JP4293341B2

JP4293341B2 - 超電導マグネット装置

Info

Publication number: JP4293341B2
Application number: JP2003059092A
Authority: JP
Inventors: 修尾崎
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: JP2004273568A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石や常電導の電磁石では発生できない強い磁場を必要とし、且つ磁場が空間的に均一であることが要求されるＮＭＲ装置（核磁気共鳴装置）、ＭＲＩ装置（核磁気共鳴イメージング装置）、ＥＳＲ装置（電子スピン共鳴装置）、ＦＴ−ＩＣＲ装置等や物性研究用のマグネット装置に用いられる超電導マグネット装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導マグネット装置は中心付近で例えば１００ｐｐｍ以下の高い磁場均一性が要求されている。この要求を満たすために超電導マグネット装置では、磁場を発生するメインコイルと、磁場の均一度を高くするための複数の補正コイルとが電気的に直列に接続された構成をしており、そのメインコイルと補正コイルは別々の巻枠に巻線されていることが多い。又メインコイルと補正コイルとを分類せず、複数のコイルによって均一の磁場も形成するようにしたものもある。メインコイルと補正コイルは同一の電源から電流が供給され、これらを合わせて主マグネットと呼ぶ。
【０００３】
しかしこのように複数のコイルを組み合わせて超電導マグネット装置を作製するときには、通常何らかの組立誤差が生じる。又超電導マグネットの設置空間において、超電導マグネット装置の近くに鉄筋等の磁性体が存在することによっても磁場の均一度が乱されることがある。従って主マグネットだけでは超電導マグネット装置を設計した通りの磁場均一性が得られないことがほとんどである。
そこで磁場の均一性が乱されたときの対策として、高い磁場均一性が要求される超電導マグネットでは、特許文献１，２に示されるように、主マグネットの外側に別の巻枠を設け、この巻枠に超電導シムコイルを配置した構造が用いられている。超電導シムコイルは超電導マグネットの設置後に、設置状況に応じて適宜電流値を調整することによって磁場の均一性を高めるためのものである。
【０００４】
図５は従来の超電導マグネット装置のコイルを軸芯（Ｚ軸）に沿って縦断したときの斜視図である。本図に示すように主マグネット巻枠１０１にメインコイル１０２が巻線されている。その外側には主マグネット巻枠１０３が設けられ、メインコイル１０２の中心位置に対称に補正コイル１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃが設けられる。メインコイル１０２と補正コイル１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃはマグネットの磁場の軸芯方向をＺ軸とするとき、中心付近の磁場が一定となるようにその位置があらかじめ設計されており、共通する電源からの所定の電流を流すことによって所望の磁場をＺ軸の中心部分に得るものである。
【０００５】
又磁場の均一性を高めるために、更にその外側には超電導シムコイル巻枠１０５が設けられる。この巻枠１０５に超電導シムコイル１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄ，１０６ｅが巻き付けられる。これらのコイル群は図示しない低温容器内に収納されて超電導マグネット装置が構成されている。
又図６に示すように、主マグネット巻枠１０３の外周部に超電導シムコイル巻枠１０７を設け、超電導シムコイル１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃを巻き付ける構造に加え、更にその外側に超電導シムコイル巻枠１０９を設け、この巻枠１０９に超電導シムコイル１１０ａ，１１０ｂを巻線した構造の超電導マグネット装置も用いられている。そして磁場の不均一度を補正するように、超電導シムコイルに夫々異なった電流を流す。こうすることによって磁場均一度を向上させることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−４３１１６号公報
【特許文献２】
特開２００１−２６４４０２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
超電導マグネットにおいてより大きな磁場を発生させると、そのマグネットを構成している超電導導体にかかる磁場も大きくなる。超電導導体にはある電流値（以下、臨界電流値という）以上を流すことができないという性質がある。臨界電流値は磁場が大きくなるにつれて減少する傾向にある。従って発生磁場が大きくなるにつれて超電導導体に流せる電流値は小さくなり、結果としてマグネット装置のサイズが大きくなる。
【０００８】
大きな磁場を発生する必要のある超電導マグネット装置の場合には、超電導シムは均一な磁場が求められている磁場中心から遠いので、磁場を補正する強度が減少している。そのため磁場中心から超電導シムが遠い場合、超電導シムの巻数を増やすことで補正する強度が小さくなることを防ぐ必要がある。
しかしながら巻数が増加した場合、超電導シムの線材量が増加し、巻線に要する作業時間も増加する。更に超電導シムが占める体積も大きくなるので、図５のように１つの巻枠に複数の磁場成分の超電導シムを配置することができず、図６のように複数の巻枠が必要となる場合もある。そのため超電導マグネット装置のサイズが大きくなるという欠点があった。又超電導マグネット装置のサイズが大きくなると、超電導マグネット装置を低温状態に保つ容器も大きくなり、又冷却に要する冷却剤の量も増加するという欠点があった。
【０００９】
本発明はこのような従来の超電導マグネット装置の問題点に鑑みてなされたものであって、超電導マグネット装置のサイズを大きくすることなく、超電導シムを用いて磁場を均一となるように調整できる超電導マグネット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】
本発明に係る超電導マグネット装置は、主磁場を発生する超電導メインコイルと、前記超電導メインコイルと同芯状に配列される超電導補正コイル群及び超電導シムコイル群とを有する超電導マグネット装置において、前記超電導シムコイル群は超電導補正コイル群と共用の巻枠に配置され、前記共用の巻枠は、軸方向に連結される円筒形状の超電導補正コイル群用の巻枠片と、この巻枠片の間に配置されると共に絶縁材から成る円筒形の超電導シムコイル用の巻枠片とを有し、当該共用の巻枠は、超電導補正コイル群用の巻枠片に超電導シムコイル用の巻枠片を挟み込んで構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明に係る超電導マグネット装置は、主磁場を発生する超電導メインコイルと、前記超電導メインコイルと同芯状に配列される超電導補正コイル群及び超電導シムコイル群とを有する超電導マグネット装置において、前記超電導シムコイル群は超電導補正コイル群と共用の巻枠に配置され、前記共用の巻枠は、超電導補正コイル群用の環状溝とこの環状溝の間に配置された巻枠用溝とが外周部に形成された円筒形のものであり、前記巻枠用溝に超電導シムコイルが巻回される巻枠が取り付けられることを特徴とするものである。
【００１２】
なお好ましくは、前記共用の巻枠は、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ、ステンレス合金、アルミ合金、銅合金のうちの１つ又は複数の材料によって作製されているとよい。
また、前記超電導シムコイルの導体は、ＮｂＴｉ超電導導体、Ｎｂ₃Ｓｎ超電導導体、Ｎｂ₃Ａｌ超電導導体、ビスマス系酸化物超電導導体、イットリウム系酸化物超電導導体、ＭｇＢ₂超電導導体のうち少なくともいずれか１つによって構成されていてもよい。
【００１３】
前記超電導補正コイルの導体は、ＮｂＴｉ超電導導体、Ｎｂ₃Ｓｎ超電導導体、Ｎｂ₃Ａｌ超電導導体、ビスマス系酸化物超電導導体、イットリウム系酸化物超電導導体、ＭｇＢ₂超電導導体のうち少なくともいずれか１つによって構成されていてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態による超電導マグネット装置を軸芯（Ｚ軸）に沿って縦断したときの斜視図である。本図において、主マグネットの巻枠１１は円筒形の部材であって、上下にフランジ部を有し、その内側にメインコイル１２が巻き付けられている。主マグネット巻枠１１は主マグネットにかかる強い電磁力を支えるためにアルミ合金製とするが、ステンレス合金や銅合金であってもよい。又その外周部には主マグネットと超電導シムコイルとの共用の巻枠１３が設けられる。
【００１５】
図２は巻枠１３の組立て前に軸芯（Ｚ軸）に沿って縦断したときの断面を示す斜視図である。巻枠１３は図示のように、巻枠片１４〜１８及び１９〜２２によって構成される。巻枠片１４〜１８はアルミ合金製とするが、ステンレス合金や銅合金であってもよい。巻枠片１４は円筒形状の部材であり、補正コイルを巻くための巻枠部１４ａを有しており、これに隣接して巻枠部１４ｂを有し、中央部にフランジ部１４ｃを有している。巻枠片１５は環状の部材であり、スペーサとして機能する。巻枠片１６は環状部材であり、中央部に２つのフランジを有し、その中間部を補正コイルの巻枠１６ａとし、中央の巻枠部１６ａの上下をシムコイルのための巻枠部１６ｂ，１６ｃとしている。又巻枠片１７は巻枠片１５と同一の環状の部材である。巻枠片１８は巻枠片１４と同一構造であって、対称に配置され、上側にシムコイル用の巻枠部１８ｂ、中央部にフランジ部１８ｃ、下側に補正コイル用の巻枠部１８ａを有している。
【００１６】
さて巻枠片１９〜２２は、シムコイル用の巻枠片１９である。ここではシムコイルとして図１に示すように、２つのｚ０シム、４つのｚ１シム及び４つのｚ２シムを用いる。これらの超電導シムは主マグネットのように強い電磁力を支える必要がないので、巻枠片に強度の高い材料を使用する必要がない。従ってその巻枠片には超電導マグネットの製作を容易にするために、電気絶縁の必要がない絶縁体で、且つ加工性がよいものを使用すればよく、ここではＦＲＰ製の巻枠片を用いている。ＦＲＰとしては、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）やガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）等を用いることが好ましい。
【００１７】
巻枠片１９は巻枠片１４の巻枠部１４ｂの外径と同一の内径を有する環状の巻枠片であり、中心のフランジ部に対して上下対称の溝を有する。上部の溝１９ａはｚ２用のシムコイルの巻枠領域となり、その内側中央部に更に溝が設けられてｚ１用の超電導シムコイルの巻枠領域となっている。又その下方の溝１９ｂはｚ２用超電導シムコイルの巻枠領域であり、その内部の中央部にｚ０用の超電導シムコイルの巻枠領域を有している。次に巻枠片２０，２１は巻枠片１６の上下に配置され、巻枠部１６ｂ，１６ｃの外径と等しい内径を有する巻枠片であって、いずれもｚ１用超電導シムコイルの巻枠片となっている。又巻枠片２２は巻枠片１９と同一構造であって、中央部にフランジを有し、上下対称の溝２２ａ，２２ｂが設けられる。溝２２ａはｚ２のシムコイルの巻枠領域であり、その内側にｚ０用の超電導シムコイルの巻枠領域が設定されている。同様に下方の溝２２ｂもｚ２用の超電導シムコイルの巻枠領域であり、その内側中央部にｚ１用の超電導シムコイルの巻枠領域が設けられる。
【００１８】
さて巻枠１３の組立時には、まず巻枠片１４，１６，１８に補正コイル２５，２４，２６を巻き付け、次いで巻枠片１９〜２２にシムコイルを巻き付けておく。その後これらの巻枠片１４〜２２を図１及び図２に示すように組立てる。即ち巻枠片１９を巻枠片１４の巻枠部１４ｂに挿入し、巻枠片１５と共に図１に示すように連結する。又巻枠片２０を巻枠片１６の巻枠部１６ｂに挿入して巻枠片１５の下端と共に連結する。同様に巻枠片２１も巻枠部１６ｃに挿入して巻枠片１７と共に連結する。次いで巻枠片１８の巻枠部１８ｂに前述した巻枠片２２を挿入し、巻枠片１８を巻枠片１７に固定する。こうして図１に示すように全体を組立てた巻枠１３を形成する。
【００１９】
こうすれば補正コイル２４，２５，２６及びシムコイルは図１に示すメインコイル１１を除いて全てが１つの共用の巻枠１３内に配置されることとなる。この場合主マグネットを巻線する部分と超電導シムを巻線する部分とに分割されているので、別々に巻線することができ、巻線作業が簡便となる。
さて全体の形状を保つように、図１に示すように、巻枠片１５の上部と巻枠片１４の中央部のフランジ部１４ｃ、巻枠片１５と巻枠片１６の上部フランジとを夫々支持材によって連結する。同様にして対称に巻枠片１６の下部フランジと巻枠片１７の上面とを支持材によって連結し、及び巻枠片１７の下面と巻枠片１８の中央フランジ１８ｃとを支持材によって連結する。
【００２０】
さて前述したように主マグネットはメインコイル１２と補正コイル２４，２５，２６で構成される。これらの主マグネットの導体はＮｂＴｉ超電導導体、Ｎｂ₃Ｓｎ超電導導体、Ｎｂ₃Ａｌ超電導導体、ビスマス系酸化物超電導導体、イットリウム系酸化物超電導導体、ＭｇＢ₂超電導導体のうちの少なくともいずれか１つによって構成するものとする。これらのコイルの諸元は例えば表１に示すものとする。
【００２１】
【表１】

【００２２】
ここで表１において赤道面とは各コイルの中心位置と主超電導マグネットの中心とのｚ軸方向の距離を示す。マグネットの磁場の軸芯方向をＺ軸とするとき、マグネットの中心付近の磁場（Ｂ_z）は、ルジャンドル関数で展開したときにｚだけに関わる項を表示すると、
Ｂ_z＝Σａ_n・ｚⁿ （ｎ＝０，１，２・・・）
と表される。ここでａ₁，ａ₂・・・は０であれば理想的な均一度が得られていることとなる。
【００２３】
前述した表１に示す主マグネットによって、その中心位置から２０ｍｍの範囲の球内の磁場では表２に示すような均一度が得られる。
【００２４】
【表２】

【００２５】
ここで表２の磁場均一度は設計値での磁場均一度であるので、実際の主マグネットを製作するときには組立誤差により不均一が発生する。従ってこの不均一を修正するために主マグネットのうち補助コイルの周辺部分にシムコイルが用いられる。超電導シムコイルの導体としては、ＮｂＴｉ超電導導体、Ｎｂ₃Ｓｎ超電導導体、Ｎｂ₃Ａｌ超電導導体、ビスマス系酸化物超電導導体、イットリウム系酸化物超電導導体、ＭｇＢ₂超電導導体のうち少なくともいずれか１つによって構成されていることが好ましい。さてこの実施の形態における超電導シムの諸元を表３に示す。そして前述した係数が０に近づき、表２に示す設計値の均一度が得られるようにｚ０，ｚ１，ｚ２のシムコイルの電流値を調整する。この調整の際の１Ａ当たりの強度を表３の右欄に示す。
【００２６】
【表３】

【００２７】
次にこの実施の形態との比較例を図３を示す。図３も図１と同様にＺ軸に沿った縦断面図である。この超電導マグネット装置は実施の形態１と同様に中央部にメインコイル１２が巻かれた主マグネットの巻枠１１を配置し、その外周部に補正コイル２４，２５，２６が巻かれた補正コイル用の主マグネット巻枠３１を配置する。更にその外側に従来例と同様に、シムコイル専用の巻枠３２を配置したものである。シムコイルの配置は図１に示す本実施の形態と同様とする。
そしてメインコイル１２と補正コイル２４，２５，２６の配置も実施の形態１と同様とし、主マグネットの諸元を同一とする。即ち表１に示す構成をそのまま用いる。そしてこれを補正するためのｚ０，ｚ１，ｚ２のシムコイルの諸元を表４に示す。
【００２８】
【表４】

【００２９】
このように図３に示す比較例と対比すれば、ｚ０シムで２００ｐｐｍ、ｚ１シムで２０ｐｐｍ、ｚ２シムで２ｐｐｍの補正強度を得ようとした場合には、本実施の形態では巻数がｚ０シムで計２５８ターンから２２４ターンへ、ｚ１シムでも計４２８から３１２ターンへと減少している。又ｚ２シムでも計１０８２ターンから７２８ターンへと巻き数が減少している。このように合計のターン数でシムコイルの巻数は２８％削減できる。又超電導シムを含めたマグネットのサイズは本実施の形態では最大径で２０８ｍｍであり、表４に示す比較例では最大径が２４４ｍｍとなっている。このように超電導シムの補正強度は同一でありながら、超電導シムを含めた超電導マグネットの最大径も１５％小さくすることができる。
【００３０】
図４は本発明の第２の実施の形態による超電導マグネット装置の共用の巻枠を示す斜視図である。本図に示すようにこの巻枠４１は円筒形の部材であって、上下及び中央部に補正コイル用の溝４１ａ，４１ｂ，４１ｃが設けられ、夫々補正コイル２５，２４，２６が巻き付けられている。そして中央の補正コイルと上下の補正コイルの間には浅い環状の溝４１ｄ，４１ｅを有している。この環状の溝４１ｄ，４１ｅ内に超電導シム巻線用の巻枠４２，４３を夫々設ける。この巻枠は前述した実施の形態１の巻枠片１９〜２２と同様に、合成樹脂例えばＦＲＰ製で一対の対称な半円形として形成し、溝４１ｄ，４１ｅで組み合わせて環状の巻枠とする。巻枠４２は図４に示すように実施の形態１と同様にｚ２とｚ１の超電導シムコイルを収納する溝４２ａ及びｚ２とｚ１超電導シムコイルを収納する溝４２ｂを設け、更に中央部にｚ１超電導シムコイル用の溝４２ｃを設けている。又他方の巻枠４３も同様にしてｚ２とｚ１の超電導シムコイルを収納する溝４３ａ及びｚ２とｚ０超電導シムコイルを収納する溝４３ｂを設け、更に中央部にｚ１超電導シムコイル用の溝４３ｃを設けている。この巻枠４２，４３も図４に示すように組立てた後、夫々の溝に所定の２つのｚ０シムコイル，４つのｚ１シムコイル及び４つのｚ２シムコイルを巻き付けるものとする。このようにすれば実施の形態１と同様に、シムコイルのターン数を減少させ、超電導マグネットの最大径を減少させることができる。
【００３１】
尚前述した実施の形態１，２では、共用の巻枠としてアルミ合金製を用いているが、この巻枠には所定の強度が確保される材料であればよく、例えばステンレス合金、アルミ合金、銅合金のうちのいずれか１つによって作製することが好ましい。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、超電導マグネット装置のマグネットサイズを大きくすることなく超電導シムコイルのターン数を減少させ、超電導シムコイルの補正強度を保ったまま超電導マグネットを小型化することができる。従って低温容器のサイズも小さくすることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による超電導マグネット装置の断面を示す斜視図である。
【図２】本実施の形態による超電導マグネット装置の主マグネットと超電導シムコイルの共用として用いられる巻枠の構造を示す組立構成図である。
【図３】本実施の形態に対する比較例である従来の超電導シムコイルの断面を示す斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態による超電導マグネット装置の主マグネットコイルとシムコイルの共用の巻枠の構造を示す斜視図である。
【図５】従来の超電導マグネット装置の一般的な構成の断面を示す斜視図である。
【図６】従来の超電導マグネット装置の断面を示す複数のシムコイルの巻枠を有する一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１１主マグネット巻枠
１２メインコイル
１３，４１巻枠
１４〜２２巻枠片
１４ａ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２２ａ，２２ｂ巻枠部
１４ｃ，１８ｃフランジ部
４２，４３シムコイル用巻枠片

Claims

主磁場を発生する超電導メインコイルと、前記超電導メインコイルと同芯状に配列される超電導補正コイル群及び超電導シムコイル群とを有する超電導マグネット装置において、
前記超電導シムコイル群は超電導補正コイル群と共用の巻枠に配置され、
前記共用の巻枠は、軸方向に連結される円筒形状の超電導補正コイル群用の巻枠片と、この巻枠片の間に配置されると共に絶縁材から成る円筒形の超電導シムコイル用の巻枠片とを有し、当該共用の巻枠は、超電導補正コイル群用の巻枠片に超電導シムコイル用の巻枠片を挟み込んで構成されていることを特徴とする超電導マグネット装置。
主磁場を発生する超電導メインコイルと、前記超電導メインコイルと同芯状に配列される超電導補正コイル群及び超電導シムコイル群とを有する超電導マグネット装置において、
前記超電導シムコイル群は超電導補正コイル群と共用の巻枠に配置され、
前記共用の巻枠は、超電導補正コイル群用の環状溝とこの環状溝の間に配置された巻枠用溝とが外周部に形成された円筒形のものであり、前記巻枠用溝に超電導シムコイルが巻回される巻枠が取り付けられることを特徴とする超電導マグネット装置。
前記共用の巻枠は、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ、ステンレス合金、アルミ合金、銅合金のうちの１つ又は複数の材料によって作製されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導マグネット装置。
前記超電導シムコイルの導体は、ＮｂＴｉ超電導導体、Ｎｂ₃Ｓｎ超電導導体、Ｎｂ₃Ａｌ超電導導体、ビスマス系酸化物超電導導体、イットリウム系酸化物超電導導体、ＭｇＢ₂超電導導体のうち少なくともいずれか１つによって構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超電導マグネット装置。
前記超電導補正コイルの導体は、ＮｂＴｉ超電導導体、Ｎｂ₃Ｓｎ超電導導体、Ｎｂ₃Ａｌ超電導導体、ビスマス系酸化物超電導導体、イットリウム系酸化物超電導導体、ＭｇＢ₂超電導導体のうち少なくともいずれか１つによって構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超電導マグネット装置。