JP2002008917A

JP2002008917A - 超伝導体磁場応用装置の制御方法とこの方法を用いた核磁気共鳴装置と超伝導磁石装置

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Publication number: JP2002008917A
Application number: JP2000191265A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nakamura; 高志仲村; Jun Uzawa; 洵鵜澤; Tetsuo Oka; 徹雄岡; Yoshitaka Ito; 佳孝伊藤; Yosuke Yanagi; 陽介柳; Masaaki Yoshikawa; 雅章吉川; Ryohei Yabuno; 良平藪野
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research; Aisin Corp
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2002-01-11
Also published as: GB2367949A; GB0115495D0; GB2367949B; DE10130677A1; US20020000807A1; US6545474B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の超伝導磁石の運転に不可欠な寒剤（液
体ヘリウム）を用いることなく、従来の超伝導磁石に匹
敵する強い静磁場を形成でき、かつその静磁場の磁束密
度を長期間安定して一定に保持することができる超伝導
体磁場応用装置の制御方法とこの方法を用いた核磁気共
鳴装置と超伝導磁石装置を提供する。【解決手段】真空断熱容器２２内に位置する高温超伝
導体２０により静磁場を発生させる核磁気共鳴装置の制
御方法。（Ａ）高温超伝導体をその超伝導遷移温度より
も十分低い着磁低温まで冷却して、高温超伝導体に磁場
を着磁する着磁ステップと、（Ｂ）次いで、高温超伝導
体を前記着磁低温よりは高く前記超伝導遷移温度よりも
低い磁束設定温度まで上昇させて所定の磁束密度に設定
する磁束設定ステップと、（Ｃ）次いで、高温超伝導体
を前記磁束設定温度より低い運転温度範囲に制御する運
転制御ステップとを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超伝導体に磁場を
捕捉させて磁場発生源として用いる装置、例えば核磁気
共鳴装置、永久磁石の着磁装置、磁気浮上装置、モー
タ、発電機、磁気分離装置、磁場中プレス装置、強磁場
発生装置、フライホイール式電力貯蔵装置、等に係わ
り、特にその発生磁場の大きさと分布を所望の大きさに
制御し、かつ安定させる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】核磁気共鳴は、磁気モーメントと角運動
量をもつ磁気系に見られる現象で、磁気系に固有な振動
数（ラーモア周波数）での共鳴現象である。例えば、図
６に示すように、磁石で作る静磁場Ｈ₀を試料に加え、
更に試料に対して静磁場に垂直な方向から送信コイルよ
り振動磁場Ｈ₁を加える。現在では、非常に短く（３〜
６μｓ）、強い高周波のパルスを試料に加えて、化学シ
フトで広がっている信号全体を同時に共鳴させ、それら
の信号を同時に観測するパルスＮＭＲ装置が主流であ
る。また、断面像を得るために、傾斜磁場と呼ばれる位
置によって強度の異なる弱い磁場を静磁場に重ね、場所
ごとの共鳴周波数をずらせて位置の識別を行う。映像法
としては、所定の断面を必要な厚みのみ高周波励起（選
択励起）し、次いで、断面内の２方向に傾斜磁場を加え
て、二次元フーリエ法によって断面像を得る方法が一般
的に用いられている。

【０００３】上述した核磁気共鳴現象を利用した核磁気
共鳴（ＮｕｃｌｅａｒＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎ
ａｎｃｅ）装置（以下ＮＭＲ装置）は、基本的には静磁
場を作る磁石、別の高周波パルスを発生しＮＭＲ信号を
検出するコイル、ＮＭＲ信号を受ける受信器等から構成
される。このＮＭＲ装置により、各原子の化学シフト量
や、スピン−スピン結合定数などの有機化合物の構造解
析上有用なデ一タを得ることができる。

【０００４】また、この核磁気共鳴現象を利用した磁気
共鳴イメージング（ＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎ
ｃｅＩｍａｇｉｎｇ）装置（以下、ＭＲＩ装置）は、
静磁場発生手段である磁石、空間情報を信号に与えるた
めの傾斜磁場、高周波照射系、ＮＭＲ信号検出系、人体
等の検査対象を取り巻き、実際に高周波照射、信号検出
を行うプローブコイル、これらを制御し且つ得られた信
号を処理するコントローラから少なくともなり、静磁場
存在下に置かれた検査対象に高周波を照射することによ
り得られるＮＭＲ（ＮｕｃｌｅａｒＭａｇｎｅｔｉｃ
Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）信号により、信号を発生してい
る核種の空間分布を映像化するものである。ＭＲＩ装置
は、放射線を使用しないことから安全であり、十分な解
像力が得られるので、実用価値がきわめて高い。

【０００５】一方、バルク超伝導体の着磁方法として、
従来、磁場中で冷却する方法とパルス着磁が知られてい
る。磁場中で冷却する方法（ＦｉｅｌｄＣｏｏｌｉｎ
ｇ，ＦＣ法）は、一般的であり、超伝導遷移温度以上の
温度で超伝導コイルを用いた超伝導磁石等で被着磁超伝
導体に一様な外部磁場を印加する。そのまま磁場を保っ
て、超伝導体内部に磁場がある状態で超伝導遷移温度以
下まで冷却する。温度を保ったまま外部磁場を下げてい
くと、磁束線同士の反発力により超伝導体から外部へと
出て行こうとする。しかし、超伝導体内部に磁束線を拘
束するところがあると磁束線はピン止めされる。そのた
め、外部磁場が０になって、試料外縁の磁場が０まで下
がっても、超伝導体内部には磁場が残る。このとき超伝
導体内部で磁場勾配のあるところでは、超伝導電流が流
れておりその大きさは臨界電流密度Ｊｃと等しくなる。
このような原理により、十分大きな外部磁場を形成して
着磁すれば、試料中心まで磁場勾配ができて、材料性能
まで着磁される。また、印加した磁場が材料性能より低
ければ、最大で印加磁場の大きさまでが着磁される。

【０００６】パルス着磁は、より装置が簡便なものであ
り、被着磁超伝導体を超伝導遷移温度以下に冷却し、温
度を一定に保つように制御した状態で、パルス磁場を印
加する。パルス磁場の増磁過程で超伝導体内部に侵入し
た磁束線はその減磁過程でピン止め力により超伝導体内
部に捕捉される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】核磁気共鳴装置を構成
する静磁場用磁石としては、従来、常伝導磁石（ｒｅｓ
ｉｓｔｉｖｅｍａｇｎｅｔ：０．５〜２．２Ｔ）、超
伝導磁石（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｍａｇｎ
ｅｔ：０．５〜１８．８Ｔ）が用いられており、永久磁
石（ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔ）も一部で用い
られている。核磁気共鳴装置の静磁場用磁石は、強磁界
であるほど感度が向上し、詳細な情報量の多い分析が可
能なことから、超伝導材料を用いた超伝導磁石が磁場の
強度及び安定性と均一性の点から優位である。

【０００８】そのため、近年の核磁気共鳴装置では、主
磁場（静磁場）の形成に、ニオブ・チタンなどの金属系
超伝導線材による超伝導コイルを使った超伝導磁石を用
いている。しかし、超伝導コイルは液体ヘリウムを使っ
て極低温に冷却して利用するため、高価な液体ヘリウム
を多量に必要とし運転コストが高いという問題点があっ
た。また、ニオブ・チタンなどの金属系超伝導線材は、
複雑な製造工程と熱処理で生産されている。このために
超伝導コイルは銅線で作られた通常の電磁石のコイルよ
りも遥かに高価であり、装置本体が極めて高価となる。
しかも超伝導磁石の運転に不可欠な寒剤（液体ヘリウム
及び液体窒素）の利用は特殊な技術を要するため、技術
的に複雑且つ煩雑であり、決して簡便な技術とは言い難
かった。これらのことは、高性能な核磁気共鳴装置の普
及を制限している大きな問題点であった。さらに、超伝
導磁石は冷却のための構造が大きく、その漏洩磁場も巨
大で設置のための専用の部屋が必要である。このことは
装置の設置条件を著しく制限しその利用分野を限定して
いた。

【０００９】一方、主磁場発生源として、従来のヘリウ
ム冷却型の超伝導マグネットに代わって、直冷式超伝導
マグネットを用い、小型で簡易的な核磁気共鳴装置の例
が、特開平９-１３５８２３号公報に提案されている。
この核磁気共鳴装置は、従来のヘリウム冷却の超伝導マ
グネットを用いた装置に比較して簡便ではあるが、主磁
場の形成に極めて高価な超伝導コイルを使わざるを得な
い問題点がある。また、冷凍機を用いて真空容器内部の
超伝導コイルを冷却するために、コイル部分が大型にな
り、装置として小型で簡便である利点を生かし切れな
い。しかも超伝導コイルの熱容量が大きいために、冷凍
機で所定の温度に冷却するのに必要な時間が長く、冷却
をはじめてから測定開始までの時間が長いという問題が
あった。

【００１０】上述した従来技術の問題点を解決するため
に、本発明の出願人は、先に高温超伝導体からなるバル
ク磁石を用いた核磁気共鳴装置を創案し出願した（特開
平１１−２４８８１０号）。この装置は、真空断熱容器
内で冷却され且つ磁場を印加された高温超伝導体（バル
ク磁石）が、超伝導電流が内部を流れることで磁場を捕
捉して磁場供給部材となり、その磁場を主磁場とし、こ
の磁場内に置かれた被測定物体のＮＭＲ信号を被測定物
体に隣接した検出コイルとスペクトロメータで検出する
ものである。

【００１１】この核磁気共鳴装置は、高温超伝導体（バ
ルク磁石）の内部を超伝導電流が流れて磁場を捕捉して
磁場供給部材となるので、高価な液体ヘリウムを用いず
に従来の超伝導磁石に匹敵する強い静磁場を形成できる
特徴を有している。

【００１２】しかし、高温超伝導体（バルク磁石）に捕
捉される磁束密度は、捕捉時の温度が低いほど強くなる
が、一旦高い磁束密度で着磁しても、その後、真空度の
低下等により冷却温度が上昇すると、磁束密度が低下し
てしまい、磁場の安定性に問題があった。そのため、磁
束密度を安定して一定に保持することが困難であり、核
磁気共鳴装置においてはその測定精度が低下する問題点
があった。

【００１３】言い換えれば、着磁後の発生磁界の強度お
よび分布の制御が困難で、また磁場の安定性が悪かっ
た。すなわち、磁場中で冷却するＦＣ法の場合、着磁の
際に印加した磁場が、被着磁超伝導体の着磁性能の範囲
内であれば、理想的には印加した磁場と同じ強さの磁場
が捕捉されるはずである。ところが、実際には磁場はフ
ラックスクリープと呼ばれる現象により時間的に減衰す
るため、印加磁場の大きさまで着磁することはできな
い。またＦＣ法の着磁過程では、磁場を利用する位置に
おける磁場強度を計測しても被着磁超伝導体と印加する
外部磁場の合成値しか測定できないため、着磁過程では
被着磁超伝導体単体に捕捉される正確な磁場はわからな
かった。そのため、従来のＦＣ法では超伝導体磁場応用
装置の発生磁場を精度よく制御することができなかっ
た。

【００１４】またパルス着磁の場合、着磁の際の発熱で
材料性能まで着磁されないためフラックスクリープによ
る磁場の減少は少ないが、ＦＣ法に比べて材料の不均一
性の影響を強く受けるため磁場分布形状が乱れやすい。
そのため、超伝導体磁場応用装置の発生磁場の分布を歪
みの少ない等方的なものにするのは困難だった。また、
着磁後の捕捉磁場の値は着磁の際の条件のわずかな違い
で変化するため、所望の発生磁場をパルス着磁時に精度
よく得ることはできなかった。このことは発生磁場の値
や分布に精度が要求される超伝導体磁場応用装置、とり
わけ核磁気共鳴装置にあっては大きな問題であった。

【００１５】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明は、従来の超伝
導磁石の運転に不可欠な寒剤（液体ヘリウム）を用いる
ことなく、従来の超伝導磁石に匹敵する強い静磁場を形
成でき、かつその静磁場の磁束密度を長期間安定して一
定に保持することができる磁場応用装置ならびに核磁気
共鳴装置の制御方法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば真空断熱
容器（２２）内に位置する高温超伝導体（２０）により
静磁場を発生させる超伝導体磁場応用装置の制御方法で
あって、（Ａ）高温超伝導体をその超伝導遷移温度より
も十分低い着磁低温まで冷却して、高温超伝導体に磁場
を着磁する着磁ステップと、（Ｂ）次いで、高温超伝導
体を前記着磁低温よりは高く前記超伝導遷移温度よりも
低い磁束設定温度まで上昇させて所定の磁束密度に設定
する磁束設定ステップと、（Ｃ）次いで、高温超伝導体
を前記磁束設定温度より低い運転温度範囲に制御する運
転制御ステップとを備えることを特徴とする超伝導体磁
場応用装置の制御方法が提供される。

【００１７】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
着磁ステップでは装置で発生させたい磁場より大きな最
大磁場を超伝導体に捕捉させ、前記磁束設定ステップで
は磁場を必要とする位置で磁場強度を計測しながら、所
定の磁場に下がるまで前記超伝導体の温度を上げ、かつ
前記超伝導体の磁場が所定の強度まで下がると同時に、
もしくは所望の強度になるのをみこして再度温度を下げ
前記運転制御ステップに移行する。

【００１８】上記本発明の方法によれば、磁束設定ステ
ップにより精度良く磁場を設定することができる。この
ステップを設けたことにより、実際に所定の位置の磁場
を計測しながら所望の強度になるまで制御することも可
能になる。あらかじめ着磁ステップで余分に捕捉させた
磁場を、所定の位置の磁場を計測しながら温度をゆっく
り上げて、所望の強度になるまで減少させればよい。発
生磁場が所定の場所で所望の強さになると同時にすばや
く冷却し、その後低温に保持する運転制御ステップによ
り、磁場の減衰の影響をほとんど取り除くことができ、
安定した磁場強度を得ることができる。高温超伝導体の
大きさ等によって昇温後の冷却が速やかに行われず、遅
れが生じる場合は、所望の強さになるのを、あらかじめ
見越して冷却を開始することもできる。このように、実
際に使用できる場所での磁場を計測しながら磁場強度を
制御することにより、核磁気共鳴装置のように共鳴周波
数にあった磁場強度が必要な装置などでも十分な精度で
磁場強度を制御できる。また、高温超伝導体（２０）に
より静磁場を発生させるので、従来の超伝導磁石の運転
に不可欠な寒剤（液体ヘリウム）を用いることなく、従
来の超伝導磁石に匹敵する強い静磁場を形成できる。

【００１９】また、前記超伝導体の温度を部分的に上げ
るヒータを備え、超伝導体に温度分布を形成する。例え
ば高温超伝導体の表面中央部に部分的にヒータを設置
し、全体ではなく、中央部のみ部分的かつ一時的に加熱
して、中央部だけの捕捉磁場を減少することができる。
この方法により、超伝導体に発生する磁界分布を所望の
分布（例えばこの例では中央部分だけがフラットな円錐
台形状）にすることができる。

【００２０】また、前記高温超伝導体（２０）は、その
主成分がＲＥ-Ｂａ-Ｃｕ一Ｏで表せる酸化物超伝導体で
あり、銀あるいは白金あるいはセリウムのうち１種ある
いは複数種を０ないし５０％含み、ＲＥはイットリウム
（元素記号Ｙ）、サマリウム（Ｓｍ）、ランタン（Ｌ
ａ）、ネオジム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガド
リニウム（Ｇｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウ
ム（Ｙｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈ
ｏ）のうち少なくとも１種または２種以上を合わせてな
るものであって、絶対温度９０Ｋ乃至９６Ｋの超伝導遷
移温度をもつ超伝導相とその内部にあって同素体の絶縁
相を５０μｍ以下、望ましくは１０μｍ以下の粒度で分
散した組織を含んでいる。

【００２１】絶対温度で９０Ｋ（ケルビン）以上の超伝
導遷移温度Ｔｃをもつイットリウム系、ネオジム系、サ
マリウム系などの高温超伝導体を合成する際、原料を一
旦融点よりも高く過熱して溶融し、再び凝固させるいわ
ゆる溶融法で合成すると、粗大な結晶が成長した成形体
が得られる。これを超伝導バルクと呼ぶ。その超伝導と
なる母相には絶縁相が微細に分散した組織が得られ、こ
の分散相の存在に起因するピン止め点が磁束を捕捉し
て、超伝導バルクは擬似的な永久磁石として働く。溶融
法で合成した超伝導バルクは絶対温度９０Ｋ乃至９６Ｋ
の超伝導遷移温度をもち、超伝導相からなる１ｍｍ以上
１００ｍｍ以下の大型結晶と、その内部にあって同素体
の絶縁相を５０μｍ以下（望ましくは１０μｍ以下）の
粒度で分散した組織を含むことを特徴とする。

【００２２】高温超伝導体を合成する際にその組織中に
分散する同素体の絶縁相が５０μｍ以下の場合に良好な
磁場捕捉性能が現れ、０.５Ｔ級の磁場を発生して本発
明の用に供することができる。白金やセリウムを加えた
ある種の系では絶縁相は１０μｍ以下に抑えることがで
き、この場合は１Ｔ級の、あるいはそれ以上数Ｔに及ぶ
極めて優秀な性能の磁場が捕捉でき、本発明を高度に利
用可能となる。また銀を０〜５０％添加した系では合成
段階や使用段階で導入され易い亀裂に発生伝播を防ぐ性
質があり、より大型の高温超伝導体を健全に合成、使用
できる利点がある。

【００２３】高温超伝導体の磁場の着磁を静磁場で行う
ことができる。従来の金属系超伝導コイルで強力な静磁
場を発生させ、その磁場により高温超伝導体に磁場を捕
捉させることにより、金属系超伝導コイルで発生できる
強い静磁場を高温超伝導体に着磁させることができる。

【００２４】高温超伝導体の着磁をパルス磁場によって
行ってもよい。コイルに瞬間的に大きな磁場を発生させ
て高温超伝導体を着磁させることにより、より簡単に高
温超伝導体に着磁させることができる。

【００２５】また、前記高温超伝導体の冷却を、冷媒中
または冷凍機の冷却部分で、あるいは冷凍機で冷却され
た冷媒で超伝導遷移温度以下に冷却することが好まし
い。これらの冷凍機は、液体窒素中またはパルス管冷凍
機、ＧＭサイクル冷凍機、ソルベーサイクル冷凍機、ス
ターリングサイクル冷凍機、ペルチェ冷凍機のうち１種
又はそれらを組合わせた構成の冷凍機であることが好ま
しい。

【００２６】冷媒としては窒素、酸素、アルゴン、ヘリ
ウム、ネオン、水素等の気体、液体、固体（ヘリウムを
除く）を用いることができる。これにより、高温超伝導
体の超伝導遷移温度（例えば約９０Ｋ）以下に容易に冷
却することができる。高温超伝導体の冷却に際しては銅
などの金属、アルミナ単結晶などの伝熱体に直接、高温
超伝導体を接触させて冷却し、その金属あるいは伝熱体
を液体窒素などの上述の冷媒あるいは上述の各種の冷凍
機で冷却する構造が用いられてもよい。更に高温超伝導
体は冷凍機で冷却された液体窒素あるいはヘリウム、固
体窒素ガスなどの液体又はガス、固体などの冷媒によっ
て冷却される構造を用いてもよい。この場合には超伝導
体と冷凍機が隔離されるために、冷凍機の機械的な影響
を遮断できるため、より高精度な測定ができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を核磁気共鳴装置に用いた例を図面を参照して説明す
る。なお、各図において、共通する部分には同一の符号
を付し、重複した説明を省略する。図１は、本発明の方
法を適用する核磁気共鳴装置の全体構成図である。

【００２８】この図において、被測定物体１１はそのま
わりに巻かれた検出コイル１２の内部にあり、高周波発
振器とそれをパルスに成形するＧＡＴＥ部と、その高周
波パルスを増幅するパワーアンプより、パルスが送信コ
イルを通して被測定物体に与えられ、そのパルスの直後
より発生する自由誘導減衰（ＦｒｅｅＩｎｄｕｃｔｉ
ｏｎＤｅｃａｙ，ＦＩＤ）を受信コイルにより受信
し、後段の増幅器、位相検波器を通し、ＡＤ変換された
信号がコンピュータに保存される。このデータをフーリ
エ変換することにより、ＮＭＲの分析結果がコンピュー
タ上に表示され、あるいはＭＲＩとしてマッピングされ
た情報となる。

【００２９】本発明では、高温超伝導体２０は、真空断
熱容器２２内で超伝導遷移温度以下に冷却され、被測定
物体１１は、この高温超伝導体２０の静磁場内に挿入さ
れる。検出コイル１２は、被測定物体１１のＮＭＲ信号
を検出するように巻いて配置されている。この構成によ
り高温超伝導体２０にその軸心を中心とする超伝導電流
を発生させて着磁し、これにより高温超伝導体２０の近
傍に強い静磁場を発生させ、この磁場内に置かれた被測
定物体のＮＭＲ信号を検出コイルとスペクトロメータで
検出する。

【００３０】超伝導バルク２０は液体窒素中または冷凍
機の冷却部分で超伝導遷移温度以下に冷却される。冷凍
機は小型冷凍機が主に使われる。これらはパルス管冷凍
機、ＧＭサイクル冷凍機、ソルベーサイクル冷凍機、ス
ターリング冷凍機のうち１種が用いられ、寒剤（液体ヘ
リウム及び液体窒素）の煩わしい作業なく、超伝導バル
クを冷却する。この後超伝導バルクにはパルス磁場によ
って着磁がされ、超伝導永久磁石として機能するように
なる。この着磁は静磁場を印加しながら、超伝導遷移温
度以下に冷却することによっても行われる。このように
着磁された超伝導バルクは真空容器内部から磁場を発生
しており、この磁場中に被測定物体を設置して磁場を与
える。この被測定物体の周りには近接してコイルが設置
され、発振検波器を通じてＮＭＲ信号が検出される構成
である。

【００３１】図１において、高温超伝導体２０は、真空
断熱容器２２の内部に設置し、これを冷凍機の冷却部２
３（コールドヘッド）に接触させて固定する。真空断熱
容器２２を真空ポンプ２４で減圧して断熱状態にし、冷
凍機２５とその圧縮機２６を作動させて高温超伝導体２
０の温度を下げて超伝導状態にする。

【００３２】本発明の核磁気共鳴装置の制御方法では、
高温超伝導体２０の磁場の着磁を静磁場で行う。すなわ
ち、真空容器２２内の超伝導バルク２０を冷却して、そ
の際または冷却後に従来の金属系超伝導コイル１９で強
力な静磁場を発生させ、その磁場中にバルク磁石２０を
配置し、磁場を印加した状態で冷却を行うことによって
磁場を捕捉させる。金属系超伝導コイル１９は着磁後に
消磁し、取り外すことができる。この静磁場による着磁
（ＦｉｅｌｄＣｏｏｌ）により、着磁の際の高温超伝
導体２０の温度上昇を回避できるので、非常に強い静磁
場を高温超伝導体２０に捕捉させることができる。

【００３３】高温超伝導体２０の磁場の着磁をパルス磁
場によって行ってもよい。この方法（パルス着磁法）に
よれば、コイル１９に瞬間的に大きな磁場を発生させる
ことによって、バルク磁石に着磁することができる。静
磁場による着磁に比べて簡便な装置で手軽に着磁がで
き、着磁後により低温に保持されることから磁場の安定
性に優れるという利点がある。

【００３４】図２は、高温超伝導体の静磁場で着磁した
場合の捕捉磁場の温度依存性を示す図である。この図に
おいて、横軸は高温超伝導体の冷却温度、縦軸は捕捉さ
れた磁束密度である。また図中の線は、上が高温超伝導
体としてＳｍ（サマリウム）系を用いた場合、下がＹ
（イットリウム）系を用いた場合である。この図から明
らかなように、高温超伝導体をその超伝導遷移温度より
も十分低い温度まで冷却することにより、上述した静磁
場による着磁（ＦｉｅｌｄＣｏｏｌ）やパルス着磁法
により従来の超伝導磁石に匹敵する強い静磁場を形成で
きる。

【００３５】しかし、上述したように一旦高い磁束密度
まで着磁しても、その後、真空度の低下等により冷却温
度が上昇すると、磁束密度が低下してしまう。そのた
め、現実には、長期間磁束密度を安定して一定に保持す
ることは困難であり、核磁気共鳴装置の測定精度は徐々
に低下してしまう。

【００３６】図３は、本発明による核磁気共鳴装置の制
御フロー図である。この図に示すように、本発明の核磁
気共鳴装置の制御方法は、前述した真空断熱容器２２内
に位置する高温超伝導体２０により静磁場を発生させる
であって、着磁ステップ（Ａ）、磁束設定ステップ
（Ｂ）および運転制御ステップ（Ｃ）からなる。この各
ステップ（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を図２のＳｍ（サマリウ
ム）の場合について説明する。

【００３７】着磁ステップ（Ａ）では、高温超伝導体２
０をその超伝導遷移温度よりも十分低い温度まで冷却し
て、高温超伝導体を着磁する。Ｓｍ（サマリウム）の場
合、４０Ｋまで冷却すれば約８Ｔの磁場を着磁すること
ができる。なお、使用する所定の磁束密度が例えば６Ｔ
である場合にこの磁場を着磁できる十分低い温度（例え
ば約４５Ｋ）まで冷却すればよい。次いで、磁束設定ス
テップ（Ｂ）で、高温超伝導体２０を着磁温度（例えば
約４５Ｋ）よりは高く超伝導遷移温度（約９０Ｋ）より
も低い磁束設定温度（この例で約５２Ｋ）まで上昇させ
て所定の磁束密度（６Ｔ）に設定する。最後に、運転制
御ステップ（Ｃ）において、高温超伝導体２０を磁束設
定温度より低い運転温度範囲に制御する。この場合、運
転温度範囲の下限は低いほどよく、例えば着磁温度（例
えば約４５Ｋ）より低温の４０Ｋまで冷却してもよい。

【００３８】図４は、本発明の実施例を示す図である。
この図において、横軸は、約４ケ月の連続運転時間であ
り、縦軸は高温超伝導体の表面温度と磁場強度の変化を
示している。この図から、本発明の方法により、真空度
等の変化により高温超伝導体の表面温度が約４５Ｋから
５１Ｋまで変化しても、磁場強度を一定に保持できるこ
とがわかる。

【００３９】図５は、本発明の実施例における捕捉磁場
分布を示す図である。この図において、横軸は試料中心
からの距離、縦軸は発生磁界である。また図中の○印
（Ａ）は本発明の着磁ステップ（Ａ）の終了直後、△印
（Ｂ）は、磁束設定ステップ（Ｂ）の終了直後、□印
（Ｃ）は運転制御ステップ（Ｃ）の２日間経過後を示し
ている。この図に示すように、着磁ステップ（Ａ）でパ
ルス着磁により着磁を行った場合、その捕捉磁場分布は
図５（Ａ）のようになり、分布に乱れがあった。しか
し、その後磁束設定ステップ（Ｂ）で磁場を制御するこ
とにより、図５（Ｂ）のように等方的な分布となった。
さらに運転制御ステップ（Ｃ）でも、図５（Ｃ）のよう
に磁場の強度および分布は磁束設定ステップ（Ｂ）で設
定した図５（Ｂ）の状態から変化せず、安定していた。

【００４０】また、超伝導体の温度を部分的に上げるヒ
ータなどの熱源を備え、超伝導体に温度分布を形成する
ことにより、超伝導体に発生する磁界分布を所望の分布
（例えばフラット）にすることができる。このヒータな
どの熱源は超伝導体に直接あるいは間接に接触させても
よいが、レーザや赤外線などを外部から透過性真空容器
を透して照射してもよい。

【００４１】

【発明の効果】上述した本発明の方法によれば、着磁ス
テップ（Ａ）において、高温超伝導体をその超伝導遷移
温度よりも十分低い温度まで冷却して着磁するので、高
温超伝導体（バルク磁石）を非常に強い磁束密度に着磁
することができる。また、磁束設定ステップ（Ｂ）にお
いて、高温超伝導体を着磁温度よりは高く超伝導遷移温
度よりも低い磁束設定温度まで上昇させて所定の磁束密
度に設定するので、着磁ステップで着磁した最大の磁束
密度を若干下げて所望の磁束密度に自由に設定すること
ができる。

【００４２】更に、運転制御ステップ（Ｃ）において、
高温超伝導体を磁束設定温度より低い運転温度範囲に制
御するので、磁束設定ステップにおける温度よりは低い
温度範囲で真空度の低下等で温度が変動しても、高温超
伝導体の磁場は変動しないので磁束密度を一定に保持す
ることができる。また、高温超伝導体（２０）により静
磁場を発生させるので、従来の超伝導磁石の運転に不可
欠な寒剤（液体ヘリウム）を用いることなく、従来の超
伝導磁石に匹敵する強い静磁場を形成できる。さらにパ
ルス磁場で超伝導体を着磁する場合、その捕捉磁場分布
の対称性が悪い場合もあったが、本発明の方法で捕捉磁
場を少し減らして制御することにより、分布がより等方
的になり、安定した磁場分布と強度が得られるようにな
った。

【００４３】従って、本発明の方法は、従来の超伝導磁
石の運転に不可欠な寒剤（液体ヘリウム）を用いること
なく、従来の超伝導磁石に匹敵する強い静磁場を形成で
き、かつその静磁場の磁束密度を長期間安定して一定に
保持することができる等の優れた効果を有する。

【００４４】なお、本発明は上述した実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない限りで自由に変更するこ
とができることは勿論である。例えば永久磁石を着磁す
るための超伝導磁石装置や、磁気浮上列車の浮上用磁石
に高温超伝導体を使う場合等でも、所望の場所に所望の
磁場を安定して発生させる必要があるため、本発明の方
法が非常に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を適用する超伝導体磁場応用装置
（核磁気共鳴装置）の全体構成図である。

【図２】高温超伝導体の捕捉磁場の温度依存性を示す図
である。

【図３】本発明による超伝導体磁場応用装置の制御フロ
ー図である。

【図４】本発明の実施例を示す図である。

【図５】本発明の実施例における捕捉磁場分布を示す図
である。

【図６】パルスＦＴＮＭＲの原理図である。

【符号の説明】

１１被測定物体、１２検出コイル、１７伝導部
材、２０高温超伝導体（超伝導バルク、バルク磁
石）、２２真空断熱容器、２３冷却部、２４真空
ポンプ、２５冷凍機、２６圧縮機、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｎ 24/06 ５３０Ｙ (72)発明者鵜澤洵埼玉県和光市広沢２番１号理化学研究所内 (72)発明者岡徹雄愛知県刈谷市八軒町５丁目50番地株式会社イムラ材料開発研究所内 (72)発明者伊藤佳孝愛知県刈谷市八軒町５丁目50番地株式会社イムラ材料開発研究所内 (72)発明者柳陽介愛知県刈谷市八軒町５丁目50番地株式会社イムラ材料開発研究所内 (72)発明者吉川雅章愛知県刈谷市八軒町５丁目50番地株式会社イムラ材料開発研究所内 (72)発明者藪野良平愛知県刈谷市八軒町５丁目50番地株式会社イムラ材料開発研究所内Ｆターム(参考） 4C096 AB42 AB45 AD08 AD23 CA02 5G321 AA02 AA04 CA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空断熱容器（２２）内に位置する高温
超伝導体（２０）により静磁場を発生させる超伝導体磁
場応用装置の制御方法であって、（Ａ）高温超伝導体をその超伝導遷移温度よりも十分低
い着磁低温まで冷却して、高温超伝導体に磁場を着磁す
る着磁ステップと、（Ｂ）次いで、高温超伝導体を前記着磁低温よりは高く
前記超伝導遷移温度よりも低い磁束設定温度まで上昇さ
せて所定の磁束密度に設定する磁束設定ステップと、（Ｃ）次いで、高温超伝導体を前記磁束設定温度より低
い運転温度範囲に制御する運転制御ステップとを備える
ことを特徴とする超伝導体磁場応用装置の制御方法。
【請求項２】前記着磁ステップでは装置で発生させた
い磁場より大きな最大磁場を超伝導体に捕捉させ、前記磁束設定ステップでは磁場を必要とする位置で磁場
強度を計測しながら、所定の磁場に下がるまで前記超伝
導体の温度を上げ、かつ前記超伝導体の磁場が所定の強度まで下がると同時
に、もしくは所望の強度になるのをみこして再度温度を
下げ前記運転制御ステップに移行することを特徴とする
請求項１記載の超伝導体磁場応用装置の制御方法。
【請求項３】前記超伝導体の温度を部分的に上げるヒ
ータを備え、超伝導体に温度分布を形成することを特徴
とする請求項１記載の超伝導体磁場応用装置の制御方
法。
【請求項４】前記高温超伝導体（２０）は、その主成
分がＲＥ-Ｂａ-Ｃｕ-Ｏで表せる酸化物超伝導体であ
り、銀あるいは白金あるいはセリウムのうち１種あるい
は複数種を０ないし５０％含み、ＲＥはイットリウム
（元素記号Ｙ）、サマリウム（Ｓｍ）、ランタン（Ｌ
ａ）、ネオジム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガド
リニウム（Ｇｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウ
ム（Ｙｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈ
ｏ）のうち少なくとも１種または２種以上を合わせてな
るものであって、絶対温度９０Ｋ乃至９６Ｋの超伝導遷
移温度をもつ超伝導相とその内部にあって同素体の絶縁
相を５０μｍ以下、望ましくは１０μｍ以下の粒度で分
散した組織を含むことを特徴とする請求項１乃至３のい
ずれかの超伝導体磁場応用装置の制御方法。
【請求項５】高温超伝導体の磁場の着磁を静磁場で行
うことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかの超伝導
体磁場応用装置の制御方法。
【請求項６】高温超伝導体の磁場の着磁をパルス磁場
によって行うことを特徴とする請求項２乃至４のいずれ
かの超伝導体磁場応用装置の制御方法。
【請求項７】前記高温超伝導体の冷却を、冷媒中また
は冷凍機の冷却部分で、あるいは冷凍機で冷却された冷
媒で超伝導遷移温度以下に冷却することを特徴とする請
求項２乃至４のいずれかの超伝導体磁場応用装置の制御
方法。
【請求項８】請求項１乃至３のいずれかに記載の超伝
導体磁場応用装置の制御方法を用いた核磁気共鳴装置。
【請求項９】請求項１乃至３のいずれかに記載の超伝
導体磁場応用装置の制御方法を用いた超伝導磁石装置。
【請求項１０】冷凍機がパルス管冷凍機、ＧＭサイク
ル冷凍機、ソルベーサイクル冷凍機、スターリングサイ
クル冷凍機、ペルチェ冷凍機のうち１種又はそれらを組
合わせた構成である請求項７の核磁気共鳴装置。