JP4482688B2

JP4482688B2 - 磁場発生方法および磁場発生装置

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Publication number: JP4482688B2
Application number: JP2004242563A
Authority: JP
Inventors: 英男北村; 隆次田中; 原　　徹
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2004-08-23
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-08-23
Also published as: JP2006059755A

Description

本発明は、磁場発生方法および磁場発生装置に関し、さらに詳細には、永久磁石や電磁石などの磁石や高透磁率高飽和磁束密度特性を有する磁性体よりなる磁極材を対向して配置することにより、対向した磁石や磁極材の磁極の間の間隙に磁場を発生する磁場発生方法および磁場発生装置に関する。

従来より、永久磁石や電磁石などの磁石や高透磁率高飽和磁束密度特性を有する磁性体よりなる磁極材を対向して配置することにより、対向した磁石や磁極材の磁極の間の間隙に磁場を発生するタイプの磁場発生装置が知られている。

ところで、この種の従来の磁場発生装置においては、対向する磁極の間の間隙、即ち、磁極間隔（以下、適宜に「ギャップ」と称する。）が大きくなるに従って、急激に磁場（磁束密度）が減少するという原理的な特性があることが知られている。

こうした特性から生ずる問題点の典型的な例が、以下に説明するように、放射光発生のためのシンクロトロン放射光源として利用されている挿入光源と称される装置において見られる（非特許文献１参照）。

なお、挿入光源とは、加速器における蓄積リングの偏向磁石の間にある直線スペースに挿入された周期的な磁場構造をもつ装置であって、電子ビームが通過することにより偏向磁石からのシンクロトロン放射光よりさらに質の高い強力な放射光を発生させる光源装置である。こうした挿入光源には、大別してアンジュレータおよびウィグラと称される２つの種類があるが、本願出願人が所有するＳＰｒｉｎｇ−８をはじめとする現在の放射光施設においては、光の干渉効果を利用して高輝度光を発生させるアンジュレータが主に用いられている。

上記したように、挿入光源には周期的な磁場構造が形成されているが、こうした周期的な磁場構造は、上記した従来の磁場発生装置、即ち、永久磁石や電磁石などの磁石や高透磁率高飽和磁束密度特性を有する磁性体よりなる磁極材を対向して配置することにより、対向した磁石や磁極材の磁極の間のギャップに磁場を発生するタイプの磁場発生装置を用いて構成されている。

即ち、挿入光源においては、磁極を対向させて周期的に並べて周期的な磁場構造を形成するようになされており、こうして形成された周期的な磁場構造により周期磁場を発生し、その周期磁場中を電子が運動するときに各周期磁場から発生した光が重なることにより、高強度の光が得られることになる。

従って、こうした挿入光源においては、電子を通過させるために、対向させた磁極のギャップを大きくする必要がある。

しかしながら、従来の磁場発生装置においては、上記したようにギャップを大きくするに従って急激に磁場（磁束密度）が減少してしまう特性があるため、このことが挿入光源において発生可能な磁場の上限を定めることとなっていたという問題点があった。

また、こうした問題点は、周期磁場の周期長が短くなった場合に、特に顕著に顕現されるものであった。
Ｔ．Ｈａｒａ，Ｔ．Ｔａｎａｋａ，Ｈ．Ｋｉｔａｍｕｒａ，Ｔ．Ｂｉｚｅｎ，Ｘ．Ｍａｒｅｃｈａｌ，Ｔ．Ｓｅｉｋｅ，Ｔ．ＫｏｈｄａａｎｄＹ．Ｍａｔｓｕｕｒａ， "Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｉｃｕｎｄｕｌａｔｏｒｓ"，ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｅｗＳＴ−ＡＢ７（２００４）０５０７０２

本発明は、上記した従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、磁極間隔（ギャップ）を大きくしても高い磁場を発生することを可能にして、発生する磁場の強度の向上を図るようにした磁場発生方法および磁場発生装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明による磁場発生方法および磁場発生装置は、超伝導体閉ループの基本的性質を利用することにより、磁束を維持して高い磁場を発生するようにしたものである。

即ち、磁極を囲むように配置された、例えば、超伝導材料により形成されたリング状の構造物（以下、適宜に「超伝導体リング」と称する。）などにより構成される超伝導体閉ループは、一種の永久磁石として働くものであり、その磁化は、ギャップを開く動きがもたらす電磁誘導により行われる。本発明による磁場発生方法および磁場発生装置は、こうした超伝導体閉ループの基本的性質を利用して、ギャップを大きくしても磁束を維持して高い磁場を発生することができるようにしたものである。

本発明による磁場発生方法および磁場発生装置においては、超伝導体閉ループを構成するためには、例えば、バルク型高温超伝導体により超伝導体リングのみを形成すればよく、追加的な外部電源や電流導入端子などを設ける必要はない。

なお、超伝導体の臨界電流密度は、本発明による磁場発生方法および磁場発生装置の性能に極めて重要な影響を与えるものである。

こうした本発明による磁場発生方法および磁場発生装置は、アンジュレータやウィグラといった挿入光源などの磁場発生装置として用いることができるものである。

以下に、本発明による磁場発生方法および磁場発生装置の原理について詳細に説明するが、はじめに、磁束を維持する超伝導体閉ループの基本的性質に基づく、電磁石の磁場強化の手法、即ち、超伝導体閉ループと磁極間隔を可変することのできる一対の可変ギャップを持つ電磁石とからなる磁気回路における磁場強化の仕組みについて説明する。

図１は、超伝導体閉ループを構成するための超伝導体リング１０と、一対のギャップ１２、１４を形成するように対向して配置されたヨーク（継鉄）１６、１８およびヨーク１６に巻回されたコイル２０よりなる電磁石２２とからなる磁気回路を示している。

より詳細には、超伝導体リング１０は、ヨーク１８に巻回されて嵌合されている。また、ギャップ１２、１４の間隔は変化させることができるものとする。

さらに、この磁気回路は、磁束路の断面がどの箇所でも一定であり、フリンジ効果あるいは磁束漏れは無視できる理想的なものと仮定する。

この図１に示す磁気回路において、超伝導体リング１０の温度が超伝導転移温度Ｔ_ｃより高くて、超伝導体リング１０が超伝導状態にない、即ち、超伝導体閉ループが不活性である場合には、ギャップ１２、１４における磁場Ｂは単純なアンペールの法則により以下の通り得られる。

ここで、ＮＩはコイルの起磁力、μ_０は真空の透磁率、ｋ_ｍはヨークの比透磁率、ｇはギャップの大きさ（ギャップ幅）、Ｌはヨークの磁束路の全長である。

ヨークが飽和していなければ、比透磁率ｋ_ｍは通常１０００から１００００以上の値を有する。例えば、コバルト−鉄−バナジウムでできたパーメンジュールは、２テスラの磁束密度で約１７００という高い比透磁率ｋ_ｍを有する。

従って、ギャップ１２、１４を完全に閉じた完全な閉ギャップ、即ち、ｇ＝０においては、極めて高い磁場を期待することができる。当然のことながら、電磁石２２を磁束発生手段として利用するための意味のある値にまで、ギャップ１２、１４におけるギャップ幅ｇを拡げる（大きくする）べきであるが、ギャップ幅ｇを拡げてゆくと、図２における破線（ａ）で示すように磁場が急激に低下する。

次に、図１に示す磁気回路において、超伝導体リング１０の温度を超伝導転移温度Ｔ_ｃより低くして超伝導体閉ループを活性化させ、超伝導体閉ループによる超伝導現象を利用する場合の磁化工程について、図３に示す図１に対応する一部断面説明図を参照しながら説明する。

まず、超伝導体リング１０の温度Ｔを超伝導転移温度Ｔ_ｃより高く保ちながら、ギャップ１２、１４を完全に閉じて完全な閉ギャップ、即ち、ｇ＝０にしておく（図３（ａ））。この場合には、ヨーク１６、１８では、最大磁束が得られる。

次に、超伝導体リング１０の温度Ｔを超伝導転移温度Ｔ_ｃより低い温度まで冷却すると、超伝導状態への転移が起こる（図３（ｂ））。このとき磁束は、超伝導体リング１０により構成される超伝導体閉ループ１０内に保たれるので、ギャップ１２、１４の間隔を開けてｇ＞０としても（図３（ｃ））、磁束は不変でなければならない。即ち、超伝導体リング１０により構成される超伝導体閉ループ内の永久電流により、追加的な起磁力が発生するものである。

換言すると、超伝導体リング１０により構成される超伝導体閉ループは、一種の永久磁石として作用する。つまり、ギャップ１２、１４を拡げる動きによりもたらされる電磁誘導によって磁化が行われることになる。従って、単位面積あたりの磁束である磁場は、図２における実線（ｂ）で示すように、ギャップ幅ｇとは関係なくその最大値を保つことになる。

即ち、図２には、超伝導体閉ループが不活性である場合、即ち、超伝導体リング１０の温度が超伝導転移温度Ｔ_ｃより高い場合（図２の破線（ａ））と、超伝導体閉ループが活性である場合、即ち、超伝導体リング１０の温度が超伝導転移温度Ｔ_ｃより低い場合（図２の実線（ｂ））とにおける、磁場の典型的なギャップ依存性を示すグラフが表されている。ただし、実際の磁気回路においては、ギャップ値が大なるほどフリンジ効果あるいは磁束漏れが顕著になる。この場合、実際に得られる磁場は図２の実線（ｂ）で示す磁場よりも若干低い値となる。なお、図２における一点鎖線（ｃ）は、超伝導体内の永久電流を示している。

このように、超伝導体を利用することにより、空気／真空ギャップを備えた磁場発生装置においてより高い磁場を得ることができる。

なお、超伝導体リング１０により構成される超伝導体閉ループ、即ち、超伝導体の永久電流は、外部電源ではなくギャップ１２、１４を開く動きによりもたらされる電磁誘導によって発生する。このことは、電流リードを備えた超伝導体よりなるコイルをヨーク１６に巻回する代わりに、バルク型や多層膜型の超伝導体を用いることができることを意味し、超伝導体閉ループを構成するための超伝導体として、例えば、銅酸化物高温超伝導体などの高温超伝導体を利用することが可能となる。

これにより、液体ヘリウムの温度よりはるかに高温で磁場発生装置を作動させることができるので、超伝導体を冷却するための極低温システムを大幅に単純化することができる。

上記した本発明による磁場発生方法および磁場発生装置は、以下に説明するように、例えば、磁極間隔を可変にするためのシステムを備えた各種の磁石や磁極材を用いた磁場発生装置を備えたアンジュレータなどの各種の装置に適用することができる。

つまり、挿入光源としてのアンジュレータは、一般に、磁極間隔を可変にすることにより放射光の波長を調整するための磁極間隔可変システム（ギャップ駆動システム）を備えているので、ギャップ幅を可変する本発明による磁場発生方法および磁場発生装置を適用することができる。

特に、従来より公知の極低温永久磁石アンジュレータ（クライオアンジュレータ）は、内部の磁気部品を冷却する真空構造とほぼ完全に閉じたギャップ（ｇ≒０）を可能とする機械構造を持っているので、本発明による磁場発生方法および磁場発生装置を適用するのに最も適している。

ここで、従来より公知の極低温永久磁石アンジュレータに本発明による磁場発生方法および磁場発生装置を用いた場合に達成される機能について、以下に予測してみる。

なお、従来より公知の極低温永久磁石アンジュレータに本発明による磁場発生方法および磁場発生装置を用いる際には、永久磁石に超伝導体閉ループを構成するための超伝導体リングなど挿入するために、当該永久磁石をわずかだけ除去する必要がある場合があり、この永久磁石の部分除去は当該永久磁石により発生する磁場が幾分か下がることを意味する。従って、永久磁石に挿入する超伝導体リングなどの体積を最適化することが好ましい。

従来より公知の極低温永久磁石アンジュレータに本発明による磁場発生方法および磁場発生装置を用いた場合の磁気構造モデルの一例として、図４に示す磁気構造モデルについて説明する。なお、図５は、図４の磁気構造モデルの磁気性能の一例を示すグラフである。

図４に示すモデルは、従来より公知の極低温永久磁石アンジュレータにおけるギャップに、単にバルク型高温超伝導体により形成された超伝導体リング４４を配設したものである。

より詳細には、図４は、永久磁石４０と高透磁率高飽和磁束密度特性を有する磁性体よりなる磁極材により形成された磁極片４２と超伝導体リング４４とを有して構成された、周期長λ_ｕが１４ｍｍの周期的な磁場構造を備えた極低温永久磁石アンジュレータを示している。なお、図４における白抜き矢印は、着磁方向を示している。

このモデルの磁気構造をさらに詳細に説明すると、永久磁石４０の材料としては、例えば、ＮＥＯＭＡＸ社製のＮＥＯＭＡＸ−５３ＣＲを使用することができ、磁極片４２の材料としては、例えば、ネオマックス社製のパーメンジュールを使用することができる。

なお、ＮＥＯＭＡＸ−５３ＣＲは、プラセオジム−鉄−ホウ素でできており、残留磁束密度が温度７７Ｋで１．５Ｔであり、パーメンジュールの飽和磁束密度が２．３５Ｔである。なお、永久磁石４０の温度を下げると、残留磁束が高くなると予想される。

ここで、図４に示すモデルの周期磁場の計算においては、超伝導体を電流ループ（同形で同寸法）と交換するということを想定して計算する。即ち、超伝導体が発生する磁場を、同形・同寸法の電流ループが発生する磁場と等価であるものとして計算する。

なお、この計算においては、超伝導体を流れる永久電流（Ｉ_ｐ）を予測することが重要であり、このモデルにおける磁場強化のために必要である。

Ｉ_ｐは、ファラデーの誘電の法則から決定することができ、超伝導体リング４４が取り囲む磁束は、完全に閉じた閉ギャップ、即ち、ｇ＝０でＩ_ｐ＝０という初期条件をもったいかなるギャップにおいても保たれる。この想定により、磁場をＲＡＤＩＡ（３次元静磁場コンピュータコード）で計算する（なお、ＲＡＤＩＡについては、「Ｏ．Ｃｈｕｂａｒ，Ｐ．Ｅｌｌｅａｕｍｅ＆Ｊ．Ｃｈａｖａｎｎｅ， “Ａｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍａｇｎｅｔｏｓｔａｔｉｃｓｃｏｍｐｕｔｅｒｃｏｄｅｆｏｒｉｎｓｅｒｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｓ”，Ｊ．ＳｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎＲａｄｉａｔ．５，４８１−４８４（１９９８）．」を参照する。）。

ここで、図４に示すモデルにおいては、操作するパラメータが２つある。極長（Ｌ_ｐ）と超伝導体リング４４の厚さ（Ｔ_ｓ）である。この２つのパラメータを最適化して、臨界電流密度（Ｊ_ｃ：超伝導体を流れることができる最大電流密度）を考慮しながら磁場の性能を向上させることになる。

従って、Ｌ_ｐとＴ_ｓの最適化された寸法で計算した周期磁場の達成可能ピーク値をＪ_ｃの関数としてプロットする必要がある。

図５は、アンジュレータ中に電子ビームを通すギャップ幅ｇを５ｍｍと３ｍｍとした場合についてのそれぞれの計算結果を示す。より詳細には、異なる２つのギャップ幅ｇであるｇ＝５ｍｍ（実線曲線）とｇ＝３ｍｍ（鎖線曲線）とについて、超伝導体の臨界電流密度（Ｊ_ｃ）の関数として計算された、到達可能ピーク磁場が示されている。超伝導体のＪ_ｃ値が１．１ｋＡ／ｍｍ^２より高いと、図４に示すモデルで達成されるピーク磁場は１．３Ｔ（これはＡＣＣＥＬインスツルメンツ社が最近開発した超伝導アンジュレータ（ＳＣＵ：液体ヘリウム温度付近で作用する超伝導（ＳＣ）コイルを備えた超伝導アンジュレータ）において、５ｍｍのギャップ幅で達成したピーク磁場である。なお、ＡＣＣＥＬインスツルメンツ社が最近開発した超伝導アンジュレータについては、「Ｒ．Ｒｏｓｓｍａｎｉｔｈ，Ｈ．Ｍｏｓｅｒ，Ａ．Ｇｅｉｓｌｅｒ，Ａ．Ｈｏｂｌ，Ｄ．Ｋｒｉｓｃｈｅｌ＆Ｍ．Ｓｃｈｉｌｌｏ， “Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ１４ｍｍｐｅｒｉｏｄｕｎｄｕｌａｔｏｒｓｆｏｒｓｉｎｇｌｅｐａｓｓａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ（ＦＥＬｓ）ａｎｄｓｔｏｒａｇｅｒｉｎｇｓ”，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＥＰＡＣ２００２，Ｐａｒｉｓ，Ｆｒａｎｃｅ，（ＥＰＳ−ＩＧＡ／ＣＥＲＮ，Ｇｅｎｅｖａ，２００２），２６２８−２６３０．」を参照する。）を超える。

即ち、Ｊ_ｃの増加に伴い、達成可能ピーク磁場が著しく強化されるのがわかる。なお、図５に示すグラフにおいて、破線で示した１．３Ｔの値は、ＡＣＣＥＬインスツルメンツ社が最近開発したＳＣＵのギャップ幅が５ｍｍでのピーク磁場を表している。

従って、もし超伝導体のＪ_ｃ値が１．１ｋＡ／ｍｍ^２より高いと、図４に示すモデルにおけるピーク磁場は同ギャップ幅においてＳＣＵを超えると予想される。なお、ＳＣＵの動作温度（液体ヘリウム温度付近）では利用可能な小型冷凍機の冷却能力は高々２Ｗ程度である。一方、図４に示すモデルにおいては、動作温度（４０〜８０Ｋ）がはるかに高いので１００Ｗ〜２００Ｗ級の高い冷却能力を持つ高性能小型冷凍機が利用可能となる。一般にギャップ幅を狭くすると熱負荷が増大するが、動作温度の高い図４のモデルにおいては高性能小型冷凍機で十分対応できる。従って、最小ギャップをＳＣＵよりも狭くでき、それによって図４に示すモデルの性能がさらに向上する。

本発明による磁場発生方法および磁場発生装置の原理をさらに検証するために、市販されているＧｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏからできた超伝導体リングを使った磁気回路を作成して実験を行った。

はじめに、超伝導体リング自体の性能を調査したが、図６には実験に用いられた超伝導体リング６０の概略構成斜視図が示されている。この超伝導体リング６０は、中央部に孔６０ａが穿設された矩形状の板状体である。超伝導体リング６０の寸法は、図６に示した通りである。

まず、別の磁場発生装置を使って外部磁場をかけたときにおける、超伝導体リング６０の磁気性能として、超伝導体リング６０の孔６０ａの中央の磁場、即ち、超伝導体リング６０中央における磁場を、ホールプローブ６２により測定した。

図７に示すグラフにはその測定結果が示されており、横軸は外部磁場の強度を示し、縦軸はホールプローブ６２で測定した超伝導体リング６０中央における磁場を示している。測定の際の温度条件は、液体窒素の温度（７７Ｋ）で測定した。その測定結果は、超伝導体リング６０の反磁性がもたらす典型的なヒステリシス曲線を示すものである。つまり、図７は、温度７７Ｋにおける超伝導体リング６０についての磁場測定の結果を示すものであり、超伝導体の反磁性による典型的なヒステリシスループが観察された。ヒステリシスループの幅より、Ｊ_ｃ値が２００Ａ／ｍｍ^２であると定められた。

より詳細には、この実験結果から、Ｊ_ｃは、超伝導体リング６０と同じ形状、寸法をもった電流ループによる磁場の計算と比較して、およそ２００Ａ／ｍｍ^２までと予測された。これは、７７Ｋでの銅酸化超伝導体材料の典型的値である。

その後に、図８に示すように、永久磁石と超伝導体からなる本発明による磁場発生装置を構成して実験を行った。なお、図８（ａ）は磁場発生装置８０の側面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ矢視図、即ち、磁場発生装置８０の平面図である。

この磁場発生装置８０について説明すると、ＮｄＦｅＢからなる永久磁石８２ａ〜８２ｃと永久磁石８２ｄ〜８２ｆとがハルバック構造によりギャップのギャップ幅ｇを可変可能に対向して配置され、図６に示した超伝導体リング６０が水平方向に磁化された永久磁石８２ａ、８２ｂのギャップに面した面上に配置され、図６に示したＧｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏからなる超伝導体リング６０が水平方向に磁化された永久磁石８２ｄ、８２ｅのギャップに面した面上に配置されている。なお、図８における白抜き矢印は着磁方向を示しており、それぞれの寸法は図８に示す通りである。

より詳細には、永久磁石の一方のブロックにおいては、着磁方向が垂直方向下向きである永久磁石８２ｃを挟むようにして、着磁方向が互いに永久磁石８２ｃへ向かう水平方向である永久磁石８２ａ、８２ｂが配置されている。ここで、永久磁石８２ｃは、永久磁石８２ａ、８２ｂよりも２ｍｍ下方、即ち、２ｍｍだけギャップ側へ突出するように配置されている。そして、超伝導体リング６０が、孔６０ａ内に上記した永久磁石８２ｃの下方への突出部位を配置するようにして、永久磁石８２ａ、８２ｂのギャップに面した面上に配置されている。

また、永久磁石の他方のブロックにおいては、着磁方向が垂直方向下向きである永久磁石８２ｆを挟むようにして、着磁方向が互いに永久磁石８２ｆから離隔する方向へ向かう水平方向である永久磁石８２ｄ、８２ｅが配置されている。ここで、永久磁石８２ｆは、永久磁石８２ｄ、８２ｅよりも２ｍｍ上方、即ち、２ｍｍだけギャップ側へ突出するように配置されている。そして、超伝導体リング６０が、孔６０ａ内に上記した永久磁石８２ｆの上方への突出部位を配置するようにして、永久磁石８２ｄ、８２ｅのギャップに面した面上に配置されている。

なお、永久磁石８２ａ〜８２ｃと永久磁石８２ｄ〜８２ｆとは、永久磁石８２ａと永久磁石８２ｄとが対向し、永久磁石８２ｂと永久磁石８２ｅとが対向し、永久磁石８２ｃと永久磁石８２ｆとが対向している。また、永久磁石８２ａ、８２ｂのギャップに面した面上に配置された超伝導体リング６０と永久磁石８２ｄ、８２ｅのギャップに面した面上に配置された超伝導体リング６０とが対向している。

この実験における永久磁石８２ａ〜８２ｆの材料としては、ＮＥＯＭＡＸ社製のＮＥＯＭＡＸ５０ＢＸを用いた。

この実験においては、ギャップ幅ｇの機能として、ギャップ中央の磁場を測定した。測定前に、温度３００Ｋ（超伝導体リング６０は超伝導状態にはなく、超伝導体リング６０で構成される超伝導体閉ループが不活性である。）でギャップを完全に閉じ、磁場発生装置８０の温度が７７Ｋ（超伝導体リング６０は超伝導状態にあり、超伝導体リング６０で構成される超伝導体閉ループが活性である。）に下がるまで液体窒素を注いで冷却し、ギャップのギャップ幅ｇを２ｍｍに開いた。その後、ホールプローブを挿入してギャップ中央で保持し、磁場のギャップ依存性を測定した。

図９における破線（ａ）は、超伝導体リング６０は超伝導状態にはなく、超伝導体リング６０で構成される超伝導体閉ループが不活性である場合におけるピーク磁場の測定結果を示し、図９における実線（ｂ）は、超伝導体リング６０は超伝導状態にあり、超伝導体リング６０で構成される超伝導体閉ループが活性である場合におけるピーク磁場の測定結果を示している。この図９に示すグラフからは、超伝導体リング６０により構成される超伝導体閉ループによる磁場強化がはっきりと現れている。

なお、超伝導体リング６０における電流密度は、磁場強化により図９における一点鎖線（ｃ）のように予測される。この図９における一点鎖線（ｃ）に示す超伝導体リング６０の電流密度は、ギャップのギャップ幅ｇを拡げると増加するが、２００Ａ／ｍｍ^２（超伝導体リング６０の予想されたＪ_ｃ値）には届かないものと推定された。

即ち、ギャップを開けていくと、電流密度が前の実験で決定されたＪ_ｃ値である２００Ａ／ｍｍ^２に近づいくが、ギャップのギャップ幅ｇが８ｍｍを超えると電流密度は下がり、Ｊ_ｃが実験を通して下がっていったことを表している。この超伝導体リング６０の性能劣化は、実験中における構造破損、即ちクラックの増加によるものである。

なお、上記した実験における超伝導体の２００Ａ／ｍｍ^２というＪ_ｃ値は、図５からわかるように本発明による磁場発生装置の原理を積極的に採用するには十分ではないかも知れないので、より高いＪ_ｃ値の超伝導体を用いることが好ましい。

しかしながら、この値は液体窒素の温度、即ち、７７Ｋでのものであることに注意すべきである。超伝導体材料のＪ_ｃが温度（Ｔ）に強く依存していることは周知であり、通常、Ｊ_ｃとＴとの関係は、およそ次のとおり表される。

ここで、Ｊ_ｃは０Ｋでの臨界電流密度、Ｔ_ｃは超伝導転移温度、そして指数ｍはタイプＩＩの超伝導体のピンニング機構を示す１．０〜３．０の範囲にあるパラメータである。一例として、Ｔ_ｃ＝９０Ｋｍ＝２で温度が７７Ｋと４０Ｋの場合のＪ_ｃを計算すると、Ｊ_ｃ（４０Ｋ）／Ｊ_ｃ（７７Ｋ）〜９となる。これを実験で使った超伝導体に適用すると、４０ＫにおいてＪ_ｃが約１．８ｋＡ／ｍｍ^２であると予想できる。この場合、ギャップ５ｍｍで本発明による磁場発生装置を備えたアンジュレータのピーク磁場を１．４５Ｔと予想でき、これは従来のＳＣＵで達成されているピーク磁場よりも高いものである。

即ち、本発明による磁場発生装置は、対向させた磁石あるいは磁極材などにより構成される磁極と、当該磁極の間隙を可変するための磁極間隙可変手段と、対向する磁極をそれぞれ取り囲むように設置された超伝導体閉ループとを有して構成され、対向した磁極の間隙が大きい場合でも、磁極が発生する起磁力に加えて超伝導体が起磁力を発生し、磁極のみで構成される磁気回路における磁場（磁束密度）よりも高い磁場を発生することができるようになる。

換言すると、本発明による磁場発生装置は、ギャップ（磁極間距離、磁極間隙）が可変である電磁石磁気回路あるいは永久磁石磁気回路において、上記磁気回路に鎖交する少なくとも一つの超伝導体の閉ループ（超伝導体閉ループ）を形成したものである。

当然ながら超伝導転移温度Ｔ_ｃ以上の温度では超伝導体の効果はないので、超伝導体閉ループは不活性であって、上記磁気回路の総磁束およびギャップに得られる磁場（磁束密度）はギャップ幅が大（磁気抵抗が大）になるに従って急激に減少する。

一方、ギャップ幅が小（ゼロが好ましい。）に設定し、超伝導転移温度Ｔ_ｃ以下となるよう超伝導体を冷却する。この状態でギャップ幅を拡げていくと、電磁誘導効果により上記磁気回路の総磁束が一定に保たれるように超伝導体閉ループに永久電流が流れる（超伝導体の基本的な性質）。つまり、磁気回路固有の起磁力に超伝導体で発生した起磁力が加算されることになり、この超伝導体閉ループの起磁力は、ギャップ幅が大になるほど大きくなる。従って、ギャップ幅が大なる状態でも、高い磁場が保たれることになる。

そして、本発明のうち請求項１に記載の発明は、対向して配置された磁極の間の間隙に磁場を発生する磁場発生方法において、対向して配置された磁極により構成される磁気回路と鎖交し、かつ、上記磁極を囲むように配置された少なくとも１つの超伝導体ループを超伝導転移温度より低い温度に冷却する第１の工程と、冷却された上記超伝導体ループが起磁力を発生して上記超伝導体ループに囲まれた磁極の磁束を維持しつつ、該磁極間のギャップ幅を変更する第２の工程とを備えるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、対向して配置された磁極と、上記対向して配置された磁極の間のギャップ幅を可変するギャップ幅可変手段と、上記対向して配置された磁極により構成される磁気回路と鎖交し、かつ、上記磁極を囲むように配置された少なくとも１つの超伝導体ループと、上記超伝導体ループを冷却する冷却装置を備え、上記冷却装置は上記超伝導体ループを超伝導転移温度以下に冷却し、上記ギャップ幅可変手段が上記対向して配置された磁極のギャップ幅を変化させるとき、冷却された上記超伝導体ループが対向して配置された磁極との間に起磁力を発生させて、上記超伝導体ループに囲まれた磁極の磁束を維持するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記超電導体ループは対向して配置された磁極のそれぞれに固定されているようにしたものである。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項３に記載の発明において、上記超伝導体ループは、前記磁極間のギャップに面した面上に配置されているようにしたものである。

また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項２〜４のいずれか１項に記載の発明において、上記磁極は、永久磁石、電磁石または高透磁率高飽和磁束密度特性を有する磁性体よりなるようにしたものである。

本発明は、以上説明したように構成されているので、磁極間隔を大きくしても高い磁場を発生することのできる磁場発生装置を提供することができるという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による磁場発生方法および磁場発生装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

図１０には、本発明の実施の形態の一例による磁場発生装置の概念構成斜視説明図が示されている。

この磁場発生装置１００は、ギャップ幅を可変することのできる電磁石磁気回路を示すものであり、互いに間隔を開けて対向して配置された高透磁率かつ高飽和磁束密度の一対の磁性体１０２、１０４と、磁性体１０２の磁性体１０４と対向する面に並んで配設された磁極としてＮ極を形成するコイル１０６およびＳ極を形成するコイル１０８と、コイル１０６、１０８の磁性体１０４と対向する面にそれぞれ配設された超伝導体リング１１０、１１２と、磁性体１０４の磁性体１０２と対向する面に並んで配設された磁極としてＳ極を形成するコイル１１４およびＮ極を形成するコイル１１６と、コイル１１４、１１６の磁性体１０２と対向する面にそれぞれ配設された超伝導体リング１１８、１２０と、コイル１０６、１０８および超伝導体リング１１０、１１２を配設された磁性体１０２を磁性体１０４に対して接近あるいは離隔する方向（図１０における矢印Ｂ方向）にギャップ幅可変駆動機構１２２とを備えている。

上記した構成の磁場発生装置１００は、ギャップ幅ｇの間隔を開けて、磁性体１０２側のＮ極と磁性体１０４側のＳ極とが対向し、磁性体１０２側のＳ極と磁性体１０４側のＮ極とが対向するようになされている。また、ギャップ幅可変駆動機構１２２を作動することにより、ギャップ幅ｇを最小（ゼロが望ましい。）とすることができる。

ここで、この磁場発生装置１００においては、磁場発生装置１００により形成される電磁石磁気回路を鎖交する４つの超伝導体リング１１０、１１２、１１８、１２０によりそれぞれ構成される４つの超伝導体閉ループが存在する（図１１を参照する。なお、図１１は、磁気回路を鎖交する１つの超伝導閉ループを示している。）。さらに、この磁場発生装置１００は、フリンジ効果あるいは磁束漏れが無視できる理想的なものと仮定する。

以上の構成において、磁場発生装置１００により形成される電磁石磁気回路を概念的に示した図１２ならびに図１３を参照しながら、上記した磁場発生装置１００の動作を詳細に説明する。

まず、超伝導転移温度Ｔ_ｃ以上の温度（室温）では超伝導体リング１１０、１１２、１１８、１２０は超伝導状態にはないので、上記において説明したような超伝導体閉ループにより得られる効果は発生しない。従って、電磁石磁気回路の総磁束およびギャップに得られる磁場（磁束密度）は、ギャップ幅ｇが大（磁気抵抗大）になるにしたがって急激に減少する（図１２の（１）、図１３の（１）を参照する。）。

次に、超伝導転移温度Ｔ_ｃ以上の温度（室温）でギャップ幅ｇを最小（ゼロが望ましい。）に設定した後に（図１２の（２）、図１３の（２）を参照する。）、超伝導転移温度Ｔ_ｃ以下の温度（極低温）となるように超伝導体リングを冷却する（図１２の（３）、図１３の（３）を参照する。）。

この状態でギャップ幅ｇを拡げていくと、電磁誘導効果により電磁石磁気回路の総磁束が一定に保たれるように、超伝導体リングにより構成される超伝導体閉ループに永久電流が流れる（超伝導体の基本的な性質）。即ち、電磁石磁気回路固有の起磁力に超伝導体閉ループで発生した起磁力が加算されることになり、この超伝導体閉ループの起磁力はギャップ幅ｇが大きくなるほど大きくなる。従って、ギャップ幅ｇが大なる状態でも、高い磁場が保たれることになる（図１２の（４）、図１３の（４）を参照する。）。ただし、実際の磁場発生装置においては、ギャップ幅が大なるほどフリンジ効果あるいは磁束漏れが顕著になる。この場合、実際に得られる磁場は図１３の（４）よりも若干低くなる。

次に、図１４ならびに図１５を参照して、磁極対が１組の電磁石を用いた電磁石磁気回路を備えた本発明による磁場発生装置について説明する。

なお、上記した図１０に示す磁場発生装置１００と同一または相当する構成については、図１０において用いた符号と同一の符号を用いて示すことにより、その詳細な構成および佐用の説明は省略する。

ここで、図１４は磁場発生装置の概念構成斜視説明図を示し、図１５は図１４のＣ−Ｃ線による概略断面構成説明図を示している。

この図１４ならびに図１５に示される磁場発生装置１４０は、対向する磁極対が１組のみ設けられているとともに、磁性体１０２の矢印Ｂ方向へ移動をガイドするガイド部材１４２を備えている点において、磁場発生装置１００と異なる。

従って、この磁場発生装置１４０によれば、ガイド部材１４２により磁性体１０２がガイドされて矢印Ｂ方向へ移動されるため、磁性体１０２の矢印Ｂ方向への移動を正確かつ滑らかに行うことが可能となる。

次に、図１６ならびに図１７を参照して、磁極対が２組の電磁石を用いた電磁石磁気回路を備えた本発明による磁場発生装置について説明する。

ここで、図１６は磁場発生装置の概念構成斜視説明図を示し、図１７は図１６のＤ−Ｄ線による概略断面構成説明図を示している。

この図１６ならびに図１７に示される磁場発生装置１６０は、コイル１１４、１１６および超伝導体リング１１８、１２０を配設された磁性体１０４を磁性体１０２に対して接近あるいは離隔する方向（図１６および図１７における矢印Ｅ方向）にギャップ幅可変駆動機構１６２を備えている点において、磁場発生装置１００と異なる。

従って、この磁場発生装置１６０によれば、ギャップ幅可変駆動機構１２２によりコイル１０６、１０８および超伝導体リング１１０、１１２を配設された磁性体１０２を矢印Ｂ方向に移動することに加えて、ギャップ幅可変駆動機構１６２によりコイル１１４、１１６および超伝導体リング１１８、１２０を配設された磁性体１０４を矢印Ｅ方向に移動できるため、ギャップ幅ｇを可変する際の可変時間を短縮することが可能になる。

次に、図１８および図１９を参照して、本発明による電磁石磁気回路を備えた磁場発生装置を放射光発生用アンジュレータへ適用した場合について説明する。

ここで、図１８は本発明による電磁石磁気回路を備えた磁場発生装置を組み込んだ放射光発生用アンジュレータの概念構成斜視説明図を示し、図１９は図１８のＦ−Ｆ線による概略断面構成説明図を示している。

この図１８および図１９に示すアンジュレータにおいては、アンジュレータの構成を大幅に変更することなく、図１６ならびに図１７に示される磁場発生装置の構成がそのまま利用されている。

従って、本発明による磁場発生装置を用いれば、現在各施設で利用されているアンジュレータをそのまま利用しながら、ギャップ幅ｇを大きくしても高い磁場を発生することができるようになる。

ここで、図２０は本発明による永久磁石磁気回路を備えた磁場発生装置を組み込んだ放射光発生用アンジュレータの概念構成斜視説明図を示し、図２１は図２０のＧ−Ｇ線による要部概略断面構成説明図を示している。なお、図２０ならびに図２１における白抜き矢印は、着磁方向を示している。

この図２０および図２１に示すアンジュレータにおいては、アンジュレータの構成を大幅に変更することなく、図８に示される磁場発生装置の構成がそのまま利用されている。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（４）に示すように変形することができるものである。

（１）上記した実施の形態においては、磁気回路と鎖交する超伝導体閉ループを複数備えた場合を中心に説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、磁気回路と鎖交する超伝導体閉ループは少なくとも一つあればよい。

（２）上記した実施の形態においては、本発明による磁場発生装置をアンジュレータに適用した場合を中心に説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、本発明による磁場発生装置をウィグラに適用するようにしてもよいし、あるいは、その他の磁場を使用する装置に適用するようにしてもよい。

（３）上記した実施の形態においては、ギャップを挟んで対向する電磁石あるいは永久磁石のそれぞれの対向する面に超伝導体リングを配置して超伝導体閉ループを形成することにより、磁気回路と鎖交する超伝導体閉ループを構成するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、ギャップを挟んで対向する電磁石あるいは永久磁石により形成された磁気回路内の任意の箇所に超伝導体リングを配置して、磁気回路内の任意の箇所で超伝導体閉ループが鎖交するようにしてもよい。

（４）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（３）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、放射光発生のための挿入光源として用いることのできるアンジュレータやウィグラーといったシンクロトロン放射光源などに利用することができるものである。

図１は、本発明による磁場発生装置の原理を説明するための説明図である。図２は、図１に示す構成において、超伝導体閉ループが不活性である場合、即ち、超伝導体リングの温度が超伝導転移温度Ｔ_ｃより高い場合（破線（ａ））と、超伝導体閉ループが活性である場合、即ち、超伝導体リングの温度が超伝導転移温度Ｔ_ｃより低い場合（実線（ｂ））とにおける磁場の典型的なギャップ依存性を示すグラフであり、一点鎖線（ｃ）は超伝導体内の永久電流を示している。図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明による磁場発生装置の原理を説明するための図１に対応する一部断面説明図である。図４は、従来より公知の極低温永久磁石アンジュレータに本発明による磁場発生装置を用いた場合の磁気構造モデルの一例を示す構成説明図である。図５は、図４に示す磁気構造モデルの磁気性能の一例を示すグラフである。図６は、本願発明者が実験に用いた超伝導体リングの概略構成斜視図である。図７は、図６に示す超伝導体リングの磁気性能を示すグラフである。図８は、永久磁石と超伝導体と有して構成された本発明による磁場発生装置を示し、（ａ）は磁場発生装置の側面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ矢視図、即ち、磁場発生装置の平面図である。図８に示す磁場発生装置の磁気性能を示すグラフであり、破線（ａ）は、超伝導体リングは超伝導状態にはなく、超伝導体リングで構成される超伝導体閉ループが不活性である場合におけるピーク磁場の測定結果を示し、実線（ｂ）は、超伝導体リングは超伝導状態にあり、超伝導体リングで構成される超伝導体閉ループが活性である場合におけるピーク磁場の測定結果を示し、一点鎖線（ｃ）は、超伝導体リングにおける電流密度を示している。図１０は、本発明の実施の形態の一例による磁場発生装置の概念構成斜視説明図である。図１１は、磁気回路と超伝導体閉ループとの鎖交を示す説明図である。図１２は、図１１に示す磁場発生装置により形成される電磁石磁気回路を概念的に示した説明図である。図１３は、図１１に示す磁場発生装置における磁場特性を示すグラフである。図１４は、磁極対が１組の電磁石を用いた電磁石磁気回路を備えた本発明による磁場発生装置の概念構成斜視説明図である。図１５は、図１４のＣ−Ｃ線による概略断面構成説明図である。図１６は、磁極対が２組の電磁石を用いた電磁石磁気回路を備えた本発明による磁場発生装置の概念構成斜視説明図である。図１７は、図１６のＤ−Ｄ線による概略断面構成説明図である。図１８は、本発明による電磁石磁気回路を備えた磁場発生装置を組み込んだ放射光発生用アンジュレータの概念構成斜視説明図である。図１９は、図１８のＦ−Ｆ線による概略断面構成説明図である。図２０は、本発明による永久磁石磁気回路を備えた磁場発生装置を組み込んだ放射光発生用アンジュレータの概念構成斜視説明図である。図２１は、図２０のＧ−Ｇ線による要部概略断面構成説明図である。

符号の説明

１０超伝導体リング
１２、１４ギャップ
１６、１８ヨーク（継鉄）
２０コイル
２２電磁石
４０永久磁石
４２磁極片
４４超伝導体リング
６０超伝導体リング
６０ａ孔
６２ホールプローブ
８０、１００、１４０、１６０磁場発生装置
８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄ、８２ｅ、８２ｆ永久磁石
１０２、１０４磁性体
１０６、１０８、１１４、１１６コイル
１１０、１１２、１１８、１２０超伝導体リング
１２２、１６２ギャップ幅可変駆動機構
１４２ガイド部材
ｇギャップ幅

Claims

対向して配置された磁極の間の間隙に磁場を発生する磁場発生方法において、
対向して配置された磁極により構成される磁気回路と鎖交し、かつ、前記磁極を囲むように配置された少なくとも１つの超伝導体ループを超伝導転移温度より低い温度に冷却する第１の工程と、
冷却された前記超伝導体ループが起磁力を発生して前記超伝導体ループに囲まれた磁極の磁束を維持しつつ、該磁極間のギャップ幅を変更する第２の工程とを備える
ことを特徴とする磁場発生方法。
対向して配置された磁極と、
前記対向して配置された磁極の間のギャップ幅を可変するギャップ幅可変手段と、
前記対向して配置された磁極により構成される磁気回路と鎖交し、かつ、前記磁極を囲むように配置された少なくとも１つの超伝導体ループと、
前記超伝導体ループを冷却する冷却装置を備え、
前記冷却装置は前記超伝導体ループを超伝導転移温度以下に冷却し、
前記ギャップ幅可変手段が前記対向して配置された磁極のギャップ幅を変化させるとき、
冷却された前記超伝導体ループが対向して配置された磁極との間に起磁力を発生させて、前記超伝導体ループに囲まれた磁極の磁束を維持する
ことを特徴とする磁場発生装置。
前記超電導体ループは対向して配置された磁極のそれぞれに固定されていることを特徴とする請求項２に記載の磁場発生装置。
前記超伝導体ループは、前記磁極間のギャップに面した面上に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の磁場発生装置。
前記磁極は、永久磁石、電磁石または高透磁率高飽和磁束密度特性を有する磁性体よりなることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の磁場発生装置。