永久電流スイッチ、およびそれを備える伝導冷却型超電導マグネット装置
【課題】冷却能力に限りがある冷凍機を用いた伝導冷却型超電導マグネット装置にも十分適用することができる永久電流スイッチを提供すること。
【解決手段】基板１８ａの上に緩衝層１８ｂ（中間層）を介して平板状に形成されたＹ系超電導体層１８ｃを有するテープ形状のＹ系線材１８と、Ｙ系線材１８に対して当該Ｙ系線材１８の厚み方向に磁場を印加するための相互に対向配置された一対の永久磁石１７と、一対の永久磁石１７による磁場の印加・非印加を切り換える切換手段（１４、１５）と、を備える永久電流スイッチ１３である。また、切換手段（１４、１５）は、Ｙ系線材１８の厚み方向からＹ系線材１８を間に挟む位置に一対の永久磁石１７を移動させる機械的切換手段とされている。
【解決手段】基板１８ａの上に緩衝層１８ｂ（中間層）を介して平板状に形成されたＹ系超電導体層１８ｃを有するテープ形状のＹ系線材１８と、Ｙ系線材１８に対して当該Ｙ系線材１８の厚み方向に磁場を印加するための相互に対向配置された一対の永久磁石１７と、一対の永久磁石１７による磁場の印加・非印加を切り換える切換手段（１４、１５）と、を備える永久電流スイッチ１３である。また、切換手段（１４、１５）は、Ｙ系線材１８の厚み方向からＹ系線材１８を間に挟む位置に一対の永久磁石１７を移動させる機械的切換手段とされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久電流スイッチ、およびそれを備える伝導冷却型超電導マグネット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久電流スイッチは、超電導マグネットを構成する超電導コイルの電気回路に組み込んで永久電流モードを実現させるためのものである。永久電流スイッチとして、例えば特許文献１、２に記載されたものがある。
【０００３】
特許文献１に記載の永久電流スイッチは、超電導コイル、ヒーターを備える永久電流スイッチである。永久電流スイッチを構成する超電導コイルを冷却して超電導状態とすることで、永久電流スイッチは、「ＯＮ」の状態（電気抵抗ゼロで電流が流れる状態）となり、超電導コイルを臨界温度以上の温度までヒーターで加熱して常電導状態とすることで、永久電流スイッチは、「ＯＦＦ」の状態（高抵抗状態）となる。この超電導コイルを構成する超電導線材としてＮｂＴｉなどからなる断面円形の超電導線材が特許文献１に例示されている。
【０００４】
特許文献２に記載の永久電流スイッチも同様に、超電導コイル、ヒーターを備える。また、特許文献２には、この永久電流スイッチを具備してなる超電導マグネット装置も記載されている。この超電導マグネット装置では、超電導マグネットおよび永久電流スイッチを構成する超電導コイルを液体ヘリウムで冷却している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２８７１４２号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１４０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超電導マグネット装置には、特許文献２に記載されているような液体ヘリウム冷却形式の装置以外に、冷凍機で超電導マグネットを冷却する形式の伝導冷却型超電導マグネット装置がある。
【０００７】
この伝導冷却型超電導マグネット装置に、ヒーター（加熱）を必要とする永久電流スイッチを適用するのには問題がある。伝導冷却型超電導マグネット装置において、超電導マグネットを構成する本体コイル（超電導コイル）を冷却している冷凍機の冷却能力は限られている。永久電流スイッチを「ＯＦＦ」状態にしようとして永久電流スイッチを加熱すると、この熱が本体コイルに伝播することで本体コイルの温度上昇を招き、本体コイルがクエンチしてしまう。
【０００８】
また、伝導冷却型超電導マグネット装置を、多くのチャンネルの超電導シムを備えた高均一度伝導冷却型超電導マグネット装置とする場合に、ヒーター（加熱）を必要とする永久電流スイッチを適用するのは問題がより大きい。それぞれのチャンネルに、ヒーターを備える永久電流スイッチを設けることとなり、それぞれのヒーターの加熱量の合計が、冷凍機の冷却能力を上回ってしまうからである。
【０００９】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、冷却能力に限りがある冷凍機を用いた伝導冷却型超電導マグネット装置にも十分適用することができる永久電流スイッチを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、平板状に形成された高温超電導体層を有するテープ形状の高温超電導材と、前記高温超電導材に対して、当該高温超電導材の厚み方向に磁場を印加するための磁場印加手段と、前記磁場印加手段による前記厚み方向への磁場の印加・非印加を切り換える切換手段と、を備えることを特徴とする、永久電流スイッチである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の永久電流スイッチは、冷却能力に限りがある冷凍機を用いた伝導冷却型超電導マグネット装置にも十分適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る伝導冷却型超電導マグネット装置を示す図である。
【図２】図１のＳ部拡大図である。
【図３】図１に示したＹ系超伝導線材の構造を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明では、冷凍機で超電導マグネットを冷却する形式の伝導冷却型超電導マグネット装置に本発明に係る永久電流スイッチを適用した例を示したが、液体ヘリウム冷却形式の超電導マグネット装置にも本発明に係る永久電流スイッチを適用することができる。
【００１４】
（超電導マグネット装置の構成）
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る伝導冷却型超電導マグネット装置１（以下、「超電導マグネット装置１」と呼ぶ）を示す一部断面図であり、図１（ｂ）は、超電導マグネット装置１を構成する超電導コイル２に電流を流すための電気回路図である。図１に示すように、超電導マグネット装置１は、超電導マグネット１９と、超電導マグネット１９を収容する輻射シールド４（冷却容器）と、超電導マグネット１９が収容された輻射シールド４を収容する真空容器５と、真空容器５の上部に取り付けられた冷凍機３と、永久電流モードを実現するための永久電流スイッチ１３とを備えている。
【００１５】
（超電導マグネット）
超電導マグネット１９は、巻枠９と、巻枠９に超電導線材が螺旋状に巻回されてなる超電導コイル２とを有している。巻枠９は非磁性材であるアルミニウム材、ステンレス材などからなる。超電導コイル２を構成する超電導線材は、ニオブ・スズ（Ｎｂ３Ｓｎ）超電導線材、ニオブ・チタン（ＮｂＴｉ）超電導線材などである。
【００１６】
（真空容器）
真空容器５は、その内部を高真空に保持され、超電導マグネット１９や輻射シールド４への熱侵入を抑制する容器である。真空容器５は、その上部を密閉するエンドプレート５ａを有している。真空容器５の材質としては、アルミニウム材、ステンレス材が挙げられる。また、真空容器５の外面は常温（３００Ｋ程度）にさらされる。
【００１７】
真空容器５のエンドプレート５ａには銅材で形成された電極ピン８（電極）が取り付けられている。電極ピン８は、陽極ピンと陰極ピンとからなり、これら電極ピン８には、超電導コイル２を励磁するための励磁電源５０（図１（ｂ）参照）が接続される。
【００１８】
（輻射シールド）
輻射シールド４は、シールド本体４ａと、シールド本体４ａの上部開口に取り付けられたプレート４ｂとを有している。輻射シールド４（プレート４ｂ）の材質としては、アルミニウム材、銅材が挙げられる。
【００１９】
（冷凍機）
冷凍機３は、二段蓄冷式冷凍機（二段式冷凍機）であり、駆動部１２と、駆動部１２の下に配置されたシリンダ１１を有している。シリンダ１１は、上部の第１シリンダ１１ａと、下部の第２シリンダ１１ｂとを有している。第１シリンダ１１ａの下端部には第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）が設けられ、第２シリンダ１１ｂの下端部には第１冷却端部１２ａよりも温度が低くなる第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）が設けられている。第１冷却端部１２ａおよび第２冷却端部１２ｂは、いずれもフランジ状の形態とされている。第１冷却端部１２ａは、輻射シールド４のプレート４ｂに対してボルトなどの固定手段により取り付けられ、第２冷却端部１２ｂは、伝熱部材１６（伝熱プレート）に対してボルトなどの固定手段により取り付けられている。この伝熱部材１６は、超電導マグネット１９の外周において超電導コイル２に対して熱的に接続されている。具体的には、例えば、伝熱部材１６は、超電導マグネット１９の巻枠９に固定されることで、巻枠９を介して超電導コイル２に対して熱的に接続される。駆動部１２にはヘリウムガスが供給され、供給されたヘリウムガスは、第１シリンダ１１ａの下部および第２シリンダ１１ｂの下部に噴出する。冷凍機３は、第１冷却端部１２ａおよび第２冷却端部１２ｂを介して、輻射シールド４および超電導マグネット１９をそれぞれ約４０Ｋおよび約４Ｋに冷却するものである。なお、熱的に接続されるとは、熱は伝導するが電気は絶縁状態（電気は流れない状態）で接続されることをいう。
【００２０】
（電流リード）
電極ピン８と超電導コイル２とは、筒状または平板状の酸化物超電導電流リード７（以下、「酸化物電流リード７」と呼ぶ）を介して導線１０、６で結線されている。導線１０は、電極ピン８と酸化物電流リード７とを接続する高温側の電流リード線であって、例えば、銅線である。導線６は、酸化物電流リード７と超電導コイル２とを接続する低温側の電流リード線であって、通常、超電導コイル２を構成している超電導線の延長である。
【００２１】
酸化物電流リード７は、超電導マグネット１９への熱侵入を抑制しつつ超電導マグネット１９に電流を導入するための電流リード体であって、Ｂｉ系（ビスマス系）、Ｙ系（イットリウム系）といった高温超電導材料（酸化物超電導材料）からなる。酸化物電流リード７は、輻射シールド４の内部であって、冷凍機３の第１冷却端部１２ａと第２冷却端部１２ｂとの間に配置されている。
【００２２】
高温側の電流リード線である導線１０は、プレート４ｂを介して第１冷却端部１２ａに熱的に接続されている。また、低温側の電流リード線である導線６（超電導コイル２を構成している超電導線の延長）は、伝熱部材１６を介して第２冷却端部１２ｂに熱的に接続されている。
【００２３】
（永久電流スイッチ）
図１〜図３に示すように、永久電流スイッチ１３は、テープ形状のＹ系線材１８（Ｙ系超伝導線材）と、Ｙ系線材１８の厚み方向に磁場を印加するための一対の永久磁石１７と、永久磁石１７によるＹ系線材１８の厚み方向への磁場の印加・非印加を切り換えるための切換手段（１４、１５）とを備えている。
【００２４】
[テープ形状の高温超電導材]
Ｙ系線材１８は、テープ形状の高温超電導材の一つである。図３にＹ系線材１８の構造を例示したように、Ｙ系線材１８は、基板１８ａ（金属の平板）の上に、緩衝層１８ｂ（中間層）、Ｙ系超電導体層１８ｃ（高温超電導体層）、安定化層１８ｄがこの順で形成されてなるテープ形状の酸化物系超伝導線材である。Ｙ系超電導体層１８ｃ（高温超電導体層）は、緩衝層１８ｂを介して基板１８ａの上に形成されている。このように、「高温超電導体層が基板の上に形成されている」とは、高温超電導体層が基板の上に直接形成されている態様だけでなく、高温超電導体層が中間層を介して基板の上に形成されている態様をも含む。基板１８ａは、ハステロイ（登録商標）（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ）、Ｎｉ−Ａｌｌｏｙなどからなり、緩衝層１８ｂは、ＹＳＺ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２などからなる。また、Ｙ系超電導体層１８ｃは、ＲｅＢＣＯ、ＹＢＣＯ、ＮｄＢＣＯ、ＳｍＢＣＯなどからなり、安定化層１８ｄは、ＭｇまたはＳｉ添加Ａｇ合金、ＣｕＮｉ合金などからなる。基板１８ａの厚みは２００μｍ以下であり、緩衝層１８ｂ、Ｙ系超電導体層１８ｃ、および安定化層１８ｄの厚みは、それぞれ、３μｍ未満、１〜１０μｍ、および５０〜１００μｍである。Ｙ系線材１８の幅は、１ｍｍ〜１５ｍｍ程度である。このように、Ｙ系超電導体層１８ｃは、平板状（換言すれば膜状）に形成されている。
【００２５】
ここで、緩衝層１８ｂ、Ｙ系超電導体層１８ｃは、いずれも、結晶がｃ軸配向した層である（後述するＢｉ系超電導体層に関しても同様）。線材の長手方向をａ軸方向、線材の幅方向をｂ軸方向とすると、ｃ軸方向は、ａ軸方向およびｂ軸方向に直交する方向である。ｃ軸配向しているとは、それぞれの結晶面に垂直な方向が全て同じ方向（ｃ軸方向）を向いていることをいう。ｃ軸配向の結果、Ｙ系超電導体層１８ｃは、Ｙ系超電導体層１８ｃに対して平行な（ａ、ｂ面内）方向には電気を流しやすいが、垂直な方向（ｃ軸方向）には電気を流し難いという、大きな異方性を有する超電導体層である（後述するＢｉ系超電導体層に関しても同様）。そのため、超電導状態のＹ系超電導体層１８ｃ（Ｙ系線材１８）の厚み方向（ｃ軸方向）に磁場を印加すると、超電導状態が破れて常電導状態となり、その結果、Ｙ系超電導体層１８ｃ（Ｙ系線材１８）は高抵抗化する。一方、Ｙ系超電導体層１８ｃに平行な方向の磁場に対しては、Ｙ系超電導体層１８ｃの超電導状態が保持される。
【００２６】
例えば、幅１ｍｍのＹ系線材１８を４０Ｋの温度に保って、Ｙ系線材１８（Ｙ系超電導体層１８ｃ）の結晶面に垂直に（Ｙ系線材１８の厚み方向に）２Ｔの磁場を印加すると、Ｙ系線材１８は超電導状態を保てずに常電導状態となり高抵抗化する。一方、磁場の方向が、Ｙ系線材１８に平行（Ｙ系線材１８の厚み方向に対して直交する方向）である場合は、Ｙ系線材１８の超電導状態が保持され、少なくとも２００Ａ程度の電流を抵抗ゼロで流すことができる（Ｂｉ系超伝導線材に関しても同様）。
【００２７】
異方性を有するテープ形状のＹ系線材１８の製法を例示しておく。Ｙ系線材１８では基板１８ａの上に緩衝層１８ｂを成膜し、その上にＹ系超電導体層１８ｃを成膜している。緩衝層１８ｂは、基板１８ａ中の成分が超伝導体中に拡散するのを防ぐために使われるものであるが、Ｙ系線材１８ではこの緩衝層１８ｂを配向させることでよりｃ軸配向したＹ系超電導体層１８ｃとするこができる。Ｙ系線材１８の製法（成膜方法）の一つに、ＩＢＡＤ-ＰＬＤ法と呼ばれる製法がある。ＩＢＡＤ-ＰＬＤ法では緩衝層１８ｂの成膜にＩＢＡＤ法を、Ｙ系超電導体層１８ｃの成膜にＰＬＤ法を用いている。
【００２８】
ＩＢＡＤ（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法は、基板１８ａ上に緩衝層１８ｂを成膜する際に、基板１８ａに対して特定の方向よりイオンビームを照射することで、緩衝層１８ｂの結晶を単結晶のように全面にわたってｃ軸配向させる手法である。
【００２９】
ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：レーザー蒸着法）法は、ターゲット（超伝導体の塊）にパルスレーザーを断続的に照射し、その表面を急激に加熱し光化学反応を起こさせることで成分を爆発的に気化させ、飛散した分子をターゲットと対向して配置した基板１８ａの上に堆積させることによって薄膜を得る手法である。
【００３０】
図１、２に示すように、Ｙ系線材１８は輻射シールド４の内部に配置されており、Ｙ系線材１８の長手方向（図３でａ軸方向と示す）の両端には導線２２の一端が接続され、導線２２の他端は導線６に接続されている。これにより、図１（ａ）に示すようにＹ系線材１８は超電導コイル２に並列に接続される。導線２２は、例えば、銅線を並列に添わせたＹ系、Ｂｉ系などの超電導線材であり、Ｙ系、Ｂｉ系などの超電導線材と銅線とから構成される。
【００３１】
Ｙ系線材１８は、高熱伝導電気絶縁シート１９を介して銅板２０の上に固定されている。高熱伝導電気絶縁シート１９としては、窒化アルミニウム製シート、カプトン（登録商標）シートなどが挙げられる。銅板２０は、支持構造材２３にて巻枠９の上端に固定されている。支持構造材２３は、例えば、板材を折り曲げたり、接合したりしたものであり、その材料は、アルミニウム材、ステンレス材などの非磁性材である。また、銅板２０は、銅線２１にて、輻射シールド４のプレート４ｂに接続されている。銅線２１は、冷凍機３の第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）の冷熱を銅板２０に伝えるためのものである。これにより、銅板２０は約４０Ｋの温度となる。
【００３２】
このように、Ｙ系線材１８は、高熱伝導電気絶縁シート１９、銅板２０、銅線２１、およびプレート４ｂを介して、冷凍機３の第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）に熱的に接続されている。なお、Ｙ系線材１８の温度は、３０Ｋ〜６０Ｋ程度に保持されることが好ましい。Ｙ系線材１８の温度が２０Ｋ以下となると、２Ｔ程度の磁場印加では、Ｙ系線材１８は常電導転移しないからである。
【００３３】
なお、平板状（換言すれば膜状）に形成された高温超電導体層を有するテープ形状の高温超電導材（スイッチ用高温超電導材）として、本実施形態では、「線材」を例示しているが、必ずしも「線材」である必要はない。また、平板状に形成された高温超電導体層を有するテープ形状の高温超電導材として、平板状（換言すれば膜状）に形成されたＢｉ系超電導体層を有するテープ形状のＢｉ系線材（Ｂｉ系超伝導線材）を用いるのも好ましい。
【００３４】
異方性を有するテープ形状のＢｉ系線材の製法を例示しておく。ビスマス系複合酸化物粉末を、例えば、ＭｇやＳｉを添加したＡｇ合金（Ｍｇ、Ｓｉ添加Ａｇ合金）パイプに詰め、その後、塑性加工してテープ形状とし、これを焼結してＢｉ系線材を得る。焼結プロセスにおいて、Ｂｉ系超電導体層は、テープ面に平行に平板状の結晶が成長する。すなわちテープ面に垂直な方向にｃ軸が向いた“ｃ軸配向”した線材が得られる。
【００３５】
なお、スイッチ用高温超電導材としてテープ形状のＢｉ系線材を使用する場合には、Ｂｉ系超電導体層を包み込む（被覆する）形で用いる金属として、上記したＭｇ添加Ａｇ合金またはＳｉ添加Ａｇ合金を用いることが好ましい。前述したＹ系の場合と対比すると、Ｂｉ系線材における被覆金属は、Ｙ系における“基板、緩衝層、安定化層”の３層分の役割を兼ね備えたものである。また、Ｂｉ系超電導体層を包み込む形で用いる金属として純Ａｇが用いられている線材の場合には、純Ａｇ被覆を除去した線材を用いることが好ましい。純Ａｇ被覆Ｂｉ系線材を、過酸化水素水とアンモニア水の混合液に数分浸漬すると、Ｂｉ系超伝導体層の特性を損なうことなく、純Ａｇ被覆だけを除去することができる。
【００３６】
Ｂｉ系超電導体層を包み込む形で用いる金属（被覆金属）としてＭｇやＳｉ添加Ａｇ合金を用いたり、純Ａｇ被覆の場合にはその純Ａｇ被覆を除去することで、Ｂｉ系超電導体層が常電導化したときに当該Ｂｉ系超電導体層を包み込む金属層の方を低抵抗で電流がバイパスしてしまうことを防止することができる。その結果、Ｂｉ系線材を確実に高抵抗（永久電流スイッチ：「ＯＦＦ」の状態）に切り換えることができる。
【００３７】
また、Ｙ系線材１８として、それ自体が電気絶縁被覆されていないものを例示しているが、ポリイミド、ポリエステルなどの電気絶縁用テープで全体が覆われた線材であってもよい。さらには、安定化層が線材の両側に存在する場合や、線材全体を取り囲む場合もある。電気絶縁用テープなどで全体（周囲）が覆われた高温超電導線材を用いる場合は、高熱伝導電気絶縁シート１９を省略してもよい。
【００３８】
[磁場印加手段]
一対の永久磁石１７は、相互に対向配置された一対の永久磁石であって、Ｙ系線材１８に対して、その厚み方向に磁場を印加するための磁場印加手段である。一対の永久磁石１７は、後述する切換手段（１４、１５）のうちの第２駆動手段１５に固定されている。第２駆動手段１５を構成するプレート１５ｃの上面に一方の永久磁石１７ａが固定され、第２駆動手段１５を構成するプレート１５ｄの下面に他方の永久磁石１７ｂが固定されている。永久磁石１７ａの下面側は例えばＮ極とされ、永久磁石１７ｂの上面側は例えばＳ極とされる。なお、Ｎ極とＳ極とが対向していればよく、すなわち、永久磁石１７ａの下面側がＳ極とされ、永久磁石１７ｂの上面側がＮ極とされていてもよい。一対の永久磁石１７は、切換手段（１４、１５）によってテープ形状のＹ系線材１８をその上下から挟む位置に移動させられることで、Ｙ系線材１８に対してその厚み方向に磁場を印加する。一対の永久磁石１７は輻射シールド４の内部に配置されている。なお、永久磁石１７として例えばＮｄ系の永久磁石を用いることができ、このＮｄ系の永久磁石によれば、温度にもよるが、０．７Ｔ以上程度の磁場の印加が可能である。
【００３９】
[切換手段]
切換手段（１４、１５）は、永久磁石１７を水平方向に回転移動させるための第１駆動手段１４および第２駆動手段１５を具備してなる機械的切換手段である。切換手段（１４、１５）は非磁性材であるアルミニウム材、ステンレス材などからなる。
【００４０】
第１駆動手段１４は、棒状部材１４ａと棒状部材１４ａの下部に固定された歯車１４ｂとを有する。棒状部材１４ａは、その軸方向と鉛直方向とが一致するように、真空容器５のエンドプレート５ａに、回転可能に取り付けられている。棒状部材１４ａの上端部は、外部に突出し、大気（外気）にさらされる。
【００４１】
第２駆動手段１５は、棒状部材１５ａと棒状部材１５ａの上部に固定された歯車１５ｂとを有する。棒状部材１５ａは、その軸方向と鉛直方向とが一致するようにかつ歯車１５ｂと歯車１４ｂとが噛み合うように、輻射シールド４のシールド本体４ａを構成する上部プレートに、回転可能に取り付けられている。棒状部材１５ａの下部には、棒状部材１５ａから延在するように棒状部材１５ａに対して垂直にプレート１５ｃ・１５ｄが固定されている。プレート１５ｃとプレート１５ｄとは、Ｙ系線材１８、高熱伝導電気絶縁シート１９、銅板２０、および支持構造材２３を、隙間をあけて挟めるように所定の間隔をあけて配置されている。
【００４２】
第１駆動手段１４を手動または自動でその軸まわりに回転させることで、歯車１４ｂに噛み合う第２駆動手段１５もその軸まわりに回転する。これにより、一対の永久磁石１７は、棒状部材１５ａを中心にして水平方向に回転移動する。
【００４３】
なお、本実施形態では、一対の永久磁石１７を棒状部材１５ａを中心にして水平方向に回転移動させる機械的切換手段を示したが、回転移動させる向きは水平方向以外の方向、例えば、鉛直方向であってもよい。また、回転移動ではなく、平行移動であってもよい。さらには、Ｙ系線材１８まわりに一対の永久磁石１７を回転させて、Ｙ系線材１８の厚み方向に磁場を印加したりＹ系線材１８に対して平行に磁場を印加したりして、Ｙ系線材１８の超電導状態と常電導状態とを切り換えるように構成された機械的切換手段であってもよい。さらには、一対の永久磁石１７を移動させるのではなく、Ｙ系線材１８を移動させる機械的切換手段であってもよい。すなわち、Ｙ系線材１８の厚み方向から一対の永久磁石１７でＹ系線材１８を間に挟む位置に一対の永久磁石１７を移動させる、およびＹ系線材１８の厚み方向から一対の永久磁石１７でＹ系線材１８を間に挟む位置にＹ系線材１８を移動させる、のうちの少なくともいずれかの機能を有する機械的切換手段であればよい。
【００４４】
さらには、本実施形態では、機械的な切換手段（１４、１５）を用いているが、電気的な切換手段を用いてもよい。この場合、磁場印加手段として例えば電磁石を用い、切換手段は、例えば、電磁石の励磁を制御する制御回路となる。制御回路により、電磁石を励磁することで、Ｙ系線材１８の厚み方向に磁場を印加し、電磁石の励磁を停止することで、磁場を非印加とする。
【００４５】
<マグネット励磁>
超電導コイル２を励磁するとき、冷凍機３を動作させて超電導コイル２を冷却し超電導状態とし、励磁電源５０を電極ピン８に接続して励磁電源５０から超電導コイル２へ電流を導入する。このとき、一対の永久磁石１７は、テープ形状のＹ系線材１８をその上下から（その厚み方向から）挟む位置（図１（ａ））にされている。これにより、Ｙ系線材１８の厚み方向（Ｙ系超電導体層１８ｃに対して垂直な方向）に永久磁石１７から磁場が印加されている状態となっているので、Ｙ系線材１８は常電導状態、すなわち高抵抗状態となっており、励磁電源５０からの電流は、Ｙ系線材１８（永久電流スイッチ１３）に流れず、超電導コイル２へ流れる（永久電流スイッチ：「ＯＦＦ」の状態）。なお、Ｙ系線材１８は冷凍機３により冷却されている。
【００４６】
<永久電流モード>
超電導コイル２の励磁が完了すると、第１駆動手段１４を手動または自動でその軸まわりに回転させることで、対向配置された一対の永久磁石１７を、例えば９０度、水平方向に回転移動させてＹ系線材１８から遠ざける。これにより、Ｙ系線材１８は超電導状態（電気抵抗ゼロで電流が流れる状態）となり（永久電流スイッチ：「ＯＮ」の状態）、Ｙ系線材１８と超電導コイル２とで閉回路が形成され、この状態で励磁電源５０からの供給電流を徐々に下げていくと、閉回路には一定電流が流れ続け永久電流モードとなる。供給電流をゼロにした後、励磁電源５０と電極ピン８との接続は解除される（励磁電源５０は外される）。
【００４７】
<マグネット停止>
永久電流スイッチをＯＮにしたまま、永久電流が流れている状態で励磁電源５０を接続し、閉回路に流れている電流値に等しくなるまで励磁電源５０からの供給電流を増やしていく。等しくなった段階で、第１駆動手段１４を手動または自動でその軸まわりに回転させて、一対の永久磁石１７を、Ｙ系線材１８をその上下から挟む位置（図１（ａ））に回転移動させる。これにより、Ｙ系線材１８の厚み方向に磁場が印加され、Ｙ系線材１８の超電導状態が破れて常電導状態（高抵抗状態）となり、永久電流スイッチはＯＦＦとなる。次に励磁電源５０からの通電電流を徐々に下げていく。ゼロアンペアまで下げることでマグネットの発生磁場をゼロにできる。なお、永久電流運転状態のマグネットの磁場を緊急に消失させたいときは、第１駆動手段１４を手動または自動でその軸まわりに回転させて、一対の永久磁石１７を、Ｙ系線材１８をその上下から挟む位置（図１（ａ））に回転移動させ永久電流スイッチをＯＦＦとしてもよい。超電導コイル２を流れる電流がＹ系線材１８で減衰して電流はゼロとなる。
【００４８】
（作用・効果）
前記したように、平板状に形成された高温超電導体層を有するテープ形状の高温超電導材は、大きな異方性を有する。本発明では、この大きな異方性に着目し、高温超電導材の厚み方向への磁場の印加・非印加を切り換えることで、超電導状態（永久電流スイッチ）の「ＯＮ」、「ＯＦＦ」を行っている。この構成によると、ヒーター（加熱）を用いずとも確実に永久電流スイッチを「ＯＮ」、「ＯＦＦ」することができ、かつヒーター（加熱）を用いないので、超電導コイル２への熱侵入はほとんどない。超電導コイル２への熱侵入がほとんどないので、装置（冷凍機）の冷却能力を低く抑えることができる。すなわち、本発明に係る永久電流スイッチは、冷却能力に限りがある冷凍機を用いた伝導冷却型超電導マグネット装置にも十分適用することができ、本体コイル（超電導コイル２）をクエンチさせることなく安定動作させることができる。
【００４９】
本実施形態では、磁場印加手段として相互に対向配置された一対の永久磁石１７を用い、切換手段として、Ｙ系線材１８の厚み方向から当該Ｙ系線材１８を間に挟む位置に一対の永久磁石１７を移動させる機械的切換手段（１４、１５）を用いている。一方で、前記したように、磁場印加手段として例えば電磁石を用い、切換手段としてその制御回路（電気的切換手段）を用いてもよい。本実施形態のように、一対の永久磁石および上記したような機械的切換手段を用いることで、電磁石および制御回路（電気的切換手段）を用いる場合に比して、超電導コイル２への熱侵入をより抑制することができる。機械的に印加磁場の方向を切り換える場合に発熱は伴わないが、電気的切換手段を必要とする電磁石は、励磁により発熱するからである。
【００５０】
また、巻枠９の上端面から支持をとって、輻射シールド４のシールド本体４ａを構成する上部プレートと巻枠９との間に、永久電流スイッチ１３の主要部（Ｙ系線材１８（高温超電導材）および一対の永久磁石１７（磁場印加手段））を配置し、真空容器５のエンドプレート５ａから第１駆動手段１４の一部を突出させる構造とすることで、切換手段の操作性に優れるとともに輻射シールド４内のスペースを有効に活用できる。また、装置の径方向寸法を増大させずに済む。
【００５１】
また、平板状に形成する高温超電導体層をＹ系超伝導体層とすることで、磁場の印加有無によって、ゼロ抵抗と高抵抗状態との切り換えを確実に行い得る。Ｙ系超伝導体は、その臨界温度が約９０Ｋであり、かつ異方性が高い。４０Ｋ程度の温度の場所に配置すると、膜の厚み方向に２Ｔ程度の磁場を印加することで常電導化し、且つ高抵抗状態になる。磁場の印加有無によって、ゼロ抵抗と高抵抗の切り換えができる。Ｂｉ系超伝導体層の場合もＹ系の場合と同様である。Ｂｉ系超伝導体は臨界温度約１１０Ｋであるが、異方性が大きく、４０Ｋ程度の場所に配置すると、配向した超伝導体の結晶面に垂直な方向に２Ｔ程度の磁場を印加することで常電導状態にすることができる。なお、被覆金属材料をＭｇ添加Ａｇ合金またはＳｉ添加Ａｇ合金とするか、被覆金属材料を化学処理して剥離しておくことで常電導化したときの抵抗値を高くできる。すなわち、磁場印加によってゼロ抵抗と高抵抗の切換をより確実に行い得る。
【００５２】
また、永久電流スイッチ１３を構成するＹ系線材１８および永久磁石１７（磁場印加手段）が輻射シールド４の内部に配置されていることで、Ｙ系線材１８の冷却効率が高い。すなわち、装置（冷凍機）の冷却能力を低く抑えることができる。
【００５３】
さらには、前記したように、Ｙ系線材１８は、高熱伝導電気絶縁シート１９、銅板２０、銅線２１、およびプレート４ｂを介して、冷凍機３の第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）に熱的に接続されている。本実施形態では、このようにしてＹ系線材１８の冷却効率がより高められており、装置（冷凍機）の冷却能力をより低く抑えることができている。
【００５４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。
【符号の説明】
【００５５】
１：伝導冷却型超電導マグネット装置
２：超電導コイル
３：冷凍機（二段式冷凍機）
４：輻射シールド（冷却容器）
５：真空容器
１３：永久電流スイッチ
１４：第１駆動手段（切換手段）
１５：第２駆動手段（切換手段）
１７：永久磁石（磁場印加手段）
１８：Ｙ系線材（テープ形状の高温超電導材）
１８ａ：基板
１８ｃ：Ｙ系超電導体層（高温超電導体層）
１９：超電導マグネット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久電流スイッチ、およびそれを備える伝導冷却型超電導マグネット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久電流スイッチは、超電導マグネットを構成する超電導コイルの電気回路に組み込んで永久電流モードを実現させるためのものである。永久電流スイッチとして、例えば特許文献１、２に記載されたものがある。
【０００３】
特許文献１に記載の永久電流スイッチは、超電導コイル、ヒーターを備える永久電流スイッチである。永久電流スイッチを構成する超電導コイルを冷却して超電導状態とすることで、永久電流スイッチは、「ＯＮ」の状態（電気抵抗ゼロで電流が流れる状態）となり、超電導コイルを臨界温度以上の温度までヒーターで加熱して常電導状態とすることで、永久電流スイッチは、「ＯＦＦ」の状態（高抵抗状態）となる。この超電導コイルを構成する超電導線材としてＮｂＴｉなどからなる断面円形の超電導線材が特許文献１に例示されている。
【０００４】
特許文献２に記載の永久電流スイッチも同様に、超電導コイル、ヒーターを備える。また、特許文献２には、この永久電流スイッチを具備してなる超電導マグネット装置も記載されている。この超電導マグネット装置では、超電導マグネットおよび永久電流スイッチを構成する超電導コイルを液体ヘリウムで冷却している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２８７１４２号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１４０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超電導マグネット装置には、特許文献２に記載されているような液体ヘリウム冷却形式の装置以外に、冷凍機で超電導マグネットを冷却する形式の伝導冷却型超電導マグネット装置がある。
【０００７】
この伝導冷却型超電導マグネット装置に、ヒーター（加熱）を必要とする永久電流スイッチを適用するのには問題がある。伝導冷却型超電導マグネット装置において、超電導マグネットを構成する本体コイル（超電導コイル）を冷却している冷凍機の冷却能力は限られている。永久電流スイッチを「ＯＦＦ」状態にしようとして永久電流スイッチを加熱すると、この熱が本体コイルに伝播することで本体コイルの温度上昇を招き、本体コイルがクエンチしてしまう。
【０００８】
また、伝導冷却型超電導マグネット装置を、多くのチャンネルの超電導シムを備えた高均一度伝導冷却型超電導マグネット装置とする場合に、ヒーター（加熱）を必要とする永久電流スイッチを適用するのは問題がより大きい。それぞれのチャンネルに、ヒーターを備える永久電流スイッチを設けることとなり、それぞれのヒーターの加熱量の合計が、冷凍機の冷却能力を上回ってしまうからである。
【０００９】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、冷却能力に限りがある冷凍機を用いた伝導冷却型超電導マグネット装置にも十分適用することができる永久電流スイッチを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、平板状に形成された高温超電導体層を有するテープ形状の高温超電導材と、前記高温超電導材に対して、当該高温超電導材の厚み方向に磁場を印加するための磁場印加手段と、前記磁場印加手段による前記厚み方向への磁場の印加・非印加を切り換える切換手段と、を備えることを特徴とする、永久電流スイッチである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の永久電流スイッチは、冷却能力に限りがある冷凍機を用いた伝導冷却型超電導マグネット装置にも十分適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る伝導冷却型超電導マグネット装置を示す図である。
【図２】図１のＳ部拡大図である。
【図３】図１に示したＹ系超伝導線材の構造を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明では、冷凍機で超電導マグネットを冷却する形式の伝導冷却型超電導マグネット装置に本発明に係る永久電流スイッチを適用した例を示したが、液体ヘリウム冷却形式の超電導マグネット装置にも本発明に係る永久電流スイッチを適用することができる。
【００１４】
（超電導マグネット装置の構成）
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る伝導冷却型超電導マグネット装置１（以下、「超電導マグネット装置１」と呼ぶ）を示す一部断面図であり、図１（ｂ）は、超電導マグネット装置１を構成する超電導コイル２に電流を流すための電気回路図である。図１に示すように、超電導マグネット装置１は、超電導マグネット１９と、超電導マグネット１９を収容する輻射シールド４（冷却容器）と、超電導マグネット１９が収容された輻射シールド４を収容する真空容器５と、真空容器５の上部に取り付けられた冷凍機３と、永久電流モードを実現するための永久電流スイッチ１３とを備えている。
【００１５】
（超電導マグネット）
超電導マグネット１９は、巻枠９と、巻枠９に超電導線材が螺旋状に巻回されてなる超電導コイル２とを有している。巻枠９は非磁性材であるアルミニウム材、ステンレス材などからなる。超電導コイル２を構成する超電導線材は、ニオブ・スズ（Ｎｂ３Ｓｎ）超電導線材、ニオブ・チタン（ＮｂＴｉ）超電導線材などである。
【００１６】
（真空容器）
真空容器５は、その内部を高真空に保持され、超電導マグネット１９や輻射シールド４への熱侵入を抑制する容器である。真空容器５は、その上部を密閉するエンドプレート５ａを有している。真空容器５の材質としては、アルミニウム材、ステンレス材が挙げられる。また、真空容器５の外面は常温（３００Ｋ程度）にさらされる。
【００１７】
真空容器５のエンドプレート５ａには銅材で形成された電極ピン８（電極）が取り付けられている。電極ピン８は、陽極ピンと陰極ピンとからなり、これら電極ピン８には、超電導コイル２を励磁するための励磁電源５０（図１（ｂ）参照）が接続される。
【００１８】
（輻射シールド）
輻射シールド４は、シールド本体４ａと、シールド本体４ａの上部開口に取り付けられたプレート４ｂとを有している。輻射シールド４（プレート４ｂ）の材質としては、アルミニウム材、銅材が挙げられる。
【００１９】
（冷凍機）
冷凍機３は、二段蓄冷式冷凍機（二段式冷凍機）であり、駆動部１２と、駆動部１２の下に配置されたシリンダ１１を有している。シリンダ１１は、上部の第１シリンダ１１ａと、下部の第２シリンダ１１ｂとを有している。第１シリンダ１１ａの下端部には第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）が設けられ、第２シリンダ１１ｂの下端部には第１冷却端部１２ａよりも温度が低くなる第２冷却端部１２ｂ（第２冷却ステージ）が設けられている。第１冷却端部１２ａおよび第２冷却端部１２ｂは、いずれもフランジ状の形態とされている。第１冷却端部１２ａは、輻射シールド４のプレート４ｂに対してボルトなどの固定手段により取り付けられ、第２冷却端部１２ｂは、伝熱部材１６（伝熱プレート）に対してボルトなどの固定手段により取り付けられている。この伝熱部材１６は、超電導マグネット１９の外周において超電導コイル２に対して熱的に接続されている。具体的には、例えば、伝熱部材１６は、超電導マグネット１９の巻枠９に固定されることで、巻枠９を介して超電導コイル２に対して熱的に接続される。駆動部１２にはヘリウムガスが供給され、供給されたヘリウムガスは、第１シリンダ１１ａの下部および第２シリンダ１１ｂの下部に噴出する。冷凍機３は、第１冷却端部１２ａおよび第２冷却端部１２ｂを介して、輻射シールド４および超電導マグネット１９をそれぞれ約４０Ｋおよび約４Ｋに冷却するものである。なお、熱的に接続されるとは、熱は伝導するが電気は絶縁状態（電気は流れない状態）で接続されることをいう。
【００２０】
（電流リード）
電極ピン８と超電導コイル２とは、筒状または平板状の酸化物超電導電流リード７（以下、「酸化物電流リード７」と呼ぶ）を介して導線１０、６で結線されている。導線１０は、電極ピン８と酸化物電流リード７とを接続する高温側の電流リード線であって、例えば、銅線である。導線６は、酸化物電流リード７と超電導コイル２とを接続する低温側の電流リード線であって、通常、超電導コイル２を構成している超電導線の延長である。
【００２１】
酸化物電流リード７は、超電導マグネット１９への熱侵入を抑制しつつ超電導マグネット１９に電流を導入するための電流リード体であって、Ｂｉ系（ビスマス系）、Ｙ系（イットリウム系）といった高温超電導材料（酸化物超電導材料）からなる。酸化物電流リード７は、輻射シールド４の内部であって、冷凍機３の第１冷却端部１２ａと第２冷却端部１２ｂとの間に配置されている。
【００２２】
高温側の電流リード線である導線１０は、プレート４ｂを介して第１冷却端部１２ａに熱的に接続されている。また、低温側の電流リード線である導線６（超電導コイル２を構成している超電導線の延長）は、伝熱部材１６を介して第２冷却端部１２ｂに熱的に接続されている。
【００２３】
（永久電流スイッチ）
図１〜図３に示すように、永久電流スイッチ１３は、テープ形状のＹ系線材１８（Ｙ系超伝導線材）と、Ｙ系線材１８の厚み方向に磁場を印加するための一対の永久磁石１７と、永久磁石１７によるＹ系線材１８の厚み方向への磁場の印加・非印加を切り換えるための切換手段（１４、１５）とを備えている。
【００２４】
[テープ形状の高温超電導材]
Ｙ系線材１８は、テープ形状の高温超電導材の一つである。図３にＹ系線材１８の構造を例示したように、Ｙ系線材１８は、基板１８ａ（金属の平板）の上に、緩衝層１８ｂ（中間層）、Ｙ系超電導体層１８ｃ（高温超電導体層）、安定化層１８ｄがこの順で形成されてなるテープ形状の酸化物系超伝導線材である。Ｙ系超電導体層１８ｃ（高温超電導体層）は、緩衝層１８ｂを介して基板１８ａの上に形成されている。このように、「高温超電導体層が基板の上に形成されている」とは、高温超電導体層が基板の上に直接形成されている態様だけでなく、高温超電導体層が中間層を介して基板の上に形成されている態様をも含む。基板１８ａは、ハステロイ（登録商標）（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ）、Ｎｉ−Ａｌｌｏｙなどからなり、緩衝層１８ｂは、ＹＳＺ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２などからなる。また、Ｙ系超電導体層１８ｃは、ＲｅＢＣＯ、ＹＢＣＯ、ＮｄＢＣＯ、ＳｍＢＣＯなどからなり、安定化層１８ｄは、ＭｇまたはＳｉ添加Ａｇ合金、ＣｕＮｉ合金などからなる。基板１８ａの厚みは２００μｍ以下であり、緩衝層１８ｂ、Ｙ系超電導体層１８ｃ、および安定化層１８ｄの厚みは、それぞれ、３μｍ未満、１〜１０μｍ、および５０〜１００μｍである。Ｙ系線材１８の幅は、１ｍｍ〜１５ｍｍ程度である。このように、Ｙ系超電導体層１８ｃは、平板状（換言すれば膜状）に形成されている。
【００２５】
ここで、緩衝層１８ｂ、Ｙ系超電導体層１８ｃは、いずれも、結晶がｃ軸配向した層である（後述するＢｉ系超電導体層に関しても同様）。線材の長手方向をａ軸方向、線材の幅方向をｂ軸方向とすると、ｃ軸方向は、ａ軸方向およびｂ軸方向に直交する方向である。ｃ軸配向しているとは、それぞれの結晶面に垂直な方向が全て同じ方向（ｃ軸方向）を向いていることをいう。ｃ軸配向の結果、Ｙ系超電導体層１８ｃは、Ｙ系超電導体層１８ｃに対して平行な（ａ、ｂ面内）方向には電気を流しやすいが、垂直な方向（ｃ軸方向）には電気を流し難いという、大きな異方性を有する超電導体層である（後述するＢｉ系超電導体層に関しても同様）。そのため、超電導状態のＹ系超電導体層１８ｃ（Ｙ系線材１８）の厚み方向（ｃ軸方向）に磁場を印加すると、超電導状態が破れて常電導状態となり、その結果、Ｙ系超電導体層１８ｃ（Ｙ系線材１８）は高抵抗化する。一方、Ｙ系超電導体層１８ｃに平行な方向の磁場に対しては、Ｙ系超電導体層１８ｃの超電導状態が保持される。
【００２６】
例えば、幅１ｍｍのＹ系線材１８を４０Ｋの温度に保って、Ｙ系線材１８（Ｙ系超電導体層１８ｃ）の結晶面に垂直に（Ｙ系線材１８の厚み方向に）２Ｔの磁場を印加すると、Ｙ系線材１８は超電導状態を保てずに常電導状態となり高抵抗化する。一方、磁場の方向が、Ｙ系線材１８に平行（Ｙ系線材１８の厚み方向に対して直交する方向）である場合は、Ｙ系線材１８の超電導状態が保持され、少なくとも２００Ａ程度の電流を抵抗ゼロで流すことができる（Ｂｉ系超伝導線材に関しても同様）。
【００２７】
異方性を有するテープ形状のＹ系線材１８の製法を例示しておく。Ｙ系線材１８では基板１８ａの上に緩衝層１８ｂを成膜し、その上にＹ系超電導体層１８ｃを成膜している。緩衝層１８ｂは、基板１８ａ中の成分が超伝導体中に拡散するのを防ぐために使われるものであるが、Ｙ系線材１８ではこの緩衝層１８ｂを配向させることでよりｃ軸配向したＹ系超電導体層１８ｃとするこができる。Ｙ系線材１８の製法（成膜方法）の一つに、ＩＢＡＤ-ＰＬＤ法と呼ばれる製法がある。ＩＢＡＤ-ＰＬＤ法では緩衝層１８ｂの成膜にＩＢＡＤ法を、Ｙ系超電導体層１８ｃの成膜にＰＬＤ法を用いている。
【００２８】
ＩＢＡＤ（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法は、基板１８ａ上に緩衝層１８ｂを成膜する際に、基板１８ａに対して特定の方向よりイオンビームを照射することで、緩衝層１８ｂの結晶を単結晶のように全面にわたってｃ軸配向させる手法である。
【００２９】
ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：レーザー蒸着法）法は、ターゲット（超伝導体の塊）にパルスレーザーを断続的に照射し、その表面を急激に加熱し光化学反応を起こさせることで成分を爆発的に気化させ、飛散した分子をターゲットと対向して配置した基板１８ａの上に堆積させることによって薄膜を得る手法である。
【００３０】
図１、２に示すように、Ｙ系線材１８は輻射シールド４の内部に配置されており、Ｙ系線材１８の長手方向（図３でａ軸方向と示す）の両端には導線２２の一端が接続され、導線２２の他端は導線６に接続されている。これにより、図１（ａ）に示すようにＹ系線材１８は超電導コイル２に並列に接続される。導線２２は、例えば、銅線を並列に添わせたＹ系、Ｂｉ系などの超電導線材であり、Ｙ系、Ｂｉ系などの超電導線材と銅線とから構成される。
【００３１】
Ｙ系線材１８は、高熱伝導電気絶縁シート１９を介して銅板２０の上に固定されている。高熱伝導電気絶縁シート１９としては、窒化アルミニウム製シート、カプトン（登録商標）シートなどが挙げられる。銅板２０は、支持構造材２３にて巻枠９の上端に固定されている。支持構造材２３は、例えば、板材を折り曲げたり、接合したりしたものであり、その材料は、アルミニウム材、ステンレス材などの非磁性材である。また、銅板２０は、銅線２１にて、輻射シールド４のプレート４ｂに接続されている。銅線２１は、冷凍機３の第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）の冷熱を銅板２０に伝えるためのものである。これにより、銅板２０は約４０Ｋの温度となる。
【００３２】
このように、Ｙ系線材１８は、高熱伝導電気絶縁シート１９、銅板２０、銅線２１、およびプレート４ｂを介して、冷凍機３の第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）に熱的に接続されている。なお、Ｙ系線材１８の温度は、３０Ｋ〜６０Ｋ程度に保持されることが好ましい。Ｙ系線材１８の温度が２０Ｋ以下となると、２Ｔ程度の磁場印加では、Ｙ系線材１８は常電導転移しないからである。
【００３３】
なお、平板状（換言すれば膜状）に形成された高温超電導体層を有するテープ形状の高温超電導材（スイッチ用高温超電導材）として、本実施形態では、「線材」を例示しているが、必ずしも「線材」である必要はない。また、平板状に形成された高温超電導体層を有するテープ形状の高温超電導材として、平板状（換言すれば膜状）に形成されたＢｉ系超電導体層を有するテープ形状のＢｉ系線材（Ｂｉ系超伝導線材）を用いるのも好ましい。
【００３４】
異方性を有するテープ形状のＢｉ系線材の製法を例示しておく。ビスマス系複合酸化物粉末を、例えば、ＭｇやＳｉを添加したＡｇ合金（Ｍｇ、Ｓｉ添加Ａｇ合金）パイプに詰め、その後、塑性加工してテープ形状とし、これを焼結してＢｉ系線材を得る。焼結プロセスにおいて、Ｂｉ系超電導体層は、テープ面に平行に平板状の結晶が成長する。すなわちテープ面に垂直な方向にｃ軸が向いた“ｃ軸配向”した線材が得られる。
【００３５】
なお、スイッチ用高温超電導材としてテープ形状のＢｉ系線材を使用する場合には、Ｂｉ系超電導体層を包み込む（被覆する）形で用いる金属として、上記したＭｇ添加Ａｇ合金またはＳｉ添加Ａｇ合金を用いることが好ましい。前述したＹ系の場合と対比すると、Ｂｉ系線材における被覆金属は、Ｙ系における“基板、緩衝層、安定化層”の３層分の役割を兼ね備えたものである。また、Ｂｉ系超電導体層を包み込む形で用いる金属として純Ａｇが用いられている線材の場合には、純Ａｇ被覆を除去した線材を用いることが好ましい。純Ａｇ被覆Ｂｉ系線材を、過酸化水素水とアンモニア水の混合液に数分浸漬すると、Ｂｉ系超伝導体層の特性を損なうことなく、純Ａｇ被覆だけを除去することができる。
【００３６】
Ｂｉ系超電導体層を包み込む形で用いる金属（被覆金属）としてＭｇやＳｉ添加Ａｇ合金を用いたり、純Ａｇ被覆の場合にはその純Ａｇ被覆を除去することで、Ｂｉ系超電導体層が常電導化したときに当該Ｂｉ系超電導体層を包み込む金属層の方を低抵抗で電流がバイパスしてしまうことを防止することができる。その結果、Ｂｉ系線材を確実に高抵抗（永久電流スイッチ：「ＯＦＦ」の状態）に切り換えることができる。
【００３７】
また、Ｙ系線材１８として、それ自体が電気絶縁被覆されていないものを例示しているが、ポリイミド、ポリエステルなどの電気絶縁用テープで全体が覆われた線材であってもよい。さらには、安定化層が線材の両側に存在する場合や、線材全体を取り囲む場合もある。電気絶縁用テープなどで全体（周囲）が覆われた高温超電導線材を用いる場合は、高熱伝導電気絶縁シート１９を省略してもよい。
【００３８】
[磁場印加手段]
一対の永久磁石１７は、相互に対向配置された一対の永久磁石であって、Ｙ系線材１８に対して、その厚み方向に磁場を印加するための磁場印加手段である。一対の永久磁石１７は、後述する切換手段（１４、１５）のうちの第２駆動手段１５に固定されている。第２駆動手段１５を構成するプレート１５ｃの上面に一方の永久磁石１７ａが固定され、第２駆動手段１５を構成するプレート１５ｄの下面に他方の永久磁石１７ｂが固定されている。永久磁石１７ａの下面側は例えばＮ極とされ、永久磁石１７ｂの上面側は例えばＳ極とされる。なお、Ｎ極とＳ極とが対向していればよく、すなわち、永久磁石１７ａの下面側がＳ極とされ、永久磁石１７ｂの上面側がＮ極とされていてもよい。一対の永久磁石１７は、切換手段（１４、１５）によってテープ形状のＹ系線材１８をその上下から挟む位置に移動させられることで、Ｙ系線材１８に対してその厚み方向に磁場を印加する。一対の永久磁石１７は輻射シールド４の内部に配置されている。なお、永久磁石１７として例えばＮｄ系の永久磁石を用いることができ、このＮｄ系の永久磁石によれば、温度にもよるが、０．７Ｔ以上程度の磁場の印加が可能である。
【００３９】
[切換手段]
切換手段（１４、１５）は、永久磁石１７を水平方向に回転移動させるための第１駆動手段１４および第２駆動手段１５を具備してなる機械的切換手段である。切換手段（１４、１５）は非磁性材であるアルミニウム材、ステンレス材などからなる。
【００４０】
第１駆動手段１４は、棒状部材１４ａと棒状部材１４ａの下部に固定された歯車１４ｂとを有する。棒状部材１４ａは、その軸方向と鉛直方向とが一致するように、真空容器５のエンドプレート５ａに、回転可能に取り付けられている。棒状部材１４ａの上端部は、外部に突出し、大気（外気）にさらされる。
【００４１】
第２駆動手段１５は、棒状部材１５ａと棒状部材１５ａの上部に固定された歯車１５ｂとを有する。棒状部材１５ａは、その軸方向と鉛直方向とが一致するようにかつ歯車１５ｂと歯車１４ｂとが噛み合うように、輻射シールド４のシールド本体４ａを構成する上部プレートに、回転可能に取り付けられている。棒状部材１５ａの下部には、棒状部材１５ａから延在するように棒状部材１５ａに対して垂直にプレート１５ｃ・１５ｄが固定されている。プレート１５ｃとプレート１５ｄとは、Ｙ系線材１８、高熱伝導電気絶縁シート１９、銅板２０、および支持構造材２３を、隙間をあけて挟めるように所定の間隔をあけて配置されている。
【００４２】
第１駆動手段１４を手動または自動でその軸まわりに回転させることで、歯車１４ｂに噛み合う第２駆動手段１５もその軸まわりに回転する。これにより、一対の永久磁石１７は、棒状部材１５ａを中心にして水平方向に回転移動する。
【００４３】
なお、本実施形態では、一対の永久磁石１７を棒状部材１５ａを中心にして水平方向に回転移動させる機械的切換手段を示したが、回転移動させる向きは水平方向以外の方向、例えば、鉛直方向であってもよい。また、回転移動ではなく、平行移動であってもよい。さらには、Ｙ系線材１８まわりに一対の永久磁石１７を回転させて、Ｙ系線材１８の厚み方向に磁場を印加したりＹ系線材１８に対して平行に磁場を印加したりして、Ｙ系線材１８の超電導状態と常電導状態とを切り換えるように構成された機械的切換手段であってもよい。さらには、一対の永久磁石１７を移動させるのではなく、Ｙ系線材１８を移動させる機械的切換手段であってもよい。すなわち、Ｙ系線材１８の厚み方向から一対の永久磁石１７でＹ系線材１８を間に挟む位置に一対の永久磁石１７を移動させる、およびＹ系線材１８の厚み方向から一対の永久磁石１７でＹ系線材１８を間に挟む位置にＹ系線材１８を移動させる、のうちの少なくともいずれかの機能を有する機械的切換手段であればよい。
【００４４】
さらには、本実施形態では、機械的な切換手段（１４、１５）を用いているが、電気的な切換手段を用いてもよい。この場合、磁場印加手段として例えば電磁石を用い、切換手段は、例えば、電磁石の励磁を制御する制御回路となる。制御回路により、電磁石を励磁することで、Ｙ系線材１８の厚み方向に磁場を印加し、電磁石の励磁を停止することで、磁場を非印加とする。
【００４５】
<マグネット励磁>
超電導コイル２を励磁するとき、冷凍機３を動作させて超電導コイル２を冷却し超電導状態とし、励磁電源５０を電極ピン８に接続して励磁電源５０から超電導コイル２へ電流を導入する。このとき、一対の永久磁石１７は、テープ形状のＹ系線材１８をその上下から（その厚み方向から）挟む位置（図１（ａ））にされている。これにより、Ｙ系線材１８の厚み方向（Ｙ系超電導体層１８ｃに対して垂直な方向）に永久磁石１７から磁場が印加されている状態となっているので、Ｙ系線材１８は常電導状態、すなわち高抵抗状態となっており、励磁電源５０からの電流は、Ｙ系線材１８（永久電流スイッチ１３）に流れず、超電導コイル２へ流れる（永久電流スイッチ：「ＯＦＦ」の状態）。なお、Ｙ系線材１８は冷凍機３により冷却されている。
【００４６】
<永久電流モード>
超電導コイル２の励磁が完了すると、第１駆動手段１４を手動または自動でその軸まわりに回転させることで、対向配置された一対の永久磁石１７を、例えば９０度、水平方向に回転移動させてＹ系線材１８から遠ざける。これにより、Ｙ系線材１８は超電導状態（電気抵抗ゼロで電流が流れる状態）となり（永久電流スイッチ：「ＯＮ」の状態）、Ｙ系線材１８と超電導コイル２とで閉回路が形成され、この状態で励磁電源５０からの供給電流を徐々に下げていくと、閉回路には一定電流が流れ続け永久電流モードとなる。供給電流をゼロにした後、励磁電源５０と電極ピン８との接続は解除される（励磁電源５０は外される）。
【００４７】
<マグネット停止>
永久電流スイッチをＯＮにしたまま、永久電流が流れている状態で励磁電源５０を接続し、閉回路に流れている電流値に等しくなるまで励磁電源５０からの供給電流を増やしていく。等しくなった段階で、第１駆動手段１４を手動または自動でその軸まわりに回転させて、一対の永久磁石１７を、Ｙ系線材１８をその上下から挟む位置（図１（ａ））に回転移動させる。これにより、Ｙ系線材１８の厚み方向に磁場が印加され、Ｙ系線材１８の超電導状態が破れて常電導状態（高抵抗状態）となり、永久電流スイッチはＯＦＦとなる。次に励磁電源５０からの通電電流を徐々に下げていく。ゼロアンペアまで下げることでマグネットの発生磁場をゼロにできる。なお、永久電流運転状態のマグネットの磁場を緊急に消失させたいときは、第１駆動手段１４を手動または自動でその軸まわりに回転させて、一対の永久磁石１７を、Ｙ系線材１８をその上下から挟む位置（図１（ａ））に回転移動させ永久電流スイッチをＯＦＦとしてもよい。超電導コイル２を流れる電流がＹ系線材１８で減衰して電流はゼロとなる。
【００４８】
（作用・効果）
前記したように、平板状に形成された高温超電導体層を有するテープ形状の高温超電導材は、大きな異方性を有する。本発明では、この大きな異方性に着目し、高温超電導材の厚み方向への磁場の印加・非印加を切り換えることで、超電導状態（永久電流スイッチ）の「ＯＮ」、「ＯＦＦ」を行っている。この構成によると、ヒーター（加熱）を用いずとも確実に永久電流スイッチを「ＯＮ」、「ＯＦＦ」することができ、かつヒーター（加熱）を用いないので、超電導コイル２への熱侵入はほとんどない。超電導コイル２への熱侵入がほとんどないので、装置（冷凍機）の冷却能力を低く抑えることができる。すなわち、本発明に係る永久電流スイッチは、冷却能力に限りがある冷凍機を用いた伝導冷却型超電導マグネット装置にも十分適用することができ、本体コイル（超電導コイル２）をクエンチさせることなく安定動作させることができる。
【００４９】
本実施形態では、磁場印加手段として相互に対向配置された一対の永久磁石１７を用い、切換手段として、Ｙ系線材１８の厚み方向から当該Ｙ系線材１８を間に挟む位置に一対の永久磁石１７を移動させる機械的切換手段（１４、１５）を用いている。一方で、前記したように、磁場印加手段として例えば電磁石を用い、切換手段としてその制御回路（電気的切換手段）を用いてもよい。本実施形態のように、一対の永久磁石および上記したような機械的切換手段を用いることで、電磁石および制御回路（電気的切換手段）を用いる場合に比して、超電導コイル２への熱侵入をより抑制することができる。機械的に印加磁場の方向を切り換える場合に発熱は伴わないが、電気的切換手段を必要とする電磁石は、励磁により発熱するからである。
【００５０】
また、巻枠９の上端面から支持をとって、輻射シールド４のシールド本体４ａを構成する上部プレートと巻枠９との間に、永久電流スイッチ１３の主要部（Ｙ系線材１８（高温超電導材）および一対の永久磁石１７（磁場印加手段））を配置し、真空容器５のエンドプレート５ａから第１駆動手段１４の一部を突出させる構造とすることで、切換手段の操作性に優れるとともに輻射シールド４内のスペースを有効に活用できる。また、装置の径方向寸法を増大させずに済む。
【００５１】
また、平板状に形成する高温超電導体層をＹ系超伝導体層とすることで、磁場の印加有無によって、ゼロ抵抗と高抵抗状態との切り換えを確実に行い得る。Ｙ系超伝導体は、その臨界温度が約９０Ｋであり、かつ異方性が高い。４０Ｋ程度の温度の場所に配置すると、膜の厚み方向に２Ｔ程度の磁場を印加することで常電導化し、且つ高抵抗状態になる。磁場の印加有無によって、ゼロ抵抗と高抵抗の切り換えができる。Ｂｉ系超伝導体層の場合もＹ系の場合と同様である。Ｂｉ系超伝導体は臨界温度約１１０Ｋであるが、異方性が大きく、４０Ｋ程度の場所に配置すると、配向した超伝導体の結晶面に垂直な方向に２Ｔ程度の磁場を印加することで常電導状態にすることができる。なお、被覆金属材料をＭｇ添加Ａｇ合金またはＳｉ添加Ａｇ合金とするか、被覆金属材料を化学処理して剥離しておくことで常電導化したときの抵抗値を高くできる。すなわち、磁場印加によってゼロ抵抗と高抵抗の切換をより確実に行い得る。
【００５２】
また、永久電流スイッチ１３を構成するＹ系線材１８および永久磁石１７（磁場印加手段）が輻射シールド４の内部に配置されていることで、Ｙ系線材１８の冷却効率が高い。すなわち、装置（冷凍機）の冷却能力を低く抑えることができる。
【００５３】
さらには、前記したように、Ｙ系線材１８は、高熱伝導電気絶縁シート１９、銅板２０、銅線２１、およびプレート４ｂを介して、冷凍機３の第１冷却端部１２ａ（第１冷却ステージ）に熱的に接続されている。本実施形態では、このようにしてＹ系線材１８の冷却効率がより高められており、装置（冷凍機）の冷却能力をより低く抑えることができている。
【００５４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。
【符号の説明】
【００５５】
１：伝導冷却型超電導マグネット装置
２：超電導コイル
３：冷凍機（二段式冷凍機）
４：輻射シールド（冷却容器）
５：真空容器
１３：永久電流スイッチ
１４：第１駆動手段（切換手段）
１５：第２駆動手段（切換手段）
１７：永久磁石（磁場印加手段）
１８：Ｙ系線材（テープ形状の高温超電導材）
１８ａ：基板
１８ｃ：Ｙ系超電導体層（高温超電導体層）
１９：超電導マグネット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状に形成された高温超電導体層を有するテープ形状の高温超電導材と、
前記高温超電導材に対して、当該高温超電導材の厚み方向に磁場を印加するための磁場印加手段と、
前記磁場印加手段による前記厚み方向への磁場の印加・非印加を切り換える切換手段と、
を備えることを特徴とする、永久電流スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記磁場印加手段は、相互に対向配置された一対の永久磁石であり、
前記切換手段は、前記厚み方向から前記一対の永久磁石で前記高温超電導材を間に挟む位置に当該一対の永久磁石を移動させる、および前記厚み方向から前記一対の永久磁石で前記高温超電導材を間に挟む位置に当該高温超電導材を移動させる、のうちの少なくともいずれかの機械的切換手段であることを特徴とする、永久電流スイッチ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記高温超電導体層は、Ｙ系超電導体層またはＢｉ系超電導体層であることを特徴とする、永久電流スイッチ。
【請求項４】
超電導コイルを有する超電導マグネットと、
前記超電導マグネットを収容する冷却容器と、
前記冷却容器を収容する真空容器と、
前記真空容器に取り付けられた二段式冷凍機と、
を備える伝導冷却型超電導マグネット装置において、
請求項１〜３のいずれかに記載の永久電流スイッチを構成する前記高温超電導材が前記超電導コイルに並列に接続されていることを特徴とする、伝導冷却型超電導マグネット装置。
【請求項５】
請求項４に記載の伝導冷却型超電導マグネット装置において、
前記永久電流スイッチを構成する前記高温超電導材および前記磁場印加手段が前記冷却容器の内部に配置されていることを特徴とする、伝導冷却型超電導マグネット装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の伝導冷却型超電導マグネット装置において、
前記永久電流スイッチを構成する前記高温超電導材が、前記二段式冷凍機の第１冷却ステージに熱的に接続されていることを特徴とする、伝導冷却型超電導マグネット装置。
【請求項１】
平板状に形成された高温超電導体層を有するテープ形状の高温超電導材と、
前記高温超電導材に対して、当該高温超電導材の厚み方向に磁場を印加するための磁場印加手段と、
前記磁場印加手段による前記厚み方向への磁場の印加・非印加を切り換える切換手段と、
を備えることを特徴とする、永久電流スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記磁場印加手段は、相互に対向配置された一対の永久磁石であり、
前記切換手段は、前記厚み方向から前記一対の永久磁石で前記高温超電導材を間に挟む位置に当該一対の永久磁石を移動させる、および前記厚み方向から前記一対の永久磁石で前記高温超電導材を間に挟む位置に当該高温超電導材を移動させる、のうちの少なくともいずれかの機械的切換手段であることを特徴とする、永久電流スイッチ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記高温超電導体層は、Ｙ系超電導体層またはＢｉ系超電導体層であることを特徴とする、永久電流スイッチ。
【請求項４】
超電導コイルを有する超電導マグネットと、
前記超電導マグネットを収容する冷却容器と、
前記冷却容器を収容する真空容器と、
前記真空容器に取り付けられた二段式冷凍機と、
を備える伝導冷却型超電導マグネット装置において、
請求項１〜３のいずれかに記載の永久電流スイッチを構成する前記高温超電導材が前記超電導コイルに並列に接続されていることを特徴とする、伝導冷却型超電導マグネット装置。
【請求項５】
請求項４に記載の伝導冷却型超電導マグネット装置において、
前記永久電流スイッチを構成する前記高温超電導材および前記磁場印加手段が前記冷却容器の内部に配置されていることを特徴とする、伝導冷却型超電導マグネット装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の伝導冷却型超電導マグネット装置において、
前記永久電流スイッチを構成する前記高温超電導材が、前記二段式冷凍機の第１冷却ステージに熱的に接続されていることを特徴とする、伝導冷却型超電導マグネット装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−７４０８２（Ｐ２０１３−７４０８２Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１１７４１（Ｐ２０１１−２１１７４１）
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（５０２１４７４６５）ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社 (56)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（５０２１４７４６５）ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社 (56)
【Ｆターム（参考）】
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