JP6470268B2 - ジョイントを形成するｈｔｓｌテープ伝導体およびｌｔｓワイヤを含むマグネットコイルシステム - Google Patents

Description

本発明は、
−高温超伝導（＝ＨＴＳＬ）テープ伝導体が巻き付けられた少なくとも１つのコイルセクション、
−および低温超伝導（＝ＬＴＳ）ワイヤ
を含むマグネットコイルシステムに関し、このＨＴＳＬテープ伝導体およびＬＴＳワイヤは、直列に電気的に接続されている。

このようなマグネットコイルシステムは、例えばＤＥ１０２００４００７３４０Ａ１（＝米国特許第７，１５７，９９９号）から既知である。

超伝導体は、実質的に抵抗損なしで電流を運ぶことができる。特に、超伝導体は、高い電流強度が必要とされる場合はどこでも、例えばマグネットコイルに使用される。

一般に、マグネットコイルは、２つのタイプの超伝導体を利用する。ＮｂＴｉまたはＮｂ_３Ｓｎのような金属性低温超伝導体（ＬＴＳ）は、通常、ＬＴＳ材料のフィラメントを含有するワイヤである。例えばＲｅＢＣＯタイプのセラミック高温超伝導体（ＨＴＳまたはＨＴＳＬ）は、通常、テープ様基材、例えばスチールテープ上にＨＴＳ層を含む。ＢＳＣＣＯタイプのＨＴＳＬ超伝導体はまた、通常テープの形状を有する。しかし、それらは、通常銀マトリックス中に埋め込まれたＬＴＳ伝導体フィラメントと同等のものを含む。

ＤＥ１０２００４００７３４０Ａ１（＝米国特許第７，１５７，９９９号）には、半径方向に並べられた部分コイル、ＬＴＳ部分コイルおよびＨＴＳ部分コイルを有する磁場システムが提案されており、これらのコイルはＬＴＳ−ＨＴＳジョイントを介して直列に電気的に接続されている。ジョイント設計に関する詳細は開示されていない。

ジョイントは、２つの超伝導体部分間の電流移動を行う。したがって、真に超伝導である超伝導体部分間での電流移動を達成することは技術的に厳しい要求である。多くの場合、ジョイントにおいては実際には極めて小さいが、相当なオーム抵抗が許容されなければならない。公社はＬＴＳとＨＴＳ材料との間のジョイントに関しては特にあてはまる。このようなオーム抵抗は、特に、マグネットコイルシステムの持続モード操作の間に破壊的なドリフトを導き得る。

本発明の基本となる目的は、上述の種類のようなマグネットコイルにおいて、許容可能な小さい残留オーム抵抗を容易な方法で達成することである。特に、マグネットコイルシステムは、持続モードにおける操作の間に十分小さいドリフトを可能にすべきである。

この目的は、ＨＴＳＬテープ伝導体およびＬＴＳワイヤがジョイントを形成し、ＨＴＳＬテープ伝導体の第１端部の前に位置するＨＴＳＬテープ伝導体の第１の端部セクションおよびＬＴＳワイヤの第１の端部の前に位置するＬＴＳワイヤの第１の端部セクションが、接続セクションにおいて電気的に接続され、
当該接続セクション（１７）が少なくとも０．５ｍの長さを示すことを特徴とする、上述のマグネットコイルシステムによって達成される。

本発明によれば、ＨＴＳＬテープ伝導体およびＬＴＳワイヤは、実質的な長さに沿って、すなわち関与する伝導体の幅の倍数よりも長い（通常少なくとも１０倍または少なくとも１００倍）接続セクションに沿って、電気伝導方法で接続される。接続セクションにおいて、ＨＴＳＬテープ伝導体およびＬＴＳワイヤは、オーバーラップし、且つ互いに平行に導かれる。ＨＴＳＬテープ伝導体およびＬＴＳワイヤは、通常、１つ以上の金属層（例えば銅層）、および／またはハンダによって、オーム接触（すなわち通常は超伝導でない）を有する。

少なくとも０．５ｍ、通常は５ｍ以上、好ましくは１０ｍ以上、またはさらには２０ｍ以上の接続セクションの実質的な長さにより、または横方向電流転移が行われ得るそれぞれの大きな領域により、横方向のオーム抵抗は非常に小さく、典型的なマグネットコイル用途にとってはほぼ無視でき、結果として擬超伝導接続が得られる。特に、ジョイントは、本発明に係るマグネットコイルの持続モード操作の場合に、非常に小さいドリフトのみを生じるが、これは、必要となるまたは所望されるとわかった場合には現状技術の補償方法によって容易に補償され得る。

巻き上げ接続セクションを用いた実施形態
本発明に係るマグネットコイルシステムの特に好ましい実施形態において、接続セクションは巻き上げられる。このように、接続セクションは、空間を節約する方法で配置でき、さらにマグネットコイルシステムによって生じた磁場に対して、接続セクションおよびそこに含有されたＨＴＳＬテープ伝導体をそれぞれ意図的に配向させることが単純な方法で可能となる。特に、接続セクション全体において生じた局所的な磁場が局所的なテープ面に対して実質的に平行に延びるような配向および／または配置を達成することができる。特に、接続セクションのための支持体構造は、その局所的なテープ面が、いかなる場所においても、マグネットコイルシステムによって生じた局所的な磁場の方向に対して平行になるように、ＨＴＳＬテープ伝導体を導くＨＴＳＬテープ伝導体のためのガイド手段を含むように提供されてもよい（ＬＴＳワイヤについては、例えば支持体構造にミル加工される）。マグネットコイルシステムの磁場分布は、予め計算され得る。このように、接続セクションにおけるＨＴＳＬテープ伝導体の電流保持容量は最適化され得る。あるいは、例えばクリュー（ｃｌｅｗ）の形態で接続セクションを成形すること、および容器にそれを導入することも可能である。

この実施形態の好ましい改善において、接続セクションの範囲では、ＨＴＳＬテープ伝導体のそれぞれの局所的なテープ面は、実質的に巻軸に沿って延び、接続セクションは、マグネットコイルシステムの操作中に、接続セクションの範囲においてマグネットコイルシステムによって生じた磁場が、巻線に対して実質的に平行に指向されるように位置付けされる。同じくこのように、静磁場に対するＨＴＳＬテープ伝導体の配向は、良好な電流保持容量に対して好適に達成することができる。局所的なテープ面は、テープ伝導体の局所的な接線面によって決定される。この変形例によれば、接続セクション内のいかなる場所においても、局所的なテープ面は巻軸に対して実質的に平行に延びる。通常、テープ伝導体は、巻線によって巻軸の周りに巻き付けられる。同様に、テープ伝導体は、（１つ以上の層における）層毎にいくつかの巻線を用いて巻軸の周りに巻き付けられ得る。最も容易な場合において、巻線は円筒形の巻線フォーム上にある。この改善によれば、磁場における接続セクションまたは巻軸それぞれの位置付けおよび配列によって、磁場が、局所的には、テープ伝導体中の超伝導ＨＴＳＬ層に対して実質的に平行に延びることが自動的に確実になる。このように、ＨＴＳＬテープ伝導体における最大限可能な臨界電流が確立される。本発明の範囲内において、「配列」は、２０°未満、好ましくは１０°未満、特に好ましい変形例においては５°未満である厳密な平行配列からの変動については、「実質的に平行」であると考えられる。

この実施形態において、巻軸は、好ましくはマグネットコイルシステムのコイル軸に対して、特に２０°〜７０°、好ましくは３０°〜６０°の傾斜角度だけ傾斜している。コイル軸（マグネットコイルシステムの長手方向軸）に対して巻軸を傾斜させることによって、局所的な磁力線の分布に対して適合され、ＨＴＳＬテープ伝導体に作用する磁場の横方向成分が最小化される。接続セクションは、拡張された空間領域に配置できる。

さらに好ましい実施形態において、接続セクションは、パンケーキコイルの様式で巻き付けられる。この場合、各層は、１つの巻線（ＨＴＳＬテープ伝導体の巻線およびＬＴＳワイヤの巻線）のみを含み、当該巻線は層の転移に関与する曲げを回避して特に容易に巻き付けられ得る。この実施形態の接続セクションは、実質的にディスク形状であってもよく、局所的な磁場分布へ適合させるため、且つ所望により電流保持容量を最大化するために、わずかに曲げられてもよい。局所的なディスク面は、局所的な磁力線に対して本質的に垂直に延びる。

代替実施形態において、接続セクションは、ソレノイドコイルの様式で巻き付けられる。この場合、軸方向に隣接するいくつかの巻線が層に巻き付けられる。ソレノイドコイルは、１つまたはそれ以上の半径方向に並べられた層を含み得る。この実施形態において、接続セクションの相当な長さ、特に１０ｍ以上が、空間的に圧縮された方法で配置されることができる。巻き付けられた接続セクションの半径方向の広がりは、（パンケーキコイルと比較して）小さ維持され得、局所的な磁場と局所的なテープ面との間の角度を小さく維持するのが相当容易になる。

この実施形態において、接続セクションは、好ましくは屈曲するソレノイドコイル軸の周りに巻き付けられ、特にソレノイドコイル軸の曲率は、マグネットコイルシステムの操作中に生じた局所的な磁場の磁力線に従う。このように、接続セクションにおけるＨＴＳＬテープ伝導体上に作用する磁場の横方向成分は最小化でき、それによって電流保持容量が最適化される。この実施形態は、巻き付けられた接続セクションが相当大きな軸方向の伸長を有する場合に特に有用である。

好ましい実施形態において、接続セクションは、円形の外側断面を有する巻線フォーム上に巻き付けられる。このように、その長縁部によるＨＴＳＬテープ伝導体の曲率は、常に小さく維持されることができ、それによって、特にテープ伝導体のＨＴＳＬ層における欠陥が回避される。

代替実施形態において、接続セクションは、向い合った端部において切り捨てられる細長い外側断面を有する巻線フォーム上に巻き付けられる。細長い外側断面によって、横方向に沿って巻き付けられた接続セクションの空間要件が小さく維持され、これにより、特定の場合、低温保持装置の内側における巻き付けられた接続セクションの配置を簡便にし得る。特に巻線フォームの角度に関する位置付け、すなわち局所的な磁場に対する長いおよび短い横軸の配列によって、ＨＴＳＬテープ伝導体に作用する磁場の横方向成分を最小化することもでき、それによって電流保持容量を最適化することもできる。

特に好ましい改善において、ＨＴＳＬテープ伝導体およびＬＴＳワイヤの第１の端部は、接続セクションの同じサイドに位置し、接続セクションは、ＨＴＳＬテープ伝導体およびＬＴＳワイヤの第１の端部が半径方向内側の位置を有するように巻き付けられる。このように、接続セクションの範囲においては、反対の電流フロー方向が、ＨＴＳＬテープ伝導体およびＬＴＳワイヤそれぞれにおいて達成され、接続セクションにおける電流フローによって生じた磁場が最小化される。さらに、接続セクションの巻き付けは非常に容易になる。

マグネットコイルシステムの一般的な実施形態
好ましい実施形態において、接続セクションは少なくとも１０ｍの長さを有する。接続セクションがより多きい場合、ＨＴＳＬテープ伝導体とＬＴＳワイヤとの間のオーム抵抗が特に広範囲に確実に低減される。実際には、同様に接続セクションの長さとして２０ｍ以上が選択され得る。伝導体の伸長（または電流方向もしくはその逆方向それぞれへの伸長）に沿った接続セクションの長さは、巻き付けられていない状態で最も容易に決定され得る。

有利な実施形態において、少なくとも接続セクションの範囲では、ＬＴＳワイヤは平坦な形状を有し、特に平坦なＬＴＳワイヤの幅は、ＨＴＳＬテープ伝導体の幅に対応する。結果として、平坦なＬＴＳワイヤは、ＨＴＳＬテープ伝導体と一方のサイドで非常によく結合されることができ、同じ幅のため、横方向の電流交換のために利用可能な領域が最適化される。通常、ＬＴＳワイヤは、接続セクションにおいて平坦ロール加工される。これとは別に、概して、ＬＴＳワイヤは、円形または長方形断面を有する。

さらに好ましい実施形態において、接続セクションの範囲では、ＬＴＳワイヤのＬＴＳフィラメントのカバーは、部分的にまたは完全に取り除かれ、特に切り取られまたは分解される。このように、ＨＴＳＬテープ伝導体に対する電流転移のオーム抵抗が最小化される。ＬＴＳワイヤが絶縁体を含む限り、もちろん、絶縁体も平坦な電気的接触を確立するために、接続セクションの範囲において全体としてまたは部分的に取り除かれる。同様に、ＬＴＳワイヤのカバー部分、例えば銅カバーは、完全にまたは部分的に取り除かれてもよい。

別の有利な実施形態において、接続セクションの範囲では、ＨＴＳＬテープ伝導体のＨＴＳＬ層上における１つ以上の保護コーティングおよび／またはシャント層は、取り除かれ、特に切り取られまたは分解される。このように、ＬＴＳワイヤへの電流移動におけるオーム抵抗が最小化される。ＨＴＳＬテープ伝導体が絶縁体を含む限り、この絶縁体も、もちろん、二次元の電気的接触を確立するために、接続セクションの範囲において完全にまたは部分的に取り除かれる。

特に好ましい実施形態において、接続セクションのＨＴＳＬテープ伝導体およびＬＴＳワイヤは、ハンダを用いて互いにハンダ付けされる。ハンダにより、ＨＴＳＬテープ伝導体（またはそのＨＴＳＬ層それぞれ）とＬＴＳワイヤ（またはそのＬＴＳフィラメントそれぞれ）との間の電気的に良好に伝導性の二次元接触が確立され得る。通常、ハンダは、接続セクションの全長に沿って、ＨＴＳＬテープ伝導体の全幅にわたって連続的に適用される。

有利な変形例において、ハンダはスズを含む。スズを含有するハンダは、特に容易に取り扱われることができ、比較的低温で液体になるので、ハンダ付けプロセスの間のＨＴＳＬ材料の損傷を回避または少なくとも最小限にする。

さらに有利な実施形態において、接続セクションは、ＨＴＳＬテープ伝導体と共に巻き付けられるコイルセクションから軸方向に離れている。このように、接続セクションにおける磁場強度を低減することができ、それによってジョイントの電流保持容量が改善される。一般に、接続セクションの範囲の磁場は、（磁性中心の）マグネットコイルシステムの最大磁場の約１／１０以下に低減される。

好ましい実施形態において、ＬＴＳワイヤは、ＮｂＴｉを含有するフィラメントを含む。実際、ＬＴＳ材料としてＮｂＴｉを用いることは、本発明に係るＨＴＳＬテープ伝導体に対する、特にＲｅＢＣＯタイプの伝導体に対するジョイントを非常に信頼性高く製造するために、良好な選択肢となることが分かっている。

同じく好ましい実施形態において、ＨＴＳＬテープ伝導体は、ＲｅＢＣＯを含有する、特にＲｅ：レアアース群の元素と共にＹＢＣＯを含有するＨＴＳＬ層を含む。実際には、ＨＴＳＬ材料としてＲｅＢＣＯを用いることは本発明に係るＬＴＳワイヤ、特にＮｂＴｉを含むＬＴＳワイヤに対するジョイントを非常に信頼性高く製造するために、良好な選択肢となることが分かっている。

さらなるまたは追加のジョイントを有する実施形態
本発明に係るマグネットコイルシステムの同様に好ましい実施形態は追加のＬＴＳワイヤを含み、ＬＴＳワイヤおよび追加のＬＴＳワイヤは、異なる超伝導ＬＴＳ材料を含有し、特に追加のＬＴＳワイヤは、Ｎｂ３Ｓｎを含有し、ＬＴＳワイヤは、ＨＴＳＬテープ伝導体から間隔をあけた第２端部の前の第２端部セクションにおいて追加のジョイントを示し、この追加のジョイントは、ＬＴＳワイヤと追加のＬＴＳワイヤの端部セクションとを接続する。追加のジョイント（通常はＮｂＴｉとＮｂ３Ｓｎとの間）は、既知の現状技術に従って設計されてもよい。追加のＬＴＳワイヤは、例えばマグネットコイルシステムのさらなるコイルセクションの一部であってもよい。ＬＴＳワイヤ（通常はＮｂＴｉに基づく）は、ＨＴＳＬテープ伝導体と追加のＬＴＳワイヤを直接ジョイントすることが、技術的に困難であることが分かっている（例えば、Ｎｂ３Ｓｎに基づく追加のＬＴＳワイヤの必要な熱処理／アニーリングが原因であり、これはＨＴＳＬの隣で生じると、ＨＴＳＬを損傷し得る）場合には、この接続において、ＨＴＳＬテープ伝導体と追加のＬＴＳワイヤ（通常はＮｂ３Ｓｎに基づく）との間のリンクとして作用することができる。

同様に好ましい実施形態において、マグネットコイルシステムは、さらなるＬＴＳワイヤを含み、ＨＴＳＬテープ伝導体は、その第１の端部の前にある第１の端部セクションにおいてＬＴＳワイヤに対するジョイントを、およびＨＴＳＬテープ伝導体の第２の端部の前にある第２の端部セクションにおいてさらなるＬＴＳワイヤに対するさらなるジョイントを形成し、特にＬＴＳワイヤおよびさらなるＬＴＳワイヤは同じ超伝導ＬＴＳ材料を含有する。この実施形態において、ＨＴＳＬテープ伝導体は、マグネットコイルシステムの持続モード操作に容易に一体化され得る。ＨＴＳＬテープ伝導体は、ＬＴＳワイヤおよびさらなるＬＴＳを介して低オーム抵抗で両サイドで接続されてもよい。この実施形態において、さらなるジョイントは、上述のジョイント（ＨＴＳＬテープ伝導体およびＬＴＳワイヤ間）に従って設計される。

本発明はまた、上述の本発明に係るマグネットコイルシステムを含むＮＭＲ分光計（ＮＭＲ＝核磁気共鳴）を包含する。

本発明のさらなる利点は、明細書および図面から誘導され得る。さらに、本発明の範囲内において、上述された特徴および以下でさらに示される特徴はそれぞれ、それ自体またはいずれかの組み合わせにおいて使用されてもよい。示され、記載された実施形態は、最終的なリストとして理解されるべきではなく、本発明を示すための例示的な特徴を有する。

本発明は、図面に示され、特定の実施形態によってさらに説明される。図は以下を示す。
本発明に係るマグネットコイルシステムの実施形態の部分的な長手方向の断面概略図であり、接続セクションは、ＨＴＳＬテープ伝導体とＬＴＳワイヤとの間でパンケーキコイルに巻き付けられている。 図１および図３の断面ＩＩの範囲における接続セクションにわたる概略断面図である。 巻き付けられた接続セクションの範囲における図１の部分図である。 本発明に係るマグネットコイルシステムのさらなる実施形態における概略上面図であり、接続セクションはソレノイドコイルに巻き付けられている。 図５のマグネットコイルシステムの半分にわたる長手方向の概略断面である（コメント：図４を参照すべき）。 本発明に係るマグネットコイルシステムを含む本発明に係るＮＭＲ分光計の概略図である。 断面において細長く伸びた巻線フォームを有するパンケーキコイルに巻き上げられた接続セクションにわたる概略断面図である。 本発明に係るマグネットコイルシステムのさらなる実施形態の電気回路の概略図である。 本発明の接続セクションの概略図であり、当該接続セクションは、屈曲したソレノイドコイルを用いてソレノイドコイルの様式で巻き付けられている。

図１は、例えばＮＭＲ分光計、特に高解像度ＮＭＲ分光計の一部として使用されてもよい本発明に係るマグネットコイルシステム１の実施形態を示す。図１に示されるマグネットコイルシステム１は、半径方向に並べられた２つのコイルセクション２、３を含み、これらは直列に電気的に接続されている。

内側の第１のコイルセクション２には、少なくとも１つのＨＴＳＬテープ伝導体４が巻き付けられ、この実施形態においては、コイル軸Ａの周りにソレノイド方式で巻き付けられている。ＨＴＳＬテープ伝導体４は、第１の端部がジョイント６に導かれており、ＨＴＳＬテープ伝導体４と、図１の例においてはＮｂＴｉのフィラメントを含有するＬＴＳワイヤ７との間の低抵抗接続を形成する。ジョイント６内において、ＨＴＳＬテープ伝導体４およびＬＴＳワイヤ７は、この例では１０ｍの長さを介して互いに平行な接続セクション１７に沿って延び、特にハンダ付け接続によってこの長さに沿って連続的に電気的に接続され、この接続セクション１７は巻き上げられる（この文脈においては図３も参照）。ジョイント６は、ジョイント６の範囲において、マグネットコイルシステム１によって生じた磁場強度がマグネットコイルシステム１の中心領域においてサンプル体積８に存在する磁場強度の約１／１０以下に低下するように、第１のコイルセクション２から軸方向に離れて位置する。

マグネットコイルシステム１の第２の外側コイルセクション３には、図１に示されるように、Ｎｂ３Ｓｎのフィラメントを含有するさらなるＬＴＳワイヤ５が巻き付けられる。ＮｂＴｉのフィラメントを含有するＬＴＳワイヤ７は、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントを含有するさらなるＬＴＳワイヤ５にさらなるジョイント９（これ自体は現状技術において既知である）によって接続される。さらなるジョイント９の範囲においてはまた、さらなるＬＴＳワイヤ５のためのクランピングデバイスが一体化される。

図２は、概略断面において図１のジョイント６の接続セクションを示す（ＨＴＳＬテープ伝導体４の伸張方向およびＬＴＳワイヤ７の伸長方向に垂直な断面を有する、すなわち図２の断面は、電流フロー方向に対して垂直に配向される）。

ＨＴＳＬテープ伝導体４は基材１０を含み、その上にＨＴＳＬ層１１（ここではＹＢＣＯ材料製）が堆積している。ＨＴＳＬテープ伝導体４は、巻き上げられるように十分可撓性がある（この文脈において図１、図３を参照）。特に基材１０は、スチールテープの形態で実現されてもよい。ＨＴＳＬテープ伝導体４の典型的な幅は２ｍｍ〜６０ｍｍである。基材１０とＨＴＳＬ層１１との間には、通常、例えばＣｅＯ製の１つ以上のバッファ層が配置される（詳細には示さない）。ここで、ＨＴＳＬテープ伝導体４は、すべてのサイドでＨＴＳＬテープ伝導体４を囲むシャント層１２（この実施形態においてはＣｕ）を含む。しかし、接続セクションにおいてこのエンケーシングは、ＬＴＳワイヤ７に対向するサイドではエッチング除去されている。

ＬＴＳワイヤ７は、多数のＮｂＴｉフィラメント１３を含み、本実施形態においては、それぞれＮｂのエンベロープ１４によって囲まれている（「Ｎｂバリア」）。ＮｂＴｉフィラメント１３は、例えばＣｕＭｎからなるマトリックス１５内に配置されている。接続セクションにおいて、ＬＴＳワイヤ７は、平坦にミル加工されており、マトリックス１５の一部は、ＮｂＴｉフィラメント１３の一部がＨＴＳＬテープ伝導体４に対向するサイドに露呈するようにエッチング除去されている。フィラメント１３の表面付近部分についてもまた、エンケーシング１４は、ＨＴＳＬテープ伝導体４に対向するサイドにおいてエッチング除去されている。

ＨＴＳＬ層１１および表面付近部分のＮｂＴｉフィラメント１３は、通常スズおよび／または貴金属、特に金および／または銀を含有する、良好な電気伝導性を有するハンダ１６と直接接触する。このように、フィラメント１３とＨＴＳＬ層１１との間の良好な電気伝導率を伴う接触が確立される。良好な電気伝導率を有するこの接触は、本例において１０ｍの接続セクション長さ（ここでは投影面に垂直な方向において）に沿って延び、その結果、この接触のオーム抵抗が非常に小さくなることに注目すべきである。ハンダ１６の典型的な厚さは１μｍ〜２０μｍである。

最適な電流移動のために、ＬＴＳワイヤ７の幅ＢＬ（例えば適切なミル加工プロセスによる）は、ＨＴＳＬテープ伝導体４の幅ＢＨに対応すべきであり、ハンダ１６は、総幅ＢＬおよびＢＨそれぞれを実質的にカバーすべきであることに留意すべきである。

図３は、図１のジョイント６を詳細に示す。加えて、図２の断面ＩＩが標識される。

示される実施形態において、ジョイント６において、ＨＴＳＬテープ伝導体４およびＬＴＳワイヤ７は、ＨＴＳＬテープ伝導体４とＬＴＳワイヤ７との間に適用されたハンダ１６を介して二次元的に連続した方法で、スパイラル様に巻き付けられた接続セクション１７において互いに電気的に接続される。接続セクション１７は、ＨＴＳＬテープ伝導体４の第１の端部１９から離れて延びるＨＴＳＬテープ伝導体４の第１の端部セクション１９ａを、ＬＴＳワイヤの第１の端部２０から離れて延びるＬＴＳワイヤ７の第１の端部セクション２０ａとオーバーラップさせることによって形成される。

示される実施形態において、接続セクション１７は、円形断面を示す巻線フォーム１８上の巻軸ＷＡの周りに層あたり１つだけの巻線でパンケーキコイルの様式で巻き付けられ、巻軸ＷＡは、投影面に対して垂直である。接続セクション１７の巻線は結果として、−本例においては１０ｍの、ＨＴＳＬテープ伝導体４の伸長方向およびＬＴＳワイヤ７それぞれの伸長方向に沿ったその長さにかかわらず−、通常２０ｃｍ以下の巻線スパイラル直径で圧縮様式において配置され得る。

第１の端部セクション１９ａ、２０ａは、ＨＴＳＬワイヤ４およびＬＴＳワイヤ７の第１の端部１９、２０から出発し、接続セクション１７のスパイラル巻線（端部サイド）１７ａの半径方向内側サイドである同じサイドに配置される。スパイラル巻線に対して半径方向外側サイドである接続セクション１７の他方のサイド（端部サイド）１７ｂにおいて、ＨＴＳＬテープ伝導体４およびＬＴＳワイヤ７は分裂する。

巻線フォーム１８および巻軸ＷＡは、マグネットコイルシステムによって生じる局所的な磁場２１が、実質的に、ＨＴＳＬテープ伝導体４のそれぞれの局所的なテープ面ＢＥに対して平行（またはＨＴＳＬテープ伝導体４のＨＴＳＬ層の局所表面に平行）に延びるように、位置付けされ、配向される。これは、外側に位置付けされた巻線に関して図３に例示される。配置ＯＲにおいてＨＴＳＬテープ伝導体４の局所的テープ面ＢＥは、ＨＴＳＬテープ伝導体４と同一平面で（「接線として」）、投影面に対して垂直に延びる。位置ＯＲに近い磁場２１の局所的な磁力線はさらに、投影面に対して垂直に延びる。これに対応して、テープ面ＢＥおよび磁力線は互いに平行に配列される。このように、ＨＴＳＬテープ伝導体４の電流保持容量は最適化されてもよい。図２ではテープ面ＢＥも示される。巻き付けられたＨＴＳＬテープ伝導体において、テープ面ＢＥは、テープ伝導体（「局所的テープ面」）に沿って変化することに留意すべきである。

最も容易には、磁場２１に対するＨＴＳＬテープ伝導体４の適切な配向が達成され、接続セクション１７のいかなる場所においても、局所的テープ面ＢＥは、巻軸ＷＡに対して少なくとも実質的に平行に延び、そのターンにおいて巻軸ＷＡは、接続セクション１７の範囲において磁場２１に対して少なくとも実質的に平行に延びる。概して、巻軸ＷＡは、接続セクション１７の中心において磁場に対して平行に配向される（巻線フォーム１８の中心）。原理上、磁場は常に閉じた磁力線を有し、故に屈曲するので、磁場２１は、局所的に、接続セクション１７／ジョイント６の全体の範囲にわたって変動することに留意すべきである。結果として、現実のマグネットコイルシステムにおいては、接続セクションの実質的な空間的広がりに関して、局所的な磁場に対する配向は、一定の許容範囲内でのみ特定できる。２つのパラメータの配向が実質的に平行であるべきであることが本明細書に特定されている限り、この条件は、正確な平行配列からの（最大）変動が２０°未満、好ましくは１０°未満、特に好ましくは５°未満である場合に満たされる。

示される実施形態において、追加のジョイント９におけるＬＴＳワイヤ７の第２の端部２４の前にある第２の端部セクション２４ａは、追加のＬＴＳワイヤ５の端部セクションに接続される（図１を参照のこと；図３には詳述されない）。

マグネットコイルシステム１の超伝導持続モード操作に関して、通常、特にジョイント６に対応する第２のジョイントまたは同様に第２のジョイント配置、特にジョイント６および追加のジョイント９に対応する配置が使用されてもよいことに留意すべきである。

図４および図５は、本発明に係るマグネットコイルシステム１のさらなる実施形態を示し、上面図においては図４を参照して、マグネットコイルシステム１の半分を介した長手方向の断面は図５を参照のこと。

マグネットコイルシステム１は、この実施形態において、通常、少なくとも１ｃｍ^３、好ましくは１０ｃｍ^３を有する円筒形サンプル体積８において、シム調整手順の前に、すなわち独立シム電流および／または強磁性シムプレートレットによって駆動される独立シムコイルによってさらに均質化されることなく、通常１００ｐｐｍまたはより高い、好ましくは１０ｐｐｍまたはより高い、特に好ましくは２ｐｐｍまたはより高い均一性を有する静磁場Ｂ_０を発生させる。マグネットコイルシステム１は、ＨＴＳＬテープ伝導体４が巻き付けられた第１のコイルセクション２、ＬＴＳワイヤ７が巻き付けられた第２のコイルセクション３を含む。この実施形態において、ＬＴＳワイヤ７は、ＮｂＴｉフィラメントを含む。示される実施形態において、ＬＴＳワイヤ７は、第２のコイルセクション３においてＬＴＳワイヤ７の最適な位置付けを達成するために、クランピングデバイス２２によってクランプされる。

本発明によれば、ＨＴＳＬテープ伝導体４およびＬＴＳワイヤ７は、ジョイント６において電気伝導方法において互いに接続される。本実施形態において、ジョイント６は、ソレノイド形状で巻き上げられた接続セクション１７を含み、最上層の個々の隣接ターンを参照のこと。ＨＴＳＬテープ伝導体４およびＬＴＳワイヤ７は互いに平行であり、二次元的に互いに接続されて、層あたりいくつかの巻線により巻軸ＷＡの周りに巻き付けられる。ＨＴＳＬテープ伝導体４の局所的なテープ面は、あらゆる場所において、巻軸ＷＡに対して少なくとも本質的に平行に配向さている。

示される実施形態において、巻軸ＷＡは、それぞれ接続セクション１７においてまたはジョイント６の体積において、本質的に局所的な磁場２１に対して平行に巻軸ＷＡを配列させるために、マグネットコイルシステム１の軸Ａに対して約３５°の角度αだけ傾斜している。

この実施形態のジョイント６の小さい深さＴ（「ジョイントコイル」のコイル長さ）により、長手方向の断面（図５）においては、巻軸ＷＡと局所的な磁場２１との間の平行が、深さＴに沿って実質的に変動しないことを示す。しかし、ジョイント６が実質的な直径Ｄを有することが上面図（図４）から分かる。結果として、ジョイント６の境界領域における局所的な磁場２１の磁力線２３は、すでに巻軸ＷＡに対して約７°の角度βを示す。しかしながら、このように平行な状態から少し変動させても、ジョイント６の電流保持容量を小さく、なお依然として許容可能に低減させるだけである。

図６は、本発明に係るマグネットコイルシステム１を使用できる、本発明に係るＮＭＲ分光計３１を例示的な概略方法で示す。

ＮＭＲ分光計３１は、低温保持装置（詳細には示さず）中に通常収納される、例えば図１に示されるような本発明に係るマグネットコイルシステム（ＮＭＲマグネットコイル）１を含む。マグネットコイルシステム１の磁性中心において、サンプル３２（例えば、調査されるべき物質で満たされたサンプル管）がサンプル体積中に配置される。サンプル３２は、ＲＦ伝送コイル３３およびＲＦ検出コイル３４によって囲まれる（他の設計においてまた、組み合わせたＲＦ送信および検出コイルが可能であることに留意すべきである）。ＲＦ発生器３５および伝送コイル３３によって、ＲＦパルスがサンプル３２に照射される。ＲＦ検出器３６およびＲＦ検出コイル３４によって、サンプル応答３２が測定される。測定結果は、評価ユニット３７によって評価され、例えばＮＭＲスペクトルに変換される。

図７は、図３の表示および記述と同様に、ＨＴＳＬテープ伝導体４（破線）およびＬＴＳワイヤ７（実線）のそれぞれのさらなるジョイント６または接続セクション１７を、概略断面において示す。単純化のために、以下では、異なるもののみ詳細に説明し、ＨＴＳＬワイヤ４とＬＴＳワイヤ７とを接続するハンダは詳細には示さない。

示される実施形態において、接続セクション１７は、細長い断面を有する巻線フォーム４０上に巻軸ＷＡの周りに巻き付けられる。長手方向において互いに対向する端部４１、４２は、ＨＴＳＬテープ伝導体４またはＬＴＳワイヤ７のフィッティングが長いサイドから短いサイドに移行する際に鋭角に曲がることがないように、丸まった形状を有する。ジョイント６は、左から右（図７において）の方向に特に圧縮されるように設計され、これによって低温保持装置内の配置を単純化することができる。

図８は、本発明に係るマグネットコイルシステム１のさらなる実施形態の電気回路５０を概略的に図示する。ここで、第１のコイルセクション２は、ＨＴＳＬテープ伝導体４が巻き付けられる。ＨＴＳＬテープ伝導体４の第１の端部１９の前にある第１の端部セクション１９ａは、ジョイント６においてまたは接続セクション１７に沿ってそれぞれ、ＬＴＳワイヤ７（ここではＮｂＴｉフィラメント）の第１の端部２０の前方にある端部セクション２０ａに伝導接続され、接続セクション１７は巻き上げられる。

ＬＴＳワイヤ７は第２のコイルセクション３を形成する。ＬＴＳワイヤ７は、超伝導スイッチ５３においてその第２の端部５２で終止する。超伝導スイッチ５３の範囲において、マグネットコイルシステム１を充電するための電流インプットも提供されてもよい。

ＨＴＳＬテープ伝導体４の第２の端部５１の前にある第２の端部セクション５１ａは、さらなるＬＴＳワイヤ５６（ここではまたＮｂＴｉフィラメント）の第１の端部５５の前にある第１の端部セクション５５ａに接続されるさらなるジョイント５４またはさらなる接続セクションそれぞれにある。さらなるジョイント５４またはさらなる接続セクションはそれぞれ、ジョイント６または接続セクション１７それぞれに対応する方法で設計され、特にさらなる接続セクションも巻き上げられる。さらなるＬＴＳワイヤ５６は、超伝導スイッチ５３の他方サイドにその第２の端部５７を導く。

持続電流モードにおいて、超伝導で閉じた超伝導スイッチ５３を用いて、マグネットコイルシステム１は、非常に小さいドリフトとは別に閉じたサイクルにおいて一定の電流を用いて操作されてもよい。これにより、コイルセクション２、３は、サンプルにおいて一時的に一定の静磁場Ｂ_０を生じる。ジョイント６、５４によって生じるドリフトは、適宜無視され得るか、またはそうでなければドリフト補償のそれ自体既知の手段によって補償され得る。

図９は、ソレノイドコイルの様式において巻き付けられている接続セクション１７を示す。しかしながら、鎖曲線によって図９に表される関連したソレノイドコイル軸ＳＯＡは曲がり、ＨＴＳＬテープ伝導体およびＬＴＳワイヤはこの屈曲した軸の周りに巻き付けられる。これにより、曲率は、接続セクション１７の半径方向の中心において局所的磁場２１の分布に対応する。このように、磁場の横方向の成分は（ＨＴＳＬテープ伝導体の局所的テープ面に対して垂直に延びる）、接続セクション１７の電流保持容量が最大限になるように最小限化され得る。

Claims (22)

1. −高温超伝導（＝ＨＴＳＬ）テープ伝導体（４）が巻き付けられた少なくとも１つのコイルセクション（２）、
   −および低温超伝導（＝ＬＴＳ）ワイヤ（７）
   を含み、
   前記ＨＴＳＬテープ伝導体（４）および前記ＬＴＳワイヤ（７）が直列に電気的に接続されており、
   前記ＨＴＳＬテープ伝導体（４）および前記ＬＴＳワイヤ（７）がジョイント（６）を形成するマグネットコイルシステム（１）であって、
   前記ＨＴＳＬテープ伝導体（４）の第１の端部（１９）の前に位置する前記ＨＴＳＬテープ伝導体（４）の第１の端部セクション（１９ａ）および前記ＬＴＳワイヤ（７）の第１の端部（２０）の前に位置する前記ＬＴＳワイヤ（７）の第１の端部セクション（２０ａ）が電気的に接続されるが、接続セクション（１７）において前記接続セクションの長さに沿って超伝導方法では接続されず、
   前記ＬＴＳワイヤ（７）は、少なくとも前記接続セクション（１７）内において平坦な形状を有し、前記平坦なＬＴＳワイヤ（７）の一方のサイドが前記ＨＴＳＬテープ伝導体（４）に隣接し、前記接続セクション（１７）が少なくとも５ｍの長さを示すことを特徴とするマグネットコイルシステム（１）。
2. 前記接続セクション（１７）は巻き上げられることを特徴とする請求項１記載のマグネットコイルシステム（１）。
3. 前記接続セクション（１７）内において、前記ＨＴＳＬテープ伝導体（４）のそれぞれの局所的テープ面（ＢＥ）は、実質的に巻軸（ＷＡ）に沿って延び、
   および前記接続セクション（１７）が、前記マグネットコイルシステムの操作中に、前記接続セクション（１７）の範囲において前記マグネットコイルシステム（１）によって生じた磁場（２１）が、前記巻軸（ＷＡ）に平行に実質的に指向されるように位置付けられることを特徴とする請求項２記載のマグネットコイルシステム（１）。
4. 前記巻軸（ＷＡ）が、前記マグネットコイルシステム（１）のコイル軸（Ａ）に対して、２０°〜７０°の傾斜角度（α）で傾斜していることを特徴とする請求項３に記載のマグネットコイルシステム（１）。
5. 前記接続セクション（１７）はパンケーキコイルの様式で巻き付けられることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のマグネットコイルシステム（１）。
6. 前記接続セクション（１７）はソレノイドコイルの様式で巻き付けられることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のマグネットコイルシステム（１）。
7. 前記接続セクション（１７）が、屈曲するソレノイドコイル軸（ＳＯＡ）の周りに巻き付けられ、特に前記ソレノイドコイル軸（ＳＯＡ）の曲率は、前記マグネットコイルシステム（１）の操作中に生じた局所的な磁場（２１）の磁力線に従うことを特徴とする請求項６記載のマグネットコイルシステム（１）。
8. 前記接続セクション（１７）は、円形外側断面を有する巻線フォーム（１８）上に巻き付けられることを特徴とする請求項２から７のいずれか１項に記載のマグネットコイルシステム（１）。
9. 前記接続セクション（１７）は、向い合った端部（４１、４２）において丸められた細長い外側断面を有する巻線フォーム（４０）上に巻き付けられることを特徴とする請求項２から７のいずれか１項に記載のマグネットコイルシステム（１）。
10. 前記ＨＴＳＬテープ伝導体（４）および前記ＬＴＳワイヤ（７）の前記第１の端部（１９、２０）は、前記接続セクション（１７）の同じサイド（１７ａ）に位置し、前記接続セクション（１７）は、前記ＨＴＳＬテープ伝導体（４）およびＬＴＳワイヤ（７）の前記第１の端部（１９、２０）が半径方向内側位置を有するように巻き付けられることを特徴とする請求項２から９のいずれか１項に記載のマグネットコイルシステム（１）。
11. 前記接続セクション（１７）は少なくとも１０ｍの長さを有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のマグネットコイルシステム（１）。
12. 前記平坦なＬＴＳワイヤ（７）が、前記ＨＴＳＬテープ伝導体（４）の幅（ＢＨ）に対応する幅（ＢＬ）を有することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載のマグネットコイルシステム（１）。
13. 前記接続セクション（１７）の範囲において、前記ＬＴＳワイヤ（７）のＬＴＳフィラメント（１３）のカバー（１４）が、部分的にまたは完全に取り除かれ、特に切り取られまたは分解されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のマグネットコイルシステム（１）。
14. 前記接続セクション（１７）の範囲において、前記ＨＴＳＬテープ伝導体（４）のＨＴＳＬ層（１１）上の１つ以上の保護コーティングおよび／またはシャント層（１２）が取り除かれ、特に切り取られまたは分解されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載のマグネットコイルシステム（１）。
15. 前記接続セクション（１７）において、前記ＨＴＳＬテープ伝導体（４）および前記ＬＴＳワイヤ（７）が、ハンダ（１６）を用いて互いにハンダ付けされることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載のマグネットコイルシステム（１）。
16. 前記ハンダ（１６）がスズを含有することを特徴とする請求項１５記載のマグネットコイルシステム（１）。
17. 前記接続セクション（１７）は、前記ＨＴＳＬテープ伝導体（４）が巻き付けられた前記コイルセクション（２）から軸方向に離れていることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載のマグネットコイルシステム（１）。
18. 前記ＬＴＳワイヤ（７）は、ＮｂＴｉを含有するフィラメント（１３）を含むことを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載のマグネットコイルシステム（１）。
19. 前記ＨＴＳＬテープ伝導体（４）はＲｅＢＣＯ、特にＲｅ：レアアース群の元素と共にＹＢＣＯを含有するＨＴＳＬ層（１１）を含むことを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載のマグネットコイルシステム（１）。
20. 前記マグネットコイルシステム（１）は、追加のＬＴＳワイヤ（５）を含み、前記ＬＴＳワイヤ（７）および前記追加のＬＴＳワイヤ（５）は、異なる超伝導ＬＴＳ材料を含有し、特に前記追加のＬＴＳワイヤはＮｂ３Ｓｎを含有し、
    前記ＬＴＳワイヤ（７）が、前記ＨＴＳＬテープ伝導体（４）から間隔をあけた第２端部（２４）の前の第２端部セクション（２４ａ）において追加のジョイント（９）を示し、前記追加のジョイント（９）は、前記ＬＴＳワイヤ（７）と前記追加のＬＴＳワイヤ（５）の端部セクションとを接続することを特徴とする請求項１から１９のいずれか１項に記載のマグネットコイルシステム（１）。
21. 前記マグネットコイルシステム（１）は、さらなるＬＴＳワイヤ（５６）を含み、前記ＨＴＳＬテープ伝導体（４）は、前記ＬＴＳワイヤ（７）に対するジョイント（６）をその第１の端部（１９）の前にある第１の端部セクション（１９ａ）において、および前記さらなるＬＴＳワイヤ（５６）に対するさらなるジョイント（５４）を前記ＨＴＳＬテープ伝導体（４）の第２の端部（５１）の前にある第２の端部セクション（５１ａ）において形成し、特に前記ＬＴＳワイヤ（７）および前記さらなるＬＴＳワイヤ（５６）は同じ超伝導ＬＴＳ材料を含有することを特徴とする請求項１から２０のいずれか１項に記載のマグネットコイルシステム（１）。
22. 前記請求項１から２１のいずれか１項に記載のマグネットコイルシステム（１）を有するＮＭＲ分光計（３１）。