JPH07504068A - 安定な磁束ジャンプ抵抗性超伝導テープと超伝導磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 安定な磁束ジャンプ抵抗性超伝導テープと超伝導磁石発明の背景 本発明は、磁束ジャンプ抵抗性である安定なＮ　ｂ　３Ｓ　ｎ超伝導テープと該 テープを巻回して形成した超伝導磁石に関する。超伝導磁石は、例えば磁気共鳴 イメージングの分野におけるように広い用途がある。

周知のように、磁石は、液体ヘリウムなどの極低温液材を入れた圧力容器または 低温保持装置内に封入することなどによって極低温環境内に置くことにより、超 伝導状態になる。この極低温によって磁石のコイルの抵抗は無視し得るレベルま で小さくされるため、最に電流をコイルに供給するためにコイルに接続された電 源が取り除かれた後でも、電流はこの無視し得る抵抗によってコイルに流れ続け 、これにより磁界が維持される。

しかしながら、超伝導磁石が一旦励磁され、持続（ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ）モー ドに設定されると、持続動作が維持されることは重要である。液体ヘリウムで冷 却された超伝導磁石がクエンチすると、液体ヘリウムは急速に沸騰し、大量のヘ リウムガスが発生し、低温保持装置に大きな圧力が生じる。これは超伝導磁石シ ステムにとって問題であり、安全性に密接な関係があり、動作にかなり障害を生 じて動作休止時間が生じる。また、ＭＲＩシステムにおいては、ヘリウムの急速 な沸騰による騒音が患者およびシステムのオペレータに非常に不安な感じを与え る。

超伝導磁石のクエンチは、超伝導磁石およびＭＲＩ装置のサービスおよび使用を 中断させるばかりでなく、液体ヘリウムの時間のかかる高価な補充を必要とし、 続いて超伝導磁石を励磁することが必要である。動作休止時間およびＭＲ１装置 のサービスの中断は明らかに重大な問題である。

更に、ＭＲＩ装置を通常操作する人は一般に超伝導動作モードを再設定できるよ うに訓練されていないので、熟練者またはＭＲＩ専門技術者を呼んで超伝導磁石 を再起動してもらうことが必要である。

超伝導磁石のクエンチは非常に望ましくない結果および出費をもたらすが、クエ ンチの発生理由は、明白でなく、時々説明できないことがある。持続モードにお ける超伝導磁石の安定な動作を確実にするために多大な研究開発が費やされた。

超伝導磁石のクエンチおよび不安定さの１つの原因は、磁束ジャンプとして知ら れている現象である。簡単に説明すると、磁束ジャンプは超伝導体内における磁 束の迅速な動きであり、これは望ましくない加熱を生じ、超伝導体の温度を上昇 し、結果として超伝導モードを停止させる。磁束ジャンプはすべての第２種の超 伝導体に影響を与える一種の電磁的熱不安定性として説明されている。

磁束ジャンプに対して抵抗性にする種々の方法には、磁束の動作を遅（したり、 積み重ねた超伝導コイルの縁部を沸騰する液体ヘリウムにさらすことなどにより 超伝導磁石の冷却を改良するものがある。

実際の超伝導磁石は、基本超伝導材としてＮｂＴ　ｉまたはＮｂ　Ｓｎをワイヤ の形態で使用して、或いはＮｂ５Ｓｎをテープの形態で使用して製造される。両 方の形態において、超伝導体は安定化材または保護材、通常は銅に接合される。

Ｎ　ｂ　３Ｓ　ｎは、その高い臨界電流密度、高い臨界温度および高い臨界磁界 のために超伝導磁石に使用するのに非常に魅力的である。しか（、ながら、Ｎ　 ｂ　３Ｓ　ｎは、非常に脆く、超伝導磁石のコイルを製造する場合に取り扱いお よび使用が困難であるため、その実際の応用が非常に限られている。Ｎ　ｂ　ａ 　Ｓ　ｎテープは、脆さの問題を軽減するが、他の固有の問題を有する。それは 安定でなく、その高い臨界電流のためにヘリウムの低い沸点（４，２Ｋ）におい て導体に磁束ジャンプを生じることである。しかじなから、上述したＮ　ｂ　３ Ｓ　ｎの好ましい電気的特性のために、超伝導磁石にＮ　ｂ　３Ｓ　ｎを効果的 に利用できることが非常に望ましい。しかしながら、ヘリウム冷却を使用する場 合、製造および使用するのに実用的であり、しかもヘリウムの沸点において安定 であり、磁束ジャンプおよび磁石クエンチに対して抵抗性のある導体が必要であ る。

更に、ＮｂＴ　ｉと比較した場合、Ｎ　ｂ　３Ｓ　ｎの望ましい特性、すなわち より一層高い臨界電流密度、臨界温度および臨界磁界を利用することにより、同 等の性能を有する超伝導磁石をより低いコストで得ることができる。

従って、超伝導磁石コイルに製造するのに実用的な超伝導体を提供しながら、磁 束ジャンプおよび磁石クエンチの問題を解決することが重要である。

発明の目的および概要 本発明の目的は、改良されたＮ　ｂ　３Ｓ　ｎ超伝導体テープと改良された超伝 導磁石を提供することにある。

本発明の他の目的は、動作が安定であって、信頼性が高く、磁束ジャンプ抵抗性 である改良されたＮ　ｂ　３Ｓ　ｎ超伝導体テープと超伝導磁石を提供すること にある。

本発明の更に他の目的は、ランダムで望ましくない磁石クエンチに対して抵抗性 である超伝導磁石コイルを形成するのに十分可撓性である改良されたＮ　ｂ　３ Ｓ　ｎ超伝導テープを提供することにある。

本発明の一態様によれば、安定化した超伝導磁石は、Ｎｂ３Ｓｎテープ導体を巻 回した超伝導磁石コイルを利用している。一対の銅の安定化層が約３ｍｍ幅のＮ 　ｂ　３Ｓ　ｎテープに接合され、絶縁紙がこのサンドイッチ構造の導体を取り 囲み、磁石コイルの巻回後にエポキシでカプセル封じされる。銅の安定化層は少 なくとも０．３０ｍｍの厚さであり、コイルは複数の層をなすようにコイルボビ ン上に巻回され、ステンレス鋼テープがコイルの外面の回りに巻回され、導体の 動きを抑制している。

本発明の別の態様では、テープ導体は約０．０７５ミリメートル（ｍｍ）の厚さ の安定化層を利用し、０．　５０ｍｍの厚さの銅または純粋なアルミニウム箔が 超伝導磁石コイルの隣り合う眉間に挿入される。

図面の簡単な説明 図１は、本発明によって製造された超伝導テープ導体の断面図である。

図２は、図１の導体を有するコイルの断面図である。

図３は、図１および図２の超伝導テープの製造および使用を説明するための流れ 図である。

発明の詳細な説明 本発明者らの磁束ジャンプの実験によると、磁束ジャンプは一般に磁束が完全に 超伝導体を侵入する前に発生し、この侵入磁界はテープ超伝導体の幅およびテー プ超伝導体の臨界電流に依存するのみならず、テープ導体の巻回構造にも依存し 、この侵入磁界はほぼ次式によって計算されると本発明者らは結論した。

ここで、Ｂ　は侵入磁界、Ｊ　は超伝導体の臨界電流密度、ｐ　ｃ ａは超伝導体テープの幅、ｄは超伝導体テープの厚さ、Ｃは銅の安定化材および 絶縁材を含むコイル巻回部の中のの超伝導体層の間の層間距離である。

また、本発明者らは、磁束ジャンプは印加磁界が変化している時に生じ易く、安 定性は磁界が低減している時よりも磁界が増大している時に良好であることを発 見した。

この結果、図１〜図３に示すような本発明の好適実施例が得られた。

まず、図１および図３を参照すると、導体１は、１インチのオーダーの幅のＮｂ ５ｓｎテープまたはリボン導体である。導体１は銅層２および３の間にサンドイ ッチ状に挟まれ、各々の銅層の厚さは０．３ｍｍ以上である。Ｎｂ３Ｓｎの導体 １は０．０２５ｍｍの厚さである。好適実施例では、これはＮ　ｂ　ａ　Ｓ　ｎ の導体１および１インチのオーダーの幅の銅リボン２および３を半田浴内に通過 させ、この半田浴内において互いに対してプレスして半田付けして、合成テープ を形成することによって達成される。代わりとして、銅層２および３はサンドイ ッチ構造に印加される圧力によって焼きなます口上もできるし、または代わりと してめっきすることもできる。半田浴内でサンドイッチ構造のリボン導体１０を 形成する適当な方法は、本出願人に譲渡され、ここに引用する「箔を超伝導磁石 に使用される超伝導テープに積層する方法および装置（Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　 Ａｐｐａ＋ｘｔｏｓ　ｌｏ「Ｌａｍｉｎａ）ｉｎｇ　Ｆｏｉｌｓ　Ｉｌｏ　２５ ｕｐｅ＋ｅｏｎｄｏｃｔｉｎｇ　Ｔａｐｅ　ｌｏｔ　Ｕｌｅ　ｉｎ　ａ　５ｕｐ ｕｃｏｎｄｕｃ＋ｉｎｇ　Ｍａｇｎｅｔ　）　Ｊという名称の米国特許出願（出 願人整理番号１５−ＮＭ−３３７６９／３７８１）に開示されている。

ブロック２２におけるＮ　ｂ　３Ｓ　ｎ導体と銅層２および３とによって形成さ れるサンドイッチ構造は、それからブロック２５で３ｍｍ幅の個々の導体に切断 され、ブロック２６で０．０４０ｍｍの厚さの絶縁紙が巻き付けられる。安定な リボン導体１０はそれがら図２に示すように巻型またはボビン１１上に巻回され る。ボビン１１にその外周に沿って設けられた環状凹部１３は環状ポケットを形 成し、このポケット内にはＮ　ｂ　３　Ｓ　ｎのリボン導体１が層３４．３５お よび３６のような複数の層に巻回されている。別の実施例では、約０．５ｍｍの 厚さの銅または純粋なアルミニウム箔３７および３８が層３４．３５および３６ のような隣り合う層間に挿入されている。この実施例では、Ｎ　ｂ　３Ｓｎテ一 プ導体はＱ、７ｍｍの厚さの銅層２および３の間にサンドイッチ状に挟まれてい る。それから、ステンレス鋼のテープ１７がコイル１４の回りに巻かれて、超伝 導コイル組立体１５内の導体１の動きを抑制する。

本発明によって製造される超伝導磁石コイル組立体１５は液体ヘリウムの沸点４ ．２にの温度で安定であることが分かった。テープの臨界電流は、磁束密度Ｂ＝ １０テスラ（ＩＯＴ）において測定した場合、１ミリメートルの幅当り約６０ア ンペアであった。本発明の超伝導体テープおよび超伝導磁石は動作が安定であり 、磁束ジャンプ抵抗性であり、ランダムで好ましくない磁石クエンチに対し抵抗 性であることが証明された。銅の安定化層２および３は、超伝導材またはテープ １のクエンチを生じるような不良状態において電流の流れに対する別の経路すな わち並列な経路を提供する。更に、テープ導体１ｏは通常の巻回装置を使用して 超伝導磁石コイルに巻いたり、低砺格の超伝導磁石コイルを製造することができ るように十分可撓性であることがわかった。

本発明はその好適実施例について説明したか、本発明の精神および範囲から逸脱 することなく、構造、部品の構成および組合せ、および使用される材質の種類の 詳細において多くの変更を行うことができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．約４Ｋにおける動作に適している安定化した超伝導磁石であって、 超伝導体を巻回して形成された超伝導磁石コイルを有し、前記超伝導体が少なく とも０．３ｍｍの厚さの銅層の間に挟まれたＮｂ３Ｓｎテープからなる中心導体 を含むことを特徴とする磁束ジャンプ抵抗性の超伝導磁石。 ２．絶縁紙が前記Ｎｂ３Ｓｎ導体と前記銅の安定化層とを取り囲んでいる請求項 １記載の超伝導磁石。 ３．前記導体コイルはエポキシが含浸されている請求項１記載の超伝導磁石。 ４．前記コイルは巻型上に巻回され、前記超伝導体は３ミリメートルのオーダー の幅を有している請求項１記載の超伝導磁石。 ５．前記中心導体は０．０２５ｍｍのオーダーの厚さを有している請求項１記載 の超伝導磁石。 ６．前記超伝導体の臨界電流はＢ＝１０Ｔにおいて１ミリメートルの幅当り６０ アンペアのオーダーである請求項２記載の超伝導磁石。 ７．ステンレス鋼のテープが、導体の動きを抑制するために前記コイルの外面の 回りに巻回されている請求項２記載の超伝導磁石。 ８．約４．２Ｋにおける動作に適した磁束ジャンプ抵抗性の安定化した超伝導磁 石であって、 超伝導体を巻回して形成された超伝導磁石コイルを有し、前記超伝導体は０．０ ７５ｍｍのオーダーの厚さの銅層の間に挟まれたＮｂ３Ｓｎ中心導体を含み、前 記超伝導磁石コイルは複数の層に巻回されていて、該コイルの隣り合う層間に箔 挿入物が配置されていることを特徴とする超伝導磁石。 ９．前記箔挿入物は銅箔およびアルミニウム箔からなるグループから選択された ものである請求項８記載の超伝導磁石。 １０．前記箔挿入物の厚さが０．５０ｍｍ以下ある請求項９記載の超伝導磁石。 １１．前記超伝導磁石コイルはエポキシが含浸されれている請求項１０記載の超 伝導磁石。 １２．前記超伝導体の幅が３ミリメートルのオーダーである請求項１１記載の超 伝導磁石。 １３．超伝導磁石コイルに使用するための安定な磁束ジャンプ抵抗性の超伝導体 を製造する方法であって、Ｎｂ３Ｓｎ導体を形成し、少なくとも０．３ｍｍの厚 さの２つの安定化用銅層の間に前記導体をサンドイッチ状に挟むステップを有し 、 前記導体の幅が３ミリメートルのオーダーであることを特徴とする超伝導体製造 方法。 １４．前記導体と前記銅層からなる前記サンドイッチ構造の回りに紙が巻き付け られている請求項１３記載の超伝導体製造方法。 １５．前記導体および前記銅層からなる前記サンドイッチ構造が半田浴内で一体 に半田付けされる請求項１３記載の超伝導体製造方法。 １６．前記サンドイッチ構造は幅が最初２５ｍｍのオーダーであるが、前記サン ドイッチ構造の形成後に３ミリメートルのオーダーの幅の条片に切断される請求 項１５記載の超伝導体製造方法。 １７．超伝導体サンドイッチ構造から約４Ｋで動作し得る安定な磁束ジャンプ抵 抗性の超伝導テープ磁石コイルを製造する方法であって、 ０．００３インチのオーダーの厚さの銅の安定化層の間にＮｂ３Ｓｎの導体サン ドイッチ構造を形成するステップ、前記導体を巻型上に層状に巻回してコイルを 形成するステップ、 前記コイルの隣り合う層間に箔を挿入するステップを有する超伝導テープ磁石コ イル製造方法。 １８．前記箔は０．０２０インチのオーダーの厚さを有し、銅およびアルミニウ ムからなるグループから前記箔を選択する別のステップを有する請求項１７記載 の超伝導磁石コイル製造方法。 １９．前記巻型から離れた方の前記磁石コイルの端部をステンレス鋼テープで囲 む別のステップを有する請求項１８記載の超伝導礎石コイル製造方法。 ２０．前記導体を層状に巻回する前に前記サンドイッチ構造に多孔性絶縁物を巻 き付けるステップ、更に、前記コイルに絶縁媒体を含浸させる別のステップを有 する請求項１８記載の超伝導磁石コイル製造方法。 ２１．前記多孔性絶縁物は紙であり、前記絶縁媒体はエポキシである請求項２０ 記載の超伝導磁石コイル製造方法。 ２２．前記導体サンドイッチ構造は３ミリメートルのオーダーの幅を有し、複数 の導体サンドイッチ構造が３ミリメートルよりもかなり幅広い最初のサンドイッ チ構造から切断して形成される請求項１８記載の超伝導磁石コイル製造方法。 ２３．前記サンドイッチ構造は半田浴内で前記安定化層を前記Ｎｂ３Ｓｎに向け てプレスすることにより形成される請求項１８記載の超伝導磁石コイル製造方法 。