CN105794006A - 超导磁铁、mri以及nmr - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于通过恒流开关的结构简化和热容量降低而提供一种加热效率高的恒流开关。为了达到上述目的，本发明的超导磁铁具有超导线圈、恒流开关、以及交流电源、脉冲电源或充放电电路，针对包括所述超导线圈和所述恒流开关的环路电路，以与所述恒流开关并联的方式连接有所述交流电源、脉冲电源或充放电电路。

Description

超导磁铁、MRI以及NMR

技术领域

涉及超导磁铁、MRI以及NMR。

背景技术

在MRI、NMR等需要强力并且稳定的磁场的情况下，利用超导线圈和恒流开关来形成超导闭合回路，在该闭合回路中通电几乎不减衰的电流，从而得到期望的磁场。

在恒流开关中，作为电流路径使用了超导体，一般通过用加热器加热超导体而进行作为开关的切换。超导体通过被冷却到其临界温度以下而电阻成为零(ON状态)，但如果加热到临界温度以上则成为正常导体而产生电阻(OFF状态)。

在超导磁铁的励磁时，将恒流开关设为OFF状态，使从励磁电源供给的大部分电流通电到超导磁铁。为了加快恒流开关的切换、或者抑制之间的制冷剂蒸发量，优选ON状态的恒流开关的温度与临界温度的温度差尽可能小。另一方面，如果ON状态的恒流开关的温度设定接近超导体的临界温度，则在对恒流开关施加了外部干扰时，超导体的温度接近临界温度而易于失超(quench)，所以恒流开关的稳定性变低。

NbTi等低温超导体一般利用液态氦进行冷却，所以在使用了低温超导体的恒流开关中，ON状态的温度为液态氦温度(约4K)，OFF状态的温度是临界温度附近(约9K)。在该情况下，能够通过加热器的加热而使恒流开关的超导体上升约5K。

通过近年来的高温超导体的开发，超导体的临界温度得以上升。在液态氦中使用利用了例如临界温度是90K的高温超导体的恒流开关的情况下，需要使恒流开关的温度从4K上升至90K。在使用了这样的高温超导体的恒流开关中，相比于使用了低温超导体的恒流开关，应上升的温度差变大，且开关构成材料的比热变大一个数量级以上，所以需要效率良好的加热方法。

在例如专利文献1中，示出了使用高温超导膜的恒流开关，在高温超导体中列举了YBCO等。

专利文献1：日本特开2003-142744号公报

发明内容

但是，上述专利文献1的恒流开关在超导膜与加热器之间具有用于确保强度的足够厚的绝缘物基板，所以存在恒流开关整体中的热容量大这样的课题。

本发明的目的在于通过恒流开关的结构简化和热容量降低而提供一种加热效率高的恒流开关。

为了达到上述目的，本发明的超导磁铁具有超导线圈、恒流开关、以及交流电源、脉冲电源或充放电电路，针对包括所述超导线圈和所述恒流开关的环路电路，以与所述恒流开关并联的方式连接有所述交流电源、脉冲电源或充放电电路。

根据本发明，能够加热效率良好地切换恒流开关。

附图说明

图1是实施例1中的超导磁铁的概要结构。

图2是实施例1中的超导磁线的截面略图。

图3是实施例1中的MRI的概要结构。

图4是实施例2中的超导磁铁的概要结构。

图5是实施例3中的超导磁铁的概要结构。

图6是实施例4中的超导磁铁的概要结构。

(符号说明)

1：交流电源；2：超导线圈；3：恒流开关；4：失超检测器；5：保护电路；6：超导线；7：超导细丝；8：常导部；9：制冷容器；10：测定对象；11：倾斜磁场线圈；12：倾斜磁场用放大器；13：RF天线；14：RF发送接收机；15：保护电路电阻分量；16：保护电路电感分量；17：脉冲电源；18：充放电电路；19：失超恢复(quenchback)电路；20：外壳；100：超导磁铁；200：MRI或者NMR。

具体实施方式

以下，使用图示的实施例，说明本发明的实施方式。

实施例1

图1示出在各方式例中共同的超导磁铁100的概要结构。将超导线圈2、恒流开关3、失超检测器4、保护电路5并联地连接。超导线圈2是卷绕超导线而制作的线圈，收纳于制冷容器中，使用制冷剂、制冷设备冷却至超导线的临界温度以下。恒流开关3也由超导线构成，但以使电感分量变小的方式例如构成为无感应绕组的形状，电感分量被抑制为仅内部电感。恒流开关3在ON状态下被冷却至小于临界温度的温度，在OFF状态下被加热到临界温度以上的温度而产生电阻。失超检测器4是检测超导线圈的一部分常导化时的失超信号的装置。在检测到失超信号之后，向未图示的电源、保护电路5等发送控制信号，使超导线圈2的保护动作开始。从用于使电流减衰的保护电阻、或具有与超导线圈2热连接的加热器的失超恢复电路等中选择保护电路5。

在以往的恒流开关中，为了对开关内的超导线进行加热而内置有加热器线，通过对该加热器线进行通电而使其发热，进行超导线的加热。在本发明中，将交流电源1连接到恒流开关3，对恒流开关3的超导线6直接通电而进行加热。在本发明的恒流开关3中不需要加热器线，构造变得简单，这点是优势。

另外，此处将失超检测器4和保护电路5设为单独的部件进行了说明，但也可以设为在保护电路5内具有失超检测器4的结构。

图2示出构成恒流开关3的超导线6的截面略图。超导线6包括超导细丝7、常导部8、以及外壳20。用常导部8来构成超导线6的内周部，用外壳20来构成覆盖常导部8的外周部。超导细丝7是以被内周部的常导部8包围的方式配置的，未配置于外壳20中。通常，交流电流由于趋肤效应而集中地流过线的外周部，所以能够对超导线6的外周部的外壳20集中地通电，产生焦耳热而对超导线6进行加热。能够使用趋肤深度d、交流电流的频率f、构成外壳20的材料的电阻率ρ、外壳20的磁导率μ，通过来表示趋肤效应的式子。因此，根据希望通电的部分，选择交流电流的频率即可。为了使电流高效地流过外壳20，在将外壳20的厚度设为t时，满足t/2<d的关系即可。而且，如果将电流的极性设为单极，则能够放宽向保护电路5的限制条件、例如二极管的极性等。

而且，在超导细丝7中流过交流电流时，产生被称为交流损失的热并被用于超导线6的加热。另外，即使在仅对常导部8通电了交流电流的情况下，也对超导细丝7施加交流磁场，产生交流损失，可成为加热主要原因。在图2中，仅示出了截面形状为圆形的圆线的情况，但也能够同样地适用于矩形线、带状线。

图3示出使用了本发明的MRI200的概要结构。恒流开关3与超导线圈2一起被收纳于制冷容器9，通过制冷剂或者制冷设备而被冷却。恒流开关3和超导线圈2中流过的恒流在测定对象10的位置产生时间稳定性高的静磁场。该静磁场强度越高，则核磁共振频率越高，核磁共振信号强度也越高。倾斜磁场线圈11从倾斜磁场用放大器12根据需要而被供给时间变化的电流，在测定对象10的位置产生在空间上具有分布的静磁场。而且，通过使用RF(RadioFrequency，无线电频率)天线13和RF发送接收机14对测定对象施加核磁共振频率的磁场并测定反应信号，从而能够实现测定对象10的截面图像诊断。使用相同的结构也能够实现NMR。

实施例2

在以下所示的实施例中，仅说明与实施例1的不同点。

在图4中，示出作为实施例1记载的保护电路5的例子而使用保护电路电阻分量15和保护电路电感分量16的串联电路时的超导磁铁100的概要结构。由于恒流开关3的电感不是零，所以在没有保护电路电感分量16的情况下，从交流电源1供给的交流电流主要流过保护电路5。因此，通过使保护电路电感分量16大于恒流开关3的电感分量，能够增加在恒流开关3中流过的交流电流，提高加热效率。但是，如果增加保护电路电感分量16，则使包含超导线圈2和恒流开关3的超导环路中流过的直流电流转移到保护电路5时的时间常数变长，所以需要设计为合适的大小。

实施例3

图5示出代替实施例1记载的交流电源1而使用脉冲电源17时的超导磁铁100的概要结构。在使用脉冲电源17而通电矩形波电流的情况下，如果将对矩形波进行傅立叶级数展开时的基频设为f’，而设为满足那样的矩形波，则能够使通电范围集中到外壳20。

实施例4

图6示出代替实施例1记载的交流电源1而使用充放电电路18时的超导磁铁100的概要结构。通过将充电到电容器中的能量放电到恒流开关3，能够与脉冲电源同样地对恒流开关3进行加热。能够通过准备多个电容器并依次放电，来蓄积期望的能量。而且，如果将电容器配置于制冷容器9中，则能够在充电后拆卸用于从外部电源对电容器进行充电的电流引线，能够相应地抑制向制冷容器9内部的热进入。关于由于放电而在外壳20中流动的电流波形，与实施例3所示的矩形波电流同样地，如果将对电流波形进行傅立叶级数展开时的基频设为f’，设为满足那样的电流波形，则能够使通电范围集中到外壳20。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.(修改后)一种超导磁铁，具有超导线圈、恒流开关以及交流电源，其特征在于，

针对包括所述超导线圈和所述恒流开关的环路电路，以与所述恒流开关并联的方式连接所述交流电源，

所述恒流开关由超导线构成，

在所述超导线的内周部配置常导部以及超导细丝，在所述超导线的外周部配置外壳，

针对所述交流电源的频率f、所述外壳的厚度t、所述外壳的材料的电阻率ρ、所述外壳的磁导率μ，成立。

2.(修改后)根据权利要求1所述的超导磁铁，其特征在于，

交流电流集中地流过所述超导线的外周部。

3.(修改后)根据权利要求2所述的超导磁铁，其特征在于，

对所述超导线的外周部的外壳集中地通电，产生焦耳热，对所述超导线进行加热。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的超导磁铁，其特征在于，

针对包括所述超导线圈和所述恒流开关的环路电路，并联地连接保护电路。

5.根据权利要求4所述的超导磁铁，其特征在于，

所述保护电路所具有的电感大于恒流开关所具有的电感。

6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的超导磁铁，其特征在于，

针对包括所述超导线圈和所述恒流开关的环路电路，并联地连接失超检测器。

7.(修改后)一种超导磁铁，具有超导线圈、恒流开关、以及脉冲电源或者充放电电路，其特征在于，

针对包括超导线圈和恒流开关的环路电路，以与恒流开关并联的方式连接脉冲电源或者充放电电路，

所述恒流开关由超导线构成，

在所述超导线的内周部配置常导部以及超导细丝，在所述超导线的外周部配置外壳，

针对对通过所述脉冲电源或者充放电电路来通电的电流波形进行傅立叶级数展开时的基频f’、所述外壳的厚度t、所述外壳的材料的电阻率ρ、所述外壳的磁导率μ，成立。

8.(修改后)根据权利要求7所述的超导磁铁，其特征在于，

来自所述脉冲电源或者充放电电路的电流集中地流过所述超导线的外周。

9.(修改后)根据权利要求8所述的超导磁铁，其特征在于，

对所述超导线的外周部的外壳集中地通电，产生焦耳热，对所述超导线进行加热。

10.一种MRI或者NMR，其特征在于，

使用权利要求1至9中的任意一项所述的超导磁铁。

说明或声明(按照条约第19条的修改)

1.修改的内容

将修改前的权利要求2、3的内容加入到修改前的权利要求1。

将修改前的权利要求8、9的内容加入到修改前的权利要求7。

修改后的权利要求2、3基于说明书第3页倒数第1段～第4页第1段。

修改后的权利要求8、9基于说明书第5页第3段、第5页第5段。

2.说明

在任一个对比文件中，对于满足根据通过交流电源、脉冲电源、充放电电路进行通电的电流的频率、外壳的厚度、外壳的材料的电阻率、外壳的磁导率而得到的趋肤效应的式子的超导磁铁，都没有公开、启示、给出动机。

以上。

Claims (10)

1.一种超导磁铁，具有超导线圈、恒流开关以及交流电源，其特征在于，

针对包括所述超导线圈和所述恒流开关的环路电路，以与所述恒流开关并联的方式连接有所述交流电源。

2.根据权利要求1所述的超导磁铁，其特征在于，

所述恒流开关由超导线构成，

在超导线的内周部配置常导部以及超导细丝，在超导线的外周部配置外壳。

3.根据权利要求2所述的超导磁铁，其特征在于，

针对所述交流电源的频率f、所述外壳的厚度t、所述外壳的材料的电阻率ρ、所述外壳的磁导率μ，成立。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的超导磁铁，其特征在于，

针对包括所述超导线圈和所述恒流开关的环路电路，并联地连接保护电路。

5.根据权利要求4所述的超导磁铁，其特征在于，

所述保护电路所具有的电感大于恒流开关所具有的电感。

6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的超导磁铁，其特征在于，

针对包括所述超导线圈和所述恒流开关的环路电路，并联地连接失超检测器。

7.一种超导磁铁，具有超导线圈、恒流开关、以及脉冲电源或者充放电电路，其特征在于，

针对包括超导线圈和恒流开关的环路电路，以与恒流开关并联的方式连接有脉冲电源或者充放电电路。

8.根据权利要求7所述的超导磁铁，其特征在于，

所述恒流开关由超导线构成，

在超导线的内周部配置常导部以及超导细丝，在超导线的外周部配置外壳。

9.根据权利要求8所述的超导磁铁，其特征在于，

针对对通过所述脉冲电源或者充放电电路来通电的电流波形进行傅立叶级数展开时的基频f’、所述外壳的厚度t、所述外壳的材料的电阻率ρ、所述外壳的磁导率μ，成立。

10.一种MRI或者NMR，其特征在于，

使用了权利要求1至9中的任意一项所述的超导磁铁。