(57)【要約】  基材と、７７Ｋ以上の臨界温度を有する超電導層と、金属安定化層とを備える超電導線材１の常電導転移の検出方法であって、光ファイバ３が超電導線材１に配置され、光ファイバ３に測定光を入射し、測定光のアンチストークスラマン散乱光の強度を計測し、超電導線材１に常電導転移が生じたことを、アンチストークスラマン散乱光の強度の変化に基づいて検出する。
2013081123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、７７Ｋ以上の臨界温度を有する超電導層と、金属安定化層とを備える超電導線材の常電導転移の検出方法であって、
光ファイバが前記超電導線材に配置され、
前記光ファイバに測定光を入射し、
前記測定光のアンチストークスラマン散乱光の強度を計測し、
前記超電導線材に常電導転移が生じたことを、前記アンチストークスラマン散乱光の強度の変化に基づいて検出する、超電導線材の常電導転移の検出方法。
【請求項２】
前記超電導線材に前記常電導転移が生じたことを、前記アンチストークスラマン散乱光の強度が所定値以上に増大したことに基づいて検出する、請求項１に記載の超電導線材の常電導転移の検出方法。
【請求項３】
前記測定光にパルス光を用い、前記測定光のアンチストークスラマン散乱光の強度を、時間分解して計測することにより、前記光ファイバの長手方向に沿って常電導転移が生じた位置を特定する、請求項１または２に記載の超電導線材の常電導転移の検出方法。
【請求項４】
前記光ファイバがコア径５０μｍ以上のマルチモードファイバである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導線材の常電導転移の検出方法。
【請求項５】
前記超電導線材がコイル状である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導線材の常電導転移の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導線材の常電導転移の検出方法に関する。
本願は、２０１１年１２月１日に、日本に出願された特願２０１１−２６３５８０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
超電導線材は、例えば核磁気共鳴画像装置、磁気浮上式鉄道、磁気軸受、電動機等の超電導磁石、および、超電導ケーブルへの応用が期待されている。これらの実用化に向けて、超電導線材の運転中の信頼性を確保する研究が盛んに行われている。【０００３】
超電導線材を構成する超電導体は、一般に臨界温度（超電導性を示す上限の温度）が常温よりも低いため、液体ヘリウムおよび液体窒素等の冷却媒体、および、冷凍機等を用いて臨界温度以下に冷却して使用される。しかしながら、超電導線材の外部から臨界温度以下に冷却しても、通電時に超電導線材の一部に熱攪乱等が生じることがある。これが原因で、超電導状態から常電導状態へ遷移する常電導転移が発生すると、ジュール熱が発生して超電導線材の温度が上昇する。そのため、温度が上昇した超電導線材の周囲では常電導転移が促進されて、常電導状態の領域が拡大する（クエンチ現象）。【０００４】
特許文献１には、超電導体が熱攪乱等により常電導状態に転移したクエンチする直前の僅かな温度上昇を検出するため、超電導体上にカーボン膜を設け、カーボン膜の電圧から微小な温度変化を検知する方法が記載されている。しかしながら、特許文献１に記載の方法は、液体ヘリウムの温度から数Ｋ（ケルビン）程度という極低温領域では、カーボン膜の温度に対する電気抵抗値が著しく大きいという性質（特許文献１の図７参照）を利用している。このため、臨界温度が７７Ｋ以上（例えば１００Ｋ程度）の高温超電導体に適用することは困難である。【０００５】
特許文献２には、超電導線材に巻き付いた光ファイバに光源から偏光光線を入射させ、光ファイバからの偏光の位相差を検出し、光ファイバ中を透過した光の偏光状態の異常を検出する超電導体クエンチ検出方法が記載されている。
また、特許文献３（特に第四の発明参照）には、次のような超電導線のクエンチ検出方法が記載されている。すなわち、光ファイバが超電導線の外部に取り付けられ、超電導線に通電した際の異常部分における機械的変位に基づく光ファイバの変形部分からの反射光または光ファイバの他端からの透過光を測定して、超電導線の異常を検知する方法である。
しかしながら、特許文献２，３に記載の方法は、クエンチが原因で超電導線材が動き、光ファイバの位置ズレおよび変形が増大することにより、光ファイバの異常の有無を判定できるだけであり、クエンチが生じた位置を特定することはできない。【０００６】
特許文献４および非特許文献１には、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を用いた光ファイバ型温度センサによる極低温での温度計測方法が記載されている。ＦＢＧとは、光ファイバのコアに周期的な屈折率変化（グレーティング）を形成した光ファイバ型デバイスであり、コアの実効屈折率とグレーティング周期で決まる特定の波長（ブラッグ波長）を選択的に反射する性質を有する。ＦＢＧは、周囲温度が変化すると、コアの実効屈折率とグレーティング周期が変化するため、ブラッグ波長が変化する。したがって、周囲温度とブラッグ波長の関係をあらかじめ求めておくことで、温度センサとして活用できる。
特許文献４では、光ファイバのＦＢＧの周囲に、光ファイバの主成分であるシリカよりも熱膨張係数（ＴＥＣ）の大きいアルミニウム（Ａｌ）およびポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等の被覆材（コーティング）を設けている。これにより、温度によるブラッグ波長の変化を増大させ、温度センサの感度を向上させている。また、非特許文献１では、ひずみ、温度、線膨張の計測例が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】日本国特許第２５７７６８２号公報
【特許文献２】日本国特開平８−３０４２７１号公報
【特許文献３】日本国特開平７−１７０７２１号公報
【特許文献４】米国特許第６０７２９２２号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Wolfgang Ecke et al., “Fiber optic grating sensors for structural health monitoring at cryogenic temperatures”, Proc. SPIE, 2007, Vol. 6530, 653002
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献４および非特許文献１に開示されているＦＢＧを備えた光ファイバ型温度センサでクエンチに伴う超電導線材の温度変化を計測できれば、クエンチを検出することが可能と考えられる。しかしながら、超電導線材は、通常、数百メートル単位で用いられる。数百メートル単位の部位にクエンチが生じると、超電導線材の特性（臨界温度、臨界電流等）は、超電導線材の運転状況（冷却温度、通電電流等）にもよるが、数メートル程度クエンチが伝播する間にクエンチ起点部は６００〜７００Ｋの温度に到達し、その結果、超電導線材の特性劣化や焼損が起こるおそれがある。したがって、超電導線材の特性劣化および焼損が生じる前にクエンチを検知するためには、クエンチ起点部から長くとも数メートル以内で温度変化を検出する必要がある。
すなわち、ＦＢＧを用いた光ファイバ型温度センサの場合は、センシングヘッドとなるＦＢＧを数メートル間隔で多点配置する必要がある。例えば、３００ｍの超電導線材に１本の光ファイバを配し、この光ファイバに１ｍ間隔でＦＢＧを設けると、ＦＢＧ総数は３００点になる。しかしながら、ＦＢＧを１本の光ファイバに多点配置する手法は、以下のような問題がある。【００１０】
ブラッグ波長の異なるＦＢＧを多点配置する波長分割多重(Wavelength Division Multiplexing, WDM)方式では、ＦＢＧ多点数が、割り当てられる波長帯域に制限されるため、最大でも２０点程度となる。
同一ブラッグ波長のＦＢＧを所定のファイバ間隔で多点配置する時分割多重（Time Division Multiplexing, TDM）方式では、測定光として用いるパルス光源のパルス幅性能を考慮すると、ＦＢＧ間のファイバ間隔が２ｍ以上必要になる。また、測定器の性能を考慮するとＦＢＧ多点数が１００点程度に限られる。
同一ブラッグ波長のＦＢＧを任意のファイバ間隔で多点配置する光周波数領域反射測定（Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR）方式では、測定可能なファイバ長が、測定光として用いるチューナブルレーザの時間コヒーレンシーに制限され、おおよそ１００ｍ程度に限られる。
したがって、例示した３００ｍの超電導線材に対して１ｍ間隔で合計３００点のＦＢＧを配置してクエンチを検出することは、いずれの計測方式を用いても不可能である。【００１１】
本発明は、上記事情に鑑み、光ファイバを用いて、常電導転移の発生を検出し、さらには常電導転移を生じた位置を特定することが可能な超電導線材の常電導転移の検出方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様は、基材と、７７Ｋ以上の臨界温度を有する超電導層と、金属安定化層とを備える超電導線材の常電導転移の検出方法であって、光ファイバが超電導線材に配置され、光ファイバに測定光を入射し、測定光のアンチストークスラマン散乱光の強度を計測し、超電導線材に常電導転移が生じたことを、アンチストークスラマン散乱光の強度の変化から検出する。
超電導線材に常電導転移が生じたことを、アンチストークスラマン散乱光の強度が所定値以上に増大したことから、検出することも可能である。
測定光にパルス光を用い、測定光のアンチストークスラマン散乱光の強度を、時間分解して計測することにより、光ファイバの長手方向に沿って常電導転移が生じた位置を特定することも可能である。
光ファイバがコア径５０μｍ以上のマルチモードファイバであることも可能である。
超電導線材をコイル状とすることも可能である。
【発明の効果】
【００１３】
上記本発明の一態様によれば、超電導線材に配置した光ファイバ中に生じたアンチストークスラマン散乱光の強度の変化に基づいて、超電導線材に生じた常電導転移を、高い応答性で検出することが可能である。また、超電導線材がコイル状であっても、高精度の検出が可能である。
アンチストークスラマン散乱光の強度を時間分解して計測することにより、光ファイバの長手方向に沿って常電導転移が生じた位置を特定することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の超電導線材の常電導転移の検出方法を実施する形態の一例を示す構成図である。
【図２】光ファイバを超電導線材の金属安定化層上に配置した状態の一例を示す断面図である。
【図３】ラマン光時間領域反射測定方式により計測したストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度およびこれらの強度比の温度依存性を示すグラフである。
【図４】実施形態で用いた超電導線材の常電導転移の検出方法を実施する形態の一例を示す構成図である。
【図５Ａ】実施形態で用いた超電導線材の常電導転移の検出方法を実施する常電導転移部の形態の一例を示す詳細構成図である。
【図５Ｂ】図５ＡのＳ−Ｓ線に沿う断面図である。
【図６】実施例１で計測した常電導転移前のストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度およびこれらの強度比の光ファイバ位置依存性を示すグラフである。
【図７】実施例１で計測した常電導転移時のストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度およびこれらの強度比の光ファイバ位置依存性を示すグラフである。
【図８】実施例１で計測した常電導転移前と常電導転移時のアンチストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を示すグラフである。
【図９】実施例１で計測した常電導転移前と常電導転移時のストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を示すグラフである。
【図１０】実施例２で計測した常電導転移前のストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度およびこれらの強度比の光ファイバ位置依存性を示すグラフである。
【図１１】実施例２で計測した常電導転移時のストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度およびこれらの強度比の光ファイバ位置依存性を示すグラフである。
【図１２】実施例２で計測した常電導転移前と常電導転移時のアンチストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を示すグラフである。
【図１３】実施例２で計測した常電導転移前と常電導転移時のストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、光ファイバ３と温度計測器１０を用いて超電導線材１の常電導転移の検出方法を実施する形態の一例を示す構成図である。また、図２は、光ファイバ３を超電導線材１の金属安定化層１ｃ上に配した一例を示す断面図である。
【００１６】
《超電導線材》
超電導線材１は、基材１ａと、７７Ｋ以上の臨界温度を有する超電導層１ｂと、金属安定化層１ｃを少なくとも備える。
本実施形態の超電導線材１に適用できる基材１ａは、通常の超電導線材の基材として使用でき、高強度であれば良い。また、基材１ａは、長尺のケーブルとするためにテープ状であることが好ましく、超電導体の成膜プロセス等に要求される耐熱性を備えた金属からなることが好ましい。金属としては、例えば、銀、白金、ステンレス鋼、銅、ハステロイ（登録商標）等のニッケル合金等の各種金属材料、もしくはこれら各種金属材料上にセラミックスを配置した構成等が挙げられる。各種耐熱性の金属の中でも、ニッケル合金が好ましい。なかでも、市販品であれば、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）が好適であり、ハステロイとして、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。基材１ａの厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍである。
【００１７】
超電導層１ｂを構成する超電導体は、７７Ｋ以上の臨界温度を有していれば公知の超電導体で良い。具体的には、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）で表される組成の超電導体であれば良い。この超電導層として、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ）またはＧｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ）等がある。また、その他の酸化物超電導体、例えば、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ４＋２ｎ＋δで表される組成等に代表される臨界温度の高い他の酸化物超電導体からなる組成を用いても良い。
超電導層１ｂの厚みは、特に限定されないが、例えば０．５〜５μｍ程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
【００１８】
超電導層１ｂは、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、パルスレーザ堆積法（ＰＬＤ法）、イオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等で積層でき、なかでも生産性の観点から、ＰＬＤ法またはＩＢＡＤ法が好ましい。
また、金属有機酸塩を塗布後熱分解させる熱塗布分解法（ＭＯＤ法）は、金属成分の有機化合物を均一に溶解した溶液を基材上に塗布した後、この基材を加熱して熱分解させることにより基材上に薄膜を形成する方法である。ＭＯＤ法は、真空プロセスを必要とせず、低コストで高速成膜が可能であるため長尺のテープ状超電導導体の製造に適している。
【００１９】
超電導層１ｂの上に積層されている金属安定化層１ｃは、良導電性の金属材料を含み、超電導層１ｂが超電導状態から常電導状態に遷移する際に、超電導層１ｂの電流が転流するバイパスとして機能する。金属安定化層１ｃを構成する金属材料としては、良導電性を有していればよく、特に限定されないが、銅、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金）等の銅合金、ステンレス等の比較的安価な材料を用いることが好ましい。中でも高い導電性を有し、安価である銅がより好ましい。これにより、材料コストを低く抑えながら金属安定化層１ｃの膜厚を厚くすることが可能となり、事故電流に耐える超電導線材１を安価に得ることができる。金属安定化層１ｃの厚さは１０〜３００μｍであれば好ましい。金属安定化層１ｃは、公知の方法で形成でき、例えばスパッタ法、銅等の金属テープを半田付けする方法により形成できる。
【００２０】
基材１ａと超電導層１ｂとの間には、拡散防止層、ベッド層、中間層、キャップ層等から選ばれる任意の層を１または２以上介在させても良い。
拡散防止層は、基材の構成元素の拡散を防止するために形成され、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、あるいは希土類金属酸化物等から構成される。拡散防止層は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。
ベッド層は、界面反応性を低減して、ベッド層上に配される膜の配向性を得るために形成され、例えば、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等から構成される。ベッド層は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、厚さは例えば１０〜２００ｎｍである。
【００２１】
中間層は、超電導層の結晶配向性を制御するために２軸配向する物質から形成される。
中間層は、単層構造あるいは複層構造のいずれでも良い。好ましい材質としては、例えばＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等の金属酸化物が挙げられる。また、中間層は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）、化学気相成長法（ＣＶＤ）等の物理的蒸着法、熱塗布分解法（ＭＯＤ法）等の公知の方法で積層できる。中間層の厚さは、適宜調整できるが、通常は０．００５〜２μｍの範囲が好ましい。
【００２２】
キャップ層は、中間層の表面に対してエピタキシャル成長し、その後、横方向（面方向）に粒成長（オーバーグロース）して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て形成されることが好ましい。このようなキャップ層は、金属酸化物層からなる中間層よりも高い面内配向度が得られるため、超電導層をキャップ層の上に形成することが好ましい。キャップ層の材質は、上記機能を果たせば特に限定されないが、具体的には、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等が好ましい。また、ＣｅＯ２におけるＣｅの一部が他の金属原子または金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。
【００２３】
超電導層１ｂと金属安定化層１ｃとの間には、金属安定化基層として、Ａｇ等の良電導性であり、かつ超電導層１ｂと接触抵抗（界面間の電気抵抗）が低く、なじみの良い金属材料からなる層を形成することもできる。金属安定化基層は、スパッタ法等の公知の方法で形成でき、厚さは１〜３０μｍであれば好ましい。
【００２４】
《光ファイバ》
本実施形態の超電導線材１に対して、光ファイバ３は、金属安定化層１ｃの上に配される。光ファイバ３は、石英ガラスであることが好ましい。石英ガラス系光ファイバを構成する材質は、純粋石英ガラス、ゲルマニウム（Ｇｅ）等の屈折率を上昇する添加剤を用いた石英ガラス、フッ素（Ｆ）等の屈折率を下降する添加剤を用いた石英ガラス等から適宜選択することが可能である。
一般的に、光ファイバには、コア径が約１０μｍのシングルモード光ファイバと、コア径が約５０μｍのマルチモード光ファイバとがあり、それらのいずれもが本発明の光ファイバ３に適用可能である。ただし、後記するアンチストークスラマン散乱光強度を高くするため、コア径が５０μｍ以上のマルチモード光ファイバを用いることが好ましい。マルチモード光ファイバのコア径は、特に限定されないが、例えば５０μｍ、６２．５μｍ、１００μｍ等が市販されている。また、マルチモード光ファイバには、コア屈折率が径方向に対して二次関数的に連続変化するグレーテッド・インデックス（Ｇｒａｄｅｄ  Ｉｎｄｅｘ，ＧＩ）型と、コアとクラッドの界面のみで屈折率が変わる（すなわちコア屈折率は径方向に対して一定である）ステップ・インデックス（Ｓｔｅｐ  Ｉｎｄｅｘ，ＳＩ）型とがある。本発明ではいずれの屈折率型であっても適用可能であるが、後記するラマン光時間領域反射測定方式を用いる場合は、伝搬モード間の速度差が小さいＧＩ型が好ましい。
【００２５】
クラッドの周囲には、断面で同心円状となるように被覆材を設けることもできる。被覆材の具体例としては、紫外線（ＵＶ）硬化型アクリレート、シリコーン、ポリイミド等の樹脂や、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属が挙げられる。
【００２６】
光ファイバ３は、超電導線材１のうち金属安定化層１ｃに接触または近接して配置されることが好ましい。また、超電導線材１に対する位置の変動を抑制するため、光ファイバ３を超電導線材１に固定することが好ましい。光ファイバ３の固定には、低温での耐久性が優れた部材を用いることが望ましい。テープで光ファイバ３と超電導線材１の周囲を覆って固定する場合にはカプトンテープ（商品名）、グリスで光ファイバ３を超電導線材１に接触または近接させる場合にはアピエゾングリス（商品名）、接着剤で光ファイバ３を超電導線材１に接触または近接させる場合にはポリイミド等の樹脂や接合用金属等が挙げられる。これらの固定手段は複数組み合わせて用いても良い。
図２では、グリスおよび接着剤に代表される固定部材４を光ファイバ３と金属安定化層１ｃとの間に介在させて、光ファイバ３を金属安定化層１ｃに接触または近接して配置する形態を示している。また、図５Ｂでは、光ファイバ３を超電導線材１に固定した複合線材２の周囲を、テープに代表される被覆部材５で覆って、光ファイバ３を金属安定化層１ｃに接触または近接して配置する形態を示している。
【００２７】
《超電導線材の常電導転移の検出方法》
本実施形態で用いられる超電導線材の常電導転移の検出方法においては、図１に示す温度計測器１０により、超電導線材１に配した光ファイバ３に測定光を入射し、測定光のアンチストークスラマン散乱光の強度を計測する。これにより、アンチストークスラマン散乱光の強度の変化から、超電導線材１に生じる発熱（すなわち常電導転移や、常電導転移を起点としたクエンチ）を検出できる。また、測定光としてパルス光を用い、アンチストークスラマン散乱光の強度を時間分解して計測することにより、超電導線材１に生じた発熱の位置を特定できる。さらに、この超電導線材の常電導転移の検出方法により超電導線材１を継続的に監視することで、常電導転移の発生をリアルタイムで検出できる。
【００２８】
温度計測器１０は、アンチストークスラマン散乱光強度を計測できればいかなる構成でもよい。さらにストークスラマン散乱光強度を計測できる構成であってもよい。例えば、ラマン光時間領域反射測定（Raman Optical Time Domain Reflectometry, ROTDR）方式を用いることができる。この方式では、測定光としてパルス光を用い、アンチストークスラマン散乱光強度およびストークスラマン散乱光強度を時間分解して計測することにより、これらの散乱光強度の光ファイバ位置依存性を算出できる。
具体的には、光ファイバへのパルス光の入射から散乱光の受光までの時間差（戻り時間）と、光ファイバの実効屈折率ｎに応じた光ファイバ内を光が伝播する速度（ｖ＝ｃ／ｎ）とから、温度計測器１０と散乱光発生位置との間を往復する距離を算出する。これにより、光ファイバ３の長手方向に沿った位置を特定できる。戻り時間Ｔ、光速ｃ、光ファイバの実効屈折率ｎに対して、温度計測器１０（詳しくは受光器）からの距離Ｄは、Ｄ＝ｃＴ／２ｎにより、求めることができる。
なお、本発明において、アンチストークスラマン散乱光とは、ラマン散乱光のアンチストークス線を意味し、ストークスラマン散乱光とは、ラマン散乱光のストークス線を意味する。
【００２９】
ストークスラマン散乱光およびアンチストークスラマン散乱光は、光ファイバにＦＢＧのような構造を設けることなく、ファイバ全長にわたって一様な断面構造を有する光ファイバであっても任意の位置から発生させることができる。このため、光ファイバの長手方向に沿った空間分解能は、パルス光のパルス幅を短くし、光ファイバ３に生じた散乱光が温度計測器１０に戻ってくるまでの時間の精度を向上させることにより、例えば１〜２ｍ程度、またはそれ以下に短くすることが可能である。
【００３０】
ストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度およびこれらの強度比は、いずれも光ファイバ３の周囲の温度に対して変化する特性（温度依存性）がある。
図３は、公知のＲＯＴＤＲ方式により計測したストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度およびこれらの強度比の温度依存性を示すグラフである。このグラフでは、２２０〜３７０Ｋの温度範囲では光ファイバを恒温槽に設置し、７７Ｋでは液体窒素に浸漬して、各散乱光強度を計測する。さらに、アンチストークスラマン散乱光強度をストークスラマン散乱光強度で除して強度比を算出している。
およそ２５０〜３５０Ｋの温度範囲では、ストークスラマン散乱光強度もアンチストークスラマン散乱光強度も温度に対してほぼ線形に変化する。そのため、ストークスラマン散乱光とアンチストークスラマン散乱光との強度比の温度依存性をあらかじめ求めておくことで、実際に計測した強度比の値から、光ファイバ３の長手方向に沿った各点での光ファイバ周囲の温度を算出できる。
【００３１】
しかしながら、このＲＯＴＤＲ方式の温度計測器は、超電導線材１の臨界温度（およそ７７〜１００Ｋ）の計測に用いる場合、２５０Ｋよりも低い温度ではアンチストークスラマン散乱光強度が温度に対して非線形的に低下し、さらに１００Ｋよりも低い温度になると、散乱光強度が検出下限を下回る（ノイズレベル）。このため、ＲＯＴＤＲ方式の温度計測器は、一般的には約２５０Ｋが計測の限界（下限値）である。
【００３２】
ストークスラマン散乱光は、約７７Ｋの低温でも十分検出可能な光強度を示すが、温度依存性の傾き（感度）が低い。このため、ストークスラマン散乱光強度の温度依存性から光ファイバ周囲の温度を算出すると、常電導転移を検出するために十分な精度が得られない。
【００３３】
臨界温度以下において超電導線材１に通電した場合、超電導層１ｂは超電導状態にあり、抵抗値が０であるため、電流はこの超電導層１ｂを流れ、超電導線材１は発熱しない。
超電導線材１において、万が一、何らかの理由により、超電導層１ｂが超電導状態から常電導状態に遷移する常電導転移が発生した場合、超電導層１ｂに抵抗が生じ、電流は抵抗が比較的小さい金属安定化層１ｃを流れる。その際、金属安定化層１ｃでは、電流値と抵抗値に応じたジュール熱が発生し、発熱が起こる。
【００３４】
このように、超電導線材１に常電導転移が生じると、線材の温度が臨界温度から急激に上昇する。また、アンチストークスラマン散乱光強度は、検出下限以上となる約１００Ｋ以上であれば、温度計測も可能な精度が得られる。これより、アンチストークスラマン散乱光の強度の変化から、超電導線材に生じた常電導転移を検出できる。また、常電導転移を検出した後は、引き続き超電導線材１の温度変化を温度計測器１０により計測することも可能である。
【００３５】
超電導線材１の温度が、臨界温度を超える所定温度以上に上昇すれば、アンチストークスラマン散乱光強度が、検出下限を超える所定値以上に増大する。このことから、アンチストークスラマン散乱光強度のしきい値として、検出下限を超える所定値を設定し、アンチストークスラマン散乱光強度がしきい値を超えたかどうかにより、超電導線材の常電導転移の有無を判定できる。
アンチストークスラマン散乱光強度は、上述したように時間分解した計測により、光ファイバ位置依存性を計測することが可能である。これより、アンチストークスラマン散乱光強度が所定のしきい値を超えた位置を算出することにより、常電導転移が生じた位置を特定することも可能である。
【００３６】
アンチストークスラマン散乱光強度は、上述したように液体窒素温度付近では弱く、散乱光強度が検出下限を下回る状態（ノイズレベル）以下であることが通常である。しかし、超電導状態に保たれている間でも、確率的に検出下限より約１ｄＢ程度高いレベルの強度を観測することがある。このため、上記所定のしきい値については、例えば検出下限より約２ｄＢ以上、またはそれ以上の強度のときに常電導転移が生じたと判断することが好ましい。
また、所定のしきい値は、超電導状態に保たれているときのアンチストークスラマン散乱光強度の最大値よりも、ある程度大きいレベルに設定することが好ましい。アンチストークスラマン散乱光強度の最大値は、超電導線材１が超電導状態に保たれている間のアンチストークスラマン散乱光強度を一定時間継続して計測した場合の最大値である。これにより、超電導状態に保たれている場合にはしきい値を超える強度が計測されにくく、誤検出を抑制できる。
【００３７】
この場合、上記所定のしきい値については、対象の超電導線材についてアンチストークスラマン散乱光強度の計測を開始する前にあらかじめ特定された値を使用することもできる。しかし、長期的な経時変化の影響を抑制する等のため、対象の超電導線材について計測を続けている間に超電導線材１が超電導状態に保たれている間のアンチストークスラマン散乱光強度を計測した過去の結果を統計的に処理し、所定のしきい値の値を定期的または不定期に更新してもよい。
また、光ファイバ位置（２点またはそれ以上の地点）ごとにアンチストークスラマン散乱光強度を、期間を継続して計測し、超電導線材１が超電導状態に保たれている間の散乱光強度の計測結果から、それぞれの光ファイバ位置ごとに、異なるしきい値を設定することも可能である。
上述したように、常電導転移による発熱は、金属安定化層１ｃに流れる電流値と金属安定化層１ｃの抵抗値に応じたジュール熱が主であり、発熱量は電流値に強く依存する。そのため、常電導転移が発生したか否かを判定するための所定のしきい値は、超電導線材に通電する電流値ごとに異なる値を設定することも可能である。
【００３８】
《超電導保護装置》
本実施形態の超電導線材の常電導転移の検出方法は、運転中の超電導線材の保護装置に利用できる。
超電導保護装置は、図１の温度計測器１０に計測したアンチストークスラマン散乱光強度を電気信号に変換し、電気信号を受け取って、上述の常電導転移の検出方法に従って自動的に解析するコンピュータ等の解析装置、異常を検知した場合に電流を制限（低下）あるいは遮断（停止）させる等して超電導線材への通電量を制御する制御装置、異常を検知した場合に作業者に警報を発する警報装置、運転状況の表示装置等を備えることができる。これにより、万一、常電導転移が発生しても超電導線材１の溶断や焼損を防止し、超電導線材１を良好な状態で保護できる。
また、超電導線材に焼損や特性劣化が生じた場合、または生じるおそれがある場合でも、常電導転移が発生した位置を特定できる。そのため、点検、補修、修理、交換等の必要な作業を、より迅速かつ的確に行うことが可能になる。
【００３９】
《超電導コイル》
本実施形態は、超電導線材をコイル状とし、超電導線材に電流を通電させることで電磁力（フープ応力）を発生させることができる超電導コイルにも適用可能である。
超電導コイルは、例えば超電導線材を超電導線材の厚さ方向に湾曲させ、同心円状に多数回巻回させたパンケーキ型のコイル体であっても良い。また、コイル体を２個または３個以上積層させても良い。
【００４０】
特許文献４や非特許文献１に記載されているＦＢＧを用いた光ファイバ型温度センサは、ブラッグ波長変化から温度変化を検知する。ただし、フープ応力により光ファイバの長手方向に生じるひずみによってもＦＢＧのブラッグ波長が変化する可能性がある。
すなわち、温度変化とフープ応力を同じブラッグ波長変化として捉えるため、誤作動の可能性がある。これに対して、ラマン散乱光は、光ファイバ長手方向のひずみ（フープ応力）によって強度変化を生じないので、強度変化から温度変化のみを計測できる。このため、超電導コイルに適用した場合であっても常電導転移の検出が容易である。
【００４１】
すなわち、本発明においては、光ファイバの変形およびひずみとは無関係に散乱光強度を計測する。従って、超電導線材がコイル状であるか直線状であるか、超電導線材のコイルが内側から巻枠等で支持されているか、または、コイルが中空であるかによらず、常電導転移を検出できる。
【００４２】
以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例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で種々の改変が可能である。
【００４３】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。
【００４４】
（実施例１）
図４は、実施例で用いた超電導線材１の常電導転移の検出方法を実施する形態を示す構成図である。図５Ａは、超電導線材１に対して意図的に常電導転移を発生させる常電導転移部の形態を示す構成図の詳細である。
【００４５】
本実施例において、超電導線材１の基材１ａには、幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのハステロイＣ２７６を用いた。超電導層１ｂには、幅５ｍｍ、厚さ０．００１ｍｍ（すなわち１μｍ）のＧｄＢＣＯ（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ）を用いた。この超電導層の臨界温度は約９０Ｋ、臨界電流は約２３０Ａ（温度７７Ｋ、磁場０Ｔ環境下における値）である。金属安定化層１ｃには、幅５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの銅を用いた。
光ファイバ３は、Ｇｅをドープした石英ガラスからなるコアの外径が５０μｍ、純粋石英ガラスからなるクラッドの外径が１２５μｍのＧＩ型マルチモード光ファイバである。この光ファイバ３は、クラッド周囲がポリイミドからなる外径１５０μｍの被覆層で覆われている。
温度計測器１０としては、横河電機株式会社製のＲＯＴＤＲ方式温度計測器ＡＱ８９４０（型番）を用いた。
【００４６】
超電導線材１に対して意図的に常電導転移を発生させる常電導転移部に配した光ファイバ３ｂは、図５Ｂに示すように、固定部材４としてアピエゾンＮ（商品名）グリスを用い、金属安定化層１ｃ上に近接して配置される。さらにカプトンテープ（商品名）により、超電導線材１とともに光ファイバ３ｂの周囲を覆って、光ファイバ３ｂは超電導線材１に固定した。常電導転移部に配した光ファイバ３ｂの全長は約０．４ｍであり、図５Ａに示すように直径０．２６ｍのガラス繊維強化プラスチック製の巻枠１３の外周にコイル状に固定した。また、光ファイバ３ｂのほぼ中央にハステロイ製の抵抗加熱ヒータ１４を設けた。
【００４７】
温度計測器１０と常電導転移部との間に設けた約３０４ｍの光ファイバ３ａ、および、温度計測器１０からみて光ファイバ３の出力端側に設けた約２５ｍの光ファイバ３ｃの大部分（光ファイバ３ａと温度計測器１０との接続部、光ファイバ３ｃの端末を除いた部分）を超電導線材１に配する。さらに、これらの光ファイバは、超電導線材１とともに直径０．２６ｍのガラス繊維強化プラスチック製の巻枠１３の外周にコイル状に固定した。
光ファイバ３ａ、３ｂ、３ｃの全長において散乱光強度に基づく超電導線材１の温度変化の計測が可能なように、光ファイバ３ａおよび光ファイバ３ｃも金属安定化層１ｃ上に近接して配置した。なお、光ファイバ３ａ，３ｂ，３ｃは、コアおよびクラッドが連続してつながった１本の光ファイバ３から構成される。
【００４８】
光ファイバ３ａ，３ｂ，３ｃに対応する３つの巻枠１３、１３、１３が、それぞれ低温容器１１内の液体窒素１２に浸漬されて７７Ｋに保持した。
次いで、常電導転移部の光ファイバ３ｂを配した部分にのみ、超電導線材１に約１６０Ａの直流電流を通電した。この通電のため、超電導線材１にはあらかじめ電流端子が設けられており、これを電源に接続した(図示せず)。
なお、図４に示すように、超電導線材１と光ファイバ３は、３つの巻枠１３に分割して固定されている。これは、常電導転移およびクエンチの生じ得る位置を、光ファイバ３ｂとヒータ１４とを配した常電導転移部の範囲内に制限し、温度計測器１０で計測される常電導転移の発生位置の計測値と比較することで、常電導転移の発生位置（温度計測器１０からの光ファイバ３に沿った距離）が特定できたかの検証を容易にするためである。
【００４９】
実施例１では、温度計測器１０から光ファイバ３に対して２１８回（２６万２１４４回）パルス光を入射し、それぞれのパルス光を時間分解して、ストークスラマン散乱光強度とアンチストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性とを計測した。得られた散乱光強度の光ファイバ位置依存性を全てのパルス光（２１８パルス）で平均化する測定の工程を１サイクルとして、それぞれの散乱光強度を計測した。図６および図７は、それぞれ常電導転移前および常電導転移時に相当する１サイクルの測定結果を示す。
１サイクル当たりの測定時間は４５秒であり、計測繰り返し速度は０．０２２サイクル／秒（すなわち０．０２２Ｈｚ）である。
【００５０】
図６に、常電導転移前に計測した、ストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度、および、これらの強度比の光ファイバ位置依存性を示す。本実施例では、ＲＯＴＤＲ方式の計測を光ファイバ３の全長にわたって光ファイバ位置が特定されるように実施している。しかし、グラフでは、光ファイバ３ａの一部、光ファイバ３ｂの全体、光ファイバ３ｃの一部にあたる、２７５〜３２５ｍの区間の結果のみを示している。
なお、光ファイバ３ａの長さが上述したように約３０４ｍであるため、長さが約０．４ｍの光ファイバ３ｂは、横軸におけるファイバ位置で、３０４ｍ付近に位置する。
いずれの位置においても、アンチストークスラマン散乱光強度は検出下限の値を示した。すなわち、アンチストークスラマン散乱光強度が温度計測器１０のノイズレベル以下の強度であることから、超電導線材１が液体窒素温度（７７Ｋ）に保持されていると判断できる。
【００５１】
次に、ヒータ１４に通電して、常電導転移部の超電導線材１に常電導転移を生じさせた。図７に、常電導転移が生じた際に計測した、ストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度、および、これらの強度比の光ファイバ位置依存性を示す。図７の計測条件は、図６と同様である。
また、図８には、常電導転移前と常電導転移時のアンチストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を対比して示す。図９には、常電導転移前と常電導転移時のストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を対比して示す。
温度計測器１０側の光ファイバ３ａと、端末側の光ファイバ３ｃでは、図６、図７のグラフに示した範囲はもちろん、グラフに示されない範囲を含めて、常電導転移の前後を通じ、アンチストークスラマン散乱光強度がノイズレベル以下の値を示していた。
【００５２】
図８に示すように、３０４ｍ地点のアンチストークスラマン散乱光がノイズレベルより約６ｄＢ高い強度を示したことから、この地点で光ファイバ３ｂの温度上昇があると判断した。すなわち、この時点で超電導線材１が温度上昇し、常電導転移を生じたと判断した。本実施例で計測により常電導転移の発生位置と特定した３０４ｍ地点は、上述したように、常電導転移部の光ファイバ３ｂの位置に対応している。従って、アンチストークスラマン散乱光強度の変化から超電導線材１の常電導転移を検出できることが実証された。
【００５３】
図９では、縦軸の目盛りが０．２ｄＢ／Ｄｉｖ．（１目盛りあたり）であり、散乱光強度が、図８の２ｄＢ／Ｄｉｖ．よりも拡大して表示されている。
３０４ｍ地点が常電導転移の発生位置であるが、ストークスラマン散乱光強度を計測した場合、常電導転移時においても、常電導転移前に比べて温度上昇に伴う光強度の増大が見られず、むしろ０．０５ｄＢ程度という微小の強度低下が見られた。
この結果は、常電導転移前から３０４ｍ地点の光ファイバ３ｂに限って局所的な損失（例えば巻枠１３への固定に伴う曲げ損失）が存在し、常電導転移による温度上昇の際に超電導線材１が変形して、光ファイバ３ｂの曲げ損失に影響したためであると考えられる。しかし、このような現象は、光ファイバ３ａ、３ｂ、３ｃを別々の巻枠１３に固定するという本実施例の構成に起因するとも考えられる。従って、一般的には、ストークスラマン散乱光強度の変化から超電導線材１の常電導転移を検出することは不可能といえる。
【００５４】
（実施例２）
実施例１と同様の構成で超電導線材１の常電導転移の検出を行った。ただし、本実施例では、１サイクルに温度計測器１０から光ファイバ３に対してパルス光を入射する回数を２１２回（４０９６回）とした。
すなわち、実施例２では、温度計測器１０から光ファイバ３に対して２１２回（４０９６回）パルス光を入射し、それぞれのパルス光を時間分解して、ストークスラマン散乱光強度とアンチストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を計測した。得られた散乱光強度の光ファイバ位置依存性を全てのパルス光（２１２パルス）で平均化する測定の工程を１サイクルとして、それぞれの散乱光強度を計測した。
１サイクル当たりの測定時間は２．５秒であり、計測繰り返し速度は０．４サイクル／秒（すなわち０．４Ｈｚ）である。
【００５５】
図１０に、常電導転移前に計測した、ストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度、および、これらの強度比の光ファイバ位置依存性を示す。本実施例では、ＲＯＴＤＲ方式の計測を光ファイバ３の全長にわたって光ファイバ位置が特定されるように実施している。しかし、グラフでは、光ファイバ３ａの一部、光ファイバ３ｂの全体、光ファイバ３ｃの一部にあたる、２７５〜３２５ｍの区間の結果のみを示している。
なお、光ファイバ３ａの長さが上述したように約３０４ｍであるため、長さが約０．４ｍの光ファイバ３ｂは、横軸におけるファイバ位置で、３０４ｍ付近に位置する。
いずれの位置においても、アンチストークスラマン散乱光強度は検出下限の値を示した。すなわち、アンチストークスラマン散乱光強度が温度計測器１０のノイズレベル以下の強度であることから、超電導線材１が液体窒素温度（７７Ｋ）に保持されていると判断できる。
【００５６】
次に、ヒータ１４に通電して、常電導転移部の超電導線材１に常電導転移を生じさせた。図１１に、常電導転移が生じた際に計測した、ストークスラマン散乱光強度、アンチストークスラマン散乱光強度、および、これらの強度比の光ファイバ位置依存性を示す。図１１の計測条件は、図１０と同様である。
また、図１２には、常電導転移前と常電導転移時のアンチストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を対比して示す。図１３には、常電導転移前と常電導転移時のストークスラマン散乱光強度の光ファイバ位置依存性を対比して示す。
【００５７】
図１２に示すように、３０４ｍ地点のアンチストークスラマン散乱光がノイズレベルより約３ｄＢ高い強度を示すことから、この地点で光ファイバ３ｂの温度上昇があったと判断した。すなわち、この時点で超電導線材１が温度上昇し、常電導転移を生じたと判断した。実施例２でも、実施例１と同様に、常電導転移の発生位置を、常電導転移部の光ファイバ３ｂの位置に対応している３０４ｍ地点と特定することができた。
【００５８】
図１３では、縦軸の目盛りが０．２ｄＢ／Ｄｉｖ．（１目盛りあたり）であり、散乱光強度が、図１２の２ｄＢ／Ｄｉｖ．よりも拡大して表示されている。
３０４ｍ地点が常電導転移の発生位置であるが、ストークスラマン散乱光強度を計測した場合、常電導転移の前後で、明確な光強度の変化が観測されなかった。
【００５９】
なお、実施例１では、常電導転移を検出した３０４ｍ地点の信号強度とノイズレベルの比（Ｓ／Ｎ比）が約６ｄＢであったのに対し、実施例２では、このＳ／Ｎ比が約３ｄＢであった。これは、実施例２では、１サイクルの平均回数が実施例１よりも少ないため、ノイズレベルが上昇したためである。しかしながら、実施例２では、１サイクルの平均回数を少なくしたことにより、非常に短時間（２．５秒）で繰り返し計測を行うことが可能である。
Ｓ／Ｎ比は、値が高いほど常電導転移の検出精度が向上することを意味する。一方、計測繰り返し速度は、値が速いほど常電導転移を早期に検出できることを意味する。したがって、超電導線材の特性（臨界温度、臨界電流等）、および、超電導線材の運転状況（冷却温度、通電電流等）に応じて要求される検出精度と検出時間に合わせて、１サイクルの平均回数を設定することが望ましい。
【００６０】
以上説明した実施例１，２によると、全長約３２５ｍの超電導線材の約０．４ｍの区間に生じる常電導転移および常電導転移に伴うクエンチを、アンチストークスラマン散乱光強度の計測により、高い応答性で検出できた。したがって、本発明では、上述のように長さ３００ｍの超電導線材に対して１ｍ間隔で常電導転移を検出することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、超電導線材の常電導転移の検出方法に適用できる。
【符号の説明】
【００６２】
１    超電導線材
１ａ    基材
１ｂ    超電導層
１ｃ    金属安定化層
２    複合線材
３    光ファイバ
４    固定部材
５    被覆部材
１０    温度計測器
１１    低温容器
１２    液体窒素
１３    巻枠
１４    ヒータ
【図１】
2013081123.tif 000003
【図２】
2013081123.tif 000004
【図３】
2013081123.tif 000005
【図４】
2013081123.tif 000006
【図５Ａ】
2013081123.tif 000007
【図５Ｂ】
2013081123.tif 000008
【図６】
2013081123.tif 000009
【図７】
2013081123.tif 000010
【図８】
2013081123.tif 000011
【図９】
2013081123.tif 000012
【図１０】
2013081123.tif 000013
【図１１】
2013081123.tif 000014
【図１２】
2013081123.tif 000015
【図１３】
2013081123.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成26年2月4日(2014.2.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、７７Ｋ以上の臨界温度を有する超電導層と、金属安定化層とを備える超電導線材の常電導転移の検出方法であって、
光ファイバが前記超電導線材に配置され、
前記光ファイバに測定光を入射し、
前記測定光のアンチストークスラマン散乱光の強度を計測し、
前記超電導線材に常電導転移が生じたことを、前記アンチストークスラマン散乱光の強度の変化に基づいて検出する、超電導線材の常電導転移の検出方法。
【請求項２】
前記超電導線材に前記常電導転移が生じたことを、前記アンチストークスラマン散乱光の強度が所定値以上に増大したことに基づいて検出する、請求項１に記載の超電導線材の常電導転移の検出方法。
【請求項３】
前記測定光にパルス光を用い、前記測定光のアンチストークスラマン散乱光の強度を、時間分解して計測することにより、前記光ファイバの長手方向に沿って常電導転移が生じた位置を特定する、請求項１または２に記載の超電導線材の常電導転移の検出方法。
【請求項４】
前記光ファイバがコア径５０μｍ以上のマルチモードファイバである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導線材の常電導転移の検出方法。
【請求項５】
前記超電導線材がコイル状である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導線材の常電導転移の検出方法。
【請求項６】
前記光ファイバと前記超電導層との間に前記金属安定化層が配置されて、前記金属安定化層で発生した熱により生じた前記アンチストークスラマン散乱光の強度の変化に基づいて、前記超電導線材に常電導転移が生じたことを検出する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の超電導線材の常電導転移の検出方法。
【国際調査報告】
2013081123.tif 000017
2013081123.tif 000018
2013081123.tif 000019
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