JP6310221B2 - Passive quench detection method for superconducting magnets - Google Patents
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Description
本発明は、複数の超電導コイルが接続点を介して互いに直列接続されて構成された超電導マグネットのパッシブ・クエンチ検出方法の技術分野に関する。 The present invention relates to a technical field of a passive quench detection method for a superconducting magnet in which a plurality of superconducting coils are connected in series via connection points.
電動機や発電機などの電気機器やMRIなどの医療用診断装置のような電磁特性を利用した機器では、しばしば強力な磁場が必要とされる。一般的に強磁場は例えばサマリウム・コバルト系やネオジウム・鉄・ボロン等の永久磁石によって得ることができるが、単体の永久磁石では利用できる最大磁束密度Bは約0.5T程度が限度とされている。更に強力な磁場を得る手段として、例えば、永久磁石を組み合わせたハルバッハ磁気回路が知られている。ハルバッハ磁気回路は永久磁石が作る双極子磁場の分布方向に合わせて永久磁石を配置することによりドーナツ状磁気回路を構成することで、中心部分に均一な強磁場を発生させる。図12はハルバッハ磁気回路40の構成例であり、中空の筐体41内に複数の永久磁石42を組み合わせて構成しており、最大磁束密度B=1.5(T)を実現している。
In a device using electromagnetic characteristics such as an electric device such as an electric motor or a generator or a medical diagnostic apparatus such as MRI, a strong magnetic field is often required. Generally, a strong magnetic field can be obtained by a permanent magnet such as samarium / cobalt or neodymium / iron / boron, but the maximum magnetic flux density B that can be used by a single permanent magnet is limited to about 0.5T. Yes. As a means for obtaining a stronger magnetic field, for example, a Halbach magnetic circuit combining a permanent magnet is known. The Halbach magnetic circuit forms a doughnut-shaped magnetic circuit by arranging permanent magnets in accordance with the distribution direction of the dipole magnetic field created by the permanent magnets, thereby generating a uniform strong magnetic field in the central portion. FIG. 12 shows a configuration example of the Halbach
ハルバッハ磁気回路では、磁気を帯びた複数の永久磁石を組み合わせて構成するため、その組み立てに膨大な力を要するため、更に強力な磁場を得ることは困難であるとされている。そこで、より強力な磁場を得るための手段として、近年、超電導マグネットが注目されている。超電導マグネットは、極低温状態において電気抵抗値が直流でゼロとなる超電導線をコイル状に巻回して構成されており、大電流を流すことで数T以上の強磁場を容易に発生することができる。 The Halbach magnetic circuit is configured by combining a plurality of magnetized permanent magnets, and requires an enormous amount of force to assemble it. Thus, it is difficult to obtain a stronger magnetic field. Thus, superconducting magnets have recently attracted attention as means for obtaining a stronger magnetic field. A superconducting magnet is formed by winding a superconducting wire having an electric resistance value of zero at a direct current in a cryogenic state in a coil shape, and can easily generate a strong magnetic field of several T or more by flowing a large current. it can.
超電導マグネットを運用するにあたり、超電導相が突然破壊されて常電導相に転移することによって過熱し、超電導コイルを破壊(焼損)する、いわゆるクエンチ現象が発生する。これを回避することが超電導マグネットの実用化には重要である。クエンチ現象が生じる原因は様々考えられているが、超電導コイル巻線の一部が局部的に動くワイヤー・ムーブメントが原因の一つとして挙げられる。例えば、超電導コイル巻線の一部が何らかの理由によって微小ながら動くと、磁場中の線材移動によって起電力が発生し、発熱が生じる。そして発熱によって温度が超電導線の臨界温度以上に達すると、超電導相の破壊が生じ、クエンチ現象となって観測される。このようなクエンチ現象は、超電導コイル巻線の溶断のような重大な故障原因となるため、早期且つ精度よく検出することが求められている。 When a superconducting magnet is used, a superconducting phase is suddenly broken and then transferred to the normal conducting phase, so that a superconducting coil is destroyed (burned out). Avoiding this is important for the practical application of superconducting magnets. Various causes of the quenching phenomenon are considered, and one of the causes is a wire movement in which a part of the superconducting coil winding moves locally. For example, if a part of the superconducting coil winding moves while being minute for some reason, an electromotive force is generated by movement of the wire in the magnetic field, and heat is generated. When the temperature rises above the critical temperature of the superconducting wire due to heat generation, the superconducting phase breaks down and is observed as a quench phenomenon. Such a quenching phenomenon causes a serious failure such as fusing of the superconducting coil winding, so that it is required to detect it early and accurately.
この種のクエンチ検出方法は様々な手法が検討されているが、その一例として例えば特許文献1及び2がある。特許文献1では超電導コイルを電圧タップを用いて複数区間に区分し、それぞれの電位差を測定することによってクエンチの検出を行っている。また、特許文献2では、超電導コイルに設けられた中間タップを利用してブリッジ回路を構成し、該ブリッジ回路における電圧検出値に基づいてクエンチの検出を行っている。
Various techniques have been studied for this type of quench detection method, and examples thereof include
超電導コイルの冷却温度が十分確保されている場合、仮にコイル中に局部的な発熱が生じたとしてもマグネット材料の比熱が十分大きいうちは温度上昇が小さく、クエンチ現象は生じにくくなる。一般的に、超電導体は、ヘリウム温度で使用される金属超電導体と、該金属超電導体に比べて高い臨界温度を有するY系或いはBi系などの高温超電導体とに大きく分けることができるが、高温超電導体は金属超電導体に比べて比熱が大きい温度領域で動作できるため、クエンチ現象は生じにくいとされている。しかしながら、超電導マグネットの用途によっては、超電導線が強磁場に曝され、臨界温度が低下し、クエンチ現象の発生リスクが大きくなる場合がある。 If the cooling temperature of the superconducting coil is sufficiently secured, even if local heat is generated in the coil, the temperature rise is small while the specific heat of the magnet material is sufficiently large, and the quench phenomenon is difficult to occur. In general, superconductors can be broadly divided into metal superconductors used at helium temperature and high-temperature superconductors such as Y-based or Bi-based having a higher critical temperature than the metal superconductor. The high temperature superconductor can be operated in a temperature range where the specific heat is larger than that of the metal superconductor, and therefore it is said that the quench phenomenon is unlikely to occur. However, depending on the use of the superconducting magnet, the superconducting wire is exposed to a strong magnetic field, the critical temperature is lowered, and the risk of occurrence of the quench phenomenon may be increased.
超電導マグネットで使用される超電導線を高温超電導体で形成する場合、超電導線材の製法上の制約から、一般的にテープ形状の線材が用いられている。このようなテープ線材形状を有する超電導線をコイル巻線として用いる場合、図13に示すパンケーキ構造が広く採用されている。この例では、外側から内側に向かってパンケーキ状に巻回された第1の超電導コイルL1と、内側から外側に向かってパンケーキ状に巻回された第2の超電導コイルL2とが、内側において連続に電気的に接続された、いわゆるダブルパンケーキ構造を有している。このようなダブルパンケーキ構造は、磁場強度の低い外周部で接続しながら階層を増やすことで、簡易に強力な磁場を発生できるというメリットがある。 When a superconducting wire used in a superconducting magnet is formed of a high-temperature superconductor, a tape-shaped wire is generally used because of restrictions on the manufacturing method of the superconducting wire. When a superconducting wire having such a tape wire shape is used as a coil winding, the pancake structure shown in FIG. 13 is widely adopted. In this example, the first superconducting coil L1 wound in a pancake shape from the outside to the inside and the second superconducting coil L2 wound in a pancake shape from the inside to the outside are arranged on the inside. 2 has a so-called double pancake structure electrically connected continuously. Such a double pancake structure has an advantage that a strong magnetic field can be easily generated by increasing the number of layers while being connected at the outer peripheral portion having a low magnetic field strength.
一方で、テープ線材形状の超電導線はその薄さから、略円形断面を有する一般的な線材に比べて、熱伝達特性が小さくなる。そのため、常電導相が生じた場合に、発熱によって溶断のような重大な故障につながりやすいため、より早期にクエンチ現象を検出することが求められている。 On the other hand, a superconducting wire in the form of a tape wire has a smaller heat transfer characteristic than a general wire having a substantially circular cross section due to its thinness. For this reason, when a normal conducting phase occurs, it is likely to cause a serious failure such as fusing due to heat generation, so that it is required to detect the quench phenomenon at an earlier stage.
特許文献1では、超電導コイルの所定区間における電圧測定値に基づいてクエンチの検出を行っている。しかしながら、このような電圧測定値には、超電導コイルの直流電源等に起因するノイズが多く含まれており、精度のよいクエンチ検出は困難である。一方、特許文献2ではブリッジ回路を用いてクエンチ検出を行っているため、上述の特許文献1に比べると検出精度は比較的改善されるものと考えられる。しかしながら、特許文献2の検出技術では、単純な構成を有する超電導コイルのクエンチ検出は可能であるが、多数の超電導コイルから構成される超電導マグネットに適用しようとした場合、同様の検出装置をコイル数だけ用意する必要があるため、構成が煩雑になってしまうという問題がある。
In Patent Document 1, quench detection is performed based on a voltage measurement value in a predetermined section of a superconducting coil. However, such voltage measurement values include a lot of noise due to the DC power source of the superconducting coil, and it is difficult to detect quench with high accuracy. On the other hand, in
また、複数の超電導コイルを電気的に接続すると、それぞれの超電導コイルは互いに相互インダクタンスの影響を受ける。そのため、クエンチが発生した場合における各超電導コイルの両端電圧の振る舞いは、上述のような単純な系とは異なり、複雑なものとなる。そのため、上記技術をそのまま適用しただけでは、精度のよいクエンチ検出が困難であるという問題がある。 Further, when a plurality of superconducting coils are electrically connected, each superconducting coil is affected by mutual inductance. Therefore, the behavior of the both-ends voltage of each superconducting coil when quenching occurs is complicated unlike the simple system as described above. Therefore, there is a problem that accurate quench detection is difficult only by applying the above technique as it is.
本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、複数の超電導コイルを含む超電導マグネットにおいてクエンチ現象を簡易な構成で精度よく検出可能な超電導マグネットのパッシブ・クエンチ検出方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a passive quench detection method for a superconducting magnet capable of accurately detecting a quench phenomenon with a simple configuration in a superconducting magnet including a plurality of superconducting coils. And
本発明に係る超電導マグネットのパッシブ・クエンチ検出方法は上記課題を解決するために、N(但し、Nは2以上の整数)個の超電導コイルが接続点を介して互いに直列接続されて構成された超電導マグネットのクエンチ検出方法であって、(i)互いに直列接続され、前記N個の超電導コイルに対して並列に接続されたN個のリファレンス抵抗と、(ii)前記N個の超電導コイルのうち隣り合う超電導コイル間の接続点に接続された(N−1)本の第1のリードと、(iii)前記N個のリファレンス抵抗のうち隣り合うリファレンス抵抗間の接続点に接続された(N−1)本の第2のリードとを前記N個の超電導コイルに対して組み込むことによってブリッジ回路を構成する回路構成工程と、前記第1のリード及び前記第2のリード間の電圧を検出する電圧検出工程と、前記N個の超電導コイルのいずれかにクエンチが検出された場合における前記電圧検出工程における電圧の検出値の組み合わせを予め用意しておき、前記クエンチ検出工程では、前記電圧検出工程で検出した実測値と、前記予め用意した検出値の組み合わせとを比較することにより、前記N個の超電導コイルのうちいずれにおいてクエンチが検出されたかを特定するクエンチ検出工程とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, a passive quench detection method for a superconducting magnet according to the present invention is configured such that N (where N is an integer of 2 or more) superconducting coils are connected in series via a connection point. A superconducting magnet quench detection method comprising: (i) N reference resistors connected in series with each other and connected in parallel to the N superconducting coils; and (ii) of the N superconducting coils. (N-1) first leads connected to a connection point between adjacent superconducting coils, and (iii) connected to a connection point between adjacent reference resistors among the N reference resistors (N -1) a circuit configuration step of forming a bridge circuit by incorporating the second leads into the N superconducting coils, the first lead, and the second lead A combination of a voltage detection step for detecting the voltage of the voltage and a detected value of the voltage in the voltage detection step when quenching is detected in any of the N superconducting coils is prepared in advance, A quench detection step for identifying in which of the N superconducting coils quench is detected by comparing the actual value detected in the voltage detection step with the combination of the detection values prepared in advance. It is characterized by providing.
本発明によれば、N個の超電導コイルから構成された超電導マグネットにおいて、各超電導コイルに構成したブリッジ回路の電圧を測定することで、クエンチ検出を精度よく行うことができる。特に、超電導コイルのいずれかにクエンチが検出された場合における電圧検出値の組み合わせを予め用意して実際の電圧検出値と比較することによって、各超電導コイル間の相互インダクタンスの影響を考慮した、精度のよいクエンチ検出判定を行うことができる。これにより、複数の超電導コイルのうちいずれの超電導コイルでクエンチが検出されたのかを特定することができるため、後日、クエンチの発生箇所の特定などを解析する際にも有用な情報を得ることができる。 According to the present invention, in a superconducting magnet composed of N superconducting coils, quench detection can be accurately performed by measuring the voltage of the bridge circuit constructed in each superconducting coil. In particular, the accuracy of considering the influence of mutual inductance between each superconducting coil by preparing a combination of voltage detection values when quenching is detected in one of the superconducting coils and comparing it with the actual voltage detection value. It is possible to make a good quench detection determination. As a result, it is possible to specify which of the superconducting coils the quench is detected in, and it is possible to obtain useful information when analyzing the location of occurrence of quenching at a later date. it can.
本発明の一態様では、前記N個の超電導コイルにクエンチが発生していない正常状態において、前記電圧検出工程における電圧の検出値が略ゼロになるように前記N個のリファレンス抵抗を調整する調整工程を備えてもよい。
この態様によれば、クエンチ現象が発生していない正常状態では、前記第1のリード及び前記第2のリード間の検出値が略ゼロになるようにバランスがとられているため、クエンチ現象が発生することで超電導マグネット内の電気抵抗値が増加すると、該バランスが崩れることにより、電圧検出値は略ゼロではない値が検出されることとなる。
In one aspect of the present invention, the N reference resistors are adjusted so that the detected voltage value in the voltage detection step is substantially zero in a normal state where no quenching occurs in the N superconducting coils. A process may be provided.
According to this aspect, in the normal state where the quench phenomenon does not occur, the detected value between the first lead and the second lead is balanced so that the detected value is substantially zero. When the electrical resistance value in the superconducting magnet increases due to the occurrence, the balance is lost, and a voltage detection value that is not substantially zero is detected.
また他の態様では、前記N個のリファレンス抵抗は、コンスタンタンを抵抗材料とする可変抵抗器であってもよい。
コンスタンタンは温度特性・磁場特性共に安定性に優れているので、超電導マグネットの極低温・強磁場という過酷な環境下において、微小な電圧変化に基づくクエンチ検出に用いられる上記リファレンス抵抗の材料として適している。
In another aspect, the N reference resistors may be variable resistors using constantan as a resistance material.
Constantan has excellent stability in both temperature and magnetic field characteristics, making it suitable as a reference resistance material for quench detection based on minute voltage changes in the harsh environment of superconducting magnets at extremely low temperatures and strong magnetic fields. Yes.
また、前記N個の超電導コイルは、それぞれダブルパンケーキ構造を有してもよい。
ダブルパンケーキ構造では互いの超電導コイルが接続点を介して接続されているので、当該接続点に対してリファレンス抵抗、第1のリード、第2のリードを組み込み、上記ブリッジ回路を容易に構成することができる。
Each of the N superconducting coils may have a double pancake structure.
In the double pancake structure, since the superconducting coils are connected to each other through a connection point, a reference resistor, a first lead, and a second lead are incorporated into the connection point to easily configure the bridge circuit. be able to.
本発明によれば、N個の超電導コイルから構成された超電導マグネットにおいて、各超電導コイルに構成したブリッジ回路の電圧を測定することで、クエンチ検出を精度よく行うことができる。特に、超電導コイルのいずれかにクエンチが検出された場合における電圧検出値の組み合わせを予め用意して実際の電圧検出値と比較することによって、各超電導コイル間の相互インダクタンスの影響を考慮した、精度のよいクエンチ検出判定を行うことができる。これにより、複数の超電導コイルのうちいずれの超電導コイルでクエンチが検出されたのかを特定することができるため、後日、クエンチの発生箇所の特定などを解析する際にも有用な情報を得ることができる。 According to the present invention, in a superconducting magnet composed of N superconducting coils, quench detection can be accurately performed by measuring the voltage of the bridge circuit constructed in each superconducting coil. In particular, the accuracy of considering the influence of mutual inductance between each superconducting coil by preparing a combination of voltage detection values when quenching is detected in one of the superconducting coils and comparing it with the actual voltage detection value. It is possible to make a good quench detection determination. As a result, it is possible to specify which of the superconducting coils the quench is detected in, and it is possible to obtain useful information when analyzing the location of occurrence of quenching at a later date. it can.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be exemplarily described in detail with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention only to those unless otherwise specified. This is just an example.
(参考例)
はじめに図1を参照して、本発明に係るに至る前提となった参考例について説明する。ここではクエンチの検出対象となる超電導マグネットが等しいインダクタンスL1及びL2を有する超電導コイルから構成されることによって、シンプルな構造を有する場合について例示する。図1は参考例に係るクエンチ検出装置10´の全体構成を示す概略図である。
(Reference example)
First, with reference to FIG. 1, a reference example that is a premise for the present invention will be described. Here, a case where a superconducting magnet that is a detection target of quenching is composed of superconducting coils having equal inductances L1 and L2 to have a simple structure will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a quench
クエンチ検出対象となる超電導マグネットは、互いに直列接続されたダブルパンケーキ構造を有する2つの超電導コイルL1及びL2から構成されている(すなわち、N=2)。超電導コイルL1及びL2は、商用電源で動作する直流電源3が直列接続されてなる電気回路4を有しており、図1では該電気回路4を流れる直流電流(マグネット電流)をIdcで示している。電気回路にはマグネット電流Idcを計測するための電流計6が直列に設けられると共に、超電導コイルL1及びL2の両端電圧Vdcを計測するための電圧計7が並列に設けられている。電流計6及び電圧計7の検出値は、検出値の演算解析を行うための検出部5(例えば電子計算機や各種計測器など)に送られ、クエンチ検出がなされる。
尚、電気回路4に直列に挿入された抵抗RXは、直流電源3の内部抵抗や各超電導コイルL1及びL2内における種々の接続抵抗および電流リードなどの、電気回路4に含まれる各種抵抗成分をまとめて表現したものである。
The superconducting magnet to be detected by quenching is composed of two superconducting coils L1 and L2 having a double pancake structure connected in series with each other (that is, N = 2). The superconducting coils L1 and L2 have an electric circuit 4 in which a
The resistor RX inserted in series in the electric circuit 4 has various resistance components included in the electric circuit 4 such as the internal resistance of the
電気回路4を流れる直流電流Idcの大きさは、超電導コイルL1及びL2で発生すべき磁場の大きさに応じて、不図示の電源コントローラによって制御される。ここでは、電流値Idcは、電気回路4に含まれるインダクタンス成分L及び抵抗成分Rによって決められる一定の時定数で電流変化を減衰させて徐々に電源電圧を上げて超電導コイル電流が所定値になるまで増加するように制御される。 The magnitude of the direct current Idc flowing through the electric circuit 4 is controlled by a power supply controller (not shown) according to the magnitude of the magnetic field to be generated in the superconducting coils L1 and L2. Here, the current value Idc is a constant time constant determined by the inductance component L and the resistance component R included in the electric circuit 4, and the current change is gradually increased to gradually increase the power supply voltage, so that the superconducting coil current becomes a predetermined value. Controlled to increase up to.
ここで参考例を用いたクエンチ検出の検証例を図2に示す。尚、この検証に用いた超電導マグネットを構成する超電導コイルL1及びL2はそれぞれ自己インダクタンスL1=L2=0.1(H)、相互インダクタンスM=0.099(H)、電流リードを含む全抵抗が30(mΩ)のものを用いた。また、直流電源3はスイッチング方式を採用しているものを使用し、出力電圧は2(V)の定電圧駆動とした(ただし±200mVの白色ノイズを含むとした)。通常、電源電圧は超電導マグネットの様子を見ながら徐々に上昇させるが、ここでは実用装置を想定して、電源電圧は初期状態から2(V)で一定であるとした。
A verification example of quench detection using a reference example is shown in FIG. Note that the superconducting coils L1 and L2 constituting the superconducting magnet used for this verification have self-inductance L1 = L2 = 0.1 (H), mutual inductance M = 0.099 (H), and all resistances including current leads, respectively. The one of 30 (mΩ) was used. In addition, the
図2では、電気回路4を流れるマグネット電流Idcと、超電導マグネットの両端電圧Vdcが示されている。この例では、電源コントローラによってマグネット電流Idcを次第に増加するように制御しており、時刻t1に達すると、2つの超電導コイルのうちL2に常電導相が発生することによってクエンチ現象が現れ始める場合の測定結果を示している。しかしながら、図2に示すように参考例では、マグネット電流Idc及び端子電圧Vdcの振る舞いには目立った変化が見られないため、この時点でクエンチを検出することは困難である。 In FIG. 2, the magnet current Idc flowing through the electric circuit 4 and the voltage Vdc across the superconducting magnet are shown. In this example, the magnet current Idc is controlled to gradually increase by the power supply controller, and when the time t1 is reached, the quench phenomenon starts to appear due to the occurrence of the normal conducting phase at L2 of the two superconducting coils. The measurement results are shown. However, as shown in FIG. 2, in the reference example, since no remarkable change is observed in the behavior of the magnet current Idc and the terminal voltage Vdc, it is difficult to detect the quench at this point.
電源コントローラによるマグネット電流Idcの増加を更に継続すると、時刻t2において、電気回路4を流れるマグネット電流Idcが減少し始める。参考例では、このように時刻t2において、電源コントローラによる電流増加制御にも関わらず、マグネット電流Idcが減少するという異常現象を検知することによって、クエンチ現象の発生を把握することとなる。従って、参考例では、クエンチ現象を検知するためには時刻t2まで待つ必要があり、時刻t1の時点での検出はできない。時刻t2ではマグネット電流Idcが大きな値に達しているため、超電導コイルL1及びL2の焼損などの重大な故障に至ってしまうおそれがある。実際には、常電導層が発生すると寒冷である液体ヘリウムや窒素が激しく沸騰するので、物理的な現象から異常が起きた事を察知できるが、電気的にはクエンチ現象を検知する事が難しいのである。 When the increase of the magnet current Idc by the power supply controller is further continued, the magnet current Idc flowing through the electric circuit 4 starts to decrease at time t2. In the reference example, at time t2, the occurrence of the quench phenomenon is grasped by detecting the abnormal phenomenon that the magnet current Idc decreases despite the current increase control by the power supply controller. Therefore, in the reference example, in order to detect the quench phenomenon, it is necessary to wait until time t2, and detection at the time t1 is not possible. At time t2, the magnet current Idc has reached a large value, which may lead to a serious failure such as burning of the superconducting coils L1 and L2. Actually, when the normal conducting layer is generated, cold liquid helium and nitrogen boils violently, so it can be detected that an abnormality has occurred from the physical phenomenon, but it is difficult to detect the quench phenomenon electrically. It is.
またクエンチ現象は、このようにマグネット電流Idcを増加させる過程において生じやすいという報告例が多くなされている。マグネット電流Idcが増加すると、超電導コイルL1及びL2によって大きな逆起電力が生じるため、クエンチ現象に起因する微小な電気抵抗値の増加を判別して検出することが難しいという問題がある。
更にクエンチ現象に伴う微小な電圧を検出する際に、電圧信号の送受信を行う各種配線等にノイズが侵入すると、クエンチ現象に起因する微小な電気信号は、大きなノイズに埋もれてしまい、クエンチ現象を判別することが難しくなるという問題もある。図2の検証例においても、スイッチング方式の直流電源3を用いているため、両端電圧Vdcに大きな白色ノイズが混在しており、微小な電圧変化によるクエンチ検出が難しくなることが示されている。
このような問題点は、以下に説明するブリッジ回路を用いた検出方法(以下、適宜「基本技術」と称する)によって解消することができる。
There are many reports that the quench phenomenon is likely to occur in the process of increasing the magnet current Idc. When the magnet current Idc is increased, a large counter electromotive force is generated by the superconducting coils L1 and L2, and thus there is a problem that it is difficult to discriminate and detect a minute increase in electric resistance value caused by the quench phenomenon.
In addition, when detecting a minute voltage due to the quench phenomenon, if noise enters the various wirings that transmit and receive the voltage signal, the minute electric signal due to the quench phenomenon will be buried in the large noise, causing the quench phenomenon to occur. There is also a problem that it is difficult to distinguish. Also in the verification example of FIG. 2, since the switching type
Such a problem can be solved by a detection method using a bridge circuit described below (hereinafter referred to as “basic technique” as appropriate).
(基本技術)
図3はブリッジ回路を利用したクエンチ検出装置10の全体構成を示す模式図であり、図4は図3に示すクエンチ検出装置10の等価回路である。尚、上記参考例と共通する箇所には同じ符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略することとする。
(Basic technology)
FIG. 3 is a schematic diagram showing the overall configuration of the quench
基本技術では、後述する本発明の原理をわかりやすく説明するために、超電導マグネットが同等の2つの超電導コイルL1及びL2から構成されている場合を例に説明を行う。尚、この基本技術は超電導マグネットが偶数個の超電導コイルから構成されており、且つ、これら偶数個の超電導コイルが同等の2グループに分割可能である場合に適用可能である。尚、超電導マグネットが奇数個の超電導コイルから構成される場合や、超電導マグネットが偶数個の超電導コイルから構成される場合であっても同等の2グループに分割不能である場合には、後述する本発明を適用することで、クエンチを精度よく検出することができる。 In the basic technology, in order to explain the principle of the present invention described later in an easy-to-understand manner, the case where the superconducting magnet is composed of two equivalent superconducting coils L1 and L2 will be described as an example. This basic technique is applicable when the superconducting magnet is composed of an even number of superconducting coils, and these even number of superconducting coils can be divided into two equal groups. If the superconducting magnet is composed of an odd number of superconducting coils or if the superconducting magnet is composed of an even number of superconducting coils but cannot be divided into two equal groups, a book to be described later will be described. By applying the invention, quench can be detected with high accuracy.
クエンチ検出装置10は、超電導コイルL1及びL2に対して、互いに直列接続されたリファレンス抵抗R1及びR2が並列に接続されており、リファレンス抵抗R1及びR2の中点12に接続された第1のリード13と、超電導コイルL1及びL2の中点11に接続された第2のリード14とを有するように構成されたブリッジ回路15を備えている。第1のリード13及び第2のリード14間には電圧検出部16が設けられている。電圧検出部16の検出値Vm(t)は、検出信号の解析を行う検出部5に送られ、該検出値に基づいてクエンチ現象が検出可能に構成されている。
In the quench
尚、リファレンス抵抗R1及びR2はそれぞれ第1のリード13及び第2のリード14自体が有する電気抵抗の影響が少なくなるように、超電導コイルL1及びL2の近傍に配置するとよい。そのため、リファレンス抵抗R1及びR2は磁場や温度による影響が小さいものを採用することが望ましい。
The reference resistors R1 and R2 are preferably arranged in the vicinity of the superconducting coils L1 and L2 so that the influence of the electric resistance of the
ここで図4の等価回路について回路方程式を求めると、次式が得られる。
ここで、e0は直流電源3の出力電圧値であり、e2、e3、e4はそれぞれ図4に示すブリッジ回路15上の各ポイントにおける電圧値を示しており、i1(t)及びi2(t)は、それぞれ図4に示すブリッジ回路15上の各ポイントにおける電流値を示している。
またブリッジ回路15には、例えば抵抗成分として直流電源3の内部抵抗RIN、電流リード13及び14のそれぞれの抵抗RL1、RL2、更に各超電導コイルL1及びL2内における種々の接続抵抗RINc1、RINc2が存在する。図3及び図4では、これらの抵抗成分を全抵抗値RXとして示している。尚、厳密には
であるが、以下の説明では
と近似して簡略化する。
尚、Mは超電導コイルL1及びL2の相互インダクタンスであり、磁気結合係数Kを用いると、
の関係が成立する。
Here, when a circuit equation is obtained for the equivalent circuit of FIG. 4, the following equation is obtained.
Here, e0 is the output voltage value of the
In addition, the
However, in the following explanation
Approximate and simplify.
M is the mutual inductance of the superconducting coils L1 and L2, and when the magnetic coupling coefficient K is used,
The relationship is established.
ここでブリッジ回路15において超電導コイルのインダクタンスL1及びL2、並びに、リファレンス抵抗R1及びR2が互いに等しいと仮定する。超電導コイルL1及びL2においてクエンチ現象が発生していない正常状態では、ブリッジ回路15は電圧検出部16に対して対称となるため、電圧検出部16の検出値Vm(t)は略ゼロとなる。一方、超電導コイルL1及びL2の少なくとも一方でもクエンチ現象が発現すると、ブリッジ回路15におけるバランスが崩れ、電圧検出部16の検出値Vm(t)の絶対値は略ゼロ以外の値を示すこととなる。
Here, it is assumed that the inductances L1 and L2 of the superconducting coil and the reference resistors R1 and R2 in the
ここで図5に、第1実施例に係るクエンチ検出装置10を用いた検証例を示す。この検証例では、超電導コイルの自己インダクタンスをL1=L2=0.1(H)、相互インダクタンスをM=0.99(H)、リファレンス抵抗をR1=R2=10(Ω)、総抵抗をRX=0.1(Ω)、直流電源3の出力電圧をe0=2(V)に一定に保持するように設定した。そして、直流電源3を電源コントローラで制御することにより、マグネット電流Idcを次第に増加させた。
FIG. 5 shows a verification example using the quench
クエンチ現象の開始タイミングである時刻t1では、図2に示す参考例と同様に、マグネット電流Idcや端子電圧Vdc自体の振る舞いでは異常は観測されない。しかしながら、電圧検出部16の検出電圧Vm(t)は時刻t1以降、明らかな増加傾向を示している。これは、クエンチ現象によって超電導コイルL1及びL2の電気抵抗値が増加し、ブリッジ回路15におけるバランスが崩れたことを意味している。
検出部5では予めメモリなどの記憶部に閾値Vrefを記憶しておき、電圧検出部16の検出値Vm(t)の絶対値が該閾値Vrefを越えた場合に、クエンチ現象が発生したと判定することにより検出を行う。
このようにクエンチ検出装置10では、超電導マグネット内に生ずる微小な電気抵抗値の変化に起因する電圧変化をブリッジ回路15を用いて検知することができる。
At time t1, which is the start timing of the quench phenomenon, no abnormality is observed in the behavior of the magnet current Idc and the terminal voltage Vdc itself, as in the reference example shown in FIG. However, the detected voltage Vm (t) of the
The
As described above, the quench
尚、図5では超電導マグネットを構成する2つの超電導コイルのうちL2においてクエンチが発生した場合を示しており、これに対応して検出電圧Vm(t)は符号がプラスになるように生じている。一方、超電導マグネットを構成する2つの超電導コイルのうちL1においてクエンチが発生した場合には、逆に検出電圧Vm(t)は符号がマイナスになるように生じる。これにより、基本技術では、検出電圧Vm(t)の絶対値を閾値Vrefと比較することでクエンチ発生の有無を検出することに加えて、いずれの超電導コイルでクエンチが発生したのかを特定することができる。 FIG. 5 shows a case where quenching occurs in L2 of the two superconducting coils constituting the superconducting magnet, and correspondingly, the detected voltage Vm (t) is generated so that the sign is positive. . On the other hand, when quenching occurs in L1 of the two superconducting coils constituting the superconducting magnet, the detection voltage Vm (t) is generated so that the sign is negative. Thereby, in the basic technology, in addition to detecting the presence or absence of quenching by comparing the absolute value of the detection voltage Vm (t) with the threshold value Vref, it is specified which superconducting coil has caused the quenching. Can do.
また、図5に示す端子電圧Vdcには、主に直流電源3に起因する白色ノイズが含まれている。図2を参照して前述したように、両端電圧Vdcには大きな白色ノイズが現れているが、ブリッジ回路15における検出電圧Vmには、このようなノイズの影響はほとんどない。これは直流電源3からのノイズは対照的に配置された超電導コイルL1及びL2、並びに、リファレンス抵抗R1及びR2に対して同位相で侵入することから、両信号の差電圧であるブリッジ回路15の検出信号Vm(t)ではこれらのノイズが相殺されるためである。このように、本実施例に係るクエンチ検出装置10では、ノイズの影響を軽減して、精度のよいクエンチ検出を行うことができる。
Further, the terminal voltage Vdc shown in FIG. 5 mainly includes white noise caused by the
尚、上記実施例は直流電源3を定電圧駆動した場合について述べたが、定電流駆動した場合においても、リファレンス抵抗R1及びR2への電流を別電源から供給することにより、同様の原理に基づいてクエンチ検出を行うことができる。
Although the above embodiment has been described with respect to the case where the
このようなクエンチ検出装置10は、超電導マグネットを構成する超電導コイルが偶数であり、且つ、これらの複数の超電導コイルを2つのグループに分割可能である場合に適用可能であるが、超電導マグネットが奇数個の超電導コイルから構成される場合や、超電導マグネットが偶数個の超電導コイルから構成される場合であっても同等の2グループに分割不能である場合には適用することができないという問題がある。
Such a quench
また上述のクエンチ検出装置10ではクエンチ発生箇所を特定する場合に、同等の2つのグループ間の検出電圧Vm(t)の符号に基づいて判別する必要があったが、このような特定方法は3つ以上の超電導コイルから構成される場合には適用することができないという問題がある。
Further, in the above-described quench
また上述のクエンチ検出装置10ではクエンチが生じていない状態において検出電圧Vm(t)がゼロになるように初期設定を行う必要がある。このような初期設定は、超電導マグネットを構成する超電導コイルの個数が少ない場合には比較的容易であるが、超電導コイルの個数が多くなると、超電導コイル間の相互作用が大きくなるので、各超電導コイルの個体差のバラツキの影響が大きくなり、初期設定の難易度が高くなる。そのため、精度のよいクエンチ検出が困難になってしまうという問題がある。
これらの問題点は、以下に説明する本発明に係る実施例によって解決することができる。
Further, in the above-described quench
These problems can be solved by the embodiments of the present invention described below.
(実施例)
本実施例では、より多くの超電導コイルから構成される超電導マグネットに対して本発明を適用した場合を例に説明する(すなわち、N>3)。
(Example)
In the present embodiment, a case where the present invention is applied to a superconducting magnet composed of more superconducting coils will be described as an example (that is, N> 3).
図6は本実施例に係るクエンチ検出装置20の全体構成を示す模式図である。検出対象である超電導マグネットはダブルパンケーキ構造を有する超電導コイルL1〜L5が互いに直列接続されて構成されている(N=5の場合)。超電導コイルL1〜L5には、互いに直列接続されたリファレンス抵抗R1〜R5が並列に接続されており、超電導コイルL1及びL2間の中点21aとリファレンス抵抗R1及びR2間の中点22aとの間に電圧検出部23aが設けられ、超電導コイルL2及びL3間の中点21bとリファレンス抵抗R2及びR3間の中点22bとの間に電圧検出部23bが設けられ、超電導コイルL3及びL4間の中点21cとリファレンス抵抗R3及びR4間の中点22cとの間に電圧検出部23cが設けられ、超電導コイルL4及びL5間の中点21dとリファレンス抵抗R4及びR5間の中点22dとの間に電圧検出部23dが設けられることによって、ブリッジ回路24が構成されている。
ここで中点21a〜21dにおける接続点電位をe2(t)〜e5(t)、中点22a〜22dにおける接続点電位をe6(t)〜e9(t)と定義すると、電圧検出手段23a〜23dにおける検出電圧は
となる。
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the overall configuration of the quench
Here, when the connection point potentials at the
It becomes.
超電導マグネットL1〜L5は同じものを用いることが理想的ではあるが、本実施例は超電導マグネットが異なるインダクタンスを有する超電導コイルから構成される場合にも適用可能である(超電導コイルの製造精度には限界があるため少なからず個体差があることとなる)。そこで本実施例では実際の態様に近づくように、各超電導コイルの自己インダクタンスL1=10(mH)、L2=10.2(mH)、L3=10.1(mH)、L4=9.9(mH)、L5=9.9(mH)であると仮定する。また超電導マグネットでは、各超電導コイルが磁気的結合するので相互インダクタンスも重要になる。そこで、超電導コイルLi及びLj(i、jは任意の整数)の磁気結合係数Kijを用いると、相互インダクタンスは
と表される。理想的なコイルでは磁束鎖交割合が100%であるためKij=1であるが、実際には少なからず各コイルの隙間から磁力線が漏洩する。このような事実を反映させるために、隣り合う超電導コイル同士の磁気結合係数を99%、一つ置き超電導コイル同士の磁気結合係数を98%、二つ置き超電導コイル同士の磁気結合係数を97%であると仮定する。
Although it is ideal to use the same superconducting magnets L1 to L5, this embodiment can also be applied to a case where the superconducting magnet is composed of superconducting coils having different inductances. Because there is a limit, there will be some individual differences). Therefore, in this embodiment, the self-inductance L1 = 10 (mH), L2 = 10.2 (mH), L3 = 10.1 (mH), L4 = 9.9 ( mH), L5 = 9.9 (mH). In the superconducting magnet, the mutual inductance is also important because each superconducting coil is magnetically coupled. Therefore, using the magnetic coupling coefficient Kij of the superconducting coils Li and Lj (i and j are arbitrary integers), the mutual inductance is
It is expressed. In an ideal coil, the magnetic flux linkage ratio is 100%, so Kij = 1. However, the magnetic field lines actually leak from the gaps between the coils. In order to reflect this fact, the magnetic coupling coefficient between adjacent superconducting coils is 99%, the magnetic coupling coefficient between every two superconducting coils is 98%, and the magnetic coupling coefficient between every two superconducting coils is 97%. Assume that
このような仮定に基づいて、超電導コイルL1〜L5で構成される超電導マグネットの場合、各超電導コイルにおける磁気結合係数は次式のようになる。
尚、リファレンス抵抗はR1=R2=R3=R4=R5=10(Ω)と仮定する。
Based on such an assumption, in the case of a superconducting magnet composed of superconducting coils L1 to L5, the magnetic coupling coefficient in each superconducting coil is expressed by the following equation.
The reference resistance is assumed to be R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = 10 (Ω).
図7は電圧検出部23a〜23dの検出値Vm1(t)〜Vm4(t)の測定例を示すグラフである。図7(a)は超電導コイルL1にクエンチ現象が発生した場合を示しており、図7(b)は超電導コイルL2にクエンチ現象が発生した場合を示しており、図7(c)は超電導コイルL3にクエンチ現象が発生した場合を示しており、図7(d)は超電導コイルL4にクエンチ現象が発生した場合を示しており、図7(e)は超電導コイルL5にクエンチ現象が発生した場合を示している。
FIG. 7 is a graph illustrating a measurement example of the detection values Vm1 (t) to Vm4 (t) of the
図7(a)によれば、超電導コイルL1がクエンチすると、時刻t1以降、電圧検出部23a〜23dの検出値Vm1(t)〜Vm4(t)の全てが減少傾向を示している。図7(b)によれば、超電導コイルL2がクエンチすると、時刻t1以降、電圧検出部23aの検出値Vm1(t)のみが増加傾向を示す一方で、残りの検出値Vm2(t)〜Vm4(t)は減少傾向を示している。図7(c)によれば、超電導コイルL3がクエンチすると、時刻t1以降、電圧検出部23a及び23bの検出値Vm1(t),Vm2(t)が増加傾向を示す一方で、残りの検出値Vm3(t),Vm4(t)は減少傾向を示している。図7(d)によれば、超電導コイルL4がクエンチすると、時刻t1以降、電圧検出部23a〜23cの検出値Vm1(t)〜Vm3(t)が増加傾向を示す一方で、残りの検出値Vm4(t)のみが減少傾向を示している。図7(e)によれば、超電導コイルL5がクエンチすると、時刻t1以降、電圧検出部23a〜23dの検出値Vm1(t)〜Vm4(t)の全てが増加傾向を示している。
According to FIG. 7A, when the superconducting coil L1 is quenched, all of the detection values Vm1 (t) to Vm4 (t) of the
このように複数の超電導コイルについてブリッジ回路を構成した場合、どの超電導コイルでクエンチが発生したかに応じて、各検出値Vm1(t)〜Vm3(t)の増減パターンが異なっている。このような各検出値Vm1(t)〜Vm3(t)の増減パターンは、超電導マグネットを構成する超電導コイルの個数や接続状態に応じて特定される。本実施例では、以下に説明するように、各検出値Vm1(t)〜Vm3(t)の増減パターンを解析することにより、多数の超電導コイルから構成される超電導マグネットにおいても、クエンチを精度よく検出すると共に、その発生箇所を特定することができる。 When a bridge circuit is configured for a plurality of superconducting coils as described above, the increase / decrease patterns of the detected values Vm1 (t) to Vm3 (t) are different depending on which superconducting coil is quenched. Such increase / decrease patterns of the detection values Vm1 (t) to Vm3 (t) are specified according to the number of superconducting coils constituting the superconducting magnet and the connection state. In the present embodiment, as will be described below, quenching can be accurately performed even in a superconducting magnet composed of a large number of superconducting coils by analyzing the increase / decrease pattern of each detected value Vm1 (t) to Vm3 (t). While detecting, the generation | occurrence | production location can be specified.
まず、検出部5では上記基本技術と同様に、クエンチ現象の検出基準となる閾値Vrefを予めメモリなどの記憶手段に記憶しておき、各検出値Vm1(t)〜Vm4(t)の絶対値が該閾値Vrefを超えた場合に、クエンチ現象の発生を特定することができる。本実施例では超電導コイルL1〜L4は略等しいインダクタンスを有しているので共通の閾値Vrefを設定しているが、超電導コイルL1〜L4の各々に対して個別に閾値を設定してもよい。
検出部5では各超電導コイルL1〜L4においてクエンチの発生をモニタリングしており、超電導コイルL1〜L4のいずれかにおいてクエンチが検出された場合に、警報を発することにより、オペレータに報知するとよい。
これにより多数の超電導コイルから構成された超電導マグネットにおいても、ブリッジ回路を利用した精度のよいクエンチ検出を行うことができる。
First, similarly to the basic technique, the
The
Thereby, even in a superconducting magnet composed of a large number of superconducting coils, accurate quench detection using a bridge circuit can be performed.
また検出部5は、各超電導コイルL1〜L4の検出値Vm1(t)〜Vm4(t)の変化パターンに基づいて、どの超電導コイルにおいてクエンチが発生したのかを特定することができる。具体的には、検出部5にメモリなどの記憶手段を内蔵しておき、該記憶手段に各超電導コイルL1〜L4でクエンチが発生した場合における各検出値Vm1(t)〜Vm4(t)の振る舞いをデータとして予め用意しておく。そして、該記憶したデータに実際の検出値Vm1(t)〜Vm4(t)を照合することにより、超電導マグネットを構成する超電導コイルのどの部分においてクエンチが発生したのかを特定することができる。
In addition, the
尚、記憶手段に記憶するデータとしては、少なくとも各超電導コイルL1〜L4でクエンチが発生した場合における各検出値Vm1(t)〜Vm4(t)の符号を含んでいればよい。これにより、多数の超電導コイルからなる超電導マグネットにブリッジ回路を設けた場合においても、超電導コイルL1〜L4間の相互作用を加味しつつ、クエンチの発生箇所と検出値Vm1(t)〜Vm4(t)の振る舞いを対応付けて、精度のよいクエンチ検出を行うことができる。 Note that the data stored in the storage means may include at least the signs of the detected values Vm1 (t) to Vm4 (t) when quenching occurs in each of the superconducting coils L1 to L4. Thereby, even when a bridge circuit is provided in a superconducting magnet composed of a large number of superconducting coils, the occurrence location of the quench and the detected values Vm1 (t) to Vm4 (t) while taking into account the interaction between the superconducting coils L1 to L4. ) Can be correlated to perform accurate quench detection.
図8は図7(a)を拡大して示したものであり、図9は図8から検出値Vm1(t)を代表的に抽出して拡大表示したものである。基本技術にて上述したようにブリッジ回路24における検出値Vm1(t)〜Vm4(t)はノイズの影響を受けにくいものの、図8及び図9に示されているように、ノイズを完全に除去することは難しく、検出値には、最大振幅が0.1(mV)程度のノイズが現れている。また最大で2.6(mV)のオフセット電圧が現れているこれでは正確なクエンチ開始点の検出が難しくなる。これは、各超電導コイルのインダクタンスL1〜L5が完全に同一値ではないにも拘らず、リファレンス抵抗Rを全て10Ωに等しくなるように設定したことに原因がある。すなわち、実際の超電導コイルは少なからず製造バラツキを有するため、超電導コイル間の相互作用に起因するバイアス電圧が、ノイズとして検出値Vm1(t)〜Vm4(t)に付加されてしまっている。
FIG. 8 is an enlarged view of FIG. 7A, and FIG. 9 is a representative extraction of the detected value Vm1 (t) from FIG. As described above in the basic technique, the detection values Vm1 (t) to Vm4 (t) in the
このようなノイズの影響を更に抑制するためには、各超電導コイルのインダクタンスL1〜L5のバラツキに応じて、リファレンス抵抗R1〜R5を最適化する、いわゆるキャリブレーションを行うことが有効である。この例では、リファレンス抵抗を、それぞれR1=10.01(Ω)、R2=10.23(Ω)、R3=10.18(Ω)、R4=10.06(Ω)、R5=10.00(Ω)に調整した場合に、ノイズの影響が最小になる結果が得られた。 In order to further suppress the influence of such noise, it is effective to perform so-called calibration that optimizes the reference resistors R1 to R5 in accordance with variations in the inductances L1 to L5 of each superconducting coil. In this example, the reference resistors are R1 = 10.01 (Ω), R2 = 10.23 (Ω), R3 = 10.18 (Ω), R4 = 10.06 (Ω), R5 = 10.00, respectively. When adjusted to (Ω), the effect of noise was minimized.
このようなリファレンス抵抗R1〜R5の最適化は、例えば図10の構成を有する抵抗を採用することで、容易に実現することができる。図10はリファレンス抵抗R1〜R5の構成例を示す模式図である。
図10に示すリファレンス抵抗R1は、直径5(mmφ)のFRP棒30に抵抗線31を無誘導巻きして形成した無誘導巻抵抗に摺動部32を設けることによって可変抵抗として構成されており、上部に設けられたボルトねじ33を回転させることで、該ボルトねじ33に接続された摺動部32を上下に移動できるようになっている。このように摺動部32の位置を移動させることにより、実質的に無誘導巻抵抗に巻回されている抵抗線31の長さを調整し、微妙な電気抵抗値の変更が可能となっている。
Such optimization of the reference resistors R1 to R5 can be easily realized by adopting, for example, a resistor having the configuration of FIG. FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the reference resistors R1 to R5.
The reference resistor R1 shown in FIG. 10 is configured as a variable resistor by providing a sliding
ここでリファレンス抵抗R1〜R5の抵抗線に用いられる材料としては、温度依存性や磁場依存性が少ない金属材料が好ましい(尚、例えば、一般的な電気通信回路で用いられる抵抗として安価なカーボン抵抗があるが、温度変化が大きいため好ましくない)。
図11は、比較的抵抗率の高い複数の金属材料について電気抵抗率の温度特性を示すグラフである。この例では、インバー、ニクロム、コンスタンタン、及び、黄銅を代表的に示しているが、温度変化に対して、コンスタンタンの電気抵抗率が最も安定していることが示されている(ちなみに、温度変化に対して、インバーの電気抵抗率は約36%、ニクロムの電気抵抗率は約31%、黄銅の電気抵抗率は約70%低下するのに対して、コンスタンタンの電気抵抗率は約8.6%の変化しかない)。超電導マグネットの運用を考えた時、寒冷である液体窒素温度が何らかの理由で1(K)程度揺らいだ場合を考慮すると、電気抵抗率の変化は常温に比べて約10%以下に収まることが目安となるため、コンスタンタンの温度特性は優れていると言える。また、コンスタンタンは、例えば銅-コンスタンタン熱電対として多くの超電導マグネットの温度測定に使用されているように磁場に対しても殆ど影響を受けない特性を有している。
Here, the material used for the resistance wires of the reference resistors R1 to R5 is preferably a metal material having little temperature dependency and magnetic field dependency (for example, an inexpensive carbon resistor as a resistor used in a general telecommunication circuit) However, it is not preferable because the temperature change is large.)
FIG. 11 is a graph showing temperature characteristics of electrical resistivity for a plurality of metal materials having relatively high resistivity. In this example, Invar, Nichrome, Constantan, and Brass are representatively shown, but the constant resistivity of Constantan is shown to be most stable with respect to the temperature change (by the way, the temperature change On the other hand, the electrical resistivity of Invar is about 36%, the electrical resistivity of nichrome is about 31%, and the electrical resistivity of brass is about 70%, whereas that of Constantan is about 8.6. % Change). When considering the operation of a superconducting magnet, considering that the liquid nitrogen temperature, which is cold, fluctuates about 1 (K) for some reason, the change in electrical resistivity should be about 10% or less compared to room temperature. Therefore, it can be said that the temperature characteristics of constantan are excellent. Constantan has a characteristic that it is hardly affected by a magnetic field as used for measuring the temperature of many superconducting magnets as, for example, a copper-constantan thermocouple.
以上を鑑みるとリファレンス抵抗R1〜R5を構成する抵抗線の材料として、コンスタンタンが適していると言える。尚、本実施例で図10で示したリファレンス抵抗の場合、直径0.5(mmφ)、長さ2(m)のコンスタンタン線を直径5(mmφ)のFRP棒に約127ターン無誘導巻きすることで、電気抵抗値
のリファレンス抵抗が得られた。
In view of the above, it can be said that Constantan is suitable as a material for the resistance wire constituting the reference resistors R1 to R5. In the case of the reference resistor shown in FIG. 10 in the present embodiment, a constantan wire having a diameter of 0.5 (mmφ) and a length of 2 (m) is wound around an FRP rod having a diameter of 5 (mmφ) by about 127 turns without induction. The electrical resistance value
The reference resistance was obtained.
続いて、このようなリファレンス抵抗R1〜R5を、超電導マグネットのクエンチ検出に最適な値に調整する方法について説明する。
リファレンス抵抗R1〜R5の調整は、超電導マグネットの動作中に行うことは困難であるため、常温環境下にて行う必要がある。常温では超電導線が常電導状態にあるため、電流を流すと発熱しやすそうにも思えるが、高周波数の交流電流を印加することで、超電導コイルのインダクタンスによる電圧降下の方が大きくなるため、発熱の原因となる抵抗による電圧降下は実質的に無視することができる。
Next, a method of adjusting such reference resistors R1 to R5 to optimum values for quench detection of the superconducting magnet will be described.
Since it is difficult to adjust the reference resistances R1 to R5 during the operation of the superconducting magnet, it is necessary to perform the adjustment in a normal temperature environment. Since the superconducting wire is in a normal conducting state at room temperature, it seems that heat is easily generated when a current is passed, but by applying a high frequency alternating current, the voltage drop due to the inductance of the superconducting coil becomes larger, The voltage drop due to the resistance that causes heat generation can be substantially ignored.
例えば、図6のように5個の超電導コイルから構成された超電導マグネットの場合、各超電導コイルにおける常温状態での線抵抗が約10Ωであるとすると、これら超電導コイル全体の抵抗は約50Ωとなる。このような超電導マグネットに対して振幅10(V)、周波数1(kHz)の交流電力を流しても、超電導コイルのインダクタンスが大きいために電流は6(mA)程度に収まり、超電導マグネットを過熱することで損傷を与えることはない。 For example, in the case of a superconducting magnet composed of five superconducting coils as shown in FIG. 6, assuming that the wire resistance at room temperature in each superconducting coil is about 10Ω, the resistance of the whole superconducting coil is about 50Ω. . Even if AC power having an amplitude of 10 (V) and a frequency of 1 (kHz) is supplied to such a superconducting magnet, the current is kept at about 6 (mA) due to the large inductance of the superconducting coil, and the superconducting magnet is overheated. Will not cause any damage.
このように超電導コイルに印加する交流電流が小さい場合であっても、各超電導コイル間の電圧(e1−e2,e2−e3,e3−e4,e4−e5,e5)は約2(V)となり、各超電導コイルによる電圧降下を正確に測定して調整することができる。具体的には、まず、いずれか一つのリファレンス抵抗(ここではR5)を設定し、これに基づいて、残りのリファレンス抵抗R1〜R4を次式のように調整するとよい。
例えば、R5=10(Ω)とした場合、残るリファレンス抵抗は(3)式を用いて、R1=10.01(Ω)、R2=10.23(Ω)、R3=10.18(Ω)、R4=10.06(Ω)と求められる。このように常温下でリファレンス抵抗R1〜R5を適切に調整することができる。
Thus, even when the alternating current applied to the superconducting coil is small, the voltage (e1-e2, e2-e3, e3-e4, e4-e5, e5) between the superconducting coils is about 2 (V). The voltage drop due to each superconducting coil can be accurately measured and adjusted. Specifically, first, any one reference resistor (here, R5) is set, and based on this, the remaining reference resistors R1 to R4 may be adjusted as in the following equation.
For example, when R5 = 10 (Ω), the remaining reference resistances are calculated using the equation (3): R1 = 10.01 (Ω), R2 = 10.23 (Ω), R3 = 10.18 (Ω) , R4 = 10.06 (Ω). Thus, the reference resistors R1 to R5 can be appropriately adjusted at room temperature.
このようにリファレンス抵抗R1〜R5の調整を行うことによって、図8及び図9を参照して上述したようなノイズを含む検出値Vm1(t)〜Vm4(t)を電圧ゼロに精度よく調整することで、キャリブレーションを行うことができる。これにより、ノイズの影響をキャンセルしてクリアな基準のもとで、検出値Vm1(t)〜Vm4(t)に基づいたクエンチ検出を行うことができる。 By adjusting the reference resistors R1 to R5 in this way, the detection values Vm1 (t) to Vm4 (t) including noise as described above with reference to FIGS. 8 and 9 are accurately adjusted to zero voltage. Thus, calibration can be performed. Thereby, quench detection based on the detection values Vm1 (t) to Vm4 (t) can be performed under a clear reference by canceling the influence of noise.
以上説明したように、本実施例に係るクエンチ検出装置20は、超電導マグネットが3つ以上の超電導コイルから構成される場合であってもクエンチ検出が可能である。特に、奇数個の超電導コイルから構成される場合や、超電導マグネットが偶数個の超電導コイルから構成される場合であっても同等の2グループに分割不能である場合においても、クエンチ検出が可能である。このように、クエンチ検出装置20は様々なタイプの超電導マグネットに幅広く用いることができる。
As described above, the quench
またクエンチ検出装置20では、多数の超電導コイルから構成される超電導マグネットにおいても、超電導コイル間の相互作用の影響を加味したキャリブレーションによって初期設定を容易に行うことができ、精度のよいクエンチ検出を行うことができる。特に、各検出値Vm1(t)〜Vm4(t)を予め用意した変化パターンと比較することによって、いずれの超電導コイルでクエンチが発生したのかを容易に特定することができる。
以上説明したように、本実施例に係るクエンチ検出装置20によれば、超電導マグネットを構成する複数の超電導コイルに対してブリッジ回路を構成し、該ブリッジ回路における電圧変化に基づいて、クエンチ現象を早期且つ高精度に検出することができる。
In the quench
As described above, according to the quench
本発明は、複数の超電導コイルが接続点を介して互いに直列接続されて構成された超電導マグネットのパッシブ・クエンチ検出方法に利用可能である。 The present invention can be used for a passive quench detection method for a superconducting magnet in which a plurality of superconducting coils are connected to each other in series via connection points.
3 直流電源
4 電気回路
5 検出部
6 電流計
7 電圧計
13 第1のリード
14 第2のリード
15 ブリッジ回路
16 電圧検出部
3 DC power supply 4
Claims (6)
(i)互いに直列接続され、前記N個の超電導コイルに対して並列に接続されたN個のリファレンス抵抗と、(ii)前記N個の超電導コイルのうち隣り合う超電導コイル間の接続点に接続された(N−1)本の第1のリードと、(iii)前記N個のリファレンス抵抗のうち隣り合うリファレンス抵抗間の接続点に接続された(N−1)本の第2のリードとを前記N個の超電導コイルに対して組み込むことによってブリッジ回路を構成する回路構成工程と、
前記(N−1)本の第1のリード及び前記(N−1)本の第2のリード間の電圧をそれぞれ検出する電圧検出工程と、
前記(N−1)本の第1のリード及び前記(N−1)本の第2のリード間のいずれかの電圧が予め設定された基準値を超えたか否かに基づいてクエンチの発生を検出するクエンチ検出工程と、
前記N個の超電導コイルのいずれかにクエンチが検出された場合における前記電圧検出工程における電圧の検出値の組み合わせを予め用意しておき、
前記クエンチ検出工程では、前記電圧検出工程で検出した実測値と、前記予め用意した検出値の組み合わせとを比較することにより、前記N個の超電導コイルのうち前記クエンチが発生した部分を特定するクエンチ発生場所特定工程と
を備えることを特徴とする超電導マグネットのパッシブ・クエンチ検出方法。 A superconducting magnet quench detection method in which N (where N is an integer greater than or equal to 2) superconducting coils are connected in series via a connection point,
(I) N reference resistors connected in series with each other and connected in parallel to the N superconducting coils, and (ii) connected to a connection point between adjacent superconducting coils among the N superconducting coils. (N-1) first leads, and (iii) (N-1) second leads connected to a connection point between adjacent reference resistors among the N reference resistors. A circuit configuration step of configuring a bridge circuit by incorporating the N superconducting coils into the N superconducting coils;
A voltage detection step for detecting the (N-1) first of the leads and the (N-1) the voltage between the second lead of the respective
Quenching is generated based on whether any voltage between the (N-1) first leads and the (N-1) second leads exceeds a preset reference value. A quench detection step to detect;
A combination of voltage detection values in the voltage detection step when quenching is detected in any of the N superconducting coils is prepared in advance.
And in the quench detection step, the measured value detected by the voltage detecting step, by comparing the combination of the detected values the previously prepared quench to identify the portion where the quench occurs among the N superconducting coil A method for detecting a passive quench of a superconducting magnet, comprising a generation location identifying step.
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