JP2002156432A - 超伝導磁石コイル系と磁場形成デバイスを備える磁石装置及び寸法設計方法 - Google Patents

超伝導磁石コイル系と磁場形成デバイスを備える磁石装置及び寸法設計方法

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JP2002156432A
JP2002156432A JP2001284410A JP2001284410A JP2002156432A JP 2002156432 A JP2002156432 A JP 2002156432A JP 2001284410 A JP2001284410 A JP 2001284410A JP 2001284410 A JP2001284410 A JP 2001284410A JP 2002156432 A JP2002156432 A JP 2002156432A
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forming device
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field forming
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Robert Schauwecker
ショウェッカー ロバート
Pierre-Alain Bovier
ボヴィエー ピエール・アラン
Daniel M Eckert
エカート ダニエル・エム
Frank H Laukien
ローキエン フランク・エイチ
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 核磁気共鳴装置に用いられる超電動磁石にお
いて、作業容積内の磁場、磁場均一性及び浮遊磁場補償
効果は等しくして、アクティブ・シールディングに巻か
れた超伝導線量を減少させ、シールドされない装置と比
べたときの電流増加も小さくする。 【解決手段】 磁石装置は、均一であるがアクティブ・
シールドされていない半径方向内側部分コイル系Ｃ１
と、それと同軸の半径方向外側部分コイル系Ｃ２と、半
径方向に関して二つの部分コイル系Ｃ１，Ｃ２の間に位
置し、部分コイル系Ｃ１，Ｃ２に対して同軸である磁性
物質の磁場形成デバイスＰとを備える。半径方向外側部
分コイル系Ｃ２は該磁場形成デバイスＰと共に作業容積
ＡＶ内に均一な磁場を発生し、磁場形成デバイスＰの磁
性物質の磁化がほぼｚ軸方向を指して磁気的にほぼ飽和
している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ｚ＝０を中心に配
置される作業容積内にｚ軸方向の磁場を生成する超伝導
磁石コイル系とを備える磁石装置であって、該超伝導磁
石コイル系は、半径方向内側部分コイル系と、それと同
軸の半径方向外側部分コイル系と、ｚ軸の周りに好まし
くはｚ軸に関して円柱対称に配置され、半径方向に関し
て該半径方向内側及び半径方向外側部分コイル系の間に
位置し、二つの部分コイル系に対して同軸である磁性物
質の磁場生成デバイスとを備える磁石装置に関する。こ
の装置において、該半径方向内側部分コイル系は作業容
積内に均一な磁場を生成し、該半径方向外側部分コイル
系自体は作業容積内に不均一な磁場を生成する。本発明
はまた、種々の磁場形成デバイスの寸法設計方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】米国特許第4,587,504号（Re36,782）
は、半径方向内側及び半径方向外側部分コイル系及び磁
場シールディングを備え、半径方向内側部分コイル系の
磁場が均一である超伝導磁石装置を開示している。
【０００３】米国特許第5,012,217 号は,半径方向内側
及び半径方向外側部分コイル系と、半径方向に関してこ
の二つの部分コイル系の間に配置された円柱対称なシー
ルディングを備え、該半径方向外側部分コイル系の磁場
が不均一である超伝導磁石装置を開示している。
【０００４】超伝導磁石が用いられる応用分野はいろい
ろあるが、特に磁気共鳴法への応用があって、その場合
は、普通、磁石装置の作業容積内での磁場の局所的均一
性が重要になる。最も要求の厳しい応用分野は高分解能
核磁気共鳴分光学（ＮＭＲスペクトロスコピー）であ
る。普通、磁石コイル系の軸に沿って50乃至60 mmの長
さにわたり作業容積内で磁場強度の変動が10 ppm 未満
である均一な磁場を実現しようとする。磁石コイル系の
磁場を均一化する手段はコイルの体積を増大させる。し
たがって、また普通磁場強度は非常に大きいので、磁気
共鳴用のコイル系は磁気双極子モーメントが大きくな
り、その結果大きな浮遊磁場が生ずる。この浮遊磁場に
対抗するために、主コイル系の双極子モーメントを補償
する超伝導部分コイル系を搭載することもできる（アク
ティブ・シールド磁石コイル系）。磁場シールディング
によって、さらに浮遊磁場を減らすことができる。浮遊
磁場を減らすためのこれらの対策は磁石装置の作業容積
内の磁場均一性を損なってはならない。
【０００５】米国特許第4,587,504号（Re36,782）は、
核磁気共鳴用のアクティブ・シールド磁石コイル系を記
述しており、そこでは作業容積内の磁場均一性は、主コ
イル系とシールドコイル系を個々に均一化するか、又は
二つの部分コイル系が互いに不均一な磁場寄与分を補償
することによって実現される。第１の実施の形態は作業
容積内で得られる磁場均一性のコントロールを改善する
方向を目指し、第２の実施の形態はよりコンパクトな磁
石コイル系の建造を可能にする。付加的な磁場シールデ
ィングは作業容積内の磁場均一性に影響を及ぼすことな
く浮遊磁場の抑制を最適化する。
【０００６】米国特許第5,012,217 号は、付加的な磁場
シールディングを備えたアクティブ・シールド超伝導磁
石を記述しており、磁石コイル系自体が生成する作業容
積内の磁場は不均一であり、磁場シールディングの磁場
寄与分によって均一にされる。磁場均一化のための磁場
シールディングを採用することによって、よりコンパク
トな磁石システムを構成することができる。磁石コイル
系の磁場不均一性は普通主コイル系によって生ずるが、
シールドコイル系によっても生ずる。磁場シールディン
グは部分的に半径方向に関して二つの部分コイル系の間
にあり、従来の他の磁場シールディング装置に対比して
シールドコイル系のアンペア巻き線数を減らすことを可
能にしている。
【０００７】従来技術のアクティブ・シールド磁石装置
では、磁場シールディングを用いてアクティブ・シール
ド磁石装置の浮遊磁場抑制を改善し、作業容積内の磁場
均一化を図ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】これと対照的に、本発
明の目的は、均一であるがアクティブ・シールドされて
いない磁石コイル系（以下「半径方向内側部分コイル
系」という）を、不均一な半径方向外側部分コイル系で
補って、磁場形成デバイスと共に得られた磁石装置全体
が磁石装置の作業容積内に均一な磁場を生ずるようにす
ることにある。この半径方向外側部分コイル系は、例え
ば、浮遊磁場のアクティブ補償を与える。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この目的は、本発明によ
れば、半径方向外側部分コイル系が磁場形成デバイスと
共に作業容積内に均一な磁場を生成するという形で達成
される。磁場形成デバイスを利用して半径方向外側部分
コイル系を均一化するためには、作業容積内でのその正
確な磁場プロフィールを計算しなければならない。この
ためには、磁気履歴又は残留磁気効果が発生しないこ
と、そして作業容積内における磁場形成デバイスの磁場
の形に対して単純で正確な計算アルゴリズムが適用でき
ることが特に重要である。
【００１０】本発明は、問題のこの部分を次の仕方で、
すなわち、半径方向内側及び半径方向外側部分コイル系
を、二つの部分コイル系の間の半径方向スペースに、磁
場がほぼ磁石装置の軸方向に伸び、その強度は使用する
磁性物質を磁気的に飽和させるに十分であるような領域
があるように設計し、磁場形成デバイスをこの領域に配
置するという仕方で解決する。
【００１１】半径方向外側部分コイル系をもつ本発明の
磁場形成デバイスは、作業容積内に均一な磁場を生ずる
ので、半径方向外側部分コイル系をもつ磁場形成デバイ
スは既存の半径方向内側部分コイル系に後付けできると
いう利点がある。さらに、磁石系は二つのバリエーショ
ンで、すなわち半径方向外側部分コイル系と磁場形成デ
バイスを合わせて用いる型と用いない型で生産すること
ができる。磁石装置は、同じ半径方向外側部分コイル系
を用いて、例えば、浮遊磁場補償付きと付けないもので
製造することができる。半径方向外側部分コイル系をも
つ磁場形成デバイスによる均一化は、半径方向外側部分
コイル系が単純な構造、普通一つのソレノイドコイルを
もつという利点を有する。磁場形成デバイスの磁気的な
飽和及び磁石装置の軸方向への磁化、ならびに磁場形成
デバイスの円柱対称性は、その磁場を円柱表面電流によ
る磁場としてシミュレーションすることを可能にし、磁
場の単純かつ精密な計算を可能にする。
【００１２】本発明の磁石装置の特に好ましい実施の形
態では、半径方向内側及び半径方向外側部分コイル系は
電気的に直列に接続され、スイッチによって橋絡される
単一電流路を形成する。このような磁石装置では、それ
以上何の手段も講じなくても両方の部分コイル系に同じ
大きさの電流が流れることが保証される。
【００１３】本発明の磁石装置の別の有利な実施の形態
では、半径方向内側及び半径方向外側部分コイル系は電
気的に分離されて二つの別々の電流路を構成し、各々が
一つの超伝導スイッチで橋絡される。このような磁石装
置では、個々の部分コイル系の電流は個別に変えること
ができる。
【００１４】この実施の形態の二つの発展例では、半径
方向外側部分コイル系が動作時に半径方向内側部分コイ
ル系によって誘導的に充電されるか、又は半径方向内側
部分コイル系と半径方向外側部分コイル系を同じ又は反
対の極性の電流によって充電できる。第１の発展例で
は、半径方向外側部分コイル系が閉じた超伝導回路を有
利に形成するようにできる。第２の発展例は、磁石装置
のユーザーの個別的な要求に応じて、半径方向外側部分
コイル系を磁石装置の浮遊磁場を減らすように用いた
り、又は磁場形成デバイスの場所で半径方向外側部分コ
イル系の磁場寄与分が半径方向内側部分コイル系のそれ
を上回る場合、作業容積内の磁場を増大させるように用
いたりすることができるという点で有利である。
【００１５】本発明の磁石装置の特に好ましい１つの実
施の形態は、二つの部分コイル系がそれぞれ作業容積内
で磁石装置の軸の方向で反対向きの一つの磁場を生ずる
ことを特徴とする。この装置は半径方向内側部分コイル
系の浮遊磁場を減少させる。半径方向に関してこの装置
の二つの部分コイル系の間に配置される磁性物質、好ま
しくは強磁性物質を用いた本発明による磁場形成デバイ
スを用いると、半径方向内側部分コイル系が外側の方に
遮蔽される、すなわち、浮遊磁場が減少するという点で
特に有利である。さらに、半径方向外側部分コイル系は
磁石装置の作業容積から遮蔽される、すなわち、半径方
向外側コイル系による作業容積内の磁場減少は小さい。
これにより、半径方向外側部分コイル系の超伝導線を節
約でき、作業容積内の磁場強度を維持するための半径方
向内側部分コイル系の電流増加も小さくて済む。
【００１６】上記の実施の形態の１つの好ましい発展例
は、半径方向内側部分コイル系が、磁場形成デバイスを
もつ半径方向外側部分コイル系とほぼ大きさが等しく符
号が逆の磁気双極子モーメントを有する。もしも、この
条件が満たされるならば、磁石装置の外側で二重の磁場
寄与分が大体打ち消しあって磁石装置の浮遊磁場のほぼ
理想的な補償が実現する。
【００１７】本発明の磁石装置の別の有利な実施の形態
では、磁場形成デバイスは軸長がＬＰで内径がＲｉＰの
リングであり、ＬＰはほぼＲｉＰに等しい。磁場形成デ
バイスのこの実施の形態では、磁石装置の軸方向に二次
の空間依存性を有する半径方向外側部分コイル系の磁場
不均一性を補償する効率が最大になる、すなわち、使用
する磁性物質が最小量で済む。
【００１８】本発明の磁石装置の別の好ましい実施の形
態では、磁場形成デバイスは、軸長がＬＱで内径がＲｉ
Ｐの二つのリングから成り、それらが磁石装置の中央面
から間隔ＤＱだけ離れて配置されている、ここでＤＱ＜
0.5ＲｉＰであり、（ＤＱ＋２ＬＱ）はほぼＲｉＰに等
しい。磁場形成デバイスのこの実施の形態では、磁石装
置の軸方向に二次の形の空間的依存性を有する半径方向
外側部分コイル系の磁場不均一性を効率的に補償するこ
とができる。さらに、磁石装置の軸方向に二次よりも高
次の空間的依存性を有する磁場寄与分も補償できる。
【００１９】本発明の磁石装置の特に好ましい実施の形
態は、半径方向外側部分コイル系は、軸長がＬＣ２であ
り内径がＲｉＣ２であり、ＬＣ２が内径ＲｉＣ２のほぼ
２倍以上であるソレノイドコイルであることを特徴とす
る。この装置では、磁場が大体磁石装置の軸の方向に伸
び使用される磁性物質を飽和させるに十分な強度を有し
ている領域が一般に非常に大きい。半径方向外側部分コ
イル系をソレノイドコイルとして設計することは、製造
の面から特に有利である。この実施の形態は、磁場形成
デバイスによる半径方向外側部分コイル系磁場の均一化
が、コイル系の複雑な均一化構造を不要にするという点
で特に有利である。
【００２０】別の実施の形態による磁石装置は、高分解
能磁気共鳴スペクトロスコピーの装置の一部であること
を特徴とする。このような磁石装置では、作業容積内の
磁場に対する均一性の要求が特に厳しく、本発明の磁石
装置では作業容積内の磁場形成デバイスの磁場寄与分が
コイル系のそれと同じ精度で計算できるということが非
常に有利になる。
【００２１】本発明はまた、磁石装置の軸に沿って二次
の空間依存性を有する、例えば生産時の許容誤差による
磁場不均一性（以下「Ｈ２不均一性」という）を補償す
る二つの方法を含む。これらの方法によってその種の不
均一性を矯正するデバイス（いわゆる“ｚ2シム”）を
省くことができるという利点がある。第１の方法では、
半径方向外側部分コイル系の電流を適当に変え、半径方
向内側部分コイル系の電流を同じように変えることによ
って磁石装置の浮遊磁場が大体一定に保たれる。ここ
で、半径方向外側部分コイル系Ｃ２は好ましくはアクテ
ィブ・シールディングである。第２の方法では、半径方
向外側部分コイル系の電流を適当に変え、半径方向内側
部分コイル系の電流を適当に変えることによって磁石装
置の作業容積内の磁場が大体一定に保たれる。これらの
方法は、本発明によると半径方向内側部分コイル系が無
視できるほど小さいＨ２不均一性しか示さないのに対
し、半径方向外側部分コイル系は大きなＨ２不均一性を
有し、それは大部分磁場形成デバイスによって補償され
るという事実に基づいている。半径方向外側部分コイル
系のＨ２不均一性は電流によって変わるのに対し、磁場
形成デバイスのそれは磁気的な飽和のために一定にとど
まる。これにより半径方向外側部分コイル系の電流変化
は小さなＨ２不均一性を生ずるのに対し、半径方向内側
部分コイル系の電流調整はＨ２不均一性にそれ以上の影
響を及ぼさない。
【００２２】本発明はまた、磁石装置の軸であるｚ軸方
向に磁化してこの軸に関して円柱対称な磁気的に飽和し
た磁場形成デバイスを用いて半径方向外側部分コイル系
の磁場を均一化する方法を含んでいる。半径方向外側部
分コイル系の磁場不均一性Ｈｎ（Ｃ２）（磁石装置の軸
ｚ軸方向にｎ次の空間依存性を示すもの）は、ｎ＝１，
２，３及び４について、対応する磁場形成デバイスの磁
場不均一性Ｈｎ（Ｐ）＝−Ｈｎ（Ｃ２）によって補償さ
れ、ここで磁場不均一性Ｈｎ（Ｐ）は、磁場形成デバイ
スの各半径方向内側及び各半径方向外側表面Ｓ＝ＳＩk
及びＳ＝ＳＡm上で円筒面電流Ｊｓを仮定し、磁場不均
一性Ｈｎ（Ｃ２）への寄与分Ｈｎ（Ｓ）は
【００２３】
【数１０】
【００２４】とし、ここで、
【００２５】
【数１１】
【００２６】ｓｉｇｎ（Ｍｚ）：磁場形成デバイスの物
質の軸方向磁化の符号、 Ｍsat［Ｔ］：磁場形成デバイスの物質の飽和磁化、 Ｒｓ［ｍ］：円筒面Ｓの半径、 ｚ１ｓ［ｍ］：円筒面Ｓの下端のｚ＝０からの距離、 ｚ２ｓ［ｍ］：円筒面Ｓの上端のｚ＝０からの距離、
【００２７】
【数１２】
【００２８】であり、全ての表面電流Ｊｓの寄与分Ｈｎ
（Ｓ）を加え合わせることによって計算される。この方
法で磁場形成デバイスの磁場不均一性Ｈｎ（Ｐ）を精密
に計算できる利点がある。
【００２９】本発明はまた、磁石装置の軸であるｚ方向
に磁化してこの軸に関して円柱対称な磁気的に飽和した
磁場形成デバイスのｚ＝０における作業容積内の磁場寄
与分Ｈ0（Ｐ）を計算する方法を含み、この方法は磁場
形成デバイスの各半径方向内側及び各半径方向外側表面
Ｓ＝ＳＩk及びＳ＝ＳＡm上で円筒面電流Ｊｓを仮定し、
Ｈ0（Ｐ）への寄与分Ｈ0（Ｓ）が
【００３０】
【数１３】
【００３１】ここで、
【００３２】
【数１４】
【００３３】
【数１５】
【００３４】であり、全ての表面電流Ｊｓの寄与分Ｈ0
（Ｓ）が加え合わされることを特徴とする。ここで諸変
数の定義は上記の通りである。この方法で磁場形成デバ
イスの作業容積内での磁場寄与分Ｈ0（Ｐ）を精密に計
算できるという利点がある。
【００３５】本発明はまた、磁石装置の軸ｚ方向に磁化
してこの軸に関して円柱対称な磁気的に飽和した磁場形
成デバイスの磁気双極子モーメントを計算する方法に関
し、この方法は、変数
【００３６】
【数１６】
【００３７】が Ｖｐ［ｍ3］：磁場形成デバイスの体積 によって計算されることを特徴とする。他の変数は上記
の定義を有する。この方法で磁場形成デバイスの磁気双
極子モーメント、したがって、磁石装置の浮遊磁場への
その寄与分を精密に計算できるという利点がある。
【００３８】本発明のその他の利点は、以下の記述及び
図面から明らかになる。上記の特徴及び以下で述べる特
徴は、本発明に従って、個別に又は任意の組み合わせで
まとめて使用することができる。図示され、記述された
実施の形態は、網羅的な列挙と解されるべきものではな
く、むしろ本発明を説明するための例示としての性格を
有する。
【００３９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面で示し、その
実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００４０】図１は、作業容積ＡＶを中心に配置され、
半径方向内側及び半径方向外側同軸コイル系Ｃ１及びＣ
２とリングの形の磁場形成デバイスＰとを備える本発明
の磁石装置を示す。ＬＰ及びＬＣ２は、磁場形成デバイ
スＰ及び半径方向外側コイル系Ｃ２の軸長を表す。Ｒｉ
Ｐ及びＲｉＣ２は、磁場形成デバイスＰ及び半径方向外
側コイル系Ｃ２の内径を表す。
【００４１】図２は、二つのリングがｚ＝０を中心に間
隔ＤＱで配置された磁場形成デバイスの特に好ましい実
施の形態を示す。ＬＱ及びＬＣ２は、磁場形成デバイス
・リング及び半径方向外側コイル系Ｃ２の軸長を表す。
ＲｉＰ及びＲｉＣ２は、磁場形成デバイス・リング及び
半径方向外側コイル系Ｃ２の内径を表す。
【００４２】図３は、半径方向内側及び半径方向外側円
筒面ＳＩ1，ＳＩ2，ＳＩ3及びＳＡ1，ＳＡ2，ＳＡ3 を
有するいくつかの同心リングの形の磁場形成デバイスを
示す。変数ＲSIk及びＲSAk（ｋ＝１，２，３）は円筒面
の半径を表す。変数ｚ１SIk＝ｚ１SAk（ｋ＝１，２，
３）は円筒面ＳＩｋ及びＳＡｋの下端のｚ＝０からの距
離を表す。変数ｚ２SIk＝ｚ２SAk（ｋ＝１，２，３）は
円筒面ＳＩｋ及びＳＡｋの上端のｚ＝０からの距離を表
す。
【００４３】以下では、本発明を、それぞれ作業容積Ａ
Ｖ内に9.40テスラの磁場を生ずる超伝導磁石装置のいろ
いろな実施の形態について説明する。この磁場強度は核
磁気共鳴装置でしばしば用いられるものであり、400Ｍ
Ｈｚという陽子共鳴周波数に対応する。磁石は液体ヘリ
ウム浴中で4.2ケルビンという温度で運転される。
【００４４】このような磁石装置の１つの典型的な実施
の形態（以下「実施の形態“Ａ１”」という）は、同じ
極性のいくつかの同心、同軸ソレノイドコイルを含み、
そのコイルは磁石装置の作業容積ＡＶ内の磁場プロフィ
ールが核磁気共鳴用途での均一性条件を満たすように構
成された磁石コイル系Ｍを備える。したがって、実施の
形態Ａ１は、浮遊磁場を補償するデバイスを備えていな
い磁石コイル系である。自由な内側ボアの直径は70ミリ
メートルである。
【００４５】この磁石装置の浮遊磁場を減らすために、
反対の極性の追加部分コイル系を元のコイル系の半径方
向外側に取り付け、電気的に直列に結合することができ
る。以下では、元の半径方向内側コイル系は“主コイル
Ｃ１”と呼ばれ、半径方向外側コイル系は“アクティブ
・シールディングＣ２”と呼ばれる。この実施の形態
は、以下“Ａ２”という。
【００４６】本発明の変型（以下“Ａ３”という）がこ
の変型Ａ２と比較される。変型Ａ３は、アクティブ・シ
ールディングＣ２の他に、磁石の軸の方向に磁化した磁
気的に飽和した磁場形成デバイスＰを備える。磁場形成
デバイスＰはアクティブ・シールディングＣ２を均一化
するために用いられる。
【００４７】表１は、実施の形態Ａ１，Ａ２，及びＡ３
の最も重要な特徴を比較している。
【００４８】
【表１】
【００４９】表１において、Ｂは、作業容積ＡＶ内の磁
場強度、ｌは、磁石コイル系全体の電流、Ｌは、磁石コ
イル系全体のインダクタンス、Ｅは、磁石コイル系全体
の磁場エネルギ、Ｚ１０は、磁場強度の最大値からの差
が10 ppm 未満である領域の磁石軸方向の長さ、Ｒ５Ｇ
は、磁石装置の浮遊磁場が磁石中央面で0.5 ミリテスラ
未満になる磁石軸からの距離、ＬＣ２は、アクティブ・
シールディングに巻かれた超伝導線の長さである。
【００５０】３つの実施の形態Ａ１，Ａ２，及びＡ３の
比較ができるように、作業容積内の磁場及び磁場均一性
は等しくした。実施の形態Ａ２及びＡ３における浮遊磁
場補償デバイスの効果は、浮遊磁場が0.5ミリテスラ未
満になる磁石軸からの距離が元の値のほぼ３分の１に減
少していることに見られる。したがって、この二つのシ
ールド磁石装置は、シールドされない磁石装置が使用す
る実験室スペースのほぼ１０パーセントのスペースしか
必要としない。変型Ａ２と本発明の変型Ａ３との比較か
ら―浮遊磁場の補償は同一であっても―磁場形成デバイ
スを用いると、アクティブ・シールディングＣ２の線量
がかなり減少し、シールドされない装置Ａ１と比べたと
きの電流増加も小さくなることが分かる。変型Ａ２に比
べたときの利得は20 乃至25パーセントになる。磁場形
成デバイスは磁石コイル系の磁場エネルギに特に有利な
効果があり、実施の形態Ａ１の磁場エネルギと比べて実
施の形態Ａ３では２パーセントしか増加しないが、変型
Ａ２では１０パーセントも増加する。
【００５１】３つの実施の形態Ａ１，Ａ２，及びＡ３の
全てにおいて、主コイルＣ１は作業容積内に均一な磁場
を生ずるので、浮遊磁場シールディング（Ａ２ではこれ
はアクティブ・シールディングＣ２であり、Ａ３ではア
クティブ・シールディングＣ２と磁場形成デバイスＰで
ある）も、全体として均一な磁場を生じ、装置全体とし
て生ずる磁場も均一になるようにしなければならない。
これは、変型Ａ２の場合、アクティブ・シールディング
Ｃ２が３つの同軸ソレノイド・コイルを備えることによ
って達成される。これらのソレノイド・コイルの長さと
軸方向位置を適当に選ぶことによって作業容積内に必要
な磁場均一性を生ずることが可能になる。
【００５２】しかし、本発明の磁石装置Ａ３のアクティ
ブ・シールディングＣ２は、内径が0.2 メートル、軸長
0.4 メートルの単一ソレノイドで、磁石装置の中央面に
対称に配置されている。アクティブ・シールディングＣ
２のこの実施形態は、実施の形態Ａ２による変型よりも
かなり楽に実現できる。このソレノイドは3720 巻線を
備え、各巻き線に105.7 アンペアの電流が流れる。
【００５３】このコイルの磁石軸方向の磁場強度ＢC2の
空間依存性は次の多項式で記述できる。
【００５４】ＢC2（ｚ）＝Ｈ0（Ｃ２）＋Ｈ2（Ｃ２）・
ｚ2＋Ｈ4（Ｃ２）・ｚ4＋．．．， ここで、ｚは、磁石装置の作業容積ＡＶの中心からの軸
方向距離である。４次以上の高次の寄与分は磁石装置Ａ
３のアクティブ・シールディングＣ２では十分小さく、
作業容積ＡＶ内の磁場プロフィールに何も影響がない。
このコイルは実質的に磁石装置の作業容積ＡＶ内で強度
が磁石軸に沿って二次の依存性を有する磁場を生ずる。
この磁場プロフィールは核磁気共鳴装置には不十分であ
る。２次及び４次の項は実質的にゼロでなければならな
い。
【００５５】アクティブ・シールディングＣ２の不均一
性は本発明の磁石装置では磁場形成デバイスＰによって
補償される。磁石装置Ａ３の場合、これはアクティブ・
シールディングＣ２の２次の磁場寄与分Ｈ2（Ｃ２）が
大きさが等しく反対方向の磁場形成デバイスＰの寄与分
Ｈ2（Ｐ）＝−Ｈ2（Ｃ２）によって補償されなければな
らないということを意味する。上述のソレノイド・コイ
ルではＨ2（Ｃ２）は0.82ミリテスラ／ｃｍ2である。こ
の不均一性は、実施の形態Ａ３では磁石コイル系と同軸
な中空円筒の形の磁場形成デバイスＰによって補償さ
れ、その円筒の内径は0.148メートル、外径は0.175メー
トル、長さは0.213メートルである。磁場形成デバイス
Ｐは軟鉄製で磁石装置の中央面に関して対称に配置され
る。
【００５６】磁性物質が磁気的に飽和し、磁石装置の軸
方向に磁化していると仮定すると、磁場形成デバイスの
半径方向内側及び半径方向外側表面Ｓ＝ＳＩ及びＳ＝Ｓ
Ａ上で円筒面電流Ｊｓを仮定してＨ2（Ｐ）を計算する
ことが可能であり、Ｈ2（Ｐ）への寄与分Ｈ2（Ｓ）は
【００５７】
【数１７】
【００５８】となる。ここで、
【００５９】
【数１８】
【００６０】であり、 ｓｉｇｎ（Ｍｚ）：磁場形成デバイスＰの物質の軸方向
磁化の符号、 Ｍsat［Ｔ］：磁場形成デバイスＰの物質の飽和磁化
（軟鉄では2.15 Ｔ）、 Ｒｓ［ｍ］：円筒面Ｓの半径、 ｚ１ｓ［ｍ］：円筒面Ｓの下端の磁石装置中央面からの
距離、 ｚ２ｓ［ｍ］：円筒面Ｓの上端の磁石装置中央面からの
距離、
【００６１】
【数１９】
【００６２】である。
【００６３】したがって、Ｈ2（Ｐ）は二つの表面電流
ＪSI及びＪSAの寄与分Ｈ2（ＳＩ）及びＨ2（ＳＡ）の和
である。他の次数ｎの磁場寄与分Ｈｎ（Ｐ）も同様な仕
方で計算できる。ｎ＝１，３，及び４での関数Ｙｎ
（Ｘ）は、例えば、
【００６４】
【数２０】
【００６５】となる。ゼロ次の磁場寄与分Ｈ0（Ｐ）は
磁場形成デバイスＰによって作業容積ＡＶの中心で全磁
場が変化した磁場強度分に対応する。これも同様な仕方
で関数
【００６６】
【数２１】
【００６７】を用いて計算される。
【００６８】この方法を、磁石装置の軸に沿った磁場形
成デバイスＰの磁場プロフィールの計算に適用できるよ
うにするためには、磁性物質は磁気的に飽和し、磁石装
置の軸方向に完全に磁化していなければならない。これ
が実際に当てはまるかどうかは磁場形成デバイスが置か
れているバックグラウンド磁場による。この磁場は主コ
イルＣ１とアクティブ・シールディングＣ２によって発
生される。本発明の磁石装置Ａ３では、この磁場は磁場
形成デバイスＰの全体積のいたるところで1.25テスラよ
り強く、これは使用される軟鉄をほぼ磁気的に飽和させ
るに十分である。磁石装置の軸方向の磁場成分は、磁場
形成デバイスＰの全体積にわたってこの軸から半径方向
外向きの成分より少なくともほぼ１０倍強い。したがっ
て、この物質は磁気的に飽和しているだけでなく、純粋
に磁石装置の軸方向に磁化している。上記の方法を磁石
装置の軸に沿った磁場形成デバイスＰの磁場プロフィー
ルの計算に適用できるための前提条件は本発明の磁石装
置Ａ３に関してあてはまっている。
【００６９】本発明の磁石装置においては、例えば実施
の形態Ａ３においても、磁場形成デバイスＰは、半径方
向に関して半径方向内側及び半径方向外側部分コイル系
Ｃ１及びＣ２の間に取り付けられる。半径方向外側部分
コイル系がアクティブ・シールディングである場合、こ
れは二つの部分コイル系のこの領域における磁場寄与分
が強め合う形になるという点で有利である。これは磁場
形成デバイスＰの磁気的飽和という前提条件に有利にな
る。さらに、磁化の方向も、作業容積ＡＶ内の磁場がこ
の磁場形成デバイスＰによって増大し、他方浮遊磁場は
弱められるようなものである。
【００７０】本発明の磁石装置Ａ３におけるアクティブ
・シールディングＣ２は、その軸長が内径に等しくなる
ように寸法設計されている。長さ対半径比がこれ以上の
コイル配置は、その比がこれより小さいコイル配置に比
べて、半径方向に関して主コイルＣ１とアクティブ・シ
ールディングＣ２の間で強い軸方向性磁場を生成し易く
なる。これは、磁場形成デバイスＰが純粋に軸方向に磁
化するという前提条件に有利になる。同じ理由により、
磁場形成デバイスＰの軸長はアクティブ・シールディン
グＣ２より実質的に短く作られている。それは、磁石コ
イル系の非軸方向磁場成分が主にコイルの端の領域で大
きくなるからである。長さ対半径比が１以下の磁場形成
デバイスＰはｎ＝２又は４の磁場不均一性Ｈｎ（Ｐ）を
最も効率的な仕方で、すなわち、最小量の物質によって
生ずる。
【００７１】磁場形成デバイスＰを最適に寸法設計する
ためには、全体の磁場プロフィールへの寄与分Ｈｎ
（Ｐ）を、ｎ＝０，１，２，．．について作業容積ＡＶ
の領域で磁石装置の軸方向で正しく計算しなければなら
ない。さらに、磁石装置の外の浮遊磁場への寄与分も決
定しなければならない。簡単な方法は磁場形成デバイス
Ｐの双極子モーメントｍ（Ｐ）の計算に基づく。すなわ
ち、
【００７２】
【数２２】
【００７３】ここで、 Ｖp［ｍ3］：磁場形成デバイスＰの体積 である。
【００７４】用いられた他の変数は上記の定義を有す
る。磁石装置からの十分大きな距離では、磁場形成デバ
イスＰの磁場は磁気双極子モーメントｍ（Ｐ）をもつ磁
気双極子の磁場についての既知の公式によって計算でき
る。
【００７５】
【発明の効果】本発明の、磁場形成デバイスをもつ半径
方向外側部分コイル系は作業容積内に均一な磁場を生ず
るので、磁場形成デバイスをもつ半径方向外側部分コイ
ル系を既存の半径方向内側部分コイル系に後付けするこ
とができるという利点がある。さらに、磁石システムは
二つのバリエーションで、すなわち、半径方向外側部分
コイル系に磁場形成デバイスを合わせて用いる型と用い
ない型で生産することができる。磁石装置は、同じ半径
方向外側部分コイル系を用いて、例えば、浮遊磁場補償
付きと付けないものを製造することができる。半径方向
外側部分コイル系と磁場形成デバイスを合わせたものに
よる均一化は、半径方向外側部分コイル系が単純な構造
をもつように、普通一つのソレノイドコイルにできると
いう利点を有する。磁場形成デバイスの磁気的な飽和及
び磁石装置の軸の方向への磁化、ならびに磁場形成デバ
イスの円柱対称性は、その磁場を円柱表面電流による磁
場としてシミュレーションすることを可能にし、磁場の
単純かつ精密な計算を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁石装置の半径方向半分の垂直断面概
略図である。
【図２】磁場形成デバイスＰの特に好ましい実施の形態
を含む本発明の磁石装置の半径方向半分の垂直断面概略
図である。
【図３】いくつかの同心リングの形をした本発明の磁場
形成デバイスＰの半径方向半分の垂直断面概略図であ
る。
【符号の説明】
ＡＶ 作業容積 Ｃ１ 半径方向内側同軸コイル系 Ｃ２ 半径方向外側同軸コイル系 Ｐ 磁場形成デバイス Ｍ 超伝導磁石コイル系 ＬＰ，ＬＣ２ 軸長 ＲｉＰ，ＲｉＣ２ 内径
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｈ０１Ｆ 5/08 Ａ (72)発明者 ダニエル・エム エカート スイス国 デューベンドルフ ツェーハー −8600 ランガーウェグ ４ (72)発明者 フランク・エイチ ローキエン アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 01773 リンカン スミス ヒル ロード 12 Ｆターム(参考） 4C096 AB32 AB48 AD08 CA02 CA22 CA25 CA40

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ｚ＝０を中心に配置された作業容積（Ａ
    Ｖ）内にｚ軸方向の磁場を発生する超伝導磁石コイル系
    （Ｍ）を備える磁石装置であって、該超伝導磁石コイル
    系（Ｍ）は、半径方向内側部分コイル系（Ｃ１）と、そ
    れと同軸の半径方向外側部分コイル系（Ｃ２）と、好ま
    しくはｚ軸の周りに円柱対称に配置され、半径方向に関
    して該半径方向内側及び半径方向外側部分コイル系（Ｃ
    １，Ｃ２）の間に位置し、二つの部分コイル系（Ｃ１，
    Ｃ２）に対して同軸である磁性物質の磁場形成デバイス
    （Ｐ）とを備える磁石装置において、 該半径方向内側部分コイル系（Ｃ１）は作業容積（Ａ
    Ｖ）内に均一な磁場を生成し、該半径方向外側部分コイ
    ル系（Ｃ２）自体は作業容積（ＡＶ）内に不均一な磁場
    を発生するが、該半径方向外側部分コイル系（Ｃ２）は
    該磁場形成デバイス（Ｐ）と共に作業容積（ＡＶ）内に
    均一な磁場を発生し、該磁場形成デバイス（Ｐ）の磁性
    物質の磁化がほぼｚ軸方向を指して磁気的にほぼ飽和し
    ていることを特徴とする磁石装置。
  2. 【請求項２】 二つの部分コイル系（Ｃ１，Ｃ２）は、
    それぞれ作業容積（ＡＶ）内にｚ軸方向で反対向きの１
    つの磁場を発生することを特徴とする請求項１記載の磁
    石装置。
  3. 【請求項３】 該半径方向内側部分コイル系（Ｃ１）
    は、該半径方向外側部分コイル系（Ｃ２）と該磁場形成
    デバイス（Ｐ）を合わせたものとほぼ同じ大きさで符号
    が逆の磁気双極子モーメントを有することを特徴とする
    請求項２記載の磁石装置。
  4. 【請求項４】 該磁場形成デバイス（Ｐ）は、軸長ＬＰ
    で内径がＲｉＰであるリングであって、ＬＰがほぼＲｉ
    Ｐに等しいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか
    １項に記載の磁石装置。
  5. 【請求項５】 該磁場形成デバイス（Ｐ）は、軸長ＬＱ
    で内径がＲｉＰである二つのリングから成り、それらが
    ｚ＝０を中心にして対称に間隔ＤＱで配置され、ＤＱ＜
    0.5ＲｉＰであり、かつ（ＤＱ＋２ＬＱ）がほぼＲｉＰ
    に等しいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１
    項に記載の磁石装置。
  6. 【請求項６】 該半径方向外側部分コイル系（Ｃ２）
    は、軸長がＬＣ２で内径がＲｉＣ２であり、ＬＣ２が内
    径ＲｉＣ２のほぼ２倍以上であることを特徴とする請求
    項４又は５記載の磁石装置。
  7. 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれか１項による、
    ｚ軸方向に磁化してこのｚ軸に関して円柱対称な磁気的
    に飽和した磁場形成デバイス（Ｐ）によって半径方向外
    側部分コイル系（Ｃ２）を均一化する方法において、 ｚ軸に沿ってｚのｎ次のべきで変化する半径方向外側部
    分コイル系（Ｃ２）の磁場不均一性Ｈｎ（Ｃ２）が、ｎ
    ＝１，２，３，及び４について、磁場形成デバイス
    （Ｐ）の対応する磁場不均一性Ｈｎ（Ｐ）＝−Ｈｎ（Ｃ
    ２）によって補償され、磁場不均一性Ｈｎ（Ｐ）は、磁
    場形成デバイス（Ｐ）の各半径方向内側及び各半径方向
    外側表面Ｓ＝ＳＩk及びＳ＝ＳＡm上で円筒面電流Ｊｓを
    仮定し、磁場不均一性Ｈｎ（Ｐ）への寄与分Ｈｎ（Ｓ）
    を 【数１】 とし、ここで、 【数２】 ｓｉｇｎ（Ｍｚ）：磁場形成デバイス（Ｐ）の磁性物質
    の軸方向磁化の符号、 Ｍsat［Ｔ］：磁場形成デバイス（Ｐ）の磁性物質の飽
    和磁化、 Ｒｓ［ｍ］：円筒面Ｓの半径、 ｚ１ｓ［ｍ］：円筒面Ｓの下端のｚ＝０からの距離、 ｚ２ｓ［ｍ］：円筒面Ｓの上端のｚ＝０からの距離、 【数３】 であり、全ての表面電流Ｊｓの寄与分Ｈｎ（Ｓ）を加え
    合わせることによって計算されることを特徴とする方
    法。
  8. 【請求項８】 請求項１乃至６のいずれかによる、ｚ軸
    方向に磁化してこのｚ軸に関して円柱対称な磁気的に飽
    和した磁場形成デバイス（Ｐ）の、作業容積（ＡＶ）内
    のｚ＝０における磁場寄与分Ｈ0（Ｐ）を計算する方法
    において、 該磁場形成デバイス（Ｐ）の各半径方向内側及び各半径
    方向外側表面Ｓ＝ＳＩ k及びＳ＝ＳＡm上で円筒面電流Ｊ
    ｓを仮定し、Ｈ0（Ｐ）への寄与分Ｈ0（Ｓ）を 【数４】 とし、ここで 【数５】 【数６】 ｓｉｇｎ（Ｍｚ）：磁場形成デバイス（Ｐ）の磁性物質
    の軸方向磁化の符号、 Ｍsat［Ｔ］：磁場形成デバイス（Ｐ）の磁性物質の飽
    和磁化、 Ｒｓ［ｍ］：円筒面Ｓの半径、 ｚ１ｓ［ｍ］：円筒面Ｓの下端のｚ＝０からの距離、 ｚ２ｓ［ｍ］：円筒面Ｓの上端のｚ＝０からの距離、 【数７】 であり、全ての表面電流Ｊｓの寄与分Ｈ0（Ｓ）を加え
    合わせることを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】 請求項１乃至６のいずれかによる、ｚ軸
    方向に磁化してこのｚ軸に関して円柱対称な磁気的に飽
    和した磁場形成デバイス（Ｐ）の磁気双極子モーメント
    ｍ（Ｐ）を計算する方法において、変数 【数８】 が 【数９】 ｓｉｇｎ（Ｍｚ）：磁場形成デバイス（Ｐ）の磁性物質
    の軸方向磁化の符号、 Ｍsat［Ｔ］：磁場形成デバイス（Ｐ）の磁性物質の飽
    和磁化、 Ｖp［ｍ3］：磁場形成デバイス（Ｐ）の磁性物質の体積 によって計算されることを特徴とする方法。
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