(57)【要約】【課題】永久電流スイッチのクエンチ耐性を改善する。【解決手段】超電導体で形成された一続きの電流経路（１０１）と、ヒータ（４ａ、４ｂ）とを備え、電流経路（１０１）がスリットを有する平板を構成し、平板は、複数枚が積層され、隣り合う平板同士の間には、絶縁シート又はヒータ（４ａ、４ｂ）が配置され、隣り合う平板の電流経路同士も一続きに接続され、隣り合う電流経路は、電流の向きが相異なる構成を有する永久電流スイッチを用いる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導体で形成された一続きの電流経路と、ヒータとを備え、前記電流経路がスリットを有する平板を構成し、前記平板は、複数枚が積層され、隣り合う前記平板同士の間には、絶縁シート又は前記ヒータが配置され、隣り合う前記平板の前記電流経路同士も一続きに接続され、隣り合う前記電流経路は、電流の向きが相異なることを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項２】
前記ヒータは、シート状であることを特徴とする請求項１記載の永久電流スイッチ。
【請求項３】
前記平板は、一体成形したものであることを特徴とする請求項１記載の永久電流スイッチ。
【請求項４】
積層された複数枚の前記平板は、全体が一体成形されたものであることを特徴とする請求項１記載の永久電流スイッチ。
【請求項５】
前記平板が４枚以上の積層された構成を有することを特徴とする請求項１記載の永久電流スイッチ。
【請求項６】
直方体に形成された前記超電導体に切削加工を施すことにより、前記スリットを形成したものであることを特徴とする請求項１記載の永久電流スイッチ。
【請求項７】
金型成形により前記スリットを形成したものであることを特徴とする請求項１記載の永久電流スイッチ。
【請求項８】
前記平板は、ＭｇＢ２で形成したものであることを特徴とする請求項１記載の永久電流スイッチ。
【請求項９】
前記ヒータは、シート状の平面内で配線に粗密を設け、当該平面の外周部の発熱密度を高めた構成であることを特徴とする請求項２記載の永久電流スイッチ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の永久電流スイッチを備えたことを特徴とする超電導磁石製品。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の永久電流スイッチに用い、前記平板の端部を超電導接続するための部品であって、フィラメントを有する口出し線と、前記フィラメントを固定する超電導はんだとを含み、前記超電導はんだは、前記平板に面で接触する構成であることを特徴とする接続部品。
【請求項１２】
前記超電導はんだは、ＰｂＢｉを含むことを特徴とする請求項１１記載の接続部品。
【請求項１３】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の永久電流スイッチを構成する前記電流経路を作製する際に用い、台座と、２個のＬ字型の枠とを備え、前記枠は、隔壁を有し、組み合わせた状態で２個の前記枠の前記隔壁が互いに他の前記枠の前記隔壁の間に配置されることを特徴とする金型。
【請求項１４】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の永久電流スイッチを製造する方法であって、直方体に形成された前記超電導体に切削加工を施すことにより、前記スリットを形成する工程を含むことを特徴とする永久電流スイッチの製造方法。
【請求項１５】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の永久電流スイッチを製造する方法であって、金型成形により前記スリットを形成する工程を含むことを特徴とする永久電流スイッチの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久電流スイッチ、その製造方法及びそれを用いた超電導磁石製品、並びにそれに用いる接続部品及びそれを作製する際に用いる金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導応用分野では、超電導電磁石の電流閉回路に永久電流を流すために永久電流スイッチ（ＰＣＳ：Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｗｉｔｃｈ）と呼ばれるスイッチ素子が利用される。一般に、永久電流スイッチは、高抵抗の金属母材に超電導フィラメントが埋め込まれた超電導線を巻きまわして構成されたコイルであり、これにヒータが備え付けられた構成となっている。
【０００３】
この永久電流スイッチは、極低温下に置かれて超電導状態であるときには電気抵抗がゼロのスイッチオンの状態となる。一方、ヒータに通電してスイッチの温度を上昇させて常電導状態とした場合には、スイッチの電気抵抗が金属母材の抵抗率で決まる高抵抗となり、スイッチオフの状態となる。このように、永久電流スイッチは、熱を利用して、超電導と常電導状態とを使い分けることにより、スイッチとして動作させることができる。
【０００４】
これまでの超電導スイッチとして用いられる超電導材料は、金属系ＮｂＴｉ（ニオブチタン）であった。ＮｂＴｉは臨界温度が９．５Ｋ（ケルビン）であるが、Ｎｂ３Ｓｎ（ニオブ３スズ）のような化合物超電導材料に比べると、安価で大量生産が容易でかつ機械的強度もすぐれることから、中・低磁場領域で使う超電導製品に広く使われている。一般に、低磁場領域に設置される超電導スイッチ用の超電導線材は、高抵抗のＣｕ−Ｎｉ（キュプロニッケル）にこのＮｂＴｉフィラメントが多数埋め込まれた線材が利用されている。
【０００５】
永久電流スイッチに使われる超電導線材では、金属母材の抵抗を利用した高抵抗状態をつくる必要があるために、熱的な安定性を確保するために通常の超電導線材には付与される、良導体である銅又はアルミニウムといった安定化材を付与することができない。そのため、永久電流スイッチに使われる超電導線材（ＰＣＳ用超電導線材）は、通常の超電導線材に比べると安定性に乏しく、わずかな擾乱によって生じる発熱によって容易にクエンチが生じる。
【０００６】
クエンチを回避する最も簡単な方法は、臨界温度の高い超電導材料を使用することである。臨界電流の高い超電導材料としては、Ｙ系（イットリウム系）超電導材料やＢｉ系（ビスマス系）超電導材料のような酸化物超電導体が知られており、前者の臨界温度はおよそ９０Ｋ、後者は１１０Ｋ以上である。これらの超電導材料を用いて永久電流スイッチを構成した場合、クエンチについてはほとんど考慮する必要がなくなる。しかし、液体ヘリウムを使うような超電導製品において、臨界温度が高いこれらの材料を使った永久電流スイッチでは、これをオフする（すなわち常電導に転移させる）ためのヒータの熱量が膨大になり、液体ヘリウムの蒸発量が非常に大きくなり、現実的ではなくなる。また、酸化物超電導線材は、製造コストがかかり、かつ、生産性に劣るため、現在は試験的な装置が製造されるにとどまり、あまり普及していない。
【０００７】
その他の高温超電導材料としては、ＭｇＢ２がある。ＭｇＢ２超電導体は、金属系超電導のひとつであり、臨界温度が３９Ｋと比較的低いが、ＮｂＴｉなどに比べると十分な臨界温度をもつことから、永久電流スイッチ用途として最適である。ＭｇＢ２の原材料および製造コストは酸化物超電導体に比べると安く、酸化物超電導線材に比べると容易に線材を製造できるため、好ましい。
【０００８】
従来のＮｂＴｉを使ったＰＣＳと同様な構成で、ＭｇＢ２線材を用いてＰＣＳを製作することも可能である。ＭｇＢ２をＰＣＳ用に使えるようにするには、ＮｂＴｉと同様に、Ｃｕ−Ｎｉのような高抵抗金属を使うことが必要であり、また、金属マトリックスの断面積を減らす、すなわち、細い線材とすることが必要となる。
【０００９】
ＭｇＢ２超電導線材は、一般には金属管に原料粉末（ＭｇとＢ、もしくはＭｇＢ２粉末）を充填し、線引きを行って前駆線材を製作し、熱処理を行って金属管内に充填したＭｇとＢとを反応させ、もしくは、ＭｇＢ２同士を焼結することによって超電導線材を得る。このような線材製作方法をパウダーインチューブ法（Ｐｏｗｄｅｒ  Ｉｎ  Ｔｕｂｅ法：以下、「ＰＩＴ法」と記す。）と呼ぶ。
【００１０】
Ｃｕ−Ｎｉの金属管を用いてＰＩＴ法でＭｇＢ２線材を製作すること自体は可能であるが、金属管の中に硬いＭｇＢ２、Ｂといった粉末を充填して線引きを行うためには、加工途中で断線しないようにある程度の厚さの金属管を使う必要がある。また、ＰＩＴ法では、細い線材を製作することが難しい。そのため、ＭｇＢ２を使ってＰＣＳを製作しようとすれば、線材を長く巻線することによってオフ抵抗を稼ぐことが必要になり、その結果、線材使用量の増加することとなる。
【００１１】
ＭｇＢ２超電導体を永久電流スイッチとして利用する技術に関して、次の特許文献がある。
【００１２】
特許文献１には、蒸着法を用いて、基板の一の面にヒータ、導電性膜、ＭｇＢ２膜の順で積層した構成を有する超電導スイッチが開示されている。
【００１３】
また、特許文献２には、超電導被覆層によって覆われている二ホウ化マグネシウム超電導線と他の超電導線とが、はんだを充填させた接続金属管内にて接続されている二ホウ化マグネシウム超電導線の接続構造が開示されている。これは、ＰＣＳに適用可能なものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１３−０１６６６４号公報
【特許文献２】特開２００６−１７４５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特許文献１に記載の蒸着法により製作したＭｇＢ２膜は、ＰＩＴ法に比べると高い電流密度を有しており優れている。しかし、実際のＰＣＳに適用するためには、電流密度が高いだけでは不十分であり、電流容量が十分にあること、ＰＣＳオフ時に所定の抵抗がでるように十分な長さの線材長が確保できること、及び、ＰＣＳクエンチ時に焼損しない程度の熱容量（体積）を有していることが必要になる。蒸着法により製作できるＭｇＢ２の体積には制約があり、小さいコイルに用いるＰＣＳにはそのような蒸着薄膜ＰＣＳでも十分であるが、大きい磁石に用いるＰＣＳには薄膜の物量（体積）が不足するために適用ができないと考えられる。
【００１６】
特許文献２に記載の技術は、ＰＣＳと超電導磁石との接続に超電導はんだを用いたものである。ＭｇＢ２線材のバリアに超電導特性を示すＮｂを用いることにより、常電導の電気抵抗を含まない永久電流閉ループを構成することができる。しかし、ＰＣＳ線材はＰＩＴ法を用いており、ＰＩＴ法を用いた場合の課題については解決されていない。
【００１７】
本発明の目的は、永久電流スイッチのクエンチ耐性を改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の永久電流スイッチは、超電導体で形成された一続きの電流経路と、ヒータとを備え、電流経路がスリットを有する平板を構成し、平板は、複数枚が積層され、隣り合う平板同士の間には、絶縁シート又はヒータが配置され、隣り合う平板の電流経路同士も一続きに接続され、隣り合う電流経路は、電流の向きが相異なる構成を有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、製作が困難なＭｇＢ２超電導線材を使わずともクエンチ耐性を改善した永久電流スイッチを簡便に作製することができる。この永久電流スイッチは、コストパフォーマンスにも優れている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１の永久電流スイッチの３次元ミアンダ導体の形状を示す鳥瞰図である。
【図２】実施例１において直方体から３次元ミアンダ導体を形成するためのスリット加工の位置を示す４面図である。
【図３】実施例１の永久電流スイッチに用いるシートヒータの構造を示す模式図である。
【図４】実施例１の永久電流スイッチの構成を示す分解図である。
【図５】実施例１の永久電流スイッチに超電導の口出し線を設置するための接続部品の例を示す鳥瞰図である。
【図６】実施例１の永久電流スイッチに超電導の口出し線を設置するための接続部品にＮｂＴｉ超電導線を取り付ける過程を示す鳥瞰図である。
【図７】実施例１において超電導の口出し線を固定した状態の永久電流スイッチの接続部品を示す鳥瞰図である。
【図８】実施例２の永久電流スイッチに用いる２次元ミアンダ導体を成型するための金型の構造を示す分解図である。
【図９】実施例２の２次元ミアンダ導体を成型するための金型の構造を示す鳥瞰図である。
【図１０】実施例２の２次元ミアンダ導体を示す鳥瞰図である。
【図１１】実施例２のシート状の２次元ミアンダ導体を示す鳥瞰図である。
【図１２】実施例２においてシート状の２次元ミアンダ導体を積層して構成した永久電流スイッチを示す分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、超電導コイルを永久電流状態で使用する超電導装置（超電導磁石製品）に用いられる永久電流スイッチに関し、特にＭｇＢ２超電導材料を用いた永久電流スイッチに関する。
【００２２】
本発明の永久電流スイッチは、超電導材料としてＭｇＢ２超電導体を使用する。ＭｇＢ２超電導体を線材に加工する際に困難を伴うＰＩＴ法を利用せず、ＭｇＢ２バルクを用いて超電導電流経路を製作する。これにより、クエンチ耐性を改善した安価な永久電流スイッチを提供できる。
【００２３】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み 合わせや改良が可能である。
【００２４】
本発明に係る永久電流スイッチは、以下に説明するような３次元的な超電導電流経路を持つ超電導導体を備えており、その超電導導体の経路の全部もしくは一部がＭｇＢ２のバルク材から形成された導体で構成されていることが特徴である。
【００２５】
超電導導体の経路は、平板状の構造内に超電導電流がひとつづきに流れるように配置・構成されており、そのひとつづきの長さが平板状構造の外形最大寸法よりも長くなるように、平板内で所定の形状に曲げられて配置されている。そして、この平板状の構造は、複数枚積層された構造となっており、積層された平板間を超電導電流が流れるように接続されている。
【００２６】
本発明の永久電流スイッチは、従来の永久電流スイッチのように超電導線材をボビンに巻きまわして製作する方法ではなく、線材化プロセスも用いない。本発明においては、超電導バルクを切削加工して形成した導体を使って構成することを特徴としている。その結果、短時間かつ低コストで永久電流スイッチを製作することが可能となる。特に、ＭｇＢ２超電導体は、バルクの作製が容易であることから、この材料を用いることが好適である。
【００２７】
ＭｇＢ２バルク材から３次元の電流経路を容易に形成するためには、平板が矩形状であることが望ましい。また、電流経路がミアンダ形状であることが望ましい。この場合には、後述するが、電流経路の形成が切削加工により容易に行える。また、各層の電流経路のパターンを同一形状とすることにより量産化が可能となる。
【００２８】
同一形状の電流経路のパターンが配置された場合には、パターンの向きがそろうように積層し、上下の電流パターンを接続して電流を一続きに流した場合、隣接する上下の導体に流れる電流の向きが互いに反対向きとなるように構成（接続）する。
【００２９】
上下の超電導電流を接続する電流経路は超電導体である必要があるが、この部分の材質はＭｇＢ２もしくは超電導はんだである。ＭｇＢ２で上下間がつながれる構成の場合には、ＭｇＢ２直方体バルクを切削加工して上下間にスリットを入れる際に、上下の平板状構造が完全には分離しないように一部分を切り残せばよい。また、超電導はんだを用いて経路を形成する場合には、平板状の構造間に超電導はんだを挿入して接続する。
【００３０】
以上のようにして３次元的なミアンダ状の電流経路を形成することができる。
【００３１】
通常の永久電流スイッチと同様に、本発明の永久電流スイッチにも超電導体を加熱することにより常電導に転移するヒータを備えている。ヒータの形状は、シート状であって、平板状の構造（２次元の電流経路）の任意の位置に挿入されている。また、シート状のヒータは、上下の２次元の電流経路の間に設置してもよい。また、ヒータおよび平板状の構造は、樹脂で一体化され、熱的に接触するとともに、永久電流スイッチが液体ヘリウム中に設置されたときに、液体ヘリウムが永久電流スイッチの内部に侵入しないようにふさぐ役割をしている。
【００３２】
また、本発明においては、永久電流スイッチに以下のような改良や変更を加えることができる。
【００３３】
１）電流負荷や機械的強度の観点から、ミアンダ状の電流経路の幅を一様幅ではなく、差を持たせる。
【００３４】
２）上下の接続を行う領域で、ミアンダパターンの幅を以外の場所よりも広くする。
【００３５】
３）外部回路と本発明の３次元ミアンダ導体との接続を行うためのＮｂＴｉ口出し線を、ＰｂＢｉを使って設置する。
【００３６】
４）３次元ミアンダ導体の層間に挿入するヒータは、ミアンダ状の発熱体が絶縁材料ではさまれた構造をもつヒータとし、ミアンダ状導体配置（間隔）を調整し、ヒータの発熱密度に分布を持たせる。
【００３７】
５）永久電流スイッチ内部には、熱伝導を良好にするための窒化アルミニウム、アルミナなどのフィラーを混入した樹脂を内部に充填する。
【００３８】
６）融点もしくは硬化温度が１２０℃以下の樹脂を内部に充填する。
【００３９】
また、バルク材を用いた電流経路は、導体の寸法が従来の超電導線材のフィラメント径に比べて大きくなることから、フラックスジャンプと呼ばれる不安定性によるクエンチが発生する可能性がある。これを回避するために、以下の改良や変更を加えることができる。
【００４０】
７）フラックスジャンプに対して影響のある方向の導体寸法を２ｍｍ以下にする。
【００４１】
８）上下に積層する導体間の隙間は、２５μｍ以上かつ導体の厚さの寸法以下にする。
【００４２】
９）臨界電流密度が運転条件において５×１０９Ａ／ｍ２以下となるように調整されたＭｇＢ２材料を使う。
【００４３】
１０）超電導導体の温度を計測するための熱電対、白金測温抵抗体もしくは半導体センサーを永久電流スイッチの内部に設置し、定格運転温度よりも高い温度で永久電流モードに投入した後、定格運転温度まで温度を下げて運転する。
【００４４】
本発明を更に具体的に説明する。
【００４５】
（ＰＣＳの仕様）
磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）用永久電流モード磁石のために、電流容量８００Ａ、オフ抵抗１ｏｈｍのＰＣＳを製作した。ＰＣＳは、１Ｔ以下の環境に設置することとした。ＭｇＢ２バルクの臨界電流密度は、磁場環境１Ｔにおいて４０００Ａ／ｍｍ２あるため、ＭｇＢ２導体の電流が流れる断面積を１ｍｍ２と決定した。ＰＣＳオフ抵抗（ＭｇＢ２が常電導状態のときの抵抗）を１ｏｈｍにするために必要な導体長さは、ＭｇＢ２の臨界温度における常電導抵抗は２×１０−７ｏｈｍであるので、５ｍとなる。
【００４６】
以下、実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【００４７】
（ＭｇＢ２バルクの作製）
ＭｇＢ２の原料であるＭｇ（マグネシウム）とＢ（ホウ素）の粉末を、化学量論組成となるように秤量し、ボールミルを用いてアルゴン雰囲気中で混合を行った。ＭｇとＢの混合粉末を金型に充填し、一軸プレスを行い、７０ｍｍｌ×３２ｍｍｗ×１２ｍｍｔのＭｇＢ２前駆体を成型した。成型したＭｇＢ２前駆体をＮｂの箔で包んだ後、高純度アルゴン雰囲気で６５０℃、２時間の熱処理を行い、ＭｇＢ２を生成した。熱処理後のＭｇＢ２バルク材の４面に機械加工を施し、７０ｍｍｌ×３０ｍｍｗ×１０ｍｍｔのＭｇＢ２直方体（バルク）を製作した。
【００４８】
なお、本実施例では、ＭｇＢ２の原料粉末のＭｇとＢの混合物を用いてＭｇＢ２バルク材を製作したが、この方法に限定されるものではなく、ＭｇＢ２の粉末を固め、焼結して、バルクを形成してもよい。ＭｇＢ２の粉末をボールミルで十分に粉砕混合し、加圧成型したのち、９００℃で４８時間焼結を行うことにより、緻密なＭｇＢ２バルクを得ることができる。
【００４９】
（ＭｇＢ２バルクの加工）
図１は、実施例の永久電流スイッチの３次元ミアンダ導体の形状を示す鳥瞰図である。
【００５０】
本図に示す３次元ミアンダ導体１は、ＭｇＢ２直方体にスリット１０２、１０３を設けることにより作製したものである。すなわち、３次元ミアンダ導体１は、水平方向（長手方向）の複数のスリット１０２及び鉛直方向（厚さ方向）の複数のスリット１０３を有する。スリット１０２は、水平方向に互い違い（交互）に設けてある。また、スリット１０３は、鉛直方向に互い違い（交互）に設けてある。
【００５１】
これらのスリット１０２、１０３により、６枚の電流経路である平板と、それぞれの平板に設けたミアンダ状の電流経路とが形成されている。それぞれの平板は、幅方向（奥行き方向）に往復する電流経路を有している。また、隣り合う２枚の平板は、スリットを設けていない端部を有し、この端部によって電気的に接続されている。そして、積層された平板は、水平方向に往復する電流経路を有する構成となっている。
【００５２】
本実施例の場合、平板１枚１枚が一体成形されたものであるだけでなく、積層された複数枚の平板全体が一体成形されたものであるといえる。
【００５３】
また、スリット１０２は奥行き方向に貫通し、スリット１０３は厚さ方向に貫通しているため、平板が４枚以上の積層された構成とすることも容易である。
【００５４】
図２は、図１の３次元ミアンダ導体を作製する際に、ＭｇＢ２直方体に設けるスリットの位置を示す４面図である。
【００５５】
本図においては、ＭｇＢ２直方体２（ＭｇＢ２バルク）のスリット加工位置３（点線）を示している。スリットは、ワイヤーソーを用いてスリット加工位置３（点線）に設けた。これにより、図１に示すＭｇＢ２の３次元ミアンダ導体１が得られた。この後、スリットに樹脂を充填した（図示せず）。
【００５６】
スリット加工について更に具体的に説明する。
【００５７】
まず、ＭｇＢ２直方体２の広い面が下になるように置き、ワイヤーを上下方向（鉛直方向）となるように配置し、ＭｇＢ２直方体２をミアンダ状になるように加工した。ミアンダの折れ曲がり部の幅は２ｍｍ、直線部の幅は１ｍｍ残すようにし、隙間としては０．７ｍｍ（公称値）とした。ＭｇＢ２直方体２の長手方向の両端部は、外部回路と接続を行うことを考慮し、約７ｍｍ程度とした。また、電流の流れ込みの広がりを想定し、端部の幅広領域からミアンダへの導入部の幅は６ｍｍとした。スリットを両側から１６箇所入れることにより、折り返しは３０箇所となり、導体の電流経路の長さはおよそ８５０ｍｍとなる。  
【００５８】
次に、水平方向のスリット加工を行う必要があるが、切れ込みが入った状態でワイヤーソーによる加工をするとＭｇＢ２導体が破損するため、スリットに樹脂を充填したのちに水平方向のスリット（以下、便宜上「水平スリット」という。）の加工を行った。樹脂は、運転時のＰＣＳ内部の伝熱を改善するために、窒化アルミニウム粉末を混ぜたものを使用した。  
【００５９】
樹脂を充填したＭｇＢ２導体の表面の余分な樹脂を削り取って整形した後、水平方向のスリット加工を同様にワイヤーソーで行った。図２において右から２箇所、左から３箇所（便宜上、右、左という。）スリット加工を行って、６層構造を製作した。各層の厚さは１ｍｍとし、隙間は０．７ｍｍ（公称値）とした。この加工により、ＭｇＢ２の導体の電流経路の長さは５ｍとなる。  
【００６０】
以下、平面内にミアンダラインが形成された導体を２次元ミアンダ（導体）、３次元的にミアンダラインが構成されたものを３次元ミアンダ（導体）と記す。また、以下では、２次元ミアンダ導体を積層した３次元ミアンダ導体において、２次元ミアンダ導体の積層方向を上下方向（鉛直方向）といい、２次元ミアンダ導体の長手方向を左右方向という場合がある。
【００６１】
以上のとおり、永久電流スイッチを構成する３次元ミアンダ導体は、超電導体で形成された一続きの電流経路を有する。また、電流経路は、スリットを有する平板を構成し、平板は、複数枚が積層されている。隣り合う平板の電流経路同士も一続きに接続された構成であり、隣り合う電流経路は、電流の向きが相異なる。
【００６２】
（永久電流スイッチの構成）
図４は、本発明の永久電流スイッチの構成を示す分解図である。
【００６３】
本図に示す永久電流スイッチ（ＰＣＳ）は、図１に示す３次元ミアンダ導体を組み込んだものである。
【００６４】
本図において、３次元ミアンダ導体１０１（「ＭｇＢ２導体」又は「ＭｇＢ２ミアンダ導体」ともいう。）は、上から１番目および下から１番目の水平スリットにシートヒータ４ａ、４ｂを挿入してある。シートヒータ４ａ、４ｂは、口出し線を有する。それ以外の水平スリットには、絶縁シートを配置してもよい。
【００６５】
液体ヘリウム中に設置されるＰＣＳは、ＰＣＳオフ時のヒータの熱量を最小限に抑えるために熱絶縁層を設けることが望ましい。このため、３次元ミアンダ導体１０１の上下には、ＦＲＰの板８ａ、８ｂを設け、シートヒータ４ａ、４ｂの口出し線を配置した位置の反対側の面には、ＦＲＰの板８ｃを設けてある。ＦＲＰの板８ａ、８ｂ、８ｃの厚さは５ｍｍである。板８ｃの長手方向に直交する両側面にはＦＲＰの板８ｄを設置してある。３次元ミアンダ導体１０１の上面及び下面には、口出し線を設けた接続部品９ａ、９ｂが設けてある。板８ｄは、３次元ミアンダ導体１０１及び接続部品９ａ、９ｂを固定するために厚さ１０ｍｍとした。板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと３次元ミアンダ導体１０１とは、樹脂により一体化される（樹脂含浸工程）。接続部品９ａ、９ｂは、ボルトを用いて板８ｄに固定する。  
【００６６】
樹脂含浸工程においては、３次元ミアンダ導体１０１の５面をＦＲＰの板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄで囲った後、口出し線側を上にし、窒化アルミニウムフィラーを混入したエポキシ樹脂を口出し線側から注ぎ込み、減圧下で脱泡を行いながら硬化させた。
【００６７】
図３は、本発明の永久電流スイッチに用いるシートヒータの例を示す模式図である。
【００６８】
本図において、シートヒータ４は、２枚のポリイミドシート６（カプトン（登録商標）、厚さ２５μｍ）にステンレス鋼の箔（厚さ３０μｍ）を挟み込んで接着した構成を有する。ステンレス鋼の箔は、幅２ｍｍのヒータパターン５（発熱体）を形成している。ヒータパターン５の端部には、電流を通電するための口出し線７が取り付けられている。シートヒータ４の厚さは、接着剤を含め、およそ１１０μｍである。
【００６９】
液体ヘリウム中で通電してＰＣＳを加熱する際、３次元ミアンダ導体の温度分布が一様になるように、ヒータパターン５は外周側の発熱密度が高くなるように設計した。すなわち、シートヒータ４の平面内で配線に粗密を設け、当該平面の外周部の発熱密度を高めた構成とした。スリットに挿入されたシートヒータ４は、熱絶縁のためのケースに組み込んだ後に行われる樹脂含浸工程で一体化・固定した。
【００７０】
（ＮｂＴｉ口出し線との接続）
ＮｂＴｉやＮｂ３Ｓｎなどの超電導磁石と本発明のＰＣＳとの接続は、ＭｇＢ２ミアンダ導体をいったんＮｂＴｉの口出し線と超電導はんだを用いて超電導接続を行ったのち、ＮｂＴｉの口出し線とＮｂＴｉ超電導線もしくはＮｂ３Ｓｎ超電導線を超電導接続することとした。
【００７１】
以下、ＮｂＴｉ超電導線を例として、図５〜７を用いて接続部品の構成を説明する。
【００７２】
口出しのＮｂＴｉとミアンダ導体とは、図５に示す銅製の接続部品１０ａを使って接続した。
【００７３】
口出しのＮｂＴｉの母材（安定化銅、バリア層など）を溶出させ、フィラメントをむき出しにし、ＰｂＢｉ（超電導はんだの一種）をフィラメントに含ませた。すなわち、フィラメントを超電導はんだで濡らした。ＮｂＴｉのフィラメントをむき出しにしたあとに超電導はんだでフィラメントを濡らす際、フィラメントが超電導はんだをはじき、はんだが浸透していかない場合、ＮｂＴｉの母材を化学的手法でＰｂＢｉに置換することが望ましい。  
【００７４】
図６に示すように、フィラメント２２が超電導はんだで濡らされたＮｂＴｉの口出し線１１ａを接続部品１０ｂの上面に設置する。そして、口出し線１１ａと接続部品１０ｂをはんだ付けする。このときのはんだは、一般的なはんだであり、超電導はんだよりも融点が高いことが重要である。はんだは、接続部品１０ｂの上面からはみ出さないようにし、はみ出した場合は削って平らにしておく。口出し線１１ａは、はんだ付けにより接続部品１０ｂと一体化される。ＮｂＴｉの口出し線１１ａと接続部品１０ｂとを一体化した後、接続部品１０ｂのくぼみ２３に超電導はんだを溶かして流し込む。超電導はんだの量は、接続部品１０ｂの上面までとする。
【００７５】
図７は、超電導はんだでフィラメントを固定した後の状態を示したものである。
【００７６】
超電導はんだ２４の上面と接続部品１０ｃの上面とを一致させた。超電導はんだの量が過剰で盛り上がりがある場合には、削り取って平らにする。すなわち、超電導はんだ２４は、ミアンダ導体の平板（端部）に面で接触するようになっている。  
【００７７】
電流がＮｂＴｉの口出し線１１ｂのフィラメントからＭｇＢ２導体へスムーズに流れるように、フィラメントの向きはＭｇＢ２導体を沿わせ、ラップジョイントされるように配置する。フィラメントの向きとＭｇＢ２導体の電流の導入向きが反対となる拝み接続の場合には、超電導電流が拝み接続の根元付近に集中して流れるため、接続部品で確保した接続長及び接続面積を十分に利用できなくなる。本実施例では接続部品は鏡対称としている。  
【００７８】
図４に示すように、ＮｂＴｉの口出し線がとりつけられた接続部品９ａ、９ｂは、ＭｇＢ２導体の上下から挟むように設置し、ボルトで板８ｄに固定する。図４では各部品はばらばらに描かれているが、樹脂含浸工程で板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ（熱絶縁板）とＭｇＢ２ミアンダ導体とは一体化する。  
【００７９】
接続部品９ａ、９ｂをボルトで固定し、一体化した後、接続部品９ａ、９ｂを、ドライヤーを使って緩やかに加熱し、接続部品９ａ、９ｂに固着していたＰｂＢｉ（図７の符号２４）を融解して、ＰｂＢｉとＭｇＢ２とを電気的に接続する。ＭｇＢ２とＰｂＢｉとの濡れ性は低いため、ＭｇＢ２側には予めＰｂＢｉを蒸着しておくことが望ましい。また、接続部品９ａ、９ｂにＰｂＢｉを盛る際にＰｂＢｉの表面が接続部品９ａ、９ｂの面より極わずかにはみ出るようにしておき、ボルト締結による押し付け力が加わるようにすれば、ＰｂＢｉとＭｇＢ２との接触が改善され、更に好ましい。  
【００８０】
以上により、ＭｇＢ２バルク材を用いた永久電流スイッチを作製することができる。ＭｇＢ２ＰＣＳにＮｂＴｉの口出し線が取り付けられているため、ＮｂＴｉコイル又はＮｂ３Ｓｎコイルとの超電導接続に関しては、従来の超電導接続技術を適用することによって接続することができる。
【００８１】
（２次元ミアンダ導体の作製法）
３次元ミアンダ導体を製作するためには、まず、図２に示すＭｇＢ２直方体２を作製し、それにスリット加工を施すことにより２次元ミアンダ導体を作製した。さらに、２次元ミアンダ導体にスリットを入れることにより、図１に示す３次元ミアンダ導体１を製作した。
【００８２】
別の方法として、ＭｇＢ２の直方体バルクを作ってから２次元ミアンダ導体を切削加工によって作製する代わりに、２次元ミアンダの粉末成型体を熱処理して２次元ミアンダ導体を直接形成することによって、スリット加工の工数を低減することが可能である。
【実施例２】
【００８３】
図８は、２次元ミアンダ導体を成型するための金型の構造を示す分解図である。
【００８４】
また、図９は、図８の金型を組み立てた状態を示す鳥瞰図である。
【００８５】
図９において、金型１５は、台座１４と、Ｌ字型の枠１２ａ、１２ｂとを組み合わせた構成を有する。枠１２ａ、１２ｂはそれぞれ、フィン状の隔壁１３ａ、１３ｂを有する。枠１２ａ、１２ｂは、組み合わせた状態で２個の枠１２ａ、１２ｂの隔壁１３ａ、１３ｂが互いに他の枠１２ａ又は１２ｂの隔壁１３ａ又は１３ｂの間に配置される。枠１２ａ、１２ｂ及び隔壁１３ａ、１３ｂの間隙は、一続きの迷路状（ミアンダ状）となっている。この間隙に粉末を充填することにより、２次元ミアンダ成型体を作製した。
【００８６】
図８においては、Ｌ字型の枠１２ａ、１２ｂ、フィン状の隔壁１３ａ、１３ｂ及び台座１４を分解した状態を示している。台座１４には、ザグリを設けてあり、枠１２ａ、１２ｂの下部が納まるようになっている。
【００８７】
本実施例においては、ステンレス鋼で金型１５の構成要素（台座１４、Ｌ字型の枠１２ａ、１２ｂ）を製作した。フィン状の隔壁１３ａ、１３ｂの厚さは０．５ｍｍとした。枠１２ａ、１２ｂの一方に設けられた隔壁１３ａ又は１３ｂの中心間距離は５ｍｍとした。２つの枠１２ａ、１２ｂが組み合わされたとき、２つの枠１２ａ、１２ｂに取り付けられたフィン状の隔壁１３ａ、１３ｂが互いの隙間に挿入される。また、隔壁１３ａ、１３ｂの先端部は、対向する枠１２ａ、１２ｂの内壁に接触しない長さとしてある。２つの枠１２ａ、１２ｂを組み合わせると、幅が約２ｍｍのミアンダ状の空隙が形成される。  
【００８８】
つぎに、２次元ミアンダ成型体を作製する手順について説明する。
【００８９】
金型１５を振動台の上に乗せ、振動させながら、ＭｇＢ２の原料となるＭｇとＢとの混合粉末、もしくは、ＭｇＢ２の粉末を充填した。ＭｇとＢとの混合粉末を充填する際には、原料粉末の酸化による汚染を防ぐため、アルゴン雰囲気で行った。すでにＭｇＢ２になった粉末を充填する場合には、酸化による汚染の影響は小さいが、成型体内部（充填粉末の隙間）に残留した空気（酸素）により熱処理過程で影響が出るため、ＭｇとＢとの混合粉末の場合と同じようにアルゴン雰囲気で充填することが望ましい。  
【００９０】
金型１５の材質は、ＭｇＢ２の生成反応熱処理もしくは焼結熱処理において、原料粉末と反応しない材質であれば何を適用してもよい。使用可能な材質は、原料粉末の組成や熱処理温度に依存するため適切に選定する。材料の候補としては、鉄、ステンレス鋼、アルミナ、Ｔｉ、Ｎｂなどがある。本実施例では、原料粉末としてＭｇとＢとの混合粉末を用い、６５０℃で熱処理を行ってＭｇＢ２を生成させたが、このような条件下ではステンレス鋼を利用することができる。  
【００９１】
ＰＣＳの設計に応じて２次元ミアンダ導体を切り分けて使用するため、隔壁の高さは任意である。製造コストを下げるためには、一度に大きな（高さのある）金型で２次元ミアンダ導体を製作するほうが良い。隔壁（金型）の最大高さは、原料粉末を均一に、かつ、所定の密度以上となるように充填できるかどうか、また、熱処理を行う際の熱処理炉の制約などによって制約される。本実施例では、小ロット製造であり、また、熱処理炉の制約から高さを５０ｍｍとした。本発明は、このような寸法によって限定されるものではない。  
【００９２】
粉末を細い管路に充填する場合、管の直径にくらべて管の長さが長くなってくると、粉詰まりが生じて粉末の充填が難しくなってくる。ミアンダ状の空隙の幅は２ｍｍであるものの、ミアンダ導体経路に沿って空間が広がっていることから、本実施例の金型では、原料粉末の粉詰まりも生じず、容易に充填が可能である。さらに、振動台の上に金型を乗せ、金型を振動させながら充填作業を行うことにより、粉末の偏りを生じることなく充填ができた。  
【００９３】
２次元ミアンダ導体の原料粉末として、ＭｇとＢとの混合粉末もしくはＭｇＢ２の粉末を使うにせよ、緻密なバルク導体を得るためには充填密度を上げることが重要である。粉詰まりが生じないため、振動台による加振のみでもＭｇＢ２バルクを生成するに十分な充填密度となっているが、更に緻密な組織とし、高い臨界電流密度を有するバルク導体を得るためには、充填された粉末を押し固める必要がある。その場合、金型のミアンダ状の空隙と対になる雄型のミアンダ状のジグを使って適宜押し固めながら充填作業を行えばよい。  
【００９４】
原料粉末を充填した金型をアルゴン雰囲気で６５０℃、２時間で熱処理を行ってＭｇＢ２を生成させ、十分に温度が下がった後に金型をとりはずした。ＭｇとＢとの混合原料粉末からＭｇＢ２を生成させると、その過程で７０％程度に体積が減少することから、生成されたＭｇＢ２とステンレス鋼の隔壁との間には隙間が生じ、容易に金型を引き抜くことができる。  
【００９５】
以上のようにして、図１０に示すようなＭｇＢ２の２次元ミアンダ導体１６を製作した。
【００９６】
次に、この２次元ミアンダ導体１６を加工して３次元ミアンダ導体を作製する際、加工力による破損を防ぐために、樹脂で２次元ミアンダ導体１６の隙間を充填して補強した。補強用の充填樹脂としては、導体のＰＣＳ内部の熱伝導を改善するために、窒化アルミニウムフィラー入りの樹脂を使用した。  
【００９７】
樹脂で固めた後、余分な樹脂を除去し、外形寸法を整えるために６面に対し機械加工を施した。このようにして製作された２次元ミアンダ導体は、例えば実施例１に示すような手順でＰＣＳに加工することができる。
【００９８】
（２次元ミアンダ導体シートの利用）
実施例１では、２次元ミアンダ導体にスリットを入れる加工を施して製作した３次元ミアンダ導体を用いた永久電流スイッチについて説明した。
【００９９】
別の３次元ミアンダ導体を形成方法として、シート状に成型した２次元ミアンダ導体を積み重ね、２次元ミアンダ導体間を、超電導接続を行うことにより、３次元のミアンダ導体を構成することができる。以下にシート状の２次元ミアンダ導体を積層形成したＰＣＳの製作方法について説明する。
【０１００】
（シート状の２次元ミアンダ導体を用いたＰＣＳ）
図２に示すような直方体のＭｇＢ２バルクをスリット加工して形成したもの又は図１０に示すＭｇＢ２の２次元ミアンダ導体１６加圧成型し、熱処理することにより直接的に形成した２次元ミアンダ導体を、マルチワイヤーソーを用いて、図１１に示すようなミアンダラインの幅が２ｍｍ、厚さが０．５ｍｍのシート状の２次元ミアンダ導体１７を切り出した。ここで、２次元ミアンダ導体１７は、導体２８であるＭｇＢ２と２次元ミアンダの隙間を埋めた樹脂２９とを含む。よって、平板である２次元ミアンダ導体１７は、一体成形されたものであるといえる。
【０１０１】
つぎに、このシート状の２次元ミアンダ導体１７を他の部品と組み合わせて作製した永久電流スイッチ（ＰＣＳ）について説明する。
【０１０２】
図１２は、上記のシート状の２次元ミアンダ導体を積層して構成したＰＣＳを示す分解図である。
【０１０３】
本図において、ＰＣＳは、シート状の２次元ミアンダ導体１７ａと、積層された２次元ミアンダ導体１７ａの間を直列に超電導的に接続するためのシート１９（ＰｂＢｉ製）と、積層された２次元ミアンダ導体１７ａの間を絶縁するための絶縁シート１８と、シートヒータ４ｃ、４ｄと、熱絶縁用ケース８０ａ、８０ｂ、８０ｄ（ＦＲＰ製）と、ＮｂＴｉ口出し線を有する接続部品９ｃ、９ｄ（詳細は図５〜７参照）とを含む。
【０１０４】
シートヒータ４ｃ、４ｄには、絶縁を施してある。絶縁シート１８及びシートヒータ４ｃ、４ｄは、２次元ミアンダ導体１７ａとシート１９との接触を妨げないように配置されている。  
【０１０５】
シート１９は、積層された２次元ミアンダ導体１７ａの間を直列に接続し、積層方向にもミアンダ状の電流経路が形成されるように、２次元ミアンダ導体１７ａの端部に一層ごとに左右交互に配置してある。２次元ミアンダ導体１７ａは、合計１６枚積層した。  
【０１０６】
シートヒータ４ｃ、４ｄは、図３に示すステンレス鋼製のミアンダ導体を発熱体とし、この発熱体を厚さ２５μｍのポリイミドシート２枚の間に挟み込んだものである。絶縁材、発熱体、接着剤などを合わせ、厚さを１００μｍとした。シートヒータ４ｃ、４ｄを配置しない部位に設置した絶縁シート１８は、厚さ５０μｍのポリイミドシートである。  
【０１０７】
２次元ミアンダ導体１７ａを超電導接続するためのシート１９（ＰｂＢｉ製）は、所定の組成比で合成されたＰｂＢｉのキャスト材を圧延し、幅及び長さを切り揃えて形成した。シートヒータ４ｃ、４ｄを挿入する部位には、厚さ約１５０μｍのものを、絶縁シート１８を挿入する部位には、厚さ約１００μｍのものを配置した。  
【０１０８】
図１２に示すように、ＦＲＰ製の熱絶縁用ケース８０ａ、８０ｂ、８０ｄに積層した２次元ミアンダ導体１７ａ等を納め、接続部品９ｃ、９ｄを上下からボルトで仮締めした。熱絶縁用ケース８０ａ、８０ｂ、８０ｄ（ＦＲＰ製）と接続部品９ｃ、９ｄとがボルトで一体化されたものを、１２０℃に設定された恒温槽に入れて保持し、全体が一様に温まった後に恒温槽から取り出し、仮締めしていたボルトを増し締めした。  
【０１０９】
超電導はんだのＰｂＢｉの融点は１２５℃であるが、融点直下の温度（１２０℃）まで加熱することにより、ＰｂＢｉは軟化し、ボルトの締結力により容易に変形する。ボルト増し締めにより、ＰｂＢｉは２次元ミアンダ導体１７ａ（ＭｇＢ２ミアンダ）との接触が良くなり、良好な超電導接続を形成することができた。なお、より確実にＰｂＢｉとＭｇＢ２との接続を行うためには、予めＭｇＢ２の接続面にＰｂＢｉを蒸着させておくことが好ましい。  
【０１１０】
なお、本実施例では、ＮｂＴｉの口出し線がＰＣＳの両側から出る構造としたが、これはＰｂＢｉのシートを加圧するための構造を対称構造とし、更に部品点数を減らすためである。ＰｂＢｉの超電導接続部に適切に荷重がかけられる構造とすれば、構造は本実施例に限定される必要はない。適切な固定方法を用いることにより口出し線を片側から出す構成とすることも可能である。  
【０１１１】
以上のように、３次元ミアンダ導体、口出し線及び熱絶縁用ケースが一体化されたものに、ビーズワックスを用いて内部の隙間を充填した。ビーズワックスを使うのは、ＰｂＢｉの融点よりも低い温度で融解する材料を用いて、超電導接続部への影響をなくすためである。ＰｂＢｉの融点よりも低い温度で含浸および硬化が可能な樹脂を用いるのであれば、本実施例のビーズワックスに制限されるものではなく、どのような樹脂を用いることができる。さらに、樹脂には、ＰＣＳ内部の熱伝導を良好にするためのアルミナや窒化アルミニウムのフィラーを混入することが好ましい。
【０１１２】
以上のように、２通りの実施例について説明したが、これらの実施例においてシート状の２次元ミアンダ導体（平板）を４枚以上積層した構成とすることも容易である。
【０１１３】
（シート状の２次元ミアンダ導体を用いる利点）
２次元ミアンダ導体を切り分けてシート状２次元ミアンダ導体を作製し、これを積み上げて３次元ミアンダ導体を構成する利点は、薄いシート状の２次元ミアンダ導体を作ることができ、薄い導体を用いることにより、フラックスジャンプという低温超電導体特有の磁気的不安定性を改善できることである。  
【０１１４】
２次元ミアンダ導体にスリットを入れて３次元ミアンダ導体を形成する場合、加工を進めるに従って、加工を加えるミアンダラインの折り返し部で支えるべき重量が次第に増加し、破損しやすくなるため、ＰＣＳの大型化が困難となる。一方、２次元ミアンダ導体を薄く１層ずつ切り落としていけば、支えるべき重量は切り落とされるシート１枚分であるため、破損を生じることなく、容易にスライス加工可能である。
【０１１５】
（フラックスジャンプの説明）
超電導体に磁場が印加されているとき、超電導体内部の磁束分布は、外部からの磁気圧に均衡するように（磁場が超電導体内部に入らないように）、超電導電流が流れて磁束分布（磁場分布の傾き）を維持している。なんらかの原因で超電導体の内部の温度が上昇し、わずかにでも臨界電流密度が低下すると、その低下に伴い、磁束が超電導体の内部に侵入する。磁束侵入に伴い、電界が発生し、損失が生じることから、その結果、超電導体の内部温度は上昇し、更に臨界電流密度が低下する。したがって、更に磁束が侵入し、発熱及び臨界電流の低下が連鎖的に起こる。この一連の連鎖が続き、なだれ的に磁束が内部に侵入することをフラックスジャンプと呼ぶ。  
【０１１６】
磁束侵入による損失発生に対し、超電導体の熱容量が十分であれば温度上昇は抑えられるが、液体ヘリウム温度付近では比熱が極めて小さいため、ＮｂＴｉのように臨界温度が高々１０Ｋの超電導体では、フラックスジャンプは致命的であり、フラックスジャンプに伴う発熱によって超電導体は急激に常電導転移（クエンチ）する。  
【０１１７】
無限長超電導平板における断熱条件下でのフラックスジャンプの発生の判定条件としては、下記式（１）が知られている。
【０１１８】
【数１】
2015053314.tif 000003
【０１１９】
ここで、Ｊｃは運転状態における超電導体の臨界電流密度、２ｄは超電導平板の厚さ、Ｔｏは運転温度、Ｔｃは超電導体の臨界温度、μ０は真空中の透磁率、Ｃは単位体積あたりの比熱である。  
【０１２０】
フラックスジャンプを抑制するためには、Ｊｃを下げるか、厚さ（２ｄ）を小さくする必要がある。臨界温度の高いＭｇＢ２は、ＮｂＴｉに比べるとフラックスジャンプに対して耐性があるものの、従来のＮｂＴｉ同様にフラックスジャンプを抑制するためには導体の厚さを低減することが必要となる。  
【０１２１】
ここで、フラックスジャンプの元となる超電導体に印加される磁場について補足説明をする。一本の導体に電流を通電したときには、自分自身に流れる電流がつくる磁場が超電導線材に印加される。磁場は、電流の流れる向きを右ねじの進む向きにあわせたときに、ねじの回る方向に発生する。これを自己磁場という。円断面形状を持つ無限長の直線状超電導線材に通電すると、磁束は超電導線材の表面から侵入し、その侵入した磁束領域の先端を磁束フロントと呼ぶ。磁束線は、直線状の電流に対し、右ねじの向きに周方向に連続している。磁場の空間的な勾配があるところに電流が流れており、したがって、表面からの磁束に侵入に対応するように、超電導線材の表面から磁束フロントの部分に超電導電流が流れている。  
【０１２２】
線材を巻線してコイルを作った場合、近接する導体により自己磁場以外の磁場が上乗せになる。これを外部磁場と呼ぶことにする。外部磁場は、ＰＣＳそのものの巻線から発生する磁場以外に、ＰＣＳに接続される超電導磁石がつくる磁場も外部磁場である。  
【０１２３】
フラックスジャンプを議論する場合、自己磁場及び外部磁場、さらにそれらが重畳される場合、超電導体内の磁束分布が異なるため、厳密には分けて議論しないといけない。しかし、大まかに現象をとらえるならば、超電導体の表面の磁束密度、言い換えるなら、磁気圧（磁束を超電導体内部に押し込もうとする力）に対し、それに拮抗するように超電導体内部に流れる（局所的な）臨界電流がもつエネルギーを考えればよく、それが解放されてもクエンチにいたる温度上昇が発生しない状況とすればよい。  
【０１２４】
磁束フロントが超電導体中心にまで到達していない断面形状の大きな超電導体の場合には、表面の磁束密度（ＢＦＪ）が下記式（２）で算出した値を超えない範囲ではフラックスジャンプは起こらないものと考えられる。
【０１２５】
【数２】
2015053314.tif 000004
【０１２６】
（本発明のフラックスジャンプ低減作用）
まず、ＰＣＳの自己磁場についてのみ考える。  
【０１２７】
本発明では、ミアンダ導体は、隣接する部分導体に流れる電流が互いに逆向きになるような導体パターンおよび配置が特徴となっている。（各層の２次元のミアンダ導体のパターンを同一とし積層すると、各層間で隣接する２次元ミアンダ導体に流れる電流は、互いに逆向きになっている。）  このような電流配置の場合には、導体の各部に流れる電流がつくる磁場が互いにキャンセルするため、ミアンダ導体全体にわたるマクロな外部磁場は発生しない（ここでは、ＰＣＳ以外の外部磁場は考えていない）。  
【０１２８】
したがって、ミアンダ導体を構成する部分導体の距離が離れている場合には、それぞれの部分における導体内部の磁場分布は、一本のみの導体に電流が流れる場合と同じである。また、導体一本の断面形状で縦と横の長さの比が１に近い場合（正方形断面に近い場合）、ミアンダ導体間の距離を小さくしても内部の磁束の分布はほとんど変化しない。  
【０１２９】
一方、導体の厚さに対し幅が広いストリップ状の導体１本に電流を通電する場合には、超電導導体内部への磁束の侵入は幅広の方向からがメインとなり、導体の幅方向の表端から電流が流れる傾向となる。この場合、フラックスジャンプを誘発する内部の磁束の分布の方向は線材の幅方向であり、式における線材幅としては幅広側の長さとしなければならない。  
【０１３０】
一方、本発明のような電流配置で、ストリップ状の導体を多層近接させて配置し、隣接する層で電流の向きが互いに反対となるように電流を流すと、ストリップの面に垂直な方向の磁界が著しく小さくなる。その結果、磁束の分布は線材の幅および長手方向には生じない。磁束は、互いに反対向きの電流に挟まれた領域、すなわち、ストリップ線材間に集中するようになり、その結果、ストリップ線材への磁束の侵入は、線材の厚さ方向が主となり、フラックスジャンプ発生の可能性を議論する導体サイズは、ストリップ線材の厚さとなり、小さくすることができる。  
【０１３１】
本発明のように、幅広の薄い断面形状をもつ線材を厚さ方向に近接させて配置すると、幅広導体の欠点を消すことが可能となる。このような効果を出すためには、幅広の線材を近接させて配置することが重要となるが、おおむね、線材の厚さに対しそれ以下の距離で設置することが重要である。また、ギャップ最小寸法はついては、層間の絶縁層の厚さで制限され、２５μｍ程度が最小寸法となる。  
【０１３２】
つぎに、ＰＣＳが接続される超電導磁石からの漏れ磁場による外部磁場について考える。この磁場は、単にＰＣＳの内部の磁場に重畳されるだけであるので、幅広の面が漏れ磁場に対して平行になるようにＰＣＳを配置することにより、外部磁場に対し、導体の厚さを小さく見せることができる。
【０１３３】
（臨界電流密度低下によるフラックスジャンプの抑制）
バルク状の超電導体を利用することから、従来の超電導線材に比べると、超電導体（フィラメント）の幅は大幅に大きくなるため、フラックスジャンプに対する配慮が必要となる。フラックスジャンプを抑制するためには、線材の幅を小さくすること以外に臨界電流密度を下げることも重要である。臨界電流密度を下げるには、超電導特性そのものを変化させて臨界電流密度を下げるか、運転温度を上げることが考えられる。  
【０１３４】
一般に、超電導線材の開発は臨界電流密度を上げる方向で開発が行われるので、下げることに関しては逆のことを行えばよく、比較的容易に制御可能である。臨界電流密度を抑える方向としては、ＭｇＢ２の導体の超電導体の密度を下げて、ＭｇＢ２の結晶粒同士の電流パスを制限することが最も簡便である。これを行うには、原料粉末の充填密度をコントロールすればよい。  
【０１３５】
さらに別の方法でＭｇＢ２超電導粒子の電流パスの結合度合いを変化させるには、熱処理温度・時間といった条件のコントロールによって、ＭｇＢ２結晶粒同士の接続具合（断面積）を変化させることができる。一般に、高温・長時間の熱処理によりＭｇＢ２結晶粒は成長し、隣接するＭｇＢ２同士の結合が強化される傾向にある。したがって、熱処理条件の制御により適切な臨界電流密度を制限したＭｇＢ２を得ることができる。その他、電流パスを制限する方法としては、不純物の導入がある。不純物元素の導入により、ＭｇＢ２結晶格子にとりこまれない不純物は、ＭｇＢ２結晶粒の外に吐き出され、ＭｇＢ２結晶同士の界面に集積し、結晶の結合を阻害する。不純物の導入によって臨界電流密度の抑制が可能となる。  
【０１３６】
また、ＭｇＢ２格子に取り込まれる第三元素の添加も有効である。ＭｇＢ２の高磁場領域における特性の改善のために炭素をＭｇＢ２格子に取り込ませる研究が進められている。この方法によると、結晶格子内に取り込まれたＭｇＢ２により、局所的な超電導特性が変化することにより磁束線格子をピン止めする構造がうまれ、磁場中における通電特性が改善される。しかし、この方法はもともと３９Ｋあった臨界温度を３２Ｋ程度まで下げることになり、また、低磁場領域の特性を下げてしまう。しかし、低磁場領域で使うＰＣＳにとっては、電流密度の低下は好都合であり、また、液体ヘリウム温度よりも極端に臨界温度が高い材料は、ＰＣＳオフ時のヒータ熱量を大きくする必要があることから、むしろ望ましい。
【０１３７】
例えば、臨界温度３９Ｋ、単位体積あたりの比熱を１５０００Ｊ／ｍ３／Ｋとし、臨界電流密度を１×１０９Ａ／ｍ２とすればフラックスジャンプしない導体厚さは２ｍｍ強となり、バルク状のＭｇＢ２の利用が容易となる。ＭｇＢ２の臨界電流密度は、ＰＣＳの運転条件（温度、磁場）において、１×１０９Ａ／ｍ２以下とすることが望ましい。また、同条件で５×１０９Ａ／ｍ２とすれば、厚さは約０．５ｍｍとなり、厚さ０．５ｍｍのシート状ＭｇＢ２ミアンダが利用できる。
【０１３８】
臨界電流密度の下限については設計事項であるが、臨界電流密度を小さくしすぎると定格電流を流すために必要なＭｇＢ２の断面積が増えることになり、その結果、オフ抵抗を所定値以上にするためには導体長を長くする必要が生じ、ＭｇＢ２の体積が増える。ＭｇＢ２の体積が増えると、ＰＣＳをオフにするためにＭｇＢ２に投入すべき熱量が増加するために、液体ヘリウム中でＰＣＳを利用するには不利になる。したがって、臨界電流密度の下限については、許容されるＭｇＢ２の体積およびヒータ熱量に応じて決定される。
【０１３９】
（高温での永久電流モード運転投入）
ＰＣＳのオペレーションの工夫によって、臨界電流密度を下げ、フラックスジャンプを抑制することもできる。  
【０１４０】
まず、永久電流モード運転を確立するための、ＰＣＳのオペレーションについて説明する。
【０１４１】
永久電流モードの確立は、まず、ＰＣＳのヒータをオンにしてＭｇＢ２を常電導の抵抗状態にし、ＰＣＳに並列接続された超電導磁石に通電（励磁）を行う。超電導磁石の電流が定格に到達したら、ＰＣＳヒータをオフにしてＰＣＳの温度が下がるのを待ち、ＰＣＳを超電導状態にする。ＰＣＳが超電導になったら、超電導電流に電流を供給している外部の電源の出力電流を下げていく。出力電流の低下とともに、超電導磁石に流れていた電流はＰＣＳに流入し、超電導磁石とＰＣＳのループに超電導電流が流れるようになる。外部電源の出力をゼロとし外部電源を超電導磁石から電気的に切り離すことによって永久電流モード運転が確立される。  
【０１４２】
一般のＮｂＴｉを使ったＰＣＳでは、ＮｂＴｉの臨界温度がたかだか１０Ｋであるため、ＰＣＳヒータをオフにし、ＰＣＳの温度が液体ヘリウム温度まで十分冷えた後に、外部電源の出力を下げて永久電流モードに投入する。一方、ＭｇＢ２では臨界温度が３９Ｋであるから、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）に冷えるまでの途中で外部電源の操作を行って、ＰＣＳに電流を流すことが可能である。この場合、実際の運転状態よりも高い温度で永久電流ループが形成されることになる。ＭｇＢ２導体内部の電流密度は、運転温度の４．２Ｋよりも高い温度となっており、したがって、電流密度は４．２Ｋのときよりも下がっている。このような定格運転温度よりも高い条件で永久電流モードに投入することによって臨界電流密度を下げて、フラックスジャンプを抑制することが可能である。  
【０１４３】
また、高温での永久電流モード投入には副次的な効果が期待できる。ＮｂＴｉなどの金属系超電導材料ではフラックスクリープという現象をほとんど考える必要はないが、高温超電導体（ＭｇＢ２含む）においてはフラックスクリープを考慮に入れる必要がある。フラックスクリープのうち、磁束クリープは、永久電流モード運転されている超電導導体内部の磁束の分布が、外部からのわずかな磁束の侵入によりその分布（傾斜）が次第に緩やかになっていく現象である。磁束の侵入に伴い、損失が発生するから、損失により永久電流は減衰し、超電導磁石に保持されている磁束（磁場）は減衰する。  
【０１４４】
酸化物超電導体のように磁束を止めてピン止め力が弱く、かつ、高い温度で運転される場合には、フラックスクリープが顕著である。酸化物超電導材料は、ＮＭＲ、ＭＲＩといった永久電流モード運転によって磁場安定性が確保されている装置には、永久電流モード磁石用途としては使用することができない。ＭｇＢ２においても、酸化物超電導体ほどではないが、条件によってはフラックスクリープが起きることが確認されている。  
【０１４５】
フラックスクリープの減衰率を低減する方法のひとつとして、高温励磁が知られているが、これは運転温度よりも高い温度で永久電流モードを確立した後、温度を下げて運転する方法である。運転温度よりも高い温度で永久電流モードに投入しておくと、定格運転温度のときの磁場勾配よりも緩やかな磁場分布が超電導導体内部に形成される。フラックスクリープによる磁場減衰は、対数緩和であるから磁場分布が緩やかということは、より長く時間が経過しフラックスクリープによる磁場減衰率が小さくなった状態となっているからである。  
【０１４６】
ＭｇＢ２をＰＣＳとして利用する場合には、このような高温での永久電流モード投入によりフラックスジャンプの発生を抑制し、同時に、フラックスクリープも抑制することが可能である。  
【０１４７】
このようなオペレーションを実施するには、ＰＣＳの導体温度をモニターすることが重要であり、熱電対、白金測温抵抗体、半導体温度計などをとりつける。また、ＰＣＳ内部の温度空間分布を適切に設計することが重要であり、そのためには発熱密度分布を制御した（シート）ヒータを利用することが望ましい。
【０１４８】
（本発明のＰＣＳの利用）
本発明の永久電流スイッチは、液体ヘリウム中で運転するあらゆる永久電流モード運転の超電導磁石に適用することができる。特に、永久電流運転による磁場安定性が必要なＮＭＲ、ＭＲＩといった応用には最適である。  
【０１４９】
本発明によれば、製作が困難なＰＩＴ法によるＭｇＢ２超電導線材を使わずとも、クエンチ耐性を改善した永久電流スイッチを簡便に構成することができ、コストパフォーマンスにすぐれた永久電流モードスイッチを提供できる。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
本発明は、永久電流モード運転する超電導磁石一般に適用でき、製品化されている超電導磁石製品（ＭＲＩ、ＮＭＲ）などに利用できる。
【符号の説明】
【０１５１】
１、１０１：３次元ミアンダ導体、２：ＭｇＢ２直方体、３：スリット加工位置、４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ：シートヒータ、５：ヒータパターン、６：ポリイミドシート、７：口出し線、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ：板、８０ａ、８０ｂ、８０ｄ：板、９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ：接続部品、１１ａ、１１ｂ：口出し線、１２ａ、１２ｂ：枠、１３ａ、１３ｂ：隔壁、１４：台座、１５：金型、１６、１７、１７ａ：２次元ミアンダ導体、１８：絶縁シート、１９：シート、２２：フィラメント、２３：くぼみ、２４：超電導はんだ、２８：導体、２９：樹脂、１０２、１０３：スリット。
【図１】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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