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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。

概要

背景

超伝導MR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Ht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」IC)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。磁力線テープの表面に平行に延びる場合、臨界電流IC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、ICは大きい角度で降下する。

一般的にソレノイド形式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IC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IC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)。

概要

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。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。b

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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

技術分野

0001

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。

0002

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。

背景技術

0003

超伝導MR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。

0004

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。

0005

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」IC)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。磁力線テープの表面に平行に延びる場合、臨界電流IC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、ICは大きい角度で降下する。

0006

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IC容量利用率は最大になる。

0007

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。

0008

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。

0009

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。

0010

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。

0011

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。

0012

・導体に課されるIC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。

0013

・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。

0014

・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)。

発明が解決しようとする課題

0015

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。

課題を解決するための手段

0016

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。

0017

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。

0018

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。

0019

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。

0020

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。

0021

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。

0022

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。

0023

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。

0024

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。

0025

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。

0026

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。

0027

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。

0028

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。

0029

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IC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。

0030

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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

0034

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。

0035

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。

0036

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。

0037

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。

0038

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。

0039

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。

0040

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。

0041

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。

図面の簡単な説明

0042

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IC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I0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。

実施例

0043

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、根本的な物理原理を説明することを第一に意図する。

0044

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。

0045

バックグラウンド磁場に対する臨界電流IC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I0に正規化されている。

0046

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。

0047

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。

0048

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。

0049

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。

0050

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。

0051

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。

0052

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。

0053

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。

0054

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。

0055

磁石構築時に多くの場合に用いられるLTS材料Nb3Sn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Nb3Sn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、Nb3Sn導体に接続してもよい。

0056

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。

0057

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。

0058

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。

0059

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UHFNMR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。

0060

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。

0061

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。

0062

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。

0063

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。

0064

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。

0065

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)。

0066

0LTS線材の径方向外側磁石コイル巻回体
1;1a;1b;1cHTS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

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