JP7032392B2 - 超電導マグネット - Google Patents

Description

本開示は、超電導マグネットに関する。本出願は、２０１７年５月１５日に出願した日本特許出願である特願２０１７－０９６７１８号に基づく優先権を主張し、当該日本特許出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

従来から、特表２０１６－５３５４３１号公報（特許文献１）に記載の超電導マグネットが知られている。特許文献１に記載の超電導マグネットは、ソレノイドコイルを有している。ソレノイドコイルは、高温超電導体を含む超電導線材を有している。ソレノイドコイルは、終端部にジョイントを有している。ジョイントにおいては、超電導線材が、ハンダにより接合されている。

また、従来から、伊藤聡、９２０ＭＨｚ－ＮＭＲ用超伝導マグネットシステムの研究開発、横浜国立大学博士論文、２００７年３月（非特許文献１）に記載の超電導マグネットが知られている。非特許文献１の超電導マグネットは、ソレノイドコイルを有している。ソレノイドコイルは、低温超電導体を含む超電導線材を有している。ソレノイドコイルは、終端部にジョイントを有している。ジョイントにおいては、超電導線材が、ハンダにより接合されている。

なお、高温超電導体を含む超電導線材の超電導接合に関して、国際公開第２０１６／１２９４６９号（特許文献２）に記載の技術及びS. B. Kim et.al、Shape Optimization of the Stacked HTS Double Pancake Coils for Compact NMR Relaxometry Operated in Persistent Current Mode、IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY、Vol.26、No.4、２０１６年６月（非特許文献２）に記載の技術が知られている。

特表２０１６－５３５４３１号公報 国際公開第２０１６／１２９４６９号

伊藤聡、９２０ＭＨｚ－ＮＭＲ用超伝導マグネットシステムの研究開発、横浜国立大学博士論文、２００７年３月 S. B. Kim et.al、Shape Optimization of the Stacked HTS Double Pancake Coils for Compact NMR Relaxometry Operated in Persistent Current Mode、IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY、Vol.26、No.4、２０１６年６月

本開示の一態様に係る超電導マグネットは、第１部分と第２部分とを含む超電導層と、接合部とを有するコイルと、内部にコイルを格納するクライオスタットとを備える。第１部分及び第２部分は、終端部に位置する。超電導層は、接合部において第１部分と第２部分とが超電導接合されることにより、閉ループを構成する。超電導層を構成する材料は、高温超電導体である。接合部には、７７ケルビンにおいて、１．０テスラ以上５．０テスラ以下の磁場が印加された際に超電導状態で電流が流れる。クライオスタットは、内部における温度が２．０ケルビン以上７７ケルビン以下となるように構成される。

図１は、第１実施形態に係る超電導マグネットの概略断面図である。 図２は、超電導線材１１の長手方向に沿った断面における断面図である。 図３は、接合部１２におけるコイル１の断面図である。 図４は、第１工程Ｓ１における接合部１２の模式的な断面図である。 図５は、第２工程Ｓ２における接合部１２の模式的な断面図である。 図６は、接合部１２に印加される磁場と接合部１２を流れる臨界電流との関係を示すグラフである。 図７は、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの接合界面に平行な磁場が印加された場合及び第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの接合界面に垂直な磁場が印加された場合における接合部１２の臨界電流を示すグラフである。 図８は、第２実施形態に係る超電導マグネットの概略断面図である。

［本開示が解決しようとする課題］
特許文献１に記載の超電導マグネットにおいては、ジョイントにおいて超電導線材がハンダにより接合されている。高温超電導体は、ハンダを用いて接合した場合、超電導接合とはならない。そのため、特許文献１に記載の超電導マグネットは、永久電流モード（外部電源から電流を供給することなしにコイルに電流が流れ続ける動作モード）で動作させることはできない。

低温超電導体は、ハンダにより超電導接合を行うことが可能である。しかしながら、ハンダは、臨界磁場強度（超電導状態を保つことのできる磁場強度の最大値）が低い（４．２ケルビンにおいて０．２テスラ未満である）。そのため、超電導マグネットを永久電流モードで動作させる際には、ジョイントが設けられる位置における磁場強度を下げる観点から、ジョイントとソレノイドコイルとの距離を大きくする必要がある。その結果、コイルを格納するクライオスタットが大型化することにより、超電導マグネットが大型化してしまう。例えば、非特許文献１に記載の超電導マグネットにおいて、ジョイントは、磁気シールドが設けられた上で、コイルに流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ未満となる位置に配置されている。なお、低温超電導体を含む超電導線材によって形成されたコイルでは、高い磁場強度を得ることが困難である。

本開示は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本開示は、永久電流モードで動作可能であり、かつ小型化が可能な超電導マグネットを提供する。

［本開示の効果］
本開示の一態様に係る超電導マグネットにおいては、コイルを流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ以上５．０テスラ以下となる位置に接合部を配置しても、接合部に超電導状態で電流が流れる。そのため、超電導マグネットを永久電流モードで動作させることが可能となる。接合部をコイルにより近い位置に配置することができると、クライオスタットを小型化できる。このように、本開示の一態様に係る超電導マグネットによると、超電導マグネットの永久電流モードでの動作が可能となるとともに超電導マグネットの小型化が可能となる。

［本開示の実施形態の説明］
まず、本開示の実施態様を列記して説明する。

（１）本開示の一態様に係る超電導マグネットは、第１部分と第２部分とを含む超電導層と、接合部とを有するコイルと、内部にコイルを格納するクライオスタットとを備えている。第１部分及び第２部分は、コイルの終端部に位置している。超電導層は、接合部において第１部分と第２部分とが超電導接合されることにより、閉ループを構成している。超電導層を構成する材料は、高温超電導体である。接合部には、７７ケルビンにおいて、１．０テスラ以上５．０テスラ以下の磁場が印加された際に超電導状態で電流が流れる。クライオスタットは、内部における温度が２．０ケルビン以上７７ケルビン以下となるように構成されている。上記（１）の超電導マグネットによると、永久電流モードでの動作が可能となるとともに、小型化が可能となる。

（２）上記（１）の超電導マグネットにおいて、接合部は、コイルに流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ以上５．０テスラ以下となる位置に配置されていてもよい。上記（２）の超電導マグネットによると、永久電流モードでの動作が可能となるとともに小型化が可能となる。

（３）上記（１）の超電導マグネットは、接合部を覆うようにクライオスタットの内部に配置され、かつコイルを流れる電流により生じる磁場の強度を軽減する磁気シールドをさらに備えていてもよい。接合部は、コイルに流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ以上１０テスラ以下となる位置に配置されていてもよい。上記（３）の超電導マグネットによると、永久電流モードでの動作が可能となるとともに小型化が可能となる。

（４）上記（１）の超電導マグネットにおいて、接合部には、４．２ケルビンにおいて１．０テスラ以上１０テスラ以下の磁場が印加された際に、超電導状態で電流が流れる。クライオスタットは、内部における温度が２．０ケルビン以上４．２ケルビン以下となるように構成されていてもよい。接合部は、コイルに流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ以上１０テスラ以下となる位置に配置されていてもよい。

上記（４）の超電導マグネットにおいては、コイルを流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ以上１０テスラ以下となる位置に接合部を配置したとしても、超電導マグネットを永久電流モードで動作させることができる。そのため、上記（４）の超電導マグネットによると、さらなる小型化が可能となる。また、上記（４）の超電導マグネットによると、接合部における臨界電流の値が、クライオスタット内部の温度が７７ケルビンの場合と比較して大きく上昇する。そのため、上記（４）の超電導マグネットによると、コイルに流すことが可能な電流量を上昇させることができる。

（５）上記（１）の超電導マグネットにおいて、接合部には、５０ケルビンにおいて、１．０テスラ以上１０テスラ以下の磁場が印加された際に超電導状態で電流が流れる。クライオスタットは、内部における温度が４．２ケルビンを超えて５０ケルビン以下となるように構成されていてもよい。接合部は、コイルを流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ以上１０テスラ以下となる位置に配置されていてもよい。

上記（５）の超電導マグネットにおいては、コイルを流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ以上１０テスラ以下となる位置に接合部を配置したとしても、超電導マグネットを永久電流モードで動作させることができる。そのため、上記（５）の超電導マグネットによると、さらなる小型化が可能となる。また、上記（５）の超電導マグネットにおいて、接合部に置ける臨界電流の値は、クライオスタット内部の温度が４．２ケルビンの場合と比較して大きく減少しないが、クライオスタット内部の温度が７７ケルビンの場合と比較して大きく上昇する。そのため、上記（５）の超電導マグネットによると、相対的に高い温度においてコイルに大きな電流を流すことが可能となる。

（６）上記（１）～上記（５）の超電導マグネットにおいて、コイルは、ソレノイドコイルであってもよい。接合部は、コイルのコイル長方向における端との距離が、コイル長の０．０３３倍以上０．３倍以下となる位置に配置されていてもよい。上記（６）の超電導マグネットによると、永久電流モードでの動作が可能となるとともに、小型化が可能となる。

（７）上記（３）～上記（５）の超電導マグネットにおいて、コイルは、ダブルパンケーキコイルであってもよい。接合部は、コイルの外周面との距離がコイル径の０．１２５倍以上０．７５倍以下となる位置に配置されていてもよい。上記（７）の超電導マグネットによると、永久電流モードでの動作が可能となるとともに、超電導マグネットの小型化が可能となる。

（８）上記（１）～上記（７）の超電導マグネットにおいて、第１部分と第２部分との接合界面は、コイルに流れる電流により生じる磁場の方向と平行に配置されてもよい。上記（８）の超電導マグネットによると、接合部をよりコイルにより近い位置に配置することが可能となり、超電導マグネットをさらに小型化することが可能となる。

（９）上記（１）～上記（８）の超電導マグネットにおいては、高温超電導体は、ＲＥＢＣＯであってもよい。接合部は、第１部分と第２部分との間に配置され、かつ、高温超電導体により構成される接合層をさらに含んでいてもよい。上記（９）の超電導マグネットによると、超電導接合の信頼性を確保しながら、超電導マグネットの小型化が可能となる。

（１０）上記（９）の超電導マグネットにおいて、接合層は、接合層の結晶方位が第１部分及び第２部分の結晶方位に沿うように配置されていてもよい。上記（１０）の超電導マグネットによると、超電導接合の信頼性を確保しながら、超電導マグネットの小型化が可能となる。

次に、本開示の実施形態の詳細を、図面を参照して説明する。なお、各図中同一又は相当部分には同一符号を付している。また、以下に記載する実施の形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

（第１実施形態）
以下に、第１実施形態に係る超電導マグネットの構成について説明する。

図１は、第１実施形態に係る超電導マグネットの概略断面図である。なお、図１中においては、磁力線が実線矢印により示されている。さらに、図１中においては、等磁場線が一点鎖線により示されている。図１に示すように、第１実施形態に係る超電導マグネットは、コイル１と、クライオスタット２とを有している。コイル１は、クライオスタット２の内部に配置されている。クライオスタット２の内部は、冷却媒体によって冷却されている。これにより、クライオスタット２の内部に配置されているコイル１及び接合部１２が冷却されている。なお、冷却媒体は、例えば液体ヘリウム、液体窒素等である。クライオスタット２の内部は、別途取り付けられる冷凍機によって伝導冷却されていてもよい。この場合、クライオスタット２の内部に配置されているコイル１及び接合部１２も、伝導冷却されている。

クライオスタット２は、内部における温度が７７ケルビン（液体窒素温度）以下となるように構成されている。クライオスタット２は、好ましくは内部における温度が４．２ケルビンを超えて５０ケルビン以下となるように構成されている。クライオスタット２は、殊に好ましくは、内部における温度が４．２ケルビン（液体ヘリウム温度）以下である。なお、クライオスタット２は、内部における温度が２．０ケルビン以上となるように構成されている。

コイル１は、例えば、ソレノイドコイルである。すなわち、コイル１は、超電導線材１１をコイル１の中心軸１ａ周りにらせん状に巻き回すことにより形成されている。中心軸１ａに沿う方向を、コイル１のコイル長方向という。コイル１は、コイル長方向に沿ってコイル長Ｌを有している。コイル１は、第１端１ｂと、第２端１ｃとを有している。第１端１ｂ及び第２端１ｃは、コイル１のコイル長方向における端である。第２端１ｃは、第１端１ｂの反対側の端である。コイル長Ｌは、第１端１ｂと第２端１ｃとの間の距離である。なお、コイル１の数は、複数であってもよい。コイル１の数が複数である場合、各々のコイル１は、同心円状に配列される。

図２は、超電導線材１１の長手方向に沿った断面における断面図である。図２に示すように、超電導線材１１は、基材１１ａと、中間層１１ｂと、超電導層１１ｃと、保護層１１ｄと、安定化層１１ｅとを有している。上記のとおり、コイル１は、超電導線材１１により形成されている。そのため、コイル１は、超電導層１１ｃを有している。

基材１１ａは、例えばステンレス鋼を含有する層、銅（Ｃｕ）を含有する層及びニッケル（Ｎｉ）を含有する層を積層したクラッド材により構成されている。但し、基材１１ａは、これに限られるものではない。基材１１ａは、例えばハステロイ（登録商標）により構成されていてもよい。

中間層１１ｂは、基材１１ａ上に配置されている。中間層１１ｂは、基材１１ａと超電導層１１ｃと格子ミスマッチを低減するための層である。超電導層１１ｃを構成する材料に合わせて、中間層１１ｂを構成する材料は、適宜選択される。例えば、超電導層１１ｃを構成する材料が後述するＲＥＢＣＯである場合、中間層１１ｂには、例えば、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）が用いられる。中間層１１ｂは、一様な結晶配向性を有していることが好ましい。

超電導層１１ｃは、高温超電導体により構成されている。なお、高温超電導体とは、超電導転移温度が液体窒素温度（７７ケルビン）以上となる材料をいう。超電導層１１ｃを構成する高温超電導体は、例えばＲＥＢＣＯである。ＲＥＢＣＯは、（ＲＥ）Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘ（なお、ＲＥは、例えばイットリウム（Ｙ）、ガドリニウム（Ｇｄ）等の希土類元素）により示される材料である。なお、超電導層１１ｃを構成する材料は、これに限られるものではない。超電導層１１ｃを構成する材料は、例えばＢｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘ（Ｂｉ－２２２３）であってもよい。

超電導層１１ｃは、一様な結晶配向性を有していることが好ましい。具体的には、超電導層１１ｃを構成する材料のｃ軸が、中間層１１ｂから保護層１１ｄに向かう方向（超電導層１１ｃの厚さ方向）に沿っていることが好ましい。このことを別の観点からいえば、超電導層１１ｃを構成する材料のａｂ面が、超電導線材１１の長手方向及び幅方向と平行となっていることが好ましい。

保護層１１ｄは、超電導層１１ｃ上に配置されている。保護層１１ｄは、例えば銀（Ａｇ）等により構成されている。安定化層１１ｅは、保護層１１ｄ上に配置されている。安定化層１１ｅは、例えば、Ｃｕ等により構成されている。保護層１１ｄ及び安定化層１１ｅは、超電導層１１ｃにクエンチ（超電導状態から通常電導状態に移行する現象）が生じた際に、電流をバイパスさせるための層である。

図１に示すように、コイル１は、超電導線材１１が外部に引き出されている部分を有している。超電導線材１１が外部に引き出されている部分を、コイル１の終端部という。コイル１の終端部は、例えば第１端１ｂ側に位置している。すなわち、超電導線材１１は、第１端１ｂ側において、コイル１の外部に引き出されている。

コイル１は、接合部１２を有している。コイル１の終端部に位置する超電導層１１ｃの部分を、第１部分１１ｃａ及び第２部分１１ｃｂという。なお、終端部に位置する超電導線材１１において、保護層１１ｄ及び安定化層１１ｅが除去されている。接合部１２は、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとを有している。

図３は、接合部１２におけるコイル１の断面図である。図３に示すように、接合部１２においては、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとが超電導接合されている。ここで、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとが超電導接合されているとは、接合部１２を超電導転移温度以下に冷却した際に、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの間に超電導状態で電流が流れるように、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとが接合されていることをいう。

接合部１２において第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとが超電導接合されることにより、コイル１の超電導層１１ｃは、閉ループを形成している。すなわち、コイル１の超電導層１１ｃは、終端部から始まり終端部に戻るまで経路上において、連続的につながっている。

接合部１２は、接合層１２ａを有していてもよい。接合層１２ａは、高温超電導体により構成されている。好ましくは、接合層１２ａは、超電導層１１ｃを構成する高温超電導体と同一の材料により構成されている。接合層１２ａは、接合層１２ａの結晶方位が、第１部分１１ｃａ及び第２部分１１ｃｂの結晶方位に沿うように配置されていることが好ましい。より具体的には、接合層１２ａは、接合層１２ａのｃ軸が、第１部分１１ｃａ及び第２部分１１ｃｂのｃ軸に沿うように配置されていることが好ましい。

接合層１２ａを用いた場合の第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの超電導接合は、第１工程Ｓ１と、第２工程Ｓ２とを有している。図４は、第１工程Ｓ１における接合部１２の模式的な断面図である。図４に示すように、第１工程Ｓ１においては、第１部分１１ｃａ及び第２部分１１ｃｂの少なくとも一方の上に、微結晶膜１２ｂが形成される。微結晶膜１２ｂは、接合層１２ａに用いられる高温超電導体の微細な結晶を含む膜である。

微結晶膜１２ｂの形成においては、第１に、第１部分１１ｃａ及び第２部分１１ｃｂの少なくとも一方の上に、接合層１２ａに用いられる高温超電導体を構成する元素の有機化合物が塗布される。第２に、この有機化合物の塗膜に対する熱処理が行われる。これにより、この有機化合物の塗膜が接合層１２ａに用いられる高温超電導体の前駆体となる（以下においては、この前駆体を含む膜を、仮焼膜という）。この前駆体は、接合層１２ａに用いられる高温超電導体を構成する元素の炭化物を含んでいる。なお、この熱処理は、この有機化合物の分解温度以上接合層１２ａに用いられる高温超電導体の生成温度未満の処理温度において行われる。第３に、仮焼膜に対する熱処理が行われる。これにより、仮焼膜に含まれる炭化物が分解して接合層１２ａに用いられる高温超電導体となり、微結晶膜１２ｂとなる。なお、仮焼膜に対する熱処理は、１パーセント以上の酸素濃度の雰囲気下において行われる。

図５は、第２工程Ｓ２における接合部１２の模式的な断面図である。第２工程Ｓ２においては、図５に示すように、第１部分１１ｃａは、微結晶膜１２ｂを挟んで第２部分１１ｃｂと対向するように配置される。第２工程Ｓ２においては、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの間に、圧力が印加される。この圧力の印加に際して、加熱も行われる。その結果、微結晶膜１２ｂに含まれる高温超電導体の微細な結晶が、第１部分１１ｃａ及び第２部分１１ｃｂの結晶方位に沿ってエピタキシャル成長し、接合層１２ａとなる。第２工程Ｓ２が行われた後、酸素を含有する雰囲気下で熱処理が行われ、接合層１２ａに酸素が導入される。以上により、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの間の超電導接合が達成される。

図６は、接合部１２に印加される磁場と接合部１２を流れる臨界電流との関係を示すグラフである。なお、図６に示される試験においては、接合部１２は接合層１２ａを有しており、接合部１２には第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの接合界面に平行な磁場が印加されている。図６中の縦軸は、７７ケルビンにおいて磁場が印加されていない場合に接合部１２に流れる臨界電流に対する比率である。図６中の横軸は、接合部１２に印加される磁場の強度（単位：テスラ）である。

図６に示すように、接合部１２には、７７ケルビンにおいて、１．０テスラの磁場が印加された際に、超電導状態で電流が流れている。すなわち、接合部１２の７７ケルビンにおける臨界磁場強度は、１．０テスラ以上である。接合部１２には、７７ケルビンにおいて、５．０テスラの磁場が印加された際に、超電導状態で電流が流れている。すなわち、接合部１２の７７ケルビンにおける臨界磁場強度は、５．０テスラ以上である。このことを別の観点からいえば、接合部１２には、７７ケルビンにおいて１．０テスラ以上５．０テスラ以下の磁場が印加された際に、超電導状態で電流が流れる。

接合部１２には、４．２ケルビンにおいて１．０テスラの磁場が印加された際に、超電導状態で電流が流れている。すなわち、接合部１２の４．２ケルビンにおける臨界磁場強度は、１．０テスラ以上である。接合部１２には、４．２ケルビンおいて１０テスラの磁場が印加された際、超電導状態で電流が流れている。すなわち、接合部１２の４．２ケルビンにおける臨界磁場強度は、１０テスラ以上である。このことを別の観点からいえば、接合部１２には、４．２ケルビンにおいて１．０テスラ以上１０テスラ以下の磁場が印加された際に、超電導状態で電流が流れる。

磁場が印加されていない状態において、４．２ケルビンにおいて接合部１２に流れる臨界電流（超電導状態で流すことができる電流の最大値）は、７７ケルビンにおいて接合部１２を流れる臨界電流の約６．４倍となっている。

接合部１２には、５０ケルビンにおいて１．０テスラの磁場が印加された際、超電導状態で電流が流れている。すなわち、接合部１２の５０ケルビンにおける臨界磁場強度は、１．０テスラ以上である。接合部１２には、５０ケルビンにおいて１０テスラの磁場が印加された際に、超電導状態で電流が流れている。すなわち、接合部１２の５０ケルビンにおける臨界磁場強度は、１０テスラ以上である。別の観点からいえば、接合部１２には、５０ケルビンにおいて１．０テスラ以上１０テスラ以下の磁場が印加された際に、超電導状態で電流が流れる。

磁場が印加されていない状態において、５０ケルビンにおいて接合部１２に流れる臨界電流は、４．２ケルビンにおいて接合部１２に流れる臨界電流の約０．５倍となり、７７ケルビンにおいて接合部１２に流れる臨界電流の約３．３倍となっている。５．０テスラの磁場が印加されている状態において、５０ケルビンにおいて接合部１２に流れる臨界電流は、４．２ケルビンにおいて接合部１２に流れる臨界電流の約０．４倍となり、７７ケルビンにおいて接合部１２に流れる臨界電流の約５倍となっている。

図７は、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの接合界面に平行な磁場が印加された場合及び第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの接合界面に垂直な磁場が印加された場合における接合部１２の臨界電流を示すグラフである。図７中の縦軸は、７７ケルビンにおいて磁場が印加されていない場合に接合部１２に流れる臨界電流に対する比率である。図７中の横軸は、接合部１２に印加される磁場の強度（単位：テスラ）である。なお、図７に示される試験においては、接合部１２は接合層１２ａを有している。図７に示すように、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの接合界面に平行な磁場が印加された場合、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの接合界面に垂直な磁場が印加された場合と比較して、接合部１２の臨界電流が大きくなる。このことを別の観点からいえば、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの接合界面に平行な磁場が印加された場合、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの接合界面に垂直な磁場が印加された場合と比較して、接合部１２の臨界磁場強度が高くなる。

図１に示すように、接合部１２は、好ましくは、クライオスタット２内部の温度における接合部１２の臨界磁場強度がコイル１を流れる電流により生じる磁場の強度よりも高くなる位置に配置される。より具体的には、接合部１２は、コイル１を流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ以上５．０テスラ以下となる位置に配置される。接合部１２は、さらに好ましくは、コイル１を流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ以上１０テスラ以下となる位置に配置される。

接合部１２は、好ましくは、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの接合界面がコイル１を流れる電流により生じる磁場の方向と平行となるように配置される。なお、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの接合界面がコイル１を流れる電流により生じる磁場の方向と平行であるとは、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの接合界面とコイル１を流れる電流により生じる磁場の方向とがなす角度が、±５°の範囲内にあることをいう。

より具体的には、接合部１２は、好ましくは、平面視において（中心軸１ａに平行な方向から見て）接合部１２は、コイル１の内側に配置されている。好ましくは、接合部１２は、第１端１ｂとの距離が、コイル長Ｌの０．０３３倍以上０．３倍以下となる位置に配置される。さらに好ましくは、接合部１２は、第１端１ｂとの距離がコイル長Ｌの０．０３３倍以上０．１７倍以下となる位置に配置される。なお、コイル１を流れる電流により生じる磁場の中心強度が２１．６テスラである場合、コイル１の平面視における内側であって、かつ第１端１ｂとの距離がコイル長Ｌの０．０３３倍以上０．３倍以下となる位置において、コイル１を流れる電流により生じる磁場の強度は、１．０テスラ以上１０テスラ以下となる。

図１に示すように、第１実施形態に係る超電導マグネットは、磁気シールド３をさらに有していてもよい。磁気シールド３は、クライオスタット２の内部において、接合部１２を覆うように配置される。上記のとおり、接合部１２には、コイル１を流れる電流により生じる磁場が加わる。磁気シールド３は、この磁場を軽減する。磁気シールド３には、例えば超電導線材により構成されるコイルが用いられる。磁気シールド３が設けられる場合、接合部１２は、クライオスタット２内部における接合部１２の臨界磁場強度よりもコイル１を流れる電流により生じる磁場の方が大きくなる位置に配置されてもよい。

以下に、第１実施形態に係る超電導マグネットの効果について説明する。
上記のとおり、接合部１２には、７７ケルビンにおいて１．０テスラ以上５．０テスラ以上の磁場が印加された際に、超電導状態で電流が流れる。また、第１実施形態に係る超電導マグネットにおいては、クライオスタット２内部の温度が７７ケルビン以下である。そのため、第１実施形態に係る超電導マグネットにおいては、接合部１２を、コイル１を流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ以上５．０テスラ以下となる位置に配置することができる。接合部１２を配置する位置をコイル１に近づけることにより、クライオスタット２を小型化することができる。このように、第１実施形態に係る超電導マグネットによると、永久電流モードで動作させつつ、超電導マグネットを小型することができる。

第１実施形態に係る超電導マグネットにおいて、クライオスタット２内部の温度が２．０ケルビン以上４．２ケルビン以下であり、かつ４．２ケルビンにおいて１．０テスラ以上１０テスラ以上の磁場が印加された際に接合部１２に超電導状態で電流が流れる場合には、コイル１を流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ以上１０テスラ以下となる位置に、接合部１２を配置することができる。そのため、この場合には、超電導マグネットをさらに小型することができる。また、この場合には、接合部１２における臨界電流の値が、クライオスタット２内部の温度が７７ケルビンの場合と比較して、６倍以上となる。そのため、この場合には、コイル１に流せる電流量を増加させることができる。

第１実施形態に係る超電導マグネットにおいて、クライオスタット２内部の温度が４．２ケルビンを超えて５０ケルビン以下であり、かつ５０ケルビンにおいて１．０テスラ以上１０テスラ以上の磁場が印加された際に接合部１２に超電導状態で電流が流れる場合には、コイル１を流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ以上１０テスラ以下となる位置に、接合部１２を配置することができる。そのため、この場合には、超電導マグネットをさらに小型することができる。さらに、この場合には、接合部１２における臨界電流の値は、クライオスタット２内部の温度が４．２ケルビンである場合と比較して大きく低下しないが、クライオスタット２の内部の温度が７７ケルビンである場合と比較して大きく上昇する。そのため、この場合には、コイル１に流せる電流量を増加させつつ、相対的に高い温度での動作が可能となる。

第１実施形態に係る超電導マグネットにおいて、接合部１２が、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとの接合界面とコイル１を流れる電流により生じる磁場の方向とが平行となるように配置される場合、接合部１２における実質的な臨界磁場強度が上昇する。そのため、この場合には、より磁場強度が高い位置に接合部１２を配置することができ、超電導マグネットをさらに小型化することができる。

第１実施形態に係る超電導マグネットが、接合層１２ａをさらに有している場合、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとが直接接合されている場合と比較して、接合部１２の信頼性を向上させることができる。本発明者らが新たに見出した知見によると、接合部１２が接合層１２ａを有している場合、接合部１２における信頼性が改善するのみならず、接合部１２における臨界磁場強度及び臨界電流が改善される。

（第２実施形態）
以下に、第２実施形態に係る超電導マグネットについて説明する。なお、以下においては、第１実施形態に係る超電導マグネットと異なる点について主に説明し、重複する説明は繰り返さない。

第２実施形態に係る超電導マグネットは、コイル１と、クライオスタット２とを有している。コイル１は、超電導層１１ｃと、接合部１２を有している。超電導層１１ｃは、終端部において、第１部分１１ｃａと、第２部分１１ｃｂとを有している。接合部１２において、第１部分１１ｃａと第２部分１１ｃｂとは、超電導接合されている。

接合部１２には、７７ケルビンにおいて１．０テスラ以上５．０テスラ以下の磁場が印加された際に、超電導状態で電流が流れる。接合部１２には、４．２ケルビンにおいて１．０テスラ以上５．０テスラ以下の磁場が印加された際に、超電導状態で電流が流れることが好ましい。また、接合部１２には、５０ケルビンにおいて１．０テスラ以上５．０テスラ以下の磁場が印加された際に、超電導状態で電流が流れることが好ましい。

クライオスタット２の内部における温度は、２．０ケルビン以上７７ケルビン以下である。クライオスタット２内部における温度は、２．０ケルビン以上４．２ケルビン以下であることが好ましい。クライオスタット２内部における温度は、４．２ケルビンを超えて５０ケルビン以下であることが好ましい。これらの点において、第２実施形態に係る超電導マグネットは、第１実施形態に係る超電導マグネットと共通している。

図８は、第２実施形態に係る超電導マグネットの概略断面図である。第２実施形態に係る超電導マグネットは、図８に示すように、コイル１がダブルパンケーキコイルである。この点において、第２実施形態に係る超電導マグネットは、第１実施形態に係る超電導マグネットと異なっている。

コイル１は、中心軸１ａ周りに超電導線材１１を同心円状に巻き回すことにより形成されている。コイル１は、中心軸１ａ周りに外周面１ｄを有している。超電導線材１１は、外周面１ｄ側において、コイル１の外部に引き出されている。すなわち、コイル１の終端部は、外周面１ｄ側に位置している。コイル１は、コイル径Ｒを有している。コイル径Ｒは、中心軸１ａと外周面１ｄとの距離である。

接合部１２は、外周面１ｄとの距離が、コイル径Ｒの０．１２５倍以上０．７５倍以下となる位置に配置される。接合部１２は、外周面１ｄとの距離が、コイル径Ｒの０．０１２５倍以上０．３７５倍以下となる位置に配置されていてもよい。なお、コイル１を流れる電流により生じる磁場の中心強度が２１．６テスラである場合、外周面１ｄとの距離がコイル径Ｒの０．１２５倍以上０．７５倍以下となる位置において、コイル１を流れる電流により生じる磁場の強度は、１．０テスラ以上１０テスラ以下となる。

第２実施形態に係る超電導マグネットにおいては、クライオスタット２の内部の温度が７７ケルビン以下であり、かつ７７ケルビンにおいて１．０テスラ以上５．０テスラ以下の磁場が印加された際に、接合部１２に超電導状態で電流が流れる。上記のとおり、外周面１ｄとの距離がコイル径Ｒの０．１２５倍以上０．７５倍以下となる位置においては、コイル１を流れる電流による磁場の強度が、１．０テスラ以上１０テスラ以下となる。そのため、第２実施形態に係る超電導マグネットによると、永久電流モードで動作させつつ超電導マグネットを小型化することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した実施の形態ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ コイル、１ａ 中心軸、１ｂ 第１端、１ｃ 第２端、１ｄ 外周面、２ クライオスタット、１１ 超電導線材、１１ａ 基材、１１ｂ 中間層、１１ｃ 超電導層、１１ｃａ 第１部分、１１ｃｂ 第２部分、１１ｄ 保護層、１１ｅ 安定化層、１２ 接合部、１２ａ 接合層、１２ｂ 微結晶膜、Ｌ コイル長、Ｒ コイル径、Ｓ１ 第１工程、Ｓ２ 第２工程。

Claims (9)

1. 第１部分と第２部分とを有する超電導層と、接合部とを有するコイルと、
   前記コイルが内部に格納されるクライオスタットとを備え、
   前記第１部分及び前記第２部分は、前記コイルの終端部に位置し、
   前記超電導層は、前記接合部において前記第１部分と前記第２部分とが超電導接合されることにより閉ループを構成し、
   前記超電導層を構成する材料は、高温超電導体であり、
   前記接合部には、７７ケルビンにおいて、１．０テスラ以上５．０テスラ以下の磁場が印加された際に超電導状態で電流が流れ、
   前記クライオスタットは、前記内部における温度が２．０ケルビン以上７７ケルビン以下となるように構成され、
   前記接合部は、前記コイルを流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ以上５．０テスラ以下となる位置に配置される、超電導マグネット。
2. 第１部分と第２部分とを有する超電導層と、接合部とを有するコイルと、
   前記コイルが内部に格納されるクライオスタットとを備え、
   前記第１部分及び前記第２部分は、前記コイルの終端部に位置し、
   前記超電導層は、前記接合部において前記第１部分と前記第２部分とが超電導接合されることにより閉ループを構成し、
   前記超電導層を構成する材料は、高温超電導体であり、
   前記接合部には、７７ケルビンにおいて、１．０テスラ以上５．０テスラ以下の磁場が印加された際に超電導状態で電流が流れ、
   前記クライオスタットは、前記内部における温度が２．０ケルビン以上７７ケルビン以下となるように構成され、
   前記接合部を覆うように前記クライオスタットの内部に配置され、かつ、前記コイルを流れる電流により生じる磁場の強度を軽減する磁気シールドをさらに備え、
   前記接合部は、前記コイルを流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ以上１０テスラ以下となる位置に配置される、超電導マグネット。
3. 第１部分と第２部分とを有する超電導層と、接合部とを有するコイルと、
   前記コイルが内部に格納されるクライオスタットとを備え、
   前記第１部分及び前記第２部分は、前記コイルの終端部に位置し、
   前記超電導層は、前記接合部において前記第１部分と前記第２部分とが超電導接合されることにより閉ループを構成し、
   前記超電導層を構成する材料は、高温超電導体であり、
   前記接合部には、７７ケルビンにおいて、１．０テスラ以上５．０テスラ以下の磁場が印加された際に超電導状態で電流が流れ、
   前記クライオスタットは、前記内部における温度が２．０ケルビン以上７７ケルビン以下となるように構成され、
   前記接合部には、４．２ケルビンにおいて、１．０テスラ以上１０テスラ以下の磁場が印加された際に超電導状態で電流が流れ、
   前記クライオスタットは、前記内部における温度が２．０ケルビン以上４．２ケルビン以下となるように構成され、
   前記接合部は、前記コイルを流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ以上１０テスラ以下となる位置に配置される、超電導マグネット。
4. 第１部分と第２部分とを有する超電導層と、接合部とを有するコイルと、
   前記コイルが内部に格納されるクライオスタットとを備え、
   前記第１部分及び前記第２部分は、前記コイルの終端部に位置し、
   前記超電導層は、前記接合部において前記第１部分と前記第２部分とが超電導接合されることにより閉ループを構成し、
   前記超電導層を構成する材料は、高温超電導体であり、
   前記接合部には、７７ケルビンにおいて、１．０テスラ以上５．０テスラ以下の磁場が印加された際に超電導状態で電流が流れ、
   前記クライオスタットは、前記内部における温度が２．０ケルビン以上７７ケルビン以下となるように構成され、
   前記接合部には、５０ケルビンにおいて、１．０テスラ以上１０テスラ以下の磁場が印加された際に超電導状態で電流が流れ、
   前記クライオスタットは、前記内部における温度が４．２ケルビンを超えて５０ケルビン以下となるように構成され、
   前記接合部は、前記コイルを流れる電流により生じる磁場の強度が１．０テスラ以上１０テスラ以下となる位置に配置される、超電導マグネット。
5. 前記コイルは、ソレノイドコイルであり、
   前記接合部は、前記コイルのコイル長方向における端との距離が、前記コイルのコイル長の０．０３３倍以上０．２３倍以下となる位置に配置される、請求項２～請求項４のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
6. 前記コイルは、ダブルパンケーキコイルであり、
   前記接合部は、前記コイルの外周面との距離が、前記コイルのコイル径の０．１２５倍以上０．７５倍以下となる位置に配置される、請求項２～請求項４のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
7. 前記第１部分と前記第２部分との接合界面は、前記コイルを流れる電流により生じる磁場の方向と平行に配置される、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
8. 前記高温超電導体は、ＲＥＢＣＯであり、
   前記接合部は、前記第１部分と前記第２部分との間に配置され、かつ前記高温超電導体により構成される接合層をさらに含む、請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
9. 前記接合層は、前記接合層の結晶方位が前記第１部分及び前記第２部分の結晶方位に沿うように配置される、請求項８に記載の超電導マグネット。

Images