JPH0682150B2 - 磁場計測装置 - Google Patents

磁場計測装置

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JPH0682150B2
JPH0682150B2 JP62232227A JP23222787A JPH0682150B2 JP H0682150 B2 JPH0682150 B2 JP H0682150B2 JP 62232227 A JP62232227 A JP 62232227A JP 23222787 A JP23222787 A JP 23222787A JP H0682150 B2 JPH0682150 B2 JP H0682150B2
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magnetic field
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一浩 竹内
清水  仁
充志 阿部
顕 重中
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は磁場計測装置に係り、特にプラズマの放電時間
が数百秒を超える核融合装置において精度良くポロイダ
ル磁場を計測するに好適な磁場計測装置に関する。
〔従来の技術〕 従来、核融合装置の磁場計測装置については、フユージ
ヨン・エンジニアリング・イレヴンス・シンポジウム・
プロシーデイングス・ボリユーム1(1985年)第586頁
から第589頁(Fusion Engineeing 11th Symposium,Proc
eedings Volume1(1985)pp586−589)に詳しく論じら
れている。この方法を、第2図により説明する。
第2図において、ピツクアツプコイル2には、それに鎖
交する磁束Фの時間変化に等しい大きさのv=dΨ/dt
が誘起される。この信号vをプリアンプ7で増巾し、ロ
ーパスフイルタ12でノイズを除去し、積分器13で積分す
る。プリアンプ7の増巾度をA、積分器13の時定数を
τ、出力信号をVとれば、 となり、時刻tにおいてピツクアツプコイルに鎖交する
磁束Ψ(t)を計測できる。
前述の文献では、コンデンサや抵抗器、オペアンプなど
を用いたアナログの積分器でなく、入力信号v=dΨ/d
tをV−Fコンバータによりパルス列に変換し、そのパ
ルスを数えるデイジタル積分方式について述べている。
この方法では、積分器13の精度を向上させることができ
るが、計測系の構成としては、第2図と同じである。
尚、超電導を応用した磁場計測装置としては、特開昭59
−90069号公報に記載のものがある。しかし、この装置
は、超電導−常電導状態を温度により変化させて用いる
必要があるため、核融合装置の磁場計測のように応答性
が要求されるものにあまり適さない。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来技術では、プラズマの放電時間、すなわち、磁
場計測装置の動作時間が長くなるとともに、磁場計測誤
差が増大するという問題があつた。
これは、従来技術による磁場の計測方法が、微分信号v
=dΨ/dtを用い、その信号の積分値として磁束Ψを得
ているためである。入力信号v=dΨ/dtに、時間的変
動のない誤差Δvが乗つており、v=dΨ/dt+Δvで
あつたとする。このとき出力信号Vは、式(1)より となり、計測誤差は(2)式最右辺第2項に示すよう
に、計測時間tに比例して増大する。
上記の計測誤差の原因は、第2図に示したプリアンプ7,
ローパスフイルタ12,積分器13に含まれるアナログ素子
のオフセツト電圧の変動が主なものである。この変動
は、素子の温度変化や経年変化によつても影響されるた
め、完全に消すことはできない。現在、上記従来技術に
よる磁場計測装置には、計測時間t=10秒につき計測値
に対する相対値で約0.2%の誤差がある。今後建設が予
定される核融合装置では、プラズマの放電時間(すなわ
ち、磁場を計測する必要がある時間)は、1000秒程度、
あるいはそれ以上となる予定であり、一方、磁場計測に
は相対誤差1%程度が要求される。従つて、従来技術に
よる磁場計測装置では誤測精度が悪化し、今後の核融合
装置に使用できないという問題がある。
本発明の目的は、核融合装置におけるプラズマの1000秒
以上の長時間放電に対して適用可能な磁場計測装置を提
供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は、第3図に示すように、超電導体のピツクア
ツプコイル2と、スイツチング素子3、及び前記ピツク
アツプコイルの電流を計測するための抵抗5、抵抗5に
発生する電圧を計測する手段を設け、ピツクアツプコイ
ル2を流れる電流値を計測することにより達成される。
〔作用〕
本発明は、超電導体を用いたコイルでは、それ自身と鎖
交する磁束が保存されることに着目してなされたもので
ある。すなわち、スイツチング素子3が閉のとき、ピツ
クアツプコイル1とスイツチング素子3で構成されるル
ープには超電導電流が流れている。磁場中に置かれた超
電導状態のコイルには、磁場の変化に合せて、コイルと
鎖交する磁束が保存されるように超電導電流が流れるこ
とになるので、磁場の測定時に、スイツチング素子3を
開とし、抵抗5に発生する電圧を測定すれば、電流が求
められ、その時の磁場を測定することができることにな
る。
上記方法は、磁場計測の方法として、磁束変化の微分信
号v=dΨ/dtを計測するのでなく、磁束Ψそのものを
計測しているので、長時間計測における誤差の蓄積が小
さくなる。
〔実施例〕
まず、本発明の原理を詳細に説明する。
第3図において、スイツチング素子3が閉じていると
き、ピツクアツプコイル2およびスイツチング素子がつ
くる閉回路の回路方程式は、構成素子が超電導体である
から L:ピツクアツプコイルの自己誘導係数 Ψ:ピツクアツプコイルに鎖交する磁束 I:回路に流れる電流 である。ここで、時刻t=0で回路に流れる電流および
ピツクアツプコイルに鎖交する磁束をともにゼロとし
た。
なお、前記の回路はすべて超電導体を用いる。超電導体
のスイツチング素子としては、ジヨセフソン接合を用い
た抵抗ゼロのスイツチング素子が既に存在するため、装
置構成上問題はない。
式(3)より、前記回路に流れる電流Iは、磁束Ψに比
例するので、Iを計測することにより磁束Ψを、従つて
磁場を計測することができる。電流Iの計測の際は、ス
イツチング素子3を開きこの電流を抵抗5に転流させ
る。
スイツチング素子3が開いたとき、ピツクアツプコイル
2と抵抗5とのつくる回路の回路方程式は、 R:抵抗値 である。磁束Ψの変化する特徴的時間は数十ミリ秒以上
であり、スイツチング素子3を開いている時間をマイク
ロ秒程度とすれば、式(4)の左辺は無視できる。この
とき電流Iの時間変化は、 t0:スイツチング素子を開いた時刻 であり、抵抗5の両端に生ずる電圧Voutである。即ち、電圧Voutは、時定数L/Rで減衰する。ス
イツチを開いている時刻t−t0がL/Rよりも十分小さけ
れば、電流はほとんど減衰せず、 Vout≒RI(t0) であり、電圧Voutを測定することにより、電流Iが、従
つて式(3)より磁束Ψが計測できる。電圧Voutを測定
し終わると、ただちにスイツチング素子3を閉じ、再び
ピツクアツプコイル2とスイツチング素子3とのつくる
回路に電流を戻す なお、スイツチを開いている時間が、電流減衰の時定数
に比べ小さくないとき、即ち式(6)で t−t0≪L/R が成り立たないときでも、その間の減衰比 は既知であるから、電流を計測する毎に、式(7)の分
だけ計測値を補正すればよい。
第3図において、タイミングパルス6がhighのときスイ
ツチング素子3が開くとする。このときの計測すべき磁
束Ψと、抵抗の両端の出力電圧Voutおよびタイミングパ
ルスの関係は第4図に示すようになる。
次に、本発明の一実施例を第1図により説明する。第1
図において、1はプラズマ、2は計測用の超電導ピツク
アツプコイルである。ピツクアツプコイル2の大きさ
は、例えば 断面積:0.02m×0.05m 長 さ:0.05m 巻 数:100ターン とする。このとき、自己インダクタンスLは L≒0.25mH である。3はジヨセフソン接合を用いたスイツチング素
子、5は電流計測のための抵抗である。この抵抗値を R≒1mΩ とする。6は計測のためのタイミングパルスである。7
はプリアンプであり、8はA−Dコンバータそして、9
は計測データ収集及び計測系制御のためのコンピユータ
である。
次に動作を説明する。コンピユータ9は、100Hzで10μ
sのパルス巾のタイミングパルスを出す。すなわち、デ
ータの収集は10ms毎に、10μsの間に行なう。この10μ
sの間、スイツチング素子3は開となり、抵抗5に電流
が流れ、電圧が抵抗5の両端に生ずる。この電圧をプリ
アンプ7で増巾し、A−Dコンバータでデイジタル信号
とした後、コンピユータ9へ取り込む。
ところで、式(6)及び(7)で示したように、電流計
測のためスイツチング素子3を開とする10μsの間に、
電流値は 倍に減衰する。1回の計測については、この電流値の減
衰による誤差は4×10-3%であり無視できるが、計測回
数が多くなると無視できなくなる。但し、この誤差の大
きさは完全に既知であるから、コンピユータ9で、以下
の処理をすることによりこの誤差を無くすことができ
る。
まず、第k回めの計測で減衰する電流値をΔIkとする
と、 ΔIk=αI(tk) α :減衰率(=4×10-5) tk:第k回めの計測時刻 I(tk):時刻tkで回路を流れる電流値 従つて第n回めの計測までに だけの電流が、計測のために消費される。従つて、時刻
tnにおいて、ピツクアツプコイル2に鎖交する磁束Ψと
しては、 となる。
第7図に、本発明の第2の実施例を示す。第7図の例
は、スイツチング素子を複数個並列に使用した例であ
る。第1図に示した実施例では、計測できる磁場の強度
は、スイツチング素子3が制御し得る電流の大きさに比
例する。スイツチング素子としてジヨセフソン素子を用
いたとき、流し得る最大電流(超電導体の臨界電流)は
1mA程度である。第7図に示すために、このジヨセフソ
ン素子3を、例えば50個並列に使用したとすると、制御
し得る電流Imaxは=50mA程度である。このとき、ピツク
アツプコイル2の大きさを、 巻 数 N=5000 コイル長さ l=0.005m とする。すると、計測できる磁束及び磁束密度の最大値
Ψmax,Bmaxは、 となり、核融合装置のポロイダル磁場強度0.01〜0.1Tes
laを計測できる。
第5図には、核融合装置のポロイダル断面と、ピツクア
ツプコイルの配置を示した。磁場計測は、第5図に示す
ように、プラズマを囲む多くの点で行なう必要がある。
また、プラズマスを閉じ込めるための磁場をつくるコイ
ルは、電源容量の要求から、超電導コイルになることは
ほぼ確実である。そこで、本発明によるピツクアツプコ
イルおよびスイツチング素子を、第5図に示すように核
融合装置のトロイダル磁場コイルを組み込む。第6図に
は、トロイダル磁場コイルの断面と、その中に組み込ん
だ超電導体のピツクアツプコイル2を示した。こうすれ
ば、計測用のピツクアツプコイルのための新たな冷却系
統が不要である。また、計測すべき磁場はトロイダル磁
場とは垂直方向であること、及び、磁場計測中は、トロ
イダル磁場は時間変化が無いことから、トロイダル磁場
コイル電流がピツクアツプコイル2の計測に影響を与え
ることは無い。
以上示したように、本実施例によれば、核融合装置のト
ロイダル磁場コイルの冷却系統を利用した超電導ピツク
アツプコイルを用い、プラズマの放電時間とともに増大
する誤差無しに、プラズマ周辺の磁場を計測することが
できる。また本実施例による磁場計測の誤差は、第1図
において、回数定数L及びRの測定誤差、プリアンプ7
のゲインの調整時の誤差、A−Dコンバータ8のピツト
誤差,ピツクアツプコイル2の設置誤差等があるが、こ
れらは1%以下に抑えることができる。
尚、磁場計測の方法で、磁束変化の微分信号を計測し電
子回路等で処理するものでなく、磁束(あるいは磁束密
度)そのものを直接計測する方法のうち、核融合装置の
つくる0.1〜10テスラ程度の磁場に適用できる可能性の
あるものとして、上記の本発明の方法以外に次の2つの
方法が考えられる。まず、半導体磁気センサ(ホール素
子)であるが、これは室温で動作するが、温度係数が0.
6%/℃と大きく、核融合装置のように厳しい条件下で
は使用が困難である。また、磁場中での電磁波の偏波面
のフアラデー回転を計測する方法もあるが、これは、計
測した磁場が電磁波が行路上の積分値となつてしまうた
め、従来のピツクアツプコイルによる計測の代替方法と
はなり得ない。
〔発明の効果〕
本発明によれば、核融合装置のプラズマ放電時間の長さ
に影響されない磁場計測が可能である。従来技術では、
1000秒のプラズマ放電の際、磁場の計測誤差は20%程度
になると予想されるが、本発明によれば、計測誤差を1
%以下に抑えることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例のブロツク図、第2図は
従来技術を示すブロツク図、第3図は本発明の原理を示
す回路図、第4図は第1の実施例の動作を示す図、第5
図は本発明の一実施例の核融合装置のポロイダル断面
図、第6図は第5図のトロイダル磁場コイルの断面図、
第7図は本発明の第2の実施例のブロツク図である。 2…ピツクアツプコイル、3…スイツチング素子、4…
超電導体、5…抵抗、6…タイミングパルス、7…プリ
アンプ、8…A/Dコンバータ、9…コンピユータ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 重中 顕 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社日 立製作所エネルギー研究所内 (56)参考文献 特開 昭64−72086(JP,A) 特開 昭63−282674(JP,A) 特開 昭55−37978(JP,A) 実開 昭57−78601(JP,U)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超電導体より構成される磁場計測用ピツク
    アツプコイルと、前記ピツクアツプコイルとともに閉ル
    ープを構成する超電導体のスイツチング素子と、前記ス
    イツチング素子と並列に接続した抵抗と、前記抵抗に発
    生する電圧を測定する装置を設けたことを特徴とする磁
    場計測装置。
JP62232227A 1987-09-18 1987-09-18 磁場計測装置 Expired - Lifetime JPH0682150B2 (ja)

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JPS6475980A JPS6475980A (en) 1989-03-22
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US6710221B1 (en) 1999-06-15 2004-03-23 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Absorbent articles incorporating color change graphics
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