JP3715442B2 - 永久電流超電導磁石装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば理化学用ＮＭＲ（核磁気共鳴）分析装置や医療用断層映像装 置（ＭＲＩ）などに組み込まれ、永久電流モードで運転される永久電流超電導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、この理化学用ＮＭＲ分析装置では、磁界強度が高くしかも磁界の時間的変動（減衰）が極めて小さい永久電流超電導磁石装置を必要としている。このため、通常、この永久電流超電導磁石装置は永久電流スイッチを用いて形成された閉回路を利用することで永久電流モードで運転されている。
【０００３】
ところが、実際には、永久電流モードの運転時に、超電導コイル間の超電導線の接続部分の微小な接続抵抗が主な原因になって、永久電流が時間と共に徐々に減衰するために磁場の減衰が生じている。超電導線の接続部分における通常の半田付けでは、半田材料が超電導材料ではないので、この接続抵抗を１０-9オーム程度以下にすることは困難であるが、接続しにくい超伝導線のフィラメント同士を、スポット溶接や圧着などで直に接続して１０-12オーム程度とすることができる接続技術が開発されている。これにより、磁場の減衰度が０．０１ppm/hr程度の永久電流超電導磁石装置が実現可能である。
【０００４】
しかし、このような超電導線間の接続抵抗値は磁界によりその抵抗値が影響を受け、その接続部分の磁束密度が１Ｔ（テスラ＝１０4ガウス）程度以上になると、その接続部分は超電導状態から通常の金属導電状態に移行してしまい、接続抵抗値が急激に上昇して電流（磁場）の減衰も大きくなってしまう。そのため、接続部分に磁気シールドを施すなどの特殊な対策が必要となる。このような特殊な対策を施すことなく極めて安定な磁場を得る方法として、従来より特公平４−６１１０３号公報に示される方法が提案されている。
【０００５】
この方法による永久電流超電導磁石装置３０は、図５に示すように、外周側の第１の超電導磁石３１と、その内周側の第２の超電導磁石３２とを同心状に有し内部に作用空間が形成されている。さらに、第１の超電導磁石３１の外周側には 磁場補正用超電導コイル３３が、第１の超電導磁石３１および第２の超電導磁石３２に対して同心状に配設されている。
【０００６】
この第１の超電導磁石３１は、円筒状に巻回された第１の超電導コイル３４と、この第１の超電導コイル３４と並列接続された第１の永久電流スイッチ３５と、第１の超電導コイル３４に対して励磁用の電流を供給する励磁用電源３６と、第１の永久電流スイッチ３５のヒータに対して電流を供給するヒータ用電源３７とを有している。また、第２の超電導磁石３２は、第１の超電導コイル３４の内周側に他の超電導線が同心状でかつ円筒状に巻回された第２の超電導コイル３８と、この第２の超電導コイル３８と並列接続された第２の永久電流スイッチ３９と、第２の超電導コイル３８に対して励磁用の電流を供給する励磁用電源４０と、第２の永久電流スイッチ３９のヒータに対して電流を供給するヒータ用電源４１とを有している。
【０００７】
さらに、クライオスタット４２の内部において、これらの第１の超電導磁石３１と第２の超電導磁石３２とがそれぞれ電気的に独立し、かつ、第２の超電導コイル３８が第１の超電導コイル３４のボア内部に具備されている。これによって、第２の超電導コイル３８の電流減衰による作用空間内の磁場の減衰を、この電流減衰に伴って第１の超電導コイル３４に相互誘導される電流による第１の超電導コイル３４の作用空間内の磁場の増加分で補償することにより、作用空間内の磁場を極めて安定に保とうとしている。つまり、第２の超電導コイル３８の電流による磁界低下分と、それにより誘起される第１の超電導コイル３４の電流による磁界増加分を等しくすることにより、作用空間内の磁界強度を一定に保つようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の方法では、２つの独立した超電導磁石３１，３２をそれぞれ励磁するためには、独立した別々の励磁用電源３６，４０が必要となると共に、独立した別々の永久電流スイッチ３５，３９に対するヒータ用電源３７，４ １が必要となる。しかも、電気的に独立した第１の超電導コイル３４および第２の超電導コイル３８を励磁する場合には、磁場中のコイルに働く力のバランスが崩れてコイル部分が破損する虞があるため、それぞれの超電導磁石３１，３２を同じ割合の励磁速度で同時に励磁する必要がある。このように、励磁用電源３６，４０などの励磁設備を２つ用い、２つの設備を操作するため、超電導磁石装置３０の操作方法は煩雑となり、その煩雑さ故にその操作方法は、１つの超電導磁石だけからなる永久電流超電導磁石装置の操作方法（同じ割合の励磁速度で同時に励磁する必要がない場合）と比べると著しく異なっている。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、超電導接続に特殊な技術や対策を施すことなく、しかも、１つの超電導磁石だけからなる磁石装置と同様の励磁設備および操作方法によって磁石装置中心付近の中心磁場が極めて安定な永久電流超電導磁石装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の永久電流超電導磁石装置は、作用空間の外側に同心状に配設された複数個の円筒状の単位超電導コイルが直列接続された超電導磁石と、直列接続された単位超電導コイルよりなる直列回路の両端に接続された第１の永久電流スイッチと、直列回路の両端に接続され、直列回路に励磁用の電流を供給可能な励磁用電源と、複数個の単位超電導コイルの任意の一つまたは、連続する所定数の単位超電導コイルの両端に接続された一つの第２の永久電流スイッチとを有したことを特徴とするものである。この場合、第２の永久電流スイッチは複数設けられていてもよい。
【００１１】
この構成により、複数個の直列接続された単位超電導コイルと第１の永久電流スイッチからなる閉回路に加えて、複数個の単位超電導コイルのうち任意の一または複数の単位超電導コイルの両端を接続して閉回路を構成する一つの第２の永久電流スイッチを設けているので、超電導磁石回路が２つの閉回路に分割され、それぞれの相互誘導により、磁石装置中心付近の磁場の減衰が抑えられ、磁石装置中心付近の磁場を極めて安定に保つことが可能となる。また、これらの２つの閉回路を構成している各超電導磁石は、複数個の単位超電導コイルが直列接続されているので、第１及び第２の永久電流スイッチをオフ状態とすることによって、同じ割合の励磁速度で同時に容易に励磁することが可能となって、例えば従来のような電気的に独立した２つの超電導磁石に対して励磁用電源などの励磁設備を２つ用いる必要がなくなって部品点数が削減され、また、２つの設備を操作したりする必要はなくなって操作方法が煩雑なものとはならない。よって、超電導線間の接続にスポット溶接などの特殊な接続技術や、磁気シールドなどの特殊な対策を施すことなく、しかも、１つの超電導磁石だけからなる場合と同様の励磁設備（各１つの励磁用電源およびヒータ用電源）によって、さらに、１つの超電導磁石だけからなる場合と同様の操作方法によって同じ割合の励磁速度で同時に容易に励磁され得ることから、従来のように煩雑な操作方法とはならず、磁石装置中心付近の中心磁場が極めて安定なものとなる。
【００１２】
また、好ましくは、本発明の永久電流超電導磁石装置における第２の永久電流スイッチが一つ設けられ、第２の永久電流スイッチが接続されている単位超電導コイルの自己インダクタンスをＬ1、その単位超電導コイルに含まれる微小抵抗をＲ1、その単位超電導コイ ルの磁場定数をＫ 1 、他の単位超電導コイルの自己インダクタンスをＬ 2 、前記他の単位超電導コイルに含まれる微小抵抗をＲ 2 、前記他の単位超電導コイルの磁場定数をＫ 2 、それらの相互インダクタンスをＭ、としたとき、
【００１３】
【数１】
【００１４】
を満足する（但し、Ｌ 0 ＝Ｌ 1 ＋Ｌ 2 ＋２Ｍである）一または所定数の単位超電導コイルの両端に第２の永久電流スイッチが接続されている。
【００１５】
この構成により、磁石装置中心付近の中心磁場の減衰を、第２の永久電流スイッチがない場合の従来の超電導磁石よりも低く抑える上記条件式（数１）を満足する位置に第２の永久電流スイッチを配置して閉回路を構成するので、第２の永 久電流スイッチがない場合の超電導磁石よりも磁場減衰率を低く抑えることができ、磁石装置中心付近の中心磁場が極めて安定な超電導磁石装置となる。
【００１６】
さらに、好ましくは、本発明の永久電流超電導磁石装置における第１の永久電流スイッチと第２の永久電流スイッチとが共に熱式永久電流スイッチであって、それらのヒータ線がヒータ用電源に対して直列接続されている。
【００１７】
この構成により、第１の永久電流スイッチと第２の永久電流スイッチのヒータ線が直列接続されているので、ヒータ用電源が共用できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る永久電流超電導磁石装置の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではない。
【００１９】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の超電導磁石装置の基本概念を示す回路図である。
【００２０】
図１において、この永久電流超電導磁石装置１は、同心状に配列された各単位超電導コイル２ａ，２ｂが直列接続された超電導磁石３と、単位超電導コイル２ａ，２ｂの直列回路に励磁用の電流を供給可能な励磁用電源４とを有している。これらの円筒状の単位超電導コイル２ａ，２ｂの内側は作用空間として作用し、この作用空間内に分析試料を挿入（ＮＭＲ）して高磁場を生じさせた状態で所定の組成分析を行ったり、また、この作用空間内に人体を挿入（ＭＲＩ）して高磁場を生じさせた状態で人体の検診を行うようになっている。なお、これらの単位超電導コイル２ａ，２ｂはそれぞれ一または所定数の更なる単位超電導コイルから構成されていてもよい。
【００２１】
また、超電導磁石装置１は、単位超電導コイル２ａ，２ｂの直列回路の両端に接続された第１の永久電流スイッチ５と、単位超電導コイル２ａの両端に接続さ れた第２の永久電流スイッチ６と、第１の永久電流スイッチ５および第２の永久電流スイッチ６のヒータ線に対して電流を供給可能なヒータ用電源７とを有している。これらの第１の永久電流スイッチ５と第２の永久電流スイッチ６とは共に熱式永久電流スイッチであって、それらのヒータ線が直列接続されてヒータ用電源７から電流供給可能に構成されている。
【００２２】
このように、直列接続された単位超電導コイル２ａ，２ｂと閉回路を構成する第１の永久電流スイッチ５に加えて、単位超電導コイル２ａの両端を接続して閉回路を構成する第２の永久電流スイッチ６を設けている。このように、超電導磁石回路が２つの閉回路からなり、それぞれの相互誘導により、作用空間内（磁石装置中心付近）の磁場の減衰を抑えることができて、作用空間内の磁場を極めて安定に保つことができる。
【００２３】
この場合、それぞれの相互誘導とは、第２の永久電流スイッチ６と並列接続されている単位超電導コイル２ａと、この単位超電導コイル２ａ以外の単位超電導コイル２ｂとの相互誘導であり、例えば単位超電導コイル２ｂの電流が減って磁束が減る方向に変化すると、その磁束と鎖交する単位超電導コイル２ａに、単位超電導コイル２ｂの電流変化（減少）分に相当する電流が誘起されることにより、作用空間内の磁場の減衰を相殺的に抑えることができて、作用空間内の磁場を極めて安定に保つことができる。このとき、単位超電導コイル２ａ，２ｂが励磁用電源４に対して直列接続されているだけでは単位超電導コイル２ａ，２ｂに流れる電流値は同一であるが、単位超電導コイル２ａの両端を接続した閉回路を構成したことにより、単位超電導コイル２ｂの電流変化（減少）分に相当する増加電流が単位超電導コイル２ａ側に誘起され得るようになっている。
【００２４】
上記構成により、その永久電流モード動作を説明する。まず、複数個の単位超電導コイル２ａ，２ｂの直列回路に並列に接続されている第１の永久電流スイッチ５と、単位超電導コイル２ａに並列に接続されている第２の永久電流スイッチ６のそれぞれのヒータ線に外部のヒータ用電源７から通電して、それぞれの永久電流スイッチ５，６を開状態（オフ状態）にする。この永久電流スイッチ５，６の開状態（オフ状態）は、外部からの励磁用電源４によって複数個の単位超電導コイル２ａ，２ｂに、電流値が所定の設定電流値Ｉ0に達するまで電流を供給する。
【００２５】
次に、その供給電流値が所定の設定電流値Ｉ0に達したところで、外部のヒータ用電源７からの通電をオフにして、それぞれの永久電流スイッチ５，６を閉状態（オン状態）に切り換えて、単位超電導コイル２ａ，２ｂと第１の永久電流スイッチ５で構成された閉回路と、単位超電導コイル２ａと第２の永久電流スイッチ６で構成された閉回路とで電流がそれぞれ循環する永久電流モードでの運転を行わせる。
【００２６】
このようにして、まず、単位超電導コイル２ａ，２ｂを励磁した初期状態では、単位超電導コイル２ａの電流Ｉ1と単位超電導コイル２ｂの電流Ｉ2は、何れも設定電流Ｉ0と等しいが、単位超電導コイル２ａ，２ｂには微小抵抗Ｒ1，Ｒ2が存在するために時間と共にそれぞれ減衰を生じることとなる。
【００２７】
ここで、第２の永久電流スイッチ６と閉回路を構成する単位超電導コイル２ａの自己インダクタンスをＬ1、単位超電導コイル２ａに含まれる接続部等に起因する微小抵抗をＲ1、単位超電導コイル２ａ以外の単位超電導コイル２ｂの自己インダクタンスをＬ2、その単位超電導コイル２ｂに含まれる接続部等に起因する微小抵抗をＲ2、単位超電導コイル２ａ，２ｂ間の相互インダクタンスをＭとすると、微小抵抗Ｒ1，Ｒ2による電流変化は以下の回路方程式（数２および数３）により求められる。
【００２８】
【数２】
【００２９】
【数３】
【００３０】
一方、第２の永久電流スイッチ６を設けていない場合の従来の超電導磁石では、励磁した後の電流変化は以下の回路方程式（数４）により求められる。
【００３１】
【数４】
【００３２】
ｔ＝０のとき、Ｉ1＝Ｉ2＝Ｉ0なので、上記（数２）および（数３）により、下記の（数５）となる。
【００３３】
【数５】
【００３４】
また、（数４）により、
【００３５】
【数６】
【００３６】
ここで、Ｌ0は回路全体のインダクタンスであり、Ｌ0＝Ｌ1＋Ｌ2＋２Ｍを満足し、Ｒ0は回路全体の微小抵抗であり、Ｒ0＝Ｒ1＋Ｒ2を満足する。
【００３７】
したがって、第２の永久電流スイッチ６がない従来の超電導磁石と比較して、作用空間内の磁場の減衰を低く抑えるためには、電流Ｉ1，Ｉ2が変化することによる磁場減衰が、電流Ｉが変化することによる磁場減衰よりも小さくなればよい。すなわち、電流がＩ1，Ｉ2であるコイルの磁場定数（コイルに１Ａ通電したときに生じる磁場の強さで定義され、単位はＴ／Ａとなる）をＫ1，Ｋ2、全体の超電導磁石３の磁場定数をＫ0とすれば、次式（数７）が成立するようにすればよい。但し、Ｋ0＝Ｋ1＋Ｋ2を満足する。
【００３８】
【数７】
【００３９】
これらのＩ1，Ｉ2，Ｉを上記の（数７）に代入すると、次の（数８）となり、これを整理して次の（数９）が得られる。
【００４０】
【数８】
【００４１】
【数９】
【００４２】
この条件式（数９）を満足する位置に第２の永久電流スイッチ６を配置して閉回路を構成することによって、第２の永久電流スイッチ６を設けていない場合の従来の超電導磁石よりも磁場減衰率を低く抑えることができ、作用空間内の中心磁場が極めて安定した超電導磁石装置１を得ることができる。
【００４３】
また、この（数９）において、一般的には、下記の（数１０）が成り立つために、次の（数１１）が得られる。
【００４４】
【数１０】
【００４５】
【数１１】
【００４６】
すなわち、上記（数９）の場合と同様に、この条件式（数１１）を満足する位置に第２の永久電流スイッチ６を配置して閉回路を構成することによって、第２の永久電流スイッチ６を設けていない場合の従来の超電導磁石よりも磁場減衰率を低く抑えることができ、作用空間内の中心磁場が極めて安定した超電導磁石装置１を得ることができる。
【００４７】
（実施形態２）
上記実施形態１では、直列接続された複数個の単位超電導コイル２ａ，２ｂの任意の一つである単位超電導コイル２ａと並列に第２の永久電流スイッチ６を接続して閉回路を構成したが、本実施形態２では、直列接続された複数個の単位超 電導コイルのうちの、連続する一部（複数個）の単位超電導コイルと並列に第２の永久電流スイッチを接続して閉回路を構成した場合である。
【００４８】
図２は本発明の実施形態２の、磁場補正用の磁性体シムを具備した超電導磁石装置の概略構成を示す縦断面図、図３は図２の超電導磁石装置の概略構成を示す回路図である。
【００４９】
図２および図３において、この永久電流超電導磁石装置１１は、同心状に配列された複数個の単位超電導コイルよりなる超電導コイル１２が直列接続された超電導磁石１３と、この超電導コイル１２の直列回路の両端に接続され、超電導コイル１２の直列回路に励磁用の電流を供給可能な励磁用電源１４とを有している。この円筒状の超電導コイル１２の内側の中心軸部分には、高磁場による作用空間Ｓが形成されるようになっている。
【００５０】
また、永久電流超電導磁石装置１１は、複数個の超電導コイル１２に並列に第１の永久電流スイッチ１５を接続して閉回路を形成すると共に、複数個の超電導コイル１２のうち、連続する任意の例えば超電導コイル１２１ａに並列に第２の永久電流スイッチ１６を接続して閉回路を形成している。また、これらの第１の永久電流スイッチ１５と第２の永久電流スイッチ１６とは共に熱式永久電流スイッチであって、第１の永久電流スイッチ１５のヒータ線と第２の永久電流スイッチ１６のヒータ線とはクライオスタット１８の内部で直列に接続され、その直列回路の両端は外部のヒータ用電源１７に接続されてヒータ用電源１７から電流供給可能に構成されている。
【００５１】
さらに、超電導コイル１２は超電導コイル１２１、１２２，１２３からなっている。この超電導コイル１２１（１２１ａと１２１ｂ）は、軸心方向に等しい長さを有し、それぞれ所要のターン数を有して巻回された６個の単位超電導コイルが同心状で径方向に積層されてなっている。その内側には、超電導コイル１２２が相互作用を行う超電導コイル１２１に対して同心状に収納配設されている。超 電導コイル１２２は、超電導コイル１２１とは軸心方向長が多少短かく設定されており、それぞれ所要のターン数を有して巻回された３個の単位超電導コイルが同心状で径方向に積層されてなるものである。この超電導コイル１２２の空心部分を高磁場とする作用空間Ｓとしている。超電導コイル１２１の軸心長を超電導コイル１２２に比して長くすることで、作用空間Ｓにおける軸心方向の磁場の均一度を（軸方向両端による磁界の乱れを抑制することで）可及的に高めるようにしている。
【００５２】
また、補正用の超電導コイル１２３が最外周部に配設され、作用空間Ｓの軸心方向の中心に対して上下対称となる位置、本実施形態２では中央と上下両側に、それぞれ所要数のターン数を有して（上下側は同一ターン数）配設されている。これにより、作用空間Ｓ内の磁場を径方向及び軸心方向に対して均一に補正可能にしている。
【００５３】
なお、図示は示していないが、超電導コイル１２３の外側には、外部へ漏れる磁界を抑制するシールド部材、例えばシールド用の超電導コイルが必要に応じて配設されている。
【００５４】
上記において、作用空間Ｓには、その中心部に分析試料（ＮＭＲの場合）が挿入され、あるいは人体が入れられ（ＭＲＩの場合）て、高磁場の下で組成解析や検診が施される。
【００５５】
以上のように、超電導磁石回路が２つの閉回路からなり、それぞれの相互誘導により、磁石装置中心付近の作用空間Ｓの磁場の減衰を抑えることができる。この場合の相互誘導とは、第２の永久電流スイッチ１６と並列接続されている位超電導コイル１２１ａと、この超電導コイル１２１ａ以外の超電導コイル１２２，１２１ｂ，１２３との相互誘導であり、例えば超電導コイル１２２，１２１ｂ，１２３に流れている電流が減って磁束が減る方向に変化すると、その磁束と鎖交する超電導コイル１２１ａ側に、その電流変化（減少）分に相当する増加電流が 誘起されることにより、作用空間Ｓの磁場の減衰が抑制されて、作用空間Ｓの磁場を極めて安定に保つことができる。このとき、超電導コイル１２が直列接続されているだけでは超電導コイル１２に流れる電流値は常に同一であるが、超電導コイル１２１ａの両端を接続して閉回路を構成したために、それ以外の超電導コイル１２２，１２１ｂ，１２３の電流変化（減少）分に相当する増加電流が超電導コイル１２１ａ側に誘起され得るようになっている。
【００５６】
以下に、具体的に説明すると、超電導磁石１３の超電導コイル１２は、内径φ８０ｍｍ，幅３５０ｍｍの巻枠にφ０．８ｍｍのＮｂ3Ｓｎ超電導線材が巻回された超電導コイル１２２と、内径φ１４０ｍｍ，幅５００ｍｍの巻枠にφ０．７ｍｍとφ０．６ｍｍのＮｂＴｉ超電導線が巻回された超電導コイル１２１と、φ０．６ｍｍのＮｂＴｉ超電導線が巻回された磁場補正用超電導コイル１２３から構成される合計１２個の単位超電導コイルが直列に接続されて設けられている。また、ＮｂＴｉ超電導線が巻回された超電導コイル１２１の一部である、連続した３個の単位超電導コイルからなる超電導コイル１２１ａと並列に第２の永久電流スイッチ１６が接続されている。
【００５７】
この場合、超電導コイル１２全体の自己インダクタンスＬ0は１２０Ｈ、第２の永久電流スイッチ１６により分割された各々の単位超電導コイル１２１ａの自己インダクタンスＬ1は１５Ｈ、他の単位超電導コイル１２２，１２１ｂ，１２３の自己インダクタンスをＬ2は５５Ｈ、それぞれの相互インダクタンスＭは２５Ｈである。これらを上記条件式（数１１）の右辺（数１２）に代入すると、以下のようになる。
【００５８】
【数１２】
【００５９】
一方、単位超電導コイルの微小抵抗はその接続部の抵抗が支配的であるため、各単位超電導コイルの微小抵抗はその接続部の数に比例する。各単位超電導コイル毎に接続しているのは、中央側のコイルのコイル線ほど太いコイル線を用い、かつそれらの材質も異なるようにして磁場発生の効率化を図っていることと、全コイルに渡る長いコイル線が作れないためである。
【００６０】
このように、各単位超電導コイルの微小抵抗はその接続部の数に比例するため、複数個（本実施形態２では３個）の単位超電導コイルよりなる超電導コイル１２１ａに含まれる微小抵抗をＲ1、それ以外の全単位超電導コイル（本実施形態２では９個）よりなる超電導コイル１２２，１２１ｂ，１２３に含まれる微小抵抗をＲ2とすると、上記条件式（数１１）の左辺は、次式（数１３）のようになって、第２の永久電流スイッチ１６は、上記式（数１１）を満足する位置に閉回路が配置していることになる。つまり、第２の永久電流スイッチ１６は、上記式（数１１）を満足する一または所定数（本実施形態２では、連続する３個）の単位超電導コイルよりなる超電導コイル１２１ａの両端に接続されている。
【００６１】
【数１３】
【００６２】
さらに、本実施形態２において、磁場定数Ｋ1は０．０４４Ｔ／Ａ、Ｋ2は１．０８６Ｔ／Ａなので、下記の（数１４）となる。また、下記の（数１５）であり、下記の（数１６）であるので、上記条件式（数９）も成立する位置に第２の永久電流スイッチ１６が配置されて接続されている。
【００６３】
【数１４】
【００６４】
【数１５】
【００６５】
【数１６】
【００６６】
上記構成により、まず、外部のヒータ用電源１７による通電により、１２個の直列接続された単位超電導コイルよりなる超電導コイル１２全体に並列に接続された第１の永久電流スイッチ１５と、ＮｂＴｉ超電導コイル１２１の一部である３個の単位超電導コイルよりなる超電導コイル１２１ａと並列に接続された第２の永久電流スイッチ１６とを開状態とし、外部の励磁用電源１４を用いて超電導コイル１２に電流を流して励磁を行う。
【００６７】
次に、超電導磁石１３の電流値が所定の設定電流値Ｉ0になったときに、外部のヒータ用電源１７をオフとし、第１の永久電流スイッチ１５および第２の永久電流スイッチ１６を共に閉状態として各閉回路を構成する。
【００６８】
この後、磁石装置中心磁場を１か月以上の長期間に亘り測定した結果を図４に示している。一方、比較のために、第２の永久電流スイッチ１６を用いずに同様の測定をした結果も併せて図４に示している。図４の測定結果からも判るように、第２の永久電流スイッチ１６を用いることで、超電導磁石回路を２つの閉回路に分割し、それぞれの相互誘導によって、従来の超電導磁石装置よりも磁場減衰率を低く抑えることができ、約０．０１ppm/hrの磁場減衰率となる極めて安定な磁場を得ることができた。
【００６９】
以上により、本発明の永久電流超電導磁石装置１，１１によれば、複数個の直列接続された単位超電導コイルと第１の永久電流スイッチ５，１５からなる閉回路に加えて、複数個の単位超電導コイルのうち任意の一または複数の単位超電導コイルの両端を接続して閉回路を構成する第２の永久電流スイッチ６，１６を設けているため、超電導磁石回路が２つの閉回路よりなり、それぞれの相互誘導により、磁石装置中心付近の磁場の減衰を抑制でき、磁石装置中心付近の磁場を極めて安定化させることができる。また、これらの２つの閉回路を構成している各超電導磁石は、複数個の単位超電導コイルが直列接続されているために、同じ割合の励磁速度で同時に励磁することが容易になって、従来のような電気的に独立した２つの超電導磁石の、２つの励磁設備を用い同じ割合の励磁速度で同時に励磁する操作方法とは異なって煩雑なものとはならない。よって、超電導線間の接続にスポット溶接などの特殊な接続技術や、磁気シールドなどの特殊な対策を施すことなく、しかも、従来の１つの超電導磁石だけからなる場合と同様の励磁設備（各１つの励磁用電源４，１４およびヒータ用電源７，１７）によって、さらに、１つの超電導磁石だけからなる場合と同様の操作方法によって同じ割合の励磁速度で同時に容易に励磁され得ることから、従来のように煩雑な操作方法とはならず、磁石装置中心付近の中心磁場を極めて安定化させることができる。
【００７０】
また、上記条件式（数１）を満足するコイル位置に第２の永久電流スイッチ６，１６を配置して閉回路を構成するようにしたため、第２の永久電流スイッチ６，１６を設けない場合の従来の超電導磁石よりも磁場減衰率を低く抑えることができ、磁石装置中心付近の中心磁場が極めて安定な超電導磁石装置とすることができる。
【００７１】
さらに、第１の永久電流スイッチ５，１５と第２の永久電流スイッチ６，１６のヒータ線が直列接続されているので、ヒータ用電源７，１７を共用化することができて部品点数を削減することができ、しかも、一つの超電導磁石だけからなる場合と同じ操作方法により励磁ができる。
【００７２】
なお、上記実施形態２では、第２の永久電流スイッチ１６による閉回路は、連続して接続された３個の単位超電導コイルよりなる超電導コイル１２１ａを含むように構成したが、これに限らず、超電導コイル１２２，１２１ｂ，１２３の何れかの一または複数個の単位超電導コイルを含むように設けてもよく、また、超電導コイル１２２，１２１ａ，１２１ｂ，１２３のうち、連続する何れかに渡る複数個の単位超電導コイルを含むように設けてもよい。
【００７３】
例えば、閉回路を構成する第２の永久電流スイッチ１６の配置位置が変われば、第２の永久電流スイッチ１６と並列に接続される超電導コイルの自己インダクタンスも変更され、その超電導コイルに含まれる接続部等に起因する微小抵抗も変更され、さらには、その超電導コイル以外の全超電導コイルの自己インダクタンスも変わると共に、その超電導コイルに含まれる接続部等に起因する微小抵抗も変わり、かつ、それらの間の相互インダクタンスＭも変わるが、要は、上記条件式（数１）を満足する第２の永久電流スイッチ１６の配置位置であれば、第２の永久電流スイッチ１６を設けない場合の従来の超電導磁石よりも磁場減衰率を低く抑えることができて、磁石装置中心付近の中心磁場が極めて安定な超電導磁石装置とすることができる。
【００７４】
また、上記実施形態１，２では、第１の永久電流スイッチ５または１５による閉回路に対して一つの第２の永久電流スイッチ６または１６による閉回路との２つの閉回路を設けて、それらのコイルによる相互誘導によって磁石装置中心付近の中心磁場を極めて安定化させるようにしたが、これに限らず、複数の第２の永久電流スイッチによる多段の閉回路を構成して、それらのコイルによる相互誘導によって磁石装置中心付近の中心磁場を極めて安定化させるようにしてもよい。この場合、閉回路数に応じて永久電流スイッチを設ければよい。但し、それらのヒータ線に流れる電流が多くなるため、ヒータ用電源としての容量が大きいものが必要となると共に、各永久電流スイッチとコイルとを接続する作業も増えるので、これらの点を考慮して好ましい数の閉回路を設けるようにすればよい。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように請求項１によれば、複数個の直列接続された単位超電導コイルと第１の永久電流スイッチからなる閉回路に加えて、複数個の単位超電導コイルのうち任意の一または複数の単位超電導コイルの両端を接続して閉回路を構成する一つの第２の永久電流スイッチを設けているため、超電導磁石回路が２つの閉回路よりなり、それぞれの相互誘導により、磁石装置中心付近の磁場の減衰を抑制でき、磁石装置中心付近の磁場を極めて安定化させることができる。また、これらの２つの閉回路を構成している各超電導磁石は、複数個の単位超電導コイルが直列接続されているために、第１及び第２の永久電流スイッチをオフ状態とすることによって、同じ割合の励磁速度で同時に励磁することが容易になって、例えば従来のような電気的に独立した２つの超電導磁石に対して励磁用電源などの励磁設備を２つ用いる必要がなくなって部品点数が削減され、また、２つの設備を操作したりする必要はなくなって操作方法が煩雑なものとはならない。よって、超電導線間の接続にスポット溶接などの特殊な接続技術や、磁気シールドなどの特殊な対策を施すことなく、しかも、１つの超電導磁石だけからなる場合と同様の励磁設備によって、さらに、１つの超電導磁石だけからなる場合と同様の操作方法によって同じ割合の励磁速度で同時に容易に励磁され得ることから、従来のように煩雑な操作方法とはならず、磁石装置中心付近の中心磁場を極めて安定化させることができる。
【００７６】
また、上記条件式（数１）を満足するコイル位置に第２の永久電流スイッチを配置して閉回路を構成するようにしたため、第２の永久電流スイッチを設けない場合の従来の超電導磁石よりも磁場減衰率を低く抑えることができ、磁石装置中心付近の中心磁場が極めて安定な超電導磁石装置とすることができる。
【００７７】
さらに、請求項３によれば、第１の永久電流スイッチと第２の永久電流スイッチのヒータ線が直列接続されているため、ヒータ用電源を共用化することができて部品点数を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の超電導磁石装置の基本概念を示す回路図である。
【図２】 本発明の実施形態２の磁場補正用の磁性体シムを具備した超電導磁石装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図３】 図２の超電導磁石装置の回路図である。
【図４】 図２の超電導磁石装置による磁石装置中心磁場の減衰率の測定結果を示す図である。
【図５】 従来の磁場補正用の磁性体シムを具備した超電導磁石装置の概略構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１，１１ 永久電流超電導磁石装置
２ａ，２ｂ 単位超電導コイル
１２，１２１，１２１ａ，１２１ｂ，１２２，１２３ 超電導コイル
３，１３ 超電導磁石
４，１４ 励磁用電源
５，１５ 第１の永久電流スイッチ
６，１６ 第２の永久電流スイッチ
７，１７ ヒータ用電源
１８ クライオスタット
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば理化学用ＮＭＲ（核磁気共鳴）分析装置や医療用断層映像装 置（ＭＲＩ）などに組み込まれ、永久電流モードで運転される永久電流超電導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、この理化学用ＮＭＲ分析装置では、磁界強度が高くしかも磁界の時間的変動（減衰）が極めて小さい永久電流超電導磁石装置を必要としている。このため、通常、この永久電流超電導磁石装置は永久電流スイッチを用いて形成された閉回路を利用することで永久電流モードで運転されている。
【０００３】
ところが、実際には、永久電流モードの運転時に、超電導コイル間の超電導線の接続部分の微小な接続抵抗が主な原因になって、永久電流が時間と共に徐々に減衰するために磁場の減衰が生じている。超電導線の接続部分における通常の半田付けでは、半田材料が超電導材料ではないので、この接続抵抗を１０-9オーム程度以下にすることは困難であるが、接続しにくい超伝導線のフィラメント同士を、スポット溶接や圧着などで直に接続して１０-12オーム程度とすることができる接続技術が開発されている。これにより、磁場の減衰度が０．０１ppm/hr程度の永久電流超電導磁石装置が実現可能である。
【０００４】
しかし、このような超電導線間の接続抵抗値は磁界によりその抵抗値が影響を受け、その接続部分の磁束密度が１Ｔ（テスラ＝１０4ガウス）程度以上になると、その接続部分は超電導状態から通常の金属導電状態に移行してしまい、接続抵抗値が急激に上昇して電流（磁場）の減衰も大きくなってしまう。そのため、接続部分に磁気シールドを施すなどの特殊な対策が必要となる。このような特殊な対策を施すことなく極めて安定な磁場を得る方法として、従来より特公平４−６１１０３号公報に示される方法が提案されている。
【０００５】
この方法による永久電流超電導磁石装置３０は、図５に示すように、外周側の第１の超電導磁石３１と、その内周側の第２の超電導磁石３２とを同心状に有し内部に作用空間が形成されている。さらに、第１の超電導磁石３１の外周側には 磁場補正用超電導コイル３３が、第１の超電導磁石３１および第２の超電導磁石３２に対して同心状に配設されている。
【０００６】
この第１の超電導磁石３１は、円筒状に巻回された第１の超電導コイル３４と、この第１の超電導コイル３４と並列接続された第１の永久電流スイッチ３５と、第１の超電導コイル３４に対して励磁用の電流を供給する励磁用電源３６と、第１の永久電流スイッチ３５のヒータに対して電流を供給するヒータ用電源３７とを有している。また、第２の超電導磁石３２は、第１の超電導コイル３４の内周側に他の超電導線が同心状でかつ円筒状に巻回された第２の超電導コイル３８と、この第２の超電導コイル３８と並列接続された第２の永久電流スイッチ３９と、第２の超電導コイル３８に対して励磁用の電流を供給する励磁用電源４０と、第２の永久電流スイッチ３９のヒータに対して電流を供給するヒータ用電源４１とを有している。
【０００７】
さらに、クライオスタット４２の内部において、これらの第１の超電導磁石３１と第２の超電導磁石３２とがそれぞれ電気的に独立し、かつ、第２の超電導コイル３８が第１の超電導コイル３４のボア内部に具備されている。これによって、第２の超電導コイル３８の電流減衰による作用空間内の磁場の減衰を、この電流減衰に伴って第１の超電導コイル３４に相互誘導される電流による第１の超電導コイル３４の作用空間内の磁場の増加分で補償することにより、作用空間内の磁場を極めて安定に保とうとしている。つまり、第２の超電導コイル３８の電流による磁界低下分と、それにより誘起される第１の超電導コイル３４の電流による磁界増加分を等しくすることにより、作用空間内の磁界強度を一定に保つようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の方法では、２つの独立した超電導磁石３１，３２をそれぞれ励磁するためには、独立した別々の励磁用電源３６，４０が必要となると共に、独立した別々の永久電流スイッチ３５，３９に対するヒータ用電源３７，４ １が必要となる。しかも、電気的に独立した第１の超電導コイル３４および第２の超電導コイル３８を励磁する場合には、磁場中のコイルに働く力のバランスが崩れてコイル部分が破損する虞があるため、それぞれの超電導磁石３１，３２を同じ割合の励磁速度で同時に励磁する必要がある。このように、励磁用電源３６，４０などの励磁設備を２つ用い、２つの設備を操作するため、超電導磁石装置３０の操作方法は煩雑となり、その煩雑さ故にその操作方法は、１つの超電導磁石だけからなる永久電流超電導磁石装置の操作方法（同じ割合の励磁速度で同時に励磁する必要がない場合）と比べると著しく異なっている。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、超電導接続に特殊な技術や対策を施すことなく、しかも、１つの超電導磁石だけからなる磁石装置と同様の励磁設備および操作方法によって磁石装置中心付近の中心磁場が極めて安定な永久電流超電導磁石装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の永久電流超電導磁石装置は、作用空間の外側に同心状に配設された複数個の円筒状の単位超電導コイルが直列接続された超電導磁石と、直列接続された単位超電導コイルよりなる直列回路の両端に接続された第１の永久電流スイッチと、直列回路の両端に接続され、直列回路に励磁用の電流を供給可能な励磁用電源と、複数個の単位超電導コイルの任意の一つまたは、連続する所定数の単位超電導コイルの両端に接続された一つの第２の永久電流スイッチとを有したことを特徴とするものである。この場合、第２の永久電流スイッチは複数設けられていてもよい。
【００１１】
この構成により、複数個の直列接続された単位超電導コイルと第１の永久電流スイッチからなる閉回路に加えて、複数個の単位超電導コイルのうち任意の一または複数の単位超電導コイルの両端を接続して閉回路を構成する一つの第２の永久電流スイッチを設けているので、超電導磁石回路が２つの閉回路に分割され、それぞれの相互誘導により、磁石装置中心付近の磁場の減衰が抑えられ、磁石装置中心付近の磁場を極めて安定に保つことが可能となる。また、これらの２つの閉回路を構成している各超電導磁石は、複数個の単位超電導コイルが直列接続されているので、第１及び第２の永久電流スイッチをオフ状態とすることによって、同じ割合の励磁速度で同時に容易に励磁することが可能となって、例えば従来のような電気的に独立した２つの超電導磁石に対して励磁用電源などの励磁設備を２つ用いる必要がなくなって部品点数が削減され、また、２つの設備を操作したりする必要はなくなって操作方法が煩雑なものとはならない。よって、超電導線間の接続にスポット溶接などの特殊な接続技術や、磁気シールドなどの特殊な対策を施すことなく、しかも、１つの超電導磁石だけからなる場合と同様の励磁設備（各１つの励磁用電源およびヒータ用電源）によって、さらに、１つの超電導磁石だけからなる場合と同様の操作方法によって同じ割合の励磁速度で同時に容易に励磁され得ることから、従来のように煩雑な操作方法とはならず、磁石装置中心付近の中心磁場が極めて安定なものとなる。
【００１２】
また、好ましくは、本発明の永久電流超電導磁石装置における第２の永久電流スイッチが一つ設けられ、第２の永久電流スイッチが接続されている単位超電導コイルの自己インダクタンスをＬ1、その単位超電導コイルに含まれる微小抵抗をＲ1、その単位超電導コイ ルの磁場定数をＫ 1 、他の単位超電導コイルの自己インダクタンスをＬ 2 、前記他の単位超電導コイルに含まれる微小抵抗をＲ 2 、前記他の単位超電導コイルの磁場定数をＫ 2 、それらの相互インダクタンスをＭ、としたとき、
【００１３】
【数１】
を満足する（但し、Ｌ 0 ＝Ｌ 1 ＋Ｌ 2 ＋２Ｍである）一または所定数の単位超電導コイルの両端に第２の永久電流スイッチが接続されている。
【００１５】
この構成により、磁石装置中心付近の中心磁場の減衰を、第２の永久電流スイッチがない場合の従来の超電導磁石よりも低く抑える上記条件式（数１）を満足する位置に第２の永久電流スイッチを配置して閉回路を構成するので、第２の永 久電流スイッチがない場合の超電導磁石よりも磁場減衰率を低く抑えることができ、磁石装置中心付近の中心磁場が極めて安定な超電導磁石装置となる。
【００１６】
さらに、好ましくは、本発明の永久電流超電導磁石装置における第１の永久電流スイッチと第２の永久電流スイッチとが共に熱式永久電流スイッチであって、それらのヒータ線がヒータ用電源に対して直列接続されている。
【００１７】
この構成により、第１の永久電流スイッチと第２の永久電流スイッチのヒータ線が直列接続されているので、ヒータ用電源が共用できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る永久電流超電導磁石装置の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではない。
【００１９】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の超電導磁石装置の基本概念を示す回路図である。
【００２０】
図１において、この永久電流超電導磁石装置１は、同心状に配列された各単位超電導コイル２ａ，２ｂが直列接続された超電導磁石３と、単位超電導コイル２ａ，２ｂの直列回路に励磁用の電流を供給可能な励磁用電源４とを有している。これらの円筒状の単位超電導コイル２ａ，２ｂの内側は作用空間として作用し、この作用空間内に分析試料を挿入（ＮＭＲ）して高磁場を生じさせた状態で所定の組成分析を行ったり、また、この作用空間内に人体を挿入（ＭＲＩ）して高磁場を生じさせた状態で人体の検診を行うようになっている。なお、これらの単位超電導コイル２ａ，２ｂはそれぞれ一または所定数の更なる単位超電導コイルから構成されていてもよい。
【００２１】
また、超電導磁石装置１は、単位超電導コイル２ａ，２ｂの直列回路の両端に接続された第１の永久電流スイッチ５と、単位超電導コイル２ａの両端に接続さ れた第２の永久電流スイッチ６と、第１の永久電流スイッチ５および第２の永久電流スイッチ６のヒータ線に対して電流を供給可能なヒータ用電源７とを有している。これらの第１の永久電流スイッチ５と第２の永久電流スイッチ６とは共に熱式永久電流スイッチであって、それらのヒータ線が直列接続されてヒータ用電源７から電流供給可能に構成されている。
【００２２】
このように、直列接続された単位超電導コイル２ａ，２ｂと閉回路を構成する第１の永久電流スイッチ５に加えて、単位超電導コイル２ａの両端を接続して閉回路を構成する第２の永久電流スイッチ６を設けている。このように、超電導磁石回路が２つの閉回路からなり、それぞれの相互誘導により、作用空間内（磁石装置中心付近）の磁場の減衰を抑えることができて、作用空間内の磁場を極めて安定に保つことができる。
【００２３】
この場合、それぞれの相互誘導とは、第２の永久電流スイッチ６と並列接続されている単位超電導コイル２ａと、この単位超電導コイル２ａ以外の単位超電導コイル２ｂとの相互誘導であり、例えば単位超電導コイル２ｂの電流が減って磁束が減る方向に変化すると、その磁束と鎖交する単位超電導コイル２ａに、単位超電導コイル２ｂの電流変化（減少）分に相当する電流が誘起されることにより、作用空間内の磁場の減衰を相殺的に抑えることができて、作用空間内の磁場を極めて安定に保つことができる。このとき、単位超電導コイル２ａ，２ｂが励磁用電源４に対して直列接続されているだけでは単位超電導コイル２ａ，２ｂに流れる電流値は同一であるが、単位超電導コイル２ａの両端を接続した閉回路を構成したことにより、単位超電導コイル２ｂの電流変化（減少）分に相当する増加電流が単位超電導コイル２ａ側に誘起され得るようになっている。
【００２４】
上記構成により、その永久電流モード動作を説明する。まず、複数個の単位超電導コイル２ａ，２ｂの直列回路に並列に接続されている第１の永久電流スイッチ５と、単位超電導コイル２ａに並列に接続されている第２の永久電流スイッチ６のそれぞれのヒータ線に外部のヒータ用電源７から通電して、それぞれの永久電流スイッチ５，６を開状態（オフ状態）にする。この永久電流スイッチ５，６の開状態（オフ状態）は、外部からの励磁用電源４によって複数個の単位超電導コイル２ａ，２ｂに、電流値が所定の設定電流値Ｉ0に達するまで電流を供給する。
【００２５】
次に、その供給電流値が所定の設定電流値Ｉ0に達したところで、外部のヒータ用電源７からの通電をオフにして、それぞれの永久電流スイッチ５，６を閉状態（オン状態）に切り換えて、単位超電導コイル２ａ，２ｂと第１の永久電流スイッチ５で構成された閉回路と、単位超電導コイル２ａと第２の永久電流スイッチ６で構成された閉回路とで電流がそれぞれ循環する永久電流モードでの運転を行わせる。
【００２６】
このようにして、まず、単位超電導コイル２ａ，２ｂを励磁した初期状態では、単位超電導コイル２ａの電流Ｉ1と単位超電導コイル２ｂの電流Ｉ2は、何れも設定電流Ｉ0と等しいが、単位超電導コイル２ａ，２ｂには微小抵抗Ｒ1，Ｒ2が存在するために時間と共にそれぞれ減衰を生じることとなる。
【００２７】
ここで、第２の永久電流スイッチ６と閉回路を構成する単位超電導コイル２ａの自己インダクタンスをＬ1、単位超電導コイル２ａに含まれる接続部等に起因する微小抵抗をＲ1、単位超電導コイル２ａ以外の単位超電導コイル２ｂの自己インダクタンスをＬ2、その単位超電導コイル２ｂに含まれる接続部等に起因する微小抵抗をＲ2、単位超電導コイル２ａ，２ｂ間の相互インダクタンスをＭとすると、微小抵抗Ｒ1，Ｒ2による電流変化は以下の回路方程式（数２および数３）により求められる。
【００２８】
【数２】
【数３】
一方、第２の永久電流スイッチ６を設けていない場合の従来の超電導磁石では、励磁した後の電流変化は以下の回路方程式（数４）により求められる。
【００３１】
【数４】
ｔ＝０のとき、Ｉ1＝Ｉ2＝Ｉ0なので、上記（数２）および（数３）により、下記の（数５）となる。
【００３３】
【数５】
また、（数４）により、
【００３５】
【数６】
ここで、Ｌ0は回路全体のインダクタンスであり、Ｌ0＝Ｌ1＋Ｌ2＋２Ｍを満足し、Ｒ0は回路全体の微小抵抗であり、Ｒ0＝Ｒ1＋Ｒ2を満足する。
【００３７】
したがって、第２の永久電流スイッチ６がない従来の超電導磁石と比較して、作用空間内の磁場の減衰を低く抑えるためには、電流Ｉ1，Ｉ2が変化することによる磁場減衰が、電流Ｉが変化することによる磁場減衰よりも小さくなればよい。すなわち、電流がＩ1，Ｉ2であるコイルの磁場定数（コイルに１Ａ通電したときに生じる磁場の強さで定義され、単位はＴ／Ａとなる）をＫ1，Ｋ2、全体の超電導磁石３の磁場定数をＫ0とすれば、次式（数７）が成立するようにすればよい。但し、Ｋ0＝Ｋ1＋Ｋ2を満足する。
【００３８】
【数７】
これらのＩ1，Ｉ2，Ｉを上記の（数７）に代入すると、次の（数８）となり、これを整理して次の（数９）が得られる。
【００４０】
【数８】
【数９】
この条件式（数９）を満足する位置に第２の永久電流スイッチ６を配置して閉回路を構成することによって、第２の永久電流スイッチ６を設けていない場合の従来の超電導磁石よりも磁場減衰率を低く抑えることができ、作用空間内の中心磁場が極めて安定した超電導磁石装置１を得ることができる。
【００４３】
また、この（数９）において、一般的には、下記の（数１０）が成り立つために、次の（数１１）が得られる。
【００４４】
【数１０】
【数１１】
すなわち、上記（数９）の場合と同様に、この条件式（数１１）を満足する位置に第２の永久電流スイッチ６を配置して閉回路を構成することによって、第２の永久電流スイッチ６を設けていない場合の従来の超電導磁石よりも磁場減衰率を低く抑えることができ、作用空間内の中心磁場が極めて安定した超電導磁石装置１を得ることができる。
【００４７】
（実施形態２）
上記実施形態１では、直列接続された複数個の単位超電導コイル２ａ，２ｂの任意の一つである単位超電導コイル２ａと並列に第２の永久電流スイッチ６を接続して閉回路を構成したが、本実施形態２では、直列接続された複数個の単位超 電導コイルのうちの、連続する一部（複数個）の単位超電導コイルと並列に第２の永久電流スイッチを接続して閉回路を構成した場合である。
【００４８】
図２は本発明の実施形態２の、磁場補正用の磁性体シムを具備した超電導磁石装置の概略構成を示す縦断面図、図３は図２の超電導磁石装置の概略構成を示す回路図である。
【００４９】
図２および図３において、この永久電流超電導磁石装置１１は、同心状に配列された複数個の単位超電導コイルよりなる超電導コイル１２が直列接続された超電導磁石１３と、この超電導コイル１２の直列回路の両端に接続され、超電導コイル１２の直列回路に励磁用の電流を供給可能な励磁用電源１４とを有している。この円筒状の超電導コイル１２の内側の中心軸部分には、高磁場による作用空間Ｓが形成されるようになっている。
【００５０】
また、永久電流超電導磁石装置１１は、複数個の超電導コイル１２に並列に第１の永久電流スイッチ１５を接続して閉回路を形成すると共に、複数個の超電導コイル１２のうち、連続する任意の例えば超電導コイル１２１ａに並列に第２の永久電流スイッチ１６を接続して閉回路を形成している。また、これらの第１の永久電流スイッチ１５と第２の永久電流スイッチ１６とは共に熱式永久電流スイッチであって、第１の永久電流スイッチ１５のヒータ線と第２の永久電流スイッチ１６のヒータ線とはクライオスタット１８の内部で直列に接続され、その直列回路の両端は外部のヒータ用電源１７に接続されてヒータ用電源１７から電流供給可能に構成されている。
【００５１】
さらに、超電導コイル１２は超電導コイル１２１、１２２，１２３からなっている。この超電導コイル１２１（１２１ａと１２１ｂ）は、軸心方向に等しい長さを有し、それぞれ所要のターン数を有して巻回された６個の単位超電導コイルが同心状で径方向に積層されてなっている。その内側には、超電導コイル１２２が相互作用を行う超電導コイル１２１に対して同心状に収納配設されている。超 電導コイル１２２は、超電導コイル１２１とは軸心方向長が多少短かく設定されており、それぞれ所要のターン数を有して巻回された３個の単位超電導コイルが同心状で径方向に積層されてなるものである。この超電導コイル１２２の空心部分を高磁場とする作用空間Ｓとしている。超電導コイル１２１の軸心長を超電導コイル１２２に比して長くすることで、作用空間Ｓにおける軸心方向の磁場の均一度を（軸方向両端による磁界の乱れを抑制することで）可及的に高めるようにしている。
【００５２】
また、補正用の超電導コイル１２３が最外周部に配設され、作用空間Ｓの軸心方向の中心に対して上下対称となる位置、本実施形態２では中央と上下両側に、それぞれ所要数のターン数を有して（上下側は同一ターン数）配設されている。これにより、作用空間Ｓ内の磁場を径方向及び軸心方向に対して均一に補正可能にしている。
【００５３】
なお、図示は示していないが、超電導コイル１２３の外側には、外部へ漏れる磁界を抑制するシールド部材、例えばシールド用の超電導コイルが必要に応じて配設されている。
【００５４】
上記において、作用空間Ｓには、その中心部に分析試料（ＮＭＲの場合）が挿入され、あるいは人体が入れられ（ＭＲＩの場合）て、高磁場の下で組成解析や検診が施される。
【００５５】
以上のように、超電導磁石回路が２つの閉回路からなり、それぞれの相互誘導により、磁石装置中心付近の作用空間Ｓの磁場の減衰を抑えることができる。この場合の相互誘導とは、第２の永久電流スイッチ１６と並列接続されている位超電導コイル１２１ａと、この超電導コイル１２１ａ以外の超電導コイル１２２，１２１ｂ，１２３との相互誘導であり、例えば超電導コイル１２２，１２１ｂ，１２３に流れている電流が減って磁束が減る方向に変化すると、その磁束と鎖交する超電導コイル１２１ａ側に、その電流変化（減少）分に相当する増加電流が 誘起されることにより、作用空間Ｓの磁場の減衰が抑制されて、作用空間Ｓの磁場を極めて安定に保つことができる。このとき、超電導コイル１２が直列接続されているだけでは超電導コイル１２に流れる電流値は常に同一であるが、超電導コイル１２１ａの両端を接続して閉回路を構成したために、それ以外の超電導コイル１２２，１２１ｂ，１２３の電流変化（減少）分に相当する増加電流が超電導コイル１２１ａ側に誘起され得るようになっている。
【００５６】
以下に、具体的に説明すると、超電導磁石１３の超電導コイル１２は、内径φ８０ｍｍ，幅３５０ｍｍの巻枠にφ０．８ｍｍのＮｂ3Ｓｎ超電導線材が巻回された超電導コイル１２２と、内径φ１４０ｍｍ，幅５００ｍｍの巻枠にφ０．７ｍｍとφ０．６ｍｍのＮｂＴｉ超電導線が巻回された超電導コイル１２１と、φ０．６ｍｍのＮｂＴｉ超電導線が巻回された磁場補正用超電導コイル１２３から構成される合計１２個の単位超電導コイルが直列に接続されて設けられている。また、ＮｂＴｉ超電導線が巻回された超電導コイル１２１の一部である、連続した３個の単位超電導コイルからなる超電導コイル１２１ａと並列に第２の永久電流スイッチ１６が接続されている。
【００５７】
この場合、超電導コイル１２全体の自己インダクタンスＬ0は１２０Ｈ、第２の永久電流スイッチ１６により分割された各々の単位超電導コイル１２１ａの自己インダクタンスＬ1は１５Ｈ、他の単位超電導コイル１２２，１２１ｂ，１２３の自己インダクタンスをＬ2は５５Ｈ、それぞれの相互インダクタンスＭは２５Ｈである。これらを上記条件式（数１１）の右辺（数１２）に代入すると、以下のようになる。
【００５８】
【数１２】
一方、単位超電導コイルの微小抵抗はその接続部の抵抗が支配的であるため、各単位超電導コイルの微小抵抗はその接続部の数に比例する。各単位超電導コイル毎に接続しているのは、中央側のコイルのコイル線ほど太いコイル線を用い、かつそれらの材質も異なるようにして磁場発生の効率化を図っていることと、全コイルに渡る長いコイル線が作れないためである。
【００６０】
このように、各単位超電導コイルの微小抵抗はその接続部の数に比例するため、複数個（本実施形態２では３個）の単位超電導コイルよりなる超電導コイル１２１ａに含まれる微小抵抗をＲ1、それ以外の全単位超電導コイル（本実施形態２では９個）よりなる超電導コイル１２２，１２１ｂ，１２３に含まれる微小抵抗をＲ2とすると、上記条件式（数１１）の左辺は、次式（数１３）のようになって、第２の永久電流スイッチ１６は、上記式（数１１）を満足する位置に閉回路が配置していることになる。つまり、第２の永久電流スイッチ１６は、上記式（数１１）を満足する一または所定数（本実施形態２では、連続する３個）の単位超電導コイルよりなる超電導コイル１２１ａの両端に接続されている。
【００６１】
【数１３】
さらに、本実施形態２において、磁場定数Ｋ1は０．０４４Ｔ／Ａ、Ｋ2は１．０８６Ｔ／Ａなので、下記の（数１４）となる。また、下記の（数１５）であり、下記の（数１６）であるので、上記条件式（数９）も成立する位置に第２の永久電流スイッチ１６が配置されて接続されている。
【００６３】
【数１４】
【数１５】
【数１６】
上記構成により、まず、外部のヒータ用電源１７による通電により、１２個の直列接続された単位超電導コイルよりなる超電導コイル１２全体に並列に接続された第１の永久電流スイッチ１５と、ＮｂＴｉ超電導コイル１２１の一部である３個の単位超電導コイルよりなる超電導コイル１２１ａと並列に接続された第２の永久電流スイッチ１６とを開状態とし、外部の励磁用電源１４を用いて超電導コイル１２に電流を流して励磁を行う。
【００６７】
次に、超電導磁石１３の電流値が所定の設定電流値Ｉ0になったときに、外部のヒータ用電源１７をオフとし、第１の永久電流スイッチ１５および第２の永久電流スイッチ１６を共に閉状態として各閉回路を構成する。
【００６８】
この後、磁石装置中心磁場を１か月以上の長期間に亘り測定した結果を図４に示している。一方、比較のために、第２の永久電流スイッチ１６を用いずに同様の測定をした結果も併せて図４に示している。図４の測定結果からも判るように、第２の永久電流スイッチ１６を用いることで、超電導磁石回路を２つの閉回路に分割し、それぞれの相互誘導によって、従来の超電導磁石装置よりも磁場減衰率を低く抑えることができ、約０．０１ppm/hrの磁場減衰率となる極めて安定な磁場を得ることができた。
【００６９】
以上により、本発明の永久電流超電導磁石装置１，１１によれば、複数個の直列接続された単位超電導コイルと第１の永久電流スイッチ５，１５からなる閉回路に加えて、複数個の単位超電導コイルのうち任意の一または複数の単位超電導コイルの両端を接続して閉回路を構成する第２の永久電流スイッチ６，１６を設けているため、超電導磁石回路が２つの閉回路よりなり、それぞれの相互誘導により、磁石装置中心付近の磁場の減衰を抑制でき、磁石装置中心付近の磁場を極めて安定化させることができる。また、これらの２つの閉回路を構成している各超電導磁石は、複数個の単位超電導コイルが直列接続されているために、同じ割合の励磁速度で同時に励磁することが容易になって、従来のような電気的に独立した２つの超電導磁石の、２つの励磁設備を用い同じ割合の励磁速度で同時に励磁する操作方法とは異なって煩雑なものとはならない。よって、超電導線間の接続にスポット溶接などの特殊な接続技術や、磁気シールドなどの特殊な対策を施すことなく、しかも、従来の１つの超電導磁石だけからなる場合と同様の励磁設備（各１つの励磁用電源４，１４およびヒータ用電源７，１７）によって、さらに、１つの超電導磁石だけからなる場合と同様の操作方法によって同じ割合の励磁速度で同時に容易に励磁され得ることから、従来のように煩雑な操作方法とはならず、磁石装置中心付近の中心磁場を極めて安定化させることができる。
【００７０】
また、上記条件式（数１）を満足するコイル位置に第２の永久電流スイッチ６，１６を配置して閉回路を構成するようにしたため、第２の永久電流スイッチ６，１６を設けない場合の従来の超電導磁石よりも磁場減衰率を低く抑えることができ、磁石装置中心付近の中心磁場が極めて安定な超電導磁石装置とすることができる。
【００７１】
さらに、第１の永久電流スイッチ５，１５と第２の永久電流スイッチ６，１６のヒータ線が直列接続されているので、ヒータ用電源７，１７を共用化することができて部品点数を削減することができ、しかも、一つの超電導磁石だけからなる場合と同じ操作方法により励磁ができる。
【００７２】
なお、上記実施形態２では、第２の永久電流スイッチ１６による閉回路は、連続して接続された３個の単位超電導コイルよりなる超電導コイル１２１ａを含むように構成したが、これに限らず、超電導コイル１２２，１２１ｂ，１２３の何れかの一または複数個の単位超電導コイルを含むように設けてもよく、また、超電導コイル１２２，１２１ａ，１２１ｂ，１２３のうち、連続する何れかに渡る複数個の単位超電導コイルを含むように設けてもよい。
【００７３】
例えば、閉回路を構成する第２の永久電流スイッチ１６の配置位置が変われば、第２の永久電流スイッチ１６と並列に接続される超電導コイルの自己インダクタンスも変更され、その超電導コイルに含まれる接続部等に起因する微小抵抗も変更され、さらには、その超電導コイル以外の全超電導コイルの自己インダクタンスも変わると共に、その超電導コイルに含まれる接続部等に起因する微小抵抗も変わり、かつ、それらの間の相互インダクタンスＭも変わるが、要は、上記条件式（数１）を満足する第２の永久電流スイッチ１６の配置位置であれば、第２の永久電流スイッチ１６を設けない場合の従来の超電導磁石よりも磁場減衰率を低く抑えることができて、磁石装置中心付近の中心磁場が極めて安定な超電導磁石装置とすることができる。
【００７４】
また、上記実施形態１，２では、第１の永久電流スイッチ５または１５による閉回路に対して一つの第２の永久電流スイッチ６または１６による閉回路との２つの閉回路を設けて、それらのコイルによる相互誘導によって磁石装置中心付近の中心磁場を極めて安定化させるようにしたが、これに限らず、複数の第２の永久電流スイッチによる多段の閉回路を構成して、それらのコイルによる相互誘導によって磁石装置中心付近の中心磁場を極めて安定化させるようにしてもよい。この場合、閉回路数に応じて永久電流スイッチを設ければよい。但し、それらのヒータ線に流れる電流が多くなるため、ヒータ用電源としての容量が大きいものが必要となると共に、各永久電流スイッチとコイルとを接続する作業も増えるので、これらの点を考慮して好ましい数の閉回路を設けるようにすればよい。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように請求項１によれば、複数個の直列接続された単位超電導コイルと第１の永久電流スイッチからなる閉回路に加えて、複数個の単位超電導コイルのうち任意の一または複数の単位超電導コイルの両端を接続して閉回路を構成する一つの第２の永久電流スイッチを設けているため、超電導磁石回路が２つの閉回路よりなり、それぞれの相互誘導により、磁石装置中心付近の磁場の減衰を抑制でき、磁石装置中心付近の磁場を極めて安定化させることができる。また、これらの２つの閉回路を構成している各超電導磁石は、複数個の単位超電導コイルが直列接続されているために、第１及び第２の永久電流スイッチをオフ状態とすることによって、同じ割合の励磁速度で同時に励磁することが容易になって、例えば従来のような電気的に独立した２つの超電導磁石に対して励磁用電源などの励磁設備を２つ用いる必要がなくなって部品点数が削減され、また、２つの設備を操作したりする必要はなくなって操作方法が煩雑なものとはならない。よって、超電導線間の接続にスポット溶接などの特殊な接続技術や、磁気シールドなどの特殊な対策を施すことなく、しかも、１つの超電導磁石だけからなる場合と同様の励磁設備によって、さらに、１つの超電導磁石だけからなる場合と同様の操作方法によって同じ割合の励磁速度で同時に容易に励磁され得ることから、従来のように煩雑な操作方法とはならず、磁石装置中心付近の中心磁場を極めて安定化させることができる。
【００７６】
また、上記条件式（数１）を満足するコイル位置に第２の永久電流スイッチを配置して閉回路を構成するようにしたため、第２の永久電流スイッチを設けない場合の従来の超電導磁石よりも磁場減衰率を低く抑えることができ、磁石装置中心付近の中心磁場が極めて安定な超電導磁石装置とすることができる。
【００７７】
さらに、請求項３によれば、第１の永久電流スイッチと第２の永久電流スイッチのヒータ線が直列接続されているため、ヒータ用電源を共用化することができて部品点数を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の超電導磁石装置の基本概念を示す回路図である。
【図２】 本発明の実施形態２の磁場補正用の磁性体シムを具備した超電導磁石装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図３】 図２の超電導磁石装置の回路図である。
【図４】 図２の超電導磁石装置による磁石装置中心磁場の減衰率の測定結果を示す図である。
【図５】 従来の磁場補正用の磁性体シムを具備した超電導磁石装置の概略構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１，１１ 永久電流超電導磁石装置
２ａ，２ｂ 単位超電導コイル
１２，１２１，１２１ａ，１２１ｂ，１２２，１２３ 超電導コイル
３，１３ 超電導磁石
４，１４ 励磁用電源
５，１５ 第１の永久電流スイッチ
６，１６ 第２の永久電流スイッチ
７，１７ ヒータ用電源
１８ クライオスタット
Claims (3)
- 作用空間の外側に同心状に配設された複数個の円筒状の単位超電導コイルが直列接続された超電導磁石と、
前記直列接続された単位超電導コイルよりなる直列回路の両端に接続された第１の永久電流スイッチと、
前記直列回路の両端に接続され、前記直列回路に励磁用の電流を供給可能な励磁用電源と、
前記複数個の単位超電導コイルの任意の一つまたは、連続する所定数の単位超電導コイルの両端に接続された一つの第２の永久電流スイッチとを有し、
前記第２の永久電流スイッチが接続されている単位超電導コイルの自己インダクタンスをＬ 1 、その単位超電導コイルに含まれる微小抵抗をＲ 1 、その単位超電導コイルの磁場定数をＫ 1 、他の単位超電導コイルの自己インダクタンスをＬ 2 、前記他の単位超電導コイルに含まれる微小抵抗をＲ 2 、前記他の単位超電導コイルの磁場定数をＫ 2 、それらの相互インダクタンスをＭ、としたとき、
- 作用空間の外側に同心状に配設された複数個の円筒状の単位超電導コイルが直列接続された超電導磁石と、
前記直列接続された単位超電導コイルよりなる直列回路の両端に接続された第１の永久電流スイッチと、
前記直列回路の両端に接続され、前記直列回路に励磁用の電流を供給可能な励磁用電源と、
前記複数個の単位超電導コイルの任意の一つまたは、連続する所定数の単位超電導コイルの両端に接続された一つの第２の永久電流スイッチとを有し、
前記第２の永久電流スイッチが接続されている単位超電導コイルの自己インダクタンスをＬ 1 、その単位超電導コイルに含まれる微小抵抗をＲ 1 、他の単位超電導コイルの自己インダクタンスをＬ 2 、前記他の単位超電導コイルに含まれる微小抵抗をＲ 2 、それらの相互インダクタンスをＭ、としたとき、
- 前記第１の永久電流スイッチと第２の永久電流スイッチとが共に熱式永久電流スイッチであって、それらのヒータ線がヒータ用電源に対して直列接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の永久電流超電導磁石装置。
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