专利名称：超导线材的常导转变的检测方法
技术领域：
本发明涉及超导线材的常导转变的检测方法。本申请基于2011年3月16日向日本申请的特愿2011 — 057939号以及2010年6月28日向日本申请的特愿 2010 - 146304号主张优先权，将其内容引用至此。
背景技术：
超导线材被期待着例如向核磁共振图像装置、磁悬浮列车、磁轴承、电动机等的超导磁铁、超导线缆的应用，面对其实用化，确保超导线材在工作中的可靠性的研究正在盛行。由于构成超导线材的超导体一般临界温度(表示超导性的上限温度)低于常温，所以利用液体氦、液体氮等冷却介质、冷冻机等冷却到临界温度以下来加以使用。但是，即使从外部将超导线材冷却到临界温度以下，有时也会产生如下问题当在通电时因为超导线材的一部分产生热干扰等原因而发生从超导状态向常导状态迁移的常导转变时，会产生焦耳热而使超导线材的温度上升，促进其周围的常导转变而使常导状态的区域扩大(失超(quench)现象)。专利文献I中公开了一种为了检测超导体由于热干扰等而向常导状态转变后的、刚刚失超之前的细微温度上升，在超导体上设置碳膜，根据碳膜的电压来感知微小的温度变化的方法。但在专利文献I所记载的方法中，利用了在距液体氦的温度数K (开尔文)程度的极低温度区域中碳膜的电阻值相对温度显著变大这一性质(参照专利文献I的图7)。因此，难以用于临界温度为77K以上(例如100K程度)的高温超导体。专利文献2中记载了一种从光源对缠绕在超导线材上的光纤入射偏振光光线，并检测来自该光纤的偏振光的位相差，来检测在光纤中透过的光的偏振光状态的异常的超导体失超检测方法。另外，在专利文献3(尤其是其第四发明)中记载了一种光纤被安装在超导线的外部，测定因通电时超导线中的异常部分的机械性位移所引起的来自光纤的变形部分的反射光或者来自光纤的另一端的透过光，来感知超导线的异常的超导线的失超检测方法。但是，专利文献2、3所记载的方法是以失超作为原因，超导线材发挥功能，只能根据光纤的位置错位、变形增大来判定光纤有无异常，无法计测详细的温度变化。在专利文献4以及非专利文献I中记载了利用光纤布拉格光栅(FBG)的光纤型温度传感器在极低温下的温度计测方法。FBG是指在光纤的纤芯上形成了周期性的折射率变化(布拉格)的光纤型器件，具有选择性地反射由纤芯的折射率和布拉格的周期决定的特定波长(布拉格波长)的性质。在专利文献4中，通过在光纤的FBG的周围设置热膨胀系数(TEC)比作为光纤的主成分的硅大的铝(Al)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等包覆材料(包覆层)，使基于温度的布拉格波长的变化增大，来提高温度传感器的敏感度。另外，在非专利文献I中表示了形变、温度、线膨胀的计测例。
专利文献I :日本国专利第2577682号公报专利文献2 :日本国特开平8 - 304271号公报专利文献3 :日本国特开平7 - 170721号公报专利文献4 :美国专利第6072922号说明书非专利文献l:Wolfgang Ecke 6、“Fiber optic grating sensors forstructural health monitoring at cryogenic temperatures，，、Proc. SPIE、2007 年、Vol.6530^653002.在专利文献4以及非专利文献I中，仅记载了利用设有包覆材料的FBG，例如如专利文献4的图21所示那样，在设有包覆材料的FBG被浸泡到均匀的介质中时能够计测该介质的温度。另外，在将专利文献4所记载的FBG用于高温超导体的温度计测的情况下，由于被线材化后的高温超导体缺乏变形性，所以无法在包覆材料的周围整体配置超导线材。即，无法使设有包覆材料的FBG的周围的介质变得均匀。另外，即使考虑到来自线材的热传导性，即便使光纤周围的包覆材料密接于超导线材，由于包覆材料的热膨胀系数与超导线材的热膨胀系数的差异，所以包覆材料的伸缩也受到限制。因此，有可能对温度计测的精度、响应速度造成不良影响。
发明内容
本发明鉴于上述情况而提出，其课题在于，提供一种超导线材的常导转变的检测方法，以便能够以良好精度和响应性来检测伴随着常导转变的温度变化，并且基于超导线材的温度变化来更精密地检测发生了常导转变的超导线材的状态。为了解决上述课题，本发明采用了以下的构成。本发明的第I方式涉及的超导线材的常导转变的检测方法是具备基材、具有77K以上的临界温度的超导层以及金属稳定层的超导线材的常导转变的检测方法，其中，将在纤芯上沿着该纤芯的长度方向形成有多个光纤布拉格光栅的光纤粘接固定于所述超导线材；预先测定所述光纤布拉格光栅的布拉格波长相对所述超导线材的温度变化的变化，根据所述布拉格波长的变化求出用于计测所述超导线材的温度的关系式；利用所述关系式来求出所述超导线材发生常导转变前后的所述多个光纤布拉格光栅的温度变化；基于所述多个光纤布拉格光栅的温度上升开始的时间差和所述多个光纤布拉格光栅的间隔，计算出所述常导转变的传播速度。在上述本发明的第I方式涉及的超导线材的常导转变的检测方法中，可以将在所述多个光纤布拉格光栅的任意一个中计测出的最高温度设为Tmax、将从该光纤布拉格光栅到所述常导转变的起点部为止的距离设为L、将该光纤布拉格光栅中的温度上升速度设为 U、将所述常导转变的传播速度设为V，利用(L/V) υ +Tmax来计算出所述常导转变的起点部的最高温度。在上述本发明的第I方式涉及的超导线材的常导转变的检测方法中，可以利用与所述常导转变的起点部最近的光纤布拉格光栅来计测所述最高温度Tmax以及所述温度上升速度u。在上述本发明的第I方式涉及的超导线材的常导转变的检测方法中，可以根据各光纤布拉格光栅的温度变化来求出所述多个光纤布拉格光栅各自的温度上升速度，基于所述温度上升速度是规定的阈值以上来确认所述常导转变已传播到该光纤布拉格光栅的位置。在上述本发明的第I方式涉及的超导线材的常导转变的检测方法中，所述规定的阈值可以按照向所述超导线材通电的各个电流值而预先设定。本发明的第2方式涉及的超导线材的常导转变的检测方法是具备基材、具有77K以上的临界温度的超导层以及金属稳定层的超导线材的常导转变的检测方法，其中，将在纤芯上沿着该纤芯的长度方向形成有多个光纤布拉格光栅的光纤粘接固定于所述超导线材；预先测定所述光纤布拉格光栅的布拉格波长相对所述超导线材的温度变化的变化，根据所述布拉格波长的变化来求出用于计测所述超导线材的温度的关系式；利用所述关系式求出所述超导线材发生常导转变前后的所述多个光纤布拉格光栅的温度变化；根据各光纤布拉格光栅的温度变化求出所述多个光纤布拉格光栅各自的温度上升速度；基于所述温度上升速度是否为规定的阈值以上，来判定所述常导转变是否传播到该光纤布拉格光栅的位置。在上述本发明的第2方式涉及的超导线材的常导转变的检测方法中，可以通过将被判定为所述常导转变传播到的光纤布拉格光栅中的、从所述常导转变的起点部到最远的光纤布拉格光栅为止的距离乘以2，来推定所述常导转变发生的范围。在上述本发明的第2方式涉及的超导线材的常导转变的检测方法中，所述规定的阈值可以按向所述超导线材通电的各个电流值而预先设定。在上述本发明的第2方式涉及的超导线材的常导转变的检测方法中，所述超导线材为线圈状，预先测定因由该线圈产生的电磁力引起的光纤布拉格光栅的布拉格波长的变化，将减去因所述电磁力引起的光纤布拉格光栅的布拉格波长的变化而得到的布拉格波长的变化应用于所述关系式，求出所述超导线材发生常导转变的前后的所述多个光纤布拉格光栅的温度变化。形成有所述多个光纤布拉格光栅的光纤也可以与温度计测器连接，其中，该温度计测器具备宽带光源；分光元件；光部件，使来自所述宽带光源的测定光入射到所述光纤，并且将来自所述多个光纤布拉格光栅的布拉格反射光入射到所述分光兀件；和受光兀件，其接收被所述分光元件分光后的光并输出电压信号。根据本发明的方式涉及的超导线材的常导转变的检测方法，预先测定FBG的布拉格波长相对超导线材的温度变化的变化，利用用于根据布拉格波长的变化来计测超导线材的温度的关系式，计测超导线材的温度变化，由此能够高响应性地检测与常导转变相伴的
温度变化。通过沿着光纤的长度方向形成多个FBG，并测定在这些FBG中温度上升开始的时间差，能够根据该时间差和多个FBG的间隔，来计算常导转变的传播速度。通过测定在任意一个FBG计测出的最高温度、从FBG到常导转变的起点部为止的距离、FBG中的温度上升速度以及常导转变的传播速度，能够求出常导转变的起点部的最高温度。通过利用若常导转变传播到FBG的位置，则与没有传播到FBG的位置的情况相比温度上升速度变大，能够根据FBG的温度上升速度判定是否传播了常导转变。、
基于被判定为常导转变传播到的FBG中的、从常导转变的起点部到最远的FBG为止的距离，能够推定常导转变发生的范围。通过超导线材为线圈状，在该线圈产生电磁力的情况下，利用减去了因电磁力引起的FBG的布拉格波长的变化而得到的结果，能够不将因电磁力引起的布拉格波长的变化换算成温度变化，更准确地求出超导线材发生的温度变化。
图I是对求出本发明的一个实施方式涉及的常导转变的起点部的最高温度的方法进行说明的概念图。图2是对判定在本发明的一个实施方式涉及的FBG的位置是否传播了常导转变的方法进行说明的概念图。图3是表示利用了多个FBG的温度计测器的一例的构成图。 图4是表示将光纤粘接固定在超导线材的金属稳定层上的状态的一例的剖视图。图5是表示实施例中使用的分光元件(AOTF)的施加频率与透过光波长之间的关系的一例的图表。图6是表示实施例中使用的多个FBG的反射光谱的测定例的图表。图7A是表示实施例中使用的常导转变的检测装置的一例的构成图。图7B是表示使常导转变发生的加热器与FBG之间的位置关系的一例的俯视图。图8是表示FBGl中的波长偏移以及敏感度的温度依赖性的测定例的图表。图9是表示FBGl中的从77K开始的波长偏移与绝对温度之间的关系的测定例的图表。图10是表示FBG2中的从77K开始的波长偏移与绝对温度之间的关系的测定例的图表。图11是表示FBG3中的从77K开始的波长偏移与绝对温度之间的关系的测定例的图表。图12是表示FBG4中的从77K开始的波长偏移与绝对温度之间的关系的测定例的图表。图13是将图9 12所示的从77K开始的波长偏移与绝对温度之间的关系重叠图不的图表。图14是表示常导转变的检测方法的实施例I中的各FBG的温度变化的测定例的图表。图15是表示常导转变的检测方法的实施例2中的各FBG的温度变化的测定例的图表。图16是表示常导转变的检测方法的实施例3中的FBG4的温度变化的测定例的图表。图17是表示常导转变的检测方法的实施例3中的对超导线材通电的电流的平方与温度上升速度之间的关系的图表。图18是表示常导转变的检测方法的实施例4中的对超导线材通电的电流与各FBG的波长偏移之间的关系的图表。
图19是表示常导转变的检测方法的实施例4中的各FBG的波长偏移的图表。图20是表示常导转变的检测方法的实施例4的一 2 12秒的区间中的各FBG的波长偏移的图表。图21是从常导转变的检测方法的实施例4的一 2 12秒的区间中的各FBG的波长偏移减去因电磁力引起的波长偏移，来求出因温度变化引起的波长偏移的图表。图22是表示常导转变的检测方法的实施例4的一 2 12秒的区间中的各FBG的温度变化的测定例的图表。
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的一个实施方式进行说明。
图3表示了利用形成有多个光纤布拉格光栅4的光纤3的温度计测器10的一个示例。另外，图4表示了将光纤3粘接固定到超导线材I的金属稳定层Ic上的状态的一例。《超导线材》超导线材I至少具备基材la、具有77K以上的临界温度的超导层Ib以及金属稳定层Ic而构成。能够应用于本实施方式的超导线材I的基材Ia可以作为通常的超导线材的基材而使用，只要高强度即可。另外，为了形成为长线缆，优选是带状，优选是由具备超导体的成膜工艺等所要求的耐热性的金属构成的基材。例如可举出银、钼、不锈钢、铜、哈斯特洛依(注册商标)等镍合金等各种金属材料，或者在这些各种金属材料上配备了陶瓷而形成的基材等。在各种耐热性的金属中，优选采用镍合金。其中，如果是市售产品，则适合采用哈斯特洛依(美国Haines公司商品名)，作为哈斯特洛依，可以使用钥、铬、铁、钴等组分量不同的哈斯特洛依B、C、G、N、W等任意一种。基材Ia的厚度只要根据目的适当调整即可，通常是10 500 μ mD构成超导层Ib的超导体只要具有77K以上的临界温度即可，可以是公知的超导体，具体而言，可以例示出由REBa2Cu3Oy (RE表示Y、La、Nd、Sm、Er、Gd等稀土类元素)表示的组成的超导体。作为该超导层，可以例示出由Y123 (YBa2Cu3O7-x)或者Gdl23 (GdBa2Cu3O7-x>等。另外，也可以利用其他氧化物超导体，例如由Bi2Sr2Can-KunC^2n+ δ的组成等所代表的临界温度高的其他氧化物超导体构成的超导体。超导层Ib的厚度没有特别限定，但优选例如为O. 5 5 μ m程度且是均匀的厚度。超导层Ib能够利用溅射法、真空蒸镀法、激光蒸镀法、电子束蒸镀法、脉冲激光堆积法(PLD法)、离子束辅助蒸镀法(IBAD法)、化学气相生长法(CVD法)等来进行层叠，其中，从生产率的观点出发，优选采用PLD法或IBAD法。另外，使金属有机酸盐在涂覆后热分解的热涂覆分解法(MOD法)是在将金属成分的有机化合物均匀地溶解后的溶液涂覆到基材上后，通过对其进行加热来进行热分解，从而在基材上形成薄膜的方法，由于无需真空过程，能够以低成本高速成膜，所以适合长带状超导导体的制造。层叠在超导层Ib上的金属稳定层Ic由良导电性的金属材料构成，在超导层Ib想要从超导状态迁移至常导状态时，作为超导层Ib的电流换流的旁路(bypass)发挥功能。作为构成金属稳定层Ic的金属材料，只要是具有良导电性的材料即可，没有特别限定，但优选利用铜、黄铜(Cu - Zn合金)等铜合金、不锈钢等相对便宜的材料，其中铜具有高的导电性且价格便宜，因此是优选的。由此，能够抑制材料成本并且能够使金属稳定层Ic厚膜化，可以廉价地得到耐事故电流的超导线材I。金属稳定层Ic的厚度优选是10 300 μ m。金属稳定层Ic能够以公知的方法形成，例如可以通过溅射法、焊敷铜等金属带的方法来形成。在基材Ia与超导层Ib之间，也可以夹设I层或者2层以上从防扩散层、床(bed)层、中间层、帽层等选出的任意层。防扩散层是出于防止基材的构成元素扩散的目的而形成的，由氮化硅(Si3N4),氧化铝(A1203)、或者稀土类金属氧化物等构成。防扩散层例如通过溅射法等成膜法形成，其厚度例如为10 400nm。床层是出于降低界面反应性、得到在其上配置的膜的取向性而形成的，例如由氧化宇乙(Y2O3)>氮化娃(Si3N4)、氧化招(Al2O3)等构成。床层例如通过派射法等成膜法形成,其厚度例如为10 200nm。中间层为了控制超导层的结晶取向性而由2轴取向的物质形成。中间层是单层构造或者多层构造均可，作为优选的材质，例如可举出Gd2Zr207、MgO, ZrO2 一 Y2O3 (YSZ)、SrTiO3> CeO2> Y2O3> A1203> Gd203> Zr2O3> Ho203> Nd2O3等金属氧化物。可通过派射法、真空蒸镀法、激光蒸镀法、电子束蒸镀法、离子束辅助蒸镀法(IBAD法)、化学气相生长法(CVD)等物理蒸镀法、热涂覆分解法(MOD法)等公知方法来进行层叠。中间层的厚度可以适当调整，但通常优选为O. 005 2 μ m的范围。优选帽层是经过相对中间层的表面外延生长，然后沿着横向(与面平行的方向)粒生长(over growth),结晶粒沿着面内方向选择生长这一过程而形成的帽层。由于这样的帽层能够得到比由金属氧化物层构成的中间层高的面内取向度，所以优选在帽层上形成超导层。帽层的材质只要是能够展现上述功能的材质即可没有特别限定，但作为优选的材质具体可例示出Ce02、Y203、Al203、Gd203、Zr203、Ho203、Nd203等。另外，也可以包括CeO2中的Ce的一部分被其他金属原子或者金属离子置换而成的Ce — M — O系氧化物。在超导层Ib与金属稳定层Ic之间，作为金属稳定基层,可以形成由Ag等良导电性并且与超导层Ib接触电阻(界面间的电阻)低、联系紧密的金属材料构成的层。金属稳定基层可以通过溅射法等公知方法形成，优选其厚度是I 30μπι。《光纤》针对本实施方式的超导线材1，光纤3被粘接固定在金属稳定层Ic上。光纤3只要是能够形成光纤布拉格光栅(FBG)的公知光纤即可，优选是石英系的单模光纤。构成石英系光纤的材质能够从纯石英玻璃、使用了使锗(Ge)等的折射率提高的添加剂的石英玻璃、使用了降低氟(F)等的折射率的添加剂的石英玻璃等中适当地进行选择。另外，在包层的周围可以按照截面为同心圆状的方式设置包覆材料。作为包覆材料的具体例，可举出聚酰亚胺等高杨氏(young)模量树脂、铜(Cu)、镍(Ni)等金属，可以考虑与后述的粘接层5的密接性来加以选择。光纤3只要与超导线材I中的金属稳定层Ic接触或者接近被粘接固定即可。作为粘接层5的材质，优选是在低温下的耐久性优良并且杨式模量高的材质，以便即使在低温下也能够保护光纤3。作为粘接层5，可举出聚酰亚胺等树脂或接合用金属等。
作为在光纤3的纤芯上形成FBG的方法，可举出在纤芯是添加了 Ge的石英系玻璃的情况下，例如利用氟化氪(KrF)准分子激光或氩(Ar)的SHG (第2高频波)激光，通过相位掩模曝光法或双光束干涉曝光法等沿着纤芯的长度方向以规定的间隔激发折射率变化的方法。布拉格(衍射晶格)的周期(间隔)可以考虑光纤的折射率等来加以设定，以便在测定光的波段范围内产生布拉格反射。例如在石英系光纤中利用1.5μπι频带的测定光的情况下，优选布拉格的周期是O. 5 μ m程度。一个布拉格的长度(布拉格长度)可以根据所希望的反射率或反射频带适当选择，优选例如为I 10mm。其中，若将衍射晶格的间隔设为Λ、将光在真空中的波长设为λ、将光纤纤芯的折射率设为η、入射角设为Θ、任意的正整数设为N，则由于布拉格反射发生的条件是 2A sin0 =Νλ/η，所以若将Θ设为直角(sin Θ = I)，将整数N设为1，则晶格间隔Λ与布拉格波长λΒ2间存在λΒ = 2ηΛ的关系。当该FBG发生温度变化时，由于折射率η、晶格间隔Λ发生变化，因此布拉格波长λ Β发生变化。折射率η的变化依赖于光纤纤芯的材质，与光纤3的包覆材料、被粘接固定的对象物几乎无关。另一方面，由于晶格间隔Λ的变化因沿着光纤3长度方向的变形(伸缩)而引起，所以依赖于光纤3的包覆材料、被粘接固定的对象物。若形成了 FBG的光纤3与超导线材I粘接固定，则即使构成光纤3的石英系玻璃自身的线膨胀系数�。捎诠钩沙枷卟腎的部件的线膨胀系数大，所以温度上升时也产生大的线膨胀。即，在温度上升时，FBG的晶格间隔Λ由于超导线材I的线膨胀而延伸，布拉格波长λΒ向长波长侧偏移。《超导线材的温度计测方法》在本实施方式所使用的超导线材的温度计测方法中，以将在纤芯中形成有多个FBG的光纤3粘接固定到金属稳定层Ic上的状态，预先测定FBG的布拉格波长针对超导线材I的温度的变化，根据布拉格波长的变化来求出用于计测超导线材I的温度的关系式。由此，可以在计测时根据布拉格波长的变化来实时计测超导线材I的温度。由于该关系式是表示布拉格波长的变化与超导线材I的温度的相关性的函数，所以通过基于测定预先求出对布拉格波长变化的温度依赖性(即温度与布拉格波长的变化的相关性)进行表示的函数，能够导出其反函数。需要预先测定布拉格波长变化的温度依赖性的温度范围是超导线材I的温度计测所需要的规定的温度范围，优选包括超导线材I以超导状态工作时的温度范围、和超导线材I发生了常导转变后能够到达的温度范围。图3所示的温度计测器10具备形成有多个光纤布拉格光栅4的光纤3、宽带光源11、分光元件13、将来自宽带光源11的测定光入射到光纤3并将来自多个光纤布拉格光栅4的布拉格反射光入射到分光兀件13的光部件12、和接收被分光兀件13分光后的光并输出电压信号的受光元件14。对光纤3而言，靠近光源11的入射侧与温度计测器10的光部件12连接。当测定布拉格波长变化的温度依赖性时，在将光纤3粘接固定到超导线材I的金属稳定层Ic上的状态下，一边利用冷冻机等改变周围的温度，一边测定布拉格波长。
优选光源11利用能够任意地输出各FBG在温度计测时可获取到的布拉格波长的范围整体的宽带光源。在温度计测所需的测定光的波长范围大的情况下，还能通过组合输出波长范围不同的多个光源、从适当的光源对光纤3入射光来加以应对夹设在宽带光源11与光纤3之间的光部件12只要具有将来自宽带光源11的测定光入射到光纤3，并且将布拉格反射光入射到分光元件13的功能即可，没有特别限定。作为具体例，可举出循环器(circulator)。光部件12也可以是耦合器，但为了防止反射光返回到光源11，优选设置使光仅从光源11向光部件12的方向透过的单向管(isolator)。如图3所示，从光源11向光纤3入射测定光，计测反射光的光谱。为了区别多个FBG的布拉格波长时，只要布拉格波长的值彼此不同即可。由于布拉格波长具有温度依赖性，所以优选设置各FBG在温度计测时可获取到的布拉格波长的范围不重叠程度的波长差。通过反射光的光谱经由在规定波长范围内能够任意地选择透过波长的分光元件13，并由受光元件14接收反射光，能够作为光强度的波长依赖性而计测。作为替代在以上说明的温度计测器10的机构，也可以利用下述构成光源11利用可调激光，不利用分光元件13地使布拉格反射光输入到受光元件14。该情况下，优选可调激光在能够计测多个FBG的布拉格波长的范围进行波长扫描。另外，通过使温度计测器10成为基于公知的时分复用(TDM)法、光频域反射测定(OFDR)法的构成，也能够将布拉格波长相同的FBG用于超导线材I的温度计测。如上所述，光纤3被粘接固定于超导线材I，布拉格波长基于伴随着温度变化的超导线材I的线膨胀而变化。一般构成超导线材的基材、金属稳定层的金属材料的线膨胀系数的温度依赖性通过多项式近似得到(由于超导层与基材以及金属稳定层相比截面积足够�。猿枷卟牡南吲蛘拖凳烧庑┙鹗舨牧系奶匦灾�)。因此，若利用单纯的I次式来表现对布拉格波长的温度依赖性进行表示的关系式，则难以充分地对从低于超导体的临界温度的温度开始到常温程度的大温度范围进行近似。鉴于此，当利用例如4次式等高次数式时，能够以I个数式高精度地近似大温度范围，是优选的方式。该关系式也能够替换用I个数式来加以表现，而以将定义域分割成多个小范围并利用了按每个小范围不同的I次式的折线状的函数来加以表现。另外，图3所示的温度计测器10在超导线材I工作时，还能够为了持续计测光纤3的各FBG的布拉格波长而被利用。由于预先根据布拉格波长求出对与温度的对应进行表示的关系式，所以能够将适时计测到的布拉格波长立刻变换为超导线材I的温度。当在临界温度以下对超导线材I通电时，由于超导层Ib处于超导状态，电阻值是0，所以电流流过该超导层lb，超导线材I不发热。在超导线材I中，当万一因为某种理由发生了超导层Ib从超导状态向常导状态迁移的常导转变时，超导层Ib产生电阻，电流流过电阻相对小的金属稳定层lc。此时，在金属稳定层Ic中，产生与电流值和电阻值对应的焦耳热，引起发热。该超导线材的线膨胀相对于发热以极快的时间常数产生。本实施方式的超导线材I即使在万一发生了常导转变的情况下，也会由于形成了多个FBG的光纤3被粘接固定于超导线材I的金属稳定层lc，而能够以良好的精度以及响应性来感知超导线材I内部的温度变化(温度上升)。即，本实施方式涉及的超导线材的温度计测方法可以说是响应性极高的方法。当然，由于只要超导线材I的线膨胀被充分传达即可，所以光纤3也可以粘接固定在基材Ia的表面、超导线材I的侧面。超导线材I的常导转变若在一个部位发生，则由于在起点部2产生的焦耳热会热传导到其周围从而进一步引起常导转变，所以常导转变的范围沿着超导线材I的长度方向向两侧扩大。在本实施方式中，由于沿着光纤3长度方向设置了多个FBG，所以如图I、图2所示，能够从常导转变的起点部2计测不同的多个位置处的温度变化(伴随着时间经过的温度变化)。然后，通过比较这些多个FBG中的温度变化，能够详细地解析常导转变的发生状况、传播状况。《常导转变的传播速度》若如图I所示，在超导线材I发生常导转变的前后持续计测各FBG的温度变化，则能够求出各FBG的温度上升开始的时间。具体而言，若将发生常导转变之前的时间范围中的温度变化作为基线(base line)，则温度上升的开始能够根据表示发生了常导转变后的温度变化(温度上升)的线(或者其接线)与基线交差的时间轴上的位置求出。 可以根据多个FBG的温度上升开始的时间差和多个FBG的间隔，计算出常导转变的传播速度。多个FBG的间隔能够利用在将FBG形成于光纤的纤芯时预先设定的值，这是已知的。在FBG的个数为2个的情况下，将FBG的间隔除以温度上升开始的时间差而得到的商相当于常导转变的传播速度。在FBG的个数为3个以上的情况下，通过取平均等统计手法，同样能够求出常导转变的传播速度。《最高温度的推定》由于超导线材利用冷却介质、冷冻机来加以冷却，所以发生常导转变之前的超导线材的温度在各处大致相等。另外，由于超导线材的材质以及构造在其长度方向整体大致均匀，所以发生了常导转变的部位处的温度上升速度在各处大致相等。其中，温度上升速度是单位时间上升的温度差，例如可以通过对温度变化的时间微分进行平均来求出。鉴于此，通过将常导转变发生之前的超导线材I的温度设为Ttl、将因常导转变引起的温度上升速度设为υ、将在FBG的位置从温度上升开始到达到最高温度为止的时间差设为Λ h，能够以TmaxFB(； ^ Ttl + υ Δ ^近似地求出传播了常导转变后的FBG中的最高温度TmaxFBGo另外，若假设常导转变的传播速度V—定，则在常导转变的起点部2处从常导转变最初发生到在距离起点部2最近的FBG中开始温度上升为止的时间差Atci能够通过从常导转变的起点部2到该FBG为止的距离L以Λ h = L/V求出。并且，由于温度上升的结束因为例如向超导线材I的通电的限制、切断等公共的原因造成，所以在超导线材整体几乎同时发生。即，从常导转变最初发生到温度上升结束为止的时间差为Atci+ Δ1^。在将如此发生了常导转变的超导线材的温度上升过程模型化的情况下，由于在常导转变的起点部2处从常导转变最初发生到温度上升结束时刻为止的期间(Λ t(l + Λ tl)，温度上升以温度上升速度u持续，所以常导转变的起点部2处的最高温度Tmaxtj能够以Tmax0 ^ T0 + u X (At0+ At1) = (T0 + UAt1)+ u Δ t0 ^ TmaxFBG + υ X (L/V)近似地求出。S卩，将在多个FBG的任意一个中计测出的最高温度设为Tmax (与上述Tmax·相当)，将从该FBG到常导转变的起点部2为止的距离设为L，将该FBG中的温度上升速度设为U，将常导转变的传播速度设为V，常导转变的起点部2处的最高温度Tmaxtj能够通过(L/V)υ + Tmax计算出。其中，由于与离起点部2的距离对应地产生若干的差，所以为了更高精度地求出常导转变的起点部2处的最高温度，优选FBG中的温度上升速度u的值利用由距离起点部2最近的FBG计测出的温度变化。《常导转变的传播范围》如图2所示，由于温度上升在比较短的时间结束，所以在常导转变未到达远的FBG的情况下，在该FBG (图2的FB G — C)中有时会计测到来自靠近起点部2侧的基于热传导的发热。但是，由于基于热传导的发热与在FBG的位置发生了常导转变时的发热相比较�。远吣芄煌ü露壬仙俣鹊谋冉侠醇右郧稹＜诖耍莞鱂BG的温度变化来求出多个FBG各自中的温度上升速度，根据温度上升速度是否为规定的阈值以上，能够判定常导转变是否传播到该FBG的位置。其中，在如上所述那样推定常导转变的传播速度、最高温度的情况下，常导转变需要传播到推定所使用的FBG的位置。如果所使用的FBG中的温度上升速度为规定的阈值以上，则能够确认常导转变已传播到该FBG的位置。另外，通过将被判定为常导转变传播到的FBG中的、从常导转变的起点部2到最远的FBG为止的距离乘以2，能够推定发生常导转变的范围。在图2所示的例子中，由于距离常导转变的起点部2最远的FBG是FBG — B，所以常导转变的传播范围能够推定为从起点部2到FBG - B的距离的2倍程度。如上所述，因常导转变引起的发热以与流过金属稳定层Ic的电流值和金属稳定层Ic的电阻值对应的焦耳热为主，由于发热量大幅依赖于电流值，所以优选用于判定常导转变是否传播到FBG的位置的上述规定的阈值按向超导线材通电的各个电流值设定不同的值。其中，由于因热传导引起的发热不是对超导线材I的通电的限制、切断等直接使温度上升结束的发热，所以由于热传导而发热的区域表示最大温度的时间不限于在任何部位都是一定的。从该观点出发，也能够区别常导转变的传播范围和仅发生热传导的范围。《超导保护装置》本实施方式的超导线材的常导转变的检测方法可以在工作中的超导线材的保护装置中利用。超导保护装置可以具备在图3的温度计测器10中接收从受光元件14输出的电信号，按照上述的温度计测方法、常导转变的检测方法自动地进行解析的计算机等解析装置；在感知到异常的情况下使电流受限(降低)或者切断(停止)等，来控制向超导线材的通电量的控制装置；在感知到异常的情况下向操作者发出警报的警报装置；工作状况的显示装置；温度履历的记录装置等。由此，即使万一发生了常导转变，也能够防止超导线材I熔断、烧损，以良好的状态保护超导线材I。尤其是由于通过计测常导转变的起点部处的最高温度、发生了常导转变的范围，能够定量地识别因常导转变而对超导线材的损伤，所以可以在确认了安全性后，如果损伤轻微则不需要更换超导线材便能够重新开始工作。另外，即使在超导线材需要检查、更换的情况下，由于也能够得到与损伤的程度相关的预备信息来实施作业，所以能够进行更迅速且可靠的作业。《超导线圈》本实施方式也能够应用于使超导线材成为线圈状，通过使超导线材电流通电能够发生电磁力(圆周应力hoop stress)的超导线圈。超导线圈例如也可以是使超导线材沿着其厚度方向弯曲，以同心圆状卷绕多圈而成为粉饼(pancake)型的线圈体。另外，也可以使线圈体层叠2个或者3个以上。该情况下，当利用用于根据布拉格波长偏移(布拉格波长的变化)来计测超导线材的温度的关系式，来将布拉格波长偏移换算成超导线材的温度时，作为输入(代入)到该关系式的布拉格波长偏移，优选不是将直接包含因电磁力引起的FBG的布拉格波长偏移的布拉格波长偏移应用于所述关系式，而是将减去了因电磁力引起的FBG的布拉格波长偏移而得到的结果的布拉格波长偏移应用于所述关系式。由此，能够不将因电磁力引起的布拉格波长偏移换算为温度变化，更准确地求出超导线材发生的温度变化。 因电磁力引起的FBG的布拉格波长偏移依赖于向超导线材通电的电流值。因此，优选预先在没有温度变化的条件下测定向超导线材通电的电流值和对应该电流值的因电磁力引起的布拉格波长偏移，求出基于电流值和因电磁力引起的布拉格波长偏移之间的关系。根据该关系和实际通电的电流值，能够更高精度地推定因电磁力引起的布拉格波长偏移的值。以上，基于优选的实施方式说明了本发明，但本发明不限于上述的实施例，能够在不脱离本发明主旨的范围内进行各种改变。实施例以下，通过实施例对本发明进行更具体说明，但本发明不限于以下的实施例。(温度计测方法的实施例I)在图3所示的超导线材I的温度计测器10中，如图4所示那样将光纤3粘接固定到超导线材I上。在本实施例中，超导线材I的基材Ia采用了宽度5mm、厚度O. Imm的哈斯特洛依C276。超导层 Ib 采用了宽度 5mm、厚度 O. OOlmm (即 IymM^GdBCO (GdBa2Cu3O7 — x)。该超导层的临界温度大约为90K、临界电流大约为230A (温度77K、磁场OT环境下的值)。金属稳定层Ic采用了宽度5mm、厚度O. Imm的铜。在形成了光纤布拉格光栅4 (FBG)的光纤3中，由掺杂了 Ge的石英玻璃构成的纤芯的外径约为8 μ m,由纯石英玻璃构成的包层的外径约为125 μ m，以由聚酰亚胺构成的外径为150 μ m的被覆层覆盖该包层周围。如图4所示，形成了 FBG的光纤3使用成为粘接层5的聚酰亚胺树脂(HD，"口 '> 7 ^ Λ 7公司ΡΙ2525 :型号)被固定在金属稳定层Ic上。更具体而言,在金属稳定层Ic上按照密接光纤3的方式预固定之后，按照覆盖光纤3的周围的方式涂覆成为粘接层5的聚酰亚胺树脂，以200°C加热该涂覆部I分钟，使聚酰亚胺树脂发生固化来进行固定。在粘接固定了超导线材I的光纤3中，沿着长度方向以IOmm的间隔形成4个FBGl 4。这些FBG由KrF准分子激光和利用了常规相位掩模的公知曝光方法制成。在本实施例中，FBGl 4的布拉格长度为6mm。另外，对于室温(295K)且无变形的布拉格波长，以 FBGl 约为 1540nm，FBG2 约为 1550nm，FBG3 约为 1560nm，FBG4 约为 1570nm 作为目标值，以约IOnm的波长间隔来进行制作。其中，关于布拉格波长的实测值，将与其测定方法一起在后面叙述。接着，对图3所示的用于计测FBGl 4的布拉格波长的计测器的构成进行说明。该计测器由输出测定光的宽带光源11、循环器12、波长参照用FBG1、2 (未图示)、对波长参照用FBG1、2以及FBGl 4的布拉格反射光进行分光的分光元件13、光电二极管(PD)14大致构成。更详细而言，宽带光源11利用被放大后的自然释放(ASE)光源，分光元件13利用声音光学效应的波长可变滤波器(A0TF)。作为ASE光源11,利用以1520 1610nm的波长范围输出光的光源,其总的光输出是50mW卿17dBm)。由ASE光源11输出的测定光通过循环器12入射到波长参照用FBG1、2以及被粘接固定于超导线材I的光纤3的FBGl 4。入射到FBG的测定光仅被反射与各FBG的布拉格波长相当的光,经由循环器12被输入到分光兀件13。作为分光元件13而利用的AOTF利用由LiNbO3构成的平面型光波导构成，通过对在波导上面设置的梳型电极施加频率为160 180MHz的正弦波，能够选择地透过1510 1680nm程度的波长范围的光。由于所施加的正弦波的频率与透过光波长具有唯一的关系，所以通过在上述的范围对时间数字性地(阶段状地)进行频率扫描，能够使对Η)14输入的光的波长针对时间在1510 1680nm的范围中变化。在本实施例中，将频率扫描的步进频率(阶段状地进行频率扫描时的频率间隔)设为I. 5kHz、将步进时间(每I个步进的保持时间)设为4 μ S，在160 180MHz的范围从高频率(180MHz)向低频率(160MHz)方向连续进行扫描。在该条件下，I次频率扫描所花费的时间根据式(I)大约是53. 3ms。[数I]
权利要求
1.一种超导线材的常导转变的检测方法，该超导线材具备基材、具有77K以上的临界温度的超导层以及金属稳定层，该超导线材的常导转变的检测方法的特征在于， 将在纤芯上沿着该纤芯的长度方向形成有多个光纤布拉格光栅的光纤粘接固定于所述超导线材； 预先测定所述光纤布拉格光栅的布拉格波长相对所述超导线材的温度变化的变化，根据所述布拉格波长的变化求出用于计测所述超导线材的温度的关系式； 利用所述关系式求出所述超导线材发生常导转变的前后的所述多个光纤布拉格光栅的温度变化； 基于所述多个光纤布拉格光栅的温度上升开始的时间差和所述多个光纤布拉格光栅的间隔，计算出所述常导转变的传播速度。
2.根据权利要求I所述的超导线材的常导转变的检测方法，其特征在于， 将在所述多个光纤布拉格光栅的任意一个中计测出的最高温度设为Tmax、将从该光纤布拉格光栅到所述常导转变的起点部为止的距离设为L、将该光纤布拉格光栅中的温度上升速度设为U、将所述常导转变的传播速度设为V，利用(L/V) u +Tmax来计算所述常导转变的起点部的最高温度。
3.根据权利要求2所述的超导线材的常导转变的检测方法，其特征在于， 利用与所述常导转变的起点部最近的光纤布拉格光栅来计测所述最高温度Tmax以及所述温度上升速度u。
4.根据权利要求I 3中任意一项所述的超导线材的常导转变的检测方法，其特征在于， 根据各光纤布拉格光栅的温度变化来求出所述多个光纤布拉格光栅各自的温度上升速度，基于所述温度上升速度为规定的阈值以上来确认所述常导转变已传播到该光纤布拉格光栅的位置。
5.根据权利要求4所述的超导线材的常导转变的检测方法，其特征在于， 所述规定的阈值按向所述超导线材通电的各个电流值预先设定。
6.一种超导线材的常导转变的检测方法，该超导线材具备基材、具有77K以上的临界温度的超导层以及金属稳定层，该超导线材的常导转变的检测方法的特征在于， 将在纤芯上沿着该纤芯的长度方向形成有多个光纤布拉格光栅的光纤粘接固定于所述超导线材； 预先测定所述光纤布拉格光栅的布拉格波长相对所述超导线材的温度变化的变化，根据所述布拉格波长的变化来求出用于计测所述超导线材的温度的关系式； 利用所述关系式求出所述超导线材发生常导转变的前后的所述多个光纤布拉格光栅的温度变化； 根据各光纤布拉格光栅的温度变化来求出所述多个光纤布拉格光栅各自的温度上升速度； 基于所述温度上升速度是否为规定的阈值以上，来判定所述常导转变是否传播到该光纤布拉格光栅的位置。
7.根据权利要求6所述的超导线材的常导转变的检测方法，其特征在于， 通过将被判定为所述常导转变传播到的光纤布拉格光栅中的、从所述常导转变的起点部到最远的光纤布拉格光栅为止的距离乘以2，来推定所述常导转变发生的范围。
8.根据权利要求6或7所述的超导线材的常导转变的检测方法，其特征在于， 所述规定的阈值按向所述超导线材通电的各个电流值而预先设定。
9.根据权利要求I 8中任意一项所述的超导线材的常导转变的检测方法，其特征在于， 所述超导线材为线圈状，预先测定因由该线圈产生的电磁力引起的光纤布拉格光栅的布拉格波长的变化， 将减去因所述电磁力弓I起的光纤布拉格光栅的布拉格波长的变化而得到的布拉格波长的变化应用于所述关系式，来求出所述超导线材发生常导转变的前后的所述多个光纤布拉格光栅的温度变化。
10.根据权利要求I 9中任意一项所述的超导线材的常导转变的检测方法，其特征在于， 所述形成有多个光纤布拉格光栅的光纤与温度计测器连接，其中，该温度计测器具备宽带光源；分光元件；光部件，其被入射来自所述宽带光源的测定光，并且使来自所述多个光纤布拉格光栅的布拉格反射光入射到所述分光兀件；以及受光兀件，其接受由所述分光兀件分光后的光并输出电压信号。
全文摘要
本发明涉及超导线材的常导转变的检测方法，是具备基材、具有77K以上的临界温度的超导层以及金属稳定层的超导线材的常导转变的检测方法，其中，将在纤芯上沿着其长度方向形成有多个光纤布拉格光栅的光纤粘接固定于所述超导线材；预先测定所述光纤布拉格光栅的布拉格波长相对所述超导线材的温度变化的变化，根据所述布拉格波长的变化求出用于计测所述超导线材的温度的关系式；利用所述关系式求出所述超导线材发生常导转变的前后的所述多个光纤布拉格光栅的温度变化；基于所述多个光纤布拉格光栅的温度上升开始的时间差和所述多个光纤布拉格光栅的间隔，来计算所述常导转变的传播速度。
文档编号G01K11/12GK102667456SQ201180005090
公开日2012年9月12日 申请日期2011年4月6日 优先权日2010年6月28日
发明者大道浩儿, 寺田佳弘 申请人:株式会社藤仓
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
