JP2015531170A

JP2015531170A - 改良型磁場制御

Info

Publication number: JP2015531170A
Application number: JP2015526494A
Authority: JP
Inventors: マイケルジョンディズニーマレット、
Original assignee: エイチティーエス−１１０リミテッド
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2015-10-29
Also published as: US20150187478A1; WO2014025265A1; US20160358702A1; EP2883066B1; EP2883066A4; US9666343B2; EP2883066A1

Abstract

本発明は、超伝導磁場を発生させるための主電流を供給するように配置された主電源ユニット，発生された磁場を測定するための磁場測定デバイス、及び測定された磁場に基づいて補助電流を出力できるように設計された補助電源ユニットを具備し、高安定性の超伝導磁場を発生するアセンブリ。

Description

本発明は、安定した正確な超伝導磁場を発生するように構成された超伝導回路に関するものである。また、本発明は、安定した超伝導磁場を発生する方式及び超伝導磁場を安定化する方法に関するものである。

磁石または電源の温度ドリフト、または超伝導主磁石コイル内の磁束クリープにより、超伝導回路からの磁場が変動またはドリフトすることがある。

偏差を最小化し、発生された磁場の安定性を改善する１つのアプローチは、磁場強度を測定するための磁場測定デバイスを内蔵して誤差信号を電源（ＰＳＵ）にフィードバックすることである。この方法の１つの欠点は、通常５０−１０００Ａの出力電流を有する主電流ＰＳＵの分解能は、ほぼ数ｐｐｍ程度であるため、ほぼ１ｍＡ程度の分解能しか出せず、従って数ｐｐｍ以上の精度で磁場制御を行うことができないので精度と安定性が比較的低レベルである。もう１つの欠点は、電源の応答時間がＤＣ電流トランスデューサに関連する安定化回路によって遅れることである。

代替のアプローチは電気回路に受動で、結合され、短絡されたインダクタを含むことである。インダクタは、磁石内の磁界の変化に対抗する。これは、磁界の変化を小さくし、磁場ドリフトの速度を下げる傾向がある。しかし、この方法は、単に磁場ドリフトの速度を遅くするだけで実際には磁場ドリフトを修正していない。

磁場測定デバイスからの誤差信号によって制御される別駆動の「シム」コイルを設けてもよい。「シム」コイルは、一般的には超伝導磁石ボア内の室温コイルであり、磁場ドリフトを制御するために小さな補正信号を供給することができる。「シム」コイルはコイルの巻数が少ないために応答が悪く、従って十分な補正ができないという限界がある。

本発明の目的は、安定した超伝導磁気発生回路、又は超伝導発生回路の安定化方法を提供し、又は少なくとも有用な選択肢を公に提供することである。

一態様において広義では、本発明は、超伝導磁場を発生させるための主電流を供給するように配置された主電源ユニットと、発生された磁場の測定または評価のための磁場測定デバイスと、及び測定された磁場に基づいて補助電流を出力できるように設計された補助電源ユニットとを具備し、高安定性の超伝導磁場を発生するアセンブリを備えている。

前記主電源ユニットは前記補助電源ユニットと並列に接続されていることが好ましい。
前記磁場測定デバイスは、前記測定された磁場値と所定の磁場値に基づいて誤差信号を発生することが好ましい。

前記誤差信号は測定された磁場値と所定の磁場値との差に比例することが好ましい。

前記磁場測定デバイスは、核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブおよび検出回路を含むことが好ましい。

代替方法として前記磁場測定デバイスは、測定された磁場値と所定の磁場値との差を示す磁界の変化速度に基づいて誤差信号を発生するピックアップコイルを含む。

別の好適な実施形態では、前記磁場測定デバイスはホール効果センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、又は超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）センサである。

前記誤差信号は、前記補助電源ユニットに入力される前に、ＰＩＤ制御によって調整されることが好ましい。

前記補助電源ユニットは、主電流ユニットの出力電流の約＋／−０．０１〜約１％、０．０１〜０．５％、又は０．０１〜０．１％の最大出力電流を有することが好ましい。

前記補助電源ユニットは、最大出力電流の２５ＰＰＭ（百万分の１）／時間又は１０ＰＰＭ／時間より良好な安定性を有することが好ましい。

前記超伝導磁気回路は高温超伝導（ＨＴＳ）コイルを備えることが好ましい。

代替方法として、前記超伝導磁気回路は低温超伝導（ＬＴＳ）コイルを備える場合がある。

前記アセンブリは主電源ユニットを制御するためにさらにＤＣ電流変成器（ＤＣＣＴ）を具備することが好ましい。

もう１つの態様では広義には、本発明は、以下のステップ：
磁場を発生させる超伝導磁気回路に主電流を供給するステップ、
発生した磁場を測定するステップ、
磁場の測定値に基づいて、超伝導磁気回路に補助電流を供給するステップ
を含む超伝導磁場を発生する方法を含むものである。

第三の態様において広義には、本発明は、発生された磁場値を測定することと、測定された磁場値と所定の磁場値を比較して誤差信号を算出することと、補助電源装置に安定化電流を発生させるために誤差信号を与えることと、前記安定化電流を超伝導磁場発生回路に供給してそれにより発生した磁場を安定化することと、を含む超伝導磁場を安定化させる方法を含む。

本明細書及び特許請求の範囲において用いられる用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含んでいる、備えている）」は「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇａｔｌｅａｓｔｉｎｐａｒｔｏｆ（少なくとも部分的に構成される）」を意味する。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含んでいる、備えている）」が使用された本明細書および特許請求の範囲の各文を解釈するとき、用語で前置きされたもの以外の特徴が存在することもある。「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（含む、備える）」及び「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（含む、備える）」などの関連用語は、同じように解釈される。

本発明の好適な実施形態は、単に例として図面を参照しながら以下に説明する。

本発明の一実施形態を採用した超伝導磁石アセンブリの概略図である。本発明の前記超伝導磁石アセンブリの各コンポーネント間の信号伝達のフローダイアグラムを示す。本発明の、未補正のシステムで生じる磁場ドリフトと発生磁場を安定させる本発明を組み込んだ補正済みシステムで生じる磁場ドリフトとの比較を示す図である。

本発明は、安定した超伝導磁場を発生させるアセンブリに関するものである。

図１を参照すると、前記アセンブリは、コイルアセンブリ２の入力端子間に主磁場電源ユニット１を備える。前記主磁場電源ユニット１は、マグネットコイル２に対して通常５０〜１０００Ａの範囲で、主電流を供給する目的である。この主電流の安定性は、通常１時間につき数ＰＰＭ（百万分の１）の範囲である。また、前記マグネットコイル２は、主入力電流の安定状態に関係なく発生する磁場にドリフトを引き起こす多くの要因に左右されると理解されたい。これらの要因のいくつかには、超伝導体内の磁束再分配及び環境温度の変化によって生じる磁石寸法の微小変化による温度ドリフトが含まれる。結果として、磁場安定性は、主電源ユニット１からの出力電流の安定性に優ることは不可能である。長時間の運転で、この磁場ドリフトは、潜在的に深刻な問題を引き起こす程に大きくなり得る。このような磁場ドリフトの例を図３に示す。曲線６は、ドリフト値が１００分後に時間と共に増大し続け最終的には５００分後に３０ＰＰＭ以上となることを示している。

本発明によれば、図１には、磁場測定デバイス３及び補助電源ユニット４も示されている。前記磁場測定デバイスは、マグネット２に存在する磁場を測定し、いくつかの所定の値から外れた磁場ドリフトに比例する誤差信号を発生する。この誤差信号は、補助電源ユニット４に供給される。補助電源ユニット４は、低電流、低電圧の電源ユニットであり、主磁場電源ユニット１と並列に接続されることが好ましい。ドリフト値を表す誤差信号を受信すると、補助電源ユニット４は、このようなドリフトを補正するために電磁コイル２に補正電流を与える。これは、図２に示されている。

１つの好適な実施形態では、磁場計測デバイスによって生成される誤差信号は、ＰＩＤ制御によって調整されてから補助電源ユニットに供給される。前記ＰＩＤ制御のパラメータは磁石のドリフト速度測定値に対して最適化されて、前記補助電源ユニットへの誤差信号入力の急速変化によって磁場に加わる振動を最小限にした正確な磁場制御が可能となる。

１つの好適な実施形態では、前記磁場測定デバイスは、ＮＭＲプローブおよび検出回路を含む。さらに、前記磁場測定デバイスは、磁場ドリフト速度に応答して補助電源ユニット４へ誤差信号を供給する磁気結合ピックアップコイルを含んでもよい。前記磁場測定デバイスは、代替方法として、ホール効果センサ、ＧＭＲセンサ、ＳＱＵＩＤセンサを含むことができる。

補助電源ユニットは、安定性は高いが、大幅に低い電流を磁石２に供給する。例えば補助電源ユニットは、主電流ユニットの出力電流の約＋／−０．０１〜約１％、０．０１〜約０．５％、または０．０１〜約０．１％の最大出力電流を有することができる。

補助電源ユニット４による出力電流範囲は、通常＋／−１００ｍＡである。この電流は磁場測定デバイス３によって発生された誤差信号に比例し、通常は、補助電源ユニットの最大出力電流の２５ＰＰＭ（百万分の１）／時間又は１０ＰＰＭ／時間以上の良好な安定性を有することが好ましい。

好適な一実施形態では、マグネットコイル２は、高温超伝導体（ＨＴＳ）を用いて製造される。代替方法として、低温超伝導（ＬＴＳ）を使用して製造することができる。

ＮＭＲプローブを用いた場合、磁場計測デバイスの精度は、ほぼＰＰＢ（十億分の１）程度にすることが可能である。これは、メイン出力電流は通常は数ＰＰＭ内にあるようにのみ指定することができるので、主電源ユニットに直接誤差信号を供給することにより出力電流において達成しうる精度よりも数ＰＰＭ程度小さくなる。マグネットコイル２を流れる総電流は、平均して、二次ＰＳＵの精度まで制御できるので、マグネット電流はＰＰＢ（１億分の１）以上の精度、潜在的にＰＰＴ（１兆分の１）の精度まで変化させることができる。このように、未補正曲線６に対する図３の補正電流の曲線５によりこのことが示される。

上記の説明は、公知の同等物を有する要素または整数を参照して記載されているが、上記同等物は個別に記載されているかの如く含まれるものである。本発明は、実施例として特定の実施形態を参照して説明してきたが、修正および／または改良が、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の範囲から逸脱することなく行われ得ることを理解されたい。

Claims

超伝導磁場を発生するための主電流を供給するように構成された主電源ユニットと、発生された磁場を測定する磁場測定デバイスと、測定された磁場に基づいて補助電流を出力できるように構成された補助電源ユニットとを備える超伝導磁場を発生するためのアセンブリ。
前記主電源ユニットが前記補助電源ユニットと並列に接続されている請求項１に記載のアセンブリ。
前記磁場測定デバイスが、前記測定された磁場値と所定の磁場値に基づいて誤差信号を発生する請求項１又は請求項２に記載のアセンブリ。
前記誤差信号が、測定された磁場値と所定の磁場値間の差に比例している請求項３に記載のアセンブリ。
前記磁場測定デバイスが、核磁気共鳴プローブ及び検出回路を含む請求項１〜４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
前記磁場測定デバイスは、前記測定された磁場値と所定の磁場値との差を表す誤差信号を、磁場の変化速度に応じて発生するピックアップコイルを含む請求項１〜４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
前記磁場測定デバイスがホール効果センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、または超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）センサを含む請求項１〜４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
誤差信号が前記補助電源ユニットに入力される前にＰＩＤ制御によって調整される
請求項１〜７のいずれか一項に記載のアセンブリ。
前記補助電源ユニットが主電流ユニットの出力電流の約＋／−０．０１〜約１％の最大出力電流を有する請求項１〜８のいずれか一項に記載のアセンブリ。
前記補助電源ユニットが主電流ユニットの出力電流の約＋／−０．０１〜０．５％の最大出力電流を有する請求項１〜８のいずれか一項に記載のアセンブリ。
前記補助電源ユニットが主電流ユニットの出力電流の約＋／−０．０１〜約０．１％の最大出力電流を有する請求項１〜８のいずれか一項に記載のアセンブリ。
前記補助電源ユニットが、最大出力電流の２５ＰＰＭ（百万分の１）／時間より良好な安定性を有する請求項１〜１１のいずれか一項に記載のアセンブリ。
前記補助電源ユニットが、最大出力電流の１０ＰＰＭ（百万分の１）／時間より良好な安定性を有する請求項１〜１１のいずれか一項に記載のアセンブリ。
主電流ユニットが約５０〜約１０００Ａの範囲で出力を有する請求項１〜１３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
超伝導磁気回路に高温超伝導コイルを備える請求項１〜１４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
超伝導磁気回路に低温超伝導コイルを備える請求項１〜１４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
前記アセンブリは前記主電源ユニットを制御するためにさらにＤＣ電流トランスデューサを備える請求項１〜１６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
磁場を発生させる超伝導磁気回路に主電流を供給するステップと、
前記発生された磁場を測定するステップと、
前記磁場の測定値に基づいて、前記超伝導磁気回路に補助電流を供給するステップと
を含む、超伝導磁場を発生する方法。
主電源ユニットが補助電源ユニットと並列に接続される請求項１８に記載の方法。
前記発生された磁場を測定することと、前記測定された磁場値と所定の磁場値に基づいて誤差信号を作成することとを含む請求項１８又は請求項１９に記載の方法。
前記発生された磁場を測定することと、前記測定された磁場値と所定の磁場値に基づき前記測定された磁場値と前記所定の磁場値の差に比例して誤差信号を作成することとを含む請求項１８又は請求項１９に記載の方法。
核磁気共鳴プローブ及び検出回路を用いて前記発生された磁場を測定することを含む請求項１８〜請求項２１のいずれか一項に記載の方法。
測定された磁場値と所定の磁場値との差を表す誤差信号を、磁場の変化速度に応じて作成するピックアップコイルを用いて前記発生された磁場を測定することを含む請求項１８〜２１のいずれか一項に記載の方法。
ホール効果センサ、ＧＭＲセンサ、またはＳＱＵＩＤセンサを用いて前記発生された磁場を測定することを含む請求項１８〜２１のいずれか一項に記載の方法。
補助電流を前記超伝導磁気回路に供給する前に誤差信号をＰＩＤ制御により調整することを含む請求項１８〜２４のいずれか一項に記載の方法。
補助電源ユニットが主電流ユニットの出力電流の約＋／−０．０１〜約１％の最大出力電流を有する請求項１８〜２５のいずれか一項に記載の方法。
補助電源ユニットが主電流ユニットの出力電流の約＋／−０．０１〜０．５％の最大出力電流を有する請求項１８〜２５のいずれか一項に記載の方法。
補助電源ユニットが主電流ユニットの出力電流の約＋／−０．０１〜約０．１％の最大出力電流を有する請求項１８〜２５のいずれか一項に記載の方法。
補助電源ユニットがその最大出力電流の２５ＰＰＭ（百万分の１）／時間より良好な安定性を有する請求項１８〜２８のいずれか一項に記載の方法。
補助電源ユニットがその最大出力電流の１０ＰＰＭ（百万分の１）／時間より良好な安定性を有する請求項１８〜２８のいずれか一項に記載の方法。
主電流ユニットが約５０〜約１０００Ａの範囲で出力を有する請求項１８〜３０のいずれか一項に記載の方法。
前記超伝導磁気回路に高温超伝導コイルを備える請求項１８〜３１のいずれか一項に記載の方法。
前記超伝導磁気回路に低温超伝導コイルを備える請求項１８〜３１のいずれか一項に記載の方法。
主電源ユニットをＤＣ電流トランスデューサにより制御することを含む請求項１８〜３３のいずれか一項に記載の方法。
発生された磁場値を測定することと、測定された前記磁場値を所定の磁場値と比較して誤差信号を算出することと、安定化電流作成のために前記誤差信号を補助電源ユニットに供給することと、安定化電流を超伝導磁場発生回路に与えて結果的に前記発生された磁場を安定化することとを含む、超伝導磁場を安定化させる方法。