JP2007059920A - 接続可能な抵抗要素を備えた超伝導磁石構造 - Google Patents

Abstract

【課題】クエンチ保護および効果的な外乱補償を具備した磁石構造を提供する。
【解決手段】電流経路内に１以上の区間（Ｐ_{Ａ１−Ａ２}、Ｐ_{Ａ２−Ａ３}、Ｐ_{Ａ３−Ａ４}）を規定し、この電流経路上に２つ以上の電気的接続点（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）が配置される。磁石構造は、０オーム以上の抵抗値を有する１以上の抵抗要素（Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}）と、２以上の電気的接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４）とを備え、電気的接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４）は前記抵抗要素と２つ以上の電気的接続点（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）の１つとの間に配される。磁石構造は、磁石コイル装置の超伝導状態において、１以上の電気的接続点（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）と１以上の抵抗要素との間で１以上の電気的接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４）が開閉可能であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導磁石コイル装置と、少なくとも部分的に超伝導性をもち磁石コイル装置の少なくとも複数部分を含む電流経路とを備えた磁石構造に関し、この磁石構造では、電流経路内に１以上の区間を規定する２つ以上の電気的接続点が電流経路上に配置され、該区間は電流経路に含まれる磁石コイル装置の全ての部分を具備したものではなく、磁石構造は、０オーム以上の抵抗値を有する１以上の抵抗要素と２以上の電気的接点とを備え、電気的接点は抵抗要素と２つ以上の電気的接続点の１つとの間に配される。

幾つかの区間に分割された磁石コイルを備えたこの種の磁石構造は、例えば、特許文献１、２および３に記載されている。

超伝導磁石コイル装置は通常幾つかの部分コイルから構成される。部分コイルは、動作中に同一の電流を流すため、典型的には直列接続されて単一の超伝導電流経路を形成している。その利点は、単一の電流源を用いて部分コイルを同時に充放電可能である点にあり、磁石コイル装置の充放電中に部分コイル間に不所望の電流差が生じることがなく、動作中に電流を一致させる必要はない。

しかしながら、並列接続された電気的なスイッチング要素を用いて電流経路内の幾点かで分岐させることにより部分コイルの直列接続を除去することが有利な場合がある。特許文献１の構造は、超伝導電流経路内に分岐を備えた磁石コイル装置の第１の例を表している。この構造の超伝導電流経路は、保護抵抗を介してブリッジされた区間に分割されている。１つの部分コイルで超伝導性が突然失われた（クエンチされた）場合、保護抵抗を介してこの区間から作動電流を放出することができる。これにより、高電圧または過熱によるコイル損傷を防止する。

磁石構造が配されている包囲磁場が変化する別の例においても、磁石コイル装置の電流経路に分岐を設ける利点がある。磁束保存の原理により、磁石構造の超伝導コイル内に電流が生じ、この電流は、包囲磁場内の変化に抗する磁場を発生させる。全ての部分コイルが単一の電流経路に結合された場合、磁場外乱の補償中、個々の部分コイルが妨害し合ったり或いは外乱の補償が過度になされることがある。磁石構造の個々の部分コイルが個々に変化する電流変化で外乱と相互作用する場合、包囲磁場での外乱が補償される。これは、例えば特許文献２による構造で実現されており、この構造では、磁石コイル装置の超伝導電流経路の区間が超伝導スイッチによりブリッジされ、そして短絡される。

特許文献１の発明の主題もまた磁石コイル構造の、磁場外乱を補償する能力の改良に基づくものである。クエンチ保護要素としての主たる機能を別にすれば、包囲磁場が変化するときに別々の部分コイル内に異なる補償電流を生起可能にするように保護抵抗が配置され設計されている。これにより、磁場外乱の補償中、個々の部分コイル相互の障害を防止し、また、過度の外乱補償を防止する。特許文献２とは異なり、保護抵抗を流れる補償電流の差異は時間と共に減衰していく。

クエンチ保護および外乱補償に加えて、磁石コイル装置の超伝導電流経路での分岐が有利である別の状況が存在する。特許文献３にはその様な場合の記述がある。超伝導電流経路に抵抗欠陥部位がある場合には、作動電流が電流源により支持されなくなると磁場ドリフトが生じることになる。この問題は、電流経路の非抵抗区間を超伝導的に短絡し且つ抵抗区間に誘導的に結合することにより解消される。僅かな抵抗区間が緩慢に放電される間、超伝導的に短絡された区間は連続的かつ誘導的に充電される。これにより、構造の全体的な磁場を一定値に維持することができる（ドリフト補償）。
米国特許第６，３０７，３７０号明細書 米国特許第６，３６９，４６４号明細書 米国特許第６，７７７，９３８号明細書

磁石コイル装置の超伝導電流経路に分岐を用いることによる１つの問題は、磁石コイル装置の充放電中、電気的部品に電流が流れて分岐に接触することである。これらの要素の抵抗値が小さい場合、コイル区間で充電プロセス末期に電流がバランスするまでに非常に長い時間を要することがある。更には、コイル区間に並列接続された部品が加熱される。これは、部品が磁石装置の冷却容器内に配置されている場合には重大である。超伝導磁石コイル装置は典型的には数ケルビンの極低温まで冷却しなければならないので、更なる熱の放出は非常に高価になる。

このため、超伝導電流経路に固定して接続される保護抵抗の抵抗値は充分に大きくなければならない。抵抗値が高すぎれば、保護抵抗はクエンチの場合に理想的な保護をなし得ない。通常、１オームのオーダの抵抗値は、保護抵抗を必要な大きさにする際の良好な妥協点である。

超伝導電流経路の部分区間を短絡して磁気ドリフトや磁気外乱を補償する場合、１オームのオーダの抵抗値は過大である。その様な応用分野では、極めて小さい抵抗値または超伝導範囲の短絡が理想的である。低抵抗の抵抗要素または超伝導接続に代えて、通常、短絡は超伝導スイッチとして設計される。そして、超伝導短絡に代わる超伝導スイッチの接続点間に高抵抗の接続が生じるよう、磁石構造の充放電中、このスイッチの超伝導ワイヤが加熱されて抵抗状態を呈する。これにより、充放電中、磁石コイル装置の超伝導電流経路からの電流の分岐が部分的には防止される。しかしながら、超伝導スイッチを加熱すると、磁石構造の冷却容器に熱が導入され、不所望の冷却液損失が生じる。

これに対して、本発明の基礎的な目的は、超伝導磁石コイル装置と超伝導電流経路とを備えた磁石構造が超伝導動作状態であるときに超伝導電流経路の電流に分岐を提供することであり、超伝導電流経路は、超伝導磁石コイル装置の少なくとも複数部分を備えると共に磁石構造の充放電中に超伝導電流経路からの電流の分岐を防止する。

この目的は、本発明により達成され、磁石コイル装置が超伝導状態であるときに、１以上の電気的接続点と１以上の抵抗要素との間の１以上の電気的接点を開閉することができる。

接点が閉じたとき、抵抗要素は超伝導電流経路の複数区間と並列接続され、そしてまた、同区間は電気的接続点により規定される。本発明の構造は、磁石コイル構造の超伝導電流部分の区間をブリッジする電気的部品の機能が有用なときにのみ接続点を介して同部品が超伝導電流経路と接触する一方、電気的部品の存在が例えば磁石の充放電プロセスに不利な作用を及ぼす場合には同部品は超伝導電流経路と接触しない。これらの区間は自由に分割可能であり、また、ブリッジされた部品の抵抗値は自由な大きさにすることができる。特に、オーム抵抗値が極めて小さい部品は超伝導スイッチなしに使用可能である。これは、磁石コイル装置の超伝導電流経路に固定して接触している部品によっては不可能である。全体として、ブリッジされた部品の機能は改良可能であり（磁場外乱の補償、ドリフト補償、クエンチの場合でのコイル保護）、また、充放電後にコイル区間で電流をバランスさせるのに必要な時間を削減すると共に充放電中に冷却容器に入力する熱を除去することができる。

本発明による一つの磁石構造が特に有利であり、この磁石構造では、動作中、ｚ軸上で約ｚ＝０に配された動作範囲（working volume）に超伝導磁石コイル装置がｚ軸方向に磁場を発生させ、また、電流１アンペア当たりの磁石コイル装置の各巻線の、動作範囲におけるｚ軸方向の磁場のベクトルをｂとし、磁場の変化ΔＢｚにより誘起される磁石コイル装置の各巻線の電流変化のベクトルをΔＩ（ｔ）とし、時間ｔ＝０での磁石構造の領域内におけるバックグラウンド磁場のステップ変化のｚ軸に平行な成分をΔＢｚとした場合において、時間ｔ＝０で２つ以上の接点が閉じたとき、値β（ｔ）＝１＋｛ｂΔＩ（ｔ）／ΔＢｚ｝が、接点を閉じた場合に時間ｔ＝０で生じる値βopen（ｔ＝０）よりも量的に小さい値βclosed（ｔ＝０）になるように接続点の２つ以上が電流経路内に配される。

値βは、包囲磁場の変化の部分に対応し、同部分は磁石構造の動作範囲において検出可能である。β＝１であるとき、磁場補償は、補償をなすことなしに動作範囲内に侵入する。β＝０は外乱が完全に補償されることを意味し、また、β＜０は、磁石コイル装置による外乱の過剰補償に対応する。すなわち、動作範囲内での磁場変化のベクトルは、包囲磁場の変化のベクトルの方向と逆方向に向く。

磁石コイル装置の幾つかの部分コイルが直列接続されている超伝導電流経路内における磁場外乱の補償中、個々の部分コイルが相互に弱め合うことがあり、或いは外乱が過度に補償されることがある。すなわち、|β|が実質的にゼロよりも大きくなる。磁石構造の動作中、抵抗要素によりブリッジされた幾つかの区間に超伝導電流経路を分離することにより、これを防止可能である。ここで、磁場外乱の場合、個々の異なる補償電流を誘起させることができる。区間の数を増大させることにより補償電流の自由度が増大し、これにより典型的には外乱補償結果が改善する。すなわち、|βclosed（ｔ＝０）|＜|βopen（ｔ＝０）|。電流経路を抵抗でブリッジされた区間に細かく分割すると、磁石構造の充放電中に問題が生じる。このため、超伝導電流経路の区間を規定する接続点間の接点および抵抗要素を磁石構造の超伝導状態で開閉可能であることが特に有利である。本発明の磁石構造のこの実施の形態では、接点を閉じることにより回路を付勢可能であり、これは、磁石構造の、包囲磁場での外乱を補償する能力を最適化する。

包囲磁場での外乱の場合における磁石構造の挙動を特徴づけるため、時間ｔ＝０における磁場ジャンプを伴うステップ外乱を有利に仮定する。磁石コイル装置の超伝導電流経路を、抵抗により個々に短絡された区間に分割することは、磁石構造のｔ＝０での補償挙動に影響を及ぼす。抵抗要素のサイズは、時間ｔ＞０に対する補償挙動に影響がある。全ての抵抗要素の抵抗値がゼロ（超伝導短絡回路）の場合、区間内に生起する個々に異なる補償電流は、全ての時間に対して固定的に維持され、また、全てのｔに対してβclosed（ｔ）＝βclosed（ｔ＝０）である。全ての接点が開いているとき、全てのｔに対してβopen（ｔ）＝βopen（ｔ＝０）＝βopenである。抵抗要素の抵抗値がゼロよりも大きい場合、区間内で生起する個々の異なる補償電流は時間経過につれて分解し、下記が適用される。βclosed（ｔ）→ｔに対してβopen→∞である。

磁石コイル装置の超伝導電流経路の好適な副分割に起因して、|βclosed（ｔ＝０）|＜|βopen|である場合、βclosed（ｔ）が最終値βopenに近づく時間ができる限り長いことが有利である。この場合、磁気外乱は即時に充分補償され、次いで、磁石構造の動作範囲内にゆっくり侵入し、時間と共に大きく減衰する。また、可能であれば、βclosed（ｔ）は、単調にすなわち過度の変動なしに最終値βopenに接近するべきである。このため、本発明の特に有利な実施の形態では、磁石コイル装置の超伝導電流経路の区間を規定する接続点と抵抗要素との間における２つ以上の閉じた接点の場合、値βclosed（ｔ）の大きさが全ての時間ｔに対して、接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４）が開くことによる値βopen（ｔ）よりも小さいかこれに等しくなるように、区間をブリッジする抵抗要素の大きさが決定される。これは、典型的には、好ましくはミリオームの範囲内で最小抵抗値を選択することにより達成される。

抵抗値を最小化するため、抵抗要素を冷却可能である。本発明の磁石構造の特に有利な実施の形態では、抵抗要素は、冷却室内に超伝導磁石コイルと共に配される。

例えば包囲磁場の外乱を補償するために接触可能な抵抗要素を使用する場合、追加の固定配線式保護要素を用いてクエンチの場合に磁石コイル装置を確実に保護することができる。このため、１つ以上の固定配線式の保護要素が、電流経路の複数部分を並列に有利にブリッジする。

好ましくは、配線式の保護要素の１つ以上が、オーム抵抗要素またはダイオードまたは両者の組み合わせを備える。ダイオードは、磁石装置の充放電中に熱が発生しない点が有利であり、これにより冷却液の消費を低レベルに維持する。

磁石構造の充放電中の問題を防止するため、固定配線式の保護要素の抵抗値は充分に大きいものでなければならない。包囲磁場の外乱の場合、保護抵抗でブリッジされた各コイル区間は、個々の異なる誘起電流変化と相互作用可能であるが、誘起電流間の差異は保護抵抗を介して迅速に分解し、外乱は、遅れを来すことなしに磁石構造の動作範囲に入る。このため、追加の低オーム抵抗要素が、磁石コイル装置の超伝導電流経路区間を介して有利に接触して、包囲磁場の外乱を減衰させる。

本発明の磁石構造の更に有利な実施の形態では、抵抗要素はプラグの一部であり、また、プラグを対向極に挿入して接点を閉じることにより、抵抗要素を接続点に接続可能である。接続点は対向極から延びる。動作状態に応じて、追加の抵抗要素を簡単に接続または接続遮断することができる。この種の接点は抵抗要素の交換に便宜であり、これにより、例えば、動作中の包囲磁場における外乱を補償する磁石構造の能力が経験的に最適化される。更に、磁石コイル装置のクエンチ中に追加の抵抗要素が損傷した場合、抵抗要素を迅速に交換可能である。

スイッチを動作させて接点を閉じることにより、超伝導電流経路上の接続点に抵抗要素を接続することが望ましい。

好適態様では、抵抗要素の抵抗値は、電流の増大につれて増大する。

超伝導磁石コイル装置のクエンチの場合、抵抗要素が、高オーム値特に１０オームを上回る抵抗値をもつことが有利である。この場合、保護要素の抵抗値がより小さい場合、固定配線式の保護要素は磁石コイル装置を確実に保護し、従って、追加のスイッチ式の高オーム抵抗要素に代わりクエンチした区間からの電流を運ぶことができる。動作中、抵抗要素は低オーム値をもち、磁石構造における侵入外乱の一時的な減衰を良好なものにする。クエンチの場合、抵抗要素は高オーム値をとり、ここで、これらの抵抗要素、超伝導電流経路上の接続点、ワイヤおよび接点が、クエンチの場合における大電流から保護される。

好ましくは、抵抗要素は、抵抗要素が燃えて高抵抗値すなわち１０オームを上回る抵抗値をとる前に磁気電流の最大２０％を担うことができる安全要素である。安全手段は、特定の電流で溶融し、また、追加接続可能な抵抗値として使用されるが、この安全手段は、磁石構造の包囲磁場の外乱を最適に補償するための要件を最適に満足する。動作中、抵抗要素は極めて低いオーム値をもつ。クエンチ中、抵抗要素は溶融して迅速に高オーム値をとる。これにより、超伝導電流経路上の接続点、ワイヤおよび接点を大電流から保護する。

また、本発明は、本発明に係る磁石構造の動作方法に関し、この方法では、磁石コイル装置の超伝導電流経路上の１以上の電気的な接続点と１つ以上の抵抗要素との間の電気的接点の１つ以上が、磁石コイル装置の動作中に閉じられ、また、磁石コイル装置の充放電中に開かれる。動作中、典型的にはオーム値が極めて小さい接続可能な抵抗要素は、磁石構造の周囲磁場の外乱の動作範囲に対する作用を大幅に遅延させることを確実なものにする。磁石構造の充放電中、低オーム接続は不所望であり、超伝導電流経路に対する接点が遮断される。そうでなければ、磁石構造の冷却容器内に追加の熱が発生し、あるいは、磁石コイル装置の区間における電流が充電後にバランスされるまでの時間が増大するからである。抵抗要素が安全要素である場合、抵抗要素は、磁石構造の充電中／放電中に溶融することがあるが、これは防止しなければならない。

本発明の磁石構造の動作方法は、２つの異なる状態間でのスイッチングを含む。状態の１つは、磁石の充放電に最適化される。別の状態は、例えば、磁石構造の包囲磁場での外乱の補償に最適化される。第２の状態においてコイルのクエンチ保護を最適にし、或いは磁石コイル構造の磁場ドリフトを補償することが望ましい。

本発明の更なる利点は、明細書および図面から抜粋可能である。上述の及び以下に述べる特徴は、個々に使用しても良く、また任意の組み合わせで使用しても良い。図示され且つ記載された実施の形態は網羅的なものと解すべきものではなく、本発明を述べる例示的な性質をもつものであると解すべきである。

図１は、３つの区間Ｐ_{Ａ１−Ａ２}、Ｐ_{Ａ２−Ａ３}、Ｐ_{Ａ３−Ａ４}を具備する磁石コイル装置Ｍを備えた本発明の構造を示し、このものは、電気的接続点Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４により区分されると共に区間Ｐ_{Ａ１−Ａ２}、Ｐ_{Ａ２−Ａ３}、Ｐ_{Ａ３−Ａ４}を備えた部分コイルの形式にされている。

区間Ｐ_{Ａ１−Ａ２}、Ｐ_{Ａ２−Ａ３}、Ｐ_{Ａ３−Ａ４}は、動作中、抵抗要素Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}でブリッジ可能である。接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４は抵抗要素Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}と接続点Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４との間に設けられ、接続点Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４は磁石構造が超伝導状態にあるときに開閉可能である。接続点Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４が閉じているとき、抵抗要素Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}は接続点Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４で区間Ｐ_{Ａ１−Ａ２}、Ｐ_{Ａ２−Ａ３}、Ｐ_{Ａ３−Ａ４}と並列接続される。

図２は、本発明の構造の更なる実施の形態を示し、この実施の形態では、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を付勢することにより接点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４を開閉可能である。保護要素Ｒ１、Ｒ２は磁石構造のクエンチ保護として設けられており、磁石コイル装置Ｍに固定して配線されている。

図３は、本発明の超伝導コイル構造の一実施の形態の概略断面図を示す。磁石コイル装置Ｍの２つの区間ＳＥ１及びＳＥ２は、長さｌのソレノイドコイルで良く、磁石構造の対称軸ｚからｒｉまたはｒａの間隔をおいて互いに同軸配置されている。動作範囲（working volume）ＡＶが磁気中心に位置づけられており、ここで、磁場のｚ成分が最大であり、また、調査対象サンプルを配置可能である。外側区間ＳＥ２は、電流密度の半分を具備した領域いわゆるハーフノッチＨＮを含み、このハーフノッチは、動作範囲ＡＶ内の磁場を均一化するように設計されている。

図４は、本発明の磁石構造の更なる実施の形態を示し、ここで、図３の磁石コイル装置Ｍの外側区間ＳＥ２のコイル区間ＳＥ２Ｌ１−１４及びＳＥ２Ｌ１５−２４は、２つの抵抗要素Ｗ_{Ａ１−Ａ３}及びＷ_{Ａ２−Ａ３}でブリッジすることができる。抵抗要素Ｗ_{Ａ１−Ａ３}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}はプラグＳＴと一体にされている。

図５は、接点Ｋ１、Ｋ２及びＫ３を開いた場合（βopen（ｔ））および２つの接点Ｋ１及びＫ３を閉じた場合（βclosed（ｔ））における図３及び図４による本発明の構造の計算値β（ｔ）を示す。βclosed（ｔ＞０）はβopen（ｔ＞０）よりも値が小さいが時間ｔ＝０では相違はない。

図６は、接点Ｋ１、Ｋ２及びＫ３を開いた場合（βopen（ｔ））および接点Ｋ１、Ｋ２及びＫ３を閉じた場合（βclosed（ｔ））における図３及び図４による本発明の構造の計算値β（ｔ）を示す。この例では、ｔ＝０におけるβclosed（ｔ＝０）はβopen（ｔ＝０）を下回る。

|βclosed|＜|βopen|は、接点を閉じることにより、動作範囲内の磁場に対する包囲磁場の外乱の作用を減衰させる上での磁石構造の能力が向上することを意味している。

図７は、動作範囲ＡＶを具備した磁石コイル装置の本発明の構造を示し、ここで、抵抗要素Ｗ_{Ａ１−Ａ２}がプラグＳＴと一体にされている。このプラグＳＴは、対向極Ｇへ挿入することによって、磁石コイル装置Ｍの超伝導状態において接続可能であり、また、再度除去可能であり、そして、磁石コイル装置Ｍとしての同一の極低温室ＫＫ内に配置される。

以下、例を参照して本発明を説明する。第１番目の例は、本発明の一実施の形態であり、ここで、本発明の抵抗要素は接触可能であって保護抵抗の機能を持つものであるが、この抵抗要素は、磁石構造における固定配線式の保護抵抗を置き換える。第２番目の例は、本発明により接続または非接続可能であるドリフト補償を具備した磁石構造である。第３番目の例は、磁石構造のバックグラウンド磁場での外乱を補償する本発明の装置を示す。

超伝導磁石構造の充電中、コイル区間に並列接続されている固定配線式の保護抵抗はエネルギを不利益に放散し、冷却液損失を生じる。保護抵抗は、超伝導破壊（クエンチ）中に過熱および過電圧から磁石を保護する機能のみを有している。磁石構造に蓄積されたエネルギが大きくない限り、保護抵抗としての役割を奏する抵抗要素は、磁気電流（エネルギの５０％）の７０％のみで超伝導電流経路と接触し、抵抗内で放散されるエネルギを３０％まで減少させることができる。これは、冷却液損失に関して莫大な利益をもたらす。

米国特許出願第２００２／０１７１５２０Ａ１号には、ドリフト補償に用いられる追加の超伝導スイッチを具備した磁石構造が記載されている。追加のアクティブスイッチ２５ａ及び２５ｃ（表１、第８頁）は特に効率的なドリフト補償を生じさせる。超伝導スイッチに代えて接続可能な抵抗要素を使用することにより、労力をかけることなく同一の結果が達成されることを示すが、効果が奏される時間に制約がある。

米国特許出願第２００２／０１７１５２０Ａ１号に記載のように、同出願の図６の配線図は以下の値で使用することができる。Ｌ１＝１．９２９Ｈ、Ｌ２＝２．０７５Ｈ、Ｌ３＝１８５．３１４Ｈ、Ｍ１＝１．２１１Ｈ、Ｍ２＝１３．８４０Ｈ、Ｍ３＝７．９７５Ｈ、Ｒ１＝４．７７＊１０^−１３Ω、Ｒ２＝２．００＊１０^−１１Ω、Ｒ３＝１．９４＊１０^−９Ω。磁石構造の動作範囲内において、コイルの磁場強度は、Ｋ１＝０．０１６９Ｔ／Ａ、Ｋ２＝０．００８０Ｔ／ＡおよびＫ３＝０．０５０２Ｔ／Ａである。追加のスイッチによるドリフトは、式（１２）および式（１３）から０．００１５ｐｐｍ／ｈと計算され、これは、指定の０．０１ｐｐｍ／ｈに比べて相当に良好である。追加のスイッチがない場合、ドリフトは−０．０１２ｐｐｍ／ｈであろう。

しかしながら、ドリフトが検出されたときに磁石を加熱しまた修理する必要があるので、追加のスイッチによる取り扱いが強く求められている。また、磁石構造の充電中、追加のスイッチもまた加熱しなければならず、極低温液の更なる損失が生じる。これに対して、本発明による接続可能な抵抗要素の使用は、例えば単にプラグを対向極に挿入すれば良く、極めて簡単である。上記の例において、Ｌ１及びＬ２を経由して追加のスイッチを１ｍΩの短絡回路により各々置き換える場合、初期ドリフトは０．００１５ｐｐｍ／ｈになり、また、約１時間の間はドリフトは指定の０．０１ｐｐｍ／ｈよりも良好なままである。従って、この構造は、１時間を越えない期間にわたって異なる磁場強度で測定を行う応用分野には好適である。目標磁場を設定した後、動作範囲内の磁場強度を簡単な手段を用いて測定のため充分に安定化することができる。

一例を以下に記載するが、これは、磁気構造の充電後に小さい抵抗要素を接続することによりバックグラウンド磁場の変動に応じて磁石構造の挙動を相当改善する。この例の基礎を形成する実施の形態は、図３及び図４の本発明の構造である。

本発明は動作範囲で特に均一な磁場を備える磁石装置に限定されるものではないが、磁石装置はバックグラウンド磁場の変動に特に敏感である。このため、その様な装置の例を示すものとし、接続可能な抵抗要素を使用することにより外乱挙動が改善する。以下の表は、コイル装置の幾何学的配置を示す。

表１における表記は以下のとおりである（図３を参照）。

ｒｉ ソレノイドコイルの内径
ｒａ ソレノイドコイルの外径
ｌ ソレノイドコイルの長さ
Ｗ ソレノイドコイルの各層におけるワイヤ巻線の数
Ｎ ソレノイドコイルのワイヤ層の数

ハーフノッチＨＮは、区間ＳＥ２において電流密度が半分の領域であり、コイル中心の磁場をできる限り均一にする。

区間ＳＥ１および区間ＳＥ２は電気的に直列接続されると共に超伝導的には短絡されている。１オームの保護要素Ｒ１が、区間ＳＥ１と並列の超伝導経路Ｐに固定して接続され（図４）、２オームの保護要素Ｒ２が区間ＳＥ２と並列の超伝導電流経路Ｐに固定して接続されている。

バックグラウンド磁場の変動に対する本磁石構造の挙動を調べるため、直径が２メートルの外乱ループを用いる。このループは、ソレノイドコイルの中心のレベルで区間ＳＥ１及びＳＥ２に対して同軸に配される。時間ｔ＝０において、１０アンペアの電流がこのループ内に導入される。電流の時間挙動は、簡易化のためにステップ状であると仮定する。

磁石コイル装置Mの超伝導磁石コイル内に生じる電流の時間的推移の計算に先立ち、磁石構造の本質的な値の表記を決定する必要がある。

は、区間ＳＥ１、ＳＥ２に従って解かれるインダクタンス行列である。

は、区間ＳＥ１、ＳＥ２での電流である。

ｂ＝（２２９ ４１７）［ガウス／アンペア］は、磁石構造の中心における区間ＳＥ１、ＳＥ２のアンペア当たりの磁場である。

は、区間ＳＥ１、ＳＥ２に対する外乱ループの誘導性結合である。

ΔＩpert＝１０（アンペア）は、外乱ループでの電流変化である。

ｂpert＝０．００６２８（ガウス／アンペア）は、磁石構造の中心における外乱ループのアンペア当たりの磁場である。

ΔＢｚ＝ｂpert＊ΔＩpert＝０．０６２８（ガウス）は、バックグラウンド磁場における変化である。

Ｒ１＝１（オーム）、Ｒ２＝２（オーム）は、区間ＳＥ１、ＳＥ２に平行な保護抵抗である。

レンツの法則によれば、ここで問題としている磁石構造の各区間は、時間ｔ＝０において磁場外乱と相互作用し、それ自身の電流変化はΔ／_１及びΔ／_２である。これらの電流変化は充分に大きく、各区間を通る磁束を不変にする。より正確には、
ＬΔＩ＝−ＬcouplingΔＩpert
あるいは

である。

区間ＳＥ１、ＳＥ２での電流変化のみを検討するので、ｔ＜０に対する電流Ｉ_１、Ｉ_２はゼロに設定され、時間ｔ＝０における電流はΔ／_１及びΔ／_２である。すなわち、

これらの電流に区間ＳＥ１、ＳＥ２の磁場強度ｂを乗じると、磁石構造の中心における区間ＳＥ１、ＳＥ２の磁場寄与を得る。磁石構造の中心における全体的な磁場変化は、区間ＳＥ１、ＳＥ２の寄与と外乱ループの寄与とを加算したものになる。すなわち、
ｂ・Ｉ（ｔ＝０）＋ΔＢｚ＝０．０１１４−０．０７６７＋０．０６２８＝−０．００２５（ガウス）
バックグラウンド磁場ΔＢｚの変動に対するこの磁場変化を検討すると、無次元値

を得る。

区間ＳＥ１、ＳＥ２でのシールド電流により、バックグラウンド磁場変動の−０．４％のみが時間ｔ＝０において磁石構造の中心に到達する。負符号は、動作範囲ＡＶにおける外乱の磁場ベクトルの方向が反対であること、すなわち外乱が磁石コイル装置Ｍにより過度に補償されることを意味している。充分な時間だけ待つと、区間ＳＥ１、ＳＥ２間の電流偏差が分解し、一つの電流のみが両区間ＳＥ１、ＳＥ２を通る。この電流の値は、全てのベクトルおよびマトリックスに上記計算における入力項目の和で置換することにより得られる。新たな１次元値を波形符号で指定すると、下記の結果を得る。

長時間経過後、外乱の約−３０％が磁石構造の中心に入る。外乱が入る速度は、磁石構造の外乱挙動に対して特に決定的なものになる。ｔ＞０に対して、電流は微分方程式の系に従う。

ここで、Ｒは下記の抵抗マトリックスである。

微分方程式の系の解は指数関数である。特徴づけとなる時定数τは、マトリックスの大きい方の固有値の逆数である。

一方、マトリックスの小さい方の固有値はゼロである（２つの区間は超伝導的に短絡される）。すなわち、
τ＝０．３５（秒）
１秒後よりも前にバックグラウンド磁場ΔＢｚの約−３０％が磁石構造の中心に達するので、時間ｔ＝０における外乱が充分に抑制されるという大きな利点は殆ど役割をもたない。区間ＳＥ２が抵抗Ｗ_{Ａ１−Ａ３}でブリッジされる場合、この状況が改善する。以下の時定数を得る。

τ＝２３（秒）
バックグラウンド磁場ΔＢｚの変動は磁石構造の中心に非常にゆっくり到着可能であるに過ぎない（図５）。

更なる改善のため、区間ＳＥ２の最後の１０層が１０（ｍΩ）の抵抗Ｗ_{Ａ２−Ａ３}でブリッジされる。磁石コイルを細かく分割することにより、β（ｔ＝０）は０．２％まで減少する。両抵抗による時定数は、τ＝３３（秒）において１０（ｍΩ）である（図６）。

ミリオーム程度の抵抗値をもつ抵抗要素を超伝導電流経路に固定的に接触させることはできない。これは、磁石コイルの充放電中に大きい冷却液損失を生じさせると共に、ブリッジされたコイル区間での電流がバランスした状態は、充電プロセス後又は放電プロセス後に極めてゆっくり達成されるに過ぎないからである。磁場外乱の補償に関して抵抗値が充分に低い要素の利点は、本発明で提供されるような磁石構造の充放電中に要素を接続および接続解除することができる場合にのみ利用可能である。抵抗要素は、より高い抵抗値（約１オーム）をもつ接続可能な保護抵抗としても本発明の方法で提供可能である。

接続可能である抵抗要素を備えた本発明の磁石構造の回路を示す。 固定配線式の保護要素と、接続可能な抵抗要素とを備えた本発明の磁石構造を示す。 動作範囲を備えた超伝導磁石コイルの概略図を示す。 挿入可能である２つの抵抗要素を備えた本発明の磁石構造の回路を示す。 本発明の構造により得ることができるファクタβ（ｔ）を時間の関数として示すグラフ表示（シミュレーション）を示す。 本発明の構造により得ることができると共に図５に比べて更に低減されたファクタβ（ｔ）を時間の関数として示すグラフ表示（シミュレーション）を示す。 磁石コイル装置の冷却室内にプラグ部分として抵抗要素を具備した本発明の磁石構造を示す。

符号の説明

Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５ 接続点
ＡＶ 動作範囲
Ｇ プラグＳＴの対向極
ＨＮ ハーフノッチ
Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４ 接点
ＫＫ 極低温室
Ｍ 磁気コイル装置
Ｐ 超伝導電流経路
Ｐ_{Ａ１−Ａ２}、Ｐ_{Ａ２−Ａ３}、Ｐ_{Ａ３−Ａ４} 区間
Ｒ１、Ｒ２ 保護要素
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ スイッチ
ＳＥ１、ＳＥ２ 磁石コイル装置の区間
ＳＥ２Ｌ１−１４、ＳＥ２Ｌ１５−２４ 区間ＳＥ２のコイル区間
ＳＴ プラグ
Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}、Ｗ_{Ａ１−Ａ３} 抵抗要素

Claims (13)

1. 超伝導磁石コイル装置（Ｍ）と、少なくとも部分的に超伝導性であり前記磁石コイル装置（Ｍ）の少なくとも複数部分を含む電流経路（Ｐ）とを備え、
   前記電流経路は、該電流経路（Ｐ）内に１以上の区間（Ｐ_{Ａ１−Ａ２}、Ｐ_{Ａ２−Ａ３}、Ｐ_{Ａ３−Ａ４}）を規定し、この電流経路上に２つ以上の電気的接続点（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）が配置され、
   前記区間（Ｐ_{Ａ１−Ａ２}、Ｐ_{Ａ２−Ａ３}、Ｐ_{Ａ３−Ａ４}）は、前記電流経路（Ｐ）に含まれる前記磁石コイル装置（Ｍ）の全ての部分を含むものではなく、
   ０オーム以上の抵抗値を有する１以上の抵抗要素（Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}）と、２以上の電気的接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４）とを備え、
   前記電気的接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４）が、前記抵抗要素（Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}）と前記２つ以上の電気的接続点（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）の１つとの間に配され、
   前記磁石コイル装置（Ｍ）の超伝導状態において、１以上の電気的接続点（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）と１以上の抵抗要素（Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}）との間で１以上の電気的接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４）が開閉可能である磁石構造。
2. 動作中、ｚ軸上で約ｚ＝０に配された動作範囲（ＡＶ）内に前記超伝導磁石コイル装置（Ｍ）がｚ軸方向に磁場を発生させ、
   電流１アンペア当たりの前記磁石コイル装置（Ｍ）の各巻線の、動作範囲（ＡＶ）におけるｚ軸方向の磁場のベクトルをｂとし、磁場の変化ΔＢｚにより誘起される前記磁石コイル装置（Ｍ）の各巻線の電流変化のベクトルをΔＩ（ｔ）とし、時間ｔ＝０での前記磁石構造の領域内におけるバックグラウンド磁場のステップ変化のｚ軸に平行な成分をΔＢｚとした場合、時間ｔ＝０で２つ以上の接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４）が閉じたとき、値β（ｔ）＝１＋｛ｂΔＩ（ｔ）／ΔＢｚ｝が、接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４）を閉じた場合に時間ｔ＝０で生じる値βopen（ｔ＝０）よりも量的に小さい値βclosed（ｔ＝０）になるように接続点（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）の２つ以上が電流経路（Ｐ）内に配される請求項１記載の磁石構造。
3. ２つ以上の接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４）が閉じる場合、値βclosed（ｔ）が、全ての時間ｔにおいて、接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４）が開いているときに生じる値βopen（ｔ）以下であるように、前記抵抗要素（Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}）の大きさが決められる請求項２記載の磁石構造。
4. 前記抵抗要素（Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}）が、前記超伝導磁石コイル装置（Ｍ）と共に冷却室（ＫＫ）内に配される請求項１ないし３のいずれかに記載の磁石構造。
5. 固定配線式の１つ以上の保護要素（Ｒ１、Ｒ２）が、前記電流経路（Ｐ）の各部を並列にブリッジしている請求項１ないし４のいずれかに記載の磁石構造。
6. 前記固定配線式の保護要素（Ｒ１、Ｒ２）の１つ以上が、オーム抵抗要素またはダイオードまたは両者の組み合わせを備える請求項５記載の磁石構造。
7. 前記抵抗要素（Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}）が、前記保護要素（Ｒ１、Ｒ２）の抵抗値よりも小さい抵抗値を有する請求項５または６記載の磁石構造。
8. 前記抵抗要素（Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}）がプラグ（ＳＴ）の一部分であり、また、電気的接続点（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）が前記プラグ（ＳＴ）の対向極から延び、前記プラグ（ＳＴ）を前記対向極に挿入して前記接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４）を閉じることにより前記抵抗要素（Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}）を前記電気的接続点（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）に接続することができる請求項１ないし７のいずれかに記載の磁石構造。
9. １つ以上のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）を動作させて前記接点を閉じることにより、抵抗要素（Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}）を前記接続点（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）に接続することができる請求項１ないし７のいずれかに記載の磁石構造。
10. 前記抵抗要素（Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}）の抵抗値が電流の増大につれて増大する請求項１ないし９のいずれかに記載の磁石構造。
11. 前記超伝導磁石コイル装置（Ｍ）がクエンチする場合、前記抵抗要素（Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}）が高抵抗値とくに１０オームを上回る抵抗値をとり、また、前記１以上の固定配線式の保護要素（Ｒ１、Ｒ２）が前記磁石コイル装置（Ｍ）を確実に保護する請求項５ないし１０のいずれかに記載の磁石構造。
12. 前記抵抗要素（Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}）は安全要素であり、この安全要素は、前記抵抗要素が燃えて高抵抗値すなわち１０オームを上回る抵抗値をとる前に磁気電流の最大２０％を担うことができる請求項１ないし１１のいずれかに記載の磁石構造。
13. 前記１以上の電気的接続点（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）と前記１以上の抵抗要素（Ｗ_{Ａ１−Ａ２}、Ｗ_{Ａ２−Ａ３}、Ｗ_{Ａ３−Ａ４}）との間にある前記１以上の電気的接点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４）が前記磁石コイル装置（Ｍ）の動作中は閉じ、前記磁石コイル装置（Ｍ）の充放電中は開く請求項１ないし１２のいずれかに記載の磁石構造。

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