(57)【要約】【課題】極低温下に置いた超伝導コイルに通電する場合に、限られた空間内に効果的に電磁力支持の構造部材を配置して全体剛性を増加させ、電磁力による超伝導コイルと構造物間の相対変位を抑え、摩擦発熱に起因した導体温度上昇によるクエンチ現象の発生を防止する構造を有するスプリット型ＮＭＲ装置を提供する。【解決手段】スプリット型に配置された巻線コイル部１１ａに対し、外枠１１ｂにより半径方向外側向きに働く電磁力を支持する。軸方向吸引電磁力により巻線コイル部１１ａが強く押しつけられるフランジ１１ｃは外枠１１ｂと一体とするため、これらの間の相対変位を低減させる構造となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導コイルの中心の計測空間に対してプローブ及び試料を出し入れするアクセスポートを有し、該超伝導コイルをその半径方向に多段に配置したスプリット型ＮＭＲ装置において、複数の巻枠のそれぞれに超伝導体を複数回巻回して製作され、該巻枠から取り外された複数対の超伝導コイルと、極低温下での通電時に該超伝導コイルに半径方向外側向きに働く電磁力を支持するため、該超伝導コイルのそれぞれの半径方向の外側において密着した外枠と、該外枠と一体化されたフランジを有することを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置。
【請求項２】
請求項１において、上記超伝導体はコイル巻回形成後の熱処理が必要な化合物系超伝導体であることを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置。
【請求項３】
請求項１において、上記コイル、巻枠及びフランジの間隙に熱硬化性樹脂を含浸して相互に固定したことを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置。
【請求項４】
請求項１において、上記巻枠の外側に形成された超伝導コイルの外側に一体化したフランジと外枠が取り付けられ、それらの隙間に充填固化された樹脂によって上記超伝導コイル、フランジおよび外枠を一体化することを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置。
【請求項５】
請求項４において、上記超伝導コイルの外表面に、上記フランジと外枠に対する絶縁補強が施こされていることを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置。
【請求項６】
超伝導コイルの中心の計測空間に対してプローブ及び試料を出し入れするアクセスポートを有し、該超伝導コイルを半径方向に多段に配置したスプリット型ＮＭＲ装置における超伝導コイルの製造方法において、複数の巻枠のそれぞれに超伝導体を複数回巻回して複数対の超伝導コイルを形成し、極低温下での通電時に該超伝導コイルに半径方向の外側向きに働く電磁力を支持するための外枠及び該外枠と一体化されフランジを、該超伝導コイルのそれぞれの半径方向の外側に設置し、上記超伝導コイル、外枠およびフランジを一体化した後、上記巻枠を取り外すことを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置における超伝導コイルの製造方法。
【請求項７】
請求項６において、上記超伝導体は化合物系超伝導体であって、上記超伝導コイルの巻回形成後、熱処理することを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置における超伝導コイルの製造方法。
【請求項８】
請求項６において、上記コイル、巻枠及びフランジの間隙に熱硬化性樹脂を含浸して相互に固定した後、上記巻枠を取り除くことを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置における超伝導コイルの製造方法。
【請求項９】
請求項６において、上記巻枠の外側に形成された超伝導コイルの外側に一体化したフランジと外枠が取り付けられ、それらの隙間に充填固化された樹脂によって上記超伝導コイル、フランジおよび外枠を一体化した後、上記巻枠を取り除くことを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置における超伝導コイルの製造方法。
【請求項１０】
請求項６において、上記超伝導コイルの外表面に、上記フランジと外枠に対する絶縁補強を施こした後、上記外枠とフランジを取り付けることを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置における超伝導コイル製造方法。
【請求項１１】
請求項６において、一体化したフランジと外枠の取付前に、上記超伝導コイル、フランジ及び外枠の間に潤滑材を塗布することを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置における超伝導コイルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスプリット型ＮＭＲ装置及びその超伝導コイルの製造方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
液体ヘリウム（ＬＨｅ）温度程度の極低温まで冷却し通電する超伝導コイルの最も単純な構造として、従来は必要となるコイル形状の巻枠の外側に超伝導導体を幾重にも巻き回してコイルとして固定させ、巻枠とコイルをそのまま一体で極低温下に置いて通電する構造を採用してきた。このような超伝導コイルにおいては通電により磁場を発生させた際にコイル自身を外側に拡張させようとする電磁力（フープ力）が働くこととなるが、この電磁力を受けて外側に拡張するコイル部とその場に留まろうとする巻枠の相対変位により摩擦発熱が生じ、この熱により超伝導導体の温度が上昇して超伝導状態を維持できず常伝導状態に遷移する所謂、クエンチ現象が発生する恐れがある。このクエンチ現象を防止する手段として２通りの方向の開発が行われてきた。
【０００３】
一つは、特許文献１に記載された技術で、コイルと巻枠間の相対変位を低減させる解決方法である。この方向での開発としては次のように幾つかの方法が行われてきた。例えば、超伝導導体に張力を働かせて巻枠を締め付けながら巻き回す等の手段により、予め巻枠に内側への初期変位を与え、コイルが外側に拡張した際にこれに追従して巻枠も変位するように製作する方法、コイルを樹脂で固めることにより剛性を上げて導体の個々の動きを抑制する方法、及びコイルの外側に電磁力を支持する構造部材を設けてコイルの外側への拡張変形を拘束させる方法等である。
【０００４】
二つ目は、特許文献２に記載された技術で、コイルと巻枠間の摩擦係数を低減させることにより相対変位が生じたとしても摩擦発熱量を低減させる解決方法である。このための手段としては、コイルと巻枠間に潤滑剤を塗布して、両者間の滑りを良くする等の対策が考えられる。
【０００５】
一般に、ＮＭＲ用超伝導コイルのように中心部のサンプル空間（アクセスポート）に強磁場で優れた磁場均一度が求められる超伝導装置においては、数種類のコイルを多重に組み合わせることにより必要な磁場分布を形成させる手法をとる。また、このような装置に対しては小型化も重要な課題であるため、これらのコイル群は可能な限り互いに密集させて配置させることが要求される。特に特許文献３に記載されたようなスプリット型ＮＭＲ装置では、磁場均一度の観点からコイルの軸長を伸ばすことが難しいため、コイル空間内に占める巻線コイル部の体積をより大きくすることが必須となる。
【０００６】
このような条件下においては、小型化により電流密度を高めるためコイルに働く電磁力が大きくなり、コイルを樹脂で固めて剛性を上げたとしても、もはやコイル単独で外側向きの拡張力を押さえつけることが難しい。このため電磁力を支持する外枠を設置してコイルの外側への拡張変形を拘束させる手段をとることになるが、小型化のためコイル間の空間がもともと狭いにも拘わらず、コイルと一体となってこの空間を占めている巻枠がこの半径方向外側への拡張電磁力に対し支持構造部材としての働きを有しないため、電磁力支持のための外枠は、この巻枠を除いた残りの空間に設置できるだけの寸法になり、従って剛性の制約を受けることとなる。
【０００７】
また、特にスプリット型ＮＭＲ装置においては、スプリット型に配置された一対の超伝導コイル間に設置するフランジに対し、左右のコイル間に働く吸引方向の電磁力によりコイルが強く押しつけられることとなるため、外側向きの電磁力によるコイルの外側への拡張変形に対し、通常の単独コイル以上にコイルとフランジ間の相対変位により生じる摩擦発熱が大きくなり、これが原因で発生するクエンチ現象の危険性が高いこととなる。
【０００８】
更に、高磁場を発生させるＮＭＲ装置において、超伝導線材としてＮｂ３Ｓｎ等の化合物系のものを使用し、巻線後に７００℃程度にも及ぶ熱処理を行うことが必要となる場合があるが、このような製作方法においては、張力巻線により巻枠に与えた初期変位が焼き鈍されて低下するため、従来用いてきたコイルと巻枠間の相対変位を低減させるための有効手段が役立たない。またコイルと巻枠間の摩擦係数を低減させるための潤滑剤が高温での熱処理に耐えられないので、この方向でのクエンチ防止対策も行えないことが問題となる。
【０００９】
【特許文献１】
特公平３−６５６４１号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平９−１３９３０９号公報（要約）
【特許文献３】
特開平７−２４０３１０号公報（要約）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、スプリット型ＮＭＲ装置に要求される高度な仕様に対し、クエンチの発生を抑え、安定な超伝導装置を供給するために、新たな電磁力支持構造を構築することが不可欠となる。
【００１１】
本発明の目的は、スプリット型ＮＭＲ装置に要求される高磁場且つ良磁場均一度等の高度な要求仕様を満たした上で、なおクエンチを防止して安定な超伝導状態を供給できるスプリット型ＮＭＲ装置及びその超伝導コイルの製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、極低温下に存在する超伝導コイルにおいて、通電中に突然超伝導状態が破れて常伝導状態に遷移するクエンチ現象を発生させないように、巻線コイル部とこれに働く電磁力を支持する構造部材の間の組み立てを好適な構造により実現するスプリット型ＮＭＲ装置に関する。また、その超伝導コイルの製造方法に関する。
【００１３】
また、本発明によれば、複数の巻枠のそれぞれに超伝導体を複数回巻回して製作され、該巻枠から取り外されて、半径方向に多段に配置された複数対の超伝導コイルと、極低温下での通電時に該超伝導コイルに半径方向の外側向きに働く電磁力を支持するため、該超伝導コイルのそれぞれの半径方向外側において密着した外枠と、該超伝導コイル間に設置されたフランジとを有し、該フランジと該外枠とが一体化されたスプリット型ＮＭＲ装置が提供される。
【００１４】
更に、本発明は、超伝導コイルの中心の計測空間に対してプローブ及び試料を出し入れするアクセスポートを有し、該超伝導コイルを半径方向に多段に配置したスプリット型ＮＭＲ装置における超伝導コイルの製造方法において、複数の巻枠のそれぞれに超伝導体を複数回巻回して複数対の超伝導コイルを形成し、極低温下での通電時に該超伝導コイルに半径方向の外側向きに働く電磁力を支持するための外枠及び該外枠と一体化されフランジを、該超伝導コイルのそれぞれの軸方向外側に設置し、上記超伝導コイル、外枠およびフランジを一体化した後、上記巻枠を取り外すスプリット型ＮＭＲ装置における超伝導コイル製造方法を提供する。
【００１５】
本発明においては、巻枠の外側に超伝導導体を幾重にも巻き回して形作られたコイルの外側に、外側向きの電磁力支持のための外枠と、スプリット配置の左右コイル間に設置するフランジを一体の構造部材として取り付け外側向きの電磁力の支持に寄与しない巻枠を取り除くことにより、外側向きの電磁力によるコイル変形に対し、フランジとコイル間に生じる相対変位を低減する構造を取ることを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置の構造を提供する。
【００１６】
また、コイルと外枠間に生じる隙間を樹脂で充填したり、外枠とフランジを一体としてコイルに設置する前に、コイル外表面に構造部材との絶縁を補強したり、潤滑剤を塗布して両者間の滑りを良くすることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を説明する。図１は、本発明のスプリット型ＮＭＲの概略外観斜視図で、超伝導コイル４の中心の測定空間に検出コイル付きのプローブを出し入れする第一アクセスポート１と試料を出し入れする第二アクセスポート２を設ける。また、Ｈｅ供給／放出ポート３及び防振支持脚５を有する。スプリット型ＮＭＲ自体は良く知られているので、その詳細説明は省略する。図２は、超伝導コイルの半径方向に複数段配置された超伝導コイル１０から構成されるスプリット型ＮＭＲ装置のコイル配置を示す断面斜視図である。図２では、超伝導コイル形成に使用された巻枠は取り外された状態を示している。スプリット型超伝導コイルは磁束均一度が１ｐｐｂ以下の、高磁場を作るのに適しているが、巻枠を取り外した超伝導コイルの剛性だけでは超伝導コイルが発生する電磁力に耐えられず、コイルの変位が防止できない。また、このタイプのＮＭＲ装置では、限られたスペースの中に、複数段の超伝導コイルを形成するために、コイルを支える部材を設置することが困難である。
【００１８】
特に、スプリット型ＮＭＲ装置においては、超伝導コイルの半径方向の外側方向及び軸方向の変位が起こりやすい。そしてこれらの変位を抑止する手段は、従来採られていなかった。
【００１９】
スプリット型ＮＭＲ装置は、数個の超伝導コイル１０の中心に作られる均一磁場空間１４により、タンパク質等の構造分析を行う装置である。巻線コイル部１１ａは、各々電磁力を支持するための外枠１１ｂ及びフランジ１１ｃにより固定され、ＬＨｅ中で浸漬冷却して使用される。均一磁場巻線空間１４に対して、図１にあるように１つ又は２つのアクセスポート１、２１を用いてプローブ（図示せず）及び試料（図示せず）を出し入れする。
【００２０】
コイル部１１ａを構成する超伝導導体の種類として、磁場強度が大きい内側のコイルは７００℃程度での熱処理を有する化合物系のＮｂ３Ｓｎ超伝導導体を用いており、磁場強度が比較的小さい外側のコイルは熱処理を必要としない合金系のＮｂＴｉ超伝導導体を用いている。
【００２１】
これらの巻線コイル部１１ａに働く電磁力は、主として半径（ｒ）方向で外側向きの拡張力、軸（ｚ）方向で内側向きの左右コイル間の吸引力となる。このように巻線コイル部１１ａが軸方向電磁力によりフランジ１１ｃに強く押しつけられた状態で半径方向外側向きにも電磁力がかかるため、この半径方向外側向きの電磁力により巻線コイル部１１ａが拡張してフランジ１１ｃとの間に相対変位を生じさせると大きな摩擦発熱を生み、超伝導導体の温度が上昇してクエンチ現象が発生する恐れがある。
【００２２】
このため、巻線コイル部１１ａは半径方向電磁力の方向へのフランジ１１ｃとの相対変位が生じないよう強固に固定する必要がある。ただし、各コイル間の間隔は中心での良磁場均一度を達成するために数ｍｍと狭くなっており、半径方向の電磁力を支持するための構造部材を設置する空間が制限されているという問題がある。そこで、本実施例においては、超伝導コイルの半径方向に電磁力が働く外側にのみ支持構造部材である外枠１１ｂを設置し、フランジ１１ｃを外枠１１ｂと一体化することにより、各コイル間の限られた空間を最大限効果的に使用して、巻線コイル部１１ａとフランジ１１ｃ間の半径方向における相対変位を抑制する構造にして超伝導コイル１０を製作する。
【００２３】
ここでは、施工が難しい熱処理を要するＮｂ３Ｓｎ超伝導導体を用いた超伝導コイルを例にとって製作方法の手順説明を行うこととする。図３に製作手順の概要を示す。
【００２４】
まず図３（ａ）に示すように、必要な寸法及び強度を有する円筒形状の巻枠１２を用意し、この外側に、熱処理前のＮｂ３Ｓｎ超伝導導体１１ｄを必要回数巻回して巻線コイル部１１ａを形成する。超伝導導体１１ｄの絶縁としては、７００℃程度の熱処理にも耐えられるよう、導体外表面にガラス被覆を施す。
【００２５】
要求される磁場均一度を達成するために、コイルの端部形状には高い寸法精度が求められるので、巻枠１２の表面は機械加工により仕上げる。
【００２６】
また、超伝導導体１１ｄには張力を働かせて巻枠１２を締め付けながら巻き回し、軸方向にも導体を押さえつけながら巻回することにより、巻枠１２と超伝導導体１１ｄ間及び隣り合う超伝導導体１１ｄ間に隙間を残さずにコイルを製作する。この隙間を残さない巻線方法は、コイルの寸法精度を向上させるのみならず、通電時の超伝導導体１１ｄの電磁力による個々の動きを抑制するための重要な手段となる。
【００２７】
このように形成した巻線コイル部１１ａを、図３（ｂ）に示すように、巻枠１２と一体化したまま炉に入れて７００℃程度の温度にて熱処理を行う。前述の通り、この７００℃程度の熱処理に耐え得るよう、超伝導導体１１ｄの絶縁としてガラスを用いており、このままではアース電位である外枠１１ｂ及びフランジ１１ｃとの対地間絶縁特性が低いため、次の手順として図３（ｃ）にあるように、熱処理後に巻線コイル部１１ａの外表面にポリイミドシート等の絶縁材を巻き付けて絶縁補強を実施する。
【００２８】
また、仮に巻線コイル部１１ａと外枠１１ｂ及びフランジ１１ｃとの間に相対変位が生じた場合でも大きな摩擦発熱が発生しないよう、熱処理後に超伝導導体コイル部１１ａの外表面に潤滑剤を塗布して超伝導導体コイル巻線部１１ａと外枠１１ｂ及びフランジ１１ｃとの間の滑りを良くする施工を行う。
【００２９】
その後、巻線コイル部１１ａの外側に半径方向外側向きの電磁力を支持するために用意した外枠１１ｂとフランジ１１ｃを一体構造として取り付け、生じる隙間にはエポキシ樹脂を注入して巻線コイル部１１ａと外枠１１ｂ及びフランジ１１ｃを一つに固める。
【００３０】
最終的に半径方向外側向きの電磁力支持にも寄与せず、もはや不必要となった巻枠１２は、図３（ｄ）に示すように、取り外す。このコイル構造の大きな特徴として、スプリット型に配置された一対の超伝導コイル１間に働く軸方向吸引電磁力により、巻線コイル部１１ａが強く押しつけられるフランジ１１ｃは、外枠１１ｂと一体の構造となっていることが挙げられる。なお、巻枠１２を取り外したことにより、各コイル間の数ｍｍの狭い空間に設置されるのが外枠１１ｂのみとなるため、外枠１１ｂの厚みは、この空間を最大限利用した数値として定めることができる。
【００３１】
以上述べた実施例に拠れば、以下のような利点がある。巻線コイル部１１ａに働く半径方向電磁力は、限られた空間内に効果的に電磁力支持の構造部材（外枠及びフランジ）を配置して全体剛性を増加させた外枠１１ｂにより支持され、フランジ１１ｃは外枠１１ｂと一体であるため、結局、コイルの外側向きに働く電磁力による変形に対し、これらの間の相対変位は生じない。このため、スプリット型コイル間に働く強い軸方向の吸引電磁力により、巻線コイル部１１ａがフランジ１１ｃに強く押しつけられても摩擦発熱は発生せず、この摩擦発熱に起因した超伝導体との温度上昇によるクエンチ現象を防止することができる。
【００３２】
また仮に、製作時誤差により巻線コイル部１１ａと外枠１１ｂ及びフランジ１１ｃの間に仮に隙間が残っていて両者間の相対変位が生じたとしても、潤滑剤により両者間の滑りが良くなっているため、発生する摩擦発熱は超伝導状態の維持に対して問題ない値に抑えることが可能となり、同様にこの摩擦発熱によるクエンチ現象を防止することができる。
【００３３】
更に、巻線コイル部１１ａと巻枠１１ｂ及びフランジ１１ｃ間の絶縁補強も行ったため、仮にクエンチが起きてコイルに高電圧が発生したとしても地絡に至ることが無い。
【００３４】
本発明の超伝導コイルの製造方法について、具体例を整理すると以下のとおりである。下記具体例は、請求項６記載の基本的製造法を利用している。
【００３５】
上記超伝導体は化合物系超伝導体であって、上記コイル巻回形成後熱処理することを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置における超伝導コイルの製造方法。
【００３６】
上記コイル、巻枠及びフランジの間隙に熱硬化性樹脂を含浸して相互に固定した後、上記巻枠を取り除くことを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置における超伝導コイルの製造方法。
【００３７】
上記巻枠の外側に形成された超伝導コイルの外側に一体化したフランジと外枠が取り付けられ、それらの隙間に充填固化された樹脂によって上記超伝導コイル、フランジおよび外枠を一体化した後、上記巻枠を取り除くことを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置における超伝導コイルの製造方法。
【００３８】
上記超伝導コイルの外表面に、上記フランジと外枠に対する絶縁補強を施こした後、上記外枠とフランジを取り付けることを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置における超伝導コイル製造方法。
【００３９】
一体化したフランジと外枠の取付前に、上記超伝導コイル、フランジ及び外枠の間に潤滑材を塗布することを特徴とするスプリット型ＮＭＲ装置における超伝導コイルの製造方法。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、極低温下に置いた超伝導コイルに通電する場合に、限られた空間内に効果的に電磁力支持の構造部材を配置して全体剛性を増加させ、電磁力による超伝導コイルと構造物間の相対変位を抑えることにより、摩擦発熱に起因した導体温度上昇によるクエンチ現象の発生を防止したスプリット型ＮＭＲ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスプリット型ＮＭＲ装置の概略外観斜視図。
【図２】本発明の超伝導コイルの断面斜視図。
【図３】本発明の超伝導コイルの製造法を説明するフロー図。
【符号の説明】
１…第一アクセスポート、２…第二アクセスポート、３…Ｈｅ供給／放出ポート、４…超伝導、５…防振支持脚、１０…超伝導コイル、１１ａ…巻線コイル部、１１ｂ…外枠、１１ｃ…フランジ、１１ｄ…超伝導導体、１２…巻枠。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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