WO2011074092A1 - 超電導磁石装置、および超電導磁石の電流注入方法 - Google Patents

超電導磁石装置、および超電導磁石の電流注入方法 Download PDF

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WO2011074092A1
WO2011074092A1 PCT/JP2009/071020 JP2009071020W WO2011074092A1 WO 2011074092 A1 WO2011074092 A1 WO 2011074092A1 JP 2009071020 W JP2009071020 W JP 2009071020W WO 2011074092 A1 WO2011074092 A1 WO 2011074092A1
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superconducting magnet
current
switch
closed circuit
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Inventor
毅 和久田
Original Assignee
株式会社日立製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/006—Supplying energising or de-energising current; Flux pumps
    • H01F6/008—Electric circuit arrangements for energising superconductive electromagnets

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting magnet device, and more particularly to a superconducting magnet device having time stability.
  • a superconducting (superconducting) body with the property of zero DC electrical resistance can maintain a permanent current by permanent current mode operation.
  • a superconducting magnet that generates a stable DC magnetic field can be used.
  • the application of is known.
  • Superconducting applications using permanent current mode operation include NMR (Nuclear Magnetic Resonance) devices and MRI (Magnetic Resonance Imaging) devices.
  • the superconducting material various kinds of superconducting materials, for example, so-called low-temperature superconducting materials such as niobium (NbTi) and niobium tin (Nb 3 Sn) -based so-called low-temperature superconducting materials, yttrium (Y) -based and bismuth (Bi) -based oxides are used.
  • so-called low-temperature superconducting materials such as niobium (NbTi) and niobium tin (Nb 3 Sn) -based so-called low-temperature superconducting materials, yttrium (Y) -based and bismuth (Bi) -based oxides are used.
  • MgB 2 magnesium diboride
  • FeAs arsenic iron
  • the superconducting material currently in practical use as a magnet application is a niobium (Nb) -based superconducting material.
  • Niobium titanium (NbTi) is used for relatively low magnetic field applications, and niobium tin (Nb 3 Sn) is used for high magnetic field applications. Wire is used. Since these superconducting wires have a low critical temperature at which they are in a superconducting state, they are cooled and operated with liquid helium (boiling point at 1 atm is 4.2 K. K is a unit of absolute temperature). .
  • oxide superconductors including yttrium (Y) and bismuth (Bi) systems and new superconductors such as magnesium diboride (MgB 2 ) have high critical temperatures, which are expensive and may cause resource depletion.
  • Y yttrium
  • Bi bismuth
  • MgB 2 magnesium diboride
  • an oxide superconductor has a higher upper critical magnetic field than that of a practical superconducting wire, and therefore cannot be realized with a magnet using a practical superconducting wire.
  • the stability of the magnetic field is indispensable, and the commercially available NMR apparatus and the MRI apparatus are realized by the permanent current mode operation.
  • Permanent current mode operation is realized only in practical superconducting wires.
  • new superconductors such as yttrium (Y) -based, bismuth (Bi) -based oxide superconductors and magnesium diboride (MgB 2 )
  • Y yttrium
  • Bi bismuth
  • MgB 2 magnesium diboride
  • a power supply driving operation method in which a magnet is driven by an ultra-high stable DC power supply can be considered instead of the permanent current mode operation.
  • NMR measurement is attempted in the power supply driving operation of the superconducting magnet
  • the magnetic field stability is far from the permanent current mode operation.
  • the first method is a method of operating a magnet in a power supply drive mode (driven mode) using an ultra-high stability DC power supply instead of a permanent current mode operation.
  • the magnetic field stability is equivalent to the stability of the power supply device.
  • the ultra-high stability power supply is expensive, and it is not realistic to use an expensive power supply for a general MRI apparatus or NMR apparatus.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 disclose a method of compensating for magnetic field attenuation using a method of sequentially supplying a magnetic flux to a superconducting closed loop called a flux pump.
  • This method succeeds in offsetting the current decay by supplying magnetic flux to the oxide superconducting magnet in the permanent current mode operation state where the current decay cannot be ignored.
  • the magnetic flux supply method using the direct flux pump it is necessary to provide a permanent current switch in the closed circuit.
  • the amount of magnetic flux supplied per operation must be increased, and fluctuations in the strength of the magnet are allowed in NMR measurement during magnetic flux supply. There is a drawback of exceeding the value.
  • Non-Patent Document 3 in order to eliminate this defect, a superconducting loop (secondary circuit) in a permanent current mode including a magnet for generating a magnetic field and a superconducting loop (primary circuit) for supplying magnetic flux are coupled by a superconducting transformer.
  • a magnetic field stabilization method in which the amount of current change is reduced is disclosed.
  • the magnetic flux can be supplied to the primary circuit supplying the magnetic flux by the flux pump, and the reduced current can be supplied to the secondary circuit (main circuit) via the transformer transformation ratio. Achieves stability.
  • a superconducting closed loop is formed in the same manner as the permanent current mode operation magnet, and the pseudo permanent current mode operation allowing the current attenuation is performed, and the amount of current attenuation is externally supplied to the superconducting closed loop in the form of magnetic flux.
  • the superconducting magnet device in such a method is expensive because an ultra-stable power source is required, and a permanent current switch is required when a flux pump is used, and the permanent current switch is switched between on and off. There was a problem that it was difficult to generate a stable magnetic field because of its slow operation.
  • the present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a superconducting magnet device that can easily generate a stable magnetic field at low cost.
  • the present invention provides a superconducting magnet, an exciting transformer, a first closed circuit including a winding of the superconducting magnet and a secondary winding of the exciting transformer, An open / close switch that divides the first closed circuit into two closed circuits; and a power supply that supplies a pulsed current to the primary winding of the excitation transformer, and the superconducting magnet when the open / close switch is in the closed state.
  • a superconducting magnet device that constitutes a second closed circuit on the side, a third closed circuit on the secondary winding side of the excitation transformer, and that constitutes the first closed circuit when the open / close switch is open
  • the third closed circuit further includes an electric loss generating element having a resistance component, and the application of the pulsed current to the primary winding of the excitation transformer and the opening / closing of the open / close switch are synchronized.
  • Line Characterized in that it comprises a control unit for injecting a current from the power source to the superconducting magnet by.
  • electric loss is generated by controlling the opening / closing of the open / close switch in synchronization with the application of the pulsed current (by applying the pulsed current in synchronization with the opening / closing of the open / close switch).
  • the current flowing in the third closed circuit can be added to the first closed circuit using the element, and the superconducting magnet can be kept in a constant current state.
  • the present invention can provide a superconducting magnet device that can easily generate a stable magnetic field at low cost.
  • FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration circuit 10 of the superconducting magnet device according to the present embodiment.
  • the basic configuration circuit 10 of the present superconducting magnet device includes a superconducting magnet 1, an excitation transformer 2, a switch 4, and a circuit resistance (loss element) 8.
  • an alternating current pulsesed current
  • the secondary winding 12 forms an electrical closed circuit. That is, in a state where the switch 4 is opened (switch 4 is off), the superconducting magnet 1, the secondary winding 12 of the excitation transformer 2, and the loss element 8 form a closed circuit, which is referred to as a main circuit 20.
  • the superconducting magnet 1 and the switch 4 form a closed circuit 30 on the superconducting magnet 1 side, and simultaneously (accordingly) the secondary winding 12 of the excitation transformer 2 and The loss element 8 and the switch 4 constitute a closed circuit 40 on the excitation transformer 2 side.
  • the operation speed of the switch 4 is much higher than that of a known superconducting switch (speed on the order of milliseconds).
  • the main circuit 20 is placed in an ultra-low temperature state by the refrigerant or the cold heat of the refrigerator.
  • the superconducting magnet device includes a control unit (not shown) that controls the operation of the switch 4 and the like (this is the same in FIGS. 5 and 6 described later). .
  • step S1 the switch 4 is turned on (step S1, hereinafter simply referred to as (S1)).
  • step S2 the switch 4 is turned on (step S1, hereinafter simply referred to as (S1)).
  • step S2 the switch 4 is turned on (step S1, hereinafter simply referred to as (S1)).
  • step S2 the switch 4 is turned on (step S1, hereinafter simply referred to as (S1)).
  • step S2 the switch 4 is turned on (step S1, hereinafter simply referred to as (S1)).
  • step S2 the switch 4 is turned on (step S1, hereinafter simply referred to as (S1)).
  • a predetermined current is supplied from the AC power source 3 to the primary winding 11 of the excitation transformer 2 (S2).
  • S2 the primary winding 11 of the excitation transformer 2
  • a current is induced in the secondary winding 12 of the excitation transformer 2 and a current flows in the closed circuit 40.
  • the current of the primary winding 11 of the excitation transformer 2 is returned to zero (or a predetermined value) (S3), and the switch 4 is turned off (S4).
  • the main circuit 20 is configured, and the current flowing in the closed circuit 40 is added to the main circuit 20 to maintain a constant current. That is, in the example of this flowchart, the main circuit 20 is in a superconducting state, and the current flowing through the main circuit 20 is added from the outside.
  • step S6 When the excitation operation is continued (S6: No), the process proceeds to step S1.
  • the excitation operation is finished (S6: Yes) the process is finished.
  • the superconducting magnet 1 can generate a constant magnetic field when the main circuit 20 continues to maintain a constant current. Since the current held in the main circuit 20 is gradually attenuated by the loss element 8, adding a current to the main circuit 20 (steps S1 to S4) keeps a constant current. The role of the loss element 8 will be described later.
  • the method of supplying current first may be a method of supplying current directly by a DC power source in the same procedure as when performing normal permanent current mode operation. Further, the current may be supplied by a method of adding current, which will be described later.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the basic configuration circuit 10A in the case where excitation is performed by first performing normal permanent current mode operation.
  • a basic configuration circuit 10 ⁇ / b> A shown in FIG. 3 includes a main circuit switch 5 for cutting a current loop of the closed circuit 30 on a closed circuit 30 constituted by the superconducting magnet 1 and the switch 4, and both ends of the main circuit switch 5.
  • the terminal 5a and the terminal 5b are connected to each other.
  • the closed circuit 30 is configured by turning on the superconducting magnet 1 and the switch 4 and turning on the main circuit switch 5.
  • the main circuit switch 5 may be a superconducting switch or a mechanical switch.
  • the switch 4 is turned off (S11), and then the main circuit switch 5 is turned off (S12). Then, a predetermined current is passed through the superconducting magnet 1 from an external (DC) power source (not shown) via the terminals 5a and 5b (S13).
  • the main circuit switch 5 is turned on (S14), the current of the external (DC) power supply (not shown) is returned to zero and electrically disconnected (S15), and the switch 4 is turned on (S16).
  • the closed circuit 30 and the closed circuit 40 are configured. It is assumed that the main circuit 20 is in an extremely low temperature state.
  • a predetermined current is supplied from the AC power source 3 to the primary winding 11 of the excitation transformer 2 (S17).
  • a current is induced in the secondary winding 12 of the excitation transformer 2 and a current flows in the closed circuit 40.
  • the current of the primary winding 11 of the excitation transformer 2 is returned to zero (or a predetermined value) (S18), and the switch 4 is turned off (S19).
  • the main circuit 20 is configured, and the current flowing in the closed circuit 40 is added to the current flowing in the closed circuit 30, and a constant current is held in the main circuit 20.
  • FIG. 5 is a diagram showing a basic configuration circuit 10B that protects the superconducting magnet during quenching. The same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the basic configuration circuit 10B includes a resistor 6 in parallel with the superconducting magnet 1 on the superconducting magnet 1 side.
  • the off-resistance can be designed to be sufficiently high, so that it is easy to consume the energy accumulated in the superconducting magnet 1 with the resistor 6 inserted in parallel.
  • the main circuit switch 5 is a switch having a high operating speed.
  • the resistor 6 can be placed outside the ultra-low temperature container for maintaining the ultra-low temperature state, and is desirably placed outside from the viewpoint of not evaporating the refrigerant at the time of quenching or increasing the temperature inside the ultra-low temperature container.
  • FIG. 6 is a diagram showing a basic configuration circuit 10C that protects the superconducting magnet during quenching.
  • the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the basic configuration circuit 10C includes diodes 7a and 7b in parallel with the superconducting magnet on the superconducting magnet 1 side.
  • the off-resistance can be designed to be sufficiently high, so that the energy stored in the superconducting magnet 1 is consumed by the diodes 7a and 7b inserted in parallel. Becomes easy.
  • a closed circuit composed of the superconducting magnet 1 and the secondary winding 12 of the excitation transformer 2 is a main circuit 20.
  • a switch 4 is provided in parallel with the superconducting magnet 1 so as to divide the main circuit 20 into two closed circuits. Of the two closed circuits, the superconducting magnet 1 side is a closed circuit 30, and the secondary winding 12 side of the excitation transformer 2 is a closed circuit 40. This point is as described above.
  • an electric loss is generated on the main circuit 20, and at least the closed circuit 40 on the excitation transformer 2 side includes a loss element (circuit resistance) 8 as an electric loss element (electric resistance component). It has been.
  • a current is supplied from the AC power supply 3 to the primary winding 11 of the excitation transformer 2.
  • a current is supplied from the AC power supply 3 with the switch 4 turned on (short circuit).
  • the operation waveform of the AC power supply 3 is not particularly defined, but the AC current is increased from zero to a predetermined value and then returned to zero.
  • the switch 4 is turned off (opened). That is, when a current is supplied from the AC power supply 3 with the switch 4 turned on, a current is induced in the secondary winding 12 of the excitation transformer 2 and a current flows in the closed circuit 40.
  • the loss element 8 as the loss component of the closed circuit 40, a deviation occurs between the current phase of the closed circuit 40 and the current phase of the primary winding 11 of the excitation transformer 2.
  • the operation timing of the switch 4 described above is an example of a current addition method and is not limited to this.
  • the difference between the amount of magnetic flux input and output by the current induced in the main circuit 20 and the closed circuit 40 is created by creating two circuit states in which the switch 4 is short-circuited and in the open state and supplying an alternating current. As a result, the magnetic flux of the main circuit 20, that is, the current can be supplied.
  • the current addition method of this embodiment takes in the magnetic flux of the main circuit by utilizing the phase shift of the induced current due to the loss (electrical loss element) on the basic configuration circuit.
  • the loss of the main circuit is zero, the amount of magnetic flux in the basic component circuit is preserved, so that the magnetic flux cannot be taken in. For this reason, it is essential that a loss exists on the basic configuration circuit in order to capture the magnetic flux in the main circuit.
  • the current flowing through the main circuit is attenuated. In order to capture the magnetic flux, the loss must be increased, but at the same time, the loss must be reduced in order to suppress the current attenuation of the main circuit, resulting in a trade-off.
  • a loss is used that causes a large loss when the magnetic flux is input (current supply) and a small loss when maintaining the current in the main circuit.
  • the current change is alternating and the time change is fast, and the current attenuation of the main circuit is direct and the time change is slow.
  • As an electrical loss element it is effective to use the property of the superconductor itself that causes zero loss with respect to alternating current with zero direct current resistance. In this case, although there is an AC loss, the AC loss due to the superconductor is small, and thus the volume of the superconductor is required to some extent.
  • a more effective method is to use the skin effect.
  • a conductor structure in which a layer having a relatively high electrical resistance is provided near the surface and a layer having a low electrical resistance is provided on the inner side, preferably a superconductor.
  • a layer having a relatively high electrical resistance is provided near the surface and a layer having a low electrical resistance is provided on the inner side, preferably a superconductor.
  • current flows only on the conductor surface and loss occurs.
  • the direct current held in the main circuit flows through a portion with a small electrical resistance inside the conductor, so that current flows. Attenuation can be kept small.
  • ⁇ Description of configuration and operation of superconducting magnet device> 7, 8, and 9 are diagrams showing a configuration example of the superconducting magnet device 100 according to the present embodiment. Since the configuration uses the basic configuration circuit 10 shown in FIG. 1, the configuration will be described in detail although there are some overlapping portions.
  • the configuration of the superconducting magnet device 100 will be described with reference to FIG.
  • the superconducting magnet device 100 includes a superconducting magnet 1, an excitation transformer 2, a switch 4, a loss element 8, a circuit loss element 16 on the superconducting magnet 1 side, a bypass circuit loss element 17, and a control unit 50 that controls each part. And. Moreover, although mentioned later in detail, the magnetic field sensor 60 is provided.
  • the excitation transformer 2 an alternating current is supplied to the primary winding 11 from the alternating current power supply 3, and the secondary winding 12 forms an electrical closed circuit.
  • the superconducting magnet 1, the circuit loss element 16, the loss element 8, and the secondary winding 12 of the excitation transformer 2 form a closed circuit, which is the main circuit. 20
  • the switch 4 is closed (switch 4 is on)
  • the superconducting magnet 1, the circuit loss element 16, the bypass circuit loss element 17, and the switch 4 form a closed circuit 30 on the superconducting magnet 1 side.
  • the secondary winding 12, the switch 4, the bypass circuit loss element 17 and the loss element 8 constitute a closed circuit 40 on the excitation transformer 2 side.
  • the configuration of the superconducting magnet device 100 shown in FIG. 7 is the same as in FIGS. 8 and 9, and only the operation state is different, so that the description of the configuration is omitted.
  • the control unit 50 of the superconducting magnet device 100 performs control to turn on the switch 4.
  • the closed circuit 30 and the closed circuit 40 are configured.
  • the control unit 50 performs control to increase the excitation current (alternating current) from the AC power source 3 to the primary winding 11 of the excitation transformer 2.
  • a current is induced in the secondary winding 12 of the excitation transformer 2 and a current flows in the closed circuit 40.
  • the control unit 50 performs control to return the excitation current (alternating current) to the primary winding 11 of the excitation transformer 2 to zero.
  • the control unit 50 performs control to turn off the switch 4.
  • the main circuit 20 is configured, and the current flowing in the closed circuit 40 is added to the main circuit 20 so that a constant current is held in the main circuit 20.
  • the superconducting magnet 1 has, for example, an inductance of 100 [H]. Further, the superconducting magnet 1 and the secondary winding 12 of the excitation transformer 2 are connected by soldering (not superconducting connection) to form a main circuit 20 as a closed circuit.
  • the inductances of the primary winding 11 and the secondary winding 12 of the excitation transformer 2 are each 0.1 [H], and the coupling coefficient of both is 0.7.
  • a switch 4 is provided in parallel with the superconducting magnet 1 so as to divide the main circuit 20 into two circuits on the superconducting magnet 1 side and the secondary winding 12 side of the excitation transformer 2.
  • the switch 4 is composed of a semiconductor relay element.
  • the switch 4 is used to separate the main circuit 20 into two circuits at high speed, and as described above, it requires a high-speed opening / closing operation, preferably within 10 milliseconds. There are no particular restrictions on the method as long as this speed is satisfied, and a mechanical relay switch is also applicable. Furthermore, it is desirable that the on-resistance of the switch 4 is sufficiently small. Since the voltage of the product of the time variation of the current of the closed circuit 40 on the exciting transformer side and the on-resistance is applied to the superconducting magnet 1, the current flowing in the superconducting magnet 1 is affected by the alternating current supplied from the AC power supply 3. .
  • the on-resistance of the switch 4 is reduced, the alternating current amplitude is reduced, and the alternating current is applied. It is effective to shorten the time, and it may be designed according to the required magnetic field fluctuation specifications.
  • the inductance of the superconducting magnet 1 is 100 [H]
  • the on-resistance of the switch 4 is 1 ⁇
  • the current change of the closed circuit 40 on the excitation transformer side is changed by 1 A due to the supply of the AC current from the AC power supply 3, the change
  • the time is 1 msec
  • the current change of the superconducting magnet 1 is approximately 10 ⁇ A.
  • the current fluctuation is 10 ⁇ 7 .
  • a thermal superconducting switch generally used for permanent current mode operation has a small on-resistance, but its switching speed is in seconds, so its use is limited to cases where switching speed is slow but acceptable. .
  • a mechanical switch can easily reduce the on-resistance, and the switching speed is also relatively high, which is a desirable mode. From the viewpoint of switching speed, it is preferable to use a semiconductor element. However, in the case of a semiconductor switch, since the on-resistance of the switch is relatively large, it is necessary to design a small current.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a switch using a semiconductor element, and includes two diodes d1 and d2, variable resistors r1 and r2, and a voltage regulator V.
  • the switch 4 shown in FIG. 10 by adjusting the bias voltage and bias current applied to the semiconductor, the voltage applied to the superconducting magnet 1 when the switch 4 is on can be made almost zero. Both speed and on-resistance can be achieved.
  • An AC power supply 3 is connected to the primary winding 11 of the excitation transformer 2. The AC power supply 3 supplies a trapezoidal current in synchronization with the opening / closing operation of the switch 4. After the trapezoidal waveform current is supplied from the AC power supply 3 in the ON state of the switch 4, the operation of turning off the switch 4 is repeated.
  • FIG. 11 is a timing chart showing the excitation current waveform supplied from the AC power supply 3, the ON / OFF timing of the switch 4, and the state of current increase in the main circuit 20.
  • the state of increase in current in the main circuit 20 is calculated by a circuit simulator (not shown). As shown in FIG. 11, switching on and off in the switch 4 with respect to the excitation current waveform supplied from the AC power supply 3 is performed. The current is added to the main circuit 20 step by step.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an increase in current of the main circuit 20 that is simulated by changing circuit conditions.
  • the circuit loss element 16 and the bypass circuit loss element 17 on the superconducting magnet 1 side are 1 ⁇ , and the resistance value of the loss element (circuit resistance) 8 is changed from 1 m ⁇ to 10 ⁇ . It can be seen that the loss at the loss element 8, that is, the rising of the current becomes steeper as the resistance value is increased, and that more current is induced by the operation of the AC power supply 3 once. Further, since the current of the main circuit 20 is attenuated by the loss element 8, the current supplied from the AC power supply 3 and the current attenuation amount of the main circuit 20 are approximately the same, and saturate at a certain constant value.
  • the value of the current induced in the main circuit 20 becomes a substantially constant value regardless of the magnitude of the resistance of the loss element 8.
  • the value of the resistance of the loss element 8 determines the current value introduced into the main circuit 20 by one current supply operation of the AC power supply 3. In order to control the current value of the main circuit 20, a finite value is used. It is necessary to have. On the other hand, in order to suppress the current attenuation of the main circuit 20, it is necessary to reduce the circuit resistance.
  • the loss element 8 may be one that causes a loss with respect to an alternating current and does not cause a loss with respect to a direct current.
  • a typical one having such a property is a superconductor.
  • a superconductor has a property of zero resistance to a direct current, but is not limited to an alternating current loss.
  • a superconducting wire for alternating current has a superconducting filament (superconducting wire) thinned to submicron and twisted. This is to reduce hysteresis loss and coupling loss in the superconductor.
  • the ideal loss element 8 can be mounted by using a DC superconducting wire having a relatively thick filament instead of an AC superconducting wire. That is, even though a general DC superconducting wire has AC loss, the AC loss is not so large because the filament size is as thin as about 30-100 microns. In order to increase the AC loss, it is important that the cross-sectional area of the filament is large. By using a superconducting single core wire or a superconducting bulk, the loss can be obtained more effectively.
  • FIG. 13 shows an example of the superconducting bulk conductor 13, which uses a meander-shaped (zigzag bent) bulk.
  • a wire in which a superconducting conductor is embedded in the center of a metal matrix (composite structure) having electrical resistance may be used. Since the current induced in the circuit by supplying current from the AC power supply 3 is AC, the current flowing in the conductor is concentrated on the conductor surface due to the skin effect.
  • a wire material configuration in which a resistance layer on the surface side of the conductor and a superconducting filament are disposed at a position deeper than the skin thickness is more preferable because an alternating current flows almost only in the metal matrix portion.
  • FIGS. 14, 15, and 16 are diagrams showing a configuration example of the above-described wire, in which the metal matrix 14 is disposed on the surface side of the conductor, and the superconducting filament 15 is disposed at a position deeper than the skin thickness.
  • FIG. 14 shows a configuration in which the superconducting filament 15 is a single core wire.
  • FIG. 15 shows a configuration in which the superconducting filament 15 is a plurality of stranded wires.
  • FIG. 16 shows a configuration in which the superconducting filament 15 is a plurality of double strands. It is not always necessary to place the superconducting filament at a position deeper than the skin thickness. Even when the superconducting filament is not installed at a position deeper than the skin thickness, alternating current is distributed to both the metal matrix and the superconducting filament. Therefore, the resistance loss of the metal matrix portion can be used.
  • the superconducting filament is embedded in a metal matrix having resistance, or the metal layer is disposed on the outer periphery of the superconducting wire, but the metal matrix that generates the loss or the material of the metal layer is particularly defined. It is not a thing.
  • a high resistance metal is desirable from the viewpoint of shortening the length of the wire, and for example, copper nickel (CuNi) widely used as a superconducting wire for a permanent current switch is used.
  • a constant current state can be realized in the superconducting magnet 1 by using the loss element 8 and synchronizing the application of the alternating current from the alternating current power supply 3 and the on / off operation of the switch 4.
  • the superconducting magnet device 100 of the present embodiment can be excited to the rated current value by supplying current only from the AC power supply 3, but the main circuit switch 5 is provided on the main circuit 20 as shown in FIG. By installing, the superconducting magnet 1 can be directly excited by an external power source (not shown).
  • the control unit 50 of the superconducting magnet device 100 opens the main circuit switch 5 (off), and a predetermined current is supplied to the superconducting magnet 1 from an external power source (not shown).
  • the main circuit switch 5 is short-circuited (ON), and the current supply operation using the AC power supply 3 and the switch 4 is controlled in a state where the main circuit 20 is energized.
  • a permanent magnetic field can be generated in the superconducting magnet 1.
  • a superconducting magnet (magnet) is provided with a protection circuit for protecting the magnet during quenching.
  • the protection resistor 6 shown in FIG. 5 or the protection diodes 7 a and 7 b shown in FIG. 6 are arranged in parallel to the superconducting magnet 1 closer to the superconducting magnet 1 than the main circuit switch 5.
  • the main circuit switch 5 may be a permanent current switch like a normal permanent current mode magnet.
  • the superconducting magnet device 100 of the present embodiment may have a resistance on the main circuit 20, a mechanical switch may be used as the main circuit switch 5.
  • a mechanical switch is used as the main circuit switch 5
  • a favorable result is obtained in the case of protection of the superconducting magnet 1, particularly in the case of a new superconducting magnet such as an oxide superconducting magnet or magnesium diboride (MgB 2 ).
  • MgB 2 magnesium diboride
  • These superconducting magnets have a slow quench propagation speed, so there is a risk of burning due to local heat generation at the quenching part. When quenching occurs, it is necessary to quickly reduce the current of the superconducting magnet. is there.
  • the main circuit switch 5 is a mechanical switch, it is possible to sufficiently increase the off resistance of the switch as compared with a thermal permanent current switch. In this case, the protection resistance for dissipating the energy stored in the superconducting magnet can be increased, and the protection of the superconducting magnet using the protection resistance becomes more effective.
  • the superconducting magnet device 100 of this embodiment supplies current to the main circuit 20 by repeatedly energizing a trapezoidal waveform.
  • the current supplied to the main circuit 20 per unit time can be controlled by the number of times of energization of the trapezoidal waveform per unit time, and can also be controlled by the maximum current value of the trapezoidal waveform. Accordingly, it is possible to precisely control the amount of current supplied to the main circuit 20 per unit time by combining the cycle of the AC power supply and the current value. As a result, a stable magnetic field can be generated using a general-purpose power source without using an ultra-highly stable power source.
  • Magnetic field sensor in this embodiment In order to stably control the magnetic field intensity generated by the superconducting magnet to a target value, it is desirable to adjust the current input amount while monitoring the magnetic field generated by the superconducting magnet or the current flowing through the superconducting magnet.
  • a magnetic field sensor may be placed in the vicinity of the magnetic field generation space of the superconducting magnet or the line (circuit) constituting the main circuit 20 for monitoring.
  • the control unit 50 of the superconducting magnet device 100 measures the generated magnetic field of the superconducting magnet 1 using the magnetic field sensor 60 (S21).
  • the control unit 50 calculates the operating parameters (set current value, sweep speed, interval) of the AC power supply 3 and the switch 4 based on the measurement result of the generated magnetic field, and the AC power supply 3 and the switch 4 according to this calculation result.
  • Set motion control. (S22)
  • the control unit 50 turns on the switch 4 (S23), supplies a predetermined current from the AC power source 3 to the primary winding 11 of the excitation transformer 2 (S24), and the primary winding 11 of the excitation transformer 2 Is returned to zero (or a predetermined value) (S25), and the switch 4 is turned off (S26).
  • S27: No the control unit 50 proceeds to step S21 and continues the control operation.
  • the excitation operation is finished (S27: Yes)
  • the control unit 50 finishes the control operation.
  • the superconducting magnet device 100 can stabilize the magnetic field strength by the control unit 50 controlling the excitation operation.
  • the magnetic field sensor may be a hall sensor or the like when precise magnetic field accuracy is not required.
  • a flux gate SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) is used. Sensor) and a magnetic field sensor using NMR signals are desirable.
  • the superconducting magnet is a superconducting magnet for NMR and a heavy water lock signal at the time of NMR measurement can be used, it is not necessary to install a magnetic field sensor in the superconducting magnet itself, by using the heavy water lock signal, It is possible to obtain a more accurate magnetic field.
  • the magnetic field sensor 60 is used. However, as described above, the current value flowing through the superconducting magnet 1 may be measured (monitored).
  • a time-stable magnetic field can be generated.
  • the current is held in a closed circuit, and the current attenuation is compensated by applying magnetic flux (current supply) from the outside. Therefore, the closed circuit may not be an ideal permanent current loop, and a resistance component may exist in the closed circuit. Thereby, the connection between the superconducting wires does not need to be a superconducting connection, and the structure of the connecting portion can be simplified and simplified.
  • the permanent current switch which is essential for the permanent current mode operation
  • a mechanical switch or the like By replacing the permanent current switch with a mechanical switch, the switch can be opened when the superconducting magnet is quenched, and the energy of the superconducting magnet at the time of quenching can be easily dissipated by the external resistance.

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Abstract

【課題】低価格で容易に安定磁場を発生することのできる超電導磁石装置を提供することを目的とする。 【解決手段】基本構成回路１０は、超電導マグネット１と、励磁トランス２と、スイッチ４と、損失要素８とを備える。スイッチ４がオフ状態で、超電導マグネット１と励磁トランス２の２次巻線１２と損失要素８とから主回路２０が構成される。スイッチ４をオンすることにより閉回路３０と閉回路４０とが構成される。電源３から励磁トランス２の１次巻線１１に所定の電流が供給され、励磁トランス２の２次巻線１２に電流が誘起され、閉回路４０に電流が流れる。励磁トランス２の１次巻線１１の電流をゼロ（または予め定められた値）に戻してスイッチ４をオフにした際、主回路２０が構成され、この主回路２０に閉回路４０に流れていた電流が継ぎ足されて一定の電流が保持される。

Description

超電導磁石装置、および超電導磁石の電流注入方法
　本発明は、超電導磁石装置に関し、特に時間安定性を有する超電導磁石装置に関する。
　直流電気抵抗がゼロという性質をもつ超電導（超伝導）体は、永久電流モード運転によって永続的に電流を維持することができ、この性質を利用して安定的な直流磁場を発生する超電導磁石への応用が知られている。
　永久電流モード運転を利用した超電導応用には、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance：核磁気共鳴）装置、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging：磁気共鳴画像）装置がある。
　超電導材料としては、さまざまな種類の超電導材料、たとえばニオブチタン（ＮｂＴｉ），ニオブスズ（Ｎｂ３Ｓｎ）などのニオブ（Ｎｂ）系のいわゆる低温超電導材料、イットリウム（Ｙ）系，ビスマス（Ｂｉ）系の酸化物超電導材料、また、近年では、二硼化マグネシウム（ＭｇＢ２）、砒鉄（ＦｅＡｓ）系などのような新超電導材料が存在する。
　現在、磁石応用として実用化されている超電導材料はニオブ（Ｎｂ）系の超電導材料であり、比較的低い磁場応用にはニオブチタン（ＮｂＴｉ）が、高い磁場応用にはニオブスズ（Ｎｂ３Ｓｎ）の超電導線材が使われている。これらの実用超電導線材は超電導状態となる臨界温度が低いため、液体ヘリウム(１気圧下での沸点が４．２Ｋ。なお、Ｋは絶対温度の単位である。)で冷却して動作させている。
　一方、イットリウム（Ｙ）系、ビスマス（Ｂｉ）系を含む酸化物超電導体や、二硼化マグネシウム（ＭｇＢ２）等の新超電導体は、臨界温度が高いことから、コストが高く資源枯渇のおそれがある液体ヘリウムを利用しない超電導応用が期待されている。特に、酸化物超電導体は、実用超電導線材にくらべて高い上部臨界磁界をもつことから、実用超電導線材を使った磁石では到底実現できない３０Ｔ（Ｔ：磁束密度単位、Ｔ＝Ｗｂ・ｍ－２）を超える磁場を発生することも原理的に可能である。そのため、酸化物超電導体を用いたＮＭＲ装置の実現が期待されている。
　ＮＭＲ装置及びＭＲＩ装置においては磁場の安定性が不可欠であり、市販されているＮＭＲ装置及びＭＲＩ装置は、永久電流モード運転によりこれが実現されている。永久電流モード運転が実現されているのは実用超電導線材のみであり、イットリウム（Ｙ）系、ビスマス（Ｂｉ）系の酸化物超電導体や二硼化マグネシウム（ＭｇＢ２）などの新超電導体においては、実験的に永久電流モード運転は試みられているが実用レベルとはなっていない。
　したがって、酸化物超電導体や新超電導体をＮＭＲ装置、ＭＲＩ装置へ応用する場合、永久電流モード運転の実現が課題となる。永久電流モード運転を実現するためには、超電導線材同士を超電導的に接続して超電導閉回路をつくる必要があり、超電導接続技術の開発が必要となる。
　酸化物超電導体や新超電導体では、超電導接続を実現することが難しくまだ実用化されていない。また、酸化物超電導体は、たとえ超電導接続が実現されたとしても、永久電流モード運転時にその電流が次第に減衰することが予想される。これは酸化物超電導体の磁束クリープ現象に起因するもので、本質的にＮＭＲ装置用の安定な磁場（均一磁場）を酸化物超電導磁石では実現できないとされている。
　酸化物超電導体などを用いた超電導磁石で安定な磁場を発生させるためには、永久電流モード運転の代わりに、超高安定な直流電源によって磁石を駆動する電源駆動運転方式が考えられる。超電導磁石の電源駆動運転でＮＭＲ計測を試みた例も存在するが、磁場安定性は永久電流モード運転には遠く及ばない。
　また、酸化物超電導磁石を含む超電導閉回路を構成して永久電流モード運転を行い、電流が減衰した分を外部から供給して永続電流を一定値に維持しようとする試みが行われている。
　理想的な永久電流モード運転でなくても安定な磁場を発生する超電導磁石を提供する方法が２つある。
　第１の方法は、永久電流モード運転ではなく超高安定な直流電源を使用し、電源駆動モード（ドリブンモード）で磁石を運転する方法である。この場合、磁場安定性は電源装置の安定性と等価となる。しかしながら、超高安定電源は価格が高く、一般的なＭＲＩ装置，ＮＭＲ装置に高価な電源を採用するのは現実的ではない。
　第２の方法は、永久電流モード運転の磁石と同様に超電導閉ループを形成し、電流減衰を許容した擬似永久電流モード運転を行い、電流が減衰した分を外部から磁束の形でエネルギーを超電導閉ループに投入して電流値を一定に維持する方法である。
　非特許文献１、２には、フラックスポンプと呼ばれる逐次、磁束を超電導閉ループに供給する方法を用いて磁場減衰を補償する方法が開示されている。
　この方法では、電流減衰の無視できない永久電流モード的運転状態の酸化物超電導磁石に磁束を補給し、電流減衰を相殺することに成功している。直接フラックスポンプを用いた磁束の供給方法では、閉回路に永久電流スイッチを備えることが必要となる。しかし、フラックスポンプ動作時に永久電流スイッチのオン、オフの切り替え動作時間がかかることから、一回あたりの磁束供給量を多くしなければならず、磁束供給時にマグネットの強度の変動がＮＭＲ計測で許容値をこえてしまうという欠点がある。
　非特許文献３では、この欠点をなくすため、磁場を発生するマグネットを含む永久電流モードの超電導ループ（２次回路）と磁束供給するための超電導ループ（１次回路）を超電導トランスで結合して電流変化量を小さくした磁場安定化法が開示されている。この場合、磁束を供給する１次回路にフラックスポンプで磁束を供給し、トランスの変圧比を介して小さくなった電流を２次回路（主回路）に供給でき、ＮＭＲ計測に十分な計測の磁場安定度を実現している。しかし、この方法では主回路で減衰する電流よりも多くの電流を１次回路に追加し続ける必要があるため、１次回路の電流容量の制限により主回路に供給可能な電流量、いいかえると磁場を安定に保っていられる時間が制限される。
Y. Iwasa: Microampere flux pumps for superconducting NMR magnets Part 1: basic concept and microtesla flux measurement: Cryogenics 41(2001)p 385-391 R. Mai: Operation of a digital flux injector coupled to a 50-MHz HTS insert magnet: Journal of Physics: Conference Series 43(2006)p763-766 大塚昭弘：フラックスポンプによる600MHz NMRマグネットのドリフト補償:低温工学研究論文 Vol.43 No.2(2008)
　前記したように、永久電流モード運転の磁石と同様に超電導閉ループを形成し、電流減衰を許容した擬似永久電流モード運転を行い、電流が減衰した分を外部から磁束の形でエネルギーを超電導閉ループに投入して電流値を一定に維持する方法がある。
　しかしながら、このような方法における超電導磁石装置は、超高安定電源が必要であるため価格が高く、また、フラックスポンプを用いた場合に永久電流スイッチが必要となり、永久電流スイッチはオン、オフの切り替え動作が遅いので安定磁場を発生させることが困難であるという課題があった。
　本発明は、前記した従来の課題を解決するものであり、低価格で容易に安定磁場を発生することのできる超電導磁石装置を提供することを目的とする。
　上記の課題を解決するために、本発明は、超電導マグネットと、励磁トランスと、前記超電導マグネットの巻線および前記励磁トランスの２次巻線を含んで構成される第１の閉回路と、前記第１の閉回路を２つの閉回路に分断する開閉スイッチと、前記励磁トランスの１次巻線にパルス状の電流を供給する電源と、を備え、前記開閉スイッチが閉状態のとき前記超電導マグネット側で第２の閉回路を構成し、前記励磁トランスの２次巻線側で第３の閉回路を構成し、前記開閉スイッチが開状態のとき前記第１の閉回路を構成する超電導磁石装置であって、抵抗成分を有する電気損失発生要素を前記第３の閉回路にさらに備えるとともに、前記励磁トランスの１次巻線への前記パルス状の電流の印加および前記開閉スイッチの開閉を同期して行うことで前記電源からの電流を前記超電導マグネットに注入する制御部を備えることを特徴とする。
　本発明によれば、パルス状の電流の印加に同期して開閉スイッチの開閉が制御されることにより（開閉スイッチの開閉に同期してパルス状の電流が印加されることにより）、電気損失発生要素を利用して第３の閉回路に流れる電流を第１の閉回路に継ぎ足すことができ、超電導マグネットを一定の電流状態に保つことができる。
　本発明は、低価格で容易に安定磁場を発生することのできる超電導磁石装置を提供することができる。
本実施形態に係る超電導磁石装置の基本構成回路を示す図である。 基本構成回路における超電導マグネットの励磁動作を説明するためのフローチャートである。 外部電源を用いた超電導磁石装置の基本構成回路を示す図である。 外部電源を用いた超電導マグネットの励磁動作を説明するためのフローチャートである。 クエンチ時における超電導磁石保護の基本構成回路を示す図である。 クエンチ時における超電導磁石保護の基本構成回路を示す図である。 本実施形態に係る超電導磁石装置の構成を示す図である。 本実施形態に係る超電導磁石装置の構成を示す図である。 本実施形態に係る超電導磁石装置の構成を示す図である。 半導体を利用したスイッチの構成例を示す図である。 交流電源とスイッチの動作を示すタイミングチャートである。 回路条件を変えてシミュレーションした主回路の電流増加を示す図である。 超電導バルク導体の例を示す図である。 表皮効果を利用する損失発生要素としての線材の断面を示す図である。 表皮効果を利用する損失発生要素としての線材の断面を示す図である。 表皮効果を利用する損失発生要素としての線材の断面を示す図である。 磁場強度を安定して制御する動作を説明するためのフローチャートである。
　以下に、本発明の実施の形態に係る超電導磁石装置について図を参照しながら詳細に説明する。
＜基本的な構成と動作の説明＞
　図１は、本実施形態に係る超電導磁石装置の基本構成回路１０を示す図である。
　本超電導磁石装置の基本構成回路１０は、超電導マグネット１と、励磁トランス２と、スイッチ４と、回路抵抗（損失要素）８とを備える。励磁トランス２は、１次巻線１１に交流電源３から交流電流（パルス状の電流）が供給され、２次巻線１２によって電気的な閉回路を構成する。すなわち、スイッチ４を開いた状態（スイッチ４のオフ）において、超電導マグネット１と励磁トランス２の２次巻線１２と損失要素８とで閉回路が構成され、これを主回路２０とする。スイッチ４を閉じた状態（スイッチ４のオン）において、超電導マグネット１とスイッチ４とで超電導マグネット１側の閉回路３０が構成され、同時（あわせて）に励磁トランス２の２次巻線１２と損失要素８とスイッチ４とで励磁トランス２側の閉回路４０が構成される。なお、詳細は後記するが、スイッチ４は、公知の超電導スイッチよりも動作速度が格段に速いものである（ｍ秒オーダの速度）。また、主回路２０は、冷媒または冷凍機の冷熱により超低温の状態におかれる。ちなみに、図１では省略しているが、本超電導磁石装置は、スイッチ４などの動作を制御する図示しない制御部を備えるものとする（この点は後記する図５や図６でも同じである）。
　次に、このような構成において基本構成回路１０における超電導マグネット１の励磁動作を図２のフローチャートを参照して説明する。なお、以下の説明においては明示を省略するが、動作主体は、図示しない制御部である。
　まず、スイッチ４をオンにする（ステップＳ１。以下単に（Ｓ１）と表す。）。これで、閉回路３０と閉回路４０とが構成される。
　続いて、交流電源３から励磁トランス２の１次巻線１１に所定の電流を供給する（Ｓ２）。この結果、励磁トランス２の２次巻線１２に電流が誘起され、閉回路４０に電流が流れる。
　続いて、励磁トランス２の１次巻線１１の電流をゼロ（または予め定められた値）に戻し（Ｓ３）、スイッチ４をオフにする（Ｓ４）。これで、主回路２０が構成され、この主回路２０に閉回路４０に流れていた電流が継ぎ足されて一定の電流が保持される。つまり、このフローチャートの例では、主回路２０は超電導状態にあり、主回路２０に流れる電流が外部からつぎ足されるものとする。
　励磁動作を継続する場合（Ｓ６：Ｎｏ）、ステップＳ１に移行する。
　励磁動作を終了する場合（Ｓ６：Ｙｅｓ）、終了する。
　前記した励磁動作で説明したように、主回路２０が一定の電流を保持し続けることにより、超電導マグネット１で一定の磁場を発生させることができる。
　この主回路２０に保持された電流は、損失要素８によって次第に減衰するため、この主回路２０に電流を継ぎ足す（ステップＳ１～Ｓ４）ことによって一定の電流を保持し続ける。なお、損失要素８の役割については後述する。
　最初に電流を供給する方法は、通常の永久電流モード運転を行うときと同じ手順で直流電源によって直接電流を供給する方法であってもよい。
　また、後記する電流の継ぎ足し方法によって電流を供給してもよい。
　図３は、最初に通常の永久電流モード運転を行って励磁する場合の基本構成回路１０Ａの構成を示す図である。図１と同一箇所には同一符号を付して説明を省略する。ここでも明示を省略するが、動作主体は、図示しない制御部である。
　図３に示す基本構成回路１０Ａは、超電導マグネット１とスイッチ４とで構成される閉回路３０上に、閉回路３０の電流ループを切るための主回路スイッチ５を備え、主回路スイッチ５の両端に端子５ａと端子５ｂを接続している。閉回路３０は、超電導マグネット１とスイッチ４のオンと主回路スイッチ５のオンによって構成される。なお、主回路スイッチ５は、超電導スイッチであってもよく、また、機械式スイッチであってもよい。
　次に、このような構成において基本構成回路１０Ａにおける超電導マグネット１の励磁動作を図４のフローチャートを参照して説明する。
　まず、スイッチ４をオフにし（Ｓ１１）、続いて主回路スイッチ５をオフにする（Ｓ１２）。
　そして、外部（直流）電源（図示せず）から端子５ａ，５ｂを介して所定の電流を超電導マグネット１に通電する（Ｓ１３）。
　ここで、主回路スイッチ５をオンにし（Ｓ１４）、外部（直流）電源（図示せず）の電流をゼロに戻し電気的に切り離す（Ｓ１５）、そしてスイッチ４をオンにする（Ｓ１６）。これで、閉回路３０と閉回路４０とが構成される。なお、主回路２０は超低温状態にあるものとする。
　続いて、交流電源３から励磁トランス２の１次巻線１１に所定の電流を供給する（Ｓ１７）。この結果、励磁トランス２の２次巻線１２に電流が誘起され、閉回路４０に電流が流れる。
　続いて、励磁トランス２の１次巻線１１の電流をゼロ（または予め定められた値）に戻し（Ｓ１８）、スイッチ４をオフにする（Ｓ１９）。これで、主回路２０が構成され、閉回路４０に流れていた電流が閉回路３０に流れていた電流に継ぎ足され、主回路２０に一定の電流が保持される。
　励磁動作を継続する場合（Ｓ２０：Ｎｏ）、ステップＳ１６に移行する。
　励磁動作を終了する場合（Ｓ２０：Ｙｅｓ）、終了する。
＜クエンチに対する基本的な保護回路＞
　何らかの原因により、超電導現象が消失することをクエンチと呼ぶ。クエンチが発生すると超電導磁石に流れていた大電流が、クエンチとともに増大する抵抗によって膨大な熱エネルギーに変わる。これらから超電導磁石を保護する対策が必要である。
　図５は、クエンチ時における超電導磁石を保護する基本構成回路１０Ｂを示す図である。同一箇所には同一符号を付して説明を省略する。
　基本構成回路１０Ｂは、超電導マグネット１側に超電導マグネット１と並列に抵抗６を備えている。主回路スイッチ５に機械的スイッチを利用する場合、オフ抵抗を十分に高く設計することができるので、並列に挿入する抵抗６で超電導マグネット１に蓄積されたエネルギーを消費させることが容易となる。なお、主回路スイッチ５は、動作速度が速いスイッチである。また、抵抗６は、超低温状態を保持するための超低温容器の外側に置くことができ、クエンチ時に冷媒を蒸発させない、もしくは超低温容器内部の温度を上昇させないという観点から、外側に置くことが望ましい。
　図６は、クエンチ時における超電導磁石を保護する基本構成回路１０Ｃを示す図である。同一箇所には同一符号を付して説明を省略する。
　基本構成回路１０Ｃは、超電導マグネット１側に超電導マグネットと並列にダイオード７ａ，７ｂを備えている。スイッチ４と主回路スイッチ５に機械的スイッチを利用する場合、オフ抵抗を十分に高く設計することができるので、並列に挿入するダイオード７ａ，７ｂで超電導マグネット１に蓄積されたエネルギーを消費させることが容易となる。
＜主回路への電流の継ぎ足し方法＞
　次に、主回路２０への電流の継ぎ足し方法について図１を参照して説明する。
　図１で説明した構成を確認しつつ、さらに詳細に説明する。
　超電導マグネット１と励磁トランス２の２次巻線１２から構成される閉回路を主回路２０としている。
　主回路２０を２つの閉回路に分断するようにスイッチ４が超電導マグネット１と並列になるように備えられている。この二つに分断された閉回路のうち、超電導マグネット１側を閉回路３０とし、励磁トランス２の２次巻線１２側を閉回路４０としている。この点は、前記した通りである。
　また、前記したように主回路２０上で電気的な損失が生じるように構成され、少なくとも励磁トランス２側の閉回路４０に電気損失要素（電気抵抗成分）として損失要素（回路抵抗）８が備えられている。励磁トランス２の１次巻線１１には、交流電源３から電流が供給される。
　このような構成により、電流の継ぎ足し動作について詳細に説明する。
　まず、スイッチ４をオン（短絡）にさせた状態で交流電源３から電流を供給する。交流電源３の動作波形は特に規定されるものではないが、交流電流をゼロから所定の値まで増加させ、その後ゼロに戻す。
　交流電流をゼロに戻した際、スイッチ４をオフ（開放）にする。
　すなわち、スイッチ４がオン状態で交流電源３から電流が供給されることにより、励磁トランス２の２次巻線１２に電流が誘起され閉回路４０に電流が流れる。しかし、閉回路４０の損失成分としての損失要素８により、閉回路４０の電流の位相と励磁トランス２の１次巻線１１の電流位相に、ずれが生じる。
　従って、交流電源３から供給される交流電流がゼロになった瞬間にも閉回路４０には電流が残っている。この状態でスイッチ４を開放することにより、閉回路４０に流れていた電流は主回路２０の全体を流れるようになる。
　主回路２０は常に閉回路であるため、前記した電流継ぎ足し方法により導入された電流は、主回路２０のインダクタンスと損失要素（回路抵抗）８で決まる減衰時定数で減衰するものの、主回路２０を流れ続けることになる。このような方法によって、主回路２０での減衰量よりも多くの電流を繰り返し供給することで主回路２０の電流値を一定値に保持し続けることが可能となる。つまり、電流継ぎ足し量などを管理することで、ＮＭＲ装置に要求されるような均一磁場を構成することも可能となる。
　前記したスイッチ４の動作タイミングは、電流継ぎ足し法の一例であってこれに限定されるものではない。スイッチ４が短絡されている状態と開放されている状態の２つの回路状態をつくりだして交流電流を供給することにより、主回路２０と閉回路４０に誘起される電流によって出し入れされる磁束量の差を生じさせることができれば、結果的に主回路２０の磁束、すなわち電流を供給することが可能となる。
　本実施形態の電流継ぎ足し方法は、基本構成回路上の損失（電気的損失要素）による誘起電流の位相ずれを利用して主回路の磁束を取り込むものである。主回路の損失がゼロの場合には、基本構成回路の磁束量は保存されるため磁束を取り込むことができない。
　そのため、主回路に磁束を取り込むには基本構成回路上に損失が存在することが必須であるが、損失があれば主回路を流れている電流が減衰する。磁束を取り込むために損失を大きくしなければならないが、同時に主回路の電流減衰を小さく抑えるために損失を小さくしなければならずトレードオフが生じる。
　これを解決するためには、磁束投入（電流供給）に対しては損失が大きく、主回路の電流保持に対しては損失が小さくなるような損失を利用する。磁束投入過程において、電流変化は交流的で時間変化が速く、主回路の電流減衰は直流的で時間変化が遅いという現象がある。このような場合には交流損失を利用することによって磁束投入時にのみ損失を大きくすることが実現できる。
　電気的損失要素としては、直流抵抗がゼロで交流電流に対しては損失を生じる超電導体そのものの性質を利用することが有効である。この場合、交流損失があるとはいっても超電導体による交流損失は小さいため、超電導体の体積をある程度必要とする。
　より効果的な方法としては、表皮効果を利用するものがある。例えば、表面付近に比較的電気抵抗の高い層、内側には電気抵抗の小さい層、望ましくは超電導体を配置した導体構成とするものがある。
　この方法では、交流電流によって磁束を供給する場合には導体表面のみを電流が流れて損失が発生するが、主回路に保持されている直流電流は導体内側の電気抵抗の小さい部分を流れるため電流減衰を小さく抑えることが可能となる。
　電流の継ぎ足しによって超電導マグネットが発生する磁場強度を概ね一定値に維持することが可能となるが、電流継ぎ足し時に生じる磁場変動を小さく抑制する必要がある。これは一回あたりの電流継ぎ足し量を小さくすることで実現することができる。
　単位時間あたりの電流継ぎ足し量を一定量確保するためには、単位時間あたりの電流継ぎ足し回数を増やすことが必要である。そのためにはスイッチング周波数を大きくする必要があり、望ましくは、スイッチング速度は１０ｍ秒未満が望ましい。そのようなスイッチング速度は、例えば、半導体素子を利用したリレーにより実現することが可能である。
＜超電導磁石装置の構成と動作の説明＞
　図７、図８、図９は、本実施形態に係る超電導磁石装置１００の構成例を示す図である。なお、図１に示した基本構成回路１０を用いた構成であるので、重複するところもあるが詳細に構成を説明する。
　図７を参照して超電導磁石装置１００の構成を説明する。
　超電導磁石装置１００は、超電導マグネット１と、励磁トランス２と、スイッチ４と、損失要素８と、超電導マグネット１側の回路損失要素１６と、バイパス回路損失要素１７と、各部を制御する制御部５０とを備えている。また、詳しくは後記するが、磁場センサ６０を備えている。励磁トランス２は、１次巻線１１に交流電源３から交流電流が供給され、２次巻線１２によって電気的な閉回路を構成する。
　すなわち、スイッチ４を開いた状態（スイッチ４のオフ）において、超電導マグネット１と回路損失要素１６と損失要素８と励磁トランス２の２次巻線１２とで閉回路が構成され、これを主回路２０とする。スイッチ４を閉じた状態（スイッチ４のオン）において、超電導マグネット１と回路損失要素１６とバイパス回路損失要素１７とスイッチ４とで超電導マグネット１側の閉回路３０が構成され、同時に励磁トランス２の２次巻線１２とスイッチ４とバイパス回路損失要素１７と損失要素８とで励磁トランス２側の閉回路４０が構成される。
　なお、図７に示す超電導磁石装置１００の構成は、図８、図９も同様であり、動作状態のみが相違するので構成の説明は省略する。
　次に、図７、図８、図９を用いて超電導磁石装置１００の励磁動作を説明する。
　図７において、超電導磁石装置１００の制御部５０は、スイッチ４をオンにする制御を行う。これで、閉回路３０と閉回路４０とが構成される。そして、制御部５０は、交流電源３から励磁トランス２の１次巻線１１に励磁電流（交流電流）を増加する制御を行う。この結果、励磁トランス２の２次巻線１２に電流が誘起され、閉回路４０に電流が流れる。
　続いて図８において、制御部５０は、励磁トランス２の１次巻線１１への励磁電流（交流電流）をゼロに戻す制御を行う。
　続いて図９において、制御部５０は、スイッチ４をオフにする制御を行う。これで主回路２０が構成され、閉回路４０に流れていた電流が主回路２０に継ぎ足され、主回路２０に一定の電流が保持されるようになる。
＜超電導磁石装置の構成例の説明＞
　超電導マグネット１は、例えば、インダクタンス１００［Ｈ］を有する。
　また、超電導マグネット１と励磁トランス２の２次巻線１２とが半田接続（超電導接続ではない）で、閉回路としての主回路２０を構成している。励磁トランス２の１次巻線１１と２次巻線１２のインダクタンスは、それぞれ０．１［Ｈ］であり、両方の結合係数は０．７とする。
　主回路２０を超電導マグネット１側と前記励磁トランス２の２次巻線１２側の２つの回路に分断するように超電導マグネット１に並列にスイッチ４を備える。スイッチ４は半導体リレー素子で構成される。
　なお、スイッチ４は、主回路２０を高速に２つの回路に切り分けるために用いられ、前記の通り、高速の開閉動作、望ましくは１０ｍ秒以内が必要となる。この速度が満たされるスイッチであれば特に方式に制約はなく、機械式リレースイッチでも適用可能である。
　さらに、スイッチ４のオン抵抗は十分小さいことが望ましい。励磁トランス側の閉回路４０の電流の時間変化とオン抵抗の積の電圧が超電導マグネット１に印加されるため、超電導マグネット１に流れる電流は、交流電源３から供給される交流電流によって影響を受ける。この影響による超電導マグネット１が発生する磁場の脈動（磁束変動）を所望の値以下に抑えるためには、スイッチ４のオン抵抗を小さくすること、交流電流振幅を小さくすること、及び交流電流の印加時間を短くすることが有効であり、必要な磁場変動仕様にあわせて設計すればよい。
　例えば、超電導マグネット１のインダクタンスが１００［Ｈ］でスイッチ４のオン抵抗が１Ωとし、交流電源３による交流電流の供給により励磁トランス側の閉回路４０の電流変化が１Ａ変化するとし、その変化の時間が１ｍ秒の場合、超電導マグネット１の電流変化はおよそ１０μＡとなる。超電導マグネット１の定格運転電流値が１００Ａの場合、電流変動は１０－7となる。
　永久電流モード運転に一般的に利用される熱式超電導スイッチは、オン抵抗は十分小さいものの、開閉速度が秒単位となるため、その利用はスイッチング速度が遅くても許容される場合に限定される。機械式スイッチであれば容易にオン抵抗を小さくすることが可能であり、また、スイッチング速度も比較的高速であることから望ましい形態である。
　スイッチング速度の観点からは半導体素子を利用するのが好ましいが、半導体スイッチの場合は比較的スイッチのオン抵抗が大きいため電流を小さく設計することが必要となる。
　図１０は、半導体素子を利用したスイッチの構成例を示す図で、２つのダイオードｄ１，ｄ２と、可変抵抗ｒ１，ｒ２と、電圧調整器Ｖとから構成されている。
　図１０に示すスイッチ４では、半導体に印加するバイアス電圧およびバイアス電流を調整しておくことによって、スイッチ４のオン時の超電導マグネット１に印加される電圧をほぼゼロにすることが可能となり、スイッチング速度とオン抵抗を両立させることができる。
　励磁トランス２の１次巻線１１には交流電源３が接続される。交流電源３はスイッチ４の開閉動作に同期して台形波形の電流を供給する。
　スイッチ４のオン状態で、交流電源３で台形波形の電流を供給した後、スイッチ４をオフにする動作を繰り返す。
　図１１は、交流電源３から供給される励磁電流波形とスイッチ４のオン、オフのタイミングと、主回路２０の電流増加の様子を示すタイミングチャートである。
　主回路２０における電流の増加の様子は、回路シミュレータ（図示しない）によって計算したものであり、図１１に示すように、交流電源３から供給される励磁電流波形に対するスイッチ４におけるオン、オフのスイッチングに合わせて電流がステップ状に主回路２０に継ぎ足される。
＜本実施形態における損失要素＞
　図１２は、回路条件を変えてシミュレーションした主回路２０の電流増加を示す図である。超電導マグネット１側の回路損失要素１６およびバイパス回路損失要素１７は１μΩとし、損失要素（回路抵抗）８の抵抗値を１ｍΩから１０Ωまでを変化させて計算した結果である。
　損失要素８での損失、すなわち抵抗値を大きくするほど電流の立ち上がりが急峻で、より多くの電流が一回の交流電源３の動作で誘起されることが分かる。また、損失要素８により主回路２０の電流は減衰するため、交流電源３から供給される電流と主回路２０の電流減衰量とが同程度となり、ある一定値で飽和する。
　主回路２０の抵抗が損失要素８の抵抗によって決まるとすれば、主回路２０に誘起される電流の値は損失要素８の抵抗の大きさによらず、ほぼ一定の値となる。
　損失要素８の抵抗の値は、交流電源３の一回の電流供給動作によって主回路２０に導入される電流値を決めるものであり、主回路２０の電流値を制御するため、有限の値を持つ必要がある。一方、主回路２０の電流減衰を抑制するためには、回路抵抗を小さくすることが必要である。
　このトレードオフを回避するには、前記の通り、交流電流に対して損失を生じ、直流電流に対して損失を生じないものを損失要素８とすればよい。このような性質を持つ代表的なものは超電導体である。超電導体は直流電流に対しては抵抗ゼロの性質があるが、交流損失に対してはその限りではない。
　交流損失を低減するために交流用の超電導線材は、超電導フィラメント（超電導線）をサブミクロンまで細くし、かつ、撚られている。これは超電導体でのヒステリシス損失および結合損失を低減するためである。交流用超電導線材ではなく比較的フィラメントの太い直流用の超電導線材を使うことによって理想的な損失要素８を実装することが可能である。
　すなわち、一般的な直流用の超電導線材は交流損失があるといっても、フィラメントサイズが３０－１００ミクロン程度と細いことから交流損失はそれほど大きくない。交流損失を大きくするためにはフィラメントの断面積が大きいことが重要で、超電導単芯線や超電導バルクを利用することにより、より効果的に損失を得ることができる。
　図１３は、超電導バルク導体１３の例を示すもので、ミアンダ状（ジグザグ状に曲がった形状）のバルクを利用する。
　また、損失要素８として超電導体を利用する代わりに、電気抵抗を持つ金属マトリックス（複合構造）の中央部に超電導導体が埋め込まれている線材を利用するようにしてもよい。交流電源３からの電流供給によって回路に誘起される電流は交流であるから、導体に流れる電流は表皮効果によって導体表面に集中する。導体の表面側に抵抗層、概ね表皮厚さよりも深い位置に超電導フィラメントを配置した線材構成とすれば、ほとんど金属マトリックス部にのみ交流電流が流れることからより望ましい。
　図１４，１５，１６は、前記した線材の構成例を示す図で、導体の表面側に金属マトリックス１４、表皮厚さよりも深い位置に超電導フィラメント１５を配置した構成となっている。図１４は、超電導フィラメント１５を１本の芯線とした構成である。図１５は、超電導フィラメント１５を複数本の撚り線とした構成である。図１６は、超電導フィラメント１５を二重に複数本の撚り線とした構成である。
　なお、超電導フィラメントは、必ずしも表皮厚さよりも深い位置に配置することが必須ではなく、表皮厚さよりも深い位置に超電導フィラメントが設置されない場合でも、金属マトリックスと超電導フィラメントの両方に交流電流が分配されるため、金属マトリックス部の抵抗損失を利用することができる。
　この場合、超電導フィラメントが抵抗を有する金属マトリックスに埋め込まれたり、金属層が超電導線の外周部に配置されることになるが、損失を発生する金属マトリックス、または金属層の材質は特に規定されるものではない。線材の長さを短くするということからは高抵抗金属が望ましく、例えば、永久電流スイッチ用の超電導線材として広く使われている銅ニッケル（ＣｕＮｉ）などを利用する。
　本実施形態によれば、損失要素８を利用し、交流電源３からの交流電流の印加とスイッチ４のオン、オフ動作の同期により、超電導マグネット１に一定の電流状態を実現することができる。
＜本実施形態における電流供給動作の制御の補足説明＞
　また、本実施形態の超電導磁石装置１００は、交流電源３からのみの電流供給により定格電流値まで励磁することが可能であるが、図３に示すように主回路２０上に主回路スイッチ５を設置することによって、外部電源（図示せず）により、直接、超電導マグネット１を励磁することも可能である。
　図３に示す回路構成を用いた場合、超電導磁石装置１００の制御部５０は、主回路スイッチ５を開放した状態（オフ）にし、外部電源（図示せず）から超電導マグネット１に所定の電流が供給され、その後、主回路スイッチ５を短絡し（オン）、主回路２０に電流が入った状態で交流電源３とスイッチ４とを用いた電流供給動作を制御する。この制御により、超電導マグネット１に永続的な磁場を発生させることができる。
＜本実施形態におけるクエンチの保護回路の補足説明＞
　また、一般に超電導磁石（マグネット）では、クエンチ時の磁石の保護のために保護回路が設置される。本実施形態の超電導磁石装置１００は、超電導マグネット１に対して、図５に示す保護抵抗６、または図６に示す保護ダイオード７ａ，７ｂを主回路スイッチ５よりも超電導マグネット１に近い側に並列に挿入することが望ましい。
　さらに、主回路スイッチ５は通常の永久電流モード磁石のように永久電流スイッチでもよい。
　また、本実施形態の超電導磁石装置１００は、主回路２０上に抵抗があっても良いため、機械的なスイッチを主回路スイッチ５として利用してもよい。主回路スイッチ５として機械的なスイッチを利用する場合、超電導マグネット１の保護、特に酸化物超電導磁石や二硼化マグネシウム（ＭｇＢ２）などの新超電導体磁石の場合に好ましい結果が得られる。
　これらの超電導体磁石ではクエンチ伝播速度が遅いため、クエンチ発生時にクエンチ発生部分における局所的な発熱により焼損する恐れがあり、クエンチが発生した場合、速やかに超電導体磁石の電流を下げることが必要である。
　主回路スイッチ５が機械的スイッチの場合、熱式永久電流スイッチに比べると、スイッチのオフ抵抗を十分に大きくすることが可能である。この場合、超電導磁石に蓄積されているエネルギーを散逸させるための保護抵抗を大きくすることができ、保護抵抗を利用した超電導磁石の保護がより効果的となる。
＜本実施形態における電流制御＞
　本実施形態の超電導磁石装置１００は、繰り返し台形波形の電流通電によって主回路２０に電流を供給する。主回路２０に単位時間あたり供給される電流は、単位時間あたりの台形波形の電流通電回数によって制御でき、台形波形の最大電流値でも制御することが可能である。
　従って、交流電源の周期と電流値とを組み合わせることにより、主回路２０に単位時間あたり供給する電流量を精密に制御することが可能である。この結果、超高安定な電源を用いることなく汎用的な電源を用いて安定磁場を発生することができる。
＜本実施形態における磁場センサ＞
　超電導磁石の発生する磁場強度を目標値に安定して制御するため、超電導磁石が発生する磁場または超電導磁石に流れる電流をモニタしながら電流投入量を調整することが望ましい。磁場、または電流をモニタするためには、超電導磁石の磁場発生空間、または主回路２０を構成する線路（回路）の近傍に磁場センサを配置してモニタすればよい。
　次に、図７，図８，図９に示す磁場センサ６０を配置した超電導磁石装置１００における磁場強度を安定して制御する動作を図１７のフローチャートを参照して説明する。
　超電導磁石装置１００の制御部５０は、磁場センサ６０を用いて超電導マグネット１の発生磁場を測定する（Ｓ２１）。
　制御部５０は、発生磁場の測定結果に基づいて、交流電源３及びスイッチ４の動作パラメータ（設定電流値、掃引速度、インターバル）を計算し、この計算結果に応じて交流電源３及びスイッチ４の動作制御を設定する。（Ｓ２２）
　続いて、制御部５０は、スイッチ４をオンにし（Ｓ２３）、交流電源３から励磁トランス２の１次巻線１１に所定の電流を供給し（Ｓ２４）、励磁トランス２の１次巻線１１の電流をゼロ（または予め定められた値）に戻し（Ｓ２５）、スイッチ４をオフにする（Ｓ２６）。
　励磁動作を続行する場合（Ｓ２７：Ｎｏ）、制御部５０はステップＳ２１に移行して制御動作を続行する。
　励磁動作を終了する場合（Ｓ２７：Ｙｅｓ）、制御部５０は制御動作を終了する。
　このように超電導磁石装置１００は、制御部５０が励磁動作を制御することにより、磁場強度を安定にすることができる。
　なお、磁場センサとしては、精密な磁場精度が必要でない場合にはホールセンサなどでも良いが、より高精度の磁場計測を行うためには、フラックスゲート、ＳＱＵＩＤ（Superconducting QUantum Interference Device:超高感度磁気センサ）、ＮＭＲ信号を利用した磁場センサを利用することが望ましい。
　また、超電導マグネットがＮＭＲ用の超電導マグネットであって、ＮＭＲ計測時の重水ロック信号が利用できる場合には、超電導マグネット自体に磁場センサを設置する必要はなく、重水ロック信号を利用することで、より精度のよい磁場を得ることが可能である。
　なお、前記ステップＳ２１では、磁場センサ６０を用いたが、前記したように超電導マグネット１に流れている電流値を測定（モニタ）するようにしてもよい。
＜本実施形態における時間安定な磁場発生＞
　本実施形態の超電導磁石装置によれば、時間安定な磁場を発生することができる。
　本実施形態の超電導磁石装置では、閉回路で電流を保持し、電流減衰を外部から磁束を投入（電流供給）することによって補償する。従って、閉回路は理想的な永久電流ループでなくても良く、閉回路中に抵抗成分が存在してもよい。これによって、超電導線材間の接続が超電導接続である必要はなく、接続部の構造の簡略化、簡便化を図ることが可能となる。
　また、永久電流モード運転に必須とされていた永久電流スイッチを機械式スイッチ等に置き換えることが可能となる。
　さらに、永久電流スイッチを機械式スイッチにおきかえることによって、超電導マグネットがクエンチした際にスイッチを開くことができ、クエンチ時の超電導マグネットのエネルギーを外部抵抗によって散逸させることが容易となる。
　１　　超電導マグネット
　２　　励磁トランス
　３　　交流電源（電源）
　４　　スイッチ（半導体素子、開閉スイッチ）
　５　　主回路スイッチ（超電導スイッチ、機械式スイッチ）
　６　　抵抗
　７ａ，７ｂ　ダイオード
　８　　回路抵抗（損失要素、電気損失発生要素）
　１１　１次巻線
　１２　２次巻線
　１３　超電導バルク導体
　１４　金属マトリックス
　１５　超電導フィラメント
　１６　回路損失要素
　１７　バイパス回路損失要素
　２０　主回路（第１の閉回路）
　３０　閉回路（第２の閉回路）
　４０　閉回路（第３の閉回路）
　５０　制御部
　６０　磁場センサ

Claims (17)

  1. 　超電導マグネットと、
    　励磁トランスと、
    　前記超電導マグネットの巻線および前記励磁トランスの２次巻線を含んで構成される第１の閉回路と、
    　前記第１の閉回路を２つの閉回路に分断する開閉スイッチと、
    　前記励磁トランスの１次巻線にパルス状の電流を供給する電源と、を備え、
    　前記開閉スイッチが閉状態のとき前記超電導マグネット側で第２の閉回路を構成し、前記励磁トランスの２次巻線側で第３の閉回路を構成し、
    　前記開閉スイッチが開状態のとき前記第１の閉回路を構成する超電導磁石装置であって、
    　抵抗成分を有する電気損失発生要素を前記第３の閉回路にさらに備えるとともに、
    　前記励磁トランスの１次巻線への前記パルス状の電流の印加および前記開閉スイッチの開閉を同期して行うことで前記電源からの電流を前記超電導マグネットに注入する制御部を備えることを特徴とする超電導磁石装置。
  2. 　前記第１の閉回路を開閉する主回路スイッチを前記第２の閉回路を構成する回路上に備えたことを特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
  3. 　前記主回路スイッチが超電導スイッチであることを特徴とする請求項２に記載の超電導磁石装置。
  4. 　前記主回路スイッチが機械式スイッチであることを特徴とする請求項２に記載の超電導磁石装置。
  5. 　前記超電導マグネットを短絡する抵抗もしくはダイオードが接続されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
  6. 　前記電気損失発生要素は、超電導体の交流損失により発生することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
  7. 　前記電気損失発生要素は、少なくとも２つの層から構成された２層構造の導体であり、それぞれの層の平均的な導電率が異なり、より低い導電率の層が外層側に配置され、表皮効果によって主に最外層部で損失が生じることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
  8. 　前記電気損失発生要素の内側に超電導体が配置されていることを特徴とする請求項７に記載の超電導磁石装置。
  9. 　前記電気損失発生要素の内側に超電導体が配置され、前記超電導体が前記パルス状の電流の動作周波数によって決まる損失発生要素の外周部の導線の表皮厚さより、深い位置に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の超電導磁石装置。
  10. 　前記開閉スイッチは、半導体素子で構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
  11. 　前記開閉スイッチは、半導体素子を組み合わせて構成され、かつ、半導体の動作点を調整するためのバイアス電圧またはバイアス電流が印加されることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
  12. 　前記開閉スイッチは、開閉速度が１０ｍ秒よりも短いことを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
  13. 　前記超電導マグネットが発生する磁場を測定し、前記測定された磁場が所定の値となるように前記パルス状の電流の周期もしくは電流値もしくは前記開閉スイッチの開閉動作またはそれらの組み合わせを制御することを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
  14. 　前記超電導マグネットに流れている電流値を測定し、前記測定された電流値が所定の値となるように前記パルス状の電流の周期もしくは電流値もしくは前記開閉スイッチの開閉動作またはそれらの組み合わせを制御することを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
  15. 　超電導マグネットと、励磁トランスと、前記超電導マグネットの巻線および前記励磁トランスの２次巻線を含んで構成される第１の閉回路と、前記第１の閉回路を２つの閉回路に分断する開閉スイッチと、前記励磁トランスの１次巻線にパルス状の電流を供給する電源と、制御部と、を備え、
    　前記開閉スイッチが閉状態のときに前記超電導マグネット側で第２の閉回路を構成し、前記励磁トランスの２次巻線側で第３の閉回路を構成し、
    　前記第３の閉回路が抵抗成分を有する電気損失発生要素を備え、
    　前記開閉スイッチが開状態のとき前記第１の閉回路を構成する超電導磁石装置において、
    　前記制御部は、前記電源および前記開閉スイッチを制御して、
    　前記励磁トランスの１次巻線への前記パルス状の電流の印加および前記開閉スイッチの開閉を同期させて、前記超電導マグネットに前記電源からの電流を注入することを特徴とする超電導磁石の電流注入方法。
  16. 　前記第１の閉回路上に、さらに主回路スイッチを備え、
    　前記制御部は、
    　該主回路スイッチが開状態において、外部直流電源により、直接、超電導マグネットを励磁し、その後、前記主回路スイッチを短絡し、前記第１の閉回路に電流が入った状態で、前記励磁トランスの１次巻線に前記パルス状の電流を印加し、前記パルス状の電流の周期に同期して前記開閉スイッチの開閉を制御し、前記超電導マグネットに前記電源からの電流を注入することを特徴とする請求項１５に記載の超電導磁石の電流注入方法。
  17. 　前記制御部は、
    　前記超電導マグネットに流れている電流値、もしくは発生している磁場を測定し、前記測定された電流値、もしくは磁場が所定の値となるように前記パルス状の電流の周期と前記開閉スイッチの開閉動作を制御することを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の超電導磁石の電流注入方法。
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