JPS61236107A - 均一磁界発生装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、精度の高い磁界を発生する均一磁界発生装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

第７図は１例えば特開昭ｊ？−６１９１０号公報に示さ
れた従来の均一磁界発生装置のコイル断面図であり、（
／Ｉは主コイル、（２ａ）はｌブロン２分の巻線ブロッ
ク、（３）は巻枠、　（Ｊａ−）は分割突状。

（＜Ｊ）は高均一磁界領域、（りは詰物を示す。なお、
これは超電導の均一磁界発生装置として説明されている
ものである。同図は、主コイル（１）のコイル巻線の１
層分を示しておシ、巻線は図の左から右に行う。巻枠（
３）には、その外周面に厚さＳの分割突状（Ｊａ）が複
数形成されており、隣りあう分割突状（，７ａ）間にｌ
ブロン２分のコイル巻線である巻線ブロック（コａ）が
巻回される。但し、同図には巻線が１層しか描かれてい
ないが１巻線は７層であっても多層であってもよい。主
コイル（１）は、全て長さｔのブロックに分割されてい
る。また、各ブロック内に残余の空間があるときは詰物
、（Ｓ）を施し、その長さをΔｔで表わしている。ｌっ
のブロック内の巻数は一定である。従って、詰物（ｊ−
）の幅△ｔは、ｌｆＪ材の幅のバラツキによって変化す
るので１通常は、各々のブロックで詰物（５）の幅Δｔ
は異なる。ただし、ブロックの長さｔと分割突状（３ａ
）の厚さＳは、一定値である。主コイル（／ｌの中心部
の高均一磁界領域（４’ｌには、内部に座標系ｒ−２を
示した。さらに、一つのブロック内の巻線ブロック（，
２ａ）と、他の一つのブロック内の巻線ブロック（コａ
）は、直列接続されている場合と、全く独豆して異なる
励ａｔ源に接続されている場合とがある。

以上のように構成された主コイル（１）は、ｌブロック
当シで見たコイルの電流密度すが一定になシ。

Ｚ軸方向の場所によって変化しない。ブロックの長さｔ
を生コイル（１）の半径に比べて十分小さくすれば、主
コイル（１）の巻線断面内の電流密度の分布はほぼ一様
とみなすことができる。その結果、主コイル（１）の発
生磁界の均一度が向上する。

ここで、主コイル（１）の電流密度の、主コイル（１）
断面内の分布が磁界の均一度に与える影響について考察
する。第３図は主コイル（／ｌの巻線に使用する線材の
バラツキ△Ｗ（この場合は超電導線材）の実測直を示す
。ここで、１ｗ材の断面寸法は１）１１１のオーダであ
シ、線材長は−のオーダである。線材の幅のバラツキの
範囲は２０μｍで、そのバラツキは、線材そのものの仕
上げ精度と、線材表面に施す電気絶縁物の厚さの精度と
によって決まる。

第３図に示した線材幅のバラツキは、線材の製造技術か
らみて、これ以下の値とするのは困難である。線材の厚
さのバラツキも幅のバラツキと同様である。このように
、線材の幅にバラツキのある線材を主コイルに巻回した
際の巻線断面を詳しく図式的に示したものが第７図であ
り、巻枠（３）に巻線コイル（２人）が巻回されている
。同図は、１層分のコイル断面のみを表わし、Ｚ軸方向
の単位長当シの巻数が場所によって異なることを示して
いる。各ターンには同一電流が流れているから、Ｚ軸方
向の各場所によって電流密度が異なることになる。いま
、２方向に対する電流密度ｂ（ΔＷ）を次式で定義する
。

工 Ｌ（△Ｗ）＝ （ＷＯ＋ΔＷ） ここで、工：主コイル電流筐、 ＷＯ：線材の基準幅 ΔＷ：線材幅の基準幅ｗｏからのずれ。

いま、線材幅をＷ　Ｑ　＝／　ｌ１ｍ　、線材幅のずれ
ΔＷ＝±３μｍ。

Ａ　（１７１を基準電流値として電流密度を求めてみる
と、Ｌ（＋！；ｐｌ　／　ｋ（ｏ）＝　／　　！ｒ””
＝＜−ｒμｒｒＬ）　　／　　　ｂ（ｏ）　＝　　　ｔ
＋ｒｘｔｏ−’となる。すなわち、第を図に線材幅の精
度を示したような、実用的に得られるコイル巻Ｍを用い
て主コイル（１）を巻回した場合、その電流密度は、場
所によって基準電Ｌ（ｏｌに対してｊ−Ｘ／ｆ７−’程
度の範囲で変動する。主コイル（／ｌの発生する磁界は
、電流密度に対応して変化するので、ここで示したよう
な電流密度変化については、基準磁界に対してｔ（）−
３程度のオーダで変動することになる。なお、線材の厚
さのバラツキによっても同様のことが生じる。ＮＭＲ（
核磁気共鳴）現象等に必要とされる高均一磁界超電導コ
イルにおける磁界の均一度は。

試料位置において／Ｑ−！ｒ以下であることが必要とい
われている。従って、このような高均一出界を実現する
ためには、上述したように、等間隔に設置された分割突
状（、ｔａ）間に、同巻数の巻線を施して、線材の幅の
バラツキによる磁界均一度への悪影響を小さくしていた
。

なお、ここで注目すべき一つの点は、各ブロック毎の巻
線の中心は、線材幅に全くばらつきのない理想的な線材
を用いた場合に比べてずれていることである。第１Ｑ図
に第７図を拡大した部分断面図を示して、この点につい
て説明する。一点鎖線（６）は、ブロック毎の巻線ブロ
ック（２ａ）の中心である。線材幅に全くバラツキのな
い場合には。

ブロックの長さｔを、線材の幅と巻数との積に等しくお
くことができ、詰物（ヨ）をつめるスペースは完全に零
である。従ってこのときの各巻線ブロック（，２ａ）の
中心は、分割突状（３ａ）から４のとこコ ろ、すなわち隣り合う２つの分割突状（３ａ）の真中に
なる。ところが、線材幅にバラツキがある場合には、最
大線幅と巻数の積にあわせてブロックの長さｔを定めて
いるので、必らずΔｔのすきまが生じ、各巻線ブロック
（コａ）の中心は、巻線を始める側の分割突状（３ａ）
からｔ−ｔｓｔ　　のところコ になる。つまシ、巻線ブロック（２ａ）か企トだけずれ
たことと同じことになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の均一磁界発生装置は以上のように分割突状間の間
隔が総て等しいので、下記の記（／ｌ〜（３）の点にお
いては、高均一磁界領域に対する線材のバラツキに起因
する悪影＃を１巻線全体について同程度に合わせること
ができないという問題点があった。

（／ｌ　　コイルの厚さ。すなわち１層数が各ブロック
内で異なる場合１層数が多い場合には詰物の体積が大き
くなシ、体積が増加する分だけ高均一磁界領域への悪影
響が大きい。

（コ）高均一磁界領域までの距離。すなわち、高均一磁
界領域に近い部分にある巻線ブロックの発生磁界の影響
は、高均一磁界領域から遠く離れた巻線ブロックの発生
磁界の影響よシも大きい。

（３）型幅の異なる２種類以上の線材を用いた場合。す
なわち５幅の広い線材を用いた成る巻線ブロックと１幅
の狭い線材を用いた他の巻線ブロックとが一つの主コイ
ルに共存する場合。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになさ
れたもので、ブロック内の巻線が高均一磁界領域に与え
る悪影響を、全てのブロックについて一様化できる均一
８界発生装置を得ることを目的としている。

〔間租点を解決するための手段〕

この発明に係る均一磁界発生装置は、高均一磁界領域か
ら巻線ブロックまでの距離１巻線の層数の違い、線材の
種類などに応じて１巻枠に巻回された各巻線ブロックの
長さ１幅）、或いは巻枠に分割突状が形成されている装
置の場合は、その分割突状の間隔を変えるようにした。

さらに、この発明の別の発明では、上述した。

巻枠に分割突状が形成されている装置においてその分割
突状の間隔を高均一磁界領域までの距離。

巻線の層数および線材の種類に応じて変える時に。

主コイルと同軸に巻かれたノツチコイルの端面位置に分
割突状の１つがくるようにした。

〔作　用〕

この発明における均一磁界発生装置は、高均一磁界領域
までの距離１巻線の層数および線材の種類に応じて各巻
線ブロックの長さ、或いは巻枠に分割突状が形成されて
いる装置の場合はその分割突状の間隔を変えるようにし
たので、高均一磁界領域への線材のバラツキによる影響
が、巻線全体く渡って一様となる。

また、この発明の別の発明では、上述した１巻枠に分割
突状が形成されている装置においてその分割突状の間隔
を高均一磁界領域までの距離１巻線の層数および線材の
種類に応じて変える時に。

ノツチコイルの端面位置に分割突状の１つがくるようＫ
したので、高均一磁界領域への線材のバラツキによる影
響が巻線全体に渡って一様になると共に、電磁力により
ノツチコイルが主コイルの中心方向に向う力を受けるが
、これをサポートすることができる。

〔実施例〕

まず、この発明の原理について説明する。第３図は、Ｚ
＝Ｚｏ面内におかれた半径ａの円電流ループ（１０）で
あシ、この円電流ループ（ｔＯ）ＩＩＣ電流工を矢印の
方向に流す。以後、直角座標（ｘ　ｅ　Ｙ。

２）を用いる。この円電流ループ（１０）が２軸上の任
意の点（０，０，Ｚ）に作る磁界の２軸方画成分ＢＺは
次式で表わせる。

但し、μ０は真空の透Ｓ率である。原点におけるＺ軸方
向磁界は（１）式において２＝０とおくと、円電流ルー
プ（１０）の半径ａとループ電流工を固定し、ループの
取付位置がβである時の原点での磁界を表わしたものが
第弘図である。同図においては、関数ｔを、 とおいて、βに対するｔの変化を示している。

ｉルは定数であシ、関数ｔはＢｚに比例する。第ψ図よ
り、原点の磁界は１円電流ループ（１０）がＺ＝０面に
設置をされている場合が最も強（、Ｚ＝Ｏ面から遠い位
置に設置されると共に弱くなる傾向が明らかである。上
記のような磁界を発生している円電流ループ（１０）の
取付位置が２＝２０からＺ　＝　Ｚ　ｏ＋ΔｚＯとわず
かにずれた場合に、座標原点における影響五の程度を次
式の微分形式でΔＺ。

示す・ （コ）式の場合と同様に（り）式のβ依存性を第３図に
示す。同図においては、関数ｆを。

とおいて、βに対するｆの変化を示している。

ａＪ −ππは定数であシ、関数ｆは叫号に比例する。

第３図よシ、原点付近においては１円電流ループの取付
位置がわずかにΔｚＯずれた場合の原点の磁界変化油ｚ
はほとんどないことがわかる。原点から離れて、β＝０
゜！（すなわちＺｏ＝０．！ｒａ）に近づくに従って、
円電流ループの取付位置のわずかなずれに対する原点の
磁界変化の割合は大きくなシ、これはβ＝　Ｏ，ｊ　（
ＺＯ＝０．に＆　）において最大となる。β＝０．５を
過ぎてβ〉０．Ｓとなると、ループの取付位置のすれに
対する原点の磁界変化の割合は減少していく。例えばβ
＝　Ｏ，Ｓの時ｆ””：：　ｏ、３゜β＝　／、　ＩＩ
の時ｆ″：Ｏ０ｌであるから、β＝０．３にある電流工
の円電流ループがΔｚ０ずれたことによる原点磁界への
影響と、β＝＝＋／、＄にある電流３工の円電流ループ
が同様にΔＺｏずれたことによる原点磁界への影響とは
全く同一である。電流を３工とするかわシに、電流Ｉの
円電流ループ３ターン分と考えて４よい。すなわち、こ
こで電流とは、アンペアターンと同等に扱っている。

以上の説明よシ、Ｈ材が巻回されている位置βが異なる
と１巻線位置のずれが１点磁界、すなわち中心磁界に与
える影響の大きさが異なることが明らかである。第３図
の説明で明らかになったように、関数ｆが中心磁界に与
える影響を明確に表わしている。すなわち１巻線ｌブロ
ックの表さｔを１位置βの関数として表示し。

ｔｏｌ）　＝　　ｔ、　−（４） とすれば、中心磁界への巻線ずれの影響は全く同一とな
る。ここで、Ｌｏは定数である。またβ＝Ｑはｔ（／ｑ
→口となるので除く。（６１式はβの変化に応じてｔ（
／ｌを連続的に変化させる理想的なものである。ところ
が、ブロックの長さは有限長であるから、各ブロック間
のβ値が離散的となるので、これを連続的に変化させる
ことはできない。従って。

関数ｆにできる限夛近いような近位的ブロック長とする
ことが必要となる。

第１図この発明による均一Ｓ界発生装置の一実施例を示
すコイル断面図であシ、装置全体のｔ分のｌが示されて
いる。この均一８界発生装置は。

第１図の破線で示した関数ｆを実線のように折れ線近似
して、（６）式をもとにブロック長Ｌ（／４を定めたも
のである。すなわち、関数ｆを ｆ　＝　０．　／　ｊ　　　　Ｏ≦β＜０．コｆ＝０．
Ｊ　　　　　Ｏ，コ≦β＜０．デｆ　＝　０．コ　　　
ｏ、９４β＜／、コｆ＝　７７、　ｔ　　　　／、２≦
β＜１．３ｆ　＝　０．７ｇ　　　　１．１４β≦１．
Ｉｔとしたのβの最大値を特Ｋｉｇｔとし、たのは後述
するｇ４図に示した高均一磁界コイルとして広く用いら
れているノツチコイル付６次補償ンレノイドコイル（り
）の全長がβ″：ｔ、ｔｒ６であるからである。

従って、従来のように巻線の全区間のブロック長をｔと
した場合には、ブロック数は全体で３を個である。これ
に比べて、この発明の一実施例である第７図の場合には
コダ個である。両者のブロック数の比をとると次式とな
る。

一＝０．ｌ、３ ３ｇ すなわち１巻線調整箇所を約６割に減らすことができる
。そして、このようにして巻［Ｊｌ整を行った主コイル
を用いて磁界を発生させた場合にも。

従来と同様の高均一８界が得られる。

上記実施例では巻線の構造とブロック長の関係について
は言及していない。そこで第２図には。

この巻線の構造とブロック長の関係を考慮したこの発明
の別の発明の一実施例のコイル断面図を示した。同図は
、高均一磁界コイルとして広く用いられるノツチコイル
付６次補償ソレノイドコイルの場合を示すものであ９１
巻枠（３）に巻回されているノツチコイル付６次補償ソ
レノイドコイルを断面的に示したのが図中の（７）であ
る。ここではノツチコイル付６次補償ソレノイドコイル
（７）の両端部にあるノツチコイル部分の端面に第２の
分割突状である分割突状（３ｂ）を配置して１巻線調整
を行うようにした。すなわち、第１図に示された均一磁
界発生装置のブロック長を若干短かく約コｔ（〜コｔ）
として、磁界均一度を低下させないようにしながら１図
中の破、＠　（１）で示すように、ノツチコイル端面と
分割突状（３ｂ）との位置を合わせるようにした。ノツ
チコイルは電磁力による中心方向への力を受けるが、こ
のようにすることによシノツチコイルをサポートするこ
とができる。

また、第１図および第２図に実施例において。

コイルが全て同一の線材で巻回され、コイル電流値が同
一の場合は、コイルの層数の逆数と任意の位置βに対し
て決まる関数での逆数、すなわち１／ｆ　Ｋコイルの層
数の逆数を乗じた値に従ってブロック長を決定する。コ
イル／層当少ツク所の巻線ずれがあシ、これらが中心磁
界に与える影響は。

コイルの層数がｎ層になれば１重ね合わせの原理により
、ｎ倍になる。従って、この影響をコイル全体に渡って
均一化するためには、係数１ｏに任意の位置βに対して
決まる関数ｆの逆数／／ｆ　、さらに、層数の逆数ｌ／
ｎを乗じた値に従ってブロック長を定める。なお、係数
ｔ０はコイル中心付近の磁界均一度の要求に応じて任意
に定めればよいが、高均一度になるに従ってｔｏは小さ
くなる。

また、コイルの巻線への通電電流値が異なる場合や、線
材の寸法が全く異なる２種類以上の線材を用いた場合に
は、コイルの各部についてコイルの単位長当シのアンペ
アターンｋＴｏを算出する。

アンペアターンＡＴσの大小に応じて中心磁界への影響
は異なＦ）、ｋＴｏが大きい場合には中心磁界への影響
が太きく　％　ＡＴ　ｏが小さい場合には中心磁界への
影響も小さい。そこで、この影響をコイル全体に渡って
均一化するためには、上述したようにコイル各部のアン
ペアターンＡＴ０を求め、係数１ｏに任意の位置βに対
して決まる関数ｆの逆数／／ｆ、さらＫこのアンペアタ
ーンＡＴＯの逆数／／ＡＴ。

を乗じた値に従ってブロック長を定める。この結果、単
位長さ当りのアンペアターンの大きい部分では１巻線調
整幅であるブロック長が短かくなる。

また、上述した巻線幅の調整は超電導コイルに対して実
施してもよいし、常電導コイルに対して実施してもよく
、同様の効果が得られる。

また、巻線ブロックの巻数は複数巻となっているが、１
つの巻線ブロックの巻数は線材が１周した１巻以上のも
のであればよい。

また、上述した実施例では１巻枠に分割突状が形成され
たものについて述べたが、この発明はこれに限定される
ものではなく１巻枠に分割突状がないものであっても１
巻枠に巻数が１巻以上であるコ個以上の巻線ブロックが
間隔をおいて巻回された主コイルを備え九装置であれば
その全てが対称となる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば線材幅のバラツキの調
整箇所を、中心磁界に対する影響が主コイルの全体に渡
って均一になるようにしたので。

部分的に過剰な巻、１１ｉ！調整をすることなく、高均
一磁界を得るための最適なコイル巻線調整が実施でき、
ＦＡＭ箇所も少なくてよいため、巻線工程が著しく短縮
できるという効果が得られる。

さらに、この発明の別の発明においては１巻枠に分割突
状が形成された均一磁界発生装置において、線材幅のバ
ラツキの調整箇所を中心磁界に対する影響が主コイルの
全体に渡って均一にするために１分割突状の間隔を所定
の関数に従って決まると共に、その所定の関数で決まる
長さの範囲内で分割突状の１つが主コイルと同軸に巻回
されたノツチコイルの端面にくるように間隔を調整した
ので、ノツチコイルは電磁力による中心方向に向う力を
受けるが、これに対してノツチコイルをサポートできる
という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はξの発明の均一磁界発生装置の一実施例を示す
コイル断面図、第２図はこの発明の他の実施例を示すコ
イル断面図、第３図はこの発明の詳細な説明するための
原理図、ｇＩＩ図は円電流ループがコイル中心に発生ず
る磁界の大きさ金表わす線図、第３図は円電流ループの
ずれがコイル中心に及１・了す影響の度合いを示す線図
、第６図はブロック長をｍ５図の線図にいかに近似させ
るかを示す線図、第７図は従来の均一磁界発生装置を示
すコイル断面図、第を図は線材のバラツキをの実例を示
す線図、第９図はバラツキのある線材を巻回した場合の
一層分のコイル断面図、第１Ｑ図は第７図の１部を拡大
した部分断面図である。 図において、（１）は主コイル、（コａ）は巻線ブロッ
ク、（，７１は巻枠、（Ｊａ）は分割突状、（，７ｂ）
は抛コの分割突状、（Ｓ）は詰物、（７３祉ノツチコイ
ル付６次補償ンレノイドコイルである。 なお、各図中６同一符号は同−又は相当部分を示す。 代理人　　　曽　　我　　道　　照し。 ％３図 ■ 笥４図 荒５図 鷺６図 麗７図 ユ 蔦８図 ゑ泉Ｕ長さ　（ｋｍ） ％９０ 死１０図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）巻数が１巻以上である２個以上の巻線ブロックが
   間隔をおいてそれぞれ巻枠に巻回された主コイルを備え
   た均一磁界発生装置において、上記各巻線ブロックの主
   磁界方向の幅ｌを、次式ｌ＝ｌ＿０・１／ｆ・１／ＡＴ
   ＿０ 但し、 ｆ＝β／（１＋β＾２）＾５＾／＾２　β＝Ｚ＿０／ａ
   Ｚ＿０：主コイルの中心を０とした主磁界方向の座標 ａ：コイルの内半径 ｌ＿０：長さの次元をもつ定数 ＡＴ＿０：巻線ブロックのアンペアターン に近似した値とし、β＝０の点についてはｌを有限長に
   近似したことを特徴とする均一磁界発生装置。
2. （２）巻枠にこの巻枠を主磁界方向に分割する１個以上
   の分割突状が形成されており、この分割突状の隣り合う
   ２個の分割突状またはこの分割突状と上記巻枠の端面と
   の間に巻線ブロックが巻回され、さらに上記分割突状ま
   たは上記巻枠端面と上記巻線ブロックとの間の残余の空
   間には詰物がされている主コイルを備えた均一磁界発生
   装置において、隣り合う上記分割突状の間隔、または上
   記巻枠端面とこの巻枠端面に隣り合う分割突状の間隔ｌ
   を、次式 ｌ＝ｌ＿０・１／ｆ・１／ＡＴ＿０ に近似した値とし、β＝０の点についてはｌを有限長に
   近似したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   均一磁界発生装置。
3. （３）全ての巻線ブロックに同一規格の断面を有する線
   材を用い、かつ同一値の電流を流した場合にｌを、次式 ｌ＝ｌ＿０・１／ｆ・１／ｎ 但し、ｎは各巻線ブロックの巻線層数 に近似させるようにしたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項または第２項記載の均一磁界発生装置。
4. （４）全ての巻線ブロックの巻線層数、線材の断面の規
   格値および線材に流す電流値を同一とした場合にｌを、
   次式 ｌ＝ｌ＿０・１／ｆ に近似させるようにしたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項または第２項記載の均一磁界発生装置。
5. （５）関数ｆを ｆ＝０．１５　０≦β＜０．２ ｆ＝０．３　０．２≦β＜０．９ ｆ＝０．２　０．９≦β＜１．２ ｆ＝０．１　１．２≦β＜１．５ ｆ＝０．７５　１．５≦β＜１．８６ と近似することを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第４項のいずれか記載の均一磁界発生装置。
6. （６）巻枠と、この巻枠に形成され巻枠を主磁界方向に
   分割した１個以上の分割突状と、この分割突状の隣り合
   う２個の分割突状間およびこの分割突状と上記巻枠の端
   面との間に巻回された巻線ブロックと、上記分割突状ま
   たは上記巻枠端面と上記巻線ブロックとの間の残余の空
   間を埋める詰物とからなる主コイルを備えた均一磁界発
   生装置において、隣り合う上記分割突状の間隔、または
   上記巻枠端面とこの巻枠端面に隣り合う分割突状の間隔
   ｌを、次式 ｌ＝ｌ＿０・１／ｆ・１／ＡＴ＿０ 但し、ｆ＝β／（１＋β＾２）＾５＾／＾２　β＝Ｚ＿
   ０／ａＺ＿０：主コイルの中心を０とした主磁界方向の
   座標 ａ：コイルの内半径 ｌ＿０：長さの次元をもつ定数 ＡＴ＿０：巻線ブロックのアンペアターン に近似した値とし、β＝０の点についてはｌを有限長に
   近似し、さらに、上記主コイルの外直径が異なる部分に
   設けられたノッチコイルの端面位置に合わせて、上記の
   式で定められる以外の第一の分割突状を設け、この第２
   の分割突状とこれに隣り合う分割突状との間隔を、上記
   の式で規定される長さ以内の任意の長さとしたことを特
   徴とする均一磁界発生装置。
7. （７）ノッチコイルが６次補償コイルであることを特徴
   とする特許請求の範囲第６項記載の均一磁界発生装置。