JP7585202B2 - 高温超伝導体磁石システム、及び高温超伝導体界磁コイルのランプダウン又は加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、高温超電導（ＨＴＳ）磁石に関する。特に、本発明は、例えばクエンチ検出に応答してＨＴＳ磁石をランプダウンする方法、及びその方法を実施する装置に関する。

超電導材料は一般に、「高温超電導体」（ＨＴＳ）と「低温超電導体」（ＬＴＳ）とに分けられる。ＮｂやＮｂＴｉなどのＬＴＳ材料は、その超伝導性をＢＣＳ理論で説明できる金属又は金属合金である。すべての低温超伝導体は、約３０Ｋ未満の臨界温度（それを超えるとゼロ磁場でも材料が超伝導にならない温度）を有する。ＨＴＳ材料の挙動はＢＣＳ理論では説明されておらず、このような材料は約３０Ｋを超える臨界温度を有する可能性がある（ただし、ＨＴＳ及びＬＴＳ材料を定義するのは、臨界温度ではなく、組成及び超伝導動作の物理的な違いであることに注意すべきである）。最も一般的に使用されるＨＴＳは「銅酸化物超伝導体」、ＢＳＣＣＯ又はＲｅＢＣＯ（Ｒｅは希土類元素、一般にＹ又はＧｄ）などの銅酸化物（酸化銅基を含む化合物）をベースとするセラミックである。他のＨＴＳ材料は、鉄プニクチド（例えば、ＦｅＡｓ及びＦｅＳｅ）及び二ホウ酸マグネシウム（ＭｇＢ２）を含む。

ＲｅＢＣＯは一般に、図１に示す構造を有するテープとして製造される。このようなテープ１００は、一般に約１００ミクロンの厚さであり、基板１０１（典型的には約５０ミクロンの厚さの電解研磨ハステロイ）を含み、基板１０１の上に、ＩＢＡＤ、マグネトロンスパッタリング、又は他の好適な技術によって、約０．２ミクロンの厚さのバッファスタック１０２として知られる一連のバッファ層が堆積される。エピタキシャルＲｅＢＣＯ－ＨＴＳ層１０３（ＭＯＣＶＤ又は他の好適な技術によって堆積される）がバッファスタックを覆い、典型的には１ミクロンの厚さである。１～２ミクロンの銀層１０４がスパッタリング又は他の好適な技術によってＨＴＳ層上に堆積され、銅安定化層１０５が電気めっき又は他の好適な技術によってテープ上に堆積され、これは多くの場合テープを完全に封入する。

基板１０１は、製造ラインを通して供給され、後続の層の成長を可能にすることができる機械的なバックボーンを提供する。バッファスタック１０２は、その上にＨＴＳ層を成長させるための二軸配向結晶テンプレートを提供するために必要とされ、その超伝導特性を損なう基板からＨＴＳへの元素の化学拡散を防止する。銀層１０４は、ＲｅＢＣＯから安定化層への低抵抗界面を提供するために必要とされ、安定化層１０５は、ＲｅＢＣＯのいずれかの部分が超伝導を停止する（「常伝導」状態になる）場合に代替的な電流経路を提供する。

さらに、基板及びバッファスタックがなく、代わりにＨＴＳ層の両側に銀層を有する「剥離」ＨＴＳテープを製造することができる。基板を有するテープは、「基板付き」ＨＴＳテープと呼ばれる。

ＨＴＳテープは、ＨＴＳケーブルに配置することができる。ＨＴＳケーブルは、導電性材料（通常は銅）によってそれらの長さに沿って接続されている１つ以上のＨＴＳテープを含む。ＨＴＳテープは積み重ねる（すなわち、ＨＴＳ層が平行になるように配置する）ことができ、又はＨＴＳテープはケーブルの長さに沿って変化し得るテープの他の配置を有することができる。ＨＴＳケーブルの注目すべき特殊なケースは、単一のＨＴＳテープとＨＴＳ対である。ＨＴＳ対は、ＨＴＳ層が平行になるように配置された一対のＨＴＳテープを含む。基板付きテープを使用する場合、ＨＴＳ対は、タイプ０（ＨＴＳ層が互いに向き合う）、タイプ１（一方のテープのＨＴＳ層が他方のテープの基板に面する）、又はタイプ２（基板が互いに向き合う）であり得る。３つ以上のテープを含むケーブルは、テープの一部又は全部をＨＴＳ対に配置することができる。積層ＨＴＳテープは、ＨＴＳ対の様々な配置、最も一般的には、タイプ１の対の積層、又はタイプ０の対（又は同等にタイプ２の対）の積層のいずれかを含むことができる。ＨＴＳケーブルは、基板付きテープと剥離テープの混合物を含むことができる。

大まかに言って、磁気コイルには、巻線によるものと複数のセクションの組み合わせによるものの２種類の構造がある。図２に示すように、巻線コイルは、ＨＴＳケーブル２０１をフォーマ２０２の周りに連続した螺旋状に巻き付けることによって製造される。フォーマは、コイルの必要な内周を提供するように成形され、最終的な巻線コイルの構造部分であることができ、又は巻き付け後に除去することができる。セクションコイルは、図３に概略的に示すように、いくつかのセクション３０１から構成され、セクションのそれぞれは、いくつかのケーブル又は予め形成されたバスバー３１１を含むことができ、コイル全体の弧を形成する。これらのセクションは、接合部３０２によって接続され、完全なコイルを形成する。図２及び図３のコイルのターン（巻線）は、明確にするために間隔を空けて示しているが、一般にコイルのターンを接続する材料が存在し、例えば、コイルのターンはエポキシ樹脂でポッティングすることによって固めることができる。

図４は、ＨＴＳケーブル４０１が１巻きのリボンと同様に平らなコイルを形成するように巻かれている「パンケーキコイル」として知られる特定のタイプの巻線コイルの断面を示す。パンケーキコイルは、任意の２次元形状の内周で作製することができる。多くの場合、パンケーキコイルは「二重パンケーキコイル」として提供され、図５の断面図に示すように、二重パンケーキコイルは、反対方向に巻かれた２つのパンケーキコイル５０１、５０２と、パンケーキコイル間の絶縁体５０３と、互いに接続された内部端子５０４とを含む。これは、コイルのターンに電流を流して磁場を生成するのに、一般によりアクセスしやすい外部端子５２１、５２２に電圧を供給するだけでよいことを意味する。

コイルは、コイルのターンの間に電気絶縁材料を有する「絶縁」か、又はコイルのターンが（例えば、はんだ付け又は直接接触によりケーブルの銅安定化層を接続することにより）ケーブルに沿ってだけでなく径方向に電気的に接続される「非絶縁」であり得る。ターン間の抵抗がセラミック又は有機絶縁体などの従来の絶縁体の抵抗よりも小さいがコイルのケーブル内のテープ間の抵抗よりも大きい、例えばケーブル内のテープ間の抵抗の１００倍から１０¹⁵倍の間である「部分絶縁」コイルも可能である。ターンの間に絶縁体がないか部分的な絶縁体があると、電流をターンの間で分配できるため、局所的な「ホットスポット」（常伝導域）の温度が上昇する速度が遅くなる。

非絶縁ＨＴＳコイルは、３つの電流経路、すなわち、ＨＴＳテープをたどる２つの螺旋状経路（ＨＴＳに１つと金属安定化材に１つ）と、コイル端末間で非絶縁又は部分絶縁ＨＴＳケーブルターンを接続する金属（及び他の抵抗材料）を通る径方向経路（これは単一の経路としてモデル化することができるが、実際には磁石を通るすべての径方向の抵抗性経路の合計を表す）とを有するものとしてモデル化することができる。螺旋状経路を流れる電流のみがコイルの中心に大きな軸方向磁場を生成する。ＨＴＳ螺旋状経路は、テープがすべて超伝導である場合に大きなインダクタンスとゼロ抵抗又はごくわずかな抵抗を有するインダクタとしてモデル化することができる。銅安定化材の螺旋状経路は、ＨＴＳ経路と平行であり、同じインダクタンスを有するが、かなりの抵抗を有する。このため、ＨＴＳ螺旋状経路の一部がクエンチし始めない限り、銅安定化材の螺旋状経路にはごくわずかな電流しか流れない。この場合、ＨＴＳ螺旋状経路の臨界電流Ｉｃを超える過剰電流は、それらの相対抵抗とＬ／Ｒ時定数に従って、螺旋状安定化材経路と径方向経路との間で分配される。径方向電流経路は、ＨＴＳが全体にわたって超伝導である間、ごくわずかなインダクタンスと螺旋状経路よりもはるかに大きい抵抗を有するものとしてモデル化することができる。

ＨＴＳ界磁コイルの１つの潜在的用途は、特に核融合炉用のトカマクプラズマチャンバーである。特許文献１には、中性子源又はエネルギー源として使用するためのコンパクトな球状トカマクの使用を含むアプローチが記載されている。球状トカマクにおける低アスペクト比のプラズマ形状は、粒子閉じ込め時間を改善し、はるかに小さい機械での正味の発電を可能にする。しかしながら、小さな直径の中心柱が必要であり、それはプラズマ閉じ込め磁石の設計に対する課題を提示する。高温超伝導体（ＨＴＳ）界磁コイルは、このような磁石のための有望な技術である。

ＨＴＳ界磁コイルの他の潜在的な用途は、陽子線治療装置である。陽子線治療（ＰＢＴ、陽子治療としても知られる）は、がん（及び放射線療法に反応する他の病態）の治療に用いられる粒子線治療の一種である。ＰＢＴでは、陽子線が治療部位（例えば腫瘍）に向けられる。

他の類似の治療法は、標的部位にホウ素１１を導入し、陽子線を用いてｐ＋¹¹Ｂ→３αの反応を開始する、陽子ホウ素捕捉療法（ＰＢＣＴ）である。同じ装置を用いて、ＰＢＴ又はＰＢＣＴのいずれかに陽子線を提供することができる。

ＰＢＴ及びＰＢＣＴのための陽子線は、サイクロトロン又は線形加速器などの粒子加速器によって生成される。通常ＰＢＴ及びＰＢＣＴに使用される加速器は、通常６０から２５０ＭｅＶの範囲のエネルギーで陽子を生成し、現在稼働している最も強力な施設は、４００ＭｅＶの最大エネルギーを有する。

大まかに言って、ビーム角度の変化を可能にするＰＢＴ装置の設計には２つのタイプがある。第１のタイプの設計では、図６に示すように、加速器３００１は、加速器３００１が患者３００３の周りで（通常、水平軸を中心に）回転することを可能にするガントリ３００２に取り付けられる。患者は、更なる自由度（例えば、並進運動及び垂直軸を中心とする回転）を提供する可動ベッド３００４上に置かれる。

第２のタイプの設計を図７に示す。加速器４００１は固定されており、ビームは、その少なくとも一部がガントリ４００３に配置されているステアリング電磁石４００２（一般に四重極磁石と双極子磁石の両方を含む）を介して患者に向けられ、ビームが患者４００４の周りで（例えば、水平軸を中心に）回転することができるようにする。患者は可動ベッド４００５上に置かれる。

いずれの設計も、４００ＭｅＶにもなり得るビームエネルギーで陽子を誘導することができる電磁石をガントリが保持することを必要とする。これには非常に高い磁場が必要であるため、ＨＴＳ界磁コイルを使用することにより、電磁石及び電磁石を動かすのに必要なガントリの質量及びサイズを大幅に削減することができる。ＨＴＳ界磁コイルは、加速器、ステアリング磁石の四重極磁石、又はステアリング磁石の双極子磁石内で使用することができる。

国際公開第２０１３／０３０５５４号

本発明は、添付の特許請求の範囲において定義されている。

ＨＴＳテープの概略図である。 巻線ＨＴＳコイルの概略図である。 セクションＨＴＳコイルの概略図である。 パンケーキコイルの断面図である。 二重パンケーキコイルの断面図である。 第１のＰＢＴ装置の概略図である。 第２のＰＢＴ装置の概略図である。 部分絶縁コイルのシミュレーション結果を示す。 例示的な磁石システムのシミュレーションの結果を示す。 単に電源を遮断した後のコイルの磁場及び温度のグラフを示す。 図１０に示されるのと同じプロセス中のコイルの電圧を示す。 図１２Ａ及びＢは、漏れのある絶縁体の例を示す。 漏れのある絶縁体の更なる例を示す。 漏れのある絶縁体の更なる例を示す。 ２ターンコイルの等価回路を示す。

図８は、ランプアップ中及び定常状態動作中の非絶縁コイルの電流、電圧、及び電力を示す。非絶縁コイルのランプアップ中、電流は最初は主に径方向経路に流れ（図８の期間Ａ）、その後安定する。径方向経路を流れる電流の量は、ランプ速度が速いほど多くなる（螺旋状経路の両端に発生する電圧（Ｌ．ｄＩ／ｄｔ）がより高いため。これは期間Ｂである）。ランプの終わりに、ｄＩ／ｄｔはゼロに低下し、電流は時定数Ｌ／ＲでＨＴＳ螺旋状経路に移動する（期間Ｃ）。電流は、ランプの終了後に数（約５）Ｌ／Ｒ時定数で大部分が螺旋状経路に移される。このため、時定数は、適正なランプアップ時間をもたらすように選択されるべきであり、例えば、５～１０時間の時定数がトカマクのＴＦコイルにふさわしい（約１～２日のランプアップ時間をもたらす）。

大きな磁石では、（絶縁コイル又は非絶縁コイルのいずれかで）クエンチによる損傷を避けるために、能動的クエンチ保護スキームを実施することもできる。このスキームでは、損傷を引き起こすのに十分な温度上昇がクエンチ領域で起こる前に、磁石の蓄積エネルギーを磁石のクエンチ領域以外のいくつかの構成要素にダンプすることができる。他の構成要素は、外部抵抗、又は磁石のコールドマスのより大きな割合でクエンチされる磁石の別個の部分であることができる（これにより、磁石の蓄積エネルギーを大きな体積に分散し、全体的な温度上昇を抑える）。しかしながら、アクティブなアプローチは、常伝導域（「ホットスポット」とも呼ばれる）の開始から磁石電流のランプダウン（「ダンプ」）の誘発までの時間が、ホットスポットの端末温度がコイルの損傷が発生する可能性がある温度、例えば約２００Ｋよりも小さいように十分に短いことを必要とする。このようなアプローチは、クエンチに対する更なる保護を提供するために小さな磁石にも使用できる。

上記及び所望の時定数を達成するための好適な構造の説明は、同時係属中の出願ＧＢ１８８１７．７により詳細に説明されている。

ＰＩコイルの使用は、磁石電流をダンプするのに利用可能な時間を延長するが、ホットスポットの検出後、この動作を可能な限り迅速に行うことが依然として重要である。文献では、ＰＩコイルは一般に、コイルの総エネルギーが比較的低く、クエンチが比較的速くコイル全体に伝播する傾向がある、つまりエネルギーダンプがコイル全体に広がる、小さなコイルにのみ使用されるため、ＰＩコイルの電流ダンピング技術についての議論は比較的少ない。加えて、ＰＩコイルは、絶縁コイルと比べて本質的に安定しているので、リスクが低いため、多くの場合クエンチ保護なしで動作できる。しかしながら、かなりの蓄積エネルギーを有する大きなコイル、コイル巻線の比較的小さな割合でのみホットスポットがすべてのターンをカバーすることを可能にする幾何学形状を有するコイル、及び／又は過酷な環境での長期運転を意図したコイル（例えば、核融合炉用の界磁コイル）では、能動的クエンチ保護が重要である。

ＰＩコイルの使用は、磁石からエネルギーをダンプする際に更なる利点をもたらす。図１０は、単に電源を遮断した（すなわち、開回路にした）後のコイルの磁場（螺旋状経路の電流に比例する）及び温度のグラフを示す。期間Ａの間、電源はオンになっている（電流１００１で示される）。期間Ｂの開始時に、電源が遮断され、コイルのインダクタンスに、閉ループで各ターンの電流を駆動し続け、ターン間の抵抗を介してターンの始まりまで短絡する電圧を発生させる。これはＨＴＳの臨界電流を減少させるオーム加熱を引き起こす。このプロセスは、ターンのＨＴＳがクエンチし、そのループ電流を螺旋状経路の金属安定化材に放出するのに十分な電圧を生成する（期間Ｃ）まで、期間Ｂ（多くの要因にもよるが、通常は数秒、この実験では１４秒）にわたって継続する。これはターン間の抵抗よりもはるかに高い抵抗を有するため、ターンの磁場エネルギーは安定化材内で急速に熱に変換され、ターンの温度は螺旋状経路の電流が急速に０（＜１ｓ）に低下すると均一に上昇する。

しかしながら、効果的なクエンチ保護のために、より長い期間Ｂは依然として望ましくない。クエンチの場合、この期間は、磁石の他の場所にある局所的なホットスポットにおいて顕著な局所的な加熱が発生し、そのホットスポットにおいて許容できないほど高いピーク温度をもたらすのに十分な長さであり得る。さらに、トカマクのＴＦ磁石などの磁石は、熱的及び磁気的に結合が不十分ないくつかのコイル（例えば、別個の突出部）を含むことがあり、電源をオフにすることによってダンプを誘発するとき、すべてのコイルがクエンチする前に同じ遅延を経験することが望ましい。磁場差の局所温度の製造上の違いによりコイル間のばらつきが生じる可能性がある。コイルが同時にクエンチしない場合、結果として生じるコイル間の非常に大きな電磁力は、磁石の機械的支持構造体及び／又はコイル自体に損傷を与える可能性がある。これを最小限に抑えるために、各コイルにおけるＰＳＵオフとクエンチとの間の遅延の間の変動を最小化し、これにより遅延期間の間の変動も最小化されることが望ましい。この期間の長さは、部分絶縁層の抵抗を増加させることによって（及びそれによって期間Ｂにおいて径方向経路を移動する電流による加熱を増加させることによって）減少させることができるが、これは、コイルの他の電気的特性に対するノックオン効果を有し、例えば、コイルをランプアップするための時定数を変えるか、又はターンの間の電流分配をより困難にする（これにより、ホットスポットがグローバルクエンチを引き起こす可能性が高くなる）。

代わりに、電源を遮断するのではなく、例えば、電磁コイルから電流をシンクできる４象限のＰＳＵを使用することによって、電磁コイルに大きな逆電流を（すなわち、ランプダウンの前にコイルを流れる電流とは反対方向に）流すことが提案されている。超伝導経路は大きなインダクタンスを有するので、この逆電流は主にＴＦ磁石のすべてのコイルの径方向経路に流れる。この径方向電流の大幅な増加は、すべてのコイルの著しい加熱を引き起こし、磁石全体を急速にクエンチする（従って、エネルギーダンプを広範囲に広げる）。

ＰＳＵを単にシャットダウンするのではなく、逆電流を流すのは直感に反するように思われるかもしれないが、重要な違いは、過剰な径方向電流が磁石のバルク全体を加熱することである。これは、クエンチが磁石全体に急速に広がり、エネルギーのダンプがボリューム全体に（又は少なくともかなりの割合で）広がることを意味する。介入なしで発生するような集中的なエネルギーダンプは、その小さな領域で許容できない温度上昇を引き起こし、ＨＴＳに損傷を与える。磁石のかなりの部分がクエンチされると、同じ量のエネルギー（及び逆電流自体によるわずかな寄与）が磁石全体に広がり、ＨＴＳの温度上昇が制限される。さらに、磁石をより均一に加熱することにより、磁石内に急激な温度勾配が形成されるのを防止する。温度勾配が高すぎると、磁石の近くの領域の異なる熱膨張が構造的な損傷を引き起こす。

既存の磁石では、「クエンチヒータ」、すなわち、コイルに熱を供給するためにオンにすることができる、ＨＴＳケーブルに隣接して配置された加熱要素の使用によって、均一な加熱が実現される。しかしながら、このようなヒータは、スペースを占有するため、ＨＴＳ導体又は金属安定化材のために利用可能なスペースを減少させる。「逆電流」法は事実上、半径方向の伝導経路を「クエンチヒータ」として使用し、加熱がコイルを通して均一に分散され、追加の加熱要素が必要とされないことを意味する。

逆電流は、磁石の動作電流に制限され又は設定され得る。このようにして、最大の加熱は、通常の磁石の動作に必要とされるものと比較して、磁石の外部の構成要素の設計パラメータを超えることなく、逆電流によって達成される。

上記はクエンチ保護に関して説明したが、上述のエネルギーダンピング技術は、例えば、検出されたクエンチ（又はクエンチに至る可能性のある状態）がない場合に、通常の条件下で磁石を停止する場合など、磁石がランプダウンされる他の状況にも適用可能であり得ることに留意されたい。

図９は、ランプアップ、定常状態動作、及びランプダウン中の例示的な部分絶縁コイルのシミュレーション結果を示す。この場合、ＰＳＵ（電源）を電流源としてモデル化し、すなわちＰＳＵから供給される電流をシミュレーションで設定し、ＰＳＵの両端の電圧を計算する。

ランプアップ中、ＰＳＵの電流は一定の割合で２．２ｋＡまで徐々に増加する。ＰＳＵの電圧は正で、０．１Ｖ程度である。径方向経路の電流はＰＳＵの電圧にほぼ比例し（径方向経路は単純な抵抗としてモデル化することができるため）、螺旋状経路の電流は一定の割合で増加する。時間Ｔ１において、所望の電流に達すると、磁石は定常状態動作に切り替えられ、ＰＳＵは定電流に設定され、径方向経路の電流は前述のように時定数Ｌ／Ｒ_radialと共に減少する。径方向経路の電流が減衰すると、ＰＳＵの電圧は数ミリボルトのオーダーの値まで減少する。これは、螺旋状経路がごくわずかな抵抗しか有さないからである（このシミュレーションでは、螺旋状経路がゼロ抵抗を有するようにモデル化されているため、ＰＳＵの電圧はゼロになる傾向がある。実際には、ＰＳＵの電圧は、一般的に数十から数百ミリボルト程度で落ち着く）。ランプアップ及び定常状態動作中、ＨＴＳの温度は２０Ｋ未満で実質的に一定である。

時間Ｔ２において、マグネットダンプが（クエンチ検出に応答して又は他の方法で）開始される。ＰＳＵは（この場合は最初のランプアップよりも１０倍速い下降電流ランプとしてモデル化されている高速電流ランプで）逆電流を供給し、逆電流は主に径方向経路を流れる。ＰＳＵの電圧は、この電流の供給中は負であり、－０．５Ｖ程度である。ＨＴＳ温度は急速に上昇する。ＨＴＳ温度が約５５Ｋに達すると、コイル全体がクエンチし、使用したモデルでは温度上昇が速くなりすぎるため、シミュレーションは終了する。しかしながら、実際には磁石の蓄積エネルギーは急速に熱に変換され、磁石全体に比較的均一に広がり、安全に停止する。

逆電流は、設定された時間、又は、例えば、磁石の大部分でのクエンチの検出、磁石の大部分での特定の温度の検出、又は螺旋状経路の電流（又はコイルによって生成される磁場）が閾値未満に減少したことの検出で、特定の条件に達するまで供給され得る。

ランプダウンの速度は、ＰＳＵの逆電流ランプの速度によって決まる。

磁石のランピング段階及びダンプ段階の両方の間の電流の変化率を制御できることが望ましい。このため、フィードバック制御された電流出力を有するＰＳＵが好ましい。ＰＳＵの電流は、螺旋状経路の電流、磁石の温度、コイルによって生成される磁場、又はコイルの任意の他の適切な特性に基づいて制御することができる。

電源は、複数の電源ユニットを含むことができ、各電源ユニットは、異なる期間中にコイルに電力を供給する。詳細には、電源は、ランプアップ及び定常状態動作中にコイルに電力を供給する第１のユニットと、ランプダウン中にコイルに逆電圧を供給する第２のユニットとを含むことができる。

電源（又は電源の１つ以上の電源ユニット）は、ＨＴＳ磁石を含むクライオスタット内に部分的に配置することができ、ＰＣＴ／ＧＢ２０１８／０５０３３７に記載されているように、ケーブルをクライオスタットに通さずにクライオスタットを横切って電力を伝送するように配置された変圧器を含むことができる。

クエンチ又はクエンチにつながる可能性のある状態の検出に応答して磁石のランプダウンが誘発される場合、この検出は任意の実用的な方法によるものであり得る。例えば、
・磁石内のＨＴＳ材料全体にわたる過剰電圧の検出、
・例えば、国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１６／０５２７１２又は英国特許出願ＧＢ１８１２１２０．２に記載されているように、主コイルに隣接して設けられ、主コイルの前にクエンチするように構成された二次ＨＴＳテープの使用、
・例えば、国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５３０６６に記載されているような光ファイバケーブル内のレイリー散乱によって、又は当技術分野で知られている他の温度、歪み、又は磁場の検出器によって、電磁コイル内の温度、歪み、磁場、又は他の条件の検出。

逆電流を長時間流さないことが重要である。さもなければ、アクティブダンプが磁石を２００Ｋ以上に温め、問題を引き起こす可能性がある。理想的には、ダンプシステムは、磁石に加えられる総エネルギーを、磁石全体の温度をその臨界温度よりも高くする（すなわち、すべてのコイルを超伝導から常伝導に変える）のに必要なエネルギーに制限すべきである。これは、磁石全体を約２００Ｋまで上げるのに必要な総エネルギーのごく一部である。コイルがクエンチを開始すると、磁石自体の蓄積エネルギーが消散し、グローバルクエンチが促進される。

適切な量のエネルギーを加える簡単な方法は、コンデンサバンクを磁石に放電することである。これにより、４象限のＰＳＵも不要になる。単一象限のＰＳＵを使用して磁石をランピングすることができる。磁石をダンプする必要がある場合、逆方向の径方向電流を駆動するために、アクティブスイッチ及び磁石を横切って接続されたプリチャージされたコンデンサバンクを使用して、これを単に切断する。磁石の大きなインダクタンスは、その半径方向の抵抗によって分路されるので、ＰＳＵを切断することによって大きな電圧は生成されないことに留意されたい。

上記の開示の大部分は、ランプダウンの速度が極めて重要であるクエンチ検出後の磁石のランプダウンに焦点が当てられている。また、ランプダウン時間が主要な要因ではない条件で磁石を制御するのに適用可能な、同じ基本原理を使用する技術もある。

一例として、ＰＳＵは、磁石内の電流よりも小さいが同じ方向のランプダウン電流を供給するように構成することができる。これにより、磁石とＰＳＵの電流の差に等しい電流が径方向経路に流れ、磁石が以前と同様に加熱される。これにより、逆電流（又は単にＰＳＵを切断すること）に比べてランプダウンが遅くなり、磁石の温度上昇が減少する。

更なる例として、ＰＳＵは、（定常状態、ランプアップ、又はランプダウンのいずれかの間に）コイルに供給されるＤＣに重ね合わされたＡＣ電流を供給するように構成することができる。ＡＣ電流の周期が時定数Ｌ／Ｒよりも大幅に短い場合、このＡＣ電流は完全に径方向経路に流れる。これにより、（ＤＣ電流のみが供給される場合と比較して）螺旋状経路の電流に影響を与えることなく磁石が加熱される。

重ね合わされたＡＣ電流は、先の実施例のいずれかと組み合わせて使用することもできる。例えば、ＤＣ逆電流とＡＣ電流の組み合わせ（すなわち、総電流は、コイル電流と符号が反対の平均値と磁石の時定数よりも小さい周期とを有する正弦波電流である）を使用して、追加の加熱でコイルをランプダウンすることができる。代替的に、ＡＣ電流は、磁石内の電流よりも小さいが同じ方向のＤＣランプダウン電流と組み合わせることができる（すなわち、総電流は、コイル電流よりも小さい平均値と磁石の時定数よりも小さい周期とを有する正弦波電流である）。更なる代替案として、磁石をランプダウンするために純粋なＡＣ電流を供給することができ、これにより、ＡＣ電流に加えて、磁石電流に等しい電流が径方向経路に流れる。いずれの場合も、ＡＣ電流を追加すると、ＤＣ電流のみを使用するのに比べて、螺旋状経路に大きな電流が流れる（したがって、ランプダウンが速くなる）。

上記の実施例で説明したように（ＰＳＵをシャットダウンするか又は変更された電流を供給することによって）部分絶縁コイルをランプダウンすることの驚くべき特徴は、コイルのターン間の電圧がプロセスを通して低い（大きなコイルの場合でも数ボルト程度の）ままであることである。大きな絶縁超電導コイルは、非常に高い電圧に耐えることができる頑丈な絶縁体を必要とするが、部分絶縁コイルが受ける小さな電圧は、はるかに幅広い種類の材料（又は単純な真空ギャップ又はエアギャップ）によって効果的に絶縁することができる。

図１１は、図１０で使用されるのと同じ磁石（６つのパンケーキコイルを含み、０，１２Ｈの合計インダクタンスを有する）の各コイルの両端の電圧を示す。グローバルクエンチの開始（すなわち、図１０の期間Ｂの終わり及び期間Ｃの始まり）に対応する時間に発生するピーク電圧は、約０．１Ｖである。対照的に、同じ条件下での同等の絶縁コイルに対する予想電圧は２ｋＶのオーダーであり、大きなコイルに対する予想電圧は少なくとも５ｋＶである（電圧は、Ｖ＝－ＬｄＩ／ｄｔとして計算することができる。ここで、ｄＩ／ｄｔは概ね、輸送電流（テストコイルの場合は１．４ｋＡ）をクエンチにかかる時間（テストコイルの場合は０．１ｋＡ）で割ったものである）。部分絶縁コイルでは、コイルは、特に高い電圧が発生することなく、高い輸送電流及びインダクタンスで動作することができ、これは、大きなコイルを低い輸送電流（通常５０ｋＡに対して数ｋＡ）及び高いインダクタンス（すなわち、より多くのターン数）で動作させる場合に最も実用的である。

開回路ＰＳＵを用いた電流ダンプ中に部分絶縁コイルの２つのターンの間に発生するピーク電圧は、Ｖ＝Ｉ₀Ｒ_stabとして概算することができる。ここで、Ｉ₀は輸送電流、Ｒ_stabはコイルの螺旋状経路における抵抗材料の抵抗である。クエンチは相互インダクタンスによってコイル間を伝播し、これはピークコイル電圧が１ターンのピーク電圧を超えないことを意味する。実際に大きなコイルの場合、ピーク電圧は１０Ｖを超えない。

図１４は、２ターンのコイルの等価回路を示す（より多くのコイルを直列に追加し、各コイル間の相互インダクタンスを追加することで、より多くのターンに拡張することができる）。この図において、Ｉ₀は輸送電流、Ｒ_ttはターン間の抵抗（すなわち、径方向経路の抵抗をターン数で割ったもの）、Ｒ_stabは抵抗螺旋状経路の抵抗、Ｌ_turnは各ターンの誘導、Ｒ_HTSは各ターンにおけるＨＴＳの抵抗（すなわち、通常の動作中は０、クエンチ又はほぼクエンチの間のみ０以外）である。Ｍは２つのターンの間の相互誘導、Ｋはターンの間の結合係数である。

これは、コイルの絶縁のために、コイル全体を他の構成要素から絶縁するため（「グラウンドラップ」）と、それを通る多数の導電性チャネルを有する絶縁材料を使用する部分絶縁体（「漏れのある絶縁体」と呼ばれ、以下でより詳細に説明する）の設計のための両方に、特に重要である。低電圧は、絶縁体が（従来の絶縁磁石で使用されているような）カプトン（登録商標）などの頑丈な材料である必要がないことを意味するが、塗料、ワニス、又は紙などのより単純な材料を使用することができ、又は絶縁材料をエアギャップ又は真空ギャップに置き換えることができる（適切な支持構造を用い、必要に応じて絶縁体も用いる）。

絶縁構造は、それを超えると構造が絶縁を停止し、構造の抵抗が数メガオームのオーダーから数オーム又は数ミリオームのオーダーに低下する、「絶縁破壊電圧」によって特徴付けることができる。絶縁コイルの場合、この絶縁破壊電圧は、少なくとも２ｋＶ（例えば５０ｃｍよりも大きい半径を有する大きなコイルの場合は少なくとも５ｋＶ）である必要があり、絶縁体を適度にコンパクトに保ちながら、使用できる材料を厳しく制限する（絶縁破壊電圧は材料の厚さにほぼ比例し、比例定数（「絶縁定数」）は材料によって異なる）。

部分絶縁コイルの場合、１０Ｖ程度を超える絶縁破壊電圧のみが必要であり、これにより「絶縁体」と合理的に呼ぶことができる任意の材料の使用が可能になる。

代替的に、材料に敵対する環境では（例えば、材料が中性子衝撃を受ける核融合炉では）、これにより、絶縁性がなくなるまで絶縁体が劣化する前に、絶縁体をより長く使用することが可能になる。中性子衝撃は、絶縁体の絶縁定数を低下させ又は物理的なギャップを導入する絶縁体の変化を引き起こす傾向があるためである。

漏れのある絶縁体の例を図１２Ａ及びＢに示す。金属ストリップ９０１は、少なくともＨＴＳケーブルに面する側面に薄い絶縁被覆９０２を備えており、絶縁被覆は、金属ストリップの各側面で間隔を置いて窓（又は「貫通孔」）９０３上で除去され又は欠落している。窓は任意の形状を有することができ、テープの端まで延びることができる。金属ストリップの両側面の窓の位置は、図１２Ｂに示すように互い違いに配列されており、これにより、電流が金属ストリップの長さの一部に沿って経路９１０を取らなければならないので、（非絶縁ストリップと比較して又は両側面の窓が互いに真向いにあるストリップと比較して）抵抗が増大する。

窓の間隔を変えて、窓がリターンリムで互いにより接近し、コアでさらに離れるようにすることによって、リターンリムとコアとの間でターン間の抵抗の必要な違いを実現することができる。更なる調整は、リターンリムに対してコアの金属ストリップに異なる金属を使用することによって、又はストリップの形状の他の態様を変えることによって達成することができる。

さらに調整を可能にするために、中まで同じ物質の金属ストリップではなく、複数の金属トラックを有する層を使用し、その中に配置された導電性径方向トラックを有する絶縁層を効果的に形成することができ、この場合、トラックの間隔及び長さが部分絶縁層の抵抗を決定する。

図１３ＡからＥは、漏れのある絶縁体層の更なる例を示す。漏れのある絶縁体層は、以下の順序で５つの層を含む。
・第１の金属接続層１６１１、
・第１の絶縁層１６２１、
・導電層１６３０、
・第２の絶縁層１６２２、
・第２の金属接続層１６１２。

図１３ＡからＣは、それぞれ、第１の金属接続層１６１１、導電層１６３０、及び第２の金属接続層１６２２のレイアウトを示す。図１３Ｄ及びＥは、図１３ＡからＣの線Ｄ及びＥに沿った断面図である。

接続層は、半田付けによるＨＴＳケーブルへの取り付けを容易にするために存在する。

導電層が連続的な金属ストリップである先の実施例とは対照的に、この実施例では、導電層は複数の導電領域に分割されている。これらの領域には２つのタイプがある。正方形領域１６３１は（実際には任意の形状であり得るが）、ビア１６０６によって金属接続層の一方にのみ接続されている。これらの領域は、部分絶縁層の電気特性に影響を与えないが、それぞれの絶縁層を通る熱経路を提供する。これらの領域のサイズ及びこれらの領域と金属接続層との接続の数を変えることによって、部分絶縁層の熱的特性を電気特性とは無関係に変えることができる。

他の領域１６３２はそれぞれ、第１の絶縁層１６２１の窓１６０１を第２の絶縁層１６２２の窓１６０２に接続する。窓の間の抵抗は、領域１６３２の幾何学的形状を変えることによって制御することができ、例えば、領域１６３２が、図１３Ｂに示されるように細長いトラック１６３３を含む場合、トラックの幅を増大させると、窓の間の抵抗が減少し、トラックの長さを（例えば、非線形トラックを提供するか又は窓を移動することにより）増大させると、窓の間の抵抗が増加する。

第１の絶縁層の窓１６０１は、第１の接続層及び第１の絶縁層を貫通するドリルで開けられたビアによって形成され、次いで、金属１６０３（又は他の導電性材料）でめっきされて第１の接続層及び導電層を接続する。第２の絶縁層の窓１６０２は、全ての層を通してビア１６０２をドリルで開けることによって形成され、次いで、金属１６０４（又は他の導電性材料）でめっきされる。第２の絶縁層の窓１６０２を介して第１の接続層への接続が形成されるのを防ぐために、第１の接続層をビア１６０２の周囲にエッチングして電気的に絶縁し、絶縁キャップ１６０５をビア１６０２の端部に配置して、半田付け又はＨＴＳケーブルとの接触による橋絡が起こらないことを確実にする。

代替案として、窓１６０２は代わりに、第２の接続層、第２の絶縁層、及び導電層を通過し、第１の絶縁層を通過しない（又は完全には通過しない）ように、部分絶縁層の他方の側からドリルで開けることができる。更なる代替案として、すべての層を貫通するビアからすべての窓を形成することができ、第２の接続層のエッチング及び第２の接続層の絶縁キャップが第１の絶縁層の窓１６０１に使用される。

部分絶縁コイルの他の予期せぬ利点は、追加のクエンチ安定性により、各ケーブル内の非超電導の導電性要素のための材料のより広い選択が可能になることである。従来のコイルでは、ＨＴＳの安定化材（すなわち、各テープ上の金属薄層又は金属クラッディング）及びテープを接続する任意の材料の両方が銅である。これは、銅が非常に低い抵抗率を有し、より高い抵抗率の材料が過度の加熱を引き起こすからである。しかしながら、銅も比較的軟らかい金属であるため、高圧下では、それはテープから押し出されるか、クエンチ後のＨＴＳ層の損傷の原因となり得る剪断応力下で変形する可能性がある。

したがって、コイルのターン及び部分絶縁体から銅を削減するか又は除去することが好ましい。削減された銅は、例えば、コイル内のＨＴＳテープ当たり１０ミクロン未満の厚さの銅（すなわち、従来のＨＴＳテープに比べて削減されている）、又は５ミクロン未満の厚さの銅（すなわち、その半分未満）であり得る。銅の代わりに使用される金属又は他の導電体は、以下の１つ以上を有することができる。
・銅に比べて低下した延性、
・銅に比べて増加したせん断弾性率、
・銅に比べて増加したヤング率、
・銅に比べて増加した体積弾性率；
・銅に比べて増加したブリネル硬度数。

好適な材料は、ステンレス鋼を含む。

上記開示は、様々なＨＴＳ磁石システムに適用することができる。一例として上述したトカマク核融合炉に加えて、本開示は、核磁気共鳴イメージング（ＮＭＲ／ＭＲＩ）装置におけるＨＴＳコイル、磁場による非磁気媒体内の磁気デバイスの操作（例えば、患者内で医療デバイスを操作するロボット磁気ナビゲーションシステム）、及び、例えば電子航空機用の電気モーターのための磁石に使用することができる。更なる例として、本開示は、開示された特徴を含むＨＴＳ磁石システムを含む陽子線治療装置に適用することができ、ＨＴＳ磁石システムは、ＰＢＴ装置の加速器、ＰＢＴ装置の四重極又は双極子ステアリング磁石、又はＰＢＴ装置の任意の他の磁石内で使用される。

Claims (21)

1. ＨＴＳ界磁コイルと電源とを含む高温超伝導体（ＨＴＳ）磁石システムであって、
   前記ＨＴＳ界磁コイルは、
   ＨＴＳ材料と金属安定化材とを含む複数のターンと、
   電流が導電性材料を介して前記ターンの間で共有され得るように前記ターンを接続する導電性材料と、
   を含み、
   前記電源は、
   前記ＨＴＳ界磁コイルのランプアップ中に、前記ＨＴＳ界磁コイルに第１の電流を供給するように、かつ、
   前記ＨＴＳ界磁コイルのランプダウン中に、前記第１の電流と方向が反対の第２の電流を前記ＨＴＳ界磁コイルに供給するように構成される、ＨＴＳ磁石システム。
2. 前記ＨＴＳ材料のクエンチを検出するように及び／又は前記ＨＴＳ材料のクエンチを引き起こす可能性のある状態を検出するように構成されたクエンチ検出システムを含み、
   前記電源は、クエンチ検出システムによるクエンチ又はクエンチを引き起こす可能性のある状態の検出に応答して前記ＨＴＳ界磁コイルをランプダウンするように構成される、請求項１に記載のＨＴＳ磁石システム。
3. 前記第２の電流はＤＣ電流である、請求項１又は２に記載のＨＴＳ磁石システム。
4. 前記第２の電流は、当該電流が、前記第１の電流と符号が反対の平均値と前記ＨＴＳ界磁コイルの時定数よりも小さい周期とで正弦波状に変化するような、ＤＣ電流とＡＣ電流との組み合わせである、請求項１又は２に記載のＨＴＳ磁石システム。
5. 前記電源は４象限の電源ユニット（ＰＳＵ）を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のＨＴＳ磁石システム。
6. 前記電源は、単一象限の電源ユニット（ＰＳＵ）とコンデンサとを含み、前記単一象限のＰＳＵは、前記第１の電流を供給するように構成され、前記コンデンサは、前記第２の電流を供給するように構成される、請求項１、２又は３に記載のＨＴＳ磁石システム。
7. 前記電源は、
   前記ＨＴＳ界磁コイルの所定の部分でのクエンチの検出、
   前記ＨＴＳ界磁コイルの所定の部分での特定の温度の検出、
   前記ＨＴＳ界磁コイルによって生成された磁場が閾値未満に減少したことの検出、及び
   前記ＨＴＳ界磁コイルのＨＴＳ材料内の電流が閾値未満に減少したことの検出
   のいずれかまで前記第２の電流を供給するように構成される、請求項１から６のいずれか一項に記載のＨＴＳ磁石システム。
8. 前記電源は、
   前記ＨＴＳ界磁コイルのＨＴＳ材料内の電流、
   前記ＨＴＳ界磁コイルの温度、及び
   前記ＨＴＳ界磁コイルの磁場
   のうちの１つ以上に基づいて前記ＨＴＳ界磁コイルに供給される電流を制御するように構成されたフィードバックシステムを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のＨＴＳ磁石システム。
9. ＨＴＳ界磁コイルと電源とを含む高温超伝導体（ＨＴＳ）磁石システムであって、
   前記ＨＴＳ界磁コイルは、
   ＨＴＳ材料と金属安定化材とを含む複数のターンと、
   電流が導電性材料を介して前記ターンの間で共有され得るように前記ターンを接続する導電性材料と
   を含み、
   前記電源は、
   前記ＨＴＳ界磁コイルのランプアップ中に、前記ＨＴＳ界磁コイルに第１の電流を供給するように、かつ、
   前記ＨＴＳ界磁コイルのランプダウン中に、前記第１の電流と同じ方向でありかつ前記ＨＴＳ界磁コイルのＨＴＳ材料内の電流よりも小さい第２の電流を前記ＨＴＳ界磁コイルに供給するように構成される、ＨＴＳ磁石システム。
10. 前記第２の電流は、当該電流が、ゼロよりも大きく前記第１の電流よりも小さい平均値と前記ＨＴＳ界磁コイルの時定数よりも小さい周期とで正弦波状に変化するような、ＤＣ電流とＡＣ電流との組み合わせである、請求項９に記載のＨＴＳ磁石システム。
11. ＨＴＳ界磁コイルと電源とを含む高温超伝導体（ＨＴＳ）磁石システムであって、
    前記ＨＴＳ界磁コイルは、
    ＨＴＳ材料と金属安定化材とを含む複数のターンと、
    電流が導電性材料を介して前記ターンの間で共有され得るように前記ターンを接続する導電性材料と
    を含み、
    前記電源は、
    前記ＨＴＳ界磁コイルにＤＣ電流を供給するように、かつ、
    前記ＨＴＳ界磁コイルを加熱するために、前記ＨＴＳ界磁コイルに前記ＤＣ電流に加えてＡＣ電流を供給するように構成され、
    前記ＡＣ電流は、前記ＨＴＳ界磁コイルの時定数よりも小さい周期と前記ＤＣ電流よりも小さい振幅とを有する、ＨＴＳ磁石システム。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のＨＴＳ磁石システムを含むトカマクであって、前記ＨＴＳ磁石システムのＨＴＳ界磁コイルは、前記トカマクのトロイダル界磁コイル又はポロイダル界磁コイルの一方である、トカマク。
13. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のＨＴＳ磁石システムを含む陽子線治療（ＰＢＴ）装置であって、前記ＨＴＳ磁石システムのＨＴＳ界磁コイルは、
    前記ＰＢＴ装置の加速器の界磁コイル、
    前記ＰＢＴ装置の陽子線ステアリングシステムの双極子磁石又は四重極磁石
    のうちの１つである、ＰＢＴ装置。
14. 高温超伝導体（ＨＴＳ）界磁コイルをランプダウンする方法であって、
    前記ＨＴＳ界磁コイルは、ＨＴＳ材料と金属安定化材とを含む複数のターンと、電流が導電性材料を介して前記ターンの間で共有され得るように前記ターンを接続する導電性材料とを含み、
    前記方法は、前記ＨＴＳ材料に流れる第１の電流とは反対に前記ＨＴＳ界磁コイルに第２の電流を流すことを含む、方法。
15. 前記第２の電流は、前記ＨＴＳ界磁コイルのクエンチ又はクエンチを引き起こす可能性のある状態の検出に応答して流される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第２の電流は、
    前記ＨＴＳ界磁コイルの所定の部分でのクエンチの検出、
    前記ＨＴＳ界磁コイルの所定の部分での特定の温度の検出、
    前記ＨＴＳ界磁コイルによって生成された磁場が閾値未満に減少したことの検出、及び
    前記ＨＴＳ界磁コイルのＨＴＳ材料内の電流が閾値未満に減少したことの検出
    のいずれかまで流される、請求項１４又は１５に記載の方法。
17. 前記第２の電流は、当該電流が、前記第１の電流と符号が反対の平均値と前記ＨＴＳ界磁コイルの時定数よりも小さい周期とで正弦波状に変化するような、ＤＣ電流とＡＣ電流の組み合わせである、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 高温超伝導体（ＨＴＳ）界磁コイルをランプダウンする方法であって、
    前記ＨＴＳ界磁コイルは、ＨＴＳ材料と金属安定化材とを含む複数のターンと、電流が導電性材料を介して前記ターンの間で共有され得るように前記ターンを接続する導電性材料とを含み、
    前記方法は、前記ＨＴＳ材料に流れる第１の電流よりも少ない第２の電流を前記ＨＴＳ界磁コイルに流すことを含む、方法。
19. 前記第２の電流は、当該電流が、ゼロよりも大きく前記第１の電流よりも小さい平均値と前記ＨＴＳ界磁コイルの時定数よりも小さい周期とで正弦波状に変化するような、ＤＣ電流とＡＣ電流との組み合わせである、請求項１８に記載の方法。
20. 高温超伝導体（ＨＴＳ）界磁コイルを加熱する方法であって、
    前記ＨＴＳ界磁コイルは、ＨＴＳ材料と金属安定化材とを含む複数のターンと、電流が導電性材料を介して前記ターンの間で共有され得るように前記ターンを接続する導電性材料とを含み、
    前記方法は、ＤＣ電流とＡＣ電流の組み合わせを前記ＨＴＳ界磁コイルに流すことを含む、方法。
21. 前記ＤＣ電流は、前記ＨＴＳ界磁コイルのＨＴＳ材料内の電流に等しい、請求項２０に記載の方法。

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