JPS5999708A - 均一磁場発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発ｌ：１−Ｊは、磁界の空間的均一度を高めるため
の、磁界分布の補正技術を使用した均一磁場発生装置に
関するものである。

従来、この種の装置として第１図に示すものがめった。

図において、（１）は永久磁石、（１ａ）は、この永久
磁石（１）の磁極表面、（２）は、上記永久磁石（１）
の磁極表面（１ａ）に隣接する平面内にとりつけられた
磁界補正コイル、（３）は、上記磁極表面（１ａ）間の
中心にある高均一磁界領域であり、球によりこの高均一
磁界領域を表わす。また、座標軸Ｘ−Ｙ−極 ２も図示したが、座標の原点は２１固の磁ＷＦ表面（ｌ
ａ）の中心面にとる。永久磁石（１）ばｚ軸の正の方向
に主磁界成分が現われるような極性である。

磁極発向（１ａ）と、磁界補正コイル（２）の取付けら
れた表面とはお互に平行である。

磁界補正コイル（２）は、シムコイルとも呼ばれ、ＮＭ
Ｒ（核磁気共鳴）を用い杢分析装置などの高均一磁界を
必要とする装置には不可欠のコイルである。第１図に示
した磁界補正コイルは、Ｚ軸方向の磁界Ｈｚが、座標２
に比例して変化する場合に、このような成分を打消すよ
うな出力を発生させるコイルであり、一般にはｚ１シム
コイル呼ばれ様々な種類があるシムコイルの中の１傭で
ある。また第１図に示した２蘭の磁界補正コイルのアン
ペアターンは等しく、″一流は、図中に矢印で示したよ
うに、逆向きである。

次に動作について説明する。２個の永久磁石（１）がつ
くる磁界はｚ軸方向に主磁界成分Ｈｚｓをもつが、磁極
表面は有限の大きさであるから、磁力線（図示しない）
がＺ４１］とは全て平行とはならない。

そのため、Ｈｚが空間的に変化し、空間的な磁界均一度
を高くすることができないので、均一度の高い磁界を得
るために磁界補正コイル（２）を用いる。

磁界補正コイル（２）は、五磁界成分Ｈｚ中に２に比例
して変化するような微弱な成分７Ｈｚが含まれ、永久磁
石（１）の作る全磁界が、Ｈｚ＋ΔＨ２−Ｚと表わせる
場合に磁界の補正かり能なコイルである。磁界補正コイ
ル（２）のアンペアターンを調整することにより、磁界
補正コイル（２）の出力磁界が−ΔＨ２−Ｚとすれば、
永久磁石（１）と、磁界補正コイル（２）との合成磁界
のＺＷ分は、Ｈ２十ΔＨｚ・Ｚ−ΔＨｚ−Ｚ＝Ｈｚとな
るので、ｚＩｌ！ｉｌ］と共に全く変化しない磁界を発
生させることができる。但し、磁界補正コイル（２）が
２に比例した磁界を発生できる直載は限られて？す、磁
界補正コイル（２）の近くでば２と比クリした磁界出力
はｒ鰺られない。従って、必要とする高均一磁界領域（
３）は、磁界補正コイル（２）から十分離れねばならぬ
０ 上記のような従来の技術の磁界補正コイル（２）は、高
均一磁界領域（３）から、できる限り離れた位−に取付
けられ、また対をなすコイルな、Ｚ−〇而に対して対称
配置となっている。

但しｚ軸の両端には永久磁石（１）があるので、磁極表
ＵｋＪ（ｌａ）より外側に磁界補正コイルを取付けるこ
とばできない。

１１１ｉ１の磁界補正コイル（２）は４本の直線導体に
より構成されているが、ｚＬＩＩＩＩＩに比例するよう
な磁界と 出力を発生させるのに必要：なる導体は、Ｙ軸に平行な
２本の部体のみであり４Ｘ軸に平行な２本の導体は、こ
こでは単に渡り線としての意味しかない。

従来の磁界補正コイル（２）は以上のように構成されて
いるので、磁界補正コイル（２）は、永久磁石（１）ｉ
磁極表面（１ａ）間にしか設置できないので、多種類の
磁界補正コイル（２）を取付けると、そのた・めに広い
壁間を必要とし磁極表面（１り間に存在する高均−磁が
領域（３）が狭められてしまい、′高均−ＩＩａ界領域
（３）中に、２−（、被測定試、Ｉ４（図示しない）の
犬ささが著しく制限される。もちろん１．永久磁石（１
）を大型・化し、磁極１＃Ｊ距離を長くすれば、□上記
の問題は解決するが、この場合には、永久磁石（１）が
著しく篩価になるので、改良の対象となる・方法ではな
い。。

また、磁界補正効果を発揮するためには、磁極表面・（
１ａ）に隣接した平面内ＫＩｌａ界補正コイルを県中し
て設置する必要があり、高均一磁界領域（３）をできる
限り広くとる。という覗点から、、シて様々な２座標を
もつように二ｚ軸上に分布して磁界補正コイル群を取付
けることはでさ、ないので、コイル取付１痔の作業性が
著しく悪い また、従来の磁界補正コイル（２）が、直昇の補正を行
い得る高均一磁界領域は狭く、一般には、区で 径１０ｍｍｇ度あり、これ以上の値域を高均一磁界化す
るのには適さない。

この発明け、上記のような従来のものの欠点を除去する
だめになされたもので、同じ直径をもつ円形コイルをＺ
　４１１Ｂ上・に広く分布させることにより、被測定試
料の大きさを磁界補正・コイル出芽が４川限することが
なく、また、コイル取付時の作朶性を著しく向上させた
磁界補正コイルを提供するととを目的としている。　　
　　　　　　　　　・以下、この発明の一英施例を第２
図、第３図について説明する。第２図において、（２１
）は主ソレノイドコイルである。主ソレノイドコイル（
２１）の主ソレノイドコイルの中心に高均一磁界領域（
３）を示す、と共に・座標４１１１　Ｚ　Ｌ−、’Ｘ　
′ｔデした・第３図は・第２図′）磁界補±”　４　Ｊ
ｌｙ＜２）（ｐ　；４項を、４ヨイ２．あり　Ｚｌつ、
；イア、は各４．ゎつイル（−流ループ）ｚ−０而を対
称面とｊる面対称の取付距離２７・と、直径２’Ｗ示し
たが、２・・ムコイルの位置は１ＺＯｘ／ａ、Ｉ＝０．
８．６６、もしくは、このＩＺＯＩ／４１　　に十分近
い値をもつ。ｚ１シムコイル（２ａ）は有限の断面積を
もって諭やが、咽面？中心を基準として、Ｚｏｌおよび
ａを定める。２個のｚ１シムコイル（２ａ）のアンペア
ターンは等しく１．ムの向傷３図の２１シムコイル（２
ａ）中に矢印で□示し鼻。主ソレノイドコイル（２１，
）と、良１シム←イル（２：）とは次置本発り］による
ｚ１シムコイルの取付位置を定めるための解打方法を脱
調する。−下あ説明では、磁界に透磁平を乗じた磁率密
度を用いる。

Ｚ　＝Ｚｏ面に取付ｉられた円１流ルニプが、Ｚ４Ｂ上
の任意点２につくる２４方回のＭ運密度ＢＺＬＺ）は、
次式で表わされる。

ここで、工は円電流ルーズに流れる全４陣直で、ア＞　
＜　７　ｐ　−＞、に等し“・、ｉは円也流（′−７″
０半径、μ・ば、真芋中雫、透磁率、−７ある・、。

■式をｇｂい、１個の円、４流ルー／がＺ＝Ｏ近傍につ
くる。線速１！！度をティ、ラージ用を、用いて表わす
と、次式となる ε０＝１゜ につくる磁末一度が得られた。ここで述べる一英施例に
おいては　ｚｌシムコイルについて扱うが、このシムコ
イルは、出力がＢＯε１（ｉ）の形となり、座標２に比
例する出力のみをもつシムコイルである。

７投に、シムコイルは指定した変改例えば変改２の時定
＾数出力のみを発生させる必要がある。指定しない出力
が同時に発生する場合には、その出力が、磁界の補正と
は全く逆に、磁界の均一度を悪化させる０、１′能性が
ある為である従って、復故檎のシムコイルを取付ける場
合にも、各々のシムコイル出力は全く独立でなければな
らぬ。主ンレノイドコイル（１）の形の対称性から考え
、不均一磁界もＺ＝ｏ面に対して対称になるｏＪ’　＊
ｇ性が強いので磁界補正コイル（２）の出力は、２＝０
而に対して対称でなければならない。従って、磁界補正
フィル（２）は、Ｚ＝ｏ而に茜＜、面対称に設置する。

例えば、位置±ｚＯにある２Ｉｌｉ！ＩＩの円（流ルー
プが２−〇近傍につくる磁束缶度ＢＺ（Ｚ）は次式とな
る。世し、各コイルのアンペアターンは同一とする。

ＢＺ（Ｚ）：＝ＢＯ＋（εｏ＋十ｇｌ”（Ｎ）−Ｈｚ”
（、”）２＋　　−＝）十ＢＯ（ε〇二モロ１−（ζ）
＋６２−（ζ）２＋・・・）　　・　・・・・００式の
碩学、十と−は、各々２座−が正の位置にあるフィル、
２座襟が負の位１ａにあるコイルを表わす。

円軍流ループの電流の回きが逆の場合には、０式を用い
て次のような出力を得る。

Ｂｚ＝２Ｂｏ”（ｇｘ”（ｊ−）十εａ”（Ｎ）”十ε
５賀：ｉ　）５　＋、、、　、　）　、、、　川・■同
様Ｋ　Ｌで、円覗流ループの一流が同じ同きに流れる場
合は次式／！：なる。

Ｂｚ−２ＢＯ＋（εｏ＋＋６２＋（ζ）２＋ε＋　（Ｋ
　）４＋、川、　　　　曲、・■ａ■式中のＢｏとεｎ
　（ｎ＝０．　ｌ、　２、・・・）のつめている添字千
金省略すると、■〜■式と同一となる。以鎌十記号は簡
単の為略す。

ここで説明するｚ１シムコイル（２ａ）をつくるタメに
は、■武生の右辺第１項、２ＢＯεｌ（÷）のみを発生
させねばならない。そこで、第１項に最も影響の大きい
３久の項ε３（ζ）３を消去する必要がある。そのため
Ｋば、ε３−ｏであれはよいが、０式より、次式を満す
Ｉが存在すればよいとわかる。

β（３−４β２）−〇　　　　　　　　　　　　・・・
・・・・［有］但し、 βニー ０式で示す所は、■式よりεｌｆも０にしてしまい、こ
こで必要とする出力が得られないので、ここでは用いる
ことはできない。従って２ンムコイル（２ａ）の位置は
０式の解を用いて次式で示される。

β−−＝、関−、ｏ、８６６１３１０．、＠ａ　　　　
　　　　２ ０式のβを用いた場合の２１シムコイル（２ａ）の出力
は次式となる。

Ｂｚ＝２Ｂｏ（εｌ（岳）十６５（÷）５＋・・・・・
・）　　　　・・・・・・・　０＠式より、ｚ１シムコ
イル（２ａ）は、１次出力だけではなく、５次以上の寄
故欠出力も発生させる。しかし、ｌｚ／ａｌ＜０．３と
なるようなＺ＝Ｏ近傍についてのみ用いる場合には、１
次の項２５次の項の間には、４次の欠攻彊（−）かある
ので、５欠の項は１次の項の１％未満の大きさとなり、
実用上は全く問題とはならない。ただしεｌと６５は同
程度の大きさであるとわかっている。

上記の説明では、磁界補正コイル（２）の断面積につい
ては触れていないが、例えば有限の新面をもつｚシムコ
イル（２ａ）を考える場合には、コイル断面の中心が０
式を満すように設置すれば、初期の目的が達成できる。

以上のようにして、適切な位置に取付けられたＺ１シム
コイル（２ａ）の各々のコイルに、アンペアターンが等
しく、向きが逆の一流を流す。また、アンペアターンば
、高均一磁界領域（３ン内の１次の不均一磁界、すなわ
ち、座標２に比例するような不均一磁界が、最小となる
ように調整する。場合によっては当初設定した一流の向
きを全て逆転させる必要がある。

説明文中では、也流直とアンペアターンを同じ意味で用
いているので、コイルが複数巻の場合の′嘔流埴とは、
コイル導体１木当りに流れる一流にコイル巻数を乗じた
ものである。

なお、上記実施例では、ｚ１シムコイル（２ａ）Ｋっい
て説明したが、２次の磁界成分を補正するｚ２シムコイ
ルについても上記実施例と同様に製作できる。

Ｚ２シムコイルは、円電流ループに同方向の一流を流し
た場合の０式が基準となる。ε２をもつ２次の項に最も
影響の大きい不応要項は０次の項と、４次の項である。

筐ず、４欠の項を消去する方法を示す。この項を消去す
るためには、ε４−０　　とする必要がある。ε４は、
■式で示しだ各項と同様にして求めると次式となる。

従ってε４＝Ｏとなるβは次式より求まる。

１−１２β２＋８．♂＝０　　　　　　　　　・・・・
・・　［相］上式をβについて解くと、次式を得る。

−・βｌ＝−萱±１゜１８８　　　　　　　　　・・・
・・・　＠　− β２２−一針で＝ 一β２言±０．２９８　　　　　　　　　　　・・而・
　［相］従って、４次の項が消去されたｚ２シムコイル
は０式、又は［相］式を満す１対の円形コ・ｆルがあれ
ばよいが、しかし、次に０次の項も消去せねばならない
。０次項を消去するためには、ｚ０１／ａにあるコイル
対と、ｚｏｚ／ａ　Ｋあるコイル対に、逆向きの一流を
流すことにより、０次項を柑」する方法をとる。この時
、ここで必要とする２次の低界戚分は、２組のコイル対
の出力の差としてとり出せる。

■式より、０次の出力を発生させない条件は、次式を満
す電流比であることがわかる。

μＯ工ｌ　　　　　　工２ π晴翌７耳＋（１＋β２２）３／２　）＝　０　　°°
°°゛°［相］［有］式を解くと、 ＺＯｔ　　　ＺＯ２ 負および工２は、各々位置□、□にあるコイルａ　　　
　　　ａ のアンペアターンを表わす。

以上の結末を第４図にまとめる。第４図にひいて（２１
））Ｈｚ２シムコイル　ｚ２シムコイル（２１））には
祇流直工ｌ、工２と、各々のコイルの一流の回＠を矢印
で示した。また、ｚ２シムコイル（２ｂ）の位置を、２
Ｚｏｂ　、　２ＺＯ２により示した。ｚ２シムコイル（
２ｂ）の設置により、ｚ２に比例するような不拘−＝ｆ
ｆ−成分を補正することができる。ｚ２シムコイル（２
１））の出力には、磁界補正に必要となる２次の項の他
に、６次以上のｉｔ４数仄項が含まれるが、２次の項に
比し４次以上のべ数差があるので、　　ｌ−ｍの場合に
は実用上全く問題はなく、場合によってはＩ−１＜ｌの
場合にも、磁界補正コイルとして十分使用できるが、こ
れは、前記ｚ１シムコイル（２ａ）の場合と同様の条件
で良い。

次に、３次の磁界成分、すなわち、ｚ３に比例する不均
一磁界成分を補正するシムコイルについても、上記実施
例と同様に製作でき、ｚ３に比例する不均一磁界成分に
対し、上記実施例と同様の効果を奏する。第５図に、こ
のような磁界補正コイルを示す。図において、（１りけ
　ｚ３シムコイルで、４Ｗ変化する不均一磁界成分を除
去する幼果がある磁界補正コイルである。２シムコイル
ｍ’の構成について説明する。０式において、ε３をも
つ３次の項に絶対項が最も近いのは、５欠の項と１次の
項である。従って、３次の項に対し最も影響の大きい項
が、５欠の項と１次の項といえるので、まず、５欠の項
がとり除かれたコイル配置を考える。ε５は、■式で示
した各項と同様にして求めると次式となる。

ε−缶砧ヅ土ｂ Ｂ　　　　　）　　　　　　　　　　　−−’０従って
、ε５＝０となるβけ、次式となる。

β−０・・・・・・・＠ ３５−１４０β２＋５６β４＝０　　　　　　　　・・
山・［相］・式は、ε３をもＯにしてしまうので、ここ
で必要とする３　ｖ＜の出力磁界も０にするので用いる
ことはできない。［相］式をβについて解くと次式を得
る。

、−βｌ−−言±１．４８９　　　　　　　叫・・＠Φ
−β２＝−言±　０．５３１　　　　　　　　　　　　
　　　　　・叶・・［相］従って、５次の項が消去され
たｚ３シムコイル（２ｃ）は、［株］式か又は、［相］
式を満す１対の円形コイルがあればよいが、しかし、犬
に１久の項も消去せねば、ならない。１次の項を消去す
るためには、第５図に矢印で示すように隣り合うコイル
の一流が全て逆向きとなるように各コイル４流を流すこ
とにより、位置１了１にあるコイル対が発生するｌ久条
件は、次式を満す電流比であることがわかる。

−一（５＋４）ｎ（９−ｖ’ＩＴ５）ｓ／ｚ、、、　　
ｏ、２ｓｉ　　、、山、、＠工１　　乎７９ぜ■　　− 工ｌおよび工２ば、各々、位ｙｌ　Ｚｏ　１／ａ　、　
Ｚｏ　ｚ／ａにあるコイルのアンペアターンを表わす。

ｚ３シムコイル（２りの出力には、３次の項の他に、７
次以上の奇故次項が含まれるが、上記実施例、上記変形
例と同様に、ｌ−１＜＋の場合には実用上全く問題はな
く、Ｉｉｌ＜１の場合にも、場合によっては磁界補正コ
イルとして十分使用できる点は、上記実施例と同様の条
件である。

次に、０次の磁界成分、すなわち、高均−磁界項２式（
３）中の均一磁界の値をわずかに変化させるシムコイル
についても、上記実施例と同様に製作でき、上記実施例
と同様の効果を奏する。

０次のシムコイルは、第４図に示した２次のシムコイル
（２ｂ）の２対のコイルのうち、位置１−１にある１対
のコイル、又は位置Ｉ牛ｊにある１対のコイルのいずれ
かを用いる。

１対のコイルを用いた場合には、０欠の項と２次の項の
両者が発生することを前述しているが、ここでは、まず
、０次の項が必要な値になるまで一流直を変化させた上
で、同時に発生している２次の項を、２ンムコイル（２
ｂ）で補正する方法を用いルコトにより、０欠項のみを
発生するシムコイルが実現できた。６次以上の１角数人
の不拘−誠界が発生するが、大川上回ら問題にはならな
いのは、上記実施例や上記変形例と同様の理由によって
いる。

ｔた、２対のコイルから成るＺ２シムコイルヲ、形状を
変えることなくそのまま２ンムコイルにも用い得る。た
だし、この場合には、６対のコイル間のアンペアターン
比は、次式を満さｒｌｌばならない０ 体１直となる 言０．４４７ 上記の２ンムコイルは、２次の項と４次の項をもたず、
ＯｃＫ、項を発生した１祭に付通して発生する不必要磁
界は、６次以上の偶故次となる。

以上のように、この発明によれは、円形コイルを主ソレ
ノイドコイルの外周上同軸に全て同一直径として設置し
たので、シムコイルの存在により、被試料窒聞である高
均一磁界領域（３）をせばめることが全くないという効
果があり、また、シムコイルを、ｚＩＩＩＩＩ］上に広
く分布して設置したので、コイルを取付ける際に隣り合
うコイルがじゃまになってしまい、コイル取付の作業性
が悪くなるという事が全くなく、著しく容易にコイル取
付作業ができる効果がある。また、コイルの直径が全て
等しいので、ターン故も等しく製作して、アンペア流 ターンの変化が必要な場合には、通屯市篇を変化させる
方式とできるので、コイルの形状、度数を全く同一に製
作することができ、大量、−かつ生産方式に直し、コイ
ル価格を著しく安くすることができる効果がある。

なお、上述した解析の結末寿られた磁界補正コイルの位
置Ｃ比で示しである）の値での使用は、効果が最大であ
るが、実用上は、その値の近傍で適用してもよく、この
発明の技術思想の範囲に含まれるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の磁界補正コイルを示す斜視図、第２図
は、この発明の一実施例を示す断面図、第３図は、第２
図の詳細図、第４図と第５図は、この発明の他の実施例
を示す斜視図である。 （２）・・・ｆｆ１ｌｉｆコイル、（２ａ）・・ｚ１シ
ムコイル、（２ｂ）・・・２ンムコイル、（２Ｃ）・・
・２ンムコイルなお、図中、同一符号は同一、又は相当
部分を示す。 代理人葛野　イｄ− 第１図　・ 第２図 ／２ 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、軸方向に磁場を作る主ソレノイドコイル及び主ソレ
   ノイドの中心点から互いに等距離に設けられ同一のアン
   ペアターンを有する一対の電流ループを設け、主ソレノ
   イドが発生する空間的カ不均一磁場を補正し均−ｇ＆場
   にする均一磁場発生装置。 ２、一対の電流ループが主ソレノイドの中心点から互い
   に等距離に置かれ互いの電流の向きが逆でかつ同一のア
   ンペアターンを有することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の均一＠場発生装置。 ３、一対の電流ループが主ソレノイドの中心から互いに
   ３−４（−）＝０をほぼ満たすＺｏの距離に置２ かれたことを特徴とする特許請求の範囲第２項の均一磁
   場発生装置。 但し、ａは、電流ループの半径。 ４、一対の電流ループが、主ソレノイドの中心点から互
   いに等距離に置かれ互いの′磁流の向きが同方向でかつ
   同一アンペアターン１１を有する蕪１の二対の“電流ル
   ープ及び上記主ソレノイドの中心点から互いに等距離に
   置かれ、互いの磁流の向きが、上記第１の一対の□′４
   流ループの磁流の向きと逆方向で、かつ同一アンペアタ
   ーンＩ２＝　仔套６＋　、　Ｉ　ｌをはｉｔ有する第２
   の一対の電流ループから成ること＊’ｍ徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の均−磁場発生装備。 ５、第１、第２の一対の磁流ループが主ソレノイドの中
   心：から互いに１−１２（堕）”＋ｓ（鴇４＝０をはａ
   　　　　　　　　　ａ ぼ満たす加の距離に置かれていることをｆｉ−徴とする
   特許請求の範囲第４項記載の均一磁場発生装置。 ６、　二対の電流レレープが、主ソレノイドの中心点か
   ら互いに等距離に置かれ加同−アンペアターンｌｌを肴
   する第１の一対の電流ループ及び、上記主ツレノイド必
   中心点から互仏に等距離に置かれ、かつ同一アンペアタ
   ーンＩ　＊　＝ｃ−”±〆１うＲ±−ｖ’１５）暑・Ｉ
   、をほぼ有す゛る第２の一対電流ループから成り、各−
   流ループの゛磁流の向きは互いに隣り合う電流ル−プの
   電流の向きと逆であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の均一磁場発生装置。 ７、　箔１　、第２の一対の電流ループが主ソレノイド
   の中心から互いに３５−１４０♂”’）２＋５６（ニ）
   ４＝０　をａ　　　　　　　　　ａ はぼ満たすｚＯの距離に置かれていることを特徴とする
   特許請求の範囲第６項記載の均−磁場発生装置。 ８、第１の一対の電流ルーズの電流のアンペアターンが
   １１以上又は第２の一対の一流ルーズの電流あアンペア
   ターンがＩ２以上であることを特徴とする特許請求の範
   囲第５項記載の均一磁場発生装置。 ９、一対の一流ループが、主ソレノイドの中心点から互
   いに等距離に置かれ互いの一流の向きが同方向でかつ同
   一アンペアターンＩＩを有スる第１の一対の電流ループ
   及び上記主ソレノイドの中心点から互いに等距離に置か
   れ、互いの一流の向きが、上記第１の一対の′電流ルー
   ズの′−流の向きと同ら成ることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の均一磁場発生装置。 １０、第１　、Ｍ’　２の一対の電流ループが主ソレノ
   イドの中心から互いに１−１２（畠２十８−５４−０を
   ほぼａ　　　　　　　　　ａ 満たすＺｏの距離に置かれていることを特徴とする特許
   ６青求の範囲第９項記載の均一磁場発生装置０