JP6429312B2 - 磁場調整装置、磁石装置および磁場調整方法 - Google Patents
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Description
以下、本発明を実施するための形態(以下「実施形態」という)について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
次に、本実施形態に係る磁場調整装置2を用いた磁場調整方法について、図4を用いて説明する。図4は、本実施形態に係る磁場調整装置2を用いた磁場調整方法のフローチャートである。
B = AI ……(1)
の方程式で表わすことができる。なお、磁場の応答行列Aは、h行n列の行列となる。
u1 ,u2 ,u3 ,… ……(2)
であり、電流ポテンシャルの固有分布は、
v1 ,v2 ,v3 ,… ……(3)
であり、uj とvj の間には、
λj ・uj =A・vj ……(4)
が成立する。ここで、λj は、j番目モードの特異値である。
Pj =B・uj ……(5)
の内積で算出する。なお、uj は、j番目モードの磁場分布の固有分布uj (h次元)であり、固有分布データとして記憶部28に記憶されている。
P0j=B0 ・uj ……(6)
の内積で算出する。なお、固有モード基準強度P0jは、あらかじめ計算して記憶部28に記憶しておき、それを読み込む構成としてもよい。
ΔPj =P0j−Pj ……(7)
から算出する。
ΔIij=−vijΔPj /λj ……(8)
となる。ここで、vijは、j番目モードの単位電流vjであるn次元ベクトル(v1j,…,vij,…,vnj)のうちi番目のシムコイル21に対応する分布強度であり、固有分布データとして記憶部28に記憶されている。また、λj は、j番目モードの特異値であり、固有分布データとして記憶部28に記憶されている。なお、式(8)において、右辺の符号が「−」となっていることは、この磁場調整が磁場分布の負帰還制御(負のフィードバック制御)となっていることを意味している。
ΔIi =ΔIi1+ΔIi2+……+ΔIim ……(9)
となる。これを1番目のシムコイル21からn番目のシムコイル21について同様に行うことにより、電流補正指令値ベクトルΔI(ΔI1 ,…,ΔIi ,…,ΔIn )を算出する。
Ii =I0i+ΔIi ……(10)
I=Ie1 +Ie2 +……+Iej +……+Iem ……(11)
ここで、Iej は、j番目モードによる電流値であり、基準電流値ベクトルI0 のj番目モード成分と、j番目モードの残差ΔPj を打ち消すためにシムコイル21に加算する電流補正指令値ΔIej (ΔI1j,ΔI2j,…,ΔIij,…,ΔInj)の加算である。
次に、図4のステップS7において、磁場の固有モード強度P1 〜Pm を算出する固有モード強度演算部24の演算回路について、図5を用いてさらに説明する。図5は、固有モード強度演算部24の演算回路の模式図である。
Pj =B1 uj1+…+Bk ujk+…+Bh ujh ……(5A)
次に、残差演算部25、電流補正指令値演算部26、加算増幅器27の演算回路について、図6を用いてさらに説明する。図6は、残差演算部25、電流補正指令値演算部26、加算増幅器27の演算回路および各シムコイル21への結線を示した模式図である。
ΔPj <ε ……(12)
の場合、係数Gj =0とする。式(12)が成立しない場合は、係数Gj =1とする。
Icom=I1 +…+Ii +…+In ……(13)
となる。このため、第2給電線30は、第1給電線291 〜29n よりも大電流が流れるため、電流容量を大きくする、即ち、第2給電線30の線材の断面積を大きくする。このため、第2給電線30からの熱侵入が大きくなるおそれがある。
IH =Fm+1vm+1+…+Fn vn …(14)
とする。なお、vm+1(〜vn )は、m+1(〜n)番目モードの単位電流(n次元ベクトル)であり、固有分布データとして記憶部28に記憶されている。Fm+1〜Fnは、係数である。
Fm+1=…=Fn-1=0
Fn =−Icom/(v1n+…+vin+…+vnn) ……(15)
とすればよい。なお、vinは、n番目モードの単位電流vn (n次元ベクトル)のi番目のシムコイル21に対応する電流分布強度である。
E=(1,1,…,1) ……(16)
のn次元ベクトルを考え、vHとして、
vH =E−(Ev1+…+EvL)/|E−((Ev1+…+EvL))|…(17)
を計算する。ここで、LはEの成分としてL番目モードの固有モードまで差し引くことで、vH にはL番目以下の固有モードは含まれなくなる。また、Lは、m+1からn未満の整数である。このようにして求めたvHの電流分配で、
IH =FH vH ……(14A)
FH =−Icom/(v1H+…+viH+…+vnH) ……(15A)
で計算した高次モードによる電流分配ベクトルIHを各シムコイル電流に加える。このような方法で、第2給電線(共通給電線)30を通過する電流を小さく保つことができる。
次に図7から図9を参照して、本実施形態に係る磁場調整装置2を用いた磁場調整の実施例を示す。
図9(a)は、主たる磁場を生成する超伝導コイル1a(図1参照)が1個傾いた時の議差磁場を0.5ガウス(5.000×10-5[T])毎の等高線で示す。磁場評価面13は、図7(b)の円筒面上であり、上下方向に±10cm、半径で33.3cmとする。図9(a)に示すように、誤差磁場は、−1.08ガウス(-1.079×10-4[T])から−4.45ガウス(-4.462×10-4[T])で分布して存在している。
なお、本実施形態に係る磁石装置1および磁場調整装置2は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
図2では、軸方向に配置されるシムコイル21の幅を等しい幅にするものとしているが、これに限られるものではない。図10(a)に示すように、軸方向位置の中心側、即ち、磁場評価面13(磁場利用領域12)に近い側のシムコイル21Bを狭幅にし、遠い側のシムコイル21Aを広幅にしてもよい。このように等しい幅でなくても、図10(b)(c)に一例を示すように、干渉しない固有モードの磁場分布を得ることができ、同様の処理で磁場調整をすることができる。
図1では、シムコイルアレイ20を円筒面2Sに配置するものとして説明したが、これに限られるものではない。
例えば、円筒面2Saにシムコイルアレイ20を配置してもよい。シムコイルアレイ20を超伝導コイル1aの外側に配置することにより、シムコイルアレイ20を超伝導コイル1aの内側に配置する(図1参照)場合と比較して、超伝導コイル1aを磁場利用領域12(磁場評価面13)に近づけることができるので、超伝導コイル1aに流れる電流を小さくすることができる。一方で、シムコイル21が磁場利用領域12(磁場評価面13)から離れるため、シムコイル21に流れる電流は大きくなる。その点では、円筒面2Sに配置することが好ましい。
11 磁場方向
12 磁場利用領域
13 磁場評価面
2 磁場調整装置
20 シムコイルアレイ
21 シムコイル
22 磁場計測部
23 電流生成部
24 固有モード強度演算部
25 残差演算部
26 電流補正指令値演算部
26a モード選択部
26b 共通給電線電流低減処理部
27 加算増幅器(加算部、電源)
28 記憶部
29 第1給電線
30 第2給電線(共通給電線)
Claims (13)
- 複数のシムコイルが配置され冷媒容器に収容されるシムコイルアレイと、
前記シムコイルの電流から磁場への応答行列の特異値分解で得た固有モードに基づいて、前記シムコイルの電流指令値を決定する演算部と、
決定された前記電流指令値に基づいて、前記シムコイルの電流を制御する電源と、を備え、
前記電源から前記シムコイルへの給電線の一方が、他の電源からシムコイルへの給電線の一方と共通する共通給電線として構成されるとともに、シムコイルの一方の給電線と前記共通給電線との接続箇所は前記冷媒容器内部に存在し、
前記シムコイルは、前記共通給電線と当該シムコイルに電流供給する給電線とで前記冷媒容器の外部の前記電源に接続される
ことを特徴とする磁場調整装置。 - 前記シムコイルアレイは、
磁石装置の磁場利用空間を取り囲むことともに、前記磁石装置の中心軸を周回方向に取り囲むように配置され、
周回方向に2個以上、かつ、軸方向にも2個以上の前記シムコイルが配置され、
各シムコイルが囲む面積の和が、前記シムコイルアレイのコイル面の面積に対して、80%以上となるように密に配置される
ことを特徴とする請求項1に記載の磁場調整装置。 - 前記磁石装置は、超伝導磁石装置であることを特徴とする請求項2に記載の磁場調整装置。
- 前記シムコイルは、超伝導線材からなり、前記超伝導磁石装置の超伝導コイルを収容する冷媒容器に収容され、
前記シムコイルごとに永久電流スイッチを備える
ことを特徴とする請求項3に記載の磁場調整装置。 - 磁場調整に利用しない高次の固有モードを前記シムコイルの電流分布に加え、
前記共通給電線を通過する電流を低減するように調整する共通給電線電流低減処理部を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の磁場調整装置。 - 前記演算部は、
多点の磁場計測データから、特異値分解の固有モードとの内積で、各固有モードの強度である固有モード強度を演算する固有モード強度演算部と、
前記固有モード強度演算部で演算された各固有モードの固有モード強度と、目標磁場分布に対応する各固有モードの固有モード基準強度との差分である残差を演算する残差演算部と、
各固有モードの残差に、各固有モードの電流分配と特異値に基づいて決定した係数を積算して、各固有モードにおける各シムコイルに通電する電流の補正値を演算し、該各固有モードにおける各シムコイルに通電する電流の補正値を各シムコイルについて加算して、
各シムコイルに通電する電流の補正指令値を演算する電流補正指令値演算部と、
前記電流補正指令値演算部で演算された前記補正指令値と、基準電流値とを加算して、前記シムコイルの電流指令値を決定する加算部と、を有することで、残差磁場を負帰還御する
ことを特徴とする請求項1に記載の磁場調整装置。 - 各シムコイルの電流を決める演算において、前記残差を固有モード毎に示して、補正する固有モードを選択するモード選択部を備える
ことを特徴とする請求項6に記載の磁場調整装置。 - 請求項1に記載の磁場調整装置を備える
ことを特徴とする磁石装置。 - 磁場計測分布と、電流から磁場への応答行列の特異値分解で得た各固有モードとの内積により前記各固有モードの固有モード強度を算出するステップと、
目標磁場分布と前記各固有モードとの内積により得られた前記各固有モードの固有モード基準強度と、前記固有モード強度との差分である残差を算出するステップと、
前記残差と前記固有モードの電流分配に基づいて、各シムコイルの補正電流量を算出するステップと、
各シムコイルの給電線の一方が冷媒容器内部で共通化されるとともに電源の給電線の一方に共通化して接続する共通給電線と、各シムコイルの他方のそれぞれの給電線と、により、前記冷媒容器の外部の電源から冷媒容器内に配置された各シムコイルに、前記補正電流量に基づいて、補正した電流を供給するステップと、
を実行することを特徴とする磁場調整方法。 - 複数のシムコイルが配置されるシムコイルアレイと、
前記シムコイルの電流から磁場への応答行列の特異値分解で得た固有モードに基づいて、前記シムコイルの電流指令値を決定する演算部と、
決定された前記電流指令値に基づいて、前記シムコイルの電流を制御する電源と、を備え、
前記電源から前記シムコイルへの給電線の一方が、他のシムコイルの給電線の一方と共通する共通給電線として構成され、
磁場調整に利用しない高次の固有モードを前記シムコイルの電流分布に加え、
前記共通給電線を通過する電流を低減するように調整する共通給電線電流低減処理部を備える
ことを特徴とする磁場調整装置。 - 複数のシムコイルが配置されるシムコイルアレイと、
前記シムコイルの電流から磁場への応答行列の特異値分解で得た固有モードに基づいて、前記シムコイルの電流指令値を決定する演算部と、
決定された前記電流指令値に基づいて、前記シムコイルの電流を制御する電源と、を備え、
前記電源から前記シムコイルへの給電線の一方が、他のシムコイルの給電線の一方と共通する共通給電線として構成され、
前記演算部は、
多点の磁場計測データから、特異値分解の固有モードとの内積で、各固有モードの強度である固有モード強度を演算する固有モード強度演算部と、
前記固有モード強度演算部で演算された各固有モードの固有モード強度と、目標磁場分布に対応する各固有モードの固有モード基準強度との差分である残差を演算する残差演算部と、
各固有モードの残差に、各固有モードの電流分配と特異値に基づいて決定した係数を積算して、各固有モードにおける各シムコイルに通電する電流の補正値を演算し、該各固有モードにおける各シムコイルに通電する電流の補正値を各シムコイルについて加算して、各シムコイルに通電する電流の補正指令値を演算する電流補正指令値演算部と、
前記電流補正指令値演算部で演算された前記補正指令値と、基準電流値とを加算して、前記シムコイルの電流指令値を決定する加算部と、を有することで、残差磁場を負帰還制御する
ことを特徴とする磁場調整装置。 - 各シムコイルの電流を決める演算において、前記残差を固有モード毎に示して、補正する固有モードを選択するモード選択部を備える
ことを特徴とする請求項11に記載の磁場調整装置。 - 請求項11又は12に記載の磁場調整装置を備える
ことを特徴とする磁石装置。
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