JP2006038446A - 遮蔽された蓄熱材を備える磁石システム - Google Patents

Abstract

【課題】磁性蓄熱材を具備したパルス管冷凍機を有すると共に時間的に一定の磁場を最適な安定性をもって動作容積において実現する磁石システムを提供する。
【解決手段】磁性蓄熱材の位置における磁石装置の漂遊磁界を減少させる磁気シールド材を設けたことを特徴とし、また、

を特徴とする。ここで、ｍ_Ｍａｇはシールドの磁性材料の双極子モーメント、Δχはシールドの磁性材料の振動振幅、ｍ_Ｒｅｇは磁気シールドなしの場合の１サイクルにおける磁性蓄熱材の双極子変動振幅、

は磁気シールドありの場合の１サイクルにおける磁性蓄熱材の双極子変動振幅、およびＲは動作容積（Ｖ）からの磁性蓄熱材（ｒ）の平均離間距離である。
【選択図】なし

Description

本発明は、磁石装置と、動作容積（working volume）と、磁性蓄熱材を具備するパルス管冷凍機とを備えた磁石システムに関する。

磁石装置の要素の冷却にパルス管冷凍機を使用することは、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に記載のパルス管冷凍機は、ヘリウム槽を４．２Ｋよりも低温に冷却するために用いられる。そのような低温では超伝導体に流れる電流が増大するので、パルス管冷凍機に設置した磁石コイルにより、４．２Ｋで発生する磁場よりも強い磁場を発生させることができる。

特許文献２にはピストン冷凍機を備えた磁石装置が開示され、この磁石装置は磁気相転移を伴う材料からなる摺動体を備えている。そして、超伝導スリーブが冷凍機を包囲しており、摺動体の運動に伴って生じる磁気干渉を遮蔽するものになっている。超伝導スリーブは冷凍機の冷却端と検査領域との間に配されている。この超伝導スリーブは冷凍機の冷却端の９０°ないし２７０°を包囲している。蓄熱材の擾乱磁場により、スリーブを通る磁束が一定に保たれるよう逆向きの磁場がスリーブに誘起される。これにより磁気干渉が補償される。しかしながら、この種の磁石装置はクエンチされ易く、従って高信頼度かつ高安定性のシールドを提供するものではないことが分かっている。また、包囲が９０°ないし２７０°と不完全であって十分なシールド電流が流れないので、スリーブに平行な磁場を補償することはできない。

特許文献３は、超伝導磁石装置およびパルス管冷凍機を具備した磁石システムを開示する。この磁石システムのパルス管冷凍機は、磁石システムの吊り管の中に配されている。そして、パルス管冷凍機により、気化した低温液体を再び液化させることができる。
欧州特許出願公開第０９０５４３４号明細書 米国特許第６，０２９，４５８号明細書 欧州特許出願公開第０９０５５２４号明細書

パルス管冷凍機は、その他の冷凍機ほどには振動しない。これは、擾乱を受け易い磁石システムでは大きな利点となる。低温超伝導体の冷却を可能とするため、温度を４．２Ｋよりも低温にすることが関心事である。磁性蓄熱材を備えたパルス管冷凍機は、この温度範囲で特に冷却効率が高い。特に、パルス管冷凍機の蓄熱材において、希土類は４．２Ｋにまで低下した温度においても冷却効率が良好である。このように冷却性能が良好であるのは、磁気相転移の近傍での希土類の熱容量が大きいからである。そして、相転移に起因して、磁石装置の漂遊磁界により希土類が磁化される。蓄熱材の磁気特性は温度によって変化し、また冷却サイクルに伴って変化する。従って、磁石装置の漂遊磁界中で磁化の大きさが周期的に変化する。また、この磁化変動により、動作容積における磁石装置の電磁擾乱が時間的に変化する。この時間依存性の磁化について、特許文献１には開示がない。すなわち、特許文献１のものは、蓄熱材の磁化により、静的かつ均一な擾乱（磁気干渉）のみが動作容積で発生すると仮定している。このような擾乱は問題を提起するものではない。

本発明の基礎的な目的は、磁性蓄熱材を具備したパルス管冷凍機を有すると共に時間的に一定の磁場を最適な安定性をもって動作容積において実現する磁石システムを提供することにある。

この目的は、磁性蓄熱材の位置における磁石装置の漂遊磁界を減少させる磁気シールド材を提供する本発明により達成される。本発明は、

を特徴とし、ここで、ｍ_Ｍａｇは磁気シールド材の双極子モーメント、Δχは磁気シールド材の振動振幅、ｍ_Ｒｅｇは磁気シールドがない場合の１サイクルにおける磁性蓄熱材の双極子変動振幅、
（外２）

は磁気シールドがある場合の１サイクルにおける磁性蓄熱材の双極子変動振幅、また、Ｒは動作容積からの磁性蓄熱材の平均離間距離である。

発明性のある磁気シールド材は、磁性蓄熱材の位置における磁石装置の漂遊磁界を遮蔽する。これにより、磁性蓄熱材の双極子変動を減少させることができる。結果として動作容積で生じる磁石装置の電磁擾乱を効率的に抑制可能である。軟磁性材は磁力線を引き寄せ、これにより内側の磁場を遮蔽するので、磁性蓄熱材を遮蔽するのに特に好適である。

磁石装置の漂遊磁界により中空シリンダ材が磁化され、磁気双極子となる。パルス管冷凍機は、気化が最も少ない冷凍機ではあるが、最小限の振動が存在し、また、振動は磁気シールド材に伝達可能である。発明性のある磁気シールド材は、従って、振動する磁気双極子とみなすことができ、磁石装置の動作容積内で周期的な電磁擾乱を発生し、また、この擾乱は磁性蓄熱材の当初の擾乱よりも大きいことさえある。この問題を回避するためには、磁石装置の動作容積における磁性蓄熱材および磁気シールドの双方による電磁擾乱の大きさを推定する必要があり、また、これに対応してシールドパラメータを求める必要がある。上記の不等式

が成立する場合、動作容積で振動シールドが発生する擾乱は、磁気シールドなしの状態で磁性蓄熱材が発生可能な擾乱よりも少なくとも２分の１だけ小さい。従って、磁性蓄熱材を備えたパルス管冷凍機の作動により、発明性のある磁石システムの動作容積で生じる擾乱は、従来公知の磁石システムのものに比べて相当に減少する。

パルス管冷凍機は、発明性のある磁石システムにおいて、例えば、超伝導磁石装置または超伝導磁石装置が設置されたクライオスタット部品を冷却するために用いられる。この種の磁石システムでは、ワイヤの超伝導特性のために低温が必要となる。また、この種の磁石システムは、例えば極めて高くかつ均一な磁場を発生させるために使用される。

更なる用途において、パルス管冷凍機は、磁石装置の動作容積内にある計測装置を冷却し、信号中の熱的ノイズを有利に減少させる。特に、磁気共鳴分光では、計測装置を冷却することにより、信号中のノイズレベルは計測時間を相当短縮可能になるほど減少する。

磁石システムの特に好適な実施形態において、磁気シールド材は少なくとも１０，０００の最大透磁率を有する。最大透磁率は相対透磁率の最大値であり、磁場強度の関数である。そして、相対透磁率はシールド効果の計測値であり、従って、最大透磁率の高い磁気シールド材は、磁性蓄熱材の位置における磁石装置の漂遊磁界を最適に遮蔽することになる。さらに、磁気シールドが磁気飽和しない限り、磁気シールドは、磁性蓄熱材で引き続き発生可能な残りの擾乱を磁化の変化によって有利に相殺することができ、これにより動作容積における擾乱振幅が更に減少する。

特に好適な方法において、磁性材料の飽和誘導は少なくとも１テスラ、好ましくは２テスラである。従って、磁性蓄熱材の位置で磁石装置の漂遊磁界が比較的強い場合にも、シールド材を殆ど使用せずにこの漂遊磁界を補償することができる。また、飽和誘導が高いので、磁性材料は磁気飽和せず、磁性蓄熱材の位置における磁石装置の漂遊磁界を遮蔽し続けることになる。一方、磁性材料は、その磁化の変化により、磁性蓄熱材が発生する動作容積における残りの擾乱を相殺することもできる。

好適な実施形態では、磁気シールドは、遮蔽対象である磁性蓄熱材を包囲する少なくとも１つの中空シリンダを備える。蓄熱器は、通常、幾何学的には円筒状であるので、中空シリンダは、磁気シールドに関し最も簡単な実施形態である。シールド材は典型的にはシート状に製造される。そして、このシートを円筒状支持体のまわりに巻くことで所望の幾何学的形状を簡単に得ることができる。

特に好適な実施形態では、中空シリンダの内側部分は１０，０００を上回る高い透磁率μmaxを備えた材料からなり、一方、中空シリンダの外側部分は１テスラを上回る高い飽和誘導の材料からなる。外側材料の高い飽和誘導により、磁石装置の漂遊磁界が大幅に減少する。ここで、中空シリンダの、透磁率が高い内側部分は、大幅に減少した磁場に既に位置づけられており、その後最適な遮蔽を行うことができる。特に、蓄熱器の場所における磁石装置の強い漂遊磁界を良好に遮蔽するシールドが提供され、これにより磁性蓄熱材での電磁擾乱の発生を抑制する。

中空シリンダの外径は好ましくは、遮蔽されるべき磁性蓄熱材の外形の１．５倍よりも小さい。中空シリンダの外径が小さくなるほど、中空シリンダの磁性材の双極子モーメントは、所要条件すなわち

が成立するように小さくなる。また、中空シリンダ外径が小さいと、軟磁性材の磁気飽和が防止される。このため、磁性蓄熱材の位置における磁石装置の漂遊磁界が引き続き遮蔽され、また、磁性蓄熱材が引き続き発生可能な動作容積における擾乱を、中空シリンダの磁化の補償変化により減少させることができる。

発明性のある磁石システムの好適な実施形態において、中空シリンダの少なくとも一方の軸方向端部は、遮蔽対象の磁性蓄熱材を、中空シリンダ内径の少なくとも３分の１だけ越えて延びている。遮蔽対象の磁性蓄熱材の実寸法を超えて中空シリンダが延在すると、シールドにより、磁性蓄熱材の位置における磁石装置の漂遊磁界が実際確実に減少する。集中した磁力線は、中空シリンダの軸方向両端部で磁性材を離れねばならず、これにより主としてシリンダ軸線に平行な場の局所磁場増大が生じる。

特に好適な実施形態において、中空シリンダの少なくとも一方の軸方向端部は、遮蔽対象の磁性蓄熱材を中空シリンダ内径の略２倍だけ越えて延びる。中空シリンダの長さが増大するにつれて磁性材の飽和が加速されるので、中空シリンダはできる限り短いことが好ましい。満足な遮蔽効果を得るためには、中空シリンダの寸法を選択する際に上述のエッジ効果を考慮しなければならない。

発明性のある磁石システムの好適実施形態において、遮蔽対象の磁性蓄熱材のどの蓄熱材領域も、蓄熱器の動作中、全蓄熱材での最大磁化変動の１０％を越える磁化変動を伴うものである。シールドの磁性材体積は許容最小値まで減少され、これにより材料コストが削減され、また、シールドの変化により発生する擾乱が最小化される。

更なる利点は、動作中に磁性材の少なくとも一部分が磁気飽和しないようにすることにより達成される。磁気飽和した材料は、磁石装置の漂遊磁界の一部分を遮蔽することができないからである。磁性材が飽和すると、蓄熱材が発生可能な動作容積における更なる擾乱を補償することができなくなる。

特に好ましくは、磁気シールド材はその温度の安定化が図られ、とくに、放射シールド、パルス管冷凍機の冷却段または極低温液体を備えた容器に熱伝導可能に接続される。磁性蓄熱材で発生する温度変動もまた磁気シールドへ伝達可能であり、従って、シールドが磁性蓄熱材に近接して設置されている場合、これは特に関心事になる。そうでなければ、磁気シールドは温度依存性の磁気特性によって時間依存性の磁気双極子を構成し、また、動作容積で不所望の電磁擾乱を発生することになるであろう。

磁気シールドにおける温度変動を抑制するため、磁性材のシールドを磁性蓄熱材から熱的に絶縁してもよい。熱的絶縁は、熱伝達、熱放射およびまたは熱対流の低減を含む。

発明性のある磁石装置の更なる実施形態では、残りの擾乱を補償するための磁気シールドに加えて、伝導特性が良好なシールド材を磁性蓄熱材のまわりに設ける。そして、電気伝導性が良好な材料にシールド電流を流して逆向きの磁場を形成することにより、磁気シールドの振動、すなわち、依然として存在する磁性蓄熱材の双極子変動を補償することができる。

本発明の特に好適な実施形態において、電気伝導性が良好な材料のシールドは円筒状の対称部品を備え、また、電気伝導性が良好なシールドのところでの磁性蓄熱材およびまたは磁気シールドの磁場変化は、主として、対応するシリンダ軸線の方向に生じる。シールド電流は、擾乱されずに周辺方向に流れることができるので、電気伝導性が良好な材料からなるシリンダは、シリンダ外側の容積（volume）におけるシリンダ軸線に平行な場の変動を最適に補償することができる。

電気伝導性が良好な材料は低温超伝導体であるのが好ましい。超伝導体の抵抗が消滅すると、抵抗値なしに誘導電流を形成可能になり、また、擾乱を最適に補償することができる。しかしながら、低温超伝導体を使用するには十分低温の雰囲気温度が必要になる。そのような低温は、例えば、超伝導体とパルス管冷凍機の冷却段との熱的接触または超伝導体とクライオスタットの冷却容器との熱的接触により得ることができる。

低温超伝導体を用いた超伝導の発生に必要な低温をいかなる場合にも確実に得ることができるとは云えない。このため、発明性のある磁石システムの一実施形態では、電気伝導特性の良好な材料は高温超伝導体でもよい。必要な温度は、たとえば、超伝導体と２段パルス管冷凍機の第１段との接触またはクライオスタットの冷却容器との接触により得ることができる。

本発明の好適実施形態において、電気伝導性が良好な材料は、例えば、円筒状ブロックなどのバルク材料からなる。この実施形態において、シールド電流は全ての方向に流れることができ、電磁擾乱を最良に補償する。

特に好適な実施形態では、電気伝導性が良好な材料によりソレノイドコイルを形成する。超伝導体はバンドまたはワイヤの形式で入手できるので、これをソレノイドコイルに巻回することは容易である。

漂遊磁界を抑制するためのコイルを超伝導磁石装置に設けることも有利である。この種のアクティブシールドは、磁性蓄熱材の位置における磁場およびこれにより発生する擾乱を減じるものであり、上述の磁気シールド装置は斯く低減された漂遊磁界のみを補償すれば足りる。

磁性蓄熱材の位置での磁場は、１０ｍＴを越えないことが好ましい。この振幅の磁場は、合理的な量の軟磁性材により遮蔽することができる。

超伝導磁石装置は、有利には磁性蓄熱材の電磁擾乱を抑制するコイルを備える。この種の追加コイルにより、動作容積における磁性蓄熱材の残りの擾乱を補償することができる。

蓄熱材で周期的に変化する圧力波により、磁気シールドへ伝達可能な振動が発生する。パルス管冷凍機のコンプレッサすなわち床の振動もまた、磁気シールドを振動させることがある。このため、超伝導磁石装置は、振動する磁気シールドの電磁擾乱を抑制するコイルを備えることが有利である。

発明性のある磁石システムの一実施形態において、超伝導磁石装置のクライオスタットは、パルス管冷凍機によって作動温度状態にされる放射シールドを含む。放射シールドを冷却することにより、温暖環境から超伝導磁石装置へのエネルギ入力が減少する。

発明性のある磁石システムの更なる実施形態において、超伝導磁石装置のクライオスタットは液体窒素を備えた容器を有する。液体窒素は、気化した後にパルス管冷凍機により少なくとも部分的に再び液化され、液体窒素の消費を低減または削減する。

超伝導体を備える磁石装置において、冷却のために液体ヘリウムを使用してもよい。発明性のある磁石システムの好適実施形態において、気化した液体ヘリウムは、パルス管冷凍機により少なくとも部分的に再び液化され、これによりヘリウム消費を軽減または削減する。

本発明の別の実施形態において、磁石装置は、低温液体なしにパルス管冷凍機により作動温度状態にされおよびまたは作動温度に維持され、これにより時間を要し且つ費用のかかる低温液体の取り扱いが部分的または完全に削減される。

超伝導磁石装置が原子磁気共鳴装置の一部である場合、特に、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置または磁気共鳴分光（ＮＭＲ）装置の一部である場合、これらの装置は特に安定な磁場を必要とするので、発明性のある磁石システムの利点が特に有効になる。

本発明は、更に、請求項１７ないし２０のいずれかに記載の磁石システムを作動させる方法に関する。ここで、磁石装置のチャージ中、超伝導シールド材は誘導的にチャージされる。磁石装置のチャージ中における超伝導材料の誘導的なチャージにより、磁性蓄熱材の位置における磁石装置の漂遊磁界が補償されまたは減少し、磁性蓄熱材が不所望に磁化されることが防止または制限される。

本発明の更なる利点は、本願明細書および図面から抽出することができる。上述の及び後述の特徴は、個々に使用することができ、また、任意の組み合わせで併せて使用することができる。本願に図示かつ記載した実施形態は排他的に記したものではなく、むしろ、本発明を記載するための例示的な性質を有するものである。

動作容積Ｖにおける磁性蓄熱材ｒの磁化の変動によって発生する電磁擾乱を抑制するため、磁性蓄熱材ｒの場所における磁場を遮蔽することができる。軟磁性材料は磁力線を引き寄せるものであるが、軟磁性材料は磁場をその内部に遮蔽するので、電磁擾乱を抑制するという上記目的に特に適している。

図１は発明性のある磁石システムＭを示す。この磁石システムＭは、動作容積Ｖを有し、また、磁石システムＭから離れた磁気シールドｍを具備した２段式のパルス管冷凍機Ｐを有している。磁気シールドｍはパルス管冷凍機Ｐの第２段の磁性蓄熱材ｒを包囲しており、ここでは磁気シールドは特に簡易な実施形態すなわち中空シリンダとして示されている。この磁気シールドｍは、例えば軟磁性材料からなるものでよい。軟磁性材はシート状に製造されることが多く、円筒形状はこのシートを円筒状キャリアのまわりに巻き付けることにより容易に得ることができる。磁気シールドｍの所望の壁厚は、積層数を好適なものにすることにより得ることができる。軟磁性材料のＢＨ曲線は温度に依存するので、磁気シールドの温度変動は回避しなければならない。軟磁性材と磁性蓄熱材ｒとの間に熱絶縁層を設けてもよく、また、軟磁性材と装置に存在する温度安定部品とを熱的に接触させることによっても同様の効果が奏される。装置の温度安定部品は、例えば、低温液体または低温液体により冷却される容器でよい。別の可能性としては、動作中、所定温度になるパルス管冷凍機の両端部がある。

次の説明は、軟磁性材の幾何学的形状が内径Ｄ、高さＬおよび壁厚ｄである中空シリンダの場合に基づくものであるが、その他の幾何学形状であっても類似の結果を奏すると解される。単純化のため、磁性蓄熱材ｒの幾何学的形状が、直径Ｄ_Reg、高さＬ_Regの中実シリンダであると仮定する。ここで、中実シリンダは磁性材の中空シリンダ内に配置すべきものである。またここで強調すべきは、この中実シリンダが、磁性蓄熱材ｒの温度変動により相当な磁気変動を来す部分であるということである。

シリンダ軸線に垂直な磁場は、中空シリンダの中心において下記の遮蔽係数の分だけ遮蔽される。

シリンダ軸線に平行な磁場について、遮蔽係数は、

であり、ここで、いわゆる減磁因子Ｎは比Ｌ／Ｄに依存する。そして、μ_ｒは１よりも極めて大であると仮定する。上式は、両側が閉鎖されたシリンダについて適用され、従って、長い中空シリンダに対してのみ適用される。相対透磁率μ_rの値が大きい場合に良好なシールドが得られることは明らかである。相対透磁率は
Ｂ＝μ_oμ_rＨ
なる関係により定義され、場Ｂの関数である（ＢとＨ間の上記関係はいわゆる材料のＢＨ曲線である）。本願での説明対象である軟磁性材料に関し、μ_ｒは、磁場が弱ければ最大値μmaxに達し、磁場が強ければ漸近値を１として減少することになる。また、増大分ΔＨがΔＢ＝μ_oΔＨの増大分を生じさせるときに、磁性材料が飽和する。

材料中の全てのスピンが既に配向されているので、強い磁場に対してもはや増大分は影響を及ばさない。磁性材料の自己磁界は飽和誘導Ｂ_sと称され、Ｂ_s＝Ｂ−μ_ｏＨにより与えられる。

磁場が何ら飽和していない場合にも、値Ｂ／μ_oＨは「磁化」と称される。

図２は、最大透磁率が高い（波線）か或いは飽和最大誘導が高い（実線）軟磁性材料の典型的なＢＨ曲線を示す。最大透磁率μmaxの大きい材料につき、小さい磁場強度Ｈに対してＢＨ曲線が極めて急峻に増大することは、この種の材料が小さい磁場を効率的に遮蔽するのに好適なことを示している。典型的には、そのような材料は飽和誘導Ｂ_ｓ（この場合０．８Ｔ）もまた小さく、その結果、これらの材料は、強い磁場により磁気飽和されることになる。磁場の一部分である磁気飽和手段は、中空シリンダ内に入ることができる。磁気飽和を回避するため、磁性材の壁厚を増大するか或いは飽和誘導の大きい（但し最大透磁率μmaxが小さい）磁性材を使用することができる。図２に示すように、飽和誘導が大きい材料のＢＨ曲線は立ち上がりの急峻さが小さく、これはシールド効果を減少させる。漂遊磁界が強い場合、飽和誘導磁界の高い磁性材は中空シリンダの半径方向外側領域で使用することができ、最大透磁率が高い材料は中空シリンダの半径方向内側領域で使用することができる。外側領域は、磁石装置の漂遊磁界により飽和状態近くにされ、また、内側領域は既に磁界が大きく減少しており、この減少した磁界は最適に遮蔽可能である。

図３ｂは、軟磁性材の円筒状シールドｍの近傍における磁束線ｆを示す。この例において、軟磁性材のシールドｍがない場合、磁場の向きはシリンダ軸線に平行である。図３ａの拡大部分は、磁性材シールドｍを励起する、中空シリンダの軸方向縁部での集中磁力線ｆを示している。実際、磁場は増大されてシールドなしの場合よりも局所的に強くなっている。磁性蓄熱材ｒのところの磁場を遮蔽するため、シールドｍの高さＬは磁性蓄熱材ｒの高さＬ_Ｒegよりも大きくなければならない。中空円筒状の磁気シールドｍの各軸方向端部がＤの３分の１だけ磁性蓄熱材のシリンダを越えて延びている場合、磁場は、典型的には、磁性蓄熱材ｒの中実シリンダ全体で少なくとも２分の１だけ遮蔽される。磁気シールドの両端部が、磁性蓄熱材ｒのシリンダをＤの２倍よりも大きく越えて延在している場合、遮蔽効果を更に改善することはできない。

中空シリンダ状のシールドｍの高さＬが大きいほど磁力線の数が増大し、磁力線はシールドｍの磁性材により引き寄せられる。そしてまた、シリンダの軸方向中央領域での磁化は益々大きくなる。中空シリンダ状のシールドｍの高さＬが過度に大きければ、中心高さＬ／２のところの磁性材は磁気飽和する。シールドｍの磁性材はもはや磁力線を吸収できずに飽和領域に近づき、磁場の一部は当該領域ではもはや遮蔽されない。直径Ｄが増大する場合についても同様である。Ｄが過大である場合、磁気飽和が生じて、磁場の一部分が中空シリンダ状のシールドｍ内を貫通可能である。磁気飽和を回避するため、壁厚ｄを増大させることができ、あるいはシールドｍの幾何学的寸法ＬまたはＤを減少させることができる。後者の選択肢は、磁気シールド材を最小量にすることができ、後述のように有利である。

中空シリンダ状のシールドｍの材料は磁石装置の漂遊磁界により磁化され、磁気双極子を形成する。パルス管冷凍機Ｐは低振動の冷凍機であるが、最小限の振動を発生する。中空シリンダ状シールドｍと磁性蓄熱材ｒとの機械的デカップリングが良好である場合でさえ、シールドｍは振動しやすい。中空シリンダ状のシールドｍは振動する磁気双極子と見なすことができ、これは磁石装置Ｍの動作容積において周期的な電磁擾乱を発生し、これは磁性蓄熱材ｒの当初の擾乱よりも大きいことがある。この問題を回避するため、磁石装置Ｍの動作容積Ｖにおける、磁性蓄熱材ｒからの及び磁気シールドｍからの磁界擾乱の振幅を推定する必要がある。温度変動の結果、磁性蓄熱材ｒは時間的に変化する双極子になる。磁性蓄熱材ｒの容積における振幅Δχの１サイクル中の平均感受性変動について、双極子変動の振幅

が得られ、ここで、Ｂは、磁性蓄熱材ｒのところでの磁石装置Ｍの漂遊磁界である。単純化のため、双極子変動の方向は、磁性蓄熱材ｒのところでの磁石装置Ｍの漂遊磁界の方向であると仮定する。原点が磁性蓄熱材ｒの中心にあり且つＺ軸が双極子の方向に平行であるような円筒座標系を定義した場合、脈動双極子により、振幅の動作容量内で擾乱

が生じることになる。

ここで、ｚは、この局所座標系における磁石装置Ｍの動作容積Ｖの平均軸方向座標値であり、またρは平均半径方向座標値である。振動する磁気シールドｍは、磁石装置Ｍの動作容積Ｖ内で漂遊磁界を発生させ、これは２つの双極子場の差として計算することができる。振動振幅Δχが小さいので、この差は微分により近似することができる。上記に定義した座標系における振動がｚ方向に広がる場合、動作容積Ｖ内で結果として生じる擾乱の振幅は

である。

また、振動がρ方向に広がる場合、結果として生じる擾乱の振幅は、

である。

Ｒ＝（ρ^２＋ｚ^２）^１／２の置換を行うと、２つの擾乱振幅の比は下記の不等式を満たす。

不等式

が成立する場合、振動するシールドｍにより動作容積Ｖ内で発生する擾乱は、磁気シールドｍなしの場合に磁性蓄熱材ｒが発生するものよりも少なくとも２分の１だけ小さくなる。蓄熱材のところでの磁石装置Ｍの漂遊磁界を磁気シールドｍが完全に遮蔽しない場合、磁性蓄熱材ｒの残りの擾乱の量を不等式の左辺に加えなければならず、これにより、より一般的な条件

を得ることができる。ここで、
（外３）

は磁気シールドｍの存在下における磁性蓄熱材ｒの残りの双極子モーメントである。

この不等式を説明するため数値例をあげる。この数値例において、磁性蓄熱材ｒの残りの双極子モーメント
（外４）

は無視できるほど小さい。３［mTesla］の漂遊磁界を磁性蓄熱材ｒの場所において仮定する。この磁界は蓄熱シリンダの軸線に平行である。このシリンダの寸法は、Ｄ_Reg＝３０ｍｍおよびＬ_Reg＝６０ｍｍである。感受性の変動は｜Δχ｜＝０．０１である。式

を用いると、これらのデータから、｜ｍ_Reg｜＝１０^−３［Ａ＊ｍ^２］の双極子モーメント変動を得る。

磁性材料の発明的なシールドｍの幾何学的な影響を以下の例で示す。

表１は、シールドの２つの態様を示す。これらのシールドは幾何学的サイズが２分の１だけ異なるが、中空シリンダ状のシールドｍの軸線上での遮蔽効果は同一である。厳密な材料特性とは関係なく、材料の透磁率が十分である場合には、両シールド態様による中空シリンダ状のシールドの磁化は、
（外５）

を無視することができるよう磁性蓄熱材ｒのところでの漂遊磁界が十分に補償されるというものである。材料における磁化は、数値法（例えば、有限要素法）を用いて計算することができる。軸方向両端部で約２．４＊１０^５［Ａ／ｍ］のシールド材シリンダの磁化が得られ、また中央で約５．６＊１０^５［Ａ／ｍ］の磁化が得られる。双方の場合とも、シールドｍの磁性材料において約４＊１０^５［Ａ／ｍ］の平均磁化を示す。そして、磁化と材料の体積とを乗算することにより双極子モーメントの値｜ｍ_Mag｜が求まり、これを表１に示す。磁性蓄熱材ｒが動作容積から６００ｍｍの平均離間距離Ｒにある場合、積（１／６）｜ｍ_RegＲ｜の値は１０^−４［Ａ＊ｍ^３］になる。

不等式

は、第１のシールド態様のみにおいて成立する。第２のシールド態様については、動作容積Ｖにおける磁気シールド材の振動により発生する電磁擾乱が、遮蔽対象の磁性蓄熱材の当初の電磁擾乱にほぼ等しいと仮定することができる。従って、第２のシールド態様は、動作容積Ｖにおける電磁擾乱を減少させる要件を満足するものではない。

磁性蓄熱材ｒおよびシールドｍの磁性材で生じる擾乱は、伝導特性（図示略）が良好で且つ両者を包囲するシールドによって更に低減させることができる。良好な伝導特性を有するシールドは超伝導体あるいは常伝導体でよい。常伝導シールドの利点はシールド電流のみが流れ、永久電流が存しないことである。永久電流は、動作容積Ｖにおける均一性や磁石装置Ｍの漂遊磁界に悪影響を及ぼす。常伝導シールドではクエンチの危険がない。

発明性のあるシールドは、パルス管冷凍機の利点を利用可能であると同時にパルス管冷凍機により生じる電磁擾乱を補償可能であって、動作容積において安定で時間的に一定の磁界を実現することのできる磁石システムの実現を初めて可能とするものである。

パルス管冷凍機とシリンダ形式の磁気シールドとを備えた発明性のある磁石システムを示す。 最大透磁率の高い軟磁性材料および最大飽和誘導の高い軟磁性材料の典型的なＢＨ曲線を示す。 ａは図３ｂの拡大断面図である。ｂは軟磁性材料の円筒状シールドの近傍における磁束線図を示す。

Claims (14)

1. 磁石装置（Ｍ）と、動作容積（Ｖ）と、磁性蓄熱材（ｒ）を具備したパルス管冷凍機（Ｐ）とを有するものであって、前記磁性蓄熱材（ｒ）の位置における前記磁石装置（Ｍ）の漂遊磁界を低減する磁性材料のシールド（ｍ）を設けたことを特徴とし、また、
   

   

   を特徴とする磁石システム。
   ここで、
   ｍ_Ｍａｇは、前記シールド（ｍ）の磁性材料の双極子モーメント、
   Δχは、前記シールド（ｍ）の磁性材料の振動振幅、
   ｍ_Ｒｅｇは、磁気シールド（ｍ）なしの場合の１サイクルにおける前記磁性蓄熱材（ｒ）の双極子変動振幅、
   （外１）
   

   

   は磁気シールド（ｍ）ありの場合の１サイクルにおける前記磁性蓄熱材（ｒ）の双極子変動振幅、
   Ｒは、前記動作容積（Ｖ）からの前記磁性蓄熱材（ｒ）の平均離間距離である。
2. 前記磁石システムがクライオスタットにおける超伝導磁石装置（Ｍ）を備え、また、前記パルス管冷凍機（Ｐ）が、前記磁石装置（Ｍ）を冷却し、あるいは前記クライオスタットの部品を冷却するために設けられることを特徴とする請求項１に記載の磁石システム。
3. 前記パルス管冷凍機（Ｐ）が、計測装置を冷却するために設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の磁石システム。
4. 前記磁気シールド（ｍ）が、遮蔽対象である前記磁性蓄熱材（ｒ）を包囲する少なくとも１つの中空シリンダを備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁石システム。
5. 磁性材料の前記シールド（ｍ）が温度安定化され、特に、放射シールド、前記パルス管冷凍機（Ｐ）の冷却段あるいは低温液体を備えた容器に熱伝導可能に接続されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の磁石システム。
6. 前記磁気シールド（ｍ）に加えて、良好な電気伝導特性を有するシールド材料が前記磁性蓄熱材（ｒ）のまわりに配されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の磁石システム。
7. 前記良好な電気伝導特性を有する材料が超伝導体であることを特徴とする請求項６に記載の磁石システム。
8. 前記磁石装置（Ｍ）が、漂遊磁界抑制用のコイルを有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の磁石システム。
9. 前記磁石装置（Ｍ）が、前記磁性蓄熱材（ｒ）の電磁擾乱を抑制するコイルを備えることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の磁石システム。
10. 前記クライオスタットが、前記パルス管冷凍機（Ｐ）により作動温度にされる放射シールドを含むことを特徴とする請求項２ないし９のいずれかに記載の磁石システム。
11. 前記磁石装置（Ｍ）が、気化後に前記パルス管冷凍機（Ｐ）により少なくとも部分的に再び液化される液体ヘリウムによって冷却されることを特徴とする請求項２ないし１０のいずれかに記載の磁石システム。
12. 前記超伝導磁石装置（Ｍ）が、低温液体なしに、前記パルス管冷凍機（Ｐ）により作動温度にされおよびまたは該作動温度に維持されることを特徴とする請求項２ないし１０のいずれかに記載の磁石システム。
13. 前記超伝導磁石装置（Ｍ）が、核磁気共鳴、特に、磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）または磁気共鳴分光法（ＮＭＲ）に用いられる装置の一部分であることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の磁石システム。
14. 前記超伝導材料が、前記磁石装置（Ｍ）のチャージ中に誘導的にチャージされることを特徴とする請求項７に記載の磁石システム。

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