JPH08204384A - 磁界発生源の超電導磁気シールド体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 強磁界発生源の磁気シールドに超電導体を利
用する技術として、従来の円筒構造だけでは円筒軸方向
への磁界の漏洩が大きく、シールド効果は十分ではなか
った。本発明は、筒型の軸方向への漏洩を低減すること
で、全体の漏洩磁界を低減することができる超電導磁気
シールド体を提供することにある。 【構成】 筒型超電導磁気シールド体の開口端部の内方
向に超電導材からなる鍔を設け、該鍔の母線の角度およ
び内径の大きさを限定した筒型超電導磁気シールド体。
または該筒型シールド体の開口端部内部に超電導材から
なる小型の筒型または／およびドーナッツ状板を１ヶ以
上設置した筒型超電導磁気シールド体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導マグネット等の
磁界発生源の周囲を覆い、発生磁界の外部への漏洩を効
率よく磁気シールドできる超電導磁気シールド構造に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年では、超電導マグネットによる強磁
界発生源を利用した装置が考案、実用化されている。こ
のような装置では、強磁界発生源による磁界が周囲に漏
洩し、精密電子機器やＣＲＴ装置に悪影響を及ぼすこと
がある。そのため、このような装置では磁気シールド装
置を含めた装置開発がおこなわれている。

【０００３】この磁気シールドに超電導体を利用する技
術は、従来、円筒構造をもつ超電導体が超電導マグネッ
トと同軸に配置したシールド体が知られている。また、
軸方向に垂直に分割されていてもシールド効果があるた
め、ディスク状円環板を多数積み重ねた円筒超電導磁気
シールド構造（特開平２−９７０９８号公報）なども知
られている。このように単に筒型による磁気シールド効
果は、その製造方法も含めていくつか提案されている。

【０００４】しかしＭＲＩなどの強磁界発生源をシール
ドする際、従来の円筒構造だけでは、漏洩磁界の大幅な
低減は望めなかった。というのも円筒開口端部より円筒
軸方向への磁界の漏れに対して、従来の円筒構造では有
効でないためである。円筒の長さを長くし、対処するこ
とも考えられるが、この対処方法だとかなりの長さを必
要とするため、設置空間の観点から実用的ではない。こ
のことから円筒の底面部分にも超電導磁気シールド体で
覆い、出来るだけ磁界発生源を覆う構造が必要となる。

【０００５】但し、実用上、マグネットを完全に覆うこ
とはできないため、底面部分の超電導磁気シールド体に
穴がある構造が必要となる。この穴があることで、穴の
付近の超電導磁気シールド体に高磁界が集中し、筒型端
部の磁気シールト能力が低下し、充分なシールド効果が
得られないと言う問題点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、単なる筒型
の超電導磁気シールドでなく、筒型の軸方向への漏洩を
低減することで、全体の漏洩磁界を低減することができ
る超電導磁気シールド体の構造を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明で使用する“鍔の
部分”とは、模式図の図１に示す２１および２２に対応
する部分である。又、“母線”とは、断面模式図の図２
に示す１５に対応する部分である。

【０００８】本発明の第１の特徴は、筒型超電導磁気シ
ールド体において、該シールド体の開口端部の内方向に
超電導材からなる鍔を設け、該鍔の母線と筒型シールド
体の中心軸が１５〜７５度の角度（図２の６）を有する
ことを特徴とする筒型超電導磁気シールド体である。

【０００９】本発明の第２の特徴は、筒型超電導磁気シ
ールド体において、該シールド体の開口端部の内方向に
超電導材からなる鍔を設け、該鍔の内開口径（図３の１
０）が該シールド体内部に設置されるマグネットの内径
（図３の９）の０．７〜１であることを特徴とする筒型
超電導磁気シールド体である。図３において開口径１０
の長さが、長さ９の０％より大きく、３０％以下までに
達することを意味する。

【００１０】本発明の第３の特徴は、請求項１または２
において、該鍔の内開口端部（図８の８）に該シールド
体と同軸上に、小型の筒型超電導体を１ヶ以上有するこ
とを特徴とする筒型超電導磁気シールド体である。図４
（ａ）が、小型の筒型を一体ものとして構成した超電導
磁気シールド方法の１例であり、図４（ｂ）が、部分的
に小型の筒型１″を配置した超電導磁気シールド体の１
例である。

【００１１】本発明の第４の特徴は、筒型超電導磁気シ
ールド体において、該シールド体の開口端部の内部に超
電導材料からなる小型の筒型または／およびドーナッツ
状板を１ヶ以上設置することを特徴とする筒型超電導磁
気シールド体である。本方法の例を図５（ａ）または図
５（ｂ）にしめす。

【００１２】本発明の第５の特徴は、請求項３または４
において、該小型の筒型または／およびドーナッツ状板
の超電導層が、同心状に積層されている多層構造を有す
ることを特徴とする筒型超電導磁気シールド体である。
本構造の例を図６（ａ）および（ｂ）にしめす。

【００１３】

【作用】本発明は、大きく分けて２つの方法で漏洩磁界
を低減することを提案している。１つは超電導磁気シー
ルド体にかかる集中磁界の大きさをできるだけ低く抑え
る形状を選ぶ方法である。つまり印加磁界が増せば、超
電導体内に流せる最大の遮蔽電流密度（臨海電流密度）
が減少し、磁気シールド能力が低下し、漏洩磁界も大き
くなる。そのため逆にシールド体にかかる集中磁界の大
きさをできるだけ低く抑える形状を選べば、磁気シール
ド能力が向上し、結果的に漏洩磁界を低減することがで
きる。請求項１および２がこれに対応している。これら
の請求項は超電導磁気シールド体にかかる集中磁界の大
きさが高い部分（開口端部の図１の８または８′のよう
な鍔の部分）を鍔の形状寸法により解決策を図ってい
る。即ち、特に超電導体への集中磁界の侵入は、鍔の端
部部分から始まるため、この鍔の端部部分に大きな集中
磁界を与えない形状工夫が請求項１および２で提案して
いる。

【００１４】また、もう１つの方法は、超電導磁気シー
ルド体にかかる集中磁界の大きさが高い部分を効率よく
補強することで、漏洩磁界を低く抑える方法である。印
加磁界が増せば、超電導体内に流せる最大の遮蔽電流密
度（臨海電流密度）が減少し、磁気シールド能力が低下
し、漏洩磁界も大きくなる。そのためシールド体を流せ
る電流の断面積を広くとることによって、磁気シールド
能力が向上し、結果的に漏洩磁界を低減することができ
る。請求項３、４および５がこれに対応している。これ
らの請求項は超電導磁気シールド体にかかる集中磁界の
大きさが高い部分（鍔の端部）に流せる電流を増加させ
る解決策を図っている。即ち、特に超電導体への磁界の
侵入は、鍔の端部部分から始まるため、この鍔の端部部
分を流れる超電導遮蔽電流の断面積を広くとることで効
率よく、磁気シールドできる形状工夫が請求項３および
５で提案されている。

【００１５】以下、本発明について詳細に説明する。ま
ず請求項１における角度の限定理由について説明する。
超電導磁気シールド体を完全反磁性としてとらえると、
超電導磁気シールド体は磁界に対して磁気映像としての
役割を果たす（図７参照）。つまりシールド体表面近傍
の磁界は、マグネットに流れる電流がつくる磁界４と、
その鏡像として超電導体内に流れる鏡像電流がつくる磁
界４′の和５として現れ、結果的に超電導体表面には磁
束が侵入しない。そこで図２のような角度６をつける
と、超電導体内に流れる鏡像電流がつくる磁界４とマグ
ネットに流れる電流がつくる磁界４′とを遠ざけること
が出来て、両電流のつくる磁界の和である超電導体表面
にかかる集中磁界が低減する。結果的に超電導体付近の
磁界の低減をはかることができ、超電導体に流れる遮蔽
電流を大きくすることで、高いシールド効果が得られ
る。しかもマグネットの中心軸に対して角度６が７５度
から９０度までは超電導体内に流れる鏡像電流をずらす
効果が得られないし、０度から１５度までは、鍔の効果
がほとんどなく、集中磁界の漏洩低減の効果が得られな
い。この理由から鍔の接線は、マグネットの中心軸に対
して角度６が１５度から７５度までとした（図２参
照）。

【００１６】請求項２における筒型超電導磁気シールド
体の開口端部に設けた鍔の内開口径が、マグネットの内
径の０．７〜１を限定した理由について説明する。超電
導体内への集中磁界の侵入は、鍔の端部部分から始まる
ため、この鍔の端部部分に大きな集中磁界を与えないこ
とで超電導磁気シールドの破れを防ぎ、磁気遮蔽効果を
高める方法である。これは、図８に示すように鍔の端部
８がマグネットゾーン７にかからないよう、幾分長めに
取ることが望ましい。このマグネットゾーンは、先述の
超電導体内に流れる鏡像電流とマグネットに流れる電流
とがつくる磁界の和が最も大きくなる領域である。その
ため鍔の端部がこのマグネットゾーンにあると、端部で
の集中磁界は急激に増加し、磁気遮蔽効果を低下させて
しまい、漏洩磁界が大きくなる結果となる。また鍔の端
部がマグネットゾーンにかからない場合でも、マグネッ
トゾーンより短いと漏洩磁界が大きくなってしまい、意
味がない。よって鍔の端部がマグネットゾーンを超えて
いれば、鍔の端部が磁界の和が最も大きくなる領域から
遠ざけることができる。これにより超電導体内に侵入す
る磁界を低減でき、結果的に磁気遮蔽効果を増し、漏洩
磁界を低減できる。また、０．７より小さいと実用上問
題となること及び０．７付近で効果の向上代が小さくな
るためである。

【００１７】請求項３における、鍔の内開口部に該シー
ルド体と同軸上に、小型の筒型超電導体を１ヶ以上有す
ることについて説明する。先述のように超電導体内への
集中磁界の侵入は、鍔の端部部分から始まる。よって、
鍔の端部部分に小型の筒型をつけることで、この鍔の端
部部分に流れる超電導遮蔽電流の断面積を広くとること
ができ、磁気遮蔽効果を高め、漏洩磁界を低く抑えるこ
とができる。この小型の筒型は、図４に示すように本体
の超電導磁気シールド体と一体なもの１′でも、部分的
に配置されたもの１″でもこの効果は有効である。

【００１８】請求項４における、シールド体の開口端部
の内部に超電導材料からなる小型の筒型または／および
ドーナッツ状板を１ヶ以上設置することについて説明す
る。超電導磁気シールド体の磁気遮蔽能力は、超電導体
内部に流れる超電導遮蔽電流が担っている。そのため特
徴を生かすには、超電導磁気シールド体内をできるだけ
大きな遮蔽電流を流せる構造が必要である。つまり超電
導遮蔽電流が流れる断面積を大きくする必要がある。超
電導板材では、厚みを厚くするのは板材を重ねることで
しか対応できなかった。そこで小型の筒型を複数個配置
することで、超電導遮蔽電流が流れる断面積を筒型の長
さで稼ぐことができる。また遮蔽効果は、超電導遮蔽電
流が担っているので、図５及び図６のように筒型を２つ
以上配置することで同心上に超電導磁気シールド体が一
部存在しない場合でも、遮蔽効果は筒型の長さを長くす
ることで十分効果がある。

【００１９】また、小型の筒型または／およびドーナッ
ツ状板のシールド体はできるだけ数多く配置される方が
好ましい。というのも小型の筒型または／およびドーナ
ッツ状板の内径と外径の差が大きい肉厚の形状で数少な
く覆うよりも、肉薄の形状で数多く覆う方がシールド効
果がより高く、シールド体としては好ましいためであ
る。

【００２０】請求項５における、小型の筒型または／お
よびドーナッツ状板の超電導層が、同心状に積層されて
いる多層構造について説明する。超電導体が層状構造を
もつ場合、積層面に並行な磁界での方が積層面に垂直の
場合より、超電導体を流れる臨海電流密度が高いことが
一般に知られている。特にＮｂ−Ｔｉ系合金超電導体
で、Ｃｕなどの金属層との多層板で構成された材料は上
記の効果が顕著である。そのため磁界の方向と超電導体
の積層方向とができるだけ一致するように配置すれば、
超電導体を流れる臨界電流密度が大きくなり、結果的に
磁気シールド効果を高めることになる。先述の請求項３
および４での小型筒内は、円筒軸方向成分の磁界が大き
くなると予測され、したがって小型の筒型には、小型の
筒型の軸方向に超電導体の積層面をもつ構造が磁気シー
ルドとして有効である。また図９のように小型の筒型が
台形型の円筒１４でもよく、磁界の方向によってはこの
方が好ましい場合がある。

【００２１】

【実施例】磁界発生源としては外径２９０mm、内径２７
０mm、長さ３６０mmの超電導マグネットを使用した。測
定にはマグネット中心磁界が１．５テスラの状態で行っ
た。また超電導磁気シールド体としては、厚さ１mm、外
径４００mm、長さ４００mmのＣｕ／Ｎｂ−Ｔｉ多層円筒
を用いた。これを１組使い、磁界発生源に対して同軸に
覆った。磁界の測定にはガウスメーターおよびホール素
子を用いた。また、実施例３から５での５ガウス領域の
減少は、底面の一部が径２７０mmの穴の空いた鍔附きの
Ｃｕ／Ｎｂ−Ｔｉ多層円筒での５ガウス領域を基準とし
た。

【００２２】（実施例１）超電導磁気シールド体とし
て、底面の一部が径２７０mmの穴の空いた鍔附きのＣｕ
／Ｎｂ−Ｔｉ多層円筒を用いた。底面と円筒軸のなす角
度は１５度刻みで０度から９０度までの７種類で実験を
おこなった。マグネット励磁状態での、底面と円筒軸の
なす角度の違いによる、５ガウス領域面積を測定した。
その結果を図１０に示す。角度が９０度の場合の５ガウ
ス領域面積で規格化している。図から分かるように、角
度付けることで漏洩磁界が減少し、磁気シールド効果が
向上している。

【００２３】（実施例２）Ｃｕ／Ｎｂ−Ｔｉ多層円筒の
底面の穴（鍔の内開口径）の大きさをかえた場合の５ガ
ウス領域面積を測定した。その結果を図１１に示す。図
から分かるように、超電導磁気シールドの底面の開口端
部が、マグネットの内径を超えてマグネット内径の長さ
の３０％以下まで覆うことで漏洩磁界が減少し、磁気シ
ールド効果が向上している。

【００２４】（実施例３）超電導磁気シールド体とし
て、底面の一部が径２７２mmの穴の空いた鍔附きのＣｕ
／Ｎｂ−Ｔｉ多層円筒を用いた。これに外径２７２mm、
厚さ２mm、長さ３０mmのＣｕ／Ｎｂ−Ｔｉ多層円筒を鍔
の端部に装着し、５ガウス領域面積を測定し、底面の一
部が径２７０mmの穴の空いた鍔附きのＣｕ／Ｎｂ−Ｔｉ
多層円筒で何も装着しない場合と比較した。結果とし
て、鍔の端部に小型の円筒を装着することで５ガウス領
域は４８％減少し、磁気シールド効果が向上しているこ
とが分かった。

【００２５】（実施例４）超電導磁気シールド体とし
て、底面が全く無いＣｕ／Ｎｂ−Ｔｉ多層円筒を基本と
し、これに厚さ６mm、幅１３mm、外径が２８３mmから３
８７mmまで１３mmきざみ、合計５個の小型円筒形の超電
導磁気シールド体を同心状にし、上記の底面が全く無い
Ｃｕ／Ｎｂ−Ｔｉ多層円筒の鍔の端部に配置した。結果
として、５個の小型の円筒を装着することで５ガウス領
域は１６％減少し、磁気シールド効果が向上しているこ
とが分かった。

【００２６】（実施例５）超電導磁気シールド体とし
て、底面が全く無いＣｕ／Ｎｂ−Ｔｉ多層円筒を用い
た。これに長さ２０mm外径が２７０mmから３９０mmまで
１０mmきざみ、合計１３種類の円筒型超電導磁気シール
ド体を同心状にし、上記の底面が全く無いＣｕ／Ｎｂ−
Ｔｉ多層円筒の鍔の端部に配置した。結果として、１３
個の小型の円筒を装着することで５ガウス領域は２９％
減少し、磁気シールド効果が向上していることが分かっ
た。

【００２７】

【発明の効果】本発明の超電導磁気シールド体によれ
ば、筒型の軸方向への漏洩を低減することで、全体の漏
洩磁界を低減することができ、発生磁界の外部への漏洩
を良好に磁気シールドすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】超電導磁気シールドの一部に底面（鍔）を有す
る筒型の断面図及び斜視図（ａ）及び超電導磁気シール
ドの底面の全く底を有さない筒型の断面図及び斜視図
（ｂ）。

【図２】超電導磁気シールドの一部に底面（鍔）を有す
る筒型において、底面がマグネットの中心軸に対してあ
る角度をもった場合の超電導磁気シールド体の断面模式
図及び斜視図。

【図３】超電導磁気シールドの一部に底面（鍔）を有す
る筒型において、底面（鍔の内開口端部）がマグネット
の内径を超えて覆う場合の断面図及び断面斜視図。

【図４】（ａ）は超電導磁気シールドの一部に底面
（鍔）を有する筒型に対して、鍔の開口端部に全く底を
有さない小型の筒型が一体ものとなる場合の断面図の１
例、（ｂ）は小型の筒型を鍔開口端部に配置した場合の
断面図の１例。

【図５】（ａ）は全く底を有さない筒型において、それ
より小型の全く底を有さない小型の筒型を複数個配置し
た場合の断面図の１例、（ｂ）は一部に底面（鍔）を有
する筒型において、それより小型の全く底を有さない筒
型を複数個配置した場合の断面図の１例。

【図６】（ａ）図５（ａ）の形状で超電導金属層が筒型
の軸を中心とした同心状に積層されている多層構造をも
つ場合の断面図の１例、（ｂ）は図５（ｂ）の形状で超
電導金属層が筒型の軸を中心とした同心状に積層されて
いる多層構造をもつ場合の断面図の１例。

【図７】磁界発生源に対する超電導磁気シールド体によ
る磁気映像効果の断面模式図及び斜視図。

【図８】超電導磁気シールドの一部に底面（鍔）を有す
る筒型の断面図及び断面斜視図。

【図９】小型の台形型の円筒超電導磁気シールドの断面
斜視図及び斜視図。

【図１０】本発明における実施例１の測定結果のグラ
フ。

【図１１】本発明における実施例２の測定結果のグラ
フ。

【符号の説明】

１ 超電導磁気シールド体（底面の一部に底面を有す
る筒型） １′ 超電導磁気シールド体（底面の一部に底面を有す
る筒型に小型の円筒が一体ものとして構成されたもの） １″ 超電導磁気シールド体（全く底面を有さない小型
の円筒） ２ 磁界発生源 ３ 磁界発生源の鏡像 ４ 磁界発生源による磁界 ４′ 磁界発生源の鏡像による鏡像磁界 ５ 現実に加わる磁界（４と４′の和） ６ 超電導磁気シールドの底面の一部がマグネットの
中心軸となす角度 ７ マグネットゾーン ８ 鍔の端部（一部に底面を有する筒型において） ８′ 鍔の端部（全く底面を有さない筒型において） ９ マグネットの内径の長さ １０ 鍔の長さ（マグネット内径を超えて内側に出た
長さ） １０′ 鍔の内開口径の長さ １１ 超電導磁気シールド体（全く底面を有さない円
筒） １２ 同心状の小型超電導磁気シールド体（全く底面
を有さない円筒） １３ 内部に軸を中心に超電導層が積層した構造をも
つ同心状の小型超電導磁気シールド体（全く底面を有さ
ない円筒） １４ 内部に軸を中心に超電導層が積層した構造をも
つ同心状の小型超電導磁気シールド体（全く底面を有さ
ない台形型の円筒） １５ 鍔の母線 ２１ 鍔の部分（一部に底面を有する筒型において） ２２ 鍔の部分（全く底面を有さない筒型において）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 郁夫 東京都千代田区大手町２−６−３ 新日本 製鐵株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒型超電導磁気シールド体において、該
   シールド体の開口端部の内方向に超電導材からなる鍔を
   設け、該鍔の母線と筒型シールド体の中心軸が１５〜７
   ５度の角度を有することを特徴とする筒型超電導磁気シ
   ールド体。
2. 【請求項２】 筒型超電導磁気シールド体において、該
   シールド体の開口端部の内方向に超電導材からなる鍔を
   設け、該鍔の内開口径が該シールド体内部に設置される
   マグネット内径の０．７〜１であることを特徴とする筒
   型超電導磁気シールド体。
3. 【請求項３】 該鍔の内開孔部に該シールド体と同軸上
   に、小型の筒型超電導体を１ヶ以上有することを特徴と
   する請求項１または２記載の筒型超電導磁気シールド
   体。
4. 【請求項４】 筒型超電導磁気シールド体において、該
   シールド体の開口端部の内部に、超電導材料からなる小
   型の筒型または／およびドーナッツ状板を１ヶ以上設置
   することを特徴とする筒型超電導磁気シールド体。
5. 【請求項５】 該小型の筒型または／およびドーナッツ
   状板の超電導層が、同心状に積層されている多層構造を
   特徴とする請求項３または４記載の筒型超電導磁気シー
   ルド体。