(57)【要約】  関心領域ＺＩにおいて軸Ｏｚに沿って均一で強力な磁場成分Ｂｚを形成するための小型超伝導磁石装置は、軸Ｏｚを始点として順に、環状端（１０Ａ，１０Ｂ，２０Ａ，２０Ｂ）で区切られた軸Ｏｚの環状円筒断面（１０，２０）の周囲に形成された、少なくとも２つの共軸の超伝導ヘリカルコイル（１，２）を有する。ヘリカルコイル（１，２）の側端部は、半径ｃを有する１つの同一の球（５）の近傍のコイルの厚さ以下の所に配列されており、当該球の中心Ｏは、関心領域ＺＩの中心にある軸Ｏｚ上に位置しており、前記球は、前記磁石装置全体を包囲するものである。ヘリカルコイル（１，２）の方位角方向の電流密度ｊ1，ｊ2は、交互に反対の符号を有する。ヘリカルコイル（１，２）の長さ（２ｂ1、２ｂ2）は、減少していく。軸Ｏｚを中心とする磁性材料製のリング群（４）であって、球（５）の中心Ｏを通りかつ軸Ｏｚに垂直な正中面ｘＯｙに対して対称性を有するリング群（４）が、球（５）の内部において、第１のコイル（１）と第２のコイル（２）との間に挿入され、かつ球（５）の中心Ｏに形成される磁場の方向とは逆方向の磁力で飽和されるまで磁化されている。【選択図】図１
2013530782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
関心領域ＺＩにおいて軸Ｏｚに沿って均一な磁場成分Ｂｚを形成するための、核磁気共鳴用または磁気共鳴イメージング用の小型超伝導磁石装置であって、前記磁石装置は、軸Ｏｚを始点として順に前記軸Ｏｚに垂直な方向に、第１の超伝導ヘリカルコイル（１；１０１）と、少なくとも１つの第２の超伝導ヘリカルコイル（２；１０２）とを有し、前記第１の超伝導ヘリカルコイル（１；１０１）は、第１の環状端（１０Ａ，１０Ｂ；１１０Ａ，１１０Ｂ）により区切られた、軸Ｏｚの第１の環状円筒断面（１０；１１０）の周囲に形成されており、前記第１の超伝導ヘリカルコイル（１；１０１）は、第１の方位角方向の電流密度ｊ1とともに、第１の外半径（ａ12）、第１の内半径（ａ11）および第１の長さ（２ｂ1）を有し、前記第２の超伝導ヘリカルコイル（２；１０２）は、前記第１の環状円筒断面（１０；１１０）を囲い、第２の環状端（２０Ａ，２０Ｂ；１２０Ａ，１２０Ｂ）により区切られた、軸Ｏｚの第２の環状円筒断面（２０；１２０）の周囲に形成され、前記第２の超伝導ヘリカルコイル（２；１０２）は、第２の方位角方向の電流密度ｊ2とともに、第２の外半径（ａ22）、第２の内半径（ａ21）および第２の長さ（２ｂ2）を有し、第１および第２のヘリカルコイル（１，２；１０１，１０２）の側端部は、半径ｃを有する１つの同一の球（５；１０５）の近傍のコイルの厚さ以下の所に配列されており、前記球の中心Ｏは、前記関心領域ＺＩの中心にある軸Ｏｚ上に位置しており、前記球は、前記磁石装置全体を包囲するものであり、前記第１および第２の方位角方向の電流密度ｊ1、ｊ2は、反対の符号を有し、前記軸Ｏｚを中心とする磁性材料製のリング群（４；１０４）であって、前記球（５；１０５）の中心Ｏを通りかつ前記軸Ｏｚに垂直な正中面ｘＯｙに対して対称性を有するリング群（４；１０４）が、前記球（５；１０５）の内部において、前記第１のコイル（１；１０１）と前記第２のコイル（２；１０２）の間に挿入され、かつ前記球（５；１０５）の中心Ｏに形成される磁場の方向とは逆方向の磁力で飽和されるまで磁化されている、磁石装置。
【請求項２】
前記磁石装置が、少なくとも１つの第３の超伝導ヘリカルコイル（１０３）をさらに有し、前記第３の超伝導ヘリカルコイル（１０３）は、前記第２の環状円筒断面（１２０）を囲い、第３の環状端（１３０Ａ，１３０Ｂ）により区切られた、軸Ｏｚの第３の環状円筒断面（１３０）の周囲に形成され、前記第３の超伝導ヘリカルコイル（１０３）は、第３の方位角方向の電流密度ｊ3とともに、第３の外半径（ａ32）、第３の内半径（ａ31）および第３の長さ（２ｂ3）を有し、前記第１、第２および第３の方位角方向の電流密度ｊ1、ｊ2、ｊ3は、交互に反対の符号を有し、前記第１、第２および第３の超伝導ヘリカルコイル（１０１，１０２，１０３）の第１、第２および第３の長さ（２ｂ1、２ｂ2、２ｂ3）は、減少していくものである、請求項１に記載の磁石装置。
【請求項３】
前記軸Ｏｚを中心とする磁性材料製のリング群（４；１０４）が、前記正中面ｘＯｙに対して対称に配置された、異なる断面を有する２つのペアのリング群（４１，４４および４２，４３；１４１，１４４および１４２，１４３）を含む、請求項１または２に記載の超伝導磁石装置。
【請求項４】
前記磁性材料製のリング群（４；１０４）が、鉄の飽和磁化と少なくとも同じ大きさの飽和磁化を有する磁性材料でできている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記磁性材料製のリング群（４；１０４）が、鉄または鉄合金でできている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記磁性材料製のリング群（４；１０４）が、鉄とコバルトの合金でできている、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記磁性材料製のリング群（４；１０４）が、組成ＸＦｅ2Ｏ4（式中、Ｘは、Ｍｎ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｆｅを含む１種以上の元素より構成される）を有するフェライト製である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
関心領域（１０；１１０）において軸Ｏｚに沿って均一な磁場成分Ｂｚを形成するための、核磁気共鳴用または磁気共鳴イメージング用の超伝導磁石装置の製造方法であって、以下の工程を含む方法。
ａ）前記関心領域ＺＩの最小半径および最大長さにそれぞれ対応する、第１の所定の半径（ａ1）および第１の所定の長さ（２ｂ1）を有し、第１の環状端（１０Ａ，１０Ｂ；１１０Ａ，１１０Ｂ）により区切られた、軸Ｏｚの第１の環状円筒断面（１０；１１０）を決定する工程、
ｂ）前記第１の環状円筒断面（１０；１１０）を囲むとともに、最後の所定の半径（ａ2；ａ3）および最後の所定の長さ（２ｂ2；２ｂ3）を有し、最後の環状端（２０Ａ，２０Ｂ；１３０Ａ，１３０Ｂ）により区切られた、軸Ｏｚの最後の環状円筒断面（２０；１３０）を、当該最後の環状円筒断面（２０；１３０）が、前記関心領域ＺＩを含む中心Ｏ、半径ｃの球内に含まれるように、決定する工程、
ｃ）関心領域ＺＩの磁場の均一性が最適化されるように、軸Ｏｚの前記第１の環状円筒断面（１０；１１０）上に形成された第１の表面電流シート、および軸Ｏｚの前記最後の環状円筒断面（２０；１３０）上に形成された最後の薄い表面電流シートに対し、それぞれが方位角方向の表面電流密度κiを有し、かつ２つの隣接する共軸の表面電流シートが異なる符号の方位角方向の表面電流密度を有するような、一連の複数の共軸の表面電流シートを検討し、前記球（５；１０５）の中心Ｏを通りかつ前記軸Ｏｚに垂直な正中面ｘＯｙに対して対称性を有し、前記軸Ｏｚを中心とする中間の磁性材料製のリング群（４；１０４）であって、前記球（５；１０５）の内部において、第１のコイル（１；１０１）と第２のコイル（２；１０２）との間に挿入され、かつ前記球（５；１０５）の中心Ｏに形成される磁場の方向とは逆方向の磁力で磁化されたリング群（４；１０４）の配置を決定する工程、および
ｄ）前記一連の複数の共軸の表面電流シートを、厚さがゼロでない長方形の軸方向半断面を有する軸対称の超伝導ヘリカルコイル（１，２；１０１，１０２，１０３）で、前記ヘリカルコイル（１，２；１０１，１０２，１０３）の側端部が、半径ｃを有する１つの同一の球（５；１０５）の近傍のコイルの厚さ以下の所に配列されており、前記球の中心Ｏが前記関心領域（ＺＩ）の中心にある軸Ｏｚ上に位置し、前記球が前記磁石装置全体を包囲するように、置き換える工程。
【請求項９】
前記第１の環状円筒断面（１１０）および前記最後の環状円筒断面（１３０）の間に挿入されるとともに、前記関心領域の最小半径（ａ1）と最後の所定の半径（ａ3）の間の中間の所定の半径（ａ2）、および前記最後の所定の長さ（２ｂ3）と前記最大長さ（２ｂ1）との間の中間の所定の長さ（２ｂ2）を有し、中間の環状端（１２０Ａ；１２０Ｂ）によって区切られた、軸Ｏｚの中間の環状円筒断面（１２０）をまた、第１の環状端（１１０Ａ，１１０Ｂ）、中間の環状端（１２０Ａ，１２０Ｂ）、および最後の環状端（１３０Ａ，１３０Ｂ）が、中心Ｏ、半径ｃの前記球（１０５）の上に実質的に位置するように決定し、かつ、中間の表面電流シートを決定し、かつ厚さがゼロでない長方形の軸方向半断面を有する中間の軸対称の超伝導ヘリカルコイルを決定し、前記磁性材料製のリング群（１０４）を、前記第１の環状円筒断面（１１０）に対応する第１の超伝導ヘリカルコイル（１０１）と、前記中間の環状円筒断面（１２０）に対応する中間の軸対称の超伝導ヘリカルコイル（１０２）との間にある自由空間内に配置する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記磁性材料製のリング群（４；１０４）が、鉄の飽和磁化と少なくとも同じ大きさの飽和磁化を有する磁性材料から選ばれる、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記磁性材料製のリング群（４；１０４）が、鉄または鉄合金から選ばれる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記磁性材料製のリング群（４；１０４）が、鉄とコバルトの合金から選ばれる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記磁性材料製のリング群（４；１０４）が、組成ＸＦｅ2Ｏ4（式中、Ｘは、Ｍｎ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｆｅを含む１種以上の元素より構成される）を有するフェライト製から選ばれる、請求項８または９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の主題は、例えば、核磁気共鳴（ＮＭＲ）または磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）に用いられる、大きな体積を有し得る関心領域ＺＩにおいて軸Ｏｚに沿って強力で均一な磁場Ｂｚを形成可能である超伝導磁石装置である。
【０００２】
本発明はまた、当該超伝導磁石装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
特にＮＭＲまたはＭＲＩ用途において、非常に大きな体積内に高度に均一な磁場を形成する磁石の製造には、実行が困難であることが判明し得るような特定の磁場配位を使用することが伴われる。そこで、単純で、正確に使用し易い磁石構造を探求した着想がある。例えば、１つの層から次の層への移行と、連続長を有する導体間に不可欠な接合とを行うのに十分な長さを有する複数のヘリカルな層の巻線を、ヘリカルコイルの計算可能な理論上の均一性を阻害することがないよう、関心体積から十分に離して配置する。
【０００４】
ヘリカルコイルは軸対称ではないが、らせんのピッチが通常、理論上の軸対称コイルと比較した場合にその差が無視できる程度にまで十分に小さくなっている。また、層ごとの巻き数と層の数の選択によって、それらの差をほぼ完全に補償することが可能である。したがって、その他の部分は、軸Ｏｚに完全に軸対称であって、かつ、正中面ｘＯｚに対しても対称性を有する構成に制限される。関心内部領域（磁石の「穴」）における磁場成分Ｂｚの球面調和関数展開（ＥＳＨ）は、次の非常に単純な式で仮に表される。
【０００５】
【数１】
2013530782.tif 000003
【０００６】
このＥＳＨは、電流も磁性材料もない中心Ｏの最大の球の内部において有効である。
【０００７】
このＥＳＨの相対係数Ｚn／Ｚ0は、コイルの最小半径ａ1の、１／ａ1nとして減少する関数である。したがって、半径ａ＜ａ1の原点を中心とする球において所定の理論上の均一性を得るためには、全Ｚ2p項は、１≦ｐ≦ｐ0に対しキャンセルされなければならない。可能で最も効率的な方法において、このようにすることが明確に求められている。
【０００８】
種々の明白な理由（設置、使用、外部摂動など）から、磁石によって生成する外部磁場（「漂遊磁場」）を制限することが求められる。その理論的な方法は、均一性のために使用される方法と類似しており、いわゆる外部のＥＳＨが用いられ、この外部のＥＳＨは、電流も磁性材料もない中心Ｏの最小の球の外部において有効である。
【０００９】
【数２】
2013530782.tif 000004
【００１０】
このＥＳＨのこれらの係数は、電流分布の「モーメント」と呼ばれ、最初の係数Ｍ2は、双極子モーメントと呼ばれている。
【００１１】
外部磁場を減少させるための第１のステップは、双極子モーメントをキャンセルすることであり、当該ステップは、関心体積内で磁場を形成する方向とは逆の方向にＯｚの周りを回転して流れる電流を使用することを含み、よってこれが、外部磁場の減少に寄与する。
【００１２】
特許文献１には、内部空間に主磁場を形成するための、長さＬ1を有し軸ｚについて回転対称なメイン超伝導コイルと、前記内部空間に、前記メイン超伝導コイルによって形成された磁場の方向とは逆方向に磁場を形成するための、長さＬ1よりも短い長さＬ2を有し軸ｚについて回転対称であって前記メイン超伝導コイルと共軸な外部サブ超伝導コイルとを有する、超伝導磁石構造が提案されている。当該超伝導磁石構造はまた、前記メイン超伝導コイルによって規定された内部体積内に配置された、強磁性材料製の複数の環状体を有し、補償を可能にするとともに、関心体積における磁場の均一性を向上させている。
【００１３】
前記装置によって、関心体積における磁場の均一性を向上させることが可能であるが、強磁性材料製の複数の環状体によって重量が増加するという犠牲を払っており、特に、前記メイン超伝導コイルによって規定された自由体積内に、強磁性材料製の複数の環状体が配置されているがために、関心体積内の自由体積が制限されるという犠牲を払っている。関心体積の自由空間を同じ広さに維持することが望まれる場合には、超伝導コイルの直径を大きくすることによって、装置全体の寸法を大きくする必要があり、これは、装置の小型化に対して弊害となるものであり、また、製造コストの増大にもなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０２６１２４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記の欠点を克服することを目的とするものであり、既存の超伝導磁石装置よりも小型であって製造が容易であり、かつ関心体積において得られる磁場が強力で均一性の非常に高いものであり、特にＮＭＲまたはＭＲＩ用途に使用可能な、超伝導磁石装置を製造可能にすることを目的とする。
【００１６】
強力な磁場とは、少なくとも０．５Ｔ、好ましくは１Ｔ以上の磁場のことをいい、実施形態によっては、１０Ｔを超え得る。
【００１７】
本発明はまた、単純化されていながら、関心体積内に形成された磁場に最適化された均一性を与えるような装置の製造方法を明示することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明によれば、これらの目的は達成され、その手段は、関心領域ＺＩにおいて軸Ｏｚに沿って均一な磁場成分Ｂｚを形成するための、核磁気共鳴用または磁気共鳴イメージング用の小型超伝導磁石装置であって、前記磁石装置は、軸Ｏｚを始点として順に前記軸Ｏｚに垂直な方向に、少なくとも１つの第１の超伝導ヘリカルコイルと、少なくとも１つの第２の超伝導ヘリカルコイルとを有し、前記第１の超伝導ヘリカルコイルは、第１の環状端により区切られた、軸Ｏｚの第１の環状円筒断面の周囲に形成されており、前記第１の超伝導ヘリカルコイルは、第１の方位角方向の電流密度ｊ1とともに、第１の外半径、第１の内半径および第１の長さを有し、前記第２の超伝導ヘリカルコイルは、前記第１の環状円筒断面を囲い、第２の環状端により区切られた、軸Ｏｚの第２の環状円筒断面の周囲に形成され、前記第２の超伝導ヘリカルコイルは、第２の方位角方向の電流密度ｊ2とともに、第２の外半径、第２の内半径および第２の長さを有し、第１および第２のヘリカルコイルの側端部は、半径ｃを有する１つの同一の球の近傍のコイルの厚さ以下の所に配列されており、前記球の中心Ｏは、前記関心領域ＺＩの中心にある軸Ｏｚ上に位置しており、前記球は、前記磁石装置全体を包囲するものであり、前記第１および第２の方位角方向の電流密度ｊ1、ｊ2は、反対の符号を有し、前記軸Ｏｚを中心とする磁性材料製のリング群であって、前記球の中心Ｏを通りかつ前記軸Ｏｚに垂直な正中面ｘＯｙに対して対称性を有するリング群が、前記球の内部において、前記第１のコイルと前記第２のコイルの間に挿入され、かつ前記球の中心Ｏに形成される磁場の方向とは逆方向の磁力で飽和されるまで磁化されている。
【００１９】
特定の一実施態様によれば、前記小型超伝導磁石装置は、少なくとも１つの第３の超伝導ヘリカルコイルをさらに有し、前記第３の超伝導ヘリカルコイルは、前記第２の環状円筒断面を囲い、第３の環状端により区切られた、軸Ｏｚの第３の環状円筒断面の周囲に形成され、前記第３の超伝導ヘリカルコイルは、第３の方位角方向の電流密度ｊ3とともに、第３の外半径、第３の内半径および第３の長さを有する。前記第１、第２および第３の方位角方向の電流密度ｊ1、ｊ2、ｊ3は、交互に反対の符号を有し、前記第１、第２および第３の超伝導ヘリカルコイルの第１、第２および第３の長さは、減少していくものである。
【００２０】
特定の一つの特徴によれば、前記軸Ｏｚを中心とする磁性材料製のリング群は、前記正中面ｘＯｙに対して対称に配置された、異なる断面を有する２つのペアのリング群を含む。
【００２１】
本発明の超伝導磁石装置は、所望の磁場値に関係なく使用することができる。特に、例えば、１０または１１テスラの、強力で均一な磁場成分Ｂｚを得るために使用することができる。
【００２２】
特定の一実施態様によれば、磁性材料製のリング群は、鉄の飽和磁化と少なくとも同じ大きさの飽和磁化を有する磁性材料、例えば、鉄および鉄合金、特に、鉄とコバルトの合金、でできている。
【００２３】
他の可能な実施態様によれば、磁性材料製のリング群は、組成ＸＦｅ2Ｏ4（式中、Ｘは、Ｍｎ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｆｅを含む１種以上の元素より構成される）を有するフェライト製である。
【００２４】
本発明はまた、関心領域ＺＩにおいて軸Ｏｚに沿って均一な磁場成分Ｂｚを形成するための、核磁気共鳴用または磁気共鳴イメージング用の超伝導磁石装置の製造方法に関し、当該方法は、以下の工程を含む。
ａ）前記関心領域ＺＩの最小半径および最大長さにそれぞれ対応する、第１の所定の半径および第１の所定の長さを有し、第１の環状端により区切られた、軸Ｏｚの第１の環状円筒断面を決定する工程、
ｂ）前記第１の環状円筒断面を囲むとともに、最後の所定の半径および最後の所定の長さを有し、最後の環状端により区切られた、軸Ｏｚの最後の環状円筒断面を、当該最後の環状円筒断面が、前記関心領域ＺＩを含む中心Ｏ、半径ｃの球内に含まれるように、決定する工程、
ｃ）関心領域ＺＩの磁場の均一性が最適化されるように、軸Ｏｚの前記第１の環状円筒断面上に形成された第１の表面電流シート、および軸Ｏｚの前記最後の環状円筒断面上に形成された最後の薄い表面電流シートに対し、それぞれが方位角方向の表面電流密度κiを有し、かつ２つの隣接する共軸の表面電流シートが異なる符号の方位角方向の表面電流密度を有するような、一連の複数の共軸の表面電流シートを検討し、前記球の中心Ｏを通りかつ前記軸Ｏｚに垂直な正中面ｘＯｙに対して対称性を有し、前記軸Ｏｚを中心とする中間の磁性材料製のリング群であって、前記球の内部において、第１のコイルと第２のコイルとの間に挿入され、かつ前記球の中心Ｏに形成される磁場の方向とは逆方向の磁力で磁化されたリング群の配置を決定する工程、および
ｄ）前記一連の複数の共軸の表面電流シートを、厚さがゼロでない長方形の軸方向半断面を有する軸対称の超伝導ヘリカルコイルで、前記ヘリカルコイルの側端部が、半径ｃを有する１つの同一の球の近傍のコイルの厚さ以下の所に配列されており、前記球の中心Ｏが前記関心領域ＺＩの中心にある軸Ｏｚ上に位置し、前記球が前記磁石装置全体を包囲するように、置き換える工程。
【００２５】
本発明の方法の一実施態様によれば、前記第１の環状円筒断面および前記最後の環状円筒断面の間に挿入されるとともに、前記関心領域の最小半径と最後の所定の半径の間の中間の所定の半径、および前記最後の所定の長さと前記最大長さとの間の中間の所定の長さを有し、中間の環状端によって区切られた、軸Ｏｚの中間の環状円筒断面をまた、第１の環状端、中間の環状端、および最後の環状端が、中心Ｏ、半径ｃの前記球の上に実質的に位置するように決定し、かつ、中間の表面電流シートを決定し、かつ厚さがゼロでない長方形の軸方向半断面を有する中間の軸対称の超伝導ヘリカルコイルを決定し、前記磁性材料製のリング群を、前記第１の環状円筒断面に対応する第１の超伝導ヘリカルコイルと、前記中間の環状円筒断面に対応する中間の軸対称の超伝導ヘリカルコイルとの間にある自由空間内に配置する。
【００２６】
本発明の他の特徴および利点を、添付図面を参照しながら、例として挙げる本発明の特定の実施形態の以下の記載により明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施形態の、かなりの厚さを有する長方形の軸方向半断面を有するソレノイドと、磁性材料製の中間のリング群とを有する磁石装置の概略図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の、かなりの厚さを有する長方形の軸方向半断面を有する３つのソレノイドと、磁性材料製の中間のリング群とを有する磁石装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明によれば、長方形の軸方向半断面を有する軸対称コイルから形成される磁石構造を最適化する方法は、コイルの厚さの検討を含まない第１の工程を含む。最初からコイルの厚さを検討することは、煩雑な計算を招くものであり、構造に必須な特性の容易な理解を妨げるものであることが、効果的に理解される。
【００２９】
したがって、本発明によれば、第１の工程において、軸Ｏｚの環状円筒が有する表面電流シートを有する構成について検討がなされる。本明細書では以降、他に詳細がなければ、当該電流シートを「薄型ソレノイド」と呼ぶ。
【００３０】
各薄型ソレノイドは、半径ａ、長さ２ｂまたは半分長さｂを規定する第１の端部および第２の端部の寸法ｂ1およびｂ2により特徴付けられ、また、Ｏｚの周りで代数的に測定される、ソレノイドが有する方位角方向の電流密度κの表面密度によって特徴付けられる。次の表記が使用される。
【００３１】
【数３】
2013530782.tif 000005
【００３２】
球面調和関数展開（ＥＳＨ）の、展開の内部の係数および外部の係数は、以下の式を用いて表される。
【００３３】
【数４】
2013530782.tif 000006
【００３４】
マックスウェルの方程式が、磁荷がただ電荷を残しながら消失するように記載されていたため（磁気の“独占”がない）、Ｍ0＝０であることが思い出される。また、上記のＭnの式は、Ｍ1＝０を導くものであり、最初のゼロでないモーメントは、理論上、あらゆる電流分布の一般的な特性、双極子モーメントである。
【００３５】
これらの式は、顕著な特性を明示している。環状端が半径ｃの同一の球上に位置しているこれらの共軸のソレノイド群の集合体を検討すると、各ソレノイドは、２つのパラメータαiとκiによってのみ特徴付けられる。この構造は、「外接球」と称することができる。均一な磁石を製造するには、これらのパラメータは、Ｚ2n項（ｘＯｙに対して対称であるため、この項の奇数次数はゼロである）が、次数２ｎ0まで同時にキャンセルされるように選ばれ、モーメントＭ2nもまた、同じ次数までキャンセルされる。均一性を改善することによって、ここで外部場は、付随的に減少する。
【００３６】
２つのソレノイドの使用により、Ｚ2をキャンセルすることができ、よって同時にＭ2をキャンセルすることができる。本発明では、２つまたは３つのソレノイドを有する構造を用い、これにより均一性を向上させることができ、同時に、鉄製のリング群を、またはより一般的には磁性材料製のリング群を、関心領域の体積を画定する最内部のメイン超伝導ヘリカルコイルと、当該メイン超伝導ヘリカルコイルを直接囲いかつこれと共軸な超伝導ヘリカルコイルとの間にある自由空間に付加することによって、場の均一性の完全化に寄与させ、さらにその上、最内部のメイン超伝導ヘリカルコイルの内側にある関心領域ＺＩを完全に自由なまま残す。
【００３７】
図１は、内側から外側まで軸Ｏｚについて共軸に配置された２つのソレノイド１、２を有する構成の、本発明の外接球磁石を説明するものであり、図２は、内側から外側まで軸Ｏｚについて共軸に配置された３つのソレノイド１０１，１０２，１０３を有する構造の本発明の外接球磁石について説明するものであり、飽和磁化を有する磁性材料製のリング群４（図１）または１０４（図２）がそれぞれ、第１のソレノイド１または１０１と第２のソレノイド２または１０２との間に挿入されているが、第１のソレノイド１または１０１がそれぞれその上に形成される円筒部１０または１１０によって規定される関心領域ＺＩは、磁性材料製のリング群が適用されることなく、十分な自由度を残したまま形成されている。
【００３８】
磁性材料製のリング群４および１０４は、磁石の均一性を向上させる。これらのリング群は、たった２つのコイル１，２を用いて均一な磁石の製造を可能にするものであるが、従来技術の実施形態では、リング群は、関心体積の自由空間の一部を占めるという欠点を有しており、これにより、同じ自由度のアクセスを望む場合には、コイルの内半径の増大を招くという欠点を有している。
【００３９】
本発明の構造では、異なる方向の方位角方向の電流密度を有する少なくとも２つの共軸超伝導コイル１，２または１０１，１０２を有する構成においては、内部コイル１または１０１と、これに続く共軸コイル２または１０２との間に自由空間があり、当該自由空間が、最大限実質的に均一でありなおかつ十分に強力である中心Ｏにおける場とは反対方向の場を有する領域を、当該自由空間に配置される磁性材料製のリングまたはリング群４，１０４の大きな飽和磁化が得られるよう、形成している事実が検討される。つまり、磁化は中心Ｏにおける場とは反対方向であるため、磁化は前記場を強化するように寄与し、リング４，１０４のない同じ場を得るのに必要な超伝導体の体積を減少させることに寄与する。
【００４０】
この特性は、図１および図２に示された例において実際に立証されており、その例においては、飽和磁化を有する４つのリング群４１〜４４（図１）または１４１〜１４４（図２）がこの領域に挿入されている。
【００４１】
以下、例を詳細に述べる図２のケースでは、鉄製のリングを使用しない同様の装置の均一性を、１８．６９３ｍ3にもなるコイル１０１〜１０３に必要な超伝導体の体積を７．３％減少させて向上することができ、一方で、鉄に必要な体積（超伝導材料よりもコスト安である）は、１．５７８ｍ3であり、関心領域ＺＩの空間は、完全に自由のままである。
【００４２】
追加の項、すなわちＺ6を完全にキャンセルすることが可能であり、唯一残る項は、Ｚ8＝−０．０７２ｐｐｍ＠ｒ0＝０．２ｍである。よって、軸上のｚ＝０．２８０５ｍ、正中面内のρ＝０．３２３３ｍの地点の１ｐｐｍ線について、均一性が十分に顕著となる。
【００４３】
外部では、５ガウス線が軸からより離れた位置、すなわち９．７ｍにあり、正中面により近い位置、すなわち５．４１８ｍにある。
【００４４】
よって高価な超伝導性材料製のコイル巻線を、実質的に等しい体積のより安価な鉄で置き換えて、１．４６５ｍ3体積を減少させることにより、また特に、装置全体の寸法を増加させることなく、関心体積の自由空間を残したままにすることにより、実質的な均一性の向上が得られる。
【００４５】
図１は、２つの単純なコイル１，２を有する磁石をより具体的に均一化させることに関するものである。図２に見られた３つのコイルを有する構成のように、２つのコイルによっても解決手段を見出すことができ、その均一性は、中間の領域にリング群４を置き、中間の領域においてリング群４を、中心Ｏの場とは反対方向の磁力により飽和されるまで磁化することによって得られる。これは、コイルの数が減った（２つのコイル）解決手段を与えるものであり、他の従来技術の実施態様と違って、内径の自由さを妨げるものではない。
【００４６】
一例として、１１テスラの磁場を形成可能であり、同程度の磁場強度を得るために従来より提案されている先行技術の実施形態よりも煩雑ではない磁石であって、均一性をさらに向上させる磁石のパラメータを以下に示す。
【００４７】
超伝導コイルの内半径および外半径をここではそれぞれ、ａ1およびａ2で示し、超伝導コイルの半分長さをｂで示し、鉄製リング群４２，４３または４１，４４の面間寸法をそれぞれｂ1およびｂ2で示す。
【００４８】
【数５】
2013530782.tif 000007
【００４９】
【数６】
2013530782.tif 000008
【００５０】
この例では、次のパラメータが最初に固定される。コイル１の内半径ａ1（すなわち０．５ｍ）、コイル１の半分長さｂ（すなわち１．９ｍ）、コイル２の外半径ａ2（すなわち１．５ｍ）、リング群４１，４４および４２，４３のそれぞれの内半径ａ1（すなわち０．９７５ｍ）、コイル１および２の方位角方向の電流密度ｊ（すなわち、それぞれ３１．６Ａ／ｍｍ2および−３７．９２Ａ／ｍｍ2）である。そして、コンピュータ計算によって、磁石装置を規定するのに必要な他の寸法が求められる（すなわち、コイル１の外半径ａ2、コイル２の内半径ａ1、コイル２の半分の長さｂ、鉄製リング群４１，４４および４２，４３のそれぞれの外半径ａ2、鉄製リング群４２，４３または４１，４４の面間寸法ｂ1およびｂ2）。
【００５１】
コイルの体積は、９．９４８ｍ3であり、鉄の量は、９．０４トンである。内部のＥＳＨの係数は、６番目の次数までのみ包括的に完全にキャンセルされているのにも関わらず、以下の係数が非常に小さいために、均一性は優れたものとなる。つまり、ｒ0＝０．２ｍに対しては、ｐｐｂよりも大きな係数は、以下のみである。
Ｚ8＝−０．０９７ｐｐｍ
Ｚ10＝０．００６ｐｐｍ
【００５２】
１ｐｐｍ線は、軸上のｚ＝０．２７１４ｍ、正中面内のρ＝０．３０９２ｍの地点に位置する。
【００５３】
双極子モーメントのみをキャンセル可能であるため、５ガウス線は、軸上の１０．５８ｍ、正中面内の１０．３６ｍの地点に位置する。すなわち、本発明の実施にはならない他の態様（それぞれ１２．２５ｍおよび９．８８５ｍ）よりも実質的に良い結果が得られている。
【００５４】
均一化の材料を場の値に適応することができる。上記の例は、少なくとも鉄の飽和磁化と同じ大きさの飽和磁化を有する磁性材料、例えば、鉄または鉄合金、特に、鉄とコバルトの合金、でできた挿入エレメントを使用可能な程に、十分に強力な磁場を形成する磁石に関するものである。
【００５５】
弱い磁場、すなわちＢ’0＝ｋＢ0，ｋ＜１を形成することを望む場合には、コンピュータ計算された鉄の寸法を変えることなく、飽和磁化がμ0Ｍ＝κμ0ＭFe≒κ×２．２Ｔである軟質材料を選択すれば十分である。このような材料は、困難性なく、組成ＸＦｅ2Ｏ4（式中、Ｘは、Ｍｎ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｆｅなどの元素の１種、またはこれらの元素を適切な比で混合したものであってよい）を有するフェライトの群より得ることができる。
【００５６】
なお、Ｘ＝Ｆｅについては、マグネタイトＦｅ3Ｏ4が得られるが、最初に挙げた３つの元素、すなわち、Ｍｎ，Ｚｎ，Ｎｉを含む軟質フェライトの使用が有利になる場合がある。
【００５７】
図１および２では、例えば、軸Ｏｚに垂直な正中面ｘＯｚに対して対称に配置された、異なる断面を有する２つのペアのリング４１，４４および４２，４３（図１）または１４１，１４４および１４２，１４３（図２）を使用可能であることがわかる。図１では、中央のペアのリング４２，４３は、外側のペアのリング４１，４４よりも大きな断面を有するが、異なるリングの長さについては、同程度である。図２では、中央のペアのリング１４２，１４３よりも大きな断面を有するのは、外側のペアのリング１４１，１４４であり、中央のペアのリング１４２，１４３の長さは、外側のペアのリング１４１，１４４の長さよりも短い。異なるリングの数と相対的な寸法は、図に示した例と異なっていてもよい。
【００５８】
図１において、２つのソレノイド１，２は、環状端１０Ａ，１０Ｂ，２０Ａ，２０Ｂによってそれぞれ区切られた円筒断面１０，２０によってそれぞれ規定され、当該環状端は、本質的により小さな半径ｃの球５の近傍に含まれており、ソレノイド１，２は、符号の異なる方位角方向の電流密度を有する。したがって、例えば、ソレノイド１について、方位角方向の電流密度ｊは、正であり、一方、中間のソレノイド２は、負の方位角方向の電流密度ｊを有する。
【００５９】
同様に、図２において、３つのソレノイド１０１，１０２，１０３は、環状端１１０Ａ，１１０Ｂ，１２０Ａ，１２０Ｂ，１３０Ａ，１３０Ｂによってそれぞれ区切られた円筒断面１１０，１２０，１３０によってそれぞれ規定され、当該環状端は、本質的により小さな半径ｃの球１０５の近傍に含まれており、ソレノイド１０１，１０２，１０３は、符号の異なる方位角方向の電流密度を有する。例えば、ソレノイド１０１および１０３は、正の方位角方向の電流密度ｊを有し、一方、中間のソレノイド１０２は、負の方位角方向の電流密度ｊを有する。
【００６０】
既に上記したように、本発明によれば、第１の工程においてまず、軸Ｏｚの環状円筒が有する表面電流シートの構成についての検討がなされ、当該電流シートは、「薄型ソレノイド」と称され、本発明の磁石装置に関するパラメータが決定され、次いで、磁石装置の特性の決定を完了させるために、コイルの実際の厚さについての検討がなされる。均一な磁場を形成可能な磁石装置の主な特性を、コイルの実際の厚さを伴わない薄型ソレノイドを検討し、次に第２の工程でコイルの実際の厚さを考慮してパラメータを調整することにより決定することは、効率上より簡単である。
【００６１】
よって、本発明は特に、関心領域ＺＩにおいて軸Ｏｚに沿って均一な磁場成分Ｂｚを形成するための、超伝導磁石装置の製造方法に関し、当該製造方法は、以下の工程を含む。
ａ）前記関心領域ＺＩの最小半径および最大長さにそれぞれ対応する、第１の所定の半径ａ1および第１の所定の長さ２ｂ1を有し、第１の環状端１０Ａ，１０Ｂ（図１）または１１０Ａ，１１０Ｂ（図２）により区切られた、軸Ｏｚの第１の環状円筒断面１０または１１０を決定する工程、
ｂ）前記第１の環状円筒断面１０または１１０を囲むとともに、最後の所定の半径ａ2；ａ3および最後の所定の長さ２ｂ2；２ｂ3を有し、最後の環状端２０Ａ，２０Ｂまたは１３０Ａ，１３０Ｂにより区切られた、軸Ｏｚの最後の環状円筒断面２０または１３０を、当該最後の環状円筒断面２０または１３０が、前記関心領域ＺＩを含む、中心Ｏ、半径ｃの球内に含まれるように、決定する工程、
ｃ）関心領域ＺＩの磁場の均一性が最適化されるように、軸Ｏｚの前記第１の環状円筒断面１０または１１０上に形成された第１の表面電流シート、および軸Ｏｚの前記最後の環状円筒断面２０または１３０上に形成された最後の薄い表面電流シートに対し、それぞれが方位角方向の表面電流密度κiを有し、かつ２つの隣接する共軸の表面電流シートが異なる符号の方位角方向の表面電流密度を有するような、一連の複数の共軸の表面電流シートを検討し、前記球５または１０５の中心Ｏを通りかつ前記軸Ｏｚに垂直な正中面ｘＯｙに対して対称性を有し、前記軸Ｏｚを中心とする中間の磁性材料製のリング群４および１０４であって、前記球５または１０５の内部において、第１のコイル１または１０１と第２のコイル２または１０２との間に挿入され、かつ前記球５または１０５の中心Ｏに形成される磁場の方向とは逆方向の磁力で磁化されたリング群４および１０４の配置を決定する工程、および
ｄ）前記一連の複数の共軸の表面電流シートを、厚さがゼロでない長方形の軸方向半断面を有する軸対称の超伝導ヘリカルコイル１，２または１０１，１０２，１０３で、前記ヘリカルコイル１，２または１０１，１０２，１０３の側端部が、半径ｃを有する１つの同一の球５または１０５の近傍に配列されており、前記球の中心Ｏが前記関心領域ＺＩの中心にある軸Ｏｚ上に位置し、前記球が前記磁石装置全体を包囲するように、置き換える工程。
【００６２】
厚さがゼロでない長方形の軸方向半断面を有する超伝導ヘリカルコイルの最終の実際の構造については、図１および２においては、以下の表記が用いられる。
第１のコイル１，１０１の内半径：ａ11
第１のコイル１，１０１の外半径：ａ12
第２のコイル２，１０２の内半径：ａ21
第２のコイル２，１０２の外半径：ａ22
第３のコイル１０３の内半径：ａ31
第３のコイル１０３の外半径：ａ32
第１のコイル１，１０１の長さ：２ｂ1
第２のコイル２，１０２の長さ：２ｂ2
第３のコイル１０３の長さ：２ｂ3
薄型ソレノイドの構造については、単一の半径が検討され、よって次のように表記される。
第１の薄型ソレノイドの半径：ａ1
第２の薄型ソレノイドの半径：ａ2
第３の薄型ソレノイドの半径：ａ3
【００６３】
図２の３つのソレノイドを有する外接球構造は、下付き文字１、２、３をそれぞれ各薄型ソレノイドに割り当てれば、５つのパラメータに依存する。
【００６４】
【数７】
2013530782.tif 000009
【００６５】
均一性についての２つの条件（それ以上はない！）を満たすことが可能であり、このとき、双極子モーメントおよび四極子モーメントがキャンセルされる。
Ｚ2＝Ｚ4＝０
【００６６】
α1は、薄型ソレノイドの有効内半径ａ1によって先験的に固定値となり、薄型ソレノイドは、環状端１１０Ａおよび１１０Ｂにより区切られた軸Ｏｚの環状円筒断面１１０に対応し、当該環状円筒断面は、自由空間として残された、可能な限り高い均一性を有する磁場が印加される関心領域ＺＩを画定している。α3は、外半径＜ｃにより、最外部の薄型ソレノイドを超過することなく、先験的に固定値となる。
【００６７】
よって、自由度が残され、これにより、最適化が可能となる。その支配的な強度は、クオリティファクターであり、薄型ソレノイドの外接球構造のクオリティファクターの一般式は、下記式となる。
【００６８】
【数８】
2013530782.tif 000010
【００６９】
上記の制約に留意しながらのＱを最大化することは、構造を完全に決定するのに十分である。
【００７０】
一例として、仮に、以下の値を第１および第３のソレノイドに課すとする。
【００７１】
【数９】
2013530782.tif 000011
【００７２】
第３のソレノイド３の外半径２ａ3に等しい長さ２ｂ1を有する「正方形」のアセンブリ１０６が、規定されることが確認される。
【００７３】
そして、中間の第２のソレノイドについて、最適解が推測され、この例では、下記の式のようになる。
【００７４】
【数１０】
2013530782.tif 000012
【００７５】
本発明によれば、上記に示したように、２つまたは３つの薄型ソレノイドを有する所望の構造を決定した後に、一連の共軸の表面電流シート群を、厚さがゼロでない長方形の軸方向半断面を有する軸対称超伝導ヘリカルコイル１，２または１０１，１０２，１０３で置き換える。このとき、ヘリカルコイル１，２または１０１，１０２，１０３の外側の側端部が、半径ｃを有する１つの同一の球５または１０５の近傍にあって、当該球の中心Ｏが、関心領域ＺＩの中心にある軸Ｏｚ上に位置し、当該球、磁石装置全体を包囲するようにする。
【００７６】
このようにして、所定の厚さのコイルを用いた、真の外接球磁石装置が得られる。第１の工程で決定された先の理想解から、現実の構造への転換は、この段階においては、非常に容易である。必要なことは、薄型ソレノイドを、有限厚さの長方形の軸方向半断面を有するコイルに置き換えるだけである。
【００７７】
ここで、幾何学的なパラメータ（コイル内半径ａ11、最大外半径ａ32、最大全長２ｂ1）が固定された上での最適化、および勾配があるまたは勾配の無いコイルの全体の電流密度についての従来の問題に直面する。同じ数のコイルを有する理想的な構造について得られる幾何学的データにより、必要な最初の値、特に、ｊiｅi≒κでiあるとき、電流密度ｊiを有する真のコイル群の厚さｅiが与えられる。
【００７８】
図１および２の点線は、最小の球５または１０５と、磁石を包囲する最小の円筒６または１０６の正方形の輪郭を示す。
【００７９】
本発明によれば、最初に、薄型ソレノイド群の集合体が使用され、それにより同時にかつ自動的に、均一性と漂遊磁場減少の問題を解決することができ、課せられた条件は、簡潔であり、薄型ソレノイド群の環状端が、同一の球上に実質的に位置することが必要であるというものである。薄型ソレノイドは理論上の理想であり、一方、実際のコイルにおいては、本発明の超伝導体内においても、電流を流すために所定の厚さが明らかに必要である。薄型ソレノイド群によって得られる解決手段は、上記のような最適化プロセスを経て、それらの厚さをより厚くすることへと変わる。これらの条件下では、厚さの大きいソレノイドの環状端（その内径およびその外径）はどれも、同一の球上に正確に位置することをできなくするが、しかしながら、これらの環状端は、薄型ソレノイド群を用いた理想的な場合に対応する球の近傍に留まっており、ソレノイドが薄くなればなるほど、球に対して環状端がより近傍に位置する。他方で、近傍への接近の程度がより低いにもかかわらず、実際に厚さを有するソレノイド群の集合体は、残りの部分全体が球内におおよそ含まれるように、内半径と外半径（対応する薄型ソレノイドの半径を挟む）および長さ（それぞれはまた、対応する薄型ソレノイドの長さに近い）を適切に選択することによって、薄型ソレノイド群の集合体と同じように、均一性と漂遊磁場の特性を維持することができる。
【００８０】
以上をまとめると、関心領域ＺＩにおいて軸Ｏｚに沿って均一で強力な磁場成分Ｂｚを形成するための小型超伝導磁石装置は、軸Ｏｚを始点として順に、環状端１０Ａ，１０Ｂ，２０Ａ，２０Ｂで区切られた軸Ｏｚの環状円筒断面１０，２０の周囲に形成された、少なくとも２つの共軸の超伝導ヘリカルコイル１，２を有する。ヘリカルコイル１，２（または１０１〜１０３）の側端部は、半径ｃを有する１つの同一の球５（または１０５）の近傍のコイルの厚さ以下の所に配列されており、当該球の中心Ｏは、関心領域ＺＩの中心にある軸Ｏｚ上に位置しており、前記球は、前記磁石装置全体を包囲するものである。ヘリカルコイル１，２の方位角方向の電流密度ｊ1，ｊ2（ヘリカルコイル１０１〜１０３の方位角方向の電流密度ｊ1，ｊ2，ｊ3）は、交互に反対の符号を有する。ヘリカルコイル１，２（または１０１〜１０３）の長さ２ｂ1、２ｂ2（および任意の２ｂ3）は、減少していく。軸Ｏｚを中心とする磁性材料製のリング群４；１０４であって、球５：１０５の中心Ｏを通りかつ軸Ｏｚに垂直な正中面ｘＯｙに対して対称性を有するリング群が、球５；１０５の内部において、第１のコイル１；１０１と第２のコイル２；１０２との間に挿入され、かつ球５；１０５の中心Ｏに形成される磁場の方向とは逆方向の磁力で飽和されるまで磁化されている。
【００８１】
本発明の特定の一実施態様では、最外部の超伝導ヘリカルコイル２（または１０３）の外半径ａ22（またはａ32）は、最内部の超伝導ヘリカルコイル１（または１０１）の半分長さｂ1に実質的に等しく、最内部の超伝導ヘリカルコイル１（または１０１）の外半径ａ12は、最外部の超伝導ヘリカルコイル２（または１０３）の半分長さｂ2（またはｂ3）に実質的に等しい。
【図１】
2013530782.tif 000013
【図２】
2013530782.tif 000014
【国際調査報告】
2013530782.tif 000015
2013530782.tif 000016
2013530782.tif 000017
2013530782.tif 000018