(57)【要約】      （修正有）【課題】高度に安定した磁場をサンプル位置に発生させる磁石システムを提供する。【解決手段】磁石システムが、第１の超電導電磁コイルと前記第１の電磁コイル１に同軸の第２の電磁コイル２とを収容する磁石クライオスタットを備え、第２の電磁コイル２は、動作中に、超電導持続モードで短絡され、動作中に電流リードを介して第１の電磁コイル１に電流を供給する外部電源４により、電源の電流雑音によって変動する第１の磁場をサンプル位置に発生させ、第２の電磁コイル２が第１の電磁コイル１に誘導結合して、第１の磁場の変動を補償する第２の磁場をサンプル位置に発生させるように、第２の電磁コイル２が位置決めされ寸法決めされる。【選択図】図２ｂ
2014068001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高度に安定した磁場をサンプル位置に発生させる磁石システムであって、前記磁石システムは第１の超電導電磁コイルと前記第１の電磁コイルに同軸の第２の電磁コイルとを収容する磁石クライオスタットを備え、前記第２の電磁コイルは、前記磁石システムの動作中に、超電導持続モードで短絡される磁石システムにおいて、
動作中に電流リードを介して前記第１の電磁コイルに電流を供給する外部電源が設けられて、前記電源の電流雑音によって変動する第１の磁場を前記サンプル位置に発生させ、かつ前記第２の電磁コイルが前記第１の電磁コイルに誘導結合して、前記第１の磁場の変動を補償する第２の磁場を前記サンプル位置に発生させるように、前記第２の電磁コイルを位置決めし寸法決めすることを特徴とする磁石システム。
【請求項２】
前記第１の電磁コイルおよび前記第２の電磁コイルが共通のサンプルホルダに配置され、前記第２の電磁コイルは前記第１の電磁コイルの半径方向内側に配置され、かつ前記第１の電磁コイルよりも軸方向に短いことを特徴とする、請求項１に記載の磁石システム。
【請求項３】
前記第２の電磁コイルはＨＴＳ導体を用いて巻かれることを特徴とする、請求項１または２に記載の磁石システム。
【請求項４】
前記第２の電磁コイルはＬＴＳ導体を用いて巻かれることを特徴とする、請求項１または２に記載の磁石システム。
【請求項５】
前記第１のおよび前記第２の電磁コイルは、超電導的に短絡されたさらなる電磁コイルによって同軸に囲まれ、これにより動作中に、前記さらなる電磁コイルが、前記第１の磁場よりも大きいさらなる磁場を前記サンプル位置に発生させ、これにより、前記さらなる電磁コイルの存在が、前記第２の超電導電磁コイルの前記位置決めおよび寸法決めについて考慮され、動作中に、少なくとも前記さらなる電磁コイルまたは前記さらなる電磁コイルの部分コイルが、前記第１の電磁コイルを通る電流に対して逆回転方向の超電導持続電流を伝達し、逆のさらなる電磁コイルまたはさらなる部分電磁コイルのない磁石システムの漂遊磁場と比較して前記磁石システムの前記漂遊磁場がさらに減少するようにすることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁石システム。
【請求項６】
前記第２の電磁コイルまたは前記第２の電磁コイルの部分コイルは、動作位置に存在する温度および磁場で、前記さらなる電磁コイルの持続電流強度よりも低い臨界電流強度を有する導体を用いて巻かれ、前記第２の電磁コイルまたは前記第２の電磁コイルの部分コイルは、動作位置に存在する温度および磁場で、前記電源によって供給される前記電流強度よりも低い臨界電流強度を有する導体を用いて巻かれることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁石システム。
【請求項７】
前記第２の電磁コイルが、誘導された補償電流を除いて、動作中に、基本的に電流を伝達しないことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁石システム。
【請求項８】
前記第２の超電導電磁コイルの前記位置決めおよび寸法決めについて、動作中全体において超電導的に短絡されたすべての電流ループの存在が考慮され、前記第２の超電導磁石の前記位置決めおよび寸法決めについて、前記磁石システム内の高電導構造の存在がさらに考慮されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁石システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁石システムを備える核磁気共鳴分光計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高度に安定した磁場をサンプル位置に発生させる磁石システムであって、該磁石システムは第１の超電導電磁コイルと前記第１の電磁コイルに同軸の第２の電磁コイルとを収容する磁石クライオスタットを備え、第２の電磁コイルが、磁石システムの動作中に、超電導持続モードで短絡される磁石システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
このような磁石システムは、米国特許第４，９７４，１１３Ａ号から公知である。
【０００３】
非常に高い磁場を発生させる電磁コイルの最も内側の部分は、別の電源によって別個に駆動されるＨＴＳインサートコイルであり得る。外側のＬＴＳコイルを、通常の持続モードで動作させることができ、またはあるいは、動作中に、同一であり得る電源に接続することができる。ＨＴＳインサートコイル用の別の電源の使用は、とりわけ、ＨＴＳコイルの動作電流をＬＴＳコイルの動作電流と異ならせることができ、かつ電流が電源によって決定されるため、非持続性ＨＴＳ電流回路を完全に損失がないようにする必要がないという利点を有する。しかし、電源は、システムに雑音と不安定性を生じさせ、結果として、このようなシステムは、サンプル位置で高度に安定したドリフトのない磁場を必要とする磁気共鳴の適用には適していない。
【０００４】
米国特許第４，９７４，１１３Ａ号から、超電導の主電磁コイルを使用し、主電磁コイルに誘導結合された超電導閉鎖電流路の形の超電導補償コイルを有する磁石システムが公知である。外部摂動が、第１のコイルによって発生する磁場の振動を生じさせ得る。このような振動を、横断面を通る磁束の変化に誘導的に反応可能な補償コイルによって補償することができる。米国特許第６，３０７，３７０Ｂ１号は、（時間または周波数のそれぞれに応じて）抵抗電流回路（例えば、保護レジスタ）の存在を考慮することのできる、はるかに複雑なシステムを開示する。
【０００５】
一般に、最も高い磁場のためのＮＭＲ磁石は、持続電流モードにおいて直列に共に動作する、入れ子状の、主にソレノイド型の複数の超電導部分コイルから構成される。
【０００６】
現在、超電導持続電流モードで動作する純粋なＮＭＲに適した電磁コイルシステムは、最大２３．５テスラ、すなわち１０００ＭＨｚの陽子周波数で使用可能である。現在入手可能なＬＴＳ材料を使用すると、磁場強度をさらに顕著に増加させることができない。この場合、磁場において臨界超電導電流を上回るからである。安定した均一な方法で、陽子周波数、例えば約１２００ＭＨｚに到達するためには、この状況で、電磁コイルシステムの最も内側部分をＨＴＳ導体から形成しなければならない。
【０００７】
しかし、これまで、ＨＴＳ導体のための超電導継手、特にＮｂＴｉ等のＬＴＳ導体に接続するための超電導継手はない。ＮｂＴｉは、とりわけ、このようなＨＴＳ導体から形成された巻線を用いた電磁コイルの完全設計電流による動作中に、例えば最も高い分解能のＮＭＲ分光計に必要な十分に低い磁場ドリフトを有する超電導持続モードにおいて、高度に安定した動作を可能にするために十分に低い抵抗損失を確実に有する。さらに、ＨＴＳ導体について、導体自体の品質が、必要な長さの導体長において問題をもたらすことがあり、結果として、導体内の欠陥が、十分に低いドリフトを伴う持続動作を妨げることがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、ドリフトする超電導体、または最先端のドリフト補償方法によって補償することができないドリフトを生じさせる継手を持つ超電導体を有するコイルを備えた磁石システムを、このような磁石システムによって高度に安定した磁場を発生させることができるように改良することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、本目的は、動作中に電流リードを介して第１の電磁コイルに電流を供給する外部電源を設けて、電源の電流雑音によって変動する第１の磁場をサンプル位置に発生させることにより、かつ第２の電磁コイルが第１の電磁コイルに誘導結合して、第１の磁場の変動を補償する第２の磁場をサンプル位置に発生させるように、第２の電磁コイルを位置決めし寸法決めすることにより達成される。
【００１０】
第１の電磁コイルは、磁石システムのドリフトする可能性のある部分を表し、本発明によれば、第１の電磁コイルは、好ましくは高度に安定した（例えば１０−７）外部電源によって駆動される。このようにして、導体または継手から生じるドリフトが排除される。しかし、動作中に、電流が電源仕様の限度内で雑音を含む。この雑音は、このように動作される第１の電磁コイルの磁場に伝わる。本発明によれば、第１の電磁コイルに加えて、超電導スイッチを有する超電導補償コイル（第２の電磁コイル）が設けられ、この補償コイルは、動作中に、スイッチによって超電導的に短絡され、動作中に、基本的に電流を伝達しない。補償コイルは、サンプル位置での第１の電磁コイルの磁場変動が補償されるように（例えば、磁石システムの中心に位置するＮＭＲ測定体積の内側に）配置され寸法決めされる。補償は、ドリフトする可能性のある第１の電磁コイルに第２の電磁コイルを誘導結合することにより行われ、第１の電磁コイルに結合された、短絡された第２の超電導電磁コイルが、外部電源の電流変動によって生じる磁束変化に反応する。本発明によれば、第１の電磁コイルへの誘導結合によって第２の電磁コイルに補償電流を発生させて、第１の磁場の変動を電源の変動の範囲を超えて補償するように、第２の電磁コイルの適切な位置および寸法が選択される。このように、高度に安定した磁場がサンプル位置で（および、良好な近似のために、そのすぐ周囲でも）達成され、すなわち、変動が商用電源の変動よりもかなり小さい（好ましくは、数桁、特に１〜３桁小さい）磁場が達成される。このように第２の電磁コイルに誘導された補償電流は、電源電流より何桁も小さい。したがって、補償コイルは、基本的に電流を伝達しない。電流強度は、第１および第２の電磁コイルの層の数によって決まり、単層の補償コイル（第２のコイル）については、電流強度は、電源電流雑音（例えば、電源電流の１０−７）に第１の電磁コイルの層の数（例えば１０〜１００層）を掛けた程度となる。第２の電磁コイルによって発生する磁場（単位電流当たり）は、第２の電磁コイルの層の数にほぼ比例する（そうでなければ、コイルは、概ね同一の形状を有する）。単層の第２の電磁コイルについて、補償電流は、したがって、第１の電磁コイルの電流雑音の約１０〜１００倍である。
【００１１】
電源変動の補償を達成するために、第２の電磁コイルを適切に位置決めおよび寸法決めしなければならない。本発明の補償構成の実施形態の、直ちに明白な例は、ドリフトする可能性のある第１の電磁コイルと共に２本巻きで巻かれた、超電導的に短絡された補償コイルであり、第１および第２のコイルが同一の磁場プロファイルを有するため、第２の電磁コイルが、空間の全体積にわたって不完全電源によって発生する第１の電磁コイルの各変動を補償する。現在使用可能な標準コンピュータプログラムにより、コイル／断面（電磁コイルの公知の形状を有する）の最も複雑な構成についての誘導マトリックスを算出することができるため、例えば米国特許第４，９７４，１１３Ａ号に記載されたような外部磁場摂動の補償に類似した補償コイルの寸法を算出することができる。
【００１２】
第１の電磁コイルの外部電源を使用し、かつ第１の電磁コイルによって発生する磁場変動を補償する第２の電磁コイルを設けることにより、それ自体がドリフトするか、またはドリフトする継手によってのみ短絡し得る超電導体材料（例えば、ＨＴＳ材料）を、第１の電磁コイルのために使用することが可能になる。このようにして、この種の材料の正特性（特に、磁場内の通電容量）を、依然として使用することができる。
【００１３】
第１および第２の電磁コイルを、ｚ軸に同軸に配置することができる。高度に安定した磁場が、ｚに沿っている。サンプル位置は超電導電磁コイル内の（小さな）測定体積を説明しており、この測定体積内に、測定すべきサンプルが導入される（例えば、ＮＭＲ分光法測定のために）。磁石システムは、この体積内に、高度に安定した、均一な磁場を発生させる。サンプル位置は、例えば、磁石システムの幾何学的中心（および、検査すべきサンプルに応じて決まる、幾何学的中心周囲の小領域）であり得る。
【００１４】
好ましくは、第１の電磁コイルおよび第２の電磁コイルが共通のサンプルホルダに配置され、第２の電磁コイルが第１の電磁コイルの半径方向内側に配置され、第１の電磁コイルよりも軸方向に短い。したがって、第２の電磁コイルは、半径方向に最も内側の１または複数の層を形成する。第２の電磁コイルが巻型に巻かれておらず、巻型に内側から取り付けられている構成は、位相的により困難であるが可能でもある。
【００１５】
好ましい実施形態では、第２の電磁コイルがＨＴＳ導体、特にＹＢＣＯ導体（被覆導体）を用いて巻かれる。これにより、第２の電磁コイルを高磁場内に配置することができる。第２の電磁コイルが言及に値するほどの電流を伝達する必要がないため、ＨＴＳ導体の銅安定性を低下させることができ、またはさらに完全になくすことができる。これは、被覆導体（ＹＢＣＯ）を担持する鋼テープにもある程度まで当てはまり、電流の欠如が磁気ローレンツ力の欠如も意味するため、低下させることができる。
【００１６】
本実施形態の第１の有利な修正では、ＨＴＳ導体が切込み付き導体テープの形状であり、切込みがテープの２つの端部間に延びて、連続した閉鎖超電導電流路を生成し、切込みによって分離された導体テープの２つの部分を巻いて第２の電磁コイルを形成し、超電導持続電流が両部分の巻線を同一回転方向にたどるようにする。導体テープの両端部を除いて、切込みはＨＴＳ導体の全長に沿って延び、切込みは、導体テープが切込みを囲む閉鎖ループを形成するようにして形成される。導体テープの部分を巻いて二重コイルにすることができ、切込みにより、コイルを２つの部分コイルに分割する。部分コイルは互いに対して回転および／または移動して、閉鎖ループ内の電流が両部分コイルに同一の回転方向を有するようにする。
【００１７】
有利な代替実施形態では、第２の電磁コイルが、ＬＴＳ導体、特にＮｂ３Ｓｎ導体を用いて巻かれる。第２の電磁コイルのために使用可能なさらなるＬＴＳ材料は、例えばＮｂ３ＧｅまたはＮｂ３Ａｌである。ＬＴＳ材料を、超電導継手またはスイッチのそれぞれにより確実に接続することができる。したがって、第２の電磁コイルを問題なく短絡させることができる。このようなＬＴＳ材料によるコイルは、例えば先行技術のＮＭＲ電磁コイルの最も内側のコイル部分の標準であり、通常、いわゆる「ワインド・アンド・リアクト法」によって製造される。すなわち、プレ導体から形成されたコイルが、ボビンに巻かれた後に、焼鈍炉で長時間熱処理されて、超電導ＬＴＳ導体、例えばＮｂ３Ｓｎが最終的に固体拡散によって形成される。この方法によれば、第２の電磁コイルの１または複数の層をボビンに固定して、第１の（ＨＴＳ）電磁コイルの層を、この第２の電磁コイルの１または複数の層の上に巻くことが好ましい。
【００１８】
特定の実施形態では、第１の超電導電磁コイルが、直列に接続された複数の同軸の第１の部分コイルから構成される。
【００１９】
第２の電磁コイルが、別個にまたは共に超電導的に短絡され、サンプル位置で第１の磁場の変動を共に補償する、複数の同軸の第２の部分コイルを備えることが有利であり得る。
【００２０】
電磁コイルの部分コイルを別のコイルボビンに巻くことができ、継手によって接続することができる。
【００２１】
最も高い安定した磁場強度に到達するために、第１および第２の電磁コイルを、超電導的に短絡されたさらなる電磁コイルによって同軸に囲むことが特に好ましく、これにより動作中に、さらなる電磁コイルが、好ましくは第１の磁場よりも大きいさらなる磁場をサンプル位置に発生させ、これにより、さらなる電磁コイルの存在が、第２の超電導電磁コイル（システム全体の誘導マトリックス）の位置決めおよび寸法決めについて考慮される。この配列では、高い磁場を発生させることのできるコイル（例えばＬＴＳコイル）をさらなるコイルとして使用し、極端に高い磁場において高い通電容量を有するコイル（例えばＨＴＳコイル）を第１の電磁コイルとして使用することができる。このようにして、磁場におけるＬＴＳ導体の通電容量が限られるため、最も高い磁場の発生に追加のＨＴＳ導体が必要であるという事実にもかかわらず、少なくとも最も高い磁場がゼロ電流についての臨界磁場に到達しない限り、最も高い磁場の範囲内においても、第２のコイルを安定させるためにＬＴＳ導体を使用することができる。
【００２２】
本発明の磁石システムが、誘導結合されたコイル（第１、第２の、およびさらなるコイル）のシステムを利用するため、超電導的に短絡された電磁コイル（第２の、およびさらなるコイル）が第１の電磁コイルに結合し、かつ互いに結合して、サンプル位置で磁場を発生させる補償電流による変動に反応する。したがって、サンプル位置で高度に安定した磁場を達成するために、すべてのコイルの継手磁場の寄与が共に変動ゼロを生じさせるように、第２の電磁コイルの寸法決めおよび位置決めが、すべての結合コイルを考慮しなければならない。このために、システム全体の誘導マトリックスを考慮しなければならず、サンプル位置で第２の電磁コイルの電流変化によって生じる磁場をゼロに設定しなければならない。このようなシステムの実際の算出プロセスは、周囲のさらなるコイルとの結合がより弱くなるため、第１の電磁コイルに対する単層補償コイル（第２の電磁コイル）との第１の近似から始めることができる。この簡単な開始システムをその後、修正して最適化することができる。
【００２３】
さらなる電磁コイルを、共に超電導的に短絡された複数の部分コイル（さらなる部分コイル）から構成することができる。
【００２４】
動作中に、少なくともさらなる電磁コイルまたはさらなる電磁コイルの部分コイルが、第１の電磁コイルを通る電流に対して逆回転方向の超電導持続電流を伝達し、逆のさらなる（部分）電磁コイルのない磁石システムの漂遊磁場と比較して磁石システムの漂遊磁場がさらに減少するようにすることが特に好ましい。
【００２５】
逆電流を有するさらなる（部分）コイル（第１の電磁コイルに対して）は、その後、有効漂遊磁場補償として作用する。「漂遊磁場」は、最も外側の電磁コイル（さらなる電磁コイル）よりも半径方向外側の、磁石システムのすべての電磁コイルの全磁場を意味する。個々のコイルの設計および構成が共に最適化されて、良好な近似において全双極子モーメントがゼロであるか、または磁石システムのクライオスタットのすぐ周囲の画定領域外側の磁場が、いずれの場所においても、例えば５ガウス未満になるようにする（「５ガウスライン」）。第１の電磁コイルが電源によって駆動され、独立した短絡がある（第２の、およびさらなる電磁コイル）ため、電流が部分コイルに過度に誘導的に伝達されること（および、関連する部分コイルの破壊の危険）を避けるため、かつ「漂遊磁場フラッシュ」、すなわち誘導電流伝達による大きな漂遊磁場の短期の発生を避けるために、装置全体の安全概念を、したがって、クエンチの場合に適合させなければならない。
【００２６】
好ましくは、第２の電磁コイルまたは第２の電磁コイルの部分コイルが、動作位置に存在する温度および磁場で、さらなる電磁コイルの持続電流強度よりも低い臨界電流強度を有する導体を用いて巻かれる。
【００２７】
本発明の磁石システムの特定の実施形態では、第２の電磁コイルまたは第２の電磁コイルの部分コイルが、動作位置に存在する温度および磁場で、電源によって供給される電流強度よりも低い臨界電流強度を有する導体を用いて巻かれる。
【００２８】
したがって、第２の電磁コイルは、主磁場を発生させる他の電磁コイル（第１およびさらなる電磁コイル）よりもかなり少ない電流を伝達する。
【００２９】
特に好ましい実施形態では、第２の電磁コイルが、誘導された補償電流を除いて、動作中に、基本的に電流を伝達しない。例えば、１０−７の範囲の変動については補償電流が数ｍＡ程度であり、１０６の範囲の変動については、補償電流が数１０ｍＡ程度である。結果として、第２の電磁コイルを（ゼロ電流の）臨界磁場近くに設計することができる。これは不利ではない。それどころか、臨界磁場近くで、第２の電磁コイルは非常に小さな電流のみを伝達することができ、結果として、かなりの電流増加（別のコイル／部分コイルのクエンチ）または電源の故障につながる各大規模摂動により、依然として非常に低い電流で発生するクエンチが直ちに生じるため、ＬＴＳ導体を破壊しない（クエンチ保護）。しかし、このような考察は分離したままにしてはならず、考えられ起こり得るすべての緊急の場合を考慮した、システム全体の、より広くより一般的な保護概念に組み込まなければならない。例えば、第２の電磁コイルは、クエンチ後に、減少する磁場において「回復」し、より大きな電流を伝達することができるようになり、その後、大きな電流の流れによって再びクエンチが生じる。したがって、クエンチの場合には、第２の電磁コイルの超電導スイッチを比較的迅速に開く保護回路を設けるべきである。
【００３０】
空間を節約するために、単層の第２の電磁コイルが特に好ましい。
【００３１】
特に、高磁場の印加は、本発明による磁石システムから利益を得る。したがって、本発明の特に好ましい実施形態は、動作中に、サンプル位置で、２３．５テスラよりも大きい磁場、好ましくは２７テスラよりも大きい磁場を発生させる磁石システムを使用する。
【００３２】
好ましくは、磁石クライオスタットが、サンプル位置を収容しかつ第１および第２の電磁コイルの軸に同軸の室温孔を有する。したがって、サンプルを室温で検査することができる。
【００３３】
好ましくは、第１、第２の、および任意選択的に存在するさらなる超電導電磁コイルが、磁石システムの磁石クライオスタット内にある、動作中に４Ｋ未満の温度を有するヘリウムタンク内に配置される。
【００３４】
この磁石システムの特定の改良では、第１および第２の超電導電磁コイルが熱障壁の下のヘリウムタンクの下部にあり、動作中に４Ｋ未満の温度を有し、電源への電流リードが、４Ｋ超の温度の熱障壁の上のヘリウムタンクの上部を通って案内される。さらなる電磁コイルが設けられる場合、これも同一のヘリウムタンクの下部に配置される。
【００３５】
好ましくは、第２の超電導電磁コイルは、動作中に超電導的に短絡された磁石システムのすべての電流回路の存在を考慮して、その位置および寸法に関して設計される。したがって、第２の超電導電磁コイルの位置決めおよび寸法決めは、個々の電流ループ間の相互作用（すなわち、相互インダクタンスの大きさ）に依存する。
【００３６】
特に正確な補償を達成するために、第２の超電導電磁コイルの位置決めおよび寸法決めが、磁石システム内の高伝導構造の存在をさらに考慮する。「高伝導構造」は、すべての金属製の低温構造、特にコイルボビンおよび防熱板を意味するが、また、非常に低いオーム抵抗を有するコイル部分の保護レジスタの電気回路も意味する。磁場変動によってこれらの構造内それぞれに発生する誘導電流および渦電流を、結合インダクタンス（場合によっては、キャパシタンスでもあり得る）および数値的にシミュレートされた抵抗の回路によって説明することができ、特徴的な摂動または周波数応答それぞれの後の、サンプル位置における磁場の時間的経過が算出され最適化される。これは、例えば、米国特許第６，３０７，３７０Ｂ１号に記載されたようなアルゴリズムを使用することにより、現在の境界条件に適合させて達成することができる。
【００３７】
また、本発明は、前述した磁石システムを備えたＮＭＲ分光計に関する。ＮＭＲ分光計と共に本発明の磁石システムを使用するために、それ自体公知のＮＭＲロックシステムおよび／またはさらなる公知の方法と組み合わせて、ドリフトを補償する必要がある場合に、高分解能ＮＭＲ分光法（ΔＢ／Ｂ＜１０−１０）の要件を達成可能なように、本発明の磁石システムによって発生した磁場を十分に安定させなければならない。
【００３８】
本発明のさらなる利点が、明細書および図面から明らかである。さらに、前述し、さらに後述する特徴を、単独で、または組み合わせて使用することができる。図示し説明する実施形態は、決定的な列挙と理解すべきではなく、むしろ本発明の提示についての例示的な特徴を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１ａ】第１および第２の電磁コイルを有する、本発明による磁石システムのための電磁コイル構成の縦断面図である。
【図１ｂ】図１ａによる電磁コイル構成の回路図である。
【図２ａ】さらなる電磁コイルを有する、本発明による磁石システムのための電磁コイル構成の縦断面図である。
【図２ｂ】図２ａの電磁コイル構成の回路図例である。
【図３】切込み付きテープ導体の形の第２の電磁コイルの巻線技術の実施形態を示す図である。
【図４】図１ａによる電磁コイル構成を有する、本発明による磁石システムの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１ａは、電磁コイルシステムの中心３の周りに同軸に配置された第１の電磁コイル１および第２の電磁コイル２を有する電磁コイル構成を示す。以下で説明する実施形態では、ＨＴＳコイルを第１の電磁コイル１として使用し、ＬＴＳコイルを第２の電磁コイルとして使用する。第１の電磁コイルは、主磁場を発生させる。第１の電磁コイル１によって発生する磁場のドリフトを最小化するために、第１の電磁コイル１は、電流リード８によって第１の電磁コイル１に接続された外部電源４によって動作される（図１ｂ）。したがって、第１の電磁コイル１によって発生する磁場の安定性は、電源４ａｂの安定性によって決まる。動作中、第２の電磁コイル２は、超電導スイッチ９が第２の電磁コイル２のＬＴＳ導体に接続されることにより、それ自体公知の方法で短絡される。第１の電磁コイル１の磁場変動は、非常に小さい補償電流を第２の電磁コイルに誘導する。超電導スイッチ９も大きな電流を伝達する必要がないため、超電導スイッチ９が（単に）確実に動作している、磁場強度を受ける位置、すなわち、必要であれば、従来の電流伝達スイッチの場合よりも第２の電磁コイル２に近い位置で、第２の電磁コイル２のＬＴＳ導体を短絡させることができる。第１の電磁コイル１は、動作中に、高度に安定した電源４により電流が供給されるため、超電導スイッチを必要としない。図１ｂの抵抗２０、２１は、個々の電磁コイル１、２もしくはこれらの部分のそれぞれと超電導スイッチ９とを保護するための保護レジスタまたはダイオードのより複雑な構成が必要な場合を象徴し、表す。
【００４１】
図１ａに示す実施形態では、第１の電磁コイル１が厚いソレノイドとして設計される。本実施形態では、第１の電磁コイル１の磁場雑音が、中心３で、かつ良好な近似のためには、第２の電磁コイル２によってサンプルを収容可能な周囲測定体積５の内側（サンプル位置）でも補償される。第１の電磁コイル１は、第１の電磁コイル１の内側半径ｒ１ｉが第２の電磁コイル２の外側半径ｒ２ａに対応するように、第２の電磁コイル２上に巻かれる。本実施形態では、第２の電磁コイル２はより短い、単層の超電導的に短絡されたソレノイドコイルである。第２の電磁コイル２の設計について、あるパラメータ（ここでは、形状、層の数、材料、第２の電磁コイル２の外側半径ｒ２ａ）をあらかじめ設定し決定することができる。あらかじめ厳密に設定されていないパラメータ（ここでは、第２の電磁コイル２の長さｌ２）を適用することにより、測定体積５内において、電源４の電流変動によって電磁コイル１の内側で生じる磁場変動を補償するように、第２の電磁コイル２を設計することができる。
【００４２】
この場合、単層のソレノイドコイルが第２の電磁コイル２として選択される。コンピュータプログラムにより、磁場変動の補償に必要な第２の電磁コイル２の長さｌ２が算出される。本実施形態が使用する電磁コイル１は、長さｌ１＝４０ｃｍ、内側半径ｒ１ｉ＝５１ｍｍ、外側半径ｒ１ａ＝８３ｍｍであり、４０層のＨＴＳテープ導体（４ｍｍ×０．８ｍｍ）から構成され、１１９．１Ｇ／Ａの磁場振幅および５２０．２ｍＨの自己インダクタンスを有するソレノイドである。第１の電磁コイル１の磁場変動は、以下の特性、すなわち長さｌ２＝３７．８ｃｍ、内側半径ｒ２ｉ＝５０ｍｍ、外側半径ｒ２ａ＝５１ｍｍ、１層のＬＴＳワイヤ（２ｍｍ×１ｍｍ）、６．０７Ｇ／Ａの磁場振幅、０．８５２ｍＨの自己インダクタンスを有する第２の電磁コイル２によって補償することができる。第１の電磁コイル１との相互インダクタンスは、１６．７０６ｍＨである。この構成は、第１の電磁コイル１の磁場変動を完全に補償する。しかし、Ｒ／Ｌ時定数を有する追加の金属部品がある場合（例えばコイルボビン）、結果として生じる遮蔽効果の周波数依存性がある。例として、前記構成について、長さ約５０ｃｍおよび厚さ３ｍｍのコイル支持部を想定する。コイル支持部は、巻線が１本の単層ソレノイドと考えることができる。磁場振幅は数十ミリガウス／Ａ程度であり、自己インダクタンスは数ナノヘンリーの範囲内であり、抵抗は数μオームであり、第１の電磁コイル１との相互インダクタンスは数十μＨの範囲内であり、第２の電磁コイル２との相互インダクタンスは数μＨの範囲内である。１００Ｈｚの周波数で、このようなコイル支持部は、遮蔽を理想値０から約５／１００００まで低下させる。この値は、確実に無視できるものである。しかし、本発明の磁石システムは、例えば、より大きな寄与をもたらす時定数を有する電磁コイル１、２の保護回路（保護レジスタ２０、２１）として、他の部品を備えることもできる。第２の電磁コイル２の補償効果を最適化するために、抵抗部品（コイル支持部、保護レジスタ回路構成等）のこのような（周波数依存）寄与は、第２の電磁コイル２の設計について考慮することができる。
【００４３】
図２ａは、第１の電磁コイル１および動作中に短絡される第２の電磁コイル２が、共通のコイル支持部６に配置される、電磁コイル構成を示す。第１の電磁コイル１および第２の電磁コイル２とは別に、ＬＴＳ材料のさらなる電磁コイル７が設けられ、他の電磁コイル１、２の半径方向外側において、これらに（ｚ軸に対して）同軸に配置される。さらなる電磁コイル７は、動作中に共に超電導的に短絡される複数の部分コイルを備えることができる。
【００４４】
さらなるＬＴＳ電磁コイル７を設けることにより、特に高い磁場を実現することができる。しかし、さらなる電磁コイル７が他の電磁コイル１、２に結合するため、この結合を第２の電磁コイル２の設計について考慮しなければならない。
【００４５】
図２ｂは、本発明による電磁コイルシステムの回路構成を示す。さらなる電磁コイル７は、第１の電磁コイル１を半径方向に囲み、図示した実施形態では、異なる材料から形成可能な４つの部分コイル７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを備える。簡単にするために、断面図において電磁コイル構成の右半分のみが示されていることに注目されたい。部分コイル７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは、さらなる電磁コイルから軸方向距離を置いて配置された超電導スイッチ１９を介して、直列に共に短絡される。最も外側の部分コイル７ｄは、第１の電磁コイル１およびさらなる電磁コイル７の内側部分コイル７ａ、７ｂ、７ｃを通る電流と比較して逆回転方向の持続超電導電流を伝達し、その結果、遮蔽コイルとして作用する。部分コイル７ｄは、磁石システム１０の漂遊磁場を減少させるように、または逆電流を有する部分コイル７ｄのない磁石システムの漂遊磁場と比較してかなりの程度まで漂遊磁場を補償するように寸法決めされる。
【００４６】
第１の電磁コイル１は保護レジスタ１によって保護される。部分コイル７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは、保護抵抗回路網２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄによって共に保護される。保護レジスタ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２１および連結電流路の存在は、好ましくは、第２の電磁コイル２の設計について考慮される。
【００４７】
図３に示すように、第２の電磁コイル２を切込み付き超電導体テープ１５から形成することができる。切込みは、超電導体テープ１５の両端部１６ａ、１６ｂ間で縦軸に沿って延び、超電導体テープ１５を２つの部分テープ１７ａ、１７ｂに分割する。超電導体テープ１５の端部１６ａ、１６ｂはそれぞれ、切込みのない、両部分テープ７ａ、１７ｂ間の接続部として機能する範囲を有し、切込み付き超電導体テープ１５が閉鎖ループを形成する。部分テープ１７ａ、１７ｂをそれぞれ巻いて部分コイル１８ａ、１８ｂを形成し、例えばパンケーキ（図示したように）コイルまたは好ましくはソレノイドコイルにする。部分コイル１８ａ、１８ｂが互いに対して傾斜されて、両部分コイル１８ａ、１８ｂが電流を同一回転方向に伝達するようにする。超電導体テープ１５の端部１６ａを、例えばヒータ巻線によって常伝導状態に移すことができ、この端部１６ａは超電導スイッチ９として作用させることができる。
【００４８】
図４は、クライオスタット１１内側のヘリウムタンク１２を有する、本発明による磁石システム１０を示す。電磁コイル（ここでは、第１および第２の電磁コイル１、２）は４Ｋ未満の温度を有するヘリウムタンク１２の下部に配置され、この下部は、熱障壁１３によってヘリウムタンク１２の上部から分離される。電流リード８は、上部を介して電源４につながる。磁石システム１０は室温孔１４を有し、この室温孔１４内に、サンプルを測定するよう位置決めすることができる。
【００４９】
ＬＴＳ部分およびＨＴＳ部分への前述した分離は強制的なものではない。第１の電磁コイルが、コイル電流を伝達可能であるが超電導持続モードではドリフトのある導体を使用する（使用しなければならない）いかなる状況にも、本発明をうまく適用することができる。これは、単に、ドリフトが十分に低い超電導持続モードで使用可能であり、かつ（ゼロ電流について）高磁場で（単なる）超電導のまま留まる、関連するさらなる導体を使用することができないからである。例えば良好な継手が全電流まで作動しない場合に備えて、導体が同一のＨＴＳ導体であってもよい。本発明を、ドリフトおよび摂動補償、ならびにクエンチの場合の電磁コイル構成および周囲の保護についてのそれ自体公知の方法と、有利に組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  第１の電磁コイル
２  第２の電磁コイル
３  電磁コイル構成の中心
４  電源
５  測定体積
６  コイル支持部
７  さらなる電磁コイル
７ａ、ｂ、ｃ、ｄ  さらなる電磁コイルの部分コイル
８  電流リード
９  第２の電磁コイルの超電導スイッチ
１０  磁石システム
１１  クライオスタット
１２  ヘリウムタンク
１３  熱障壁
１４  室温孔
１５  超電導体テープ
１６ａ、ｂ  超電導体テープの端部
１７ａ、ｂ  部分テープ
１８ａ、ｂ  部分コイル
１９  さらなる電磁コイルの超電導スイッチ
２０ａ、ｂ、ｃ、ｄ  さらなる電磁コイルの保護レジスタ
２１  第１の電磁コイルの保護レジスタ
ｒ１ａ  第１の電磁コイルの外側半径
ｒ１ｉ  第１の電磁コイルの内側半径
ｒ２ａ  第２の電磁コイルの外側半径
ｒ２ｉ  第２の電磁コイルの内側半径
ｌ１  第１の電磁コイルの長さ
ｌ２  第２の電磁コイルの長さ
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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2014068001000002.pdf
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