JPS58140102A - 超電導電磁石 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は核磁気共鳴装置等に用いられる円筒形の超電導
電磁石に係り、特に、高均一度の磁界を発生する超電導
電磁石に関するものである。

核磁気共鳴装置（以後ＮＭＲと記す）のスペクトル分解
能力は試料に及ぼす磁界の均一度によって定まる。中心
磁界強度をＨｏに対し、中心から或距離をへだてだ位置
の磁界強度をＨｏ±ΔＨとすると、磁界の均一度はΔＨ
／　Ｈｏで定義される。

例えば水素原子核（’Ｈ）の共鳴測定においては、１〜
３Ｘ１０”程度の高分解能が要求されるが、この分解能
は超電導電磁石だけでは達成されないため、一般的には
超電導電磁石自身で１０−？程度の均一度に到達させ、
測定試料線２０００〜３０００ｒｐｍのスピニングを与
えて１Ｏ−８に高め、更に、磁界補正コイルによって１
０−９まで向上させて最終分解能を得る方法がとられて
いる。なお、上記磁界補正コイルは常温シムとも呼ばれ
ている。

円筒状の主コイルの中心をＯとし、゛軸方向の距離をＺ
、半径方向の距離をγとすると、その発生磁界強度はＺ
方向では中心Ｏをはずれると小となり、γ方向ではコイ
ル内径面に近づく程大きくなるという特性をもっている
。それ故に単純な円筒形状のコイル１個で得られる高均
一度の磁界領域は狭くなり、その領域を拡大させるには
コイルの半径と長さを相対的に拡張しなければならない
。

即ち、大形のコイルとなってコスト高となり、超電導電
磁石も大形化するので得策とはいえない。

この欠点を補うために従来は次のような手段を用いてい
た。

第１図は従来の切欠形の超電導電磁石の断面図である。

この切欠形コイル１は両端に起磁力を追加して主コイル
の磁界強度分布を補正したものである。

との切欠形コイル１は形状だけで磁界の均一度が決まる
ので、コイルを均質に巻き、かつ、正確な形状に仕上け
るだめの巻線作業が困難であわ、更に、調整のだめの自
由度がなく高均一度が得にくい。これまでの例では最高
達成均一度は１０−６台どまシである。

第２図は従来の補正コイルを備えた超電導電磁石の断面
図である。円筒状の主コイル２０両端外側には比較的大
きな補正コイル３が装着され、その間の中央寄りの所に
比較的小さな補正コイル４が２個装着されている。この
複合形のコイルは製作が比較的容易であるが、補正コイ
ル数が複数となっているので調整のだめの自由度が増加
し、補正コイル３，４の相互位置や励磁電流等のパラメ
ータの組合わせが極めて複雑となる。

また、従来の補正コイルの形状寸法の設計例をみると、
補正コイルを複数対設置してその相互位置や間隔を調整
しても、軸方向（以後Ｚ方向と記す）の均一度を向上さ
せると、半径方向（以後γ方向と記す）の均一度が低下
するし、その反対の場合も同様であり、均一度の向上は
極めて困難であった。即ち、構成が複雑になるばかシで
均一度の向上にはあまり効果がないという状況であった
。

本発明は従来技術の欠点を解消し、主コイルと一対の補
正コイルの比較的簡単な構成でＺ、、１両方向に高均一
度な磁界を得ることができる超電導電磁石を提供するこ
とを目的とし、その特徴とするところは、主コイルの内
半径を１としたとき、主コイルの外半径を１．３〜１，
４．長さを７．０〜７．５とし、補正コイルはその内半
径を１．４〜１．５゜外半径を１．６〜１．７．長さを
０．３６〜０．４４とする寸法比を有し、かつ、一対の
補正コイルの内側間隔を５．０〜５．２の寸法比で主コ
イルの中心に対して対称的に位置させ、主コイルの中心
空間部付近の磁力分布を均一にするごとく構成したこと
にある。

このよう彦条件を求める設計手順について以下説明する
。まず、Ｚｌγ方向共に±０．２５ｃｒｎ点以内で１０
−４〜１０−５程度の均一度が得られる主コイルを求め
た後、合計で１０””〜１０−７程度の均一度が得られ
るような補正コイルの形状及び間隔を求める手順とした
。

主コイル２の設計計算は、その内半径を１．０とし、コ
イル平均電流密度２００〜４００Ａ／■２を設定した上
で目標とする発生磁界６テスラ（以後Ｔと記す）が得ら
れるように、主コイル２の外半径１．２〜１．５を求め
、更・に、５Ｗ球での均一度１０−４〜１０−５を与え
、これを満足する主コイル２の長さ５．０〜９４０を求
めた。

この段階で次のことが判明した。

（１）主コイル２の長さを多小変化させても発生磁界の
大きさは殆ど変化しないし、磁界の均一度も同様に大幅
に変化することがない。

（２）主コイル２の外半径は磁界の強さに敏感であるが
、主コイル２に流す平均電流密度を変化させると磁界の
大きさを調整できる。

特に、主コイル２の外半径寸法をやや大きめにすること
で超電導コイル特有の不安定現象に対する余裕を見込む
ことができることを意味する。このような主コイル２の
パラメータに対する影響を把握した後で補正コイル３の
計算に移行した。

補正コイル３は主コイル２との関連を考慮して主コイル
内半径で補正コイル３の主要寸法を規格化し、内半径を
１．３〜１．６．コイル外半径を１．６〜１．７．補正
ボイル長さを０．３〜０．５．補正コイル３間の間隔を
１．０〜８．０の広範囲に計算し、主コイル２と補正コ
イル３との合計均一度が１０”’〜１０−７となるよう
なパラメータ間の組合わせを探嶽した。但し、主コイル
２と補正コイル３の電流密度は同じにしである。なお、
電流密度は磁界値に直接関係するが、磁界分布には無関
係である。

第１表は磁界の均一度が１０−６〜１０−７となるよう
な条件を示すものであり、この組合わせの中で最高の磁
界均一度を達成し得るコイル寸法を探す試みも行った。

第１表 以下計算結果の主なものを示す。

第３図は本発明の一実施例である超電導電磁石の断面図
である。この超電導電磁石の中心磁界は６．０９３５７
９Ｔであり、その主コイル２の主要寸法は次の如、く定
まる。

主コイル２の内半径は　５．０　ｃｍ 外半径は　６．８ｃｒｎ 長さ　は３６．０ｃｒｎ この場合のＺとγ方向の磁界強度■（から中心磁界強度
Ｈ８を引いた値を第４図に示した。

第４図は第３図の主コイルのＺ、γの変化と）−（−Ｈ
Ｏとの関係を示す線図で、補正コイル３を除いた場合の
磁界強度分布を示している。即ち、主コイル２の中心軸
の中点から軸方向に離れるとＺ線に示すごとく磁界強度
は低下し、半径方向″に離れるとγ線で示すごとく磁界
強度は増加する。

第５図は第４図の値から求めた均一度を示す線図で、横
軸のＺ、γの、目盛および縦軸の均一度の目盛は対数値
で示しである。この結果Ｚ　＝　０．２５ｍ、γ＝０の
所では均一度が２．６　ｘ　ｔ　Ｏ’−’　、　Ｚ＝０
、γ＝０．２５（７７１の所では１．４Ｘ１０−５であ
った。

主コイル２に適合する補正コイル３の形状を求めるため
に、補正コイル３の内半径を７．２　ｃｍ　、コイル間
隔を２６．０−として補正コイル３の外半径と長さを探
索したところ次の結果を得た。

第６図および第７図は補正コイルの間隔を２６ｍ、長さ
を２ｃｍに固定して主コイル外半径を変化させた場合の
Ｚ、γ方向における均一度を求めた線図で、主コイル外
半径を８．０〜８．５　ｃｍ　’！で変化させたときは
８．２Ｃｒｎのときが最も均一度が良好で、これより多
くとも少くとも均一度は低下する。

第８図および第９図は補正コイルの外半径を８、２　ｃ
ｍ　、コイル間隔を２６６ｎに固定して補正コイルの長
さを変化させた場合のＺ、γ方向における均一度の変化
を求めた線図であり、補正コイル３の長さを１．８〜２
．２ｃｍと変化させると２．０　ｃｍの時が最も均一度
が高く、これよυ長くとも短かくしても均一度は低下し
ている。なお、これ以外に寸法を変化させて種々の条件
を計算したが、上記以外に良い組合わせは見つからなか
った。

以上によって主コイル２に適合する補正コイルの形状が
求められた事により、Ｚ、γ方向共に均一度が同時に改
善されるという結果も得られた。

なお、補正コイル３０間隔を微調整すれば更に高均一度
が期待できそうであったので、間隔を変化させて詳細に
調べてみたら予想通り次の結果を得た。

第１０図および第１１図は補正コイル間隔と均一度との
関係を示す線図で、第１０図は中心軸上でＺ　＝　２．
５　ｖａｎ　、第１１図は中心位置でｒ方向へ２．５１
ａの所における均一度である。最も高い均一度を示す補
正コイル３の間隔は２５．５５ｃｍＩｎ付近で、１０−
８〜１０　””という良い均一度を示している。

なお、両図においての印は中心磁界に比べて均一度をし
らべた位置の磁界強度が大きい場合、ｅは小さい場合を
示す。

以上の検討から次のような事実が明確となった。

主コイル２の内径とコイル電流密度と磁界値と均一度が
与えられると、経済的設計を行うことが可能となシその
最適寸法は一義的に決定される。即ち、補正コイル３の
内径は主コイル２の外径と補正コイル３のボビン厚さと
補正コイル３を可動させるための保持金具の寸法から最
小寸法は決められる。これらの条件下で主コイル２の磁
界分布から中心磁界の大きさを差引いたものと、補正コ
イル３の磁界分布からその中心磁界を差引いたものが均
一度の要求される空間内で完全に打消し合うような条件
は唯−過多しか存在しえないとすれば、補正コイル３の
最適な寸法と形状は唯−通多決定される。但し、予め内
径は与えられた場合である。

したがって、上記の各寸法値は最適値であり、かつ、磁
界分布がコイル形状寸法に比例することを考慮すれば、
主コイル２の内半径を１．０としだとき、それらは−組
の寸法比で与えられることになる。なお、この場合主コ
イル２と補正コイル３の電流密度が同じである必要はな
い。

上記のような主コイル２と補正コイル３の組合わせでは
、上記磁界分布が計算領域の範囲でＺ。

Ｚ方向共に２次式で表わされ（第４図）、がっ、Ｚ方向
の均一度が良くなるとＺ方向の均一度も向上する傾向と
なり、補正コイル３の位置調整による均一度調整が極め
て行い易いという長所をもっていることが判明した。こ
のことは、主コイル２と補正コイル３の作る磁界分布が
Ｚ、γ方向共絶対値の等しい２次の係数をもち、１次の
係数が等しい２次式で表わされ、かつ、補正コイル３の
間隔を変えても２次式の形が殆ど変らないように両コイ
ルがほぼ理想的な組合せとなっていることを示す。即ち
、両コイル間隔には最適値が存在し、そこまで補正コイ
ル３の位置を移動させるだけで均一度を向上させること
ができることを示している。

本実施例の超電導電磁石は、円筒状の主コイルと、この
主コイルの中心付近に発生する磁界分布とは増減の方向
が反対で、かつ、主コイルの磁界のＺ方向への減少分お
よびＺ方向への増加分と補正コイルのＺ方向への増加分
およびＺ方向への減少分の差が小さくなるような一対の
環状の補正コイルとを組合わせることによって、主フィ
ル中心付近に磁界強度の均一な部分を得ることができる
という効果が得られる。

第１２図は第３図の超電導電磁石を用いた超電導電磁石
装置の断面図で、第３図と同じ部分には同一符号を付し
である。この場合は実際に主コイル２と補正コイル３と
を組合わせて冷却した際に生じる両コイルの位置の移動
を回転軸６によって修正できるようにしたものである。

環状の円筒容器９の中には円筒状の主コイル２およびそ
の外側両端部に近接して環状の補正コイル３ａ、３ｂが
設置されている。また、補正コイル３ａ、３ｂを装着し
た保持金具４ａ、４ｂには異なるねじ孔（一方が右ねじ
孔であるときは他方は左ねじ孔）が設けられ、左ねじと
右ねじを形成した回転軸がこれに螺合している。したが
って、回転軸６を回転させるときは保持金具４ａ、４ｂ
が矢印方向に移動して補正コイル３ａ、３ｂの間隔を約
２．５　ｒｒａｎ縮小させることができる。また、回転
軸６を反対方向に回転させると一対の補正コイル３ａ、
３５は互いに遠ざかシ、これによって補正コイル３の間
隔を微調整して最適の状態とすることができる。

なお、補正コイル３ａ、３ｂの間隔の調整量は２．５節
程度で十分である。

主コイ／Ｌ−２と補正コイル３とは液体ヘリウム７中に
浸漬されており、円筒容器９の中心孔である常温部５内
には試料液を収容したＮ　Ｍ　Ｒプローブ８が収容され
ている。このＮＭＲプローブ８には試料液が収容されて
いるが、上記の補正コイル３ａ、３ｂの間隔調整時は水
素測定用のＮＭＢ、プローブ８を用いてそれから発生す
るＮＭＲスヘクトルを監視し乍ら調整する。このように
すれば極めて短時間で補正レンズ３の最適位置を探すこ
とができるので、冷媒の損失を節約して迅速に調整可能
となる。即ち、組立てられた超電導電磁石の中心の磁場
強度はＩ”Ｊ　Ｍ　Ｒ，グローブ８を用いて測定するの
が唯一の方法である。

なお、第１２図の構造は簡略化して示したものであり、
円筒容器９は２重の真空魔法びん中に収容され、かつ、
主コイル２と補正コイル３とは常に同軸状態を保つよう
に構成されている。

本実施例の超電導電磁石装置は、主コイルとは同軸状態
を保持し乍ら一対の補正コイ・ルの間隔を常温外から変
化させることができるように構成することによシ、主コ
イル内中央部の磁場強度の均一度を向上させ、１０″″
９程度の均一度を得ることが可能となるという効果が得
られる。

本発明の超電導電磁石は上記補正コイルの同軸微動条件
を含めて特許請求の範囲に記載した条件とすることによ
ってＺ、γ両方向に均一な磁界を常に得ることができる
という効果をもっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の切欠形の超電導電磁石の断面図、第２図
は従来の補正コイルを備えた超電導電磁石の断面図、第
３図は本発明の一実施例である超電導電磁石の断面図、
第４図は第３図の主コイルのＺ、γの変化とＨＨｏ　と
の関係を示す線図、第５図は第４図の値から求めた均一
度を示す線図、第６図および第７図は補正コイルの間隔
を２６　ｃｍ　。 長さを２Ｃｒｎに固定して主コイル外半径を変化させた
場合のＺ、γ方向における均一度の変化を求めた線図、
第８図および第９図は補正コイルの外半径を８．２　ｃ
ｍ　＋　コイル間隔１２６ｃｒｎに固定して補正圧コイ
ルの長さを変化させた場合のＺ、γ方向における均一度
の変化を求めた線図、第１０図および第１１図は補正コ
イル間隔と均一度の関係を示す線図、第１２図は第％３
図の超電導電磁石を用いた超電導電磁石装置の断面図で
ある。 １・・・切欠形コイル、２・・・主コイル、３・・・補
正コイル、４・・・保持金具、訃・・常温部、６・・・
回転軸、７・・・液体ヘリウム、訃ＮＭＲ用プローブ、
９・・・同第　４　田 １ｏｒＹ（Ｃ夙） 乙（Ｃ旭２　　　　　　　　　　　　γ（Ｃγ）′１１
１０　目 孝南、ｊ１：三コイルＩｔｌη％　　（ｃ％ン給　１ｌ
ＥＪ 弔打正コイルＦＩ隔　（Ｃ帽 ’ｆ）　　／２　　ＩＩ］

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、主超電導ソレノイドコイル（以下主コイルと記す）
   と、この主コイルの軸方向端部に設けられた一対の磁界
   分布補正用超電導ソレノイドコイル（以下補正コイルと
   記す）とで構成された超電導電磁石において、上記主コ
   イルの内半径を１としたとき、上記主コイルの外半径を
   １．３〜１．４．長さを７．０〜７．５とし、上記各補
   正コイルはその内１径を１．４〜１．５．外半径を１．
   ６〜１．７．長さを０．３６〜０．４４とする寸法比を
   有し、がっ、上記一対の補正コイルの内側間隔を５．０
   〜５．２の寸法比で上記主コイルの中心に対して対称的
   に位置させ、上記主コイルの中心中間部付近の磁力分布
   を均一にするごとく構成したことを特徴とする超電導電
   磁石。 ２、上記一対の補正コイルが、上記主コイルと同軸状態
   を保持し乍ら互いに反対方向に同時に微動１り能に構成
   されたコイルである特許請求の範囲第１項記載の超電導
   電磁石。