(57)【要約】【課題】多数の温度計を取り付けることなく液体窒素温度以下の温度で超電導線の温度分布または歪み分布を測定することのできる超電導機器を提供する。【解決手段】超電導機器は、超電導線４と、超電導線４に沿って配置された光ファイバ３と、光ファイバ３に光学的に接続された測定部１０とを備えている。測定部１０は、光ファイバ３内に光を伝搬させ、かつその光のブリルアン散乱光を光ファイバ３から受光し、かつブリルアン散乱光に基づいて超電導線４の歪み分布および温度分布のうち少なくともいずれか一方を出力する。【選択図】図１
2007141713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導線と、
前記超電導線に沿って配置された光ファイバと、
前記光ファイバに光学的に接続された測定部とを備え、
前記測定部は、前記光ファイバ内に光を伝搬させ、かつその光のブリルアン散乱光を前記光ファイバから受光し、かつ前記ブリルアン散乱光に基づいて前記超電導線の歪み分布および温度分布のうち少なくともいずれか一方を出力する、超電導機器。
【請求項２】
前記光ファイバは第１光ファイバと第２光ファイバとを有し、
前記測定部は、前記第１光ファイバから受光したブリルアン散乱光に基づいて前記超電導線の歪み分布を測定し、かつ前記第２光ファイバから受光したブリルアン散乱光に基づいて前記超電導線の温度分布を測定する、請求項１に記載の超電導機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導機器に関し、より特定的には温度管理機能付きの超電導機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導体を超電導状態に維持するためには、温度、磁界、および電流密度の各々を一定値以下に保つ必要がある。超電導体を超電導状態に維持するのに必要な温度、磁界、および電流密度の上限値は、それぞれ臨界温度（Ｔｃ）、臨界磁界（Ｈｃ）、および臨界電流密度（Ｊｃ）と呼ばれている。そして、これらの上限値を一つでも超えるような状態に超電導体が置かれると、超電導状態が壊れて（常電導状態になって）超電導体が発熱し、超電導体の温度が急上昇する。この現象はクエンチと呼ばれている。
【０００３】
超電導マグネットなどの超電導機器は、超電導状態とされた超電導線に電流を流すことで運転される。これにより、常電導状態よりも高い電流密度で超電導機器を運転することができる。しかし、たとえば超電導線の歪みや超電導線同士の摩擦熱などにより超電導線の温度が上昇すると、クエンチが発生し、超電導線の温度が急上昇する。これにより、超電導コイルの焼損などのトラブルが発生する。
【０００４】
上記のクエンチの発生を防ぐためには、超電導線の温度分布または歪み分布を測定すればよい。ここで、従来の超電導機器においては、超電導線に沿って光ファイバを配置し、光ファイバからのラマン散乱光に基づいて超電導線材の長手方向の温度分布を測定している。この測定方法では、ラマン散乱光の強度が温度に依存する性質を利用して超電導線の温度が測定される。また、光パルスが光ファイバを往復する時間からラマン散乱光の発生場所が特定される。超電導線の温度とラマン散乱光の発生場所とにより、光ファイバに沿った超電導線材の長手方向の温度分布が測定される。なお、たとえば特開２００４−１５０８０９号公報（特許文献１）には、超電導機器の一般的な臨界電流測定方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１５０８０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の測定方法で利用されるラマン散乱光は、窒素の液化温度（７７Ｋ）以下では強度が小さくなる性質を有している。このため、上記特許文献１の測定方法では、液体窒素温度以下で運転される超電導機器の超電導線の温度分布および歪み分布を測定することができなかった。
【０００６】
また、熱電対や抵抗温度計などの温度計を超電導線に一定間隔で取り付けて、各温度計をモニタリングして超電導線の長手方向の温度分布を計測する方法も考えられる。しかしこの方法では、測定結果の信頼性を高めるために細かい温度分布を計測しようとすると、多数の温度計を取り付ける必要がある。このため、コストが増大するという問題や、超電導機器のサイズが大型化するという問題があった。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、多数の温度計を取り付けることなく液体窒素温度以下の温度で超電導線の温度分布または歪み分布を測定することのできる超電導機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の超電導機器は、超電導線と、超電導線に沿って配置された光ファイバと、光ファイバに光学的に接続された測定部とを備えている。測定部は、光ファイバ内に光を伝搬させ、かつその光のブリルアン散乱光を光ファイバから受光し、かつブリルアン散乱光に基づいて超電導線の歪み分布および温度分布のうち少なくともいずれか一方を出力する。
【０００９】
本発明の超電導機器によれば、超電導線に歪みや温度変化が発生すると、歪みや温度変化が発生した部分に沿う部分において光ファイバにも歪みや温度変化が生じる。ブリルアン散乱光にはこの歪みや温度変化が反映されるので、ブリルアン散乱光に基づいて超電導線の歪み分布または温度分布を測定することができる。ブリルアン散乱光は液体窒素温度以下の温度でも十分な強度が得られる。したがって、多数の温度計を取り付けることなく液体窒素温度以下の温度で超電導線の温度分布または歪み分布を測定することができる。
【００１０】
本発明の超電導機器において好ましくは、光ファイバは第１光ファイバと第２光ファイバとを有している。測定部は、第１光ファイバから受光したブリルアン散乱光に基づいて超電導線の歪み分布を測定し、かつ第２光ファイバから受光したブリルアン散乱光に基づいて超電導線の温度分布を測定する。
【００１１】
これにより、超電導線の温度分布と歪み分布との両方を測定することができるので、クエンチの発生防止の信頼性を向上することができる。
【００１２】
本発明の超電導機器において好ましくは、超電導機器は超電導マグネットを含んでいる。これにより、超電導マグネットは、超電導線を巻線して製造されるので、超電導線に歪みが発生しやすく、特にクエンチの発生を防止する必要がある。したがって、本発明の超電導機器に適している。
【００１３】
本発明の超電導機器において好ましくは、超電導線はＢｉ２２２３系超電導線よりなっている。Ｂｉ２２２３系超電導線は、ＲＥ１２３系の薄膜線材など他の超電導線と比べて長尺化が可能である。また真空蒸着法等を用いる必要がないため、製造工程が簡潔であり、製造コストが低い。さらに、高い電流密度が得られる。したがって、本発明の超電導機器に適している。
【００１４】
なお、本明細書においてＢｉ２２２３相とは、ビスマスと鉛とストロンチウムとカルシウムと銅とを含み、その原子比として（ビスマスと鉛）：ストロンチウム：カルシウム：銅が２：２：２：３と近似して表されるＢｉ２２２３相を含むＢｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の酸化物超電導体を意味している。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の超電導機器によれば、多数の温度計を取り付けることなく液体窒素温度以下の温度で超電導線の温度分布または歪み分布を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における超電導機器の構造を模式的に示す図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は上面図である。図１を参照して、本実施の形態の超電導機器は、超電導線４と、光ファイバ３と、測定部１０とを備えている。また、超電導機器は超電導マグネット１を含んでおり、超電導マグネット１は互いに積層されて配置された５つのコイル２によって構成されている。コイル２の各々では、Ｂｉ２２２３系の超電導線４と光ファイバ３とが共巻きされており、超電導線４に沿うように光ファイバ３が配置されている。超電導線４と光ファイバ３とは、コイル２の中心から外周方向に向かってパンケーキ状に巻かれている。また、光ファイバ３の各々は、コイル２の各々から外部へ引き出されており、その一端は測定部１０に光学的に接続されている。光ファイバ３は超電導線４に接着されていてもよい。
【００１７】
なお、上記においては、各層のコイル２ごとに別々の光ファイバ３を使用する場合について示したが、各層のコイルで共通する１本の光ファイバを使用してもよい。
【００１８】
続いて、本発明の超電導機器における超電導線の温度分布の測定方法について説明する。超電導マグネット１を液体水素中などに浸漬し、たとえば７７Ｋ以下の温度で超電導機器を運転する。測定部１０から光ファイバ３内に光が伝搬される。すると、光ファイバ３の様々な箇所から散乱光が発生し、この散乱光が測定部１０で受光される。
【００１９】
図２は、測定部で受光される散乱光の周波数分布を模式的に示す図である。図２を参照して、周波数νpで示される最大のピークがレーリー散乱光である。また、周波数νpよりも周波数Δλだけ低周波数側の周波数νB11と、周波数νpよりも周波数Δλだけ高周波数側の周波数νB21とに発生するピークがブリルアン散乱光である。さらに、周波数νB11よりも低周波数側の周波数νR1と、周波数νB21よりも高周波数側の周波数νR2とに発生する光がラマン散乱光である。
【００２０】
超電導線４の長手方向の温度が均一である場合には、ブリルアン散乱光の周波数νB11およびνB21に変化はない。一方、超電導線４の長手方向において局所的に温度変化が存在する場合には、温度変化の大きさに比例してブリルアン散乱光の周波数がシフトし、ブリルアン散乱光の周波数が周波数νB12およびνB22になる。これは、ブリルアン散乱光が音波と光との共鳴によって生じるものであり、その周波数のシフト量は、光ファイバの温度や歪みなどの巨視的な物理量と関係しているためである。また、たとえば測定部１０から光ファイバ３へ光パルス光を伝搬させてからブリルアン散乱光を受光するまでの時間を測定することによって、温度分布の存在する位置が測定される。このように、測定部１０では、ブリルアン散乱光に基づいて超電導線の温度分布が測定され、出力される。
【００２１】
本実施の形態の超電導機器は、超電導線４と、超電導線４に沿って配置された光ファイバ３と、光ファイバ３に光学的に接続された測定部１０とを備えている。測定部１０は、光ファイバ３内に光を伝搬させ、かつその光のブリルアン散乱光を光ファイバ３から受光し、かつブリルアン散乱光に基づいて超電導線４の温度分布を出力する。
【００２２】
本実施の形態の超電導機器によれば、超電導線４に温度変化が発生すると、温度変化が発生した部分に沿う部分において光ファイバ３にも温度変化が生じる。ブリルアン散乱光にはこの温度変化が反映されるので、ブリルアン散乱光に基づいて超電導線４の温度分布を測定することができる。ブリルアン散乱光は液体窒素温度以下の温度でも十分な強度が得られる。したがって、多数の温度計を取り付けることなく液体窒素温度以下の温度で超電導線４の温度分布を測定することができる。その結果、クエンチの発生の有無をモニタリングしながら超電導機器を運転することができるので、通電する電流の量を増加することができ、負荷率および発生磁場を向上することができる。
【００２３】
本実施の形態の超電導機器によれば、空間分解能が１ｃｍレベル、サンプリング時間が１０ｍｓｅｃオーダー、温度分解能が１℃程度、測定可能な温度範囲が数百℃という条件で温度分布の測定が可能である。また、１Ｋの温度であっても測定可能である。
【００２４】
また、超電導マグネット１は、超電導線４を巻線して製造されるので、超電導線４に歪みが発生しやすく、特にクエンチの発生を防止する必要がある。したがって、本発明の超電導機器として適している。
【００２５】
さらに、Ｂｉ２２２３系の超電導線４は、ＲＥ１２３系の薄膜線材など他の超電導線と比べて長尺化が可能である。また真空蒸着法等を用いる必要がないため、製造工程が簡潔であり、製造コストが低い。さらに、高い電流密度が得られる。したがって、本発明の超電導機器として適している。
【００２６】
なお、本実施の形態においては、ブリルアン散乱光に基づいて超電導線の温度分布を測定する場合について示したが、同様の方法によって超電導線の歪み分布を測定することもできる。超電導線の歪み分布を測定する方法としては、たとえば、超電導線の温度分布を把握して較正によって温度分布成分を予め除いておくことにより、歪みに起因するブリルアン散乱光の周波数のシフトのみを検出する方法がある。
【００２７】
また、本実施の形態においては、コイル２の各々において超電導線４と光ファイバ３とが共巻きされ低る場合について示したが、このような場合の他、光ファイバ３がたとえば以下のように配置されてもよい。
【００２８】
図３は、本発明の実施の形態１における他の超電導機器の構造を模式的に示す斜視図である。図３を参照して、本実施の形態の他の超電導機器は、図１に示す超電導機器と比較して、光ファイバ３の位置が異なっている。具体的には、光ファイバ３の各々はコイル２の各々の間に配置されている。コイル２の各々の間において、光ファイバ３はコイル２の中心から外周方向に向かって平面的に見てパンケーキ状に巻かれている。これにより光ファイバ３は、上部のコイル２を構成する超電導線４および下部のコイル２を構成する超電導線４の各々に沿うように配置されている。
【００２９】
なお、これ以外の超電導機器の構造は、図１に示す超電導機器の構造とほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
【００３０】
図３の超電導機器であっても、図１に示す超電導機器と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における超電導機器の構造を模式的に示す図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は上面図である。図４を参照して、本実施の形態の超電導機器は、図１に示す超電導機器と比較して、光ファイバ３の構成が異なっている。具体的には、コイル２の各々では、超電導線４と、第１光ファイバとしての光ファイバ３ａと、第２光ファイバとしての光ファイバ３ｂとが共巻きされており、超電導線４に沿うように光ファイバ３ａおよび３ｂが配置されている。光ファイバ３ａおよび３ｂは、コイル２に接触するようにコイル２の高さ方向に重ねて配置されている。超電導線４と光ファイバ３ａと光ファイバ３ｂとは、コイル２の中心から外周方向に向かって平面的に見てパンケーキ状に巻かれている。また、光ファイバ３ａおよび３ｂの各々は、コイル２の各々から外部へ引き出されており、その一端は測定部１０に光学的に接続されている。光ファイバ３ａおよび３ｂは超電導線４に接着されていてもよい。
【００３２】
測定部１０では、光ファイバ３ａからのブリルアン散乱光に基づいて超電導線４の長手方向の温度分布が測定され、出力されるとともに、光ファイバ３ｂからのブリルアン散乱光に基づいて超電導線の長手方向の歪み分布が測定され、出力される。
【００３３】
なお、これ以外の超電導機器の構造は、図１に示す超電導機器の構造とほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
【００３４】
本実施の形態の超電導機器において、光ファイバは光ファイバ３ａと光ファイバ３ｂとを有している。測定部１０は、光ファイバ３ａから受光したブリルアン散乱光に基づいて超電導線４の歪み分布を測定し、かつ光ファイバ３ｂから受光したブリルアン散乱光に基づいて超電導線４の温度分布を測定する。
【００３５】
本実施の形態の超電導機器によれば、実施の形態１の超電導機器と同様の効果に加えて、超電導線４の温度分布と歪み分布との両方を測定することができるので、クエンチの発生防止の信頼性を向上することができる。
【実施例１】
【００３６】
本実施例では、始めに、以下に説明する構造の比較例Ａ〜Ｄおよび比較例Ｅ〜Ｇの７種類の超電導機器を製造した。
【００３７】
比較例Ａ：図５に示す構造の超電導機器を製造した。具体的には、超電導線を巻線して形成された２つのコイル１０２を積層して、超電導マグネット１０１を製造した。そして、導線１０５が電気的に接続された温度モニタ１０７を超電導マグネット１０１の側面に取り付けた。
【００３８】
比較例Ｂ：図６に示す構造の超電導機器を製造した。具体的には、超電導線を巻線して形成された５つのコイル１０２を積層して、超電導マグネット１０１を製造した。そして、導線１０５が電気的に接続された熱電対１０８を４つずつ、コイル１０２の各々の間に取り付けた。
【００３９】
比較例Ｃ：図１とほぼ同様の構造を有する超電導機器を製造した。但し、光ファイバ３の代わりにラマン散乱型の光ファイバを使用し、測定部１０において光ファイバからのラマン散乱に基づいて温度分布を測定した。
【００４０】
比較例Ｄ：超電導線を巻線して形成された５つのコイルを積層して、超電導マグネットを製造した。超電導マグネットには温度測定手段を一切取り付けなかった。
【００４１】
本発明例Ｅ：図１に示す構造の超電導機器を製造した。
本発明例Ｆ：図３に示す構造の超電導機器を製造した。
【００４２】
本発明例Ｇ：図４に示す構造の超電導機器を製造した。
続いて、それぞれの超電導機器を６４Ｋの温度で運転した。その結果を以下に示す。
【００４３】
比較例Ａ：２００Ａの電流を通電したところ、温度モニタ１０７で測定された温度には異常が見られなかったにも関わらず、温度モニタ１０７が取り付けられた部分以外の部分でクエンチが発生し、溶断した。
【００４４】
比較例Ｂ：２００Ａの電流を通電したところ、一部の熱電対１０８で温度上昇が確認された。しかし、温度上昇の感度は、後述する本発明例ＥおよびＦよりも悪かった。
【００４５】
比較例Ｃ：ラマン散乱光の強度が弱く超電導線の温度分布を測定することができなかった。また、１７０Ａの電流を通電したところ、温度が７７Ｋを越える温度まで上昇し、超電導線の温度分布を測定することができた。
【００４６】
比較例Ｄ：２００Ａの電流を通電したところ、クエンチが発生し、溶断した。
本発明例Ｅ：超電導線の温度分布を測定することができた。その結果、１００Ａの電流を通電したところ、超電導線の一部で温度上昇するのが確認された。また、１６０Ａの電流を通電したところ、超電導線の一部で７０Ｋまで温度上昇するのが確認された。但し、７０Ｋ以上の温度にはならず、高温の領域が広がらずに安定して通電を行なうことができた。さらに、１８０Ａの電流を通電したところ、７０Ｋ以上の温度まで温度が上昇し、高温の領域が広がった。この結果から、今回製造された本発明例Ｅでは１６０Ａ以下で運転すれば安定して通電を行なうことができることが分かった。
【００４７】
本発明例Ｆ：超電導線の温度分布を測定することができた。その結果、１００Ａの電流を通電したところ、超電導線の一部で温度上昇するのが確認された。
【００４８】
本発明例Ｇ：１００Ａの電流を通電したところ、超電導線の一部で温度上昇と歪みとが発生するのが確認された。超電導線の異常を温度とゆがみとの２つのパラメータでチェックできるので、事故検出に対する信頼性が上がった。
【００４９】
以上の結果から、本発明の超電導機器によれば、多数の温度計を取り付けることなく液体窒素温度以下の温度で超電導線の温度分布または歪み分布を測定できることが分かる。
【００５０】
以上に開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態および実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の超電導機器は、超電導マグネットを含んでいる場合の他、たとえば超電導限流器、磁場発生装置、超電導ケーブル、超電導ブスバー、および超電導コイルなどを含む超電導機器に適している。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態１における超電導機器の構造を模式的に示す図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は上面図である。
【図２】測定部で受光される散乱光の周波数分布を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１における他の超電導機器の構造を模式的に示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態２における超電導機器の構造を模式的に示す図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は上面図である。
【図５】本発明の実施例１における比較例Ａの構造を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施例１における比較例Ｂの構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５３】
１，１０１  超電導マグネット、２，１０２  コイル、３，３ａ，３ｂ  光ファイバ、４  超電導線、１０  測定部、１０５  導線、１０７  温度モニタ、１０８  熱電対。
【図１】
2007141713.tif 000003
【図２】
2007141713.tif 000004
【図３】
2007141713.tif 000005
【図４】
2007141713.tif 000006
【図５】
2007141713.tif 000007
【図６】
2007141713.tif 000008