(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の主超伝導コイル（１８１〜１８６）と、
バッキング超伝導コイルと、
複数個の主ヒータユニットであって、各主ヒータユニットが、前記複数個の主超伝導コイル（１８１〜１８６）のうちの対応する主超伝導コイルに電気的に並列に結合され、各主ヒータユニットが複数個のヒータを有する、複数個の主ヒータユニットと、
複数個のヒータを有し、前記バッキング超伝導コイルに電気的に並列に結合されたバッキングヒータユニットと
を含み、
各主ヒータユニットの少なくとも１つのヒータが、前記バッキング超伝導コイルに熱的に結合され、
各主超伝導コイルが、前記バッキングヒータユニットの対応するヒータに熱的に結合されている、クエンチ保護装置（１００）。
【請求項２】
前記複数個の主超伝導コイルが、一対の大型超伝導コイルと、一対の中型超伝導コイルと、一対の小型超伝導コイルとを含む、請求項１に記載のクエンチ保護装置。
【請求項３】
前記複数個の主超伝導コイルが主磁場を生成するように構成され、前記バッキング超伝導コイルが磁場を生成して前記主磁場が所定の領域を超えて広がることを防止するように構成される、請求項１に記載のクエンチ保護装置。
【請求項４】
前記複数個の主超伝導コイルおよび前記バッキング超伝導コイルは電気的に直列に結合されている、請求項１に記載のクエンチ保護装置。
【請求項５】
前記バッキング超伝導コイルは、前記複数個の主超伝導コイルとは反対方向の電流を流す、請求項１に記載のクエンチ保護装置。
【請求項６】
極低温剤を含む極低温剤容器と、
前記極低温剤容器の中央部内面に配置された複数個の主超伝導コイルと、
前記極低温剤容器の周辺部内面に配置されたバッキング超伝導コイルと、
複数個の主ヒータユニットであって、各主ヒータユニットが、前記複数個の主超伝導コイルのうちの対応する主超伝導コイルに電気的に並列に結合され、各主ヒータユニットが複数個のヒータを有する、複数個の主ヒータユニットと、
複数個のヒータを有し、前記バッキング超伝導コイルに電気的に並列に結合されたバッキングヒータユニットと
を含み、
各主ヒータユニットの少なくとも１つのヒータが、前記バッキング超伝導コイルに熱的に結合され、
各主超伝導コイルが、前記バッキングヒータユニットの対応するヒータに熱的に結合されている、超伝導マグネットシステム。
【請求項７】
前記複数個の主超伝導コイルおよび前記バッキング超伝導コイルが、前記極低温剤容器内の極低温剤により冷却される、請求項６に記載の超伝導マグネットシステム。
【請求項８】
前記極低温剤が液体ヘリウムである、請求項６に記載の超伝導マグネットシステム。
【請求項９】
前記極低温剤容器を囲む熱シールドを有する、請求項６に記載の超伝導マグネットシステム。
【請求項１０】
前記複数個の主超伝導コイルが、前記中央部内面の２つの軸方向外側に配置された一対の大型超伝導コイルと、前記中央部内面の中央部に配置された一対の小型超伝導コイルと、前記大型超伝導コイルと前記小型超伝導コイルとの間に配置され且つ軸方向に並ぶ一対の中型超伝導コイルとを含む、請求項６に記載の超伝導マグネットシステム。
【請求項１１】
前記複数個の主超伝導コイルが主磁場を生成するように構成され、前記バッキング超伝導コイルが磁場を生成して前記主磁場が所定の領域を超えて広がることを防止するように構成される、請求項６に記載の超伝導マグネットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般的には超伝導マグネットシステムに関し、具体的には、クエンチ時の損傷から超伝導コイル集合体を保護するクエンチ保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
比較的大きなエネルギーを有する超伝導マグネットシステムは、現在、多くの用途に使用されている。たとえば、最大数１０メガジュールのエネルギーを蓄積する超伝導マグネットシステムは、現在医用撮像用に臨床環境において大量に日常的に使用されている磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムのために構成されている。このようなＭＲＩシステムの一部は、均一な磁場を発生するための超伝導マグネットシステムである。
【０００３】
超伝導マグネットは、マグネット自体の中の外乱により、あるいはマグネットの外部の原因により、マグネットのコイル領域の温度が比較的急速に上昇し得る場合に、本質的に不安定になる傾向がある。このような温度上昇は、そのコイル領域のクエンチングを生じさせ、すなわち、超伝導コイルは、本質的にゼロ抵抗である超伝導状態から抵抗状態になる。このようなコイル領域が非常に急速に熱くなると、マグネット内に蓄積されたエネルギーがその有限抵抗領域に急速に散逸される傾向があり、マグネットに激しく損傷を与え、場合によってはコイル領域で超伝導線材の実際の溶融を引き起こすおそれがある。
【０００４】
したがって、超伝導コイル集合体を保護するためのクエンチ保護装置を設ける必要がある。一般に、クエンチ保護装置は、「クエンチ」が開始後できるだけ迅速に伝搬されるように設計されている、すなわち、コイル領域の一部の領域がクエンチすると、超伝導コイル全体ができるだけ早く抵抗性となるように、超伝導マグネットシステムが設計されている。超伝導マグネットシステムの蓄積されたエネルギーは、より大きい質量の全体にわたって分散されるので、この設計基準により、保護されていないマグネットクエンチと比較して、超伝導マグネットのより低い電圧とより低いピーク温度が得られる。
【０００５】
公知のクエンチ保護技術は、エネルギーダンプ抵抗器を直接供給する、または超伝導コイル集合体に配置された広域ヒータに直接電力を供給するクエンチ検出信号（超伝導マグネットシステムの超伝導コイル集合体の電気的中心から）を使用することを含む。
【０００６】
これらの理由および他の理由により、クエンチ時の損傷から超伝導コイル集合体を保護するための新たなクエンチ保護装置を提供する必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５１５０２４１号公報
【発明の概要】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、クエンチ保護装置が提供される。クエンチ保護装置は、Ｎ個の超伝導コイルおよびヒータマトリクスを含む。Ｎ個の超伝導コイルは、直列に電気的に接続される。ヒータ・マトリクス・モジュールは、Ｎ個のヒータユニットを含む。Ｎ個のヒータユニットは、それぞれＮ個の超伝導コイルと並列に電気的に結合される。ヒータユニットのうちのＭ個は、各々少なくともＮ個のヒータを含む。各超伝導コイルは、Ｍ個のヒータユニットの各々の少なくとも１つのヒータと熱的に結合される。ヒータユニットのうちのＮ−Ｍ個は、各々少なくとも１つのヒータを含む。Ｍ個のヒータユニットと対応して結合されたＭ個の超伝導コイルの各々は、Ｎ−Ｍ個のヒータユニットの各々の少なくとも１つのヒータと熱的に結合される。
【０００９】
本発明の別の実施形態によれば、超伝導マグネットシステムが提供される。超伝導マグネットシステムは、真空容器と、熱シールドと、冷却装置と、Ｎ個の超伝導コイルと、ヒータ・マトリクス・モジュールと、を含む。真空容器は、中心磁場領域を形成し、超伝導マグネットの真空環境を維持するためのものである。熱シールドは、真空容器内に同心状に配置される。冷却装置は、熱シールド内に配置される。Ｎ個の超伝導コイルは、直列に電気的に接続される。ヒータ・マトリクス・モジュールは、Ｎ個のヒータユニットを含む。Ｎ個のヒータユニットは、それぞれＮ個の超伝導コイルと並列に電気的に結合される。ヒータユニットのうちのＭ個は、各々少なくともＮ個のヒータを含む。各超伝導コイルは、Ｍ個のヒータユニットの各々の少なくとも１つのヒータと熱的に結合される。ヒータユニットのうちのＮ−Ｍ個は、各々少なくとも１つのヒータを含む。Ｍ個のヒータユニットと対応して結合されたＭ個の超伝導コイルの各々は、Ｎ−Ｍ個のヒータユニットの各々の少なくとも１つのヒータと熱的に結合される。
【００１０】
本発明の別の実施形態によれば、クエンチ保護装置が提供される。クエンチ保護装置は、Ｎ個の超伝導コイルおよびＮ個のヒータを含む。Ｎ個のヒータは、各超伝導コイルと電気的に接続され、各超伝導コイルは、各超伝導コイルと電気的に接続されたヒータのうちの１つと熱的に結合される。
【００１１】
本発明の実施形態のこれらの、ならびに他の特徴および態様は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態による超伝導マグネットシステムの垂直中心面に沿った概略断面図である。
【図２】一実施形態による図１の超伝導マグネットシステムのクエンチ保護装置の複数の超伝導コイルと電気的に結合されたヒータ・マトリクス・モジュールに関する回路模式図である。
【図３】一実施形態による図１の超伝導マグネットシステムのクエンチ保護装置の複数の超伝導コイルと熱的に結合されたヒータ・マトリクス・モジュールに関する回路模式図である。
【図４】別の実施形態による超伝導マグネットシステムの垂直中心面に沿った概略断面図である。
【図５】一実施形態による図４の超伝導マグネットシステムのクエンチ保護装置の複数の超伝導コイルと電気的に結合されたヒータ・マトリクス・モジュールに関する回路模式図である。
【図６】一実施形態による図４の超伝導マグネットシステムのクエンチ保護装置の複数の超伝導コイルと熱的に結合されたヒータ・マトリクス・モジュールに関する回路模式図である。
【図７】別の実施形態による図１の超伝導マグネットシステムのクエンチ保護装置の複数の超伝導コイルと電気的に結合されたヒータ・マトリクス・モジュールに関する回路模式図である。
【図８】さらに別の実施形態による図１の超伝導マグネットシステムのクエンチ保護装置の複数の超伝導コイルと電気的に結合されたヒータ・マトリクス・モジュールに関する回路模式図である。
【００１３】
図９は一実施形態による超伝導マグネットシステムのクエンチ保護装置の複数の超伝導コイルと電気的に結合されたヒータ・マトリクス・モジュールに関する回路模式図である。
【００１４】
図１０は一実施形態による図９のクエンチ保護装置の複数の超伝導コイルと熱的に結合されたヒータ・マトリクス・モジュールに関する回路模式図である。
【００１５】
図１１はさらに別の実施形態による超伝導マグネットシステムの垂直中心面に沿った概略断面図である。
【００１６】
図１２は一実施形態による図１１の超伝導マグネットシステムのクエンチ保護装置の複数の超伝導コイルと電気的に結合されたヒータ・マトリクス・モジュールに関する回路模式図である。
【００１７】
図１３は別の実施形態による図１１の超伝導マグネットシステムのクエンチ保護装置の複数の超伝導コイルと電気的に結合されたヒータ・マトリクス・モジュールに関する回路模式図である。
【００１８】
図１４は一実施形態による図１２または図１３の超伝導マグネットシステムのクエンチ保護装置の複数の超伝導コイルに熱的に装着されたヒータ・マトリクス・モジュールに関する概略図である。
【００１９】
図１５は別の実施形態による超伝導マグネットシステムの垂直中心面に沿った概略断面図である。
【００２０】
図１６は一実施形態による図１５の超伝導マグネットシステムの線５−５に沿った概略断面図である。
【００２１】
図１７は別の実施形態による超伝導マグネットシステムの垂直中心面に沿った概略断面図である。
【００２２】
図１８は一実施形態による図１７の超伝導マグネットシステムの線７−７に沿った概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
特に定義されない限り、本明細書で用いられる技術的および科学的用語は、本発明が属する技術的分野の当業者によって一般的に理解されているものと同じ意味を有する。本明細書で用いられる「第１の」、「第２の」等の用語は、いかなる順序、量、または重要性も意味するものではなく、むしろ１つの要素と別の要素とを区別するために用いられる。また、単数形での記載は、量の限定を意味するものではなく、参照する項目が少なくとも１つ存在することを意味し、特に断らない限り、「前部」、「後部」、「底部」、および／または「最上部」等の用語は、単に、説明の便宜のために使用され、１つの位置または空間的方向に限定されるものではない。さらに、「結合される」および「接続される」という用語は、２つの部品の間の直接的または間接的な結合／接続を区別するものではない。むしろ、このような部品は、特に明記しない限り、直接的または間接的に結合／接続することができる。
【００２４】
特に明記しない限り、以下の明細書および添付の特許請求の範囲に記載した数値パラメータは、本発明によって得ようと求められる所望の特性に応じて変化する相対的な範囲である。少なくとも各数値パラメータは、少なくとも、報告される有効数字の桁数を考慮して、通常の四捨五入技法を適用することによって解釈するべきである。
【００２５】
図１を参照すると、一実施形態による超伝導マグネットシステム１０の垂直中心面に沿った概略断面図が示されている。一例として、超伝導マグネットシステム１０は、中心磁場領域１１を形成するドーナツ形状の真空容器１２と、真空容器１２内に同心状に配置されたドーナツ形状の熱シールド１４と、熱シールド１４内に同心状に配置された冷却装置と、を含む。本実施形態では、熱シールド１４内に同心状に配置されたドーナツ形状の極低温剤容器１６１が冷却装置として使用される。冷却装置は、超伝導マグネットシステム１０を極低温に冷却し、維持するために使用される。
【００２６】
図１の例示する実施形態では、超伝導マグネットシステム１０は、Ｎ（Ｎは整数）個の超伝導コイル１８を含む。Ｎ個の超伝導コイル１８は、複数の主超伝導コイル１８１、１８２、１８３、１８４、１８５、１８６と、シールド／バッキング超伝導コイル１８７と、を含む。主超伝導コイル１８１〜１８６は、極低温剤容器１６１の中央部内面１６２に巻き付けられ、または取り付けられる。シールド／バッキング超伝導コイル１８７は、極低温剤容器１６１の周辺部内面１６４に巻き付けられ、または取り付けられる。すなわち、中央部内面１６２と周辺部内面１６４は、Ｎ個の超伝導コイル１８を支持するコイル支持構造体として作用する。図１に示す超伝導コイル１８１〜１８７は、極低温剤容器に格納されている冷媒、たとえば液体ヘリウムによって冷却される。他の実施形態では、Ｎ個の超伝導コイル１８は、本明細書では説明しないが、金属成形部、金属バー、ガラス繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）形成部、またはＦＲＰバーなどの他の種類のコイル支持構造体に設置されてもよい。
【００２７】
図１の例示する実施形態では、真空容器１２は、Ｎ個の超伝導コイル１８を冷却するために、熱シールド１４および極低温剤容器１６１に連通する冷却機１２２を含むことができる。たとえば、極低温剤容器１６１は、約４．２ケルビン（Ｋ）まで冷却される。極低温剤容器１６１と熱シールド１４との間の空間は、約４０〜５０Ｋまで冷却される。真空容器１２はまた、超伝導コイル１８およびその他の電気部品に外部電力を電気的に結合するために使用される複数の電力リード線１２４を有する連通ポートを提供するサービスポート１２３を含む。他の実施形態では、Ｎ個の超伝導コイル１８の冷却に用いられる極低温剤容器１６１を除去することができ、代わりに、いくつかの熱サイフォン冷却管１６３（図１５に示す）または他の直接伝導冷却手段をＮ個の超伝導コイル１８を動作極低温まで冷却する冷却装置として使用することができる。
【００２８】
いくつかの特定の実施形態では、超伝導マグネットシステム１０は、低温超伝導体を有する超伝導コイルからなる低温超伝導マグネットシステムである。別の実施形態では、超伝導マグネットシステム１０はまた、他のタイプの超伝導マグネットシステムであってもよい。超伝導マグネットシステム１０は、多くの適切な分野で使用することができ、たとえば、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムなどで使用することができる。
【００２９】
一例として、図１の例示する実施形態では、主超伝導コイル１８１〜１８６は、２つの大型超伝導コイル１８１、１８２と、２つの中型超伝導コイル１８３、１８４と、２つの小型超伝導コイル１８５、１８６と、を有する６つの超伝導コイルを含む。図１に示すように、大型超伝導コイル１８１、１８２は中央部内面１６２の２つの軸方向外側に配置され、小型超伝導コイル１８５、１８６は中央部内面１６２の中央部に配置され、中型超伝導コイル１８３、１８４は他の２つの超伝導コイルの間で軸方向に配置されている。いくつかの実施形態では、超伝導コイル１８５、１８６の幅が最も小さく、大型超伝導コイル１８１、１８２の幅が最も大きく、中型超伝導コイル１８３、１８４の幅は他の２つの超伝導コイルの間である。他の実施形態では、それらの主超伝導コイル１８１〜１８６の数、幅、および位置配置は、種々の設計要件に応じて調整することができる。
【００３０】
図１のこの例示する実施形態では、バッキング超伝導コイル１８７の個数は、１つだけである。他の実施形態では、バッキング超伝導コイル１８７の個数は、２つ以上であってもよい。バッキング超伝導コイル１８７は、主超伝導コイル１８１〜１８６によって生成された磁場が指定された設置領域からはみ出ることを防止するための磁気シールドを生成するように構成される。
【００３１】
他の実施形態では、磁気シールドはまた、バッキング超伝導コイル１８７を使用せずに、他のタイプの構成によって生成することもできる。たとえば、真空容器１２は、磁気シールドとして設計することができる。非限定的な実施形態では、真空容器１２は、たとえば磁場領域１１をシールドするための鉄シールド（鉄ヨーク）を用いることができる。他の実施形態では、磁気シールドはまた、バッキング超伝導コイル１８７および鉄シールドの両方によって生成することができる。
【００３２】
図１の例示する実施形態では、図２に示すように、超伝導マグネットシステム１０は、ヒータ・マトリクス・モジュール２８を含む。ヒータ・マトリクス・モジュール２８は、Ｎ個の超伝導コイル１８と電気的に結合され、かつ熱的に結合され、それについては図２を用いて詳細に説明する。ヒータ・マトリクス・モジュール２８は、クエンチ時にＮ個の超伝導コイル１８を加熱するために使用される。
【００３３】
図２を参照すると、一実施形態による図１の超伝導マグネットシステム１０のクエンチ保護装置１００のＮ個の超伝導コイル１８と電気的に結合されヒータ・マトリクス・モジュール２８に関する回路模式図が示されている。クエンチ保護装置１００は、主超伝導コイル１８１〜１８６、バッキング超伝導コイル１８７、ヒータ・マトリクス・モジュール２８、主超伝導スイッチ１７、および電力リード線１２４を含む。
【００３４】
クエンチ保護装置１００では、主超伝導コイル１８１〜１８６およびバッキング超伝導コイル１８７は、直列に電気的に結合され、そして電力リード線１２４の間に結合されている。バッキング超伝導コイル１８７は、主超伝導コイル１８１〜１８６に対して反対方向に電流を運ぶ。主超伝導スイッチ１７も同様に、電力リード線１２４の間に電気的に結合される。マグネットのランプアッププロセス中に、外部電源（図示せず）は、電力リード線１２４を通してＮ個の超伝導コイル１８１〜１８７に電力を供給する。Ｎ個の超伝導コイル１８１〜１８７が予め定められた電流および磁場になるように通電されると、主超伝導スイッチ１７が閉じて、Ｎ個の超伝導コイル１８による超伝導ループが確立される。したがって、磁場が主超伝導コイル１８１〜１８６により磁場領域１１に生成され、バッキング超伝導コイル１８７によって磁気シールドが生成される。他の従来の追加の回路要素をクエンチ保護装置１００でさらに使用することができるが、説明を簡単にするために、ここでは説明および図示することはしないことを理解されたい。
【００３５】
この図示する実施形態では、ヒータ・マトリクス・モジュール２８は、Ｎ個のヒータユニット（たとえば、ヒータユニット２８１、２８２、２８３、２８４、２８５、２８６、２８７）を含む。Ｎ個のヒータユニット２８１〜２８７は、それぞれＮ個の超伝導コイル１８１〜１８７と並列に電気的に結合される（たとえば、ヒータユニット２８７は、Ａ点およびＢ点のバッキング超伝導コイル１８７の２つの端子に電気的に結合される）。
【００３６】
ヒータユニットのうちのＭ（１≦Ｍ≦Ｎ）個は、各々少なくともＮ個のヒータを含む。各超伝導コイルは、Ｍ個のヒータユニットの各々の少なくとも１つのヒータと熱的に結合される。ヒータユニットのうちのＮ−Ｍ個は、各々少なくとも１つのヒータを含む。Ｍ個のヒータユニットと結合されたＭ個の超伝導コイルの各々は、Ｎ−Ｍ個のヒータユニットの各々の少なくとも１つのヒータと熱的に結合される。
【００３７】
図１の実施形態では、Ｍは１に等しい。本実施形態に示すように、バッキング超伝導コイル１８７と電気的に結合されたヒータユニット２８７は、Ｎ個のヒータ１８７１〜１８７７を含む。他のヒータユニット２８１〜２８６の各々は、１つのヒータ（たとえば、ヒータユニット２８１は、ヒータ１８１１を含む）を含む。他の実施形態では、Ｍ個のヒータユニットの各々は、Ｎ個よりも多くのヒータを含む。ここで、ヒータの最小個数（２Ｎ−１）に等しい。図示する実施例では、超伝導コイルの数Ｎ＝７であるので、ヒータの最小個数は２＊７−１＝１３に等しい。
【００３８】
図２および図３に示すように、ヒータユニット２８１〜２８６のヒータ１８１１〜１８６１の各々は、それぞれ超伝導コイル１８１〜１８６と並列に電気的に結合される。加えて、図３に示すように、ヒータ１８１１〜１８６１の各々は、バッキング超伝導コイル１８７と熱的に結合される。
【００３９】
ヒータ１８７１〜１８７７の各々は、バッキング超伝導コイル１８７と並列に電気的に結合される。加えて、図３に示すように、ヒータ１８７１〜１８７７の各々は、超伝導コイル１８１〜１８７のうちの個別の１つと熱的に結合される。
【００４０】
実施例として、ヒータ１８１１〜１８６１、１８７１〜１８７７の各々の幅は、対応する超伝導コイル１８１〜１８７の幅に等しいか、または近い。したがって、これらのヒータが作動されると、これらのヒータは、超伝導コイル１８１〜１８７への迅速な加熱応答を提供することができる。他の実施形態では、ヒータ１８１１〜１８６１、１８７１〜１８７７の幅は、たとえば、いくつかの具体的な構造設計要件などに基づく他の設計基準に応じて調整することができる。
【００４１】
一例として、ヒータ１８１１〜１８７１は、バッキング超伝導コイル１８７上に均等に配置され、バッキング超伝導コイル１８７は、ヒータ１８１１〜１８７１に対して等しい応答を達成することができる。他の実施形態では、ヒータ１８１１〜１８７１の位置配置は、必要に応じて調整することができる。
【００４２】
クエンチ保護装置１００は、より低い作動エネルギーで信頼できる高速応答クエンチ保護を提供することができる。さらに、クエンチ保護装置１００は、追加のクエンチ検出信号およびエネルギーダンプ抵抗器を含まないので、クエンチ保護装置を簡略化し、またコストを低減することができる。
【００４３】
通常動作モードでは、電流は、超伝導コイル１８１〜１８７および主超伝導スイッチ１７からなる超伝導ループ内のみを流れる。通常の超伝導モードでは、電流はヒータを流れず、熱は発生しないことを理解されたい。説明を容易にするため、クエンチがコイルの局所領域、たとえば中型超伝導コイル１８３で開始すると仮定する。この初期クエンチは、超伝導コイル１８３の両端の電圧を蓄積するので、電圧が対応するヒータ１８３１に結合される。そして、ヒータ１８３１が、その熱的に取り付けられた超伝導コイル１８７を加熱するために作動される。ヒータ１８３１は、バッキング超伝導コイル１８７とさらに熱的に結合されるので、バッキング超伝導コイル１８７は直ちにクエンチする。
【００４４】
マグネットの充電（ランプアップ）または放電（ランプダウン）プロセスの間、各超伝導コイルではランプ電圧が非常に小さいので、各ヒータを通る電流は非常に小さい。ヒータ・マトリクス・モジュール２８は、ヒータからの熱の少量が意図せずにランプクエンチを起動することがないように設計されている。しかし、ランプ中に超伝導コイルがクエンチすると、クエンチ保護装置は、超伝導コイルが持続モードで動作する場合と同様の方法で超伝導コイルを保護する。
【００４５】
バッキング超伝導コイル１８７がクエンチした後に、バッキングコイル１８７に大きな電圧が急激に構築される。そして、電気的に並列に結合されたヒータ１８７１〜１８７７は、バッキング超伝導コイル１８７の両端の電圧によってすべて作動される。ヒータ１８７１〜１８７７は超伝導コイル１８１〜１８７とさらに熱的に結合されるので、これらのクエンチしていない主超伝導コイル１８１、１８２、１８４〜１８６もまた続いてクエンチする。そして他のヒータ１８１１、１８２１、１８４１〜１８６１もまた、対応する電圧によって作動されて、クエンチ伝播がさらに加速される。したがって、超伝導コイル１８１〜１８７のすべてが、非常に短い時間、たとえば通常２秒未満でクエンチし、超伝導コイル１８１〜１８７がクエンチ時に損傷することを効果的に防止することができる。
【００４６】
図２および図３に示す実施形態では、ヒータ１８１１〜１８７１は、バッキング超伝導コイル１８７の幅およびアンペアターンがすべての超伝導コイルのうちで最大であるので、バッキング超伝導コイル１８７と熱的に結合される。ほとんどの場合に、バッキング超伝導コイル１８７により生じるバッキング超伝導コイル１８７のより高いインダクタンスは通常すべての超伝導コイル１８１〜１８７のうちで半径方向に最大であるので、バッキング超伝導コイル１８７の両端のクエンチ電圧は、主超伝導コイル１８１〜１８６の各々の両端のクエンチ電圧よりも高い。したがって、これによって総クエンチプロセスを加速し、急速にエネルギー散逸を拡げることができ、すべての超伝導コイル１８１〜１８７を適切に保護することができる。
【００４７】
さらに、バッキング超伝導コイル１８７の直径、幅およびアンペアターンが最大になるので、バッキング超伝導コイル１８７は、全体のコイルの中で最大のインダクタンスおよび熱質量を有し、したがって、バッキング超伝導コイル１８７は、クエンチが発生する際にほぼ最初にクエンチする必要がある１つのコイルとすることができ、システムのエネルギーを急速に散逸させることを助けることができる。言い換えれば、バッキング超伝導コイル１８７が最も早く、かつ最速でクエンチすると、クエンチング損傷リスクが本質的に低減され、最大コイル質量にエネルギーをダンピングすることによって過温度状態を防止する。したがって、ヒータ１８１１〜１８７１は、好適な実施形態としてバッキング超伝導コイル１８７と熱的に結合される。
【００４８】
他の実施形態では、少なくともＮ個のヒータを有するＭ個のヒータユニットはまた、主超伝導コイル１８１〜１８６のいずれか１つと熱的に結合することができる。図４、図５、および図６は、超伝導マグネットシステム１０の別の実施形態について説明する。本実施形態では、少なくともＮ個のヒータを有するＭ個のヒータユニットは、一例として主超伝導コイル１８２に熱的に接触して配置される。
【００４９】
図５のクエンチ保護装置１００では、主超伝導コイル１８１〜１８６およびバッキング超伝導コイル１８７は、直列に電気的に結合され、そして電力リード線１２４の間に接続されている。バッキング超伝導コイル１８７は、主超伝導コイル１８１〜１８６に対して反対方向に電流を運ぶ。主超伝導スイッチ１７も同様に、電力リード線１２４の間に電気的に結合される。
【００５０】
図５および図６に示すように、ヒータ１８２１〜１８２７を含むヒータユニット２８２は、主超伝導コイル１８２と並列に電気的に結合される。加えて、ヒータ１８２１〜１８２７の各々は、超伝導コイル１８１〜１８７のうちの個別の１つと熱的に結合される。他のヒータユニット２８１、２８３〜２８７は、各々ヒータ１８１１、１８３１〜１８７１を含む。加えて、ヒータ１８１１、１８３１〜１８７１の各々は、主超伝導コイル１８２と熱的に結合される。
【００５１】
図２のクエンチ保護装置１００と同様に、図５のクエンチ保護装置１００もまた、上記と同様のクエンチ保護処理に基づいてより低い作動エネルギーで信頼できる高速応答クエンチ保護を提供することができるので、説明を省略する。
【００５２】
上述したように、超伝導マグネットシステム１０の磁気シールドはまた、バッキング超伝導コイル１８７を使用せずに他のタイプの構成によって生成することができる。バッキング超伝導コイル１８７が超伝導マグネットシステム１０に含まれていない場合には、主超伝導コイル１８１〜１８６のうちの１つが、図２のバッキング超伝導コイル１８７または図５の主超伝導コイル１８２のようにクエンチトリガコイルとして作用することができる。
【００５３】
いくつかの実施形態では、バッキング超伝導コイル１８７は使用されない。クエンチ保護装置は、図２および図３のクエンチ保護装置１００と同様の構成を有するので、詳細な説明を省略する。
【００５４】
図７および図８を参照すると、別の２つの実施形態によるクエンチ保護装置１００に関する回路模式図をそれぞれ示す。図２のクエンチ保護装置１００と比較すると、図７および図８のクエンチ保護装置１００は、少なくともＮ個のヒータを含むＭ個のヒータユニット（たとえば、ヒータユニット２８７）と対応する超伝導コイル１８７との間の電気的接続を変更するだけである。一般的には、ヒータユニット２８７は、上述したように、バッキング超伝導コイル１８７全体ではなく、バッキング超伝導コイル１８７の一部分の両端に電気的に結合される。
【００５５】
図７の例示する実施形態では、ヒータユニット２８７は、中間点「Ｐ１」とバッキング超伝導コイル１８７の端子「Ｂ」との間に電気的に結合される。いくつかの実施形態では、バッキング超伝導コイル１８７の部分Ｐ１−Ｂは、主に抵抗性応答部分に関するものであり、バッキング超伝導コイル１８７の他の部分Ａ−Ｐ１は、主に誘導性応答部分に関するものである。ここで、「抵抗性応答部分」という用語は、コイル１８７がクエンチすると電圧差がほとんど正に増加するバッキング超伝導コイル１８７の部分を意味しており、「誘導性応答部分」という用語は、バッキング超伝導コイル１８７をクエンチすると電圧差がほとんど負に増加するバッキング超伝導コイル１８７の部分を意味している。
【００５６】
ヒータユニット２８７が抵抗性応答部分の２点の間、たとえば部分Ｐ１−Ｂに電気的に結合されており、電圧差が誘導性応答部分からの負の影響を受けることなく正に増加するので、バッキングコイル１８７に熱的に取り付けられたヒータは、図２のクエンチ保護装置１００のそれよりも速く起動することができる。したがって、クエンチ伝播速度はさらに増加する。いくつかの実施形態では、バッキング超伝導コイル１８７の中間端子「Ｂ」は、それの内面上の端子であり、他のヒータユニット２８１〜２８６のヒータ１８１１〜１８６１は、バッキング超伝導コイル１８７の内面に熱的に取り付けられている。中間点「Ｐ１」の選択は、シミュレーション解析に基づいて決定することができる。他の実施形態では、電圧差応答部分は、バッキング超伝導コイル１８７の他の部分から選択してもよい。たとえば、図８に示すように、その部分はコイル１８７の２つの中間点「Ｐ１」と「Ｐ２」との間である。これに対応して、ヒータ１８１１〜１８６１もまた、バッキング超伝導コイル１８７の他の位置、たとえばバッキング超伝導コイル１８７の外面上などに熱的に取り付けることができる。
【００５７】
図９を参照すると、さらに別の実施形態によるクエンチ保護装置１００に関する回路模式図を示す。いくつかの特定の実施形態では、いくつかの個々のコイルは、他のコイルよりもクエンチ時に容易に損傷され得るので、それらのコイルは慎重に保護する必要がある。説明を容易にするため、図９のこの例示的な実施形態では、２つの主超伝導コイル１８５、１８６は、慎重に保護される必要のあるそれらのコイルとすることができる。
【００５８】
図９および図１０を参照すると、主超伝導コイル１８５、１８６を保護するために、図２のクエンチ保護装置１００に基づいて、２つの追加のヒータ１８３２、１８４２がさらに付加される。いくつか実施形態では、追加のヒータ１８３２、１８４２は、それぞれ主超伝導コイル１８３、１８４に並列に電気的に結合される。加えて、追加のヒータ１８３２、１８４２は、一例として図１０に示す主超伝導コイル１８５、１８６にそれぞれ熱的に結合されている。いくつか実施形態では、追加のヒータ１８３２、１８４２は、他の２つの超伝導コイルにそれぞれ並列に電気的に結合され得る。本実施形態では、ヒータ１８３２、１８７４は、超伝導コイル１８５上に均等に配置され、ヒータ１８４２、１８７５は、超伝導コイル１８６上に均等に配置されている。
【００５９】
クエンチが超伝導コイル１８３（またはコイル１８４）で開始すると、図２の前述したクエンチ保護装置１００が起動され、コイルのすべてをクエンチするが、これについては詳細に説明してあるので、ここでは説明を省略する。一方、追加のヒータ１８３２（またはヒータ１８４２）は、超伝導コイル１８５（または、および、超伝導コイル１８６）に追加のクエンチ保護を提供する。言い換えれば、クエンチ伝搬中に、超伝導コイル１８５（または、および、超伝導コイル１８６）は、ヒータ１８７４（またはヒータ１８７５）によるだけでなく、ヒータ１８３２とヒータ１８７４（またはヒータ１８４２、１８７５）の両方によりクエンチされ、これによってクエンチ保護効率をさらに高めることができる。
【００６０】
図９および図１０の例示的な実施形態は、追加のヒータ１８３２、１８４２の有用性を説明するための簡素な実施例を示しているにすぎない。特定の実施形態では、追加のヒータの個数および位置は、種々の設計基準に応じて調整することができる。
【００６１】
図１１を参照すると、別の実施形態による超伝導マグネットシステム１０の垂直中心面に沿った概略断面図が示されている。図１１に示すように、主超伝導コイル１８１〜１８６は、大きさが同一である。本実施形態では、各ヒータユニットは、Ｎ個のヒータを含む（たとえば、ヒータユニット２８１は、ヒータ１８１１、１８１２、１８１３、１８１４、１８１５、１８１６、１８１７を含む）。図１２の実施形態では、Ｎ個のヒータは、１つのヒータユニットに電気的に並列に結合され、それから対応する超伝導コイルに並列に結合される。図１３の実施形態では、Ｎ個のヒータは、１つのヒータユニットに電気的に直列に結合され、それから対応する超伝導コイルに並列に結合される。いくつかの実施形態では、Ｎ個のヒータは、少なくとも１つのヒータユニットに直列に結合され、それから対応する超伝導コイルに並列に結合される。Ｎ個のヒータは、他のヒータユニットに並列に結合され、それから対応する超伝導コイルに並列に結合される。他の実施形態では、ヒータユニット毎に、Ｎ個のヒータのうちのいくつかは、対応する超伝導コイルの２つの端子と直列に電気的に結合される。Ｎ個のヒータのうちの他のものは、対応する超伝導コイルの２つの端子と並列に電気的に結合される。
【００６２】
図１２および図１３の例示する実施形態では、ヒータ・マトリクス・モジュール２８は、ヒータ１８１１〜１８１７、１８２１〜１８２７、１８３１〜１８３７、１８４１〜１８４７、１８５１〜１８５７、１８６１〜１８６７、１８７１〜１８７７を含むＮ＊Ｎマトリクスである。より具体的には、個数Ｎは７に等しく、ヒータ・マトリクス・モジュール２８のヒータの個数は、本実施形態では７＊７＝４９に等しい。別の実施形態では、ヒータユニット２８１〜２８７のうちの少なくとも１つのヒータの個数は、Ｎより多くてもよい。
【００６３】
図１４を参照すると、一実施形態による図１２または図１３の超伝導マグネットシステム１０のクエンチ保護装置１００のＮ個の超伝導コイルに熱的に装着されたヒータ・マトリクス・モジュールに関する概略図が示されている。各超伝導コイルは、各ヒータユニットのヒータのうちの少なくとも１つに熱的に結合される。一例として、図１４に示すように、ヒータユニット２８１のヒータ１８１１と、ヒータユニット２８２のヒータ１８２１と、ヒータユニット２８３のヒータ１８３１と、ヒータユニット２８４のヒータ１８４１と、ヒータユニット２８５のヒータ１８５１と、ヒータユニット２８６のヒータ１８６１と、ヒータユニット２８７のヒータ１８７１と、が主超伝導コイル１８１と熱的に結合されている。別の実施形態では、対応するヒータユニットがＮ個より多くのヒータを含む場合には、ヒータユニット内の１つまたは複数のヒータは、超伝導コイルと熱的に結合することができる。
【００６４】
通常動作モードでは、電流は、Ｎ個の超伝導コイル１８１〜１８７および主超伝導スイッチ１７からなる超伝導ループ内のみを流れる。通常の超伝導モードでは、電流はヒータを流れず、熱は発生しないことを理解されたい。マグネットの充電（ランプアップ）または放電（ランプダウン）プロセスの間、各コイルではランプ電圧が非常に小さいので、各ヒータを通る電流は非常に小さい。回路は、ヒータからの熱の少量が意図せずにランプクエンチを起動することがないように設計されている。
【００６５】
説明を簡単にするために図１２および図１４を組み合わせて、クエンチが超伝導コイル、たとえば超伝導コイル１８１の局所領域で開始すると仮定する。この初期クエンチは、超伝導コイル１８１およびヒータユニット２８１の両端の電圧を蓄積する。ヒータユニット２８１内のヒータ１８１１〜１８１７が加熱され、それからそれに熱的に取り付けられた対応する超伝導コイル１８１〜１８７が加熱される。ヒータ１８１１が主超伝導コイル１８１と熱的に結合されているので、主超伝導コイル１８１におけるクエンチは、クエンチまで加速される。ヒータ１８１２〜１８１７は、それぞれ超伝導コイル１８２〜１８７と熱的に結合されているので、それらの超伝導コイル１８２〜１８７も続いてクエンチする。
【００６６】
すべてのそれらの超伝導コイル１８２〜１８７がクエンチしたので、各超伝導コイル１８２〜１８７および対応するヒータユニット２８２〜２８７の両端に電圧が蓄積される。ヒータ１８２１〜１８２７、１８３１〜１８３７、１８４１〜１８４７、１８５１〜１８５７、１８６１〜１８６７、１８７１〜１８７７が加熱され、それからそれに熱的に取り付けられた対応する超伝導コイル１８２〜１８７が加熱される。最終的には、すべてのそれらの超伝導コイル１８１〜１８７におけるクエンチが、クロスリンクされたヒータ・マトリクス・モジュール２８を用いることによってクエンチに加速される。
【００６７】
ヒータ・マトリクス・モジュール２８は、いずれかの超伝導コイルがクエンチを開始すると、１つの単一工程ですべての超伝導コイルがクエンチするように起動する。クロスリンクされたヒータ・マトリクス・モジュール２８は、同時にクエンチするように他のすべての超伝導コイルを誘導し、それによってクエンチ保護反応時間を効果的に短縮し、クエンチ時に超伝導コイル１８１〜１８７が損傷することを防止する。
【００６８】
実施例として、ヒータ・マトリクス・モジュール２８の各ヒータの幅は、対応する超伝導コイル１８１〜１８７の幅に等しいか、または近い。それは、各ヒータが超伝導コイルのターン毎に熱的に結合され、これらのヒータが起動されると、これらのヒータが超伝導コイル１８１〜１８７への迅速な加熱応答を提供することができることを意味する。最終的には、クエンチが加速される。より具体的には、これにより、マグネットのエネルギーが初期の超伝導コイルを含むすべての超伝導コイルの中に迅速に拡がることが可能になり、クエンチ時の初期の超伝導コイルに対する過温度または過電圧損傷を回避することができる。他の実施形態では、ヒータの幅は、いくつかの具体的な構造設計要件またはヒータリード線組立体要件などに基づく他の設計基準に応じて調整することができる。
【００６９】
一例として、各超伝導コイル（たとえば超伝導コイル１８１）に取り付けたヒータ（たとえば、ヒータ１８１１、１８２１、１８３１、１８４１、１８５１、１８６１、１８７１）は、均等に配置され、取り付けたヒータに対して等しい応答を達成することができる。他の実施形態では、各超伝導コイルに取り付けたヒータの位置配置は、種々の設計要件に応じて調整することができる。
【００７０】
クエンチ保護装置１００は、より低い作動エネルギーで信頼できる高速応答クエンチ保護を提供することができる。さらに、クエンチ保護装置１００は、追加のクエンチ検出信号およびエネルギーダンプ抵抗器を含まないので、クエンチ保護装置を簡略化し、またコストを低減することができる。
【００７１】
図１５を参照すると、別の実施形態による超伝導マグネットシステムの垂直中心面に沿った概略断面図が示されている。図１１の例示する実施形態と比較すると、熱サイフォン冷却管１６３および他の冷却組立体（たとえば、液体極低温剤貯蔵装置）は、冷却装置として使用される。金属成形部２０（コイル支持構造体とも呼ばれる）がさらに設けられている。金属成形部２０はまた、Ｎ個の超伝導コイルと電磁的に結合される。金属成形部２０は、主コイル巻型２２４、バッキングコイル巻型２３４、および支持部材２３８を含む。バッキングコイル巻型２３４は、支持部材２３８を介して主コイル巻型２２４に接続されている。主コイル巻型２２４は、主超伝導コイル１８１〜１８６を支持するように構成される。バッキングコイル巻型２３４は、バッキング超伝導コイル１８７を支持するように構成される。図１５に示す本実施形態では、単一のバッキング超伝導コイル１８７が示されている。図１７の別の実施形態では、一対のバッキング超伝導コイル１８７、１８８が用いられている。他の実施形態では、３つ以上のバッキング超伝導コイルを用いてもよい。
【００７２】
超伝導コイル１８１〜１８７は、主コイル巻型２２４の内面２０１に物理的に接触している。他の実施形態では、超伝導コイル１８１〜１８７は、主コイル巻型２２４の外面２０３に物理的に接触することができる。図示する実施形態では、ヒータ・マトリクス・モジュール２８の各ヒータは、対応する超伝導コイルと熱的に結合される。より具体的には、各ヒータは、対応する超伝導コイルの表面に設置されている。いくつかの実施形態では、Ｎ個の超伝導コイル１８１〜１８７を収容するために、いくつかのスロットを金属成形部２０の内面または外面上にさらに画定することができる。金属成形部２０と熱シールド１４の底壁との間に隙間があってもよい。図１６は、主金属成形部２２４および図１１のヒータ（たとえばヒータ１８１６）を有する超伝導コイル１８の線５−５に沿った概略断面図を示す。
【００７３】
金属成形部２０は、高導電性材料、たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム合金（アルミニウム合金１１００など）、銅などで作られる。他の実施形態では、金属成形部２０は、アルミニウム合金ＬＭ３１またはＡ３５６などの機械的強度の高い導電性材料の他のタイプから作ることができる。
【００７４】
クエンチ時には、ヒータ・マトリクス・モジュール２８は、Ｎ個の超伝導コイル１８を加熱するように起動されて、クエンチされた超伝導コイルが損傷することを防止する。金属成形部２０がＮ個の超伝導コイル１８と電磁的に結合されているので、金属成形部２０にリンクされた磁束が変化し、導電性の金属成形部２０がその中に渦電流を誘起させ、クエンチされた超伝導コイルからの電流を分流し、クエンチされた超伝導コイルのクエンチ初期ホットスポットにおけるジュール熱の負荷を共有することができる。
【００７５】
したがって、支持機能を提供するのに加えて、導電性の金属成形部２０は、クエンチ時にＮ個の超伝導コイル１８内のピーク温度をさらに低下させることができる。
【００７６】
図１７を参照すると、別の実施形態による超伝導マグネットシステムの垂直中心面に沿った概略断面図が示されている。図１５の例示する実施形態と比較すると、図１７の超伝導マグネットシステム１０は、複数の導電性巻線１９をさらに含む。導電性巻線１９は、導電性巻線１９１、１９２、１９３、１９４を含む。別の実施形態では、導電性巻線１９の数は、種々の設計要件に応じて調整することができる。導電性巻線１９は、銅または高純度アルミニウムを含む。導電性巻線１９１〜１９４の各々は、Ｎ個の超伝導コイル１８１〜１８８と電磁的に結合される。各導電性巻線は、電気的に短絡される。本実施形態では、導電性巻線１９は、主コイル巻型２２４の外面２０３と物理的に接触している。他の実施形態では、導電性巻線１９は、主コイル巻型２２４の内面２０１と物理的に接触することができる。図１８は、主金属成形部２２４および図１１のヒータ（たとえばヒータ１８１６）を有する超伝導コイル１８６の線７−７に沿った概略断面図を示す。他の実施形態では、導電性巻線の各々は、銅または高純度アルミニウムなどの導電性材料を有する中実のリングまたは円筒を用いることができる。
【００７７】
一面では、金属成形部２０は、コイル支持構造体が構造が安定していることを確実にするように、導電性巻線１９およびＮ個の超伝導コイル１８を支持する。別の面では、クエンチ時には、ヒータ・マトリクス・モジュール２８は、Ｎ個の超伝導コイル１８を加熱するように起動されて、クエンチされた超伝導コイルが損傷することを防止する。導電性巻線１９がＮ個の超伝導コイル１８１〜１８７と電磁的に結合されているので、導電性巻線１９にリンクされた磁束が変化し、導電性巻線１９がその中に渦電流を誘起させ、クエンチされた超伝導コイル１８からの電流を分流し、クエンチされた超伝導コイル１８のクエンチ初期ホットスポットにおけるジュール熱の負荷を共有することができる。さらに、導電性巻線１９が金属成形部２０と物理的に接触しているので、金属成形部２０は、クエンチプロセス中に導電性巻線１９のエネルギーを散逸させることをさらに助けることができる。
【００７８】
超伝導コイルを保護するためのヒータ・マトリクス・モジュール２８の他に、導電性の金属成形部２０および／または導電性巻線１９が、超伝導コイルをさらに保護するための渦電流を発生させるために補完される。クエンチ保護は、約１秒程度で十分な効果を得ることが必要であるので、ヒータ・マトリクス・モジュール２８および渦電流効果を組み込むことは、特に非常に有用であり、エポキシ樹脂が含浸された超伝導コイルならびに熱サイフォンおよび／または伝導冷却を有するマグネットを保護するために必要である。
【００７９】
本発明について例示的な実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、またその要素を等価物で置き換えることができることは、当業者には理解されるであろう。さらに、本発明の本質的な範囲を逸脱せずに特定の状況または材料を本発明の教示に適応させるために、多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付した特許請求の範囲に入るすべての実施形態を含むことが意図されている。
【００８０】
任意の特定の実施形態に基づいて、上述したすべてのこのような対象物または利点が必ずしも達成できるわけではないことを理解すべきである。したがって、たとえば、当業者には明らかなように、本明細書に記載されたシステムおよび技術は、本明細書で教示または示唆されるように他の目的または利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示される１つの利点もしくは１群の利点を達成または最適化する態様で具現化または実施してもよい。
【符号の説明】
【００８１】
１０  超伝導マグネットシステム
１１  中心磁場領域
１２  真空容器
１４  熱シールド
１７  主超伝導スイッチ
１８  超伝導コイル
１９  導電性巻線
２０  金属成形部
２８  ヒータ・マトリクス・モジュール
１００  クエンチ保護装置
１２２  冷却機
１２３  サービスポート
１２４  電力リード線
１６１  極低温剤容器
１６２  中央部内面
１６３  熱サイフォン冷却管
１６４  周辺部内面
１８１〜１８６  主超伝導コイル
１８７、１８８  バッキング超伝導コイル
１９１〜１９４  導電性巻線
２０１  内面
２０３  外面
２２４  主コイル巻型
２３４  バッキングコイル巻型
２３８  支持部材
２８１〜２８７  ヒータユニット
１８１１〜１８７７  ヒータ
【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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