JP4074042B2

JP4074042B2 - 高磁場で磁場均一度の高い超電導磁石装置

Info

Publication number: JP4074042B2
Application number: JP2000076788A
Authority: JP
Inventors: 司木吉; 真治松本; 信哉伴野; 明男佐藤; 仁和田; 衛濱田; 征治林; 聡伊藤; 正敏吉川; 剛神門; 修尾崎
Original assignee: Kobe Steel Ltd; National Institute for Materials Science
Current assignee: Kobe Steel Ltd; National Institute for Materials Science
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2020-03-17
Also published as: JP2001264402A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久電流を利用した核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置に用いられる超電導マグネット等の様に、高磁場で且つ磁場均一度が高いことが要求される超電導磁石装置（永久電流磁石装置）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＮＭＲ装置用超電導マグネットでは、発生する磁場をより高くすることが要求されている。従来から使用されてきた超電導材料であるＮｂＴｉを主材料とするいわゆる合金系材料や、Ｎｂ₃Ｓｎに代表される化合物系材料では、液体ヘリウムの沸点である約４．２Ｋにおける上部臨界磁場が、夫々約１１．５Ｔ、約２２Tである。そして、こうした超電導材料を用いて、上記の臨界磁場よりも更に高い磁場を発生するＮＭＲ装置用超電導マグネットを実現しようとする場合には、それらを冷却する液体ヘリウムを減圧して液体へリウムの温度を低下させる（膨張冷却）ことによって、超電導材料の上部臨界磁場を上昇させ、その結果としてマグネットが発生する磁場を高める方法が採用される。
【０００３】
一方、１９８９年に発見された酸化物超電導材料は、臨界磁場が上記合金系材料や化合物系材料に比べて遥かに高い１００〜７００Ｔ程度であることが知られている。そして、こうした材料をＮＭＲ用超電導マグネットの巻線部材に用いることによって、ＮＭＲ用超電導マグネットの発生する磁場を高めることができることは容易に推測できる。
【０００４】
しかしながら酸化物超電導材料は、長尺で均一な特性を有する線材を作製することが現時点では困難である。また、ＮＭＲ用超電導マグネットには、それが発生する磁場を時間的に極めて安定に発生することが要求され、線材間の接続抵抗を極めて少なくする接続技術が必要であるが、酸化物超電導線材においては、線材間の接続抵抗を極めて少なくして永久電流を維持する為の技術は確立されていないのが実状である。
【０００５】
ところで、上記ＮＭＲ装置用超電導マグネット等の様に磁場の均一度が高いことが要求されている超電導磁石装置においては、主磁場を発生するメインコイル群、このメインコイル群が超電導マグネットの軸芯部分に発生する磁場の空間的な分布を概略均一に補正する補正コイル群、および前記２つのコイル群で超電導マグネットの軸芯付近に発生する磁場の空間的な分布を精密に調整するシムコイル群が同芯状に配列されて構成されるのが一般的である。また上記シムコイル群は、メインコイル群、補正コイル群および超電導シムコイル群を包含する低温容器の径方向の内側で超電導マグネット群の軸芯付近に設置される常電導シムコイル群と、低温容器の径方向の最も外側に配置され超電導線材を部材とする超電導シムコイル群とで構成されることが多い。
【０００６】
上記の様な状況の下で、高磁場ＮＭＲ装置用超電導マグネットを作製する場合には、該マグネットの中央部付近に存在するメインコイル群の一部を、酸化物超電導コイル群に入れ替えることで、磁場を更に高め得ることが期待される。従って、この様な将来の技術開発成果に備えて、超電導マグネットをその成果に対応できる様な構成にしておくことが必要である。
【０００７】
一般に、中央部付近に存在するメインコイル群の一部を交換した場合には、磁場の分布が大きく変化し、既存の超電導コイル群や常電導シムコイル群では磁場を均一にすることができず、補正コイル群を作製しなおす必要がある。しかしながら、補正コイル群を作製し直すとその幾何学的寸法が変化し、当該補正コイル群の外側に設置される超電導シムコイル群を設置することができなくなる。こうしたことから、超電導シムコイル群をも作製し直す必要がある。更には、超電導コイル群を包含する低温容器をも作製し直す必要が出てくる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、将来の酸化物超電導材料の開発成果を取り込める様にしながら、現時点で作製できる超電導線材を使用した高磁場で且つ磁場均一度の高い超電導磁石装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成し得た本発明の超電導磁石装置とは、主磁場を発生する超電導メインコイル群と、前記超電導コイル群の中心付近の空間における磁場の均一度を維持する様に磁場の空間分布を調整するための超電導補正コイル群および超電導シムコイル群が同芯状に配列された高磁場で磁場均一度の高い超電導磁石装置において、前記超電導メインコイル群と超電導シムコイル群の間に補正コイル追加用の円筒状予備空間を設けると共に、該円筒状予備空間に空間占拠部材を配置したものである点に要旨を有するものである。
【００１０】
前記空間占拠部材としては、アルミニウム若しくはアルミニウム合金、または鉄若しくは鉄合金、または銅若しくは銅合金、またはガラス繊維強化樹脂からなるもの、等を挙げることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下図面に基づき、従来の装置構成と対比しつつ、本発明装置の作用効果についてより具体的に説明する。図１は、従来の永久電流磁石装置（超電導磁石装置）の一構成例を示す概略断面図であり、図２は従来技術における永久電流磁石装置においてメインコイルの一部を酸化物超電導材料からなるコイルに置き換えた場合を想定した概略断面図である。
【００１２】
図１に示した装置構成において、主磁場を発生する超電導メインコイル群は、Ｎｂ₃Ｓｎ超電導線材が巻回された超電導メインコイル１と、ＮｂＴｉ超電導線材が巻回された超電導メインコイル２から構成されている。超電導メインコイル２の径方向外側には、ＮｂＴｉ超電導超電導線材が巻回された超電導補正コイル群３ａ〜３ｂが設けられている。また、超電導補正コイル群３ａ〜３ｂの径方向外側には、ＮｂＴｉ超電導超電導線材が巻回された超電導シムコイル群４ａ〜４ｆが設けられている。即ち、この永久電流磁石装置においては、超電導メインコイル１，２からなる超電導メインコイル群、超電導補正コイル群３ａ〜３ｂ、および超電導シムコイル群４ａ〜４ｆが同芯状に配列されて構成されている。
【００１３】
そして以上の超電導コイル群は、低温容器（クライオスタット）６の中に収納され、この低温容器６内は液体窒素および液体ヘリウムによって低温に維持されている。また、この低温容器６の中央付近の室温空間部分には、常電導シムコイル５が設けられている。また、この室温空間はサンプル挿入孔となっており、高周波プローブを入れることによって、サンプルの測定を行なう様にされる。
【００１４】
こうした装置構成において、超電導メインコイル１の一部を酸化物超電導材料からなるコイルに置き換える場合を想定したのが、図２に示した装置構成である。そして図２に示した装置においては、超電導メインコイル１ａは、酸化物超電導材料およびＮｂ₃Ｓｎ超電導線材が巻回されて構成されることになる。また、超電導メインコイル２がＮｂＴｉ超電導線材で構成されること、および超電導メインコイル２の外側に、ＮｂＴｉ超電導線材が巻回された超電導線材が巻回された超電導補正コイル群３ａ〜３ｃが設けられることは前記図１の場合と同様である。
【００１５】
そして、図２に示した装置においては、前記図１に示した装置構成に比べて超電導メインコイル１ａの一部が酸化物超電導材料に変更されているので、超電導メインコイル群１ａ，２、超電導補正コイル群３ａ〜３ｃによって合成して発生される磁場の均一度に変化が生じることになり、こうした変化に対応する為に、超電導補正コイル群３ａ〜３ｃの外側に、超電導補正コイル群７ａ〜７ｃが新たに追加して設けられることになる。またこうした設計変更に応じて、超電導補正コイル群７ａ〜７ｃの外側には、上記超電導シムコイル群４ａ〜４ｆよりも更に大きなものに作製し直された超電導シムコイル９ａ〜９ｆが設けらることになる。
【００１６】
そして以上の超電導コイル群は、低温容器６ａ内に収納されることになるが、図２に示した装置は前記図１に示した装置と比べて、超電導補正コイル７ａ〜７ｃを新たに設置し、また前記超電導シムコイル群４ａ〜４ｆよりも更に大きくした超電導シムコイル９ａ〜９ｆが設けられることになるので、これらを収納する低温容器６ａにおいても、図１に示した前記低温容器６に比べて直径が大きくならざるを得ない。尚、こうした低温容器６ａにおいても、その中央付近には、磁場の不均一性をより精密に補正する為の常電導シムコイル５が設けられるのは、前記図１に示した装置構成の場合と同様である。
【００１７】
上述した様に、従来の永久電流超電導磁石装置においては、将来的にメインコイルの一部を酸化物超電導材料に置き換えた場合には、超電導補正コイル群７ａ〜７ｃ、超電導シムコイル群９ａ〜９ｆ、および低温容器６ａを新たに作製し直す必要がある。
【００１８】
図３は本発明に係る永久電流磁石装置の一構成例を示す概略断面図であり、前記図１、２と対応する部分には同一の参照符号を付すことによって重複説明を回避する。尚、本発明に係る超電導磁石装置は、図３に示した構成に限定されるものではなく、例えば図３では超電導補正コイル群３ａ〜３ｃが、３つのコイルから構成されており、その長さも夫々異なるのが通常であるが、このコイルの個数や長さは装置の様式によって適宜変更されるものである。
【００１９】
本発明の装置においては、上記超電導補正コイル群３ａ〜３ｃと超電導シムコイル９ａ〜９ｆ群の間に、円筒状予備空間８が設けられている。そして、この予備空間８は、超電導メインコイル１の一部が将来的に酸化物超電導線材で巻回された超電導コイルとされるときに、前記図２に示した様な超電導補正コイル群７ａ〜７ｃが追加して設置されることになる。また、上記の様に円筒状予備空間８を設けることによって、前記図１に示した超電導シムコイル４ａ〜４ｆと比べて予め大きくした超電導シムコイル９ａ〜９ｆが配置される。更に、これに応じて、低温容器６ａも、前記各コイル群が収納できる様に、その直径が比較的大きく設定されている。即ち、図３に示した本発明の装置構成では、図２に示した様な超電導補正コイル７ａ〜７ｃの代りに、予備空間８を設けたものである。
【００２０】
従って、図３に示した本発明の超電導磁石装置では、超電導メインコイル１の一部が酸化物超電導材料でされた場合に、新たに作製する必要があるのは、超電導補正コイル群７ａ〜７ｃだけで良いことになる。
【００２１】
尚、図３に示した構成では、超電導補正コイル群３ａ〜３ｃと超電導シムコイル９ａ〜９ｆ群の間に円筒状予備空間８を設ける構成としたけれども、円筒状予備空間８が設けられる位置は、超電導メインコイル群１，２と超電導補正コイル群３ａ〜３ｃの間とすることもでき、要するに超電導メインコイル群１，２と超電導シムコイル９ａ〜９ｆ群の間であれば良い。また、この予備空間８の大きさは、その幅が少なくとも１ｍｍ以上である必要があるが、通常５〜２０ｍｍ程度に設定すれば良い。
【００２２】
ところで、図３に示した様な超電導磁石装置の全体を冷却する場合には、前記予備空間８にも液体ヘリウム等の液体が充満されることになる。そして、この磁石装置を冷却する液体ヘリウムを減圧して液体ヘリウムの温度を低下させ、そのことにより超電導材料の上部臨界磁場を上昇させ、その結果としてマグネットが発生する磁場を高める方法を採用したときには、予備空間８に存在する液体ヘリウムをも温度を低下させる必要がる。
【００２３】
例えば、予備空間８の大きさが、内直径：９２７ｍｍ，外直径：９６０ｍｍ，長さ：１６０４ｍｍであるとすると、その容積は約７８リットルとなる。そしてこうした容積に相当する液体ヘリウムを４．２Ｋから１．８Ｋに冷却するに必要な電力は約２５ＫＷｈ程度となる。即ち、上記の様な予備空間８を設けた場合には、それだけ冷却の為の電力を消費して不経済となる事態を招くことになる。
【００２４】
こうした事態を回避する手段として、上記予備空間８内に当該予備空間８に対応した形状の空間占拠部材をアルミニウムやアルミニウム合金等によって作製し、前記超電導補正コイル７ａ〜７ｃを追加して設置するまでは、この空間占拠部材を配置しておくことも好ましい実施形態として挙げられる。こうした構成を採用して、予備空間８内に充填される液体ヘリウムを排除することによって、無駄な電力消費の発生をなくすことができる。
【００２５】
尚、予備空間８内に配置される円筒状部材としては、上記したアルミニウムやアルミニウム合金からなるものに限らず、鉄若しくは鉄合金からなるものや、銅若しくは銅合金からなるもの、更にはガラス繊維強化樹脂からなるもの、等も使用できるが、特に鉄または鉄合金からなるもので非磁性のものを採用することは、磁場の均一度を達成するという観点および円筒部部材に電磁力が作用しないという観点から好ましい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、将来の酸化物超電導材料の開発成果を取り込める様にしながら、現時点で作製できる超電導線材を使用した高磁場で且つ均一度の高い超電導磁石装置が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の永久電流磁石装置の一構成例を示す概略断面図である。
【図２】従来技術における永久電流磁石装置においてメインコイルの一部を酸化物超電導材料からなるコイルに置き換えた場合を想定した概略断面図である。
【図３】本発明に係る永久電流磁石装置の一構成例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１，１ａ，２超電導メインコイル
３ａ〜３ｃ，７ａ〜７ｃ超電導補正コイル
４ａ〜４ｆ，９ａ〜９ｆ超電導シムコイル
５常電導シムコイル
６，６ａ低温容器
８円筒状予備空間

Claims

主磁場を発生する超電導メインコイル群と、前記超電導コイル群の中心付近の空間における磁場の均一度を維持する様に磁場の空間分布を調整するための超電導補正コイル群および超電導シムコイル群が同芯状に配列された高磁場で磁場均一度の高い超電導磁石装置において、前記超電導メインコイル群と超電導シムコイル群の間に補正コイル追加用の円筒状予備空間を設けると共に、該円筒状予備空間に空間占拠部材を配置したものであることを特徴とする高磁場で磁場均一度の高い超電導磁石装置。
前記空間占拠部材が、アルミニウム若しくはアルミニウム合金、または鉄若しくは鉄合金、または銅若しくは銅合金、またはガラス繊維強化樹脂からなるものである請求項１に記載の超電導磁石装置。