JP2021093440A

JP2021093440A - 超伝導磁石装置および超伝導磁石制御方法

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Publication number: JP2021093440A
Application number: JP2019222869A
Authority: JP
Inventors: 鶴留　武尚; Takenao Tsurutome; 武尚鶴留
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2039-12-10
Also published as: JP7377087B2

Abstract

【課題】超伝導コイルの強制的な電流遮断の可能性を減らし、超伝導磁石装置の運転継続性を向上する。【解決手段】超伝導磁石装置１０は、超伝導コイル１２と、超伝導コイル１２を冷却する極低温冷凍機１６と、超伝導コイル１２に励磁電流を供給する励磁電源１８と、超伝導コイル１２の温度または極低温冷凍機１６によって超伝導コイル１２とともに冷却される部位の温度を測定し、測定温度を示す測定信号を出力する温度センサ２２と、温度センサ２２から測定信号を受け、測定温度を温度しきい値と比較し、測定温度が温度しきい値を超える場合、定格電流値より小さい目標電流値へと励磁電流を調整するように励磁電源１８を制御する制御部２４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導磁石装置および超伝導磁石制御方法に関する。

超伝導コイルを液体ヘリウムに浸漬して冷却するとともに、そこから気化した低温のヘリウムガスでパワーリードを冷却することが知られている。パワーリードを冷却したヘリウムガスは大気開放弁から排出される。冷却不良によるパワーリードの過熱および焼損を未然に防ぐために、この大気開放弁の開閉状態とパワーリードの温度に基づいて、超伝導コイルの電流を強制的に遮断する緊急消磁が行われる（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−２５２０８５号公報

超伝導コイルの励磁電源には、コイルに流れる電流の時間変化率とコイルのインダクタンスとの積に応じて決まる電圧をコイルに印加することが必要とされる。超伝導コイルが正常に定格電流で運用されているとき、電流値それ自体は大きく例えば少なくとも数百Ａ（アンペア）に達するがその変動は小さいので、励磁電源は比較的低い電圧を出力できれば十分である。一方、緊急消磁においては、そうした大電流からゼロまで電流を急速に減少させることになり、この電流減少速度に応じた高電圧が電源に求められる。言い換えれば、電源の電圧容量によって、とりうる電流の減少速度が制限され、それにより緊急消磁にかかる時間が長くなる。同様に、緊急消磁からの復旧や超伝導磁石装置の通常の運転開始のために超伝導コイルを励磁するときにも、短時間で行うには高電圧の電源が必要になる。超伝導コイルには電流がゼロ付近であるときインダクタンスが大きく増加するものがあり、この場合、必要な電圧はより高まり、問題は一層顕著となりうる。しかし、高電圧の励磁電源を採用すれば、製造コストが相応に高くなる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、超伝導コイルの強制的な電流遮断の可能性を減らし、超伝導磁石装置の運転継続性を向上することにある。

本発明のある態様によると、超伝導磁石装置は、超伝導コイルと、超伝導コイルを冷却する極低温冷凍機と、超伝導コイルに励磁電流を供給する励磁電源と、超伝導コイルの温度または極低温冷凍機によって超伝導コイルとともに冷却される部位の温度を測定し、測定温度を示す測定信号を出力する温度センサと、温度センサから測定信号を受け、測定温度を温度しきい値と比較し、測定温度が温度しきい値を超える場合、定格電流値より小さい目標電流値へと励磁電流を調整するように励磁電源を制御する制御部と、を備える。

本発明のある態様によると、超伝導磁石制御方法は、超伝導コイルの温度または極低温冷凍機によって超伝導コイルとともに冷却される部位の温度を測定することと、測定温度を温度しきい値と比較することと、測定温度が温度しきい値を超える場合、定格電流値より小さい目標電流値へと超伝導コイルの励磁電流を調整することと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、超伝導コイルの強制的な電流遮断の可能性を減らし、超伝導磁石装置の運転継続性を向上することができる。

実施の形態に係る超伝導磁石装置およびサイクロトロンを示す概略断面図である。実施の形態に係る超伝導コイルの電流インダクタンス特性の一例を示すグラフである。実施の形態に係る超伝導磁石装置の制御方法を例示するフローチャートである。実施の形態に係る超伝導磁石装置の制御方法を例示するフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る超伝導磁石装置およびサイクロトロンを示す概略断面図である。サイクロトロン１００は、荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出力する円形加速器である。荷電粒子としては、例えば陽子、重粒子（重イオン）、電子などが挙げられる。荷電粒子は、イオン源（図示せず）から供給される。サイクロトロン１００は、例えば荷電粒子線治療用の加速器として用いられる。

サイクロトロン１００は、超伝導磁石装置１０、ヨーク１０２、一対のポール１０４を備える。超伝導磁石装置１０は、超伝導コイル１２と、極低温冷凍機１６を有するクライオスタット１４と、励磁電源１８と、真空排気系２０と、温度センサ２２と、制御部２４とを備える。

以下の説明では、サイクロトロン１００の中心軸（すなわち超伝導磁石装置１０の中心軸）Ｃが上下方向に延在する姿勢（横置きの姿勢）で配置された例について説明する。構成要素どうしの位置関係を説明するために、「上」、「下」、「左」、「右」といった表現を使用することがあるが、これはサイクロトロン１００が特定の姿勢で配置されなければならないことを意味しない。サイクロトロン１００は、例えば中心軸Ｃが水平方向に延在する姿勢（縦置きの姿勢）で配置されてもよい。

超伝導コイル１２は、円環状の形状を有し、その中心軸を中心軸Ｃと一致させるようにしてクライオスタット１４内に配置されている。超伝導コイル１２は、二個の空芯コイルと金属製のコイル支持枠１３を有する。二個の空芯コイルは中心軸Ｃの方向に並置され、それぞれコイル支持枠１３に取り付けられて一体的に支持されている。コイル支持枠１３は、上側の空芯コイルの上部に取り付けられた上部フランジと、二個の空芯コイルに挟まれた中央フランジと、下側の空芯コイルに下部に取り付けられた下部フランジとを有する。また、超伝導コイル１２は、一対の支持体２６によってクライオスタット１４に支持される。一対の支持体２６は、超伝導コイル１２を挟むように上下に配置され、それぞれコイル支持枠１３の上部フランジと下部フランジに取り付けられている。

クライオスタット１４は、超伝導コイル１２を超伝導状態とするための環境を提供する真空容器である。クライオスタット１４は、中空円環状の形状を有し、中心軸Ｃと同軸配置され、内部に超伝導コイル１２を収容する。

ヨーク１０２は、中空の円盤型ブロックであり、その内部にクライオスタット１４が配置される。ヨーク１０２内におけるクライオスタット１４の位置は、クライオスタット１４が配置された穴を塞ぐように差し込まれたブロック体１０２ａにより維持される。また、一対のポール１０４は、クライオスタット１４の空芯部位（超伝導コイル１２の空芯部位）に配置される。こうして、超伝導コイル１２およびポール１０４は、鉄心付きの超伝導電磁石を構成する。一対のポール１０４間の空間Ｇには、図示しない一対のディー電極（加速電極）が配置される。

極低温冷凍機１６は、クライオスタット１４に設置され、超伝導コイル１２を伝導冷却により冷却するように超伝導コイル１２に熱的に結合されている。例えば、極低温冷凍機１６の低温部がコイル支持枠１３（例えば下部フランジ）に直接取り付けられ、または適宜の伝熱部材を介して接続されており、極低温冷凍機１６は、超伝導コイル１２が直接的に冷却する。極低温冷凍機１６が二段式の極低温冷凍機の場合、超伝導コイル１２は第２段の低温部によって冷却されうる。超伝導磁石装置１０においては、超伝導コイル１２の冷却に液体ヘリウムなどの極低温冷媒は使用されない。クライオスタット１４には典型的に、複数台の極低温冷凍機１６が設置されるが、図においては簡単のため１台のみを示している。

極低温冷凍機１６は、作動ガス（たとえばヘリウムガス）の圧縮機（図示せず）と、コールドヘッドとも呼ばれる膨張機とを備え、圧縮機と膨張機により極低温冷凍機１６の冷凍サイクルが構成され、それにより低温部が所望の極低温に冷却される。極低温冷凍機１６は、一例として、単段式または二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。

励磁電源１８は、電流導入ライン１９を介して超伝導コイル１２に接続され、超伝導コイル１２に励磁電流を供給するように構成される。励磁電源１８は、制御部２４に通信可能に接続され、制御部２４の制御のもとで励磁電流を調整することができる。例えば、励磁電源１８は、超伝導磁石装置１０の起動の際、励磁電流をゼロから超伝導コイル１２の定格電流値まで予め定められた電流増加速度（例えば一定の電流増加速度）で増加させる。また、励磁電源１８は、超伝導磁石装置１０の運転停止（例えば、超伝導のクエンチなど異常発生時の緊急停止）の際、超伝導コイル１２の励磁電流を定格電流値からゼロまで予め定められた電流減少速度（例えば一定の電流減少速度）で減少させる。

後述するように、励磁電源１８は、例えば超伝導コイル１２の温度または極低温冷凍機１６によって超伝導コイル１２とともに冷却される部位（例えば電流導入ライン１９、またはクライオスタット１４内の被冷却部位）の温度に基づいて、超伝導コイル１２の励磁電流を目標電流値に調整するように構成される。目標電流値は、ゼロより大きく、定格電流値より小さくてもよい。上述の予め定められた電流増加速度は、現在の電流値から目標電流値へと励磁電流を増加させるとき使用されてもよい。上述の予め定められた電流減少速度は、現在の電流値から目標電流値へと励磁電流を減少させるとき使用されてもよい。

電流導入ライン１９は、超伝導材料からなる超伝導電流リード、および例えば銅などその他の導電部材を有する。極低温冷凍機１６が二段式の極低温冷凍機の場合、電流導入ライン１９は第１段の低温部によって冷却されうる。あるいは、電流導入ライン１９は、超伝導コイル１２を冷却する極低温冷凍機１６とは別の極低温冷凍機によって冷却されてもよい。

真空排気系２０は、クライオスタット１４を真空排気するように構成されている。真空排気系２０は、真空ポンプ２０ａ、真空バルブ２０ｂ、真空計２０ｃを有し、クライオスタット１４の接続ポート２１に接続されている。真空ポンプ２０ａは、例えば、ターボ分子ポンプ、ロータリーポンプ、またはそのほか適切な真空ポンプであり、またはそれらの組み合わせであってもよい。真空バルブ２０ｂは例えばオンオフバルブであってもよく、真空排気系２０は、真空ポンプ２０ａと真空バルブ２０ｂが両方ともオンのときクライオスタット１４の真空排気をすることができる。接続ポート２１は、真空バルブ２０ｂとは別の真空バルブを有してもよい。超伝導磁石装置１０の動作時には、接続ポート２１の真空バルブが閉鎖され、それによりクライオスタット１４内部の真空が保持されてもよい。

真空計２０ｃは、真空排気系２０の圧力を測定するように構成されている。真空計２０ｃは、例えば、真空ポンプ２０ａを真空バルブ２０ｂに接続する真空排気流路または真空配管に設置され、その圧力を測定することができる。ただし、真空計２０ｃは、例えば真空バルブ２０ｂを接続ポート２１に接続する真空排気流路または真空配管、または真空排気系２０のその他の場所に設置されてもよい。あるいは、真空計２０ｃは、クライオスタット１４の内部に設置され、クライオスタット１４の内部の圧力を測定してもよい。必要とされる場合には、真空計２０ｃは、測定圧力（例えば、真空排気系２０の圧力、またはクライオスタット１４内の圧力）を示す測定信号を生成し、当該測定信号を制御部２４に出力してもよい。

温度センサ２２は、超伝導コイル１２の温度または極低温冷凍機１６によって超伝導コイル１２とともに冷却される部位（例えば電流導入ライン１９、またはクライオスタット１４内の被冷却部位）の温度を測定し、測定温度を示す測定信号Ｓ１を出力するように構成されている。温度センサ２２は、測定信号Ｓ１を制御部２４に出力するように制御部２４に通信可能に接続されている。

温度センサ２２は、超伝導コイル１２の表面に取り付けられ、または超伝導コイル１２の内部に埋め込まれていてもよい。例えば、温度センサ２２は、図１に示されるように、コイル支持枠１３の表面に取り付けられている。あるいは、温度センサ２２は、電流導入ライン１９に取り付けられてもよい。

温度センサ２２の設置場所は、極低温冷凍機１６によって冷却される部位であれば、種々ありうる。例えば、温度センサ２２は、極低温冷凍機１６の低温部、または低温部を超伝導コイル１２に接続する伝熱部材に設置されてもよい。温度センサ２２は、超伝導コイル１２において極低温冷凍機１６の低温部（または伝熱部材）から遠い部位に設置されてもよい。温度センサ２２は、超伝導コイル１２の内周部に設置されてもよい。温度センサ２２は、クライオスタット１４に設置されてもよく、例えば、超伝導コイル１２を包囲するクライオスタット１４の熱シールド板に取り付けられてもよい。超伝導磁石装置１０には、複数の温度センサ２２が設けられてもよい。

詳細は後述するが、制御部２４は、温度センサ２２から測定信号Ｓ１を受け、測定温度を温度しきい値と比較し、測定温度が温度しきい値を超える場合、目標電流値へと励磁電流を調整するように励磁電源１８を制御するように構成される。制御部２４は、測定信号Ｓ１に基づいて、電源制御信号Ｓ２を生成し、電源制御信号Ｓ２を励磁電源１８に出力する。

制御部２４は、励磁電源１８の状態を監視するように構成されていてもよい。励磁電源１８は、電源状態信号Ｓ３を生成し、電源状態信号Ｓ３を制御部２４に出力してもよい。電源状態信号Ｓ３は、励磁電源１８の電圧及び／または電流を示すものであってもよい。

制御部２４は、入力信号Ｓ４を受け、入力信号Ｓ４に基づいて超伝導磁石装置１０（およびサイクロトロン１００）を制御するように構成されていてもよい。入力信号Ｓ４は、ユーザからの入力を受け付けるためのマウスやキーボード等の入力手段がユーザによって操作されることによって生成され、及び／または、制御部２４と通信可能に接続された他の機器によって生成されうる。

例えば、入力信号Ｓ４は、超伝導磁石装置１０の緊急消磁を指示する制御信号であってもよい。超伝導コイル１２のクエンチが発生したとき、制御部２４は、この信号に応答して、超伝導コイル１２への電流を強制的に遮断するように励磁電源１８を制御してもよい。あるいは、入力信号Ｓ４は、超伝導磁石装置１０の再起動を指示する制御信号であってもよい。何らかの異常により超伝導磁石装置１０が動作停止した場合、その原因が解消されたとき例えばユーザの操作に基づいて入力信号Ｓ４が制御部２４に入力されてもよい。制御部２４は、入力信号Ｓ４に応答して、超伝導磁石装置１０の再起動を開始してもよい。

また、制御部２４は、超伝導磁石装置１０（およびサイクロトロン１００）の制御に関連するデータを記憶するよう構成され、例えば、半導体メモリまたはその他のデータ記憶媒体を備えてもよい。

制御部２４は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

超伝導磁石装置１０においては、真空状態のクライオスタット１４内の超伝導コイル１２が極低温冷凍機１６により冷却され、超伝導コイル１２に励磁電源１８から電流を流すことにより強力な磁場が形成される。サイクロトロン１００には、イオン源（不図示）から荷電粒子が供給され、荷電粒子は一対のポール１０４及びディー電極（不図示）の働きにより加速される。それにより、サイクロトロン１００から荷電粒子ビームが出力される。

図２は、実施の形態に係る超伝導コイル１２の電流インダクタンス特性の一例を示すグラフである。横軸は超伝導コイル１２に流れる電流を示し、縦軸は超伝導コイル１２のインダクタンスを示す。なお横軸の電流は対数で示す。

鉄心付きの超伝導コイル１２の場合、励磁電流が小さく鉄心が磁気飽和していない状態では超伝導コイル１２のインダクタンスは大きく、励磁電流が増加して鉄心が磁気飽和するとインダクタンスは大きく低下する。鉄心が磁気飽和した状態での超伝導コイル１２のインダクタンスは、空芯コイルと同程度の大きさとなる。図２に示される例では、１０Ａ未満の小電流領域ではインダクタンスが約８００Ｈ（ヘンリー）に達するが、１０Ａを超える大電流領域ではインダクタンスが約１００Ｈ未満に低下する。

以下では説明の便宜上、鉄心の磁気飽和によりインダクタンスが小さくなる大電流領域を「第１電流領域」と称し、電流の減少につれてインダクタンスが急増する過渡的な中間の電流領域を「第２電流領域」と称し、さらに電流が減少して鉄心が磁気飽和していないことによってインダクタンスが大きい小電流領域を「第３電流領域」と称する。図２には、第１電流領域３１、第２電流領域３２、第３電流領域３３が示される。第１電流領域３１では、励磁電流が減少するにつれてインダクタンスが漸増し又は実質的に一定である。第３電流領域３３でも、励磁電流が減少するにつれてインダクタンスが漸増し又は実質的に一定である。ただし、上述のように、第２電流領域３２で励磁電流が減少するにつれてインダクタンスが急増するので、第３電流領域３３でのインダクタンスは、第１電流領域３１に比べてかなり大きい。

ここで、励磁電源１８に必要とされる電圧を考える。電圧は、超伝導コイル１２に流れる電流の時間変化率と超伝導コイル１２のインダクタンスとの積に応じて決まる。超伝導コイル１２が正常に定格電流で運用されているときには、電流値は大きく、例えば少なくとも数百アンペアに達する（第１電流領域３１）。定常的な運用の場面では、電流値は一定に維持されうる。あるいは、電流値が変動するとしても変動幅は小さい（超伝導コイル１２の通常の運用では、第１電流領域３１を逸脱するほど電流値を大きく減少させる必要はない）。超伝導コイル１２の電流の時間変化率は小さく、加えて、上述のように大電流領域ではインダクタンスが小さいので、励磁電源１８は比較的低い電圧を出力できれば十分である。

一方、超伝導コイル１２の電流を強制的に遮断する場合、電流は、大電流からゼロまで急速に減少される。励磁電源１８には、この電流減少速度に応じた高電圧が求められることになる。とくに、電流が０Ａ近くの小電流領域にまで減少するとき、図２に示されるように、インダクタンスも急増するため（第２電流領域３２、第３電流領域３３）、励磁電源１８には相当に高い電圧が求められることになる。高電圧を印加する励磁電源１８は、低電圧のものと比べて高価であるから、高電圧の励磁電源１８を採用すれば、超伝導磁石装置１０の製造コストが高まる。

したがって、製造コストを低減する観点からは、第１電流領域３１に適合する低電圧の励磁電源１８を採用することが望まれる。そうした低電圧の励磁電源１８を、超伝導コイル１２が安定的に励磁された定常的な運用中に不都合のないように設計することは可能である。

しかし、第１電流領域３１から第３電流領域３３へと電流を落とすときには、励磁電源１８の電圧が不足しうる。とくに、このとき起こるインダクタンスの急増を考慮すると、超伝導コイル１２の電流を極度にゆっくりと減少させなければ、必要な電圧が励磁電源１８の最大電圧を超えるおそれがある。これを避けるために、電流の減少速度を十分に小さくすると、消磁の所要時間が許容範囲を超えて長くなりうる。同様に、緊急消磁からの復旧や超伝導磁石装置１０の通常の運転開始のために超伝導コイル１２を励磁するときにも、励磁電流の増加速度が小さければ、時間が長くかかるが、それは望ましくない。

ところで、何らかの要因で超伝導コイル１２に局所的な発熱が生じて温度が上昇することがあり、これは放置されれば最終的には超伝導のクエンチへと進行しうる。したがって、超伝導コイル１２の冷却不良が検出されたとき、典型的には超伝導コイル１２は直ちに強制的に消磁される。しかし、低電圧の励磁電源１８が採用される場合には、上述のように、超伝導コイル１２の電流減少速度が制限され、短時間で超伝導コイル１２を消磁することが困難である。また、超伝導コイル１２を再び励磁するときにも、電流増加速度が小さく、励磁の完了に時間がかかる。場合によっては、例えば一日以上の時間を要する。

また、クエンチに直接的につながりうる発熱とは別の要因、例えば極低温冷凍機１６の動作における何らかの変動、外部からの入熱増加またはその他の事情によって、超伝導コイル１２の冷却が弱められ、超伝導コイル１２にいくらかの温度上昇が見られることもある。このような温度上昇は、超伝導磁石装置１０の長期的な運転において時々起こりうるが、たいていの場合、一時的な現象でありうる。しばらくすれば温度上昇が自然に解消されて元の正常な状態に戻る可能性がある。すなわち、超伝導コイル１２は強制的に消磁される必要がない。このような場合に超伝導コイル１２を消磁したとすると、これは結果として、超伝導磁石装置１０の運転を単に妨げたにすぎず、望まれるものではない。

そこで、実施の形態に係る超伝導磁石装置１０には、通常モード、強制消磁モード、一時待機モードの３つの制御モードが実装される。通常モードは、極低温冷凍機１６による超伝導コイル１２の正常に冷却され安定して励磁されている最中に使用され、超伝導コイル１２には定格電流値またはこれに近い大きさの励磁電流が供給される。強制消磁モードは、超伝導コイル１２の冷却不良が検出されたとき使用され、超伝導コイル１２の電流が直ちに強制的に遮断される。一時待機モードは、超伝導コイル１２が通常モードと強制消磁モードの中間の温度範囲にあるとき使用され、超伝導コイル１２には鉄心の磁気飽和を維持するように調整された比較的小さい電流値で励磁電流の供給が継続される。

図３は、実施の形態に係る超伝導磁石装置の制御方法を例示するフローチャートである。この方法は、通常モードにおいて実行される。よって、本方法が開始されるとき、超伝導コイル１２は、極低温冷凍機１６によって極低温に冷却され、励磁電源１８によって定格電流に励磁され、正常に高磁場を発生している。一例として、超伝導コイル１２は４Ｋ以下（例えば３Ｋ〜４Ｋ）の通常冷却温度に冷却され、例えば４００Ａ〜５００Ａの電流が超伝導コイル１２に流れている。

まず、超伝導コイル１２の温度が測定される（Ｓ１０）。温度センサ２２は、その設置場所の温度を測定し、測定温度を示す測定信号Ｓ１を生成し制御部２４に出力する。制御部２４は、測定信号Ｓ１を取得する。上述のように、温度センサ２２は、超伝導コイル１２、または例えば電流導入ライン１９など極低温冷凍機１６によって超伝導コイル１２とともに冷却されるクライオスタット１４の各所に設置されうる。複数の温度センサ２２が設けられている場合には、制御部２４は、各温度センサ２２から測定信号Ｓ１を受け、複数の被冷却部位の測定温度を把握することができる。

制御部２４は、測定温度を許容上限温度値と比較する（Ｓ１２）。許容上限温度値は、超伝導コイル１２を消磁すべき基準温度として、予め設定された温度値であり、例えば７Ｋ〜１０Ｋの温度範囲から選択されてもよい。測定温度がこの温度値を超えるとき、例えば超伝導のクエンチが予測される等、超伝導磁石装置１０の運転を停止すべきと判断される。

測定温度が許容上限温度値を超える場合（Ｓ１２のＹ）、制御部２４は、超伝導コイル１２の励磁電流を遮断するように励磁電源１８を制御する（Ｓ２０）。すなわち、超伝導コイル１２の冷却不良が検出されたものとみなされ、制御モードが通常モードから強制消磁モードに切り替えられる。制御部２４は、超伝導コイル１２の励磁電流を現在の電流値（例えば定格電流値）からゼロまで減少させることを指示する電源制御信号Ｓ２を生成し、電源制御信号Ｓ２を励磁電源１８に出力する。こうして、超伝導コイル１２は、強制的に消磁され、本処理は終了する。

一方、測定温度が許容上限温度値を超えない場合（Ｓ１２のＮ）、制御部２４は、測定温度を温度しきい値と比較する（Ｓ１４）。この温度しきい値は、超伝導コイル１２の通常冷却温度より高い温度に設定される。また、温度しきい値は、許容上限温度値より低い温度に設定される。温度しきい値は、例えば５Ｋ〜８Ｋの温度範囲から選択されてもよい。

測定温度が温度しきい値を超える場合（Ｓ１４のＹ）、制御部２４は、励磁電流を目標電流値へと調整するように励磁電源１８を制御する（Ｓ３０）。すなわち、制御モードが通常モードから一時待機モードに切り替えられる。制御部２４は、超伝導コイル１２の励磁電流を現在の電流値（例えば定格電流値）から目標電流値まで減少させることを指示する電源制御信号Ｓ２を生成し、電源制御信号Ｓ２を励磁電源１８に出力する。

図２に示されるように、目標電流値Ｉ_０は、超伝導コイル１２の定格電流値Ｉ_ｍａｘより小さい。目標電流値Ｉ_０は、第１電流領域３１から選択される。第１電流領域３１の下限値は、電流インダクタンス特性においてインダクタンスが定格電流値Ｉ_ｍａｘでのインダクタンスの例えば２倍または１．５倍となる電流値であるとみなしてもよい。電流インダクタンス特性を示す曲線の形状によるが、第１電流領域３１の下限値は例えば１０Ａであってもよい。よって、目標電流値Ｉ_０は、例えば少なくとも１０Ａであってもよい。定格電流値Ｉ_ｍａｘは、例えば、１００Ａより大きく、または５００Ａより大きくてもよい。定格電流値Ｉ_ｍａｘは、例えば、１０ｋＡより小さく、または１ｋＡより小さくてもよい。定格電流値Ｉ_ｍａｘは上述のように、例えば４００Ａから５００Ａの範囲にあってもよい。

したがって、超伝導コイル１２の励磁電流を定格電流値Ｉ_ｍａｘから目標電流値Ｉ_０へと低下させても、超伝導コイル１２の鉄心の磁気飽和は維持されており、超伝導コイル１２のインダクタンスは小さいままである。よって、低電圧の励磁電源１８であっても、定格電流値Ｉ_ｍａｘから目標電流値Ｉ_０へと素早く励磁電流を低下させることが可能である。このようにして、一時待機モードにおいて超伝導コイル１２には、鉄心の磁気飽和を維持するように調整された比較的小さい電流値で励磁電流の供給が継続される。本処理は終了する。

一方、測定温度が温度しきい値を超えない場合（Ｓ１４のＮ）、超伝導コイル１２は正常に冷却されているものと評価されるので、そのまま通常モードが継続される。この場合、本処理が一旦終了した後、次回のタイミングで再び実行され、測定温度の監視（Ｓ１０〜Ｓ１４）および制御モードの切替（Ｓ２０、Ｓ３０）が行われてもよい。

図４は、実施の形態に係る超伝導磁石装置の制御方法を例示するフローチャートである。この方法は、一時待機モードにおいて実行される。よって、本方法が開始される前に、図３に示される方法が既に実行されている。超伝導コイル１２の励磁電流は、制御部２４による制御のもとで、目標電流値へと変化しているか、又は目標電流値に一致している。

図３に示される制御方法と同様に、超伝導コイル１２の温度が監視される。すなわち、超伝導コイル１２またはその他の被冷却部位の温度が測定され（Ｓ１０）、測定温度は、許容上限温度値と比較される（Ｓ１２）。測定温度が許容上限温度値を超える場合（Ｓ１２のＹ）、制御部２４は、超伝導コイル１２の励磁電流を遮断するように励磁電源１８を制御する（Ｓ２０）。すなわち、制御モードが一時待機モードから強制消磁モードに切り替えられる。こうして、超伝導コイル１２は、強制的に消磁され、本処理は終了する。

測定温度が許容上限温度値を超えない場合（Ｓ１２のＮ）、測定温度は、温度しきい値と比較される（Ｓ１４）。測定温度が温度しきい値を超えない場合（Ｓ１４のＮ）、制御部２４は、超伝導コイル１２の励磁電流を定格電流値に向けて復帰させるように励磁電源１８を制御する（Ｓ４０）。すなわち、制御モードが一時待機モードから通常モードに切り替えられる。制御部２４は、超伝導コイル１２の励磁電流を現在の電流値（例えば目標電流値）から定格電流値まで増加させることを指示する電源制御信号Ｓ２を生成し、電源制御信号Ｓ２を励磁電源１８に出力する。超伝導コイル１２は、定格電流値へと再び励磁される。

このようにして、一時待機モードにおいて測定温度が通常冷却温度に向けて低下する場合に、一時待機モードを解除して通常モードに復帰することができる。こうして本処理は終了する。超伝導コイル１２にいくらかの温度上昇が見られたとしても、超伝導コイル１２を直ちに強制的に消磁することなく、超伝導磁石装置１０の運転を継続することができる。

測定温度が温度しきい値を超える場合（Ｓ１４のＹ）、超伝導コイル１２の温度上昇がまだ解消されていないので、そのまま一時待機モードが継続される。この場合、本処理が一旦終了した後、次回のタイミングで再び実行され、測定温度の監視（Ｓ１０〜Ｓ１４）および制御モードの切替（Ｓ２０、Ｓ４０）が行われてもよい。

なお、複数の温度しきい値と複数の目標電流値が予め設定され、測定温度に応じて適切な目標電流値が選択されてもよい。制御部２４は、段階的に定められた複数の温度しきい値と、複数の温度しきい値に対応して段階的に定められた複数の目標電流値と、を有するコイル電流設定を備えてもよい。制御部２４は、コイル電流設定に基づいて、複数の目標電流値からいずれか一つを測定温度に応じて選択し、選択された目標電流値へと励磁電流を調整するように励磁電源を制御してもよい。制御部２４は、超伝導コイル１２の励磁電流を現在の目標電流値から新たに選択された目標電流値まで増加または減少させることを指示する電源制御信号Ｓ２を生成し、電源制御信号Ｓ２を励磁電源１８に出力してもよい。

一例として、制御部２４は、測定温度が通常冷却温度にあるか又は第１温度しきい値（例えば５．５Ｋ）以下の場合に励磁電流を定格電流値（例えば５００Ａ）へと調整し、測定温度が第１温度しきい値を超え第２温度しきい値（例えば６．５Ｋ）以下の場合に励磁電流を第１目標電流値（例えば２００Ａ）へと調整し、測定温度が第２温度しきい値を超え第３温度しきい値（例えば７．５Ｋ）以下の場合に励磁電流を第２目標電流値（例えば５０Ａ）へと調整し、測定温度が第３温度しきい値を超え許容上限温度値（例えば８Ｋ）以下の場合に励磁電流を第３目標電流値（例えば２０Ａ）へと調整するように励磁電源１８を制御してもよい。

以上説明したように、実施の形態に係る超伝導磁石装置１０においては、制御部２４は、温度センサ２２から測定信号Ｓ１を受け、測定温度を温度しきい値と比較し、測定温度が温度しきい値を超える場合、定格電流値より小さい目標電流値へと励磁電流を調整するように励磁電源１８を制御する。このようにして、超伝導コイル１２の強制的な電流遮断の可能性を減らし、超伝導磁石装置１０の運転継続性を向上することができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、測定温度に基づいて励磁電流が調整されるが、他の測定値、例えば測定真空度に基づいて励磁電流が調整されてもよい。真空度は、例えば上述の真空計２０ｃによって測定されてもよい。この場合、上述の説明において、「測定温度」、「温度しきい値」はそれぞれ、「測定真空度」、「真空度しきい値」と読み替えられてもよい。例えば、制御部２４は、測定真空度を真空度しきい値と比較し、測定真空度が温度しきい値を超える場合、定格電流値より小さい目標電流値へと励磁電流を調整するように励磁電源１８を制御してもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０超伝導磁石装置、１２超伝導コイル、１６極低温冷凍機、１８励磁電源、２２温度センサ、２４制御部、３１第１電流領域、３２第２電流領域。

Claims

超伝導コイルと、
前記超伝導コイルを冷却する極低温冷凍機と、
前記超伝導コイルに励磁電流を供給する励磁電源と、
前記超伝導コイルの温度または前記極低温冷凍機によって前記超伝導コイルとともに冷却される部位の温度を測定し、測定温度を示す測定信号を出力する温度センサと、
前記温度センサから前記測定信号を受け、前記測定温度を温度しきい値と比較し、前記測定温度が前記温度しきい値を超える場合、定格電流値より小さい目標電流値へと前記励磁電流を調整するように前記励磁電源を制御する制御部と、を備えることを特徴とする超伝導磁石装置。
前記超伝導コイルは、前記定格電流値を含む第１電流領域では前記励磁電流が減少するにつれてインダクタンスが漸増し又は実質的に一定であり、前記第１電流領域よりも小さい第２電流領域では前記励磁電流が減少するにつれてインダクタンスが急増する電流インダクタンス特性を有し、
前記目標電流値は、前記第１電流領域から選択されることを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。
前記制御部は、前記励磁電流が前記目標電流値へと変化しているとき又は前記目標電流値に一致しているとき、前記測定温度を前記温度しきい値と再び比較し、前記測定温度が前記温度しきい値を下回る場合、前記定格電流値に向けて前記励磁電流を復帰させるように前記励磁電源を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導磁石装置。
前記温度しきい値は、許容上限温度値より低い温度に設定され、
前記制御部は、前記測定温度を前記許容上限温度値と比較し、前記測定温度が前記許容上限温度値を超える場合、前記励磁電流を遮断するように前記励磁電源を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超伝導磁石装置。
超伝導コイルの温度または極低温冷凍機によって前記超伝導コイルとともに冷却される部位の温度を測定することと、
測定温度を温度しきい値と比較することと、
前記測定温度が前記温度しきい値を超える場合、定格電流値より小さい目標電流値へと前記超伝導コイルの励磁電流を調整することと、を備えることを特徴とする超伝導磁石制御方法。