JP2021034489A - 超伝導コイルおよびｍｒｉ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 臨界電流値や臨界電流密度を極端に低下させることなく、超伝導コイルの口出し部などにおける線材の曲げ半径が超伝導コイルのコイル部における曲げ半径よりも小さな超伝導コイルおよびこれを備えたMRI装置を提供する。
【解決手段】 本発明の複数の超伝導フィラメント２が配置された超伝導線材１が巻回された超伝導コイル１００は、超伝導コイルの口出し部３０における超伝導線材の曲がり部に、所定の超伝導フィラメントの圧縮ひずみ、引張ひずみ、および超伝導線材の曲げ中立線からの超伝導フィラメントの配置距離（配置半径ｒ）により定まる曲げ方向の厚みｔを有する曲げ補強部材（１０、１２）を接合した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超伝導線材を巻回した超伝導コイルおよびこれを備えたMRI（Magnetic Resonance Imaging：磁気共鳴画像）装置に関する。

ＭＲＩ装置では、強力かつ安定的な磁場を必要とするため、低温超伝導線材であるNbTi（ニオブチタン）線材を巻回した超伝導コイルにより所望の磁場を得ている。一般的なNbTi超伝導コイルは液体ヘリウムを必要とするため、液体ヘリウムを必要としない高い温度で超伝導状態になるMgB₂（二ホウ化マグネシウム）線材を巻回した超伝導コイルが開発されている。

前駆体を熱処理したMgB₂線材をコイル状に巻きまわすリアクト・アンド・ワインド法で作成したMgB₂超伝導コイルでは、許容曲げ半径が存在し、その曲げ半径よりも小さな曲率で曲げるとMgB₂線材の超伝導特性が低下してしまう。このため、許容曲げ半径はMgB₂超伝導コイルの設計・作製の制約になっている。

非特許文献１には、MgB₂線材に対し、室温で引っ張り負荷や曲げ負荷を印加した際の許容引っ張り歪みは、0.2%程度であることが記載されている。MgB₂線材を巻回して超伝導コイルを作製する際には、線材に対する引っ張りや曲げにより、MgB₂線材に許容される引っ張り歪みを超過した場合には、その超伝導特性を低下させる懸念がある。より詳細には、MgB₂線材の曲げによる性能低下は、MgB₂フィラメント部に加えられる歪みが許容値を超えることで発生する。

特許文献１には、Bi系やY系の高温超伝導コイルにおいて、基材と、基材上方に設けられた高温超伝導層と、高温超伝導層上方に設けられた安定化層とを備える超伝導線材を、安定化層側を外側として巻回してなるコイル体と、このコイル体の前記超伝導線材の巻回終端部の前記安定化層上に設けられた電極と、を備え、超伝導線材の巻回終端部と電極とが、コイル体の周方向から径方向外側に向かって一体に折り曲げられており、電極のコイル体周面に沿う部分と、電極のコイル体の外側に延出された部分との両方が、安定化層と電気的に接続される構成が開示されている。

特開２０１２−１６４８５９号公報

Hideki Tanaka et al., "Tensile and Bending Stress Tolerance on Round MgB2 Wire Made By In Situ PIT Process", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 28, NO. 4, JUNE 2018,

MgB₂線材を巻回した超伝導コイル、および超伝導コイルを１つまたは複数個組み合わせた超伝導磁石では、ソレノイド形状やレーストラック形状が採用されることが多くある。この場合、ソレノイド形状やレーストラック形状の巻線部（コイル部）の曲げ半径は、およそ一定の大きさであり、その曲げひずみは、MgB₂線材の許容ひずみを満たしている。

これに対し超伝導コイルの口出し部は、電極や他のコイルとの接続のため、超伝導コイルの巻線部（コイル部）の曲率より小さな曲率で、MgB₂線材を曲げたい場合がある。例えば、両端の口出し部をコイル部と同じ曲率で曲げた場合、超伝導コイルが大きくなるなど、超伝導磁石の形状に問題が生じることがある。

特許文献１の開示技術によれば、高温超伝導コイルの電極を、コイル体の周方向から径方向外側に向かって、超伝導線材と一定に折り曲げて設けている。しかし、特許文献１の開示技術は、基材層にBi系やY系の高温超伝導層が形成された超伝導線材に関する技術であり、前駆体を熱処理した複数のMgB₂フィラメントから形成されるMgB₂線材をコイル状に巻回する超伝導コイルに適用することができない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、臨界電流値や臨界電流密度を極端に低下させることなく、超伝導コイルの口出し部などにおける線材の曲げ半径が超伝導コイルのコイル部における曲げ半径よりも小さな超伝導コイルおよびこれを備えたMRI装置を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明の超伝導コイルは、複数の超伝導フィラメントが配置された超伝導線材が巻回された超伝導コイルであって、前記超伝導コイルの口出し部における前記超伝導線材の曲がり部に、所定の前記超伝導フィラメントの圧縮ひずみ、引張ひずみ、および前記超伝導線材の曲げ中立線からの前記超伝導フィラメントの配置距離により定まる曲げ方向の厚みを有する曲げ補強部材を接合した。

本発明によれば、臨界電流値や臨界電流密度を低下させることなく、超伝導コイルの口出し部などにおける線材の曲げ半径が超伝導コイルのコイル部における曲げ半径よりも小さな超伝導コイルおよびこれを備えたMRI装置を提供できる。

超伝導コイルの口出し部における、超伝導線材の断面を示す断面図である。 ｔ／２＜ｒにおける圧縮ひずみと引張ひずみを説明する図である。 ｔ／２≧ｒにおける圧縮ひずみと引張ひずみを説明する図である。 湾曲した初期状態の超伝導線材と同じ曲げ方向に曲げ半径を小さくする場合を説明する図である。 湾曲した初期状態の超伝導線材と同じ曲げ方向に曲げ半径を大きくする場合を説明する図である。 湾曲した初期状態の超伝導線材を反対方向に曲げる場合を説明する図である。 凹字型形状の曲げ補強部材を説明する図である。 ソレノイド状の超伝導コイルにおける口出し部の構成を説明する図である。 実施形態の超伝導コイルを適用したMRI装置の構成を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、実施形態の超伝導コイル１００の口出し部３０（図５参照）における、超伝導線材１の断面を示す図である。

実施形態の超伝導コイル１００は、超伝導線材１が一定の太さで一方向にソレノイド状に巻かれている。この超伝導線材１の、超伝導コイル１００の磁束方向あるいは超伝導コイル１００の巻線部の径方向に、給電のために曲げられた部分を口出し部３０と称する。また、超伝導線材１の配線部における、曲げ半径が小さな部分でも実施することができる。
詳細は後述するが、図５は、ソレノイド状の超伝導コイル１００における口出し部３０の外観を示している。

まず、図１の断面図により、超伝導材としてMgB₂を使用した超伝導線材１の構成を説明する。
超伝導線材１は、１本または複数本のMgB₂フィラメント2（超伝導フィラメントまたはMgB₂線材と記す場合もある）、銅等の金属母材3、および絶縁材4（不図示）から構成され、MgB₂フィラメント2が金属母材3に埋め込まれている。符号“ｒ”は、MgB₂フィラメント２の配置半径を示している。また、符号“ｒ₀”は、超伝導線材１の半径を示している。

詳しくは、超伝導線材１は、つぎのように作製する。まず、MgB₂粉体を金属シースに詰込んだMgB₂フィラメント2を複数用意し、このMgB₂フィラメント2を、金属母材3の内部に環状に等間隔配置し、別の外層金属シースに挿入する。なお、厳密には熱処理前のものはMgB₂フィラメントの前駆体であり、熱処理後のみをMgB₂フィラメントと称すべきであるが、便宜上両方をMgB₂フィラメントと称する。

そして、それを引き抜き加工などにより伸線処理し、超伝導線材１の長さ方向にツイスト加工を施して前駆体を作製する。
つぎに、超伝導線材１の前駆体を巨大なボビンに巻回された状態で熱処理して、超伝導線材１を作製する。
なお、図１の超伝導線材１は円形断面を有する線材として示しているが、矩形断面を有し、MgB₂フィラメント2として配置されていてもよい。

図１に示すように、超伝導コイル１００の口出し部３０では、超伝導線材１の曲げ外側に曲げ補強部材１０を設け、超伝導線材１と曲げ補強部材１０とをハンダ付け等により接合する。これにより、超伝導コイル１００の口出し部３０では、曲げ補強部材１０により、超伝導線材１の曲げを補強している。
図１の符号“２０”は、曲げの中立面の位置（中立線）を示している。

曲げ補強部材１０は、図１に示す板形状に限定されず、他の形状であってもよく、超伝導線材１の曲げ耐性を強化したい箇所に対して曲げ外側（図1の引張側）に位置するように設ける。曲げ補強部材１０は、銅等の金属材料であれば良く、また、超伝導線材１と曲げ補強部材１０の接合は、樹脂や接着剤による接合でもよい。

つぎに、図２Aと図２Bにより、超伝導線材１の曲げにより生じる圧縮ひずみと引張ひずみについて説明する。
図２Aの左側に、超伝導線材１に曲げモーメントが作用した際（図の矢印付き円弧）の、半径ｒ₀の超伝導線材１に生じる圧縮応力と引張応力とを示している。符号“R”は、中立線（中立面）２０の曲げ半径を示している。この曲げ半径Rは、超伝導線材１の曲げ半径に相当する。図２Ａと図２Ｂと他の図も超伝導線材１に生じる応力分布を示している。

中立線２０から距離ｙ離れた位置の断面のひずみεは、ε＝ｙ／Rとなるので、超伝導線材１の曲げ内側（圧縮側）における配置半径ｒのMgB₂フィラメント2の最大圧縮ひずみε_Cと、曲げ外側（引張側）における配置半径ｒのMgB₂フィラメント2の最大引張ひずみε_Tは、ｒ／Rになる。

MgB₂フィラメント2の限界引張ひずみは0.2%程度であり、また、限界圧縮ひずみは数％である。このため、MgB₂フィラメント2から成る超伝導線材１は、引張ひずみよりも圧縮ひずみに対してその超伝導特性を大きく損なうことなく耐えられる。なお、MgB₂フィラメント2の許容引張ひずみの値は、MgB₂と金属シースとの熱膨張係数差と、熱処理温度と許容ひずみを測定する温度（一般的に室温）との温度差を用いて、熱膨張係数差と温度差との積で求まる残留圧縮ひずみの値とほぼ等しい。

したがって、図２Aの左側の超伝導線材１では、超伝導線材１の曲げ半径Rは、MgB₂フィラメント2の限界引張ひずみに拘束される。
ここで、限界引張ひずみは、MgB₂フィラメント2が破断して超伝導線材１の超伝導特性が低下する限界のひずみを意味し、限界圧縮ひずみは、MgB₂フィラメント2が座屈して超伝導線材１の超伝導特性が低下する限界のひずみを意味する。

そこで、実施形態の超伝導コイル１００では、超伝導線材１の曲げ外側に曲げ補強部材１０を接合して、超伝導線材１の曲げ外側（引張側）に生じるMgB₂フィラメント2の引張ひずみの最大値（最大引張ひずみε_T）と、曲げ内側（圧縮側）に生じるMgB₂フィラメント2の圧縮ひずみの最大値（最大圧縮ひずみε_C）を調整する。
なお、MgB₂フィラメント2の限界圧縮ひずみが限界引張ひずみより小さい場合には、超伝導線材１の曲げ内側に曲げ補強部材１０を接合すればよい。これは前述の残留圧縮ひずみが比較的大きな場合に発生する。

図２Aの右側により、超伝導線材１に曲げ補強部材１０（厚みｔ）を接合した状態において所定の曲げモーメント（図の矢印付き円弧）が加わった際の、超伝導線材１の曲げ内側（圧縮側）のMgB₂フィラメント2の最大圧縮ひずみε_Cと、曲げ外側（引張側）のMgB₂フィラメント2の最大引張ひずみε_Tを説明する。
なお、曲げ補強部材１０の厚みｔは、ｔ／２＜ｒの関係にあるものとする。つまり、曲げ補強部材１０の厚みｔは、超伝導線材１のMgB₂フィラメント2の配置半径の２倍（２ｒ）よりも小さい、つまり超伝導線材１の線径よりも小さいものとする。
さらに、超伝導線材１および曲げ補強部材１０が接合した超伝導線材１は、中立線２０に軸対称な機械特性を有しているとみなす。

この際の中立線２０の曲げ半径Ｒ´は、Ｒ´＝Ｒ＋ｔ／２となる。そして、超伝導線材１の曲げ内側（圧縮側）のMgB₂フィラメント2の最大圧縮ひずみε_Cと、曲げ外側（引張側）のMgB₂フィラメント2の最大引張ひずみε_Tは、
ε_C＝（ｔ／２＋ｒ）／Ｒ´ （１）
ε_T＝（ｒ−ｔ／２）／Ｒ´ （２）
となる。

式（１）（２）から、
ε_C＋ε_T＝２ｒ／Ｒ´ （３）
ε_C−ε_T＝ ｔ／Ｒ´ （４）
となり、式（３）（４）から、
（ε_C−ε_T）／（ε_C＋ε_T）＝ｔ／２ｒ （５）
となる。

式（５）から、曲げ補強部材１０の厚みｔと、超伝導線材１のMgB₂フィラメント2の最大圧縮ひずみε_C、最大引張ひずみε_TとMgB₂フィラメント2の配置半径ｒの関係は、
ｔ＝２ｒ×（ε_C−ε_T）／（ε_C＋ε_T） （６）
となる。

つぎに、図２Ｂにより、曲げ補強部材１０の厚みｔがｔ／２≧ｒの関係にある場合、つまり、曲げ補強部材１０の厚みｔが、MgB₂フィラメント2の配置半径の２倍（２ｒ）以上の場合における、超伝導線材１のMgB₂フィラメント2に生じる圧縮ひずみと引張ひずみについて説明する。
図２Ｂの左側は、図２Ａと同じ、曲げ補強部材１０を接合していない状態を示している。ここでは、説明を省略する。

図２Ｂの右側に、厚みｔがｔ／２≧ｒの曲げ補強部材１０を接合した状態において所定の曲げモーメント（図の矢印付き円弧）が加わった際の、超伝導線材１に生じる応力分布を示す。
この場合、曲げ補強部材１０を接合した超伝導線材１の中立線２０の位置は、MgB₂フィラメント2の配置半径の外側となるため、超伝導線材１の断面には圧縮応力のみが作用し、MgB₂フィラメント2に圧縮ひずみが生じる。

この場合の超伝導線材１の曲げ内側（圧縮側）のMgB₂フィラメント2の最大圧縮ひずみε_Cは、
ε_C＝（ｔ／２＋ｒ）／Ｒ´ （１）
となる。

ｔ／２＜ｒの場合、MgB₂フィラメント2の配置半径の２倍（２ｒ）と、超伝導線材１の最大圧縮ひずみε_Cと最大引張ひずみε_Tとに対する、超伝導線材１に接合する曲げ補強部材１０の厚みｔは、上記の式（６）に示される関係となっている。したがって、MgB₂フィラメント2の限界圧縮ひずみ値を最大圧縮ひずみε_Cとし、MgB₂フィラメント2の限界引張ひずみ値を最大引張ひずみε_Tとすれば、MgB₂フィラメント2の配置半径の２倍（２ｒ）から曲げ補強部材１０の厚みｔを求めることができる。

なお、超伝導コイル１００の使用環境や材料の経年劣化等を考慮して安全率を設け、超伝導線材１の限界圧縮ひずみ以下の値を最大圧縮ひずみε_Cとし、限界引張ひずみ以下の値を最大引張ひずみε_Tとしてもよい。

また、式（６）による計算値に１０％の許容範囲を設けて、
０．９×２ｒ×（ε_C−ε_T）／（ε_C＋ε_T） ＜ ｔ ＜ １．１×２ｒ×（ε_C−ε_T）／（ε_C＋ε_T） （７）
を、曲げ補強部材１０の厚みｔの範囲としてもよい。

MgB₂フィラメント２を含む超伝導線材１では、限界引張ひずみ値と限界圧縮ひずみ値との比が、１：６であるとすると、式（７）は、
０.６５ ＜ ｔ／２ｒ ＜ ０．７８ （８）
と表される。

つぎに、曲げ補強部材１０の厚みｔの決定手順をより具体的に説明する。
まず、MgB₂フィラメント2の配置半径ｒと、取得方法を後述するMgB₂フィラメント2の限界圧縮ひずみと限界引張ひずみを取得する。そして、取得した限界圧縮ひずみを最大圧縮ひずみε_C、限界引張ひずみを最大引張ひずみε_Tとするか、または、安全率を考慮して取得した限界圧縮ひずみ以下の値を最大圧縮ひずみε_Cとし、限界引張ひずみ以下の値を最大引張ひずみε_Tとする。
そして、式（６）に基づいて、曲げ補強部材１０の厚みｔを算出する。

つぎに、式（３）または式（４）から、曲げ半径Ｒ´の最小値を算出する。そして、口出し部３０における超伝導線材１の目標曲げ半径を求めて、曲げ半径Ｒ´の最小値と比較する。曲げ半径Ｒ´の最小値が目標曲げ半径以下であれば、曲げ補強部材１０の厚みを式（６）に基づいて算出したｔ値とする。

曲げ半径Ｒ´の最小値が目標曲げ半径より大きい場合には、目標曲げ半径で超伝導線材１を曲げると、圧縮ひずみまたは引張ひずみが許容値を超えて、超伝導線材１の超伝導特性が低下する。このため、口出し部３０における超伝導線材１の目標曲げ半径が、曲げ半径Ｒ´の最小値以上になるように、設計変更する。

上記では、口出し部３０における超伝導線材１の目標曲げ半径を評価する手順としたが、口出し部３０以外の超伝導線材１の目標曲げ半径を、式（３）または式（４）から算出した曲げ半径Ｒ´としてもよい。

口出し部３０において複数の超伝導線材１の曲がり部があり、それぞれの曲がり部で超伝導線材１に曲げ補強部材１０を設ける場合には、上記の手順によりそれぞれの曲がり部について曲げ補強部材１０の厚みｔを算出する。
また、超伝導線材１の曲げ半径が最小の曲がり部について、曲げ補強部材１０の厚みｔを算出し、他の曲がり部は、同じ厚みｔの曲げ補強部材１０を接合するようにしてもよい。

上記の手順により決めた厚みｔの曲げ補強部材１０が超伝導線材１に接合された口出し部３０の曲がり部では、生じる最大圧縮ひずみε_Cと最大引張ひずみε_Tが、曲がり部の曲げ半径に応じて、式（６）の関係を満たして変化するが、生じる最大圧縮ひずみε_Cと最大引張ひずみε_Tは、MgB₂フィラメント２の限界圧縮ひずみと限界引張ひずみの値以下の値となる。

つぎに、MgB₂フィラメント２の限界圧縮ひずみと限界引張ひずみとの取得方法について説明する。
超伝導線材１に埋め込まれたMgB₂フィラメント2の限界圧縮ひずみと限界引張ひずみは、評価温度によっても異なるが、本実施形態では、室温において取得するものとする。

なお、上記のとおり、巨大なボビンに巻回した状態で熱処理して超伝導線材1を作製する場合には、超伝導線材1に曲がりが生じているが、ひずみはゼロの状態である。以下の説明では、直線状で熱処理された場合を基準、すなわちひずみゼロとして説明する。
超伝導線材1が、初期状態で湾曲している場合の取り扱いについては後述する。

直線状で熱処理されて作製された超伝導線材１を曲げ半径Rで曲げた場合、図２Ａで説明したように、最大圧縮ひずみε_Cと最大引張ひずみε_Tとで、同一の、ｒ/Ｒの大きさのひずみがMgB₂フィラメント2に生じる。

超伝導線材１のMgB₂フィラメント2は、圧縮ひずみに比べて引張ひずみに対する耐性が弱い。このため、曲げ半径Rを段階的に小さくしていった場合、最大引張ひずみε_Tが生じる曲げ外側（引張側）に位置するMgB₂フィラメント2において、引っ張りによる断裂が発生し、超伝導線材1としての超伝導特性が低下する。
この超伝導特性が低下した際の曲げ半径RとMgB₂フィラメント2の配置半径ｒとから、最大引張ひずみε_Tを算出し、これをMgB₂フィラメント2の限界引張ひずみとする。

超伝導特性の低下は、例えば、臨界電流値とｎ値とを測定することで判定することができる。ここで、ｎ値は、超伝導体内の電磁現象（Ｅ−Ｊ特性）をべき乗則で考慮したモデルであるn値モデルにおけるべき乗数である。ｎ値が大きいほど超伝導特性が優れている。

MgB₂フィラメント2の限界圧縮ひずみはつぎのようにして求める。
図２Ｂで説明したように、超伝導線材１の曲げ外側に、曲げ補強部材１０の厚みｔがｔ／２≧ｒの関係にある場合、超伝導線材１を、曲げ半径Rで曲げると、超伝導線材１に圧縮ひずみのみが生じる。

曲げ半径Rを段階的に小さくしていった場合、最大圧縮ひずみε_Cが生じる曲げ内側（圧縮側）に位置するMgB₂フィラメント2において、圧縮による座屈が発生し、超伝導線材1としての超伝導特性が低下する。
この超伝導特性が低下した際の曲げ半径Ｒ´とMgB₂フィラメント2の配置半径ｒとから、最大圧縮ひずみε_Cを算出し、これをMgB₂フィラメント2の限界圧縮ひずみとする。
この際の超伝導特性の低下判定は、限界引張ひずみの取得の場合と同様に行う。

上記の説明では、超伝導線材１のMgB₂フィラメント2が、圧縮ひずみに比べて引張ひずみに対する耐性が弱い場合について説明したが、引張ひずみに比べて圧縮ひずみに対する耐性が弱い場合もある。
例えば、限界引張ひずみは、超伝導線材１のMgB₂フィラメント2生成の熱処理温度と、限界引張ひずみを評価する温度（本実施形態では室温）との温度差によりMgB₂フィラメント2に加わる残留圧縮ひずみに左右されるため、熱処理温度によっては室温での限界引張ひずみが、限界圧縮ひずみを上回る。

いずれの状態かは、小さな曲げ半径Rで超伝導線材１のみを曲げて超伝導特性の低下を判定した際に、超伝導線材１の断面写真を撮影し、MgB₂フィラメント２において圧縮ひずみによる座屈が生じているか、引張ひずみによる断裂が生じているかを、判定する。これにより、MgB₂フィラメント２の限界引張ひずみと限界圧縮ひずみとの耐性差を判定する。

引張ひずみに比べて圧縮ひずみに対する耐性が弱いMgB₂フィラメント２を含む超伝導線材１の場合には、小さな曲げ半径Rで超伝導線材１のみを曲げて超伝導特性の低下を判定した際に、限界圧縮ひずみを求める。
そして、超伝導線材１の曲げ内側に、厚みｔがｔ／２≧ｒの関係にある曲げ補強部材１０を接合し、超伝導線材１を曲げ半径Ｒ´で曲げて、限界引張ひずみを求める。

上記のようにして、限界引張ひずみおよび限界圧縮ひずみを求めることができるが、複数のMgB₂フィラメント２をツイスト加工した超伝導線材１においては、断面の曲げ方向によって、MgB₂フィラメント２の位置が異なる（図１参照）。
このため、ツイストしたMgB₂フィラメント２の少なくとも回転対称周期に相当する長さにおいて、超伝導線材１の長さ方向の所定間隔の断面ごとに限界引張ひずみと限界圧縮ひずみを求め、それらの最小値を超伝導線材１の限界引張ひずみと限界圧縮ひずみとする。

上記の説明は、超伝導線材1が直線状で熱処理された場合について説明したが、図３A、図３B、図３Cにより、巨大なボビンに巻回した状態で熱処理する場合等の初期状態で、超伝導線材1が湾曲している場合について説明する。
以下の説明では、初期状態（ひずみがゼロ）における超伝導線材1の曲げ半径を曲げ半径Ｒ_０とする。
また、曲げ補強部材１０は、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃに示すように、超伝導線材1に加わる曲げモーメントの外側になるように、超伝導線材1に接合される。

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃは、初期状態の曲げ半径Ｒ_０の超伝導線材1（破線）と、口出し部３０の曲がり部における曲げ半径Ｒ´の超伝導線材1（実線）との関係を示す図である。図の両側の矢印付き円弧は、超伝導線材1に加わる曲げモーメントを示している。

図３Ａは、初期状態の超伝導線材1と同じ曲げ方向に、曲げ半径Ｒ_０を曲げ半径Ｒ´に小さく曲げる場合を示している。つまり、曲げ半径Ｒ_０＞曲げ半径Ｒ´にする場合である。
この場合の曲げ半径Ｒ´の超伝導線材1に生じているひずみは、直線状態の超伝導線材1を曲げ半径Ｒ´に曲げた際に生じるひずみより、直線状態の超伝導線材1を曲げ半径Ｒ_０に曲げた際に生じるひずみ量だけ小さくなる。したがって、超伝導線材1の許容ひずみまで曲げた際の曲げ半径は、直線状態の超伝導線材1から曲げた場合よりも、小さくなる。

つまり、直線状態の超伝導線材1を曲げ半径Ｒ_０に曲げた際に生じる圧縮ひずみをε₀、引張ひずみをε₀としたとすると、初期状態の曲げ半径Ｒ_０としたことによる限界圧縮ひずみと限界引張ひずみは、ε₀分増加したとみなせる。
そこで、式（６）に基づいて曲げ補強部材１０の厚みｔを算出する際に、ε₀分増加した見掛けの限界圧縮ひずみと限界引張ひずみにより厚みｔを算出する。

図３Ｂは、初期状態の超伝導線材1と同じ曲げ方向に、曲げ半径Ｒ_０を曲げ半径Ｒ´に大きくする場合を示している。つまり、曲げ半径Ｒ_０＜曲げ半径Ｒ´にする場合である。
この場合、直線状態の超伝導線材1を曲げ半径Ｒ_０の超伝導線材1に曲げた際に生じるひずみと、直線状態の超伝導線材1を曲げ半径Ｒ´の超伝導線材1に曲げた際に生じるひずみと、の差のひずみを曲げ断面の圧縮ひずみと引張ひずみして、式（６）に基づいて、曲げ補強部材１０の厚みｔを算出する。

図３Ｃは、初期状態の超伝導線材1を、反対の曲げ方向に、曲げ半径Ｒ_０を曲げ半径Ｒ´に曲げる場合を示している。
この場合には、超伝導線材1を、曲げ半径Ｒ_０から直線状態に曲げ、さらに、曲げ半径Ｒ´に曲げると考えると、曲げ半径Ｒ_０から直線状態に曲げる際に生じるひずみと、直線状態から曲げ半径Ｒ´に曲げる際に生じるひずみと、が加算される状態となる。

つまり、直線状態の超伝導線材1を曲げ半径Ｒ_０に曲げた際に生じる圧縮ひずみをε₀、引張ひずみをε₀としたとすると、初期状態の曲げ半径Ｒ_０としたことにより限界圧縮ひずみと限界引張ひずみは、ε₀分減少したとみなせる。
そこで、式（６）に基づいて、曲げ補強部材１０の厚みｔを算出する際に、ε₀分減少した見掛けの限界圧縮ひずみと限界引張ひずみにより厚みｔを算出する。

以上の実施形態では、図１に示したように、MgB₂フィラメント２が超伝導線材1の軸心から均等な距離に配置されている場合について説明したが、MgB₂フィラメント２の配置は、これに限定されない。例えば、超伝導線材1と同軸に２重に配置されていてもよい。また、MgB₂フィラメント２の配置中心が、超伝導線材1の軸心に偏心するように、MgB₂フィラメント２が配置されていてもよい。

MgB₂フィラメント２が図１と異なる配置状態である場合でも、超伝導線材１の曲げによりMgB₂フィラメント２に生じる最大引張ひずみは、超伝導線材1の曲げ中立線から最もはなれた位置となる。したがって、超伝導線材1の中心から最も離れたMgB₂フィラメント２の配置距離を、MgB₂フィラメント２の配置半径ｒとして、式（６）に基づいて、曲げ補強部材１０の厚みｔを算出すればよい。

つまり、実施形態の超伝導コイル１００は、口出し部３０における超伝導線材１の曲がり部に、所定のMgB₂フィラメント２の限界圧縮ひずみ、限界引張ひずみ、および超伝導線材１の曲げ中立線からのMgB₂フィラメント２の配置距離により定まる曲げ方向の厚みｔを有する曲げ補強部材１０を接合する。

また、本実施形態では、丸断面を持つ超伝導線材１を示したが、これは線材形状を丸断面に限定するものではなく、矩形断面を持つ超伝導線材１であってもよい。この場合でも、曲げ中立面（中立線）からのMgB₂フィラメント２の配置距離に基づいて、曲げ補強部材１０の厚みｔを算出すればよい。

また、MgB₂フィラメント２に限らず、他の粉体の超伝導体によるフィラメントから成る超伝導線材１であってもよい。

ここで、曲げ補強部材１０について説明する。
MgB₂フィラメント２を含む超伝導線材１を巻回した超伝導コイル１００は、液体ヘリウム等の冷媒を用いた浸漬冷却、または冷凍機からの伝導冷却を用いて、超伝導線材１を超伝導転移温度以下に保っている。

このため、曲げ補強部材１０は、熱伝導率の優れた無酸素銅により作成することが望ましい。無酸素銅の曲げ補強部材１０を超伝導線材１にハンダ付けすることで、冷凍機から超伝導線材１までの伝導冷却パスを強化し、口出し部３０における熱的安定性を向上させる。

つぎに、図４により、板形状の曲げ補強部材１０とは異なる、凹字型形状の曲げ補強部材１２について説明する。
図４の凹字型形状の曲げ補強部材１２によれば、超伝導線材１の上方から被せる形で設置できるため、作業性が向上する。さらに、曲げ内側と曲げ外側の両方から超伝導線材１を固定することにより、中立線２０の位置精度が高まる。

ここで、凹字型形状の曲げ補強部材１２の断面形状を説明する。
曲げ補強部材１２は、超伝導線材１の挿入溝（幅２ｒ₀）の曲げ内側（圧縮側）に、曲げ方向の厚みが所定値ａの厚みの壁が設けられ、超伝導線材１の挿入溝の曲げ外側（引張側）に、上記の板形状の曲げ補強部材１０に相当する厚みｔと所定値ａとを合算した厚みの壁を設けている。

これにより、曲げ補強部材１２と超伝導線材１とを接合した際の曲げ断面の中立線２０と、超伝導線材１の中心２１との距離差は、ｔ／２となり、MgB₂フィラメント２の最大圧縮ひずみε_Cと最大引張ひずみε_Tと関係は、図２Aと図２Bと同様となる。
なお、曲げ補強部材１２の高さは適宜設定すればよい。

つぎに、図５により、実施形態のソレノイド状の超伝導コイル１００における口出し部３０の構成を説明する。
巻線部３１へ巻回した超伝導線材１は、巻線部３１と同様に円筒座標系におけるθ方向（方位角方向）に向いた状態で、口出し部３０に向かう。

そして、超伝導線材１は、固定冶具３２によりボビン３３に固定され、つぎに、曲げ補強部材１２が接合された超伝導線材１が、曲げ冶具３４に沿って押し付けて、固定される。これにより、口出し部３０で、θ方向に向いた状態の超伝導線材１は、円筒座標系におけるｚ方向（ソレノイドの高さ方向）に曲げられる。必要に応じて曲げ補助治具３５を設置して曲げ補強部材１２の片方の端部を固定し、曲げ補強部材１２が不意に曲げ外側に広がることを防いでもよい。
これにより、超伝導コイル１００の外形寸法が円筒座標系におけるｒ方向（半径方向）に広がることを抑制できる。

なお、超伝導コイル１００を伝導冷却する場合には、曲げ補強部材１２を無酸素銅で作製し、ボビン３３に伝導冷却銅板４０を接続して、超伝導線材１の伝導冷却パスを作るようにする。

つぎに、実施形態の超伝導コイル１００を適用したMRI装置３００の構成を図６により説明する。
超伝導コイル１００は、接続する永久電流スイッチ１０８と共に、冷凍容器１０９に格納され、液体ヘリウム等の冷媒により冷却されるか、または、冷凍機により伝導冷却されている。超伝導コイル１００と永久電流スイッチ１０８とがつくる回路を流れる永久電流は、超伝導コイル１００の内側の測定対象物１１０の位置に時間安定性の高い静磁場を発生させる。この静磁場強度が高いほど，核磁気共鳴周波数が高くなり，周波数分解能が向上する。

超伝導コイル１００と測定対象物１１０との間に設けられた傾斜磁場コイル１１１は、接続する傾斜磁場用アンプ１１２から必要に応じて時間変化する電流を供給され，測定対象物１１０の位置に空間的に分布を持つ静磁場を発生させる。
さらに、測定対象物１１０にＲＦ（Radio Frequency）アンテナ１１３が設けられ、ＲＦアンテナ１１３とＲＦ送受信機１１４を用いて測定対象物１１０に核磁気共鳴周波数の磁場を印加して反応信号を測定することで、測定対象物１１０の断面画像を取得する。

実施形態のMRI装置３００では、超伝導コイル１００と永久電流スイッチ１０８とがつくる回路のコイル口出し部における超伝導線材の曲がり部（図６の黒丸部）の曲げ半径を小さくできるので、MRI装置３００を小型化できる。また、冷凍容器１０９が小型化できるので、液体ヘリウム等の冷媒の貯留量を少なくすることができる。

なお、図６に示した実施形態のＭＲＩの構成は一例であり、図６の構成に限定するものではない。
また、実施形態のMRI装置３００と同様の構成を用いてＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance：核磁気共鳴）装置でも実施可能である。

また、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。上記の実施例は本発明で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。

１ 超伝導線材
２ MgB₂フィラメント（超伝導フィラメント）
３ 金属母材
4 絶縁材
１０、１２ 曲げ補強部材
１１ 超伝導線材
２０ 中立線
３０ 口出し部
３１ 巻線部
３２ 固定冶具
３３ ボビン
３４ 曲げ冶具
３５ 曲げ補助治具
４０ 伝導冷却銅板
１００ 超伝導コイル
１０８ 永久電流スイッチ
１０９ 冷凍容器
１１０ 測定対象物
１１１ 傾斜磁場コイル
１１２ 傾斜磁場用アンプ
１１３ ＲＦアンテナ
１１４ ＲＦ送受信機
３００ MRI装置
ｒ 超伝導フィラメントの配置半径
ｒ₀ 超伝導線材の半径
Ｒ、Ｒ´、Ｒ_０ 曲げ半径
ｔ 厚み
ε_C 最大圧縮ひずみ
ε_T 最大引張ひずみ

Claims (12)

1. 複数の超伝導フィラメントが配置された超伝導線材が巻回された超伝導コイルであって、
   前記超伝導コイルの口出し部における前記超伝導線材の曲がり部に、所定の前記超伝導フィラメントの圧縮ひずみ、引張ひずみ、および前記超伝導線材の曲げ中立線からの前記超伝導フィラメントの配置距離により定まる曲げ方向の厚みを有する曲げ補強部材を接合した
   ことを特徴とする超伝導コイル。
2. 請求項１に記載の超伝導コイルにおいて、
   前記曲げ補強部材の厚みの半分は、前記超伝導フィラメントの配置距離より小さい
   ことを特徴とする超伝導コイル。
3. 請求項１に記載の超伝導コイルにおいて、
   前記曲げ補強部材を前記曲がり部の曲げ方向の外側に接合する
   ことを特徴とする超伝導コイル。
4. 請求項１に記載の超伝導コイルにおいて、
   前記超伝導線材における前記超伝導フィラメントの配置距離としての超伝導フィラメントの配置半径をｒ、所定の前記圧縮ひずみをC、所定の前記引張ひずみをTとしたときに、前記曲げ補強部材の曲げ方向の厚みｔは、
   ｔ＝２ｒ×（Ｃ−Ｔ）／（Ｃ＋Ｔ）
   を満たすことを特徴とする超伝導コイル。
5. 請求項４に記載の超伝導コイルにおいて、
   前記Ｃは、前記超伝導線材の限界圧縮ひずみであり、
   前記Ｔは、前記超伝導線材の限界引張ひずみである
   ことを特徴とする超伝導コイル。
6. 請求項４に記載の超伝導コイルにおいて、
   前記圧縮ひずみが安全率を乗じた前記超伝導線材の限界圧縮ひずみ値以下の値であるか、および前記引張ひずみが安全率を乗じた前記超伝導線材の限界引張ひずみ値以下の値であるかの少なくともいずれかである
   ことを特徴とする超伝導コイル。
7. 請求項４に記載の超伝導コイルにおいて、
   ０．９×２ｒ×（Ｃ−Ｔ）／（Ｃ＋Ｔ）＜ｔ＜１．１×２ｒ×（Ｃ−Ｔ）／（Ｃ＋Ｔ）
   である
   ことを特徴とする超伝導コイル。
8. 請求項７に記載の超伝導コイルにおいて、
   ０.６５ ＜ ｔ／２ｒ ＜ ０．７８
   であることを特徴とする超伝導コイル。
9. 請求項１に記載の超伝導コイルにおいて、
   前記曲げ補強部材は、前記超伝導線材が挿入される溝を有する凹字型形状であり、
   前記曲げ補強部材の中心が、前記超伝導線材の中心より曲げ方向の外側に位置するように接合する
   ことを特徴とする超伝導コイル。
10. 請求項１に記載の超伝導コイルにおいて、
    前記曲げ補強部材は、無酸素銅である
    ことを特徴とする超伝導コイル。
11. 請求項１に記載の超伝導コイルにおいて、
    前記超伝導フィラメントはMgB₂フィラメントである
    ことを特徴とする超伝導コイル。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載された超伝導コイル
    を備えたことを特徴とするMRI装置。