知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ オックスフォード インストルメンツ ナノテクノロジー ツールス リミテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-08-06
(54)【発明の名称】マグネットシステム
(51)【国際特許分類】
G01R 33/3815 20060101AFI20240730BHJP
H01F 7/20 20060101ALI20240730BHJP
H01F 6/06 20060101ALI20240730BHJP
A61B 5/055 20060101ALI20240730BHJP
G01N 24/00 20060101ALI20240730BHJP
【ＦＩ】
G01R33/3815
H01F7/20 C ZAA
H01F6/06
A61B5/055 331
A61B5/055 332
G01N24/00 600C
G01N24/00 610Y
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023580784
(86)(22)【出願日】2022-06-29
(85)【翻訳文提出日】2024-02-28
(86)【国際出願番号】 GB2022051665
(87)【国際公開番号】W WO2023275540
(87)【国際公開日】2023-01-05
(31)【優先権主張番号】2109447.9
(32)【優先日】2021-06-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】507329985
【氏名又は名称】オックスフォード インストルメンツ ナノテクノロジー ツールス リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100098475
【弁理士】
【氏名又は名称】倉澤 伊知郎
(74)【代理人】
【識別番号】100130937
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100144451
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 博子
(72)【発明者】
【氏名】ヴァーニー アンドリュー ジョン
【テーマコード（参考）】
4C096
【Ｆターム（参考）】
4C096AB32
4C096AD08
4C096CA02
4C096CA15
4C096CA23
(57)【要約】
標的領域において均一磁場を発生させるためのマグネットシステムが提供される。マグネットシステムは、中心軸を定めるように巻かれた低温超電導（ＬＴＳ）材料から形成された第１のマグネットであって、第１のマグネットは、使用時に中心軸上に位置する標的領域において第１の磁場を発生するように配置され、第１の磁場が第１のレベルの均一性を有する、第１のマグネットと、高温超電導（ＨＴＳ）材料から形成され、使用時に標的領域において第２の磁場を発生するように配置された第２のマグネットであって、第２の磁場は第２のレベルの均一性を有する、第２のマグネットと、を備える。第１の磁場の第１のレベルの均一性は最大１０ｐｐｍであり、第２の磁場の第２のレベルの均一性は最大１０ｐｐｍであり、標的領域における第１及び第２の磁場の組み合わせは、使用時に最大１０ｐｐｍの均一性を有する結果として生じる磁場を発生させ、第１のマグネット及び第２のマグネットは独立した電流回路である。
【選択図】図３
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
標的領域において均一磁場を発生させるためのマグネットシステムであって、低温超電導（ＬＴＳ）材料から形成され且つ中心軸を定めるように形成された第１のマグネットであって、前記第１のマグネットは、使用時に前記中心軸上に位置する前記標的領域において第１の磁場を発生するように配置され、前記第１の磁場は、第１のレベルの均一性を有する、第１のマグネットと、
高温超電導（ＨＴＳ）材料から形成され、使用時に前記標的領域において第２の磁場を発生するように配置された第２のマグネットであって、前記第２の磁場は第２のレベルの均一性を有する、第２のマグネットと、
を備え、
前記第１の磁場の第１のレベルの均一性は最大１０ｐｐｍであり、前記第２の磁場の第２のレベルの均一性は最大１０ｐｐｍであり、前記標的領域における前記第１の磁場及び前記第２の磁場の組み合わせは、使用時に最大１０ｐｐｍの結果として生じる均一性を有する結果として生じる磁場を生成し、前記第１のマグネット及び前記第２のマグネットは独立した電流回路である、マグネットシステム。
【請求項2】
前記第１のレベルの均一性は最大１ｐｐｍであり、前記第２のレベルの均一性レベルは最大１ｐｐｍであり、前記結果として生じる均一性は最大１ｐｐｍである、請求項１に記載のマグネットシステム。
【請求項3】
前記第１のマグネットに第１の電流を供給し且つ前記第２のマグネットに第２の電流を供給するように配置された制御システムを更に備え、前記第１の電流及び前記第２の電流が、互いに独立して制御される、請求項１又は２に記載のマグネットシステム。
【請求項4】
使用時に前記第１のマグネットに電力を供給するように配置された第１の電源と、使用時に前記第２のマグネットに電力を供給するように配置された第２の電源と、を更に備え、前記第１の電源及び前記第２の電源が互いに独立している、請求項１～３の何れか１項に記載のマグネットシステム。
【請求項5】
前記第１のマグネットは、第１の補償ソレノイドマグネットを含む、請求項１～４の何れか１項に記載のマグネットシステム。
【請求項6】
前記第１の補償ソレノイドマグネットは、少なくとも１つのソレノイドと、第１の補償コイルのセットと、を含み、前記第１の補償コイルのセットは、使用時に前記少なくとも１つのソレノイドを補償するように配置される、請求項５に記載のマグネットシステム。
【請求項7】
前記第２のマグネットが、コイルのセットを含む、請求項１～６の何れか１項に記載のマグネットシステム。
【請求項8】
前記第２のマグネットが、前記中心軸上に配置されたコイルのセットを含む、請求項７に記載のマグネットシステム。
【請求項9】
前記第２のマグネットが、少なくとも１つのソレノイド及び使用時に前記少なくとも１つのソレノイドに補償を提供するように作動する第２の補償コイルのセットを含む第２の補償ソレノイドマグネットを備え、前記第２の補償コイルのセットが次式：
ここで、ｒ0は前記少なくとも１つのソレノイドの内側半径であり、ｒpはそれぞれの補償コイルの中心の半径であり、ｚpは前記補償コイルの中心の軸方向位置である、
請求項１～８の何れか１項に記載のマグネットシステム。
【請求項10】
前記第２の補償コイルのセットは、
【請求項11】
前記第２の補償ソレノイドマグネットの前記少なくとも１つのソレノイドは、前記標的領域から軸方向に対称に離れるように軸中心から延びる一次ソレノイドコイルを含み、前記第２の補償コイルのセットは、パンケーキコイルであり、前記一次ソレノイドコイルの軸方向端部にて前記一次ソレノイドコイルに隣接して配置される、請求項９又は１０に記載のマグネットシステム。
【請求項12】
ｒ0は前記一次ソレノイドコイルの内側半径である、請求項１１に記載のマグネットシステム。
【請求項13】
前記第２の補償ソレノイドマグネットの前記少なくとも１つのソレノイドが、前記一次ソレノイドコイルに対して前記中心軸上に同軸状に且つ前記一次ソレノイドコイルの半径方向内側に配置された二次ソレノイドコイルを含む、請求項９～１２の何れか１項に記載のマグネットシステム。
【請求項14】
前記第２の補償コイルは、前記一次ソレノイドコイルと少なくとも部分的に半径方向の重なりを有して前記一次ソレノイドコイルの各端部の軸方向外側に配置された補償コイル及び／又は前記一次ソレノイドコイルの各軸方向端部において前記一次ソレノイドコイルの半径方向外側に配置された補償コイルを含む、請求項９～１３の何れか１項に記載のマグネットシステム。
【請求項15】
前記第２の補償コイルの各々は、前記一次ソレノイドコイルに対して順方向に巻かれている、請求項９～１４の何れか１項に記載のマグネットシステム。
【請求項16】
標的領域において均一磁場を発生させるためのマグネットシステムであって、中心軸の周りに円筒形状の超電導材料から形成された第１のマグネットであって、使用時に前記中心軸上に位置する前記標的領域において第１の磁場を発生するように配置された第１のマグネットと、
使用時に前記第１の磁場の均一性を提供するように動作される補償コイルのセットと、
を備え、
前記第１のマグネットは、前記標的領域から軸方向に対称的に離れて軸中心から延び、前記補償コイルのセットが、次式
【請求項17】
前記補償コイルのセットは、前記第１のマグネットの軸方向端部において前記第１のマグネットに隣接して配置されている、請求項１６に記載のマグネットシステム。
【請求項18】
前記補償コイルは、前記第１のマグネットと少なくとも部分的に半径方向で重なりを有して前記第１のマグネットの各端部の軸方向外側に位置する補償コイル及び／又は前記第１のマグネットの各軸方向端部において前記第１のマグネットの半径方向外側に位置する補償コイルを含む、請求項１７に記載のマグネットシステム。
【請求項19】
前記第１のマグネットに対して前記中心軸上に同軸状に配置され且つ前記第１のマグネットの半径方向内側に配置された第２のマグネットを更に備える、請求項１６～１８の何れか１項に記載のマグネットシステム。
【請求項20】
前記第１のマグネットは一次ソレノイドコイルであり及び／又は前記第２のマグネットは第２のソレノイドコイルである、請求項１９に記載のマグネットシステム。
【請求項21】
第２の補償コイルの各々は、前記一次ソレノイドコイルに対して順方向に巻かれている、請求項１６～２０の何れか１項に記載のマグネットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）に使用可能な超電導マグネットシステムのようなマグネットシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
様々なＮＭＲモダリティにおいて、均一性の高い磁場を得ることが望ましい。これは、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）を含み、特にＮＭＲ分光法に関連する。
【0003】
ＮＭＲ分光法では、分子構造などの試料に関する化学情報を測定することが可能である。このＮＭＲ測定プロセスは、標的領域を含むワーキングボリューム内に高強度で一様な（均一とも呼ばれる）の磁場を発生させることによって達成され、このワーキングボリュームは、典型的にはＮＭＲデバイスのボアである。
【0004】
試料を分析するために、試料は標的領域に置かれ、その後ＲＦ照射を受けて、特定の原子核のスピンを歳差運動させる。ＲＦ照射を取り除くと、スピンは静止状態に戻り、その歳差運動周波数をモニターすることができることで、構造情報等を示すことができる。例えば、化学構造の正確な測定値を得るためには、標的領域内に高度に均一な磁場が必要とされる。
【0005】
ＮＭＲデバイス用のマグネットシステムは、典型的には、使用時に極低温（例えば１００ケルビン（Ｋ）未満）に保持された超電導マグネット配置を含む。超電導マグネットは、典型的には、試料を位置決めするためのワーキングボリュームが配置される中心軸を有するボアを定めるソレノイドとして形成される。無限長ソレノイドであれば、標的領域に完全に均一な磁場を作り出すことにある。しかしながら、このようなソレノイドは、実際には製造することができないので、標的領域における磁場の均一性を改善するために、ソレノイドからの何らかの末端効果、特に末端効果を補正するため補償コイルを中心軸の周りに巻くことができる。
【0006】
補償コイル（当技術分野では「ギャレットコイル」とも呼ばれることがある）は、典型的にはマグネットと直列に巻かれ、ソレノイド又はパンケーキコイルの形態をとることができる。これらは、通常、無限長にできないマグネットの設計から生じる磁場の不均一性を補正するために配置される。高分解能ＮＭＲのような用途では、ソレノイドマグネット単独では、典型的には、補正コイルを用いても、例えば、設計と比較して製造プロセス中に生じる偏差に起因して、所望のレベルの均一性をもたらさない。また、マグネットシステムの使用中、例えば磁場の環境変動に起因する均一性のシフトに対応することができない。従って、典型的には、超電導ワイヤから構成された超電導シムコイル、強磁性材料を使用したパッシブシム、及び銅線材から巻かれた常温シムコイルなど、不均一性の発生源を補正するための追加手段が使用されている。
【0007】
巨大タンパク質の構造的機能的研究等の用途において高感度ＮＭＲに望まれる約２３．５テスラ（Ｔ）を上回る磁場強度のような超高磁場強度を達成するためには、低温超電導（ＬＴＳ）マグネットと高温超電導（ＨＴＳ）マグネットの組み合わせが必要である。しかしながら、１つには材料費の高さ（及び層巻線の場合、巻線自体内に継ぎ目を構築する必要性を避けながら、より長い材料長を利用できること）に起因して、ＨＴＳソレノイドコイルは短くなる傾向があり、また、高電流密度で動作する。従って、補償がされなければ、そのサイズに対して比較的多大な不均一性を発生する。
【0008】
ＬＴＳコイルは、ＨＴＳ及びＬＴＳマグネットの組み合わせ全体の不均一性を補償するように設計することができる。つまり、ＨＴＳコイル及びＬＴＳコイルは、別個のユニットとして不均一性なままである。不均一性が残っていると、ＬＴＳコイルと比較してＨＴＳコイルの軸方向のオフセットが極めて小さく（例えば約０．１ミリメートル、ｍｍ）なり、中心場の不均一性が適切な限度外になる可能性がある。更に、ＨＴＳコイル及びＬＴＳコイルを異なる電流で運転する場合（調査のため及び／又は材料の異なる特性を最も有効に利用するため）、電流が一定の比率で保持されない限り、均一性は中心磁場が変化するにつれて大きく変化することになる。このことはまた、ＨＴＳマグネット又はＬＴＳマグネットの動作電流の変化（例えば、電源変動に起因する）が、中心磁場値と同様にマグネットの均一性の変化をもたらすことを意味し、中心磁場の変化を補償する従来の手段（例えば、「ＮＭＲロック」）は、中心磁場値と同様に磁場の均一性が大きく変化している場合に実施することがはるかに困難になる可能性がある。更に、補償コイルは、発生する放射状場に起因して高い軸方向力及び圧力を示す傾向があり、このことは、特にマグネットの高磁場領域では、このような力によって誘起される移動に起因するクエンチングにつながる可能性がある。しかしながら、ＨＴＳ材料で作られたコイルは、この後者の結果に対してはるかに堅牢であることが期待される。
【0009】
更に、パンケーキコイル単独で作られたＨＴＳマグネットは、本質的に電流密度が非一様になる。このため、理論的設計と比較して電流密度の偏差の影響に起因して、従来のＮＭＲ用途に使用することが極めて難しくなる。これは、１つには、このような構造における電流の流れ方に起因し、また１つには、製造公差に起因する。
【0010】
これらの問題を参酌すると、より正確で高分解能のＮＭＲデータを得るためには、標的領域における磁場の均一性と均一性の安定性を更に高めることが望まれる。
【発明の概要】
【0011】
第１の態様によれば、標的領域において均一磁場を発生させるための（すなわち、適した）マグネットシステムが提供され、マグネットシステムは、低温超電導（ＬＴＳ）材料から形成され且つ中心軸を定めるように形成（巻かれるなど）された第１のマグネットであって、第１のマグネットは、使用時に中心軸上に位置する標的領域において第１の磁場を発生するように配置され、第１の磁場は第１のレベルの均一性を有する、第１のマグネットと、高温超電導（ＨＴＳ）材料から形成され、使用時に標的領域において第２の磁場を発生するように配置される第２のマグネットであって、第２の磁場は第２のレベルの均一性を有する、第２のマグネットと、を備え、第１の磁場の第１のレベルの均一性は最大１０ｐｐｍであり、第２の磁場の第２のレベルの均一性は最大１０ｐｐｍであり、標的領域における第１及び第２の磁場の組み合わせは、使用時に最大１０ｐｐｍの結果として生じる均一性を有する結果として生じる磁場を生成し、第１のマグネット及び第２のマグネットは独立した電流回路である。
【0012】
発明者らは、マグネットシステムをこのように構成することにより、第１及び第２の超電導マグネットの一方又は他方に不均一性の原因（マグネットのオフセット又はマグネットの電流変動等）がある場合でも、結果として生じる均一性を所望のパラメータ内に保持できることを見出した。これは、第１の超電導マグネット及び第２の超電導マグネットのそれぞれの不均一性を補正する（すなわち、特定の均一性レベルまで達成する）ことによって達成される。
【0013】
この配置なしでは、２つの超電導マグネットを別個の電流回路として稼働した場合、各々の超電導マグネットが標的領域での全体の不均一性（結果として生じる均一性）に寄与することになる。この結果、全不均一性は、第１及び第２の超電導マグネットそれぞれの不均一性の比例和となる。
【0014】
このような状況では、２つの超電導マグネットのうちの一方の不均一性を補正する必要がある。このことは、２つの超電導マグネットの一方と直列に接続され、これによりそれぞれの１つの超電導マグネットと同じ電流回路で稼働される補正コイルを適用することによって達成される。この原理を利用することで、２つの超電導マグネットの一方の不均一性が、他方の超電導マグネットの不均一性を相殺するように設計され、結果として生じる均一性レベルの仕様を満たすようにされる。同様の状況で、同じ電流回路の一部を形成しているなど、複数の超電導マグネットが（電気的に）直列に接続された場合、超電導マグネットの１つのマグネットの均一性に適用される又は均一性に影響を与える何らかの変更は、複数の超電導マグネットの他の超電導マグネットの各々の均一性に波及効果を有する。
【0015】
第１の態様によるマグネットシステムとは異なり、２つの超電導マグネットのうちの１つの超電導マグネットの結果として生じる均一性への寄与にばらつきがある場合、組立体全体の不均一性は、もはや完全に又は同程度には補正されない。このような変動の原因は、例えば、相対的オフセット又は超電導マグネットの少なくとも一方の動作電流の変化に起因するものとすることができる。補正が完全なものでなくなる理由は、相殺がもはや完全でなくなるか、又は完全であることができなくなるためである。しかしながら、発明者らが発見したことを適用しなければ、このような補正の程度の変化などを低減することはできない。
【0016】
代わりに、第１の態様による配置を採用することにより、マグネットの移動又は動作電流の変化によって生じる変化など、均一性を変えることになる変化は、その変化が生じるマグネットの均一性に影響を与えないか、又はその変化が生じるマグネットの均一性にのみ影響を与える。従って、例えば結果として生じる磁場の均一性への影響は、著しく制限される。従って、これにより、非独立の均一性を有するマグネットシステムにおいて、均一性が相互依存する場合に許容できない全体的な均一性レベルを生じるような不均一性の原因が低減される。このように、マグネットの全体的な均一性が改善され、マグネットシステムは、不均一性の原因に対してより強くなる。
【0017】
標的領域は、約０．５センチメートル（ｃｍ）直径の球形体積（ｄｓｖ）から、１センチメートルｄｓｖなどの約２センチメートルｄｓｖのサイズを有することができる。標的領域は、典型的には、第１のマグネット（及び典型的には第２のマグネット）の幾何学的中心である中心軸の中心点を中心とすることができる。本明細書で呼ばれる均一性は、典型的には、球状標的領域内の磁場（一次磁場方向である）のｚ成分（すなわちＢｚ）の磁場強度の、当該領域の中心における磁場に対する変動を考慮することによって測定される。例えば、標的領域内で最大１０ｐｐｍの均一性を有する磁場は、標的領域内の何れかの位置において１０ｐｐｍ未満だけ変化するＢｚ成分を有する（すなわち、標的領域内の最大磁場と標的領域内の最小磁場との間の差が、当該領域の原点における磁場値の１０ｐｐｍ未満である）。
【0018】
ある領域（標的領域など）にわたる磁場の変動は、球面調和関数の観点から分析することができる。当該領域内の何れかの点における磁場は、その成分の和である。更に、当該領域（例えば上記で言及した１０ｐｐｍ）にわたる全体の均一性は、当該領域内の最大変動によって定義される。磁場の各成分（すなわち球面調和関数）は、均一性に対し異なる寄与をする。Ｚ２成分を例にとると、これは、軸に沿った距離の２乗として変化するので、＋１ｃｍと－１ｃｍで同じ値になる。１ｃｍ ｄｓｖを考慮すると、この成分の最大値は＋／－０．５ｃｍとなり、Ｚ２が不均一性に対する唯一の寄与であった場合、４ｐｐｍ／ｃｍ2のＺ２（各成分はｐｐｍ／ｃｍnの単位を有し、ここでｎは成分の球面調和次数である）は、１ｃｍ ｄｓｖにわたって１ｐｐｍの値に対応する。
【0019】
均一性の値は、正の値又は負の値として定めることができるが、上記の第１のレベルの均一性及び／又は第２のレベルの均一性及び／又は結果として生じる均一性は、絶対値であると考えることができる。従って、これらは、１つ、２つ又は３つの記載された均一性の各々について正又は負の１０ｐｐｍのように、記載されたレベルに対する正及び負の均一性を包含することを意図している。均一性又は球面調和値が負であると具体的に記載されている場合、又は負であると記載されている均一性と同じ関連で記載されている場合を除き、本明細書に開示された全ての均一性は、絶対値として考えることができ、従って、記載されたレベルの正及び負の均一性を包含することを意図している。この一環として、ｐｐｍの均一性については、数値が小さい（すなわちゼロに近い）ほど、均一性が優れていると理解できる。このように、±１ｐｐｍの均一性は、±１０ｐｐｍの均一性よりも優れており、ひいては±１００ｐｐｍの均一性よりも優れている。従って、記載された均一性値に関して「最大」という用語は、均一性がゼロを含めてゼロから、記載された均一性値を含めて均一性値までの範囲に存在できることを意味する。
【0020】
「ＬＴＳ材料」という用語は、工学的臨界電流密度１００アンペア／平方ミリメートル（Ａ／ｍｍ2）において、４．２Ｋで最大でも約２２Ｔまでの最大磁場強度を可能にする超電導材料を意味する。これは、ニオブ－チタン（ＮｂＴｉ）及びニオブ－スズ（Ｎｂ3Ｓｎ）等の材料を含む。ＬＴＳ材料は、４．２Ｋ未満でこれらを動作させることにより、性能のある程度の増強を提供することができる。しかしながら、ＮｂＴｉ及びＮｂ3Ｓｎの場合、これは、最大磁場強度の限界を約２～２．５Ｔ引き上げるだけである。Ｎｂ3Ｓｎの工学的臨界電流密度は、約２０Ｔを超える磁場強度で急激に低下し、この材料は、約２０Ｔを超えると効率が大幅に低下し、４．２Ｋでは約２３．５Ｔを超えて使用できなくなる。
【0021】
「ＨＴＳ材料」という用語は、３０Ｔを超え、４０Ｔでも（及び約４．２Ｋ以下の温度で、典型的には８Ｋ、２０Ｋ、７７Ｋ又は９０Ｋのような約４．２Ｋを超える温度で）名目上使用可能な超電導特性を示す超電導材料を意味することを意図している。このような材料としては、希土類バリウム銅酸化物（ＲＥＢＣＯ）及びビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（ＢＳＣＣＯ、例えばＢＳＣＣＯ ２２１２又はＢＳＣＣＯ ２２２３）が挙げられる。
【0022】
上記から分かるように、ＨＴＳ材料はＬＴＳ材料と比較して高い臨界磁場を有するので、第２マグネットがＨＴＳ材料で形成されることにより、標的領域でより高い磁場を発生させることが可能となる。これは、現在の技術で、約２０Ｔをはるかに超える磁場強度（例えば２３．５Ｔを超える）を発生できる使用可能なマグネットシステムを提供するために、ＨＴＳ材料が必要とされることによる。しかしながら、これはＬＴＳ材料よりも桁違いに高価であるので、マグネットシステムは典型的にはハイブリッド型となり、最初の１５Ｔ～２０ＴはＬＴＳ巻線によって供給される。
【0023】
ＨＴＳ材料は、ＬＴＳ材料よりも高い温度で超電導を維持するが、典型的には、第１及び第２のマグネットを共通の温度で使用するのが最も便利である。従って、第１及び第２のマグネットは、使用時に第１及び第２のマグネットを共通の温度まで冷却するように構成されたデュワー等の同じ極低温ベッセル内に収容することができる。典型的には、極低温ベッセルは液体ヘリウムで満たされ、使用時に第１及び第２のマグネットを約４Ｋ（４．２Ｋなど）まで冷却する。しかしながら、第１及び／又は第２のマグネットを冷却するために、パルス管冷凍機のような無冷媒冷凍機を使用することもできる。
【0024】
「独立電流回路」という用語は、別個の回路であり、従って、これらの間の回路の一部としての接合又は物理的接続を有していない回路を意味するものとする。このように、独立した電流回路は、（互いに）非接合とすることができる。このことは、例えば一方の回路が他方の回路によって誘導充電可能であること、又は電流回路の独立性を維持できる電圧分配器等の何らかの機構がある限り、各回路に同じ電源を使用することを妨げるものではない。
【0025】
「オフセット」という用語は、均一性の変化又は不均一性を増大させる原因について議論する場合に用いられる。「オフセット」という用語は、コイル、マグネット又はマグネットの一部が、配置されるように設計された位置に対して及び／又は更なるコイル、マグネット又はマグネットの一部に対して移動又は誤配置されることを意味する。例えば、コイルの約１ｍｍ又は０．５ｍｍの軸方向オフセットとは、コイル及び／又はマグネット又はマグネットシステムの中心軸と同軸状に沿った方向のコイルの意図された位置からの移動又は位置決めのことであり、使用時にコイルが受ける力に起因する物理的な移動、又は何らかの他の理由による移動、又は組み立て中に（不注意に）誤って位置決めされたことによる移動の何れかである。このようなオフセットは、製造公差、組み立て技術、又は前述のようにコイルが受ける力の結果とすることができる。
【0026】
第１のマグネットは、標的領域において最大１ｐｐｍの均一性を有することができる。更に又は代替的に、第２のマグネットは、標的領域において最大１ｐｐｍの均一性を有することができる。第１及び第２のマグネットの各々が最大１ｐｐｍの均一性を有する場合、結果として生じる磁場は最大１ｐｐｍの均一性を有することができる。このように、典型的には、第１のレベルの均一性は最大１ｐｐｍとすることができ、第２のレベルの均一性は最大１ｐｐｍとすることができ、結果として生じる均一性は最大１ｐｐｍとすることができる。これにより、マグネットシステムは、ＮＭＲ用途での使用に好適にすることができ、結果として生じる磁場の正確な全均一性は、典型的には、第１及び第２のマグネットからの相対的な結果として生じる磁場寄与に依存する。
【0027】
第１のマグネット及び第２のマグネットがそれぞれ完全に均一であるような「完全な」システムにおける比較として、何れかのマグネットの位置又は電流の変化の影響は、組み合わされたマグネットの均一性にゼロの影響を与えることになる。本明細書に開示された態様によるマグネットシステムの目的は、この完全な解に実用的に限りなく近いものを達成することである。日常的な実用性を考慮すると、現実的には、これは、このようなマグネットシステムが用途に適しているために必要な変化を制限することを意味する（例えば、１ｐｐｍ又は１０ｐｐｍの均一性限界まで）。
【0028】
マグネットシステムは、第１のマグネットに第１の電流を供給し、第２のマグネットに第２の電流を供給し、第１及び第２の電流が互いに独立して制御されるように配置された制御システムを更に含むことができる。これにより、独立した電流回路に別々の電流を供給する手段と、第１のマグネット及び第２のマグネットの各々に供給される電流を制御する能力が提供される。
【0029】
マグネットシステムは、独立した電流回路を提供するために、第１のマグネット及び第２のマグネットの各々が並列に接続される単一の電源を（のみ）有することができる。上記で言及したように、これは電圧分配器を使用して達成することができる。或いは、単一の電源を第１又は第２のマグネットの一方のみ（第１のマグネットなど）に接続することができ、使用時に、独立した電流回路を維持しながら第２のマグネットを誘導充電するように配置することができる。しかしながら、典型的には、マグネットシステムは、使用時に第１のマグネットに電力を供給するように配置される第１の電源と、使用時に第２のマグネットに電力を供給するように配置される第２の電源とを更に含むことができ、第１の電源及び第２の電源は互いに独立している。これにより、独立した電流回路が更に互いに分離され、各電流回路の独立した制御が容易になり、第１マグネット及び第２マグネット間の意図しない結合が低減される。
【0030】
第１のマグネットは、バルク超電導体又は様々なマグネット幾何形状を含むことができる。典型的には、第１のマグネットは巻線マグネットである。このように、第１のマグネットは、第１の補償ソレノイドマグネットを含むことができる。これにより、第１のマグネットの均一性の精度及び予測可能性を高めることができる。
【0031】
第１のマグネットは、中心軸の周り（及びボアの外側）に巻かれた超電導材料から形成された複数のソレノイドを含むことができ、各ソレノイドは、それぞれの半径方向位置に配置される。第１のマグネットの最も外側のソレノイドは、ＮｂＴｉから形成することができる。ＮｂＴｉは、Ｎｂ3Ｓｎ及びＨＴＳ材料よりも比較的脆弱ではなく、著しく安価であるため、中心軸から半径方向に離れたマグネットシステムの低磁場領域において望ましい。
【0032】
第１のマグネットは、例えば、層巻きソレノイドのような１又は２以上のソレノイドの使用に純粋に基づき、適切な均一性を有するように設計することができる。典型的には、第１の補償ソレノイドマグネットは、少なくとも１つのソレノイド及び第１の補償コイルのセットを含み、第１の補償コイルのセットは、使用時に少なくとも１つのソレノイドを補償するように配置される。
【0033】
従って、このような補償コイルは、第１のマグネットの設計及び構造（すなわち、無限に長いソレノイドでないことによる）から生じる標的領域における磁場の不均一性を補正するために設けることができる。
【0034】
例えば、第１のマグネットは、第１のソレノイドと電気的に直列に接続された第１の補償コイルのペアを有することができる。補償コイルの第１のペアは、第１のソレノイドを下回る中心軸からの半径方向位置に配置することができる。
【0035】
第１のソレノイド及び第１の補償コイルのペアは、Ｎｂ3Ｓｎから形成することができる。Ｎｂ3Ｓｎは、高磁束密度で超電導を維持できる能力があるので望ましい。従って、補償コイルは、マグネットシステムの高磁場領域で使用することができる。
【0036】
第２のマグネットは、バルク超電導体、強磁性材料、抵抗性電磁石、又は超電導ワイヤ若しくはテープのような、任意の適切な磁気形状であるか、又は任意の適切な磁気形状を含むことができる。典型的には、第２のマグネットは、中心軸上（及び典型的にはボアの外側）に配置されたコイルのセットなどのコイルのセットを含み、各コイルは、それぞれの半径方向位置に配置することができる。コイルのセットは、１又は２以上のソレノイド及び／又は１又は２以上のパンケーキコイルとすることができる。ソレノイドは、層巻きソレノイドとすることができる。コイルのセットを使用することにより、第２のマグネットの均一性の精度及び予測可能性がより高くなる。
【0037】
第２のマグネットは、第１のマグネットに対して中心軸上で同軸状に、及び第１のマグネットの半径方向内側に配置することができる。これにより、マグネットシステムの全体のサイズを最小化し、標的領域における結果として生じる磁場への寄与を可能な限り大きくすることができる。
【0038】
第２のマグネットは、少なくとも１つのソレノイド及び少なくとも１つのソレノイドに補償を提供するように使用時に動作される第２の補償コイルのセットを含む、第２の補償ソレノイドマグネットを含むことができ、第２の補償コイルのセットは次式：
に従って配置され、ここで、ｒ0は少なくとも１つのソレノイドの内側半径であり、ｒpは（第２の補償コイルのセットの）それぞれの補償コイルの中心の半径であり、ｚpは前記補償コイルの中心の軸方向位置である。典型的には、第２の補償コイルのセットは、第２のマグネットの電流回路の一部として（電気的に）直列に接続される。これにより、少なくとも１つのソレノイドによって生成可能な磁場の不均一性を補償することができる。従って、このような補償コイルは、第２のマグネットの設計から生じる標的領域での磁場の不均一性を補正するために設けることができる。
【0039】
第２の補償コイルのセットは、次式：
に従って配置することができる。
【0040】
第２の補償ソレノイドマグネットの少なくとも１つのソレノイドは、標的領域から軸方向に対称に離れるように軸中心から延びる第１の（層巻き）ソレノイドコイルを含むことができ、第２の補償コイルのセットはパンケーキコイルであり、一次ソレノイドコイルの軸方向端部に一次ソレノイドコイル隣に接して配置される。この場合、ｒ0は一次ソレノイドコイルの内側半径とすることができる。
【0041】
パンケーキコイルのみで構成されたコイルセットは、本質的に電流密度が不均一になるため、例えば、理論設計と比較して電流密度の偏差の影響に起因して従来のＮＭＲ用途に使用することは極めて難しくなる。これは、１つにはこのような構造における電流の流れ方に起因し、また１つには製造公差に起因する。しかしながら、マグネットの標的領域にて見られるこれらの影響の大きさは、中心から離れるにつれて急激に小さくなる。従って、記載の配置は、技術的に困難で高価な層巻きＨＴＳ補償コイルを使用する必要なく、所望の均一性を有する補償された第２のマグネットを提供する簡単な手段を提供する。
【0042】
パンケーキコイルは、当該技術分野において知られており、導体が原点の周りに共通の平面に沿って外側に螺旋状に巻かれる場合に生じる。この場合、原点は、マグネットシステムの中心軸に沿って配置され、平面は中心軸に垂直である。原理的には単一のパンケーキコイルのみを使用することができるが、実際にはマグネットの軸方向に沿って複数のパンケーキコイルを積層することができる。例えば、２つのパンケーキコイルをスタックすると「ダブルパンケーキ」を形成する。これは、１つのパンケーキの外側から第２のパンケーキコイルの最も内側の位置まで螺旋状の導体が巻かれ、そこから半径方向外側に導体が巻かれ、第２のパンケーキは第１のパンケーキと同軸状に配置され、第１のパンケーキと同じ方向に巻かれる。更にパンケーキコイルが同じスタックに巻かれる場合、各コイルは、連続しているパンケーキコイルの螺旋の端部がどこに位置しているかに応じて、半径方向最も内側の位置又は半径方向最も外側の位置の何れかで同じ方法で隣接コイルに接続される。このようにして（及びこのように接続された複数のパンケーキコイルの任意の配置に対して）パンケーキコイルの接続されたスタックが形成される。
【0043】
第２のマグネットは更に、一次ソレノイドコイルに対して中心軸上に同軸状に、及び一次ソレノイドコイルの半径方向内側（但し、典型的にはボアの外側）に配置された二次ソレノイドコイルを含むことができる。これにより、所望の均一性レベルを維持しながら、磁場強度の増加を達成することができる。
【0044】
第２の補償コイルは、一次ソレノイドコイルと少なくとも部分的に半径方向に重なりを有して一次ソレノイドコイルの各端部の軸方向外側に位置する補償コイル、及び／又は一次ソレノイドコイルの各軸方向端部において一次ソレノイドコイルの半径方向外側に位置する補償コイルを含むことができる。上述した効果と同様に、これにより、パンケーキコイルによる高次調和関数への影響が制限されると同時に、第２マグネットの磁場均一性が改善される。
【0045】
各第２の補償コイルは、１次ソレノイドコイルに対して逆巻きにすることができる。しかしながら、典型的には、各第２の補償コイルは、１次ソレノイドコイルに対して順方向に巻くことができる。これにより、各第２の補償コイルは標的領域に正のゼロ次磁場に寄与する。
【0046】
第２の態様によれば、標的領域において均一磁場を発生させるためのマグネットシステムが提供され、このマグネットシステムは、中心軸の周りに円筒形状の超電導材料から形成された第１のマグネットであって、第１のマグネットは、使用時に中心軸上に位置する標的領域において第１の磁場を発生するように配置された、第１のマグネットと、使用時に第１の磁場の均一性を提供するように動作される補償コイルのセットと、を備え、第１のマグネットは、標的領域から軸方向に対称的に離れて軸中心から延び、補償コイルのセットは、次式；
に従って配置され、ここで、ｒ0は第１のマグネットの内側半径であり、ｒpはそれぞれのパンケーキコイルの中心の半径であり、ｚpはパンケーキコイルの中心の軸方向位置である。
【0047】
補償コイルのセットは、第１のマグネットの軸方向端部において、第１のマグネットに隣接して配置されてもよい。
【0048】
補償コイルは、第１のマグネットの各端部の軸方向外側に、第１のマグネットと少なくとも部分的に半径方向で重なりを有して配置された補償コイル、及び／又は第１のマグネットの各軸方向端部において第１のマグネットの半径方向外側に配置された補償コイルを含むことができる。
【0049】
第２の態様によるマグネットシステムは更に、第１のマグネットに対して中心軸上に同軸状に配置され且つ第１のマグネットの半径方向内側に配置された第２のマグネットを含むことができ、任意選択的に、第１のマグネットは一次ソレノイドコイルとすることができ、及び／又は第２のマグネットは第２のソレノイドコイルとすることができる。
【0050】
各第２の補償コイルは、第１ソレノイドコイルに対して順方向に巻かれることができる。
【0051】
第２の態様のマグネットシステムは、第１の態様の第２のマグネットを提供することができ、第１の態様の第２のマグネットに関連して上述した何れかの個々の特徴又は特徴の組み合わせを含む又は組み込むことができる。加えて又は代替的に、第２の態様のマグネットシステムは、ＨＴＳ材料で形成されてもよい。
【0052】
本明細書に記載のマグネットシステムは、特に高磁場において好適であり、典型的には標的領域において２０Ｔを超えて、好ましくは２５Ｔを超える磁場を発生するように配置される。ＭＲＩシステムは、典型的には、より大きな試料を使用するので、一般に、これらのシステムでは、より大きな標的領域にわたって均一性を達成することがより適切とすることができる。その結果、１ｃｍｄｓｖの標的領域にわたって極めて高い均一性を有することは、一般に、ＭＲＩシステムには関係しない。従って、少なくとも第１の態様によるマグネットシステムは、ＮＭＲ分光法における使用に特に適しており、典型的には１ｐｐｍ未満など、標的領域において５ｐｐｍ未満の均一性をもたらす。第３の態様は、従って、第１の態様又は第２の態様によるマグネットシステムを含むＮＭＲ分光計であり、このＮＭＲ分光計は、典型的には、均一性を更に改善するために、超電導シム等の追加の構成要素を含む。ＮＭＲ分光計は、ＮＭＲ分光計の動作の動作中にマグネットシステムを１０Ｋ未満など１００Ｋ未満まで冷却するように構成された極低温冷却システムを更に含むことができる。冷却システムは、マグネットシステムを５Ｋ以下、４．２Ｋ以下（すなわち、幾つかの例では約２Ｋまで）まで冷却するように構成することができる。このマグネットシステムは、フーリエ変換質量分析、ＦＴＭＲ（フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴、ＦＴ－ＩＣＲとも呼ばれる）などの他のＮＭＲシステムでの使用にも適している。
【0053】
例示的なマグネットシステムについて、添付図を参照しながら以下で詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】先行技術のマグネットシステムの概略図である。
【図2】別の先行技術のマグネットシステムの概略図である。
【図3】第１の実施例のマグネットシステムの概略図である。
【図5】第２の実施例のマグネットシステムの概略図である。
【図6】第３の実施例のマグネットシステムを示す概略図である。
【図7】第４の実施例のマグネットシステムを示す概略図である。
【図8】第５の実施例のマグネットシステムの概略図である。
【図9】第６の実施例のマグネットシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0055】
既存のマグネットシステムの一例を図１の１’に概略的に示す。この図は、先行技術のマグネット組立体による円筒形コイルセットを通る断面の概略図である。
【0056】
断面は、マグネットのボアに沿って延びる中心軸２０’に沿って取られている。ボアの上方及び下方に組立体の２つの側面が図１に示されている。他の全ての図では、それぞれのマグネット組立体又はマグネットシステムの一方の側のみが示されているが、コイルは、各それぞれの組立体又はシステムの中心軸の反対側に対称的に配置されており、単に明瞭にするために図に示されている訳ではないことが理解されよう。
【0057】
図１に示す組立体１’は、第１のソレノイド２’、第２のソレノイド３’及び第３のソレノイド４’を含む第１の超電導マグネット１０’を有する。第１、第２及び第３のソレノイドの各々は、ＮｂＴｉ及びＮｂ3ＳｎのようなＬＴＳ材料で形成されている。
【0058】
第１のソレノイド２’は、半径方向で最も内側のソレノイドであり、第２のソレノイド３’は、半径方向において第１のソレノイドと第３のソレノイド４’の間に配置されている。このように、第３のソレノイドは、半径方向で最も外側のソレノイドである。更に、第１のソレノイドはまた、第１のソレノイド自体と第２のソレノイドとの間に半径方向の離隔距離を有するが、第２のソレノイド及び第３のソレノイドは、互いにほぼ半径方向に隣接している。
【0059】
第１の超電導マグネット１０’の各ソレノイドによって占有される軸方向空間との関係において、第１のソレノイド２’は、互いにほぼ同じ軸方向空間を占有する第２のソレノイド３’及び第３のソレノイド４’の各々よりも少ない軸方向空間を占有する。
【0060】
第１の超電導マグネット１０’の各ソレノイド２’～４’は、中心軸２０’を中心として同軸状に巻かれている。マグネット組立体１’はまた、第１のコイル５’及び第２のコイル６’を備えた第２の超電導マグネット３０’を有する。第２の超電導マグネットのコイルもまた、中心軸を中心として同軸状に巻かれている。
【0061】
第１のコイル５’は、第２の超電導マグネット３０’の半径方向最内側のコイルである。第１のコイル及び第２のコイル６’は半径方向に互いに隣接している。更に、これらのコイルは、第１の超電導マグネット１０’のソレノイド２’、３’、４’の半径方向内側に配置され、第１のソレノイド２’から半径方向に離間している。
【0062】
第１のコイル５’は、第２のコイル６’よりも少ない軸方向スペースを占有し、その結果、第１のソレノイド２’よりも少ない軸方向スペースを占有する。
【0063】
第１のコイル５’及び第２のコイル６’の各々は、ＢＳＣＣＯ ２２１２のようなＨＴＳ材料で形成されている。
【0064】
第２～第５ソレノイドの各々の径方向の厚さについて、第２ソレノイド３’、第１コイル５’及び第２のコイル６’は、互いにほぼ同じ径方向の厚さである。第１ソレノイド２’は、これらのソレノイドよりも小さい軸方向の長さを有し、第３ソレノイド４’は、これらのソレノイドよりも長い軸方向長さを有する。
【0065】
図１に示すマグネット組立体１’は、非補償型ソレノイドマグネット組立体である。
【0066】
マグネット組立体１’は、所定の仕様を満たす磁場均一性を有するように設計されている。図１に示すような非補償型マグネット組立体は、１ｃｍ ｄｓｖにわたって１００ｐｐｍ未満の均一性を有するように設計することができる。
【0067】
マグネット組立体１’が設計通りに構築され意図した通りに動作して、第１の超電導マグネット１０’及び第２の超電導マグネット３０’（すなわち、それぞれＬＴＳマグネット及びＨＴＳマグネット）が所定の動作電流Ｉｏｐで動作する場合、球面調和関数を用いたマグネット組立体全体の不均一性への寄与（すなわち、ＬＴＳマグネット及びＨＴＳマグネットの均一性の和、ひいては結果として得られる磁場の均一性）は、ｐｐｍ／ｃｍ＾ｎ単位で、表１に示されるようになる。
表１
表１
【0068】
これは、マグネット組立体全体からの全中心磁場に対する値である表中に提供される球面調和成分に関する実施例を示している。
【0069】
このようなマグネットの場合、第２の超電導マグネット３０’のコイルと第１の超電導マグネット１０’のソレノイドとの間（すなわち、ＨＴＳマグネットとＬＴＳマグネットの間）に１ｍｍの軸方向オフセットがあるとすると、各々が所定の動作電流Ｉｏｐで動作している場合、球面調和関数に関するマグネット組立体１’全体の不均一性への寄与（すなわち、ＬＴＳマグネット及びＨＴＳマグネットの均一性の合計、及びひいては結果として生じる磁場の均一性）は、表２に示すようになる。
表２
表２
【0070】
表１と同様に、表２は、マグネット組立体全体からの全中心場に対する値である表中の球面調和成分に関する実施例を示している。上記の詳細事項に沿って、例えば、Ｚ１調和関数はｐｐｍ／ｃｍの単位を有し、Ｚ２調和関数はｐｐｍ／ｃｍ2の単位を有し、Ｚ３調和関数はｐｐｍ／ｃｍ3の単位を有する。これはまた、表２及び以下の表３の対応する値にも当てはまる。
【0071】
表１と表２とを比較すると分かるように、第１の超電導マグネット１０’のソレノイドに対して第２の超電導マグネット３０’のコイルを１ｍｍ軸方向にオフセットすると、Ｚ１調和関数では７０ｐｐｍ／ｃｍの均一性が得られ、Ｚ３調和関数では１ｐｐｍ／ｃｍ3の均一性が得られる。Ｚ１調和関数の７０ｐｐｍ／ｃｍの変化は、小さなオフセットに対する均一性の大きな変化である。
【0072】
更に、第２の超電導マグネットに電流変動があった場合、このマグネットはＺ２調和関数において３５１ｐｐｍ／ｃｍ2の均一性を有するので（図１のマグネット組立体は補償されていないため、第２の超電導マグネットの設計に起因して）、動作電流に１％の変動があった場合には、Ｚ２球面調和関数において３ｐｐｍ／ｃｍ2より大きな均一性の変化につながる可能性がある。しかしながら、第１超電導マグネット及び第２超電導マグネット間の軸方向オフセットに起因するＺ２球面調和への影響はほとんどない。
【0073】
図１に示す先行技術のマグネット組立体１’により表される「１００ｐｐｍマグネット」は、マグネットを補正することによって「１ｐｐｍマグネット」（すなわち、磁場均一性が約１ｐｐｍのマグネット組立体）に変えることができる。このようなマグネット組立体の一例が、図２の１’’に一般的に示されている。上述したように、この図は、後続の各図と同様に、中心軸の片側のマグネットの構成のみを示している。
【0074】
図２に示すマグネット組立体１’’は、第１の超電導マグネット１０’’及び第２の超電導マグネット３０’’を有する。第２の超電導マグネットは、図１のマグネット組立体１’と全く同じコイル構成を有する。このように、図２に示す第２の超電導マグネット３０’’は、中心軸２０’’の周りに同軸状に巻かれたコイル５’’及び６’’を有し、各々がＨＴＳ材料で形成されている。
【0075】
図２のマグネット組立体１’’の第１の超電導マグネット１０’’に目を向けると、これは、図１のマグネット組立体１’の第１の超電導マグネット１０’と同じ構成及び組成の第１のソレノイド２’’、第２のソレノイド３’’及び第３のソレノイド４’’を有する。しかしながら、第１から第３のソレノイドに加えて、図２に示す第１の超電導マグネットは、第１の補償コイル７ａ’’及び第２の補償コイル７ｂ’’も有する。
【0076】
補償コイル７ａ’’、７ｂ’’は、中心軸２０’’の周りに同軸状に巻かれており、第１のソレノイド２’’の半径方向内側に配置されている。各補償コイルはＬＴＳ材料で形成され、ソレノイド２’’、３’’、４’’と直列に接続されている。
【0077】
補償コイル７ａ’’、７ｂ’’は、互いに同じ半径方向位置に配置されている。軸方向位置に関しては、補償コイルは、中心軸２０’’の軸方向中心から等距離に軸方向に配置され、互いに同じ量の軸方向空間及び半径方向厚さを占める。従って、補償コイルは、中心軸２０’’に沿った幾何学的中心点の周りに軸方向にオフセットを有して対称に配置される。これは、不均一性の軸方向の奇数次数（例えばＺ３など）を相殺するためである。
【0078】
更に、補償コイルの半径方向の厚さは、第１のソレノイド２’’の半径方向の厚さとほぼ同じである。各補償コイルの軸方向中心は、第２の超電導マグネット３０’’の第１のコイル５’’の軸方向端部とほぼ一致している。これらの補償コイルは、第１の超電導マグネット１０’’のソレノイド２’’、３’’、４’’及び第２の超電導マグネット３０’’の補償を行う。
【0079】
第１の超電導マグネット１０’’及び第２の超電導マグネット３０’’を所定の動作電流Ｉｏｐで動作させた状態で、マグネット組立体１’’を設計通りに構成し、意図した通りに動作させた場合、各超電導マグネットの磁場及びマグネット組立体全体の球面調和関数の均一性は、表３に示すようになる。
表３
表３
【0080】
表３に示すように、意図した条件下では、図２のマグネット組立体１’’は１ｐｐｍマグネットであることが分かる（前述の通り）。これは、Ｚ２調和関数における均一性が４ｐｐｍ／ｃｍ2であることに起因し、上述したように、１ｃｍ ｄｓｖにわたって約１ｐｐｍのマグネット組立体の全体的な均一性に相当する。
【0081】
図１のマグネット組立体１’と比較した均一性のこの改善は、補償コイル７ａ’’、７ｂ’’によって提供される。しかしながら、第２の超電導マグネット３０’’と第１の超電導マグネット１０’’のコイル間に１ｍｍの軸方向オフセットがある場合を表４に示す。
表４
表４
【0082】
図１のマグネット組立体１’と比較して、Ｚ２球面調和関数では引き続き不均一性の低減が見られるが、表４は、Ｚ１球面調和関数では、オフセットによって生じる不均一性は図１のマグネット組立体と同じであることを示している。更に、第２の超電導マグネット３０’’からのＺ２調和関数における均一性が３５１ｐｐｍ／ｃｍ2であるため、動作電流の１％の変動は、依然としてＺ２調和関数における均一性の３ｐｐｍ／ｃｍ2以上の変化をもたらす。このように、補償コイルを追加しても、軸方向のオフセットによる均一性の変化にはほとんど影響しない。従って、ＨＴＳマグネット及びＬＴＳマグネットの間にわずかなオフセットがある場合でさえ、標準的な補償磁気組立体は非補償磁気組立体に対してほとんど改善効果がないことを示している。
【0083】
しかしながら、発明者らは、本明細書に開示された態様に対応するマグネットシステムを使用することにより、均一性を改善できることを見出した。その例を図３及び図５～図９に示す。ある態様によるマグネットシステムの例は、一般に図３に符号１として示されている。
【0084】
図３に示す例では、第１の超電導マグネット１０がある。これは、図２に示したマグネット組立体１’’の第１の超電導マグネット１０’’と同一の構成のソレノイド２、３、４及び補償コイル７ａ、７ｂを有する。これは、図３の実施例の補償コイル７ａ、７ｂが、図２に示された第１の超電導マグネットの補償コイル７ａ’’、７ｂ’’よりも軸方向の占有スペースが少ないこととは別のことである。従って、ソレノイド及び補償コイルと中心軸２０との関係は、図２と同じである。更に、図３の実施例に示す第１の超電導マグネットのソレノイド２、３、４及び補償コイルは、引き続きＬＴＳ材料で形成されている。
【0085】
図３に示す例のマグネットシステム１は、第２の超電導マグネット３０も有する。第２の超電導マグネットは、図１及び図２のマグネット組立体１’、１’’の第１のコイル５’、５’’と同一の構成を有する第１のコイル５を有する。更に、図３に示す第１のコイルは、図１及び図２の対応するコイルの場合と同様に、中心軸及び第１の超電導マグネット１０との半径方向及び軸方向の関係を有する。
【0086】
図１及び図２に示した第２のコイル６’、６’’の代わりに、図３に示す例では、第２の超電導マグネット３０は５つのコイルを有する。これらはそれぞれ中心軸２０の周りに同軸状に巻かれ、互いに直列に接続され、及び第２の超電導マグネットの第１のコイル５と接続されている。これら５つのコイルは、図１及び図２の第２のコイルと同じ半径方向位置に配置されている。これらのコイルの軸方向端部も、図１及び図２の第２のコイルと軸方向にほぼ同じ位置に配置されている。５つのコイルの各々は、ＨＴＳ材料で形成されている。
【0087】
図３の例における第２の超電導マグネット３０の５つの更なるコイルは、第２の中央コイル８を含む。このコイルの軸中心は、この実施例のマグネットシステム１の残りの部分に対する中心軸の軸中心と一致している。第２の中央コイルはまた、５つの更なるコイルの中で最も短い軸方向の長さを有する。
【0088】
第２の中央コイル８に対して軸方向外側に、そこから等距離及びそれに対して対称に配置された２つの第２の中間コイル９ａ、９ｂがある。これらは、第２の中央コイルから軸方向に間隔を置いて配置されている。第２の中間コイルは、互いに同じ軸方向長さを有し、及び第２の中央コイルの軸方向長さの約２～３倍の軸方向長さを有する。
【0089】
２つの第２の中間コイル９ａ、９ｂの軸方向外側に及び軸方向端部に隣接して、２つの第２の外側コイル１１ａ、１１ｂがある。これらは第２の中央コイル８に対して対称に配置され、及び互いに同じ軸方向長さを有し、第２の中間コイルの軸方向長さの約２倍である。第２の中間及び中央コイルの軸方向の大きさと組み合わせて、これにより、第２の外側コイルは、第１のコイル５の軸方向端部よりも軸方向の中心に近い軸方向の内側の端部を有する。第２の外側コイルの軸方向端部は、第１のコイルの軸方向端部よりも軸方向外側に、第１のコイルの軸方向長さの約４分の１だけ突出している。中央、中間及び外側の軸方向コイル８、９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂは、互いに同じ半径方向厚さを有し、これは、図１及び図２に示す第２のコイル６’、６’’とほぼ同じ半径方向厚さである。
【0090】
図３に示す例の第１の超電導マグネット１０及び第２の超電導マグネット３０は、互いに独立した電流回路である。図３に示す例では、これは、第１の超電導マグネット及び第２の超電導マグネットそれぞれに対して、互いに独立した第１の電源４０及び第２の電源５０によって実現されている。第１及び第２の電源は、マグネットを作動させるための電力を供給するために、各マグネットに適切な方法で接続される。更に、図３では超電導マグネットに近接して示されているが、電源は超電導マグネットの電源としては従来の場所に配置される。これは典型的には、超電導マグネットによって発生させることができる磁場が電気製品に影響を与えることができる容積の外側にある。
【0091】
独立した電流回路として動作することにより、図３に示す例の第１の超電導マグネット１０及び第２の超電導マグネット３０は、使用時に独立した磁場を発生する。これらが組み合わさって、中心軸２０の軸中心を中心とする約１ｃｍ ｄｓｖの標的領域に結果として生じる磁場を発生させる。マグネットシステム１が意図した通りに作動しているときのこの標的領域における結果として生じる磁場の均一性を表５に示す。
表５
表５
【0092】
表５に示す値は、第１及び第２超電導マグネット１０、３０の間に１ｍｍの軸方向オフセットがある場合のマグネットシステム１の均一性と比較することができ、表６に示す。
表６
表６
【0093】
表６から分かるように、図３の例では、第１超電導マグネット１０に対して第２超電導マグネット３０を１ｍｍ軸方向にオフセットすると、Ｚ１調和関数では１ｐｐｍ／ｃｍしか生じない。しかしながら、表５と比較すると、結果としての磁場の均一性の変化は、表４の例と比較して、数桁、大幅に減少しており、実質的な改善を示していることが分かる。
【0094】
更に、軸方向オフセットの有無に関わらず、第２の超電導マグネット３０の均一性はＺ２調和関数において１ｐｐｍ／ｃｍ2であるため、軸方向オフセットの有無に関わらず、第２の超電導マグネット３０の均一性はＺ２調和関数において１ｐｐｍ／ｃｍ2である。これは、中央、中間及び第２の外側コイル８，９ａ，９ｂ，１１ａ，１１ｂの構成によるものである。表６から、Ｚ２調和関数において１ｐｐｍ／ｃｍ2より大きい均一性の変化を生じさせるためには、３０％より大きい動作電流の変動が必要であることが分かる。
【0095】
従って、図３に示す実施例は、１ｍｍのオフセットがあっても標的領域（すなわち１ｃｍ ｄｓｖ）にわたって約１ｐｐｍの均一性を提供することができる。このレベルの均一性を維持できることにより、均一性の信頼性が向上し、及びこのようなマグネットシステムは、ＮＭＲ分光器のような均一性に１ｐｐｍの制限を設けるマグネットシステムの仕様内に維持される。これは、第１のマグネット１０及び第２のマグネット３０が、独立して補償されることによって提供することが可能であるように、独立して均一性であることによって達成される。この観点から、第１のマグネット及び第２のマグネットのそれぞれの均一性は、それぞれのマグネットのソレノイド及び／又はコイルの配置によって決定される。このように、第１のマグネット及び第２のマグネットは、それぞれの均一性を決定するために、互いに独立して設計することが可能である。
【0096】
更なる実施例は、表５及び表６が関係する実施例に示されたものと同様の効果を示す。本明細書に開示された態様によるマグネットシステムを提供するために見ることができるこのような例の１つは、図３に関連して上述した同じ概略配置（正確に同じ寸法ではないが）を使用し、同じＺ１球面調和成分をｐｐｍ／ｃｍの単位で使用する。この例では、第１の超電導マグネット１０について１５ｐｐｍ／ｃｍ＾２、及び第２の超電導マグネット３０について－５ｐｐｍ／ｃｍ＾２のｐｐｍ／ｃｍ＾２単位のＺ２球面調和成分の初期セットが、第１の超電導マグネットについて１３５Ａ、及び第２の超電導マグネットについて３５０Ａの動作電流Ｉｏｐで存在する場合、１０ｐｐｍ／ｃｍ＾２のＺ２球面調和成分の均一性が結果として存在する。第２の超電導マグネットの１ｍｍの軸方向オフセットが、この段落に記載された初期値の配置と比較して存在する場合、本明細書に開示された態様によるマグネットシステムでは、個々の超電導マグネット（すなわち、第１の超電導マグネット及び第２の超電導マグネット）の均一性に変化はなく、オフセットが存在しない場合と比較して、結果として生じる均一性に１ｐｐｍ／ｃｍの変化しかない。このことから、Ｚ２調和関数で３ｐｐｍ／ｃｍ＾２よりも大きい均一性の変化をもたらすには、５０％よりも大きい動作電流の変動が必要であることが分かる。このことは、例えば表４に関連する配置の詳細と比較して、大幅な改善が見られることを示している。
【0097】
第２のマグネットの設計の概略図が、図３の例に対する比較例として提供される図４の６０’に図示されている。この図は一般にマグネットシステム１００’を示している。このシステムは、例えば図３の第１のマグネットに対応する第１のマグネット１０’’’を有する。しかしながら、そのマグネットの詳細は、図４～図９に関連して説明される第２のマグネットの詳細とは関連しないので、図４及び図５において破線で示され、これらの図においてのみ示される。これは、このようなマグネットが、従来設計されたシステム及び本明細書に開示された態様によるシステム（すなわち、図５～図９に示された例示的なシステムなど）において存在することが可能であるが、それらの図に関連して説明されたマグネットの機能性又は構成に影響を与えないことを示すためである。
【0098】
図４において、第２のマグネット６０’は７つのコイルを有する。これらはそれぞれ中心軸２０’’’の周りに同軸状に巻かれ、互いに直列に接続されている。図４に示す例では、７つのコイルはそれぞれＨＴＳ材料で形成されている。
【0099】
図４の例における第２の超電導マグネット６０’の７つのコイルは、中央コイル１０１を含む。このコイルの軸方向中心は、図４に示すマグネットシステムの中心軸を作る破線２０’’’と交差する破線２１’’’で示される軸方向中心と一致している。この交点は、図４に示すマグネットシステム１００’の軸方向中心及び幾何学的中心を示す。
【0100】
中央コイル１０１の各軸方向端部には、第１の中間コイル１０２がある。これらのコイルの半径方向内側は、中央コイルの半径方向内側と整列している。この位置において、第１の中間コイルは、中心コイルの半径方向位置が中心軸２０’’’から配置されるのとほぼ同じ軸方向位置にある。これは、第一中間コイルの自然な位置決めである。これは、高次の軸方向調和関数のバランスをとる能力を提供するために、「ヘルムホルツコイル」の位置に近いからである。
【0101】
第１の中間コイル１０２の位置及び配置に関する他の詳細に関しては、第１の中間コイルの各々は、中心コイル１０１よりも半径方向外側に延び、中心コイルの軸方向範囲の約３分の１の軸方向範囲を有する。中心コイルの半径方向の広がりの割合として、第１の中間コイルは、中心コイルよりも更に半径方向外側に約４分の１から３分の１延びる。
【0102】
第１の中間コイル１０２の各々の軸方向外側の端部において、第２のマグネット６０’は第２の中間コイル１０３を有する。第１の中間コイルと同様に、これらのコイルの半径方向内側は、中央コイル１０１の半径方向内側と整列している。第２の中間コイルの各々は、中央コイル未満の半径方向外側に延び、各第１の中間コイルの軸方向範囲とほぼ同じ軸方向範囲を有する。中心コイルの半径方向の広がりの割合として、第２の中間コイルは、中心コイルよりも半径方向に約４分の１から３分の１未満に広がっている。
【0103】
第２中間コイル１０３の各々の軸方向外端部には外側コイル１０４が配置されている。これらのコイルの半径方向内側は、中央コイル１０１の半径方向内側と整列している。各外側コイルは、中央コイルよりも大きく半径方向外側に延び、及び第１中間コイル１０２よりも半径方向外側に短く延びている。外側コイルの軸方向の広がりは、図４に示す例では、中央コイルの軸方向の広がりの約２倍である。他の実施例では、外側コイルの軸方向範囲は異なることができる。これは、図４に示されるよりも小さい軸方向範囲とすることができ、又は中央コイルの軸方向範囲の約３倍又は約４倍等のそれ以上の軸方向範囲とすることができる。
【0104】
図４に示す例のコイルの配置は、典型的にはパンケーキコイルスタックから構成される公知の「ノッチ付きコイル」方式の一例である。使用時、これは、「中心点」とも呼ばれる中心軸２０’’’と軸方向中心線２１’’’との交点において均一であるような、標的領域における磁場を提供する。これは、図３の第２のマグネット３０の代わりに使用することができるが、切り欠き配置のため、例えば図５の例示的なマグネットシステム１１０の第２のマグネット６０と比較して、この中心点付近のコイルターン密度が低い。これは、磁場強度を低下させ、標的均一性を達成するためにコイルをバランスさせること（すなわち、中心コイル、第１及び第２の中間コイル、並びに外側コイルの各々の寄与をバランスさせること）をより困難にする。この例として、コイルが直列に接続され、互いに同じ巻数密度を有する場合、例えば第１の中間コイルの１つに１ｍｍの軸方向又は半径方向のずれがあると、Ｚ１球面調和において約５００ｐｐｍ／ｃｍ、Ｚ３球面調和において約１０～２０ｐｐｍ／ｃｍ3の不均一性が生じる可能性がある。更に、及びこのようなマグネットシステムにとって懸念されることであるが、これは、Ｚ５球面調和において約０．２～０．７ｐｐｍ／ｃｍ5のような高い球面調和次数における不均一性を発生させる。
【0105】
更なる例として、第１の中間コイルの１つを約０．５ｍｍ軸方向に変位させると、Ｚ２球面調和では約６０ｐｐｍ／ｃｍ2、Ｚ３球面調和では約１０ｐｐｍ／ｃｍ3、Ｚ４及びＺ５球面調和ではそれぞれ０．１ｐｐｍ／ｃｍ4及び０．１ｐｐｍ／ｃｍ5を超える不均一性が生じる。Ｚ２球面調和関数への寄与は、他の（従って対向配置された平衡）第１中間コイルと比較したＺ３球面調和関数への寄与の変化に由来する。
【0106】
本明細書では、球面調和関数の軸方向の次数（すなわち、Ｚ１～Ｚ８のようなＺ軸に沿った次数）のみが一般的に考慮されるが、このようなマグネットシステムの設計によって意図された配置と比較して電流密度の誤った配置によって発生する不均一性は、これらの軸上の（すなわち、Ｚ軸に沿った）成分に限定されないことは注目に値する。これによって生じる不要な軸外成分を補正することは、軸上成分を補正するよりも厄介な場合があり、理想的には避けたい。
【0107】
図４に示した例が、図５～図９に示した例と比較して、それ自体では最適でない配置であると考えられる理由は、標的位置で評価される球面調和関数の変動が、意図した位置からの電流ループの相対オフセット（δｂ）に比例し、標的位置からのその電流ループの距離（ｒ0）に反比例し、標的位置で評価されるように、意図した位置で電流ループによって生成される高次の球面ハーモニック（複数可）に比例することを示すことができるからである。このことは、例えば、Ｚ２不均一性を補正するように設計されたコイルの軸方向の位置ずれが、図４に示される第１の中間コイル１０２の１つの変位のようなコイルの変位がある場合に、意図しないＺ１不均一性のかなりの量を導入する可能性があることを意味する。
【0108】
このことから、コイルの中心点からの距離を大きくすることで、均一性の意図しない変化がはるかに少なくなることが分かった。不均一性拡張における高次の項の強さは、１／ｒ0よりも距離とともに急速に減少するため、不要な高次の項ではその効果が更に顕著になる。コイルを増加させる適切な距離については、以下の式１及び式２のようにコイルを配置することで、コイルの変位による均一性の変化が許容できる程度まで減少することを見出した。
【0109】
従って、コイルの適切な位置は、次のように考えることができる。
ここで、ｒ0は中心コイルの内側半径、及びｒpは補償コイルの中心の半径、ｚpはそのコイルの中心の軸方向位置であり、又は、
である。
【0110】
しかしながら、現実的なコイルの配置と、適切な磁場強度及び均一性を達成する能力が必要である。発明者らは、層巻きテープソレノイドコイルに、補償コイルとしてパンケーキコイルを層巻きコイルとは別に巻き、パンケーキコイルの位置を層巻きソレノイドの内側半径よりも中心軸から大きな半径上に配置することで、このような配置が得られることを見出した。このような配置の例を図５～図９に示す。
【0111】
上述したように、図５に１１０で一般的に図示された例示的なマグネットから始めると、これは、図３の例示的なマグネットシステム１の第１のマグネット１０と同等の第１のマグネット１０を有する。第１のマグネットの半径方向内側には、第２のマグネット６０がある。これは、中心軸２０と同軸状に巻かれ、及び中心軸と交差する図中破線２１で示す軸中心の周りに対称に配置された層巻きソレノイドコイル１２を有する。
【0112】
図５に示す例はまた、第２のマグネット６０の一部を形成するソレノイドコイル１２と直列に接続された補償コイル１３ａ，１３ｂのペアを有する。これらの補償コイルは及びソレノイドコイルと共に順方向に巻かれている。これにより、これらのコイルは正の中心ゼロ次磁場を寄与することができる。
【0113】
補償コイル１３ａ、１３ｂは中心軸２０と同軸状に巻かれている。これらのコイルは、製造が複雑な層巻きソレノイドコイルではなく、パンケーキを積み重ねて構成されている（このように構成されたコイルを、以下「パンケーキコイル」と呼ぶ）。パンケーキコイルは、ソレノイドコイルの軸方向両端に１つずつ配置される。図５に示す例では、パンケーキコイルはソレノイドコイルの軸方向外側に配置され、ソレノイドコイルの軸方向両端と各パンケーキコイルとの間に間隔が設けられている。
【0114】
パンケーキコイル１３ａ，１３ｂの半径方向の位置及び範囲について、各パンケーキコイル１３ａ，１３ｂの半径方向内側は、ソレノイドコイル１２の半径方向内側よりも半径方向外側にある。図５に示す例では、パンケーキコイルの半径方向内側は、ソレノイドコイルの半径方向外側よりも半径方向内側にある。パンケーキコイルの半径方向の広がりは、ソレノイドコイルの半径方向の広がりの約２～３倍である。
【0115】
ソレノイドコイル１２及びパンケーキコイル１３ａ，１３ｂは、ＨＴＳ材料で形成されている。パンケーキコイルはＨＴＳテープで形成されている。パンケーキコイルの幅は、テープの幅及びパンケーキコイルのスタック数に依存するため、これは各パンケーキコイルの軸方向の広がりに影響を与える。
【0116】
典型的なＨＴＳテープの半径方向の幅は、約０．５ｍｍ及び１ｍｍの間である。ＨＴＳテープの軸方向の幅は、典型的には８ｍｍ～１０ｍｍである。このように、図５に示す実施例に対応する第１の実施例では、パンケーキコイル１３ａ、１３ｂはそれぞれ約３ｃｍの軸方向幅を有する。従って、各パンケーキコイルは、３枚のパンケーキのスタックである。
【0117】
図５に示す実施例に対応する第２の実施例では、パンケーキコイル１３ａ，１３ｂはそれぞれ第１の実施例のパンケーキコイル１３ａ，１３ｂの２倍の巻数密度を有し、これは軸方向幅が半分のＨＴＳテープを使用する場合に達成できる。これにより、軸方向の幅が約１．５ｃｍのパンケーキコイルが得られることになる。
【0118】
パンケーキコイルが配置されている第２のマグネット６０の端部の電界強度が、中央部よりも小さいため、第１の実施例と第２の実施例との間で巻数密度を２倍にすることが可能である。これは、同じ材料でより高い臨界電流密度が可能であることに等しく、従って、第２のマグネットを超電導状態に維持しながら、より高い動作電流密度を可能にする。
【0119】
使用時、第２のマグネット６０の層巻きソレノイドコイル１２は、標的領域におけるゼロ次球面調和（すなわちＺ０）磁場の大部分、すなわち磁場のＢｚ成分を生成する。これはまた、図４の例に示されたノッチ付きマグネット６０’よりも、導入される不均一性をより良好に制御して達成される。これに加えて、パンケーキコイル１３ａ、１３ｂは、その位置関係により、０次中心磁場への寄与がはるかに小さくなる。要求される均一性のレベルでは、これは、層巻きソレノイドコイルによって導入される不均一性を打ち消すために符号を逆にした同じ量の高次磁場項で達成される。
【0120】
ページ上では、これを実現するマグネット形状を構成することは可能であろう。しかしながら、製造公差などによるパンケーキコイルからの電流密度のわずかなずれは残る。これは、図４に示す例のような既知の切り欠き付きマグネットに存在するような、不均衡な均一性という問題を依然として引き起こすことになる。このような形状は、中心付近に極めて幅の狭いパンケーキコイルのセットを有する層巻きソレノイドを有するものであろう。このような幅の狭いパンケーキコイルは、長いソレノイドに比べてゼロ次にはほとんど寄与せず、それでも均一性は名目上正しく保たれる。しかしながら、実際には、このような狭いパンケーキコイルのセットは、更に高次の未補正の磁場不均一性の項を導入することになる。
【0121】
図５に示した例に対応するような第２のマグネット６０を式１及び式２に示した不等式に沿って設けることにより、紙面上だけでなく実際上も均一性制御の改善が達成できることを見出した。例えば、上述の第１のセットによるパンケーキコイルを備えて図５に示す実施例に対応するものを用いると、標的領域において、最大のファクタが１ｐｐｍ／ｃｍ2未満のＺ２球面調和における勾配であることで、１ｐｐｍ未満の均一性を達成することができる。
【0122】
このような例では、パンケーキコイル１３ａ、１３ｂの１つに対して軸方向又は半径方向に１ｍｍのオフセットがある場合、Ｚ１球面調和において約３０ｐｐｍ／ｃｍ、Ｚ３球面調和において約０．２ｐｐｍ／ｃｍ3の不均一性しか生じない。各パンケーキコイルに複数のスタックを使用しても同様の結果が得られる。これらの均一性を、図４に示した例について上記で開示したものと比較すれば分かるように、これは均一性のかなりの改善である。
【0123】
このことから、図５に示す実施例は、図４に示す実施例よりも大きな利点を提供することが分かる。このため、図４の第２のマグネット６０’は、図５に示すマグネットシステム１１０の一部として単独で使用するには最適なシステムではない。しかしながら、図５に示す例のソレノイドコイル１２の代わりに、又は、以下に示すように、補償コイルを適切に配置して、以下に詳細に説明する図６から図９に示す例の何れかに使用することができる。これが実施された場合、組み合わされたシステムは、図４に示された第２のマグネットのみを使用した場合に達成可能な均一性よりも、同様に改善された均一性をもたらすであろう。
【0124】
図６～図９に示す実施例は、図５の実施例について設定したものと同等の結果を提供する。最初に図６に示す例を考えると、これは一般に１２０で示されるマグネットシステムを有する。第１のマグネット（図示せず）と同様に、これは第２のマグネット６０を有する。
【0125】
図６に示す第２のマグネット６０は、図５に示す例の層巻きソレノイドコイル１２と同一の層巻きソレノイドコイル１２を有する。このように、これは中心軸２０に同軸状に巻かれており、及び破線２１で示された軸中心に関して軸対称である。
【0126】
図６に示す例では、ソレノイドコイル１２には、図５に示す例と同様に（すなわち直列に）パンケーキコイル１３ａ，１３ｂが接続されており、同じ機能を有している。図５のパンケーキコイルと同様に、図６に示すパンケーキコイルは、中心軸２０上に同軸状に巻かれている。しかしながら、ソレノイドコイルの軸方向外側に配置される代わりに、１つのパンケーキコイルがソレノイドコイルの各軸方向端部領域に隣接して配置される（すなわち、ソレノイドコイルの軸方向端部の軸方向内側及び各パンケーキコイルの幅の約半分以内）。これにより、パンケーキコイルは、ソレノイドコイルの半径方向内側の半径方向位置の約３～４倍の軸方向位置に配置される。
【0127】
更に、図６に示す例では、パンケーキコイル１３ａ，１３ｂは、ソレノイドコイル１２の半径方向外側に配置されている。図６では、ソレノイドコイル及びパンケーキコイルの間に半径方向の離隔距離がある。パンケーキコイルの半径方向の位置決めにより、ソレノイドコイルの半径方向内側よりも半径方向外側に２倍に近い半径方向の位置決めがなされる。
【0128】
図６の実施例に関連して、パンケーキコイルが約３ｃｍの幅を有する（すなわち、上記図５に関連して説明した第１の実施例と同様の構造を有する）実施例において、パンケーキコイル１３ａ、１３ｂの一方の０．５ｍｍの軸方向オフセットが存在する場合、これは、Ｚ２球面調和関数においてわずか２ｐｐｍ／ｃｍ2の不均一性、Ｚ３球面調和関数において０．１ｐｐｍ、及びＺ４及びＺ５球面調和関数において無視できる（従って、それぞれ０．１ｐｐｍ／ｃｍ4及び０．１ｐｐｍ／ｃｍ5より有意に小さい）不均一性を生じる。図４の例における同程度の値に対するＺ２球面調和関数の減少は、この場合も、対向配置されたバランシング・パンケーキ・コイルと比較して、Ｚ３の寄与の変化が図４の例よりもはるかに小さいことに起因する。
【0129】
図７に示す例は、図５及び図６に示す例の組み合わせに匹敵する。これは、一般的に１３０で示されるように、マグネットシステムを示している。第１のマグネット（図示せず）に加えて、これは第２のマグネット６０を有する。
【0130】
図７に示す実施例の第２のマグネット６０は、図５に示す実施例の層巻きソレノイドコイル１２及び図６に示す実施例の層巻きソレノイドコイル１２と同一の層巻きソレノイドコイル１２を有する。このように、これは中心軸２０上で同軸状に巻かれ、破線２１で示される軸中心の周りに軸対称である。
【0131】
図７に示す例では、パンケーキコイルスタックの２つのペアがある。これは、軸方向内側のパンケーキコイルスタック１３ａ、１３ｂのペアと軸方向外側のパンケーキコイルスタック１４ａ、１４ｂのペアとを含む。パンケーキコイルスタックの各ペアは、中心軸２０上に同軸状に巻かれた１又は２以上のパンケーキコイルのセットである。
【0132】
軸方向内側のパンケーキコイル１３ａ、１３ｂは、図６に示す実施例のパンケーキコイルとほぼ同じ軸方向位置及び半径方向位置にある。図６に示した例の幾つかの変形例では、軸方向内側のパンケーキコイルの軸方向外側の端部は、ソレノイドコイル１２の軸方向外側の端部と整列している。
【0133】
軸方向外側のパンケーキコイル１４ａ、１４ｂは、図５に示す例のパンケーキコイルとほぼ同じ軸方向及び半径方向の位置に配置されている。しかしながら、図７に示す実施例では、パンケーキコイルが２ペアあるため、各ペアの軸方向範囲又は軸方向広がりは、２つのペアが各々補償を提供するため、図５及び図６の同等のパンケーキコイルより小さくすることができる。これは、補償を提供するパンケーキコイルのペアが１つだけの場合よりも、各ペアがより小さい補償を提供すればよいことを意味する。これは、２対の補償コイルが使用時に提供する補償の累積効果によるものである。
【0134】
図８及び図９に示す実施例に目を向けると、これらは一般に、それぞれ１４０及び１５０におけるマグネットシステムを示しており、それぞれ第２のマグネット６０（及び図示されていない第１のマグネット）を備えている。これらの各例は、図５及び図６にそれぞれ示されたパンケーキコイルの例と同等のパンケーキコイル１３ａ、１３ｂの配置を提供する。これは、各実施例において、パンケーキコイルが中心軸２０上に同軸状に巻かれていることを意味する。図８の例では、これは、パンケーキコイルが、層巻きソレノイドコイル１２の軸方向外側に、その半径方向内側よりもソレノイドコイルの半径方向内側がわずかに半径方向内側に配置されていることを意味する。図９の例では、これは、パンケーキコイルが、ソレノイドコイルの軸方向端部領域において、層巻きソレノイドコイル１２の半径方向外側よりも半径方向外側に位置することを意味する。
【0135】
しかしながら、パンケーキコイル１３ａ，１３ｂの軸方向及び径方向の位置関係は、図８では図５とほぼ同じであり、図９では図６とほぼ同じであるが、図８及び図９の各パンケーキコイルはサイズが大きくなっている。これは、各実施例の第２のマグネットが内側ソレノイドコイル１５も含み、従って、それぞれのパンケーキコイルによって追加の補償が提供されるためである。各実施例の内側ソレノイドコイルは、層巻きソレノイドコイル１２の半径方向内側に配置されている。
【0136】
図８及び図９に示す実施例では、内側ソレノイドコイル１５は、直列に接続される層巻きソレノイドコイル１２と中心軸上で同軸状に巻かれている。更に、層巻きソレノイドコイル及び内側ソレノイドコイルは、破線２１で示された軸中心の周りに対称となるように軸方向に配置されている。しかしながら、内側ソレノイドは、層巻きソレノイドコイルの約８０％～９０％の軸方向の広がりを有し、層巻きソレノイドコイルに対して半径方向の広がりが同等に減少している。
【0137】
図８及び図９の実施例のパンケーキコイル１３ａ、１３ｂは、図５及び図６の実施例のパンケーキコイルよりも大きく、図５及び図６の実施例のパンケーキコイルとは若干異なる位置を有する。上述したように、これは、図８及び図９の実施例のパンケーキコイル１３ａ，１３ｂが、全てのコイルを通る直列電流で完全な第２のマグネット６０の軸方向の不均一性を補償するためである。
【0138】
図８及び図９の実施例の内側ソレノイドコイル１５は、ＨＴＳ材料で形成されている。幾つかの実施例では、このコイルは層巻きテープ又はワイヤである。このコイルは、層巻きソレノイドコイル１２と同じ材料で形成される必要はない。例えば、様々な実施例において、層巻きソレノイドコイル１２はＢＳＣＣＯテープであり、内側ソレノイドコイル１５は巻線反応型ＢＳＣＣＯ丸線である。
【0139】
図５から図９までの各実施例の第２マグネット６０は、図３による実施例の第２マグネット３０の代わりに使用することができる。そのため、図５～図９には示されていないが、各実施例の第２のマグネットは、図３による実施例の全てのコイル５、８、９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂに取って代わり、これらのコイルとほぼ同じ軸方向及び半径方向の位置に配置される。パンケーキコイル１３ａ、１３ｂが層巻きソレノイドコイル１２の半径方向外側に位置する実施例については、これらは、様々な実施例において、第１のマグネット１０の補償コイル７ａ、７ｂの軸方向外側に位置することになる。更に、図３による実施例の第２のマグネット３０の代わりに、図５～図９のそれぞれによる実施例の第２のマグネット６０は、第１のマグネット１０の第１の電源４０とは独立した第２の電源５０に接続される。従って、これは、図５～図９の各々による実施例の第２のマグネット６０に対して、任意の第１のマグネットから独立した電流回路を形成する。
【0140】
上述した例示のマグネットシステムは、中心点（すなわちｚ＝０）の周りで軸対称である。例示のマグネットシステムが具現化する概念及びこれらシステムの対応する解析は、非対称解（すなわち、中心点に関して非対称な解）にも適用可能である。
【符号の説明】
【0141】
１ マグネットシステム
２、３、４ ソレノイド
５ 第１のコイル
７ａ、７ｂ 補償コイル
８ 第２のコイル
９ａ、９ｂ 第２の中間コイル
１０ 第１の超電導マグネット
３０ 第２の超電導マグネット
２、３、４ ソレノイド
５ 第１のコイル
７ａ、７ｂ 補償コイル
８ 第２のコイル
９ａ、９ｂ 第２の中間コイル
１０ 第１の超電導マグネット
３０ 第２の超電導マグネット
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【手続補正書】
【提出日】2024-03-01
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
標的領域において均一磁場を発生させるためのマグネットシステムであって、低温超電導（ＬＴＳ）材料から形成され且つ中心軸を定めるように形成された第１のマグネットであって、前記第１のマグネットは、使用時に前記中心軸上に位置する前記標的領域において第１の磁場を発生するように配置され、前記第１の磁場は、第１のレベルの均一性を有する、第１のマグネットと、
高温超電導（ＨＴＳ）材料から形成され、使用時に前記標的領域において第２の磁場を発生するように配置された第２のマグネットであって、前記第２の磁場は第２のレベルの均一性を有する、第２のマグネットと、
を備え、
前記第１の磁場の第１のレベルの均一性は最大１０ｐｐｍであり、前記第２の磁場の第２のレベルの均一性は最大１０ｐｐｍであり、前記標的領域における前記第１の磁場及び前記第２の磁場の組み合わせは、使用時に最大１０ｐｐｍの結果として生じる均一性を有する結果として生じる磁場を生成し、前記第１のマグネット及び前記第２のマグネットは独立した電流回路である、マグネットシステム。
【請求項2】
前記第１のレベルの均一性は最大１ｐｐｍであり、前記第２のレベルの均一性レベルは最大１ｐｐｍであり、前記結果として生じる均一性は最大１ｐｐｍである、請求項１に記載のマグネットシステム。
【請求項3】
前記第１のマグネットに第１の電流を供給し且つ前記第２のマグネットに第２の電流を供給するように配置された制御システムを更に備え、前記第１の電流及び前記第２の電流が、互いに独立して制御される、請求項１に記載のマグネットシステム。
【請求項4】
使用時に前記第１のマグネットに電力を供給するように配置された第１の電源と、使用時に前記第２のマグネットに電力を供給するように配置された第２の電源と、を更に備え、前記第１の電源及び前記第２の電源が互いに独立している、請求項１に記載のマグネットシステム。
【請求項5】
前記第１のマグネットは、第１の補償ソレノイドマグネットを含む、請求項１～４の何れか１項に記載のマグネットシステム。
【請求項6】
前記第１の補償ソレノイドマグネットは、少なくとも１つのソレノイドと、第１の補償コイルのセットと、を含み、前記第１の補償コイルのセットは、使用時に前記少なくとも１つのソレノイドを補償するように配置される、請求項５に記載のマグネットシステム。
【請求項7】
前記第２のマグネットが、コイルのセットを含む、請求項１に記載のマグネットシステム。
【請求項8】
前記第２のマグネットが、前記中心軸上に配置されたコイルのセットを含む、請求項７に記載のマグネットシステム。
【請求項9】
前記第２のマグネットが、少なくとも１つのソレノイド及び使用時に前記少なくとも１つのソレノイドに補償を提供するように作動する第２の補償コイルのセットを含む第２の補償ソレノイドマグネットを備え、前記第２の補償コイルのセットが次式：
ここで、ｒ0は前記少なくとも１つのソレノイドの内側半径であり、ｒpはそれぞれの補償コイルの中心の半径であり、ｚpは前記補償コイルの中心の軸方向位置である、
請求項１に記載のマグネットシステム。
【請求項10】
前記第２の補償コイルのセットは、
【請求項11】
前記第２の補償ソレノイドマグネットの前記少なくとも１つのソレノイドは、前記標的領域から軸方向に対称に離れるように軸中心から延びる一次ソレノイドコイルを含み、前記第２の補償コイルのセットは、パンケーキコイルであり、前記一次ソレノイドコイルの軸方向端部にて前記一次ソレノイドコイルに隣接して配置される、請求項９に記載のマグネットシステム。
【請求項12】
ｒ0は前記一次ソレノイドコイルの内側半径である、請求項１１に記載のマグネットシステム。
【請求項13】
前記第２の補償ソレノイドマグネットの前記少なくとも１つのソレノイドが、前記一次ソレノイドコイルに対して前記中心軸上に同軸状に且つ前記一次ソレノイドコイルの半径方向内側に配置された二次ソレノイドコイルを含む、請求項９に記載のマグネットシステム。
【請求項14】
前記第２の補償コイルは、前記一次ソレノイドコイルと少なくとも部分的に半径方向の重なりを有して前記一次ソレノイドコイルの各端部の軸方向外側に配置された補償コイル及び／又は前記一次ソレノイドコイルの各軸方向端部において前記一次ソレノイドコイルの半径方向外側に配置された補償コイルを含む、請求項９に記載のマグネットシステム。
【請求項15】
前記第２の補償コイルの各々は、前記一次ソレノイドコイルに対して順方向に巻かれている、請求項９に記載のマグネットシステム。
【請求項16】
標的領域において均一磁場を発生させるためのマグネットシステムであって、中心軸の周りに円筒形状の超電導材料から形成された第１のマグネットであって、使用時に前記中心軸上に位置する前記標的領域において第１の磁場を発生するように配置された第１のマグネットと、
使用時に前記第１の磁場の均一性を提供するように動作される補償コイルのセットと、
を備え、
前記第１のマグネットは、前記標的領域から軸方向に対称的に離れて軸中心から延び、前記補償コイルのセットが、次式
【請求項17】
前記補償コイルのセットは、前記第１のマグネットの軸方向端部において前記第１のマグネットに隣接して配置されている、請求項１６に記載のマグネットシステム。
【請求項18】
前記補償コイルは、前記第１のマグネットと少なくとも部分的に半径方向で重なりを有して前記第１のマグネットの各端部の軸方向外側に位置する補償コイル及び／又は前記第１のマグネットの各軸方向端部において前記第１のマグネットの半径方向外側に位置する補償コイルを含む、請求項１７に記載のマグネットシステム。
【請求項19】
前記第１のマグネットに対して前記中心軸上に同軸状に配置され且つ前記第１のマグネットの半径方向内側に配置された第２のマグネットを更に備える、請求項１６に記載のマグネットシステム。
【請求項20】
前記第１のマグネットは一次ソレノイドコイルであり及び／又は前記第２のマグネットは第２のソレノイドコイルである、請求項１９に記載のマグネットシステム。
【請求項21】
第２の補償コイルの各々は、前記一次ソレノイドコイルに対して順方向に巻かれている、請求項１６に記載のマグネットシステム。
【国際調査報告】