(57)【要約】  磁場を発生するためのマグネット・システムは超電導マグネットと、スイッチと、スイッチに熱的に結合されたヒーター素子とを含む。超電導マグネットは磁場を生成するように構成され、スイッチは超電導マグネットと並列に接続されている非誘導超電導電流伝送経路を含む。一般に、スイッチは超電導マグネットによる最大磁場を得るのに必要な電流の一部のあるレベルの電流のみを伝送するように構成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場を発生するためのマグネット・システムであって、前記システムは
磁場を発生するように構成された超電導マグネットと
前記超電導マグネットと並列に接続された非誘導超電導電流伝送経路を含むスイッチであって、前記スイッチは前記超電導マグネットによって最大磁場を得るのに必要な電流の一部である電流レベルだけを伝送するように構成されたスイッチと、
前記スイッチに熱的に結合されたヒーター素子と
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記磁場の発生中に前記超電導マグネットへ連続した電流を効果的に提供するように構成された電流供給源
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のマグネット・システム。
【請求項３】
前記ヒーター素子と電気的接続したヒーター電源をさらに含み、前記スイッチは前記ヒーター素子によって発生した熱に応じて超電導モードから非超電導モードへ変化することが可能である
ことを特徴とする請求項１に記載のマグネット・システム。
【請求項４】
前記スイッチと前記ヒーター素子とを含む非導電性ハウジング
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のマグネット・システム。
【請求項５】
前記ハウジングは冷却剤を含む容器内に装入するのに適するように構成され、前記ハウジングは前記スイッチ及び前記ヒーター素子から前記冷却剤への熱転移を阻止するように構成してある断熱材料を含む
ことを特徴とする請求項４に記載のマグネット・システム。
【請求項６】
前記スイッチと熱的に結合され、超電導温度まで前記スイッチを効果的に冷却するように構成された第１の熱リンクと、
前記超電導マグネットへ熱的に結合され、前記超電導マグネットを超電導温度まで効果的に冷却するように構成された第２の熱リンクと
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のマグネット・システム。
【請求項７】
前記第１の熱リンク及び前記第２の熱リンクを提供するように構成されたクーラーと、
前記クーラーを制御するように構成され、前記第１の熱リンク及び前記第２の熱リンクに前記スイッチ及び前記超電導マグネットを所望の超電導温度まで各々冷却させるクーラーコントローラと
をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載のマグネット・システム。
【請求項８】
前記スイッチ及び前記ヒーター素子に対して配置されて前記スイッチと前記ヒーター素子の間のＲＦ信号の結合を効果的に低減させる高周波（ＲＦ）シールド
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のマグネット・システム。
【請求項９】
前記電流伝送経路は薄膜電流伝送経路である
ことを特徴とする請求項１に記載のマグネット・システム。
【請求項１０】
前記スイッチはノンクラッド２本巻き超電導ワイヤを含む
ことを特徴とする請求項１に記載のマグネット・システム。
【請求項１１】
前記超電導ワイヤは約５μｍ〜１２５μｍの直径を含む
ことを特徴とする請求項１０に記載のマグネット・システム。
【請求項１２】
前記スイッチは前記超電導マグネットの前記最大磁場を得るのに必要な前記電流の約１％〜２０％であるような電流のレベルだけを伝送するように構成される
ことを特徴とする請求項１に記載のマグネット・システム。
【請求項１３】
前記スイッチは前記超電導マグネットの前記最大磁場を得るのに必要な前記電流の約２％〜７％であるような電流のレベルだけを伝送するように構成される
ことを特徴とする請求項１に記載のマグネット・システム。
【請求項１４】
前記超電導マグネットはソレノイドを含む
ことを特徴とする請求項１に記載のマグネット・システム。
【請求項１５】
前記スイッチと並列に接続されて前記スイッチ両端の最大電圧を制限するように構成された保護素子
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のマグネット・システム。
【請求項１６】
前記保護素子は電気回路を含む
ことを特徴とする請求項１５に記載のマグネット・システム。
【請求項１７】
前記保護素子は少なくとも２個のダイオードを含む
ことを特徴とする請求項１５に記載のマグネット・システム。
【請求項１８】
超電導マグネットで使用するためのスイッチであって、前記スイッチは
前記超電導マグネットと並列に接続するための非誘導超電導電流伝送経路を含み、前記スイッチは前記超電導マグネットにより最大磁場を得るのに必要な電流の一部である電流のレベルだけを伝送するように構成され、
前記スイッチと熱的に結合されたヒーター素子をさらに含む
ことを特徴とするスイッチ。
【請求項１９】
前記超電導マグネットによる磁場の発生中に前記超電導マグネットへ効果的に連続電流を提供するように構成された電流供給源
をさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載のスイッチ。
【請求項２０】
前記スイッチは前記ヒーター素子によって発生した熱に応じて超電導モードから非超電導モードへ変化するようにさらに構成される
ことを特徴とする請求項１８に記載のスイッチ。
【請求項２１】
前記非誘導超電導電流伝送経路と前記ヒーター素子とを含む非導電性ハウジング
をさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載のスイッチ。
【請求項２２】
前記ハウジングは冷却剤を含む容器内に装入されるのに適したものであって、前記ハウジングは前記スイッチ及び前記ヒーター素子から前記冷却剤への熱転移を阻止するように構成された断熱材料を含む
ことを特徴とする請求項２１に記載のスイッチ。
【請求項２３】
前記非誘導超電導電流伝送経路に熱的に結合され、前記非誘導超電導電流伝送経路を超電導温度まで効果的に冷却するように構成された第１の熱リンク
をさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載のスイッチ。
【請求項２４】
前記第１の熱リンクを提供するように構成されたクーラーと、
前記クーラーを制御するように構成され、前記第１の熱リンクに前記非誘導超電導電流伝送経路を所望の超電導温度まで冷却させるクーラーコントローラと
をさらに含むことを特徴とする請求項２３に記載のスイッチ。
【請求項２５】
前記非誘導超電導電流伝送経路と前記ヒーター素子に対して配置されて前記非誘導超電導電流伝送経路と前記ヒーター素子の間のＲＦ信号の結合を効果的に低減させる高周波（ＲＦ）シールド
をさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載のスイッチ。
【請求項２６】
前記非誘導超電導電流伝送経路は薄膜電流伝送経路を含む
ことを特徴とする請求項１８に記載のスイッチ。
【請求項２７】
前記非誘導超電導電流伝送経路はノンクラッド２本巻き超電導ワイヤを含む
ことを特徴とする請求項１８に記載のスイッチ。
【請求項２８】
前記非誘導超電導電流伝送経路は前記超電導マグネットの前記最大磁場を得るために必要な前記電流の約１％〜２０％であるようなレベルの電流だけを伝送するように構成される
ことを特徴とする請求項１８に記載のスイッチ。
【請求項２９】
前記非誘導超電導電流伝送経路は前記超電導マグネットの前記最大磁場を得るために必要な前記電流の約２％〜７％であるようなレベルの電流だけを伝送するように構成される
ことを特徴とする請求項１８に記載のスイッチ。
【請求項３０】
前記非誘導超電導電流伝送経路と並列に接続されて前記非誘導超電導電流伝送経路の両端にかかる最大電圧を制限するように構成された保護素子
をさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載のスイッチ。
【請求項３１】
前記保護素子は電気回路を含む
ことを特徴とする請求項３０に記載のマグネット・システム。
【請求項３２】
前記保護素子は少なくとも２個のダイオードを含む
ことを特徴とする請求項３０に記載のマグネット・システム。
【請求項３３】
磁場を発生するためのマグネット・システムであって、前記システムは
磁場を発生するように構成された超電導マグネットと、
前記磁場の発生中に前記超電導マグネットへ供給される電流を維持するための手段と、
前記超電導マグネットと並列に接続された非永久スイッチと、
前記非永久スイッチに超電導モードと非超電導モードの間の遷移を選択的に起させるための手段と、
所望の磁場を発生するように前記電流を変化させるための手段
を含むことを特徴とするマグネット・システム。
【請求項３４】
磁場を発生するための方法であって、前記方法は
磁場を発生するように構成された超電導マグネットへ供給される電流を維持するステップと、
以下により前記磁場を変化させるステップであって、
（ａ）前記超電導マグネットと並列に接続された非永久スイッチを臨界温度まで加熱し、前記加熱により前記非永久スイッチを非超電導モードへ遷移させるステップ、
（ｂ）所望の磁場を発生するように前記電流を変化させるステップ、
（ｃ）前記スイッチを前記臨界温度以下に冷却し前記スイッチを超電導モードへ遷移させるステップ
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３５】
（ａ）から（ｃ）までの動作を異なる値で反復して前記電流がこれに対応して異なる磁場を発生させること
をさらに含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記超電導マグネットと前記スイッチを冷却剤で冷却するステップ
をさらに含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記超電導マグネットと前記スイッチを冷却するステップ
をさらに含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にマグネット・システムに関連し、より詳しくは超電導マグネットで使用する非持続型スイッチに関連する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、マグネットは極めて冷たい環境中に配置することによって、たとえば液体ヘリウム又はその他の冷却剤を含むクライオスタット又は圧力容器に封入することによって超電導にすることができる。超低温はマグネット・コイルの抵抗を無視できるレベルまで減少させる。最初にコイルに接続されていた電源を取り除いた後でも、電流は無視できる程度の抵抗によって比較的妨害されることなくマグネット・コイルの中を流れ続け、そのため磁場を維持することができる。
【０００３】
電力を取り除いた後でマグネット・コイル中の電流を維持するには、電源及びマグネット・コイルと並列に接続されている超電導スイッチによって冷却環境中での電気回路を完成させる必要があるのが普通である。超電導スイッチは一般に超伝導体から構成され、これは非超電導状態または通常状態で駆動された場合充分な抵抗をもっているので、電源からの電流は基本的に「ランピングしている」（ramp-up）間マグネット・コイルに流れる。所望の磁場電流が得られたら、スイッチを超電導状態に戻し、電源を切り離した時にはマグネット電流は電源から方向転換してスイッチを通る。マグネットはこのときいわゆる「永久モード」（persistent mode）になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
超電導スイッチが典型的に示す特性は４種類ある。１つ目は、超電導状態から通常状態へ、またその逆に容易にかつ迅速に変換（切り換え）することができなければならない。これを行なうことができる３種類の方法は、ａ）熱的──超電導材料を遷移温度以上に加熱する、ｂ）磁気的──材料の臨界場よりも大きな磁場を印加する、ｃ）電気的──材料中の電流を臨界電流以上に増大する。熱的方法がもっとも一般的である。２つ目は、通常状態において充分に高い抵抗を有し、これは接続中にスイッチを通って流れる電流を無視できる程度であって、そのため冷却環境中の余剰熱が発生しないようにする必要がある。３つ目は、スイッチは安定していなければならない。つまり、所望の遷移相の間以外では超電導状態から通常状態へ相転移してはならない。四つ目に、マグネット・コイルと同じ大電流を通すことができなければならない。
【０００５】
熱型での従来の永久スイッチは超電導材料を超電導臨界温度以上の温度まで加熱することにより動作している。既知の熱的永久スイッチのひとつとして超電導ワイヤの周囲に巻き付けた抵抗性ワイヤがある。スイッチの超電導材料の正規化が抵抗性ワイヤに電流を印加することにより起こり、これによって超電導材料を臨界温度以上に加熱する。超電導スイッチを設計する上でのチャレンジの１つは超電導状態と抵抗状態の間の遷移時間を最小にすることと冷却剤の沸騰を最小限にするような低い熱出力の必要という矛盾する要件のバランスを取ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施例によれば、磁場を発生させるためのマグネット・システムは超電導マグネットと、スイッチと、スイッチに熱的に結合させたヒーター素子とを含む。超電導マグネットは磁場を発生するように構成され、スイッチは超電導マグネットと並列に接続された非誘導性超電導電流伝送経路を含む。一般に、スイッチは超電導マグネットによる最大磁場を得るのに必要な電流の一部のあるレベルの電流のみを伝導するように構成されている。
本発明による上記及びその他の態様、特徴、利点は添付の図面を参照して以下の好適実施例についての説明を熟読することで一層明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下の詳細な説明では、本明細書の一部を構成しまた例示のために本発明の特定の実施例を図示している添付の図面を参照する。本発明の範囲から逸脱することなしにその他の実施例を用いることが可能であり、構造的、電気的、また手続き的な変化を成し得ることが本技術分野の当業者には理解されるべきである。利便のため、マグネット・システムとこれに付随する超電導スイッチの様々な構成要素を説明するが代表的な材料、サイズ、計上、寸法を用いている。しかし、本発明はここに述べる実施例に制限されるものではなく、本開示の教示内でその他の構成が可能である。
【０００８】
図１を参照すると、本発明のマグネット・システムの実施例の略電気回路図が図示してある。さらに詳しくは、マグネット・システム１０はスイッチ・アセンブリ１５および超電導マグネット２０を有するように図示してある。スイッチ・アセンブリはスイッチ２５を含み、スイッチはマグネットと電気的に導通しヒーター素子３０と熱的に結合している。オプションの高周波（ＲＦ）シールド３５はスイッチとヒーター素子に対して配置してあるように図示されており、これらの要素の間のＲＦ結合を効果的に減少させる。スイッチ・アセンブリの各種構成要素はハウジング４０内部に内蔵されるように図示してある。
【０００９】
電流供給源４５を用いて超電導マグネット２０へ電流を供給し、ヒーター電源５０はヒーター素子３０に電流を提供する。実施例において、マグネットとスイッチ・アセンブリの各種構成要素は適切に冷却された環境たとえば容器５５の中に配置されており、容器によってマグネットとスイッチの超電導特性が活用できる。
【００１０】
容器５５は液体ヘリウム又はその他の冷却剤を含むように設計された何らかの適当な容器又は構造体を用いて実現できる。ハウジング４０は導電性のない材料から形成され、スイッチ・アセンブリ１５の様々な構成要素を内蔵するために使われるのが普通である。ハウジングと含まれる構成要素が冷却環境に曝される実施例たとえば図１に図示したような実施例では、ハウジングはさらに断熱材料も含む。このような断熱材はスイッチ２５とヒーター素子３０から容器内に含まれる周囲の冷却剤への熱転移を防止するように構成される。冷却剤への熱転移を減少させることでマグネット充電中および放電プロセス中の高価な沸騰を減少させる（詳細については後述する）。
【００１１】
実施例において、超電導マグネット２０とスイッチ２５はたとえばＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎなどから形成された適当な超電導ワイヤを巻いたコイルを含む。マグネットは一般に、電流供給源４５によって供給される電流で制御され、スイッチとの関連で動作する広範囲な磁場を提供することが可能である。
【００１２】
スイッチ２５はマグネットと並列に接続された非誘導性電流伝送経路を含む。最適には、スイッチは超電導マグネット２０が最大磁場を得るのに必要な電流の一部（つまり１００％以下）のあるレベルの電流だけを伝導するように構成されている。制限しない例として、スイッチは超電導マグネット２０が最大磁場を得るのに必要な電流の約１％〜２０％の電流レベルだけを伝送する、又はさらに望ましくは約２％〜７％だけを伝送することができるように構成される。
【００１３】
一般に、超電導マグネット２０を形成するために使用される超電導ワイヤは約２５μｍ〜１２５μｍから、約６インチまたはそれ以上の範囲にわたる直径を有する。マグネットは従来のマグネット技術を用いて実現され、その詳細は本発明に取って必須ではない。スイッチ２５は前述の電流伝送レベルを提供する直径を有する超電導ワイヤから形成される（たとえばノンクラッド２本巻きワイヤ）。スイッチ２５には一般に必要最小限のワイヤ直径が存在しない。代表的実施例において、スイッチ２５に使用される超電導ワイヤは約５μｍ〜１２５μｍの直径を有するが、もっと大きな直径も可能である。
【００１４】
さらに図１を参照して、本発明の実施例によるマグネット・システムの動作についてここで説明する。最初に、容器５５に含まれる冷却剤が超電導マグネット２０とスイッチ２５を冷却し、これらを超電導状態にする。この時点で、マグネット・システムは電流供給源４５によって供給された電流のレベルにより磁場を発生する。
【００１５】
何らかの時点で、マグネット・システムによって発生された磁場の変化が望ましい。この磁場の変化はヒーター素子３０へ電流を供給するヒーター電源５０によって実現され、これによってスイッチ２５をこれの超電導臨界温度以上に加熱する。臨界温度に到達すると、スイッチは超電導状態（閉じた状態）から非超電導抵抗状態（開いた状態）へ遷移する。スイッチが抵抗状態に達すると、電流供給源４５は超電導マグネット２０へ供給される電流の量を変更するか何らか変化させる。
【００１６】
供給された電流が、マグネットによって発生しようとする所望の磁場で決定される特定の又は所望の電流値に達したら、ヒーター電源からの出力をオフにする。これによってヒーター素子３０が、また結果としてスイッチ２５が、冷却される。スイッチが冷却されると、超電導臨界温度以下になり、また超電導状態（閉じた状態）に遷移する。
【００１７】
永久スイッチを使用するシステムとは対照的に、電流供給源４５によって供給される電流はスイッチが超電導状態に遷移した後超電導マグネット２０から除去されない。その代わり、電流供給源４５はマグネットへの電流を維持し、これによって安定な磁場を発生する。マグネットへの出力は一般に維持されなければならないが、これはスイッチ２５が永久モードでマグネットを維持するように設計されていないためである。これは、スイッチがマグネットの最大磁場電流レベルを伝送できないことによる。マグネットへの電流供給を維持しなければ、発生される磁場は崩壊し、マグネットは最終的に脱磁する。マグネットへ連続的に電流を印加することで電流誘導雑音のため得られた磁場に影響があることに注意すべきである。しかし、スイッチ２５はマグネットへ導入されるかも知れない何らかの雑音を短絡する。
【００１８】
マグネット２０によって発生した磁場は基本的に前述の動作を繰り返すことでさらに変更することができる。たとえば、ヒーター電源５０はヒーター素子３０への電流をまた供給し、これによってスイッチ２５を超電導臨界温度以上に加熱させることができる。スイッチが抵抗状態にある間、電流供給源４５によってマグネット２０へ供給される電流は発生しようとする所望の磁場によって変化する。供給される電流が所望の値に達したら、ヒーター電源をオフにし、これでスイッチの温度が超電導臨界温度以下に落ちる。スイッチ２５は最終的に超電導状態（閉じた状態）に遷移する。また、電流供給源４５はマグネットへ電流を供給し続ける。
【００１９】
本明細書に開示される各種スイッチによって実現される利点には、比較的速い充電時間と冷却剤沸騰の減少が挙げられる。全体的なマグネット充電時間は超電導状態と抵抗状態の間でスイッチを遷移させるのに必要な時間の量を減少させることで改善することができる。スイッチ２５はたとえば従来の永久スイッチによって可能な遷移時間より有意に低い遷移時間をもたらす。スイッチ２５は０．５〜１．５秒程度の遷移時間（冷却又は加熱状態のどちらかから）をもたらす。これらの遷移時間が可能になるのは、スイッチを形成するワイヤのサイズが比較的小さいことによる。
【００２０】
高速な充電時間の別の理由は、スイッチ２５が従来の永久スイッチに一般的に存在するよりも高い抵抗を有して実現されるためである。たとえば、実施例において、スイッチ２５は約６０Ω〜５００Ωの間の抵抗、又はそれ以上を有している。この高いスイッチ抵抗のため高い充電電圧を充電相の間にマグネットに印加することができる。高い充電電圧は充電時間の減少に繋がりマグネットの所望の電流レベルを実現する。
【００２１】
封入容器内の冷却剤を維持するのが高価で時間のかかる処理であるため、マグネット・システムの冷却剤沸騰を最小限に抑さえることもまた望ましい。沸騰はスイッチ加熱装置たとえばヒーター素子３０によって発生した熱の結果として発生する。沸騰はまた、スイッチ２５がマグネット充電相の間に抵抗状態（非超電導状態）にあるためマグネット充電相の間に発生する。スイッチが抵抗状態にある場合、スイッチ両端には電圧が発生する。この電圧は熱を発生し、これが結果として望ましくない冷却剤の沸騰を招来する。
【００２２】
スイッチによって発生する沸騰の量は幾つかの理由から従来の永久スイッチと比較して減少することができる。第１に、スイッチ２５は従来の永久スイッチより代表的には大幅に小さく、これによってスイッチが超電導臨界温度に到達するのに必要な熱が少なくなる。熱が少ないため沸騰量が減少する。さらに、充電時間の減少によってスイッチが抵抗状態でいる時間の長さを最小限にする。これはスイッチ両端に電圧がかかる時間の長さを減少させ、これで熱の発生とそれに対応する沸騰の量を減少させている。
【００２３】
スイッチ２５により提供される別の利点は、スイッチとマグネット２０の間の接続条件が従来の永久スイッチの条件と比較してさほど厳格でないことである。一般に、従来の永久スイッチはマグネットと接続する際に注意が必要で、この接続による過剰量の抵抗が望ましくないためである。しかし、本発明はこのような要件がなく、スイッチからマグネットへの接続に起因するもっと高い抵抗がスイッチの全体の抵抗の要因になることがある。
【００２４】
実施例によれば、更なる利点はスイッチ２５の比較的高い抵抗に関連している。たとえば、代表的なマグネットを充電する場合、スイッチを流れる電流は真の磁場の減少を表わしている。このような測定値はリード線の電流をモニタすることで推定することができる。しかし、温まった永久スイッチの実効抵抗を確定するのは幾らか困難で、この作用は極めて正確に補償できない。スイッチ２５はこれの高い抵抗に比例してこの問題を最小限に抑さえている。
【００２５】
本発明のスイッチ及びマグネット・システムの実施例によって提供される様々な利点を示すため、以下を提示する。従来の永久スイッチで動作するマグネット・システムを、スイッチ２５で動作する同じシステムと比較する。両方のタイプのスイッチでは、マグネット２０を０テスラ〜９テスラまで増加させ、０．０１テスラごとに停止する。従来の永久スイッチを使用するマグネット・システムは既知の方法で動作させた。従来の永久スイッチの抵抗は３０Ωで、ヒーター電源により供給された電力は７５ｍＷ（６０Ω両端で３５ｍＡ）である。両方のセットアップで、マグネット２０は充電電圧５Ｖ、誘導１０ヘンリー（Ｈ）、９テスラでの電流は５０Ａだった。スイッチ２５を使用するマグネット・システムの動作は以下の通りである。給電プロセスを停止させる度に、スイッチ２５を加熱して超電導状態（閉じた状態）から抵抗状態（開いた状態）へ遷移させる。マグネットの電流が所望の値に達するまで電流供給源４５がマグネット２０へ追加の電流を供給する。次にヒーター素子３０へ供給される電流を遮断し、スイッチを冷却させ、もう一度超電導状態（閉じた状態）へ遷移させる。ここでまた、スイッチが超電導状態に達した後でも、電流供給源４５はマグネットへの電流を維持する。給電プロセスを停止することで発生された磁場で測定を行なうことができる。このシナリオでは、独立した９００個の測定値が得られた。制限しない例として、スイッチ２５の抵抗は２５０Ω、ヒーター電源５０によって提供された電力は２０ｍＷ（２０Ωの両端で３０ｍＡ）である。
【００２６】
以下の表１は従来の永久スイッチとスイッチ２５の両方での測定時刻の例を示す。さらに詳しく説明すると、表１はマグネットを所望の磁場に引き上げるのに必要な時間、スイッチを開いて閉じるのにかかる時間（つまり、スイッチが超電導状態（閉じた状態）から抵抗状態（開いた状態）へ遷移するのにかかる時間およびまた超電導状態（閉じた状態）へ戻るのにかかる時間）、また９００個の独立した測定値を得るのに必要な合計時間である。図示した時間は近似値であることに注意する。
表１
2009522815.tif 000003
【００２７】
前述の結果は、本発明の実施例による上述のスイッチでは有意に高速な測定時間が得られることを示している。この表に注記してあるように、代表的な永久スイッチは開閉に約６０秒かかる。これにより９００測定値を得るためには約９００分の合計時間がかかることになる。このようなシナリオでは、スイッチ２５は従来の永久スイッチより５０倍高速で作動する。
【００２８】
前述したように、本発明のスイッチとマグネット・システムの各種実施例は従来の永久スイッチと比較して冷却剤の沸騰量も減少させる。表２は両方のタイプのスイッチでの液体ヘリウムの沸騰に関連した様々なパラメータの例を提供する。表１と関連して前述したのと同じスイッチのセットアップを、表２のデータでも使用した。
表２
2009522815.tif 000004
【００２９】
スイッチ２５を作動させるのに必要なエネルギー量に関して有意な節約が実現されることをこの結果は示している。このエネルギー節約は液体ヘリウム沸騰の減少に継る。
【００３０】
図２はマグネット・システムの別の実施例の略電気回路図である。本図において、マグネット・システム１００は断熱真空１０５内部に配置されたスイッチ・アセンブリ１５と超電導マグネット２０を含む。クーラー１１０を使用して所望の超電導温度までスイッチ２５とマグネット２０を冷却する。さらに詳しく説明すると、クーラーは熱リンク１１５を有するように図示してあり、これはスイッチと熱的接触をなしており、また熱リンク１２０を有し、これはマグネットと熱的接触をなしている。クーラー１１０は既知の冷却システムたとえば圧縮ガス・クーラーなどを使用して実現でき、これでマグネットとスイッチを超電導にするのに必要な冷却を提供することができる。断熱真空１０５は外部環境から断熱真空内部に収容された各種構成要素を熱的に絶縁するために一般的に用いられる構造体である。
【００３１】
マグネット・システム１００の動作は以下のように行なう。最初に、クーラー１１０がマグネット２０とスイッチ２５を冷却し、これらを超電導状態にする。この時点で、マグネット・システムは電流供給源４５によって供給された電流のレベルにしたがう磁場を発生する。上記のように、電流供給源によって供給される電力は磁石が磁場を発生している間マグネット２０から除去しない。
【００３２】
いずれかの時点で、マグネット・システムによって発生した磁場の変化が望ましい。この磁場の変化は図１に関連して説明したのと同様な方法で実現できる。つまり、スイッチ２５をこれの超電導臨界温度以上に加熱する。スイッチが抵抗状態に達したら、電流供給源４５はマグネット２０へ供給している電流の量を変更するか又はいくらか変化させる。供給された電流がマグネットによって発生する所望の磁場によって決定される特定の又は所望の電流値に達した時点で、スイッチを冷却し、超電導臨界温度以下にして、また超電導状態（閉じた状態）に遷移させる。前述のように、スイッチが超電導状態に遷移して戻った後電流供給源４５によって供給される電力はマグネット２０から取り除かれない。電流供給源４５はマグネットへの電流を代表的に維持し、これによって安定した磁場を発生する。マグネット２０によって発生した磁場は基本的に上述した動作を反復することによって変更できる。
【００３３】
スイッチ２５は超電導ワイヤから形成されると説明した。しかし、これは必要条件ではなく、非誘導電流伝送経路を提供することができるその他の技術や構造をこれに代わって又は追加で使用することができる。たとえば、スイッチ２５は集積回路を含むデバイスを使用して実施することができ、電流伝送経路は白膜電流伝送経路を含むようにすることができる。
【００３４】
本明細書で開示した各種のマグネット・システムは単一のマグネット２０と単一のスイッチ・アセンブリ１５を含む。しかし、複数のマグネットを有し各々が独立したスイッチ・アセンブリを有するマグネット・システムも可能であり本開示の教示の範囲内である。
【００３５】
超電導マグネットを使用して所望の磁場を発生させる各種実施例を開示した。マグネットは１つまたはそれ以上の超電導コイル又は１つまたはそれ以上のソレノイドで実施されることは理解されるべきである。
【００３６】
図３は本発明の実施例による磁場を発生するための典型的動作を示すフローチャートである。ブロック３００は磁場を発生するように構成された超電導マグネットへ供給される電流を維持することを含む。所望なら、超電導マグネットにより発生される磁場をブロック３０５，３１０，３１５の動作にしたがって変化させることができる。たとえば、ブロック３０５では、非永久スイッチを臨界温度まで加熱する。代表的には、このような非永久スイッチは超電導モードで動作し超電導マグネットと並列に接続されている。このような加熱で非永久スイッチを非超電導モードへ遷移させる。ブロック３１０では、超電導マグネットへ提供される電流を変化させて所望の磁場を発生する。次に、スイッチを臨界温度以下に冷却し、スイッチを超電導モードにもう一度遷移させる（ブロック３１５）。所望なら、ブロック３００，３０５，３１０，３１５の動作を異なる電流値で反復してこれに対応することなった磁場を発生させることができる。
【００３７】
本発明の実施例による様々なプロセスと方法を図３に図示した一連の動作を用いて実現できるが、当業者には追加の又はもっと少ない動作を実行できることが理解されよう。さらに、図３に図示した動作の順序は単なる例であって動作の単一の順序が必要でないことも理解されるべきである。
【００３８】
重大なイベントたとえばマグネット電流供給源への電力の消失（quench）又は急な又は予想しない停電などの結果としてスイッチが損傷することも考えられる。電力消失中、マグネットは高い内部電圧を発生し局部的に温度が上昇する。これにより電気的及び機械的ストレスが巻線にかかり、またスイッチを損傷することもある。消失は各種の理由で発生する。たとえば、マグネット・システムが容器内の冷却剤の量が不十分なため又はアクティブ・クーラーの故障のため、冷却力の欠失を起すことがある。
【００３９】
重大なイベントの原因に拘らず、マグネットとスイッチ両端では、これらの要素が並列に接続されているので、潜在的に大きな電圧が発生することがある。スイッチは超電導中にはマグネット電流の小さい部分だけを伝導するように実施されるのが代表的なため、また通常状態では高い抵抗を有するため、スイッチ両端にかかる比較的大きな電圧によりスイッチで大量の電力が消失することになる。これはスイッチの有意な損傷を発生させることになりかねない。
【００４０】
重大なイベントたとえば前述したようなことの結果としてのスイッチへの損傷を予防又は最小限に抑さえるには、マグネット・システムは適当な保護素子、デバイス、又は回路を設けて実現する。たとえば、図４は保護要素を実施したマグネット・システムの別の実施例の略電気回路図である。本図において、マグネット・システム４００は図１のシステム１０と同じ多くの構成要素を含んでいる。しかし、マグネット・システム４００は保護要素４０５を含み、これがマグネット２０とスイッチ２５に対して並列に電気接続されている。
【００４１】
保護要素の１つの目的は故障又は重大なイベントたとえば前述したようなことの場合にスイッチで消失する電力を制限することである。さらに詳しく説明すると、保護要素はスイッチ両端にかかる最大電圧を制限できる。保護要素はたとえば図４に図示したように一対のダイオードを用いて実現できる。マグネット・システム４００の運転動作は図１のシステムの動作と同様の方法で行なうが、保護要素４０５によって追加の保護が提供される。本明細書にて維持した各種スイッチ及びマグネット・システムのいずれでも１つまたはそれ以上の保護要素を組み込んで構成できることに注意すべきである。
【００４２】
開示された実施例を参照して詳細に本発明を説明したが、本発明の範囲内の各種変更は本技術分野の当業者には明らかであろう。１つの実施例に関連して説明した特徴が他の実施例にも代表的に適用されることを理解されるべきである。したがって、本発明はクレームを参照することでのみ正しく解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は交換ブッシングと回転ブッシングのための駆動ユニットを有する油圧式ねじ締付け装置の斜視図を示す。
【図２】図２は図１の油圧式ねじ締付け装置の部分断面側面図である。
【図３】図３は図１及び図２の油圧式ねじ締付け装置の上面図である。
【図４】図４は図２の線ＩＶ〜ＩＩＩに沿ってみた断面の上面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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