(57)【要約】極低温システムに用いる監視装置。監視装置は、第１及び第２導電要素と、電流検出器とを含む。第１導電要素は、高温超伝導すなわちＨＴＳ材料を含み、電流源に接続されかつ極低温システムに挿入されるように構成されている。第２導電要素は、ＨＴＳ材料を含み、第１及び第２接合部によって第１導電要素に並列に接続されている。電流検出器は、第２導電要素内の電流を検出するように構成されている。第１及び第２導電要素のそれぞれにおけるＨＴＳ材料が超伝導状態にあるとき、第１及び第２接合部の間の第１導電要素の抵抗（ＲT）は、第１及び第２接合部の間の第２導電要素の抵抗と第１及び第２接合部の抵抗との和（ＲB）よりも小さい（ＲT＜ＲB）。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導システム又は極低温システムに用いる監視装置であって、
高温超伝導すなわちＨＴＳ材料を含み、電流源に接続されかつ前記超伝導システム又は極低温システムに挿入されるように構成されている第１導電要素と、
ＨＴＳ材料を含み、第１及び第２接合部によって前記第１導電要素に並列に接続されている第２導電要素と、
前記第２導電要素内の電流を検出するように構成されている電流検出器と
を含み、
前記第１及び第２導電要素のそれぞれにおけるＨＴＳ材料が超伝導状態にあるとき、前記第１及び第２接合部の間の前記第１導電要素の抵抗（ＲT）は、前記第１及び第２接合部の間の前記第２導電要素の抵抗と前記第１及び第２接合部の抵抗との和（ＲB）よりも小さい（ＲT＜ＲB）、監視装置。
【請求項２】
前記第１及び／又は第２導電要素は、１つ以上の対の並列要素として配置され、各対の要素は互いに隣接し、反対方向に電流を流すように構成されている、請求項１に記載の監視装置。
【請求項３】
前記電流検出器は、
前記第２導電要素の周りの導電性ループ、
磁場検出器、
ホールプローブ、及び
異なる方向に電流を流す前記第２導電要素の２つの部分に連結されたひずみゲージ
のうちの１つ以上を含む、請求項１又は２に記載の監視装置。
【請求項４】
前記第１導電要素に電流を供給するように構成されている電流源を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の監視装置。
【請求項５】
前記電流源は、周期的な時変電流を提供するように変調される、請求項４に記載の監視装置。
【請求項６】
前記電流検出器は位相検波器を含む、請求項５に記載の監視装置。
【請求項７】
前記電流検出器は、前記第２導電要素における前記電流のデューティサイクルを測定するように構成されている、請求項５又は６に記載の監視装置。
【請求項８】
前記電流源は、前記超伝導極低温システムの通常動作中に、前記第１導電要素のＨＴＳ材料の一部の臨界電流の少なくとも８０％の最大電流を提供するように構成されている、請求項４から７のいずれか一項に記載の監視装置。
【請求項９】
前記第１及び／又は第２導電要素はＨＴＳ層を有するＨＴＳテープを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の監視装置。
【請求項１０】
前記ＨＴＳ層の幅が、前記接合部の間の前記第１導電要素の部分内で変化する、請求項９に記載の監視装置。
【請求項１１】
前記ＨＴＳ層は、直列に接続された複数の細片に分割されている、請求項９に記載の監視装置。
【請求項１２】
前記電流検出器は、磁気シールド内に収納されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載の監視装置。
【請求項１３】
前記磁気シールドはバルク超伝導体を含む、請求項１２に記載の監視装置。
【請求項１４】
ＨＴＳ材料を含み、第３及び第４接合部によって前記第１導電要素に並列に接続されている第３導電要素を含み、前記第１、第２及び第３導電要素のそれぞれにおけるＨＴＳ材料が超伝導状態にあるとき、前記第１及び第２接合部の間の前記第１導電要素の抵抗（ＲT）は、前記第３及び第４接合部の間の前記第３導電要素の抵抗と前記第３及び第４接合部の抵抗との和（ＲB2）より小さく、前記第３及び第４接合部の間の前記第３導電要素の抵抗と前記第３及び第４接合部の抵抗との和（ＲB2）は、前記第１及び第２接合部の間の前記第２導電要素の抵抗と前記第１及び第２接合部の抵抗との和（ＲB）よりも小さく（ＲT＜ＲB2＜ＲB）、前記第３導電要素のＨＴＳ材料の最大臨界電流は、前記第１導電要素の前記ＨＴＳ材料の前記最大臨界電流よりも小さく、前記電流検出器は、さらに前記第３導電要素内の電流を検出するように構成されている、請求項１から１３のいずれか一項に記載の監視装置。
【請求項１５】
ＨＴＳ材料を含み、前記第１導電要素に並列に接続されている複数の追加の導電要素を含む、請求項１３に記載の監視装置。
【請求項１６】
前記第２導電要素は可変抵抗を含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の監視装置。
【請求項１７】
前記可変抵抗は、
ポテンショメータ、
前記第２導電要素内のＨＴＳ材料を制御可能に常伝導にするためのシステム、及び
温度依存抵抗とその温度を制御するための装置を有する常伝導材料の接合部又は部分
のうちの１つである、請求項１６に記載の監視装置。
【請求項１８】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の複数の監視装置と、各監視装置によって検出された電流を監視するように構成されているコントローラとを含む監視システム。
【請求項１９】
前記コントローラは、それぞれの監視装置の第２導電要素で検出された電流に基づいて、前記監視装置の第１導電要素の臨界電流の低下を特定するように構成されている、請求項１８に記載の監視システム。
【請求項２０】
前記コントローラは、前記監視装置について特定された臨界電流の低下のパターンに基づいて、前記臨界電流の低下の原因を特定するように構成されている、請求項１９に記載の監視システム。
【請求項２１】
前記コントローラは、前記監視装置の１つ以上について特定された臨界電流の急速な低下に基づいて、クエンチを生じる可能性が高い状態を特定するように構成されている、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の監視システム。
【請求項２２】
前記監視装置は１つ以上の対で配置され、各対は第１及び第２監視装置を含み、
前記第１監視装置の第１及び第２導電要素は、前記第２監視装置のそれぞれの第１及び第２導電要素に隣接して配置され、
前記第１及び第２監視装置は、各監視装置の前記第１導電要素の電流が同一方向に流れ、各監視装置の前記第２導電要素の電流が反対方向に流れるように配置されている、請求項１８から２１のいずれか一項に記載の監視システム。
【請求項２３】
前記監視装置は１つ以上のセットで配置され、各セットは、第１導電要素に沿って異なるパターンの測定領域及び非測定領域を有する第１導電要素を有する監視装置を含み、
前記測定領域は前記非測定領域と比較して低下した臨界電流を有し、
前記コントローラは、１セットの監視装置のサブセットでの電流の検出に基づいて、臨界電流の低下を引き起こす状態の位置を特定するように構成されている、請求項１８から２２のいずれか一項に記載の監視システム。
【請求項２４】
前記監視装置が直列に接続されている、請求項１８から２３のいずれか一項に記載の監視システム。
【請求項２５】
前記監視装置は並列に接続され、各監視装置は、該監視装置の全抵抗の少なくとも１０倍の抵抗を有するそれぞれの抵抗器と直列に接続されている、請求項１８から２３のいずれか一項に記載の監視システム。
【請求項２６】
前記監視装置は１つ以上のグループで配置され、各グループの監視装置は、該グループの監視装置の全抵抗の少なくとも１０倍の抵抗を有するそれぞれの抵抗器と直列に接続され、前記グループは並列に接続されている、請求項１８から２３のいずれか一項に記載の監視システム。
【請求項２７】
ＨＴＳ界磁コイルと、請求項１から１７のいずれか一項に記載の監視装置又は請求項１８から２６のいずれか一項に記載の監視システムとを含む超伝導磁石であって、前記又は各第１導電要素は前記ＨＴＳ界磁コイルに隣接して配置されている、超伝導磁石。
【請求項２８】
超伝導磁石に用いるクエンチ保護システムであって、請求項２１に記載の監視システムと、超伝導磁石からエネルギーを放出するためのシステムとを含み、前記監視システムのコントローラは、クエンチを引き起こす可能性が高い状態の特定に基づいて前記超伝導磁石からエネルギーを放出するためのシステムを始動させるように構成されている、クエンチ保護システム。
【請求項２９】
請求項２７に記載の超伝導磁石を含むトカマク核融合炉であって、前記ＨＴＳ界磁コイルはトロイダル磁場コイル又はポロイダル磁場コイルのうちの１つである、トカマク核融合炉。
【請求項３０】
請求項２７に記載の超伝導磁石を含む陽子線治療すなわちＰＢＴ装置であって、前記ＨＴＳ界磁コイルは、
前記ＰＢＴ装置の加速器の界磁コイル、及び
前記ＰＢＴ装置の陽子線ステアリングシステムの双極子磁石又は四重極磁石
のうちの１つである、ＰＢＴ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温システム用の監視装置に関する。特に、本発明は、極低温システム内の超伝導材料（例えば、超伝導磁石）の臨界電流を監視するためのシステムに関する。この情報は超伝導システムのクエンチを検出するために用いられる。
【背景技術】
【０００２】
超伝導磁石は、超伝導材料のコイルから形成される電磁石である。磁石コイルは抵抗がゼロであるため、超伝導磁石はゼロ損失で高電流を流すことができ（非超伝導コンポーネントによるいくらかの損失は存在するが）、したがって、従来の電磁石よりも低い損失で高磁場を達成することができる。
【０００３】
超伝導は、特定の材料でのみ、かつ低温でのみ起こる。超伝導材料は、超伝導体の臨界温度（材料が印加磁場ゼロで超伝導体となる最高温度）と超伝導体の臨界磁場（材料が０Ｋで超伝導体となる最高磁場）とによって定義される領域において超伝導体として振る舞う。超伝導体の温度及び存在する磁場は、超伝導体が抵抗性（又は「常伝導性」、本明細書では「超伝導ではない」という意味で使用される）になることなく超伝導体により搬送可能な電流を制限する。超伝導材料には２つのタイプが存在する。タイプＩの超伝導体は、磁束侵入を完全に排除しかつ低い臨界磁場を有し、タイプＩＩの超伝導体は、磁束がフラックス渦と呼ばれる局所的な常伝導領域のより低い臨界磁場の上で超伝導体を貫通することを可能にする。それらは上部臨界磁場では超伝導しなくなる。この特徴は、それらを超伝導磁石の構造用のワイヤーに使用することを可能にする。フラックス渦部位を原子格子に固定するために多大な努力が払われており、それにより、より高い磁場及び温度において臨界電流が改善される。
【０００４】
超伝導材料は通常、「高温超伝導体」（ＨＴＳ）と「低温超伝導体」（ＬＴＳ）に分けられる。ＮｂやＮｂＴｉなどのＬＴＳ材料は、その超伝導性をＢＣＳ理論で説明できる金属又は金属合金である。すべての低温超伝導体は、約３０Ｋ未満の臨界温度（それを超えるとゼロ磁場でも材料が超伝導にならない温度）を有する。ＨＴＳ材料の挙動はＢＣＳ理論では説明されておらず、このような材料は約３０Ｋを超える臨界温度を有する可能性がある（ただし、ＨＴＳ材料を定義するのは、臨界温度ではなく、超伝導動作及び組成の物理的な違いであることに注意すべきである）。最も一般的に使用されるＨＴＳは「銅酸化物超伝導体」、ＢＳＣＣＯ又はＲｅＢＣＯ（ここで、Ｒｅは希土類元素、通常はＹ又はＧｄである）などの銅酸化物（酸化銅基含有化合物）をベースとするセラミックである。他のＨＴＳ材料は、鉄ニクタイド（例えば、ＦｅＡｓ及びＦｅＳｅ）及び二ホウ酸マグネシウム（ＭｇＢ2）を含む。
【０００５】
ＲｅＢＣＯは通常、図１に示すような構造のテープとして製造される。このようなテープ５００は、一般に約１００ミクロンの厚さであり、基板５０１（通常、約５０ミクロンの厚さの電解研磨したハステロイ）を含み、基板５０１の上に、ＩＢＡＤ、マグネトロンスパッタリング、又は他の好適な技術によって、約０．２ミクロンの厚さのバッファスタック５０２として知られる一連のバッファ層が堆積される。エピタキシャルＲｅＢＣＯ−ＨＴＳ層５０３（ＭＯＣＶＤ又は他の好適な技術によって堆積される）は、バッファスタックを覆い、通常１ミクロンの厚さである。１〜２ミクロンの銀層５０４が、スパッタリング又は他の好適な技術によってＨＴＳ層上に堆積され、銅安定化層５０５が、電気めっき又は他の好適な技術によってテープ上に堆積され、これは、多くの場合テープを完全に封入する。
【０００６】
基板５０１は、製造ラインを通して供給されかつ後続の層の成長を可能にすることができる機械的なバックボーンを提供する。バッファスタック５０２は、その上にＨＴＳ層を成長させるための二軸配向結晶テンプレートを提供するために必要とされ、その超伝導特性を損なう基板からＨＴＳへの元素の化学拡散を防止する。銀層５０４は、ＲｅＢＣＯから安定化層への低抵抗界面を提供するために必要とされ、安定化層５０５は、ＲｅＢＣＯのいずれかの部分が超伝導を停止する（「常伝導」状態になる）場合に代替的な電流経路を提供する。
【０００７】
超伝導磁石で発生する可能性のある１つの問題はクエンチングである。クエンチングは、超伝導線又は超電導コイルの一部が抵抗状態になると発生する（「常伝導化」としても知られる）。これは、温度若しくは磁場の変動、又は（例えば、磁石が核融合炉で使用される場合、中性子照射による）超伝導体の物理的損傷若しくは欠陥によって起こり得る。磁石には高電流が流れているため、超伝導体のごく一部でも抵抗性になると、急速に熱くなる。すべての超伝導線には、クエンチ保護のために安定化銅が設けられている。銅は、超伝導体が常伝導になる場合に電流の代替経路を提供する。存在する銅が多いほど、クエンチされた導体の領域の周囲に形成されるホットスポットの温度上昇が遅くなる。
【０００８】
ＬＴＳ磁石では、クエンチが発生すると、「常伝導域」が毎秒数メートルのオーダーで急速に伝播する。これは、低温における全ての材料の低い熱容量と、ＬＴＳ材料が一般にその臨界温度に非常に近い温度で作動することによって起こる。これは、クエンチがＬＴＳ磁石内で迅速に伝播し、クエンチ中に放散した蓄積磁場エネルギーが磁石全体に広がり、磁石を均一に暖めることを意味する。
【０００９】
ＨＴＳテープ内部の電場（すなわち、単位長さあたりの電圧）は、非常に非線形な形で輸送電流Ｉに依存する。
【数１】
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ここで、Ｅ0＝１μＶ／ｃｍは定義された臨界電流基準であり、ＩCはテープの臨界電流であり、ｎは超伝導から常伝導への転移の鋭さをモデル化する実験パラメータであり、ＲｅＢＣＯの場合、ｎは通常２０〜５０の範囲である。ｎの値によっては、電圧は、α＝Ｉ／ＩCの値が約０．８未満の場合には無視できる。臨界電流は、温度、外部磁場、テープの歪み、及びその他の要因によって低下する。
【００１０】
ＨＴＳ材料は高温で動作し、より高い比熱容量を有するので、線の一部分を常伝導状態にするのに必要なエネルギーははるかに大きい。これは、適切に設計されたＨＴＳ磁石のクエンチは、ＬＴＳ磁石よりもはるかに起こりにくいことを意味する。しかし、それはまた、常伝導域の伝播速度が、ＬＴＳ磁石におけるメートル毎秒と比較して、数ミリメートル毎秒のオーダーではるかに遅いことを意味する。クエンチは初めは少量の磁石にしかに影響を与えないので、その領域のみが抵抗性になり、したがって、クエンチの間に放散したエネルギーは、その小さな体積に（又は、より具体的には、常伝導域からの電流が迂回される銅に）放出される。このエネルギーの集中は、ＨＴＳテープに永久的な損傷、例えば、溶融、アーク放電などを引き起こす可能性がある。これは、ＨＴＳ磁石が通常、液体冷却剤の槽に浸されるのではなく、間接的に冷却されるため、さらに複雑になる。そのため、「スポット」冷却力は、ＬＴＳ磁石と比較して減少する。
【００１１】
磁場に蓄積されるエネルギーは次式で与えられる。
【数２】
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すなわち、磁束密度が大きく、半径が大きいほど、磁石の蓄積エネルギーは大きくなる。大きな磁石から放出されるエネルギーは、数キログラムのＴＮＴと同程度であることができる。ＬＴＳ磁石の場合、このエネルギーは放散して磁石全体を暖めることができる。クエンチ保護のない同程度の大きさのＨＴＳ磁石の場合、このエネルギーは磁石の体積のごく一部で放散する可能性がある。一般に、大きなＨＴＳ磁石は、顕著な加熱が生じる前にクエンチが検出される検出フェーズと、その後にホットスポット温度が高くなり過ぎる前に磁石電流が急速に減少する放散フェーズとを含むアクティブクエンチ保護システムを必要とする。
【００１２】
今日までに製造されたほとんどのＨＴＳ磁石（ＢＳＣＣＯ及びＲｅＢＣＯ被覆導体を使用）は、実際にはクエンチ保護を有していない。これは、それらがほとんど小型で低コストのプロトタイプであり、蓄積エネルギーがほとんどないため、及び、上述のように、適切に設計されたＨＴＳ磁石におけるクエンチの確率が非常に低いためである。したがって、ＨＴＳ磁石をクエンチ保護するかどうかの決定は、本質的に経済的なものである。小さなプロトタイプ磁石は、それがクエンチするという稀な場合でも比較的容易に修理することができる。その結果、ＨＴＳ磁石のクエンチ保護技術はまだ未成熟である。
【００１３】
ＨＴＳ磁石の１つの用途はトカマク核融合炉である。運転中のトカマク核融合炉は、高感度の電気測定を行うには非常に「ノイズの多い」電磁環境である。これは、ＨＴＳクエンチ検出システムにとって問題となる。なぜならば、電磁ノイズがクエンチの発生を示す典型的に小さな電圧を圧倒して分かりにくくする可能性があるからである。
【００１４】
トカマクのクエンチ検出システムが、特許文献１に記載されている。「カナリアテープ」と呼ばれる１本のＨＴＳテープの形態の導電要素が、トカマクの磁石に挿入され、磁石内の他の導電要素（テープ）に、他の導電要素から電気的に絶縁された状態で熱的に接続されている。カナリアテープは、別の電源に接続され、磁石導体内の他のテープよりも臨界電流の高い部分で動作するので、他のテープより低い温度（又はより低い磁場／歪みなど）で超伝導を停止する。カナリアテープの温度がこの温度を超えると電圧が発生し、ホットスポットが発生して磁石内のクエンチが差し迫っているか進行中であることを警告する。このようなシステムは、他の極低温又は超伝導システムにおける温度及び／又は磁場の変化を検出するのにも使用することができる。
【００１５】
しかしながら、カナリアテープの両端の電圧は小さく、特に、本質的に大きな電磁ノイズで動作するトカマクのようなシステムでは、検出が難しい可能性がある。カナリアテープのクエンチが十分に迅速に検出されない場合、カナリアテープが永久的に損傷を受ける可能性もある。
【００１６】
ＨＴＳ磁石のもう１つの潜在的な用途は、陽子線治療装置である。陽子線治療（陽子線療法としても知られるＰＢＴ）は、がん（放射線治療に反応するその他の状態）の治療に用いられる粒子線治療の一種である。ＰＢＴでは、陽子線が治療部位（例えば、腫瘍）に向けられる。
【００１７】
もう１つの類似した治療法は、ホウ素−１１を標的部位に導入し、陽子線を用いてp+11B→3αの反応を開始する、陽子ホウ素捕捉療法（ＰＢＣＴ）である。同じ装置を用いて、ＰＢＴ又はＰＢＣＴのいずれかに陽子線を提供することができる。
【００１８】
ＰＢＴやＰＢＣＴのための陽子線は、サイクロトロンや線形加速器などの粒子加速器によって生成される。通常ＰＢＴ及びＰＢＣＴに使用される加速器は、一般に６０から２５０ＭｅＶの範囲のエネルギーで陽子を生成し、現在稼働している最も強力な施設は、４００ＭｅＶの最大エネルギーを有する。
【００１９】
大まかに言って、ビーム角度の変化を可能にするＰＢＴ装置の設計には２つのタイプがある。第１のタイプの設計では、図８に示すように、加速器３００１は、加速器３００１が患者３００３の周りで（通常、水平軸を中心に）回転することを可能にするガントリ３００２に取り付けられる。患者は、さらなる自由度（例えば、並進運動及び垂直軸を中心とする回転）を提供する可動ベッド３００４上に置かれる。
【００２０】
第２のタイプの設計を図９に示す。加速器４００１は静止しており、ビームはステアリング電磁石４００２（一般に四重極磁石と双極子磁石の両方を含む）を介して患者に向けられ、ステアリング電磁石の少なくとも一部はガントリ４００３に配置され、ビームは患者４００４の周りで（例えば、水平軸を中心に）回転することができる。患者は、可動ベッド４００５上に置かれる。
【００２１】
いずれの設計も、ガントリが４００ＭｅＶにもなるビームエネルギーで陽子を進ませることができる電磁石を保持する必要がある。これには非常に高い磁場が必要であるため、ＨＴＳ磁石を使用することにより、電磁石とそれを動かすのに必要なガントリの質量及びサイズを大幅に削減することができる。ＨＴＳ磁石は、加速器、ステアリング磁石の四重極磁石、又はステアリング磁石の双極子磁石内で使用することができる。
【００２２】
ガントリの動きが冷却システムに干渉し、ホットスポットが形成される可能性が高くなるので、クエンチ検出はＰＢＴ装置において特に重要である。加えて、ＨＴＳ磁石は患者の比較的近くに位置し、これは、制御された安全な方法でエネルギーを放出することが最も重要であることを意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０５２７１２号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の第１の態様によれば、極低温システムに用いる監視装置が提供される。監視装置は、第１及び第２導電要素と、電流検出器とを含む。第１導電要素は、高温超伝導すなわちＨＴＳ材料を含み、電流源に接続されかつ極低温システムに挿入されるように構成されている。第２導電要素は、ＨＴＳ材料を含み、第１及び第２接合部によって第１導電要素に並列に接続されている。電流検出器は、第２導電要素内の電流を検出するように構成されている。第１及び第２導電要素のそれぞれにおけるＨＴＳ材料が超伝導状態にあるとき、第１及び第２接合部の間の第１導電要素の抵抗（ＲT）は、第１及び第２接合部の間の第２導電要素の抵抗と第１及び第２接合部の抵抗との和（ＲB）よりも小さい（ＲT＜ＲB）。
【００２５】
本発明の第２の態様によれば、第１の態様による複数の監視装置と、各監視装置によって検出された電流を監視するように構成されているコントローラとを含む監視システムが提供される。
【００２６】
本発明の第３の態様によれば、ＨＴＳ界磁コイルと、第１の態様による監視装置又は前記第２の態様による監視システムとを含み、前記又は各第１導電要素がＨＴＳ界磁コイルに隣接して配置されている超伝導磁石が提供される。
【００２７】
本発明の第４の態様によれば、超伝導磁石に用いるクエンチ保護システムが提供され、クエンチ保護システムは、第１の態様による監視システムと、超伝導磁石からエネルギーを放出するためのシステムとを含む。監視システムのコントローラは、それぞれの監視装置の第２導電要素で検出された電流に基づいて、監視装置の第１導電要素の臨界電流の低下を特定するように構成されている。コントローラは、１つ以上の監視装置について特定された臨界電流の急速な低下に基づいて、クエンチを生じる可能性が高い状態を特定するように構成されている。監視システムのコントローラは、クエンチを引き起こす可能性のある状態の特定に基づいて、超伝導磁石からエネルギーを放出するためのシステムを始動させるように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】ＨＴＳテープの概略図である。
【図２】監視装置の概略図である。
【図３】図２の装置の等価回路である。
【図４】図４Ａは、監視装置に印加される電流を示すグラフである。図４Ｂ〜４Ｄは、監視装置のバイパステープを通る電流を示すグラフである。
【図５】１組のカナリアテープの概略図である。
【図６】図６Ａ及び６Ｂは、線条のカナリアテープの概略図である。
【図７】１対の監視装置の概略図である。
【図８】陽子線治療装置の概略図である。
【図９】さらなる陽子線治療装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
上述のように、カナリアテープの形態の導電要素の使用は、特に著しい電気的干渉がある環境（例えば、トカマク及び他の強力な磁石、これらはＨＴＳ材料の主要な用途の１つであり、さもなければカナリアテープで保護するのに最も有用なシステムである）で生成される電圧の低い信号対雑音比によって妨げられる。これは、カナリアテープが常伝導になったときにより高い電圧を誘導するためにカナリアテープにより高い電流を使用することによって部分的に軽減することができるが、カナリアテープに測定可能な電圧を生成するには、カナリアテープが損傷する可能性が非常に高くなるように、カナリアテープの十分な部分が常伝導になることが依然として必要である。カナリアテープの使用は、磁石の損傷を防ぐことができるが（主磁石コイルの手前でクエンチするため）、低い信号対雑音比とカナリアテープを交換する必要性との間のバランスをとる必要性は、その有用性をかなり低下させる（高電流であっても、信号対雑音比は十分でない場合がある）。したがって、改善された信号対雑音比を有するカナリアテープを提供することが望ましい。
【００３０】
電圧を間接的に測定することができるカナリアテープを含む監視装置を図２に示す。図２の監視装置は、極低温システム（例えば、超伝導磁石のコイル構造中の包含物）に挿入するためのカナリアテープ２０１の形態の第１導電要素と、バイパステープ２０２の形態の第２導電要素とを含む。両導電要素は、ＨＴＳ材料（この例ではテープの形態）を含み、最小インダクタンスを有するように配置されている（例えば、形成されるループの面積を最小にするために、それ自体の上に折り返している）。ＨＴＳ材料は超伝導時に抵抗を有さないが、カナリアテープ２０１又はバイパステープ２０２の他の部分は抵抗性であり得る（例えば、テープが「角を曲がる」ことを可能にする接合部）。カナリアテープ２０１は、電流源２０３に接続されている。バイパステープ２０２は、抵抗性であり得る接合部２０４によってカナリアテープと並列に接続されている。バイパステープ及び接合部を含む電流経路には、少なくともいくつかの抵抗（非超伝導）材料が含まれるはずである。この抵抗材料は、接合部２０４内及び／又はバイパステープ２０２に沿った他の場所に存在し得る。電流検出器２０５が、バイパステープ内の電流を検出するために設けられる。
【００３１】
図３は、図２の構成の等価回路を示す。接合部２０４とバイパステープ２０２の任意の抵抗性非ＨＴＳ部分との合成抵抗ＲBは、接合部間のカナリアテープ２０１の非ＨＴＳ部分（もしあれば）の抵抗ＲTよりも大きい。バイパステープとカナリアテープのＨＴＳ部分の抵抗ＨＴＳBとＨＴＳTは、ＨＴＳを通る電流が臨界電流より著しく小さいとき、すなわち両テープが超伝導であるとき、それぞれゼロである。このため、電流源２０３によって電流が供給されると、電流はカナリアテープ２０１に流れ、無視できるほどの量しかバイパステープ２０２に流れず、したがって、電流検出器２０５によって検出される電流はほとんど又は全くない。
【００３２】
入力電流Ｉがカナリアテープ２０１の臨界電流ＩCのかなりの部分である場合（例えば、Ｉ＞０．８ＩC）、カナリアテープ内のＨＴＳ材料の抵抗ＨＴＳTはかなりのものとなり、カナリアテープの両端に電圧が発生する。
【数３】
2021511678.tif 000005
ここで、Ｌは常伝導部分の長さである。この電圧により、接合部２０４及びバイパステープ２０２を通って電流が流れる。この電流は電流検出器２０５で検出される。実際には、これによりカナリアテープを通る電流ＩTが減少し、したがって電圧が低下するが、ＩがＩCに近いときに測定可能な電流がバイパステープを通って流れるという原理は、関係なく維持される。実際の電流ＩBは、計算するのが比較的複雑であるが、一組の連立方程式（例えば、キルヒホッフの電流と電圧の法則、及び上記のＶHTSの式）に対する解として決定することができ、又は較正目的で実験的に測定することができる。しかしながら、このような正確な較正は、監視装置の基本的な機能（例えば、単純なクエンチ検出）には必要ない。なぜなら、バックグラウンドノイズを超えるバイパステープで検出された全ての電流は、カナリアテープ内の電流が臨界電流に近いことを示すからである。
【００３３】
カナリアテープに測定可能な電圧を提供するために完全なクエンチは必要ないため、本開示による監視装置は、「クエンチ検出器」だけではなく、「臨界表面検出器」又は「臨界電流検出器」と考えることができる。すなわち、本開示のシステムは、クエンチを単に検出するのではなく、カナリアテープの臨界電流を監視するか又は臨界電流の変化を検出する。
【００３４】
上述した監視装置の利点は、カナリアテープを超伝導界磁コイル内に配置して臨界電流の低下を引き起こす状態を検出するとき、バイパステープを磁石から離れた電磁的に静かな位置に配置することができるため、電流をより少ないノイズで測定できることである。
【００３５】
本明細書で使用される主な実施例は、超伝導磁石と、そのような磁石のクエンチを生じ得る状態を検出するためのカナリアテープの使用である。しかしながら、本明細書に開示される監視装置は、温度、磁場、中性子又は電離放射線束、歪み、又はＨＴＳの臨界電流を変化させることができる他の条件の変化を検出するために、様々な極低温又は超伝導システムで使用され得ることが理解されるであろう。
【００３６】
この装置の一般的な利点は、分散センサとして使用できることである。非常に長いカナリアテープにより、ユーザーは大量のスペースを監視できる。超伝導状態にある超伝導体の内部にはオーム損失又は電圧降下がないため、実質的にサイズに制限はない。例えば、超伝導体を用いて何キロメートルにもわたって電流を伝送する研究が行われている。理論的には、その全長に沿って単一のカナリアテープを用いてそのような伝送のためのケーブルを監視し、潜在的に数百又は数千の個々の局所的なセンサを置き換えることが可能である。
【００３７】
バイパステープ内の電流を測定するために、例えば、以下の様々な技術を使用することができる。
・バイパステープによって生成される磁場をホールプローブで測定することができ、又は磁場の変化をバイパステープとの相互インダクタンスが高いループでの誘導により測定することができる。
・ひずみゲージをバイパステープの２つの平行な部分に接続し、これらの部分の間の力（これは電流に依存し、例えば永久磁石を用いて追加の背景場を提供することによって増大させることができる）を測定することができる。
・当技術分野で公知の他の電流測定技術。
【００３８】
電流測定は、磁石から離れた低磁場領域で及び／又は超伝導バルク磁石などの「磁気シールド」内で行われ、あらゆる背景場を遮蔽することができる。
【００３９】
バイパステープ内の電流を監視することによって磁石の状態に関するより多くの情報を得るために、カナリアテープに様々な改良を施すことができる。
【００４０】
例えば、変調電流又は交流電流を、磁石の通常動作中のカナリアテープの予想される臨界電流に近いピーク値でカナリアテープに供給することができる。これは、純粋な交流電流であってもよく、又は最大合成電流が臨界電流に近いような交流電流と直流電流との組み合わせ（すなわち変調電流）であってもよい。純粋な交流電流の使用は、カナリアテープにおける誘導電流の影響を無視することを可能にし（それらは正と負のカナリアテープ電流に反対の影響を与えるため）、一方、交流電流と直流電流の組み合わせの使用は、検出の感度を向上させることができる（電流はテープの臨界電流に近いサイクルの多くを費やすため）。図４Ａに、例示的な変調電流波形を示すグラフを示す。図４Ｂ〜４Ｄは、図４Ａに示すように臨界電流がそれぞれＢ〜Ｄの値を有するバイパステープにおいて測定された電流を示す。いずれの場合も、カナリアテープにおける電流が臨界電流を上回る場合にのみ、バイパステープに電流が流れる。この実施例は、バイパステープ内のあらゆる電流が「１」と記録されるという点で簡略化されている。実際には、カナリアテープ内の電流が臨界電流に近づくにつれてバイパステープ内の電流は増加するが、その遷移は比較的急である。図に示すように、信号は、カナリアテープの臨界電流に依存する臨界電流期間の一部について測定される。この信号は供給される変調電流と同期するため、当技術分野で知られている位相敏感（「同期」）検出技術を用いて、電流測定、例えば、ロックイン増幅器の感度を高めることができる。臨界電流は最小入力電流と最大入力電流の間にあるが、カナリアテープにおける臨界電流が低いほど、出力のデューティサイクルは高くなる（すなわち、各サイクル中にバックグラウンドノイズを超える電流が検出される時間が長くなる）。
【００４１】
交流又は変調入力電流の使用は、カナリアテープの臨界電流の常時監視を可能にする。単一テープにおける臨界電流の変化、及び異なるテープの異なる臨界電流に応じて、様々な磁石特性を推測することができる。えば、単一のカナリアテープ又は近接して配置されたカナリアテープの小さなグループの臨界電流の低下は、温度上昇による可能性が高い。より広い間隔で配置されたカナリアテープのグループ（例えば、単一のリターンリム上のすべてのテープ）における一時的又は突然の低下は、特に臨界電流の低下がカナリアテープの配向に関連する場合、磁石の歪み又は磁場の変化が原因である可能性が高い。多数のカナリアテープの経時的な臨界電流の段階的な低下は、テープが核融合炉で使用されている場合、テープへの中性子損傷による可能性がある。カナリアテープは磁石のＨＴＳ界磁コイルに近接して配置されているため、カナリアテープの臨界電流の低下は、磁石の「健全性」又は安定性を監視するための代用品として使用することができ、カナリアテープの臨界電流が閾値を下回るか又は測定された臨界電流が他の望ましくない特性を示す場合、電力が磁石から（例えば、抵抗負荷に）放出されるクエンチ保護システムを開始することができる。
【００４２】
代替的又は追加的に、複数のバイパス回路を単一のカナリアテープに取り付けることができ、それぞれの連続するバイパス回路はより高い抵抗を有し、最も高い抵抗を有するバイパステープを除く全てのバイパステープの合計臨界電流はカナリアテープに供給される電流よりも小さい（したがって、カナリアテープの最大臨界電流、すなわち、低温かつ外部磁場のない場合の臨界電流よりも小さい）。例えば、カナリアテープに供給される電流が１００Ａである場合、バイパス回路Ｂ１に５０Ａの臨界電流と抵抗Ｒ１を設けることができ、バイパス回路Ｂ２に５０Ａより大きい臨界電流と抵抗Ｒ１より大きい抵抗Ｒ２を設けることができる。カナリアテープが常伝導になると、カナリアテープの抵抗がＲ１にほぼ等しい場合、約５０Ａの電流がＢ１に流れ、少量（比率Ｒ２／Ｒ１に応じて）がＢ２に流れる。カナリアテープの抵抗がＲ２にほぼ等しい場合、５０Ａの電流が依然としてＢ１に流れ、残りの５０Ａのかなりの部分の電流がＢ２に流れる。カナリアテープの抵抗がＲ２より著しく大きい場合、５０Ａの電流がＢ１に流れ、約５０Ａの電流がＢ２に流れる。したがって、Ｂ１及びＢ２に流れる電流の測定及び較正によって、カナリアテープの抵抗（としたがってカナリアテープの臨界電流の低下の深刻さ）を、単一のバイパステープよりも高い精度で決定することができる。このようなセンサは、全てのバイパステープの臨界電流の合計がカナリアテープに供給される電流よりも大きい場合、依然として自己保護的である。
【００４３】
同様の実施形態において、例えば、ポテンショメータの使用により、バイパステープの部分を制御された方法で意図的に常伝導にすることにより、又はバイパス回路内に意図的に配置された接合部を加熱することにより、可変バイパス抵抗を提供することができる。バイパス抵抗を変化させることにより、バイパス電流のバイパス抵抗に対する依存性がカナリアテープの抵抗及び（既知の）入力電流によって決まるため、カナリアテープの抵抗を決定することができる。例えば、バイパステープ内の電流が入力電流の半分である場合、カナリアテープの抵抗はバイパステープの抵抗と等しい。
【００４４】
磁石に設置した場合、カナリアテープは、磁石の通常動作中に臨界電流をテープに沿って変化させる、例えば、高温若しくは低温又は磁場などの様々な特性を有する領域を通過する可能性がある。この影響を打ち消し、テープがその長さに沿って均一に敏感であることを確実にするために、カナリアテープ内の超伝導テープの幅をその長さに沿って調節し、通常動作中に実質的に一定の臨界電流値を提供することができる。代替的又は追加的に、複数の細いテープを互いに半田付けすることによって、より長いカナリアテープを構成することができる。
【００４５】
一定幅のカナリアテープ又は前の段落で説明したように調節された幅を有するカナリアテープでは、臨界電流の低下がテープに沿ってどこで生じたかを特定することは不可能である。これは、各々がその長さの一部に沿った「測定幅」（すなわち、低下した臨界電流を提供する幅であって、実質的に一定のＩCを提供するために前述のように調節することができる幅）と、その長さの残りの部分の測定幅よりも大きい（したがってより高いＩCを提供する）「非感応幅」とを有する、複数の平行なカナリアテープを提供することによって達成することができる。このようなトラックを「測定幅」部分が部分的にのみ重なるように配置することにより、ＩC低下の位置を決定することができ、すなわち、ＩC低下の位置に「測定幅」を有するテープでのみＩC低下が検出される。１つの例示的な構成が図５に示されており、６つのテープ５００１、５００２、５００３、５００４、５００５、５００６は、「測定幅」５０１０部分と、「非感応幅」５０１１部分とを含み、２進リニアエンコーダを形成している。例えば、テープ５００１が最も左のビットを提供し、テープ５００６が最も右のビットを提供し、他のテープが適宜に配置された状態で、任意の位置を（テープ５００６の「測定幅」部分の長さに等しい分解能まで）２進数で指定することができる。例えば、線５０２１及び５０２２のそれぞれにおける臨界電流低下事象は、対応するバイナリ出力００１１１０及び１０１０１１を与える（ここで、「１」は、そのカナリアテープに接続されているバイパステープ上で電流が検出されていることを表す。）。
【００４６】
カナリアテープによって必要とされる電流を低減し、ひいては高電流リード及びそれに関連する冷却の必要性を低減するために、カナリアテープは、（例えば、テープの幅を狭めることにより、又は、例えば脱酸素化によるテープの意図的な劣化により）比較的低い臨界電流を有するように構成されていることができ、その結果、より小さいプローブ電流でも高感度な検出をもたらす。バイパステープには、カナリアテープよりも高い臨界電流を供給することができ、これにより、臨界電流の深刻な低下中にカナリアテープを損傷するのに十分な高い電流がバイパステープに完全に向け直されるので、カナリアテープが「自己保護」される。
【００４７】
上述の幅の縮小の全ては、（例えば、レーザ又はスクライビングツールを用いて）カナリアテープのＨＴＳ層を切断することにより、又はカナリアテープのＨＴＳ層がテープの他の層を切断することなく劣化するまでレーザを用いてカナリアテープを局所的に加熱することにより達成することができる。同様の技術を使用して「線状のカナリアテープ」を提供することができ、その場合、カナリアテープのループは、テープの一端から実質的にテープの他端まで延びる奇数の線を切断することによって単一のテープ内に提供され、線は線がそこから延びる一端で交互になる。図６Ａ及び６Ｂは、それぞれ１カット及び３カットを有する例示的なテープを示す。切断される線が多いほど、テープに提供される平行なＨＴＳチャンネルが多くなり、カナリアテープの感度が高くなる。これにより、カナリアテープに抵抗部分を設けずにカナリアテープを提供することができ、接合部間のカナリアテープの抵抗がゼロである理想的なケースを実際に実現することができる。
【００４８】
このような場合、バイパステープと接合部の全抵抗ＲBは可能な限りゼロに近いが、ゼロではないことが、カナリアテープの感度にとって有利である。しかしながら、このような低い抵抗は、電場又は変化する背景場の影響を受けて、バイパステープ及びカナリアテープによって生成されるループに寄生誘導電流が流れることを可能にし、測定にノイズを生じる。抵抗が高いほど、これらの誘導電流をより速く放散させる。実際には、バイパステープの抵抗は、カナリアテープが使用される条件を前提として、これら２つの要因のバランスを取って許容可能な信号対雑音比を達成するように選択することができる。バイパスループ内の抵抗は、バイパステープを超伝導状態に維持しながら、カナリアテープの臨界電流を非永久的に（例えば、加熱又は磁場の印加により）意図的に低下させ、カナリアテープに電流を印加することにより、較正目的で測定することができる。
【００４９】
臨界電流の検出に対する誘導電流の影響を低減するために、カナリアテープ及びバイパステープを対で提供することができ、図７に示すように、カナリアテープ及びバイパステープの各組は逆向きに接続されている。第１カナリアテープ７１０は第１バイパステープ７２０に、バイパステープの上脚部７２１がカナリアテープの左脚部７１１に接続し、バイパステープの下脚部７２２がカナリアテープの右脚部７１２に接続するように接続されている。第２カナリアテープ７３０は第２バイパステープ７４０に、バイパステープの上脚部７４１がカナリアテープの右脚部７３２に接続し、バイパステープの下脚部７４２がカナリアテープの左脚部７３１に接続するように接続されている。両方のカナリアテープには同じ方向に（例えば、左脚部７１１、７３１から右脚部７１２、７３２へ）電流が供給される。カナリアテープ７１０、７３０は互いに重なり合って配置され、バイパステープ７２０、７４０は互いに重なり合って配置されている。したがって、カナリアテープ７１０、７３０及びバイパステープ７２０、７４０によって形成されるループに誘導される電流は、反対方向に誘導されるため、バイパステープ７２０、７４０内の電流の測定を組み合わせることによって、誘導電流を除去することができる。
【００５０】
カナリアテープ及び／又はバイパステープは、磁石のコイルに使用されるものと同じＨＴＳ超伝導体又は互いに同じＨＴＳ超伝導体から作る必要はない。実際、本明細書では「カナリアテープ」及び「バイパステープ」という用語を使用しているが、テープでないＨＴＳ超伝導体を使用することができる。例えば、カナリアテープ及び／又はバイパステープは、Ｂｉ−２２１２丸型多心線から作製することができ、その形状及び機械的特性により、磁石内の有利な場所により容易に埋め込むことができる。一般に、カナリアテープは、ＨＴＳ材料を含む第１導電要素であり、バイパステープは、ＨＴＳ材料を含み、第１導電要素と並列に接続されている第２導電要素である。
【００５１】
監視装置は、監視システムに組み込むことができ、このような装置のいくつかは、各バイパステープで検出される電流を監視してカナリアテープの臨界電流がいつ低下したかを決定する単一のコントローラに接続されている。コントローラは、上述したように、臨界電流の低下のパターンに応じて低下の原因を特定することができる。コントローラは、磁石のクエンチ保護システムに接続し、特定された臨界電流低下に基づいて磁石から（超伝導スイッチ及び外部抵抗などのエネルギーダンプシステム、又は当技術分野で知られている他のエネルギーダンプを通して）エネルギーを放出するように始動させることができる。例えば、個々のカナリアテープの臨界電流が（絶対値として又はテープの予想される臨界電流のパーセンテージとして）閾値を下回る場合、エネルギーダンプシステムを始動させることができる。
【００５２】
このような監視システムにおける監視装置は、単一の電流源に直列に接続することができ、その結果、同じ電流が各カナリアテープを通過する。代替的に、監視装置は、単一の電流源に並列に接続することができ、各カナリアテープは、監視装置内の抵抗値よりもはるかに大きい（理想的には少なくとも１桁大きい、すなわち少なくとも１０倍大きい、又は少なくとも１００倍大きい）抵抗を有する抵抗器を介して接続されている。これにより、電流はこれらの抵抗に基づいて監視装置間で分かれる。更なる代替例として、監視システムは、直列に接続されている複数セットの監視装置を含むことができ、それらのセット自体は、抵抗器を介して並列に接続されている。さらに別の代替例として、監視装置のために及び／又は直列又は並列に接続されている複数セットの監視装置のために、別個の電源を提供することができる。
【００５３】
上記の開示は、様々なＨＴＳ磁石システムに適用することができる。例として上述したトカマク核融合炉に加えて、本開示は、核磁気共鳴イメージング（ＮＭＲ／ＭＲＩ）装置におけるＨＴＳ磁石、磁場による非磁気媒体内の磁気装置の操作（例えば、患者内で医療デバイスを操作するためのロボット磁気ナビゲーションシステム）、及び例えば電子航空機用の電気モーターのための磁石に使用することができる。更なる例として、本開示は、開示された特徴を含むＨＴＳ磁石システムを含む陽子線治療装置に適用することができ、ＨＴＳ磁石システムは、ＰＢＴ装置の加速器、ＰＢＴ装置の四重極又は双極子ステアリング磁石、又はＰＢＴ装置の任意の他の磁石内で使用される。
【図１】
2021511678.tif 000006
【図２】
2021511678.tif 000007
【図３】
2021511678.tif 000008
【図４Ａ】
2021511678.tif 000009
【図４Ｂ】
2021511678.tif 000010
【図４Ｃ】
2021511678.tif 000011
【図４Ｄ】
2021511678.tif 000012
【図５】
2021511678.tif 000013
【図６Ａ】
2021511678.tif 000014
【図６Ｂ】
2021511678.tif 000015
【図７】
2021511678.tif 000016
【図８】
2021511678.tif 000017
【図９】
2021511678.tif 000018
【国際調査報告】
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