超電導コイル装置、及び超電導コイルの常電導転移の検出方法
【課題】超電導特性を低下させること無く、超電導コイルの常電導転移（クエンチ）を良好な精度で検知可能な超電導コイル装置、及び超電導コイルの常電導転移の検出方法の提供。
【解決手段】本発明の超電導コイル装置２０は、高温超電導線材を巻回した複数のコイル１１と、導電性の冷却板１２と、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）方式の光ファイバとを備え、複数のコイル１１が同軸的に積層され、これら複数のコイル１１の積層方向に少なくとも１つのコイル１１に接するように冷却板１２が配置され、冷却板１２にコイル１１の周方向に沿って形成された収納溝に前記光ファイバが収納されてなることを特徴とする。
【解決手段】本発明の超電導コイル装置２０は、高温超電導線材を巻回した複数のコイル１１と、導電性の冷却板１２と、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）方式の光ファイバとを備え、複数のコイル１１が同軸的に積層され、これら複数のコイル１１の積層方向に少なくとも１つのコイル１１に接するように冷却板１２が配置され、冷却板１２にコイル１１の周方向に沿って形成された収納溝に前記光ファイバが収納されてなることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイル装置、及び超電導コイルの常電導転移の検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮｂＴｉ等の合金系超電導体やＮｂ３Ｓｎ等の化合物系超電導体などの金属系の低温超電導体を使用した低温超電導コイルは、超電導体の臨界温度が１０Ｋ以下と低いため、運転温度は４Ｋ程度と極低温であり、比熱が小さい。そのため、低温超電導コイルにおいて何らかの原因で超電導状態から常電導状態へ遷移する常電導転移が発生すると、ジュール熱が発生して超電導コイルの温度が上昇し、これにより臨界電流が低下して発熱し、さらに温度が上昇する。このような発熱と温度上昇が繰り返されると、急激な常電導転移（クエンチ）が発生して、超電導コイルの常電導領域が拡大してしまい、超電導特性の低下やコイルの損傷につながる可能性がある。そのため、超電導コイルにおける常電導転移の発生を確実かつ速やかに検出して常電導領域の拡大を防ぐことが重要である。金属系の低温超電導体を使用した低温超電導コイルにおける常電導転移の検出手法としては、常電導転移により発生した電圧を検知する方法や、バランス電圧を検知する方法が知られている。
【０００３】
しかし、Ｂｉ系やＹ系に代表されるような酸化物超電導体は、臨界温度が１００Ｋ程度の高温超電導体であるため、運転温度は２０Ｋ以上が想定される。金属系の低温超電導体と比較すると運転温度での比熱が大きく、常電導転移した際の伝搬速度が遅くなる。そのため、従来の電圧測定による検出法では、常電導転移の発生を感度良く検出できない可能性がある。
電圧測定による検出法ではなく、電磁的にノイズに強い常電導転移検出法として、温度に依存して内部の光学的伝播状態が変化する光ファイバを使用した手法が提案されている（特許文献１、非特許文献１参照）。また、超電導線に沿って光ファイバを配置し、これらの超電導線と光ファイバを共巻きしてコイルとし、光ファイバからのブルリアン散乱光に基づいて超電導線の温度分布を測定する技術も提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−１９０３１３号公報
【特許文献２】特開２００７−１４１７１３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】フジクラ技報８０号 １９９１年４月 第１頁〜第６頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１および非特許文献１では、２つのコアを有した光ファイバを伝搬するレーザ光で干渉系を組み、レーザ光の位相変化により１０Ｋ程度の温度上昇を検出する方法が提案されている。しかしながら、この検出方法では、温度上昇の光ファイバ加熱長が２〜６ｍと長く、大型の超電導コイルには適用可能であるが、数ｃｍ程度の微小な区間の温度上昇を検知するのは困難と考えられる。
【０００７】
また、特許文献２では、超電導線と光ファイバを共巻きして超電導コイルとしている。そのため、超電導コイルの径方向に隣接する各超電導線間に光ファイバが存在するため、超電導線を巻線する密度が粗くなってしまう。その結果、電流密度が下がるので超電導コイルが発生する磁場が低下し、超電導特性が低下してしまうことが考えられる。
【０００８】
本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、超電導特性を低下させること無く、超電導コイルの常電導転移（クエンチ）を良好な精度で検知可能な超電導コイル装置、及び超電導コイルの常電導転移の検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の超電導コイル装置は、高温超電導線材を巻回した複数のコイルと、導電性の冷却板と、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）方式の光ファイバとを備え、前記複数のコイルが同軸的に積層され、これら複数のコイルの積層方向に少なくとも１つのコイルに接するように前記冷却板が配置され、前記冷却板に前記コイルの周方向に沿って形成された収納溝に前記光ファイバが収納されてなることを特徴とする。
本発明によれば、ＦＢＧ方式の光ファイバが冷却板の収納溝に収納されていることにより、超電導転移発生時に導電性の冷却板に渦電流が発生することに起因する冷却板の発熱および熱膨張を、ＦＢＧ方式の光ファイバを用いて歪の発生又は熱の発生として検知し、超電導コイルの常電導転移（クエンチ）の発生を良好な精度および応答性で検出することができる超電導コイル装置を提供できる。
【００１０】
また、本発明の超電導コイル装置は、超電導コイルの常電導転移を検知する光ファイバが冷却板の収納溝に収納されている構成である。そのため、特許文献２に記載の技術のように光ファイバと超電導線材を共巻きして形成された超電導コイルとは異なり、高温超電導線材が高密度で巻回された超電導コイルとすることができ、電流密度および中心磁界強さなどの超電導特性を低下させることがない超電導コイル装置を提供できる。
【００１１】
本発明の超電導コイル装置において、前記冷却板の熱膨張又は熱収縮により前記光ファイバに歪が負荷されるように、前記光ファイバが前記収納溝に固定されてなることが好ましい。
常電導転移発生時に冷却板に渦電流が流れてジュール発熱し、冷却板の温度が上昇し、熱膨張が発生する。前記構成の場合、冷却板の熱膨張に伴い光ファイバに歪が負荷されるように固定されることにより、冷却板の熱膨張に伴い光ファイバに形成されたグレーティング（格子）間隔が良好な応答性で変化するため、ＦＢＧ方式の光ファイバからの反射光の波長変化を検出することによって、より良好な精度および応答性で常電導転移を検出することができる。
【００１２】
本発明の超電導コイル装置において、前記冷却板に前記コイルの周方向に沿って渦巻状に形成された前記収納溝に、前記光ファイバが収納されてなることもできる。
この場合、冷却板の内周から外周まで様々な場所にＦＢＧ方式の光ファイバが配置されるので、常電導転移発生時に導電性の冷却板に発生する渦電流に伴う発熱および熱膨張をより効果的に検出することができ、常電導転移の検出の精度および応答性をより向上させることができる。
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の超電導コイルの常電導転移の検出方法は、高温超電導線材を巻回した複数のコイルを同軸的に積層させてなる超電導コイルの常電導転移の検出方法であって、前記コイルの周方向に沿う収納溝が形成され、この収納溝にＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）方式の光ファイバが収納された導電性の冷却板を前記複数のコイルの積層方向に少なくとも１つのコイルに接するように配置し、前記冷却板の熱膨張又は熱収縮に伴う前記ＦＢＧ方式の光ファイバからの反射光の波長変化に基づいて、前記超電導コイルにおける常電導転位の発生に伴う前記冷却板の温度変化を検出することを特徴とする。
【００１４】
本発明の超電導コイルの常電導転移の検出方法は、ＦＢＧ方式の光ファイバを収納溝に収納した導電性の冷却板を用い、この光ファイバからの反射光の変化を検出する構成としたことにより、万一超電導コイルで常電導転移が発生した場合に超電導転移の発生に起因する冷却板の発熱および熱膨張を検知し、超電導コイルの常電導転移（クエンチ）の発生を、良好な精度および応答性で検出することができる。
【００１５】
本発明の超電導コイルの常電導転移の検出方法において、前記冷却板の熱膨張又は熱収縮により前記光ファイバに歪が負荷されるように、前記光ファイバを前記収納溝に固定してなる冷却板を用いることが好ましい。
この構成の場合、常電導転移発生時の冷却板の熱膨張に伴い光ファイバに形成されたグレーティング（格子）間隔が良好な応答性で変化するため、ＦＢＧ方式の光ファイバからの反射光の波長変化を検出することによって、より良好な精度および応答性で常電導転移を検出することができる。
本発明の超電導コイルの常電導転移の検出方法において、前記コイルの周方向に沿って渦巻状に形成された前記収納溝に、前記光ファイバを収納してなる冷却板を用いることもできる。
この場合、冷却板の内周から外周まで様々な場所にＦＢＧ方式の光ファイバが配置するので、常電導転移発生時に導電性の冷却板に発生する渦電流に伴う発熱および熱膨張をより効果的に検出することができ、常電導転移の検出の精度および応答性をより向上させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、超電導特性を低下させること無く、超電導コイルの常電導転移（クエンチ）を良好な精度で検出可能な超電導コイル装置、及び超電導コイルの常電導転移の検出方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の超電導コイル装置の一例構造を示す概略模式図である。
【図２】図１に示す超電導コイル装置が備える超電導コイルの一例構造を示す概略斜視図である。
【図３】図２に示す超電導コイルの分解斜視図である。
【図４】図２に示す超電導コイルを構成するパンケーキコイルに使用される高温超電導線材の一例構造を示す概略斜視図。
【図５】図２に示す超電導コイルが備える冷却板の一例構造を示す平面模式図である。
【図６】図５に示す冷却板のＡ−Ａ’線に沿う部分断面模式図である。
【図７】本発明に係る超電導コイル装置が備える超電導コイルの他の例を示す概略斜視図である。
【図８】図８（ａ）は検討例１で用いた試験装置の概略構成図であり、図８（ｂ）は同試験装置における光ファイバのＦＢＧとヒータとの位置関係を示す概略模式図である。
【図９】検討例１の結果を示すグラフである。
【図１０】検討例２の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る超電導コイル装置および超電導コイルの常電導転移の検出方法について図面に基づいて説明する。
図１は本発明の超電導コイル装置の一例構造を示す概略模式図であり、図２は図１に示す超電導コイル装置が備える超電導コイルの一例構造を示す概略斜視図であり、図３は図２に示す超電導コイルの分解斜視図である。
【００１９】
本実施形態の超電導コイル装置２０は、真空容器などの収容容器２１の内部に配置された超電導コイル１０と、収容容器２１の内部の超電導コイル１０を臨界温度以下に冷却するための冷凍機２８と、超電導コイル１０の常電導転移を検出するための検出部２２を備えて構成されている。本実施形態の収容容器２１は、真空ポンプ２５に接続されていて、内部を目的の真空度に減圧できるように構成されている。また、超電導コイル１０は収容容器２１の外部の電源２５に接続されており、この電源２５から超電導コイル１０に通電できるようになっている。
【００２０】
超電導コイル１０は、同一径のドーナツ状のダブルパンケーキコイル１０が３個同軸的に積層され、各ダブルパンケーキコイル１１、１１間にドーナツ盤状の導電性の冷却板１２が配置されて構成されている。超電導コイル１０は、銅などの良導電性材料製の２枚の鍔板２７により上下方向より挟まれており、超電導コイル１０の冷却板１２の外周に形成された接続部１２ａは、鍔板２７、２７間に配置された良導電性材料よりなる熱伝導バー２６に接続されている。冷凍機２８と鍔板２７と熱伝導バー２６と冷却板１２の接続部１２ａは接続されており、これにより、冷凍機２８により冷却板１２が伝導冷却され、さらに、冷却板１２により超電導コイル２０全体が冷却される構成となっている。
【００２１】
本実施形態の超電導コイル装置２０が備える超電導コイル１０は、図２および図３に示す如く、高温超電導線材が巻回されたパンケーキコイル１１ａ、１１ｂが同軸的に積層されたダブルパンケーキコイル１１を複数個（図２および図３では３個）備え、これらのダブルパンケーキコイル１１の間にダブルパンケーキコイル１１に接するように、ドーナツ盤状であって、パンケーキコイル１１より外径の若干大きな冷却板１２が複数個（図２および図３では２個）介在するように配置され構成されている。
【００２２】
図４は超電導コイル１０を構成する各パンケーキコイル１１ａ、１１ｂに使用される高温超電導線材の一例構造を示す概略斜視図である。
図４に示す高温超電導線材１は、長尺テープ状の基材２上に、中間層３、超電導層４及び安定化層４がこの順に積層されてなる。
【００２３】
基材２は、通常の超電導線材の基材として使用し得るものであれば良く、長尺のプレート状又はシート状であることが好ましく、耐熱性の金属からなるものが好ましい。耐熱性の金属の中でも、合金が好ましく、ニッケル（Ｎｉ）合金又は銅（Ｃｕ）合金がより好ましい。なかでも、市販品であればハステロイ（商品名、ヘインズ社製）が好適であり、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。また、基材２としてニッケル（Ｎｉ）合金などに集合組織を導入した配向金属基材を用い、その上に中間層３および超電導層４を形成してもよい。
基材２の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍであることが好ましく、２０〜２００μｍであることがより好ましい。下限値以上とすることで強度が一層向上し、上限値以下とすることで臨界電流密度を一層向上させることができる。
【００２４】
中間層３は、超電導層４の結晶配向性を制御し、基材２中の金属元素の超電導層４への拡散を防止するものである。さらに、基材２と超電導層４との物理的特性（熱膨張率や格子定数等）の差を緩和するバッファー層として機能し、その材質は、物理的特性が基材２と超電導層４との中間的な値を示す金属酸化物が好ましい。中間層３の好ましい材質として具体的には、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等の金属酸化物が例示できる。
中間層３は、単層でも良いし、複数層でも良い。例えば、前記金属酸化物からなる層（金属酸化物層）は、結晶配向性を有していることが好ましく、複数層である場合には、最外層（最も超電導層４に近い層）が少なくとも結晶配向性を有していることが好ましい。
【００２５】
中間層３は、基材２側にベッド層が介在された複数層構造でもよい。ベッド層は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するためのものであり、その上に配される膜の配向性を得るために用いる。このようなベッド層は、必要に応じて配され、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、「アルミナ」とも呼ぶ）等から構成される。このベッド層は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、その厚さは例えば１０〜２００ｎｍである。
【００２６】
さらに、本発明において、中間層３は、基材２側に拡散防止層とベッド層が積層された複数層構造でもよい。この場合、基材２とベッド層との間に拡散防止層が介在された構造となる。拡散防止層は、基材２の構成元素拡散を防止する目的で形成されたもので、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、あるいは希土類金属酸化物等から構成され、その厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。なお、拡散防止層の結晶性は問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すればよい。
このように基材２とベッド層との間に拡散防止層を介在させることにより、中間層３を構成する他の層や超電導層４等を形成する際に、必然的に加熱されたり、熱処理される結果として熱履歴を受ける場合に、基材２の構成元素の一部がベッド層を介して超電導層４側に拡散することを効果的に抑制することができる。基材２とベッド層との間に拡散防止層を介在させる場合の例としては、拡散防止層としてＡｌ２Ｏ３、ベッド層としてＹ２Ｏ３を用いる組み合わせを例示することができる。
【００２７】
また中間層３は、前記金属酸化物層の上に、さらにキャップ層が積層された複数層構造でも良い。キャップ層は、超電導層４の配向性を制御する機能を有するとともに、超電導層４を構成する元素の中間層３への拡散や、超電導層４積層時に使用するガスと中間層３との反応を抑制する機能等を有するものである。そして、前記金属酸化物層により配向性が制御される。
【００２８】
キャップ層は、前記金属酸化物層の表面に対してエピタキシャル成長し、その後、横方向（面方向）に粒成長（オーバーグロース）して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て形成されたものが好ましい。このようなキャップ層は、前記金属酸化物層よりも高い面内配向度が得られる。
キャップ層の材質は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等が例示できる。キャップ層の材質がＣｅＯ２である場合、キャップ層は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。
キャップ層は、ＰＬＤ法（パルスレーザ蒸着法）、スパッタリング法等で成膜することができるが、大きな成膜速度を得られる点でＰＬＤ法を用いることが好ましい。
【００２９】
中間層３の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良いが、通常は、０．１〜５μｍである。
中間層３が、前記金属酸化物層の上にキャップ層が積層された複数層構造である場合には、キャップ層の厚さは、通常は、０．１〜１．５μｍである。
【００３０】
中間層３は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、イオンビームアシストスパッタ法（以下、ＩＢＡＤ法と略記する）等の物理的蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、塗布熱分解法（ＭＯＤ法）、溶射等、酸化物薄膜を形成する公知の方法で積層できる。特に、ＩＢＡＤ法で形成された前記金属酸化物層は、結晶配向性が高く、超電導層４やキャップ層の結晶配向性を制御する効果が高い点で好ましい。ＩＢＡＤ法とは、蒸着時に、結晶の蒸着面に対して所定の角度でイオンビームを照射することにより、結晶軸を配向させる方法である。通常は、イオンビームとして、アルゴン（Ａｒ）イオンビームを使用する。例えば、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ又はＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）からなる中間層３は、ＩＢＡＤ法における配向度を表す指標であるΔΦ（ＦＷＨＭ：半値全幅）の値を小さくできるため、特に好適である。
【００３１】
超電導層４は通常知られている組成の高温超電導体からなるものを広く適用することができ、酸化物超電導体からなるものが好ましい。具体的には、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）なる材質のものが例示できる。また、その他の酸化物超電導体、例えば、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ４＋２ｎ＋δなる組成等に代表される臨界温度の高い他の酸化物超電導体からなるものを用いても良いのは勿論である。
超電導層４は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法等の物理的蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、塗布熱分解法（ＭＯＤ法）等で積層でき、なかでもレーザ蒸着法が好ましい。
超電導層４の厚みは、０．５〜５μｍ程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
【００３２】
安定化層５は、超電導層４の一部領域が常電導状態に遷移しようとした場合に、電流のバイパス路として機能することで、超電導層４を安定化させて焼損に至らないようにする、主たる構成要素である。
安定化層５は、導電性が良好な金属からなるものが好ましく、具体的には、銀、銀合金、銅又は銅合金などからなるものが例示できる。安定化層５は１層構造でも良いし、２層以上の積層構造であってもよい。
安定化層５は、公知の方法で積層できるが、銀層をメッキやスパッタ法で形成し、その上に銅テープなどを貼り合わせるなどの方法を採用できる。安定化層５の厚さは、３〜３００μｍの範囲とすることができる。
【００３３】
このような構成の高温超電導線材１は、さらにその外周面を絶縁層で被覆することで、各パンケーキコイルを構成する高温超電導線材とすることができる。
絶縁層は、通常使用される各種樹脂等、公知の材質からなるものである。前記樹脂として具体的には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂、ケイ素樹脂、シリコン樹脂、アルキッド樹脂、ビニル樹脂等が例示できる。絶縁層による被覆の厚さは特に限定されず、被覆対象部位等に応じて、適宜調節すれば良い。絶縁層は、その材質に応じて公知の方法で形成すれば良く、例えば、原料を塗布して、これを硬化させれば良い。また、シート状のものが入手できる場合には、これを使用して被覆しても良い。
【００３４】
この様な構成のテープ状の高温超電導線材１が巻回されて各パンケーキコイル１１ａ、１１ｂを形成し、このパンケーキコイル１１ａ、１１ｂが２個積層されてダブルパンケーキコイル１１を成し、このダブルパンケーキコイル１１が複数積層されて超電導コイル１０を構成する。
【００３５】
ダブルパンケーキコイル１１は、パンケーキコイル１１ａ上にパンケーキコイル１１ｂが同軸的に積層されてなる。パンケーキコイル１１ａは、高温超電導線材１が安定化層５側を外側にして同心円状に時計周りに巻回され形成されている。パンケーキコイル１１ｂは、高温超電導線材１が安定化層５を外側にして同心円状に反時計回りに巻回され形成されている。パンケーキコイル１１ａとパンケーキコイル１１ｂは、巻回始端または巻回終端で銅などの良導電性材料よりなる接続部材（図示略）でその超電導層４同士あるいは安定化層５同士が、電気的および機械的に接続されている。
【００３６】
また、超電導コイル１０において、各ダブルパンケーキコイル１１は隣接するダブルパンケーキコイル１１（すなわち、隣接するパンケーキコイル１１ａとパンケーキコイル１１ｂ）の巻回方向が逆とされており、その巻回始端または巻回終端で銅などの良導電性材料よりなる接続部材（図示略）でその超電導層４同士あるいは安定化層５同士が、電気的および機械的に接続されおり、超電導コイル１０全体にわたって電流を流すことができるように接続されている。図１に示す如く、本実施形態の超電導コイル装置２０は、超電導コイル１０を構成する電気的、機械的に接続された複数のパンケーキコイル１１の両端部は電力リード２４を介して収容容器２１の外部に設置された電源２５に接続されている。
【００３７】
ここで、各パンケーキコイル１１ａ、１１ｂを構成する高温超電導線材は同じ層構成（設けられる層の種類および構成材料が同じ）であってもよく、異なる層構成であってもよいが、同じ層構成とする方が生産プロセスが簡便である。
【００３８】
図２および図３に示す如く超電導コイル１０において、各ダブルパンケーキコイル１１間には略ドーナツ盤状の冷却板１２が配置されている。
図５は超電導コイル１０が備える冷却板１２の一例構造を示す平面模式図であり、図６は図５に示す冷却板１２のＡ−Ａ’線に沿う部分断面模式図である。
【００３９】
冷却板１２はその外周に設けられた接続部１２ａを介して超電導コイル装置２０の冷凍機２８に接続可能とされており、冷凍機２８からの伝導冷却により超電導コイル１０をその臨界温度以下に冷却することができる。
導電性の冷却板１２および接続部１２ａは良熱伝導性の金属材料より形成されている。冷却板１２および接続部１２ａを構成する金属材料は特に制限されず、適宜変更可能であるが、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、黄銅、リン青銅などの銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金などが挙げられる。
【００４０】
冷却板１２の形状および寸法はパンケーキコイル１１ａ、１１ｂの形状および寸法に合わせて適宜変更可能である。冷却板１２の厚さは、厚くなるほど、超電導コイル１０における常電導転移（クエンチ）の発生を検知する感度が高くなる傾向がある。本発明者は冷却板１２の厚さが０．１ｍｍ程度の場合にもクエンチを検知可能であることを知見している。そのため、冷却板１２の厚さは０．１ｍｍ以上とすることが好ましいが、後述の如く冷却板１２中に光ファイバ１５を収納する必要があること、超電導コイル１０の冷却効率などを勘案すると、冷却板１２の厚さは０．５ｍｍ〜１ｍｍの範囲とすることが好ましいが、本発明はこの範囲に限定されず超電導コイル１０の寸法により適宜変更可能である。また、冷却板１２の接続部１２ａの形状も特に制限されず、適宜変更可能である。
【００４１】
図５および図６に示す如く冷却板１２の一方の面には、ドーナツ盤状の冷却板１２の内周側から外周側に向かい円周方向に沿って（パンケーキコイル１１ａ、１１ｂの周方向に沿って）渦巻状に収納溝１３が形成されている。この収納溝１３にはＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）方式の光ファイバ１５が収納されており、その端部１５ａ、１５ｂは超電導コイル装置２０の検出部２２に接続されている。光ファイバ１５は冷却板１２の収納溝１３に接着層１６により固定されている。
【００４２】
光ファイバ１５としては、コアとクラッドからなる構成を有し、コアにその長手方向に沿って複数のファイバブラッググレーティング部が形成されたＦＢＧ方式の光ファイバであれば特に制限されず、従来公知の材質および構成のＦＢＧ方式の光ファイバを使用することができる。
光ファイバ１５に形成されたグレーティング（回折格子）の周期（間隔）及び１つのグレーティングの長さは、光ファイバ１５の材質や入射光の波長および反射光の波長（ブラッグ波長）などにより適宜調整すればよい。一例として、グレーディング部の間隔は数ｍｍ〜数十ｍｍとすることができ、グレーティング部の長さは５〜１０ｍｍとすることができる。
【００４３】
光ファイバ１５の外周部は、ポリイミド等の被覆材により被覆されていても良いし、被覆されていなくても良い。また、光ファイバ１５の直径は特に制限されず適宜変更可能であるが、通常、その直径は数十〜１２５μｍ程度である。
【００４４】
冷却板１２へ収納溝１３を形成する方法は特に制限されず従来公知の方法を適用でき、例えば、レーザ加工や切削加工等により形成することができ、あるいは冷却板１２が鋳造可能な金属の場合には、冷却板１２を鋳造によって製造する際に同時に形成してもよい。
収納溝１３の深さは、光ファイバ１５の径に合わせて適宜調整可能であり、光ファイバ１５の径をｄとし、収納溝１３の深さをＬとした場合、ｄ≦Ｌであることが好ましい。光ファイバ１５の一部が、冷却板１２の上面よりも突出する構造とすることも可能であるが、前記のようにｄ≦Ｌとし、冷却板１２の内部に光ファイバ１５が配されている構造とする方が、光ファイバ１５と冷却板１２の接触面積を増加できるので、クエンチ検知の精度を向上できる。また、冷却板１２とダブルパンケーキコイル１１を隙間無く接触させて超電導コイル１０の冷却効率を向上でき、且つ、超電導コイル１０を小型化できる。
【００４５】
光ファイバ１５は、接着層１６により冷却板に固定されている。接着層１６は、低温でも光ファイバ１５を保護できるように、低温での耐久性が優れ、かつヤング率の高い材質が好ましい。接着層１６としては、ポリイミド等の樹脂やろう材、接合用金属等が挙げられる。
光ファイバ１５はその長さ方向全体が接着層１５により固定されていてもよいが、冷却板１２の熱膨張又は熱収縮に応じて光ファイバ１５に歪が負荷されるのに充分な程度に固定されるならば、光ファイバ１５の長さ方向に沿って数箇所、部分的に接着層１６により固定されていてもよい。また、光ファイバ１５に張力を加えた状態で収納溝１３に光ファイバ１５を収納してもよい。
収納溝１３への光ファイバ１５の設置方法は、収納溝１３の幅を光ファイバ１５の径とほぼ同等、或いは僅かに大きく設定して、光ファイバ１５を収納溝１３に収納して接着剤により接着層１６を形成して固定すればよい。
なお、光ファイバ１５は接着層１６により固定されている例に限定されず、冷却板１２の伸縮（熱膨張又は熱収縮）により光ファイバ１５に歪が負荷されるように冷却板１２に固定されていればよく、収納溝１３にはめ込まれている構成でもよい。
【００４６】
ＦＢＧ方式の光ファイバ１５に温度変化が生じると、光ファイバ１５の屈折率や、光ファイバ１５に形成されたグレーティング（格子）の間隔が変化し、グレーティングからの反射光の波長（ブラッグ波長）が変化する。屈折率の変化は光ファイバ１５の材質に依存するものであり、光ファイバ１５の被覆材や接着固定される対象物にはほとんど依存しない。一方、格子間隔の変化は、光ファイバ１５の長手方向に沿った変形（伸縮）によって起こるため、光ファイバ１５の接着固定される対象物の熱膨張又は熱収縮に伴う歪に依存する。
本実施形態の超電導コイル装置２０の超電導コイル１０において、ＦＢＧを形成した光ファイバ１５は冷却板１２に固定されており、冷却板１２を構成する銅などの金属材料の線膨張係数が大きいため、温度上昇により大きな熱膨張（線膨張）が発生する。つまり、冷却板１２の温度上昇時には、冷却板１２の熱膨張（線膨張）によりＦＢＧの格子間隔が伸び、グレーティング（格子）からの反射波長（ブラッグ波長）が長波長側にシフトする。
【００４７】
本実施形態の超電導コイル１０において、万が一何らかの理由により常電導転移（クエンチ）が起こった場合、クエンチ発生に伴う超電導コイル１０内の磁界の変化を打ち消す方向に磁界を発生させる電磁誘導効果により導電性の冷却板１２に渦電流が生じる。例えば、超電導コイル１０に電源２５より通電することにより超電導コイル１０内に上向きの磁界Ｔが発生している際に、何らかに理由により超電導転移が発生して上向き磁界Ｔが弱まり磁界Ｔ１になったとする。この場合、発生した磁界の変化を打ち消して、弱まった磁界Ｔ１を元の磁界Ｔとするべく、変化分の上向き方向磁界を発生させるために、冷却板１２には上から見て反時計回りの渦電流が発生する。
このような渦電流が冷却板１２に流れることにより、電流値と抵抗値に応じたジュール熱が発生し、冷却板１２が発熱する。そして、この発熱により、冷却板１２の熱膨張（線膨張）が起こる。
【００４８】
本実施形態の超電導コイル装置２０においては、冷却板１２に形成された収納溝１３にＦＢＧ方式の光ファイバ１５が固定され配置されているため、上記した超電導コイル１０の常電導転移発生に伴い冷却板１２において渦電流の発生および発熱が起こると、冷却板１２の発熱による熱膨張（線膨張）によりＦＢＧの格子間隔が伸び、グレーティングからの反射波長（ブラッグ波長）が長波長側にシフトする。
【００４９】
図１に示す如く超電導コイル１０の冷却板１２に収納された光ファイバ１５は、収容容器２１の外部の検出部２２に接続されている。この検出部２２は、光源と、光部品と、分光素子と、受光素子とで構成されている。検出部２２の光部品は、光源からの光を光ファイバ１５に入射するとともに、光ファイバ１５のファイバフラッググレーティング（ＦＢＧ）からの反射光を分光素子に入射する。検出部２２では、光ファイバ１５に測定光を入射するとともに、光ファイバ１５からの反射光を分光素子により分光して、分光された光を受光素子において受光して電気信号に変換する。
【００５０】
このような構成の検出部２２により、光ファイバ１５からの反射光の波長（ブラッグ波長）を検出し、この波長の変化により、冷却板の熱膨張（線膨張）、すなわち、冷却板の温度上昇と超電導コイル１０の超電導転移（クエンチ）を検出することができる。なお、事前に反射光の波長変化（ブラッグ波長変化）の温度依存性の関係式を求めておくことにより、検出部２２で検出された光ファイバ１５の反射光の波長変化に基づいて、冷却板１２の温度変化を算出することができる。
【００５１】
冷却板１２の熱膨張（線膨張）は、発熱に対して極めて早い速度で発生する。本実施形態の超電導コイル装置２０は、万一超電導コイル１０で常電導転移が発生した場合にも、ＦＢＧ方式の光ファイバ１５が冷却板１２の収納溝１６に収納されていることにより、超電導転移の発生に起因する冷却板１２の発熱および熱膨張（線膨張）を検知し、超電導コイル１０の常電導転移（クエンチ）の発生を、良好な精度および応答性で検出することができる。なお、ＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation Domain Analysis）方式の光ファイバを用いた場合は、５０Ｋ以下の温度での検知感度が低下する傾向にある。そのため、本実施形態の超電導コイル装置２０のように、ＦＢＧ方式の光ファイバ１５を用いることが好ましい。ここで、ＢＯＣＤＡ方式とは、温度変化に応じたブリルアン散乱光の周波数変化により温度を測定する方式である。
【００５２】
本発明の超電導コイル装置は、上記実施形態に限定されず、光ファイバ１５は冷却板１２の収納溝１６に収納され、冷却板１２に接触していれば接着層１６により固定されていなくても超電導転移に伴う冷却板の温度変化を検知可能である。しかしながら、本実施形態の光ファイバ１５はＦＢＧ方式であり、冷却板１２の熱膨張（線膨張）の変化によりブラッグ波長が変化し、この波長変化により冷却板１２の温度変化を検知する方式である。そのため、光ファイバ１５は冷却板１２に接着固定されていることが好ましい。これにより、より良好な精度および応答性で常電導転移を検出することができる。
【００５３】
また、本実施形態の超電導コイル装置２０は、超電導コイル１０の常電導転移を検知する光ファイバ１５が冷却板１２の収納溝１３に収納されている構成である。そのため、特許文献２に記載の技術のように光ファイバと超電導線材を共巻きして形成された超電導コイルとは異なり、高温超電導線材が高密度で巻回された超電導コイル２０とすることができ、電流密度および中心磁界強さなどの超電導特性を低下させることがない超電導コイルおよび超電導コイル装置とすることができる。
さらに、本発明の超電導コイル装置２０は、冷却板１２にコイルの周方向に沿って渦巻状に形成された収納溝１３に、光ファイバ１５が収納されている構成とすることにより、冷却板１２の内周から外周まで様々な場所にＦＢＧ方式の光ファイバ１５が配置されるので、常電導転移発生時に導電性の冷却板１２に発生する渦電流に伴う発熱および熱膨張をより効果的に検出することができ、常電導転移の検出の精度および応答性をより向上させることができる。また、光ファイバ１５が冷却板１２に渦巻状に配置されていることにより、冷却板１２がどの方向に熱膨張（線膨張）しても光ファイバ１５に歪が負荷されるため、冷却板１２の熱膨張を良好な精度および応答性で検知でき、常電導転移をより良好な精度および応答性で検出できる。
【００５４】
次に、本発明に係る超電導コイルの常電導転移の検出方法について説明する。
本実施形態においては、上記した図１に示す超電導コイル装置２０を用いて超電導コイルの常電導転移を検出する。
まず、事前に、超電導コイル１０の冷却板１２にＦＢＧ方式の光ファイバ１５を、冷却板の熱膨張又は熱収縮により光ファイバ１５に歪が負荷されるように固定（例えば、接着固定）して、温度を変化させて、冷却板１２の温度および熱膨張（線膨張）と光ファイバ１５からの反射光の波長変化（ブラッグ波長変化）を測定し、反射光の波長変化の温度依存性の関係式を求めておく。
【００５５】
次に、真空ポンプ２３を作動させて収容容器２１内を所望の減圧度とし、冷却機２８を作動させて収容容器２１内の超電導コイル１０を臨界温度以下の目的とするべき温度、例えば７７Ｋ、５０Ｋあるいは２０Ｋの一定温度に保持する。
続いて、検出器２２を作動させて、超電導コイル１０の冷却板１２に収納された光ファイバ１５への測定光の入射および光ファイバからの反射光の受光を開始する。
次いで、超電導コイル１０を臨界温度以下の一定温度に保持した状態で、電源２５より超電導コイル１０に通電し、定常運転を行う。
【００５６】
そして、この状態で定常運転および検出部２２における光ファイバ１５からの反射光のモニタリングを行う。
この状態で、万が一超電導コイル２０において常電導転移（クエンチ）が発生すると、上述の如く、常電導転移発生に伴い冷却板１２において渦電流の発生および発熱が起こり、、冷却板１２の発熱による熱膨張（線膨張）によりＦＢＧの格子間隔が伸び、光ファイバ１５のグレーティングからの反射波長（ブラッグ波長）が長波長側にシフトし、この波長変化が検出部２２で観測される。
この反射光の波長変化を検出することにより、冷却板１２の熱膨張（線膨張）、すなわち、冷却板１２の温度上昇と超電導コイル１０の超電導転移（クエンチ）を検出することができる。
なお、この際、事前に求めた反射光の波長変化の温度依存性の関係式を用いて、検出部２２で検出された光ファイバ１５の反射光の波長変化に基づいて、冷却板１２の温度変化を算出することもできる。
【００５７】
冷却板１２の熱膨張（線膨張）は、発熱に対して極めて早い速度で発生する。本実施形態の常電導転移の検出方法は、ＦＢＧ方式の光ファイバ１５を冷却板１２の収納溝１６に収納したことにより、万一超電導コイル１０で常電導転移が発生した場合にも超電導転移の発生に起因する冷却板１２の発熱および熱膨張（線膨張）を検知し、超電導コイル１０の常電導転移（クエンチ）の発生を、良好な精度および応答性で検出することができる。
【００５８】
本発明の超電導コイル装置は上記実施形態の超電導コイル装置２０に限定されず、適宜変更可能である。
図６においては、収納溝１３の断面形状が四角形の場合を例示しているが、本実施形態はこの例に限定されるものではない。例えば、光ファイバ１５の断面形状に合わせて、収納溝１３底部の形状を円弧状等に形成することにより、光ファイバ１５と冷却板１２との接触面積を増やしてクエンチ検知の精度を向上させることができる。
【００５９】
また、上記実施形態ではダブルパンケーキコイル１１が３個積層された超電導コイル１０を示したが本発明はこの例に限定されない。図７に本発明に係る超電導コイル装置が備える超電導コイルの他の例を示す。なお、図２において、図１〜図６に示す上記実施形態の超電導コイル装置２０と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
図７に示す超電導コイル１０Ｂは、ダブルパンケーキコイル１１が４個積層され、ダブルパンケーキコイル１１、１１間に冷却板１２が配置されている。冷却板１２の一方の面には収納溝が形成され、光ファイバが収納されている。
本発明の超電導コイル装置が備える超電導コイルは、この例の如く４個のダブルパンケーキコイルから構成されていてもよく、１〜２個のダブルパンケーキコイルから構成されていてもよく、５個以上のダブルパンケーキコイルから構成されていてもよい。また、ダブルパンケーキコイルから形成されるのではなく、パンケーキコイルが複数個積層され、各パンケーキコイル間に冷却板が配置されていてもよい。
【００６０】
図７に示す超電導コイル１０Ｂでは、ドーナツ盤状の冷却板１２の径方向の大きさが、ダブルパンケーキコイルの径と略同一とされている。本発明において冷却板の形状および寸法は特に制限されず適宜変更可能であるが、図７に示すように、冷却板１２とダブルパンケーキコイル１１の径方向の大きさが略同一とされている場合、超電導コイル１０が小型化され、好ましい。
また、本発明において、光ファイバは全ての冷却板に収納されていてもよく、されていなくてもよい。少なくとも１つの冷却板に光ファイバが収納されていれば、超電導コイル１０の常電導転移を検知することができる。その場合、超電導コイル１０の冷却板１２のうち、どの冷却板１２に光ファイバ１５を収納するかは、超電導コイル１０の超電導特性に合わせて適宜調整可能である。
【００６１】
光ファイバ１５（及び冷却板１２の収納溝１３）の設置位置は、パンケーキコイルを構成する高温超電導線材１の巻回に合わせていてもよく、合わせていなくてもよい。また、光ファイバ１５は冷却板１２の径方向内側に多く配置（密に配置）されていてもよいし、径方向外側に多く配置（蜜に配置）されていてもよい。光ファイバ１５の設置位置は超電導コイル２０の超電導特性により適宜調整すればよい。
また、上記実施形態では複数のダブルパンケーキ１１の間にのみ冷却板１２が配置された例を示したが、本発明はこの例に限定されない。最上段のダブルパンケーキコイル１１の上および／または最下段のダブルパンケーキコイル１１の下に、冷却板１２（及び光ファイバ１５）を設置してもよい。
【００６２】
光ファイバは１枚の冷却板に１本配置される例に限定されず、複数本配置されていてもよい。その場合、１枚の冷却板における光ファイバの設置本数は特に制限されない。また、コイル周方向に沿う渦巻状に形成された１本の連続した収納溝１３に、１本の光ファイバ１５が収納された冷却板１２の例を示したが、本発明はこの例に限定されない。同心円状に複数の光ファイバが収納されていてもよく、同心円状の各光ファイバを接合器で接続して外部に引き出す構成としてもよい。
さらに、上記実施形態では光ファイバは冷却板の一方の面に形成された収納溝に収納される例を示したが、本発明はこの例に限定されない。冷却板１２の両面に収納溝を形成して、この溝に光ファイバを収納し、冷却板の両面に光ファイバを配置しても良い。
さらにまた、冷却板に生じる渦電流が大きくなり過ぎて冷却板の発熱が大きくなりすぎることを防ぐ目的で、冷却板にその円周方向あるいは径方向に沿う冷却用の溝を形成してもよい。
【００６３】
以上、本発明の超電導コイル装置および超電導コイルの常電導転移の検出方法について説明したが、上記実施形態において、超電導コイル装置および超電導コイルを構成する各部は一例であって、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【実施例】
【００６４】
以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００６５】
（実施例１）
幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのテープ状のハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）製の基材上に、イオンビームアシストスパッタ法（ＩＢＡＤ法）により１．２μｍ厚のＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７（ＧＺＯ；中間層）を形成した上に、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）により１．０μｍ厚のＣｅＯ２（キャップ層）を成膜した。次いでＣｅＯ２層上にＰＬＤ法により１．０μｍ厚のＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７（超電導層）を形成し、さらに超電導層上にスパッタ法により１０μｍの銀層（金属安定化基層）を形成した。その後、０．１ｍｍ厚の銅層（金属安定化層）を半田により銀層上に積層して高温超電導線材を作製した。得られた高温超電導線材の周囲に、厚さ１２．５μｍのポリイミドテープを２枚重ねた状態で、巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻きつけた。ポリイミドテープを巻回させた後の高温超電導線材の厚さは約０．２５ｍｍであった。
次いで、得られたポリイミドテープ付きの高温超電導線材を、内径７０ｍｍとして同心円状に３５回巻回させてパンケーキコイルを作製した。次に、同様の手順で５個のパンケーキコイル作製し、２個つづ同軸的に積層させて３個のダブルパンケーキコイルを作製した。
【００６６】
次に、ドーナツ盤状の銅製の冷却板（厚さ１ｍｍ、外径８７ｍｍ、中央の開口径７０ｍｍ）を準備し、この冷却板の一方の面上に切削加工により、冷却板の内側から外側へと渦巻状に連続する収納溝（幅２００μｍ、深さ２００μｍ、周回数５、径方向の溝間隔３ｍｍ）を形成し、この収納溝に外径１８０μｍのＦＢＧ方式の被覆付き光ファイバを収納し、ポリイミド製接着剤により固定して図５に示す光ファイバ付き冷却板を２枚作製した。
続いて、作製した３個のダブルパンケーキコイルと２枚の光ファイバ付き冷却板を図２に示すように同軸的に積層させて、高さ３５ｍｍ、総ターン数２１０ターン（３５ターン×６）の超電導コイルを作製した。
【００６７】
（比較例１）
実施例１と同様にして高温超電導線材を作製し、この高温超電導線材の金属安定化層の上に外径１８０μｍのＦＢＧ方式の被覆付き光ファイバを配置した。そして、光ファイバが一体化された高温超電導線材の周囲に厚さ１２．５μｍのポリイミドテープを２枚重ねた状態で、巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻きつけた。ポリイミドテープを巻回させた後の高温超電導線材の厚さは約０．３ｍｍであった。
【００６８】
次に、上記と同様にして計６本のポリイミドテープ付きの高温超電導線材を作製し、冷却板に光ファイバを収納しないこと以外は、実施例１と同様にして、同軸的に積層された３個のダブルパンケーキコイルの間に２枚冷却板が配置された構造の、高さ３５ｍｍ、総ターン数２１０ターン（３５ターン×６）の超電導コイルを作製した。
【００６９】
実施例１および比較例１の超電導コイルについて、温度２０Ｋにおいて１００Ａおよび３００Ａの電流を通電した際の、各超電導コイルの中心磁界を測定した。結果を表１に示す。また、実施例１および比較例１の超電導コイルの外径と使用線材長も表１に併記した。
【００７０】
【表１】
【００７１】
表１の結果より、本発明の超電導コイル装置が備える超電導コイルである実施例１では、比較例１に比較して、同じ通電電流に対する中心磁界が強くなっており、電流密度が高いことが確認された。また、実施例の超電導コイルは、光ファイバを冷却板に収納した構成であるため、比較例の超電導コイルよりもコイル外径が小さく、使用線材長も少なくなっていた。
これに対し、比較例１は、高温超電導線材の上面に光ファイバが設けられているため、該超電導線材を巻回させた超電導コイルでは、その径方向に隣接する各高温超電導線材間に光ファイバが存在するので、各高温超電導線材間の距離が大きくなっていた。そのため、比較例の超電導コイル外径は大きくなり、使用線材長も長くなっていた。また、各高温超電導線材間の距離が大きくなるので、コイルの電流密度も低下し、中心磁界が弱くなっていた。
【００７２】
（検討例１）
図８に示す試験装置を使用してＦＢＧ方式の光ファイバを用いた場合の超電導転移の検知感度について検討を行った。
図８（ａ）は本検討例で用いた試験装置の概略構成図であり、図８（ｂ）は同試験装置における光ファイバのＦＢＧとヒータとの位置関係を示す概略模式図である。図８（ａ）および図８（ｂ）において、図１に示す超電導コイル装置２０と同一の構成要素には同一の符号を付した。
図８に示す試験装置４０は、超電導コイル１０の代わりに、冷凍機２８に接続された真鍮製巻胴４５に高温超電導線材１が巻き付けられ、この高温超電導線材１にヒータ４３とＦＢＧ方式の光ファイバ４１が接着固定されている点で、図１に示す超電導コイル装置２０とは異なっている。
【００７３】
実施例１と同様の手法および層構成で高温超電導線材１を作製した。得られた高温超電導線材１を、直径１１０ｍｍの巻胴４５に基材（ハステロイ）側を内側にしてコイル状に巻き付け固定し、高温超電導線材１の両端部を電力リード２４を介して電源２５に接続した。次に、この高温超電導線材１の金属安定化層（銅層）上に、ファイバブラッググレーティング４２が形成された光ファイバ４１をポリイミド接着剤により固定し、さらに、高温超電導線材１の金属安定化層（銅層）上に、図８（ｂ）に示すように、ヒータ４３配置した。なお、ヒータ４３と光ファイバ４１との距離は１０ｍｍ、ファイバブラッググレーティングは５ｍｍ幅、光ファイバ４１への入射光の波長は１．５５μｍとした。
【００７４】
収容容器２１に接続された真空ポンプ（図示略）を作動させて真空断熱し、冷凍機２８を作動させて巻胴４５および高温超電導線材１の温度を７２．４Ｋに保持した。この状態で検出器２２を作動させて測定を開始し、測定開始時から３．８秒後から１秒間ヒータ４３に通電した。図９に測定結果のグラフを示す。図９に示すように、ヒータ４３に通電後直ちにＦＢＧ方式の光ファイバ４２により高温超電導線材１の金属安定化層（銅層）温度上昇が検知されていた。温度上昇は僅か３〜４Ｋであったが、このような小さな温度変化でも即座に検知できることが確認された。さらに、冷凍機２８による冷却温度を２０〜３００Ｋまで変化させて、同様の検討を行ったところ、ＦＢＧ方式の光ファイバ４１により、数Ｋの温度変化でも良好な精度で検知できることを確認した。
また、銅などの金属の熱膨張（線膨張）をＦＢＧ方式の光ファイバにより検知する場合、金属層の厚さが厚いほど検知感度が向上する。そのため、本検討例の結果より厚さ０．１ｍｍの銅層の温度変化も検知できることが明らかであることより、厚さ０．１ｍｍ以上の冷却板にＦＢＧ方式の光ファイバを埋め込む構成の本発明によれば、冷却板の温度変化、すなわち、常電導転移の検知をより高精度に行うことができると考えられる。
【００７５】
（検討例２）
実施例１と同様の手法および層構成で３個のダブルパンケーキコイルを作製した。次に、作製した３個のダブルパンケーキコイルを同軸的に積層させてコイル体とし、このコイル体の積層方向の上下端に、厚さ１ｍｍの無酸素銅製の平板状冷却板を該コイル体を上下方向から挟み込むように設置した。次いで、コイル体上端に設置した冷却板上に、ＦＢＧが１箇所書き込まれたＦＢＧ方式の光ファイバをポリイミド接着剤により固定して超電導コイルを作製した。
【００７６】
次に、作製した超電導コイルを伝導冷却のための冷凍機を配したクライオスタットに取り付け、３０Ｋまで冷凍機により伝導冷却を行った。続いて、３０Ｋで温度一定となった時点で超電導コイルに通電（電流値２００Ａ）し、この時のコイル中心磁界が０．６０５Ｔであることを確認した。通電状態を１０分間保持後、通電電流を遮断したときのＦＢＧの波長変化を温度に換算することにより温度上昇を調査した。図１０は、ＦＢＧ波長変化より算出した超電導コイルの温度変化を示すグラフである。なお、図１０において、１６秒のところで通電電流の遮断を行った。
図１０に示すように、１Ｋ程度の温度変化が、良好な応答精度で測定されていた。この結果より、ＦＢＧ方式の光ファイバは、このような急激な磁場変化により発生する渦電流に起因する温度変化を精度良く検知できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、例えば超電導モータ、限流器など、各種超電導機器に用いられる超電導コイルに利用することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１…高温超電導線材、２…基材、３…中間層、４…超電導層、５…安定化層、１０、１０Ｂ…超電導コイル、１１…ダブルパンケーキコイル、１１ａ、１１ｂ…パンケーキコイル、１２…冷却板、１２ａ…接続部、１３…収納溝、１５…光ファイバ、１６…接着層、２０…超電導コイル装置、２１…収容容器、２３…真空ポンプ、２４…電力リード、２５…電源、２６…熱伝導バー、２７…鍔板、２８…冷凍機。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイル装置、及び超電導コイルの常電導転移の検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮｂＴｉ等の合金系超電導体やＮｂ３Ｓｎ等の化合物系超電導体などの金属系の低温超電導体を使用した低温超電導コイルは、超電導体の臨界温度が１０Ｋ以下と低いため、運転温度は４Ｋ程度と極低温であり、比熱が小さい。そのため、低温超電導コイルにおいて何らかの原因で超電導状態から常電導状態へ遷移する常電導転移が発生すると、ジュール熱が発生して超電導コイルの温度が上昇し、これにより臨界電流が低下して発熱し、さらに温度が上昇する。このような発熱と温度上昇が繰り返されると、急激な常電導転移（クエンチ）が発生して、超電導コイルの常電導領域が拡大してしまい、超電導特性の低下やコイルの損傷につながる可能性がある。そのため、超電導コイルにおける常電導転移の発生を確実かつ速やかに検出して常電導領域の拡大を防ぐことが重要である。金属系の低温超電導体を使用した低温超電導コイルにおける常電導転移の検出手法としては、常電導転移により発生した電圧を検知する方法や、バランス電圧を検知する方法が知られている。
【０００３】
しかし、Ｂｉ系やＹ系に代表されるような酸化物超電導体は、臨界温度が１００Ｋ程度の高温超電導体であるため、運転温度は２０Ｋ以上が想定される。金属系の低温超電導体と比較すると運転温度での比熱が大きく、常電導転移した際の伝搬速度が遅くなる。そのため、従来の電圧測定による検出法では、常電導転移の発生を感度良く検出できない可能性がある。
電圧測定による検出法ではなく、電磁的にノイズに強い常電導転移検出法として、温度に依存して内部の光学的伝播状態が変化する光ファイバを使用した手法が提案されている（特許文献１、非特許文献１参照）。また、超電導線に沿って光ファイバを配置し、これらの超電導線と光ファイバを共巻きしてコイルとし、光ファイバからのブルリアン散乱光に基づいて超電導線の温度分布を測定する技術も提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−１９０３１３号公報
【特許文献２】特開２００７−１４１７１３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】フジクラ技報８０号 １９９１年４月 第１頁〜第６頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１および非特許文献１では、２つのコアを有した光ファイバを伝搬するレーザ光で干渉系を組み、レーザ光の位相変化により１０Ｋ程度の温度上昇を検出する方法が提案されている。しかしながら、この検出方法では、温度上昇の光ファイバ加熱長が２〜６ｍと長く、大型の超電導コイルには適用可能であるが、数ｃｍ程度の微小な区間の温度上昇を検知するのは困難と考えられる。
【０００７】
また、特許文献２では、超電導線と光ファイバを共巻きして超電導コイルとしている。そのため、超電導コイルの径方向に隣接する各超電導線間に光ファイバが存在するため、超電導線を巻線する密度が粗くなってしまう。その結果、電流密度が下がるので超電導コイルが発生する磁場が低下し、超電導特性が低下してしまうことが考えられる。
【０００８】
本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、超電導特性を低下させること無く、超電導コイルの常電導転移（クエンチ）を良好な精度で検知可能な超電導コイル装置、及び超電導コイルの常電導転移の検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の超電導コイル装置は、高温超電導線材を巻回した複数のコイルと、導電性の冷却板と、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）方式の光ファイバとを備え、前記複数のコイルが同軸的に積層され、これら複数のコイルの積層方向に少なくとも１つのコイルに接するように前記冷却板が配置され、前記冷却板に前記コイルの周方向に沿って形成された収納溝に前記光ファイバが収納されてなることを特徴とする。
本発明によれば、ＦＢＧ方式の光ファイバが冷却板の収納溝に収納されていることにより、超電導転移発生時に導電性の冷却板に渦電流が発生することに起因する冷却板の発熱および熱膨張を、ＦＢＧ方式の光ファイバを用いて歪の発生又は熱の発生として検知し、超電導コイルの常電導転移（クエンチ）の発生を良好な精度および応答性で検出することができる超電導コイル装置を提供できる。
【００１０】
また、本発明の超電導コイル装置は、超電導コイルの常電導転移を検知する光ファイバが冷却板の収納溝に収納されている構成である。そのため、特許文献２に記載の技術のように光ファイバと超電導線材を共巻きして形成された超電導コイルとは異なり、高温超電導線材が高密度で巻回された超電導コイルとすることができ、電流密度および中心磁界強さなどの超電導特性を低下させることがない超電導コイル装置を提供できる。
【００１１】
本発明の超電導コイル装置において、前記冷却板の熱膨張又は熱収縮により前記光ファイバに歪が負荷されるように、前記光ファイバが前記収納溝に固定されてなることが好ましい。
常電導転移発生時に冷却板に渦電流が流れてジュール発熱し、冷却板の温度が上昇し、熱膨張が発生する。前記構成の場合、冷却板の熱膨張に伴い光ファイバに歪が負荷されるように固定されることにより、冷却板の熱膨張に伴い光ファイバに形成されたグレーティング（格子）間隔が良好な応答性で変化するため、ＦＢＧ方式の光ファイバからの反射光の波長変化を検出することによって、より良好な精度および応答性で常電導転移を検出することができる。
【００１２】
本発明の超電導コイル装置において、前記冷却板に前記コイルの周方向に沿って渦巻状に形成された前記収納溝に、前記光ファイバが収納されてなることもできる。
この場合、冷却板の内周から外周まで様々な場所にＦＢＧ方式の光ファイバが配置されるので、常電導転移発生時に導電性の冷却板に発生する渦電流に伴う発熱および熱膨張をより効果的に検出することができ、常電導転移の検出の精度および応答性をより向上させることができる。
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の超電導コイルの常電導転移の検出方法は、高温超電導線材を巻回した複数のコイルを同軸的に積層させてなる超電導コイルの常電導転移の検出方法であって、前記コイルの周方向に沿う収納溝が形成され、この収納溝にＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）方式の光ファイバが収納された導電性の冷却板を前記複数のコイルの積層方向に少なくとも１つのコイルに接するように配置し、前記冷却板の熱膨張又は熱収縮に伴う前記ＦＢＧ方式の光ファイバからの反射光の波長変化に基づいて、前記超電導コイルにおける常電導転位の発生に伴う前記冷却板の温度変化を検出することを特徴とする。
【００１４】
本発明の超電導コイルの常電導転移の検出方法は、ＦＢＧ方式の光ファイバを収納溝に収納した導電性の冷却板を用い、この光ファイバからの反射光の変化を検出する構成としたことにより、万一超電導コイルで常電導転移が発生した場合に超電導転移の発生に起因する冷却板の発熱および熱膨張を検知し、超電導コイルの常電導転移（クエンチ）の発生を、良好な精度および応答性で検出することができる。
【００１５】
本発明の超電導コイルの常電導転移の検出方法において、前記冷却板の熱膨張又は熱収縮により前記光ファイバに歪が負荷されるように、前記光ファイバを前記収納溝に固定してなる冷却板を用いることが好ましい。
この構成の場合、常電導転移発生時の冷却板の熱膨張に伴い光ファイバに形成されたグレーティング（格子）間隔が良好な応答性で変化するため、ＦＢＧ方式の光ファイバからの反射光の波長変化を検出することによって、より良好な精度および応答性で常電導転移を検出することができる。
本発明の超電導コイルの常電導転移の検出方法において、前記コイルの周方向に沿って渦巻状に形成された前記収納溝に、前記光ファイバを収納してなる冷却板を用いることもできる。
この場合、冷却板の内周から外周まで様々な場所にＦＢＧ方式の光ファイバが配置するので、常電導転移発生時に導電性の冷却板に発生する渦電流に伴う発熱および熱膨張をより効果的に検出することができ、常電導転移の検出の精度および応答性をより向上させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、超電導特性を低下させること無く、超電導コイルの常電導転移（クエンチ）を良好な精度で検出可能な超電導コイル装置、及び超電導コイルの常電導転移の検出方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の超電導コイル装置の一例構造を示す概略模式図である。
【図２】図１に示す超電導コイル装置が備える超電導コイルの一例構造を示す概略斜視図である。
【図３】図２に示す超電導コイルの分解斜視図である。
【図４】図２に示す超電導コイルを構成するパンケーキコイルに使用される高温超電導線材の一例構造を示す概略斜視図。
【図５】図２に示す超電導コイルが備える冷却板の一例構造を示す平面模式図である。
【図６】図５に示す冷却板のＡ−Ａ’線に沿う部分断面模式図である。
【図７】本発明に係る超電導コイル装置が備える超電導コイルの他の例を示す概略斜視図である。
【図８】図８（ａ）は検討例１で用いた試験装置の概略構成図であり、図８（ｂ）は同試験装置における光ファイバのＦＢＧとヒータとの位置関係を示す概略模式図である。
【図９】検討例１の結果を示すグラフである。
【図１０】検討例２の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る超電導コイル装置および超電導コイルの常電導転移の検出方法について図面に基づいて説明する。
図１は本発明の超電導コイル装置の一例構造を示す概略模式図であり、図２は図１に示す超電導コイル装置が備える超電導コイルの一例構造を示す概略斜視図であり、図３は図２に示す超電導コイルの分解斜視図である。
【００１９】
本実施形態の超電導コイル装置２０は、真空容器などの収容容器２１の内部に配置された超電導コイル１０と、収容容器２１の内部の超電導コイル１０を臨界温度以下に冷却するための冷凍機２８と、超電導コイル１０の常電導転移を検出するための検出部２２を備えて構成されている。本実施形態の収容容器２１は、真空ポンプ２５に接続されていて、内部を目的の真空度に減圧できるように構成されている。また、超電導コイル１０は収容容器２１の外部の電源２５に接続されており、この電源２５から超電導コイル１０に通電できるようになっている。
【００２０】
超電導コイル１０は、同一径のドーナツ状のダブルパンケーキコイル１０が３個同軸的に積層され、各ダブルパンケーキコイル１１、１１間にドーナツ盤状の導電性の冷却板１２が配置されて構成されている。超電導コイル１０は、銅などの良導電性材料製の２枚の鍔板２７により上下方向より挟まれており、超電導コイル１０の冷却板１２の外周に形成された接続部１２ａは、鍔板２７、２７間に配置された良導電性材料よりなる熱伝導バー２６に接続されている。冷凍機２８と鍔板２７と熱伝導バー２６と冷却板１２の接続部１２ａは接続されており、これにより、冷凍機２８により冷却板１２が伝導冷却され、さらに、冷却板１２により超電導コイル２０全体が冷却される構成となっている。
【００２１】
本実施形態の超電導コイル装置２０が備える超電導コイル１０は、図２および図３に示す如く、高温超電導線材が巻回されたパンケーキコイル１１ａ、１１ｂが同軸的に積層されたダブルパンケーキコイル１１を複数個（図２および図３では３個）備え、これらのダブルパンケーキコイル１１の間にダブルパンケーキコイル１１に接するように、ドーナツ盤状であって、パンケーキコイル１１より外径の若干大きな冷却板１２が複数個（図２および図３では２個）介在するように配置され構成されている。
【００２２】
図４は超電導コイル１０を構成する各パンケーキコイル１１ａ、１１ｂに使用される高温超電導線材の一例構造を示す概略斜視図である。
図４に示す高温超電導線材１は、長尺テープ状の基材２上に、中間層３、超電導層４及び安定化層４がこの順に積層されてなる。
【００２３】
基材２は、通常の超電導線材の基材として使用し得るものであれば良く、長尺のプレート状又はシート状であることが好ましく、耐熱性の金属からなるものが好ましい。耐熱性の金属の中でも、合金が好ましく、ニッケル（Ｎｉ）合金又は銅（Ｃｕ）合金がより好ましい。なかでも、市販品であればハステロイ（商品名、ヘインズ社製）が好適であり、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。また、基材２としてニッケル（Ｎｉ）合金などに集合組織を導入した配向金属基材を用い、その上に中間層３および超電導層４を形成してもよい。
基材２の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍであることが好ましく、２０〜２００μｍであることがより好ましい。下限値以上とすることで強度が一層向上し、上限値以下とすることで臨界電流密度を一層向上させることができる。
【００２４】
中間層３は、超電導層４の結晶配向性を制御し、基材２中の金属元素の超電導層４への拡散を防止するものである。さらに、基材２と超電導層４との物理的特性（熱膨張率や格子定数等）の差を緩和するバッファー層として機能し、その材質は、物理的特性が基材２と超電導層４との中間的な値を示す金属酸化物が好ましい。中間層３の好ましい材質として具体的には、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等の金属酸化物が例示できる。
中間層３は、単層でも良いし、複数層でも良い。例えば、前記金属酸化物からなる層（金属酸化物層）は、結晶配向性を有していることが好ましく、複数層である場合には、最外層（最も超電導層４に近い層）が少なくとも結晶配向性を有していることが好ましい。
【００２５】
中間層３は、基材２側にベッド層が介在された複数層構造でもよい。ベッド層は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するためのものであり、その上に配される膜の配向性を得るために用いる。このようなベッド層は、必要に応じて配され、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、「アルミナ」とも呼ぶ）等から構成される。このベッド層は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、その厚さは例えば１０〜２００ｎｍである。
【００２６】
さらに、本発明において、中間層３は、基材２側に拡散防止層とベッド層が積層された複数層構造でもよい。この場合、基材２とベッド層との間に拡散防止層が介在された構造となる。拡散防止層は、基材２の構成元素拡散を防止する目的で形成されたもので、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、あるいは希土類金属酸化物等から構成され、その厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。なお、拡散防止層の結晶性は問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すればよい。
このように基材２とベッド層との間に拡散防止層を介在させることにより、中間層３を構成する他の層や超電導層４等を形成する際に、必然的に加熱されたり、熱処理される結果として熱履歴を受ける場合に、基材２の構成元素の一部がベッド層を介して超電導層４側に拡散することを効果的に抑制することができる。基材２とベッド層との間に拡散防止層を介在させる場合の例としては、拡散防止層としてＡｌ２Ｏ３、ベッド層としてＹ２Ｏ３を用いる組み合わせを例示することができる。
【００２７】
また中間層３は、前記金属酸化物層の上に、さらにキャップ層が積層された複数層構造でも良い。キャップ層は、超電導層４の配向性を制御する機能を有するとともに、超電導層４を構成する元素の中間層３への拡散や、超電導層４積層時に使用するガスと中間層３との反応を抑制する機能等を有するものである。そして、前記金属酸化物層により配向性が制御される。
【００２８】
キャップ層は、前記金属酸化物層の表面に対してエピタキシャル成長し、その後、横方向（面方向）に粒成長（オーバーグロース）して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て形成されたものが好ましい。このようなキャップ層は、前記金属酸化物層よりも高い面内配向度が得られる。
キャップ層の材質は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等が例示できる。キャップ層の材質がＣｅＯ２である場合、キャップ層は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。
キャップ層は、ＰＬＤ法（パルスレーザ蒸着法）、スパッタリング法等で成膜することができるが、大きな成膜速度を得られる点でＰＬＤ法を用いることが好ましい。
【００２９】
中間層３の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良いが、通常は、０．１〜５μｍである。
中間層３が、前記金属酸化物層の上にキャップ層が積層された複数層構造である場合には、キャップ層の厚さは、通常は、０．１〜１．５μｍである。
【００３０】
中間層３は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、イオンビームアシストスパッタ法（以下、ＩＢＡＤ法と略記する）等の物理的蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、塗布熱分解法（ＭＯＤ法）、溶射等、酸化物薄膜を形成する公知の方法で積層できる。特に、ＩＢＡＤ法で形成された前記金属酸化物層は、結晶配向性が高く、超電導層４やキャップ層の結晶配向性を制御する効果が高い点で好ましい。ＩＢＡＤ法とは、蒸着時に、結晶の蒸着面に対して所定の角度でイオンビームを照射することにより、結晶軸を配向させる方法である。通常は、イオンビームとして、アルゴン（Ａｒ）イオンビームを使用する。例えば、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ又はＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）からなる中間層３は、ＩＢＡＤ法における配向度を表す指標であるΔΦ（ＦＷＨＭ：半値全幅）の値を小さくできるため、特に好適である。
【００３１】
超電導層４は通常知られている組成の高温超電導体からなるものを広く適用することができ、酸化物超電導体からなるものが好ましい。具体的には、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）なる材質のものが例示できる。また、その他の酸化物超電導体、例えば、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ４＋２ｎ＋δなる組成等に代表される臨界温度の高い他の酸化物超電導体からなるものを用いても良いのは勿論である。
超電導層４は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法等の物理的蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、塗布熱分解法（ＭＯＤ法）等で積層でき、なかでもレーザ蒸着法が好ましい。
超電導層４の厚みは、０．５〜５μｍ程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
【００３２】
安定化層５は、超電導層４の一部領域が常電導状態に遷移しようとした場合に、電流のバイパス路として機能することで、超電導層４を安定化させて焼損に至らないようにする、主たる構成要素である。
安定化層５は、導電性が良好な金属からなるものが好ましく、具体的には、銀、銀合金、銅又は銅合金などからなるものが例示できる。安定化層５は１層構造でも良いし、２層以上の積層構造であってもよい。
安定化層５は、公知の方法で積層できるが、銀層をメッキやスパッタ法で形成し、その上に銅テープなどを貼り合わせるなどの方法を採用できる。安定化層５の厚さは、３〜３００μｍの範囲とすることができる。
【００３３】
このような構成の高温超電導線材１は、さらにその外周面を絶縁層で被覆することで、各パンケーキコイルを構成する高温超電導線材とすることができる。
絶縁層は、通常使用される各種樹脂等、公知の材質からなるものである。前記樹脂として具体的には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂、ケイ素樹脂、シリコン樹脂、アルキッド樹脂、ビニル樹脂等が例示できる。絶縁層による被覆の厚さは特に限定されず、被覆対象部位等に応じて、適宜調節すれば良い。絶縁層は、その材質に応じて公知の方法で形成すれば良く、例えば、原料を塗布して、これを硬化させれば良い。また、シート状のものが入手できる場合には、これを使用して被覆しても良い。
【００３４】
この様な構成のテープ状の高温超電導線材１が巻回されて各パンケーキコイル１１ａ、１１ｂを形成し、このパンケーキコイル１１ａ、１１ｂが２個積層されてダブルパンケーキコイル１１を成し、このダブルパンケーキコイル１１が複数積層されて超電導コイル１０を構成する。
【００３５】
ダブルパンケーキコイル１１は、パンケーキコイル１１ａ上にパンケーキコイル１１ｂが同軸的に積層されてなる。パンケーキコイル１１ａは、高温超電導線材１が安定化層５側を外側にして同心円状に時計周りに巻回され形成されている。パンケーキコイル１１ｂは、高温超電導線材１が安定化層５を外側にして同心円状に反時計回りに巻回され形成されている。パンケーキコイル１１ａとパンケーキコイル１１ｂは、巻回始端または巻回終端で銅などの良導電性材料よりなる接続部材（図示略）でその超電導層４同士あるいは安定化層５同士が、電気的および機械的に接続されている。
【００３６】
また、超電導コイル１０において、各ダブルパンケーキコイル１１は隣接するダブルパンケーキコイル１１（すなわち、隣接するパンケーキコイル１１ａとパンケーキコイル１１ｂ）の巻回方向が逆とされており、その巻回始端または巻回終端で銅などの良導電性材料よりなる接続部材（図示略）でその超電導層４同士あるいは安定化層５同士が、電気的および機械的に接続されおり、超電導コイル１０全体にわたって電流を流すことができるように接続されている。図１に示す如く、本実施形態の超電導コイル装置２０は、超電導コイル１０を構成する電気的、機械的に接続された複数のパンケーキコイル１１の両端部は電力リード２４を介して収容容器２１の外部に設置された電源２５に接続されている。
【００３７】
ここで、各パンケーキコイル１１ａ、１１ｂを構成する高温超電導線材は同じ層構成（設けられる層の種類および構成材料が同じ）であってもよく、異なる層構成であってもよいが、同じ層構成とする方が生産プロセスが簡便である。
【００３８】
図２および図３に示す如く超電導コイル１０において、各ダブルパンケーキコイル１１間には略ドーナツ盤状の冷却板１２が配置されている。
図５は超電導コイル１０が備える冷却板１２の一例構造を示す平面模式図であり、図６は図５に示す冷却板１２のＡ−Ａ’線に沿う部分断面模式図である。
【００３９】
冷却板１２はその外周に設けられた接続部１２ａを介して超電導コイル装置２０の冷凍機２８に接続可能とされており、冷凍機２８からの伝導冷却により超電導コイル１０をその臨界温度以下に冷却することができる。
導電性の冷却板１２および接続部１２ａは良熱伝導性の金属材料より形成されている。冷却板１２および接続部１２ａを構成する金属材料は特に制限されず、適宜変更可能であるが、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、黄銅、リン青銅などの銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金などが挙げられる。
【００４０】
冷却板１２の形状および寸法はパンケーキコイル１１ａ、１１ｂの形状および寸法に合わせて適宜変更可能である。冷却板１２の厚さは、厚くなるほど、超電導コイル１０における常電導転移（クエンチ）の発生を検知する感度が高くなる傾向がある。本発明者は冷却板１２の厚さが０．１ｍｍ程度の場合にもクエンチを検知可能であることを知見している。そのため、冷却板１２の厚さは０．１ｍｍ以上とすることが好ましいが、後述の如く冷却板１２中に光ファイバ１５を収納する必要があること、超電導コイル１０の冷却効率などを勘案すると、冷却板１２の厚さは０．５ｍｍ〜１ｍｍの範囲とすることが好ましいが、本発明はこの範囲に限定されず超電導コイル１０の寸法により適宜変更可能である。また、冷却板１２の接続部１２ａの形状も特に制限されず、適宜変更可能である。
【００４１】
図５および図６に示す如く冷却板１２の一方の面には、ドーナツ盤状の冷却板１２の内周側から外周側に向かい円周方向に沿って（パンケーキコイル１１ａ、１１ｂの周方向に沿って）渦巻状に収納溝１３が形成されている。この収納溝１３にはＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）方式の光ファイバ１５が収納されており、その端部１５ａ、１５ｂは超電導コイル装置２０の検出部２２に接続されている。光ファイバ１５は冷却板１２の収納溝１３に接着層１６により固定されている。
【００４２】
光ファイバ１５としては、コアとクラッドからなる構成を有し、コアにその長手方向に沿って複数のファイバブラッググレーティング部が形成されたＦＢＧ方式の光ファイバであれば特に制限されず、従来公知の材質および構成のＦＢＧ方式の光ファイバを使用することができる。
光ファイバ１５に形成されたグレーティング（回折格子）の周期（間隔）及び１つのグレーティングの長さは、光ファイバ１５の材質や入射光の波長および反射光の波長（ブラッグ波長）などにより適宜調整すればよい。一例として、グレーディング部の間隔は数ｍｍ〜数十ｍｍとすることができ、グレーティング部の長さは５〜１０ｍｍとすることができる。
【００４３】
光ファイバ１５の外周部は、ポリイミド等の被覆材により被覆されていても良いし、被覆されていなくても良い。また、光ファイバ１５の直径は特に制限されず適宜変更可能であるが、通常、その直径は数十〜１２５μｍ程度である。
【００４４】
冷却板１２へ収納溝１３を形成する方法は特に制限されず従来公知の方法を適用でき、例えば、レーザ加工や切削加工等により形成することができ、あるいは冷却板１２が鋳造可能な金属の場合には、冷却板１２を鋳造によって製造する際に同時に形成してもよい。
収納溝１３の深さは、光ファイバ１５の径に合わせて適宜調整可能であり、光ファイバ１５の径をｄとし、収納溝１３の深さをＬとした場合、ｄ≦Ｌであることが好ましい。光ファイバ１５の一部が、冷却板１２の上面よりも突出する構造とすることも可能であるが、前記のようにｄ≦Ｌとし、冷却板１２の内部に光ファイバ１５が配されている構造とする方が、光ファイバ１５と冷却板１２の接触面積を増加できるので、クエンチ検知の精度を向上できる。また、冷却板１２とダブルパンケーキコイル１１を隙間無く接触させて超電導コイル１０の冷却効率を向上でき、且つ、超電導コイル１０を小型化できる。
【００４５】
光ファイバ１５は、接着層１６により冷却板に固定されている。接着層１６は、低温でも光ファイバ１５を保護できるように、低温での耐久性が優れ、かつヤング率の高い材質が好ましい。接着層１６としては、ポリイミド等の樹脂やろう材、接合用金属等が挙げられる。
光ファイバ１５はその長さ方向全体が接着層１５により固定されていてもよいが、冷却板１２の熱膨張又は熱収縮に応じて光ファイバ１５に歪が負荷されるのに充分な程度に固定されるならば、光ファイバ１５の長さ方向に沿って数箇所、部分的に接着層１６により固定されていてもよい。また、光ファイバ１５に張力を加えた状態で収納溝１３に光ファイバ１５を収納してもよい。
収納溝１３への光ファイバ１５の設置方法は、収納溝１３の幅を光ファイバ１５の径とほぼ同等、或いは僅かに大きく設定して、光ファイバ１５を収納溝１３に収納して接着剤により接着層１６を形成して固定すればよい。
なお、光ファイバ１５は接着層１６により固定されている例に限定されず、冷却板１２の伸縮（熱膨張又は熱収縮）により光ファイバ１５に歪が負荷されるように冷却板１２に固定されていればよく、収納溝１３にはめ込まれている構成でもよい。
【００４６】
ＦＢＧ方式の光ファイバ１５に温度変化が生じると、光ファイバ１５の屈折率や、光ファイバ１５に形成されたグレーティング（格子）の間隔が変化し、グレーティングからの反射光の波長（ブラッグ波長）が変化する。屈折率の変化は光ファイバ１５の材質に依存するものであり、光ファイバ１５の被覆材や接着固定される対象物にはほとんど依存しない。一方、格子間隔の変化は、光ファイバ１５の長手方向に沿った変形（伸縮）によって起こるため、光ファイバ１５の接着固定される対象物の熱膨張又は熱収縮に伴う歪に依存する。
本実施形態の超電導コイル装置２０の超電導コイル１０において、ＦＢＧを形成した光ファイバ１５は冷却板１２に固定されており、冷却板１２を構成する銅などの金属材料の線膨張係数が大きいため、温度上昇により大きな熱膨張（線膨張）が発生する。つまり、冷却板１２の温度上昇時には、冷却板１２の熱膨張（線膨張）によりＦＢＧの格子間隔が伸び、グレーティング（格子）からの反射波長（ブラッグ波長）が長波長側にシフトする。
【００４７】
本実施形態の超電導コイル１０において、万が一何らかの理由により常電導転移（クエンチ）が起こった場合、クエンチ発生に伴う超電導コイル１０内の磁界の変化を打ち消す方向に磁界を発生させる電磁誘導効果により導電性の冷却板１２に渦電流が生じる。例えば、超電導コイル１０に電源２５より通電することにより超電導コイル１０内に上向きの磁界Ｔが発生している際に、何らかに理由により超電導転移が発生して上向き磁界Ｔが弱まり磁界Ｔ１になったとする。この場合、発生した磁界の変化を打ち消して、弱まった磁界Ｔ１を元の磁界Ｔとするべく、変化分の上向き方向磁界を発生させるために、冷却板１２には上から見て反時計回りの渦電流が発生する。
このような渦電流が冷却板１２に流れることにより、電流値と抵抗値に応じたジュール熱が発生し、冷却板１２が発熱する。そして、この発熱により、冷却板１２の熱膨張（線膨張）が起こる。
【００４８】
本実施形態の超電導コイル装置２０においては、冷却板１２に形成された収納溝１３にＦＢＧ方式の光ファイバ１５が固定され配置されているため、上記した超電導コイル１０の常電導転移発生に伴い冷却板１２において渦電流の発生および発熱が起こると、冷却板１２の発熱による熱膨張（線膨張）によりＦＢＧの格子間隔が伸び、グレーティングからの反射波長（ブラッグ波長）が長波長側にシフトする。
【００４９】
図１に示す如く超電導コイル１０の冷却板１２に収納された光ファイバ１５は、収容容器２１の外部の検出部２２に接続されている。この検出部２２は、光源と、光部品と、分光素子と、受光素子とで構成されている。検出部２２の光部品は、光源からの光を光ファイバ１５に入射するとともに、光ファイバ１５のファイバフラッググレーティング（ＦＢＧ）からの反射光を分光素子に入射する。検出部２２では、光ファイバ１５に測定光を入射するとともに、光ファイバ１５からの反射光を分光素子により分光して、分光された光を受光素子において受光して電気信号に変換する。
【００５０】
このような構成の検出部２２により、光ファイバ１５からの反射光の波長（ブラッグ波長）を検出し、この波長の変化により、冷却板の熱膨張（線膨張）、すなわち、冷却板の温度上昇と超電導コイル１０の超電導転移（クエンチ）を検出することができる。なお、事前に反射光の波長変化（ブラッグ波長変化）の温度依存性の関係式を求めておくことにより、検出部２２で検出された光ファイバ１５の反射光の波長変化に基づいて、冷却板１２の温度変化を算出することができる。
【００５１】
冷却板１２の熱膨張（線膨張）は、発熱に対して極めて早い速度で発生する。本実施形態の超電導コイル装置２０は、万一超電導コイル１０で常電導転移が発生した場合にも、ＦＢＧ方式の光ファイバ１５が冷却板１２の収納溝１６に収納されていることにより、超電導転移の発生に起因する冷却板１２の発熱および熱膨張（線膨張）を検知し、超電導コイル１０の常電導転移（クエンチ）の発生を、良好な精度および応答性で検出することができる。なお、ＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation Domain Analysis）方式の光ファイバを用いた場合は、５０Ｋ以下の温度での検知感度が低下する傾向にある。そのため、本実施形態の超電導コイル装置２０のように、ＦＢＧ方式の光ファイバ１５を用いることが好ましい。ここで、ＢＯＣＤＡ方式とは、温度変化に応じたブリルアン散乱光の周波数変化により温度を測定する方式である。
【００５２】
本発明の超電導コイル装置は、上記実施形態に限定されず、光ファイバ１５は冷却板１２の収納溝１６に収納され、冷却板１２に接触していれば接着層１６により固定されていなくても超電導転移に伴う冷却板の温度変化を検知可能である。しかしながら、本実施形態の光ファイバ１５はＦＢＧ方式であり、冷却板１２の熱膨張（線膨張）の変化によりブラッグ波長が変化し、この波長変化により冷却板１２の温度変化を検知する方式である。そのため、光ファイバ１５は冷却板１２に接着固定されていることが好ましい。これにより、より良好な精度および応答性で常電導転移を検出することができる。
【００５３】
また、本実施形態の超電導コイル装置２０は、超電導コイル１０の常電導転移を検知する光ファイバ１５が冷却板１２の収納溝１３に収納されている構成である。そのため、特許文献２に記載の技術のように光ファイバと超電導線材を共巻きして形成された超電導コイルとは異なり、高温超電導線材が高密度で巻回された超電導コイル２０とすることができ、電流密度および中心磁界強さなどの超電導特性を低下させることがない超電導コイルおよび超電導コイル装置とすることができる。
さらに、本発明の超電導コイル装置２０は、冷却板１２にコイルの周方向に沿って渦巻状に形成された収納溝１３に、光ファイバ１５が収納されている構成とすることにより、冷却板１２の内周から外周まで様々な場所にＦＢＧ方式の光ファイバ１５が配置されるので、常電導転移発生時に導電性の冷却板１２に発生する渦電流に伴う発熱および熱膨張をより効果的に検出することができ、常電導転移の検出の精度および応答性をより向上させることができる。また、光ファイバ１５が冷却板１２に渦巻状に配置されていることにより、冷却板１２がどの方向に熱膨張（線膨張）しても光ファイバ１５に歪が負荷されるため、冷却板１２の熱膨張を良好な精度および応答性で検知でき、常電導転移をより良好な精度および応答性で検出できる。
【００５４】
次に、本発明に係る超電導コイルの常電導転移の検出方法について説明する。
本実施形態においては、上記した図１に示す超電導コイル装置２０を用いて超電導コイルの常電導転移を検出する。
まず、事前に、超電導コイル１０の冷却板１２にＦＢＧ方式の光ファイバ１５を、冷却板の熱膨張又は熱収縮により光ファイバ１５に歪が負荷されるように固定（例えば、接着固定）して、温度を変化させて、冷却板１２の温度および熱膨張（線膨張）と光ファイバ１５からの反射光の波長変化（ブラッグ波長変化）を測定し、反射光の波長変化の温度依存性の関係式を求めておく。
【００５５】
次に、真空ポンプ２３を作動させて収容容器２１内を所望の減圧度とし、冷却機２８を作動させて収容容器２１内の超電導コイル１０を臨界温度以下の目的とするべき温度、例えば７７Ｋ、５０Ｋあるいは２０Ｋの一定温度に保持する。
続いて、検出器２２を作動させて、超電導コイル１０の冷却板１２に収納された光ファイバ１５への測定光の入射および光ファイバからの反射光の受光を開始する。
次いで、超電導コイル１０を臨界温度以下の一定温度に保持した状態で、電源２５より超電導コイル１０に通電し、定常運転を行う。
【００５６】
そして、この状態で定常運転および検出部２２における光ファイバ１５からの反射光のモニタリングを行う。
この状態で、万が一超電導コイル２０において常電導転移（クエンチ）が発生すると、上述の如く、常電導転移発生に伴い冷却板１２において渦電流の発生および発熱が起こり、、冷却板１２の発熱による熱膨張（線膨張）によりＦＢＧの格子間隔が伸び、光ファイバ１５のグレーティングからの反射波長（ブラッグ波長）が長波長側にシフトし、この波長変化が検出部２２で観測される。
この反射光の波長変化を検出することにより、冷却板１２の熱膨張（線膨張）、すなわち、冷却板１２の温度上昇と超電導コイル１０の超電導転移（クエンチ）を検出することができる。
なお、この際、事前に求めた反射光の波長変化の温度依存性の関係式を用いて、検出部２２で検出された光ファイバ１５の反射光の波長変化に基づいて、冷却板１２の温度変化を算出することもできる。
【００５７】
冷却板１２の熱膨張（線膨張）は、発熱に対して極めて早い速度で発生する。本実施形態の常電導転移の検出方法は、ＦＢＧ方式の光ファイバ１５を冷却板１２の収納溝１６に収納したことにより、万一超電導コイル１０で常電導転移が発生した場合にも超電導転移の発生に起因する冷却板１２の発熱および熱膨張（線膨張）を検知し、超電導コイル１０の常電導転移（クエンチ）の発生を、良好な精度および応答性で検出することができる。
【００５８】
本発明の超電導コイル装置は上記実施形態の超電導コイル装置２０に限定されず、適宜変更可能である。
図６においては、収納溝１３の断面形状が四角形の場合を例示しているが、本実施形態はこの例に限定されるものではない。例えば、光ファイバ１５の断面形状に合わせて、収納溝１３底部の形状を円弧状等に形成することにより、光ファイバ１５と冷却板１２との接触面積を増やしてクエンチ検知の精度を向上させることができる。
【００５９】
また、上記実施形態ではダブルパンケーキコイル１１が３個積層された超電導コイル１０を示したが本発明はこの例に限定されない。図７に本発明に係る超電導コイル装置が備える超電導コイルの他の例を示す。なお、図２において、図１〜図６に示す上記実施形態の超電導コイル装置２０と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
図７に示す超電導コイル１０Ｂは、ダブルパンケーキコイル１１が４個積層され、ダブルパンケーキコイル１１、１１間に冷却板１２が配置されている。冷却板１２の一方の面には収納溝が形成され、光ファイバが収納されている。
本発明の超電導コイル装置が備える超電導コイルは、この例の如く４個のダブルパンケーキコイルから構成されていてもよく、１〜２個のダブルパンケーキコイルから構成されていてもよく、５個以上のダブルパンケーキコイルから構成されていてもよい。また、ダブルパンケーキコイルから形成されるのではなく、パンケーキコイルが複数個積層され、各パンケーキコイル間に冷却板が配置されていてもよい。
【００６０】
図７に示す超電導コイル１０Ｂでは、ドーナツ盤状の冷却板１２の径方向の大きさが、ダブルパンケーキコイルの径と略同一とされている。本発明において冷却板の形状および寸法は特に制限されず適宜変更可能であるが、図７に示すように、冷却板１２とダブルパンケーキコイル１１の径方向の大きさが略同一とされている場合、超電導コイル１０が小型化され、好ましい。
また、本発明において、光ファイバは全ての冷却板に収納されていてもよく、されていなくてもよい。少なくとも１つの冷却板に光ファイバが収納されていれば、超電導コイル１０の常電導転移を検知することができる。その場合、超電導コイル１０の冷却板１２のうち、どの冷却板１２に光ファイバ１５を収納するかは、超電導コイル１０の超電導特性に合わせて適宜調整可能である。
【００６１】
光ファイバ１５（及び冷却板１２の収納溝１３）の設置位置は、パンケーキコイルを構成する高温超電導線材１の巻回に合わせていてもよく、合わせていなくてもよい。また、光ファイバ１５は冷却板１２の径方向内側に多く配置（密に配置）されていてもよいし、径方向外側に多く配置（蜜に配置）されていてもよい。光ファイバ１５の設置位置は超電導コイル２０の超電導特性により適宜調整すればよい。
また、上記実施形態では複数のダブルパンケーキ１１の間にのみ冷却板１２が配置された例を示したが、本発明はこの例に限定されない。最上段のダブルパンケーキコイル１１の上および／または最下段のダブルパンケーキコイル１１の下に、冷却板１２（及び光ファイバ１５）を設置してもよい。
【００６２】
光ファイバは１枚の冷却板に１本配置される例に限定されず、複数本配置されていてもよい。その場合、１枚の冷却板における光ファイバの設置本数は特に制限されない。また、コイル周方向に沿う渦巻状に形成された１本の連続した収納溝１３に、１本の光ファイバ１５が収納された冷却板１２の例を示したが、本発明はこの例に限定されない。同心円状に複数の光ファイバが収納されていてもよく、同心円状の各光ファイバを接合器で接続して外部に引き出す構成としてもよい。
さらに、上記実施形態では光ファイバは冷却板の一方の面に形成された収納溝に収納される例を示したが、本発明はこの例に限定されない。冷却板１２の両面に収納溝を形成して、この溝に光ファイバを収納し、冷却板の両面に光ファイバを配置しても良い。
さらにまた、冷却板に生じる渦電流が大きくなり過ぎて冷却板の発熱が大きくなりすぎることを防ぐ目的で、冷却板にその円周方向あるいは径方向に沿う冷却用の溝を形成してもよい。
【００６３】
以上、本発明の超電導コイル装置および超電導コイルの常電導転移の検出方法について説明したが、上記実施形態において、超電導コイル装置および超電導コイルを構成する各部は一例であって、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【実施例】
【００６４】
以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００６５】
（実施例１）
幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのテープ状のハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）製の基材上に、イオンビームアシストスパッタ法（ＩＢＡＤ法）により１．２μｍ厚のＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７（ＧＺＯ；中間層）を形成した上に、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）により１．０μｍ厚のＣｅＯ２（キャップ層）を成膜した。次いでＣｅＯ２層上にＰＬＤ法により１．０μｍ厚のＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７（超電導層）を形成し、さらに超電導層上にスパッタ法により１０μｍの銀層（金属安定化基層）を形成した。その後、０．１ｍｍ厚の銅層（金属安定化層）を半田により銀層上に積層して高温超電導線材を作製した。得られた高温超電導線材の周囲に、厚さ１２．５μｍのポリイミドテープを２枚重ねた状態で、巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻きつけた。ポリイミドテープを巻回させた後の高温超電導線材の厚さは約０．２５ｍｍであった。
次いで、得られたポリイミドテープ付きの高温超電導線材を、内径７０ｍｍとして同心円状に３５回巻回させてパンケーキコイルを作製した。次に、同様の手順で５個のパンケーキコイル作製し、２個つづ同軸的に積層させて３個のダブルパンケーキコイルを作製した。
【００６６】
次に、ドーナツ盤状の銅製の冷却板（厚さ１ｍｍ、外径８７ｍｍ、中央の開口径７０ｍｍ）を準備し、この冷却板の一方の面上に切削加工により、冷却板の内側から外側へと渦巻状に連続する収納溝（幅２００μｍ、深さ２００μｍ、周回数５、径方向の溝間隔３ｍｍ）を形成し、この収納溝に外径１８０μｍのＦＢＧ方式の被覆付き光ファイバを収納し、ポリイミド製接着剤により固定して図５に示す光ファイバ付き冷却板を２枚作製した。
続いて、作製した３個のダブルパンケーキコイルと２枚の光ファイバ付き冷却板を図２に示すように同軸的に積層させて、高さ３５ｍｍ、総ターン数２１０ターン（３５ターン×６）の超電導コイルを作製した。
【００６７】
（比較例１）
実施例１と同様にして高温超電導線材を作製し、この高温超電導線材の金属安定化層の上に外径１８０μｍのＦＢＧ方式の被覆付き光ファイバを配置した。そして、光ファイバが一体化された高温超電導線材の周囲に厚さ１２．５μｍのポリイミドテープを２枚重ねた状態で、巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻きつけた。ポリイミドテープを巻回させた後の高温超電導線材の厚さは約０．３ｍｍであった。
【００６８】
次に、上記と同様にして計６本のポリイミドテープ付きの高温超電導線材を作製し、冷却板に光ファイバを収納しないこと以外は、実施例１と同様にして、同軸的に積層された３個のダブルパンケーキコイルの間に２枚冷却板が配置された構造の、高さ３５ｍｍ、総ターン数２１０ターン（３５ターン×６）の超電導コイルを作製した。
【００６９】
実施例１および比較例１の超電導コイルについて、温度２０Ｋにおいて１００Ａおよび３００Ａの電流を通電した際の、各超電導コイルの中心磁界を測定した。結果を表１に示す。また、実施例１および比較例１の超電導コイルの外径と使用線材長も表１に併記した。
【００７０】
【表１】
【００７１】
表１の結果より、本発明の超電導コイル装置が備える超電導コイルである実施例１では、比較例１に比較して、同じ通電電流に対する中心磁界が強くなっており、電流密度が高いことが確認された。また、実施例の超電導コイルは、光ファイバを冷却板に収納した構成であるため、比較例の超電導コイルよりもコイル外径が小さく、使用線材長も少なくなっていた。
これに対し、比較例１は、高温超電導線材の上面に光ファイバが設けられているため、該超電導線材を巻回させた超電導コイルでは、その径方向に隣接する各高温超電導線材間に光ファイバが存在するので、各高温超電導線材間の距離が大きくなっていた。そのため、比較例の超電導コイル外径は大きくなり、使用線材長も長くなっていた。また、各高温超電導線材間の距離が大きくなるので、コイルの電流密度も低下し、中心磁界が弱くなっていた。
【００７２】
（検討例１）
図８に示す試験装置を使用してＦＢＧ方式の光ファイバを用いた場合の超電導転移の検知感度について検討を行った。
図８（ａ）は本検討例で用いた試験装置の概略構成図であり、図８（ｂ）は同試験装置における光ファイバのＦＢＧとヒータとの位置関係を示す概略模式図である。図８（ａ）および図８（ｂ）において、図１に示す超電導コイル装置２０と同一の構成要素には同一の符号を付した。
図８に示す試験装置４０は、超電導コイル１０の代わりに、冷凍機２８に接続された真鍮製巻胴４５に高温超電導線材１が巻き付けられ、この高温超電導線材１にヒータ４３とＦＢＧ方式の光ファイバ４１が接着固定されている点で、図１に示す超電導コイル装置２０とは異なっている。
【００７３】
実施例１と同様の手法および層構成で高温超電導線材１を作製した。得られた高温超電導線材１を、直径１１０ｍｍの巻胴４５に基材（ハステロイ）側を内側にしてコイル状に巻き付け固定し、高温超電導線材１の両端部を電力リード２４を介して電源２５に接続した。次に、この高温超電導線材１の金属安定化層（銅層）上に、ファイバブラッググレーティング４２が形成された光ファイバ４１をポリイミド接着剤により固定し、さらに、高温超電導線材１の金属安定化層（銅層）上に、図８（ｂ）に示すように、ヒータ４３配置した。なお、ヒータ４３と光ファイバ４１との距離は１０ｍｍ、ファイバブラッググレーティングは５ｍｍ幅、光ファイバ４１への入射光の波長は１．５５μｍとした。
【００７４】
収容容器２１に接続された真空ポンプ（図示略）を作動させて真空断熱し、冷凍機２８を作動させて巻胴４５および高温超電導線材１の温度を７２．４Ｋに保持した。この状態で検出器２２を作動させて測定を開始し、測定開始時から３．８秒後から１秒間ヒータ４３に通電した。図９に測定結果のグラフを示す。図９に示すように、ヒータ４３に通電後直ちにＦＢＧ方式の光ファイバ４２により高温超電導線材１の金属安定化層（銅層）温度上昇が検知されていた。温度上昇は僅か３〜４Ｋであったが、このような小さな温度変化でも即座に検知できることが確認された。さらに、冷凍機２８による冷却温度を２０〜３００Ｋまで変化させて、同様の検討を行ったところ、ＦＢＧ方式の光ファイバ４１により、数Ｋの温度変化でも良好な精度で検知できることを確認した。
また、銅などの金属の熱膨張（線膨張）をＦＢＧ方式の光ファイバにより検知する場合、金属層の厚さが厚いほど検知感度が向上する。そのため、本検討例の結果より厚さ０．１ｍｍの銅層の温度変化も検知できることが明らかであることより、厚さ０．１ｍｍ以上の冷却板にＦＢＧ方式の光ファイバを埋め込む構成の本発明によれば、冷却板の温度変化、すなわち、常電導転移の検知をより高精度に行うことができると考えられる。
【００７５】
（検討例２）
実施例１と同様の手法および層構成で３個のダブルパンケーキコイルを作製した。次に、作製した３個のダブルパンケーキコイルを同軸的に積層させてコイル体とし、このコイル体の積層方向の上下端に、厚さ１ｍｍの無酸素銅製の平板状冷却板を該コイル体を上下方向から挟み込むように設置した。次いで、コイル体上端に設置した冷却板上に、ＦＢＧが１箇所書き込まれたＦＢＧ方式の光ファイバをポリイミド接着剤により固定して超電導コイルを作製した。
【００７６】
次に、作製した超電導コイルを伝導冷却のための冷凍機を配したクライオスタットに取り付け、３０Ｋまで冷凍機により伝導冷却を行った。続いて、３０Ｋで温度一定となった時点で超電導コイルに通電（電流値２００Ａ）し、この時のコイル中心磁界が０．６０５Ｔであることを確認した。通電状態を１０分間保持後、通電電流を遮断したときのＦＢＧの波長変化を温度に換算することにより温度上昇を調査した。図１０は、ＦＢＧ波長変化より算出した超電導コイルの温度変化を示すグラフである。なお、図１０において、１６秒のところで通電電流の遮断を行った。
図１０に示すように、１Ｋ程度の温度変化が、良好な応答精度で測定されていた。この結果より、ＦＢＧ方式の光ファイバは、このような急激な磁場変化により発生する渦電流に起因する温度変化を精度良く検知できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、例えば超電導モータ、限流器など、各種超電導機器に用いられる超電導コイルに利用することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１…高温超電導線材、２…基材、３…中間層、４…超電導層、５…安定化層、１０、１０Ｂ…超電導コイル、１１…ダブルパンケーキコイル、１１ａ、１１ｂ…パンケーキコイル、１２…冷却板、１２ａ…接続部、１３…収納溝、１５…光ファイバ、１６…接着層、２０…超電導コイル装置、２１…収容容器、２３…真空ポンプ、２４…電力リード、２５…電源、２６…熱伝導バー、２７…鍔板、２８…冷凍機。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温超電導線材を巻回した複数のコイルと、導電性の冷却板と、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）方式の光ファイバとを備え、
前記複数のコイルが同軸的に積層され、これら複数のコイルの積層方向に少なくとも１つのコイルに接するように前記冷却板が配置され、前記冷却板に前記コイルの周方向に沿って形成された収納溝に前記光ファイバが収納されてなることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項２】
前記冷却板の熱膨張又は熱収縮により前記光ファイバに歪が負荷されるように、前記光ファイバが前記収納溝に固定されてなることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル装置。
【請求項３】
前記冷却板に前記コイルの周方向に沿って渦巻状に形成された前記収納溝に、前記光ファイバが収納されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導コイル装置。
【請求項４】
高温超電導線材を巻回した複数のコイルを同軸的に積層させてなる超電導コイルの常電導転移の検出方法であって、
前記コイルの周方向に沿う収納溝が形成され、この収納溝にＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）方式の光ファイバが収納された導電性の冷却板を前記複数のコイルの積層方向に少なくとも１つのコイルに接するように配置し、
前記冷却板の熱膨張又は熱収縮に伴う前記ＦＢＧ方式の光ファイバからの反射光の波長変化に基づいて、前記超電導コイルにおける常電導転移の発生に伴う前記冷却板の温度変化を検出することを特徴とする超電導コイルの常電導転移の検出方法。
【請求項５】
前記冷却板の熱膨張又は熱収縮により前記光ファイバに歪が負荷されるように、前記光ファイバを前記収納溝に固定してなる冷却板を用いることを特徴とする請求項４に記載の超電導コイルの常電導転移の検出方法。
【請求項６】
前記コイルの周方向に沿って渦巻状に形成された前記収納溝に、前記光ファイバを収納してなる冷却板を用いることを特徴とする請求項４または５に記載の超電導コイルの常電導転移の検出方法。
【請求項１】
高温超電導線材を巻回した複数のコイルと、導電性の冷却板と、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）方式の光ファイバとを備え、
前記複数のコイルが同軸的に積層され、これら複数のコイルの積層方向に少なくとも１つのコイルに接するように前記冷却板が配置され、前記冷却板に前記コイルの周方向に沿って形成された収納溝に前記光ファイバが収納されてなることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項２】
前記冷却板の熱膨張又は熱収縮により前記光ファイバに歪が負荷されるように、前記光ファイバが前記収納溝に固定されてなることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル装置。
【請求項３】
前記冷却板に前記コイルの周方向に沿って渦巻状に形成された前記収納溝に、前記光ファイバが収納されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導コイル装置。
【請求項４】
高温超電導線材を巻回した複数のコイルを同軸的に積層させてなる超電導コイルの常電導転移の検出方法であって、
前記コイルの周方向に沿う収納溝が形成され、この収納溝にＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）方式の光ファイバが収納された導電性の冷却板を前記複数のコイルの積層方向に少なくとも１つのコイルに接するように配置し、
前記冷却板の熱膨張又は熱収縮に伴う前記ＦＢＧ方式の光ファイバからの反射光の波長変化に基づいて、前記超電導コイルにおける常電導転移の発生に伴う前記冷却板の温度変化を検出することを特徴とする超電導コイルの常電導転移の検出方法。
【請求項５】
前記冷却板の熱膨張又は熱収縮により前記光ファイバに歪が負荷されるように、前記光ファイバを前記収納溝に固定してなる冷却板を用いることを特徴とする請求項４に記載の超電導コイルの常電導転移の検出方法。
【請求項６】
前記コイルの周方向に沿って渦巻状に形成された前記収納溝に、前記光ファイバを収納してなる冷却板を用いることを特徴とする請求項４または５に記載の超電導コイルの常電導転移の検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１８２１７６（Ｐ２０１２−１８２１７６Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４２１９３（Ｐ２０１１−４２１９３）
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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