JP6090557B2 - 超電導体、超電導磁石、超電導磁場発生装置及び核磁気共鳴装置 - Google Patents
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Description
前記内側空間部は、前記軸芯に沿った方向で中央に位置する中央空間部分と、前記軸芯に沿った方向で前記中央空間部分の両側に位置する端空間部分とを含み、前記中央空間部分の前記軸芯に垂直な方向の内側寸法は前記端空間部分の前記軸芯に垂直な方向の内側寸法よりも大きい、構成であり、
前記内側空間部は、前記中央空間部分の前記軸芯に直交する姿勢で交差する第1面及び第2面と2つの前記端空間部分の前記軸芯の方向に沿う側面とが交わる第1角部と、前記第1面及び前記第2面と前記中央空間部分の前記軸芯の方向に沿う側面とが交わる第2角部を有し、前記第2角部は、前記超電導体の内部で超電導電流が流れる領域より内側で、超電導電流が流れない領域に位置している点にある。
〔超電導体〕
以下、本発明に係る超電導体の第1実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。図1に、本実施形態に係る超電導体1の形状を表す縦断面図を示す。超電導体1の外形は円柱形状で、その中央に同軸芯で円柱形状の貫通孔が開口され、内側空間部1aが形成されている。
溶融法で製造した超電導体1は、磁場中で冷却されたり低温状態で磁場を印加されたりすると、ピン止め効果により磁場を捕捉して超電導磁石として機能する。着磁方法としては、例えば、磁場中冷却(FC:Field Cooling)法がある。FC法は、磁場を印加したまま超電導体1を超電導転移温度以下まで冷却し、その後、超電導体1を冷却したまま印加磁場をゼロにして着磁する方法である。これにより、超電導体1は磁場を捕捉して着磁され、超電導磁石となる。このとき、超電導体1の中央中実部分2dと端中実部分3dの外周に近い領域(破線よりも外周側の灰色の領域)に外周に沿って超電導電流が誘起される。図1では、軸芯の右側では紙面手前から奥に向かって超電導電流が流れ、軸芯の左側では紙面奥から手前に向かって超電導電流が流れる。また、超電導電流により、内側空間部1aには図1の下から上に向かって軸芯方向に沿って磁場Bが発生する。
図2に、第2実施形態に係る超電導体1の形状を表す縦断面図を示す。本実施形態に係る超電導体1は、中央空間部分2aの第1面2b及び第2面2eと側面2cが交差する第2角部5に面取りCが施されている点が第1実施形態と異なり、その他の点については第1実施形態と同様である。このような構成とすれば、着磁の際の応力集中による超電導体1の割れを防止することができる。なお、面取りCとは、角部においてC面取り及びこれに準ずる角部の角度を抑制する構造を含むものとする。
〔基本構造〕
図7に第1実施形態に係る超電導体1を用いた超電導磁場発生装置10の概略構造を表す縦断面図を示す。超電導磁場発生装置10は、超電導体1と、超電導体1を覆う試料ホルダ11と、冷却装置12(冷却部の一例)と、コールドヘッド13と、真空断熱容器14(収容部の一例)を備えている。
図8に、超電導磁場発生装置10の変形例1の概略構造を表す縦断面図である。本変形例に係る超電導磁場発生装置10は、中央空間部分2aの内、端空間部分3aの内径より大きい部分に断熱材17に囲まれた補正コイル18を配置した点が基本構造と異なり、その他の点については基本構造と同様である。補正コイル18が追加されているので、超電導体1への着磁の際に補正コイル18に通電することにより、超電導体1に捕捉される磁場分布を補正したり、着磁後に超電導体1が発生する磁場Bの分布を補正したりすることができる。例えば、分布に勾配のある磁場で着磁した場合には着磁後に中央空間部分2aに発生する磁場Bの勾配を調整でき、均一な分布の磁場で着磁した場合には中央空間部分2aに発生する磁場Bの均一性をさらに高めることができる。
図9に、超電導磁場発生装置10の変形例2の概略構造を表す縦断面図である。本変形例に係る超電導磁場発生装置10は、中央空間部分2aの内、端空間部分3aの内径より大きい部分に超電導線でできた補正コイル18を配置した点が基本構造と異なり、その他の点については基本構造と同様である。
図10に、超電導磁場発生装置10の変形例3の概略構造を表す縦断面図である。本変形例に係る超電導磁場発生装置10は、中央空間部分2aの内、端空間部分3aの内径より大きい部分に伝熱材19に囲まれた補正コイル18を配置した点が基本構造と異なり、その他の点については基本構造と同様である。補正コイル18は、超電導線により形成されている。
図11に、第1実施形態に係る超電導体1を用いた核磁気共鳴装置100の概略構成を表す構成図を示す。核磁気共鳴装置100は、超電導磁場発生装置10と分析手段130とを備えている。超電導磁場発生装置10の冷却装置12は圧縮機120に接続されており、真空断熱容器14は真空ポンプ140に接続されている。破線で示すMは印加時のみ使用する超電導マグネット(外部磁場印加装置)である。また、分析手段130は、高周波発生装置131、パルスプログラマ(送信器)132、高周波増幅器133、プリアンプ(信号増幅器)134、位相検波器(受信器)135、アナログデジタル変換器136、コンピュータ137、検出コイル138などからなる。
〔実施例1〕
次に、第1実施形態に係る超電導体1を用いて超電導磁場を発生させたときの内側空間部1aの磁場分布を実施例1として説明する。超電導体1の磁場分布について説明する前に、従来の超電導体1Aの磁場分布について説明する。図12に、従来の超電導体1Aの形状を表す縦断面図を示す。超電導体1Aは中央部分2を有しておらず、軸芯方向に沿って内径が一定な円筒形状である。すなわち、内側空間部1aは、端空間部分3aの内径と同じ大きさの内径のみで構成されている。
図15に、実施例2に係る超電導体1を用いて超電導磁場を発生させたときの磁場分布を、有限要素法による磁場解析により求めたときの解析結果を示す。実施例2に係る超電導体1は、実施例1に対し中央空間部分2aの高さhを74mmにしたものであり、それ以外の条件は実施例1と同じである。
図16に、実施例3に係る超電導体1を用いて超電導磁場を発生させたときの磁場分布を、有限要素法による磁場解析により求めたときの解析結果を示す。実施例3に係る超電導体1は図2に示す形状を有しており、中央空間部分2aの第1面2b及び第2面2eと側面2cが交差する第2角部5に3mmの面取りCが施されている点が実施例2と異なる。それ以外の条件は実施例2と同じである。
図17に、外径D1と高さHを実施例1,2と同じ(D1を60mm,Hを120mm)にし、端空間部分3aの内径D2を24mmと28mmに設定した2種類の超電導体1において、それぞれの超電導体1で中央空間部分2aの内径dを変化させたときに、±1ppm以内の均一磁場が得られる中央空間部分2aの高さhを磁場解析により求めた結果を示す。図17のグラフにおいて、横軸はr=d/2、縦軸はz=h/2としている。他の条件は、実施例1,2と同じである。
1A 超電導体
1a 内側空間部
2 中央部分
2a 中央空間部分
2d 中央中実部分
3 端部分
3a 端空間部分
3d 端中実部分
10 超電導磁場発生装置
12 冷却装置(冷却部)
14 真空断熱容器(収容部)
18 補正コイル
100 核磁気共鳴装置
Claims (12)
- 円柱形状となる外形の軸芯と同軸芯の内側空間部を備えた筒形状を有する超電導体であって、
前記内側空間部は、前記軸芯に沿った方向で中央に位置する中央空間部分と、前記軸芯に沿った方向で前記中央空間部分の両側に位置する端空間部分とを含み、
前記中央空間部分の前記軸芯に垂直な方向の内側寸法は前記端空間部分の前記軸芯に垂直な方向の内側寸法よりも大きい、構成であり、
前記内側空間部は、前記中央空間部分の前記軸芯に直交する姿勢で交差する第1面及び第2面と2つの前記端空間部分の前記軸芯の方向に沿う側面とが交わる第1角部と、前記第1面及び前記第2面と前記中央空間部分の前記軸芯の方向に沿う側面とが交わる第2角部を有し、
前記第2角部は、前記超電導体の内部で超電導電流が流れる領域より内側で、超電導電流が流れない領域に位置している超電導体。 - 前記超電導体は、前記中央空間部分の外側に位置する中央中実部分と、前記端空間部分の外側に位置する端中実部分とを備え、
前記中央中実部分と、前記端中実部分とは、比透磁率が同じ単一材料からなる請求項1に記載の超電導体。 - 前記外形は円柱形状であり、
前記中央空間部分及び前記端空間部分は共に円柱形状であり、
前記中央空間部分の前記内側寸法及び前記端空間部分の前記内側寸法は共に前記円柱形状の内径であり、
2つの前記端空間部分の内径は等しいことを特徴とする請求項1又は2に記載の超電導体。 - 前記中央空間部分は、前記軸芯に沿う長さが内径以上である請求項3に記載の超電導体。
- 前記第1角部及び前記第2角部の少なくとも一方の角部に面取りが施されている請求項3又は4に記載の超電導体。
- 前記端空間部分及び前記軸芯に垂直な方向で前記端空間部分の外側にある端中実部分を含む端部分と、前記中央空間部分及び前記軸芯に垂直な方向で前記中央空間部分の外側にある中央中実部分を含む中央部分とを前記軸芯の方向に沿って積層して構成されている請求項1乃至5のいずれか一項に記載の超電導体。
- 前記外形の直径をD、前記軸芯の方向に沿う長さをHとし、前記中央空間部分の内径をd、前記軸芯の方向に沿う長さをhとしたときに、
(h/d)/(H/D)≧0.5
の関係を満たす請求項1乃至6のいずれか一項に記載の超電導体。 - 前記外形の直径をD、前記軸芯の方向に沿う長さをHとし、前記中央空間部分の内径をd、前記軸芯の方向に沿う長さをhとしたときに、
(h/d)/(H/D)≧0.75
の関係を満たす請求項1乃至6のいずれか一項に記載の超電導体。 - 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の超電導体を前記軸芯の方向に沿って着磁してなる超電導磁石。
- 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の超電導体と、
前記超電導体を冷却する冷却部と、
前記超電導体を収容する収容部と、を備えた超電導磁場発生装置。 - 補正コイルをさらに備え、
前記補正コイルは、前記軸芯の方向に沿って見たときに前記中央空間部分のうち前記端空間部分と重なっていない部分に配置されている請求項10に記載の超電導磁場発生装置。 - 請求項10又は11に記載の超電導磁場発生装置を構成部品として備える核磁気共鳴装置。
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