(57)【要約】【課題】クエンチの発生を低減して安定的に運転することができる超電導磁石装置の運転技術を提供する。【解決手段】超電導磁石装置１の運転方法は、冷却部５を用いて超電導コイル２および永久電流スイッチ３を冷却して超電導に転移させるステップと、冷却部５による冷却を継続しつつ、ヒータ８を用いて永久電流スイッチ３を臨界温度Ｔ３よりも高い温度Ｔ４にして常電導に転移させるステップと、主電源４を用いて超電導コイル２に電流を供給するステップと、ヒータ８を制御して永久電流スイッチ３の温度を臨界温度Ｔ３よりも低い定常運転温度Ｔ１に向けて下げ始めるステップと、主電源４から供給される電流を下げ始めることにより、超電導コイル２を流れる電流を永久電流スイッチ３に流し始めるステップと、を含む。【選択図】  図６
2019096648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却部を用いて超電導コイルおよび永久電流スイッチを冷却して超電導に転移させるステップと、
前記冷却部による冷却を継続しつつ、ヒータを用いて前記永久電流スイッチを臨界温度よりも高い温度にして常電導に転移させるステップと、
主電源を用いて前記超電導コイルに電流を供給するステップと、
前記ヒータを制御して前記永久電流スイッチの温度を前記臨界温度よりも低い定常運転温度に向けて下げ始めるステップと、
前記主電源から供給される電流を下げ始めることにより、前記超電導コイルを流れる電流を前記永久電流スイッチに流し始めるステップと、
を含む超電導磁石装置の運転方法。
【請求項２】
前記永久電流スイッチに流れる電流の増加率に対応する低下率で前記永久電流スイッチの温度を下げるステップを含む請求項１に記載の超電導磁石装置の運転方法。
【請求項３】
前記永久電流スイッチの臨界電流と温度との対応関係を予め実験または解析して求めるステップと、
前記永久電流スイッチの温度の低下に対応して増加する前記臨界電流を超えない範囲で前記永久電流スイッチに流れる電流を増加させるステップと、
を含む請求項１または請求項２に記載の超電導磁石装置の運転方法。
【請求項４】
前記永久電流スイッチの温度が前記定常運転温度に到達する前に、前記主電源による電流の供給を停止するステップを含む請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置の運転方法。
【請求項５】
前記永久電流スイッチに流れる電流が定常運転時の値になったときの前記永久電流スイッチの温度を、さらに０．３Ｋ以上低下させて定常運転に移行するステップを含む請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超電導磁石装置の運転方法。
【請求項６】
時間ｔにおける前記永久電流スイッチに流れる電流の値をＩｔ（ｔ）とし、
時間ｔにおける前記永久電流スイッチの温度をＴ（ｔ）とし、
温度Ｔにおける前記永久電流スイッチの臨界電流の値をＩＣ（Ｔ）とした場合に、
前記永久電流スイッチの温度を下げるときに、Ｉｔ（ｔ）＜ＩＣ（ｔ）とし、かつ時間変化率を（ｄＩｔ／ｄＩＣ）≦１とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超電導磁石装置の運転方法。
【請求項７】
前記永久電流スイッチの温度の低下開始時から低下完了時までの期間よりも、前記永久電流スイッチに流れる電流の増加開始時から増加完了時までの期間が短い請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超電導磁石装置の運転方法。
【請求項８】
前記永久電流スイッチの温度の低下速度が毎分１Ｋ以下である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超電導磁石装置の運転方法。
【請求項９】
超電導コイルと、
永久電流スイッチと、
前記超電導コイルおよび前記永久電流スイッチを冷却して超電導に転移させる冷却部と、
前記冷却部による冷却を継続しつつ、前記永久電流スイッチを臨界温度よりも高い温度にして常電導に転移させるヒータと、
前記超電導コイルに電流を供給する主電源と、
前記ヒータを制御して前記永久電流スイッチの温度を前記臨界温度よりも低い定常運転温度に向けて下げ始めるヒータ制御部と、
前記主電源から供給される電流を下げ始めることにより、前記超電導コイルを流れる電流を前記永久電流スイッチに流し始める主電源制御部と、
を備える超電導磁石装置。
【請求項１０】
前記永久電流スイッチに流れる電流の増加率に対応する低下率で前記永久電流スイッチの温度を下げる温度制御部を備える請求項９に記載の超電導磁石装置。
【請求項１１】
前記永久電流スイッチの温度を検出する温度センサを備え、
前記温度センサにて検出した温度に基づいて、前記主電源制御部が前記永久電流スイッチに流れる電流の増加率を制御し、前記温度制御部が前記永久電流スイッチの温度の低下率を制御する請求項９または請求項１０に記載の超電導磁石装置。
【請求項１２】
前記永久電流スイッチが超電導線材を無誘導に巻回した円筒形を成し、
前記円筒形の軸の方向を前記超電導コイルから生じる磁力線の方向に一致させた状態で前記永久電流スイッチが配置される請求項９から請求項１１に記載の超電導磁石装置。
【請求項１３】
前記冷却部が伝導冷却型である請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項１４】
前記冷却部が含浸冷却型である請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、永久電流モードで運転が可能な超電導磁石装置の運転技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超電導磁石装置では、急激に超電導状態が消失するクエンチが生じる可能性がある。この超電導磁石装置を安定に運転するために、永久電流モードの設定時にＰＣＳ（永久電流スイッチ）の温度を上昇させる操作を行い、その後に、ＰＣＳの温度を実使用状態の温度まで下げるという着想がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２０３７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の着想にあっては、永久電流モードの設定時にＰＣＳの温度を上昇させるので、この温度上昇時にクエンチが生じるリスクがある。つまり、具体的な制御内容が完成しておらず、実用化された技術ではなかった。また、近年、超電導磁石装置の普及に伴い、長期間に亘って運転を行う機会が増してきており、運転中にクエンチが生じる可能性が高まっている。そのため、クエンチの発生を低減して安定的に運転することができる超電導磁石装置の要望がある。
【０００５】
本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、クエンチの発生を低減して安定的に運転することができる超電導磁石装置の運転技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態に係る超電導磁石装置の運転方法は、冷却部を用いて超電導コイルおよび永久電流スイッチを冷却して超電導に転移させるステップと、前記冷却部による冷却を継続しつつ、ヒータを用いて前記永久電流スイッチを臨界温度よりも高い温度にして常電導に転移させるステップと、主電源を用いて前記超電導コイルに電流を供給するステップと、前記ヒータを制御して前記永久電流スイッチの温度を前記臨界温度よりも低い定常運転温度に向けて下げ始めるステップと、前記主電源から供給される電流を下げ始めることにより、前記超電導コイルを流れる電流を前記永久電流スイッチに流し始めるステップと、を含む。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の実施形態により、クエンチの発生を低減して安定的に運転することができる超電導磁石装置の運転技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態の超電導磁石装置を示す断面図。
【図２】本実施形態の超電導磁石装置を示すブロック図。
【図３】本実施形態の超電導磁石装置を示す回路図。
【図４】本実施形態の電流密度分布の模式図と超電導線材の断面図。
【図５】従来技術の電流密度分布の模式図と超電導線材の断面図。
【図６】本実施形態の超電導磁石装置の運転パターンを示すグラフ。
【図７】従来技術の超電導磁石装置の運転パターンを示すグラフ。
【図８】本実施形態の超電導磁石装置の運転パターンを示すグラフ。
【図９】従来技術の超電導磁石装置の運転パターンを示すグラフ。
【図１０】本実施形態の超電導線材の臨界電流値と温度を示すグラフ。
【図１１】本実施形態の超電導磁石装置の試験結果を示すグラフ。
【図１２】本実施形態の超電導コイルと永久電流スイッチを示す模式図。
【図１３】本実施形態および比較例の永久電流スイッチを示す図。
【図１４】本実施形態の超電導磁石装置の運転方法を示すフローチャート。
【図１５】本実施形態の超電導磁石装置の変形例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。まず、本実施形態の超電導磁石装置について図１から図１５を用いて説明する。図１の符号１は、永久電流モードで運転が可能な超電導磁石装置である。なお、永久電流モードとは、超電導磁石装置１を構成する回路が閉ループを成し、この回路が冷却されて超電導に転移されたときに、電流が閉ループに沿っていつまでも流れる運転態様のことである。
【００１０】
図１に示すように、超電導磁石装置１は、超電導コイル２（主コイル）と、この超電導コイル２とともに超電導回路を構成する永久電流スイッチ３と、超電導コイル２に電力を供給する主電源４と、超電導コイル２および永久電流スイッチ３を冷却するための冷却部５と、超電導コイル２および永久電流スイッチ３にそれぞれ接続されて冷却部５に熱を伝導する伝導部６と、超電導コイル２および永久電流スイッチ３を収容する真空容器７と、永久電流スイッチ３を加熱するためのヒータ８と、ヒータ８に電力を供給するヒータ電源９と、永久電流スイッチ３の温度を検出する温度センサ１０と、各部品を制御する制御装置１１と、永久電流スイッチ３に用いる超電導線材の臨界電流と温度との対応関係を予め解析する解析部１２とを備える。なお、以下の説明において、永久電流スイッチをＰＣＳ（Persistent Current Switch）と略記する場合がある。
【００１１】
真空容器７の内部には、外部から内部に伝わる熱を遮蔽するための輻射シールド２１が設けられる。超電導コイル２および永久電流スイッチ３は、輻射シールド２１により囲まれている。なお、輻射シールド２１は、シールド用伝導部２３を介して冷却部５に接続されている。
【００１２】
なお、冷却部５には、輻射シールド２１を冷却する第１冷却ステージ２４と、超電導コイル２および永久電流スイッチ３を冷却する第２冷却ステージ２５とが設けられる。また、それぞれの冷却ステージ２４，２５で冷却を行うことで、超電導コイル２および永久電流スイッチ３を想定する温度に冷却する。さらに、輻射シールド２１が設けられることで、外部からの熱輻射によって超電導コイル２および永久電流スイッチ３の温度が上昇してしまうことを防止することができる。
【００１３】
本実施形態の超電導磁石装置１は、超電導コイル２および永久電流スイッチ３と冷却部５とが伝導部６で熱的に接続された伝導冷却方式を例示している。伝導部６は、アルミニウムまたは銅などの良熱伝導性を示す材質で形成される。冷却部５は、極低温冷凍機（ＧＭ冷凍機など）で構成される。冷却部５が伝導冷却型であるため、液体ヘリウムなどの冷媒が必要ないので、超電導コイル２および永久電流スイッチ３を簡易に冷却することができる。また、永久電流スイッチ３およびヒータ８が液体ヘリウムなどに浸漬されていないので、永久電流スイッチ３を加熱する際に、ヒータ８の入熱量に対して永久電流スイッチ３の温度が敏感に反応する。
【００１４】
次に、超電導磁石装置１のシステム構成を図２に示すブロック図を参照して説明する。この図２に示すように、制御装置１１は、各部品を統括して制御する主制御部１３と、主電源４を制御する主電源制御部１４と、永久電流モードの開始時の永久電流スイッチ３の温度を制御する温度制御部１５と、ヒータ電源９を制御するヒータ制御部１６と、冷却部５を制御する冷却制御部１７と、永久電流モードの開始時に永久電流スイッチ３の温度を制御するための温度制御設定を記憶する設定記憶部１８と、時間の経過を計時する計時部１９（ＲＴＣ：Real-Time Clock）とを備える。
【００１５】
また、解析部１２は、永久電流スイッチ３に用いる超電導線材の臨界電流と温度との対応関係を予め解析し、温度制御設定を決定する。この解析部１２には、永久電流スイッチ３に用いる超電導線材の材質などの各種データが入力される。なお、永久電流スイッチ３に用いる超電導線材の臨界電流と温度との対応関係は、実験（実測）によって求められるものでも良い。さらに、この対応関係は、実験結果を解析（計算）することで求められるものでも良い。
【００１６】
本実施形態の制御装置１１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤなどのハードウェア資源を有し、ＣＰＵが各種プログラムを実行することで、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源を用いて実現されるコンピュータで構成される。さらに、本実施形態の超電導磁石装置１の運転方法は、プログラムをコンピュータに実行させることで実現される。
【００１７】
なお、超電導コイル２および永久電流スイッチ３は、超電導物質の導体を有する超電導線材（巻線）が巻回されたコイルである。図３に示すように、永久電流スイッチ３は、その両端が超電導コイル２の両端に接続されている。つまり、超電導コイル２と永久電流スイッチ３とで並列回路を構成する。そして、永久電流モードのときには、超電導コイル２と永久電流スイッチ３とで閉ループＬ（永久電流コイル）が形成される。
【００１８】
さらに、ヒータ８は、永久電流スイッチ３に熱が伝わる構成をとることができればどのような構成のものでも良い。例えば、フィルム状のヒータ、または電熱線状のヒータなどが挙げられる。フィルム状のヒータを用いる場合には、ヒータ８を永久電流スイッチ３の表面に接着する、或いは永久電流スイッチ３を構成する超電線材の層間に挿入して接着するなどの構成が望ましい。また、電熱線状のヒータを用いる場合には、永久電流スイッチ３の表面に電熱線を巻きつける、或いは永久電流スイッチ３を構成する超電導線材に沿って電熱線を共巻する構成が望ましい。
【００１９】
また、超電導物質の導体は、臨界温度以下、臨界磁場以下、さらに臨界電流以下の３条件が揃った環境で電気抵抗がゼロの状態（超電導状態）で電流を流すことができる。従って、この電気抵抗がゼロの状態で、超電導コイル２と永久電流スイッチ３とで形成された閉ループＬに電流を流すと、電流は殆ど減衰することなくほぼ一定値を維持することができる。また、閉ループＬに流れる電流は、揺らぎが生じ難くなっているので、非常に安定度が高い一定磁場を発生し続けることができる。このような超電導技術は、例えば、０．１ｐｐｍ／ｈ以下の高い磁場安定度を要求する医療用のＭＲＩ、または分子構造分析用のＮＭＲなどに応用されている。
【００２０】
また、永久電流スイッチ３は、高電気抵抗の常電導状態（ＯＦＦ状態）と電気抵抗がゼロの超電導状態（ＯＮ状態）とを切り替えることができる。ここで、永久電流スイッチ３がＯＮ状態となると、超電導コイル２と永久電流スイッチ３との閉ループＬで、永久電流モードの運転が可能になる。一方、永久電流スイッチ３がＯＦＦ状態となると、永久電流スイッチ３の高電気抵抗によって閉ループＬでの永久電流モードの運転が不可能になる。なお、永久電流スイッチ３をＯＮ状態からＯＦＦ状態にするときに投入する熱量を減らし、かつＯＦＦ状態からＯＮ状態にするときに必要となる冷却時間を低減させるために、永久電流スイッチ３は、ＯＦＦ状態のときに、できるだけ少ない量の導体で高い電気抵抗を発生させることが望ましい。
【００２１】
永久電流スイッチ３の超電導線材（巻線）は、複数本の超電導フィラメントと、これらの超電導フィラメントの周囲の母材（安定化材）とで構成される。なお、超電導フィラメントは、一般的にＮｂＴｉで形成されるが、Ｎｂ３ＳｎおよびＭｇＢ２などのＮｂＴｉ以外の超電導材料であっても良い。また、母材は、一般的に高抵抗のＣｕＮｉで形成されるが、他の銅合金または高抵抗金属でも良い。例えば、永久電流スイッチ３の温度を臨界温度（超伝導転移温度）以下に冷却して超電導状態にすると、各超電導フィラメントの電気抵抗がゼロになり、これらの超電導フィラメントを電流が流れ続ける。一方、永久電流スイッチ３の温度を臨界温度よりも高くして常電導状態にすると、高い電気抵抗が発生する。この永久電流スイッチ３の電気抵抗により超電導コイル２を励磁できる。
【００２２】
なお、ＣｕＮｉを母材として形成された永久電流スイッチ３は、銅などの低電気抵抗金属を母材として形成される場合よりも安定性が低い。例えば、永久電流スイッチ３は、冷却部５の状態などに起因する僅かな温度の変化または電流密度の変化などの小さな擾乱（揺らぎ）によってクエンチが発生してしまうおそれがある。
【００２３】
なお、超電導フィラメントに臨界電流密度に相当する電流が流れている状態を飽和状態と称して以下に説明する。また、超電導線材の断面視において、電流が流れている超電導フィラメントが存在している領域を通電領域と称して以下に説明する。
【００２４】
永久モードの運転中に、永久電流スイッチ３において飽和状態の超電導フィラメントが存在しているとクエンチが生じ易い。そこで、本実施形態では、クエンチの発生を防ぐために、永久電流モードの開始時に、永久電流スイッチ３の温度を制御しながら低下させる。なお、永久電流スイッチ３の温度は、ヒータ８により制御される。このヒータ８は、主電源４とは異なるヒータ電源９から電流を供給されている。また、永久電流スイッチ３の温度を単調減少させた後に、定常運転温度にする制御がなされる。
【００２５】
ここで、定常運転温度とは、超電導磁石装置１が永久電流モードで運転されるときの通常時の温度であって、冷却部５を用いて超電導コイル２および永久電流スイッチ３を冷却するときの目標となる温度である。この定常運転温度が維持されることで、超電導磁石装置１が永久電流モードで長時間運転される。なお、この定常運転温度は、常に一定の値ではなく、外的要因または運転態様に応じて僅かながら上下に変動する可能性がある値である。さらに、定常運転温度の変動範囲は、予測される範囲となっている。また、超電導コイル２および永久電流スイッチ３に流れる電流値、または、導体の材質および導体長などの各種構成によって、定常運転温度の変動範囲の最小値および最大値を予め特定することができる。
【００２６】
さらに、本実施形態では、永久電流モードの開始時に、永久電流スイッチ３を流れる電流を制御しながら増加させる。この永久電流スイッチ３を流れる電流は、主電源４の電流の供給量により制御される。例えば、超電導コイル２および永久電流スイッチ３が臨界温度以下に冷却されている状態において、主電源４から超電導コイル２に電流を供給している場合に、この主電源４から供給される電流を低下させると、この低下に伴って永久電流スイッチ３に流れる電流が増加する。
【００２７】
本実施形態では、永久電流スイッチ３に流れる電流の増加率に対応する低下率（割合）で永久電流スイッチ３の温度を下げるようにしている。また、超電導磁石装置１の運転開始前（製造時）に、永久電流スイッチ３の超電導線材の臨界電流値と温度との対応関係を予め実験または解析して求めておく。この求められた対応関係に基づいて、永久電流モードの開始時の永久電流スイッチ３の電流の増加率および温度の低下率を制御するようにしている。例えば、永久電流スイッチ３の温度の低下に対応して増加する臨界電流値を超えない範囲で、永久電流スイッチ３に流れる電流を増加させる制御を行う。
【００２８】
このようにすれば、永久電流スイッチ３の臨界電流値と温度との対応関係に適した電流の増加率および温度の低下率を設定することができる。また、永久電流スイッチ３に流れる電流が臨界電流値を超えないので、永久電流モードの開始時（移行時）に、クエンチの発生を低減させることができる。
【００２９】
次に、本実施形態の超電導磁石装置１の運転方法について図４から図１１を用いて説明する。なお、理解を助けるために、本実施形態と従来技術とを比較しながら説明する。図４、図６、図８は、本実施形態の超電導磁石装置１に関する図である。これらの図にそれぞれ対応している図５、図７、図９は、従来技術の超電導磁石装置に関する図である。
【００３０】
図４および図５の左側の図は、永久電流スイッチ３の超電導線材の電流密度Ｊの分布を示すグラフである。図４および図５の右側の図は、永久電流スイッチ３の超電導線材の断面図である。これら超電導線材の断面図は、複数本の超電導フィラメントとその周囲の母材の図示を省略した模式図である。
【００３１】
図６（Ａ）および図７（Ａ）は、ヒータ８の出力（ヒータ電源９から出力される電流の値）を示すグラフである。図６（Ｂ）および図７（Ｂ）は、永久電流スイッチ３の温度（ＰＣＳ温度Ｔ）を示すグラフである。図６（Ｃ）および図７（Ｃ）は、主電源４から出力される電流の値（電源出力値ＩＯＰ）を示すグラフである。図６（Ｄ）および図７（Ｄ）は、超電導コイル２を流れる電流の値（超電導コイル電流値Ｉｍ）を示すグラフである。図６（Ｅ）および図７（Ｅ）は、永久電流スイッチ３を流れる電流の値（ＰＣＳ電流値Ｉｔ）を示すグラフである。
【００３２】
図８（Ａ）および図９（Ａ）は、定常運転に近づいたときのＰＣＳ温度Ｔを示すグラフである。図８（Ｂ）および図９（Ｂ）は、永久電流スイッチ３の超電導線材の臨界電流値ＩＣを示すグラフである。図８（Ｃ）および図９（Ｃ）は、ＰＣＳ電流値Ｉｔを示すグラフである。図８（Ｄ）および図９（Ｄ）は、永久電流スイッチ３の超電導線材の負荷率（Ｉｔ／Ｉｃ）を示すグラフである。図８（Ｅ）および図９（Ｅ）は、永久電流スイッチ３の電流増加率（ｄＩｔ／ｄＩｃ）を示すグラフである。
【００３３】
図６から図９の各グラフおいて横軸は、時間ｔである。これらのグラフにおいて、ｔ１は、永久電流スイッチ３がＯＦＦ状態になったタイミングである。ｔ２は、主電源４から超電導コイル２に電流の供給を開始したタイミングである。ｔ３は、超電導コイル２を流れる電流の値が最大になったタイミングである。ｔ４は、永久電流スイッチ３の温度を下げ始めたタイミングである。ｔ５は、永久電流スイッチ３に電流を流し始めたタイミングである。ｔ６は、永久電流スイッチ３に流れる電流が定常運転時の値になったタイミングである。ｔ７は、永久電流スイッチ３が定常運転温度になったタイミングである。Ｔ１は、永久電流スイッチ３の定常運転温度である。Ｔ２は、永久電流スイッチ３に流れる電流が定常運転時の値になったときの温度である。Ｔ３は、永久電流スイッチ３の臨界温度である。Ｔ４は、ＯＦＦ状態の永久電流スイッチ３の温度である。Ｚは、永久電流スイッチ３の電流増加率の最大値である。
【００３４】
図６に示すように、本実施形態の超電導磁石装置１の運転を開始するときには、まず、主電源４およびヒータ電源９の出力を停止した状態で、冷却部５を用いて超電導コイル２および永久電流スイッチ３を冷却する。ここで、冷却された超電導コイル２および永久電流スイッチ３は、臨界温度Ｔ３以下の温度である定常運転温度Ｔ１となり、超電導に転移される。
【００３５】
次に、ヒータ電源９からヒータ８に電流を供給し、このヒータ８により永久電流スイッチ３の加熱を開始する。なお、ヒータ電源９の出力（電流値）の上昇に伴って永久電流スイッチ３の温度が上昇される。
【００３６】
図６の時間ｔ１において、ヒータ電源９は、その出力値が直ぐに最大値になる。これに対して、永久電流スイッチ３の温度は、徐々に上昇する。そして、時間ｔ２において、永久電流スイッチ３の温度が臨界温度Ｔ３を超えた状態になる。ここで、永久電流スイッチ３は、常電導状態（ＯＦＦ状態）に転移される。
【００３７】
図６の時間ｔ２において、主電源４から超電導コイル２に電流の供給を開始する。ここで、電源出力値ＩＯＰの上昇に伴って超電導コイル電流値Ｉｍが上昇する。なお、主電源４の電流供給が開始されても、永久電流スイッチ３は、常電導状態であるので永久電流スイッチ３に流れる電流は小さく、主電源４から供給された電流のほとんどは超電導コイル２に流れる。そして、電源出力値ＩＯＰおよび超電導コイル電流値Ｉｍが最大値になり、かつ永久電流スイッチ３が臨界温度Ｔ３を超える温度Ｔ４になり、これらの状態が一時的に維持される。
【００３８】
図６の時間ｔ４において、ヒータ電源９の出力値の低下が開始され、永久電流スイッチ３の温度が下がり始める。本実施形態では、ヒータ電源９の出力値を徐々に低下させることで、永久電流スイッチ３の温度を徐々に低下させる。なお、このＰＣＳ温度の低下率は一定である必要はない。つまり、時間経過とＰＣＳ温度の低下が比例している必要はない。さらに、このＰＣＳ温度の低下率が途中で変更されても良い。なお、図６では、時間経過とＰＣＳ温度の低下が比例しているグラフ（時間ｔ４から時間ｔ７まで直線状に傾くグラフ）を例示している。
【００３９】
図６の時間ｔ５において、永久電流スイッチ３の温度低下の途中のタイミングであり、かつ永久電流スイッチ３の温度が臨界温度Ｔ３以下になったタイミングで、主電源４から供給される電流を下げ始める。ここで、電源出力値ＩＯＰの低下に伴ってＰＣＳ電流値Ｉｔが上昇し始める。つまり、永久電流スイッチ３に流れる電流の増加が開始される。そして、超電導コイル２と永久電流スイッチ３とで閉ループＬ（図３参照）が形成され始める。本実施形態では、主電源４の出力値を制御することで、永久電流スイッチ３に流れる電流の増加率を制御する。さらに、ヒータ電源９の出力値を制御することで、永久電流スイッチ３の温度の低下率を制御する。
【００４０】
図６の時間ｔ６において、永久電流スイッチ３の温度低下の途中のタイミングで、主電源４から供給される電流の値がゼロになる。つまり、主電源４が停止する。ここで、超電導コイル２と永久電流スイッチ３とで閉ループＬ（図３参照）が完成する。この時間ｔ６において、永久電流スイッチ３に流れる電流が定常運転時の値になる。なお、永久電流スイッチ３の温度は、さらに低下する。
【００４１】
図６の時間ｔ７において、ヒータ電源９から供給される電流の値がゼロになる。つまり、ヒータ電源９が停止する。ここで、永久電流スイッチ３の温度が定常運転温度Ｔ１になる。この状態で、本実施形態の超電導磁石装置１の定常運転が開始される。
【００４２】
本実施形態では、時間ｔ４から時間ｔ７までの期間に、永久電流スイッチ３の温度を制御しながら低下させる。このようにすれば、クエンチの発生を低減して安定的に運転することができる。
【００４３】
これに対して従来技術では、時間ｔ４から時間ｔ６（ｔ７）までの期間の運転パターンが異なる。なお、従来技術では、永久電流スイッチ３に流れる電流が定常運転時の値になる時間ｔ６と、永久電流スイッチ３が定常運転温度になる時間ｔ７とが一致している。
【００４４】
例えば、図７に示すように、従来技術では、時間ｔ４において、ヒータ電源９の出力値を急激に低下させる。これは時間ｔ４にヒータ電源９をＯＮからＯＦＦにしただけの制御である。そのため、永久電流スイッチ３の温度も急激に低下する。ここで、永久電流スイッチ３の温度が定常運転温度Ｔ１になる。
【００４５】
図７の時間ｔ５において、既に永久電流スイッチ３の温度が定常運転温度Ｔ１まで下がった状態で、主電源４から供給される電流を下げ始める。ここで、電源出力値ＩＯＰの低下に伴ってＰＣＳ電流値Ｉｔが上昇し始める。つまり、永久電流スイッチ３に流れる電流の増加が開始される。
【００４６】
図７の時間ｔ６（ｔ７）において、主電源４から供給される電流の値がゼロになる。つまり、主電源４が停止する。ここで、超電導コイル２と永久電流スイッチ３とで閉ループＬ（図３参照）が完成する。
【００４７】
従来技術では、時間ｔ４の直後に、永久電流スイッチ３の温度を急激に低下させて定常運転温度Ｔ１に到達させる。そして、その後に永久電流スイッチ３に流れる電流の増加が開始される。なお、永久電流スイッチ３の超電導線材の内部では、自己磁界効果によって超電導線材の外周部側から臨界電流密度ＪＣで電流が流れ始める。つまり、超電導線材の外周部側から通電領域Ｓ（飽和領域）が形成し始める。
【００４８】
ここで、従来技術において、永久電流スイッチ３の超電導線材の内部の通電領域Ｓの広がり方について図５を用いて説明する。図５（Ａ）は、超電導線材に電流が流れ始めた状態（例えば、時間ｔ５の状態）である。図５（Ｂ）は、超電導線材に電流が増加途中の状態（例えば、時間ｔ５と時間ｔ６の中間の状態）である。図５（Ｃ）は、超電導線材に流れる電流が定常運転時の値になった状態（例えば、時間ｔ６の状態）である。
【００４９】
従来技術では、永久電流スイッチ３の超電導線材に電流を流し始めたときに、超電導線材の断面視において、その外周Ｑから中心Ｐに向かって通電領域Ｓが広がり始める（図５（Ａ））。永久電流スイッチ３の超電導線材は、電流を流し始める前に、既に定常運転温度Ｔ１になっている。そのため、臨界電流密度ＪＣが変化しないで、超電導線材を流れる電流のみが増加する。そして、この電流の増加とともに、通電領域Ｓが外周Ｑから中心Ｐに向かって広がる（図５（Ｂ）および図５（Ｃ））。
【００５０】
なお、このように臨界電流密度ＪＣで電流が流れている通電領域Ｓが存在すると、正帰還的な「超電導体の内部に進入した磁束の動き−磁束の動きによる温度上昇−超電導体の臨界電流密度の低下−磁束のさらなる進入」の状態となり、継続した自発的な温度上昇を起こし、クエンチが発生する可能性（磁気的不安定性）が高まる。特に、従来技術のように、臨界電流密度ＪＣが変化しないで、通電領域Ｓが広がると、クエンチが発生し易いという課題がある。
【００５１】
次に、本実施形態において、永久電流スイッチ３の超電導線材の内部の通電領域Ｓの広がり方について図４を用いて説明する。図４（Ａ）は、超電導線材に電流が流れ始めた状態（例えば、時間ｔ５の状態）である。図４（Ｂ）は、超電導線材に電流が増加途中の状態（例えば、時間ｔ５と時間ｔ６の中間の状態）である。図４（Ｃ）は、超電導線材に流れる電流が定常運転時の値になった状態（例えば、時間ｔ６の状態）である。
【００５２】
本実施形態では、最初から広い通電領域Ｓを確保する。例えば、通電領域Ｓの内半径は以下の数式１により求めることができる。
（数式１）
ｒＳ＝ｒＷ×[１−（Ｉｔ／ＩＣ）]０．５
ここで、ｒＳは、通電領域Ｓの内半径、ｒＷは、超電導線材の半径、Ｉｔは、ＰＣＳ電流値、ＩＣは、超電導線材の臨界電流値である。
【００５３】
この数式１により、臨界電流密度ＪＣが低い状態、つまり、永久電流スイッチ３の温度が下がり始めた直後において、永久電流スイッチ３に電流を流し始めることで、通電領域Ｓの内半径ｒＳを小さくすることができることが分かる。即ち、超電導線材の断面視において、広い面積の通電領域Ｓを確保し、この広い有効面積を使って電流を伝導させることができる（図４（Ａ））。この広い面積の通電領域Ｓを確保した状態で、永久電流スイッチ３の温度を低下させることで、臨界電流密度ＪＣを増加させてゆく（図４（Ｂ）および図４（Ｃ））。
【００５４】
臨界電流密度ＪＣが増加することで、通電領域Ｓ（伝導領域）が臨界電流密度ＪＣに達していない余裕がある状態にすることができる。この余裕がある部分に対応してＰＣＳ電流値Ｉｍを増加させてゆく。これにより、超電導線材の磁気的不安定性が軽減される。そして、永久電流スイッチ３がクエンチを起こす確率を低減させて、超電導磁石装置１を安定させた状態で、永久電流モードに移行させることができる。
【００５５】
本実施形態では、永久電流スイッチ３の超電導線材の臨界電流密度ＪＣと温度との対応関係を予め実験または解析により求めるようにしている。ここで、ＣｕＮｉの母材、ＮｂＴｉの超電導フィラメントの超電導特性の典型的な例として、温度４．２Ｋ（ケルビン）、磁束密度１Ｔ（テスラ）中で、Ｉｃ＝１０００Ａを有する線径１ｍｍ前後で、銅比１前後の超電導線材を想定する。ＮｂＴｉの超電導フィラメントの超電導特性の温度依存性は、図１０のグラフに示すように、温度に対して線形で近似して算出することができる。よって、所定のＰＣＳ温度Ｔにおける超電導線材のＰＣＳ電流値Ｉｔを近似的に求めることができる。
【００５６】
なお、この対応関係の取得は、解析部１２により行われ、ＰＣＳ電流値Ｉｔの上昇率およびＰＣＳ温度Ｔの低下率を含む温度制御設定が決定される。そして、決定された温度制御設定が設定記憶部１８に記憶される（図２参照）。さらに、温度センサ１０により検出される永久電流スイッチ３（超電導線材）の温度と計時部１９が計時する時間に基づいて、ＰＣＳ電流値Ｉｔの上昇率およびＰＣＳ温度Ｔの低下率が制御される。また、ＰＣＳ温度ＴがＰＣＳ電流値Ｉｔの制御およびヒータ８の制御にフィードバックされる。
【００５７】
このようにすれば、リアルタイムで検出した永久電流スイッチ３の温度に基づいて、永久電流スイッチ３の電流の増加および温度の低下の制御を適切に行うことができる。なお、ＰＣＳ電流値Ｉｔの上昇率は、電源出力値ＩＯＰの低下率に対応する。つまり、主電源４の出力が制御されることで、ＰＣＳ電流値Ｉｔが制御される。また、ＰＣＳ温度Ｔの低下率は、ヒータ電源９の出力により制御される。
【００５８】
次に、本実施形態の時間ｔ５から時間ｔ６までの永久電流スイッチ３の超電導線材の負荷率（Ｉｔ／Ｉｃ）および電流増加率（ｄＩｔ／ｄＩｃ）を図８のグラフに示す。ここで、超電導線材の電流増加率の最大値Ｚが１よりも小さくなっている（１以下となっている）。つまり、超電導線材の電流増加率（ｄＩｔ／ｄＩｃ）の最大値Ｚが１よりも大きくならないように、ＰＣＳ電流値Ｉｔを制御する。
【００５９】
即ち、本実施形態では、時間ｔにおける永久電流スイッチ３に流れる電流の値をＩｔ（ｔ）とし、時間ｔにおける永久電流スイッチ３の温度をＴ（ｔ）とし、温度Ｔにおける永久電流スイッチの臨界電流の値をＩＣ（Ｔ）とした場合に、永久電流スイッチ３の温度を下げるときに、Ｉｔ（ｔ）＜ＩＣ（ｔ）とし、かつ時間変化率を（ｄＩｔ／ｄＩＣ）≦１となるように制御を行っている。
【００６０】
このようにすれば、永久電流スイッチ３に流れる電流が臨界電流密度ＪＣを超えないように、永久電流スイッチ３の温度を下げることができる。また、超電導線材の外周Ｑから内側へ通電領域Ｓが形成されたときの電流密度分布は、その後に超電導線材の温度を低下させても直ぐに変化しない。従って、通電領域Ｓの内半径ｒＳを内側へと広げることなく、ＰＣＳ電流値Ｉｔを増加させることで、通電領域Ｓ（伝導領域）を臨界電流密度ＪＣに達していない状態を継続させることができる。これにより、クエンチが生じる確率を低減させることができる。
【００６１】
一方、従来技術では、図９のグラフに示すように、永久電流スイッチ３の超電導線材の電流増加率（ｄＩｔ／ｄＩｃ）の最大値Ｚが６以上となっている。この従来技術では、クエンチが生じる確率が増大するという課題があるが、本実施形態では、このような課題を解決することができる。
【００６２】
なお、ＰＣＳ電流値Ｉｔの時間変化率が極端に大きいと、超電導線材の交流損失によって発熱を生じてしまう。そこで、本実施形態では、例えば、ＰＣＳ電流値Ｉｔを毎分２０Ａで増加させる場合に、永久電流スイッチ３の温度を毎分１Ｋ以下の速度で冷却する。このようにすれば、毎分１Ｋ以下のゆっくりとした低下速度で永久電流スイッチ３の温度が下がるので、クエンチの発生を低減させることができる。また、通電領域Ｓの電流密度Ｊに対して、その部分の臨界電流密度ＪＣを相対的に高くした状態を維持することができる。
【００６３】
本実施形態では、図８のグラフに示すように、永久電流スイッチ３の温度が定常運転温度Ｔ１に到達する時間ｔ７よりも前の時間ｔ６のタイミングで、ＰＣＳ電流値Ｉｔが定常運転時の値（最大値）になる。つまり、主電源４による電流の供給が停止される。本実施形態では、定常運転温度Ｔ１に対して、ＰＣＳ電流値Ｉｔが定常運転時の値になるときの温度Ｔ２が高くなるように制御される。このようにすれば、永久電流スイッチ３に流れる電流が定常運転時の値になった後に、さらに永久電流スイッチ３の温度を低下させることができる。
【００６４】
これに対して従来技術では、図９のグラフに示すように、永久電流スイッチ３の温度が定常運転温度Ｔ１に到達する時間ｔ７が、ＰＣＳ電流値Ｉｔが定常運転時の値（最大値）になる時間ｔ６と一致している。この場合にクエンチが発生し易くなる。
【００６５】
本実施形態では、永久電流スイッチ３に流れる電流が定常運転時の値になったときの永久電流スイッチ３の温度Ｔ２を、さらに０．３Ｋ以上低下させて定常運転に移行するようにしている。このようにすれば、定常運転時に永久電流スイッチ３に流れる電流に余裕が生じるようになるので、永久電流モードの運転中に永久電流スイッチ３の温度が変動しても、クエンチが発生し難くなる。
【００６６】
ＰＣＳ電流値Ｉｔが定常運転時の値になったときの永久電流スイッチ３の温度Ｔ２と定常運転温度Ｔ１との温度差（Ｔ２−Ｔ１）と、クエンチが発生するまでの時間ｔＱとの関係を試験した結果を図１１のグラフに示す。図１１のグラフ中の黒点は、試験結果に基づいてプロットされている。そして、温度差とクエンチ発生時間とに対して近似的に求めたラインを示している。このラインから推定されるように、温度差を大きくするに従って、クエンチが発生するまでの時間が延びることが分かる。
【００６７】
超電導磁石装置１においては、１年程度毎、即ち１万時間程度毎の頻度でメンテナンスを行う必要がある。よって、１万時間程度毎に運転が中断されるまで、安定して運転ができることが望ましい。図１１のグラフを参照すると、約０．３６Ｋの温度差（Ｔ２−Ｔ１）で１万時間が達成される。つまり、０．３Ｋ以上の温度差があれば、実質的に必要とされる運転時間を満たすことができる。なお、この温度差は、１Ｋ以上であっても良いし、永久電流スイッチ３の臨界温度を超えない範囲で増やしても良い。
【００６８】
また、ＰＣＳ電流値Ｉｔが定常運転時の値になったときの永久電流スイッチ３の温度Ｔ２が、定常運転温度の変動範囲の最大値よりも高い温度となっている。このようにすれば、定常運転中に永久電流スイッチ３の温度が変動しても、超電導線材が飽和状態にならずに済む。
【００６９】
さらに、本実施形態では、図６に示すように、永久電流スイッチ３の温度の低下開始時（ｔ４）から低下完了時（ｔ７）までの期間よりも、永久電流スイッチ３に流れる電流の増加開始時（ｔ５）から増加完了時（ｔ６）までの期間が短くなっている。このようにすれば、永久電流スイッチ３の温度が変動する期間が、永久電流スイッチ３に流れる電流が変動する期間よりも長いので、永久電流スイッチ３の電流の制御に余裕を持たせることができる。つまり、電流の増加開始時（ｔ５）または増加完了時（ｔ６）の近傍で、クエンチの発生を抑制することができる。
【００７０】
次に、本実施形態の永久電流スイッチ３の配置について図１２および図１３を用いて説明する。図１２は、本実施形態の超電導コイル２と永久電流スイッチ３の配置を示す図である。図１３（Ａ）は、本実施形態の永久電流スイッチ３と磁力線Ｍの関係を示す図である。図１３（Ｂ）は、比較例（悪い例）の永久電流スイッチ３と磁力線Ｍの関係を示す図である。
【００７１】
図１２に示すように、超電導コイル２および永久電流スイッチ３は、それぞれに対応する超電導線材を巻回した円筒形を成す。なお、永久電流スイッチ３は、超電導コイル２よりも小型のコイルである。この永久電流スイッチ３は、超電導コイル２の近傍に配置される。
【００７２】
この永久電流スイッチ３は、無誘導巻のコイルである。例えば、１本の長い超電導線材を中間部分で折り曲げて、その後に巻回するようにしている。そのため、巻回された状態において、隣り合う超電導線材を流れる電流が互いに逆方向となるので、互いのインダクタンスを打ち消すようになり、磁極の無い無誘導のコイルとなる。
【００７３】
本実施形態では、超電導コイル２の円筒の軸Ｘ１が延びる方向と、永久電流スイッチ３の円筒の軸Ｘ２が延びる方向とが同一方向となっている。つまり、超電導コイル２の軸Ｘ１と永久電流スイッチ３の軸Ｘ２が互いに平行を成す。また、軸方向において、超電導コイル２の中央位置Ｖに永久電流スイッチ３が配置される。つまり、超電導コイル２のＮ極とＳ極の中央位置Ｖに永久電流スイッチ３が配置される。なお、超電導コイル２と永久電流スイッチ３の中央位置Ｖが互いに一致している。
【００７４】
超電導コイル２から発生する磁力線Ｍ（漏れ磁場）は、永久電流スイッチ３を通過する。本実施形態では、永久電流スイッチ３の軸Ｘ２が延びる方向を超電導コイル２から生じる磁力線Ｍが流れる方向に一致させた状態で、永久電流スイッチ３が配置される。つまり、超電導コイル２の漏れ磁場の水平成分よりも垂直成分の方が大きくなるように、永久電流スイッチ３が配置されている。
【００７５】
このようにすれば、永久電流スイッチ３の周方向に巻回される超電導線材のいずれの部分であっても、この超電導線材が延びる方向に対して垂直方向から超電導コイル２の磁力線Ｍが通過するようになり、超電導線材が受ける磁場の影響を各部分で均等にすることができる。そのため、永久電流スイッチ３でクエンチの発生を低減させることができる。
【００７６】
例えば、図１３（Ａ）に示すように、永久電流スイッチ３を周方向に均等に４つの領域Ａ〜Ｄで分けて説明する。永久電流スイッチ３の軸Ｘ２が延びる方向と超電導コイル２から生じる磁力線Ｍが流れる方向とが一致している場合には、４つの領域Ａ〜Ｄの超電導線材が延びる方向に対して垂直方向に磁力線Ｍが通過する。そのため、永久電流スイッチ３の超電導線材が磁力線Ｍから受ける影響が、４つの領域Ａ〜Ｄでほぼ同じになる。そのため、磁場の分布に起因する磁気的不安定性を排除して安定した運転を行うことができる。
【００７７】
一方、図１３（Ｂ）に示すように、超電導コイル２から生じる磁力線Ｍが流れる方向に対し、永久電流スイッチ３の軸Ｘ２’が延びる方向が直角となる場合には、領域Ｂおよび領域Ｄでは、超電導線材が延びる方向に対してほぼ垂直方向に磁力線Ｍが通過するが、領域Ａおよび領域Ｃでは、超電導線材が延びる方向に対してほぼ同一方向に磁力線Ｍが通過する。そのため、永久電流スイッチ３の超電導線材が磁力線Ｍから受ける影響が、領域Ｂおよび領域Ｄと、領域Ａおよび領域Ｃとで異なるようになる。このような場合に、磁力線Ｍの揺らぎによってクエンチが発生する確率が高まってしまうという課題があるが、本実施形態では、このような課題を解決することができる。
【００７８】
次に、超電導磁石装置１の運転方法について図１４のフローチャートを用いて説明する。なお、図２に示すブロック図を適宜参照する。以下のフローチャートの各ステップの説明にて、例えば「ステップＳ１１」と記載する箇所を「Ｓ１１」と略記する。
【００７９】
図１４に示すように、まず、解析部１２に永久電流スイッチ３の超電導線材の材質などの各種データが入力される。そして、解析部１２は、超電導線材の臨界電流密度ＪＣと温度Ｔとの対応関係を解析する（Ｓ１１）。なお、実験によってえられた対応関係が解析部１２に入力されても良い。この取得された対応関係により、永久電流モードの開始時に永久電流スイッチ３の温度を制御するための温度制御設定が決定される。そして、解析部１２から出力される温度制御設定が制御装置１１に入力される。
【００８０】
次に、制御装置１１の設定記憶部１８は、解析部１２が決定した温度制御設定を記憶する（Ｓ１２）。次に、冷却制御部１７は、冷却部５の動作を開始することで、超電導コイル２と永久電流スイッチ３の冷却を開始する（Ｓ１３）。なお、冷却が開始されると、超電導コイル２と永久電流スイッチ３が定常運転温度Ｔ１まで冷却され、超電導状態に転移される。
【００８１】
次に、冷却部５による冷却が継続される状態で、ヒータ制御部１６は、ヒータ８の動作を開始する。そして、ヒータ制御部１６は、ヒータ８を用いて永久電流スイッチ３を加熱して臨界温度Ｔ３よりも高い温度にする。すると、永久電流スイッチ３が高電気抵抗の常電導状態（ＯＦＦ状態）に転移される（Ｓ１４）。
【００８２】
次に、主電源制御部１４は、主電源４を制御して電流供給を開始し、超電導コイル２に電流を流し始める（Ｓ１５）。そして、超電導コイル２に流れる電流が定常運転時の値になる。
【００８３】
次に、ヒータ制御部１６は、ヒータ電源９を制御してヒータ８の出力を調整することで、永久電流スイッチ３の温度を臨界温度Ｔ３よりも低い定常運転温度Ｔ１に向けて下げ始める（Ｓ１６）。ここで、永久電流スイッチ３の温度が臨界温度Ｔ３以下になると、永久電流スイッチ３が電気抵抗の無い超電導状態（ＯＮ状態）に転移される。
【００８４】
次に、温度制御部１５は、設定記憶部１８に記憶された温度制御設定に基づいて、永久電流スイッチ３の温度の低下率の制御を行う（Ｓ１７）。この低下率の制御は、温度センサ１０が検出した永久電流スイッチ３の温度に応じて行われる。さらに、この温度の低下率に応じてヒータ制御部１６がヒータ８の出力を制御する。
【００８５】
次に、主電源制御部１４は、主電源４を制御して電流の供給量を下げ始める（Ｓ１８）。そして、主電源４の電流の供給量の低下に対応して、永久電流スイッチ３に流れる電流が増加し始める。
【００８６】
次に、主電源制御部１４は、主電源４の電流の供給量の低下率を調整する制御を行う（Ｓ１９）。ここで、主電源制御部１４は、永久電流スイッチ３の温度の低下に対応して増加する臨界電流を超えない範囲で永久電流スイッチ３に流れる電流を増加させる制御を行う。なお、主電源制御部１４は、永久電流スイッチ３の温度の低下率に対応して主電源４の制御を行う。そして、温度制御部１５は、永久電流スイッチ３に流れる電流の増加率に対応する低下率で永久電流スイッチ３の温度が下がるように温度調整を行う。
【００８７】
次に、永久電流スイッチ３の温度が定常運転温度Ｔ１に到達する前に、主電源４から供給される電流の値がゼロになる。つまり、主電源４が停止する（Ｓ２０）。ここで、永久電流スイッチ３に流れる電流が定常運転時の値になる。また、超電導コイル２と永久電流スイッチ３とで閉ループＬが完成し、永久電流モードが開始される。
【００８８】
次に、永久電流スイッチ３の温度がさらに低下する（Ｓ２１）。なお、本実施形態では、永久電流スイッチ３の温度を、主電源４が停止したときの温度Ｔ２よりも０．３Ｋ以上低下させる。次に、ヒータ制御部１６は、ヒータ電源９による電流供給を停止し、永久電流スイッチ３の温度を定常運転温度Ｔ１まで低下させることで、定常運転を開始する（Ｓ２２）。
【００８９】
なお、本実施形態のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されても良い。
【００９０】
本実施形態の制御装置１１は、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、またはＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御部と、ＲＯＭ（Read Only Memory）またはＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスまたはキーボードなどの入力装置と、通信Ｉ／Ｆとを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。
【００９１】
なお、本実施形態の制御装置１１で実行されるプログラムは、ＲＯＭなどに予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）などのコンピュータで読み取り可能な非一過性の記憶媒体に記憶されて提供するようにしても良い。
【００９２】
また、制御装置１１で実行されるプログラムは、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしても良い。また、この制御装置１１は、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワークまたは専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。
【００９３】
なお、超電導コイル２および永久電流スイッチ３は、１個の冷却部５で冷却しなくても良い。例えば、超電導コイル２を冷却する冷却部と、永久電流スイッチ３を冷却する冷却部との複数の冷却部を設けても良い。
【００９４】
なお、本実施形態では、超電導コイル２および永久電流スイッチ３を冷却する方式として伝導冷却方式を例示しているが、その他の態様であっても良い。例えば、液体ヘリウムを冷媒として用いたヘリウム冷却方式であっても良い。また、液体窒素を用いた冷却方式であっても良い。
【００９５】
図１５の変形例を用いて極低温の液体の冷却媒体（冷却部）を用いた含浸冷却型の超電導磁石装置１Ａを説明する。この超電導磁石装置１Ａは、第１真空断熱容器３１と、この第１真空断熱容器３１の内部に配置される第２真空断熱容器３２と、第１真空断熱容器３１の上部の開口を閉鎖する第１蓋３３と、第２真空断熱容器３２の上部の開口を閉鎖する第２蓋３４と、この第２蓋３４の下部に設けられた断熱部材３５と、第２真空断熱容器３２の内部空間の対流を防ぐための複数枚のバッフル板３６と、第２蓋３４から超電導コイル２および永久電流スイッチ３を吊り下げる吊具３７とを備える。
【００９６】
第１真空断熱容器３１の内部には、液体窒素３８が収容されている。さらに、第２真空断熱容器３２の内部には、液体ヘリウム３９が収容されている。超電導コイル２および永久電流スイッチ３は、第２真空断熱容器３２の内部の液体ヘリウム３９に浸されている。この液体ヘリウム３９により超電導コイル２および永久電流スイッチ３を想定する温度に冷却する。
【００９７】
なお、液体ヘリウムまたは液体窒素に永久電流スイッチ３が浸されると温度センサを用いて永久電流スイッチ３の温度を検出することが困難になる。そのため、実際に運転を開始する前に、液体ヘリウムまたは液体窒素に浸された永久電流スイッチ３をヒータで制御しながら温度低下させた場合のデータを取得しておく。そして、実際に運転を行うときに、この取得したデータに基づいて永久電流モード移行時のヒータの制御を行うようにする。
【００９８】
なお、本実施形態の臨界温度Ｔ３は、電流分流温度とほぼ一致している。電流分流温度とは、永久電流スイッチ３が備える複数本の超電導フィラメントの材質の臨界温度以下の温度であって、各超電導フィラメントに分流される電流が臨界電流密度に達する温度である。なお、一般に超電導技術で用いられている臨界温度（転移温度）が、超電導フィラメントを形成する超電導物質の物性に応じて一義的に決定される温度であるのに対して、本実施形態の電流分流温度は、主電源４により供給される電流の値に応じて予め決定される温度である。つまり、電流分流温度は、主電源４の設定に応じて適宜変更される温度である。前述の実施形態では、臨界温度Ｔ３に基づいて各種制御を行っているが、電流分流温度に基づいて各種制御を行うようにしても良い。
【００９９】
以上説明した実施形態によれば、永久電流スイッチに流れる電流の増加率に対応する低下率で永久電流スイッチの温度を下げることにより、クエンチの発生を低減して安定的に運転することができる。
【０１００】
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、組み合わせを行うことができる。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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【０１０１】
１（１Ａ）…超電導磁石装置、２…超電導コイル、３…永久電流スイッチ、４…主電源、５…冷却部、６…伝導部、７…真空容器、８…ヒータ、９…ヒータ電源、１０…温度センサ、１１…制御装置、１２…解析部、１３…主制御部、１４…主電源制御部、１５…温度制御部、１６…ヒータ制御部、１７…冷却制御部、１８…設定記憶部、１９…計時部、２１…輻射シールド、２３…シールド用伝導部、２４…第１冷却ステージ、２５…第２冷却ステージ、３１…第１真空断熱容器、３２…第２真空断熱容器、３３…第１蓋、３４…第２蓋、３５…断熱部材、３６…バッフル板、３７…吊具、３８…液体窒素、３９…液体ヘリウム、ＩＣ…超電導線材の臨界電流値、Ｉｍ…超電導コイル電流値、ＩＯＰ…電源出力値、Ｉｔ…ＰＣＳ電流値、Ｊ…電流密度、ＪＣ…臨界電流密度、Ｌ…閉ループ、Ｍ…磁力線、Ｐ…超電導線材の中心、Ｑ…超電導線材の外周、ｒＳ…通電領域の内半径、ｒＷ…超電導線材の半径、Ｓ…通電領域、ｔ…時間、Ｔ…ＰＣＳ温度、Ｖ…超電導コイルの中央位置、Ｘ１…超電導コイルの軸、Ｘ２…本実施形態の永久電流スイッチの軸、Ｘ２’…比較例の永久電流スイッチの軸、Ｚ…電流増加率の最大値。
【図１】
2019096648.tif 000003
【図２】
2019096648.tif 000004
【図３】
2019096648.tif 000005
【図４】
2019096648.tif 000006
【図５】
2019096648.tif 000007
【図６】
2019096648.tif 000008
【図７】
2019096648.tif 000009
【図８】
2019096648.tif 000010
【図９】
2019096648.tif 000011
【図１０】
2019096648.tif 000012
【図１１】
2019096648.tif 000013
【図１２】
2019096648.tif 000014
【図１３】
2019096648.tif 000015
【図１４】
2019096648.tif 000016
【図１５】
2019096648.tif 000017