(57)【要約】【課題】本発明は、着磁により円筒状の超電導体の中空部に、補正可能な均一な磁場を捕捉する超電導体と、補正可能な均一な磁場を形成する超電導磁場発生素子と、高い磁場均一性を有する超電導磁場発生装置と、高精度の分析が可能なコンパクトな核磁気共鳴装置を提供することを課題とする。【解決手段】印加磁場の乱れに対する超電導体自身や周辺部材の影響を磁場解析により求め、それらの最適条件を選択することにより、超電導体の中央領域における捕捉される磁場の均一度を１０ｐｐｍ以下にする。【選択図】図９
2008034692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加される磁場を中空部に捕捉する中空円筒状の超電導体であって、
前記中空部の中心軸方向を横軸、磁場強度を縦軸として、磁場を印加しているときの該中空部における前記横軸方向の磁場強度の分布が、前記超電導体の長さの略半分の位置で、略平ら又は下に凸であることを特徴とする超電導体。
【請求項２】
前記超電導体の長さの半分の位置を中点とし、前記磁場を印加しているときの該中点における磁場強度と、該中点を挟んで中心軸方向に少なくとも±１ｍｍ隔てた位置における前記磁場強度との差が、印加した磁場強度の１０ｐｐｍ以下である請求項１に記載の超電導体。
【請求項３】
前記超電導体の長さの半分の位置を中点とし、前記磁場を印加しているときの該中点における磁場強度と、該中点から中心軸方向に少なくとも±１ｍｍ隔てた位置における前記磁場強度との差が、印加した磁場強度の１ｐｐｍ以下である請求項１に記載の超電導体。
【請求項４】
外径をＤ、内径をｄ、高さをＨ、超電導転移温度における磁化率をχとしたとき、
Ｈ／Ｄ≦１．１×（ｄ／Ｄ）＋０．３４２＋０．００１／χ
である請求項１〜３のいずれかに記載の超電導体。
【請求項５】
外径をＤ、内径をｄ、高さをＨ、超電導転移温度における磁化率をχとしたとき、
１．１×（ｄ／Ｄ）＋０．３４２−０．００２／χ≦Ｈ／Ｄ≦１．１×（ｄ／Ｄ）
＋０．３４２＋０．００１／χ
である請求項１〜４のいずれかに記載の超電導体。
【請求項６】
溶融法により作製され、主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（ＲＥは、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｄｙ、Ｈｏのうち一種以上）で表される請求項１〜５のいずれかに記載の超電導体。
【請求項７】
印加される磁場を中空部に捕捉する中空円筒状の超電導体を印加する超電導体の着磁方法であって、
請求項１〜６のいずれかに記載の超電導体を、該超電導体の超電導転移温度より高温で磁場を印加し、該磁場を印加したまま前記超電導転移温度以下に冷却することを特徴とする超電導体の着磁方法。
【請求項８】
中空円筒状の超電導体に磁場を印加し、該磁場を捕捉することにより前記超電導体の中空部に磁場を発生する超電導磁場発生素子において、
前記超電導体は、請求項１〜６のいずれかに記載の超電導体であることを特徴とする超電導磁場発生素子。
【請求項９】
前記超電導体は単一の磁化率を有する請求項８に記載の超電導磁場発生素子。
【請求項１０】
前記超電導体は複数個の超電導固体を中心軸方向に積層した超電導円筒積層体であり、該超電導円筒積層体の少なくとも一方の端にある超電導固体の磁化率が、他の超電導固体の磁化率よりも小さい請求項８に記載の超電導磁場発生素子。
【請求項１１】
中空円筒状の超電導体と該超電導体の周囲に配設した補強部材とを有し、磁場の印加によって前記超電導体が磁場を捕捉して前記超電導体の中空部に磁場を発する超電導磁場発生素子において、
前記超電導体に印可するのと同じ磁場を上記補強部材のみに印加したときに前記超電導体の中空部に相当する空間における磁場強度と印加した磁場強度との差が該印加した磁場強度の１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする超電導磁場発生素子。
【請求項１２】
前記補強部材の磁化率の大きさ（絶対値）が、２×１０−４以下である請求項１１に記載の超電導磁場発生素子。
【請求項１３】
前記補強部材がリング形状である請求項１１または１２に記載の超電導磁場発生素子。
【請求項１４】
前記補強部材の内径をｄＨ、肉厚をｔ、磁化率をχとしたとき、
ｔ／ｄＨ≦１．６×１０−５／｜χ｜
である請求項１３に記載の超電導磁場発生素子。
【請求項１５】
前記補強部材は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金のいずれかである請求項１１〜１４のいずれかに記載の超電導磁場発生素子。
【請求項１６】
前記超電導体は、請求項１〜６のいずれかに記載の超電導体である請求項１１〜１５のいずれかに記載の超電導磁場発生素子。
【請求項１７】
中空円筒状の超電導体と該超電導体の周囲に配設した補強部材とからな超電導磁場発生素子と、該超電導磁場発生素子を冷却する冷却部材と、前記超電導磁場発生素子を該冷却部材に取り付ける固定部材と、少なくとも前記超電導磁場発生素子と該固定部材とを収容する真空断熱容器とを備え、磁場の印加によって前記超電導体が磁場を捕捉して前記超電導体の中空部に磁場を発する超電導磁場発生装置であって、
前記超電導体に印可するのと同じ磁場を前記超電導体を除いた状態で印加したときに前記超電導体の中空部に相当する空間における磁場強度と印加した磁場強度との差が該印加した磁場強度の１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする超電導磁場発生装置。
【請求項１８】
前記超電導磁場発生素子は、請求項１１〜１６のいずれかに記載の超電導磁場発生素子である請求項１７に記載の超電導磁場発生装置。
【請求項１９】
前記補強部材、前記冷却部材、前記固定部材、前記真空断熱容器のいずれかまたは全ての形状は、上記超電導体の中心軸に対して軸対称である請求項１７又は１８に記載の超電導磁場発生装置。
【請求項２０】
外径Ｄ、高さＨの前記超電導体を中心部に内包する直径が２Ｄ、高さが２Ｈである円筒空間内に含まれる前記補強部材、前記冷却部材、前記固定部材および前記真空断熱容器の磁化率の大きさ（絶対値）は、２×１０−４以下である請求項１７〜１９のいずれかに記載の超電導磁場発生装置。
【請求項２１】
前記補強部材、前記冷却部材、前記固定部材および前記真空断熱容器の前記円筒空間内に含まれる部分はアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金のいずれかである請求項２０に記載の超電導磁場発生装置。
【請求項２２】
請求項１７〜２１のいずれかに記載の超電導磁場発生装置をマグネットとして備えることを特徴とする核磁気共鳴装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体ヘリウムを用いることなく従来の超電導磁石に匹敵する強い静磁場を均一な分布で発生させる超電導磁場発生装置と、それを備えた核磁気共鳴装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の出願人は、先に超電導体を用いた磁場発生装置とそれを備える核磁気共鳴装置とを提案した（特許文献３参照）。この磁場発生装置は、真空断熱容器内で超電導転移温度以下に冷却される中空円筒形の超電導体をその軸方向に着磁し、これにより中空円筒部に静磁場を発生させる超電導磁場発生素子を有する。このような磁場発生装置を備える核磁気共鳴装置は、この磁場内に置かれた被測定物体のＮＭＲ信号を検出コイルとスペクトロメータとで検出するようにしたものであり、小型で高精度の核磁気共鳴装置である。
【０００３】
周知のように核磁気共鳴装置のマグネットには１ｐｐｍ以下の高い磁場均一性が要求される。このため、通常、マグネット本体に補正コイルを追加して目標とする磁場均一性を実現するようにしている。しかし、超電導体を用いた核磁気共鳴装置のマグネットでは、着磁により超電導体に捕捉される磁場を利用するが、バルク超電導体の円筒空間は狭く、磁場分布を補正する補正コイルの大きさや数は限られる。このため着磁の時点で超電導体に均一度の高い磁場を捕捉させなければならない。
【０００４】
従来技術によれば、円筒状の超電導体は金属リングなどの補強部材で補強され（特許文献１、２参照）、冷凍機のコールドヘッド（取り付けステージ）に取り付けられ、内部を真空に維持された真空断熱容器の中に配置される。この超電導磁場発生装置は、その超電導体が収納されている部位を超電導マグネットの円筒空間に挿入し、均一な磁場を印加しながら冷凍機によって超電導転移温度以下まで冷却する。その後、超電導マグネットの磁場をゼロにすると、印加した磁場が超電導体に捕捉され、超電導体の円筒内に磁場空間が形成される。
【０００５】
しかしながら、上記の従来技術では、着磁のために超電導マグネットで発生させた均一な印加磁場の分布が、超電導体自身や、超電導体の周囲に配置された補強部材、取り付け部材、コールドヘッドあるいは真空断熱容器などによって乱され、着磁後に超電導体の円筒内に補正可能な均一な磁場空間が形成されないという問題が生じる。これは、印加した磁場により超電導体自身やこれらの周辺部材が磁化する（磁気を帯びる）ことに起因する。
【特許文献１】特開１１−３３５１２０号公報
【特許文献２】特許第３８９０９４号公報
【特許文献３】特開２００２−６０２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、着磁により円筒状の超電導体の中空部に、補正可能な均一な磁場を捕捉する超電導体と、補正可能な均一な磁場を形成する超電導磁場発生素子と、１ｐｐｍ以下の高い磁場均一性を有する超電導磁場発生装置と、高精度の分析が可能なコンパクトな核磁気共鳴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】
【０００７】
（１）本発明の超電導体は、印加される磁場を中空部に捕捉する中空円筒状の超電導体であって、中空部の中心軸方向を横軸、磁場強度を縦軸として、磁場を印加しているときの中空部における軸方向の磁場強度の分布が、超電導体の長さの略半分の位置で、略平ら又は下に凸であることを特徴とする。
【０００８】
印加中の磁場強度の分布は、原理的には超電導体の軸方向に均一であることが望ましいが、実際には超電導体の中空円筒状の両端から磁場が抜けるので、着磁条件によっては、超電導体の軸方向において、その両端部よりも中央部の方がやや磁場強度が低い磁場強度分布に印加しておく方が、超電導体に捕捉された捕捉磁場がより均一となる。本発明の超電導体は、中空部の中央領域で印加中の磁場強度が略平らまたは下に凸の磁場を捕捉するので補正可能な均一な磁場を発生することができる。
【０００９】
（２）より具体的には、超電導体の長さの半分の位置を中点とし、磁場を印加しているときの中点における磁場強度と、この中点を挟んで中心軸方向に少なくとも±１ｍｍ隔てた位置における磁場強度との差が、印加した磁場強度の１０ｐｐｍ以下であることが望ましい。
【００１０】
磁場強度の分布がこの範囲にあれば、発生磁場の分布を比較的容易に補正して超電導体の中空部の中央領域に均一磁場を得ることができる。
【００１１】
（３）また、超電導体の長さの半分の位置を中点とし、磁場を印加しているときの中点における磁場強度と、この中点から中心軸方向に±１ｍｍ隔てた位置における磁場強度との差が、印加した磁場強度の１ｐｐｍ以下であることが望ましい。
【００１２】
磁場強度の分布がこの範囲にあれば、印加中の磁場強度の分布が、超電導体の長さの略半分の位置で、略平らであるので、発生磁場の分布をさらに容易に補正して超電導体の中空部の中央領域に均一磁場を得ることができる。
【００１３】
（４）超電導体の外径をＤ、内径をｄ、高さをＨ、超電導転移温度における磁化率をχとしたとき、
Ｈ／Ｄ≦１．１×（ｄ／Ｄ）＋０．３４２＋０．００１／χ・・・・・・・（１）
であることが望ましい。なお、磁化率χはＳＩ（ＥＢ対応）単位系で表すものとする。
【００１４】
磁化率をχの超電導体の外径（Ｄ）、内径（ｄ）、高さ（Ｈ）を（１）式を満足するように形成することで、超電導体に捕捉させる軸方向の磁場強度の分布を略平ら又は下に凸とすることができる。
【００１５】
（５）超電導体の外径をＤ、内径をｄ、高さをＨ、超電導転移温度における磁化率をχとしたとき、
１．１×（ｄ／Ｄ）＋０．３４２−０．００２／χ≦Ｈ／Ｄ≦１．１×（ｄ／Ｄ）
＋０．３４２＋０．００１／χ・・・・・・・（２）
であってもよい。
【００１６】
磁化率をχの超電導体の外径（Ｄ）、内径（ｄ）、高さ（Ｈ）を（２）式を満足するように形成することで、超電導体に捕捉させる軸方向の磁場強度の分布を略平らにすることができる。
【００１７】
（６）以上のように均一度の高い磁場を捕捉させる超電導体は、溶融法により作製され主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（ただし、ＲＥは、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｄｙ、Ｈｏのうち一種以上）で表される組成物であることが望ましい。
【００１８】
主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏで表される超電導体は、特に溶融法で作製することにより、大きな磁場を捕捉することができる。
【００１９】
（７）本発明の超電導体の着磁方法は、印加される磁場を中空部に捕捉する中空円筒状の超電導体を印加する超電導体の着磁方法であって、上記のいずれかの超電導体をこの超電導体の超電導転移温度より高温で磁場を印加し、磁場を印加したまま超電導転移温度以下に冷却することを特徴とする。
【００２０】
超電導磁石で強力な静磁場を発生させ、その磁場により超電導体に磁場を捕捉させることにより、超電導磁石で発生できる強い磁場を超電導体に着磁させることができる。
【００２１】
（８）本発明の超電導磁場発生素子は、中空円筒状の超電導体に磁場を印加し、この磁場を捕捉することにより超電導体の中空部に磁場を発生する超電導磁場発生素子であって、上記（１）〜（６）のいずれかの超電導体に磁場を捕捉させたものである。
【００２２】
磁場を印加された超電導磁場発生素子は、磁束が時間の経過とともに徐々に移動して磁場が減少する磁束クリープ現象を生じて、磁場分布は変化する。この磁束クリープは超電導磁場発生素子の軸方向の両端部に近づくほど大きくなるため、捕捉された磁場の分布は円筒形の軸方向において、中心付近で最も強く、両端に近づくにつれて弱くなる。このため、ＮＭＲ信号の観測に必要な磁場の均一度が得られないかその範囲が狭くなる。しかし、本発明の超電導磁場発生素子ではＮＭＲ分析において重要な中空部中央領域で、磁場強度の分布が略平ら又は下に凸型である補正可能な均一磁場を捕捉しているので、磁束クリープが生じたとしても中央部の平坦度を維持することができる。
【００２３】
（９）このような超電導磁場発生素子においては、超電導体は単一の磁化率を有することが望ましい。超電導体が単一の磁化率を有することで、発生磁場の分布を所定の形状に保持することができる。
【００２４】
（１０）また、本発明の超電導磁場発生素子において、超電導体は複数個の超電導固体を中心軸方向に積層した超電導円筒積層体であり、この超電導円筒積層体の少なくとも一方の端にある超電導固体の磁化率が、他の超電導固体の磁化率よりも小さくてもよい。
【００２５】
磁化率の小さな超電導固体は、誘発される磁場が小さいので、超電導磁場発生素子の発生磁場に与える影響は小さいので、発生磁場の分布を所定の形状に保持することができる。
【００２６】
（１１）本発明の超電磁場発生素子は、中空円筒状の超電導体とこの超電導体の周囲に配設した補強部材とを有し、磁場の印加によって超電導体が磁場を捕捉しその中空部に磁場を発生する超電導磁場発生素子であって、超電導体に印可するのと同じ磁場を補強部材のみに印加したときに、超電導体の中空部に相当する空間における磁場強度と印加した磁場強度との差が印加した磁場強度の１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
【００２７】
一般に、超電導磁場発生素子においては、用いられる超電導体の周囲に補強部材を配置して、外部からの衝撃や磁場を印加した時の電磁力による割れやひびなどの発生を抑制している。
【００２８】
本発明の超電導磁場発生素子は、超電導体に均一な磁場を印加したときにこの補強部材による超電導体中空部の磁場の乱れが、印加した磁場分布に対して１０ｐｐｍ以下になるように補強部材の形状、寸法、材質などを予め設定しているので、補正可能な均一磁場を発生することができる。
【００２９】
ここで、円筒状の超電導体とは、内径、外径、高さで規定される形状だけではなく、中心軸に対して軸対象な回転体形状を含めたものをいう。
【００３０】
（１２）このような補強部材は、その磁化率の大きさ（｜χ｜）が、２×１０−４以下であることが望ましい。
【００３１】
補強部材はその磁化率を一定値以下にすれば、磁場を印加した時の補強部材の磁化による磁場分布の乱れは小さくなる。補強部材の磁化率の絶対値を２×１０−４以下にすることで、補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生素子を得ることができる。
【００３２】
（１３）また、補強部材の形状は超電導体と同心のリング形状であることが好ましい。
【００３３】
超電導体の形状に合わせ、補強部材も軸対象なリング形状とすることで、補強部材による磁場分布の乱れは小さくなり、乱れがあっても軸対象になるので、磁場分布の補正が容易になる。なお、補強部材は、リング形状であれば微小なネジ穴などがあってもよい。また、補強部材は一体でも、複数個を組み合わせたものでもよい。
【００３４】
（１４）このようなリング形状の補強部材を有する超電導磁場発生素子において、補強部材の内径をｄＨ、肉厚をｔ、磁化率をχとしたとき、補強部材の形状は、以下の（３）式を満たすように設定するとよい。
ｔ／ｄＨ≦１．６×１０−５／｜χ｜・・・・・（３）  
【００３５】
補強部材の形状を（３）式を満足するように設定することで、補強部材による磁場分布の乱れは１０ｐｐｍ以下になる。よって補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生素子を得ることができる。
【００３６】
（１５）かかる補強部材は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金のいずれかで作製するとよい。
【００３７】
これらの金属は、磁化率が小さく、強度も高いので補強効果が大きく超電導体の補強部材として好適である。
【００３８】
（１６）以上の超電導磁場発生素子の超電導体は、上記（１）〜（６）のいずれかに記載の超電導体であることが望ましい。
【００３９】
このような超電導磁場発生素子は、補強部材だけではなく超電導体自身が磁化されることによる影響を含めて、磁場分布の乱れが印加した磁場に対して１０ｐｐｍ以下になっているので、補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生素子が得られる。
【００４０】
（１７）本発明の超電導磁場発生装置は、中空円筒状の超電導体と該超電導体の周囲に配設した補強部材とからな超電導磁場発生素子と、超電導磁場発生素子を冷却する冷却部材と、超電導磁場発生素子を冷却部材に取り付ける固定部材と、少なくとも超電導磁場発生素子と固定部材とを収容する真空断熱容器とを備え、磁場の印加によって超電導体が磁場を捕捉して超電導体の中空部に磁場を発生する超電導磁場発生装置であって、超電導体に印可するのと同じ磁場を超電導体を除いた状態で印加したときに、超電導体の中空部に相当する空間における磁場強度と印加した磁場強度との差が印加した磁場強度の１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
【００４１】
超電導磁場発生装置の場合、補強部材の他に、冷却部材、固定部材、真空断熱容器などの周辺部材を備えている。超電導体に均一な磁場を印加したときの超電導体以外のこれらの周辺部材による超電導体中空部の磁場の乱れが一定範囲内になるように、周辺部材の形状、寸法、材質、配置などを予め設定し、その磁場分布の乱れを、印加した磁場分布に対して１０ｐｐｍ以下にしているので、補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生装置が得られる。
【００４２】
（１８）この超電導磁場発生装置の超電導磁場発生素子は、上記（１１）〜（１６）のいずれかであることが望ましい。
【００４３】
上記（１１）〜（１６）の超電導磁場発生素子は、超電導体自身や超電導体に最も近く配置される補強部材の磁場に与える影響を最小にしているので、補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生装置が得られる。
【００４４】
（１９）本発明の超電導磁場発生装置において、補強部材、冷却部材、固定部材、真空断熱容器のうちのいずれか又は全ての形状は、超電導体の中心軸に対して軸対象であることが望ましい。
【００４５】
超電導体の形状に合わせ、これらの周辺部材の形状も軸対象とすることで、周辺部材による磁場分布の乱れは小さくなり、乱れがあっても軸対象になるので、磁場分布の補正が容易になる。
【００４６】
（２０）以上の超電導磁場発生装置においては、外径Ｄ、高さＨの超電導体を中心部に内包する直径が２Ｄ、高さが２Ｈである円筒空間に含まれる補強部材、冷却部材、固定部材および真空断熱容器の体積磁化率の大きさ（絶対値）は、２×１０−４以下であることが望ましい。
【００４７】
超電導体の大きさに対して上記の範囲に含まれる周辺部材の磁化率の大きさを２×１０−４以下とすることで、補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生装置を得ることができる。
【００４８】
（２１）ここで、補強部材、冷却部材、固定部材および真空断熱容器の前記円筒空間に含まれる部分は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金のいずれかとするとよい。
【００４９】
このような円筒空間に含まれる周辺部材の材質は、磁化率が小さくかつ補強効果が大きいアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金が好ましい。従来、一般的に用いられているステンレスは、磁化率が大きいので好ましくない。
【００５０】
（２２）本発明の核磁気共鳴装置は、上記（１７）〜（２１）のいずれかの超電導磁場発生装置をマグネットとして備えることを特徴とする。
【００５１】
上記（１７）〜（２１）のいずれかの超電導磁場発生装置をマグネットとして備えることで、小型で高性能な核磁気共鳴装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００５３】
（１）超電導体
一般に、溶融法により作製した超電導体は強力なピン止め効果を有しているので外部からの磁場印加により与えられた磁束線を捕捉することができ、この捕捉した磁束線により磁場を発生する。そして、超電導体は、原理的には印加された磁場分布をそのまま保持しようとするので、印加された磁場分布の均一度が高いほど捕捉される磁場分布の均一度も高くなる。
【００５４】
超電導体に印加中の磁場は、印加した磁場と超電導体の磁化により誘発された誘発磁場とをベクトル的に加算したものである。従って、超電導磁石で発生させた印加磁場が均一であっても、それにより誘発される超電導体の誘発磁場が不均一であれば、印加中の磁場は不均一となる。
【００５５】
印加中の磁場強度の分布は、原理的には超電導体の軸方向に均一であることが望ましいい。しかし、実際には超電導体の中空部の両端から磁場が抜けるので、着磁条件によっては、超電導体の軸方向において、その両端部よりも中央部の方がやや磁場強度が低い分布に印加しておく方が、超電導体に捕捉される捕捉磁場がより均一となる。
【００５６】
また、超電導転移温度より高温で超電導体に印加を開始し、印加しながら超電導体を冷却する磁場中冷却で着磁する場合には、捕捉磁場の強度分布はほぼ超電導体が超電導に転移する時の分布で決定される。
【００５７】
本発明は、超電導体の捕捉磁場を均一にするために磁場解析により超電導体の具備すべき好適な条件に付いて新たな知見を得てなされたものである。
【００５８】
詳細な説明に先立って本明細書では、磁場の分布を以下に定義する磁場シフトと磁場シフトプロファイルを用いて説明する。
【００５９】
磁場シフトΔＢは、印加する磁場強度をＢ０、印加中の磁場強度をＢとして、印加中の磁場強度Ｂの印加する磁場強度Ｂ０に対する偏差（Ｂ−Ｂ０）を印加磁場強度Ｂ０で除した値（Ｂ−Ｂ０）／Ｂ０でありｐｐｍで表記する。また、磁場シフトプロファイルは、縦軸を磁場シフトΔＢ、横軸を超電導体の中心軸として超電導体の高さの１／２の位置（０点とする）からの距離Ｚに対する磁場シフトΔＢの変化を表すものである。なお、横軸上の０点を含む±１ｍｍの領域を超電導体の中央領域あるいは単に中央領域という。
【００６０】
本発明者は、超電導体自身の持つ磁化率による印加中の磁場の乱れを磁場解析により詳細に解析した。磁場解析は、まず超電導体の常磁性磁化率χｐの算出し（ステップ１）、次に得られた常磁性磁化率χを用いて磁場解析による磁場シフトプロファイルを作成し（ステップ２）、次いで、磁場シフトプロファイルに基づいて超電導体形状の最適化条件を設定する（ステップ３）の順に実施した。以下、手順に沿って詳細に説明する。
【００６１】
（ステップ１）超電導体の常磁性磁化率χの算出
多くの希土類元素（以後、ＲＥと表記する。）イオンは大きな磁気モーメントを持つため、ＲＥ系の超電導体はその局在モーメントに起因する常磁性磁化率χを持つ。一般に局在モーメントによる常磁性体の磁化率χは、キュリーの法則；χ＝Ｃ／Ｔに従う。ここで、Ｃはキュリー定数、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。すなわち磁化率χは温度Ｔに反比例するため、低温になるほど大きな値となる。
【００６２】
また、キュリー定数Ｃは、Ｃ＝μ０Ｎｐ２μＢ２／３κＢ  で求められる。ここで、Ｎは単位体積当たりの磁性原子（又はイオン）の数、ｐは磁性原子の有効ボーア磁子数、μＢはボーア磁子（９．２７×１０−２４（Ｊ／Ｔ））、μ０は真空の透磁率（４π×１０−７）、κＢはボルツマン定数（１．３８×１０−２３（Ｊ／Ｋ））である。
【００６３】
超電導体がＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７構造の超電導酸化物である場合には、その結晶構造は、およそａ＝０．３８４ｎｍ、ｂ＝０．３９ｎｍ、ｃ＝１．１７ｎｍの斜方晶であり、磁性は主にＲＥ原子の磁気モーメントによるものである。このような超電導酸化物においては、ＲＥイオンは単位格子あたり１個であるから、Ｎ＝１／（ａ×ｂ×ｃ）により、Ｎはおよそ６．０×１０２７／ｍ３である。また、ｐはＲＥの種類によって異なり、Ｃはｐの二乗に比例するからχもｐの二乗に比例する。つまりｐの値が大きい超電導酸化物ほどその磁化率χは大きいということができる。
【００６４】
以上の式および数値からＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７の磁化率χを計算する。例えば、ＲＥがＧｄの場合にはＣはほぼ１．０となるので、温度Ｔ＝１００Ｋにおける磁化率χは０．０１となる。また、この時の比透磁率μ／μ０（＝１＋χ）は１．０１である。
【００６５】
ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７構造の超電導体について、各種のＲＥの有効ボーア磁子数ｐ（理科年表による文献値）と、計算によって得られた１００Ｋにおける磁化率χおよび比透磁率μ／μ０をまとめて表１に示す。なお、Ｙ、Ｌａの場合は磁気モーメントを持たないので表１には記載していない。
【００６６】
【表１】
2008034692.tif 000003
【００６７】
ただし、実際に超電導体に使用する材料は、ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７以外のＲＥ２ＢａＣｕＯ５やＡｇなどの非超電導相を含んでいるから、全体の磁化率は各相の磁化率と体積分率との積を加算したものになる。
【００６８】
例えば、非超電導相であるＲＥ２ＢａＣｕＯ５は、およそａ＝０．７３ｎｍ、ｂ＝１．２４ｎｍ、ｃ＝０．５８ｎｍの斜方晶である。そして、単位格子あたり８個のＲＥ原子を含むからＮ＝８／（ａ×ｂ×ｃ）により、Ｎは約１．５×１０２８／ｍ３となる。従って、非超電導相であるＲＥ２ＢａＣｕＯ５の磁化率は、同じＲＥのＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７相の磁化率の約２．５倍となる（ただし、ＲＥがＮｄの場合には、結晶構造が異なるため除く。）。また、Ａｇは磁化率が−２．５３×１０−５の反磁性体である。
【００６９】
そこで、材料がＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７、ＲＥ２ＢａＣｕＯ５、Ａｇの３つの相からなり、各相の体積分率を順にν１２３、ν２１１、νＡｇとし、それぞれの磁化率を順に、χ１２３、χ２１１、χＡｇとすれば、これらを含むＲＥ系材料の磁化率χｐは、χｐ＝ν１２３×χ１２３＋ν２１１×χ２１１＋νＡｇ×χＡｇ  として計算することができる。なお、透磁率計などを用いて実際の磁化率を測定して計算結果を検証することができる。
【００７０】
（ステップ２）磁場解析による磁場シフトプロファイルの作成
これら値を用いて磁場解析によって計算した印加中の磁場シフトプロファイルを実測値と比較して磁場解析の妥当性を検証した。図１は、外径６０ｍｍ、内径１６ｍｍで高さが２０ｍｍと５８ｍｍの２種類の中空円筒形状の超電導体について、実測した磁場シフトの値と磁場解析により求めた磁場シフトプロファイルとを併記したグラフである。図１では高さ２０ｍｍの超電導体の実測値を■、その磁場シフトプロファイルを実線ｆ１で示し、また、高さ５８ｍｍの超電導体の実測値を○、その磁場シフトプロファイルを実線ｆ２で示した。図１から磁場解析によって得られた印加中の磁場シフトプロファイルは、実際に測定された磁場シフトの分布とよく一致しており、磁化率の計算と磁場解析とが妥当なものであることが分る。特に、磁場解析による磁場シフトプロファイルは、超電導体の中空部内の範囲で実測結果と非常によい一致が認められた。
【００７１】
以上の結果に基づいて大きさの異なるＧｄ系超電導体（温度１００Ｋにおける比透磁率：１．０１）について磁場解析を行い、それぞれの磁場シフトプロファイルを得た。
【００７２】
図２は、外径が６０ｍｍ、内径が１０ｍｍで一定として高さを２０、３０、３２、３４、４０、５０、６０、８０，１００ｍｍの９水準に変化させて解析を行い、それぞれの磁場シフトプロファイルを磁場シフトプロファイル群として併記したグラフである。なお、磁場シフトプロファイルは、図１に示すように横軸の０点で縦軸に対して線対称であるから、図２には各磁場シフトプロファイルの右側半分のみを示した（以後、同じ）。同様にして、外径を６０ｍｍ一定とし、内径を１６、２０、２４、３０ｍｍとして、高さをそれぞれ７〜１０水準の間で変化させて得られた磁場シフトプロファイル群を図３〜６に示す。
【００７３】
以上の図２〜６において、得られた各磁場シフトプロファイルの中央付近の形状に着目すると、内径を一定にして高さを変化させたいずれの場合においても、高さが低い（薄い）場合には磁場シフトプロファイルは下に凸型であり、高さが高くなるにつれて（厚い）下に凹型に移行しており、その境界では平坦な磁場シフトプロファイルが得られることが推測される。
【００７４】
（ステップ３）超電導体形状の最適化
本発明の超電導体は、印加される磁場を中空部に捕捉する中空円筒状の超電導体であって、中空部の中心軸方向を横軸、磁場強度を縦軸として、磁場を印加しているときの中空部における軸方向の磁場強度の分布が、超電導体の長さの略半分の位置で、略平ら又は下に凸であることを特徴とする超電導体である。
【００７５】
本発明において略平らとは、超電導体の中央領域（２ｍｍ以上の範囲）において、０点の磁場シフトと±１ｍｍ点における磁場シフトとの差が１ｐｐｍ以下であることである。また、下に凸とは、±１ｍｍ点における磁場シフトの値から０点の磁場シフトの値を減じた値が１０ｐｐｍ以下ということである。印加中の超電導体の中央領域における磁場強度の分布がこの範囲にあれば、その磁場を捕捉して補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生素子を得ることができる。
【００７６】
超電導体の中空円筒形状（内径／外径、高さ／外径）を一定に保って全体の大きさを相似的に変えた３個の超電導体について、それぞれの磁場シフトプロファイルを求めた。すなわち、超電導体１の形状は外径（Ｄ）３０ｍｍ×内径（ｄ）８ｍｍ×高さ（Ｈ）２０ｍｍ、超電導体２は外径６０ｍｍ×内径１６ｍｍ×高さ４０ｍｍ、超電導体３は外径１２０ｍｍ×内径３２ｍｍ×高さ８０ｍｍであり、いずれもｄ／Ｄ＝４／１５、Ｌ／Ｄ＝２／３である。
【００７７】
結果を図７に示す。得られた磁場シフトプロファイルｆ３（超電導体１）、ｆ４（同２）、ｆ５（同３）は、同一の磁場シフトの範囲で高さＨの増加に従って立ち上がりが緩やかになっている。そこで、各磁場シフトプロファイルの横軸を超電導体の高さでスケーリングする（横軸座標をＨ／２に対する比に置き換える、Ｚ／（Ｈ／２））と磁場シフトプロファイルｆ３〜ｆ５は、図８に示すプロファイルｆ６のように一致する。
【００７８】
すなわち、磁場分布形状と磁場変化の大きさは、同一材質においては超電導体の相対的な形状（ここでは、外径に対する内径および高さの比）に依存し、寸法にはよらないことが分かる。従って、中央領域で均一磁場を得るには、超電導体の形状を最適化すればよい。
【００７９】
図９は、図２〜６で用いた超電導体の形状について、それぞれのｄ／ＤとＨ／Ｄとを算出し、横軸をｄ／Ｄ、縦軸をＨ／Ｄとしてプロットするとともに、超電導体の中央領域における磁場シフトプロファイルの形状を併記したグラフである。
【００８０】
例えば、図９においてｄ／Ｄが０．１７である９点は、図２に示すＤ＝６０ｍｍ、ｄ＝１０ｍｍでＨを２０〜１００ｍｍの範囲で９水準として得られた磁場シフトプロファイル群に関するものである。ここで、磁場シフトプロファイルの形状は次のようにして判定した。
【００８１】
それぞれの磁場シフトプロファイルにおいて、横軸の０点における磁場シフトの値をΔＢ０、１ｍｍ点での磁場シフトの値をΔＢ１として、ΔＢ０に対するΔＢ１の偏差Δｂ（Δｂ＝ΔＢ１−ΔＢ０）が、０＜Δｂならば下に凸型、Δｂ＜０ならば上に凸型と判断した。そして、図１０では０＜Δｂは■、Δｂ＜０は□で表示した。例えば、上記のＤ＝６０ｍｍ、ｄ＝１０ｍｍの場合には、Ｈが２０、３０、３２ｍｍでは下に凸型の磁場シフトプロファイルであり、３４、４０、５０、６０、８０、１００ｍｍでは上に凸型である。
【００８２】
次に、図９において下に凸型（■）と上に凸型（□）との境界の回帰式を求め実線Ｆ０を得た。この実線Ｆ０は、Ｈ／Ｄ＝１．１×（ｄ／Ｄ）＋０．３４２  で表わすことができ、この実線Ｆ０上では超電導体の中央領域の磁場強度の分布は平坦であり、偏差Δｂ＝０である。そして、実線Ｆ０より上側の□の領域では磁場強度の分布は上に凸型であり、下側の■の領域では下に凸型である。
【００８３】
超電導体の中央領域において略平坦、あるいは下に凸型の磁場強度分布を得るためには超電導体の形状（Ｄ、ｄ、Ｈ）を実線Ｆ０の上下のある範囲に定めればよい。磁場強度の変化量は磁化率χに比例するため、この範囲は磁化率χが小さければ広く、磁化率χが大きければ狭く設定しなければならない。
【００８４】
図１０は同一形状（外径が６０ｍｍ、内径が１６ｍｍで高さが４０ｍｍ）で材料の異なる２種類の超電導体の磁場シフトプロファイルを比較して示したグラフである。つまり、ｆ７は１００Ｋにおける磁化率χが０．０１であるＧｄ系超電導体の磁場シフトプロファイルであり、ｆ８は１００Ｋにおける磁化率χが０．０００３５であるＳｍ系超電導体の磁場シフトプロファイルである。図１１から、磁化率χが小さいＳｍ系超電導体は、中空部（ｚ＝０〜８ｍｍ）における磁場シフトの絶対値がＧｄ系超電導体に比べてはるかに小さく、印加磁場に与える誘発磁場の影響が小さいことが分かる。従って、このように磁化率χの小さな材料からなる超電導体の場合にはこの範囲は広くしてもよい。
【００８５】
本発明者は、ＲＥの各元素について上記のような磁場解析を行いその結果を検討して実線Ｆ０に対する許容範囲を、＋０．００１／χ、−０．００２／χと定めることができることを見出した。
【００８６】
すなわち、中央領域において略平坦、または下に凸の磁場強度分布を得るためには超電導体の形状（Ｄ、ｄ、Ｈ）を以下の（１）式を満足するように定めればよい。
Ｈ／Ｄ≦１．１×（ｄ／Ｄ）＋０．３４２＋０．００１／χ  ・・・（１）
【００８７】
また、以下の（２）式を満足するように定めることでさらに均一度の高い磁場強度分布を得ることができる。
１．１×（ｄ／Ｄ）＋０．３４２−０．００２／χ≦Ｈ／Ｄ≦１．１×（ｄ／Ｄ）
＋０．３４２＋０．００１／χ・・・（２）
【００８８】
ここで、Ｇｄ系（χ＝０．０１）超電導体の場合についてこの許容範囲を示したのが図９の破線Ｆ１、Ｆ２であり、この範囲においては、±１ｍｍ点における磁場シフトの偏差Δｂが−１ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下である。例えば、外径が６０ｍｍ、内径が１６ｍｍの場合には、（１）式から高さＨを４４ｍｍ以下の範囲で選択すればよい。また、より好ましくは、（２）式を使って２６〜４４ｍｍの範囲で選択する。
【００８９】
図１１は、上述のようにして高さＨを選択した外径が６０ｍｍ、内径が１６ｍｍの超電導体に磁場を印加したときの中央領域における磁場分布を示すグラフである。縦軸は磁場シフトの偏差Δｂ（ｐｐｍ）であり、横軸は中点０からの距離Ｚ（ｍｍ）である。プロファイルｆ９（■）は高さＨ＝３０ｍｍの場合であり、プロファイルｆ１０（□）は高さＨ＝４０ｍｍの場合である。Ｈが３０ｍｍでは下に凸型であり、±１ｍｍ点における偏差Δｂは５．５ｐｐｍである。また、Ｈが４０ｍｍでは緩やかに上に凸型であり、±１ｍｍ点における偏差Δｂは０．２５ｐｐｍである。すなわち、Ｈが４０ｍｍでは中央領域で偏差Δｂが１ｐｐｍ以下であり、磁場強度の分布は略平坦であるといえる。また、Ｈが３０ｍｍでは下に凸型であり、かつ偏差Δｂは１０ｐｐｍ以下であるので、いずれの場合も上記の条件を満足する好適な形状の超電導体であるといえる。
【００９０】
本発明の超電導体は以上のようにしてその形状（外径、内径、高さ）を設定しているので、超電導磁石で印加しているときの磁場強度の分布が超電導体の軸方向の中央領域で略平らあるいは下に凸状となり、着磁された超電導磁場発生素子は中空部において均一度の高い磁場を発生することができる。
【００９１】
このような超電導体は、その主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏで表せる酸化物超電導体であり、ＲＥはイットリウム（元素記号Ｙ）、サマリウｍ（Ｓｍ）、ランタン（Ｌａ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリウム（Ｇｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）のうち少なくとも１種又は２種以上を併せてなり、絶対温度９０Ｋ〜９６Ｋの超電導転移温度を有する。
【００９２】
（２）超電導体の着磁方法
前記（１）のように形成した超電導体に超電導磁石を用いて磁場を捕捉させる。着磁方法には特に限定はないが、本発明の超電導体は特に中央領域で均一磁場を得るように設計されているので、静磁場中で着磁する。すなわち、超電導体の超電導転移温度よりも高い温度で超電導磁石などで磁場を印加し、この磁場を印加したまま超電導体の温度を超電導転移温度以下に冷却する着磁方法である。
【００９３】
例えば、Ｇｄ系の超電導体では、その超電導転移温度は９２Ｋであるから、この超電導転移温度よりも高い１００〜３００Ｋで磁場印加を開始して、この磁場印加を施しながら超電導体を均一に２５〜５０Ｋまで冷却する。この温度に維持した状態で６００〜３６００ｓｅｃかけて徐々に超電導磁石の発生磁場を減少させ、最終的に０とする。この後、さらに超電導体の温度を５Ｋ以上低下させると捕捉磁場の時間変化（クリープ）を大幅に抑制できる。このようにして超電導体に磁場を捕捉させることで、均一な磁場を発生する超電導磁場発生素子を得ることができる。
【００９４】
（３）超電導磁場発生素子
（第１の実施の形態）
本実施形態の超電導磁場発生素子は、上記（１）の中空円筒形状を有す超電導体に（２）の着磁方法で着磁したものであり、中空部の中央領域において均一度の高い磁場を捕捉している。      
【００９５】
このような超電導磁場発生素子には、単一の磁化率を有する超電導体を用いることができる。また、複数個の超電導個体を中心軸方向に積層した超電導円筒積層体とし、この超電導円筒積層体の少なくとも一方の端にある超電導個体の磁化率が、他の超電導個体の磁化率よりも小さいくなるように構成してもよい。以下具体例を示して本発明の超電導磁場発生素子の第１の実施の形態について詳細に説明する。
【００９６】
（具体例１）
具体例１は、単一の磁化率を有する超電導体１に磁場を印加した超電導磁場発生素子２ａであり、その縦断面を図１２に模式的に示す。
【００９７】
超電導体１は、外径（Ｄ）６０ｍｍ、内径（ｄ）１６ｍｍ、高さ（Ｈ）４０ｍｍのＧｄ系超電導体Ｇの単体である。この超電導体は溶融法によって作製され、超電導相であるＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７相の結晶ｃ軸が円筒軸方向に配向した疑似単結晶中に非超電導体相であるＧｄ２ＢａＣｕＯ５とＡｇの微粒子を含む。
【００９８】
この超電導体１は、ｄ／Ｄが２．６７でＨ／Ｄは０．６７であり、前記の（１）式を満足する形状である。この超電導体１に磁場を印加して磁場を捕捉させて超電導磁気発生素子２ａとする。超電導体１の中央領域における印加中の磁場強度の分布を磁場解析により求めた結果が前記した図１１のプロファイルｆ１０であり、超電導磁場発生素子２ａは中空部において均一度の高い磁場を発生することができる。
【００９９】
（具体例２）
具体例２は、単一の磁化率を有する超電導個体２個を積層して超電導円筒積層体１´とした超電導磁場発生素子２ｂである。図１３にその縦断模式図を示す。
【０１００】
超電導体としては、外径（Ｄ）６０ｍｍ、内径（ｄ）１６ｍｍ、高さ（ｈ）２０ｍｍのＧｄ系超電導個体Ｇ２個を積層して、全体の高さ（Ｈ）を４０ｍｍとした超電導円筒積層体１´である。超電導個体の組成は具体例１と同様である。磁場解析結果は具体例１と同様であり、この超電導磁場発生素子２ｂは、超電導円筒積層体の中央領域で極めて均一度の高い磁場を発生することができる。
【０１０１】
（具体例３）
具体例３は、磁化率の異なる超電導固体を積層して超電導円筒積層体１´とした超電導磁場発生素子２ｃであり、その縦断面を図１４に模式的に示す。
【０１０２】
超電導体としては、外径（Ｄ）６０ｍｍ、内径（ｄ）１６ｍｍ、高さ（ｈ１）４０ｍｍのＧｄ系超電導固体Ｇ１個の両側にそれぞれＳｍ系超電導個体Ｓを積層し、全体の高さ（Ｈ）を６０ｍｍとした超電導円筒積層体１´である。Ｇｄ系超電導個体Ｇは具体例１と同様のものである。また、Ｓｍ系超電導個体Ｓは、Ｇｄ系超電導個体Ｇと同様に溶融法によって作製され、超電導体相であるＳｍＢａ２Ｃｕ３Ｏ７相の結晶ｃ軸が円筒軸方向に配向した疑似単結晶中に非超電導体相であるＳｍ２ＢａＣｕＯ５とＡｇの微粒子とを含む超電導体である。  
【０１０３】
Ｓｍ系超電導個体Ｓの磁化率はＧｄ系超電導個体Ｇの磁化率の約３．５％と極めて小さく、かつＳｍ系超電導個体Ｓは超電導円筒積層体１´の両端側に配置されているので中央領域の磁場分布に与える影響は限定的なものである。従って、超電導磁場発生素子２ｃは、超電導円筒積層体１´の中央領域で極めて均一度の高い磁場を発生することができる。
【０１０４】
（第２の実施の形態）
本実施形態の超電導磁場発生素子は、前記（１）の中空円筒形状を有す超電導体とこの超電導体の周囲に配設した補強部材とからなり、前記（２）の着磁方法で着磁したものである。この超電導磁場発生素子は中空部の中心領域において発生磁場の極めて高い均一度を有する。  
【０１０５】
本実施形態の超電導磁場発生素子は超電導体を補強する補強部材を有しているが、補強部材も超電導体と同様に磁化率を有し超電導磁石による印加磁場によって磁化されて印加中の磁場強度の分布を乱す原因となる。
【０１０６】
以下、超電導体を除いた補強部材のみに関する磁場解析と、この解析結果に基づく補強部材の最適化について説明する。
【０１０７】
図１５はアルミニウム製補強部材について磁場解析によって磁場シフトプロファイルを求めたものである。（ａ）は、内径ｄＨが６０ｍｍ、肉厚ｔが５ｍｍで高さＨ（本実施の形態では超電導体の高さに一致させている。以下、同様。）が２０、４０、６０、８０ｍｍのリング形状の補強部材の磁場シフトプロファイルである。磁場シフトプロファイルは高さＨによって変化するが、リングの内部空間（Ｈ／２の範囲、図にはＨ＝６０の場合を図示する。）では下に凸型であり、最も磁場強度の高い中央部（０点）における磁場シフトΔＢは０．８〜１．２ｐｐｍである。なお、補強部材の最も磁場強度の高い中央部は、超電導体の中央領域に含まれる。
【０１０８】
この磁場シフトプロファイルは、リングの肉厚によって変動し、肉厚が厚くなると磁場シフトは大きくなる。肉厚１０ｍｍでは、中央部の磁場シフトΔＢは、１．５〜２．２ｐｐｍ（図１５ｂ）であり、肉厚を１５ｍｍにすると、中央部の磁場シフトΔＢは、２〜３．２ｐｐｍ（図１５ｃ）となる。
【０１０９】
しかし、（ａ）〜（ｃ）のいずれも中央部の磁場シフトΔＢが１０ｐｐｍ以下であり、超電導体の誘発磁場の強さに比べればはるかに小さい。これは、磁化率χが２．０７×１０−５と極めて小さいアルミニウムを補強部材に適用したからである。
【０１１０】
従来は補強部材にオーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３０４）が用いられていた。図１６ａは、内径ｄＨが６０ｍｍ、肉厚ｔが５ｍｍで高さＨが２０、４０、６０、８０ｍｍのＳＵＳ３０４製補強部材の磁場シフトプロファイルを図１５と同様に磁場解析によって求めたものである。肉厚が５ｍｍであっても、中央部の磁場シフトΔＢは１２５〜１７５ｐｐｍ程度であり、アルミ製補強部材に比べて磁場シフトの大きいことが分かる。これは、ステンレスの磁化率が３００×１０−５とアルミニウムの磁化率に比べて極めて大きいからである。なお、図１６ｂは肉厚１０ｍｍの場合であり、図１６ｃは肉厚１５ｍｍの場合である。
【０１１１】
このように磁場シフトプロファイルは補強部材に用いる材料により大きく変化するので、補強部材としてはその磁化率χの大きさ（絶対値）が２×１０−４以下の材料を選択する。各種の材料の室温における磁化率χを表２に示す。
【０１１２】
【表２】
2008034692.tif 000004
【０１１３】
すなわち、補強部材は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金のいずれかで作製するとよい。また、補強部材としては、金属、樹脂の他、セラミックス・ガラス・金属などの強化粒子や強化繊維を樹脂と複合した強化樹脂材料などを適用することができる。なお、本実施の形態においては、これらの材料と超電導体を接着する接着剤も補強部材に含める。
【０１１４】
また、図１５、１６の磁場シフトプロファイルから、材料を一定にした場合に磁場シフトプロファイルは補強部材の形状（ｄＨ、ｔ、Ｈ）により変化することが分かる。
【０１１５】
図１７は補強部材の最適化を図るために、図１５、１６をもとに補強部材の形状による磁場シフトの変化をグラフ化したものである。図１７は、補強部材であるリングの内径ｄＨと肉厚ｔの比ｔ／ｄＨを一定とし、高さＨと内径ｄＨとの比、Ｈ／ｄＨを変えたときのリング中央部での磁場シフトΔＢの変化を示したものである。ここで、横軸をＨ／ｄＨ、縦軸を磁場シフトΔＢを磁化率χで除した相対磁場シフト（ΔＢ／χ、ｐｐｍ）で示すことで、材料に関係なく形状のみによる磁場シフトの変化を知ることができる。
【０１１６】
例えば、実線ｆ１１（◆）はｔ／ｄＨ＝０．０８３３であり、内径ｄＨ６０ｍｍ、肉厚ｔ５ｍｍの図１５ａあるいは図１６ａに対応しており、ｐ点は高さＨが２０ｍｍにおける相対磁場シフトである。また、実線ｆ１２（■）は内径ｄ６０ｍｍ、肉厚ｔ１０ｍｍの場合であり、実線ｆ１３（▲）は内径ｄ６０ｍｍ、肉厚ｔ１５ｍｍの場合である。いずれも下に凸型であり、あるＨ／ｄＨで相対磁場シフトの絶対値が最大値（白抜きで示す）となることが分かる。なお、図１７では、この最大値を求めるために上記４水準以外の高さについてもプロットされている。
【０１１７】
図１７で得られた相対磁場シフトの最大値（ΔＢｍａｘ／χ）とｔ／ｄＨとの関係を図１８に示す。図１８からΔＢｍａｘ／χとｔ／ｄＨとは比例関係にあり、磁場シフトの最大値ΔＢｍａｘは、ΔＢｍａｘ＝６．２×｜χ｜・ｔ／ｄＨ  と表すことができる。
【０１１８】
従って、ΔＢｍａｘを１０ｐｐｍ（１×１０−５）以下にする条件は次の式で表される。
ｔ／ｄＨ≦１．６×１０−５／｜χ｜
【０１１９】
各金属材料の磁化率と上記式から求めたｔ／ｄＨの最大値（（ｔ／ｄＨ）ｍａｘ＝１．６×１０−５／｜χ｜）を表２に併記した。
【０１２０】
この条件は、磁化率χが小さい材料ほど肉厚ｔを大きくできることを示しており、例えば、内径ｄＨを６０ｍｍとした場合には、磁化率が小さいアルミニウムでは、最大の肉厚を４８ｍｍとすることができる。しかし、磁化率の大きいステンレスでは肉厚を０．３ｍｍ以下にしなければ中央部での磁場シフトを１０ｐｐｍ以下に抑えることができない。すなわち、本実施形態の超電導磁場発生素子においては、補強部材による磁場シフトの影響を１０ｐｐｍ以下に抑えるためには、ステンレス製の補強部材は実質的に適用できないことが分かる。
【０１２１】
以下、具体例を示して本発明の超電導磁場発生素子の第２の実施の形態について説明する。
【０１２２】
（具体例４）
具体例４は、超電導体１とその周囲に配設した補強部材３（リング４と接着剤５）とからなる超電導磁場発生素子２ｄであり、その縦断面を図１９に模式的に示す。
【０１２３】
超電導体１は、外径６０ｍｍ、内径１６ｍｍ、高さ４０ｍｍのＧｄ系超電導体Ｇである。また、補強部材３は、内径（ｄＨ）６０ｍｍ、肉厚（ｔ）５ｍｍ、高さ（Ｈ）４０ｍｍのアルミニウム製のリングであり、超電導体１と補強部材３とは接着剤４で密着して一体化されている。本具体例では、接着剤３は、適量の硬化剤を混合した粒子分散型複合エポキシ接着剤（商品名；スタイキャスト、エマーソン−カミング社）を用いた。なお、接着剤は磁場に影響を及ぼさないものならば特に限定されるものではなく、超電導体１と補強部材３との密着性を考慮して適宜選択すればよい。本具体例では、接着剤の厚さは約０．２ｍｍであった。
【０１２４】
上記の超電導体１は、具体例１と同様であるので、中央領域での磁場シフトプロファイルは略平らである。また補強部材３は、ｔ／ｄＨが０．０１６７であり、磁場シフトΔＢは１．２ｐｐｍとなるので着磁中の磁場に与える影響は小さい。従って、超電導磁場発生素子２ｄは、超電導体の中央領域で極めて均一度の高い磁場を発生することができる。
【０１２５】
（具体例５）
具体例５は、磁化率の異なる超電導固体を積層して超電導円筒積層体１´とし補強部材３で周囲を補強した超電導磁場発生素子２ｅであり、その縦断面を図２０に模式的に示す。
【０１２６】
超電導体としては、外径６０ｍｍ、内径２４ｍｍ、高さ４０ｍｍのＧｄ系超電導固体Ｇ１個の両側にそれぞれ外径６０ｍｍ、内径１６ｍｍ、高さ１０ｍｍのＳｍ系超電導個体Ｓを積層し、全体の高さ（Ｈ）を６０ｍｍとした超電導円筒積層体１´である。
【０１２７】
また、補強部材３は、内径６０ｍｍ、肉厚５ｍｍ、高さ６０ｍｍのアルミニウム製のリングであり、超電導円筒積層体１´と補強部材３とは具体例４と同様の接着剤４で密着して一体化されている。ただし、各超電導体に個別に同じ高さの補強部材を接着してから積層してもよい。
【０１２８】
この具体例５についても具体例４とほぼ同様であり、中央領域での磁場シフトプロファイルは略平らである。また補強部材３は、ｔ／ｄＨが０．０１６７であり、磁場シフトΔＢは１．２ｐｐｍとなるので着磁中の磁場に与える影響は小さい。従って、超電導磁場発生素子２ｅは、超電導円筒積層体１´の中央領域で極めて均一度の高い磁場を発生することができる。このような形状の超電導磁場発生素子２ｅは、Ｇｄ系超電導固体Ｇの中空部６が広いので、分析コイルや補正コイルを配置し易いという利点を有する。
【０１２９】
（４）超電導磁場発生装置
本発明の超電導磁場発生装置の好適な実施の形態を図２１に示す。
【０１３０】
超電導磁場発生装置１０は、中空円筒状の超電導体１とこの超電導体１の周囲に配設した補強部材３とからな前記（３）で説明した超電導磁場発生素子２と、超電導磁場発生素子２を冷却する冷却部材１２と、超電導磁場発生素子２を冷却部材１２に取り付ける固定部材１３と、超電導磁場発生素子２と固定部材１３とを収容する真空断熱容器１４とを備えている。
【０１３１】
超電導磁場発生素子２は、固定部材１３によって冷却機１５の冷却部材１２上に密着して固定されるとともに、真空断熱容器１４内に収容されている。真空断熱容器１４の中央嵌入部１６は超電導体１の中空部に嵌入して形成されており、この嵌入部１６に被測定物を配置することでＮＭＲ分析を行うことができる。なお、図示はしていないが、この嵌入部１６と超電導体１の内周壁との間には、ＮＭＲ信号を検出する検出コイルとともに、発生磁場の均一度を補正する補正コイルが配置されている。
【０１３２】
上記のような超電導磁場発生装置１０においては、超電導磁場発生素子２における補強部材と同様に、上記の冷却部材１２、固定部材１３、真空断熱容器１４などの周辺部材もまた、印加磁場により磁場を誘発して印加磁場を乱す原因となる。
【０１３３】
従って、これらの周辺部材も補強部材３と同様に磁化率の小さい材料で構成することが望ましい。超電導磁場発生装置１０においては、少なくとも図２１の点線で囲んだ円筒範囲に含まれる周辺部材は、磁化率の絶対値が２×１０−４以下である材料によって構成する。これらの周辺部材は、要求される機能に応じてアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金のいずれかで作製するとよい。本実施の形態では、冷却部材１２には銅を用い、固定部材１３と真空断熱容器１４とにはアルミニウム合金を用いている。
【０１３４】
ここで、円筒範囲とは、外径Ｄ、高さＨの超電導体を中心部に内包する直径が２Ｄ、高さが２Ｈである円筒空間であり、より詳細には、超電導体１の中心軸上でＨ／２の位置を中心点Ｏとし、このＯ点を中心として半径ＤでかつＯ点を挟んで上下にそれぞれＨの長さを持つ直径が２Ｄで高さが２Ｈの円柱状の空間である。
【０１３５】
本実施形態の超電導磁場発生装置１０は、中央領域の磁場の均一度に関して最適化された超電導体と補強部材とを有する超電導磁場発生素子を備え、以上のように超電導体を中心にして外径、高さともに超電導体の２倍の領域にある周辺部材の磁化率の大きさを２×１０−４以下に設定しているので、補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生装置である。
【０１３６】
（５）核磁気共鳴装置
本発明の核磁気共鳴装置２０は、上記（４）の超電導磁場発生装置１０を備える核磁気共鳴装置であり、小型で高性能な核磁気共鳴装置である。その好適な一実施の形態を図２２の構成図で示す。
【０１３７】
本実施形態の核磁気共鳴装置２０は、図２１に示した超電導磁場発生装置１０と、分析手段３０とを備えている。超電導磁場発生装置１０の冷凍機１５は圧縮機２２に接続されており、真空断熱容器１４は真空ポンプ２３に連通している。破線で示すＭは印加時のみ使用する超電導磁石である。
【０１３８】
また、分析手段３０は、高周波発生装置３１、パルスプログラマ（送信器）３２、高周波増幅器３３、プリアンプ（信号増幅器）３４、位相検波器（受信器）３５、アナログデジタル変換器３６、コンピュータ３７などからなる。
【０１３９】
このような構成を有する核磁気共鳴装置２０は、補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生装置１０を備えているので、コンパクトでありかつ高精度のＮＭＲ分析を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
本発明の超電導磁場発生素子を有する超電導磁場発生装置は、強力な静磁場を均一な分布で発生させることができるので核磁気共鳴装置の磁場発生装置として好適である。
【０１４１】
また、このような超電導核磁気共鳴装置は、高感度で高分解能を備えかつコンパクトであるので、医療分野におけるＭＲＩ装置、あるいは工業用素材や農作物などの成分及び構造分析などに好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１】磁場解析により得られた磁場シフトプロファイルを実測値と比較して示したグラフである。
【図２】超電導体（外径６０ｍｍ、内径１０ｍｍ）の高さによる磁場プロファイルの変化を示すグラフである。
【図３】超電導体（外径６０ｍｍ、内径１６ｍｍ）の高さによる磁場プロファイルの変化を示すグラフである。
【図４】超電導体（外径６０ｍｍ、内径２０ｍｍ）の高さによる磁場プロファイルの変化を示すグラフである。
【図５】超電導体（外径６０ｍｍ、内径２４ｍｍ）の高さによる磁場プロファイルの変化を示すグラフである。
【図６】超電導体（外径６０ｍｍ、内径３０ｍｍ）の高さによる磁場プロファイルの変化を示すグラフである。
【図７】超電導体の円筒形状が相似形に異なる場合の磁場シフトプロファイルを示すグラフである。
【図８】図７の横軸を超電導体の高さの１／２でスケーリングした磁場シフトプロファイルを示すグラフである。
【図９】超電導体の形状と磁場シフトプロファイルとの関係を示す図である。
【図１０】材質の異なる超電導体の磁場シフトプロファイルを比較したグラフである。
【図１１】超電導体の中央領域における磁場シフトプロファイルを示すグラフである。
【図１２】具体例１の超電導磁場発生素子を説明する断面模式図である。
【図１３】具体例２の超電導磁場発生素子を説明する断面模式図である。
【図１４】具体例３の超電導磁場発生素子を説明する断面模式図である。
【図１５】アルミニウム製補強部材の高さによる磁場シフトプロファイルの変化を示すグラフである。補強部材の内径を６０ｍｍ一定として、肉厚は（ａ）５ｍｍ、（ｂ）１０ｍｍ、（ｃ）１５ｍｍである。
【図１６】ステンレス製補強部材の高さによる磁場シフトプロファイルの変化を示すグラフである。補強部材の内径を６０ｍｍ一定として、肉厚は（ａ）５ｍｍ、（ｂ）１０ｍｍ、（ｃ）１５ｍｍである。
【図１７】補強部材の形状（Ｈ／ｄＨ）による相対磁場シフトの変化を示すグラフである。
【図１８】補強部材の形状（ｔ／ｄＨ）による最大相対磁場シフトの変化を示すグラフである。
【図１９】具体例４の超電導磁場発生素子を説明する断面模式図である。
【図２０】具体例５の超電導磁場発生素子を説明する断面模式図である。
【図２１】超電導磁場発生装置の一例を示す断面模式図である。
【図２２】核磁気共鳴装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【０１４３】
１：超電導体  ２：超電導磁場発生素子  ３：補強部材  １０：超電導磁場発生装置  １２：冷却部材  １３：固定部材  １４：真空断熱容器  １５：冷却機  １６：中央嵌入部
２０：核磁気共鳴装置  ２２：圧縮機  ２３：真空ポンプ  ３０：分析手段
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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