JP2019091803A - 超伝導磁石装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁力の変形に対して磁場調整可能な電磁石装置のリターンヨーク構造を提供する。【解決手段】電磁石を取り囲むリターンヨークの隣り合う側板５の間をそれぞれボルトで締結する。側板５同士の締結の強さを調節することで、電磁吸引力により生じるリターンヨークの天板４の撓み変形量を調整し、リターンヨーク内部の磁場分布を調整することで均一静磁場を生成する構造を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導電磁石と、これを取り囲むリターンヨークからなる超伝導電磁石装置に係わり、特に、高い均一度の静磁場を発生させる超伝導磁石装置に関する。

本発明の背景技術として、特許文献１に「コイルとリターンヨーク間の電磁力を最小化することにより、支持構造が簡単で、かつ、熱侵入量を最小とした偏向マグネットを得ることを目的とし、リターンヨークに複数個の可動の強磁性体シムを設け、押ネジによりシムを変位させてリターンヨークとコイル間の距離を徴調整できるようにした。これにより、コイルの組立誤差等に起因するアンバランス磁気吸引力を容易に補正することができる。また、リターンヨークに空隙を形成したことにより、外方への漏れ磁束を減少することができる」という技術が開示されている。

特開平4-319298号公報

特許文献１の技術は、リターンヨークに複数個の可動式強磁性体シムを設けることで、リターンヨークとコイル間に強大な電磁力が作用する、乃至はコイルの組立時の誤差等により上下コイル巻線間やコイル巻線とリターンヨーク間にアンバランスな電磁吸引力が発生する等の問題点を解消するものであるが、電磁吸引力によるリターンヨークの変形と、これによる磁場分布の乱れは考慮されていない。

本発明の目的は、高均一度の静磁場を実現するリターンヨークの変形量の調整構造を提供するものである。

電磁石を取り囲むリターンヨークの隣り合う側板５の間をそれぞれボルトで締結する。側板５同士の締結の強さを調節することで、電磁吸引力により生じるリターンヨークの天板４の撓み変形量を調整し、リターンヨーク内部の磁場分布を調整することで均一静磁場を生成する構造を提供する。

本発明では、リターンヨークの変形量の調整構造により、高均一度の静磁場を実現できる。

実施例１の超伝導磁石装置の全体概要図。 実施例１の超伝導磁石装置の片側断面図。 実施例１の超伝導磁石装置の片側断面図において励磁時に天板及び側板が変形した場合の説明図。 実施例１の超伝導磁石装置において、リターンヨークを円筒形状にした場合の全体概要図。 実施例１の超伝導磁石装置の側板間の締結部の説明図。 実施例１の超伝導磁石装置の側板間の締結部において励磁時に側板が変形した場合の説明図。

電磁石と、それを取り囲むリターンヨークからなる電磁石装置では、通電時に発生する電磁吸引力により、リターンヨークの上下天板に撓み変形が生じ、リターンヨーク内側の磁場分布が乱れさる。リターンヨークの内側の空間領域に高均一度の磁場を発生させることを目的とする電磁石装置においては、この磁場分布の乱れが均一静磁場に大きな影響を与える。

実施例１の超伝導磁石装置を図１、図２、図３、図４、図５及び図６を用いて説明する。図１は実施例１の超伝導磁石装置の全体概要図である。図２は実施例１の超伝導磁石装置の片側断面図である。図３は励磁時にリターンヨークの天板及び側板に変形が生じた際の超伝導磁石装置の片側断面図である。図４は実施例１の超伝導磁石装置において、リターンヨークを円筒形状にした場合の全体概要図である。図５は実施例１の超伝導磁石装置の側板間の締結部の説明図である。図６は励磁時にリターンヨークの天板及び側板に変形が生じた際の側板間の締結部の説明図である。

まず本実施例の超伝導磁石装置の主な構成機器、部材について説明する。本実施例の超伝導磁石装置は、図２に示すように軸を同一にする２台の超伝導コイル１と、これら超伝導コイル１を囲むように設けられたトーラス状のクライオスタット２と、クライオスタット２の内径側表面に沿うように設けられたシム鉄配置トレイ３と、超伝導コイル１の軸上において上方と下方に配置された正８角形の１対の天板４と、上下の天板４の間を接続する８枚の側板５と、隣り合う側板５同士を締結する締結具としてボルト５１を有する。

このような構成を具備する結果、本実施例の超伝導磁石装置は、図１に示すように、８角柱状の外見を呈する磁石装置であって、天板４のそれぞれの辺に対して一枚ずつ側板５が締結され、各側板５が角柱の側面に対応する態様となっている。ただしこれは一例であって、天板４と側板５の組み合わせは任意に変更可能である。例えば天板４の一辺に対して２枚以上の側板５を組み合わせる態様としてもよい。天板４の形状についても、正８角形以外の正多角形でもよく、あるいは図４に示すような円筒形状でもよい。また天板４および側板５は強磁性体であり、後述する磁場の形成の際に磁気回路の一部（リターンヨーク）としてはたらく部材となっている。材質は磁気特性の高い（飽和磁束密度の上限が大きい）ものが適当であり、例えば純鉄を採用することができる。

なお、図２に示す超伝導磁石装置は２台の超伝導コイル１を有する例を示したが、超伝導コイルは１台であってもよいし、３台以上でもよい。コイルとして超伝導コイルの代わりに常伝導コイルを採用すること、あるいはコイルの代わりに永久磁石を採用することとしてもよい。また、超伝導コイルと常伝導コイルとの組み合わせ、あるいはこれらに永久磁石を組み合わせた態様で後述する均一な静磁場を形成してもよい。

図２に示す例において、クライオスタット２は２台の超伝導コイル１を収容したトーラス状のものとしたが、これに限られず、それぞれの超伝導コイル１を個別に収容するクライオスタット２としてもよい。

また、シム鉄配置トレイ３は、超伝導コイル１の中心軸を中心として任意の角度についておおむね等角度となる位置に配置されており、原則として複数個が具備されるものとなる。また、超伝導コイル１の中心軸と同方向を長辺とする部材であり、内部にはシム鉄を収容、固定するための収容を有している。形状については細長い直方体または円柱である。なお配置については、クライオスタット２の外径側に配置してもよいし、上方または下方に配置されてもよい。また本実施例では、シム鉄を利用したパッシブシミング方式を採用したものを説明したが、シム鉄に代わりシミング用のコイルを配置してもよい。その場合はシム鉄配置トレイ３に代わり、シミング用のコイルが同位置に配置される。

また、本実施例の超伝導磁石装置は、リターンヨークの内空部に均一度の高い磁場空間を形成しており、この磁場空間を物理実験等に利用する場合、内空部へアクセス可能な構造が必要となる。そこで本実施例のリターンヨークでは天板４について、超伝導コイル１の中心軸を中心とする円形の領域を磁極部４１とし、その周辺の円環状の領域を外縁部４２とする分割可能なものとした。磁極部４１と外縁部４２はボルトによって締結され、超伝導コイル１が通電されていない状態では、磁極部４１と外縁部４２のボルト締結を取り外すことで、磁極部４１のみをリターンヨークの天板４から取り外すことができ、リターンヨークの外側から内側の実験空間にアクセスすることができる。またこの外縁部４２と側板５も同様に、ボルトによって締結され、クライオスタット２やシム鉄の配置等を調整する際に、こちらを取り外すことも可能となっている。

続いて本実施例の超伝導磁石装置の動作について説明する。

図２に示す超伝導磁石装置は、２台の超伝導コイル１の軸上を中心とした球、楕円球、円柱または円環状の領域において均一静磁場を実現し、この領域に荷電粒子を閉じ込めることを目的とする。どのような均一静磁場を形成するかは目的に応じて、適宜、超伝導コイル１の配置位置または台数、シム鉄の配置を調整することで実現し、例えば実現する均一静磁場として円環状の領域において、数テスラの磁場強度を基準としたときに均一度１ｐｐｍ以下等が考えられる。

ここでは外径が５ｃｍ程度の円環状の領域に上記均一度を満たす磁場を形成する場合について説明する。

磁場形成にあたり、超伝導コイル１は図示しない電源より電流が供給され励磁されると、超伝導コイル１の内径側に磁束が生成される。上側の超伝導コイル１によって生成された磁束はリターンヨークの一部である上側の天板４へ進入すると、天板４と接続された側板５へ向かい、続いて側板５の内部を上方から下方へと向かう。側板５の下端近傍から磁束は天板４へ向かい、再び下側の超伝導コイル１の内側に戻るような磁気回路を形成する。下側の超伝導コイル１が形成する磁束は上側の超伝導コイル１と同方向の磁束であり、互いに上側の超伝導コイル１の内径側へ進むものとなる。

なお、超伝導コイル１が通電されると、リターンヨークの天板４には電磁吸引力によって、内側に撓むような力、すなわち天板４が超伝導コイル１に引き付けられる向きの力が作用する。このとき、リターンヨークの天板４と側板５はボルトによって締結されているため、側板５には外側に向けて弓なりに変形させるような力が作用する。この結果、リターンヨークの天板４及び側板５は図３に示すような変形を生じる。

リターンヨークの変形は、超伝導コイル１が生成する磁束の磁気回路の形状を変化させるため、超伝導磁石装置全体の磁場分布が乱される要因となる。特に、リターンヨークの天板４は均一磁場領域に近いため、天板４の撓みがこの領域の磁場分布に与える影響は大きく、１ｐｐｍ以下の均一静磁場の実現が妨げられる。

電磁吸引力による天板４の変位を抑制するためには、天板４に対して変位と反対の方向に変位しようとさせる力を与える必要がある。この課題に対して本実施例は、リターンヨークの隣り合う側板間をボルト５１によって締結するものとし、ボルト５１による締結力によって側板５全体を一体化させ、側板５の機械的強度を高く見せるものとしている。これによって、側板５の変形が抑制され、間接的に天板４の撓み変形も抑制することができる。

図５は、具体的な側板５同士の締結構造を示す。リターンヨークの側板５の間を締結するボルト５１は、側板５に設けられた斜め貫通穴５２と斜め座ぐり５３を通して配置され、貫通穴の反対側からナット５４で締め上げられることにより、リターンヨークの側板５間を締結する。ボルト５１の材質としては、側板５の変形に対して十分な機械的強度を持つＳＳ４００やＳＣＭ４３５などが用いられる。尚、図５には示していないが、ボルト５１による締結部には必要に応じてワッシャーを用いるものとする。なお、リターンヨークの側板５間の電気的な絶縁は不要なので、隣接する側板５の間に絶縁用の部材を挿入しなくともよい。

またボルト５１は、図５に示すような方向、すなわち超伝導コイル１の中心軸と直交する方向にボルト５１の軸が向くよう締結することが望ましい。先に述べたように側板５の変形は超伝導コイル１の中心軸から離れようとする向きの力であり、隣り合う側板５の間を広げるようにはたらく。これを抑制する際に必要となる力の向きは超伝導コイル１の中心軸に直交するものであり、ボルト５１の軸方向を当該力の向きと一致させることで、ボルト５１に対する引張荷重と見なすことができる。

ボルトは一般的に引張荷重の上限値がせん断荷重の上限よりも大きいため、変形の方向とボルト５１の軸方向と一致させることでより強い締結力を実現できる。なお、ボルト５１を用いた締結構造として、図５の他に、隣り合う側板５同士にヒンジ状の部位を形成し、挿入するピンとしてボルト５１を利用してもよい。この場合、超伝導コイル１の軸方向とボルト５１の軸が平行となる。側板５の変形を抑制するために十分なせん断力の許容値が有る場合、こちらの方法を採用してもよい。またボルト５１による締結に代わり、同等の締め付け力を持つクランプ構造を用いてもよい。

リターンヨークの側板５の１つの締結箇所において、側板間を結合するボルト５１は、側板の変形に十分耐えられるだけの径と員数が用いられる。このとき複数のボルト５１は、図１に示すように、隣接する側板５同士の隙間に沿うように縦方向に配置される。ボルト５１は等間隔でもよいし、等間隔でなくてもよいが、特に、側板５の軸方向中央部の変位が最も大きくなることから、中央部のボルト５１の間隔を上下端部よりも狭くしてもよい。ボルト５１とナットの向きは、側板５間の１つの締結箇所において統一してもよいし、統一しなくてもよい。また、側板間の締結箇所は全部で８箇所あるが、締結箇所全体にわたってボルトとナットの向きを揃えてもよいし、揃えなくてもよい。なお、側板５の員数は任意であるため、その数に応じて締結構造を設ける。

また図５のようにボルト５１を締結することで、リターンヨークの側板５間の締結の強さについて、締結するナット５４の締め上げ量を調整することによって調整することができ、これによってリターンヨークの側板５の変形量も調整することができる。側板５の変形量を調整することは、間接的に天板４の変形量を調整することであり、これによってリターンヨークの内側の均一磁場領域の磁場分布を調整することができる。

また一般に、電磁石と、それを取り囲むリターンヨークが生成する静磁場を利用する装置では、リターンヨークの内側の磁場空間を広く確保することが要求される。さらに強磁場が求められる場合、電磁石として超伝導磁石を採用することも多い。超伝導磁石を採用すると、リターンヨークの内側に超伝導磁石を冷却するためのクライオスタットを配置
する必要があり、その空間を確保しなければならない。クライオスタットは、内部に超伝導コイル等を含む容器構造であり、電磁力によるリターンヨークの撓みに対する支持構造の一部として使うことは難しい。これらの理由から、リターンヨークの内側には、天板の撓みを抑制できるような十分な支持構造を設けることが困難な場合が多い。しかし、本実施例のようなリターンヨーク構造であれば、リターンヨークの内側に支持構造を設けることなく、外側の構造によって、リターンヨークの撓み量を調整し、高均一度の静磁場を実現することができる。

本実施例の超伝導磁石では、磁場調整の工程として超伝導磁石のアラインメント、シムコイル等の調整に加えて、リターンヨークの撓み量を調整する。具体的には、リターンヨークの側板間を締結するナット５４の締め上げ量を大きくすることで、リターンヨークの変形量を小さくし、天板４の磁極部４１を超伝導コイル１から遠ざけるように変位させることができ、反対にナット５４の締め上げ量を小さくすることで、リターンヨークの変形を許容し、磁極部４１を超伝導コイル１に近づけるように変位させることができる。

ナット５４の締め上げ量を大きくしたときは、図５に示すような状態に近づき、反対に締め上げ量を小さくした場合には、図６のような状態となる。

リターンヨークの内側の実験空間にアクセスするために、リターンヨークの天板４から磁極部４１を一度取り外し、再度、磁極部４１を設置する必要が頻繁に生じるが、リターンヨークの変形量はその都度調整することができるため、いつでも均一磁場領域に均一静磁場を生成することができる。

リターンヨークの側板５間の８箇所の締結部の全ての締結の強さを同じにする必要はなく、それぞれの締結の強さを独立に調整することで、周方向に非一様な磁場調整を行うことができる。リターンヨークの天板４の外縁部４２は周方向に分割されているため、天板４の撓み方は周方向に一様とはならず、このような周方向に非一様な磁場調整は有効である。

例えば、磁極部４１の片側がリターンヨークの内側に沈み込み、その反対側がリターンヨークの外側に浮き上がるような変形が生じた場合、沈み込んでいる側の側板間の締結力を強め、浮き上がっている側の側板間の締結力を弱めることで、磁極部４１の傾きを解消し、均一静磁場を生成することができる。

リターンヨークの変形の調整による磁場分布の調整とパッシブシミングによる磁場調整手法を組み合わせて用いてもよい。

リターンヨークの変形量を調整することによって磁場調整を行う際には、予め隣り合う側板５間のギャップ量と均一磁場領域の磁場分布の関係を対応付けておくことで、側板間のギャップ量の測定値をもとに、側板５間の締結の強さを決定することができる。

あるいは、均一磁場領域内の磁場分布を直接測定し、測定された磁場分布をもとにリターンヨークの側板５間の締結の強さを調整することができる。このとき、側板５間の締結の強さをわずかに変えて磁場分布を測定し、測定した磁場分布からまた締結量をわずかに変えるというような反復的な微調整を行うことができる。

または、予めリターンヨークの天板４の撓み量と均一磁場領域の磁場分布の関係を対応付けておくことで、天板４の撓み量の測定値をもとに、側板５間の締結の強さを決定することができる。

以上で説明したように本実施例の超伝導磁石装置は、２台の超伝導コイル１の軸上、かつ中間近傍に、磁束の方向が略同一であり（図２の鉛直方向）、磁束密度の高い空間が形成される。ただしこの時点の磁場分布は、超伝導コイル１の設置誤差や、外部環境の生成する誤差磁場による乱れを有しているため、シミングによる磁場調整手法に基づいて磁場分布の微調整を実施する。具体的には、目標とする磁場分布と実際の磁場分布との誤差を計測し、この誤差を打ち消すような磁場を生成するようにシム鉄配置トレイ３に適当な量のシム鉄３１を配置する。

さらに、実際に超伝導磁石装置を稼働させるとリターンヨークにはたらく電磁力によって、リターンヨークを変形させようとする力が作用するが、これに対しては、リターンヨークの側面構造を工夫することで磁場の均一度を向上させている。すなわち側面構造として、超伝導コイル１の中心軸と平行に接続面ができるよう配置された複数の側板５と、これら側板５同士を締結する締結構造を設け、締結構造の締結力を調整することでリターンヨークの撓みを抑制し、磁場均一度の劣化を防止する。その結果、本実施例の超伝導磁石装置は、磁場強度数テスラ、均一度１ｐｐｍ以下の均一静磁場を実現することができる。なお超伝導コイル１の励磁方法は永久電流運転と電源駆動のいずれであってもよい。

以上、本発明の電磁石装置について実施例を挙げて説明した。なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 超伝導コイル
２ クライオスタット
３ シム鉄配置トレイ
３１ シム鉄
４ 天板
４１ 磁極部
４２ 外縁部
５ 側板
５１ ボルト
５２ 斜め貫通穴
５３ 斜め座ぐり
５４ ナット

Claims (5)

1. 超伝導コイルと、
   前記超伝導コイルを収容するクライオスタットと、
   前記クライオスタットを収容するように形成されたリターンヨークと、を有し、
   前記リターンヨークは、
   前記超伝導コイルの中心軸上に設けられた一対の天板と、
   前記天板を両端面とする角筒または円筒の側壁と、を構成に有し、
   前記側壁は、
   前記角筒または前記円筒の形状を成すように複数の側板が周回方向に配置され、かつ、隣り合う該側板同士が締結機構により締結されて形成される
   ことを特徴とする超伝導磁石装置。
2. 請求項１に記載の超伝導磁石装置であって
   前記締結機構はナット締結機構であり、
   前記ナットに嵌合するボルトは、前記中心軸に対して交差する方向に軸を有する
   ことを特徴とする超伝導磁石装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の超伝導磁石装置であって、
   前記クライオスタットと前記リターンヨークとの間にシム鉄配置トレイを有する
   ことを特徴とする超伝導磁石装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置であって、
   隣接する前記側板同士の締結のために複数の前記締結機構が設けられる
   ことを特徴とする超伝導磁石装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置であって、
   前記締結機構を取り付けるために、前記側板には貫通口が形成されている
   ことを特徴とする超伝導磁石装置。

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