JP2893041B2

JP2893041B2 - 超伝導界磁コイルを備えた電磁石系

Info

Publication number: JP2893041B2
Application number: JP2506229A
Authority: JP
Inventors: カステン・アルネ; ミューレル・ウオルフガング・ハンス―ゲオルク
Original assignee: BURUUKERU ANARITEIKU GmbH
Current assignee: BURUUKERU ANARITEIKU GmbH
Priority date: 1989-04-29
Filing date: 1990-04-25
Publication date: 1999-05-17
Anticipated expiration: 2014-05-17
Also published as: JPH04504756A; WO1990013824A1; EP0470095A1; EP0470095B1; DE3914243A1; US5276399A; DE3914243C2

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、試験空間中に強い磁場強度とNMR断層撮
影やNMR分光の研究に充分な均一性とを有するNMR研究に
適した一定磁場を発生する超伝導界磁コイルおよび請求
の範囲第１項の前段に規定する他の構成を備えた電磁石
系に関する。

この種の電磁石系は均一領域の磁場方向で定まる長手
軸に対して同軸に配設された平均直径の異なる二つのコ
イル系を有し、両方のコイル系を回転対称に形成し、長
手軸に垂直な系の中心横断面に対して対称に配設して、
電流で励磁し、これ等の電流で生じた磁場が電磁石系の
外部空間で二つのコイル系の双極磁場を少なくとも近似
的に大幅に相殺するが、この電磁石系は周知である（例
えば欧州特許第0 138 270号明細書、欧州特許第0 144 1
71号明細書、ドイツ特許第38 29175号明細書および英国
特許第2 206 242号明細書）。

欧州特許第0 144 171号明細書により周知の電磁石系
では、電磁石系の外部空間で双極磁場を大幅に相殺する
界磁コイルが固定結線で直列に接続されている。ドイツ
特許第38 29175号明細書により周知の電磁石系では、逆
向きの二つの磁気モーメントを発生させる界磁コイルの
直列回路の代わりに、並列回路も開示している。事実、
これ等の周知の系は強度の異なる電流で運転され、そこ
には外部空間のシールド作用をそれほど害することはな
いが、外部界磁コイルで生じる磁場が内部界磁コイルで
生じる磁場とは必ず反対に向くため利用できる強度が内
部界磁コイルで生じる磁場の絶対強度より小いさい或る
値に制限される。

これとは異なり、欧州特許第138 270号明細書と英国
特許第2 206 242号明細書により周知の冒頭に述べた種
類の周知の電磁石系は、二つの超伝導界磁コイルに強度
の異なる電流を流し、両方の界磁コイルの少なくとも一
方へ通電を誘導的に行い、両方の界磁コイルはそれ自体
固有な閉じた電流回路を形成する。シールド（外部）界
磁コイルにどんな値の電流強度まで流すかに応じて、外
部シールド界磁コイルに（内部界磁コイルに所定の通電
がされいる時に）運転電流強度の最大値まで通電すると
生じる最小値と、外部シールド界磁コイルに通電しない
と生じる最大値との間で実験の場合に利用可能な磁場強
度を可変できる。

それ故、外部空間の外部界磁コイルにより有効にシー
ルドできる周知の電磁石系を用いて実験空間内で利用で
きる磁場強度は、多くの研究目的に対して小さすぎるた
め、これ等の周知の電磁石系は先ずできる限り広い試験
空間で良好な磁場均一性が重要となるが、高磁場強度が
決定的に大切ではない断層撮影試験にどうにか適してい
る。これに反して、例えば適度な強度の場合できる限り
広い試験空間で良好な磁場均一性はそれほど重要でない
が、比較的狭い試験空間で磁場均一性が良好である場
合、できる限り強い磁場強度が重要となるNMR分光実験
の研究には、これ等の周知の電磁石系は適当でない。

それ故、この発明の課題は、簡単な構造で、NMR断層
撮影や分光の目的にも、即ち、例えば自然科学の分析研
究にも同じように適している冒頭に述べた種類の電磁石
系を改良することにある。

上記の課題は、この発明により、電磁石系が双極磁場
の（大幅な）補償をこの外部空間で行う運転モードの代
わりに、少なくとも両方のコイル系によりその中心に発
生する磁場を同じ向きにする運転モードにも切り換える
運転モードの選択切換装置を設けることによって解決さ
れている。

この発明による電磁石系には、利用者から見て、二つ
の異なった利用可能性、つまり強度が比較的低いが均一
磁場空間の広いシールド運転か、比較的狭い試験空間で
良好な均一性でも著しく高い強度を利用できる高磁場運
転を自由に選択できると言う利点かがある。この限りで
は、この発明による電磁石系は先ず研究目的に特に適
し、ここでは、診断医療分野、例えば全身断層撮影より
も実験的な境界条件により広い可変範囲が必ず要求され
る。この診断医療分野にはシールド運転に設定して、こ
の発明による電磁石系も良く適している。

製造メーカー側では、注目される利点として同一の電
磁石系を異なる利用目的に提供できるため、製造の著し
い合理化や最小の在庫期間を短くしたにもかかわらず供
給能力も改善できる。

電磁石系の外部界磁コイルで発生する磁場の強度の値
に対する電磁石系の内部界磁コイルで発生する強度の値
の比が3/1の値となると、電磁石系の高磁場運転では、
電磁石系のシールド運転の２倍の値の磁場となる。

電磁石系の二つの界磁コイルを請求の範囲第２項の構
成で設計すると、これ等の界磁コイルはそれぞれより良
好な均一度の磁場を発生し、両方の界磁コイルに同じま
たは異なった強度の電流が流れるか否かに無関係に、両
方磁場の重畳から再び磁場を生じ、この磁場の均一性は
両方の界磁コイルの均一性の少なくとも「より少ない」
値に一致している。

請求の範囲第３項と第４項の構成により、この発明に
よる電磁石系の外部および内部の界磁コイルの特に有利
な実施態様が提示されていて、これは請求項２の設計に
相当する。

超伝導電流を立ち上げる（通電する）前に、電磁石系
を望む運転モード（シールド運転または高磁場運転）に
設定する運転モードの選択切換装置は、簡単で機械的な
多極開閉器として実現できるが、この場合、コイル系を
通電装置に永続的に接続する必要がある。

この難点は、運転モードの選択切換装置である請求の
範囲第６項による超伝導回路網で簡単に回避できる。こ
のような回路網により、例えば巻線の断線により電磁石
系の一方の界磁コイルが故障した場合、他方の界磁コイ
ルを再び通電し均一領域の制限された磁場の発生にも利
用できる。

この発明による電磁石系の可能な二つの運転モードで
巻線に異なった力が作用し、これ等の力がそれに応じて
異なった、僅かではあれ、界磁コイルとその巻線を担持
するコイル巻枠に変形を与えるため、磁場の均一性にも
異なった影響を与えるので、電磁石系に装備し易いシム
（Shim）システムを備え、このシムシステムで界磁コイ
ルの分割巻線の僅かな動きにより生じる磁場の不均一性
を再度補償できるなら有利である。

高磁場運転に対しても外部へ電磁石系を最低にシール
ドするため、および、例えば両方の界磁コイルの一方の
みを運転に利用する場合、更に鉄シールド体も使用でき
る。両方の運転モードの何れに対しても、電磁石系を計
算する場合、このような鉄シールドの強度や均一性に対
する影響を考慮する（H.Brechna.“Super Conducting M
agnet Systems,Technische Physik in Einzeldarstellu
ngen,Band 18,Springer−Verlag Berlin,Heidelberg,Ne
w York,L.F.Bergmann Verlag,Munchen,1973）。

周知の方法のように、前板とこれ等の前板に互いに連
結する梁状のシールド部材とから成るそのような鉄シー
ルドが電磁石系を含むクライオスタットを直接取り囲む
ように配設されていると、空間の節約のためや構造上の
理由から、特に有利である。

鉄シールドは電磁石系の内部の磁場の変化にも影響を
与えるので、この鉄シールドが電磁石の内部でできる限
り良好な磁場均一性を保つと言う観点から、電磁石系の
可能な種々の運転モードに合わせることができれば、特
に有利である。これには請求の範囲第８項の構成により
有利で簡単な可能性が提示されている。

この発明の電磁石系は、団体組織やレンタルのシステ
ムとして診療所から診療所または研究施設へ移動し、そ
こで必要な運転モードに設定した後、磁場を加え（電流
を流す）ことのできる移動システムに特に適する。

電磁石系のこの種の構成では電磁石系の輸送容器ある
いは電磁石系を組み込む車両の一部が鉄シールドの機能
部材として形成されていると有利である。

この発明の詳細と構成は、図面に基づき、一つの特別
な実施例の以下の説明から分かる。ここに示すのは、第１図、中心長手軸を含む半径面に沿った二つの界磁
コイルから成るこの発明の超伝導電磁石系の断面、第２図、運転モードの選択切換装置である超伝導回路
網を備えた第１図の電磁石系の単純化した模式回路図、第３図、第２図に相当する図にした機械的な運転モー
ドの選択切換装置を備えた第１図の電磁石系、第４図、第１図の電磁石系により高磁場運転モードで
発生する磁場の磁力線（Ａ×Ｒ）の変化、第５図、高磁場運転での第１図の電磁石系の外部空間
の等強度の磁力線の変化、第６図、第１図の電磁石系により外部空間にシールド
運転で生じる磁場の等強度の磁力線の変化、第７図、第１図の電磁石系のシールド運転での磁力線
（Ａ×Ｒ）の変化、および、第8a,8b図、高磁場運転モード（第8a図）またはシー
ルド運転モード（第8b図）に対する第１図の電磁石系の
中心の磁場の均一領域の説明するため、および、第9a,9b図、第１図の電磁石系に関連し、種々の運転モ
ードで、ただ一つの界磁コイルに電流を流した場合に利
用でき、この運転モードに合わせた鉄シールドの基本構
造、端面から見た図面（第9a図）と模式図に単純化した
斜視図（第9b図），である。

第１図に詳しく示す全体に符号10を付けたこの発明の
電磁石系は、内部界磁コイル11と外部界磁コイル12から
成る超伝導電磁石系で、この系は両方の界磁コイル11と
12の超伝導に必要な低温を長時間維持できる単に模式的
に示すクライオスタット13の中に配置されている。

これに必要なクライオスタット13の構成は、超伝導コ
イル11と12を納め、液体ヘリウムを満たした容器と、こ
の容器を全面に取り囲む液体窒素を満たした容器と、こ
の容器とクライオスタットの外壁の間に配設された真空
室と輻射シールドを備え、それ自体周知であると見なせ
るので、詳しくは図示しない。

界磁コイル11と12およびクライオスタット13は共通な
中心長手軸14に関して回転対称で、この長手軸に垂直
で、第１図の紙面に垂直な電磁石系10の横断面16に関し
て対称に形成されている。

内部および外部の界磁コイル11,12は、各コイル11,12
に対して特徴的な比較的広い中央の空間領域17,18の内
部に電磁石系10の中心軸14に平行な高強度の非常に均一
な磁場を発生し、この磁場がNMR分光やNMR断層撮影の研
究に適するように設計されている。

界磁コイル11,12により中心19に生じる各磁場Ｂ_i,B_a
の強度Ｂ_0i,aから磁場強度のずれΔＢ（r,z）_i,aの比Δ
Ｂ（r,z）_i/B_0iまたはΔＢ（r,z）_a/B_0aの値が大きくて
も例えば10ppmの所定値に相当する均一領域17,18の軸方
向および半径方向の拡がりは、種々の形状の界磁コイル
11,12で一般に異なった大きさになる（ここで、ｉ＝
「内部」,a＝「外部」を意味する）。しかし、ここに示
す特別な実施例では、内部および外部の界磁コイル11,1
2の均一領域17,18はそれぞれほぼ等しい大きさである。
何故なら、外部界磁コイル12の大きい直径が小さい相対
均一性とほぼ埋め合わせるからである。

第１図に示す巻線11,12の構造では、内部界磁コイル1
1が12次、即ちルジャンドル多項式で展開した磁場B_iの
勾配が11次まで消えているコイルであり、外部界磁コイ
ル12が８次、即ち磁場B_aの勾配が７次まで消えているコ
イルである。この構造では、両方の界磁コイル11,12に
対して（共通の）回転軸が電磁石系の長手軸14であるほ
ぼ回転楕円体の形状を有する均一領域17と18の図示する
値の関係が定性的に生じる。

以上説明した両方の界磁コイル11,12の配置では、内
部界磁コイル11の均一領域17が外部界磁コイル12の均一
領域18にほぼ等しい。

電磁石系の通常の運転、つまり乱れのない運転では両
方の界磁コイル11,12を直列に接続するので、同じ電流
Ｉが流れる。

内部界磁コイル11により電磁石系10の中心19に発生す
る軸方向の磁場強度B_0iが、外部界磁コイル12により電
磁石系10の中心19に発生する軸方向の磁場強度B_0aより
値に関して３倍大きいように、両方の界磁コイルを互い
に特別な関係で設計する。その外、両方の界磁コイル1
1,12により電磁石系10の外部空間に発生する磁場の各々
の強度が値に関してほぼ等しく、磁場の変化が非常に良
い近似で磁気双極子の変化にそれぞれ等しいように、両
方の界磁コイル11,12は超伝導巻線の幾何学配置に関し
て構成されている。即ち、電磁石系10の中心19からの最
小距離Ｒ以上で電磁石系10の中心19からの距離Ｒに依存
し、距離Ｒの増加と共に急激に減少する（無視できるほ
ど）小さい値ΔＢ（Ｒ）だけ値に関して互いに異なって
いるにすぎない。

これにより、電磁石系10の二つの運転モードが可能
で、一方を「シールド運転」と、また他方を「高磁場運
転」と称する。

シールド運転では、内部界磁コイル11と外部界磁コイ
ル12により生じる磁場が互いに逆に向くように両方の界
磁コイル11,12に通電する。従って、電磁石系の外部空
間では界磁コイル11,12により生じる双極子磁場が効果
的に相殺され、その結果、電磁石系10全体により生じる
磁場が外部に対してシールドされる。電磁石系10のこの
シールド運転では、両方の界磁コイル11,12により生じ
る各磁場を互いに重ね合わせて中心19に生じる磁場の強
度の値は内部および外部の界磁コイル12により生じるそ
れぞれの磁場の強度の差|B_0i|−|B_0a|に相当し、説明す
るために選んだ特別なこの実施例の場合、内部界磁コイ
ル11だけで中心19に生じる磁場の強度の2/3に相当する
強度は、シールド運転で生じる均一領域21を著し拡大す
る。それ故、シールド運転は電磁石系10を断層撮影のた
めに使用する場合、特に好ましい。高磁場運転では、両
方の界磁コイル11,12により生じる個々の磁場は同じ方
向を向く、つまり「加算的に」重畳するように界磁コイ
ル11,12に通電される。この運転モードで電磁石系10の
中心19に生じる磁場強度の値は、ここでは、界磁コイル
11と12により生じる磁場強度の個々の値の和|B_0i|＋|B
_0a|に相当するので、シールド運転の二倍になる。しか
し、シールド運転と比べて、高磁場運転で利用できる均
一領域25の減少を甘受しなければならない。従って、電
磁石系10の高磁場運転はこの系をNMR分光の目的に使用
する場合に特に適している。

電磁石系10を（交互に）二つの運転モードで運転する
には、第２図に示す全体に符号22を付けた運転モードの
選択切換装置が設けてある。この装置により両方の界磁
コイル11,12に各運転モードに必要な超伝導電流の向き
に簡単に通電できる。

第２図には、図面を簡単にするため、共通の中心長手
軸14に対して同軸に配設されている両方の界磁コイル1
1,12は横に並べて示してある。

運転モードの選択切換装置22は、図示する特別な実施
例の場合、電流の供給が外部界磁コイル12を介して、ま
た電流の戻しが外部界磁コイル12に直列に接続された内
部界磁コイル11を介して行われ、内部界磁コイルの戻り
接続端子23がコイル11,12に通電した後に除去できる導
体要素27を介して電源装置26の対応する接続端子24に導
電接続するように構成されている。

内部界磁コイル11の通電導入接続端子28は、各一つの
超伝導通電通路29,31を経由して外部界磁コイル12の供
給接続端子32,33にそれぞれ接続している。これ等の接
続端子を介して（交互に）電磁石系10に通電する運転モ
ードに応じて、給電装置34から給電出力端36に出力され
る電流を電磁石系10に給電する。電磁石系の運転モード
（高磁場運転またはシールド運転）の「選択」は選択ス
イッチ37で行われる。このスイッチは（遮断の）中央位
置から、給電装置34の給電出力端36が第２図の外部界磁
コイル12の一方の下部の供給接続端子32に導電接続する
機能位置Ｉに切換わるか、あるいは第２図の図面の外部
界磁コイル12の他方の上部の供給接続端子33が給電装置
34の給電出力端36に接続する機能位置IIに切換わる。

界磁コイル12の供給接続端子32,33はそれぞれ超伝導
の運転電流通路38,39を経由して内部界磁コイル11の戻
り接続端子23に接続でき、電磁石系10の定常運転状態で
は接続されている。

通電通路29,31および運転電流通路38,39は電気駆動可
能な加熱要素41でその長さ部分を加熱できるので、超伝
導状態から抵抗性の導電状態に移行できる。従って、こ
れ等の通路は電気スイッチとして駆動でき、各加熱要素
を投入すると遮断状態になり、加熱エネルギを遮断する
と再び超伝導状態になる。

通電通路29,31および運転電流通路38,39は加熱要素41
と共に超伝導スイッチ回路網を形成し、この回路網の可
能な切換状態が電子制御装置42により、模式的に示すよ
うに、必要に応じて駆動される。

シールド運転のため電磁石系10への通電は運転モード
の選択切換装置22により、例えば以下のように制御され
る。

超伝導回路網29,31,38,39,41を含めた電磁石系10が超
伝導状態になると、外部界磁コイル12の供給接続端子33
を内部界磁コイル11の通電導入接続端子28に接続する通
電通路31,外部界磁コイル12の上記供給接続端子33を内
部界磁コイル11の戻り接続端子23に接続する運転電流通
路39および外部界磁コイル12の他の供給接続端子32を内
部界磁コイル11の戻り接続端子23に接続する運転電流通
路38は、これ等の通路に付属する加熱要素41により加熱
されるので、超伝導電流の通過を阻止する。外部界磁コ
イル12の供給接続端子32を内部界磁コイル11の通電導入
接続端子28に接続する通電通路29のみが最初に超伝導状
態に保っている。

給電装置34から選択スイッチ37を経由して電磁石系10
に入力する電流は、通電期間中に順次目標値まで上昇す
るが、通電期間中に内部界磁コイル11の戻り接続端子を
介して給電装置34に戻る。両方の界磁コイル11,12は、
（共通の）中心長手軸14に沿って見ると、巻き向きが同
じであるが、選択スイッチ37の機能位置IIと通電通路29
を利用して生じる電流導入では逆向きに電流が流れるの
で、矢印43と44で示す両コイルにより生ずる磁場B_iとB_a
は互いに逆向きになる。

電流が目標値に達すると、運転電流通路39の加熱が終
るので、この通路は超伝導状態になり、内部界磁コイル
11の戻り接続端子23を外部界磁コイル12の供給接続端子
33に接続する。この接続端子を経由してシールド運転モ
ードのため電磁石系10の通電が行われる。この給電装置
34はこの運転電流通路を経由して橋絡され、電磁石系10
のシールド運転を行う超伝導状態の運転電流回路を閉ざ
す。この状態になると、内部界磁コイル11の戻り接続端
子23を通電時に利用されていない外部界磁コイル12の供
給接続端子32に接続する運転電流通路38の加熱も止め、
上に述べた電流印加モードで、利用される通電通路31の
加熱を止める。その結果、この通電通路も超伝導状態に
なる。こうして、通電運転で選択スイッチ37の固定接点
46を外部界磁コイル12の供給接続端子33に接続し、給電
装置34の戻り接続端子24を内部界磁コイル11の戻り接続
端子23に接続する導体要素27を取り外して、超伝導の電
磁石系10が（抵抗性の）給電部分から外される。

高磁場運転モードに対する電磁石系10への通電は選択
スイッチの機能位置Ｉで行われる。この場合、通電中、
通電通路31は超伝導状態に維持され、この通路は内部界
磁コイル11の通電導入接続端子28を外部界磁コイル12の
供給接続端子33に接続するが、通電部分29と運転電流通
路38,39は通電期間中に加熱されるので、超伝導電流を
遮断する抵抗性の状態に維持される。こうして、電流は
給電装置34の出力端36から機能位置Ｉ中にある選択スイ
ッチ37を経由して外部界磁コイル12の供給接続端子32に
流れ、この界磁コイル12と超伝導状態に維持されている
通電通路31を経由し内部界磁コイル11の通電導入接続端
子28に流れ、この界磁コイル11を経由して給電装置34に
戻る。電磁石系10内を流れる超伝導電流がその目標強度
に達すると、運転電流通路38の加熱を止め、その後、超
伝導状態に達し、今度は給電装置34を橋絡し、超伝導系
の内部で電流通路を閉ざす。その後、運転電流通路39と
通電通路29の加熱も止める。両方の電流通路39,29も超
伝導状態になると、内部界磁コイル11の戻り接続端子23
を給電装置34の戻り接続端子24に接続する導体要素27
と、これに利用する外部界磁コイル12の供給接続端子32
を通電運転時に選択スイッチ37の固定接点47に接続する
導体要素27とを取り外して、電磁石系10を電源側から電
気的に切り離すことができる。

外部界磁コイル12に欠陥があれば、電磁石系10は未だ
機能する内部界磁コイル11のみで更に運転できる。この
コイルは選択スイッチ37の位置IIで超伝導状態に維持さ
れた通電通路31を介して通電され、運転電流通路39を超
伝導状態にして短絡できるので、内部界磁コイル11中で
循環する超伝導電流が得られる。選択スイッチ37の位置
Ｉでも、外部界磁コイル12の上記の故障で内部界磁コイ
ル11は超伝導状態にある通電通路29を経由して通電さ
れ、超伝導状態になった運転電流通路38を介して短絡さ
れる。

他方、内部界磁コイル11に欠陥が生じると、電磁石系
10が外部界磁コイル12のみでも単独運転できる。このコ
イルは選択スイッチ37の位置IIで超伝導状態に維持され
た運転電流通路38を介して通電され、通電期間中に遮断
され、その後超伝導状態に移行した運転電流通路38を介
して短絡できる。この場合、選択スイッチ37の位置Ｉで
も外部界磁コイル12を超伝導状態にある運転電流通路39
を介して通電でき、通電期間中に遮断状態に維持された
運転電流通路38を介してこの通路を超伝導状態に移行さ
せて短絡できる。

上に説明した機能特性を有する超伝導電磁石系は外部
と内部の界磁コイルを互いに逆巻きに巻装しても実現で
きることが分かる。電磁石系のこの種の構成で前提とす
ると、高磁場運転モードに対して先に説明したものと同
じ通電が電磁石系のシールド運転に適した電流の流れを
与えるが、シールド運転モードに対して先に説明したよ
うな通電は高磁場運転モードに適した電流導入を与え
る。

上に説明した特別な機能を有する選択スイッチ37は、
両方の界磁コイル11と12により生じる磁場の極性を問題
としないなら不要である。即ち、これ等の磁場が電磁石
系10のシールド運転で逆向きの極性を有し、高磁場運転
で同じ極性を有することを保証するだけでよい。

第３図に示す電磁石系10は、構造に関して運転モード
の選択切換装置22′の構成でのみ第２図による電磁石系
と相違する。ここでは、この選択切換装置は簡単な電気
駆動できる切換リレーとして、あるいは機械的に動く切
換接点48と49を有する手動操作式の多極接点スイッチと
して形成され、機能の点では給電装置34が電磁石系10の
試験運転ないしは実験運転の期間中でもこの系に接続さ
れている必要がある点で相違する。

スイッチ22′は二つの機能位置ＩとIIの間で切換わ
り、切換接点48,49の実線で示す機能位置IIは電磁石系1
0の高磁場運転モードに対応し、切換接点48,49の破線で
示す機能位置Ｉはシールド運転モードに対応する。

第３図に示す運転モードの選択切換装置22′の構成
は、超伝導電磁石系10にも、また抵抗性の界磁コイル1
1,12を有する電磁石系にも適する。

異なる運転モードＩとIIに関連する外部界磁コイル12
により生じるB_a磁場の方向にそれぞれ符号ＩとIIを付け
る。

コイル系10の特別な構成を説明するため、今度はこれ
に関連する第１図の詳細部を再び参照する。これは、或
る縮尺の縦断面図で、内部と外部の界磁コイル11,12の
構成を再現したものである。

内部界磁コイル11は合計６つの分割巻線61〜66から成
り、それぞれ内部界磁コイル11の軸方向の全長L_iの数分
の一ほど延びていて、参照数字の順に直列に電気接続さ
れている。

分割巻線61〜66は、第１図の断面に見て、長方形の断
面を有する。内部界磁コイル11の分割巻線61〜66はそれ
ぞれ同じ内径d_iを有する。

内部界磁コイル11の二つの外側の巻線61,66は外形d_a1
を有し、この外径は、最内側の分割巻線63,64の外径や
これ等の分割巻線と外側界磁巻線61,66の間に配置され
た（中間の）分割巻線62と65の外径より幾分大きく、中
間の分割巻線62,65と内側の分割巻線63,64は同じ外径d
_a2を有する。

内側の分割巻線63,64の内側端面67は対称平面16から
軸方向に間隔a₁を有し、外側端面68は間隔a₂を有する。

内部界磁コイル11の中間の分割巻線62,65の内側の端
面69は対称平面から軸方向に間隔a₃を有し、外側端面71
は軸方向間隔a₄を有する。

外側の分割巻線61,66の内側端面72は電磁石系10の対
称平面16から軸方向に間隔a₅を有する。内部界磁コイル
11の外側の分割巻線61,62の外側端面73の軸方向の間隔a
₆は界磁コイルの半分の長さL_i/2に相当する。

外部界磁コイル12は全部で４つの分割巻線74〜77から
成り、参照数字74,75,76,77の順に直列に電気接続さ
れ、外部界磁コイル12の全長L_aの一部分だけそれぞれ延
びていて、第１図の図面を見て、長方形の断面を有す
る。

電磁石系10の対称面16から分割巻線75,76の内側端面7
8の軸方向の間隔は値a₇になる。

電磁石系10の中心対称面16から分割巻線75,76の外側
端面79の軸方向の間隔は値a₈になる。

対称平面16から外部界磁コイル12の外側の分割巻線7
4,77の内側端面81の軸方向の間隔は値a₉になる。中心対
称平面16から外部界磁コイル12の外側の分割巻線74,77
の外側端面82の軸方向の間隔a₁₀は外部界磁コイル12の
全長L_aの半分の値L_a/2に相当する。

外部界磁コイル12の外側の分割巻線74,77はそれぞれ2
832ターンである。外部界磁コイル12の内側の分割巻線
75,76はそれぞれ1 056ターンである。外部界磁コイル12
の外側と内側の分割巻線74,77と75,76の巻線は、それぞ
れ半径方向に重なった16の巻層にして配置されている。

内部界磁コイル11の外側分割巻線61,66はそれぞれ5 3
04ターンである。これ等の巻線は34の巻層にして半径方
向に重ねて配置されている。内部界磁コイル11の中間の
分割巻線62,65はそれぞれ1 960ターンで、28の巻層にし
て半径方向に重ねて配置されている。

内部界磁コイル11の内側の分割巻線63,64はそれぞれ1
456ターンで、28の巻層にして半径方向に重ねて配置さ
れている。

内部界磁コイル11の分割巻線61〜66と外部界磁コイル
12の分割巻線74〜77は、全て互いに直列に電気接続さ
れ、電磁石系10を運転する場合、両方の界磁コイル11,1
2に対して同じ電流密度I/cm²が生じるように形成されて
いる。

内部界磁コイル11の分割巻線61〜66と外部界磁コイル
12の分割巻線74〜77は、筒形の円管状コイル担体51,52
の基本体の一つにそれぞれ巻装されている。コイル担体
51,52は外側に半径方向のリングフランジ53,54,55をそ
れぞれ備え、これ等のフランジは対になって巻線ケース
の軸方向の制限部を形成する。これ等のケースの中には
内部界磁コイル11の分割巻線61〜66または外部界磁コイ
ル12の分割巻線74〜77を軸方向に動かないように保持
し、半径方向に内向きに支えている。ほぼ円管状の両方
のコイル担体51,52はその端面にほぼリング状の横円板5
6,57により機械的に互いに固く連結されている。コイル
担体51,52および横円板56,57は、通常アルミニウムで作
製されている。電磁石系10をクライオスタット13の内部
に固定組込する担持・保持構造体は、図面を見やすくす
るため、図示していない。12次のコイルである内部界磁
コイル11と８次のコイルである外部界磁コイル12とを有
するコイル系10の特別な設計では、これ等の幾何学パラ
メータa₁〜a₁₀およびd_a1,d_a2およびD₁,D₂は以下の値と
なる。即ち、 a₁ : 6.43cm a₂ : 14.24cm a₃ : 28.99cm a₄ : 39.57cm a₅ : 66.13cm a₆ : 89.50cm a₇ : 17.77cm a₈ : 25.65cm a₉ : 73.50cm a₁₀:100.00cm d_i : 61.43cm d_a1: 66.53cm d_a2: 65.63cm D_i : 91.93cm D_a : 94.33cm 上記（幾何学的）設計の界磁コイル11と12の電磁石系
10は典型的な使用例の場合8 333A/cm²の電流密度で運転
される。上記巻線と巻層の場合、電磁石系10に対して18
7.5Aの運転電流強度となった。

これ等の運転条件の下では、電磁石系10が第４図に定
性的に示すＢ磁力線83の変化を示すＢ磁場を発生させ
る。この変化は電磁石系10の外部空間で第一近似で双極
磁場の変化に相当するが、電磁石系10の内部空間では、
つまり内部界磁コイル11の長さL_iの中では、磁力線は電
磁石系10の中心長手軸14にほぼ平行に延びている。図面
を簡単にするため、第４図には電磁石系10の中心軸14を
含み、電磁石系10の対称平面16に対して垂直に延びる平
面内の磁場の変化（Ａ×Ｒ）の「第一」象限のみを示
す。この場合、電磁石系10の中心19から測定した図示す
る領域の軸方向と半径方向の拡がりはそれぞれ16mであ
る。

電磁石系10の高磁場運転には、更に補足的に示す第５
図で、電磁石系10の外部空間に生じる強度の等しい曲線
84（「等磁力線」）の変化が示してあり、電磁石系10の
対称平面16とその中心軸14をそれぞれ直角に切断する楕
円の輪郭にほぼ一致する。第５図の縮尺図面で5mTの磁
場強度に相当する等磁力線84₅は、電磁石系10の中心19
から測って、電磁石系10の対称平面16を5.4mの半径方向
の間隔で、また電磁石系10の中心軸14を6.8mの軸方向間
隔で交差する。この磁場強度の1/10に相当する等磁力線
84_0.5は電磁石系10の対称平面16を12mの半径方向の間隔
で、まだ電磁石系10の中心長手軸14を14.5mの軸方向の
間隔で交差する。

詳しく示す第６図には、（縮尺でも）第５図と同じ図
面で電磁石系10のシールド運転に対する等磁力線86の変
化が示してある。この場合、電磁石系10の中心19で１テ
スラの磁場強度になる。

ここでは、5mTの等磁力線86₅は電磁石系10の対称平面
16を電磁石系10の中心19から約2.3mの半径方向の間隔
で、また中心長手軸14を2.5mの間隔で交差する。これに
対して0.5mTの磁場強度に対応する磁力線86_0.5は電磁石
系10の中心19から測って、電磁石系10の対称平面16を約
3.9mの半径方向の間隔で、また電磁石系10の中心長手軸
14を4.4mの軸方向の間隔でそれぞれ交差する。中心長手
軸24から測って25゜と55゜の間にある、電磁石系10の中
心19から見て約30゜のセクター状の角度範囲αの中で
は、等磁力線86は（紙面内で見て）電磁石系10の中心19
へ凹み、楕円から相当ずれた形状となる。この場合、磁
場の強度が0.5mTの値に急激に低下する範囲は、電磁石
系10の高磁場運転モードよりも著しく、約1/3の係数だ
け小いさい。

これは、電磁石系10のシールド運転で、第４図に相当
するが、縮尺を４倍拡大した図面を表す第７図で磁力線
の変化（Ａ×Ｒ）を表す電磁石系から生じる磁場が「内
部で」、つまり内部界磁コイル11と外部界磁コイル12の
「間で」大部分閉じ、乱れた磁場が著しく少なく電磁石
系10の外部空間に洩れることに由来する。

第４〜７図中で関連する説明の部分に実際に述べてい
ない参照符号が示してあっても、電磁石系10の前と同じ
部材を説明していると解すべきである。

第8a,8b図には、電磁石系10の高磁場運転モード（第8
a図）およびシールド運転モード（第8b図）に対して電
磁石系10から生じるＢ磁場の強度Ｂの電磁石系10の中心
19の磁場強度の値B₀からのずれΔＢ＝Ｂ−B₀の変化が、
中心軸14に沿って測定した中心19からの間隔の関数にし
て示してある。

第8a,8b図の比較から直ちに分かるように、磁場強度
Ｂが中心の磁場強度B₀とは10ppm以下だけ異なる。つま
り、高磁場運転の場合、２・10^-5T以下だけ、またシー
ルド運転の場合、10^-5T（B₀＝1T）以下だけ異なる軸方
向の範囲は、シールド運転の場合、顕著である。即ち、
電磁石系10の高磁場運転の場合より約20％だけ大きい。

この異なる均一性は外部界磁コイル12の種々の係数の
うちの８次のものから生じ、これは負である。外部界磁
コイル12に負の電流を流すシールド運転では、この８次
のものが回転軸に沿い、この回転軸に垂直な鏡面16内で
半径方向に均一領域の拡大に有利に寄与する。

第9a,9b図によれば、最後に全体に符号87を付けた鉄
シールドの簡単な構成の可能性を説明する。この鉄シー
ルドは、例えば電磁石系10を高磁場運転で使用する場合
にも、電磁石系10により通常外部空間に生じる磁場のシ
ールドを行う。同じことは電磁石系10を両方の界磁コイ
ルの一方11または12のみで運転する場合にも有効に当て
はまる。

このシールド87は使用位置で電磁石系10の中心軸14に
一致する中心長手軸14に対して四回対称に形成されてい
る。このシールド87は中心長手軸14に対して垂直に延び
る横板88,89と両者を接続し、中心長手軸14に対して平
行に延びる板状の鉄のシールド部材91,92とで形成され
ている。前記シールド部材は図示していないボルトで互
いに緩まないように固定連結されている。横板88,89は
円形の中心開口93を有し、その直径は電磁石系10を含む
クライオスタット13の中心穴94の直径に一致する。

板状シールド部材91,92は台形断面の鉄板で形成さ
れ、横の周辺面95または96は第9a,9b図の図面の内部の
板状のシールド部材91または外部の板状のシールド部材
92の底面97,98と99,101に対して45゜をなしている。こ
の場合、板状のシールド部材91,92は中心長手軸14の方
向に延び、この軸に沿って交差する長手中心面102,103
は電磁石系10と鉄シールド87を取り囲む全系の垂直長手
方向面104とそれぞれ45゜の角度をなすように配設され
ている。

鉄シールド87は、横板88,89がクライオスタット13の
カバーのリング状端面の直ぐ近く、場合によって、これ
等に接して配置され、内部の板状のシールド部材91とク
ライオスタットのカバーの外部カバー面との半径方向の
間隔が小さくなり、数センチメートルになるように設計
されるので、鉄シールド87は、周方向に見て一部クライ
オスタット13を直接取り囲む。

電磁石系10の内部での磁場の変化に対して鉄シールド
87を目的に合わせて考慮すると、高磁場運転には磁場の
均一性を改善できる。同じことは、電磁石系を一方の界
磁コイル11または12のみを用いて運転し、その時、最適
な磁場の均一性を得るため、鉄シールドをその時の運転
に合わせる必要がある場合にも効果的に当てはまる。

これに関する適合可能性は、鉄シールド87の場合、例
えば外部の板状のシールド部材92を除去するおよび／ま
たは横板88,89の有効肉厚を第9b図の左部分に二部品の
横板89で模式的に示すように、他の横板を除去するか継
ぎ足すことにより可変して与えられる。この場合、その
ような横板部材が、第9b図に示してあるように、同じ板
面や周囲の輪郭を有する必要はなく、場合によっては、
丸い円板でも形成でき、その外径が平行な輪郭縁部の間
で測定される図示された横板の直径より充分小さいこと
が分かる。

電磁石系10に関連して利用できる鉄シールド87の構成
の図示する可能性が論じ尽くしえなくのでなく、可変適
合可能な鉄シールドの説明した基本原理の知識で、当業
者が計算および／または実験で必要に応じた構成を定め
得ることが簡単にできることが分かる。

簡単のため図示しなかった特別な構成では、電磁石系
10を、場合によって、上に説明した鉄シールド87と共に
輸送可能なユニットに形成できる。このユニットは乗物
で個々の使用場所に運ぶことができる、例えば電磁石系
10を専ら断層撮影のために使用する診療所、あるいは何
よりも分光の目的に使用する研究施設へ運ぶことができ
る。

この場合、そのような輸送可能な電磁石系10の特別な
構成では、この系を給電装置を含めて輸送車両に固定組
込し、輸送車両の一部を電磁石系の鉄シールドの機能部
材として利用すると有利である。多様な利用を可能にす
るこのような電磁石系10の構成では、電磁石系は、運転
者にも利用者にも非常に経済的に使用できる共同システ
ムあるいは賃借システムにすると適している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ミューレル・ウオルフガング・ハンス― ゲオルクドイツ連邦共和国、デー―7500 カールスルーヘ１、ケースリネル・ストラーセ、48アー (56)参考文献特開昭64−715（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) A61B 5/055

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】試験空間中に強い磁場強度、およびNMRの
実験、断層撮影および／または分光研究に対して充分な
均一性をもたらす、NMR研究に適した磁場を発生する複
数の超伝導界磁コイルと、均一領域の磁場方向で定まる系の長手軸に関して同軸に
配置され、回転対称に形成され、系の長手軸に垂直な中
央横断面に対して対称に配置され、それぞれ励磁電流を
印加でき、これ等の励磁電流により外部空間で双極磁場
の補償を少なくとも近似的に行う重畳磁場が生じる、異
なる平均直径の二つのコイル系とを備えた電磁石系にお
いて、電磁石系（10）の外部空間で双極磁場を補償する運転モ
ードの外に、少なくとも両方のコイル系（11と12）によ
りこれ等のコイル系の中心に生じる磁場を同じ向きに重
畳する運転モードにも切換できる運転モードの選択切換
装置（22）を電磁石系（10）に設けていることを特徴と
する電磁石系。
【請求項２】ルジャンドル多項式で展開した内部磁場B_i
の勾配の１次からｎ−１次までの成分が消えるコイルを
ｎ次のコイルとすると、内部界磁コイル（11）は少なく
とも８次のコイル、好ましくは12次のコイルであり、ルジャンドル多項式で展開した外部磁場B_aの勾配の１次
からｍ−１次までの成分が消えるコイルをｍ次のコイル
とすると、外部界磁コイル（12）は少なくとも６次のコ
イル、好ましくは８次のコイルであることを特徴とする
請求の範囲第１項に記載の電磁石系。
【請求項３】外部界磁コイル（12）は、電磁石系（10）
の中心軸（14）の方向に見て、軸方向に間隔を保って配
置され、励磁電流が同じ向きに流れる同じ巻線密度の少
なくとも４つの分割巻線（74〜77）を有し、これ等の分
割巻線は好ましくは同じ内径D_iと同じ外径D_aを有し、外
側巻線（74と77）の巻線は内側巻線（75と76）の巻数よ
り2.5〜3.5倍大きく、分割巻線（74〜77）の半径方向の
厚さ（d_a−d_i）は平均直径（d_a−d_i）/2より小さく、こ
の平均直径の２〜４％となることを特徴とする請求の範
囲第２項に記載の電磁石系。
【請求項４】内部界磁コイル（11）は、電磁石系（10）
の中心軸（14）の方向に見て、軸方向に間隔を保って配
置され、励磁電流が同じ向きに流れる同じ巻線密度の少
なくとも６つの分割巻線（61〜66）を有し、これ等の分
割巻線は好ましくは同じ内径d_iを有し、内側巻線（63ま
たは64）と外側巻線（61または66）の間に配置された中
間巻線（62または65）の巻数は内側巻線（63または64）
の巻数より1.3〜1.6倍大きく、外側巻線（61または66）
の巻線は内側巻線（63または64）の巻数より3.5〜４倍
大きく、更に内側と中間の巻線（63と64あるいは62と6
5）の半径方向の厚さ（d_a2−d_ai）と外側巻線（61と6
2）の半径方向の厚さ（d_a1−d_i）は内径d_iより小さく、
それぞれこの内径d_iの４〜６％および５〜７％となるこ
とを特徴とする請求の範囲第２項または第３項に記載の
電磁石系。
【請求項５】内部界磁コイル（11）の両方の外側巻線
（61と66）の両方の外側端面（73）の間で測定される内
部界磁コイル（11）の長さL_iは、同じように測定される
外部界磁コイル（12）の長さL_aの85〜95％の長さとな
り、外部界磁コイル（12）の内径D_iは外部界磁コイル
（12）の軸方向の長さL_aの90〜95％に相当し、内部界磁
コイル（11）の内径d_iに対する外部界磁コイル（12）の
内径D_iの比D_i/d_iは1.4の値を有し、両方の界磁コイル
（11と12）は電磁石系（10）の運転中に同じ電流密度で
通電されていることを特徴とする請求の範囲第３項およ
び第４項に記載の電磁石系。
【請求項６】運転モードの選択切換装置としては超伝導
切換回路網（22）が設けてあることを特徴とする請求の
範囲第１〜５項の何れか１項に記載の電磁石系。
【請求項７】受動的な鉄シールド（87）が設けてあるこ
とを特徴とする請求の範囲第１〜６項の何れか１項に記
載の電磁石系。
【請求項８】鉄シールド（87）は、横板（88,89）およ
びこれ等の横板を軸方向に連結する板状のシールド部材
（91,92）である強磁性部材を用い、（ｉ）前記強磁性部材の付加および／または（ii）前記強磁性部材の除去および／または（iii）前記強磁性部材の交換および／または（iv）前記強磁性部材の移動により電磁石系（10）の異なった動作モードへ改造でき
ることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の電磁石
系。
【請求項９】輸送車両の上に載置可能でコンパクトなユ
ニットとして、あるいは輸送車両の中に組み込まれた装
置として構成された移動システムに形成されていること
を特徴とする請求の範囲第１〜８項の何れか１項に記載
の電磁石系。