JP4895714B2 - Superconductor, superconducting magnetic field generator, superconducting magnetic field generator, and nuclear magnetic resonance apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、液体ヘリウムを用いることなく従来の超電導磁石に匹敵する強い静磁場を均一な分布で発生させる超電導磁場発生装置と、それを備えた核磁気共鳴装置とに関する。 The present invention relates to a superconducting magnetic field generator that generates a strong static magnetic field with a uniform distribution comparable to a conventional superconducting magnet without using liquid helium, and a nuclear magnetic resonance apparatus including the same.
本発明の出願人は、先に超電導体を用いた磁場発生装置とそれを備える核磁気共鳴装置とを提案した（特許文献３参照）。この磁場発生装置は、真空断熱容器内で超電導転移温度以下に冷却される中空円筒形の超電導体をその軸方向に着磁し、これにより中空円筒部に静磁場を発生させる超電導磁場発生素子を有する。このような磁場発生装置を備える核磁気共鳴装置は、この磁場内に置かれた被測定物体のＮＭＲ信号を検出コイルとスペクトロメータとで検出するようにしたものであり、小型で高精度の核磁気共鳴装置である。 The applicant of the present invention has previously proposed a magnetic field generator using a superconductor and a nuclear magnetic resonance apparatus including the same (see Patent Document 3). This magnetic field generator includes a superconducting magnetic field generating element that magnetizes a hollow cylindrical superconductor cooled to a superconducting transition temperature or lower in a vacuum heat insulating container in the axial direction, thereby generating a static magnetic field in the hollow cylindrical portion. Have. A nuclear magnetic resonance apparatus equipped with such a magnetic field generator is configured to detect an NMR signal of an object to be measured placed in the magnetic field with a detection coil and a spectrometer. It is a magnetic resonance apparatus.
周知のように核磁気共鳴装置のマグネットには１ｐｐｍ以下の高い磁場均一性が要求される。このため、通常、マグネット本体に補正コイルを追加して目標とする磁場均一性を実現するようにしている。しかし、超電導体を用いた核磁気共鳴装置のマグネットでは、着磁により超電導体に捕捉される磁場を利用するが、バルク超電導体の円筒空間は狭く、磁場分布を補正する補正コイルの大きさや数は限られる。このため着磁の時点で超電導体に均一度の高い磁場を捕捉させなければならない。 As is well known, a magnet of a nuclear magnetic resonance apparatus is required to have a high magnetic field uniformity of 1 ppm or less. For this reason, usually, a correction coil is added to the magnet body to achieve the target magnetic field uniformity. However, the magnet of a nuclear magnetic resonance apparatus using a superconductor uses a magnetic field captured by the superconductor by magnetization, but the cylindrical space of the bulk superconductor is narrow, and the size and number of correction coils for correcting the magnetic field distribution are small. Is limited. For this reason, it is necessary to cause the superconductor to capture a highly uniform magnetic field at the time of magnetization.
従来技術によれば、円筒状の超電導体は金属リングなどの補強部材で補強され（特許文献１、２参照）、冷凍機のコールドヘッド（取り付けステージ）に取り付けられ、内部を真空に維持された真空断熱容器の中に配置される。この超電導磁場発生装置は、その超電導体が収納されている部位を超電導マグネットの円筒空間に挿入し、均一な磁場を印加しながら冷凍機によって超電導転移温度以下まで冷却する。その後、超電導マグネットの磁場をゼロにすると、印加した磁場が超電導体に捕捉され、超電導体の円筒内に磁場空間が形成される。
According to the prior art, the cylindrical superconductor is reinforced with a reinforcing member such as a metal ring (see
しかしながら、上記の従来技術では、着磁のために超電導マグネットで発生させた均一な印加磁場の分布が、超電導体自身や、超電導体の周囲に配置された補強部材、取り付け部材、コールドヘッドあるいは真空断熱容器などによって乱され、着磁後に超電導体の円筒内に補正可能な均一な磁場空間が形成されないという問題が生じる。これは、印加した磁場により超電導体自身やこれらの周辺部材が磁化する（磁気を帯びる）ことに起因する。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、着磁により円筒状の超電導体の中空部に、補正可能な均一な磁場を捕捉する超電導体と、補正可能な均一な磁場を形成する超電導磁場発生素子と、１ｐｐｍ以下の高い磁場均一性を有する超電導磁場発生装置と、高精度の分析が可能なコンパクトな核磁気共鳴装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and a superconductor capturing a correctable uniform magnetic field in a hollow portion of a cylindrical superconductor by magnetization, and a correctable uniform magnetic field. It is an object of the present invention to provide a superconducting magnetic field generating element for forming a superconducting magnetic field generating device, a superconducting magnetic field generating device having a high magnetic field uniformity of 1 ppm or less, and a compact nuclear magnetic resonance apparatus capable of highly accurate analysis.
（１）本発明の超電導体は、印加される磁場を中空部に捕捉する中空円筒状の超電導体であって、この超電導体の外径をＤ、内径をｄ、高さをＨ、超電導転移温度における磁化率をχとしたとき、
Ｈ／Ｄ≦１．１×（ｄ／Ｄ）＋０．３４２＋０．００１／χ・・・・・（１）
であり、中空部の中心軸方向を横軸、磁場強度を縦軸として、均一な静磁場中で磁場を印加しているときの中空部における横軸方向の磁場強度の分布が、超電導体の長さの略半分の位置で、略平ら又は下に凸であることを特徴とする。なお、磁化率χはＳＩ（ＥＢ対応）単位系で表すものとする。
(1) The superconductor of the present invention is a hollow cylindrical superconductor that captures an applied magnetic field in a hollow portion. The superconductor has an outer diameter D, an inner diameter d, a height H, and a superconducting transition. When the magnetic susceptibility at temperature is χ,
H / D ≦ 1.1 × (d / D) + 0.342 + 0.001 / χ (1)
, And the horizontal axis the central axis of the hollow portion, the vertical axis of the magnetic field intensity, the distribution of magnetic field strength in the horizontal direction in the hollow portion while applying a magnetic field in a uniform static magnetic field, the superconductor It is characterized by being substantially flat or convex downward at approximately half the length. The magnetic susceptibility χ is expressed in SI (EB compatible) unit system.
印加中の磁場強度の分布は、原理的には超電導体の軸方向に均一であることが望ましいが、実際には超電導体の中空円筒状の両端から磁場が抜けるので、着磁条件によっては、超電導体の軸方向において、その両端部よりも中央部の方がやや磁場強度が低い磁場強度分布に印加しておく方が、超電導体に捕捉された捕捉磁場がより均一となる。本発明の超電導体は、超電導転移温度における磁化率がχの超電導体の外径（Ｄ）、内径（ｄ）、高さ（Ｈ）が（１）式を満足するように形成されているので、中空部の中央領域で均一な静磁場中で印加中の磁場強度が略平らまたは下に凸の磁場を捕捉することができる。これ故着持された超電導体は、補正可能な均一な磁場を発生することができる。 In principle, the distribution of the magnetic field strength during application is desirably uniform in the axial direction of the superconductor, but in practice, the magnetic field is released from both ends of the hollow cylinder of the superconductor, so depending on the magnetization conditions, In the axial direction of the superconductor, the trapped magnetic field trapped by the superconductor becomes more uniform when applied to a magnetic field strength distribution having a slightly lower magnetic field strength at the center than at both ends. The superconductor of the present invention is formed so that the outer diameter (D), inner diameter (d), and height (H) of the superconductor having the magnetic susceptibility χ at the superconducting transition temperature satisfy the expression (1). In the central region of the hollow portion, the magnetic field strength being applied in a uniform static magnetic field can be captured substantially flat or downward . Therefore, the held superconductor can generate a correctable uniform magnetic field.
（２）より具体的には、超電導体の長さの半分の位置を中点とし、磁場を印加しているときの中点における磁場強度と、この中点を挟んで中心軸方向に少なくとも±１ｍｍ隔てた位置における磁場強度との差が、印加した磁場強度の１０ｐｐｍ以下であることが望ましい。
(2) More specifically, with the half point of the superconductor as the midpoint, the magnetic field strength at the midpoint when the magnetic field is applied, and at least ± in the central axis direction with the midpoint interposed It is desirable that the difference from the magnetic field strength at a
磁場強度の分布がこの範囲にあれば、発生磁場の分布を比較的容易に補正して超電導体の中空部の中央領域に均一磁場を得ることができる。 If the distribution of the magnetic field strength is within this range, the generated magnetic field distribution can be corrected relatively easily to obtain a uniform magnetic field in the central region of the hollow portion of the superconductor.
（３）また、超電導体の長さの半分の位置を中点とし、磁場を印加しているときの中点における磁場強度と、この中点から中心軸方向に±１ｍｍ隔てた位置における磁場強度との差が、印加した磁場強度の１ｐｐｍ以下であることが望ましい。 (3) Also, the magnetic field strength at the midpoint when a magnetic field is applied with the half point of the length of the superconductor as the midpoint, and the magnetic field strength at a position spaced ± 1 mm from the midpoint in the central axis direction It is desirable that the difference is 1 ppm or less of the applied magnetic field strength.
磁場強度の分布がこの範囲にあれば、印加中の磁場強度の分布が、超電導体の長さの略半分の位置で、略平らであるので、発生磁場の分布をさらに容易に補正して超電導体の中空部の中央領域に均一磁場を得ることができる。 If the distribution of the magnetic field strength is within this range, the distribution of the magnetic field strength being applied is substantially flat at approximately half the length of the superconductor, so the generated magnetic field distribution can be corrected more easily to superconductivity. A uniform magnetic field can be obtained in the central region of the hollow part of the body.
（４）超電導体の外径をＤ、内径をｄ、高さをＨ、超電導転移温度における磁化率をχとしたとき、
１．１×（ｄ／Ｄ）＋０．３４２−０．００２／χ≦Ｈ／Ｄ≦１．１×（ｄ／Ｄ）＋０．３４２＋０．００１／χ・・・・・・・（２）
であってもよい。
( 4 ) When the outer diameter of the superconductor is D, the inner diameter is d, the height is H, and the magnetic susceptibility at the superconducting transition temperature is χ,
1.1 × (d / D) + 0.342−0.002 / χ ≦ H / D ≦ 1.1 × (d / D) + 0.342 + 0.001 / χ (2)
It may be.
磁化率をχの超電導体の外径（Ｄ）、内径（ｄ）、高さ（Ｈ）を（２）式を満足するように形成することで、超電導体に捕捉させる軸方向の磁場強度の分布を略平らにすることができる。 The magnetic field intensity in the axial direction to be captured by the superconductor is formed by forming the magnetic susceptibility so that the outer diameter (D), inner diameter (d), and height (H) of the superconductor satisfying the equation (2). The distribution can be made substantially flat.
（５）以上のように均一度の高い磁場を捕捉させる超電導体は、溶融法により作製され主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（ただし、ＲＥは、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｄｙ、Ｈｏのうち一種以上）で表される組成物であることが望ましい。 ( 5 ) As described above, a superconductor that captures a magnetic field with high uniformity is manufactured by a melting method, and its main component is RE-Ba-Cu-O (where RE is Y, La, Nd, Sm, Eu, A composition represented by one or more of Gd, Er, Yb, Dy, and Ho) is desirable.
主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏで表される超電導体は、特に溶融法で作製することにより、大きな磁場を捕捉することができる。 A superconductor whose main component is represented by RE-Ba-Cu-O can capture a large magnetic field, in particular, by producing it by a melting method.
（６）本発明の超電導体の着磁方法は、印加される磁場を中空部に捕捉する中空円筒状の超電導体を印加する超電導体の着磁方法であって、上記のいずれかの超電導体をこの超電導体の超電導転移温度より高温で磁場を印加し、磁場を印加したまま超電導転移温度以下に冷却することを特徴とする。 ( 6 ) The superconductor magnetization method of the present invention is a superconductor magnetization method of applying a hollow cylindrical superconductor that captures an applied magnetic field in a hollow portion, and is any one of the above superconductors Is characterized by applying a magnetic field at a temperature higher than the superconducting transition temperature of the superconductor and cooling to a superconducting transition temperature or lower with the magnetic field applied.
超電導磁石で強力な静磁場を発生させ、その磁場により超電導体に磁場を捕捉させることにより、超電導磁石で発生できる強い磁場を超電導体に着磁させることができる。 By generating a strong static magnetic field with the superconducting magnet and allowing the superconductor to capture the magnetic field with the magnetic field, a strong magnetic field that can be generated with the superconducting magnet can be magnetized on the superconductor.
（７）本発明の超電導磁場発生素子は、中空円筒状の超電導体に磁場を印加し、この磁場を捕捉することにより超電導体の中空部に磁場を発生する超電導磁場発生素子であって、上記（１）〜（５）のいずれかの超電導体に磁場を捕捉させたものである。 ( 7 ) A superconducting magnetic field generating element of the present invention is a superconducting magnetic field generating element that generates a magnetic field in a hollow portion of a superconductor by applying a magnetic field to a hollow cylindrical superconductor and capturing the magnetic field. A superconductor according to any one of (1) to ( 5 ) is made to capture a magnetic field.
磁場を印加された超電導磁場発生素子は、磁束が時間の経過とともに徐々に移動して磁場が減少する磁束クリープ現象を生じて、磁場分布は変化する。この磁束クリープは超電導磁場発生素子の軸方向の両端部に近づくほど大きくなるため、捕捉された磁場の分布は円筒形の軸方向において、中心付近で最も強く、両端に近づくにつれて弱くなる。このため、ＮＭＲ信号の観測に必要な磁場の均一度が得られないかその範囲が狭くなる。しかし、本発明の超電導磁場発生素子ではＮＭＲ分析において重要な中空部中央領域で、磁場強度の分布が略平ら又は下に凸型である補正可能な均一磁場を捕捉しているので、磁束クリープが生じたとしても中央部の平坦度を維持することができる。 The superconducting magnetic field generating element to which a magnetic field is applied causes a magnetic flux creep phenomenon in which the magnetic flux gradually moves with time and the magnetic field decreases, and the magnetic field distribution changes. Since the magnetic flux creep increases as it approaches the both ends of the superconducting magnetic field generating element in the axial direction, the distribution of the trapped magnetic field is strongest near the center in the cylindrical axial direction and becomes weaker as it approaches both ends. For this reason, the uniformity of the magnetic field necessary for the observation of the NMR signal cannot be obtained or the range becomes narrow. However, the superconducting magnetic field generating element of the present invention captures a correctable uniform magnetic field in which the distribution of the magnetic field strength is substantially flat or convex downward in the central region of the hollow portion, which is important in NMR analysis. Even if it occurs, the flatness of the central portion can be maintained.
（８）このような超電導磁場発生素子においては、超電導体は単一の磁化率を有することが望ましい。超電導体が単一の磁化率を有することで、発生磁場の分布を所定の形状に保持することができる。 ( 8 ) In such a superconducting magnetic field generating element, it is desirable that the superconductor has a single magnetic susceptibility. Since the superconductor has a single magnetic susceptibility, the distribution of the generated magnetic field can be maintained in a predetermined shape.
（９）また、本発明の超電導磁場発生素子は、中空円筒状の超電導体に磁場を印加し、該磁場を捕捉することにより前記超電導体の中空部に磁場を発生する超電導磁場発生素子において、超電導体は複数個の超電導固体を中心軸方向に積層した超電導円筒積層体であり、この超電導円筒積層体は、上記（１）〜（５）のいずれか一の超電導体固体の少なくとも一方の端に、その超電導固体よりも磁化率の小さい超電導固体が積層されていることを特徴とする。 ( 9 ) Moreover, the superconducting magnetic field generating element of the present invention is a superconducting magnetic field generating element that generates a magnetic field in a hollow portion of the superconductor by applying a magnetic field to a hollow cylindrical superconductor and capturing the magnetic field . superconductor is a superconductor cylindrical laminated body obtained by laminating a plurality of superconducting solid in the central axis direction, the superconducting cylindrical laminated body, (1) to (5) of any one of the superconductor solid at least one of the end, the small again superconducting solid susceptibility than the superconducting solid is characterized in that it is laminated.
磁化率の小さな超電導固体は、誘発される磁場が小さいので、超電導磁場発生素子の発生磁場に与える影響は小さいので、発生磁場の分布を所定の形状に保持することができる。 Since a superconducting solid with a low magnetic susceptibility has a small induced magnetic field, it has a small effect on the generated magnetic field of the superconducting magnetic field generating element, so that the distribution of the generated magnetic field can be maintained in a predetermined shape.
（１０）本発明の超電磁場発生素子は、中空円筒状の超電導体とこの超電導体の周囲に配設した補強部材とを有し、磁場の印加によって超電導体が磁場を捕捉しその中空部に磁場を発生する超電導磁場発生素子であって、超電導体に印可するのと同じ磁場を補強部材のみに印加したときに、超電導体の中空部に相当する空間における磁場強度と印加した磁場強度との差が印加した磁場強度の１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする。 ( 10 ) The superelectromagnetic field generating element of the present invention has a hollow cylindrical superconductor and a reinforcing member disposed around the superconductor, and the superconductor captures the magnetic field by applying a magnetic field, and in the hollow portion. A superconducting magnetic field generating element that generates a magnetic field, and when the same magnetic field that is applied to the superconductor is applied only to the reinforcing member, the magnetic field strength in the space corresponding to the hollow portion of the superconductor and the applied magnetic field strength The difference is 10 ppm or less of the applied magnetic field strength.
一般に、超電導磁場発生素子においては、用いられる超電導体の周囲に補強部材を配置して、外部からの衝撃や磁場を印加した時の電磁力による割れやひびなどの発生を抑制している。 In general, in a superconducting magnetic field generating element, a reinforcing member is disposed around a superconductor to be used to suppress the occurrence of cracks and cracks due to electromagnetic force when an external impact or magnetic field is applied.
本発明の超電導磁場発生素子は、超電導体に均一な磁場を印加したときにこの補強部材による超電導体中空部の磁場の乱れが、印加した磁場分布に対して１０ｐｐｍ以下になるように補強部材の形状、寸法、材質などを予め設定しているので、補正可能な均一磁場を発生することができる。 The superconducting magnetic field generating element of the present invention is such that when a uniform magnetic field is applied to the superconductor, the disturbance of the magnetic field in the hollow portion of the superconductor by the reinforcing member is 10 ppm or less with respect to the applied magnetic field distribution. Since the shape, dimensions, material, etc. are preset, a correctable uniform magnetic field can be generated.
ここで、円筒状の超電導体とは、内径、外径、高さで規定される形状だけではなく、中心軸に対して軸対象な回転体形状を含めたものをいう。 Here, the cylindrical superconductor means not only the shape defined by the inner diameter, the outer diameter, and the height, but also the shape of the rotating body that is the object of the axis with respect to the central axis.
（１１）このような補強部材は、その磁化率の大きさ（｜χ｜）が、２×１０-4以下であることが望ましい。 ( 11 ) Such a reinforcing member preferably has a magnetic susceptibility magnitude (| χ |) of 2 × 10 −4 or less.
補強部材はその磁化率を一定値以下にすれば、磁場を印加した時の補強部材の磁化による磁場分布の乱れは小さくなる。補強部材の磁化率の絶対値を２×１０−４以下にすることで、補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生素子を得ることができる。 If the magnetic susceptibility of the reinforcing member is set to a certain value or less, the disturbance of the magnetic field distribution due to the magnetization of the reinforcing member when a magnetic field is applied is reduced. By setting the absolute value of the magnetic susceptibility of the reinforcing member to 2 × 10 −4 or less, a superconducting magnetic field generating element that generates a correctable uniform magnetic field can be obtained.
（１２）また、補強部材の形状は超電導体と同心のリング形状であることが好ましい。 ( 12 ) Further, the shape of the reinforcing member is preferably a ring shape concentric with the superconductor.
超電導体の形状に合わせ、補強部材も軸対象なリング形状とすることで、補強部材による磁場分布の乱れは小さくなり、乱れがあっても軸対象になるので、磁場分布の補正が容易になる。なお、補強部材は、リング形状であれば微小なネジ穴などがあってもよい。また、補強部材は一体でも、複数個を組み合わせたものでもよい。 Matching the shape of the superconductor and making the reinforcing member an axially shaped ring shape reduces the disturbance of the magnetic field distribution due to the reinforcing member, and even if there is a disturbance, it becomes an axial object, making it easy to correct the magnetic field distribution . The reinforcing member may have a minute screw hole as long as it is ring-shaped. Further, the reinforcing members may be integrated or a combination of a plurality of reinforcing members.
（１３）このようなリング形状の補強部材を有する超電導磁場発生素子において、補強部材の内径をｄH、肉厚をｔ、磁化率をχとしたとき、補強部材の形状は、以下の（３）式を満たすように設定するとよい。
ｔ／ｄH≦１．６×１０-5／｜χ｜・・・・・（３）
( 13 ) In the superconducting magnetic field generating element having such a ring-shaped reinforcing member, when the inner diameter of the reinforcing member is d H , the thickness is t, and the magnetic susceptibility is χ, the shape of the reinforcing member is (3 ) It is good to set to satisfy the formula.
t / d H ≦ 1.6 × 10 −5 / | χ | (3)
補強部材の形状を（３）式を満足するように設定することで、補強部材による磁場分布の乱れは１０ｐｐｍ以下になる。よって補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生素子を得ることができる。 By setting the shape of the reinforcing member to satisfy the expression (3), the disturbance of the magnetic field distribution by the reinforcing member becomes 10 ppm or less. Therefore, a superconducting magnetic field generating element that generates a correctable uniform magnetic field can be obtained.
（１４）かかる補強部材は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金のいずれかで作製するとよい。 ( 14 ) Such a reinforcing member may be made of any of aluminum, aluminum alloy, copper, copper alloy, magnesium, magnesium alloy, titanium, and titanium alloy.
これらの金属は、磁化率が小さく、強度も高いので補強効果が大きく超電導体の補強部材として好適である。 Since these metals have a low magnetic susceptibility and high strength, they have a large reinforcing effect and are suitable as reinforcing members for superconductors.
（１５）以上の超電導磁場発生素子の超電導体は、上記（１）〜（５）のいずれかに記載の超電導体であることが望ましい。 ( 15 ) The superconductor of the superconducting magnetic field generating element described above is preferably the superconductor according to any one of (1) to ( 5 ) above.
このような超電導磁場発生素子は、補強部材だけではなく超電導体自身が磁化されることによる影響を含めて、磁場分布の乱れが印加した磁場に対して１０ｐｐｍ以下になっているので、補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生素子が得られる。 Such a superconducting magnetic field generating element can be corrected because the disturbance of the magnetic field distribution is 10 ppm or less with respect to the applied magnetic field, including the influence of not only the reinforcing member but also the superconductor itself being magnetized. A superconducting magnetic field generating element that generates a uniform magnetic field can be obtained.
（１６）本発明の超電導磁場発生装置は、中空円筒状の超電導体と該超電導体の周囲に配設した補強部材とからな超電導磁場発生素子と、超電導磁場発生素子を冷却する冷却部材と、超電導磁場発生素子を冷却部材に取り付ける固定部材と、少なくとも超電導磁場発生素子と固定部材とを収容する真空断熱容器とを備え、磁場の印加によって超電導体が磁場を捕捉して超電導体の中空部に磁場を発生する超電導磁場発生装置であって、超電導体に印可するのと同じ磁場を超電導体を除いた状態で印加したときに、超電導体の中空部に相当する空間における磁場強度と印加した磁場強度との差が印加した磁場強度の１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする。 ( 16 ) A superconducting magnetic field generator of the present invention comprises a superconducting magnetic field generating element comprising a hollow cylindrical superconductor and a reinforcing member disposed around the superconductor, a cooling member for cooling the superconducting magnetic field generating element, A fixing member that attaches the superconducting magnetic field generating element to the cooling member, and a vacuum heat insulating container that contains at least the superconducting magnetic field generating element and the fixing member. The superconductor captures the magnetic field by applying a magnetic field and enters the hollow portion of the superconductor. A superconducting magnetic field generator that generates a magnetic field, and when the same magnetic field as applied to the superconductor is applied with the superconductor removed, the magnetic field strength and the applied magnetic field in the space corresponding to the hollow portion of the superconductor The difference from the intensity is 10 ppm or less of the applied magnetic field intensity.
超電導磁場発生装置の場合、補強部材の他に、冷却部材、固定部材、真空断熱容器などの周辺部材を備えている。超電導体に均一な磁場を印加したときの超電導体以外のこれらの周辺部材による超電導体中空部の磁場の乱れが一定範囲内になるように、周辺部材の形状、寸法、材質、配置などを予め設定し、その磁場分布の乱れを、印加した磁場分布に対して１０ｐｐｍ以下にしているので、補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生装置が得られる。 In the case of a superconducting magnetic field generator, peripheral members such as a cooling member, a fixing member, and a vacuum heat insulating container are provided in addition to the reinforcing member. The shape, dimensions, material, arrangement, etc. of the peripheral member are preliminarily set so that the disturbance of the magnetic field in the hollow portion of the superconductor due to these peripheral members other than the superconductor when a uniform magnetic field is applied to the superconductor is within a certain range. Since the disturbance of the magnetic field distribution is set to 10 ppm or less with respect to the applied magnetic field distribution, a superconducting magnetic field generator that generates a correctable uniform magnetic field can be obtained.
（１７）この超電導磁場発生装置の超電導磁場発生素子は、上記（１０）〜（１５）のいずれかであることが望ましい。 ( 17 ) It is desirable that the superconducting magnetic field generating element of the superconducting magnetic field generating device is any one of the above ( 10 ) to ( 15 ).
上記（１０）〜（１５）の超電導磁場発生素子は、超電導体自身や超電導体に最も近く配置される補強部材の磁場に与える影響を最小にしているので、補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生装置が得られる。 The superconducting magnetic field generating elements of the above ( 10 ) to ( 15 ) minimize the influence on the magnetic field of the superconductor itself or the reinforcing member arranged closest to the superconductor, so that the superconductivity that generates a correctable uniform magnetic field A magnetic field generator is obtained.
（１８）本発明の超電導磁場発生装置において、補強部材、冷却部材、固定部材、真空断熱容器のうちのいずれか又は全ての形状は、超電導体の中心軸に対して軸対象であることが望ましい。 ( 18 ) In the superconducting magnetic field generator of the present invention, any or all of the shape of the reinforcing member, the cooling member, the fixing member, and the vacuum heat insulating container are preferably axial objects with respect to the central axis of the superconductor. .
超電導体の形状に合わせ、これらの周辺部材の形状も軸対象とすることで、周辺部材による磁場分布の乱れは小さくなり、乱れがあっても軸対象になるので、磁場分布の補正が容易になる。 By aligning the shape of these peripheral members with the shape of the superconductor, the disturbance of the magnetic field distribution by the peripheral members is reduced, and even if there is a disturbance, it becomes the axis subject, so correction of the magnetic field distribution is easy. Become.
（１９）以上の超電導磁場発生装置においては、外径Ｄ、高さＨの超電導体を中心部に内包する直径が２Ｄ、高さが２Ｈである円筒空間に含まれる補強部材、冷却部材、固定部材および真空断熱容器の体積磁化率の大きさ（絶対値）は、２×１０-4以下であることが望ましい。 ( 19 ) In the superconducting magnetic field generator described above, a reinforcing member, a cooling member, and a fixed member included in a cylindrical space having a diameter of 2D and a height of 2H containing a superconductor having an outer diameter D and a height H in the center. The magnitude (absolute value) of the volume magnetic susceptibility of the member and the vacuum heat insulating container is desirably 2 × 10 −4 or less.
超電導体の大きさに対して上記の範囲に含まれる周辺部材の磁化率の大きさを２×１０−４以下とすることで、補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生装置を得ることができる。 A superconducting magnetic field generator that generates a correctable uniform magnetic field can be obtained by setting the magnetic susceptibility of the peripheral member included in the above range to 2 × 10 −4 or less with respect to the size of the superconductor. it can.
（２０）ここで、補強部材、冷却部材、固定部材および真空断熱容器の前記円筒空間に含まれる部分は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金のいずれかとするとよい。 ( 20 ) Here, the portion included in the cylindrical space of the reinforcing member, the cooling member, the fixing member, and the vacuum heat insulating container is any one of aluminum, aluminum alloy, copper, copper alloy, magnesium, magnesium alloy, titanium, and titanium alloy. Good.
このような円筒空間に含まれる周辺部材の材質は、磁化率が小さくかつ補強効果が大きいアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金が好ましい。従来、一般的に用いられているステンレスは、磁化率が大きいので好ましくない。 The material of the peripheral member included in such a cylindrical space is preferably aluminum, aluminum alloy, copper, copper alloy, magnesium, magnesium alloy, titanium, or titanium alloy having a small magnetic susceptibility and a large reinforcing effect. Conventionally, generally used stainless steel is not preferable because of its high magnetic susceptibility.
（２１）本発明の核磁気共鳴装置は、上記（１６）〜（２０）のいずれかの超電導磁場発生装置をマグネットとして備えることを特徴とする。 ( 21 ) The nuclear magnetic resonance apparatus of the present invention is characterized by including the superconducting magnetic field generation device according to any one of ( 16 ) to ( 20 ) as a magnet.
上記（１６）〜（２０）のいずれかの超電導磁場発生装置をマグネットとして備えることで、小型で高性能な核磁気共鳴装置を得ることができる。 By providing the superconducting magnetic field generator of any one of ( 16 ) to ( 20 ) as a magnet, a small and high-performance nuclear magnetic resonance apparatus can be obtained.
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
（１）超電導体
一般に、溶融法により作製した超電導体は強力なピン止め効果を有しているので外部からの磁場印加により与えられた磁束線を捕捉することができ、この捕捉した磁束線により磁場を発生する。そして、超電導体は、原理的には印加された磁場分布をそのまま保持しようとするので、印加された磁場分布の均一度が高いほど捕捉される磁場分布の均一度も高くなる。
(1) Superconductor Generally, a superconductor produced by a melting method has a strong pinning effect, so that a magnetic flux line given by an external magnetic field application can be captured. Generate a magnetic field. Since the superconductor in principle tries to maintain the applied magnetic field distribution as it is, the higher the uniformity of the applied magnetic field distribution, the higher the uniformity of the captured magnetic field distribution.
超電導体に印加中の磁場は、印加した磁場と超電導体の磁化により誘発された誘発磁場とをベクトル的に加算したものである。従って、超電導磁石で発生させた印加磁場が均一であっても、それにより誘発される超電導体の誘発磁場が不均一であれば、印加中の磁場は不均一となる。 The magnetic field being applied to the superconductor is a vector addition of the applied magnetic field and the induced magnetic field induced by the magnetization of the superconductor. Therefore, even if the applied magnetic field generated by the superconducting magnet is uniform, if the induced magnetic field of the superconductor induced thereby is not uniform, the applied magnetic field is not uniform.
印加中の磁場強度の分布は、原理的には超電導体の軸方向に均一であることが望ましいい。しかし、実際には超電導体の中空部の両端から磁場が抜けるので、着磁条件によっては、超電導体の軸方向において、その両端部よりも中央部の方がやや磁場強度が低い分布に印加しておく方が、超電導体に捕捉される捕捉磁場がより均一となる。 In principle, the distribution of the magnetic field strength during application is desirably uniform in the axial direction of the superconductor. However, since the magnetic field is actually released from both ends of the hollow portion of the superconductor, depending on the magnetization conditions, the magnetic field strength is applied to the distribution in which the magnetic field strength is slightly lower at the center than at both ends in the axial direction of the superconductor. The trapping magnetic field trapped by the superconductor becomes more uniform.
また、超電導転移温度より高温で超電導体に印加を開始し、印加しながら超電導体を冷却する磁場中冷却で着磁する場合には、捕捉磁場の強度分布はほぼ超電導体が超電導に転移する時の分布で決定される。 In addition, when applying to the superconductor at a temperature higher than the superconducting transition temperature and magnetizing by cooling in a magnetic field that cools the superconductor while applying it, the intensity distribution of the trapped magnetic field is almost the same as when the superconductor transitions to superconductivity. Determined by the distribution.
本発明は、超電導体の捕捉磁場を均一にするために磁場解析により超電導体の具備すべき好適な条件に付いて新たな知見を得てなされたものである。 The present invention has been made by obtaining new knowledge about suitable conditions that a superconductor should have in order to make the trapped magnetic field of the superconductor uniform.
詳細な説明に先立って本明細書では、磁場の分布を以下に定義する磁場シフトと磁場シフトプロファイルを用いて説明する。 Prior to detailed description, in this specification, the distribution of the magnetic field will be described using a magnetic field shift and a magnetic field shift profile defined below.
磁場シフトΔＢは、印加する磁場強度をＢ０、印加中の磁場強度をＢとして、印加中の磁場強度Ｂの印加する磁場強度Ｂ０に対する偏差（Ｂ−Ｂ０）を印加磁場強度Ｂ０で除した値（Ｂ−Ｂ０）／Ｂ０でありｐｐｍで表記する。また、磁場シフトプロファイルは、縦軸を磁場シフトΔＢ、横軸を超電導体の中心軸として超電導体の高さの１／２の位置（０点とする）からの距離Ｚに対する磁場シフトΔＢの変化を表すものである。なお、横軸上の０点を含む±１ｍｍの領域を超電導体の中央領域あるいは単に中央領域という。 Field shift ΔB is the applied magnetic field strength B 0, the magnetic field strength in the applied B, deviation of the magnetic field strength B 0 applied field strength B in the application of (B-B 0) at the applied magnetic field strength B 0 Divided value (B−B 0 ) / B 0 and expressed in ppm. The magnetic field shift profile is a change of the magnetic field shift ΔB with respect to the distance Z from a position (1/2 point) of the superconductor height with the vertical axis representing the magnetic field shift ΔB and the horizontal axis representing the central axis of the superconductor. Is expressed. Note that a region of ± 1 mm including 0 point on the horizontal axis is referred to as a central region of the superconductor or simply a central region.
本発明者は、超電導体自身の持つ磁化率による印加中の磁場の乱れを磁場解析により詳細に解析した。磁場解析は、まず超電導体の常磁性磁化率χｐの算出し（ステップ１）、次に得られた常磁性磁化率χを用いて磁場解析による磁場シフトプロファイルを作成し（ステップ２）、次いで、磁場シフトプロファイルに基づいて超電導体形状の最適化条件を設定する（ステップ３）の順に実施した。以下、手順に沿って詳細に説明する。 The inventor has analyzed in detail magnetic field disturbance during application due to the magnetic susceptibility of the superconductor itself by magnetic field analysis. In the magnetic field analysis, first, the paramagnetic susceptibility χ p of the superconductor is calculated (step 1), and then a magnetic field shift profile is created by the magnetic field analysis using the obtained paramagnetic susceptibility χ (step 2). The superconductor shape optimization conditions were set based on the magnetic field shift profile (step 3). Hereinafter, it demonstrates in detail along a procedure.
（ステップ１）超電導体の常磁性磁化率χの算出
多くの希土類元素（以後、ＲＥと表記する。）イオンは大きな磁気モーメントを持つため、ＲＥ系の超電導体はその局在モーメントに起因する常磁性磁化率χを持つ。一般に局在モーメントによる常磁性体の磁化率χは、キュリーの法則；χ＝Ｃ／Ｔに従う。ここで、Ｃはキュリー定数、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。すなわち磁化率χは温度Ｔに反比例するため、低温になるほど大きな値となる。
(Step 1) Calculation of paramagnetic susceptibility χ of a superconductor Since many rare earth elements (hereinafter referred to as RE) ions have a large magnetic moment, RE-based superconductors are paramagnetic due to their localized moments. Has magnetic susceptibility χ. In general, the magnetic susceptibility χ of a paramagnetic material due to local moment follows Curie's law; χ = C / T. Here, C is the Curie constant, and T is the absolute temperature (K). That is, since the magnetic susceptibility χ is inversely proportional to the temperature T, the value becomes larger as the temperature becomes lower.
また、キュリー定数Ｃは、Ｃ＝μ０Ｎｐ２μＢ ２／３κＢ で求められる。ここで、Ｎは単位体積当たりの磁性原子（又はイオン）の数、ｐは磁性原子の有効ボーア磁子数、μＢはボーア磁子（９．２７×１０−２４（Ｊ／Ｔ））、μ０は真空の透磁率（４π×１０−７）、κＢはボルツマン定数（１．３８×１０−２３（Ｊ／Ｋ））である。 Further, the Curie constant C is calculated by C = μ 0 Np 2 μ B 2 / 3κ B. Here, N is the number of magnetic atoms (or ions) per unit volume, p is the number of effective Bohr magnetons of magnetic atoms, μ B is Bohr magneton (9.27 × 10 −24 (J / T)), μ 0 is the vacuum permeability (4π × 10 −7 ), and κ B is the Boltzmann constant (1.38 × 10 −23 (J / K)).
超電導体がＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７構造の超電導酸化物である場合には、その結晶構造は、およそａ＝０．３８４ｎｍ、ｂ＝０．３９ｎｍ、ｃ＝１．１７ｎｍの斜方晶であり、磁性は主にＲＥ原子の磁気モーメントによるものである。このような超電導酸化物においては、ＲＥイオンは単位格子あたり１個であるから、Ｎ＝１／（ａ×ｂ×ｃ）により、Ｎはおよそ６．０×１０２７／ｍ３である。また、ｐはＲＥの種類によって異なり、Ｃはｐの二乗に比例するからχもｐの二乗に比例する。つまりｐの値が大きい超電導酸化物ほどその磁化率χは大きいということができる。 When the superconductor is a superconducting oxide having a RE 1 Ba 2 Cu 3 O 7 structure, the crystal structure is an orthorhombic crystal having a = 0.384 nm, b = 0.39 nm, and c = 1.17 nm. Yes, magnetism is mainly due to the magnetic moment of RE atoms. In such a superconducting oxide, since there is one RE ion per unit cell, N is approximately 6.0 × 10 27 / m 3 according to N = 1 / (a × b × c). Further, p differs depending on the type of RE, and C is proportional to the square of p, so χ is also proportional to the square of p. That is, it can be said that the superconducting oxide having a larger value of p has a higher magnetic susceptibility χ.
以上の式および数値からＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７の磁化率χを計算する。例えば、ＲＥがＧｄの場合にはＣはほぼ１．０となるので、温度Ｔ＝１００Ｋにおける磁化率χは０．０１となる。また、この時の比透磁率μ／μ０（＝１＋χ）は１．０１である。 The magnetic susceptibility χ of RE 1 Ba 2 Cu 3 O 7 is calculated from the above formula and numerical values. For example, when RE is Gd, C is approximately 1.0, so the magnetic susceptibility χ at temperature T = 100K is 0.01. Further, the relative magnetic permeability μ / μ 0 (= 1 + χ) at this time is 1.01.
ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７構造の超電導体について、各種のＲＥの有効ボーア磁子数ｐ（理科年表による文献値）と、計算によって得られた１００Ｋにおける磁化率χおよび比透磁率μ／μ０をまとめて表１に示す。なお、Ｙ、Ｌａの場合は磁気モーメントを持たないので表１には記載していない。 For superconductors of the RE 1 Ba 2 Cu 3 O 7 structure, the effective Bohr magneton number p of various REs (document values according to the scientific chronology), and the magnetic susceptibility χ and relative permeability μ / 100/100 obtained by calculation. μ 0 is shown together in Table 1. Note that Y and La are not shown in Table 1 because they have no magnetic moment.
ただし、実際に超電導体に使用する材料は、ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７以外のＲＥ２ＢａＣｕＯ５やＡｇなどの非超電導相を含んでいるから、全体の磁化率は各相の磁化率と体積分率との積を加算したものになる。 However, since the material actually used for the superconductor includes non-superconducting phases such as RE 2 BaCuO 5 and Ag other than RE 1 Ba 2 Cu 3 O 7 , the overall magnetic susceptibility is the same as the magnetic susceptibility of each phase. It is the product of volume fraction.
例えば、非超電導相であるＲＥ２ＢａＣｕＯ５は、およそａ＝０．７３ｎｍ、ｂ＝１．２４ｎｍ、ｃ＝０．５８ｎｍの斜方晶である。そして、単位格子あたり８個のＲＥ原子を含むからＮ＝８／（ａ×ｂ×ｃ）により、Ｎは約１．５×１０２８／ｍ３となる。従って、非超電導相であるＲＥ２ＢａＣｕＯ５の磁化率は、同じＲＥのＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７相の磁化率の約２．５倍となる（ただし、ＲＥがＮｄの場合には、結晶構造が異なるため除く。）。また、Ａｇは磁化率が−２．５３×１０−５の反磁性体である。 For example, RE 2 BaCuO 5 that is a non-superconducting phase is an orthorhombic crystal having approximately a = 0.73 nm, b = 1.24 nm, and c = 0.58 nm. Since 8 RE atoms are included per unit cell, N = 8 / (a × b × c), so that N is about 1.5 × 10 28 / m 3 . Therefore, the magnetic susceptibility of RE 2 BaCuO 5 , which is a non-superconducting phase, is about 2.5 times the magnetic susceptibility of the RE 1 Ba 2 Cu 3 O 7 phase of the same RE (however, when RE is Nd, Excluded because the crystal structure is different.) Ag is a diamagnetic material having a magnetic susceptibility of −2.53 × 10 −5 .
そこで、材料がＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７、ＲＥ２ＢａＣｕＯ５、Ａｇの３つの相からなり、各相の体積分率を順にν１２３、ν２１１、νＡｇとし、それぞれの磁化率を順に、χ１２３、χ２１１、χＡｇとすれば、これらを含むＲＥ系材料の磁化率χｐは、χｐ＝ν１２３×χ１２３＋ν２１１×χ２１１＋νＡｇ×χＡｇ として計算することができる。なお、透磁率計などを用いて実際の磁化率を測定して計算結果を検証することができる。 Therefore, the material is composed of three phases RE 1 Ba 2 Cu 3 O 7 , RE 2 BaCuO 5 , and Ag, and the volume fraction of each phase is sequentially set to ν 123 , ν 211 , and ν Ag , and the respective magnetic susceptibility is set in order. , Χ 123 , χ 211 , and χ Ag , the magnetic susceptibility χ p of the RE-based material containing them can be calculated as χ p = ν 123 × χ 123 + ν 211 × χ 211 + ν Ag × χ Ag . The calculation result can be verified by measuring the actual magnetic susceptibility using a permeability meter or the like.
（ステップ２）磁場解析による磁場シフトプロファイルの作成
これら値を用いて磁場解析によって計算した印加中の磁場シフトプロファイルを実測値と比較して磁場解析の妥当性を検証した。図１は、外径６０ｍｍ、内径１６ｍｍで高さが２０ｍｍと５８ｍｍの２種類の中空円筒形状の超電導体について、実測した磁場シフトの値と磁場解析により求めた磁場シフトプロファイルとを併記したグラフである。図１では高さ２０ｍｍの超電導体の実測値を■、その磁場シフトプロファイルを実線ｆ１で示し、また、高さ５８ｍｍの超電導体の実測値を○、その磁場シフトプロファイルを実線ｆ２で示した。図１から磁場解析によって得られた印加中の磁場シフトプロファイルは、実際に測定された磁場シフトの分布とよく一致しており、磁化率の計算と磁場解析とが妥当なものであることが分る。特に、磁場解析による磁場シフトプロファイルは、超電導体の中空部内の範囲で実測結果と非常によい一致が認められた。
(Step 2) Creation of magnetic field shift profile by magnetic field analysis The validity of the magnetic field analysis was verified by comparing the applied magnetic field shift profile calculated by the magnetic field analysis with the actual measurement value using these values. FIG. 1 is a graph showing both the measured magnetic field shift value and the magnetic field shift profile obtained by magnetic field analysis for two types of hollow cylindrical superconductors having an outer diameter of 60 mm, an inner diameter of 16 mm, and a height of 20 mm and 58 mm. is there. In FIG. 1, the measured value of the superconductor having a height of 20 mm is indicated by ■, the magnetic field shift profile thereof is indicated by a solid line f1, the measured value of the superconductor having a height of 58 mm is indicated by ◯, and the magnetic field shift profile thereof is indicated by a solid line f2. The magnetic field shift profile during application obtained by magnetic field analysis from FIG. 1 is in good agreement with the distribution of the actually measured magnetic field shift, indicating that the calculation of magnetic susceptibility and the magnetic field analysis are valid. The In particular, the magnetic field shift profile obtained by magnetic field analysis was found to be in good agreement with the actual measurement results in the range within the hollow portion of the superconductor.
以上の結果に基づいて大きさの異なるＧｄ系超電導体（温度１００Ｋにおける比透磁率：１．０１）について磁場解析を行い、それぞれの磁場シフトプロファイルを得た。 Based on the above results, magnetic field analysis was performed on Gd-based superconductors having different sizes (relative permeability at a temperature of 100 K: 1.01), and respective magnetic field shift profiles were obtained.
図２は、外径が６０ｍｍ、内径が１０ｍｍで一定として高さを２０、３０、３２、３４、４０、５０、６０、８０，１００ｍｍの９水準に変化させて解析を行い、それぞれの磁場シフトプロファイルを磁場シフトプロファイル群として併記したグラフである。なお、磁場シフトプロファイルは、図１に示すように横軸の０点で縦軸に対して線対称であるから、図２には各磁場シフトプロファイルの右側半分のみを示した（以後、同じ）。同様にして、外径を６０ｍｍ一定とし、内径を１６、２０、２４、３０ｍｍとして、高さをそれぞれ７〜１０水準の間で変化させて得られた磁場シフトプロファイル群を図３〜６に示す。 Fig. 2 shows the analysis by changing the height to nine levels of 20, 30, 32, 34, 40, 50, 60, 80, and 100 mm, assuming that the outer diameter is 60 mm and the inner diameter is 10 mm. It is the graph which wrote together the profile as a magnetic field shift profile group. Since the magnetic field shift profile is axisymmetric with respect to the vertical axis at the zero point on the horizontal axis as shown in FIG. 1, only the right half of each magnetic field shift profile is shown in FIG. 2 (hereinafter the same). . Similarly, FIGS. 3 to 6 show magnetic field shift profile groups obtained by setting the outer diameter to be constant at 60 mm, the inner diameter to be 16, 20, 24, and 30 mm and changing the height between 7 to 10 levels. .
以上の図２〜６において、得られた各磁場シフトプロファイルの中央付近の形状に着目すると、内径を一定にして高さを変化させたいずれの場合においても、高さが低い（薄い）場合には磁場シフトプロファイルは下に凸型であり、高さが高くなるにつれて（厚い）下に凹型に移行しており、その境界では平坦な磁場シフトプロファイルが得られることが推測される。 2 to 6 above, focusing on the shape near the center of each magnetic field shift profile obtained, in any case where the height is changed with the inner diameter being constant, the height is low (thin). The magnetic field shift profile is convex downward, and as it increases in height, it shifts downward (thick) into a concave shape, and it is assumed that a flat magnetic field shift profile can be obtained at the boundary.
（ステップ３）超電導体形状の最適化
本発明の超電導体は、印加される磁場を中空部に捕捉する中空円筒状の超電導体であって、中空部の中心軸方向を横軸、磁場強度を縦軸として、磁場を印加しているときの中空部における軸方向の磁場強度の分布が、超電導体の長さの略半分の位置で、略平ら又は下に凸であることを特徴とする超電導体である。
(Step 3) Optimization of Superconductor Shape The superconductor of the present invention is a hollow cylindrical superconductor that captures an applied magnetic field in a hollow portion, and the horizontal axis is the central axis direction of the hollow portion, and the magnetic field strength is Superconductivity characterized in that, as the vertical axis, the distribution of the magnetic field strength in the axial direction in the hollow portion when a magnetic field is applied is substantially flat or convex downward at a position approximately half the length of the superconductor. Is the body.
本発明において略平らとは、超電導体の中央領域（２ｍｍ以上の範囲）において、０点の磁場シフトと±１ｍｍ点における磁場シフトとの差が１ｐｐｍ以下であることである。また、下に凸とは、±１ｍｍ点における磁場シフトの値から０点の磁場シフトの値を減じた値が１０ｐｐｍ以下ということである。印加中の超電導体の中央領域における磁場強度の分布がこの範囲にあれば、その磁場を捕捉して補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生素子を得ることができる。 In the present invention, “substantially flat” means that the difference between the magnetic field shift at the zero point and the magnetic field shift at the ± 1 mm point is 1 ppm or less in the central region (range of 2 mm or more) of the superconductor. Further, the downward convex means that the value obtained by subtracting the magnetic field shift value at the zero point from the magnetic field shift value at the ± 1 mm point is 10 ppm or less. If the distribution of the magnetic field intensity in the central region of the superconductor being applied is within this range, a superconducting magnetic field generating element that captures the magnetic field and generates a uniform magnetic field that can be corrected can be obtained.
超電導体の中空円筒形状（内径／外径、高さ／外径）を一定に保って全体の大きさを相似的に変えた３個の超電導体について、それぞれの磁場シフトプロファイルを求めた。すなわち、超電導体１の形状は外径（Ｄ）３０ｍｍ×内径（ｄ）８ｍｍ×高さ（Ｈ）２０ｍｍ、超電導体２は外径６０ｍｍ×内径１６ｍｍ×高さ４０ｍｍ、超電導体３は外径１２０ｍｍ×内径３２ｍｍ×高さ８０ｍｍであり、いずれもｄ／Ｄ＝４／１５、Ｌ／Ｄ＝２／３である。
The magnetic field shift profiles of the three superconductors whose overall sizes were similarly changed while keeping the hollow cylindrical shape (inner diameter / outer diameter, height / outer diameter) of the superconductor constant were determined. That is, the shape of the
結果を図７に示す。得られた磁場シフトプロファイルｆ３（超電導体１）、ｆ４（同２）、ｆ５（同３）は、同一の磁場シフトの範囲で高さＨの増加に従って立ち上がりが緩やかになっている。そこで、各磁場シフトプロファイルの横軸を超電導体の高さでスケーリングする（横軸座標をＨ／２に対する比に置き換える、Ｚ／（Ｈ／２））と磁場シフトプロファイルｆ３〜ｆ５は、図８に示すプロファイルｆ６のように一致する。 The results are shown in FIG. The obtained magnetic field shift profiles f3 (superconductor 1), f4 (same 2), and f5 (same 3) have a gentle rise as the height H increases within the same magnetic field shift range. Therefore, when the horizontal axis of each magnetic field shift profile is scaled by the height of the superconductor (replace the horizontal coordinate with the ratio to H / 2, Z / (H / 2)), the magnetic field shift profiles f3 to f5 are as shown in FIG. As shown in profile f6 shown in FIG.
すなわち、磁場分布形状と磁場変化の大きさは、同一材質においては超電導体の相対的な形状（ここでは、外径に対する内径および高さの比）に依存し、寸法にはよらないことが分かる。従って、中央領域で均一磁場を得るには、超電導体の形状を最適化すればよい。 In other words, the magnetic field distribution shape and the magnitude of the magnetic field change depend on the relative shape of the superconductor (here, the ratio of the inner diameter to the outer diameter and the height) in the same material, and do not depend on the dimensions. . Therefore, in order to obtain a uniform magnetic field in the central region, the shape of the superconductor may be optimized.
図９は、図２〜６で用いた超電導体の形状について、それぞれのｄ／ＤとＨ／Ｄとを算出し、横軸をｄ／Ｄ、縦軸をＨ／Ｄとしてプロットするとともに、超電導体の中央領域における磁場シフトプロファイルの形状を併記したグラフである。 FIG. 9 shows the calculation of the respective d / D and H / D for the shape of the superconductor used in FIGS. 2 to 6 and plots the horizontal axis as d / D and the vertical axis as H / D. It is the graph which wrote together the shape of the magnetic field shift profile in the center area | region of a body.
例えば、図９においてｄ／Ｄが０．１７である９点は、図２に示すＤ＝６０ｍｍ、ｄ＝１０ｍｍでＨを２０〜１００ｍｍの範囲で９水準として得られた磁場シフトプロファイル群に関するものである。ここで、磁場シフトプロファイルの形状は次のようにして判定した。 For example, 9 points with d / D of 0.17 in FIG. 9 relate to the magnetic field shift profile group obtained with D = 60 mm, d = 10 mm and H in the range of 20 to 100 mm as shown in FIG. It is. Here, the shape of the magnetic field shift profile was determined as follows.
それぞれの磁場シフトプロファイルにおいて、横軸の０点における磁場シフトの値をΔＢ0、１ｍｍ点での磁場シフトの値をΔＢ1として、ΔＢ0に対するΔＢ1の偏差Δｂ（Δｂ＝ΔＢ1−ΔＢ0）が、０＜Δｂならば下に凸型、Δｂ＜０ならば上に凸型と判断した。そして、図９では０＜Δｂは■、Δｂ＜０は□で表示した。例えば、上記のＤ＝６０ｍｍ、ｄ＝１０ｍｍの場合には、Ｈが２０、３０、３２ｍｍでは下に凸型の磁場シフトプロファイルであり、３４、４０、５０、６０、８０、１００ｍｍでは上に凸型である。 In each magnetic field shift profile, the value of the magnetic field shift at the zero point on the horizontal axis is ΔB 0 , and the magnetic field shift value at the 1 mm point is ΔB 1 , and the deviation Δb of ΔB 1 with respect to ΔB 0 (Δb = ΔB 1 −ΔB 0). ) Is determined to be convex downward if 0 <Δb, and convex upward if Δb <0. In FIG. 9 , 0 <Δb is indicated by ■, and Δb <0 is indicated by □. For example, when D = 60 mm and d = 10 mm, the magnetic field shift profile is convex downward when H is 20, 30, 32 mm, and upward when 34, 40, 50, 60, 80, 100 mm. It is a type.
次に、図９において下に凸型（■）と上に凸型（□）との境界の回帰式を求め実線Ｆ０を得た。この実線Ｆ０は、Ｈ／Ｄ＝１．１×（ｄ／Ｄ）＋０．３４２ で表わすことができ、この実線Ｆ０上では超電導体の中央領域の磁場強度の分布は平坦であり、偏差Δｂ＝０である。そして、実線Ｆ０より上側の□の領域では磁場強度の分布は上に凸型であり、下側の■の領域では下に凸型である。 Next, to obtain a solid F 0 a regression equation of the boundary between the convex (□) on the lower convex with (■) in FIG. This solid line F 0 can be expressed by H / D = 1.1 × (d / D) +0.342. On this solid line F 0 , the distribution of the magnetic field strength in the central region of the superconductor is flat, and the deviation is Δb = 0. The magnetic field intensity distribution is convex upward in the area □ above the solid line F 0 , and convex downward in the lower square area.
超電導体の中央領域において略平坦、あるいは下に凸型の磁場強度分布を得るためには超電導体の形状（Ｄ、ｄ、Ｈ）を実線Ｆ０の上下のある範囲に定めればよい。磁場強度の変化量は磁化率χに比例するため、この範囲は磁化率χが小さければ広く、磁化率χが大きければ狭く設定しなければならない。 Substantially flat in the central region of the superconductor, or the shape of the superconductor in order to obtain a magnetic field intensity distribution of the convex type bottom (D, d, H) and may be set in the vertical of a range of solid line F 0. Since the amount of change in the magnetic field strength is proportional to the magnetic susceptibility χ, this range must be set wide when the magnetic susceptibility χ is small and narrow when the magnetic susceptibility χ is large.
図１０は同一形状（外径が６０ｍｍ、内径が１６ｍｍで高さが４０ｍｍ）で材料の異なる２種類の超電導体の磁場シフトプロファイルを比較して示したグラフである。つまり、ｆ７は１００Ｋにおける磁化率χが０．０１であるＧｄ系超電導体の磁場シフトプロファイルであり、ｆ８は１００Ｋにおける磁化率χが０．０００３５であるＳｍ系超電導体の磁場シフトプロファイルである。図１０から、磁化率χが小さいＳｍ系超電導体は、中空部（ｚ＝０〜８ｍｍ）における磁場シフトの絶対値がＧｄ系超電導体に比べてはるかに小さく、印加磁場に与える誘発磁場の影響が小さいことが分かる。従って、このように磁化率χの小さな材料からなる超電導体の場合にはこの範囲は広くしてもよい。
FIG. 10 is a graph comparing the magnetic field shift profiles of two types of superconductors having the same shape (
本発明者は、ＲＥの各元素について上記のような磁場解析を行いその結果を検討して実線Ｆ０に対する許容範囲を、＋０．００１／χ、−０．００２／χと定めることができることを見出した。 The present inventor conducted the above magnetic field analysis for each element of RE and examined the results, and determined that the allowable ranges for the solid line F 0 can be defined as + 0.001 / χ and −0.002 / χ. I found it.
すなわち、中央領域において略平坦、または下に凸の磁場強度分布を得るためには超電導体の形状（Ｄ、ｄ、Ｈ）を以下の（１）式を満足するように定めればよい。
Ｈ／Ｄ≦１．１×（ｄ／Ｄ）＋０．３４２＋０．００１／χ ・・・（１）
That is, in order to obtain a substantially flat or downwardly convex magnetic field strength distribution in the central region, the shape (D, d, H) of the superconductor may be determined so as to satisfy the following expression (1).
H / D ≦ 1.1 × (d / D) + 0.342 + 0.001 / χ (1)
また、以下の（２）式を満足するように定めることでさらに均一度の高い磁場強度分布を得ることができる。
１．１×（ｄ／Ｄ）＋０．３４２−０．００２／χ≦Ｈ／Ｄ≦１．１×（ｄ／Ｄ）
＋０．３４２＋０．００１／χ・・・（２）
Further, by determining so as to satisfy the following expression (2), a magnetic field strength distribution with higher uniformity can be obtained.
1.1 × (d / D) + 0.342−0.002 / χ ≦ H / D ≦ 1.1 × (d / D)
+ 0.342 + 0.001 / χ (2)
ここで、Ｇｄ系（χ＝０．０１）超電導体の場合についてこの許容範囲を示したのが図９の破線Ｆ１、Ｆ２であり、この範囲においては、±１ｍｍ点における磁場シフトの偏差Δｂが−１ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下である。例えば、外径が６０ｍｍ、内径が１６ｍｍの場合には、（１）式から高さＨを４４ｍｍ以下の範囲で選択すればよい。また、より好ましくは、（２）式を使って２６〜４４ｍｍの範囲で選択する。 Here, the permissible range for the case of the Gd-based (χ = 0.01) superconductor is shown by the broken lines F 1 and F 2 in FIG. 9, and in this range, the deviation of the magnetic field shift at the ± 1 mm point is shown. Δb is −1 ppm or more and 10 ppm or less. For example, when the outer diameter is 60 mm and the inner diameter is 16 mm, the height H may be selected from the formula (1) within a range of 44 mm or less. More preferably, the selection is made in the range of 26 to 44 mm using equation (2).
図１１は、上述のようにして高さＨを選択した外径が６０ｍｍ、内径が１６ｍｍの超電導体に磁場を印加したときの中央領域における磁場分布を示すグラフである。縦軸は磁場シフトの偏差Δｂ（ｐｐｍ）であり、横軸は中点０からの距離Ｚ（ｍｍ）である。プロファイルｆ９（■）は高さＨ＝３０ｍｍの場合であり、プロファイルｆ１０（□）は高さＨ＝４０ｍｍの場合である。Ｈが３０ｍｍでは下に凸型であり、±１ｍｍ点における偏差Δｂは５．５ｐｐｍである。また、Ｈが４０ｍｍでは緩やかに上に凸型であり、±１ｍｍ点における偏差Δｂは０．２５ｐｐｍである。すなわち、Ｈが４０ｍｍでは中央領域で偏差Δｂが１ｐｐｍ以下であり、磁場強度の分布は略平坦であるといえる。また、Ｈが３０ｍｍでは下に凸型であり、かつ偏差Δｂは１０ｐｐｍ以下であるので、いずれの場合も上記の条件を満足する好適な形状の超電導体であるといえる。
FIG. 11 is a graph showing the magnetic field distribution in the central region when a magnetic field is applied to a superconductor having an outer diameter of 60 mm and an inner diameter of 16 mm with the height H selected as described above. The vertical axis represents the magnetic field shift deviation Δb (ppm), and the horizontal axis represents the distance Z (mm) from the
本発明の超電導体は以上のようにしてその形状（外径、内径、高さ）を設定しているので、超電導磁石で印加しているときの磁場強度の分布が超電導体の軸方向の中央領域で略平らあるいは下に凸状となり、着磁された超電導磁場発生素子は中空部において均一度の高い磁場を発生することができる。 Since the shape (outer diameter, inner diameter, height) of the superconductor of the present invention is set as described above, the distribution of the magnetic field strength when applied by the superconducting magnet is the center in the axial direction of the superconductor. The superconducting magnetic field generating element which is substantially flat or convex downward in the region and can be magnetized can generate a highly uniform magnetic field in the hollow portion.
このような超電導体は、その主成分がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏで表せる酸化物超電導体であり、ＲＥはイットリウム（元素記号Ｙ）、サマリウｍ（Ｓｍ）、ランタン（Ｌａ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリウム（Ｇｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）のうち少なくとも１種又は２種以上を併せてなり、絶対温度９０Ｋ〜９６Ｋの超電導転移温度を有する。 Such a superconductor is an oxide superconductor whose main component can be expressed by RE-Ba-Cu-O, and RE is yttrium (element symbol Y), samarium m (Sm), lanthanum (La), neodymium (Nd ), Europium (Eu), gadolinium (Gd), erbium (Er), ytterbium (Yb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), and an absolute temperature of 90K to 96K. Superconducting transition temperature of
（２）超電導体の着磁方法
前記（１）のように形成した超電導体に超電導磁石を用いて磁場を捕捉させる。着磁方法には特に限定はないが、本発明の超電導体は特に中央領域で均一磁場を得るように設計されているので、静磁場中で着磁する。すなわち、超電導体の超電導転移温度よりも高い温度で超電導磁石などで磁場を印加し、この磁場を印加したまま超電導体の温度を超電導転移温度以下に冷却する着磁方法である。
(2) Magnetization method of superconductor A superconductor formed as described in (1) above is used to capture a magnetic field using a superconducting magnet. There is no particular limitation on the magnetization method, but the superconductor of the present invention is designed to obtain a uniform magnetic field particularly in the central region, and is thus magnetized in a static magnetic field. That is, this is a magnetization method in which a magnetic field is applied with a superconducting magnet or the like at a temperature higher than the superconducting transition temperature of the superconductor, and the temperature of the superconductor is cooled to a superconducting transition temperature or less while this magnetic field is applied.
例えば、Ｇｄ系の超電導体では、その超電導転移温度は９２Ｋであるから、この超電導転移温度よりも高い１００〜３００Ｋで磁場印加を開始して、この磁場印加を施しながら超電導体を均一に２５〜５０Ｋまで冷却する。この温度に維持した状態で６００〜３６００ｓｅｃかけて徐々に超電導磁石の発生磁場を減少させ、最終的に０とする。この後、さらに超電導体の温度を５Ｋ以上低下させると捕捉磁場の時間変化（クリープ）を大幅に抑制できる。このようにして超電導体に磁場を捕捉させることで、均一な磁場を発生する超電導磁場発生素子を得ることができる。 For example, since a superconducting transition temperature of a Gd-based superconductor is 92 K, magnetic field application is started at 100 to 300 K, which is higher than the superconducting transition temperature, and the superconductor is uniformly 25 to 25 while applying this magnetic field. Cool to 50K. While maintaining this temperature, the generated magnetic field of the superconducting magnet is gradually decreased over 600 to 3600 seconds, and finally set to zero. Thereafter, when the temperature of the superconductor is further lowered by 5K or more, the temporal change (creep) of the trapped magnetic field can be significantly suppressed. In this way, a superconducting magnetic field generating element that generates a uniform magnetic field can be obtained by allowing the superconductor to capture the magnetic field.
（３）超電導磁場発生素子
（第１の実施の形態）
本実施形態の超電導磁場発生素子は、上記（１）の中空円筒形状を有す超電導体に（２）の着磁方法で着磁したものであり、中空部の中央領域において均一度の高い磁場を捕捉している。
(3) Superconducting magnetic field generating element (first embodiment)
The superconducting magnetic field generating element of this embodiment is obtained by magnetizing the superconductor having the hollow cylindrical shape of (1) by the magnetization method of (2), and a magnetic field having high uniformity in the central region of the hollow portion. Has captured.
このような超電導磁場発生素子には、単一の磁化率を有する超電導体を用いることができる。また、複数個の超電導個体を中心軸方向に積層した超電導円筒積層体とし、この超電導円筒積層体の少なくとも一方の端にある超電導個体の磁化率が、他の超電導個体の磁化率よりも小さいくなるように構成してもよい。以下具体例を示して本発明の超電導磁場発生素子の第１の実施の形態について詳細に説明する。 For such a superconducting magnetic field generating element, a superconductor having a single magnetic susceptibility can be used. Also, a superconducting cylinder laminate in which a plurality of superconducting solids are laminated in the central axis direction, and the magnetic susceptibility of the superconducting solid at least at one end of the superconducting cylindrical laminate is smaller than the magnetic susceptibility of the other superconducting solids. You may comprise so that it may become. Hereinafter, the first embodiment of the superconducting magnetic field generating element of the present invention will be described in detail with reference to specific examples.
（具体例１）
具体例１は、単一の磁化率を有する超電導体１に磁場を印加した超電導磁場発生素子２ａであり、その縦断面を図１２に模式的に示す。
(Specific example 1)
Example 1 is a superconducting magnetic
超電導体１は、外径（Ｄ）６０ｍｍ、内径（ｄ）１６ｍｍ、高さ（Ｈ）４０ｍｍのＧｄ系超電導体Ｇの単体である。この超電導体は溶融法によって作製され、超電導相であるＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７相の結晶ｃ軸が円筒軸方向に配向した疑似単結晶中に非超電導体相であるＧｄ２ＢａＣｕＯ５とＡｇの微粒子を含む。
The
この超電導体１は、ｄ／Ｄが２．６７でＨ／Ｄは０．６７であり、前記の（１）式を満足する形状である。この超電導体１に磁場を印加して磁場を捕捉させて超電導磁気発生素子２ａとする。超電導体１の中央領域における印加中の磁場強度の分布を磁場解析により求めた結果が前記した図１１のプロファイルｆ１０であり、超電導磁場発生素子２ａは中空部において均一度の高い磁場を発生することができる。
The
（具体例２）
具体例２は、単一の磁化率を有する超電導個体２個を積層して超電導円筒積層体１´とした超電導磁場発生素子２ｂである。図１３にその縦断模式図を示す。
(Specific example 2)
Example 2 is a superconducting magnetic
超電導体としては、外径（Ｄ）６０ｍｍ、内径（ｄ）１６ｍｍ、高さ（ｈ）２０ｍｍのＧｄ系超電導個体Ｇ２個を積層して、全体の高さ（Ｈ）を４０ｍｍとした超電導円筒積層体１´である。超電導個体の組成は具体例１と同様である。磁場解析結果は具体例１と同様であり、この超電導磁場発生素子２ｂは、超電導円筒積層体の中央領域で極めて均一度の高い磁場を発生することができる。
The superconductor is a superconducting cylindrical laminate in which G2 superconducting solids G2 having an outer diameter (D) of 60 mm, an inner diameter (d) of 16 mm, and a height (h) of 20 mm are laminated, and the overall height (H) is 40 mm. It is the
（具体例３）
具体例３は、磁化率の異なる超電導固体を積層して超電導円筒積層体１´とした超電導磁場発生素子２ｃであり、その縦断面を図１４に模式的に示す。
(Specific example 3)
Example 3 is a superconducting magnetic
超電導体としては、外径（Ｄ）６０ｍｍ、内径（ｄ）１６ｍｍ、高さ（ｈ１）４０ｍｍのＧｄ系超電導固体Ｇ１個の両側にそれぞれＳｍ系超電導個体Ｓを積層し、全体の高さ（Ｈ）を６０ｍｍとした超電導円筒積層体１´である。Ｇｄ系超電導個体Ｇは具体例１と同様のものである。また、Ｓｍ系超電導個体Ｓは、Ｇｄ系超電導個体Ｇと同様に溶融法によって作製され、超電導体相であるＳｍＢａ２Ｃｕ３Ｏ７相の結晶ｃ軸が円筒軸方向に配向した疑似単結晶中に非超電導体相であるＳｍ２ＢａＣｕＯ５とＡｇの微粒子とを含む超電導体である。
As the superconductor, Sm-based superconducting solids S are laminated on both sides of a Gd-based superconducting solid G1 having an outer diameter (D) of 60 mm, an inner diameter (d) of 16 mm, and a height (h1) of 40 mm, and the total height (H ) Is a superconducting
Ｓｍ系超電導個体Ｓの磁化率はＧｄ系超電導個体Ｇの磁化率の約３．５％と極めて小さく、かつＳｍ系超電導個体Ｓは超電導円筒積層体１´の両端側に配置されているので中央領域の磁場分布に与える影響は限定的なものである。従って、超電導磁場発生素子２ｃは、超電導円筒積層体１´の中央領域で極めて均一度の高い磁場を発生することができる。
The magnetic susceptibility of the Sm-based superconducting solid S is as small as about 3.5% of the magnetic susceptibility of the Gd-based superconducting solid G, and the Sm-based superconducting solid S is arranged at both ends of the superconducting
（第２の実施の形態）
本実施形態の超電導磁場発生素子は、前記（１）の中空円筒形状を有す超電導体とこの超電導体の周囲に配設した補強部材とからなり、前記（２）の着磁方法で着磁したものである。この超電導磁場発生素子は中空部の中心領域において発生磁場の極めて高い均一度を有する。
(Second Embodiment)
The superconducting magnetic field generating element of the present embodiment comprises the superconductor having the hollow cylindrical shape of (1) and a reinforcing member disposed around the superconductor, and is magnetized by the magnetization method of (2). It is a thing. This superconducting magnetic field generating element has a very high uniformity of the generated magnetic field in the central region of the hollow portion.
本実施形態の超電導磁場発生素子は超電導体を補強する補強部材を有しているが、補強部材も超電導体と同様に磁化率を有し超電導磁石による印加磁場によって磁化されて印加中の磁場強度の分布を乱す原因となる。 Although the superconducting magnetic field generating element of the present embodiment has a reinforcing member that reinforces the superconductor, the reinforcing member also has a magnetic susceptibility like the superconductor and is magnetized by the applied magnetic field by the superconducting magnet, and the magnetic field strength during the application. This will disturb the distribution.
以下、超電導体を除いた補強部材のみに関する磁場解析と、この解析結果に基づく補強部材の最適化について説明する。 Hereinafter, the magnetic field analysis related only to the reinforcing member excluding the superconductor and the optimization of the reinforcing member based on the analysis result will be described.
図１５はアルミニウム製補強部材について磁場解析によって磁場シフトプロファイルを求めたものである。（ａ）は、内径ｄＨが６０ｍｍ、肉厚ｔが５ｍｍで高さＨ（本実施の形態では超電導体の高さに一致させている。以下、同様。）が２０、４０、６０、８０ｍｍのリング形状の補強部材の磁場シフトプロファイルである。磁場シフトプロファイルは高さＨによって変化するが、リングの内部空間（Ｈ／２の範囲、図にはＨ＝６０の場合を図示する。）では下に凸型であり、最も磁場強度の高い中央部（０点）における磁場シフトΔＢは０．８〜１．２ｐｐｍである。なお、補強部材の最も磁場強度の高い中央部は、超電導体の中央領域に含まれる。
FIG. 15 shows a magnetic field shift profile obtained by magnetic field analysis for an aluminum reinforcing member. (A) has an inner diameter d H is 60 mm, (in this embodiment is made to coincide with the height of the superconductor. Hereinafter the same.) The height H thickness t is at 5mm is 20,40,60,
この磁場シフトプロファイルは、リングの肉厚によって変動し、肉厚が厚くなると磁場シフトは大きくなる。肉厚１０ｍｍでは、中央部の磁場シフトΔＢは、１．５〜２．２ｐｐｍ（図１５ｂ）であり、肉厚を１５ｍｍにすると、中央部の磁場シフトΔＢは、２〜３．２ｐｐｍ（図１５ｃ）となる。 This magnetic field shift profile varies depending on the thickness of the ring, and the magnetic field shift increases as the thickness increases. When the wall thickness is 10 mm, the magnetic field shift ΔB at the center is 1.5 to 2.2 ppm (FIG. 15 b). When the wall thickness is 15 mm, the magnetic field shift ΔB at the center is 2 to 3.2 ppm (FIG. 15 c). )
しかし、（ａ）〜（ｃ）のいずれも中央部の磁場シフトΔＢが１０ｐｐｍ以下であり、超電導体の誘発磁場の強さに比べればはるかに小さい。これは、磁化率χが２．０７×１０−５と極めて小さいアルミニウムを補強部材に適用したからである。 However, in any of (a) to (c), the magnetic field shift ΔB at the center is 10 ppm or less, which is much smaller than the strength of the induced magnetic field of the superconductor. This is because aluminum having an extremely small magnetic susceptibility χ of 2.07 × 10 −5 is applied to the reinforcing member.
従来は補強部材にオーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３０４）が用いられていた。図１６ａは、内径ｄＨが６０ｍｍ、肉厚ｔが５ｍｍで高さＨが２０、４０、６０、８０ｍｍのＳＵＳ３０４製補強部材の磁場シフトプロファイルを図１５と同様に磁場解析によって求めたものである。肉厚が５ｍｍであっても、中央部の磁場シフトΔＢは１２５〜１７５ｐｐｍ程度であり、アルミ製補強部材に比べて磁場シフトの大きいことが分かる。これは、ステンレスの磁化率が３００×１０−５とアルミニウムの磁化率に比べて極めて大きいからである。なお、図１６ｂは肉厚１０ｍｍの場合であり、図１６ｃは肉厚１５ｍｍの場合である。 Conventionally, austenitic stainless steel (SUS304) has been used for the reinforcing member. Figure 16a is for the inner diameter d H is 60 mm, the thickness t is the height H at 5mm is determined by similarly magnetic field analysis and 15 magnetic field shift profile of SUS304-made reinforcing member of 20,40,60,80mm . Even when the wall thickness is 5 mm, the magnetic field shift ΔB in the center is about 125 to 175 ppm, which indicates that the magnetic field shift is larger than that of the aluminum reinforcing member. This is because the stainless steel has a magnetic susceptibility of 300 × 10 −5 , which is extremely higher than that of aluminum. In addition, FIG. 16b is a case where the thickness is 10 mm, and FIG. 16c is a case where the thickness is 15 mm.
このように磁場シフトプロファイルは補強部材に用いる材料により大きく変化するので、補強部材としてはその磁化率χの大きさ（絶対値）が２×１０−４以下の材料を選択する。各種の材料の室温における磁化率χを表２に示す。 As described above, the magnetic field shift profile varies greatly depending on the material used for the reinforcing member. Therefore, a material having a magnetic susceptibility χ (absolute value) of 2 × 10 −4 or less is selected as the reinforcing member. Table 2 shows the magnetic susceptibility χ of various materials at room temperature.
すなわち、補強部材は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金のいずれかで作製するとよい。また、補強部材としては、金属、樹脂の他、セラミックス・ガラス・金属などの強化粒子や強化繊維を樹脂と複合した強化樹脂材料などを適用することができる。なお、本実施の形態においては、これらの材料と超電導体を接着する接着剤も補強部材に含める。 That is, the reinforcing member is preferably made of any one of aluminum, aluminum alloy, copper, copper alloy, magnesium, magnesium alloy, titanium, and titanium alloy. In addition to the metal and the resin, a reinforcing resin material in which reinforcing particles such as ceramics, glass, and metal or reinforcing fibers are combined with the resin can be used as the reinforcing member. In the present embodiment, an adhesive for bonding these materials and the superconductor is also included in the reinforcing member.
また、図１５、１６の磁場シフトプロファイルから、材料を一定にした場合に磁場シフトプロファイルは補強部材の形状（ｄＨ、ｔ、Ｈ）により変化することが分かる。 15 and 16 that the magnetic field shift profile changes depending on the shape (d H , t, H) of the reinforcing member when the material is constant.
図１７は補強部材の最適化を図るために、図１５、１６をもとに補強部材の形状による磁場シフトの変化をグラフ化したものである。図１７は、補強部材であるリングの内径ｄＨと肉厚ｔの比ｔ／ｄＨを一定とし、高さＨと内径ｄＨとの比、Ｈ／ｄＨを変えたときのリング中央部での磁場シフトΔＢの変化を示したものである。ここで、横軸をＨ／ｄＨ、縦軸を磁場シフトΔＢを磁化率χで除した相対磁場シフト（ΔＢ／χ、ｐｐｍ）で示すことで、材料に関係なく形状のみによる磁場シフトの変化を知ることができる。 FIG. 17 is a graph showing changes in the magnetic field shift depending on the shape of the reinforcing member based on FIGS. 15 and 16 in order to optimize the reinforcing member. 17, the ratio t / d H of the inner diameter d H and the thickness t of the ring is a reinforcing member is constant, the ratio between the height H and the inner diameter d H, ring central portion when changing the H / d H This shows the change in the magnetic field shift ΔB. Here, the horizontal axis represents H / d H , and the vertical axis represents the relative magnetic field shift (ΔB / χ, ppm) obtained by dividing the magnetic field shift ΔB by the magnetic susceptibility χ, so that the change in the magnetic field shift only by the shape regardless of the material. Can know.
例えば、実線ｆ１１（◆）はｔ／ｄＨ＝０．０８３３であり、内径ｄＨ６０ｍｍ、肉厚ｔ５ｍｍの図１５ａあるいは図１６ａに対応しており、ｐ点は高さＨが２０ｍｍにおける相対磁場シフトである。また、実線ｆ１２（■）は内径ｄ６０ｍｍ、肉厚ｔ１０ｍｍの場合であり、実線ｆ１３（▲）は内径ｄ６０ｍｍ、肉厚ｔ１５ｍｍの場合である。いずれも下に凸型であり、あるＨ／ｄＨで相対磁場シフトの絶対値が最大値（白抜きで示す）となることが分かる。なお、図１７では、この最大値を求めるために上記４水準以外の高さについてもプロットされている。
For example, the solid line f11 (♦) is t / d H = 0.0833, which corresponds to FIG. 15a or FIG. 16a having an
図１７で得られた相対磁場シフトの最大値（ΔＢｍａｘ／χ）とｔ／ｄＨとの関係を図１８に示す。図１８からΔＢｍａｘ／χとｔ／ｄＨとは比例関係にあり、磁場シフトの最大値ΔＢｍａｘは、ΔＢｍａｘ＝６．２×｜χ｜・ｔ／ｄＨ と表すことができる。 Maximum value of the obtained relative field shift in FIG. 17 the relationship between t / d H and (ΔBmax / χ) shown in FIG. 18. From FIG. 18, ΔBmax / χ and t / d H are in a proportional relationship, and the maximum value ΔBmax of the magnetic field shift can be expressed as ΔBmax = 6.2 × | χ | · t / d H.
従って、ΔＢｍａｘを１０ｐｐｍ（１×１０−５）以下にする条件は次の式で表される。
ｔ／ｄＨ≦１．６×１０−５／｜χ｜
Therefore, the condition for setting ΔBmax to 10 ppm (1 × 10 −5 ) or less is expressed by the following equation.
t / d H ≦ 1.6 × 10 −5 / | χ |
各金属材料の磁化率と上記式から求めたｔ／ｄＨの最大値（（ｔ／ｄＨ）ｍａｘ＝１．６×１０−５／｜χ｜）を表２に併記した。 The maximum value of t / d H determined from magnetic susceptibility and the type of each metal material ((t / d H) max = 1.6 × 10 -5 / | χ |) are also shown in Table 2.
この条件は、磁化率χが小さい材料ほど肉厚ｔを大きくできることを示しており、例えば、内径ｄＨを６０ｍｍとした場合には、磁化率が小さいアルミニウムでは、最大の肉厚を４８ｍｍとすることができる。しかし、磁化率の大きいステンレスでは肉厚を０．３ｍｍ以下にしなければ中央部での磁場シフトを１０ｐｐｍ以下に抑えることができない。すなわち、本実施形態の超電導磁場発生素子においては、補強部材による磁場シフトの影響を１０ｐｐｍ以下に抑えるためには、ステンレス製の補強部材は実質的に適用できないことが分かる。 This condition indicates that the material having a smaller magnetic susceptibility χ can increase the wall thickness t. For example, when the inner diameter d H is 60 mm, the maximum wall thickness is 48 mm for aluminum having a small magnetic susceptibility. be able to. However, in the case of stainless steel having a high magnetic susceptibility, the magnetic field shift at the center cannot be suppressed to 10 ppm or less unless the wall thickness is 0.3 mm or less. That is, in the superconducting magnetic field generating element of the present embodiment, it can be seen that the stainless steel reinforcing member cannot be substantially applied in order to suppress the influence of the magnetic field shift by the reinforcing member to 10 ppm or less.
以下、具体例を示して本発明の超電導磁場発生素子の第２の実施の形態について説明する。 Hereinafter, the second embodiment of the superconducting magnetic field generating element of the present invention will be described with reference to specific examples.
（具体例４）
具体例４は、超電導体１とその周囲に配設した補強部材３（リング４と接着剤５）とからなる超電導磁場発生素子２ｄであり、その縦断面を図１９に模式的に示す。
(Specific example 4)
Specific example 4 is a superconducting magnetic field generating element 2d composed of
超電導体１は、外径６０ｍｍ、内径１６ｍｍ、高さ４０ｍｍのＧｄ系超電導体Ｇである。また、補強部材３は、内径（ｄＨ）６０ｍｍ、肉厚（ｔ）５ｍｍ、高さ（Ｈ）４０ｍｍのアルミニウム製のリングであり、超電導体１と補強部材３とは接着剤４で密着して一体化されている。本具体例では、接着剤３は、適量の硬化剤を混合した粒子分散型複合エポキシ接着剤（商品名；スタイキャスト、エマーソン−カミング社）を用いた。なお、接着剤は磁場に影響を及ぼさないものならば特に限定されるものではなく、超電導体１と補強部材３との密着性を考慮して適宜選択すればよい。本具体例では、接着剤の厚さは約０．２ｍｍであった。
The
上記の超電導体１は、具体例１と同様であるので、中央領域での磁場シフトプロファイルは略平らである。また補強部材３は、ｔ／ｄＨが０．０１６７であり、磁場シフトΔＢは１．２ｐｐｍとなるので着磁中の磁場に与える影響は小さい。従って、超電導磁場発生素子２ｄは、超電導体の中央領域で極めて均一度の高い磁場を発生することができる。
Since the
（具体例５）
具体例５は、磁化率の異なる超電導固体を積層して超電導円筒積層体１´とし補強部材３で周囲を補強した超電導磁場発生素子２ｅであり、その縦断面を図２０に模式的に示す。
(Specific example 5)
Example 5 is a superconducting magnetic
超電導体としては、外径６０ｍｍ、内径２４ｍｍ、高さ４０ｍｍのＧｄ系超電導固体Ｇ１個の両側にそれぞれ外径６０ｍｍ、内径１６ｍｍ、高さ１０ｍｍのＳｍ系超電導個体Ｓを積層し、全体の高さ（Ｈ）を６０ｍｍとした超電導円筒積層体１´である。
As the superconductor, an Sm-based superconducting solid S having an outer diameter of 60 mm, an inner diameter of 16 mm, and a height of 10 mm is laminated on both sides of a Gd-based superconducting solid G1 having an outer diameter of 60 mm, an inner diameter of 24 mm, and a height of 40 mm. This is a superconducting
また、補強部材３は、内径６０ｍｍ、肉厚５ｍｍ、高さ６０ｍｍのアルミニウム製のリングであり、超電導円筒積層体１´と補強部材３とは具体例４と同様の接着剤４で密着して一体化されている。ただし、各超電導体に個別に同じ高さの補強部材を接着してから積層してもよい。
The reinforcing
この具体例５についても具体例４とほぼ同様であり、中央領域での磁場シフトプロファイルは略平らである。また補強部材３は、ｔ／ｄＨが０．０１６７であり、磁場シフトΔＢは１．２ｐｐｍとなるので着磁中の磁場に与える影響は小さい。従って、超電導磁場発生素子２ｅは、超電導円筒積層体１´の中央領域で極めて均一度の高い磁場を発生することができる。このような形状の超電導磁場発生素子２ｅは、Ｇｄ系超電導固体Ｇの中空部６が広いので、分析コイルや補正コイルを配置し易いという利点を有する。
This specific example 5 is substantially the same as the specific example 4, and the magnetic field shift profile in the central region is substantially flat. Further, since the reinforcing
（４）超電導磁場発生装置
本発明の超電導磁場発生装置の好適な実施の形態を図２１に示す。
(4) Superconducting magnetic field generator FIG. 21 shows a preferred embodiment of the superconducting magnetic field generator of the present invention.
超電導磁場発生装置１０は、中空円筒状の超電導体１とこの超電導体１の周囲に配設した補強部材３とからな前記（３）で説明した超電導磁場発生素子２と、超電導磁場発生素子２を冷却する冷却部材１２と、超電導磁場発生素子２を冷却部材１２に取り付ける固定部材１３と、超電導磁場発生素子２と固定部材１３とを収容する真空断熱容器１４とを備えている。
The superconducting magnetic
超電導磁場発生素子２は、固定部材１３によって冷却機１５の冷却部材１２上に密着して固定されるとともに、真空断熱容器１４内に収容されている。真空断熱容器１４の中央嵌入部１６は超電導体１の中空部に嵌入して形成されており、この嵌入部１６に被測定物を配置することでＮＭＲ分析を行うことができる。なお、図示はしていないが、この嵌入部１６と超電導体１の内周壁との間には、ＮＭＲ信号を検出する検出コイルとともに、発生磁場の均一度を補正する補正コイルが配置されている。
The superconducting magnetic
上記のような超電導磁場発生装置１０においては、超電導磁場発生素子２における補強部材と同様に、上記の冷却部材１２、固定部材１３、真空断熱容器１４などの周辺部材もまた、印加磁場により磁場を誘発して印加磁場を乱す原因となる。
In the superconducting magnetic
従って、これらの周辺部材も補強部材３と同様に磁化率の小さい材料で構成することが望ましい。超電導磁場発生装置１０においては、少なくとも図２１の点線で囲んだ円筒範囲に含まれる周辺部材は、磁化率の絶対値が２×１０−４以下である材料によって構成する。これらの周辺部材は、要求される機能に応じてアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金のいずれかで作製するとよい。本実施の形態では、冷却部材１２には銅を用い、固定部材１３と真空断熱容器１４とにはアルミニウム合金を用いている。
Therefore, it is desirable that these peripheral members are also made of a material having a low magnetic susceptibility like the reinforcing
ここで、円筒範囲とは、外径Ｄ、高さＨの超電導体を中心部に内包する直径が２Ｄ、高さが２Ｈである円筒空間であり、より詳細には、超電導体１の中心軸上でＨ／２の位置を中心点Ｏとし、このＯ点を中心として半径ＤでかつＯ点を挟んで上下にそれぞれＨの長さを持つ直径が２Ｄで高さが２Ｈの円柱状の空間である。
Here, the cylindrical range is a cylindrical space having a diameter of 2D and a height of 2H containing a superconductor having an outer diameter D and a height H, and more specifically, the central axis of the
本実施形態の超電導磁場発生装置１０は、中央領域の磁場の均一度に関して最適化された超電導体と補強部材とを有する超電導磁場発生素子を備え、以上のように超電導体を中心にして外径、高さともに超電導体の２倍の領域にある周辺部材の磁化率の大きさを２×１０−４以下に設定しているので、補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生装置である。
The superconducting
（５）核磁気共鳴装置
本発明の核磁気共鳴装置２０は、上記（４）の超電導磁場発生装置１０を備える核磁気共鳴装置であり、小型で高性能な核磁気共鳴装置である。その好適な一実施の形態を図２２の構成図で示す。
(5) Nuclear magnetic resonance apparatus The nuclear
本実施形態の核磁気共鳴装置２０は、図２１に示した超電導磁場発生装置１０と、分析手段３０とを備えている。超電導磁場発生装置１０の冷凍機１５は圧縮機２２に接続されており、真空断熱容器１４は真空ポンプ２３に連通している。破線で示すＭは印加時のみ使用する超電導磁石である。
The nuclear
また、分析手段３０は、高周波発生装置３１、パルスプログラマ（送信器）３２、高周波増幅器３３、プリアンプ（信号増幅器）３４、位相検波器（受信器）３５、アナログデジタル変換器３６、コンピュータ３７などからなる。
The analyzing means 30 includes a
このような構成を有する核磁気共鳴装置２０は、補正可能な均一磁場を発生する超電導磁場発生装置１０を備えているので、コンパクトでありかつ高精度のＮＭＲ分析を行うことができる。
Since the nuclear
本発明の超電導磁場発生素子を有する超電導磁場発生装置は、強力な静磁場を均一な分布で発生させることができるので核磁気共鳴装置の磁場発生装置として好適である。 The superconducting magnetic field generating apparatus having the superconducting magnetic field generating element of the present invention can generate a strong static magnetic field with a uniform distribution, and thus is suitable as a magnetic field generating apparatus for a nuclear magnetic resonance apparatus.
また、このような超電導核磁気共鳴装置は、高感度で高分解能を備えかつコンパクトであるので、医療分野におけるＭＲＩ装置、あるいは工業用素材や農作物などの成分及び構造分析などに好適に用いることができる。 In addition, since such a superconducting nuclear magnetic resonance apparatus is highly sensitive, has high resolution and is compact, it can be suitably used for MRI apparatuses in the medical field, or for components and structural analysis of industrial materials and agricultural products. it can.
１：超電導体 ２：超電導磁場発生素子 ３：補強部材 １０：超電導磁場発生装置 １２：冷却部材 １３：固定部材 １４：真空断熱容器 １５：冷却機 １６：中央嵌入部
２０：核磁気共鳴装置 ２２：圧縮機 ２３：真空ポンプ ３０：分析手段
1: Superconductor 2: Superconducting magnetic field generating element 3: Reinforcing member 10: Superconducting magnetic field generator 12: Cooling member 13: Fixed member 14: Vacuum heat insulating container 15: Cooling machine 16: Center insertion part 20: Nuclear magnetic resonance apparatus 22: Compressor 23: Vacuum pump 30: Analytical means
Claims (21)
該超電導体の外径をＤ、内径をｄ、高さをＨ、超電導転移温度における磁化率をχとしたとき、
Ｈ／Ｄ≦１．１×（ｄ／Ｄ）＋０．３４２＋０．００１／χ
であり、
前記中空部の中心軸方向を横軸、磁場強度を縦軸として、均一な静磁場中で磁場を印加しているときの該中空部における前記横軸方向の磁場強度の分布が、前記超電導体の長さの略半分の位置で、略平ら又は下に凸であることを特徴とする超電導体。 A hollow cylindrical superconductor that captures an applied magnetic field in a hollow part,
When the outer diameter of the superconductor is D, the inner diameter is d, the height is H, and the magnetic susceptibility at the superconducting transition temperature is χ,
H / D ≦ 1.1 × (d / D) + 0.342 + 0.001 / χ
And
The distribution of the magnetic field strength in the horizontal axis direction in the hollow portion when the magnetic field is applied in a uniform static magnetic field with the central axis direction of the hollow portion as the horizontal axis and the magnetic field strength as the vertical axis is the superconductor. A superconductor characterized by being substantially flat or convex downward at a position approximately half of the length.
１．１×（ｄ／Ｄ）＋０．３４２−０．００２／χ≦Ｈ／Ｄ≦１．１×（ｄ／Ｄ）＋０．３４２＋０．００１／χ
である請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導体。 When the outer diameter is D, the inner diameter is d, the height is H, and the magnetic susceptibility at the superconducting transition temperature is χ,
1.1 × (d / D) + 0.342−0.002 / χ ≦ H / D ≦ 1.1 × (d / D) + 0.342 + 0.001 / χ
The superconductor according to any one of claims 1 to 3 .
請求項１〜５のいずれか一項に記載の超電導体を、該超電導体の超電導転移温度より高温で磁場を印加し、該磁場を印加したまま前記超電導転移温度以下に冷却することを特徴とする超電導体の着磁方法。 A superconductor magnetization method for applying a hollow cylindrical superconductor that captures an applied magnetic field in a hollow portion,
The superconductor according to any one of claims 1 to 5 , wherein a magnetic field is applied at a temperature higher than the superconducting transition temperature of the superconductor, and the superconductor is cooled to the superconducting transition temperature or less while the magnetic field is applied. How to magnetize superconductors.
前記超電導体は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の超電導体であることを特徴とする超電導磁場発生素子。 In a superconducting magnetic field generating element that applies a magnetic field to a hollow cylindrical superconductor and generates a magnetic field in the hollow portion of the superconductor by capturing the magnetic field,
The superconducting magnetic field generating element, wherein the superconductor is the superconductor according to any one of claims 1 to 5 .
前記超電導体は複数個の超電導固体を中心軸方向に積層した超電導円筒積層体であり、該超電導円筒積層体は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の超電導固体の少なくとも一方の端に、該超電導固体よりも磁化率の小さい超電導固体が積層されていることを特徴とする超電導磁場発生素子。 In a superconducting magnetic field generating element that applies a magnetic field to a hollow cylindrical superconductor and generates a magnetic field in the hollow portion of the superconductor by capturing the magnetic field,
The superconductor is a superconducting cylindrical laminated body obtained by laminating a plurality of superconducting solid in the central axis direction, the superconducting cylindrical laminate of superconducting solid at least one of any one of claims 1 to 5 the end, the superconducting magnetic field generating device small again superconducting solid susceptibility than the superconducting solid is characterized in that it is laminated.
前記超電導体に印可するのと同じ磁場を上記補強部材のみに印加したときに前記超電導体の中空部に相当する空間における磁場強度と印加した磁場強度との差が該印加した磁場強度の１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする超電導磁場発生素子。 And a reinforcing member disposed around the hollow cylindrical superconductor and ultra conductors, superconducting magnetic field the superconductor emits a magnetic field in the hollow portion of the superconductor captures the magnetic field by application of a magnetic field In the generating element,
When the same magnetic field as that applied to the superconductor is applied only to the reinforcing member, the difference between the magnetic field strength in the space corresponding to the hollow portion of the superconductor and the applied magnetic field strength is 10 ppm or less of the applied magnetic field strength. A superconducting magnetic field generating element.
ｔ／ｄH≦１．６×１０-5／｜χ｜
である請求項１２に記載の超電導磁場発生素子。 When the inner diameter of the reinforcing member is d H , the thickness is t, and the magnetic susceptibility is χ,
t / d H ≦ 1.6 × 10 −5 / | χ |
The superconducting magnetic field generating element according to claim 12 .
前記超電導体に印可するのと同じ磁場を前記超電導体を除いた状態で印加したときに前記超電導体の中空部に相当する空間における磁場強度と印加した磁場強度との差が該印加した磁場強度の１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする超電導磁場発生装置。 And a superconducting magnetic field generating device, such a reinforcing member disposed around the hollow cylindrical superconductor and ultra conductors, a cooling member for cooling the superconducting magnetic field generating element, the superconducting magnetic field generating device in the cooling member A superconducting device comprising: a fixing member to be attached; and a vacuum heat insulating container containing at least the superconducting magnetic field generating element and the fixing member, wherein the superconductor captures the magnetic field by applying a magnetic field and generates a magnetic field in the hollow portion of the superconductor. A magnetic field generator,
The difference between the applied magnetic field strength in the space corresponding to the hollow portion of the superconductor and the applied magnetic field strength when the same magnetic field as applied to the superconductor is applied with the superconductor removed. The superconducting magnetic field generator characterized by being 10 ppm or less.
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