JPS60137077A - 超電導回路の持続電流ル−プの微調節用スイツチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的に超電導電流路で使うためのスイッチに
関するものである。更に詳しくは、本発明はループ電流
の精密な制御を行えるように急速なターンオンおよ、Ｕ
ターンオフ応答を有りる超電導ループ・スイッチに関す
るものである。

核磁気共鳴（ＮＭＲ）イメージングまたは分光分析のよ
うな非常に安定な磁界を必要とする）１１途では、超電
導スイッチとして動作覆るように構成された所定の長さ
の超電導体を介して超電導マグネットの２つの端を互い
に結合りるのが普通である。回路内のどの電気的結合も
超電導になるようにすることにより、このようなマグネ
ッ１〜に電流が一旦設定されれば、この電流は非常に長
期間の間一定に維持できる。上記スイッチをここでは主
スィッチと呼ぶことにする。この主スィッチには２つの
＋ｉ能を持たけることが可能Ｃ１そのいずれも主スィッ
チを超電導状態から通常の１１（抗性状態へ切り換える
ことができることに基づいている。

この主スィッチは実質上、超電導マグネツ１〜の端子間
に接続される。一旦電源により超電導ループに所望の電
流レベルが設定されると、主スィッチは抵抗性状態から
超電導状態に切り換えられる。

−Ｉ」この遷移が起ぎると、超電導マグネット内の電流
はもはや変化りることはできない。電源からの電流は１
口に減らずことができ、スイッチとコイルを含むループ
に電流が設定される。この電流は持ＶＣ（１＋ｅｒｓｉ
ｓｔｅｎｔ）　電流と呼ばれ、この持続電流の性質につ
いては後で更に詳しく説明する。更に、たとλば超電導
素子の一部を加熱することにＪ：り主スィッチは抵抗性
状態に切り換えることも′ｃきる。主スィッチは実際に
はマグネッ１−のコイルに使うのと同じ超電導体の一部
から構成することができる。超電導スイッチを抵抗状態
に維持Ｊるのに必要なヒーター電力は余り人きくないこ
とが望ましい。これはスイッチング用の電源を小さく保
ち、更に重要なことぐあるが冷に１液の消費（沸騰）を
最小限にづる１＝めである。従つＣ１＋スイツ°Ｌは極
低温冷ｌｌ液から熱絶縁されるように配置される。しか
し、本発明はこの主スィッチの構造に直接的に関係する
ものではなく、むしろ超電導電流の精密な制御を行うこ
とが出来るように超電導ループに使用される第２のスイ
ッチの構造に関するものである。

超電導現象は偏差が毎時間当り１手刀分の１より小ざい
非常に安定な磁界を生じるが、電流と磁界の値を最初に
設定する能力は電源によって制限される。特に、電流と
磁界レベルの設定能力は電源の設定能力によって制限さ
れる。、電源、特に定電流電源は一般に１０００分の１
以下または１ｏｏｏｏ分の１以下の精度に制限され（い
る。このことは、本明細書で考えているレベルの超電導
電流を供給する電源に対し−Ｃ特にあては；Ｅる。典型
的には、主マグネッ１へに対して本明細書で考えている
電流レベルは約１０００アンペアと２０００アンペアと
の間にある。しかし、ＮＭＲイメージンクのような用途
では、電流をもっと正確に、たとえば白Ｉｊ分の１の精
度で設定できることが望ましい。電流設定のこのような
精度は単に上記のような主スィッチを使うだけでは達成
できない。特に、このスイッチは極低温媒体から熱絶縁
されでいな（〕ればならないので、所望の電流調節を行
うようにスイッチの応答時間特性を充分に制御Ｉ　’−
Ｊることはできない。

特に酋通起ることとし−（、−Ｅｊ抵抗性状態への遷移
が開始されると、−トー１イル回路の電流が実質的にｔ
２　ｕまＣ減少し／Ｃ後でなりれば↑スイッチはヒータ
ー人力と無関係に超電導状態に戻ることはできない。

従っ゛（、超電導ループの電流を精密に調節する必要が
あるということがわかる。この精度が電源または主電流
スイッチの制御によって容易に得られるもので゛はない
ことも明らかである。

発　明　の概　要 本発明の好ましい一態様に従えば、持続電流超電導ルー
プの電流微調節用スイッチは、基板上に配置された所定
の長さの超電導体を含ｌυでおり、この基板上には超電
導体の少なくとも一部を加熱する手段が設りられている
。超電導体は液体ヘリウムのような極低温冷却液に容易
に露出できるように基板の外側部分に取すイ」けられて
いる。超電導レグメン１−にはま／ｊ並列の抵抗性通路
を設＠するのが好ましく、この並列抵抗性通路はヒータ
ー人力電力がないときに本発明の装置が極低温で安定と
なるように熱と電流の流れを制御する安定器として作用
づる。更に、超電導体は加熱手段から電気的に絶縁覆る
ことが好ましく、加熱手段はエポキシ、グラス・ファイ
バー等の飼料で構成した基板に切削または成形により作
った凹部または溝の中に配置覆ることが好ましい。本発
明の別の態様によれば、超電導マグネッ＋−の回路に本
発明のスイッチを電磁石コイルまたは十超電轡電流スイ
ッチと直列に用いる。

従って、本発明の１つの目的は特にＮ　Ｍ　Ｒイメージ
ングおよび分光分析システムに適した、電流と磁界を精
密に制御する手段をｌｆｉ供覆ることである。

本発明のもう１つの目的はＮ　Ｍ　Ｒイメージングおよ
び分光分析用に適した電気回路を提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は超電導状態から抵抗性状
態へ高速遷移し、また抵抗竹状態から超電導状態へ高速
遷移する超電導スイッチ素子を１１ｉ供することである
。

本発明の更にもう１つの目的は持続電流を通づ超電導回
路内ｒｉＥ確に調１１ｔｉされた但の電気エネルギーを
精密に消散させるための高速制御１１１可能なスイッチ
を提供することである。

発明と考えられる内容は特許請求の範囲に明確に記載さ
れＣいるが、図面を参照した以下の説明により本発明の
構成と実／１１！！方法は、本発明の上記以外の目的お
よび利点と共に明らかになろう。

３、発明の詳細な説明 本発明のスイッチの設計の基本的なことは、抵抗性状態
と超７１５導状態を有する導体において抵抗竹状態と超
電導状態の間で高速スイッチングを達成−りるのが望ま
しいということである。本発明のもう１つの重要／Ｚ目
的は、抵抗性状態での動作中にスイッチの１ネルギー消
費を比較的少なくりることである。たとえば、超電導回
路に非常に小さな制御ｉｉＪ能な抵抗を導入することに
より、電流を非常に遅い速度、たとえば毎秒白万分の−
の速度ぐ減少さけることができる。このどき、本発明の
スイッチを抵抗１１Ｊ状態で動作させる時間の長さを制
御することによって、全電流の変化を容易に制御１Ｉ１
１ることかできる。この制ｍ　５Ｊ能イ１は、前述のよ
うな、ループの持続電流設定に使用される主電流スイッ
チには存在しない。というのは、これらの主電流スイッ
チは極低温流体から熱絶縁されていなければならないか
らである。従って、主電流スイッチの遷移応答時間は従
来のｆｌｕ　ｔｉｔのスイッチでは所望の結果を得るの
に適当でない。更に、−け抵抗性状態への遷移がヒータ
ーによって開始されると、単にヒーター電源を除くた（
］では抵抗状態から回復させることが出来ないように主
電流スイッチは設訂されている。むしろ、スイッチを介
して主電流径路を通る電流はＩ２Ｒ加熱効果のためかな
り大きく減少させな（ジればならない。

第１図は本発明の一実施例の電流調節スイッチ１０の構
成を示−ｔ、具体的に説明り“ると、スイッチ１０は所
定の長さの超電導体１４を有−し、超電導体はマグネッ
トのコイノ１のような超電導装置からの既存のリード線
の一部分で構成づるのがｉｌｆましい。

超電導体１４は押えブラケット１２ａ、　１２ｂおよび
１２ｃにより基板１５に対し押し付りられている（ブラ
ケッ］・の正確な数＆３１随意である）。ブラケットは
ネジ締め手段１１または何か他の便ＩＩ　’ａ締め具に
より基板１５に固定される。第１図では見ることができ
ないが、超電導体１４の下にヒーター材料の条片（２０
）が配置され（いる。超電導体１４はカブ１〜ン（Ｋ　
ａｌｌＬＯＩｌ　：商標）のような材料で作られた絶縁
シー１へ１６によってヒーター２０から電気的に絶縁さ
れ１いる。一般に、絶縁シー１〜１６は充分な電気絶縁
特性を有づる材料で形成するのが好ましい。一般にシー
ト１Ｇの両端間には大き／、【化４Ｑ差が形成されない
ので、シート１６の電気絶縁特性は厳しくない。しかし
、シート１Ｇは熱絶縁レベルが過大でない月利で形成す
ることが一般に望ましい。シー１へ１６の材料の熱絶縁
特性が過大である限り、シートの厚ざを減らずことによ
りヒーター素子と長い超電導体１４どの間の熱伝達を最
大にＪることができる。基板１５はエポキシ、硝子繊維
のような材料で構成りることが好ましい。同様に、ブラ
ケット１２ａ、　１２ｂおよび１２ｃは同じかまたは類
似の材料で構成することが好ましい。しかし、ブラケッ
］・１２ａ、　１２ｂおよび１２ｃに金属を使うことも
できる。

第１図に示づ本発明の装置には２つの重要な特徴がある
。第１は所定の長さの超電導体１４が基板の外側部分に
配置されるということである。これにより超電導体１４
は極低温流体と密に熱接触１−ることができる。これに
より、超電導状態に高速かつ制御されて復帰することが
できる。史に、本発明の別の重要な特徴は安定化導体１
８を有することである。スイッチの能動部分は最大動作
電流で極低温安定（ｃｒｙｏｓｔａｂ＋ｅ）でなければ
ならない。すなわら、超電導体１４が抵抗性状態にある
と仮定し、超電導回路が最大動作電流を通していると仮
定した場合、導体の定常状態温度は、導体にお番」る磁
界も考慮に入れて、動作電流における該導体の超電導遷
移温殴より低くな（プればならない。この状態を達成す
るためには、一般に電流に対する並列導電路を設ける必
要がある。第１図では、この並列導電路は超電導体１４
０両側にハンダイ４りされた図示の安定化導体１８によ
って！ｊえられる。更に、この並列導電路を別個の回路
素子の形で段番プることも可能である。更に詳しく説明
す゛ると、本発明のスイッチＣは加熱素子がターンオン
されたとき、所定の長さの超電導体１４に対しＣ２つの
熱源がある。１Ｊなわら、絶縁シー１−１６の下に配置
６された加熱素子自体と、超電導体１４が抵抗性状態の
ときに発生りる所謂１２Ｒ加熱である。これはスイッチ
を超電導状態から抵抗性状態に変えているときは問題を
生じない。しかし、抵抗性状態から超電導状態への遷移
時には、Ｉ２Ｒ加熱損失が大きくて超電導体１４が超ｆ
ｌｆＪＩ状態に戻るのを妨げることがないように熱的平
衡を検討しな【プればならない。

当然のことながら、安定化導体の刈払は、超電導体の断
面における電流の大きざ、熱の流量および装置特定の形
状に応じて定められる。

装置の形状について特に注意しなりれはならないのは、
超電導体１４は平坦な電気絶縁性の基板上に配置されて
いるが、超電導体１４を他の形状の基板上に配置り“る
ことも可能であるということである。たとえば、特に電
流レベルによっては超電導体１４を比較的長くしなけれ
ばならない場合には、円柱状の基板を段重）ることもぐ
きる。

基板１５の溝１９の中にヒーター２０を配置した状態が
第２図に更に、詳しく示されている。ヒーター２０は押
えブラケット１２ａと１２ｂとの間に配置された長さの
超Ｎ導体１４にごく接近して配置されている。

この配置によって超電導体１４が急速に加熱され、同時
に基板１５は極低温流体が基板の下側の望ましくない温
度にさらされないように熱絶縁する。ヒーター２０はニ
クロム等の材料から成る抵抗性条片で構成づることが好
ましい。リード線２１が条片に固着されていて、外部電
瞭に接続するため塁＆１５中の垂直の溝を通って伸びて
いる。ヒーターと極低渦流体との間を更に熱絶縁するた
め、リード線２１用の溝にはワックスまたは封じ用グリ
ースのような材料よりなる栓を詰めることが好ましい。

このような材料は当然のことながら極低温では全く固体
Ｃある。ヒーター２０と密に熱接触した長さの超導電体
１４も第２図に示されている。

本発明のスイッチに関する別の図を第３図に示しである
。特に、第３図は安定化導体１８と超電導体１４の相対
的な」法を示１゜ 第１図乃至第３図に示されているように、超電導体１４
がヒーター２０に近接しているので、装置を超電導状態
から抵抗性状態に烏速切り換え覆る手段が得られること
がわかる。他方、超電導体１４が極イ１（潟流体にＭ接
して露出していること並びに安定化導体１８に近接して
存在していることにより、ヒーター２０がターンオフし
１＝後でｂ暫く抵抗状態にとどまる超電導体１４に生じ
るようなＩ２１（損失が存在していでも、装置を抵抗性
状態から超電導状態に高速遷移させる手段が得られる。

このようにスイッチ１０の３２時間どオフ時間を高速か
つ精密に制御できることにより、スイッチ１０は超電導
電流ループの持続電流の制御と調節に特に適したものと
なることがわかる。

スイッチ１０を適用することのできる回路が第４図に示
されている。第４図には３つの超電導電流ループが示さ
れており、各ループにはくマグネッ１−−　］−１’ル
等の）コイル１１０ａ、　１１０ｂまたは１１０ｃ。

ならびにそれぞれ対応するコイルの両端間に配置された
主スイッチ１２０ａ、　１２０ｂまたは１２０ｃが含ま
れている。更に、結合点１２１ａ、　１２１ｂ、　１２
１ｃ、　１２１ｄ。

１２１ｅおよび１２１ｆは特に超電導結合点であること
がわかる。超伝導径路は第４図では超電導結合点を含む
太い線のループで表わされている。小さな円で示した結
合点は抵抗性導体の相ｑ間の結合点または抵抗性導体と
超電導体との間の抵抗性結合点を表わす。抵抗性結合点
がｆ１電導素子を結合しているところでは、その結合点
において超電導素子相互間に超電導径路が存在覆ること
が理解できる。

図示のような通常の抵抗性接続部Ｉｔ、Ｔ２゜Ｉ３およ
びＩ４を介して、それぞれのコイルに電流を流すため電
力が供給される。更に、通常の保護抵抗素子１１５ａ、
　１１５ｂおよび１１５Ｃが、１三スイッチ１２０ａ；
　１２０ｂおよび１２０ｃにそれぞれ並列に配置されて
いる。更に本発明によれば、スイッチ１０がぞれぞれコ
イル１１０ａ、　１１０ｂおよび１１０ｃに直列に接続
されている。第４図に示すこのような多重コイル・マグ
ネット回路では、一般に各持続電流ループにスイッチ１
０を使うことが望ましい。図ではスイッチ１０か二１イ
ルのりぐ隅りの位置に直列に接続されているが、スイッ
チ１２０ａ、　１２０ｂおよび１２０Ｃのすぐ隣りの回
路位置に、それらと直列にスイッチ１０を゛配置りるこ
ともＣきる。更に上述したように、微調節スイッチの一
部としてコ、イルまたはスイッチ導体自体を使うことも
可能である。

上記のことから、本発明の微調節スイッチは前）小の目
的を達成り−ることは明らかである。特に、本発明によ
るスイッチは抵抗性状態と超電導状態どの間の１１１速
遷移を行う手段を提供Ｊる。史に本発明のスイッチが抵
抗性状態にある１１１間を注意深く制御りることにより
超電導ループの持続？ｔｉ流の調節を容易に１１えるこ
とも明らかぐある。しかし、注意しなければならないの
は、本発明の調節は必然的に−ｈ向のみの調節であると
いうことである。

しかし、電ｆＡｊがＩ９１望のレベルより下に下った場
合、いつでも電流電源を回路に再接続して所望の変更を
１１うことがぐきる。また、本発明のスイッチは安価な
材料から容易に製造可能であり、一部を超電導コイルの
リード線の既存部分から形成することができる。

以上、本発明を実施例により詳細に説明しくさたが、当
業者は多くの変形と変更をｉｊうことができよう。し１
ｃがって、本発明の趣旨と範囲内に入るこのような変形
と変更はずぺて特許請求の範囲に包含されるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のスイッチを例示づる平面図、第２図は
第１図の線２−２に沿って見た第１図のスイッチの断面
図、第３図は第２図の線３−３３に沿って見たスイッチ
の断面図、そして第４図は本発明のスイッチを使った電
気回路を示づ回路図である。 （主な符号の説明） １０・・・電流調ｆｌｉｊスイッチ、 １２ａ〜１２ｃ・・・押えブラケッ１−１１４・・・超
電導体、 １５・・・基板、 １６・・・絶縁シー１〜、 １８・・・安定化々１ホ、 １９・・・）１／Ｉ、 ２０・・・ヒーター、 １１０ａ・〜・１１（ｌ　ｃ・・・１イル、１２　（ｌ
　ａ・〜ｌ　２０　ｃ・・・主スイ・ンナ。 特ｎ′１出願人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）持続電流超電導ループの電流の微調節用のスイッ
   チにおいて、所定の長さの超電導体、上記超電導体がそ
   の外側表面上に配置されている基板、上記超電導体の少
   なくとも一部を加熱Ｊる手段、および上記加熱手段から
   上記超電導体を電気絶縁覆るための手段を含み、抵抗性
   状態と超電導状態との間の高速スイッチングを行えるよ
   うに上記スイッチをその中に配置し僻る極低温冷却液に
   対して上記超電導体が露出できることを特徴とするスイ
   ッチ。 （２、特許請求の範囲第（１）項記載のスイッチにおい
   て、更に上記超電導体の長さに沿って配置されて上記超
   電導体の少なくとも一部と電気的に接触づる所定の長さ
   の抵抗性導電体を含んでいるスイッチ。 （３）特許請求の範囲第（１）項記載のスイッチにおい
   て、［記基板が平坦であるスイッチ。 （４）特許請求の範囲第（１）項記載のスイッチにおい
   て、上記基板が■ボキシおよび硝子繊維で構成されてい
   るスイッチ。 （５）特許請求の範囲第（１）項記載のスイッチにおい
   て、上記基板が上記超電導体の長さに沿って隣接した溝
   を有しており、上記溝の中に上記加熱手段が上記超電導
   体と密に熱接触づるように配置されているスイッチ。 （６）特許請求の範囲第（５）項記載のスイッチにおい
   て、上記加熱手段が上記溝の中に配置された所定の長さ
   のニクロム導体で構成されているスイッチ。 （７〉特許請求の範囲第（１）項記載のスイッチにおい
   て、上記絶縁手段が上記超電導体と１記加熱手段との間
   に配置された薄い電気絶縁シーｈで構成されているスイ
   ッチ。 （８）特許請求の範囲第（１）項記載のスイッチにおい
   て、更に上記超電導体を上記基板に対しで保持する複数
   のブラクツ１へを含んでいるスイッチ。 （９）調節可能な超電導電流ループにおいて、極低温冷
   却液の中に配置されｌ〔超電導コイル、上記超電導コイ
   ルの両端間に接続され−Ｃ上記冷Ｍｌから熱絶縁された
   主超電導スイッチ、および上記主スィッチと直列に接続
   され、超電導ループの電流の微調節用のスイッチを含み
   、該微調節用のスイッチが、基板と、該基板の外側表面
   上に配置された所定の畏ざの超電導体と、該超電導体の
   少なくとも一部を加熱Ｊる手段と、該加熱手段から上記
   超電導体を電気絶縁する手段とを有し、上記微調節用ス
   イッチは上記超電導体がこの超電導体の良さのかなりの
   部分に沿って上記極低温冷却液と熱的に接触Ｊるように
   上記極低温冷ｉｌ液の中に配回されていることを１シ■
   徴とづる調節ｉＪ能な超電導電流ループ。