JP2014099440A

JP2014099440A - 永久電流スイッチ、及びこの永久電流スイッチを備えた超電導マグネット装置

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Publication number: JP2014099440A
Application number: JP2012248986A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Terao; 泰昭寺尾; Osamu Ozaki; 修尾崎
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2014-05-29

Abstract

【課題】テープ状の酸化物超電導線材を用いた無誘導コイルを備える永久電流スイッチであって、弱い磁場で無誘導コイルを常電導転移させることが可能な永久電流スイッチ、及びこの永久電流スイッチを備えた超電導マグネット装置を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、テープ状の酸化物超電導線材２６１が法線方向を径方向に向けて複数層巻き重ねられた無誘導コイル２６と、無誘導コイル２６を挟むように配置される一対の磁場印加用コイル２７、２８と、を備え、一対の磁場印加用コイル２７、２８は、互いに逆方向に電流が流れるように導電線２７１がそれぞれ巻回され、各磁場印加用コイル２７、２８に電流が流れることによって磁力線が無誘導コイル２６の各層（酸化物超電導線材２６１）をその主面と交差する方向に貫通するようなカスプ磁場を形成することを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、永久電流モードで運転される超電導マグネットに用いられる永久電流スイッチ、及びこの永久電流スイッチを備えた超電導マグネット装置に関する。

引用文献１は、テープ状の酸化物超電導線材を巻回したコイルを用いた永久電流スイッチを開示している。

この永久電流スイッチは、図１１に示されるように、酸化物超電導線材によって形成された無誘導コイル２０２と、この無誘導コイル２０２に磁場を印加可能な磁場印加用コイル２０４とを備える。

無誘導コイル２０２は、テープ状の酸化物超電導線材がその法線方向をコイル２０２の半径方向に向け且つ、無誘導巻きとなるように巻回されることによって構成される。この無誘導コイル２０２は、超電導マグネット装置２１０において超電導マグネット２１２と並列に接続される。

この永久電流スイッチ２００では、磁場印加用コイル２０４によって無誘導コイル２０２に磁場が印加されていない状態（永久電流スイッチ２００がオンの状態）では、超伝導マグネット２１２と無誘導コイル２０２を構成する超電導線材とが超電導転移しているため、それぞれ内部抵抗が無く、これにより、超電導マグネット２１２の両端が短絡された状態（閉回路）となって当該超電導マグネット２１２を電流が流れ続ける永久電流モードとなる。

そして、磁場印加用コイル２０４によって無誘導コイル２０２に磁場を印加する（永久電流スイッチをオフにする）と、これにより、無誘導コイル２０２を構成する酸化物超電導線材が前記磁場の印加によって常電導転移し、これにより、無誘導コイル２０２に抵抗（詳しくは、当該コイル２０２を構成する酸化物超電導線材の抵抗）が生じて、永久電流モードが終了する。

特開２００４−３９５９１号公報

近年の超電導マグネット装置の小型化の要請から、この超電導マグネット装置内に配置される永久電流スイッチの小型化も求められており、この永久電流スイッチでは、無誘導コイルに印加する磁場を弱く（即ち、磁場印加用コイルを小さく）することによって永久電流スイッチ自体の小型化を図ることができる。

しかし、上記の永久電流スイッチでは、無誘導コイルを常電導転移させるために印加する磁場を弱くすることについての示唆等が一切されていない。

そこで、本発明は、テープ状の酸化物超電導線材を用いた無誘導コイルを備える永久電流スイッチであって、弱い磁場で無誘導コイルを常電導転移させることが可能な永久電流スイッチ、及びこの永久電流スイッチを備えた超電導マグネット装置を提供することを目的とする。

本発明の発明者らは、無誘導コイルに磁場が印加されたときの当該コイルを貫通する磁力線の向きに着目して鋭意研究を行った結果、無誘導コイルの各層（テープ状の酸化物超電導線材）を磁力線が交差する方向に貫通するような磁場を無誘導コイルに印加することによって、弱い磁場で無誘導コイルを常電導転移できることを発見した。これは、テープ状の酸化物超電導線材においては、前記酸化物超電導線材の主面に沿って磁力線が貫通するときが最も常電導転移し難く、前記酸化物超電導線材を貫通する磁力線と前記酸化物超電導線材の法線方向との角度が小さくなるにつれて常電導転移し易いからである。

そこで、前記発明者らは、前記発見に基づき無誘導コイルに磁場を印加するための磁場印加用コイルの数や配置等に着目し、以下の構成の永久電流スイッチ、及びこの永久電流スイッチを備えた超電導マグネット装置を創作した。

本発明は、超電導マグネットを永久電流モードで運転するための永久電流スイッチであって、テープ状の酸化物超電導線材がその法線方向を径方向に向けた状態でインダクタンスが生じないような無誘導巻きとなるよう複数層巻き重ねられ、且つ前記超電導マグネットに電気的に接続される無誘導コイルと、前記無誘導コイルと同心となるように、前記無誘導コイルの中心軸方向において当該無誘導コイルを挟んで対向する位置に配置される一対の磁場印加用コイルとを備えることを特徴とする。

このように、中心軸が一致するよう一対の磁場印加用コイルによって無誘導コイルを挟んだ状態でこれら一対の磁場印加用コイルに前記中心軸周りに逆向きの電流をそれぞれ流すことによって、無誘導コイルの各層（テープ状の酸化物超電導線材）を磁力線が交差する方向に貫通するような磁場を無誘導コイルに印加することを可能にした。これにより、上記構成の永久電流スイッチでは、弱い磁場で無誘導コイルを常電導転移させることができる。

本発明に係る永久電流スイッチにおいては、前記中心軸方向視における各磁場印加用コイルの内周面に囲まれた領域内において、前記中心軸方向に少なくとも一方の磁場印加用コイルから前記無誘導コイルの内周面に囲まれた領域を通過して他方の磁場印加用コイルまで延び、且つ磁性材料によって構成される中心磁気ヨーク部材を備えることが好ましい。

かかる構成によれば、中心磁気ヨーク部材によって磁力線が略径方向（無誘導コイルの径方向）に延びる領域がより中心軸側（径方向中心側）まで引っ張られることにより、無誘導コイルの各層（各酸化物超電導線材）を貫通する各磁力線が酸化物超電導線材の法線方向により近くなるため、無誘導コイル（当該コイルを構成する酸化物超電導線材）がより常電導転移し易くなる。

しかも、前記磁力線が略径方向に延びる領域が中心磁気ヨーク部材によって中心軸側に引っ張られた分だけ無誘導コイルの径方向内側における酸化物超電導線材の巻き数を増やすことで、磁場の印加による無誘導コイルの常電導転移のし易さを維持しつつ、常電導転移したときの無誘導コイルの抵抗値を増大させることができる。

具体的には、前記磁力線が略径方向に延びる領域が前記中心磁気ヨークに引っ張られた分だけ無誘導コイルの径方向内側における酸化物超電導線材の巻き数を増やしても、前記磁場が印加されたときに、この磁場の磁力線が前記内側に増やした無誘導コイルの各層（テープ状の酸化物超電導線材）をその主面と交差する方向に貫通するため、常電導転移のし易さが維持される。また、永久電流スイッチ（無誘導コイル）は超電導コイル（超電導マグネット）と並列に接続されて用いられるため、常電導転移したときの抵抗値が小さいと永久電流モードから永久電流スイッチをオフにしても当該スイッチ（無誘導コイル）に電流が流れて永久電流モードを瞬時に終了できなくなるが、前記無誘導コイルの径方向内側の巻き数を増やして当該無誘導コイルを構成する酸化物超電導線材の全長を大きくして常電導転移したときの当該コイルの抵抗値を十分に確保することによって、永久電流モードから永久電流スイッチをオフにしたときに当該スイッチに電流が流れることを確実に防ぐことができる。

前記一対の磁場印加用コイル及び前記無誘導コイルを外側から囲み、又は前記中心磁気ヨーク部材と共同して前記一対の磁場印加用コイル及び前記無誘導コイルを外側から囲み、且つ磁性材料によって構成される外側磁気ヨーク部材を備えてもよい。

かかる構成によれば、各コイルが磁性材料で構成される外側磁気ヨーク部材（又は外側磁気ヨーク部材と中心磁気ヨーク部材）によって囲まれるため、各コイルにおいて生じる磁場がその外部に漏れるのを防ぐことができる。

また、上記課題を解消すべく、本発明は、超電導マグネット装置であって、上記いずれかの永久電流スイッチと、電源に対して前記永久電流スイッチと並列に接続される超電導コイルと、を備える。

かかる構成によれば、永久電流スイッチにおいて、中心軸を一致させた状態で一対の磁場印加用コイルによって無誘導コイルを挟んだ状態で、これら一対の磁場印加用コイルに前記中心軸周りに逆向きの電流を流すことによって、無誘導コイルの各層（テープ状の酸化物超電導線材）を磁力線が交差する方向に貫通するような磁場を無誘導コイルに印加することができる。これにより、前記永久電流スイッチでは、弱い磁場で無誘導コイルを常電導転移させることができる。このため、一対の磁場印加用コイルを小さくして永久電流スイッチの小型化を図ることができ、この永久電流スイッチを内蔵するマグネット装置の小型化を図ることが可能となる。

以上より、本発明によれば、テープ状の酸化物超電導線材を用いた無誘導コイルを備える永久電流スイッチであって、弱い磁場で無誘導コイルを常電導転移させることが可能な永久電流スイッチ、及びこの永久電流スイッチを備えた超電導マグネット装置を提供することができる。

第１実施形態に係る超電導マグネット装置の概略構成図である。前記超電導マグネット装置に設けられた永久電流スイッチの分解斜視図である。前記永久電流スイッチにおける磁場の状態を示す断面図である。前記永久電流スイッチの巻枠部材の斜視図である。前記永久電流スイッチの無誘導コイルにおける酸化物超電導線材の巻き方を説明するための図である。カスプ磁場を説明するための図である。前記超電導マグネット装置の配線状態を説明するための図である。前記巻枠部材の胴部が非磁性材料の場合の磁場の状態を示す断面図である。第２実施形態に係る超電導マグネット装置の概略構成図である。前記超電導マグネット装置の永久電流スイッチの概略構成図である。従来の永久電流スイッチを説明するための図である。

以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図８を参照しつつ説明する。

本実施形態に係る超電導マグネット装置は、例えば、ＮＭＲ装置やＭＲＩ装置等に用いられ、図１に示されるように、クライオスタット１１と、超電導マグネット１４と、永久電流スイッチ２０と、を備える。

クライオスタット１１は、超電導マグネット１４及び永久電流スイッチ２０を液体窒素と共にその内部に収容する。この液体窒素は、超電導マグネット１４のメインコイル１８及び永久電流スイッチ２０の無誘導コイル２６等を冷却して超電導状態にする（超電導転移させる）ためのものである。尚、図１において、液体窒素の図示を省略している。

クライオスタット１１は、中央に前記ＮＭＲ装置等の撮影対象が配置される貫通穴（室温ボア）１２を残してこれを取り巻く筒状又はドーナツ状に形成されている。本実施形態のクライオスタット１１は、貫通穴１２が垂直方向（図１において上下方向）に貫通するような姿勢で配置される。このクライオスタット１１は、例えば、ステンレス鋼やその合金等の非磁性体によって形成されている。

クライオスタット１１の内部では、下方位置に超電導マグネット１４が配置され、上方位置に、貫通穴１２を囲み、且つ水平方向に広がるプレート１３が設けられている。このプレート１３上には、永久電流スイッチ２０や、超電導マグネット１４の保護回路、超電導接続箇所等が配置される。

超電導マグネット１４は、巻枠１５と、この巻枠１５に設けられるメインコイル（磁場形成用コイル）１８と、を備える。巻枠１５は、貫通穴１２を囲むように配置された筒状の胴部１６と、胴部１６の上下方向の両端から径方向（図１における水平方向）にそれぞれ広がるフランジ部１７、１７と、を有する。メインコイル１８は、巻枠１５に、例えば、Ｂｉ（ビスマス）系やＹ（イットリウム）系の酸化物超電導線材がソレノイド状に巻回されることによって形成されている。

永久電流スイッチ２０は、図２〜図４にも示されるように、巻枠部材２２と、この巻枠部材２２を周方向に取り囲む外周部材（外側磁気ヨーク）２４と、無誘導コイル２６と、一対の磁場印加用コイル（第１コイル２７、第２コイル２８）と、を備える。

巻枠部材２２は、円柱状の胴部（中心磁気ヨーク部材）２２１と、その中心軸ｃ方向に間隔をおいて設けられる複数（本実施形態では４つ）のフランジ部２２２〜２２５と、を有する。この巻枠部材２２には、上から順に、磁場印加用コイル（第１コイル）２７、無誘導コイル２６、及び磁場印加用コイル（第２コイル）２８が配置されている。

胴部２２１は、磁性材料によって構成されている。本実施形態の胴部２２１は、例えば、ＳＳ４００等によって構成されている。この胴部２２１は、その中心軸ｃ方向視における第１コイル２７及び第２コイル２８の内周面に囲まれた領域内において、中心軸ｃ方向に一方（例えば上側）の磁場印加用コイル（例えば第１コイル２７）から無誘導コイル２６の内周面に囲まれた領域を通過して他方（例えば下側）の磁場印加用コイル（例えば第２コイル２８）まで延びている（図３参照）。

各フランジ部２２２〜２２５は、中心軸ｃ方向において各コイル２６〜２８の幅に対応する間隔を空けて設けられ、それぞれ胴部２２１の外周面から径方向に広がっている。胴部２２１の上端と下端とに設けられるフランジ部２２２、２２５は、磁性材料によって構成されている。本実施形態のフランジ部２２２、２２５は、例えば、ＳＳ４００等によって構成されている。また、胴部２２１の中心軸ｃ方向の中間位置に設けられる２つのフランジ部２２３、２２４は、非磁性材料によって構成されている。本実施形態のフランジ部２２３、２２４は、例えば、ＳＵＳ３０４等によって構成されている。この非磁性材料によって構成されるフランジ部２２３、２２４は、第１コイル２６と無誘導コイル２６との間と、無誘導コイル２６と第２コイル２８との間に設けられている。

各フランジ部２２２〜２２５は、中心軸ｃ方向視において、円形の輪郭を有する板状の部位であり、各フランジ部２２２〜２２５の外径は同じである。

本実施形態の巻枠部材２２では、例えば、胴部２２１の高さ（中心軸ｃ方向の長さ寸法）が１２０．０ｍｍ、直径が５０．０ｍｍであり、各フランジ部２２２〜２２５の直径（外径）が６５．５ｍｍ、胴部２２１の外周面からフランジ部２２２〜２２５の周縁までの長さ寸法が４０．５ｍｍ、磁性材料のフランジ部２２２、２２５の厚さが１０．０ｍｍ、非磁性材料のフランジ部２２３、２２４の厚さが６．５ｍｍである。

外周部材２４は、中心軸ｃを中心にして巻枠部材２２を外側から囲む円筒形状を有し、磁性材料によって構成されている。本実施形態の外周部材２４は、例えば、ＳＳ４００等によって構成されている。この外周部材２４の内径は、巻枠部材２２の各フランジ部２２２〜２２５の外径（直径）と同じ若しくは僅かに大きい。本実施形態の外周部材２４では、例えば、内径が６５．５ｍｍ、外径が７５．５ｍｍ、高さ（中心軸ｃ方向の長さ寸法）が１２０ｍｍである。

以上のように構成される巻枠部材２２（詳しくは、胴部２２１及び両端のフランジ部２２２、２２５）と外周部材２４とは、ヨークとして働く。

無誘導コイル（スイッチ用コイル）２６は、テープ状の超電導線材２６１がその法線（厚さ）方向を当該コイル２６の径方向に向けた状態で複数層巻き重ねられることによって構成される。具体的に、無誘導コイル２６は、テープ状の超電導線材２６１が一対のフランジ部２２３、２２４間の領域においてその法線（厚さ）方向を巻枠部材２２の径方向に向けた状態（フラットワイズ状態）で胴部２２１の外周面上において無誘導巻きとなるように多層に巻き重ねられた、いわゆるパンケーキコイルである。

また、無誘導コイル２６は、超電導線材２６１が無誘導巻きされることによって構成されている。この無誘導巻きとは、無誘導コイル２６全体におけるインダクタンスをキャンセルすることができるような巻き方である。例えば、超電導線材２６１は、図５（Ａ）に示されるように、径方向に隣り合う層間の電流の向きが反対となる構成でもよく、例えば、図５（Ｂ）に示されるように、所定のターン数を一方向に巻線したコイルの外側に、このコイルと反対方向に所定のターン数巻線したコイルを直列に接続し、コイル２６全体のインダクタンスをキャンセルする構成であってもよい。即ち、無誘導コイル２６がインダクタンスを持たない巻線方法（無誘導巻線）であれば、具体的な巻線方法は、限定されない。尚、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）において、色の薄い層（超電導線材２６１の断面）では紙面の手前から奥に向かって電流が流れ、色の濃い層では紙面の奥から手前に向かって電流が流れる。

図２〜図４に戻って、超電導線材２６１は、テープ状の酸化物超電導線材であり、例えば、Ｂｉ（ビスマス）系酸化物超電導導体や、希土類系酸化物超電導導体、ＲＥＢＣＯ等によって構成される。この超電導線材２６１は、例えば、幅が７．０ｍｍ、厚さが０．３６ｍｍのテープ形状を有する。

本実施形態では、この超電導線材２６１が巻枠部材２２の胴部２２１に３５ターン巻回されることによって、内径が５０．０ｍｍ、外径が７５．５ｍｍ、径方向の厚さが１２．７５ｍｍ、中心軸ｃ方向の幅が７．０ｍｍの無誘導コイル２６が構成されている。

一対の磁場印加用コイル（第１コイル及び第２コイル）２７、２８は、中心軸ｃを中心にして互いに逆方向に電流が流れるように導電線２７１がそれぞれ巻回され、各磁場印加用コイル２７、２８に電流が流れることによって磁力線が無誘導コイル２６の各層を構成する酸化物超電導線材２６１をその主面と略直交（交差）する方向に貫通するような磁場を形成する。

ここで、テープ状の超電導線材２６１に対しては、法線方向に磁力線が貫通するときが最も常電導転移し易く（即ち、最も弱い磁場で常電導転移させることができ）、超電導線材２６１を貫通する磁力線と超電導線材２６１の法線方向との角度が大きくなるに従って常電導転移し難くなる（即ち、より強い磁場を印加しないと常電導転移しなくなる）。

具体的に、第１コイル２７及び第２コイル２８は、例えば、Ｃｕ（銅）によって構成される直径１．０ｍｍの導電線２７１が、フランジ部２２２、２２３（又は２２４、２２５）間の領域において胴部２２１の外周面上においてソレノイド状に巻き重ねられることによって構成される。本実施形態において、第１コイル２７及び第２コイル２８は、内径が５０．０ｍｍ、外径が１３１．１ｍｍ、径方向の厚さが４０．５ｍｍ、中心軸ｃ方向の幅が４０．０ｍｍ、層数が４４、巻数／層が３７、巻数が１６２８である。尚、第１コイル２７と第２コイル２８とでは、導電線２７１の巻回方向が互いに逆向きである。本実施形態において、例えば、第１コイル２７では、導電線２７１が平面視時計回りに巻回され、第２コイル２８では、導電線２７１が平面視反時計回りに巻回されている（図２参照）。

このような第１コイル２７及び第２コイル２８に、中心軸ｃを中心に互いに逆方向の電流を流すことにより、第１コイル２７及び第２コイル２８は、図６に示すような磁力線によって表される磁場（カスプ磁場）を形成する。このカスプ磁場とは、ｚ軸（中心軸ｃ）を対称軸としたときに、磁場の強さが近軸領域において「Ｂ_ｒ＝ａｒ、Ｂ_ｚ＝−２ａｚ：ａは定数」で表され、磁力線が「ｒ^２ｚ＝一定」で表される磁場である。

このカスプ磁場では、第１コイル２７と第２コイルと２８の間（無誘導コイル２６が配置されている領域）において磁力線が略水平方向（略径方向）を向いている。これにより、磁力線が無誘導コイル２６の各層を構成する超電導線材２６１をその主面と略直交（交差）する方向に貫通する。

尚、第１コイル２７及び第２コイル２８を構成する導電線２７１の材質は、Ｃｕに限定されず、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、若しくはこれらの合金等であってもよい。

以上のように構成される永久電流スイッチ２０は、クライオスタット１１内のプレート１３上に配置され、永久電流スイッチ２０の無誘導コイル２６と超電導マグネット１４のメインコイル１８とが、図７に示されるように、外部電源３０に対して並列に接続される。このとき、無誘導コイル２６とメインコイル１８とを接続する導電線も、酸化物超電導導体によって構成されている。また、第１コイル２７と第２コイル２８とには、それぞれ制御用電源３２が接続される。

このように外部電源３０と制御用電源３２とが接続された超電導マグネット装置１０では、スイッチ３４が閉じられ、超電導マグネット１４（メインコイル１８）に外部電源からの電流が供給される。そして、所定量の電流が供給されるとスイッチ３４が開かれる。このとき、メインコイル１８、無誘導コイル２６、及び、これらを接続する導電線が液体窒素によって冷却されて超電導転移しているため、内部抵抗がなく、メインコイル１８と無誘導コイル２６とによって構成される閉回路内を前記供給された電流が流れ続ける永久電流モードとなる。

永久電流モードをオフにする（終了させる）ときには、スイッチ３４が閉じられた状態で、制御用電源３２から永久電流スイッチ２０の一対の磁場印加用コイル（第１コイル２７及び第２コイル２８）に電流がそれぞれ供給される。この電流の供給によって、第１コイル２７及び第２コイル２８が永久電流スイッチ２０内でカスプ磁場を形成する。このカスプ磁場により、無誘導コイル２６（詳しくは、無誘導コイル２６を構成する超電導線材２６１）が常電導転移し、その抵抗によって前記閉回路を流れていた電流が外部電源３０側に流れ出て、永久電流モードがオフになる。

以上の超電導マグネット装置１０の永久電流スイッチ２０によれば、中心軸ｃが一致するよう第１コイル２７及び第２コイル２８によって無誘導コイル２６を挟んだ状態でこれら第１コイル２７及び第２コイル２８に中心軸ｃ周りに逆向きの電流をそれぞれ流すことによって、無誘導コイル２６の各層（テープ状の超電導線材２６１）を磁力線が略直交する方向に貫通するような磁場（本実施形態ではカスプ磁場）を無誘導コイル２６に印加することを可能にした。これにより、本実施形態の永久電流スイッチ２０では、弱い磁場で無誘導コイル２６を常電導転移させることができる。

本実施形態の永久電流スイッチ２０では、磁性材料によって構成される胴部（巻枠部材２２の胴部）２２１によって、カスプ磁場の磁力線が略径方向（超電導線材２６１の略法線方向）に延びる領域がより中心軸ｃ側（径方向中心側）まで引っ張られることによって無誘導コイル２６の各層を構成するテープ状の超電導線材２６１を貫通する各磁力線が当該超電導線材２６１の法線方向により近くなるため、無誘導コイル２６（当該コイル２６を構成する超電導線材２６１）がより常電導転移し易くなる。

しかも、前記磁力線が略径方向に延びる領域が胴部２２１によって中心軸ｃ側に引っ張られた分だけ無誘導コイル２６の径方向内側における超電導線材２６１の巻き数を増やすことで、カスプ磁場の印加による無誘導コイル２６の常電導転移のし易さを維持しつつ、常電導転移したときの無誘導コイル２６の抵抗値を十分に確保することができる。

即ち、前記磁力線が略径方向に延びる領域が胴部２２１に引っ張られた分だけ無誘導コイル２６の径方向内側における超電導線材２６１の巻き数を増やしても、カプス磁場が印加されたときに、このカプス磁場の磁力線が前記内側に増やした無誘導コイル２６の各層（テープ状の超電導線材２６１）をその主面と略直交する方向に貫通するため、常電導転移のし易さが維持される。

また、永久電流スイッチ２０（無誘導コイル２６）は、外部電源３０に対し、メインコイル１８（超電導マグネット１４）と並列に接続されて用いられるため、常電導転移したときの抵抗値が小さいと永久電流モードから永久電流スイッチ２０をオフにしたときに当該スイッチ２０（無誘導コイル２６）に暫く電流が流れ続けて永久電流モードを瞬時に終了できなくなるが、無誘導コイル２６の径方向内側の巻き数を増やして当該無誘導コイル２６を構成する超電導線材２６１の全長を大きくして常電導転移したときの当該コイル２６の抵抗値を十分に確保することによって、永久電流モードから永久電流スイッチ２０をオフにしたときに当該スイッチに電流が流れることを確実に防ぐことができる。

具体的には、胴部２２１が非磁性材料によって構成されると、図８に示されるように、中心軸ｃ方向における無誘導コイル２６の配置位置において、カスプ磁場における磁力線が超電導線材２６１の略法線方向となる領域の中心軸ｃ側の端部が、第１コイル２７及び第２コイル２８の内周面よりも径方向外側の位置となる。これに対し、本実施形態のように胴部２２１が磁性材料によって構成されると、図３に示されるように、前記略法線方向となる領域の中心軸ｃ側の端部が胴部２２１によって引っ張られ、第１コイル２７及び第２コイル２８の内周面と同じ径方向位置となる。

このため、本実施形態の無誘導コイル２６では、図８の無誘導コイルに比べて径方向内側の巻き数を増やしても、カスプ磁場の印加による無誘導コイル２６の常電導転移のし易さが維持され、且つ、常電導転移したときの無誘導コイルの抵抗値を十分に大きくすることができる。

また、本実施形態の超電導マグネット装置１０では、永久電流スイッチ２０において、第１コイル２７及び第２コイル２８によってその間に位置する無誘導コイル２６にカスプ磁場を印加することで印加する磁場が弱くても無誘導コイル２６が常電導転移するため、第１コイル２７及び第２コイル２８を小さくして永久電流スイッチ２０の小型化を図ることができる。このため、この永久電流スイッチ２０を内蔵する超電導マグネット装置１０の小型化を図ることも可能となる。

次に、本発明の第２実施形態について図９及び図１０を参照しつつ説明するが、上記第１実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成ついてのみ詳細に説明する。

本実施形態に係る超電導マグネット装置は、図９に示されるように、クライオスタット１１１と、超電導マグネット１４と、永久電流スイッチ１２０と、を備える。

クライオスタット１１１は、超電導マグネット及び永久電流スイッチ等を液体ヘリウムと共にその内部に収容する内側シールド槽１１２と、内側シールド槽１１２をその内部に収容する外側シールド槽１１３と、を有する。これら各シールド槽（内側シールド槽１１２及び外側シールド槽１１３）は、例えば、ステンレス鋼やその合金等の非磁性体によって形成されている。これら超電導マグネット１４、内側シールド槽１１２、及び外側シールド槽１１３は、中央に前記ＮＭＲ装置等の撮影対象が配置される貫通穴（室温ボア）１２を残してこれを取り巻く筒状又はドーナツ状に形成されている。

内側シールド槽１１２は、中心軸Ｃが垂直方向（図９において上下方向）に延びる筒状であり、超電導マグネット１４を液体ヘリウムと共にその内部に収容する。具体的には、内側シールド槽１１２の中心軸と超電導マグネット１４の中心軸とが一致するように、内側シールド槽１１２がその内部に超電導マグネット１４を収容している。この収容された超電導マグネット１４は、内側シールド槽１１２内に収容（貯留）されている液体ヘリウムに浸漬されている。外側シールド槽１１３は、内部に収容された内側シールド槽１１２と同心の筒状である。外側シールド槽１１３は、内側シールド槽１１２との間に液体窒素を収容（貯留）し、外部の熱に対して内側シールド槽１１２を断熱している。尚、図９において、液体ヘリウムと液体窒素との図示を省略している。

永久電流スイッチ１２０は、図１０にも示されるように、巻枠部材２２と、外周部材２４と、無誘導コイル（スイッチ部）２６と、一対の磁場印加用コイル（第１コイル２７、第２コイル２８）と、磁気シールド１２２と、を備える。

磁気シールド１２２は、巻枠部材２２と外周部材２４とが組み合わされた状態のものを、その外側から囲む。磁気シールド１２２は、例えば、Ｙ系酸化物超電導導体等の酸化物超電導導体によって構成されている。この磁気シールド１２２は、永久電流スイッチ１２０内で生じた磁場がメインコイル１８に影響するのを防ぐと共に、メインコイル１８が形成した磁場が永久電流スイッチ１２０（無誘導コイル２６）に影響するのを防ぐ。具体的には、内側シールド槽１１２内に液体ヘリウムが貯留されていることで、内側シールド槽１１２内の温度が例えば４Ｋ程度まで下がって、無誘導コイル２６の臨界磁場が上がり、常電導線によって形成された磁場印加用コイルでは磁場強度が足らなくなる。このため、磁場印加用コイルにＮｂＴｉやＮｂ３Ｓｎ等の金属系超電導電線を用いる必要があるが、この磁場強度の領域では鉄（例えば、ＳＳ４００）等で構成される外周部材２４の磁化は飽和し、これにより、これら外周部材２４や巻枠部材２２が第１コイル２７及び第２コイル２８が形成した磁場の外部への漏れを防ぐことができなくなる。よって、本実施形態の永久電流スイッチ１２０では磁気シールド１２２を設け、前記漏れ磁場と、メインコイル１８の磁場が内部に侵入するのを防いでいる。

本実施形態の第１コイル２７と第２コイル２８とは、例えば、ＮｂＴｉやＮｂ_３Ｓｎ等によって構成される超電導線材が巻回されることによって構成されている。

以上の永久電流スイッチ１２０によっても、第１コイル２７及び第２コイル２８によってカスプ磁場を形成することにより、これら第１コイル２７及び第２コイル２８の間に配置された無誘導コイル２６に対し、当該コイル２６の各層を構成するテープ状の超電導線材２６１に対して磁力線が主面と略直交するように貫通する磁場を効率よく印加することができる。これにより、無誘導コイル２６に印加される磁場が弱くても当該無誘導コイル２６を効果的に常電導転移させることが可能となる。

尚、本発明の永久電流スイッチ、及びこれを備えた超電導マグネット装置は、上記第１及び第２実施形態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内において種々変更を加え得ることは勿論である。

上記第１及び第２実施形態では、巻枠部材２２が磁性材料によって構成されているが、これに限定されず、非磁性材料によって構成されてもよい。この場合、中心軸ｃ方向における無誘導コイル２６の位置において、カスプ磁場の磁力線が超電導線材２６１の略法線方向となる領域の中心軸ｃ側の端部が、図８に示されるように、第１コイル２７及び第２コイル２８の内周面よりも径方向外側の位置となるため、無誘導コイル２６の内径をこの位置まで大きくする。即ち、無誘導コイル２６の内径を第１コイル２７及び第２コイル２８の内径より大きくする。

また、永久電流スイッチ２０、１２０において、巻枠部材２２の各フランジ部２２２〜２２５が非磁性材料によって構成されてもよく、また、外周部材２４がなくてもよい。即ち、少なくとも胴部２２１が磁性材料によって構成されていれば、中心軸ｃ方向における無誘導コイル２６の位置において、カスプ磁場の磁力線が超電導線材２６１の略法線方向となる領域の中心軸ｃ側の端部が、第１及び第２実施形態と同様の位置まで引っ張られる。この場合、漏れ磁場の防止と、メインコイル１８が形成する磁場の永久電流スイッチへの影響を防ぐために、磁気シールド１２２が設けられることが好ましい。

１０超電導マグネット装置
１４超電導マグネット
１８メインコイル（超電導コイル）
２０、１２０永久電流スイッチ
２２巻枠部材
２２１胴部（中心磁気ヨーク部材）
２４外周部材（外側磁気ヨーク部材）
２６無誘導コイル
２６１超電導線材（酸化物超電導線材）
２７第１コイル（磁場印加用コイル）
２８第２コイル（磁場印加用コイル）
２７１導電線

Claims

超電導マグネットを永久電流モードで運転するための永久電流スイッチであって、
テープ状の酸化物超電導線材がその法線方向を径方向に向けた状態でインダクタンスが生じないような無誘導巻きとなるよう複数層巻き重ねられ、且つ前記超電導マグネットに電気的に接続される無誘導コイルと、
前記無誘導コイルと同心となるように、前記無誘導コイルの中心軸方向において当該無誘導コイルを挟んで対向する位置に配置される一対の磁場印加用コイルと、を備える、永久電流スイッチ。
請求項１に記載の永久電流スイッチであって、
前記中心軸方向視における各磁場印加用コイルの内周面に囲まれた領域内において、前記中心軸方向に少なくとも一方の磁場印加用コイルから前記無誘導コイルの内周面に囲まれた領域を通過して他方の磁場印加用コイルまで延び、且つ磁性材料によって構成される中心磁気ヨーク部材を備える、永久電流スイッチ。
請求項２に記載の永久電流スイッチであって、
前記一対の磁場印加用コイル及び前記無誘導コイルを外側から囲み、又は前記中心磁気ヨーク部材と共同して前記一対の磁場印加用コイル及び前記無誘導コイルを外側から囲み、且つ磁性材料によって構成される外側磁気ヨーク部材を備える、永久電流スイッチ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久電流スイッチと、
電源に対して前記永久電流スイッチと並列に接続される超電導コイルと、を備える超電導マグネット装置。