(57)【要約】【課題】ＮＭＲジャイロスコープ・セル内で使用する均一磁場を作り出す。【解決手段】永久磁石（１〜８）のアレイが構成される。磁石支持構造体（２０）が、その中に形成される複数のソケット（１１〜１８）を有しており、これらのソケット（１１〜１８）が矩形平行六面体（２４）の頂点に位置する。磁石（１〜８）が、個別に、それぞれのソケット（１１〜１８）に取り付けられ、各磁石（１〜８）が選択された磁場の強さおよび分極方向を有する。好適には、磁石（１〜８）は同一構造であり、磁場の強さが等しい。好適には、磁石（２、３、６、７）は、互いに背いた方向の極性を有する対としてアレイ（１０）の第１の側部（１９）にあるソケット（１２、１３、１６、１７）に位置し、磁石（１、４、５、８）は、互いに向き合う方向の極性を有する対としてアレイ（１０）の第２の側部（２１）にあるソケット（１１、１４、１５、１８）に位置する。【選択図】図１
2009300444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択された場所に均一磁場を形成するための方法であって、
磁石支持構造体（２０）を用意するステップと、
矩形平行六面体（２４）の頂点に位置するように前記磁石支持構造体（２０）内に複数のソケット（１１〜１８）を形成するステップと、
各々が選択された磁場の強さおよび分極方向を有する磁石（１〜８）をそれぞれの前記ソケット（１１〜１８）に取り付けることによって磁石アレイ（１０）を形成するステップと
を含む方法。
【請求項２】
同一構造であり磁場の強さが等しい磁石（１〜８）が前記ソケット（１１〜１８）に取り付けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
互いから背いた方向の極性を有する対として、前記アレイ（１０）の第１の側部（１９）にある前記ソケット（１２、１３、１６、１７）にそれぞれ位置するように前記磁石（２、３、６、７）を配置するステップと、
互いに向き合う方向の極性を有する対として、前記アレイ（１０）の第２の側部（２１）にある前記ソケット（１１、１４、１５、１８）に位置するように前記磁石（１、４、５、８）を配置するステップと
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
アレイ（２８）に前記磁石（１〜８）を配置するステップをさらに含み、前記磁石（２、３、６、７）が反対方向を指す極性を有する対として側部（２７）の向かい合う隅部に配置され、前記磁石（１、４、５、８）が互いの方向を指す極性を有する対として側部（２９）の向かい合う隅部に配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
選択された場所に均一磁場を形成するための装置であって、
矩形平行六面体（２４）の隅部に位置して形成された複数のソケット（１１〜１８）を有する磁石支持構造体（２０）と、
前記ソケット（１１〜１８）にそれぞれ取り付けられ、各々が選択された磁場の強さおよび分極方向を有する磁石（１〜８）を有する磁石アレイ（１０）と
を含む装置。
【請求項６】
磁石（１〜８）が同一の構造であり磁場の強度が等しい、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記アレイ（１０）の第１の側部（１９）にある前記ソケット（１２、１３、１６、１７）に位置する前記磁石（２、３、６、７）が、互いに背いた方向の極性を有する対として配置され、前記アレイ（１０）の第２の側部（２１）にある前記ソケット（１１、１４、１５、１８）に位置する前記磁石（１、４、５、８）が互いに向き合う方向の極性を有する対として配置される、請求項６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に磁場に関し、詳細には、核磁気共鳴（nuclear  magnetic  resonance（ＮＭＲ））ジャイロスコープのための磁場に関する。さらに詳細には、本発明は、ＮＭＲジャイロスコープ・アルカリ−希ガス・セルに適用してポンプ光線および検出光線が最大限にこのセルに接近するようにする均一磁場を生成するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＭＲジャイロスコープ・アルカリ−希ガス・セル（NMR  gyroscope  alkali−noble  gas  cell）はセル内に均一磁場を必要とする。この均一磁場は最小限の電力量で生成すべきである。従来技術では、相当な量の電力を消費する電磁コイルが使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＮＭＲジャイロスコープ・アルカリ−希ガス・セルはセル内に均一磁場を必要とするが、この均一磁場は最小限の電力量で生成すべきであるところ、従来技術では、相当な量の電力を消費する電磁コイルが使用されている。本発明は、ＮＭＲジャイロスコープ・セル内に均一の磁場を作り出す永久磁石のアレイを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、ＮＭＲジャイロスコープ・セル内に均一磁場を生成するために、永久磁石のアレイを使用する。選択された場所に配置されたＮＭＲセル内に均一磁場を形成するための方法は、磁石支持構造体を用意するステップと、矩形平行六面体の頂点に位置するように磁石支持構造体内に複数のソケットを形成するステップと、各々が選択された磁場の強さおよび分極方向を有する磁石をそれぞれのソケットに取り付けることによって磁石アレイを形成するステップとを含む。
【０００５】
好適には、これらの磁石は同一の構造であり、磁場の強さが等しい。
【０００６】
本発明の方法は、好適には、互いに背いた方向の極性を有する対として、アレイの第１の側部にある頂点に位置する磁石を配置するステップと、互いに向き合う方向の極性を有する対として、アレイの第２の側部にある頂点に位置する磁石を配置するステップとをさらに含む。
本発明の方法は、アレイ２８に前記磁石１〜８を配置するステップを含み、前記磁石２、３、６、７が反対方向を指す極性を有する対として側部２７の向かい合う隅部に配置され、前記磁石１、４、５、８が互いの方向を指す極性を有する対として側部２９の向かい合う隅部に配置される。
本発明の装置は、選択された場所に均一磁場を形成するための装置であって、矩形平行六面体２４の隅部に位置して形成された複数のソケット１１〜１８を有する磁石支持構造体２０と、前記ソケット１１〜１８にそれぞれ取り付けられ、各々が選択された磁場の強さおよび分極方向を有する、磁石１〜８を有する磁石アレイ１０とを含む。
また、本発明の装置では、好ましくは、磁石１〜８が同一の構造でありそれらの磁場の強度が等しい。
また、本発明の装置では、前記アレイ１０の第１の側部１９にある前記ソケット１２、１３、１６、１７に位置する前記磁石２、３、６、７が、互いに背いた方向の極性を有する対として配置され、前記アレイ１０の第２の側部２１にある前記ソケット１１、１４、１５、１８に位置する前記磁石１、４、５、８が互いに向き合う方向の極性を有する対として配置される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明による８部分からなる双極子磁石アレイを示す斜視図である。
【図２】特定のアレイ構成で図１の磁石を保持するのに使用され得るフレームを示す斜視図である。
【図３】図示したアレイで図１の磁石を保持するための第１の代替構造を示す斜視図である。
【図４】図１の磁石を保持するための第２の代替構造の図である。
【図５】図１の双極子磁石構成の場合の、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に沿った磁場強度を示すグラフである。
【図６】本発明による８部分からなる双極子磁石構成の代替構成の図である。
【図７】図６の双極子磁石構成の場合の、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に沿った磁場強度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、本発明による８部分からなる双極子磁石アレイ１０を示している。磁石アレイ１０は、参照符号１〜８で識別される８つの永久磁石を有する。８つの小型球状磁石１〜８の中心は、好適には水平寸法ｘおよびｚが１０ｍｍにわたり、縦寸法ｙが５．７４４ｍｍにわたる矩形立体の対応する隅部に位置する。磁石１〜８は±ｘ軸に沿って均一に分極されている。表１は、磁石の位置および分極方向の一覧を示している。
【表１】
2009300444.tif 000003
【０００９】
図２は、図１に示したそれぞれの位置でアレイ１０の磁石１〜８を個別に保持するように配置されている複数のソケット１１〜１８を有するように形成され得るフレーム２０を示している。図２のフレーム２０は、その８つの隅部にソケット１１〜１８が配置されている矩形平行六面体の形態の立体を囲むように構成された複数のフレーム部材２２を有する。磁石１〜８は、接着剤により、対応するソケット１１〜１８内に保持されることができる。
【００１０】
アレイ１０の第１の側部１９にある磁石２および３は、それらの極性が一直線上に合わせられて反対方向を指すように、配置される。同様に、側部１９にある磁石６および７は、それらの極性が一直線上に合わせられて反対方向を指すように、配置される。アレイ１０の側部２１にある磁石１および４は、それらの極性が互いに一直線上に合わせられて互いの方向を指すように配置される。同様に、側部２１にある磁石５および８は、それらの極性が一直線上に合わせられて互いの方向を指すように配置される。
【００１１】
図３は、ソケット１１〜１８の代替の設置方式を示している。図３は、中実矩形平行六面体２４の隅部に形成されたソケット１１〜１８を示している。中ぐりなどの任意の好都合な手段により矩形平行六面体２４内に通路を形成して、ＮＭＲセル（図示せず）が所望の磁場を受けるようにその中心に配置され得るようにしてもよい。
【００１２】
図４は、磁石１〜８のための支持構造体２６を形成する第２の代替方式を示している。図４は、上側円形縁部上の選択された位置にソケット１１〜１４が形成されている円筒の平面図を示している。残りのソケット（図４では図示せず）は底部円形縁部に形成されている。これらの磁石のための支持構造体を形成する方式は他にも複数考えられる。本明細書に示される支持構造体は例であることを意図しており、完全な一覧ではない。
【００１３】
矩形アレイ１０の中心Ｃに位置するＮＭＲセル（図示せず）はｚ軸に沿った均一な磁場強度を有しており、ｘ軸およびｙ軸に沿った磁場強度は極端に小さい。磁場の大きさは個々の磁石１〜８の磁極強度の関数である。例えば、０．４７ｍｍの直径を有し磁場の強さ（field  strength）が１０，０００ガウスとなるように均一に分極されたサマリウムコバルト球状磁石は、矩形立体の中心で１．０ガウスの磁界を生み出す。
【００１４】
遮蔽物がない場合、均一に分極された球状永久磁石の近傍の磁場の厳密解は、磁気双極子の遠方の磁場（far  field）の厳密解と同じである。位置の関数としての磁場（magnetic  field）は次のように表すことができる：
【数１】
2009300444.tif 000004
ここで、Ｂは磁場であり、ｎは磁石の中心から観測場所を指している単位ベクトルであり、ｍは磁石の磁気モーメントであり、ｒは磁石の中心から観測場所までのベクトル距離である。
磁極強度Ｂ０に関しては、磁気モーメントは以下のようになる：
【数２】
2009300444.tif 000005
ここで、ａは球形の半径である。ｎとｍとが同じとなる球形の点では、磁場も磁気モーメントｍと同じとなり、磁場の強さが２／３Ｂ０となる。
【００１５】
図１に示した８つの磁石１〜８によって生み出される磁場の解は、単一の磁石のための数式（１）を８個分重ね合わせたものとなる。図１に示した矩形立体の中央領域Ｃにおけるｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に沿った磁場を特徴づけるために、図５にプロットを示した。好適には、球状磁石１〜８は、直径が０．４７ｍｍであり、磁場の強さが１０，０００ガウスとなるように分極されている。
【００１６】
プロットは、中心Ｃから−０．５ｍｍ〜＋０．５ｍｍのｚ軸に沿った場を表す３つの曲線を示している。正方形で示される実線の曲線は、ｚ軸に沿った場（field）であり、ｘおよびｙはゼロである。円形で示される点線の曲線はｘ＝０．４ｍｍおよびｙ＝０のところの場であり、三角形で示される黒色破線はｘ＝０およびｙ＝０．４ｍｍのところの場である。ある側部での内部寸法が１．０ｍｍであるＮＭＲセルの場合、正方形で示される実線の曲線はセルの断面内の中心の場を示しており、他の２つの曲線はセルの壁から０．１ｍｍの距離のところの場を示している。
【００１７】
表２はアレイ１０の磁場データをまとめたものである。基線は、Ｂｚ＝１．０ガウス、Ｂｘ＝０およびＢｙ＝０である。場の変化は、１ガウスを基準とした各プロット上の３つのすべての曲線の最高−最低（peak to peak）範囲の百万分の一単位（ｐｐｍ）で与えられている。
【表２】
2009300444.tif 000006
【００１８】
表２は、アレイ１０の中心Ｃのところに配置されたＮＭＲセル内の磁場の均一性が、磁石の分極強さ、磁石の分極角度および磁石の位置に誤差がない場合には数百ｐｐｍ程度であることを示している。これらのパラメータに相当の大きさの誤差があると、さらに数百ｐｐｍの誤差が生じる。これは、磁場の変化が、磁石の分極および位置の誤差に過度の感度を有していないことを実証している。
【００１９】
均一磁場を生み出す別の８部分からなる双極磁石アレイ２８が図６に示されている。アレイ２８の側部２７で、対角方向で対向する磁石２および７が、一直線上で反対方向を指す極性を有するように配置されている。同様に、磁石３および６が対角方向で対向しており、反対方向を指す一直線上の極性を有する。アレイ２８の側部２９で、対角方向で対向する磁石１および８は、一直線上で互いに向かい合った方向を指す極性を有するように配置されている。同様に、側部２９の磁石４および５は対角方向で対向しており、互いの方向を指す一直線上の極性を有している。表３は、アレイ２８の場合の磁石の位置およびｘｙ平面における分極方向の一覧を示している。矩形立体の中心で１．０ガウスの場を得るための、１０，０００ガウスの磁極強度を得るためには、０．４５ｍｍの磁石直径が必要となる。アレイ２８では、アレイ２８の側部２７の磁石３、２、６および７が、互いに直角であり側部２７の中心から離れる向きを指す極性を有するような対として配置されている。側部２９にある磁石１、４、５および８は、互いに直角でありアレイ２８の側部２９の中心を指す極性を有するような対として配置されている。
【表３】
2009300444.tif 000007
【００２０】
図１の磁石アレイ１０の場合と同様に、ｘ、ｙおよびｚに沿った磁場を、ｚに沿って−０．５ｍｍから＋０．５ｍｍまでプロットする。図７は、磁石の分極強さ、分極方向および磁石の位置に誤差のない場合の場（fields）を示している。分極強さがすべて等しく、分極角度および磁石の位置に誤差がない７つの磁石の場合の追加のデータを表４に示す。磁石アレイ２８の中央領域に配置されたＮＭＲセル内の磁場の均一性に対しての誤差の影響を測定するために、８つ目の磁石の分極強さ、分極角度または位置に誤差を導入する。
【００２１】
第１のアレイ１０の場合の表２と同様の形で、アレイ２８の場合の感度のデータを表４にまとめる。
【表４】
2009300444.tif 000008
【００２２】
代替の磁石アレイ２８の表４の結果は、第１の磁石アレイ１０の表２の結果に類似している。
【００２３】
図６を参照すると、矩形立体の中央にあるＮＭＲ３０のセルが、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に沿って方向決めされた別の矩形立体として容易に視覚化されている。このセルは、また、ｚ軸を中心に４５°回転させて、他の最大対称の向きとすることができる。
【００２４】
これまでに示した分析は、遮蔽物がない均一に分極された球状の磁石を用いる場合に正確である。双極子磁石の遠距離磁界の限界点では、磁石の形状とは無関係の解が式（１）から得られる。ここで示した２つの構成では、磁石から中央の場の領域までの距離の約１０パーセントにあたる直径を有する磁石が使用された。この場合、磁石の形状は球状である必要はない。縁部に沿って分極された正六面体または円筒軸に沿って分極された直円筒を含む別の形状でも機能する。
【００２５】
漂遊磁場を打ち消すためには、磁石組立体の周りに遮蔽物を追加することが必要となる。遮蔽物を導入する場合、中央の均一な場成分Ｂｚを維持するために磁石の相対位置が変更される。遮蔽物に対して対称性を適切に考慮して相対寸法を変更することにより、隅部に磁石を備える矩形の実体積が維持される。
【００２６】
このような考え方は、均一な場を維持するために２次コイルを用いるソレノイド・コイルの設計と似ている。円筒形遮蔽物を追加するには、中央領域内の極めて均一な場を維持するために、１次コイルの長さに対して２次コイルの長さを変える必要がある。
【００２７】
中央の磁場がより均一になるように微調整するために、極めて微小な電流を伝える補助のワイヤコイルを磁石組立体の近傍に配置することができる。ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の場を微調整するために、３つの直交する軸に沿った複数のコイルを使用することができる。
【００２８】
これらの磁石はすべて同じものであり、一度に大量生産して均一に極性を与えることができる。調整のためのいくつかの特徴を有する組立体ハーネスに磁石を取り付けることで、中央の磁場の変化を最小にすることができる。磁石は、製造後、組立体ハーネスへの設置の前に直径および分極強度を検査することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１、２、３、４、５、６、７、８  磁石
１０、２８  磁石アレイ
１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８  ソケット
１９、２１、２７、２９  側部
２０  磁石支持構造体
２２  フレーム部材
２４  矩形平行六面体
【図１】
2009300444.tif 000009
【図２】
2009300444.tif 000010
【図３】
2009300444.tif 000011
【図４】
2009300444.tif 000012
【図５】
2009300444.tif 000013
【図６】
2009300444.tif 000014
【図７】
2009300444.tif 000015