(57)【要約】【課題】超電導マグネットにおいてクエンチ現象を早期且つ精度よく検出する。【解決手段】本発明に係るパッシブ・クエンチ検出方法は、超電導コイル（Ｌ１，Ｌ２）が直列接続されてなる超電導マグネットのクエンチを検出するために、超電導コイル間の接続点に接続された（Ｎ−１）本の第１のリード（１３）と、リファレンス抵抗間に接続された第２のリード（１４）と、第１のリード及び第２のリード間に設けられた電圧検出部（１６）と、該電圧検出部の検出値の絶対値が閾値Ｖｒｅｆ以上になった場合にクエンチを検出したと判定する検出部（５）とを備えており、クエンチ現象が発生していない正常状態において電圧検出部の検出値が略ゼロになるように設定されていることを特徴とする。【選択図】図３
2015070118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ（但し、Ｎは２以上の整数）個の超電導コイルが接続点を介して互いに直列接続されて構成された超電導マグネットのクエンチ検出方法であって、
（ｉ）互いに直列接続され、前記Ｎ個の超電導コイルに対して並列に接続されたＮ個のリファレンス抵抗と、（ｉｉ）前記Ｎ個の超電導コイルのうち隣り合う超電導コイル間の接続点に接続された（Ｎ−１）本の第１のリードと、（ｉｉｉ）前記Ｎ個のリファレンス抵抗のうち隣り合うリファレンス抵抗間の接続点に接続された（Ｎ−１）本の第２のリードとを前記Ｎ個の超電導コイルに対して組み込むことによってブリッジ回路を構成する回路構成工程と、
前記第１のリード及び前記第２のリード間の電圧を検出する電圧検出工程と、
前記Ｎ個の超電導コイルのいずれかにクエンチが検出された場合における前記電圧検出工程における電圧の検出値の組み合わせを予め用意しておき、
前記クエンチ検出工程では、前記電圧検出工程で検出した実測値と、前記予め用意した検出値の組み合わせとを比較することにより、前記Ｎ個の超電導コイルのうちいずれにおいてクエンチが検出されたかを特定するクエンチ検出工程と
を備えることを特徴とする超電導マグネットのパッシブ・クエンチ検出方法。
【請求項２】
前記Ｎ個の超電導コイルにクエンチが発生していない正常状態において、前記電圧検出工程における電圧の検出値が略ゼロになるように前記Ｎ個のリファレンス抵抗を調整する調整工程を備えることを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネットのパッシブ・クエンチ検出方法。
【請求項３】
前記Ｎ個のリファレンス抵抗は、コンスタンタンを抵抗材料とする可変抵抗器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導マグネットのパッシブ・クエンチ検出方法。
【請求項４】
前記Ｎ個の超電導コイルは、それぞれダブルパンケーキ構造を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超電導マグネットのパッシブ・クエンチ検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の超電導コイルが接続点を介して互いに直列接続されて構成された超電導マグネットのパッシブ・クエンチ検出方法の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機や発電機などの電気機器やＭＲＩなどの医療用診断装置のような電磁特性を利用した機器では、しばしば強力な磁場が必要とされる。一般的に強磁場は例えばサマリウム・コバルト系やネオジウム・鉄・ボロン等の永久磁石によって得ることができるが、単体の永久磁石では利用できる最大磁束密度Ｂは約０．５Ｔ程度が限度とされている。更に強力な磁場を得る手段として、例えば、永久磁石を組み合わせたハルバッハ磁気回路が知られている。ハルバッハ磁気回路は永久磁石が作る双極子磁場の分布方向に合わせて永久磁石を配置することによりドーナツ状磁気回路を構成することで、中心部分に均一な強磁場を発生させる。図１２はハルバッハ磁気回路４０の構成例であり、中空の筐体４１内に複数の永久磁石４２を組み合わせて構成しており、最大磁束密度Ｂ＝１．５（Ｔ）を実現している。
【０００３】
ハルバッハ磁気回路では、磁気を帯びた複数の永久磁石を組み合わせて構成するため、その組み立てに膨大な力を要するため、更に強力な磁場を得ることは困難であるとされている。そこで、より強力な磁場を得るための手段として、近年、超電導マグネットが注目されている。超電導マグネットは、極低温状態において電気抵抗値が直流でゼロとなる超電導線をコイル状に巻回して構成されており、大電流を流すことで数Ｔ以上の強磁場を容易に発生することができる。
【０００４】
超電導マグネットを運用するにあたり、超電導相が突然破壊されて常電導相に転移することによって過熱し、超電導コイルを破壊（焼損）する、いわゆるクエンチ現象が発生する。これを回避することが超電導マグネットの実用化には重要である。クエンチ現象が生じる原因は様々考えられているが、超電導コイル巻線の一部が局部的に動くワイヤー・ムーブメントが原因の一つとして挙げられる。例えば、超電導コイル巻線の一部が何らかの理由によって微小ながら動くと、磁場中の線材移動によって起電力が発生し、発熱が生じる。そして発熱によって温度が超電導線の臨界温度以上に達すると、超電導相の破壊が生じ、クエンチ現象となって観測される。このようなクエンチ現象は、超電導コイル巻線の溶断のような重大な故障原因となるため、早期且つ精度よく検出することが求められている。
【０００５】
この種のクエンチ検出方法は様々な手法が検討されているが、その一例として例えば特許文献１及び２がある。特許文献１では超電導コイルを電圧タップを用いて複数区間に区分し、それぞれの電位差を測定することによってクエンチの検出を行っている。また、特許文献２では、超電導コイルに設けられた中間タップを利用してブリッジ回路を構成し、該ブリッジ回路における電圧検出値に基づいてクエンチの検出を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２４８７２５号公報
【特許文献２】特開昭５４−９６３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
超電導コイルの冷却温度が十分確保されている場合、仮にコイル中に局部的な発熱が生じたとしてもマグネット材料の比熱が十分大きいうちは温度上昇が小さく、クエンチ現象は生じにくくなる。一般的に、超電導体は、ヘリウム温度で使用される金属超電導体と、該金属超電導体に比べて高い臨界温度を有するＹ系或いはＢｉ系などの高温超電導体とに大きく分けることができるが、高温超電導体は金属超電導体に比べて比熱が大きい温度領域で動作できるため、クエンチ現象は生じにくいとされている。しかしながら、超電導マグネットの用途によっては、超電導線が強磁場に曝され、臨界温度が低下し、クエンチ現象の発生リスクが大きくなる場合がある。
【０００８】
超電導マグネットで使用される超電導線を高温超電導体で形成する場合、超電導線材の製法上の制約から、一般的にテープ形状の線材が用いられている。このようなテープ線材形状を有する超電導線をコイル巻線として用いる場合、図１３に示すパンケーキ構造が広く採用されている。この例では、外側から内側に向かってパンケーキ状に巻回された第１の超電導コイルＬ１と、内側から外側に向かってパンケーキ状に巻回された第２の超電導コイルＬ２とが、内側において連続に電気的に接続された、いわゆるダブルパンケーキ構造を有している。このようなダブルパンケーキ構造は、磁場強度の低い外周部で接続しながら階層を増やすことで、簡易に強力な磁場を発生できるというメリットがある。
【０００９】
一方で、テープ線材形状の超電導線はその薄さから、略円形断面を有する一般的な線材に比べて、熱伝達特性が小さくなる。そのため、常電導相が生じた場合に、発熱によって溶断のような重大な故障につながりやすいため、より早期にクエンチ現象を検出することが求められている。
【００１０】
特許文献１では、超電導コイルの所定区間における電圧測定値に基づいてクエンチの検出を行っている。しかしながら、このような電圧測定値には、超電導コイルの直流電源等に起因するノイズが多く含まれており、精度のよいクエンチ検出は困難である。一方、特許文献２ではブリッジ回路を用いてクエンチ検出を行っているため、上述の特許文献１に比べると検出精度は比較的改善されるものと考えられる。しかしながら、特許文献２の検出技術では、単純な構成を有する超電導コイルのクエンチ検出は可能であるが、多数の超電導コイルから構成される超電導マグネットに適用しようとした場合、同様の検出装置をコイル数だけ用意する必要があるため、構成が煩雑になってしまうという問題がある。
【００１１】
また、複数の超電導コイルを電気的に接続すると、それぞれの超電導コイルは互いに相互インダクタンスの影響を受ける。そのため、クエンチが発生した場合における各超電導コイルの両端電圧の振る舞いは、上述のような単純な系とは異なり、複雑なものとなる。そのため、上記技術をそのまま適用しただけでは、精度のよいクエンチ検出が困難であるという問題がある。
【００１２】
本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、複数の超電導コイルを含む超電導マグネットにおいてクエンチ現象を簡易な構成で精度よく検出可能な超電導マグネットのパッシブ・クエンチ検出方法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】
【００１３】
本発明に係る超電導マグネットのパッシブ・クエンチ検出方法は上記課題を解決するために、Ｎ（但し、Ｎは２以上の整数）個の超電導コイルが接続点を介して互いに直列接続されて構成された超電導マグネットのクエンチ検出方法であって、（ｉ）互いに直列接続され、前記Ｎ個の超電導コイルに対して並列に接続されたＮ個のリファレンス抵抗と、（ｉｉ）前記Ｎ個の超電導コイルのうち隣り合う超電導コイル間の接続点に接続された（Ｎ−１）本の第１のリードと、（ｉｉｉ）前記Ｎ個のリファレンス抵抗のうち隣り合うリファレンス抵抗間の接続点に接続された（Ｎ−１）本の第２のリードとを前記Ｎ個の超電導コイルに対して組み込むことによってブリッジ回路を構成する回路構成工程と、前記第１のリード及び前記第２のリード間の電圧を検出する電圧検出工程と、前記Ｎ個の超電導コイルのいずれかにクエンチが検出された場合における前記電圧検出工程における電圧の検出値の組み合わせを予め用意しておき、前記クエンチ検出工程では、前記電圧検出工程で検出した実測値と、前記予め用意した検出値の組み合わせとを比較することにより、前記Ｎ個の超電導コイルのうちいずれにおいてクエンチが検出されたかを特定するクエンチ検出工程とを備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、Ｎ個の超電導コイルから構成された超電導マグネットにおいて、各超電導コイルに構成したブリッジ回路の電圧を測定することで、クエンチ検出を精度よく行うことができる。特に、超電導コイルのいずれかにクエンチが検出された場合における電圧検出値の組み合わせを予め用意して実際の電圧検出値と比較することによって、各超電導コイル間の相互インダクタンスの影響を考慮した、精度のよいクエンチ検出判定を行うことができる。これにより、複数の超電導コイルのうちいずれの超電導コイルでクエンチが検出されたのかを特定することができるため、後日、クエンチの発生箇所の特定などを解析する際にも有用な情報を得ることができる。
【００１５】
本発明の一態様では、前記Ｎ個の超電導コイルにクエンチが発生していない正常状態において、前記電圧検出工程における電圧の検出値が略ゼロになるように前記Ｎ個のリファレンス抵抗を調整する調整工程を備えてもよい。
この態様によれば、クエンチ現象が発生していない正常状態では、前記第１のリード及び前記第２のリード間の検出値が略ゼロになるようにバランスがとられているため、クエンチ現象が発生することで超電導マグネット内の電気抵抗値が増加すると、該バランスが崩れることにより、電圧検出値は略ゼロではない値が検出されることとなる。
【００１６】
また他の態様では、前記Ｎ個のリファレンス抵抗は、コンスタンタンを抵抗材料とする可変抵抗器であってもよい。
コンスタンタンは温度特性・磁場特性共に安定性に優れているので、超電導マグネットの極低温・強磁場という過酷な環境下において、微小な電圧変化に基づくクエンチ検出に用いられる上記リファレンス抵抗の材料として適している。
【００１７】
また、前記Ｎ個の超電導コイルは、それぞれダブルパンケーキ構造を有してもよい。
ダブルパンケーキ構造では互いの超電導コイルが接続点を介して接続されているので、当該接続点に対してリファレンス抵抗、第１のリード、第２のリードを組み込み、上記ブリッジ回路を容易に構成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、Ｎ個の超電導コイルから構成された超電導マグネットにおいて、各超電導コイルに構成したブリッジ回路の電圧を測定することで、クエンチ検出を精度よく行うことができる。特に、超電導コイルのいずれかにクエンチが検出された場合における電圧検出値の組み合わせを予め用意して実際の電圧検出値と比較することによって、各超電導コイル間の相互インダクタンスの影響を考慮した、精度のよいクエンチ検出判定を行うことができる。これにより、複数の超電導コイルのうちいずれの超電導コイルでクエンチが検出されたのかを特定することができるため、後日、クエンチの発生箇所の特定などを解析する際にも有用な情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】参考例に係るクエンチ検出装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】参考例におけるマグネット電流及び超電導コイルの両端電圧の時間変化を示すグラフである。
【図３】第１実施例に係るクエンチ検出装置の全体構成を示す概略図である。
【図４】図３に示すクエンチ検出装置の等価回路である。
【図５】第１実施例における電圧検知部の検出値の時間変化を、マグネット電流及び超電導コイルの両端電圧と共に示すグラフである。
【図６】第２実施例に係るクエンチ検出装置の全体構成を示す模式図である。
【図７】第２実施例における電圧検出部の検出値の測定例を示すグラフである。
【図８】図７（ａ）を拡大して示したグラフである。
【図９】図８から検出値Ｖｍ１（ｔ）を代表的に抽出して拡大表示したものである。
【図１０】リファレンス抵抗の構成例を示す模式図である。
【図１１】複数の金属材料について電気抵抗率の温度特性を示すグラフである。
【図１２】ハルバッハ磁気回路の構成例を示す模式図である。
【図１３】パンケーキ構造を有する超電導マグネットの構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２１】
（参考例）
はじめに図１を参照して、本発明に係るに至る前提となった参考例について説明する。ここではクエンチの検出対象となる超電導マグネットが等しいインダクタンスＬ１及びＬ２を有する超電導コイルから構成されることによって、シンプルな構造を有する場合について例示する。図１は参考例に係るクエンチ検出装置１０´の全体構成を示す概略図である。
【００２２】
クエンチ検出対象となる超電導マグネットは、互いに直列接続されたダブルパンケーキ構造を有する２つの超電導コイルＬ１及びＬ２から構成されている（すなわち、Ｎ＝２）。超電導コイルＬ１及びＬ２は、商用電源で動作する直流電源３が直列接続されてなる電気回路４を有しており、図１では該電気回路４を流れる直流電流（マグネット電流）をＩｄｃで示している。電気回路にはマグネット電流Ｉｄｃを計測するための電流計６が直列に設けられると共に、超電導コイルＬ１及びＬ２の両端電圧Ｖｄｃを計測するための電圧計７が並列に設けられている。電流計６及び電圧計７の検出値は、検出値の演算解析を行うための検出部５（例えば電子計算機や各種計測器など）に送られ、クエンチ検出がなされる。
尚、電気回路４に直列に挿入された抵抗ＲＸは、直流電源３の内部抵抗や各超電導コイルＬ１及びＬ２内における種々の接続抵抗および電流リードなどの、電気回路４に含まれる各種抵抗成分をまとめて表現したものである。
【００２３】
電気回路４を流れる直流電流Ｉｄｃの大きさは、超電導コイルＬ１及びＬ２で発生すべき磁場の大きさに応じて、不図示の電源コントローラによって制御される。ここでは、電流値Ｉｄｃは、電気回路４に含まれるインダクタンス成分Ｌ及び抵抗成分Ｒによって決められる一定の時定数で電流変化を減衰させて徐々に電源電圧を上げて超電導コイル電流が所定値になるまで増加するように制御される。
【００２４】
ここで参考例を用いたクエンチ検出の検証例を図２に示す。尚、この検証に用いた超電導マグネットを構成する超電導コイルＬ１及びＬ２はそれぞれ自己インダクタンスＬ１＝Ｌ２＝０．１（Ｈ）、相互インダクタンスＭ＝０．０９９（Ｈ）、電流リードを含む全抵抗が３０（ｍΩ）のものを用いた。また、直流電源３はスイッチング方式を採用しているものを使用し、出力電圧は２（Ｖ）の定電圧駆動とした（ただし±２００ｍＶの白色ノイズを含むとした）。通常、電源電圧は超電導マグネットの様子を見ながら徐々に上昇させるが、ここでは実用装置を想定して、電源電圧は初期状態から２（Ｖ）で一定であるとした。
【００２５】
図２では、電気回路４を流れるマグネット電流Ｉｄｃと、超電導マグネットの両端電圧Ｖｄｃが示されている。この例では、電源コントローラによってマグネット電流Ｉｄｃを次第に増加するように制御しており、時刻ｔ１に達すると、２つの超電導コイルのうちＬ２に常電導相が発生することによってクエンチ現象が現れ始める場合の測定結果を示している。しかしながら、図２に示すように参考例では、マグネット電流Ｉｄｃ及び端子電圧Ｖｄｃの振る舞いには目立った変化が見られないため、この時点でクエンチを検出することは困難である。
【００２６】
電源コントローラによるマグネット電流Ｉｄｃの増加を更に継続すると、時刻ｔ２において、電気回路４を流れるマグネット電流Ｉｄｃが減少し始める。参考例では、このように時刻ｔ２において、電源コントローラによる電流増加制御にも関わらず、マグネット電流Ｉｄｃが減少するという異常現象を検知することによって、クエンチ現象の発生を把握することとなる。従って、参考例では、クエンチ現象を検知するためには時刻ｔ２まで待つ必要があり、時刻ｔ１の時点での検出はできない。時刻ｔ２ではマグネット電流Ｉｄｃが大きな値に達しているため、超電導コイルＬ１及びＬ２の焼損などの重大な故障に至ってしまうおそれがある。実際には、常電導層が発生すると寒冷である液体ヘリウムや窒素が激しく沸騰するので、物理的な現象から異常が起きた事を察知できるが、電気的にはクエンチ現象を検知する事が難しいのである。
【００２７】
またクエンチ現象は、このようにマグネット電流Ｉｄｃを増加させる過程において生じやすいという報告例が多くなされている。マグネット電流Ｉｄｃが増加すると、超電導コイルＬ１及びＬ２によって大きな逆起電力が生じるため、クエンチ現象に起因する微小な電気抵抗値の増加を判別して検出することが難しいという問題がある。
更にクエンチ現象に伴う微小な電圧を検出する際に、電圧信号の送受信を行う各種配線等にノイズが侵入すると、クエンチ現象に起因する微小な電気信号は、大きなノイズに埋もれてしまい、クエンチ現象を判別することが難しくなるという問題もある。図２の検証例においても、スイッチング方式の直流電源３を用いているため、両端電圧Ｖｄｃに大きな白色ノイズが混在しており、微小な電圧変化によるクエンチ検出が難しくなることが示されている。
このような問題点は、以下に説明するブリッジ回路を用いた検出方法（以下、適宜「基本技術」と称する）によって解消することができる。
【００２８】
（基本技術）
図３はブリッジ回路を利用したクエンチ検出装置１０の全体構成を示す模式図であり、図４は図３に示すクエンチ検出装置１０の等価回路である。尚、上記参考例と共通する箇所には同じ符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略することとする。
【００２９】
基本技術では、後述する本発明の原理をわかりやすく説明するために、超電導マグネットが同等の２つの超電導コイルＬ１及びＬ２から構成されている場合を例に説明を行う。尚、この基本技術は超電導マグネットが偶数個の超電導コイルから構成されており、且つ、これら偶数個の超電導コイルが同等の２グループに分割可能である場合に適用可能である。尚、超電導マグネットが奇数個の超電導コイルから構成される場合や、超電導マグネットが偶数個の超電導コイルから構成される場合であっても同等の２グループに分割不能である場合には、後述する本発明を適用することで、クエンチを精度よく検出することができる。
【００３０】
クエンチ検出装置１０は、超電導コイルＬ１及びＬ２に対して、互いに直列接続されたリファレンス抵抗Ｒ１及びＲ２が並列に接続されており、リファレンス抵抗Ｒ１及びＲ２の中点１２に接続された第１のリード１３と、超電導コイルＬ１及びＬ２の中点１１に接続された第２のリード１４とを有するように構成されたブリッジ回路１５を備えている。第１のリード１３及び第２のリード１４間には電圧検出部１６が設けられている。電圧検出部１６の検出値Ｖｍ（ｔ）は、検出信号の解析を行う検出部５に送られ、該検出値に基づいてクエンチ現象が検出可能に構成されている。
【００３１】
尚、リファレンス抵抗Ｒ１及びＲ２はそれぞれ第１のリード１３及び第２のリード１４自体が有する電気抵抗の影響が少なくなるように、超電導コイルＬ１及びＬ２の近傍に配置するとよい。そのため、リファレンス抵抗Ｒ１及びＲ２は磁場や温度による影響が小さいものを採用することが望ましい。
【００３２】
ここで図４の等価回路について回路方程式を求めると、次式が得られる。
2015070118.tif 000003
ここで、ｅ０は直流電源３の出力電圧値であり、ｅ２、ｅ３、ｅ４はそれぞれ図４に示すブリッジ回路１５上の各ポイントにおける電圧値を示しており、ｉ１（ｔ）及びｉ２（ｔ）は、それぞれ図４に示すブリッジ回路１５上の各ポイントにおける電流値を示している。
またブリッジ回路１５には、例えば抵抗成分として直流電源３の内部抵抗ＲＩＮ、電流リード１３及び１４のそれぞれの抵抗ＲＬ１、ＲＬ２、更に各超電導コイルＬ１及びＬ２内における種々の接続抵抗ＲＩＮｃ１、ＲＩＮｃ２が存在する。図３及び図４では、これらの抵抗成分を全抵抗値ＲＸとして示している。尚、厳密には
2015070118.tif 000004
であるが、以下の説明では
2015070118.tif 000005
と近似して簡略化する。
尚、Ｍは超電導コイルＬ１及びＬ２の相互インダクタンスであり、磁気結合係数Ｋを用いると、
2015070118.tif 000006
の関係が成立する。
【００３３】
ここでブリッジ回路１５において超電導コイルのインダクタンスＬ１及びＬ２、並びに、リファレンス抵抗Ｒ１及びＲ２が互いに等しいと仮定する。超電導コイルＬ１及びＬ２においてクエンチ現象が発生していない正常状態では、ブリッジ回路１５は電圧検出部１６に対して対称となるため、電圧検出部１６の検出値Ｖｍ（ｔ）は略ゼロとなる。一方、超電導コイルＬ１及びＬ２の少なくとも一方でもクエンチ現象が発現すると、ブリッジ回路１５におけるバランスが崩れ、電圧検出部１６の検出値Ｖｍ（ｔ）の絶対値は略ゼロ以外の値を示すこととなる。
【００３４】
ここで図５に、第１実施例に係るクエンチ検出装置１０を用いた検証例を示す。この検証例では、超電導コイルの自己インダクタンスをＬ１＝Ｌ２＝０．１（Ｈ）、相互インダクタンスをＭ＝０．９９（Ｈ）、リファレンス抵抗をＲ１＝Ｒ２＝１０（Ω）、総抵抗をＲＸ＝０．１（Ω）、直流電源３の出力電圧をe０=２（Ｖ）に一定に保持するように設定した。そして、直流電源３を電源コントローラで制御することにより、マグネット電流Ｉｄｃを次第に増加させた。
【００３５】
クエンチ現象の開始タイミングである時刻ｔ１では、図２に示す参考例と同様に、マグネット電流Ｉｄｃや端子電圧Ｖｄｃ自体の振る舞いでは異常は観測されない。しかしながら、電圧検出部１６の検出電圧Ｖｍ（ｔ）は時刻ｔ１以降、明らかな増加傾向を示している。これは、クエンチ現象によって超電導コイルＬ１及びＬ２の電気抵抗値が増加し、ブリッジ回路１５におけるバランスが崩れたことを意味している。
検出部５では予めメモリなどの記憶部に閾値Ｖｒｅｆを記憶しておき、電圧検出部１６の検出値Ｖｍ（ｔ）の絶対値が該閾値Ｖｒｅｆを越えた場合に、クエンチ現象が発生したと判定することにより検出を行う。
このようにクエンチ検出装置１０では、超電導マグネット内に生ずる微小な電気抵抗値の変化に起因する電圧変化をブリッジ回路１５を用いて検知することができる。
【００３６】
尚、図５では超電導マグネットを構成する２つの超電導コイルのうちＬ２においてクエンチが発生した場合を示しており、これに対応して検出電圧Ｖｍ（ｔ）は符号がプラスになるように生じている。一方、超電導マグネットを構成する２つの超電導コイルのうちＬ１においてクエンチが発生した場合には、逆に検出電圧Ｖｍ（ｔ）は符号がマイナスになるように生じる。これにより、基本技術では、検出電圧Ｖｍ（ｔ）の絶対値を閾値Ｖｒｅｆと比較することでクエンチ発生の有無を検出することに加えて、いずれの超電導コイルでクエンチが発生したのかを特定することができる。
【００３７】
また、図５に示す端子電圧Ｖｄｃには、主に直流電源３に起因する白色ノイズが含まれている。図２を参照して前述したように、両端電圧Ｖｄｃには大きな白色ノイズが現れているが、ブリッジ回路１５における検出電圧Ｖｍには、このようなノイズの影響はほとんどない。これは直流電源３からのノイズは対照的に配置された超電導コイルＬ１及びＬ２、並びに、リファレンス抵抗Ｒ１及びＲ２に対して同位相で侵入することから、両信号の差電圧であるブリッジ回路１５の検出信号Ｖｍ（ｔ）ではこれらのノイズが相殺されるためである。このように、本実施例に係るクエンチ検出装置１０では、ノイズの影響を軽減して、精度のよいクエンチ検出を行うことができる。
【００３８】
尚、上記実施例は直流電源３を定電圧駆動した場合について述べたが、定電流駆動した場合においても、リファレンス抵抗Ｒ１及びＲ２への電流を別電源から供給することにより、同様の原理に基づいてクエンチ検出を行うことができる。
【００３９】
このようなクエンチ検出装置１０は、超電導マグネットを構成する超電導コイルが偶数であり、且つ、これらの複数の超電導コイルを２つのグループに分割可能である場合に適用可能であるが、超電導マグネットが奇数個の超電導コイルから構成される場合や、超電導マグネットが偶数個の超電導コイルから構成される場合であっても同等の２グループに分割不能である場合には適用することができないという問題がある。
【００４０】
また上述のクエンチ検出装置１０ではクエンチ発生箇所を特定する場合に、同等の２つのグループ間の検出電圧Ｖｍ（ｔ）の符号に基づいて判別する必要があったが、このような特定方法は３つ以上の超電導コイルから構成される場合には適用することができないという問題がある。
【００４１】
また上述のクエンチ検出装置１０ではクエンチが生じていない状態において検出電圧Ｖｍ（ｔ）がゼロになるように初期設定を行う必要がある。このような初期設定は、超電導マグネットを構成する超電導コイルの個数が少ない場合には比較的容易であるが、超電導コイルの個数が多くなると、超電導コイル間の相互作用が大きくなるので、各超電導コイルの個体差のバラツキの影響が大きくなり、初期設定の難易度が高くなる。そのため、精度のよいクエンチ検出が困難になってしまうという問題がある。
これらの問題点は、以下に説明する本発明に係る実施例によって解決することができる。
【００４２】
（実施例）
本実施例では、より多くの超電導コイルから構成される超電導マグネットに対して本発明を適用した場合を例に説明する（すなわち、Ｎ＞３）。
【００４３】
図６は本実施例に係るクエンチ検出装置２０の全体構成を示す模式図である。検出対象である超電導マグネットはダブルパンケーキ構造を有する超電導コイルＬ１〜Ｌ５が互いに直列接続されて構成されている（Ｎ＝５の場合）。超電導コイルＬ１〜Ｌ５には、互いに直列接続されたリファレンス抵抗Ｒ１〜Ｒ５が並列に接続されており、超電導コイルＬ１及びＬ２間の中点２１ａとリファレンス抵抗Ｒ１及びＲ２間の中点２２ａとの間に電圧検出部２３ａが設けられ、超電導コイルＬ２及びＬ３間の中点２１ｂとリファレンス抵抗Ｒ２及びＲ３間の中点２２ｂとの間に電圧検出部２３ｂが設けられ、超電導コイルＬ３及びＬ４間の中点２１ｃとリファレンス抵抗Ｒ３及びＲ４間の中点２２ｃとの間に電圧検出部２３ｃが設けられ、超電導コイルＬ４及びＬ５間の中点２１ｄとリファレンス抵抗Ｒ４及びＲ５間の中点２２ｄとの間に電圧検出部２３ｄが設けられることによって、ブリッジ回路２４が構成されている。
ここで中点２１ａ〜２１ｄにおける接続点電位をｅ２（ｔ）〜ｅ５（ｔ）、中点２２ａ〜２２ｄにおける接続点電位をｅ６（ｔ）〜ｅ９（ｔ）と定義すると、電圧検出手段２３ａ〜２３ｄにおける検出電圧は
2015070118.tif 000007
となる。
【００４４】
超電導マグネットＬ１〜Ｌ５は同じものを用いることが理想的ではあるが、本実施例は超電導マグネットが異なるインダクタンスを有する超電導コイルから構成される場合にも適用可能である（超電導コイルの製造精度には限界があるため少なからず個体差があることとなる）。そこで本実施例では実際の態様に近づくように、各超電導コイルの自己インダクタンスＬ１＝１０（ｍＨ）、Ｌ２＝１０．２（ｍＨ）、Ｌ３＝１０．１（ｍＨ）、Ｌ４＝９．９（ｍＨ）、Ｌ５＝９．９（ｍＨ）であると仮定する。また超電導マグネットでは、各超電導コイルが磁気的結合するので相互インダクタンスも重要になる。そこで、超電導コイルＬｉ及びＬｊ（ｉ、ｊは任意の整数）の磁気結合係数Ｋｉｊを用いると、相互インダクタンスは
2015070118.tif 000008
と表される。理想的なコイルでは磁束鎖交割合が１００％であるためＫｉｊ＝１であるが、実際には少なからず各コイルの隙間から磁力線が漏洩する。このような事実を反映させるために、隣り合う超電導コイル同士の磁気結合係数を９９％、一つ置き超電導コイル同士の磁気結合係数を９８％、二つ置き超電導コイル同士の磁気結合係数を９７％であると仮定する。
【００４５】
このような仮定に基づいて、超電導コイルＬ１〜Ｌ５で構成される超電導マグネットの場合、各超電導コイルにおける磁気結合係数は次式のようになる。
2015070118.tif 000009
尚、リファレンス抵抗はＲ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒ５＝１０（Ω）と仮定する。
【００４６】
図７は電圧検出部２３ａ〜２３ｄの検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ４（ｔ）の測定例を示すグラフである。図７（ａ）は超電導コイルＬ１にクエンチ現象が発生した場合を示しており、図７（ｂ）は超電導コイルＬ２にクエンチ現象が発生した場合を示しており、図７（ｃ）は超電導コイルＬ３にクエンチ現象が発生した場合を示しており、図７（ｄ）は超電導コイルＬ４にクエンチ現象が発生した場合を示しており、図７（ｅ）は超電導コイルＬ５にクエンチ現象が発生した場合を示している。
【００４７】
図７（ａ）によれば、超電導コイルＬ１がクエンチすると、時刻ｔ１以降、電圧検出部２３ａ〜２３ｄの検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ４（ｔ）の全てが減少傾向を示している。図７（ｂ）によれば、超電導コイルＬ２がクエンチすると、時刻ｔ１以降、電圧検出部２３ａの検出値Ｖｍ１（ｔ）のみが増加傾向を示す一方で、残りの検出値Ｖｍ２（ｔ）〜Ｖｍ４（ｔ）は減少傾向を示している。図７（ｃ）によれば、超電導コイルＬ３がクエンチすると、時刻ｔ１以降、電圧検出部２３ａ及び２３ｂの検出値Ｖｍ１（ｔ），Ｖｍ２（ｔ）が増加傾向を示す一方で、残りの検出値Ｖｍ３（ｔ），Ｖｍ４（ｔ）は減少傾向を示している。図７（ｄ）によれば、超電導コイルＬ４がクエンチすると、時刻ｔ１以降、電圧検出部２３ａ〜２３ｃの検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ３（ｔ）が増加傾向を示す一方で、残りの検出値Ｖｍ４（ｔ）のみが減少傾向を示している。図７（ｅ）によれば、超電導コイルＬ５がクエンチすると、時刻ｔ１以降、電圧検出部２３ａ〜２３ｄの検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ４（ｔ）の全てが増加傾向を示している。
【００４８】
このように複数の超電導コイルについてブリッジ回路を構成した場合、どの超電導コイルでクエンチが発生したかに応じて、各検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ３（ｔ）の増減パターンが異なっている。このような各検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ３（ｔ）の増減パターンは、超電導マグネットを構成する超電導コイルの個数や接続状態に応じて特定される。本実施例では、以下に説明するように、各検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ３（ｔ）の増減パターンを解析することにより、多数の超電導コイルから構成される超電導マグネットにおいても、クエンチを精度よく検出すると共に、その発生箇所を特定することができる。
【００４９】
まず、検出部５では上記基本技術と同様に、クエンチ現象の検出基準となる閾値Ｖｒｅｆを予めメモリなどの記憶手段に記憶しておき、各検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ４（ｔ）の絶対値が該閾値Ｖｒｅｆを超えた場合に、クエンチ現象の発生を特定することができる。本実施例では超電導コイルＬ１〜Ｌ４は略等しいインダクタンスを有しているので共通の閾値Ｖｒｅｆを設定しているが、超電導コイルＬ１〜Ｌ４の各々に対して個別に閾値を設定してもよい。
検出部５では各超電導コイルＬ１〜Ｌ４においてクエンチの発生をモニタリングしており、超電導コイルＬ１〜Ｌ４のいずれかにおいてクエンチが検出された場合に、警報を発することにより、オペレータに報知するとよい。
これにより多数の超電導コイルから構成された超電導マグネットにおいても、ブリッジ回路を利用した精度のよいクエンチ検出を行うことができる。
【００５０】
また検出部５は、各超電導コイルＬ１〜Ｌ４の検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ４（ｔ）の変化パターンに基づいて、どの超電導コイルにおいてクエンチが発生したのかを特定することができる。具体的には、検出部５にメモリなどの記憶手段を内蔵しておき、該記憶手段に各超電導コイルＬ１〜Ｌ４でクエンチが発生した場合における各検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ４（ｔ）の振る舞いをデータとして予め用意しておく。そして、該記憶したデータに実際の検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ４（ｔ）を照合することにより、超電導マグネットを構成する超電導コイルのどの部分においてクエンチが発生したのかを特定することができる。
【００５１】
尚、記憶手段に記憶するデータとしては、少なくとも各超電導コイルＬ１〜Ｌ４でクエンチが発生した場合における各検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ４（ｔ）の符号を含んでいればよい。これにより、多数の超電導コイルからなる超電導マグネットにブリッジ回路を設けた場合においても、超電導コイルＬ１〜Ｌ４間の相互作用を加味しつつ、クエンチの発生箇所と検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ４（ｔ）の振る舞いを対応付けて、精度のよいクエンチ検出を行うことができる。
【００５２】
図８は図７（ａ）を拡大して示したものであり、図９は図８から検出値Ｖｍ１（ｔ）を代表的に抽出して拡大表示したものである。基本技術にて上述したようにブリッジ回路２４における検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ４（ｔ）はノイズの影響を受けにくいものの、図８及び図９に示されているように、ノイズを完全に除去することは難しく、検出値には、最大振幅が０．１（ｍＶ）程度のノイズが現れている。また最大で２．６（ｍＶ）のオフセット電圧が現れているこれでは正確なクエンチ開始点の検出が難しくなる。これは、各超電導コイルのインダクタンスＬ１〜Ｌ５が完全に同一値ではないにも拘らず、リファレンス抵抗Ｒを全て１０Ωに等しくなるように設定したことに原因がある。すなわち、実際の超電導コイルは少なからず製造バラツキを有するため、超電導コイル間の相互作用に起因するバイアス電圧が、ノイズとして検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ４（ｔ）に付加されてしまっている。
【００５３】
このようなノイズの影響を更に抑制するためには、各超電導コイルのインダクタンスＬ１〜Ｌ５のバラツキに応じて、リファレンス抵抗Ｒ１〜Ｒ５を最適化する、いわゆるキャリブレーションを行うことが有効である。この例では、リファレンス抵抗を、それぞれＲ１＝１０．０１（Ω）、Ｒ２＝１０．２３（Ω）、Ｒ３＝１０．１８（Ω）、Ｒ４＝１０．０６（Ω）、Ｒ５＝１０．００（Ω）に調整した場合に、ノイズの影響が最小になる結果が得られた。
【００５４】
このようなリファレンス抵抗Ｒ１〜Ｒ５の最適化は、例えば図１０の構成を有する抵抗を採用することで、容易に実現することができる。図１０はリファレンス抵抗Ｒ１〜Ｒ５の構成例を示す模式図である。
図１０に示すリファレンス抵抗Ｒ１は、直径５（ｍｍφ）のＦＲＰ棒３０に抵抗線３１を無誘導巻きして形成した無誘導巻抵抗に摺動部３２を設けることによって可変抵抗として構成されており、上部に設けられたボルトねじ３３を回転させることで、該ボルトねじ３３に接続された摺動部３２を上下に移動できるようになっている。このように摺動部３２の位置を移動させることにより、実質的に無誘導巻抵抗に巻回されている抵抗線３１の長さを調整し、微妙な電気抵抗値の変更が可能となっている。
【００５５】
ここでリファレンス抵抗Ｒ１〜Ｒ５の抵抗線に用いられる材料としては、温度依存性や磁場依存性が少ない金属材料が好ましい（尚、例えば、一般的な電気通信回路で用いられる抵抗として安価なカーボン抵抗があるが、温度変化が大きいため好ましくない）。
図１１は、比較的抵抗率の高い複数の金属材料について電気抵抗率の温度特性を示すグラフである。この例では、インバー、ニクロム、コンスタンタン、及び、黄銅を代表的に示しているが、温度変化に対して、コンスタンタンの電気抵抗率が最も安定していることが示されている（ちなみに、温度変化に対して、インバーの電気抵抗率は約３６％、ニクロムの電気抵抗率は約３１％、黄銅の電気抵抗率は約７０％低下するのに対して、コンスタンタンの電気抵抗率は約８．６％の変化しかない）。超電導マグネットの運用を考えた時、寒冷である液体窒素温度が何らかの理由で１（Ｋ）程度揺らいだ場合を考慮すると、電気抵抗率の変化は常温に比べて約１０％以下に収まることが目安となるため、コンスタンタンの温度特性は優れていると言える。また、コンスタンタンは、例えば銅-コンスタンタン熱電対として多くの超電導マグネットの温度測定に使用されているように磁場に対しても殆ど影響を受けない特性を有している。
【００５６】
以上を鑑みるとリファレンス抵抗Ｒ１〜Ｒ５を構成する抵抗線の材料として、コンスタンタンが適していると言える。尚、本実施例で図１０で示したリファレンス抵抗の場合、直径０．５（ｍｍφ）、長さ２（ｍ）のコンスタンタン線を直径５（ｍｍφ）のＦＲＰ棒に約１２７ターン無誘導巻きすることで、電気抵抗値
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のリファレンス抵抗が得られた。
【００５７】
続いて、このようなリファレンス抵抗Ｒ１〜Ｒ５を、超電導マグネットのクエンチ検出に最適な値に調整する方法について説明する。
リファレンス抵抗Ｒ１〜Ｒ５の調整は、超電導マグネットの動作中に行うことは困難であるため、常温環境下にて行う必要がある。常温では超電導線が常電導状態にあるため、電流を流すと発熱しやすそうにも思えるが、高周波数の交流電流を印加することで、超電導コイルのインダクタンスによる電圧降下の方が大きくなるため、発熱の原因となる抵抗による電圧降下は実質的に無視することができる。
【００５８】
例えば、図６のように５個の超電導コイルから構成された超電導マグネットの場合、各超電導コイルにおける常温状態での線抵抗が約１０Ωであるとすると、これら超電導コイル全体の抵抗は約５０Ωとなる。このような超電導マグネットに対して振幅１０（Ｖ）、周波数１（ｋＨｚ）の交流電力を流しても、超電導コイルのインダクタンスが大きいために電流は６（ｍＡ）程度に収まり、超電導マグネットを過熱することで損傷を与えることはない。
【００５９】
このように超電導コイルに印加する交流電流が小さい場合であっても、各超電導コイル間の電圧（ｅ１−ｅ２，ｅ２−ｅ３，ｅ３−ｅ４，ｅ４−ｅ５，ｅ５）は約２（Ｖ）となり、各超電導コイルによる電圧降下を正確に測定して調整することができる。具体的には、まず、いずれか一つのリファレンス抵抗（ここではＲ５）を設定し、これに基づいて、残りのリファレンス抵抗Ｒ１〜Ｒ４を次式のように調整するとよい。
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例えば、Ｒ５＝１０（Ω）とした場合、残るリファレンス抵抗は（３）式を用いて、Ｒ１＝１０．０１（Ω）、Ｒ２＝１０．２３（Ω）、Ｒ３＝１０．１８（Ω）、Ｒ４＝１０．０６（Ω）と求められる。このように常温下でリファレンス抵抗Ｒ１〜Ｒ５を適切に調整することができる。
【００６０】
このようにリファレンス抵抗Ｒ１〜Ｒ５の調整を行うことによって、図８及び図９を参照して上述したようなノイズを含む検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ４（ｔ）を電圧ゼロに精度よく調整することで、キャリブレーションを行うことができる。これにより、ノイズの影響をキャンセルしてクリアな基準のもとで、検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ４（ｔ）に基づいたクエンチ検出を行うことができる。
【００６１】
以上説明したように、本実施例に係るクエンチ検出装置２０は、超電導マグネットが３つ以上の超電導コイルから構成される場合であってもクエンチ検出が可能である。特に、奇数個の超電導コイルから構成される場合や、超電導マグネットが偶数個の超電導コイルから構成される場合であっても同等の２グループに分割不能である場合においても、クエンチ検出が可能である。このように、クエンチ検出装置２０は様々なタイプの超電導マグネットに幅広く用いることができる。
【００６２】
またクエンチ検出装置２０では、多数の超電導コイルから構成される超電導マグネットにおいても、超電導コイル間の相互作用の影響を加味したキャリブレーションによって初期設定を容易に行うことができ、精度のよいクエンチ検出を行うことができる。特に、各検出値Ｖｍ１（ｔ）〜Ｖｍ４（ｔ）を予め用意した変化パターンと比較することによって、いずれの超電導コイルでクエンチが発生したのかを容易に特定することができる。
以上説明したように、本実施例に係るクエンチ検出装置２０によれば、超電導マグネットを構成する複数の超電導コイルに対してブリッジ回路を構成し、該ブリッジ回路における電圧変化に基づいて、クエンチ現象を早期且つ高精度に検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、複数の超電導コイルが接続点を介して互いに直列接続されて構成された超電導マグネットのパッシブ・クエンチ検出方法に利用可能である。
【符号の説明】
【００６４】
３  直流電源
４  電気回路
５  検出部
６  電流計
７  電圧計
１３  第１のリード
１４  第２のリード
１５  ブリッジ回路
１６  電圧検出部
【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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【図１３】
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