(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導線材のコイル巻線を有する超電導磁石と、この超電導磁石を熱伝導によって少なくとも臨界温度以下に冷却する冷凍機と、前記コイル巻線に接続された励磁用電源と、前記コイル巻線に並列接続された容量手段とを備え、前記励磁用電源からのリップルに起因してコイル巻線を流れる電流リップルの振幅が、（数１）式を満足するように構成され、かつ前記容量手段は、静電容量Ｃが少なくとも前記臨界温度において（数１）式を満足する絶縁体材料で構成され、この絶縁体材料が、誘電率が温度の低下に従って増大する材料であることを特徴とする伝導冷却型超電導磁石装置。
【数１】
0003734630.tif 000009
Ｔｃｒ：  前記冷凍機の冷却ステージ温度
ｄ：  前記超電導磁石と前記冷凍機のセカンドステージを繋ぐ伝熱導体の長さ
κ：  前記超電導磁石から前記冷却ステージまでの熱伝達係数
ω：  前記電源リップルの周波数
Ｉｍ：  前記コイル巻線を流れる電流振幅
ｆｎ（Ｉｍ）：  前記コイル巻線を流れる電流振幅Ｉｍに対する交流損失の式
ｖ：  前記超電導線材の占める体積
Ｔｃ（Ｂ）：  磁場Ｂの発生時の前記超電導線材の臨界温度
Ｌ：  前記超電導磁石のインダクタンス
Ａ：  電源リップルの振幅
【請求項２】
超電導線材のコイル巻線を有する超電導磁石と、この超電導磁石に対して並設され超電導線材のコイル巻線を有する永久電流スイッチと、前記超電導磁石および永久電流スイッチを熱伝導によって少なくとも臨界温度以下に冷却する冷凍機と、前記超電導磁石および永久電流スイッチのコイル巻線に接続された励磁用電源と、前記超電導磁石のコイル巻線に並列接続された容量手段とを備え、前記励磁用電源からのリップルに起因して永久電流スイッチ内を流れる電流リップルの振幅が、（数２）式を満足するように構成され、かつ前記容量手段は、静電容量Ｃ1が少なくとも前記臨界温度において（数２）式を満足する絶縁体材料で構成され、この絶縁体材料が、誘電率が温度の低下に従って増大する材料であることを特徴とする伝導冷却型超電導磁石装置。
【数２】
0003734630.tif 000010
Ｔｃｒ：  前記冷凍機の冷却ステージ温度
ｄ1：  前記永久電流スイッチと前記冷凍機を結ぶ伝熱媒体の長さ
κ：  前記超電導磁石から前記冷却ステージまでの熱伝達係数
ω：  前記電源リップルの周波数
Ｉｐ：  前記永久電流スイッチ本体のコイル巻線を流れる電流振幅
ｆｎ（Ｉｐ）：  前記永久電流スイッチのコイル巻線を流れる電流振幅Ｉｐに対する交流損失の式
ｖ1：  前記永久電流スイッチにおけるコイル巻線の超電導線材の占める体積
Ｔｃ1（Ｂ）：  前記永久電流スイッチにおけるコイル巻線の臨界温度
Ｌ1：  永久電流スイッチ用コイルのインダクタンス
Ａ：  電源リップルの振幅
【請求項３】
前記コイル巻線のフィラメント径を、前記式を満足するように小径化したことを特徴とする請求項１又は２に記載の伝導冷却型超電導磁石装置。
【請求項４】
前記永久電流スイッチのコイル巻線に流れるリップル電流振幅を前記（数２）式が満足するように小さく構成したことを特徴とする請求項２に記載の伝導冷却型超電導磁石装置。
【請求項５】
前記励磁用電源がトランジスタ電源であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の伝導冷却型超電導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば理化学用ＮＭＲ（核磁気共鳴）分析装置や磁場中単結晶引上げ装置など伝導冷却型超電導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、永久電流超電導現象は、抵抗値０で大電流を流し得るという特徴を活かして大電流送電、強磁場発生機器などの各方面での利用が広がりつつある。特に、磁界強度が高い磁場を利用するＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resomance）、ＥＳＲ（Electron Spin Resomance）、ドハースファンアルフェン効果（半導体のフェルミレベル測定など）などの測定においては、発生磁場が高ければ高いほど分解能が高まり、また、不純物濃度やサンプル量など対象試料に対する制約も緩和される。このため、近年ますます高磁場化の傾向にある。
【０００３】
この磁場発生手段として、例えば、鉄ポールピースに巻き付けた銅線に通電することで、鉄ポールピース間に強磁場を発生させる常電導磁石と、ＮｂＴｉやＮｂ3Ｓｎといった超電導線材を巻線して製作されたコイルに通電することによって強磁場を発生させる超電導磁石とがある。この常電導磁石は、鉄の磁気飽和によって略２Ｔ程度が上限となるが、上述のように高磁場化の進展が著しく、従って今日では超電導磁石が主流となりつつある。
【０００４】
ところが、上記超電導磁石は、液体ヘリウムに浸して冷却し、この状態で使用するため、取り扱いが非常に煩雑である。この煩雑さを解消するものとして伝導冷却方式の超電導磁石が知られている。この伝導冷却方式の超電導磁石は、液体ヘリウムなどの冷却剤は一切使用せず、４．２Ｋ冷凍機コールドヘッドに超電導磁石を直接熱的に接触させ、熱伝導によって冷却するようにしたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この伝導冷却方式の超電導磁石は、液体ヘリウムなどの冷却剤を使用しないために煩雑さがないなど、非常に便利である反面、システム設計と製作に多くの制約条件が伴うという問題があった。すなわち、液体ヘリウム浸漬タイプの超電導磁石であれば、コイルの発生熱は液体ヘリウムが奪い去ってくれるのに対して、伝導冷却方式の超電導磁石では、固体熱伝導での冷却のために局所的な温度上昇が起りやすく、この局所的温度上昇はクエンチなど超電導状態の破壊につながる。したがって、いかなる条件でどのような温度上昇となるのかを正確に予測して設計することが重要となる。
【０００６】
ところが、従来、この伝導冷却方式の超電導磁石を安定に動作させるための条件は統一的には把握できていなかった。例えば、複数束のコイル巻線のうちある一束分のコイルに対して、元の電源では安定に運転できていたものが電源を交換するとクエンチを起して励磁できなくなったり、また、特定の電源を用いたとき一束分のコイルは異常なく励磁できるのに他は励磁できないなどといった事態が生じていた。より高級な電源ほどリップルが少ないことから、かかる事態が励磁に際して生じにくいという一般的な傾向が見られるものの、これらの関係がどのように関連しているかについては把握できていないというのが実情であった。また、特に、ヒータをオンオフさせる方式の永久電流スイッチを用いた超電導磁石において、従来の液体ヘリウム浸漬タイプ向けに製作された永久電流運転のための励磁用電源は、伝導冷却方式では永久電流スイッチをオフにすることができず殆ど用を為さない状況であった。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、伝導冷却型超電導磁石を励磁運転する際に、不必要に高価な電源を用いることなく、より安定な運転を行うことができる超電導磁石装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の伝導冷却型超電導磁石装置は、超電導線材のコイル巻線を有する超電導磁石と、この超電導磁石を熱伝導によって少なくとも臨界温度以下に冷却する冷凍機と、前記コイル巻線に接続された励磁用電源と、前記コイル巻線に並列接続された容量手段とを備え、前記励磁用電源からのリップルに起因してコイル巻線を流れる電流リップルの振幅が、（数３）式を満足するように構成され、かつ前記容量手段は、静電容量Ｃが少なくとも前記臨界温度において（数３）式を満足する絶縁体材料で構成され、この絶縁体材料が、誘電率が温度の低下に従って増大する材料であることを特徴とするものである。
【０００９】
【数３】
0003734630.tif 000002
【００１０】
Ｔｃｒ：  前記冷凍機の冷却ステージ温度
ｄ：  前記超電導磁石と前記冷凍機のセカンドステージを繋ぐ伝熱導体の長さ
κ：  前記超電導磁石から前記冷却ステージまでの熱伝達係数
ω：  前記電源リップルの周波数
Ｉｍ：  前記コイル巻線を流れる電流振幅
ｆｎ（Ｉｍ）：  前記コイル巻線を流れる電流振幅Ｉｍに対する交流損失の式
ｖ：  前記超電導線材の占める体積
Ｔｃ（Ｂ）：  磁場Ｂの発生時の前記超電導線材の臨界温度
Ｌ：  前記超電導磁石のインダクタンス
Ａ：電源リップルの振幅
この構成により、電流リップルの振幅を抑制するなどして、上記（数３）式を満足するように構成したので、伝導冷却型超電導磁石を励磁運転する際に、リップル成分の少ない不必要に高価な電源を用いることなく、より安定な励磁運転が可能となる。
【００１１】
また、容量部材を超電導磁石に並列に接続し、また、この容量部材の容量Ｃが温度低下と共に急激に大きくなることで、超電導磁石のコイル巻線を流れる交流電流の振幅Ｉｍが上記（数３）式を満足するようにしたので、上記（数３）式によって超電導磁石のコイル巻線に流入するリップル振幅が大幅に低減されて、（数６）式の交流損失が少なくなり、リップル成分が０．１パーセント程度の通常の励磁用電源であっても、より安定な励磁運転が可能となる。
【００１２】
さらに、本発明の伝導冷却型超電導磁石装置において、超電導線材のコイル巻線を有する超電導磁石と、この超電導磁石に対して並設され超電導線材のコイル巻線を有する永久電流スイッチと、前記超電導磁石および永久電流スイッチを熱伝導によって少なくとも臨界温度以下に冷却する冷凍機と、前記超電導磁石および永久電流スイッチのコイル巻線に接続された励磁用電源と、前記超電導磁石のコイル巻線に並列接続された容量手段とを備え、前記励磁用電源からのリップルに起因して永久電流スイッチ内を流れる電流リップルの振幅が、（数４）式を満足するように構成され、かつ前記容量手段は、静電容量Ｃ1が少なくとも前記臨界温度において（数４）式を満足する絶縁体材料で構成され、この絶縁体材料が、誘電率が温度の低下に従って増大する材料であることを特徴とする。
【００１３】
【数４】
0003734630.tif 000003
【００１４】
Ｔｃｒ：  前記冷凍機の冷却ステージ温度
ｄ1：  前記永久電流スイッチと前記冷凍機を結ぶ伝熱媒体の長さ
κ：  前記超電導磁石から前記冷却ステージまでの熱伝達係数
ω：  前記電源リップルの周波数
Ｉｐ：  前記永久電流スイッチのコイル巻線を流れる電流振幅
ｆｎ（Ｉｐ）：  前記永久電流スイッチのコイル巻線を流れる電流振幅Ｉｐに対する交流損失の式
ｖ1：  前記永久電流スイッチにおけるコイル巻線の超電導線材の占める体積
κ：  前記超電導磁石から前記冷却ステージまでの熱伝達係数
Ｔｃ1（Ｂ）：  前記永久電流スイッチにおけるコイル巻線の臨界温度
Ｌ1：  永久電流スイッチ用コイルのインダクタンス
Ａ：電源リップルの振幅
この構成により、電流リップルの振幅が上記（数４）式を満足するように構成したので、永久電流スイッチのコイル巻線の温度上昇が抑制されて、より安定な励磁運転と共に永久電流運転を行うことが可能となる。
【００１５】
また、容量部材を永久電流スイッチに並列に接続し、この容量部材の容量Ｃが温度低下と共に急激に大きくなることで、永久電流スイッチのコイル巻線を流れる交流電流の振幅Ｉｐが上記（数８）式を満足するようにしたので、上記（数４）式によって永久電流スイッチのコイル巻線に流入するリップル振幅が大幅に低減され、（数４）式の交流損失が少なくなり、より安定な励磁運転と共に永久電流運転を行うことが可能となる。
【００１６】
さらに、好ましくは、本発明の伝導冷却型超電導磁石装置におけるコイル巻線のフィラメント径を、前記式、すなわち（数３）式又は（数４）式を満足するように小径化する。
【００１７】
この構成により、コイル巻線のフィラメント径を小径化すれば、ヒステリシス損失がフィラメント径に比例することに基づき、同じ電流リップルであっても発生熱量が小さくなって超電導磁石の温度上昇が小さくなり、より安定な励磁運転さらに永久電流運転を行うことが可能となる。
【００１８】
さらに、好ましくは、本発明の伝導冷却型超電導磁石装置における永久電流スイッチのコイル巻線に流れる電流振幅Ｉｐを（数４）式が満足するように小さく構成する。
【００２３】
この構成により、電流振幅Ｉｐを小さくすると、交流損失が小さくなり、スイッチコイルの温度上昇が抑制されて、より安定な励磁運転さらに永久電流運転を行うことが可能となる。
【００１９】
さらに、好ましくは、本発明の伝導冷却型超電導磁石装置における励磁用電源がトランジスタ電源である。
【００２０】
この構成により、トランジスタ電源のように電源リップルが低リップル率であれば、交流損失が小さくなり、超電導磁石や永久電流スイッチのコイル巻線の温度上昇が小さくなって、より安定な励磁運転さらに永久電流運転を行うことが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る伝導冷却型超電導磁石装置の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明は以下に示す各実施形態に限定されるものではない。
【００２２】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１における超電導磁石装置を模式的に示す回路図である。図１において、超電導磁石装置１は、超電導線材のコイル巻線２を有する超電導磁石３と、この超電導磁石３を伝熱導体に接触させて伝熱導体を介した熱伝導によって冷却する後述する冷凍機を含む真空容器のクライオスタット４と、このコイル巻線２に電力供給する励磁用電源５とを備えている。
【００２３】
図２は図１の超電導磁石装置の概略縦断面構成を示す模式図である。図２において、真空容器のクライオスタット４の外筒内側には、輻射シールド６が設けられて輻射シールド室７が配設されている。この輻射シールド室７の右上には、冷凍機７２，７３の冷凍機ファーストステージ７１が固定されており、冷凍機のセカンドステージ７７は伝熱用あみ線７６に熱的接触を保つように配設されている。
【００２４】
また、輻射シールド室７内には、上下方向に中空孔を有する枠体７４に超電導コイル巻線２が巻回された超電導磁石３と、この超電導磁石３の枠体７４の下側に一端上部が熱伝導可能なように密着した伝熱導体の伝熱用銅板７５と、この伝熱用銅板７５の他端部上に下端部が熱伝導可能なように密着した伝熱導体の伝熱用銅編み線部７６と、この伝熱用銅編み線部７６の上端部が冷凍機のセカンドステージ７７に熱伝導可能なように密着固定されている。一方、励磁用電源５からの電源供給は入力端子６１を介して為された後に、電流導入用リード線６２により、超導電体でかつ熱遮断体の酸化物超導電体６３を介して超電導磁石３のコイル巻線２に電源供給されるようになっている。
【００２５】
なお、６４は酸化物超導電体６３を絶縁しつつ、伝熱用銅板７５側に熱を逃がして冷却するためのものである。また、６５は本実施形態１では短絡状態でなにもないが、次の実施形態２のコイル巻線２に並列に介設された容量部材や、さらに次の実施形態３のコイル巻線２に並列に介設された永久電流スイッチ（ＰＣＳ）に該当する。
【００２６】
この伝導冷却型の超電導磁石３の励磁不安定性は電源リップルに伴う超電導磁石３の交流損失（交流ロス）に起因することに着目して、交流損失の小さい超電導線材（本実施形態１では超電導磁石３のフィラメント径を小径化する）を超電導磁石３の作製に当たって採用することと、冷凍機と超電導磁石３との間の伝熱導体（銅編み線）を介した伝熱抵抗を低減する構成（本実施形態１では冷凍機のセカンドステージと超電導磁石３を熱的に接続している銅編み線の断面積を２倍にする）している。ここで、フィラメント径とは、例えば１本の超電導導体内に収容された５万本程度の直径１〜２００μｍの超電導細線の径である。
【００２７】
このようにすることにより、超電導磁石装置１において、超電導磁石３を熱的に接触させている冷凍機の冷却ステージ温度（セカンドステージ７７のステージ温度）をＴｃｒ、励磁用電源５の電流振幅ｘに対する交流損失の式をｆｎ（ｘ）、コイル巻線２の超電導線材の占める体積をｖ、超電導磁石３と冷凍機のセカンドステージ７７をつなぐ伝熱導体（伝熱用銅板７５および伝熱用銅編み線部７６）の長さをｄ、超電導磁石３のコイル巻線２を流れる交流電流の振幅をＩｍ、超電導磁石３から冷凍機の冷却ステージ（セカンドステージ７７）までの熱伝達係数をκ、磁場Ｂの発生時の超電導線材の臨界温度をＴｃ（Ｂ）、超電導磁石３のインダクタンスをＬ、励磁用電源５からの電源リップルの振幅をＡ、電源リップルの周波数をωとした場合に、励磁用電源５から超電導磁石３のコイル巻線２を流れる電流の電源リップルに起因する交流損失による発熱を抑えたり、熱伝達を良好にすることで、下記の（数５）式を満足するように構成している。
【００２８】
【数５】
0003734630.tif 000004
【００２９】
ここで、本発明の実施形態１の意義を明確化するために、まず、比較例１，２から詳細に説明する。
【００３０】
図３は従来の液体ヘリウム浸漬型超電導磁石装置をそのまま伝導冷却型に適応した場合を模式的に示す比較例１の回路図である。図３において、励磁用電源１１はスイッチング電源などの安価な一般的な電源であり、その電源のリップル成分は０．１パーセント程度である。また、超電導磁石１２のコイル巻線１３は、自己インダクタンス４．３Ｈを有し、液体ヘリウム浸漬型では同励磁用電源１１により安定して５．３Ｔの磁場を発生していたものである。超電導磁石１２のコイル巻線１３は真空容器のクライオスタット１４内に設けられている。
【００３１】
この伝導冷却型の超電導磁石１２のコイル巻線１３に対する励磁を１Ｔ／５分の励磁速度で試みたところ、０．３Ｔに達したところでクエンチした。また、この励磁速度を１Ｔ／６０分程度に下げても０．３３Ｔに達したところでクエンチした。さらに、伝導冷却型超電導磁石１２にセットしている温度計で測温した結果は、伝導冷却型超電導磁石１２の温度は励磁前では３．８Ｋであったが、クエンチを生じた時点では６．８Ｋに上昇していた。したがって、液体ヘリウム浸漬型超電導磁石をそのまま伝導冷却型の超電導磁石１２として適応しても、安定に励磁することはできない。
【００３２】
次に、励磁用電源１１を電源リップル率の小さいものに交換した比較例２について説明する。
【００３３】
この励磁用電源１５はトランジスタ電源などの電源リップル成分が０．０１パーセント程度のものである。また、このときの励磁速度を１Ｔ／５分で試みたところ５Ｔの磁場まで安定に励磁でき、５．１Ｔに達する手前でクエンチした。また、この励磁速度を１Ｔ／６０分程度に下げて励磁すると、５．３Ｔの磁場まで安定に励磁することができた。このとき、超電導マグネツト１２にセットしている温度計で測温した結果は５．２Ｋ以下に保たれていた。
【００３４】
このようにして、安定に励磁ができることを確認した後に、５Ｔ、４Ｔ、３Ｔ、２Ｔ、１Ｔの各磁場で永久電流運転に移行することを試みた。しかし、上記全ての磁界強度の場合においても、永久電流スイッチ（図示せず）が常に熱を発生した状態となり、オンオフのコントロールが不可能であった。つまり、この電源リップル成分が０．０１パーセントの高性能な励磁用電源１５を採用したとしても永久電流モード運転は不可能であった。
【００３５】
したがって、電源リップル成分をより低い方向にする電源性能の高いトランジスタ電源を採用することが伝導冷却型の超電導磁石１２にとっては好ましい。
【００３６】
次に、伝導冷却型の超電導磁石１２における励磁時の不安定要因を特定するべく、まず、本実施形態１の具体例として、比較例１と同じインダクタンスを有する一方、比較例１，２のコイル巻線１３と、超電導線材のフィラメント径の異なるコイル巻線を用いて比較例１，２と同様な実験を行った。なお、コイル巻線２は、超電導線材の臨界電流が比較例１，２と略等しいものの、上記比較例１，２のものでのフィラメント径は約１２０μｍであるのに対して、本実施形態１の具体例では４５μｍである。また、本実施形態１の具体例の伝熱機構は比較例１の場合と全く同様である。励磁用電源１１に接続する励磁前後でのマグネット温度を測定した。接続前は３．８Ｋで比較例１と同じであり、励磁中は励磁速度に応じて５．５Ｋ〜６．３Ｋであった。したがって、フィラメントが小径の超電導線材を使用することによって、超電導磁石３の温度上昇が抑制されており、このことは、フィラメント径が交流損失の大小に影響することを示している。
【００３７】
すなわち、伝導冷却型超電導磁石の励磁の不安定性は、電源リップルに伴う電流がコイル巻線２に流れ、これに伴う交流損失がマグネット温度上昇を引き起こしているとの説明ができる。また、本実施形態１においては、１Ｔ／５分の励磁速度では４．１Ｔの磁場まで、１Ｔ／６０分の励磁速度では４．４Ｔの磁場まで安定に励磁可能であった。さらに、冷凍機のセカンドステージと超電導磁石３を熱的に接続している銅編み線の断面積を２倍にしたところ、励磁時の超電導磁石３の温度上昇は小さくなり、１Ｔ／５分の励磁速度では４．３Ｔの磁場まで、１Ｔ／６０分の励磁速度では４．５Ｔの磁場まで安定に励磁することができるようになった。これらの状況から、伝導冷却型超電導磁石３を安定に励磁できる条件として統一的に表現すると、前記（数５）式のように表現される。
【００３８】
この超電導磁石３に使われている超電導線材の臨界電流Ｉｃ（Ａ）を磁場Ｂ（Ｔ）と臨界温度（Ｋ）の関数として示したのが図４である。図４から判るように、磁場Ｂ（Ｔ）が強いほど、また、臨界温度（Ｋ）が高いほど流せる超電導電流は小さくなることが判る。この超電導磁石３は例えば９５Ａを流したときに磁場Ｂ（Ｔ）が５．３Ｔの磁場を発生するように設計されているが、図４を見ると、５．３Ｔの磁場を発生させることができるためには、超電導磁石３に使われている超電導線材の臨界温度を５．２Ｋ以下にする必要があることが判る。したがって、上記（数５）式によれば、冷却ステージ温度Ｔｃｒの項と、交流損失による発熱の式ｆｎ（Ｉｍ）を含む項との加算温度値が、超電導線材の臨界温度Ｔｃ（５．３Ｔ）＝５．２Ｋ未満であることが必要である。この条件を満足するときに、より安定な超電導運転を行うことができる。また、この（数５）式中の電流振幅Ｉｍに対する交流損失の式ｆｎ（Ｉｍ）は一般に下記の（数６）式のように表現され得る。この文献は、Y.Iwasa;「Case Studies in Superconducting Magnets p.264;Plenum Press,1994」である。
【００３９】
【数６】
0003734630.tif 000005
【００４０】
ここで、上記（数６）式におけるｋ1，ｋ2，ｋ3は定数であり、φは線材のフィラメ
ント径である。この（数６）式の小括弧内がヒステリシス損失に対応し、Ｉｍ2の項がカップリング損失の項に対応している。フィラメント径φの小さな線材を用いると、このヒステリシス損失がフィラメント径φに比例するということに基づき同じ電流リップルであっても発生熱量が小さくなり、温度上昇が抑制されるのである。また、銅編み線の断面積を２倍（または線径が同じで銅編み線の数を２倍）にすることによって、上記（数５）式の、超電導磁石３から冷凍機の冷却ステージまでの熱伝達係数κが大きくなり、超電導磁石３で同じ発熱があっても熱伝達係数κが大きい方が有効に熱が奪われて温度上昇が小さく済むのである。さらに、励磁時の電流変化を周波数ωが低い大きなリップル振幅の一種とみなせば、上記（数５）式の範囲で議論することができる。励磁速度を大きくすることは、上記（数５）式のリップル周波数ωを大きくすることに相当するのである。
【００４１】
このように、本実施形態１からは伝導冷却型の超電導磁石３の励磁不安定性は電源リップルに伴う超電導磁石３の交流損失に起因していることが判り、交流損失の小さい超電導線材を超電導磁石３の作製にあたって採用することと、冷凍機と超電導磁石３との間の熱抵抗を小さくすることが有効である。
【００４２】
以上のことから伝導冷却型超電導磁石を安定に励磁運転できる条件として、上記（数５）式を満足する状況を作り出すことを統一的に表現することができる。
【００４３】
（実施形態２）
本実施形態２では、超電導磁石のコイル巻線に並列に容量部材を設けることで、超電導磁石に通電されるリップル振幅自体を小さくする場合である。
【００４４】
図５は本発明の実施形態２における超電導磁石装置を模式的に示す回路図である。図５において、超電導磁石装置３１は、超電導線材のコイル巻線３２を有する超電導磁石３３と、超電導磁石３３のコイル巻線に並列に設けられた容量部材３４と、これらの超電導磁石３３および容量部材３４を接触冷却する後述する冷凍機を含むクライオスタット３５と、このコイル巻線３２に電力供給する励磁用電源３６とを備えている。この容量部材３４を図２の構成に適応すれば部材６５に該当し、他は同様である。
【００４５】
このように、超電導磁石装置３１は、超電導磁石３３のコイル巻線に並列に、絶縁体の誘電率が温度低下に伴って上昇する材料の容量部材３４を超電導磁石３３と共に冷却する構成とすることで、より安定な励磁運転を行うべく、超電導磁石３３のコイル巻線３２を流れる交流電流の振幅Ｉｍが、下記の（数７）式を満足するように構成している。
【００４６】
【数７】
0003734630.tif 000006
【００４７】
この容量部材３４は通常のコンデンサではなく、電極間の絶縁体の材質としてＳｒＴｉＯ3を採用している。このＳｒＴｉＯ3は温度低下と共にその誘電率が急激に上昇することが知られている。典型的には、室温から４．２Ｋに冷却すると、その誘電率は３桁以上大きくなる。本実施形態２においては、この容量部材３４も超電導磁石３３のコイル巻線とともに冷却することが重要である。室温で容量Ｃが１２５μＦの容量部材３４を接続して超電導磁石３３のコイル巻線とともに冷却した。当然、この容量Ｃは誘電率に比例して３桁以上増大する。
【００４８】
この場合の伝熱機構は、上記実施形態１と同様にして励磁用電源３６に接続する前後でのマグネット温度を測定した。その接続前は３．８Ｋで実施形態１の場合と同様であって、それを接続して励磁中は１Ｔ／５分の励磁速度であっても５．２Ｋ以下の温度であり、５．３Ｔの磁場まで安定に励磁運転することができた。また、容量部材３４を超電導磁石３３のコイル巻線に並列に接続し、この容量部材３４の容量Ｃが温度低下と共に急激に大きくなるため、上記（数７）式によって超電導磁石３３の本体に流入するリップル振幅が大幅に低減されるため、上記（数６）式の交流損失が少なくなり、電源リップルが０．１パーセント程度の例えば比較例１の励磁用電源１１や実施形態１の励磁用電源５であっても、より安定な励磁運転が可能となった。
【００４９】
（実施形態３）
本実施形態３では、永久電流運転が可能なように励磁用電源の電源リップル率が０．０１パーセントよりもさらに低い０．００４パーセントとした場合である。
【００５０】
図６は本発明の実施形態３における超電導磁石装置を模式的に示す回路図である。図６おいて、超電導磁石装置４１は、超電導線材のコイル巻線４２を有する超電導磁石４３と、超電導磁石４３の本体に並列に設けられたヒータよりなり永久電流を流すための熱式永久電流スイッチ４４と、これらの超電導磁石４３および熱式永久電流スイッチ４４を接触冷却する後述する冷凍機を含むクライオスタット４５と、このコイル巻線２に電力供給する電源リップルが０．０１パーセント以下の０．００４パーセントの励磁用電源４６とを備えている。熱式永久電流スイッチ４４を図２に適応すれば部材６５に該当し、他は同様である。
【００５１】
ここで、以下にさらに詳しく説明する。上記実施形態２の励磁用電源３４を用いて永久電流運転を試みたところやはり永久電流モードへの切替は不可能であった。永久電流スイッチ４４をオンオフできる条件は、上記実施形態１と同様に、永久電流スイッチ４４に流入する電源リップルに起因する交流損失が温度上昇を臨界温度以下に抑えることである。
【００５２】
この永久電流スイッチ４４のコイル巻線のインダクタンスは、主コイル巻線４２のインダクタンスに比較して数桁小さいので、図６の回路においてはリップル電流の大部分は永久電流スイッチ４４のコイル巻線の方に流れてしまい、永久電流スイッチ４４のコントロールが効かなくなる。
【００５３】
したがって、永久電流運転の場合には、電源リップルに対する制約は更に厳しくなる。様々な条件を加味して永久電流運転ができるための条件は、下記の（数８）式で表現できる。この（数８）式も（数５）式と同様に解釈できる。すなわち、永久電流スイッチ４４に流れる電源リップルが原因で発生する発熱によってスイッチコイルの温度が所定値（超電導臨界温度）以上に上昇しないようにするということである。
【００５４】
つまり、超電導磁石４３および熱式永久電流スイッチ４４を熱的に接触させている冷凍機の冷却ステージ温度をＴｃｒ、超電導磁石から冷却ステージまでの熱伝達係数をκ、永久電流スイッチ用コイルのインダクタンスをＬ1、永久電流スイッチ４４と冷凍機を結ぶ伝熱媒体の長さをｄ1、永久電流スイッチ４４に使われているコイル巻線の超電導線材の占める体積をｖ1、永久電流スイッチ４４に使われているコイル巻線の超電導線材の臨界温度をＴｃ1（Ｂ）、永久電流スイッチ４４の本体のコイル巻線を流れる交流電流の振幅をＩｐ、永久電流スイッチを流れる電流振幅Ｉｐに対する交流損失の式をｆｎ（Ｉｐ）、超電導磁石４３のインダクタンスをＬ、励磁用電源４６からの電源リップルの振幅をＡ、電源リップルの周波数をωとした場合に、電源リップルが０．０１パーセント以下の例えば０．００４パーセント程度の低リップル率の励磁用電源４６を用いることで、（数８）式を満足するように構成している。
【００５５】
【数８】
0003734630.tif 000007
【００５６】
具体的には、上記実施形態１の比較例２において、電源リップルが０．０１パーセントの高性能な励磁用電源１５に、大きい容量成分を付加する改造を加えて電源リップルのパーセントがより低い励磁用電源４６とすることで、電源リップルが０．０１パーセントよりもさらに低い０．００４パーセントとなったときに、永久電流スイッチ４４による永久電流運転が実現した。このように、（数８）式のＩｐを小さくしたため、上記（数８）式中の交流損失が小さくなり、永久電流スイッチのコイル巻線の温度上昇が小さくなって、より安定な励磁運転さらに永久電流運転を行うことができた。このとき、上記（数８）式が成立している。
【００５７】
（実施形態４）
本実施形態４では、上記実施形態３に加えて、永久電流スイッチに並列に容量部材を接続することで、永久電流スイッチに流れる電源リップルの振幅自体を小さくする場合である。
【００５８】
図７は本発明の実施形態４における超電導磁石装置を模式的に示す回路図である。図７において、超電導磁石装置５１は、超電導線材のコイル巻線５２を有する超電導磁石５３と、超電導磁石５３の本体に並列に設けられ永久電流を流すためのヒータを有する熱式永久電流スイッチ５４と、これらの超電導磁石５３の本体および熱式永久電流スイッチ５４に並列に設けられた容量部材５５と、これらの超電導磁石５３、永久電流スイッチ５４および容量部材５５を接触冷却する冷凍機を含むクライオスタット５６と、このコイル巻線５２などに電力供給する励磁用電源５７とを備えている。これらの永久電流スイッチ５４および容量部材５５を図２の構成に適応すれば、例えば永久電流スイッチ５４を部材６５に該当させると、この部材６５に並列に容量部材５５が介設され、これらの永久電流スイッチ５４および容量部材５５が伝熱用銅板７５に熱伝導可能なように密着され、他は同様である。
【００５９】
このように、超電導磁石５３に並列に、絶縁体の誘電率が温度低下に伴って上昇する材料の容量部材５５を設け、この容量部材５５を超電導磁石５３および永久電流スイッチ５４と共に冷却することで、永久電流スイッチ５４の本体のコイル巻線を流れる交流電流の振幅Ｉｐが、下記の（数９）式を満足するように構成している。
【００６０】
【数９】
0003734630.tif 000008
【００６１】
上記実施形態３では、高性能な励磁用電源１５に更に改造を加えて電源リップルの少ない励磁用電源４６とし、上記（数９）式を満たすようにした。つまり、この励磁用電源４６は、電源リップルが０．０１パーセントという元々高性能である励磁用電源１５に更に手を加えて電源リップルを低く抑えて改造したものであるからコスト高である。そこで、本実施形態４では、永久電流スイッチ５４に流れる電源リップルの振幅自体を小さくすることを試みた。つまり、図７に示すように、永久電流スイッチ５４に並列に容量部材５５を接続し、上記実施形態２と同様に、この容量部材５５の電極間の絶縁体の材質としてＳｒＴｉＯ3を採用した。この容量部材５５も超電導磁石５３および永久電流スイッチ５４と同時に冷却され、それらと同時に急激に容量が大きくなるようになっている。典型的には、室温から４．２Ｋに冷却すると、容量部材５５の容量Ｃ1は３桁以上大きくなる。このように、本実施形態４においては室温で容量Ｃ1が２３０μＦの容量部材５５を超電導磁石５３および永久電流スイッチ５４に並列に接続して、これらの超電導磁石５３および永久電流スイッチ５４と共に冷却した。
【００６２】
この場合、伝熱機構は実施形態３と全く同様に構成して、改造前の電源リップル０．０１パーセントである励磁用電源５７を接続した。この状態で、永久電流運転を試みたところ任意の発生磁場で永久電流モードへの移行ができた。容量部材５５を永久電流スイッチ５４に並列に接続し、この容量部材５５の容量Ｃ1が温度低下と共に急激に大きくなるため、上記（数９）式で表現されるように、永久電流スイッチ５４に流入する電流リップルの振幅が大幅に低減され、交流損失の式ｆｎ（Ｉｐ）を含む交流発熱の項が小さくなって、冷却ステージ温度Ｔｃｒの項と、発熱の式ｆｎ（Ｉｐ）を含む項との加算温度値が、超電導線材の臨界温度Ｔｃ1（Ｂ）以下となって、更に励磁用電源を改造せずとも永久電流モード運転ができた。
【００６３】
なお、本発明の実施形態２，４において、容量部材に用いられる絶縁体の材質としてＳｒＴｉＯ3を採用したが、これに限らず、温度低下と共に誘電率が増大する材料を用いればよい。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように請求項１によれば、電源リップルの少ない不必要に高価な電源を用いることなく、電源リップルの振幅を抑制して、電源リップルの振幅が上記（数１）式を満足するように構成したため、伝導冷却型超電導磁石を励磁運転する際に、より安定な励磁運転を行うことができる。
【００６５】
また、容量部材を超電導磁石に並列に接続することで、超電導磁石本体のコイル巻線を流れる交流電流の振幅Ｉｍが上記（数１）式を満足するようにしたため、上記（数１）式によって超電導磁石本体に流入するリップル振幅を大幅に低減し、上記（数１）式の交流損失を少なくできて、電源リップル率が例えば０．１パーセント程度の通常の励磁用電源であっても、より安定な励磁運転を行うことができる。また、この容量部材の容量Ｃが温度低下と共に急激に大きくすれば、いっそうその効果を奏することができる。
【００６６】
さらに、請求項２によれば、永久電流スイッチを流れる電流リップルが上記（数２）式を満足するように構成したため、スイッチコイルの温度上昇を小さくできて、より安定な励磁運転と共に永久電流運転を行うことができる。
【００６７】
さらに、容量部材を永久電流スイッチに並列に接続し、この容量部材の容量Ｃ１が温度低下と共に急激に大きくなることで、永久電流スイッチのコイル巻線を流れる交流電流の振幅Ｉｐが上記（数２）式を満足するようにしたため、上記（数２）式によって永久電流スイッチのコイル巻線に流入するリップル振幅を大幅に低減でき、（数２）式の交流損失を少なくできて、より安定な励磁運転と共に永久電流運転を行うことができる。また、この容量部材の容量Ｃが温度低下と共に急激に大きくすれば、いっそうその効果を奏することができる。
【００６８】
さらに、請求項３によれば、超電導磁石のコイル巻線のフィラメント径を小径化することで、発生熱量が小さくなって、超電導磁石の温度上昇が抑制され、より安定な励磁運転とすることができる。
【００６９】
さらに、請求項４によれば、交流電流の振幅Ｉｐを小さくすると、交流損失が小さくなり、スイッチコイルの温度上昇が抑制され、より安定な励磁運転さらに永久電流運転を行うことができる。
【００７０】
さらに、請求項５によれば、トランジスタ電源のように電源リップルが低リップル率とすると、交流損失が小さくなり、超電導磁石や永久電流スイッチのコイル巻線の温度上昇が小さくなって、より安定な励磁運転さらに永久電流運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態１における超電導磁石装置を模式的に示す回路図である。
【図２】  図１の超電導磁石装置の概略縦断面構成を示す模式図である。
【図３】  従来の液体ヘリウム浸漬型超電導磁石装置をそのまま伝導冷却型に適応した場合を模式的に示す比較例１の回路図である。
【図４】  超電導線材の臨界電流Ｉｃ（Ａ）を磁場Ｂ（Ｔ）と温度（Ｋ）の関数として示した図である。
【図５】  本発明の実施形態２における超電導磁石装置を模式的に示す回路図である。
【図６】  本発明の実施形態３における超電導磁石装置を模式的に示す回路図である。
【図７】  本発明の実施形態４における超電導磁石装置を模式的に示す回路図である。
【符号の説明】
１，３１，４１，５１    超電導磁石装置
２，３２，４２，５２    コイル巻線
３，３３，４３，５３    超電導磁石
４，３５，４５，５６    クライオスタット
５，３６，４６，５７    励磁用電源
３４，５５    容量部材
４４，５４    永久電流スイッチ
７１    冷凍機ファーストステージ
７２，７３    冷凍機
７５    伝熱用銅板
７６    伝熱用銅編み線部
７７    冷凍機セカンドステージ
【図１】
0003734630.tif 000011
【図２】
0003734630.tif 000012
【図３】
0003734630.tif 000013
【図４】
0003734630.tif 000014
【図５】
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【図６】
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【図７】
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