(57)【要約】【課題】超電導接合の困難な超電導線材のコイルを用いても、時間的な安定度の非常に高い磁場を発生できる磁場発生装置、並びに、これを備えたＮＭＲ分析装置およびＭＲＩ装置を提供する。【解決手段】超電導コイルであり対象の空間に磁場を発生させる主コイル（１１）と、超電導コイルであり主コイルと直列に接続された補償コイル（１２）とを含み、主コイルの励磁電流が流れる第１閉回路（Ｃ１）と、超電導コイルであり補償コイルと磁気的に結合された制御コイル（２１）と、制御コイルと直列に接続された抵抗（２２）とを含み、抵抗の電力消費により時間の経過に伴って減少する制御電流が流れる第２閉回路（Ｃ２）とを備えた装置である。そして、制御コイルと補償コイルとの磁気的な結合を介して制御電流の低減により補償コイル（１２）に生じる誘導起電力が、主コイル（１１）の励磁電流と同じ向きの電流を誘起する極性を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルであり対象の空間に磁場を発生させる主コイルと、超電導コイルであり前記主コイルと直列に接続された補償コイルとを含み、前記主コイルの励磁電流が流れる第１閉回路と、
超電導コイルであり前記補償コイルと磁気的に結合された制御コイルと、前記制御コイルと直列に接続された抵抗とを含み、前記抵抗の電力消費により時間の経過に伴って減少する制御電流が流れる第２閉回路と、
を備え、
前記制御コイルと前記補償コイルとの磁気的な結合を介して前記制御電流の低減により前記補償コイルに生じる誘導起電力が、前記励磁電流と同じ向きの電流を誘起する極性を有することを特徴とする磁場発生装置。
【請求項２】
前記主コイルの全体又は一部の電圧を測定する測定部と、
前記測定部の測定結果に基づいて前記抵抗の抵抗値を変化させる制御部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の磁場発生装置。
【請求項３】
前記抵抗を加熱するヒータをさらに備え、
前記抵抗は、残留抵抗比が３０以上の金属であり、
前記制御部は、前記ヒータにより前記抵抗を加熱して前記抵抗の抵抗値を変化させることを特徴とする請求項２記載の磁場発生装置。
【請求項４】
前記主コイルは、希土類系超電導線材、ビスマス系超電導線材、又はＭｇＢ２超電導線材のコイル部を含むことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の磁場発生装置。
【請求項５】
前記補償コイルと前記制御コイルとを磁気的に結合する強磁性体のコアをさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の磁場発生装置。
【請求項６】
前記第２閉回路は、
超電導コイルであり前記制御コイルおよび前記抵抗と直列に接続される慣性コイルをさらに含むことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の磁場発生装置。
【請求項７】
複数の前記補償コイルと、
前記複数の補償コイルとそれぞれ磁気的に結合された複数の前記第２閉回路とを備え、
前記複数の補償コイルは、各々が前記主コイルと直列に接続され、かつ互いに並列に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の磁場発生装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７の何れか一項に記載の磁場発生装置を備えることを特徴とするＮＭＲ分析装置。
【請求項９】
請求項１から請求項７の何れか一項に記載の磁場発生装置を備えることを特徴とするＭＲＩ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場を発生させる磁場発生装置、並びに、これを備えたＮＭＲ分析装置およびＭＲＩ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＭＲ（核磁気共鳴）分析装置は、磁場中に試料を配置した状態で、この試料に電磁波を照射し、電磁波に共鳴したＮＭＲ信号を受信することで試料の分子構造を調べることができる。磁場が強いほど核磁気共鳴の周波数を高くでき、これにより精密な分析結果が得られる。このため、現在、ＮＭＲ分析装置の磁場を強化する開発が進められている。
【０００３】
以前より、ＮＭＲ分析装置に適用される磁場発生装置として、主にＬＴＳ（低温超電導：Low-Temperature Superconducting）線材の超電導コイルを用いた装置が実用化されている。超電導コイルを含めて回路全体を超電導状態にすることで、回路に永久電流を流し、時間的に非常に安定した一定の磁場を発生させることができる。一方、ＬＴＳ線材は、超電導状態に転移させるために液体ヘリウムの沸点温度（４．２Ｋ、以下、「液体ヘリウム温度」と呼ぶ）、又はこれに近い極低温で使用する必要がある。また、ＬＴＳ線材は、強い磁場中では超電導の特性が低下するという性質を有する。このため、ＬＴＳ線材を主に用いた超電導コイルは運転効率が比較的低く、作り出される磁場の強度に所定の制限があるという課題がある。
【０００４】
一方、現在、ＨＴＳ（高温超電導：High-Temperature Superconducting）線材を用いた超電導コイルの開発が進められている。ＨＴＳ線材は、液体ヘリウム温度より高い温度（例えば３０Ｋ）で運転できるという利点を有する。さらに、ＨＴＳ線材の中には、例えば希土類系超電導線材など強い磁場中でも超電導の特性が劣化しにくいものがある。このため、ＨＴＳ線材を用いた超電導コイルは、比較的に運転効率が高く、より強い磁場を発生できるという利点を有する。
【０００５】
しかしながら、ＨＴＳ線材は、線材同士の超電導接合が難しいという課題を有する。超電導接合とは、接続部を超電導状態にできる接合を意味する。例えば、ＬＴＳ線材同士であれば、半田を用いて超電導接合が可能である。半田部分も液体ヘリウム温度にすれば超電導状態にできる。これに対して、ＨＴＳ線材は、銀などの特殊な金属で表面が被覆され、この金属層を含んだ部分が半田で接合される。銀などの金属層は、ＨＴＳ線材の特性向上に必須である。しかしながら、銀などの金属は、ＨＴＳ線材の高い転移温度で超電導状態に転移しないだけでなく、液体ヘリウム温度でも超電導状態に転移しない。現在、ＨＴＳ線材の超電導接合の技術の開発が進められているが、現状、実用化にまでは至っていない。
【０００６】
このため、磁場発生装置にＨＴＳ線材の超電導コイルを適用した場合、超電導コイルを含んだ回路に常電導状態の接続部が含まれてしまう。逆に、ＬＴＳ線材の超電導コイルを含んだ閉回路は、閉回路の全体を超電導状態に転移させて使用できる。閉回路の全体が超電導状態であることで、閉回路に流れる電流は減衰することなく、同じ大きさの電流が半永久的に流れる。このような電流は永久電流と呼ばれる。永久電流により時間的に非常に安定した磁場が生成できる。しかし、ＨＴＳ線材の超電導コイルを適用した場合、回路に流れる電流は接続部の電気抵抗によって永久電流とならず、電流は時間の経過に伴って減衰する。このため、何らのかの工夫がないと、時間的な変化がほぼゼロであるような安定した磁場を生成することが困難となる。
【０００７】
従来、超電導コイルの電流の減衰を抑制する技術について、或いは、超電導コイルが発生する磁場の減衰を抑制する技術について、幾つか提案されている。例えば、特許文献１には、磁場を発生する超電導コイルからなる高磁場発生部と、高磁場発生部よりインダクタンスの大きな超電導コイルからなる電力貯蔵部を備えた装置が示されている。高磁場発生部の超電導コイルと電力貯蔵部の超電導コイルとは直列に接続される。このような構成によれば、電力貯蔵部に蓄積された大きなエネルギーにより高磁場発生部を含んだ回路全体の電流の減衰量を低減し、高磁場発生部により安定した磁場を発生することができる。
【０００８】
また、特許文献２には、磁場を発生する主磁場発生用の第１系統の超電導コイルと、この磁場と逆向きの磁場を発生させる主磁場減衰補償用の第２系統の超電導コイルとを備えた装置が示されている。この技術では、２つの系統の超電導コイルの磁場が減衰しても、両者の磁場が互いに逆向きに重ね合わされることで、両者の減衰が打消し合い、重ね合わされた磁場の総合的な減衰量が低減されることが期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−３２３３２１号公報
【特許文献２】特開２０００−１４７０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＮＭＲ分析装置では、上述したように磁場を強化することでより精密な分析結果が得られる。一方、ＮＭＲ分析装置では、磁場のわずかな変化がノイズとして分析結果に表れる。従って、ＨＴＳ線材の超電導コイルを用いたのでは、精密な分析結果が得られるように強い磁場を発生できても、磁場の時間的な安定度の低下により分析結果の精密さが低下する。その結果、総合的な分析の精密さが向上しないという課題が生じる。
【００１１】
一方、特許文献１の技術を適用すると、磁場の時間的な安定度を高めることができる。しかしながら、ＮＭＲ分析装置に搭載される超電導コイルは大規模であり、特許文献１の技術を適用するには、さらに大きなインダクタンスを有する電力貯蔵部の超電導コイルを追加する必要がある。従って、特許文献１の技術では、装置全体が巨大化し、製品コストが著しく増大するという課題が生じる。例えば電流の減衰率を１/１０にするためには、電力貯蔵部の超電導コイルのインダクタンスを、磁場発生用の超電導コイルと比較して１０倍にする必要がある。また、電力貯蔵部の超電導コイルにＨＴＳ線材を用いれば、線長に対して一定の割合で常電導の接続部が含まれるため、電力貯蔵部自体にも電流減衰の作用が生じてしまう。
【００１２】
また、特許文献２の技術を適用すれば、電流減衰が生じても、２つの系統の超電導コイルが発生する磁場の減衰を打消し合わせることで時間的に安定した磁場を発生できることが期待される。しかしながら、特許文献２の技術は、主磁場減衰補償用の超電導コイルの電流を調整することが非常に難しいという課題を有する。これは、次の理由による。
【００１３】
一般に、コイルと抵抗とを含んだ回路の電流の減衰挙動は指数関数的であることから、１つの系統の超電導コイルの電流の減衰量であれば、インダクタンスに合わせて補償用コイルの回路内に含まれる抵抗値を選択することで、電流減衰量を制御できる。しかしながら、特許文献２の技術では、２つの系統の超電導コイルが対向して配置されることから、これらは磁気的に結合する。従って、第１系統の超電導コイルの電流の減衰が、第２系統の超電導コイルの電流に影響を及ぼすというように、両系統の超電導コイルの電流の挙動が複雑に相互作用する。このため、磁場の減衰が打消し合わされるように電流を調整することは、独立した１系統の回路を調整するような単純な制御とは異なり、困難を極める。
【００１４】
さらに、特許文献２の技術では、電流の調整が正しく行われているか否かを確かめるために、２つの系統の超電導コイルの磁場の重ね合わせの強度を観測する必要がある。しかし、ＮＭＲ分析装置に要求される磁場の時間的な安定度は非常に高く、現状、磁場を直接に計測して、要求されるレベルで磁場の安定度が得られているか確かめることは難しい。従って、磁場の観測から磁場の減衰が十分に打消し合うような電流の調整を行うことは極めて困難である。
【００１５】
一方、ＨＴＳ線材の超電導コイルで時間的に安定した磁場を発生させるために、超電導コイルを定電流源で定電流駆動することが検討できる。しかしながら、ＮＭＲ分析装置に搭載されるような超電導コイルは、大規模でインダクタンスが大きく、さらに低電圧および大電流で駆動される。一般的な定電流源は、大きなインダクタンスを低電圧および大電流で駆動することが不得手である。また、ＮＭＲ分析装置に要求される磁場の安定度は非常に高い。これらのことから、一般的な定電流源を用いたのでは、ＮＭＲ分析装置で要求されるような安定した磁場を発生することは難しいと考えられる。
【００１６】
なお、上記の説明では、磁場を強化するためにＨＴＳ線材の超電導コイルを用いると、回路に常電導状態の接続部が含まれてしまい、これにより安定した磁場の発生に困難性が生じると説明した。磁場を強化できるＨＴＳ線材としては、ＲＥＢＣＯ線材（希土類系超電導線材）がある。しかし、超電導線材には、例えばＢＳＣＣＯ線材（ビスマス系超電導線材）又はＭｇＢ２超電導線材など、磁場の強化以外にも利点を有する幾つかの種類がある。そして、これらの線材を超電導コイルとして適用した場合にも、現状、回路に常電導状態の接続部が含まれてしまい、安定した磁場の発生に困難が生じるという同様の課題が生じる。
【００１７】
本発明の目的は、超電導接合の困難な超電導線材のコイルを用いても、時間的な安定度の高い磁場を発生できる磁場発生装置、並びに、これを備えたＮＭＲ分析装置およびＭＲＩ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一態様は、
超電導コイルであり対象の空間に磁場を発生させる主コイルと、超電導コイルであり前記主コイルと直列に接続された補償コイルとを含み、前記主コイルの励磁電流が流れる第１閉回路と、
超電導コイルであり前記補償コイルと磁気的に結合された制御コイルと、前記制御コイルと直列に接続された抵抗とを含み、前記抵抗の電力消費により時間の経過に伴って減少する制御電流が流れる第２閉回路と、
を備え、
前記制御コイルと前記補償コイルとの磁気的な結合を介して前記制御電流の低減により前記補償コイルに生じる誘導起電力が、前記励磁電流と同じ向きの電流を誘起する極性を有することを特徴とする磁場発生装置である。
【００１９】
また、本発明の一態様の磁場発生装置は、
前記主コイルの全体又は一部の電圧を測定する測定部と、
前記測定部の測定結果に基づいて前記抵抗の抵抗値を変化させる制御部と、
をさらに備えることを特徴としている。
【００２０】
本発明の一態様の磁場発生装置は、
前記抵抗を加熱するヒータをさらに備え、
前記抵抗は、残留抵抗比が３０以上の金属であり、
前記制御部は、前記ヒータにより前記抵抗を加熱して前記抵抗の抵抗値を変化させることを特徴としている。
【００２１】
本発明の一態様の磁場発生装置は、
前記主コイルは、希土類系超電導線材、ビスマス系超電導線材、又はＭｇＢ２超電導線材のコイル部を含むことを特徴としている。
【００２２】
本発明の一態様の磁場発生装置は、
前記補償コイルと前記制御コイルとを磁気的に結合する強磁性体のコアをさらに備えることを特徴としている。
【００２３】
本発明の一態様の磁場発生装置は、
前記第２閉回路は、
超電導コイルであり前記制御コイルおよび前記抵抗と直列に接続される慣性コイルをさらに含むことを特徴としている。
【００２４】
本発明の一態様の磁場発生装置は、  複数の前記補償コイルと、
前記複数の補償コイルとそれぞれ磁気的に結合された複数の前記第２閉回路とを備え、
前記複数の補償コイルは、各々が前記主コイルと直列に接続され、かつ互いに並列に接続されていることを特徴とする。
【００２５】
本発明の一態様は、本発明の磁場発生装置を備えることを特徴とするＮＭＲ分析装置である。
【００２６】
本発明の一態様は、本発明の磁場発生装置を備えることを特徴とするＭＲＩ装置である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、第２閉回路の制御電流により、主コイルを含んだ第１閉回路に誘導起電力を発生させることができる。また、誘導起電力は、主コイルの励磁電流と同じ向きの電流を誘起する極性を有する。従って、第１閉回路に励磁電流を減衰させるような電圧降下が生じる部分があっても、誘導起電力により励磁電流の減衰を抑制できる。
【００２８】
さらに、第１閉回路には、主コイルとは別に補償コイルが設けられ、補償コイルが第２閉回路の制御コイルと磁気的に結合される。よって、補償コイルのインダクタンスの値、制御コイルのインダクタンスの値、両者間の相互インダクタンスの値について、高い設計自由度が得られる。従って、これらの値を、励磁電流の減衰の要因に対応するように適宜設計して、励磁電流の減衰を適切に抑制することができる。また、第１閉回路の電圧降下の大きさは非常に小さいため、制御コイルに発生させる誘導起電力は小さくて済み、補償コイルおよび制御コイルが大規模になることがない。さらに、補償コイルと制御コイルとは超電導コイルであるので、磁場の発生中に電源を接続することなく、長期にわたって電流を流すことができる。従って、長期にわたって時間的に非常に安定度の高い磁場を発生できる。
【００２９】
また、主コイルの電圧の測定結果に基づいて第２閉回路の抵抗の抵抗値を変える制御部をさらに備えた場合、フィードバック制御によって、励磁電流の減衰を適切に抑制することができる。さらに、主コイルの電圧の測定と、抵抗値の調整とは、現状でも、非常に微細なレベルで行うことができる。従って、励磁電流の減衰を微細なレベルで制御して、ＮＭＲ分析装置などで要求される非常に高い安定度を有する磁場の発生に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る磁場発生装置を示す構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る磁場発生装置を示す構成図である。
【図３】慣性コイルの一例を示す構成図である。
【図４】補償コイル、制御コイル、可変抵抗および慣性コイルの関係を示す回路図である。
【図５】本発明の実施形態の変形例に係る磁場発生装置を示す構成図である。
【図６】本発明の実施形態に係るＮＭＲ分析装置を示す構成図である。
【図７】本発明の実施形態に係るＭＲＩ装置を示す構成図である。
【図８】可変抵抗の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
【００３２】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る磁場発生装置を示す構成図である。本回路図において角が丸い回路部分は接続部を除いて超電導状態の閉回路であることを示している。以降の回路図についても同様である。
【００３３】
第１実施形態に係る磁場発生装置１は、主コイル１１と補償コイル１２と永久電流スイッチ（ＰＣＳ：Persistent Current Switch）１３とを含む第１閉回路Ｃ１、並びに、制御コイル２１と可変抵抗２２と永久電流スイッチ２３とを含む第２閉回路Ｃ２を備える。第１閉回路Ｃ１において、主コイル１１と、補償コイル１２と、永久電流スイッチ１３とは直列に接続される。第２閉回路Ｃ２において、制御コイル２１と、可変抵抗２２と、永久電流スイッチ２３とは直接に接続される。さらに、磁場発生装置１は、測定部２と、制御部３と、直流電源１５、２５と、保護回路素子１６、２６と、鉄心３１と、ヒータ３２と、ヒータ電源３３と、冷却部４０とを備える。可変抵抗２２は、本発明に係る抵抗の一例に相当する。
【００３４】
冷却部４０は、例えばクライオスタットであり、第１閉回路Ｃ１と第２閉回路Ｃ２とを超電導状態に転移させる転移温度以下に冷却する。
【００３５】
主コイル１１は、超電導コイルであり、対象の空間Ｈへ磁場を発生させる。対象の空間Ｈとは、例えばＮＭＲ分析装置又はＭＲＩ装置においては分析対象或いは被験者が配置される空間など、磁場の発生が要求される空間を意味する。主コイル１１は、例えばＲＥＢＣＯ線材（希土類系超電導線材）から構成される。この線材は、ＬＴＳ線材に比べて強い磁場中でも超電導の性質を維持できる。また、この線材は、ＨＴＳ線材であり、ＬＴＳ線材よりも高温で超電導状態に転移する。なお、主コイル１１は、全てがＲＥＢＣＯ線材から構成される必要なく、例えば、中央部分にＲＥＢＣＯ線材のコイル部を有し、周囲にＬＴＳ線材のコイル部を有するハイブリッド型の構成を採用してもよい。この場合、ＲＥＢＣＯ線材のコイル部と、ＬＴＳ線材のコイル部とは、別回路で駆動されてもよい。ＬＴＳ線材のコイル部が含まれる場合、冷却部４０は液体ヘリウム温度まで低温にされる。
【００３６】
補償コイル１２は、制御コイル２１と磁気的に結合される超電導コイルであり、第２閉回路Ｃ２の制御によって誘導起電力を発生する。補償コイル１２としては、ＨＴＳ線材のコイルが適用されても、ＬＴＳ線材のコイルが適用されてもよい。ＬＴＳ線材が適用される場合、冷却部４０は液体ヘリウム温度まで低温にされる。
【００３７】
制御コイル２１は、補償コイル１２と磁気的に結合される超電導コイルであり、第２閉回路Ｃ２に流れる制御電流の変化により、補償コイル１２に誘導起電力を発生させる。また、制御コイル２１は、磁気エネルギーを保有し、長期に渡って制御電流を流す。制御コイル２１としては、ＨＴＳ線材のコイルが適用されても、ＬＴＳ線材のコイルが適用されてもよい。ＬＴＳ線材が適用される場合、冷却部４０は液体ヘリウム温度まで低温にされる。制御コイル２１は、第１閉回路Ｃ１に流れる電流の時間的な安定度を向上させる制御に寄与するため制御コイルと呼んでいる。また、制御コイル２１に流れる電流も同じ目的で制御電流と呼んでいる。
【００３８】
鉄心３１は、補償コイル１２と制御コイル２１とが巻回される強磁性体のコアであり、補償コイル１２と制御コイル２１とを磁気的に強く結合させる。鉄心３１は、補償コイル１２と制御コイル２１が保有する磁気エネルギーを高める。鉄心３１は、また、ループ状の磁気回路を構成し、対象の空間Ｈへ磁束が漏れることを抑止する役割も持つ。なお、補償コイル１２と制御コイル２１とは鉄心３１を介さずに磁気的に結合させてもよい。
【００３９】
可変抵抗２２は、非常に小さな抵抗値を有し、さらに、ヒータ３２の加熱によって、抵抗値を変化させる。可変抵抗２２としては、高純度の金属、例えば、銅、銀、アルミなどの、残留抵抗比（ＲＲＲ：Residual Resistivity Ratio）が３０以上の金属が採用される。本明細書において、「残留抵抗比」とは、４．２Ｋにおける比抵抗と室温（例えば３００Ｋ）における比抵抗の比を意味する。後述の実施例において可変抵抗２２の詳細な一例を示す。
【００４０】
直流電源１５は、保護回路素子１６と永久電流スイッチ１３と並列に接続され、永久電流スイッチ１３が開（常電導状態）のときに主コイル１１と補償コイル１２とを直流駆動する。これにより主コイル１１に励磁電流が流れる。
【００４１】
永久電流スイッチ１３は超電導線材から構成され、直流電源１５が切り離され、且つ、冷却部４０が転移温度以下になると、超電導状態になって第１閉回路Ｃ１の電流を流す。  
【００４２】
保護回路素子１６は、永久電流スイッチ１３が開（常電導状態）となったときに電流を流して第１閉回路Ｃ１を保護する。
【００４３】
第１閉回路Ｃ１には、主コイル１１の線材を半田接合する接続部ｐに、超電導状態に転移しない常電導部が含まれる。従って、第１閉回路Ｃ１が転移温度以下になっても、第１閉回路Ｃ１に接続部ｐの抵抗が残り、第１閉回路Ｃ１に流れる電流は完全な永久電流とならない。しかし、第１閉回路Ｃ１の接続部ｐの抵抗値は、そこで生じるジュール熱が主コイル１１の蓄える磁気エネルギーに比べて非常に小さく、第１閉回路Ｃ１には、転移温度以下で永久電流に近い電流が流れる。また、後述する第２閉回路Ｃ２の作用によって、第１閉回路Ｃ１の電流は安定度がより高められ、第１閉回路Ｃ１には永久電流に近い電流が流れる。以下では、この電流を「擬似永久電流」と呼ぶ。擬似永久電流は、主コイル１１に磁場を発生させる励磁電流に相当する。
【００４４】
直流電源２５は、保護回路素子２６と永久電流スイッチ２３とに並列に接続され、永久電流スイッチ２３が開（常電導状態）のときに制御コイル２１を励磁して、制御コイル２１に制御電流を流す。
【００４５】
永久電流スイッチ２３は超電導線材から構成され、直流電源２５が切り離され、且つ、冷却部４０が転移温度以下になると、超電導状態になって第２閉回路Ｃ２の電流を流す。
【００４６】
保護回路素子２６は、永久電流スイッチ２３が開（常電導状態）になったときに電流を流して第２閉回路Ｃ２を保護する。
【００４７】
第２閉回路Ｃ２は、転移温度以下になると、可変抵抗２２を含んだ抵抗の電力消費により時間の経過に伴って減少する制御電流を流す。可変抵抗２２を含んだ抵抗の大きさは、そこで生じるジュール熱が制御コイル２１の蓄える磁気エネルギーに比べて非常に小さいので、第２閉回路Ｃ２に流れる制御電流の減少率は非常に小さく、制御電流は長い期間に渡って流れる。
【００４８】
測定部２は、主コイル１１の全部又は一部の電圧を測定する。全部の電圧とは主コイル１１の両端間の電圧を意味し、一部の電圧とは主コイル１１の一部の区間の両端間の電圧を意味する。測定された電圧は、主コイル１１に生じた誘導起電力を直接又は間接的に表わす。誘導起電力は、主コイル１１に流れる擬似永久電流の変化によって生じる。測定部２は、主コイル１１の全部又は一部と常電導体である接続部ｐとを含んだ区間の電圧を測定してもよい。この場合、測定された電圧から接続部ｐの電圧降下分を減算して、主コイル１１の誘導起電力を推測できる。
【００４９】
制御部３は、測定部２の測定結果に基づいて、ヒータ３２の発熱量を制御し、これにより可変抵抗２２の抵抗値を制御する。制御部３は、測定部２の測定結果に基づいて、擬似永久電流の変化が設定値以下となるように、具体的には、測定部２が測定する電圧値が設定値以下となるようにフィードバック制御を行う。
【００５０】
＜動作説明＞
第１実施形態の磁場発生装置１では、先ず、直流電源１５により第１閉回路Ｃ１に所定の励磁電流が流され、直流電源２５により第２閉回路Ｃ２に所定の制御電流が流される。その後、冷却部４０が第１閉回路Ｃ１と第２閉回路Ｃ２とを転移温度以下に冷却し、且つ、直流電源１５、２５が自身の通電電流をゼロまで下げる。さらに、これらの直流電源１５、２５が回路から切り離されることもある。これにより、第１閉回路Ｃ１では接続部ｐ以外が超電導状態となり擬似永久電流が流れる。また、第２閉回路Ｃ２では可変抵抗２２と接続部ｐ以外が超電導状態となり時間の経過に伴って減少する制御電流が流れる。
【００５１】
励磁電流の値は、主コイル１１から高い強度（例えば１．０２ＧＨｚ相当の強度）の磁場が発生されるように設定される。ここで、磁場の強度を、核磁気共鳴現象におけるプロトン核の共鳴周波数で表わしている。この磁場の強度は、ＬＴＳ線材では超電導の磁場特性により達成が困難な強度である。
【００５２】
永久電流スイッチ１３が超電導状態となって第１閉回路Ｃ１に擬似永久電流が流れると、第１閉回路Ｃ１の接続部ｐの電気抵抗により、擬似永久電流を減衰させる電圧降下が生じる。一方、可変抵抗２２により第２閉回路Ｃ２の制御電流が減少すると、制御コイル２１の電流の変化により鉄心３１の内部の磁束が減少する。すると、この磁束の減少により、補償コイル１２に誘導起電力が発生する。言い換えれば、制御コイル２１と補償コイル１２との磁気的な結合を介して制御電流の低減により補償コイル１２に誘導起電力が生じる。誘導起電力は、擬似永久電流が流れる向きと同一の電流を誘起する極性を有する。すなわち、誘導起電力の電位の高い方から低い方へ向かう向きが、擬似永久電流の向きと同一である。これにより擬似永久電流の減衰が抑制される。
【００５３】
擬似永久電流の変化は主コイル１１に誘導起電力を発生させ、測定部２によって、誘導起電力を含んだ主コイル１１の一部又は両端の電圧が測定される。制御部３は、この測定結果に基づいて、主コイル１１の誘導起電力の大きさ（絶対値）がゼロに近い設定値以下となるように、可変抵抗２２の抵抗値を制御する。可変抵抗２２の抵抗値の大きさによって、補償コイル１２に生じる誘導起電力の大きさが変化し、擬似永久電流の変化量を制御することができる。
【００５４】
現状、ＮＭＲ分析装置に要求される安定度のレベルで磁場強度を精密に測定することは困難だが、電圧であればｎＶオーダの精度で測定できる。また、この主コイル１１に生じる誘導電圧は、可変抵抗２２の抵抗値の最適値からの偏差と、ほぼ比例する。このため、制御部３は、精度の高いフィードバック制御により主コイル１１の誘導起電力をゼロに維持することができる。これにより、第１閉回路Ｃ１に流れる擬似永久電流は永久電流と変わらないくらいに非常に安定する。
【００５５】
第１実施形態では、帰還信号として主コイル１１の電圧の測定結果を採用し、制御部３は、この帰還信号に基づいて可変抵抗２２の抵抗値を制御すると説明した。しかし、可変抵抗２２の抵抗値を制御するための帰還信号は、測定される試料の近傍に既知の反応を示す対照試料をセットし、この対照試料からのシグナルを採用してもよい。このシグナルが所定の値をとるように可変抵抗２２の抵抗値を制御すれば、主コイル１１に一定磁場の形成を継続させることができる。具体的には、重水（Ｄ２Ｏ）を対照試料とし、そのＮＭＲ信号をシグナルとすればよい。
【００５６】
ここで、エネルギー側面について補足する。電気抵抗を含む第１閉回路Ｃ１および第２閉回路Ｃ２では、電気抵抗によりジュール熱が発生する。擬似永久電流の減衰が抑制されるということは、ジュール熱として失われるエネルギーがどこからか補充される必要がある。この補充されるエネルギーは、補償コイル１２と制御コイル２１とに蓄積される磁気エネルギーから取り出される。よって、第１閉回路Ｃ１に流れる擬似永久電流が補償コイル１２により補償され一定に保たれる持続時間は、蓄積される磁気エネルギーにより制限される。従って、システムが要求する持続時間を満たすように、補償コイル１２、制御コイル２１、および鉄心３１は設計される。
【００５７】
以上のように、第１実施形態の磁場発生装置１によれば、主コイル１１から対象の空間ＨにＬＴＳ線材の超電導コイルでは発生できない強い磁場であって、時間的に非常に安定度の高い磁場を発生することができる。
【００５８】
（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係る磁場発生装置を示す構成図である。図３は、慣性コイルの一例を示す構成図である。
【００５９】
第２実施形態の磁場発生装置１Ａは、第２閉回路Ｃ２Ａに慣性コイル２４が付加される点で、第１実施形態と異なり、その他の部分は第１実施形態と同様である。同様の構成については、同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００６０】
慣性コイル２４は、第２閉回路Ｃ２Ａにおいて、制御コイル２１、可変抵抗２２、および永久電流スイッチ２３と直列に接続される。図３に示すように、慣性コイル２４は、磁気的に孤立できれば、強磁性体のコア３５（鉄心等）を有し、これにより自己インダクタンスを大きくしてもよい。コア３５は着磁しにくいものがよい。慣性コイル２４が磁気的に孤立してないと、外部磁場の変化の影響を受けてしまい、第１閉回路Ｃ１の擬似永久電流の安定度を乱す原因にもなりかねない。このような事態を回避するため、慣性コイル２４が作る磁束が閉じ込められるように、リング状のコア３５が採用されてもよい。
【００６１】
＜動作説明＞
先ず、慣性コイル２４を持たない第１実施形態の回路について考察する。以下、Ｌ１を補償コイル１２の自己インダクタンス、Ｌ２を制御コイル２１の自己インダクタンス、Ｒを可変抵抗２２の抵抗値、Ｉ１を主コイル１１及び補償コイル１２に流れる擬似永久電流、Ｉ２を制御コイル２１に流れる制御電流、Ｖ１を補償コイル１２に生じる誘導起電力として説明する。また、補償コイル１２と制御コイル２１との磁気的な結合度を１００％として説明する。
【００６２】
第１閉回路Ｃ１の電流Ｉ１が時間的に安定である場合、補償コイル１２に生じる誘導起電力Ｖ１は、補償コイル１２と制御コイル２１との相互インダクタンスの関係から、次式（１）のように表わされる。また、補償コイル１２に流れる電流が時間的に安定していることから、第２閉回路Ｃ２の電圧収支は、次式（２）のように表わされる。
【数１】
2018159637.tif 000003
但し、ｔは時間、変数上のドットは時間微分を示す。
【００６３】
ここで、或る時刻ｔ＝ｔｓに電流Ｉ１の時間微分がゼロからわずかに負に振れる状況を考える。すると、制御コイル２１の誘導起電力に、制御コイル２１と補償コイル１２との相互インダクタンス由来の項が現れ、第２閉回路Ｃ２の電圧収支は、次式（３）のように変化する。
【数２】
2018159637.tif 000004
【００６４】
時刻ｔｓの瞬間には、第２閉回路Ｃ２の電流Ｉ２の時間的な変化率は変化し得るが、電流そのものは不連続に変化しない。ゆえに“Ｉ２（ｔｓ）＝Ｉ２（ｔ＜ｔｓ）”である。ここで、“ｔ＜ｔｓ”は、“ｔｓ”よりも前の電流Ｉ１が安定していた時刻を示す。そして、式（２）を用いて式（３）の第３項を書き直すと、次式（４）が得られる。
【数３】
2018159637.tif 000005
【００６５】
このように、まずは第２閉回路Ｃ２の電流Ｉ２の減衰速度が、式（４）の右辺第２項の分だけ小さくなる。さらにその結果、補償コイル１２に生じる誘導起電力Ｖ１（ｔｓ）が次式（５）のように表される。
【数４】
2018159637.tif 000006
【００６６】
このようにして、補償コイル１２が第１閉回路Ｃ１に供給する誘導起電力Ｖ１は変化せずに安定を保つ。上述した時刻ｔｓにおける電流Ｉ１の時間微分の変化が主コイル１１の外部磁場変動により生じたものである場合、電流Ｉ１の時間微分の変化が主コイル１１にもたらす誘導起電力は、外部磁場変動の影響により相殺される。このため、主コイル１１の両端電圧を監視していても、この変化は捉えられないことになる。その後、主コイル１１の外部磁場変動が消える際（又は外部磁場変動の速度が元に戻る際）にも、上記と同様の変化が生じるが、やはりこの変化は主コイル１１の両端電圧には現れてこない。
【００６７】
さらに、或る期間に外部磁場変動が生じると、この期間に電流Ｉ１の時間微分は負に振れ続けていることから、結果的に、検知されることなく主コイル１１に流れる擬似永久電流Ｉ１が減少してしまうことになる。
【００６８】
図４は、補償コイル、制御コイル、可変抵抗および慣性コイルの関係を示す回路図である。
【００６９】
次に、第２実施形態の回路の挙動について説明する。第２実施形態の第２閉回路Ｃ２には、図４に示すように、慣性コイル２４が直列に含まれる。図４において主コイル１１は省略されている。また、補償コイル１２と制御コイル２１とは鉄心３１を介して磁気的に結合し、慣性コイル２４はいずれのコイルとも磁気的に結合していない。Ｌ１、Ｌ２、Ｉ１、Ｉ２、Ｖ１の各変数は上述した通りであり、Ｌ３は慣性コイル２４の自己インダクタンスを示す。
【００７０】
上述した説明と同様に計算を進めると、先ず、第１閉回路Ｃ１の電流が時間的に安定である場合、第２実施形態の第２閉回路Ｃ２の電圧収支は、次式（６）のように表わされる。
【数５】
2018159637.tif 000007
次に、或る時刻ｔ＝ｔｓに電流Ｉ１の時間微分がゼロからわずかに負に振れる状況を考えると、上記の式（４）、（５）は、慣性コイル２４の存在により、次式（７）、（８）のように変化する。
【数６】
2018159637.tif 000008
【００７１】
すなわち、補償コイル１２が第１閉回路Ｃ１に供給する誘導起電力Ｖ１には、慣性コイル２４があることで、式（８）の右辺第２項分の変化が生じる。この変化は、主コイル１１の両端電圧の監視により捉えることができるばかりでなく、第１閉回路Ｃ１の電流の変化に対して逆符号となることから、第１閉回路Ｃ１の電流の変化を緩和させる方向に働く。
【００７２】
これが第２閉回路Ｃ２内の慣性コイル２４の役割である。慣性コイル２４が存在することにより、第１閉回路Ｃ１の電流変化に対して自発的なネガティブ・フィードバックが働く。ネガティブ・フィードバックの強さ、すなわち電流変化の緩和作用の大きさは、慣性コイル２４の自己インダクタンスＬ３の大きさに依存し、この値が大きいほど強い緩和が実現される。すなわち、慣性コイル２４の存在により、突発的な要因による擬似永久電流の変化量を小さくできる。
【００７３】
以上のように、第２実施形態の磁場発生装置１Ａによれば、慣性コイル２４が存在することで、擬似永久電流を突発的に変化させるような何らかの要因が生じても、この要因が擬似永久電流に与える影響を小さくすることができる。これにより、擬似永久電流の安定度をより高めることができ、時間的に安定した磁場を発生させることができる。
【００７４】
（第３実施形態）
図６は、本発明の実施形態に係るＮＭＲ分析装置を示す構成図である。
【００７５】
本実施形態のＮＭＲ分析装置１００は、試料が配置される試料配置部１０１と、第１実施形態の磁場発生装置１或いは第２実施形態の磁場発生装置１Ａと、プローブ１０２と、分光部１０３と、分析装置１０４とを有する。試料配置部１０１は、本発明に係る対象の空間の一例に相当する。
【００７６】
磁場発生装置１は、試料配置部１０１に静磁場を発生させる。プローブ１０２は、試料配置部１０１に核磁気共鳴の周波数成分を含んだ電波を照射し、試料から出力されるＮＭＲ信号の検出を行う。分光部１０３および分析装置１０４は、プローブ１０２により検出されたＮＭＲ信号のスペクトル解析を行う。
【００７７】
本実施形態のＮＭＲ分析装置１００によれば、磁場発生装置１（又は１Ａ）によりＬＴＳ線材の超電導コイルでは発生できなかった高い強度（例えば１．０２ＧＨｚ相当の強度）の磁場を発生することができる。さらに、第１閉回路Ｃ１に超電導状態に転移しない接続部ｐが含まれていても、非常に安定度の高い磁場が発生される。これにより、核磁気共鳴の信号の精度を高くすることができ、より精密な試料の分析を行うことができる。
【００７８】
（変形例）
第１及び第２実施形態の磁場発生装置１、１Ａについて、ＮＭＲ分析装置又はＭＲＩ装置に適用する上で、まだ改善の余地がある。第１及び第２実施形態の磁場発生装置１、１Ａは、疑似永久電流の持続時間が有限であり、その時間が経過したのちは制御コイル２１を再度励磁する必要があるからである。再度励磁する際の不都合は、扁平な断面形状のＨＴＳ線材を用いた超電導コイルにおいて比較的に大きく現れる。ＨＴＳ線材の超電導コイルに比較的強い電圧が印加されてその電流が変化すると、それによる磁場の変化を打ち消す遮へい電流分布が形成される。これが時間的に変化するため、ＮＭＲ分析装置又はＭＲＩ装置にとって悪影響を及ぼす磁場変動をもたらしてしまうためである。
【００７９】
第１及び第２実施形態の疑似永久電流においては、持続時間の限界は第２閉回路Ｃ２の電流減衰によりもたらされる。主コイル１１の疑似永久電流の駆動を再開させるためには第２閉回路Ｃ２の電流を回復させなければならないが、その際に制御コイル２１を再励磁することになる。制御コイル２１の励磁はそれと磁気的に結合した補償コイル１２に誘導電圧をもたらし、補償コイル１２と電流回路でつながっている主コイル１１に電圧を印加することになる。すなわち第２閉回路Ｃ２の電流復元操作が主コイル１１への電圧印加をもたらし、その結果磁場変動の要因となる遮へい電流が主コイル１１に形成されてしまう。続いて、このような課題を解決する変形例について説明する。
【００８０】
図５は、本発明の実施形態の変形例に係る磁場発生装置を示す構成図である。変形例の磁場発生装置１Ｚは、２つの補償コイル１２、１２Ｚと、２つの補償コイル１２、１２Ｚとそれぞれ磁気的に結合された２つの第２閉回路Ｃ２（図１を参照、図５では図示略）とを備える。第１実施形態の第２閉回路Ｃ２の代わりに第２実施形態の第２閉回路Ｃ２Ａ（図２を参照）が採用されてもよい。２つの補償コイル１２、１２Ｚは、各々が主コイル１１と直列に接続され、かつ互いに並列に接続されている。２つの補償コイル１２、１２Ｚをそれぞれ含んだ２つの並列な電流経路ｒｔ１、ｒｔ２には、各々に永久電流スイッチ１３、１３Ｚが設けられている。すなわち、永久電流スイッチ１３、１３Ｚの開閉により２つの並列な電流経路ｒｔ１、ｒｔ２が独立して開閉可能に構成されている。主コイル１１の直流電源１５は、２つの並列な電流経路ｒｔ１、ｒｔ２と並列になるように接続される。
【００８１】
＜動作説明＞
このような変形例の磁場発生装置１Ｚでは、一方の補償コイル１２と一方の第２閉回路Ｃ２の作用によって主コイル１１の電圧降下を補償しているとき、もう一方の補償コイル１２Ｚの電流経路ｒｔ２を永久電流スイッチ１３Ｚにより開いておく。そして、一方の補償コイル１２に対応する第２閉回路Ｃ２の持続時間の限界が来たところで、もう一方の補償コイル１２Ｚの電流経路ｒｔ２を永久電流スイッチ１３Ｚにより閉じることで、補償コイル１２Ｚともう一方の第２閉回路Ｃ２の作用によって主コイル１１の電圧降下を補償する。
【００８２】
第１閉回路Ｃ１の全電流を一方の補填コイル１２の経路からもう一方の補填コイル１２Ｚの経路へ移行させる際には、交代前の補填コイル１２と磁気結合された制御コイル２１の電流を上げると同時に、交代先の補填コイル１２Ｚと磁気結合された制御コイル２１Ｚの電流を下げる。これらの電流変化の速度を一致させれば、両方の補償コイル１２、１２Ｚから主コイル１１にもたらされる誘導電圧が打消し合い、主コイル１１に電圧を印加することなく、主コイル１１に流れる電流を電流経路ｒｔ１から電流経路ｒｔ２へ切り替えることができる。また、交代前の制御コイル２１の電流上昇を任意に行い、主コイル１１の両端電圧を計測してそれがゼロになるように交代先の制御コイル２１Ｚの電流減衰速度を制御すれば、電流経路ｒｔ１、ｒｔ２の移行の間も、主コイル１１の擬似永久電流の電流経路上にある接続抵抗の電圧降下を打ち消すことができる。
【００８３】
このように、第２閉回路Ｃ２の持続時間の限界が来たところで電流経路を切り替えるという操作を繰り返すことで、文字通りの永久電流駆動を擬似的に実現することが可能となる。
【００８４】
（第４実施形態）
図７は、本発明の実施形態に係るＭＲＩ装置を示す構成図である。
【００８５】
本実施形態のＭＲＩ装置２００は、被験者が配置される被験者配置部２０１と、第１実施形態の磁場発生装置１或いは第２実施形態の磁場発生装置１Ａと、傾斜磁場コイル２０２と、電波送受信部２０３と、データ収集部２０４と、データ処理部２０５とを備える。被験者配置部２０１は、本発明に係る対象の空間の一例に相当する。
【００８６】
磁場発生装置１は、被験者配置部２０１に静磁場を発生させる。傾斜磁場コイル２０２は、被験者配置部２０１に傾斜磁場を発生させる。電波送受信部２０３は、プロトンに核磁気共鳴する電波の送信と受信とを行う。データ収集部２０４は傾斜磁場により核磁気共鳴が生じる位置と受信された電波の強度とを収集する。データ処理部２０５は収集された情報に基づいて三次元画像を生成する。
【００８７】
本実施形態のＭＲＩ装置２００によれば、磁場発生装置１（又は１Ａ）によりＬＴＳ線材の超電導コイルでは発生できなかった高い強度（例えば１．０２ＧＨｚ相当の強度）の磁場を発生することができる。さらに、第１閉回路Ｃ１に超電導状態に転移しない接続部ｐが含まれていても、非常に安定度の高い磁場が発生される。これにより、受信信号のＳ／Ｎ比を向上でき、さらに核磁気共鳴の周波数が高くなることで、より精密な被験者の断層撮影が可能となる。
【００８８】
以上、本発明の各実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に制限されない。例えば、上記実施形態では、強い磁場を発生させるために、主コイル１１をＲＥＢＣＯ線材のコイル部を含む構成とした。しかし、主コイル１１は、例えばＢＳＣＣＯ線材又はＭｇＢ２超電導線材のコイル部を含む構成としてもよい。このような場合でも、線材同士を接続する接続部に超電導状態に転移できない部分が含まれてしまうが、この影響を配して非常に時間的に安定した磁場を発生できるという効果が得られる。
【００８９】
また、上記実施形態では、制御部３は、フィードバック制御により可変抵抗２２を制御する構成を一例にとって説明した。しかし、第１閉回路Ｃ１と第２閉回路Ｃ２の各接続部の抵抗値が予め分かれば、制御すべき抵抗値の時間的な変化を計算により求めることができる。従って、制御部３は、フィートバック制御によらずに、予め求められた計算結果に従って可変抵抗２２を制御する構成としてもよい。また、発生する磁場の持続時間が短くてよいのであれば、可変抵抗２２の抵抗値を一定値としてもよく、この場合でも、擬似永久電流の減衰量を低減して、時間的に安定した磁場を発生することができる。また、各実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【実施例１】
【００９０】
次に、第１実施形態の磁場発生装置１についてより具体化した実施例１について説明する。実施例１では、構成要素の各パラメータの値の一例を示し、且つ、磁場発生装置１の磁場の発生の継続時間についても説明する。
【００９１】
＜冷却部と主コイル＞
冷却部４０の冷却方式としては伝導冷却を適用できる。冷却部４０は、ヒータ３２による温度調整が行われない状況で、３０Ｋ前後まで冷却されるものとする。
【００９２】
主コイル１１の自己インダクタンスは１０Ｈに設定される。ただし本発明は主コイル１１の自己インダクタンスの大小にかかわらず適用可能である。また、主コイル１１が直流駆動される電流値は３００Ａに設定される。なお、主コイル１１の駆動電流が大きくなると回路中の接続部の抵抗による発熱が大きくなる。その場合、第２閉回路Ｃ２の電流も合わせて大きくするなどの対策をとることで、本発明の適用が可能となる。ここで、主コイル１１としては、ＮＭＲ分析装置で利用されるハイブリッド型の超電導コイルに含まれるＨＴＳ線材のコイル部が想定されてもよい。主コイル１１と補償コイル１２と永久電流スイッチ１３とを含む第１閉回路Ｃ１は、ＲＥＢＣＯ線材により構成される。この場合、３０Ｋ前後まで冷却された際の第１閉回路Ｃ１の臨界電流は３００Ａより十分に大きくなる（たとえば４００Ａ）。従って、上記の電流値の設定によれば、第１閉回路Ｃ１で超電導のクエンチが生じる恐れがない。
【００９３】
主コイル１１が含まれる第１閉回路Ｃ１には、複数箇所に半田による接続部が含まれる。接続部には冷却時にも電気抵抗が残る。ＲＥＢＣＯ線材の接続部ｐの電気抵抗は、１箇所あたり０．０１μ〜０．０２μΩであり、複数箇所の接続部ｐの抵抗値の合計は、約０．１μΩと想定される。従って、第１閉回路Ｃ１に、３００Ａの直流電流が流れるとき、第１閉回路Ｃ１の全接続部における電圧降下の合計は約３０μＶ、ジュール熱の合計は約９０００μＷ＝９ｍＷと想定される。
【００９４】
＜補償コイルと制御コイル＞
補償コイル１２と制御コイル２１とは、図１に示すように、リング状の鉄心３１に巻回される。補償コイル１２と制御コイル２１との各自己インダクタンスは２０ｍＨに設定される。なお、この自己インダクタンスの値は第１閉回路Ｃ１の擬似永久電流を一定に持続できる時間を規定する。この持続時間が短くてもよい場合には、この自己インダクタンスをこれより小さくしてもよい。自己インダクタンスの値を大きくするには各コイルの巻き数を増やせばよいが、必要となる超電導線材の量が増加してしまい、製造コストの増大などのデメリットをもたらす。自己インダクタンスには、鉄心３１の磁化による増加分が含まれるので、補償コイル１２および制御コイル２１の各体積は小規模なものとなる。鉄心３１は、鉄心３１を通る磁束密度が鉄心３１の着磁を回避できる大きさになるように、断面積が大きく設計される。また、鉄心３１は、補償コイル１２と制御コイル２１以外のコイル（例えば主コイル１１）の磁束の影響を受けないように配置され、必要があればシールドされる。
【００９５】
＜可変抵抗＞
図８は、可変抵抗の一例を示す構成図である。
【００９６】
可変抵抗２２は、両端にＨＴＳ線材がはんだ付けされた金属であり、例えばブロック状の高純度の金属を採用できる。一般に、極低温環境において、高純度の金属は温度依存性のある電気抵抗率を有する。この性質により、可変抵抗２２は、温度を変化させることで電気抵抗が変化する。可変抵抗２２の材料としては、前述したが、残留抵抗比が３０以上の金属を採用できる。例えば、可変抵抗２２の材料としては、Ｃ１０２０（ＪＩＳ規格）の銅を採用できる。この材料は、例えば５０前後の残留抵抗比を有する、本明細書において、「残留抵抗比」とは、４．２Ｋにおける比抵抗と室温（例えば３００Ｋ）における比抵抗の比を意味する。
【００９７】
可変抵抗２２の温度を冷却部４０内においてヒータ３２により制御できる範囲は、下限が冷却部４０の冷却温度に規定される。また、上限は可変抵抗２２の両端に接続される超電導線材が超電導状態を維持できる温度に規定される。冷却部４０の冷却温度は、比較的安価な１段のＧＭ冷凍機（Gifford-McMahon cooler）が採用された場合、３０Ｋ前後となる。また、可変抵抗２２の両端にＲＥＢＣＯ線材が接続されるとすれば、線材が超電導状態を維持し、十分な臨界電流を保持し得る７０〜８０Ｋが現実的な温度の上限値となる。従って、制御可能な可変抵抗２２の温度範囲は３０〜８０Ｋとなる。
【００９８】
ここでは、可変抵抗２２にＣ１０２０の銅を採用し、且つ、可変抵抗２２の温度を、制御可能な範囲内として４０Ｋから７７Ｋ（液体窒素の１気圧での沸点温度、以下「液体窒素温度」と呼ぶ）で変化させた場合を想定する。この場合、可変抵抗２２の電気抵抗率は、液体窒素温度で２μΩ・ｍｍとなり、４０Ｋで０．５μΩ・ｍｍと変化する。また、可変抵抗２２の抵抗値は４倍に増大する。
【００９９】
可変抵抗２２の温度制御は、可変抵抗２２の互いに反対を向く第１面Ｓ１と第２面Ｓ２とに、それぞれヒータ３２と冷却板と接触させて行う。そして、ヒータ３２の出力（熱量）を変化させる。可変抵抗２２のうち、ＨＴＳ線材Ｍ１が半田接合される面は、互いに反対を向く一対の第３面Ｓ３および第４面Ｓ４とし、第１面Ｓ１と第２面Ｓ２と異なる面とする。この構成では、可変抵抗２２の内部に温度勾配が生じるが、ヒータ３２の出力と可変抵抗２２の抵抗値とを対応づけることができる。ヒータ３２が接触される第１面Ｓ１および冷却板が接触される第２面Ｓ２は、互いの間隔が狭く、且つ、各面積が大きいと好ましい。これにより、可変抵抗２２の抵抗値を制御する精度或いは制御に要する応答速度を高めることができる。
【０１００】
＜擬似永久電流の補償効果の持続時間＞
続いて、上記構成の磁場発生装置１により発生される磁場の持続時間について述べる。
【０１０１】
補償コイル１２と制御コイル２１に生じる誘電起電力に関しては、上述の関係式（１）が成り立つ。誘導起電力Ｖ１が、第１閉回路Ｃ１に含まれる常電導部分の電圧降下と一致するとき、第１閉回路Ｃ１に流れる擬似永久電流の減衰量はゼロとなる。主コイル１１が減衰量ゼロの擬似永久電流で駆動されるとき、第１閉回路Ｃ１の接続部ｐの電圧降下が一定となる。この条件を式（１）に付加すると、次式（９）が導かれる。
【数７】
2018159637.tif 000009
【０１０２】
そして、臨界時間ｔｃを、Ｉ２（ｔ）＝０となる時間として定義すれば、臨界時間ｔｃは、次式（１０）のように表される。
【数８】
2018159637.tif 000010
【０１０３】
また、第１閉回路Ｃ１の擬似永久電流が一定であるとき、第２閉回路Ｃ２の制御電流Ｉ２と電圧降下との関係式は、次式（１１.１）となる。これから第２閉回路Ｃ２の抵抗成分の値Ｒ（ｔ）が、次式（１１．２）のように導かれる。
【数９】
2018159637.tif 000011
ここで、Ｒ（ｔ）は可変抵抗２２を含んだ第２閉回路Ｃ２の全抵抗値を示す。
【０１０４】
式（１１．２）から、臨界時間ｔｃでは抵抗値Ｒ（ｔ＝ｔｃ）が発散することが分かる。このため、一定の擬似永久電流を維持していられる持続時間は、臨界時間ｔｃよりも短い時間となる。臨界時間ｔｃに対する実際の持続時間の割合は、可変抵抗２２を含む抵抗の値Ｒ（ｔ）をどれだけ大きくできるかによって決まる。また、式（１１．２）から抵抗値の初期値が決められる。
【０１０５】
実施例１では、補償コイル１２と制御コイル２１とのインダクタンスが等しく（Ｌ１＝Ｌ２）、第１閉回路Ｃ１と第２閉回路Ｃ２との初期電流が等しい構成を想定している。この構成では、抵抗値の初期値Ｒ（０）は、第１閉回路Ｃ１の全抵抗値と一致するので、０．１μΩとなる。仮に、可変抵抗２２により第２閉回路Ｃ２の抵抗値を初期値Ｒ（０）の２倍まで大きくできるとすると、持続時間は臨界時間の２分の１となる。実施例１の各パラメータの値を代入して計算すれば、持続時間は１００，０００秒≒２８時間と求められる。
【０１０６】
ＮＭＲ分析装置の測定時間は、通常、２８時間などの長い時間を要することはない。従って、実施例１に示した磁場発生装置１によれば、ＮＭＲ分析装置に要求される安定した磁場を十分に長い時間発生させることができる。一方、試料によっては分析に数日を要する場合がある。この場合でも、補償コイル１２と制御コイル２１との自己インダクタンスを高めて、臨界時間ｔｃを延ばすことで、持続時間を対応できる長さに延ばすことができる。インダクタンスを高めるには、鉄心３１を大きくし、補償コイル１２と制御コイル２１との巻き数を増やせばよい。
【０１０７】
＜可変抵抗の寸法＞
ここでは、上述の磁場の持続時間の説明の中で述べた抵抗値Ｒ（ｔ）の変化（０．１μから０．２μΩ）を実現するための可変抵抗の寸法について説明する。
【０１０８】
抵抗値の初期値０．１μΩは、可変抵抗２２の銅のブロック部２２ａの抵抗値ではない。ブロック部２２ａとＨＴＳ線材Ｍ１とは半田付けされるが、この半田付けの部分にゼロでない接続抵抗が生じる。幅４ｍｍのＲＥＢＣＯ線材の場合典型的な接続抵抗の大きさは、第３面Ｓ３と第４面Ｓ４の両方、接続長１ｃｍで０．２μΩ程度である。接続抵抗は、接続長に反比例し、可変抵抗２２とＨＴＳ線材Ｍ１との接続長を１０ｃｍ（＝１００ｍｍ）とすると、接続抵抗は０．０２μΩとなる。さらに第２閉回路Ｃ２の永久電流スイッチ２３などの他の接続部ｐの抵抗が０．０３μΩ程度ある。これらから、可変抵抗２２のブロック部２２ａの抵抗値の初期値は、残りの０．０５μΩとすればよい。
【０１０９】
ＨＴＳ線材Ｍ１の接続部の長さｄと幅ｗは、１００ｍｍと線材の幅４ｍｍと規定する。すると、可変抵抗２２のブロック部２２ａの１辺の長さｄは１００ｍｍ、もう１辺の幅ｗは４ｍｍと決まる。可変抵抗２２の初期温度を４０Ｋとすると、上述したように初期温度４０Ｋの銅の電気抵抗率は０．５μΩ・ｍｍである。従って、可変抵抗２２の抵抗の初期値０．０５μΩとすると、可変抵抗２２のブロック部２２ａの残りの１辺の長さｈは４０ｍｍとすれば良いことが分かる。
【０１１０】
ＲＥＢＣＯ線材であるＨＴＳ線材Ｍ１の接続抵抗には温度依存性がほとんどない。従って、第２閉回路Ｃ２の全体の抵抗を０．１μから０．２μΩのように変化させるためには、可変抵抗２２のブロック部２２ａの抵抗値は、初期値０．０５μΩから温度変化によって３倍の０．１５μΩまで増加させる必要がある。この増加は、温度変化に換算すると残留抵抗比５０の銅において４０Ｋから７０Ｋの変化に相当する。
【０１１１】
さらに、第２閉回路Ｃ２の制御電流の大きさは、初期値３００Ａ、持続時間の経過後には１５０Ａとなることが想定される。すなわち、可変抵抗２２に近いＨＴＳ線材Ｍ１には、４０Ｋにおいて３００Ａ、７０Ｋにおいて１５０Ａの電流が流れることになる。幅４ｍｍのＲＥＢＣＯ線材であれば、どちらの温度でもこれらの電流値は臨界電流を下回っており、通電が困難になる恐れがない。
【０１１２】
＜制御部によるヒータの制御＞
制御部３は、主コイル１１の電圧を監視して、ヒータ３２の出力制御を行う。このとき、制御部３は、可変抵抗２２の温度を監視しなくてもよい。ここで、主コイル１１を構成する線材の途中に接続部ｐが含まれる場合、制御部３は、接続部ｐを含まない主コイル１１の一部の電圧を監視する構成とするとよい。擬似永久電流が厳密に一定であれば、主コイル１１には電圧が生じない。従って、制御部３は、主コイル１１に電圧が生じないようにヒータ３２の出力を制御する。
【０１１３】
ＮＭＲ分析装置の分野では、磁場を発生させる永久電流に要求される安定度を、回路に含まれる抵抗値に換算した値として、１０−１１Ωが安定度の一つの基準とされている。第１閉回路Ｃ１に、この値の抵抗が含まれているとき、第１閉回路Ｃ１に３００Ａの電流を流すと３ｎＶの電圧降下が生じ、これと同じ誘導起電力が主コイル１１に生じることになる。よって、制御部３は、主コイル１１に３ｎＶ以上の電圧が生じないようにフィードバック制御によりヒータ３２を制御する。ヒータ３２の出力を上げると可変抵抗２２の温度が上昇してその抵抗値が増大し、制御コイル２１の電流の減少速度が上昇する。その結果、磁気的に結合した補償コイル１２に生じる誘導起電力が増加する。ヒータ３２の出力を下げると可変抵抗２２の温度が低下して抵抗値が減少し、制御コイル２１の電流の減少速度が低下する。これにより、磁気的に結合した補償コイル１２に生じる誘導起電力が減少する。上記の３ｎＶ以下を基準とした制御部３のフィードバック制御により、ＮＭＲ分析装置に要求される擬似永久電流の安定度を達成することができる。そして、ＮＭＲ分析装置に要求される磁場の安定度が達成される。
【０１１４】
＜測定部＞
測定部２は、ｎＶオーダの微小な電圧を測定する。ｎＶオーダの電圧を測定する測定器は実用化されているが、実施例１の測定部２はプローブとなる配線に以下の構造を有する。電圧測定の配線に生じるノイズとしては、熱起電力と誘導電圧の二つがある。熱起電力は両極の２つの配線の端部の温度差により生じる電圧である。冷却部４０が、冷媒の浸漬冷却により主コイル１１を冷却する構成の場合は温度差が生じにくいが、伝導冷却の場合には温度差が生じえる。従って、伝導冷却の場合、測定部２の配線が接続される主コイル１１の２つの部位に温度差が生じないように冷却される構成が採用されるとよい。温度差が生じてしまう場合には、熱電対などを用いて温度差を測定し、測定部２の測定結果に温度差による熱起電力を減算する補正を行う構成を採用してもよい。
【０１１５】
誘導電圧は、測定部２の配線が作る閉曲線で囲まれる面を貫く磁束の変化により引き起こされる。誘導電圧を防ぐ対策としては、測定部２のプローブとなる２つの配線をねじって二重らせん構造とし、その間を貫く磁束の符号をこまめに反転させてキャンセルしてしまう方法等を採用できる。或いは、周囲を導体に囲まれたシールド線を測定部２のプローブの配線に用いる方法等を採用できる。
【０１１６】
主コイル１１に流れる擬似永久電流の変化は、加えられた電圧の時間積分に比例する。ゆえに、比較的大きな電圧が主コイル１１に加えられても、それが短い時間で解消するスパイク電圧などであれば、擬似永久電流の変化にはほとんど影響しない。逆に、制御部３がそれに過剰に反応してしまう方が擬似永久電流の安定化に逆効果をもたらす可能性がある。従って、測定部２は、測定結果から短時間の電圧変化を除去するローパス・フィルタを備えてもよい。
【０１１７】
以上のように、実施例１の磁場発生装置１によれば、ＬＴＳ線材の超電導コイルでは発生できない強い磁場を発生することができ、さらにＮＭＲ分析装置に要求される高い安定度で長時間にかけて磁場の発生を継続できる。
【実施例２】
【０１１８】
次に、第１実施形態の磁場発生装置１Ａについてより具体化した実施例２について説明する。実施例２の磁場発生装置１Ａは、慣性コイル２４が追加された点が、実施例１と異なる。慣性コイル２４は第１閉回路Ｃ１に生じる突発的な電流変化を自発的に緩和させるものであるが、ここでは緩和作用以外の慣性コイル２４による影響について説明する。
【０１１９】
慣性コイル２４の自己インダクタンスの最適値は、磁場発生装置１Ａおよびこれを利用するシステムの特性によって決められるべきであるが、ここでは例えば１０ｍＨと設定する。慣性コイル２４が加わっても、前述の式（９）、式（１０）、式（１１．１）は成立する。しかし、慣性コイル２４が加わることで、第２閉回路Ｃ２の抵抗値Ｒ（ｔ）の方程式は前述の式（１１．２）と異なり、次式（１２）のように表わされる。
【数１０】
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この式（１２）を前述の式（１１．２）と比較すると係数（１＋Ｌ３／Ｌ２）の分、抵抗値が大きくなることが分かる。上記の設定では、慣性コイル２４の自己インダクタンスＬ３は制御コイル２１の自己インダクタンスＬ２の半分なので、抵抗値Ｒ（ｔ）は実施例１の１．５倍になる。係数（１＋Ｌ３／Ｌ２）は、時間的に変化しないので、抵抗値Ｒ（ｔ）の初期値、初期値における温度に依存しない成分の大きさ、温度に依存する成分の大きさを、共に実施例１の１．５倍にすれば、式（１２）が満たされる。この場合、可変抵抗２２のブロック部２２ａの抵抗値は、初期値を０．０７５μΩ、接続抵抗に由来する温度に依存しない成分を０．０７５μΩ、合計を０．１５μΩとすればよい。
【０１２０】
可変抵抗２２のブロック部２２ａの抵抗値は、例えば、ブロック部２２ａの幅寸を実施例１の１．５倍の６０ｍｍとすれば得られる。また、温度に依存しない接続抵抗の増加分は、慣性コイル２４が加わったことでＨＴＳ線材の接続部ｐが増加することにより補われると予想される。すなわち、第２閉回路Ｃ２を構成するデバイスの数が２つから３つへと１．５倍に増えたことで、接続部ｐの数も１．５倍となり、その合計の接続抵抗も１．５倍程度になると予想される。接続部ｐの増加分による抵抗値の増加量が１．５倍より小さければ、可変抵抗２２のブロック部２２ａの抵抗を大きくして補えばよい。この場合、実施例１と同じ温度範囲で変えられる抵抗値の範囲がより大きくなるので、より好ましい。逆に、接続部ｐの増加分よる抵抗値の増加量が１．５倍より大きければ、可変抵抗２２のブロック部２２ａの抵抗を小さくして補ってもよいし、慣性コイル２４の自己インダクタンスを大きくするという方法により対処してもよい。後者の場合、抵抗成分の増加分が１．５倍より大きくなるので、上述の方法で抵抗値を補うことができる。また、慣性コイル２４の自己インダクタンスを大きくした場合、第１閉回路Ｃ１に生じる突発的な電流変化を自発的に緩和させるという作用が強くなることから、擬似永久電流の安定度をより向上できるという利点が生じる。
【０１２１】
以上のように、実施例２の磁場発生装置１Ａによれば、ＮＭＲ分析装置に要求されるような非常に高い安定度を有する磁場を発生できる。さらに、電流変化を生じさせる突発的な要因が生じても、この影響を緩和できるという効果が得られる。
【符号の説明】
【０１２２】
１  磁場発生装置
２  測定部
３  制御部
Ｃ１  第１閉回路
Ｃ２、Ｃ２Ａ  第２閉回路
１１  主コイル
１２  補償コイル
１３、２３  永久電流スイッチ
１５、２５  直流電源
１６、２６  保護回路素子
２１  制御コイル
２２  可変抵抗（抵抗）
２４  慣性コイル
３２  ヒータ
３３  ヒータ電源
１００  ＮＭＲ分析装置
２００  ＭＲＩ装置
【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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