JP2018036248A - Ｈｔｓ部の領域において径方向磁場成分を減少させる磁場成形要素を有する磁石配置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＴＳ部の領域において径方向磁場成分を減少させる磁場成形要素を有する磁石配置を提供する。【解決手段】軸方向に沿って構築され、ＨＴＳテープ導体が巻きつけられたソレノイド形式の少なくとも１つのコイル部（１ａ，１ｂ，１ｃ）を有し、さらに、少なくとも２つの磁場成形要素（２ａ，２ｂ，２ｃ）を備える磁場成形デバイスを有する超伝導磁石コイル配置は、少なくとも１つの磁場成形要素が、ＨＴＳコイル部の２つの軸端の各々に隣接して配置され、磁場成形要素は、磁場成形要素がＨＴＳコイル部の領域における軸方向に対する、磁石コイル配置によって発生する磁場の磁場角度を少なくとも１．５°だけ減少させるように構成されていることを特徴とする。【選択図】図１ｂ

Description

本発明は、軸方向に沿って構築され、ＨＴＳ（高温超伝導体）テープ導体が巻きつけられたソレノイド形式の少なくとも１つのコイル部を有し、少なくとも２つの磁場成形要素を備える磁場成形デバイスをも有する超伝導磁石コイル配置に関する。

このような磁石コイル配置は、たとえば独国特許出願公開第１０２０１３２２０１４２号明細書または特開２００１−２６４４０２号公報から知られる。

超伝導ＮＭＲ磁石は、通常ＮｂＴｉまたはＮｂ３Ｓｎ線材から製造される。Ｎｂ３Ｓｎの臨界磁場により生じる制限のため、現時点で、実現可能な磁場の最大の強さに関して約２３．５Ｔという上限が存在する。これは、ＮＭＲにおいては１０００ＭＨｚの陽子共振周波数に対応する。

より高い磁場の強さを実現し、かつ／または所定の磁場の強さの磁石をよりコンパクトにすることを可能にするために、代替導体材料に話題を戻すことが必要である。この点に関する研究は、現在主にＨｔｓテープ導体（たとえばＲｅＢＣＯ、ＢＳＣＣＯまたは鉄砒素系）の利用に集中している。しかしながら一方で、磁石は完全にＨＴＳ材料からは製造されていない。むしろ、コスト上、最深部にＨＴＳ材料を使用するだけにして、従来の「低温超伝導体」（ＬＴＳ）技術によって（すなわちＮｂＴｉおよび／またはＮｂ３Ｓｎを用いて）バックグラウンド磁石を製造することが有効である。

通常、磁石部はＨＴＳテープ材料から巻きつけられ、ＬＴＳバックグラウンド磁石に直列に接続される。ＨＴＳテープ導体の導体許容電流（またはこれらの「臨界電流」Ｉ_Ｃ）は、導体が位置する場所の磁場の強さだけではなく、磁場の向きにも依存する。磁力線がテープの表面に平行に延びる場合、臨界電流Ｉ_Ｃは高く、磁力線がテープの表面に対して角度を持って延びる場合、Ｉ_Ｃは大きい角度で降下する。

一般的にソレノイド形式のコイル部から構築されるＮＭＲ磁石では、コイル部の中央の磁力線は、磁石の軸に平行に延びる。ソレノイド形式のコイル部の周辺に向かって磁場の径方向成分は増加する（図３ａを参照）。したがって、この場合のＨＴＳ導体のＩ_Ｃ容量利用率は最大になる。

そのうえ、ＨＴＳ部への電流リードは、大きい径方向磁場成分が勝る領域を経由しなければならない。導体の経路設定は、一般的には複雑に成形された経路に沿って行われ、したがって、言い換えれば、ＨＴＳテープと磁力線との角度が確実に最小になる。

特定の先行技術
独国特許出願公開第１０２６０７２８号明細書は、予め決められた経路で巻きつけられるコイルから導き出されるような、ＨＴＳテープ導体の理想的な経路設定のための方法を示している。この文献での根本的な課題は、ＨＴＳテープが湾曲した磁場にさらされるということである。

冒頭で挙げた独国特許出願公開第１０２０１３２２０１４２号明細書は、接合部によって電気的に直列に接続されるＨＴＳテープ導体およびＬＴＳ線材を有する汎用タイプの磁石配置を開示している。ＨＴＳコイルは本文献では、同軸的に配置されたコイルの内部を形成する。接合部は、平行なＢ０磁場の外に位置し、この箇所では、磁場は径方向の度合いが高い成分を持つ。ＨＴＳテープ導体の幾何学的構造に起因して、ＨＴＳテープの経路設定は磁場の局所的な角度に応じて行われ、テープ面と磁力線とは互いに平行に整列し、ＨＴＳテープの導体許容電流が最適化される。ただし、ＨＴＳテープ導体上の径方向成分を最小にするために、ソレノイド巻回体の周辺領域におけるＢ０磁場がどの程度まで影響を受けることがあるかは本文献では議論しておらず、それどころか示すことすらしていない。

同様に冒頭で挙げた特開２００１−２６４４０２号公報は、複数の同軸的に配置されたソレノイド磁石から同様に構築される超伝導磁石の配置を開示している。内部のコイルはＨＴＳ材料から製造される。磁石を構築する目的は特に均一な磁場を提供することである。このために、さらに、超伝導材料製のいわゆる補正コイル３ａ〜３ｃを主コイル部の外側に配置する。補正コイルの機能は磁場を均一化することである。しかしながら、この文献では、ＨＴＳテープ導体の周辺領域において問題が対処されない。これは、補正コイルが周辺領域に配置されないことからも明らかである。さらに、この場合、補正コイルは、これらが特に効果的でない外側に対して大きく離れて位置する。

先行技術時点で用いられていた解決手段にはいくつかの欠点がある。

・導体に課されるＩ_Ｃ要求は、（通常、ソレノイド形式のＨＴＳ部の周辺、すなわち、導体をその容量の最大限まで用いる箇所において）大きい径方向磁場成分にさらされるＨＴＳ部の部分によって決定される。この結果生じる高い要求は、導体の価格と、それの商業的な入手のし易さとに関して逆効果である。

・巻きつけパッケージと導体との間の経路設定は複雑に成形された経路に沿って行われる（たとえば独国特許出願公開第１０２６０７２８号明細書を参照）。経路設定は煩雑であり、空間的に集中する。

・大きい径方向磁場成分にさらされるＨＴＳ部の領域では、「遮蔽電流（ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ）」がＨＴＳテープ導体で形成され、その性質のために磁場に影響し、不均一を引き起こす（ＮＭＲの場合に特に非常に望ましくない）。

この背景に対して、本発明は、冒頭で定義されたタイプの超伝導磁石コイル配置、さらには、可能な限り単純であり、一般的に利用可能な技術的手段を用いるその設計のための方法を修正するという目的に基づき、この修正は、ＨＴＳ断片の軸端で一般的に起こる、このような超伝導磁石コイル配置の上記の制限が大きく緩和されるか、可能な限り完全に無効にされ、かつ磁石コイル配置を特にコンパクトに形成することができることを意図して、コイルを用いて発生することができる磁場の強さがきわめて大きくなるように行われる。

この目的は、少なくとも１つの磁場成形要素が、ＨＴＳコイル部の２つの軸端の各々に隣接して配置され、磁場成形要素が、磁場成形要素がＨＴＳコイル部の領域における軸方向に対する、磁石コイル配置によって発生する磁場の最大磁場角度を少なくとも１．５°だけ減少させるように構成されていることを特徴とする、冒頭で定義されたタイプの超伝導磁石コイル配置によって、容易に利用可能な技術的手段を用いて、効果的である上にきわめて単純な手法で実現される。

本発明の動作のモードおよび先行技術に勝るさらなる利点
ある条件下では、異方性超伝導体製の巻回されたコイルの導体許容電流は、径方向の磁場成分によって軸端で制限される。本発明は、コイルの導体許容電流を増大させることを可能にする、特別に構成された磁場成形要素を有する超伝導磁石コイル配置を提案する。

ソレノイド形式のＨＴＳコイルの上下で軸方向に配置されるＨＴＳ部の領域で、軸方向に対する磁場の磁場角度を決定的に低減させる磁場成形要素によってコイルの軸端の超伝導体の導体許容電流を増大させる。

これにより、ＨＴＳテープ導体に作用する径方向磁場成分は小さくなる。これにはいくつかの利点がある。

ＨＴＳテープの臨界電流は、温度および磁場でだけでなく、磁場角度にも依存する。磁場角度が小さくなる場合、臨界電流は増加する（図３ｂを参照）。したがって、強力な磁石を構築することができるか、あるいは、よりコストが低い導体材料を用いることができる。

径方向磁場成分はＨＴＳで遮蔽電流を発生させ、さらに試料空間で磁場にそれまでに起こった事象に影響を及ぼし、不均一を引き起こす。本発明を用いれば、これらの余分な磁場不均一を避けることができる。

本発明に係る配置のさらなる利点は、コイル全体における超伝導体の導体許容電流のより均一な分布である。これにより、超伝導体は電流の流れに一層利用され、コイルをより大きい電流で動作させることができる。したがって、ＨＴＳ導体の必要な品質（特にＩｃに関するもの）および／または量は同等の従来の配置の場合よりも低下し、したがって、生産コストは同等の従来の配置の場合よりも低下する。他方、同じ超伝導体品質および／または量でコイルの中央においてより高い磁場を発生させることができる。

これらの全ては、磁気材料の適切に形成された磁場成形要素によって、本発明にしたがって実現することができる。ただし、磁場成形要素はまたＬＴＳ材料の巻回体であってもよい。その際、径方向磁場成分が高いが、絶対磁場大きさが、用いられるＬＴＳ導体の臨界磁場未満である領域にこのような種類のＬＴＳ磁場成形巻回体を配置するように磁石全体を構造上、設計することができる。

ＨＴＳ材料しか用いることができない程度にバックグラウンド磁場が大きいＨＴＳ部の領域では、径方向成分は小さい状態が続く。バックグラウンド磁場の径方向成分が大きくなる箇所では、磁場は、磁場の絶対大きさについて言えば、ＬＴＳ材料に戻すことが可能である程度に十分に小さい。

本発明の好ましい実施の形態および発展
本発明に係る磁石コイル配置の実施の形態の第１の型の場合では、磁場成形デバイスは、磁気材料、特に鉄のような強磁性材料から構築される磁場成形要素を備える。磁場成形要素が非能動的である場合、すなわち電流が流れない場合、磁場成形要素は特に単純で安価な手法で実現することができる。

磁場成形要素に対するＨＴＳコイル部の長さ比が２：１〜５：１である本発明の実施の形態も特に好ましい。シミュレーションでは、高磁場磁石のこの長さ比が特に効率的な設計をもたらすことが示されている。

本発明に係る磁石コイル配置のさらに有利な実施の形態は、ＨＴＳコイル部が、厚さが好ましくは２ｍｍ〜１０ｍｍである１つ以上のフランジによって磁場成形要素から空間的に隔てられることを特徴とする。磁石の力は、ソレノイドがソレノイドの軸（「軸方向の圧力」）に沿って圧縮されるように作用する。フランジは、磁場成形要素を中央の方向に圧する力を吸収することができ、したがって、ＨＴＳ巻回体の負荷を軽減することができる。さらに、磁場形成要素がＬＴＳ導体から構築される場合、フランジはそれ以上に有用である。これは、その場合に、フランジが巻回体室の境界を形成するからである。

磁石コイル配置の磁気中心での最大磁場強さは、好ましくは少なくとも２７Ｔである。２０Ｔの磁場強さは、８５０ＭＨｚ磁石にほぼ対応する。「現在の」市場状況に起因して、特に、磁石設計を２Ｋ技術から安価に４Ｋ技術に移行させることを可能にするために、ＨＴＳテープを使用すると、この周波数の近傍が有益である。したがって、本発明は、以前に存在しなかった超高磁場磁石を提供することに実質的に寄与する。このような超高磁場磁石配置は、その際、その最深コイルとしてＨＴＳテープ導体を備え、Ｂ０磁場はたとえば１．２ＧＨｚになる。ＨＴＳテープ導体を用いる技術の大きな欠点は、導体許容電流を低下させる径方向磁場であった。したがって、これらの径方向成分を「矯正する（ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎ）」ために、本発明はＬＴＳ材料または鉄構造体から製造される周辺の磁場成形要素を提案している。

磁場成形デバイスが、ＬＴＳ（低温超伝導体）線材が巻きつけられた少なくとも１つのＬＴＳコイル部を含む磁場成形要素を備える本発明に係るコイル配置の実施の形態の型が特に最も好ましい。このようにするのは、ＬＴＳ線材を用いれば、磁場角度が臨界電流Ｉ_Ｃに対する有害な影響を持たない状態で高い電流密度を実現することができるからである。特に効率的な磁場成形要素は、電流が流されるＬＴＳ導体によって実現することができる。

実施の形態のこの型の有利な発展例は、磁場成形デバイスのＬＴＳコイル部が、ＨＴＳコイル部に電気的に接続され、特に直列に接続され、ＨＴＳテープ導体とＬＴＳ線材とが、接合部によって互いに接続されることを特徴とする。ＬＴＳ要素が直列にＨＴＳ要素に電気的に接続される場合、正確に同じ電流がこれらの磁石部を流れることが確実になる。これについては、たとえば誘導効果のために主コイルおよび磁場成形要素で異なる電流が形成される可能性は無視する。これは、様々な点で、たとえば、長期にわたって、または耐クエンチ性に関して均一性を維持するのに有用である。

好ましい発展例の場合、ＬＴＳ線材が特に元素ＮｂおよびＳｎを含む合金を含む。Ｎｂ３Ｓｎは非常に高性能なＬＴＳ超伝導体であり、これを用いてきわめて高い電流密度を実現することができる。これについてはＨＴＳ材料で超えるしかない。

好ましくは、ＬＴＳ線材が動作中にさらされる最大局所的磁場強さが２３．５Ｔである程度に磁場成形要素を磁石コイル配置の磁気中心に軸方向に近接して配置する。２３．５Ｔで、適当な高電流密度はＮｂ３Ｓｎでほぼ実現される。したがって、磁場成形要素を最高２３．５Ｔまで用いる場合、ＬＴＳ導体の特性は理想的に利用される。

磁場成形要素が、磁場の軸方向に対する、磁石コイル配置によって発生する磁場の磁場角度が特に大きい領域、特に１０°〜１５°である領域に配置され、この領域の磁場の絶対大きさが、用いられるＬＴＳ導体材料の臨界磁場未満である発展例の型も有効である。１０〜１５°の磁場角度の場合、ＨＴＳテープ導体の導体許容電流は既に相当な悪化状態になっている。したがって、この領域でＬＴＳをＨＴＳの代わりに用いることができる場合には非常に有用である。

実際に効果を奏することも分かっている本発明に係るコイル配置の実施の形態は、ＬＴＳ磁場成形要素の軸方向長さの、それぞれ隣接するＨＴＳコイル部の軸方向長さに対する比は１：３〜１：８、好ましくは約１：５であるというものである。シミュレーションでは、高磁場磁石のこの長さ比が特に効率的な設計をもたらすことが示されている。

ＬＴＳ磁場成形要素が、これらのＬＴＳ磁場成形要素が隣接するそれぞれのＨＴＳコイル部とほぼ同じ内径および外径を持つことを特徴とする実施の形態もきわめて実用上有効である。存在する空間の全てを電流が流れる導体で満たすことは、磁石設計において重要である（空所が設計視点から非効率になりがちである）。したがって、ＬＴＳ磁場成形要素とＨＴＳ部とが同じ直径を持つ場合、たとえばＬＴＳ−ＨＴＳ−ＬＴＳスタックがいかなる空所も存在しない状態で互いに簡単に嵌入されるか、他のコイル部に簡単に嵌入することが可能である。

さらに有効な実施の形態の場合、交互に配置されたＬＴＳ−ＨＴＳ−ＬＴＳ導体を有する隣接して配置される少なくとも２つのスタックがあり、スタックは、最初にＬＴＳ−ＨＴＳ−ＬＴＳスタックから出発してその後、隣接するＬＴＳ−ＨＴＳ−ＬＴＳスタックを通って戻る電流伝導があるように、互いに電気的に接続される。したがって、磁石における導体経路設定は特に単純である。ソレノイド巻回体において、電流流入部および流出部がソレノイドの同じ側にあるようになることが一般的に確実になる。一般的な巻回体では、これは偶数（２、４、６など）の層によって実現される。スタックの場合、これは特に困難である。このため、電流はスタック内で下方に伝導し、その後、スタックの外側を再び上方に伝導しなければならない。２つのＬＴＳ−ＨＴＳ−ＬＴＳスタックが設置される場合、電流は上部から下方に第１のスタック内を伝導することができ、下部から上方に第２のスタック内を伝導することができる。これは標準的な仕方ではない。上記で説明されているように、通常、電流入力部と電流出力部との両方ともコイル部の上側にある。これにより、磁石部を互いに接続する際の作業が単純になる。しかし、ＬＴＳ−ＨＴＳ−ＬＴＳスタックを用いる場合、このような電流伝導により、これらの部分のより複雑な接続を埋め合わせる新しい利点が得られる。特に、電流が下側のＬＴＳパッケージから再度上方にどのように伝導するかについて考慮する必要はない。隣接するＬＴＳ−ＨＴＳ−ＬＴＳスタックとの接合部は簡単に形成され、電流はこのスタック内を上方に伝導するからである。

本発明の範囲は、
ｉ）ＮｂおよびＳｎの混合物を含むＬＴＳ未完成材料製の磁場成形要素を巻きつける工程と、
ｉｉ）巻きつけられたＬＴＳ未完成材料を５２０℃を超える温度まで加熱することによってＮｂおよびＳｎを反応させて完成ＬＴＳ線材を形成する工程と、
ｉｉｉ）第１の磁場成形要素のＬＴＳ線材の内方端をＨＴＳテープ導体の第１の端にはんだづけする工程（接合部４ａ）と、
ｉｖ）ＨＴＳコイル部を巻回する方法工程と、
ｖ）第２の磁場成形要素のＬＴＳ線材の外方端をＨＴＳテープ導体の外方端にはんだづけする工程（接合部４ｂ）と
を含む、上記されているタイプの本発明に係る磁石コイル配置を製造する方法もカバーする。

このようにして、ＬＴＳ−ＨＴＳ−ＬＴＳスタックを驚くほど簡単な手法で製造することができ、Ｎｂ３ＳｎはＬＴＳ材料としてこの場合に用いられる。Ｎｂ３Ｓｎの場合、ＨＴＳ導体が損傷を受ける温度で導体を「反応」させなければならないということは困難なことである。したがって、最初にＮｂ３Ｓｎ導体を巻きつけて反応させ、その後にだけＬＴＳ導体を巻きつけて電気的に接続することを可能にする方法を見出すことが必要であった。

この方法の別の利点は、大きい導体許容電流を持つコイル設計をもたらし、コイルが、初期のコイルで必要とされたよりも、所定の磁気の強さでの動作に対して全体的に低い超伝導体品質または少ない超伝導体量を必要とすることである。

最後に、本発明の範囲は、上述の本発明に係るタイプの磁石コイル配置を有する核磁気共鳴装置もカバーする。

本発明を典型的な実施の形態に基づいてより詳細に説明し、図面に示す。

コイル領域の相対的な幾何学的配置に関する軸方向を含む平面内の本発明に係る磁石コイル配置の第１の実施の形態の概略断面表現を示す（対称のため、コイルの半分のみを示す）。 径方向に連続する複数のスタックを有する、本発明に係る磁石コイル配置のさらなる実施の形態を示し、これらの複数のスタックはそれぞれ、磁場成形要素、ＨＴＳコイル部およびさらなる磁場成形要素によって軸方向に交互に構築される。 本発明に係る磁石コイル配置のさらなる実施の形態の概略断面表現を示し、ＬＴＳ−ＨＴＳ−ＬＴＳ導体を備えるスタックを形成する配置が軸方向に交互になっている。 図２ａに示されているような、隣接して配置された、電気的に相互接続された２つのスタックを有する実施の形態を示す。 約５０ｃｍの例としての内部のコイル長を持つ先行技術に係る典型的なＮＭＲ高磁場磁石のｚ軸に沿った磁場プロファイルを示す。 磁場角度０°（磁力線がＨＴＳテープ面に平行）および１５°についてバックグラウンド磁場に対する臨界電流Ｉ_Ｃの依存性を示し、Ｂ＝０かつ角度０°でのテープの最大導体許容電流Ｉ_０に正規化されている。 先行技術に係る従来の磁石コイル配置の場合の例として磁力線の形状を示し、磁場の径方向成分はＨＴＳ部の周辺領域に向かって大きく増大する。

本発明の動作モード、さらには本発明を用いて克服することができる関連技術的課題を示すために、根本的な物理的原理を説明することを第一に意図する。

約５０ｃｍの例としての内部のコイル長を持つ先行技術に係る典型的なＮＭＲ高磁場磁石の軸方向（ｚ）に沿った磁場プロファイルが図３ａに示されており、均一な平坦域の外側で磁場は急落する。磁気中心の上下の位置２５ｃｍであっても、磁場はその最大値の約半分に減少している。このことは、磁気中心で２８Ｔの最大磁場の場合に、８０％の値が２２．４Ｔ、すなわち、通常のＮｂ３Ｓｎ導体に引き続き十分な導体許容電流が存在する値であったことを意味する。

バックグラウンド磁場に対する臨界電流Ｉ_Ｃの依存性が、たとえば、２つの異なる磁場角度（１５°および０°＝磁力線がＨＴＳテープ面に平行に延びる）について図３ｂに示されている。Ｂ＝０かつ角度０°でのテープの最大導体許容電流Ｉ_０に正規化されている。

図３ｃには、先行技術に係る従来の磁石コイル配置の場合の例として磁力線の形状が示されており、磁場の径方向成分はＨＴＳ部の周辺領域に向かって大きく増大する。磁石コイル配置は、軸方向ｚに対するその径方向外側部分に通常のＬＴＳ線材の１つ以上コイル巻回体を有してもよく、その結果、磁力線プロファイルはほとんど変化しない。磁力線の径方向成分がＨＴＳコイルの周辺領域で大きく増大することを図３ｃによく見ることができる。

図１ａ、図１ｂ、図２ａおよび図２ｂに概略的に示されている本発明に係る磁石コイル配置の実施の形態は、軸方向ｚに沿って、各場合について同様に構築されており、ソレノイド形式の少なくとも１つのＨＴＳコイル部１；１ａ，１ｂ，１ｃを備える。少なくとも２つの磁場成形要素２；２ａ，２ｂ，２ｃを備える磁場成形デバイスも場合毎に設けられている。

本発明に係る磁石コイル配置は、少なくとも１つの磁場成形要素２；２ａ，２ｂ，２ｃがＨＴＳコイル部１；１ａ，１ｂ，１ｃの２つの軸端の各々に隣接して配置され、ＨＴＳコイル部１；１ａ，１ｂ，１ｃの領域における軸方向に対する、磁石コイル配置によって発生する磁場の磁場角度を少なくとも１．５°だけ磁場成形要素２；２ａ，２ｂ，２ｃが減少させるように磁場成形要素２；２ａ，２ｂ，２ｃが構成されていることを特徴とする。この場合、磁場成形要素２；２ａ，２ｂ，２ｃは、磁気材料から構築されてもよく、特に、たとえば鉄のような強磁性材料から構築されてもよいが、さらに、低温超伝導体線材で巻かれ、ＨＴＳコイル部１；１ａ，１ｂ，１ｃに電気的に接続される、特に直列に接続される１つ以上のＬＴＳコイル部２’を含んでもよく、ＨＴＳテープ導体およびＬＴＳ線材は場合毎に接合部４ａ，４ｂによって互いに接続される。ＨＴＳコイル部１；１ａ，１ｂ，１ｃは、１つ以上のフランジ３ａ，３ｂによって軸方向に磁場成形要素２；２ａ，２ｂ，２ｃから空間的に隔てられて配置されてもよい。

図１ａが本発明に係る磁石コイル配置の特に単純な実施の形態を示す一方で、図１ｂには、径方向に連続する複数の部分を有するさらなる実施の形態が示されている。これらの複数の部分はそれぞれ、磁場成形要素２ａ，２ｂ，２ｃ、ＨＴＳコイル部１ａ，１ｂ，１ｃおよびさらなる磁場成形要素２ａ，２ｂ，２ｃによって軸方向に交互に構築される。

図２ａは、本発明に係る磁石コイル配置のさらなる実施の形態を示し、この実施の形態では、軸方向で互いにそれぞれ隣接し、フランジ３ａ，３ｂによって空間的に隔てられるが、共通コイル形成体６上で接合部４ａ，４ｂによって電気的に接続されるＬＴＳ磁場成形要素２’でＨＴＳコイル部１が巻き上げられる。したがって、配置は、軸方向に交互のＬＴＳ−ＨＴＳ−ＬＴＳ導体を備えるスタックを形成する。

最後に図２ｂには、図２ａの配置と同じ構造を持つ隣接して配置された、電気的に相互接続された２つのスタック５ａ，５ｂを有する実施の形態が示されている。

上述の発明に係る原理に基づいてきわめて多くの構成が可能であり、たとえば、磁場成形コイルは、磁場角度が大きい箇所で（典型的には外側のＨＴＳ部で）より長くなり、バックグラウンド磁場が大きい箇所で（典型的には内側のＨＴＳ部で）より短くなる構成が可能である。

ＨＴＳ部は、ＬＴＳ「磁場成形コイル」に直接電気的に接続されてもよく、これにより、ＨＴＳ部へのＨＴＳ電流リードを省略することができる。

ＨＴＳ部は非常に小さい径方向磁場成分にさらされるので、非常に弱い遮蔽電流しか構築されず、磁石の均一性が改善される。

磁石構築時に多くの場合に用いられるＬＴＳ材料Ｎｂ_３Ｓｎは、コイル形成体上に導体を巻きつけた後に熱的に処理しなければならない。この熱処理は５２０℃を超える温度で行う。ＨＴＳ導体はこのような温度に耐えることができないので、最初にＮｂ_３Ｓｎ導体を、このために設けた２つの空所内において、コイル形成体６上に巻きつけることが可能であり、その後に熱処理を行うようにコイル部を構成しなければならない。熱処理後、ＨＴＳ導体をコイル形成体上に巻きつけ、たとえば、Ｎｂ_３Ｓｎ導体に接続してもよい。

このように製造される複数のコイル部を相互接続して磁石システムを形成することも可能である。

Ｎｂ３Ｓｎ導体を磁場成形コイルに用いる場合、Ｎｂ３Ｓｎ導体がさらされる最大局所的磁場強さが２２．５Ｔである磁気中心に磁場成形コイルを所定距離だけ軸方向に近づけることが好ましい。これにより、十分に高い導体許容電流がＮｂ３Ｓｎ導体中にこの場合にも存在することが確実になる。図３ａに示されている本例では、磁気中心からの磁場成形コイルの距離は約１７ｃｍである。

この領域、すなわち、コイルの軸方向外方端にある径方向最深巻回体での最大磁場角度は、一般的には、磁石設計に応じて、５〜１５°である。磁場成形要素により、ＨＴＳ領域の磁場角度を典型的には２〜４°減少させることができ、これにより、少なくとも２０パーセント、ＨＴＳ導体の電流容量利用率（Ｉ／Ｉｃ）が低減する。それと同時に、遮蔽電流の低減には、約２５％、磁石の均一性を改善するという効果がある。

典型的には、磁場成形コイルは、これらが囲むＨＴＳ巻きつけパッケージとほぼ同じ内径および外径を持つ。これは、磁場の強さを最大にするために、磁石巻回体のために自由空間全体を可能な限り用いることを目的としているからである。現在の世代のＵＨＦ ＮＭＲ磁石の場合、標準的なボアのシステムについては、ＨＴＳ巻きつけパッケージの内径は約８０ｍｍであり、外径は約１６０ｍｍであり、大口径ボアのシステムについては、内径は約１１５ｍｍであり、外径は約１８０ｍｍである。

内部にあるＨＴＳコイルに対する磁場成形要素の長さ比は約１：５である。外部の磁場成形要素を長くすることもできる。これは、磁場がその箇所で小さく、したがって、ＬＴＳには導体許容電流がその場合も存在するからである。

すでに上記に述べたように、磁場成形コイルとＨＴＳ巻きつけパッケージとは、フランジ３ａ，３ｂによって軸方向に互いから空間的に隔てられてもよい。フランジは、コイル形成体６の周囲で延び、コイル形成体６に固定して接続される補強ディスクである。これらのフランジは、Ｎｂ３Ｓｎ巻きつけパッケージ（一般的に５〜１５ＭＰａ）で生じる、磁気中心に向かう軸方向の圧力を少なくとも部分的に吸収する。一般的に、ＨＴＳ巻回体にかかる任意の圧力を可能な限り無力化することが試みられる。フランジは好ましくは２〜１０ｍｍの厚さを持つ。厚さが２ｍｍ未満である場合、フランジは弱いので、磁場成形要素の圧力に耐えることができない。フランジが１０ｍｍを超える場合、巻回体間のギャップは、磁力線が曲がってギャップ内に入ることができる程度に大きい状態であり、これにより、その結果として径方向磁場成分がＨＴＳコイルに作用するおそれがあるが、これは実際には避けられる。

Ｎｂ３Ｓｎコイル（磁場成形要素）に起因する、発生し得る均一性の乱れは、切り欠きの適切な形成によって、または、強磁性材料のシムによって補正されてもよい。補正のこれらの可能性は当然当業者に知られている。

１つ以上のＨＴＳ部に作用する径方向磁場成分は、磁石のＬＴＳ部０を十分に長くすることによって小さくすることもできる。しかしながら、これは磁石の全体寸法、質量およびコストには逆効果である。これの代わりに、ＨＴＳ部を非常に短くしてもよい。しかしながら、その場合には、Ｂ０磁場にほとんど寄与せず、磁石の働きが悪化する。さらに、磁石の均一化が一層困難になる。

本発明に係る配置の主要な利点には、コイル全体における超伝導体の導体許容電流のより均一な分布がある。これにより、超伝導体の容量が一層利用され、コイルをより大きい電流で動作させることができる。必要な超伝導体の品質は低く、かつその量は少なく、したがって、材料コストは低い。すなわち、同じ量の超伝導体でより高い磁場をコイルの中央で発生させることができる。

原則として、本発明は、ＨＴＳ材料のコイルを有する全ての磁石システムを考慮に入れる。ただし、磁場成形要素としてＬＴＳコイルを有するシステムについて、ＨＴＳ導体とＬＴＳ導体との両方を用いることができるように動作温度を選択するシステムの場合にのみ、使用に適している（Ｔ＜１０Ｋ）。

０ ＬＴＳ線材の径方向外側磁石コイル巻回体
１；１ａ；１ｂ；１ｃ ＨＴＳコイル部
２；２ａ；２ｂ；２ｃ 磁場成形要素
２’ ＬＴＳコイル部
３ａ，３ｂ フランジ
４ａ，４ｂ 接合部
５ａ，５ｂ スタック
６ コイル形成体
ｚ 磁石コイル配置の対称軸

Claims (15)

1. 軸方向に沿って構築され、ＨＴＳ（高温超伝導体）テープ導体が巻きつけられたソレノイド形式の少なくとも１つのコイル部（１；１ａ，１ｂ，１ｃ）を有し、さらに、少なくとも２つの磁場成形要素（２；２ａ，２ｂ，２ｃ）を備える磁場成形デバイスを有する超伝導磁石コイル配置において、
   少なくとも１つの磁場成形要素（２；２ａ，２ｂ，２ｃ）が、前記ＨＴＳコイル部（１；１ａ，１ｂ，１ｃ）の２つの軸端の各々に隣接して配置され、前記磁場成形要素（２；２ａ，２ｂ，２ｃ）は、前記磁場成形要素（２；２ａ，２ｂ，２ｃ）が前記ＨＴＳコイル部（１；１ａ，１ｂ，１ｃ）の領域における前記軸方向に対する、前記磁石コイル配置によって発生する磁場の最大磁場角度を少なくとも１．５°だけ減少させるように構成されていることを特徴とする超伝導磁石コイル配置。
2. 前記磁場成形デバイスは、磁気材料、特に鉄のような強磁性材料から構築される磁場成形要素（２；２ａ，２ｂ，２ｃ）を備えることを特徴とする請求項１に記載の磁石コイル配置。
3. 磁場成形要素（２；２ａ，２ｂ，２ｃ）に対する前記ＨＴＳコイル部（１；１ａ，１ｂ，１ｃ）の長さ比は２：１〜５：１であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁石コイル配置。
4. 前記ＨＴＳコイル部（１；１ａ，１ｂ，１ｃ）は、厚さが好ましくは２ｍｍ〜１０ｍｍである１つ以上のフランジ（３ａ，３ｂ）によって前記磁場成形要素（２；２ａ，２ｂ，２ｃ）から空間的に隔てられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁石コイル配置。
5. 前記磁石コイル配置の磁気中心での最大磁場強さは、少なくとも２７Ｔ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁石コイル配置。
6. 前記磁場成形デバイスは、ＬＴＳ（低温超伝導体）線材が巻きつけられた少なくとも１つのＬＴＳコイル部（２’）を含む磁場成形要素を備えることを特徴とする請求項１、４または５のいずれか一項に記載の磁石コイル配置。
7. 前記磁場成形デバイスの前記ＬＴＳコイル部（２’）は、前記ＨＴＳコイル部（１；１ａ，１ｂ，１ｃ）に電気的に接続され、特に直列に接続され、ＨＴＳストリップ導体とＬＴＳ線材とが、接合部（４ａ，４ｂ）によって互いに接続されることを特徴とする請求項６に記載の磁石コイル配置。
8. 前記ＬＴＳ線材が元素ＮｂおよびＳｎを含む合金を含むことを特徴とする請求項６または７に記載の磁石コイル配置。
9. 前記磁場成形要素（２；２ａ，２ｂ，２ｃ）は、前記ＬＴＳ線材が動作中にさらされる最大局所的磁場強さが２３．５Ｔである程度に前記磁石コイル配置の前記磁気中心に軸方向に近接して配置されることを特徴とする請求項８に記載の磁石コイル配置。
10. 前記磁場成形要素（２；２ａ，２ｂ，２ｃ）は、前記磁場の前記軸方向に対する、前記磁石コイル配置によって発生する前記磁場の磁場角度が５°を超える領域、特に１０°〜１５°である領域に配置され、この領域の前記磁場の絶対大きさは、用いられるＬＴＳ導体材料の臨界磁場未満であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の磁石コイル配置。
11. ＬＴＳコイル部（２’）を有するＬＴＳ磁場成形要素の軸方向長さの、前記それぞれ隣接するＨＴＳコイル部（１；１ａ，１ｂ，１ｃ）の軸方向長さに対する比は１：３〜１：８、好ましくは約１：５であることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか一項に記載の磁石コイル配置。
12. ＬＴＳ磁場成形要素（２’）が、これらのＬＴＳ磁場成形要素（２’）が隣接する前記それぞれのＨＴＳコイル部（１；１ａ，１ｂ，１ｃ）とほぼ同じ内径および外径を持つことを特徴とする請求項６〜１１のいずれか一項に記載の磁石コイル配置。
13. 交互に配置されたＬＴＳ−ＨＴＳ−ＬＴＳ導体を有する隣接して配置される少なくとも２つのスタック（５ａ，５ｂ）があり、前記スタック（５ａ，５ｂ）は、最初にＬＴＳ−ＨＴＳ−ＬＴＳスタック（５ａ）から出発してその後、隣接するＬＴＳ−ＨＴＳ−ＬＴＳスタック（５ｂ）を通って戻る電流伝導があるように、互いに電気的に接続されることを特徴とする請求項６〜１２のいずれか一項に記載の磁石コイル配置。
14. ｉ）ＮｂおよびＳｎの混合物を含むＬＴＳ未完成材料製の前記磁場成形要素を巻きつける工程と、
    ｉｉ）前記巻きつけられたＬＴＳ未完成材料を５２０℃を超える温度まで加熱することによってＮｂおよびＳｎを反応させて完成ＬＴＳ線材を形成する工程と、
    ｉｉｉ）第１の磁場成形要素のＬＴＳ線材の内方端をＨＴＳテープ導体の第１の端にはんだづけする工程と、
    ｉｖ）前記ＨＴＳコイル部を巻回する工程と、
    ｖ）第２の磁場成形要素のＬＴＳ線材の外方端を前記ＨＴＳテープ導体の外方端にはんだづけする工程と
    を備える方法によって製造される請求項６〜１３のいずれか一項に記載の磁石コイル配置。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の磁石コイル配置を有する核磁気共鳴装置。