JP2018018924A - バルクマグネット構造体及びｎｍｒ用バルクマグネットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】高い磁場強度条件下においても、超電導バルク体を安定して着磁させること。
【解決手段】本発明に係るバルクマグネットは、単結晶状のＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ中にＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５（ＲＥは希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素。６．８≦ｙ≦７．１）が分散された組織を有する酸化物超電導バルク体を含む複数の超電導バルク体と、複数積層された前記超電導バルク体の外周面を覆うように嵌合された少なくとも１つの外周補強リングと、を備え、複数の前記超電導バルク体は、少なくとも一の円柱状超電導バルク体および少なくとも一のリング状超電導バルク体を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、バルクマグネット構造体及びＮＭＲ用バルクマグネットシステムに関する。

単結晶状のＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ（ＲＥは、希土類元素）相中にＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５相が分散した酸化物超電導バルク体（所謂ＱＭＧ（登録商標）バルク体）は、高い臨界電流密度（以下、「Ｊｃ」と示すこともある。）を有するために、磁場中の冷却やパルス着磁により励磁され、強力な磁場を発生できる超電導バルクマグネットとして使用可能である。

強磁場を必要とする応用分野として、例えばＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）がある。いずれに使用される超電導バルクマグネットにも数Ｔの強磁場とｐｐｍオーダーの高い均一性とが必要とされる。

酸化物超電導バルク体を用いたＮＭＲ応用に関しては、例えば特許文献１〜６および非特許文献１、２に記載された小型（例えば卓上）ＮＭＲへの応用が挙げられる。これらの小型ＮＭＲ応用の基本的な技術思想は、次のようなものである。着磁用マグネットとして使用される従来のＮＭＲ用超電導マグネットは、超電導線材を使用し、比較的大型であり、ｐｐｍオーダーの高均一性を有し、かつ、高強度の磁場を発生することができる。従来のＮＭＲ用超電導マグネットの室温ボアの内部には複数個のリング状酸化物超電導バルク体が積層されてなるバルクマグネット構造体が配置される。このバルクマグネット構造体を高均一磁場中で超電導状態に冷却し、印加磁場を取り除くことにより、従来のＮＭＲ用超電導マグネットにより発生した均一磁場がバルクマグネット構造体に複写（コピー）される。

このような小型ＮＭＲへの応用では、通常、ワイドボア（室温ボア径８９ｍｍ）のＮＭＲ用超電導マグネットが着磁用マグネットとして用いられる。これに合わせて、外径６０ｍｍ程度、内径３０ｍｍ程度のリング状酸化物超電導バルク体が組み合わせられて使用される。このときの着磁温度は、４０Ｋ程度とかなり低温で、十分に高い臨界電流密度（Ｊｃ）が得られる条件で着磁が行われている。これは、リング状酸化物超電導バルク体の断面内の超電導電流が断面全体を流れる状態（フル着磁状態）ではなく、部分的にしか超電導電流が流れていない状態（非フル着磁状態）とすることで、余裕をもってＮＭＲ用超電導マグネット内の強磁場をコピーできるようにしている。さらに、着磁後は、リング状酸化物超電導バルク体内にコピーした磁場の時間的な安定性を確保するために、着磁温度からさらに冷却して小型ＮＭＲ用のマグネットとしている。

ここで、特許文献１〜６および非特許文献１、２の着磁方法に着目すると、例えば特許文献１には、リング状酸化物超電導バルク体を積層したバルクマグネットを有するＮＭＲシステムにおける、パルス着磁または静磁場着磁による着磁方法が開示されている。特許文献２には、リング状酸化物超電導バルク体を積層したバルクマグネットを有するＮＭＲシステムにおいて、中央部分の磁場強度分布が磁場中心部を挟んで磁場強度のピークを有するようにして着磁する着磁方法が開示されている。

また、特許文献３および非特許文献１には、均一な静磁を印加し着磁する着磁方法が記載されている。かかる着磁方法では、円筒形状で磁化率の大きい超電導バルクの両端面に円筒形状で磁化率の小さい超電導バルクを同軸状に配設することにより構成された円筒形状の超電導体を有する超電導磁場発生装置を用いている。例えば特許文献３に開示された超電導磁場発生装置によれば、超電導バルクの磁化率と形状を一定の条件を満たすように設計することにより、超電導体の軸方向における磁場強度が均一な捕捉磁場を、超電導体のボア内に形成することができるとされている。

特許文献４には、円筒形状の超電導バルクからなる超電導体の周囲に配置された補正コイルを有する超電導磁場発生装置が開示されている。かかる超電導磁場発生装置によれば、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、超電導体の軸方向における磁場強度が均一な捕捉磁場を、超電導体のボア内に形成することができるとされている。

特許文献５には、円筒形状であって軸方向における中央部分の内径が端部分の内径よりも大きくなるように形成された超電導体を有する超電導磁場発生装置が開示されている。かかる超電導磁場発生装置によれば、円筒形状の超電導体の軸方向における中央部分の内径を端部分の内径よりも大きくしたことにより、超電導体の磁化により生じる不均一な磁場を相殺するような磁場が超電導体のボア内に流れる。特許文献５では、こうして不均一な磁場が除去されることにより、超電導体の軸方向における磁場強度が均一な捕捉磁場を超電導体のボア内に形成することができるとされている。

特許文献６および非特許文献２には、リング状酸化物超電導バルク体を積層したバルクマグネットの内側に高い臨界電流密度Ｊｃを有するテープ線材を螺旋状に巻き付けた筒を挿入することで、軸方向に対して垂直な磁場成分を打ち消し均一な磁場を得る着磁方法が開示されている。

一方、小型ＮＭＲへの応用においては、バルクマグネット構造体のコンパクトな空間に非常に強力な磁場を閉じ込めることになる。このため、超電導バルク体内部に大きな電磁応力が作用することになる。この電磁応力は、閉じ込められた磁場が広がるように作用するのでフープ応力とも呼ばれる。５〜１０Ｔ級の強磁場の場合には、電磁応力が超電導バルク体の自身の材料機械強度を超えることもあり、その結果、超電導バルク体が破損するおそれがある。超電導バルク体が破損すると、超電導バルク体は強磁場を発生することができなくなる。

このような電磁力による超電導バルク体の破損を防止するために、例えば特許文献７には、超電導バルクマグネットを、円柱状の超電導バルク体とこれを囲む金属リングにより構成することが開示されている。このような構成にすることにより、冷却時に金属リングによる圧縮応力が超電導バルク体に加わり、その圧縮応力が電磁応力を軽減する効果を有するため、超電導バルク体の割れを抑制することができる。このように、特許文献７には、円柱状の超電導バルク体の破損が防止できることが示されている。

また、超電導バルク体の破損を防止するための超電導バルク体の他の構成例として、例えば特許文献８には、六角形の超電導バルク体を７個組み合わせて、その周囲に繊維強化樹脂等からなる補強部材配置し、さらにその外周にはステンレスやアルミ等の金属からなる支持部材が配置された超電導磁場発生素子が開示されている。特許文献９には、結晶軸のｃ軸方向の厚さが０．３〜１５ｍｍのリング状バルク超電導体を積層した酸化物超電導バルクマグネットが開示されている。特許文献１０には、外周および内周が補強された複数のリング状超電導体を積層した超電導バルク磁石が開示されている。特許文献１１には、半径方向に多重リング構造を有する超電導体を積層した超電導バルク磁石が開示されている。特許文献１２には、一つのバルク体の外周および上下面が補強されたバルク磁石が開示されている。

特開２００２−００６０２１号公報 特開２００７−１２９１５８号公報 特開２００８−０３４６９２号公報 特開２００９−１５６７１９号公報 特開２０１４−０５３４７９号公報 特開２０１６−６８２５号公報 特開平１１−３３５１２０号公報 特開平１１−２８４２３８号公報 特開平１０−３１０４９７号公報 特開２０１４−７５５２２号公報 国際公開第２０１１／０７１０７１号 特開２０１４−１４６７６０号公報

仲村高志等：低温工学 ４６巻３号 ２０１１年 Ｈｉｒｏｙｕｋｉ Ｆｕｊｉｓｈｉｒｏ ｅｔ ａｌ； Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． ２８（２０１５）０９５０１８

しかし、これらの特許文献１〜１２および非特許文献１、２に開示された超電導バルク体等では、高い強度磁場条件下において超電導バルク体に高い応力が作用して破損し得るので、より高い磁場強度条件下における超電導バルク体を安定して着磁させることが困難である。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、高い磁場強度条件下においても、超電導バルク体を安定して着磁させることが可能な、新規かつ改良されたバルクマグネット構造体、および、当該バルクマグネット構造体を用いたＮＭＲ用マグネットシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、単結晶状のＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ中にＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５（ＲＥは希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素。６．８≦ｙ≦７．１）が分散された組織を有する酸化物超電導バルク体を含む複数の超電導バルク体と、複数積層された前記超電導バルク体の外周面を覆うように嵌合された少なくとも１つの外周補強リングと、を備え、複数の前記超電導バルク体は、少なくとも１つの円柱状超電導バルク体および少なくとも１つのリング状超電導バルク体を含む、バルクマグネット構造体が提供される。

前記バルクマグネット構造体を構成する複数の前記超電導バルク体の積層方向の少なくとも一端には、前記少なくとも１つのリング状超電導バルク体が配置されてもよい。

前記バルクマグネット構造体を構成する複数の前記超電導バルク体の積層方向の少なくとも一端から前記バルクマグネット構造体の積層方向の中央部分にかけて、複数の前記リング状超電導バルク体が連続して積層されてもよい。

前記バルクマグネット構造体を構成する複数の前記超電導バルク体の積層方向の一端には、前記少なくとも１つのリング状超電導バルク体が配置され、前記積層方向の他端には、前記少なくとも１つの円柱状超電導バルク体が配置されてもよい。

前記円柱状超電導バルク体のうち少なくとも１つは、円柱状酸化物超電導バルク体と平面補強板とが交互に配置された積層体であってもよい。

前記平面補強板を構成する材質の熱伝導率は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、および／または、前記材質の室温での引張強度が８０ＭＰａ以上であってもよい。

前記リング状超電導バルク体のうち少なくとも１つは、リング状酸化物超電導バルク体と平面リングとが交互に配置された積層体であってもよい。

前記平面リングを構成する材質の熱伝導率は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、および／または、前記材質の室温での引張強度が８０ＭＰａ以上であってもよい。

前記リング状超電導バルク体は、内部に内周補強リングを備えてもよい。

前記内周補強リングを構成する材質の熱伝導率は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、および／または、前記材質の室温での引張強度が８０ＭＰａ以上であってもよい。

前記リング状超電導バルク体と前記内周補強リングとの間に、第２内周補強リングを備えてもよい。

前記第２内周補強リングを構成する材質の熱伝導率は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、および／または、前記材質の室温での引張強度が８０ＭＰａ以上であってもよい。

前記超電導バルク体と前記外周補強リングとの間に、第２外周補強リングを備えてもよい。

前記外周補強リングまたは前記第２外周補強リングの少なくともいずれかを構成する材質の熱伝導率は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、および／または、前記材質の室温での引張強度が８０ＭＰａ以上であってもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、真空容器内に収容された上記記載のバルクマグネット構造体と、前記バルクマグネット構造体を冷却する冷却装置と、前記バルクマグネット構造体の温度を調整する温度制御装置と、を含む、ＮＭＲ用マグネットシステムが提供される。

前記バルクマグネット構造体を構成する前記超電導バルク体は着磁された状態であってもよい。

前記真空容器の上面には、試料挿入口が形成されていてもよい。

以上説明したように本発明によれば、高い磁場強度条件下においても、超電導バルク体を安定して着磁させることが可能である。

本実施形態に係るＮＭＲ用バルクマグネットシステムの概略構成を示す説明図である。 リング状酸化物超電導バルク体の外観図および断面図を示す説明図である。 着磁条件１での酸化物超電導バルク体の電流分布及び磁場分布の概念図である。 着磁条件２での酸化物超電導バルク体の電流分布及び磁場分布の概念図である。 着磁条件３での酸化物超電導バルク体の電流分布及び磁場分布の概念図である。 本発明の第１の実施形態に係るバルクマグネット構造体の一例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るバルクマグネット構造体の一例を示す断面図である。 リング状積層体の第１構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネットを示す概略分解斜視図である。 リング状積層体の第２構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネットを示す概略分解斜視図である。 図７Ａに示すバルクマグネットの部分断面図を示す。 同構成例に係るバルクマグネットの変形例であって、バルクマグネットの中心軸線に沿って切断したときの部分断面図を示す。 同構成例に係るバルクマグネットの変形例であって、バルクマグネットの中心軸線に沿って切断したときの部分断面図を示す。 リング状積層体の第３構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネットを示す概略分解斜視図である。 リング状積層体の第４構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネットを示す概略分解斜視図である。 リング状積層体の第５構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネットを示す概略分解斜視図である。 同構成例に係るバルクマグネットの変形例であって、バルクマグネットの中心軸線に沿って切断したときの部分断面図を示す。 同構成例に係るバルクマグネットの変形例であって、バルクマグネットの中心軸線に沿って切断したときの部分断面図を示す。 同構成例に係るバルクマグネットの変形例であって、バルクマグネットの中心軸線に沿って切断したときの部分断面図を示す。 同構成例に係るバルクマグネットの変形例であって、バルクマグネットの中心軸線に沿って切断したときの部分断面図を示す。 リング状積層体の第６構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネットの中心軸線に沿って切断したときの部分断面図を示す。 同構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネットの変形例の中心軸線に沿って切断したときの部分断面図を示す。 同構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネットの変形例の中心軸線に沿って切断したときの部分断面図を示す。 リング状積層体の第７構成例に係るリング状積層体を構成するリング状バルク体の結晶学的方位の揺らぎを示す説明図である。 リング状積層体の第８構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネットを示す概略分解斜視図である。 同構成例に係るリング状積層体を構成するリング状バルク体の一例の平面図を示す。 同構成例に係るリング状積層体を構成するリング状バルク体の一例の平面図を示す。 同構成例に係るリング状積層体を構成するリング状バルク体の一例の平面図を示す。 円柱状積層体の第１の構成例に係る円柱状積層体により構成されるバルクマグネットの中心軸線に沿って切断したときの部分断面図を示す。 円柱状積層体の第２の構成例に係る円柱状積層体により構成されるバルクマグネットの中心軸線に沿って切断したときの部分断面図を示す。 実施例３に係るバルクマグネット構造体を示す断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜酸化物超電導バルク体の構成＞
まず、本発明の実施形態で用いる酸化物超電導バルク体に関して説明する。本実施形態で用いる酸化物超電導バルク体は、単結晶状のＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ中にＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５相（２１１相）等に代表される非超電導相が分散した組織を有するものであり、好ましくは、非超電導相が微細分散した組織を有するもの（所謂ＱＭＧ（登録商標）材料）が望ましい。ここで、単結晶状というのは、完璧な単結晶でなく、小傾角粒界等の実用に差し支えない欠陥を有するものも包含するという意味である。ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ相（１２３相）及びＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５相（２１１相）におけるＲＥは、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素及びそれらの組み合わせで、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄを含む１２３相は１：２：３の化学量論組成から外れ、ＲＥのサイトにＢａが一部置換した状態になることもある。また、非超電導相である２１１相においても、Ｌａ、Ｎｄは、Ｙ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕとは幾分異なり、金属元素の比が非化学量論的組成であったり、結晶構造が異なっていたりすることが知られている。

前述のＢａ元素の置換は、臨界温度を低下させる傾向がある。また、より酸素分圧の小さい環境においては、Ｂａ元素の置換が抑制される傾向にある。

１２３相は、２１１相とＢａとＣｕとの複合酸化物からなる液相との包晶反応、
２１１相＋液相（ＢａとＣｕの複合酸化物） → １２３相
によりできる。そして、この包晶反応により、１２３相ができる温度（Ｔｆ：１２３相生成温度）は、ほぼＲＥ元素のイオン半径に関連し、イオン半径の減少に伴いＴｆも低くなる。また、低酸素雰囲気及びＡｇ添加に伴い、Ｔｆは低下する傾向にある。

単結晶状の１２３相中に２１１相が微細分散した材料は、１２３相が結晶成長する際、未反応の２１１粒が１２３相中に取り残されるためにできる。すなわち、酸化物超電導バルク体は、
２１１相＋液相（ＢａとＣｕの複合酸化物） → １２３相＋２１１相
で示される反応によりできる。

酸化物超電導バルク体中の２１１相の微細分散は、Ｊｃ向上の観点から極めて重要である。Ｐｔ、Ｒｈ又はＣｅの少なくとも一つを微量添加することで、半溶融状態（２１１相と液相からなる状態）での２１１相の粒成長を抑制し、結果的に材料中の２１１相が約１μｍ程度に微細化される。添加量は、微細化効果が現れる量及び材料コストの観点から、Ｐｔで０．２〜２．０質量％、Ｒｈで０．０１〜０．５質量％、Ｃｅで０．５〜２．０質量％が望ましい。添加されたＰｔ、Ｒｈ、Ｃｅは１２３相中に一部固溶する。また、固溶できなかった元素は、ＢａやＣｕとの複合酸化物を形成し、材料中に点在することになる。

また、マグネットを構成するバルク酸化物超電導体は、磁場中においても高い臨界電流密度（Ｊｃ）を有する必要がある。この条件を満たすには、超電導的に弱結合となる大傾角粒界を含まない単結晶状の１２３相である必要がある。さらに高いＪｃ特性を有するためには、磁束の動きを止めるためのピンニングセンターが必要となる。このピンニングセンターとして機能するものが微細分散した２１１相であり、より細かく多数分散していることが望ましい。先に述べたように、Ｐｔ、ＲｈやＣｅは、この２１１相の微細化を促進する働きがある。また、ピンニングサイトとして、ＢａＣｅＯ_３、ＢａＳｉＯ_３、ＢａＧｅＯ_３、ＢａＳｎＯ_３等の可能性が知られている。また、２１１相等の非超電導相は、劈開し易い１２３相中に微細分散することによって、超電導体を機械的に強化し、バルク材料として成り立たす重要な働きをも担っている。

１２３相中の２１１相の割合は、Ｊｃ特性及び機械強度の観点から、５〜３５体積％が望ましい。また、材料中には、５０〜５００μｍ程度のボイド（気泡）を５〜２０体積％含むことが一般的であり、さらにＡｇ添加した場合、添加量によって１〜５００μｍ程度のＡｇ又はＡｇ化合物を０体積％超２５体積％以下含む。

また、結晶成長後の材料の酸素欠損量（ｘ）は、０．５程度で半導体的な抵抗率の温度変化を示す。これを各ＲＥ系により３５０℃〜６００℃で１００時間程度、酸素雰囲気中においてアニールすることにより酸素が材料中に取り込まれ、酸素欠損量（ｘ）は０．２以下となり、良好な超電導特性を示す。この時、超電導相中には双晶構造ができる。しかしながら、この点を含めここでは単結晶状と呼ぶことにする。

なお、本明細書における「超電導バルク体」とは、上述した超電導体の特性を発現するための酸化物の微細組織を有する酸化物超電導バルク体を一部または全部に含む超電導バルク体を意味する。例えば、当該「超電導バルク体」は、全体が酸化物超電導体からなるバルク体（すなわち「バルク体」）、および酸化物超電導バルク体と非超電導バルク体との組み合わせからなる積層体（すなわち「積層体」）を含み得る。

本明細書において「バルク体」は原則として酸化物超電導バルク体を意味するものとして説明するが、「バルク体」と「積層体」とを特に区別する必要がない場合、これらを総称して「バルク体」と記載することもある。なお、単に「バルク体」等と記載する場合、これらの形状（円柱状またはリング状）については限定されない。

次に、本実施形態に係るバルクマグネット構造体を用いたＮＭＲ用バルクマグネットシステムについて説明する。

＜ＮＭＲ用バルクマグネットシステムの構成＞
図１は、本実施形態に係るＮＭＲ用バルクマグネットシステム１（以下、単に「システム１」とも記載する）の概略構成を示す説明図である。図１に示すように、本実施形態に係るシステム１は、内部にバルクマグネット構造体５０が収容される真空断熱容器１０と、冷却装置２０と、温度制御装置３０とを含んで構成される。

バルクマグネット構造体５０は、冷却装置２０のコールドヘッド２１上に載置された状態で、真空断熱容器１０内に配置されている。これにより、バルクマグネット構造体５０は、冷却装置２０と熱的に接続され、冷却装置２０により冷却可能な状態とされている。また、コールドヘッド２１には、バルクマグネット構造体５０の温度を上昇させるためのヒーター２３が設けられている。さらに、真空断熱容器１０内には、容器内温度を測定する１または複数の温度センサ（図示せず。）を設置してもよい。温度センサは、例えば、真空断熱容器１０上部や、バルクマグネット構造体５０が載置されるコールドヘッド２１付近に設置してもよい。また、バルクマグネット構造体５０をコールドヘッド２１の上に配置後、バルクマグネット構造体５０の周囲に輻射断熱シート（例えば、アルミ蒸着フィルムおよびスペーサーの積層体等）を巻きつけることは、断熱条件の向上の観点から望ましい（図示せず）。

冷却装置２０は、バルクマグネット構造体５０を冷却する装置である。冷却装置２０としては、例えば、液体ヘリウムもしくは液体ネオン等の冷媒、ＧＭ冷凍機（Gifford-McMahon cooler）、またはパルスチューブ冷凍機等を用いることができる。冷却装置２０は、温度制御装置３０により制御され駆動する。温度制御装置３０は、着磁の各工程に応じてバルクマグネット構造体５０の温度が所望の温度となるように冷却装置２０を制御する。

＜着磁プロセス＞
次に、本実施形態に係るバルクマグネット構造体５０の着磁プロセスの例について、図２および図３Ａ〜図３Ｃを用いて説明する。なお、バルクマグネット構造体５０に対する着磁は、例えば、筒状の超電導マグネットを収容してなる磁場発生装置により行われ得る。このような磁場発生装置は、いわゆる着磁ステーションに設けられており、上記のシステム１に含まれるバルクマグネット構造体５０が着磁ステーションにおいて着磁された後に、システム１は使用者に供給される。

ここでは、例えば図２に示すようなリング状の酸化物超電導バルク体７０についての着磁状態を、いくつかの着磁条件で考える。図３Ａ〜図３Ｃは、それぞれの着磁条件において、常伝導状態のバルクマグネット構造体に印加されていた磁場をバルクマグネット構造体が超電導状態となるまで冷却し、その後、印加磁場を取り除く基本的な着磁工程でのバルクマグネット構造体内の着磁状態を示している。図３Ａ〜図３Ｃには、図２に示した軸方向及び半径方向での酸化物超電導バルク体７０の断面７２を用いて、超電導電流が流れていない領域７２ａと超電導電流が流れている領域７２ｂとを示しており、合わせてその断面での臨界電流密度分布及び磁場分布を示している。

ここで、磁場分布の均一性評価指標としては、ある領域における平均磁場強度に対する最大磁場強度と最小磁場強度との差分の割合を、ｐｐｍで表示したものを用いる。ＭＲＩ用マグネットでは、磁場分布を均一化したい領域（すなわち、磁場均一化領域）において、印加磁場分布の均一性評価指標としてｐｐｍオーダー程度と高い磁場均一度を要求されることが多い。これに対して、ＮＭＲやＭＲＩの高均一度の磁場発生を主な目的としない磁場発生装置が発生可能な磁場の均一度は比較的不均一であり、磁場均一化領域において要求される磁場均一度は、印加磁場分布の均一性評価指標として１００ｐｐｍ以上であることが多い。

なお、ある点の磁場強度は、ホール素子、または、高感度の磁場測定装置（例えば、テスラメーター（Ｍｅｔｒｏｌａｂ社製））、及びＮＭＲ信号の半値幅等に基づき、概ね求めることができる。また、最大磁場強度及び最小磁場強度は、ある領域における最も高い磁場強度値、及び、最も低い磁場強度値であり、平均磁場強度は、最大磁場強度と最小磁場強度の平均値である。

（着磁条件１：Ｔ＝Ｔｓ、Ｂ_ａ＝Ｂ_１）
まず、着磁条件１として、常伝導状態のリング状酸化物超電導バルク体を磁場Ｂ_１中に置き、超電導転移温度（Ｔｃ）以下の温度Ｔｓに冷却した後、印加磁場を徐々に減らすようにした。このときの酸化物超電導バルク体内の超電導電流の分布および磁場分布を図３Ａに示す。状態Ａは減磁前の状態であり、酸化物超電導バルク体内には超電導電流は流れていない。印加磁場を徐々に低下させると、状態Ｂに示すように、リング状酸化物超電導バルク体内には、臨界電流密度Ｊｃ（Ｔｓ）の値を有する超電導電流が流れる領域７２ｂが外周部分から現れる。さらに印加磁場を低下させた後、印加磁場をゼロとすると、状態Ｃに示すように、臨界電流密度Ｊｃ（Ｔｓ）値を有する超電導電流が流れる領域７２ｂがさらに内側に広がる。着磁条件１では、状態Ｃに示すように、印加磁場がゼロになったときにも酸化物超電導バルク体断面の内側に超電導電流が流れていない領域７２ａが存在する。このような状態を、以下、「非フル着磁状態」と称する。

（着磁条件２：Ｔ＝Ｔ_ｈ（Ｔ_ｈ＞Ｔ_Ｓ）、Ｂ_ａ＝Ｂ_１）
次に、着磁条件２は、印加磁場は着磁条件１と同一であるが、酸化物超電導バルク体を着磁条件１での温度Ｔ_Ｓよりも高い温度Ｔ_ｈとした。着磁条件１に対し温度が高く、臨界電流密度Ｊｃが低い着磁条件２では、図３Ｂに示すように、減磁前の状態である状態Ａでは、着磁条件１と同様、酸化物超電導バルク体内には超電導電流は流れていない。印加磁場を徐々に低下させると、状態Ｂに示すように、リング状酸化物超電導バルク体内には、臨界電流密度Ｊｃ（Ｔｓ）の値を有する超電導電流が流れる領域７２ｂが外周部分から現れる。このとき、着磁条件１よりも早く内側まで超電導電流が流れる領域７２ｂが現れる。そして、さらに印加磁場を低下させた後、印加磁場をゼロとした状態Ｃでは、酸化物超電導バルク体の断面全体に超電導電流が流れるようになる。このような状態を、以下、「フル着磁状態」と称する。

（着磁条件３：Ｔ＝Ｔ_Ｓ、Ｂ_ａ＝Ｂ_２（Ｂ_２＞Ｂ_１））
一方、着磁条件３は、着磁温度は着磁条件１と同一であるが、印加磁場を着磁条件１よりも高くした。このような着磁条件では、図３Ｃに示すように、減磁前の状態である状態Ａでは、着磁条件１、２と同様、酸化物超電導バルク体内には超電導電流は流れていない。印加磁場を徐々に低下させると、状態Ｂに示すように、リング状酸化物超電導バルク体内には、臨界電流密度Ｊｃ（Ｔｓ）の値を有する超電導電流が流れる領域７２ｂが外周部分から現れる。このとき、着磁条件２と同様、着磁条件１よりも早く内側まで超電導電流が流れる領域７２ｂが現れる。そして、さらに印加磁場を低下させた後、印加磁場をゼロとした状態Ｃでは、酸化物超電導バルク体の断面全体に超電導電流が流れ、フル着磁状態となっている。

また、酸化物超電導バルク体断面内の磁束密度の勾配に着目すると、図３Ｂ及び図３Ｃより、磁束密度の勾配は臨界電流密度Ｊｃに比例することがわかる。

なお、図３Ａ〜図３Ｃでは、臨界電流密度Ｊｃは温度に対し一定（すなわち、変化しない）ものとして３つの着磁条件を示したが、実際には、対数的に時間と共に低下し得る。そのため、リング状酸化物超電導バルク体内に捕捉された磁束は、時間と共に低下することになる。このように時間と共に徐々に低下する現象はクリープと呼ばれている。

しかしながら、着磁条件１のように非フル着磁状態になっている場合は、クリープにより臨界電流密度Ｊｃが低下していく場合においても、臨界電流密度Ｊｃが低下する分、まだ超電導電流が流れていない領域に超電導電流が流れるようになる。そのため、酸化物超電導バルク体内部の磁束は、電流分布が変化する分、極僅かに低下するに留まる。

一方、着磁条件２、３の場合では、クリープによって臨界電流密度Ｊｃが低下した分がすべて酸化物超電導バルク体内の磁束密度の変化に繋がり、磁場のクリープが大きく表れる。

さらに、図３Ａ〜図３Ｃでは、軸方向に十分に長いリング状酸化物超電導バルク体の概念図を示したが、実際の軸方向の長さは有限である。そのため、軸方向の端部に位置するバルクマグネットの一方は、隣接するバルクマグネットが存在しないため、急激に磁場が低下するとともに、磁場勾配が大きくなる。そうすると、大きな臨界電流が流れ、これにより臨界電流が流れる領域が内周側に流れるようになり、酸化物超電導バルク体断面内の臨界電流密度Ｊｃ分布は上下の端部でより内側に入り込んだ分布になり、また、上下の端部で捕捉された磁場強度も低下する。

バルクマグネット構造体５０に対する実際の着磁プロセスにおいては、上述したクリープ、並びに断面端部における臨界電流密度Ｊｃの分布の変化および磁場強度の低下減少を考慮したうえで、所望の着磁状態となるように着磁プロセスが制御される。

以上、本実施形態に係るバルクマグネット構造体５０の着磁プロセスの例について説明した。

以下、本実施形態に係るバルクマグネット構造体５０の具体的な構成例について説明する。

＜第１の実施形態＞
図４は、本発明の第１の実施形態に係るバルクマグネット構造体５０Ａの一例を示す断面図である。図４に示すように、本実施形態に係るバルクマグネット構造体５０Ａは、複数のリング状バルク体５１ａ〜５１ｄおよび複数の円柱状バルク体５１ｅ、５１ｆからなるバルク体部５１Ａと、各バルク体５１ａ〜５１ｆの外周にそれぞれ嵌合された外周補強リング５３ａ〜５３ｆからなる外周補強リング部５３Ａとを含んでなる。各外周補強リング５３ａ〜５３ｆと各バルク体５１ａ〜５１ｆとの接合には、半田を用いることが好ましい。この場合、予め各バルク体５１ａ〜５１ｆの外周面上に銀を成膜して、半田の乗りを良くするとともに電気的な接触抵抗を低減させておくことがさらに好ましい。なお、以下の説明では、バルク体と外周補強リングとが一体となった構成を「バルクマグネット」と記載することがある。

バルクマグネット構造体５０Ａは、各バルク体５１ａ〜５１ｆの中心軸を揃えて積層し構成されている。各バルク体５１ａ〜５１ｆの外径は同一であり、各リング状バルク体５１ａ〜５１ｄの内径は同一であることが、設計上望ましい。また、バルクマグネット構造体５０Ａのバルク体の軸方向（積層方向と同義）の一端にはリング状バルク体５１ａが配置されており、リング状バルク体５１ａ〜５１ｄが連続的に積層されている。そして、リング状バルク体５１ａ〜５１ｄの内側には、外部空間と連通する空間が形成されている。一方で、バルクマグネット構造体５０Ａのバルク体の軸方向の他端には円柱状バルク体５１ｅおよび５１ｆが積層して配置されている。

図４に示すバルクマグネット構造体５０Ａを構成するバルク体として、リング状バルク体だけではなく円柱状バルク体を用いることにより、リング状バルク体のみによる構成と比較して以下の利点が挙げられる。すなわち、円柱状バルク体を用いることにより、リング状バルク体のように穴あけ加工をする必要がないため、低コストでバルクマグネット構造体５０Ａを作成することができる。また、円柱状バルク体は、電磁気応力による割れの起点となり得る内周面を有しないため、割れによる破損が生じにくくなる。

また、図４に示すように、バルクマグネット構造体５０Ａの軸方向の一端には、少なくとも１のリング状バルク体が配置され得る（図４では４つのリング状バルク体が積層されて配置されている）。かかる構成により、リング状バルク体の内側に形成される磁場空間に対して、Ｚ軸方向から試料等を挿入することが可能となる。このような磁場空間に磁場補正コイル、信号検出コイルおよび電磁波照射コイル等を含むプローブ等を設けることにより、試料等についてのＮＭＲ信号を検出することが可能となる。すなわち、ＮＭＲ用のマグネットとしての応用が可能となる。

また、図４に示すように、バルクマグネット構造体５０Ａの軸方向の一端から中央部分にかけて、複数のリング状バルク体が連続して積層されている。かかる構成により、均一磁場空間が形成されやすいバルクマグネット構造体５０Ａの中央部分の空間を利用することができる。例えば、かかるバルクマグネット構造体５０ＡをＮＭＲ用のマグネットとして応用する場合、試料等を均一磁場空間に載置することが可能となる。

また、図４に示すように、バルクマグネット構造体５０Ａの軸方向の他端には、少なくとも１の円柱状バルク体が配置され得る（図４では２つの円柱状バルク体が積層されて配置されている）。かかる構成により、バルクマグネット構造体５０Ａの端部により多くかかり得る磁場応力による割れへの耐性を高めることが可能となる。したがって、バルクマグネット構造体５０Ａの破損を防止することが可能となる。

なお、このような図４に示すバルクマグネット構造体５０Ａは、冷媒または冷凍機により冷却される。例えば、バルクマグネット構造体５０Ａは図１に示したようなコールドヘッド２１上に据え付けられ、真空断熱層を形成するための真空断熱容器１０が、バルクマグネット構造体５０Ａの周囲に設けられてもよい。バルクマグネット構造体５０Ａは、超電導体の臨界温度以上で外部磁場が印加された後、バルクマグネット構造体５０Ａが超電導状態となる所定の冷却温度まで冷却され、当該冷却温度に達した後、印加している外部磁場を下げることで、その内部に超電導電流が誘起されて着磁される。

通常、印加磁場の磁場中心をバルクマグネット構造体５０Ａの積層方向の中心に合わせるように着磁することで、印加磁場の磁場分布をバルクマグネット構造体５０Ａに再現することができる。この場合、着磁条件として、各バルク体の断面がフル着磁状態にならないような条件を用いることにより、印加磁場とほぼ等しい磁場分布をコピーすることが可能となる。したがって、上記条件に従って高均一度の高磁場を印加した場合、バルクマグネット構造体５０Ａ内に高均一度の高磁場が再現され得るので、ＮＭＲ用のマグネットとしての応用が可能となる。

＜第２の実施形態＞
また、強磁場の着磁により強磁場をバルクマグネット構造体内に発生させる場合、リング状バルク体および円柱状バルク体のいずれにも大きな電磁気力が作用し、その結果リング状バルク体や円柱状バルク体が割れるという問題も生じ得る。この場合、複数のバルクマグネットが積層されたバルクマグネット構造体では、端部に配置されたバルクマグネットの積層方向両端表面中央付近や内周表面付近に最も大きな応力が作用し得るので、破損が当該部分から最も生じやすい。そこで、このような最も大きな応力が作用する積層方向両端の超電導バルク体を、軸方向の厚みが小さい酸化物超電導バルク体と平面補強部材とを交互に積層させた積層体により構成し、これらをバルクマグネット構造体の端部に配置してもよい。

図５は、本発明の第２の実施形態に係るバルクマグネット構造体５０Ｂの一例を示す断面図である。図５に示すように、本実施形態に係るバルクマグネット構造体５０Ｂは、リング状積層体５１ａ、複数のリング状バルク体５１ｂ〜５１ｆおよび円柱状積層体５１ｇからなるバルク体部５１Ｂと、各バルク体５１ａ〜５１ｇの外周にそれぞれ嵌合された外周補強リング５３ａ〜５３ｇからなる外周補強リング部５３Ｂとを含んでなる。バルクマグネット構造体５０Ｂは、各バルク体５１ａ〜５１ｇの中心軸を揃えて積層し構成されている。また、図５に示すように、各バルク体５１ａ〜５１ｇの外径は同一であるが、リング状積層体５１ａの内径は、他のリング状バルク体５１ｂ〜５１ｆの内径よりも小さくてもよい。また、図５に示すように、リング状バルク体５１ｂ、５１ｄおよび５１ｆの軸方向の厚みは、リング状バルク体５１ｃおよび５１ｅの軸方向の厚みより大きくてもよいが、かかる厚みは特に限定されない。

リング状積層体５１ａは、軸方向の厚みが小さいリング状酸化物超電導バルク体５１ａ１と、平面補強リング５１ａ２とが交互に積層して構成されている。リング状積層体５１ａが配置されるバルクマグネット構造体５０Ｂの積層方向両端は、上述したように最も大きな応力が作用する部分であり、この中でも、特に、これらの内周表面部分および積層方向両端表面付近に大きな応力が作用する。このため、少なくともバルクマグネット構造体の端部に配置するバルクマグネットは十分な機械的強度を有することが望ましい。そのため、バルクマグネット構造体５０Ａの積層方向両端にはリング状積層体（または円柱状積層体）が配置されることが望ましい。

なお、さらに高い機械的強度を得るために、積層方向両端に以外に配置されているリング状バルク体も、軸方向の厚みが小さいリング状酸化物超電導バルク体と平面補強リングが交互に積層されたリング状積層体を用いることが望ましい。

また、円柱状積層体５１ｇは、軸方向の厚みが小さい円柱状酸化物超電導バルク体５１ｇ１と、平面補強板５１ｇ２とが交互に積層して構成されている。かかる円柱状積層体５１ｇがバルクマグネット構造体５０Ｂの端部に配置されることにより、大きな応力が作用し得る積層方向両端表面付近における機械的強度を十分に保持することが可能となる。また、さらに高い機械的強度を得るために、積層方向両端に以外に円柱状バルク体が配置される場合においても、軸方向の厚みが小さい円柱状酸化物超電導バルク体と平面補強板が交互に積層された円柱状積層体を用いることが望ましい。

＜積層体の構成例＞
（リング状積層体の構成例）
以下、図５に示した第２の実施形態に係るバルクマグネット構造体５０Ｂを構成するリング状積層体５１ａ、さらにリング状バルク体５１ｂ〜５１ｆのいずれかを軸方向の厚みが小さいリング状酸化物超電導バルク体と平面補強リングとを交互に配置したときのリング状積層体の具体的構成例を、図６〜図１３Ｄに基づき説明する。

（第１構成例）
まず、図６に基づいて、リング状積層体の第１構成例を説明する。図６は、第１構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネット１００を示す概略分解斜視図である。

本構成例に係るバルクマグネット１００は、円板の中央部に貫通孔を有するリング状バルク体１１０と、円板の中央部に貫通孔を有するリング形状の平面補強リング１２０と、外周補強リング１３０とからなる。本実施形態では、リング状バルク体１１０として、３つのリング状バルク体１１２、１１４、１１６が設けられており、平面補強リング１２０として、２つの平面補強リング１２２、１２４が設けられている。リング状バルク体１１０と平面補強リング１２０とは、バルクマグネットのリングの中心軸線方向に、交互に積層される。例えば、超電導バルク体１１２、１１４の間に平面補強リング１２２が配置され、リング状バルク体１１４、１１６の間に平面補強リング１２４が配置されている。積層されたリング状バルク体１１０と平面補強リング１２０とは結合または接着され、その外周に中空の金属製の外周補強リング１３０が嵌合される。こうして中央が貫通した、バルクマグネットが形成される。

中心軸線方向に積層されたリング状バルク体１１０と平面補強リング１２０との結合または接着は、例えば樹脂またはグリース等で行ってもよく、より望ましくは、より強固な結合力が得られる半田付けで行うのがよい。半田付けの場合、リング状バルク体１１０の表面にＡｇ薄膜をスパッタ処理等により製膜し、さらに１００℃〜５００℃でアニール処理することが望ましい。これにより、Ａｇ薄膜とリング状バルク体表面とがよくなじむ。半田自身にも熱伝導性を向上さる働きがあるため、半田付け処理は、熱伝導性を向上させバルクマグネット全体の温度を均一化させる観点からも望ましい。

また、このとき、電磁気的な応力に対しての補強方法として、平面補強リング１２０としては、半田付けが可能なアルミ合金、Ｎｉ基合金、ニクロム、ステンレス等の金属が望ましい。さらには、線膨脹係数がリング状バルク体１１０と比較的近く、室温からの冷却の際に僅かにリング状バルク体１１０に圧縮応力を作用させるニクロムがさらに望ましい。一方、クエンチによる破壊防止の観点からは、平面補強リング１２０として、高熱伝導度および高電気伝導度を有する銅、銅合金、アルミニウム、アルミ合金、銀、銀合金等の金属が望ましい。なおこれらの金属は半田付けが可能である。さらには、無酸素銅、アルミニウム、銀が熱伝導度および電気伝導度の観点から望ましい。また、半田等で結合する際、気泡の巻き込み等を抑制し半田を均一に浸透させるため、細孔を有する平面補強リング１２０を用いることは有効である。

このような高強度金属からなる平面補強リング１２０による補強により、全体としての熱伝導率化により、バルクマグネットとしての熱的安定性が増し、クエンチが発生しにくくなり、より低温領域すなわち高臨界電流密度Ｊｃ領域での高磁場着磁が可能となる。銅、アルミニウム、銀等の金属は、電気伝導度も高いことから、局所的に超電導特性を劣化させる揺籃が発生した場合、超電導電流を迂回させる作用が期待でき、クエンチ抑制効果があると考えられる。また、このとき、クエンチ抑制効果を高めるためには、リング状バルク体と高電気伝導の平面補強リングとの界面の接触抵抗が小さいことが望ましく、リング状バルク体の表面に銀皮膜を形成した後、半田等で接合することが望ましい。

バルクマグネットの実際上の設計では、高強度金属からなる平面補強リング１２０を挿入する分、超電導材料の割合が減少するため、目的とする使用条件に合わせて、平面補強リング１２０の割合を決定すればよい。また、上記の観点から、平面補強リング１２０を、強度が高い高強度金属と熱伝導率が高い高強度金属とを複数それぞれの割合を決めて、組み合わせて構成することが望ましい。

また、リング状バルク体１１０の常温引っ張り強度は６０ＭＰａ程度であり、また、平面補強リング１２０をリング状バルク体１１０に貼り付けるための半田の常温引っ張り強度は、通常８０ＭＰａ未満である。このことから、常温引っ張り強度が８０ＭＰａ以上の平面補強リング１２０は、補強部材として有効である。そのため、平面補強リング１２０の強度は、常温引っ張り強度が８０ＭＰａ以上であることが好ましい。

さらに、熱伝導度が高い高強度金属の熱伝導率としては、超電導材料内で発生した熱の伝達、吸収の観点から、２０Ｋ〜７０Ｋの温度領域で２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が望ましく、さらに望ましくは、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が望ましい。また、平面補強リング１２０として、複数の種類の平面補強リングがリング状バルク体１１０の間に配置されている場合、当該平面補強リングのうち少なくとも１つが２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有していればよい。

また、外周補強リング１３０についても、クエンチ抑制効果を高めるために、高い熱伝導率を有する材質から形成してもよい。この場合、外周補強リング１３０には、例えば、高い熱伝導率を有する銅、アルミニウム、銀等の金属を主成分として含む材質を用いることができる。高い熱伝導率を有する外周補強リング１３０の熱伝導率は、超電導材料内で発生した熱の伝達・吸収の観点から、冷凍機冷却等により安定して強磁場を発生できる２０Ｋ〜７０Ｋの温度領域で２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が望ましく、さらに望ましくは、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が望ましい。

また、外周補強リング１３０は、同心円状に複数のリングを配置して構成することも可能である。すなわち、対向するリングの周面同士を接するようにして全体として１つの外周補強リングを構成する。この場合、外周補強リングを構成するリングのうち少なくとも１つが２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有していればよい。

平面補強リング１２０および外周補強リング１３０の加工は、一般的な機械加工法で加工される。各リング形状のリング状バルク体１１０の内外周の中心軸は、発生磁場強度向上および均一性（または対称性）向上のため必要である。また、各リング状バルク体１１０の外周の直径および内周の直径は、設計事項であり、必ずしも一致させる必要はない。例えば、ＮＭＲまたはＭＲＩ用のバルクマグネットの場合、中心付近に磁場均一性を高めるためのシムコイル等を配置する必要が生じる場合がある。その際には、中心付近の内径を大きくし、シムコイル等を配置し易くすることが望ましい。また、外周の直径に関しても、中心部の磁場強度を増したり、均一性を向上させるため、外周部の直径を変化させ目的とする磁場強度や均一性を調整することは、有効である。

外周補強リング１３０の形状（外周および内周）は、リング状バルク体１１０の外周面が外周補強リング１３０の内周面に密着していればよい。また、図６には３枚のリング状バルク体からなるバルクマグネットの例を示したが、本発明の要旨は、比較的強度が低いリング状バルク体と高強度の平面補強リングとの複合材料化による高強度化であるため、より多く多層化することで複合化の効果が発揮される。リング状バルク体の厚さは、直径（外径）にも依存するが、１０ｍｍ以下が望ましく、さらに望ましくは６ｍｍ以下であり、０．３ｍｍ以上である。バルクマグネット構造体内の端部に配置されるバルクマグネット１００の厚さは概ね３０ｍｍ以下である。リング状バルク体の厚さが０．３ｍｍ未満となると、酸化物超電導体の結晶性の揺らぎによる超電導特性の劣化が起こる。また、バルクマグネット構造体内の端部に配置されるバルクマグネット１００の厚さは概ね３０ｍｍ以下であり、仕様されるリング状バルク体の厚さは１０ｍｍ以下が望ましいため、リング状バルク体の枚数は、３枚以上が望ましく、さらに望ましくは５枚以上である。

また、平面補強リングは、当該平面補強リングを含むバルクマグネット中の平面補強リングとリング状バルク体との割合を調整することにより当該バルクマグネットの強度を調整するものである。したがって、平面補強リングの厚みは、要求されるバルクマグネットの強度に応じて調整され得るものであり、２ｍｍ以下が望ましく、さらに望ましくは１ｍｍ以下である。

以上、本実施形態に係るリング状積層体の第１構成例について説明した。本構成例によれば、少なくとも積層されたリング状バルク体１１０の間に、平面補強リング１２０が配置される。特に引っ張り応力に対し、比較的低強度であるリング状バルク体１１０と平面補強リング１２０とを交互に積層させて複合材料化することで、その強度を高めることができる。さらに、平面補強リング１２０および外周補強リング１３０として熱伝導率の高い材料を用いることで、クエンチの発生も抑制できる。これにより、高い磁場強度条件下でも、リング状バルク体１１０の破損を防止することができ、バルクマグネット内部において十分な総磁束量を得ることができ、さらに、磁場の均一性が優れたバルクマグネット構造体を提供することができる。

（第２構成例）
次に、図７Ａ〜図７Ｃに基づいて、本実施形態に係るリング状積層体の第２構成例を説明する。図７Ａは、本構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネット２００を示す概略分解斜視図である。図７Ｂは、図７Ａに示すバルクマグネット２００の部分断面図を示す。図７Ｃは、本構成例に係るバルクマグネットの変形例であって、バルクマグネット２００の中心軸線に沿って切断したときの部分断面図を示す。

本構成例に係るリング状積層体は、第１構成例に係るリング状積層体と比較して、中心軸線方向の端部に、平面補強リング２２０が設けられる点で相違する。図７Ａに示すように、バルクマグネット２００は、リング状バルク体２１０と、平面補強リング２２０と、外周補強リング２３０とからなる。本構成例では、リング状バルク体２１０として、３つのリング状バルク体２１２、２１４、２１６が設けられており、平面補強リング２２０として、４つの平面補強リング２２１、２２３、２２５、２２７が設けられている。リング状バルク体２１０と平面補強リング２２０とは、リングの中心軸線方向に、交互に積層される。例えば図７Ａに示すように、リング状バルク体２１２、２１４の間に平面補強リング２２３が配置され、リング状バルク体２１４、２１６の間に平面補強リング２２５が配置されている。

また、リング状バルク体２１２には、平面補強リング２２３が配置された側と反対側の面に平面補強リング２２１が設けられる。同様に、リング状バルク体２１６には、平面補強リング２２５が配置された側と反対側の面に平面補強リング２２７が設けられる。このとき、最端部の平面補強リング２２１およびもう一方の最端部の平面補強リング２２７と、外周補強リング２３０との位置関係は、図７Ｂに示すように、平面補強リング２２１、２２７が外周補強リング２３０内に収まるようにしてもよい。あるいは、図７Ｃに示すように、平面補強リング２２１、２２７の外径を外周補強リング２３０の外径と略同一として、外周補強リング２３０の端面を平面補強リング２２１、２２７で覆うようにしてもよい。

積層されたリング状バルク体２１０と平面補強リング２２０とは結合または接着され、その外周に中空の金属製の外周補強リング２３０が嵌合される。こうして中央が貫通したバルクマグネットが形成される。なお、中心軸線方向に積層されたリング状バルク体２１０と平面補強リング２２０との結合または接着は、第１構成例に係るリング状積層体の場合と同様に行ってもよい。

また、図７Ａ〜図７Ｃでは、バルクマグネット２００の中心軸線方向の両端部に、平面補強リング２２１、２２７を設ける例を示したが、必ずしも両端部に平面補強リング２２１、２２７を配置する必要はない。例えば図７Ａの最上面にのみ平面補強リング２２１を配置したバルクマグネットの下に、図７Ａの最下面にのみ高強度補強部材２２７を配置したバルクマグネットを配置することによって、全体として最上面および最下面の両方に平面補強リング２２１、２２７を配置したバルクマグネットを構成してもよい。

以上、本実施形態に係るリング状積層体の第２構成例について説明した。本構成例によれば、積層されたリング状バルク体２１０の間および中心軸線方向の端部に、平面補強リング２２０が配置される。このようなリング状バルク体２１０と平面補強リング２２０とを交互に積層させて複合材料化することで、その強度を高めることができる。さらに、平面補強リング２２０および外周補強リング２３０として熱伝導度の高い材料を用いることで、クエンチの発生も抑制できる。これにより、高い磁場強度条件下でも、リング状バルク体２１０の破損を防止することができ、バルクマグネット内部において十分な総磁束量を得ることができ、さらに、磁場の均一性が優れたバルクマグネット構造体を提供することができる。

なお、図７Ａ〜図７Ｃでは、１つの外周補強リング２３０を設けた場合を示したが、本発明はかかる例に限定されず、例えば図７Ｄに示すように、３つのリング状バルク体２１２、２１４、２１６に対応して分割された３つの外周補強リング２３１、２３２、２３３を設けてもよい。このとき平面補強リング２２１、２２３、２２５、２２７は、外周補強リング２３１、２３２、２３３と外径が揃うように、リング状バルク体２１２、２１４、２１６よりも半径方向に延設される。

（第３構成例）
次に、図８に基づいて、本実施形態に係るリング状積層体の第３構成例を説明する。図８は、本構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネット３００を示す概略分解斜視図である。

本構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネット３００は、図８に示すように、リング状バルク体３１０と、平面補強リング３２０と、外周補強リング３３０とからなる。本構成例では、リング状バルク体３１０として、３つのリング状バルク体３１２、３１４、３１６が設けられており、平面補強リング３２０として、４つの平面補強リング３２１、３２３、３２５、３２７が設けられている。

リング状バルク体３１０と平面補強リング３２０とは、リングの中心軸線方向に、交互に積層される。例えば図８に示すように、リング状バルク体３１２、３１４の間に平面補強リング３２３が配置され、リング状バルク体３１４、３１６の間に平面補強リング３２５が配置されている。また、リング状バルク体３１２には、平面補強リング３２３が配置された側と反対側の面に平面補強リング３２１が設けられる。同様に、リング状バルク体３１６には、平面補強リング３２５が配置された側と反対側の面に平面補強リング３２７が設けられる。なお、中心軸線方向に積層されたリング状バルク体３１０と平面補強リング３２０との結合または接着は、第１構成例に係るリング状積層体と同様に行ってもよい。

本構成例に係るバルクマグネット３００を構成するリング状積層体は、第２構成例に係るリング状積層体と比較して、図８の最上面または最下面の平面補強リング３２１、３２７のうち少なくともいずれか一方の厚みが、他の平面補強リング３２３、３２５の厚さに比べ厚くなっている。これは、着磁過程においてバルクマグネット３００の上面および下面の表面に最大応力がかかるためであり、この部分を十分に補強する必要がある。本実施形態に係るバルクマグネット３００のように、バルクマグネット３００の最上面または最下面の高強度補強部材３２１、３２７の厚みを大きくすることで、最大応力に耐え得る十分な強度を確保することができる。

なお、第２構成例に係るリング状積層体と同様、例えば図８の最上面にのみ平面補強リング３２１を配置したバルクマグネットおよび図８の最下面にのみ高強度補強部材３２７を配置したバルクマグネットをバルクマグネット構造体に配置することによって、バルクマグネット構造体全体として最上面および最下面の両方に平面補強リング３２１、３２７を配置したバルクマグネット構造体を構成してもよい。

（第４構成例）
次に、図９に基づいて、本実施形態に係るリング状積層体の第４構成例を説明する。図９は、本構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネット４００を示す概略分解斜視図である。

本構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネット４００は、リング状バルク体４１０と、平面補強リング４２０と、外周補強リング４３０とからなる。第４のリング状積層体では、リング状バルク体４１０として、４つのリング状バルク体４１２、４１４、４１６、４１８が設けられており、平面補強リング４２０として、５つの平面補強リング４２１、４２３、４２５、４２７、４２９が設けられている。

本構成例に係るバルクマグネット４００を構成するリング状積層体は、第１構成例〜第３構成例に係るリング状積層体と比較して、平面補強リング４２０の内径がリング状バルク体４１０の内径より小さくなっている。リング状バルク体４１０の内周面は、着磁過程において応力が集中する部分である。バルクマグネット４００に割れが発生する場合、この部分から発生することが多い。平面補強リング４２０の内径を小さくすることにより、リング状バルク体４１０の内周面からの亀裂の発生を抑制する効果を高めることができる。また、平面補強リング４２０の内径は、その上下の各リング状バルク体４１０の内径が異なる場合は、より小さい方の内径より小さくする必要がある。亀裂の起点となる部分を補強することによって亀裂に対する補強効果を高めることができる。リング状バルク体４１０の亀裂の起点は内周面にあり、特に上面あるいは下面と内周面との交点線部分を補強することが望ましい。したがって、平面補強リング４２０の内径を、内径が小さい方のリング状バルク体４１０より小さくすることで、内径が小さいリング状バルク体４１０を補強することができる。さらに、平面補強リング４２０および外周補強リング４３０として熱伝導度の高い材料を用いることで、クエンチの発生も抑制できる。

（第５構成例）
次に、図１０Ａ〜図１０Ｅに基づいて、本実施形態に係るリング状積層体の第５構成例を説明する。図１０Ａは、本構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネット５００を示す概略分解斜視図である。図１０Ｂ〜図１０Ｅは、本構成例に係るバルクマグネットの変形例であって、バルクマグネット５００の中心軸線に沿って切断したときの部分断面図を示す。

本構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネット５００は、リング状バルク体５１０と、平面補強リング５２０と、外周補強リング５３０と、内周補強リング５４０とからなる。図１０Ａに示す例では、リング状バルク体５１０として、２つのリング状バルク体５１２、５１４が設けられており、平面補強リング５２０として、３つの平面補強リング５２１、５２３、５２５が設けられている。また、内周補強リング５４０として、２つの内周補強リング５４２、５４４が設けられている。

本構成例に係るバルクマグネット５００を構成するリング状積層体は、第１構成例〜第４構成例に係るリング状積層体と比較して、リング状バルク体５１０の内周面を補強するための内周補強リング５４０が、リング状バルク体５１０の内周面に結合または接着されている点で相違する。内周補強リング５４０は、平面補強リング５２０とも結合または接着しているため、線膨脹係数がリング状バルク体５１０より大きな素材である場合にも、リング状バルク体５１０および平面補強リング５２０の内周面と強固に結合することができる。したがって、これらの内周面を補強することができ、割れを抑制する効果を有する。

さらに、平面補強リング５２０、内周補強リング５４０および外周補強リング５３０として熱伝導度の高い材料を用いることで、クエンチの発生も抑制できる。このとき、平面補強リング５２０および外周補強リング５３０は、第１構成例に係るリング状積層体と同様に構成することができる。また、内周補強リング５４０についても、クエンチ抑制効果を高めるために、例えば、高い熱伝導率を有する銅、アルミニウム、銀等の金属を主成分として含む材質を用いることができる。高い熱伝導率を有する内周補強リング５４０の熱伝導率は、超電導材料内で発生した熱の伝達・吸収の観点から、冷凍機冷却等により安定して強磁場を発生できる２０Ｋ〜７０Ｋの温度領域で２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が望ましく、さらに望ましくは、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が望ましい。また、内周補強リング５４０は、同心円状に複数のリングを配置して構成することも可能である。すなわち、対向するリングの周面同士を接するようにして全体として１つの内周補強リングを構成する。この場合、内周補強リングを構成するリングのうち少なくとも１つが２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有していればよい。

また、このとき、リング状バルク体５１０の内周面と内周補強リング５４０の外周面とを密着させることが望ましい。また、内周補強リング５４０と平面補強リング５２０との基本的な位置関係としては、例えば図１０Ｂに示すように、リング状バルク体５１０および平面補強リング５２０の内径を同一にして、１つの内周補強リング５４１を設けてもよい。

あるいは、図１０Ｃに示すように、平面補強リング５２０の内径をリング状バルク体５１０の内径よりも僅かに小さくし、各リング状バルク体５１２、５１４、５１６の内周面にそれぞれ内周補強リング５４１、５４３、５４５を設け、各平面補強リング５２１、５２３、５２５の内径と内周補強リング５４１、５４３、５４５の内径とを同一とするようにしてもよい。内周補強リング５４０の肉厚が平面補強リング５２０の肉厚に対して大きい場合には、強度の観点から図１０Ｃに示す構成であることが望ましい。これにより、内周補強リング５４０と平面補強リング５２０との接触面積を大きくすることができ、内周補強リング５４０と平面補強リング５２０との接続部分の強度を高めることができる。また、リング状バルク体５１０の内周径が異なる場合には、作業性の観点から、図１０Ｄに示すように内周補強リング５４０が内周補強リング５４１、５４３、５４５のように分割されている方が望ましい。

なお、図１０Ａ〜図１０Ｄでは、１つの外周補強リング５３０を設けた場合を示したが、本発明はかかる例に限定されず、例えば図１０Ｅに示すように、３つのリング状バルク体５１２、５１４、５１６に対応して分割された３つの外周補強リング５３１、５３２、５３３を設けてもよい。このとき平面補強リング５２１、５２３、５２５、５２７は、外周補強リング５３１、５３２、５３３と外径が揃うように、リング状バルク体５１２、５１４、５１６よりも半径方向に延設される。

（第６構成例）
次に、図１１Ａ〜図１１Ｃに基づいて、本実施形態に係るリング状積層体の第６構成例を説明する。図１１Ａ〜図１１Ｃは、本構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネット６００およびその変形例の中心軸線に沿って切断したときの部分断面図を示す。

本構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネット６００は、リング状バルク体６１０と、平面補強リング６２０と、外周補強リング６３００と、第２外周補強リング６３１０と、内周補強リング６４００と、第２内周補強リング６４１０とからなる。図１１Ａに示す例では、リング状バルク体６１０として、５つのリング状バルク体６１１〜６１５が設けられており、平面補強リング６２０として、６つの平面補強リング６２１〜６２６が設けられている。さらに、各リング状バルク体６１１〜６１５の内周面および外周面には、第２外周補強リング６３１１〜６３１５および第２内周補強リング６４１１〜６４１５が設けられている。

本構成例に係るバルクマグネット６００を構成するリング状積層体は、第１構成例〜第５構成例に係るリング状積層体と比較して、平面補強リング６２０の外周端部が第２外周補強リングと外周補強リングとで結合されている点、及び、平面補強リング６２０の内周端部が第２内周補強リングと内周補強リングとで結合されている点で相違する。ここで、第２外周補強リング、外周補強リング、第２内周補強リング及び内周補強リングは、金属を使用できるため、金属の平面補強リングと半田等により強固に接続することが可能である。したがって、二重構造を有する第２内周補強リング、内周補強リング、第２外周補強リング、外周補強リングにより側面および上下面の二方向からリング状バルク体６１１〜６１５を挟み込んで強固に結合することができる。この効果によりリング状バルク体６１０は、周囲の平面補強リング、第２内周補強リング、第２外周補強リングと強固に結合することができ、割れを抑制する顕著な効果を有する。

さらに、平面補強リング６２０、二重構造の第２内周補強リング６４１０、内周補強リング６４００および二重構造の外周補強リング６３００、第２外周補強リング６３１０として熱伝導度の高い材料を用いることで、クエンチの発生も抑制できる。このとき、平面補強リング６２０および外周補強リング６３００、第２外周補強リング６３１０は、第１構成例に係るリング状積層体と同様に構成することができる。また、第２内周補強リング６４１０、内周補強リング６４００についても、クエンチ抑制効果を高めるために、例えば、高い熱伝導率を有する銅、アルミニウム、銀等の金属を主成分として含む材質を用いることができる。高い熱伝導率を有する第２内周補強リング６４１０、内周補強リング６４００の熱伝導率は、超電導材料内で発生した熱の伝達・吸収の観点から、冷凍機冷却等により安定して強磁場を発生できる２０Ｋ〜７０Ｋの温度領域で２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が望ましく、さらに望ましくは、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が望ましい。

また、第２内周補強リング６４１０、内周補強リング６４００は、同心円状に複数のリングを配置して構成することも可能である。すなわち、対向するリングの周面同士を接するようにして全体として１つの第２内周補強リング６４１０、内周補強リング６４００を構成する。この場合、第２内周補強リング６４１０、内周補強リング６４００を構成する素材のうち少なくとも１つが２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有していればよい。

図１１Ｂに、図１１Ａの変形例として、外周のみ二重リング構造による平面補強リングの外周端部の側面および上下面からの結合した場合の一例を示す。設計上、内径を確保する必要がある場合等、平面補強リングの内周端部は内周補強リング内による上下面からのみ結合する場合も考えられるためである。また、同様に、図１１Ｃに内周のみ二重リング構造による平面補強リングの内周端部の側面および上下面からの結合した場合の一例を示す。設計上、外径の制約をある場合等、平面補強リングの外周端部は外周補強リングによる上下面からのみ結合する場合も考えられるためである。

（第７構成例）
次に、図１２に基づいて、本実施形態に係るリング状積層体の第７構成例を説明する。図１２は、リング状バルク体６５０の結晶学的方位の揺らぎを示す説明図である。

リング状バルク体６５０は単結晶材料であることから、結晶方位の異方性が捕捉磁束密度分布の乱れ（軸対称性からのズレ）として現れる。この結晶方位の異方性を平均化するために、リング状バルク体６５０の結晶方位をずらしながらリング状バルク体６５０を積層してもよい。

複数のリング状バルク体６５０を積層する際、相対的な結晶軸に関し、ｃ軸方向が各リングの内周軸と略一致するように配置すると同時にａ軸の方位をずらすことが望ましい。単結晶状のＲＥ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ中にＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５が微細分散されたリング状バルク体６５０は、一般に単結晶状のＲＥ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙの結晶方位に揺らぎを有している。ｃ軸方向の揺らぎの大きさは、±１５°程度あり、ここでいうｃ軸方向が各リングの内周軸と略一致するとは、単結方位のずれが±１５°程度あることを意味する。ａ軸をずらす角度は積層枚数にもよるが、１８０°、９０°等、４回対称にならない角度が望ましい。

このように、リング状バルク体６５０の結晶方位をずらしながらリング状バルク体６５０を積層することで、結晶方位の異方性を平均化することができる。

（第８構成例）
次に、図１３Ａ〜図１３Ｄに基づいて、本実施形態に係るリング状積層体の第８構成例を説明する。図１３Ａは、本構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネット７００の一例を示す概略分解斜視図である。図１３Ｂ〜図１３Ｄは、本構成例に係るリング状積層体を構成するリング状バルク体７１０の一例の平面図を示す。

本構成例に係るリング状積層体により構成されるバルクマグネット７００は、第１構成例〜第７構成例に係るリング状積層体と比較して、酸化物超電導バルク体７１０が径方向に多重リング構造を有する点で相違する。多重リング構造とは、径方向に単一のリングではなく、複数のリングが同心円状に配置された構造をいう。例えば図１３Ｂに示すように、リング状バルク体７１０は、内径および外径の異なる、径方向の幅が略同一であるリング状バルク体７１０ａ〜７１０ｅを、径方向に所定の隙間７１３を設けて同心円状に配置した五重リング構造としてもよい。

また、例えば図１３Ｃに示すように、リング状バルク体７１０は、内径および外径の異なるリング状バルク体７１０ａ〜７１０ｃを、径方向に所定の隙間７１３を設けて同心円状に配置した四重リング構造としてもよい。このとき、リング状バルク体７１０ｃの径方向の幅が、他のリング状バルク体７１０ａ、７１０ｂの径方向の幅よりも大きくともよい。各リングの幅は設計事項である。

このような多重リング構造のリング状バルク体７１０を積層することによって、リング状バルク体７１０は、４回対称性を伴う結晶成長により超電導電流分布にも４回対称性が僅かに反映される傾向があるが、同心円の多重リング形状とすることで、着磁によって誘起される超電導電流の流路を軸対称に近づけるという作用が生ずる。この効果により、捕捉した磁場の均一性が向上する。このような特性を有するバルクマグネット７００は、特に高い磁場均一性が求められるＮＭＲやＭＲＩ応用に適している。

また、リング状バルク体７１０は、例えば図１３Ｄに示すように、１つのリングに、同心円の円弧形状の隙間７１３を形成し、同一円周上にある隙間７１３の周方向に複数の継ぎ目７１５を設けるようにしてもよい。これにより、バルクマグネット７００の組み立て作業を簡便にすることができる。

（円柱状積層体の構成例）
以上、本実施形態に係るリング状積層体の構成例について説明した。なお、本実施形態に係る円柱状積層体は、上述したリング状積層体の各構成例と同様の構成を取ることができる。具体的には、図６〜図１３Ｄに示したような構成（内周補強リング、第２内周補強リングを除く）を円柱状積層体に対して適用することができる。以下、円柱状積層体の主な構成例について説明する。

（第１構成例）
まず、図１４に基づいて、本実施形態に係る円柱状積層体の第１構成例を説明する。図１４は、本構成例に係る円柱状積層体により構成されるバルクマグネット８００の中心軸線に沿って切断したときの部分断面図を示す。図１４に示す円柱状積層体の積層構造は、図７Ｂに示すリング状積層体の積層構造（すなわち、リング状積層体の第２構成例）に対応する。

本構成例に係るバルクマグネット８００は、酸化物超電導体からなる円柱状バルク体８１０として３つの円柱状バルク体８１２、８１４、８１６が設けられており、平面補強板８２０として、４つの平面補強板８２１、８２３、８２５、８２７が設けられている。円柱状バルク体８１０と平面補強板８２０とは、円柱の中心軸線方向に、交互に積層される。例えば図１４に示すように、円柱状バルク体８１２、８１４の間に平面補強板８２３が配置され、円柱状バルク体８１４、８１６の間に平面補強板８２５が配置されている。

また、円柱状バルク体８１２には、平面補強板８２３が配置された側と反対側の面に平面補強板８２１が設けられる。同様に、円柱状バルク体８１６には、平面補強板８２５が配置された側と反対側の面に平面補強板８２７が設けられる。このとき、最端部の平面補強板８２１およびもう一方の最端部の平面補強板８２７と、外周補強リング８３０との位置関係は、図１４に示すように、平面補強板８２１、８２７が外周補強リング８３０内に収まるようにしてもよい。あるいは、平面補強板８２１、８２７の外径を外周補強リング８３０の外径と略同一として、外周補強リング８３０の端面を平面補強板８２１、８２７で覆うようにしてもよい。

本構成例によれば、積層された円柱状バルク体８１０の間および中心軸線方向の端部に、平面補強板８２０が配置される。このような円柱状バルク体８１０と平面補強板８２０とを交互に積層させて複合材料化することで、リング状積層体と同様に、その強度を高めることができる。さらに、平面補強板８２０および外周補強リング８３０として熱伝導度の高い材料を用いることで、クエンチの発生も抑制できる。これにより、高い磁場強度条件下でも、円柱状バルク体８１０の破損を防止することができ、バルクマグネット内部において十分な総磁束量を得ることができ、さらに、磁場の均一性が優れたバルクマグネット構造体を提供することができる。

なお、図１４では、１つの外周補強リング８３０を設けた場合を示したが、本発明はかかる例に限定されず、例えば、複数の円柱状バルク体に対応して分割された複数の外周補強リングが設けられてもよい（図７Ｄ参照）。このとき平面補強板は、外周補強リングと外径が揃うように、円柱状バルク体よりも半径方向に延設される。

（第２構成例）
次に、図１５に基づいて本実施形態に係る円柱状積層体の第２構成例を説明する。図１５は、本構成例に係る円柱状積層体により構成されるバルクマグネット９００の中心軸線に沿って切断したときの部分断面図を示す。

本構成例に係る円柱状積層体により構成されるバルクマグネット９００は、円柱状バルク体９１０と、平面補強板９２０と、外周補強リング９３００と、第２外周補強リング９３１０とからなる。図１５に示す例では、円柱状バルク体９１０として、３つの円柱状バルク体９１２、９１４、９１６が設けられており、平面補強板９２０として、４つの平面補強板９２１、９２３、９２５、９２７が設けられている。また、円柱状バルク体９１２、９１４、９１６の外周面には、第２外周補強リング９３１２、９３１４、９３１６が設けられている。

本構成例に係るバルクマグネット９００を構成する円柱状積層体は、第１構成例に係る円柱状積層体と比較して、平面補強板９２０の外周端部が第２外周補強リングと外周補強リングとで結合されている点で相違する。ここで、第２外周補強リングおよび外周補強リングは、金属を使用できるため、金属の平面補強板と半田等により強固に接続することが可能である。したがって、二重構造を有する第２外周補強リングおよび外周補強リングにより側面および上下面の二方向から円柱状バルク体９１２、９１４、９１６を挟み込んで強固に結合することができる。この効果により円柱状バルク体９１０は、周囲の平面補強板および第２外周補強リングと強固に結合することができ、割れを抑制する顕著な効果を有する。

（その他）
なお、リング状積層体と同様に、円柱状積層体を構成する平面補強板、外周補強リングおよび第２外周補強リングとして、熱伝導度の高い材料を用いることにより、クエンチの発生を抑制することができる。クエンチ抑制効果を高めるために、例えば、各部材として、高い熱伝導率を有する銅、アルミニウム、銀等の金属を主成分として含む材質を用いることができる。高い熱伝導率を有する平面補強板、外周補強リングおよび第２外周補強リングの熱伝導率は、超電導材料内で発生した熱の伝達・吸収の観点から、冷凍機冷却等により安定して強磁場を発生できる２０Ｋ〜７０Ｋの温度領域で２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が望ましく、さらに望ましくは、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が望ましい。

また、円柱状バルク体の常温引張強度は６０ＭＰａ程度であり、また、平面補強板を円柱状バルク体に貼り付けるための半田の常温引張強度は、通常８０ＭＰａ未満である。このことから、常温引張強度が８０ＭＰａ以上の平面補強板は、補強部材として有効である。そのため、平面補強板の強度は、常温引張強度が８０ＭＰａ以上であることが好ましい。バルクマグネットの実際上の設計では、高強度金属からなる平面補強板を挿入する分、超電導材料の割合が減少するため、目的とする使用条件に合わせて、平面補強板の割合を決定すればよい。また、上記の観点から、平面補強板を、強度が高い高強度金属と熱伝導率が高い高強度金属とを複数それぞれの割合を決めて、組み合わせて構成することが望ましい。

以下に本発明の実施例について説明する。なお、以下の実施例は本発明の効果を実証するために行った例示にすぎず、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１では、上記の第１の実施形態に係るバルクマグネット構造体を作製し、当該バルクマグネット構造体を超電導マグネットにより着磁し、着磁させたバルクマグネット構造体の中心軸上の磁場分布を測定した。

まず、単結晶状のＥｕＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ中にＥｕ_２ＢａＣｕＯ_５が微細分散された組織を有する外径６０ｍｍ、内径３５ｍｍ、厚さ２０ｍｍのリング状バルク体を４個、および、同様の組織を有する外径６０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの円柱状バルク体を２個作製した。これらの６個のバルク体をステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の外径７２ｍｍ、内径６０ｍｍの外周補強リングに嵌め込み、図４に示すように積層してバルクマグネット構造体を作製した。このとき、ステンレス製の外周補強リングと各バルク体との隙間にグリースを入れ、これらを接着した。

得られたバルクマグネット構造体は、冷却装置のコールドヘッド上に当該バルクマグネット構造体の円柱状バルク体とコールドヘッドとが接触するように固定され、真空断熱容器のカバーを装着した後、１００Ｋに冷却した。そして、バルクマグネット構造体の中心軸が不図示の超電導マグネットの中心軸に一致するように、冷却装置のコールドヘッド部分を超電導マグネットの室温ボアに挿入した。その後、超電導マグネットの中心磁場が約５Ｔとなるように通電し、超電導マグネットを励磁した。

超電導マグネットの励磁完了後、バルクマグネット構造体を４０Ｋに冷却し、温度が安定した後、超電導マグネットの印加磁場を０．０５Ｔ／分でゼロ磁場まで減磁し、着磁を行った。着磁後、バルクマグネット構造体が固定された冷却装置のコールドヘッド部分を超電導マグネットの室温ボアから引き抜き、さらにバルクマグネット構造体を４０Ｋから３０Ｋに冷却した。その後、バルクマグネット構造体の中心軸上の磁場分布を測定した。

その結果、バルクマグネット構造体の積層方向の中心から１０ｍｍの範囲において、４ｐｐｍの磁場均一性が得られていることが確認された。また、バルクマグネット構造体に破損は全く生じなかった。以上から、バルクマグネット構造体の一部にリング加工を不要とし安価で得られる円柱状の超電導バルク体を用いた場合においても、高い磁場均一性を有する強磁場をバルクマグネット構造体に着磁させることが可能であることが確認された。

（実施例２）
実施例２では、上記の第２の実施形態に係るバルクマグネット構造体を作製し、当該バルクマグネット構造体を超電導マグネットにより着磁し、着磁させたバルクマグネット構造体の中心軸上の磁場分布を測定した。

まず、単結晶状のＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ中にＧｄ_２ＢａＣｕＯ_５が微細分散された組織を有する外径６０ｍｍ、内径３５ｍｍ、厚さ２０ｍｍのリング状バルク体を３個、および、同様の組織を有する外径６０ｍｍ、内径３５ｍｍ、厚さ１０ｍｍのリング状バルク体を２個作製した。そして、各リング状バルク体をステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の外径７２ｍｍ、内径６０ｍｍの外周補強リングに嵌め込んだ。なお、各リング状バルク体と外周補強リングとの接合には半田を用いた。

また、同様の組織を有する外径６０ｍｍ、内径３０ｍｍ、厚さ２ｍｍのリング状バルク体を８枚作製し、９枚の外径６０ｍｍ、内径３０ｍｍ、厚さ０．３５ｍｍのステンレス製平面補強リングをリング状バルク体と交互に積層してリング状積層体を作製し、外径７２ｍｍ、内径６０ｍｍ、厚さ２０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の外周補強リング嵌め込んだ。このとき、外周補強リング、リング状バルク体および平面補強リングとは、半田によりそれぞれ接着した。

さらに、同様の組織を有する外径６０ｍｍ、厚さ２ｍｍの円柱状バルク体を８枚作製し、９枚の外径６０ｍｍ、厚さ０．３５ｍｍのステンレス製平面補強板を円柱状バルク体と交互に積層して円柱状積層体を作製し、外径７２ｍｍ、内径６０ｍｍ、厚さ２０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の外周補強リング嵌め込んだ。このとき、ステンレス製外周補強リング、円柱状バルク体およびステンレス板とは、半田によりそれぞれ接着した。

これらのリング状バルク体、リング状積層体および円柱状積層体のそれぞれからなるバルクマグネットを図５に示すように積層して、バルクマグネット構造体を作製した。

得られたバルクマグネット構造体は、冷却装置のコールドヘッド上に当該バルクマグネット構造体の円柱状積層体とコールドヘッドが接触するように固定され、真空断熱容器のカバーを装着した後、１００Ｋに冷却した。そして、バルクマグネット構造体の中心軸が不図示の超電導マグネットの中心軸に一致するように、冷却装置のコールドヘッド部分を超電導マグネットの室温ボアに挿入した。その後、超電導マグネットの中心磁場が約５．５Ｔとなるように通電し、超電導マグネットを励磁した。

超電導マグネットの励磁完了後、バルクマグネット構造体を４０Ｋに冷却し、温度が安定した後、超電導マグネットの印加磁場を０．０５Ｔ／分でゼロ磁場まで減磁し、着磁を行った。着磁後、バルクマグネット構造体が固定された冷却装置のコールドヘッド部分を超電導マグネットの室温ボアから引き抜き、さらにバルクマグネット構造体を４０Ｋから３０Ｋに冷却した。その後、バルクマグネット構造体の中心軸上の磁場分布を測定した。

その結果、バルクマグネット構造体の積層方向の中心から１０ｍｍの範囲において、５ｐｐｍの磁場均一性が得られていることが確認された。また、バルクマグネット構造体に破損は全く生じなかった。以上から、高い磁場均一性を有し、かつさらに強力な磁場をバルクマグネット構造体に安定して着磁させることが可能であることが確認された。

（実施例３）
実施例３では、図１６に示すバルクマグネット構造体５０Ｃを作製し、当該バルクマグネット構造体を超電導マグネットにより着磁し、着磁させたバルクマグネット構造体の中心軸上の磁場分布を測定した。

ここで、実施例３に係るバルクマグネット構造体５０Ｃの構成の一例について説明する。図１６は、実施例３に係るバルクマグネット構造体５０Ｃの一例を示す断面図である。図１６に示すように、バルクマグネット構造体５０Ｃは、リング状積層体５１ａ、複数のリング状バルク体５１ｂ〜５１ｅ、円柱状バルク体５１ｆ、および円柱状積層体５１ｇからなるバルク体部５１Ｃと、各バルク体５１ａ〜５１ｇの外周にそれぞれ嵌合された外周補強リング５３ａ〜５３ｇからなる外周補強リング部５３Ｃと、リング状積層体５１ａの内側に嵌合される内周補強リング５５を含んでなる。バルクマグネット構造体５０Ｃは、各バルク体５１ａ〜５１ｇの中心軸を揃えて積層し構成されている。また、図１６に示すように、各バルク体５１ａ〜５１ｇの外径は同一であるが、リング状積層体５１ａの内径は、他のリング状バルク体５１ｂ〜５１ｅの内径よりも小さくてもよい。また、図５に示すように、リング状バルク体５１ｂおよび円柱状バルク体５１ｆの軸方向の厚みは、リング状バルク体５１ｃ〜５１ｅの軸方向の厚みより大きくてもよいが、かかる厚みは特に限定されない。

リング状積層体５１ａは、軸方向の厚みが小さいリング状酸化物超電導バルク体５１ａ１と、平面補強リング５１ａ２とが交互に積層して構成されている。さらに、リング状酸化物超電導バルク体５１ａ１と外周補強リング５３ａの間には第２外周補強リング５７ａが配置され、リング状酸化物超電導バルク体５１ａ１と内周補強リング５５との間には、第２内周補強リング５９が配置されている。かかるリング状積層体５１ａは、上記の第２実施形態のリング状積層体の第６構成例に係る構成と同一である。

また、円柱状積層体５１ｇは、軸方向の厚みが小さい円柱状酸化物超電導バルク体５１ｇ１と、平面補強板５１ｇ２とが交互に積層して構成されている。さらに、円柱状酸化物超電導バルク体５１ｇ１と外周補強リング５３ｇの間には第２外周補強リング５７ｇが配置されている。かかる円柱状積層体５１ｇは、上記の第２実施形態の円柱状積層体の第２構成例に係る円柱状積層体と同一である。

なお、図１６に示すリング状積層体を構成するリング状バルク体および平面補強リングの積層数は例示であり、その数は特に限定されない。

本実施例の説明に戻ると、まず、単結晶状のＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ中にＧｄ_２ＢａＣｕＯ_５が微細分散された組織を有する外径６８ｍｍ、内径４０ｍｍ、厚さ２０ｍｍのリング状バルク体を３個、同様の組織を有する外径６８ｍｍ、内径４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのリング状バルク体を１個、および同様の組織を有する外径６８ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円柱状バルク体を１個作製した。そして、各リング状バルク体をステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の外径７２ｍｍ、内径６０ｍｍの外周補強リングに嵌め込んだ。なお、各リング状バルク体と外周補強リングとの接合には半田を用いた。

また、同様の組織を有する外径６８ｍｍ、内径４０ｍｍ、厚さ２ｍｍのリング状バルク体を８枚、外径７２ｍｍ、内径３７ｍｍ、厚さ０．４ｍｍのステンレス製平面補強リングを９枚、外径７２ｍｍ、内径６８ｍｍ、厚さ２ｍｍのステンレス製第２外周補強リングを８個、外径４０ｍｍ、内径３７ｍｍ、厚さ２ｍｍのステンレス製第２内周補強リングを８個作製し、これらを外径８４ｍｍ、内径７４ｍｍ、厚さ２０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）製外周補強リングおよび外径３３ｍｍ、内径３１ｍｍ、厚さ２０ｍｍのステンレス製内周補強リングの間に図１６に示す構成となるよう配置した。このとき、リング状バルク体、平面補強リング、外周補強リング、内周補強リング、第２外周補強リングおよび内周補強リングは、半田によりそれぞれ接着した。

さらに、同様の組織を有する外径６８ｍｍ、厚さ２ｍｍの円柱状バルク体を８枚、外径７２ｍｍ、厚さ０．４ｍｍのステンレス製平面補強板を９枚、外径７２ｍｍ、内径６８ｍｍ、厚さ２ｍｍのステンレス製第２外周補強リングを８個作製し、これらを外径８４ｍｍ、内径７４ｍｍ、厚さ２０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）製外周補強リングの内側に図１６に示す構成となるように配置した。このとき、円柱状バルク体、平面補強板、外周補強リング、および第２外周補強リングは、半田によりそれぞれ接着した。

これらのリング状バルク体、円柱状バルク体、リング状積層体および円柱状積層体のそれぞれからなるバルクマグネットを図１６に示すように積層して、バルクマグネット構造体を作製した。

得られたバルクマグネット構造体は、冷却装置のコールドヘッド上に当該バルクマグネット構造体の円柱状積層体とコールドヘッドが接触するように固定され、真空断熱容器のカバーを装着した後、１００Ｋに冷却した。そして、バルクマグネット構造体の中心軸が不図示の超電導マグネットの中心軸に一致するように、冷却装置のコールドヘッド部分を超電導マグネットの室温ボアに挿入した。その後、超電導マグネットの中心磁場が約６Ｔとなるように通電し、超電導マグネットを励磁した。

超電導マグネットの励磁完了後、バルクマグネット構造体を４５Ｋに冷却し、温度が安定した後、超電導マグネットの印加磁場を０．０５Ｔ／分でゼロ磁場まで減磁し、着磁を行った。着磁後、バルクマグネット構造体が固定された冷却装置のコールドヘッド部分を超電導マグネットの室温ボアから引き抜き、さらにバルクマグネット構造体を４０Ｋから３０Ｋに冷却した。その後、バルクマグネット構造体の中心軸上の磁場分布を測定した。

その結果、バルクマグネット構造体の積層方向の中心から１０ｍｍの範囲において、１２ｐｐｍの磁場均一性が得られていることが確認された。また、バルクマグネット構造体に破損は全く生じなかった。以上から、高い磁場均一性を有し、かつさらに強力な磁場をバルクマグネット構造体に安定して着磁させることが可能であることが確認された。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ ＮＭＲ用バルクマグネットシステム
１０ 真空断熱容器
２０ 冷却装置
２１ コールドヘッド
２３ ヒーター
３０ 温度制御装置
５０ バルクマグネット構造体
５１ バルク体（積層体）
５１ａ リング状積層体
５１ａ１ リング状酸化物超電導バルク体
５１ａ２ 平面補強リング
５１ｇ 円柱状積層体
５１ｇ１ 円柱状酸化物超電導バルク体
５１ｇ２ 平面補強板
５３ 外周補強リング
５５ 内周補強リング
５７ 第２外周補強リング
５９ 第２内周補強リング
１００ バルクマグネット
１１０ リング状バルク体
１２０ 平面補強リング
１３０ 外周補強リング
２００ バルクマグネット
２１０ リング状バルク体
２２０ 平面補強リング
２３０ 外周補強リング
３００ バルクマグネット
３１０ リング状バルク体
３２０ 平面補強リング
３３０ 外周補強リング
４００ バルクマグネット
４１０ リング状バルク体
４２０ 平面補強リング
４３０ 外周補強リング
５００ バルクマグネット
５１０ リング状バルク体
５２０ 平面補強リング
５３０ 外周補強リング
５４０ 内周補強リング
６００ バルクマグネット
６１０ リング状バルク体
６２０ 平面補強リング
６５０ リング状バルク体
７００ バルクマグネット
７１０ リング状バルク体
８００ バルクマグネット
８１０ 円柱状バルク体
８２０ 平面補強板
８３０ 外周補強リング
９００ バルクマグネット
９１０ 円柱状バルク体
９２０ 平面補強板
６３００ 外周補強リング
６３１０ 第２外周補強リング
６４００ 内周補強リング
６４１０ 第２内周補強リング
９３００ 外周補強リング
９３１０ 第２外周補強リング

Claims (17)

1. 単結晶状のＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ中にＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５（ＲＥは希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素。６．８≦ｙ≦７．１）が分散された組織を有する酸化物超電導バルク体を含む複数の超電導バルク体と、
   複数積層された前記超電導バルク体の外周面を覆うように嵌合された少なくとも１つの外周補強リングと、
   を備え、
   複数の前記超電導バルク体は、少なくとも１つの円柱状超電導バルク体および少なくとも１つのリング状超電導バルク体を含む、バルクマグネット構造体。
2. 前記バルクマグネット構造体を構成する複数の前記超電導バルク体の積層方向の少なくとも一端には、前記少なくとも１つのリング状超電導バルク体が配置される、請求項１に記載のバルクマグネット構造体。
3. 前記バルクマグネット構造体を構成する複数の前記超電導バルク体の積層方向の少なくとも一端から前記バルクマグネット構造体の積層方向の中央部分にかけて、複数の前記リング状超電導バルク体が連続して積層される、請求項２に記載のバルクマグネット構造体。
4. 前記バルクマグネット構造体を構成する複数の前記超電導バルク体の積層方向の一端には、前記少なくとも１つのリング状超電導バルク体が配置され、前記積層方向の他端には、前記少なくとも１つの円柱状超電導バルク体が配置される、請求項２または３に記載のバルクマグネット構造体。
5. 前記円柱状超電導バルク体のうち少なくとも１つは、円柱状酸化物超電導バルク体と平面補強板とが交互に配置された積層体である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバルクマグネット構造体。
6. 前記平面補強板を構成する材質の熱伝導率は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、および／または、前記材質の室温での引張強度が８０ＭＰａ以上である、請求項５に記載のバルクマグネット構造体。
7. 前記リング状超電導バルク体のうち少なくとも１つは、リング状酸化物超電導バルク体と平面リングとが交互に配置された積層体である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のバルクマグネット構造体。
8. 前記平面リングを構成する材質の熱伝導率は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、および／または、前記材質の室温での引張強度が８０ＭＰａ以上である、請求項７に記載のバルクマグネット構造体。
9. 前記リング状超電導バルク体は、内部に内周補強リングを備える、請求項７または８に記載のバルクマグネット構造体。
10. 前記内周補強リングを構成する材質の熱伝導率は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、および／または、前記材質の室温での引張強度が８０ＭＰａ以上である、請求項９に記載のバルクマグネット構造体。
11. 前記リング状超電導バルク体と前記内周補強リングとの間に、第２内周補強リング（ＩＱＰＲ）を備える、請求項９または１０に記載のバルクマグネット構造体。
12. 前記第２内周補強リングを構成する材質の熱伝導率は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、および／または、前記材質の室温での引張強度が８０ＭＰａ以上である、請求項１１に記載のバルクマグネット構造体。
13. 前記超電導バルク体と前記外周補強リングとの間に、第２外周補強リング（ＯＱＰＲ）を備える、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のバルクマグネット構造体。
14. 前記外周補強リングまたは前記第２外周補強リングの少なくともいずれかを構成する材質の熱伝導率は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、および／または、前記材質の室温での引張強度が８０ＭＰａ以上である、請求項１３に記載のバルクマグネット構造体。
15. 真空容器内に収容された請求項１〜１４のいずれか１項に記載のバルクマグネット構造体と、
    前記バルクマグネット構造体を冷却する冷却装置と、
    前記バルクマグネット構造体の温度を調整する温度制御装置と、
    を含む、ＮＭＲ用マグネットシステム。
16. 前記バルクマグネット構造体を構成する前記超電導バルク体は着磁された状態である、請求項１５に記載のＮＭＲ用マグネットシステム。
17. 前記真空容器の上面には、試料挿入口が形成されている、請求項１５または１６に記載のＮＭＲ用マグネットシステム。
    

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