JP6340403B2 - 容易にアクセス可能な深温冷凍ｎｍｒシム配置 - Google Patents

Description

本発明は、ｚ軸の方向に均一な磁場を生成するための超電導磁石コイルシステムを有するＮＭＲ装置における磁石配置であって、磁石コイルシステムは、動作時にコイルを冷却するための液体ヘリウムを収容するＨｅ内側管を備えるＨｅタンクに配置され、Ｈｅタンクへと機械的に堅固に接続されており、放射遮蔽の内側管を備える放射遮蔽体が、液体ヘリウムの蒸発速度を下げるために、或る距離を隔ててＨｅタンクを囲んでおり、軟磁性材料から作られた磁場成形装置が、均一な磁場をより均一にするために、Ｈｅ内側管と放射遮蔽の内側管との間の空間に配置されている、磁石配置に関する。

そのような配置は、日本国特許第３７３７６３６号公報に開示されている。

超電導磁石システムの応用の領域は、種々の応用の分野を含み、とくには磁気共鳴法を含む。そのような方法において良好な分解能を達成するためには、試料体積における磁場が、高度の均一性を有していなければならない。超電導磁石の基本的な均一性は、磁場を生成する磁石コイルの幾何学的な配置によって最適化することができる。

多くの場合に、磁場の均一性の改善のために、配線が巻回されないギャップが、磁石コイルに設けられる（いわゆる、切り欠き構造）。しかしながら、結果として、磁石の配線のための貴重な空間が失われ、これによって磁石がより高価となり、漂遊磁場（ｓｔｒａｙ ｆｉｅｌｄ）が増加する。米国特許第６，６１７，８５３号明細書による配置においては、高分解能分光法のための超電導磁石が、磁石コイルにおいて特定の切り欠き構造の役割を採用した１つ以上の軟磁性リングが設けられることで、よりコンパクトとなっている。

米国特許第６，６１７，８５３号明細書による配置の磁場のｚ成分は、一連の球面調和関数にて試料体積において広げられることができる。

ここで設計により、ｍ≠０における係数Ａ_ｎｍおよびすべての係数Ｂ_ｎｍは消える。磁石配置における製造公差ゆえに、係数Ａ_ｎｍおよびＢ_ｎｍは、計算値から相違する。通常、各々をそれぞれの電流によって通電することができるシムコイルが、これらの消えない係数を補正するために使用される。係数がそれらの所望の値から大きく異なる場合、特定のシムコイルにおいて必要とされる電流が大きくなりすぎ、磁石配置の磁場を必要とされるとおりに補正することができない可能性がある。あるいは、一連の球面調和関数での磁場の広がりにおける問題のある係数を、それのためのシムコイルが設けられていないがために、補正することができない可能性がある。そのような状況において、磁石配置の一部を置き換えなければならない磁石システムの高価な手直しが必要とされる。

軟磁性材料から作られた適切な磁場成形装置が、新たな磁石コイルを巻回することなく磁場の均一性を改善するために設けられる。

金属薄板または箔から作られるさまざまな種類の磁場成形装置が、独国特許出願公開第１０ １６ ５０５号明細書に記載されている。金属薄板または箔が切り欠きによる矩形の窓を有している特別な事例が、日本国特許第４３８４２２０号公報に記載されている。金属薄板における非連続的な穴が、独国特許出願公開第１０ ２０１２ ２２０ １２６号明細書にも開示されている。

特別に形成された磁場成形装置は、例えば独国特許第１０ １０４ ０５４号明細書に説明されているように、磁石をよりコンパクトにするために上述の超電導磁石コイルにおける切り欠き構造を省くという目的も有することができる。

軟磁性材料の飽和磁化が温度に依存するという磁場成形装置のさらなる重要な態様が、冒頭で引用した日本国特許第３７３７６３６号公報に記載されている。この依存性は、例えば室温などの高い温度においてとくに顕著である。したがって、変化する飽和磁化ゆえに、磁場成形装置の小さな温度変化が、作業空間における磁場の変化を引き起こし、これがＮＭＲ測定に悪影響を及ぼす可能性がある。

これに対処するために、磁場成形装置をＨｅタンクに収容することが提案されている。低温度の磁場成形装置および当該磁場形成装置を液体ヘリウムによって冷却することにより、安定した状態のための理想的な前提条件が生み出される。しかしながら、磁場成形装置は、作業空間における磁場を測定した後でなければサイズを決めることができないため、磁場成形装置をヘリウムタンク内に取り付け可能となる前に、クライオスタットをウォームアップし、第１の磁石テストの後で完全に分解しなければならない。そのような作業は、時間および費用を必要とする。

考え得る解決策として、独国特許出願公開第１０ ２０１２ ２２０ １２６号明細書は、磁場成形装置の磁気特性を改善するために、磁場成形装置を液体ヘリウムの温度へと冷却することも提案している。この代案として、動作状態において、磁場成形装置の構成要素が外部から容易にアクセス可能であり、磁石コイルシステムをウォームアップすることなく変更可能であるように、磁場成形装置を磁石配置のうちの室温にある領域に収容することが、独国特許出願公開第１０ ２０１２ ２２０ １２６号明細書に提案されている。

別の解決策として、冒頭で引用した日本国特許第３７３７６３６号公報において、磁場成形装置をＨｅタンクを囲むチッ素タンクの内側管へと接着することが提案されている。この内側管は、室温の内側管の放射をＨｅタンクから遠ざけておくという役割を有し、したがって以下では放射遮蔽の内側管とも称される。クライオスタットの適切な設計によって、磁場成形装置を取り付けるために第１の磁石テストに続いてクライオスタットをウォームアップするだけでよく、完全に分解する必要がない。

しかしながら、残念なことに、この一見理想的な解決策は、日本国特許第３７３７６３６号公報の著者が見落としているであろう大きな欠点を有している。すなわち、チッ素の充てんレベルに変化が生じるとき、チッ素タンクが移動し、それにつれて、当然ながら、内側管も取り付けられた磁場成形装置と一緒に移動する。しかしながら、この移動は、今や作業空間における磁場の均一性にかなりの変動をもたらし、これは多くの用途において容認することができない。

対照的に、本発明は、冒頭において定義した種類の磁場成形装置を備える超電導磁石配置における作業空間の磁場の均一性を、単純な技術的手段で、磁石配置の体積を増加させることなく大きく向上させるという目的に基づき、例えば後付けまたは調節の目的で、クライオスタット、とくにはＨｅタンクまたは磁石配置を入念に分解することなく、磁場成形装置に外部から容易にアクセスすることが可能となる。

この目的は、冒頭において述べた種類の磁石配置であって、磁場成形装置が、Ｈｅタンクに堅固に機械的に固定されると同時に、放射遮蔽の内側管には触れないような方法で、Ｈｅ内側管と放射遮蔽の内側管との間の空間に固定されていることを特徴とする磁石配置によって、同等のサイズにおいて驚くほど簡潔かつ効果的な方法で達成される。したがって、先行技術の上述の欠点は、磁場成形装置がチッ素タンクから機械的に切り離されるがＨｅタンクの外側に配置される本発明によって回避される。

先行技術と比べたさらなる利点：
超電導磁石コイルシステムが、Ｈｅタンクへと同様に堅固に接続されるため、超電導磁石コイルシステムに対する磁場成形装置の移動が防止され、結果として作業空間における均一性が安定なままである。

磁場成形装置のＨｅタンクへの良好な熱的接触は、その温度が、たとえＨｅタンクとの熱的接触がなくても、Ｈｅ内側管および放射遮蔽の内側管の組み合わせの放射ゆえに自動的に調節されるため、絶対的に必要というわけではない。動作状態において、両方の内側管は、きわめて不変の極低温度にあり、その結果として、磁場成形装置の温度も高度に安定なままである。

これにより、磁場成形装置をＨｅタンクへ固定するための豊富な種々の選択肢がもたらされる。ここで使用される材料は、必ずしも良好な熱伝導率を有していなくてもよい。熱的に良好でない接触面も、Ｈｅタンクへの堅固な機械的接続が保証される限りにおいて、許容される。

本発明の好ましい実施形態および発展：
多くのクライオスタットにおいて、放射遮蔽の内側管は、液体チッ素のタンクに機械的に堅固に固定され、このタンクに熱的に接触する。この熱的接触により、放射遮蔽の内側管に低い温度が与えられる。この低い温度は、Ｈｅタンクへの放射の入力を少なくする決定的要因である。これにより、Ｈｅの損失が最低限に抑えられる。

他のクライオスタットにおいて、放射遮蔽の内側管は、クライオクーラとの熱的接触によって動作温度とされる。この温度は、液体チッ素の温度よりもさらに低くてよく、これによってＨｅの損失がさらに減少する。そのようなクライオスタットは、液体チッ素のための空間を必要とせず、これにより、よりコンパクトなクライオスタットの設計が可能となるという利点も有する。

さらに、本発明に係る磁石配置における利点は、軟磁性材料から作られた円筒形の本体を含む磁場成形装置である。そのような本体は、Ｈｅ内側管と放射遮蔽の内側管との間への配置のための理想的な形状を有する。そのような本体の製造は、比較的単純でもある。

円筒形の本体における円筒対称でない切り欠きは、作業空間の磁場をより均一にするうえで高い柔軟性をもたらすという利点を有する。これらの切り欠きは、貫通穴であっても、貫通穴でなくてもよい。貫通穴は、製造がより容易であるが、非貫通の穴は、磁場成形装置の設計にさらなる柔軟性をもたらす。

上述の本発明に係る磁場成形装置は、超電導磁石コイルシステムに対する位置が常に良好に定められ、動作状態において時間が経っても不変のままであるように、配置されなければならない。この条件を実現するいくつかの方法が存在する。

１つの可能性は、支持管の使用であり、これによって磁場成形装置の少なくともいくつかの部分が配置される。一般に、これらの部分は、切り欠きを有し、あるいは切り欠きを有さない１つ以上の円筒で構成される。好ましくは、それらは、支持管へと機械的に充分に接続される。鉛直なシステムの場合、固有の重量は、この機械的な接続であり得る。切り欠きを有する円筒の場合、その向きも重要である。互いにかみ合う接続がその解決策であり得る。あるいは、支持管を、円筒／複数の円筒へとはんだ付けまたは接着することもできる。例えば、支持管を、Ｈｅタンクの底部へとねじで取り付けることができる。磁場成形装置の各側に支持管を備える解決策も、やはり可能である。

さらなる可能性は、磁場成形装置の少なくともいくつかの部分をクランプ機構によってＨｅ内側管へと接続することである。この解決策により、支持管を省略することができる。適切な設計により、磁場成形装置のこれらの部分を、必要であれば再度取り外すことができる。

本発明の他の実施形態においては、磁場成形装置の少なくともいくつかの部分を、Ｈｅ内側管の外面へと接着することができる。この解決策は、磁場成形装置のこれらの部分が磁石コイルシステムに対して機械的に安定に配置されるという利点を有する。しかしながら、使用される接着剤が低温の用途に適するものであることが保証されていなければならない。

本発明に係る磁石配置のさらなる有利な実施形態において、磁場成形装置は、保持管上に配置される軟磁性材料で作られた箔を含む。上述の支持管と同様に、保持管は、Ｈｅタンクへと機械的に接続される。軟磁性材料で作られる各々の箔を、個別に設計することができ、これによって１つ以上の円筒による解決策と比べて、設計の自由度が増す。

とくに有利には、本発明を、高温超電導材料で巻回された少なくとも１つのコイルを含む磁石コイルシステムにおいて使用することができる。高温超電導体、とくにはテープ導体による磁石の場合には、均一性の低さが大きな問題である。この１つの理由は、これらの導体における超電導層が、典型的には数ミリメートルの幅であり、これによって超電導の電流が不均一に分布してしまう点にある。その結果、電流を運ぶフィラメントが通常は１００分の数ミリメートルの直径を有する伝統的な低温超電導体と比べ、作業空間におけるより大きなポテンシャル場の不均一性につながる。これに加え、均一性の改善に使用される電気クライオシム（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｒｙｏ ｓｈｉｍ）は、高温超電導体よりも磁石の軸から径方向にさらに離れて配置される。それらが電流によって動作させられるとき、作業空間におけるシムの磁場を遮蔽する電流が、高温超電導体に誘導される。したがって、クライオシムは、作業空間における磁場の不均一性を補償できないことが多く、別の解決策を捜さなければならない。

磁石コイルシステムがアクティブシールド（ａｃｔｉｖｅ ｓｈｉｅｌｄ）を有する実施形態も好ましい。このアクティブシールドは、より多くの空間が他の用途のために実験室において利用可能であるように、磁石配置の浮遊磁場を減少させる。

磁場成形装置が磁気的に完全に飽和させられ、純粋に軸方向に（ｚ軸に沿った方向に）磁化される本発明に係る磁石配置の実施形態も有利である。この状況において、磁場成形装置によって行われる磁場の計算は、きわめて容易かつ正確である。

磁場成形装置の一部分が表面処理に曝されており、とくにはそれらが亜鉛めっき（ｇａｌｖａｎｉｚｅｄ）されている本発明に係る磁石配置の実施形態も有利である。この表面処理により、とくには軟鉄から作られた部分について特に不可欠である腐食に対する最適な保護が形成される。

本発明に係る磁石配置のとくに好ましい実施形態は、磁場成形装置が磁性材料から作られた複数の構成要素を備える点で、区別される。これにより、磁場成形装置を最適化するための設計の自由度がさらに増す。

円筒対称でない切り欠きの少なくともいくつかが放電加工（ｓｐａｒｋ ｅｒｏｓｉｏｎ）によって除去されていることで区別される本発明に係る上述の種類の磁石配置を生成するための方法も、本発明の技術的範囲に包含される。放電加工によって高い機械的精度を達成することができる。

あるいは、本方法の別の変形例においては、円筒対称でない切り欠きの少なくともいくつかを、エッチング物質によって除去することができる。磁場成形装置のうちの後の仕上げを必要としない領域を適切に覆うことによって、材料を酸浴槽におけるエッチングプロセスによって単純な方法で除去することができる。エッチングの時間は、材料において正しい厚さが除去されるように調節しなければならない。

さらなる代案が、円筒対称でない切り欠きの少なくともいくつかが電気分解によって除去される方法の変形例によってもたらされる。ここで、電解槽は、上述の方法の変形例における酸浴槽の代わりに使用される。

最後に、さらなる方法の変形例においては、円筒対称でない切り欠きの少なくともいくつかを、研磨（ｇｒｉｎｄｉｎｇ）または切削（ｍｉｌｌｉｎｇ）によって除去することもできる。研磨および切削は、精密工学のすべての技術者にとって意のままである古くからの方法である。さらに、これらのプロセスの実行には、いかなる特殊な装置関連の設備も必要でない。

磁場成形装置を貫く貫通穴の形態の円筒対称でない切り欠きを有する本発明に係る磁石配置の実施形態においては、穴をレーザビームで切り抜くこともできる。レーザ法の大きな利点はきわめて高い機械的精度であり、これにより、複雑な指定の形状であってもきわめて正確に生成することができる。

本発明のさらなる利点を、明細書および図面から見て取ることができる。同様に、本発明によれば、上述の特徴およびさらに説明される特徴を、各々の場合において、それぞれ個別に適用することができ、あるいは任意の組み合わせにて一緒に適用することができる。図示および説明される実施形態は、最終的な列挙として理解されるべきではなく、むしろ本発明を説明するための例示の性質を有している。

本発明は、図面に示され、例示的な実施形態を参照してさらに詳しく説明される。

磁場成形装置が支持管によってヘリウムタンクの底部へと固定されている本発明に係る磁石配置の径方向半分の概略の縦断面を示す。 磁場成形装置を有する支持管を示す。 磁場成形装置がクランプ機構によってＨｅ内側管へと固定されている本発明に係る磁石配置の径方向半分の概略の縦断面を示す。 磁場成形装置がヘリウムタンクの底部へと取り付けられた保持管に載せられた箔を含む本発明に係る磁石配置の径方向半分の概略の縦断面を示す。 Ｈｅタンクと、放射遮蔽タンクと、液体チッ素を有するタンクとを備える本発明に係る磁石配置の径方向半分の概略の縦断面を示す。 Ｈｅタンクと、クライオクーラで動作温度とされる放射遮蔽タンクとを備える本発明に係る磁石配置の径方向半分の概略の縦断面を示す。 貫通穴を有する磁場成形装置を示す。 非貫通の穴を有する磁場成形装置を示す。

図１は、磁場成形装置Ｐが支持管Ｐ０によってヘリウムタンクの底部へと固定されている本発明に係る磁石配置の径方向半分の概略の縦断面を示す。超電導磁石コイルシステムＣが、ＨｅタンクＨ１の底部へと機械的に堅固に接続されている。例えば、支持管Ｐ０を、Ｈｅタンクの底部へとねじで取り付けることができ、あるいは接着することができる。しかしながら、ねじによる接続は、再度の解放が可能であるがゆえに、より有利である。磁場成形装置Ｐは、支持管Ｐ０へとはんだ付けすることができ、あるいは接着することができる。バヨネット式（ｂａｙｏｎｅｔ）コネクタも考えられる。あるいは、磁場成形装置Ｐを、２つの支持管の間に締め付けることも可能である。 組み立て前の支持管Ｐ０および磁場成形装置Ｐが、図２に示されている。この例では、磁場成形装置Ｐは切り欠きＡを有する円筒である。

図３は、磁場成形装置Ｐがクランプ機構Ｐ１によってＨｅ内側管Ｈへと固定されている本発明に係る磁石配置の径方向半分の概略の縦断面を示す。支持管は、この配置においては不要である。クランプ機構Ｐ１は、磁場成形装置Ｐと同じ材料または異なる材料から製作することができる。同じ材料が選択される場合、磁場成形装置Ｐおよびクランプ機構Ｐ１は、１つの被加工物から製作することができる。しかしながら、作業空間（ｗｏｒｋｉｎｇ ｖｏｌｕｍｅ）における磁場の均一性へのクランプ機構Ｐ１の影響を、磁場成形装置Ｐの設計において考慮しなければならない。

図４は、磁場成形装置Ｐがヘリウムタンクの底部へと固定された保持管Ｐ０に載せられた箔を含む本発明に係る磁石配置の径方向半分の概略の縦断面を示す。複数の箔を、好ましくは低温に適した接着テープで、保持管上に重ねて配置することも可能である。箔は、さまざまな形態をとることができる。例えば、さまざまなパターンの穴を有することができる。箔は、保持管の全周に及ぶことができ、あるいは保持管の一部に及ぶだけもよい。好ましくは、保持管は、軟磁性の箔を取り付けるための溝を含む。これにより、軟磁性の箔が保持管の挿入時に傷むことがない。

図５は、超電導磁石コイルシステムＣと、ＨｅタンクＨ１と、放射遮蔽タンクＳ２と、液体チッ素を有するタンクＳ１とを備える本発明に係る磁石配置の径方向半分の概略の縦断面を示す。この場合、放射遮蔽の内側管Ｓは、放射遮蔽タンクＳ２の一部ではなく、熱伝導可能にチッ素タンクＳ１へと接続される。内側管Ｒを備える室温タンクＲ１がチッ素タンクＳ１を囲んでいる。動作時、タンク間の空間に真空が広がる。超電導磁石コイルシステムＣの対称の軸ｚおよび平面ｚ＝０の周囲の作業空間ＡＶも、同様に図示されている。

図６は、超電導磁石コイルシステムＣと、ＨｅタンクＨ１と、クライオクーラＣＣによって動作温度とされる放射遮蔽タンクＳ２とを備える本発明に係る磁石装置の径方向半分の概略の立て断面を示し。放射遮蔽タンクＳ２は放射遮蔽の内側管Ｓへと熱的に接続されている。上述の図と同様に、内側管Ｒを備える室温タンクＲ１、対称の軸ｚ、および平面ｚ＝０の周囲の作業空間ＡＶも、図示されている。

貫通穴Ａを有する磁場成形装置Ｐが、図７に示されている。貫通穴Ａの形態およびサイズは、作業空間における磁場ができる限り均一であるように決定される。

最後に、図８は、非貫通の穴Ａを有する磁場成形装置Ｐを示す。非貫通の穴Ａは、例えばエッチング処理または放電加工によって生成することができる。

Ｃ 磁石コイルシステム
Ｈ Ｈｅ内側管
Ｈ１ Ｈｅタンク
Ｓ 放射遮蔽の内側管
Ｓ１ 液体チッ素を有するタンク
Ｓ２ 放射遮蔽タンク
Ｐ 磁場成形装置
Ｐ０ 支持管、保持管
Ｐ１ クランプ機構
Ａ 切り欠き
ＡＶ 作業空間
Ｒ 室温の内側管
Ｒ１ 室温タンク
ＣＣ クライオクーラ

Claims (10)

1. ｚ軸の方向に均一な磁場を生成するための超電導磁石コイルシステム（Ｃ）を有しており、前記磁石コイルシステム（Ｃ）は、動作時にコイルを冷却するための液体ヘリウムを収容するＨｅ内側管（Ｈ）を備えるＨｅタンク（Ｈ１）に配置され、前記Ｈｅタンク（Ｈ１）へと機械的に堅固に接続されており、放射遮蔽の内側管（Ｓ）を備える放射遮蔽体が、前記液体ヘリウムの蒸発速度を下げるために、或る距離を隔てて前記Ｈｅタンク（Ｈ１）を囲んでおり、磁性材料から作られた磁場成形装置（Ｐ）が、前記均一な磁場をより均一にするために、前記Ｈｅ内側管（Ｈ）と前記放射遮蔽の内側管（Ｓ）との間の空間に配置されている、ＮＭＲ装置における磁石配置であって、
   前記磁場成形装置（Ｐ）は、前記Ｈｅタンク（Ｈ１）に堅固に機械的に固定されると同時に、前記放射遮蔽の内側管（Ｓ）には触れないような方法で、前記Ｈｅ内側管（Ｈ）と前記放射遮蔽の内側管（Ｓ）との間の空間に固定されていることを特徴とする磁石配置。
2. 前記放射遮蔽の内側管（Ｓ）は、液体チッ素を有するタンク（Ｓ１）に機械的に堅固に固定され、且つ前記タンク（Ｓ１）に熱的に接触することを特徴とする請求項１に記載の磁石配置。
3. 前記放射遮蔽の内側管（Ｓ）を熱的な接触によって前記放射遮蔽の内側管（Ｓ）の動作温度にすることができるクライオクーラ（ＣＣ）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の磁石配置。
4. 前記磁場成形装置（Ｐ）は、軟磁性材料から作られた円筒形の本体を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁石配置。
5. 前記磁場成形装置（Ｐ）の前記円筒形の本体は、円筒対称でない切り欠き（Ａ）を有することを特徴とする請求項４に記載の磁石配置。
6. 前記磁場成形装置（Ｐ）の少なくともいくつかの部分は、支持管（Ｐ０）によって配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁石配置。
7. 前記磁場成形装置（Ｐ）の少なくともいくつかの部分は、クランプ機構（Ｐ１）によって前記Ｈｅ内側管（Ｈ）へと接続されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁石配置。
8. 前記磁場成形装置（Ｐ）の少なくともいくつかの部分は、前記Ｈｅ内側管（Ｈ）の外面へと接着されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁石配置。
9. 前記磁場成形装置（Ｐ）は、保持管（Ｐ０）上に配置された軟磁性材料から作られた少なくとも１つの箔を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁石配置。
10. 前記超電導磁石コイルシステム（Ｃ）は、高温超電導材料で巻回された少なくとも１つのコイルを含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁石配置。