JP2016006825A - 超電導磁場発生装置、超電導磁場発生方法及び核磁気共鳴装置 - Google Patents
超電導磁場発生装置、超電導磁場発生方法及び核磁気共鳴装置 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】 超電導磁場発生装置100は、同軸配置された円筒形状の外側超電導体2及び内側超電導体3をを有する。内側超電導体3の軸方向における臨界電流密度(Jcz1)に対する周方向における臨界電流密度(Jcθ1)の比(Jcθ1/Jcz1)が、外側超電導体2の軸方向における臨界電流密度(Jcz2)に対する周方向における臨界電流密度(Jcθ2)の比(Jcθ2/Jcz2)よりも、1に近くなるように、内側超電導体3が形成されている。
【選択図】 図1
Description
(1)超電導バルクは、超電導体上に載置された種結晶から単結晶成長させることにより作製されるため、結晶成長境界を有する。例えば、超電導体上に結晶構造のc面が接するように載置された種結晶から結晶成長させて超電導バルクを作製した場合、上から見て種結晶を中心に十字状に結晶成長するため、十字状の結晶成長境界が超電導バルクに形成される。このようにして形成された超電導バルクを着磁した場合、超電導バルク内に形成される超電導電流ループの形状が、隣接する結晶成長境界をつなぐような四角形状となる。つまり、超電導電流が結晶成長境界部分で外側に膨らむように流れることによって超電導電流ループが乱れ、同心円状の超電導電流ループが形成されない。その結果、超電導体のボア内に形成される捕捉磁場の軸対称性が崩れるとともに均一性が悪化する。
(2)高温超電導体としての超電導バルクは、単結晶の超電導相内に非超電導相が微細に分散しているような組織構造を有する。非超電導相は強力な磁場を捕捉するピン止め点を形成するが、非超電導相のサイズや分布にばらつきがあり、そのようなばらつきによって超電導バルク内に形成される超電導電流ループが乱れる。
(3)超電導バルクは、空孔、不要な析出物、マイクロクラックの存在、結晶性の乱れ等の、材料組織の不均一性を有する。斯かる材料組織の不均一性により、超電導バルク内に形成される超電導電流ループが乱れる。
(4)超電導バルクは、超電導特性(超電導遷移温度Tc、臨界電流密度Jc等)の局所的なばらつきを有する。これによっても、超電導電流ループが乱れる。
特許文献1乃至3に記載された超電導磁場発生装置によれば、超電導体のボア内の軸方向における磁場強度の均一性を高めることができるものの、周方向における磁場強度の均一性を高めることは、原理的にできない。このため、超電導体のボア内、特にボアの中央部分に形成される試料の測定空間(室温ボア空間)の磁場強度を十分に均一にすることができない。そこで、本発明は、円筒形状の超電導体の内周空間(ボア)内の磁場強度の均一性をより高めることができる超電導磁場発生装置、超電導磁場発生方法及び、そのような超電導磁場発生装置が用いられる核磁気共鳴装置を提供することを、目的とする。
本発明は、高温超電導材料により円筒形状に形成され、超電導遷移温度以下の温度に冷却された状態で印加磁場を捕捉することにより、捕捉磁場を発生する外側超電導体と、高温超電導材料により円筒形状に形成され、外側超電導体の内周側に外側超電導体と同軸的に配置された内側超電導体と、を有する超電導体と、外側超電導体と内側超電導体をそれぞれ超電導遷移温度以下の温度に冷却する冷却装置と、を備え、内側超電導体の軸方向における臨界電流密度(Jcz1)に対する周方向における臨界電流密度(Jcθ1)の比(Jcθ1/Jcz1)が、外側超電導体の軸方向における臨界電流密度(Jcz2)に対する周方向における臨界電流密度(Jcθ2)の比(Jcθ2/Jcz2)よりも、1に近くなるように、内側超電導体が形成されている、超電導磁場発生装置を提供する。ここで、円筒形状の超電導体(外側超電導体及び内側超電導体)の軸方向における臨界電流密度とは、超電導体内をその軸方向に沿って流れる超電導電流の臨界電流密度を意味し、周方向における臨界電流密度とは、超電導体内をその周方向に沿って流れる超電導電流の臨界電流密度を意味し、径方向における臨界電流密度とは、超電導体内をその径方向に沿って流れる超電導電流の臨界電流密度を意味する。
以下、本発明の第1実施形態について説明する。図1は、第1実施形態に係る超電導磁場発生装置100を上下方向に沿った中心線を含む平面で切断した断面を表す概略図である。図1に示すように、超電導磁場発生装置100は、超電導体1と、ホルダ4と、冷却装置5と、コールドヘッド6と、真空断熱容器7と、外部磁場発生コイル8(外部磁場発生装置)とを備える。
次に、第2実施形態について説明する。図5は、第2実施形態に係る超電導磁場発生装置200を上下方向に沿った中心線を含む平面で切断した断面を表す概略図である。この超電導磁場発生装置200は、円筒基材10を備えていること、及び、円筒基材10の外表面に内側超電導体3が形成されていることを除き、第1実施形態に係る超電導磁場発生装置100と基本的には同一である。従って、第1実施形態にて示した図1の超電導磁場発生装置100の構成と同一の構成については同一の符号で示してそれらの説明は省略する。
上記第2実施形態に係る超電導磁場発生装置200において、外側超電導体2をRE−Ba−Cu−O系の超電導バルクにより形成し、内側超電導体3をBi−Sr−Ca−Cu−O系の超電導薄膜により形成した。この場合、外側超電導体2の超電導遷移温度Tcoが約92Kであり、内側超電導体3の超電導遷移温度Tciが約110Kである。つまり、TcoはTciよりも高い。従って、冷却工程において、先に内側超電導体3が超電導状態にされ、その後に外側超電導体2が超電導状態にされる。
次に、第3実施形態について説明する。図8は、第3実施形態に係る超電導磁場発生装置300を上下方向に沿った中心線を含む平面で切断した断面を表す概略図である。この超電導磁場発生装置300は、第2実施形態にて示した円筒基材の形状が若干変更されていること、及び、円筒基材に内側超電導体3が接着固定されていることを除き、第2実施形態に係る超電導磁場発生装置200と基本的には同一である。従って、第2実施形態にて示した図5の超電導磁場発生装置200の構成と同一の構成については同一の符号で示してそれらの説明は省略する。
上記第3実施形態では、円筒基材11の円筒部11aの中央部分11cの外周面に、周方向に一回りよりも長く、膜状の内側超電導体(超電導薄帯)3を巻きつけた例を示したが、周方向に丁度一回り、或いは一回りよりも短く巻きつけられた複数の膜状の超電導体(超電導薄帯)により内側超電導体3を構成することもできる。図12は、複数の膜状の超電導体により構成される内側超電導体が巻きつけられた円筒基材11を示す図であり、図12(a)が、円筒部11aの中心軸を通る平面で本実施形態に係る内側超電導体3が巻きつけられた円筒基材11を切断した断面図、図12(b)が図12(a)のB−B断面図である。
上記第3実施形態及び第4実施形態例では、幅広の膜状の超電導体(超電導薄帯)により内側超電導体3を構成した例を示したが、幅広の膜状の超電導体の製造は難しい。そこで、幅の狭い超電導薄帯(超電導テープ線材)により内側超電導体3を形成する例について説明する。
次に、第6実施形態について説明する。図16は、第6実施形態に係る超電導磁場発生装置600を上下方向に沿った中心線を含む平面で切断した断面を表す概略図である。この超電導磁場発生装置600は、外側超電導体2及び内側超電導体3の構造を除き、基本的には第3実施形態に係る超電導磁場発生装置300と同一である。従って、第3実施形態にて示した図8の超電導磁場発生装置300の構成と同一の構成については同一の符号で示してそれらの説明は省略する。
内側超電導体3に補正電流が流れることにより捕捉磁場の均一性が向上することを検証するために、第6実施形態に係る超電導磁場発生装置600から内側超電導体3を除いた比較例に係る超電導磁場発生装置を用いて、上記と同様の条件下で外側超電導体2に磁場を捕捉させた。そして、第6実施形態に係る超電導磁場発生装置600の室温ボア空間内に形成された捕捉磁場の均一性と比較例に係る超電導磁場発生装置の室温ボア空間内に形成された捕捉磁場の均一性を調べた。図17は、第6実施形態に係る超電導磁場発生装置600の室温ボア空間内に形成された捕捉磁場の均一性と、比較例に係る超電導磁場発生装置の室温ボア空間内に形成された捕捉磁場の均一性を、印加磁場の均一性とともに示すグラフである。グラフの縦軸の磁場均一性は、例えば室温ボア空間の中心位置における磁場強度と、中心位置から所定距離離間した室温ボア空間内の位置における磁場強度との差により表すことができる。
次に、第7実施形態について説明する。本実施形態に係る超電導磁場発生装置700は、円筒基材12が外側超電導体2に保持されていること、及び、円筒容器9の容器部91内の空間(室温ボア空間)が広くされていること、を除き、上記第6実施形態にて示した超電導磁場発生装置の構成と同一である。従って、第6実施形態にて示した図16の超電導磁場発生装置600の構成と同一の構成については同一の符号で示してそれらの説明は省略する。
次に、第8実施形態について説明する。図20は、第8実施形態に係る超電導磁場発生装置800を上下方向に沿った中心線を含む平面で切断した断面を表す概略図である。図20に示すように、超電導磁場発生装置800に備えられる外側超電導体2は、上記第6実施形態と同様に、6個のリング状の超電導バルク2aを積み重ねることにより円筒形状に形成される。また、外側超電導体2を構成する両端の超電導バルク間に、拡径された空間Sが形成される。拡径された空間S内に、シムコイル15が配設される。シムコイル15は、外部から通電されることにより磁場を発生する。シムコイル15から発せられる磁場により、捕捉磁場が例えば1ppm以下の均一磁場強度分布を持つように補正される。
13b,14b…固定部、14…下側円筒基材、15…シムコイル、100,200,300,600,700,800…超電導磁場発生装置、110…核磁気共鳴装置、120…検出コイル、130…分析手段
Claims (13)
- 高温超電導材料により円筒形状に形成され、超電導遷移温度以下の温度に冷却された状態で印加磁場を捕捉することにより、捕捉磁場を発生する外側超電導体と、高温超電導材料により円筒形状に形成され、前記外側超電導体の内周側に前記外側超電導体と同軸的に配置された内側超電導体と、を有する超電導体と、
前記外側超電導体と前記内側超電導体をそれぞれ超電導遷移温度以下の温度に冷却する冷却装置と、
を備え、
前記内側超電導体の軸方向における臨界電流密度(Jcz1)に対する周方向における臨界電流密度(Jcθ1)の比(Jcθ1/Jcz1)が、前記外側超電導体の軸方向における臨界電流密度(Jcz2)に対する周方向における臨界電流密度(Jcθ2)の比(Jcθ2/Jcz2)よりも、1に近くなるように、前記内側超電導体が形成されている、超電導磁場発生装置。 - 請求項1に記載の超電導磁場発生装置において、
前記比(Jcθ1/Jcz1)が、0.5以上であり且つ2以下である、超電導磁場発生装置。 - 請求項1又は2に記載の超電導磁場発生装置において、
前記外側超電導体及び前記内側超電導体が、層状の結晶構造を持つ高温超電導体により形成されており、前記外側超電導体の結晶構造の層に垂直な方向が前記外側超電導体の軸方向に一致し、前記内側超電導体の結晶構造の層に垂直な方向が前記内側超電導体の径方向に一致する、超電導磁場発生装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の超電導磁場発生装置において、
前記冷却装置は、前記外側超電導体の内周空間内に同軸的に配設された円筒部を有する円筒基材を備え、
前記内側超電導体は、前記円筒部から冷熱を受けとることによって冷却されるように構成される、超電導磁場発生装置。 - 請求項4に記載の超電導磁場発生装置において、
前記冷却装置は、前記外側超電導体の一方の端面に対面配置されるコールドヘッドを備え、
前記円筒基材は、前記円筒部の外周面から径外方に放射状に延設された固定部を有し、
前記固定部が前記外側超伝導体の一方の端面と前記コールドヘッドとに挟まれることにより、前記円筒基材が前記コールドヘッドにより冷却されるとともに前記コールドヘッドに固定される、超電導磁場発生装置。 - 請求項4又は5に記載の超電導磁場発生装置において、
前記内側超電導体は、前記円筒部の外周面上又は内周面上に膜状に形成されてなる、超電導磁場発生装置。 - 請求項4乃至6のいずれか1項に記載の超電導磁場発生装置において、
前記内側超電導体は、膜状に形成された超電導体であって前記円筒部の外周面上又は内周面上に周方向に沿って巻かれることにより円筒形状に形成されるとともに周方向における両端部が付き合わされている第1内側超電導層と、膜状に形成された超電導体であって前記第1超電導層上に周方向に沿って巻かれることにより円筒形状に形成されるとともに周方向における両端部が付き合わされている第2内側超電導層とを有し、
前記第1内側超電導層の周方向における両端部及びその間の領域と、前記第2内側超電導層の周方向における両端部及びその間の領域が、周方向において異なった位置に配置するように、前記第1内側超電導層の周方向における両端部の位置及び前記第2内側超電導層の周方向における両端部の位置が定められている、超電導磁場発生装置。 - 請求項4乃至6のいずれか1項に記載の超電導磁場発生装置において、
前記内側超電導体は、膜状に形成されるとともに、前記円筒部の外周面上又は内周面上に周方向に一回りよりも長く巻きつけられている、超電導磁場発生装置。 - 請求項4乃至6のいずれか1項に記載の超電導磁場発生装置において、
前記内側超電導体は、膜状に形成されるとともに前記円筒部の軸方向長さよりも短い幅を有する第1内側超電導薄帯及び第2内側超電導薄帯を有し、
前記第1内側超電導薄帯は、前記円筒部の外周面上又は内周面上に、前記円筒部の軸方向を併進方向として螺旋状に巻かれ、
前記第2内側超電導薄帯は、前記円筒部の外周面上又は内周面上に螺旋状に巻かれた前記第1内側超電導薄帯上に、前記円筒部の軸方向を併進方向として螺旋状に巻かれ、
前記円筒部の外周面上又は内周面上に螺旋状に巻かれている前記第1内側超電導薄帯の側縁の位置と、前記第1内側超電導薄帯上に螺旋状に巻かれている前記第2内側超電導薄帯の側縁の位置とが一致しないように、前記第1内側超電導薄帯及び前記第2内側超電導薄帯が螺旋状に巻かれている、超電導磁場発生装置。 - 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の超電導磁場発生装置において、
前記超電導体に磁場が印加されているときにおける前記内側超電導体の超電導遷移温度Tciは、前記外側超電導体の超電導遷移温度Tco以上である、超電導磁場発生装置。 - 高温超電導材料により円筒形状に形成された外側超電導体と、高温超電導材料により円筒形状に形成され、前記外側超電導体の内周側に前記外側超電導体と同軸的に配置された内側超電導体と、を有する超電導体を用いて磁場を発生する超電導磁場発生方法であって、
前記外側超電導体及び前記内側超電導体の軸方向に沿って前記内側超電導体の内周空間に磁束が通るように、前記外側超電導体及び前記内側超電導体に磁場を印加する磁場印加工程と、
前記磁場印加工程にて磁場が印加された前記外側超電導体及び前記内側超電導体を、前記外側超電導体の超電導遷移温度Tcoと前記内側超電導体の超電導遷移温度Tciのうちいずれか低い方の温度以下の目標温度まで冷却する冷却工程と、
前記目標温度に冷却されている前記外側超電導体及び前記内側超電導体に印加されている磁場を取り除くことにより、印加されていた磁場を前記超電導体に捕捉させる磁場捕捉工程と、
を含み、
前記内側超電導体の軸方向における臨界電流密度(Jcz1)に対する周方向における臨界電流密度(Jcθ1)の比(Jcθ1/Jcz1)の大きさが、前記外側超電導体の軸方向における臨界電流密度(Jcz2)と周方向における臨界電流密度(Jcθ2)との比(Jcθ2/Jcz2)の大きさよりも、より1に近くなるように、前記内側超電導体が形成されている、超電導磁場発生方法。 - 請求項11に記載の超電導磁場発生方法において、
前記冷却工程の実施中に実施される工程であって、前記外側超電導体の超電導遷移温度Tcoと前記内側超電導体の超電導遷移温度Tciのうちのいずれか高い温度よりも僅かに高い温度である超電導直前温度Tsまで前記内側超電導体及び前記外側超電導体が冷却されたときに、前記内側超電導の内周空間に、前記内側超電導体の軸方向及び径方向における磁場強度が均一な磁場空間が形成されるように、前記外側超電導体及び前記内側超電導体に印加されている磁場を調整する磁場調整工程をさらに含む、超電導磁場発生方法。 - 請求項1乃至10のいずれか1項に記載の超電導発生装置を備える核磁気共鳴装置。
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