(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、通電により発熱するヒータと、絶縁膜と、導電性膜と、前記導電性膜に蒸着されたＭｇＢ2膜とを備えた超電導スイッチにおいて、
前記基板の一の面に前記ヒータ、前記絶縁膜、前記導電性膜、前記ＭｇＢ2膜の順で積層し、
前記ＭｇＢ2膜で形成された電流路と、前記電流路を挟む２点であって前記電流路の一端から等距離となる前記導電性膜に設けられた電極対とを有することを特徴とする超電導スイッチ。
【請求項２】
基板と、ヒータを兼ねた導電性膜と、前記導電性膜に蒸着されたＭｇＢ2膜とを備えた超電導スイッチにおいて、
前記ＭｇＢ2膜で形成された電流路と、前記電流路を挟む２点であって前記電流路の一端から等距離となる前記導電性膜に設けられたヒータ用電極対とを有することを特徴とする超電導スイッチ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の超電導スイッチにおいて、
前記導電性膜は導電性セラミックスであることを特徴とする超電導スイッチ。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の超電導スイッチにおいて、
前記ＭｇＢ2膜の前記基板側と反対の面に、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ／Ｋ以上である保護膜を積層することを特徴とする超電導スイッチ。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかに記載の超電導スイッチを直列かつ／または並列接続することを特徴とする超電導スイッチ。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかに記載の超電導スイッチにおいて、
前記導電性膜の熱膨張係数は、前記ＭｇＢ2膜の熱膨張係数の±１０％以内であることを特徴とする超電導スイッチ。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかに記載の超電導スイッチと、超電導コイルとを有する超電導磁石。
【請求項８】
請求項７に記載の超電導磁石を有するＭＲＩ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
超電導スイッチ，超電導磁石，ＭＲＩに関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導コイルと超電導スイッチにて超電導閉回路を形成する場合、超電導スイッチに用いる超電導体は、超電導コイルに用いる超電導体の中から選択するのが一般的である。超電導体の冷却手段には冷媒浸漬方法と伝導冷却方法とがあるが、ある超電導回路を構成する超電導コイルと超電導スイッチは同一の冷却方法が採用される場合が多い。
【０００３】
超電導スイッチは、一般的にヒータで超電導体を温めることでスイッチとしての切り替えを行う。超電導体は、その臨界温度以下に冷却されることで抵抗がゼロ（ＯＮ状態）となるが、臨界温度以上に温めると常電導体となり抵抗が発生する（ＯＦＦ状態）。
【０００４】
超電導磁石の励磁時には、超電導スイッチをＯＦＦ状態とし、励磁電源から供給する電流のほとんどを超電導磁石に通電させる。超電導スイッチのＯＮ／ＯＦＦの切り替えを早くする、またはその切り替えの間の冷媒蒸発量を抑制するためには、ＯＮ状態の超電導スイッチの温度と臨界温度との温度差はなるべく小さいほうがよい。一方、ＯＮ状態の超電導スイッチの温度設定が超電導体の臨界温度に近いと、超電導スイッチに外部じょう乱が印加された際に、超電導体の温度が臨界温度に近づきクエンチしやすくなるため、超電導スイッチの安定性が低くなる。
【０００５】
ＮｂＴｉなどの低温超電導体は液体ヘリウムによる冷却が一般的であるため、低温超電導体を用いた超電導スイッチでは、ＯＮ状態の温度は液体ヘリウム温度（約４Ｋ）とし、ＯＦＦ状態の温度は臨界温度付近（約９Ｋ）である。この場合、ヒータによる加熱で超電導スイッチの超電導体を約５Ｋ上昇させることになる。
【０００６】
近年の高温超電導体の発見により超電導体の臨界温度は上昇した。例えば臨界温度が９０Ｋである高温超電導体を用いた超電導スイッチを、液体ヘリウム中で使用する場合、４Ｋから９０Ｋまで超電導スイッチの温度を上昇させる必要がある。この加熱を効率良く行うには超電導膜とヒータ間の熱伝達効率を高める必要がある。
【０００７】
例えば特許文献１には、高温超電導膜を用いた超電導スイッチが示されており、高温超電導体にＹＢＣＯなどが挙げられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１４２７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記特許文献１のものは、超電導膜とヒータの間に強度を保つのに十分な厚さの絶縁物基板を有しているため、超電導膜とヒータ間に存在する熱容量が大きいという課題がある。
【００１０】
本発明の目的は、超電導スイッチの強度を保ちつつ超電導膜とヒータ間の熱効率が高い超電導スイッチを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、基板と、通電により発熱するヒータと、導電性膜と、前記導電性膜に蒸着されたＭｇＢ2膜とを備えた超電導スイッチにおいて、前記基板の一の面に前記ヒータ，前記導電性膜，前記ＭｇＢ2膜の順で積層することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、超電導スイッチの強度を保ちつつ超電導膜とヒータ間の熱効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】超電導スイッチの斜視図と部分断面図。
【図２】超電導磁石１１の概略構成。
【図３】ＭＲＩにおける実施例。
【図４】実施例２における超電導スイッチの断面略図。
【図５】ヒータ用端子の配置例。
【図６】実施例４における超電導スイッチの断面略図。
【図７】並列接続した超電導スイッチの概略構成。
【図８】直列接続した超電導スイッチの概略構成。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１に、各実施例に共通する超電導スイッチ１の（ａ）斜視図と（ｂ）部分断面図を示す。基板７を除く構成要素は膜状であるため、基板７の厚さは、超電導スイッチ１の剛性を保てる厚さとしておく。ヒータ６は超電導スイッチ１のＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り替えるための発熱体であり、図示しないヒータ用電源に接続される。ヒータ６は、金属箔、または回路パターン状に切り出した金属箔で作成可能であり、また、基板７の上に回路パターンを蒸着するなどでも作成可能である。絶縁膜５は、ヒータ６と導電性膜４との電気的絶縁を確保するための膜である。導電性膜４は絶縁膜５の上に導電性材料を蒸着することで作成できる。導電性膜４は金属蒸着膜または導電性セラミックスで作成することが好ましい。この導電性膜４は、ＭｇＢ2膜３と電気的に接続している。ＭｇＢ2膜３は、導電性膜４へＭｇＢ2を蒸着することで作成できる。所定の大きさの基板７の上で、ＭｇＢ2膜３からなる回路長を長くするためには、図１に示すように、ミアンダ状回路とすればよい。この時、導電性膜４もＭｇＢ2膜３の形状に合わせるとよい。電極２は、ＭｇＢ2膜３で作成したミアンダ状回路の両端のみに設けられ、図示しない超電導コイル１０などに接続される。
【００１６】
図２に、超電導磁石１１の概略構成を示す。超電導スイッチ１は、液体ヘリウムなどの冷媒、またはヘリウムガスなどでＭｇＢ2膜３が超電導状態となる温度まで冷却される。超電導コイル１０を励磁する際、ヒータ６に通電し超電導スイッチ１をＯＦＦ状態とすることで、超電導スイッチ１に所定の抵抗値Ｒを発生させる。超電導コイル１０のインダクタンスをＬ、超電導コイル１０に流れる電流をＩL、超電導スイッチに流れる電流をＩRとすると、Ｌ（ｄＩL／ｄｔ）＝ＲＩRの関係が成り立つ。よって、ＯＦＦ状態の超電導スイッチ１の抵抗値は、超電導コイルのインダクタンスＬと超電導コイル１０に流す電流の掃印速度ｄＩL／ｄｔとで決定される。超電導コイル１０に流れる電流が所定の値に到達した後、ヒータ６による過熱を止め、超電導スイッチ１をＯＮ状態とする。すると、超電導コイル１０と超電導スイッチ１で超電導ループが形成され、永久電流運転が可能となる。
【００１７】
超電導スイッチをＯＦＦ状態に切り替えるためのヒータによる加熱量は少ないほうが良い。ＭｇＢ2膜はＭｇＢ2線に比べ、臨界電流密度が約１００倍も向上する。そのため、ＭｇＢ2膜で超電導スイッチを作成すれば、スイッチの体積を小さくできるので、熱容量が低下する。熱容量が低下するとヒータによる加熱量を抑制することができ、またヒータ熱への応答性も速くすることができる。一方でＯＮ状態における温度を臨界温度よりも十分低くし、超電導スイッチ１がクエンチする可能性を低くするのが理想的である。この２点において、本実施例ではＯＮ状態を約４Ｋ、ＯＦＦ状態を約２０Ｋと設定できるため、両状態の温度差が小さい。すなわち、ＯＦＦ状態のときに酸化物超電導体のように１００Ｋ付近まで温める必要がないのでヒータによる加熱量が少なくてすむ。また、臨界温度２０Ｋと比べてＯＮ状態の４Ｋは十分温度が低いので、超電導スイッチ１がクエンチする可能性が低くなる点で優れている。さらに、ヒータ６とＭｇＢ2膜３との間に、基板７のように熱伝達を阻害し易い部材を含まないため、ヒータ６の熱を効率良くＭｇＢ2膜３に伝えることが可能となる。ＭｇＢ2膜３，導電性膜４，絶縁膜５，ヒータ６を積層し、これらを膜状にすることで各々の接触面積が増えるので、ヒータ６からＭｇＢ2膜３へ効率よく熱伝達することができる。また、ＭｇＢ2膜３と基板７との間にヒータ６が設けられているので、基板７により超電導スイッチ１の強度を保ちつつ、ヒータ６からＭｇＢ2膜３へ効率よく熱伝達することができる。
【００１８】
本実施例の超電導スイッチ１は、主に蒸着法により作製するため、例えば、絶縁膜５，導電性膜４，ＭｇＢ2膜３を一つの蒸着装置内で作製するなど、作製が容易である点でも優れている。
【００１９】
本実施例のＭｇＢ2膜３は、導電性膜４にＭｇＢ2を蒸着することで作製するため、パウダーインチューブ法などで作製するＭｇＢ2超電導線よりも、臨界電流密度が高くできる。これはＯＮ状態における超電導スイッチ１の電流容量確保と、ＯＦＦ状態における所定の抵抗値発生とを両立させるのに優位である。
【００２０】
ＯＦＦ状態における超電導スイッチ１の抵抗値は、ＯＦＦ状態の超電導スイッチ１の温度における、ＭｇＢ2膜３の抵抗率と膜厚および、導電性膜４の抵抗率と膜厚で決定される。ＭｇＢ2膜３の膜厚は、ＯＮ状態における電流容量とも関連するので、ＯＦＦ状態の抵抗値は、比較的選択性のある導電性膜４の膜厚で制御するとよい。
【００２１】
材料によって膨張・収縮係数が異なるため、膜状の超電導体を作製する際には、温度変化に伴う超電導体の劣化に注意しなければならない。これはＭｇＢ2膜３に限らない。一般的には超電導体に隣接する部材を、その熱膨張係数が超電導体に近いものから選択すればよい。本実施例では、導電性膜４の熱膨張係数は、ＭｇＢ2膜３の熱膨張係数の±１０％以内である材料で導電性膜４を作成する。これにより、熱によるＭｇＢ2膜３と導電性膜４の膨張（収縮）の差が小さくなり、超電導体が劣化しにくくなる。
【００２２】
図３に、ＭＲＩにおける実施例を示す。超電導スイッチ１は、超電導コイル１０と共に、冷凍容器１４に格納され、液体ヘリウムまたはヘリウムガスで冷却される。超電導スイッチ１と超電導コイル１０に流れる永久電流は、測定対象１９の位置に、時間安定性の高い静磁場を発生させる。この静磁場強度が高いほど、核磁気共鳴周波数が高くなり、核磁気共鳴信号強度も高くなる。傾斜磁場コイル１７は、必要に応じて時間変化する電流を傾斜磁場用アンプ１８から供給され、空間的に分布を持つ静磁場を測定対象１９の位置に発生させる。さらに、ＲＦ（Radio Frequency）アンテナ１５とＲＦ送受信機１６を用いて測定対象に核磁気共鳴周波数の磁場を印加，反応信号を測定することで、測定対象１９の断面画像診断が可能となる。
【実施例２】
【００２３】
以下に示す実施例では、実施例１との相違点のみを説明する。図４に、保護膜１２を積層した場合の超電導スイッチ１の一部断面図を示す。保護膜１２はＭｇＢ2膜の基板と反対側になる面（冷却面）に設けられる。（ａ）はＭｇＢ2膜３上にのみ保護膜１２が設けられ、（ｂ）はＭｇＢ2膜３だけでなく導電性膜４，絶縁膜５まで全体を被覆するように保護膜１２が設けられている。
【００２４】
本実施例では、ＯＦＦ状態におけるＭｇＢ2膜３は、液体ヘリウムまたはヘリウムガスと直接熱をやり取りせず、保護膜１２を介すことになる。保護膜１２がある場合は、ＭｇＢ2膜３が直接ヘリウムに曝され冷やされている場合と比べて、ＭｇＢ2膜３を冷却しにくくなる。保護膜１２は熱伝導率が１０Ｗ／ｍ／Ｋ以上であることが好ましい。
【００２５】
ＭｇＢ2膜３は外部じょう乱により発熱してＯＮ状態の４Ｋから局所的に温度が上昇してしまう。しかしＭｇＢ2膜３の臨界温度は約２０Ｋと高めであるため、保護膜１２による温度マージンが存在して多少冷却が遅れても許容できるので、保護膜１２を配置可能である。保護膜１２を配置することによって、ＯＦＦ状態からＯＮ状態へ切り替える際、保護膜１２の分だけＭｇＢ2膜３を温めやすくなるため、ヒータ効率が改善される。また、基板７上に各膜を積層すると剥がれる場合があるが、（ｂ）のように全体的に保護膜１２を設けると各膜をはがれにくくすることができる。
【実施例３】
【００２６】
図５にヒータ用電極対８の配置例を示す。本実施例は導電性膜４にヒータの役割を兼ねさせる実施例である。超電導スイッチ１をＯＦＦ状態とし、超電導コイル１０を励磁する場合、電極２の両端、ＭｇＢ2膜３の両端、および導電性膜４の両端には、前述の電位差ＲＩRが印加される。例えば一端の電位をゼロ（ボルト）とすると、もう一端はＲＩR（ボルト）の電位を有している。図５に示すように、電極２の一端から等距離となる導電性膜４の２点にヒータ用電極対８を設置した場合を考える。ＭｇＢ2膜３および導電性膜４からなる両電極２間の電流路の長さをｌ、電流路の一端（電極２）からヒータ用電極対８までの各々の距離をｘ、この電極の一端の電位をゼロ（ボルト）とすると、ヒータ用電極対８の２か所の電位は等しく、ＲＩRｘ／ｌ（ボルト）である。これは、図示しない第２のヒータ用電源をヒータ用電極対８に接続し、導電性膜４に対しヒータ用電流を通電可能であることを意味する。ヒータ用電極対８に第２のヒータ用電源から直流電圧を印加しても、この電位差はヒータ用電極対を結ぶ方向（図５では横方向）にのみ印加されるため、電極２の両端には影響を与えない。
【００２７】
このように導電性膜４にもヒータとしての能力を持たせることで、ＭｇＢ2膜３を効率良く温めることが可能となる。
【実施例４】
【００２８】
図６に基板７の両面にヒータ６，絶縁膜５，導電性膜４，ＭｇＢ2膜３，電極２を積層した場合の超電導スイッチ１の断面略図を示す。このように両面を使用し、超電導スイッチ１の設置スペースを小さくすることが可能となる。
【実施例５】
【００２９】
図７に超電導スイッチ１を並列接続して使用する場合の概略構成を示す。ＯＮ状態における超電導スイッチ１一つ当たりの電流容量は、ＭｇＢ2膜３の臨界電流密度，膜厚，膜幅で設計される。膜厚，膜幅を増やすことで電流容量を増加できるが、膜厚を厚くしていくと臨界電流密度が低下することや、膜厚，膜幅を増やすと、ＯＦＦ状態におけるＭｇＢ2膜３の抵抗値が下がりすぎることから、超電導スイッチ１一つ当たりの電流容量には限界がある。そこで、永久電流運転で必要とされる電流容量を満たすためには、超電導スイッチ１を並列接続するとよい。図７は、超電導スイッチ１を４つ並列に用いる場合を示している。超電導コイルへとつながる電流リード（図示なし）から、４本並列に分割した電流リード（図示なし）を用いて、図７手前側の４つの電極（うち、２つは図示なし）に接続する。さらに図７奥側の４つの電極（うち、２つは図示なし）から電流リード４本を伸ばし、一つにまとめ、超電導コイルへと接続する。例えば、超電導スイッチ１を一枚の板に横並びに配置することも可能であるが、電流を均等に分配することを考慮すると、並列接続する超電導スイッチ１同士は、すべて幾何学的対称とし、超電導スイッチ１のインダクタンスを揃えるよう、図７のように配置するのが理想である。本実施例では４並列の場合を示したが、並列数はいくつでもよい。また、超電導スイッチ１間の電流均等化には、超電導スイッチ１と、電流リード間の接続抵抗を揃えることも重要である。
【００３０】
超電導スイッチをｎ個並列接続すると、ＯＮ状態の電流容量は約ｎ倍へと増加するが、ＯＦＦ状態の抵抗値が１／ｎに低下する。ＯＦＦ状態の抵抗値を増加する場合は次の実施例を用いる。
【実施例６】
【００３１】
図８に超電導スイッチ１を直列接続して使用する場合の概略構成を示す。ＯＮ状態での電流容量を確保するなどの理由で、ＯＦＦ状態の抵抗値が所望の値より低下した場合、本実施例のように超電導スイッチ１を直列接続して用いる。超電導スイッチ１をｍ個直列接続すると、ＯＮ状態の電流容量は変わらず、ＯＦＦ状態の抵抗値を約ｍ倍に増加できる。図７に示した並列接続との併用も可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１  超電導スイッチ
２  電極
３  ＭｇＢ2膜
４  導電性膜
５  絶縁膜
６  ヒータ
７  基板
８  ヒータ用電極対
９  励磁電源
１０  超電導コイル
１１  超電導磁石
１２  保護膜
１３  ＭＲＩ
１４  冷凍容器
１５  ＲＦアンテナ
１６  ＲＦ送受信機
１７  傾斜磁場コイル
１８  傾斜磁場用アンプ
１９  測定対象
【図１】
0005386550.tif 000002
【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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