(57)【要約】【課題】印加磁場より大きな磁場を発生でき、しかも、印加磁場をゼロにした後も、印加磁場より大きな磁場を持続的に発生することができる新規な超電導バルク磁石装置を提供する。【解決手段】円筒状バルク超電導体１３の内部中心に、磁場を収束させるための形状を有する円筒状バルク超電導体１３とは異なる特性のバルク超電導体磁気レンズ１２を配置し、外部に設置した着磁用超電導マグネット１４により円筒状バルク超電導体１３を着磁することにより、円筒状バルク超電導体１３による磁場の捕捉現象と、バルク超電導体磁気レンズ１２による磁気収束効果を組み合わせ、印加磁場より大きな磁場を発生させ、かつ、着磁用超電導マグネット１４による磁場印加をゼロにした後も印加磁場より大きな磁場を持続的に発生できるようにする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状バルク超電導体の内部中心に、磁場を収束させるための形状を有する前記円筒状バルク超電導体とは異なる特性のバルク超電導体磁気レンズを配置し、外部に設置した着磁用超電導マグネットにより前記円筒状バルク超電導体を着磁することにより、前記円筒状バルク超電導体による磁場の捕捉現象と、前記バルク超電導体磁気レンズによる磁気収束効果を組み合わせ、印加磁場より大きな磁場を発生させ、かつ、前記着磁用超電導マグネットによる磁場印加をゼロにした後も印加磁場より大きな磁場を持続的に発生できるようにしたことを特徴とするハイブリッド型超電導バルク磁石装置。
【請求項２】
前記円筒状バルク超電導体がMgB2からなり、前記バルク超電導体磁気レンズがREBaCuO（REは希土類元素またはY）からなることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型超電導バルク磁石装置。
【請求項３】
前記円筒状バルク超電導体および前記バルク超電導体磁気レンズがそれぞれREBaCuO（REは希土類元素またはY）からなることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型超電導バルク磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導バルクを用いて高磁場を発生するハイブリッド型超電導バルク磁石装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導磁石は永久磁石に比べ、非常に高い磁場を発生することができ、従来は超電導コイル磁石が一般的であったが、最近では超電導バルクを用いた超電導磁石の開発がなされている。この超電導バルクを用いた超電導磁石は、超電導コイル磁石よりもコンパクトであり、比較的小さな空間に大きな磁場を発生する用途に適している。
【０００３】
超電導バルクを用いた超電導磁石として、磁気レンズ効果を利用し、磁束の誘導方向の適所に磁束を収束させるバルク超電導体磁気レンズが提案されている（特許文献１等）。
【０００４】
図１（ａ）に、従来のバルク超電導体磁気レンズを用いた超電導磁石装置の一例を示す。この超電導磁石装置１は、一対の超電導バルクを突き合わせてなるバルク超電導体磁気レンズ２から構成され、外部に配置される着磁用超電導コイル磁石３により着磁用磁場（印加磁場Ｂａｐｐ）が印加されるようになっている。例えば、超電導バルクとしては、GdBaCuOが用いられ、超電導コイルとしては、NbTiが用いられる。
【０００５】
この超電導磁石装置１は、着磁用超電導コイル磁石３が作る磁場を、磁気シールド効果を用いて内部に設けたバルク超電導体磁気レンズ２により収束し、磁場増幅率（印加磁場に対する発生磁場の比）が図１（ｂ）に示すように１より大きくなる高磁場Ｂｃを発生させるものである。現状では、外部磁場Ｂａｐｐ＝８Ｔのもとで、バルク超電導体磁気レンズ２内で１２．４Ｔの磁場収束が実現している（非特許文献１）。
【０００６】
しかしながら、このような従来の超電導磁石装置１では、磁場収束効果は外部磁場Ｂａｐｐをゼロにすると磁気レンズ効果が失われるため、着磁用超電導コイル磁石３が励磁されている状態（図１（ｂ）の点線の矢印で示す）だけ有効となっているに過ぎなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平２００９−１３５４８７号公報（特許第５１５８７９９号公報）
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Z. Y. Zhang et al., 2012 Supercond. Sci. Technol. 25 115012.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、以上のような従来技術の問題点を解決し、印加磁場より大きな磁場を発生でき、しかも、印加磁場をゼロにした後も、印加磁場より大きな磁場を持続的に発生することができる新規な超電導バルク磁石装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、上記課題を解決するため、以下の発明が提供される。
【００１１】
〔１〕円筒状バルク超電導体の内部中心に、磁場を収束させるための形状を有する前記円筒状バルク超電導体とは異なる特性のバルク超電導体磁気レンズを配置し、外部に設置した着磁用超電導マグネットにより前記円筒状バルク超電導体を着磁することにより、前記円筒状バルク超電導体による磁場の捕捉現象と、前記バルク超電導体磁気レンズによる磁気収束効果を組み合わせ、印加磁場より大きな磁場を発生させ、かつ、前記着磁用超電導マグネットによる磁場印加をゼロにした後も印加磁場より大きな磁場を持続的に発生できるようにしたことを特徴とするハイブリッド型超電導バルク磁石装置。
【００１２】
〔２〕上記第１の発明において、前記円筒状バルク超電導体がMgB2からなり、前記バルク超電導体磁気レンズがREBaCuO（REは希土類元素またはY）からなることを特徴とするハイブリッド型超電導バルク磁石装置。
【００１３】
〔３〕上記第１の発明において、前記円筒状バルク超電導体および前記バルク超電導体磁気レンズがそれぞれREBaCuO（REは希土類元素またはY）からなることを特徴とするハイブリッド型超電導バルク磁石装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、上記構成を採用したので、印加磁場より大きな磁場を発生でき、しかも、印加磁場をゼロにした後も、印加磁場より大きな磁場を持続的に発生することができる新規なハイブリッド超電導バルク磁石装置を提供することが可能となる。
【００１５】
本発明のハイブリッド超電導バルク磁石装置は、有害物質を磁気力により分離する磁気分離等の環境浄化分野、小型・高効率モーター・発電機等のエネルギー分野や、核磁気共鳴（NMR）装置等の医療分野などに利用することができる。また、これまでの超電導バルク磁石装置ではできなかった「物質の分離・精製」や、「電子・イオンビーム収束」などの計測・高エネルギー物理分野へも応用することが可能である。
【００１６】
本発明は日本に数百台設置されている１０T超電導マグネットを用いて、比較的容易に１５Ｔ級の強磁場を持続的に実現できる可能性が有り、このメリットやインパクトは大きい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来のバルク超電導体磁気レンズを用いた超電導磁石装置の一例を示す図である。
【図２】本発明によるハイブリッド型超電導バルク磁石装置の一例を示す図である。
【図３】本発明の超電導バルク磁石装置の各部の寸法例を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るハイブリッド型超電導バルク磁石装置の一例を示す図である。
【図５】増磁過程および減磁過程での中心軸（ｘ軸）上での磁場分布を示す図である。
【図６】磁気レンズ中心での発生磁場のステップ依存性を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る超電導バルク磁石装置の磁化プロセスにおける個別温度制御を説明するための図である。
【図８】増磁過程および減磁過程での中心軸（ｘ軸）上での磁場分布を示す図である。
【図９】印加磁場Ｂａｐｐが３Ｔ、６Ｔ、１０Ｔの場合の各ステップ（ステップ０〜１０）における外部磁場Ｂｅｘと発生磁界（中心磁界）ＢＨとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図２（ａ）に、本発明によるハイブリッド型超電導バルク磁石装置（以下、単に超電導バルク磁石装置とも称する）１１の一例を示す。この超電導バルク磁石装置１１は、一対の超電導バルクを突き合わせてなるバルク超電導体磁気レンズ１２が、円筒状バルク超電導体１３の内部中心に配置されて構成され、外部に配置される着磁用超電導マグネット１４により着磁用磁場（印加磁場Ｂａｐｐ）が印加されるようになっている。バルク超電導体磁気レンズ１２は、図２（ａ）に示すように、磁場を収束させるための形状となっており、その特性は円筒状バルク超電導体１３の特性とは異なっている。バルク超電導体磁気レンズ１２の超電導バルクとしては、例えばREBaCuO（REは希土類元素またはY）が用いられ、円筒状バルク超電導体１３の超電導バルクとしては、例えばMgB2またはREBaCuO（REは希土類元素またはY）が用いられ、着磁用超電導マグネット１４としては、例えばNbTiからなるソレノイド型コイルまたはスプリット型コイルが用いられる。上記REBaCuOとしては、特にGdBaCuOが好ましい。
【００２０】
この超電導バルク磁石装置１１は、着磁用超電導マグネット１４により円筒状バルク超電導体１３を着磁することにより、円筒状バルク超電導体１３による磁場の捕捉現象と、バルク超電導体磁気レンズ１２による磁気収束効果を組み合わせることにより、図２（ｂ）に示すように、印加磁場Ｂａｐｐより大きな磁場Ｂｃを発生させ、かつ、着磁用超電導マグネット１４による磁場印加をゼロにした後に印加磁場Ｂａｐｐより大きな磁場Ｂｃを持続的に発生できるようになる。
【００２１】
ここで、図３に、本発明の超電導バルク磁石装置１１の各部の寸法例を示す。図示のように、本発明の超電導バルク磁石装置１１は、非常にコンパクトであり、比較的小さな空間に大きな磁場を発生する用途に適するものとなる。
【００２２】
次に、本発明の第１の実施形態の超電導バルク磁石装置について説明する。本実施形態では、バルク超電導体磁気レンズ１２の超電導バルクとしてGdBaCuOを用い、円筒状バルク超電導体１３の超電導バルクとしてMgB2を用い、着磁用超電導マグネット１４としてNbTiからなる超電導ソレノイド型コイルを用いる。ここでは、GdBaCuOを用いたバルク超電導体磁気レンズ１２をGdBaCuOレンズ１２、 MgB2を用いた円筒状バルク超電導体１３をMgB2円筒１３と略記する。
【００２３】
本実施形態の超電導バルク磁石装置１１の各部は、図３に示す形状、大きさとすることができる。
【００２４】
本実施形態の超電導バルク磁石装置１１の磁化プロセスを図４に示す。この磁化プロセスは、図４及び下記に示す（１）〜（５）の時間シーケンスをとる。Ｂａｐｐは３Ｔとした。
【００２５】
（１）MgB2円筒１３とGdBaCuOレンズ１２は、室温からＴＨ＝４０Ｋに冷却される。このＴＨはMgB2の超電導転移温度Ｔｃ＝３９Ｋより高いが、GdBaCuOの超電導転移温度Ｔｃ＝９２Ｋよりも低い。従って、この段階では、MgB2円筒１３は常電導状態にあり、GdBaCuOレンズ１２は超電導状態にある（ステップ０）。
【００２６】
（２）外部磁場Ｂｅｘは直線的に上昇する。これはGdBaCuOレンズ１２のゼロ磁場冷却着磁（ＺＦＣＭ）に対応するＢａｐｐまでの５ステップ（ステップ１〜５）にわたって行われる。磁気レンズ１２によるシールド効果のためにＢａｐｐよりも本質的に高い磁場Ｂｃは、MgB2円筒１３を完全に貫通し、磁場は磁気レンズの中心に収束する。
【００２７】
（３）MgB2円筒１３とGdBaCuOレンズ１２の両方の温度は、MgB2のＴｃよりも低いＴＬ＝２０Ｋまで低下する。
【００２８】
（４）外部磁場Ｂｅｘは直線的に減少し、５ステップ（ステップ６〜１０）で０となる。このプロセス中、MgB2円筒１３は磁場中冷却着磁（ＦＣＭ）によって磁化され、磁束はMgB2円筒１３内に捕捉される。磁場収束効果は、外部磁場Ｂｅｘの減少によりわずかに減少するが、MgB2円筒１３内に捕捉された磁場が存在するため、GdBaCuOレンズ１２の中心にある中心磁場Ｂｃはまだ残っている。
【００２９】
（５）結果として、外部磁場Ｂｅｘ＝０の後であっても、Ｂａｐｐより高い磁場Ｂｃを確実に発生できる超電導バルク磁石が実現する。
【００３０】
図５に、増磁過程および減磁過程での中心軸（ｘ軸）上での磁場分布、図６に、磁気レンズ中心での発生磁場のステップ依存性を示す。
【００３１】
次に、本発明の第２の実施形態の超電導バルク磁石装置について説明する。本実施形態では、バルク超電導体磁気レンズ１２の超電導バルクとしてGdBaCuOを用い、円筒状バルク超電導体１３の超電導バルクとして同じGdBaCuOを用い、着磁用超電導マグネット１４としてNbTiからなる超電導ソレノイド型コイルを用いる。ここでは、GdBaCuOを用いたバルク超電導体磁気レンズ１２をGdBaCuOレンズ１２、 GdBaCuOを用いた円筒状バルク超電導体１３をGdBaCuO円筒１３と略記する。
【００３２】
本実施形態の超電導バルク磁石装置１１の各部も、図３に示す形状、大きさとすることができる。
【００３３】
本実施形態の超電導バルク磁石装置１１の磁化プロセスでは、図７に示すように、GdBaCuOレンズ１２とGdBaCuO円筒１３の温度を個別に制御する必要がある。図中、実線がGdBaCuO円筒１３の温度、破線がGdBaCuOレンズ１２の温度を示す。Ｂａｐｐは１０Ｔである。
【００３４】
この場合も、印加磁場Ｂｅｘと発生磁場Ｂｃの関係は図４と同様な傾向となる。
【００３５】
この磁化プロセスの時間シーケンスは下記の（１）〜（５）となる。
【００３６】
（１）GdBaCuO円筒１３は１００Ｋに維持され、GdBaCuOレンズ１２はＴＨ＝４０Ｋまで冷却される。従って、この段階では、GdBaCuO円筒１３は常電導状態にあり、GdBaCuOレンズ１２は超電導状態にある（ステップ０）。
【００３７】
（２）外部磁場ＢｅｘはＢａｐｐまで５ステップ（ステップ１〜５）にわたって直線的に増加し、Ｂａｐｐと等しい磁場がGdBaCuO円筒１３を完全に貫通し、磁場は磁気レンズの中心に収束するが、GdBaCuOレンズ１２はゼロ磁場冷却（ＺＦＣ）により着磁される。
【００３８】
（３）GdBaCuO円筒１３とGdBaCuOレンズ１２の両方の温度は、ＴＬ＝２０Ｋまで低下する。
【００３９】
（４）外部磁場Ｂｅｘは直線的に減少し、５ステップ（ステップ６〜１０）で０となる。このプロセス中、GdBaCuO円筒１３は磁場中冷却着磁（ＦＣＭ）によって磁化され、磁束はGdBaCuO円筒１３内に捕捉される。磁場収束効果は、外部磁場Ｂｅｘの減少によりわずかに減少するが、GdBaCuO円筒１３内に捕捉された磁場が存在するため、GdBaCuOレンズ１２の中心にある中心磁場Ｂｃはまだ残っている。
【００４０】
（５）結果として、外部磁場Ｂｅｘ＝０の後であっても、Ｂａｐｐより高い磁場Ｂｃを確実に発生できる超電導バルク磁石が実現する。
【００４１】
図８に、増磁過程および減磁過程での中心軸（ｘ軸）上での磁場分布を示す。
【００４２】
また、図９に、Ｂａｐｐ＝３Ｔ、６Ｔ、１０Ｔの場合の各ステップ（ステップ０〜１０）における外部磁場Ｂｅｘと発生磁界（中心磁界）Ｂｃとの関係を示す。いずれも磁場印加を停止した後も磁場を持続的に発生することができた。また、実施形態１の超電導バルク磁石装置についても同様な傾向が得られた。
【符号の説明】
【００４３】
１１    超電導バルク磁石装置
１２    バルク超電導体磁気レンズ
１３    円筒状バルク超電導体
１４    着磁用超電導マグネット
【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】
2019125710.tif 000009
【図８】
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【図９】
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