(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細長い側壁であって、前記細長い側壁は、離間された端部間において中心軸に沿って延在し、前記中心軸を囲み、前記中心軸は、前記離間された端部からほぼ等距離にある中心点を備えている、細長い側壁と、
前記細長い側壁に沿って延在し、前記細長い側壁に一致している伝導性コイルであって、前記伝導性コイルは、前記中心軸上に中心を置かれた複数の連続したループを備え、前記複数の連続したループは、前記中心軸に沿って非均一であるループ間隔を有し、実質的最大間隔値をほぼ前記中心点において有している、伝導性コイルと、
前記離間された端部の間かつ前記複数の連続したループのうちの連続した対の間における、前記細長い側壁における少なくとも１つの開口部と
を備える、磁気ソレノイド。
【請求項２】
前記ループ間隔は、前記中心軸の中心点について実質的に対称である、請求項１に記載の磁気ソレノイド。
【請求項３】
前記ループ間隔は、ほぼ前記離間された端部において実質的最小間隔値を有している、請求項２に記載の磁気ソレノイド。
【請求項４】
前記ループ間隔は、以下の式によって定義され、
【数４】
0005876145.tif 000013
式中、Ｚｃは、前記中心軸の中心点から前記複数の連続したループのうちの所与の１つまでの前記中心軸に沿った距離であり、
Ｌｅｎｇｔｈは、前記離間された端部間の前記磁気ソレノイドの総長であり、
Ｎは、前記複数の連続したループの総数であり、
Ｅは、前記式の指数項を定義する定数であり、
Ｄは、前記複数の連続したループのうちの所与の１つに関連付けられたループ番号であり、
【化２−１】
0005876145.tif 000014
から
【化２−２】
0005876145.tif 000015
までのある単位の段階によって定義される、
請求項１に記載の磁気ソレノイド。
【請求項５】
前記少なくとも１つの開口部は、垂直軸が前記少なくとも１つの開口部を通過するような前記細長い側壁内の位置に位置し、前記垂直軸は、前記中心軸に垂直であり、前記離間された端部に対して前記中心軸を二等分する、請求項１に記載の磁気ソレノイド。
【請求項６】
前記磁気ソレノイドは、少なくとも部分的に前記ループ間隔に基づいて、前記磁気ソレノイドの内部体積内の３次元空間における各点に対して実質的に均一な磁場を発生するように構成されている、請求項１に記載の磁気ソレノイド。
【請求項７】
前記細長い側壁は、複合式によって定義される半径を有し、前記複合式は、前記中心軸に沿った位置の関数として前記半径を変化させる、請求項１に記載の磁気ソレノイド。
【請求項８】
前記複合式は、実質的に均一な磁場の軸沿いの均一性に影響を及ぼす第１の演算数と、実質的に均一な磁場の軸外の均一性に影響を及ぼす第２の演算数とを備えている、請求項７に記載の磁気ソレノイド。
【請求項９】
前記複合式は、
前記中心軸に沿った前記磁気ソレノイドの中点における前記半径を定義する第１の演算数と、
第１の演算数から減算される指数関数である第２の演算数と、
第１の演算数に加算される指数関数である第３の演算数と
を備え、
前記第２および第３の演算数は、互に反対に作用し、前記中点から前記磁気ソレノイドの長さに沿って前記半径を変化させる、請求項７に記載の磁気ソレノイド。
【請求項１０】
請求項１に記載の磁気ソレノイドを備えているジャイロスコープシステムであって、前記ジャイロスコープシステムは、前記磁気ソレノイドの内部体積内に取り囲まれているジャイロスコープセルを備えている、ジャイロスコープシステム。
【請求項１１】
細長い側壁であって、前記細長い側壁は、離間された端部間において中心軸に沿って延在し、前記中心軸を囲み、前記中心軸は、前記離間された端部からほぼ等距離にある中心点を備えている、細長い側壁と、
前記細長い側壁に沿って延在し、前記細長い側壁に一致している伝導性コイルであって、前記伝導性コイルは、前記中心軸上に中心を置かれた複数の連続したループを備え、前記複数の連続したループは、前記中心軸に沿って非均一であるループ間隔を有し、前記ループ間隔は、前記磁気ソレノイドが、少なくとも部分的に前記ループ間隔に基づいて、磁気ソレノイドの内部体積内の３次元空間における各点に対して実質的に均一な磁場を発生するように構成されるように、前記中心軸の中心点について実質的に対称であり、実質的最大間隔値をほぼ前記中心点に有し、実質的最小間隔値をほぼ前記離間された端部に有している、伝導性コイルと、
前記離間された端部の間かつ前記複数の連続したループのうちの連続した対の間における、前記細長い側壁における少なくとも１つの開口部と
を備える、磁気ソレノイド。
【請求項１２】
前記ループ間隔は、以下の式によって定義され、
【数５】
0005876145.tif 000016
式中、Ｚｃは、前記中心軸の中心点から前記複数の連続したループのうちの所与の１つまでの前記中心軸に沿った距離であり、
Ｌｅｎｇｔｈは、前記離間された端部間の前記磁気ソレノイドの総長であり、
Ｎは、前記複数の連続したループの総数であり、
Ｅは、前記式の指数項を定義する定数であり、
Ｄは、前記複数の連続したループのうちの所与の１つに関連付けられたループ番号であり、
【化３−１】
0005876145.tif 000017
から
【化３−２】
0005876145.tif 000018
までのある単位の段階によって定義される、
請求項１１に記載の磁気ソレノイド。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの開口部は、垂直軸が前記少なくとも１つの開口部を通過するような前記細長い側壁内の位置に位置し、前記垂直軸は、前記中心軸に垂直であり、前記離間された端部に対して前記中心軸を二等分する、請求項１１に記載の磁気ソレノイド。
【請求項１４】
細長い側壁であって、前記細長い側壁は、離間された端部間において中心軸に沿って延在し、前記中心軸を囲み、前記中心軸は、前記離間された端部からほぼ等距離にある中心点を備え、前記細長い側壁は、複合式によって定義される半径を有し、前記複合式は、前記中心軸に沿った位置の関数として前記半径を変化させる、細長い側壁と、
前記細長い側壁に沿って延在し、前記細長い側壁に一致している伝導性コイルであって、前記伝導性コイルは、前記中心軸上に中心を置かれた複数の連続したループを備え、前記複数の連続したループは、前記中心軸に沿って非均一であるループ間隔を有し、実質的最大間隔値をほぼ前記中心点において有し、前記磁気ソレノイドは、前記連続したループ間隔および前記細長い側壁の幾何学形状に基づいて、前記磁気ソレノイドの内部体積内の３次元空間における各点に対して実質的に均一な磁場を発生させるように構成されている、伝導性コイルと、
前記離間された端部の間かつ前記複数の連続したループのうちの連続した対の間における、前記細長い側壁における少なくとも１つの開口部と
を備える、磁気ソレノイド。
【請求項１５】
前記複合式は、実質的に均一な磁場の軸沿いの均一性に影響を及ぼす第１の演算数と、実質的に均一な磁場の軸外の均一性に影響を及ぼす第２の演算数とを備えている、請求項１４に記載の磁気ソレノイド。
【請求項１６】
前記第１の演算数は、前記半径に関し、前記中心軸によって二等分される短軸を有する実質的楕円関数を備え、前記第２の演算数は、前記離間された端部において前記半径を中心軸から外側に広げる指数関数を備えている、請求項１５に記載の磁気ソレノイド。
【請求項１７】
前記複合式は、
前記中心軸に沿った前記磁気ソレノイドの中点における前記半径を定義する第１の演算数と、
第１の演算数から減算される指数関数である第２の演算数と、
第１の演算数に加算される指数関数である第３の演算数と
を備え、
前記第２および第３の演算数は、互に反対に作用し、前記中点から前記磁気ソレノイドの長さに沿って前記半径を変化させる、請求項１４に記載の磁気ソレノイド。
【請求項１８】
前記連続したループ間隔は、前記中心軸の中心点について実質的に対称であり、実質的最大間隔値をほぼ前記中心点に有し、実質的最小間隔値をほぼ前記離間された端部に有している、請求項１４に記載の磁気ソレノイド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、米国特許出願第１３／１６５，０２３号（２０１１年６月２１日出願）を基礎とする優先権を主張する。該出願は、米国特許出願第１２／３６４，１８９号（２００９年２月２日出願）を基礎とする優先権を主張する一部継続出願であり、その主題は、その全体が参照により本明細書に引用される。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、概して、磁気デバイスシステムに関し、具体的には、実質的に均一な磁場を発生させるための磁気ソレノイドに関する。
【背景技術】
【０００３】
磁気ソレノイドは、磁気ソレノイドの内部体積内等において、磁場を発生させる種々の用途のために実装可能である。実施例として、磁気ソレノイドは、磁気ソレノイドの内部体積内に位置する核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ等のジャイロスコープのために、磁場を発生させ、希ガス同位体の歳差運動を誘発させるように実装可能である。実施例として、磁気ソレノイドは、円筒形幾何学形状を伴って構成される、伝導性コイルから形成可能である。ＮＭＲジャイロスコープ用途等、磁気ソレノイドが意図される用途に応じて、磁気ソレノイドの内部体積全体を通して、実質的に均一である、磁場を発生させることが望ましいであろう。しかしながら、伝導性コイルの円筒形構成は、円筒形構成の端部近傍において、および円筒形構成の中心軸から軸外にある点において等、磁場の容認可能でない非均一性をもたらす可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一実施形態は、磁気ソレノイドを含む。磁気ソレノイドは、離間された端部間に延在する、細長い側壁を含む。細長い側壁は、側壁に沿って縦方向に延在する、中心軸を囲むことができる。細長い側壁は、中心軸に沿った位置の関数として、半径を変化させる複合式によって定義される半径を有することが可能である。
【０００５】
本発明の別の実施形態は、磁気ソレノイドを含む。磁気ソレノイドは、離間された端部間に延在する、細長い側壁を含む。細長い側壁は、側壁に沿って縦方向に延在する、中心軸を囲むことができる。細長い側壁は、実質的に均一な磁場の軸沿いの均一性に影響を及ぼす第１の演算数と、実質的に均一な磁場の軸外の均一性に影響を及ぼす第２の演算数とを有する複合式によって定義される半径を有することができることによって、実質的に均一な磁場が、導体コイルによって取り囲まれる内部体積内の３次元空間における各点に対して、実質的に均一な大きさおよび方向を有する。
【０００６】
本発明のさらに別の実施形態は、磁気ソレノイドによって取り囲まれる内部体積内に実質的に均一な磁場を提供するように構成される磁気ソレノイドを含む。磁気ソレノイドは、中心軸を中心とする磁気ソレノイドの半径が実質的に楕円である中心部分を含む。楕円短軸は、中心軸に垂直な平面上にある。また、磁気ソレノイドは、導体コイルの半径が中心軸から外側に広がる、相互に対向する第１および第２の端部部分を含む。
【０００７】
本発明のさらなる実施形態は、磁気ソレノイドを含む。磁気ソレノイドは、離間された端部間において、中心軸沿って延在し、中心軸を囲む細長い側壁を含む。中心軸は、離間された端部からほぼ等距離にある中心点を含むことができる。磁気ソレノイドはまた、細長い側壁に沿って延在し、かつそれに一致する伝導性コイルを含み、中心軸上に中心を置かれた複数の連続したループを備えている。複数の連続したループは、中心軸に沿って非均一であり、ほぼ中心点において、実質的最大間隔値を有する、連続したループ間隔を有することができる。
【０００８】
本発明の別のさらなる実施形態は、磁気ソレノイドを含む。磁気ソレノイドは、離間された端部間において、中心軸沿って延在し、中心軸を囲む細長い側壁を含む。中心軸は、離間された端部からほぼ等距離にある中心点を含むことができる。磁気ソレノイドはまた、細長い側壁に沿って延在し、かつそれに一致する伝導性コイルを含み、中心軸上に中心を置かれた複数の連続したループを備えている。複数の連続したループは、中心軸に沿って非均一である連続したループ間隔を有することができる。連続したループ間隔は、磁気ソレノイドが、少なくとも部分的に連続したループ間隔に基づいて、磁気ソレノイドの内部体積内の３次元空間における各点に対して実質的に均一な磁場を発生させるように構成されるように、中心軸の中心点について実質的に対称であり、実質的最大間隔値をほぼ中心点に有し、実質的最小間隔値をほぼ離間された端部に有することができる。
【０００９】
本発明のさらに別のさらなる実施形態は、離間された端部間において、中心軸沿って延在し、中心軸を囲む細長い側壁を含み、中心軸は、離間された端部からほぼ等距離にある中心点を備えている。細長い側壁は、中心軸に沿った位置の関数として半径を変化させる複合式によって定義される半径を有することができる。磁気ソレノイドはまた、細長い側壁に沿って延在し、かつそれに一致する伝導性コイルを含み、中心軸上に中心を置かれた複数の連続したループを備えている。複数の連続したループは、中心軸に沿って非均一である連続したループ間隔を有することができ、実質的最大間隔値をほぼ中心点に有することができる。磁気ソレノイドは、連続したループ間隔および細長い側壁の幾何学形状に基づいて、磁気ソレノイドの内部体積内の３次元空間における各点に対して実質的に均一な磁場を発生させるように構成することができる。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
細長い側壁であって、上記細長い側壁は、離間された端部間において中心軸に沿って延在し、上記中心軸を囲み、上記中心軸は、上記離間された端部からほぼ等距離にある中心点を備えている、細長い側壁と、
上記細長い側壁に沿って延在し、上記細長い側壁に一致している伝導性コイルと
を備え、
上記伝導性コイルは、上記中心軸上に中心を置かれた複数の連続したループを備え、上記複数の連続したループは、上記中心軸に沿って非均一であるループ間隔を有し、実質的最大間隔値をほぼ上記中心点において有している、磁気ソレノイド。
（項目２）
上記ループ間隔は、上記中心軸の中心点について実質的に対称である、項目１に記載の磁気ソレノイド。
（項目３）
上記ループ間隔は、ほぼ上記離間された端部において実質的最小間隔値を有している、項目２に記載の磁気ソレノイド。
（項目４）
上記ループ間隔は、以下の式によって定義され、
【数４】
0005876145.tif 000002
式中、Ｚｃは、上記中心軸の中心点から上記複数の連続したループのうちの所与の１つまでの上記中心軸に沿った距離であり、
Ｌｅｎｇｔｈは、上記離間された端部間の上記磁気ソレノイドの総長であり、
Ｎは、上記複数の連続したループの総数であり、
Ｅは、上記式の指数項を定義する定数であり、
Ｄは、上記複数の連続したループのうちの所与の１つに関連付けられたループ番号であり、
【化２−１】
0005876145.tif 000003
から
【化２−２】
0005876145.tif 000004
までのある単位の段階によって定義される、
項目１に記載の磁気ソレノイド。
（項目５）
上記離間された端部の間かつ上記複数の連続したループのうちの連続した対の間で、上記細長い側壁において少なくとも１つの開口部をさらに備えている、項目１に記載の磁気ソレノイド。
（項目６）
上記少なくとも１つの開口部は、垂直軸が上記少なくとも１つの開口部を通過するような上記細長い側壁内の位置に位置し、上記垂直軸は、上記中心軸に垂直であり、上記離間された端部に対して上記中心軸を二等分する、項目５に記載の磁気ソレノイド。
（項目７）
上記磁気ソレノイドは、少なくとも部分的に上記ループ間隔に基づいて、上記磁気ソレノイドの内部体積内の３次元空間における各点に対して実質的に均一な磁場を発生するように構成されている、項目１に記載の磁気ソレノイド。
（項目８）
上記細長い側壁は、複合式によって定義される半径を有し、上記複合式は、上記中心軸に沿った位置の関数として上記半径を変化させる、項目１に記載の磁気ソレノイド。
（項目９）
上記複合式は、実質的に均一な磁場の軸沿いの均一性に影響を及ぼす第１の演算数と、実質的に均一な磁場の軸外の均一性に影響を及ぼす第２の演算数とを備えている、項目８に記載の磁気ソレノイド。
（項目１０）
上記複合式は、
上記中心軸に沿った上記磁気ソレノイドの中点における上記半径を定義する第１の演算数と、
第１の演算数から減算される指数関数である第２の演算数と、
第１の演算数に加算される指数関数である第３の演算数と
を備え、
上記第２および第３の演算数は、互に反対に作用し、上記中点から上記磁気ソレノイドの長さに沿って上記半径を変化させる、項目８に記載の磁気ソレノイド。
（項目１１）
項目１に記載の磁気ソレノイドを備えているジャイロスコープシステムであって、上記ジャイロスコープシステムは、上記磁気ソレノイドの内部体積内に取り囲まれているジャイロスコープセルを備えている、ジャイロスコープシステム。
（項目１２）
細長い側壁であって、上記細長い側壁は、離間された端部間において中心軸に沿って延在し、上記中心軸を囲み、上記中心軸は、上記離間された端部からほぼ等距離にある中心点を備えている、細長い側壁と、
上記細長い側壁に沿って延在し、上記細長い側壁に一致している伝導性コイルと
を備え、
上記伝導性コイルは、上記中心軸上に中心を置かれた複数の連続したループを備え、上記複数の連続したループは、上記中心軸に沿って非均一であるループ間隔を有し、上記ループ間隔は、上記磁気ソレノイドが、少なくとも部分的に上記ループ間隔に基づいて、磁気ソレノイドの内部体積内の３次元空間における各点に対して実質的に均一な磁場を発生するように構成されるように、上記中心軸の中心点について実質的に対称であり、実質的最大間隔値をほぼ上記中心点に有し、実質的最小間隔値をほぼ上記離間された端部に有している、磁気ソレノイド。
（項目１３）
上記ループ間隔は、以下の式によって定義され、
【数５】
0005876145.tif 000005
式中、Ｚｃは、上記中心軸の中心点から上記複数の連続したループのうちの所与の１つまでの上記中心軸に沿った距離であり、
Ｌｅｎｇｔｈは、上記離間された端部間の上記磁気ソレノイドの総長であり、
Ｎは、上記複数の連続したループの総数であり、
Ｅは、上記式の指数項を定義する定数であり、
Ｄは、上記複数の連続したループのうちの所与の１つに関連付けられたループ番号であり、
【化３−１】
0005876145.tif 000006
から
【化３−２】
0005876145.tif 000007
までのある単位の段階によって定義される、
項目１２に記載の磁気ソレノイド。
（項目１４）
上記離間された端部の間かつ上記複数の連続したループのうちの連続した対の間で、上記細長い側壁において少なくとも１つの開口部をさらに備えている、項目１２に記載の磁気ソレノイド。
（項目１５）
上記少なくとも１つの開口部は、垂直軸が上記少なくとも１つの開口部を通過するような上記細長い側壁内の位置に位置し、上記垂直軸は、上記中心軸に垂直であり、上記離間された端部に対して上記中心軸を二等分する、項目１４に記載の磁気ソレノイド。
（項目１６）
細長い側壁であって、上記細長い側壁は、離間された端部間において中心軸に沿って延在し、上記中心軸を囲み、上記中心軸は、上記離間された端部からほぼ等距離にある中心点を備え、上記細長い側壁は、複合式によって定義される半径を有し、上記複合式は、上記中心軸に沿った位置の関数として上記半径を変化させる、細長い側壁と、
上記細長い側壁に沿って延在し、上記細長い側壁に一致している伝導性コイルと
を備え、
上記伝導性コイルは、上記中心軸上に中心を置かれた複数の連続したループを備え、上記複数の連続したループは、上記中心軸に沿って非均一であるループ間隔を有し、実質的最大間隔値をほぼ上記中心点において有し、上記磁気ソレノイドは、上記連続したループ間隔および上記細長い側壁の幾何学形状に基づいて、上記磁気ソレノイドの内部体積内の３次元空間における各点に対して実質的に均一な磁場を発生させるように構成されている、磁気ソレノイド。
（項目１７）
上記複合式は、実質的に均一な磁場の軸沿いの均一性に影響を及ぼす第１の演算数と、実質的に均一な磁場の軸外の均一性に影響を及ぼす第２の演算数とを備えている、項目１６に記載の磁気ソレノイド。
（項目１８）
上記第１の演算数は、上記半径に関し、上記中心軸によって二等分される短軸を有する実質的楕円関数を備え、上記第２の演算数は、上記離間された端部において上記半径を中心軸から外側に広げる指数関数を備えている、項目１７に記載の磁気ソレノイド。
（項目１９）
上記複合式は、
上記中心軸に沿った上記磁気ソレノイドの中点における上記半径を定義する第１の演算数と、
第１の演算数から減算される指数関数である第２の演算数と、
第１の演算数に加算される指数関数である第３の演算数と
を備え、
上記第２および第３の演算数は、互に反対に作用し、上記中点から上記磁気ソレノイドの長さに沿って上記半径を変化させる、項目１６に記載の磁気ソレノイド。
（項目２０）
上記連続したループ間隔は、上記中心軸の中心点について実質的に対称であり、実質的最大間隔値をほぼ上記中心点に有し、実質的最小間隔値をほぼ上記離間された端部に有している、項目１６に記載の磁気ソレノイド。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明のある側面による、磁気ソレノイドの斜視図の実施例を例証する。
【図２】図２は、本発明のある側面による、軸沿磁場を実証する、グラフの実施例を例証する。
【図３】図３は、本発明のある側面による、軸外磁場を実証する、グラフの実施例を例証する。
【図４】図４は、本発明のある側面による、ジャイロスコープシステムの実施例を例証する。
【図５】図５は、本発明のある側面による、磁気ソレノイドの略図の実施例を例証する。
【図６】図６は、本発明のある側面による、磁気ソレノイドのさらに別の実施例を例証する。
【図７】図７は、本発明のある側面による、ジャイロスコープシステムの別の実施例を例証する。
【図８】図８は、本発明のある側面による、磁気ソレノイドのさらなる実施例を例証する。
【図９】図９は、本発明のある側面による、軸沿磁場を実証するグラフの実施例を例証する。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、概して、磁気デバイスシステムに関し、具体的には、実質的に均一な磁場を発生させるための磁気ソレノイドに関する。磁気ソレノイドは、中心軸を中心とする半径を有する伝導性コイルを含むことができ、半径は、中心軸に沿った各点において複合式によって定義される。実施例として、複合式は、第１の演算数を有することができ、第１の演算数は、中心軸に沿った磁気ソレノイドの中点において伝導性コイルの半径を定義する短軸を有する楕円関数または円関数であり得る。第１の演算数は、長さに沿って可変半径の伝導性コイルを有する磁気ソレノイドの丸い形の中心部分を定義可能であり、半径は、中心軸に沿った磁気ソレノイドの中点において最大値を有する。したがって、第１の演算数は、磁気ソレノイドの内部体積内に、磁場の軸沿いの均一性を提供するためのその支配的影響において有効であることが可能である。また、複合式は、例えば、指数、放物線、または双曲線関数のうちの１つであり得る、第２の演算数を有することができる。第２の演算数は、磁気ソレノイドの各端部において、中心軸から離れる伝導性コイルの半径の広がりを定義可能である。したがって、第２の演算数は、磁気ソレノイドの内部体積内に、磁場の軸外の（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）均一性を提供するためその支配的影響において有効であることができる。したがって、磁気ソレノイドは、中心軸に沿った磁気ソレノイドの中点における平面について実質的に対称であることができる。
【００１２】
別の実施例として、複合式は、３つの演算数を有することができる。第１の演算数は、中心軸に沿った磁気ソレノイドの中点において、半径を定義可能である。第２および第３の演算数は、各々、指数関数であることができる。第２および第３の演算数は、各々、事前に選択された定数を含み、中心軸に沿って、磁気ソレノイドの中点からの距離の関数として変化する大きさを有することができる。実施例として、第２の演算数は、第１の演算数から減算可能であり、第３の演算数は、第１の演算数に加算可能である。したがって、第２および第３の演算数は、中心軸に沿って半径を変化させることによって、長さに沿って伝導性コイルの可変半径を有する磁気ソレノイドの丸い形の中心部分を定義し、磁気ソレノイドの各端部において中心軸から離れる伝導性コイルの半径の広がりを定義するように選択され得る。
【００１３】
さらに別の実施例として、磁気ソレノイドは、側壁に沿って延在し、かつそれに一致し、中心軸上に中心を置かれた複数の連続したループを備えている、伝導性コイルを有することができる。連続したループは、中心軸に沿って非均一である連続したループ間隔を有することができ、最大間隔値をほぼ中心点に有することができる。例えば、連続したループ間隔は、磁気ソレノイドの長さに対する中心点について対称であることができる。磁気ソレノイドの非均一ループ間隔の結果、磁気ソレノイドは、細長い側壁の内部体積内に実質的に均一な磁場を有することができる。加えて、磁気ソレノイドは、内部体積内に実質的に均一な磁場を達成するために、ソレノイドの長さに沿った可変半径と、非均一ループ間隔の両方を組み込むことができる。
【００１４】
図１は、本発明のある側面による、磁気ソレノイド１０の斜視図の実施例を例証する。実施例として、磁気ソレノイド１０は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ用途における等、磁場を利用する種々の用途のいずれかに実装可能である。図１の実施例では、磁気ソレノイド１０は、側面図１２および等角図１４に実証される。磁気ソレノイド１０は、コイル形態１６を含み、コイル形態１６の周囲に、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内に実質的に均一な磁場を発生させるように構成される伝導性コイル（図示せず）が巻かれる。実施例として、コイル形態１６は、場均一性を向上させる役割を果たす、磁気遮蔽材料（図示せず）内に内包可能である。例えば、磁気遮蔽材料は、地球の自然磁場等の外部場によって、または人工源から生じる場変動を低減可能である。別の実施例として、適切に設計かつ構築された高透磁率磁気遮蔽は、反射像場を通して、磁気ソレノイド１０によって発生される磁場の均一性を大幅に向上させることができる。伝導性コイルは、コイル形態１６の外径（ＯＤ）に一致する、中心軸２０を中心とした半径を有することができる。したがって、内部体積１８内に発生される磁場は、コイル形態１６の周囲の伝導性コイルの半径に基づいて、内部体積１８内の各点において、実質的に均一な大きさを有する。
【００１５】
伝導性コイルの半径は、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の中心軸２０に沿った各点において、複合式によって定義可能である。本明細書に説明されるように、複合式は、各々が少なくとも１つの変数を含む２つ以上の演算数によって定義される解を有する式として定義される。したがって、複合式は、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の中心軸２０に沿った各点において、半径を定義するので、複合式の各演算数は、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の中心軸２０に沿った各点の場所である変数を含む。
【００１６】
実施例として、複合式の第１の演算数は、中心軸２０に沿った磁気ソレノイドの中点において伝導性コイルの半径を定義する短軸を有する円または楕円関数であることができる。複合式の第２の演算数は、磁気ソレノイド１０の各端部において、中心軸２０から離れる伝導性コイルの半径の広がりを定義する指数、放物線、または双曲線関数であることができる。別の実施例として、複合式の第１の演算数は、中心軸２０に沿った磁気ソレノイドの中点１０において、半径を定義可能である。複合式の第２および第３の演算数は、中心軸２０に沿った磁気ソレノイド１０の中点からの距離の関数として変化し、反対に作用する加算および減算効果を有するような指数関数であることができる。
【００１７】
実施例として、伝導性コイルの半径Ｒを定義する複合式は、Ｒ＝（第１の演算数）＋（第２の演算数）として表すことができる。具体的には、複合式の一実施例は、以下のように表すことができる。
【数１】
0005876145.tif 000008
【００１８】
式中、ＭｉｎｏｒＡｘｉｓは、複合式の楕円部分の短軸の寸法であり、
ＭａｊｏｒＡｘｉｓは、複合式の楕円部分の長軸の寸法であり、
Ｚは、磁気ソレノイド１０の第１の端部に対する中心軸２０に沿った距離であり、
Ｍｉｄｐｏｉｎｔは、磁気ソレノイド１０の第１の端部から中心軸２０に沿った磁気ソレノイド１０の中点までの中心軸２０に沿った距離であり、
Ａ、Ｂ、およびＣは、複合式の指数関数部分を定義する定数である。
したがって、第１の演算数は、式１において、楕円関数に対応するものとして実証され、第２の演算数は、式１において、指数関数に対応するものとして実証される。定数である、ＭｉｎｏｒＡｘｉｓ、ＭａｊｏｒＡｘｉｓ、Ａ、Ｂ、およびＣの大きさは、磁気ソレノイド１０の所望の寸法および磁場特性を達成するように設定可能であることを理解されたい。
【００１９】
図１の実施例では、磁気ソレノイド１０は、磁気ソレノイド１０の周縁の周囲の線２２によって実証されるように、中心軸２０に沿って、磁気ソレノイド１０の中点における平面について、実質的に対称であるものとして実証される。磁気ソレノイド１０は、中心部分２４と、第１の端部部分２６と、第１の端部部分２６に対向する、第２の端部部分２８とを含む。図１の実施例では、中心部分２４における伝導性コイルの半径は、主に、式１の第１の演算数によって、大きく支配されることができる。したがって、中心部分２４における伝導性コイルの半径は、実質的に楕円であり、規定される楕円の短軸は、対称平面２２と同一平面上にある。したがって、中心部分２４では、対称平面２２から離れる中心軸２０に沿った各方向において、伝導性コイルの半径は、中心軸２０に向かって、内側に傾斜する。端部部分２６および２８の各々において、伝導性コイルの半径は、式１の第２の演算数によって大きく支配される。したがって、伝導性コイルの半径は、第１および第２の端部部分２６ならびに２８では、対称平面２２から離れる中心軸２０に沿った点において、中心軸２０から外側に半径方向に広がる。
【００２０】
式１の第１の演算数（すなわち、楕円関数）は、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の磁場の実質的に均一な軸沿の大きさを提供するように設定可能である。具体的には、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の磁場は、式１の第１の演算数の特性（例えば、ＭａｊｏｒＡｘｉｓおよびＭｉｎｏｒＡｘｉｓ）に基づいて、中心軸２０に沿って実質的に均一であることができる。加えて、式１の第１の演算数の特性（例えば、ＭａｊｏｒＡｘｉｓおよびＭｉｎｏｒＡｘｉｓ）もまた、磁気ソレノイド１０の物理的寸法（すなわち、長さおよび幅）を定義するように設定可能である。反対に、式１の第２の演算数（すなわち、指数関数）は、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の磁場の実質的に均一な軸外（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）の大きさを提供するように設定可能である。具体的には、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の磁場は、式１の第２の演算数の特性（例えば、定数Ａ、Ｂ、およびＣ）に基づいて、中心軸２０における磁場の大きさに対して、中心軸２０から半径方向に分離された３次元空間における点において、実質的に均一であることができる。実施例として、定数Ｃは、偶数次多項式として第２の演算数を設定する偶数であり得、奇数次多項式として第２の演算数を設定する奇数であり得、または分数の大きさを含む等、任意の数であることができる。
【００２１】
磁気ソレノイド１０の伝導性コイルの幾何学形状の結果、磁気ソレノイド１０は、種々の用途のために、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内に、実質的に均一な磁場を効果的に提供するように実装可能である。実施例として、上述のもの等、磁気遮蔽内の磁場コイル挙動に対して計算された場合、磁気ソレノイド１０は、半径が対応する円筒形半径の約８分の１に等しく、コイル長対直径比が約７：１１の球体積内の５ｐｐｍより優れた磁場均一性を達成可能である。別の実施例として、上述のもの等、磁気遮蔽内の磁場コイル挙動に対して計算された場合、磁気ソレノイド１０は、半径が対応する円筒形半径の約８分の１に等しく、コイル長対直径比が約１４：１５の球体積内の１ｐｐｍより優れた磁場均一性を達成可能である。
【００２２】
加えて、伝導性コイルの幾何学形状は、磁気ソレノイド１０が、従来の磁気ソレノイドと比較して、大幅に小さいサイズで製造可能であるようなものであることが可能である。具体的には、従来の磁気ソレノイドは、典型的には、同様の磁場均一性を達成するために、大幅に大きい長さで製造されることが要求される可能性がある。実施例として、磁気ソレノイド１０は、１０ミリメートル未満で製造され、依然として、内部体積１８内で、実質的に均一な磁場を達成可能である。対照的に、同一の最大半径を伴う、従来の厳密に円筒形のソレノイドは、同様の遮蔽内に取り囲まれながら、同じ試験体積内で、実質的に同一軸上場均一性を達成するために、長さ約７０ｍｍを必要とするであろう。さらに、円筒形幾何学形状を実装しない（例えば、楕円幾何学形状を有する）、従来の磁気ソレノイドは、一端または両端に、制約された半径を有し、従来の磁気ソレノイドの内部体積内に挿入可能な物体のサイズは、制限される可能性がある。しかしながら、磁気ソレノイド１０は、半径においてほんのわずかな偏差を有するように設計され、内部体積１８の磁場内で、実質的均一性を達成可能である。実施例として、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内に挿入される物体は、磁気ソレノイド１０の最大半径と略等しい半径を有する円筒形内に挿入可能な物体と比較して、サイズにおいて約４％が削減されるのみであり得る。故に、磁気ソレノイド１０は、従来の磁気ソレノイドより小さく、かつより用途が多様であることができる。
【００２３】
図２は、本発明のある側面による、軸沿磁場を実証する、グラフ３０および３２の実施例を例証する。図３は、本発明のある側面による、軸外磁場を実証する、グラフ４０および４２の実施例を例証する。図２および３の実施例では、グラフ３０および４０は、約７．５ｍｍのコイル半径および約１４ｍｍのコイル長を有する、典型的実質的円筒形磁気ソレノイドに対応し得る。グラフ３２および４２は、式１等に基づき、典型的実質的円筒形磁気ソレノイドと実質的に同様の寸法を有する、図１の実施例における磁気ソレノイド１０に対応し得る。例えば、磁気ソレノイド１０は、約７．５ｍｍのＭｉｎｏｒＡｘｉｓ値、約３４ｍｍのＭａｊｏｒＡｘｉｓ値、約７ｍｍのＭｉｄｐｏｉｎｔ値、ならびに、約１０３、１０８、および４の定数Ａ、Ｂ、およびＣ値を有し得る。
【００２４】
図２および３の実施例におけるグラフ３０、３２、４０、および４２の場合、磁気ソレノイドの各々の中点を中心とする約２ｍｍの球の試験体積が、選択されている。グラフ３０および３２は、磁場の変化（Ｙ−軸）を、１００万分の１（ｐｐｍ）で、それぞれの磁気ソレノイドの中心軸（Ｘ−軸）に沿った距離に対してプロットしたものである。同様に、グラフ４０および４２は、磁場の変化（Ｙ−軸）を、１００万分の１（ｐｐｍ）で、それぞれの磁気ソレノイドの中心軸（Ｘ−軸）に沿った横軸距離に対してプロットしたものである。
【００２５】
グラフ３２によって実証されるように、磁気ソレノイド１０は、グラフ３０によって実装される典型的円筒形磁気ソレノイドより、大幅に大きい軸沿磁場均一性を有する。具体的には、グラフ３０は、磁気ソレノイド１０の場合のグラフ３２によって実装される約０．４ｐｐｍの変動と比較して、典型的実質的円筒形磁気ソレノイドの場合、約８０００ｐｐｍの軸沿磁場における変動を実証する。同様に、グラフ４２によって実証されるように、磁気ソレノイド１０は、グラフ４０によって実証される典型的円筒形磁気ソレノイドより、大幅に大きい軸外磁場均一性を有する。具体的には、グラフ４０は、磁気ソレノイド１０の場合のグラフ４２によって実装される約０．８ｐｐｍの変動と比較して、典型的実質的円筒形磁気ソレノイドの場合、約４０００ｐｐｍの軸外磁場における変動を実証する。
【００２６】
図１の実施例に戻って参照すると、磁気ソレノイド１０の伝導性コイルの半径を定義する複合式は、式１に限定されない。実施例として、伝導性コイルの半径Ｒを定義する複合式は、Ｒ＝（第１の演算数）−（第２の演算数）＋（第３の演算数）として表すことができる。具体的には、複合式の別の実施例は、以下のように表すことができる。
【数２】
0005876145.tif 000009
【００２７】
式中、ＭｉｄｐｏｉｎｔＲａｄｉｕｓは、中心軸２０に沿った磁気ソレノイド１０の中点における半径であり、
Ｚは、磁気ソレノイド１０の第１の端部に対する中心軸２０に沿った距離であり、
Ｍｉｄｐｏｉｎｔは、磁気ソレノイド１０の第１の端部から中心軸２０に沿った磁気ソレノイド１０の中点までの中心軸２０に沿った距離であり、
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、およびＦは、それぞれの複合式の指数的部分を定義する定数である。
したがって、第１の演算数が、式２では、中心軸２０に沿った磁気ソレノイド１０の中点における半径に対応するように示され、第１の演算数は、磁気ソレノイド１０の中心部分２４における半径の最大値を定義可能である。第２および第３の演算数は、式２では、指数関数に対応するように、示される。式２に示されるように、第２の演算数は、第１の演算数から減算され、第３の演算数は、第１および第２の演算数に加算される。したがって、第２および第３の演算数は、中点からそれぞれの第１および第２の端部部分２６および２８までの磁気ソレノイド１０の中心軸２０に沿って、半径の可変値を提供するように反対に作用するする。定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、およびＦの大きさは、磁気ソレノイド１０の所望の寸法および磁場特性を達成するように設定可能であることを理解されたい。
【００２８】
式２の構成に基づいて、式２の第１の演算数は、初期半径値を提供可能であり、式２の第２および第３の演算数は、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の磁場の実質的均一の軸沿および軸外の大きさを提供するように、定義可能である（すなわち、定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、ならびにＦに基づいて）。具体的には、第２および第３の演算数における定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、ならびにＦは、それぞれ、両演算数が、中心軸２０に沿って、実質的均一の磁場の大きさを提供するために、磁気ソレノイドの長さに沿って、中心部分２４の実質的に丸い形状を定義することができる。また、式２の第２および第３の演算数は、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内の磁場の実質的均一の軸外の大きさを提供するように定義可能である。具体的には、第２および第３の演算数における定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、ならびにＦはまた、それぞれの端部部分２６および２８の実質的フレア状形状を定義可能である。故に、複合式は、磁気ソレノイド１０の内部体積１８内に実質的に均一な磁場を発生するために、種々の方法のいずれかで磁気ソレノイド１０の伝導性コイルの幾何学形状を定義するように表すことが可能である。
【００２９】
図４は、本発明のある側面による、ジャイロスコープシステム５０の実施例を例証する。実施例として、ジャイロスコープシステム５０は、軸を中心とする回転運動を検出するため等、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムとして構成可能である。例えば、ジャイロスコープシステム５０は、ヨー、ピッチ、およびロールを検出するために、航空機または宇宙船内等に実装される複数のジャイロスコープシステムのうちの１つであることができる。
【００３０】
ジャイロスコープシステム５０は、ジャイロスコープセルシステム５２を含む。ジャイロスコープセル５２は、例えば、アルカリ金属蒸気および／または少なくとも１つの希ガス同位体で充填され得るガラスケースを含むことができる。図４の実施例では、ジャイロスコープセル５２は、磁気ソレノイド５４の内部体積内に、実質的に取り囲まれる。実施例として、磁気ソレノイド５４は、図１の実施例における磁気ソレノイド１０と実質的に類似するように構成可能である。具体的には、磁気ソレノイド５４は、実質的円または楕円関数である第１の演算数と、指数関数（例えば、多項式）である第２の演算数とを含む式１、あるいは、磁気ソレノイド５４の中心における半径を定義する第１の演算数と、各々が指数関数である第２および第３の演算数とを含む式２等、複合式によって定義される中心軸を中心とした半径を有することができる。したがって、磁気ソレノイド５４は、磁気ソレノイド５４の内部体積全体を通して、実質的に均一な磁場ＢＥを発生させるように構成可能である。
【００３１】
実質的に均一な磁場ＢＥに応答して、ジャイロスコープセル５２内のアルカリ金属蒸気および希ガス同位体は、ジャイロスコープセル５２の軸に対して、歳差運動可能である。また、ジャイロスコープシステム５０は、光電子システム５６を含む。光電子システム５６は、ジャイロスコープセル５２内のアルカリ金属蒸気を光学的にポンピングし、アルカリ金属蒸気のスピンを印加された磁場と整列させるように構成可能である。それに応答して、スピン交換プロセスによって、セル内に存在する任意の希ガス同位体も、ポンプ光ビームにスピン整列される。ポンプ方向に垂直な方向成分を有する光の検出ビームは、検出光に対するアルカリ金属蒸気の整列に応答して、変調され得る。検出光の変調は、存在する任意の希ガス同位体の歳差運動によって修正されるような、アルカリ金属蒸気の歳差運動の関数であり得る。この変調は、光電子システム５６内等に備えられる、光検出器によって、検出可能である。故に、変調された光学信号によって検出されるような、アルカリ金属蒸気、ひいては存在する任意の希ガス同位体の歳差運動率の変化は、回転運動に対応するジャイロスコープセル５２の配向の変化を決定するために、検出し、処理することができる。
【００３２】
ジャイロスコープシステム５０は、簡略的に実証されていることを理解されたい。したがって、追加の構成要素および詳細は、図４の実施例および付随説明から省略されている。加えて、また、図１の実施例における磁気ソレノイド１０等の磁気ソレノイドは、図４の実施例におけるジャイロスコープシステム５０等のジャイロスコープシステムにおける使用に限定されることを意図するものではないことを理解されたい。したがって、磁気ソレノイド１０は、磁場、特に、実質的に均一な磁場を要求し得る、種々の用途の任意のものに実装可能である。
【００３３】
図５は、本発明のある側面による、磁気ソレノイド１００の略図の実施例を例証する。実施例として、磁気ソレノイド１００は、ＮＭＲジャイロスコープ用途等、磁場を利用する種々の用途のいずれかに実装することができる。図５の実施例では、磁気ソレノイド１００は、側面図に実証され、実質的円筒形コイル形態１０４の周囲に巻かれ、中心軸１０６上に中心を置かれる、伝導性コイル１０２を含む。図５の実施例では、伝導性コイル１０２は、実証を容易にするために誇張された様式で例証されることを理解されたい。
【００３４】
磁気ソレノイド１００は、磁気ソレノイド１００の内部体積内に実質的に均一な磁場を発生するように構成される。伝導性コイル１０２は、第１の端部１０８と第２の端部１１０との間の磁気ソレノイド１００の長さＬに沿って非均一であるループ間隔を有することができる。図５の実施例では、伝導性コイル１０２のループ間隔は、磁気ソレノイド１００の長さＬに沿って、中心軸１０６のほぼ中心点（すなわち、約Ｌ／２）に実質的最大値を有し、中心点の場所は、交差軸１１２に基づいて実証される。ループ間隔は、したがって、中心点から離れるほど値が減少し得、実質的に、最小値を第１および第２の端部１０８および１１０の各々において有することができる。図５の実施例では、ループ間隔は、第１および第２の端部１０８および１１０に対して、交差軸１１２について実質的に対称である。
【００３５】
伝導性コイル１０２のループ間隔は、ループ間隔が、伝導性コイル１０２の連続したループに対して非均一であるように、式によって定義することができる。実施例として、伝導性コイル１０２の所与のループ番号Ｄに対して、伝導性コイル１０２の間隔は、以下のように定義することができる。
【数３】
0005876145.tif 000010
【００３６】
式中、Ｚｃは、中心軸に沿った交差軸１１２から所与のループまでの距離であり、
Ｌｅｎｇｔｈは、第１の端部１０８と第２の端部１１０との間の磁気ソレノイド１００の総長Ｌであり、
Ｎは、伝導性コイル１０２のループの総数であり、
Ｅは、式３の指数項を定義する定数であり、
Ｄは、複数の連続したループのうちの所与の１つに関連付けられたループ番号であり、
【００３７】
【化１−１】
0005876145.tif 000011
から
【００３８】
【化１−２】
0005876145.tif 000012
までのある単位の段階によって定義される。
したがって、所与のループの距離は、式３に基づいて、交差軸１１２に対して定義することができる。したがって、式３は、磁気ソレノイドの内部体積内の磁場の均一性を最適化するように、伝導性コイル１０２のループの各々に対して、ループ間隔を定義することができる。
【００３９】
磁気ソレノイド１００の伝導性コイルの幾何学形状の結果、磁気ソレノイド１００は、種々の用途のために、磁気ソレノイド１００の内部体積内に、実質的に均一な磁場を効果的に提供するように実装することができる。実施例として、磁気ソレノイド１００は、典型的ヘルムホルツ構成を有するもの等の典型的磁気ソレノイドより１０ｐｐｍ以上等、はるかに優れた磁場均一性を達成することができる。加えて、伝導性コイル１０２のループ間隔は、磁気ソレノイド１００が、従来の磁気ソレノイドと比較して、有意に小さいサイズで製造され得るようなものであることができる。さらに、ループ間隔の非均一性に基づいて、磁気ソレノイド１００のコイル形態１０４は、典型的には、典型的磁気ソレノイドによって実装されない特徴を含むことができる。
【００４０】
図６は、本発明のある側面による、磁気ソレノイド１５０のさらに別の実施例を例証する。磁気ソレノイド１５０は、図６の実施例では、平面図に実証され、実質的立方体コイル形態１５４の周囲に巻かれ、中心軸１５６上に中心を置かれる伝導性コイル１５２を含む。図５の実施例における前述のものと同様に、第１の端部１５８と第２の端部１６０との間の磁気ソレノイド１５０の長さＬに沿って非均一であるループ間隔を有することに基づいて、伝導性コイル１５２は磁気ソレノイドの内部体積１５０内に実質的に均一な磁場を発生させるように構成される。図６の実施例では、実質的立方体コイル形態１５４は、第１および第２の端部１６０の各々におけるものを含め、実質的に取り囲まれて示される。
【００４１】
図５の実施例における前述のものと同様に、伝導性コイル１５２のループ間隔は、磁気ソレノイド１５０の長さＬに沿って中心軸１５６のほぼ中心点（すなわち、約Ｌ／２）に実質的最大値を有し、中心点の場所は、交差軸１６２に基づいて実証され、ループ間隔は、中心点から第１および第２の端部１０８および１１０に向かって離れるほど、値が減少する。伝導性コイル１５２のループ間隔の実質的最大値が、中心軸のほぼ中心点に沿って位置することに基づいて、伝導性コイル形態１５４は、複数の孔を含む。図６の実施例では、第１の孔１６４は、第１の側部表面１６６上に位置し、第２の孔１６８は、上部表面１７０上に位置し、第３の孔１７２は、第２の端部１６０に関連付けられた表面１７４上に位置する。
【００４２】
第１および第２の孔１６４および１６８は、したがって、伝導性コイル１５２の２つの連続したループの間に位置するように実証される。図６の実施例では、第１および第２の孔１６４および１６８がその間に位置する、伝導性コイル１５２の２つの連続したループは、互に対する最大の連続したループ間隔を有するそれらに対応する。その結果、第１および第２の孔１６４および１６８の寸法は、実質的に、最大限にされることができる一方、依然として、伝導性コイル１５２によって塞がれない。第１および第２の孔１６４および１６８ならびに第３の孔１７２は、１つ以上のデバイスをコイル形態１５４から除去する必要なく、磁気ソレノイド１５０の内部体積内の１つ以上のデバイス（例えば、ＮＭＲジャイロスコープ）へのアクセスを得るため等、種々の理由から有用であり得る。そのようなアクセスは、したがって、依然として、磁気ソレノイド１５０の実質的に厳密な構造を維持しながら付与されることができる一方、実質的に、再組立および組立時間を短縮させ、かつ典型的ヘルムホルツ磁気ソレノイドを含む、典型的磁気ソレノイドより実質的に改善された均一磁場を発生させる。
【００４３】
磁気ソレノイド１５０は、図６の実施例に限定されることを意図しないことを理解されたい。実施例として、磁気ソレノイド１５０は、３つの孔を有するように実装されるが、磁気ソレノイド１５０は、実質的立方体コイル形態１５４の各表面上に１つ等、追加の孔を含み得ることを理解されたい。加えて、実証される孔は、正方形幾何学形状を有するように限定されず、代わりに、種々の幾何学形状のいずれかを有し得る。さらに、コイル形態１５４は、実質的立方体幾何学形状を有するように限定されず、円筒形または平行６面体等の種々の幾何学形状を有し得る。さらに別の実施例として、磁気ソレノイド１５０は、非均一連続したループ間隔を有するように限定されず、加えて、図１の実施例に前述のものと同様に、中心軸１５６に沿った位置の関数として、非均一ループ半径を組み込み得る。したがって、磁気ソレノイド１５０は、種々の方法のいずれかにおいて構成されることができる。
【００４４】
図７は、本発明のある側面による、ジャイロスコープシステム２００の別の実施例を例証する。実施例として、ジャイロスコープシステム２００は、軸を中心とする回転運動の検出等、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムとして構成されることができる。例えば、ジャイロスコープシステム２００は、ヨー、ピッチ、およびロールを検出するために、航空機または宇宙船内等に実装される、複数のジャイロスコープシステムのうちの１つであることができる。
【００４５】
ジャイロスコープシステム２００は、ジャイロスコープセル２０２を含む。ジャイロスコープセル２０２は、例えば、アルカリ金属蒸気および／または少なくとも１つの希ガス同位体で充填され得るガラスケースを含むことができる。図７の実施例では、ジャイロスコープセル２０２は、磁気ソレノイド２０４の内部体積内で、実質的に取り囲まれる。実施例として、磁気ソレノイド２０４は、図５の実施例の磁気ソレノイド１００と実質的に同様に構成可能である。具体的には、磁気ソレノイド２０４は、上式３によって定義されるように、磁気ソレノイド２０４の長さに沿って非均一であるループ間隔を有する伝導性コイル２０６を有することができる。したがって、磁気ソレノイド２０４は、磁気ソレノイド２０４の内部体積全体を通して、実質的に均一な磁場ＢＥを発生させるように構成可能である。
【００４６】
実質的に均一な磁場ＢＥに応答して、ジャイロスコープセル２０２内のアルカリ金属蒸気および希ガス同位体は、ジャイロスコープセル２０２の軸に対して、歳差運動可能である。ジャイロスコープシステム２００はまた、光電子システム２０８を含む。光電子システム２０８は、ジャイロスコープセル２０２内のアルカリ金属蒸気を光学的にポンピングし、アルカリ金属蒸気のスピンを印加された磁場と整列させるように構成可能である。それに応答して、スピン交換プロセスによって、ジャイロスコープセル２０２内に存在する任意の希ガス同位体も、ポンプ光ビームにスピン整列される。ポンプ方向に垂直な方向成分を有する光の検出ビームは、検出光に対するアルカリ金属蒸気の整列に応答して、変調され得る。検出光の変調は、存在する任意の希ガス同位体の歳差運動によって修正されるような、アルカリ金属蒸気の歳差運動の関数であり得る。この変調は、光電子システム２０８内等に備えられる、光検出器によって、検出可能である。故に、変調された光学信号によって検出されるような、アルカリ金属蒸気、ひいては存在する任意の希ガス同位体の歳差運動率の変化は、回転運動に対応するジャイロスコープセル２０２の配向の変化を決定するために、検出し、処理することが可能である。
【００４７】
ジャイロスコープシステム２００は、簡略的に実証されていることを理解されたい。したがって、追加の構成要素および詳細は、図７の実施例および付随説明から省略されている。加えて、また、図５の実施例における磁気ソレノイド１００等の磁気ソレノイドは、図７の実施例におけるジャイロスコープシステム２００等のジャイロスコープシステムにおける使用に限定されることを意図するものではないことを理解されたい。したがって、磁気ソレノイド１００は、磁場、特に、実質的に均一な磁場を要求し得る、種々の用途の任意のものに実装可能である。
【００４８】
図８は、本発明のある側面による、磁気ソレノイド２５０のさらなる実施例である。実施例として、磁気ソレノイド２５０は、ＮＭＲジャイロスコープ用途等、磁場を利用する種々の用途のいずれかに実装することができる。図８の実施例では、磁気ソレノイド２５０は、側面図に実証され、実質的円筒形コイル形態２５４の周囲に巻かれ、中心軸２５６上に中心を置かれる、伝導性コイル２５２を含む。図８の実施例では、伝導性コイル２５２は、実証を容易にするために、誇張様式で例証されることを理解されたい。
【００４９】
磁気ソレノイド２５０は、磁気ソレノイド２５０の内部体積内に実質的に均一な磁場を発生させるように構成される。図８の実施例では、コイル形態２５４の周囲に巻かれる伝導性コイル２５２の半径は、第１の端部２５８と第２の端部２６０との間の磁気ソレノイド２５０の長さＬに沿った可変半径を定義するように、磁気ソレノイド２５０の内部体積内の中心軸２５６に沿った各点において、複合式によって定義することができる。実施例として、磁気ソレノイド２５０は、複合式によって定義される中心軸を中心とした半径を有することができる。例えば、磁気ソレノイド２５０の半径は、実質的に円または楕円関数である第１の演算数と、指数関数（例えば、多項式）である第２の演算数とを含む式１、または磁気ソレノイド２５０の中心における半径を定義する第１の演算数と、各々が指数関数である第２および第３の演算数とを含む式２によって定義されることができる。
【００５０】
加えて、伝導性コイル２５２は、第１および第２の端部２５８と２６０との間の磁気ソレノイド２５０の長さＬに沿って非均一であるループ間隔を有することができる。図８の実施例では、伝導性コイル２５２のループ間隔は、磁気ソレノイド２５０の長さＬに沿った中心軸２５６のほぼ中心点（すなわち、約Ｌ／２）に実質的最大値を有し、中心点の場所は、交差軸２６２に基づいて実証される。ループ間隔は、したがって、中心点から離れるほど値が減少し得、第１および第２の端部２５８および２６０のそれぞれに実質的最小値を伴う。図８の実施例では、ループ間隔は、第１および第２の端部２５８および２６０に対して、交差軸２６２について実質的に対称である。例えば、磁気ソレノイド２５０のループ間隔は、交差軸２６２に対する伝導性コイル２５２の各ループの距離を定義するように、式３によって定義されることができる。したがって、伝導性コイル２５２の半径およびループ間隔の組み合わせに基づいて、磁気ソレノイド２５０は、磁気ソレノイド２５０の内部体積内に実質的に均一な磁場を発生するように構成することができる。
【００５１】
図９は、本発明のある側面による、軸沿磁場を実証するグラフ３００および３０２の実施例を例証する。図９の実施例では、グラフ３００は、従来の非最適化ヘルムホルツ構成をもたらすような、コイル半径約２０ｍｍおよびある組のループの中心から他の組のループの中心までの間隔約２０ｍｍを有する、典型的螺旋巻回正方形ヘルムホルツ磁気ソレノイドに対応し得る。グラフ３０２は、典型的実質的円筒形磁気ソレノイドと実質的同様の寸法を有する、式１および式３に基づくもの等、図８の実施例における磁気ソレノイド２５０に対応し得る。例えば、式１に関して、磁気ソレノイド２５０は、約３９．９ｍｍのＭｉｎｏｒＡｘｉｓ値、約４０ｍｍのＭａｊｏｒＡｘｉｓ値、約０ｍｍのＭｉｄｐｏｉｎｔ値、およびそれぞれ約１０３、３．８５ｘ１０７、および４の定数Ａ、Ｂ、およびＣの値を有することができる。式３に関して、磁気ソレノイド２５０は、約３．４の定数Ｅの値を有することができ、それぞれ、Ｄ＝｛−９．５、−８．５、−７．５、．．．、８．５、９．５｝となるように、２０に等しい数量Ｎ個のループを有することができる。
【００５２】
グラフ３００および３０２は、磁場の変化（Ｙ−軸）を、１００万分の１（ｐｐｍ）で、それぞれの磁気ソレノイドの中心軸（Ｘ−軸）に沿った距離に対してプロットしたものである。グラフ３０２によって実証されるように、磁気ソレノイド２５０は、グラフ３００によって実証される典型的非最適化ヘルムホルツ構成より有意に優れた軸沿磁場均一性を有する。具体的には、グラフ３００は、磁気ソレノイド２５０のグラフ３０２によって実証される約１２ｐｐｍの変動と比較して、約１１００ｐｐｍの典型的正方形ヘルムホルツ磁気ソレノイドの軸沿磁場における変動を実証する。したがって、磁気ソレノイド２５０は、典型的正方形ヘルムホルツ磁気ソレノイドを含む、典型的磁気ソレノイドと比較して、優れた軸沿磁場均一性を呈することができる。
【００５３】
上述のものは、本発明の実施例である。当然ながら、本発明を説明する目的のために、構成要素または方法論のあらゆる想定可能な組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび順列が可能であることを認識するであろう。故に、本発明は、添付の請求項の精神および範囲内にある、あらゆるそのような改変、修正、および変形例を包含することが意図される。
【図１】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図９】
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