JP3715726B2 - 超電導複合円筒及びその製造方法並びに超電導マグネット - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インターベンショナル型ＭＲＩ（磁気共鳴医療画像診断装置）の主マグネットとして誘導着磁して使用する超電導複合円筒及びその製造方法、並びにそれを用いた超電導マグネットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インターベンショナル型ＭＲＩの主マグネットとして、超電導複合円筒の応用が期待されている。インターベンショナル型ＭＲＩのマグネットとは、図１に示すように、超電導冷却機能を備えた容器１に配した２個一組の超電導円筒２を誘導着磁し、２個の超電導円筒の間にできた空間の直流磁場を利用するＭＲＩ装置のことである。超電導マグネットの場合、その磁石としての性能は臨界電流密度と超電導体の総厚で決まるので、板厚を増やすため超電導円筒は複合一体化されて使用される。従来のインターベンショナル型ＭＲＩ用超電導円筒型マグネットには以下に述べる３つの問題点があった。
【０００３】
第１は、一対の複合円筒間の距離は、被験者が横たわるスペースとして距離が空いているが、誘導着磁された円筒の磁場は、円筒の中心位置から離れるに従い急激に低下してしまうという問題である。円筒の中心位置から離れるに従い磁場が低下するという意味は、次のようなことである。半径ａ、長さＬ、単位長さ当たりの巻き数をＮ、流れる電流Ｉとしたとき、ソレノイド円筒軸上の中心点Ｏから距離ｄの点Ｐにおける磁場Ｂｐは有限長のビオ・サバールの式より次のように表される。
Ｂｐ＝μｏ・Ｉ・Ｎ／２〔（ｄ＋Ｌ／２）／｛ａ２＋（ｄ＋Ｌ／２）２｝１／２
−（ｄ−Ｌ／２）／｛ａ２＋（ｄ−Ｌ／２）２｝１／２〕（Ｗｂ／ｍ２）
・・・・・・（１）
ソレノイド端面Ｑ及び軸上中心点Ｏの磁場は、それぞれ
ＨＱ＝Ｉ・Ｎ・Ｌ／２（ａ２＋Ｌ２）・・・・・・（２）
Ｈｏ＝Ｉ・Ｎ・Ｌ／（４ａ２＋Ｌ２）・・・・・・（３）
と表され中心部に比べ端面では明らかに磁場は低下する。端面からさらに離れた点では磁場はさらに低下する。
【０００４】
第２に、インターベンショナル型ＭＲＩの超電導円筒マグネットの着磁は、複合一体化した超電導円筒の外側に巻いたヒーター線に通電することにより、部分的に超電導状態を破り超電導円筒の中へ磁場を入れて着磁を行うが、超電導円筒の外側に巻いたヒーターに通電するため、ヒーターの熱が円筒の加熱の他、液体ヘリウムの蒸発のために費やされ、効率が悪いという問題である。
【０００５】
第３は、磁場の均一性の問題である。ＮｂＴｉ超電導体を使用した超電導多層板を用いる場合、該板は圧延により作製されるため、ＮｂＴｉの超電導特性を決定する主因子であるＴｉ析出物は方向性を持つ。従って、超電導多層板の臨界電流密度や機械的特性も圧延方向に対して強い異方性を持つ。このような超電導多層板から深絞りにより作製した円筒を無造作に複合化すると、誘導着磁後の発生磁場の場所による不均一性が生じる。また、超電導多層板から深絞りにより作製した円筒は、図４のように圧延方向８と幅方向９が凹み、圧延方向に対して４５°の方向が凸となるような耳６が発生する。超電導多層板そのものに異方性がある上、さらに深絞り加工で材料に複雑な変形が施されるため、臨界電流密度が場所によって異なり、誘導着磁後の発生磁場の不均一性がさらに増長されてしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前節に記載した問題点を鑑みてなされたものである。本発明が解決しようとする課題は以下の３点である。
まず、着磁した円筒型マグネットの中心位置から離れた位置の磁場は、中心の磁場に比べかなり小さいという問題、即ち着磁磁場の位置的低下を抑えることである。インターベンショナル型ＭＲＩ用のマグネットでは、被験者の位置はどうしても超電導円筒から離れた位置にせざるを得ないため、実際に磁場を利用する場所における磁場は円筒の中心位置に比べかなり低い。本発明はこの磁場の低下を抑えることを第１の課題とする。
次に、インターベンショナル型ＭＲＩ用超電導マグネットの内部への磁場の閉じこめ、即ち着磁を効率的に行うことである。マンガニン線等の抵抗線を超電導複合円筒の外側に巻いて通電する場合、マンガニン線自体が液体ヘリウムに直接触れ、蒸発が顕著で、しかも超電導円筒が加熱されるのに時間を要する。本発明は、少ない通電時間で、液体ヘリウムの蒸発量を抑えることのできる熱スイッチを持った超電導複合円筒を提供することを第２の課題とする。
さらに、圧延及び深絞り加工により作製した超電導多層複合円筒の超電導マグネットの発生磁場の場所によるバラツキを抑えることである。圧延により作製された超電導多層板の臨界電流密度は、圧延方向と幅方向で特性が異なり、深絞り加工時の材料の伸びも方向によって異なるため、超電導多層円筒を無造作に複合すると、円筒内部や外部空間における発生磁場が本来均一であるべき場所にも関わらずバラツキを生じてしまう。本発明はこの点を解決することを第３の課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１、請求項６に記載の本発明は、少なくとも１層のＮｂＴｉ合金と高導電率金属が交互に積層され、かつ前記ＮｂＴｉ合金と前記高導電率金属の間にＮｂまたはＴａのバリヤー層が存在する超電導多層板を深絞り成形して得られる円筒容器から切り出された円筒（深絞り超電導円筒）が少なくとも２個以上同軸状に複合一体化された超電導複合円筒であって、該超電導複合円筒を構成する前記深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に、前記超電導多層板をロール状に丸めて作製したロール巻き超電導円筒を一層以上内包することを特徴とする超電導複合円筒及びその製造方法である。また、請求項２、請求項７に記載の本発明は、隣り合う前記深絞り超電導円筒同士が板であったときの圧延方向がそれぞれ４５°＋９０°×Ｎ（Ｎ：整数）だけ異なること、及び隣り合う超電導多層深絞り円筒の底部と上端部がそれぞれ逆向きに複合化されていることを特徴とする超電導複合円筒及びその製造方法である。請求項４に記載の本発明は、本超電導複合円筒２個一組とし、該超電導複合円筒を誘導着磁する機構を有することを特徴とした超電導マグネットである。
【０００８】
本発明材料は直流強磁場中で使用されるため、超電導的に安定であることが必要である。超電導マグネット材料として、超電導材料と高導電率金属の複合材料を用いる理由は、この超電導安定性を高めるためである。超電導材料は超電導状態においては、電気抵抗がゼロであるが、何らかの理由で部分的に常電導に転移すると、常電導状態では電気抵抗が大きいため発熱し、常電導部分が拡大して材料全体の超電導状態が一気に破れる現象が起こる（クエンチ現象）。一方、超電導材料に高導電率材料が隣接した複合材料では、部分的な常電導転移が起こっても、超電導材料に流れていた電流は高導電性金属を経由して流れ、一旦常電導に転移した部分も超電導状態に復帰することができ、超電導状態が安定に保たれる。
【０００９】
１テスラ以上の直流の強磁場下において超電導状態を保つためには、超電導材料として臨界磁場Ｈｃ２が高い（１テスラ以上）材料であることが必要であることと、圧延などの加工性が良好なことから、超電導材料としてＮｂＴｉ合金を選定した。ＮｂＴｉ層と高導電率材料層の間にＮｂまたはＴａのバリヤー層を配したのは、製造工程における熱間圧延工程で銅等の高導電金属とＮｂＴｉ中のＴｉとが金属間化合物を形成させないようにするためである。
【００１０】
また、本発明は、図２に示すように深絞り加工で作製した複数個の深絞り超電導円筒２の間に超電導多層板４をロール状に丸めて挿入することを特徴とする。深絞り加工で作製した複数個の深絞り超電導円筒の間に超電導多層板をロール状に丸めて入れるのは、着磁した２個の超電導複合円筒間においてできるだけ大きな磁場を利用できるようにするためである。超電導線材をコイル状に巻いた超電導コイルに超電導多層板をロール状に丸めて挿入すると、コイル内の発生磁場が均一化されることは、特開平６−１９６３２１号公報に記述されている。
【００１１】
本発明では、超電導コイルではなく、深絞り加工法で作製した深絞り超電導円筒同士の間にロール状に丸めた超電導多層板を挿入し、深絞り超電導円筒とロール巻き超電導円筒を一体化させた所に特徴がある。ロール巻きにした超電導円筒を挿入することによって、超電導複合円筒の端部からやや離れた位置での磁場の低下を抑えること、すなわち２個の超電導複合円筒を相対して配置したＭＲＩ用マグネットにおいて、磁場を使用する箇所、即ち２つの超電導複合円筒の円筒同士の中間地点（図１の点Ｏ）における磁場をできるだけ大きく利用することを目的としている。また、ロール巻き超電導円筒を深絞り超電導円筒の間に挟むことにより、ロール巻き超電導円筒の巻きがほどけてずり落ちるという心配もなく、超電導複合円筒の超電導冷却容器への取り付けが容易となる。
【００１２】
請求項３に記載の本発明は、複合一体化された超電導複合円筒を構成する深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に抵抗の高い金属板または、抵抗の高い金属の線を電気的絶縁材で被覆した発熱体を挿入した超電導複合円筒である。本発明は、図３に示すように深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に抵抗の高い金属板または、抵抗の高い金属の線を電気的絶縁材で被覆した発熱体５を挿入することを特徴とする。電気抵抗の高い金属板、線とは、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ合金箔、マンガニン線等である。一般に、超電導円筒を着磁する際は、外部の磁場を円筒内部に入れるため、円筒の超電導状態を一時的に解除する必要がある。この役割をするのが電気抵抗の高い金属板または、線である。抵抗発熱体を深絞り超電導円筒の間に入れる理由は、抵抗体が直接液体ヘリウムに触れず、熱の逃げが少ない、加熱時間の短い、効率の良い熱スイッチを得るためである。
【００１３】
さらに、本発明では、ロール状に丸めたロール巻き超電導円筒を内包する超電導複合円筒内の深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に、前記抵抗の高い金属板または、抵抗の高い金属の線を電気的絶縁材で被覆した発熱体を挿入したので、超電導複合円筒の端部から離れた実際に磁場を利用する位置での磁場の低下を抑えることが出来ると同時に、加熱時間の短い効率の良い熱スイッチが得られる。
【００１４】
請求項５に記載の本発明は、請求項３に記載の本発明の超電導複合円筒２個一組とし、該円筒を誘導着磁する機構と、該発熱体への通電を入切する機構を有することを特徴とした超電導マグネットである。
【００１５】
本発明の高導電率金属とは、銅、アルミニウム等を指す。深絞り超電導円筒を複合一体化する際、隣り合う深絞り超電導円筒同士が板であったときの圧延方向がそれぞれ４５°、１３５°、２２５°、または３１５°異なるように深絞り超電導円筒を配するのは、隣り合う深絞り超電導円筒同士の深絞り加工時の耳の発生箇所をずらすためと超電導特性の平均化を図るためである。耳の凹部は伸びの劣る部分であるため板厚が若干厚いので、凹部と凹部が同じ位置で複合化すると板厚の厚い部分がさらに顕著になり、磁気シールド特性や磁化特性に影響する。超電導多層板の圧延異方性により耳の凸部付近と凹部付近の超電導特性は異なるため、隣り合う深絞り超電導円筒同士の耳の凸部と凹部が一致すると特性の異方性はさらに増長される。さらに深絞り加工した超電導円筒の底部分と、上端部の材料の加工状態は異なるため、超電導特性や機械特性等がそれぞれの部分で異なる。従って、複合化した超電導複合円筒の特性を均一化するためには、隣り合う深絞り超電導円筒同士の深絞り方向がそれぞれ反対になっていることが必要である。
【００１６】
圧延法で作製した超電導多層板は、図４のように圧延方向に対して４５°の方向を向いた部分が耳の凸部となり、圧延方向と幅方向を向いた部分が耳の凹部となる。従って、隣り合う深絞り超電導円筒同士が板であったときの圧延方向を４５°＋９０°×Ｎ（Ｎ：整数）だけずらすことにより、凸部と凹部の位置をちょうど反対にすることができる。例えば、４個の深絞り超電導円筒を複合一体化したときのそれぞれの凸部と凹部の位置は図５のようになる。また、このとき隣り合う深絞り超電導円筒同士の深絞り加工方向はそれぞれ反対向きになるように複合化する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例により発明の実施の形態を具体的に説明するとともに、予備実験により本発明の個々の発明特定事項の効果について説明する。
［実施例１］
まず、本発明に必須の発明特定事項である、ロール巻き超電導円筒を内包させる効果についての検討結果について、以下に説明する。
３０層の厚さ約１０μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１０μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１００μｍの銅であるトータル厚さ１ｍｍの超電導多層材から、内径１００〜１１０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの底付き円筒を深絞りにより作製し、本円筒の耳部分と底部分を切断し長さ１００ｍｍの深絞り超電導円筒とした。
【００１８】
次に、図６のように本円筒を内径１１２ｍｍの鋼鉄製の金型円筒１２の中に入れ、円筒の中に筒状のウレタンゴム１１を入れて上下からプレス機１３でプレスし、円筒を拡径した。拡径した円筒の中に内径１００ｍｍの第２の深絞り超電導円筒を入れ、同様の方法で第２の深絞り超電導円筒を拡径し、第１の深絞り超電導円筒の内側に一体化させた。次に、３０層の厚さ約１μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．０１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１０μｍの銅であるトータル厚さ０．１ｍｍの超電導多層板を幅１００ｍｍ、長さおよそ３ｍの板に切り、一体化した２個の深絞り超電導円筒からなる複合円筒の内側にロール巻きにして挿入した。このときロール巻きにした円筒の肉厚は約１ｍｍである。
【００１９】
次に、ロール巻き超電導円筒の内側に内径１００ｍｍ、肉厚１ｍｍの第３の深絞り超電導円筒を入れ、さらにウレタンゴム円筒を挿入し上下からプレスして拡径し、第３の深絞り超電導円筒も一体化した。第４の深絞り超電導円筒も同様の方法で一体化することにより、図２に示すようなロール巻き超電導円筒を内包する超電導複合円筒ができた。４つの深絞り超電導円筒に１つのロール巻き超電導円筒を内包した超電導複合円筒に磁場を円筒軸と平行に６テスラ印加してからゼロ磁場に戻すことにより本超電導複合円筒を着磁し、円筒軸上の円筒端部から５０ｍｍ離れた箇所の磁場を測定した。このときの磁場は０．８８テスラであった。一方、ロール巻き超電導円筒を内包しない４個の深絞り超電導円筒だけを一体化した超電導複合円筒の場合、超電導複合円筒端部から５０ｍｍ離れた軸上の箇所の磁場は０．７９テスラであった。尚、ロール巻き超電導円筒単独の場合、軸に平行な磁場を印加してもほとんど磁化されないので、着磁された磁場の増加は、ロール巻き超電導円筒と深絞り超電導円筒を併用したことによるものである。
【００２０】
上述した方法で作製した超電導複合円筒１０を２組用意し、図７のように対向して配置することにより、超電導複合円筒同士が向かい合う空間に磁場を発生させた。超電導複合円筒同士の距離は１００ｍｍとした。両円筒には６テスラの磁場を印加してゼロ磁場まで下げることにより、それぞれの超電導複合円筒の中心位置でおよそ３．２テスラの磁場を着磁した。このとき超電導複合円筒軸上の端部から５０ｍｍの位置（図７の点Ｏの位置）の磁場を測定した。比較例として、ロール巻き超電導円筒を内包しない４個の深絞り超電導円筒を一体化した超電導複合円筒２個を対向して同様の実験を行った。ロール巻き超電導円筒を内包させた円筒では測定個所の磁場は１．７４テスラであったのに対し、ロール巻き超電導円筒を内包させなかった比較例の円筒では、同様の箇所の磁場は１．３２テスラであった。ロール巻き超電導円筒を内包させた超電導複合円筒を用いた場合、円筒から離れた場所（端部から５０ｍｍの位置）における発生磁場の位置的な低下を約２５％抑えることができた。
【００２１】
［予備実験１］
次に、深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に発熱体（抵抗体）を内包させるという請求項３に記載の発明の発明特定事項の効果についての検討結果について、以下に説明する。なお、ここでは、請求項１に記載の本発明の「ロール巻き超電導円筒」に関する発明特定事項、および請求項２に記載の本発明の「板の異方性」や「深絞り方向」に関する発明特定事項は考慮していない。
３０層の厚さ約１０μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１０μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１００μｍの銅であるトータル厚さ１ｍｍの超電導多層材から、内径１００〜１１０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの円筒を深絞りにより作製し、本円筒の耳部分と底部分を切断し長さ１００ｍｍの深絞り超電導円筒とした。
【００２２】
次に、図６のように本深絞り超電導円筒を内径１１２ｍｍの鋼鉄製の金型円筒の中に入れ、深絞り超電導円筒の中に筒状のウレタンゴムを入れて上下からプレスし、深絞り超電導円筒を拡径した。拡径した深絞り超電導円筒の中に内径１００ｍｍの第２の深絞り超電導円筒を入れ、同様の方法で第２の深絞り超電導円筒を拡径し、第１の深絞り超電導円筒の内側に一体化させた。次に、厚さ約０．１ｍｍのＮｉ−Ｃｒ箔製の抵抗素子をポリイミド樹脂で封止し、銀でクラッドした銅線をリード線とした抵抗体を一体化した２つの複合円筒の内側に挿入した。挿入した抵抗体の内側に内径１００ｍｍ、肉厚１ｍｍの第３の深絞り超電導円筒を入れ、さらにウレタンゴム円筒を挿入し上下からプレスして拡径し、第３の深絞り超電導円筒も一体化した。第４の深絞り超電導円筒も同様の方法で一体化することにより、図３に示すような抵抗体を内包する超電導複合円筒を得た。
【００２３】
比較例として、４個の深絞り超電導円筒を一体化した超電導複合円筒に０．５ｍｍφのマンガニン線を図８のように５回巻いたものを用意した。両超電導複合円筒を液体ヘリウム中に浸し、磁場を超電導複合円筒の軸と平行に３テスラ印加した。この状態で１Ａの電流を流し、超電導複合円筒の中に磁場が入り込む時間とヘリウムの蒸発量を比較した。ヘリウムの蒸発量は、通電を開始する前と通電を開始して超電導複合円筒内部に磁場が完全に入り込んだ後のヘリウムの残量の差異を測定した。抵抗体を内包した超電導複合円筒では、およそ９０秒で磁場が該円筒内部に侵入し始め、その後約３０秒で３テスラの磁場がすべて超電導複合円筒内部に入った。このときヘリウムの蒸発量は、ヘリウム液面の減少で１．７ｃｍであった。一方、比較例のマンガニン線を巻いた超電導複合円筒では、該円筒内部に磁場が入り込むまでに約１４０秒、その後３テスラの磁場が全て超電導複合円筒内にトラップされるまでに約４０秒かかった。この時ヘリウム液面の減少は３．５ｃｍで、抵抗体を内包させる場合の約２倍の蒸発量であった。
【００２４】
上述した方法で作製した超電導複合円筒を２個用意し、図７のように対向して配置することにより、超電導複合円筒同士が向かい合う空間に磁場を発生させた。該円筒同士の距離は１００ｍｍとした。両円筒には３テスラの磁場を印加した後抵抗体に１Ａの電流を流して局所的に超電導状態を破り３テスラの磁場をトラップした。一方、比較例として、４個の深絞り超電導円筒を一体化した超電導複合円筒に０．５ｍｍφのマンガニン線を図８のように５回巻いた超電導複合円筒２個を対向し、マンガニン線に同じ電流を流して同じく３テスラの磁場をトラップした。このとき円筒の中に磁場が入り込む時間とヘリウムの蒸発量を比較した。
【００２５】
抵抗体を内包した超電導複合円筒（２個）では、それぞれの円筒におよそ９０秒で磁場が侵入し始め、その後約３０秒で３テスラの磁場がすべて超電導複合円筒内部に入った。このときヘリウムの蒸発量は、ヘリウム液面の減少で３．５ｃｍであった。一方、比較例のマンガニン線を巻いた超電導複合円筒（２個）では、それぞれの円筒内部に磁場が入り込むまでに約１４０秒、その後３テスラの磁場が全て超電導複合円筒内にトラップされるまでに約４０秒かかった。この時ヘリウム液面の減少は７．２ｃｍで、抵抗体を内包させた場合の約２倍の蒸発量であった。
【００２６】
［実施例２］
次に、ロール巻き超電導円筒を内包させる効果と、深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に発熱体（抵抗体）を内包させる効果の相乗効果についての検討結果について、以下に説明する。
３０層の厚さ約１０μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１０μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１００μｍの銅であるトータル厚さ１ｍｍの超電導多層材から、内径１００〜１１０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの円筒を深絞りにより作製し、本円筒の耳部分と底部分を切断し長さ１００ｍｍの深絞り超電導円筒とした。
【００２７】
次に、図６のように本円筒を内径１１２ｍｍの鋼鉄製の金型円筒の中に入れ、深絞り超電導円筒の中に筒状のウレタンゴムを入れて上下からプレスし、深絞り超電導円筒を拡径した。拡径した円筒の中に内径１００ｍｍの第２の深絞り超電導円筒を入れ、同様の方法で第２の深絞り超電導円筒を拡径し、第１の深絞り超電導円筒の内側に一体化させた。次に、３０層の厚さ約１μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．０１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１０μｍの銅であるトータル厚さ０．１ｍの超電導多層板を幅１００ｍｍ、長さおよそ３ｍの板に切り、一体化した２層の複合円筒の内側にロール巻きにしてロール巻き超電導円筒を挿入した。このときロール巻き超電導円筒の肉厚は約１ｍｍである。次にロール巻き超電導円筒の内側に内径１００ｍｍ、肉厚１ｍｍの第３の深絞り超電導円筒を入れ、さらにウレタンゴム円筒を挿入し上下からプレスして拡径し、第３の深絞り超電導円筒も一体化する。次に、厚さ約０．１ｍｍのＮｉ−Ｃｒ箔製の抵抗素子をポリイミド樹脂で封止し、銀でクラッドした銅線をリード線とした抵抗体を一体化した３つの複合円筒の内側に挿入する。次に、第４の深絞り超電導円筒も同様のプレス拡径方法で一体化することにより、ロール巻き超電導円筒及び加熱用抵抗体を内包する超電導複合円筒ができた。
【００２８】
比較例は、４つの深絞り超電導円筒のみを一体化した超電導複合円筒に０．５ｍｍφのマンガニン線１４を図８のように５回巻いたものを用意した。これは予備実験１で記載した超電導複合円筒と同等のものである。ロール巻き超電導円筒及び加熱用抵抗体を内包する超電導複合円筒に磁場を円筒軸と平行に６テスラ印加してからゼロ磁場に戻して着磁することにより、円筒軸上の端部から５０ｍｍ離れた軸上の点Ｏ（図５）の磁場を測定した。このときの磁場は０．８８テスラであった。一方、比較例の超電導複合円筒の場合、円筒端部から５０ｍｍ離れた軸上の箇所の磁場は実施例１での比較例で示したのと同様に０．７９テスラであった。
【００２９】
次に、ロール巻き超電導円筒及び加熱用抵抗体を内包する超電導複合円筒及び比較円筒の両者を液体ヘリウム中に浸し、磁場を超電導複合円筒の軸と平行に６テスラ印加した状態で１Ａの電流を流し、円筒の中に磁場が入り込む時間とヘリウムの蒸発量を比較した。ヘリウムの蒸発量は、通電を開始する前と通電を開始して超電導複合円筒内部に磁場が完全に入り込んだ後のヘリウムの残量の差異を測定した。ロール巻き超電導円筒及び抵抗体を内包した超電導複合円筒では、およそ９０秒で磁場が円筒内部に侵入し始め、その後約３０秒で６テスラの磁場がすべて円筒内部に入った。このときヘリウムの蒸発量は、ヘリウム液面の減少で１．７ｃｍであった。一方、比較例のマンガニン線を巻いた超電導複合円筒では、円筒内部に磁場が入り込むまでに約１４０秒、その後６テスラの磁場が全て円筒内に入るまでに約４０秒かかった。この時ヘリウム液面の減少は３．５ｃｍで、本発明の場合の約２倍の蒸発量であった。
【００３０】
［予備実験２］
次に、請求項２、請求項７に記載の本発明の「板の異方性」や「深絞り方向」に関する発明特定事項の効果についての検討結果について、以下に説明する。なお、ここでは、請求項１に記載の本発明の「ロール巻き超電導円筒」に関する発明特定事項、および請求項３に記載の本発明の「深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間の発熱体（抵抗体）」に関する発明特定事項は考慮していない。
３０層の厚さ約１０μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１０μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１００μｍの銅であるトータル厚さ１ｍｍの超電導多層材から、内径１００〜１１０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの円筒を深絞りにより作製した。円筒の上部には、図４に示すように圧延方向と幅方向は凹部、圧延方向に対して４５°の方向は凸部の耳が生じる。圧延方向がわかるように印を付け、本円筒の耳部分と底部分を切断し長さ１００ｍｍの深絞り超電導円筒とした。
【００３１】
次に、図６のように本円筒を内径１２０ｍｍの鋼鉄製の金型円筒の中に入れ、深絞り超電導円筒の中に筒状のウレタンゴムを入れて上下からプレスし、深絞り超電導円筒を拡径した。最初の深絞り超電導円筒と同じ大きさの深絞り超電導円筒を既に拡径した深絞り超電導円筒の中に底部があった側が上になるように入れた。このとき耳の位置が外側の位置とずれるように、圧延方向の印を４５°回転した。内側の深絞り超電導円筒の中に同じくウレタンゴムを中に入れて上下からプレスし外側の円筒に内側の円筒を複合化した。この操作を８回繰り返し、８個の深絞り超電導円筒が一体化した超電導複合円筒を作製した。図９に示した超電導複合円筒の軸上中心からプラスマイナス５０ｍｍで軸から２５ｍｍ離れたＴ０からＴ３１５までとＢ０からＢ３１５まで位置の磁場を超電導複合円筒の軸と平行な向きに直流の６．５テスラの磁場を印加した場合について測定した。
【００３２】
比較例として、８個の深絞り超電導円筒の圧延方向の印を一致させた超電導複合円筒を作製し、円筒の同じ位置における磁場を測定した。表１に本発明の「板の異方性」や「深絞り方向」に関する発明特定事項の特徴を有する円筒（本段落および表１では、本発明と表記する。）を用いた場合と比較円筒を用いた場合の超電導複合円筒内の磁場を示した。Ｔ０からＴ３１５までの円筒内部の磁場は、比較例では、最大約２０％も異なって大きく変動している上、ＴとＢの位置でも最大５％も異なって大きく変動しているのに対し、本発明ではＴとＢの場所の違いを含めても約３％程度の差違に収まっていることが分かる。
【００３３】
上述した方法で作製した超電導複合円筒を２個用意し、図７のように対向して配置することにより、超電導複合円筒同士が向かい合う空間に磁場を発生させた。円筒同士の距離は１００ｍｍとした。両円筒には１０テスラの磁場を印加してゼロ磁場まで下げることにより、およそ超電導複合円筒の中心位置で５．６テスラの磁場をトラップした。このとき図７に示したＰ０からＰ３１５までの８点における磁場を測定した。図５において、Ｏは超電導複合円筒の端部から５０ｍｍ離れた点であり、点Ｏと各Ｐ点の距離は２５ｍｍである。比較例として、８個の深絞り超電導円筒の圧延方向の印を一致させた超電導複合円筒を作製し、超電導複合円筒の同じ位置における磁場を測定した。表２に本発明の「板の異方性」や「深絞り方向」に関する発明特定事項の特徴を有する円筒（本段落および表２では、本発明と表記する。）の組み合わせを用いた場合の磁場を示した。本発明ではＰ１からＰ３１５までの磁場は１．８４から１．８６テスラと均一であるのに対し、比較例の超電導複合円筒を用いた場合、同様の箇所の磁場は１．７３から１．９８テスラと不均一であった。
【００３４】
【表１】
【００３５】
【表２】
【００３６】
［実施例３］
次に、ロール巻き超電導円筒を内包させる効果と、「板の異方性」や「深絞り方向」に関する発明特定事項の効果との相乗効果についての検討結果について、以下に説明する。
３０層の厚さ約１０μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１０μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１００μｍの銅であるトータル厚さ１ｍｍの超電導多層材から、内径１００〜１１０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの円筒を深絞りにより作製した。円筒の上部には、図４に示すように圧延方向と幅方向は凹部、圧延方向に対して４５°の方向は凸部の耳が生じる。圧延方向がわかるように印を付け、本円筒の耳部分と底部分を切断し長さ１００ｍｍの深絞り超電導円筒とした。
【００３７】
次に、図６のように本円筒を内径１２０ｍｍの鋼鉄製の金型円筒の中に入れ、深絞り超電導円筒の中に筒状のウレタンゴムを入れて上下からプレスし、深絞り超電導円筒を拡径した。最初の円筒と同じ大きさの深絞り超電導円筒を既に拡径した円筒の中に底部があった側が上になるように入れた。このとき耳の位置が外側の位置とずれるように、圧延方向のしるしを４５°回転した。内側の円筒の中に同じくウレタンゴムを中に入れて上下からプレスし外側の円筒に内側の円筒を複合化した。次に、３０層の厚さ約１μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．０１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１０μｍの銅であるトータル厚さ０．１ｍｍの超電導多層板を幅１００ｍｍ、長さおよそ３ｍの板に切り、一体化した２層複合円筒の内側にロール巻きにしてロール巻き超電導円筒を挿入する。このときのロール巻き超電導円筒の肉厚は約１ｍｍである。
【００３８】
次に、ロール巻き超電導円筒の内側に内径１００ｍｍ、肉厚１ｍｍの第３の深絞り超電導円筒を入れ、さらにウレタンゴム円筒を挿入し上下からプレスして拡径し、第３の深絞り超電導円筒も一体化する。第４、第５、第６の深絞り超電導円筒も同様の方法で一体化し、６つの深絞り超電導円筒に１つのロール巻き超電導円筒を内包した超電導複合円筒を作製した。本超電導複合円筒に磁場を円筒軸と平行に１０テスラ印加してからゼロ磁場に戻すことにより円筒を磁化する複合円筒の端部から５０ｍｍ離れた軸上の箇所の磁場を測定した。このときの磁場は１．３１テスラであった。一方、ロール巻き超電導円筒を内包しない６個の深絞り超電導円筒を一体化した超電導複合円筒の場合、円筒端部から５０ｍｍ離れた軸上の箇所の磁場は０．９８テスラであった。
【００３９】
また、予備実験２と同様に、超電導複合円筒の軸上中心からプラスマイナス５０ｍｍで軸から２５ｍｍ離れた図９のＴ０からＴ３１５までとＢ０からＢ３１５まで位置の磁場を円筒の軸と平行な向きに直流の６．５テスラの磁場を印加した場合について調べた。比較例として、６個の深絞り超電導円筒の圧延方向のしるしを一致させた超電導複合円筒を作製し、円筒の同じ位置における磁気シールド特性を調べた。表３に本発明円筒を用いた場合と比較円筒を用いた場合の超電導複合円筒内の磁場を示した。Ｔ０からＴ３１５までの円筒内部の磁場は、比較例では、最大約２０％も異なって大きく変動している上、ＴとＢの位置でも最大５％も異なって大きく変動しているのに対し、本発明ではＴとＢの場所の違いを含めても約３％程度の差違に収まっていることが分かる。
【００４０】
【表３】
【００４１】
［予備実験３］
次に、請求項２に記載の本発明の「板の異方性」や「深絞り方向」に関する発明特定事項、および請求項３に記載の本発明の「深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間の発熱体（抵抗体）」に関する発明特定事項の効果についての検討結果について、以下に説明する。なお、ここでは、請求項１に記載の本発明の「ロール巻き超電導円筒」に関する発明特定事項は考慮していない。
３０層の厚さ約１０μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１０μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１００μｍの銅であるトータル厚さ１ｍｍの超電導多層材から、内径１００〜１１０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの円筒を深絞りにより作製した。円筒の上部には、図４に示すように圧延方向と幅方向は凹部、圧延方向に対して４５°の方向は凸部の耳が生じる。圧延方向がわかるようにしるしを付け、本円筒の耳部分と底部分を切断し長さ１００ｍｍの深絞り超電導円筒とした。
【００４２】
次に、図６のように本円筒を内径１２０ｍｍの鋼鉄製の金型円筒の中に入れ、深絞り超電導円筒の中に筒状のウレタンゴムを入れて上下からプレスし、深絞り超電導円筒を拡径した。最初の深絞り超電導円筒と同じ大きさの深絞り超電導円筒を既に拡径した円筒の中に底部があった側が上になるように入れた。このとき耳の位置が外側の位置とずれるように、圧延方向のしるしを４５°回転した。内側の円筒の中に同じくウレタンゴムを中に入れて上下からプレスし外側の円筒に内側の円筒を複合化した。
【００４３】
次に、厚さ約０．１ｍｍのＮｉ−Ｃｒ箔製の抵抗素子をポリイミド樹脂で封止し、銀でクラッドした銅線をリード線とした抵抗体を一体化した２つの超電導複合円筒の内側に挿入する。挿入した抵抗体の内側に内径１００ｍｍ、肉厚１ｍｍの第３の深絞り超電導円筒を入れ、さらにウレタンゴム円筒を挿入し上下からプレスして拡径し、第３の円筒も一体化する。第４、５、６の深絞り超電導円筒も同様の方法で一体化することにより、図３に示すような抵抗体を内包する超電導複合円筒ができる。実施例３と同様に、円筒の軸上中心からプラスマイナス５０ｍｍで軸から２５ｍｍ離れた図９のＴ０からＴ３１５までとＢ０からＢ３１５まで位置の磁場を円筒の軸と平行な向きに直流の６テスラの磁場を印加した場合について調べた。比較例として、６個の深絞り超電導円筒の圧延方向のしるしを一致させた超電導複合円筒を作製し、円筒の同じ位置における磁場を測定した。
【００４４】
表４に本発明の「板の異方性」や「深絞り方向」に関する発明特定事項、および「深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間の発熱体（抵抗体）」に関する発明特定事項の特徴を有する円筒（本段落および表４では、本発明と表記する。）を用いた場合と比較円筒を用いた場合の超電導複合円筒内の磁場を示した。Ｔ０からＴ３１５までの円筒内部の磁場は、比較例では、最大約２０％も異なって大きく変動している上、ＴとＢの位置でも最大５％も異なって大きく変動しているのに対し、本発明ではＴとＢの場所の違いを含めても約３％程度の差違に収まっていることが分かる。一方、超電導複合円筒に内包した抵抗体に電流を流したところ予備実験１と同様に液体ヘリウムの蒸発量が少なく短時間で印加した磁場を超電導複合円筒内部に入れることができた。
【００４５】
【表４】
【００４６】
［実施例４］
３０層の厚さ約１０μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１０μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１００μｍの銅であるトータル厚さ１ｍｍの超電導多層材から、内径１００〜１１０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの円筒を深絞りにより作製した。円筒の上部には、図４に示すように圧延方向と幅方向は凹部、圧延方向に対して４５°の方向は凸部の耳が生じる。圧延方向がわかるようにしるしを付け、本円筒の耳部分と底部分を切断し長さ１００ｍｍの深絞り超電導円筒とした。
【００４７】
次に、図６のように本円筒を内径１２０ｍｍの鋼鉄製の金型円筒の中に入れ、深絞り超電導円筒の中に筒状のウレタンゴムを入れて上下からプレスし、深絞り超電導円筒を拡径した。最初の深絞り超電導円筒と同じ大きさの深絞り超電導円筒を既に拡径した深絞り超電導円筒の中に底部があった側が上になるように入れた。このとき耳の位置が外側の位置とずれるように、圧延方向のしるしを４５°回転した。内側の深絞り超電導円筒の中に同じくウレタンゴムを中に入れて上下からプレスし外側の円筒に内側の円筒を複合化した。
【００４８】
次に、３０層の厚さ約１μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．０１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１０μｍの銅であるトータル厚さ０．１ｍｍの超電導多層板を幅１００ｍｍ、長さおよそ３ｍの板に切り、一体化した２層の複合円筒の内側にロール巻きにしてロール巻き超電導円筒を挿入する。このときのロール巻き超電導円筒の肉厚は約１ｍｍである。次にロール巻き超電導円筒の内側に内径１００ｍｍ、肉厚１ｍｍの第３の深絞り超電導円筒を入れ、さらにウレタンゴム円筒を挿入し上下からプレスして拡径し、第３の深絞り超電導円筒も一体化する。次に、厚さ約０．１ｍｍのＮｉ−Ｃｒ箔製の抵抗素子をポリイミド樹脂で封止し、銀でクラッドした銅線をリード線とした抵抗体を一体化した３つの複合円筒の内側に挿入する。次に、第４の深絞り超電導円筒も同様のプレス拡径方法で一体化することにより、ロール巻き超電導円筒及び加熱用抵抗体を内包する超電導複合円筒ができる。
【００４９】
本超電導複合円筒に円筒軸と平行に６テスラ印加してからゼロ磁場に戻すことにより円筒を磁化し、超電導複合円筒の端部から５０ｍｍ離れた軸上の箇所の磁場を測定した。このときの磁場は０．８８テスラであった。一方、ロール巻き超電導円筒を内包しない４個の深絞り超電導円筒を一体化した超電導複合円筒の場合、円筒端部から５０ｍｍ離れた軸上の箇所の磁場は０．７９テスラであり、実施例１での比較例の結果と同じであった。また、本超電導複合円筒に３テスラ印加した場合の液体ヘリウムの蒸発量、磁場の着磁時間は、予備実験１の場合と同様で、磁場の均一度は予備実験２の場合と同様であった。すなわち磁場の位置的な低下が少なく、液体ヘリウムの蒸発量の少ない効率的な着磁が可能で、しかも発生磁場の等価な場所における均一性の高い超電導複合円筒が得られた。
【００５０】
【発明の効果】
以上本発明によれば、深絞り超電導円筒と深絞り超電導円筒の間に前記超電導多層板をロール状に丸めて作製したロール巻き超電導円筒を挿入し一体化した超電導複合円筒を用いることにより、超電導複合円筒からやや離れた箇所の磁場の位置的低下を抑えることが可能となった。また、深絞り超電導円筒を、隣り合う円筒同士が板であったときの圧延方向がそれぞれ４５°＋９０°×Ｎ（Ｎ：整数）だけ異なるように複合一体化、かつ深絞り超電導円筒の深絞り方向がそれぞれ逆向きになるように複合一体化することにより、圧延及び深絞り加工により作製した深絞り超電導円筒の磁気シールド特性や超電導マグネットの発生磁場の場所によるバラツキを抑えることが可能となった。さらに、深絞り超電導円筒と深絞り超電導円筒の間に発熱体として抵抗の高い金属板または、抵抗の高い金属の線を挿入した超電導複合円筒を用いることにより、磁場の閉じこめを効率的に行うことができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 インターベンショナル型（インターベンショナル型）ＭＲＩの概念図。
【図２】 複合した深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間にロール巻きにした超電導多層板（ロール巻き超電導円筒）を挿入し一体化した超電導複合円筒を示す模式図。
【図３】 Ｎｉ−Ｃｒ合金で作製した抵抗体を複合した深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に挿入し一体化した超電導複合円筒を示す模式図。
【図４】 超電導多層板を深絞り加工して作製した円筒の耳の発生位置を示す模式図。
【図５】 ４個の深絞り超電導円筒を耳の凸凹部が交互になるように複合一体化した超電導複合円筒の模式図。
【図６】 深絞り超電導円筒に円筒形状のウレタンゴムを挿入、プレスして拡径する様子を示す模式図。
【図７】 ２個の超電導複合円筒を対向させたインターベンショナル型円筒マグネットの配置と磁場の測定箇所を示す模式図。
【図８】 超電導複合円筒にマンガニン線を巻いた様子を示す模式図。
【図９】 超電導複合円筒内部の磁場測定箇所を示す模式図。
【符号の説明】
１ 冷却容器
２ ＮｂＴｉ／Ｎｂ／Ｃｕ超電導多層円筒（深絞り超電導円筒）
３ 人体
４ ロール巻き超電導多層板（円筒）
５ 抵抗発熱体
６ 深絞り超電導円筒耳（凸部）
７ 深絞り超電導円筒耳（凹部）
８ 圧延方向
９ 幅方向
１０ 超電導複合円筒
１１ ウレタンゴム
１２ 金型円筒
１３ プレス機
１４ マンガニン線
【発明の属する技術分野】
本発明は、インターベンショナル型ＭＲＩ（磁気共鳴医療画像診断装置）の主マグネットとして誘導着磁して使用する超電導複合円筒及びその製造方法、並びにそれを用いた超電導マグネットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インターベンショナル型ＭＲＩの主マグネットとして、超電導複合円筒の応用が期待されている。インターベンショナル型ＭＲＩのマグネットとは、図１に示すように、超電導冷却機能を備えた容器１に配した２個一組の超電導円筒２を誘導着磁し、２個の超電導円筒の間にできた空間の直流磁場を利用するＭＲＩ装置のことである。超電導マグネットの場合、その磁石としての性能は臨界電流密度と超電導体の総厚で決まるので、板厚を増やすため超電導円筒は複合一体化されて使用される。従来のインターベンショナル型ＭＲＩ用超電導円筒型マグネットには以下に述べる３つの問題点があった。
【０００３】
第１は、一対の複合円筒間の距離は、被験者が横たわるスペースとして距離が空いているが、誘導着磁された円筒の磁場は、円筒の中心位置から離れるに従い急激に低下してしまうという問題である。円筒の中心位置から離れるに従い磁場が低下するという意味は、次のようなことである。半径ａ、長さＬ、単位長さ当たりの巻き数をＮ、流れる電流Ｉとしたとき、ソレノイド円筒軸上の中心点Ｏから距離ｄの点Ｐにおける磁場Ｂｐは有限長のビオ・サバールの式より次のように表される。
Ｂｐ＝μｏ・Ｉ・Ｎ／２〔（ｄ＋Ｌ／２）／｛ａ２＋（ｄ＋Ｌ／２）２｝１／２
−（ｄ−Ｌ／２）／｛ａ２＋（ｄ−Ｌ／２）２｝１／２〕（Ｗｂ／ｍ２）
・・・・・・（１）
ソレノイド端面Ｑ及び軸上中心点Ｏの磁場は、それぞれ
ＨＱ＝Ｉ・Ｎ・Ｌ／２（ａ２＋Ｌ２）・・・・・・（２）
Ｈｏ＝Ｉ・Ｎ・Ｌ／（４ａ２＋Ｌ２）・・・・・・（３）
と表され中心部に比べ端面では明らかに磁場は低下する。端面からさらに離れた点では磁場はさらに低下する。
【０００４】
第２に、インターベンショナル型ＭＲＩの超電導円筒マグネットの着磁は、複合一体化した超電導円筒の外側に巻いたヒーター線に通電することにより、部分的に超電導状態を破り超電導円筒の中へ磁場を入れて着磁を行うが、超電導円筒の外側に巻いたヒーターに通電するため、ヒーターの熱が円筒の加熱の他、液体ヘリウムの蒸発のために費やされ、効率が悪いという問題である。
【０００５】
第３は、磁場の均一性の問題である。ＮｂＴｉ超電導体を使用した超電導多層板を用いる場合、該板は圧延により作製されるため、ＮｂＴｉの超電導特性を決定する主因子であるＴｉ析出物は方向性を持つ。従って、超電導多層板の臨界電流密度や機械的特性も圧延方向に対して強い異方性を持つ。このような超電導多層板から深絞りにより作製した円筒を無造作に複合化すると、誘導着磁後の発生磁場の場所による不均一性が生じる。また、超電導多層板から深絞りにより作製した円筒は、図４のように圧延方向８と幅方向９が凹み、圧延方向に対して４５°の方向が凸となるような耳６が発生する。超電導多層板そのものに異方性がある上、さらに深絞り加工で材料に複雑な変形が施されるため、臨界電流密度が場所によって異なり、誘導着磁後の発生磁場の不均一性がさらに増長されてしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前節に記載した問題点を鑑みてなされたものである。本発明が解決しようとする課題は以下の３点である。
まず、着磁した円筒型マグネットの中心位置から離れた位置の磁場は、中心の磁場に比べかなり小さいという問題、即ち着磁磁場の位置的低下を抑えることである。インターベンショナル型ＭＲＩ用のマグネットでは、被験者の位置はどうしても超電導円筒から離れた位置にせざるを得ないため、実際に磁場を利用する場所における磁場は円筒の中心位置に比べかなり低い。本発明はこの磁場の低下を抑えることを第１の課題とする。
次に、インターベンショナル型ＭＲＩ用超電導マグネットの内部への磁場の閉じこめ、即ち着磁を効率的に行うことである。マンガニン線等の抵抗線を超電導複合円筒の外側に巻いて通電する場合、マンガニン線自体が液体ヘリウムに直接触れ、蒸発が顕著で、しかも超電導円筒が加熱されるのに時間を要する。本発明は、少ない通電時間で、液体ヘリウムの蒸発量を抑えることのできる熱スイッチを持った超電導複合円筒を提供することを第２の課題とする。
さらに、圧延及び深絞り加工により作製した超電導多層複合円筒の超電導マグネットの発生磁場の場所によるバラツキを抑えることである。圧延により作製された超電導多層板の臨界電流密度は、圧延方向と幅方向で特性が異なり、深絞り加工時の材料の伸びも方向によって異なるため、超電導多層円筒を無造作に複合すると、円筒内部や外部空間における発生磁場が本来均一であるべき場所にも関わらずバラツキを生じてしまう。本発明はこの点を解決することを第３の課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１、請求項６に記載の本発明は、少なくとも１層のＮｂＴｉ合金と高導電率金属が交互に積層され、かつ前記ＮｂＴｉ合金と前記高導電率金属の間にＮｂまたはＴａのバリヤー層が存在する超電導多層板を深絞り成形して得られる円筒容器から切り出された円筒（深絞り超電導円筒）が少なくとも２個以上同軸状に複合一体化された超電導複合円筒であって、該超電導複合円筒を構成する前記深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に、前記超電導多層板をロール状に丸めて作製したロール巻き超電導円筒を一層以上内包することを特徴とする超電導複合円筒及びその製造方法である。また、請求項２、請求項７に記載の本発明は、隣り合う前記深絞り超電導円筒同士が板であったときの圧延方向がそれぞれ４５°＋９０°×Ｎ（Ｎ：整数）だけ異なること、及び隣り合う超電導多層深絞り円筒の底部と上端部がそれぞれ逆向きに複合化されていることを特徴とする超電導複合円筒及びその製造方法である。請求項４に記載の本発明は、本超電導複合円筒２個一組とし、該超電導複合円筒を誘導着磁する機構を有することを特徴とした超電導マグネットである。
【０００８】
本発明材料は直流強磁場中で使用されるため、超電導的に安定であることが必要である。超電導マグネット材料として、超電導材料と高導電率金属の複合材料を用いる理由は、この超電導安定性を高めるためである。超電導材料は超電導状態においては、電気抵抗がゼロであるが、何らかの理由で部分的に常電導に転移すると、常電導状態では電気抵抗が大きいため発熱し、常電導部分が拡大して材料全体の超電導状態が一気に破れる現象が起こる（クエンチ現象）。一方、超電導材料に高導電率材料が隣接した複合材料では、部分的な常電導転移が起こっても、超電導材料に流れていた電流は高導電性金属を経由して流れ、一旦常電導に転移した部分も超電導状態に復帰することができ、超電導状態が安定に保たれる。
【０００９】
１テスラ以上の直流の強磁場下において超電導状態を保つためには、超電導材料として臨界磁場Ｈｃ２が高い（１テスラ以上）材料であることが必要であることと、圧延などの加工性が良好なことから、超電導材料としてＮｂＴｉ合金を選定した。ＮｂＴｉ層と高導電率材料層の間にＮｂまたはＴａのバリヤー層を配したのは、製造工程における熱間圧延工程で銅等の高導電金属とＮｂＴｉ中のＴｉとが金属間化合物を形成させないようにするためである。
【００１０】
また、本発明は、図２に示すように深絞り加工で作製した複数個の深絞り超電導円筒２の間に超電導多層板４をロール状に丸めて挿入することを特徴とする。深絞り加工で作製した複数個の深絞り超電導円筒の間に超電導多層板をロール状に丸めて入れるのは、着磁した２個の超電導複合円筒間においてできるだけ大きな磁場を利用できるようにするためである。超電導線材をコイル状に巻いた超電導コイルに超電導多層板をロール状に丸めて挿入すると、コイル内の発生磁場が均一化されることは、特開平６−１９６３２１号公報に記述されている。
【００１１】
本発明では、超電導コイルではなく、深絞り加工法で作製した深絞り超電導円筒同士の間にロール状に丸めた超電導多層板を挿入し、深絞り超電導円筒とロール巻き超電導円筒を一体化させた所に特徴がある。ロール巻きにした超電導円筒を挿入することによって、超電導複合円筒の端部からやや離れた位置での磁場の低下を抑えること、すなわち２個の超電導複合円筒を相対して配置したＭＲＩ用マグネットにおいて、磁場を使用する箇所、即ち２つの超電導複合円筒の円筒同士の中間地点（図１の点Ｏ）における磁場をできるだけ大きく利用することを目的としている。また、ロール巻き超電導円筒を深絞り超電導円筒の間に挟むことにより、ロール巻き超電導円筒の巻きがほどけてずり落ちるという心配もなく、超電導複合円筒の超電導冷却容器への取り付けが容易となる。
【００１２】
請求項３に記載の本発明は、複合一体化された超電導複合円筒を構成する深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に抵抗の高い金属板または、抵抗の高い金属の線を電気的絶縁材で被覆した発熱体を挿入した超電導複合円筒である。本発明は、図３に示すように深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に抵抗の高い金属板または、抵抗の高い金属の線を電気的絶縁材で被覆した発熱体５を挿入することを特徴とする。電気抵抗の高い金属板、線とは、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ合金箔、マンガニン線等である。一般に、超電導円筒を着磁する際は、外部の磁場を円筒内部に入れるため、円筒の超電導状態を一時的に解除する必要がある。この役割をするのが電気抵抗の高い金属板または、線である。抵抗発熱体を深絞り超電導円筒の間に入れる理由は、抵抗体が直接液体ヘリウムに触れず、熱の逃げが少ない、加熱時間の短い、効率の良い熱スイッチを得るためである。
【００１３】
さらに、本発明では、ロール状に丸めたロール巻き超電導円筒を内包する超電導複合円筒内の深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に、前記抵抗の高い金属板または、抵抗の高い金属の線を電気的絶縁材で被覆した発熱体を挿入したので、超電導複合円筒の端部から離れた実際に磁場を利用する位置での磁場の低下を抑えることが出来ると同時に、加熱時間の短い効率の良い熱スイッチが得られる。
【００１４】
請求項５に記載の本発明は、請求項３に記載の本発明の超電導複合円筒２個一組とし、該円筒を誘導着磁する機構と、該発熱体への通電を入切する機構を有することを特徴とした超電導マグネットである。
【００１５】
本発明の高導電率金属とは、銅、アルミニウム等を指す。深絞り超電導円筒を複合一体化する際、隣り合う深絞り超電導円筒同士が板であったときの圧延方向がそれぞれ４５°、１３５°、２２５°、または３１５°異なるように深絞り超電導円筒を配するのは、隣り合う深絞り超電導円筒同士の深絞り加工時の耳の発生箇所をずらすためと超電導特性の平均化を図るためである。耳の凹部は伸びの劣る部分であるため板厚が若干厚いので、凹部と凹部が同じ位置で複合化すると板厚の厚い部分がさらに顕著になり、磁気シールド特性や磁化特性に影響する。超電導多層板の圧延異方性により耳の凸部付近と凹部付近の超電導特性は異なるため、隣り合う深絞り超電導円筒同士の耳の凸部と凹部が一致すると特性の異方性はさらに増長される。さらに深絞り加工した超電導円筒の底部分と、上端部の材料の加工状態は異なるため、超電導特性や機械特性等がそれぞれの部分で異なる。従って、複合化した超電導複合円筒の特性を均一化するためには、隣り合う深絞り超電導円筒同士の深絞り方向がそれぞれ反対になっていることが必要である。
【００１６】
圧延法で作製した超電導多層板は、図４のように圧延方向に対して４５°の方向を向いた部分が耳の凸部となり、圧延方向と幅方向を向いた部分が耳の凹部となる。従って、隣り合う深絞り超電導円筒同士が板であったときの圧延方向を４５°＋９０°×Ｎ（Ｎ：整数）だけずらすことにより、凸部と凹部の位置をちょうど反対にすることができる。例えば、４個の深絞り超電導円筒を複合一体化したときのそれぞれの凸部と凹部の位置は図５のようになる。また、このとき隣り合う深絞り超電導円筒同士の深絞り加工方向はそれぞれ反対向きになるように複合化する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例により発明の実施の形態を具体的に説明するとともに、予備実験により本発明の個々の発明特定事項の効果について説明する。
［実施例１］
まず、本発明に必須の発明特定事項である、ロール巻き超電導円筒を内包させる効果についての検討結果について、以下に説明する。
３０層の厚さ約１０μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１０μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１００μｍの銅であるトータル厚さ１ｍｍの超電導多層材から、内径１００〜１１０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの底付き円筒を深絞りにより作製し、本円筒の耳部分と底部分を切断し長さ１００ｍｍの深絞り超電導円筒とした。
【００１８】
次に、図６のように本円筒を内径１１２ｍｍの鋼鉄製の金型円筒１２の中に入れ、円筒の中に筒状のウレタンゴム１１を入れて上下からプレス機１３でプレスし、円筒を拡径した。拡径した円筒の中に内径１００ｍｍの第２の深絞り超電導円筒を入れ、同様の方法で第２の深絞り超電導円筒を拡径し、第１の深絞り超電導円筒の内側に一体化させた。次に、３０層の厚さ約１μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．０１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１０μｍの銅であるトータル厚さ０．１ｍｍの超電導多層板を幅１００ｍｍ、長さおよそ３ｍの板に切り、一体化した２個の深絞り超電導円筒からなる複合円筒の内側にロール巻きにして挿入した。このときロール巻きにした円筒の肉厚は約１ｍｍである。
【００１９】
次に、ロール巻き超電導円筒の内側に内径１００ｍｍ、肉厚１ｍｍの第３の深絞り超電導円筒を入れ、さらにウレタンゴム円筒を挿入し上下からプレスして拡径し、第３の深絞り超電導円筒も一体化した。第４の深絞り超電導円筒も同様の方法で一体化することにより、図２に示すようなロール巻き超電導円筒を内包する超電導複合円筒ができた。４つの深絞り超電導円筒に１つのロール巻き超電導円筒を内包した超電導複合円筒に磁場を円筒軸と平行に６テスラ印加してからゼロ磁場に戻すことにより本超電導複合円筒を着磁し、円筒軸上の円筒端部から５０ｍｍ離れた箇所の磁場を測定した。このときの磁場は０．８８テスラであった。一方、ロール巻き超電導円筒を内包しない４個の深絞り超電導円筒だけを一体化した超電導複合円筒の場合、超電導複合円筒端部から５０ｍｍ離れた軸上の箇所の磁場は０．７９テスラであった。尚、ロール巻き超電導円筒単独の場合、軸に平行な磁場を印加してもほとんど磁化されないので、着磁された磁場の増加は、ロール巻き超電導円筒と深絞り超電導円筒を併用したことによるものである。
【００２０】
上述した方法で作製した超電導複合円筒１０を２組用意し、図７のように対向して配置することにより、超電導複合円筒同士が向かい合う空間に磁場を発生させた。超電導複合円筒同士の距離は１００ｍｍとした。両円筒には６テスラの磁場を印加してゼロ磁場まで下げることにより、それぞれの超電導複合円筒の中心位置でおよそ３．２テスラの磁場を着磁した。このとき超電導複合円筒軸上の端部から５０ｍｍの位置（図７の点Ｏの位置）の磁場を測定した。比較例として、ロール巻き超電導円筒を内包しない４個の深絞り超電導円筒を一体化した超電導複合円筒２個を対向して同様の実験を行った。ロール巻き超電導円筒を内包させた円筒では測定個所の磁場は１．７４テスラであったのに対し、ロール巻き超電導円筒を内包させなかった比較例の円筒では、同様の箇所の磁場は１．３２テスラであった。ロール巻き超電導円筒を内包させた超電導複合円筒を用いた場合、円筒から離れた場所（端部から５０ｍｍの位置）における発生磁場の位置的な低下を約２５％抑えることができた。
【００２１】
［予備実験１］
次に、深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に発熱体（抵抗体）を内包させるという請求項３に記載の発明の発明特定事項の効果についての検討結果について、以下に説明する。なお、ここでは、請求項１に記載の本発明の「ロール巻き超電導円筒」に関する発明特定事項、および請求項２に記載の本発明の「板の異方性」や「深絞り方向」に関する発明特定事項は考慮していない。
３０層の厚さ約１０μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１０μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１００μｍの銅であるトータル厚さ１ｍｍの超電導多層材から、内径１００〜１１０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの円筒を深絞りにより作製し、本円筒の耳部分と底部分を切断し長さ１００ｍｍの深絞り超電導円筒とした。
【００２２】
次に、図６のように本深絞り超電導円筒を内径１１２ｍｍの鋼鉄製の金型円筒の中に入れ、深絞り超電導円筒の中に筒状のウレタンゴムを入れて上下からプレスし、深絞り超電導円筒を拡径した。拡径した深絞り超電導円筒の中に内径１００ｍｍの第２の深絞り超電導円筒を入れ、同様の方法で第２の深絞り超電導円筒を拡径し、第１の深絞り超電導円筒の内側に一体化させた。次に、厚さ約０．１ｍｍのＮｉ−Ｃｒ箔製の抵抗素子をポリイミド樹脂で封止し、銀でクラッドした銅線をリード線とした抵抗体を一体化した２つの複合円筒の内側に挿入した。挿入した抵抗体の内側に内径１００ｍｍ、肉厚１ｍｍの第３の深絞り超電導円筒を入れ、さらにウレタンゴム円筒を挿入し上下からプレスして拡径し、第３の深絞り超電導円筒も一体化した。第４の深絞り超電導円筒も同様の方法で一体化することにより、図３に示すような抵抗体を内包する超電導複合円筒を得た。
【００２３】
比較例として、４個の深絞り超電導円筒を一体化した超電導複合円筒に０．５ｍｍφのマンガニン線を図８のように５回巻いたものを用意した。両超電導複合円筒を液体ヘリウム中に浸し、磁場を超電導複合円筒の軸と平行に３テスラ印加した。この状態で１Ａの電流を流し、超電導複合円筒の中に磁場が入り込む時間とヘリウムの蒸発量を比較した。ヘリウムの蒸発量は、通電を開始する前と通電を開始して超電導複合円筒内部に磁場が完全に入り込んだ後のヘリウムの残量の差異を測定した。抵抗体を内包した超電導複合円筒では、およそ９０秒で磁場が該円筒内部に侵入し始め、その後約３０秒で３テスラの磁場がすべて超電導複合円筒内部に入った。このときヘリウムの蒸発量は、ヘリウム液面の減少で１．７ｃｍであった。一方、比較例のマンガニン線を巻いた超電導複合円筒では、該円筒内部に磁場が入り込むまでに約１４０秒、その後３テスラの磁場が全て超電導複合円筒内にトラップされるまでに約４０秒かかった。この時ヘリウム液面の減少は３．５ｃｍで、抵抗体を内包させる場合の約２倍の蒸発量であった。
【００２４】
上述した方法で作製した超電導複合円筒を２個用意し、図７のように対向して配置することにより、超電導複合円筒同士が向かい合う空間に磁場を発生させた。該円筒同士の距離は１００ｍｍとした。両円筒には３テスラの磁場を印加した後抵抗体に１Ａの電流を流して局所的に超電導状態を破り３テスラの磁場をトラップした。一方、比較例として、４個の深絞り超電導円筒を一体化した超電導複合円筒に０．５ｍｍφのマンガニン線を図８のように５回巻いた超電導複合円筒２個を対向し、マンガニン線に同じ電流を流して同じく３テスラの磁場をトラップした。このとき円筒の中に磁場が入り込む時間とヘリウムの蒸発量を比較した。
【００２５】
抵抗体を内包した超電導複合円筒（２個）では、それぞれの円筒におよそ９０秒で磁場が侵入し始め、その後約３０秒で３テスラの磁場がすべて超電導複合円筒内部に入った。このときヘリウムの蒸発量は、ヘリウム液面の減少で３．５ｃｍであった。一方、比較例のマンガニン線を巻いた超電導複合円筒（２個）では、それぞれの円筒内部に磁場が入り込むまでに約１４０秒、その後３テスラの磁場が全て超電導複合円筒内にトラップされるまでに約４０秒かかった。この時ヘリウム液面の減少は７．２ｃｍで、抵抗体を内包させた場合の約２倍の蒸発量であった。
【００２６】
［実施例２］
次に、ロール巻き超電導円筒を内包させる効果と、深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に発熱体（抵抗体）を内包させる効果の相乗効果についての検討結果について、以下に説明する。
３０層の厚さ約１０μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１０μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１００μｍの銅であるトータル厚さ１ｍｍの超電導多層材から、内径１００〜１１０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの円筒を深絞りにより作製し、本円筒の耳部分と底部分を切断し長さ１００ｍｍの深絞り超電導円筒とした。
【００２７】
次に、図６のように本円筒を内径１１２ｍｍの鋼鉄製の金型円筒の中に入れ、深絞り超電導円筒の中に筒状のウレタンゴムを入れて上下からプレスし、深絞り超電導円筒を拡径した。拡径した円筒の中に内径１００ｍｍの第２の深絞り超電導円筒を入れ、同様の方法で第２の深絞り超電導円筒を拡径し、第１の深絞り超電導円筒の内側に一体化させた。次に、３０層の厚さ約１μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．０１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１０μｍの銅であるトータル厚さ０．１ｍの超電導多層板を幅１００ｍｍ、長さおよそ３ｍの板に切り、一体化した２層の複合円筒の内側にロール巻きにしてロール巻き超電導円筒を挿入した。このときロール巻き超電導円筒の肉厚は約１ｍｍである。次にロール巻き超電導円筒の内側に内径１００ｍｍ、肉厚１ｍｍの第３の深絞り超電導円筒を入れ、さらにウレタンゴム円筒を挿入し上下からプレスして拡径し、第３の深絞り超電導円筒も一体化する。次に、厚さ約０．１ｍｍのＮｉ−Ｃｒ箔製の抵抗素子をポリイミド樹脂で封止し、銀でクラッドした銅線をリード線とした抵抗体を一体化した３つの複合円筒の内側に挿入する。次に、第４の深絞り超電導円筒も同様のプレス拡径方法で一体化することにより、ロール巻き超電導円筒及び加熱用抵抗体を内包する超電導複合円筒ができた。
【００２８】
比較例は、４つの深絞り超電導円筒のみを一体化した超電導複合円筒に０．５ｍｍφのマンガニン線１４を図８のように５回巻いたものを用意した。これは予備実験１で記載した超電導複合円筒と同等のものである。ロール巻き超電導円筒及び加熱用抵抗体を内包する超電導複合円筒に磁場を円筒軸と平行に６テスラ印加してからゼロ磁場に戻して着磁することにより、円筒軸上の端部から５０ｍｍ離れた軸上の点Ｏ（図５）の磁場を測定した。このときの磁場は０．８８テスラであった。一方、比較例の超電導複合円筒の場合、円筒端部から５０ｍｍ離れた軸上の箇所の磁場は実施例１での比較例で示したのと同様に０．７９テスラであった。
【００２９】
次に、ロール巻き超電導円筒及び加熱用抵抗体を内包する超電導複合円筒及び比較円筒の両者を液体ヘリウム中に浸し、磁場を超電導複合円筒の軸と平行に６テスラ印加した状態で１Ａの電流を流し、円筒の中に磁場が入り込む時間とヘリウムの蒸発量を比較した。ヘリウムの蒸発量は、通電を開始する前と通電を開始して超電導複合円筒内部に磁場が完全に入り込んだ後のヘリウムの残量の差異を測定した。ロール巻き超電導円筒及び抵抗体を内包した超電導複合円筒では、およそ９０秒で磁場が円筒内部に侵入し始め、その後約３０秒で６テスラの磁場がすべて円筒内部に入った。このときヘリウムの蒸発量は、ヘリウム液面の減少で１．７ｃｍであった。一方、比較例のマンガニン線を巻いた超電導複合円筒では、円筒内部に磁場が入り込むまでに約１４０秒、その後６テスラの磁場が全て円筒内に入るまでに約４０秒かかった。この時ヘリウム液面の減少は３．５ｃｍで、本発明の場合の約２倍の蒸発量であった。
【００３０】
［予備実験２］
次に、請求項２、請求項７に記載の本発明の「板の異方性」や「深絞り方向」に関する発明特定事項の効果についての検討結果について、以下に説明する。なお、ここでは、請求項１に記載の本発明の「ロール巻き超電導円筒」に関する発明特定事項、および請求項３に記載の本発明の「深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間の発熱体（抵抗体）」に関する発明特定事項は考慮していない。
３０層の厚さ約１０μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１０μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１００μｍの銅であるトータル厚さ１ｍｍの超電導多層材から、内径１００〜１１０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの円筒を深絞りにより作製した。円筒の上部には、図４に示すように圧延方向と幅方向は凹部、圧延方向に対して４５°の方向は凸部の耳が生じる。圧延方向がわかるように印を付け、本円筒の耳部分と底部分を切断し長さ１００ｍｍの深絞り超電導円筒とした。
【００３１】
次に、図６のように本円筒を内径１２０ｍｍの鋼鉄製の金型円筒の中に入れ、深絞り超電導円筒の中に筒状のウレタンゴムを入れて上下からプレスし、深絞り超電導円筒を拡径した。最初の深絞り超電導円筒と同じ大きさの深絞り超電導円筒を既に拡径した深絞り超電導円筒の中に底部があった側が上になるように入れた。このとき耳の位置が外側の位置とずれるように、圧延方向の印を４５°回転した。内側の深絞り超電導円筒の中に同じくウレタンゴムを中に入れて上下からプレスし外側の円筒に内側の円筒を複合化した。この操作を８回繰り返し、８個の深絞り超電導円筒が一体化した超電導複合円筒を作製した。図９に示した超電導複合円筒の軸上中心からプラスマイナス５０ｍｍで軸から２５ｍｍ離れたＴ０からＴ３１５までとＢ０からＢ３１５まで位置の磁場を超電導複合円筒の軸と平行な向きに直流の６．５テスラの磁場を印加した場合について測定した。
【００３２】
比較例として、８個の深絞り超電導円筒の圧延方向の印を一致させた超電導複合円筒を作製し、円筒の同じ位置における磁場を測定した。表１に本発明の「板の異方性」や「深絞り方向」に関する発明特定事項の特徴を有する円筒（本段落および表１では、本発明と表記する。）を用いた場合と比較円筒を用いた場合の超電導複合円筒内の磁場を示した。Ｔ０からＴ３１５までの円筒内部の磁場は、比較例では、最大約２０％も異なって大きく変動している上、ＴとＢの位置でも最大５％も異なって大きく変動しているのに対し、本発明ではＴとＢの場所の違いを含めても約３％程度の差違に収まっていることが分かる。
【００３３】
上述した方法で作製した超電導複合円筒を２個用意し、図７のように対向して配置することにより、超電導複合円筒同士が向かい合う空間に磁場を発生させた。円筒同士の距離は１００ｍｍとした。両円筒には１０テスラの磁場を印加してゼロ磁場まで下げることにより、およそ超電導複合円筒の中心位置で５．６テスラの磁場をトラップした。このとき図７に示したＰ０からＰ３１５までの８点における磁場を測定した。図５において、Ｏは超電導複合円筒の端部から５０ｍｍ離れた点であり、点Ｏと各Ｐ点の距離は２５ｍｍである。比較例として、８個の深絞り超電導円筒の圧延方向の印を一致させた超電導複合円筒を作製し、超電導複合円筒の同じ位置における磁場を測定した。表２に本発明の「板の異方性」や「深絞り方向」に関する発明特定事項の特徴を有する円筒（本段落および表２では、本発明と表記する。）の組み合わせを用いた場合の磁場を示した。本発明ではＰ１からＰ３１５までの磁場は１．８４から１．８６テスラと均一であるのに対し、比較例の超電導複合円筒を用いた場合、同様の箇所の磁場は１．７３から１．９８テスラと不均一であった。
【００３４】
【表１】
【表２】
［実施例３］
次に、ロール巻き超電導円筒を内包させる効果と、「板の異方性」や「深絞り方向」に関する発明特定事項の効果との相乗効果についての検討結果について、以下に説明する。
３０層の厚さ約１０μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１０μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１００μｍの銅であるトータル厚さ１ｍｍの超電導多層材から、内径１００〜１１０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの円筒を深絞りにより作製した。円筒の上部には、図４に示すように圧延方向と幅方向は凹部、圧延方向に対して４５°の方向は凸部の耳が生じる。圧延方向がわかるように印を付け、本円筒の耳部分と底部分を切断し長さ１００ｍｍの深絞り超電導円筒とした。
【００３７】
次に、図６のように本円筒を内径１２０ｍｍの鋼鉄製の金型円筒の中に入れ、深絞り超電導円筒の中に筒状のウレタンゴムを入れて上下からプレスし、深絞り超電導円筒を拡径した。最初の円筒と同じ大きさの深絞り超電導円筒を既に拡径した円筒の中に底部があった側が上になるように入れた。このとき耳の位置が外側の位置とずれるように、圧延方向のしるしを４５°回転した。内側の円筒の中に同じくウレタンゴムを中に入れて上下からプレスし外側の円筒に内側の円筒を複合化した。次に、３０層の厚さ約１μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．０１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１０μｍの銅であるトータル厚さ０．１ｍｍの超電導多層板を幅１００ｍｍ、長さおよそ３ｍの板に切り、一体化した２層複合円筒の内側にロール巻きにしてロール巻き超電導円筒を挿入する。このときのロール巻き超電導円筒の肉厚は約１ｍｍである。
【００３８】
次に、ロール巻き超電導円筒の内側に内径１００ｍｍ、肉厚１ｍｍの第３の深絞り超電導円筒を入れ、さらにウレタンゴム円筒を挿入し上下からプレスして拡径し、第３の深絞り超電導円筒も一体化する。第４、第５、第６の深絞り超電導円筒も同様の方法で一体化し、６つの深絞り超電導円筒に１つのロール巻き超電導円筒を内包した超電導複合円筒を作製した。本超電導複合円筒に磁場を円筒軸と平行に１０テスラ印加してからゼロ磁場に戻すことにより円筒を磁化する複合円筒の端部から５０ｍｍ離れた軸上の箇所の磁場を測定した。このときの磁場は１．３１テスラであった。一方、ロール巻き超電導円筒を内包しない６個の深絞り超電導円筒を一体化した超電導複合円筒の場合、円筒端部から５０ｍｍ離れた軸上の箇所の磁場は０．９８テスラであった。
【００３９】
また、予備実験２と同様に、超電導複合円筒の軸上中心からプラスマイナス５０ｍｍで軸から２５ｍｍ離れた図９のＴ０からＴ３１５までとＢ０からＢ３１５まで位置の磁場を円筒の軸と平行な向きに直流の６．５テスラの磁場を印加した場合について調べた。比較例として、６個の深絞り超電導円筒の圧延方向のしるしを一致させた超電導複合円筒を作製し、円筒の同じ位置における磁気シールド特性を調べた。表３に本発明円筒を用いた場合と比較円筒を用いた場合の超電導複合円筒内の磁場を示した。Ｔ０からＴ３１５までの円筒内部の磁場は、比較例では、最大約２０％も異なって大きく変動している上、ＴとＢの位置でも最大５％も異なって大きく変動しているのに対し、本発明ではＴとＢの場所の違いを含めても約３％程度の差違に収まっていることが分かる。
【００４０】
【表３】
［予備実験３］
次に、請求項２に記載の本発明の「板の異方性」や「深絞り方向」に関する発明特定事項、および請求項３に記載の本発明の「深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間の発熱体（抵抗体）」に関する発明特定事項の効果についての検討結果について、以下に説明する。なお、ここでは、請求項１に記載の本発明の「ロール巻き超電導円筒」に関する発明特定事項は考慮していない。
３０層の厚さ約１０μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１０μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１００μｍの銅であるトータル厚さ１ｍｍの超電導多層材から、内径１００〜１１０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの円筒を深絞りにより作製した。円筒の上部には、図４に示すように圧延方向と幅方向は凹部、圧延方向に対して４５°の方向は凸部の耳が生じる。圧延方向がわかるようにしるしを付け、本円筒の耳部分と底部分を切断し長さ１００ｍｍの深絞り超電導円筒とした。
【００４２】
次に、図６のように本円筒を内径１２０ｍｍの鋼鉄製の金型円筒の中に入れ、深絞り超電導円筒の中に筒状のウレタンゴムを入れて上下からプレスし、深絞り超電導円筒を拡径した。最初の深絞り超電導円筒と同じ大きさの深絞り超電導円筒を既に拡径した円筒の中に底部があった側が上になるように入れた。このとき耳の位置が外側の位置とずれるように、圧延方向のしるしを４５°回転した。内側の円筒の中に同じくウレタンゴムを中に入れて上下からプレスし外側の円筒に内側の円筒を複合化した。
【００４３】
次に、厚さ約０．１ｍｍのＮｉ−Ｃｒ箔製の抵抗素子をポリイミド樹脂で封止し、銀でクラッドした銅線をリード線とした抵抗体を一体化した２つの超電導複合円筒の内側に挿入する。挿入した抵抗体の内側に内径１００ｍｍ、肉厚１ｍｍの第３の深絞り超電導円筒を入れ、さらにウレタンゴム円筒を挿入し上下からプレスして拡径し、第３の円筒も一体化する。第４、５、６の深絞り超電導円筒も同様の方法で一体化することにより、図３に示すような抵抗体を内包する超電導複合円筒ができる。実施例３と同様に、円筒の軸上中心からプラスマイナス５０ｍｍで軸から２５ｍｍ離れた図９のＴ０からＴ３１５までとＢ０からＢ３１５まで位置の磁場を円筒の軸と平行な向きに直流の６テスラの磁場を印加した場合について調べた。比較例として、６個の深絞り超電導円筒の圧延方向のしるしを一致させた超電導複合円筒を作製し、円筒の同じ位置における磁場を測定した。
【００４４】
表４に本発明の「板の異方性」や「深絞り方向」に関する発明特定事項、および「深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間の発熱体（抵抗体）」に関する発明特定事項の特徴を有する円筒（本段落および表４では、本発明と表記する。）を用いた場合と比較円筒を用いた場合の超電導複合円筒内の磁場を示した。Ｔ０からＴ３１５までの円筒内部の磁場は、比較例では、最大約２０％も異なって大きく変動している上、ＴとＢの位置でも最大５％も異なって大きく変動しているのに対し、本発明ではＴとＢの場所の違いを含めても約３％程度の差違に収まっていることが分かる。一方、超電導複合円筒に内包した抵抗体に電流を流したところ予備実験１と同様に液体ヘリウムの蒸発量が少なく短時間で印加した磁場を超電導複合円筒内部に入れることができた。
【００４５】
【表４】
［実施例４］
３０層の厚さ約１０μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１０μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１００μｍの銅であるトータル厚さ１ｍｍの超電導多層材から、内径１００〜１１０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの円筒を深絞りにより作製した。円筒の上部には、図４に示すように圧延方向と幅方向は凹部、圧延方向に対して４５°の方向は凸部の耳が生じる。圧延方向がわかるようにしるしを付け、本円筒の耳部分と底部分を切断し長さ１００ｍｍの深絞り超電導円筒とした。
【００４７】
次に、図６のように本円筒を内径１２０ｍｍの鋼鉄製の金型円筒の中に入れ、深絞り超電導円筒の中に筒状のウレタンゴムを入れて上下からプレスし、深絞り超電導円筒を拡径した。最初の深絞り超電導円筒と同じ大きさの深絞り超電導円筒を既に拡径した深絞り超電導円筒の中に底部があった側が上になるように入れた。このとき耳の位置が外側の位置とずれるように、圧延方向のしるしを４５°回転した。内側の深絞り超電導円筒の中に同じくウレタンゴムを中に入れて上下からプレスし外側の円筒に内側の円筒を複合化した。
【００４８】
次に、３０層の厚さ約１μｍのＮｂＴｉ合金層と２９層の厚さ約１μｍの銅層が交互に積層され、ＮｂＴｉ合金層と銅層の間に約０．０１μｍのＮｂ層を配し、かつ最外層が厚さ約１０μｍの銅であるトータル厚さ０．１ｍｍの超電導多層板を幅１００ｍｍ、長さおよそ３ｍの板に切り、一体化した２層の複合円筒の内側にロール巻きにしてロール巻き超電導円筒を挿入する。このときのロール巻き超電導円筒の肉厚は約１ｍｍである。次にロール巻き超電導円筒の内側に内径１００ｍｍ、肉厚１ｍｍの第３の深絞り超電導円筒を入れ、さらにウレタンゴム円筒を挿入し上下からプレスして拡径し、第３の深絞り超電導円筒も一体化する。次に、厚さ約０．１ｍｍのＮｉ−Ｃｒ箔製の抵抗素子をポリイミド樹脂で封止し、銀でクラッドした銅線をリード線とした抵抗体を一体化した３つの複合円筒の内側に挿入する。次に、第４の深絞り超電導円筒も同様のプレス拡径方法で一体化することにより、ロール巻き超電導円筒及び加熱用抵抗体を内包する超電導複合円筒ができる。
【００４９】
本超電導複合円筒に円筒軸と平行に６テスラ印加してからゼロ磁場に戻すことにより円筒を磁化し、超電導複合円筒の端部から５０ｍｍ離れた軸上の箇所の磁場を測定した。このときの磁場は０．８８テスラであった。一方、ロール巻き超電導円筒を内包しない４個の深絞り超電導円筒を一体化した超電導複合円筒の場合、円筒端部から５０ｍｍ離れた軸上の箇所の磁場は０．７９テスラであり、実施例１での比較例の結果と同じであった。また、本超電導複合円筒に３テスラ印加した場合の液体ヘリウムの蒸発量、磁場の着磁時間は、予備実験１の場合と同様で、磁場の均一度は予備実験２の場合と同様であった。すなわち磁場の位置的な低下が少なく、液体ヘリウムの蒸発量の少ない効率的な着磁が可能で、しかも発生磁場の等価な場所における均一性の高い超電導複合円筒が得られた。
【００５０】
【発明の効果】
以上本発明によれば、深絞り超電導円筒と深絞り超電導円筒の間に前記超電導多層板をロール状に丸めて作製したロール巻き超電導円筒を挿入し一体化した超電導複合円筒を用いることにより、超電導複合円筒からやや離れた箇所の磁場の位置的低下を抑えることが可能となった。また、深絞り超電導円筒を、隣り合う円筒同士が板であったときの圧延方向がそれぞれ４５°＋９０°×Ｎ（Ｎ：整数）だけ異なるように複合一体化、かつ深絞り超電導円筒の深絞り方向がそれぞれ逆向きになるように複合一体化することにより、圧延及び深絞り加工により作製した深絞り超電導円筒の磁気シールド特性や超電導マグネットの発生磁場の場所によるバラツキを抑えることが可能となった。さらに、深絞り超電導円筒と深絞り超電導円筒の間に発熱体として抵抗の高い金属板または、抵抗の高い金属の線を挿入した超電導複合円筒を用いることにより、磁場の閉じこめを効率的に行うことができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 インターベンショナル型（インターベンショナル型）ＭＲＩの概念図。
【図２】 複合した深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間にロール巻きにした超電導多層板（ロール巻き超電導円筒）を挿入し一体化した超電導複合円筒を示す模式図。
【図３】 Ｎｉ−Ｃｒ合金で作製した抵抗体を複合した深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に挿入し一体化した超電導複合円筒を示す模式図。
【図４】 超電導多層板を深絞り加工して作製した円筒の耳の発生位置を示す模式図。
【図５】 ４個の深絞り超電導円筒を耳の凸凹部が交互になるように複合一体化した超電導複合円筒の模式図。
【図６】 深絞り超電導円筒に円筒形状のウレタンゴムを挿入、プレスして拡径する様子を示す模式図。
【図７】 ２個の超電導複合円筒を対向させたインターベンショナル型円筒マグネットの配置と磁場の測定箇所を示す模式図。
【図８】 超電導複合円筒にマンガニン線を巻いた様子を示す模式図。
【図９】 超電導複合円筒内部の磁場測定箇所を示す模式図。
【符号の説明】
１ 冷却容器
２ ＮｂＴｉ／Ｎｂ／Ｃｕ超電導多層円筒（深絞り超電導円筒）
３ 人体
４ ロール巻き超電導多層板（円筒）
５ 抵抗発熱体
６ 深絞り超電導円筒耳（凸部）
７ 深絞り超電導円筒耳（凹部）
８ 圧延方向
９ 幅方向
１０ 超電導複合円筒
１１ ウレタンゴム
１２ 金型円筒
１３ プレス機
１４ マンガニン線
Claims (7)
- 少なくとも１層のＮｂＴｉ合金と高導電率金属が交互に積層され、かつ前記ＮｂＴｉ合金と前記高導電率金属の間にＮｂまたはＴａのバリヤー層が存在する超電導多層板を深絞り成形して得られる円筒容器から切り出された円筒（深絞り超電導円筒）が少なくとも２個以上同軸状に嵌合して複合一体化された超電導複合円筒であって、該超電導複合円筒を構成する前記深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に、前記超電導多層板をロール状に丸めて作製したロール巻き超電導円筒を一層以上内包することを特徴とする、超電導複合円筒。
- 隣り合う前記深絞り超電導円筒同士が板であったときの圧延方向がそれぞれ４５°＋９０°×Ｎ（Ｎ：整数）だけ異なり、かつ隣り合う深絞り超電導円筒の深絞り方向がそれぞれ逆向きで複合化されていることを特徴とする、請求項１に記載の超電導複合円筒。
- 前記複合一体化された超電導複合円筒を構成する深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に、電気抵抗の高い金属板または、電気抵抗の高い金属の線を電気的絶縁材で被覆した発熱体として内包することを特徴とする、請求項１または２に記載の超電導複合円筒。
- 請求項１または２に記載の超電導複合円筒を２個一組とし、該超電導複合円筒を誘導着磁する機構を有することを特徴とする、超電導マグネット。
- 請求項３に記載の超電導複合円筒を２個一組とし、該超電導複合円筒を誘導着磁する機構と、前記発熱体への通電を入切する機構を有することを特徴とする、超電導マグネット。
- 少なくとも１層のＮｂＴｉ合金と高導電率金属が交互に積層され、かつ前記ＮｂＴｉ合金と前記高導電率金属の間にＮｂまたはＴａのバリヤー層が存在する超電導多層板を深絞り成形して得られる円筒容器から切り出された円筒（深絞り超電導円筒）が少なくとも２個以上同軸状に嵌合され複合一体化した超電導複合円筒の製造方法において、前記深絞り超電導円筒の円筒と円筒の間に、前記超電導多層板をロール状に丸めて作製したロール巻き超電導円筒を一層以上内包させることを特徴とする、超電導複合円筒の製造方法。
- 隣り合う前記深絞り超電導円筒同士が板であったときの圧延方向がそれぞれ４５°＋９０°×Ｎ（Ｎ：整数）だけ異なり、かつ隣り合う深絞り超電導円筒の深絞り方向をそれぞれ逆向きにして複合化することを特徴とする、請求項６に記載の超電導複合円筒の製造方法。
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