(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導マグネットと、
前記超電導マグネットを収容する冷却容器と、
前記冷却容器を収容する真空容器と、
前記真空容器に取り付けられた二段式冷凍機と、
前記冷却容器の内部であって、前記二段式冷凍機の第１冷却ステージと当該第１冷却ステージよりも温度が低くなる前記二段式冷凍機の第２冷却ステージとの間に配置された、前記超電導マグネットに電流を導入するための酸化物超電導電流リードと、
を備える伝導冷却型超電導マグネット装置において、
前記酸化物超電導電流リードを保護するためのダイオードが当該酸化物超電導電流リードに並列に接続されており、
前記ダイオードが、前記第１冷却ステージよりも前記第２冷却ステージに熱的に近い位置に配置されていることを特徴とする、伝導冷却型超電導マグネット装置。
【請求項２】
請求項１に記載の伝導冷却型超電導マグネット装置において、
前記酸化物超電導電流リードに接続する高温側の導線の一部が、巻かれた状態で前記第１冷却ステージに熱的に接続されていることを特徴とする、伝導冷却型超電導マグネット装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の伝導冷却型超電導マグネット装置において、
前記酸化物超電導電流リードに接続する高温側の導線のうちの前記冷却容器の内部に配置される導線は、銅線と高温超電導材線、またはビスマス系の高温超電導材線であることを特徴とする、伝導冷却型超電導マグネット装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の伝導冷却型超電導マグネット装置において、
前記ダイオードは、通電電圧が０．２Ｖ以下とされていることを特徴とする、伝導冷却型超電導マグネット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二段式冷凍機を具備してなる伝導冷却型超電導マグネット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体ヘリウムを用いずに冷凍機で超電導マグネットを冷却し運転できる伝導冷却型超電導マグネット装置が実用化されている。この伝導冷却型超電導マグネット装置は、例えば特許文献１に記載されている。
【０００３】
特許文献１に記載されているように、伝導冷却型超電導マグネット装置では、超電導マグネットへの電流供給経路に酸化物超電導電流リードを挿むことによって、外部からの熱侵入を遮断し、通電に伴う自己発熱も避けることが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２７７９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
伝導冷却型超電導マグネット装置において、冷却運転中の冷凍機が停止すると、装置内の各部の温度上昇が始まり、酸化物超電導電流リードはやがて超電導状態でなくなり高抵抗状態に遷移する。高抵抗状態に遷移した酸化物超電導電流リードに電源から電流が供給され続けると、酸化物超電導電流リードは発熱して焼損してしまう。
【０００６】
また、超電導マグネット（本体コイル）がクエンチしたにもかかわらず電源遮断が遅れ、酸化物超電導電流リードに電源から電流が供給され続けると、酸化物超電導電流リードが高抵抗状態に遷移して発熱・焼損してしまう。
【０００７】
また、システムシーケンスの不備で電源の遮断ミスが発生すると、酸化物超電導電流リードは確実に焼損してしまう。
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、電源、冷凍機などに不良が発生したとしても、酸化物超電導電流リードを自立的に保護できる構造を備えた伝導冷却型超電導マグネット装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、超電導マグネットと、前記超電導マグネットを収容する冷却容器と、前記冷却容器を収容する真空容器と、前記真空容器に取り付けられた二段式冷凍機と、前記冷却容器の内部であって、前記二段式冷凍機の第１冷却ステージと当該第１冷却ステージよりも温度が低くなる前記二段式冷凍機の第２冷却ステージとの間に配置された、前記超電導マグネットに電流を導入するための酸化物超電導電流リードと、を備える伝導冷却型超電導マグネット装置において、前記酸化物超電導電流リードを保護するためのダイオードが当該酸化物超電導電流リードに並列に接続されており、前記ダイオードが、前記第１冷却ステージよりも前記第２冷却ステージに熱的に近い位置に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の伝導冷却型超電導マグネット装置によれば、電源、冷凍機などに不良が発生したとしても、当該装置を構成する酸化物超電導電流リードは自立的に保護される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る伝導冷却型超電導マグネット装置を示す一部断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る伝導冷却型超電導マグネット装置の電気回路図である。
【図３】図１に示した伝導冷却型超電導マグネット装置の変形例を示す一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
（超電導マグネット装置の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る伝導冷却型超電導マグネット装置１（以下、「超電導マグネット装置１」と呼ぶ）を示す一部断面図である。図１に示すように、超電導マグネット装置１は、超電導マグネット１９と、超電導マグネット１９を収容する輻射シールド４（冷却容器）と、超電導マグネット１９が収容された輻射シールド４を収容する真空容器５と、真空容器５の上部に取り付けられた冷凍機３とを備えている。
【００１４】
（超電導マグネット）
超電導マグネット１９は、巻枠９と、巻枠９に超電導線材が螺旋状に巻回されてなる超電導コイル２とを有している。巻枠９は非磁性材であるアルミニウム材、ステンレス材などからなる。超電導コイル２を構成する超電導線材は、ニオブ・スズ（Ｎｂ３Ｓｎ）超電導線材、ニオブ・チタン（ＮｂＴｉ）超電導線材などである。
【００１５】
（真空容器）
真空容器５は、その内部を高真空に保持され、超電導マグネット１９や輻射シールド４への熱侵入を抑制する容器である。真空容器５は、その上部を密閉するエンドプレート５ａを有している。真空容器５の材質としては、アルミニウム材、ステンレス材が挙げられる。また、真空容器５の外面は常温（３００Ｋ程度）にさらされる。
【００１６】
真空容器５のエンドプレート５ａには銅材で形成された電極ピン８（電極）が取り付けられている。電極ピン８は、陽極ピンと陰極ピンとからなり、これら電極ピン８には、超電導コイル２を励磁するための励磁電源５０（図２参照）が接続される。電極ピン８の一部は、外部に突出し、大気（外気）にさらされている。
【００１７】
（輻射シールド）
輻射シールド４は、シールド本体４ａと、シールド本体４ａの上部開口に取り付けられたプレート４ｂとを有している。輻射シールド４（プレート４ｂ）の材質としては、アルミニウム材、銅材が挙げられる。
【００１８】
（冷凍機）
冷凍機３は、二段蓄冷式冷凍機（二段式冷凍機）であり、駆動部１２と、駆動部１２の下に配置されたシリンダ１１を有している。シリンダ１１は、上部の第１シリンダ１１ａと、下部の第２シリンダ１１ｂとを有している。第１シリンダ１１ａの下端部には第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）が設けられ、第２シリンダ１１ｂの下端部には第１冷却端部１２ａよりも温度が低くなる第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）が設けられている。第１冷却端部１２ａおよび第２冷却端部１２ｂは、いずれもフランジ状の形態とされている。第１冷却端部１２ａは、輻射シールド４のプレート４ｂに対してボルトなどの固定手段により取り付けられ、第２冷却端部１２ｂは、伝熱部材１６（伝熱プレート）に対してボルトなどの固定手段により取り付けられている。この伝熱部材１６は、超電導マグネット１９の外周に熱的に接続されている。駆動部１２にはヘリウムガスが供給され、供給されたヘリウムガスは、第１シリンダ１１ａの下部および第２シリンダ１１ｂの下部に噴出する。冷凍機３は、第１冷却端部１２ａおよび第２冷却端部１２ｂを介して、輻射シールド４および超電導マグネット１９をそれぞれ約４０Ｋおよび約４Ｋに冷却するものである。なお、熱的に接続されるとは、熱は伝導するが電気は絶縁状態（電気は流れない状態）で接続されることをいう。
【００１９】
（電流リード）
電極ピン８と超電導コイル２とは、筒状または平板状の酸化物超電導電流リード７（以下、「酸化物電流リード７」と呼ぶ）を介して導線１０、１４、１５、６で結線されている。導線１０、１４、１５は、電極ピン８と酸化物電流リード７とを接続する高温側の電流リード線であって、輻射シールド４の外部に導線１０が配置され、輻射シールド４の内部に導線１４、１５が配置されている。導線６は、酸化物電流リード７と超電導コイル２とを接続する低温側の電流リード線であって、通常、超電導コイル２を構成している超電導線の延長である。また、導線１０、１５は、銅線であり、導線１４は、高温超電導材料（酸化物超電導材料）からなるＨＴＳ線である。導線１４（ＨＴＳ線）の金属部分の断面積と導線１５の金属部分の断面積との和は、導線１０の金属部分の断面積よりも小さい。
【００２０】
酸化物電流リード７は、超電導マグネット１９への熱侵入を抑制しつつ超電導マグネット１９に電流を導入するための電流リード体であって、Ｂｉ系（ビスマス系）、Ｙ系（イットリウム系）といった高温超電導材料（酸化物超電導材料）からなる。励磁電源５０から一方の酸化物電流リード７を介して超電導マグネット１９へ電流が流れ、超電導マグネット１９から他方の酸化物電流リード７を介して励磁電源５０へ電流が戻る。酸化物電流リード７は、輻射シールド４の内部であって、冷凍機３の第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）と第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）との間に配置されている。
【００２１】
高温側の電流リード線である導線１０、１４、１５は、プレート４ｂを介して第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）に熱的に接続されている。電極ピン８とプレート４ｂとの間は導線１０のみとされ、プレート４ｂと酸化物電流リード７との間は、導線１４、１５の２本とされている。また、導線１４（ＨＴＳ線）は、導線１５（銅線）に沿わされている。また、低温側の電流リード線である導線６（超電導コイル２を構成している超電導線の延長）は、伝熱部材１６を介して第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）に熱的に接続されている。
【００２２】
ここで、酸化物電流リード７に接続する高温側の導線１０、１４、１５のうち、導線１０の端部分は、その部分自体が渦巻き状に巻かれた（まるめられた）状態で、プレート４ｂの上に電気絶縁状態で載置されている。すなわち、導線１０の一部は、巻かれた状態でプレート４ｂを介して冷凍機３の第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）に熱的に接続されている。なお、必ずしも、導線１０の一部が巻かれた状態で第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）に熱的に接続されている必要はなく、電極ピン８とプレート４ｂとの間を導線１０で単に接続してもよい。なお、導線１０とプレート４ｂとは電気絶縁状態で接続される。
【００２３】
変形例として、輻射シールド４内に配置されている導線１４、１５の端部分（酸化物電流リード７とは反対側）を渦巻き状に巻いて（まるめて）プレート４ｂの仮面に固定してもよい。なお、導線１４、１５とプレート４ｂとは電気絶縁状態で固定される。
【００２４】
また、酸化物電流リード７には、当該酸化物電流リード７を焼損などから保護するためのダイオード１３が酸化物電流リード７に並列に接続されている。ダイオード１３は、その通電電圧が０．２Ｖ以下の低電圧に設定されているものが好ましい。なお、通電電圧の下限は、例えば、０．０２Ｖ（２０ｍＶ）程度である。
【００２５】
また、酸化物電流リード７およびダイオード１３は、冷凍機３の第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）よりも第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）に熱的に近い位置に配置されている。具体的には、ダイオード１３が並列に接続された酸化物電流リード７の低温側端部が、伝熱部材１６に接触させられることで、酸化物電流リード７およびダイオード１３は、伝熱部材１６を介して第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）に熱的に接続されている。酸化物電流リード７の高温側端部と輻射シールド４のプレート４ｂとの間は、一定距離、離間させられている。
【００２６】
本実施形態では、酸化物電流リード７の高温側端部および低温側端部にダイオード１３の両端部を接続することで、酸化物電流リード７にダイオード１３を並列に接続しているが、ダイオード１３の一方の端部を導線１４、１５に直接接続するとともに、他方の端部を導線６に直接接続することで、酸化物電流リード７にダイオード１３を並列に接続してもよい。このように接続すれば、ダイオード１３のみを、冷凍機３の第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）よりも第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）に熱的に近い位置に配置することができる。このようにして、冷凍機３の第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）よりも第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）に熱的に近い位置にダイオード１３のみを配置し、それ自体で熱侵入防止機能を有する酸化物電流リード７を、例えば、第１冷却端部１２ａと第２冷却端部１２ｂとの間の中間位置などに配置してもよい。
【００２７】
なお、第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）よりも第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）に「熱的に近い」位置に配置されるとは、第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）からの熱伝達効率よりも第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）からの熱伝達効率のほうが高い状態に配置されることをいう。例えば、ダイオード１３が、第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）よりも第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）に「熱的に近い」位置に配置されるとは、第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）からの熱伝達効率よりも第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）からの熱伝達効率のほうが高い状態にダイオード１３が配置されることをいう。
【００２８】
本実施形態では、ダイオード１３は、酸化物電流リード７の低温側端部・伝熱部材１６を介して第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）に熱的に接続されているとともに、ダイオード１３と第２冷却ステージとの間の距離が、ダイオード１３と第１冷却ステージとの間の距離よりも短くされている。ダイオード１３が、第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）よりも第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）に「熱的に近い」位置に配置されるとは、ダイオード１３が、第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）よりも第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）に距離が近いことだけをもって決まるものではない。
【００２９】
図２に、酸化物電流リード７まわりの電気回路図を示している。図２では、３つの超電導コイル２ａ〜２ｃとしているが、３つの超電導コイル２ａ〜２ｃとする必要は必ずしもない。超電導コイル２ａ〜２ｃに対して、それぞれ、ダイオード１７が並列に接続されているとともに、酸化物電流リード７にもダイオード１３が並列に接続されている、という状態を図２の電気回路図で示している。
【００３０】
（作用・効果）
電源（励磁電源５０）、冷凍機３などに不良が発生し、超電導マグネット装置１内の各部の温度が上昇して、酸化物電流リード７の超電導状態が消失したとする。このとき、保護素子であるダイオード１３が酸化物電流リード７に並列に接続されているため、温度上昇で酸化物電流リード７が高抵抗状態に遷移すると、酸化物電流リード７に流れていた電流がダイオード１３にバイパスして流れることにより、酸化物電流リード７の焼損が防止される。すなわち、電源、冷凍機などに不良が発生したとしても、酸化物電流リード７は自立的に保護される。
【００３１】
ここで、ダイオード１３の通電電圧が０．２Ｖ以下の低電圧に設定されていれば、より確実に、酸化物電流リード７の焼損は防止される。
【００３２】
なお、保護素子であるダイオード１３が、冷凍機３の第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）よりも第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）に熱的に近い位置に配置されていることで、ダイオード１３を酸化物電流リード７に並列に接続したとしても、ダイオード両端間の温度差が小さくなり、ダイオード１３を介しての超電導コイル２への熱侵入を抑制することができ、超電導マグネット１９の運転不調・クエンチなどを抑制できる。
【００３３】
さらに、本実施形態では、導線１０の一部が、巻かれた状態でプレート４ｂを介して第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）に熱的に接続されている。導線１０の一部が第１冷却ステージに熱的に接続されていることで、導線１０は第１冷却ステージにより冷却される。また、第１冷却ステージに熱的に接続されている部分が巻かれているので、プレート４ｂを介した第１冷却ステージとの熱的接触面積が大きくなり導線１０はより冷却される。その結果、超電導コイル２への熱侵入をより抑制することができている。
【００３４】
（変形例）
図３は、図１に示した超電導マグネット装置１の変形例を示す一部断面図である。図１に示した超電導マグネット装置１と、図３に示す超電導マグネット装置１０１との相違点は、超電導マグネット装置１０１においては、プレート４ｂと酸化物電流リード７との間の導線が、１個の酸化物電流リード７に対して、１本の導線１４（ＨＴＳ線）とされていることである。
【００３５】
導線１４がＢｉ系（ビスマス系）の高温超電導材料（酸化物超電導材料）で製作されている場合には、例えば、本変形例のように、１個の酸化物電流リード７に対して、１本の導線１４（ＨＴＳ線）で接続することが可能である。これは、Ｂｉ系の場合は銀被覆の内部に高温超電導材料を包み込む構造となっているため、銀被覆が内部の超電導状態消失時の電流バイパスとなりうるためである。一方、Ｙ系を導線１４に用いる場合には、構造上バイパス機能を備えていないため、１５の銅線を添わせることが必要である（図１参照）。尚、通常は酸化物超電導体が通電電流のほぼ全てを担うため、１４と１５の金属部分の断面積の和は、通常の銅線だけの導線に比較して大幅に小さくすることができる。（１０％以下）。従って、導線１４（ＨＴＳ線）と導線１５経由での熱侵入を抑制することができる。すなわち、酸化物電流リード７に接続する高温側の導線のうちの少なくとも一部の導線が、酸化物超電導材料で形成されることで（ＨＴＳ線とされることで）、超電導コイル２への熱侵入をさらに抑制することができる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。
【符号の説明】
【００３７】
１：伝導冷却型超電導マグネット装置
２：超電導コイル
３：冷凍機（二段式冷凍機）
４：輻射シールド（冷却容器）
５：真空容器
７：酸化物超電導電流リード
１２ａ：第１冷却端部（第１冷却ステージ）
１２ｂ：第２冷却端部（第２冷却ステージ）
１３：ダイオード
１９：超電導マグネット
【図１】
0005749126.tif 000002
【図２】
0005749126.tif 000003
【図３】
0005749126.tif 000004