WO2013081123A1 - 超電導線材の常電導転移の検出方法 - Google Patents

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Abstract

 基材と、77K以上の臨界温度を有する超電導層と、金属安定化層とを備える超電導線材1の常電導転移の検出方法であって、光ファイバ3が超電導線材1に配置され、光ファイバ3に測定光を入射し、測定光のアンチストークスラマン散乱光の強度を計測し、超電導線材1に常電導転移が生じたことを、アンチストークスラマン散乱光の強度の変化に基づいて検出する。

Description

超電導線材の常電導転移の検出方法

 本発明は、超電導線材の常電導転移の検出方法に関する。
 本願は、2011年12月1日に、日本に出願された特願2011-263580号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

 超電導線材は、例えば核磁気共鳴画像装置、磁気浮上式鉄道、磁気軸受、電動機等の超電導磁石、および、超電導ケーブルへの応用が期待されている。これらの実用化に向けて、超電導線材の運転中の信頼性を確保する研究が盛んに行われている。

 超電導線材を構成する超電導体は、一般に臨界温度(超電導性を示す上限の温度)が常温よりも低いため、液体ヘリウムおよび液体窒素等の冷却媒体、および、冷凍機等を用いて臨界温度以下に冷却して使用される。しかしながら、超電導線材の外部から臨界温度以下に冷却しても、通電時に超電導線材の一部に熱攪乱等が生じることがある。これが原因で、超電導状態から常電導状態へ遷移する常電導転移が発生すると、ジュール熱が発生して超電導線材の温度が上昇する。そのため、温度が上昇した超電導線材の周囲では常電導転移が促進されて、常電導状態の領域が拡大する(クエンチ現象)。

 特許文献1には、超電導体が熱攪乱等により常電導状態に転移したクエンチする直前の僅かな温度上昇を検出するため、超電導体上にカーボン膜を設け、カーボン膜の電圧から微小な温度変化を検知する方法が記載されている。しかしながら、特許文献1に記載の方法は、液体ヘリウムの温度から数K(ケルビン)程度という極低温領域では、カーボン膜の温度に対する電気抵抗値が著しく大きいという性質(特許文献1の図7参照)を利用している。このため、臨界温度が77K以上(例えば100K程度)の高温超電導体に適用することは困難である。

 特許文献2には、超電導線材に巻き付いた光ファイバに光源から偏光光線を入射させ、光ファイバからの偏光の位相差を検出し、光ファイバ中を透過した光の偏光状態の異常を検出する超電導体クエンチ検出方法が記載されている。
 また、特許文献3(特に第四の発明参照)には、次のような超電導線のクエンチ検出方法が記載されている。すなわち、光ファイバが超電導線の外部に取り付けられ、超電導線に通電した際の異常部分における機械的変位に基づく光ファイバの変形部分からの反射光または光ファイバの他端からの透過光を測定して、超電導線の異常を検知する方法である。
 しかしながら、特許文献2,3に記載の方法は、クエンチが原因で超電導線材が動き、光ファイバの位置ズレおよび変形が増大することにより、光ファイバの異常の有無を判定できるだけであり、クエンチが生じた位置を特定することはできない。

 特許文献4および非特許文献1には、ファイバブラッググレーティング(FBG)を用いた光ファイバ型温度センサによる極低温での温度計測方法が記載されている。FBGとは、光ファイバのコアに周期的な屈折率変化(グレーティング)を形成した光ファイバ型デバイスであり、コアの実効屈折率とグレーティング周期で決まる特定の波長(ブラッグ波長)を選択的に反射する性質を有する。FBGは、周囲温度が変化すると、コアの実効屈折率とグレーティング周期が変化するため、ブラッグ波長が変化する。したがって、周囲温度とブラッグ波長の関係をあらかじめ求めておくことで、温度センサとして活用できる。
 特許文献4では、光ファイバのFBGの周囲に、光ファイバの主成分であるシリカよりも熱膨張係数(TEC)の大きいアルミニウム(Al)およびポリメチルメタクリレート(PMMA)等の被覆材(コーティング)を設けている。これにより、温度によるブラッグ波長の変化を増大させ、温度センサの感度を向上させている。また、非特許文献1では、ひずみ、温度、線膨張の計測例が示されている。

日本国特許第2577682号公報 日本国特開平8-304271号公報 日本国特開平7-170721号公報 米国特許第6072922号明細書

Wolfgang Ecke et al., "Fiber optic grating sensors for structural health monitoring at cryogenic temperatures", Proc. SPIE, 2007, Vol. 6530, 653002

 特許文献4および非特許文献1に開示されているFBGを備えた光ファイバ型温度センサでクエンチに伴う超電導線材の温度変化を計測できれば、クエンチを検出することが可能と考えられる。しかしながら、超電導線材は、通常、数百メートル単位で用いられる。数百メートル単位の部位にクエンチが生じると、超電導線材の特性(臨界温度、臨界電流等)は、超電導線材の運転状況(冷却温度、通電電流等)にもよるが、数メートル程度クエンチが伝播する間にクエンチ起点部は600~700Kの温度に到達し、その結果、超電導線材の特性劣化や焼損が起こるおそれがある。したがって、超電導線材の特性劣化および焼損が生じる前にクエンチを検知するためには、クエンチ起点部から長くとも数メートル以内で温度変化を検出する必要がある。
 すなわち、FBGを用いた光ファイバ型温度センサの場合は、センシングヘッドとなるFBGを数メートル間隔で多点配置する必要がある。例えば、300mの超電導線材に1本の光ファイバを配し、この光ファイバに1m間隔でFBGを設けると、FBG総数は300点になる。しかしながら、FBGを1本の光ファイバに多点配置する手法は、以下のような問題がある。

 ブラッグ波長の異なるFBGを多点配置する波長分割多重(Wavelength Division Multiplexing, WDM)方式では、FBG多点数が、割り当てられる波長帯域に制限されるため、最大でも20点程度となる。
 同一ブラッグ波長のFBGを所定のファイバ間隔で多点配置する時分割多重(Time Division Multiplexing, TDM)方式では、測定光として用いるパルス光源のパルス幅性能を考慮すると、FBG間のファイバ間隔が2m以上必要になる。また、測定器の性能を考慮するとFBG多点数が100点程度に限られる。
 同一ブラッグ波長のFBGを任意のファイバ間隔で多点配置する光周波数領域反射測定(Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR)方式では、測定可能なファイバ長が、測定光として用いるチューナブルレーザの時間コヒーレンシーに制限され、おおよそ100m程度に限られる。
 したがって、例示した300mの超電導線材に対して1m間隔で合計300点のFBGを配置してクエンチを検出することは、いずれの計測方式を用いても不可能である。

 本発明は、上記事情に鑑み、光ファイバを用いて、常電導転移の発生を検出し、さらには常電導転移を生じた位置を特定することが可能な超電導線材の常電導転移の検出方法を提供する。

 本発明の一態様は、基材と、77K以上の臨界温度を有する超電導層と、金属安定化層とを備える超電導線材の常電導転移の検出方法であって、光ファイバが超電導線材に配置され、光ファイバに測定光を入射し、測定光のアンチストークスラマン散乱光の強度を計測し、超電導線材に常電導転移が生じたことを、アンチストークスラマン散乱光の強度の変化から検出する。
 超電導線材に常電導転移が生じたことを、アンチストークスラマン散乱光の強度が所定値以上に増大したことから、検出することも可能である。
 測定光にパルス光を用い、測定光のアンチストークスラマン散乱光の強度を、時間分解して計測することにより、光ファイバの長手方向に沿って常電導転移が生じた位置を特定することも可能である。
 光ファイバがコア径50μm以上のマルチモードファイバであることも可能である。
 超電導線材をコイル状とすることも可能である。

 上記本発明の一態様によれば、超電導線材に配置した光ファイバ中に生じたアンチストークスラマン散乱光の強度の変化に基づいて、超電導線材に生じた常電導転移を、高い応答性で検出することが可能である。また、超電導線材がコイル状であっても、高精度の検出が可能である。
 アンチストークスラマン散乱光の強度を時間分解して計測することにより、光ファイバの長手方向に沿って常電導転移が生じた位置を特定することも可能である。

本発明の超電導線材の常電導転移の検出方法を実施する形態の一例を示す構成図である。 光ファイバを超電導線材の金属安定化層上に配置した状態の一例を示す断面図である。 ラマン光時間領域反射測定方式により計測したストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度およびこれらの強度比の温度依存性を示すグラフである。 実施形態で用いた超電導線材の常電導転移の検出方法を実施する形態の一例を示す構成図である。 実施形態で用いた超電導線材の常電導転移の検出方法を実施する常電導転移部の形態の一例を示す詳細構成図である。 図5AのS-S線に沿う断面図である。 実施例1で計測した常電導転移前のストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度およびこれらの強度比の光ファイバ位置依存性を示すグラフである。 実施例1で計測した常電導転移時のストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度およびこれらの強度比の光ファイバ位置依存性を示すグラフである。 実施例1で計測した常電導転移前と常電導転移時のアンチストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を示すグラフである。 実施例1で計測した常電導転移前と常電導転移時のストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を示すグラフである。 実施例2で計測した常電導転移前のストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度およびこれらの強度比の光ファイバ位置依存性を示すグラフである。 実施例2で計測した常電導転移時のストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度およびこれらの強度比の光ファイバ位置依存性を示すグラフである。 実施例2で計測した常電導転移前と常電導転移時のアンチストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を示すグラフである。 実施例2で計測した常電導転移前と常電導転移時のストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を示すグラフである。

 以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
 図1は、光ファイバ3と温度計測器10を用いて超電導線材1の常電導転移の検出方法を実施する形態の一例を示す構成図である。また、図2は、光ファイバ3を超電導線材1の金属安定化層1c上に配した一例を示す断面図である。

《超電導線材》
 超電導線材1は、基材1aと、77K以上の臨界温度を有する超電導層1bと、金属安定化層1cを少なくとも備える。
 本実施形態の超電導線材1に適用できる基材1aは、通常の超電導線材の基材として使用でき、高強度であれば良い。また、基材1aは、長尺のケーブルとするためにテープ状であることが好ましく、超電導体の成膜プロセス等に要求される耐熱性を備えた金属からなることが好ましい。金属としては、例えば、銀、白金、ステンレス鋼、銅、ハステロイ(登録商標)等のニッケル合金等の各種金属材料、もしくはこれら各種金属材料上にセラミックスを配置した構成等が挙げられる。各種耐熱性の金属の中でも、ニッケル合金が好ましい。なかでも、市販品であれば、ハステロイ(米国ヘインズ社製商品名)が好適であり、ハステロイとして、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイB、C、G、N、W等のいずれの種類も使用できる。基材1aの厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、10~500μmである。

 超電導層1bを構成する超電導体は、77K以上の臨界温度を有していれば公知の超電導体で良い。具体的には、REBaCu(REはY、La、Nd、Sm、Er、Gd等の希土類元素を表す)で表される組成の超電導体であれば良い。この超電導層として、Y123(YBaCu7-X)またはGd123(GdBaCu7-X)等がある。また、その他の酸化物超電導体、例えば、BiSrCan-1Cu4+2n+δで表される組成等に代表される臨界温度の高い他の酸化物超電導体からなる組成を用いても良い。
 超電導層1bの厚みは、特に限定されないが、例えば0.5~5μm程度であって、均一な厚みであることが好ましい。

 超電導層1bは、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、パルスレーザ堆積法(PLD法)、イオンビームアシスト蒸着法(IBAD法)、化学気相成長法(CVD法)等で積層でき、なかでも生産性の観点から、PLD法またはIBAD法が好ましい。
 また、金属有機酸塩を塗布後熱分解させる熱塗布分解法(MOD法)は、金属成分の有機化合物を均一に溶解した溶液を基材上に塗布した後、この基材を加熱して熱分解させることにより基材上に薄膜を形成する方法である。MOD法は、真空プロセスを必要とせず、低コストで高速成膜が可能であるため長尺のテープ状超電導導体の製造に適している。

 超電導層1bの上に積層されている金属安定化層1cは、良導電性の金属材料を含み、超電導層1bが超電導状態から常電導状態に遷移する際に、超電導層1bの電流が転流するバイパスとして機能する。金属安定化層1cを構成する金属材料としては、良導電性を有していればよく、特に限定されないが、銅、黄銅(Cu-Zn合金)等の銅合金、ステンレス等の比較的安価な材料を用いることが好ましい。中でも高い導電性を有し、安価である銅がより好ましい。これにより、材料コストを低く抑えながら金属安定化層1cの膜厚を厚くすることが可能となり、事故電流に耐える超電導線材1を安価に得ることができる。金属安定化層1cの厚さは10~300μmであれば好ましい。金属安定化層1cは、公知の方法で形成でき、例えばスパッタ法、銅等の金属テープを半田付けする方法により形成できる。

 基材1aと超電導層1bとの間には、拡散防止層、ベッド層、中間層、キャップ層等から選ばれる任意の層を1または2以上介在させても良い。
 拡散防止層は、基材の構成元素の拡散を防止するために形成され、窒化ケイ素(Si)、酸化アルミニウム(Al)、あるいは希土類金属酸化物等から構成される。拡散防止層は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、厚さは例えば10~400nmである。
 ベッド層は、界面反応性を低減して、ベッド層上に配される膜の配向性を得るために形成され、例えば、酸化イットリウム(Y)、窒化ケイ素(Si)、酸化アルミニウム(Al)等から構成される。ベッド層は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、厚さは例えば10~200nmである。

 中間層は、超電導層の結晶配向性を制御するために2軸配向する物質から形成される。
 中間層は、単層構造あるいは複層構造のいずれでも良い。好ましい材質としては、例えばGdZr、MgO、ZrO-Y(YSZ)、SrTiO、CeO、Y、Al、Gd、Zr、Ho、Nd等の金属酸化物が挙げられる。また、中間層は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法(IBAD法)、化学気相成長法(CVD)等の物理的蒸着法、熱塗布分解法(MOD法)等の公知の方法で積層できる。中間層の厚さは、適宜調整できるが、通常は0.005~2μmの範囲が好ましい。

 キャップ層は、中間層の表面に対してエピタキシャル成長し、その後、横方向(面方向)に粒成長(オーバーグロース)して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て形成されることが好ましい。このようなキャップ層は、金属酸化物層からなる中間層よりも高い面内配向度が得られるため、超電導層をキャップ層の上に形成することが好ましい。キャップ層の材質は、上記機能を果たせば特に限定されないが、具体的には、CeO、Y、Al、Gd、Zr、Ho、Nd等が好ましい。また、CeOにおけるCeの一部が他の金属原子または金属イオンで置換されたCe-M-O系酸化物を含んでいても良い。

 超電導層1bと金属安定化層1cとの間には、金属安定化基層として、Ag等の良電導性であり、かつ超電導層1bと接触抵抗(界面間の電気抵抗)が低く、なじみの良い金属材料からなる層を形成することもできる。金属安定化基層は、スパッタ法等の公知の方法で形成でき、厚さは1~30μmであれば好ましい。

《光ファイバ》
 本実施形態の超電導線材1に対して、光ファイバ3は、金属安定化層1cの上に配される。光ファイバ3は、石英ガラスであることが好ましい。石英ガラス系光ファイバを構成する材質は、純粋石英ガラス、ゲルマニウム(Ge)等の屈折率を上昇する添加剤を用いた石英ガラス、フッ素(F)等の屈折率を下降する添加剤を用いた石英ガラス等から適宜選択することが可能である。
 一般的に、光ファイバには、コア径が約10μmのシングルモード光ファイバと、コア径が約50μmのマルチモード光ファイバとがあり、それらのいずれもが本発明の光ファイバ3に適用可能である。ただし、後記するアンチストークスラマン散乱光強度を高くするため、コア径が50μm以上のマルチモード光ファイバを用いることが好ましい。マルチモード光ファイバのコア径は、特に限定されないが、例えば50μm、62.5μm、100μm等が市販されている。また、マルチモード光ファイバには、コア屈折率が径方向に対して二次関数的に連続変化するグレーテッド・インデックス(Graded Index,GI)型と、コアとクラッドの界面のみで屈折率が変わる(すなわちコア屈折率は径方向に対して一定である)ステップ・インデックス(Step Index,SI)型とがある。本発明ではいずれの屈折率型であっても適用可能であるが、後記するラマン光時間領域反射測定方式を用いる場合は、伝搬モード間の速度差が小さいGI型が好ましい。

 クラッドの周囲には、断面で同心円状となるように被覆材を設けることもできる。被覆材の具体例としては、紫外線(UV)硬化型アクリレート、シリコーン、ポリイミド等の樹脂や、銅(Cu)、ニッケル(Ni)等の金属が挙げられる。

 光ファイバ3は、超電導線材1のうち金属安定化層1cに接触または近接して配置されることが好ましい。また、超電導線材1に対する位置の変動を抑制するため、光ファイバ3を超電導線材1に固定することが好ましい。光ファイバ3の固定には、低温での耐久性が優れた部材を用いることが望ましい。テープで光ファイバ3と超電導線材1の周囲を覆って固定する場合にはカプトンテープ(商品名)、グリスで光ファイバ3を超電導線材1に接触または近接させる場合にはアピエゾングリス(商品名)、接着剤で光ファイバ3を超電導線材1に接触または近接させる場合にはポリイミド等の樹脂や接合用金属等が挙げられる。これらの固定手段は複数組み合わせて用いても良い。
 図2では、グリスおよび接着剤に代表される固定部材4を光ファイバ3と金属安定化層1cとの間に介在させて、光ファイバ3を金属安定化層1cに接触または近接して配置する形態を示している。また、図5Bでは、光ファイバ3を超電導線材1に固定した複合線材2の周囲を、テープに代表される被覆部材5で覆って、光ファイバ3を金属安定化層1cに接触または近接して配置する形態を示している。

《超電導線材の常電導転移の検出方法》
 本実施形態で用いられる超電導線材の常電導転移の検出方法においては、図1に示す温度計測器10により、超電導線材1に配した光ファイバ3に測定光を入射し、測定光のアンチストークスラマン散乱光の強度を計測する。これにより、アンチストークスラマン散乱光の強度の変化から、超電導線材1に生じる発熱(すなわち常電導転移や、常電導転移を起点としたクエンチ)を検出できる。また、測定光としてパルス光を用い、アンチストークスラマン散乱光の強度を時間分解して計測することにより、超電導線材1に生じた発熱の位置を特定できる。さらに、この超電導線材の常電導転移の検出方法により超電導線材1を継続的に監視することで、常電導転移の発生をリアルタイムで検出できる。

 温度計測器10は、アンチストークスラマン散乱光強度を計測できればいかなる構成でもよい。さらにストークスラマン散乱光強度を計測できる構成であってもよい。例えば、ラマン光時間領域反射測定(Raman Optical Time Domain Reflectometry, ROTDR)方式を用いることができる。この方式では、測定光としてパルス光を用い、アンチストークスラマン散乱光強度およびストークスラマン散乱光強度を時間分解して計測することにより、これらの散乱光強度の光ファイバ位置依存性を算出できる。
 具体的には、光ファイバへのパルス光の入射から散乱光の受光までの時間差(戻り時間)と、光ファイバの実効屈折率nに応じた光ファイバ内を光が伝播する速度(v=c/n)とから、温度計測器10と散乱光発生位置との間を往復する距離を算出する。これにより、光ファイバ3の長手方向に沿った位置を特定できる。戻り時間T、光速c、光ファイバの実効屈折率nに対して、温度計測器10(詳しくは受光器)からの距離Dは、D=cT/2nにより、求めることができる。
 なお、本発明において、アンチストークスラマン散乱光とは、ラマン散乱光のアンチストークス線を意味し、ストークスラマン散乱光とは、ラマン散乱光のストークス線を意味する。

 ストークスラマン散乱光およびアンチストークスラマン散乱光は、光ファイバにFBGのような構造を設けることなく、ファイバ全長にわたって一様な断面構造を有する光ファイバであっても任意の位置から発生させることができる。このため、光ファイバの長手方向に沿った空間分解能は、パルス光のパルス幅を短くし、光ファイバ3に生じた散乱光が温度計測器10に戻ってくるまでの時間の精度を向上させることにより、例えば1~2m程度、またはそれ以下に短くすることが可能である。

 ストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度およびこれらの強度比は、いずれも光ファイバ3の周囲の温度に対して変化する特性(温度依存性)がある。
 図3は、公知のROTDR方式により計測したストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度およびこれらの強度比の温度依存性を示すグラフである。このグラフでは、220~370Kの温度範囲では光ファイバを恒温槽に設置し、77Kでは液体窒素に浸漬して、各散乱光強度を計測する。さらに、アンチストークスラマン散乱光強度をストークスラマン散乱光強度で除して強度比を算出している。
 およそ250~350Kの温度範囲では、ストークスラマン散乱光強度もアンチストークスラマン散乱光強度も温度に対してほぼ線形に変化する。そのため、ストークスラマン散乱光とアンチストークスラマン散乱光との強度比の温度依存性をあらかじめ求めておくことで、実際に計測した強度比の値から、光ファイバ3の長手方向に沿った各点での光ファイバ周囲の温度を算出できる。

 しかしながら、このROTDR方式の温度計測器は、超電導線材1の臨界温度(およそ77~100K)の計測に用いる場合、250Kよりも低い温度ではアンチストークスラマン散乱光強度が温度に対して非線形的に低下し、さらに100Kよりも低い温度になると、散乱光強度が検出下限を下回る(ノイズレベル)。このため、ROTDR方式の温度計測器は、一般的には約250Kが計測の限界(下限値)である。

 ストークスラマン散乱光は、約77Kの低温でも十分検出可能な光強度を示すが、温度依存性の傾き(感度)が低い。このため、ストークスラマン散乱光強度の温度依存性から光ファイバ周囲の温度を算出すると、常電導転移を検出するために十分な精度が得られない。

 臨界温度以下において超電導線材1に通電した場合、超電導層1bは超電導状態にあり、抵抗値が0であるため、電流はこの超電導層1bを流れ、超電導線材1は発熱しない。
 超電導線材1において、万が一、何らかの理由により、超電導層1bが超電導状態から常電導状態に遷移する常電導転移が発生した場合、超電導層1bに抵抗が生じ、電流は抵抗が比較的小さい金属安定化層1cを流れる。その際、金属安定化層1cでは、電流値と抵抗値に応じたジュール熱が発生し、発熱が起こる。

 このように、超電導線材1に常電導転移が生じると、線材の温度が臨界温度から急激に上昇する。また、アンチストークスラマン散乱光強度は、検出下限以上となる約100K以上であれば、温度計測も可能な精度が得られる。これより、アンチストークスラマン散乱光の強度の変化から、超電導線材に生じた常電導転移を検出できる。また、常電導転移を検出した後は、引き続き超電導線材1の温度変化を温度計測器10により計測することも可能である。

 超電導線材1の温度が、臨界温度を超える所定温度以上に上昇すれば、アンチストークスラマン散乱光強度が、検出下限を超える所定値以上に増大する。このことから、アンチストークスラマン散乱光強度のしきい値として、検出下限を超える所定値を設定し、アンチストークスラマン散乱光強度がしきい値を超えたかどうかにより、超電導線材の常電導転移の有無を判定できる。
 アンチストークスラマン散乱光強度は、上述したように時間分解した計測により、光ファイバ位置依存性を計測することが可能である。これより、アンチストークスラマン散乱光強度が所定のしきい値を超えた位置を算出することにより、常電導転移が生じた位置を特定することも可能である。

 アンチストークスラマン散乱光強度は、上述したように液体窒素温度付近では弱く、散乱光強度が検出下限を下回る状態(ノイズレベル)以下であることが通常である。しかし、超電導状態に保たれている間でも、確率的に検出下限より約1dB程度高いレベルの強度を観測することがある。このため、上記所定のしきい値については、例えば検出下限より約2dB以上、またはそれ以上の強度のときに常電導転移が生じたと判断することが好ましい。
 また、所定のしきい値は、超電導状態に保たれているときのアンチストークスラマン散乱光強度の最大値よりも、ある程度大きいレベルに設定することが好ましい。アンチストークスラマン散乱光強度の最大値は、超電導線材1が超電導状態に保たれている間のアンチストークスラマン散乱光強度を一定時間継続して計測した場合の最大値である。これにより、超電導状態に保たれている場合にはしきい値を超える強度が計測されにくく、誤検出を抑制できる。

 この場合、上記所定のしきい値については、対象の超電導線材についてアンチストークスラマン散乱光強度の計測を開始する前にあらかじめ特定された値を使用することもできる。しかし、長期的な経時変化の影響を抑制する等のため、対象の超電導線材について計測を続けている間に超電導線材1が超電導状態に保たれている間のアンチストークスラマン散乱光強度を計測した過去の結果を統計的に処理し、所定のしきい値の値を定期的または不定期に更新してもよい。
 また、光ファイバ位置(2点またはそれ以上の地点)ごとにアンチストークスラマン散乱光強度を、期間を継続して計測し、超電導線材1が超電導状態に保たれている間の散乱光強度の計測結果から、それぞれの光ファイバ位置ごとに、異なるしきい値を設定することも可能である。
 上述したように、常電導転移による発熱は、金属安定化層1cに流れる電流値と金属安定化層1cの抵抗値に応じたジュール熱が主であり、発熱量は電流値に強く依存する。そのため、常電導転移が発生したか否かを判定するための所定のしきい値は、超電導線材に通電する電流値ごとに異なる値を設定することも可能である。

《超電導保護装置》
 本実施形態の超電導線材の常電導転移の検出方法は、運転中の超電導線材の保護装置に利用できる。
 超電導保護装置は、図1の温度計測器10に計測したアンチストークスラマン散乱光強度を電気信号に変換し、電気信号を受け取って、上述の常電導転移の検出方法に従って自動的に解析するコンピュータ等の解析装置、異常を検知した場合に電流を制限(低下)あるいは遮断(停止)させる等して超電導線材への通電量を制御する制御装置、異常を検知した場合に作業者に警報を発する警報装置、運転状況の表示装置等を備えることができる。これにより、万一、常電導転移が発生しても超電導線材1の溶断や焼損を防止し、超電導線材1を良好な状態で保護できる。
 また、超電導線材に焼損や特性劣化が生じた場合、または生じるおそれがある場合でも、常電導転移が発生した位置を特定できる。そのため、点検、補修、修理、交換等の必要な作業を、より迅速かつ的確に行うことが可能になる。

《超電導コイル》
 本実施形態は、超電導線材をコイル状とし、超電導線材に電流を通電させることで電磁力(フープ応力)を発生させることができる超電導コイルにも適用可能である。
 超電導コイルは、例えば超電導線材を超電導線材の厚さ方向に湾曲させ、同心円状に多数回巻回させたパンケーキ型のコイル体であっても良い。また、コイル体を2個または3個以上積層させても良い。

 特許文献4や非特許文献1に記載されているFBGを用いた光ファイバ型温度センサは、ブラッグ波長変化から温度変化を検知する。ただし、フープ応力により光ファイバの長手方向に生じるひずみによってもFBGのブラッグ波長が変化する可能性がある。
 すなわち、温度変化とフープ応力を同じブラッグ波長変化として捉えるため、誤作動の可能性がある。これに対して、ラマン散乱光は、光ファイバ長手方向のひずみ(フープ応力)によって強度変化を生じないので、強度変化から温度変化のみを計測できる。このため、超電導コイルに適用した場合であっても常電導転移の検出が容易である。

 すなわち、本発明においては、光ファイバの変形およびひずみとは無関係に散乱光強度を計測する。従って、超電導線材がコイル状であるか直線状であるか、超電導線材のコイルが内側から巻枠等で支持されているか、または、コイルが中空であるかによらず、常電導転移を検出できる。

 以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

 以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。

(実施例1)
 図4は、実施例で用いた超電導線材1の常電導転移の検出方法を実施する形態を示す構成図である。図5Aは、超電導線材1に対して意図的に常電導転移を発生させる常電導転移部の形態を示す構成図の詳細である。

 本実施例において、超電導線材1の基材1aには、幅5mm、厚さ0.1mmのハステロイC276を用いた。超電導層1bには、幅5mm、厚さ0.001mm(すなわち1μm)のGdBCO(GdBaCu7-x)を用いた。この超電導層の臨界温度は約90K、臨界電流は約230A(温度77K、磁場0T環境下における値)である。金属安定化層1cには、幅5mm、厚さ0.3mmの銅を用いた。
 光ファイバ3は、Geをドープした石英ガラスからなるコアの外径が50μm、純粋石英ガラスからなるクラッドの外径が125μmのGI型マルチモード光ファイバである。この光ファイバ3は、クラッド周囲がポリイミドからなる外径150μmの被覆層で覆われている。
 温度計測器10としては、横河電機株式会社製のROTDR方式温度計測器AQ8940(型番)を用いた。

 超電導線材1に対して意図的に常電導転移を発生させる常電導転移部に配した光ファイバ3bは、図5Bに示すように、固定部材4としてアピエゾンN(商品名)グリスを用い、金属安定化層1c上に近接して配置される。さらにカプトンテープ(商品名)により、超電導線材1とともに光ファイバ3bの周囲を覆って、光ファイバ3bは超電導線材1に固定した。常電導転移部に配した光ファイバ3bの全長は約0.4mであり、図5Aに示すように直径0.26mのガラス繊維強化プラスチック製の巻枠13の外周にコイル状に固定した。また、光ファイバ3bのほぼ中央にハステロイ製の抵抗加熱ヒータ14を設けた。

 温度計測器10と常電導転移部との間に設けた約304mの光ファイバ3a、および、温度計測器10からみて光ファイバ3の出力端側に設けた約25mの光ファイバ3cの大部分(光ファイバ3aと温度計測器10との接続部、光ファイバ3cの端末を除いた部分)を超電導線材1に配する。さらに、これらの光ファイバは、超電導線材1とともに直径0.26mのガラス繊維強化プラスチック製の巻枠13の外周にコイル状に固定した。
 光ファイバ3a、3b、3cの全長において散乱光強度に基づく超電導線材1の温度変化の計測が可能なように、光ファイバ3aおよび光ファイバ3cも金属安定化層1c上に近接して配置した。なお、光ファイバ3a,3b,3cは、コアおよびクラッドが連続してつながった1本の光ファイバ3から構成される。

 光ファイバ3a,3b,3cに対応する3つの巻枠13、13、13が、それぞれ低温容器11内の液体窒素12に浸漬されて77Kに保持した。
 次いで、常電導転移部の光ファイバ3bを配した部分にのみ、超電導線材1に約160Aの直流電流を通電した。この通電のため、超電導線材1にはあらかじめ電流端子が設けられており、これを電源に接続した(図示せず)。
 なお、図4に示すように、超電導線材1と光ファイバ3は、3つの巻枠13に分割して固定されている。これは、常電導転移およびクエンチの生じ得る位置を、光ファイバ3bとヒータ14とを配した常電導転移部の範囲内に制限し、温度計測器10で計測される常電導転移の発生位置の計測値と比較することで、常電導転移の発生位置(温度計測器10からの光ファイバ3に沿った距離)が特定できたかの検証を容易にするためである。

 実施例1では、温度計測器10から光ファイバ3に対して218回(26万2144回)パルス光を入射し、それぞれのパルス光を時間分解して、ストークスラマン散乱光強度とアンチストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性とを計測した。得られた散乱光強度の光ファイバ位置依存性を全てのパルス光(218パルス)で平均化する測定の工程を1サイクルとして、それぞれの散乱光強度を計測した。図6および図7は、それぞれ常電導転移前および常電導転移時に相当する1サイクルの測定結果を示す。
 1サイクル当たりの測定時間は45秒であり、計測繰り返し速度は0.022サイクル/秒(すなわち0.022Hz)である。

 図6に、常電導転移前に計測した、ストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度、および、これらの強度比の光ファイバ位置依存性を示す。本実施例では、ROTDR方式の計測を光ファイバ3の全長にわたって光ファイバ位置が特定されるように実施している。しかし、グラフでは、光ファイバ3aの一部、光ファイバ3bの全体、光ファイバ3cの一部にあたる、275~325mの区間の結果のみを示している。
 なお、光ファイバ3aの長さが上述したように約304mであるため、長さが約0.4mの光ファイバ3bは、横軸におけるファイバ位置で、304m付近に位置する。
 いずれの位置においても、アンチストークスラマン散乱光強度は検出下限の値を示した。すなわち、アンチストークスラマン散乱光強度が温度計測器10のノイズレベル以下の強度であることから、超電導線材1が液体窒素温度(77K)に保持されていると判断できる。

 次に、ヒータ14に通電して、常電導転移部の超電導線材1に常電導転移を生じさせた。図7に、常電導転移が生じた際に計測した、ストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度、および、これらの強度比の光ファイバ位置依存性を示す。図7の計測条件は、図6と同様である。
 また、図8には、常電導転移前と常電導転移時のアンチストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を対比して示す。図9には、常電導転移前と常電導転移時のストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を対比して示す。
 温度計測器10側の光ファイバ3aと、端末側の光ファイバ3cでは、図6、図7のグラフに示した範囲はもちろん、グラフに示されない範囲を含めて、常電導転移の前後を通じ、アンチストークスラマン散乱光強度がノイズレベル以下の値を示していた。

 図8に示すように、304m地点のアンチストークスラマン散乱光がノイズレベルより約6dB高い強度を示したことから、この地点で光ファイバ3bの温度上昇があると判断した。すなわち、この時点で超電導線材1が温度上昇し、常電導転移を生じたと判断した。本実施例で計測により常電導転移の発生位置と特定した304m地点は、上述したように、常電導転移部の光ファイバ3bの位置に対応している。従って、アンチストークスラマン散乱光強度の変化から超電導線材1の常電導転移を検出できることが実証された。

 図9では、縦軸の目盛りが0.2dB/Div.(1目盛りあたり)であり、散乱光強度が、図8の2dB/Div.よりも拡大して表示されている。
 304m地点が常電導転移の発生位置であるが、ストークスラマン散乱光強度を計測した場合、常電導転移時においても、常電導転移前に比べて温度上昇に伴う光強度の増大が見られず、むしろ0.05dB程度という微小の強度低下が見られた。
 この結果は、常電導転移前から304m地点の光ファイバ3bに限って局所的な損失(例えば巻枠13への固定に伴う曲げ損失)が存在し、常電導転移による温度上昇の際に超電導線材1が変形して、光ファイバ3bの曲げ損失に影響したためであると考えられる。しかし、このような現象は、光ファイバ3a、3b、3cを別々の巻枠13に固定するという本実施例の構成に起因するとも考えられる。従って、一般的には、ストークスラマン散乱光強度の変化から超電導線材1の常電導転移を検出することは不可能といえる。

(実施例2)
 実施例1と同様の構成で超電導線材1の常電導転移の検出を行った。ただし、本実施例では、1サイクルに温度計測器10から光ファイバ3に対してパルス光を入射する回数を212回(4096回)とした。
 すなわち、実施例2では、温度計測器10から光ファイバ3に対して212回(4096回)パルス光を入射し、それぞれのパルス光を時間分解して、ストークスラマン散乱光強度とアンチストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を計測した。得られた散乱光強度の光ファイバ位置依存性を全てのパルス光(212パルス)で平均化する測定の工程を1サイクルとして、それぞれの散乱光強度を計測した。
 1サイクル当たりの測定時間は2.5秒であり、計測繰り返し速度は0.4サイクル/秒(すなわち0.4Hz)である。

 図10に、常電導転移前に計測した、ストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度、および、これらの強度比の光ファイバ位置依存性を示す。本実施例では、ROTDR方式の計測を光ファイバ3の全長にわたって光ファイバ位置が特定されるように実施している。しかし、グラフでは、光ファイバ3aの一部、光ファイバ3bの全体、光ファイバ3cの一部にあたる、275~325mの区間の結果のみを示している。
 なお、光ファイバ3aの長さが上述したように約304mであるため、長さが約0.4mの光ファイバ3bは、横軸におけるファイバ位置で、304m付近に位置する。
 いずれの位置においても、アンチストークスラマン散乱光強度は検出下限の値を示した。すなわち、アンチストークスラマン散乱光強度が温度計測器10のノイズレベル以下の強度であることから、超電導線材1が液体窒素温度(77K)に保持されていると判断できる。

 次に、ヒータ14に通電して、常電導転移部の超電導線材1に常電導転移を生じさせた。図11に、常電導転移が生じた際に計測した、ストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度、および、これらの強度比の光ファイバ位置依存性を示す。図11の計測条件は、図10と同様である。
 また、図12には、常電導転移前と常電導転移時のアンチストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を対比して示す。図13には、常電導転移前と常電導転移時のストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を対比して示す。

 図12に示すように、304m地点のアンチストークスラマン散乱光がノイズレベルより約3dB高い強度を示すことから、この地点で光ファイバ3bの温度上昇があったと判断した。すなわち、この時点で超電導線材1が温度上昇し、常電導転移を生じたと判断した。実施例2でも、実施例1と同様に、常電導転移の発生位置を、常電導転移部の光ファイバ3bの位置に対応している304m地点と特定することができた。

 図13では、縦軸の目盛りが0.2dB/Div.(1目盛りあたり)であり、散乱光強度が、図12の2dB/Div.よりも拡大して表示されている。
 304m地点が常電導転移の発生位置であるが、ストークスラマン散乱光強度を計測した場合、常電導転移の前後で、明確な光強度の変化が観測されなかった。

 なお、実施例1では、常電導転移を検出した304m地点の信号強度とノイズレベルの比(S/N比)が約6dBであったのに対し、実施例2では、このS/N比が約3dBであった。これは、実施例2では、1サイクルの平均回数が実施例1よりも少ないため、ノイズレベルが上昇したためである。しかしながら、実施例2では、1サイクルの平均回数を少なくしたことにより、非常に短時間(2.5秒)で繰り返し計測を行うことが可能である。
 S/N比は、値が高いほど常電導転移の検出精度が向上することを意味する。一方、計測繰り返し速度は、値が速いほど常電導転移を早期に検出できることを意味する。したがって、超電導線材の特性(臨界温度、臨界電流等)、および、超電導線材の運転状況(冷却温度、通電電流等)に応じて要求される検出精度と検出時間に合わせて、1サイクルの平均回数を設定することが望ましい。

 以上説明した実施例1,2によると、全長約325mの超電導線材の約0.4mの区間に生じる常電導転移および常電導転移に伴うクエンチを、アンチストークスラマン散乱光強度の計測により、高い応答性で検出できた。したがって、本発明では、上述のように長さ300mの超電導線材に対して1m間隔で常電導転移を検出することが可能である。

 本発明は、超電導線材の常電導転移の検出方法に適用できる。

 1  超電導線材
 1a  基材
 1b  超電導層
 1c  金属安定化層
 2  複合線材
 3  光ファイバ
 4  固定部材
 5  被覆部材
 10  温度計測器
 11  低温容器
 12  液体窒素
 13  巻枠
 14  ヒータ

Claims (5)

  1.  基材と、77K以上の臨界温度を有する超電導層と、金属安定化層とを備える超電導線材の常電導転移の検出方法であって、
     光ファイバが前記超電導線材に配置され、
     前記光ファイバに測定光を入射し、
     前記測定光のアンチストークスラマン散乱光の強度を計測し、
     前記超電導線材に常電導転移が生じたことを、前記アンチストークスラマン散乱光の強度の変化に基づいて検出する、超電導線材の常電導転移の検出方法。
  2.  前記超電導線材に前記常電導転移が生じたことを、前記アンチストークスラマン散乱光の強度が所定値以上に増大したことに基づいて検出する、請求項1に記載の超電導線材の常電導転移の検出方法。
  3.  前記測定光にパルス光を用い、前記測定光のアンチストークスラマン散乱光の強度を、時間分解して計測することにより、前記光ファイバの長手方向に沿って常電導転移が生じた位置を特定する、請求項1または2に記載の超電導線材の常電導転移の検出方法。
  4.  前記光ファイバがコア径50μm以上のマルチモードファイバである、請求項1~3のいずれか1項に記載の超電導線材の常電導転移の検出方法。
  5.  前記超電導線材がコイル状である、請求項1~4のいずれか1項に記載の超電導線材の常電導転移の検出方法。
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