超電導線
コイルの外周に部分的に設ける方法では、酸化物超電導
線コイル全体を強制的にクエンチすることは難しくな
る。したがって、金属超電導線コイルにクエンチが発生
してから、酸化物超電導線コイル全体を強制的にクエン
チできるまでの時間を短縮するためにも、そして酸化物
超電導線コイルが大型化に対応して、酸化物超電導線コ
イル全体を強制的にクエンチするためにも、前記した図
3(a)、(b) に示す通り、ヒータ線は、全体として酸化物
超電導線コイル1 を囲む形に構成することが、コイル全
体の短時間でのクエンチを達成乃至保証できる点で好ま
しい。More specifically, as shown in FIG. 6, after the quench occurs in the metal superconducting wire coil, an extremely short time such as about 2.5 seconds or less can be exceeded for the oxide superconducting wire coil. Stress is applied. Oxide superconducting wire coil,
The maximum strength currently achieved is 210M, as described above.
It is about Pa. Therefore, for example, in the case of FIG. 6, after the quench occurs, the oxide superconducting wire coil has a pressure of 210 MPa.
Unless the entire oxide superconducting coil can be forcibly quenched in a very short time, such as within about 0.9 seconds, until the stress is applied, the oxide superconducting wire may break. In addition, as the size of the oxide superconducting wire coil increases with the size of the high-field superconducting magnet device, the heater (wire) as shown in FIG. , It is difficult to forcibly quench the entire oxide superconducting wire coil. Therefore, in order to shorten the time from when quench occurs in the metal superconducting wire coil until the entire oxide superconducting wire coil can be quenched, and in response to the increase in size of the oxide superconducting wire coil, In order to forcibly quench the entire oxide superconducting wire coil,
As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), it is preferable that the heater wire is configured so as to surround the oxide superconducting wire coil 1 as a whole in order to achieve or guarantee a quench of the entire coil in a short time.
【0026】このような構成の酸化物超電導線コイル1
の強制的なクエンチ装置において、金属超電導線コイル
4 にクエンチが発生すると同時に、その電圧降下により
生じる電流の変化を、金属超電導線コイル4 に接続され
た配線9 により、ヒータ5 の回路8 におけるスイッチ6
を作動させ、外部電源7 とヒータ線8 とを導通させて、
外部電源7 によりヒータ線8 を発熱させることにより、
酸化物超電導線コイル1 全体を強制的にクエンチさせ
て、酸化物超電導線コイル1 を保護する。The oxide superconducting wire coil 1 having such a configuration
Forced quench device in metal superconducting wire coil
At the same time as the quench occurs in the switch 4, the change in current caused by the voltage drop is changed by the wiring 9 connected to the metal superconducting wire coil 4 to the switch 6 in the circuit 8 of the heater 5.
To make the external power supply 7 and the heater wire 8 conductive,
By making the heater wire 8 generate heat by the external power supply 7,
The whole oxide superconducting wire coil 1 is forcibly quenched to protect the oxide superconducting wire coil 1.
【0027】なお、ここにおいて、本発明におけるNMR
装置用高磁場超電導磁石装置の永久電流モードの運転に
ついて以下説明する。永久電流モードの酸化物超電導コ
イル1 と金属超電導コイル4 の励磁は、酸化物超電導コ
イル1 に並列に接続している永久電流スイッチ12のヒー
タ( 図示せず) に外部のヒータ用電源15より通電し、そ
れぞれの永久電流を開状態として行う。そして、この状
態で励磁用の外部電源14により、酸化物超電導コイル1
に電流を流す。Here, NMR in the present invention
The operation of the high magnetic field superconducting magnet device for the device in the permanent current mode will be described below. In the permanent current mode, the excitation of the oxide superconducting coil 1 and the metal superconducting coil 4 is carried out from an external heater power supply 15 to a heater (not shown) of the permanent current switch 12 connected in parallel to the oxide superconducting coil 1. Then, each of the permanent currents is opened. Then, in this state, the oxide superconducting coil 1 is
Apply current to
【0028】このように、励磁用の外部電源14から酸化
物超電導コイル1 に電流を流す際に、ヒータ用電源15か
らも永久電流スイッチ12のヒータに通電し、発熱したヒ
ータにより、永久電流スイッチ12のスイッチ用超電導線
巻線部( 図示せず) を加熱する。加熱されたスイッチ用
超電導線巻線部は、常電導状態(オフ状態)に転移し
て、温度に応じた有限の抵抗値を持つ。そのため、励磁
用の外部電源14から酸化物超電導コイル1 に電流を供給
すると、永久電流スイッチ12はオフ状態となっているた
め、励磁用の外部電源14からの電流は、酸化物超電導コ
イル1 に流れ、その電流は増加することになる。As described above, when a current is supplied from the external power supply 14 for excitation to the oxide superconducting coil 1, the heater for the permanent current switch 12 is also supplied with electricity from the heater power supply 15, and the heater that generates heat causes the permanent current switch The 12 superconducting wire windings for the switch (not shown) are heated. The heated superconducting wire winding for a switch transitions to a normal conducting state (off state) and has a finite resistance value according to the temperature. Therefore, when a current is supplied from the external power source for excitation 14 to the oxide superconducting coil 1, the permanent current switch 12 is turned off, and the current from the external power source for excitation 14 is supplied to the oxide superconducting coil 1. Flow and its current will increase.
【0029】この酸化物超電導コイル1 に流れる電流値
が所定の値になったところで、永久電流スイッチ12のヒ
ータへの通電(ヒータによる加熱)を停止すると、図示
しない冷却部と熱的に短絡しているスイッチ用超電導線
巻線部の温度は低下して超電導状態(オン状態)に転移
する。そして、超電導線巻線部がオン状態に転移したあ
と、励磁用の外部電源14の電流を下げていくと、酸化物
超電導コイル1 に流れる電流は一定のまま、励磁用の外
部電源14の電流低下分を補うように永久電流スイッチ1
に電流が流れ込む。つまり、電流は超電導コイル1 と永
久電流スイッチ12の超電導線巻線部の間をループして流
れる。その後、励磁用の外部電源14の電流を下げて酸化
物超電導コイル1 に供給する電流をゼロにしても、酸化
物超電導コイル1 の電流は永久電流スイッチ12を経由し
て流れ、所定の電流値を保ったままとなる。このような
状態を永久電流モードでの運転と言い、図2 に示したNM
R装置用高磁場超電導磁石装置は、この永久電流モード
にて定常運転される。When the current flowing through the oxide superconducting coil 1 reaches a predetermined value and the energization (heating by the heater) of the permanent current switch 12 to the heater is stopped, the permanent current switch 12 is thermally short-circuited with a cooling unit (not shown). The temperature of the switch superconducting wire winding part lowers and transits to the superconducting state (ON state). When the current of the external power supply for excitation 14 is lowered after the winding of the superconducting wire is turned on, the current of the external power supply 14 for excitation remains constant while the current flowing through the oxide superconducting coil 1 remains constant. Permanent current switch 1 to compensate for the drop
The current flows into. That is, the current flows in a loop between the superconducting coil 1 and the superconducting wire winding of the permanent current switch 12. Thereafter, even if the current of the external power supply 14 for excitation is reduced to zero the current supplied to the oxide superconducting coil 1, the current of the oxide superconducting coil 1 flows through the permanent current switch 12 and a predetermined current value Is maintained. Such a state is called operation in the persistent current mode, and the NM shown in FIG.
The high-field superconducting magnet device for the R device is constantly operated in the permanent current mode.
【0030】[0030]
【実施例】この図2 に示した永久電流モードのNMR 装置
用高磁場超電導磁石装置を運転し、金属超電導線コイル
にクエンチが発生すると同時に、酸化物超電導線コイル
を強制的にクエンチさせて、酸化物超電導線コイルを保
護した際に、時間の経過とともに酸化物超電導線コイル
がどの程度の応力を受けるかシミュレーションした結果
を図5 、6 、7 に示す。なお、図5 は、前記図2 および
3 で示した、超電導磁石装置および酸化物超電導線コイ
ルのヒータ装置を用いた場合、即ち酸化物超電導線コイ
ルの全体的かつ強制的なクエンチ装置を用いた場合の発
明例を示している。これに対し、図6 は、発明例に対
し、図2 で示した超電導磁石装置およびの構成およびク
エンチ発生条件は同じだが、図3 で示した酸化物超電導
線コイル1 の全体的な強制的なクエンチ装置が無く、図
4 のコイルの部分的なヒータ装置のみを設けた場合の比
較例を示している。また、図7 は、更に比較のために、
発明例に対し、図2 のNMR 装置の構成およびクエンチ発
生条件は同じとし、ただ、酸化物超電導線コイルにはヒ
ータ装置 (酸化物超電導線コイルの強制的なクエンチ装
置) が無く、金属超電導線コイルに、図4 のヒータ装置
を設けた場合の、従来例を示している。EXAMPLE The high-field superconducting magnet device for an NMR device in the permanent current mode shown in FIG. 2 was operated to quench the metal superconducting wire coil and simultaneously forcibly quench the oxide superconducting wire coil. FIGS. 5, 6, and 7 show the results of a simulation of how much stress is applied to the oxide superconducting wire coil over time when the oxide superconducting wire coil is protected. FIG. 5 is similar to FIG. 2 and FIG.
3 shows an example of the invention when the superconducting magnet device and the heater device for the oxide superconducting wire coil shown in FIG. 3 are used, that is, when the entire and compulsory quench device for the oxide superconducting wire coil is used. On the other hand, FIG. 6 shows that the superconducting magnet device and the configuration and the quench generation condition shown in FIG. 2 are the same as those of the invention example, but the overall superconducting force of the oxide superconducting wire coil 1 shown in FIG. No quench device, figure
4 shows a comparative example in which only a partial heater device of the coil of No. 4 is provided. FIG. 7 shows, for further comparison,
Compared to the invention example, the configuration of the NMR system and the quench generation conditions in Fig. 2 were the same, except that the oxide superconducting wire coil did not have a heater device (forcible quench device for the oxide superconducting wire coil), and the metal superconducting wire This shows a conventional example in which the coil is provided with the heater device shown in FIG.
【0031】なお、シミュレーションに用いた、図2 の
NMR 装置用超電導磁石装置の超電導コイルの詳細な仕様
は以下の通りである。主磁場を発生する酸化物 超電
導コイル1;永久電流超電導磁石全体のインダクタンス;
1H、定格磁場;2.4T、定格電流;128A、外径;130mm 、
ボア内径;74mm、巻長さ;600mm 、使用線材;Bi2-xPb
x Sr2Ca2Cu3O y マルチフィラメント。主磁場を発生
する金属超電導コイル( 磁場の均一度補正用の超電導コ
イルを含む);永久電流超電導磁石全体のインダクタン
ス;1180H 、定格磁場;21.1T 、定格電流;350A、ボア
内径;160mm 、巻長さ;890mm 、使用線材;マルチフィ
ラメントNb3Sn およびNbTi。なお、クエンチの発生条件
は、金属超電導線コイルの内周Nb3Sn 線コイルが17.2T
、外周NbTi線コイルが2.1Tとなった時に、金属超電導
線コイルに発生するものとした。In addition, FIG.
The detailed specifications of the superconducting coil of the superconducting magnet device for NMR equipment are as follows. Oxide that generates main magnetic field Superconducting coil 1; Permanent current Superconducting magnet overall inductance;
1H, rated magnetic field: 2.4T, rated current: 128A, outer diameter: 130mm,
Bore inner diameter: 74mm, winding length: 600mm, wire used: Bi 2-x Pb
x Sr 2 Ca 2 Cu 3 O y multifilament. Metal superconducting coil that generates main magnetic field (including superconducting coil for magnetic field uniformity correction); permanent current superconducting magnet whole inductance; 1180H, rated magnetic field; 21.1T, rated current; 350A, bore diameter: 160mm, winding length 890 mm, wire used; multifilament Nb 3 Sn and NbTi. The quench was generated under the condition that the inner Nb 3 Sn wire coil of the metal superconducting wire coil was 17.2 T
When the outer NbTi wire coil reached 2.1T, the metal superconducting wire coil was generated.
【0032】まず、従来例の図7 のシミュレーション結
果から明らかな通り、従来の酸化物超電導線コイルを強
制的にクエンチさせない超電導磁石装置においては、金
属超電導線コイルにクエンチが発生した際には、金属超
電導線コイルをヒータ装置により強制的にクエンチした
としても、クエンチ発生から約0.6 秒後に、酸化物超電
導線コイルに、その最大の強度程度の210MPaの応力がか
かり、また約2.5 秒後には、酸化物超電導線コイルに、
最大で450MPa程度の応力がかかることが分かる。したが
って、図7 の従来例のシミュレーション結果からは、金
属超電導線コイルにクエンチが発生した際には、約0.6
〜2.5 秒以内に、酸化物超電導線材が破断する可能性が
高いことが分かる。First, as is apparent from the simulation result of FIG. 7 of the conventional example, in the conventional superconducting magnet apparatus in which the oxide superconducting wire coil is not forcibly quenched, when a quench occurs in the metal superconducting wire coil, Even if the metal superconducting wire coil is forcibly quenched by the heater device, a stress of about 210 MPa of its maximum strength is applied to the oxide superconducting wire coil about 0.6 seconds after the quench occurs, and after about 2.5 seconds, For oxide superconducting wire coils,
It can be seen that a maximum stress of about 450 MPa is applied. Therefore, according to the simulation result of the conventional example shown in FIG. 7, when a quench occurs in the metal superconducting wire coil, it is about 0.6%.
It can be seen that there is a high possibility that the oxide superconducting wire will break within ~ 2.5 seconds.
【0033】また、比較例の図6 のシミュレーション結
果から明らかな通り、酸化物超電導線コイルを部分的に
クエンチさせた超電導磁石装置においては、金属超電導
線コイルにクエンチが発生すると同時に、酸化物超電導
線コイルを強制的にクエンチさせているものの、その酸
化物超電導線コイル全体をクエンチさせるには至ってい
ない。この結果、クエンチ発生から約0.9 秒後に、酸化
物超電導線コイルに、その最大の強度程度の210MPaの応
力がかかり、また約2.5 秒後に、最大で240MPa程度の応
力がかかることが分かる。この応力は、前記図6 の従来
の超電導磁石装置における450MPa程度の応力よりも大幅
に軽減されているものの、酸化物超電導線コイルの、現
在達成されている最大の強度210MPaからすると、まだ応
力軽減が十分とは言えず、酸化物超電導線材が破断する
可能性がある。Further, as is apparent from the simulation result of the comparative example shown in FIG. 6, in the superconducting magnet device in which the oxide superconducting wire coil is partially quenched, the quench occurs in the metal superconducting wire coil and at the same time, the oxide superconducting wire coil is quenched. Although the wire coil is forcibly quenched, the whole oxide superconducting wire coil has not been quenched. As a result, it can be seen that about 0.9 seconds after the occurrence of the quench, the oxide superconducting wire coil is subjected to a stress of about 210 MPa, which is the maximum strength, and about 2.5 seconds, a stress of about 240 MPa is applied. Although this stress is greatly reduced from the stress of about 450 MPa in the conventional superconducting magnet device shown in FIG. 6, the stress is still reduced in view of the currently achieved maximum strength of the oxide superconducting wire coil of 210 MPa. Is not sufficient, and the oxide superconducting wire may be broken.
【0034】これらに対して、実施例の図5 のシミュレ
ーション結果から明らかな通り、本発明超電導磁石装置
においては、金属超電導線コイルにクエンチが発生する
と同時に、酸化物超電導線コイル全体を強制的にクエン
チさせた場合は、酸化物超電導線コイルには、約2.5 秒
後に、最大で200MPa程度の応力しか、かかっていないこ
とが分かる。この応力は、前記図6 や図7 の比較例や従
来例の超電導磁石装置における応力よりも大幅に軽減さ
れているとともに、酸化物超電導線コイルの、現在達成
されている最大の強度210MPaよりも低く軽減されてい
る。したがって、本発明クエンチ保護方法によれば、超
電導磁石装置の金属超電導線コイルにクエンチが発生し
た場合でも、酸化物超電導線コイルの破断等の破損を、
十分防止できることが分かる。On the other hand, as is apparent from the simulation result of the embodiment shown in FIG. 5, in the superconducting magnet device of the present invention, the quench occurs in the metal superconducting wire coil, and at the same time, the entire oxide superconducting wire coil is forcibly forced. It can be seen that when quenched, the oxide superconducting wire coil is subjected to only a maximum stress of about 200 MPa after about 2.5 seconds. This stress is significantly reduced compared to the stress in the superconducting magnet device of the comparative example of FIG. 6 and FIG. 7 and the conventional example, and is higher than the currently achieved maximum strength of the oxide superconducting wire coil of 210 MPa. It has been reduced low. Therefore, according to the quench protection method of the present invention, even when a quench occurs in the metal superconducting wire coil of the superconducting magnet device, damage such as breakage of the oxide superconducting wire coil can be prevented.
It can be seen that it can be sufficiently prevented.
【0035】なお、本実施例において、ヒータ (線) を
酸化物超電導線コイルの外周に部分的に設けた例( 図6
のシミュレーション結果例) を比較例としたが、これ
は、本実施例の酸化物超電導線コイルが比較的大型の場
合ゆえ、ヒータのコイル加熱能力が不足したためであ
る。前記した通り、酸化物超電導線コイルが十分小さ
く、部分的な加熱でも、酸化物超電導線コイル全体が強
制的にクエンチできる場合には、前記発明例のように、
必ずしもヒータ線を酸化物超電導線コイルを囲む形にて
構成しなくても、前記図4 に示したように、ヒータ
(線) を酸化物超電導線コイルの外周に部分的に設けて
も良い。In this embodiment, the heater (wire) is partially provided on the outer periphery of the oxide superconducting wire coil (FIG. 6).
This is because the oxide superconducting wire coil of the present example was relatively large, and the coil heating capability of the heater was insufficient. As described above, when the oxide superconducting wire coil is sufficiently small, and even when partially heated, the entire oxide superconducting wire coil can be forcibly quenched, as in the above-described invention example,
Even if the heater wire is not necessarily formed so as to surround the oxide superconducting wire coil, as shown in FIG.
The (wire) may be partially provided on the outer periphery of the oxide superconducting wire coil.
【0036】[0036]
【発明の効果】以上説明した通り、本発明クエンチ保護
方法によれば、金属超電導線コイルにクエンチが発生し
た際に、金属超電導線コイルとともに酸化物超電導線コ
イルをも保護することのできる高磁場超電導磁石装置を
提供することができる。したがって、20T 以上の高い磁
場が得られる高磁場超電導磁石装置を実用化可能にする
点で工業的な意義が大きい。As described above, according to the quench protection method of the present invention, when a quench occurs in a metal superconducting wire coil, a high magnetic field capable of protecting not only the metal superconducting wire coil but also the oxide superconducting wire coil. A superconducting magnet device can be provided. Therefore, it has great industrial significance in making a high-field superconducting magnet device capable of obtaining a high magnetic field of 20 T or more practical.
【図1】本発明の基本的な概念を示す、超電導磁石装置
の回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram of a superconducting magnet device, showing a basic concept of the present invention.
【図2】本発明の超電導磁石装置の一実施態様を示す、
断面概略図である。FIG. 2 shows an embodiment of the superconducting magnet device of the present invention.
FIG.
【図3】本発明の酸化物超電導コイルの強制クエンチ装
置を示す、説明図である。FIG. 3 is an explanatory view showing a forced quench apparatus for an oxide superconducting coil according to the present invention.
【図4】従来の金属超電導コイルの強制クエンチ装置を
示す、説明図である。FIG. 4 is an explanatory view showing a conventional forced quench apparatus for a metal superconducting coil.
【図5】本発明の実施例の、超電導コイルのクエンチ発
生後の酸化物超電導コイルにかかる応力のシミュレーシ
ョン結果を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing a simulation result of a stress applied to the oxide superconducting coil after the quench of the superconducting coil according to the embodiment of the present invention.
【図6】比較例の、超電導コイルのクエンチ発生後の酸
化物超電導コイルにかかる応力のシミュレーション結果
を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing a simulation result of a stress applied to the oxide superconducting coil after the quench of the superconducting coil in the comparative example.
【図7】従来例の、超電導コイルのクエンチ発生後の酸
化物超電導コイルにかかる応力のシミュレーション結果
を示す説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram showing a simulation result of stress applied to an oxide superconducting coil after a quench occurs in the superconducting coil in the conventional example.
1:酸化物超電導コイル、 2:Nb3Sn 超電導コイル、
3:NbTi 超電導コイル、4:金属超電導線コイル、 5:ヒ
ータ、 6: ヒータ用スイッチ、7:ヒータ
用電源、 8:ヒータ用配線、 9: クエン
チ検知用回路、10: クライオスタット、 11:磁場補正用
超電導コイル、12: 永久電流スイッチ、 13 、16: 配
線、 14: 励起用電源、15: ヒータ用電源、
17:励起用電源、 18: 励起用電源、19: ヒ
ータ、 20:ヒータ線、 21: エポ
キシ樹脂、22: 保護抵抗、 23:ダイオード、1: oxide superconducting coil, 2: Nb 3 Sn superconducting coil,
3: NbTi superconducting coil, 4: Metal superconducting wire coil, 5: Heater, 6: Heater switch, 7: Heater power supply, 8: Heater wiring, 9: Quench detection circuit, 10: Cryostat, 11: Magnetic field correction Superconducting coil, 12: permanent current switch, 13, 16: wiring, 14: excitation power supply, 15: heater power supply,
17: Power supply for excitation, 18: Power supply for excitation, 19: Heater, 20: Heater wire, 21: Epoxy resin, 22: Protection resistor, 23: Diode,
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 尾崎 修 神戸市西区高塚台1丁目5番5号 株式会 社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Osamu Ozaki 1-5-5 Takatsukadai, Nishi-ku, Kobe City, Kobe Steel Works, Kobe Research Institute
Claims (11)
物超電導線コイルと金属超電導線コイルとを組み合わせ
た超電導磁石装置において、金属超電導線コイルのクエ
ンチ発生と同時に、酸化物超電導線コイル全体を強制的
にクエンチさせ、酸化物超電導線コイルを保護すること
を特徴とする超電導磁石装置のクエンチ保護方法。1. A superconducting magnet device in which a superconducting coil for generating a main magnetic field is a combination of an oxide superconducting wire coil and a metal superconducting wire coil. A quench protection method for a superconducting magnet device, comprising: forcibly quenching to protect an oxide superconducting wire coil.
手段と、酸化物超電導線コイル全体を加熱する手段を設
ける請求項1に記載の超電導磁石装置のクエンチ保護方
法。2. The quench protection method for a superconducting magnet device according to claim 1, further comprising means for detecting a quench of the metal superconducting wire coil and means for heating the entire oxide superconducting wire coil.
る手段が、酸化物超電導線を巻回した超電導コイルの周
囲に配置したヒーター線と、該ヒーター線への通電手段
とからなる請求項2に記載の超電導磁石装置のクエンチ
保護方法。3. The means for heating the entire oxide superconducting wire coil comprises a heater wire disposed around a superconducting coil around which the oxide superconducting wire is wound, and a means for energizing the heater wire. 4. The quench protection method for a superconducting magnet device according to 4.
酸化物超電導線を巻回した円筒状の超電導コイルを内側
に配置するとともに、このコイルと直列に接続され、か
つ金属超電導線を巻回した円筒状の超電導コイルを外側
に配置したものである請求項1乃至3のいずれか1項に
に記載の超電導磁石装置のクエンチ保護方法。4. A superconducting coil for generating the main magnetic field,
A cylindrical superconducting coil in which an oxide superconducting wire is wound is arranged inside, and a cylindrical superconducting coil connected in series with the coil and wound with a metal superconducting wire is arranged outside. Item 4. The quench protection method for a superconducting magnet device according to any one of Items 1 to 3.
導線を巻回したコイルと、このコイルに直列に接続され
たNbTi超電導線を巻回したコイルとからなる請求項1乃
至4のいずれか1項に記載の超電導磁石装置のクエンチ
保護方法。5. The coil according to claim 1, wherein the metal superconducting wire coil comprises a coil wound with an Nb 3 Sn superconducting wire, and a coil wound with an NbTi superconducting wire connected in series with the coil. The quench protection method for a superconducting magnet device according to claim 1.
系酸化物超電導線を巻回したコイルからなる請求項1乃
至5のいずれか1項に記載の超電導磁石装置のクエンチ
保護方法。6. The quench protection method for a superconducting magnet device according to claim 1, wherein the oxide superconducting wire coil comprises a coil formed by winding a bismuth-based oxide superconducting wire.
用の超電導コイルを有する請求項1乃至6のいずれか1
項に記載の超電導磁石装置のクエンチ保護方法。7. The superconducting magnet device according to claim 1, further comprising a superconducting coil for correcting a main magnetic field.
13. The quench protection method for a superconducting magnet device according to item 13.
ョンに分割するとともに、各セクション毎に保護抵抗を
並列に接続した保護回路を設けた請求項1乃至7のいず
れか1項に記載の超電導磁石装置のクエンチ保護方法。8. The superconducting magnet according to claim 1, wherein the metal superconducting wire coil is divided into a plurality of sections, and a protection circuit is provided in which a protection resistor is connected in parallel for each section. How to protect the quench of the device.
した保護回路を設けた請求項8に記載の超電導磁石装置
のクエンチ保護方法。9. The quench protection method for a superconducting magnet device according to claim 8, further comprising a protection circuit in which a diode is connected in series with the protection resistor.
ドで運転される永久電流超電導磁石装置である請求項1
乃至9のいずれか1項に記載の超電導磁石装置のクエン
チ保護方法。10. The superconducting magnet device according to claim 1, wherein the superconducting magnet device is operated in a persistent current mode.
10. The quench protection method for a superconducting magnet device according to any one of claims 9 to 9.
磁場用である請求項1乃至10のいずれか1項に記載の
超電導磁石装置のクエンチ保護方法。11. The quench protection method for a superconducting magnet device according to claim 1, wherein the superconducting magnet device is for a high magnetic field of 20 T or more.
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