(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作時に超伝導スイッチ（Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3）で短絡される少なくとも２つの電流路（Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3）を有する超伝導磁石装置であって、半径方向内側及び半径方向外側のコイル系を有する少なくとも１つのアクティブ・シールド超伝導磁石を備え、該アクティブ・シールド超伝導磁石の全磁気双極子モーメントが方向が反対である前記半径方向内側のコイル系及び前記半径方向外側のコイル系の各磁気双極子モーメントの１０％より小さく、前記超伝導磁石装置の周囲に発生するステップ状の磁場擾乱の影響による、前記超伝導磁石装置の作業容積内における磁場変化は、前記超伝導磁石装置の外側の前記磁場擾乱の大きさに対する割合βで表わされ、該割合βは前記ステップ状の磁場擾乱開始後の時間ｔの関数であると共に、当該時間ｔの増加に対応する漸近値が０．２より小さく、前記超伝導磁石装置において、
前記電流路（Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3）の区間（Ａ1，Ａ2，…，Ａn）がオーミック抵抗（Ｒ1，Ｒ2，…，Ｒn）によって橋絡され、該区間（Ａ1，Ａ2，…，Ａn）及び該オーミック抵抗（Ｒ1，Ｒ2，…，Ｒn）は、前記時間ｔ＝０の場合に前記割合βが、前記時間ｔの増加に対応する前記割合βの漸近値より小さくなるように、且つ前記割合βが前記時間ｔの増加に伴って、τ≧２ｓｅｃの時定数で前記漸近値に単調に近づくように選択されていること特徴とする超伝導磁石装置。
【請求項２】
前記超伝導磁石装置が高分解能磁気共鳴分光学装置の一部であることを特徴とする請求項１記載の超伝導磁石装置。
【請求項３】
前記オーミック抵抗（Ｒ1，Ｒ2，…，Ｒn）が、超伝導磁石装置の超伝導の破壊又は部分的な破壊によりクエンチが生じた場合、前記オーミック抵抗が超伝導磁石装置を熱的及び機械的損傷に対して保護する保護抵抗機能を発揮するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の超伝導磁石装置。
【請求項４】
前記区間（Ａ1，Ａ2，…，Ａn）、前記オーミック抵抗（Ｒ1，Ｒ2，…，Ｒn）及び動作時に超伝導になるオープン・スイッチ（Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3）の抵抗が、前記超伝導電流路（Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3）の充電段階で超伝導磁石装置に充電電圧を印加したとき、前記電流路（Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3）の隣接する区間（Ａi，Ａi+1）の間の電流差が最小になるように設計されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
【請求項５】
前記アクティブ・シールド磁石の前記半径方向内側コイル系が前記半径方向外側コイル系と直列に接続され、前記直列接続が動作時に超伝導的に短絡される第１の電流路（Ｐ1）を形成し、この２つのコイル系と電気的(galvanically)に接続されていない補償コイルが該２つのコイル系と同軸に配置され、動作時に超伝導的に短絡される別の電流路（Ｐ2，Ｐ3）を形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
【請求項６】
前記アクティブ・シールド磁石の前記半径方向内側コイル系が前記半径方向外側コイル系と直列に接続され、前記直列接続が動作時に超伝導的に短絡される第１の電流路（Ｐ1）を形成し、前記アクティブ・シールド磁石の前記半径方向内側及び／又は前記半径方向外側コイル系が別の超伝導スイッチ（Ｓ2，Ｓ3）によって短絡することができ、動作時に超伝導的に短絡される別の電流路（Ｐ2，Ｐ3）を形成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
【請求項７】
動作時に超伝導的に短絡される前記電流路（Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3）の少なくとも一部が超伝導的に互いに直列に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
【請求項８】
動作時に超伝導的に短絡される前記電流路（Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3）の少なくとも一部が抵抗的に互いに直列に接続され、前記電流路（Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3）の各々が少なくとも１つの超伝導スイッチ（Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3）を備えていることを特徴とする請求項１乃至４又は７のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
【請求項９】
動作時に超伝導的に短絡される前記電流路（Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3）の少なくとも一部が 電気的には接続されていないことを特徴とする請求項１乃至４、７又は８のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
【請求項１０】
超伝導磁石装置を充電した後の初期動作状態では電流が流れない少なくとも何点かに、電流リミッタ、好ましくは大きさが数アンペアのオーダーのもの、及び／又は小さなオーミック抵抗、好ましくは大きさがμΩ乃至ｍΩのオーダーのものを、そうでなければ超伝導となる電流路に挿入することを特徴とする請求項５乃至９のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
【請求項１１】
少なくとも１つの超伝導スイッチ（Ｓ1）が、少なくとも１つの別の電流路（Ｐ2，Ｐ3）の超伝導スイッチ（Ｓ2，Ｓ3）のヒータと電気的に直列に接続されているヒータを備えていることを特徴とする請求項５乃至１０のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
【請求項１２】
少なくとも１つの超伝導スイッチ（Ｓ1）のヒータが、別のスイッチ（Ｓ2，Ｓ3）のヒータとの直列接続によっても、また別々にも加熱できることを特徴とする請求項１１記載の超伝導磁石装置。
【請求項１３】
動作時に超伝導的に短絡される前記電流路（Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3）が互いにほぼ誘導的に分離（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ）されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
【請求項１４】
前記誘導的な分離のために、前記アクティブ・シールド磁石の前記半径方向内側及び前記半径方向外側コイル系の異なる極性が利用されることを特徴とする請求項１３記載の超伝導磁石装置。
【請求項１５】
閉じた超伝導ループをもつ１つ以上の前記電流路（Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3）が、種々の巻き線半径及び／又は種々の電流密度のコイルを備え、前記コイルがアクティブ・シールド磁石に対して同軸であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置の設計と最適化のための方法であって、前記作業容積内に発生する磁場の強度の時間的進展を、階段関数の形の外部磁場擾乱の後に計算し、前記オーミック抵抗（Ｒ1，…，Ｒn）によって橋絡される前記区間（Ａ1，…，Ａn）の配置、前記オーミック抵抗（Ｒ1，…，Ｒn）及び動作時に超伝導的に短絡される前記電流路（Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3）の幾何的配置を変えることによって最適化することを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記作業容積内での磁場強度の、磁場方向の座標に関する二次微分の時間的進展をも、階段関数の形の外部磁場擾乱の後にその時間的な変化の最小化を目標にして最適化するのに用いることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、動作時に超伝導スイッチによって短絡され異なる電流を流すことができる少なくとも２つの電流路を有する超伝導磁石装置に関し、詳しくは、ほぼ同じ大きさの電流が流れ双極子モーメントが大きさがほぼ同じで方向が反対である、半径方向内側および半径方向外側のコイル系を有する少なくとも１つのアクティブ・シールド超伝導磁石を備えた磁石装置であって、作業容積内での外部磁場擾乱が、該磁石装置の中央における長期挙動で、外部磁場擾乱の２０％未満の残留値にまで抑えられる超伝導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のアクティブ・シールド超伝導磁石装置は、例えば、米国特許第5,329,266 号又は米国特許第4,926,289号に記載されている。
【０００３】
超伝導磁石の適用分野は多様であるが、特に、磁気共鳴法への適用があり、そこでは一般に磁場の時間的な安定性が重要である。最も要求の厳しい適用分野の１つは高分解能磁気共鳴分光学（ＮＭＲスペクトロスコピー）である。磁場の時間変動は、周囲からの擾乱の他に、超伝導磁石自身から生ずるものもある。現代の磁石及び導体技術により時間的に非常に安定な磁場を発生させることが可能であるが、それでも未だ外部磁場擾乱を抑制する分野でさらに進歩・発展が必要である。以下に、このような擾乱に対処する方法を示す。主な焦点は、浮遊磁場をアクティブ・シールドする超伝導ソレノイド磁石における擾乱を補償することにある。
【０００４】
米国特許第4,974,113 号は、補償タイプの超伝導ソレノイド磁石を記述しているが、磁石システムのアクティブ・シールドについては何も言及していない。そのアイディアは、少なくとも２つの独立した電流路を同軸に配置された２つの超伝導ソレノイド・コイルによって実現し、且つ、閉じた超伝導ループを有する各電流路を通る全磁束の不変性を考慮して、発生する外部磁場擾乱が装置内で少なくとも８０％にまで抑えられるように計算することである。
【０００５】
米国特許第5,329,266 号は、このアイディアのアクティブ・シールドされる磁石システムへの適用を記述している。それは、超伝導的に直列に接続された複数のシールド構造の補償コイルを備え、その各々が主コイルに比べて小さい、最大で１アンペア程度の最大電流の電流リミッタを有し、超伝導が破壊した場合（＝クエンチ）に磁石装置が外側に生ずる浮遊磁場ができるだけ小さく抑えらたままであるようになっている。
【０００６】
米国特許第4,926,289 号は別のアプローチを示しており、超伝導的に接続された半径方向内側及び半径方向外側のコイル系を有するアクティブ・シールド超伝導磁石システムであって、差電流を無理のない範囲に抑えるために、内側及び外側コイル系の間に電流リミッタによる超伝導短絡が設けられているものを記述している。外部擾乱の補償は、超伝導電流リミッタが２つのコイル系の間の半径方向内側および半径方向外側超伝導電流路の間で電流をシフトすることができることによって可能にされている。クエンチが起きた場合、この差電流リミッタの電流通電容量が小さいため、磁石装置が発生する外部浮遊磁場が確実に小さく抑えられたままにできる。
【０００７】
このように、アクティブ・シールド磁石システムによる外部磁場擾乱の補償の問題は、上述した従来技術によって、磁場コイルのほかに１つ又はいくつかの補償コイルを設けることによって、あるいは、コイル系を超伝導的に短絡される区間に分割することによって、それぞれの磁石システムの作業容積内の均一な外部磁場擾乱が、長期挙動では２０％未満に減少するような仕方で解決されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記各従来技術では、いずれも外部擾乱が発生する場合のこのような磁石システムの長期挙動での外部磁場擾乱の抑制に向けられており、外部擾乱が発生する場合のこのような磁石システムの短期挙動については何らの考慮もなされていなかった。多くの場合、磁場擾乱は散発的にしか起こらず、短時間の後に消滅してしまう。しかし、このような擾乱では、擾乱補償の長期挙動は余り重要でなく、短期挙動が重要になる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、外部擾乱が発生する場合のこのような磁石システムの短期挙動をも改善することであり、技術的な経費、とくに設備に関する費用を最小とした、動的な擾乱挙動を最適化する超伝導磁石装置及び該超伝導磁石装置の設計と最適化のための方法を提供することである。
【００１０】
本発明によれば、この目的は、超伝導スイッチによって短絡される電流路の区間をオーミック抵抗で橋絡し、前記区間及びオーミック抵抗を、超伝導磁石装置の周囲に発生するステップ状の磁場擾乱の開始後の時間ｔがｔ＝０の場合に、超伝導磁石装置の外側の前記磁場擾乱の大きさに対する割合βが、時間ｔの増加に対応する割合βの漸近値より小さくなるように、且つ割合βが時間ｔの増加に伴ってτ≧２ｓｅｃの時定数で前記漸近値に単調に近づくように選択することにより達成される。
【００１１】
電流路を多くの区間に細かく分割することによって、擾乱の補償の短期挙動は公知の磁石システムに比べてかなり改善される。さらに、超伝導電流路を区間に分けてそれらの間を抵抗によって橋絡することは、従来知られているたいていの磁石では、クエンチが起こった場合の熱損傷に対する保護として既に不可欠の一部分になっている。しかし、実際の磁石の擾乱に対する挙動を最適化するためには、前記抵抗の影響を考慮に入れることは絶対に必要である。長い時間の後に擾乱を完全に補償しても、擾乱が起こった直後に擾乱の補償が大きく行き過ぎたり不足したりする磁石では意味がないのである。
【００１２】
上述したように、多くの場合、磁場擾乱は散発的にしか起こらず、短時間の後に消滅してしまう。しかし、このような擾乱では、擾乱補償の長期挙動は余り重要でなく、短期挙動が重要である。本発明の擾乱補償は、短期挙動を最適化するものであるから、正にこのような場合に従来技術に比べてかなりの利点がある。
【００１３】
本発明の擾乱補償は、ＮＭＲロックと併せて用いると特に有利になる。ＮＭＲロックは、極めて正確な磁場安定化方法であるが、残念ながら、非常にのろく、したがって速い磁場擾乱に対応することができない。この点で、本発明の擾乱補償は正にそれを補償する能力によって効力を発揮し、斯くしてＮＭＲロックに対する理想的な補完を成すものである。
【００１４】
従来の技術でも一部そうであったように、区間が超伝導的な仕方で短絡されずオーミック抵抗で短絡されるということには、技術的に実現し易いという利点がある。例えば、抵抗ではなく２０個の追加の超伝導スイッチを備える磁石の場合、例えば充電時に、全てのスイッチが開いているとき、あまりに多くの熱がヒータに発生する。クエンチ挙動も問題であり、例えばシールドだけがクエンチした場合、浮遊磁場の過剰な増加及び磁石の磁場ドリフトが増加する可能性がある。さらに、超伝導スイッチに代えて抵抗を用いることによってコストの大きな節約も期待できる。
【００１５】
本発明の上記の各利点は特に高感度のシステムで有益である。このような理由から、好ましい実施の形態では、本発明の磁石装置は、高分解能磁気共鳴分光学装置の一部、例えばＮＭＲ、ＩＣＲ又はＭＲＩの分野の装置の一部を成す。
【００１８】
本発明の磁石装置の好ましい実施の形態では、クエンチが起こり磁石装置の超伝導も一部壊れている可能性がある場合、オーミック抵抗が磁石装置を熱的及び機械的な損傷から守る保護抵抗器の機能を発揮するように配置される。この実施の形態の利点は、抵抗で橋絡される区間へのコイル分割が、一方においてはクエンチの場合に装置を保護するように働くと共に、他方においては同時にまた、外部擾乱への短時間応答を最適化するように働くという形で二重に利用されるということにある。
【００１９】
本発明の別の実施の形態は、区間、オーミック抵抗及び動作時には超伝導になるオープン・スイッチの抵抗が、超伝導電流路の充電段階で磁石装置に充電電圧をかけるとき、電流路の隣接区間の間の電流差が最小になるように設計されているという点で好ましい。
【００２０】
磁石装置の一部を充電する際、電流は並列な抵抗及びオープン・スイッチにも流れる。ここで、”オープン”とは、超伝導的ではなく、抵抗を有することを意味する。さらに、抵抗の列からコイルへ、及びその逆に横方向電流も流れることがある。上記実施の形態の装置の利点は、横方向電流が最小に抑えられることにあり、それにより、抵抗線が超伝導体にはんだ付けされている箇所で、充電時のクエンチの危険性が小さくなる。抵抗列の電流、従ってまた横方向の電流も充電電圧に比例するので、前記実施の形態による条件下では、充電を高い電圧で、すなわち、より速やかに行うことができる。
【００２１】
ある種の磁石装置では、時間的に極めて一定な磁場を発生させることだけでなく、空間的にも極めて一定な磁場を発生させることが必要である。外部擾乱がある場合、局所均一性の問題は、擾乱磁場自身の不均一性よりもむしろ、恐らく磁石装置の補償磁場の不均一性から生じている可能性がある。このため、本発明の１つの実施の形態は、区間及び／又はオーミック抵抗並びに超伝導電流路は、外部磁場擾乱が発生した場合、作業容積内に磁石装置が発生した磁場の均一性が本質的に保たれるように設計されている。この装置の利点は、外部擾乱によって超伝導電流路に誘起される電流変化が全体で補償磁場を形成し、それが磁石の基本的な均一性を減少しないということにある。
【００２２】
以下に、本発明による磁石装置の配線の実現のためのいくつかの具体的なバリエーションについて記述する。
【００２３】
ある有利な実施の形態は、アクティブ・シールド磁石の半径方向内側のコイル系が半径方向外側のコイル系と直列に接続され、前記直列接続が動作時に超伝導的に短絡される第１の電流路を形成し、この２つのコイル系とは電気的に(galvanically)は接続されない、又はせいぜい１回接続され多重接続されることのない補償コイルが２つのコイル系に対し同軸に配置され、動作時に超伝導的に短絡される別の電流路を形成することを特徴とする。この実施の形態は、閉じた超伝導ループを持つ電流路が２つしかなく、そのうち１つだけが上記のような区間と抵抗を備えている、すなわち、主磁場磁石の超伝導電流路の他にただ１つの超伝導電流路が設けられているという、単純で実際的な解決手段を有する。
【００２４】
追加のコイルを必要としないもう１つの単純な解決手段は、アクティブ・シールド磁石の半径方向内側コイル系を半径方向外側コイル系に直列に接続し、前記直列接続が動作時に超伝導的に短絡される第１の電流路を形成し、アクティブ・シールド磁石の内側及び／又は外側コイル系の一部分を別の超伝導スイッチで短絡して、それによって動作時に超伝導的に短絡される別の電流路を形成するようにするものである。
【００２５】
これと対照的に、もう１つの有利な実施の形態は、動作時に超伝導的に短絡される電流路の少なくとも一部が超伝導的な仕方で直列に接続される構成であって、磁石装置の擾乱挙動の最適化に対してさらに柔軟性を高めるものである。
【００２６】
異なる超伝導電流路が、例えば異なる磁石区間に巻き付けられている場合、それらを抵抗的にのみ結合することがより容易である。この抵抗的な結合によって共通の充電が可能になる。このような理由から、動作時に超伝導的に短絡される電流路の少なくとも２つの部分が互いに抵抗的に接続され、電流路の各々が少なくとも１つの超伝導スイッチを備えている実施の形態は有利である。
【００２７】
動作時に超伝導的に短絡される電流路の少なくとも一部が電気的に接続されていない別の実施の形態は、解決方法が異なるが、やはり磁石装置の擾乱挙動の最適化に対して柔軟性を更に高めるものである。このようにして、例えば超伝導シム・システムも含まれる。
【００２８】
上記各実施の形態のある好ましい発展例では、超伝導磁石装置を充電した後の初期動作状態では電流が流れない少なくとも何点かに、電流リミッタ、好ましくは最大電流が数アンペアの電流リミッタ、及び／又は小さなオーミック抵抗、好ましくはμΩ乃至mΩのオーダーのオーミック抵抗がそうでなければ超伝導となる電流路に挿入される。このようにして、長期的な影響は効果的に抑制され、クエンチの際の浮遊磁場の増加などの問題も解消されるか、少なくともかなり減少させることができる。
【００２９】
磁石装置の一部を充電する際、超伝導的に短絡されるいくつかの電流路に電流を供給しなければならないこと、すなわちそれらのスイッチを同時に加熱しなければならないことが起こりうる。他の超伝導的に短絡される電流路、例えば補償コイル、シムなどにおいては、誘導される電流をスイッチによって恒常的に小さくしなければならない。このため、これらの電流路のスイッチも加熱しなければならない。そのような理由から、本発明の別の好ましい展開例は、少なくとも１つの超伝導スイッチが、少なくとも１つの別の電流路の超伝導スイッチのヒータと電気的に直列に接続された加熱素子を備えている。 この構成の利点は、スイッチ・ヒータを直列に接続することによって、電流ロッドのヒータ電流リードの数を減らすことができ、磁石装置の操作がより容易かつ安全になることである。
【００３０】
別の好ましい実施の形態では、少なくとも１つの超伝導スイッチのヒータを別のスイッチ・ヒータとの直列接続によっても、また個別にも、加熱することができる。このようにすると、ヒータの直列結合の有利な点、例えば操作の単純さを利用することができ、しかもなお個別に加熱できるヒータにより超伝導電流路を個別に充電することも可能である。
【００３１】
本発明の磁石装置の特に好ましい実施の形態は、動作時に超伝導的に短絡される電流路が少なくとも大きく誘導的に互いに分離されていることを特徴とする。従って、充電の際、オープン・スイッチを通して大量の熱を発生する電流が相互誘導されることがない。さらに、例えばコイルの定常充電につながる可能性のある、ドリフトする超伝導電流路の相互の影響もなくなる。超伝導電流路、例えば磁石の電流路がクエンチした場合、別の電流路、例えば補償コイルの電流路が徐々に高くなる浮遊磁場を発生する。磁石から分離された補償コイルは、十分な均一性の磁場を発生するものであれば、ＨＯ−シムとしても使用できる。
【００３２】
この実施の形態の別の好ましい発展例では、誘導的な分離のために、アクティブ・シールド磁石の半径方向内側及び半径方向外側コイル系に異なる極性を用いる。浮遊磁場シールド及び主コイルで異なる極性を用いることによって、上述した実施の形態による磁石装置の設計が容易になる。
【００３３】
例えば補償コイルがいろいろな半径に分布していたり、あるいは切り欠き構造を備えていたりすると、磁石との分離、擾乱の際の磁場の均一性の維持、及び最適な擾乱補償などの要求を満たすための柔軟性がさらに高められる。このような理由により、閉じた超伝導ループを有する１つ又はいくつかの電流路が、異なる巻き線半径、及び／又は異なる電流密度のコイルを備え、それらのコイルがアクティブ・シールド磁石と同軸である本発明のある実施の形態は有利である。
【００３４】
本発明の思想はまた、例えば上記米国特許第4,974,113 号のような単純な手段による擾乱補償で２０％を超える精度をさらに上回る高い精度を可能にする。この点で、本発明のある実施の形態は、前記区間及びオーミック抵抗が、作業容積内の外部磁場擾乱の全期間にわたる補償が、残留値で１０％未満、好ましくは５％未満、特に好ましくは２％未満の精度で実現されるように選択されるので、特に有利である。
【００３５】
さらに、本発明の手段はまた、磁石装置の作業容積内での磁場擾乱の均一部分の他に、磁場の不均一擾乱をも抑制する、又は少なくとも格段に減少させることに役立つ。
【００３６】
上述した発明のタイプの磁石装置を設計し最適化する方法も、本発明の範囲に含まれるものであり、該方法は、ステップ状の外部磁場擾乱の後で作業容積内に発生する磁場強度の時間的な進展を計算し、且つ該進展を、オーミック抵抗で橋絡される区間の配置、オーミック抵抗及び動作時に超伝導的に短絡される電流路の幾何学的配置を変化させて最適化することを特徴とする。
【００３７】
外部擾乱の影響の下での磁石装置の挙動を決定する従来の方法とは異なり、本発明の方法では、長期挙動を最適化するだけでなく、全期間にわたる磁石装置の挙動を最適化することができる。このことは、磁石装置が閉じた超伝導ループをもつ電流路だけが存在して無限の時定数を含む場合だけでなく、抵抗的に橋絡されている、閉じた超伝導ループの電流路の区間があって有限な時定数を含んでいる場合にも重要である。特に、磁石装置の擾乱の補償は、擾乱のすぐ後で瞬時的に最適化できる。
【００３８】
本発明の方法のさらに別の有利な発展例では、作業容積内の磁場方向の座標に関する磁場強度の二次微分の時間的進展も使用して、突然の外部磁場擾乱の後のその時間的な変化を最小にするものである。これは上述の方法を、Ｂ（ｔ）でなく、ｄ2Ｂ／ｄｚ2｜z=0（ｔ）に適用したと同様な利益をもたらす。
【００３９】
本発明のその他の利点は、以下の記述と図面から明らかになる。上述た特徴及び以下で述べる特徴は、本発明に従って、個々に、又はいかなる任意の組み合わせによっても適用できる。図示され記載される実施の形態は、全てを列挙したものではなく本発明を説明するための例示的な性質のものであると考えるべきである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００４１】
超伝導磁石装置は、全体として、コイル系で構成される。これらのコイル系は、抵抗により保護される区間に分割されている。その様子を図４に模式図で示す。保護抵抗Ｒi （ｉ＝１，…，ｎ）は、コイルに合わせて、充電の際の区間の間の電流差ができるだけ小さくなるようになっている。これは次の条件によって達成される、すなわち：
Ｒiは、下記数１に比例する。
【００４２】
【数１】
0003637268.tif 000002
【００４３】
ここで、Ｌij  は、インダクタンス行列の成分である。
メッシュ法則によって、抵抗を流れる電流を他のものから計算できる：
【００４４】
【数２】
0003637268.tif 000003
【００４５】
但しｉ＝１，…，ｎ
動作時には、回路全体にわたる電圧は０に等しい：
【００４６】
【数３】
0003637268.tif 000004
【００４７】
下記の略式を導入すると：
【００４８】
【数４】
0003637268.tif 000005
【００４９】
数式（２）から、次式を得る：
【００５０】
【数５】
0003637268.tif 000006
【００５１】
数式（１）及び（３）により、未知の電流は、Ｉ1，…，Ｉn  のみである。
【００５２】
外部擾乱は各コイルＬiに電圧Ｕiを誘起する。その計算はあとで行う。相互誘導率を考慮に入れると、ｊ番目の回路について次の電圧バランスが得られる：
【００５３】
【数６】
0003637268.tif 000007
【００５４】
ここで、数式（１）及び（３）を代入して次の結果を得る：
【００５５】
【数７】
0003637268.tif 000008
【００５６】
但しｊ＝１，…，ｎ
この微分方程式は、行列式で次のように書き直すことができる：
【００５７】
【数８】
0003637268.tif 000009
【００５８】
ここで、Ｌはインダクタンス行列であり、電流ベクトルＩは、
【００５９】
【数９】
0003637268.tif 000010
【００６０】
電圧ベクトルＵは、
【００６１】
【数１０】
0003637268.tif 000011
【００６２】
そして、抵抗行列は、
【００６３】
【数１１】
0003637268.tif 000012
【００６４】
である。
【００６５】
以上の考察は、保護抵抗がある場合又はない場合を含めより複雑なコイル配置に対しても一般化できる。特に、電気的に結合されていないコイルや、超伝導短絡も含めることができる。一般に、まず最初に、独立な回路に流れる電流の数をメッシュ法則によって（数式（１）参照）減らすことができる。その後、各ループで電圧バランスを確立することができる（数式（２）及び（４）参照）。最後には、数式（５）のタイプの方程式が常に得られる、ここで、Ｌはインダクタンス行列、Ｒは抵抗行列、Ｉは電流ベクトル、そしてＵは電圧ベクトルである。この状況を例示するために、以下にこれらの大きさを図５の仮想回路について与える：
【００６６】
【数１２】
0003637268.tif 000013
【００６７】
以下に、電流の時間的な進展を、Ｕ＝０、及び初期電流条件Ｉ（ｔ＝０）＝△Ｉ0 として計算する。ここで、方程式（５）が、この場合には正確に解けることを示す。そのために、次の新しい行列を定義する：
【００６８】
【数１３】
0003637268.tif 000014
【００６９】
従って、
【００７０】
【数１４】
0003637268.tif 000015
【００７１】
を解かなければならない。
【００７２】
行列Ｃを対角化しなければならない。標準方法により、下記式が対角行列（すべてのτi は≧０）となるような変換Ｏ（通常、直交変換ではない）を見つけることが可能である。
【００７３】
【数１５】
0003637268.tif 000016
【００７４】
固有基底で
【００７５】
【数１６】
0003637268.tif 000017
【００７６】
を用いると、数式（６）は下記のように書くことができる：
【００７７】
【数１７】
0003637268.tif 000018
【００７８】
これにより、ｎ個の下記の分離された微分方程式が与えられる：
【００７９】
【数１８】
0003637268.tif 000019
【００８０】
初期条件Ｉ’（ｔ＝０）＝Ｏ-1△Ｉ0  を用いて、解は次のようになる：
【００８１】
【数１９】
0003637268.tif 000020
【００８２】
物理的な電流は、逆変換によって次のように得られる：
【００８３】
【数２０】
0003637268.tif 000021
【００８４】
いくつかの時定数τiは無限大になり、その数は独立した超伝導電流路の数に等しいことに留意すべきである。
【００８５】
ここで，微分方程式（５）の解（数式（７））を、コイル区間の外部磁場擾乱によって初期電流分布Ｉ（ｔ＝０）＝ △Ｉ0 が誘起された場合に適用しなければならない。問題を簡単にするため、時刻ｔ＝０におけるステップ状の擾乱の場合のみを考える（すなわち、擾乱は時刻ｔ＝０に現れ、それ以後変化しないままに留まる）。どんな擾乱もこのような基本的な擾乱の重ね合わせであるから、本発明のコイル装置の擾乱挙動をこのような擾乱に対して最適化すれば十分である。さらに、擾乱の前には本発明の磁石システムはバランスしている、すなわち、抵抗を通って流れる電流はないと仮定する。超伝導部分にどんな電流が流れるかは、擾乱挙動に無関係である。従って、それらをゼロとおく。
【００８６】
誘導の法則によると、擾乱によって誘導される電圧Ｕiは次式で与えられる：
【００８７】
【数２１】
0003637268.tif 000022
【００８８】
ここで、Φi は、コイルi を通る擾乱磁束である：
【００８９】
【数２２】
0003637268.tif 000023
【００９０】
ここで、Ｂz（r,z,ψ）は、磁石容積内の擾乱磁場のｚ成分である。
【００９１】
問題を簡単にするために、インデックスi を省き、ベクトル記法で書くと、
【００９２】
【数２３】
0003637268.tif 000024
【００９３】
前のパラグラフで述べたように、これを階段状の擾乱に限定する、すなわち：
【００９４】
【数２４】
0003637268.tif 000025
【００９５】
ここで、θ(t) は階段関数を表す。すると、
【００９６】
【数２５】
0003637268.tif 000026
【００９７】
が得られ、成分は下記数式数２６となる。
【００９８】
【数２６】
0003637268.tif 000027
【００９９】
微分方程式（５）によると、電流はｔ＝０で不連続になり、次の量
【０１００】
【数２７】
0003637268.tif 000028
【０１０１】
のみ変化する。数式（８）から、保護抵抗の値は、短期挙動には無関係であることが推測される。しかしながら、コイルを適当な区間に分割することは磁場擾乱に対する瞬時的応答には非常に重要である。
【０１０２】
磁石の感度の尺度として、ベータ因子βを、磁石中心に生ずるＢｚ磁場の変化（＝擾乱のＢｚ成分と磁石が発生する補償磁場のＢｚ成分の重ね合わせ）の擾乱のＢｚ成分に対する比であると定義する。ベータ因子は、磁石が磁石の中心における外部擾乱を補償できる磁石の能力を表している。例えば、β＝０であれば、磁石中心で擾乱は全く見えなくなるということである。β＞０は、誘導電流が擾乱を不十分にしか補償しないということを意味する。これに対し、β＜０は、誘導電流が大きすぎて磁石中心で擾乱が過剰に補償されるということを意味する。
【０１０３】
△Ｂzが磁石中心における擾乱磁場のｚ成分（磁石の補償電流がない場合）を表し、ｂが各区間の磁場のベクトル（電流１アンペア当たりの磁石中心における磁場）を表すとすると、ベータ因子は次のようになる：
【０１０４】
【数２８】
0003637268.tif 000029
【０１０５】
ここで、△Ｉ（ｔ）は、数式（８）による初期値△Ｉ0による微分方程式（５）の解（数式（７））である。
【０１０６】
分子は２つのベクトルのスカラー積に相当する。これは、いわゆる動的ベータ因子である。
【０１０７】
次に、各閉回路の「実効面積」を、
【０１０８】
【数２９】
0003637268.tif 000030
【０１０９】
と定義する。
【０１１０】
均一な擾乱の場合、これは単に導体が囲む面積である。
【０１１１】
階段状擾乱の場合、磁石は瞬時ベータ因子で直ちに応答する。すなわち
【０１１２】
【数３０】
0003637268.tif 000031
【０１１３】
β0 の値は、それぞれのコイル分割に依存する。一般に、多くの区間に分割することで擾乱の補償はほぼ完全になる（β0≒０）ことが認められ得る。このことは、シールド・コイルが１つ又はいくつかの個別の区間を含む場合に浮遊磁場をアクティブに抑制する磁石についても当てはまる。２つ以上の区間を持つ磁石の瞬時擾乱補償がうまくいっている場合、それは製造許容誤差や擾乱の不均一性にはほとんど左右されない。
【０１１４】
擾乱が発生する前に磁石がバランスしており（すなわち、保護抵抗を通って流れる電流がない）、擾乱が時間的に一定にとどまるとすると、十分な時間経過後に磁石は安定になる（それ以上保護抵抗に電流は流れない）。磁石中心になお存在している擾乱部分は、漸近ベータ因子β∞と呼ばれる。後者は、例えば超伝導電流路を許すことにより最適化することができる。
【０１１５】
動的ベータ因子は、瞬時ベータ因子と漸近ベータ因子と間の遷移を表している。β0とβ∞との間の遷移が単調であることが重要である。このことは自動的には保証されない。
【０１１６】
抵抗的又は超伝導的に結合されたｎ個の区間Ａ1，…，Ａn から成る磁石装置の挙動は、簡潔に次のように記述できる：外部磁場の階段関数が擾乱と見なされる。この擾乱に対するシステムの応答は次の３つの段階に分けられる：
１．擾乱の直後の瞬間：システムは、ｎ個の、Ｒi＝０で電気的に独立した超伝導回路のように振る舞い、それらは相互誘導的結合によってのみ互いに影響を及ぼす。この時点でのシステムのベータ因子は瞬時ベータ因子β0 と呼ばれる。
【０１１７】
２．散逸段階：擾乱の直後、いろいろな区間に異なる電流Ｉi が流れる。一般に、電流はまた、橋絡抵抗にも流れ、そこで前記区間に特有な時定数τi で散逸される。擾乱の後抵抗中で電流が緩和する時定数は、インダクタンスの抵抗に対する比におおまかに対応する。それらはせいぜい数十秒である。行列Ｌ-1・Ｒを対角化する基底で、時定数は対角化された行列の固有値の逆数である。この段階でのシステムのベータ因子は動的ベータ因子β（ｔ）と呼ばれる。
【０１１８】
３．長期挙動：十分に長い時間の後、抵抗を通る電流は減衰し、再び定常電流が全ての区間で流れる。この期間でのシステムのベータ因子は長期ベータ因子β∞と呼ばれる。
【０１１９】
磁石の擾乱挙動は、ベータ因子β0，β（ｔ）、β∞、並びに時定数τiによって完全に記述される。これらのパラメータは全て設計で最適化される。β∞は、すべての擾乱についてゼロにすることはできないので、時定数をできるのみ大きくすることが重要である。たいていの用途で、外部擾乱に関する良好な挙動のためには、β0と時定数が重要なパラメータになる。
【０１２０】
作業容積内の磁場の均一性を良好に保とうとすると、重要になるのは擾乱の均一性よりもむしろ磁石の補償磁場の均一性である。以下に軸方向に対称なコイル配置の場合のみを考察するので、作業容積（作業容積は対称軸上にあると仮定する）内の補償磁場は、対称軸であるｚ軸方向にのみ磁場勾配を有する。均一性の一つの尺度は次の微分（勾配）である：
【０１２１】
【数３１】
0003637268.tif 000032
【０１２２】
磁石装置は、上述のように、ｎ個の区間に分割され、それらが擾乱に対して個々の電流変化で（電流変化のベクトル△Ｉ（ｔ）で）応答すると仮定する。ｈkをこれらの区間が発生する１アンペア当たりの勾配Ｈkiのベクトルとすると、均一性が恒常的に保たれる条件は、全てのｋ及びｔについてｈk・△Ｉ（ｔ）＝０となることである。瞬時的には、全てのｋについて条件ｈk・（Ｌ-1△Φ）＝０が満たされなければならない。このことは、均一擾乱の場合、ｈk・（Ｌ-1Α）△Ｂz＝０を意味する。中心面に関して対称な配置の場合、偶数のｋでのｈkのみがゼロと異なる。通常のコイル幾何形状では、通常、二次のｈ2 のみが関わりがある。
【０１２３】
いくつかの超伝導電流路がある場合、それらを互いに誘導的に分離することが望ましい。主にアクティブ・シールド磁石の場合、誘導的に分離しないと、磁石がドリフトしたり、主スイッチが開き磁石がゆっくりと放電したりするときに、浮遊磁場の増大が生ずる可能性がある。分離が可能でない場合、追加の超伝導電流路に小さな抵抗又は電流リミッタを組み込む（挿入する）べきである。
【０１２４】
追加の超伝導電流路のスイッチのヒータは、磁石の主スイッチのヒータと直列に接続することが勧められる。こうすると、主スイッチを開いて磁石を充電したり放電したりするとき、他のスイッチも開くことが確実に生じる。追加の超伝導電流路と磁石の間のその他の結合も、このようにすればその路の充電につながることはない。
【０１２５】
テストのためには、追加の超伝導路のスイッチのヒータを別々に作動させることができるようにすることが勧められる。こうすれば、例えば、いろいろな路の結合を実験的に決定したり、異なる路に異なる値の電流を流してみたりすることも可能である。
【０１２６】
磁石装置の超伝導電流路の各区間を橋絡する抵抗が、クエンチの際にも保護機能を発揮できるようにするためには、区間及び抵抗は次のような種々の条件を満たさなければならない：
・クエンチが起きた区間の電圧が大きくなり過ぎないようにするために、各区間は大き過ぎてはならない。
【０１２７】
・抵抗を介して電流がクエンチした区間から消滅できるように、抵抗は大き過ぎてはならない。
【０１２８】
・充電の際、抵抗の列からコイルへ流れ込む横方向電流は小さくなければならない。さもないと、クエンチの危険が大きくなるからである。これは図１によって説明したように、誘導及び抵抗分圧器を補償すること及び関連した計算により達成される。
【０１２９】
本発明の超伝導磁石装置は種々の配線システムで実現できる。図１乃至図３は、３つの具体的な実施の形態を示す。
【０１３０】
各実施の形態は、３つの超伝導電流路Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3を備え、それらが各場合に超伝導スイッチＳ1，Ｓ2，Ｓ3により短絡される。電流路Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3は、オーミック抵抗Ｒ1，Ｒ2，…，Ｒnによって ｎ個の区間Ａ1，Ａ2，…，Ａnに、それぞれのオーミック抵抗Ｒiが対応する区間Ａiと並列に接続されるように分割されている。
【０１３１】
図１における実施の形態では、超伝導的に短絡される電流路Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3と関連するスイッチＳ1，Ｓ2，Ｓ3とが直列に接続され、且つ互いに超伝導ワイヤで接続されている。
【０１３２】
別の実施の形態として、図２に示すように、超伝導電流路Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3が、関連するスイッチＳ1，Ｓ2，Ｓ3に直列に接続され、常時導電接続片ｒ1，ｒ2によって抵抗的にも接続されるようにすることもできる。図２の常時導電接続片ｒ1，ｒ2 は単に図１と区別するために等価抵抗で示されている。実際には、一般にそれらは電気部品としての抵抗器ではなく、常時導電ワイヤ、例えば銅線で実現される。
【０１３３】
１つ以上の補償コイルによる擾乱抑制の場合、超伝導的に短絡される電流路Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3 を、図３に示すように、電気的に分離した形で配置することもできる。
【０１３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、超伝導スイッチによって短絡される電流路の区間をオーミック抵抗で橋絡し、前記区間及びオーミック抵抗を、超伝導磁石装置の周囲に発生するステップ状の磁場擾乱の開始後の時間ｔがｔ＝０の場合に、超伝導磁石装置の外側の前記磁場擾乱の大きさに対する割合βが、時間ｔの増加に対応する割合βの漸近値より小さくなるように、且つ割合βが時間ｔの増加に伴ってτ≧２ｓｅｃの時定数で前記漸近値に単調に近づくように選択するので、外部擾乱が発生する場合の磁石システムの短期挙動をも改善することができると共に、技術的な経費、とくに設備に関する費用を最小とした、動的な擾乱挙動を最適化する新しいアプローチを実証することが可能とあるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る、閉じた超伝導電流路が超伝導的に結合した磁石装置の第１の実施の形態の配線図である。
【図２】閉じた超伝導電流路が抵抗で結合されている別の実施の形態を示す配線図である。
【図３】閉じた超伝導電流路が電気的に結合されていない第３の実施の形態を示す配線図である。
【図４】区間に分けられ、保護抵抗を備えている、超伝導磁石コイルの仮想配線図である。
【図５】計算方法の説明のための仮想回路を示す仮想配線図である。
【符号の説明】
Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3      超伝導スイッチ
Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3      電流路
Ａ1，Ａ2，…，Ａn  区間
Ｒ1，Ｒ2，…，Ｒn  オーミック抵抗
【図１】
0003637268.tif 000033
【図２】
0003637268.tif 000034
【図３】
0003637268.tif 000035
【図４】
0003637268.tif 000036
【図５】
0003637268.tif 000037