JP2014053479A - 超電導体、超電導磁石、超電導磁場発生装置及び核磁気共鳴装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導体の筒内の空間に均一な磁場を広範囲に発生させることができる超電導体、超電導磁石、超電導磁場発生装置及びこれらを利用した核磁気共鳴装置を提供する。
【解決手段】超電導体１は、外形の軸芯と同軸芯の内側空間部１ａを備えた筒形状を有し、内側空間部１ａは、軸芯に沿った方向で中央に位置する中央空間部分２ａと、軸芯に沿った方向で中央空間部分２ａの両側に位置する端空間部分３ａとを含んでいる。超電導体１は単一材料からなり、中央空間部分２ａの軸芯に垂直な方向の内側寸法は端空間部分３ａの軸芯に垂直な方向の内側寸法よりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導体、超電導磁石、超電導磁場発生装置及び核磁気共鳴装置に関する。

核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance）は磁気モーメントを有する原子核を含む物質を磁場の中に置き、これに所定の電磁波を印加したときにおこる共鳴現象である。核磁気共鳴装置は、この現象を利用して物質内部の磁場を測定し、物質の構造の分析、同定を行う装置である。核磁気共鳴装置において、対象物質を載置する空間で必要とされる磁場には、１ｐｐｍ以下の高い磁場均一性が要求され、通常は超電導マグネットに補正コイルを追加することにより目標の磁場均一性を実現している。

従来、マグネットには金属系超電導線材を用いた超電導コイルが用いられてきたが、高温超電導体が発見されて以降、バルク（塊）状の超電導体を着磁して磁場を捕捉させた超電導バルク磁石を用いて小型の核磁気共鳴用マグネットを実現する研究が進められている。この研究では、補正コイルによる磁場補正が可能となるレベルの均一磁場空間を超電導バルク磁石で実現することが重要な課題のひとつとなっている。

特許文献１においては、円筒形状の高温超伝導体を着磁してその中空部に磁場を発生させ、その磁場内に試料と検出コイルを配置して核磁気共鳴信号を検出する核磁気共鳴装置が開示されている。高温超伝導体の着磁は、超伝導コイルにより発生させた均一な磁場中に高温超伝導体を挿入し、冷凍機により超伝導体を超伝導転移温度以下に冷却して高温超伝導体に磁場を捕捉させることにより行う。磁場の捕捉後には、超伝導コイルによる磁場を消磁する。

特許文献２においては、円筒形状で磁化率の大きい超電導固体の両側に円筒形状で磁化率の小さい超電導固体を同軸で積層して構成した超電導磁場発生素子を用いた超電導磁場発生装置とその着磁方法、核磁気共鳴装置が開示されている。この超電導磁場発生装置においては、超電導固体の磁化率と形状を一定の条件を満たすように設定して積層することにより、超電導磁場発生素子の中央部付近に均一な磁場空間を形成できる。

特許文献３においては、円筒状の超電導体の周囲に補正コイルを配置した超電導磁場発生装置と着磁方法、核磁気共鳴装置が開示されている。この超電導磁場発生装置においては、超電導体に磁場を印加して着磁する際に補正コイルで印加磁場を補正することにより、超電導体の中央部に均一な磁場空間を形成することができる。

特開２００２−００６０２１号公報 特開２００８−０３４６９２号公報 特開２００９−１５６７１９号公報

特許文献１に開示された核磁気共鳴装置では、着磁により円筒形状の高温超伝導体に捕捉される磁場を利用している。実際は、高温超伝導体だけでは均一な磁場を得ることは難しく、高温超伝導体の円筒内の空間に補正コイルを配置する必要がある。しかし、円筒内の空間は狭いので、均一磁場の実現に必要な大きさ、数の補正コイルを配置することが難しいという問題があった。補正コイルを配置するには、超伝導体の軸方向長さを長くして補正コイルを配置する空間を確保する必要があるが、核磁気共鳴装置のマグネットの小型化に逆行するものであり、コスト的にも不利であった。さらに、円筒内の空間に補正コイルを配置すると、該空間の室温部分（室温ボア）が狭くなり、一度に測定できる試料の量が少なくなって測定時間が長くなるという問題もあった。

特許文献２に開示された超電導磁場発生装置では、着磁した後に磁場分布を補正するのではなく、着磁の時点で超電導固体に如何に均一な磁場を印加して捕捉させるかについて工夫を行っている。しかし、この構成では、異なる磁化率を有する複数種類の超電導固体を準備する必要があり、コストは割高になる。また、バルク磁石用途で現在主流となっているＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（ＲＥは、Ｙを含む希土類元素である）系超電導体では、比透磁率の小さな材料として、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｓｍ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｅｕ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ等があるが、これらのＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超電導体では、捕捉磁場性能を決める臨界電流密度が小さい、高い臨界電流密度を得るためには合成時に雰囲気制御が必要で高コスト、原材料の希土類元素が他の希土類元素に比べ高い等の問題があった。それ以外にも、円筒内の空間に別途補正コイルを配置すると、測定試料を配置する空間が狭くなるという問題もあった。

特許文献３に開示された超電導磁場発生装置では、着磁の際に超電導体の磁化による印加磁場の乱れをコイルに通電して発生させた磁場により補正するため、超電導体以外に着磁用の補正コイルが必要である。このため、構造が複雑でコスト的に割高になる、補正コイルの発熱対策に余分な冷却エネルギー（冷凍機の冷凍能力）が必要になる等の問題がある。さらに、着磁後には磁場の均一性をさらに高めるために円筒空間に別の補正コイルが必要となり、測定試料を配置する空間が狭くなるという問題もあった。

上記問題に鑑み、本発明は、超電導体の筒内の空間に均一な磁場を広範囲に発生させることができる超電導体、超電導磁石、超電導磁場発生装置及びこれらを利用した核磁気共鳴装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る超電導体の特徴構成は、外形の軸芯と同軸芯の内側空間部を備えた筒形状を有し、前記内側空間部は、前記軸芯に沿った方向で中央に位置する中央空間部分と、前記軸芯に沿った方向で前記中央空間部分の両側に位置する端空間部分とを含み、前記中央空間部分の前記軸芯に垂直な方向の内側寸法は前記端空間部分の前記軸芯に垂直な方向の内側寸法よりも大きい、単一材料からなる点にある。

このような特徴構成とすれば、着磁の際、超電導体の磁化による印加磁場の乱れを抑制することができ、印加した磁場の分布を中央空間部分にそのまま捕捉することができる。例えば、軸芯方向に沿って一定の勾配をもつ分布の磁場を印加して着磁すれば中央空間部分に印加磁場と同じ一定勾配の磁場分布が忠実に捕捉され、均一な磁場を印加すれば中央空間部分に均一な磁場分布を得ることができる。

本発明に係る超電導体においては、前記外形は円柱形状であり、前記中央空間部分及び前記端空間部分は共に円柱形状であり、前記中央空間部分の前記内側寸法及び前記端空間部分の前記内側寸法は共に前記円柱形状の内径であり、２つの前記端空間部分の内径は等しいと好適である。

このような構成とすれば、外形及び内側空間部がいずれも円柱形状であるので、複雑な加工をすることなく、所望の超電導体を得ることができる。

本発明に係る超電導体においては、前記中央空間部分は前記軸芯に沿う長さが内径以上であると好適である。

中央空間部分の軸芯に沿う長さが内径以上である方が、均一磁場の領域を拡大することができる。

本発明に係る超電導体においては、前記内側空間部は、前記中央空間部分の前記軸芯に交差する第１面及び第２面と２つの前記端空間部分の前記軸芯の方向に沿う側面とが交わる第１角部と、前記第１面及び前記第２面と前記中央空間部分の前記軸芯の方向に沿う側面とが交わる第２角部を有し、前記第１角部及び前記第２角部の少なくとも一方の角部に面取りが施されていると好適である。

このような構成とすれば、着磁の際の応力集中による超電導体の割れを防止することができる。

本発明に係る超電導体においては、前記端空間部分及び前記軸芯に垂直な方向で前記端空間部分の外側にある端中実部分を含む端部分と、前記中央空間部分及び前記軸芯に垂直な方向で前記中央空間部分の外側にある中央中実部分を含む中央部分とを前記軸芯の方向に沿って積層して構成されていると好適である。

このような構成とすれば、内径が異なる２種類の円筒形状の超電導体を同軸芯で積層して構成されているので、複雑な加工をすることなく中央空間部分を形成することができる。また、内径の異なる超電導体を積層することで、着磁による応力分布の不均一性が小さくなり、超電導体の割れを防止することができる。

本発明に係る超電導体においては、前記外形の直径をＤ、前記軸芯の方向に沿う長さをＨとし、前記中央空間部分の内径をｄ、前記軸芯の方向に沿う長さをｈとしたときに、（ｈ／ｄ）／（Ｈ／Ｄ）≧０．５の関係を満たすと好適である。

このような構成とすれば、中央空間部分に均一な磁場空間を得ることができる。

本発明に係る超電導体においては、前記外形の直径をＤ、前記軸芯の方向に沿う長さをＨとし、前記中央空間部分の内径をｄ、前記軸芯の方向に沿う長さをｈとしたときに、（ｈ／ｄ）／（Ｈ／Ｄ）≧０．７５の関係を満たすと好適である。

このような構成とすれば、中央空間部分により広く均一な磁場空間を得ることができる。

本発明に係る超電導磁石の特徴構成は、上記超電導体を前記軸芯の方向に沿って着磁する点にある。

このような特徴構成とすれば、超電導体を磁化する際に印加磁場の分布を乱すことなくそのままの分布で磁場を捕捉できる超電導磁石を実現することができる。例えば、勾配のある磁場で着磁すれば中央空間部分に同じ勾配の磁場分布が得られ、均一な磁場で着磁すれば中央空間部分に広範囲に均一な磁場分布が得られる。

本発明に係る超電導磁場発生装置の特徴構成は、上記超電導体と、前記超電導体を冷却する冷却部と、前記超電導体を収容する収容部とを備えた点にある。

このような特徴構成とすれば、超電導体を磁化する際に印加磁場の分布を乱すことなくそのままの分布で磁場を捕捉できる超電導磁石を実現することができる。例えば、勾配のある磁場で着磁すれば中央空間部分に同じ勾配の磁場分布が得られ、均一な磁場で着磁すれば中央空間部分に広範囲に均一な磁場分布が得られる。冷却装置としては、ＧＭ（Gifford-McMahon）冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機等の蓄冷型冷凍機を用いることができる。核磁気共鳴用のマグネットを冷却するために用いる場合は、振動の少ないパルス管冷凍機が好ましい。

本発明に係る超電導磁場発生装置においては、補正コイルをさらに備え、前記補正コイルは、前記軸芯の方向に沿って見たときに前記中央空間部分のうち前記端空間部分と重なっていない部分に配置されていると好適である。

このような構成とすれば、補正コイルに通電することにより、着磁の際に超電導体に捕捉される磁場分布を補正したり、着磁後に超電導体が発生する磁場の分布を補正したりすることができる。すなわち、分布に勾配のある磁場で着磁した場合には着磁後に中央空間部分に発生する磁場の勾配を調整できるし、均一な分布の磁場で着磁した場合には中央空間部分に発生する磁場の均一性をさらに高めることができる。また、軸芯方向に沿って見たときに中央空間部分のうち端空間部分と重なっていない部分に補正コイルを配置しているので、内側空間部の軸芯方向全体に亘って端空間部分に相当する空間を測定試料配置のための空間として確保することができる。

本発明に係る核磁気共鳴装置の特徴構成は、上記超電導磁場発生装置を構成部品として備える点にある。

このような特徴構成とすれば、均一な磁場を広範囲に発生し、広い試料空間（室温ボア）もつコンパクトな核磁気共鳴装置を得ることができる。

第１実施形態に係る超電導体の形状を表す縦断面図である。 第２実施形態に係る超電導体の形状を表す縦断面図である。 第３実施形態に係る超電導体の形状を表す縦断面図である。 第４実施形態に係る超電導体の形状を表す縦断面図である。 第５実施形態に係る超電導体の形状を表す縦断面図である。 第６実施形態に係る超電導体の形状を表す縦断面図である。 第１実施形態に係る超電導体を用いた超電導磁場発生装置の概略構造を表す縦断面図である。 超電導磁場発生装置の変形例１の概略構造を表す縦断面図である。 超電導磁場発生装置の変形例２の概略構造を表す縦断面図である。 超電導磁場発生装置の変形例３の概略構造を表す縦断面図である。 第１実施形態に係る超電導体を用いた核磁気共鳴装置の概略構成を表す構成図である。 従来の超電導体の形状を表す縦断面図である。 従来の超電導体を用いて超電導磁場を発生させたときの磁場分布を有限要素法による磁場解析により求めたときの解析結果である。 実施例１に係る超電導体を用いて超電導磁場を発生させたときの磁場分布を有限要素法による磁場解析により求めたときの解析結果である。 実施例２に係る超電導体を用いて超電導磁場を発生させたときの磁場分布を有限要素法による磁場解析により求めたときの解析結果である。 実施例３に係る超電導体を用いて超電導磁場を発生させたときの磁場分布を有限要素法による磁場解析により求めたときの解析結果である。 実施形態１に係る超電導体を用いて中央空間部分の内径を変化させたときに、均一磁場が得られる中央空間部分の高さを磁場解析により求めたときの解析結果である。

１．第１実施形態に係る超電導体及び超電導磁石
〔超電導体〕
以下、本発明に係る超電導体の第１実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１に、本実施形態に係る超電導体１の形状を表す縦断面図を示す。超電導体１の外形は円柱形状で、その中央に同軸芯で円柱形状の貫通孔が開口され、内側空間部１ａが形成されている。

内側空間部１ａは、中央に配置され内径の大きい中央空間部分２ａと、中央空間部分２ａの軸芯方向で両側に配置され内径の小さい端空間部分３ａとが連通している。中央空間部分２ａの内径及び端空間部分３ａの内径は、共に特許請求の範囲に記載された内側寸法に相当する。中央空間部分２ａの軸芯に交差する２つの面を第１面２ｂ及び第２面２ｅと称し、軸芯方向に沿う面を側面２ｃと称する。端空間部分３ａの軸芯方向に沿う面を側面３ｃと称する。中央空間部分２ａと端空間部分３ａの境界であって、第１面２ｂ及び第２面２ｅと側面３ｃとが交わる２箇所の角部を第１角部４と称する。中央空間部分２ａにおいて、第１面２ｂ及び第２面２ｅと側面２ｃとが交わる２箇所の角部を第２角部５と称する。中央空間部分２ａの径方向外側の中実部分を中央中実部分２ｄと称し、端空間部分３ａの径方向外側の中実部分を端中実部分３ｄと称する。このように、中央空間部分２ａの内径が端空間部分３ａの内径より大きくなっているので、中央空間部分２ａの軸方向に亘って端空間部分３ａの内径を維持したまま中央空間部分２ａに補正コイル１８を配置することができる。補正コイル１８についての詳細は後述する。

超電導体１は、中央空間部分２ａと中央中実部分２ｄからなる中央部分２と、端空間部分３ａと端中実部分３ｄからなる端部分３とを積層して構成されている。このように、超電導体１を積層によって形成することにより、超電導体１を一体で形成したときに複雑な加工で端部より内径の大きい中央空間部分２ａを形成する必要がなく、内径の異なる２種類の円筒形状の超電導体を形成するだけでよいので、安価に超電導体１を得ることができる。

超電導体１は、酸化物超電導体であり、その主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（ＲＥは、Ｙ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｄｙ，Ｈｏのうちの一種以上）で表される組成を有する。超電導体１は、溶融法により製造される。溶融法とは、超電導体１の原材料を固めた成形体を部分溶融状態に加熱し、種結晶を使用して徐冷凝固させ、結晶方位が配向した超電導体１を製造する方法である。溶融法によって製造された超電導体１は、強いピン止め効果を持ち高い臨界電流密度Ｊｃを示し、大きな磁場を捕捉可能である。

超電導体１の比透磁率μｒは１．０００１以上である。一般には、比透磁率μｒが小さいほど磁場Ｂの均一性が高くなり且つ均一磁場空間も広くなる。しかし、中央空間部分２ａの内径を端空間部分３ａの内径より大きくすれば、超電導体１の比透磁率μｒが１．０００１以上であっても磁場Ｂの均一性が高くなり且つ均一磁場空間も広がる。比透磁率μｒが大きいほど中央空間部分２ａの内径を端空間部分３ａの内径より大きくした効果が顕著に現れるので、超電導体１の比透磁率μｒが１．００１以上であってもよい。

〔超電導磁石〕
溶融法で製造した超電導体１は、磁場中で冷却されたり低温状態で磁場を印加されたりすると、ピン止め効果により磁場を捕捉して超電導磁石として機能する。着磁方法としては、例えば、磁場中冷却（ＦＣ：Field Cooling）法がある。ＦＣ法は、磁場を印加したまま超電導体１を超電導転移温度以下まで冷却し、その後、超電導体１を冷却したまま印加磁場をゼロにして着磁する方法である。これにより、超電導体１は磁場を捕捉して着磁され、超電導磁石となる。このとき、超電導体１の中央中実部分２ｄと端中実部分３ｄの外周に近い領域（破線よりも外周側の灰色の領域）に外周に沿って超電導電流が誘起される。図１では、軸芯の右側では紙面手前から奥に向かって超電導電流が流れ、軸芯の左側では紙面奥から手前に向かって超電導電流が流れる。また、超電導電流により、内側空間部１ａには図１の下から上に向かって軸芯方向に沿って磁場Ｂが発生する。

中央空間部分２ａを有する超電導体１に磁場を軸芯方向に沿って印加すると、超電導体１を磁化する際に印加磁場の分布を乱すことなくそのままの分布で磁場を捕捉できる超電導磁石を実現することができる。例えば、軸芯方向に沿って一定の勾配をもつ分布の磁場を印加して着磁すれば中央空間部分２ａに印加磁場と同じ一定勾配の磁場分布が忠実に捕捉され、均一な磁場を印加すれば中央空間部分２ａに均一な磁場分布を得ることができる。

２．その他の実施形態に係る超電導体
図２に、第２実施形態に係る超電導体１の形状を表す縦断面図を示す。本実施形態に係る超電導体１は、中央空間部分２ａの第１面２ｂ及び第２面２ｅと側面２ｃが交差する第２角部５に面取りＣが施されている点が第１実施形態と異なり、その他の点については第１実施形態と同様である。このような構成とすれば、着磁の際の応力集中による超電導体１の割れを防止することができる。なお、面取りＣとは、角部においてＣ面取り及びこれに準ずる角部の角度を抑制する構造を含むものとする。

図３に、第３実施形態に係る超電導体１の形状を表す縦断面図を示す。本実施形態に係る超電導体１は、中央空間部分２ａの第１面２ｂ及び第２面２ｅと側面２ｃが交差する第２角部５に面取りＲが施されている点が第１実施形態と異なり、その他の点については第１実施形態と同様である。このような構成とすれば、着磁の際の応力集中による超電導体１の割れを防止することができる。なお、面取りＲとは、角部においてＲ面取り及びこれに準ずる角部の角度を抑制する構造を含むものとする。

図４に、第４実施形態に係る超電導体１の形状を表す縦断面図を示す。本実施形態に係る超電導体１は、中央空間部分２ａと端空間部分３ａが交差する第１角部４に面取りＣが施されている点が第１実施形態と異なり、その他の点については第１実施形態と同様である。このような構成とすれば、着磁の際の応力集中による超電導体１の割れを防止することができる。

図５に、第５実施形態に係る超電導体１の形状を表す縦断面図を示す。本実施形態に係る超電導体１は、第１角部４と第２角部５の両方に面取りＣが施されている点が第１実施形態と異なり、その他の点については第１実施形態と同様である。このような構成とすれば、着磁の際の応力集中による超電導体１の割れを防止することができる。

図６に、第６実施形態に係る超電導体１の形状を表す縦断面図を示す。本実施形態に係る超電導体１は、第１角部４と第２角部５の両方に面取りＲが施されている点が第１実施形態と異なり、その他の点については第１実施形態と同様である。このような構成とすれば、着磁の際の応力集中による超電導体１の割れを防止することができる。

第１角部４と第２角部５における面取りＣと面取りＲの形成は、上記の実施形態に限られるものではない。例えば第１角部４に面取りＣを施し第２角部５に面取りＲを施すなど、可能な限り自由に組み合わせることができる。

なお、上記の実施形態においては、中央空間部分２ａは単一内径の円柱形状であったが、これに限られるものではない。例えば、中央空間部分２ａをその内径が多段になるように構成してもよい。例えば、２段階の内径を有する円柱で中央空間部分２ａを構成するときは、内径の最も大きい円柱を中央に配置し、軸芯方向上下にそれより内径が小さくかつ端空間部分３ａの内径より大きい内径を有する円柱を配置するのがよい。

３．超電導磁場発生装置
〔基本構造〕
図７に第１実施形態に係る超電導体１を用いた超電導磁場発生装置１０の概略構造を表す縦断面図を示す。超電導磁場発生装置１０は、超電導体１と、超電導体１を覆う試料ホルダ１１と、冷却装置１２（冷却部の一例）と、コールドヘッド１３と、真空断熱容器１４（収容部の一例）を備えている。

超電導体１は、２個の端部分３の間に２個の中央部分２が積層されて構成されている。試料ホルダ１１は、有底筒状を有しており、底部の中央には開口があり、その内径は端空間部分３ａの内径に等しい。試料ホルダ１１の内部空間は超電導体１が隙間なく挿入可能な内径と深さを有している。試料ホルダ１１はアルミ等の磁化率の小さい金属材料でできている。

冷却装置１２は超電導体１を超電導転移温度以下に冷却する装置で、その上部にコールドヘッド１３が繋がっている。冷却装置１２によりコールドヘッド１３が冷却される。コールドヘッド１３の上部は平坦になっており、そこに試料ホルダ１１に挿入された超電導体１を載置することにより、超電導体１は冷却される。

真空断熱容器１４は、その内部空間に、超電導体１・試料ホルダ１１・コールドヘッド１３を収容している。真空断熱容器１４の上面は開口を有している。該開口は蓋部１６により密閉されている。蓋部１６の中央からは、真空断熱容器１４の内部に向かい且つ内側空間部１ａに嵌入するように有底の筒状容器１５が延在している。筒状容器１５の蓋部１６側は開口しており、真空断熱容器１４の外部の大気と連通することにより、筒状容器１５の内部には大気の室温空間である室温ボア１５ａが形成されている。筒状容器１５，蓋部１６は一体的に且つ真空断熱容器１４と同じ材質で形成されている。試料は、筒状容器１５の開口から内部に投入されて保持される。このため、超電導体１の内側空間部１ａにおける磁場Ｂはできるだけ均一であることが望ましい。真空断熱容器１４の開口端は冷却装置１２に密接している。その結果、内部空間は断熱且つ高真空に維持されている。

超電導磁場発生装置１０は、冷却装置１２からコールドヘッド１３や試料ホルダ１１を介して超電導体１を超電導転移温度以下に冷却した状態で、不図示の外部磁場印加装置から印加される外部磁場により超電導体１を着磁する。超電導体１が外部磁場を捕捉した後、外部磁場を取り除いて、内側空間部１ａに超電導磁場Ｂを発生させる。超電導体１を均一な磁場で着磁することにより、室温ボア１５ａに均一な磁場空間が形成される。

超電導磁場Ｂを発生させるために超電導体１を用いるので、超電導体１の磁化で印加磁場の分布を乱すことなくそのままの分布で磁場を捕捉できる超電導磁場発生装置１０を実現することができる。例えば、勾配のある磁場で着磁すれば中央空間部分２ａに同じ勾配の磁場空間が得られ、均一な磁場で着磁すれば、中央空間部分２ａに広範囲に均一な磁場空間が得られる。冷却装置１２としては、ＧＭ（Gifford-McMahon）冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機等の蓄冷型冷凍機を用いることができる。核磁気共鳴用のマグネットとして用いる場合には、振動の少ないパルス管冷凍機が好ましい。

〔変形例１〕
図８に、超電導磁場発生装置１０の変形例１の概略構造を表す縦断面図である。本変形例に係る超電導磁場発生装置１０は、中央空間部分２ａの内、端空間部分３ａの内径より大きい部分に断熱材１７に囲まれた補正コイル１８を配置した点が基本構造と異なり、その他の点については基本構造と同様である。補正コイル１８が追加されているので、超電導体１への着磁の際に補正コイル１８に通電することにより、超電導体１に捕捉される磁場分布を補正したり、着磁後に超電導体１が発生する磁場Ｂの分布を補正したりすることができる。例えば、分布に勾配のある磁場で着磁した場合には着磁後に中央空間部分２ａに発生する磁場Ｂの勾配を調整でき、均一な分布の磁場で着磁した場合には中央空間部分２ａに発生する磁場Ｂの均一性をさらに高めることができる。

補正コイル１８が中央空間部分２ａの内、端空間部分３ａの内径より大きい部分に配置されるので、補正コイル１８がない基本構造と同じ室温ボア１５ａの内径を確保したまま磁場Ｂの補正が可能となる。また、補正コイル１８が断熱材１７を介して超電導体１の中央空間部分２ａに保持されるので、補正コイル１８への通電による発熱によって、超電導体１の温度が上昇して超電導体１に捕捉された磁場Ｂの分布が変化してしまうことがない。

〔変形例２〕
図９に、超電導磁場発生装置１０の変形例２の概略構造を表す縦断面図である。本変形例に係る超電導磁場発生装置１０は、中央空間部分２ａの内、端空間部分３ａの内径より大きい部分に超電導線でできた補正コイル１８を配置した点が基本構造と異なり、その他の点については基本構造と同様である。

補正コイル１８は、コールドヘッド１３から内側空間部１ａと筒状容器１５の間の空間に向けて延在した円筒状の伝熱材１９の先端に取り付けられている。超電導体１が着磁のために超電導転移温度以下に冷却されると、コールドヘッド１３から伝熱材１９を通じて補正コイル１８も超電導転移温度以下に冷却されるので電気抵抗がゼロになり通電による発熱がなくなる。従って、超電導体１の温度が上昇して超電導体１に捕捉された磁場Ｂの分布が変化してしまうことがない。

〔変形例３〕
図１０に、超電導磁場発生装置１０の変形例３の概略構造を表す縦断面図である。本変形例に係る超電導磁場発生装置１０は、中央空間部分２ａの内、端空間部分３ａの内径より大きい部分に伝熱材１９に囲まれた補正コイル１８を配置した点が基本構造と異なり、その他の点については基本構造と同様である。補正コイル１８は、超電導線により形成されている。

超電導体１が着磁のために超電導転移温度以下に冷却されると、超電導体１から伝熱材１９を通じて補正コイル１８も超電導転移温度以下に冷却されるので電気抵抗がゼロになり通電による発熱がなくなる。従って、超電導体１の温度が上昇して超電導体１に捕捉された磁場Ｂの分布が変化してしまうことがない。

４．核磁気共鳴装置
図１１に、第１実施形態に係る超電導体１を用いた核磁気共鳴装置１００の概略構成を表す構成図を示す。核磁気共鳴装置１００は、超電導磁場発生装置１０と分析手段１３０とを備えている。超電導磁場発生装置１０の冷却装置１２は圧縮機１２０に接続されており、真空断熱容器１４は真空ポンプ１４０に接続されている。破線で示すＭは印加時のみ使用する超電導マグネット（外部磁場印加装置）である。また、分析手段１３０は、高周波発生装置１３１、パルスプログラマ（送信器）１３２、高周波増幅器１３３、プリアンプ（信号増幅器）１３４、位相検波器（受信器）１３５、アナログデジタル変換器１３６、コンピュータ１３７、検出コイル１３８などからなる。

このように、核磁気共鳴装置１００は補正可能な均一磁場Ｂを発生する超電導磁場発生装置１０を備えているので、均一な磁場Ｂを広範囲に発生し、広い室温ボア１５ａを有するコンパクトな核磁気共鳴装置１００を得ることができる。

５．超電導体を用いて超電導磁場を発生させたときの内側空間部の磁場分布
〔実施例１〕
次に、第１実施形態に係る超電導体１を用いて超電導磁場を発生させたときの内側空間部１ａの磁場分布を実施例１として説明する。超電導体１の磁場分布について説明する前に、従来の超電導体１Ａの磁場分布について説明する。図１２に、従来の超電導体１Ａの形状を表す縦断面図を示す。超電導体１Ａは中央部分２を有しておらず、軸芯方向に沿って内径が一定な円筒形状である。すなわち、内側空間部１ａは、端空間部分３ａの内径と同じ大きさの内径のみで構成されている。

超電導体１Ａの外径Ｄ１は６０ｍｍ、内径Ｄ２は２８ｍｍ、高さＨは１２０ｍｍ、臨界電流密度Ｊｃは６×１０⁸Ａ／ｍ²、比透磁率μｒは１．０１である。着磁磁場は５Ｔの均一磁場である。臨界電流密度Ｊｃと比透磁率μｒは、４０Ｋに冷却したＧｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超電導体を想定している。主要なＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超電導体としては、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（μｒ≒１．０００１）、Ｓｍ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（μｒ≒１．０００３）、Ｅｕ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（μｒ≒１．００１）、Ｇｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（μｒ≒１．０１）があるが、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｓｍ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｅｕ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏは、発明が解決しようとする課題で述べたように、捕捉磁場性能を決める臨界電流密度Ｊｃが小さい、高い臨界電流密度Ｊｃを得るためには合成時に雰囲気制御が必要で高コスト、原材料の希土類元素が他の希土類元素に比べ高い等の問題点がある。Ｇｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏは比透磁率μｒが大きいが、超電導特性に優れ、比較的安価な超電導体である。

図１３に、超電導体１Ａを用いて超電導磁場を発生させたときの磁場分布を、有限要素法による磁場解析により求めたときの解析結果を示す。超電導体１Ａの軸芯をｚ軸、高さＨの中点の半径方向をｒ軸とし、ｚ軸とｒ軸との交点、すなわち内側空間部１ａの中心を原点として（ｒ，ｚ）＝（０，０）と定義した。図１３〜図１６では、内側空間部１ａで発生する磁場Ｂの分布を、（ｒ，ｚ）＝（０，０）での印加磁場Ｂ０＝５Ｔからのずれの割合△Ｂ／Ｂ０（ｐｐｍ）のマップで示した。図１３〜図１６における表示範囲は、ｒ＝０〜１３ｍｍ、ｚ＝−１８〜１８ｍｍである。実際の磁場分布は、図１３〜図１６のそれぞれと、図１３〜図１６のそれぞれをｚ軸に線対称に反転表示させた図とを合成したものである。

図１３に示すように、磁場分布は、直径約４．７ｍｍ×高さ２．２ｍｍの円柱内（内側の破線Ｌ１で囲まれた領域内）が磁場均一性±１ｐｐｍエリア、直径７．７ｍｍ×高さ４．５ｍｍの円柱内（外側の破線Ｌ２で囲まれた領域内）が磁場均一性±３ｐｐｍエリアとなっており、均一な磁場Ｂで着磁しても、超電導体１Ａが磁化されたことにより印加磁場が乱されるため、磁場Ｂの均一領域が狭いことがわかる。核磁気共鳴装置１００において試料を精度よく測定するためには、磁場Ｂの均一性が±１ｐｐｍ以内であることが必要であり、一度に測定する試料の量を増やすためには、±１ｐｐｍエリアが広い方が望ましい。

図１４に、実施例１に係る超電導体１を用いて超電導磁場を発生させたときの磁場分布を、有限要素法による磁場解析により求めたときの解析結果を示す。実施例１に係る超電導体１の外径Ｄ１は６０ｍｍ、端空間部分３ａの内径Ｄ２は２８ｍｍ、中央空間部分２ａの内径ｄは３６ｍｍ、高さＨは１２０ｍｍ、中央空間部分２ａの高さｈは４４ｍｍ、臨界電流密度Ｊｃは６×１０⁸Ａ／ｍ²、比透磁率μｒは１．０１である。着磁磁場は５Ｔの均一磁場である。臨界電流密度Ｊｃと比透磁率μｒは、４０Ｋに冷却したＧｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超電導体を想定している。すなわち、中央空間部分２ａのｄ，ｈ以外の条件は、超電導体１Ａと同じである。

図１４に示すように、磁場分布は、直径約１１．３ｍｍ×高さ７．５ｍｍの回転楕円体内（内側の破線Ｌ１で囲まれた領域内）が磁場均一性±１ｐｐｍエリア、直径１４．８ｍｍ×高さ１０．０ｍｍの回転楕円体内（外側の破線Ｌ２で囲まれた領域内）が磁場均一性±３ｐｐｍエリアとなっている。超電導体１Ａの磁場分布と比べると、超電導体１の±１ｐｐｍエリアは径方向で約２．４倍、軸方向で約３．４倍に広がっていることがわかる。

このように、内側空間部１ａのうち中央空間部分２ａの内径を大きくすることにより、超電導体１が磁化されることによる印加磁場の乱れが抑制され、磁場Ｂの均一領域が拡大したことがわかる。たとえ、比透磁率μｒが大きなＧｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超電導体を用いても、超電導体１の内側空間部１ａの広範囲に均一な磁場Ｂを発生させることができる。

〔実施例２〕
図１５に、実施例２に係る超電導体１を用いて超電導磁場を発生させたときの磁場分布を、有限要素法による磁場解析により求めたときの解析結果を示す。実施例２に係る超電導体１は、実施例１に対し中央空間部分２ａの高さｈを７４ｍｍにしたものであり、それ以外の条件は実施例１と同じである。

図１５に示すように、磁場分布は、直径約３１．５ｍｍ×高さ１７．１ｍｍの円柱内（破線Ｌ１で囲まれた領域内）が磁場均一性±１ｐｐｍエリアとなっている。実施例１に係る超電導体１の磁場分布と比べると、±１ｐｐｍエリアは径方向で約２．８倍、軸方向で約２．３倍に広がっていることがわかる。従来の超電導体１Ａに対しては、径方向で約６．７倍、軸方向で約７．８倍に広がっている。これより、中央空間部分２ａの高さが高い方が、均一磁場の領域が拡大することがわかる。

〔実施例３〕
図１６に、実施例３に係る超電導体１を用いて超電導磁場を発生させたときの磁場分布を、有限要素法による磁場解析により求めたときの解析結果を示す。実施例３に係る超電導体１は図２に示す形状を有しており、中央空間部分２ａの第１面２ｂ及び第２面２ｅと側面２ｃが交差する第２角部５に３ｍｍの面取りＣが施されている点が実施例２と異なる。それ以外の条件は実施例２と同じである。

図１６に示すように、磁場分布は、直径約３２．２ｍｍ×高さ１８．０ｍｍの円柱内（破線Ｌ１で囲まれた領域内）が磁場均一性±１ｐｐｍエリアとなっている。これは、面取りＣのない実施例２に係る超電導体１の磁場分布とほぼ同等の磁場均一性が得られることがわかる。

面取りＣの代わりに図３に示すような面取りＲを形成したときにも実施例３と同等の磁場均一性が得られる。

６．均一磁場を得るための、中央空間部分の内径と高さとの関係
図１７に、外径Ｄ１と高さＨを実施例１，２と同じ（Ｄ１を６０ｍｍ，Ｈを１２０ｍｍ）にし、端空間部分３ａの内径Ｄ２を２４ｍｍと２８ｍｍに設定した２種類の超電導体１において、それぞれの超電導体１で中央空間部分２ａの内径ｄを変化させたときに、±１ｐｐｍ以内の均一磁場が得られる中央空間部分２ａの高さｈを磁場解析により求めた結果を示す。図１７のグラフにおいて、横軸はｒ＝ｄ／２、縦軸はｚ＝ｈ／２としている。他の条件は、実施例１，２と同じである。

図１７におけるｒ＝１２ｍｍでｚ軸に平行な破線及びｒ＝１４ｍｍでｚ軸に平行な実線は、２種類の内径Ｄ２の位置を表す。また、（ｒ，ｚ）＝（１２，５６）からｒ軸に平行に始まる階段状の破線はＤ２が２４ｍｍの場合の超電導電流が流れる境界を表し、（ｒ，ｚ）＝（１４，５４）からｒ軸に平行に始まる階段状の実線はＤ２が２８ｍｍの場合の超電導電流が流れる境界を表す。これは、図１〜図４において破線で示される、超電導電流が誘起される境界に相当する。

磁場解析の結果、Ｄ２＝２４ｍｍ，Ｄ２＝２８ｍｍのいずれの超電導体１においても、中央空間部分２ａの内径ｄを変化させたときに均一磁場が得られる中央空間部分２ａの高さｈは、Ｄ２が２８ｍｍの超電導体１においてｄが３２ｍｍ（ｒ＝１６）となる場合を除いて２箇所あることがわかった。Ｄ２が２８ｍｍの超電導体１のｄが３２ｍｍ（ｒ＝１６）の場合は、均一磁場が得られる中央空間部分２ａの高さｈは１箇所（ｈは５０ｍｍ（ｚ＝２５））である。高さｈのうち、高い方の長さをｈ１とし、低い方の長さｈ２と称する。図１７では、Ｄ２が２４ｍｍのときのｈ１を白丸、ｈ２を白三角でプロットし、Ｄ２が２８ｍｍのときのｈ１を黒丸、ｈ２を黒三角でプロットし、それぞれを実線で結んでいる。これより、ｈ１の方がｈ２より均一磁場空間が広くなることがわかった。また、Ｄ２が２４ｍｍ，２８ｍｍのいずれの場合でも、中央空間部分２ａの内径ｄが大きくなるとｈ１は大きくなるが、ｈ２はほとんど変化しないことがわかった。さらに、ｈ１同士，ｈ２同士で比較すると、Ｄ２が２４ｍｍから２８ｍｍに大きくなると、ｈ１は小さくなり、ｈ２は大きくなることがわかった。

図１７に示すように、２点鎖線で（ｈ／ｄ）／（Ｈ／Ｄ１）＝０．５，０．７５，１．０の３本の直線を引いたときに、ｈ１は、おおよそ（ｈ／ｄ）／（Ｈ／Ｄ１）≧０．７５の範囲にあり、ｈ２は、おおよそ０．５≦（ｈ／ｄ）／（Ｈ／Ｄ１）≦０．７５の範囲にあることがわかった。

中央空間部分２ａの内径ｄと高さｈの上限は、超電導電流が流れる領域の境界までで、それ以上になると超電導電流領域が削られるため、磁場Ｂの均一性が悪くなる。また、超電導体１の外径Ｄ１に対して高さＨが小さくなる、端空間部分３ａの内径Ｄ２が大きくなる、又は臨界電流密度Ｊｃが小さくなると、比透磁率μｒの大小に関係なく、着磁後の発生磁場分布が印加磁場分布からずれるようになる。従って、（Ｊｃ×Ｈ）／（Ｄ１×Ｄ２）が大きいほど好ましい。

本発明は、超電導体、超電導磁石、超電導磁場発生装置及び核磁気共鳴装置に用いることが可能である。

１ 超電導体
１Ａ 超電導体
１ａ 内側空間部
２ 中央部分
２ａ 中央空間部分
２ｄ 中央中実部分
３ 端部分
３ａ 端空間部分
３ｄ 端中実部分
１０ 超電導磁場発生装置
１２ 冷却装置（冷却部）
１４ 真空断熱容器（収容部）
１８ 補正コイル
１００ 核磁気共鳴装置

Claims (11)

1. 外形の軸芯と同軸芯の内側空間部を備えた筒形状を有し、
   前記内側空間部は、前記軸芯に沿った方向で中央に位置する中央空間部分と、前記軸芯に沿った方向で前記中央空間部分の両側に位置する端空間部分とを含み、
   前記中央空間部分の前記軸芯に垂直な方向の内側寸法は前記端空間部分の前記軸芯に垂直な方向の内側寸法よりも大きい、単一材料からなる超電導体。
2. 前記外形は円柱形状であり、
   前記中央空間部分及び前記端空間部分は共に円柱形状であり、
   前記中央空間部分の前記内側寸法及び前記端空間部分の前記内側寸法は共に前記円柱形状の内径であり、
   ２つの前記端空間部分の内径は等しいことを特徴とする請求項１に記載の超電導体。
3. 前記中央空間部分は、前記軸芯に沿う長さが内径以上である請求項２に記載の超電導体。
4. 前記内側空間部は、前記中央空間部分の前記軸芯に交差する第１面及び第２面と２つの前記端空間部分の前記軸芯の方向に沿う側面とが交わる第１角部と、前記第１面及び前記第２面と前記中央空間部分の前記軸芯の方向に沿う側面とが交わる第２角部を有し、前記第１角部及び前記第２角部の少なくとも一方の角部に面取りが施されている請求項２又は３に記載の超電導体。
5. 前記端空間部分及び前記軸芯に垂直な方向で前記端空間部分の外側にある端中実部分を含む端部分と、前記中央空間部分及び前記軸芯に垂直な方向で前記中央空間部分の外側にある中央中実部分を含む中央部分とを前記軸芯の方向に沿って積層して構成されている請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超電導体。
6. 前記外形の直径をＤ、前記軸芯の方向に沿う長さをＨとし、前記中央空間部分の内径をｄ、前記軸芯の方向に沿う長さをｈとしたときに、
   （ｈ／ｄ）／（Ｈ／Ｄ）≧０．５
   の関係を満たす請求項２乃至５のいずれか一項に記載の超電導体。
7. 前記外形の直径をＤ、前記軸芯の方向に沿う長さをＨとし、前記中央空間部分の内径をｄ、前記軸芯の方向に沿う長さをｈとしたときに、
   （ｈ／ｄ）／（Ｈ／Ｄ）≧０．７５
   の関係を満たす請求項２乃至５のいずれか一項に記載の超電導体。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の超電導体を前記軸芯の方向に沿って着磁してなる超電導磁石。
9. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の超電導体と、
   前記超電導体を冷却する冷却部と、
   前記超電導体を収容する収容部と、を備えた超電導磁場発生装置。
10. 補正コイルをさらに備え、
    前記補正コイルは、前記軸芯の方向に沿って見たときに前記中央空間部分のうち前記端空間部分と重なっていない部分に配置されている請求項９に記載の超電導磁場発生装置。
11. 請求項９又は１０に記載の超電導磁場発生装置を構成部品として備える核磁気共鳴装置。

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