(57)【要約】  超伝導磁石10は、超伝導磁石巻線20を含む極低温容器22,32を含む。封止電気フィードスルー36が極低温容器を通過する。極低温容器内のコンタクタ40は、アクチュエータ42及びフィードスルー側及び磁石側電気端子46,47を有する。極低温容器内に配置される高温超伝導体HTSリード60は、コンタクタの磁石側電気端子に電気的に接続される第1端部62と、超伝導磁石巻線に電気的に接続される第2の端部とを有する。 HTSリードの第1の端部と熱的に接続される第1段階の熱ステーション52は、HTSリードの臨界温度TC、HTSよりも低い温度T1を有する。 HTSリードの第2の端部と熱的に接続される第2段階の熱ステーション54は、超伝導磁石巻線20の臨界温度TCより低い温度T2を有する。
2019520097.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導磁石巻線に電気的に接続し、前記超伝導磁石巻線から電気的に切断するための自動電気接続/切断装置であって、前記装置は、
コンタクタであって、前記コンタクタが開いているときに互いに電気的に絶縁され、前記コンタクタが閉じられているときに電気的に接続される電気端子及びアクチュエータを有する、コンタクタと、
少なくとも25Kの超伝導臨界温度を有する高温超伝導体リードと、
前記コンタクタの磁石側電気端子及び前記高温超伝導体リードの第1の端部を電気的に接続する一つ又はそれより多くの導電体であって、前記高温超伝導体リードの第2の端部が、前記超伝導磁石巻線に接続される、又は接続するように構成される、導電体と
を有する、自動電気接続/切断装置。
【請求項２】
前記高温超伝導体リードの前記第1の端部に熱的に接続される第1段階の熱ステーションであって、前記第1段階の熱ステーションは、前記高温超伝導体リードの前記超伝導臨界温度よりも低い第１段階の温度を有する、第1段階の熱ステーション
を更に有する、請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記高温超伝導体リードの前記第2の端部に熱的に接続される第2段階の熱ステーションであって、前記第2段階の熱ステーションは、前記超伝導磁石巻線の前記超伝導臨界温度よりも低い第2段階の温度を有する、第2段階の熱ステーション
を更に有する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第1段階の熱ステーション及び前記第2段階の熱ステーションを有する2段階圧縮ヘリウム極低温冷凍器
を更に有する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記高温超伝導体リードの前記第2の端部が、前記磁石巻線が浸漬される液体ヘリウム内に配置されるように構成される、請求項2に記載の装置。
【請求項６】
前記第1段階の熱ステーションと熱的に接触する熱シールド
を更に有する、請求項2乃至5の何れか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記コンタクタ、前記高温超伝導体リード、及び一つ又はそれより多くの導電体の少なくとも前記電気端子を含む内部空間を備える装置ハウジングと、
前記コンタクタが開いているときに前記コンタクタの前記磁石側端子から絶縁される前記コンタクタの第2の電気端子と電気的に接続され、前記装置ハウジングの壁を通じて通過する封止電気フィードスルーと
を有する、請求項1乃至6の何れか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記コンタクタは、前記アクチュエータの作動に応答して前記コンタクタを閉じるように動く導電体をさらに含む常開電気機械コンタクタである、請求項1乃至７の何れか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記高温超伝導体リードは、ビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物、イットリウムバリウム銅酸化物、又は二ホウ化マグネシウムを含む、請求項1乃至８の何れか一項に記載の装置。
【請求項１０】
超伝導磁石であって、
極低温容器と、
前記極低温容器内に配置される超伝導磁石巻線と、
前記極低温容器を通過する封止電気フィードスルーと、
コンタクタであって、前記極低温容器内に配置され、アクチュエータと、前記封止電気フィードスルーと電気的に接続されるフィードスルー側電気端子と、前記コンタクタが開いているときに前記フィードスルー側電気端子から電気的に絶縁され、前記コンタクタが閉じられているときに前記フィードスルー側電気端子と電気的に接続される磁石側電気端子とを有する、コンタクタと、
前記極低温容器内に配置される高温超伝導体リードと
を有し、
前記高温超伝導体リードは、前記コンタクタの前記磁石側電気端子と電気的に接続される第1の端部と、前記超伝導磁石巻線と電気的に接続される第2の端部とを有する、
超伝導磁石。
【請求項１１】
前記高温超伝導体リードの前記第1の端部に熱的に接続される第1段階の熱ステーションであって、前記第1段階の熱ステーションは、前記高温超伝導体リードの前記超伝導臨界温度よりも低い第１段階の温度を有する、第1段階の熱ステーション
を更に有する、請求項10に記載の超伝導磁石。
【請求項１２】
前記高温超伝導体リードの前記第2の端部に熱的に接続される第2段階の熱ステーションであって、前記第2段階の熱ステーションは、前記超伝導磁石巻線の超伝導臨界温度よりも低い第2段階の温度を有する、第2段階の熱ステーション
を更に有する、請求項１１に記載の超伝導磁石。
【請求項１３】
前記第1段階の熱ステーション及び前記第2段階の熱ステーションを有する2段階圧縮ヘリウム極低温冷凍器
を更に有する、請求項１２に記載の超伝導磁石。
【請求項１４】
前記極低温容器は、前記超伝導磁石巻線を液体ヘリウムに浸漬するように構成される液体ヘリウム容器であり、
前記高温超伝導体リードの前記第2の端部は、前記高温超伝導体リードの前記第1の端部の下に配置され、前記磁石巻線が浸漬される前記液体ヘリウムの液体レベルの下に配置される、
請求項１１に記載の超伝導磁石。
【請求項１５】
前記第1段階の熱ステーションと熱的に接触し、前記高温超伝導体リード及び前記コンタクタの少なくとも前記磁石側電気コンタクトを部分的に又は全体的に囲む熱シールド
を更に有する、請求項１１乃至１４の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【請求項１６】
前記コンタクタは、前記アクチュエータの作動に応答して前記コンタクタを閉じるように動く導電体をさらに含む電気機械コンタクタである、請求項10乃至15の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【請求項１７】
前記高温超伝導体リードは、ビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物、イットリウムバリウム銅酸化物、又は二ホウ化マグネシウムを有する、請求項10乃至16の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【請求項１８】
前記超伝導磁石巻線が、ニオブチタン超伝導材料及びニオブ-スズ超伝導材料のうちの少なくとも1つを有する、請求項10乃至17の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【請求項１９】
超伝導磁石巻線と電気的に接続し、電気的に切断するための自動電気接続/切断装置であって、前記装置は、
アクチュエータ信号に応答して開状態から閉状態に切り替わるように構成されるコンタクタと、
前記コンタクタに電気的に接続される封止電気フィードスルーと、
少なくとも25Kの超伝導臨界温度を有する高温超伝導体リードであって、前記高温超伝導体は、前記コンタクタに接続される第1の端部と、前記超伝導磁石巻線に接続される、又は接続するように構成される第2の端部とを有する、高温超伝導体リードと
を有し、
前記コンタクタは、前記閉状態において、前記封止電気フィードスルーと前記高温超伝導体リードの前記第1の端部とを電気的に接続し、前記開状態において、前記封止電気フィードスルーと前記高温超伝導体リードの前記第1の端部とを電気的に切断する、
自動電気接続/切断装置。
【請求項２０】
前記高温超伝導体リードの前記第1の端部に熱的に接続される第1段階の熱ステーションであって、前記第1段階の熱ステーションは、前記高温超伝導体リードの前記超伝導臨界温度よりも低い第１段階の温度を有する、第1段階の熱ステーション
を更に有する、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記コンタクタは、前記開状態において、熱破壊を有する電気機械コンタクタである、請求項19乃至20の何れか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
以下は、概して、超伝導磁石技術、及びそれを用いた磁気共鳴イメージング及び分光技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超伝導磁石設計では、超伝導巻線は、典型的には20K未満の臨界温度（TC）を有するニオブチタン、ニオブ-スズなどの超伝導体を含む。磁石の巻線をこの臨界温度以下に維持するために、巻線は、典型的には、真空ジャケット付き極低温容器内に収容される液体ヘリウム（LHe）中に浸される。有利には、LHeは、大雰囲気で約4Kの沸点を有する。超伝導巻線を臨界温度以下に維持することができる他の低温容器も使用することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
超伝導磁石は、様々なシステムで使用されている。例えば、磁気共鳴（MR）イメージングシステム（又は分光システム）は、数テスラオーダである高磁場強度で静磁場（B0）を発生させるために超伝導磁石を使用することができる。このような高い磁場を達成する磁石は、数百アンペアの直流電流を流すことがある。従来の抵抗巻線では、これは厳しい加熱及び高電力条件をもたらす。対照的に、超伝導磁石巻線は電流の流れに対してゼロ抵抗を示し、電流は電気抵抗がないため持続電流になる。
【０００４】
電流の流れは持続的であるので、超伝導MR磁石は、典型的には、持続的に接続されるリードを有していない。それらは不要であり、有害な熱リークを導入するだけである。磁石電流をランプアップ又はランプダウンさせるとき、LHeクライオスタットは開かれ、導体はLHeに挿入されて超伝導磁石巻線の端子に接続される。ランプの後に、導体が除去され、LHeクライオスタットが閉じられる。
【０００５】
以下に、上述の問題及び他の問題に対処する新規かつ改良されるシステム及び方法を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
開示される一態様では、超伝導磁石巻線と電気的に接続し、超伝導磁石巻線から電気的に切断するための自動電気接続/切断装置が提供される。本装置は、コンタクタが開いているときに互いに電気的に絶縁され、コンタクタが閉じられたときに電気的に接続される電気端子及びアクチュエータを有するコンタクタと、少なくとも25Kの超伝導臨界温度を有する高温超伝導体（HTS）リードと、前記コンタクタの磁石側の電気端子と前記HTSリードの第1の端部とを電気的に接続する1つ以上の導電体とを備える。 HTSリードの第2の端部は、超伝導磁石巻線に接続されるか、又は超伝導磁石巻線に接続されるように構成される。装置は、HTSリードの第1の端部と熱的に接続される第1段階の熱ステーションをさらに含むことができる。第1段階の熱ステーションは、HTSリードの超伝導臨界温度よりも低い第1段階の温度を有する。 HTSリードの第2の端部に熱的に接続される第2段階の熱ステーションをさらに設けることができる。第2段階の熱ステーションは、超伝導磁石巻線の超伝導臨界温度よりも低い第2段階の温度を有する。いくつかの実施形態では、第1段階の熱ステーションと第2段階の熱ステーションとを有する2段階圧縮ヘリウム極低温冷凍器が提供される。第2段階の熱ステーションを設ける代わりに、HTSリードの第2の端部は、磁石巻線が浸漬される液体ヘリウム中に配置されるように構成される。
【０００７】
他の開示される態様では、超伝導磁石は、極低温容器と、極低温容器内に配置される超伝導磁石巻線とを含む。封止電気フィードスルーが極低温容器を通過する。コンタクタは、極低温容器内に配置され、アクチュエータと、封止電気フィードスルーと電気的に接続されるフィードスルー側電気端子と、コンタクタが開いているときにフィードスルー側電気端子から電気的に絶縁され、コンタクタが閉じられるときにフィードスルー側電気端子と電気的に接続される磁石側電気端子とを有する。高温超伝導体（HTS）リードも極低温容器内に配置される。HTSリードは、コンタクタの磁石側電気端子に電気的に接続される第1の端部及び超伝導磁石巻線に電気的に接続される第2の端部を有する。 第1段階の熱ステーションは、HTSリードの第1の端部と熱的に接続されてもよい。第1段階の熱ステーションは、HTSリードの超伝導臨界温度よりも低い第1段階の温度を有する。第2段階の熱ステーションは、HTSリードの第2の端部と熱的に接続されてもよい。第2段階の熱ステーションは、超伝導磁石巻線の超伝導臨界温度よりも低い第2段階の温度を有する。
【０００８】
開示される他の態様では、超伝導磁石巻線と電気的に接続され、超伝導磁石巻線から電気的に切断される自動電気接続/切断装置が開示される。この装置は、アクチュエータ信号に応答して開状態から閉状態に切り替わるように構成されるコンタクタと、前記コンタクタに電気的に接続される封止電気フィードスルーと、少なくとも25Kの超伝導臨界温度を有する高温超伝導体（HTS）リードとを含む。 HTSリードは、コンタクタに接続される第1の端部と、超伝導磁石巻線に接続される、又は接続するように構成される第2の端部とを有する。コンタクタは、封止電気フィードスルーと、閉鎖状態のHTSリードの第1の端部とを電気的に接続し、封止電気フィードスルーと、開状態のHTSリードの第1の端部とを電気的に切断する。装置は、HTSリードの第1の端部と熱的に接続される第1段階の熱ステーションをさらに含むことができる。第1段階の熱ステーションは、HTSリードの超伝導臨界温度よりも低い第1段階の温度を有する。いくつかの実施形態では、コンタクタは、開状態の熱破壊を有する電気機械コンタクタである。
【０００９】
1つの利点は、超伝導磁石電流ランプを実行する際の手動操作の低減にある。
【００１０】
他の利点は、より速い磁石電流ランピング動作を提供することにある。
【００１１】
他の利点は、磁石電流ランプ動作中にLHeの沸騰を減少させることにある。
【００１２】
他の利点は、磁石巻線を含む極低温容器を開かずに磁石電流ランプ動作を実行することにある。
【００１３】
他の利点は、増大した安全性で磁石電流ランピング動作を実行することにある。
【００１４】
所与の実施形態は、本開示を読んで理解すると当業者に明らかになるように、前述の利点のうちの1つ、2つ、それ以上、又はすべてを提供し得、及び/又は他の利点を提供し得る。
【００１５】
本発明は、様々な構成要素及び構成要素の配置において、ならびに様々なステップ及びステップの配置において形態をとることができる。図面は、好ましい実施形態を説明するためのものにすぎず、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。別段の注記がない限り、図面は図式的であり、異なる構成要素の相対的な寸法を拡大したり図示したりするものと解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本明細書で開示される自動電気接続/切断装置を備えた超伝導磁石を含む磁気共鳴（MR）画像化システムの側断面図を図式的に示している。
【図２】図1の自動電気接続/切断装置の拡大側断面図を図式的に示している。
【図３】自動電気接続/切断装置を用いる図1の超伝導磁石に適切に行われる磁石電流ランププロセスを概略的に示す。
【図４】第2段階として液体ヘリウム（LHe）浸漬を利用する自動電気接続/切断装置の変形実施形態の側面断面図を図式的に示している。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
典型的な既存の超伝導磁石ランピングシステム及び方法の様々な欠点が本明細書で認識される。 LHeに浸漬される超伝導巻線端子にアクセスするために液体ヘリウム（LHe）デュアを開放し、次にLHeに導体を挿入すると、実質的にヘリウムの沸騰が発生する。現時点では限られたヘリウムの世界的供給が問題である。極低温磁石容器を開けることは、磁石整備のために配分する必要のある時間と人的資源を増加させ、極低温で極低温流体及び/又は表面にサービス員を接触させる可能性があり、安全上の考慮が必要となる。極低温容器が1つ又は複数の排気されるプレナム（例えば低温デュワーの真空ジャケット）を含む場合、開放の間に不注意に真空を破る可能性もある。
【００１８】
本明細書に開示される実施形態では、超伝導磁石巻線に自動的に電気的に接続、切断するための自動電気接続/切断装置が設けられている。開示される装置は、超伝導磁石巻線がその中に配置される極低温容器を開けることを回避する。開示される装置は、巻線の接続/切断装置への接続においても、超伝導巻線を臨界温度より高い温度にさらすことなく、室温から磁石巻線温度（多くの磁石設計では約4K）までの大きな温度傾斜に対応する。開示される接続/切断装置はまた、いくつかの超伝導磁石設計において数百アンペアのオーダであり得る高い磁石電流を運ぶことができる。
【００１９】
図1を参照すると、例示的な磁気共鳴（MR）イメージングシステム8は、例示的な実施形態では、患者又は他のイメージング被検体はMRイメージング及び/又は分光法に挿入される水平ボア12を規定する水平ソレノイド超伝導磁石10である超伝導磁石10を含む。患者をロードするため、寝台又は他の患者支持体14を設けることができる。 MRイメージングシステム8は、超伝導磁石10に加えて、抵抗性磁場傾斜コイル16、ホールボディ高周波（RF）コイル18（及び/又は1つ以上のローカルRFコイル（図示せず）など）を含む。これらの構成要素は、MR撮像及び/又は分光データを取得するために既知の方法で使用される。例えば、1つの例示的な撮像シーケンスでは、動作中の超伝導磁石10は、ボア12内の検査領域において静磁場（B0）を生成する。いくつかの実施形態では、この場の振幅|B0|は、1.5テスラ、3.0テスラ、7.0テスラなどであってもよい。B0磁場は、RFコイル18によって印加されるRFパルスによって励起される核スピンを（統計的に）配向する。励起される磁気共鳴は、磁場傾斜コイル16によって印加される磁場傾斜によって空間的に制限され、及び/又は位相及び/又は周波数エンコーディングされ、このように操作される励起される磁気共鳴は、RFコイル18によって検出され、MRイメージングデータを生成する。選択される空間エンコーディングに適した画像再構成アルゴリズムは、取得されるMRイメージングデータからMR画像を再構成するように適用されることができる。それに加えて、又はこれに代えて、励起及び検出される磁気共鳴を分光分析することができる。
【００２０】
例示的な用途は、MRイメージング又は分光法であるが、開示される自動電気接続/切断装置は、実質的にいかなるタイプの超伝導磁石巻線と電気的に接続するか、又は実質的にいかなるタイプの超伝導磁石巻線からも切断するために使用され得ることは理解されるべきである。例えば、開示される自動電気接続/切断装置は、粒子加速器、磁気浮上システム、超伝導磁石を使用する実験室試験装置などに使用される超伝導磁石と電気的に接続するか、又は切断するために使用されてもよい。
【００２１】
引き続き図1を参照すると、超伝導磁石10は、極低温容器22内に配置され、図式的に示されるリレー26のような適切な電流制御回路を介してDC磁石電源24によって電力供給される超伝導磁石巻線20を含む。例示的なリレー電流制御器26は単にバイナリ（オン/オフ）電流制御を提供するだけであるが、より一般的には、磁石電源24及び制御回路26は、ゼロから目標値まで徐々に電流を増加させるなど（この場合、リレー26は、漸進的電流アンペアのランプアップ及びランプダウンになるように省略されてもよい）、より精巧な電流制御を提供する。このようなより精巧な制御は、例えば、電子マイクロコントローラの制御下で電子可変抵抗などを介して容易に実現される。磁石巻線の非常に高いインダクタンス、及び渦電流及び/又は機械的応力誘起クエンチのために、漸進的な電流アンペア変化は好ましい。
【００２２】
磁石巻線20は、典型的には20K未満の臨界温度（TC）を有するニオブチタン、ニオブ-スズなどの適切な超伝導材料を含む。極低温容器22は、超伝導巻線20を収容し、空気との接触を防止し、結果として巻線20上に凝結した氷の蓄積を防止し、巻線20が超伝導のために臨界温度(TC）未満の温度に維持される極低温環境を提供する目的を果たす。いくつかの実施形態では、極低温容器22は、磁石巻線20がその中に浸漬される液体ヘリウム（LHe）を含む真空ジャケット付き極低温デュワーである。他の考えられる実施形態では、極低温容器22は、内部に巻線20が配置される真空排気中央体積を有することができ、巻線20は、例えばLHeを約4Kの温度を達成するために、作動流体としてガスヘリウムを使用する極低温冷凍器を使用して容器壁を冷却することによって、及び／又はLHeを壁プレナム内に流すことによって、TCより低い温度に維持される容器壁と熱的に連通する。超伝導巻線20及び極低温容器22が概略的に図示されており、これらの構成要素の構成は、特定の用途及び特定の用途設計目的及び制約のために選択されていることが強調される。
【００２３】
引き続き図1を参照してさらに図2を参照すると、超伝導巻線20に電気的接続がなされてもよく、そのような接続はその後、物理的に巻線20にアクセスするために、極低温容器22を開放することなく自動的に切断されてもよい。このような電気的接続及び切断は、自動化電気的接続/切断装置30によって達成される。以下では、磁石巻線20の単一の端子を接続/切断するための電流経路を図示し説明する。しかしながら、少なくとも2つのこのような接続が電流を磁石巻線20の中に流し、それを通じて流し、それから流す（すなわち、完全な回路を形成するため）に設けられ、例えば、巻線20が、2つ以上の別個に駆動可能な巻線セクションを有する場合、3つ以上のこのような電気的接続の提供が考慮されることは理解される。極低温容器22を開かずに電気的接続/非接続を可能にするために、電気的接続/切断装置30は、極低温容器22に接続される封止容器32内に収容される。例えば、封止容器32は、（例えば、極低温容器が電気的接続/切断装置のハウジングを形成するように、極低温容器22の鍛造容器の突出部として形成されるか、又は極低温容器内に配置される）極低温容器22に一体化され、又は極低温容器22に溶接され、又は、係合する真空フランジで極低温チャンバ22にボルト止めされることができる。装置ハウジング32内の内部空間34は、制御される雰囲気を含む。図1及び図2の例示的な例では、制御される雰囲気は真空であり、装置ハウジング32に固定される1つ又は複数の真空ポンプ（図示せず）及び/又はこの容器が一つ又はそれより多くの真空空間を有する場合、接続される極低温容器22の真空排気によって維持される。他の実施形態では、制御される雰囲気は異なっていてもよい。例えば装置ハウジングは、ガスヘリウムで埋め戻すことができ、極低温容器22（図4の実施形態を参照）に収容されるLHeの表面から放出されるガスヘリウムで埋め戻すことができる。制御される雰囲気は、後述するように約4Kの低温であり得る極低温表面上に凝縮物（例えば、氷、凝縮した窒素）の蓄積を避けるように選択されるべきである。例示的な実施形態では、内部空間34は、磁石巻線20を含む極低温容器22の体積部と流体連通するので，両方の体積が同じ制御雰囲気（例えばガスヘリウム又は真空）を含む。しかしながら、異なる雰囲気を含むことができるように、2つの体積の間の界面に気密（又は少なくとも低リーク）シールを設けることが考えられる。
【００２４】
高電流封止電気フィードスルー36は、自動電気接続/切断装置30の封止ハウジング32を通じた電気的結合を提供する。高電流封止電気フィードスルー36は、封止封入体32を通じて最大定格磁石ランピング電流アンペア数（これは、磁石設計において数百オーダになる）を運ぶように定格化される。封止フィードスルー36は、内部空間34内の真空を維持するために封止される。
【００２５】
封止電気フィードスルー36は、電気的に操作されるコンタクタ40に電力を供給し、最大定格磁石傾斜電流アンペア数に対して再び定格化される。 （描写空間の制約のため、装置30のいくつかの構成要素は、図2の拡大断面図にのみ示されており、図1のより小さい図には示されていない）。磁石巻線20は、持続電流で通常動作し、開放コンタクタ40は封止フィードスルー36からの熱経路を破壊するため、コンタクタ40は好ましくは常開である。図2は、コンタクタ40がその常開位置又は状態にあることを示す。例示的なコンタクタ40は、接触を閉じるために付勢されるときに導電体44を持ち上げて電気端子46,47と接触（すなわち係合）して電流を導通するアクチュエータ42を含む電気機械装置である。コンタクタ40は、装置ハウジング32の外部から印加されるアクチュエータ信号によって閉じられる（すなわち、閉状態に移行する）ように作動される。アクチュエータ信号は、例えば、アクチュエータ42の永久磁石を引く外部電磁石（図示せず）によって印加される磁界であってもよく、それを上方に引っ張り、電気導体44を持ち上げる。（変形実施形態では、導電体は一方の電気端子と連続的に電気的に接触しており、アクチュエータは、導体をヒンジの周りで回転又は揺動させて他方の電気端子と接触する。）他の実施形態では、アクチュエータ42は、適切な封止電気フィードスルー（図示せず）によってハウジング32を通過するリードによって付勢される内部電磁石を含む。固体電子部品、例えば固体リレーの代替が考えられるが、固体コンタクタは、好ましくは、最小の熱コンダクタンスを提供するように選択されるべきである。固体構成要素の場合、アクチュエータは、例えば、固体構成要素のゲート回路であってもよい。
【００２６】
例示的な電気機械コンタクタ40は、その常開位置にあるとき、熱開放回路を提供するのが有利である。しかしながら、コンタクタ40が閉じているとき、熱経路が、通常ほぼ室温（例えば293Kまで）で、接触導電体44を通ってコンタクタ40の磁石側端子47まで、封止されるフィードスルー36から存在する。他方では、電流が接続されるべき超伝導磁石巻線20の端部20Eは、磁石巻線温度である。典型的な超伝導巻線材料については約4Kである。
【００２７】
例示的な自動電気接続/切断装置30は、この大きな熱傾斜を2つの段階でブリッジする。この目的のために、時にはコールドヘッド50と呼ばれることもある二段階圧縮ヘリウム極低温冷凍器50は、室温よりも低く超伝導巻線20の超伝導材料の臨界温度TCを上回る第1段階の温度T1における第1段階の熱ステーション52と、超伝導巻線20の超伝導材料の臨界温度TCよりも低い第2段階の温度T2における第2段階の熱ステーション54とを維持する。すなわち、T1>T2>TCである。後述するように、熱シールド56は、第1段階の温度T1付近に維持される。第1段階の温度T1は、HTSリード60を含む高温超伝導体（HTS）材料の臨界温度TC、HTSよりも低くなければならず、これについては以下でさらに説明する。いくつかの実施形態では、第1段階の温度T1は、超伝導巻線20のTCに依存してT2のわずかに高い温度が考慮されるが、第1段階の温度T1は、25乃至80Kの範囲内にあり、第2段階の温度T2は約4KのLHe沸点に近い。極低温冷凍器50は、例えば圧縮ヘリウムガスを使用する典型的な2段階コールドヘッドになる（圧縮器及びヘリウムガスホースは図示されていない）。
【００２８】
第1段階の熱ステーション52は、好ましくは、第2段階の熱ステーション54によって維持されるより低い温度T2で、構成要素を部分的又は全体的に囲む熱遮蔽を提供するように設計される。例示的な実施形態では、熱遮蔽構成は、例示的な熱シールド56によって実現される。それらは例えばアルミニウム合金封入体であってもよいが、他の熱伝導性の金属又は材料が代替的に考えられる。熱シールド56は、銅などの熱伝導性のコネクタケーブルによって、又は対流冷却システム（図示せず）によって提供される、第1段階の熱ステーション52との熱接続によって、ほぼ第1段階の温度T1に維持される。熱シールド56は、例えばハウジング32から離間することによって、装置ハウジング32から熱的に絶縁されている。
【００２９】
HTSリード60は、ほぼ第1段階の温度T1に保持される第1端部62と、ほぼ第1段階の温度T2に保持される第2端部64とを有する。 HTSリード60は、ビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（BSCCO）、イットリウムバリウム銅酸化物（YBCO）、又は二ホウ化マグネシウム（MgB 2）などの高温超伝導体（HTS）材料からなる。 HTS材料は、必ずしもではないが、典型的にはセラミック材料であり、比較的高い超伝導臨界温度を有する。例えば、BSCCO及びYBCO材料ファミリーのメンバーは、約90K以上のTC、HTSを有するが、MgB2は39KぐらいのTC、HTSを有する。概して、HTSは少なくとも25KのTC、HTSを有するべきである。従って、第1の端部62をT1に保持し、第2の端部64をT2に保持した状態で、T1 < TC、HTS及びT2 <T1である限り、HTSリード60は超伝導状態に維持される。したがって、T1の最大許容値は、HTSリード60の超伝導臨界温度TC、HTSによって決定される。
【００３０】
コンタクタ40の磁石側端子47は、1つ以上の導電体70,71によってHTSリード60の第1の端部62と電気的に接続される。これは、封止コンタクタ40とHTSリード60の第1の端部62との間の電流を供給する。 HTSリード60の磁石側端子47、導体70,71、及び第1の端部62を含む電気経路のこの部分は、第1段階の熱ステーション52との熱接触によって、ほぼ第1段階の温度T1に維持される。図2の例示的な実施形態では、この熱接触は、熱シールド56を介して達成され、熱伝導性であるが電気的に絶縁されている素子74が熱シールド56と導電体70,71との間に配置され、金属熱シールド56への電気的短絡を防止する。介在される熱伝導性であるが電気的に絶縁されている素子74は、例えば、G10ファイバーグラスマットのような薄いファイバーグラスであってもよい。これらの構成要素47,70,71,62は第1段階の温度T1付近に維持されているが、HTSリード60の第1の端部62がその超伝導臨界温度TC、HTSよりも低く維持される限り、正確にT1からのかなりのずれが考慮され、許容される。実際には、ほぼ第1段階の温度T1に維持されるこれらの構成要素47,70,71,62の温度は、周囲の装置封入体32からの熱伝達のために、実際にはT1よりやや高い温度であり、ほぼ室温であり、熱シールド56の温度をT1より上に上昇させる可能性がある。ここでも、これは、HTSリード60の第1の端部62の温度がその超伝導臨界温度TC、HTSより低く保たれる限り許容される。
【００３１】
第1段階の温度T1（例えば、いくつかの実施形態では25K乃至80K）から（超伝導巻線20の接続端20Eの温度以下である）温度T2への熱遷移は、約T1の第1の端部62から約T2の第2の端部64までのHTSリード60の長さにわたる温度傾斜（低下）によって実現される。温度安定性を維持するために、HTSリード60の第2の端部64は、好ましくは、図2に概略的に示すように、第2段階の熱ステーション54との熱接触によってほぼ第2段階の温度T2に維持される。この熱接触は、銅導体又は他の熱伝導材料経路を介する導電性熱接触、例えば流れるガスヘリウム又はLHeを介する対流熱接触などのような様々な形態をとり得る。HTSリード60の第2の端部64は、端部20EのファイバとHTSリード60の第2の端部64との織り合わせなどの何れかの適切な手法によって、超伝導巻線20の端部20Eと電気的に接続される。第2の端部64は、超伝導磁石巻線20の動作温度とほぼ同じ又はそれより下の温度T2にあるため、この電気接続は熱伝導性にもなり得る。
【００３２】
第1段階の熱ステーション52の目的は、ランピング中の熱負荷を極低温冷凍システムの第1段階の熱ステーション52にそらし、それによってHTSリード60及び超伝導磁石巻線20の近位端20Eの加熱を制限することにある。これらの熱負荷は、HTSリード60及び超伝導磁石巻線20が、機能するために低温（それぞれの超伝導臨界温度TC、HTS及びTC未満）に維持されるようにそらされる。好ましくは、第1段階の熱ステーション52は、熱伝導性であるが電気的に絶縁性の絶縁材料74の使用を介して磁石グランドから電気的に絶縁されている。
【００３３】
HTSリード60の目的は、より具体的には80Kより下の（実際には導電性要素47,70,71によって搬送される）第1段階の熱ステーション52（より具体的にはHTSリード60のTC、HTSの下）と、約4K（より詳細には巻線20のTCの下）である超伝導磁石巻線20との間で一般的に数百アンペアの主磁石ランプ電流を搬送する。 HTSリード60は、従来の非超伝導リードの場合のように4K超伝導磁石巻線20に有害な高い熱負荷を伝導することなく、磁石巻線20の接続端20Eに電流を運ぶ。
【００３４】
前述のように、図2は、磁石巻線20の一端20Eに給電するための1つの電気経路を示している。磁石巻線20に電流を供給するための閉回路を設けるために、2つの端部20Eが同様に給電されなければならず、磁石が2つ以上の別々に駆動される巻線セクションを含む場合、2つ以上が必要とされる。したがって、フィードスルー36、コンタクタ40、導体70,71、及びHTSリード60を含む電流経路の別個の例が、磁石巻線の各接触端に設けられる。共通の装置ハウジング32、極低温冷凍器50、及び熱シールド56は、このような電流経路のすべてに対応することができる。持続モードで超伝導コイルの2つの端部20Eを短絡する持続スイッチも図示されていない。このスイッチは、2つの端部をリンクの周りに巻かれた抵抗加熱器と接続する超伝導リンクとして好適に実施される。持続モードでは、ヒーターはオフであり、超伝導リンクは端部を短絡する。電流がランプされるとき、抵抗性ヒーターがオンにされて、リンクを抵抗状態に遷移させるようにリンクを臨界温度TCより上に加熱する。
【００３５】
図3を参照して、図1及び図2の自動電気接続/切断装置30を使用して適切に実行される磁石ランププロセスについて説明される。想定される開始点80は、磁石10がシャットダウン（持続電流なし）又は持続電流により定常状態で動作することである。この状態では、コンタクタ40は、その常開位置にある（したがって、コンタクタ40において熱開回路も提供する）。持続スイッチ（図示せず）も超伝導状態（ヒータオフ）にある。操作82において、コンタクタ40が閉じるように起動されて、フィードスルー36から超伝導巻線20の端部20Eへ電気経路が提供される。好ましくは、磁石電源24は、最初は電流を出力しないように設定されるので、高誘導性磁石巻線20を通る電流の瞬間的な変化はない（従って、超伝導体のクエンチに至りうる高い誘導電圧を回避する）。動作84において、電流は、閉じた流路36,40,70,71,60を介して磁石巻線20に印加される。持続スイッチを通常状態（ヒータオン）に切り替える前に、（持続電流が磁石巻線20に流れている場合）電流は持続電流に一致する。オペレーション86では、所望の静（B0）磁場が得られるように、磁石電源24を使用して所望の電流ランプが印加される。 （このターゲットは、磁石10に通電しないためにB0= 0とすることができる）。得られた所望のB0磁場（等価的に所望の磁石巻線電流）を用いて、持続スイッチは超伝導状態（ヒータオフ）に戻され、動作90で電流を除去する。最後に、動作92において、コンタクタ40は、開放される熱回路を元に戻すために開かれる（通電されない）。
【００３６】
図4を参照すると、液体ヘリウム（LHe）154に浸漬される超伝導磁石と共に使用するのに適した自動電気接続/切断装置130の代替実施形態が記載されている。この代替装置130のほとんどの構成要素は、図2の装置30の対応する構成要素と同一であり、これらの同一構成要素には対応する参照番号が付されている。装置130は、第2段階の熱ステーション54が省略されているか、又は代替的に、磁石巻線が浸漬されるLHe154によって提供される点で、装置30と異なる。LHe154は約4Kであり、この実施形態では第2段階の温度T2として扱うことができる。したがって、極低温冷凍器50は、図2の実施形態の第2段階の熱ステーション54を省略する単一の段階の極低温冷凍器とすることができる。LHe154の液体レベル155は、図4に図式的に示されている。LHe液体レベル155の下に位置される何れの構成要素もLHe154に浸漬され、したがってT2≒4Kである。この実施形態では、HTSリード60は、第1の端部62の下方に第2の端部64と垂直に配向されている。特に、第2の端部64は、LHeレベル155より下にあり、したがってLHe154に浸漬される。したがって第2の端部64は、LHe154が図2の装置30における第2段階の熱ステーション54として同様の機能を果たすように、温度T2≒4Kに保持される。装置130の動作は、装置30について既に説明した通りである。装置30と比較される他の違いとして、図4の装置130において、装置ハウジング32内の内部空間34は、真空ではなく、LHe154の表面155から放出されるガスヘリウムで満たされる。この点に関して、いくつかの変形実施形態では、装置130は、磁石巻線を含む極低温容器を形成するLHe極低温デュア内に完全に配置され、規定される別個のハウジング32及びフィードスルー36は、磁石巻線を含む極低温容器の外部壁に侵入する。
【００３７】
本発明を好ましい実施形態を参照して説明した。前述の詳細な説明を読んで理解すると、他の人に修正や変更が行われることがある。本発明は、添付の特許請求の範囲又はその均等物の範囲内に入る限りにおいて、そのような改変及び変更の全てを含むと解釈されることが意図される。
【図１】
2019520097.tif 000003
【図２】
2019520097.tif 000004
【図３】
2019520097.tif 000005
【図４】
2019520097.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成30年10月11日(2018.10.11)
【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】
超伝導磁石巻線に電気的に接続し、前記超伝導磁石巻線から電気的に切断するための自動電気接続/切断装置であって、前記装置は、
コンタクタであって、前記コンタクタが開いているときに互いに電気的に絶縁され、前記コンタクタが閉じられているときに電気的に接続される電気端子及びアクチュエータを有する、コンタクタと、
少なくとも25Kの超伝導臨界温度を有する高温超伝導体リードと、
前記コンタクタの磁石側電気端子及び前記高温超伝導体リードの第1の端部を電気的に接続する一つ又はそれより多くの導電体であって、前記高温超伝導体リードの第2の端部が、前記超伝導磁石巻線に接続される、又は接続するように構成される、導電体と
を有する、自動電気接続/切断装置。
【請求項２】
前記高温超伝導体リードの前記第1の端部に熱的に接続される第1段階の熱ステーションであって、前記第1段階の熱ステーションは、前記高温超伝導体リードの前記超伝導臨界温度よりも低い第１段階の温度を有する、第1段階の熱ステーション
を更に有する、請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記高温超伝導体リードの前記第2の端部に熱的に接続される第2段階の熱ステーションであって、前記第2段階の熱ステーションは、前記超伝導磁石巻線の前記超伝導臨界温度よりも低い第2段階の温度を有する、第2段階の熱ステーション
を更に有する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第1段階の熱ステーション及び前記第2段階の熱ステーションを有する2段階圧縮ヘリウム極低温冷凍器
を更に有する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記高温超伝導体リードの前記第2の端部が、前記磁石巻線が浸漬される液体ヘリウム内に配置されるように構成される、請求項2に記載の装置。
【請求項６】
前記第1段階の熱ステーションと熱的に接触する熱シールド
を更に有する、請求項2乃至5の何れか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記コンタクタ、前記高温超伝導体リード、及び一つ又はそれより多くの導電体の少なくとも前記電気端子を含む内部空間を備える装置ハウジングと、
前記コンタクタが開いているときに前記コンタクタの前記磁石側端子から絶縁される前記コンタクタの第2の電気端子と電気的に接続され、前記装置ハウジングの壁を通じて通過する封止電気フィードスルーと
を有する、請求項1乃至6の何れか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記コンタクタは、前記アクチュエータの作動に応答して前記コンタクタを閉じるように動く導電体をさらに含む常開電気機械コンタクタである、請求項1乃至７の何れか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記高温超伝導体リードは、ビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物、イットリウムバリウム銅酸化物、又は二ホウ化マグネシウムを含む、請求項1乃至８の何れか一項に記載の装置。
【請求項１０】
超伝導磁石であって、
極低温容器と、
前記極低温容器内に配置される超伝導磁石巻線と、
前記極低温容器を通過する封止電気フィードスルーと、
コンタクタであって、前記極低温容器内に配置され、アクチュエータと、前記封止電気フィードスルーと電気的に接続されるフィードスルー側電気端子と、前記コンタクタが開いているときに前記フィードスルー側電気端子から電気的に絶縁され、前記コンタクタが閉じられているときに前記フィードスルー側電気端子と電気的に接続される磁石側電気端子とを有する、コンタクタと、
前記極低温容器内に配置される高温超伝導体リードと
を有し、
前記高温超伝導体リードは、前記コンタクタの前記磁石側電気端子と電気的に接続される第1の端部と、前記超伝導磁石巻線と電気的に接続される第2の端部とを有する、
超伝導磁石。
【請求項１１】
前記高温超伝導体リードの前記第1の端部に熱的に接続される第1段階の熱ステーションであって、前記第1段階の熱ステーションは、前記高温超伝導体リードの前記超伝導臨界温度よりも低い第１段階の温度を有する、第1段階の熱ステーション
を更に有する、請求項10に記載の超伝導磁石。
【請求項１２】
前記高温超伝導体リードの前記第2の端部に熱的に接続される第2段階の熱ステーションであって、前記第2段階の熱ステーションは、前記超伝導磁石巻線の超伝導臨界温度よりも低い第2段階の温度を有する、第2段階の熱ステーション
を更に有する、請求項１１に記載の超伝導磁石。
【請求項１３】
前記第1段階の熱ステーション及び前記第2段階の熱ステーションを有する2段階圧縮ヘリウム極低温冷凍器
を更に有する、請求項１２に記載の超伝導磁石。
【請求項１４】
前記極低温容器は、前記超伝導磁石巻線を液体ヘリウムに浸漬するように構成される液体ヘリウム容器であり、
前記高温超伝導体リードの前記第2の端部は、前記高温超伝導体リードの前記第1の端部の下に配置され、前記磁石巻線が浸漬される前記液体ヘリウムの液体レベルの下に配置される、
請求項１１に記載の超伝導磁石。
【請求項１５】
前記第1段階の熱ステーションと熱的に接触し、前記高温超伝導体リード及び前記コンタクタの少なくとも前記磁石側電気コンタクトを部分的に又は全体的に囲む熱シールド
を更に有する、請求項１１乃至１４の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【国際調査報告】
2019520097.tif 000007
2019520097.tif 000008