(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワーキング状態下で、ワーキングボリューム（working volume）内に磁場を発生させる超伝導磁石（１）を含み、超伝導磁石は、超伝導スイッチ（３）と並列に接続されており、超伝導スイッチ及び超伝導磁石は、電源（４）と並列に接続されるようになっており、それによって、超伝導スイッチ（３）が開いたワーキング状態下で、超伝導磁石（１）は、電源によって賦勢されて、ワーキングボリューム内に所望の磁場を発生させることができ、続いて、超伝導スイッチ（３）を閉じる超伝導磁石組立体を賦勢する方法において、
超伝導スイッチ（３）と直列に接続された抵抗体（５）を更に含み、抵抗体（５）及び超伝導スイッチ（３）は、超伝導磁石（１）及び電源（４）の各々に並列に接続される超伝導磁石組立体を賦勢する方法であって、
i）超伝導磁石の動作中に、超伝導スイッチ（３）が開いた状態で、電源（４）から超伝導磁石（１）を賦勢するステップと、
ii）超伝導スイッチ（３）を閉じるステップと、
iii）超伝導磁石（１）の両端間の電圧降下と、抵抗体（５）の両端間の電圧降下が、超伝導磁石−超伝導スイッチループの周りで等しく且つ反対であるように、電源（４）からの電流供給を変化させるステップと、
を含むことを特徴とする超伝導磁石組立体を賦勢する方法。
【請求項２】
抵抗体（５）は、超伝導磁石（１）の抵抗の１〜１０００倍の範囲の抵抗を有する、請求項１に記載の超伝導磁石組立体を賦勢する方法。
【請求項３】
電源、超伝導磁石及び抵抗は、使用中、発生した磁場の不安定性が実質的に０．０１ｐｐｍ／時未満であるように構成される、請求項１又は２に記載の超伝導磁石組立体を賦勢する方法。
【請求項４】
iv）磁場の減衰をモニターするステップを、更に含み、
ステップiiiにおける電流の異なる変化でステップiii〜ivを繰り返して、磁場の減衰を減少させる、請求項１乃至３のいずれかに記載の超伝導磁石組立体を賦勢する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導磁石組立体及びその組立体の作動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導磁石を使用して、ワーキングボリューム内に安定な磁場を発生させる多くの応用がある。例は、超伝導磁石をいわゆる「永久モード」で動作させる、ＭＲＩ、ＮＭＲ、ＩＣＲ及びサイクロトロンを含む。これは、いったん超伝導磁石を賦勢したら、超伝導磁石の始めと終りの間にほとんどゼロオームの回路を接続することを含む。これを達成するための技術がよく知られている。次いで、生じる磁場の安定性は、磁石のインダクタンス及び全回路抵抗の時定数によって決定される。
【０００３】
【発明の解決しようとする課題】
時定数は、Ｌ／Ｒとして定義され、ここで、Ｌは、ヘンリーでの磁石のインダクタンスであり、Ｒは、オームでの全回路抵抗であり、そして、時定数は、秒で測定される。
【０００４】
Ｌ＝無限大、又はＲ＝ゼロでない限り、生じる時定数は有限であり、その結果、時間とともに、磁石電流と磁場の両方の指数関数的な減衰が生じる。
【０００５】
応用によっては、できるだけゼロに近い減衰率を有することが望ましく、典型的には、ＮＭＲの応用では、減衰率が０．０１ｐｐｍ／時未満であるのが望まれる。
【０００６】
ほとんどの装置について、磁石のインダクタンスは、非常に高い均質な磁場、及び所要の動作電流を生じさせるのに必要とされる幾何学的形態によって定められる。そのため、実際には、磁石の回路抵抗が、磁場の減衰率を決定するであろう。
【０００７】
今まで、この磁場ドリフトは、容認された問題であり、唯一の解決策は、磁石を再び賦勢させることであった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の側面によれば、超伝導磁石組立体は、作動状態下で、ワーキングボリューム内に磁場を発生させる超伝導磁石を含み、超伝導磁石は、超伝導スイッチに並列に接続されており、スイッチ及び超伝導磁石は、電源に並列に接続されるようになっており、それによって、スイッチが開いた作動状態下で、超伝導磁石は、電源によって賦勢されて、ワーキングボリューム内に所望の磁場を発生させ、続いて、スイッチが閉じられ、そして、超伝導磁石組立体は、更に、スイッチと直列に接続された抵抗体を含み、かつ、抵抗体及びスイッチが超伝導磁石及び電源の各々に並列に接続されている、ことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第二の側面によれば、本発明の第一の側面による超伝導磁石組立体を賦勢する方法は、
i）スイッチを開いて、電源から超伝導磁石を賦勢するステップと、
ii）スイッチを閉じるステップと、
iii）ワーキングボリューム内に発生した磁場中のドリフトを減少させるように、電源からの電流供給を変化させるステップと、
を有する。
【００１０】
磁場ドリフトと関連して上で概説した問題は、スイッチと直列に抵抗体を加えることによって、この発明で解消される。これにより、超伝導磁石、スイッチ及び抵抗によって構成された回路内の電圧の代数的合計を、ゼロ磁場ドリフトに必要とされる条件であるゼロに、又は、ゼロに近くに調整することができる。
【００１１】
いったんスイッチが閉じられると、磁石に供給される電力をゼロまで減少させる在来の装置と違って、電源は接続されたままでなければならいが、安定な磁場の実質的に長い期間を成し遂げる利点は、電源を維持するコストを上回ると考えられる。
【００１２】
典型的には、磁石の抵抗の１〜１０００の範囲の抵抗が可能であるけれども、抵抗体は、磁石の抵抗よりも少なくとも１０〜１００倍大きい抵抗を有する。さらに、抵抗体には、実質的にインダクタンスを有しているべきではない。
【００１３】
ゼロ磁場ドリフトを成し遂げる正確な電流を決定することができる種々の方法がある。
【００１４】
第一の方策では、磁石の抵抗を決定することができる。これは、磁石が所要磁場強さまでパワーアップされたら閉じられる第二の超伝導スイッチを磁石及び電源と並列に設け、次いで、磁石抵抗の値を得るように磁場の減衰をモニターすることによって具合良く成し遂げることができる。減衰率＝１／時定数であり、時定数はまたＬ／Ｒである（ここで、Ｌは、磁石のインダクタンスであり、Ｒは、磁石の抵抗である。）。そのため、磁石の抵抗Ｒ＝減衰率（ｐｐｍ／秒）×磁石のインダクタンスＬである。例えば、もし、Ｌ＝１００ヘンリー、減衰率＝３．６ｐｐｍ／時ならば、３．６×１０-6／３６００＝１０-9秒で、磁石のインダクタンスＬ＝１００は、Ｒ＝１０-7オームを与える。
【００１５】
第二の方策では、電圧計を磁石及び抵抗の両端間に取り付け、抵抗を、既知の電流の通過に応答して直接決定することができる。
【００１６】
第三の方策では、この方法は、
iv）磁場の減衰をモニターするステップを更に含み、そして、ステップiiiにおける電流を異なる変化で、iii〜ivのステップを繰り返して、磁場の減衰を減ずる。この発明の技術は、追加の構成部品の必要性を回避する。
【００１７】
磁石は、低温超伝導材料及び高温超伝導材料のいずれか一方若しくは両方、又は、他の低バルク抵抗率の材料を利用するどんな在来の構成を有してもよい。電源が磁石に接続されたままなので、高温超伝導電流のリード線は、熱伝導を減じ、かつ、環境中の熱損失を最小にするのが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
今、本発明による磁石組立体及び方法の一例を、添付の図面を参照して説明する。
【００１９】
図１に示すように、磁石組立体は、在来の形態の超伝導磁石１を含み、超伝導磁石の抵抗Ｒ1を２で別に示す。超伝導磁石は超伝導スイッチ３及び電源４と並列に接続される。これまで説明した構成部品は在来である。かかる在来の装置では、超伝導スイッチ３は初め開いており、そして、超伝導磁石１がワーキングボリュームに所要の磁場を発生させるまで、超伝導磁石１に電源４によって電力が与えられる。次いで、電源４が徐々に作動を止めるまで、電流は超伝導スイッチ３を流れ始めないけれども、超伝導スイッチ３は閉じられる。この作動を止めることにより、電流を、超伝導磁石１（抵抗Ｒ1を含む）及び超伝導スイッチ３によって形成された直列回路を「永久モード」で流れるさせる。しかしながら、上で説明したように、超伝導磁石１固有の抵抗２（Ｒ1）のため、超伝導磁石１によってワーキングボリューム内に発生した磁場は、徐々にドリフトし、或いは減衰するであろう。
【００２０】
これは、本発明では、追加の抵抗体５（Ｒ2）を超伝導スイッチ３と直列に挿入することによって解消する。
【００２１】
今、図２を参照すると、超伝導スイッチ３が開いた状態で、超伝導磁石１を、正常な動作電流Ｉまで賦勢し（ステップ１０）、次いで、超伝導スイッチ３を閉じ（ステップ１１）、次いで、超伝導スイッチ３と直列の抵抗体５を通る追加の電流が、超伝導磁石１内に内部的に発生した抵抗電圧をちょうど相殺する、等しくて反対の極の電圧を発生させる点まで、すなわち、回路の電圧の代数的合計がゼロである点まで、電流をΔＩだけ更に増加させる（ステップ１２）。
【００２２】
増加した電源電流は（超伝導スイッチ３を閉じた状態で）超伝導磁石１を通って流れないが、超伝導スイッチ３及び抵抗体５だけを通ることを理解すべきである。これは、いったん超伝導スイッチ３が閉じられると、電源の電流の変化が、分かれて、スイッチ回路及び磁石回路の両方を流れるからである。その二つの電流の間の比は、回路インダクタンスの逆比によって決定される。磁石が大変大きなインダクタンス（典型的には、１００ヘンリー）を有し、かつ、スイッチのインダクタンスが大変小さい（典型的には、１００ナノヘンリー）ので、電流比は１０-9であり、そのため、あらゆる実際的な考慮のために、全ての電源電流変化はスイッチ回路内を流れる。ここでは、永久モードと異なり、超伝導磁石１の動作中、電源ユニット４は接続されたままであり、そして、電流Ｉ＋ΔＩを回路に供給することも思い出すべきである。
【００２３】
磁場安定性に望まれる条件は、磁石の両端間の電圧降下と、抵抗体５の両端間の電圧降下が、磁石−スイッチループの周りで等しくかつ反対であるときであり、すなわち、
【数１】
0004291560.tif 000002
である。
【００２４】
電源の小さい変動は、生じた時間で変わる磁場率が、「永久モード」で作動され、或いは、電源のみによって直接賦勢される超伝導磁石の時定数によって決定されるような場合の大きさの数桁小さくすることができるように、回路抵抗の及び磁石インダクタンスの時定数によって取り除かれる。
【００２５】
典型的な値は、
磁石のインダクタンス＝１００ヘンリー
磁石の抵抗＝１Ｅ−７7オーム
抵抗体５＝１Ｅ−５オーム
Ｉ電源＝１００アンペア
ΔＩ過電流＝１０アンペア
である。
【００２６】
正常な「永久モード」で作動された磁石は、１Ｅ９秒の時定数、すなわち３．６ｐｐｍ／時の減衰率を示すであろう。
【００２７】
「準永久モード」で、即ち、上述したように抵抗体５を使用して作動された同じ磁石は、１Ｅ−５の電源変動に対して、３．６Ｅ−４ｐｐｍ／時の磁場安定性を示し、１Ｅ−４の電源変動に対して、３．６Ｅ−３ｐｐｍ／時の磁場安定性を示す。したがって、それがこの後者のモードでの磁場の安定性を支配する電源電流の不安定性である。ちなみに、もしも、永久モードで電源が接続されたままならば、回路の時定数がより小さいので、準永久モードに比べて遙かに大きな磁場の不安定性が生じる。
【００２８】
所望のゼロ減衰状態に達するためには、電流変化ΔＩを正確に設定することが必要である。これを成し遂げ得る種々の方法がある。
【００２９】
第一の方法では、追加の超伝導スイッチ６を超伝導スイッチ３及び抵抗体５と並列に接続する。初めに、電源４を作動して、所望の磁場強さまで磁石１をパワーアップし、超伝導スイッチ６を閉じて、電源の作動を止める。次いで、例えば在来の、ＮＭＲ技術を使用して、磁場の減衰をモニターし（ステップ１３）、そして、このことから、磁石のインダクタンスを計算して、ＮＭＲ共鳴周波数を測定することによって、時間による磁場の変化率を決定することができる。磁石のインダクタンス及び磁石の動作電圧が分かれば、それに対応する磁石の抵抗電圧を計算することができる。次いで、磁石の抵抗電圧を抵抗体５の値で割って、上記の等式（１）を使用して、電源から増加した電流ΔＩの値を求める。次いで、超伝導スイッチ６が開かれ、スイッチ３の閉鎖に続いて加えられる予め計算された追加の電流ΔＩを用いて、上述の処理を実施する。
【００３０】
第二の方法では、電圧計（図示せず）を超伝導磁石１の両端間に取り付けて、その抵抗２を決定することができる。
【００３１】
第三の方法では、ΔＩの概略値を供給して（ステップ１２）、ステップ１３で磁場の減衰又はドリフトを測定する。もしもそのドリフトが大きすぎれば（ステップ１４）、電源を増加させて、ステップ１２及びステップ１３の処理を繰り返す。このステップの組を、所望の磁場の減衰が達成されるまで、繰り返す。
【００３２】
勿論、この場合、電流の増加が必要であることが仮定されているが、電流の減少が、所望の磁場の減衰又はドリフトを達成するのに要求される場合もあり、その場合には、ステップ１２をそれに応じて合わせる。
【００３３】
今、準永久モードをより詳細に説明する。
【００３４】
通常、公知の方法によれば、永久モードでは、磁石の減衰は、磁石と直列の磁石抵抗２（Ｒ1）によって支配される。この状況では、磁石のインダクター内の電流の変化による磁石のインダクターの両端間の電圧降下は、磁石の抵抗２の両端間の電圧降下に等しい。すなわち、
【数２】
0004291560.tif 000003
Ｌは磁石のインダクタンス、Ｉ1は磁石を流れる電流、そして、Ｒ1は磁石の抵抗２である。
【００３５】
したがって、特定の磁石については、ＮＭＲ陽子周波数が磁石内の電流に比例するので、磁石の動作中の陽子周波数ｆの減衰Δｆは、
【数３】
0004291560.tif 000004
によって与えられるということになる。
【００３６】
これは、例えば、周波数ｆ＝４００ＭＨｚの磁石、Ｌ＝５８ヘンリー、及び、公称上のＲ1＝４μΩでは、約１０００００ＰＨｚ／時の周波数の理論上の率を与える（「ＰＨｚ／時」は、陽子共鳴周波数の減衰を表す。）。
【００３７】
上と対照的に、準永久モードによれば、電流電源４は、磁石に接続されたままであり、スイッチ３は、電流が、磁石１と、並列に、スイッチ３及び抵抗体５の両方を流れるように閉じられる。電源が接続されたままなので、電源は、磁石の抵抗２（ここでは、Ｒ1で表す抵抗値を有する）を流れる直流Ｉ10に加えて、（抵抗値Ｒ2を有する）抵抗体５を通る直流電流Ｉ20を供給する。静止モードでは、Ｒ2の両端間に生じる電圧は、磁石抵抗Ｒ1の両端間の電圧と同じであるべきである。したがって、電圧が等しいことにより、
【数４】
0004291560.tif 000005
である。
【００３８】
スイッチ３及び抵抗体５内の電流Ｉ2（ｔ）（＝Ｉ20＋δＩ2）のうちの任意の変化δＩ2は、電流Ｉ1（ｔ）（＝Ｉ10＋δＩ1）の時間で変化する変化δＩ1を伴い、或いは、変化分δＩ1によってバランスされるであろう。電源は作動状態に保たれ、したがって、減衰率を決定する上での決定因子は、電源の安定性である。これを更に検討するために、今、小さい数学的記数法を採用する。
【００３９】
電源４の僅かな不安定性による電流の僅かな変化の結果として、
電圧のバランスの計算によって、
【数５】
0004291560.tif 000006
項の消約は、
【数６】
0004291560.tif 000007
を与える。
また、全体の電流Ｉが、Ｉ1＋Ｉ2であるから、電流の全体の変化は、
【数７】
0004291560.tif 000008
である。
Ｉ＝δＩ1＋δＩ2を代入すると、これは、
【数８】
0004291560.tif 000009
になる。
項を再び整えると、
【数９】
0004291560.tif 000010
【００４０】
電流供給の安定性の重要性が最も高くなる。１０ｐｐｍ／時の電流安定性を持つ電源については、変化δＩ1は、３．６Ｅ−４ｐｐｍ／時まで減少する。δｔ＜＜Ｌ（Ｒ1＋Ｒ2）のため、δＩ1は、
【数１０】
0004291560.tif 000011
によって与えられる。
【００４１】
上の解析を試すため、ほとんどゼロ抵抗の、５７．５２ヘンリーのインダクタンスを有する実験用の超伝導磁石を、わざと４μΩの有限の公称抵抗Ｒ1に直列に接続した。減衰率を、永久モードと準永久モードの両方でのワーキング状態下で測定した。
【００４２】
永久モードでは、磁石を、４００．４１９ＭＨｚの陽子周波数で、９５．５Ａの電流を使用して作動し、４μΩの抵抗の両端間に０．３８２ｍＶの電圧降下を生じさせた。生じた減衰率は、１１１０００ＰＨｚ／時として測定された。
【００４３】
準永久モードでは、９０μΩの抵抗（図２の抵抗体５）を、磁石と並列に（したがって、スイッチ３と直列に）接続した。９９．２５６Ａの増加電流を、並列抵抗を考慮するために使用した。これは＋４９ＰＨｚ／時の測定された減衰率を生じ、これは電流が最適よりも僅かに大きく、その結果、陽子周波数が、実際に上方に移動したことを示す。しかしながら、陽子周波数の全体の変化率を、実質的に減少させたことが分かる。したがって、９９．２５４Ａの僅かに小さい電流を使用することによって、改善した値が得られる。この結果は、（先述の）０．０１ｐｐｍ／時の減衰率が、４μΩの高い磁石抵抗でも、本発明を用いて成し遂げられることを示す。
【００４４】
上の等式を使用すると、９０μΩの抵抗の両端間に０．３８２ｍＶの電圧を発生させるためには、９９．７Ａの全電流を与える４．２４Ａの電流を必要とする。
【００４５】
１０ｐｐｍ／時の電源電流のドリフトを仮定すると、９９．７Ａの電流について（すなわち４００ＭＨｚの作動に適当な電流について）、電流供給の期待される不安定性は、約１ｍＡ／時である。
【００４６】
Ｒ2＝９０μΩでδＩ／δｔ＝１ｍＡ／時を使用すると、これは、δＩ1／δｔ＝５．６Ｅ−５Ａ／時の磁石中の電流の変化率を与える。これは、２３ＰＨｚ／時の計算した減衰率と同等である。
【００４７】
したがって、並列抵抗Ｒ2を設け、磁石の作動中電源を使用することにより、磁場安定性を実質的に改善することができることが分かる。
【００４８】
実験用の磁石装置を使用する更なる試験として、電源電流の変化を模擬実験するために、電流を２ｍＡだけ減少させた。減衰トレースでは、この変化の対応するステップの形跡が見つからず、減衰スロープに３４ＰＨｚ／時の小さい変化だけが見られ、この結果は、磁石回路の大きな時定数と矛盾しない。
【００４９】
幾つかの超伝導磁石では、磁石自身の抵抗（Ｒ1）が大変小さく、例えば、１Ｅ−１０Ω乃至１Ｅ−１３Ωであり、それによって、永久モードで磁石回路について大変長い時定数を生じさせる。しかしながら、他の超伝導磁石は、高い抵抗値を有する。これらの超伝導磁石の一つの特定ば例は、「有限の」抵抗をしばしば有する高温超伝導体であり、したがって、かかる磁石は、磁石の磁場の大きな不安定性を受けやすい。製造方法によっては、より伝統的な低温超伝導材料の抵抗の増大を引き起こすこともある。有限の抵抗値を有するこれらのタイプの磁石について、本発明は特に適している、というのは、磁石回路の時定数を実質的に減少させることができるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】装置の概略ブロック図である。
【図２】方法例を説明する流れ図である。
【図１】
0004291560.tif 000012
【図２】
0004291560.tif 000013