(57)【要約】【課題】弱磁性体などの物体（試料）に作用する重力を打ち消せるような強い磁気力を発生させることができ、かつ、径方向の磁気力をキャンセルさせることができる均一磁気力発生装置を提供すること。【解決手段】中心軸Ｚが鉛直方向に配置された主磁場コイル２と、主磁場コイル２の鉛直上方に配置された反転磁場コイル３と、主磁場コイル２および反転磁場コイル３を収容する保冷容器４と、ボア空間内に配置された試料台５と、試料台５の下端中心に取り付けられた回転軸６と、回転軸６の下端に取り付けられたモータ７とを備える均一磁気力発生装置１である。試料台５をモータ７で水平面内で回転させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸が鉛直方向に配置され、主磁場を発生する主磁場コイルと、
前記主磁場コイルの上方に当該主磁場コイルの中心軸と同軸に配置され、反転磁場を発生する反転磁場コイルと、
前記主磁場コイルおよび前記反転磁場コイルの内側に形成されたボア空間内に配置され、前記中心軸と同軸に回転する試料台と、を備え、
前記試料台は、当該試料台上に配置される試料が、前記反転磁場コイルの鉛直方向中心位置と前記主磁場コイルの鉛直方向中心位置との間に位置するように配置されることを特徴とする、均一磁気力発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の均一磁気力発生装置において、
前記試料台は、前記主磁場コイルの上端部に前記試料が位置するように配置されることを特徴とする、均一磁気力発生装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の均一磁気力発生装置において、
前記試料台に取り付けられ当該試料台を回転させる回転軸を備え、
前記試料台および前記回転軸が、非金属材料からなる弱磁性体であることを特徴とする、均一磁気力発生装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の均一磁気力発生装置において、
前記試料台は、円板と、当該円板に対して同心にかつその外側に配置された環状板とを具備してなることを特徴とする、均一磁気力発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、均一磁気力発生装置に関し、特に、弱磁性の反磁性体に対して重力を打ち消す方向（鉛直上向き）に磁気力を働かせる一方、水平方向の磁気力をキャンセルすることができる均一磁気力発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水や有機物のような弱磁性体の磁化率は強磁性体に比べて非常に小さく、永久磁石で得られる磁場強度（フェライト磁石で０．１Ｔ、希土類磁石で１Ｔ）では、一般に、弱磁性体には磁気力が働かないように思われてきた。しかしながら、近年の超電導磁石の普及によって強磁場（十数Ｔ）が簡単に得られるようになり、弱磁性体にも重力と同程度の磁気力を働かせることが可能となってきた。弱磁性体である水や多くの有機物の場合、約１４００Ｔ２／ｍの磁気力場によって、重力と同じ大きさの磁気力をこれら弱磁性体に働かすことができ、その結果、水や多くの有機物を地上にて擬似無重力状態にすることができる。
【０００３】
一方、タンパク質の結晶を擬似無重力中で作製する方法が開発されている。擬似無重力中では、タンパク質の結晶性がよくなり、Ｘ線構造解析の解像度が向上することが報告されている。
【０００４】
ここで、物体に作用する重力は、空間的に均一でありその方向は鉛直下向きである。したがって、重力を磁気力でキャンセルさせる場合、超電導磁石で発生する磁気力場も空間的に均一で、その方向も鉛直上向きであることが必要となる。
【０００５】
この種の技術としては、例えば特許文献１に記載された技術がある。特許文献１に記載された均一磁気力発生磁石は、主磁石と、この主磁石の外側または内側に設けられた補正磁石とを備える磁石であって、全磁石（主磁石＋補正磁石）の磁気力が最大となる領域で磁気力が均一となるように、補正磁石の形状、位置などが定められてなるものである。そして、特許文献１に記載された技術を用いると、径１０ｍｍ×高さ１０〜２０ｍｍの円筒空間内で、軸方向の磁気力の揺らぎが１％以内、径方向の磁気力と軸方向の磁気力との比が２％以内で、かつ磁気力の方向も鉛直上向きになるコイル配置とすることができる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された均一磁気力発生磁石では、弱磁性体を擬似無重力状態にすることができる程度に磁気力場の大きさを大きくすることができない。例えば、特許文献１によると、コイルを構成する線材にＮｂＴｉ超電導線を用いた場合で２４０Ｔ２／ｍ程度、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線とＮｂＴｉ超電導線とを用いた場合で８０００Ｔ２／ｍ程度である。
【０００７】
これに対して、磁気力場を大きくすることができる技術が特許文献２に記載されている。特許文献２に記載された強磁気力場発生装置は、主磁石と、この主磁石の鉛直上方に配置された補助磁石とを備えるものである。この強磁気力場発生装置によると、水や有機物が浮上するレベルの磁気力（１４００Ｔ２／ｍ以上）を発生させることができる。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３２９８３５号公報
【特許文献２】特開２００３−２８９００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２に記載された強磁気力場発生装置では、強い磁気力を発生させることができるものの、その径方向（鉛直方向に対して直交する方向）の磁気力が無視できる大きさではなく、すなわち、十分な擬似無重力状態が実現できなかった。
【００１０】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、弱磁性体などの物体（試料）に作用する重力を打ち消せるような強い磁気力を発生させることができ、かつ、径方向の磁気力をキャンセルさせることができる均一磁気力発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段及び効果】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明は、中心軸が鉛直方向に配置され、主磁場を発生する主磁場コイルと、前記主磁場コイルの上方に当該主磁場コイルの中心軸と同軸に配置され、反転磁場を発生する反転磁場コイルと、前記主磁場コイルおよび前記反転磁場コイルの内側に形成されたボア空間内に配置され、前記中心軸と同軸に回転する試料台と、を備え、前記試料台は、当該試料台上に配置される試料が、前記反転磁場コイルの鉛直方向中心位置と前記主磁場コイルの鉛直方向中心位置との間に位置するように配置される均一磁気力発生装置を提供する。
【００１２】
ここで、磁場が物体におよぼす力は、磁場の強さ（Ｂ）と、磁場勾配（ｄＢ／ｄｚ）との積（Ｂ・ｄＢ／ｄｚ）に比例する。そして、この磁場勾配（ｄＢ／ｄｚ）が重力の方向に存する場合には、物体に鉛直上向きの力が働く。本発明の構成によると、主磁場コイルの上方に反転磁場コイルを配置することにより、急勾配磁場を発生させることができ、これにより、弱磁性体などの物体（試料）に重力を打ち消せるような強い磁気力を働かせることができる。
【００１３】
また、試料台上に配置された試料が、水平方向においてはボア空間の中心（コイルの中心）に、鉛直方向においては反転磁場コイルの鉛直方向中心位置と主磁場コイルの鉛直方向中心位置との間に配置され、そして、回転させられることにより、試料に対して強い磁気力を鉛直上向きに働かせるとともに、試料に作用する径方向の磁気力を遠心力でキャンセルさせることができる。
【００１４】
また本発明において、前記試料台は、前記主磁場コイルの上端部に前記試料が位置するように配置されることが好ましい。この構成によると、試料に対してより強い磁気力を働かせることができる。
【００１５】
さらに本発明において、前記試料台に取り付けられ当該試料台を回転させる回転軸を備え、前記試料台および前記回転軸が、非金属材料からなる弱磁性体であることが好ましい。
【００１６】
この構成によると、ボア空間内の磁場の乱れを抑制することができ、鉛直上向きのより均一な磁気力場を発生させることができる。
【００１７】
さらに本発明において、前記試料台は、円板と、当該円板に対して同心にかつその外側に配置された環状板とを具備してなることが好ましい。
【００１８】
この構成によると、径方向の各位置における磁気力に対応させた遠心力を試料に作用させることができ、試料に作用する径方向の磁気力をよりこまかくキャンセルさせることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
（均一磁気力発生装置の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る均一磁気力発生装置１を示す側面断面図である。図１に示すように、本実施形態の均一磁気力発生装置１は、中心軸Ｚが鉛直方向に配置された主磁場コイル２と、主磁場コイル２の鉛直上方に配置された反転磁場コイル３と、主磁場コイル２および反転磁場コイル３を収容する保冷容器４と、ボア空間内に配置された試料台５と、試料台５の下端中心に取り付けられた回転軸６と、回転軸６の下端に取り付けられたモータ７とを備えている。
【００２１】
（主磁場コイル）
まず、主磁場コイル２は、ボア空間内に主磁場を発生させるためのコイルである。この主磁場コイル２は、それぞれ中空筒状空間を有する３つの主磁場コイル２ａ、２ｂ、および２ｃで構成されている。そして、これら３つの主磁場コイル２ａ、２ｂ、および２ｃは、超電導線材がソレノイド状に巻かれてなるものである。超電導線材は、例えばＮｂＴｉ超電導線材やＮｂ３Ｓｎ超電導線材などである（後述の反転磁場コイルにおいても同様）。また、主磁場コイル２は、主磁場コイル２ａを最内層のコイルとして、主磁場コイル２ａ、２ｂ、２ｃがこの順に内側から同心円状に配置された構造となっている。本実施形態では、最内層の主磁場コイル２ａの高さは、他の２層の主磁場コイル２ｂ、２ｃに比して小さくされ、主磁場コイル２ｂ、２ｃの高さは同一とされている。また、主磁場コイル２ａ、２ｂ、および２ｃの径方向の厚みは同一とされている。
【００２２】
また、主磁場コイル２ａの鉛直方向における中心を通る水平面を水平面Ｒ１とし、主磁場コイル２ｂ、２ｃの鉛直方向における中心を通る水平面を水平面Ｒ２とすると、水平面Ｒ２は水平面Ｒ１に対して距離ｄだけ下方にずれて位置している。そして、主磁場コイル２を構成する３つの主磁場コイル２ａ、２ｂ、および２ｃには、同一方向の磁場が発生するように通電される。
【００２３】
（反転磁場コイル）
次に、反転磁場コイル３は、ボア空間内において主磁場のすぐ上に反転磁場を発生させるためのコイルである。この反転磁場コイル３は、中空筒状空間を有し、超電導線材がソレノイド状に巻かれてなるものである。反転磁場コイル３は、主磁場コイル２の鉛直上方に主磁場コイル２の中心軸Ｚと同軸に配置されている。また、反転磁場コイル３の内径と、主磁場コイル２ａの内径とは等しい。また、反転磁場コイル３の高さおよび径方向の厚みは、主磁場コイル２ａ、２ｂ、および２ｃに比して小さくされ、すなわち、反転磁場コイル３の巻数は、主磁場コイル２ａ、２ｂ、および２ｃの巻数よりも少ない。なお、反転磁場とは、主磁場コイル２により発生する磁場（主磁場）の方向に対して逆方向（１８０°逆方向）に向かう磁場のことをいう。反転磁場コイル３を構成する超電導線材に、主磁場コイル２を構成する超電導線材に流れる電流の向きとは逆向きの電流を流すことにより、反転磁場が発生する。
【００２４】
なお、主磁場コイル２ａ、２ｂ、および２ｃ、ならびに反転磁場コイル３は、いずれも両端にフランジ部を有する筒状の巻枠（不図示）に超電導線材を巻くことでコイル形態に形成されるものであって、巻枠同士は適宜の手段により固着一体化される。また、主磁場コイル２および反転磁場コイル３の線材として、必ずしも超電導線材を用いる必要はなく、例えば銅線を用いてもよい。
【００２５】
（保冷容器）
保冷容器４は、主磁場コイル２および反転磁場コイル３を収容して、当該主磁場コイル２および反転磁場コイル３を低温に保持するための容器である。保冷容器４の中心部には鉛直方向に筒状形態のボア空間が形成されている。また、保冷容器４の内部は高真空に保持され、保冷容器４の材質としては、アルミニウム材、ステンレス材などが挙げられる。
【００２６】
（試料台）
図２（ａ）は、図１に示す試料台５の上面図である。試料台５は、その上に弱磁性の反磁性体であるタンパク質などの試料が載置される台である。試料は容器（不図示）に入れられるなどして試料台５上に固定配置される。なお、図１には、試料が配置される位置を試料空間Ｓで示している。ここで、弱磁性体とは、自発磁化を持たず、磁化率の小さい（質量磁化率で、−１０−５＜χ＜１０−５）物質のことである。弱磁性体のうち磁化率が正のものは常磁性体であり、酸素・一酸化炭素・遷移金属など不対電子を持つ物質である。強磁性体にも常磁性体にも属さない物質は、磁化率が負の反磁性の性質を持つ（弱磁性の反磁性体、例えば水や有機物など）。
【００２７】
図２（ａ）に示したように、試料台５は、上面視において円形の形状を有している。なお、形状は、円形ではなく、六角形などの多角形であってもよいし、楕円形であってもよい。また、図１に側面視を示したように、試料台５は板形態となっているが必ずしも板形態である必要もない。
【００２８】
次に、試料台５の下端中心には回転軸６が取り付けられている。回転軸６は棒材であって長手方向を鉛直方向に配置される。また、回転軸６の下端にはモータ７が取り付けられている。モータ７は、試料台５を、中心軸Ｚと同軸に当該中心軸Ｚまわりに回転させるためのものである。モータ７は、回転数一定のモータであってもよいし、回転数を可変させることができる可変速モータであってもよい。また、モータ７は減速機付きモータであってもよい。モータ７を可変速モータとすることで、試料台５の回転数を調整すること、すなわち試料台５上におかれる試料に働く遠心力を調整することができる。また、モータ７を減速機付きモータとした場合には、減速比を適宜、決定することで、試料に働く遠心力を調整することができる。
【００２９】
ここで、反転磁場コイル３の鉛直方向における中心を通る水平面を水平面Ｒ３とする。このとき、試料台５は、試料台５上に配置される試料が、水平面Ｒ３と前記水平面Ｒ１との間に位置するように、すなわち、反転磁場コイル３の鉛直方向中心位置と主磁場コイル２の鉛直方向中心位置との間に位置するように配置されている。これにより、試料に対して強い磁気力を鉛直上向きに働かせることができる。なお、試料台５上に配置される試料が水平面Ｒ３と前記水平面Ｒ２との間に位置するように試料台５を配置してもよい。
【００３０】
さらには、試料台５は、主磁場コイル２の上端部に試料（試料空間Ｓ）が位置するように配置されている。さらには、主磁場コイル２の最上端位置以下に試料（試料空間Ｓ）が位置するように試料台５は配置されている。すなわち、主磁場コイル２ｂおよび２ｃの上端を通る水平面を水平面Ｒ４とすると、試料台５は、試料（試料空間Ｓ）が水平面Ｒ４レベル以下の主磁場コイル２の上端部に位置するように配置されている。これにより、試料に対してより強い磁気力を働かせることができる。
【００３１】
また、試料台５および回転軸６の材料は、弱磁性体であってかつ非金属材料であることが好ましい。これにより、ボア空間内の磁場の乱れを抑制することができ（試料台５および回転軸６はボア空間内の磁場分布に影響を与えない）、鉛直上向きのより均一な磁気力場を発生させることができる。なお、試料台５および回転軸６の材料として具体的には、セラミックス、ＦＲＰなどが挙げられる。
【００３２】
（実施例）
図３は、図１に示す均一磁気力発生装置１のボア空間に磁場を発生させたときの試料に働く磁気力を示すグラフである。また、図４は、図１に示す均一磁気力発生装置１のボア空間に磁場を発生させるとともに、試料台５を回転させたときの試料に働く力を示すグラフである。
【００３３】
まず、試料台５を回転させずに、主磁場コイル２および反転磁場コイル３に通電すると、試料空間Ｓには図３に示した磁気力場が発生する。図３（ａ）は、径方向の各位置における鉛直方向の磁気力（Ｇ）を示し、図３（ｂ）は、径方向の各位置における径方向の磁気力（Ｇ）を示している。ここで、径方向とは、中心軸Ｚに対して直交する方向のことをいう。径方向位置が０（ゼロ）の位置は、試料空間Ｓの中心である。
【００３４】
図３（ａ）に示したように、主磁場コイル２の上方に反転磁場コイル３を配置することで急勾配磁場を発生させることができ、これにより、反磁性体であるタンパク質（試料）に重力を打ち消す１Ｇの強い磁気力を働かせることができている。また、鉛直方向の磁気力は、径方向の各位置でほぼ等しいことがわかる。一方、図３（ｂ）に示したように、径方向の磁気力は、試料空間Ｓの中心から外側に向かって離れるほど試料空間Ｓの中心に向かう力となっている。
【００３５】
ここで、モータ７により試料台５を水平面内で１０２ｒｐｍで回転させると、径方向に働く力（径方向加速度）は図４に示したようになった。図４中、四角印は、主磁場コイル２および反転磁場コイル３による径方向の磁気力を示し、三角印は、試料台５を回転させたことによる遠心力を示し、丸印は、径方向の磁気力＋遠心力を示す。図４から明らかなように、試料台５を回転させることで、試料に作用する径方向の磁気力を、直径３０ｍｍの範囲で０．０１Ｇ以下に遠心力でキャンセルさせることができている。これにより、反磁性体であるタンパク質（試料）を地上にて擬似無重力状態（非常に均一な擬似無重力状態）におくことができる。
【００３６】
（試料台の変形例）
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す試料台５の変形例を示す上面図である。図２（ｂ）に示すように、変形例に係る試料台８は、円板８ｂと、当該円板８ｂに対して同心にかつその外側に配置された環状板８ａとを備えている。ここで、試料に働く径方向の磁気力（試料空間Ｓの中心に向かう径方向の磁気力）の大きさは、図３（ｂ）のようにに、必ずしも径方向の距離に比例するとは限らない。試料の種類によっては、径方向の距離に比例した大きさの磁気力とならないこともある。このような場合、本実施形態のように、試料台８を２つの部材に分けて、それぞれにモータ（不図示）を接続し回転させることで、径方向の各位置における遠心力をこまかく調整することができる。その結果、径方向の各位置における磁気力に対応させた遠心力を試料に作用させることができ、試料に作用する径方向の磁気力をよりこまかくキャンセルさせることができる。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。
【００３８】
例えば、図２（ｂ）に、円板８ｂと環状板８ａとからなる試料台８を例示したが、円板１枚、環状板２枚などのように、３つ以上に分割されてなる試料台としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に係る均一磁気力発生装置を示す側面断面図である。
【図２】試料台の上面図である。
【図３】図１に示す均一磁気力発生装置のボア空間に磁場を発生させたときの試料に働く磁気力を示すグラフである。
【図４】図１に示す均一磁気力発生装置のボア空間に磁場を発生させるとともに、試料台を回転させたときの試料に働く力を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１：均一磁気力発生装置
２：主磁場コイル
３：反転磁場コイル
５：試料台
６：回転軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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