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特許7205545酸化物超電導バルク体を用いた核磁気共鳴用磁石ユニット及び核磁気共鳴用磁場発生装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-01-06
(45)【発行日】2023-01-17
(54)【発明の名称】酸化物超電導バルク体を用いた核磁気共鳴用磁石ユニット及び核磁気共鳴用磁場発生装置
(51)【国際特許分類】
G01N 24/00 20060101AFI20230110BHJP
H01F 6/00 20060101ALI20230110BHJP
H01F 5/00 20060101ALI20230110BHJP
【ＦＩ】
G01N24/00 600C
G01N24/00 600D
H01F6/00
H01F5/00 C
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2020549455
(86)(22)【出願日】2019-09-27
(86)【国際出願番号】 JP2019038234
(87)【国際公開番号】W WO2020067458
(87)【国際公開日】2020-04-02
【審査請求日】2020-11-19
(31)【優先権主張番号】P 2018184892
(32)【優先日】2018-09-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106909
【弁理士】
【氏名又は名称】棚井 澄雄
(74)【代理人】
【識別番号】100175802
【弁理士】
【氏名又は名称】寺本 光生
(74)【代理人】
【識別番号】100134359
【弁理士】
【氏名又は名称】勝俣 智夫
(74)【代理人】
【識別番号】100188592
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 洋
(72)【発明者】
【氏名】森田 充
【審査官】田中 洋介
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１６／１１７６５８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－０１８９２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１７－５２９２０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第７４９８８１０（ＵＳ，Ｂ２）
【文献】特開２０１６－００６８２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／０２１５０７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０８－１６８４７６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２４／００－２４／１４
Ｇ０１Ｒ ３３／２８－３３／６４
Ａ６１Ｂ ５／０５５
Ｈ０１Ｆ ５／００－７／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
単結晶状のＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ相にＲＥ２ＢａＣｕＯ５相が分散した組織（ＲＥは希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素であり、ｙは、６．８≦ｙ≦７．１を満たす。）を有し、かつ、リング状である、複数の酸化物超電導バルク体を備え、複数の前記酸化物超電導バルク体のそれぞれは、同軸に、かつ同軸方向に積層して積層体を形成し、
複数の前記酸化物超電導バルク体は、
前記積層体の片端又は両端に配置された第１酸化物超電導バルク体及び前記第１酸化物超電導バルク体に隣接した第２酸化物超電導バルク体を備え、
下記（Ａ）～（Ｃ）の少なくとも（Ａ）の条件を満たす酸化物超電導バルク体を用いた核磁気共鳴用磁石ユニット。
（Ａ）前記第１酸化物超電導バルク体の外径は、前記第２酸化物超電導バルク体の外径より小さい
（Ｂ）前記第１酸化物超電導バルク体の径方向の厚みは、前記第２酸化物超電導バルク体の径方向の厚みより小さい
（Ｃ）前記第１酸化物超電導バルク体の体積は、前記第２酸化物超電導バルク体の体積より小さい
【請求項2】
前記（Ｂ）又は（Ｃ）の条件を満たす請求項１に記載の酸化物超電導バルク体を用いた核磁気共鳴用磁石ユニット。
【請求項3】
前記第１酸化物超電導バルク体は、（Ａ）～（Ｃ）のすべての条件を満たす請求項１に記載の酸化物超電導バルク体を用いた核磁気共鳴用磁石ユニット。
【請求項4】
少なくとも、前記第１酸化物超電導バルク体の外周面側及び前記第２酸化物超電導バルク体の外周面側に設けられる支持部材を更に備え、前記支持部材における前記第１酸化物超電導バルク体の外周面側に位置する部分の厚みは、前記支持部材における前記第２酸化物超電導バルク体の外周面側に位置する部分の厚みよりも大きい、請求項１～３のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルク体を用いた核磁気共鳴用磁石ユニット。
【請求項5】
前記支持部材は、前記第１酸化物超電導バルク体の外表面側端面の少なくとも一部を覆うように延長されている、請求項４に記載の酸化物超電導バルク体を用いた核磁気共鳴用磁石ユニット。
【請求項6】
前記第１酸化物超電導バルク体の内径は、前記第２酸化物超電導バルク体の内径に対して、８０％以上１４０％以下である、請求項１～５のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルク体を用いた核磁気共鳴用磁石ユニット。
【請求項7】
前記第１酸化物超電導バルク体の外表面側端面と内周面とがなす角部が面取りされている、請求項１～６のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルク体を用いた核磁気共鳴用磁石ユニット。
【請求項8】
前記積層体の前記第１酸化物超電導バルク体が配置された一端とは反対側の他端には、前記組織を有し、かつ、板状の酸化物超電導バルク体が配置されている、請求項１～７のいずれか１項に記載の酸化物超電導バルク体を用いた核磁気共鳴用磁石ユニット。
【請求項9】
請求項８に記載の酸化物超電導バルク体を用いた核磁気共鳴用磁石ユニットと、低温部を有する冷却装置と、
を備え、
前記板状の酸化物超電導バルク体は、前記低温部に接続された、核磁気共鳴用磁場発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、核磁気共鳴用磁石ユニット及び核磁気共鳴用磁場発生装置に関する。
本願は、２０１８年９月２８日に、日本に出願された特願２０１８－１８４８９２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２０１８年９月２８日に、日本に出願された特願２０１８－１８４８９２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【0002】
ＮＭＲ（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：核磁気共鳴）装置（以下、「ＮＭＲ装置」とも呼称する。）は、強磁場を発生し、この強磁場中に配置された試料に電磁波を照射して試料中の原子核の核スピンを共鳴させ、この共鳴時に試料に吸収されるエネルギーをＮＭＲ信号として検出することで、試料の分子構造や物理的・化学的物性などの情報を得ることに用いられる分析装置である。
【0003】
ＮＭＲ装置の磁場発生源である超電導マグネットとして、単結晶状の酸化物超電導材料をバルク化した酸化物超電導バルク体が用いられることがある。酸化物超電導材料は高い臨界電流密度を有する。そのため、酸化物超電導バルク体は、外部磁場を捕捉することで強力な磁場を発生することが可能な酸化物超電導バルクマグネットとなる。
【0004】
一般の大きさ（例えば、直径４０～１００ｍｍ程度）の単結晶状の酸化物超電導バルク体に高強度の磁場を着磁して、着磁された酸化物超電導バルク体から強磁場を発生させるためには、複数の酸化物超電導バルク体をリング状に加工し、複数のリング状の酸化物超電導バルク体を中心軸方向に積層させることが有効である。
【0005】
例えば、酸化物超電導バルクマグネットを小型ＮＭＲ装置や小型ＭＲＩ装置へ応用する場合、リング状であり外径６０ｍｍ、高さ２０ｍｍ程度の酸化物超電導バルク体を、６個～８個程度、酸化物超電導バルク体の中心軸に沿った方向に積層して積層体を製造する。この積層体を着磁して酸化物超電導バルクマグネットとして、小型ＮＭＲ装置や小型ＭＲＩ装置へ応用する技術がある。上記の酸化物超電導バルクマグネットを小型ＮＭＲ装置や小型ＭＲＩ装置に用いることで、強磁場かつ均一な磁場が酸化物超電導バルクマグネットの中心部に形成され、良好な信号が得られるとされている。
【0006】
酸化物超電導バルクマグネットは、非常に強力な磁場を狭い空間に発生できるという特長を有する。しかし、酸化物超電導バルク体には、酸化物超電導バルク体が強力な外部磁場を捕捉する際に、捕捉された磁場が広がるように作用する電磁応力（フープ応力）が作用する。酸化物超電導バルク体は小さな体積で強力な磁場を捕捉するため、大きなフープ応力が作用することになる。例えば、酸化物超電導バルク体が５Ｔ～１０Ｔの外部磁場を捕捉する場合には、酸化物超電導バルク体に作用する電磁応力が酸化物超電導バルク体自身の強度を超え、この酸化物超電導バルク体が破損する可能性がある。
【0007】
また、リング状の酸化物超電導バルク体が中心軸方向に積層されて形成される酸化物超電導バルクユニットを着磁する場合、外径に対する中心軸方向の長さ（積層高さ）の比が小さい酸化物超電導バルクユニットでは、酸化物超電導バルクユニットの内周面の縁部付近の応力は、酸化物超電導バルクユニットの内周面の縁部から離れた位置の応力と同程度である。一方、外径に対する積層高さの比が大きい酸化物超電導バルクユニットでは、酸化物超電導バルクユニットの内周面の縁部に電磁応力が集中する。そのため、酸化物超電導バルクユニットの内周面の縁部で大きくひずみ、割れが生じやすくなる。
【0008】
着磁時の酸化物超電導バルク体の割れを防止するために、酸化物超電導バルク体に印加する外部磁場を低くすることがあり、その結果、着磁後の酸化物超電導バルク体である酸化物超電導バルクマグネットは、強磁場を発生することができない場合がある。そのため、酸化物超電導バルク体に強磁場を着磁する場合における酸化物超電導バルク体の破損を防止するための技術開発が進められている。
【0009】
例えば、特許文献１には、円柱状の酸化物超電導バルク体と、この酸化物超電導バルク体を囲む金属リングとにより構成された超電導バルクマグネットが開示されている。
【0010】
例えば、特許文献２には、六角柱状の酸化物超電導バルク体を７個組み合わせ、その７個の酸化物超電導バルク体の周囲に繊維強化樹脂等からなる支持部材を配置し、更に支持部材の外周に、ステンレスやアルミ等の金属からなる支持部材が配置された超電導磁場発生素子が開示されている。
【0011】
例えば、特許文献３には、酸化物超電導バルク体の側面、及び上面の少なくとも一部又は上下面の少なくとも一部が補強された酸化物超電導バルク磁石が開示されている。
【0012】
例えば、特許文献４には、外周及び内周が補強された複数のリング状超電導バルク体を積層した超電導バルク磁石が開示されている。
【0013】
例えば、特許文献５には、複数のリング状の酸化物超電導バルク体及びリング状の支持部材、及び外周補強リングを備え、リング状の酸化物超電導バルク体とリング状の支持部材が積層された積層体の外周に外周補強リングが設けられた超電導バルクマグネットが開示されている。
【0014】
また、例えば、非特許文献１には、リング状の酸化物超電導バルク体が積層されて構成され、それぞれ異なる補強を行った酸化物超電導バルクユニットに対して、外部磁場を印加して冷却したときに、酸化物超電導バルクユニットに発生する電磁応力のシミュレーション試験の結果が開示されている。非特許文献１では、酸化物超電導バルクユニットにおける、外周面、中心軸に垂直な端面、及び酸化物超電導バルクユニットの端部に位置する酸化物超電導バルク体の内周面を補強することにより、電磁応力を低減可能であり、酸化物超電導バルクユニットの割れを抑制可能であることが示されている。
【0015】
電磁応力による酸化物超電導バルク体の破損を防止することができれば、ＮＭＲ装置の高性能化、小型化又は軽量化が期待される。
【0016】
そこで、近年、コンパクトで強磁場の発生が可能であるという酸化物超電導バルクマグネットの特長を利用した、小型ＮＭＲ装置又は小型ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ：核磁気共鳴画像）装置の磁石部材、磁気力を利用した薬物輸送システム等の技術開発が進められている。
【0017】
例えば、特許文献６には、酸化物超電導バルクユニットを着磁して超電導バルクマグネットとして用いた小型のＮＭＲ装置が開示されている。
【0018】
例えば、特許文献７には、酸化物超電導バルクユニットの一部に超電導テープ線材を用いて中空部により均一な磁場を発生するＮＭＲ装置が開示されている。
【0019】
例えば、非特許文献２には、種々のリング状酸化物超電導バルク体を用いた小型ＮＭＲ用磁石ユニットの開発状況が紹介されている。
【0020】
例えば、特許文献８には、複数の超電導バルク体と、複数積層された前記超電導バルク体の外周面を覆うように嵌合された少なくとも１つの外周補強リングと、を備えるバルクマグネット構造体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0021】
【文献】日本国特開平１１－３３５１２０号公報
【文献】日本国特開平１１－２８４２３８号公報
【文献】日本国特開２０１４－１４６７６０号公報
【文献】日本国特開２０１４－７５５２２号公報
【文献】日本国国際公開第２０１６／１１７６５８号
【文献】日本国特開２００２－６０２１号公報
【文献】日本国特開２０１６－６８２５号公報
【文献】日本国特開２０１８－１８９２４号公報
【非特許文献】
【0022】
【文献】H.Fujishiro, et al., "New proposal of mechanical reinforcementstructures to annular REBaCuO bulk magnet for compact and cryogen-free NMRspectromrter", Physica C: Superconductivity and its applications,550(2018), p52-56
【文献】中村高志ら、「特集：小型ＮＭＲ用円筒状超伝導バルク磁石の開発と信号検出」、低温工学、公益社団法人低温工学・超電導学会、２０１７年１月、５２巻、１号、ｐ．３～４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0023】
特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載された技術では、酸化物超電導バルク体の内部に形成する磁場の均一性は不十分であり、改善の余地がある。
【0024】
特許文献４、及び特許文献５に記載された技術では、酸化物超電導バルクユニットにおける外径に対する積層高さの比が大きい場合、酸化物超電導バルクユニットの内周面の縁部付近のひずみ量は、縁部以外の酸化物超電導バルクユニットの内周面付近のひずみ量と比較して極めて大きくなる。そのため、例えば、６～１０Ｔ程度の強磁場を酸化物超電導バルクユニットに着磁する際に、酸化物超電導バルクユニットの内周面の縁部付近で酸化物超電導バルクユニットが破損する可能性があるため、安定して着磁することは困難である。
【0025】
非特許文献１におけるシミュレーション試験では、酸化物超電導バルク体と金属リングが強固に固定されていると仮定されている。しかしながら、実際の物を用いて試験した場合には、酸化物超電導バルク体とその酸化物超電導バルク体の内周面に配置された金属リングとには、互いに押し付けあう力が常に働くわけではない。酸化物超電導バルク体の熱収縮率と金属リングの熱収縮率の違いによって冷却時に酸化物超電導体と金属リングとの間に生じる力により、酸化物超電導バルク体と金属リングとの界面付近で剥離する可能性がある。このように、シミュレーション試験において仮定する境界条件は、実際の状況では満足されないことがあるため、非特許文献１に記載されたシミュレーション試験の結果を基に実際の酸化物超電導バルクユニットを補強しても、十分な効果が得られなかった。
【0026】
特許文献６、特許文献７及び非特許文献２に記載されたＮＭＲ装置に用いられる超電導体の補強は十分でないため、高強度の磁場をこの高温超電導体に捕捉させることが困難な場合がある。
【0027】
特許文献８に記載された外径が同一である複数のバルク体を用いるバルクマグネット構造体では、バルク体の耐久性に改善の余地がある。
【0028】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、超電導バルク体の破損が防止され、より高強度の磁場を発生させることが可能な核磁気共鳴用磁石ユニット及び核磁気共鳴用磁場発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0029】
上記課題の解決のため、本発明者らは、鋭意検討した結果、リング状の酸化物超電導バルク体が中心軸方向に複数積層した積層体において、積層方向の片端又は両端に位置する酸化物超電導バルク体の外径、厚み又は体積を、当該酸化物超電導バルク体に隣接した酸化物超電導バルク体の外径、厚み又は体積より小さくすることにより、内周面の縁部に生じる電磁応力の集中を緩和することが可能であることを見出し、さらに検討した結果、本発明に至った。本発明は、酸化物超電導バルクユニットの内周面の縁部を機械的に補強する従来の方法と異なり、縁部に集中する電磁応力を緩和することで割れを防止することを可能とするものである。
【0030】
上記知見に基づき完成された本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）本発明の第１の態様に係る酸化物超電導バルク体を用いた核磁気共鳴用磁石ユニットは、単結晶状のＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ相にＲＥ２ＢａＣｕＯ５相が分散した組織（ＲＥは希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素であり、ｙは、６．８≦ｙ≦７．１を満たす。）を有し、かつ、リング状である、複数の酸化物超電導バルク体を備え、複数の前記酸化物超電導バルク体のそれぞれは、同軸に、かつ同軸方向に積層して積層体を形成し、複数の前記酸化物超電導バルク体は、前記積層体の片端又は両端に配置された第１酸化物超電導バルク体及び前記第１酸化物超電導バルク体に隣接した第２酸化物超電導バルク体を備え、下記（Ａ）～（Ｃ）の少なくとも（Ａ）の条件を満たす。
（Ａ）前記第１酸化物超電導バルク体の外径は、前記第２酸化物超電導バルク体の外径より小さい。
（Ｂ）前記第１酸化物超電導バルク体の径方向の厚みは、前記第２酸化物超電導バルク体の径方向の厚みより小さい。
（Ｃ）前記第１酸化物超電導バルク体の体積は、前記第２酸化物超電導バルク体の体積より小さい。
（２）上記（１）に記載の態様において、前記（Ｂ）又は（Ｃ）の条件を満たしてもよい。
（３）上記（１）に記載の態様において、前記第１酸化物超電導バルク体は、（Ａ）～（Ｃ）のすべての条件を満たしてもよい。
（４）上記（１）～（３）のいずれか１項に記載の態様において、少なくとも、前記第１酸化物超電導バルク体の外周面側及び前記第２酸化物超電導バルク体の外周面側に設けられる支持部材を更に備え、前記支持部材における前記第１酸化物超電導バルク体の外周面側に位置する部分の厚みは、前記支持部材における前記第２酸化物超電導バルク体の外周面側に位置する部分の厚みよりも大きくてもよい。
（５）上記（４）に記載の態様において、前記支持部材は、前記第１酸化物超電導バルク体の外表面側端面の少なくとも一部を覆うように、延長されてもよい。
（６）上記（１）～（５）のいずれか１項に記載の態様において、前記第１酸化物超電導バルク体の内径は、前記第２酸化物超電導バルク体の内径に対して、８０％以上１４０％以下であってもよい。
（７）上記（１）～（６）のいずれか１項に記載の態様において、前記第１酸化物超電導バルク体の外表面側端面と内周面とがなす角部が面取りされていてもよい。
（８）上記（１）～（７）のいずれか１項に記載の態様において、前記積層体の前記第１酸化物超電導バルク体が配置された一端とは反対側の他端には、前記組織を有し、かつ、板状の酸化物超電導バルク体が配置されていてもよい。
（９）本発明の第２の態様に係る核磁気共鳴用磁場発生装置は、上記（８）に記載の酸化物超電導バルク体を用いた核磁気共鳴用磁石ユニットと、低温部を有する冷却装置と、を備え、前記板状の酸化物超電導バルク体は、前記低温部に接続される。
（１）本発明の第１の態様に係る酸化物超電導バルク体を用いた核磁気共鳴用磁石ユニットは、単結晶状のＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ相にＲＥ２ＢａＣｕＯ５相が分散した組織（ＲＥは希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素であり、ｙは、６．８≦ｙ≦７．１を満たす。）を有し、かつ、リング状である、複数の酸化物超電導バルク体を備え、複数の前記酸化物超電導バルク体のそれぞれは、同軸に、かつ同軸方向に積層して積層体を形成し、複数の前記酸化物超電導バルク体は、前記積層体の片端又は両端に配置された第１酸化物超電導バルク体及び前記第１酸化物超電導バルク体に隣接した第２酸化物超電導バルク体を備え、下記（Ａ）～（Ｃ）の少なくとも（Ａ）の条件を満たす。
（Ａ）前記第１酸化物超電導バルク体の外径は、前記第２酸化物超電導バルク体の外径より小さい。
（Ｂ）前記第１酸化物超電導バルク体の径方向の厚みは、前記第２酸化物超電導バルク体の径方向の厚みより小さい。
（Ｃ）前記第１酸化物超電導バルク体の体積は、前記第２酸化物超電導バルク体の体積より小さい。
（２）上記（１）に記載の態様において、前記（Ｂ）又は（Ｃ）の条件を満たしてもよい。
（３）上記（１）に記載の態様において、前記第１酸化物超電導バルク体は、（Ａ）～（Ｃ）のすべての条件を満たしてもよい。
（４）上記（１）～（３）のいずれか１項に記載の態様において、少なくとも、前記第１酸化物超電導バルク体の外周面側及び前記第２酸化物超電導バルク体の外周面側に設けられる支持部材を更に備え、前記支持部材における前記第１酸化物超電導バルク体の外周面側に位置する部分の厚みは、前記支持部材における前記第２酸化物超電導バルク体の外周面側に位置する部分の厚みよりも大きくてもよい。
（５）上記（４）に記載の態様において、前記支持部材は、前記第１酸化物超電導バルク体の外表面側端面の少なくとも一部を覆うように、延長されてもよい。
（６）上記（１）～（５）のいずれか１項に記載の態様において、前記第１酸化物超電導バルク体の内径は、前記第２酸化物超電導バルク体の内径に対して、８０％以上１４０％以下であってもよい。
（７）上記（１）～（６）のいずれか１項に記載の態様において、前記第１酸化物超電導バルク体の外表面側端面と内周面とがなす角部が面取りされていてもよい。
（８）上記（１）～（７）のいずれか１項に記載の態様において、前記積層体の前記第１酸化物超電導バルク体が配置された一端とは反対側の他端には、前記組織を有し、かつ、板状の酸化物超電導バルク体が配置されていてもよい。
（９）本発明の第２の態様に係る核磁気共鳴用磁場発生装置は、上記（８）に記載の酸化物超電導バルク体を用いた核磁気共鳴用磁石ユニットと、低温部を有する冷却装置と、を備え、前記板状の酸化物超電導バルク体は、前記低温部に接続される。
【発明の効果】
【0031】
本発明によれば、超電導バルク体の破損が防止され、より高強度の磁場を発生させることが可能な核磁気共鳴用磁石ユニット及び核磁気共鳴用磁場発生装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】本発明の一実施形態に係る核磁気共鳴用磁石ユニット及び核磁気共鳴用磁場発生装置が適用され得る核磁気共鳴装置の概略構成の一例を示す部分断面図である。
【図2】同実施形態に係る磁石ユニットを中心軸を含む平面で切断した断面図である。
【図3】同実施形態に係る酸化物超電導バルク体の積層状態の一例を示す、核磁気共鳴用磁石ユニットの断面図である。
【図4】同実施形態に係る核磁気共鳴用磁石ユニットの別の一例を示す、核磁気共鳴用磁石ユニットの断面図である。
【図5】同実施形態に係る核磁気共鳴用磁石ユニットの別の一例を示す、核磁気共鳴用磁石ユニットの断面図である。
【図6】同実施形態に係る核磁気共鳴用磁石ユニットの別の一例を示す、核磁気共鳴用磁石ユニットの断面図である。
【図7】同実施形態に係る核磁気共鳴用磁石ユニットの変形例を示す、核磁気共鳴用磁石ユニットの断面図である。
【図8】コールドヘッドに載置された同実施形態に係る核磁気共鳴用磁石ユニットの一例を示す断面図である。
【図9A】従来の磁石ユニットに着磁後のその断面の超電導電流の分布を示す模式図である。
【図9D】本発明の一実施形態に係る磁石ユニットの超電導電流が流れている場合の磁場分布を示す模式図である。
【図10A】本発明の一実施形態に係る磁石ユニットに着磁後のその断面の超電導電流の分布を示す模式図である。
【図11A】本発明の一実施形態に係る磁石ユニットに着磁後のその断面の超電導電流の分布を示す模式図である。
【図12A】本発明の一実施形態に係る磁石ユニットに着磁後のその断面の超電導電流の分布を示す模式図である。
【図13A】本発明の一実施形態に係る磁石ユニットに着磁後のその断面の超電導電流の分布を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0033】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、図中の各構成要素の比率、寸法は、実際の各構成要素の比率、寸法を表すものではない。
【0034】
＜１．ＮＭＲ装置１＞
まず、図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態に係るＮＭＲ用磁石ユニット及び本発明の一実施形態に係るＮＭＲ用磁場発生装置が適用され得るＮＭＲ装置１について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る核磁気共鳴用磁石ユニット及び核磁気共鳴用磁場発生装置が適用され得る核磁気共鳴装置の概略構成の一例を示す部分断面図である。図２は、本実施形態に係る磁石ユニットを中心軸を含む平面で切断した断面図である。
まず、図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態に係るＮＭＲ用磁石ユニット及び本発明の一実施形態に係るＮＭＲ用磁場発生装置が適用され得るＮＭＲ装置１について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る核磁気共鳴用磁石ユニット及び核磁気共鳴用磁場発生装置が適用され得る核磁気共鳴装置の概略構成の一例を示す部分断面図である。図２は、本実施形態に係る磁石ユニットを中心軸を含む平面で切断した断面図である。
【0035】
なお、本実施形態に係るＮＭＲ用磁石ユニット及びＮＭＲ用磁場発生装置が適用されるＮＭＲ装置は、ここで説明するＮＭＲ装置１に限定されるものではない。
【0036】
ＮＭＲ装置１は、磁場中に配置された試料に電磁波を照射して試料中の原子核の核スピンを共鳴させ、この共鳴時に吸収されるエネルギーをＮＭＲ信号として検出することで、試料の分子構造や物理的・化学的物性などの情報を得ることに用いられる分析装置である。ＮＭＲ装置１は、図１に示すように、磁場発生装置１０、制御装置２０、高周波発生装置３０、及び検出コイル４０を備える。磁場発生装置１０は、本発明に係るＮＭＲ用磁場発生装置の一実施形態に係るものである。
【0037】
磁場発生装置１０は、ＮＭＲ分析に用いられる磁場を発生させる。磁場発生装置１０は、磁石ユニット１１０、冷却装置１２０、断熱容器１３０、及び磁場発生コイル１４０を備える。
【0038】
磁石ユニット１１０は、高強度の外部磁場を捕捉することで超電導マグネットとして機能し、ＮＭＲ分析用の磁場をＮＭＲ装置のボア空間に形成する。詳細は後述するが、磁石ユニット１１０は、単結晶状のＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ相にＲＥ２ＢａＣｕＯ５相が分散した組織（ＲＥは希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素であり、ｙは、６．８≦ｙ≦７．１を満たす。）を有し、かつ、図２に示すように、リング状である、複数の酸化物超電導バルク体１１２を備える。磁石ユニット１１０は、複数の酸化物超電導バルク体１１２が、同軸上に、かつ同軸方向に積層されて形成される積層体１１１を含む。
複数の前記酸化物超電導バルク体１１２は、積層体の片端又は両端に配置された第１酸化物超電導バルク体１１３及び前記第１酸化物超電導バルク体１１３に隣接した第２酸化物超電導バルク体１１４を備え、下記（Ａ）～（Ｃ）の少なくともいずれか一つの条件を満たす。
（Ａ）前記第１酸化物超電導バルク体の外径は、前記第２酸化物超電導バルク体の外径より小さい。
（Ｂ）前記第１酸化物超電導バルク体の径方向の厚みは、前記第２酸化物超電導バルク体の径方向の厚みより小さい。
（Ｃ）前記第１酸化物超電導バルク体の体積は、前記第２酸化物超電導バルク体の体積より小さい。
これにより、磁石ユニット１１０の破損が防止され、より高強度の磁場を発生させることが可能となる。なお、前記「径方向の厚み」とは、酸化物超電導バルク体１１３、１１４の径方向の長さである。図２は、酸化物超電導バルク体１１３（第１酸化物超電導バルク体）の外径が、酸化物超電導バルク体１１３に隣接した酸化物超電導バルク体１１４（第２酸化物超電導バルク体）の外径より小さい場合を示す。なお、磁石ユニット１１０は、本発明に係るＮＭＲ用磁石ユニットの一態様に係るものである。磁石ユニット１１０は、必要に応じて、後述する支持部材１１５を備える。
複数の前記酸化物超電導バルク体１１２は、積層体の片端又は両端に配置された第１酸化物超電導バルク体１１３及び前記第１酸化物超電導バルク体１１３に隣接した第２酸化物超電導バルク体１１４を備え、下記（Ａ）～（Ｃ）の少なくともいずれか一つの条件を満たす。
（Ａ）前記第１酸化物超電導バルク体の外径は、前記第２酸化物超電導バルク体の外径より小さい。
（Ｂ）前記第１酸化物超電導バルク体の径方向の厚みは、前記第２酸化物超電導バルク体の径方向の厚みより小さい。
（Ｃ）前記第１酸化物超電導バルク体の体積は、前記第２酸化物超電導バルク体の体積より小さい。
これにより、磁石ユニット１１０の破損が防止され、より高強度の磁場を発生させることが可能となる。なお、前記「径方向の厚み」とは、酸化物超電導バルク体１１３、１１４の径方向の長さである。図２は、酸化物超電導バルク体１１３（第１酸化物超電導バルク体）の外径が、酸化物超電導バルク体１１３に隣接した酸化物超電導バルク体１１４（第２酸化物超電導バルク体）の外径より小さい場合を示す。なお、磁石ユニット１１０は、本発明に係るＮＭＲ用磁石ユニットの一態様に係るものである。磁石ユニット１１０は、必要に応じて、後述する支持部材１１５を備える。
【0039】
磁石ユニット１１０は、冷却装置１２０のコールドヘッド（低温部）１２１上に載置された状態で、断熱容器１３０内に配置される。すなわち、磁石ユニット１１０は、コールドヘッド１２１に隣接して配置されている。これにより、磁石ユニット１１０は、コールドヘッド１２１と熱的に接続され、冷却装置１２０により冷却可能となる。
【0040】
冷却装置１２０の低温部とは、コールドヘッド１２１を含む室温に対して低温に冷却される部分を意味する。冷却装置１２０は、コールドヘッド１２１を介して磁石ユニット１１０を冷却する。冷却装置１２０は、磁石ユニット１１０を構成する酸化物超電導バルク体の超電導転移温度Ｔｃ以下の温度まで磁石ユニット１１０を冷却することができれば特段制限されず、例えば、液体ヘリウムまたは液体ネオン等の冷媒や、ＧＭ冷凍機（Ｇｉｆｆｏｒｄ－ＭｃＭａｈｏｎ ｃｏｏｌｅｒ）、パルスチューブ冷凍機等を用いることができる。冷却装置１２０は、温度制御装置（図示せず。）によって制御される。
【0041】
断熱容器１３０は、磁石ユニット１１０及びコールドヘッド１２１を収容し、断熱容器１３０の外部から磁石ユニット１１０への熱の移動を抑制する。断熱容器１３０は、例えば、図１に示すように、磁石ユニット１１０及びコールドヘッド１２１を収容する。断熱容器１３０は、例えば、その上面から容器に収容された磁石ユニット１１０の中空部に向かって形成される凹部１３１を有している。この凹部１３１に、分析試料Ｐ及び検出コイル４０が配置される。なお、断熱容器１３０の素材としては、例えば、非磁性材料を使用することができ、具体的には、アルミニウム、アルミニウム合金、オーステナイト系ステンレス等を使用することができる。
【0042】
磁場発生コイル１４０は、磁石ユニット１１０に対して磁場を印加する。磁場発生コイル１４０は、例えば、磁石ユニット１１０を囲むように設けられる。磁場発生コイル１４０に通電することにより磁場（印加磁場）が発生し、磁石ユニット１１０に磁場が印加される。
【0043】
磁場発生コイル１４０には、例えば、金属系低温超電導体や酸化物系超電導体、鉄系超電導体を用いることができる。金属系低温超電導体としては、例えば、ニオブ―チタン合金や、ニオブ―スズ合金を用いることができる。酸化物系超電導体としては、例えば、ビスマス系超電導体やＲＥ系超電導体等を用いることができる。
【0044】
制御装置２０は、分析試料Ｐへの電磁波の照射の制御、電磁波照射により生じる核磁気共鳴によって検出コイル４０に流れる信号電流のＮＭＲ信号への変換、ＮＭＲ信号の増幅、増幅されたＮＭＲ信号に基づくＮＭＲスペクトルを生成する。
【0045】
高周波発生装置３０は、高周波パルスを発生し、検出コイル４０から分析試料Ｐに対してパルス電磁波を照射する。
【0046】
検出コイル４０は、断熱容器１３０の凹部１３１に配設される。検出コイル４０の中心軸側に分析試料Ｐは配置される。検出コイル４０は、高周波発生装置３０により発生した高周波パルスを通電し、分析試料Ｐにパルス電磁波を照射する。また、磁石ユニット１１０が発生する磁場中に配置された分析試料Ｐにパルス電磁波が照射されると、核磁気共鳴が起こり、検出コイル４０に分析試料Ｐの構造に応じた信号電流が流れる。検出コイル４０は、この信号電流を制御装置２０に伝達する。
【0047】
ここでＮＭＲ装置１の動作について簡単に説明する。ＮＭＲ装置１の動作には、磁石ユニット１１０を着磁する着磁ステップと、着磁された磁石ユニット１１０が発生する磁場を利用して試料を分析する分析ステップとを含む。
【0048】
着磁ステップでは、磁場発生コイル１４０に電流を流し、印加磁場を発生させ、所定の磁場強度となるまで磁場強度を高める。所定の強度の印加磁場が発生した後、冷却装置１２０によって磁石ユニット１１０を超電導転移温度（Ｔｃ）以下の所定の温度（着磁温度）に冷却する。そして、磁石ユニット１１０が着磁温度まで冷却された後、磁場発生コイル１４０の印加磁場を徐々に減らし、最終的に磁場発生コイル１４０への通電を停止して印加磁場を消滅させる。これにより、磁石ユニット１１０に印加磁場が着磁する。
【0049】
なお、着磁完了前には、冷却装置１２０を用いて、磁石ユニット１１０の温度を着磁温度からさらに所定の温度まで温度を下げることが好ましい。着磁ステップ終了前に磁石ユニット１１０の温度を着磁温度未満に下げることで、磁石ユニット１１０に捕捉された磁束が低下するフラックスクリープを抑制することができ、磁石ユニット１１０に複写された磁場分布を安定化させることが可能となる。
【0050】
磁石ユニット１１０により発生する磁場は、ＮＭＲ分析に十分な総磁束量であり、凹部１３１において優れた均一性を有する。
【0051】
分析ステップでは、均一で高強度の磁場分布となった凹部１３１に分析試料Ｐを配置する。次いで、高周波発生装置３０を作動させて高周波パルスを発生させ、検出コイル４０から分析試料Ｐに向けてパルス電磁波を照射する。すると核磁気共鳴が起こり、分析試料Ｐの構造に応じた信号電流が検出コイル４０に流れる。制御装置２０は、この信号電流をＮＭＲ信号に変換、増幅し、ＮＭＲスペクトルを生成する。そして、ユーザによって、ＮＭＲスペクトルから分析試料Ｐの構造が解析される。ここまで、本発明の一実施形態に係るＮＭＲ用磁石ユニット及びＮＭＲ用磁場発生装置が使用され得るＮＭＲ装置１について説明した。
【0052】
＜２．磁石ユニット１１０＞
次に、図２を参照して、本実施形態に係る磁石ユニット１１０について説明する。
次に、図２を参照して、本実施形態に係る磁石ユニット１１０について説明する。
【0053】
磁石ユニット１１０は、先立って説明したように、複数の酸化物超電導バルク体１１２を備える。磁石ユニット１１０は、必要に応じて、支持部材１１５を備える。
【0054】
ここで、酸化物超電導バルク体１１２を構成する酸化物超電導バルク材料について説明する。酸化物超電導バルク材料は、単結晶状のＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ相（１２３相）に非超電導相であるＲＥ２ＢａＣｕＯ５相（２１１相）が分散した組織を有する。ここで、ＲＥは希土類元素から選択される１種又は２種以上の元素であり、ｙは、６．８≦ｙ≦７．１を満たす。単結晶状の１２３相に２１１相が微細分散した組織は、所謂ＱＭＧ（登録商標）材料と呼ばれる。１２３相及び２１１相を構成するＲＥは、例えば、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選択される１種または２種以上の元素を含む。また、１２３相を構成するＲＥ、及び２１１相を構成するＲＥは、互いに異なる元素であってもよい。ただし、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ又はＧｄの少なくともいずれかを含む１２３相は、ＲＥ：Ｂａ：Ｃｕ＝１：２：３の化学量論組成から外れ、ＲＥが配置される位置（ＲＥサイト）に存在するＲＥの一部がＢａで置換される場合がある。また、非超電導相である２１１相においても、Ｌａ及びＮｄは、Ｙ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕとは異なり、２１１相を構成する金属元素の比が非化学量論的組成となる場合があり、また、２１１相の結晶構造が異なる場合があることが知られている。なお、ここでいう、「単結晶状」とは、完全な単結晶のみを指すのではなく、単結晶中に小傾角粒界等のような実用に差し支えない欠陥が存在するものも包含するものとする。
【0055】
上述した、ＢａによるＲＥの置換は、酸化物超電導バルク材料の臨界温度を低下させる傾向がある。また、より酸素分圧の小さい環境においては、ＢａによるＲＥの置換が抑制される傾向にある。
【0056】
１２３相は、以下に示すような、２１１相と、ＢａとＣｕとの複合酸化物からなる液相との包晶反応により生成する。
２１１相＋液相（ＢａとＣｕの複合酸化物）→１２３相
２１１相＋液相（ＢａとＣｕの複合酸化物）→１２３相
【0057】
そして、この包晶反応によって１２３相が生成する温度である生成温度Ｔｆは、ＲＥ元素のイオン半径にほぼ関連し、イオン半径が小さいＲＥが含有されるほど、生成温度Ｔｆは低くなる。また、上記の包晶反応時の酸素分圧が低いほど生成温度Ｔｆは低下する。また、１２３相及び２１１相を構成する元素としてＡｇが更に含有されることで、生成温度Ｔｆは低下する傾向にある。
【0058】
単結晶状の１２３相に２１１相が微細分散した組織は、１２３相が結晶成長する際、未反応の２１１相からなる粒子が１２３相中に取り残されるためにできる。すなわち、酸化物超電導バルク材料は、以下に示す反応により生成する。
２１１相＋液相（ＢａとＣｕの複合酸化物）→１２３相＋２１１相
２１１相＋液相（ＢａとＣｕの複合酸化物）→１２３相＋２１１相
【0059】
１２３相への２１１相の微細分散は、臨界電流密度Ｊｃ向上の観点から極めて重要である。上記した元素に加え、Ｐｔ、ＲｈまたはＣｅの少なくともいずれかが原料の一つとして用いられることで、半溶融状態（２１１相と液相とからなる状態）において、２１１相の粒成長が抑制される。その結果、酸化物超電導バルク材料中に、粒径が約１μｍ程度の２１１相が分散する。Ｐｔ、ＲｈまたはＣｅの少なくともいずれか一つの元素は、微細化効果が現れる量が含有されることが好ましい。また、Ｐｔ、ＲｈまたはＣｅの含有量は、材料コストを考慮して定められることが好ましい。Ｐｔの含有量は、酸化物超電導バルク材料の質量に対して、好ましくは０．２質量％以上２．０質量％以下であり、更に好ましくは、０．４質量％以上０．８質量％以下である。Ｒｈの含有量は、酸化物超電導バルク材料の質量に対して、好ましくは０．０１質量％以上０．５質量％以下であり、更に好ましくは、０．０５質量％以上０．４質量％以下である。Ｃｅの含有量は、酸化物超電導バルク材料の質量に対して、好ましくは０．５質量％以上２．０質量％以下であり、更に好ましくは、１．０質量％以上１．５質量％以下である。また、Ｐｔ、ＲｈまたはＣｅのうちの複数を用いる場合、含有されるＰｔ、ＲｈまたはＣｅの合計量は、酸化物超電導バルク材料の質量に対して、好ましくは、０．１質量％以上２．０質量％以下であり、更に好ましくは、０．２質量％以上１．５質量％以下である。１２３相に２１１相が微細分散した酸化物超電導バルク材料において、Ｐｔ、Ｒｈ及びＣｅの一部は、１２３相中に固溶し、Ｐｔ、Ｒｈ及びＣｅのうち、１２３相に固溶しなかった残分は、ＢａやＣｕとの複合酸化物を形成し、酸化物超電導バルク材料中に点在することになる。
【0060】
酸化物超電導バルク材料が超電導マグネットとして機能するためには、酸化物超電導バルク材料は、磁場中において高い臨界電流密度（Ｊｃ）を有する必要がある。酸化物超電導バルク材料が磁場中で高い臨界電流密度を有するには、１２３相は、超電導的に弱結合となる大傾角粒界を含まない単結晶状である必要がある。更に高いＪｃ特性を有するためには、磁束の動きを止めるためのピンニングセンターが必要となる。このピンニングセンターとして機能するものが微細分散した２１１相である。２１１相は、より細かく多数分散していることが好ましい。先に述べたように、Ｐｔ、ＲｈやＣｅは、この２１１相の微細化を促進する作用を有する。また、２１１相等の非超電導相は、劈開し易い１２３相中に微細分散することによって、超電導体を機械的に強化し、バルク材料として成り立たす重要な働きをも担っている。なお、例えば、ＢａＣｅＯ３、ＢａＳｉＯ３、ＢａＧｅＯ３、ＢａＳｎＯ３等の化合物がピンニングセンターとして機能する可能性が知られている。そのため、酸化物超電導バルク材料には、ＢａＣｅＯ３、ＢａＳｉＯ３、ＢａＧｅＯ３、ＢａＳｎＯ３から選択される１又は２以上が含まれていてもよい。
【0061】
ここで、酸化物超電導バルク材料における１２３相に対する２１１相の割合は、臨界電流密度（Ｊｃ）の特性及び機械強度の観点から、好ましくは、５体積％以上３５体積％以下であり、さらに好ましくは、１５体積％以上３０体積％以下である。更に、酸化物超電導バルク材料は、上記の元素に加えてＡｇを更に含有することもできる。酸化物超電導バルク材料がＡｇを含む場合、酸化物超電導バルク材料は、Ａｇの含有量に応じて、例えば、粒径が１～５００μｍ程度のＡｇまたはＡｇ化合物を０体積％超２５体積％以下含むことができる。
【0062】
なお、酸化物超電導バルク材料には、一般に、５０～５００μｍ程度のボイド（気泡）が５～２０体積％程度存在する。
【0063】
酸化物超電導バルク材料は、１２３相の種結晶を用いて、結晶方位を制御した状態で、１２３相を単結晶成長させることで製造される。結晶の成長速度は温度条件に依存し、生成温度Ｔｆと結晶成長時の雰囲気温度との差が大きい場合、結晶の成長速度は大きくなる。しかし、生成温度Ｔｆと結晶成長時の雰囲気温度との差が大きい場合、１２３相が多結晶になりやすい。大型の単結晶状酸化物超電導バルク材料を製造する場合、多結晶化を抑制しながら結晶成長させることが重要となる。そのため、一般に、製造しようとする単結晶状酸化物超電導バルク材料のサイズが大きくなるに従い、単結晶状酸化物超電導バルク材料の製造は難しくなる。
【0064】
酸化物超電導バルク材料が良好な超電導特性を示すには、１２３相の酸素量が重要であり、酸素量は、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙにおいて、ｙは、６．８≦ｙ≦７．１である。結晶成長後の材料は、酸素欠損量が０．５程度、すなわちｙが６．５程度であり、半導体的な抵抗率の温度変化を示す。このような結晶成長後の材料を、ＲＥに応じて６２３Ｋ～８７３Ｋの温度で１００時間程度、酸素雰囲気中においてアニールすることにより、酸素が結晶成長後の材料に取り込まれ、酸素欠損量は、０．２以下、すなわちｙは６．８以上となる。その結果、アニール後の材料は良好な超電導特性を示し、酸化物超電導バルク材料となる。なお、アニール後の１２３相中には双晶構造が生成するが、本明細書においては、このような双晶構造も含め、「単結晶状」と称する。ここまで、酸化物超電導バルク体１１２について説明した。
【0065】
続いて、図２～図６を参照して、本実施形態に係る磁石ユニットの構造について説明する。図３は、本実施形態に係る酸化物超電導バルク体の積層状態の一例を示す、核磁気共鳴用磁石ユニットの断面図である。図４～図６は、本実施形態に係る核磁気共鳴用磁石ユニットの別の一例を示す、核磁気共鳴用磁石ユニットの断面図である。
【0066】
本実施形態の磁石ユニット１１０は、図２に示すように、リング状の複数の酸化物超電導バルク体１１２を有し、これが、同軸に、かつ同軸方向に積層されて積層体１１１を形成している。すなわち、複数の酸化物超電導バルク体１１２は、これらの中心軸Ｃが同一の軸をなすようにして、中心軸Ｃ方向に積層されている。
【0067】
酸化物超電導バルク体１１２は、リング状（筒状）をなし、先立って説明した酸化物超電導バルク材料で構成される。酸化物超電導バルク体１１２は、例えば、円筒状又は矩形環状、六角環状等の多角環状とすることができる。酸化物超電導バルク体１１２は、好ましくは、円筒状である。酸化物超電導バルク体１１２を円筒状とすることで、より均一な磁場をボア空間に形成することが可能となる。
【0068】
酸化物超電導バルク体１１２において、中心軸Ｃ方向（高さ方向）に、酸化物超電導バルク材料のいわゆるａｂ面が積層している。
【0069】
なお、本明細書における「酸化物超電導バルク体」とは、上述した超電導体の特性を発現するための酸化物の微細組織を有する酸化物超電導バルク材料を一部または全部に含む超電導バルク体を意味する。例えば、当該「超電導バルク体」は、全体が酸化物超電導材料からなるバルク体（すなわち「バルク体」）、および酸化物超電導バルク材料と非超伝導バルク材料との組み合わせからなる積層物をも含み得る。
【0070】
非特許文献1のＦｉｇ.２の（ｂ）及び（ｃ）に示されているように、着磁中または着磁後の超電導電流および捕捉磁場分布は、端部のリングの特に端面付近に多くの超電導電流が流れ、端部近傍では捕捉磁場が急激に低下している。これに対して、中央部分のリングには外周部からほぼ均一な超電導電流が誘起され、ほぼ均一な磁場が捕捉されている。
このような挙動は、着磁条件（温度、磁場強度）によって異なるが、定性的には類似していることから、本発明の技術内容に関してこのようなモデルを使用し説明する。
このような挙動は、着磁条件（温度、磁場強度）によって異なるが、定性的には類似していることから、本発明の技術内容に関してこのようなモデルを使用し説明する。
【0071】
図９Ａに、外径、厚み及び体積が等しい酸化物超電導バルク体１１２を８個積層した場合の、着磁後の磁石ユニットにおける断面の超電導電流の分布の模式図を示す。着磁過程では酸化物超電導バルク体１１２の外周部から超電導電流が誘起される。特に端部の酸化物超電導バルク体１１２（１１４）内では、磁束密度の変化が大きいため、中央部の酸化物超電導バルク体１１２に比べ、リングの内側まで、超電導電流が流れている領域が拡大する。超電導電流が流れている領域と流れていない領域の境界（線）のイメージを図９Ａ中に実線（１１６）で示した。図９Ｂに、図９Ａのように着磁後、超電導電流が流れている場合の磁場分布を示す（対称性から図９Ａの右上部分のみを図示）。磁場分布の様子を示すため磁力線のイメージを、図９Ｂに複数の実線（１１８）で示した。
図９Ｂに示すように、図９Ａの中央部では、中心軸Ｃ方向に略均一な磁場を捕捉しているが、酸化物超電導バルク体１１２の端部では、磁場が急激に酸化物超電導バルク体１１２の径方向に広がり、磁場強度が低下している。このような状況においては、端部の酸化物超電導バルク体１１２（１１４）内では、広い領域に超電導電流が流れており、かつ超電導電流は、特に端部内周部では、高い磁束密度の磁力線と鎖交している。このため、端部の酸化物超電導バルク体１１２（１１４）には酸化物超電導バルク体１１２を径方向に膨らますようなフープ応力が発生し、特に端部内周部付近では強くなる傾向がある。この端部内周部付近での電磁応力の集中が原因となり、端部内周部付近が起点となる割れが発生しやすくなる傾向がある。このことが、積層した酸化物超電導バルク体１１２全体の発生可能な磁場強度を低下させる原因となる。
ここでは、具体的な応力分布は示さないが、リング状の酸化物超電導バルク体を積層した場合の応力分布の計算例が、非特許文献１に示されている。非特許文献１のＦｉｇ．１には、積層したバルク体の寸法が記載されている。また、非特許文献１のＦｉｇ．２の（ｂ）及び（ｃ）には、磁場分布およびバルク体中を流れる超電導電流の分布が示されており、非特許文献１のＦｉｇ．４の（ａ）及びＦｉｇ．６の（ａ）のグラフ中に対応する応力分布が示されている。色分けされた応力分布図から、端部に配置された酸化物超電導バルク体の端面の内周エッジ部分が赤になっており、応力集中が起きている様子が分かる。
着磁時に発生する応力は、酸化物超電導バルク体の形状・配置および温度や印加磁場などの着磁条件によって異なるが、概ね端部に配置された酸化物超電導バルク体の端面の内周エッジ部分に同様の応力集中が起こる。
次に、このような端部に配置された酸化物超電導バルク体１１２（１１４）の端面の内周エッジ部分の応力の最大値が、酸化物超電導バルク体１１３を配置することによって、低下し、応力集中が緩和されることに関して、その原理を定性的に説明する。
図９Ｃに、図９Ｂに対応する状況における応力分布の概略図を示す。応力の分布を示すための応力の等高線を、点線１１９０から点線１１９４で示す。応力の大きさは、１１９０＜１１９１＜１１９２＜１１９３＜１１９４の関係にある。非特許文献１のＦｉｇ．４の（ａ）及びＦｉｇ．６の（ａ）のグラフ中に示されている応力分布と同様に、酸化物超電導バルク体１１４の内周の端部のエッジ部分にフープ応力が最大値を有する分布となる。
次に酸化物超電導バルク体１１３を配置した時の応力分布の概略図を図９Ｅに示す。酸化物超電導バルク体１１３を配置した場合、酸化物超電導バルク体１１３中にも超電導電流が誘起される。酸化物超電導バルク体１１３に誘起された超電導電流によって、酸化物超電導バルク体１１２（１１４）が遮蔽されるため、酸化物超電導バルク体１１２（１１４）中に誘起される誘導電流は減少する。そのため、超電導電流が流れている領域と流れていない領域との境界は、図９Ｃの実線１１６から図９Ｅの実線１１６１に変化する。また、この時、磁場の様子を示す磁力線のイメージを図９Ｄに示す。酸化物超電導バルク体１１３がない場合の実線（１１８）から酸化物超電導バルク体１１３を配置した場合の点線（１１９）に変化し、酸化物超電導バルク体１１３近傍で、中心軸Ｃ方向の磁場強度の低下が減少する傾向がある。なお、「磁場強度の低下が減少する」とは、酸化物超電導バルク体１１２の中央部では均一で高い強度の磁場が捕捉されているが、端部では減少する。図９Ｄでは、酸化物超電導バルク体１１２の中央部で等間隔な磁力線が、端部では間隔が広がってきて、磁場強度が低下している様子を示している。酸化物超電導バルク体１１３を配置することによって、端部での磁力線の広がりは緩やかになる。これは、端部（酸化物超電導バルク体１１３近傍）で磁場強度の低下が減少していることを意味する。主に酸化物超電導バルク体１１２（１１４）に流れる超電導電流の減少によって、電流と磁場の相互作用で発生する酸化物超電導バルク体１１２（１１４）が受ける電磁応力は減少する。このような原理によって、図９Ｃで示した応力の分布は、図９Ｅのように変化し、応力集中が緩和する方向に変化する。一例を具体的に示すと、応力の分布は、図９Ｅの点線１１９０から１１９２で示す等高線となる。応力の大きさは、１１９０＜１１９１＜１１９２＜１１９３＜１１９４の関係にあり、応力の最大値が減少し、応力集中が緩和されたことを示す。また、この時、配置された酸化物超電導バルク体１１３には、同様の応力が作用する。この酸化物超電導バルク体１１３に作用した応力の分、酸化物超電導バルク体１１２（１１４）に作用する応力が減少し、応力集中が緩和したといえる。
図９Ｂに示すように、図９Ａの中央部では、中心軸Ｃ方向に略均一な磁場を捕捉しているが、酸化物超電導バルク体１１２の端部では、磁場が急激に酸化物超電導バルク体１１２の径方向に広がり、磁場強度が低下している。このような状況においては、端部の酸化物超電導バルク体１１２（１１４）内では、広い領域に超電導電流が流れており、かつ超電導電流は、特に端部内周部では、高い磁束密度の磁力線と鎖交している。このため、端部の酸化物超電導バルク体１１２（１１４）には酸化物超電導バルク体１１２を径方向に膨らますようなフープ応力が発生し、特に端部内周部付近では強くなる傾向がある。この端部内周部付近での電磁応力の集中が原因となり、端部内周部付近が起点となる割れが発生しやすくなる傾向がある。このことが、積層した酸化物超電導バルク体１１２全体の発生可能な磁場強度を低下させる原因となる。
ここでは、具体的な応力分布は示さないが、リング状の酸化物超電導バルク体を積層した場合の応力分布の計算例が、非特許文献１に示されている。非特許文献１のＦｉｇ．１には、積層したバルク体の寸法が記載されている。また、非特許文献１のＦｉｇ．２の（ｂ）及び（ｃ）には、磁場分布およびバルク体中を流れる超電導電流の分布が示されており、非特許文献１のＦｉｇ．４の（ａ）及びＦｉｇ．６の（ａ）のグラフ中に対応する応力分布が示されている。色分けされた応力分布図から、端部に配置された酸化物超電導バルク体の端面の内周エッジ部分が赤になっており、応力集中が起きている様子が分かる。
着磁時に発生する応力は、酸化物超電導バルク体の形状・配置および温度や印加磁場などの着磁条件によって異なるが、概ね端部に配置された酸化物超電導バルク体の端面の内周エッジ部分に同様の応力集中が起こる。
次に、このような端部に配置された酸化物超電導バルク体１１２（１１４）の端面の内周エッジ部分の応力の最大値が、酸化物超電導バルク体１１３を配置することによって、低下し、応力集中が緩和されることに関して、その原理を定性的に説明する。
図９Ｃに、図９Ｂに対応する状況における応力分布の概略図を示す。応力の分布を示すための応力の等高線を、点線１１９０から点線１１９４で示す。応力の大きさは、１１９０＜１１９１＜１１９２＜１１９３＜１１９４の関係にある。非特許文献１のＦｉｇ．４の（ａ）及びＦｉｇ．６の（ａ）のグラフ中に示されている応力分布と同様に、酸化物超電導バルク体１１４の内周の端部のエッジ部分にフープ応力が最大値を有する分布となる。
次に酸化物超電導バルク体１１３を配置した時の応力分布の概略図を図９Ｅに示す。酸化物超電導バルク体１１３を配置した場合、酸化物超電導バルク体１１３中にも超電導電流が誘起される。酸化物超電導バルク体１１３に誘起された超電導電流によって、酸化物超電導バルク体１１２（１１４）が遮蔽されるため、酸化物超電導バルク体１１２（１１４）中に誘起される誘導電流は減少する。そのため、超電導電流が流れている領域と流れていない領域との境界は、図９Ｃの実線１１６から図９Ｅの実線１１６１に変化する。また、この時、磁場の様子を示す磁力線のイメージを図９Ｄに示す。酸化物超電導バルク体１１３がない場合の実線（１１８）から酸化物超電導バルク体１１３を配置した場合の点線（１１９）に変化し、酸化物超電導バルク体１１３近傍で、中心軸Ｃ方向の磁場強度の低下が減少する傾向がある。なお、「磁場強度の低下が減少する」とは、酸化物超電導バルク体１１２の中央部では均一で高い強度の磁場が捕捉されているが、端部では減少する。図９Ｄでは、酸化物超電導バルク体１１２の中央部で等間隔な磁力線が、端部では間隔が広がってきて、磁場強度が低下している様子を示している。酸化物超電導バルク体１１３を配置することによって、端部での磁力線の広がりは緩やかになる。これは、端部（酸化物超電導バルク体１１３近傍）で磁場強度の低下が減少していることを意味する。主に酸化物超電導バルク体１１２（１１４）に流れる超電導電流の減少によって、電流と磁場の相互作用で発生する酸化物超電導バルク体１１２（１１４）が受ける電磁応力は減少する。このような原理によって、図９Ｃで示した応力の分布は、図９Ｅのように変化し、応力集中が緩和する方向に変化する。一例を具体的に示すと、応力の分布は、図９Ｅの点線１１９０から１１９２で示す等高線となる。応力の大きさは、１１９０＜１１９１＜１１９２＜１１９３＜１１９４の関係にあり、応力の最大値が減少し、応力集中が緩和されたことを示す。また、この時、配置された酸化物超電導バルク体１１３には、同様の応力が作用する。この酸化物超電導バルク体１１３に作用した応力の分、酸化物超電導バルク体１１２（１１４）に作用する応力が減少し、応力集中が緩和したといえる。
【0072】
本実施形態において、磁石ユニット１１０は、図２に示すように、上述したような酸化物超電導バルク体１１２が高さ方向に複数積層されている。図３に示すように、積層された複数の酸化物超電導バルク体１１２のうち、積層体１１１の片端又は両端に配置された酸化物超電導バルク体１１３（第１酸化物超電導バルク体）の外径ＤＱＲは、酸化物超電導バルク体１１３に隣接した酸化物超電導バルク体１１４（第２酸化物超電導バルク体）の外径ＤＱＵよりも小さい。一般に、酸化物超電導バルク体が積層して形成された酸化物超電導バルクユニットに強磁場を着磁する場合、着磁過程で、酸化物超電導バルクユニットには径方向に膨張する方向に電磁応力が生じる。この電磁応力は、酸化物超電導バルクユニット端部の内周面の縁部、特に角部で最大となる。特に、外径に対する積層高さの比が大きい酸化物超電導バルクユニットでは、酸化物超電導バルクユニットの内周面の縁部に電磁応力が集中する。酸化物超電導バルクユニットに割れが発生する場合、この縁部で割れが発生することが多い。しかしながら、端部の酸化物超電導バルク体１１３の外径を、隣接した酸化物超電導バルク体１１４の外径よりも小さくすることで、酸化物超電導バルク体１１３における内周面の縁部に生じる電磁応力の集中を緩和することが可能となる。その結果、酸化物超電導バルク体１１３の内側壁の縁部の割れを防止することが可能となり、磁石ユニット１１０Ａの割れが防止される。これにより、磁石ユニット１１０Ａは、高強度の磁場を捕捉することが可能となる。好ましくは、酸化物超電導バルク体１１３の外径は、酸化物超電導バルク体１１４の内径と外径の平均以下である。
【0073】
磁石ユニット１１０Ａが、高強度の磁場を捕捉することが可能となることについて、図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて更に詳細に説明する。
図１０Ａに、図９Ａに示す８個積層した酸化物超電導バルク体１１２（１１４）の上下端部に、酸化物超電導バルク体１１２より外径が小さいリングバルクマグネット（酸化物超電導バルク体）１１３を配置した場合の、着磁後の磁石ユニットにおける断面の超電導電流の分布の模式図を示す。リングバルクマグネット１１３を配置することにより、リングバルクマグネット１１３中に超電導電流が流れるため、超電導電流が流れている領域と流れていない領域の境界（線）は、１１６１（実線）から１１６２（点線）のように変化する。図１０Ｂに、図１０Ａのように超電導電流が流れている場合の磁場分布の様子を示すための磁力線のイメージを１１８２（点線）で示す。リングバルクマグネット１１３がない場合の磁力線のイメージ１１８１（実線）に対して、リングバルクマグネット１１３を配置することにより、リングバルクマグネット１１３中に超電導電流が流れるため、リングバルクマグネット１１３近傍では、中心軸Ｃ方向の磁場強度の低下が減少する傾向がある。これは、リングバルクマグネット１１３に超電導電流が流れることによって、その分、端部に配置された酸化物超電導バルク体１１２（１１４）内に流れる超電導電流が少なくなるためである。この効果によって、端部に配置された酸化物超電導バルク体１１２（１１４）内の磁束と鎖交する電流が減り、フープ応力が低下する。この低下した応力は、ほぼ、リングバルクマグネット１１３に作用するフープ応力分に対応する。このように、電磁応力の集中が起きていた酸化物超電導バルク体１１２（１１４）の内周付近で電磁応力が分散され、積層したマグネット全体として、より高い磁場を捕捉することが可能となる。
図１０Ａに、図９Ａに示す８個積層した酸化物超電導バルク体１１２（１１４）の上下端部に、酸化物超電導バルク体１１２より外径が小さいリングバルクマグネット（酸化物超電導バルク体）１１３を配置した場合の、着磁後の磁石ユニットにおける断面の超電導電流の分布の模式図を示す。リングバルクマグネット１１３を配置することにより、リングバルクマグネット１１３中に超電導電流が流れるため、超電導電流が流れている領域と流れていない領域の境界（線）は、１１６１（実線）から１１６２（点線）のように変化する。図１０Ｂに、図１０Ａのように超電導電流が流れている場合の磁場分布の様子を示すための磁力線のイメージを１１８２（点線）で示す。リングバルクマグネット１１３がない場合の磁力線のイメージ１１８１（実線）に対して、リングバルクマグネット１１３を配置することにより、リングバルクマグネット１１３中に超電導電流が流れるため、リングバルクマグネット１１３近傍では、中心軸Ｃ方向の磁場強度の低下が減少する傾向がある。これは、リングバルクマグネット１１３に超電導電流が流れることによって、その分、端部に配置された酸化物超電導バルク体１１２（１１４）内に流れる超電導電流が少なくなるためである。この効果によって、端部に配置された酸化物超電導バルク体１１２（１１４）内の磁束と鎖交する電流が減り、フープ応力が低下する。この低下した応力は、ほぼ、リングバルクマグネット１１３に作用するフープ応力分に対応する。このように、電磁応力の集中が起きていた酸化物超電導バルク体１１２（１１４）の内周付近で電磁応力が分散され、積層したマグネット全体として、より高い磁場を捕捉することが可能となる。
【0074】
同様のことが、体積が小さいリングバルクマグネット（酸化物超電導バルク体）１１７を配置した場合にも起きる。図１１Ａに、図９Ａに示す８個積層した酸化物超電導バルク体１１２の上下端部に、酸化物超電導バルク体１１２より体積が小さいリングバルクマグネット１１７を配置した場合の、着磁後の磁石ユニットにおける断面の超伝導電流の分布の模式図を示す。リングバルクマグネット１１７を配置することにより、リングバルクマグネット１１７中に超電導電流が流れるため、超電導電流が流れている領域と流れていない領域の境界（線）は、１１６３（実線）から１１６４（点線）のように変化する。図１１Ｂに、図１１Ａのように超電導電流が流れている場合の磁場分布の様子を示すための磁力線のイメージを１１８４（点線）で示す。リングバルクマグネット１１７がない場合の磁力線のイメージ１１８３（実線）に対して、リングバルクマグネット１１７を配置することにより、リングバルクマグネット１１７中に超電導電流が流れるため、リングバルクマグネット１１７近傍では、中心軸Ｃ方向の磁場強度の低下が減少する傾向がある。これは、同様に、リングバルクマグネット１１７に超電導電流が流れることよって、その分、端部に配置された酸化物超電導バルク体１１２（１１４）内に流れる超電導電流が少なくなるためである。この効果によって、端部に配置された酸化物超電導バルク体１１２（１１４）内の磁束と鎖交する電流が減り、フープ応力が低下する。この低下した応力は、ほぼ、リングバルクマグネット１１７に作用するフープ応力分に対応する。このように、電磁応力の集中が起きていた酸化物超電導バルク体１１２（１１４）の内周付近で電磁応力が分散・緩和され、積層されたマグネット全体として、より高い磁場を捕捉することが可能となる。
【0075】
同様のことが、酸化物超電導バルク体１１２の上下端部に、径方向の厚みが小さいリングバルクマグネット（酸化物超電導バルク体）を配置した場合にも起きる。すなわち、図１２Ａ～図１３Ｂに示すように、酸化物超電導バルク体１１２の上下端部に、径方向の厚みが小さいリングバルクマグネット（酸化物超電導バルク体）１１３１、１１７１を配置した場合には、上述の酸化物超電導バルク体１１２より外径が小さいリングバルクマグネット１１３を配置した場合及び酸化物超電導バルク体１１２より体積が小さいリングバルクマグネット１１７を配置した場合と同様の効果を得ることができる。
また、径方向の厚みを小さくして高さを高くした場合は、外周補強を強化できるので、望ましい。さらに、外径を小さくすることで、製造費等のコストメリットが得られるとともに外周補強の強化を図れより望ましい。さらに体積が小さいことがより望ましい。
また、径方向の厚みを小さくして高さを高くした場合は、外周補強を強化できるので、望ましい。さらに、外径を小さくすることで、製造費等のコストメリットが得られるとともに外周補強の強化を図れより望ましい。さらに体積が小さいことがより望ましい。
【0076】
上述したように、複数の酸化物超電導バルク体のうち、積層体の片端又は両端に配置された酸化物超電導バルク体（第１酸化物超電導バルク体）１１３、１１７の外径、径方向の厚み又は体積が、酸化物超電導バルク体（第１酸化物超電導バルク体）１１３、１１７に隣接した酸化物超電導バルク体（第２酸化物超電導バルク体）１１４の外径、径方向の厚み又は体積より小さいことにより、より高い磁場を発生させることができるが、酸化物超電導バルク体（第１酸化物超電導バルク体）１１３、１１７の外径、径方向の厚み及び体積が、酸化物超電導バルク体（第１酸化物超電導バルク体）１１３、１１７に隣接した酸化物超電導バルク体（第２酸化物超電導バルク体）１１４の外径、径方向の厚み及び体積より小さい場合において、最も効果が大きくなる。
【0077】
さらに、上記の記載では積層体１１１の片端又は両端に配置された酸化物超電導バルク体１１３（第１酸化物超電導バルク体）を１層として記載したが、酸化物超電導バルク体１１３を２層にし、電磁応力の集中を２段階で分散して緩和することも可能である。この場合、酸化物超電導バルク体１１３に対応する２層の酸化物超電導バルク体の外径は、より端部に位置する層の酸化物超電導バルク体１１３の外径の方がより小さくなる。同様に、酸化物超電導バルク体１１７を２層にし、電磁応力の集中を２段階で分散して緩和することも可能である。この場合、酸化物超電導バルク体１１７に対応する２層の酸化物超電導バルク体の体積は、より端部に位置する層の酸化物超電導バルク体１１７の体積の方がより小さくなる。同様に、厚みが小さい酸化物超電導バルク体を２層にし、電磁応力の集中を２段階で分散して緩和することも可能である。この場合、酸化物超電導バルク体に対応する２層の酸化物超電導バルク体の厚みは、より端部に位置する層の酸化物超電導バルク体の厚みの方がより小さくなる。
【0078】
酸化物超電導バルク体１１３の内径ＩＱＲは、図４に示すように、酸化物超電導バルク体１１４の内径ＩＱＵに対して８０％以上１４０％以下とすることが好ましい。酸化物超電導バルク体１１３の内径ＩＱＲを酸化物超電導バルク体１１４の内径ＩＱＵに対して８０％以上とすることで、ボア空間の広さを、分析試料を挿入するのに十分な広さとすることが可能となる。また、酸化物超電導バルク体１１３の内径ＩＱＲを酸化物超電導バルク体１１４の内径ＩＱＵに対して１４０％以下とすることで、酸化物超電導バルク体１１３の内周部が応力集中部分である酸化物超電導バルク体１１４の内周エッジから離れすぎないようにし、応力緩和効果を確保できるため、酸化物超電導バルク体１１４の内周部の縁部への電磁応力の集中をより緩和することが可能となる。このように、酸化物超電導バルク体１１３の内径ＩＱＲを上記範囲とすることで、酸化物超電導バルク体１１３の内周面に生じる電磁応力及び酸化物超電導バルク体１１４の内周面に生じる電磁応力を緩和することが可能となる。その結果、酸化物超電導バルク体１１３の内周面における割れの発生及び酸化物超電導バルク体１１４の内周面における割れの発生を防止することが可能となる。酸化物超電導バルク体１１３は、酸化物超電導バルク体１１４の内径と等しい内径を有することが更に好ましい。また、酸化物超電導バルク体１１３の内径は、分析試料挿入の観点からも、酸化物超電導バルク体１１４の内径と実質的に合わせることが好ましい。
【0079】
酸化物超電導バルク体１１３の中心軸Ｃ方向の長さ（高さ）は、例えば、積層体１１１の高さに対して１％以上５０％以下とすることができる。電磁応力の緩和の観点、及び製造コストの観点から、酸化物超電導バルク体１１３の高さは、好ましくは、積層体１１１の高さに対して２％以上３０％以下であり、更に好ましくは、３％以上２０％以下である。
【0080】
本実施形態に係る磁石ユニットの内側の空間には、先立って説明したように、断熱容器１３０の凹部１３１が配置され、凹部１３１に分析試料が挿入される。分析試料は、均一磁場空間に挿入することが重要である。本実施形態に係る磁石ユニットの軸方向における中央部分の内径を、端部の内径より大きくすることで、酸化物超電導バルク体１１２の磁化により生じる不均一な磁場を相殺するような磁場が、本実施形態に係る磁石ユニットのボア空間に形成される。そのため、例えば、本実施形態に係る磁石ユニットの内側の空間は大きい方が好ましい。
【0081】
なお、積層された複数の酸化物超電導バルク体１１２は、例えば、はんだ、樹脂、又はグリース等で隣接した酸化物超電導バルク体１１２と接着することができる。
【0082】
本実施形態において、磁石ユニット１１０Ｃは、例えば、図５に示すように、酸化物超電導バルク体１１３及び酸化物超電導バルク体１１４の外周面側に支持部材１１５を有する。
【0083】
支持部材１１５は、少なくとも酸化物超電導バルク体１１３及び酸化物超電導バルク体１１４の外周面側に設けられる。支持部材１１５は、隣接する酸化物超電導バルク体１１３及び酸化物超電導バルク体１１４を物理的に補強する。支持部材１１５の素材としては、例えば、高強度、非磁性であり、酸化物超電導バルク体１１２より熱収縮率が大きい材料を使用することができる。また、支持部材１１５の素材としては、好ましくは、熱伝導率が高い材料を使用することができる。支持部材１１５には、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、オーステナイト系ステンレス、又は炭素繊維強化プラスチック等を用いることが好ましい。
【0084】
支持部材１１５の形状は、少なくとも酸化物超電導バルク体１１３及び酸化物超電導バルク体１１４を補強することができれば特段制限されないが、例えば、酸化物超電導バルク体１１３及び酸化物超電導バルク体１１４の形状に応じた形状の中空部を有するリング状（筒状）とすることができる。
【0085】
また、支持部材１１５は、本実施形態に係る磁石ユニットの外周面に接して配設されている。本実施形態に係る磁石ユニットの外周面に接して配設された支持部材１１５は、例えば、図１に示すように、その一端がコールドヘッド１２１に熱的に接続される。これにより、支持部材１１５は、本実施形態に係る磁石ユニットを外側からより効率的に冷却することが可能となる。
【0086】
図２に示すように、支持部材１１５がリング状である場合、複数の支持部材１１５のそれぞれに、酸化物超電導バルク体１１２それぞれが嵌め込まれている。しかしながら、本発明は図示の態様に限定されず、例えば、支持部材は一体成型されたものであってもよい。
【0087】
支持部材１１５と酸化物超電導バルク体１１２とは、例えば、はんだ、樹脂、又はグリース等で接着することができる。また、複数の支持部材１１５が用いられる場合、それぞれの支持部材１１５の間は、例えば、はんだ、樹脂、又はグリース等で接着することができる。
【0088】
酸化物超電導バルク体１１３の外周面に位置する部分の支持部材１１５の厚みＴＭＲは、図５に示すように、酸化物超電導バルク体１１４の外周面に位置する部分の支持部材１１５の厚みＴＭＵよりも大きいことが好ましい。酸化物超電導バルク体１１３の外径ＤＱＲは、酸化物超電導バルク体１１４の外径ＤＱＵよりも小さいため、磁石ユニットの外径を大きくすることなく、酸化物超電導バルク体１１３の外周面に厚い支持部材１１５を配置することができる。外径が小さい酸化物超電導バルク体１１３は、中心軸Ｃ方向に垂直な断面の面積が小さいため、酸化物超電導バルク体１１３には、比較的小さな超電導電流が流れる。その結果、酸化物超電導バルク体１１３に作用する電磁応力は限定的になる。この比較的小さな電磁応力が作用する酸化物超電導バルク体１１３は、厚みの大きな支持部材１１５で支持されるため、磁石ユニット１１０Ｃは、酸化物超電導バルク体１１３が割れることなく強磁場を保持することが可能となる。また、磁石ユニット１１０Ｃは、酸化物超電導バルク体１１３を有していない磁石ユニットと比較して、積層体１１１の体積が大きくなるため、より大きな超電導電流を流すことが可能である。その結果、磁石ユニット１１０Ｃは、ボア空間により均一な磁場を発生することが可能となる。更に好ましくは、厚みＴＭＲは、厚みＴＭＵよりも大きく、かつ、酸化物超電導バルク体１１３の外周面に位置する部分の支持部材１１５の外径は、酸化物超電導バルク体１１４の外周面に位置する部分の支持部材１１５の外径以下である。例えば、酸化物超電導バルク体１１４の外周面に位置する部分の支持部材１１５の外径は、酸化物超電導バルク体１１３の外周面に位置する部分の支持部材１１５の外径の１２０％以下である。
【0089】
なお、酸化物超電導バルク体１１３の外周面側に位置する支持部材１１５は、その外径が大きい方が望ましいが、酸化物超電導バルク体１１３の外周面側に位置する部分の支持部材１１５の外径が大きくなると、着磁用の超電導マグネットの室温ボアの内径も支持部材１１５に合わせて大きくする必要がある。そのため、酸化物超電導バルク体１１３の外周面側に位置する部分の支持部材１１５の外径と、酸化物超電導バルク体１１３以外の酸化物超電導バルク体１１２の外周面側に位置する部分の支持部材１１５の外径とは等しいことが好ましい。
【0090】
また、本実施形態においては、図６に示すように、支持部材１１５は、酸化物超電導バルク体１１３の外表面側端面（上面）の少なくとも一部を覆うように延長されている。ここでいう端面は、筒状の酸化物超電導バルク体１１３における中心軸Ｃ方向に位置する面である。
磁石ユニット１１０Ｄの着磁過程において、酸化物超電導バルク体１１３の内周面の縁部に応力が集中するが、支持部材１１５が酸化物超電導バルク体１１３の上面に密着することで、ひずみを抑制することができ、酸化物超電導バルク体１１３の内周面の縁部での割れを防止することが可能となる。
磁石ユニット１１０Ｄの着磁過程において、酸化物超電導バルク体１１３の内周面の縁部に応力が集中するが、支持部材１１５が酸化物超電導バルク体１１３の上面に密着することで、ひずみを抑制することができ、酸化物超電導バルク体１１３の内周面の縁部での割れを防止することが可能となる。
【0091】
従来の酸化物超電導バルクユニット、例えば、非特許文献１に記載された、外周面及び中心軸に垂直な端面に金属リングが固定された酸化物超電導バルクユニットは、端部に配置された酸化物超電導バルク体の外径と、当該酸化物超電導バルク体に隣接した酸化物超電導バルク体の外径は等しい。従来の酸化物超電導バルクユニットでは、酸化物超電導バルク体の熱収縮率と金属リングの熱収縮率の違いにより、外周面に配置された外周補強リングと酸化物超電導バルク体の接触面から中心軸方向に向かうにつれて、酸化物超電導バルク体と金属リングの接触面で互いにずれようとする力（剥離しようとする力）が大きくなる。また、一般に、酸化物超電導バルク体の中心軸に垂直な面は、ａｂ面と呼ばれる劈開しやすい面である。そのため、従来の酸化物超電導バルクユニットは端部の酸化物超電導バルク体の外径が大きいため、上記の張力が作用すると、酸化物超電導バルク体と金属リングの接着面付近で剥離が生じる可能性がある。しかし、酸化物超電導バルク体１１３は、酸化物超電導バルク体１１４よりも外径が小さい。酸化物超電導バルク体１１３は外径が小さいため、酸化物超電導バルク体１１３と、その外周面に配置された支持部材１１５との接触面から中心軸までの距離が短くなる。これにより、酸化物超電導バルク体１１３の熱収縮率と支持部材１１５の熱収縮率の差によって生じる剥離しようとする力は、従来の酸化物超電導バルクユニットにおける酸化物超電導バルク体と金属リングとの間に働く力と比較して小さくなる。そのため、酸化物超電導バルク体１１３とその上面に配設される支持部材１１５との接触面付近での剥離は抑制される。その結果、支持部材１１５が酸化物超電導バルク体１１３の上面に密着することで、ひずみを抑制することができ、酸化物超電導バルク体１１３の内周面の縁部での割れを防止することが可能となる。
【0092】
なお、酸化物超電導バルク体１１３の上面に配置される支持部材１１５は、酸化物超電導バルク体１１３の外周に配置される部分と一体であってもよいし、酸化物超電導バルク体１１３の上面に配置される支持部材１１５と、別に製造された酸化物超電導バルク体１１３の外周に配置される支持部材１１５とが互いに固定されて一体化されたものであってもよい。
【0093】
本発明によれば、超電導バルク体の破損が防止され、より高強度の磁場を発生させることが可能な核磁気共鳴用磁石ユニット及び核磁気共鳴用磁場発生装置を提供することが可能となる。
【0094】
本実施形態に係る磁石ユニットは、コールドヘッドを備える冷凍装置が用いられるＮＭＲ装置、及び、冷媒を用いて酸化物超電導バルク材料を冷却する方式が適用されるＮＭＲ装置に適用可能である。本実施形態に係る磁石ユニットは、更に、冷媒をより低温にするための減圧装置を有するＮＭＲ装置に適用可能である。
【0095】
＜３．変形例＞
以上、本発明の一実施形態を説明した。以下では、図７及び図８を参照して、本発明の上記実施形態の変形例を説明する。図７は、本実施形態に係る核磁気共鳴用磁石ユニットの変形例を示す、核磁気共鳴用磁石ユニットの断面図である。図８は、コールドヘッドに載置された本実施形態に係る核磁気共鳴用磁石ユニットの一例を示す断面図である。なお、以下に説明する変形例は、本発明の上記実施形態で説明した構成に対して追加的に適用することができる。
以上、本発明の一実施形態を説明した。以下では、図７及び図８を参照して、本発明の上記実施形態の変形例を説明する。図７は、本実施形態に係る核磁気共鳴用磁石ユニットの変形例を示す、核磁気共鳴用磁石ユニットの断面図である。図８は、コールドヘッドに載置された本実施形態に係る核磁気共鳴用磁石ユニットの一例を示す断面図である。なお、以下に説明する変形例は、本発明の上記実施形態で説明した構成に対して追加的に適用することができる。
【0096】
磁石ユニット１１０Ｅの外表面側端面の内周部には、図７に示すように、面取りを施すことができる。ここでいう端面は、筒状の酸化物超電導バルク体１１３における中心軸Ｃ方向に位置する面である。磁石ユニット１１０Ｅの外表面側端面の内周部に面取りが施されることで、磁場応力の集中を緩和することが可能となる。筒状の酸化物超電導バルク体１１３の端部（外側）の内周エッジ部においても、酸化物超電導バルク体１１３全体からみると、同様に応力集中が起きる。そのため、このような応力集中を緩和するためには、内周エッジ部を除去すればよく、図７に示すように内周エッジ部を面取りすることで応力集中は、面取りした面周辺に分散し緩和されることになる。
【0097】
また、面取りが施された部分である面取り部ｂの形状は、磁場の均一性を維持しつつ、磁場応力の集中を緩和することが可能であれば特段制限されず、例えば、角面や丸面などにすることができる。また、面取り部ｂには、支持部材１１５が接して配設されることができる。
【0098】
なお、ここまで、本実施形態に係る磁石ユニットの構造に関し、主に酸化物超電導バルク体１１３が本実施形態に係る磁石ユニットの一端に配置される場合を説明したが、酸化物超電導バルク体１１３は、本実施形態に係る磁石ユニットの両端に設けられてもよい。このとき、本実施形態に係る磁石ユニットの一端に配置される酸化物超電導バルク体１１３と、本実施形態に係る磁石ユニットの他端に配置される酸化物超電導バルク体１１３とは、互いに同じ構造にすることができ、また、上記した構造のうちで、互いに異なる構造とすることができる。
【0099】
磁石ユニット１１０Ｆは、図８に示すように、板状の酸化物超電導バルク体１２５を更に備える。磁石ユニット１１０Ｆの一端には、酸化物超電導バルク体１１３が配置され、酸化物超電導バルク体１１３が配置された一端とは反対側の他端には、板状の酸化物超電導バルク体１２５を配置することができる。板状の酸化物超電導バルク体１２５は、リング状のバルク体と異なり、応力集中が発生する内周エッジ部がない。そのため、磁石ユニット１１０Ｆの他端に生じる電磁応力は、バルク体内で比較的分散され、緩和されることになる。また、酸化物超電導バルク体１２５がコールドヘッド１２１（図１参照）に接続されるように磁石ユニット１１０Ｆをコールドヘッド１２１に載置することで、コールドヘッド１２１との接触面積が増大し、磁石ユニット１１０Ｆの冷却効率を向上させることが可能となる。
【実施例】
【0100】
以下に、実施例を示しながら、本発明の実施形態について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明のあくまでも一例であって、本発明が、下記の例に限定されるものではない。
【0101】
（実施例１）
ＲＥとしてＧｄを用い、外径が４０ｍｍであり、内径が２４ｍｍであり、高さが１５ｍｍであるリング状の酸化物超電導バルク体を作製した。支持部材として、肉厚が１７ｍｍであり、高さが１５ｍｍであるアルミニウム合金リングを用いた。このアルミニウム合金リングの内周面に樹脂（ヘンケルエイブルスティックジャパン株式会社製 スタイキャスト）を塗布して、作製した酸化物超電導バルク体をアルミニウム合金リングに嵌めた後に樹脂を固化し、第１嵌合体を作製した。この第１嵌合体を２つ製造した。
ＲＥとしてＧｄを用い、外径が４０ｍｍであり、内径が２４ｍｍであり、高さが１５ｍｍであるリング状の酸化物超電導バルク体を作製した。支持部材として、肉厚が１７ｍｍであり、高さが１５ｍｍであるアルミニウム合金リングを用いた。このアルミニウム合金リングの内周面に樹脂（ヘンケルエイブルスティックジャパン株式会社製 スタイキャスト）を塗布して、作製した酸化物超電導バルク体をアルミニウム合金リングに嵌めた後に樹脂を固化し、第１嵌合体を作製した。この第１嵌合体を２つ製造した。
【0102】
また、ＲＥとしてＧｄを用い、外径が６０ｍｍであり、内径が２４ｍｍであり、高さが２０ｍｍであるリング状の酸化物超電導バルク体を作製した。支持部材として、肉厚が７ｍｍであり、高さが２０ｍｍであるアルミニウム合金リングを用いた。このアルミニウム合金リングの内周面に上と同様の樹脂を塗布して、作製した酸化物超電導バルク体をアルミニウム合金リングに嵌め、第２嵌合体を作製した。この第２嵌合体を６つ製造した。
【0103】
６つの第２嵌合体を積層し、２つの端面のそれぞれに第１嵌合体を配置し、第１嵌合体と第２嵌合体、及び第２嵌合体同士を真空グリースで接着して磁石ユニットを製造した。このとき、磁石ユニットを構成する嵌合体の中心軸が一致するようにそれぞれの嵌合体を接着した。磁石ユニットのアルミニウム合金リングには、コールドヘッドに固定するためのねじ止め孔を設けた。
【0104】
酸化物超電導バルク体は、１２３相と２１１相とがモル比で３：１で構成されており、２１１相の平均粒径は、１μｍであった。
【0105】
磁石ユニットの一端に真空グリースを塗布してコールドヘッドに載置し、ねじ止め孔にねじを通して磁石ユニットをコールドヘッドに固定した。この磁石ユニットを冷却装置を用いて１００Ｋに冷却した後、磁場発生コイルの中空空間に配置し、８．５Ｔの磁場を印加した。続いて磁石ユニットを４０Ｋに冷却し、磁場発生コイルの印加磁場を減磁して、磁石ユニットに磁場を着磁させ、酸化物超電導バルクマグネットとした。
【0106】
得られた酸化物超電導バルクマグネットは、その中心部で８．５Ｔの捕捉磁場が確認された。この酸化物超電導バルクマグネットを昇温して消磁した後、室温まで冷却して磁石ユニットの外観を観察したところ、割れ等の損傷は生じていなかった。
【0107】
比較例として、上記と同様に、６つの第２嵌合体を作製した。作製した６つの第２嵌合体を積層し、第２嵌合体同士を真空グリースで接着して磁石ユニットを製造した。このとき、磁石ユニットを構成する嵌合体の中心軸が一致するようにそれぞれの嵌合体を接着した。磁石ユニットのアルミニウム合金リングには、コールドヘッドに固定するためのねじ止め孔を設けた。
【0108】
６つの第２嵌合体で構成される磁石ユニットを、上記と同様にして、コールドヘッドに固定し、上記と同様の条件で着磁して酸化物超電導バルクマグネットとした。
【0109】
この酸化物超電導バルクマグネットは、その中心部で８．２Ｔの捕捉磁場が確認された。この酸化物超電導バルクマグネットを昇温して消磁した後、室温まで冷却して磁石ユニットの外観を観察したところ、割れが生じていた。
【0110】
（実施例２）
ＲＥとしてＥｕを用い、外径が４６ｍｍであり、内径が２４ｍｍであり、高さが１０ｍｍであるリング状の酸化物超電導バルク体を作製した。支持部材として、肉厚が１４ｍｍであり、高さが１０ｍｍである銅合金リングを用いた。この銅合金リングの内周面に半田を塗布して、作製した酸化物超電導バルク体を銅合金リングに嵌めた後に半田を固化し、第１嵌合体を作製した。この第１嵌合体を２つ製造した。
ＲＥとしてＥｕを用い、外径が４６ｍｍであり、内径が２４ｍｍであり、高さが１０ｍｍであるリング状の酸化物超電導バルク体を作製した。支持部材として、肉厚が１４ｍｍであり、高さが１０ｍｍである銅合金リングを用いた。この銅合金リングの内周面に半田を塗布して、作製した酸化物超電導バルク体を銅合金リングに嵌めた後に半田を固化し、第１嵌合体を作製した。この第１嵌合体を２つ製造した。
【0111】
また、ＲＥとしてＥｕを用い、外径が６０ｍｍであり、内径が２４ｍｍであり、高さが２０ｍｍであるリング状の酸化物超電導バルク体を作製した。支持部材として、肉厚が７ｍｍであり、高さが２０ｍｍであるアルミニウム合金リングを用いた。このアルミニウム合金リングの内周面に実施例１と同様の樹脂を塗布して、作製した酸化物超電導バルク体をアルミニウム合金リングに嵌め、第２嵌合体を作製した。この第２嵌合体を２つ製造した。
【0112】
さらに、ＲＥとしてＥｕを用い、外径が６０ｍｍであり、内径が３５ｍｍであり、高さが２０ｍｍであるリング状の酸化物超電導バルク体を作製した。支持部材として、肉厚が７ｍｍであり、高さが２０ｍｍであるアルミニウム合金リングを用いた。このアルミニウム合金リングの内周面に実施例１と同様の樹脂を塗布して、作製した酸化物超電導バルク体をアルミニウム合金リングに嵌め、第３嵌合体を作製した。この第３嵌合体を４つ製造した。
【0113】
４つの第３嵌合体を積層し、２つの端面のそれぞれに第２嵌合体を配置し、さらにその両端のそれぞれに第１嵌合体を配置し、第１嵌合体と第２嵌合体、第２嵌合体と第３嵌合体、及び第３嵌合体同士を真空グリースで接着して磁石ユニットを製造した。このとき、磁石ユニットを構成する嵌合体の中心軸が一致するようにそれぞれの嵌合体を接着した。磁石ユニットの銅合金リングには、コールドヘッドに固定するためのねじ止め孔を設けた。
【0114】
酸化物超電導バルク体は、１２３相と２１１相とがモル比で３：１で構成されており、２１１相の平均粒径は、１μｍであった。
【0115】
磁石ユニットの一端に真空グリースを塗布してコールドヘッドに載置し、ねじ止め孔にねじを通して磁石ユニットをコールドヘッドに固定した。この磁石ユニットを冷却装置を用いて１００Ｋに冷却した後、磁場発生コイルの中空空間に配置し、９．０Ｔの磁場を印加した。続いて磁石ユニットを３５Ｋに冷却し、磁場発生コイルの印加磁場を減磁して、磁石ユニットに磁場を着磁させ、酸化物超電導バルクマグネットとした。
【0116】
得られた酸化物超電導バルクマグネットは、その中心部で９．０Ｔの捕捉磁場が確認された。この酸化物超電導バルクマグネットを昇温して消磁した後、室温まで冷却して磁石ユニットの外観を観察したところ、割れ等の損傷は生じていなかった。
【0117】
比較例として、上記と同様に、２つの第２嵌合体と４つの第３嵌合体を作製した。４つの第３嵌合体を積層し、２つの端面のそれぞれに第２嵌合体を配置し、第２嵌合体と第３嵌合体および第３嵌合体同士を真空グリースで接着して磁石ユニットを製造した。このとき、磁石ユニットを構成する嵌合体の中心軸が一致するようにそれぞれの嵌合体を接着した。磁石ユニットのアルミニウム合金リングには、コールドヘッドに固定するためのねじ止め孔を設けた。
【0118】
２つの第２嵌合体と４つの第３嵌合体で構成される磁石ユニットを、上記と同様にして、コールドヘッドに固定し、上記と同様の条件で着磁して酸化物超電導バルクマグネットとした。
【0119】
この酸化物超電導バルクマグネットは、その中心部で７．０Ｔの捕捉磁場が確認された。この酸化物超電導バルクマグネットを昇温して消磁した後、室温まで冷却して磁石ユニットの外観を観察したところ、第２嵌合体に割れが生じていた。
【0120】
以上、本発明によれば、磁石ユニットは、破損が防止され、より高強度の磁場を発生することが可能となる。
【0121】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【0122】
本発明によれば、超電導バルク体の破損が防止され、より高強度の磁場を発生させることが可能な核磁気共鳴用磁石ユニット及び核磁気共鳴用磁場発生装置を提供することができる。そのため、本発明は、産業上の利用可能性が極めて大である。
【符号の説明】
【0123】
１ ＮＭＲ装置
１０ 磁場発生装置
２０ 制御装置
３０ 高周波発生装置
４０ 検出コイル
１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅ、１１０Ｆ 磁石ユニット
１１１ 積層体
１１２、１１３、１１４、１１７、１２５、１１３１、１１７１ 酸化物超電導バルク体
１１５ 支持部材
１２０ 冷却装置
１２１ コールドヘッド
１３０ 断熱容器
１４０ 磁場発生コイル
１０ 磁場発生装置
２０ 制御装置
３０ 高周波発生装置
４０ 検出コイル
１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅ、１１０Ｆ 磁石ユニット
１１１ 積層体
１１２、１１３、１１４、１１７、１２５、１１３１、１１７１ 酸化物超電導バルク体
１１５ 支持部材
１２０ 冷却装置
１２１ コールドヘッド
１３０ 断熱容器
１４０ 磁場発生コイル
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図9E】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図13A】
【図13B】