(57)【要約】【課題】  高い上部臨界磁場を持つ超電導体で構成されたコイル層と交換して、中心磁場と、その均一度を高めた超電導磁石１を得る。【解決手段】   同芯状に複数のコイル層２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２２、２３、２４、２５、３１、３２、３３、３４を備えてなる超電導磁石において、最内層のコイル層であるソレノイドコイル並びに補助コイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃは軸方向に３分割されており、また最外層のコイル層３１、３２、３３、３４は軸方向に４分割されている。最内層のコイル層２１ａ、２１ｂ、２１ｃと最外層のコイル層３１、３２、３３、３４との間のコイル層２２、２３、２４、２５は、軸方向に一体とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同芯状に複数のコイル層を備えてなる超電導磁石において、
該芯に直行する赤道軸を対象軸とする１つのソレノイドコイルを最内層に備え、該ソレノイドコイルの該芯上下方向に１対の補助コイルを備えてなることを特徴とする超電導磁石。
【請求項２】
最外層のコイル層が軸方向に分割されていることを特徴とする請求項１記載の超電導磁石。
【請求項３】
前記最内層のコイル層と最外層のコイル層との間のコイル層が軸方向に一体であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超電導磁石。
【請求項４】
前記超電導磁石の中心磁場を球面調和関数で展開した際に、当該球面調和関数のｚ2項で表される分布が均一になるように前記最内層のコイル層が軸方向に分割されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導磁石。
【請求項５】
前記最内層のコイル層の分割は、３分割であって、軸方向の中央部が両端部より長いことを特徴とする請求項４記載の超電導磁石。
【請求項６】
前記最内層のコイル層は、酸化物、若しくはＮｂ3Ａｌからなる超電導体で構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超電導磁石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石や常電導の電磁石では発生できない強い磁場を必要とし、かつ磁場が空間的に均一であることが要求されるＮＭＲ（核磁気共鳴）装置等に用いられる超電導磁石に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＮＭＲ装置は分子の構造解析に用いられるが、その解析速度、解析精度並びに解析可能な分子量を向上させるため、より強い磁場が要求されている。それを達成させるために、同芯状に複数のコイル層を備えてなる超電導磁石の最内層に酸化物やＮｂ3Ａｌなどの高磁場に適した材料を使う必要がある。ところが、酸化物やＮｂ3Ａｌを最内層に用いた場合、中心磁場の分布の乱れを補正するのが困難であった。
すなわち、超電導磁石の発生できる磁場の強さは、その磁石に巻線されるコイルを構成する超電導体の特性の一つである上部臨界磁場によって制約される。超電導体は上部臨界磁場以上の磁場では超電導状態を保つことができず、電気抵抗ゼロで電流を流すことができなくなる。
【０００３】
従来、実用レベルの超電導体は、ＮｂＴｉとＮｂ3Ｓｎであり、そのうちで最も高い上部臨界磁場を有する超電導体は、酸化物やＮｂ3Ｓｎからなる超電導体である。Ｎｂ3Ｓｎからなる超電導体の上部臨界磁場は、液体ヘリウム温度での４．２Ｋで約２２Ｔである。現在、液体ヘリウム温度の４．２Ｋで実用運転されるＮＭＲ装置用超電導磁石の発生する中心付近の磁場（以下中心磁場）は１８．８Ｔが最高である。
なお、ここで１８．８ＴのＴは、「テスラ」と称し、周波数８００メガヘルツの電磁波を加えると水素原子核が共鳴する磁場の強さである。１メガは１００万である。
【０００４】
図２は、従来の例であって、ＮＭＲ装置用の超電導磁石１の軸芯（Ｚ軸５）に沿った断面図である。図２には、複数のコイル層２１、２２、２３、２４、２５、３１、３２，３３、３４からなる超電導磁石１を低温状態に保つ保冷容器内に組み込まれた状況の記載は省略している。図２のＮＭＲ装置用超電導磁石１に用いられる超電導の各コイル層に関して、コイル変数である内径（ｍｍ）、外径（ｍｍ）、高さ（ｍｍ）、巻数（回）、線径（ｍｍ）、電流（Ａ）、超電導体の種類等を表１に示す。
【０００５】
【表１】
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【０００６】
この超電導磁石１は液体ヘリウム温度で１８．８Ｔの中心磁場を発生する。この同芯状の複数のコイル層は、その径方向での最内層から外層に向けて順に５個のコイル層２１、２２、２３、２４、２５で構成されている。これら５個のコイル層２１、２２、２３、２４、２５は、図２に示すように、各々軸方向に一体である。これらの５個のコイル層２１、２２、２３、２４、２５は、主磁場を発生するもので、メインコイル群と称されることが多い。そして、これらのコイル層２１、２２、２３、２４、２５の同一の赤道面と、同一の軸芯（Ｚ軸５）との交点が超電導磁石１の中心４となっている。
【０００７】
また、同芯状の複数のコイル層における最外層のものは、同じく同軸であって、軸５方向に分割された４個のコイル層３１、３２、３３、３４で構成されている。コイル層３１、３２の赤道面は、前記中心４から軸５方向に等間隔に、具体的には３９０ｍｍ離れている。コイル層３１、３２の軸５方向中心４に向け、すなわちコイル層３１、３２の軸５方向の内側に、コイル層３３、３４が設けられている。
これら軸５方向に分割された４個のコイル層３１、３２、３３、３４は、前記５個のコイル層２１、２２、２３、２４、２５であるメインコイル群が発生する磁場が空間的に均一であること、すなわち磁場均一度を高めるためのもので、補正コイル群と称されることが多い。磁場均一度は、以下表２の説明でも示す。
【０００８】
メインコイル群のうち３個のコイル層２１、２２、２３は、Ｎｂ3Ｓｎからなる超電導体で、それ以外と前記補正コイル群は共にＮｂＴｉからなる超電導体で構成されている。
前記図２の超電導磁石１の中心４を中心とする直径２０ｍｍ球内での磁場均一度を表２に示す。
【０００９】
【表２】
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【００１０】
磁場均一度を下記「課題を解決するための手段」に記載・説明の式（１）である球面調和関数で展開したｚ2項で、磁場均一度に関与する多重係数ｚ4、ｚ6項と共に、示しているが、表２に示すように各成分は０．０１ｐｐｍ以下で、良好な磁場均一度を示している。
上記従来例の超電導磁石１よりも強い中心磁場を発生させるためには、Ｎｂ3Ｓｎよりも高い上部臨界磁場を有する超電導体が必要となる。最内層コイルをＮｂ3Ｓｎよりも高い上部臨界磁場を有する超電導体で巻線された軸方向に一体型のコイルと交換した場合、磁場均一度は乱れることになる。それを回避するために、当初から設けた挿入可能な空間に磁場均一度の乱れを補正する、軸方向に分割されたコイルを挿入し、強い中心磁場と、磁場均一度を高めることが提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−２６４４０２号公報（第３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、当初から設けた挿入可能な空間を設けた超電導磁石は、超電導磁石の占める空間が大きい。超電導磁石を設置するための多くのスペースが必要で製作費が高くつく。必要な液体ヘリウムも増加する。さらに、新たな高品質材質のコイルの適応は、当初から設けた挿入可能な空間のある超電導磁石にのみ可能といった問題点があった。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、開発された新たな超電導体であって高い上部臨界磁場を有する超電導体で構成されたコイル層を従来の超電導磁石中のコイル層と交換して、中心磁場とその均一度を高めた超電導磁石を提供するようにしたものである。
【００１２】
具体的には前記酸化物やＮｂ3Ｓｎを、前記同芯状に複数のコイル層を備えてなる超電導磁石の最内層のソレノイドコイルに用いた場合、主に前記ｚ2項で示す成分に乱れが生じやすいことを突き止めた。そのｚ2項で示す成分の乱れを補正する方法を検討した結果、前記最内層のソレノイドコイルの上下に補正コイルを設けるのがもっとも適した構成であることを見つけた。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この技術的課題を解決するための本発明の技術的手段は、同芯状に複数のコイル層を備えてなる超電導磁石において、該芯に直行する赤道軸を対象軸とする１つのソレノイドコイルを最内層に備え、該ソレノイドコイルの該芯上下方向に１対の補助コイルを備えてなる点にある。また、最外層のコイル層が軸方向に分割されていることも好ましい。そして、最内層のコイル層と最外層のコイル層との間のコイル層が軸方向に一体であることも好ましい。
また、本発明の技術的手段は、超電導磁石の中心磁場を球面調和関数で展開した際に、球面調和関数のｚ2項で表される分布が均一になるように、すなわち磁場均一度が高いように、最内層のコイル層が軸方向に分割されていることが好ましい。
【００１４】
超電導磁石を用いるＮＭＲ装置では、試料空間となる、超電導磁石の中心を中心とした２０ｍｍ球での、球内の磁場分布を球面調和関数で展開して以下の式（１）のように表し、Ｂ0以外の係数の値を中心磁場の磁場均一度の値としている。値が低いと、磁場均一度が高いとしている。
そして、ｚ2項で表される分布、すなわち中心磁場の磁場均一度は、Ｂz2/Ｂ0として表すことが多い。超電導磁石の（中心）軸をｚ軸に取った場合、ｘ軸やｙ軸に関する成分はｚ軸上では設計上ゼロになるので、式（１）にはｚ軸に関する項のみ表記している。
【００１５】
（最内層コイルに酸化物若しくはＮｂ3Ａｌで巻線されたｚ軸方向に一体のコイルと入れ替えた時、）超電導磁石の中心磁場の分布が変化し、当初の磁場均一度が乱れて磁場均一度が低下する。その低下を球面調和関数で展開すると、主にｚ2成分が磁場均一度の低下成分として顕著に表れる。
Ｂ(ｘ,ｙ,ｚ)＝Ｂ0＋Ｂz・ｚ＋Ｂz2・ｚ2＋Ｂz3・ｚ3＋
・・・・＋Ｂzn・ｚn＋・・・・     （１）
また、本発明の技術的手段は、最内層のコイル層の分割は、３分割であって、軸方向の中央部が両端部より長いことが好ましい。さらに、最内層のコイル層は、酸化物、若しくはＮｂ3Ａｌからなる超電導体で構成されていることが好ましい。超電導体は、その特性である上部臨界磁場をもっており、その上部臨界磁場以上では超電導状態を保つことができない。すなわち、最内層のコイル層を構成する現行の超電導体より高い上部臨界磁場を持つものが、最内層のコイル層を構成する超電導体として好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、中心磁場と磁場均一度を高めた超電導磁石を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面並びに表に基づいて、説明する。
図１は、本発明である、強く、かつ均一度が高い中心磁場を持つ超電導磁石１の軸芯（Ｚ軸５）に沿った断面図である。ただし、図１は前記超電導磁石１の複数のコイル層２２、２３、２４、２５、３１、３２、３３、３４並びに最内層にソレノイドコイル２１ａと補助コイル２１ｂ、２１ｃを示し、超電導磁石１を低温状態に保つ保冷容器内に組み込まれた状況の記載は省略している。なお、コイル層のうち、前記の従来例の図２で示したコイル層も準用し、同一符号も使用している。
【００１８】
すなわち、本発明では、前記従来例の超電導磁石１において、径方向での最内層であるコイル層２１を酸化物からなる超電導体で構成されたコイル層に置き換えるものであって、さらに軸５方向に分割された構造である。
この軸５方向の分割は、３分割であって、軸方向の中央部のソレノイドコイル２１ａが、両端部の補助コイル２１ｂ、２１ｃより長い。従来例の最内層のコイル層２１のコイル線径は、２．６５ｍｍであったが、これらのソレノイドコイル２１ａ、補助コイル２１ｂ、２１ｃを構成する酸化物超電導体の線径は２．１５ｍｍとした。なぜなら、酸化物超電導体はＮｂ3Ｓｎよりも上部臨界磁場が高いので、より高い磁場中でより大きな電流密度を流しても超電導状態を保持することができるからである。その結果、同じ電流値でより大きな磁場を作ることができる。
【００１９】
軸５方向の中央部のソレノイドコイル２１ａのコイル巻数３７２１回、コイル外径１６６．００ｍｍ、同高さ４００．００ｍｍであって、赤道面と軸５との交点が本実施例の超電導磁石１の中心４である。
軸５方向の両端部の補助コイル２１ｂ、２１ｃは、コイル巻数１１３０回、コイル外径１８３．２０ｍｍ、同高さ１０１．１９ｍｍであって、各々の赤道面は、前記中心４から等間隔に、２５８．７ｍｍ離れている。補助コイル２１ｂ、２１ｃの軸方向中心４に向け、すなわち補助コイル２１ｂ、２１ｃの軸方向の内側に、ソレノイドコイル層２１ａが設けられている。内径は、従来例の最内層のコイル層２１と同様の８０．００ｍｍである。図１のＮＭＲ装置用超電導磁石１に用いられる複数のコイル層に関して、上記コイル変数をまとめて表３に示す。
【００２０】
【表３】
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【００２１】
最内層のコイル層２１を入れ替えたことにより、中心磁場の大きさは１８．８Ｔから１９．４Ｔに増加することができた。この時の直径２０ｍｍ球内での磁場均一度を表４に示すように、磁場均一度を乱すことなく０．０１ｐｐｍ以下に収めることができた。
【００２２】
【表４】
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【００２３】
なお、前記従来例である図２、及び表１の超電導磁石１の複数のコイル層２１、２２、２３、２４、２５のうち、径方向での最内層であるコイル層２１を、従来のＮｂ3Ｓｎに替えて酸化物からなる超電導体で構成されたコイル層２１ｘに置き換える場合を検討した。この比較例は、本発明の実施例である前述の「３分割」を「分割なし」とした状況に該当している。
このコイル層２１ｘの線径は、前述同様に２．１５ｍｍと細くする。そして、コイル巻数を６１３９．５回、コイル高さを６６０ｍｍとした。その他のコイル変数は、従来例の最内層のコイル層２１と同様である。この比較例の超電導磁石１の断面図は図１を準用できるので、改めての掲載は省略している。表５に、この比較例のコイル変数を示す。
【００２４】
【表５】
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【００２５】
比較例の中心磁場は１８．８Ｔから１９．４Ｔまで大きくすることができたが、磁場均一度は表６に示すように特にｚ2成分が悪く、その大きさは約−２ｐｐｍである。このままでは、磁場均一度が悪く、ＮＭＲ用超電導電磁石として使用するには不適格である。
【００２６】
【表６】
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【００２７】
本発明の実施例並びに前記従来例、比較例の３通りについて、それらの超電導磁石１の磁場均一度を図３に示す。これは、超電導磁石１を用いるＮＭＲ装置の試料空間である、超電導磁石１の中心４を中心とした２０ｍｍ球での、球内のｚ軸上での磁場均一度をグラフにしたものである。
図３の縦軸は磁場均一度（ｐｐｍ）であって、表２、４、６各々に関しての
ｚ2、ｚ4、ｚ6  各成分値の合計に該当する。横軸は磁場の中心４からｚ軸方向の距離（ｍｍ）を示している。図中、イは従来例、ロは実施例、ハは比較例に該当する。なお、上記イとロの重複部分のロは、イに重なって示している。
【００２８】
図３から明らかなように、本発明である実施例では、その磁場均一度は良好であって、前記球内での磁場均一度はほとんど変化せず、従来例との許容範囲である。許容範囲とは、ｚ軸の２０ｍｍ範囲、すなわちプラスマイナス１０ｍｍにて、磁場許容度がプラスマイナス０．０１ｐｐｍの間である。一方、比較例では、磁場均一度は良くないことが判る。
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、最内層のコイル層であるソレノイドコイル並びに補助コイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、例えば、高い上部臨界磁場を持つＮｂ3Ａｌからなる超電導体で構成されていてもかまわない。また、本発明の実施例での、最内層のコイル層の分割は３分割に限定するものではなく、分割数を特に「３」に限定するものではない。
【００２９】
さらに、最内層であるコイル層２１を分割したソレノイドコイル並びに補助コイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃに置き換えるものであるが、置き換えることに限定するものではなく、最内層のコイル層２１の更に内側に、新たに挿入することも可能である。また、本発明による超電導磁石１は、ＮＭＲ装置に限ることなく、磁気浮上装置等への適用が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例の超電導磁石１の断面図である。
【図２】従来例、並びに比較例の超電導磁石１の断面図である。
【図３】磁場均一度を説明する図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  超電導磁石
２１、２１ｘ、２２、２３、２４、２５、３１、３２、３３、３４  コイル層
２１ａ  ソレノイドコイル
２１ｂ、２１ｃ  補助コイル
４  中心
５  軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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