(57)【要約】      （修正有）【課題】クエンチの発生が抑制された超電導コイルを提供する。【解決手段】超電導コイルは、巻枠と、巻枠に巻き回され、第１の領域と、第１の領域に対向する第２の領域を有する超電導線材と、第１の領域と第２の領域との間に位置し、４Ｋ以上３００Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で負の熱膨張係数を有する第１の粒子３１と、第１の粒子３１を囲む第１の高分子材料３６と、を有する線材間層３０と、を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻枠と、
前記巻枠に巻き回され、第１の領域と、前記第１の領域に対向する第２の領域を有する超電導線材と、
前記第１の領域と前記第２の領域との間に位置し、４Ｋ以上３００Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で負の熱膨張係数を有する第１の粒子と、前記第１の粒子を囲む第１の高分子材料と、を有する第１の層と、
を備える超電導コイル。
【請求項２】
前記第１の粒子の４Ｋにおける密度は、前記第１の粒子の３００Ｋにおける密度よりも低い請求項１記載の超電導コイル。
【請求項３】
前記第１の高分子材料は、４Ｋ以上３００Ｋ以下の温度範囲で正の熱膨張係数を有する請求項１又は請求項２記載の超電導コイル。
【請求項４】
前記第１の領域から前記第２の領域に向かう方向を第１の方向、前記第１の方向に対し垂直で前記超電導線材の延びる方向を第２の方向、前記第１の方向及び前記第２の方向に垂直な方向を第３の方向とした場合に、
前記第１の層の一部は、前記第１の領域及び前記第２の領域の前記第３の方向に存在する請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の超電導コイル。
【請求項５】
前記第１の領域と前記第１の層との間に位置し、前記第１の高分子材料と異なる第２の高分子材料を含む第２の層を、更に備える請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の超電導コイル。
【請求項６】
前記第１の層が、前記第１の粒子を被覆する金属の被覆層を有する請求項１ないし請求項５いずれか一項記載の超電導コイル。
【請求項７】
前記第１の層は、前記第１の粒子と形状又はサイズが異なり、４Ｋ以上３００Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で負の熱膨張係数を有する第２の粒子を、有する請求項１ないし請求項６いずれか一項記載の超電導コイル。
【請求項８】
前記第１の層は、前記第１の粒子と化学組成が異なり、４Ｋ以上３００Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で負の熱膨張係数を有する第２の粒子を、有する請求項１ないし請求項６いずれか一項記載の超電導コイル。
【請求項９】
前記第１の粒子は、リチウム・アルミニウム・シリコン酸化物、タングステン酸ジルコニウム、タングステン酸ハフニウム、リン酸ジルコニウム、マンガン窒化物、ビスマス・ニッケル酸化物、カルシウム・ルテニウム酸化物、ストロンチウム・銅・鉄酸化物、及び銀酸化物から成る群から選ばれる少なくとも一つの材料を含む請求項１ないし請求項８いずれか一項記載の超電導コイル。
【請求項１０】
前記第１の粒子は、ポリエチレン繊維、ポリアリレート繊維、カーボン繊維、及び、アラミド繊維から成る群から選ばれる少なくともいずれか一つの材料を含む請求項１ないし請求項９いずれか一項記載の超電導コイル。
【請求項１１】
前記第１の高分子材料はエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、及び、メラミン樹脂から成る群から選ばれる少なくとも一つの材料である請求項１ないし請求項１０いずれか一項記載の超電導コイル。
【請求項１２】
前記超電導線材は、希土類元素を含む酸化物の超電導層と、前記超電導層に接する金属層と、を含む請求項１ないし請求項１１いずれか一項記載の超電導コイル。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２いずれか一項記載の超電導コイルを備える超電導機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、超電導コイル、及び、超電導機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）や磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）では、強い磁場を発生させるために超電導コイルが用いられる。超電導コイルは、巻枠に超電導線材を巻き回すことにより形成されている。
【０００３】
超電導線材の一部の超電導状態が消失し常電導状態に転移するクエンチが生じると、クエンチが生じた部分でジュール熱が発生する。発生したジュール熱により、瞬時に多量の発熱が生じる熱暴走に至るおそれがある。熱暴走に至ると、超電導コイルが焼損するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１７／０９４３０５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、クエンチの発生が抑制された超電導コイルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の超電導コイルは、巻枠と、前記巻枠に巻き回され、第１の領域と、前記第１の領域に対向する第２の領域を有する超電導線材と、前記第１の領域と前記第２の領域との間に位置し、４Ｋ以上３００Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で負の熱膨張係数を有する第１の粒子と、前記第１の粒子を囲む第１の高分子材料と、を有する第１の層と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態の超電導コイルの模式斜視図。
【図２】第１の実施形態の超電導コイルの模式断面図。
【図３】第１の実施形態の超電導線材の模式斜視図。
【図４】第１の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図。
【図５】第１の実施形態の超電導コイルの線材間層の拡大模式断面図。
【図６】第２の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図。
【図７】第３の実施形態の超電導コイルの線材間層の拡大模式断面図。
【図８】第４の実施形態の超電導コイルの線材間層の拡大模式断面図。
【図９】第５の実施形態の超電導コイルの線材間層の拡大模式断面図。
【図１０】第６の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図。
【図１１】第７の実施形態の超電導機器のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の部材などには同一の符号を付し、一度説明した部材などについては適宜その説明を省略する。
【０００９】
（第１の実施形態）
第１の実施形態の超電導コイルは、巻枠と、巻枠に巻き回され、第１の領域と、第１の領域に対向する第２の領域を有する超電導線材と、第１の領域と第２の領域との間に位置し、４Ｋ以上３００Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で負の熱膨張係数を有する第１の粒子と、第１の粒子を囲む第１の高分子材料と、を有する第１の層と、を備える。
【００１０】
図１は、第１の実施形態の超電導コイルの模式斜視図である。図２は、第１の実施形態の超電導コイルの模式断面図である。図３は、第１の実施形態の超電導線材の模式斜視図である。
【００１１】
第１の実施形態の超電導コイル１００は、例えば、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）、重粒子線治療器、又は、超電導磁気浮上式鉄道車両などの超電導機器の磁場発生用のコイルとして用いられる。
【００１２】
超電導コイル１００のコイル径方向を第１の方向、コイル周方向を第２の方向、コイル径方向及びコイル周方向に垂直な方向を第３の方向と定義する。
【００１３】
超電導コイル１００は、巻枠１０、第１の絶縁板１１ａ、第２の絶縁板１１ｂ、及び、巻線部１２を備える。巻線部１２は、超電導線材２０と、線材間層３０（第１の層）を有する。線材間層３０は、第１の層の一例である。
【００１４】
図１は、第１の絶縁板１１ａ、及び、第２の絶縁板１１ｂを除いた状態を示す。
【００１５】
巻枠１０は、例えば、繊維強化プラスチックで形成される。超電導線材２０は、例えば、テープ形状である。超電導線材２０は、図１に示すように、巻回中心Ｃを中心に、同心円状のいわゆるパンケーキ形状に巻枠１０に巻き回される。
【００１６】
線材間層３０は、超電導線材２０を固定する機能を有する。線材間層３０は、超電導線材２０が、超電導機器の使用中の振動や、互いの摩擦により破壊されることを抑制する機能を有する。
【００１７】
線材間層３０は、例えば、超電導線材２０を巻枠１０に巻き回す際に、線材間層３０を構成する材料を超電導線材２０の間に塗布することで形成することが可能である。また、線材間層３０は、例えば、超電導線材２０を巻枠１０に巻き回した後に、線材間層３０を構成する材料を含浸させることにより形成することが可能である。
【００１８】
第１の絶縁板１１ａ、及び、第２の絶縁板１１ｂは、例えば、繊維強化プラスチックで形成される。第１の絶縁板１１ａ、及び、第２の絶縁板１１ｂは、巻線部１２を外部に対して絶縁する機能を有する。巻線部１２は、第１の絶縁板１１ａと第２の絶縁板１１ｂとの間に位置する。
【００１９】
超電導線材２０は、図３に示すように、第１の安定化層２１、基板２３、中間層２４、超電導層２５、保護層２６（金属層）、第２の安定化層２７を有する。超電導線材２０は、多層構造である。
【００２０】
第１の安定化層２１は、金属である。第１の安定化層２１は、例えば、銅又はアルミニウムである。第１の安定化層２１は、クエンチが生じた場合の電流迂回路となり、熱暴走を抑制する機能を有する。
【００２１】
基板２３は、第１の安定化層２１の上に設けられる。基板２３は、金属である。基板２３は、例えば、ニッケル基合金、ステンレス、又は、銅などの高強度の金属である。
【００２２】
中間層２４は、基板２３上に設けられる。中間層２４は、複数の酸化物の積層構造を有する。中間層２４は、超電導層２５の結晶を配向させる機能を有する。
【００２３】
超電導層２５は、中間層２４上に設けられる。超電導層２５は、例えば、希土類元素を含む酸化物である。超電導層２５は、例えば、希土類元素、バリウム、及び、銅を含む酸化物超電導体である。
【００２４】
保護層２６は、金属層の一例である。保護層２６は、超電導層２５上に設けられる。保護層２６は、金属である。保護層２６は、超電導層２５に接して設けられる。保護層２６は、例えば、銀、金、又は、白金である。保護層２６は、超電導層２５から酸素が拡散することを抑制する機能を有する。
【００２５】
第２の安定化層２７は、保護層２６上に設けられる。第２の安定化層２７は、金属である。第２の安定化層２７は、例えば、銅又はアルミニウムである。第２の安定化層２７は、クエンチが生じた場合の電流迂回路となり、熱暴走を抑制する機能を有する。
【００２６】
図４は、第１の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図である。
【００２７】
図４は、超電導線材２０の一部である第１の領域２０ａ及び第２の領域２０ｂを示す。第２の領域２０ｂは、第１の領域２０ａに対向する。
【００２８】
第１の領域２０ａは、第２の領域２０ｂに対向する対向面Ｐ１ａを有する。また、第１の領域２０ａは、コイル周方向及びコイル径方向がなす面に平行な側面Ｐ２ａを有する。第２の領域２０ｂは、第１の領域２０ａに対向する対向面Ｐ１ｂを有する。また、第２の領域２０ｂは、コイル周方向及びコイル径方向に平行な側面Ｐ２ｂを有する。
【００２９】
第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間に、線材間層３０が存在する。
【００３０】
第１の領域２０ａから第２の領域２０ｂに向かう方向は上記第１の方向である。第１の方向に対し垂直で超電導線材の延びる方向は上記第２の方向である。第１の方向及び第２の方向に垂直な方向は上記第３の方向である。
【００３１】
線材間層３０の一部は、第１の領域２０ａ及び第２の領域２０ｂの第３の方向にも存在する。言い換えれば、第１の領域２０ａの側面Ｐ２ａの側、及び、第２の領域２０ｂの側面Ｐ２ｂの側にも、線材間層３０が存在する。
【００３２】
第１の領域２０ａから第２の領域２０ｂに向かう方向は第１の方向である。線材間層３０の一部は、第１の領域２０ａ及び第２の領域２０ｂの第２の方向にも存在する。言い換えれば、第１の領域２０ａ及び第２の領域２０ｂの第３の方向の側面側にも、線材間層３０が存在する。
【００３３】
図５は、第１の実施形態の超電導コイルの線材間層の拡大模式断面図である。
【００３４】
線材間層３０は、第１の粒子３１と第１の高分子材料３６を含む。
【００３５】
第１の粒子３１は、いわゆる、フィラ―である。第１の粒子３１は、４Ｋ以上３００Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で負の熱膨張係数を有する。例えば、第１の粒子３１の４Ｋにおける密度は、第１の粒子３１の３００Ｋにおける密度よりも低い。
【００３６】
第１の粒子３１は、例えば、無機化合物を含む。第１の粒子３１は、例えば、リチウム・アルミニウム・シリコン酸化物、タングステン酸ジルコニウム、タングステン酸ハフニウム、リン酸ジルコニウム、マンガン窒化物、ビスマス・ニッケル酸化物、カルシウム・ルテニウム酸化物、ストロンチウム・銅・鉄酸化物、及び、銀酸化物から成る群から選ばれる少なくとも一つの無機化合物を含む。第１の粒子３１は、例えば、ＬｉＡｌＳｉＯ４、Ｍｎ３ＺｎＮ、（ＺｒＯ）２Ｐ２Ｏ７、ＺｒＷ２Ｏ８、Ｚｒ２（ＷＯ４）（ＰＯ４）２、ＢｉＮｉＯ３、Ｃａ２Ｒｕ２Ｏｘ、Ａｇ２Ｏ、ＨｆＷ２Ｏ８、及び、ＳｒＣｕ３Ｆｅ４Ｏ１２から成る群から選ばれる少なくとも一つの無機化合物を含む。
【００３７】
上記無機化合物のうち、例えば、（ＺｒＯ）２Ｐ２Ｏ７、ＺｒＷ２Ｏ８、Ｚｒ２（ＷＯ４）（ＰＯ４）２、ＢｉＮｉＯ３、Ｃａ２Ｒｕ２Ｏｘ、Ａｇ２Ｏ、及び、ＨｆＷ２Ｏ８の４Ｋにおける密度は、第１の粒子３１の３００Ｋにおける密度よりも低い。
【００３８】
第１の粒子３１は、例えば、有機物を含む。第１の粒子３１は、例えば、ポリエチレン繊維、ポリアリレート繊維、カーボン繊維、及び、アラミド繊維から成る群から選ばれる少なくともいずれか一つの有機物を含む。
【００３９】
第１の粒子３１の形状は、例えば、球状、俵状、回転楕円体状、円柱状、繊維状、不定形状であり、特に、限定されるものではない。図５は、第１の粒子３１の形状が球状の場合を例示している。
【００４０】
第１の粒子３１の粒径は、例えば、１．５μｍ以上２００μｍ以下である。
【００４１】
なお、第１の粒子３１の４Ｋにおける密度と３００Ｋにおける密度の大小関係は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）により第１の粒子３１に含まれる材料の格子定数を求めることにより、判断することが可能である。
【００４２】
また、第１の粒子３１に含まれる材料の判定は、第１の粒子３１が無機化合物の場合、例えば、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）により化学組成を分析することで可能となる。また、第１の粒子３１が有機物の場合、例えば、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）により行うことが可能である。
【００４３】
第１の高分子材料３６は、第１の粒子３１を囲む。第１の高分子材料３６は、いわゆる、バインダである。第１の高分子材料３６は、第１の粒子３１を相互に接着する。
【００４４】
第１の高分子材料３６は、例えば、４Ｋ以上３００Ｋ以下の温度範囲で正の熱膨張係数を有する。
【００４５】
第１の高分子材料３６は、例えば、樹脂を主成分として含む。第１の高分子材料３６は、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂である。
【００４６】
第１の高分子材料３６に含まれる材料の判定は、例えば、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）により行うことが可能である。
【００４７】
線材間層３０の中の第１の粒子３１の占有率は、例えば、２０％以上８０％以下である。
【００４８】
線材間層３０の中の第１の粒子３１の占有率は、例えば、光学顕微鏡画像又はＳＥＭ画像で観察される第１の粒子３１の占める面積割合で代表させる。第１の粒子３１の占有率は、例えば、光学顕微鏡画像又はＳＥＭ画像の画像解析により求めることが可能である。
【００４９】
第１の実施形態の超電導コイル１００は、巻枠１０に超電導線材２０を同心円状に巻き回して製造する。線材間層３０は、例えば、超電導線材２０を巻き回す際に、線材間層３０を構成する材料を超電導線材２０の間に塗りこんで含浸させる方法で形成する。また、線材間層３０は、例えば、超電導線材２０を巻き回して固定させた状態で、真空中で線材間層３０を構成する材料を流しいれて含浸させる方法で形成しても良い。
【００５０】
以下、第１の実施形態の超電導コイル１００の作用及び効果について説明する。
【００５１】
超電導コイルを有する超電導機器の使用中に、超電導コイルの超電導線材の一部の超電導状態が消失し常電導状態に転移するクエンチが生じる場合がある。クエンチが生じると、クエンチが生じた部分でジュール熱が発生する。発生したジュール熱により、瞬時に多量の発熱が生じる熱暴走に至るおそれがある。熱暴走に至ると、超電導コイルが焼損するおそれがある。
【００５２】
線材間層が超電導線材の間に設けられる超電導コイルにおいて、クエンチが生じる原因の一つは、応力による超電導線材の破壊と考えられている。超電導線材と線材間層とは熱膨張係数が異なる。一般に、金属や酸化物の超電導線材と比較して、高分子材料の線材間層の熱膨張係数は大きい。
【００５３】
このため、超電導コイルが使用温度まで冷却される際、線材間層の熱収縮の方が、超電導線材の熱収縮よりも大きくなる。したがって、冷却により超電導線材に引張応力が印加される。引張応力により、超電導線材が破壊され、破壊箇所でクエンチが生ずると考えられる。
【００５４】
特に、第１の実施形態の超電導コイル１００のように、超電導線材２０の超電導層２５が、希土類元素を含む酸化物である場合、超電導線材２０は、超電導層２５が金属層である保護層２６と接する多層構造を有する。超電導層２５と保護層２６との間の密着性は、比較的低い。このため、超電導線材２０に引張応力が印加されると、超電導層２５と保護層２６との間が剥離して、超電導線材２０の破壊が生じやすい。
【００５５】
第１の実施形態の超電導コイル１００は、線材間層３０の中に、４Ｋ以上３００Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で負の熱膨張係数を有する第１の粒子３１をフィラ―として有する。このため、線材間層３０の熱膨張係数を小さくすることが可能である。これによって、超電導コイル１００が使用温度まで冷却される際の、線材間層３０の熱収縮を抑制することができる。
【００５６】
したがって、冷却により超電導線材２０に印加される引張応力が緩和される。よって、引張応力による超電導線材２０の破壊が抑制され、クエンチの発生が抑制される。
【００５７】
第１の実施形態の超電導コイル１００では、第１の粒子３１の材料、線材間層３０の中の第１の粒子３１の占有率を適切に選択することで、超電導線材２０と線材間層３０との熱膨張係数を近い値にすることが可能となる。超電導線材２０と線材間層３０との熱膨張係数を近い値にすることで、冷却により超電導線材２０に印加される引張応力が低減される。
【００５８】
以上、第１の実施形態によれば、超電導コイルの冷却時に超電導線材に印加される引張応力が緩和される。したがって、超電導線材の破壊が抑制される。よって、クエンチの発生が抑制された超電導コイルが実現できる。
【００５９】
（第２の実施形態）
第２の実施形態の超電導コイルは、第１の領域と第１の層との間に位置し、第１の高分子材料と異なる第２の高分子材料を含む第２の層を、更に備える点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
【００６０】
図６は、第２の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図である。
【００６１】
図６は、超電導線材２０の一部である第１の領域２０ａ及び第２の領域２０ｂを示す。第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間に、線材間層３０が存在する。更に、第１の領域２０ａと線材間層３０との間にバッファ層４０（第２の層）を有する。
【００６２】
バッファ層４０は、第１の高分子材料３６と異なる第２の高分子材料を含む。バッファ層４０は第２の層の一例である。
【００６３】
第２の高分子材料は、例えば、第１の高分子材料よりも引張応力に対する耐性が低い材料である。また、第２の高分子材料は、例えば、第１の高分子材料３６よりも塑性変形の大きな材料である。
【００６４】
第２の高分子材料は、例えば、ポリイミド樹脂、パラフィン、ワックス、又は、グリスである。
【００６５】
第２の実施形態の超電導コイルでは、超電導コイルが使用温度まで冷却される際、超電導線材２０に先立ち、バッファ層４０が引張応力により破壊される。或いは、バッファ層４０が塑性変形することにより、超電導線材２０に印加される引張応力が緩和される。したがって、超電導線材２０の破壊が抑制される。
【００６６】
なお、バッファ層４０は、第２の領域２０ｂと線材間層３０との間に設けられても構わない。また、バッファ層４０は、第１の領域２０ａと線材間層３０との間、及び、第２の領域２０ｂと線材間層３０との間に設けられても構わない。
【００６７】
以上、第２の実施形態によれば、第１の実施形態同様、超電導コイルの冷却時に超電導線材に印加される引張応力が緩和される。したがって、超電導線材の破壊が抑制される。さらに、バッファ層により、超電導線材の破壊が抑制される。よって、クエンチの発生が更に、抑制された超電導コイルが実現できる。
【００６８】
（第３の実施形態）
第３の実施形態の超電導コイルは、第１の層が、第１の粒子を被覆する金属の被覆層を有する点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
【００６９】
図７は、第３の実施形態の超電導コイルの線材間層の拡大模式断面図である。
【００７０】
線材間層３０は、第１の粒子３１、被覆層３３、及び、第１の高分子材料３６を含む。
【００７１】
被覆層３３は、第１の粒子３１を被覆する。被覆層３３は、導電性及び熱伝導率の高い金属である。被覆層３３は、例えば、銀、金、ニッケル、又は、銅である。被覆層３３は、例えば、第１の粒子３１の表面にめっき法により形成された膜である。
【００７２】
第３の実施形態の超電導コイルでは、仮に、クエンチが発生した場合でも、被覆層３３を通って電流が迂回することで、局所的な発熱が抑制される。したがって、超電導コイルが熱暴走に至ることを抑制できる。
【００７３】
以上、第３の実施形態によれば、第１の実施形態同様、超電導コイルの冷却時に超電導線材に印加される引張応力が緩和される。したがって、超電導線材の破壊が抑制される。さらに、仮に、クエンチが発生した場合でも、超電導コイルが熱暴走に至ることを抑制できる。
【００７４】
（第４の実施形態）
第４の実施形態の超電導コイルは、第１の層は、第１の粒子と形状又はサイズが異なり、４Ｋ以上３００Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で負の熱膨張係数を有する第２の粒子を、有する点で、第１の実施形態及び第３の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態及び第３の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
【００７５】
図８は、第４の実施形態の超電導コイルの線材間層の拡大模式断面図である。
【００７６】
線材間層３０は、第１の粒子３１、第２の粒子３２、被覆層３３、及び、第１の高分子材料３６を含む。
【００７７】
第１の粒子３１は、４Ｋ以上３００Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で負の熱膨張係数を有する。第１の粒子３１の４Ｋにおける密度は、第１の粒子３１の３００Ｋにおける密度よりも低い。
【００７８】
第２の粒子３２は、第１の粒子３１と形状又はサイズが異なる。第２の粒子３２は、４Ｋ以上３００Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で負の熱膨張係数を有する。第２の粒子３２の４Ｋにおける密度は、第２の粒子３２の３００Ｋにおける密度よりも低い。
【００７９】
第１の粒子３１は、例えば、球状である。第２の粒子３２は、例えば、円筒状である。
【００８０】
被覆層３３は、第１の粒子３１及び第２の粒子３２を被覆する。被覆層３３は、導電性及び熱伝導率の高い金属である。
【００８１】
第４の実施形態の超電導コイルでは、形状又はサイズが異なる２種の粒子を有する。このため、線材間層３０の中の粒子の占有率を高くすることが可能となる。したがって、超電導線材２０と線材間層３０との熱膨張係数を近い値にすることが容易となる。よって、冷却により超電導線材２０に印加される引張応力を低減することが容易となる。
【００８２】
また、線材間層３０の中の被覆層３３の占有率も高くすることが可能となる。したがって、線材間層３０の抵抗も低くなる。よって、仮に、クエンチが発生した場合でも、超電導コイルが熱暴走に至ることを更に抑制できる。
【００８３】
なお、第２の粒子３２は、第１の粒子３１とサイズのみ異なる粒子とすることも可能である。例えば、第１の粒子３１及び第２の粒子３２の両方が球状又は円筒形状であっても構わない。
【００８４】
以上、第４の実施形態によれば、第１の実施形態同様、超電導コイルの冷却時に超電導線材に印加される引張応力が緩和される。したがって、超電導線材の破壊が抑制される。さらに、２種の粒子を有することで、超電導線材の破壊の抑制が容易となる。また、仮に、クエンチが発生した場合でも、超電導コイルが熱暴走に至ることを更に抑制できる。
【００８５】
（第５の実施形態）
第５の実施形態の超電導コイルは、第１の層は、第１の粒子と化学組成が異なり、４Ｋ以上３００Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で負の熱膨張係数を有する第２の粒子を、有する点で、第１の実施形態及び第３の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態及び第３の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
【００８６】
図９は、第５の実施形態の超電導コイルの線材間層の拡大模式断面図である。
【００８７】
線材間層３０は、第１の粒子３１、第２の粒子３２、被覆層３３、及び、第１の高分子材料３６を含む。
【００８８】
第１の粒子３１は、４Ｋ以上３００Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で負の熱膨張係数を有する。第１の粒子３１の４Ｋにおける密度は、第１の粒子３１の３００Ｋにおける密度よりも低い。
【００８９】
第２の粒子３２は、第１の粒子３１と化学組成が異なる。第２の粒子３２は、第１の粒子３１と異なる熱膨張係数を有する。
【００９０】
第２の粒子３２は、４Ｋ以上３００Ｋ以下の少なくとも一部の温度範囲で負の熱膨張係数を有する。第２の粒子３２の４Ｋにおける密度は、第２の粒子３２の３００Ｋにおける密度よりも低い。
【００９１】
第１の粒子３１は、例えば、球状である。第２の粒子３２は、例えば、球状である。
【００９２】
被覆層３３は、第１の粒子３１及び第２の粒子３２を被覆する。被覆層３３は、導電性及び熱伝導率の高い金属である。
【００９３】
第５の実施形態の超電導コイルでは、熱膨張係数が異なる２種の粒子を有する。このため、超電導線材２０と線材間層３０との熱膨張係数を近い値にすることが容易となる。よって、冷却により超電導線材２０に印加される引張応力を低減することが容易となる。
【００９４】
なお、第２の粒子３２は、第１の粒子３１と形状又はサイズが異なる粒子であっても構わない。
【００９５】
以上、第５の実施形態によれば、第１の実施形態同様、超電導コイルの冷却時に超電導線材に印加される引張応力が緩和される。したがって、超電導線材の破壊が抑制される。さらに、熱膨張係数が異なる２種の粒子を有することで、超電導線材の破壊の抑制が容易となる。また、仮に、クエンチが発生した場合でも、超電導コイルが熱暴走に至ることを抑制できる。
【００９６】
（第６の実施形態）
第６の実施形態の超電導コイルは、第１の領域と第２の領域との間に、絶縁テープを、更に備える点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
【００９７】
図１０は、第６の実施形態の超電導コイルの巻線部の一部の拡大模式断面図である。
【００９８】
図１０は、超電導線材２０の一部である第１の領域２０ａ及び第２の領域２０ｂを示す。第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間に、線材間層３０が存在する。更に、第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間に絶縁テープ４５を有する。
【００９９】
絶縁テープ４５は、例えば、フッ素コートされたポリイミドテープである。
【０１００】
第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間に、絶縁テープ４５を設けることにより、第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂの間の絶縁性を高め、第１の領域２０ａと第２の領域２０ｂとの間での短絡を防止する。これにより、クエンチの発生が抑制され、超電導コイルが発生させる磁場を安定化できる。
【０１０１】
また、絶縁テープ４５がフッ素コートされていることにより、線材間層３０と超電導線材２０の間の密着性が低下する。したがって、冷却時に超電導線材２０加わる熱応力が緩和される。したがって、超電導線材２０の破壊が抑制される。よって、クエンチの発生が抑制される。
【０１０２】
以上、第６の実施形態によれば、第１の実施形態同様、超電導コイル冷却時の超電導線材２０にかかる応力を緩和して、クエンチ発生を抑制できる。
【０１０３】
（第７の実施形態）
第７の実施形態の超電導機器は、第１ないし第６の実施形態の超電導コイルを備えた超電導機器である。以下、第１ないし第６の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
【０１０４】
図１１は、第７の実施形態の超電導機器のブロック図である。第７の実施形態の超電導機器は、重粒子線治療器２００である。重粒子線治療器２００は、超電導機器の一例である。
【０１０５】
重粒子線治療器２００は、入射系５０、シンクロトロン加速器５２、ビーム輸送系５４、照射系５６、制御系５８を備える。
【０１０６】
入射系５０は、例えば、治療に用いる炭素イオンを生成し、シンクロトロン加速器５２に入射するための予備加速を行う機能を有する。入射系５０は、例えば、イオン発生源と線形加速器を有する。
【０１０７】
シンクロトロン加速器５２は、入射系５０から入射された炭素イオンビームを治療に適合したエネルギーまで加速する機能を有する。シンクロトロン加速器５２に、第１ないし第５の実施形態の超電導コイルが用いられる。
【０１０８】
ビーム輸送系５４は、シンクロトロン加速器５２から入射された炭素イオンビームを照射系５６まで輸送する機能を有する。ビーム輸送系５４は、例えば、偏向電磁石を有する。
【０１０９】
照射系５６は、ビーム輸送系５４から入射された炭素イオンビームを照射対象である患者に照射する機能を備える。照射系５６は、例えば、炭素イオンビームを任意の方向から照射可能にする回転ガントリーを有する。回転ガントリーに、第１ないし第５の実施形態の超電導コイルが用いられる。
【０１１０】
制御系５８は、入射系５０、シンクロトロン加速器５２、ビーム輸送系５４、及び、照射系５６の制御を行う。制御系５８は、例えば、コンピュータである。
【０１１１】
第７の実施形態の重粒子線治療器２００は、シンクロトロン加速器５２及び回転ガントリーに、第１ないし第６の実施形態の超電導コイルが用いられる。したがって、クエンチの発生が抑制され高い信頼性が実現される。
【０１１２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１１３】
１０      巻枠
１１ａ    第１の絶縁板
１１ｂ    第２の絶縁板
１２      巻線部
２０      超電導線材
２０ａ    第１の領域
２０ｂ    第２の領域
２１      第１の安定化層
２３      基板
２４      中間層
２５      超電導層
２６      保護層
２７      第２の安定化層
３０      線材間層
３１      第１の粒子
３２      第２の粒子
３３      被覆層
３６      第１の高分子材料
４０      バッファ層
１００    超電導コイル
２００    重粒子線治療器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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