JP2643402B2 - 電磁石およびその製造方法 - Google Patents
電磁石およびその製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 （発明の背景） 本発明は、単一の超伝導電磁石およびその製造方法に
関し超伝導コイルおよびこのコイル周囲の外側の強磁性
体を使用する単一超伝導電磁石およびその製法に関す
る。
関し超伝導コイルおよびこのコイル周囲の外側の強磁性
体を使用する単一超伝導電磁石およびその製法に関す
る。
これまで、磁鉄が約1 1/2テルサ（Tesla）の磁界強さ
において飽和し、このことが従来の電磁石の使用範囲を
限定するものであったことが認められている。更に強い
磁界が従来の磁石において使用されたが、少なくなくと
も１百万分の１（ppm）の均一性即ち均一度を有する精
密磁界を得ることは非常に困難であった。また、このよ
うな精密磁界はかなりの電力を必要として、このため高
い運転コストをもたらす結果となった。
において飽和し、このことが従来の電磁石の使用範囲を
限定するものであったことが認められている。更に強い
磁界が従来の磁石において使用されたが、少なくなくと
も１百万分の１（ppm）の均一性即ち均一度を有する精
密磁界を得ることは非常に困難であった。また、このよ
うな精密磁界はかなりの電力を必要として、このため高
い運転コストをもたらす結果となった。
超伝導コイルを使用する超伝導磁石は、所要電力量を
実質的に低減し、また遥かに大きな電流密度を可能に
し、これにより特定の予め定めた電流に対し必要な導電
材料の量を低減する。ある超伝導磁石は磁界に対するシ
ールド用として磁鉄を使用したが、これらのシールドを
施した磁石は、約1.5テルサである鉄の磁気飽和よりそ
れほど大きくない磁界強さを持つ非精密磁界に限定され
てきた。
実質的に低減し、また遥かに大きな電流密度を可能に
し、これにより特定の予め定めた電流に対し必要な導電
材料の量を低減する。ある超伝導磁石は磁界に対するシ
ールド用として磁鉄を使用したが、これらのシールドを
施した磁石は、約1.5テルサである鉄の磁気飽和よりそ
れほど大きくない磁界強さを持つ非精密磁界に限定され
てきた。
今日の多くの超伝導電磁石の使用には、少なくとも約
1ppmから約１億分の１（pphm）の如き磁界の非常に高度
の均一性即ち均一度を必要としている。これまでは、こ
のような磁界の均一性を達成するためには僅かな電流が
使用された。
1ppmから約１億分の１（pphm）の如き磁界の非常に高度
の均一性即ち均一度を必要としている。これまでは、こ
のような磁界の均一性を達成するためには僅かな電流が
使用された。
これまで、磁鉄シールドは、1987年２月24日発行の米
国特許第4,646,045号における如き鉄の磁気飽和よりは
それほど大きくない強さを持つ磁界に対して使用された
が、同特許は隣接する装置の運転の妨げとなり得る磁気
フリンジ即ち漂遊磁界を最小限度に抑えるか排除するた
め医療装置における核磁気共鳴（NMR）磁石を記載して
いる。米国特許第4,646,045号においては、磁界の均一
度に対するシールドの効果を最小限度に抑えるため別個
のシールドが最小限の強磁性材料を用いて使用された
が、シールドにおける磁鉄の磁気飽和より大きな磁界強
さにおいて有効な如き、特に磁界強さを増加させる如き
シールドを備えた示唆はなかった。磁鉄の飽和以上の磁
界においては、磁石を保有する部屋の壁部の如きコイル
からかなりの距離に磁鉄のシールドを提供することは広
く知られている。
国特許第4,646,045号における如き鉄の磁気飽和よりは
それほど大きくない強さを持つ磁界に対して使用された
が、同特許は隣接する装置の運転の妨げとなり得る磁気
フリンジ即ち漂遊磁界を最小限度に抑えるか排除するた
め医療装置における核磁気共鳴（NMR）磁石を記載して
いる。米国特許第4,646,045号においては、磁界の均一
度に対するシールドの効果を最小限度に抑えるため別個
のシールドが最小限の強磁性材料を用いて使用された
が、シールドにおける磁鉄の磁気飽和より大きな磁界強
さにおいて有効な如き、特に磁界強さを増加させる如き
シールドを備えた示唆はなかった。磁鉄の飽和以上の磁
界においては、磁石を保有する部屋の壁部の如きコイル
からかなりの距離に磁鉄のシールドを提供することは広
く知られている。
磁鉄シールドは、閉鎖された磁束経路の一部を提供し
て、磁界の形状および強さに影響を及ぼす。このため、
磁界の所要の形状および強さが得られるように、超伝導
コイルおよびシールドは相互に、かつ磁界に対して正確
に定置されることが必要である。これまで、特に磁鉄の
磁気飽和より実質的に大きな強さを持つ磁界において使
用される時少なくとも約1ppmの磁界均一性が得られるよ
うに、コイルおよび磁気シールドの相互におよび磁界に
関連する位置決めが正確に予め定めることができる超伝
導電磁石は提供されていない。
て、磁界の形状および強さに影響を及ぼす。このため、
磁界の所要の形状および強さが得られるように、超伝導
コイルおよびシールドは相互に、かつ磁界に対して正確
に定置されることが必要である。これまで、特に磁鉄の
磁気飽和より実質的に大きな強さを持つ磁界において使
用される時少なくとも約1ppmの磁界均一性が得られるよ
うに、コイルおよび磁気シールドの相互におよび磁界に
関連する位置決めが正確に予め定めることができる超伝
導電磁石は提供されていない。
（発明の要約） 本発明は、特に単一電磁石およびその形成方法に関す
るもので、この単一の電磁石構造は、外側の強磁性体の
磁気飽和より大きな磁界強さで少なくとも約1ppmの最大
均一性を生じるように、有効な方法で所要の形状および
強さの磁界を得るため超伝導コイルを含む内側体部に対
し正確に定置された外側の強磁性体を有するものであ
る。少なくとも２個のコイルが内側体部内に設けられ、
線の特性およびサイズに応じて予め定めた張力で巻き線
が各コイルの芯部に正確に巻付けられる。少なくとも２
個の磁気コイルの使用により、異なる強さの電流が磁界
の所要の形状の達成を助けることを可能にする。コイル
および外側磁鉄体を相互および磁界と関連する正確な位
置決めを達成するため、コイルと外側磁鉄体間に精度調
整手段が設けられ、このような調整手段に対する接近が
行われねばならない。
るもので、この単一の電磁石構造は、外側の強磁性体の
磁気飽和より大きな磁界強さで少なくとも約1ppmの最大
均一性を生じるように、有効な方法で所要の形状および
強さの磁界を得るため超伝導コイルを含む内側体部に対
し正確に定置された外側の強磁性体を有するものであ
る。少なくとも２個のコイルが内側体部内に設けられ、
線の特性およびサイズに応じて予め定めた張力で巻き線
が各コイルの芯部に正確に巻付けられる。少なくとも２
個の磁気コイルの使用により、異なる強さの電流が磁界
の所要の形状の達成を助けることを可能にする。コイル
および外側磁鉄体を相互および磁界と関連する正確な位
置決めを達成するため、コイルと外側磁鉄体間に精度調
整手段が設けられ、このような調整手段に対する接近が
行われねばならない。
磁界の均一性即ち均一度に関して、外側の強磁性体を
備えた単一電磁石構造は、NMR磁石と共に使用するのに
適するコイル穴即ち開口の直径あるいは横断寸法の約４
分の１の球形の内部に少なくとも約1ppmの磁界の均一性
を達成する。このような単一の電磁石を分光器に使用す
る時、コイル開口の直径が数センチ、例えば１乃至3cm
の球形の内部に1pphmの磁界の均一性が要求される。超
伝導コイルに隣接する単一電磁石の外側の強磁性体は、
20％以上も磁界の強さを増加させ、これは磁界の諸パラ
メータおよびコイルおよび磁界に対する内側体部と外側
磁鉄体の相対的位置を正確に計算することによってのみ
行われる。この外側磁鉄体は、約10テスラもの磁鉄の磁
気飽和よりかなり大きな磁界強さで磁界の磁束を円滑に
均一に分散させる。このため、外側磁鉄体の磁鉄の飽和
状態は磁束の均一な分布を強化する。
備えた単一電磁石構造は、NMR磁石と共に使用するのに
適するコイル穴即ち開口の直径あるいは横断寸法の約４
分の１の球形の内部に少なくとも約1ppmの磁界の均一性
を達成する。このような単一の電磁石を分光器に使用す
る時、コイル開口の直径が数センチ、例えば１乃至3cm
の球形の内部に1pphmの磁界の均一性が要求される。超
伝導コイルに隣接する単一電磁石の外側の強磁性体は、
20％以上も磁界の強さを増加させ、これは磁界の諸パラ
メータおよびコイルおよび磁界に対する内側体部と外側
磁鉄体の相対的位置を正確に計算することによってのみ
行われる。この外側磁鉄体は、約10テスラもの磁鉄の磁
気飽和よりかなり大きな磁界強さで磁界の磁束を円滑に
均一に分散させる。このため、外側磁鉄体の磁鉄の飽和
状態は磁束の均一な分布を強化する。
少なくとも約1ppmのこのような高度の磁界の均一度即
ち均一性を達成するため、単一電磁石構造の設計におい
ては非常に精度の高い方法即ち一連の工程が含まれる。
第一に、単一超伝導電磁石構造に対する磁界の拡がり、
形状および強さが確立され、装置や試料を設置するた
め、あるいは検査または処置のため患者または動物を収
受するために磁界への接近のための手段を提供すること
に加えて、これらの用件を満たすように初期設計が行わ
れる。次に、磁界の強さおよび形状に対する所要の効果
が外側磁鉄体に関する内側体部の正確な調整により達成
できるように、コイルおよび外側磁鉄体を含む内側体部
が、相互にあるいは磁界に関連して定置される。
ち均一性を達成するため、単一電磁石構造の設計におい
ては非常に精度の高い方法即ち一連の工程が含まれる。
第一に、単一超伝導電磁石構造に対する磁界の拡がり、
形状および強さが確立され、装置や試料を設置するた
め、あるいは検査または処置のため患者または動物を収
受するために磁界への接近のための手段を提供すること
に加えて、これらの用件を満たすように初期設計が行わ
れる。次に、磁界の強さおよび形状に対する所要の効果
が外側磁鉄体に関する内側体部の正確な調整により達成
できるように、コイルおよび外側磁鉄体を含む内側体部
が、相互にあるいは磁界に関連して定置される。
初期設計は、（ａ）所要な磁界の拡がり、形状および
強さのパラメータ、および特に磁界の全ての値における
磁鉄の透磁率を正確に予測するための磁鉄の熱的および
磁気的特性を含む、（ｂ）単一電磁石構造に対して提起
される材料の機械的、電気的および磁気的特性に関する
正確な情報を用いる（１）コンピュータ・プログラム、
特にコイルおよび外側磁鉄体の相互および磁界と関連す
る位置決めを含む、磁石の構成要素の正確な位置決めを
達成する（２）適当な技術手法、および実際的、経済的
な技術設計を達成するための（３）適当な電磁気の演算
式の利用に基いて確立される。コンピュータ・プログラ
ムは、必要に応じて、上記の項（２）および（３）に述
べた適当な技術手法および電磁気演算式を含み、あるい
はまたこれらの項は初期設計の達成に際してコンピュー
タ・プログラミングとは切り離して使用することもでき
る。このように、原型の単一超伝導電磁石構造は、上記
結果および得られた計算に基いて製造される。
強さのパラメータ、および特に磁界の全ての値における
磁鉄の透磁率を正確に予測するための磁鉄の熱的および
磁気的特性を含む、（ｂ）単一電磁石構造に対して提起
される材料の機械的、電気的および磁気的特性に関する
正確な情報を用いる（１）コンピュータ・プログラム、
特にコイルおよび外側磁鉄体の相互および磁界と関連す
る位置決めを含む、磁石の構成要素の正確な位置決めを
達成する（２）適当な技術手法、および実際的、経済的
な技術設計を達成するための（３）適当な電磁気の演算
式の利用に基いて確立される。コンピュータ・プログラ
ムは、必要に応じて、上記の項（２）および（３）に述
べた適当な技術手法および電磁気演算式を含み、あるい
はまたこれらの項は初期設計の達成に際してコンピュー
タ・プログラミングとは切り離して使用することもでき
る。このように、原型の単一超伝導電磁石構造は、上記
結果および得られた計算に基いて製造される。
例えば４テスラの如き外側磁鉄体の磁気飽和以上の磁
界強さの場合でさえ、磁界およびコイルに対する磁鉄の
正確な標定の故に、磁鉄は少なくとも約10％あるいは約
20％以上も磁界の強さを増大させる。外側磁鉄体は、磁
気フリンジ磁界を吸収しかつ偏向させてこのような磁界
強さの増加をもたらす。約１ミル（0.001インチ）の公
差内のコイルを含む内側体部に対する外側磁鉄体の正確
な位置決めもまた、少なくとも約1ppmの磁界の高度な均
一性を結果としてもたらす。
界強さの場合でさえ、磁界およびコイルに対する磁鉄の
正確な標定の故に、磁鉄は少なくとも約10％あるいは約
20％以上も磁界の強さを増大させる。外側磁鉄体は、磁
気フリンジ磁界を吸収しかつ偏向させてこのような磁界
強さの増加をもたらす。約１ミル（0.001インチ）の公
差内のコイルを含む内側体部に対する外側磁鉄体の正確
な位置決めもまた、少なくとも約1ppmの磁界の高度な均
一性を結果としてもたらす。
更にまた、このような高度の精密磁界を達成するため
に、コイルは全ての方向に正確な公差内で巻付けられ、
これはコイルを形成する線の張力を予め定めることによ
り達成される。この電磁石は、超伝導スイッチが恒常モ
ードで供給電源から切換わる恒常電流モードで作動す
る。また、超伝導コイルに充分な冷却を行うことも必要
であり、このような冷却のためヘリウムまたは窒素が使
用でき、その結果超伝導部材が超伝導状態となるそれら
の臨界温度より低く冷却されるようになっている。
に、コイルは全ての方向に正確な公差内で巻付けられ、
これはコイルを形成する線の張力を予め定めることによ
り達成される。この電磁石は、超伝導スイッチが恒常モ
ードで供給電源から切換わる恒常電流モードで作動す
る。また、超伝導コイルに充分な冷却を行うことも必要
であり、このような冷却のためヘリウムまたは窒素が使
用でき、その結果超伝導部材が超伝導状態となるそれら
の臨界温度より低く冷却されるようになっている。
本発明の目的は、外側磁鉄体が約10テスラもの外側磁
鉄体における磁鉄の磁気飽和よりかなり大きな磁界強さ
における磁束の均一な分布を強化する、磁気コイルを含
む内側の相対的に運動自在な体部の周囲に外側磁鉄体を
備えた単一電磁石構造の提供にある。
鉄体における磁鉄の磁気飽和よりかなり大きな磁界強さ
における磁束の均一な分布を強化する、磁気コイルを含
む内側の相対的に運動自在な体部の周囲に外側磁鉄体を
備えた単一電磁石構造の提供にある。
本発明の別の目的は、超伝導コイル周囲に外側磁鉄体
を備えた単一超伝導電磁石構造、および磁界が少なくと
も約1ppmあるいは1pphmもの均一性を有する如き単一超
伝導電磁石を形成する方法の提供にある。
を備えた単一超伝導電磁石構造、および磁界が少なくと
も約1ppmあるいは1pphmもの均一性を有する如き単一超
伝導電磁石を形成する方法の提供にある。
本発明の更に別の目的は、外側磁鉄体が磁界の磁界強
さを少なくとも約10％、あるいは20％以上も増大させる
超伝導電磁石および方法の提供にある。
さを少なくとも約10％、あるいは20％以上も増大させる
超伝導電磁石および方法の提供にある。
本発明の他の目的は、磁石において使用される材料の
機械的、熱的、電気的および磁気的特性に関する正確な
情報、ならびにコイルおよび外側磁鉄体を相互に１ミル
の公差内で定置して磁界の最大の均一性を生じるように
磁界の所要の強さおよび形状を得るための適当な電磁演
算式および技術手法を含むコンピュータ・プログラムお
よびソフトウエアが使用される如き単一超伝導電磁石の
製造方法の提供にある。本発明の他の目的、特徴および
利点については、移行の記述ならびに図面を参照すれば
明らかになるであろう。
機械的、熱的、電気的および磁気的特性に関する正確な
情報、ならびにコイルおよび外側磁鉄体を相互に１ミル
の公差内で定置して磁界の最大の均一性を生じるように
磁界の所要の強さおよび形状を得るための適当な電磁演
算式および技術手法を含むコンピュータ・プログラムお
よびソフトウエアが使用される如き単一超伝導電磁石の
製造方法の提供にある。本発明の他の目的、特徴および
利点については、移行の記述ならびに図面を参照すれば
明らかになるであろう。
（図面の簡単な説明） 第１図は、内部を貫通する中心内孔を持つ内側体部
と、この内側体部の超伝導コイルの周囲における外側磁
鉄体と、この外側磁鉄体を内側体部のコイルに対し正確
に定置する手段とを有する本発明による単一超伝導電磁
石の一実施例の一部破断斜視図、 第２図は、複数のセグメントに形成され揺らん状の基
部支持部上に支持されたコイルに隣接する外側磁鉄体を
示す第１図に示した電磁石の端面図、 第３図は、特に熱遮へい部および超伝導材料を冷却す
るためのヘリウム等の冷却剤を流動させる手段の構成を
示す電磁石のコイルに対する略々円筒状の内側体部の横
断面図、 第４図は、内側体部の周囲の外側磁鉄体内部に取付け
られたコイルい対する円筒状の内側体部を示す第２図の
線４−４に関する縦断面図 第５図は、円筒状の内側体部内の磁気コイルの構成を
特に示す第４図の一部を拡大した断面図、 第６図は、４テスラの磁界強さの磁気フリンジ磁界の
４半部のグラフ、 第７図は、電磁石に対する軸方向寸法を有する1.5テ
スラの磁界における均一性を示すグラフ、 第８図は、４テスラの磁界における磁界の均一性を示
す第７図のグラフと類似のグラフ、 第９図は、コイルを含む内側体部の周囲に外側磁鉄体
が置かれた本発明の単一超伝導電磁石の磁界の強さを、
外側磁鉄体のないコイルの20％の増加を生じる電磁石と
比較するグラフ、 第10図は、１テスラ乃至２テスラの磁界強さにおける
特定の鉄材料の透磁率を示すグラフ、および 第11図は、２テスラ乃至12テスラの磁界強さにおける
第10図に示された鉄材料の透磁率を示すグラフである。
と、この内側体部の超伝導コイルの周囲における外側磁
鉄体と、この外側磁鉄体を内側体部のコイルに対し正確
に定置する手段とを有する本発明による単一超伝導電磁
石の一実施例の一部破断斜視図、 第２図は、複数のセグメントに形成され揺らん状の基
部支持部上に支持されたコイルに隣接する外側磁鉄体を
示す第１図に示した電磁石の端面図、 第３図は、特に熱遮へい部および超伝導材料を冷却す
るためのヘリウム等の冷却剤を流動させる手段の構成を
示す電磁石のコイルに対する略々円筒状の内側体部の横
断面図、 第４図は、内側体部の周囲の外側磁鉄体内部に取付け
られたコイルい対する円筒状の内側体部を示す第２図の
線４−４に関する縦断面図 第５図は、円筒状の内側体部内の磁気コイルの構成を
特に示す第４図の一部を拡大した断面図、 第６図は、４テスラの磁界強さの磁気フリンジ磁界の
４半部のグラフ、 第７図は、電磁石に対する軸方向寸法を有する1.5テ
スラの磁界における均一性を示すグラフ、 第８図は、４テスラの磁界における磁界の均一性を示
す第７図のグラフと類似のグラフ、 第９図は、コイルを含む内側体部の周囲に外側磁鉄体
が置かれた本発明の単一超伝導電磁石の磁界の強さを、
外側磁鉄体のないコイルの20％の増加を生じる電磁石と
比較するグラフ、 第10図は、１テスラ乃至２テスラの磁界強さにおける
特定の鉄材料の透磁率を示すグラフ、および 第11図は、２テスラ乃至12テスラの磁界強さにおける
第10図に示された鉄材料の透磁率を示すグラフである。
（実施例） 本発明による単一超伝導電磁石あるいは電磁石構造の
一実施態様が、図面の第１図乃至第５図に全体的に10で
示されている。単一電磁石構造10は、特に医療用装置の
ための核磁気共鳴（NMR）装置に使用されるためのもの
である。しかし、本発明は、加速器、粒子ビーム、分光
器等の多数の用途において使用できることを理解すべき
である。
一実施態様が、図面の第１図乃至第５図に全体的に10で
示されている。単一電磁石構造10は、特に医療用装置の
ための核磁気共鳴（NMR）装置に使用されるためのもの
である。しかし、本発明は、加速器、粒子ビーム、分光
器等の多数の用途において使用できることを理解すべき
である。
単一電磁石構造10は、全体的に12で示された、貫通す
る中心内孔14を有する円環体形状を呈し全体的に16で示
した外側磁鉄体内部に取付けられた円筒状の内側体部即
ちハウジングを含む。外側磁鉄体16は、その間に内側体
部12が取付けられた対向する端板組立体16を含む。内孔
14は、電磁石構造10がNMRイメージ形成のため使用され
る場合に、患者の体を収受するに充分な大きさである。
る中心内孔14を有する円環体形状を呈し全体的に16で示
した外側磁鉄体内部に取付けられた円筒状の内側体部即
ちハウジングを含む。外側磁鉄体16は、その間に内側体
部12が取付けられた対向する端板組立体16を含む。内孔
14は、電磁石構造10がNMRイメージ形成のため使用され
る場合に、患者の体を収受するに充分な大きさである。
全体的に20で示される揺らん状のベース支持部は、端
部支持部材22間に固定された長手方向に延長するビーム
24を有する非磁性材料から作られた対向する端部支持揺
らん部材22を含む。磁鉄体16の上面には、超伝導電磁石
10を電磁石において使用される材料の超伝導温度まで冷
却するためのヘリウムまたは窒素の如き冷却剤を含む全
体的に26で破線で示した極低温冷却手段が取付けられて
いる。電磁石を冷却するための流通路の周囲に冷却流体
を提供するための入口が28で示され、超伝導材料の冷却
後冷却流体を受取るための出口が30で示されている。こ
のようなな冷却剤を提供するための適当な極低温冷却手
段は当業者には周知である。
部支持部材22間に固定された長手方向に延長するビーム
24を有する非磁性材料から作られた対向する端部支持揺
らん部材22を含む。磁鉄体16の上面には、超伝導電磁石
10を電磁石において使用される材料の超伝導温度まで冷
却するためのヘリウムまたは窒素の如き冷却剤を含む全
体的に26で破線で示した極低温冷却手段が取付けられて
いる。電磁石を冷却するための流通路の周囲に冷却流体
を提供するための入口が28で示され、超伝導材料の冷却
後冷却流体を受取るための出口が30で示されている。こ
のようなな冷却剤を提供するための適当な極低温冷却手
段は当業者には周知である。
第３図乃至第５図に示されるように、円筒状の内側体
部12は、内孔14を画成する内側シェル32と、同心状の外
側シェル34を有する。端部リング33が、外側シェル34に
対してその各端部に固定されている。端板35が、シェル
32、34をその端部で結合して、超伝導コイルに対する真
空ジャケットを形成している。超伝導コイルに対する密
閉されたハウジング36を形成するのは、閉鎖端部39を持
つ中間に隔てられたシェル37であり、その間で超伝導コ
イル組立体即ち全体的に40で示されるコイル・パッケー
ジを受取る、端板41間の環状の空間を提供する。コイル
・パッケージ40は、中心の主要コイル42と、この中心コ
イル42の各端部に隣接し非磁性材料から作られた環状の
スペーサ板46により分離された端部コイル44とを含む。
コイル42、44が形成される線は、線材料の特性およびサ
イズに従って予め定めた張力の下で引っ張られながら線
を正確に１ミル内に支持する芯部即ちボビン47上に巻付
けられる。この線は、例えば超伝導材料を含む約1.27×
2.54mm（50×100ミル）の断面寸法を持つく形状断面を
有することが望ましい。この線は、関連する支持芯部47
上へ巻付けられる間約45Kg（1001bs）の予め定めた張力
の下に置かれ、この張力は使用される材料の種類および
サイズ、材料の熱的および機械的特性、および芯部上の
線の位置に基づく正確な計算に従って、巻付け中徐々に
減少される。複数の磁気コイルの使用は、異なる大きさ
の電流の使用を許容し、これにより磁界の所要の形状お
よび強さを得る上で助けとなる。
部12は、内孔14を画成する内側シェル32と、同心状の外
側シェル34を有する。端部リング33が、外側シェル34に
対してその各端部に固定されている。端板35が、シェル
32、34をその端部で結合して、超伝導コイルに対する真
空ジャケットを形成している。超伝導コイルに対する密
閉されたハウジング36を形成するのは、閉鎖端部39を持
つ中間に隔てられたシェル37であり、その間で超伝導コ
イル組立体即ち全体的に40で示されるコイル・パッケー
ジを受取る、端板41間の環状の空間を提供する。コイル
・パッケージ40は、中心の主要コイル42と、この中心コ
イル42の各端部に隣接し非磁性材料から作られた環状の
スペーサ板46により分離された端部コイル44とを含む。
コイル42、44が形成される線は、線材料の特性およびサ
イズに従って予め定めた張力の下で引っ張られながら線
を正確に１ミル内に支持する芯部即ちボビン47上に巻付
けられる。この線は、例えば超伝導材料を含む約1.27×
2.54mm（50×100ミル）の断面寸法を持つく形状断面を
有することが望ましい。この線は、関連する支持芯部47
上へ巻付けられる間約45Kg（1001bs）の予め定めた張力
の下に置かれ、この張力は使用される材料の種類および
サイズ、材料の熱的および機械的特性、および芯部上の
線の位置に基づく正確な計算に従って、巻付け中徐々に
減少される。複数の磁気コイルの使用は、異なる大きさ
の電流の使用を許容し、これにより磁界の所要の形状お
よび強さを得る上で助けとなる。
芯部即ちボビン47は、コイル42、44の内外両面に配置
され冷却流体がコイル42、44に沿って流れることを許す
ようにストリップ48間に流通路を形成する幅が約12.7mm
（1/2インチ）の複数の円周方向に間隔をおいて設けら
れたストリップ即ちスラット48が形成されている。１層
のステンレス鋼の帯材52が、第５図に示されるように外
側のストリップ48の周囲に巻付けられている。特に第５
図に示されるように、入口28からのヘリウムがコイル・
パッケージ40に隣接した流通路49へ流入し、次いで端板
41およびスペーサ板46の開口50を経てコイル・パッケー
ジ40およびストリップ48間の間隙に沿って、出口30から
極低温冷却手段26へ戻すための流通路51へ流れる。全体
的に54で示される20゜ケルビン（゜K）の温度用の金属
材料製の、渦電流を最小限度に抑えるよう切込みのある
内側熱シールドが、コイル・パッケージ40を密閉するた
めのハウジング36の周囲に形成されている。外側熱シー
ルド56は、これと隔てられた位置関係で内側熱シールド
54の周囲に延長し、80゜Kの温度用の金属材料で形成さ
れ、渦電流を最小限度に抑えるため切込みが設けられて
いる。超絶縁材が外側熱シールド56と内外のシェル32、
34により形成された真空ジャケットとの間58に示した間
隙に設けられる。周知のように、シェル32、34間の間隙
内に真空を生じて熱シールド54、56を冷却するための冷
却流体を提供するための手段（図示せず）が設けられて
いる。
され冷却流体がコイル42、44に沿って流れることを許す
ようにストリップ48間に流通路を形成する幅が約12.7mm
（1/2インチ）の複数の円周方向に間隔をおいて設けら
れたストリップ即ちスラット48が形成されている。１層
のステンレス鋼の帯材52が、第５図に示されるように外
側のストリップ48の周囲に巻付けられている。特に第５
図に示されるように、入口28からのヘリウムがコイル・
パッケージ40に隣接した流通路49へ流入し、次いで端板
41およびスペーサ板46の開口50を経てコイル・パッケー
ジ40およびストリップ48間の間隙に沿って、出口30から
極低温冷却手段26へ戻すための流通路51へ流れる。全体
的に54で示される20゜ケルビン（゜K）の温度用の金属
材料製の、渦電流を最小限度に抑えるよう切込みのある
内側熱シールドが、コイル・パッケージ40を密閉するた
めのハウジング36の周囲に形成されている。外側熱シー
ルド56は、これと隔てられた位置関係で内側熱シールド
54の周囲に延長し、80゜Kの温度用の金属材料で形成さ
れ、渦電流を最小限度に抑えるため切込みが設けられて
いる。超絶縁材が外側熱シールド56と内外のシェル32、
34により形成された真空ジャケットとの間58に示した間
隙に設けられる。周知のように、シェル32、34間の間隙
内に真空を生じて熱シールド54、56を冷却するための冷
却流体を提供するための手段（図示せず）が設けられて
いる。
外側磁鉄体16は、60で示した複数の長手方向に延長す
る部分を含む。各部分60は、相互に固定され端板組立体
18間に延長する積層部を形成する複数の板を有する。各
部分60は、その各端部に隣接して端部リング66に対しぼ
ると64により固定された半径方向に延長するセグメント
62が固定され、これにより円筒状の内側体部12の各端部
に隣接して置かれた18で示した端部板組立体を形成して
いる。隣接するセグメント62の接触側68は、絶縁塗料の
如き１層の絶縁材料を有する。セグメント62を相互に絶
縁させることにより、このような経路に対する抵抗を増
すことによって渦電流の経路を分断する。また、必要に
応じて、セグメント62は、渦電流経路を分断する複数の
結合された板から形成することもできる。
る部分を含む。各部分60は、相互に固定され端板組立体
18間に延長する積層部を形成する複数の板を有する。各
部分60は、その各端部に隣接して端部リング66に対しぼ
ると64により固定された半径方向に延長するセグメント
62が固定され、これにより円筒状の内側体部12の各端部
に隣接して置かれた18で示した端部板組立体を形成して
いる。隣接するセグメント62の接触側68は、絶縁塗料の
如き１層の絶縁材料を有する。セグメント62を相互に絶
縁させることにより、このような経路に対する抵抗を増
すことによって渦電流の経路を分断する。また、必要に
応じて、セグメント62は、渦電流経路を分断する複数の
結合された板から形成することもできる。
特に第４図に示した如き端板組立体18が、内側体部12
とコイル・パッケージ40の端部に密接して配置され、内
側体部12と略々対応する内外径を有することが判るであ
ろう。外側磁鉄体16は、この外側磁鉄体16の端板組立体
18および結合された部分60に沿ってコイル・パッケージ
40から延長する閉鎖された磁気経路を提供する。コイル
・パッケージ40と密接して置かれた時第４図に示した線
69の半径方向内方の端板組立体18の各部は、磁鉄の飽和
量より大きな、あるいは約1.5または1.7テスラ以上の磁
気強さを持つが、長手方向に延長する部分60を含む外側
磁鉄体16の残りの部分は前記飽和レベルの磁気強さを有
する。例えば４テスラの磁石の場合は、線69の半径方向
内方の端板組立体18の磁気強さは、約1.5乃至４テスラ
の範囲で変化しよう。しかし、外側磁鉄体16を内側体部
12に対して正確に定置することにより、電極面を形成す
る端板組立体18は磁界の強さを増大する助けとなる。こ
の目的のため、端板組立体18における磁鉄の熱的および
磁気的特性に関する正確な情報が、磁界の全ての値にお
ける磁鉄の透磁率を正確に予期するために必要とされ
る。約2.5テスラまでは、透磁率は周知の手法に従って
測定される。2.5テスラより高い場合は、外側磁鉄体16
および端板組立体18の磁鉄の透磁率の測定値を用いて磁
化の飽和を達成し、S.Pissanetzky著「磁化テーブルの
補間法」なる文献（1986年発行、米国Texas77389,Woodl
ands,Timberloch Place 2319のTexas Accelerator Cent
erから入手可能）に記載される如き計算を用いて、Frol
ich−Kennellyの公式の補間法から透磁率を得る。この
ように、特定の磁気材料例えば米国の鋼鉄規格1008に対
する磁化テーブルを確定することができる。
とコイル・パッケージ40の端部に密接して配置され、内
側体部12と略々対応する内外径を有することが判るであ
ろう。外側磁鉄体16は、この外側磁鉄体16の端板組立体
18および結合された部分60に沿ってコイル・パッケージ
40から延長する閉鎖された磁気経路を提供する。コイル
・パッケージ40と密接して置かれた時第４図に示した線
69の半径方向内方の端板組立体18の各部は、磁鉄の飽和
量より大きな、あるいは約1.5または1.7テスラ以上の磁
気強さを持つが、長手方向に延長する部分60を含む外側
磁鉄体16の残りの部分は前記飽和レベルの磁気強さを有
する。例えば４テスラの磁石の場合は、線69の半径方向
内方の端板組立体18の磁気強さは、約1.5乃至４テスラ
の範囲で変化しよう。しかし、外側磁鉄体16を内側体部
12に対して正確に定置することにより、電極面を形成す
る端板組立体18は磁界の強さを増大する助けとなる。こ
の目的のため、端板組立体18における磁鉄の熱的および
磁気的特性に関する正確な情報が、磁界の全ての値にお
ける磁鉄の透磁率を正確に予期するために必要とされ
る。約2.5テスラまでは、透磁率は周知の手法に従って
測定される。2.5テスラより高い場合は、外側磁鉄体16
および端板組立体18の磁鉄の透磁率の測定値を用いて磁
化の飽和を達成し、S.Pissanetzky著「磁化テーブルの
補間法」なる文献（1986年発行、米国Texas77389,Woodl
ands,Timberloch Place 2319のTexas Accelerator Cent
erから入手可能）に記載される如き計算を用いて、Frol
ich−Kennellyの公式の補間法から透磁率を得る。この
ように、特定の磁気材料例えば米国の鋼鉄規格1008に対
する磁化テーブルを確定することができる。
コイル42、44を含む内側体部12の周囲の外側磁鉄体16
に関するコイル42、44の相互および磁界に関する正確な
位置決めを達成するため、外側磁鉄体16に対する半径方
向および長手方向の両方向の内側体部12の正確な調整が
行われなければならない。この目的のため、特に第１図
に関して、調整ブロック70が、外側シェル34の外周部の
周囲に120゜の間隔で内側体部12の外側シェル34上にそ
の両端部に隣接してリング33の外表面に対して固定さ
れ、外側磁鉄体16の隣接部分60に設けられた適当なスロ
ット71内に嵌合する３対の長手方向に整合された調整ブ
ロック70を提供する。各ブロック70に対する隣接した長
手方向に延長する部分60の外層上には、半径方向のブロ
ック72と軸方向のブロック74が取付けられている。ブロ
ック72、74は、部分60間の間隙を通じて作業員が接近で
きる調整可能な固定ねじ76を含む。ブロック72、74のね
じ76の適当な調整により、外側磁鉄体16に対して１ミル
（0.001インチ）の半径方向および軸方向距離内で円筒
状内側体部12を移動させるため、固定ねじ76はその内端
部がブロック70と接触している。内側体部12を外側磁鉄
体16に対して正確に位置決めすることにより、少なくと
も1ppmまでの磁界の精度が得られるが、これは正確な位
置決めと共に磁界のパラメータの正確な計算のみにより
達成されるのである。
に関するコイル42、44の相互および磁界に関する正確な
位置決めを達成するため、外側磁鉄体16に対する半径方
向および長手方向の両方向の内側体部12の正確な調整が
行われなければならない。この目的のため、特に第１図
に関して、調整ブロック70が、外側シェル34の外周部の
周囲に120゜の間隔で内側体部12の外側シェル34上にそ
の両端部に隣接してリング33の外表面に対して固定さ
れ、外側磁鉄体16の隣接部分60に設けられた適当なスロ
ット71内に嵌合する３対の長手方向に整合された調整ブ
ロック70を提供する。各ブロック70に対する隣接した長
手方向に延長する部分60の外層上には、半径方向のブロ
ック72と軸方向のブロック74が取付けられている。ブロ
ック72、74は、部分60間の間隙を通じて作業員が接近で
きる調整可能な固定ねじ76を含む。ブロック72、74のね
じ76の適当な調整により、外側磁鉄体16に対して１ミル
（0.001インチ）の半径方向および軸方向距離内で円筒
状内側体部12を移動させるため、固定ねじ76はその内端
部がブロック70と接触している。内側体部12を外側磁鉄
体16に対して正確に位置決めすることにより、少なくと
も1ppmまでの磁界の精度が得られるが、これは正確な位
置決めと共に磁界のパラメータの正確な計算のみにより
達成されるのである。
少なくとも1ppmの高品質の磁界の均一度即ち均一性
は、単一の超伝導電磁石の多くの用途、ならびに1pphm
の磁界の均一性を必要とする分光器の如き用途に対して
要求されることが知られよう。このような高品質の磁界
を達成するためには、非常に正確な方法即ち一連のステ
ップが電磁石の設計において介在する。最初に、超伝導
電磁石に対する磁界の拡がり、形状および強さが確立さ
れ、最小のコイル寸法による磁界の強さを極大化するた
めの、また試験あるいは処理のため内部に物体を置くた
めに磁界に接近する中心内孔の如きある手段を含む初期
設計が行われる。この初期設計は、コイルおよび外側磁
鉄体の相互の半径方向ならびに軸方向の１ミルの公差内
での調整により磁界の強さおよび形状についての所要の
効果が得られるように、超伝導コイルおよび外側磁鉄体
を相互ならびに磁界に対して位置決めすることを含む。
は、単一の超伝導電磁石の多くの用途、ならびに1pphm
の磁界の均一性を必要とする分光器の如き用途に対して
要求されることが知られよう。このような高品質の磁界
を達成するためには、非常に正確な方法即ち一連のステ
ップが電磁石の設計において介在する。最初に、超伝導
電磁石に対する磁界の拡がり、形状および強さが確立さ
れ、最小のコイル寸法による磁界の強さを極大化するた
めの、また試験あるいは処理のため内部に物体を置くた
めに磁界に接近する中心内孔の如きある手段を含む初期
設計が行われる。この初期設計は、コイルおよび外側磁
鉄体の相互の半径方向ならびに軸方向の１ミルの公差内
での調整により磁界の強さおよび形状についての所要の
効果が得られるように、超伝導コイルおよび外側磁鉄体
を相互ならびに磁界に対して位置決めすることを含む。
更に、初期設計は、（ａ）所要の磁界の拡がり、形状
および強さのパラメータ、および（ｂ）磁界の全ての値
における磁鉄の透磁率を正確に予測するための磁鉄の熱
的および磁気的特性を特に含む、単一電磁石について提
案される材料の機械的、熱的、電気的ならびに磁気的特
性に関する正確な情報、を用いる（１）コンピュータ・
プログラム、（２）内側体部および外側磁鉄体の相互な
らびに磁界に関する位置決めを特に含む、磁石の構成要
素の正確な位置決めを達成する適当な技術的手法、およ
び（３）実際的、経済的な技術設計を達成するための適
当な電磁方程式の使用、に基いて達成される。コンピュ
ータ・プログラムは、必要に応じて、上記項目（２）お
よび（３）に記載した適当な技術的手法ならびに電磁方
程式を包含し得、あるいはこれらの項目は初期設計の遂
行に際してコンピュータのプログラミングとは切り離し
て使用することもできる。本発明の設計において良好に
用いられたコンピュータ・プログラムは「Magnus」プロ
グラムと呼ばれ、S.Pissanetzky著作の下記の文献（米
国Texas77389,Woodlands,Timberloch Place 2319のTexa
s Accelerator Centerから入手可能）に記載されてい
る。即ち、 （１）BNL（Brookhaven National Laboratory）28416 A
MD 867なる未発行文献「Magnus−Computer−Aided Desi
ng of Electromagnets」 （２）刊行文献「The New Version of the Finite Elem
ent 3D Magnetostatics Program Magnus」（1986年発
行） 本発明に利用において良好であることが判った別のコ
ンピュータ・プログラムは、レポータ番号LA−UR−87−
115の「User's Guide for the Poisson/Superfish Grou
p of Codes」なるM.T.Menzel,H.K.Stokes著作のプログ
ラム「Poisson/Superfish」（米国New Mexico 87545,Lo
s Alamos,Los Alamos National Laboratoryから入手可
能）。次いで、得られた結果および計算に基く初期設計
の確定後、原型の超伝導電磁石が製造される。
および強さのパラメータ、および（ｂ）磁界の全ての値
における磁鉄の透磁率を正確に予測するための磁鉄の熱
的および磁気的特性を特に含む、単一電磁石について提
案される材料の機械的、熱的、電気的ならびに磁気的特
性に関する正確な情報、を用いる（１）コンピュータ・
プログラム、（２）内側体部および外側磁鉄体の相互な
らびに磁界に関する位置決めを特に含む、磁石の構成要
素の正確な位置決めを達成する適当な技術的手法、およ
び（３）実際的、経済的な技術設計を達成するための適
当な電磁方程式の使用、に基いて達成される。コンピュ
ータ・プログラムは、必要に応じて、上記項目（２）お
よび（３）に記載した適当な技術的手法ならびに電磁方
程式を包含し得、あるいはこれらの項目は初期設計の遂
行に際してコンピュータのプログラミングとは切り離し
て使用することもできる。本発明の設計において良好に
用いられたコンピュータ・プログラムは「Magnus」プロ
グラムと呼ばれ、S.Pissanetzky著作の下記の文献（米
国Texas77389,Woodlands,Timberloch Place 2319のTexa
s Accelerator Centerから入手可能）に記載されてい
る。即ち、 （１）BNL（Brookhaven National Laboratory）28416 A
MD 867なる未発行文献「Magnus−Computer−Aided Desi
ng of Electromagnets」 （２）刊行文献「The New Version of the Finite Elem
ent 3D Magnetostatics Program Magnus」（1986年発
行） 本発明に利用において良好であることが判った別のコ
ンピュータ・プログラムは、レポータ番号LA−UR−87−
115の「User's Guide for the Poisson/Superfish Grou
p of Codes」なるM.T.Menzel,H.K.Stokes著作のプログ
ラム「Poisson/Superfish」（米国New Mexico 87545,Lo
s Alamos,Los Alamos National Laboratoryから入手可
能）。次いで、得られた結果および計算に基く初期設計
の確定後、原型の超伝導電磁石が製造される。
例えば、４テスラの如く外側磁鉄体の磁気飽和より大
きな磁界を用いて、外側磁鉄体の磁鉄は、磁界およびコ
イルに対する磁鉄の正確な位置決めにより、少なくとも
約10％あるいは約20％もの磁界の強さを増大する。外側
磁鉄体は、磁界を吸収し指向させてこのような磁界強さ
の増大をもたらす。これは、磁束の均一な分布により、
ならびに約10テスラもの磁鉄の磁気飽和を大きく越える
磁界の強さにおいて達成される。外側磁鉄体のコイルに
対する１ミルの公差内での正確な位置決めもまた、少な
くとも約1ppmの磁界の高度な均一性を結果としてもたら
す。
きな磁界を用いて、外側磁鉄体の磁鉄は、磁界およびコ
イルに対する磁鉄の正確な位置決めにより、少なくとも
約10％あるいは約20％もの磁界の強さを増大する。外側
磁鉄体は、磁界を吸収し指向させてこのような磁界強さ
の増大をもたらす。これは、磁束の均一な分布により、
ならびに約10テスラもの磁鉄の磁気飽和を大きく越える
磁界の強さにおいて達成される。外側磁鉄体のコイルに
対する１ミルの公差内での正確な位置決めもまた、少な
くとも約1ppmの磁界の高度な均一性を結果としてもたら
す。
第６図乃至第９図は、上記の方法に従って構成され図
面において示し説明した如き単一超伝導電磁石において
達成された結果を示すグラフである。第６図のグラフ
は、４テスラの磁気フリンジ磁界を示す。方向Ｒは電磁
石10の作用空間を画成する中心内孔14の中心から半径方
向に延長し、方向Ｃは中心内孔14により画成される長手
方向の軸心に沿っている。５ガウスの線および10ガウス
の線が、電磁石10の内孔から外側へ延びるように示され
ている。
面において示し説明した如き単一超伝導電磁石において
達成された結果を示すグラフである。第６図のグラフ
は、４テスラの磁気フリンジ磁界を示す。方向Ｒは電磁
石10の作用空間を画成する中心内孔14の中心から半径方
向に延長し、方向Ｃは中心内孔14により画成される長手
方向の軸心に沿っている。５ガウスの線および10ガウス
の線が、電磁石10の内孔から外側へ延びるように示され
ている。
第７図は、定常モードにおける1.5テスラの強さにお
ける中心内孔14のＺ軸即ち長手方向の中心線に沿った均
一性を示す。トリミング・コイルの使用により8.1cm内
で＋10ppmの非常に高い均一性が得られることが判る。
ける中心内孔14のＺ軸即ち長手方向の中心線に沿った均
一性を示す。トリミング・コイルの使用により8.1cm内
で＋10ppmの非常に高い均一性が得られることが判る。
第８図において、中心内孔14の長手方向の中心線に沿
う軸方向における４テスラの磁界強さにおける均一度を
示すグラフが示される。トリミング・コイルあるいはト
リミング磁界の使用によらず、11cm内で20ppmの均一性
が得られることが判る。
う軸方向における４テスラの磁界強さにおける均一度を
示すグラフが示される。トリミング・コイルあるいはト
リミング磁界の使用によらず、11cm内で20ppmの均一性
が得られることが判る。
次に、第９図においては、このグラフは、超伝導コイ
ル周囲の外側磁鉄体の使用により20％を越える磁界強さ
の増大を示し、この磁界強さの増大が1/2テスラから４
テスラの磁界強さに対して略々一定であることを示して
いる。カーブＡは、コイルが20％のアンペア回数余分に
巻かれた磁鉄体のない磁気コイルが用いられた電磁石を
示す。カーブＢは、コイル周囲の磁鉄体を用いた本発明
による単一超伝導電磁石構造により得られた磁界品質を
示している。このため、本文に述べた方法に従って構成
さ、コイルが隣接する磁鉄体に対して正確に定置された
単一超伝導電磁石の使用の結果、少なくとも約10％なら
びに20％以上もの磁界の増加をもたらすことになる。更
に、これにより少なくとも1ppmならびに1pphmもの均一
性を持つ非常に精密な磁界が達成される。このような高
精度の磁界が第７図および第８図に示されている。
ル周囲の外側磁鉄体の使用により20％を越える磁界強さ
の増大を示し、この磁界強さの増大が1/2テスラから４
テスラの磁界強さに対して略々一定であることを示して
いる。カーブＡは、コイルが20％のアンペア回数余分に
巻かれた磁鉄体のない磁気コイルが用いられた電磁石を
示す。カーブＢは、コイル周囲の磁鉄体を用いた本発明
による単一超伝導電磁石構造により得られた磁界品質を
示している。このため、本文に述べた方法に従って構成
さ、コイルが隣接する磁鉄体に対して正確に定置された
単一超伝導電磁石の使用の結果、少なくとも約10％なら
びに20％以上もの磁界の増加をもたらすことになる。更
に、これにより少なくとも1ppmならびに1pphmもの均一
性を持つ非常に精密な磁界が達成される。このような高
精度の磁界が第７図および第８図に示されている。
第10図および第11図においては、外側磁鉄体16に用い
られる米国ASTM規格1008の鋼鉄である特定の鉄材の透磁
率がグラフにより示される。第10図は、２テスラまでの
磁気強さの場合の透磁率を示し、第11図は２乃至12テス
ラの範囲の磁気強さの場合の透磁率を示している。第11
図からは、空気の透磁率が１であること、および４乃至
12テスラの透磁率が１と２の間にあることが判る。透磁
率は、「磁化テーブルの補間法」なる前記文献に従って
計算された。
られる米国ASTM規格1008の鋼鉄である特定の鉄材の透磁
率がグラフにより示される。第10図は、２テスラまでの
磁気強さの場合の透磁率を示し、第11図は２乃至12テス
ラの範囲の磁気強さの場合の透磁率を示している。第11
図からは、空気の透磁率が１であること、および４乃至
12テスラの透磁率が１と２の間にあることが判る。透磁
率は、「磁化テーブルの補間法」なる前記文献に従って
計算された。
本発明は特に鉄の磁気飽和よりも大きな強さを持つ磁
界に使用されるものであるが、本発明は鉄の磁気飽和よ
り小さな磁界強さに使用できることを理解すべきであ
る。また、本文に示した電磁石の実施態様は電磁石の構
成後に外側磁鉄体16に対するコイルの位置を調整するた
めの手段を使用するが、本発明のある実施態様は、構成
後にコイルおよび外側磁鉄体を相互に固定することがで
き、これにより構成あるいは製造される設計のコイルお
よび外側磁鉄体の非常に正確な位置決めを必要とするこ
とが理解されよう。
界に使用されるものであるが、本発明は鉄の磁気飽和よ
り小さな磁界強さに使用できることを理解すべきであ
る。また、本文に示した電磁石の実施態様は電磁石の構
成後に外側磁鉄体16に対するコイルの位置を調整するた
めの手段を使用するが、本発明のある実施態様は、構成
後にコイルおよび外側磁鉄体を相互に固定することがで
き、これにより構成あるいは製造される設計のコイルお
よび外側磁鉄体の非常に正確な位置決めを必要とするこ
とが理解されよう。
本発明の望ましい実施態様を詳細に例示したが、望ま
しい実施態様の変更および応用は当業者が着想すること
は明らかであろう。しかし、このような変更および応用
は以降の請求の範囲に記載される如き本発明の趣旨およ
び範囲に含まれることを明確に理解すべきである。
しい実施態様の変更および応用は当業者が着想すること
は明らかであろう。しかし、このような変更および応用
は以降の請求の範囲に記載される如き本発明の趣旨およ
び範囲に含まれることを明確に理解すべきである。
Claims (20)
- 【請求項１】少なくとも２つの超伝導コイルを含む内側
体部と、該内側体部および磁鉄が飽和される強さよりも
大きな強さを持つ磁界において特に使用される関連する
磁界の周囲の外側磁鉄体とを有する単一の超伝導電磁石
構造を製作する方法において、 前記単一超伝導電磁石構造における所要の磁界の拡が
り、形状および強さを最初に確定し、該磁界を利用する
物体を収受するため前記磁界に対する接近のための手段
を提供し、 前記外側磁鉄体が磁束の均一な分布を強化しかつ前記外
側磁鉄体における磁鉄の飽和より実質的に大きな磁界強
さで前記磁界の強さを増加させるように、前記コイルを
含む前記内側体部および前記外側磁鉄体を相互に、かつ
前記磁界に対して位置決めする ステップを含むことを特徴とする方法。 - 【請求項２】少なくとも２つの超伝導コイルを含む内側
体部と、該内側体部および磁鉄が飽和する強さより大き
な強さを持つ磁界に特に使用されるための関連する磁界
の周囲の外側磁鉄体とを有する単一の超伝導電磁石構造
を製作する方法において、 前記単一超伝導電磁石構造における所要の磁界の拡が
り、形状および強さを最初に確定し、該磁界を利用する
物体を収受するため前記磁界に対する接近のための手段
を提供し、 前記電磁石において使用される材料の熱的および磁気的
な特性に関する正確な情報を有し、特に前記磁界の全て
の値における鉄の透磁率の正確な計算を含むコンピュー
タ・プログラムを用い、 前記外側磁鉄体が磁束の均一な分布を強化しかつ前記外
側磁鉄体における磁鉄の飽和より実質的に大きな磁界強
さで前記磁界の強さを増加させるように、前記コイルを
含む前記内側体部および前記外側磁鉄体を相互に、かつ
前記磁界に対して位置決めする ステップを含むことを特徴とする方法。 - 【請求項３】少なくとも２つの超伝導コイルを含む内部
を貫通する中心内孔を持つ略々円筒状の内側体部と、該
内側体部の周囲にこれと同心状の位置関係にある外側磁
鉄体とを有する単一超伝導電磁石構造であり、該外側磁
鉄体が前記内側体部の各端部に密接する端部組立体を含
み、かつ前記内側体部の中心内孔と対応する内孔を有す
る構造を製作する方法において、 前記単一超伝導電磁石構造に対し所要の磁界の拡がり、
形状および強さを最初に確定し、 前記電磁石において使用される材料の熱的および磁気的
な特性に関する正確な情報を有し、特に前記磁界の全て
の値における鉄の透磁率の正確な情報を含むコンピュー
タ・プログラムを用い、 前記外側磁鉄体が磁束の均一な分布を強化しかつ前記外
側磁鉄体における磁鉄の飽和より実質的に大きな磁界強
さで前記磁界の強さを増加させるように、前記コイルを
含む前記内側体部および該コイルおよび磁界に密接する
端部組立体を含む前記外側磁鉄体を位置決めする ステップを含むことを特徴とする方法。 - 【請求項４】少なくとも２つの超伝導コイルを含む内側
体部と、該内側体部および磁鉄が飽和される強さよりも
大きな強さを持つ磁界において特に使用される関連する
磁界の周囲の外側磁鉄体とを有する単一の超伝導電磁石
構造を製作する方法において、 前記単一超伝導電磁石構造における所要の磁界の拡が
り、形状および強さを最初に確定し、該磁界を利用する
物体を収受するため前記磁界に対する接近のための手段
を提供し、 前記外側磁鉄体が磁束の均一な分布を強化しかつ前記外
側磁鉄体における磁鉄の飽和より実質的に大きな磁界強
さで前記磁界の強さを増加させるように、前記コイルを
含む前記内側体部および前記外側磁鉄体を相互に、かつ
前記磁界に対して位置決めし、 更に、前記コイルおよび磁鉄体構造の相互に関する位置
を前記磁界の所要の形状および最大強さを達成するよう
正確な公差内で調整するステップを含み、該磁気コイル
が異なる予め定めた電流で使用される少なくとも２つの
コイルを含み、各コイルが、1ppm（百万分の１）より大
きな磁界の均一性を得るように、予め定めた量だけ張力
を与えられる間芯部の周囲に巻付けることにより形成さ
れることを特徴とする方法。 - 【請求項５】少なくとも２つの超伝導コイルを含む内側
体部と、該内側体部および磁鉄が飽和される強さよりも
大きな強さを持つ磁界において特に使用される関連する
磁界の周囲の外側磁鉄体とを有する単一の超伝導電磁石
構造を製作する方法において、 前記単一超伝導電磁石構造における所要の磁界の拡が
り、形状および強さを最初に確定し、該磁界を利用する
物体を収受するため前記磁界に対する接近のための手段
を提供し、前記外側磁鉄体が磁束の均一な分布を強化し
かつ前記外側磁鉄体における磁鉄より実質的に大きな磁
界強さで前記磁界の強さを増加させるように、前記コイ
ルを含む前記内側体部および前記外側磁鉄構造を相互
に、かつ前記磁界に対して位置決めし、 前記コイルおよび磁鉄構造を特に含む電磁石の構成要素
に対する正確な位置決めを達成するための、適当な電磁
方程式、適当な技術的手法および前記コイルおよび磁鉄
構造において使用される材料を特に含む電磁石に使用さ
れる材料の機械的、熱的、電気的および磁気的特性に関
する正確な情報を含むコンピュータ・プログラムを用い
るステップを含み、該コンピュータ・プログラムから得
られた結果が技術設計を提供するため使用され、 初期のコンピュータ・プログラムから得られる結果およ
び計算に基く設計に従って超伝導電磁石を製作し、 更に、前記コイルおよび磁鉄体構造の相互に関する位置
を前記磁界の所要の形状および増大した強さを達成する
よう正確な公差内で調整するステップを含み、該磁気コ
イルが異なる予め定めた電流で使用される少なくとも２
つのコイルを含み、各コイルが、約1ppmより大きな磁界
の均一性を得るように、予め定めた量だけ張力を与えら
れる間芯部の周囲に巻付けることにより形成されること
を特徴とする方法。 - 【請求項６】少なくとも約1ppmの磁界の均一性を有し、
該磁界の周囲に延長して磁気フリンジ磁界を含む閉鎖さ
れた磁束経路を提供して磁界の強さを増大させ、該電磁
石が磁鉄が飽和される1.5テスラを越える強さを有する
磁界において使用される外側磁鉄体を有し更に異なる予
め定めた電流で使用される磁界周囲に少なくとも２つの
コイルを含む単一超伝導電磁石を製作する方法におい
て、 前記単一超伝導電磁石構造における所要の磁界の拡が
り、形状および強さを最初に確定し、該磁界を利用する
物体を収受するため前記磁界に対する接近のための手段
を提供し、 前記外側磁鉄体が前記磁界の強さおよび形状に対する最
大の効果を得て該磁界の強さの増加を結果としてもたら
すように、前記コイルおよび前記外側磁鉄体を相互に、
かつ前記磁界に対して位置決めし、 前記コイルおよび磁鉄体を特に含む電磁石の構成要素に
対する正確な位置決めを達成するための、適当な電磁方
程式、適当な技術的手法および前記コイルおよび磁鉄体
において特に使用される材料を含む電磁石に使用される
材料の機械的、熱的、電気的および磁気的特性に関する
正確な情報を含むコンピュータ・プログラムを用いるス
テップを含み、該コンピュータ・プログラムから得られ
た結果が技術設計を提供するため使用され、 初期のコンピュータ・プログラムから得られる結果およ
び計算に基く設計に従って単一超伝導電磁石を製作し、 更に、前記コイルおよび磁鉄体の相互に関する位置を前
記磁界の所要の形状および増大した強さを達成するよう
正確な公差内で調整するステップを含み、該磁気コイル
が異なる予め定めた電流で使用される少なくとも２つの
コイルを含み、各コイルが、約1ppmより大きな磁界の均
一性を得るように、予め定めた量だけ張力を与えられる
間芯部の周囲に巻付けることにより形成されることを特
徴とする方法。 - 【請求項７】特に鉄の磁気飽和よりも大きな磁界強さで
使用される単一の超伝導電磁石構造において、 前記磁界と略々合致する寸法を有する内側体部と、 前記磁界の周囲にあるパターンで配置されかつ前記内側
体部に対し略々対称的に配置される第１のコイルと、 前記第１のコイルに隣接して配置され、かつ前記磁界の
周囲で前記内側体部に対して略々対称的に置かれた第２
のコイルとを設け、該コイルは異なる予め定めた電流で
使用されるためのものであり、 前記内側体部および前記磁界の周囲にあって、前記磁界
の所要の形状および強さを提供する助けをし、前記磁鉄
体が、前記磁界を含みかつ再びそれを指向して該磁界の
強さを前記外側磁鉄体の磁鉄の飽和を実質的に越える磁
界強さに増大させるための、閉鎖された磁束経路を提供
する ことを特徴とする単一超伝導電磁石構造。 - 【請求項８】特に鉄の磁気飽和よりも大きな磁界強さで
使用される単一の超伝導電磁石構造において、 前記磁界と略々合致する寸法を持ち、前記磁界の周囲に
あるパターンで配置されかつ内側体部に対し略々対称的
に配置された複数のコイルを含む内側体部を設け、該コ
イルは超伝導ワイヤから形成されかつ異なる予め定めた
電流で使用され、 前記内側体部および前記磁界の周囲に延長して、該磁界
の所要の形状および強さを生じる助けをする外側磁鉄体
を設け、該外側磁鉄体は、前記磁界を包含して再び指向
させて外側磁鉄体における磁鉄の飽和を実質的に越える
磁界強さで該磁界の強さを増大させるための、閉鎖され
た磁束経路を提供し、 前記コイルおよび前記磁界に対する前記外側磁鉄体の相
対的な位置決めが、少なくとも約1ppmの磁界の均一性を
生じるように精度の公差内で調整できるように、前記内
側体部および前記外側磁鉄体を相互に運動するように取
付ける手段を設けてなる ことを特徴とする単一超伝導電磁石構造。 - 【請求項９】前記内側体部および外側磁鉄体を相互に運
動させる前記手段が、前記内側体部と前記外側磁鉄体間
に置かれた固定ねじを用いる調整可能なブロックを含む
ことを特徴とする請求項８記載の単一超伝導電磁石構
造。 - 【請求項１０】少なくとも約1ppmの磁界の均一性を有
し、特に磁鉄が飽和される1.5テラスの強さを有する磁
界で使用される超伝導電磁石構造において、 前記磁界と略々合致する寸法を持ち、前記磁界の周囲に
あるパターンで配置されかつ異なる予めめ定た電流で使
用される複数のコイルを含む体部と、 前記内側体部および前記磁界の周囲にあって、該磁界の
所要の形状および強さを生じる助けをする外側磁鉄体を
設け、該外側磁鉄体は前記磁界を包含して、少なくとも
約10％だけ該磁界の強さを増大させる閉鎖された磁束経
路を提供し、 約１ミル（0.001インチ）の公差内で前記外側磁鉄体に
対して調整することにより、少なくとも約1ppmの磁界の
均一性を生じるように前記内側体部を取付ける手段を設
けてなる、 ことを特徴とする超伝導電磁石構造。 - 【請求項１１】少なくとも約1ppmの均一性を有する磁界
を提供し、特に磁鉄の磁気飽和より大きな磁界強さで使
用される装置において、 中心内孔および対向する端部を画成する略々長形の円筒
状の内側体部を有する単一の超伝導電磁石構造と、 前記中心内孔の周囲の前記内側体部内部に置かれた複数
の電気コイルと、 前記コイルに対し予め定めた電流を供給する手段とを設
け、該コイルは超伝導温度で作動し得、 前記長形の内側体部の周囲で端部間に延長する外側磁鉄
体を設け、該外側磁鉄体は、前記長形の内側体部の周囲
に間隔をおいて設けられ、前記端部間に延長して閉鎖さ
れた磁束経路を提供しかつ前記電磁石の端部間で磁界を
形成する複数の部分を含み、 前記外側磁鉄体に対するベース支持部と、 前記内側体部と該内側体部を取付ける前記外側磁鉄体間
で該外側磁鉄体に対する軸方向および半径方向の調整に
より前記コイルに対して前記外側磁鉄体をある精度の公
差内に位置決めする手段とを設けてなる、 ことを特徴とする装置。 - 【請求項１２】特に磁鉄の磁気飽和より大きな磁界強さ
で使用される少なくとも約1ppmの均一性を有する磁界を
提供する装置において、 中心内孔および対向する端部を画成する略々長形の円筒
状内側体部を有する単一の超伝導電磁石構造と、 中心内孔の周囲の前記内側体部内部に置かれた複数の電
気コイルと、 前記コイルに対し予め定めた電流を供給する手段とを設
け、該コイルは超伝導温度で作動し得、 前記長形の内側体部の周囲で端部間に延長する外側磁鉄
体を設け、該外側磁鉄体は、前記長形の内側体部の周囲
に間隔をおいて設けられ、前記端部間に延長して閉鎖さ
れた磁束経路を提供しかつ前記電磁石の端部間で磁界の
形成を助ける複数の部分を含み、 前記外側磁鉄体に対するベース支持部と、 前記内側体部と該内側体部を取付ける前記外側磁鉄体間
で該外側磁鉄体に対する軸方向および半径方向の調整に
より前記コイルに対して前記外側磁鉄体をある精度の公
差内に位置決めする手段と、 前記電磁石構造により生成される磁界を測定するための
予め定めたパラメータに対する計測手段と、 前記予め定めたパラメータの測定値を受取り、前記磁界
の強さおよび均一性を計算し、これにより前記コイルお
よび前記磁界に対する前記外側磁鉄体の位置決めが、該
磁界の最大の均一性を得るための前記計算に応答して変
更できるマイクロコンピュータとを設けてなる、 ことを特徴とする装置。 - 【請求項１３】前記内側体部が、少なくとも約10％の磁
界強さの増加を生じるように前記コイルおよび磁界に対
して位置決めされることを特徴とする請求項12記載の装
置。 - 【請求項１４】前記磁界が少なくとも約４テスラの強さ
を有することを特徴とする請求項12記載の装置。 - 【請求項１５】前記マイクロコンピュータが、特に前記
コイルおよび外側磁鉄体において使用された材料を含む
電磁石構造において使用された材料の機械的、熱的、電
気的および磁気的特性に関する正確な情報を含むコンピ
ュータ・プログラムを使用することを特徴とする請求項
12記載の装置。 - 【請求項１６】前記内側体部と外側磁鉄体間の前記取付
け手段が、相互に120゜で周方向に間隔をおいた位置に
置かれた前記電磁石構造の各端部に隣接する３つの調整
手段を含み、前記電磁石構造の一端部に隣接する該位置
が、前記電磁石構造の他端部に隣接する位置と軸方向に
整合され、 前記調整手段の各々が、約１ミルの測定公差内で前記内
側体部と前記外側磁鉄体間の軸方向および横断方向の間
隙を変更するための調整ねじを含むことを特徴とする請
求項12記載の装置。 - 【請求項１７】特に磁鉄の磁気飽和より大きな磁界強さ
で使用される少なくとも約1ppmの均一性を有する磁界を
提供する装置において、 対向する端部および中心内孔を有する長形の円筒状内側
体部を画成する略々円環体形状の単一の超伝導電磁石構
造と、 異なる予め定めた電流を使用するため円形経路の周囲で
前記内側体部内部に置かれた少なくとも２つの電気コイ
ルと、 対向端部間で前記長形の内側体部の周囲に延長しかつこ
れに対して固定された外側磁鉄体を設け、該外側磁鉄体
は、前記長形の内側体部の周囲に間隔をおいて設けら
れ、前記対向端部間に延長して閉鎖された磁束経路を提
供し、かつ前記磁界の強さを増大するため均一に前記体
部の端部間で磁界を形成する複数の長手方向に延長する
部分を含み、 前記内側体部の端部に沿って長手方向に延長する前記部
分から半径方向内方に延長しかつ前記内側体部の端部お
よびその内側のコイルに密接して配置された複数の連続
するセグメントを含む前記内側体部の各端部における環
状の端板構造と、 各端板構造の前記セグメントを相互に電気的に絶縁する
ことにより前記端板構造における渦電流を分断して減少
させる手段を設けてなる、 ことを特徴とする装置。 - 【請求項１８】特に磁鉄の磁気飽和より大きな磁界強さ
で使用される少なくとも約1ppmの均一性を有する磁界を
提供する装置において、 対向する端部および貫通する中心内孔を有する長形の円
筒状内側体部を画成する単一の超伝導電磁石構造と、 異なる予め定めた電流を使用するため円形経路の周囲で
前記内側体部内部に置かれた少なくとも２つの電気コイ
ルと、 前記対向端部間で前記長形の内側体部対して固定された
外側磁鉄体とを設け、該外側磁鉄体は、前記長形の内側
体部の周囲に間隔をおいて設けられ、前記対向端部間に
延長して閉鎖された磁束経路を提供し、かつ前記磁界の
強さを増大するため均一に前記体部の端部間で磁界を整
形する複数の長手方向に延長する部分を含み、 前記長手方向に延長する前記部分から半径方向内方に延
長して連続的な円形経路を形成する複数の連続するセグ
メントを含む前記外側磁鉄体の各端部における環状の端
板構造と、 各端板構造の前記セグメントを相互に電気的に絶縁する
ことにより前記端板構造における渦電流を分断して減少
させる手段と、 前記内側体部と該内側体部を支持する前記外側磁鉄体間
で、該内側体部の各端部に隣接する３つの周方向に隔て
られた位置において前記外側磁鉄体に対し軸方向および
半径方向に調整するための手段とを設け、前記内側体部
の一端部における前記取付け手段が該内側体部の他端部
に隣接する前記取付け手段と軸方向に整合され、前記取
付け手段の各々は、測定された精度の公差内で前記内側
体部と前記外側磁鉄体間の軸方向および横断方向の間隙
を変更するための調整ねじを含み、 前記電磁石を冷却するための極低温液体を含む装置と、 前記電磁石構造により生成された磁界を測定するための
予め定めたパラメータに対する計装手段と、 前記予め定めたパラメータの測定値を受取り、前記磁界
の強さおよび均一性を計算し、これにより前記外側磁鉄
体に対する前記内側体部の位置決めを前記磁界の最大均
一性を得るための前記計算に応答して変更することがで
きるマイクロコンピュータとを設けてなる、 ことを特徴とする装置。 - 【請求項１９】前記外側磁鉄体が、前記内側体部に対し
て正確に位置決めされた後、少なくとも約10％の磁界強
さの増加を生じることを特徴とする請求項18記載の装
置。 - 【請求項２０】特に鉄の磁気飽和より大きな磁界強さに
おいて使用される、少なくとも約1pphmの磁界均一性を
有する単一超伝導電磁石構造において、 前記磁界に略々合致する寸法を有する内側体部と、 前記磁界の周囲であるパターンで配置され、かつ前記内
側体部に対して略々対称的に置かれた第１のコイルと、 前記第１のコイルに隣接して配置され、かつ前記磁界周
囲の前記内側体部に対して略々対称的に置かれた第２の
コイルとを設け、該コイルは、約１ミルの公差内で予め
定めた緊張量で芯部の周囲に巻付けられる超伝導ワイヤ
から形成されかつ異なる予め定めた電流で使用され、 前記内側体部および前記磁界の周囲に延長して、前記磁
界の所要の形状および強さを生じることを助ける外側磁
鉄体を設け、前記磁鉄構造体は前記磁界の強さを増大す
るため該磁界を包含して再び指向させる閉鎖された磁束
経路を提供し、 前記超伝導ワイヤを前記コイル内でその臨界温度以下に
冷却することにより該ワイヤを超伝導状態にさせる手段
と、 前記外側磁鉄体の前記コイルおよび磁界に体する相対的
な位置決めが、約１ミルの精度の公差内で調整でき、こ
れにより少なくとも1ppmの磁界均一性を生じるように、
前記コイルと前記外側磁鉄体を相互に取付ける手段とを
設け、 前記超伝導電磁石構造は、 所要の磁界の拡がり、形状および強さを最初に確立し、 前記外側磁鉄体の位置決めが前記磁界の強さおよび形状
に対する最大効果を得るように、前記コイルおよび外側
磁鉄体の相互および磁界に対して位置決めし、 特に前記コイルよび外側磁鉄体を含む電磁石構造の構成
要素に対する精度の高い位置決めを達成するための適当
な電磁方程式、適当な技術的手法、および特に前記コイ
ルおよび外側磁鉄体に使用される材料を含む電磁石構造
で使用される材料の機械的、熱的、電気的および磁気的
特性に関する正確な情報を含むコンピュータ・プログラ
ムを使用するステップを含み、該コンピュータ・プログ
ラムから得られる結果および計算が技術設計を提供する
ため用いられ、 前記技術設計にに基いて超伝導電磁石構造を製作し、 1ppmより大きな磁界の均一性を持つ磁界の所要の形状お
よび最大強さを得るため、約１ミルの公差内で前記コイ
ルおよび外側磁鉄体の相互に対する位置を調整するステ
ップを含み、各コイルが、全ての方向において約１ミル
の精度内で予め定めた量の緊張を与えられ芯部上に置か
れる間芯部の周囲に巻付けることにより形成され、これ
により1ppmより大きな磁界の均一性を得ることを含むス
テップにより設計されかつ構成されることを特徴とする
単一超伝導電磁石構造。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/085,546 US4822772A (en) | 1987-08-14 | 1987-08-14 | Electromagnet and method of forming same |
| US85,546 | 1987-08-14 |
Publications (2)
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|---|---|
| JPH03501076A JPH03501076A (ja) | 1991-03-07 |
| JP2643402B2 true JP2643402B2 (ja) | 1997-08-20 |
Family
ID=22192331
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63508071A Expired - Lifetime JP2643402B2 (ja) | 1987-08-14 | 1988-07-27 | 電磁石およびその製造方法 |
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|---|---|
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| EP (1) | EP0374189A4 (ja) |
| JP (1) | JP2643402B2 (ja) |
| KR (1) | KR920008203B1 (ja) |
| AU (1) | AU2531988A (ja) |
| CA (1) | CA1317630C (ja) |
| IL (1) | IL87407A (ja) |
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| PH (1) | PH24819A (ja) |
| WO (1) | WO1989001696A1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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