(57)【要約】【課題】簡易な構成を維持すると共に、侵入熱を低減させて極低温状態を維持することができる超電導マグネットを提供する。【解決手段】少なくとも超電導コイル１１を有する第１の環状部材１０と、少なくとも超電導コイル２１を有する第２の環状部材２０と、を備える超電導マグネット１であって、第１の環状部材１０及び第２の環状部材２０は、第１の軸線Ｘ１を囲むように配置され、第１の環状部材１０は、第２の環状部材２０の内側に配置されており、第１の環状部材１０と第２の環状部材２０は、第１の軸線Ｘ１に対して傾斜すると共に、互いに交差しており、第１の軸線Ｘ１が延びる方向に延在し、一端側が第１の環状部材１０に連結され、他端側が第２の環状部材２０に連結された支持部材３０が設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも超電導コイルを有する第１の環状部材と、
少なくとも超電導コイルを有する第２の環状部材と、を備える超電導マグネットであって、
前記第１の環状部材及び前記第２の環状部材は、第１の軸線を囲むように配置され、
前記第１の環状部材は、前記第２の環状部材の内側に配置されており、
前記第１の環状部材と前記第２の環状部材は、前記第１の軸線に対して傾斜すると共に、互いに交差しており、
前記第１の軸線が延びる方向に延在し、一端側が前記第１の環状部材に連結され、他端側が前記第２の環状部材に連結された支持部材が設けられている、超電導マグネット。
【請求項２】
前記第１の環状部材及び前記第２の環状部材は、それぞれ前記超電導コイルのフープ力を支持するフープ力支持体を有しており、
前記支持部材は、前記第１の環状部材の前記フープ力支持体、及び前記第２の環状部材の前記フープ力支持体に連結されている、請求項１に記載の超電導マグネット。
【請求項３】
前記支持部材は、前記第１の環状部材と前記第２の環状部材とが前記第１の軸線方向に最も離れた部分を少なくとも支持している、請求項１又は２に記載の超電導マグネット。
【請求項４】
前記第１の環状部材と前記第２の環状部材の少なくとも一方は、それぞれの前記環状部材に対する第２の軸線方向から見て、楕円となっており、
前記超電導マグネットの前記第１の軸線と直交する平面に対して、前記楕円となっている前記環状部材の長軸が傾いている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導マグネット。
【請求項５】
前記第１の環状部材と前記第２の環状部材の少なくとも一方は、それぞれの前記環状部材に対する第２の軸線方向から見て、長さＢを有する長軸と、前記長さＢよりも短い長さＡを有する短軸と、を備えた形状となっており、
前記超電導マグネットの前記第１の軸線と直交する平面に対する前記長軸の角度をθとしたとき、
Ａ＝Ｂｃｏｓθ
の関係が成り立つ、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導マグネット。
【請求項６】
各前記環状部材の径方向から見て、前記第１の環状部材と前記第２の環状部材とが重なる領域における前記第１の環状部材と前記第２の環状部材との間には、磁性体が配置されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の超電導マグネット。
【請求項７】
前記磁性体の透磁率は、前記超電導コイルのフープ力を支持するフープ力支持体の透磁率よりも高くなっている、請求項６に記載の超電導マグネット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導マグネットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超電導マグネットとして、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１の超電導マグネットは、極低温空間内において、円形状の超電導コイルの内側に別の円形状の超電導コイルが貫入し、ボアの軸に対して垂直な磁場を発生させている。このような構造を備えた超電導マグネットでは、図１０に示されるように、外側コイルと内側コイルとによって水平方向に磁場を発生させると共に、電磁力によるトルクが外側コイル及び内側コイルに対して各コイルの軸線方向に働く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２７０４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような電磁力によるトルクが働く外側コイル及び内側コイルを支持する支持構造としては、図１１（ａ）に示されるようなパイプ型の荷重支持体で荷重を圧縮支持する構造、又は図１１（ｂ）に示されるようなストラップ型の荷重支持体で荷重を引っ張って支持する構造が知られている。しかしながら、図１１（ａ）に示されるように圧縮荷重で外側コイル及び内側コイルを支持する場合、各コイルには容器の外側に向かってトルクがかかる。このため、大きなトルクを支持するために荷重支持体が大きくなることにより、容器の外側から各コイルに向かって入り込む侵入熱が増え、極低温状態を維持できないという問題がある。また、図１１（ｂ）に示されるように引張荷重で外側コイル及び内側コイルを支持する場合、圧縮荷重で各コイルを支持する場合よりも部品点数が増加するため構造が複雑化し、更にコストが高くなるという問題を生じさせる。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、簡易な構成を維持すると共に、侵入熱を低減させて極低温状態を維持することができる超電導マグネットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る超電導マグネットは、少なくとも超電導コイルを有する第１の環状部材と、少なくとも超電導コイルを有する第２の環状部材と、を備える超電導マグネットであって、第１の環状部材及び第２の環状部材は、第１の軸線を囲むように配置され、第１の環状部材は、第２の環状部材の内側に配置されており、第１の環状部材と第２の環状部材は、第１の軸線に対して傾斜すると共に、互いに交差しており、第１の軸線が延びる方向に延在し、一端側が第１の環状部材に連結され、他端側が第２の環状部材に連結された支持部材が設けられている。
【０００７】
本発明に係る超電導マグネットにおいて、超電導コイルを有する第１の環状部材は超電導コイルを有する第２の環状部材の内側に配置され、各環状部材は第１の軸線に対して傾斜すると共に互いに交差するように配置されている。また、第１の環状部材及び第２の環状部材を支持する支持部材は、支持部材の一端側が第１の環状部材に連結されており、支持部材の他端側が第２の環状部材に連結されている。よって、支持部材を備えることにより第１の環状部材と第２の環状部材とが一体化されているので、各超電導コイルに働く電磁力によるトルクは互いに相殺される。このように、支持部材で第１の環状部材と第２の環状部材を連結するだけで電磁力によるトルクが相殺されるため、容器の外側から侵入熱が入りにくくなる。従って、簡易な構成で侵入熱を低減させることができ極低温状態を維持することができる。
【０００８】
また、本発明に係る超電導マグネットにおいて、第１の環状部材及び第２の環状部材は、それぞれ超電導コイルのフープ力を支持するフープ力支持体を有しており、支持部材は、第１の環状部材のフープ力支持体、及び第２の環状部材のフープ力支持体に連結されていてもよい。ところで、支持部材が超電導コイルに直接接触する場合、この接触部分で熱が発生し、クエンチを引き起こしてしまう可能性がある。しかしながら、本発明では、各環状部材がフープ力支持体を有しており、支持部材は各フープ力支持体に連結されているので、支持部材と超電導コイルとが直接接触していない。よって、前述したような熱の発生やクエンチを引き起こす問題を回避することができる。
【０００９】
また、支持部材は、第１の環状部材と第２の環状部材とが第１の軸線方向に最も離れた部分を少なくとも支持していてもよい。このように、支持部材及び第１の環状部材の連結部分と、支持部材及び第２の環状部材の連結部分との距離を長くすることにより、支持部材によって各環状部材をモーメントの大きい箇所で支持することができる。従って、支持部材によって各環状部材を安定して支持させることができる。
【００１０】
また、第１の環状部材と第２の環状部材の少なくとも一方は、それぞれの環状部材に対する第２の軸線方向から見て、楕円となっており、超電導マグネットの第１の軸線と直交する平面に対して、楕円となっている環状部材の長軸が傾いていてもよい。このように、超電導マグネットの第１の軸線と直交する平面に対して環状部材の長軸を傾けることにより、第１の軸線方向から見たときの環状部材の形状は真円に近づくこととなる。よって、各環状部材を、第１の軸線方向から見て対称な形状を有する磁場空間を備えた真空容器内に配置した場合に、第１の軸線方向から見たときの環状部材の形状が真円に近くなっているため、磁気シールド内における無駄な空間を減らすことができる。よって、超電導マグネットの性能を維持しつつ装置内部のスペースを有効活用することが可能となり、超電導マグネットの小型化を実現させることができる。
【００１１】
また、第１の環状部材と第２の環状部材の少なくとも一方は、それぞれの環状部材に対する第２の軸線方向から見て、長さＢを有する長軸と、長さＢよりも短い長さＡを有する短軸と、を備えた形状となっており、超電導マグネットの第１の軸線と直交する平面に対する長軸の角度をθとしたとき、Ａ＝Ｂｃｏｓθの関係が成り立つようにしてもよい。この場合、環状部材の長軸が超電導マグネットの第１の軸線と直交する平面に対して角度θだけ傾いており、環状部材の長軸の長さＢと環状部材の短軸の長さＡとがＡ＝Ｂｃｏｓθの関係を有している。よって、長軸と短軸を備えた形状を有する環状部材を、第１の軸線方向から見て対称な形状を有する磁場空間を備えた磁気シールド内に配置した場合に、第１の軸線方向から見たときの環状部材の形状が真円に近くなっているため、磁気シールド内における無駄な空間を減らすことができる。よって、上記同様、超電導マグネットの小型化を実現させることができる。
【００１２】
また、各環状部材の径方向から見て、第１の環状部材と第２の環状部材とが重なる領域における第１の環状部材と第２の環状部材との間に、磁性体が配置されていてもよい。ところで、第１の環状部材と第２の環状部材とが重なる領域では、磁場が強められるため、他の領域に比して自己磁場が大きくなっている。このように自己磁場が大きい領域を有していると、その領域によって超電導コイルの電流密度が制限される問題が発生する。しかしながら、本発明では、第１の環状部材と第２の環状部材とが重なる領域に磁性体を配置しているので、この領域の自己磁場を低減させることができ、超電導コイルの線材の量を変えなくても、より多くの電流を超電導コイルに流せることとなる。従って、所望の起磁力を得るために必要とされる超電導コイルの線材の量を減らすことができ、コストを低減させることも可能となる。
【００１３】
また、磁性体の透磁率は、超電導コイルのフープ力を支持するフープ力支持体の透磁率よりも高くなっていてもよい。このように、磁性体の透磁率をフープ力支持体の透磁率よりも高くすることにより、より確実に自己磁場を低減させ超電導コイルの線材の量を減らすことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡易な構成を維持すると共に、侵入熱を低減させて極低温状態を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態に係る超電導コイルを含む超電導マグネットを示す概略ブロック図である。
【図２】図１の超電導マグネットを示す断面斜視図である。
【図３】コイルとフープ力支持体の位置関係を概略的に示す図である。
【図４】第２実施形態に係る超電導マグネットの環状部材の形状を説明する図である。
【図５】第１の環状部材及び第２の環状部材の大きさと形状を説明する図である。
【図６】第３実施形態に係る超電導マグネットを示す断面斜視図である。
【図７】図６の超電導マグネットにおける環状部材間の領域を説明する図である。
【図８】変形例に係る超電導マグネットを概略的に示す図である。
【図９】変形例に係る超電導マグネットのコイル、フープ力支持体、及び支持部材を示す断面図である。
【図１０】従来の超電導マグネットを示す断面斜視図である。
【図１１】従来の超電導マグネットにおけるコイルの支持構造を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
（第１実施形態）
図１〜図３を参照して第１実施形態に係る超電導マグネットについて説明する。まず、図１及び図２に示されるように、超電導マグネット１は、例えばシリコン単結晶引上装置等に適用されるものであり、円環状の中央部に大気空間Ｄを有する真空容器２と、この真空容器２内に配置されたコイル部３と、を備えている。コイル部３は、２個の円環状の超電導コイル１１，２１を含んでいる。超電導コイル１１，２１は、例えばＧＭ（ギフォードマクマホン）冷凍機等の冷凍機４により冷却されて超電導状態とされると共に、直流電圧を供給する電源部５から電流が印加されることにより、強力な磁場を発生させる。また、真空容器２内における超電導コイル１１，２１が配置される領域には、上述した冷凍機４によって冷却空間Ｃが形成される。
【００１８】
また、電源部５には、超電導コイル１１，２１に印加する電流を制御する制御部６が接続されている。ここで、制御部６は、電源部５を制御し、例えば超電導コイル１１，２１における自己磁場の最大値が所定値以下となるように印加電流を調整する。
【００１９】
また、図２に示されるように、超電導マグネット１は、超電導マグネット１の軸線（第１の軸線）Ｘ１を囲むと共に軸線Ｘ１に対して傾いて配置された第１の環状部材１０と、第１の環状部材１０の外側に第１の環状部材１０と交差するように配置された第２の環状部材２０と、第１の環状部材１０及び第２の環状部材２０を真空容器２内で支持する支持部材３０と、を備えている。また、真空容器２には、軸線Ｘ１方向に貫通して形成されるボア４０が設けられており、このボア４０は大気空間Ｄによって常温に保持される。
【００２０】
第１の環状部材１０は円環状の第１の超電導コイル１１を有しており、第２の環状部材２０は円環状の第２の超電導コイル２１を有している。第１及び第２の超電導コイル１１，１２は、互いに交差するように配置されており、いわゆるクロスコイル型の配置となっている。また、超電導コイル１１，１２に電流が供給されると、超電導コイル１１に対する軸線（第２の軸線）Ｘ２の方向（図３参照）に磁場が発生すると共に、超電導コイル２１に対する軸線（第２の軸線）Ｘ３の方向に磁場が発生する。そして、これらの磁場における軸線Ｘ１の直交方向の成分が強め合い軸線Ｘ１方向の成分が弱め合うことにより、水平磁場Ｂ（図１０参照）が大気空間Ｄに発生する。
【００２１】
ここで、真空容器２内の各超電導コイル１１，２１に電流が供給されると、自己磁界で広がろうとするフープ力が発生する。そこで、図３に示されるように、第１の環状部材１０は、超電導コイル１１の他に、超電導コイル１１のフープ力を支持する第１の巻枠（フープ力支持体）１２を備えている。巻枠１２の材料としては、例えばＳＵＳ（Steel  Use  Stainless）やアルミ等の低温脆性が低い材料を用いることができる。
【００２２】
巻枠１２は超電導コイル１１同様円環状となっており、巻枠１２には巻枠１２が延びる方向に延在する断面正方形状の凹部１２ａが設けられている。この凹部１２ａは、第１の環状部材１０の外周側が開口しており、第１の環状部材１０の内周側で超電導コイル１１を支持している。また、断面正方形状に形成された超電導コイル１１は、巻枠１２の凹部１２ａに嵌合されることにより、巻枠１２に支持される。第２の環状部材２０も、第１の巻枠１２と同様、凹部２２ａを有する第２の巻枠（フープ力支持体）２２を備えており、第２の巻枠２２の凹部２２ａに断面正方形状の超電導コイル２１が嵌合されることにより、超電導コイル２１が第２の巻枠２２に支持される。
【００２３】
ところで、図１０に示されるように、従来のクロスコイル型の超電導マグネット２００では、外側の超電導コイル２０１と内側の超電導コイル２０２によって水平磁場Ｂを発生させると共に、電磁力によるトルクＴが超電導コイル２０１，２０２のそれぞれに対して各コイルの軸線方向に働く。よって、トルクＴが働く超電導コイル２０１，２０２の支持構造が必要となるが、このような支持構造としては、例えば図１１（ａ）に示されるようなパイプ型の荷重支持体で荷重を圧縮支持する構造や、図１１（ｂ）に示されるようなストラップ型の荷重支持体で荷重を引っ張って支持する構造がある。
【００２４】
しかしながら、図１１（ａ）に示されるように圧縮支持で超電導コイル２０１，２０２を支持する場合、各超電導コイル２０１，２０２には容器の外側に向かってトルクがかかる。このトルクを支持するためには、超電導コイル２０１，２０２を支持する支持部材を大きくしなければならないが、支持部材を大きくすると、この大きな支持部材を介して容器の外側から各超電導コイル２０１，２０２に向かって入り込む侵入熱が増えてしまう。また、図１１（ｂ）に示されるように引張荷重で超電導コイル２０１，２０２を支持する場合、部品点数が増え構造が複雑化するという問題を生じさせる。
【００２５】
また、真空容器で荷重を支持する場合には真空容器の剛性を上げなければならない。そして、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示される支持構造では、支持部材をＦＲＰ（Fiber  Reinforced  Plastics）等の絶縁部材で構成しなければならないが、このような部材の強度は弱いため、支持構造を更に大きくしなければならないという問題がある。更に、真空容器を貫通する支持部材をヨークに接続し、当該ヨークで荷重を支持する場合、真空容器の気密性を確保しなければならないので、一層構造が複雑化するという問題もある。
【００２６】
そこで、超電導マグネット１では、図２に示されるような支持部材３０を備えることによって上記の問題を解決している。支持部材３０は、第１の環状部材１０と第２の環状部材２０とを一体化させる一体化用構造部品である。支持部材３０の材料としては、例えばＳＵＳやアルミ等の低温脆性が低い材料を用いることができる。
【００２７】
支持部材３０は、軸線Ｘ１が延びる方向に延在しており、平板状の部材の両端部が屈曲した形状となっている。支持部材３０は、軸線Ｘ１方向に延在する延在部３１と、延在部３１の下端で第１の巻枠１２に沿う方向に傾斜する第１の傾斜部３２と、第１の傾斜部３２の下端で真空容器２の内側に折り曲げられた第１の折り曲げ部３３と、延在部３１の上端で第２の巻枠２２に沿う方向に傾斜する第２の傾斜部３４と、第２の傾斜部３４の上端で真空容器２の外側に折り曲げられた第２の折り曲げ部３５とを備えている。
【００２８】
支持部材３０は、第１の傾斜部３２と第１の折り曲げ部３３に第１の環状部材１０の巻枠１２を固定し、第２の傾斜部３４と第２の折り曲げ部３５に第２の環状部材２０の巻枠２２を固定することにより、第１の環状部材１０と第２の環状部材２０を支持している。また、支持部材３０は、軸線Ｘ１に対して対称に２個設けられており、２個の支持部材３０が設けられる位置は、第１の環状部材１０と第２の環状部材２０とが軸線Ｘ１方向に最も離れた部分となっている。ここで、第１の環状部材１０と第２の環状部材２０とが軸線Ｘ１方向に最も離れた部分、とは、第１の環状部材１０と第２の環状部材２０との軸線Ｘ１方向の距離が最も長い部分を示す。本実施形態では、一方の支持部材３０は、傾斜する第１の環状部材１０のうち最も上側に位置する部分と、傾斜する第２の環状部材２０のうち最も下側に位置する部分とを連結している。他方の支持部材３０は、傾斜する第１の環状部材１０のうち最も下側に位置する部分と、傾斜する第２の環状部材２０のうち最も上側に位置する部分とを連結している。なお、支持部材３０は、真空容器２に対して種々の方法で固定してもよい。
【００２９】
以上、超電導マグネット１では、超電導コイル１１を有する第１の環状部材１０は超電導コイル２１を有する第２の環状部材２０の内側に配置され、各環状部材１０，２０は軸線Ｘ１に対して傾斜すると共に互いに交差するように配置されている。また、第１及び第２の環状部材１０，２０を支持する支持部材３０は、支持部材３０の一端側である第１の傾斜部３２及び第１の折り曲げ部３３が第１の環状部材１０に連結されており、支持部材３０の他端側である第２の傾斜部３４及び第２の折り曲げ部３５が第２の環状部材２０に連結されている。
【００３０】
よって、支持部材３０を備えることにより第１の環状部材１０と第２の環状部材２０とが一体化されており、支持部材３０の折り曲げ部３３，３５でトルクＴ（図１０参照）を支持しているので、超電導コイル１１，２１に働くトルクＴは支持部材３０によって相殺される。従って、支持部材３０で第１の環状部材１０と第２の環状部材２０を連結するだけでトルクＴが相殺される。
【００３１】
また、第１の環状部材１０、第２の環状部材２０、及び支持部材３０は全て冷却空間Ｃ内に配置されており、第１及び第２の環状部材１０，２０は冷却空間Ｃ内で支持部材３０に支持されている。よって、真空容器２の外側から侵入熱が入りにくくなると共に、冷却された支持部材３０で冷却された第１及び第２の環状部材１０，２０が支持されている。従って、装置を大型化させることなく簡易な構成で侵入熱を低減させ、冷却空間Ｃにおける極低温状態を維持することができる。更に、簡易な構成を有する小型の支持部材３０で第１及び第２の環状部材１０，２０を支持しているので、コイルの支持構造の部品点数を低減させることができ、低コスト化を実現させることができる。
【００３２】
また、超電導マグネット１では、冷却空間Ｃ内で環状部材１０，２０及び支持部材３０を保持する部材が必要であるが、その部材について、トルクＴを支えなければならない程の大きさや強度は不要である。すなわち、上記部材は、環状部材１０，２０及び支持部材３０の自重を支える程度の大きさや強度を有していればよく、小さくてシンプルなものを採用できる。よって、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示されるような支持構造における大型化・複雑化の問題を回避できるので、真空容器２内への侵入熱を低減させることができる。更に、超電導マグネット１では、支持部材３０が冷却空間Ｃの内部に配置されていると共に極低温の環状部材１０，２０のみに接続されているので（すなわち、真空容器２などのように、冷却空間Ｃの外部とも接しているものと接続されておらず、支持部材３０が熱の進入経路とならない）、支持部材３０としてＦＲＰ等の絶縁部材（低熱伝導性部材）を用いる必要がなく、絶縁部材よりも強度が高いＳＵＳ等を用いることができる。従って、支持構造を大きくしなくても強度を維持することが可能であるため、大型化が不要となり侵入熱の低減に寄与する。
【００３３】
また、超電導マグネット１では、各環状部材１０，２０がフープ力支持体として機能する巻枠１２，２２を有しており、支持部材３０は各巻枠１２，２２に連結されているので、支持部材３０と各超電導コイル１１，２１とは直接接触していない。よって、支持部材３０と各超電導コイル１１，２１との接触による熱の発生やクエンチを引き起こす問題を回避することができる。
【００３４】
また、超電導マグネット１において、支持部材３０は、第１の環状部材１０と第２の環状部材２０とが最も離れた部分を支持しており、支持部材３０及び第１の環状部材１０の連結部分と、支持部材３０及び第２の環状部材２０の連結部分との距離を長くしている。よって、支持部材３０により各環状部材１０，２０をモーメントの大きい箇所で支持することができるので、支持部材３０によって各環状部材１０，２０を安定して支持させることができ、構造部品の軽量化を実現させることも可能となる。
【００３５】
（第２実施形態）
次に第２実施形態に係る超電導マグネットについて図４及び図５を参照して説明する。第２実施形態に係る超電導マグネットは、第１実施形態と同様、支持部材３０を備えている。また、第２実施形態の超電導マグネットが第１実施形態の超電導マグネット１と異なる点は、第１の環状部材１０及び第２の環状部材２０に代えて、これらの環状部材１０，２０と形状のみが異なった第１の環状部材５０及び第２の環状部材６０を備える点のみである。よって、第２実施形態では、環状部材５０，６０の形状について重点的に説明し、第１実施形態と重複する部分については説明を省略する。
【００３６】
図４に示されるように、第１の環状部材５０は、環状部材５０に対する軸線Ｘ２から見て、短軸の長さがａ１（Ａ）及び長軸の長さがｂ１（Ｂ）の楕円形状となっている。ここで、本実施形態において楕円とは、平面上のある２定点からの距離の和が一定となるような点の集合から作られる曲線のことであり、直線部分を含む長円（角丸長方形とも称される）は含まない。また、本実施形態において、長軸及び短軸は、環状部材５０の一方の外縁から他方の外縁までの長さ、環状部材５０の一方の内縁から他方の内縁までの長さ、又は環状部材５０の一方の電流が流れる中心部分から他方の電流が流れる中心部分、のいずれであってもよく、長軸及び短軸の基準位置は特に限定されない。
【００３７】
また、超電導マグネット１の軸線Ｘ１に直交する平面Ｓに対する環状部材５０の長軸の傾斜角度はθ１（θ）となっている。環状部材５０の短軸は、平面Ｓに対して平行になっている。ここで、環状部材５０の短軸の長さａ１及び長軸の長さｂ１と、環状部材５０の平面Ｓに対する傾斜角度θ１との関係は、
ａ１＝（ｂ１）ｃｏｓθ１
となっている。よって、図４（ｃ）に示されるように、軸線Ｘ１方向から見たときの環状部材５０の形状は真円に近くなっている。
【００３８】
第２の環状部材６０は、第１の環状部材５０と同様に、環状部材６０に対する軸線Ｘ３（図３参照）から見て、短軸の長さがａ２及び長軸の長さがｂ２（図５参照）の楕円形状となっており、平面Ｓに対する環状部材６０の長軸の傾斜角度はθ２となっている。そして、環状部材６０の短軸の長さａ２及び長軸の長さｂ２と、環状部材６０の平面Ｓに対する傾斜角度θ２との関係は、
ａ２＝（ｂ２）ｃｏｓθ２
となっている。よって、第１の環状部材５０同様、軸線Ｘ１方向から見たときの第２の環状部材６０の形状は真円に近くなっている。
【００３９】
以上のように、第２実施形態の超電導マグネットは、少なくとも超電導コイルを有する第１の環状部材５０と、少なくとも超電導コイルを有する第２の環状部材６０と、を備える超電導マグネットであって、前記第１の環状部材５０及び前記第２の環状部材６０は、第１の軸線Ｘ１を囲むように配置され、前記第１の環状部材５０は、前記第２の環状部材６０の内側に配置されており、前記第１の環状部材５０と前記第２の環状部材６０は、前記第１の軸線Ｘ１に対して傾斜すると共に、互いに交差しており、前記第１の環状部材５０と前記第２の環状部材６０の少なくとも一方は、それぞれの前記環状部材５０，６０に対する第２の軸線Ｘ２，Ｘ３方向から見て、楕円となっており、前記超電導マグネットの軸線Ｘ１と直交する平面Ｓに対して、前記楕円となっている前記環状部材の長軸が傾いている。
【００４０】
このように、超電導マグネットの軸線Ｘ１と直交する平面Ｓに対して環状部材５０，６０の長軸を傾けることにより、超電導マグネットの軸線Ｘ１から見たときの環状部材５０，６０の形状は真円に近づくこととなる。よって、各環状部材５０，６０を、軸線Ｘ１方向から見て対称な形状を有する磁場空間を備えた磁気シールド内に配置した場合に、超電導マグネットの軸線Ｘ１方向から見たときの環状部材５０，６０の形状が真円に近くなっているため、磁気シールド内における無駄な空間を減らすことができる。よって、超電導マグネットの性能を維持しつつ装置内部のスペースを有効活用することが可能となり、超電導マグネットの肉厚や超電導コイルの線材の量を低減させて、超電導マグネットの小型化及び低コスト化を実現させることができる。
【００４１】
すなわち、従来の超電導マグネットでは、図４（ｄ）に示されるように、軸線Ｘ１方向から環状部材を見ると楕円状になっているため、磁気シールド内の無駄な空間が多く装置内部のスペースを有効利用できていなかった。しかしながら、超電導マグネット１では、図４（ｃ）に示されるように、軸線Ｘ１方向から見たときの環状部材５０の形状が真円に近いため、磁気シールド内の無駄な空間を低減でき、装置内部のスペースを有効活用することが可能となっている。
【００４２】
また、第２実施形態の超電導マグネットは、少なくとも超電導コイルを有する第１の環状部材５０と、少なくとも超電導コイルを有する第２の環状部材６０と、を備える超電導マグネットであって、前記第１の環状部材５０及び前記第２の環状部材６０は、第１の軸線Ｘ１を囲むように配置され、前記第１の環状部材５０は、前記第２の環状部材６０の内側に配置されており、前記第１の環状部材５０と前記第２の環状部材６０は、前記第１の軸線Ｘ１に対して傾斜すると共に、互いに交差しており、前記第１の環状部材５０と前記第２の環状部材６０の少なくとも一方は、それぞれの前記環状部材５０，６０の軸線Ｘ２，Ｘ３方向から見て、長さｂ１，ｂ２を有する長軸と、前記長さｂ１，ｂ２よりも短い長さａ１，ａ２を有する短軸と、を備えた形状となっており、超電導マグネットの軸線Ｘ１と直交する平面Ｓに対する前記長軸の角度をθ１，θ２としたとき、ａ１＝（ｂ１）ｃｏｓθ１、ａ２＝（ｂ２）ｃｏｓθ２の関係が成り立つ。
【００４３】
上記のように、環状部材５０，６０の長軸が超電導マグネットの軸線Ｘ１と直交する平面Ｓに対して角度θ１，θ２だけ傾いており、環状部材５０，６０の長軸の長さｂ１，ｂ２と環状部材の短軸の長さａ１，ａ２とがａ１＝（ｂ１）ｃｏｓθ１、ａ２＝（ｂ２）ｃｏｓθ２の関係を有している。よって、長軸と短軸を備えた形状を有する環状部材５０，６０を、軸線Ｘ１方向から見て対称な形状を有する磁場空間を備えた真空容器２内に配置した場合に、超電導マグネットの軸線方向から見たときの環状部材５０，６０の形状が真円に近くなっているため、磁気シールド内における無駄な空間を減らすことができる。よって、上記同様、超電導マグネットの小型化を実現させることができる。ここで、環状部材５０，６０は長軸と短軸を有していれば、軸線Ｘ２，Ｘ３方向から見て楕円状の形状のみならずどのような形状であってもよい。例えば、長円状（トラック状）であってもよく、角部が丸みを帯びたような矩形環状であってもよく、その他の形状を採用してもよい。これらの形状であっても、上記の式を満たすことにより、軸線Ｘ１から見たときの環状部材５０，６０の形状を極力真円に近づけることができる。あるいは、軸線Ｘ１から見たときにおける、長軸側の大きさと短軸側の大きさの差を小さくできるため、磁気シールド内における無駄な空間を減らし易い形状とすることができる。
【００４４】
なお、第２実施形態では、第１の環状部材５０と第２の環状部材６０の両方を長軸と短軸とを備えた形状としたが、第１の環状部材５０及び第２の環状部材６０のいずれか一方のみが長軸と短軸とを備えた形状であってもよい。また、第２実施形態において、図５では、第１の環状部材５０の平面Ｓに対する傾斜角度θ１と第２の環状部材６０の平面Ｓに対する傾斜角度θ２とが同程度となっている。しかしながら、傾斜角度θ１と傾斜角度θ２とは同程度でなくてもよく、更に、コイルの線材長さを低減できるので傾斜角度θ１を傾斜角度θ２よりも大きくすることが好ましい。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
更に、第２実施形態において、上記の表１に示されるように、ａ１＝（ｂ１）ｃｏｓθ１及びａ２＝（ｂ２）ｃｏｓθ２の関係が成り立つ場合（楕円コイルの場合）には、マグネット肉厚を円形の場合の４３．６％、コイルの線材長さを円形の場合の９０．４％に低減できる。更に、外側に位置する第２の環状部材６０の平面Ｓに対する傾斜角度θ２を、内側に位置する第１の環状部材５０の平面Ｓに対する傾斜角度θ１よりも小さくすると、コイルの線材長さを円形の場合の８９．６％に一層低減できる。このように、傾斜角度θ２を傾斜角度θ１よりも小さくすることで、超電導マグネットの軸線Ｘ１方向の空間がより効率的に活用される。このため、超電導マグネットの性能を維持しつつ各環状部材５０，６０が保持する超電導コイルの線材の量を一層減らすことが可能となり、コスト削減に非常に有効である。
【００４７】
（第３実施形態）
次に第３実施形態に係る超電導マグネットについて図６及び図７を参照して説明する。第３実施形態に係る超電導マグネット７１は、第１実施形態と同様、第１の環状部材１０、第２の環状部材２０、及び支持部材３０を備えている。また、第３実施形態では、上記第１の環状部材１０及び第２の環状部材２０に代えて、第２実施形態の長軸と短軸とを有する第１の環状部材５０及び第２の環状部材６０を備えていてもよい。第３実施形態の超電導マグネット７１が第１実施形態の超電導マグネット１と異なる点は、第１の環状部材１０と第２の環状部材２０との間の領域Ｒに、磁性体７２が設けられている点のみである。よって、第３実施形態では、第１の環状部材１０と第２の環状部材２０との間の領域Ｒと磁性体７２についてのみ重点的に説明し、第１実施形態と重複する部分については説明を省略する。なお、図６では、第１実施形態と重複する構成については適宜図示を省略している。
【００４８】
ところで、第１の環状部材１０と第２の環状部材２０とが重なる領域Ｒでは、磁場が強められるため、他の領域に比して自己磁場が大きくなっている。このように自己磁場が大きい領域を有していると、その領域によって超電導コイルの電流密度が制限される問題が発生する。すなわち、自己磁場が大きい領域を有していると、自己磁場が大きい領域の磁束密度が他の領域に比して大きくなると共に、自己磁場が大きい領域の臨界電流が他の領域に比して小さくなる。よって、自己磁場が大きい領域以外の領域では臨界電流に余裕があっても、自己磁場が大きい領域によって臨界電流が抑えられてしまうため、コイルの体積を増やさないと必要な起磁力を確保できないという問題があった。そこで、このような問題を回避するために、第３実施形態では、領域Ｒに磁性体７２が配置されている。
【００４９】
磁性体７２は、例えば鉄やパーメンジュール等の強磁性体であり、第１の環状部材１０と第２の環状部材２０とが交差する領域Ｒに配置されている。図７に示されるように、第１の環状部材１０と第２の環状部材２０とが交差する領域Ｒは、各環状部材１０，２０の径方向から見たときに第１の環状部材１０と第２の環状部材２０とが重なった領域となっている。磁性体７２は、この領域Ｒを網羅する大きさとなっており、例えば領域Ｒよりも若干大きい程度となっている。また、磁性体７２は、第１の環状部材１０の巻枠１２と第２の環状部材２０の巻枠２２に固定されており、超電導コイルに接触しない構造となっている。磁性体７２の比透磁率は例えば５００以上である。一方、巻枠１２，２２の比透磁率は１程度である。このように、磁性体７２の比透磁率は、巻枠１２，２２の比透磁率よりも高くなっている。
【００５０】
以上のように、第３実施形態の超電導マグネット７１は、少なくとも超電導コイルを有する第１の環状部材１０と、少なくとも超電導コイルを有する第２の環状部材２０と、を備える超電導マグネット７１であって、前記第１の環状部材１０及び前記第２の環状部材２０は、第１の軸線Ｘ１を囲むように配置され、前記第１の環状部材１０は、前記第２の環状部材２０の内側に配置されており、前記第１の環状部材１０と前記第２の環状部材２０は、前記第１の軸線Ｘ１に対して傾斜すると共に、互いに交差しており、各前記環状部材１０，２０の径方向から見て、第１の環状部材１０と第２の環状部材２０とが重なる領域Ｒにおける第１の環状部材１０と第２の環状部材２０との間に、磁性体７２が配置されている。
【００５１】
このように、第３実施形態では、第１の環状部材１０と第２の環状部材２０とが重なる領域Ｒに磁性体７２を配置しているので、この領域Ｒの自己磁場を低減させることができ、環状部材１０，２０における超電導コイルの線材の量を変えなくても、より多くの電流を超電導コイルに流せることとなる。従って、所望の起磁力を得るために必要とされる超電導コイルの線材の量を減らすことができ、コストを低減させることも可能となる。
【００５２】
また、磁性体７２の透磁率は、超電導コイルのフープ力を支持する巻枠１２，２２の透磁率よりも高くなっているので、より確実に自己磁場を低減させ超電導コイルの線材の量を減らし、コストの削減を実現させることができる。
【００５３】
以上、本発明に係る超電導マグネットの実施形態を説明したが、本発明に係る超電導マグネットは上記実施形態に記載されたものに限定されない。本発明に係る超電導マグネットは、各請求項に記載した要旨を変更しないように上記実施形態に係る超電導マグネットを変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００５４】
例えば、変形例に係る超電導マグネットとして、図８に示されるような超電導マグネット８１が挙げられる。超電導マグネット８１は、真空容器２の外側に漏洩する漏洩磁場を相殺する磁場を発生するキャンセルコイル９１，１０１を備えており、これらのキャンセルコイル９１，１０１が支持部材１３０と一体となっている点で上記各実施形態の超電導マグネットと異なっている。キャンセルコイル９１，１０１は、軸線Ｘ１に対して対称となる位置に配置されている。
【００５５】
キャンセルコイル９１は、超電導コイル１１，２１と同様に、フープ力支持体として機能する巻枠９２の凹部９２ａに嵌合されることで、巻枠９２に保持されている。上記のキャンセルコイル９１と巻枠９２とで、第１及び第２の環状部材１０，２０同様の第３の環状部材９０が構成されており、第３の環状部材９０の軸線は、軸線Ｘ１に直交する平面Ｓに沿う方向に延在している。
【００５６】
また、キャンセルコイル１０１は、上記のキャンセルコイル９１と同様に巻枠１０２に保持されており、キャンセルコイル１０１と巻枠１０２とで第４の環状部材１００が構成されている。第４の環状部材１００の軸線は、第３の環状部材９０同様、平面Ｓに沿う方向に延在している。このように、漏れ磁場低減のためのキャンセルコイル９１，１０１をフープ力支持体として機能する巻枠９２，１０２に保持させ、巻枠９２、１０２を支持部材１３０で支持して環状部材９０，１００と支持部材１３０との一体化構造を実現させることで、本発明に係る環状部材及び支持部材の構成をキャンセルコイルにも応用することができる。
【００５７】
また、上記実施形態では、軸線Ｘ１が延びる方向に延在し平板状の部材が屈曲した形状となっている支持部材３０について説明したが、支持部材の構造は上記実施形態に限定されず適宜変更可能である。例えば、図９の超電導マグネットに示されるように、上記の支持部材３０に代えて、第１のリブ部１１４と、第２のリブ部１１５とを備えた支持部材１１０を採用してもよい。
【００５８】
上記の支持部材１１０は、上記リブ部１１４，１１５の他、超電導マグネットの軸線Ｘ１方向に延在する延在部１１１と、延在部１１１の下端で第１の巻枠１２に沿う方向に折り曲げられた第３の折り曲げ部１１２と、延在部１１１の上端で第２の巻枠２２に沿う方向に折り曲げられた第４の折り曲げ部１１３とを備えている。各折り曲げ部１１２，１１３の外側の面には、第１の環状部材１０の巻枠１２、及び第２の環状部材２０の巻枠２２が固定されている。
【００５９】
また、第１のリブ部１１４は延在部１１１と第３の折り曲げ部１１２との間に介在し、第２のリブ部１１５は延在部１１１と第４の折り曲げ部１１３との間に介在している。このように、支持部材１１０では、リブ部１１４，１１５を備えることにより、第３の折り曲げ部１１２及び第４の折り曲げ部１１３が補強されており、より強固な超電導コイル１１，２１の支持構造が実現されている。
【００６０】
また、上記実施形態では、巻枠１２，２２が凹部１２ａ，２２ａを有し、超電導コイル１１，２１が凹部１２ａ，２２ａに嵌合されることにより、超電導コイル１１，２１が巻枠１２，２２に支持される例について説明した。しかし、超電導コイル１１，２１の支持構造や巻枠１２，２２の形状は上記実施形態に限定されず、適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では、図３に示されるように巻枠１２の凹部１２ａが第１の環状部材１０の外周側に開口しており、第１の環状部材１０の内周側で超電導コイル１１を支持していたが、これとは逆に、巻枠の凹部が内周側に開口し外周側で超電導コイルを支持してもよい。
【００６１】
また、上記実施形態では、超電導コイルを有する環状部材が２個設けられる例について説明したが、環状部材は３個以上設けられていてもよい。
【００６２】
また、本発明に係る超電導マグネットとしては、上記第１実施形態、上記第２実施形態、及び上記第３実施形態のいずれか１つの特徴を備えた超電導マグネットが含まれる。更に、本発明に係る超電導マグネットとしては、上記第１実施形態、上記第２実施形態、及び上記第３実施形態のいずれか２つ、又は３つの特徴を組み合わせた超電導マグネットも含まれる。
【符号の説明】
【００６３】
１，７１，８１…超電導マグネット、１０，５０…第１の環状部材、１１，２１…超電導コイル、１２，２２，９２，１０２…巻枠（フープ力支持体）、２０，６０…第２の環状部材、３０，１１０…支持部材、７２…磁性体、Ｘ１…軸線（第１の軸線）、Ｘ２，Ｘ３…軸線（第２の軸線）、Ｓ…平面。
【図１】
2014179439.tif 000004
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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