(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流電源と、  前記電流電源に並列に接続される保護抵抗と、
前記電流電源に並列に接続される複数の超伝導コイルと、
前記電流電源に並列に接続されるダイオードと、
前記ダイオードに直列接続される複数のクエンチ誘発手段と、
前記電流電源に直列に接続される遮断器と、を備え、
前記クエンチ誘発手段は、
ヒータ抵抗と、
前記ヒータ抵抗に直列され、かつ前記超伝導コイルと磁気結合するコイルと、を備え、
前記遮断器が開動作し、前記超伝導コイルと前記クエンチ誘発手段および前記ダイオードとで閉じた電気回路に電流が流れる際に、前記超伝導コイルと、前記超伝導コイルと磁気結合するコイルと、が作る磁束の向きがそれぞれ逆向きになるように巻き線されている超伝導磁石装置。
【請求項２】
前記クエンチ誘発手段が、複数の超伝導コイルに対して設置されたことを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。
【請求項３】
前記クエンチ誘発手段がそれぞれ直列に接続されてクエンチ誘発手段群を形成し、前記クエンチ誘発手段群が前記電流電源に並列に接続されて構成されることを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。
【請求項４】
前記超伝導コイルと磁気結合するコイルが、前記超伝導コイルとほぼ同軸に巻き線されたことを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。
【請求項５】
請求項１に記載の超伝導磁石装置は、磁路を形成するための鉄芯を備え、
前記超伝導コイルと磁気結合するコイルが、前記鉄芯に巻き線されたことを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導コイルで構成される超伝導電磁石装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導コイルを有する磁石装置(超伝導磁石装置)においては、クエンチを意図的に誘発するために超伝導コイルに対して熱を与えることができるヒータ（以下ヒータと記す）が設けられることがある。このヒータは、例えば複数の超伝導コイルが存在する場合において、ある超伝導コイルにクエンチが発生しこれが検出されると、その超伝導コイルを流れる電流をヒータへ転流し、そのジュール発熱によって意図的に他のコイル群を連鎖的にクエンチさせるために利用される。
【０００３】
そのような技術について、例えば、特許文献１は「超電導コイルのクエンチ時の高信頼性の受動的動作とともに超電導コイルのクエンチと永久電流スイッチのクエンチを互いに独立に実現するクエンチ保護回路を提供する」として「直列に接続した抵抗ヒータおよび双方向ダイオードを超電導コイル保護回路へ設置し、永久電流スイッチ保護回路にダイオードを設置する。」ことを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−７３５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の超伝導コイルのクエンチ保護は、前述したように、コイル電流をヒータに転流して行われていた。しかしながら、ヒータ自体を過渡的に電流が流れ続けることによる継続した発熱で焼損させないように通電電流、つまりヒータ発熱量が制限されていた。
【０００６】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、超伝導コイルの一部で常電導転移が発生した初期は出来る限りヒータへの通電電流値を高くし、過渡的には急峻に電流が減衰する電気回路構成を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明に係る超伝導磁石装置は様々な実施形態が存在するが、その一例として、電流電源と、前記電流電源に接続される複数の超伝導コイルと、前記電流電源に並列に接続されるダイオードと、前記ダイオードに直列接続される複数のクエンチ誘発手段と、を備え、前記クエンチ誘発手段は、ヒータ抵抗と、前記ヒータ抵抗に直列され、かつ前記超伝導コイルと磁気結合するコイルと、を備える。
【０００８】
また、前記超伝導磁石装置の遮断器が遮断された際に、前記超伝導コイルと、前記超伝導コイルと磁気結合するコイルと、が作る磁束の向きがそれぞれ逆向きになるように巻き線されていることを特徴とする超伝導磁石装置である。
【０００９】
本発明に係る超伝導磁石の保護方法は、超伝導コイルの一部が常電導転移した場合にクエンチ検出器を介して遮断器を遮断し、コイル電流が減衰する過渡期において、遮断に伴うコイル電流変化に相当する磁束変化で発生する、超伝導コイルと磁気結合したコイル両端の誘導起電力を使ってヒータ両端電圧を低減し、ヒータに流れる電流を抑制する手段を特徴とする方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、超伝導コイルの一部が常電導転移した場合に、遮断器が開状態となり、超伝導コイル電流がヒータに転流してジュール発熱を発生し、他の健全なコイルを熱的にクエンチ誘発して、蓄積エネルギーの全てを常電導転移したコイルで単一に消費することなく、磁石を保護する。なお、前記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【００１１】
また、他の健全な超伝導コイルをクエンチ誘発するためのヒータに流入する電流を、遮断器開動作直後は大きく、遮断後のコイル電流減衰の過渡期には小さく抑制できるため、ヒータに許容される総発熱量（ヒータが焼損するまでにヒータで消費される発熱の時間積分量）が固定値であるとすれば、初期の発熱量を公知例で示したヒータでの発熱量よりも高い値に設定可能である。つまり、他の健全な超伝導コイルをクエンチ誘発されるまでの時間を短縮することができるため、より確実な超伝導磁石保護動作を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】公知例で示された実施形態に係る超伝導磁石装置の電気回路図である。
【図２】公知例で示された実施形態に係る超伝導磁石装置の電気回路図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る超伝導電磁石装置の電気回路図である。
【図４】公知例で示された実施形態に係る超伝導電磁石装置の電気回路を用いた電流の時間推移図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る超伝導電磁石装置の電気回路を用いた電流の時間推移図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の効果を確認するために用いた電気回路図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の効果を確認するために用いた電気回路での電流の時間推移図である。
【図８】本発明の第１の実施形態の効果を確認するために用いた電気回路図である。
【図９】本発明の第１の実施形態の効果を確認するために用いた電気回路での電流の時間推移図である
【図１０】本発明の第１の実施形態に係る超伝導コイルの具体的な構成図である
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る超伝導コイルの具体的な構成図である。
【００１３】
【表１】
0006463987.tif 000002
本発明の第１の実施形態に係る計算に用いた超伝導コイルのインダクタンスマトリクスである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
超伝導電磁石装置は、超伝導コイルを基本構成に備える。この超伝導コイルは超伝導線材を巻き線することで形成されるが、その一部が超伝導状態から常電導状態へと転移（常電導転移）し磁場が消滅する現象（クエンチ）が発生する場合がある。このクエンチ発生時には、超伝導線が常電導転移することにより、超伝導コイルに電気抵抗が発生する。この電気抵抗にコイル電流が流れてジュール発熱し、コイル電流を迅速に減衰させ、超伝導コイルに蓄積された磁気エネルギが迅速に消費される。ただし、超伝導コイルのクエンチした箇所で局所的に磁気エネルギーが消費されると、クエンチしたコイルが致命的なダメージを被る恐れがある。
【００１５】
したがって、超伝導磁石装置の健全性を確保するために、NbTiやNb3Snなどの金属を利用した超伝導コイルの保護を図る。例えば、クエンチが発生した場合に、クエンチした単一のコイルで全磁気エネルギーを消費することを避けるために、超伝導コイルを複数の小さな閉回路に分割し、各閉回路で磁気エネルギーを分散消費させる。
【００１６】
また、クエンチ発生時に、超伝導コイルのクエンチの発生していない箇所にも意図的にクエンチを発生させて、ある特定の超伝導コイルへの電力流入の集中を防止し、蓄積された磁気エネルギーを他の意図的にクエンチさせた超伝導（ただしこの時点では既に超伝導状態ではなくなっている）コイルでも迅速に消費するためのクエンチ保護回路を設ける。
【００１７】
このクエンチ保護で用いられる方法としては、(a)超伝導コイルと、クエンチを意図的に誘発するために超伝導コイルと熱的に接触したヒータ（以下ヒータと記す）が電気的に接続され、超伝導コイルのクエンチが検出されたときに超伝導コイルを流れる電流をヒーターへ転流し、そのジュール発熱によって意図的に他のコイル群を連鎖的にクエンチ誘発させる方法と、(b)ヒータに別途専用電源を設置し、クエンチ検出時に専用電源をＯＮとすることでヒータに通電する方法とがある。
【００１８】
(a)の方法では、コイル電流がヒータに流入するので、ヒータが焼損しないようにヒータへの通電量を適切に設計する必要がある。(b)の方法では、ヒータへの通電電流を専用電源で調整できるので焼損の可能性は低いが、専用電源の信頼性が要求される。ヒータとしては、例えばステンレスや銅を材質としたシート状導線を用いることができる。
【００１９】
方法(a)を用いた保護回路において、ヒータを焼損させることを回避する方法として、ヒータと並列に抵抗を設置してコイル電流を分流し、ヒータへの電流量を抑制する方法が示されており、特許文献１に開示されている。この回路概念図を図１に示す。
【００２０】
図１は、公知例である前記方法(a)に係る超伝導磁石装置の回路図である。電流電源１１と遮断器１２と、それに並列に接続された電流電源１１の保護抵抗Ｒ０が、超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３と直列に接続されている。さらに、電流電源１１に並列に接続されるダイオードＤ１と、ダイオードＤ１に直列接続されるクエンチ誘発手段とを有している。クエンチ誘発手段は、ヒータＲ１、Ｒ２、Ｒ３とから構成されている。
【００２１】
図１において、例えば超伝導コイルＬ１の一部で常電導転移が生じた後に、明示していないクエンチ検出器からの信号を受けて、遮断器１２が開動作される。この結果、電流電源１１から遮断器１２を経て超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３に流れていた電流は、超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３から、ダイオードＤ１を経てヒータＲ１、Ｒ２、Ｒ３へ流れる流路および電流電源に備えられた保護抵抗Ｒ０に流れる流路に分流する。
【００２２】
これに引き続き、ヒータＲ１、Ｒ２、Ｒ３に通電されることで、ヒータがジュール発熱してその熱が伝播し、クエンチしていない健全な超伝導コイルＬ２、Ｌ３が加熱され、強制的にクエンチ誘発され、超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３で蓄積磁気エネルギーを分散消費するため、超伝導磁石の健全性を確保することができる。
【００２３】
しかしながら、Ｒ０＞＞Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３であるときは、超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３に流れていた電流は電流電源の保護抵抗Ｒ０側にはほとんど流れず、ヒータＲ１、Ｒ２、Ｒ３側に流れる。このため、ヒータＲ１、Ｒ２、Ｒ３の熱容量が十分でない場合は、上記電流によるジュール発熱が過大となってヒータに致命的なダメージを与える恐れが考えられる。
【００２４】
また、特許文献１では、ヒータＲ１、Ｒ２、Ｒ３それぞれに並列にヒータ電流調整用抵抗Ｒ１０、Ｒ２０、Ｒ３０を備えている例も示されている。この方式を方式(c)とする。
【００２５】
図２は、方法(c)に係る超伝導磁石装置の回路図である。電流電源１１と遮断器１２と、それに並列に接続された電流電源１１の保護抵抗Ｒ０が、超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３と直列に接続されている。さらに、電流電源１１に並列に接続されるダイオードＤ１と、ダイオードＤ１に直列接続されるクエンチ誘発手段とを有している。クエンチ誘発手段は、ヒータＲ１、Ｒ２、Ｒ３およびそれらに流れる電流値を調整するためにヒータＲ１、Ｒ２、Ｒ３それぞれに並列に接続されたヒータ通電電流調整用抵抗Ｒ１０、Ｒ２０、Ｒ３０とから構成されている。
【００２６】
図２において、例えば超伝導コイルＬ１の一部で常電導転移が生じた後に、明示していないクエンチ検出器からの信号を受けて、遮断器１２が開動作される。この結果、電流電源１１から遮断器１２を経て超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３に流れていた電流は、超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３からダイオードＤ１を経てヒータＲ１、Ｒ２、Ｒ３および上記したヒータ通電電流調整用抵抗Ｒ１０、Ｒ２０、Ｒ３０および電流電源１１に備えられた保護抵抗Ｒ０に転流する。
【００２７】
これに引き続き、ヒータＲ１、Ｒ２、Ｒ３に通電されることで、ヒータがジュール発熱し、クエンチしていない健全な超伝導コイルＬ２、Ｌ３が加熱されて強制的にクエンチ誘発される。これにより、超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３でのコイル抵抗が増大し、超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３に流れる電流が減衰して、つまり超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３に蓄積されていた磁気エネルギーをそれぞれのコイルで消費して、常電導転移が最初に発生したコイルＬ１の損傷を回避するクエンチ保護が行われる。
【００２８】
ここで、ヒータＲ１、Ｒ２、Ｒ３に流れるコイル電流は、ヒータ通電電流調整用抵抗Ｒ１０、Ｒ２０、Ｒ３０に分流する電流分が差し引かれるため、超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３をクエンチ誘発させるためにヒータから投入される熱量は、方式(a)のヒータＲ１、Ｒ２、Ｒ３のみで構成される回路と比べて小さくなる。
【００２９】
超伝導コイルＬ１，Ｌ２、Ｌ３をクエンチ誘発させるために最低限必要な熱量は、超伝導コイルの温度を、超伝導線材内部の安定化銅に分流開始する温度（分流開始温度）にまで上昇させるのに必要な熱量として与えられる。安定化銅に分流を始めると、安定化銅で生じるジュール発熱によって雪崩式に常電導転移が拡散し、超伝導コイルはクエンチする。ただし、超伝導コイルとヒータとの間には電気絶縁を確保するためのカプトンなどの絶縁シートが介在するため、これが熱抵抗となって超伝導コイルのクエンチ誘発までに時間遅れが発生すると考えられる。
【００３０】
超伝導コイルを雪崩式に常電導転移させてクエンチさせるために必要な温度は超伝導コイルを流れる電流および経験する磁場の強度によって決まるが、上記時間遅れを考慮すると、出来る限りヒータでの発熱量を高くして、超伝導コイルの温度を急峻に上記温度まで立ち上げることが、健全な他の超伝導コイルをすばやくクエンチ誘発させるために必要となる。
【００３１】
しかしながら、ヒータでの発熱量を過剰に大きくすると、過渡的にヒータの温度が高くなりすぎて焼損に至る可能性が高まる。したがって、ヒータへの通電量調整用抵抗Ｒ１０、Ｒ２０、Ｒ３０の抵抗値は、ヒータの過渡的な昇温の上限によって決定される。
【００３２】
超伝導コイルおよびヒータ抵抗、電流電源の保護抵抗からなる電気回路の電流減衰時定数はインダクタンス値および抵抗値で決まる。この電流減衰よりも素早く電流を減衰させることができれば、（ヒータの抵抗値をより小さく設計して）ヒータでの初期発熱量を更に増大させることができ、その場合は超伝導コイルの温度上昇を更に急峻にできるために、クエンチ誘発したい他の健全な超伝導コイルをより素早く常電導転移させることができる。これにより、最初に常電導転移を始めた超伝導コイルの温度をより低く抑制でき、更に超伝導コイル間の発生電圧も抑制できる。これにより磁石装置の保護を更に確実に実施できる。
【００３３】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。また、以下の実施例では超伝導コイルを3個としているが、これに限定しない。
【００３４】
（第１の実施形態）
図３は、本発明に係る超伝導磁石装置１の第１の実施形態を示す電気回路図である。図３に示す超伝導磁石装置１は、超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３と、超伝導コイルと磁気結合したコイルＬ１１、Ｌ２１、Ｌ３１と、ヒータＲ１１、Ｒ２１、Ｒ３１（ヒータ抵抗）と、ダイオードＤ１とが図示しないクライオスタット内に収容され、電流電源１１の保護抵抗Ｒ０と、遮断器１２と、を備えた電流電源１１と接続されて構成される。
【００３５】
本実施例の超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３と超伝導コイルと磁気結合したコイルＬ１１、Ｌ２１、Ｌ３１は、巻き数にしておよそ１０：１となるコイルであり、インダクタンス比はおよそ１００：１である。後述する実施例での計算結果で示すが、超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３の電流変化によってコイルＬ１１、Ｌ２１、Ｌ３１の両端に発生する誘導起電力は、自己インダクタンスによる誘導起電力よりも、相互インダクタンスによる誘導起電力の方が顕著に現れるコイルジオメトリである。このため、超伝導コイルＬ１に誘導される起電力をＶab、超伝導コイルＬ１と磁気結合したコイルＬ１１に誘導される起電力をＶcdとすれば、ＶabとＶcdは同符号となる誘導起電力が発生する。
【００３６】
図３に示す電気回路において、電流電源１１を用いた励磁時は、電流電源１１から遮断器１２を経て超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３に流れる電流路を形成する。ヒータを含む線路には逆流防止用ダイオードＤ１が設置されているため、ダイオードＤ１のターンオン電圧（例えば５Ｖ）を超越しない限り電流は流れ込むことは無い。したがって励磁時は、電流変化に伴う超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３に誘導される起電力がこのターンオン電圧を超越しないように励磁速度を設定する。
【００３７】
例えば超伝導コイルＬ１の一部で常電導転移が生じた後に、明示していないクエンチ検出器からの信号を受けて、遮断器１２が開動作される。この結果、電流電源１１から遮断器１２を経て超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３に流れていた電流は、超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３からダイオードＤ１を経てヒータＲ１、Ｒ２、Ｒ３および超伝導コイルと磁気結合したコイルＬ１１、Ｌ２１、Ｌ３１および電流電源１１に備えられた保護抵抗Ｒ０に転流、分流する。遮断器１２が開動作した直後の初期過程では、超伝導コイルＬ１で生じる常電導転移部がまだ小さいために抵抗値も小さく、電流減衰量も少ないことから、前記超伝導コイルと磁気結合したコイルＬ１１に誘導される誘導起電力も小さい。電流電源１１の保護抵抗Ｒ０はヒータ抵抗Ｒ１１、Ｒ２１、Ｒ３１と比べて十分に大きいため、ヒータに流れる電流はほぼコイル電流に等しい。
【００３８】
遮断器１２が開動作して超伝導コイル電流が減衰する過渡期においては、超伝導コイルＬ１，Ｌ２、Ｌ３の両端電圧をそれぞれＶＬ１、ＶＬ２、ＶＬ３、超伝導コイルと磁気結合したコイルＬ１１、Ｌ２１、Ｌ３１およびヒータＲ１１、Ｒ２１、Ｒ３１のそれぞれ両端電圧をＶＬ１1，ＶＬ２１，ＶＬ３１，ＶＲ１１，ＶＲ２１，ＶＲ３１とすれば、
ＶＬ１＋ＶＬ２＋ＶＬ３＝ＶＬ１１＋ＶＬ２１＋ＶＬ３１＋ＶＲ１１＋ＶＲ２１＋ＶＲ３１＞ＶＲ１１＋ＶＲ２１＋ＶＲ３１  （１）
と書き表され、ヒータ両端電圧は超伝導コイルと磁気結合したコイルＬ１１、Ｌ２１、Ｌ３１がない場合（方式(a)の場合）と比べて小さくなる。つまり、遮断器１２が開動作して超伝導コイル電流が減衰する過渡期においては、ヒータを流れる電流が小さくなるため、ヒータ発熱量は小さくなる。
【００３９】
つまり、遮断器１２が開動作して超伝導コイル電流が減衰する初期においては、超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３に流れていた電流のほぼ全てがダイオードＤ１を経てヒータＲ１１、Ｒ２２、Ｒ３３に流入するが、過渡期においてはヒータを流れる電流が抑制される。
【００４０】
次に、具体的な数値計算結果を示す。電流電源１１に設置されている保護抵抗Ｒ０を１Ω、超伝導コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３のインダクタンスを１．８Ｈ、超伝導コイルと磁気結合したコイルＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３のインダクタンスを０．０２Ｈ（ターン数は超伝導コイルターン数の約１／１０）とし、ヒータの抵抗値は材質ＳＵＳ３０４の温度に依存した値とする。超伝導コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３は同軸上に配置されており、超伝導コイルおよび超伝導コイルと磁気結合したコイルＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３との自己インダクタンスおよび相互インダクタンスは表１を用いた。また、超伝導コイルの定格電流値を４１０Ａとした。
【００４１】
超伝導コイルの一部が常電導転移すると、その部分のジュール発熱により温度が上昇し、温度に依存した抵抗を発生する。また、この抵抗により電流減衰が生じ、これに起因する磁場変化で超伝導線材内に交流損失が発生し抵抗値が上昇する。超伝導線材の安定化銅には、残留抵抗比（ＲＲＲ）が６０の銅の温度に依存した比抵抗値を用いた。
【００４２】
図４に、レファレンスとして、公知例である図１に示す、ヒータとしての抵抗のみを接続した場合の、遮断器１２開動作以降の電流推移を示す。この電気回路は超伝導コイルと抵抗によるＬＲ回路の指数関数に従った電流減衰波形となる。
【００４３】
これに対して、図３の本実施例による電気回路を用いた場合の、遮断器１２開動作以降の電流推移を図５に示す。遮断器１２開動作直後の時刻t=0付近では、図４の場合とほぼ同じ電流がヒータに流れている。その後、超伝導コイルと磁気結合したコイルの両端に誘起される起電力により、ヒータ両端電圧が低下し、ヒータに流れる電流が急峻に低下している。すなわち、本実施形態で説明した回路を有する超伝導磁石では、クエンチ発生直後はクエンチを誘発させるためのヒータR１１、R２１、R３１に、超伝導コイルに流れていた電流が略そのまま流れ込み、クエンチしていない超伝導コイルにクエンチを誘発させるために十分な発熱を生じさせる。一方で、超伝導コイルの電流減衰を受け、これと磁気結合しているこいつL１１,L２１,L３１に誘導起電力が生じることで、すぐに保護抵抗側へ電流が分流する。特にL１１,L２１,L３１における誘導起電力が大きくなれば、ヒータＲ１１、Ｒ２１、Ｒ３１へ流れ込む電流量よりも、保護抵抗Ｒ０へ流れ込む電流量の方が大きくなる。本結果は、公知例で示した、ヒータとしての抵抗のみを接続した場合の結果と比較して、明らかに異なる。
【００４４】
次に、超伝導コイルと、超伝導コイルと磁気結合したコイルとの相互インダクタンスの寄与が大きいことは、図６および図７から明らかである。図６は、コイルL11、L21１、L31を、図３に示した場合と比較して超伝導コイルL1,L2,L3の遠方に設置した例を示している。この場合の計算結果を図７に示す。この場合、コイルL11,L21,L31と超伝導コイル間の磁気結合は無視できるため、すなわちコイルＬ１１、Ｌ２１、Ｌ３１の自己インダクタンスのみが考慮される。このような条件下において、遮断器１２の開動作以降の電流推移を図７に示す。各電流減衰波形は、上記したヒータとしての抵抗のみを接続した場合の波形と酷似している。この結果は、自己インダクタンスの影響は本電気回路では寄与が小さく、相互インダクタンスの寄与が大きいことを示している。
【００４５】
更に、相互インダクタンスの寄与を確認するために、図８に示すように、前記コイルＬ１１、Ｌ２１、Ｌ３１の巻き方向を逆向きにした電気回路を用いた。遮断器１２開動作以降の電流推移を図９に示す。コイルＬ１１、Ｌ２１、Ｌ３１の両端に発生する電圧が逆向きとなるため、ヒータ両端の電圧が逆に上昇し、ヒータに流れる電流が上昇している。この結果も、相互インダクタンスの寄与でこの傾向が決定されていることを裏付けている。
【００４６】
以上説明したように、本実施例の超伝導磁石装置は、超伝導コイルと、この超伝導コイルと磁気結合しているコイルと、このコイルと直列接続させた抵抗（ヒータ）と、を有するクエンチ発生手段を備える。この構成を有することによって、クエンチ直後は、超伝導コイルに発生する電流変化が微小であるため、コイルL11,L21,L31と超伝導コイルとの相互インダクタンスによって誘起される電圧は小さく、コイルL11,L21,L31は短絡していると近似できる。一方で、保護抵抗R0と比較してヒータR11,R21,R31の抵抗値の和は小さいため、遮断器12が開となった場合、ダイオードD1がターンオンすると、超伝導コイルを流れていた電流はヒータR11,R21,R31に流れ込む。換言すると、図５に示すように、超伝導コイルにクエンチが発生した瞬間にあっては、ヒータR11,R21,R31の発熱（電流）が急進して、超伝導コイルに対して熱を付与する。
【００４７】
ヒータR11,R21,R31では、従来と異なり、超伝導コイルに流れていた電流が分流せずに流れ込むため、発熱量は従来よりも大きくなる。したがって、この熱を付与される超伝導コイルでは従来よりも速く雪崩式の常伝導転移が生じる。常伝導転移が加速度的に生じることで超伝導コイルにおける電流変化は、微小なものから急速に大きなものへ遷移するため、この超伝導コイルと磁気結合しているコイルL11,L21,L31には相互インダクタンスによって誘導起電力が発生する。結果、ヒータ部に流れる電流は急速に低下するとともに、保護抵抗R0に流れる電流が急速に増大し、磁気エネルギを保護抵抗R0にて解放することができる。
【００４８】
すなわち本実施例の超伝導磁石装置によれば、超伝導コイルの一部が常電導転移した場合に、遮断器が開状態となり、超伝導コイル電流がヒータに転流してジュール発熱を発生し、他の健全なコイルを熱的にクエンチ誘発して、蓄積エネルギーの全てを常電導転移したコイルで単一に消費することなく、磁石を保護する。
【００４９】
また、他の健全な超伝導コイルをクエンチ誘発するためのヒータに流入する電流を、遮断器開動作直後は大きく、遮断後のコイル電流減衰の過渡期には小さく抑制できるため、ヒータに許容される総発熱量（ヒータが焼損するまでにヒータで消費される発熱の時間積分量）のうち、初期の発熱量を公知例で示したヒータでの発熱量よりも高い値に設定可能である。つまり、他の健全な超伝導コイルをクエンチ誘発されるまでの時間を短縮することができるため、より確実な超伝導磁石保護動作を可能とする。
図１０に、本発明の第１の実施形態に係る超伝導コイルの具体的な構成を示す。超伝導コイル２２は中心対称軸と同軸のボビン２１に沿って巻き線され、図示しないボビン側面の穴などを利用して巻き線端部を固定する。巻き線した超伝導コイル２２の外側側面を樹脂２３などで固定し、その上から超伝導コイル２２と磁気結合したコイル２４を巻き線する。これらのコイル２２およびコイル２４はほぼ同軸のコイルとなる。その外側側面にコイル２４の巻き崩れを防止するためのガラス編組絶縁２５などを巻きつける。また、超伝導コイル内側にはヒータ２６を設置できるように、ボビンの一部がくりぬかれ、絶縁シート２７を介してヒータ２６が設置されて構成される。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に関わる、前記超伝導コイルと磁気結合するコイルの巻き線方法を示す。超伝導磁石装置１において、漏洩磁場を抑制する目的で、磁路を形成するための図示しない鉄芯を備えることもできる。前記超伝導コイルと磁気結合するコイルを超伝導コイルと同軸に巻き線した場合よりも結合係数が小さくなるが、本発明の第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
（第３の実施形態）
図１１に、本発明の第３の実施形態に関わる、前記超伝導線３１と磁気結合するコイルを形成するための銅線３２の巻き線方法を示す。当該コイルに用いる導体、例えば銅線３２を超伝導線３１と共巻きして、超伝導コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３を形成する。銅線３２は抵抗値をもっているため、遮断器１２が開動作して超伝導コイル電流が流れることでジュール発熱を生じる。超伝導コイル内に発熱体である銅線３２が存在するため、ヒータ発熱の伝熱により、他の健全な超伝導コイルを常電導転移させる場合よりもさらに早く超伝導コイル全体を常電導転移させることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１    超伝導磁石装置１
１１  電流電源１１
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３  超伝導コイル
Ｌ１１、Ｌ２１、Ｌ３１  超伝導コイルと磁気結合したコイル
Ｒ０  保護抵抗
Ｄ１  ダイオード
Ｒ１１、Ｒ２１、Ｒ３１  ヒータ抵抗
Ｒ１０、Ｒ２０、Ｒ３０  ヒータ電流調整用抵抗
１２  遮断器１２
２１  ボビン
２２  超伝導コイル
２３  樹脂
２４  超伝導コイルと磁気結合したコイル
２５  ガラス編組絶縁シート
２６  ヒータ
２７  絶縁シート
３１  超伝導線
３２  銅線
【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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