JP6941703B2 - 強磁性シールドを介したフィールドクーリングにより超伝導バルク磁石を磁化するための超伝導磁石装置および方法 - Google Patents
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Description
−超伝導孔部を有する超伝導バルク磁石であって、この超伝導バルク磁石は回転対称軸z、およびこの回転対称軸zに垂直な平面内の最大外径ODbmを有し、超伝導ボアは、回転対称軸zに垂直な平面内の最小断面積Sboを有する、超伝導バルク磁石と、
−室温ボアを有するクライオスタットであって、超伝導バルク磁石をこのクライオスタット内に配置し、室温ボアを超伝導ボア内に配置している、クライオスタットと、
−シールドボアを有する強磁性シールド体であって、超伝導バルク磁石をこの強磁性シールド体のシールドボア内に配置し、この強磁性シールド体は、各々の軸方向端部で回転対称軸zに対して、少なくともODbm/3だけ超伝導バルク磁石から延出している、強磁性シールド体とを備え、
さらに、回転対称軸zに垂直であり、強磁性シールド体と交差しているすべての平面内における強磁性シールド体の断面積の平均として定義される、強磁性シールド体の平均断面積Sfbに対して、Sfb≧2.5*Sboが適用される、
超伝導磁石装置。
−T.Nakamura et al.,Journal of Magnetic Resonance 259(2015),68−75では、フープ応力に抵抗するために、複数のアルミニウムリングに挿入された6つのEuBa2Cu3Oyリングを含む、NMR用途およびMRI用途の超伝導バルク磁石について開示されている。
−M.Tsuchimoto and M.Morita,Physics Procedia 81(2016),170−173では、フィールドクーリング中のリングバルクHTSの応力評価について開示されている。フープ応力に抵抗するために、リングバルクHTSが複数の鉄リング内に配置されている。
−S.Kim et al.,IEEE Transactions on applied superconductivity,Vol.19,No.3,June 2009,2273−2276には、複数のHTSバルク環とその内部に配置された強磁性シミング用の複数の鉄リングの捕捉磁場特性について記載されている。
−S.Kim et al.,IEEE Transactions on applied superconductivity,Vol.28,No.3,April 2018,4301505には、磁場均一化を行うために複数の薄い鉄リングに挿入され、フィールドクーリングされた複数の積層型GdBCOバルク環について記載されている。
−H.Fujishiro et al.,Supercond.Sci.Technol.29(2016),084001では、ボアを有さずクライオスタット内に配置されるMgB2バルクが提案されており、ここではクライオスタットが軟鉄ヨーク間に配置されている。
−B.Gony et al.,IEEE/CSC superconductivity news forum(global edition)January 2015,ASC 2014 manuscript 3LPo2H−04では、ボアを有さず、超電導バルクを取り囲むEI型鉄心が提案されており、ここでは、励磁用コイルもこのIE型鉄心内に配置されている。
−B.Gony et al.,“Magnetization studies of a HTS bulk in a symmetrical iron core”,conference paper,October 2015(https://www.researchgate.net/publication/283056767からダウンロード可能)にも、ボアを有さず、磁化コイルに包囲されたYBCOバルクについて記載されており、ここでは、このYBCOバルクと磁化コイルとが鉄心によって包囲されている。
−M.D.Ainslie et al,Supercond.Sci.Technol.29(2016),074003には、バルクHTSの捕捉磁場性能を向上することについて記載されている。ここで、複数のHTSバルクはボアを有さず、かつ鉄ヨーク部の間に配置されている。バルクHTSは、冷却された銅クランプ試料ホルダに配置されている。
−特開平7−201560号公報には、磁場発生方法および装置が記載されており、ボアを有さないYBCOバルク超伝導体が強磁性フレームの下に配置され、ここでは、電磁コイルが強磁性フレームと係合した状態で配置されている。YBCO超伝導体バルク、電磁コイル、および強磁性フレームは、極低温容器内に配置されている。この装置により、磁気浮上などに用いられる強力な磁場がもたらされる。
−M.Itoh et al.,IEEE Transactions on applied superconductivity,Vol.3,No.1,March 1993,181−184では、長さ75mmの軟鉄シリンダ内にある内径5mm、長さ19mmのYBCOシリンダ内の磁場が調査され、その際、YBCOシリンダ内の磁場は、77Kで動作するホール装置を使用して測定された。
−M.Itoh et al.,IEEE Transactions on magnets,Vol.32,No.4,July 1996,2605−2608では、内径2.9mm、厚さ2.6mmの30mm長BPSCCOシリンダを覆う、最大6層の60mm長強磁性シリンダの遮蔽効果について調査された。
−G.P.Lousberg et al.,IEEE Transactions on applied superconductivity,Vol.20,No.1,Feb.2010,33−41では、円筒壁形状の強磁性シリンダに包囲された、同じ軸方向長の円筒壁形状のHTSの配置に対する、外部磁場の侵入に関する有限要素モデル計算について報告されている。
本発明の超伝導磁石装置の好ましい一実施形態では、超伝導バルク磁石の最小内径IDbmには、IDbm≧20mm、好ましくはIDbm≧30mm、最も好ましくはIDbm≧40mmが適用される。そのような寸法を用いることにより、超伝導ボア内の試料に接触できるように室温ボアを作製するにあたり、十分な空間が得られ、たとえばNMR実験の調査対象の試料を簡便に配置することが可能になる。典型的には、クライオスタットの室温ボアの最小直径は10mm以上、好ましくは20mm以上である。
−軸方向に沿って外径および/または内径が変化し、具体的には、軸方向に沿って半径方向厚さが変化し、かつ/または
−方位角位置の関数として半径方向厚さが変化し、具体的には、軸方向に沿った複数の溝を有し、かつ/または
−複数のボアホールを有する、
円筒壁形状、または略円筒壁形状を有するように設計している。少なくとも略円筒壁形状の強磁性シールド体を使用することで、捕捉された磁束密度の均一性を良好なレベルで達成することができる。強磁性シールド体を特別に成形することにより、超伝導バルク磁石によって保存される残留磁束密度の均一性を向上させることができる。なお概して、本発明によれば、超伝導磁石ボア内に捕捉された磁場(または磁束密度)は(励磁用磁石から本装置を取り外した後に)、室温ボア内の少なくとも5mm3の試料体積において典型的には100ppmまたはそれより良い均一性を達成し、または、別途シミング手段(室温ボア内に配置されたシミング装置を使用した、動的シミングなど)を設けない状態で、室温ボア内の少なくとも1mm3の試料体積において10ppmまたはそれより良い均一性を達成する。この試料体積は、概して超伝導バルク磁石の磁気中心に位置する。
−励磁ボアを有する励磁用電磁石と、
−上記の本発明の超伝導磁石装置とを備え、
本超伝導磁石装置の少なくとも一部を励磁ボア内に配置している。本発明の励磁装置により、コンパクトなシールド超伝導磁石装置をフィールドクーリング手順に用いることができ、この場合、強磁性シールド体を所定の位置に配置するために強い機械力を制御する必要がなく、また、超伝導ボア内に捕捉された磁束密度の良好な均一性および安定性を簡便に達成することができる。
さらに、本発明の範囲内に、超伝導磁石装置内の超伝導バルク磁石を励磁する方法があり、前記超伝導磁石装置は、
−超伝導ボアを有する超伝導バルク磁石であって、この超伝導バルク磁石は回転対称軸z、およびこの回転対称軸zに垂直な平面内の最大外径ODbmを有し、超伝導ボアは、回転対称軸zに垂直な平面内の最小断面積Sboを有する、超伝導バルク磁石と、
−室温ボアを有するクライオスタットであって、超伝導バルク磁石をこのクライオスタット内に配置し、室温ボアを超伝導ボア内に配置している、クライオスタットと、
−シールドボアを有する強磁性シールド体であって、超伝導バルク磁石をこの強磁性シールド体のシールドボア内に配置し、この強磁性シールド体は、各々の軸方向端部で回転対称軸zに対して、少なくともODbm/3だけ超伝導バルク磁石から延出している、強磁性シールド体とを備え、
さらに、回転対称軸zに垂直であり、強磁性シールド体と交差しているすべての平面内における強磁性シールド体の断面積の平均として定義される、強磁性シールド体の平均断面積Sfbに対して、Sfb≧2.5*Sboが適用され、
この強磁性シールド体をクライオスタット内に配置し、具体的には前記超伝導磁石装置を、上記の本発明の超伝導磁石装置として設計し、
前記方法は、
励磁用電磁石の励磁ボア内に、前記励磁用電磁石の少なくとも一部を配置するステップa)と、
少なくとも1つの電流を励磁用電磁石に印加することによって、励磁ボア内で磁束密度を発生させ、その結果超伝導バルク磁石の磁気中心(MC)に印加磁束密度Bappが存在するようにするステップb)であって、
この場合、超伝導バルク磁石の温度Tbmは、超伝導バルク磁石の臨界温度Tcritを超えている、ステップb)と、
この温度Tbmを、Tcrit未満に下げるステップc)と、
励磁用電磁石における少なくとも1つの電流をオフにするステップd)であって、その際Tbm<Tcritとすることにより、残留磁束密度Bboが磁気中心に保存されるようにする、ステップd)と、
励磁ボアから前記超伝導磁石装置を取り外して、Tbm<Tcritを維持するステップe)とを含む。
−超伝導バルク磁石の形状および/または強磁性シールド体の形状を選択することにより、
−かつステップe)の後、クライオスタット内の強磁性シールド体の温度を制御することにより、
磁気中心(MC)に対して+5mmから−5mmまでの位置における回転対称軸(z)上の磁束密度を、ステップe)の後、Bboが100ppm以内になるよう維持している一変形形態である。その後、室温ボアにおいて、NMR測定などのとりわけ精密な測定を、超伝導ボア内における磁気中心にある試料体積に対して実行してもよい。
2 超伝導磁石装置
3 励磁用電磁石
4 励磁用コイル
5 励磁用クライオスタット
6 励磁ボア
7 クライオスタット(強磁性シールド体および超伝導バルク磁石用)
8 室温ボア
9 超伝導バルク磁石
10 超伝導ボア
11 強磁性シールド体
12 シールドボア
13 スペーサ
14 試料体積
15 試料
16 ベース構造体
17 ロッド
20 磁力線
30 溝
31 溝
32 溝
33 本体
34 端部キャップ
35 端部キャップ
B 磁束密度
Bapp 印加磁束密度
Bbo 残留磁束密度
EXsb 超伝導バルク磁石に対する強磁性シールド体の軸方向延出部分
I 電流(励磁用磁石に印加)
I0 最大電流(励磁用磁石に印加)
IDbm 超伝導バルク磁石の(最小)内径
LB 磁束密度測定の位置(励磁用磁石の内側であって強磁性シールド体の外側)
Lbm 超伝導バルク磁石の軸方向長
MC 磁気中心(超伝導バルク磁石/超伝導磁石装置の)
ODbm 超伝導バルク磁石の(最大)外径
Sfb 強磁性シールド体の平均断面積
Sbo 超伝導ボアの最小断面積
Tbm 超伝導バルク磁石の温度
Tcrit 超伝導バルク磁石の臨界温度
z 超伝導バルク磁石の回転対称軸/軸方向
Claims (15)
- 超伝導磁石装置(2)であって、
−超伝導ボア(10)を有する超伝導バルク磁石(9)であって、前記超伝導バルク磁石(9)は回転対称軸(z)、および前記回転対称軸(z)に垂直な平面内の最大外径ODbmを有し、前記超伝導ボア(10)は、前記回転対称軸(z)に垂直な平面内の最小断面積Sboを有する、超伝導バルク磁石(9)と、
−室温ボア(8)を有する含むクライオスタット(7)であって、前記超伝導バルク磁石(9)を前記クライオスタット(7)内に配置し、前記室温ボア(8)を前記超伝導ボア(10)内に配置している、クライオスタット(7)と、
−シールドボア(12)を有する強磁性シールド体(11)であって、前記超伝導バルク磁石(9)を前記強磁性シールド体(11)の前記シールドボア(12)内に配置し、前記強磁性シールド体(11)は、各々の軸方向端部で前記回転対称軸(z)に対して、少なくともODbm/3だけ前記超伝導バルク磁石(9)から延出している、強磁性シールド体(11)とを備え、
さらに、前記回転対称軸(z)に垂直であり、前記強磁性シールド体(11)と交差しているすべての平面内における前記強磁性シールド体(11)の断面積の平均として定義される、前記強磁性シールド体(11)の平均断面積Sfbに対して、Sfb≧2.5*Sboが適用される超伝導磁石装置(2)において、
前記強磁性シールド体(11)を前記クライオスタット(7)内に配置していることを特徴とする、
超伝導磁石装置(2)。 - 前記超伝導バルク磁石(9)の最小内径IDbmには、
IDbm≧20mm、
好ましくはIDbm≧30mm、
最も好ましくはIDbm≧40mm
が適用されることを特徴とする、請求項1に記載の超伝導磁石装置(2)。 - 前記超伝導バルク磁石(9)が前記回転対称軸(z)の方向に軸方向長Lbmを有し、Lbm≧2.5*IDbmとなり、IDbmが前記超伝導バルク磁石(9)の最小内径であることを特徴とする、請求項1または2のいずれか一項に記載の超伝導磁石装置(2)。
- 前記強磁性シールド体(11)が強磁性端部キャップ(34、35)を備え、前記端部キャップ(34、35)が、各々の軸方向端部で前記超伝導バルク磁石(9)の半径方向厚さの少なくとも一部を覆って半径方向内側に向かって延在していることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の超伝導磁石装置(2)。
- 前記クライオスタット(7)が、前記強磁性シールド体(11)の温度を制御するための制御装置を含むことを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の超伝導磁石装置(2)。
- −前記軸方向(z)に沿って外径および/または内径が変化し、具体的には、前記軸方向(z)に沿って半径方向厚さが変化し、かつ/または
−方位角位置の関数として半径方向厚さが変化し、具体的には、前記軸方向(z)に沿った複数の溝を有し、かつ/または
−複数のボアホールを有する、
円筒壁形状、または略円筒壁形状を有するように、前記強磁性シールド体(11)を設計していることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の超伝導磁石装置(2)。 - 前記超伝導バルク磁石(9)が励磁状態であり、残留磁束強度Bboが前記超伝導バルク磁石(9)によってその磁気中心(MC)に保存されることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の超伝導磁石装置(2)。
- Bbo≧3.5テスラ、好ましくはBbo≧5.0テスラ、最も好ましくはBbo≧7.0テスラであることを特徴とする、請求項7に記載の超伝導磁石装置(2)。
- 前記室温ボア(8)の外側、および前記クライオスタット(7)の外側のいずれであっても漂遊磁場が15ガウス以下、好ましくは5ガウス以下の大きさを有するように、前記超伝導磁石装置(2)、具体的には前記強磁性シールド体(11)を構成していることを特徴とする、請求項7または8に記載の超伝導磁石装置(2)。
- 前記強磁性シールド体(11)が、その最大磁化の少なくとも70%の磁化になっていることを特徴とする、請求項7から9のいずれか一項に記載の超伝導磁石装置(2)。
- 励磁装置(1)であって、
−励磁ボア(6)を有する励磁用電磁石(3)と、
−請求項1から10のいずれか一項に記載の超伝導磁石装置(2)とを備え、
前記超伝導磁石装置(2)の少なくとも一部を、前記励磁ボア(6)内に配置している、励磁装置(1)。 - 試料(15)を前記室温ボア(8)内に配置し、また前記超伝導バルク磁石(9)によってその磁気中心(MC)に保存される前記残留磁束密度Bboに前記試料(15)を晒すことと、前記室温ボア(8)内の前記試料(15)に対してNMR測定を実行することとを特徴とする、請求項7から10のいずれか一項に記載の超伝導磁石装置(2)の使用。
- 超伝導磁石装置(2)内の超伝導バルク磁石(9)を励磁する方法であって、前記超伝導磁石装置(2)は、
−超伝導ボア(10)を有する前記超伝導バルク磁石(9)であって、前記超伝導バルク磁石(9)は回転対称軸(z)、および前記回転対称軸(z)に垂直な平面内の最大外径ODbmを有し、前記超伝導ボア(10)は、前記回転対称軸(z)に垂直な平面内の最小断面積Sboを有する、超伝導バルク磁石(9)と、
−室温ボア(8)を有するクライオスタット(7)であって、前記超伝導バルク磁石(9)を前記クライオスタット(7)内に配置し、前記室温ボア(8)を前記超伝導ボア(10)内に配置している、クライオスタット(7)と、
−シールドボア(12)を有する強磁性シールド体(11)であって、前記超伝導バルク磁石(9)を前記強磁性シールド体(11)の前記シールドボア(12)内に配置し、前記強磁性シールド体(11)は、各々の軸方向端部で前記回転対称軸(z)に対して、少なくともODbm/3だけ前記超伝導バルク磁石(9)から延出している、強磁性シールド体(11)とを備え、
さらに、前記回転対称軸(z)に垂直であり、前記強磁性シールド体(11)と交差しているすべての平面内における前記強磁性シールド体(11)の断面積の平均として定義される、前記強磁性シールド体(11)の平均断面積Sfbに対して、Sfb≧2.5*Sboが適用され、
前記強磁性シールド体(11)を前記クライオスタット(7)内に配置し、
具体的には前記超伝導磁石装置(2)を、請求項1から10のいずれか一項に従って設計し、
前記方法は、
励磁用電磁石(3)の励磁ボア(6)内に、前記超伝導磁石装置(2)の少なくとも一部を配置するステップa)と、
少なくとも1つの電流(I0)を前記励磁用電磁石(3)に印加することによって、前記励磁ボア(6)内で磁束密度を発生させ、その結果前記超伝導バルク磁石(9)の磁気中心(MC)に印加磁束密度Bappが存在するようにするステップb)であって、
この場合、前記超伝導バルク磁石(9)の温度Tbmは、前記超伝導バルク磁石(9)の臨界温度Tcritを超えている、ステップb)と、
前記温度Tbmを、Tcrit未満に下げるステップc)と、
前記励磁用電磁石(3)における前記少なくとも1つの電流(I0)をオフにするステップd)であって、その際Tbm<Tcritとすることにより、残留磁束密度Bboが前記磁気中心(MC)に保存されるようにする、ステップd)と、
前記励磁ボア(6)から前記超伝導磁石装置(2)を取り外し、Tbm<Tcritを維持するステップe)とを含む
方法。 - ステップb)において、前記少なくとも1つの電流(I0)を
Bapp≧3.5テスラ、
好ましくはBapp≧5テスラ、
最も好ましくはBapp≧7テスラ
となるように選択している、請求項13に記載の方法。 - −前記超伝導バルク磁石(9)の形状および/または前記強磁性シールド体(11)の形状を選択することにより、
−かつステップe)の後、前記クライオスタット(7)内の前記強磁性シールド体(11)の温度を制御することにより、
前記磁気中心(MC)に対して+5mmから−5mmまでの位置における前記回転対称軸(z)上の前記磁束密度を、ステップe)の後、Bboが100ppm以内になるよう維持していることを特徴とする、請求項13または14に記載の方法。
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