(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クライオスタット（２０）であって
磁場Ｂ０を生成するマグネット装置（１）を備え、
前記マグネット装置（１）は、転移温度Ｔｃ，ＬＴＳが３０Ｋ以下である従来の低温超電導体から作られる少なくとも１つのＬＴＳ要素（３，４，１１，１２）を有するＬＴＳ部分（２）と、高温超電導体から作られる少なくとも１つのＨＴＳ要素（６）を有するＨＴＳ部分（５）とを備え、
前記ＨＴＳ部分（５）は、前記ＬＴＳ部分（２）の内側に同心円状に配列され、
前記クライオスタット（２０）は、前記ＬＴＳ部分（２）と前記ＨＴＳ部分（５）の温度を互いに独立に制御するように設計されるクライオスタット（２０）において、
前記ＨＴＳ部分（５）は前記ＬＴＳ部分（２）から電気的に絶縁され、且つ
前記ＨＴＳ部分（５）は超電導的に短絡されるように設計され、
前記ＬＴＳ部分（２）は、ＬＴＳ主要素（４）及びＬＴＳ遮蔽要素（３）を含む、少なくとも２つのＬＴＳ要素（３，４，１１，１２）を備え、
前記マグネット装置（１）は、前記少なくとも２つのＬＴＳ要素（３，４，１１，、１２）が互いに独立に電流を充電及び放電できる複数の充電用接続部（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）、及び／又は超電導スイッチ（８；１４ａ，１４ｂ）、及び／又は電源（９，１３）を備え、ＬＴＳ遮蔽要素の充電は異なる電流方向で行うことができることを特徴とするクライオスタット（２０）。
【請求項２】
前記ＨＴＳ部分（５）は給電線を有しないものとして設計されることを特徴とする請求項１に記載のクライオスタット（２０）。
【請求項３】
前記ＬＴＳ部分（２）は１つ以上の超電導スイッチ（８；１４ａ，１４ｂ）によって短絡可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載のクライオスタット（２０）。
【請求項４】
少なくとも１つのＨＴＳ要素（６）は、同心円状の層（４１）内に閉じた超電導円筒型スリーブ（３８）を備え、前記超電導円筒型スリーブ（３８）は円筒型支持体（３１）上に配設されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のクライオスタット（２０）。
【請求項５】
少なくとも１つのＨＴＳ要素（６）は、同心円状の層（４１）内に閉じた超電導リング（３２）を備え、前記超電導リング（３２）は、円筒型支持体（３１）上に配設されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のクライオスタット（２０）。
【請求項６】
少なくとも１つのＨＴＳ要素（６）は、同心円状の層（４１）内に複数の閉じた超電導リング（３２）を備え、前記複数の超電導リング（３２）は、円筒型支持体（３１）上に配設されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のクライオスタット（２０）。
【請求項７】
閉じた超電導円筒型スリーブ（３８）若しくは閉じた超電導リング（３２）をそれぞれ有する複数の同心円状の層（４１）、又は複数の閉じた超電導リング（３２）をそれぞれ有する複数の同心円状の層（４１）を備え、特に、前記同心円状の層（４１）は円筒型支持体（３１）上に堆積されることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載のクライオスタット（２０）。
【請求項８】
少なくとも１つのＨＴＳ要素（６）は、テープ導体（３７）によってソレノイド型に捲回され且つ超電導的に短絡されるコイル部を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか1項に記載のクライオスタット（２０）。
【請求項９】
前記少なくとも２つのＬＴＳ要素（３，４，１１，１２）は、検査部（７）内に生成される前記磁場Ｂ０の均一性を最適化できるように、それぞれ異なる磁場特性を生成することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のクライオスタット（２０）。
【請求項１０】
前記クライオスタット（２０）は、前記ＬＴＳ部分（２）に対応する外側の第１のヘリウムタンク（２１）と、前記ＨＴＳ部分（５）に対応する内側の第２のヘリウムタンク（２２）とを形成することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のクライオスタット（２０）。
【請求項１１】
前記第１のヘリウムタンク（２１）と前記第２のヘリウムタンク（２２）との間に放射線シールド（２７）、特にＬＮ２で冷却する方式、又はパルスチューブ冷凍機で冷却する方式の放射線シールドが配設されることを特徴とする請求項１０に記載のクライオスタット（２０）。
【請求項１２】
前記クライオスタット（２０）は前記ＬＴＳ部分（２）に対応するヘリウムタンク（２１）を形成し、
前記ＨＴＳ部分（５）は、前記ヘリウムタンク（２１）をも内包する真空チャンバ（２４ｂ）内に配置され、
前記ＨＴＳ部分（５）は、熱スイッチ（３０）によって前記ヘリウムタンク（２１）と熱的に結合できると共に前記ヘリウムタンク（２１）から熱的に分離でき、
特に前記熱スイッチ（３０）はガスギャップ熱スイッチ型であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のクライオスタット（２０）。
【請求項１３】
クライオスタット（２０）のマグネット装置（１）を充電する方法であって、
前記マグネット装置（１）は磁場Ｂ０を生成し、
前記マグネット装置（１）は、転移温度Ｔｃ，ＬＴＳが３０Ｋ以下である従来の低温超電導体から作られる少なくとも１つのＬＴＳ要素（３，４，１１，１２）を有するＬＴＳ部分（２）と、高温超電導体から作られる少なくとも１つのＨＴＳ要素（６）を有するＨＴＳ部分（５）とを備え、
前記ＨＴＳ部分（５）は、前記ＬＴＳ部分（２）の内側に同心円状に配列され、
前記クライオスタット（２０）は、前記ＬＴＳ部分（２）と前記ＨＴＳ部分（５）の温度を互いに独立に制御するように設計され、
前記ＨＴＳ部分（５）は前記ＬＴＳ部分（２）から電気的に絶縁され、且つ
前記ＨＴＳ部分（５）は超電導的に短絡されるように設計され、
前記方法は、
ａ）前記ＬＴＳ部分（２）を転移温度Ｔｃ，ＬＴＳより低い温度まで冷却し、且つ前記ＨＴＳ部分（５）をその転移温度Ｔｃ，ＨＴＳより高い温度に維持する工程と、
ｂ）電流ＩＬＴＳ１が流れる少なくとも１つの第１のＬＴＳ要素（１１）を第１の動作電流ＩＢ１とは異なる暫定電流ＩＩＮまで充電する工程と、
ｃ）前記ＨＴＳ部分（５）をその転移温度Ｔｃ，ＨＴＳより低い温度まで冷却する工程と、
ｄ）前記少なくとも１つの第１のＬＴＳ要素（１１）における前記電流ＩＬＴＳ１を前記第１の動作電流ＩＢ１に変更して、前記ＨＴＳ部分（５）を誘導充電する工程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記工程ｂ）において、前記ＬＴＳ部分（２）全体を同一の暫定電流ＩＩＮで充電し、且つ前記工程ｄ）において、前記ＬＴＳ部分（２）全体を同一の第１の動作電流ＩＢ１に変更することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記工程ｂ）において、次に、電流ＩＬＴＳ２が流れる少なくとも１つの第２のＬＴＳ要素（１２）を第２の動作電流ＩＢ２まで充電し、
前記工程ｃ）と前記工程ｄ）において、前記少なくとも１つの第２のＬＴＳ要素（１２）の前記電流ＩＬＴＳ２を前記第２の動作電流ＩＢ２に維持することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の動作電流ＩＢ１と前記第２の動作電流ＩＢ２とを異なるように選択することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの第１のＬＴＳ要素（１１）は前記マグネット装置（１）のＬＴＳ遮蔽要素（３）を備え、且つ工程ｂ）において、前記暫定電流ＩＩＮは前記工程ｄ）における前記第１の動作電流ＩＢ１とは逆の符号を有することを特徴とする請求項１３，１５，又は１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記暫定電流ＩＩＮの大きさは前記第１の動作電流ＩＢ１より大きく、且つ前記工程ｄ）において、前記電流ＩＬＴＳ１の大きさを前記電流ＩＬＴＳ１の符号を変化させずに前記第１の動作電流ＩＢ１まで低減することを特徴とする請求項１３から１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記工程ｃ）の後に前記ＬＴＳ部分（２）と前記ＨＴＳ部分（５）とを実質的に同じ温度、特に４．２Ｋ以下に維持することを特徴とする請求項１３から１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記工程ｄ）の後に、工程ｅ）において、次に、前記ＬＴＳ部分（２）を超電導的に短絡することを特徴とする請求項１３から１９のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場Ｂ０を生成するマグネット装置を備えるクライオスタットに関する。
【０００２】
このマグネット装置は、従来の低温超電導体から作られる少なくとも１つのＬＴＳ要素を有するＬＴＳ部分と、高温超電導体から作られる少なくとも１つのＨＴＳ要素を有するＨＴＳ部分とを備え、ＨＴＳ部分は、ＬＴＳ部分の内側に同心円状に（ｒａｄｉａｌｌｙ）設けられ、クライオスタットは、ＬＴＳ部分とＨＴＳ部分の温度を互いに独立に制御するように設計される。
【背景技術】
【０００３】
係るクライオスタットは、特許文献１（ドイツ特許第１０２００６０１２５０８Ｂ３号明細書）に開示されている。
【０００４】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光法は、強磁場中で核スピンの向きが揃うこと、及び高周波パルスを照射したときのその挙動を利用した非常に有用な機器分析方法である。高いスペクトル分解能を得るために必要となる特に高い磁場強度を生成するには、通常、超電導コイルを利用したＮＭＲマグネットが用いられる。
【０００５】
従来のＮＭＲマグネットは、通常は低温超電導体（ＬＴＳ）の線材、特にＮｂＴｉ又はＮｂ３Ｓｎ線材から製造される。Ｎｂ３Ｓｎの臨界磁場により、達成可能な磁場強度に対して現時点で約２３．５Ｔという上限がある。これはＮＭＲにおいて１０００ＭＨｚの陽子共鳴周波数に対応する。
【０００６】
より高い磁場強度を実現するため、すなわちある特定の磁場強度をもつマグネットをより小型化するため、代替的な導体材料の開発が求められている。これに関連して、特にＹＢＣＯに基づく、主に高温超電導体（ＨＴＳ）テープ導体の使用について研究が行われている。ソレノイド型のコイルは、通常、ＨＴＳテープ導体を巻いて形成される。
【０００７】
その際、ＮＭＲマグネット全体をＨＴＳ材料で作るわけではない。コストの観点からすると、最内部にのみＨＴＳを利用し、バックグラウンドマグネットはＮｂＴｉ又はＮｂ３Ｓｎを用いる従来のＬＴＳ技術で製造するのが好都合である。通常、マグネット部分をＨＴＳテープ材料で捲回して作製した後、それをＬＴＳバックグラウンドマグネットと電気的に直列に接続する。例えば、少なくとも１つの内側のＨＴＳ要素が少なくとも１つの外側のＬＴＳ要素と直列に接続された磁気コイル系を備えたクライオスタットが、特許文献１（ドイツ特許第１０２００６０１２５０８Ｂ３号明細書）、特許文献２（同第１０２００６０１２５０９Ｂ３号明細書）、及び特許文献３（同第１０２００６０１２５１１Ｂ３号明細書）に記載されている。
【０００８】
ＨＴＳテープ導体は作製できる長さが限られている。そのため、一般に、一般的なＮＭＲ用磁気コイルではＨＴＳ同士の接続点（接合部）を超電導、すなわち少なくとも超低抵抗にする必要があるが、これは技術的に難しい。同様に、従来の磁気コイル系では、ＬＴＳとＨＴＳとの間の接続点（接合部）を超電導、すなわち少なくとも超低抵抗にする必要があるが、同様にこれも技術的に難しい。一般に、これらの接合部に対しては磁場強度の小さい位置を選択する必要があり、多くの場合、複雑な導体経路が必要になる。さらに、一般に、テープ導体は断面にわたって特性が変化するため、発生する磁場が不均一になる。同様に、テープ導体内の遮蔽電流により、テープの幅方向にわたって不均一性が生じる可能性がある。
【０００９】
テープ導体の捲回以外の方法に基づくＨＴＳコイルも従来技術では知られている。
【００１０】
特許文献４（ドイツ特許出願公開第１００３３８６９Ａ１号明細書）には、円周方向に近接して配設されるリング片を互いに接続することによる電流パルスによって、又は常電導の銅コイルからの磁気パルスによって充電されるＨＴＳリングの系が記載されている。
【００１１】
特許文献５（米国特許第６，４８９，７６９Ｂ２号明細書）には、中空円筒形状のＨＴＳマグネットであって、最初に低温において磁化された後、それより高いがＨＴＳの転移温度より低い第２の温度に加熱されるＨＴＳマグネットが記載されている。この場合、強い静磁場を作るのに液体ヘリウムは必要ない。同様の手順は特許文献６（米国特許第６，５４５，４７４Ｂ２号明細書）にも記載されている。
【００１２】
特許文献７（米国特許第８，０６１，０１６Ｂ２号明細書）には、湾曲した巻枠上に個々のコイル巻線を配設、成形、及び構造化することによってＨＴＳコイルを製造する方法が記載されている。超電導コイルを製造する代替的な方法として、多層コーティングを施した円筒が非特許文献１（Ｍａｈｅｒ  ｅｔ  ａｌ．（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．１７（２００４），１４４０〜１４４５ページ））に記載されている。超電導コイルに好適な導体経路を湾曲した巻枠上の薄膜内に決定する方法が、特許文献８（欧州特許第１６０４３７７Ｂ１号明細書）に開示されている。
【００１３】
非特許文献２（Ｋｉｍ  ｅｔ  ａｌ．（ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ、第１９巻、第３号、２００９年６月、２２７３〜２２７６ページ））には、外側の励磁マグネット内にある固形材料で作られたＨＴＳリングを充電した後、後で使うためにＨＴＳリングを取り外すことが提案されている。ＨＴＳリングは液体窒素（ＬＮ２）又はヘリウムで冷却される。
【００１４】
特許文献１（ドイツ特許第１０２００６０１２５０８Ｂ３号明細書）には、液体ヘリウムを充填したタンク内に磁気コイル系を備えたクライオスタットが記載されている。磁気コイル系の（１つ以上の）ＨＴＳ要素を囲むようにチャンバが設けられ、この（１つ以上の）ＨＴＳ要素がＬＴＳ要素から分離されるようになっている。ヘリウムタンク内には液体ヘリウムが封入されているのに対し、チャンバ内ではヘリウムは気体のままである。チャンバ内は電気ヒータで加熱できる。ＬＴＳ要素と（１つ以上の）ＨＴＳ要素とは互いに電気的に直列に接続される。
【００１５】
ＬＴＳ要素と（１つ以上の）ＨＴＳ要素とを直列に接続するには、チャンバの壁を貫通するヘリウム気密性のブッシュが必要であり、これを実装するのは技術的に難しい。さらに、このクライオスタットの場合、動作時はチャンバとそれ以外のヘリウムタンクとの間に常に温度差が存在し、これにより、連続して高い冷却電力が要求され、ヘリウムの大量消費につながる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】ドイツ特許第１０２００６０１２５０８Ｂ３号明細書
【特許文献２】ドイツ特許第１０２００６０１２５０９Ｂ３号明細書
【特許文献３】ドイツ特許第１０２００６０１２５１１Ｂ３号明細書
【特許文献４】ドイツ特許出願公開第１００３３８６９Ａ１号明細書
【特許文献５】米国特許第６，４８９，７６９Ｂ２号明細書
【特許文献６】米国特許第６，５４５，４７４Ｂ２号明細書
【特許文献７】米国特許第８，０６１，０１６Ｂ２号明細書
【特許文献８】欧州特許第１６０４３７７Ｂ１号明細書
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Ｍａｈｅｒ  ｅｔ  ａｌ．（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．１７（２００４）、１４４０〜１４４５ページ）
【非特許文献２】Ｋｉｍ  ｅｔ  ａｌ．（ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ、第１９巻、第３号、２００９年６月、２２７３〜２２７６ページ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
［本発明の目的］
本発明は、高い磁場強度をコンパクトなスペースで実現可能であると同時に容易に製造できる磁気コイル系を備えたクライオスタットを提供するという目的に基づく。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
［本発明の簡単な説明］
上記の目的は、ＨＴＳ部分がＬＴＳ部分から電気的に絶縁（以下、単に「絶縁」と言う）され、且つＨＴＳ部分が超電導的に短絡されるように設計されることを特徴とする導入部に記載した種類のクライオスタットによって、驚くほど単純に達成される。
【００２０】
本発明の枠組み内において、ＨＴＳ部分を、ＬＴＳ部分を介する誘導によって充電することが提供される。そのために（加えてＬＴＳ部分そのものを充電するために）、ＬＴＳ部分は１つの電源や複数の電源への給電線を備えている。したがって、ＬＴＳ部分とＨＴＳ部分は互いに対して絶縁することができ、ＬＴＳ部分とＨＴＳ部分との間にはブッシュも接合部も実装されない。同様に、ＨＴＳ部分への給電装置も実装する必要がない。これにより、極めて簡単且つコンパクトな構造が実現する。
【００２１】
一般に、ＨＴＳ部分は（ＨＴＳ部分全体が十分な低温において超電導である限り）常に超電導的に短絡される。したがって、「持続モード（ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ  ｍｏｄｅ）」においてＨＴＳ部分に誘導電流を流すことができる。このとき、個々のＨＴＳ要素又は直列に接続された複数のＨＴＳ要素を互いに超電導的に短絡することができるか、若しくは、１つのＨＴＳ要素の導電体構造部（例えば、個々のＨＴＳリング）を個々に、又はグループ単位で超電導的に短絡することができる。超電導的に閉じた構造は、故障の影響を受けにくく、且つ、例えば接合された巻線型のＨＴＳテープ導体よりも扱いが容易であり、しかも、より高い電流容量を構築可能なことも多い。そのため、超電導的に閉じた構造を、常に超電導的に短絡されるＨＴＳ要素に使用することができる。
【００２２】
それと同時に、ＨＴＳ部分の誘導充電は、ＬＴＳ部分、すなわちＬＴＳ部分の個々の要素の適切な電流負荷と、ＨＴＳ部分の温度を適切に制御する（一時的にＬＴＳ部分の温度と異なる）ことによるＨＴＳ部分への電流伝達とによって実施できる。ここでは、特に、ＨＴＳ部分の温度は、ＨＴＳの転移温度Ｔｃ，ＨＴＳを超える温度からＴｃ，ＨＴＳを下回る温度まで変化するのに対し、ＬＴＳ部分の温度は、通常、ＬＴＳの転移温度Ｔｃ，ＬＴＳ未満の一定温度にとどまる。ＨＴＳ部分はＬＴＳ部分の内側に同心円状に設けられるため、磁束がＨＴＳ部分に伝達されると、室温空洞部の検査部内において磁場強度を大幅に高めることができる。好ましくは、断面（Ｂ０磁場の方向に垂直な面）において、ＬＴＳ部分はＨＴＳ部分の２倍以上広い面積を包含する。
【００２３】
概して、クライオスタットは（ＬＴＳ部分又はマグネット装置全体に対して）少なくとも１つのヘリウムタンクを備え、さらに、例えば液体窒素（＝ＬＮ２）によって冷却される外側のタンク又は放射線シールドをも備える。一般に、クライオスタットは、例えば真空容器壁等の共通の外部構造体（ハウジング構造体）を備え、その中に、ＬＴＳ部分とＨＴＳ部分とが常に配列される。クライオスタットの好ましい設計において、磁場Ｂ０は、クライオスタットの室温空洞部内の検査部内に生成される。特に、検査部内のサンプルをＮＭＲ分光法によって測定するために、クライオスタットがＮＭＲ分光計の一部であり得る。
【００２４】
ＬＴＳ要素において、巻線作業は一般にＮｂ３Ｓｎ線材又はＮｂＴｉ線材を用いてソレノイド型で行われる。ＨＴＳ要素には一般にＹＢＣＯ材料が含まれる。ＹＢＣＯ材料は一般にテープ導体の形態で、又は好ましくは円筒型支持体上の閉じた環状被膜として組み込まれる。
【００２５】
クライオスタットはＨＴＳ部分のために、一般に、ＨＴＳ部分を急速に（且つＬＴＳ部分とは独立に）、特にＨＴＳ部分の転移温度Ｔｃ，ＨＴＳより高温に加熱できる電気ヒータを備えている。
【００２６】
本発明の枠組み内において、好ましくは転移温度が４０Ｋ以上の材料、特にＹＢＣＯ及びＢＳＣＣＯがＨＴＳ材料として使用できる。好ましくは、転移温度が３０Ｋ以下の材料、特にＮｂＴｉ及びＮｂ３ＳｎがＬＴＳ材料として使用できる。
【００２７】
本発明に係るクライオスタットの好ましい実施の形態において、ＨＴＳ部分は給電線を有しないものとして設計される。これにより、クライオスタットの構造を大幅に簡素化できる。ＨＴＳ部分は誘導充電されるため、外部電源につながる給電用の給電線が不要である。特に、このクライオスタットは断熱を行いやすい。
【００２８】
この他、１つ以上の超電導スイッチによってＬＴＳ部分が短絡できる実施の形態も好ましい。これにより、電源を接続しなくても、充電過程が完了すると「持続モード」で動作するようにできる。ＬＴＳ要素（複数ある場合）は、すべての、又は個々の、又はグループ毎の短絡を、それぞれ超電導スイッチによって行うことができる。
【００２９】
好適には、ある実施の形態において、少なくとも１つのＨＴＳ要素は、同心円状の層（ｒａｄｉａｌ  ｌａｙｅｒ）内に、１つの閉じた超電導円筒型スリーブ若しくは閉じた超電導リング、又は複数の閉じた超電導リングを備え、特に、円筒型スリーブ若しくはリング、又は複数のリングは円筒型支持体上に堆積される。閉じた円筒型スリーブ構造体及び閉じた円環構造体は製造が比較的容易であり、接合部が不要であるために残留オーム抵抗のリスクがない。したがって、通常動作においてドリフトが小さい。同心円状の層内に複数の（電気的に分離された）リングを配置することにより、遮蔽電流に関して大きめの超電導領域が連続することが避けられる。支持体はＨＴＳ要素を機械的に安定化させるだけでなく、厚みのある材料も支持できるため、大電流を流すこともできる。特に、支持体はハステロイ（ｈａｓｔｅｌｌｏｙ）で製造することができる。特に、軸方向圧力によって生じる大きな力と、電流が流れるＨＴＳ経路に対して作用する周方向応力（フープ応力）とを吸収することができる。
【００３０】
本実施の形態の好ましい発展形態において、１つの閉じた超電導円筒型スリーブ若しくは閉じた超電導リングをそれぞれ有する複数の同心円状の層、又は複数の閉じた超電導リングをそれぞれ有する複数の同心円状の層が提供される。特に、同心円状の層は円筒型支持体上に配設されている。複数の同心円状の層に起因して、個々の同心円状の層の電流負荷が減少し、ＨＴＳ要素の磁場に対して同じく寄与することができる。複数のリングのうち一層について、ＹＢＣＯ材料を支持体上に堆積させ、レーザを用いてリングの形態に構成すればよい。層と層の間（及び層内のリング同士の間）には絶縁材料としてＳｒＴｉＯ３を配列すればよい。特に、ＨＴＳ要素の作製には、特許文献７（米国特許第８，０６１，０１６Ｂ２号明細書）及び特許文献８（欧州特許第１６０４３７７Ｂ１号明細書）による既知の堆積及び構成方法を用いることができる。
【００３１】
別の実施の形態において、少なくとも１つのＨＴＳ要素は、テープ導体によってソレノイド型に捲回され、且つ超電導的に短絡されるコイル部を備える。テープ導体によってソレノイド型に捲回されるコイル部は、ＨＴＳ材料の高い電流容量によって決まる大きな磁場強度を、比較的小さな体積で生成できる。好ましくは、コイル部の捲回には、両端部を除いて長手方向にスロットが刻まれたテープ導体が用いられる。ある実施の形態において、なくとも１つのＨＴＳ−ＨＴＳ接合部を構成する必要がある場合、テープ導体の両端をオーバーラップさせ、長い区間（例えば、５ｍ以上）に亘って接続させることでこれを実現することが好ましい。特に、オーバーラップさせる領域はパンケーキコイルの要領で捲回する。
【００３２】
ＬＴＳ部分が少なくとも２つのＬＴＳ要素（特に、ＴＳ主要素及びＬＴＳ遮蔽要素）を備える実施の形態は特に有利である。ＬＴＳ要素を複数備えることにより、特に、外側領域の漂遊磁場の回避若しくは最小化、及び／又は検査部内の均一性に関して、生成される磁場を最適化できる。ここで、ＬＴＳ要素は、電気的に直列に接続される複数のＬＴＳサブ要素を備えることができる。好ましくは、上記少なくとも２つのＬＴＳ要素は、超電導的に電気的に直列に接続されるか、又は１つ以上の超電導スイッチによって超電導的に電気的に直列に接続できる。
【００３３】
本実施の形態の特に好ましい発展形態において、マグネット装置は、上記少なくとも２つのＬＴＳ要素は互いに独立に電流を充電及び放電できる複数の充電用接続部、及び／又は超電導スイッチ、及び／又は電源を備える。これにより、充電過程を最適化できると共に、各ＬＴＳ要素内の電流の相違による生成磁場をさらに最適化することができる。好ましくは、ＬＴＳ遮蔽要素において異なる電流方向で充電することができる。
【００３４】
少なくとも２つのＬＴＳ要素がそれぞれ異なる磁場特性を生成する発展形態が特に有利であり、特に、ＬＴＳ要素の一方がノッチを有する。これにより、検査部内に生成される磁場の均一性を最適化できる。マグネット装置は、好ましくは、一般に少なくとも１０ｃｍ３の容積を有する検査部の内部に１０ｐｐｍかそれより良好な、好ましくは１ｐｐｍか、それより良好な均一性を生成することができる。
【００３５】
好ましい実施の形態は、クライオスタットが、ＬＴＳ部分に対応する外側の第１のヘリウムタンクと、ＨＴＳ部分に対応する内側の第２のヘリウムタンクとを備える。これにより、ＨＴＳ部分とＬＴＳ部分とで異なる温度制御が容易に実施可能になる。特に、２つのヘリウムタンクには、（少なくとも一時的に）温度が異なり且つ必要であれば凝集状態が異なるヘリウムが入っている。第１及び第２のヘリウムタンクは弁によって接続できる。好ましくは、第２のヘリウムタンクは個別のヘリウム放出路を備えている。
【００３６】
本実施の形態の発展形態として、第１のヘリウムタンクと第２のヘリウムタンクとの間に放射線シールド、特にＬＮ２で冷却される放射線シールドが配列されるものが好ましい。これにより、低温側のヘリウムタンク（充電時は、通常第１のヘリウムタンクである）に伝達される熱が低く維持され、したがって、必要な冷却電力が減少する、すなわちヘリウム消費量が減少する。
【００３７】
別の有利な実施の形態において、
クライオスタットはＬＴＳ部分に対応するヘリウムタンクを形成し、
ＨＴＳ部分はヘリウムタンクをも内包する真空チャンバ内に配置され、
ＨＴＳ部分は熱スイッチによってヘリウムタンクと熱的に結合できると共に、ヘリウムタンクから熱的に分離でき、特に、熱スイッチはガスギャップ熱スイッチ型である。この構造は製造が比較的容易である。この設計は、ＨＴＳ部分とＬＴＳ部分の温度が通常運転時（充電後）において等しい（通常は４．２Ｋ）場合に特に好適である。
【００３８】
［本発明に係る充電方法］
上述した本発明に係るクライオスタットのマグネット装置を充電する方法であって、以下の工程を含むものも、本発明の構成に含まれる。
【００３９】
ａ）ＬＴＳ部分を転移温度Ｔｃ，ＬＴＳより低い温度まで冷却し、且つＨＴＳ部分をその転移温度Ｔｃ，ＨＴＳより高い温度に維持する；
ｂ）少なくとも１つの第１のＬＴＳ要素を第１の動作電流ＩＢ１とは異なる暫定電流ＩＩＮまで充電する；
ｃ）ＨＴＳ部分をその転移温度Ｔｃ，ＨＴＳより低い温度まで冷却する；
ｄ）上記少なくとも１つの第１のＬＴＳ要素における電流ＩＬＴＳ１を第１の動作電流ＩＢ１に変更し、その結果、ＨＴＳ部分を誘導充電する。
【００４０】
本発明に係る充電方法によれば、ＨＴＳ部分に外部給電線（充電用接続部）を設けなくても、また、ＨＴＳ部分をＬＴＳ部分に電気的な接続を行わなくても、マグネット装置が充電できる。これにより、クライオスタット又はマグネット装置の構造を簡単且つコンパクトにできる。工程ｂ）の一環として、上記少なくとも１つの第１のＬＴＳ要素を、後の動作電流ＩＢ１とは異なる暫定電流ＩＩＮにする。これにより、ＨＴＳ部分はいまだ常電導であるため、ＨＴＳ部分はまだ（少なくとも明確にわかる程度までは）充電されない。ＨＴＳ部分が超電導状態になって受電可能となるのは、工程ｃ）が終わってからである。この処理は工程ｄ）の中で、全磁束を維持するために行われる。ここでは、第１の動作電流ＩＢ１と（第１の）暫定電流ＩＩＮとの差を用いてＨＴＳ部分の充電が行われる。なお、本発明の構成で、工程ｂ）において１つ以上のさらなるＬＴＳ要素にそれぞれの暫定電流ＩＩＮＷを供給し、工程ｄ）においてそれぞれの動作電流ＩＢＷに変更するようにしてもよい。例えば、工程ａ）においてＬＴＳ部分を４．２Ｋ以下の温度まで冷却し、例えば、ＨＴＳ部分を９０Ｋ以上の温度に維持してもよい。さらにまた、ＨＴＳ材料によっては、ＨＴＳ部分の温度ＴＨＴＳを例えば１００Ｋ以上に維持することもできる。例えば、工程ｃ）において、ＨＴＳ部分を４．２Ｋ以下の温度に冷却してもよい。
【００４１】
本発明に係る方法の好ましい変形例では、工程ｂ）においてＬＴＳ部分全体が同一の暫定電流ＩＩＮに充電され、工程ｄ）においてＬＴＳ部分全体が同一の第１の動作電流ＩＢ１に変更される。この変形例は特に容易に実現可能である。特に、ＬＴＳ部分の充電に必要な電源が１つで済む。この変形例は、一般に、工程ｂ）ではＬＴＳ部分が「過電流モード」で動作する。このとき、ＨＴＳ部分の充電にはＬＴＳ部分全体が用いられる。
【００４２】
代替的な好ましい変形例では、工程ｂ）において少なくとも１つの第２のＬＴＳ要素を今度は第２の動作電流ＩＢ２まで充電し、工程ｃ）と工程ｄ）において上記少なくとも１つの第２のＬＴＳ要素の電流ＩＬＴＳ２を第２の動作電流ＩＢ２に維持する。この変形例の構成において、ＬＴＳ部分は（少なくとも）２つに分割される。工程ｂ）において、第１のＬＴＳ要素は第１の電源による暫定電流ＩＩＮを受け取り、第２のＬＴＳ要素は第２の電源による第２の動作電流ＩＢ２を受け取る。工程ｄ）では、電流が第１の電源によってＩＩＮからＩＢ１に変更され、電流ＩＢ２は第２の電源によって維持される。したがって、少なくとも工程ｂ）、ｃ）、及びｄ）の間、上記少なくとも１つの第１のＬＴＳ要素と上記少なくとも１つの第２のＬＴＳ要素に同一の電流は流れない。ここでは、ＨＴＳ要素の充電にはＬＴＳ部分の一部しか用いられない。工程ｄ）においてＨＴＳ要素と上記少なくとも１つの第１のＬＴＳ要素のみが電流の再分配に関与する場合、充電過程を簡素化し、予測を容易に行えるようになる。
【００４３】
これに関するさらなる発展形態において、動作電流ＩＢ１とＩＢ２とを異なる値とすると有利である。これにより、特に検査部内の均一性に関して、生成されるＢ０磁場が最適化される。
【００４４】
好ましいさらに別の発展形態において、上記少なくとも１つの第１のＬＴＳ要素はマグネット装置のＬＴＳ遮蔽要素を備え、且つ、工程ｂ）において、暫定電流ＩＩＮは、工程ｄ）における第１の動作電流ＩＢ１とは逆の符号を有する。ＬＴＳ遮蔽要素は負の結合インダクタンスでＨＴＳ要素と結合する。ＬＴＳ遮蔽要素内部の暫定電流ＩＩＮの結果、最初はマグネット装置の漂遊磁場が増加し、空洞部内又は検査部内の磁場Ｂ０が若干増加する。ＬＴＳ遮蔽要素内部の電流が減少して反転すると、磁場Ｂ０はさらに増加する。ＬＴＳ遮蔽要素から半径がそれより小さい１つ以上のＨＴＳ要素に磁束が再分配されるためである。ここでは、一般的に、上記少なくとも１つの第１のＬＴＳ要素は１つ以上のＬＴＳ遮蔽要素のみを備えている。なお、このさらなる発展形態では、暫定電流ＩＩＮの大きさは第１の動作電流ＩＢ１より大きくてもよいが、上記少なくとも１つの第１のＬＴＳ要素の臨界電流を超えてはならない。さらに、遮蔽要素内部の暫定電流ＩＩＮ及びそれに伴う磁場の強まりによってそれ以外のＬＴＳ要素が臨界範囲に入ることがないようにする必要がある。１つ以上の第１のＬＴＳ要素の電流の符号を反転させることで、ＨＴＳ部分に対して特に大きな電流を伝達できるようになる。
【００４５】
代替的なさらに別の発展形態において、暫定電流ＩＩＮの大きさは第１の動作電流ＩＢ１より大きく、且つ、工程ｄ）において、電流ＩＬＴＳ１の大きさは第１の動作電流ＩＢ１まで低減され、このとき電流ＩＬＴＳ１の符号は変化しない。この場合、上記少なくとも１つのＬＴＳ要素は「過電流モード」で動作する。このモードは、一般的にそれほど高くない（例えば、最大で動作電流の２倍の）暫定電流の程度での通常運転範囲外であれば問題にならない。ただし、上記少なくとも１つの第１のＬＴＳ要素の臨界電流を超えてはならない。このさらに別の発展形態によれば、ＨＴＳ部分に対して正の結合インダクタンスを有するＬＴＳ要素を用いてＨＴＳ部分が充電できる。
【００４６】
一変形例において、工程ｃ）の後でＬＴＳ部分とＨＴＳ部分とを実質的に同じ温度に維持すれば有利である。特に、この温度は４．２Ｋ以下である。ＬＴＳ部分とＨＴＳ部分の間で温度勾配を能動的に維持しない場合、冷却電力を特に効率的に使用できる。特に、ヘリウムの消費量を低く抑えることができる。４．２Ｋ（標準圧力におけるヘリウムの沸点に対応）以下の温度において、ＨＴＳ部分は特に大きい電流容量を有する。ＬＴＳ部分とＨＴＳ部分とが実質的に等しい温度にある状態は、一般に、充電過程の残りの期間だけでなく、続く通常運転中（例えば、ＮＭＲ又はＭＲＩ測定中）も維持される。
【００４７】
特に好ましい変形例では、ＬＴＳ部分は工程ｅ）において超電導的に短絡される。ＬＴＳ部分は「持続モード」で動作し、電源はもう必要ない。工程ｅにおいて、ＬＴＳ要素（複数ある場合）はそのすべてを（一般的）、又は個々に、又はグループ毎に、それぞれ超電導スイッチによって短絡される。
【００４８】
本発明のさらに他の利点は明細書及び図面から分かるだろう。同様に、本発明によれば、上述した特徴及びこれから説明する特徴をそれぞれ個別に独立して適用することもできるし、任意の組み合わせで併用して適用することもできる。図示且つ説明される実施の形態は最終的な一覧と考えるべきではなく、本発明を説明するための例示にすぎないことを理解するべきである。
【００４９】
［概要］
クライオスタットのマグネット装置の場合、特にＮＭＲマグネットの場合における本発明の基本的な考え方は、１つのＨＴＳ要素又は複数のＬＴＳ要素（その全体を「ＨＴＳ部分」又は「ＨＴＳコイル」と総称する）が１つのＬＴＳ要素又は複数のＬＴＳ要素（その全体を「ＬＴＳ部分」又は「バックグラウンドマグネット」若しくは「ＬＴＳコイル」と総称する）から絶縁及び断熱された状態で配設されることである。さらに、クライオスタットは１つ以上のＬＴＳ要素を介して１つ以上のＨＴＳ要素を誘導によって充電するように設計される。この目的のために、ＨＴＳ要素を誘導充電する手段を設けることができる。このため、いくつかの実施の形態では、ＬＴＳ遮蔽コイルを充電する設備をＬＴＳ主コイルと一体的か又はＬＴＳ主コイルと対向して設けてもよい。
【００５０】
さらに、本発明によれば、ＨＴＳコイル、すなわちＨＴＳ要素はテープ材料で作製してもよく、また（好ましくは）１つ以上の超電導リング又は円筒型スリーブの構成であって、充電過程中に誘導によって電流が誘起される構成として設計してもよい。
【００５１】
また、ＨＴＳコイルを誘導充電する方法が記載される。この方法では、一方で、ＬＴＳコイル、すなわちＬＴＳ主要素は、「過電流モード」で動作する。このモードでは、ＬＴＳ部分とＨＴＳ部分の温度が異なる。代案として、充電過程の場合、充電過程のためのＬＴＳ遮蔽要素は、クライオスタットの空洞部内の磁場のＢ０成分が高められ、漂遊磁場が強まるように充電される。次に、ＨＴＳコイルは転移温度より低い温度まで冷却され、外側のＬＴＳ要素の磁場が減少し、漂遊磁場が弱まるようにＬＴＳ遮蔽要素内を電流が流れる。
【００５２】
本発明の構成において、例えば、ＬＴＳコイルとは別のヘリウムタンク内にあるＨＴＳコイル温度は、通常、充電過程のためにのみ変更される。ＨＴＳの超電導状態は、温度をＨＴＳの転移温度（臨界温度）より上若しくは下に上下させることによってオフとオンとを切り替える。そのため、温度変化は比較的大きな構成においても行われる。一般的に、ＨＴＳコイルの温度は約４Ｋ（又は２Ｋでも可）から約１００Ｋの間に制御することが必要である。そのため、従来のクライオスタットに対して構造的な違い（例えば、放射線シールドの追加）が必要になり得るか、又はそのほうが少なくとも有利であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るクライオスタットのマグネット装置であって、完全に直列接続されたＬＴＳ部分を含むマグネット装置の概略図である。
【図２】図１のマグネット装置を充電する本発明に係る方法の第１の変形例における経時特性パラメータを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るクライオスタットのマグネットであって、個々に充電可能かつ個々に短絡可能な２つのＬＴＳ要素を備えたマグネット装置の概略図である。
【図４】図３のマグネット装置を充電する本発明に係る方法の第２の変形例における経時特性パラメータを示す図である。
【図５】間に放射線シールドを介在させずに完全に分離した２つのヘリウムタンクを備える本発明の第３の実施の形態に係るクライオスタットの概略断面図である。
【図６】間に放射線シールドを介在させて完全に分離した２つのヘリウムタンクを備える本発明の第４の実施の形態に係るクライオスタットの概略断面図である。
【図７】オーバーフロー弁によって互いに接続された２つのヘリウムタンクを備える本発明の第５の実施の形態に係るクライオスタットの概略断面図である。
【図８】熱スイッチを備える本発明の第６の実施の形態に係るクライオスタットの概略断面図である。
【図９】複数のＨＴＳ円筒型スリーブが半径方向に上下に重なって堆積された円筒型支持体の本発明のＨＴＳ要素の概略部分断面図である。
【図１０】ＨＴＳリングの同心円状の複数層が配設された円筒型支持体を有する本発明のＨＴＳ要素の概略部分断面図である。
【図１１】ソレノイド型に捲回されたＨＴＳテープと、超電導的に短絡されるＨＴＳ−ＨＴＳ接合部とを備える本発明に係るＨＴＳ要素の概略図である。
【図１２】ソレノイド型に捲回されると共にスロットが刻まれたテープ導体から作られて超電導的に短絡されるＨＴＳテープを備える本発明に係るＨＴＳ要素の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
本発明を図面に示すと共に、例示的な実施の形態を参照しながらより詳細に説明する。
【００５５】
［クライオスタットの基本的なタイプ及び充電過程］
図１は、本発明に係るクライオスタットの第１の実施の形態におけるマグネット装置１を示す。マグネット装置１は、ＬＴＳ部分（バックグラウンドマグネット、ＬＴＳコイルとも言う）２と、ＨＴＳ部分（ＨＴＳコイル）５とを含む。ＬＴＳ部分２は、ここでは２つの（第１の）ＬＴＳ要素１１、すなわち外側に位置するＬＴＳ遮蔽要素（遮蔽コイル）３と、内側に位置するＬＴＳ主要素（主コイル）４とを備えている。ＨＴＳ部分５は、ここではＨＴＳ要素６、すなわち超電導的に閉じた円筒型スリーブを備えている。実際には、要素３，４，及び／又は６は、直列に接続されたサブコイル部でそれぞれ構成されていてもよい。
【００５６】
マグネット装置１は、コイル軸ＳＡに関して実質的に回転対称となるように設計されている。簡単のため、図１にはマグネット装置１の左側の断面のみを示してある（後述する図も同様である）。
【００５７】
ＬＴＳ部分２はＨＴＳ部分５を半径方向に内包する。通常動作において、マグネット装置１は、ＮＭＲ及び／又はＭＲＩ測定を行うことができる、均一な磁場Ｂ０を、コイル軸ＳＡに沿った検査部７内に生成される。コイル軸ＳＡは検査部７の中心を貫通する。検査部７はクライオスタットの室温空洞部の中に置かれている。検査部７内の均一性は一般に１０ｐｐｍかそれより良好である。
【００５８】
図示する実施の形態では、２つの（第１の）ＬＴＳ要素１１，又は３と４は超電導的に電気的に直列に接続され、電源９からの電流が外部給電線（充電用接続部）Ｔ１、Ｔ２を介して貫流できるようになっている。このとき、給電線Ｔ１，Ｔ２を流れる電流は電源９によって制御、特に変更可能である。充電用接続部Ｔ１，Ｔ２の間には超電導スイッチ（主スイッチ）８が設けられ、ＬＴＳ部分２全体が超電導的に短絡可能となっている。
【００５９】
ＨＴＳ部分５は外部給電線を持たない。ＨＴＳ要素６の閉じた円筒型スリーブは常に超電導的に短絡されている（十分に低温であるとする）ので、コイル軸ＳＡ周りの循環電流が可能である。
【００６０】
ＨＴＳ部分（ＨＴＳコイル）５はＬＴＳ部分（バックグラウンドマグネット）２との間に直接的な電気接続を持たず、また「永久スイッチ」もないので、ＨＴＳコイル５には誘導による充電が必要である。このような充電過程の一例を以下に説明する。
【００６１】
・ＨＴＳコイル５はその転移温度Ｔｃ，ＨＴＳより高い温度に維持したままバックグラウンドマグネット２を冷却及び充電する；
・バックグラウンドマグネット２を「過充電」する。すなわち、通常の動作電流ＩＢ１より大きい電流に設定する。これは、一般に、磁気ドリフトを低く抑えるためにＮＭＲマグネットにおいて動作電流ＩＢ１を臨界電流Ｉｃよりはるかに小さい値とする（ただし、これは充電過程中には当てはまらない）；
・次に、ＨＴＳコイル５が超電導状態になるまでＨＴＳコイル５の温度を下げる；
・次に、バックグラウンドマグネット２の電流を動作電流ＩＢ１まで下げる。これにより、ＨＴＳコイル５内に電流が誘導される。マグネット装置１を適切に設計することにより、この過程において空洞部内の磁場Ｂ０を強めることができる；
・ここで、主スイッチ８を閉じる（「持続モード」）。
【００６２】
図２に、バックグラウンドマグネット２を流れる電流ＩＬＴＳ１の経時特性パラメータ、ＨＴＳコイル５の温度ＴＨＴＳ、ＬＴＳコイル２の温度ＴＬＴＳ、及び空洞部内の磁場Ｂ０の経時特性パラメータを示す。
【００６３】
ｔ０からｔ１までの第１期間において、電流ＩＬＴＳ１は充電用接続部Ｔ１、Ｔ２の電源９によってゼロから暫定電流ＩＩＮへと変更される。これにより、磁場Ｂ０が増加する。一方、ＬＴＳ部分２の温度ＴＬＴＳはすでに（最も低い）臨界温度Ｔｃ，ＬＴＳ（ＮｂＴｉで約１０Ｋ、Ｎｂ３Ｓｎで約１５Ｋ）より低温、ここでは４．２Ｋになっている。ＨＴＳ部分５の温度ＴＨＴＳは依然として転移温度Ｔｃ，ＨＴＳ（ＹＢＣＯで約９２Ｋ）より高温、ここでは約１００Ｋにある。
【００６４】
ｔ１からｔ２までの期間では、ＨＴＳ部分５の温度ＴＨＴＳはその転移温度Ｔｃ，ＨＴＳより低い温度、ここでは同様に約４．２Ｋに下げられる。これにより、電流ＩＬＴＳ１は電源９によって一定値ＩＩＮに維持される。
【００６５】
最後に、ｔ２からｔ３までの期間において、ＬＴＳ部分２内の電流ＩＬＴＳ１は電源９によってＩＩＮからＩＢ１に低減される。これにより、電流ＩＬＴＳ１の符号（電流の向き）は変化しない。ＬＴＳ部分２の磁束は半径がより小さいＨＴＳコイル５に部分的に伝達され、その結果、検査部７内の磁場強度Ｂ０が増加する。
【００６６】
これで超電導スイッチ８が閉止可能となり、さらに電源９のオフ及び／又は取り外しが可能になる。
【００６７】
［一部要素の選択的充放電、特に遮蔽要素を用いた充電による最適化］
バックグラウンドマグネットでは、１つのコイル部を残りのマグネットとは独立して充電することができる。ただし、そのためには追加的な給電線、追加的な電源、及び追加的な超電導スイッチが必要である。
【００６８】
このとき、独立して充電可能なＬＴＳコイル部は、ＨＴＳコイルとの結合が最適になるように選択すればよい。また、このＬＴＳコイル部がノッチを有するように設計することにより、充電過程の終了時点における検査部内の磁場Ｂ０の均一性を決定することもできる。
【００６９】
特に、通常漂遊磁場を低減するために設けられるＬＴＳ遮蔽要素は、ＨＴＳコイルに対して負の結合インダクタンスで結合するので、誘導充電に好適である。
【００７０】
図３は、本発明に係るクライオスタットの第２の実施の形態におけるマグネット装置１を概略的に示す。最初に、図１の実施の形態と異なる点について説明する。
【００７１】
ここでは、ＬＴＳ部分２は、第１のＬＴＳ要素１１として外側に位置するＬＴＳ遮蔽要素（遮蔽コイル）３と、第２のＬＴＳ要素１２として内側に位置するＬＴＳ主要素（主コイル）４とを備え、両要素は電気的に直列に接続されている。第１のＬＴＳ要素１１は外部給電線Ｔ１，Ｔ２を介して電源９によって充電できる上、超電導スイッチ１４ａによって超電導的に短絡できる。第２のＬＴＳ要素１２は外部給電線Ｔ２，Ｔ３を介して電源１３によって充電できる上、超電導スイッチ１４ｂによって超電導的に短絡できる。ここでも、ＨＴＳ部分（ＨＴＳコイル）５は１つのＨＴＳ要素６を備える設計になっている。
【００７２】
充電処理は例えば以下の要領で実施される。
【００７３】
・ＨＴＳコイル５はその転移温度Ｔｃ，ＨＴＳより高い温度に維持したままバックグラウンドマグネット２（主コイル４と遮蔽コイル３とで構成される）を冷却する；
・バックグラウンドマグネット２のうち主コイル４のみを充電し、充電過程の残りの期間は電源１３によってある一定電流に維持し、この工程において、他方の電源９はＬＴＳ遮蔽要素３を電流が流れない状態に維持する；
・遮蔽コイル３を「誤った」向きに充電する。すなわち、漂遊磁場がさらに強まり、空洞部内の磁場Ｂ０が若干強まる（遮蔽コイル３の磁場低減効果がない状態で主コイル４に過負荷となるが、動作電流に関する上記の議論が当てはまる）；
・次に、ＨＴＳコイル５が超電導状態になるまでＨＴＳコイル５の温度ＴＨＴＳを下げる；
・次に、ＬＴＳ遮蔽要素３を再度放電した後、「正しい」向きに充電する。これにより、漂遊磁場が所望値まで減少する。負の結合係数の結果、ＬＴＳ遮蔽要素３内のこの電流変化においてＨＴＳコイル５内の電流も増加する。この過程中、主コイル４は電源１３によってある一定電流に維持され、空洞部内の磁場Ｂ０はさらに強まる；
・ここで、すべての超電導スイッチ１４ａ，１４ｂを閉じる（「持続モード」）。
【００７４】
図４は、第１のＬＴＳ要素１１の電流ＩＬＴＳ１と第２のＬＴＳ要素１２の電流ＩＬＴＳ２の経時特性、ＨＴＳコイル５の温度ＴＨＴＳ、ＬＴＳコイル２の温度ＴＬＴＳ、及び空洞部内の磁場Ｂ０の経時特性を、それぞれ時間に対してプロットしたものである。
【００７５】
ｔ０からｔ１までの第１期間では、第２のＬＴＳ要素１２（すなわち主コイル４）の電流ＩＬＴＳ２は充電用接続部Ｔ２，Ｔ３の電源１３によってゼロから第２の動作電流ＩＢ２へと変更される。これにより、磁場Ｂ０はすでに増加している。第１のＬＴＳ要素１１の電流ＩＬＴＳ１は電源９によってゼロに維持される。一方、ＬＴＳ部分２の温度ＴＬＴＳはすでに（最も低い）臨界温度Ｔｃ，ＬＴＳ（ＮｂＴｉで約１０Ｋ、Ｎｂ３Ｓｎで約１５Ｋ）より低温、ここでは４．２Ｋになっている。ＨＴＳ部分５の温度ＴＨＴＳは依然として転移温度Ｔｃ，ＨＴＳ（ＹＢＣＯで約９２Ｋ）より高温、ここでは約１００Ｋにある。
【００７６】
ｔ１からｔ２までの第２期間では、第１のＬＴＳ要素１１の電流ＩＬＴＳ１が電源９によってゼロから暫定電流ＩＩＮに変更される。ここでは、この値は負、すなわちＩＢ１やＩＢ２とは逆符号である。電流ＩＬＴＳ２は電源１３によってＩＢ２に維持される。このとき磁場Ｂ０は若干強まる。これは、遮蔽コイル３における「負」のＩＬＴＳ１が磁場Ｂ０に対してプラスに作用するためである。
【００７７】
ｔ２からｔ３までの期間では、ＨＴＳ部分５の温度ＴＨＴＳがその転移温度Ｔｃ，ＨＴＳより低い温度、ここでは、同様に約４．２Ｋに下げられる。同時に、電流ＩＬＴＳ１及びＩＬＴＳ２はそれぞれ電源９及び１３によって一定に維持される。
【００７８】
最後に、ｔ３からｔ４までの期間では、第１のＬＴＳ要素１１、すなわちＬＴＳ遮蔽要素３の電流ＩＬＴＳ１は電源９によってＩＩＮから正の第１の動作電流ＩＢ１に変更される。これにより、電流ＩＬＴＳ１の符号（電流の向き）が反転する。したがって、マグネット装置１若しくは電源９は、ＬＴＳ遮蔽要素３の充電を任意選択でＬＴＳ主要素４と一緒又は反対で行うように設計される。図示した例ではＩＢ１はＩＢ２に等しい。遮蔽コイル３の以前の磁束は半径がより小さいＨＴＳコイル５へと伝達される。その結果、検査部７内の磁場強度Ｂ０が強まる。それと同時に、遮蔽コイル３の電流ＩＬＴＳ１が最終的に「正」になることにより、磁場に対する負の寄与が過剰に補償される。
【００７９】
この段階で超電導スイッチ１４ａ，１４ｂが閉止可能となり、さらに電源９、１３のオフ及び／又は取り外しが可能になる。
【００８０】
［ＨＴＳコイルの独立した温度制御］
ＨＴＳコイルの独立した温度制御には（少なくとも充電時において）いくつかの可能性がある。一般に、また特に、下記のすべての実施の形態において、ＨＴＳコイル（又はＨＴＳコイルを内蔵するタンク）にヒータを取り付けると有利である。その目的は、ＨＴＳコイルの温度を迅速に上昇可能とするか、又は環境より高い温度レベルに維持可能とすることにある。
【００８１】
図５に示すように、本発明に係るクライオスタット２０の概略的断面図を参照すると、ＨＴＳコイル５は、ＬＴＳコイル２が配設された第１のヘリウムタンク２１とは独立した、個別の第２のヘリウムタンク２２に内蔵することができる。
【００８２】
図示した実施の形態（第３の実施の形態）において、ＬＴＳコイル（ＬＴＳ部分）２は、ＮｂＴｉ線材で作られたＬＴＳ遮蔽要素３と、ＬＴＳ主要素４とを含む。ＬＴＳ主要素４は３つのサブコイル部２３ａ，２３ｂ，２３ｃを備え、このうち最外の２３ａはＮｂＴｉ線材で作られ、内側の２つの２３ｂと２３ｃはＮｂ３Ｓｎ線材で作られる。ここで、両方のヘリウムタンク２１と２２は、ヘリウムを充填するためのネック管をそれぞれ備えた設計になっている。ネック管は第１のヘリウムタンク２１では外部給電線に対しても用いられる（詳細は図示せず）。第２のヘリウムタンク２２は電気ヒータ２９を備える。図示した通常運転の状態において、ヘリウムタンク２１と２２にはいずれも４．２Ｋの液体ヘリウムが充填されている。ただし、充電時には第２のヘリウムタンク２２とＨＴＳコイル５はそれぞれ一時的に暖かい状態にする必要がある。このときヘリウムは第２のヘリウムタンク２２の内部で気体状態となる（すなわち存在しなくなる）。
【００８３】
ヘリウムタンク２１と２２は共に真空容器２４に内蔵される。ここでは、真空容器２４の壁２４ａが同時にクライオスタット２０の外壁を形成する。さらに、外側のタンク２５内の液体窒素（ＬＮ２）によって冷却される放射線シールド２５ａが設けられる。ヘリウムタンク２１と２２もこの放射線シールド２５ａの内側に位置する。簡単のため、放射線シールド２５ａと室温空洞部２６との境界についてはこれ以上詳細に示さない。
【００８４】
図５に示す実施の形態では、室温空洞部２６周辺のスペースができるだけ多くのコイルに利用できるよう、ヘリウムタンク２１と２２が（放射線シールドなしで）互いに近くに配置されている。
【００８５】
図６に代替的な実施の形態（第４の実施の形態）を示す。この実施の形態は図５の実施の形態に実質的に対応する。ただし、真空容器２４内のヘリウムタンク２１と２２との間に放射線シールド２７が追加的に設けられている。最も単純な（且つ好ましい）ケースにおいて、放射線シールド２７は放射線シールド２５ａの壁とは熱的に結合されない（また、クライオスタット２０の構造物と熱的に結合されない）。その場合、第１及び第２のヘリウムタンク２１と２２の平均温度は放射線シールド２７上に現れる。このとき、放射の反射により、低温側のヘリウムタンク（充電中は第１のヘリウムタンク２１）に流入する熱は、放射線シールド２７がない場合に比べてほぼ半減する。代案として、放射線シールド２７は適切な金属接続具によって放射線シールド２５ａと熱的に結合され、したがって、外側のタンク２５内の液体窒素の温度である約７７Ｋとなる。
【００８６】
図５と同様のクライオスタット２０が示されている図７には、ＨＴＳコイル５は、第２のヘリウムタンク２２内に設けられ、第２のヘリウムタンク２２は、ＬＴＳコイル２を内蔵する第１のヘリウムタンク２１と弁２８によって接続されてもよい。これにより、第２のヘリウムタンク２２は第１のヘリウムタンク２１の液体ヘリウムを充填できるようになる（「オーバーフロー弁」）。この場合、ヘリウムを送出できるライン（詳細は図示せず）を、ＨＴＳコイル５を内蔵する第２のヘリウムタンク２２に備えると好都合である。その場合、図７に示すように、第２のヘリウムタンク２２はネック管を必要としない。
【００８７】
図８の実施の形態（第６の実施の形態）のクライオスタット２０は、図５の実施の形態と同様である。ただし、ＨＴＳコイル５は真空容器２４の真空チャンバ２４ｂの中に設けられている。ＨＴＳコイル５は、ＬＴＳ部分２を内蔵するヘリウムタンク２１と結合してもよく、熱スイッチ３０（例えば、ガスギャップ熱スイッチ）によってヘリウムタンク２１から分離してもよい。
【００８８】
［ＨＴＳコイル］
好ましくは、ＨＴＳ材料、特にＹＢＣＯは円筒形の基板材料（「支持体」）上に薄膜蒸着によって円環の形態で堆積され、ＨＴＳコイル又はＨＴＳ要素を形成する。基板材料にはハステロイを用いることが好ましい。元来は連続的な堆積されたＨＴＳ円筒型スリーブを、レーザ加工によって複数の隣接する同心円リングに分割すればよい。「コイル」（実際にはリングの集合体）の作製を複数の層について行うこともできる（すなわち、半径が増加する、複数の同心円リング又は円環層が作製される）。同時に、半径方向におけるリング間又は円環層間の絶縁体として、好ましくはＳｒＴｉＯ３が用いられる。
【００８９】
このようにして作製したコイルは強磁場ＮＭＲマグネットの製造にも使用できる。ＨＴＳリングは連続体であるため、ＨＴＳ導体同士の間に超電導接続を行う必要はない。ＨＴＳリングは、磁場の均一性に悪影響を与えない範囲でその形状が十分に薄くなるように作製すればよい（ＮｂＴｉ又はＮｂ３Ｓｎ線材内のフィラメント化に相当）。
【００９０】
上記のように作製したＨＴＳコイルは、ＬＴＳから作られたバックグラウンドマグネット（主コイルと遮蔽コイルとで構成される）とは電気的に直列に接続されることがない。したがって、ＨＴＳ−ＬＴＳ間の超電導接続を行う必要がない。同様に、ＨＴＳテープ導体を最大磁場の領域から複雑な手順で取り出す必要がない。
【００９１】
図９は本発明のＨＴＳ要素６を示したものである。図において、ＨＴＳ材料、ここではＹＢＣＯで作られた合計５枚の閉じた円筒型スリーブ３８が、円筒型支持体３１の上で半径方向に上下に重なって堆積している。したがって、ＨＴＳ要素６は５層の同心円状の層４１の形態でＨＴＳ材料を含んでいる。円筒型スリーブ３８同士の間、また、さらには最外円筒型スリーブ３８の外側には、それぞれ、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）で作られる絶縁層３９が堆積している。支持体３１は、円形断面を有し、ここでは、その両端面にそれぞれ端部円板４０を備えている。各端部円板４０は、円筒型スリーブ３８及び絶縁層３９を覆いながら半径方向に突き出している。
【００９２】
図１０に、本発明に係る別のＨＴＳ要素６を示す。これは図９のＨＴＳ要素と同様だが、ここでは、５層の同心円状の層４１は多数（ここでは２５個）の超電導リング３２を有した状態で円筒型支持体３１上に配置されている。超電導リング３２はそれ自体が閉じた構造である。同心円状の層４１同士の間、また、さらには最外の層４１の外側にはそれぞれ絶縁層３９、ここでは、チタン酸ストロンチウムが設けられている。この絶縁材料は、各層４１の超電導リング３２同士の軸方向の間にも設けられている。
【００９３】
代案として、ＨＴＳコイル又はＨＴＳ要素はＨＴＳテープ導体を基に作製してもよい。ＨＴＳテープ導体は一般にテープ型の金属基板（例えば、シート鋼テープ）を含む。その基板上に、１層以上の（例えばＭｇＯで作られた）緩衝層と、（例えばＹＢＣＯで作られた）ＨＴＳ層と、必要であれば分路（シャント）及び／又は保護層（通常はＣｕ、又はＡｇ、Ａｕ等の貴金属で作られる）が堆積される。
【００９４】
図１１は、本発明に係るさらに別のＨＴＳ要素６を示す。このＨＴＳ要素６は、円筒型支持体（コイル体）３１上にテープ導体３７を巻いてソレノイド型に形成している。ここでは、複数の層がテープ導体３７によって連続的に捲回される。最内層と最外層とはコイル端（図１１では上端）でＨＴＳ−ＨＴＳ接合部３６によって相互に接続される。その結果、ＨＴＳ要素６全体が超電導的に短絡される。支持体３１の両端面にはそれぞれ端部円板４０が設けられている。各端部円板４０は捲回されるテープ導体３７を覆いながら半径方向に突き出している（ただし、図１１では明確化のために上側の端部円板は図示していない）。
【００９５】
図１２は、本発明に係るさらに別のＨＴＳ要素６を示す。このＨＴＳ要素６は、両端部３５を除いてスロットが刻まれたＨＴＳテープ導体３７を用いる。ＨＴＳ要素６の内層３３はテープ導体３７の半分（「半テープ」）をソレノイド型に捲回したものであり、外層３４はテープ導体３７の残る半分を巻いて形成したものである。他の実施の形態では、半テープを使ってさらなるコイル層を捲回してもよい。半テープ同士は接合具がなくても両端部３５で相互に接続される。係るＨＴＳ要素又はＨＴＳコイルの捲回の方法については、例えば特許文献４（ドイツ特許出願公開第１０２０１１０８２６５２Ａ１号明細書）に記載されている。
【符号の説明】
【００９６】
１  マグネット装置
２  ＬＴＳ部分（バックグラウンドマグネット、ＬＴＳコイル）
３  ＬＴＳ遮蔽要素（遮蔽コイル）
４  ＬＴＳ主要素（主コイル）
５  ＨＴＳ部分（ＨＴＳコイル）
６  ＨＴＳ要素
７  検査部
８  超電導スイッチ（主スイッチ）
９  電源
１１  第１のＬＴＳ要素
１２  第２のＬＴＳ要素
１３  電源
１４ａ，１４ｂ  超電導スイッチ
２０  クライオスタット
２１  第１のヘリウムタンク
２２  第２のヘリウムタンク
２３ａ〜２３ｃ  サブコイル部
２４  真空タンク（真空容器）
２４ａ  真空タンクの壁
２４ｂ  真空チャンバ
２５  液体窒素（ＬＮ２）用の外側のタンク
２５ａ  液体窒素用の外側のタンクの放射線シールド
２６  室温空洞部
２７  ヘリウムタンク間の放射線シールド
２８  弁
２９  電気ヒータ
３０  熱スイッチ
３１  円筒型支持体（コイル支持体）
３２  ＨＴＳ材料で作られたリング
３３  内層
３４  外層
３５  スロットが刻まれたＨＴＳテープ導体の端部
３６  ＨＴＳ−ＨＴＳ接合部
３７  ＨＴＳテープ導体
３８  ＨＴＳ円筒型スリーブ
３９  絶縁層
４０  端部円板
４１  同心円状の層
Ｂ０  検査部内におけるコイル軸方向の磁場
ＩＢ１  第１の動作電流
ＩＢ２  第２の動作電流
ＩＩＮ  暫定電流
ＩＬＴＳ１  少なくとも１つの第１のＬＴＳ要素内の電流
ＩＬＴＳ２  少なくとも１つの第２のＬＴＳ要素内の電流
ＳＡ  コイル軸
ｔ０〜ｔ４  時刻
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３  給電線（充電用接続部）
ＴＨＴＳ  ＨＴＳ部分の温度
Ｔｃ，ＨＴＳ  ＨＴＳ部分の転移温度
ＴＬＴＳ  ＬＴＳ部分の温度
Ｔｃ，ＬＴＳ  ＬＴＳ部分の転移温度
【図１】
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【図２】
0006636405.tif 000003
【図３】
0006636405.tif 000004
【図４】
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【図５】
0006636405.tif 000006
【図６】
0006636405.tif 000007
【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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