(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導マグネットによる高磁場発生部、超電導マグネットによる電力貯蔵部、超電導永久電流スイッチ部、該高磁場発生部と電力貯蔵部及び該電力貯蔵部と超電導永久電流スイッチ部とをそれぞれ電気的に接続する超電導リード線からなる電流リード部を有し、該高磁場発生部、電力貯蔵部及び超電導永久電流スイッチ部が閉ループ回路として構成され、該高磁場発生部が少なくとも１つの酸化物系超電導コイルを内層コイルとして内包する多層空芯ソレノイドコイルから構成されてなる高磁場発生用永久電流マグネット装置であって、該高磁場発生部が２２テスラ（Ｔ）以上の高磁場を発生でき、該酸化物超電導コイル部で生じる微小抵抗によって生じる永久電流モード運転時の閉ループ回路内の電流の減衰を相殺するために、該電力貯蔵部において該高磁場発生部より大きなインダクタンスを持たせ、該閉ループ回路内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率を１０−９以下にしたことを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【請求項２】
超電導マグネットによる高磁場発生部、超電導マグネットによる電力貯蔵部、超電導永久電流スイッチ部、該高磁場発生部と電力貯蔵部及び該電力貯蔵部と超電導永久電流スイッチ部とをそれぞれ電気的に接続する超電導リード線からなる電流リード部を有し、該高磁場発生部、電力貯蔵部及び超電導永久電流スイッチ部が閉ループ回路として構成され、該高磁場発生部が多層空芯ソレノイドコイルで構成されてなる高磁場発生用永久電流マグネット装置であって、該高磁場発生部が少なくとも１層の酸化物超電導マグネットを内層コイルとして用い、該高磁場発生部において２２テスラ（Ｔ）以上の高磁場を発生でき、かつ閉ループ回路内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率が１０−９以下であることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【請求項３】
超電導マグネットによる高磁場発生部、超電導マグネットによる電力貯蔵部、超電導永久電流スイッチ部、該高磁場発生部と電力貯蔵部及び該電力貯蔵部と超電導永久電流スイッチ部とをそれぞれ電気的に接続する超電導リード線からなる電流リード部を有し、該高磁場発生部、電力貯蔵部及び超電導永久電流スイッチ部が閉ループ回路として構成され、該高磁場発生部が少なくとも１つの酸化物系超電導コイルを内層コイルとして内包する多層空芯ソレノイドコイルから構成されてなる高磁場発生用永久電流マグネット装置であって、該電力貯蔵部のマグネットが完全トーラス型マグネットで構成され、該トーラス型マグネットは１０〜５００アンペア（Ａ）の電流で運転され、かつ、該トーラス型マグネットコイルのインダクタンスＬが最大となるように高磁場発生コイルの磁場中心を中心として円周状の位置に対称性を保って配置され、該高磁場発生部において２２テスラ（Ｔ）以上の高磁場を発生でき、かつ閉ループ回路内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率が１０−９以下であることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、該永久電流スイッチ部が、該電力貯蔵部内に設けられていることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【請求項５】
請求項１又は２において、該電力貯蔵部のマグネットが完全トーラス型マグネットで構成され、該トーラスマグネットは１０〜５００アンペア（Ａ）の電流で運転され、かつ、コイルのインダクタンスＬが最大となるように高磁場発生コイルの磁場中心を中心として円周状の位置に対称性を保って配置されていることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれかにおいて、該電力貯蔵部のマグネットが複数の同一仕様の形状及び電流のトロイダルコイル型マグネットで構成され、該トロイダルコイルは１０〜５００アンペア（Ａ）の電流で運転され、かつ、コイルのインダクタンスＬが最大となるように高磁場発生コイルの磁場中心を中心として円周状の位置に対称性を保って配置されていることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれかにおいて、該電力貯蔵部を構成する超伝導材料が金属系超伝導体で構成されていることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【請求項８】
請求項１〜３のいずれかにおいて、該電力貯蔵部はインダクタンスＬを大きくするために、鉄心を内包することを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【請求項９】
請求項１〜３のいずれかにおいて、該電力貯蔵部、該電流リード部、該高磁場発生部及び該永久電流スイッチ部は液体ヘリウムによって冷却され、前記の各部を冷却する該液体ヘリウムは相互に循環可能な循環系を有するシステム構成であって、該電力貯蔵部においてのみ蒸発ヘリウムを液化し再循環することにより、該システム全体への液体ヘリウムの注液を不要ならしめたことを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【請求項１０】
請求項１〜３のいずれかにおいて、該高磁場発生部の酸化物内層マグネット用超電導体がビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸素系超電導体Ｂｉ−２２１２又はビスマス・鉛・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸素系超電導体Ｂｉ−２２２３であって、該外層マグネットがニオブ三アルミニウム系Ｎｂ３Ａｌ、ニオブ三錫系Ｎｂ３Ｓｎもしくはニオブチタン系ＮｂＴｉもしくはこれらを組み合わせたコイル構成からなり、また、該電力貯蔵部は完全安定化ニオブチタンＮｂＴｉ系超電導体で構成され、また、該永久電流スイッチ部はキュプロニッケルシースからなるニオブチタンＮｂＴｉ超電導体から構成され、該電流リード部はニオブチタンＮｂＴｉ系超電導線もしくは該Ｂｉ−２２２３系超電導線、又は該Ｂｉ−２２１２系超電導線から構成されることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物超電導体を応用した高磁場発生装置に係わり、特に、磁場発生装置を永久電流モードで運転し、その高い時間的安定性を応用した機器、たとえば、理化学機器や核磁気共鳴分析装置、医療用磁場発生装置（ＭＲＩ装置）等に好適な新規な高磁場発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超電導マグネット装置の用途には磁場さえ発生できれば、磁場の均一度や磁場の時間的安定度などを考慮しなくても良いような用途と、その磁場の質、すなわち磁場均一度と時間的磁場安定度が問われる用途がある。後者のような、高均一かつ高安定な磁場は、通常、物性測定などの研究用途や医療用磁場発生装置（ＭＲＩ装置）等に用いられ、高品位の超電導マグネットには必須の技術として知られている。
【０００３】
従来、このような超電導マグネットは、ニオブ・チタンやニオブ・スズなどの金属系超電導体を用いて作製され、厳しい加工精度で製作された線材を、厳しい品質管理の下、ていねいにソレノイド巻きして作られることにより高い磁場均一度が得られる。また、永久電流スイッチに接続されて電気的閉ループを構成し、永久電流モードで運転されることにより、高い時間的安定度が提供される。
【０００４】
しかしながら、近年、このような磁場発生装置においては、核磁気共鳴装置等の高性能化等のニーズによって、年々、装置に要求される発生磁場が向上しており、発生磁場の磁束密度Ｂは２２〜２５テスラ（Ｔ）程発生可能な超電導マグネットシステムの開発が望まれている。
しかし、従来の金属系超電導体では、物性上の臨界磁場の関係から、磁束密度Ｂが２０テスラ（Ｔ）程度の磁場発生が限度であって、これを大きく越える均一磁場の発生には、酸化物超電導体との組み合わせが必須である。
【０００５】
従来、酸化物超電導体を用いた磁場発生装置としては、金属系超電導マグネットと組み合わせることによって、磁束密度Ｂが２２テスラ（Ｔ）以上の磁場発生が可能となることがジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アップライド・フィジックス、第３５巻、１９９６年、パート２、Ｌ６２３−６２６に開示されている。酸化物超電導材料は従来の金属系超電導体では到達不可能な高い磁場を発生する場合には適しているが、一方、時間的に高度な磁場安定性が要求されるような、即ち永久電流モードを必要とされるような磁場を発生できない問題があった。
【０００６】
その理由は、第一には超電導体のフィラメントが不均質であって、閉ループ内を線材全長に亘って電流が伝搬する際に様々な欠陥に衝突して微小な電圧を発生し、抵抗を生じるためである。また、第二の原因として、酸化物超電導体の物性に起因するフラックスクリープの問題などが考えられる。それにより、見かけ上極めて微小な電圧を発生する。この様な酸化物超電導体で発生する微小抵抗は極めて小さなｎ値の問題として知られている。一般に、超電導線に発生する電圧Ｖと電流Ｉの間にはｎ値と次の関係がある。
【０００７】
金属系超電導材料ではこのｎ値が３０以上であるのに対し、酸化物では１０前後である。酸化物超電導線のｎ値を高めるには酸化物コアの均質性を高めたり、
形状を揃えたり、更には酸化物の異方性を小さくするなどが必要である。
【０００８】
しかしながら、酸化物超電導相はセラミックスであって金属のような塑性加工が不可能であること、また、結晶に異方性が存在することが超電導の発現機構と関わりがあること等から、ｎ値の向上は容易ではなく、金属系のような高いｎ値を達成できる見通しは得られていない。
【０００９】
ｎ値が低い材料は、線材の臨界電流よりもはるかに低いところで、電圧を発生するから、電流を通電している間その電圧に相当するジュール損失を生じて永久電流が減衰してしまうという問題がある。先に述べたように、近年超電導マグネットの高磁場化は急速に進み、酸化物超電導材料を応用した高磁場マグネットの開発が望まれている。
【００１０】
しかしながら、上記の理由によって、磁束密度Ｂが２２テスラ（Ｔ）を越える永久電流マグネット、即ち時間的な安定度（１時間当たりの磁場の減衰率）が発生磁場に対して１０−９以下である永久電流マグネットは実用化されていない。
【００１１】
また、一般に、超電導電力貯蔵装置ＳＭＥＳなどでは、エネルギーの出し入れを容易にするために鉄心を入れたりすることはなく、むしろインダクタンスＬを小さくするために大電流化している（特開平５―２１２２９号公報）。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前記のｎ値の低い酸化物超電導体を応用し、閉ループ回路内のモード運転開始から２４時間経過後の１時間当たりの磁場の減衰率が全発生磁場に対して１０−９以下である高い時間的安定性を有し、かつ磁束密度Ｂが２２テスラ（Ｔ）以上の高い磁場を発生可能なマグネットシステムを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明では、酸化物超電導体と従来金属系マグネットを組み合わせることによって、高い時間的安定性と高磁場発生を両立させたマグネットシステムを提供するために、酸化物超電導体の持つ極めて小さな抵抗を実用上無視できるようなシステム上の工夫を施すことによって達成される。
【００１４】
その要旨は以下のとおりである。
（１）超電導マグネットによる高磁場発生部、超電導マグネットによる電力貯蔵部、超電導永久電流スイッチ部、該高磁場発生部と電力貯蔵部及び該電力貯蔵部と超電導永久電流スイッチ部とをそれぞれ電気的に接続する超電導リード線からなる電流リード部を有し、該高磁場発生部、電力貯蔵部及び超電導永久電流スイッチ部が閉ループ回路として構成され、該高磁場発生部が少なくとも１つの酸化物系超電導コイルを内層コイルとして内包する多層空芯ソレノイドコイルから構成されてなる高磁場発生用永久電流マグネット装置であって、該高磁場発生部が２２テスラ（Ｔ）以上の高磁場を発生でき、該酸化物超電導コイル部で生じる微小抵抗によって生じる永久電流モード運転時の閉ループ回路内の電流の減衰を相殺するために、該電力貯蔵部において該高磁場発生部より大きなインダクタンスを持たせ、該閉ループ回路内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率を１０−９以下にしたことを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００１５】
（２）超電導マグネットによる高磁場発生部、超電導マグネットによる電力貯蔵部、超電導永久電流スイッチ部、該高磁場発生部と電力貯蔵部及び該電力貯蔵部と超電導永久電流スイッチ部とをそれぞれ電気的に接続する超電導リード線からなる電流リード部を有し、該高磁場発生部、電力貯蔵部及び超電導永久電流スイッチ部が閉ループ回路として構成され、該高磁場発生部が多層空芯ソレノイドコイルで構成されてなる高磁場発生用永久電流マグネット装置であって、該高磁場発生部が少なくとも１層の酸化物超電導マグネットを内層コイルとして用い、該高磁場発生部において２２テスラ（Ｔ）以上の高磁場を発生でき、かつ閉ループ回路内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率が１０−９以下であることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００１６】
（３）超電導マグネットによる高磁場発生部、超電導マグネットによる電力貯蔵部、超電導永久電流スイッチ部、該高磁場発生部と電力貯蔵部及び該電力貯蔵部と超電導永久電流スイッチ部とをそれぞれ電気的に接続する超電導リード線からなる電流リード部を有し、該高磁場発生部、電力貯蔵部及び超電導永久電流スイッチ部が閉ループ回路として構成され、該高磁場発生部が少なくとも１つの酸化物系超電導コイルを内層コイルとして内包する多層空芯ソレノイドコイルから構成されてなる高磁場発生用永久電流マグネット装置であって、該電力貯蔵部のマグネットが完全トーラス型マグネットで構成され、該トーラス型マグネットは１０〜５００アンペア（Ａ）の電流で運転され、かつ、該トーラス型マグネットコイルのインダクタンスＬが最大となるように高磁場発生コイルの磁場中心を中心として円周状の位置に対称性を保って配置され、該高磁場発生部において２２テスラ（Ｔ）以上の高磁場を発生でき、かつ閉ループ回路内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率が１０−９以下であることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００１７】
（４）前述の高磁場発生用永久電流マグネット装置において、該永久電流スイッチ部が、電力貯蔵部内に設けられていることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００１８】
（５）前述の高磁場発生用永久電流マグネット装置において、該電力貯蔵部のマグネットが完全トーラス型マグネットで構成され、該トーラスマグネットは１０〜５００アンペア（Ａ）の電流で運転され、かつ、コイルのインダクタンスＬが最大となるように高磁場発生コイルの磁場中心を中心として円周状の位置に対称性を保って配置されていることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００１９】
（６）前述の高磁場発生用永久電流マグネット装置において、該電力貯蔵部のマグネットが複数の同一仕様の形状及び電流のトロイダルコイル型マグネットで構成され、該トロイダルコイルは１０〜５００（Ａ）の電流で運転され、かつ、コイルのインダクタンスＬが最大となるように高磁場発生コイルの磁場中心を中心として円周状の位置に対称性を保って配置されていることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００２０】
（７）前述の高磁場発生用永久電流マグネット装置において、該電力貯蔵部を構成する超伝導材料が金属系超伝導体で構成されていることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００２１】
（８）前述の高磁場発生用永久電流マグネット装置において、該電力貯蔵部はインダクタンスＬを大きくするために、鉄心を内包することを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００２２】
（９）前述の高磁場発生用永久電流マグネット装置において、該電力貯蔵部、該電流リード部、該高磁場発生部及び該永久電流スイッチ部は液体ヘリウムによって冷却され、前記の各部を冷却する該液体ヘリウムは相互に循環可能な循環系を有するシステム構成であって、該電力貯蔵部においてのみ蒸発ヘリウムを液化し再循環することにより、該システム全体への液体ヘリウムの注液を不要ならしめたことを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００２３】
（１０）前述の高磁場発生用永久電流マグネット装置において、該高磁場発生部の酸化物内層マグネット用超電導体がビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸素系超電導体Ｂｉ−２２１２、又はビスマス・鉛・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸素系超電導体Ｂｉ−２２２３であって、該外層マグネットがニオブ三アルミニウム系Ｎｂ３Ａｌ、ニオブ三錫系Ｎｂ３Ｓｎもしくはニオブチタン系ＮｂＴｉもしくはこれらを組み合わせたコイル構成からなり、また、該電力貯蔵部はニオブチタンＮｂＴｉ系超電導体で構成され、また、該永久電流スイッチ部はキュプロニッケルシースからなるニオブチタンＮｂＴｉ超電導体から構成され、該電流リード部はニオブチタンＮｂＴｉ系超電導線もしくはＢｉ−２２２３系超電導線、又はＢｉ−２２１２系超電導線から構成されることを特徴とする高磁場発生用永久電流マグネット装置。
【００２４】
ここで、該超電導体はＢｉ−２２１２系（Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２Ｏｘ）であることが望ましいが、他の酸化物系超電導体、たとえば、Bi-２２２３系（（Ｂｉ，Ｐｂ）２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘ）などの超電導体にも広く適用することが可能である。
【００２５】
また、本発明において使用出来る酸化物超電導体とは、例えば、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸素（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系としては、
Bi1.5-2.2-Sr1.5-2.2-Cu0.5-1.3-O5-7
Bi1.5-1.2-Sr1.5-2.2-Ca0.5-1.3-Cu1.5-2.3-O7-9
Bi1.5-2.2-Sr1.5-2.3-Ca1.5-2.3-Cu2.5-3.3-O9-11
等があり、
ビスマス・鉛・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸素（Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系超電導体としては、
(Biy-Pb1-y)1.5-2.2-Sr1.5-2.2-Cu0.5-1.3-O5-7
(Biy-Pb1-y)1.5-1.2-Sr1.5-2.2-Ca0.5-1.3-Cu1.5-2.3-O7-9
(Biy-Pb1-y)1.5-2.2-Sr1.5-2.3-Ca1.5-2.3-Cu2.5-3.3-O9-11
[上記式中、ｙ＝０．１〜０．９である。]
等が挙げられる。
【００２６】
【作用】
一般に、マグネットが発生できる磁場の強度は、コイルサイズとコイル一断面当たりの電流密度（空間電流密度）で一義的に決まる。一方、時間的な安定性は、永久電流ループ（閉ループ）におけるインダクタンスＬと回路内の全抵抗成分Ｒで決定される。たとえば、一般に市販されている最も高安定かつ高磁場の金属系超電導マグネットは、発生磁場の磁束密度Ｂが１８〜２０テスラ（Ｔ）、運転電流１００〜２００Ａ、コイル電流密度５０〜１００Ａ／ｍｍ２、インダクタンスＬ＝１０〜２０ヘンリ（Ｈ）、回路内全抵抗＜１０−１０Ω以下であり、閉ループ内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率が１０−９以下である。この磁場減衰率は、回路のインダクタンスＬと回路内の全抵抗で決定される。金属系超電導体の場合はｎ値が３０程度あるので、臨界電流値に対して、９０％程度でも抵抗値は１０−１０Ω以下となる。従って回路内の実質的な抵抗Ｒ＝０であるので、極めて時間的に安定な磁場が得られる。
【００２７】
一方、高磁場発生用のマグネットの一部に酸化物超電導体を用いた場合、同じ負荷率で運転するとｎ値が低い酸化物超電導体の発生する微小電圧（抵抗）によって永久電流が得られない。この問題を回避するには、臨界電流密度（Ｊｃ）に対する負荷率を小さくする方法と、インダクタンスＬを大きくする方法がある。しかし、負荷率を小さくすると、コイル電流密度が低下するため所望の発生磁場を得ることはできない。たとえば、磁束密度Ｂが２２テスラ（Ｔ）以上の高磁場を発生させる場合のように、超電導マグネットの性能を最大限に引き出す必要がある場合には、マグネットの運転電流を線材の臨界電流近くにまで高める必要がある。しかし、ｎ値が小さな酸化物超電導線材で臨界電流付近まで電流を大きくすると、回路内に微小な電圧が発生してしまう問題が発生する。
【００２８】
そこで、本発明では、臨界電流密度（Ｊｃ）に対して９０％以上の負荷率を維持したまま、回路のインダクタンスＬを大きくすることで、回路内で微小な電圧が発生しても実質的に永久電流モードで装置を運転可能ならしめることとした。一般に、回路のインダクタンスＬを大きくするには超電導線の線径を細くし、コイルの巻き数を増やせばよいが、事故時の発生電圧が大きくなること、線材プロセス製造上の制約、コイル巻き線精度上の制約などから線径は約１ｍｍ以上に限定される。
【００２９】
そこで、本発明では、回路インダクタンスＬを大きくするために、別途電力蓄積用の完全トーラスマグネット、又はトロイダルマグネットを閉ループ回路に付加することとした。これらのマグネットは、高磁場発生部と同じ運転電流で運転されるが、インダクタンスＬが酸化物部で発生する電圧を相殺するに十分な大きさを持っていれば、電力蓄積部で捕捉する磁場は低くても良い。
【００３０】
たとえば、トーラスマグネットの捕捉磁場の磁束密度Ｂを数テスラ程度、インダクタンスＬを１００〜１０００Hとすることで、１０−９Ω程度の回路抵抗が存在しても、閉ループ内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率を１０−１０程度とすることができ、実質的に永久電流モード運転が可能である。
【００３１】
完全トーラスマグネットは外部に磁界を漏洩しないため、高度な磁場精度が要求されるＭＲＩ装置や核磁気共鳴装置などに適用しても機器の運転の障害となるような漏洩磁場は問題にならない。
【００３２】
また、トーラスマグネットの巻き線中心に鉄心を挿入することによって、インダクタンスＬを更に１桁程度高くすることができる。一般に、超電導電力貯蔵装置などでは、エネルギーの出し入れを容易ならしめるために鉄心を入れたりすることはない。
【００３３】
これに対して、本発明では、磁場の時間的な安定性を確保するために、鉄心を用いることが望ましい。
【００３４】
【発明の実施の形態】
【００３５】
【実施例１】
図１に本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の一実施例の基本回路構成を模式的に示す。本実施例においては、超電導マグネットによる高磁場発生部１、超電導マグネットによる電力貯蔵部２、超電導永久電流スイッチ部３、及びこれらを閉ループとして電気的に接続する超電導リード線からなる電流リード部４から構成され、該高磁場発生部１が少なくとも１つの酸化物系超電導コイルを内層コイルとして内包する多層空芯ソレノイドコイルから構成される。該酸化物超電導コイル部で生じる微小抵抗によって生じる永久電流モード運転時の閉ループ回路内の電流の減衰を相殺するために、該電力貯蔵部２において該高磁場発生部より十分大きなインダクタンスＬを持たせ、実質的に閉ループ回路内の永久電流の減衰を無視できる程度に軽減している。
【００３６】
図２に高磁場発生部における多層空芯ソレノイドコイルの断面構成例を模式的に示す。コイルは液体ヘリウムで冷却された３層の円筒ソレノイドコイルで構成され、内側から、Ｂｉ−２２１２系酸化物超電導マグネット５、Ｎｂ３Ｓｎマグネット６、ＮｂＴｉマグネット７で構成されている。このマグネット装置では、外部電源で運転電流２５０Ａに設定した後、永久電流モードで運転し、マグネット中心で磁束密度Ｂが２５テスラ（Ｔ）の磁場を発生でき、１時間当たりの磁場減衰率は、運転開始後２４時間経過後に測定したところ１０−１０以下であった。
【００３７】
また、該電力貯蔵部２は図３に示すような完全なトーラス型のマグネットで構成される。このトーラス部は図４に示すようなトロイダル型のマグネット構成であってもよい。この完全なトーラス型のマグネットは外部に磁界が漏れることはなく、漏れ磁場は実用上問題のない水準であった。本発明では永久電流スイッチ部３はトーラス型のマグネット部に設けた。
【００３８】
これにより、従来、高磁場発生部近傍に永久電流スイッチが設けられていた場合と比較して、磁界の影響を受けることがなく、安価な金属系永久電流スイッチを用いることが可能になったほか、磁気シールドの設置も必要ないなどの利点がある。また、永久電流スイッチ部に印加される外部磁界を無視できるので、永久電流スイッチの動作が安定するなどの顕著な副次的効果が認められた。
【００３９】
図５は本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の一実施例を示す正面図及び断面図である。本装置では、高磁場発生部１、電力貯蔵部２、電流リード部４、永久電流スイッチ部３を全てクライオスタット中で液体ヘリウム８に浸漬冷却し、各液体ヘリウム漕１３は連結されている。蒸発した液体ヘリウムの補充はトーラス型のマグネットで構成される電力貯蔵部２で行うことにより、液体ヘリウムの注液による磁場発生部での磁場の擾乱を回避できる利点がある。高磁場発生部１と電力貯蔵部２間は超電導リード線からなる電流リード部４で接続されている。電流リード部４にはＮｂＴｉのほか酸化物超電導体を用いることも可能である。
【００４０】
このマグネット装置では、外部電源９で運転電流２５０Ａに設定した後、永久電流モードで運転し、高磁場発生部１の中心で２５テスラ（Ｔ）の磁場を発生でき、１時間当たりの磁場減衰率は、運転開始後２４時間経過後に測定したところ１０−１０以下であった。また、マグネット部は磁場均一度が得られるよう、ソレノイド巻きされており、磁場均一度は、磁場中心直径１０ｍｍ球で１０−９  であった。一方、比較のため、電力貯蔵部２のトーラス型のマグネットと接続することなく、高磁場発生部１のみで、閉ループ回路の減衰を測定したところ、２４時間経過後の磁場減衰率は１０−８ であった。
【００４１】
【実施例２】
図６に本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の冷却容器を含めた断面構成の第二の典型例を示す。本システムでは、高磁場発生部１，電力貯蔵部２，電流リード部４，永久電流スイッチ部３は全て１本の線で閉ループ回路を構成し、全てクライオスタット中で液体ヘリウム８に浸漬冷却し、液体ヘリウム槽１３は実施例１と同様に全て連結されている。蒸発した液体ヘリウムの補充はトーラスマグネット部で行うことにより、液体ヘリウム注液による磁場発生部での磁場の擾乱を回避した。高磁場発生部１と電力貯蔵部２間は超電導リード線からなる電流リード部４で接続されている。リード線にはＮｂＴｉのほか酸化物超電導体を用いることも可能である。このマグネット装置では、トーラスマグネット部２に鉄心１０を配置することにより、実施例１と比較して更に回路インダクタンスＬを一桁程度大きくしている。このマグネットシステムを外部電源９で運転電流２５０Ａに設定した後、永久電流モードで運転し、高磁場発生部１の中心で２５Ｔの磁場を発生でき、１時間当たりの磁場減衰率は、運転開始後２４時間経過後に測定したところ１０−１１以下であった。
【００４２】
一方、比較のため、トーラス型のマグネットと接続することなく、高磁場発生部１のみで、閉ループ回路の減衰を測定したところ、２４時間経過後の磁場減衰率は１０−８であった。
【００４３】
【実施例３】
図７に本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の冷却容器を含めた断面構成の第三の代表的な例を示す。本システムでは、高磁場発生部１，電力貯蔵部２，電流リード部４，永久電流スイッチ部３は全て１本の線で閉ループ回路を構成し、全てクライオスタット中で液体ヘリウム８に浸漬冷却し、液体ヘリウム槽１３は実施例１および２と同様に全て連結されている。蒸発した液体ヘリウムの補充はトーラスマグネット部で行うことにより、注液による磁場発生部での磁場の擾乱を回避した。マグネット間は超電導リード線で接続されている。リード線にはＮbＴｉのほか酸化物超電導体を用いることも可能である。このマグネットシステムでは、実施例２と同様にトーラス型のマグネットで構成される電力貯蔵部２に鉄心１０を配置することにより、実施例１と比較して更に回路インダクタンスＬを一桁程度大きくしているが、この電力貯蔵部２を居室床面１１よりも低くすることによって、高磁場発生部１を利用するユーザが、高磁場発生部１よりも大型となる電力貯蔵部２の設置を意識することなく利用可能になる。このマグネットシステムを外部電源９で運転電流２５０Ａに設定した後、永久電流モードで運転し、高磁場発生部１の中心で２５Ｔの磁場を発生でき、１時間当たりの磁場減衰率は、運転開始後２４時間経過後に測定したところ１０−１１以下であった。一方、比較のため、電力貯蔵部２と接続することなく、強磁場発生部１のみで、閉ループ回路の減衰を測定したところ、２４時間経過後の磁場減衰率は１０−８であった。
【００４４】
【実施例４】
図８に本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の冷却容器を含めた断面構成の第四の典型例を示す。本システムでは、高磁場発生部１，電力貯蔵部２，電流リード部４，永久電流スイッチ部３は全て１本の線で閉ループ回路を構成し、全てクライオスタット中で液体ヘリウム８に浸漬冷却し、液体ヘリウム槽１３は実施例１および２と同様に全て連結されている。このシステムでは蒸発した液体ヘリウムの補充は不要であり、電力貯蔵部２のトーラスマグネット部の液体ヘリウム槽１３に到達可能冷却温度が４ｏＫ（４Ｋ級）の小型冷凍機１２を設置し、ヘリウムを再度液化することにより、液化ヘリウム注液による磁場発生部１での磁場の擾乱を回避した。
【００４５】
一般に、小型冷凍機は磁場に弱く、高磁場マグネット装置への取り付けは困難と考えられているが、本例のように、電力貯蔵部２にトーラス型のマグネットを用いることで、漏れ磁場による問題点を回避できる。なお、全てのマグネット間は超電導リード線からなる電流リード部４で接続されている。リード線にはＮｂＴｉのほか酸化物超電導体を用いることも可能である。このマグネット装置では、実施例２と同様にトーラス型のマグネットで構成される電力貯蔵部２に鉄心１０を配置することにより、実施例１と比較して更に回路インダクタンスＬを一桁程度大きくしている。このマグネットシステムを外部電源９で運転電流２５０Ａに設定した後、永久電流モードで運転し、高磁場発生部１の中心で２５Ｔの磁場を発生でき、１時間当たりの磁場減衰率は、運転開始後２４時間経過後に測定したところ１０−１１以下であった。
【００４６】
一方、比較のため、電力貯蔵部２と接続することなく、高磁場発生部１のみで、閉ループ回路の減衰を測定したところ、２４時間経過後の磁場減衰率は１０−８であった。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によって、高磁場発生部において磁束密度Ｂが２２テスラ（Ｔ）以上という高強度の磁場を、閉ループ内のモード運転開始から２４時間経過後の永久電流の１時間当たりの磁場の減衰率を１０−９以下とすることがはじめて可能となり、酸化物超電導マグネット装置を応用した理化学実験装置、各磁気共鳴分析装置、医療用MRI装置などの各種分析装置の提供が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の基本構成を示す。
【図２】本発明に係る高磁場発生部のマグネット構成の一例を示す。
【図３】本発明に係る電力貯蔵部のトーラス型のマグネットを示す。
【図４】本発明に係る電力貯蔵部のトロイダル型のマグネットを示す。
【図５】本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の構成の一例を示す。
【図６】本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の構成の別の一例を示す。
【図７】本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の構成の別の一例を示す。
【図８】本発明に係る高磁場発生用永久電流マグネット装置の構成の別の一例を示す。
【符号の説明】
１…高磁場発生部、２…電力貯蔵部、３…超電導永久電流スイッチ部、４…電流リード部、５…酸化物超電導マグネット、６…ニオブ錫マグネット、７…ニオブチタンマグネット、８…液体ヘリウム、９…電源、１０…鉄心、１１…居室床面、１２…小型冷凍機、１３…液体ヘリウム槽。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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