(57)【要約】  シリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）は、スペーサコイル（１６）によって軸方向に離隔された二つの超伝導主コイル（１０）を備え、主コイル及びスペーサコイルは、単一の自立構造として互いに結合されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペーサコイル（１６）によって互いに軸方向に離隔された二つの超伝導主コイル（１０）を備えたシリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）であって、前記主コイル及び前記スペーサコイルが単一の自立構造として互いに結合されている、シリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）。
【請求項２】
前記スペーサコイルが、超伝導ワイヤ製であり、前記主コイルを流れる電流とは逆方向に電流を流すように構成されている、請求項１に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）。
【請求項３】
前記スペーサコイルが、抵抗性ワイヤ製であり、各主コイルの半径方向中点に対応する半径方向位置に存在している、請求項１に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）。
【請求項４】
前記スペーサコイルがクエンチ伝播回路に電気的に接続されている、請求項３に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）。
【請求項５】
前記スペーサコイルが閉ループとして電気的に接続されている、請求項３に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）。
【請求項６】
前記スペーサコイルの端部が電気的に接続されていない、請求項１又は３に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）。
【請求項７】
前記スペーサコイルが、超伝導ワイヤ製であり、前記主コイルを流れる電流の電流密度よりも小さな電流密度の電流を流すように構成されている、請求項１又は２に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）。
【請求項８】
前記スペーサコイルが、少なくとも一つの前記主コイルの内側半径に実質的に等しい内側半径を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項９】
前記スペーサコイルが、少なくとも一つの前記主コイルの内側半径に等しい内側半径を有する、請求項８に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項１０】
前記スペーサコイルが、少なくとも一つの前記主コイルの外側半径に実質的に等しい外側半径を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項１１】
前記スペーサコイルが、少なくとも一つの前記主コイルの外側半径に等しい外側半径を有する、請求項１０に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項１２】
前記主コイル及び前記スペーサコイルが一回の樹脂含浸ステップでモノリシックに互いに結合されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項１３】
前記コイルが、第一の樹脂含浸ステップで別々に形成されて、型の中で互いにアセンブリされて、第二の樹脂含浸ステップで樹脂を含浸させて、モノリシックな構造に形成されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項１４】
前記スペーサコイル及び前記主コイルが同じ種類のワイヤ製である、請求項１から１３のいずれか一項に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項１５】
前記スペーサコイル及び前記主コイルが同じ巻き密度を有する、請求項１から１４のいずれか一項に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項１６】
前記スペーサコイルの軸方向広がりよりも小さな軸方向広がりｂを有する絶縁スペーサ（１９）が、スペーサコイルと隣接する主コイルとの間に設けられている、請求項１から１５のいずれか一項に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか一項に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）と、
前記シリンダ状超伝導マグネット構造体とは別途形成され、前記シリンダ状超伝導マグネット構造体の軸方向縁に取り付けられた環状端部コイル（２２）とを備えたマグネット構造体。
【請求項１８】
前記端部コイル（２２）が、前記シリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）のコイルよりも大きな半径方向広がりａを有する、請求項１７に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項１９】
非導電性スペーサ（２６）が、前記シリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）に対して適所に前記端部コイル（２２）を配置するように設けられている、請求項１７又は１８に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項２０】
スペーサコイル（２６）が、前記シリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）に対して適所に前記端部コイル（２２）を配置するようにモノリシック構造（２４）の軸方向縁に設けられている、請求項１７又は１８に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項２１】
前記スペーサコイルが前記主コイルと直列で電気的に接続されている、請求項２又は７に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダ状超伝導マグネット構造体に関し、特に、複数の別々の超伝導コイルがスペーサによって接続されて設けられるが、単一の自立構造へと形成されるような構造に関する。そのような構造の例は特許文献１に記載されている。
【背景技術】
【０００２】
図１Ａは、上述のような従来のモノリシックなシリンダ状コイル構造１１０を示す。Ａ‐Ａは軸方向中央平面を表し、Ｚ‐Ｚは軸方向を表す。四つのコイル１０が設けられて、スペーサによって所定の相対的配置で保持される。図示される例では、個別のスペーサ１４が、コイルの周囲においてその周囲方向で間隔を空けて配置され、各スペーサ１４の軸方向縁は、二つの隣接するコイル１０の軸方向縁に結合される。スペーサ１４は、エポキシ樹脂を含浸させたガラス繊維等の充填材で形成され得て、コイル１０は、典型的には超伝導ワイヤのコイルであり、同様の又は同一のエポキシ樹脂を含浸させた銅母材がほとんどである。
【０００３】
図１Ｂは、上述の図１Ａに示されるものと同様の既知のコイル構造における電流密度の分布を示す。Ａ‐Ａは軸方向中央平面を表し、Ｚ‐Ｚは軸方向を表す。次元Ｊは、各軸方向点における電流密度を表す。コイル１０は、正の電流密度によって表されている。この場合、全てのコイルが等しい電流密度Ｊを有する。コイル１０は、電流密度がゼロのギャップ１２によって離隔されて表されている。ギャップは、典型的には、図１Ａに示されるスペーサ１４（所定の相対的位置にコイル保持する）によって画定される。スペーサは電流を流さず、ギャップ１２を電流密度ゼロにする。
【０００４】
コイルの周囲におけるスペーサ１４の断続性は、コイルの周囲における軸方向の力が不均一に分布していることを意味する。断続的なスペーサ１４を連続的な環状スペーサに置換すると、コイルの周囲における軸方向の力のより均一な分布が提供され得る。しかしながら、超伝導コイル１０を動作温度に冷却すると、コイルの材料とスペーサの材料との間の熱収縮の差によって、コイルとスペーサとの間の顕著な応力がもたらされ得る。同様に、マグネットのクエンチ中に、超伝導コイルが抵抗状態に戻り、顕著な量のエネルギーがコイル内での発熱によって散逸する。これが、コイルの材料の急速な熱膨張をもたらし、コイルとスペーサとの間の顕著な熱応力を再び生じさせる。熱収縮及び膨張の差によって生じるコイルとスペーサとの間の応力は、使用時に電磁場の相互作用によって生じる応力よりも大きくなり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１１／１４８１６３号
【特許文献２】英国特許出願公開第２３０８４５１号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、環状スペーサを設けながら、熱膨張及び収縮の差の問題を低減又は無くしたシリンダ状超伝導マグネット構造体を提供する。本発明は、コイルとスペーサとに用いられる材料と材料の間の熱不整合を無くすか低減して、コイルとスペーサとの間の界面における熱応力の発生を防止又は低減する。
【０００７】
また、本発明の特定の実施形態は、効果的なクエンチ伝播も提供する。一つのコイルの一部がクエンチすると、結果としての発熱が、隣接するコイルを急速にクエンチさせて、蓄えられたエネルギーの散逸を広げて、コイルアセンブリの単一部分が熱くなり過ぎて損傷することを防止する。
【０００８】
本発明は、低磁場、低コストの超伝導マグネットに特に関連しているが、あらゆるサイズのシリンダ状超伝導マグネットに応用され得るものである。
【０００９】
従って、本発明は添付の特許請求の範囲に記載の超伝導マグネット構造体を提供する。
【００１０】
本発明の上述の及び更なる課題、特徴及び利点は、添付図面を参照して、本発明の特定の実施形態の以下の説明からより明らかになるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】既知の超伝導マグネット構造体を表す。
【図１Ｂ】図１Ａに示されるような既知の超伝導マグネット構造体の電流密度を表す。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に係る超伝導マグネット構造体を表す。
【図２Ｂ】図２Ａに示されるような本発明の一実施形態に係る超伝導マグネット構造体の電流密度を表す。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係るシリンダ状超伝導マグネットの設計例を示す。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係るシリンダ状超伝導マグネットの設計例を示す。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態に係るシリンダ状超伝導マグネットの設計例を示す。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態に係るシリンダ状超伝導マグネットの設計例を示す。
【図４Ａ】本発明において使用可能なコイルの製造方法例を示す。
【図４Ｂ】本発明において使用可能なコイルの製造方法例を示す。
【図４Ｃ】本発明において使用可能なコイルの製造方法例を示す。
【図５】本発明の一実施形態の軸方向部分断面を示す。
【図６】本発明の実施形態において任意で採用可能な絶縁スペーサを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明によると、上述の図１Ａの既知のコイル構造の周囲方向に間隔の空いた個別スペーサ１４が、典型的には樹脂を含浸させてマグネットコイル１０の熱特性に非常に似た熱特性を有するワイヤ巻線に置換される。これらワイヤ巻線は、マグネット構造体の超伝導コイルと超伝導コイルとの間において軸方向に結合されたコイルを構成する。以下の説明を簡単にするため、これらワイヤ巻線を“スペーサコイル”と指称し、マグネットコイル１０を“主コイル”と指称する。
【００１３】
図２Ａは、本発明の一実施形態に係るモノリシックな超伝導マグネット構造体の軸方向断面の半分を示す。五つの主コイル１０が表されている。主コイル１０と主コイル１０との間にスペーサコイル１６が存在している。図２Ａの例示は単に概略的なものである。スペーサコイル１６は、主コイル１０よりも小さな軸方向寸法ｂを有するものと考えられる。
【００１４】
好ましくは、スペーサコイル１６は、隣接する主コイル１０の内側半径と少なくとも実質的に等しい内側半径を有する。より好ましくは、スペーサコイル１６は、隣接する主コイル１０のものと少なくとも実質的に等しい内側半径及び外側半径を有する。このような構造では、順コイル１０とスペーサコイル１６との間のあらゆる圧縮応力又は膨張応力が、コイルの軸方向表面にわたって広げられる。一部実施形態では、スペーサコイル１６は、隣接するマグネットコイル１０の対応する寸法に等しい内側半径及び／又は外側半径を有し得る。マグネットコイル１０が異なる内側半径及び／又は外側半径を有する場合、介在するスペーサコイルの対応する寸法は、隣接する主コイルの対応する寸法の中間となり得る。スペーサコイル及び主コイルの内側半径及び外側半径が実質的に等しくない場合であっても、各コイルは、そのコイル又は各隣接するコイルの半径方向の中央点１９に対応する半径方向位置に存在することが望ましく、これは、軸方向負荷の下における構造に対する顕著な曲げモーメントを防止する。
【００１５】
スペーサコイル１６は、電気的に接続されていないもの、マグネットコイルを流れる電流とは逆方向に電流（逆電流）を流すように若しくはマグネットコイルを流れる電流と同じ方向に電流（順電流）を流すように構成されるもの、クエンチ伝播回路等の他の回路に接続されるものとなり得る。目的の接続に応じて、スペーサコイルは、超伝導ワイヤ製又は抵抗性ワイヤ製となり得る。スペーサコイルが抵抗性である実施形態では、スペーサコイルは、クエンチ伝播回路に接続されて、一つの主コイルにおけるクエンチが生じると、電流を抵抗性スペーサコイルに迂回させて、抵抗性スペーサコイルが発熱して、クエンチを他の主コイルに広げるようになり得る。
【００１６】
図２Ｂは、図２Ａに示されるような本発明の一実施形態に係るモノリシックな超伝導マグネット構造体における電流密度分布を示す。本実施形態では、スペーサコイル１６は超伝導ワイヤ製であり、逆電流、つまり、マグネットコイル１０を流れる電流とは逆方向の電流を流すように構成される。図２Ｂには、五つの主コイルが、正の電流密度で示されている。順コイルと順コイルとの間に、スペーサコイル１６が負の電流密度で示されている。好ましくは、主コイルとスペーサコイルの両方の電流密度の大きさは同じである。しかしながら、極性が逆であり、スペーサコイル１６の軸方向広がりｂは、一般的に、マグネットコイル１０の軸方向広がりよりも小さい。スペーサコイル１６は、大きさは等しいが極性が逆である逆電流を流すように主コイルと直列に接続され得る。
【００１７】
スペーサコイル１６に逆電流が流れる実施形態では、スペーサコイル１６は、全体的な磁場を劣化させないように、比較的少ない巻き数で設計されることが望ましい。例えば、特許文献２で検討されているように、逆電流が流れる比較的小さなコイルを有することで、全体的に短いシリンダ状構造を、許容可能な質の磁場を発生させつつ提供することが可能となり得る。
【００１８】
これは、低コストで低磁場のシリンダ状マグネットの設計及び製造において特に重要となり得る。何故ならば、コイルに必要な熱的環境を提供するクライオスタットが、超伝導ワイヤ自体のコストよりも大きなシステムコストの割合を占め得るからである。シリンダ状マグネットを短尺化できる場合、クライオスタットも同様に短尺化でき、ワイヤコストの上昇よりも、クライオスタットのコストが下がる。短尺のクライオスタットは、患者の快適性にとっても有用である。こうした利点が、本発明の構造によって提供される主コイルと従来のスペーサとの間の界面応力の減少に加えて得られる。
【００１９】
特定の実施形態では、スペーサコイルは超伝導ワイヤ製であり得て、順電流、つまり、主コイルと同じ方向に電流を流すように構成され得る。スペーサコイルの電流密度は、主コイルのものよりも小さくなり得て、例えば、断面積の大きな超伝導ワイヤを用いることによって、主コイルと独立してスペーサコイルを接続して小さな電流が流れるような傾斜にすることによって、又は、抵抗性ワイヤ若しくは接続されていない超伝導ワイヤで超伝導ワイヤを巻くことによって、そのようになる。
【００２０】
スペーサコイルが超伝導である実施形態では、一つのコイルにおけるクエンチの際に、結果としての発熱が、隣接するコイルにおけるクエンチを急速に生じさせる（隣接するコイルが僅かに加熱されただけでも直ぐに生じる）。結果としてのシリンダ状マグネットアセンブリに沿ったクエンチ伝播は、従来の構成（磁場強度の変動を検出し、そのような変動に応答して、他のコイルに対するクエンチ加熱器を作動させる構成）よりも、はるかに素早く生じる。
【００２１】
代わりに、超伝導スペーサコイルは、構造が生じさせる磁場の均一性を改善するように必要に応じて順電流又は逆電流に対して傾斜される。これは、一種のシムを表し得る。
【００２２】
一部実施形態では、抵抗性スペーサコイルの端部を互いに電気的に繋げて、他のコイルに対して電気的に接続されていない誘導ループを形成し得る。クエンチの場合には、主コイル内で低下する電流が、抵抗性スペーサコイルにおける逆電流を誘起して、発熱及びクエンチ伝播を生じさせる。更なる実施形態では、スペーサコイルの端部が接続されないままであるが、超伝導主コイルのものと同様の熱収縮及び膨張を有し、主コイルの全周囲にわたって延在して、本発明に係る改善が得られる。
【００２３】
図３Ａ〜図３Ｄは、本発明の一実施形態に係るシリンダ状超伝導マグネット設計の一例の細部を、当業者にはよく知られた従来の方式で示す。この設計では、逆電流が流れる超伝導スペーサを用い、主コイル及びスペーサコイルは全て同じ内側半径及び外側半径を有する。図３Ａは、その設計により表されるシリンダ状コイルの中心における磁場の均一性の等高線図を示す。示される磁場は、０．５Ｔの公称強度（磁束密度）を有する。図３Ａは、軸方向中央平面Ａ‐Ａ及びマグネット軸Ｚ‐Ｚによって定められる磁場を介する部分断面を示す。磁場は、軸Ｚ‐Ｚ周りにおいて回転対称であり、軸方向中央平面Ａ‐Ａにおいて鏡映対称であるので、この四分の一の断面だけで完全な磁場を定めるのに十分である。示されている等高線の値は、ｐｐｍ（ｐａｒｔｓ−ｐｅｒ−ｍｉｌｌｉｏｎ，百万分の一）単位での磁場の不均一性を表す。曲線３０は、１ｐｐｍ以下の磁場不均一性を有する磁場領域の外縁を示す。この例では、１ｐｐｍ以下の不均一領域は、軸方向に略２３ｃｍ、半径方向に略３５ｃｍにわたって広がっている。
【００２４】
この磁場パターンの調和分析が、Ｚ１８までの調和について図３Ｂに示されている。
【００２５】
図３Ｃは、軸方向中央平面Ａ‐Ａ及び４０ｃｍの半径Ｒによって定められるマグネット設計のコイル１、２、３、４、５の四分の一の断面を示す。コイルは、軸方向中央平面Ａ‐Ａについて鏡映対称であり、軸Ａ‐Ａ（半径Ｒの原点）について回転対称である。
【００２６】
図３Ｄは、各コイルの内側半径Ａ１、外側半径Ａ２、内側軸方向限界Ｂ１、外側軸方向限界Ｂ２を表で示す。巻き密度Ｔｄはｃｍ−２単位で各コイルについて記され、巻き数はＴｒｎｓであり、使用された超伝導ワイヤの長さはメートル単位で記されている。
【００２７】
この例では、コイル１、３、５が主コイルであり、コイル２、４がスペーサコイルである。対応するコイルが、対称な向きで、軸方向中央平面Ａ‐Ａの他方の側に設けられる。
【００２８】
この例において、好ましくは、全てのコイルは同じ巻き密度Ｔｒｍｓを有し、同じサイズのワイヤから作られている。逆巻きの総数（図３Ｄに負の値で示される）は、順巻きの総数よりもはるかに少ない。図３Ｃのコイルの断面図では、逆電流が流れるスペーサコイルは、符号“−”で示され、主コイルは符号“＋”で示される。
【００２９】
好ましくは、全てのコイルが一回の巻きプロセスで巻かれて、一回の含浸ステップによって、モノリシックな構造を生じさせる。他の実施形態では、コイルが形成されて、第一の含浸ステップにおいて別々に含浸されて、型の中で互いにアセンブリされて、第二の含浸ステップにおいて二回目の樹脂での含浸が行われて、第二の樹脂含浸によって互いに結合されたモノリシックなコイル構造を形成する。
【００３０】
本発明に係るアセンブリでは、各コイルについて、ワイヤ端部でのリードアウト用の構造を提供する必要がある。これは、パンケーキ状コイルの対を形成するのに用いられるものと同様の方法を用いて達成可能である。図４Ａは、パンケーキ状コイル１０２の対１００の一例を示す。理解を簡単にするため、二つのパンケーキ状コイルが分離して示されていて、テープ導体から巻かれている。特に、導体の中点１０６は、コイルの軸方向内側縁にあり、導体の端部１０４は、コイルの半径方向外側縁にある。概念的には、これは、図４Ｂに示される方法によって達成可能である。図４Ｂに示されるように、マンドレル１２０（コイルのジャーナル（軸頸）となり得る、コイルの型の一部）が設けられて、超伝導ワイヤが、二つのスプール１２２、１２４から逆方向にマンドレル１２０に巻かれる。この概念に基づいたより具体的な構成は当業者に自明である。このようなコイルを巻くのに用いられるワイヤは、図４Ａに示されるようなテープである必要はなく、より一般的な円形断面又は矩形断面のワイヤである。
【００３１】
図４Ｃは、このような構成に従って形成された半完成コイルの部分断面を示す。マンドレル１２０は、複数のコイル１０、１６を保持するのに十分な軸方向長さを有するものとして示されている。サイドチーク１３２、１３４、１３６が示されているが、これらは、巻線のキャビティを画定するのに用いられる。この例では、巻線Ｂ１〜Ｂ６は第一スプール１２２から形成され、巻線Ａ１〜Ａ１１は第二スプール１２４から形成される。コイルを巻く開始点１２６は、図４Ｂに示されるように、巻線Ａ１と巻線Ｂ１との合致点である。図４Ｃに示されるように、一方のスプール（この場合１２２）は、十分なだけの巻線（Ｂ１〜Ｂ６）を開始点１２６からコイルの半径方向外側表面に広げていき、ワイヤの端部１０４に対するアクセスを提供する。各スプールからの巻線のパターンは変更可能であり、例えば、クエンチの際の隣接する巻線間の電圧又は隣接する層間の電圧を制限するように変更される。
【００３２】
巻線チーク１３４と巻線チーク１３６との間に示される部分的に形成されたコイルは、主コイルであり得る。コイルが完全に巻かれると、サイドチーク１３４を取り外して、スペーサコイルを、サイドチーク１３２と主コイルとの間のギャップに巻くことができる。このようにして完成した主コイルを、隣接するスペーサコイルを巻くためのサイドチークとして用いることができる。これを、必要な全てのコイルが巻かれるまで、マンドレル１２０の長さ方向で、主コイル及びスペーサコイルのそれぞれについて繰り返し得る。スペーサコイルが逆電流を流すように設計される例では、スペーサコイルを巻き始める際に巻き方向を変えるか、又は、スペーサコイルを主コイルと同じ方向に巻くが、電気的に逆に接続し得る。個々のコイルの場合、ワイヤの端部１０４は、半径方向外側表面に存在するので、コイルを互いに電気的に接続すること及び任意の回路に電気的に接続することは比較的単純である。
【００３３】
本発明の超伝導シリンダ状マグネットの好ましい一製造方法では、コイルは、上述の例のように、単一のシリンダ状マンドレルに巻かれる。そして、含浸用の型をボビン及びコイルの周りでアセンブリして、含浸キャビティを提供する。熱硬化性樹脂を、好ましくは真空下でキャビティ内に入れる。樹脂が固まると、型及びマンドレルを取り外して、自立型含浸コイル構造を残す。マンドレルには、取り外しを簡単にするために僅かなテーパを設け得る。このようなテーパの影響は、設計段階において各コイルについて必要な巻線の数を計算する際に考慮しなければならない。
【００３４】
代替方法では、別々に予め作製した含浸コイルをそのようなマンドレルに配置することができ、型を作り、二回目の樹脂含浸を行い、型及びマンドレルを取り外して、本発明の自立型コイル構造を残す。このような実施形態は、連続的で共有された内側半径部分を備えた一組のコイルを提供する。他の構成では、内側半径及び外側半径が異なる予め作製された含浸コイルを、結合（例えば、熱硬化性樹脂の使用）によって互いにアセンブリし得る。
【００３５】
本発明のシリンダ状超伝導コイル構造は自立型であり、耐荷重部が設けられていない。
【００３６】
主コイル及びスペーサコイルは直列に電気的に接続されるが、これは、スペーサコイルの巻き方向を主コイルに対して逆にして単一の長さのワイヤから巻くことによって、又は、別々の長さのワイヤとして各コイルを巻いて、マグネットのアセンブリ中に適切な方向において電気的に結合することによって行われ得る。
【００３７】
本発明の代替実施形態では、上述の電流を流す超伝導ワイヤではなくて、通常は電流を流さない抵抗性ワイヤで、スペーサコイルを巻き得る。このような実施形態について考えられる利点として、スペーサコイル用のワイヤのコスト削減、そして、スペーサコイルを用いて超伝導主コイルを加熱して、クエンチを広げ、クエンチの開始時において主コイルを保護する可能性が挙げられる。スペーサコイルは、クエンチの開始時にスペーサコイルに電流を提供するクエンチ伝播回路に電気的に接続され得る。代わりに、各スペーサコイルは、抵抗性ワイヤの閉ループであり得る。このような実施形態では、クエンチによって生じる超伝導主コイルにおける電流の急降下が、スペーサコイル中に逆電流を誘起して、クエンチを伝播するスペーサコイルの発熱を生じさせる。
【００３８】
このような抵抗性ワイヤは、好ましくは、マグネットコイル用の超伝導ワイヤと同じ断面のものであり、典型的には銅である超伝導ワイヤの母材と同じ材料で構成される。このことが、このような抵抗性スペーサコイルの熱収縮をマグネットコイルの熱収縮によく整合させることを保証する。
【００３９】
しかしながら、スペーサコイル用の超伝導ワイヤの使用にも利点があり、主コイルでのクエンチの際にスペーサコイル自体がクエンチ及び発熱することによって、クエンチ伝播が改善され、マグネット構造体全体の短尺化を可能にし得る。
【００４０】
各場合において、従来のスペーサに代えて逆電流が流れるスペーサコイルを使用すると、コイルとスペーサとの間の熱収縮の差によって生じる界面応力が低減されるか無くなる。本発明の主コイル及びスペーサコイルは典型的には同じ材料製であり、又は抵抗性スペーサコイルの場合には実質的に同じ材料製であり、主コイルとスペーサとの間の熱膨張又は収縮の差が実質的に無くなる。
【００４１】
超伝導スペーサコイルの場合、それら全てを用いて、均一な磁場を発生させることに寄与させ得る。当業者には既知であり、従来のコンピュータ支援設計ツールによって可能となるように、逆電流を流すコイルの導入は、均一な磁場の領域を発生させるのに役立ち、マグネットの全長を短くすることを可能にする。
【００４２】
本発明は、比較的低い磁場強度、比較的低コストのデバイス（必要なクライオスタットのコストは使用されるワイヤのコストよりも顕著に高い）に特に適していると考えられる。本発明によって可能となる短尺化されたクライオスタットでは、コストが下がり、これは、使用される超伝導コイルの追加コストを相殺する。
【００４３】
本発明は、任意の数の主コイル及びスペーサコイルを有するシリンダ状超伝導マグネットに適用可能であるが、本発明に係るシリンダ状マグネットの最低要求は、スペーサコイル１６（超伝導又は抵抗性であり得る）によって離隔された二つの超伝導主コイル１０である。
【００４４】
図５の部分断面に概略的に示されるような一部のシリンダ状超伝導マグネットでは、コイルの中心領域２４が上述のように提供され、端部コイル２２が別途形成され、上述のような構造２４の軸方向縁に取り付けられ得る。典型手には、このような端部コイル２２は、関連する構造２４のコイルよりも、より大きな半径方向広がりａ、つまり内側半径と外側半径との間の大きな差を有する。スペーサ２６（例えば、従来の非導電性ブロック状）が、構造２４に対して適所に端部コイル２２を配置するために設けられ得る。代わりに、スペーサコイルが、スペーサ２６として使用するために構造の軸方向縁に提供され得る。
【００４５】
図６に示されるような特定の実施形態では、スペーサコイル１６のものよりも小さな軸方向広がりｂを有する絶縁スペーサ２１が、スペーサコイル１６と隣接する主コイル１０との間に設けられ得る。このようなスペーサは、好ましくは環状であり、スペーサコイルのすぐ周囲に広がる。
【符号の説明】
【００４６】
１０  超伝導主コイル
１６  スペーサコイル
２１  絶縁スペーサ
２２  端部コイル
２４  超伝導マグネット構造体
２６  スペーサ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年1月12日(2015.1.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
コイルの周囲におけるスペーサ１４の断続性は、コイルの周囲における軸方向の力が不均一に分布していることを意味する。断続的なスペーサ１４を連続的な環状スペーサに置換すると、コイルの周囲における軸方向の力のより均一な分布が提供され得る。しかしながら、超伝導コイル１０を動作温度に冷却すると、コイルの材料とスペーサの材料との間の熱収縮の差によって、コイルとスペーサとの間の顕著な応力がもたらされ得る。同様に、マグネットのクエンチ中に、超伝導コイルが抵抗状態に戻り、顕著な量のエネルギーがコイル内での発熱によって散逸する。これが、コイルの材料の急速な熱膨張をもたらし、コイルとスペーサとの間の顕著な熱応力を再び生じさせる。熱収縮及び膨張の差によって生じるコイルとスペーサとの間の応力は、使用時に電磁場の相互作用によって生じる応力よりも大きくなり得る。中国特許出願公開第１０１５３３０７８号明細書には従来のコイル構成が記載されている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状スペーサコイル（１６）によって互いに軸方向に離隔された二つのシリンダ状超伝導主コイル（１０）を備えたシリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）であって、前記主コイル及び前記スペーサコイルが樹脂を用いて単一の自立構造として互いに直接結合されていて、前記スペーサコイルが、抵抗性ワイヤ製であり、各主コイルの半径方向中点に対応する半径方向位置に存在している、シリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）。
【請求項２】
請求項１に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）とクエンチ伝播回路との結合体であって、前記スペーサコイルが前記クエンチ伝播回路に電気的に接続されている、結合体。
【請求項３】
前記スペーサコイルが閉ループとして電気的に接続されている、請求項１に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）。
【請求項４】
環状スペーサコイル（１６）によって互いに軸方向に離隔された二つのシリンダ状超伝導主コイル（１０）を備えたシリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）であって、前記主コイル及び前記スペーサコイルが樹脂を用いて単一の自立構造として互いに直接結合されていて、前記スペーサコイルが超伝導ワイヤ製であり、前記スペーサコイルが前記主コイルを流れる電流とは逆方向に電流を流すように前記スペーサコイル及び前記主コイルが電気的に接続されている、シリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）。
【請求項５】
環状スペーサコイル（１６）によって互いに軸方向に離隔された二つのシリンダ状超伝導主コイル（１０）を備えたシリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）であって、前記主コイル及び前記スペーサコイルが樹脂を用いて単一の自立構造として互いに直接結合されていて、前記スペーサコイルの端部が電気的に接続されていない、シリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）。
【請求項６】
環状スペーサコイル（１６）によって互いに軸方向に離隔された二つのシリンダ状超伝導主コイル（１０）を備えたシリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）であって、前記主コイル及び前記スペーサコイルが樹脂を用いて単一の自立構造として互いに直接結合されていて、前記スペーサコイルが、超伝導ワイヤ製であり、前記主コイルを流れる電流の電流密度よりも小さな電流密度で前記主コイルを流れる電流と同じ電流を流すように構成されている、シリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）。
【請求項７】
前記スペーサコイルが超伝導ワイヤ製であり、前記スペーサコイルが前記主コイルを流れる電流とは逆方向に電流を流すように前記スペーサコイル及び前記主コイルが電気的に接続されている、請求項６に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）。
【請求項８】
前記スペーサコイルが前記主コイルと直列で電気的に接続されている、請求項６又は７に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項９】
前記スペーサコイルが、少なくとも一つの前記主コイルの内側半径に実質的に等しい内側半径を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項１０】
前記スペーサコイルが、少なくとも一つの前記主コイルの外側半径に実質的に等しい外側半径を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項１１】
前記主コイル及び前記スペーサコイルが一回の樹脂含浸ステップでモノリシックに互いに結合されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項１２】
前記コイルが、第一の樹脂含浸ステップで別々に形成されて、型の中で互いにアセンブリされて、第二の樹脂含浸ステップで樹脂を含浸させて、モノリシックな構造に形成されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項１３】
前記スペーサコイル及び前記主コイルが同じ種類のワイヤ製である、請求項１から１２のいずれか一項に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項１４】
前記スペーサコイル及び前記主コイルが同じ巻き密度を有する、請求項１から１３のいずれか一項に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか一項に記載のシリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）と、
前記シリンダ状超伝導マグネット構造体とは別途形成され、前記シリンダ状超伝導マグネット構造体の軸方向縁に取り付けられた環状端部コイル（２２）とを備えたマグネット構造体。
【請求項１６】
前記端部コイル（２２）が、前記シリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）のコイルよりも大きな半径方向広がりａを有する、請求項１５に記載のマグネット構造体。
【請求項１７】
非導電性スペーサ（２６）が、前記シリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）に対して適所に前記端部コイル（２２）を配置するように設けられている、請求項１５又は１６に記載のマグネット構造体。
【請求項１８】
スペーサコイル（２６）が、前記シリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）に対して適所に前記端部コイル（２２）を配置するように前記シリンダ状超伝導マグネット構造体（２４）の軸方向縁に設けられている、請求項１５又は１６に記載のマグネット構造体。
【国際調査報告】
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