JP2016046278A - 磁場発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化した、超電導バルク体による磁場発生装置を提供する。【解決手段】着磁のために長尺化が必要だった冷凍機３と超電導バルク体２との間の距離を、超電導バルク体の真空断熱を維持した状態で分離できるバルブ４、分割した熱伝導体６、一部に伸縮性をもつ真空容器８からなる着脱構造を設ける。着磁後に短尺化した熱伝導体および真空容器を交換し、磁場発生装置１を小型化する。【選択図】図１

Description

本発明は、高磁場を発生可能な磁場発生装置に関し、特に外部の着磁装置によって超電導バルク体を磁化してそれを超電導磁石として用いる磁場発生装置に関する。

従来、磁場発生装置を用いた固液分離の技術として、磁性フロックを磁場発生装置からの磁場で磁気分離・除去して高濃度スラッジを回収する磁気分離浄化装置の技術があった（例えば、特許文献１参照）。

また、従来、磁場発生装置を用いた薬剤誘導の技術として、薬剤を磁化させた後、血管等に注入し、患部に磁場発生装置からの磁場を当てて薬剤を集中させる磁気誘導装置の技術があった（例えば、特許文献２参照）。

また、従来、小型かつ簡単な構成で強磁界を発生させる技術として、低温超電導体コイルによる超電導磁石に代わり、冷凍機で直接冷却する高温超電導バルク体を使用する磁場発生装置の技術があった（例えば、特許文献３参照）。

特開２００２―２７３２６１号公報 特開２００７−２９７２９０号公報 特開平１１−２４８８１０号公報

ＮＭＲ装置は、各原子の化学シフト量やスピン−スピン結合定数等、あらゆる有機化合物の構造解析上有用なデータを得ることができるもので、強磁界を使うほど詳細で情報量の多い分析が可能なことから、超電導材料を用いた磁石が利用されている。ＮＭＲ装置は、静磁場を作る磁石、高周波パルスを発生しＮＭＲ信号を検出するコイル、ＮＭＲ信号を受ける受信機およびシステムコントローラ等から構成され、前記磁石としては、超電導磁石が磁場の強度および安定性と均一性の点から優位である。ＮＭＲ現象を利用して、組織や器官の中で起きている化学反応をそのままの状態で追跡し、例えば脳透視断層図を得るＭＲＩ装置は、このＮＭＲの医療への応用の代表例である。

ＭＲＩ装置は、静磁場発生手段である磁石、空間情報を信号に与えるための傾斜磁場、高周波電磁波照射系、ＮＭＲ信号検出系、人体等の検査対象を取り巻き高周波の電磁波照射や信号検出を行うプローブコイル、これらを制御しかつ得られた信号を処理するコントローラ等から構成され、静磁場存在下に置かれた検査対象に高周波電磁波を照射し、得られたＮＭＲ信号により信号を発生している核種の空間分布を映像化するものである。このＭＲＩ装置は、放射線を使用しないことから安全であり、かつ十分な解像度が得られ、実用価値が極めて高いものである。

また、固液分離等を目的として、細めの金網で編んだ網を通水分離膜として使用し、汚泥等の汚濁粒子を有する原水に凝集剤と磁性粉を添加して磁性フロックを生成し、磁性フロックを網で分離後、網で捕集した磁性フロックを磁場発生装置からの磁場で磁気分離、除去して高濃度スラッジを回収する磁気分離浄化装置がある（例えば特許文献１を参照）。

また、薬剤の誘導等を目的として、薬剤を磁性体と結合させる等により磁化させた後血管等に注入し、腫瘍等の患部に磁場発生装置からの磁場を当て薬剤を集中させる磁気誘導装置がある（例えば特許文献２を参照）。

これらの技術に用いる磁場発生装置は、一般に磁場強度が高いほど感度や誘導のための磁気力等の性能が向上する。このため磁場発生装置の主磁場の形成に、ニオブ・チタンなどの金属系超電導線材による超電導コイルを使用した超電導磁石が用いられることがある。このコイルは液体ヘリウムを使って極低温に冷却して利用するため、高価な液体ヘリウムが多量に必要であり、運転コストが高くなるという問題があった。一方で、上記金属系超電導線材による超電導コイルを使用した超電導磁石を冷凍機で直接冷却する場合もある。この冷却方式では、液体ヘリウムが不要のために液溜めを除くことができ、冷凍機との熱伝導構造によっては装置を小型化することが可能である。しかし、冷凍機により超電導コイルを液体ヘリウム温度まで冷却する必要があるために、冷凍機が大型、かつ大量の電力を消費し、結果として冷凍機を含めた装置全体の大型化や運転コストが増加するという問題があった。

小型かつ簡単な構成で強磁界を発生する手段として、従来の低温超電導体コイルによる超電導磁石に代わり、冷凍機で直接冷却する高温超電導バルク体を使用する装置が特許文献３に記載されている。高温超電導バルク体は、従来のヘリウム冷却型の超電導磁石に比べて高い温度で超電導遷移するために、冷凍機の運転温度を高くすることが可能である。このため、ヘリウム冷却型の超電導磁石に比べ断熱構造の簡易化や小型冷凍機が採用できるメリットがある。また、低い冷凍能力でも冷却可能なために、ヘリウム冷却型の超電導磁石に比べて小型かつ運転コストの低い磁場発生装置にすることができる。このとき高温超電導バルク体を冷却する冷凍機としては、一般的にヘリウムガスを作動媒体とする冷凍サイクルで運転されるものであり、ヘリウムガスを圧縮・膨張させる機構が内蔵されている。この冷凍機のタイプとしては、放熱側の圧縮機とコールドヘッド部で冷却を行う膨張機とを直結した圧縮機一体型と、両者を細管で連結しそれぞれを離したスプリット型がある。このうちのスプリット型は、ヘリウムガスが細管内を流動する際に圧力損失が生じるため、圧縮機一体型に比べ冷却効率が劣る。また、圧縮機と膨張機とを離しているために、一体型と比べて冷凍機が大型となる問題がある。これらの問題から、高温超電導バルク体の冷却装置としては、圧縮機一体型の冷凍機が望ましい。

ところで、高温超電導バルク体を超電導磁石として用いるためには、永久磁石と同様に、着磁を行う必要がある。すなわち、高温超電導バルク体とは別に、高温超電導バルク体が必要とするだけの磁場を発生させることができる着磁装置により、磁場を印加しなければならない。このときの着磁方法としては大きく分けて２種類ある。一つは、室温の高温超電導バルク体を着磁装置に挿入し、その後着磁装置より磁場を印加し、その状態で高温超電導バルク磁石を冷却する方法である。もう一つは、冷却した高温超電導バルク体を着磁装置に挿入し、着磁装置からパルス磁場を印加する方法である。どちらの方法であっても、着磁装置から磁場を印加した状態で高温超電導バルク体を冷却する必要がある。

このとき、圧縮機一体型のスターリングサイクル冷凍機や、膨張機側に機械駆動部があるスプリット型ＧＭサイクル冷凍機等の場合、内部にモータが組み込まれているために、着磁装置からの漏洩磁場により、冷凍機が動作しない可能性がある。このために、冷凍機と着磁装置とを離さなければならない。また、膨張機内部に機械駆動部の無いスプリット型パルス管冷凍機の場合においても、接続のための細管は冷凍機に対して垂直に取り付けられるため、冷凍機は着磁装置より外部に取り付ける必要がある。このために、高温超電導バルク体と冷凍機との間は長尺の熱伝導体で熱的に接続される必要があり、結果として装置を小型化できないという問題があった。

本発明の目的は、小型の磁場発生装置を得ることにある。

上記目的を達成するため、本発明の磁場発生装置は、例えば、超電導バルク体と、前記超電導バルク体を冷却する冷却装置と、前記超電導バルク体と冷却装置とを熱的に接続する分離可能な熱伝導体と、内部を真空断熱し、一部に伸縮性を有する真空容器と、前記真空容器に取り付けられ、内部に前記熱伝導体が貫通した少なくとも一つの真空バルブと、前記真空容器内部を真空排気するための排気ポートとを備えた磁場発生装置であって、前記超電導バルク体は、前記磁場発生装置とは別に設けられた着磁装置によって着磁される構成を有し、前記磁場発生装置は、前記超電導バルク体の真空断熱状態を維持したまま前記超電導バルク体と前記冷却装置とを互いに着脱可能に構成されることを特徴とする。

本発明によれば、着磁のために長尺化する超電導バルク体と冷却装置との間の熱伝導体を、着脱構造を設けたことにより着磁後に短尺化した熱伝導体と交換することができ、装置を小型化することができる。

本発明の第１の実施例での磁場発生装置の構成を示す断面図である。 図１中の磁場発生装置の斜視図である。 図１中の磁場発生装置において、冷却装置の着脱前後での超電導バルク体が真空封止されている状態での断面図である。 磁場発生装置の着磁作業のフローチャートを示す図である。 磁場発生装置を着磁装置に挿入したときの断面図である。 本発明の第２の実施例での磁場発生装置の構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施例での磁場発生装置の構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施例での磁場発生装置の構成を示す断面図である。

本発明の特徴は、超電導バルク体と、それを冷却する冷却装置と、超電導バルク体と冷却装置とを熱的に接続する熱伝導体と、内部を真空断熱し、一部に伸縮性を有する真空容器と、真空容器に取り付けられ、内部に熱伝導体を貫通させることのできる少なくとも一つの真空バルブと、真空容器内部を真空排気するための排気ポートからなり、別に設けられた着磁装置によって前記超電導バルク体を着磁される磁場発生装置において、前記超電導バルク体の真空断熱状態を維持したまま前記超電導バルク体と冷却装置を着脱可能なことにある。

上記の構成において、前記磁場発生装置は、前記真空バルブを少なくとも二つ備えると共に、前記超電導バルク体に対してそれぞれ異なる方向に前記超電導バルク体と前記冷却装置との着脱部を有するように構成してもよい。

以下、本発明の磁場発生装置の実施形態の例について、各実施例として図を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施例である実施例１の磁場発生装置の構成を示す図である。磁場発生装置１は、後述する着磁を行うことにより、高温超電導バルク体(以下バルク体と記す)２を冷却し続ける限り、磁場発生空間９に磁場を発生する。このとき、冷却には冷凍機だけではなく、例えばあらかじめ冷却したガスヘリウム等の冷媒を、外部に設けた圧縮機等によりバルク体２へ循環させることでも可能であるが、冷媒を流す配管をバルク体２まで通す必要があるために、装置が大型化する。よって本実施例では、冷凍機を直結した磁場発生装置について説明する。

磁場発生装置１は、バルク体２が内蔵されているバルク体部１ａと冷凍機が取り付けられている冷凍機部１ｂからなる。バルク体部１ａと冷凍機部１ｂとは、図示していない内部を真空断熱するためにゴム製または金属製のＯリングによりシールされ、着脱可能なクランプ等により接続されている。

冷凍機部１ｂの冷凍機３は、冷却端であるコールドヘッド３ａと冷凍機電源ユニット３ｂ、および冷凍機本体３ｃからなる。冷凍機３は冷凍機電源ユニット３ｂにより冷凍機本体３ｃへ電力を供給することによりコールドヘッド３ａを冷却する。高温超電導バルク体(以下バルク体と記す)２は、真空容器８内でバルク体支持体１０ａにより固定され、大気側と真空断熱されている。またバルク体２は、真空断熱空間内にて、冷凍機の冷却端であるコールドヘッド３aとの間で、高温超電導バルク体側バルブ(以下バルク体側バルブと記す)４を貫通したバルク体側熱伝導体６ａおよび冷凍機側熱伝導体６ｂにより熱的に接続されることにより冷却されている。冷凍機側熱伝導体６ｂは、冷凍機側真空容器８ｂとの接触を防ぐために、熱伝導体支持体１０ｂで支持されている。熱伝導体支持体１０ｂの支持は径方向のみであり、軸方向はスライド移動が可能である。また熱伝導体支持体１０ｂは、冷凍機側熱伝導体６ｂへの熱侵入を抑えるために、最小限の接触のみで支持されている。

冷却することにより超電導永久磁石として働くバルク体２の材料は、例えばその主成分をＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏで表せる酸化物超電導バルク体がある。ここで、ＲＥは、イットリウム（元素記号Ｙ）、サマリウム（Ｓｍ）、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）を表し、そのうち少なくとも１種または２種以上を合わせてなるものである。

絶対温度で９０Ｋ以上の超電導遷移温度を持つイットリウム系、ネオジム系、サマリウム系などの酸化物超電導体を合成する際、原料をいったん融点よりも高く過熱して溶融し、再び凝固させるいわゆる溶融法で合成すると、粗大な結晶が成長し形成される高温超電導バルク体が得られる。超電導となる母相には絶縁相が微細に分散した組織が得られ、この分散層の存在に起因するピン止め点が磁束を捕捉して、超電導バルク体は擬似的な永久磁石として働く。超電導バルク体の合成には粒径５０μｍ以下の銀が添加されることもある。銀は、超電導相の性能を大きく損なうことなく組織中に分散し、試料のき裂の伝播を抑制して機械的強度を向上したり、融点を降下して結晶成長を早くしたり、種結晶との温度差を与えてその融点を抑制して結晶方位に寄与させることができる。

酸化物超電導体は、その結晶方位によって超電導特性に異方性があり、結晶軸のｃ軸に垂直な方向の臨界電流密度が他の結晶方位に比べて高い。このため結晶軸のｃ軸を一方向に配向すると優秀な磁場の捕捉ができる。したがって、高温超電導バルク体をその着磁する磁場方向にｃ軸を配向することで優れた捕捉磁場特性が得られる。

その他の材料としては、例えば二ホウ化マグネシウム（MgB2）がある。これは絶対温度で約３９Ｋの超電導遷移温度であり、上記の酸化物超電導バルク体と比較して温度は低くより低温に冷却する必要がある。しかし、酸化物超電導バルク体と比較したメリットとして、バルク体を製造する過程において、原料粉末を混合し、バルク体に成型した後に熱処理を行うだけでよいので、大型のバルク体の製造が酸化物超電導バルク体に比べ容易であることや、複雑な結晶構造を持たないこと、金属でも軽い物質であることが挙げられる。

このバルク体２を例えば本実施例のように円筒形状に加工し、真空容器８内にバルク体支持体１０ａで固定する。バルク体２を着磁する際に、バルク体には内部に流れる電流と、外部磁場により内部にローレンツ力が働く。この力によるバルク体の破壊を防ぐために、高温超電導バルク体を樹脂やエポキシ系接着剤により含浸する、またはステンレスやアルミニウム等の金属製リングで周囲を固定する等してもよい。

冷凍機３は、例えば圧縮機一体型のスターリング式冷凍機を用いることにより小型化できる。その他に、スプリット型のＧＭサイクル冷凍機や、ソルベイサイクル冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機等を用いても同様の効果が得られる。このときの冷凍機本体３ｃは、膨張機と圧縮機およびそれらを接続しＨｅガスが循環する細管により構成される。このため、圧縮機一体型冷凍機に比べて装置の大型化や、細管の圧力損失による冷凍効率低下の問題がある。圧縮機放熱部は、空冷や水冷装置(図示せず)により放熱される。

熱伝導体６は、バルク体側熱伝導体６ａおよび冷凍機側熱伝導体６ｂからなる。これらは、低温で熱伝導率の大きい、例えば無酸素銅やアルミニウム等を用いることが好適である。その他にも、例えば低温で動作するヘリウムガスを作動媒体としたヒートパイプ等を用いることもできる。バルク体側熱伝導体６ａは、バルク体支持体１０ａにより真空容器８と固定されている。一方で冷凍機側熱伝導体６ｂは、冷凍機コールドヘッド３ａと固定支持されている。両者は、冷凍機側真空容器８ｂの一部であるフレキ管７を縮めることにより熱的に接続されている。接続部分での熱抵抗を抑えるために、例えばインジウムシート等を接続部に挿入しても良い。

支持体１０ａ、１０ｂは、常温である真空容器８と低温部材との間を支持する目的で設けられており、低温となるバルク体２と冷凍機側熱伝導体６ｂをそれぞれバルク体支持体１０ａおよび熱伝導体支持体１０ｂにより支持している。これらは、低温側へ熱を伝えないようにするために、熱伝導率の小さい材料を用いる必要があり、例えば繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ、ＦＲＰ）が良い。このときの繊維には、例えばアルミナやガラス繊維、炭素繊維等を用いる。

真空容器８は、バルク体部１ａを真空断熱するバルク体側真空容器８ａと冷凍機部１ｂを真空断熱する冷凍機側真空容器８ｂからなる。それぞれの内部は、排気ポート１１と図示しない真空ポンプとを接続し排気され、内部を真空断熱している。排気ポート１１は例えば圧力差で動作する逆止弁等により構成され、真空容器側の圧力より大気側の圧力が小さい場合のみ弁が開く構造となっている。また、図示していないが、低温部分へ輻射熱の侵入を抑制するために、低温であるバルク体２、バルク体側熱伝導体６ａ、冷凍機側熱伝導体６ｂおよびコールドヘッド３ａと、常温である真空容器８との間に、スーパーインシュレータ（断熱シート）を積層させても良い。これにより、バルク体２を更に低温に維持できるため、超電導体へ流れる臨界電流密度を大きく取れるので、更に高磁場を着磁できる。

フレキ管７は、例えば金属ベローズで構成され、冷凍機側真空容器８ｂと接続されている。このときの接続は、真空断熱するためにゴム製または金属製のＯリングによりシールされ、着脱可能なクランプ等を用いても良いが、フランジ部で溶接等により一体化させることで、大気からの真空リークを減らし、断熱性能を向上させることもできる。フレキ管７は、伸縮させることによりその軸長を変えることができる。このとき、フレキ管７は径方向へも変形するが、フレキ管７と冷凍機側熱伝導体６ｂとが接触するとバルク体２を十分に冷却することができない。このため、例えば図２に示すように、棒状のレール１２でフレキ管７両端のフランジを貫通させることにより、径方向の変形を防ぐことができる。なお、レール１２は同様の効果が得られれば棒状の形状に限定されるものでは無い。

図１のように、バルク体側熱伝導体６ａと冷凍機側熱伝導体６ｂを熱的に接続したい場合は、フレキ管７は縮められた状態である。このとき、両者の熱伝導体が離れないように、図２のレール１２およびフレキ管７のフランジ両端にネジを切っておくことで、フレキ管７の軸方向長さを調節・固定させることができる。

次に両者を切り離す場合は、まず図３のように、フレキ管７を伸ばす。これにより、冷凍機側熱伝導体６ｂはバルク体側熱伝導体６ａと切り離され、バルク体側バルブ４よりも冷凍機側に格納される。次に、バルク体側バルブ４を閉めることによりバルク体側と冷凍機側の真空断熱を維持したまま、バルク体部１ａと冷凍機部１ｂを分離する。このとき、バルク体部１ａの低温部であるバルク体２およびバルク体側熱伝導体６ａへ侵入する熱は、外側のバルク体側真空容器８ａからの輻射熱と、バルク体支持体１０ａからの熱伝導である。これらの侵入熱によるバルク体２の温度上昇を防ぐ目的で、熱伝導体６ａの周囲に、例えば銅などの低温で熱容量の大きい材質のブロックを取付けることにより、切り離した際に蓄熱材として機能させることができ、バルク体２の温度上昇を抑えることができる。

バルク体と冷凍機とを再度熱的に接続する際は、まず冷凍機側真空容器８ｂをバルク体側バルブ４に接続する。次に、排気ポート１１から内部を真空排気した後に、冷凍機３により冷凍機側熱伝導体６ｂを冷却する。最後に冷凍機側熱伝導体６ｂが十分に冷却された後にバルク体側バルブ４を開け、フレキ管７を縮めることによりバルク体側熱伝導体６ａと冷凍機側熱伝導体６ｂを熱的に接続できる。このような構成とすることにより、バルク体部１ａ内部の真空断熱状態を維持しながら、任意の冷凍機を搭載した冷凍機部１ｂを交換することができる。

次に磁場発生装置１の着磁について図４と図５を参照しながら説明する。図４は、磁場発生装置１の着磁作業のフローチャートを示す。

まず、着磁する磁場強度を設定し、図５に示すような着磁装置３０をその磁場強度となるまで励磁する（図４（ａ））。着磁装置３０は、例えば大型の超電導コイルによる電磁石により構成されており、図示しない外部冷却装置により超電導遷移温度以下に冷却されている。超電導コイルに流れる電流を図示しない外部電源装置により制御することにより、所定の静磁場を発生させることができる。また、発生させる磁場を空間的に均一にするために、超電導シムコイルにより磁場調整をするのが好ましい。超電導バルク体には、この着磁装置の励磁磁場以下の均一度で着磁されるため、着磁装置の磁場均一度は高い方が良く、例えばＮＭＲやＭＲＩ等で使用する場合は、設定した磁場強度に対して磁場発生装置１を挿入する空間内の分布を数ｐｐｍ程度以下にすることが望ましい。

次に、磁場発生装置１を着磁装置３０に挿入する（図４（ｂ））。着磁装置３０の磁場中心部には、バルク体により高い磁場を着磁させるために４〜１０テスラ程度の高い磁場を発生させる必要がある。このため、着磁装置３０の端部空間において、数テスラの漏れ磁場が存在し、０．１テスラ以下の空間は端部から０．４ｍ〜０．７ｍ離れた位置となる。このとき、冷凍機３が圧縮機一体型のスターリングサイクル冷凍機や、スプリット型のＧＭサイクル冷凍機等の場合は、冷凍機本体３ｃ内部に圧縮機や膨張機のモータが搭載されており、これらには鋼板や永久磁石が使用されているため、高い磁場空間内では運転できず、着磁装置端部磁場空間で運転しなければならない。また、内部に機械駆動部の無いスプリット型パルス管冷凍機や、ガスヘリウム等の冷媒を循環させる冷却の場合においても、接続のための細管が取り付けられ、これらが着磁装置内の空間には収まらないために、冷却装置は着磁装置３０より外部に取り付ける必要がある。

よって本発明では、このときの磁場発生装置１を、熱伝導体と真空容器を長尺化した冷凍機部１ｃにバルク体部１ａを接続して構成し、バルク体２を冷却する。このとき、着磁時は磁場発生装置の大きさの問題が無くなるため、冷凍機部１ｃは、例えば冷却したガスヘリウム、ネオン、水素等の冷媒を流した配管を巻いた熱伝導体を、バルク体側熱伝導体６ａと接続させても良いが、ここでは冷凍機で冷却した場合について説明する。長尺冷凍機部１ｃをバルク体部１ａに接続し、着磁装置３０に挿入したときの断面図を図５に示す。着磁装置３０は図５中の矢印Ｂ₀の方向で磁場を発生させている。磁場発生装置１は、着磁装置３０の磁場中心にバルク体２の中心が来るように配置し、必要に応じて着磁装置３０に非磁性、例えばアルミニウムやＦＲＰ製の支持治具(図示せず)により固定する。これにより、バルク体２の冷却が完了し、磁束がバルク体にトラップされた後、着磁装置３０の磁場を消磁する際に、磁気力によって着磁装置３０の中心に向かって磁場発生装置１が移動することを防ぐことができる。

次に、冷凍機３によりバルク体２を冷却する（図４（ｃ））。冷却することにより、バルク体２が超電導化し、ピン止め力が働き内部に侵入している磁束をトラップさせる。

所定の温度までバルク体２を冷却した後に、着磁装置３０を消磁する（図４（ｄ））。このときの温度は、磁場発生装置１の最低到達温度に対して数Ｋ〜１０Ｋ程度高いことが望ましい。これは、着磁後に最低到達温度まで過冷却させることにより、バルク体２の磁場の時間変動を抑えることができるためである。着磁装置３０の磁場を消磁していくと、バルク体２の内部では、電磁誘導により、トラップした磁場を維持するように誘導電流が生じ、超電導電流として流れ続ける。着磁装置３０の消磁が終わった後、磁場発生装置１を着磁装置３０から取外し、着磁を完了する（図４（ｅ）および（ｆ））。バルク体２は、内部に流れる電流が臨界電流値以下であれば、もとの磁場をコピーしたようにトラップできる。本実施例のようにバルク体２が円筒形である場合は、円筒内の磁場発生空間９では、着磁装置からの均一な磁場が生成されており、例えばＮＭＲやＭＲＩに有用である。着磁終了後、冷凍機部１ｃを切り離し、短尺の冷凍機部１ｂを取り付ける。

本実施例によれば、従来着磁のために長尺化が必要だった冷凍機３とバルク体２との間の距離を、バルク体２の真空断熱を維持した状態で分離できるバルク体側バルブ４、分割した熱伝導体６、フレキ管７からなる着脱構造を設け、着磁後に短尺化した熱伝導体６ｂおよび真空容器８ｂと交換することで、磁場発生装置１を小型化できる。また、短尺化によって真空断熱空間中の低温部分である冷凍機側熱伝導体６ｂの表面積を小さくできる。真空断熱空間では、表面積に比例する輻射熱により室温から低温部へ熱侵入する。よって、本実施例のように磁場発生装置を構成することにより、輻射による侵入熱を減らすことができる。これによって、冷凍機部１ｂの冷凍機３を着磁時の冷凍機部１ｃのものに比べて小型・低消費電力とすることができ、更に磁場発生装置１を小型化できる。更に実使用時においては、１〜数年程度の間隔で冷凍機のメンテナンスが必要である。本実施例によれば、冷凍機３のメンテナンス時は別の冷凍機部と交換させることができるため、バルク体２の再着磁を不要にできる。また、バルク体部１ａと冷凍機部１ｂを切り離す方法としては、本実施例のように真空容器側にフレキ管７のような伸縮性を持たせる他にも、熱伝導体６ｂに伸縮性をもたせることも考えられる。熱伝導体に伸縮性を持たせる構造としては、銅線を編んで構成される網線等が考えられるが、これらの構造に対して、本実施例のような銅・アルミの構造部材は熱伝導する断面積が大きく、伝熱性能が高いため、本実施例の構成のほうが好適である。

図６は、本発明の第２の実施例である実施例２の磁場発生装置１を示す断面図である。本実施例は実施例１の変形例である。すなわち、本実施例では、バルク体側バルブ４に加えて冷凍機部１ｂにも冷凍機側バルブ５を設けており、この点で実施例１と異なるが、他の点では実施例１と共通である。第一の実施例では、長尺冷凍機部１ｃを用いた着磁後に冷凍機部１ｂに交換する際、空気の液化を防ぐために排気ポート１１で真空排気後に冷凍機３を始動させるので、真空排気の時間と冷凍機による冷却の時間が必要であり、時間的制約の小さい使用環境下においては、装置の簡略化による低コスト化の利点が得られる有効な技術である。一方、本実施例では、バルク体部１ａと冷凍機部１ｂとを接続する前に、冷凍機３で冷凍機側熱伝導体６ｂを冷却することが可能であるため、冷凍機による冷却の時間を短縮することができ、特に時間的制約の大きい使用環境下において有効な技術である。

本実施例における冷凍機１ｂは、バルク体部１ａと接続する前にあらかじめ次の手順で予冷を行う。まず、冷凍機側バルブ５を開けた状態で、バルク体１ａとの接続部から真空配管およびブランクフランジ等により閉鎖する。次に排気ポート１１により内部を真空排気する。内部が真空断熱できたら、フレキ管７を伸ばし冷凍機側熱伝導体６ｂを冷凍機側バルブ５より冷凍機側に移動させ、冷凍機側バルブを閉める。その後、冷凍機により冷凍機側熱伝導体６ｂを冷却する。最後にブランクフランジ等により閉鎖していた部分の真空をパージする。このようにすることで、冷凍機側熱伝導体６ｂを冷却した状態の冷凍機部１ｂとすることができる。この冷凍機部１ｂを着磁後のバルク体部１ａと接続し、排気ポート１１より真空排気後にバルク体バルブ４および冷凍機側バルブ５を開け、バルク体側熱伝導体６ａと予冷された冷凍機側熱伝導体６ｂを接続することで、バルク体２を冷凍機部１ｂと接続後すぐに冷却することができる。

図７は、本発明の第３の実施例である実施例３の磁場発生装置１を示す断面図であって、バルク体部１ａの構成が図１の実施例１や図６の実施例２のものとは別の構成とされた変形例を示した断面図である。本実施例では、大型のバルク体２を着磁することを想定しており、矢印Ｂの方向に磁場を発生させている。本実施例では、バルク体側熱伝導体６ａの接続部が二方向となるようにバルク体側熱伝導体６ａを分岐させ、分岐側にもうひとつのバルク体側バルブ４１を設けて構成している。このような構成とすることにより、着磁の際はバルク体２の軸方向に冷凍機部１ｃを接続し、着磁後にバルク体２の軸方向に対して垂直に冷凍機部１ｂを接続できるため、L字に装置を構成することができ、冷凍機軸方向の長さを低く抑えることができる。さらに、冷凍機部１ｃを接続したまま冷凍機部１ｂを接続し、その後に冷凍機部１ｃを切り離すことにより、バルク体２の温度が上昇すること無く冷凍機部を交換できる。また、バルク体部１ａの真空容器８ａの軸方向中心部を貫通させることにより、トンネル状の磁場発生空間９とすることができる。本実施形態の磁場発生装置１により、リング形のバルク体２中心の磁場発生空間９に均一な磁場を着磁することで、冷凍機３とバルク体２との間を短尺化した小型のＭＲＩ装置が実現する。

図８は、本発明の第４の実施例である実施例４の磁場発生装置１を示す断面図であって、バルク体部１ａの構成が図１の実施例１や図６の実施例２や図７の実施例３のものとは別の構成とされた変形例を示した断面図である。本実施例では、バルク体２を円柱上に加工し、その円柱表面の磁場を用いる。これまでの実施例では、円筒形のバルク体２内部の磁場発生空間９で均一な磁場が生成されているのに対し、本実施例ではバルク体部１ａ表面から離れるに従って磁場が減衰し、磁場勾配が生じている。本実施形態の磁場発生装置１により、円柱形のバルク体２を着磁することで、磁場発生空間９の勾配のある磁場空間を利用した、小型の磁気分離装置や磁気誘導装置を実現できる。

以上、本発明の上記各実施例によれば、着磁のために長尺化する超電導バルク体と冷却装置との間の熱伝導体を、着脱構造を設けたことにより着磁後に短尺化した熱伝導体と交換することができ、装置を小型化することができる。また、短尺化によって、熱伝導体の表面積が減少する。真空断熱空間では、表面積に比例する輻射熱により室温から低温部へ熱侵入する。よって、本発明のように短尺化した真空容器とすることにより、輻射による侵入熱を減らすことができる。これによって、実使用時の冷却装置を着磁時に比べて小型化または低消費電力化することができる。

また、前記磁場発生装置において、少なくとも二つの熱伝導体と真空バルブからなり、バルク超電導体に対してそれぞれ異なる方向に超電導バルク体と冷却装置との着脱部をもたせることにより、上記の効果に加えて接続方向を変更
させることができ、装置のレイアウト性が向上する。

また、前記磁場発生装置において、少なくとも１つのリング状の超電導バルク体がリング中央部に磁場発生空間を有するよう配置され、その周囲を囲むように外部磁場を印加して着磁されることを特徴とする磁場発生装置とすることで、超電導バルク体の軸方向に均一な磁場を発生できる。

また、前記磁場発生装置において、少なくとも１つの円柱状の超電導バルク体が円柱先端部に磁場発生空間を有するよう配置され、その周囲を囲むように外部磁場を印加して着磁されることを特徴とする磁場発生装置とすることで、円柱先端部に磁気誘導や磁気分離に優位な、磁気勾配の大きい磁場を発生させることができる。

また、本発明は、磁場を空間・時間的に均一に発生させる核磁気共鳴(Nuclear Magnetic Resonance：ＮＭＲ)信号を用いる装置、特に医療分野、工業用素材や農作物の成分・構造分析等に利用する磁気共鳴イメージング（Magnetic Resonance Imaging：ＭＲＩ）装置や、高磁場の磁気力を利用して磁性体を誘導または分離する磁気誘導装置および磁気分離装置、特に医療分野に利用する磁気ドラッグデリバリー装置および水浄化装置に適用して好適なものである。

１ 磁場発生装置
１ａ バルク体部
１ｂ 冷凍機部
１ｃ 長尺冷凍機部
２ 超電導バルク体
３ 冷凍機
３ａ 冷凍機コールドヘッド
３ｂ 冷凍機電源ユニット
３ｃ 冷凍機本体
４、４１ バルク体側バルブ
５ 冷凍機側バルブ
６ 熱伝導体
６ａ バルク体側熱伝導体
６ｂ 冷凍機側熱伝導体
７ フレキ管
８ 真空容器
８ａ バルク体側真空容器
８ｂ 冷凍機側真空容器
９ 磁場発生空間
１０ 支持体
１０ａ バルク体支持体
１０ｂ 熱伝導体支持体
１１ 排気ポート
１２ レール
３０ 着磁装置

Claims (6)

1. 超電導バルク体と、
   前記超電導バルク体を冷却する冷却装置と、
   前記超電導バルク体と冷却装置とを熱的に接続する分離可能な熱伝導体と、
   内部を真空断熱し、一部に伸縮性を有する真空容器と、
   前記真空容器に取り付けられ、内部に前記熱伝導体が貫通した少なくとも一つの真空バルブと、
   前記真空容器内部を真空排気するための排気ポートと
   を備えた磁場発生装置であって、
   前記超電導バルク体は、前記磁場発生装置とは別に設けられた着磁装置によって着磁される構成を有し、
   前記磁場発生装置は、前記超電導バルク体の真空断熱状態を維持したまま前記超電導バルク体と前記冷却装置とを互いに着脱可能に構成される
   ことを特徴とする磁場発生装置。
2. 請求項１において、
   少なくとも１つのリング状の超電導バルク体がリング中央部に磁場発生空間を有するよう配置され、その周囲を囲むように外部磁場が前記超電導バルク体に印加されて着磁される
   ことを特徴とする磁場発生装置。
3. 請求項１において、
   少なくとも１つの円柱状の超電導バルク体が円柱先端部に磁場発生空間を有するよう配置され、その周囲を囲むように外部磁場が前記超電導バルク体に印加されて着磁される
   ことを特徴とする磁場発生装置。
4. 請求項１において、
   前記磁場発生装置は、前記真空バルブを少なくとも二つ備えると共に、前記超電導バルク体に対してそれぞれ異なる方向に前記超電導バルク体と前記冷却装置との着脱部を有する
   ことを特徴とする磁場発生装置。
5. 請求項４において、
   少なくとも１つのリング状の超電導バルク体がリング中央部に磁場発生空間を有するよう配置され、その周囲を囲むように外部磁場が前記超電導バルク体に印加されて着磁される
   ことを特徴とする磁場発生装置。
6. 請求項４において、
   少なくとも１つの円柱状の超電導バルク体が円柱先端部に磁場発生空間を有するよう配置され、その周囲を囲むように外部磁場が前記超電導バルク体に印加されて着磁される
   ことを特徴とする磁場発生装置。