(57)【要約】本発明は空間的に均一な磁気力を発生させる超伝導磁石の設計方法及び磁石の製作誤差により発生する不均一な磁気力成分を相殺させる製作誤差補正方法を用い、磁気力を用いて物質に作用する重力を均一に制御する均一な磁気力を用いる下記の構成の重力制御装置を提供する。中空円筒状の低温容器と、超伝導磁石を形成するように前記低温容器に環設される中空円筒状ボビンにそれぞれ巻線され、一定の長さを有する三つのソレノイドコイルが一定の間隔で３分割配列されてなり、中心部で磁束密度の一定した均一な磁場を発生させるＢ０コイルと一定の長さ、内半径及び外半径を有する対称及び／又は非対称勾配磁場発生コイルとの組み合せと、前記コイルにそれぞれ運転電流を提供する電源とを含む。
2004537947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空円筒状の低温容器と、
超伝導磁石を形成するように前記低温容器に環設される中空円筒状ボビンにそれぞれ巻線され、一定の長さを有する三つのソレノイドコイルが一定の間隔で３分割配列されて成り、中心部で磁束密度の一定した均一な磁場を発生させるＢ０コイルと一定の長さ、内半径及び外半径を有する対称及び／又は非対称勾配磁場発生コイルとの組み合せと、
前記コイルにそれぞれ運転電流を供給する電源とを含んで成ることを特徴とする均一な磁気力を用いる重力制御装置。
【請求項２】
前記組み合せの勾配磁場発生コイルは、それぞれ四つのコイルによりｑ１ｚ１の勾配磁場及びｑ１２ｚ１の磁気力を発生させる非対称Ｚ１コイルと、ｑ２ｚ２の勾配磁場及び２ｑ２２ｚ３の磁気力を発生させる対称Ｚ２コイルと、ｑ３ｚ３の勾配磁場及び３ｑ３２ｚ５の磁気力を発生させる非対称Ｚ３コイルであることを特徴とする請求項１に記載の均一な磁気力を用いる重力制御装置。
【請求項３】
前記運転電流は、前記Ｂ０コイルとＺ１コイル、Ｚ２コイル及び／又はＺ３コイルがそれぞれ巻線されたボビンを組み合せる場合に発生する磁気力成分のうち、磁気力成分Ｂ０ｑ１項を除く１次磁気力成分ｑ１２ｚ１項及び２次磁気力成分３ｑ１ｑ２ｚ２項が相殺するように、印加電流の大きさは同一で、極性は相反であることを特徴とする請求項２に記載の均一な磁気力を用いる重力制御装置。
【請求項４】
前記運転電流は、Ｉｚ１＝ｎ・Ｉｚ１０、Ｉｚ２＝ｎ２・Ｉｚ２０、Ｉｚ３＝ｎ３・Ｉｚ３０の関係を満たし、ｎ値を変化させるにつれて磁気力の強度及び方向を可変させることを特徴とする請求項２に記載の均一な磁気力を用いる重力制御装置。
【請求項５】
前記Ｂ０コイルとＺ２コイルの組み合せによる１次補正コイル及びＢ０コイルとＺ３コイルの組み合せによる２次補正コイルを用いて、各コイルの製作誤差により発生する不均一な磁気力成分を相殺することを特徴とする請求項２に記載の均一な磁気力を用いる重力制御装置。
【請求項６】
対称的なコイルと非対称的なコイルが巻線された中空円筒状のボビンから成る超伝導磁石を組み合せて中空円筒状の低温容器に環設し、この組み合せられた超伝導磁石のそれぞれに運転電流を印加して前記超伝導磁石の中心空間で全ての磁気力成分が発生するようにした後、前記コイル形状の最適化により、均一な磁気力成分Ｂ０ｑ１項を除く残りの全ての磁気力項を最少化させる非線型最適化法により均一な磁気力を有する空間を形成することを特徴とする均一な磁気力を用いる重力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は均一な磁気力を発生する超伝導磁石を用い、物質に作用する重力を均一に制御する装置に係り、より詳しくは空間的に均一な磁気力を発生させる超伝導磁石の設計方法及び及び磁石の製作誤差により発生する不均一磁気力成分を相殺する補正方法を用いて均一な磁気力を発生させ、この均一な磁気力を用い、物質に作用する重力を均一に制御する重力制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スペースシャトルのように宇宙空間で地球の周囲を旋回する宇宙船の内部では重力と遠心力が均衡するので、ほぼ無重力に近い低重力の環境が形成される。このような低重力環境では対流が発生せず、密度差による沈殿も無く、容器が不要であるから、格子欠陥のない最適な単結晶成長が可能であると期待されてきた。非特許文献１によると、ヨーロッパの研究陣は米国のスペースシャトルを用いて蛋白質の結晶成長を試した結果、地球上では不可能な水準の最適な蛋白質の結晶成長に成功した。
【０００３】
しかし、このように宇宙空間での低重力環境を用いる実験は経済的、時間的及び空間的制約が伴う。したがって、このような制約を解決するため、磁気力を用いる方法が試みられている。
【０００４】
鉄のような物質が磁石に引き付けられることは周知の事実である。鉄のような強磁性体は磁化率が大きいため、弱い磁場でも影響を受け、また磁化率の符号が正（＋）であるため、磁場の小さいところから大きいところに向かう力を受ける。したがって、強磁性体は通常の永久磁石体に引き付けられることになる。
【０００５】
このような強磁性体を除く全ての物質は常磁性体と反磁性体に分類される。このような物質は磁化率が非常に小さいため、通常の磁石には影響を受けない。しかし、強力な磁場の発生が可能な超伝導磁石には影響を受ける。常磁性体は磁化率の符号が正（＋）であるので磁石に引き付けられ、反面磁化率の符号が負（−）である反磁性体は磁石と反発する。
【０００６】
ここで、磁気力を用いる仮想の低重力環境について説明するため、重力場及び磁場での重力及び磁気力の基本式を導入する。各式の物理量はＳＩ単位で表わす。地球上の全ての物質は重力の影響を受け、重力は下方に作用する。密度ρ［ｋｇ／ｍ３］の物体に作用する単位体積当たり重力は次のようである。
【０００７】
【数１】
2004537947.tif 000003
【０００８】
前記式（１）において、ｇは重力加速度であって、地球上の位置によって多少の違いがあるが、ほぼ９．８［ｍ／ｓ２］の値を有する。そして、非特許文献２によると、磁場中に位置する磁性体に作用する単位体積当たり磁気力はつぎの式で表わされる。
【０００９】
【数２】
2004537947.tif 000004
【００１０】
前記式（２）において、χは磁性体の体積磁化率、μは透磁率、Ｂ［Ｔ］は磁束密度である。磁束密度Ｂがｚ軸方向にだけ変化する勾配磁場である場合、磁気力はつぎの式のようである。
【００１１】
【数３】
2004537947.tif 000005
【００１２】
したがって、前記式（３）により算出される磁気力ＦＭが式（１）の重力ＦＧと大きさが同一であり、磁気力ＦＭが上方に作用する場合、磁場内の磁性体は事実上無重力状態に置かれる。結局、磁気力ＦＭが遠心力と同一の作用をすることにより、磁気力ＦＭを用いて物質に作用する重力を制御することができる。
【００１３】
図１及び図２は従来の超伝導磁石を用い、物質に作用する重力を制御する装置を示す概略斜視図及び正断面図である。同図に示すように、この重力制御装置１０において、中空円筒形の低温容器１１にはコイルが巻線された円筒状ボビン１３が環設される。前記コイルに電力が印加されると、低温容器１１の中空１５に位置する物質２０は無重力又は低重力状態に置かれる。前記低温容器１１は一般的にアルミニウム又はステンレススチールから成り、前記ボビン１３はＦＲＰ又はアルミニウムから成る。前記コイルに電力が印加され磁気力ＦＭが上方に作用すると、磁場内の物質２０はＦ＝ＦＧ−ＦＭである低重力の環境に置かれるが、磁気力ＦＭが下方に作用すると、Ｆ＝ＦＧ＋ＦＭの過重力の環境に置かれる。
【００１４】
日本の研究陣はこのような磁気力を用いて物質を浮上させる実験に成功し、磁気力により形成された仮想の低重力空間を用いて蛋白質の結晶成長及び新物質の製造研究を行ったと報告した。例えば、非特許文献３の研究発表によると、超伝導磁石を用いて水、ＮａＣｌ、Ｂｉなどを浮上させ、このような原理を用いて新たな機能を有する新物質の合成研究を行った。また、非特許文献４によると、磁気力により重力を制御する場合、蛋白質結晶の成長に影響を及ぼすという。しかし、前記論文の実験で使用した磁石は、図３に示すように、磁場（点線）が勾配を有する磁石の両端で磁気力（実線）が発生し、この磁気力の空間的分布が均一でない問題点を有する。これにより、空間的に均一な低重力の空間を形成することが不可能であるので、研究者らは、物質に作用する重力を均一に制御するためには空間的に均一な磁気力を発生させる磁石の開発必要性を提起した。したがって、空間的に均一な磁気力を発生させる磁石が開発されると、仮想の低重力環境を用いる新たな研究活動が発展することが期待される。
【非特許文献１】
Ｓｃｉｅｎｃｅ，  ｖｏｌ．  ２７０，  ｐ．１９２１−１９２２，  １９９５  （Ｓｅａｒｃｈ  ｆｏｒ  ｂｅｔｔｅｒ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ  Ｅｘｐｌｏｒｅｓ  Ｉｎｎｅｒ，  Ｏｕｔｅｒ  Ｓｐａｃｅ）
【非特許文献２】
ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  ｖｏｌ．１０，  ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，  ｐ．３１４−３１６，  １９９２）
【非特許文献３】
Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｎｅｗ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ′９７−Ｊａｐａｎ，  ｐ．１８１−１８８
【非特許文献４】
Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，  ｖｏｌ．１７８，  ｐ．６５３−６５６，  １９９７（Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ａ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ  ｇｒａｄｉｅｎｔ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｅｎ  ｌｙｓｏｚｙｍｅ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、本発明は前記のような従来の重力制御装置から提起された技術的課題を解決するために為されたもので、空間的に均一な磁気力を発生させる超伝導磁石の設計方法及び磁石の製作誤差により発生する不均一な磁気力成分を相殺させる製作誤差補正方法を用い、磁気力を用いて物質に作用する重力を均一に制御する均一な磁気力を用いる重力制御装置を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記のような目的を達成するため、本発明は、中空円筒状の低温容器と、超伝導磁石を形成するように前記低温容器に環設される中空円筒状ボビンにそれぞれ巻線され、一定の長さを有する三つのソレノイドコイルが一定の間隔で３分割配列されて成り、中心部で磁束密度の一定した均一な磁場を発生させるＢ０コイルと一定の長さ、内半径及び外半径を有する対称及び／又は非対称勾配磁場発生コイルとの組み合せと、前記コイルにそれぞれ運転電流を提供する電源とを含んで成る、均一な磁気力を用いる重力制御装置を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
以上のような本発明による超伝導磁石を用いる均一重力制御装置は、空間的に均一な磁気力を発生させる超伝導磁石の設計方法及び磁石の製作誤差により発生する不均一な磁気力成分を相殺させる補正方法を用い、磁気力を用いて物質に作用する重力を均一に制御する効果を有する均一な磁気力を用いる重力制御装置を提供することができる。
【００１８】
本発明による重力制御装置によると、空間的に均一な磁気力の発生が可能である。本発明の重力制御装置が提供する均一な磁気力空間では重力の均一な制御ができるので、欠陥のない単結晶を成長させることができる。また、本発明の装置を用いて物質の流れ及び化学反応の均一な制御が可能であるので、新たな機能性物質の製造が可能となる。特に、本発明の実施例１の方法を用いると、磁気力の強度を自由に可変することができるので、単結晶成長及び新機能性物質の製造する空間として可変重力環境を提供することができる。
【００１９】
本発明のこのような効果は、無重力又は可変重力の環境を必要とする分野で本発明の思想及び保護範囲を逸脱しない範囲内で多様に変形して用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明による超伝導磁石を用いる均一重力制御装置を詳細に説明する。
【００２１】
一般に、ＭＲＩ又はＮＭＲに必要な均一な磁場を発生させるためには、複数のソレノイドコイルを空間的に最適に配列する方法が適用されている。また、コイルボビンの加工誤差及びコイルの巻線誤差などのような製作誤差により発生する不均一な磁場成分を相殺させるため、各々の成分のみを発生させる勾配磁場コイルが使用されている。このような均一磁場の設計概念を用いると、空間的に均一な磁気力を発生させる超伝導磁石の設計も可能である。
【００２２】
本発明による超伝導磁石を用いる均一重力制御装置は、中空円筒状の低温容器と、超伝導磁石を形成するように前記低温容器に環設される中空円筒状ボビンにそれぞれ巻線され、一定の長さを有する三つのソレノイドコイルが一定の間隔で３分割配列されて成り、中心部で磁束密度の一定した均一な磁場を発生させるＢ０コイルと一定の長さ、内半径及び外半径を有する対称及び／又は非対称勾配磁場発生コイルとの組み合せと、前記コイルにそれぞれ運転電流を提供する電源とを含んで成る。
【００２３】
本発明は前記均一磁場コイルと勾配磁場コイルを組み合せて均一な磁気力を発生させる超伝導磁石の設計及び製作誤差の補正例を提供する。また、対称コイルと非対称コイルの組み合せを最適化して均一な磁気力を発生させる例を提供する。
【００２４】
図４は本発明による均一重力制御装置の３分割ソレノイドコイルで構成されたＢ０コイルの形状を示す概略断面図である。同図に示すように、本発明によるＢ０コイルの構成は、一定の長さ（Ｌ）を有する第１ないし第３ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ１、ｃｏｉｌ２、ｃｏｉｌ３）を一定の間隔（Ｓ）を置き３分割して配列するとともに、第１及び第３ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ１、ｃｏｉｌ３）が第２ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ２）を介在して一定の内半径（Ｒ１）と外半径（Ｒ２）を有するように巻線することにより、中心部で磁束密度の均一な磁場を発生させる構造から成る。
【００２５】
図６は本発明による重力制御装置に使用されるＺ１コイルの形状及び電流の極性を示す概略断面図である。同図に示すように、前記Ｚ１コイルの構成は、一定の長さ（Ｌ）と内半径（Ｒ１）及び外半径（Ｒ２）を有する第１ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ１）と、この第１ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ１）から一定の間隔（Ｓ２）を置き巻線される第２ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ２）と、前記第１及び第２ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ１、ｃｏｉｌ２）から一定の間隔（Ｓ１）を置き対称的に形成される第３及び第４ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ３、ｃｏｉｌ４）とによりｑ１ｚ１の勾配磁場及びｑ１２ｚ１の磁気力を発生させる構造から成る。
【００２６】
図７は本発明によるＺ２コイルの形状及び電流の極性を示す概略図である。同図に示すように、Ｚ２コイルの構成は、一定の長さ（Ｌ）と内半径（Ｒ１）及び外半径（Ｒ２）を有する第１ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ１）と、この第１ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ１）から一定の間隔（Ｓ２）を置き巻線されている第２ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ２）と、前記第１及び第２ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ１、ｃｏｉｌ２）から一定の間隔（Ｓ１）を置き対称的に設けられた第３及び第４ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ３、ｃｏｉｌ４）とにより、ｑ２ｚ２の勾配磁場及び２ｑ２２ｚ３の磁気力を発生させる構造から成る。
【００２７】
図８は本発明による重力制御装置に使用されるＺ３コイルの形状及び電流極性を示す概略図である。同図に示すように、このＺ３コイルの構成は、一定の長さ（Ｌ）と内半径（Ｒ１）及び外半径（Ｒ２）を有する第１ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ１）と、この第１ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ１）から一定の間隔（Ｓ２）を置き巻線されている第２ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ２）と、前記第１及び第２ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ１、ｃｏｉｌ２）から一定の間隔（Ｓ１）を置き対称的に設けられた第３及び第４ソレノイドコイル（ｃｏｉｌ３、ｃｏｉｌ４）とにより、ｑ３ｚ３の勾配磁場及び３ｑ３２ｚ５の磁気力を発生させる構造から成る。
【００２８】
前記のような構成を有するコイルの組み合せから成る本発明による超伝導磁石を用いる均一重力制御装置の作用について具体的に説明するとつぎのようである。
【００２９】
まず、均一な磁気力のコイルの設計概念について説明する。ソレノイドコイルのような軸対称系において、磁束密度は半径方向成分（Ｂｒ）と軸方向成分（Ｂｚ）のみ存在する。したがって、前記式（２）から、磁気力の半径方向成分（Ｆｒ）と軸方向成分（Ｆｚ）はそれぞれ次のようである。
【００３０】
【数４】
2004537947.tif 000006
【００３１】
【数５】
2004537947.tif 000007
【００３２】
ここで、χ／μ２は磁気力を受ける物質の特性によって決定される項であり、磁石が発生する磁気力は磁場×磁場勾配［Ｔ２／ｍ］により決定される。すなわち、磁場×磁場勾配［Ｔ２／ｍ］が磁気力の強度を示す尺度である。以下では、簡単にするため、χ／μ２項を１に設定する。そして、均一磁場コイルの設計と同様に、ソレノイドコイルのｚ軸上でのみ磁気力を考慮する。ｚ軸上においては、半径方向の磁気力成分（Ｆｒ）がゼロであるので、軸方向の磁気力成分（Ｆｚ）のみが存在する。また、ｚ軸上において、半径方向の磁束密度（Ｂｒ）はゼロであるので、式（５）は次のように簡略になる。
【００３３】
【数６】
2004537947.tif 000008
【００３４】
ソレノイドコイルの中心空間において、ｚ軸上の磁束密度（Ｂｚ）は式（７）のように軸上距離ｚの関数としてテーラー級数（Ｔａｙｌｏｒ  Ｓｅｒｉｅｓ）で表わし得る。
【００３５】
【数７】
2004537947.tif 000009
【００３６】
2004537947.tif 000010
【００３７】
【数８】
2004537947.tif 000011
【００３８】
前記式（８）を式（６）に代入して整理するとつぎの式（９）となる。
【００３９】
【数９】
2004537947.tif 000012
【００４０】
前記式（８）において、Ｂ０は位置ｚにかかわらず一定の磁場成分である。そして、残りの項は位置ｚのｎ次関数で、位置によって異なる成分であり、高次項に行くほど絶対値が減少する。したがって、ＭＲＩ用マグネットの設計においては、空間的に均一な磁場を発生させるため、Ｂ０項を除く残り次数項が最小となるように設計する。同様に、式（９）において、Ｂ０ｑ１は位置ｚにかかわらず一定の磁気力成分である。したがって、均一な磁気力のマグネットの設計は、式（９）においてＢ０ｑ１項を除く残り項を最小にすると、均一な磁気力の空間が形成できる。
【００４１】
前記式（９）から分かるように、コイルシステムの中心空間で一定の磁気力成分Ｂ０ｑ１を発生させるためには、Ｂ０成分のみを発生させる均一磁場コイル（以下、Ｂ０コイルという）と１次の磁気力成分ｑ１のみを発生させる１次勾配磁場コイル（以下、Ｚ１コイルという）の組み合せが必須である。本発明においては、コイルの中心空間で均一な磁気力が発生するようにするための方法として、均一磁場コイル、つまりＢ０コイルをバックグラウンドコイルとして用い、これに加え、１次勾配磁場コイル（Ｚ１コイル）、２次勾配磁場（Ｚ２コイル）、及び３次勾配磁場コイル（Ｚ３コイル）を組み合せる方法を提示する。
【００４２】
つぎの表１には、中心空間での各コイルの磁場（Ｂｚ）及び磁気力（Ｆｚ）を示す。
【００４３】
【表１】
2004537947.tif 000013
【００４４】
図４は３分割ソレノイドコイルから構成されたＢ０コイルの断面を概略的に示し、図５は前記Ｂ０コイルの磁場及び磁気力分布を示すものである。Ｂ０コイルは中心空間で磁場（破線）が均一に分布し、よって磁場の勾配がゼロであるため、磁気力（実線）はゼロである。反面、磁場の勾配が存在するコイルの両端では磁気力が現れる。図６、図７及び図８はそれぞれＢ０コイルと組み合せるためのＺ１、Ｚ２及びＺ３コイルの形状と電流の極性を示すものである。実際に勾配磁場コイルにおける電流の供給は単一電源を用いるので、各図に示す電流の極性はコイルの巻線方向を示す。
【００４５】
図９は図４のＢ０コイルに図６のＺ１コイルを組み合せたときの磁気力分布図であって、コイルの中心空間でＢ０ｑ１の均一な磁気力成分と少しの１次磁気力成分ｑ１２ｚ１が発生している。結局、均一な磁気力の強度は中心磁場Ｂ０［Ｔ］とＺ１コイルの磁場勾配ｑ１［Ｔ／ｍ］の大きさによって決定される。
【００４６】
図１０は図４のＢ０コイルに図７のＺ２コイルを組み合せたときの磁気力分布図であって、コイルの中心空間で１次の磁気力成分２Ｂ０ｑ２ｚ１と３次の磁気力成分２ｑ２２ｚ３が発生する。中心空間で３次の磁気力成分は１次の磁気力成分に比べて無視し得るほどに小さいため、図１０に示すように、中心空間では１次磁気力分布を示す。したがって、Ｂ０コイルにＺ２コイルを組み合せると、１次の磁気力成分を相殺する１次補正コイルとして使用できる。
【００４７】
図１１は図４のＢ０コイルに図８のＺ３コイルを組み合せたときの磁気力分布を示す。コイルの中心空間で２次の磁気力成分３Ｂ０ｑ３ｚ２と５次の磁気力成分３ｑ３２ｚ５が発生する。５次の磁気力成分は２次の磁気力成分に比べて無視し得るほどに小さいため、図１１に示すように、中心空間では２次磁気力分布を示す。したがって、Ｂ０コイルにＺ３コイルを組み合せると、２次の磁気力成分を相殺する２次補正コイルとして使用できる。
【００４８】
図１２は［Ｂ０コイル＋Ｚ１コイル］システムで中心空間で磁気力を発生させた後、Ｚ２コイル及びＺ３コイルを付け加えて１次及び２次の磁気力成分を相殺させたとき、すなわち［Ｂ０コイル＋Ｚ１コイル＋Ｚ２コイル＋Ｚ３コイル］システムの磁気力分布図であって、中心空間で均一な磁気力分布が形成されることが分かる。
【００４９】
以下、本発明による具体的な実施例を数値で表記して詳細に説明する。実施例１においては、Ｂ０コイルとＺ１コイルの組み合せで中心空間で磁気力を発生させた後、Ｚ２コイルとＺ３コイルを付け加えて１次及び２次の磁気力成分を相殺した例を提示する。そして、実施例２においては、対称コイルと非対称コイルの組み合せを最適化して均一な磁気力を発生した例を提示する。
【実施例１】
【００５０】
本発明による実施例１はＮｂＴｉ超伝導線材を用いる１５０［Ｔ２／ｍ］の均一な磁気力発生コイルの設計例と勾配磁場コイルの運転電流の可変による磁気力の可変方法に係る。次の表２はボアの内径が１７［ｃｍ］、中心磁場が９［Ｔ］、磁場均一度が直径５［ｃｍ］の球内で０．６［ｐｐｍ］であるＢ０コイルの仕様を示すものである。また、前記Ｂ０コイルが発生する磁場及び磁気力の分布は図５に示すようである。
【００５１】
【表２】
2004537947.tif 000014
【００５２】
つぎの表３には１次の勾配磁場を発生するためのＺ１コイルの仕様を示す。
【００５３】
【表３】
2004537947.tif 000015
【００５４】
つぎの表４には２次の勾配磁場を発生するためのＺ２コイルの仕様を示す。
【００５５】
【表４】
2004537947.tif 000016
【００５６】
つぎの表５には３次の勾配磁場を発生するためのＺ３コイルの仕様を示す。
【００５７】
【表５】
2004537947.tif 000017
【００５８】
つぎの表６にはこれらコイルを組み合せて中心空間で１５０［Ｔ２／ｍ］の均一な磁気力を発生するため、必要な各コイルの運転電流を示す。
【００５９】
【表６】
2004537947.tif 000018
【００６０】
つぎの表７には前記表６で算出した各コイルの運転電流を印加したときの空間的磁気力分布を示す。
【００６１】
【表７】
2004537947.tif 000019
【００６２】
つぎの表８にはＢ０コイルの運転電流を一定に維持した状態（永久電流モードと等価）で勾配磁場コイルの運転電流を可変して磁気力を可変させる方法を示す。
【００６３】
【表８】
2004537947.tif 000020
【００６４】
１５０［Ｔ２／ｍ］の均一な磁気力を発生するために必要な各勾配磁場コイルの運転電流を初期値Ｉｚ１０、Ｉｚ２０、Ｉｚ３０とすると、均一な磁気力分布を維持した状態で磁気力の強度をｎ倍に可変するためには、表６に示す運転電流の算出根拠から、Ｉｚ１＝ｎ・Ｉｚ１０、Ｉｚ２＝ｎ２・Ｉｚ２０、Ｉｚ３＝ｎ３・Ｉｚ３０の関係が成り立つ。特に、ｎ＝−１と設定すると、磁気力の方向を可変することができる。したがって、対象物質の磁化率の極性によって磁気力の方向を適宜制御することができる。磁気力の強度及び方向を可変した例を図１３に示す。
【００６５】
以上は本発明による均一重力装置の実施例１を説明したもので、それぞれ別に設計した均一磁場コイルと１次、２次、３次の勾配磁場コイルを組み合せた後、各コイルの電流値を調節して均一な磁気力を発生させる例である。
【実施例２】
【００６６】
本発明による実施例２においては、ｚ＝０平面に対して電流の方向が対称的に配列されたコイルと非対称的に配列されたコイルを組み合せ、これを初期形状として入力した後、コイル形状の最適化により均一な磁気力を発生させる例を提示する。
【００６７】
図４に示すＢ０コイルはＺ＝０平面に対して電流の方向と形状が対称的に配列されたコイルである。このように対称的に配列されたコイルは、前記式（７）において、Ｂ０、ｑ２、ｑ４・・などの偶数次項の磁場成分のみを発生する。反面、図６のＺ１コイル電流の極性がｚ＝０平面に対して非対称的なコイルは、ｑ１、ｑ３、ｑ５・・などの奇数次項の磁場成分のみを発生する。したがって、このような対称的なコイルと非対称的なコイルを組み合せると、コイルの中心空間では式（９）で示す磁気力の全ての構成成分が発生する。この際、コイル形状の最適化により、Ｂ０、ｑ１項を除く残り項を最小化させると、均一な磁気力空間が形成される。
【００６８】
図１４は各コイルの厚さ、長さ及びコイル間距離を設計変数とし、非線型最適化法により１５０［Ｔ２／ｍ］の均一な磁気力発生コイルを設計した形状を示す。同図において、点線で示すものが初期形状であり、実線で示すものが最適化した形状である。
【００６９】
前記コイル形状の最適化のため、つぎの式（１０）に非線型最小自乗法を適用した。
【００７０】
【数１０】
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【００７１】
ここで、ｆ０及びｆｉはそれぞれ前記式（９）に示す均一な磁気力成分Ｂ０ｑ１及び残りの磁気力成分を示す。前記Ｄｆ０は発生させようとする均一な磁気力成分の強度、ｍは最小化させる磁気力成分の数である。そして、Ｍｆｉは各磁気力成分の最小化マージンを示す。図１４に示す設計においては、それぞれＤｆ０＝１５０、ｍ＝５、Ｍｆｉ＝１×１０−５に設定して最適化した。磁気力の均一度は直径１［ｃｍ］、長さ１［ｃｍ］の円筒状空間内で３７ｐｐｍである。
【００７２】
以上、本明細書に開示した実施例と図面により本発明が限定されるものではなく、当業者であれば本発明の技術思想の範囲内で多様に変形し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】従来の超伝導磁石を用いる重力制御装置の概略斜視図
【図２】図１に示す従来の重力制御装置の正断面図
【図３】図１に示す従来の重力制御装置のソレノイドコイルによる磁場及び磁気力分布図
【図４】均一磁場を発生させるＢ０コイルの一例であって、低温容器の中空中心を仮想のｚ軸として３分割ソレノイドコイルから成るＢ０コイルの形状を示す概略断面図
【図５】図４に示すＢ０コイルの磁場及び磁気力分布図
【図６】１次の勾配磁場を発生させるＺ１コイルの一例であって、低温容器の中空中心を仮想のｚ軸としてＺ１コイルの形状及び電流の極性を示す概略断面図
【図７】２次の勾配磁場を発生させるＺ２コイルの一例であって、低温容器の中空中心を仮想のｚ軸としてＺ２コイルの形状及び電流の極性を示す概略断面図
【図８】３次の勾配磁場を発生させるＺ３コイルの一例であって、低温容器の中空中心を仮想のｚ軸としてＺ３コイルの形状及び電流の極性を示す概略断面図
【図９】Ｂ０コイルにＺ１コイルを組み合せた重力制御装置の磁気力分布図
【図１０】Ｂ０コイルにＺ２コイルを組み合せた重力制御装置の磁気力分布図
【図１１】Ｂ０コイルにＺ３コイルを組み合せた重力制御装置の磁気力分布図
【図１２】Ｂ０コイルにＺ１コイル、Ｚ２コイル、Ｚ３コイルを組み合せた重力制御装置の磁気力分布図
【図１３】Ｂ０コイルにＺ１コイル、Ｚ２コイル、Ｚ３コイルを組み合せた重力制御装置において、各コイルの電流と極性を調節するときの磁気力分布図
【図１４】Ｂ０コイルにＺ１コイルを組み合せた重力制御装置において、コイル形状の最適化により発生する均一な磁気力分布図
【符号の説明】
【００７４】
１０    重力制御装置
１１    中空円筒状の低温容器
１３    中空円筒状ボビン
１５    中空
２０    物質
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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