JP2014075522A - 空洞付き超電導バルク体およびそれを装着した超電導バルク磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、空洞付き超電導バルク体およびそれを装着した超電導バルク磁石に関し、クラックを発生せず良好に着磁できる空洞付き超電導バルク体およびそれを装着した超電導バルク磁石を提供することである。
【解決手段】超電導バルク磁石の主な構成体である中空超電導バルク体１に外周補強リング２と内周補強リング３を設け、超電導遷移温度以下の冷却時に、前記３者の熱収縮差により中空超電導バルク体１を外周部および内周部からそれぞれ挟み込むように、前記３者の線膨張率が、外周補強リング２＞中空超電導バルク体１＞内周補強リング３となるような外周補強リング２と内周補強リング３の材質を選択する。
【選択図】図２

Description

本発明は、空洞付き超電導バルク体およびそれを装着した超電導バルク磁石に関する。

従来の核磁気共鳴装置に用いる超電導バルク磁石の構成が、特開２００７−１２９１５８号公報（特許文献１）に開示されている。開示された発明では、真空断熱容器内に、ヘリウム冷凍機等の冷却手段により超電導遷移温度以下に冷却された中空円筒形で中央に空洞部を有する超電導バルク体を装着し、そのZ軸方向磁場の外部磁石を用いて着磁し、前記空洞部に静磁場を発生させ、超電導バルク磁石の大気に開放された空洞の磁場内におかれた被測定物のNMR信号を検出コイルとスペクトロメータで検出する構成が示されている。

また、ディスク状の超電導バルク体の着磁工程で捕捉された強力な磁束密度で生じる内部反発磁気力が原因で起こる、自己破壊を防止する超電導バルク体の構成が特開平１１−３３５１２０号公報（特許文献２）に開示されている。開示された発明では、中実の超電導バルク体の外周に超電導バルク体より線膨張率が大きな材質で製作されたリングを挿入し、接着剤や焼きばめ等により一体化する構成が示されている。

特開２００７−１２９１５８号公報 特開平１１−３３５１２０号公報

上記の開示された発明では、特許文献１に開示された、核磁気共鳴装置を構成する超電導バルク磁石は、中央に空洞部を有する中空超電導バルク体を使用し、この中空超電導バルク体に特許文献１に開示された、円盤状バルク体の外周部に線膨張率がより小さい金属リングを装着する構成を付加された外周金属リング付き中空超電導バルク体を装着し、着磁する際に捕捉された強力な磁束密度で生じる半径方向の内部反発磁気力で径方向および円周方向に膨張するバルク体の変位を前記外周金属リングで押さえ込み、バルク体内に周方向の圧縮応力を生じさせることができる。

しかし、超電導バルク体例えば微細分散されたY-Ba-Cu-O系や、Gd-Ba-Cu-O系の酸化物超電導バルク体の単結晶体では、超電導バルク体内に、磁束をピン止めできる微細な非超電導箇所を多数均一に点在させることが、着磁時に高い磁束密度を捕捉するための重要要素のひとつであるが、均一化させることは難しく、着磁する際に、部分的に磁束密度が不均一な材質となる。このため、磁気反発力も３次元的に不均一で、外周金属リングによる圧縮応力も均一でない。

前記中空超電導バルク体では中空内周部に拘束が無いため、この内周部に存在する不均一な圧縮応力により、応力が小さい部分に応力が一定になるように他の応力が作用し、これによって内周部に不均一な歪が生じ、この歪を拘束できないため、内周面が局所的に盛り上がったり、凹んだりしようとする内力が発生する。

しかし、中空超電導バルク体はセラミック材質であるため、弾性係数は非常に小さく、前記内力で微細クラックが発生し、それを基点として大きな割れが発生し、中空超電導バルク体が正常に磁場を捕捉できず、大幅な磁束密度の低下が生じ、超電導バルク磁石として大きな磁束密度を提供できない問題があった。

本発明の目的は、クラックを発生せず良好に着磁できる空洞付き超電導バルク体およびそれを装着した超電導バルク磁石を提供することである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の空洞付き超電導バルク体は、少なくも、空洞内周部に超電導バルク体の線膨張率よりも小さな線膨張率を有する内周部に沿った型材を一体化することを特徴としている。

請求項２に記載の空洞付き超電導バルク体およびそれを装着した超電導バルク磁石は、少なくも、空洞内周部に超電導バルク体の線膨張率よりも小さな線膨張率を有する内周部に沿った型材を一体化した空洞付き超電導バルク体を装着し、外部磁石の磁場で着磁された超電導バルク磁石であることを特徴としている。

本発明によれば、クラックを発生せず良好に着磁できる空洞付き超電導バルク体を提供できるので、空洞付き超電導バルク体に高い磁束密度を捕捉でき、空洞内部に高磁場を発生できる超電導バルク磁石を提供できる。

本発明の第１の実施例における中空超電導バルク体を有する冷凍機一体型の超電導バルク磁石の構成図である。 本発明の第１の実施例における中空超電導バルク体の斜視図である。 本発明の第１の実施例における中空超電導バルク体のZ軸方向断面図である。

[第１の実施例]

図１は本発明の第１の実施例における空洞付き超電導バルク体である中空超電導バルク体を有する冷凍機一体型の超電導バルク磁石の構成図であり、図２は中空超電導バルク体の斜視図であり、図３は中空超電導バルク体のZ軸方向断面図である。

例えばGd-Ba-Cu-O系の酸化物高温超電導バルク体を加工して製作された中空超電導バルク体１には補強のために外周部に外周補強リング２を、内周部に内周補強リング３が設けられている。中空超電導バルク体１は熱伝導率が大きな例えば銅製の支持台４に接着剤等で熱的に一体化され、支持台４は冷凍機５の冷却ステージ６と、熱伝導率が大きな例えば銅製の熱伝導体７で熱的に一体化されている。冷凍機５で低温に冷却される部分は、真空空間８を有する真空容器９内に内蔵されている。冷凍機５は、例えばヘリウム圧縮１０から高圧ガスを配管１１で供給され、冷凍機５内で断熱膨張して寒冷を発生し、膨張後の低圧ガスは配管１２で、ヘリウム圧縮１０に戻り再加圧される。

冷凍機５の発生寒冷により、中空超電導バルク体１は超電導臨界温度以下の例えば４０Kに冷却される。

前記中空超電導バルク体１の着磁方法は、前記特許文献に開示されている方法と同様で、中空超電導バルク体１冷却前に、外部磁石（図示せず）のZ軸方向の静磁場中に真空容器９内の中空超電導バルク体１を配置し、その後冷凍機により超電導臨界温度以下に中空超電導バルク体１を冷却し、その後前記外部磁石の静磁場を消磁する。

この際、冷却前に中空超電導バルク体１に貫通していた磁束が消磁で減じる時に誘導渦電流が生じ、前記非超電導箇所に磁束が捕捉される。この磁束同士が反発しZ軸方向の磁束方向と直角方向に大きな反発力が発生する。捕捉された磁束密度により、中空部に設けた大気連通空間１３に大きなZ軸方向の静磁場を発生する超電導バルク磁石を提供する。ただし、中空超電導バルク体１に捕捉される磁束密度は材質上均一ではなく、部分的に磁束密度差が生じている。

本実施例では、前記反発力により中空超電導バルク体１に割れが発生しないように補強するために、外周補強リング２を中空超電導バルク体１の線膨張率より大きな線膨張率を有する例えばアルミニウム製で製作し、内周補強リング３を、中空超電導バルク体１の線膨張率より小さな線膨張率を有する素材の例えば、Fe-36Ni合金製で製作されている。

外周補強リング２と超電導バルク体とは、接着剤や焼きばめや冷やしばめで一体化され、内周補強リング３と超電導バルク体とは、接着剤や冷やしばめや焼きばめで一体化されている。

本構成により、一体化された中空超電導バルク体１、外周補強リング２および内周補強リング３を超電導臨界温度以下の例えば７７Kの液体窒素温度に冷却した場合、線膨張率の大きさの順は、外周補強リング２（材質がアルミニウムの場合、線膨張率23.5×10^-6K^-1）＞中空超電導バルク体１（線膨張率8〜16×10^-6K^-1）＞内周補強リング３（材質がFe-Ni合金(インバー)の場合、線膨張率1.2×10^-6K^-1）の順であるので、常温３００Kから７７Kの温度差２２３Kの熱収縮差で中空超電導バルク体１は外周補強リング２と内周補強リング３により外周部および内周部からそれぞれ挟み込まれるように作用する。

したがって、着磁される磁束密度は部分的に不均一であり、磁気反発力も３次元的に不均一で、圧縮応力も均一でないために、前記中空超電導バルク体１の外周部や中空内周部に生じようとする局所的に盛り上がったり、凹んだりしようとする歪は、主に内周補強リング３で、さらには外周補強リング２で押さえ込まれ、中空内周部への微細クラックの発生を防止し、それを基点とする大きな割れの発生を防止することができる。

本実施例によれば、中空超電導バルク体１にクラックの発生がなく正常に磁場を捕捉できるので、中空超電導バルク体１が有する材質、寸法、形状、冷却温度、着磁用外部磁石の静磁場の磁束密度により定まる最大の磁束密度を捕捉でき、大きな磁束密度を有する超電導バルク磁石を提供できる効果がある。

なお、本実施例では着磁用外部磁場が静磁場である場合について説明したが、着磁用外部磁場がパルス状の変動磁場で着磁する場合であっても、同様な作用、効果が生じる。

また、本実施例では内周補強リング３の材質がFe-Ni35合金である場合について説明したが、内周補強リング３の材質が中空超電導バルク体１よりも線膨張係数が小さいFe-Ni-Co合金、Fe-Ni-Co-Cr合金、Fe-Pt合金、Fe-Pd合金、Sr-Cu-Fe-O合金、Zr-W-O合金、Li-Al-Si-o合金、Mn-Zn-Ga-Cu-Ge合金等の他の材質であっても、同様な作用、効果が生じる。

また、以上の実施例では中空超電導バルク体がGd系の高温超電導バルク体である場合について説明したが、例えばY系、Sｍ、Er系の高温超電導バルク材やMｇB₂系の中空超電導バルク体であっても、その超電導バルク体の線膨張係数よりも大きい線膨張係数の材質のリングを外周部に、小さい線膨張係数の材質のリングを内周部に配置することで、同様な作用、効果が生じる。

また、以上の実施例では中空超電導バルク体の空洞部が円筒空間である場合について説明したが、空洞部が四角形等の多角形断面を有した多角形筒体で、内周保護リング形状もそれに合った多角形断面を有したリングであっても、同様な作用、効果が生じる。

以上、本発明によれば、クラックを発生せず良好に着磁できる空洞付き超電導バルク体を提供できるので、それを装着した超電導バルク磁石を提供することができる。

１・・・中空超電導バルク体
２・・・外周保護リング
３・・・内周保護リング
５・・・冷凍機
９・・・真空容器
１３・・・大気連通空間

Claims (2)

1. 着磁により磁場を発生する、内部に空洞を有する空洞付き超電導バルク体およびそれを装着した超電導バルク磁石において、前記空洞付き超電導バルク体の外周部に、前記空洞付き超電導バルク体の線膨張係数より大きな線膨張係数を有する材質で製作されたリング１を、内周部に前記空洞付き超電導バルク体の線膨張係数より小さな線膨張係数を有する材質で製作されたリング２を具備し、それぞれのリングと超電導バルク体の接触面を接着剤や熱膨張差を利用した施工手段により一体化したことを特徴とする空洞付き超電導バルク体およびそれを装着した超電導バルク磁石。
2. 着磁により磁場を発生する、内部に空洞を有する空洞付き超電導バルク体およびそれを装着した超電導バルク磁石において、前記リング１およびリング２が一体化された空洞付き超電導バルク体と、前記空洞付き超電導バルク体を真空容器内で超電導遷移温度以下に冷却する寒冷発生手段とで構成したことを特徴とする空洞付き超電導バルク体およびそれを装着した超電導バルク磁石。