KR101884444B1 - 초전도 자석 및 핵자기 공명 장치 - Google Patents

초전도 자석 및 핵자기 공명 장치 Download PDF

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Abstract

초전도(超傳導) 코일의 차폐(遮蔽) 전류에 의한 자화(磁化)를 제거하고, 초전도 코일에 통전되는 전류를 균류화(均流化)하여, 중심 자장(磁場)의 균일성을 확보하는 초전도 자석을 제공한다. 초전도체로 이루어지는 초전도 코일(2)과, 초전도 코일(2)의 층의 외측에 초전도 코일(2)과 동축에서 권취된 초전도체 또는 비(非)초전도체로 이루어지는 외측 교류 코일(4)을 가지고, 외측 교류 코일(4)에 교류 전류를 통전함으로써, 초전도 코일(2)에 생기는 차폐 전류에 의한 자화 방향에 대하여 수직 방향의 교류 자장을 인가하여, 자화를 제거한다. 또한, 초전도 코일(2)의 층의 내측에, 초전도 코일(2)과 동축에서 권취된 초전도체 또는 비초전도체로 이루어지는 내측 교류 코일(7)을 가지고, 외측 교류 코일(4)에 통전되는 전류 방향과 내측 교류 코일(7)에 통전되는 전류 방향이 서로 역방향으로 한다.

Description

초전도 자석 및 핵자기 공명 장치{SUPERCONDUCTING MAGNET AND NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE DEVICE}
본 발명은, 중심 자장(磁場)이 균일화된 초전도(超傳導) 자석에 관한 것이다.
예를 들면, 핵자기 공명 장치 등에 사용되는 초전도 자석의 코일에는, 일반적으로 NbTi의 다심선(多芯線)이 사용되고 있다(도 16을 참조). 이 NbTi 다심선은, 1개의 필라멘트의 직경이 수㎛∼수십㎛으로 작으므로, 코일의 자화(磁化)도 작지만, NbTi 다심선의 냉매에는 액체 헬륨[대기압 하 비점(沸点)이 약 4K]이 사용된다. 이 액체 헬륨은, 자원이 부족하기 때문에 고가인 동시에 머지않아 고갈될 위험성이 있다.
그래서, 자원이 풍부한 액체 수소(대기압 하 비점이 약 20K)나 액체 질소(대기압 하 비점이 약 77K)에서도 초전도화가 가능한 초전도체를 이용한 핵자기 공명 장치 등의 연구, 개발이 진행되고 있지만, 이들 초전도체를 사용한 초전도선(超傳導線)은, 일반적으로 도 17에 나타낸 바와 같은 테이프 형상을 하고 있고, 초전도층의 폭이 수㎜ 정도, 두께가 수㎛∼수백㎛ 정도이다. 따라서, 이와 같은 초전도선을 코일에 사용한 경우에는, 코일의 자화가 매우 커지고, 차폐(遮蔽) 전류에 의해 코일을 흐르는 전류가 균일하지 않아, 중심 자장의 균일성이 손상되어 버린다.
한편, 비특허 문헌 1 - 4에는, 직류 가로 자장에 수직인 교류 자장이 인가된 경우에, 직류 자장 방향의 자화(M)가, 교류 자장의 주기적 변화에 따라 점근적(漸近的)으로 변화되어, 교류 자장의 진폭이 어떤 값보다 크게 되면, 정상 상태에서는 자화(M)가 소실되는 이상(異常) 가로 자장 효과에 대하여 개시되어 있다. 또한, 비특허 문헌 5, 6에는, 테이프형의 초전도선에 있어서도, 이상 가로 자장 효과가 확인되는 것이 개시되어 있다.
Kazuo Funaki and Kaoru Yamafuji, "Abnormal Transverse-Field Effects in Nonideal Type II Superconductors I. A Linear Array of Monofilamentary Wires", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.21, No.2, Feb. 1982, pp.299-304 Kazuo Funaki, Teruhide Nidome and Kaoru Yamafuji, "Abnormal Transverse-Field Effects in Nonideal Type 2 Superconductors. II. Influence of Dimention Ratios in a Superconducting Ribbon", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.21, No.8, Aug. 1982, pp.1121-1126 Kazuo Funaki, Minoru Noda and Kaoru Yamafuji, "Abnormal Transverse-Field Effects in Nonideal Type 2 Superconductors. III. A Theory for an AC-Induced Decrease in the Semi-Quasistatic Magnetization Parallel to a DC Bias Field ", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.21, No.11, Nov. 1982, pp.1580-1587 후나키 가즈오·노다 미노루·야마후지 가오루, "초전도 단심선의 통전 시에서의 이상 가로 자계 효과", 큐슈 대학 공학 집보(集報), Vol.56, No.1, Jan. 1983, pp.45-51 Ernst Helmut Brandt and Grigorii P. Mikitik, "Why an ac Magnetic Field Shifts the Irreversibility Line in Type-II Superconductors", Physical Review Letters, Vol.89, No.2, July 2002, 027002 Ernst Helmut Brandt and Grigorii P. Mikitik, "Shaking of the critical state by a small transverse ac field can cause rapid relaxation in superconductors", Superconductor Science and Technology, Vol.17, No. 2, Feb. 2004, pp. S1-S5
그러나, 상기 비특허 문헌 1 - 6에 기재된 기술은, 1개의 선재 또는 복수의 단척(短尺) 시료 선재의 1차원 배열에 대하여 이상 가로 자장 효과가 있는 것을 나타낸 것이며, 초전도선을 감은 초전도 자석에서의 중심 자장의 균일성을 확보하는 기술은 아니다.
본 발명은, 초전도 코일의 차폐 전류에 의한 자화를 제거하고, 초전도 코일에 통전되는 전류를 균류화(均流化)하여, 중심 자장의 균일성을 확보하는 초전도 자석 등을 제공한다.
본원에 개시하는 초전도 자석은, 초전도체로 이루어지는 초전도 코일과, 상기 초전도 코일에 생기는 차폐 전류에 의한 자화 방향에 대하여 수직 방향의 교류 자장을 인가하는 자장 인가 수단을 포함하는 것이다.
이와 같이, 본원에 개시하는 초전도 자석에 있어서는, 초전도체로 이루어지는 초전도 코일에 생기는 차폐 전류에 의한 자화 방향에 대하여 수직 방향의 교류 자장을 인가하므로, 차폐 전류에 의한 자화를 없앨 수가 있어, 초전도 자석의 중심 자장을 균일하게 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 초전도 자석은, 상기 자장 인가 수단이, 상기 교류 자장을 인가하는 동시에, 상기 초전도 코일층의 외측과 내측에서 흐르는 방향이, 서로 역방향으로 되도록 한 교류 전류가 통전되는 교류 코일을 가지는 것이다.
이와 같이, 본원에 개시하는 초전도 자석에 있어서는, 초전도 코일층의 외측과 내측에서 흐르는 방향이, 서로 역방향으로 되도록 한 교류 전류가 통전되는 교류 코일을 가지므로, 외측의 교류 코일에 의해 생기는 내측의 교류 코일의 내부의 자장을, 내측의 교류 코일의 자장으로 제거할 수가 있어, 인덕턴스를 작게 하여, 작은 전원으로 동작하는 것이 가능하게 되는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 초전도 자석은, 상기 자장 인가 수단이, 상기 초전도 코일층의 외측에, 상기 초전도 코일과 동축에서 권취된 초전도체 또는 비초전도체로 이루어지는 외측 교류 코일을 가지고, 상기 외측 교류 코일에 교류 전류를 통전시키는 것이다.
이와 같이, 본원에 개시하는 초전도 자석에 있어서는, 초전도 코일층의 외측에, 상기 초전도 코일과 동축에서 권취된 초전도체 또는 비초전도체로 이루어지는 외측 교류 코일을 가지고, 상기 외측 교류 코일에 교류 전류를 통전하므로, 초전도 코일의 차폐 전류에 의한 자화 방향에 대하여 수직 방향으로 교류 자장을 인가할 수 있어, 차폐 전류에 의한 자화를 제거하여 초전도 자석의 중심 자장을 균일하게 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 초전도 자석은, 상기 자장 인가 수단이, 상기 초전도 코일층의 내측에, 상기 초전도 코일과 동축에서 권취된 초전도체 또는 비초전도체로 이루어지는 내측 교류 코일을 가지고, 상기 외측 교류 코일에 통전되는 전류 방향과 상기 내측 교류 코일에 통전되는 전류 방향이 서로 역방향인 것이다.
이와 같이, 본원에 개시하는 초전도 자석에 있어서는, 초전도 코일층의 내측에, 상기 초전도 코일과 동축에서 권취된 초전도체 또는 비초전도체로 이루어지는 내측 교류 코일을 가지고, 상기 외측 교류 코일의 전류 방향과 상기 내측 교류 코일의 전류 방향이 서로 역방향이므로 내측 교류 코일 내부에서의 외측 교류 코일의 자장을, 내측 교류 코일의 자장으로 제거할 수가 있어, 인덕턴스를 작게 하여, 작은 전원으로 동작하는 것이 가능하게 되는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 초전도 자석은, 상기 자장 인가 수단이, 상기 초전도 코일의 권취 방향에 대하여 직교하는 방향으로, 상기 초전도 코일층을 주회(周回)하여 권취된 초전도체 또는 비초전도체로 이루어지는 교류 코일을 가지고, 상기 교류 코일에 교류 전류를 통전시키는 것이다.
이와 같이, 본원에 개시하는 초전도 자석에 있어서는, 초전도 코일의 권취 방향에 대하여 직교하는 방향으로, 초전도 코일층을 주회하여 권취된 초전도체 또는 비초전도체로 이루어지는 교류 코일을 가지고, 상기 교류 코일에 교류 전류를 통전하므로, 초전도 코일의 차폐 전류에 의한 자화 방향에 대하여 수직 방향으로 교류 자장을 인가할 수 있어, 차폐 전류에 의한 자화를 제거하여 초전도 자석의 중심 자장을 균일하게 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 초전도 코일의 외측과 내측에서, 필연적으로 전류의 방향을 역방향으로 할 수 있으므로, 외측의 교류 코일에 의해 생기는 내측의 교류 코일의 내부의 자장을, 내측의 교류 코일의 자장으로 제거할 수가 있어, 인덕턴스를 작게 하여, 작은 전원으로 동작하는 것이 가능하게 되는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 초전도 자석은, 상기 초전도 코일이, 고온 초전도체로 이루어지는 테이프형의 코일이다.
이와 같이, 본원에 개시하는 초전도 자석에 있어서는, 고온 초전도체로 이루어지는 테이프형의 코일이므로, 고가이며 자원이 부족한 액체 헬륨을 사용할 필요가 없ㅇ어, 염가로 풍부한 자원을 유효적으로 활용할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 초전도 자석은, 상기 자장 인가 수단이, 인가하는 교류 자장을 점차로 감쇠(減衰)시키는 것이다.
이와 같이, 본원에 개시하는 초전도 자석에 있어서는, 인가하는 교류 자장을 점차로 감쇠시키므로, 이상 가로 자장 효과에 의한 교류 자장 방향의 자화를 작게 할 수 있어, 초전도 자석의 중심 자장에 대한 영향을 최소한으로 억제할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 초전도 자석은, 상기 초전도 코일의 온도를 소정 시간만 상승시키는 온도 제어 수단을 포함하는 것이다.
이와 같이, 본원에 개시하는 초전도 자석에 있어서는, 초전도 코일의 온도를 소정 시간만 상승시키는 온도 제어 수단을 포함하므로, 초전도 코일의 온도를 소정 시간만 상승시키고, 이로써, 임계 전류 밀도가 약간 작아져, 임계 전류 밀도가 작게 된 직후에 다시 냉각시킴으로써, 임계 전류 밀도가 커지므로, 양자화 자속선(磁束線)의 열요동(熱搖動)에 대한 영향을 억제할 수 있다. 그 결과, 양자화 자속선이 열요동에 의해 동작하는 자속 크리프(creep)를 현저하게 억제할 수 있어, 중심 자장의 균일도를 장시간에 걸쳐 유지하게 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 초전도 자석은, 상기 온도 제어 수단이 상기 교류 코일이며, 상기 교류 코일과 상기 초전도 코일이 밀접한 상태로 설치되어 있는 것이다.
이와 같이, 본원에 개시하는 초전도 자석에 있어서는, 교류 코일과 초전도 코일이 밀접한 상태로 설치되어 있으므로, 교류 코일로 발생하는 열이 초전도 코일에 전해짐으로써 초전도 코일의 온도를 소정 시간만 상승시키고, 이로써, 임계 전류 밀도가 약간 작아져, 임계 전류 밀도가 작게 된 직후에 다시 냉각시킴으로써, 임계 전류 밀도가 커져, 양자화 자속선의 열요동에 대한 영향을 억제할 수 있다. 그 결과, 양자화 자속선이 열요동에 의해 동작하는 자속 크리프를 현저하게 억제할 수 있어, 중심 자장의 균일도를 장시간에 걸쳐 유지하게 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 초전도 자석은, 상기 온도 제어 수단이, 냉매와 함께 상기 초전도 자석이 수납되어 있는 하우징 내의 압력을 제어하는 압력 제어부를 가지는 것이다.
이와 같이, 본원에 개시하는 초전도 자석에 있어서는, 온도 제어 수단이, 냉매와 함께 상기 초전도 자석이 수납되어 있는 하우징 내의 압력을 제어함으로써, 하우징 내의 냉매의 온도를 상승시켜 초전도 코일의 온도를 소정 시간만 상승시키고, 이로써, 임계 전류 밀도가 약간 작아지고, 임계 전류 밀도가 작게 된 직후에 다시 냉각시킴으로써, 임계 전류 밀도가 커지므로, 양자화 자속선의 열요동에 대한 영향을 억제할 수 있다. 그 결과, 양자화 자속선이 열요동에 의해 동작하는 자속 크리프를 현저하게 억제할 수 있어, 중심 자장의 균일도를 장시간에 걸쳐 유지하게 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 핵자기 공명 장치는, 상기 초전도 자석을 사용한 핵자기 공명 장치로서, 상기 자장 인가 수단이, 측정의 대상이 되는 대상물을 측정하기 전에 소정 시간 교류 자장을 인가하고, 측정 시에는 상기 교류 자장을 인가하지 않는 것이다.
이와 같이, 본원에 개시하는 핵자기 공명 장치에 있어서는, 측정의 대상이 되는 대상물을 측정하기 전에 소정 시간 교류 자장을 인가하고, 측정 시에는 상기 교류 자장을 인가하지 않으므로, 측정 시에 교류 자장의 영향을 받지 않아, 정확한 측정을 실현할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 핵자기 공명 장치는, 상기 자장 인가 수단이, 상기 초전도 코일에 통전하는 전류값을 변경할 때 상기 교류 자장을 인가하는 것이다.
이와 같이, 본원에 개시하는 핵자기 공명 장치에 있어서는, 초전도 코일에 통전하는 전류값을 변경할 때 상기 교류 자장을 인가하므로, 측정 환경이 바뀌어 전류값이 변경된 경우라도, 차폐 전류에 의한 자화를 제거하여 초전도 자석의 중심 자장을 균일하게 할 수 있어, 정확한 측정을 실현할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 즉, 전류값이 변경된 경우에는, 초전도 자석이 리셋되어 다시 차폐 전류가 흘러버리지만, 교류 자장을 인가함으로써, 차폐 전류에 의한 자화를 없앨 수가 있다.
도 1은 제1 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 코일의 제1 사시도이다.
도 2는 제1 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 테이프 선재의 차폐 전류와 자화 방향을 나타내는 제1 도면이다.
도 3은 제1 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 코일의 제1 단면도이다.
도 4는 제1 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 테이프 선재의 차폐 전류와 자화 방향을 나타내는 제2 도면이다.
도 5는 제1 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 코일의 제2 사시도이다.
도 6은 제1 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 코일의 제2 단면도이다.
도 7은 제1 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 외측 교류 코일과 내측 교류 코일의 자장 분포를 나타낸 도면이다.
도 8은 제2 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 코일의 사시도이다.
도 9는 제2 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 코일의 단면도이다.
도 10은 그 외의 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 코일의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 관한 초전도 자석의 시뮬레이션 모델을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 관한 초전도 자석의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 관한 초전도 자석의 시작(試作) 코일의 구조를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 관한 초전도 자석의 실험 결과를 나타낸 제1 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 관한 초전도 자석의 실험 결과를 나타낸 제2 도면이다.
도 16은 종래의 다심선을 사용한 경우의 초전도 자석을 나타낸 도면이다.
도 17은 종래의 테이프선을 사용한 경우의 초전도 자석을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 설명한다. 본 실시형태의 전체를 통해 같은 요소(要素)에는 같은 부호를 부여하고 있다.
(본 발명의 제1 실시형태)
본 실시형태에 관한 초전도 자석에 대하여, 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한다. 도 1은, 본 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 코일의 제1 사시도, 도 2는, 본 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 테이프 선재의 차폐 전류와 자화 방향을 나타내는 제1 도면, 도 3은, 본 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 코일의 제1 단면도, 도 4는, 본 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 테이프 선재의 차폐 전류와 자화 방향을 나타내는 제2 도면, 도 5는, 본 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 코일의 제2 사시도, 도 6은, 본 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 코일의 제2 단면도, 도 7은, 본 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 외측 교류 코일과 내측 교류 코일의 자장 분포를 나타낸 도면이다.
본 실시형태에 관한 초전도 자석(1)은, 초전도체로 이루어지는 초전도 코일(2)과, 초전도 코일(2)의 층의 외측에, 초전도 코일(2)의 중심축(3)과 동축에서 권취된 초전도체 또는 비초전도체로 이루어지는 외측 교류 코일(4)과, 초전도 코일(2)에 직류 전류를 통전시키는 직류 전원부(5)와, 외측 교류 코일(4)에 교류 전류를 통전시키는 교류 전원부(6)를 구비한다.
초전도 코일(2)은 초전도체로 이루어지는 것이면 되고, 여기서는 특히, Bi-2223은 시스(sheath) 테이프선이나 Y계 또는 희토류계(希土類系) 박막 도체 등의 고온 초전도선으로 이루어지는 코일인 것으로 한다. 이들 선재를 사용하여 초전도 자석을 형성하는 경우, 전형적으로는, 초전도층의 폭이 수㎜(예를 들면, Bi-2223 선재가 4㎜ 정도, Y-123선재가 10㎜ 정도), 두께가 수㎛∼수백㎛(예를 들면, Bi-2223 선재가 200㎛ 정도, Y-123 선재가 1㎛ 정도)의 테이프형이며, 권취하여 전류 IDC(=수송 전류라고 함)를 통전하면 코일 자체의 차폐 전류에 의한 자화에 의해 중심 자장의 균일성이 손상되어 버린다.
이 때의 차폐 전류에 의한 자화를 도 2에 나타낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 테이프 선재의 일단으로부터 타단을 향해 수송 전류 IDC가 흐르고 있어 초전도 코일(2)의 테이프 광폭면(廣幅面) 내에 차폐 전류 IM이 흐른다. 이 차폐 전류 IM에 의해 테이프면에 수직인 방향으로 자화(= MV라고 함)하여, 초전도 자석(1)의 중심 자장의 균일성이 손상되어 버린다. 그리고, 이 경우, 테이프 선재의 일단으로부터 타단에 알맹이 흐르는 수송 전류 IDC와 폐쇄된 루프 전류인 차폐 전류 IM은 구별할 수 없다.
본 실시형태에서는, 도 17이나 도 2에 나타낸 바와 같은 테이프면에 수직 방향의 자화를 제거하기 위해, 도 3에 나타낸 바와 같이, 초전도 코일(2)에 생기는 차폐 전류에 의한 자화의 방향에 대하여 수직 방향으로 교류 자장을 인가한다. 도 3은, 도 1에서의 화살표 A에서 본 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 테이프형의 초전도 코일(2)이 복수 턴 권취되어 있고, 그 외측에 외측 교류 코일(4)이 권취되어 있다. 초전도 코일(2)의 수송 전류 IDC에 의해 화살표 a의 중심 자장 BI가 생긴다. 그리고, 도 3에서는 초전도 코일(2)을 1층만 도시하고 있지만, 복수 층에 걸쳐 권취되어 있어도 된다.
외측 교류 코일(4)에 의해 도 17이나 도 2에 나타낸 자화 MV에 대하여 수직 방향으로, 도 3의 화살표 b가 나타내는 교류 자장 BAC를 인가한다. 즉, 외측 교류 코일(4)에 교류 전류 IAC를 통전함으로써 교류 자장 BAC를 인가한다. 초전도 코일(2)에 교류 자장 BAC가 인가됨으로써, 이상 가로 자장 효과에 의해, 테이프면에 수직인 방향의 자화 MV가 소실되어, 테이프면에 평행한 방향의 자화 MP로 변화한다.
이 변화 후의 차폐 전류에 의한 자화를 도 4에 나타낸다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 이상 가로 자장 효과에 의해 차폐 전류 IM이 테이프 선재의 상면과 하면에 쌍으로 흐르게 되어, 자화 MV가 소실되고, 테이프면에 대하여 평행한 자화 MP로 변화한다. 이 테이프면에 평행한 자화 MP는, 초전도 자석(1)의 중심 자장의 균일성에 대하여 어떤 영향을 주지 않는다. 즉, 수송 전류 IDC에 의한 초전도 자석(1)의 중심 자장 BI를 균일하게 유지할 수 있다.
그리고, 외측 교류 코일(4)은, 초전도체로 이루어지는 코일이어도 되고, 비초전도체로 이루어지는 코일이어도 된다. 즉, 초전도 코일(2)의 두께와 임계 전류 밀도, 및 수송 전류 IDC에 따라, 정해지는 교류 자장의 크기(하한값)가 인가할 수 있는 것이면 된다.
여기서, 교류 자장의 크기에 관하여 보다 구체적으로 설명한다. 이상 가로 자장 효과에서의 교류 자장의 임계값(하한값)[T]에 대하여 이하의 식이 성립한다.
[수식 1]
Figure 112013093484455-pct00001
μ0은 진공 투자율, JC는 임계 전류 밀도, IC는 임계 전류, IDC는 수송 전류이며, 초전도 코일(2)의 테이프의 두께를 d로 한다. 즉, 인가하는 교류 자장의 임계값 Bth는, 임계 전류 밀도 JC, 테이프의 두께 d, 수송 전류 IDC(또는 임계 전류에 대한 수송 전류로 나타내는 부하 비율 IDC/IC)에 따라 정해진다. 따라서, 이 Bth가 인가될 수 있도록 외측 교류 코일(4)을 설계함으로써, 본 발명을 실현할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 고온 초전도선의 테이프의 폭은 수㎜ 정도, 두께는 수㎛∼수백㎛로 매우 얇기 때문에, 상기 식으로부터 인가하는 교류 자장의 값을 미소하게 할 수 있다.
고, 수송 전류 IDC로서 규정의 전류가 통전된 상태로 소정 시간(예를 들면, 몇 초∼수십 초 또는 수주기∼수천 주기) 통전하는 것만으로, 테이프면에 수직인 방향의 자화 MV를 테이프면에 평행한 방향의 자화 MP로 변화시켜, 그 상태를 유지하여 초전도 자석(1)의 중심 자장 BI를 균일하게 유지할 수 있다. 본 실시형태의 초전도 자석을 측정 등에 사용하는 경우에는, 측정 전에 자화 MV가 소실되게 하면 된다.
또한 교류 전류를 통전할 때 전류값을 점차로 감쇠시키도록 해도 된다. 즉, 교류 자장 인가 후의 자화 MP는, 교류 자장의 인가를 정지했을 때의 상태로 유지되므로, 교류 전류를 점차로 감쇠시킴으로써, 자화 MP의 영향을 최소한으로 억제할 수 있다.
이와 같이, 초전도 코일(2)에 대하여 교류 자장을 인가함으로써, 초전도 자석(1)의 중심 자장을 균일하게 하는 것이 가능하지만, 외측 교류 코일(4)의 인덕턴스가 커지므로, 큰 전원을 필요로 하는 경우가 있다. 그래서, 본 실시형태에 있어서는, 초전도 코일(2)의 내측에, 외측 교류 코일(4)의 자장을 지우기 위한 내측 교류 코일(7)을 더 구비하는 구성으로 할 수도 있다.
도 5는, 내측 교류 코일(7)을 구비한 경우의 초전도 자석(1)의 사시도이며, 도 6은, 도 5에서의 화살표 B에서 본 도면이다. 도 5, 도 6에 나타낸 바와 같이, 초전도 자석(1)은, 초전도 코일(2)의 내측에, 교류 전원부(6)에 접속하는 내측 교류 코일(7)을 구비하고 있고, 외측 교류 코일(4)에 흐르는 전류와 내측 교류 코일(7)에 흐르는 전류는 방향이 반대로 되도록 제어된다. 즉, 도 7에 나타낸 바와 같이, 외측 교류 코일(4)의 내측에 생기는 자장[도 7의 (A)를 참조] 중, 내측 교류 코일(7)의 내측에 생기는 자장[도 7의 (B) 참조]을 상쇄하는[도 7의 (C)를 참조] 것이 가능하므로, 인덕턴스를 작게 할 수 있다. 즉, 작은 전원으로 전류를 통전할 수 있다.
그리고, 내측 교류 코일(7)은, 외측 교류 코일(4)과 마찬가지로, 초전도체로 이루어지는 코일이어도 되고, 비초전도체로 이루어지는 코일이어도 된다. 또한, 각각의 교류 코일을 초전도 코일(2)과 마찬가지로 테이프형으로 함으로써, 권취하는 수고를 경감할 수 있어, 제조 공정을 매우 효율화할 수 있다.
이와 같이, 내측 교류 코일(7)의 내부에서의 외측 교류 코일(4)의 자장을 내측 교류 코일(7)의 자장으로 제거할 수가 있어, 인덕턴스를 작게 하여, 작은 전원으로 동작하는 것이 가능하게 된다.
(본 발명의 제2 실시형태)
본 실시형태에 관한 초전도 자석에 대하여, 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다. 도 8은, 본 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 코일의 사시도, 도 9는, 본 실시형태에 관한 초전도 자석에서의 코일의 단면도이다.
그리고, 본 실시형태에 있어서 상기 제1 실시형태와 중복되는 설명에 대하여는 생략한다.
본 실시형태에 관한 초전도 자석(1)은, 초전도체로 이루어지는 초전도 코일(2)과 초전도 코일(2)의 권취 방향에 대하여 직교하는 방향으로, 초전도 코일(2)의 층을 주회하여 권취된 초전도체 또는 비초전도체로 이루어지는 교류 코일(8)과 초전도 코일(2)에 직류 전류를 통전시키는 직류 전원부(5)와 교류 코일(8)에 교류 전류를 통전시키는 교류 전원부(6)를 구비한다.
도 9는, 도 8에서의 화살표 C에서 본 도면이다. 본 실시형태에서는, 도 17이나 도 2에 나타낸 바와 같은 테이프면에 수직 방향의 자화 MV를 제거하기 위해, 도 8, 도 9에 나타낸 바와 같이, 초전도 코일(2)의 권취 방향과 수직인 방향[초전도 코일(2)의 축과 같은 방향]에, 초전도 코일(2)의 층을 포함하도록 교류 코일(8)을 권취하여 교류 전원부(6)에 접속한다. 이 교류 코일(8)에 교류 전류 IAC를 통전함으로써 도 9의 화살표 c(지면에 대하여 수직 방향의 화살표)가 나타내는 교류 자장 BAC를 인가하고, 이상 가로 자장 효과에 의해, 테이프면에 수직인 방향의 자화 MV를 소실시켜, 테이프면에 평행한 방향의 자화 MP로 변화시킨다. 이 자화 MP는, 도 4에 나타낸 자화 MP의 화살표를, 테이프면과의 평행을 유지한 채 90℃ 회전시킨 것이며, 중심 자장의 균일성에 대하여 어떤 영향을 주지 않는다. 즉, 제1 실시형태의 경우와 마찬가지로 수송 전류에 의한 중심 자장 BI를 균일하게 유지할 수 있다.
그리고, 여기에서도 교류 코일(8)은, 초전도체로 이루어지는 코일이어도 되고, 비초전도체로 이루어지는 코일이어도 된다. 즉, 초전도 코일(2)의 두께와 임계 전류 밀도, 및 수송 전류 IDC에 따라, 정해지는 교류 자장의 크기(하한값)가 인가될 수 있는 것이면 된다.
또한 교류 코일(8)에 대한 교류 전류의 통전은, 상시 행할 필요가 없고, 수송 전류 IDC로서 규정된 전류가 통전된 상태에서, 소정 시간(예를 들면, 몇 초∼수십 초 또는 수주기∼수천 주기) 통전하는 것만으로 테이프면에 수직인 방향의 자화 MV를 테이프면에 평행한 방향의 자화 MP로 변화시켜, 그 상태를 유지하여 중심 자장 BI를 균일하게 유지할 수 있다.
이와 같이, 초전도 코일(2)에 대하여 교류 자장을 인가함으로써, 초전도 자석의 중심 자장을 균일하게 하는 것이 가능해진다.
(그 외의 실시형태)
상기 각각의 실시형태에서의 초전도 자석(1)은, 중심 자장의 균일성을 높게 유지하는 것이 가능하므로, 중심 자장의 균일성이 양호한 정밀도로 요구되는 NMR(Nuclear Magnetic Resonance: 핵자기 공명법)나 MRI(Magnetic Resonance Imaging: 핵자기 공명 화상법)에 사용하는 것에 적합하다.
본 발명에 관한 초전도 자석을 NMR나 MRI에 사용하는 경우, 측정을 행하기 전에 초전도 코일(2)에 교류 자장을 소정 시간 인가하는 처리를 행함으로써, 자화 MV를 MP로 변화시킨다. 그 후, 교류 자장의 인가를 정지한 상태로 대상물의 측정을 행한다. 전류값이 변경되지 않는 한은, 그대로 연속하여 다른 대상물을 측정할 수 있다. 측정 환경이 바뀌어, 전류값의 변경이 있었을 경우나, 장치가 리셋되었을 때는, 재차 교류 자장을 소정 시간 인가하여, 자화 MV를 MP로 변화시킨다.
또한, 본 발명에 관한 초전도 자석(1)에 있어서, 교류 자장이 인가됨으로써 초전도 코일(2)의 전류 분포가 변화되고, 양자화 자속선이 움직여 발열이 일어난다. 그 발열에 의해, 초전도 코일(2)의 온도가 매우 짧은 시간만 약간 상승하고, 임계 전류 밀도가 약간 작아진다. 그리고, 임계 전류 밀도가 작게 된 직후에 다시 냉각시킴으로써, 임계 전류 밀도가 커지고, 양자화 자속선의 열요동에 대한 영향을 억제할 수 있다. 그 결과, 양자화 자속선이 열요동에 의해 동작하는 자속 크리프를 현저하게 억제할 수 있고, 중심 자장의 균일도를 장시간에 걸쳐 유지하게 할 수 있는 부가적(附加的)인 장점도 가진다.
또한, 교류 코일에 생기는 열이 초전도 코일(2)로 이동함으로써, 상기와 동일한 작용에 의해 양자화 자속선이 열요동에 의해 동작하는 자속 크리프를 현저하게 억제할 수 있어, 중심 자장의 균일도를 장시간에 걸쳐 유지하게 할 수 있다.
또한, 초전도 자석(1)에 대하여 외부로부터 압력을 가함으로써 냉매의 온도를 올리고(예를 들면, 1℃∼2℃ 정도), 이 냉매의 온도 상승이 상기와 마찬가지로 작용하여, 양자화 자속선이 열요동에 의해 동작하는 자속 크리프를 현저하게 억제하여, 중심 자장의 균일도를 장시간에 걸쳐 유지하는 것이 가능해진다.
본 발명에 관한 초전도 자석은 도 10의 (A), (B)와 같은 구성으로 할 수도 있다. 즉, 초전도 코일(2)을 구성하는 복수의 부위마다, 개별적으로 교류 자장을 인가해도 된다. 일례로서, 도 10의 (A)의 경우에는, 3층으로 이루어지는 초전도 코일(2)에 대하여, 외측 교류 코일(4) 및 내측 교류 코일(7)을 1개의 조(組)로 하여, 1층마다 교류 자장을 인가하는 것이다. 이렇게 함으로써, 보다 인덕턴스를 작게 할 수 있어, 전원을 소형화할 수 있다. 또한, 다른 일례로서, 도 10의 (B)에서는, 3층으로 이루어지는 초전도 코일(2)에 대하여, 교류 코일(8)을 1층마다 주회하고, 교류 자장을 개별적으로 인가하는 것이다.
그리고, 상기 각각의 실시형태에 있어서, 교류 코일과 직렬로 컨덴서 및 저항이 접속된 공진(共振) 회로를 형성함으로써, 전원의 용량을 작게 하도록 해도 된다.
[실시예]
(1) 시뮬레이션
본 발명에 관한 초전도 자석에 대하여, 이하의 시뮬레이션을 행하였다. 도 11에 수치 해석 모델을 나타내고, 계산 파라미터를 표 1에 나타낸다. 도 11의 수치 해석 모델을 사용하여, 테이프형의 초전도선에 수송 전류 Iz를 통전하고, 외부의 직류 자장 By, 교류 자장 Bx를 인가한 경우의 자화 Mx, My의 시간 변화를 연산한다.
[표 1]
Figure 112013093484455-pct00002
이 시뮬레이션 결과를 도 12에 나타낸다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 자화 My는 지수 함수적으로 감소하고, 테이프형의 초전도선의 전류가 균류화하고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 테이프면에 수직 방향의 자화 My가 소실되는 것이 나타나 있다.
(2) 실험
본 발명에 관한 초전도 자석에 대하여, 이하의 실험을 행하였다. 도 13에 실험용으로 시작(試作)한 초전도 자석의 중심으로부터 한쪽의 단면도를 나타내고, 하기의 표 2에 초전도 코일의 제원, 표 3에 동 코일의 제원을 나타낸다. 실험용의 초전도 자석은, GdBa2Cu3Ox의 초전도체로 이루어지는 초전도 코일의 내측과 외측에, 초전도 코일과 동축에서 동선(銅線)으로 이루어지는 코일을 감은 것이다.
[표 2]
Figure 112013093484455-pct00003
[표 3]
Figure 112013093484455-pct00004
도 14 및 도 15에 실험 결과를 나타낸다. 도 14는, 감자(減磁) 과정과 증자(增磁) 과정에서의 전류값에 대한 중심 자장의 크기를 나타내고, 도 15는, 도 14에서의 직선으로부터의 어긋남을 나타내고 있다. 도 14의 (A) 및 도 15의 (A)는, 교류 자장을 인가하지 않았던 경우의 결과이며, 도 14의 (B) 및 도 15의 (B)는, 교류 자장을 인가한 경우의 결과이다. 도 14로부터 명백한 바와 같이, 교류 자장을 인가함으로써 이력(履歷)이 소멸되어 직선적으로 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 15로부터 명백한 바와 같이, 도 14에서의 교류 자장을 인가한 경우의 직선으로부터의 어긋남은, 0.1% 정도 이하의 측정 한계에 가까운 레벨에까지 향상되어 있는 것을 알 수 있다.
이상의 실험 결과로부터, 본 발명에 관한 초전도 자석은, 초전도 테이프의 테이프면에 수직인 방향의 자화를 소실시켜, 중심 자장을 균일하게 유지할 수 있다.
1: 초전도 자석
2: 초전도 코일
3: 중심축
4: 외측 교류 코일
5: 직류 전원부
6: 교류 전원부
7: 내측 교류 코일
8: 교류 코일

Claims (12)

  1. 직류 전원부로부터 공급되는 직류 전류를 통전하는 테이프 선재의 초전도체(超傳導體)로 이루어지는 초전도 코일; 및
    상기 초전도 코일의 상기 테이프 선재 내에 생기는 차폐(遮蔽) 전류에 의한 상기 테이프 선재의 광폭면(廣幅面)에 수직인 방향으로 생기는 자화(磁化)에 대하여 수직 방향의 교류 자장(磁場)을, 교류 전원부로부터 공급되는 교류 전류를 교류 코일에 통전시키는 것으로써 인가하는 자장 인가 수단;
    을 포함하는 초전도 자석.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자장 인가 수단이, 상기 교류 자장을 인가하는 동시에, 초전도 코일층의 외측과 내측에서 흐르는 방향이 역방향으로 되도록 한 교류 전류가 통전되는 교류 코일을 가지는, 초전도 자석.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 자장 인가 수단이, 초전도 코일층의 외측에, 상기 초전도 코일과 동축(同軸)에서 권취된 초전도체 또는 비(非)초전도체로 이루어지는 외측 교류 코일을 가지고, 상기 외측 교류 코일에 교류 전류를 통전시키는, 초전도 자석.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 자장 인가 수단이, 상기 초전도 코일층의 내측에, 상기 초전도 코일과 동축에서 권취된 초전도체 또는 비초전도체로 이루어지는 내측 교류 코일을 가지고, 상기 외측 교류 코일에 통전되는 전류 방향과 상기 내측 교류 코일에 통전되는 전류 방향이 서로 역방향인, 초전도 자석.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 자장 인가 수단이, 상기 초전도 코일의 권취 방향에 대하여 직교하는 방향에, 초전도 코일층을 주회(周回)하여 권취된 초전도체 또는 비초전도체로 이루어지는 교류 코일을 가지고, 상기 교류 코일에 교류 전류를 통전시키는, 초전도 자석.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 초전도 코일이, 고온 초전도체로 이루어지는 테이프형의 코일인, 초전도 자석.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 자장 인가 수단이, 인가하는 교류 자장을 점차로 감쇠(減衰)시키는, 초전도 자석.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 초전도 코일의 온도를 소정 시간만 상승시키는 온도 제어 수단을 포함하는 초전도 자석.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 온도 제어 수단이 상기 교류 코일이며, 상기 교류 코일과 상기 초전도 코일이 밀접한 상태로 설치되어 있는, 초전도 자석.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 온도 제어 수단이, 냉매와 함께 상기 초전도 자석이 수납되어 있는 하우징 내의 압력을 제어하는 압력 제어부를 가지는, 초전도 자석.
  11. 제1항 또는 제2항에 기재된 초전도 자석을 사용한 핵자기 공명 장치로서,
    상기 자장 인가 수단이, 측정의 대상이 되는 대상물을 측정하기 전에 소정 시간 교류 자장을 인가하고, 측정 시에는 상기 교류 자장을 인가하지 않는, 핵자기 공명 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 자장 인가 수단이, 상기 초전도 코일에 통전하는 전류값을 변경할 때 상기 교류 자장을 인가하는, 핵자기 공명 장치.
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