CN101894652A - 超导磁体 - Google Patents

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Abstract

本发明得到可以减少支承线圈的线圈框及支承部件的材料及加工费的超导磁体。超导磁体包括第一线圈组以及第二线圈组，所述第一线圈组是磁场产生用主线圈(2)，所述第二线圈组是与所述第一线圈组同轴配置并产生与所述第一线圈组反向的磁场、抵消向外部泄漏的磁场的屏蔽线圈(3)，关于所述第二线圈组的轴向的配置，是配置于所述第二线圈组从所述第一线圈组受到的轴向的电磁力、与所述第二线圈组产生的轴向的电磁力达到均衡且抵消的位置。

Description

超导磁体
技术领域
本发明涉及主要用于磁共振图像诊断(MRI)装置、核磁共振(NMR)分析装置、以及拉制单晶装置等的超导磁体。
背景技术
在MRI装置、NMR分析装置、以及拉制单晶装置等中，由于为了测量或制造单晶而需要强磁场，因此使用超导磁体。
图12是表示以往的超导磁体的结构的立体剖视图。图13是图12的俯视剖视图。希望超导磁体在期望的区域(以下称作磁场产生区域1)产生强磁场。以MRI用超导磁体为例，在用于获取诊断图像的空间(磁体圆筒内部的例如直径为50cm的球空间)，需要例如产生1.5特斯拉的强磁场。另一方面，要求向超导磁体外部泄漏的磁场尽可能小。例如，对于MRI用超导磁体，要求在距离磁体5m的各地点的泄漏磁场小于0.5毫特斯拉。磁性体被泄漏磁场吸引、或给电子设备等带来影响的区域要尽可能小。
因此，以往的超导磁体在内部包括2种超导线圈，分别是产生期望磁场的主线圈2、以及抵消从主线圈2向外部泄漏的磁场的屏蔽线圈3，以力图降低泄漏磁场。屏蔽线圈3是产生与主线圈2反向的磁场的线圈，通过将其配置在适当的位置，可以得到抵消泄漏磁场的效果。
之后，以磁场产生区域1的中心为原点，将轴向的坐标称为Z坐标，将径向的坐标称为R坐标。主线圈2及屏蔽线圈3分别由多个超导线圈构成，配置在同轴上。为了尽可能抑制成本并确保作为超导磁体的性能，主线圈2及屏蔽线圈3的配置和大小要选择这样的位置和大小，使得满足所需的磁场强度、磁场均匀性、或泄漏磁场的规格，且使线圈的主材料即超导线的量最少。其结果，一般而言，将主线圈2配置得与磁场产生区域最近，靠近在R坐标较小的内筒面；将屏蔽线圈3配置得离磁场产生区域1最远，靠近在R坐标及Z坐标最大的点(图13中为磁体内部区域的四个角落)。由于屏蔽线圈3是极性相反的线圈，因此具有抵消磁场产生区域1的磁场的效果，离磁场产生区域1越远越能有效产生磁场。由于这样的配置对超导线使用量的效率最佳，因此可以减少超导线的量。
主线圈2及屏蔽线圈3分别卷绕并保持在主线圈框21、屏蔽线圈框31上。屏蔽线圈框31通过屏蔽线圈框支承部件32与主线圈框21连接并被其支承。为了使磁体产生期望的强磁场，需要对超导线圈通以几百安培的大电流。其结果是，各超导线圈的附近为强磁场，对超导线圈作用有较大的电磁力。若超导线圈由于该电磁力而运动或弯曲，则在线圈外表面或者内部会产生热量，有可能发展成超导状态被破坏而转移为常电导的所谓失超(quench)现象。为了不引起所述失超现象，在以往的超导磁体中，用板厚较厚的材料制作主线圈框21、屏蔽线圈框31、屏蔽线圈框支承部件32，或者采用牢固的连接结构，以抑制该电磁力引起的超导线圈的运动和弯曲。另外，为了提高屏蔽线圈框31的刚性，利用达到磁体的大致全长的一体的圆筒构成屏蔽线圈框31。
专利文献
专利文献1：
日本专利特开2007-288193号公报
发明内容
近年来的倾向是希望超导磁体产生的磁场进一步强磁场化，另外装置本身更紧凑。其结果是，超导线圈附近的磁场也进一步强磁场化，电磁力也增大。根据现有技术，是通过将主线圈框21、屏蔽线圈框31、以及屏蔽线圈框支承部件32形成更牢固的结构，实现能承受电磁力的结构，但随着近年来超导磁体中的电磁力的增大，存在的问题是：用于线圈框及支承结构的材料增大，重量增大，制作和冷却和搬运的成本提高。
本发明是为了解决如上所述的问题而完成的，其目的在于提供一种减少支承线圈的线圈框和支承部件的材料及加工费的超导磁体。
本发明所涉及的超导磁体包括第一线圈组以及第二线圈组，所述第一线圈组是磁场产生用主线圈，所述第二线圈组是与所述第一线圈组同轴配置并产生与所述第一线圈组反向的磁场、抵消向外部泄漏的磁场的屏蔽线圈，其中，关于所述第二线圈组的轴向的配置，是配置于所述第二线圈组从所述第一线圈组受到的轴向的电磁力、与所述第二线圈组产生的轴向的电磁力达到均衡且抵消的位置。
另外，本发明所涉及的超导磁体包括第一线圈组以及第二线圈组，所述第一线圈组是磁场产生用主线圈，所述第二线圈组是与所述第一线圈组同轴配置并产生与所述第一线圈组反向的磁场、抵消从所述第一线圈组向外部泄漏的磁场的屏蔽线圈，其中，在以所述第一线圈组产生的磁场产生区域的中心为原点时，关于所述第二线圈组的轴向的配置，是配置于所述第二线圈组的轴向的最外端的轴向坐标位于所述第一线圈组的轴向的最外端的轴向坐标的0.63至0.87倍的范围内。
根据本发明的超导磁体，可以简化屏蔽线圈框及屏蔽线圈框支承部件，可以降低屏蔽线圈的支承结构的材料及加工费。并且，可以减轻整个磁体的重量，可以降低冷却所需的制冷剂的量。据此，对于随着超导磁体的电磁力的增大而线圈框及支承结构的材料及加工费的增多的情况，可以大幅减少使用的线圈框和支承部件的量，可以降低与部件调配、加工、冷却相关的成本，可以进一步实现轻量化。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的超导磁体的结构的剖视图。
图2是表示实施方式1至5的屏蔽线圈的Z方向位置、超导线的使用量及作用在屏蔽线圈的电磁力的关系的图。
图3是表示线圈的Z方向坐标Zs、Zm的定义的图。
图4是实施方式2的超导磁体的与Z方向平行的面的剖视图。
图5是与图4的Z方向垂直的面的剖视图。
图6是实施方式3的超导磁体的与Z轴平行的面的剖视图。
图7是与图6的Z轴垂直的面的剖视图。
图8是表示实施方式4的超导磁体的结构的剖视图。
图9是实施方式4的屏蔽线圈及屏蔽线圈框的立体剖视图。
图10是表示实施方式5的超导磁体的结构的剖视图。
图11是实施方式5的屏蔽线圈及屏蔽线圈框的立体剖视图。
图12是表示以往的超导磁体的结构的立体剖视图。
图13是图12的俯视剖视图。
标号说明
1磁场产生区域
2主线圈
2a中心线圈
2b中间线圈
2c侧线圈
3屏蔽线圈
21主线圈框
31屏蔽线圈框
33屏蔽线圈框支承部件
34屏蔽线圈框支承部件
35梁
36屏蔽线圈框
37屏蔽线圈框
41氦槽凸缘
42氦槽外筒
43氦槽
44液体氦
45热屏蔽体
46真空槽
47冷冻机
48操作端口
51接合部分
52接合部分
53液体氦通过孔
具体实施方式
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1的超导磁体的与Z轴平行的截面的图。另外，在各图中，相同的标号表示相同或者相当的部分，省略其说明的一部分。图1中，标号1是利用磁体输出磁场的磁场产生区域，标号2是在磁场产生区域产生期望的磁场的主线圈，3是抵消向外部泄漏的磁场的屏蔽线圈。屏蔽线圈3与主线圈2的Z轴同轴配置，配置在主线圈2的外侧(与Z方向垂直的R方向的半径大)。主线圈2及屏蔽线圈3具有例如卷绕了由铌钛及铜制成的超导线材、并用环氧树脂固定的结构，分别卷绕在主线圈框21及屏蔽线圈框31，收纳在氦槽43内并保持在一定的位置。屏蔽线圈框31通过屏蔽线圈框支承部件33与主线圈框21连接并结合。所述线圈通过冷却至极低温，从而成为超导状态。
主线圈2由中心线圈2a、中间线圈2b、侧线圈2c这3种线圈构成。中心线圈2a在Z方向(轴向)中央配置1个，中间线圈2b、侧线圈2c、屏蔽线圈3的各线圈相对于通过磁场中心(原点)的与Z轴垂直的面对称地配置。在主线圈框21的端部安装氦槽凸缘41，在氦槽凸缘上部安装氦槽外筒42。主线圈框21与氦槽凸缘41及氦槽外筒42的组合构成氦槽43，在内部蓄存冷却超导线圈的液体氦44。
主线圈框21、屏蔽线圈框31、屏蔽线圈框支承部件33、氦槽凸缘41及氦槽外筒42例如由不锈钢或铝这样的非磁性材料构成。氦槽43被隔断来自外部的辐射热的热屏蔽体45包围，热屏蔽体45进一步被对磁体内部进行真空隔热的真空槽46覆盖。热屏蔽体45例如由铝这样的反射率较高的非磁性材料制成，在表面粘贴多层隔热材料(超隔热材料)(未图示)。真空槽46例如由不锈钢或铝这样的非磁性材料制成。在磁体上部，设置对冷却热屏蔽体45并汽化的氦再液化的冷冻机47、和进行液体氦的补充或励消磁等的操作端口48。
实施方式1的超导磁体内置7个主线圈2(1个中心线圈2a、4个中间线圈2b、2个侧线圈2c)及2个屏蔽线圈3。由7个主线圈2构成第一线圈组，由2个屏蔽线圈3构成第二线圈组。通过使真空槽46内部为真空并进行真空隔热，向氦槽43内贮入液体氦，则将超导线圈冷却至4.2开尔文的绝对温度，使主线圈2及屏蔽线圈3处于超导状态。通过将主线圈2及屏蔽线圈3全部串联连接，通以大约450安培的电流，则可以在磁场产生区域1中产生大约1.5特斯拉的磁场。
主线圈2及屏蔽线圈3配置的位置满足以下3个条件：(1)在磁场产生区域中产生1.5特斯拉的磁场；(2)磁场产生区域(50cm球空间)的磁场的均匀性为10ppm以下；(3)泄漏磁场0.5毫特斯拉的区域从超导磁体起不超过5m以上，且使得超导线材的使用量减少，作用在屏蔽线圈3的电磁力最小。
此处，作用在屏蔽线圈3的电磁力及超导线的使用量如图2所示，根据配置屏蔽线圈3的Z坐标而变化。图2中，横轴是屏蔽线圈3的轴向的外端的Z坐标(Zs)与主线圈2的轴向的外端的Z坐标(Zm)的比率(以下称为Zs/Zm。参照图3)，左侧纵轴是超导线使用量对于超导磁体的比率，右侧纵轴是作用在屏蔽线圈3的Z方向电磁力。另外，图3是表示屏蔽线圈3的轴向的外端的Z坐标(Zs)和主线圈2的轴向的外端的Z坐标(Zm)的定义的图。在屏蔽线圈3是由1个或者多个线圈构成的第二线圈组时，Zs是1个或者多个线圈中的轴向的最外端的Z坐标。在主线圈2是由1个或者多个线圈构成的第一线圈组时，Zm是1个或者多个线圈中的轴向的最外端的Z坐标。
如图13的剖视图所示，在以往的超导磁体中，Zs/Zm是1或者接近1的数值。此时，作用在屏蔽线圈3的Z方向电磁力是约35吨，是非常大的值，并具有增大的倾向。若Zs/Zm位于0.63至0.87的范围内，则作用在屏蔽线圈3的电磁力减半，且超导线的使用量可以控制在与以往相比增多9％左右的程度。再有，在0.63至0.81的范围内，电磁力减少至1/3左右(10吨以下)，且超导线的使用量可以控制在与以往相比增多9％左右的程度。并且，若Zs/Zm位于0.73至0.87的范围内，则作用在屏蔽线圈3的电磁力减半，且超导线的使用量可以控制在与以往相比增多7％左右的程度。再有，在0.73至0.81的范围内，电磁力减少至1/3左右，且超导线的使用量可以控制在与以往相比增多7％左右的程度。
在实施方式1中，Zs/Zm位于0.73附近，该附近是第二线圈组(屏蔽线圈)从第一线圈组(主线圈)受到的轴向的电磁力、与第二线圈组产生的轴向的电磁力达到均衡且抵消的位置。此时的超导线的使用量与以往相比虽然增多7％左右，但Z方向的电磁力大致为零。
若减小Zs/Zm，则屏蔽线圈3的Z方向电磁力减小，其原因如下。由于主线圈2(2a、2b、2c)和屏蔽线圈3是极性相反的线圈，因此互相有排斥的电磁力作用。因此，在Zs/Zm为1或大于1的状态下，屏蔽线圈3从主线圈2的3种线圈(2a、2b、2c)受到的电磁力都为+Z方向。但是若减小Zs/Zm，并将屏蔽线圈3放置在与侧线圈2c相比的Z方向内侧，则屏蔽线圈3从侧线圈2c受到的电磁力是-Z方向，与从其他中心线圈2a、中间线圈2b受到的+Z方向的电磁力抵消。因此，屏蔽线圈3受到的Z方向电磁力减小。
通过所述屏蔽线圈3的配置，作用在屏蔽线圈3的Z方向电磁力大致为零。另外，对屏蔽线圈3还有R方向作用的电磁力，但由于该电磁力向R方向外侧作用，因此不会对线圈框及支承部件本身作用。因此，支承屏蔽线圈框不需要支撑以往那样较大的电磁力，以能支撑自重的强度进行支承即可。在实施方式1中，屏蔽线圈框31是被从主线圈框21垂直竖立的屏蔽线圈框支承部件33支承的。屏蔽线圈框支承部件33例如是厚度10mm的圆盘，例如由不锈钢等非磁性材料制成。在中央部开有通过主线圈框21的孔，作为整体是环状圆盘形，屏蔽线圈框支承部件33与主线圈框21、屏蔽线圈框31被焊接结合。将屏蔽线圈框支承部件33焊接在主线圈框21的Z方向不存在主线圈2的位置。另外，在所述内容中，氦槽凸缘41、屏蔽线圈框31、屏蔽线圈框支承部件33分别是被焊接结合的，但用螺栓固定等其他结合方法进行结合，也能取得相同的作用效果。
如上所述，在实施方式1中，超导线圈的配置虽不是使超导线的使用量为最小而配置的，但抑制了超导线使用量的增加(10％以下)，且大幅减少(减半、至1/3、大致为零)作用在屏蔽线圈3的Z方向电磁力。其结果是，可以将以往为一体的筒状的屏蔽线圈框例如对每1个屏蔽线圈进行分割，可以简化支承结构。据此，对于随着近年来超导磁体的电磁力的增大而线圈框及支承结构的材料及加工费的增多的情况，可以大幅减少使用的线圈框和支承部件的量，可以降低与部件调配、加工、冷却相关的成本，可以进一步实现轻量化。另外，可以缩短传导冷却方式的超导磁体中的冷却时间。
实施方式2.
图4是实施方式2的超导磁体的与Z轴平行的面的剖视图。图5是与图4的Z轴垂直的面的剖视图。实施方式2的超导磁体具有主线圈2、主线圈框21、屏蔽线圈3、屏蔽线圈框31、氦槽凸缘41、氦槽外筒42、热屏蔽体45、真空槽46、冷冻机47及操作端口48，这点与实施方式1相同。另外，关于屏蔽线圈3的配置，将屏蔽线圈3配置在为了抑制超导线的使用量的增加，使作用在屏蔽线圈3的Z方向电磁力最小化的位置，使Zs/Zm为0.73左右，这点与实施方式1相同。
实施方式2的超导磁体的屏蔽线圈框支承部件34是板状，将板的面与Z轴平行地配置，连接主线圈框21和屏蔽线圈框31。屏蔽线圈框支承部件34由例如具有20mm板厚的不锈钢等非磁性材料构成，对每1个屏蔽线圈以30度间距配置12片，整个磁体总计配置24片。屏蔽线圈框支承部件34和主线圈框21及屏蔽线圈框31被焊接固定、和结合。屏蔽线圈框31、屏蔽线圈框支承部件34分别被焊接结合，但也可以用螺栓固定等其他结合方法进行结合。在实施方式2中，具有的优点是：在屏蔽线圈3及屏蔽线圈框31的重量较小时，可以减少屏蔽线圈框支承部件34的板厚及片数，屏蔽线圈框支承部件34的材料的量较少即可。
如上所述，在实施方式2中，也与其他实施方式相同，通过将屏蔽线圈3配置在Z方向的电磁力较小的场所，可以将以往一体的筒状的屏蔽线圈框31对每1个屏蔽线圈进行分割，可以简化支承结构。据此，可以大幅减少使用的线圈框和支承部件的量，可以降低与部件调配、加工、冷却相关的成本，可以进一步实现轻量化。
实施方式3.
图6是实施方式3的超导磁体的与Z轴平行的面的剖视图。图7是与图6的Z轴垂直的面的剖视图。实施方式3的超导磁体具有主线圈2、主线圈框21、屏蔽线圈3、屏蔽线圈框31、氦槽凸缘41、氦槽外筒42、热屏蔽体45、真空槽46、冷冻机47及操作端口48，这点与实施方式1相同。另外，关于屏蔽线圈3的配置，将屏蔽线圈3配置在为了抑制超导线的使用量的增加，使作用在屏蔽线圈3的Z方向电磁力最小化的位置，使Zs/Zm为0.73左右，这点与实施方式1相同。
在实施方式3中，将屏蔽线圈框31配置在跨过氦槽凸缘41之间的梁35上。梁35是例如由不锈钢这样的非磁性材料构成的方材，每隔30度间距进行配置，整个磁体总计配置12条。在梁35安装屏蔽线圈的场所设置有配合的槽，以安装屏蔽线圈框31。屏蔽线圈框31与该配合槽对齐来配置，之后被焊接固定、结合在梁35。氦槽凸缘41、屏蔽线圈框31、梁35分别被焊接结合，但也可以用螺栓固定等其他结合方法进行结合。
如上所述，在实施方式3中，也与其他实施方式相同，通过将屏蔽线圈3配置在Z方向的电磁力较小的场所，可以简化支承结构。据此，可以大幅减少使用的线圈框和支承部件的量，可以降低与部件调配、加工、冷却相关的成本，可以进一步实现轻量化。
实施方式4.
图8是表示实施方式4的超导磁体的结构的剖视图。说明与实施方式1不同的点。在实施方式4中，屏蔽线圈框36的形状与其他实施方式不同。图9表示屏蔽线圈框36及屏蔽线圈3的立体剖视图。屏蔽线圈框36向Z轴方向大幅突出，具有与氦槽凸缘41的接合部分51，在接合部分51与氦槽凸缘41连接结合。连接部分被焊接固定。也可以用螺栓固定等其他结合方法进行结合。在实施方式4中，也与其他实施方式相同，通过将屏蔽线圈3配置在Z方向的电磁力较小的场所，可以简化支承结构。据此，可以大幅减少使用的线圈框和支承部件的量，可以降低与部件调配、加工、冷却相关的成本，可以进一步实现轻量化。
实施方式5.
图10是表示实施方式5的超导磁体的结构的剖视图。说明与实施方式1不同的点。在实施方式5中，如图11所示，屏蔽线圈框37的形状与其他实施方式不同。屏蔽线圈框37与其他实施方式的屏蔽线圈框31和36相比，具有屏蔽线圈框37的凸缘部较高的结构，将其凸缘部的端部(接合部分52)与氦槽外筒42的内表面接合。接合部分52和氦槽外筒42被焊接直接固定。也可以用螺栓固定等其他结合方法进行结合。在屏蔽线圈框37的凸缘面设置氦通过孔53，液体氦通过孔53直接与屏蔽线圈3接触并冷却屏蔽线圈3。在实施方式5中，也与其他实施方式相同，通过将屏蔽线圈3配置在Z方向的电磁力较小的场所，可以简化屏蔽线圈框37或支承结构。据此，可以大幅减少使用的线圈框和支承部件的量，可以降低与部件调配、加工、冷却相关的成本，可以进一步实现轻量化。

Claims (10)

1.一种超导磁体，包括第一线圈组以及第二线圈组，所述第一线圈组是磁场产生用主线圈(2)，所述第二线圈组是与所述第一线圈组同轴配置并产生与所述第一线圈组反向的磁场以抵消向外部泄漏的磁场的屏蔽线圈(3)，所述超导磁体的特征在于，
所述第二线圈组的轴向的配置是配置为所述第二线圈组从所述第一线圈组受到的轴向的电磁力与所述第二线圈组产生的轴向的电磁力达到均衡且抵消的位置。
2.一种超导磁体，包括第一线圈组以及第二线圈组，所述第一线圈组是磁场产生用主线圈(2)，所述第二线圈组是与所述第一线圈组同轴配置并产生与所述第一线圈组反向的磁场以抵消从所述第一线圈组向外部泄漏的磁场的屏蔽线圈(3)，所述超导磁体的特征在于，
在以所述第一线圈组产生的磁场产生区域的中心为原点时，所述第二线圈组的轴向的配置是配置为所述第二线圈组的轴向的最外端的轴向坐标位于所述第一线圈组的轴向的最外端的轴向坐标的0.63至0.87倍的范围内。
3.如权利要求2所述的超导磁体，其特征在于，
所述第二线圈组的轴向的最外端的轴向坐标位于所述第一线圈组的轴向的最外端的轴向坐标的0.73至0.87倍的范围内。
4.如权利要求2所述的超导磁体，其特征在于，
所述第二线圈组的轴向的最外端的轴向坐标位于所述第一线圈组的轴向的最外端的轴向坐标的0.63至0.81倍的范围内。
5.如权利要求4所述的超导磁体，其特征在于，
所述第二线圈组的轴向的最外端的轴向坐标位于所述第一线圈组的轴向的最外端的轴向坐标的0.73至0.81倍的范围内。
6.如权利要求1至5中任一项所述的超导磁体，其特征在于，
包括：保持所述第一线圈组的第一线圈框(21)；保持所述第二线圈组的第二线圈框(31)；以及环状圆盘形的线圈框支承部件(33)，利用所述环状圆盘形的线圈框支承部件(33)将所述第一线圈框(21)和所述第二线圈框(31)进行结合。
7.如权利要求1至5中任一项所述的超导磁体，其特征在于，
包括：保持所述第一线圈组的第一线圈框(21)；保持所述第二线圈组的第二线圈框(31)；以及板状的线圈框支承部件(34)，利用所述板状的线圈框支承部件(34)将所述第一线圈框(21)和所述第二线圈框(31)进行结合。
8.如权利要求1至5中任一项所述的超导磁体，其特征在于，
包括：保持所述第一线圈组的第一线圈框(21)；保持所述第二线圈组的第二线圈框(31)；以及梁状的线圈框支承部件(35)，将所述梁状的线圈框支承部件(35)和所述第二线圈框(31)进行结合。
9.如权利要求1至5中任一项所述的超导磁体，其特征在于，
包括：保持所述第一线圈组的第一线圈框(21)；保持所述第二线圈组的第二线圈框(36)；以及在内部收纳所述第一线圈组和所述第二线圈组并储存液体氦的氦槽(43)，将所述氦槽(43)的侧壁和所述第二线圈框(36)进行结合，用所述氦槽(43)支承所述第二线圈框(36)。
10.如权利要求1至5中任一项所述的超导磁体，其特征在于，
包括：保持所述第一线圈组的第一线圈框(21)；保持所述第二线圈组的第二线圈框(37)；以及在内部收纳所述第一线圈组和所述第二线圈组并储存液体氦的氦槽(43)，将所述氦槽(43)的外筒(42)和所述第二线圈框(37)进行结合，用所述氦槽(43)的外筒(42)支承所述第二线圈框(37)。
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