JP2019090702A - 超電導磁場発生装置及び核磁気共鳴装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 超電導体の着磁の際における超電導体の温度の均一性を高めることができるように構成された超電導磁場発生装置を提供すること。【解決手段】 超電導磁場発生装置１０１は、円筒状に形成され、超電導遷移温度以下の温度に冷却された状態で印加された磁場を捕捉することにより、磁場を発生する超電導体１と、超電導体１を超電導遷移温度以下の温度に冷却するための冷熱を発生するコールドヘッド３を備える冷却装置２と、を備え、コールドヘッド３は、超電導体１がコールドヘッド３からの冷熱によって軸方向における両端から冷却されるように構成される。【選択図】 図１

Description

本発明は、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（ＮＭＲ）は、強い磁場中に置かれた試料に電磁波を印加したときに発生する原子核スピン（磁気モーメント）のエネルギーの共鳴現象である。核磁気共鳴装置（ＮＭＲ装置）は、斯かる共鳴現象を利用して試料の構造を解析する機器である。磁場強度が大きい程、ＮＭＲ信号の感度と分解能が高くなるため、ＮＭＲ装置には強い磁場を発生するための磁場発生装置が備えられる。

強磁場を発生する磁場発生装置として、超電導体を着磁させることにより磁場を発生する超電導磁場発生装置が開発されている。また、超電導磁場発生装置に備えられる超電導体としては、超電導遷移温度が高く、且つ冷却が比較的容易な高温超電導体が好ましく用いられる。

ＮＭＲ装置に用いられる超電導磁場発生装置に備えられる超電導体は、例えば円筒状に形成される。この場合、以下の手順で超電導体が着磁される。
（１）磁場印加工程
磁場印加工程では、円筒状の超電導体の超電導遷移温度（臨界温度）Ｔｃよりも高い温度にて、超電導体の内周空間（以下、ボアとも言う）内に、磁束が軸方向に通る磁場が発生するように、外部磁場発生装置により磁場（印加磁場）が超電導体に印加される。
（２）磁場中冷却工程
磁場中冷却工程では、外部磁場発生装置によって上記のように磁場が印加された超電導体が、超電導遷移温度Ｔｃ以下の温度Ｔ０にまで冷却される。
（３）減磁工程
減磁工程では、超電導体の温度を温度Ｔ０に維持したまま、外部磁場発生装置により発生されている印加磁場が除去される（印加磁場強度がゼロにされる）。

減磁工程にて印加磁場が除去された場合、印加磁場を維持するように超電導体が磁場を捕捉する。これにより超電導体が着磁されるとともに超電導体内に超電導電流が誘起される。こうして超電導体内に超電導電流が流れることにより、超電導体のボア内に、軸方向に磁束が通る磁場が形成される。すなわち、減磁工程にて、超電導体が印加された磁場を捕捉することにより、磁場（捕捉磁場）が発生する。捕捉磁場が発生している超電導体のボア内には試料が置かれる空間（室温ボア空間）が形成される。室温ボア空間に配置された試料に電磁波を与えることにより、試料から微弱な電磁波が発せられる。この電磁波を検出することで、ＮＭＲスペクトルが得られる。

ＮＭＲ装置によって試料の分子構造を解析するに当たり、超電導体のボア内の磁場強度の均一性が低い場合、得られるＮＭＲスペクトルがブロードとなり、試料の分子構造を適切に識別することができない。よって、ＮＭＲ装置に用いられる超電導磁場発生装置は、強磁場を発生することができ、且つ試料が置かれる室温ボア空間の磁場強度の均一性を高めることができるように構成されているのが好ましい。従って、従来から、円筒状の超電導体のボア内の磁場強度の均一性を高めることができる超電導磁場発生装置の開発が進められている。

特許文献１は、円筒状で磁化率の大きい超電導バルクの両端面に円筒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状の超電導体を有する超電導磁場発生装置を開示する。特許文献１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の均一性が高められた磁場空間を超電導体のボア内に形成することができる。

特許文献２は、円筒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を開示する。特許文献２に開示された超電導磁場発生装置によれば、超電導体に磁場を印加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の均一性が高められた磁場空間を超電導体のボア内に形成することができる。

特許文献３は、円筒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を開示する。特許文献３に開示された超電導磁場発生装置によれば、円筒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。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の均一性が高められた磁場空間を超電導体のボア内に形成することができる。

特許文献４は、円筒状の外側超電導体の内側に円筒状の内側超電導体が配設された磁場発生装置を開示する。外側超電導体と内側超電導体との臨界電流密度の異方性を利用して不均一な捕捉磁場を補正することにより、磁場強度の均一性が高められた磁場空間を超電導体のボア内に形成することができる。

特開２００８−０３４６９２号公報 特開２００９−１５６７１９号公報 特開２０１４−０５３４７９号公報 特開２０１６−００６８２５号公報

（発明が解決しようとする課題）
上記したように、超電導体を着時する場合に、磁場印加工程、磁場中冷却工程、及び減磁工程が実施される。ここで、磁場中冷却工程にて超電導体が超電導遷移温度Ｔｃ以下にまで冷却されると、超電導体が超電導状態になり、マイスナー効果により超電導体内を通る磁場の一部が超電導体外に排除される。超電導体外に排除される磁場の量は、温度が低いほど多い。従って、磁場中冷却工程にて、超電導体が均一に冷却されていない場合、すなわち超電導体内における温度の均一性が低い場合、ボア内に排除される磁場量が場所によって異なり、これにより、ボア内の磁場の均一性が崩れる。そして、その状態で減磁工程が実施された場合（超電導体が着磁された場合）、均一性が崩れた磁場が補足される。その結果、ボア内における磁場強度の均一性が低下する。

また、捕捉磁場性能の目安となる臨界電流密度Ｊｃ（超電導体内を電気抵抗ゼロで流れる電流の密度）には、温度依存性があり、超電導遷移温度Ｔｃ以下の温度領域において、温度が低いほど、臨界電流密度Ｊｃが大きい。従って、減磁工程の実施時に超電導体が均一に冷却されていない場合（すなわち超電導体内における温度の均一性が低い場合）、捕捉できる磁場の量が、場所によって異なる。こうした捕捉磁場量の場所による相違によって、ボア内における磁場強度の均一性が低下する。

このように、超電導体を着磁する際における超電導体の温度（冷却温度）の均一性が低い場合、ボア内における磁場強度の均一性も低下する。よって、超電導体の温度の均一性を高めることは、ボア内における磁場強度の均一性を高めるために必要な要件の一つである。

上記した特許文献記載の技術によれば、ボア内における磁場強度の均一性を高めるために、超電導体の形状及び構造についての改良がなされているが、超電導体の温度の均一化についての方策が施されていない。例えば、特許文献３の図７に、冷却装置のコールドヘッド上に円筒状の超電導体の一方端面が接触している構成が示される。このような構成である場合、冷却装置が作動すると、超電導体の一方端側の部分は十分に冷却されるが、他方端側の部分は十分に冷却されない。つまり、超電導体が軸方向に均一に冷却されない。このためボア内の磁場空間を十分に均一化することができず、或いは、磁場が均一な領域が減少するといった問題が発生する。

ＮＭＲ装置に用いられる超電導体のボア内の磁場強度が不均一であると、精度のよい測定ができないので、その場合には室温ボア空間内に複数の補正コイル（シムコイル）を配設して磁場が均一にされる。ここで、磁場強度の不均一の度合いが大きい場合、補正コイルの数を増加して、ボア内の磁場強度の均一化を図ることになる。この場合、狭い室温ボア空間内に多くの補正コイルを配設することになり、その結果、室温ボア空間内に十分な大きさの試料空間を確保することができないという問題が発生する。これに対し、超電導体の冷却温度の均一性が高い場合、補正コイルの数を減じることができ、その結果、室温ボア空間内に十分な大きさの試料空間を確保することができる。このことからしても、超電導体は着磁の際に均一に冷却されていることが好ましい。

そこで、本発明は、超電導体の着磁の際における超電導体の温度の均一性を高めることができるように構成された超電導磁場発生装置、及び、そのような超電導磁場発生装置を備える核磁気共鳴装置を提供することを、目的とする。

（課題を解決するための手段）
本発明は、円筒状に形成され、超電導遷移温度以下の温度に冷却された状態で印加された磁場を捕捉することにより、磁場を発生する超電導体（１）と、超電導体を超電導遷移温度以下の温度に冷却するための冷熱を発生するコールドヘッド（３）を備える冷却装置（２）と、を備え、コールドヘッドは、超電導体がコールドヘッドからの冷熱によって軸方向における両端から冷却されるように構成される、超電導磁場発生装置（１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７）を提供する。

本発明に係る超電導磁場発生装置によれば、冷熱を発生するコールドヘッドは、円筒状の超電導体がコールドヘッドからの冷熱によって、軸方向における両端から冷却されるように構成される。超電導体がその軸方向における両端から冷却されることにより、超電導体の軸方向における温度差を小さくすることができる。その結果、超電導体を着磁する際における超電導体の温度の均一性、特に超電導体の軸方向における温度の均一性（以下、軸方向温度均一性という場合もある。）を高めることができる。

この場合、コールドヘッドは、超電導体の一方端面（１ａ）から超電導体を冷却するように超電導体の一方端面に熱的に接続されたステージ部（３２）と、超電導体の他方端面（１ｂ）から超電導体を冷却するように超電導体の他方端面に熱的に接続された延長部（３３）とを有するとよい。これによれば、超電導体が、その一方端面からコールドヘッドのステージ部により冷却され、その他方端面からコールドヘッドの延長部により冷却される。このため超電導体が軸方向における両端から冷却されることになる。よって、超電導体を着磁する際における超電導体の軸方向温度均一性を高めることができる。

さらにこの場合、延長部はステージ部に熱的に接続されているとよい。また、延長部は、一方端面（３３１ａ）及びその反対側の他方端面（３３１ｂ）を有し、一方端面がステージ部に熱的に接続された第一延長部（３３１）と、第一延長部の他方端面に熱的に接続されるとともに超電導体の他方端面に熱的に接続される第二延長部（３３２）と、を有するとよい。これによれば、超電導体が、その一方端面からコールドヘッドのステージ部により冷却され、その他方端面からコールドヘッドの第二延長部により冷却される。このため超電導体が軸方向における両端から冷却されることなる。よって、超電導体を着磁する際における超電導体の軸方向温度均一性を高めることができる。

また、本発明に係る超電導磁場発生装置は、円筒状に形成され、超電導体の外周面（１ｃ）に熱的に接続される内周面（４ｄ）を有し、超電導体の外周側から超電導体を保持するように超電導体の外周側に配設されるとともに、その一方端面（４ａ）がステージ部に熱的に接続され、その他方端面（４ｂ）が延長部に熱的に接続される外側円筒状伝熱ホルダ（４）を備えるとよい。これによれば、超電導体をその外周側から保持するとともに超電導体の外周面に熱的に接続された外側円筒状伝熱ホルダの両端がコールドヘッドに熱的に接続されているので、冷却装置が作動すると、この外側円筒状伝熱ホルダもその両端から均一に冷却される。こうして冷却された外側円筒状伝熱ホルダによって、超電導体がその外周面からも冷却される。つまり、超電導体は、その一方端面、他方端面、及び外周面から冷却される。このように超電導体が冷却される表面がさらに増加することにより、着磁の際における超電導体の温度の均一性をより高めることができる。

この場合、外側円筒状伝熱ホルダの熱収縮率が、超電導体の熱収縮率以上であるとよい。これによれば、冷却装置の作動により超電導体及び外側円筒状伝熱ホルダが冷却された場合、外側円筒状伝熱ホルダの熱収縮量が超電導体の熱収縮量よりも多いため、外側円筒状伝熱ホルダが超電導体をその外周側から締め付ける。この締め付け力が超電導体に圧縮応力として作用する。また、超電導体には、着磁の際に電磁応力（フープ力）が作用する。この電磁応力によって超電導体は径外方に広がるような力を受ける。すなわち電磁応力は引張応力として超電導体に作用する。この引張応力に対向して、外側円筒状伝熱ホルダからの圧縮応力が超電導体に作用するために、上記引張応力が相殺される。このため、電磁応力による超電導体の破損を効果的に防止することができる。

また、外側円筒状伝熱ホルダの軸方向両端部における中心軸に垂直な断面の面積は、軸方向中央部における中心軸に垂直な断面積よりも大きいのが好ましい。磁場中冷却工程にて超電導体から外側円筒状伝熱ホルダの軸方向中央部に伝達された熱は、外側円筒状伝熱ホルダの両端に伝達され、さらに外側円筒状伝熱ホルダの両端からコールドヘッドに伝達される。また、外側円筒状伝熱ホルダの両端部にも、超電導体から直接熱が伝達される。従って、外側円筒状伝熱ホルダの両端には、外側円筒状伝熱ホルダの軸方向中央部から伝達された熱と、超電導体から伝達された熱が合流する。このため外側円筒状伝熱ホルダの両端部には、多くの熱が流れる。ここで、本発明のように、外側円筒状伝熱ホルダの両端の断面積を中央の断面積よりも大きくすることにより、多くの熱が流れる外側円筒状伝熱ホルダの両端部から効率よく熱をコールドヘッドに伝えることができる。つまり、外側円筒状伝熱ホルダの放熱効率が向上する。よって、超電導体を速やかに冷却することができるとともに、外側円筒状伝熱ホルダに熱が滞ることによって超電導体の温度の均一性が低下することを、効果的に防止することができる。また、上記した、超電導体の着磁の際に生じる電磁応力（フープ力）に関し、超電導体の軸方向中央部に作用する電磁応力よりも両端部に作用する電磁応力の方が大きいことが知られている。この点に関し、本発明のように外側円筒状伝熱ホルダの両端部の断面積を大きくして、外側円筒状伝熱ホルダの両端部の強度を高めることで、電磁応力に対する補強効果を高めることができる。

また、本発明に係る超電導磁場発生装置は、円筒状に形成され、その内周面（８ｄ）が超電導体の外周面に接触し、その外周面（８ｃ）が外側円筒状伝熱ホルダの内周面に接触するように、超電導体と外側円筒状伝熱ホルダとの間に配設されるとともに、その一方端面（８ａ）がステージ部に熱的に接続され、その他方端面（８ｂ）が延長部に熱的に接続される補強部材（８）を備えるとよい。これによれば、補強部材が超電導体の外周面に取り付けられていることにより、超電導体の着磁の際に生じる電磁応力（フープ力）に対する補強効果を高めることができる。

この場合、外側円筒状伝熱ホルダの熱収縮率が、補強部材の熱収縮率以上であり、且つ、補強部材の熱収縮率が、超電導体の熱収縮率以上であるのがよい。これによれば、超電導体を冷却する際に、外側円筒状伝熱ホルダ及び補強リングの熱収縮により超電導体に圧縮応力が作用する。つまり、外側円筒状伝熱ホルダからの圧縮応力及び補強リングからの圧縮応力により、超電導体が二重に補強される。よって、超電導体の着磁の際に生じる電磁応力（フープ力）に対する補強効果をより一層高めることができる。

また、本発明に係る超電導磁場発生装置は、円筒状に形成され、超電導体の内周面（１ｄ）に熱的に接続された外周面（５ｃ）を有し、超電導体の内周側から超電導体を保持するように超電導体の内周側に配設されるとともに、その一方端面（５ａ）がステージ部に熱的に接続され、その他方端面（５ｂ）が延長部に熱的に接続された内側円筒状伝熱ホルダ（５）を備えていてもよい。これによれば、超電導体をその内周側から保持するとともに超電導体の内周面に熱的に接続された内側円筒状伝熱ホルダの両端がコールドヘッドに熱的に接続されているので、冷却装置が作動すると、この内側円筒状伝熱ホルダもその両端から均一に冷却される。こうして冷却された内側円筒状伝熱ホルダによって、超電導体がその内周面からも冷却される。つまり、超電導体は、その一方端面、他方端面、及び内周面から冷却される。このように超電導体が冷却される表面がさらに増加することにより、着磁の際における超電導体の温度の均一性をより高めることができる。加えて、内側円筒状伝熱ホルダが超電導体と超電導体の内周側に形成される室温ボア空間との間に介在することになるので、室温ボア空間側からの熱輻射による超電導体の温度上昇を防止することができる。

また、本発明に係る超電導磁場発生装置は、コールドヘッドに熱的に接続された第一カップ状伝熱ホルダ（６１）及び第二カップ状伝熱ホルダ（６２）を備えていても良い。第一カップ状伝熱ホルダは、カップ状に形成されているとともに、超電導体の一方端面に熱的に接続された円板状の第一底壁部（６１１）と、第一底壁部の周縁にその一方端が連結するとともに超電導体の軸方向における中央位置から一方端面までの部分である一方側部分（１Ａ）の外周面に熱的に接続された円筒状の第一側壁部（６１２）とを有し、一方側部分を保持するように超電導体に対して配設される。第二カップ状伝熱ホルダは、カップ状に形成されているとともに、超電導体の他方端面に熱的に接続された円板状の第二底壁部（６２１）と、第二底壁部の周縁にその一方端が連結するとともに超電導体の軸方向における中央位置から他方端面までの部分である他方側部分（１Ｂ）の外周面に熱的に接続された円筒状の第二側壁部（６２２）とを有し、他方側部分を保持するように超電導体に対して配設される。

これによれば、第一カップ状伝熱ホルダ及び第二カップ状伝熱ホルダがコールドヘッドに熱的に接続されているので、これらのカップ状伝熱ホルダもコールドヘッドにより冷却される。また、第一カップ状伝熱ホルダによって、超電導体の軸方向における中央位置から一方端面までの部分（一方側部分）が、その端面（一方端面）及び外周面から冷却され、第二カップ状伝熱ホルダによって、超電導体の軸方向における中央位置から他方端面までの部分（他方側部分）が、その端面（他方端面）及び外周面から冷却される。このように超電導体がその両端面及び外周面から冷却されるため、超電導体を着磁する際において超電導体の軸方向温度均一性を高めることができる。

また、第一カップ状伝熱ホルダは、第一側壁部の他方端から径外方に延設された第一接続部（６１３）を有し、第二カップ状伝熱ホルダは、第二側壁部の他方端から径外方に延設された第二接続部（６２３）を有するとよい。そして、第一接続部と第二接続部が対面した状態で、第一カップ状伝熱ホルダと第二カップ状伝熱ホルダが連結され、第一接続部と第二接続部が、コールドヘッドに熱的に接続されるとよい。

これによれば、対面配置した第一カップ状伝熱ホルダの第一接続部と第二カップ状伝熱ホルダの第二接続部がコールドヘッドに熱的に接続されることにより、超電導体の一方側部分の熱が第一カップ状伝熱部材を経由してコールドヘッドに至るまでの距離と、超電導体の他方側部分の熱が第二カップ状伝熱部材を経由してコールドヘッドに至るまでの距離を、ほぼ等しくすることができる。このため、超電導体の全体に亘り、冷却速度をほぼ一定にすることができる。これにより、より一層、超電導体を均一に冷却することができる。

また、第一カップ状伝熱ホルダ及び第二カップ状伝熱ホルダの熱収縮率は、超電導体の熱収縮率以上であるのがよい。これによれば、磁場中冷却工程にて超電導体を冷却する際に、第一カップ状伝熱ホルダの第一側壁部の熱収縮により超電導体の一方側部分に圧縮応力が作用するとともに、第二カップ状伝熱ホルダの第二側壁部の熱収縮により超電導体の他方側部分に圧縮応力が作用する。このため超電導体の着磁の際に生じる電磁応力（フープ力）に対する補強効果を高めることができる。

また、本発明に係る超電導磁場発生装置は、円筒状に形成され、その内周面（８ｄ）が超電導体の外周面に接触し、その外周面（８ｃ）が第一側壁部の内周面（６１２ｄ）及び第二側壁部の内周面（６２２ｄ）に接触するように、超電導体と第一側壁部及び第二側壁部との間に配設されるとともに、その一方端面（８ａ）が第一底壁部に熱的に接続され、その他方端面（８ｂ）が第二底壁部に熱的に接続される補強部材（８）を備えるとよい。これによれば、円筒状の補強部材が超電導体の外周に取り付けられていることにより、超電導体の着磁の際に生じる電磁応力（フープ力）に対する補強効果を高めることができる。

この場合、第一カップ状伝熱ホルダ及び第二カップ状伝熱ホルダの熱収縮率が、補強部材の熱収縮率以上であり、補強部材の熱収縮率が、超電導体の熱収縮率以上であるとよい。これによれば、超電導体を冷却する際に第一カップ状伝熱ホルダの第一側壁部及び第二カップ状伝熱ホルダの第二側壁部、並びに補強部材の熱収縮により超電導体に圧縮応力が作用する。つまり、各カップ状伝熱ホルダからの圧縮応力及び補強部材からの圧縮応力により、超電導体が二重に補強される。よって、超電導体の着磁の際に生じる電磁応力（フープ力）に対する補強効果をより一層高めることができる。

また、本発明に係る超電導磁場発生装置は、円筒状に形成され、超電導体の内周面に熱的に接続された外周面（５ｃ）を有し、超電導体の内周側から超電導体を保持するように超電導体の内周側に配設されるとともに、その一方端面（５ａ）が第一底壁部に熱的に接続され、その他方端面（５ｂ）が第二底壁部に熱的に接続された内側円筒状伝熱ホルダ（５）を備えるとよい。これによれば、超電導体の内周面に熱的に接続された内側円筒状伝熱ホルダの両端がそれぞれカップ状伝熱部材の底壁部に熱的に接続されているので、冷却装置が作動すると、この内側円筒状伝熱ホルダもその両端から均一に冷却される。こうして冷却された内側円筒状伝熱ホルダによって、超電導体がその内周面からも冷却される。つまり、超電導体は、その一方端面、他方端面、外周面及び内周面から冷却される。このように超電導体が冷却される表面がさらに増加することにより、超電導体をより均一に冷却することができる。加えて、内側円筒状伝熱ホルダが超電導体と超電導体の内周側に形成される室温ボア空間との間に介在することになるので、室温ボア空間側からの熱輻射による超電導体の温度上昇を防止することができる。

また、本発明は、上記した超電導磁場発生装置を備えた核磁気共鳴装置（１１０）を提供する。これによれば、超電導磁場発生装置により超電導体の冷却温度の均一性が高められた状態で、超電導体が着磁されるので、室温ボア空間内に均一な磁化空間が形成される。このため、核磁気共鳴装置の測定精度を向上させることができる。

図１は、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置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２は、核磁気共鳴装置の概略構成を示す図である。 図３は、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置を用いて超電導体のボア内に捕捉磁場を形成した場合に得られる超電導体の軸方向におけるボア内の磁場強度分布を、超電導体の軸方向における温度分布と併記したグラフである。 図４は、第二実施形態に係る超電導磁場発生装置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５は、第三実施形態に係る超電導磁場発生装置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６は、第四実施形態に係る超電導磁場発生装置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７は、第五実施形態に係る超電導磁場発生装置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８は、第六実施形態に係る超電導磁場発生装置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９は、第七実施形態に係る超電導磁場発生装置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１０は、従来の超電導磁場発生装置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１１は、従来例に係る超電導磁場発生装置を用いて超電導体のボア内に捕捉磁場を形成した場合に得られる超電導体の軸方向におけるボア内の磁場強度分布を、超電導体の軸方向における温度分布と併記したグラフである。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態について説明する。図１は、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１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１０１は、超電導体１と、冷却装置２と、コールドヘッド３と、外側円筒状伝熱ホルダ４と、真空断熱容器７とを備える。

超電導体１は、図１に示すように、所定の径方向長さを有する複数の円筒状の超電導バルクを軸方向に沿って同軸的に積み重ねることによって円筒状に形成される。図１においては、６個の円筒状の超電導バルク（第一超電導バルク１１、第二超電導バルク１２、第三超電導バルク１３、第四超電導バルク１４、第五超電導バルク１５、第六超電導バルク１６）が、下から上に向かってこの順に軸方向に沿って同軸的に積み重ねられることにより、超電導体１が形成される。超電導バルクの個数は特に限定されない。なお、一つの超電導バルクによって円筒状の超電導体１を構成してもよい。このような円筒状の超電導体１は、軸方向における一方端面１ａ（下端面）及び他方端面１ｂ（上端面）、外周面１ｃ、内周面１ｄを有する。一方端面１ａ及び他方端面１ｂの形状は、リング形状である。超電導体１の内周面１ｄに囲まれた空間が、超電導体１のボア（内周空間）である。

超電導体１は高温超電導材料により形成される。本実施形態においては、超電導体１は、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（ＲＥはＹを含む希土類元素）系超電導体であり、周知の溶融法により形成される。超電導体１は、ｃ軸方向を積層方向（層に垂直な方向）とする層状の結晶構造を持ち、結晶構造のｃ軸の方向が超電導体１の軸方向に一致するように種結晶から結晶成長させることにより形成される。

冷却装置２は、超電導体１の超電導遷移温度（臨界温度）Ｔｃ（例えば９０Ｋ）以下の冷熱、例えば５０Ｋ程度の冷熱を生成できるものであればどのようなものであってもよい。冷却装置２として、パルス管冷凍機、ＧＭ冷凍機、スターリング冷凍機を例示することができる。冷却装置２は、冷凍サイクル運転の実施によって冷熱を発生するものであるのが好ましいが、液体窒素のような、高温超電導体の超電導遷移温度Ｔｃ以下の温度を提供することができる物質であってもよい。

コールドヘッド３は、冷却装置２に備えられる。コールドヘッド３は、冷却装置２が生成した冷熱を外部に伝達するための部材である。従って、コールドヘッド３は、冷却装置の作動により冷熱を発生する。本実施形態及び以下の各実施形態では、コールドヘッド３は、超電導体１を超電導遷移温度Ｔｃ以下の温度Ｔ０に冷却するための冷熱を発生する。コールドヘッド３は、熱伝導率が高く且つ非磁性の材質により形成される。本実施形態及び以下の各実施形態において、コールドヘッド３は銅により形成される。

コールドヘッド３は、柱状に形成された軸部３１と、円板状に形成されたステージ部３２と、延長部３３とを有する。軸部３１の一方の端部が冷却装置２の冷熱生成部分（図示省略）に接触される。例えば、冷却装置２がパルス管冷凍機である場合、軸部３１は蓄冷管の低温端部に接触され、冷却装置２がＧＭ冷凍機である場合、軸部３１は膨張空間を画成するシリンダ部分に接触される。図１において、軸部３１は冷却装置２の上側に設けられる。軸部３１の上端（他方の端部）に円板状のステージ部３２が連続的に且つ同軸的に形成される。

円板状のステージ部３２は、軸方向における一方端面３２ａ（下端面）及び他方端面３２ｂ（上端面）と、外周面３２ｃを有する。ステージ部３２の一方端面３２ａが軸部３１の上端に接続される。そして、図１において上方を向いたステージ部３２の他方端面３２ｂに円筒状の超電導体１の一方端面１ａが接触するように、ステージ部３２上に超電導体１が載置される。超電導体１の一方端面１ａとステージ部３２の他方端面３２ｂとの接触により、超電導体１とコールドヘッド３（ステージ部３２）が熱的に接続される。上記したように、コールドヘッド３は、超電導体１を冷却するための冷熱を発生する。従って、コールドヘッド３（ステージ部３２）は、超電導体１の一方端面１ａから超電導体１を冷却するように、超電導体１の一方端面１ａに熱的に接続されることになる。

超電導体１は、ステージ部３２の他方端面３２ｂから図１において上方に延設される。また、ステージ部３２と超電導体１は同軸配置される。さらに、ステージ部３２の外径は超電導体１の外径よりも大きい。従って、ステージ部３２の他方端面３２ｂには、超電導体１の一方端面１ａが接触したリング状の超電導体接触領域と、超電導体接触領域よりも内周側の円形領域及び外周側のリング状領域が存在する。内周側の円形領域上には、超電導体１のボアが形成される。外周側のリング状領域には、後述するように、延長部３３及び外側円筒状伝熱ホルダ４が載置される。

延長部３３は、第一延長部３３１と第二延長部３３２を有する。第一延長部３３１は円筒状に形成される。円筒状の第一延長部３３１は、軸方向における一方端面３３１ａ（下端面）及びその反対側の他方端面３３１ｂ（上端面）と、外周面３３１ｃと、内周面３３１ｄとを有する。また、第一延長部３３１の外径はステージ部３２の外径にほぼ等しく、第一延長部３３１の内径は超電導体１の外径よりも大きい。また、第一延長部３３１の軸方向長さは超電導体１の軸方向長さに等しい。そして、第一延長部３３１の一方端面３３１ａがステージ部３２の他方端面３２ｂのうち外周に近い部分に接触するように、ステージ部３２上に第一延長部３３１が同軸状に載置される。これにより第一延長部３３１の一方端面３３１ａがステージ部３２に熱的に接続される。

第一延長部３３１は、超電導体１と同様に、ステージ部３２の他方端面３２ｂから図１において上方に延設される。第一延長部３３１の内周側に超電導体１が配置しており、超電導体１の外周面１ｃと第一延長部３３１の内周面３３１ｄが、所定の距離を隔てて対面する。つまり、第一延長部３３１は、超電導体１の外周側に超電導体１の外周面１ｃから離間して配設される。

第二延長部３３２は円板状に形成され、軸方向における一方端面３３２ａ（下端面）及び他方端面３３２ｂ（上端面）を有する。また、円板状の第二延長部３３２の中央には、その一方端面３３２ａから他方端面３３２ｂにかけて軸方向に貫通する円孔３３３が形成される。従って、第二延長部３３２は、外周面３３２ｃ及び、円孔３３３を囲む内周面３３２ｄを有する。

第二延長部３３２の内径（円孔３３３の径）は、超電導体１の内径にほぼ等しく、第二延長部３３２の外径は、第一延長部３３１の外径にほぼ等しい。そして、第二延長部３３２は、その一方端面３３２ａのうち外周面３３２ｃに近い周方向領域が第一延長部３３１の他方端面３３１ｂに接触するように、第一延長部３３１上に同軸状に配設される。これにより第二延長部３３２が第一延長部３３１に熱的に接続される。また、このとき、図１に示すように、第二延長部３３２の一方端面３３２ａのうち内周面３３２ｄに近い周方向領域が、超電導体１の他方端面１ｂに接触する。これにより第二延長部３３２が超電導体１の他方端面１ｂに熱的に接続される。従って、第二延長部３３２は、その一方端面３３２ａのうち外周に近い周方向領域が第一延長部３３１の他方端面３３１ｂに熱的に接続されるとともに、その一方端面３３２ａのうち内周に近い周方向領域が超電導体１の他方端面１ｂに熱的に接続されるように、構成される。

上記したように、コールドヘッド３の延長部３３は、その第一延長部３３１にてステージ部３２に熱的に接続されるとともに、その第二延長部３３２にて超電導体１の他方端面１ｂにも熱的に接続される。従って、コールドヘッド３（延長部３３）は、超電導体１の他方端面１ｂから超電導体１を冷却するように、超電導体１の他方端面１ｂに熱的に接続されることになる。すなわち、コールドヘッド３は、そのステージ部３２にて超電導体１をその一方端面１ａ側から冷却し、その延長部３３にて超電導体１をその他方端面１ｂ側から冷却するように構成される。別言すれば、超電導体１がコールドヘッド３からの冷熱によって軸方向における両端から冷却されるように、コールドヘッド３が構成される。

図１に示すように、超電導体１と第一延長部３３１との間に外側円筒状伝熱ホルダ４が配設される。外側円筒状伝熱ホルダ４は、超電導体１の外周側から超電導体１を保持するように、超電導体１の外周側に配設される。外側円筒状伝熱ホルダ４は、熱伝導率が高く且つ非磁性の材料により形成される。本実施形態において、外側円筒状伝熱ホルダ４は、アルミニウム又はアルミニウム合金により形成される。

外側円筒状伝熱ホルダ４は、円筒状に形成されていて、軸方向における一方端面４ａ及び他方端面４ｂ、外周面４ｃ、内周面４ｄを有する。外側円筒状伝熱ホルダ４の内径は、超電導体１の外径にほぼ等しく、外側円筒状伝熱ホルダ４の外径は、延長部３３の第一延長部３３１の内径よりも小さい。また、外側円筒状伝熱ホルダ４の軸方向長さは、超電導体１の軸方向長さに等しい。そして、外側円筒状伝熱ホルダ４の内周面４ｄが超電導体１の外周面１ｃに接触するように、外側円筒状伝熱ホルダ４が超電導体１に対して配設される。外側円筒状伝熱ホルダ４の内周面４ｄと超電導体１の外周面１ｃとの接触により、外側円筒状伝熱ホルダ４の内周面４ｄが超電導体１の外周面１ｃに熱的に接続される。このとき、外側円筒状伝熱ホルダ４は、延長部３３の第一延長部３３１の内周側に、第一延長部３３１とは離間して配設される。

また、外側円筒状伝熱ホルダ４は、その一方端面４ａがステージ部３２の他方端面３２ｂに接触し、その他方端面４ｂが延長部３３の第二延長部３３２の一方端面３３２ａに接触するように、ステージ部３２上に載置される。これらの接触により、外側円筒状伝熱ホルダ４の一方端面４ａがステージ部３２に熱的に接続され、外側円筒状伝熱ホルダ４の他方端面４ｂが延長部３３（第二延長部３３２）に接続される。つまり、外側円筒状伝熱ホルダ４の両端がコールドヘッド３に熱的に接続される。

また、外側円筒状伝熱ホルダ４の両端部には、径外方に拡径した鍔部４１ａ、４１ｂが、それぞれ形成される。外側円筒状伝熱ホルダ４の中心軸に垂直な平面で切断した鍔部４１ａ，４１ｂの断面積は、それ以外の部分の断面積よりも大きい。つまり、外側円筒状伝熱ホルダ４は、その軸方向両端部における中心軸に垂直な断面積が、その軸方向中心部における中心軸に垂直な断面積よりも大きくなるように、構成される。鍔部４１ａ，４１ｂが、ネジ止め等によりステージ部３２及び第二延長部３３２に固定されることにより、外側円筒状伝熱ホルダ４の両端がコールドヘッド３（ステージ部３２及び延長部３３）に結合される。

また、外側円筒状伝熱ホルダ４は、熱収縮率が超電導体１の熱収縮率以上である材質により形成される。本実施形態において、外側円筒状伝熱ホルダ４はアルミニウム或いはアルミニウム合金により形成される。周知のように、アルミニウム或いはアルミニウム合金の熱収縮率は１．７×１０^−５／Ｋ程度であり、この熱収縮率は、Ｒｅ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の超電導体の熱収縮率（５．７×１０^−６／Ｋ）よりも大きい。従って、本実施形態では、外側円筒状伝熱ホルダ４の熱収縮率は、超電導体１の熱収縮率よりも大きい。

真空断熱容器７は、外側容器７１及び内側容器７２を備える。外側容器７１は、コールドヘッド３のステージ部３２の外径よりも大きい内径を有する円筒形状の本体部７１１と、本体部７１１の図１において下端から径外方に放射状に延設されることによりリング状に形成された固定部７１２と、本体部７１１の図１において上端から径内方に放射状に延設されることによりリング状に形成されたカバー部７１３とを有する。外側容器７１の固定部７１２が冷却装置２の上面に気密的に固定される。本体部７１１は、固定部７１２から図１の上方に延設されるとともに、その内周空間に、コールドヘッド３、外側円筒状伝熱ホルダ４、及び超電導体１を収納するように、これらの構成要素と同軸的に配設される。このとき、外側容器７１のカバー部７１３は、コールドヘッド３の延長部３３の第二延長部３３２の上側に所定の間隔を開けて配置する。

図１に示すように、リング状のカバー部７１３の中央には、軸方向に貫通する円孔７１３ａが形成される。円孔７１３ａの径は、超電導体１の内径よりも僅かに小さい。また、円孔７１３ａの中心軸は、超電導体１の内周空間の中心軸に一致する。この円孔７１３ａを通じて、内側容器７２が本体部７１１の内周空間内に挿入される。

内側容器７２は、有底円筒状の容器部７２１と、容器部７２１の開口端から径外方に放射状に延設されたリング状の蓋部７２２とを有する。蓋部７２２の外径は、外側容器７１のカバー部７１３に設けられた円孔７１３ａの径よりも大きい。また、容器部７２１の外径は、円孔７１３ａの径と等しいか又は僅かに小さい。そして、容器部７２１が円孔７１３ａから本体部７１１の内周空間内に差し込まれるとともに、蓋部７２２が外側容器７１のカバー部７１３の上面に載置される。ここで、上記したように、円孔７１３ａの中心軸は超電導体１の内周空間（ボア）の中心軸に一致する。従って、本体部７１１の内周空間内に差し込まれた容器部７２１は、超電導体１のボア（内周空間）に進入する。つまり、容器部７２１は超電導体１のボア内に配設される。容器部７２１内の空間に、例えばＮＭＲ装置にて分析される試料が載置される。容器部７２１内の空間は、超電導体１のボアのほぼ中央に設けられる。この空間を、室温ボア空間と呼ぶ。

また、内側容器７２の容器部７２１の図１において上側部分の外周面と、円孔７１３ａを形成する外側容器７１のカバー部７１３の内周壁面との隙間が、図示しない封止手段により気密的に封止される。これによりカバー部７１３に形成された円孔７１３ａが塞がれる。また、上述のように真空断熱容器７の外側容器７１の固定部７１２は冷却装置２に気密的に固定されている。従って、真空断熱容器７及び冷却装置２によって密閉空間が冷却装置２の図１において上方に形成される。この密閉空間内に、超電導体１、コールドヘッド３、及び外側円筒状伝熱ホルダ４が配設される。真空断熱容器７は、アルミニウム合金等の非磁性材料で形成される。

次に、上記構成の超電導磁場発生装置１０１を用いて超電導体１を着磁して超電導体１のボア内に磁場を発生させる方法について説明する。この磁場発生方法は、減圧工程、磁場印加工程、磁場中冷却工程、減磁工程を含み、上記工程がこの順で実行されることにより、超電導体１のボア内に磁場が発生される。

減圧工程では、図１において図示しない排気装置を用いて密閉空間の内部を排気する。これにより、密閉空間内の気圧が、例えば０．１Ｐａ以下の真空状態にされる。

磁場印加工程では、図１において図示しない外部磁場発生装置を作動させることにより、超電導体１の超電導遷移温度Ｔｃよりも高い温度（例えば常温）にて、超電導体１に磁場を印加する。これにより、超電導体１のボア内の空間に、超電導体１の軸方向に沿って磁束が通過するような磁場が形成される。また、超電導体１のボア内の空間に、磁場強度分布が軸対称であって、且つ、室温ボア空間内の磁場強度が径方向及び軸方向に均一に分布するように、磁場が印加される。

磁場中冷却工程では、外部磁場発生装置の作動によって超電導体１に磁場が印加された状態のまま、冷却装置２を作動させる。これにより冷却装置２が冷熱を生成し、生成した冷熱がコールドヘッド３に伝達される。これにより、コールドヘッド３が冷熱を発生する。また、コールドヘッド３の冷熱は、コールドヘッド３のステージ部３２及び延長部３３から、コールドヘッド３に熱的に接続された超電導体１に伝達される。これにより、超電導体１が、超電導遷移温度Ｔｃ以下の温度Ｔ０、例えば５０Ｋに冷却される。冷却装置２による冷却により超電導体１の温度が超電導遷移温度Ｔｃ以下の温度にまで低下した場合、超電導体１が超電導状態にされる。

なお、磁場中冷却工程の実施中に、磁場調整工程を実施してもよい。この磁場調整工程では、磁場中冷却工程の途中であり超電導体１の超電導遷移温度Ｔｃよりも僅かに高い温度まで超電導体１が冷却されたときに、外部磁場発生装置を制御して、室温ボア空間内に、超電導体１の軸方向及び径方向における磁場強度分布が均一な均一磁場が形成されるように、印加磁場を調整する。この磁場調整工程により、それまでに超電導体１に生じていた磁化の変化が印加磁場に与える影響が打ち消される。

減磁工程では、超電導体１の温度を超電導遷移温度Ｔｃ以下の温度Ｔ０に維持したまま、外部磁場発生装置の作動を停止させる。これにより、超電導遷移温度Ｔｃ以下の温度に冷却された（すなわち超電導状態にされた）超電導体１に印加されている磁場が取り除かれる。すると、印加磁場の除去に伴う磁場強度の変化を受けて、磁場の状態を復元するように超電導体１内に超電導電流が誘起される。超電導電流は、超電導体１の中心軸に垂直な平面内を、超電導体１の中心軸を中心として流れる円電流である。このようにして誘起された超電導電流が超電導体１内を流れることにより磁場が発生する。すなわち超電導体１が着磁される。超電導体１の着磁により発生する磁場は、基本的には、外部磁場発生装置の作動により発生していた印加磁場と同じ磁場である。つまり、超電導体１に超電導電流が流れることにより、超電導体１が、外部磁場発生装置の作動により発生していた印加磁場を捕捉する。超電導体１が印加磁場を捕捉することにより超電導体１のボア内に磁場が発生する。磁場の捕捉によって発生した磁場を、捕捉磁場と呼ぶこともある。

このように、超電導磁場発生装置１０１は、磁場印加工程、磁場中冷却工程、減磁工程を経て、超電導体１のボア内に磁場を発生するように構成される。

次に、超電導磁場発生装置１０１にて発生した捕捉磁場を利用した核磁気共鳴装置について簡単に説明する。図２は、核磁気共鳴装置１１０の概略構成を示す図である。核磁気共鳴装置１１０は、超電導磁場発生装置１０１と、検出コイル１２０と、分析手段１３０とを備える。検出コイル１２０は、超電導体１のボア内に配設された内側容器７２の容器部７２１内（室温ボア空間内）に配設される。検出コイル１２０の内周側に、測定すべき試料Ｐが配設される。さらに、室温ボア空間内の検出コイル１２０の外周側に、シムコイル９１が配設される。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１３５、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１３６、及びコンピュータ１３７を備える。

超電導磁場発生装置１０１を作動させると、上述のようにして、超電導体１のボア内に捕捉磁場が形成される。次に、シムコイル９１により捕捉磁場を調整することにより、捕捉磁場の磁場強度の均一性が高められる。このとき室温ボア空間内の磁場強度の均一性が１ｐｐｍ以下となるように、捕捉磁場がシムコイル９１により調整される。そして、磁場強度の均一性が高められた室温ボア空間内に試料Ｐが置かれる。この状態において、高周波発生装置１３１を作動させる。すると、高周波発生装置１３１により発生された高周波パルスがパルスプログラマ１３２及び高周波増幅器１３３を経て検出コイル１２０に通電され、試料Ｐにパルス電磁波（ラジオ波）が照射される。磁場中に置かれた試料Ｐにラジオ波を照射させた場合に起きる核磁気共鳴により、試料Ｐのまわりに設けられた検出コイル１２０に微小電流が流れる。この微小電流を表す信号（ＮＭＲ信号）が、プリアンプ１３４、位相検波器１３５、Ａ／Ｄ変換器１３６を経てコンピュータ１３７に受け渡される。コンピュータ１３７は、受け渡されたＮＭＲ信号に基づいてＮＭＲスペクトルを算出する。得られたＮＭＲスペクトルから試料Ｐの分子構造が解析される。

超電導磁場発生装置を備えるＮＭＲ装置によって試料の分子構造を解析するに当たり、超電導体のボア内の捕捉磁場強度のばらつきが大きいと、得られるＮＭＲスペクトルがブロードとなり、試料の分子構造を適切に識別することができない。よって、ＮＭＲ装置に用いられる超電導磁場発生装置は、試料が置かれる室温ボア空間の捕捉磁場強度が均一な磁場（均一磁場）を形成することができるように構成されているのが好ましい。

なお、高分解能ＮＭＲ測定のためには、磁場強度のばらつきが１ｐｐｍ以下の高い均一性が要求される。磁場強度のばらつきが１ｐｐｍ以下の極めて均一性が高い磁場空間は、上記したように、シムコイル（磁場補正コイル）で磁場を調整することにより達成され得る。言い換えれば、超電導磁場発生装置により室温ボア空間に形成される捕捉磁場の磁場強度のばらつきは、最低でも、シムコイルによる補正が可能なｐｐｍオーダーでなければならない。

室温ボア空間内の捕捉磁場の均一化を図るためには、磁場印加工程にて室温ボア空間に印加される磁場（印加磁場）が均一であることの他に、超電導遷移温度Ｔｃ以下に冷却されている超電導体１の温度の均一性が高いことも、要求される。従って、超電導磁場発生装置は、超電導体１を均一に冷却することができるように構成されているのが好ましい。

しかしながら、従来の超電導磁場発生装置では、超電導体の着磁の際における超電導体１の温度の均一性を高めることは困難であった。これについてまず説明する。図１０は、従来の超電導磁場発生装置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。この例（従来例）に係る超電導磁場発生装置１００Ｃは、超電導体１、冷却装置２、コールドヘッド３、及び真空断熱容器７を備える。超電導体１及び真空断熱容器７の構成は、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１が備える各構成と同一である。また、超電導磁場発生装置１００Ｃに備えられるコールドヘッド３は、軸部３１及びステージ部３２を有する。これらの構成は、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１のコールドヘッド３が備える軸部３１及びステージ部３２の構成と同一である。また、超電導磁場発生装置１００Ｃは、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１が備える外側円筒状伝熱ホルダ４に対応する構成として、ホルダＨを備える。

図１０に示すように、超電導体１は円筒状に形成され、その一方端面１ａがコールドヘッド３のステージ部３２の他方端面３２ｂ（上端）に接触するように、ステージ部３２上に載置される。これにより、コールドヘッド３が超電導体１の一方端面１ａに熱的に接続される。また、ホルダＨは、アルミニウム合金製であり、リング状の固定部Ｈ１と、円筒部Ｈ２と、中央に円孔が形成された円板状の蓋部Ｈ３を有する。ホルダＨは、固定部Ｈ１がコールドヘッド３のステージ部３２の他方端面３２ｂに接触した状態で、ステージ部３２上に載置される。円筒部Ｈ２は固定部Ｈ１の内周縁から立設され、超電導体１の外周面１ｃを覆う。蓋部Ｈ３は、円筒部Ｈ２の上端から径内方に向かって形成されており、超電導体１の他方端面１ｂを覆う。

従来例に係る超電導磁場発生装置１００Ｃを用いて捕捉磁場を得るにあたり、磁場中冷却工程にて冷却装置２を作動させると、超電導体１は、主に、コールドヘッド３のステージ部３２に接触している一方端面１ａ側から冷却される。また、アルミニウム合金製のホルダＨはコールドヘッド３のステージ部３２に熱的に接続されているので、ホルダＨも磁場中冷却工程にて冷却される。そのため、ホルダＨによって超電導体１の他方端面１ｂ側も冷却されるが、ホルダＨはコールドヘッド３の冷熱によって冷却されるので、冷却能力がコールドヘッド３の冷却能力よりも低い。従って、超電導体１の一方端面１ａ側の部分は十分に冷却されるが、他方端面１ｂ側の部分は十分に冷却されない。その結果、超電導体１の一方端面１ａ側の温度は低く、他方端面１ｂ側の温度は高い。つまり、磁場中冷却工程にて超電導体１が均一に冷却されない。特に、超電導体１は、その軸方向に沿って均一に冷却されず、軸方向に温度分布が存在する。言い換えれば、超電導体１の軸方向における温度の均一性が低い。

超電導体１の軸方向における温度の均一性が低い状態で減磁工程を実施して超電導体１を着磁し、超電導体１のボア内に捕捉磁場を形成した場合、形成された捕捉磁場の均一性は低い。図１１は、従来例に係る超電導磁場発生装置１００Ｃを用いて超電導体１のボア内に捕捉磁場を形成した場合に得られる超電導体１の軸方向におけるボア内の磁場強度分布を、超電導体１の軸方向における温度分布と併記したグラフである。図１１（ａ）は、磁場中冷却工程にて冷却された超電導体１の軸方向における温度分布を示すグラフであり、縦軸が超電導体１の軸方向位置Ｚ、横軸が温度Ｔである。図１１（ｂ）は、減磁工程の実施によってボア内に形成される捕捉磁場強度の超電導体１の軸方向における分布を示す図であり、縦軸が超電導体１の軸方向位置Ｚ、横軸がボア内の磁場強度Ｂである。また、図１１（ｃ）は、上記した各グラフの縦軸（軸方向位置）に対応する超電導体１の模式図である。図１１において、超電導体１の一方端面１ａの軸方向位置がＺ＝０の位置に相当し、超電導体１の他方端面１ｂの位置がＺ＝ｈの位置に相当する。

図１１（ａ）に示すように、超電導体１の軸方向位置Ｚが大きくなるほど、すなわち超電導体１の一方端面１ａ側から他方端面１ｂ側に向かうほど、温度Ｔが高くなっている。つまり、超電導体１の軸方向温度均一性が低い。また、図１１（ｂ）に示すように、超電導体１の軸方向に沿って、捕捉磁場強度Ｂが一定である領域はほとんど存在せず、軸方向位置Ｚが０付近の領域を除き、軸方向位置Ｚが大きくなるほど、捕捉磁場強度Ｂが低下することがわかる。つまり、超電導体１の軸方向に沿った捕捉磁場強度が均一でない。このため室温ボア空間内の捕捉磁場強度も均一でない。或いは、室温ボア空間内で磁場強度が均一な領域が極めて狭い。よって、従来例に係る超電導磁場発生装置１００Ｃを用いたＮＭＲ装置で試料を分析すると、室温ボア空間内の捕捉磁場強度が均一でないことによって、ＮＭＲスペクトルがブロードになり、十分に精度の高い解析を行うことができない。或いは、室温ボア空間内の磁場強度を均一にするために多くのシムコイルを室温ボア空間内に組み込まなければならず、その結果、室温ボア空間内に十分な試料空間を確保することができない。

この点に関し、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１によれば、磁場中冷却工程にて、ほぼ均一に超電導体１を冷却することができる。第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１は、上記したように、コールドヘッド３がステージ部３２及び延長部３３を有する。そして、ステージ部３２が超電導体１の一方端面１ａに熱的に接続され、延長部３３（第二延長部３３２）が超電導体１の他方端面１ｂに熱的に接続される。つまり、コールドヘッド３は、超電導体１の両端に熱的に接続される。よって、磁場中冷却工程にて、超電導体１は、その一方端面１ａからコールドヘッド３のステージ部３２によって冷却されるとともに、その他方端面１ｂからコールドヘッド３の延長部３３によって冷却される。つまり、超電導体１は、その両端から冷却される。別言すれば、コールドヘッド３は、超電導体１がコールドヘッド３からの冷熱によって軸方向における両端から冷却されるように構成される。超電導体１がその両端から冷却されることにより、超電導体１は、その軸方向に沿って均等に冷却される。よって、超電導体１の軸方向温度均一性が高められる。

さらに、本実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１は、外側円筒状伝熱ホルダ４を備える。この外側円筒状伝熱ホルダ４の一方端面４ａは、コールドヘッド３のステージ部３２に接触し、他方端面４ｂは、コールドヘッド３の延長部３３（第二延長部３３２）に接触している。つまり、外側円筒状伝熱ホルダ４の両端面がコールドヘッド３に熱的に接続される。従って、外側円筒状伝熱ホルダ４は、磁場中冷却工程にて、コールドヘッド３によってその両端側から冷却される。このため外側円筒状伝熱ホルダ４は軸方向に沿って均一に冷却される。こうして軸方向に沿って均一に冷却される外側円筒状伝熱ホルダ４の内周面４ｄに、超電導体１の外周面１ｃが熱的に接続されている。よって、超電導体１は、その外周面１ｃからも、軸方向に沿って均一に冷却される。

図１には、本実施形態に係る超電導体１が磁場中冷却工程にて冷却される場合における、超電導体１からの熱の流れが矢印によって示されている。図１からわかるように、超電導体１の熱は、一方端面１ａ、他方端面１ｂ、及び外周面１ｃから流出する。このように多くの面から超電導体１が冷却されるために、超電導体１は均一に冷却される。

図３は、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１を用いて超電導体１のボア内に捕捉磁場を形成した場合に得られる超電導体１の軸方向におけるボア内の磁場強度分布を、超電導体１の軸方向における温度分布と併記したグラフである。図３（ａ）は、磁場中冷却工程にて冷却された超電導体１の軸方向における温度分布を示すグラフであり、縦軸が超電導体１の軸方向位置Ｚ、横軸が温度Ｔである。図３（ｂ）は、減磁工程にて捕捉される捕捉磁場の超電導体１の軸方向における分布を示す図であり、縦軸が超電導体１の軸方向位置Ｚ、横軸が補足磁場強度Ｂである。また、図３（ｃ）は、上記した各グラフの縦軸に対応する超電導体１の模式図である。図３に示すように、超電導体１の一方端面１ａの軸方向位置がＺ＝０の位置に相当し、超電導体１の他方端面１ｂの位置がＺ＝ｈの位置に相当する。なお、図３（ｃ）には、減磁工程の実施によって超電導体１内を流れる超電導電流の向き、及び超電導体１のボア内に形成された磁場の向きが示される。図３（ｃ）によれば、超電導電流は、超電導体１の軸方向に垂直な方向に流れる。また、ボア内の磁場の向きは上向きである。

図３（ａ）に示すように、超電導体１の温度Ｔは、軸方向に沿ってほぼ一定である。つまり、超電導体１の軸方向温度均一性が高い。また、図３（ｂ）に示すように、超電導体１の軸方向に沿った領域のうち両端部分を除く領域における磁場強度Ｂはほぼ一定である。つまり、超電導体１の軸方向に沿った捕捉磁場強度が均一である。このため室温ボア空間内の捕捉磁場強度も均一である。よって、ＮＭＲ装置に第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１を用いることにより、室温ボア空間の捕捉磁場空間が均一磁場にされる。このため、十分に精度の高い解析を行うことができる。或いは、室温ボア空間の補足磁場空間の均一性をより高めるために用いられるシムコイルの個数を減じることができ、これにより、室温ボア空間内に十分に広い試料空間を確保することができる。

以上のように、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１が備えるコールドヘッド３は、超電導体１がコールドヘッド３からの冷熱によって軸方向における両端から冷却されるように構成される。具体的には、コールドヘッド３は、超電導体１の一方端面１ａに熱的に接続されたステージ部３２と、ステージ部３２に熱的に接続されるとともに超電導体１の他方端面１ｂに熱的に接続された延長部３３とを有する。従って、磁場中冷却工程にて超電導体１が両端から冷却されるので、超電導体１を着磁する際において、超電導体１の軸方向における温度の均一性を高めることができる。

また、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１は、外側円筒状伝熱ホルダ４を備える。この外側円筒状伝熱ホルダ４によって、磁場中冷却工程の実行時に超電導体１が、その外周面１ｃからも冷却される。このため超電導体の温度均一性をより高めることができる。

また、外側円筒状伝熱ホルダ４の熱収縮率は、超電導体１の熱収縮率よりも大きい。従って、磁場中冷却工程にて超電導体１及び外側円筒状伝熱ホルダ４が冷却されていくと、外側円筒状伝熱ホルダ４の熱収縮量が超電導体１の熱収縮量よりも多いことにより、超電導体１が外側円筒状伝熱ホルダ４にその外周面１ｃ側から締め付けられる。この締め付け力が、圧縮応力として超電導体１に作用する。従って、超電導体１は、外側円筒状伝熱ホルダ４から圧縮応力を受けた状態で、減磁工程を実施することになる。

ここで、減磁工程にて印加磁場が除去されて、超電導体１が着磁すると、超電導体１に電磁応力（フープ力）が作用する。この電磁応力は、超電導体１を径外方に引っ張る方向に作用する。この電磁応力に対し、上記した外側円筒状伝熱ホルダ４からの圧縮応力が電磁応力とは反対方向から超電導体１に作用する。このため電磁応力が圧縮応力によって相殺される。このようにして電磁応力が相殺されることにより、超電導体１が電磁応力によって破損することが、効果的に防止される。

また、上記した電磁応力の大きさは、超電導体１の軸方向における中央部分よりも両端部分の方が大きい。ここで、本実施形態に係る外側円筒状伝熱ホルダ４の両端部には鍔部４１ａ，４１ｂが設けられている。そのため、外側円筒状伝熱ホルダ４の軸方向両端部における軸方向に垂直な断面積は、軸方向中央部における軸方向に垂直な断面積よりも大きい。よって、外側円筒状伝熱ホルダ４の両端部の強度は軸方向中央部の強度よりも高い。従って、超電導体１の軸方向における両端部に大きく作用する電磁応力に対し、両端の断面積が大きく強度が高い外側円筒状伝熱ホルダ４によって十分に超電導体１が補強される。その結果、超電導体１の全体の補強効果を高めることができる。

また、磁場中冷却工程にて超電導体１から外側円筒状伝熱ホルダ４に受け渡された熱は、外側円筒状伝熱ホルダ４の両端からコールドヘッド３に伝達される。この場合において、外側円筒状伝熱ホルダ４の両端部に鍔部４１ａ、４１ｂがそれぞれ形成されていて、両端部の断面積が大きくされているため、大きな断面積を利用して熱を効率よくコールドヘッド３に受け渡すことができる。つまり、熱掃けが良い。これにより、超電導体１を、より一層、均一に冷却することができる。

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態について説明するが、第二実施形態に係る超電導磁場発生装置は、内側円筒状伝熱ホルダを備えていることを除き、基本的には第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１と同一の構成である。以下、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１と相違する構成を中心に説明する。

図４は、第二実施形態に係る超電導磁場発生装置１０２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４に示すように、第二実施形態に係る超電導磁場発生装置１０２は、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１と同様に、超電導体１、冷却装置２、コールドヘッド３、外側円筒状伝熱ホルダ４、真空断熱容器７を備える。

また、超電導磁場発生装置１０２は、内側円筒状伝熱ホルダ５を備える。内側円筒状伝熱ホルダ５は、超電導体１の内周側から超電導体１を保持するように、超電導体１の内周側に配設される。内側円筒状伝熱ホルダ５は、熱伝導率が高く且つ非磁性の材質により形成される。本実施形態では、内側円筒状伝熱ホルダ５は、アルミニウム又はアルミニウム合金により形成される。

内側円筒状伝熱ホルダ５は、円筒状に形成されていて、軸方向における一方端面５ａ及び他方端面５ｂ、外周面５ｃ、内周面５ｄを有する。内側円筒状伝熱ホルダ５の外径は、超電導体１の内径にほぼ等しく、内側円筒状伝熱ホルダ５の内径は、コールドヘッド３の第二延長部３３２の内径（すなわち第二延長部３３２の中央に設けられている円孔３３３の径）に等しい。また、内側円筒状伝熱ホルダ５の軸方向長さは、超電導体１の軸方向長さに等しい。そして、内側円筒状伝熱ホルダ５の外周面５ｃが超電導体１の内周面１ｄに接触するように、内側円筒状伝熱ホルダ５が超電導体１に対して配設される。内側円筒状伝熱ホルダ５の外周面５ｃと超電導体１の内周面１ｄとの接触により、内側円筒状伝熱ホルダ５の外周面５ｃが超電導体１の内周面１ｄに熱的に接続される。

また、超電導磁場発生装置１０２において、第二延長部３３２の内径は、超電導体１の内径よりも小さい。従って、超電導体１の他方端面１ｂと第二延長部３３２の一方端面３３２ａが接触するように両者が同軸配置した場合、第二延長部３３２と超電導体１との内径差によって、第二延長部３３２の内周側に近い部分が超電導体１の内周面１ｄから径内方に僅かにリング状に突き出る。そして、第二延長部３３２のうち上記のようにして超電導体１の内周から径内方にリング状に突き出た部分の一方端面３３２ａに、内側円筒状伝熱ホルダ５の他方端面５ｂが接触する。また、内側円筒状伝熱ホルダ５の一方端面５ａは、コールドヘッド３のステージ部３２の他方端面３２ｂに接触する。このように、内側円筒状伝熱ホルダ５は、その外周面５ｃが超電導体１の内周面１ｄに熱的に接続されるように超電導体１の内周側に配設されるとともに、両端面がコールドヘッド３に、具体的には一方端面５ａがステージ部３２に、他方端面が延長部３３（第二延長部３３２）に、それぞれ熱的に接続されるように、構成される。

第二実施形態に係る超電導磁場発生装置１０２の構成のうち、上記説明した構成以外の構成は、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１の構成と同一である。従って、それらの構成の具体的な説明は、省略する。

第二実施形態に係る超電導磁場発生装置１０２によれば、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１と同様に、コールドヘッド３は、超電導体１がコールドヘッド３からの冷熱によって軸方向における両端から冷却されるように構成される。具体的には、コールドヘッド３は、超電導体１の一方端面１ａに熱的に接続されたステージ部３２と、ステージ部３２に熱的に接続されるとともに超電導体１の他方端面１ｂに熱的に接続された延長部３３とを有する。従って、磁場中冷却工程にて超電導体１が両端から冷却されるので、超電導体１を着磁する際における超電導体１の軸方向温度均一性を高めることができる。

また、第二実施形態に係る超電導磁場発生装置１０２は、内側円筒状伝熱ホルダ５を備える。この内側円筒状伝熱ホルダ５の一方端面５ａがステージ部３２に熱的に接続され、その他方端面５ｂが延長部３３に熱的に接続される。従って、内側円筒状伝熱ホルダ５は、磁場中冷却工程にて、コールドヘッド３によってその両端側から冷却される。このため内側円筒状伝熱ホルダ５は軸方向に沿って均一に冷却される。こうして軸方向に沿って均一に冷却される内側円筒状伝熱ホルダ５の外周面５ｃに、超電導体１の内周面１ｄが熱的に接続されている。よって、超電導体１は、その内周面１ｄからも、軸方向に沿って均一に冷却される。このため、超電導体１の温度の均一性をより高めることができる。

また、第二実施形態に係る超電導磁場発生装置１０２によれば、超電導体１の外周面１ｃが外側円筒状伝熱ホルダ４の内周面４ｄに、超電導体１の内周面１ｄが内側円筒状伝熱ホルダ５の外周面５ｃに、超電導体１の両端面がコールドヘッド３に、熱的に接続される。つまり、超電導体１の全表面がコールドヘッド又は伝熱ホルダに熱的に接続されている。よって、超電導体１を、その全表面から冷却することができる。従って、磁場中冷却工程にて超電導体１を冷却した場合、図４に矢印で示したように、超電導体１の熱が全ての表面から流出される。このため、超電導体１を、より一層均一に冷却することができるとともに、冷却効率が向上する。

また、第二実施形態に係る超電導磁場発生装置１０２によれば、内側円筒状伝熱ホルダ５を超電導体１の内周側に設けることにより、室温ボア空間と超電導体１との間に内側円筒状伝熱ホルダ５が介在する。これにより、室温ボア空間からの輻射熱が超電導体１に直接伝熱されることが防止される。その結果、室温ボア空間からの熱輻射による超電導体１の温度上昇を抑えることができる。

（第三実施形態）
次に、本発明の第三実施形態について説明するが、本実施形態に係る超電導磁場発生装置は、外側円筒状伝熱ホルダの形状が異なることを除き、基本的には第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１と同一の構成である。以下、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１と相違する構成を中心に説明する。

図５は、第三実施形態に係る超電導磁場発生装置１０３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５に示すように、第三実施形態に係る超電導磁場発生装置１０３は、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａを備える。外側円筒状伝熱ホルダ４Ａは、第一実施形態に係る外側円筒状伝熱ホルダ４と同様に、円筒状に形成されていて、軸方向における一方端面４ａ及び他方端面４ｂ、外周面４ｃ、内周面４ｄを有する。また、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａの軸方向長さは、超電導体１の軸方向長さに等しい。外側円筒状伝熱ホルダ４Ａの一方端面４ａは、コールドヘッド３のステージ部３２に熱的に接続され、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａの他方端面４ｂは、コールドヘッド３の延長部３３（第二延長部３３２）に熱的に接続される。

また、本実施形態において、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａは、第一部分４１Ａ、第二部分４２Ａ、及び第三部分４３Ａを有し、これらの部分が、一方端面４ａから他方端面４ｂに向かって軸方向に沿ってこの順に形成される。

第二部分４２Ａは、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａの軸方向における中央領域を形成する部分であり、この第二部分４２Ａの外径は、軸方向に沿って一定である。第一部分４１Ａは、第二部分４２Ａよりも、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａの一方端面４ａ側の端部領域を形成する部分であり、第三部分４３Ａは、第二部分４２Ａよりも、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａの他方端面４ｂ側の端部領域を形成する部分である。

第一部分４１Ａのうち第二部分４２Ａに接続されている部分の外径は、第二部分４２Ａの外径に等しい。同様に、第三部分４３Ａのうち第二部分４２Ａに接続されている部分の外径は、第二部分４２Ａの外径に等しい。また、第一部分４１Ａは、第二部分４２Ａに接続されている部分から一方端面４ａに近づくにつれて外径が増加するように、テーパ状に形成され、第三部分４３Ａは、第二部分４２Ａに接続されている部分から他方端面４ｂに近づくにつれて外径が増加するように、テーパ状に形成される。つまり、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａは、軸方向における中央部分の外径よりも、端部における外径の方が大きくなるように形成されている。

また、第一部分４１Ａ、第二部分４２Ａ、第三部分４３Ａのそれぞれの内径は、軸方向に沿って一定であり、これらの内径は超電導体１の外径にほぼ等しい。従って、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａは、その軸方向中央部分における軸方向に垂直な断面積が最も小さく、中央部分から端部に向かうにつれて断面積が大きくなるように、形成される。

外側円筒状伝熱ホルダ４Ａは、その内周面４ｄが超電導体１の外周面１ｃに接触するように、超電導体１に対して配設される。外側円筒状伝熱ホルダ４Ａの内周面４ｄと超電導体１の外周面１ｃとの接触により、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａの内周面４ｄが超電導体１の外周面１ｃに熱的に接続される。このとき、外側円筒状伝熱ホルダ４は、延長部３３の第一延長部３３１の内周側に、第一延長部３３１とは離間して配設される。第三実施形態に係る超電導磁場発生装置１０３において、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａ以外の構成は、上記第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１の各構成と同一であるので、それらの具体的説明は省略する。

第三実施形態に係る超電導磁場発生装置１０３によれば、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１と同様に、コールドヘッド３は、超電導体１がコールドヘッド３からの冷熱によって軸方向における両端から冷却されるように構成される。具体的には、コールドヘッド３は、超電導体１の一方端面１ａに熱的に接続されたステージ部３２と、ステージ部３２に熱的に接続されるとともに超電導体１の他方端面１ｂに熱的に接続された延長部３３とを有する。従って、磁場中冷却工程にて超電導体１が両端から冷却されるので、超電導体１を着磁する際における超電導体１の軸方向温度均一性を高めることができる。

また、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａは、その内周面４ｄにて、超電導体１の外周面１ｃに熱的に接続されている。従って、磁場中冷却工程にて、超電導体１の熱が、その外周面１ｃから外側円筒状伝熱ホルダ４Ａの第一部分４１Ａ，第二部分４２Ａ、及び第三部分４３Ａの各部分に受け渡される。この場合において、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａの第二部分４２Ａに受け渡された熱は、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａの両端側の部分すなわち第一部分４１Ａ又は第三部分４３Ａに流れ、これらの部分からコールドヘッド３（ステージ部３２又は延長部３３）に伝達される。従って、第一部分４１Ａ及び第三部分４３Ａでは、超電導体１の外周面１ｃからこれらの部分に直接受け渡された熱と、第一部分４１Ａから伝達されてきた熱が合流する。よって、第一部分４１Ａ及び第三部分４３Ａの断面積が小さいと、これらの部分を通過する熱量がこれらの部分の輸送能力を超える可能性が生じる。そのような場合、第二部分４２Ａから第一部分４１Ａ又は第三部分４３Ａへの熱の輸送が滞り、その結果、超電導体１の軸方向における中央部分の冷却が十分に行われない虞がある。

この点に関し、本実施形態では、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａの両端部分を構成する第一部分４１Ａ及び第三部分４３Ａの軸方向に垂直な断面積が、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａの中央部分を構成する第二部分４２Ａの軸方向に垂直な断面積よりも大きくされている。従って、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａの両端部分における熱の輸送能力が向上する。つまり、本実施形態によれば、外側円筒状伝熱ホルダ４Ａの熱はけが向上する。よって、上記した熱の輸送の滞りを防止することができ、それにより、超電導体１の軸方向における中央部まで十分に冷却することができる。その結果、超電導体１を着磁する際における超電導体１の軸方向温度均一性をより一層高めることができる。

（第四実施形態）
次に、本発明の第四実施形態について説明するが、本実施形態に係る超電導磁場発生装置は、補強リングを備えることを除き、基本的には第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１と同一の構成である。以下、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１と相違する構成を中心に説明する。

図６は、第四実施形態に係る超電導磁場発生装置１０４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６に示すように、第四実施形態に係る超電導磁場発生装置１０４は、超電導体１を補強するための補強部材としての補強リング８を備える。

本実施形態において、補強リング８は、６個の円筒状のリング部材（第一リング部材８１、第二リング部材８２、第三リング部材８３、第四リング部材８４、第五リング部材８５、第六リング部材８６）を、軸方向に沿ってこの順で同軸状に積み重ねることにより、円筒状に形成される。６個のリング部材の外周面により、補強リング８の外周面８ｃが構成され、６個のリング部材の内周面により、補強リング８の内周面８ｄが形成される。また、第一リング部材８１の図６において下向きの端面により、補強リング８の一方端面８ａが形成され、第六リング部材８６の図６において上向きの端面により、補強リング８の他方端面８ｂが形成される。

また、超電導磁場発生装置１０４は、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１と同様に、超電導体１及び外側円筒状伝熱ホルダ４を備えるが、外側円筒状伝熱ホルダ４の内径は超電導体１の外径よりも大きい。従って、外側円筒状伝熱ホルダ４を超電導体１の外周に同軸配置したときに、外側円筒状伝熱ホルダ４の内周面４ｄと超電導体１の外周面１ｃとの間に円筒状の空間が形成される。この円筒状の空間に、補強リング８が配設される。

また、第四実施形態においても第一実施形態と同様に、超電導体１は、６個の円筒状の超電導バルク（第一超電導バルク１１、第二超電導バルク１２，第三超電導バルク１３、第四超電導バルク１４、第五超電導バルク１５、第六超電導バルク１６）を軸方向に沿ってこの順で積み重ねることにより形成されている。そして、６個の超電導バルク（１１，１２，１３，１４，１５，１６）のそれぞれに、補強リング８を構成する６個のリング部材（８１，８２，８３，８４，８５，８６）が、それぞれ対応して取り付けられる。具体的には、第一リング部材８１が第一超電導バルク１１に取り付けられ、第二リング部材８２が第二超電導バルク１２に取り付けられ、第三リング部材８３が第三超電導バルク１３に取り付けられ、第四リング部材８４が第四超電導バルク１４に取り付けられ、第五リング部材８５が第五超電導バルク１５に取り付けられ、第六リング部材８６が第六超電導バルク１６に取り付けられる。

このとき、第一リング部材８１の内周面が第一超電導バルク１１の外周面に接触し、第二リング部材８２の内周面が第二超電導バルク１２の外周面に接触し、第三リング部材８３の内周面が第三超電導バルク１３の外周面に接触し、第四リング部材８４の内周面が第四超電導バルク１４の外周面に接触し、第五リング部材８５の内周面が第五超電導バルク１５の外周面に接触し、第六リング部材８６の内周面が第六超電導バルク１６の外周面に接触するように、各リング部材が各超電導バルクの外周に配設される。また、各リング部材の外周面は、外側円筒状伝熱ホルダ４の内周面４ｄに接触する。従って、６個のリング部材により構成される補強リング８は、その内周面８ｄが、６個の超電導バルクにより構成される超電導体１の外周面１ｃに接触し、その外周面８ｃが、外側円筒状伝熱ホルダ４の内周面４ｄに接触するように、超電導体１と外側円筒状伝熱ホルダ４との間に配設されることになる。

また、補強リング８の一方端面８ａを構成する第一リング部材８１の下端面は、コールドヘッド３のステージ部３２の他方端面３２ｂに接触し、補強リング８の他方端面８ｂを構成する第六リング部材８６の上端面は、コールドヘッド３の延長部３３の第二延長部３３２の一方端面３３２ａに接触している。したがって、補強リング８は、その一方端面８ａがステージ部３２（コールドヘッド３）に熱的に接続され、その他方端面８ｂが延長部３３（コールドヘッド３）に熱的に接続されるように、構成される。

補強リング８は、超電導体１の熱収縮率以上の熱収縮率を有する材質により形成される。すなわち、補強リング８の熱収縮率が超電導体１の熱収縮率以上である。本実施形態では、補強リング８は、アルミニウム又はアルミニウム合金により形成される。アルミニウム又はアルミニウム合金の熱収縮率は、Ｒｅ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の超電導体の熱収縮率よりも大きい。つまり、本実施形態では、補強リング８の熱収縮率は、超電導体１の熱収縮率よりも大きい。また、補強リング８は、外側円筒状伝熱ホルダ４の熱収縮率以下の熱収縮率を有する材質により形成されるとよい。すなわち、外側円筒状伝熱ホルダ４の熱収縮率は補強リング８の熱収縮以上であるとよい。本実施形態では、外側円筒状伝熱ホルダ４は、補強リング８と同一の材質（アルミニウム又はアルミニウム合金）により形成される。従って、外側円筒状伝熱ホルダ４の熱収縮率と補強リング８の熱収縮率は等しい。

第四実施形態に係る超電導磁場発生装置１０４の各構成のうち、上記した構成以外の構成は、上記第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１の各構成と同一である。従って、それらの詳細な説明は省略する。

第四実施形態に係る超電導磁場発生装置１０４によれば、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１と同様に、コールドヘッド３は、超電導体１がコールドヘッド３からの冷熱によって軸方向における両端から冷却されるように構成される。具体的には、コールドヘッド３は、超電導体１の一方端面１ａに熱的に接続されたステージ部３２と、ステージ部３２に熱的に接続されるとともに超電導体１の他方端面１ｂに熱的に接続された延長部３３とを有する。従って、磁場中冷却工程にて超電導体１が両端から冷却されるので、超電導体１を着磁する際における超電導体１の軸方向温度均一性を高めることができる。

また、超電導体１の外周面１ｃに補強リング８が接触状態で設けられており、この補強リング８の一方端面８ａがコールドヘッド３のステージ部３２に熱的に接続され、他方端面８ｂがコールドヘッド３の延長部３３に熱的に接続されている。従って、磁場中冷却工程にて補強リング８は軸方向に沿って均一に冷却される。このため、超電導体１は、その一方端面１ａ及び他方端面１ｂのみならず、外周面１ｃからも、補強リング８により冷却される。これにより、超電導体１の温度の均一性をより高めることができる。

また、補強リング８が超電導体１の外周面１ｃに接触状態で超電導体１の外周側に配設されているので、減磁工程の実施により超電導体１が着磁された場合に生じる電磁応力（フープ力）に対して補強リング８が超電導体１を補強する。このため、電磁応力に起因した超電導体１の破損を効果的に防止することができる。

また、補強リング８の熱収縮率は、超電導体１の熱収縮率よりも大きいので、磁場中冷却工程にて超電導体１とともに補強リング８が冷却された際に、補強リング８が超電導体１よりも大きく収縮することにより、超電導体１が補強リングにより締め付けられる。このため超電導体１が補強リング８からより大きな圧縮応力を受け、このようにして受けた圧縮応力が電磁応力を相殺することにより、電磁応力に起因した超電導体１の破損をより効果的に防止することができる。加えて本実施形態によれば、補強リング８の外周側に外側円筒状伝熱ホルダ４が設けられている。この外側円筒状伝熱ホルダ４の熱収縮率は、補強リング８の熱収縮率と同じであり、超電導体１の熱収縮率よりも大きい。従って、磁場中冷却工程にて、超電導体１には外側円筒状伝熱ホルダ４からの圧縮応力及び補強リング８からの圧縮応力により、超電導体１が二重に補強される。よって、超電導体１の着磁の際に生じる電磁応力（フープ力）に対する補強効果をより一層高めることができる。

（第五実施形態）
次に、本発明の第五実施形態について説明する。第五実施形態に係る超電導磁場発生装置は、超電導体１を保持する伝熱ホルダの構造において、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１と異なる。以下、相違点を中心に説明する。

図７は、第五実施形態に係る超電導磁場発生装置１０５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７に示すように、超電導磁場発生装置１０５は、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１と同様に、超電導体１と、冷却装置２と、コールドヘッド３と、真空断熱容器７とを備える。超電導体１、冷却装置２、真空断熱容器７の構造は、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置に備えられる超電導体１、冷却装置２、真空断熱容器７の構造と同一である。従って、これらの構造の具体的説明は省略する。

また、本実施形態に係るコールドヘッド３は、ステージ部３２と、延長部３４とを有する。ステージ部３２の構造は、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１が備えるステージ部３２の構造と同一である。延長部３４は、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１が備える延長部３３の第一延長部３３１のように、円筒状に形成され、軸方向における一方端面３４ａ（下端面）及びその反対側の他方端面３４ｂ（上端面）、外周面３４ｃ、内周面３４ｄを有する。延長部３４の外径はステージ部３２の外径にほぼ等しく、延長部３４の内径は超電導体１の外径よりも大きい。また、延長部３４の軸方向長さは、超電導体１の軸方向長さの半分の長さよりもやや長い。そして、延長部３４の一方端面３４ａがステージ部３２の他方端面３２ｂのうち外周に近い部分に接触するように、ステージ部３２上に延長部３４が同軸状に載置される。これにより延長部３４の一方端面３４ａがステージ部３２に熱的に接続される。

また、本実施形態に係る超電導磁場発生装置１０５は、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１が備える外側円筒状伝熱ホルダ４を備えず、その代わりに、一対のカップ状伝熱ホルダ６を備える。一対のカップ状伝熱ホルダ６は、第一カップ状伝熱ホルダ６１と第二カップ状伝熱ホルダ６２により構成される。一対のカップ状伝熱ホルダ６は、熱伝導率が高く且つ非磁性の材質により構成される。本実施形態において、一対のカップ状伝熱ホルダ６は、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成される。

第一カップ状伝熱ホルダ６１は、カップ状を呈しており、底部分を構成する第一底壁部６１１、側壁部分を構成する第一側壁部６１２、及び、開口面付近に形成される第一接続部６１３を有する。第一底壁部６１１は、内側面６１１ａ及びその反対側の外側面６１１ｂを有する円板状に形成される。第一底壁部６１１の中央には、内側面６１１ａから外側面６１１ｂにかけて軸方向に貫通する円孔が形成される。この円孔の径は、超電導体１の内径と同程度である。第一側壁部６１２は、外周面６１２ｃ及び内周面６１２ｄを有する円筒状に形成される。第一側壁部６１２の一方端が第一底壁部６１１の周縁に連結される。これにより第一側壁部６１２は、第一底壁部６１１の周縁から図７において上方（第一底壁部６１１の外側面６１１ｂから内側面６１１ａに向かう方向）に立設される。円筒状の第一側壁部６１２の内周面６１２ｄの軸方向長さは、超電導体１の軸方向長さの半分の長さである。第一接続部６１３は、円筒状の第一側壁部６１２の軸方向における他方端（第一底壁部６１１が連結されている端とは反対側の端）側から径外方にリング状に延設される。第一接続部６１３は、第一カップ状伝熱ホルダ６１の開口面（第一側壁部６１２の他方端に囲まれた面）に面一なリング状の接触面６１３ａを有する。

また、第一側壁部６１２の内径は超電導体１の外径にほぼ等しい。そして、第一カップ状伝熱ホルダ６１は、超電導体１のうち図７において軸方向における下半部分を構成する３個の超電導バルク（第一超電導バルク１１、第二超電導バルク１２、第三超電導バルク１３）からなる一方側部分１Ａの外周面に第一側壁部６１２の内周面６１２ｄが接触し（すなわち第一側壁部６１２が一方側部分１Ａの外周面に熱的に接続され）、超電導体１の一方端面１ａに第一底壁部６１１の内側面６１１ａが接触する（すなわち第一底壁部６１１が超電導体の一方端面１ａに熱的に接続される）ように、超電導体１に対して同軸状に配設される。このように第一カップ状伝熱ホルダ６１が超電導体１に対して配設されることにより、第一カップ状伝熱ホルダ６１は、超電導体１の一方側部分１Ａを保持する。

第二カップ状伝熱ホルダ６２は、第一カップ状伝熱ホルダ６１と同形状のカップ状を呈しており、底部分を構成する第二底壁部６２１、側壁部分を構成する第二側壁部６２２、及び、開口面付近に形成される第二接続部６２３を有する。第二底壁部６２１は、内側面６２１ａ及びその反対側の外側面６２１ｂを有する円板状に形成される。第二底壁部６２１の中央には、内側面６２１ａから外側面６２１ｂにかけて軸方向に貫通する円孔が形成される。この円孔の径は、超電導体１の内径と同程度である。第二側壁部６２２は、外周面６２２ｃ及び内周面６２２ｄを有する円筒状に形成される。第二側壁部６２２の一方端が第二底壁部６２１の周縁に連結される。これにより第二側壁部６２２は、第二底壁部６２１の周縁から図７において下方（第二底壁部６２１の外側面６２１ｂから内側面６２１ａに向かう方向）に立設される。円筒状の第二側壁部６２２の内周面６２２ｄの軸方向長さは、超電導体１の軸方向長さの半分の長さである。第二接続部６２３は、円筒状の第二側壁部６２２の軸方向における他方端（第二底壁部６２１が連結されている端とは反対側の端）側から径外方にリング状に延設される。第二カップ状伝熱ホルダ６２の開口面（第二側壁部６１２の他方端に囲まれた面）に面一なリング状の接触面６２３ａを有する。

また、第二側壁部６２２の内径は超電導体１の外径にほぼ等しい。そして、第二カップ状伝熱ホルダ６２は、超電導体１のうち図７において軸方向における上半部分を構成する３個の超電導バルク（第四超電導バルク１４、第五超電導バルク１５、第六超電導バルク１６）からなる他方側部分１Ｂの外周面に第二側壁部６２２の内周面６２２ｄが接触し（すなわち第二側壁部６２２が他方側部分１Ｂの外周面に熱的に接続され）、超電導体１の他方端面１ｂに第二底壁部６２１の内側面６２１ａが接触する（すなわち第二底壁部６２１が超電導体の他方端面１ｂに熱的に接続される）ように、超電導体１に対して同軸状に配設される。このように第二カップ状伝熱ホルダ６２が超電導体１に対して配設されることにより、第二カップ状伝熱ホルダ６２は、超電導体１の他方側部分１Ｂを保持する。

上記のように第一カップ状伝熱ホルダ６１及び第二カップ状伝熱ホルダ６２が超電導体１に対して配設された場合、第一カップ状伝熱ホルダ６１は、その開口面を上に向けた状態で超電導体１の下半部分を構成する一方側部分１Ａを覆い、第二カップ状伝熱ホルダ６２は、その開口面を下に向けた状態で超電導体１の上半部分を構成する他方側部分１Ｂを覆う。このため、第一カップ状伝熱ホルダ６１の開口面と第二カップ状伝熱ホルダ６２の開口面が突き合わされるとともに、第一カップ状伝熱ホルダ６１の第一接続部６１３と第二カップ状伝熱ホルダ６２の第二接続部６２３がそれぞれの接触面（６１３ａ，６２３ｓ）を突き合わせた状態で対面配置する。対面配置した第一接続部６１３と第二接続部６２３は、例えばネジ等の締結手段を介して連結される。これにより、第一カップ状伝熱ホルダ６１と第二カップ状伝熱ホルダ６２が連結される。

また、それぞれリング状に形成されている第一接続部６１３及び第二接続部６２３の外径は、延長部３４の内径にほぼ等しい。そして、互いに連結された第一接続部６１３及び第二接続部６２３の外周面が、延長部３４の内周面３４ｄのうち他方端面３４ｂ付近の部分に対面された状態で、両接続部（６１３，６２３）が延長部３４に、例えばネジ等の締結手段を介して連結される。このとき、第一カップ状伝熱ホルダ６１の第一底壁部６１１がコールドヘッド３のステージ部３２に接触せず、且つ、第二カップ状伝熱ホルダ６２の第二底壁部６２１が外側容器７１のカバー部７１３に接触しないように、両接続部（６１３，６２３）と延長部３４との連結位置が調整される。

上記説明及び図７からわかるように、第一カップ状伝熱ホルダ６１と第二カップ状伝熱ホルダ６２は同一形状であり、互いの接続部（６１３，６２３）を突き合わせた状態で、軸方向に垂直な平面に対して対称に配置されている。そして、超電導体１の下半部分（一方側部分１Ａ）が第一カップ状伝熱ホルダ６１に覆われ、超電導体１の上半部分（他方側部分１Ｂ）が第二カップ状伝熱ホルダ６２に覆われる。このとき、超電導体１の下半部分（一方側部分１Ａ）の外周面及び一方端面１ａが第一カップ状伝熱ホルダ６１に熱的に接続され、超電導体１の上半部分（他方側部分１Ｂ）の外周面及び他方端面１ｂが第二カップ状伝熱ホルダ６２に熱的に接続される。また、第一カップ状伝熱ホルダ６１及び第二カップ状伝熱ホルダ６２は、それぞれの接続部（６１３，６２３）にて、コールドヘッド３（延長部３４）に熱的に接続される。従って、本実施形態においては、超電導体１は、その一方端面１ａ、他方端面１ｂ、外周面１ｃのいずれもが、カップ状伝熱ホルダ６を介してコールドヘッド３に熱的に接続されていることになる。

第五実施形態に係る超電導磁場発生装置１０５の構成のうち、上記にて説明した構成以外の構成は、第一実施形態に係る超電導磁場発生装置１０１の構成と同一である。従って、これらの構成の説明は省略する。

第五実施形態に係る超電導磁場発生装置１０５によれば、超電導体１の一方端面１ａが第一カップ状伝熱ホルダ６１に熱的に接続され、超電導体１の他方端面１ｂが第二カップ状伝熱ホルダ６２に熱的に接続される。また、第一カップ状伝熱ホルダ６１及び第二カップ状伝熱ホルダ６２はともにコールドヘッド３（延長部３４）に熱的に接続される。従って、磁場中冷却工程にて、超電導体１は、コールドヘッド３が発生した冷熱によって、カップ状伝熱ホルダ６を介して、その両端から冷却される。よって、超電導体１を着磁する際における超電導体１の軸方向温度均一性を高めることができる。

また、超電導体１の外周面１ｃのうち図７において下半部分（一方側部分１Ａ）の外周面が第一カップ状伝熱ホルダ６１の第一側壁部６１２に熱的に接続され、上半部分（他方側部分１Ｂ）の外周面が第二カップ状伝熱ホルダ６２の第二側壁部６２２に熱的に接続される。つまり、超電導体１の外周面１ｃがカップ状伝熱ホルダ６に熱的に接続される。従って、磁場中冷却工程にて、超電導体１は、その両端面（１ａ，１ｂ）及び外周面１ｃから冷却される。図７には、本実施形態に係る超電導体１が磁場中冷却工程にて冷却される場合における、超電導体１からの熱の流れが矢印によって示されている。図７からわかるように、超電導体１の熱は、一方端面１ａ、他方端面１ｂ、及び外周面１ｃからカップ状伝熱ホルダ６に流れ、さらにカップ状伝熱ホルダ６からコールドヘッド３に流れる。このように多くの面から超電導体１が冷却されるために、超電導体１の温度均一性、特に軸方向温度均一性をより高めることができる。

また、第一カップ状伝熱ホルダ６１と第二カップ状伝熱ホルダ６２は同一形状であり、且つ、互いの接続部（６１３，６２３）が対面配置した状態で延長部３４に連結されている。このため、磁場中冷却工程にて超電導体１が冷却された場合において、超電導体１の一方側部分１Ａからの熱が第一カップ状伝熱ホルダ６１を経由してコールドヘッド３（延長部３４）に至るまでの経路の長さと、超電導体１の他方側部分１Ｂからの熱が第二カップ状伝熱ホルダ６２を経由してコールドヘッド３（延長部３４）に至るまでの経路の長さは等しい。従って、超電導体１からコールドヘッド３への熱の輸送速度の場所によるバラツキを小さくすることができ、それ故に、超電導体１の全体に亘り、冷却速度をほぼ一定にすることができる。その結果、より一層、超電導体１の温度均一性を高めることができる。

また、カップ状伝熱ホルダ６は、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成されており、その熱収縮率は超電導体１の熱収縮率よりも大きい。従って、磁場中冷却工程にて超電導体１及びカップ状伝熱ホルダ６が冷却されていくと、カップ状伝熱ホルダ６の側壁部（第一側壁部６１２及び第二側壁部６２２）の熱収縮量が超電導体１の熱収縮量よりも多いことにより、超電導体１がカップ状伝熱ホルダ６にその外周面１ｃ側から締め付けられる。この締め付け力が、圧縮応力として超電導体１に作用する。従って、超電導体１は、外側円筒状伝熱ホルダ４から圧縮応力を受けた状態で、減磁工程を実施することになる。このようにして受けた圧縮応力が、減磁工程にて超電導体１に作用する電磁応力を相殺することにより、電磁応力に起因した超電導体１の破損をより効果的に防止することができる。

（第六実施形態）
次に、本発明の第六実施形態について説明するが、第六実施形態に係る超電導磁場発生装置は、内側円筒状伝熱ホルダを備えていることを除き、基本的には第五実施形態に係る超電導磁場発生装置１０５と同一の構成である。以下、第五実施形態に係る超電導磁場発生装置１０５と相違する構成を中心に説明する。

図８は、第六実施形態に係る超電導磁場発生装置１０６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８に示すように、第六実施形態に係る超電導磁場発生装置１０６は、第五実施形態に係る超電導磁場発生装置１０５と同様に、超電導体１、冷却装置２、コールドヘッド３、カップ状伝熱ホルダ６、真空断熱容器７を備える。

また、超電導磁場発生装置１０６は、内側円筒状伝熱ホルダ５を備える。内側円筒状伝熱ホルダ５は、超電導体１の内周側から超電導体１を保持するように、超電導体１の内周側に配設される。内側円筒状伝熱ホルダ５は、熱伝導率が高く且つ非磁性の材質により形成される。本実施形態では、内側円筒状伝熱ホルダ５は、アルミニウム又はアルミニウム合金により形成される。

内側円筒状伝熱ホルダ５は、円筒状に形成されていて、軸方向における一方端面５ａ及び他方端面５ｂ、外周面５ｃ、内周面５ｄを有する。内側円筒状伝熱ホルダ５の外径は、超電導体１の内径にほぼ等しく、内側円筒状伝熱ホルダ５の内径は、一対のカップ状伝熱ホルダ６のそれぞれの底壁部（第一底壁部６１１及び第二底壁部６２１）の内径に等しい。また、内側円筒状伝熱ホルダ５の軸方向長さは、超電導体１の軸方向長さに等しい。そして、内側円筒状伝熱ホルダ５の外周面５ｃが超電導体１の内周面１ｄに接触するように、内側円筒状伝熱ホルダ５が超電導体１に対して配設される。内側円筒状伝熱ホルダ５の外周面５ｃと超電導体１の内周面１ｄとの接触により、内側円筒状伝熱ホルダ５の外周面５ｃが超電導体１の内周面１ｄに熱的に接続される。

また、超電導磁場発生装置１０６において、各カップ状伝熱ホルダ６（６１，６２）の底壁部（６１１，６１２）の内径は、超電導体１の内径よりも小さい。従って、超電導体１の一方端面１ａが第一カップ状伝熱ホルダ６１の第一底壁部６１１の内側面６１１ａに接触するように、超電導体１に対して第一カップ状伝熱ホルダ６１が同軸配置した場合、第一底壁部６１１と超電導体１との内径差によって、第一底壁部６１１の内周側に近い部分が、超電導体１の内周から径内方に僅かにリング状に突き出る。そして、第一底壁部６１１のうち上記のようにして超電導体１の内周から径内方にリング状に突き出た部分の内側面６１１ａに、内側円筒状伝熱ホルダ５の一方端面５ａが接触する。また、超電導体１の他方端面１ｂが第二カップ状伝熱ホルダ６２の第二底壁部６２１の内側面６２１ａに接触するように、超電導体１に対して第二カップ状伝熱ホルダ６２が同軸配置した場合、第二底壁部６２１と超電導体１との内径差によって、第二底壁部６２１の内周側に近い部分が、超電導体１の内周から径内方に僅かにリング状に突き出る。そして、第二底壁部６２１のうち上記のようにして超電導体１の内周から径内方にリング状に突き出た部分の内側面６２１ａに、内側円筒状伝熱ホルダ５の他方端面５ｂが接触する。このように、内側円筒状伝熱ホルダ５は、その外周面５ｃが超電導体１の内周面１ｄに熱的に接続されるように超電導体１の内周側に配設されるとともに、その一方端面５ａが第一カップ状伝熱ホルダ６１の第一底壁部６１１に熱的に接続され、その他方端面５ｂが第二カップ状伝熱ホルダ６２の第二底壁部６２１に熱的に接続されるように、構成される。

第六実施形態に係る超電導磁場発生装置１０６の構成のうち、上記説明した構成以外の構成は、第五実施形態に係る超電導磁場発生装置１０５の構成と同一である。従って、それらの構成の具体的な説明は、省略する。

第六実施形態に係る超電導磁場発生装置１０６によれば、第五実施形態に係る超電導磁場発生装置１０５と同様に、超電導体１の一方端面１ａが第一カップ状伝熱ホルダ６１に熱的に接続され、超電導体１の他方端面１ｂが第二カップ状伝熱ホルダ６２に熱的に接続される。また、第一カップ状伝熱ホルダ６１及び第二カップ状伝熱ホルダ６２はともにコールドヘッド３（延長部３４）に熱的に接続される。従って、磁場中冷却工程にて、超電導体１は、コールドヘッド３が発生した冷熱によって、カップ状伝熱ホルダ６を介して、その両端から冷却される。よって、超電導体１を着磁する際における超電導体１の軸方向温度均一性を高めることができる。

また、第六実施形態に係る超電導磁場発生装置１０６は、内側円筒状伝熱ホルダ５を備える。この内側円筒状伝熱ホルダ５の一方端面５ａが第一カップ状伝熱ホルダ６１の第一底壁部６１１に熱的に接続され、その他方端面５ｂが第二カップ状伝熱ホルダ６２の第二底壁部６２１に熱的に接続される。従って、内側円筒状伝熱ホルダ５は、磁場中冷却工程にて、一対のカップ状伝熱ホルダ６によってその両端側から冷却される。このため内側円筒状伝熱ホルダ５は軸方向に沿って均一に冷却される。こうして軸方向に沿って均一に冷却される内側円筒状伝熱ホルダ５の外周面５ｃに、超電導体１の内周面１ｄが熱的に接続されている。よって、超電導体１は、その内周面１ｄからも、軸方向に沿って均一に冷却される。このため超電導体の温度均一性をより高めることができる。

また、第六実施形態に係る超電導磁場発生装置１０６によれば、超電導体１の一方端面１ａ、他方端面１ｂ、外周面１ｃが、カップ状伝熱ホルダ６に熱的に接続されるとともに、超電導体１の内周面１ｄが内側円筒状伝熱ホルダ５に熱的に接続される。つまり、超電導体１の表面の全ての部分は、伝熱部材に熱的に接続されている。従って、磁場中冷却工程にて超電導体１を冷却した場合、図８に矢印で示したように、超電導体１の熱が全ての表面から流出される。このため、超電導体１を、より一層均一に冷却することができるとともに、冷却効率が向上する。

また、第六実施形態に係る超電導磁場発生装置１０６によれば、内側円筒状伝熱ホルダ５を超電導体１の内周側に設けることにより、室温ボア空間と超電導体１との間に内側円筒状伝熱ホルダ５が介在する。これにより、室温ボア空間からの輻射熱が超電導体１に直接伝熱されることが防止される。その結果、室温ボア空間からの熱輻射による超電導体１の温度上昇を抑えることができる。

（第七実施形態）
次に、本発明の第七実施形態について説明するが、本実施形態に係る超電導磁場発生装置は、補強リングを備えることを除き、基本的には第五実施形態に係る超電導磁場発生装置１０５と同一の構成である。以下、第五実施形態に係る超電導磁場発生装置１０５と相違する構成を中心に説明する。

図９は、第七実施形態に係る超電導磁場発生装置１０７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９に示すように、第七実施形態に係る超電導磁場発生装置１０７は、超電導体１を補強するための補強部材としての補強リング８を備える。

本実施形態に係る補強リング８は、上記第四実施形態に係る補強リング８と同じように、６個の円筒状のリング部材（第一リング部材８１、第二リング部材８２、第三リング部材８３、第四リング部材８４、第五リング部材８５、第六リング部材８６）を、軸方向に沿ってこの順で同軸状に積み重ねることにより、円筒状に形成される。６個のリング部材の外周面により、補強リング８の外周面８ｃが構成され、６個のリング部材の内周面により、補強リング８の内周面８ｄが形成される。また、第一リング部材８１の図９において下向きの端面により、補強リング８の一方端面８ａが形成され、第六リング部材８６の図９において上向きの端面により、補強リング８の他方端面８ｂが形成される。

また、超電導磁場発生装置１０７は、第五実施形態に係る超電導磁場発生装置１０５と同様に、超電導体１及び一対のカップ状伝熱ホルダ６を備えるが、一対のカップ状伝熱ホルダ６の各側壁部（６１２，６２２）の内径は超電導体１の外径よりも大きい。従って、一対のカップ状ホルダ６を超電導体１に対して同軸配置したときに、一対のカップ状伝熱ホルダ６の各側壁部（６１２，６２２）の内周面（６１２ｄ，６２２ｄ）と超電導体１の外周面１ｃとの間に円筒状の空間が形成される。この円筒状の空間に、補強リング８が配設される。

なお、第七実施形態においても第一実施形態及び第五実施形態と同様に、超電導体１は、６個の円筒状の超電導バルク（第一超電導バルク１１、第二超電導バルク１２，第三超電導バルク１３、第四超電導バルク１４、第五超電導バルク１５、第六超電導バルク１６）を軸方向に沿ってこの順で積み重ねることにより形成されている。そして、６個の超電導バルク（１１，１２，１３，１４，１５，１６）のそれぞれに、６個のリング部材（８１，８２，８３，８４，８５，８６）が、それぞれ対応して取り付けられる。６個の超電導バルクと６個のリング部材との対応関係、及び、超電導バルクへの補強リングの取付け構造は、上記第四実施形態で述べた対応関係及び取付構造と同じであるので、ここではその説明を省略する。

６個のリング部材により構成される補強リング８の内周面８ｄは、６個の超電導バルクにより構成される超電導体１の外周面１ｃに接触する。これにより、補強リング８の内周面８ｄが超電導体１の外周面１ｃに熱的に接続される。また、補強リング８の外周面８ｃは、一対のカップ状伝熱ホルダ６のいずれかの側壁部（６１２，６２２）の内周面（６１２ｄ、６２２ｄ）に接触する。具体的には、第一リング部材８１、第二リング部材８２、第三リング部材８３の外周面が、第一カップ状伝熱ホルダ６１の第一側壁部６１２の内周面６１２ｄに接触し、第四リング部材８４、第五リング部材８５、第六リング部材８６の外周面が、第二カップ状伝熱ホルダ６２の第二側壁部６２２の内周面６２２ｄに接触する。これにより、補強リング８の外周面が一対のカップ状伝熱ホルダ６に熱的に接続される。

また、補強リング８の一方端面８ａを構成する第一リング部材８１の下端面は、第一カップ状伝熱ホルダ６１の第一底壁部６１１の内側面６１１ａに接触する。これにより、補強リング８の一方端面８ａが第一底壁部６１１に熱的に接続される。また、補強リング８の他方端面８ｂを構成する第六リング部材８６の上端面は、第二カップ状伝熱ホルダ６２の第二底壁部６２１の内側面６２１ａに接触する。これにより、補強リング８の他方端面８ｂが第二底壁部６２１に熱的に接続される。

補強リング８は、超電導体１の熱収縮率以上の熱収縮率を有する材質により形成される。すなわち、補強リング８の熱収縮率が超電導体１の熱収縮率以上である。本実施形態では、補強リング８は、アルミニウム又はアルミニウム合金により形成される。アルミニウム又はアルミニウム合金の熱収縮率は、Ｒｅ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の超電導体の熱収縮率よりも大きい。つまり、本実施形態では、補強リング８の熱収縮率は、超電導体１の熱収縮率よりも大きい。また、補強リング８は、カップ状伝熱ホルダ６の熱収縮率以下の熱収縮率を有する材質により形成されるとよい。すなわち、カップ状伝熱ホルダ６の熱収縮率は補強リング８の熱収縮以上であるとよい。本実施形態では、カップ状伝熱ホルダ６は、補強リング８と同一の材質（アルミニウム又はアルミニウム合金）により形成される。従って、カップ状伝熱ホルダ６の熱収縮率と補強リング８の熱収縮率は等しい。

第七実施形態に係る超電導磁場発生装置１０７の各構成のうち、上記した構成以外の構成は、上記第五実施形態に係る超電導磁場発生装置１０５の各構成と同一である。従って、それらの詳細な説明は省略する。

第七実施形態に係る超電導磁場発生装置１０７によれば、第五実施形態に係る超電導磁場発生装置１０５と同様に、超電導体１の一方端面１ａが第一カップ状伝熱ホルダ６１に熱的に接続され、超電導体１の他方端面１ｂが第二カップ状伝熱ホルダ６２に熱的に接続される。また、第一カップ状伝熱ホルダ６１及び第二カップ状伝熱ホルダ６２はともにコールドヘッド３（延長部３４）に熱的に接続される。従って、磁場中冷却工程にて、超電導体１は、コールドヘッド３が発生した冷熱によって、カップ状伝熱ホルダ６を介して、その両端から冷却される。よって、超電導体１を着磁する際における超電導体１の軸方向温度均一性を高めることができる。

また、超電導体１の外周面１ｃに補強リング８が接触状態で設けられており、この補強リング８の一方端面８ａが第一カップ状伝熱ホルダ６１の第一底壁部６１１に熱的に接続され、他方端面８ｂが第二カップ状伝熱ホルダ６２の第二底壁部６２１に熱的に接続されている。従って、磁場中冷却工程にて補強リング８は軸方向に沿って均一に冷却される。このため、超電導体１は、その一方端面１ａ及び他方端面１ｂのみならず、外周面１ｃからも、補強リング８により冷却される。これにより、超電導体１が均一に冷却される。

また、補強リング８が超電導体１の外周面１ｃに接触状態で超電導体１の外周側に配設されているので、減磁工程の実施により超電導体１が着磁された場合に生じる電磁応力（フープ力）に対して補強リング８が超電導体１を補強する。このため、電磁応力力に起因した超電導体１の破損を効果的に防止することができる。

また、補強リング８の熱収縮率は、超電導体１の熱収縮率よりも大きいので、磁場中冷却工程にて超電導体１とともに補強リング８が冷却された際に、補強リング８が超電導体１よりも大きく収縮することにより、超電導体１が補強リングにより締め付けられる。このため超電導体１が補強リング８からより大きな圧縮応力を受け、このようにして受けた圧縮応力が電磁応力を相殺することにより、電磁応力に起因した超電導体１の破損をより効果的に防止することができる。加えて本実施形態によれば、補強リング８の外周側に一対のカップ状伝熱ホルダ６の側壁部（６１２，６２２）が設けられている。これらのカップ状伝熱ホルダの熱収縮率は、補強リング８の熱収縮率と同じであり、超電導体１の熱収縮率よりも大きい。従って、磁場中冷却工程にて、超電導体１にはカップ状伝熱ホルダ６からの圧縮応力及び補強リング８からの圧縮応力により、超電導体１が二重に補強される。よって、超電導体１の着磁の際に生じる電磁応力（フープ力）に対する補強効果をより一層高めることができる。

以上、本発明の様々な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるべきものではない。例えば、上記第一実施形態から第四実施形態に係るコールドヘッド３の第一延長部３３１は円筒状に形成されているが、一方端がステージ部３２に熱的に接続され且つ他方端が第二延長部３３２に熱的に接続され、ステージ部３２の周方向に沿って所定の間隔で配置された複数の棒状部材によって第一延長部３３１を構成しても良い。また、上記第五実施形態から第七実施形態に係るコールドヘッド３の延長部３４も円筒状に形成されているが、一方端がステージ部３２に熱的に接続され他方端が一対のカップ状伝熱ホルダ６のそれぞれの接続部（６１３，６２３）に熱的に接続され、ステージ部３２の周方向に沿って所定の間隔で配置された複数の棒状部材によって延長部３４を構成しても良い。なお、この場合、複数の棒状の延長部に対面する位置のみに、接続部を設けても良い。

また、上記各実施形態において、伝熱ホルダ（４，５，６）は、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成されているが、アルミニウム又はアルミニウム合金以外の材質であって熱伝導な良好な材質によって伝熱ホルダ（４，５，６）を形成してもよい。

また、上記第一実施形態から第四実施形態に係るコールドヘッド３の延長部３３は、円筒状の第一延長部３３１及び円板状の第二延長部３３２により構成されているが、ステージ部３２に熱的に接続されるとともに超電導体１の他方端面１ｂに熱的に接続されるような構成であれば、どのように構成されていてもよい。

また、上記各実施形態において、超電導体１が複数の円筒状の超電導バルクを積み重ねることにより構成されているが、一体に構成されていてもよい。また、超電導体１が複数の円筒状の超電導バルクにより構成されている場合、各超電導バルクの接触界面に、例えばインジウムシートのような、接触界面の凹凸を埋めるための伝熱性のシートを介在させて、熱抵抗の減少（熱接触の向上）を図るようなことを実施することもできる。

また、コールドヘッド３と超電導体１との接触界面、補強リング８と超電導体１との接触界面、各伝熱ホルダ（４，５，６）と超電導体１との接触界面、外側円筒状伝熱ホルダ４とコールドヘッド３との接触界面、内側円筒状伝熱ホルダ５とコールドヘッド３との接触界面には、上記と同様に、インジウムシートを介在させて熱接触を向上させたり、接触対象間の熱的な接続が失われない程度に接着剤等を介在させてもよい。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、変形可能である。

１…超電導体、１Ａ…一方側部分、１Ｂ…他方側部分、１ａ…一方端面、１ｂ…他方端面、１ｃ…外周面、１ｄ…内周面、２…冷却装置、３…コールドヘッド、３２…ステージ部、３２ａ…一方端面、３２ｂ…他方端面、３２ｃ…外周面、３３…延長部、３３１…第一延長部、３３１ａ…一方端面、３３１ｂ…他方端面、３３１ｃ…外周面、３３１ｄ…内周面、３３２…第二延長部、３３２ａ…一方端面、３３２ｂ…他方端面、３３２ｃ…外周面、３３２ｄ…内周面、３３３…円孔、３４…延長部、３４ａ…一方端面、３４ｂ…他方端面、３４ｃ…外周面、３４ｄ…内周面、４，４Ａ…外側円筒状伝熱ホルダ、４ａ…一方端面、４ｂ…他方端面、４ｃ…外周面、４ｄ…内周面、４１ａ，４１ｂ…鍔部、４１Ａ…第一部分、４２Ａ…第二部分、４３Ａ…第三部分、５…内側円筒状伝熱ホルダ、５ａ…一方端面、５ｂ…他方端面、５ｃ…外周面、５ｄ…内周面、６…カップ状伝熱ホルダ、６１…第一カップ状伝熱ホルダ、６１１…第一底壁部、６１１ａ…内側面、６１１ｂ…外側面、６１２…第一側壁部、６１２ｃ…外周面、６１２ｄ…内周面、６１３…第一接続部、６２…第二カップ状伝熱ホルダ、６２１…第二底壁部、６２１ａ…内側面、６２１ｂ…外側面、６２２…第二側壁部、６２２ｃ…外周面、６２２ｄ…内周面、６２３…第二接続部、７…真空断熱容器、７１…外側容器、７２…内側容器、８…補強リング（補強部材）、８ａ…一方端面、８ｂ…他方端面、８ｃ…外周面、８ｄ…内周面、１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７…超電導磁場発生装置、１１０…核磁気共鳴装置

Claims (11)

1. 円筒状に形成され、超電導遷移温度以下の温度に冷却された状態で印加された磁場を捕捉することにより、磁場を発生する超電導体と、
   前記超電導体を超電導遷移温度以下の温度に冷却するための冷熱を発生するコールドヘッドを備える冷却装置と、
   を備え、
   前記コールドヘッドは、前記超電導体が前記コールドヘッドからの冷熱によって軸方向における両端から冷却されるように構成される、超電導磁場発生装置。
2. 請求項１に記載の超電導磁場発生装置において、
   前記コールドヘッドは、前記超電導体の一方端面から前記超電導体を冷却するように前記超電導体の一方端面に熱的に接続されたステージ部と、前記超電導体の他方端面から前記超電導体を冷却するように前記超電導体の他方端面に熱的に接続された延長部と、を有する、超電導磁場発生装置。
3. 請求項２に記載の超電導磁場発生装置において、
   前記延長部は、
   一方端面及びその反対側の他方端面を有し、前記一方端面が前記ステージ部に熱的に接続された第一延長部と、
   前記第一延長部の他方端面に熱的に接続されるとともに前記超電導体の他方端面に熱的に接続される第二延長部と、を有する、超電導磁場発生装置。
4. 請求項２又は３に記載の超電導磁場発生装置において、
   円筒状に形成され、前記超電導体の外周面に熱的に接続される内周面を有し、前記超電導体の外周側から前記超電導体を保持するように前記超電導体の外周側に配設されるとともに、その一方端面が前記ステージ部に熱的に接続され、その他方端面が前記延長部に熱的に接続される外側円筒状伝熱ホルダを備える、超電導磁場発生装置。
5. 請求項４に記載の超電導磁場発生装置において、
   円筒状に形成され、その内周面が前記超電導体の外周面に接触し、その外周面が前記外側円筒状伝熱ホルダの内周面に接触するように、前記超電導体と前記外側円筒状伝熱ホルダとの間に配設されるとともに、その一方端面が前記ステージ部に熱的に接続され、その他方端面が前記延長部に熱的に接続される補強部材を備える、超電導磁場発生装置。
6. 請求項３乃至５のいずれか１項に記載の超電導磁場発生装置において、
   円筒状に形成され、前記超電導体の内周面に熱的に接続された外周面を有し、前記超電導体の内周側から前記超電導体を保持するように前記超電導体の内周側に配設されるとともに、その一方端面が前記ステージ部に熱的に接続され、その他方端面が前記延長部に熱的に接続された内側円筒状伝熱ホルダを備える、超電導磁場発生装置。
7. 請求項１に記載の超電導磁場発生装置において、
   カップ状に形成され、前記超電導体の一方端面に熱的に接続された円板状の第一底壁部と、前記第一底壁部の周縁にその一方端が連結するとともに前記超電導体の軸方向における中央位置から一方端面までの部分である一方側部分の外周面に熱的に接続された円筒状の第一側壁部とを有し、前記一方側部分を保持するように前記超電導体に対して配設された第一カップ状伝熱ホルダと、
   カップ状に形成され、前記超電導体の他方端面に熱的に接続された円板状の第二底壁部と、前記第二底壁部の周縁にその一方端が連結するとともに前記超電導体の軸方向における中央位置から他方端面までの部分である他方側部分の外周面に熱的に接続された円筒状の第二側壁部とを有し、前記他方側部分を保持するように前記超電導体に対して配設された第二カップ状伝熱ホルダと、を備え、
   前記第一カップ状伝熱ホルダ及び前記第二カップ状伝熱ホルダが、前記コールドヘッドに熱的に接続される、超電導磁場発生装置。
8. 請求項７に記載の超電導磁場発生装置において、
   前記第一カップ状伝熱ホルダは、前記第一側壁部の他方端から径外方に延設された第一接続部を有し、
   前記第二カップ状伝熱ホルダは、前記第二側壁部の他方端から径外方に延設された第二接続部を有し、
   前記第一接続部と前記第二接続部が対面した状態で、前記第一カップ状伝熱ホルダと前記第二カップ状伝熱ホルダが連結され、
   前記第一接続部と前記第二接続部が、前記コールドヘッドに熱的に接続される、超電導磁場発生装置。
9. 請求項７又は８に記載の超電導磁場発生装置において、
   円筒状に形成され、その内周面が前記超電導体の外周面に接触し、その外周面が前記第一側壁部の内周面及び前記第二側壁部の内周面に接触するように、前記超電導体と前記第一側壁部及び前記第二側壁部との間に配設されるとともに、その一方端面が前記第一底壁部に熱的に接続され、その他方端面が前記第二底壁部に熱的に接続される補強部材を備える、超電導磁場発生装置。
10. 請求項７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、
    円筒状に形成され、前記超電導体の内周面に熱的に接続された外周面を有し、前記超電導体の内周側から前記超電導体を保持するように前記超電導体の内周側に配設されるとともに、その一方端面が前記第一底壁部に熱的に接続され、その他方端面が前記第二底壁部に熱的に接続された内側円筒状伝熱ホルダを備える、超電導磁場発生装置。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の超電導磁場発生装置を備えた核磁気共鳴装置。

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