JP6138600B2 - 磁場発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance：核磁気共鳴）装置やＭＲＩ装置に適用される磁場発生装置に関する。

従来、ＮＭＲ装置やＭＲＩ装置に用いられる超電導コイルの巻線として、特許文献１に記載のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材や、ＮｂＴｉ超電導線材、Ｎｂ_３Ａｌ超電導線材などが用いられている。

特公平３−５５０１１号公報

ところで、Ｙ系やＧｄ系に代表されるＲｅＢＣＯ系超電導線材は、現在工業的に用いられている金属系超電導線材の特性を凌ぐ特性を有し、液体ヘリウムの温度を越える温度で超電導電流を流すことができ、液体ヘリウムの温度まで冷やさなくても高い磁場を得ることができる点で、用途拡大が期待されている。

ここで、ＲｅＢＣＯ系超電導線材が超電導状態である時に、線材のテープ面に直交する磁場が印加されると、超電導層への磁束の侵入を防ぐべく、超電導層に遮蔽電流が流れることが知られている。

ＮＭＲ装置やＭＲＩ装置に用いられる磁場発生装置においては、メインコイルが計測空間に発生させる磁場の均一度を、メインコイルの外側に設けた補正コイルが発生させる磁場で補正している。しかし、メインコイルがＲｅＢＣＯ系超電導線材を巻回してなる場合、補正コイルがＲｅＢＣＯ系超電導線材のテープ面に直交する磁場を作るために、超電導層に遮蔽電流が流れ、この遮蔽電流により補正コイルが発生させる磁場が減少する。その結果、磁場の均一度が低下する。

そこで、予め遮蔽電流による磁場の減少を考慮して補正コイルを設計したり、特定の磁場成分を補正する磁場を発生させるシムコイルを補正コイルの外側に設けたりすることが考えられる。しかし、磁場の減少を補うには補正コイルを大型化する必要があり、装置全体が大型化するという問題がある。また、別途シムコイルを設けても、装置全体が大型化するという問題がある。

本発明の目的は、磁場の均一度を高め、且つ、装置全体が大型化するのを抑制することが可能な磁場発生装置を提供することである。

本発明における磁場発生装置は、ＲｅＢＣＯ系超電導線材が巻回されてなり、計測空間に磁場を発生させるメインコイルと、前記メインコイルと同軸であって、前記メインコイルの内側に設けられ、前記メインコイルが発生させる磁場のうち、主に２次成分を補正する磁場を発生させる、電流値が可変な電流可変補正コイルと、前記メインコイルと同軸であって、前記メインコイルの外側に設けられ、前記メインコイルが発生させる磁場の均一度を補正する磁場を発生させる補正コイルと、を有し、前記電流可変補正コイルに通電しないときに、前記メインコイルが発生させる前記２次成分と前記補正コイルが発生させる前記２次成分との和が０になるように、前記補正コイルの能力が設計されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、メインコイルが発生させる磁場の均一度を補正する磁場を発生させる電流可変補正コイルを、メインコイルの内側に設ける。メインコイルの外側に補正コイルやシムコイルを設けると、これらがメインコイルのＲｅＢＣＯ系超電導線材のテープ面に直交する磁場を作るために、ＲｅＢＣＯ系超電導線材の超電導層に遮蔽電流が流れ、この遮蔽電流により補正コイルやシムコイルが発生させる磁場が減少する。その結果、磁場の均一度が低下する。しかし、メインコイルの内側に設けられた電流可変補正コイルが発生させる磁場は、ＲｅＢＣＯ系超電導線材の超電導層に流れる遮蔽電流の影響をほとんど受けない。よって、電流可変補正コイルが発生させる磁場でメインコイルが発生させる磁場の均一度を効率良く補正することができるから、磁場の均一度を高めることができる。さらに、メインコイルの内側に電流可変補正コイルを設けることで、メインコイルの外側に補正コイルやシムコイルを設けるのに比べて、装置全体が大型化するのを抑制することができる。また、メインコイルの外側に設けられた補正コイルで、メインコイルが発生させる磁場の均一度を補正することで、磁場の均一度をより高めることができる。

また、本発明における磁場発生装置において、前記電流可変補正コイルは、金属系超電導線材またはビスマス系超電導線材が巻回されてなるものであってよい。上記の構成によれば、電流可変補正コイルは、金属系超電導線材またはビスマス系超電導線材が巻回されてなる。電流可変補正コイルは、メインコイルが発生させる磁場の均一度を補正する磁場を発生させるコイルであるため、それ自体に遮蔽電流が発生しないことが望ましい。金属系超電導線材やビスマス系超電導線材は、遮蔽電流が発生しにくい線材であるため、このような線材からなる電流可変補正コイルは、メインコイルが発生させる磁場の均一度を好適に補正することができる。

また、本発明における磁場発生装置において、前記電流可変補正コイルは、ＲｅＢＣＯ系超電導線材が巻回されてなるものであってよい。上記の構成によれば、電流可変補正コイルは、ＲｅＢＣＯ系超電導線材が巻回されてなる。そのため、電流可変補正コイルに遮蔽電流が流れることになるが、それでも、電流可変補正コイルは、メインコイルに流れる遮蔽電流の影響をほとんど受けないので、メインコイルが発生させる磁場の均一度を好適に補正することができる。

また、本発明における磁場発生装置においては、前記メインコイルと同軸であって、前記メインコイルの外側に設けられ、前記メインコイルが発生させる磁場のうち、特定の磁場成分を補正する磁場を発生させるシムコイルを更に有していてよい。上記の構成によれば、メインコイルの外側に設けられたシムコイルで、メインコイルが発生させる磁場のうち、特定の磁場成分を補正することで、磁場の均一度をより高めることができる。特に、電流可変補正コイルでは補正できないような磁場成分を補正することで、磁場の均一度を一層高めることができる。

また、本発明における磁場発生装置においては、前記メインコイルおよび前記電流可変補正コイルの一方を外部電源を使用した通電モードで運転し、他方を永久電流モードで運転してよい。上記の構成によれば、メインコイルおよび電流可変補正コイルの一方を永久電流モードで運転することにより、超電導状態における磁束保存を利用して、時間的に安定度の高い磁場を得ることができる。

また、本発明における磁場発生装置においては、前記メインコイルおよび前記電流可変補正コイルを外部電源を使用した通電モードで運転してよい。上記の構成によれば、ＲｅＢＣＯ系超電導線材では、現状、実現が困難な超電導接続を用いることなく装置を構成することができる。

また、本発明における磁場発生装置においては、前記メインコイルおよび前記電流可変補正コイルを永久電流モードで運転してよい。上記の構成によれば、メインコイルおよび電流可変補正コイルの両方を永久電流モードで運転することにより、それぞれのコイルにおいて、超電導状態における磁束保存を利用して、時間的に安定度の高い磁場を得ることができる。

また、本発明における磁場発生装置においては、前記計測空間に設けられ、前記メインコイルが発生させる磁場の均一度を向上させる磁性シムを更に有していてよい。上記の構成によれば、メインコイルが発生させる磁場の均一度を磁性シムで向上させることで、磁場の均一度を一層高めることができる。

また、本発明における磁場発生装置においては、前記磁性シムの外周側に設けられ、前記磁性シムの温度変化によって発生する磁場の時間変動を補償する室温シムコイル自動調整機構を更に有していてよい。上記の構成によれば、磁性シムの温度変化によって発生する磁場の時間変動を室温シムコイル自動調整機構が補償することで、磁場の均一度の時間安定度を高めることができる。

本発明の磁場発生装置によると、メインコイルの内側に設けた電流可変補正コイルが発生させる磁場でメインコイルが発生させる磁場の均一度を効率良く補正することができるから、磁場の均一度を高めることができる。さらに、メインコイルの内側に電流可変補正コイルを設けることで、メインコイルの外側に補正コイルやシムコイルを設けるのに比べて、装置全体が大型化するのを抑制することができる。

磁場発生装置を示す模式断面図である。 ＲｅＢＣＯ系超電導線材の構造を示す斜視図である。 ＹＢＣＯ超電導体の特性を示す図である。 超電導層に遮蔽電流が流れる様子を示す図である。 磁場発生装置を示す模式断面図である。 Ｚ軸上での磁場を示す図である。 磁場発生装置を示す模式断面図である。 Ｚ軸上での磁場を示す図である。 磁場発生装置を示す模式断面図である。 Ｚ軸上での磁場を示す図である。 Ｚ軸上での磁場を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（磁場発生装置の構成）
本実施形態による磁場発生装置１は、図１に示すように、ＲｅＢＣＯ系超電導線材が巻回されてなるメインコイル２と、メインコイル２と同軸であって、メインコイル２の外側に設けられた複数の補正コイル３と、メインコイル２と同軸であって、メインコイル２の内側に設けられた複数の電流可変補正コイル４と、を有している。

（メインコイル）
メインコイル２は、中心軸Ａの周りにＲｅＢＣＯ系超電導線材を巻回してなるコイルである。中心軸Ａに沿った方向をＺ軸方向とし、中心軸Ａに直交する軸Ｂと中心軸Ａとの交点を原点とすると、メインコイル２のＺ軸方向の中心は原点に位置している。メインコイル２は、主にその内部空間である計測空間に磁場を発生させる。

（ＲｅＢＣＯ系超電導線材の構造）
ここで、メインコイル２を構成するＲｅＢＣＯ系超電導線材の代表的な構造を図２に示す。斜視図である図２に示すように、ＲｅＢＣＯ系超電導線材１１は、基板１２の上に、緩衝層１３、超電導層１４、安定化層１５がこの順で形成され、全体が電気絶縁用部材１６で覆われた構造のテープ状の酸化物系超電導線材である。図示されていないが、安定化層が線材の両側に存在する場合や、線材全体を取り囲む場合もある。

基板１２は、ハステロイ（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ）、Ｎｉ−Ａｌｌｏｙなどからなり、緩衝層１３は、ＹＳＺ、ＭｇＯ、ＣｅＯ_２などからなる。また、超電導層１４は、ＲｅＢＣＯ、ＹＢＣＯ、ＮｄＢＣＯ、ＳｍＢＣＯなどからなり、安定化層１５は、Ａｇ、Ａｇ−Ｃｕ、Ｃｕなどからなる。電気絶縁用部材１６は、例えば電気絶縁用テープ（ポリイミドやポリエステル）である。基板１２の厚みは２００μｍ以下であり、緩衝層１３、超電導層１４、および安定化層１５の厚みは、それぞれ、３μｍ未満、１〜１０μｍ、および１〜１００μｍである。ＲｅＢＣＯ系超電導線材１１の幅は、数ｍｍ（３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ）〜１２ｍｍ程度である。

ＲｅＢＣＯ系超電導線材１１は基板１２の強度が高い。そのため、高い磁場で用いられる代表的な金属系線材であるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の耐力が２００ＭＰａ程度であるのに対し、ＲｅＢＣＯ系超電導線材１１は、１０００ＭＰａほどの引っ張り力が線材の長手方向に作用しても、超電導特性の劣化が少ない。超電導コイルを設計製造する際に、線材の許容応力から線材サイズや電流密度を設定するが、このような特性を利用すると、コイル全体のサイズを小さくすることができる。言いかえれば、同じサイズのコイルで高い磁場を出すことができる。

ＲｅＢＣＯ系超電導線材１１の１つであるＹＢＣＯの特性を図３に示す。ＹＢＣＯは、Ｂｉ２２２３やＮｂ_３Ｓｎといった、現在工業的に用いられている金属系超電導線材の特性を凌ぐ特性を有している。

このようなＲｅＢＣＯ系超電導線材１１が超電導状態である時に、線材のテープ面に直交する磁場が印加されると、図４に示すように、超電導層１４への磁束の侵入を防ぐべく、超電導層１４に遮蔽電流が流れる。

（補正コイル）
図１に戻って、補正コイル３は、メインコイル２の外側において、金属系超電導線材の１つであるＮｂＴｉ超電導線材を中心軸Ａの周りに巻回してなるコイルである。なお、補正コイル３の線材はＮｂＴｉ超電導線材に限定されない。補正コイル３は、Ｚ軸方向の位置が互いに異なる４つの補正コイル３ａ〜３ｄ（第１補正コイル３ａ、第２補正コイル３ｂ、第３補正コイル３ｃ、および、第４補正コイル３ｄ）からなる。第１補正コイル３ａと第２補正コイル３ｂとは、軸Ｂに対して線対称に配置されている。また、第３補正コイル３ｃと第４補正コイル３ｄとは、第１補正コイル３ａと第２補正コイル３ｂとの間において、軸Ｂに対して線対称に配置されている。これら補正コイル３は、メインコイル２が発生させる磁場の均一度を補正する磁場を発生させる。

（電流可変補正コイル）
電流可変補正コイル４は、メインコイル２の内側において、金属系超電導線材の１つであるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を中心軸Ａの周りに巻回してなるコイルである。なお、電流可変補正コイル４の線材はＮｂ_３Ｓｎ超電導線材に限定されない。電流可変補正コイル４は、Ｚ軸方向の位置が互いに異なる６つの電流可変補正コイル４ａ〜４ｆ（第１電流可変補正コイル４ａ、第２電流可変補正コイル４ｂ、第３電流可変補正コイル４ｃ、第４電流可変補正コイル４ｄ、第５電流可変補正コイル４ｅ、および、第６電流可変補正コイル４ｆ）からなる。第１電流可変補正コイル４ａと第２電流可変補正コイル４ｂとは、軸Ｂに対して線対称に配置されている。また、第３電流可変補正コイル４ｃと第４電流可変補正コイル４ｄとは、第１電流可変補正コイル４ａと第２電流可変補正コイル４ｂとの間において、軸Ｂに対して線対称に配置されている。また、第５電流可変補正コイル４ｅと第６電流可変補正コイル４ｆとは、第３電流可変補正コイル４ｃと第４電流可変補正コイル４ｄとの間において、軸Ｂに対して線対称に配置されている。これら電流可変補正コイル４は、メインコイル２が発生させる磁場の均一度を補正する磁場を発生させる。電流可変補正コイル４は、メインコイル２および補正コイル３に通電する電源とは別の電源により通電され、発生する磁場の不均一性の大きさに対応できるように、電流値が可変にされている。

（磁場発生装置の中心付近の磁場）
ここで、一般に、磁場発生装置の中心付近の磁場は、式１および式２で表わすことができる。

ＮＭＲ用の磁場発生装置のように、磁場に高い均一度が要求される場合には、座標に依存する磁場成分がそれぞれゼロになればよい。この場合、式２は式３となる。

Ｂ_ｚ（ｘ，ｙ，ｚ）＝Ａ_１０ ・・・（式３）

このように、座標に依存する磁場成分がそれぞれゼロになることが理想であり、設計上はできる限りそれを満足するように行われる。しかし、製造状況や設置時の環境状況により、設計通りにならない場合がある。そのため、式２のＡ_１０を除く各項をゼロにするように磁場を調整する機構として、シムコイルが用いられる。超電導線材が用いられたシムコイルを超電導シムコイルと呼び、室温環境下で使用されるシムコイルを室温シムコイルと呼ぶ。超電導シムコイルと室温シムコイルとが併用される場合も多い。

式２の各項に対して用いられるシムコイルをそれぞれ以下のように称する。即ち、Ａ_２０ｚに対するシムコイルをＺ１シムコイルと称し、３Ａ_２１ｘに対するシムコイルをＸシムコイルと称し、３Ｂ_２１ｙに対するシムコイルをＹシムコイルと称し、３Ａ_３０（ｚ^２−（１／２）Ｒ^２）に対するシムコイルをＺ２シムコイルと称し、１２Ａ_３１ｚｘに対するシムコイルをＺＸシムコイルと称し、１２Ｂ_３１ｚｙに対するシムコイルをＺＹシムコイルと称する。

仮に、磁場発生装置の中心付近の磁場に、中心軸Ａに直交する面に対する対称性と、中心軸Ａ周りの回転対称性とがあるとすると、磁場発生装置の中心付近の磁場は、以下のような式４で表される。

Ｂｚ（ｚ）＝Ａ_１０＋Ａ_２０ｚ＋３Ａ_３０ｚ^２＋・・・ ・・・（式４）

以下、ｚ^２の成分をＢ２成分、ｚ^４の成分をＢ４成分とする。

磁場発生装置では、磁場発生効率を考慮して、コイル中心に近い方から、主に磁場を発生させるメインコイル、メインコイルが発生させる磁場をラフに均一にする補正コイル、メインコイルが発生させる磁場を調整するシムコイルの順で設けられることが多い。これは、メインコイルと補正コイルとは、コイル中心付近に磁場を発生させることを目的としており、これらをコイルの中心近くに設ける方が磁場発生効率が良くなり、装置全体のサイズ（あるいは重量）を小さくすることができるためである。

（従来の磁場発生装置の構成）
ここで、従来の磁場発生装置２１の構成を図５に示す。この磁場発生装置２１は、ＲｅＢＣＯ系超電導線材が巻回されてなるメインコイル２２と、メインコイル２２と同軸であって、メインコイル２２の外側に設けられた複数の補正コイル２３と、を有している。即ち、この磁場発生装置２１は、電流可変補正コイル４を有していない点で、本実施形態の磁場発生装置１と異なっている。

補正コイル２３は、中心軸Ａの周りにＮｂＴｉ超電導線材を巻回してなるコイルである。補正コイル２３は、Ｚ軸方向の位置が互いに異なる４つの補正コイル２３ａ〜２３ｄ（第１補正コイル２３ａ、第２補正コイル２３ｂ、第３補正コイル２３ｃ、および、第４補正コイル２３ｄ）からなる。第１補正コイル２３ａと第２補正コイル２３ｂとは、軸Ｂに対して線対称に配置されている。また、第３補正コイル２３ｃと第４補正コイル２３ｄとは、第１補正コイル２３ａと第２補正コイル２３ｂとの間において、軸Ｂに対して線対称に配置されている。これら補正コイル２３は、メインコイル２２が発生させる磁場の均一度を補正する磁場を発生させる。

この磁場発生装置２１を用いて、水素の原子核の磁気共鳴周波数が６００ＭＨｚとなるような１４．１Ｔの磁場を計測空間に発生させようとすると、各コイルのパラメータは表１のようになる。

この磁場発生装置２１は、３１９．０８Ａを通電すると計測空間に６００ＭＨｚの磁場を発生させるように設計されている。この設計において、遮蔽電流の影響は考慮されていない。この磁場発生装置２１は、計測空間において、
Ｂ２＝１．０２１×１０^−５ ｐｐｍ／ｃｍ^２
Ｂ４＝−１．７５５×１０^−８ ｐｐｍ／ｃｍ^４
という磁場成分を持ち、磁場の均一度が非常に高い設計である。

ところが、この磁場発生装置２１を低温下で超電導状態にして通電すると、Ｚ軸上での磁場は図６のようになった。この磁場は、
Ｂ２＝−２２１．２２ ｐｐｍ／ｃｍ^２
Ｂ４＝−０．１２ ｐｐｍ／ｃｍ^４
の磁場成分を持ち、非常に大きな負のＢ２成分を示した。

また、この磁場発生装置２１で中心磁場を６００ＭＨｚにするのに３２７．１４Ａが必要であり、設計値に比べて約２．５％大きな電流が必要であった。

もともと磁場発生装置２１のメインコイル２２は、
Ｂ２＝−４３２．４６ ｐｐｍ／ｃｍ^２
Ｂ４＝−１．５４ ｐｐｍ／ｃｍ^４
の磁場成分を持っており、これを４個の補正コイル２３が作る、
Ｂ２＝＋４３２．４６ ｐｐｍ／ｃｍ^２
Ｂ４＝＋１．５４ ｐｐｍ／ｃｍ^４
でキャンセルして、上記の高い均一度の磁場を出せるはずである。

ところが、補正コイル２３が、メインコイル２２のＲｅＢＣＯ系超電導線材のテープ面に直交する磁場を作るために、ＲｅＢＣＯ系超電導線材の超電導層に流れる遮蔽電流により補正コイル２３が作る磁場が減少し、結果として、図６に示されるような磁場成分を生み出すこととなったと理解される。

特に、Ｂ２成分については、メインコイル２２の作るＢ２＝−４３２．４６ｐｐｍ／ｃｍ^２に対して、補正コイル２３がＢ２＝＋４３２．４６ｐｐｍ／ｃｍ^２の４８．８５％であるＢ２＝＋２１１．２６ｐｐｍ／ｃｍ^２を作り、その合計がＢ２＝−４３２．４６＋２１１．２６＝−２２１．２２ｐｐｍ／ｃｍ^２となっており、補正コイル２３が作るＢ２成分の約半分が遮蔽されたと考えられる。

（改良した磁場発生装置の構成）
そこで、はじめから遮蔽電流による磁場の減少分を設計に取り込んだ結果、図５に示した磁場発生装置２１を改良した磁場発生装置３１を得た。この磁場発生装置３１を図７に示す。この磁場発生装置３１は、ＲｅＢＣＯ系超電導線材が巻回されてなるメインコイル３２と、メインコイル３２と同軸であって、メインコイル３２の外側に設けられた複数の補正コイル３３と、を有している。この構成は、図５に示した磁場発生装置２１と同じである。ただし、磁場発生装置３１の補正コイル３３は、図５に示した補正コイル２３に比べて、巻き数が多くなっている。即ち、磁場発生装置３１の補正コイル３３は、磁場発生装置２１の補正コイル２３よりも強力な磁場を発生させることができる。

補正コイル３３は、中心軸Ａの周りにＮｂＴｉ超電導線材を巻回してなるコイルである。補正コイル３３は、Ｚ軸方向の位置が互いに異なる４つの補正コイル３３ａ〜３３ｄ（第１補正コイル３３ａ、第２補正コイル３３ｂ、第３補正コイル３３ｃ、および、第４補正コイル３３ｄ）からなる。第１補正コイル３３ａと第２補正コイル３３ｂとは、軸Ｂに対して線対称に配置されている。また、第３補正コイル３３ｃと第４補正コイル３３ｄとは、第１補正コイル３３ａと第２補正コイル３３ｂとの間において、軸Ｂに対して線対称に配置されている。

この磁場発生装置３１を用いて、水素の原子核の磁気共鳴周波数が６００ＭＨｚとなるような１４．１Ｔの磁場を計測空間に発生させようとすると、各コイルのパラメータは表２のようになる。

この磁場発生装置３１を低温下で超電導状態にして通電すると、Ｚ軸上での磁場は図８のようになった。この磁場は、
Ｂ２＝＋１１．１４６ ｐｐｍ／ｃｍ^２
Ｂ４＝−０．１９９ ｐｐｍ／ｃｍ^４
の磁場成分を持ち、図５に示した磁場発生装置２１よりも均一度の高い磁場を作ることがわかる。

ここで、図５に示した磁場発生装置２１で用いた線材の重量は、メインコイル２２が５１．３ｋｇ、補正コイル２３が６．７ｋｇであり、合計が５８．０ｋｇであったのに対し、図７に示す磁場発生装置３１で用いた線材の重量は、メインコイル３２が５１．３ｋｇ、補正コイル３３が９．９ｋｇであり、合計が６１．２ｋｇであった。即ち、磁場発生装置３１は、改良前の磁場発生装置２１に比べて、補正コイルの線材を３．２ｋｇ多く、即ち補正コイルの線材を４８％余分に必要とした。この重量増加は、遮蔽電流の影響によって減少した補正コイルの磁場を補うために、補正コイルを大きくしたためであるといえる。

（さらに改良した磁場発生装置の構成）
そこで、図７に示した磁場発生装置３１において、補正コイル３３の外側にＢ２成分を補正するＺ２シムコイルを設けることで、さらに改良を行った磁場発生装置４１を得た。この磁場発生装置４１を図９に示す。この磁場発生装置４１は、ＲｅＢＣＯ系超電導線材が巻回されてなるメインコイル４２と、メインコイル４２と同軸であって、メインコイル４２の外側に設けられた複数の補正コイル４３と、メインコイル４２と同軸であって、補正コイル４３の外側に設けられた複数のＺ２シムコイル４５と、を有している。磁場発生装置４１の構成は、Ｚ２シムコイル４５を設けた以外は、図７に示した磁場発生装置３１と同じである。

Ｚ２シムコイル４５は、中心軸Ａの周りにＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を巻回してなるコイルである。なお、Ｚ２シムコイル４５の線材はＮｂ_３Ｓｎ超電導線材に限定されない。Ｚ２シムコイル４５は、Ｚ軸方向の位置が互いに異なる４つのＺ２シムコイル４５ａ〜４５ｄ（第１シムコイル４５ａ、第２シムコイル４５ｂ、第３シムコイル４５ｃ、および、第４シムコイル４５ｄ）からなる。第１シムコイル４５ａと第２シムコイル４５ｂとは、軸Ｂに対して線対称に配置されている。また、第３シムコイル４５ｃと第４シムコイル４５ｄとは、第１シムコイル４５ａと第２シムコイル４５ｂとの間において、軸Ｂに対して線対称に配置されている。遮蔽電流を考慮しないと、Ｚ２シムコイル４５は、＋／−２０Ａ通電したときに＋／−５４．７３ｐｐｍ／ｃｍ^２のＢ２成分を発生させることができる。

この磁場発生装置４１を用いて、水素の原子核の磁気共鳴周波数が６００ＭＨｚとなるような１４．１Ｔの磁場を計測空間に発生させようとすると、各コイルのパラメータは表３のようになる。

この磁場発生装置４１を低温下で超電導状態にして通電すると、Ｚ軸上での磁場は図１０のようになった。この磁場発生装置４１は、Ｚ２シムコイル４５に＋２０Ａ通電したときに、
Ｂ２＝＋３８．６５９ ｐｐｍ／ｃｍ^２
Ｂ４＝−０．２３６ ｐｐｍ／ｃｍ^４
の磁場成分を持ち、Ｚ２シムコイル４５に−２０Ａ通電したときに、
Ｂ２＝−１６．４４６ ｐｐｍ／ｃｍ^２
Ｂ４＝−０．１６２ ｐｐｍ／ｃｍ^４
の磁場成分を持つことから、
Ｂ２＝２７．５５ ｐｐｍ／ｃｍ^２＠２０Ａ
の強度を示したことになる。この値は遮蔽電流を考慮しないときの５４．７３ｐｐｍ／ｃｍ^２の約５０％であることから、Ｚ２シムコイル４５が発生させる磁場は、図５に示した磁場発生装置２１において補正コイル２３が発生させる磁場が遮蔽されたのと同程度遮蔽されたものと考えられる。Ｚ２シムコイル４５には１．５６ｋｇの線材が必要であった。

なお、ＲｅＢＣＯ系超電導線材の超電導層に流れる遮蔽電流により遮蔽されるＢ２成分について主に述べてきたが、Ｂ２以外の成分も遮蔽電流により同様に遮蔽される。しかし、その遮蔽の程度はＢ２成分よりも小さい。例えば、Ｂ１成分を補正するコイルの場合、このコイルが発生させる、ＲｅＢＣＯ超電導線材のテープ面に垂直に印加される磁場の成分（以下、磁場の垂直成分と呼ぶ）は、軸Ｂの左側と右側とでは極性が逆になるため、軸Ｂの左側もしくは右側においては、Ｂ１成分を補正するコイルの磁場の垂直成分が、メインコイルの磁場の垂直成分と同じ極性となる。すると、これらが足し合わさることで磁場の垂直性分が大きくなり、磁束の完全進入が起きやすくなるため、磁場が遮蔽される効果が弱くなるのである。また、Ｂ２成分を補正するコイルは、軸Ｂを中心とした線対称の関係を持ち、かつ軸Ｂから近い距離に位置するコイルを持つが、これらの領域においては、メインコイルが元々発生させている磁場の垂直成分が小さいため、磁束の完全進入が起きにくく、結果としてＢ２成分を補正するコイルの磁場が遮蔽されやすくなるのである。

（本実施形態の磁場発生装置の中心付近の磁場）
そこで、本実施形態においては、図１に示すように、メインコイル２の内側に、６つの電流可変補正コイル４を設けている。この磁場発生装置１を用いて、水素の原子核の磁気共鳴周波数が６００ＭＨｚとなるような１４．１Ｔの磁場を計測空間に発生させようとすると、各コイルのパラメータは表４のようになる。

この磁場発生装置１を低温下で超電導状態にして通電すると、Ｚ軸上での磁場は図１１のようになった。この磁場発生装置１は、電流可変補正コイル４に通電していないときには、
Ｂ２＝＋４．０１１ ｐｐｍ／ｃｍ^２
Ｂ４＝−０．１９１ ｐｐｍ／ｃｍ^４
の磁場分布を示し、電流可変補正コイル４に＋２０Ａ通電したときには、
Ｂ２＝＋３０．４７９ ｐｐｍ／ｃｍ^２
Ｂ４＝−０．５１２ ｐｐｍ／ｃｍ^４
の磁場分布を示し、電流可変補正コイル４に−２０Ａ通電したときには、
Ｂ２＝−２２．４７０ ｐｐｍ／ｃｍ^２
Ｂ４＝＋０．１２９ ｐｐｍ／ｃｍ^４
の磁場分布を示した。このことから、
Ｂ２＝２６．４７ ｐｐｍ／ｃｍ^２＠２０Ａ
の強度を示したことになる。この値は遮蔽電流を考慮しないときの３７ｐｐｍ／ｃｍ^２の約７２％であり、ＲｅＢＣＯ系超電導線材が巻回されてなるメインコイル２の内側に設けた電流可変補正コイル４が発生させる磁場は、遮蔽電流の影響を受けにくいことがわかる。この理由として、計測空間はメインコイル２の内側にあり、メインコイル２の外側からの補正磁場は、計測空間に届くまでに遮蔽電流の影響をまともに受けるのに対して、メインコイル２の内側からの補正磁場は、遮蔽電流の影響をほとんど受けることなく計測空間に届くからである。

ここで、図９に示した磁場発生装置４１で用いた線材の重量は、メインコイル４２が５１．３ｋｇ、補正コイル４３が９．９ｋｇ、Ｚ２シムコイル４５が１．６ｋｇであり、合計が６２．８ｋｇであったのに対し、本実施形態の磁場発生装置１で用いた線材の重量は、メインコイル２が５５．８ｋｇ、補正コイル３が１１．４ｋｇ、電流可変補正コイル４が０．４ｋｇであり、合計が６７．２ｋｇであった。即ち、本実施形態の磁場発生装置１は、図９に示した磁場発生装置４１よりも重量が大きい。しかし、図９に示した磁場発生装置４１は、最外径が２３０．７ｍｍであるのに対し、本実施形態の磁場発生装置１は、最外径が２２４．５ｍｍであり、本実施形態の磁場発生装置１の方が２．７％ほど小さい。

このように、メインコイル２の内側に設けられた電流可変補正コイル４が発生させる磁場は、ＲｅＢＣＯ系超電導線材の超電導層に流れる遮蔽電流の影響をほとんど受けない。よって、電流可変補正コイル４が発生させる磁場でメインコイル２が発生させる磁場の均一度を効率良く補正することができるから、磁場の均一度を高めることができる。さらに、メインコイル２の内側に電流可変補正コイル４を設けることで、メインコイル２の外側に補正コイルやシムコイルを設けるのに比べて、装置全体が大型化するのを抑制することができる。

ここで、電流可変補正コイル４は、メインコイル２が発生させる磁場の均一度を補正する磁場を発生させるコイルであるため、それ自体に遮蔽電流が発生しないことが望ましい。そこで、電流可変補正コイル４を、遮蔽電流が発生しにくい線材である金属系超電導線材（例えばＮｂＴｉ線、Ｎｂ_３Ｓｎ線、Ｎｂ_３Ａｌ線）やビスマス系超電導線材で製作することが望ましい。なお、ビスマス系超電導線材は酸化物系超電導線材の１つである。このような線材からなる電流可変補正コイル４は、メインコイル２が発生させる磁場の均一度を好適に補正することができる。

なお、ＲｅＢＣＯ系超電導線材の超電導層に流れる遮蔽電流は、永久電流ではなく、長期間（月や年のオーダー）をかけて変化する。従来の磁場発生装置においては、メインコイルと補正コイルとに通電して、計測空間に中心磁場を発生させた後に、シムコイルを用いて、磁場の均一度を高める調整を行う。ここで、磁場の均一度は設置環境の影響も受けるため、運転場所で調整を行う必要がある。しかし、補正コイルの外側にあるシムコイルに通電すると、大きな遮蔽電流がメインコイルに発生し、その後、その遮蔽電流が長期間にわたって変化するために、シムコイルによる調整を頻繁に行う必要がある。一方、本実施形態の磁場発生装置１においては、メインコイル２の内側にある電流可変補正コイル４に通電すると、遮蔽電流が小さいために、遮蔽電流が時間変化しても磁場に及ぼす影響が少なく、電流可変補正コイル４による調整を頻繁に行う必要がない。これも、電流可変補正コイル４を用いる利点である。

また、遮蔽電流を完全に計算して設計に反映させることは難しいために、遮蔽電流の効果が少ない本実施形態の磁場発生装置１のコイル構成の方が、設計と実際との差を小さくできる利点がある。

また、本実施形態の磁場発生装置１においては、メインコイル２および電流可変補正コイル４の一方を外部電源を使用した通電モードで運転し、他方を永久電流モードで運転している。メインコイル２および電流可変補正コイル４の一方を永久電流モードで運転することにより、超電導状態における磁束保存を利用して、時間的に安定度の高い磁場を得ることができる。ここで、外部電源を使用した通電モードとは、外部電源から電流が供給される状態である。また、永久電流モードとは、外部から印加した電流が、超電導材料で作られた閉ループを周り続けることで、外部からの電流供給が不要な状態である。なお、メインコイル２および電流可変補正コイル４の両方を、永久電流モードで運転してもよい。この場合、それぞれのコイルにおいて、時間的に安定度の高い磁場を得ることができる。また、メインコイル２および電流可変補正コイル４の両方を、外部電源を使用した通電モードで運転してもよい。この場合、ＲｅＢＣＯ系超電導線材では、現状、実現が困難な超電導接続を用いることなく装置を構成することができる。

（変形例）
なお、本実施形態の磁場発生装置１は、メインコイル２と同軸であって、補正コイル３の外側に設けられた複数のシムコイルを更に有していてもよい。シムコイルは、補正コイル３の外側において、中心軸Ａの周りにＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を巻回してなるコイルである。なお、シムコイルの線材はＮｂ_３Ｓｎ超電導線材に限定されない。そして、シムコイルは、メインコイル２および補正コイル３に通電する電源とは別の電源により通電され、電流値が可変にされている。このようなシムコイルは、メインコイル２が発生させる磁場のうち、特定の磁場成分を補正する磁場を発生させる。具体的には、Ｂ２成分以外の磁場成分をゼロにするための磁場を発生させる。即ち、Ｂ２成分は遮蔽電流の影響を受けやすいので、メインコイル２の内側に設けた電流可変補正コイル４で調整する一方、Ｂ２成分以外の磁場成分は遮蔽される割合が少ないので、補正コイル３の外側に設けたシムコイルで調整するのである。このように、電流可変補正コイル４では補正できないような磁場成分をシムコイルで補正することで、磁場の均一度を一層高めることができる。

なお、シムコイルを、メインコイル２の内側やメインコイル２と補正コイル３との間に設けてもよいが、補正コイル３の外側に設ける方が好ましい。それは、シムコイルを補正コイル３の外側に設けることで、メインコイル２と補正コイル３とをよりコイルの中心近くに配置することができて、磁場発生効率を良くしたり、装置全体のサイズ（あるいは重量）を小さくしたりすることができるからである。

また、本実施形態の磁場発生装置１では、電流可変補正コイル４に通電しない時に、遮蔽電流効果も考慮して磁場が均一となるように、補正コイル３を設計しているが、電流可変補正コイル４の能力を大きくして、補正コイル３を小さくすることで、装置全体の重量やサイズを最適化してもよい。即ち、メインコイル２のＢ２成分をＢ２（ｍａｉｎ）、補正コイル３のＢ２成分をＢ２（ｃｏｍｐ）、電流可変補正コイル４のＢ２成分をＢ２（ｉｎｎｅｒ−ｃｏｍｐ）とすると、磁場発生装置１のＢ２成分は、
Ｂ２＝Ｂ２（ｍａｉｎ）＋Ｂ２（ｃｏｍｐ）＋Ｂ２（ｉｎｎｅｒ−ｃｏｍｐ）
となる。本実施形態では、Ｂ２（ｍａｉｎ）＋Ｂ２（ｃｏｍｐ）を「０」とし、
Ｂ２（ｉｎｎｅｒ−ｃｏｍｐ）＝＋／−２６．４７ｐｐｍ／ｃｍ^２＠＋／−２０Ａ
としている。これに対して、電流可変補正コイル４の能力を大きくして、補正コイル３を小さくするとは、具体的には、
Ｂ２＝Ｂ２（ｍａｉｎ）＋Ｂ２（ｃｏｍｐ）＝−２０ｐｐｍ／ｃｍ^２
とし、
Ｂ２（ｉｎｎｅｒ−ｃｏｍｐ）＝＋４６．４７ｐｐｍ／ｃｍ^２〜＋６．４７ｐｐｍ／ｃｍ^２＠＋／−２０Ａ
とすることである。

また、本実施形態の磁場発生装置１は、計測空間に設けられた複数の磁性シムを更に有していてもよい。これら磁性シムは、鉄等からなり、メインコイル２が発生させる磁場の均一度を向上させる。これにより、磁場の均一度を一層高めることができる。

また、本実施形態の磁場発生装置１は、計測空間に設けられた複数の磁性シムに加えて、磁性シムの外周側に設けられ、磁性シムの温度変化によって発生する磁場の時間変動を補償する室温シムコイル自動調整機構を更に有していてもよい。磁性シムの温度変化によって発生する磁場の時間変動を室温シムコイル自動調整機構が補償することで、磁場の均一度の時間安定度を高めることができる。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る磁場発生装置１によると、メインコイル２が発生させる磁場の均一度を補正する磁場を発生させる電流可変補正コイル４を、メインコイル２の内側に設ける。メインコイル２の外側に補正コイルやシムコイルを設けると、これらがメインコイル２のＲｅＢＣＯ系超電導線材のテープ面に直交する磁場を作るために、ＲｅＢＣＯ系超電導線材の超電導層に遮蔽電流が流れ、この遮蔽電流により補正コイルやシムコイルが発生させる磁場が減少する。その結果、磁場の均一度が低下する。しかし、メインコイル２の内側に設けられた電流可変補正コイル４が発生させる磁場は、ＲｅＢＣＯ系超電導線材の超電導層に流れる遮蔽電流の影響をほとんど受けない。よって、電流可変補正コイル４が発生させる磁場でメインコイル２が発生させる磁場の均一度を効率良く補正することができるから、磁場の均一度を高めることができる。さらに、メインコイル２の内側に電流可変補正コイル４を設けることで、メインコイル２の外側に補正コイルやシムコイルを設けるのに比べて、装置全体が大型化したり、装置の重量が増えたりするのを抑制することができる。

また、電流可変補正コイル４は、金属系超電導線材またはビスマス系超電導線材が巻回されてなる。電流可変補正コイル４は、メインコイル２が発生させる磁場の均一度を補正する磁場を発生させるコイルであるため、それ自体に遮蔽電流が発生しないことが望ましい。金属系超電導線材やビスマス系超電導線材は、遮蔽電流が発生しにくい線材であるため、このような線材からなる電流可変補正コイル４は、メインコイル２が発生させる磁場の均一度を好適に補正することができる。

また、メインコイル２の外側に設けられた補正コイル３で、メインコイル２が発生させる磁場の均一度を補正することで、磁場の均一度をより高めることができる。

また、メインコイル２の外側に設けられたシムコイルで、メインコイル２が発生させる磁場のうち、特定の磁場成分を補正することで、磁場の均一度をより高めることができる。特に、電流可変補正コイル４では補正できないような磁場成分を補正することで、磁場の均一度を一層高めることができる。

また、メインコイル２および電流可変補正コイル４の一方を永久電流モードで運転することにより、超電導状態における磁束保存を利用して、時間的に安定度の高い磁場を得ることができる。

また、メインコイル２が発生させる磁場の均一度を磁性シムで向上させることで、磁場の均一度を一層高めることができる。

また、磁性シムの温度変化によって発生する磁場の時間変動を室温シムコイル自動調整機構が補償することで、磁場の均一度の時間安定度を高めることができる。

（本実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

例えば、本実施形態の磁場発生装置１は補正コイル３を備えているが、補正コイル３を備えていなくてもよい。この場合、電流可変補正コイル４で、Ｂ２成分をはじめとする各磁場成分を調整することとなる。

また、電流可変補正コイル４は、ＲｅＢＣＯ系超電導線材が巻回されてなるものであってもよい。この場合、電流可変補正コイル４に遮蔽電流が流れることになるが、それでも、電流可変補正コイル４は、メインコイル２に流れる遮蔽電流の影響をほとんど受けないので、メインコイル２が発生させる磁場の均一度を好適に補正することができる。

また、磁場発生装置がその周辺に発生させる漏れ磁場を低減させる目的で、補正コイルまたはシムコイルの径方向外側に、メインコイルや補正コイルと同軸のシールドコイルを設ける磁場発生装置もあるが、そのような装置においても、本発明を適用することができる。

１，２１，３１，４１ 磁場発生装置
２，２２，３２，４２ メインコイル
３，２３，３３，４３ 補正コイル
４ 電流可変補正コイル
１１ ＲｅＢＣＯ系超電導線材
１２ 基板
１３ 緩衝層
１４ 超電導層
１５ 安定化層
１６ 電気絶縁用部材
４５ シムコイル

Claims (9)

1. ＲｅＢＣＯ系超電導線材が巻回されてなり、計測空間に磁場を発生させるメインコイルと、
   前記メインコイルと同軸であって、前記メインコイルの内側に設けられ、前記メインコイルが発生させる磁場のうち、主に２次成分を補正する磁場を発生させる、電流値が可変な電流可変補正コイルと、
   前記メインコイルと同軸であって、前記メインコイルの外側に設けられ、前記メインコイルが発生させる磁場の均一度を補正する磁場を発生させる補正コイルと、
   を有し、
   前記電流可変補正コイルに通電しないときに、前記メインコイルが発生させる前記２次成分と前記補正コイルが発生させる前記２次成分との和が０になるように、前記補正コイルの能力が設計されていることを特徴とする磁場発生装置。
2. 前記電流可変補正コイルは、金属系超電導線材またはビスマス系超電導線材が巻回されてなることを特徴とする請求項１に記載の磁場発生装置。
3. 前記電流可変補正コイルは、ＲｅＢＣＯ系超電導線材が巻回されてなることを特徴とする請求項１に記載の磁場発生装置。
4. 前記メインコイルと同軸であって、前記メインコイルの外側に設けられ、前記メインコイルが発生させる磁場のうち、特定の磁場成分を補正する磁場を発生させるシムコイルを更に有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁場発生装置。
5. 前記メインコイルおよび前記電流可変補正コイルの一方を外部電源を使用した通電モードで運転し、他方を永久電流モードで運転することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁場発生装置。
6. 前記メインコイルおよび前記電流可変補正コイルを外部電源を使用した通電モードで運転することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁場発生装置。
7. 前記メインコイルおよび前記電流可変補正コイルを永久電流モードで運転することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁場発生装置。
8. 前記計測空間に設けられ、前記メインコイルが発生させる磁場の均一度を向上させる磁性シムを更に有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁場発生装置。
9. 前記磁性シムの外周側に設けられ、前記磁性シムの温度変化によって発生する磁場の時間変動を補償する室温シムコイル自動調整機構を更に有することを特徴とする請求項８に記載の磁場発生装置。