JP2000500286A

JP2000500286A - ハイブリッド高磁場超伝導磁石組立体とその製法

Info

Publication number: JP2000500286A
Application number: JP9518317A
Authority: JP
Inventors: ウィートリイ，ロジャー; ヘネシー，ミカエル，ジェイ．
Original assignee: インターマグネティックスゼネラルコーポレーション
Priority date: 1995-11-08
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 2000-01-11
Also published as: US5764121A; AU7723196A; WO1997017710A1; EP0860015A1; EP0860015A4; US6020803A

Abstract

(57)【要約】例えば、ＮＭＲ用の高磁場超伝導磁石装置において、従来の低温超電導ソレノイド型磁石３０がインサート形超伝導磁石１０と組合わせられ、後者は、非常に高い臨界電流を有する高温超伝導材料で作られている。両磁石は、動作状態に達したあと、持続モードで、同じ低い温度で、安定に動作する。インサート形超伝導磁石の磁場と超伝導電流は、低温超伝導ソレノイド磁石の磁場が減少したときの磁束の閉じ込めで発生する。当該ハイブリッド磁石組立体の磁場は、前記二つの磁石の各々の磁場の合成である。

Description

【発明の詳細な説明】ハイブリッド高磁場超伝導磁石組立体とその製法発明の背景この発明は大体、超伝導磁石に関連があり、そしてより特に、例えば核磁気共鳴（ＮＭＲ）および磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置に用いられる高磁場磁石に関連がある。高磁場ＮＭＲおよびＭＲＩ磁石の技術は、２０年を超える以前に完成されている。非均質で平凡な持続しない磁石から始められて、現在、ＮＭＲ磁石の設計と構造（特に均一性調整）の技術はかなりよく理解されている。ＮＭＲ磁石構造においては、Ｎｂ₃Ｓｎ材料の導入により、そのような磁石構造に使われたガラス製絶縁布の柔らかさのために、重要な均一性の低下に至ることが、よく知られている。この柔らかさは、磁石の巻きを置く際の精度の不足に結びつき、高い程度の非均一性の修正のよりよい理解を必要とする問題に結びついた。この知識を得ることで、非常に高い臨界磁場での新しいＨＴＳ材料に、高磁場磁石への将来的なアプリケーションのための道が提案される。ＨＴＳ材料は、液体のヘリウムの沸騰点である４．２Ｋという低温での、ユニークな高い磁場能力を提供する。ＭitlitskyとＨoardによる米国特許５，３１０，７０５号の中で、４テスラを超える磁場を生成している高磁場磁石は、高臨界温度超伝導セラミックの薄膜から組み立てられる。高磁場磁石は、高臨界温度超伝導セラミックの薄膜でおおわれている積層可能なディスク形の基体でできている。薄膜は、直列に電気的に相互に連結させられて、磁場を増やすように、様々な線の幅で、螺旋形を構成して、ディスク基体の片面か両面に置かれる。しかし、４．０テスラではなく１７．６テスラが、最新技術ではＮＭＲ装置に用いられる。これらの強い磁場は、ニオブスズ組成物構成のような低温超伝導体を使って、上述したように、よい安定性と均一性を持つソレノイドの形で、持続モードの中で動作している時に、成し遂げられる。動作は、多くのアプリケーションで、液体ヘリウムの沸騰によって達成される４．２Ｋで起こる。１７．６テスラと４．２Ｋで動作しているＮＭＲ装置の磁石が、従来技術において注目に値する業績である一方、特に同じであるか減じられたサイズの磁石で、より高い磁場強さを生成する要求や需要がある。特別な超伝導磁石のために、電流と磁場強さが直接関係があると理解されている。しかし、磁石コイルの中の動作電流が、実質的に超伝導体の臨界電流より少ないことが、持続モードの中で安定性を成し逐げるために必要である。従来技術においては、超伝導体は「短いサンプル」性能のある割合で動作すると述べられている。典型的な最新技術の高磁場ＮＭＲ磁石は、臨界電流の６０％〜７０％の間で動作する、すなわち、動作電流ｉの臨界電流Ｉｃに対する比率が、０．６と０．７の間にある。動作電流を臨界電流にかなり近く増加させることは、超伝導磁石の望ましくないクエンチングの危険性と、磁場の中の他の不安定性の危険性を、実質的に増やす。そのことは従来技術に熟練した当事者に知られている。磁場強さは、磁石の動作温度を低下することによって、安定した性能に増やすことができ、磁石の低い方の温度が、臨界電流と関係のある実質的な安全マージンを、同時に維持するより高い動作電流を許容する。例えば、４Ｋで１７．６テスラのＮｂ₃Ｓｎ磁石の磁場強さは例えば２．２Ｋでの動作によって増やすことができる。そして、この低い方の温度は、従来技術で知られていた超伝導磁石システムで使われていた。しかし、２．２Ｋで動作するときに、４．２Ｋの液体ヘリウム沸騰冷却システムを使うことの相対的な単純さは、電動機式真空ポンプ、熱交換機、スロットル装置、従来技術で知られたその他を使用する蒸気減圧システムに、道を与えなければならない。他方、Ｎｂ₃Ｓｎ磁石は、増加された４．２Ｋでの磁場を維持することができなくて、安定性と確実な持続性を与えることができない。持続モードで、同じ温度で動作している現在既知の磁石よりも、高い磁場を与える、与えられた動作温度のための超伝導磁石が、必要とされる。また、必要とされる超伝導磁石は、現在既知の磁石と同じか、より高い磁場を与えるが、高い超伝導温度で動作する。発明の概要例えばＮＭＲ装置のための高磁場超伝導磁石の中で、本発明に従って、従来の低温超伝導ソレノイド型磁石は、非常に高臨界電流を有する高温超伝導体から作られるインサート超伝導磁石と組み合わせられる。両方の磁石は、動作条件が達成されてから、安定に同じ低温で持続モードの中で、動作する。結果として生じるハイブリッド磁石組立部品（すなわち高温超伝導体の超伝導インサートと低温超伝導磁石）の磁場は、２つの磁石のそれぞれの磁場の合成として生じるものである。与えられた動作温度のための動作の第１のモードで、ハイブリッド磁石組立部品が、単独で動作している低温超伝導磁石よりも、安定した磁場を与える。第２のモードで、より高い動作温度でのハイブリッド磁石組立部品は、同じか、より大きく安定した磁場強さを、より低い温度で単独で動作しているときの低温超伝導磁石のように、与える。適所のインサート磁石により、低温超伝導磁石は、インサートなしでの運転中より、少ない磁場を与えるために、より高温度で動作させられる。低温磁石からの磁場の減少は、インサート磁石の磁場によって償われる。両方の磁石は、同じ温度で、持続モードで、良好な安定性で、一緒に動作する。より高い動作温度は、例えば４．２Ｋ以上であって、２．２Ｋの代わりとして、与えられた磁束の磁場条件に冷やされた磁石のための大いに単純化された冷却システムの使用を許容する。インサート磁石は、高温超伝導体の層で、片方か両方の大体平らな表面の上を覆う薄い環状のディスクかウエハの積層体である。積層体は、同心でコイル状の低温超伝導磁石の中心の隙間内にはめ込む。各ディスクは、低温動作温度で、独立の超伝導電流ループである。電気的な相互接続が、隣接のディスクの間にない。ディスクは、互いに電気的に独立しているので、積まれてもよくて、低温超伝導磁石の中で低温磁石の軸に、完全な左右対称に置かれてもよい。層の終わりは、螺旋形の前進も、重なりも、連続のコイルと同様に存在しない。したがって、インサートは結果として生産される磁場に、ゆがみをつくらない。高温材料超伝導インサート磁石の磁場は、低温超伝導磁石からの磁束の磁場の一部分を閉じ込めることによって、低温磁石の磁束が減少させられるとき、生じる。第１の方法では、低温超伝導磁石は、超伝導動作温度で、増加された磁場強さを生じるように、駆動される。これは、ハイブリッド磁石組立部品から要求される。同時に、積層された高温超伝導層のインサートは、例えば１００Ｋであるクエンチング温度を超える。要求され増加された磁場強さが低温超伝導磁石から達成さられてから、高温超伝導インサートは、冷却システムによって、連続の動作を目的とする超伝導温度に、クールダウンされる。それから、低温超伝導磁石の磁束は、駆動電流を減らすことによって、普通の動作レベルに引き下げられる。知られているように、インサートは、その磁束変化を閉じ込める（維持する）；すなわち、磁束は低温超伝導磁場からインサート磁石まで伝達されて、超伝導電流と持続磁場をインサート磁石のそれぞれのディスクに、生じる。各ディスクは、独立の超伝導電流ループを有する。低温磁石の磁場とディスクの磁場は、ハイブリッド磁石組立部品の所望な合成磁場を含む。合成磁場は、単独で動作している低温磁石の磁場より高い。低温超伝導磁石の磁場が、要求されたレベルに合わせれるとき、低温超伝導磁石は持続モードに置かれる。インサートは、要するに永久超伝導磁石になり、そして、低温およびインサート磁石は共に、増加し、持続している高強度磁場を、良好な安定性と均一性とともに与えるために、同じ超伝導温度で動作する。正確に左右対称に構成されて使用され、積層されて電気的に孤立したディスクであるから、連続の超伝導回路が、先行技術では、ディスクからディスクへか、コイル要素からコイル要素へ形成されるときに帰結する螺旋形の構造と比較したように、低温磁石の磁場の空間の均一性は、インサート磁石の追加の後簡単に維持される。代わりに、インサート磁石の中に磁束を閉じ込めるための第２の方法では、先ず、低温磁石が、その要求された持続動作温度より低い超伝導温度で動作するようにし、その間、インサートがクエンチ状態に維持される。この低い方の温度で低温磁石は、より大きい磁場強さを生じるように、かつそれが、意図された持続動作温度で、始めに記述した方法で、安定して生じるように、駆動される。超伝導磁石をクエンチングすることなく、この増加した磁場が可能である。なぜなら、普通の動作電流は、磁石の設計において、超伝導要素の臨界電流密度より充分に低く、安定性と持続動作を保証するために、セットされるからである。それから、インサートは意図された動作温度に冷やされる。；低温磁石の磁場は、引き下げられる。知られているように、磁束が保護されて、すなわちインサートの中で閉じ込められ、超伝導の持続電流ループが、それぞれのディスクの中で確立する。それから、低温磁石は持続にされ、動作温度に温められてもよい。結果として、持続して、安定に、目的とした動作温度で動作するハイブリッド磁石組立部品となるが、その磁場強さは、単独で同じ動作温度で動作している低温磁石により生じるよりも増加する。磁場は、第１の方法によって生産した磁場よりも強い。非常に高い臨界電流能力をもつ高温超伝導体の使用は、インサート磁石の効率的な適合を可能にする。それゆえに、高い磁場が必要な例えばＮＭＲやＭＲＩ装置で使用するために、改善された超伝導磁石組立部品を与えることが、本発明の目的である。本発明のもう一つの目的は、磁石の動作温度の変化なしで、従来の低温超伝導磁石の磁場性能を改善することにある。さらに、本発明のもう一つの目的は、高温超伝導体の有利な特性により、従来の低温超伝導磁石と組み合わせることによって、改善された超伝導磁石組立部品を与えることにある。さらに、本発明のもう一つの目的は、高磁場ハイブリッド磁石組立部品を、持続性と安定性を有する動作に、置くための方法を提供することにある。さらに、本発明の他の目的と利点が、部分的には明らかで、部分的には明細書において明白である。本発明は、いくつかのステップおよびそれらの間の関係を含み、そして、各々の要素に関する特徴、特性、関係を所有している物品を含む。これらは、以下の中で詳細な説明の中で説明する。そして、本発明の範囲を請求項で示す。図面の簡単な説明本発明のさらなる理解のために、添付の図面に従い説明する。図１は、本発明の高温超伝導材料インサートの端面図である。図２は、図１の線２−２に沿う断面図である。図３は、図１、２のインサートに使用するウエハの面図である。図４は、図３のウエハの右側面図である。図５は、本発明のハイブリッド高磁場超伝導磁石組立体の実施例の概略図である。図６は、本発明のハイブリッド高磁場超伝導磁石組立体の他の実施例の概略図である。好適実施例の説明図１−５に示すように、本発明のインサート１０は、一端からフランジ１６が延びる電気絶縁非磁気材料のチューブ１４の上に複数のディスクまたはウエハを積層して形成される。非磁気材料のワッシャ１８が、ナット２０でチューブ１４に保持され、環状のディスクまたはウエハ１２の積層体を固定する。各環状のディスクまたはウエハ１２は、電気的絶縁基体２２、バッファ層２４、高温超伝導材料のフィルムまたは層２６からなる。基体２２は、妥当な熱伝導と熱容量を有する。図４に示すように、基体２２は、一面を被覆されているが、両面を被覆してもよい。高温超伝導フィルム２６の積層体は、高い磁場の存在で臨界電流が本質的に非常に高いという利点がある。高温超伝導フィルムの臨界電流は、典型的には、７７Ｋで平方センチ当たり２×１０⁶アンペアを超え、４．２Ｋで平方センチ当たり１０⁷アンペアを超える。このフィルムの性能は、今日まで知られている最良の高温超伝導線、平方センチ当たり５×１０⁴アンペアを遙かに凌ぐ。これらのフィルムの厚さは、従来の「薄い」から「厚い」まで亘る。０．５ミクロンのこのフィルムは、薄膜形成の従来技術のエピタキシャル、レーザ堆積、スパッタなどで成膜される。０．５ミリ程度の厚さの厚膜は、用意した基体に浸漬、焼結、熔解で形成できる。本発明の実行可能性の鍵は、十分に薄い基体の上に十分に厚く、高い臨界電流の、高温超伝導フィルムの積層体を設けられ、該積層体の全体の有効電流密度が約１／１０より大きく損なうことがないようにできることである。言い換えると、積層体１０は、１０％以上の高温超伝導高品質フィルム２６を含み、必要な磁流を生じる。本発明では、各フィルム２６は、完全な超伝導電流ループであり、これはバッファ層２４上の超伝導材料の単一環状バンドの形、あるいは、一つの面に設けた複数のバンド２５（図３）であってもよい。また、表面は、高温超伝導材料で完全に被覆してもよい。これにより、超伝導電流が自ずから超伝導電流ループを形成する。ウエハ上の超伝導材料の最適なパターンと厚さを完全に決定する段階にまで研究は進んでいない。基体２２に設けられる薄い絶縁層が、所定のディスクまたはウエハ１２上の超伝導回路を隣接のディスクまたはウエハ１２上の超伝導回路から分離する。「ディスクまたはウエハ」の用語を使用する。図示の実施例は、中央に開口を有する環状の層であり、「ディスク」の用語が適当である。しかし、本発明の他の実施例では、環状ではなく、従って、「ウエハ」の用語が一般的である。例えば、インサート磁石は、断面が楕円で、そこに断面が楕円の低温磁石が挿入される。ディスクまたはウエハ１２上の材料は、高温超伝導（ＨＴＳ）の閉鎖ループで、薄膜、厚膜を含む。どちらも、エピタキシャル成長、レーザ堆積、スパッタ、焼結、浸漬被覆、熔解組織のいずれかである。熱膨張係数が合っている基体上のエピタキシャル成長ＨＴＳは、高いＪｃと持続性（パーシスタンス）を得られる。堆積過程の間、両材料は互いに反応しない。エピタキシャル成長、レーザ堆積、スパッタのＨＴＳと基体との良い複合体の例は、(１) ランタンアルミネート（ＬａＡｌＯ₃）上のＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇(ＹＢＣＯ)、サファイアＡｌＯ₂上のＹＢＣＯ、(２) ＬａＡｌＯ₃上のＴｌ₂Ｂａ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈(ＴＢＣＯ)、ＡｌＯ₂上のＴＢＣＯがある。基体を必要としないで、銀とともに作られる焼結、浸漬被覆、熔解組織の複合ＨＴＳの良い例は、ＢＳＣＣＯとＴＢＣＯの２２１２および２２２３相である。バッファ層２４は、材料の各組み合わせで必要なわけではない。図５に示すように、従来の低温超伝導ソレノイドコイル３０内にインサート１０が挿入され、本発明のハイブリッド超伝導磁石組立体３２を作る。図では、超伝導導体３４が丸い断面を有する。当業者なら、例えば、ソレノイド３０が平らな超伝導体、平らな超伝導テープで形成でき、また超伝導材料のループや板を、端同士で、直列につなげて、螺旋形のソレノイドコイルの形の連続電流回路にしても良いことを理解できよう。さらに、ソレノイドは、有孔金属予成形体、あるいは有孔金属導体、あるいは導電性皮膜を有する有孔非金属材料で形成でき、この孔に低温超伝導材料を埋め込む。これは、１９９５年５月１５日提出の米国特許出願第０８／４４０，６３２に記載されている。図５は、従来の低温超伝導コイルと高温超伝導材料インサート１０とのハイブリッド組立体３２を示す。この組立体は、両要素１０，３０が共通の動作温度で安定に持続モードで動作するように構成されている。前述のように、持続モードでの安定性は、超伝導体が、動作温度と、動作中の磁場強さに対して臨界電流密度より実質的に低い、短いサンプル性能の割合を下げて動作するときに得られる。こうして、持続モードでの動作は、超伝導「インデックス」、すなわち式Ｖ＝（ｉ／Ｉｃ）ⁿの指数の関数である。これは、超伝導体の長さに沿って生じる電圧低下の度合いであり、Ｖｏは臨界電流Ｉｃにおける電圧勾配で、ｉは動作温度における動作電流である。ＮＭＲ磁石巻線のような超伝導体のある長さに必要な任意に低い電圧を得るためには、電流比ｉ／Ｉｃを大体低くし、インデックスｎを大体高くする必要がある。最新の電磁ＮＭＲ磁石は、典型的には、電流比ｉ／Ｉｃが０．６と０．７の間で安定して動作する。本発明の方法では、高温超伝導材料２６で被覆した積層体１０を永久超伝導磁石になるまでにしたものに変換して、臨界電流に比較して、動作電流に０．３〜０．４の余裕度（マージン）を低温超伝導磁石に用いて、低温磁石３０から磁束を移送し、インサート１０の高温超伝導ウエハ１２に磁束を閉じ込め（trapping）て負荷を与える。前述のように、ウエハ１２は共に磁束の閉じ込めに役立つ。各ディスクあるいはウエハ１２は、離ればなれの超伝導電流ループである。これは、低温超伝導磁石３０を源とする磁束が移送され、インサート１０内に閉じ込められた後も、持続する。こうして、高温超伝導インサート１０を有する低温超伝導コイル３０またはソレノイドのハイブリッド組立体３２を動作させるには、以下の工程を続けて、低温超伝導磁石３０の磁場の強さを高めることができる。例示として、ハイブリッド磁石を動作的にする方法を、標準温度及び圧力で、液体ヘリウムの標準沸点４．２Ｋでの持続動作に設計された低温超伝導ソレノイドについて記載する。４．２Ｋに維持されて、内側の低温超伝導磁石３０が、その通常の動作電流よりその動作電流の一定割合だけ高く付勢される。しかし、これは、臨界電流密度と動作応力に関する設計で得られる安全余裕度内にあるようにするだけの為にある。同時に、高温超伝導被覆のウエハ１２を設けたインサート１０は、例えばステンレス鋼や銅の貯蔵部（図示せず）に保持される。この保持温度は、適当な電気加熱器（図示せず）で保持されるクエンチング温度、例えば１００Ｋより高い、である。４．２Ｋで、低温超伝導磁石３０から所望の（増大した）磁場の強さを得たら、高温超伝導インサート１０は、冷凍システム（図示せず）で温度４．２Ｋに冷却され、そこで高温超伝導材料２６も超伝導状態になる。そして、低温超伝導磁石３０は、その通常動作電流に下げて、その電流で、余裕度が再び０．３〜０．４の範囲に安全に入る。ついで、低温超伝導磁石３０が持続モードに入り、そこで磁場の損失は、時間当たり１０⁸分の１である。ハイブリッド磁石組立体３２を活性化する前記過程の終了後、低温超伝導磁石３０が、その標準磁束密度、標準電流、標準動作温度、標準モードすなわち持続モードで動作する。インサート１０は、ここで、超伝導磁石として動作する。高温超伝導材料２６は、そのクエンチング温度より低い温度でよく動作し、また低温超伝導磁石３０と同じ温度にある。ハイブリッド磁石組立体３２の磁場の強さは、低温超伝導磁石３０が単独で動作する時の磁場の強さより大きい。インサート磁石の動作後、磁場の空間的均一性が保たれる。これは、インサート１０がウエハの完全な対称性配置体である、すなわち低温超伝導磁石３０内で完全対称に取り付けられているからである。ハイブリッド磁石組立体３２で得られる合成磁場をさらに強くすることが、上記過程の初期段階で、低温超伝導磁石３０をその標準動作温度より低く冷却すると可能である。例えば、低温超伝導磁石３０をその標準動作温度４．２Ｋでなく、２．２Ｋに冷却できる。そうすると、電流が、低温超伝導磁石の標準動作電流よりかなり大きい値だけ増大する。電流比における「安全の余裕度」が低温におけるより大きいからである。前述のように、インサート１０が次いでその動作温度に冷却される。低温超伝導磁石３０はその通常動作電流及び温度に戻され、その過程で、磁束がインサート１０で閉じ込められる。この過程で、ハイブリッド磁石組立体３２に、持続モードで意図された動作温度で全体に達成される手順よりも、高い磁束密度が得られる。しかし、この代替え的方法は、冷凍システムの複雑さを増大してしまう。この冷凍システムは、低温超伝導磁石を通常の動作温度、上述の場合は４．２Ｋより低い温度、例えば、２．２Ｋにする為の始動に必要である。上述の両方法共に、低温超伝導磁石３０のみで動作する（同じ動作温度で）よりも、ハイブリッド磁石組立体３２により磁場の強さが増大する。本発明の第３の方法は、ハイブリッド磁石組立体３２は、磁束出力が同じでも、その定常動作温度が高い。すなわち、低温超伝導磁石３０が単独での動作よりも低い温度で動作するからである。この方法で、低温超伝導磁石３０は、特に低い温度、例えば、２．２Ｋで動作するように設計され、持続モードで所望の磁場を作るが、インサート１０を設けてある。インサート１０は、クエンチング温度、例えば１００Ｋにあり、一方、低温超伝導磁石は４．２Ｋで動作され、たとえば２．２Ｋにおいてその通常磁場となるものを形成する。低温超伝導磁石３０は、２．２Ｋにおいて持続モードで安定して動作するが、４．２Ｋにおける不安定性とクエンチングの危険性が大きすぎる。すなわち、低温超伝導磁石３０は、持続モードでの安定性を４．２Ｋで確保するには、磁場の強さを低くして動作しなければならない。従って、インサート１０がないとき、低温超伝導磁石３０用の著しく単純化した冷凍システムの利点が、磁場の強さの犠牲なしには得られない。しかし、定常運転条件で低温超伝導磁石３０で生じる磁場の減少が、超伝導インサート磁石１０の追加により、該磁石１０の磁場で増大する。ハイブリッド組立体３２は、高い温度において、両磁石に持続性と安定性をもって、動作できる。その合成磁場の強さは維持され、単純化した冷凍システムが得られる。例えば、液体ヘリウム沸騰冷凍システムを用いることができるが、これは、２．２Ｋ運転に必要とされる、より複雑で費用のかかる蒸気圧縮システムに勝る大きな利点を有する。満足できる磁場の強さと空間の均一性とが、２．２Ｋではなく４．２Ｋで達成されるのである。代替的に、インサート１０の中に電磁場を閉じこめることにより、まず低温磁石３０が、所望の持続運転温度よりも低い温度で動作し始めるが、一方、インサートは、高温のクエンチング状態に維持される。より低温において、その後、低温磁石３０は、意図された持続運転温度におけるよりも、大きな磁場の強さを生み出すよう操作される。超伝導磁石をクエンチングしなくても、磁場の増大は可能である。なぜなら、通常運転電流は、超伝導磁石の設計において、超伝導体の臨海電流密度よりもかなり低く設定されており、これにより、持続運転における安定性が確保され、より低温で臨海電流値は増大するからである。その後、インサート１０は、意図された動作温度まで冷却することにより、超伝導化される。インサート１０が冷却されると、低温磁石３０の磁場は減少する。既知のように、電磁は、インサート磁石１０の中に閉じこめられ、保存されるが、インサート磁石１０の中では、それぞれの磁気ディスク内で超伝導持続電流のループが確立されている。その後、低温磁石は持続状態になり、その後に、運転温度までその温度を上げられる。その結果、意図された運転温度において、安定した二つの持続モードで動作するハイブリット磁石組立体３２が得られる。なお、この動作温度は、低温磁石３０単独での通常動作温度よりも高い。磁場の強さは、ハイブリット磁石組立体によって作られる場合を超えて、増大されるが、ハイブリット磁石組立体の低温磁石は、同じ動作温度に保たれる。上述した本発明の実施例３２'（図６）において、インサート磁石１０は低温電磁石３０の内側に位置しているが、ウエハ１２の積層体１０で低温磁石３０を囲うことも可能である。ウエハ基体２２は、両側を高温伝導物質２６で被覆され、積層配列においてウエハ同士を分離するため、薄い絶縁層（図示せず）が用いられる。ウエハ基体は、例えば銀のような導電性物質で作られ、超伝導温度で動作する場合、この導電性物質が、高温超伝導物質の超伝導ループの抵抗に対して、絶縁開回路の役割を果たすが、これらのことは、当業者にとっては自明であろう。こうした構造は、電流ループが不適正にクエンチングされたとき、超伝導電流を切り換えることにより、ウエハを保護する。上述のハイブリッド磁石３２は、低温超伝導物質のコイル３０で構成され、インサート１０は、独立の超伝導電流ループを作り出すように、相互に独立して隣接するウエハで構成される。しかしながら、当業者には明らかなように、付勢したり消勢したりできる低温超電導磁石であれば、本方法の実施に使用できる。なお、本方法において、低温超電導磁石の電磁の一部（全部ではない）は、インサートに移される。また、インサートは、必ずしも、例えば互いに独立したウエハで構成される必要はなく、直列式に端部と端部を電気接続したウエハであってもよい。さらに、インサートは、高温伝導物質のコイルであってもよい。低温伝導磁石が超伝導状態になっても、クエンチング状態を維持できる高温超伝導物質であれば、低温磁石の磁束が減少した際、低温超電導磁石からの磁束を閉じ込めるために用いることができる。ここまで述べてきたインサートは、低温超電導磁石の内側もしくは外側で、共通軸に沿って同心的に配列されている。しかしながら、本発明の方法は、以下のような物理的配列によっても実施できる。すなわち、低温超電導磁石における磁束の減少が、その他の要素において、電流や磁束を生じさせ、超伝導電力が持続的に流れる高温超伝導物質の伝導通路を提供できる配列であればよい。さらに、ここまで、インサート磁石および低温超電導磁石は、同じ動作温度で持続モードで動作するように記述してきたが、本発明の方法は、以下のような物理構成のハイブリット磁石組立体によっても、実施できる。すなわち、低温超電導磁石３０が、独自の低温で磁束を閉じこめた後に動作し、その一方で同時に、高温超伝導物質で作られたインサートが、かなりの高温、すなわち、高温物質磁石の超伝導範囲の高温で動作するよう構成されたハイブリット磁石組立体によっても、本発明の方法は実施可能である。今日、高温超伝導物質は、１００Ｋ近い超伝導に使用できるため、こうした多様な温度調整は、構成面および運転面での節約につながる。なお、これらの物質は、例えば７７Ｋで窒素を沸騰させることにより、冷却できる。このように、本発明の方法は、新しい物質や改良された物質にも、幅広く応用でき、特に、超伝導モードにおいて、より高温で動作する物質に有効である。高分解能ＮＭＲに今日用いられている超電導磁石は、室温で５２ｍｍ径の孔を有するが、応用により、およそ９０ｍｍ径までに孔を大きくすることができる。このような磁石と共に用いられるインサート１０は、低温超電導磁石の内側に位置することができるような外径のものでなければならない。現在のところ、ＭＮＲ磁石の高分解能技術の状況は、４．２Ｋの動作温度で１８テスラ、１．８Ｋの動作温度で２１テスラである。ＭＮＲ級の持続磁石にとって、１８テスラは、低温超伝導体の動作限界である。本発明のインサートを用いれば、４．２Ｋにおける動作限界を、現在のところ、２５テスラを超過する高温超伝導体の性能レベルに増大することができる。概略すると、本発明の方法は、初めは超伝導電流も磁場も持たない高温超伝導物質装置の存在より、被駆動の低温超電導磁石の磁場が、いつ減少しようとも有効である。低温磁石の磁場を変える（減少する）ことにより、高温物質装置において超伝導電流が発生し、この電流が磁場を作り出す。存在する二つの磁場は結合して合成磁場を作り、低温超伝導物質および高温超伝導物質が各々の臨界温度よりもかなり低い温度で動作し、持続モードで電流が得られる。低温磁石には、超伝導温度および磁束レベルの範囲があり、これを磁束の減少の「テイクオフ」点として用いることができる。これらの条件は、磁束強度および動作温度の所望の「最終結果」により変化するが、低温磁石の動作特性に基づいて選択される。こうした磁束および温度レベルの選択は、ｉ／Ｉｃの比率により制限されるが、この比率は、高温および低温超伝導物質において、意図せぬ超伝導電流のクエンチングが起こるのを避けるため、磁束を閉じ込める手順の前、間、後のいずれいおいても、常に維持されねばならない。上述した本発明の諸目的は、先に示した説明により有効に達成されるが、本発明の精神と範囲とを逸脱することなく、前記方法の実施および記載事項を変更することは可能であり、前記説明または関連する図面に示される内容の全ては、例示説明のためのものであり、本発明を限定するものではない。また、下記の請求の範囲は、ここに説明された発明の包括的特徴および下位概念的特徴を漏れなく記載するよう意図されており、本発明の範囲についての全ての記述は、言葉の問題であり、上記特徴の中に含まれる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．次の各要素からなるハイブリッド高磁場超伝導磁石組立体。第１のレベルの第１の磁束場を形成するように所定の超伝導温度で動作する低温超伝導材料の低温磁石、及び積層体に配列された複数のウエハ、ただし、各ウエハが基体の表面に高温超伝導材料の層を含み、前記積層体が前記低温磁石からの磁束を閉じ込めるように前記低温磁石に対して配置され、前記積層体が、前記低温磁石で最初に発生して前記第１のレベルより高い第３のレベルの磁束の強さが前記第１の磁場のレベルにまで低下した後、第２のレベルの第２の磁場を作るものであり、前記ハイブリッド磁石組立体で得られる合成磁場が、前記第１の磁場と前記第２の磁場との組み合わせであり、前記各磁場が、合成磁場の有限部分に寄与し、前記低温磁石とウエハ積層体がそれぞれ前記所定の超伝導温度において持続モードで動作する。２．前記基体が、前記ウエハ中の超伝導電流の存在の中で、電気的に絶縁する、請求項１に記載のハイブリッド磁石組立体。３．前記低温磁石が、長軸を有するコイル磁石であり、前記積層体が前記長軸に沿って整合している、請求項１に記載のハイブリッド磁石組立体。４．超伝導温度で、各ウエハが、積層体中の隣接ウエハから電気的に隔離されていて、磁束を閉じ込めると、独立の超伝導電流ループが各ウエハに形成される、請求項１に記載のハイブリッド磁石組立体。５．前記ウエハが、大体平らで、前記長軸に対して直交方向に向き、前記積層体が、低温磁石で作られた第１の磁場の空間的均一性を維持するように前記長軸に整合している、請求項３に記載のハイブリッド磁石組立体。６．前記所定の超伝導温度と第１の磁場にて動作するとき、前記低温磁石の平均電流比ｉ／Ｉｃが約０．６と０．７の範囲にあり、ｉが動作電流で、Ｉｃが低温磁石の臨界電流である、請求項１に記載のハイブリッド磁石組立体。７．ウエハが、大体平らで、高温超伝導材料の層が該ウエハの少なくとも一つの平面に形成されている、請求項４に記載のハイブリッド磁石組立体。８．ウエハが、大体平らで、高温超伝導材料の層が前記基体の上でパターン化され、少なくとも一つの超伝導閉鎖電流ループとして動作し、該ループがウエハ平面を部分的に覆い、かつウエハの平面を全体的に覆う、請求項３に記載のハイブリッド磁石組立体。９．前記基体が、高温超伝導材料層の同心ループでパターン化されている、請求項８に記載のハイブリッド磁石組立体。１０．各ウエハに中央開口が貫通している、請求項８に記載のハイブリッド磁石組立体。１１．更に、前記長軸に対して同軸に配置された管部材を有し、各ウエハが、中央の開口を有し、前記管部材が該中央開口を貫通し、前記長軸に沿ってウエハと整合を維持している、請求項３に記載のハイブリッド磁石組立体。１２．前記管部材が磁石組立体の超伝導動作の間電気的に絶縁する、請求項１１に記載のハイブリッド磁石組立体。１３．更に、前記管部材の固定位置にウエハ積層体を取り外し可能に保持する手段を含み、積層体と管部材が取り外し可能に一体になっている、請求項１１に記載のハイブリッド磁石組立体。１４．前記積層体がコイルの内側または外側にある、請求項３に記載のハイブリッド磁石組立体。１５．前記基体が、ランタンアルミネート、サファイア、ストロンチウムチタネートからなる群から選ばれた材料である、請求項１に記載のハイブリッド磁石組立体。１６．高温超伝導材料が、ＹＢＣＯ、ＴＢＣＯ、およびＢＳＣＣＯからなる群より選ばれた、請求項１に記載のハイブリッド磁石組立体。１７．各ウエハが、基体と高温超伝導材料層の間にバッファを有する、請求項１に記載のハイブリッド磁石組立体。１８．前記バッファ材料が、ストロンチウムチタネートＳｒＴｉＯ₃またはランタンアルミナＬａＡｌＯである、請求項１７に記載のハイブリッド磁石組立体。１９．次の各工程からなる高磁場ハイブリッド磁石組立体の製法。（ａ）所定の超伝導動作温度で第１のレベルの第１の磁場を形成する低温超伝導磁石を設ける、（ｂ）基体の表面に高温超伝導材料の層を有するウエハの積層体を設ける、（ｃ）目標の第１の磁場より強い低温磁石の磁場を発生する、（ｄ）工程（ｃ）の間に、高温超伝導材料のクエンチング温度より高い温度にウエハの積層体を維持する、（ｅ）高温超伝導材料の超伝導レベルにウエハの積層体を冷却する、（ｆ）第１の磁場の第１のレベルに低温磁石の磁場を減少し、低温磁石からの磁束の閉じ込めで、超伝導電流がウエハ中に誘導され、前記積層体が第１の磁場を強化する第２の超伝導磁場を作る、（ｇ）低温磁石を持続モードに置く、ハイブリッド組立体の合成磁場は、第１の磁束場と第２の磁束場の組み合わせである。２０．（１）前記所定動作温度または（２）該所定動作温度より低い温度で、工程（ｃ）が行われる、請求項１９記載の方法。２１．工程（ｃ）が、前記低温磁石の所定の動作温度で行われ、積層体が工程（ｅ）で前記所定動作温度に冷却される、請求項１９記載の方法。２２．工程（ｃ）が、前記所定の動作温度より低い温度で行われ、工程（ｅ）で、積層体が前記所定動作温度に冷却される、請求項１９記載の方法。２３．さらに、工程（ｇ）に続いて、前記所定の動作温度に低温磁石の温度を上昇する行程（ｈ）を有する、請求項２２記載の方法。２４．高温超伝導材料の積層体が前記所定の動作温度で、持続モードで動作する、請求項１９記載の方法。２５．前記低温磁石が、工程（ｃ）の低い温度で動作するように構成され、電流比ｉ／Ｉｃが大体０．６−０．７の範囲内にあり、合成磁場に等しい磁束強度を作り、低温磁石が、該低温磁石が前記低い温度で単独に動作するのに比べて、ハイブリッド磁石組立体の高い所定超伝導動作温度で、低い磁場を作る、請求項２３記載の方法。２６．前記低温磁石が、前記所定の温度で、電流比ｉ／Ｉｃが大体０．６〜０．７の範囲内で動作するように構成され、第１の磁場に等しい磁束強度をつくり、低温磁石が、ハイブリッド組立体の所定超伝導動作温度で、前記所定超伝導動作温度で単独で動作するときと同じ磁場を作り、低温超伝導磁石の磁場の強さが、ウエハの積層体の第２の磁場により強化され、合成磁場が第１の磁場より強い、請求項２３記載の方法。２７．工程（ｃ）において、ウエハの積層体が、前記所定の動作温度にまで、冷却される、請求項１９記載の方法。２８．低温磁石が長軸を有するコイル磁石で、積層体が該長軸に沿って整合している、請求項１９記載の方法。２９．次の各工程からなる高磁場ハイブリッド磁石組立体の製法。（ａ）所定の超伝導動作温度で第１のレベルの第１の磁束場を作る低温超伝導磁石を設ける、（ｂ）高温超伝導材料を含む磁束補強装置を設け、該装置は、高温超伝導材料のクエンチング温度より低いとき、持続超伝導電流を保持できる、（ｃ）第１の磁場より強い低温磁石の磁束場を発生する、（ｄ）工程（ｃ）の間に、高温超伝導材料のクエンチング温度より高い温度に該補強装置を維持する、（ｅ）高温超伝導材料の超伝導レベルに前記補強装置を冷却する、（ｆ）第１の磁場の第１のレベルに低温磁石の磁場を減少し、低温磁石からの磁束の閉じ込めで、超伝導電流が前記補強装置中に誘導され、前記補強装置が第１の磁束を強化する第２の超伝導磁束場を作る、（ｇ）低温磁石を持続モードに置く、ハイブリッド組立体の合成磁場は、第１の磁場と第２の磁場の組み合わせである。３０．（１）前記所定動作温度または（２）該所定動作温度より低い温度で、工程（ｃ）が行われる、請求項２９記載の方法。３１．工程（ｃ）が、前記低温磁石の所定の動作温度で行われ、補強装置が工程（ｅ）で前記所定動作温度に冷却される、請求項２９記載の方法。３２．工程（ｃ）が、前記所定の動作温度より低い温度で行われ、工程（ｅ）で、補強装置が前記所定動作温度に冷却される、請求項２９記載の方法。３３．さらに、工程（ｇ）に続いて、前記所定の動作温度に低温磁石の温度を上昇する行程（ｈ）を有する、請求項３２記載の方法。３４．高温超伝導材料の補強装置が前記所定の動作温度で、持続モードで動作する、請求項２９記載の方法。