JP2007311341A - 超伝導マグネット向けの低ａｃ損失超伝導体及びその製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超伝導マグネット・コイル内に誘導されるヒステレシス損やうず電流によって生じるＡＣ損失を低下させるように構成した装置を提供する。
【解決手段】低ＡＣ損失導電体（７０）は、超伝導体フィラメント（７６）の第１の層（７４）によって取り囲まれた電気伝導性コア（７２）を含む。抵抗性シェル（８０）が第１の層（７４）を取り囲んでおり、また絶縁コーティング（８２）がこの抵抗性シェル（８０）を半径方向に囲繞している。本発明の別の態様では、電気伝導性コアを形成する工程と、該電気伝導性コアの周りに超伝導フィラメントを巻きつける工程と、を含む導体を製作する方法が提供される。
【選択図】図２

Description

本発明は全般的には、超伝導マグネットシステムに関し、またさらに詳細には交流（ＡＣ）環境で動作する超伝導マグネットに関する。

ＭＲシステムは一例として、超伝導マグネット、マグネットコイル支持構造及びヘリウム容器を備えたコールドマス（ｃｏｌｄ ｍａｓｓ）を含む。ヘリウム容器内に包含された液体ヘリウムは、超伝導マグネットに対して冷却を提供すると共に、超伝導動作のために超伝導マグネットを低い温度に維持していることは当業者であれば理解されよう。この液体ヘリウムは、概ね及び／または実質的に４．２ケルビン（Ｋ）の液体ヘリウム温度に超伝導マグネットを維持している。熱的に分離させるために、この液体ヘリウムを包含するヘリウム容器は一例として、圧力容器を真空容器の内部に備えている。

ＭＲ超伝導マグネットは典型的には、撮像ボリュームの位置に均一のＢ_０磁場を発生させる１組の主コイル、マグネットのフリンジ磁場を制限する１組のバッキング（ｂｕｃｋｉｎｇ）コイルなど幾つかのコイルを含む。これらのコイルはＮｂＴｉやＮｂ３Ｓｎ導体などの超伝導体によって巻きつけられる。このマグネットはその導体が超伝導状態で動作するように液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）まで冷却される。マグネットの熱負荷（環境からの輻射や伝導によって生じるものなど）は、「開放系」における液体ヘリウムのボイルオフによるか、「閉鎖系」における４Ｋクライオクーラによるかのいずれかによって除去される。このマグネットは典型的には、その熱負荷を最小限にするようにクライオスタットの内部に配置される（液体ヘリウムの交換の費用が多大であること、並びにクライオクーラの冷却能力が限られることのため）。ＭＲシステムの傾斜コイルが発生させるＡＣ磁場などのＡＣ磁場にコイルを曝露させると、超伝導体内にＡＣ損失が発生する。すなわち、超伝導コイルをＡＣ磁場に曝露させると、導体温度上昇やクエンチを生じさせる可能性があるＡＣ損失の原因となるヒステレシス損やうず電流がその内部に誘導される。ＡＣ損失はさらに、極低温システムに関する総熱負荷も増加させる。熱負荷が上昇すると追加的な冷媒極低温化能力が必要となり、これによって動作コストが上昇する。

したがって、超伝導マグネット・コイル内に誘導されるヒステレシス損やうず電流によって生じるＡＣ損失を低下させるように構成した装置があることが望ましい。

本発明は、超伝導コイル内のＡＣ損失を低下させるための上述の欠点を克服した超伝導体を提供する。

本発明の一態様では、低ＡＣ損失導電体は、半径方向の中心にある電気伝導性コアと、該伝導性コアを半径方向に取り囲んでおりかつ複数の超伝導体フィラメントを備えた第１の層と、を含む。第２の層が、第１の層を半径方向に取り囲んでおりかつその周りに抵抗性シェルを形成している。この導電体はさらに、第２の層を半径方向に囲繞している絶縁コーティングを含む。

本発明の別の態様では、導体を製作する方法は、電気伝導性コアを形成する工程と、該電気伝導性コアの周りに超伝導フィラメントを巻きつける工程と、を含む。本方法はさらに、超伝導フィラメントを囲繞する抵抗性シェルを形成する工程と、該抵抗性シェルの周りに絶縁を配置する工程と、を含む。

本発明のまた別の態様では、超伝導ケーブルは、絶縁性の外装内に配列させた複数の超伝導体を含む。各超伝導束は、中心のコアの周りに巻きつけられた複数の超伝導ストランドと、該複数の超伝導ストランドを取り囲む１つのシェルと、該シェルを取り囲む１つの絶縁スリーブと、を有する。

本発明に関する別の様々な特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から明らかとなろう。

図面では、本発明を実施するために目下のところ企図される好ましい一実施形態を図示している。

図１を参照すると、超伝導マグネット・システム１０は一例として、交流電流（ＡＣ）環境で動作する超伝導マグネット・システムを含む。例示的な超伝導マグネット・システムは、変圧器、発電機、モータ、超伝導磁気エネルギー貯蔵（ＳＭＥＳ）、及び／または磁気共鳴（ＭＲ）システムを含む。従来のＭＲマグネットはＤＣモードで動作するが、幾つかのＭＲマグネットはマグネットに対する傾斜漏洩磁場が高いときに傾斜コイルからのＡＣ磁場下で動作することがある。こうしたＡＣ磁場によってマグネット内にＡＣ損失が発生する。説明を目的として、磁気共鳴及び／または磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置及び／またはシステムの例示的な詳細に関する例証検討を提示することにする。

ＭＲシステムの動作は、キーボードその他の入力デバイス１３、制御パネル１４及び表示画面１６を含むオペレータ・コンソール１２から制御を受けている。コンソール１２は、オペレータが画像の作成及び表示画面１６上への画像表示を制御できるようにする独立のコンピュータ・システム２０と、リンク１８を介して連絡している。コンピュータ・システム２０は、バックプレーン２０ａを介して互いに連絡している多くのモジュールを含んでいる。これらのモジュールには、画像プロセッサ・モジュール２２、ＣＰＵモジュール２４、並びに当技術分野でフレーム・バッファとして知られている画像データアレイを記憶するためのメモリ・モジュール２６が含まれる。コンピュータ・システム２０は、画像データ及びプログラムを記憶するためにディスク記憶装置２８及びテープ駆動装置３０とリンクしており、さらに高速シリアルリンク３４を介して独立のシステム制御部３２と連絡している。入力デバイス１３は、マウス、ジョイスティック、キーボード、トラックボール、タッチ作動スクリーン、光学読取り棒、音声制御器、あるいは同様な任意の入力デバイスや同等の入力デバイスを含むことができ、また入力デバイス１３は対話式幾何学指定のために使用することができる。

システム制御部３２は、バックプレーン３２ａにより互いに接続させたモジュールの組を含んでいる。これらのモジュールには、ＣＰＵモジュール３６や、シリアルリンク４０を介してオペレータ・コンソール１２に接続させたパルス発生器モジュール３８が含まれる。システム制御部３２は、実行すべきスキャンシーケンスを指示するオペレータからのコマンドをこのリンク４０を介して受け取っている。パルス発生器モジュール３８は、各システム構成要素を動作させて所望のスキャンシーケンスを実行させ、発生させるＲＦパルスのタイミング、強度及び形状、並びにデータ収集ウィンドウのタイミング及び長さを指示するデータを発生させている。パルス発生器モジュール３８は、スキャン中に発生させる傾斜パルスのタイミング及び形状を指示するために１組の傾斜増幅器４２と接続させている。パルス発生器モジュール３８はさらに、生理学的収集制御器４４から患者データを受け取ることができ、この生理学的収集制御器４４は、患者に装着した電極からのＥＣＧ信号など患者に接続した異なる多数のセンサからの信号を受け取っている。また最終的には、パルス発生器モジュール３８はスキャン室インタフェース回路４６と接続されており、スキャン室インタフェース回路４６はさらに、患者及びマグネット・システムの状態に関連付けした様々なセンサからの信号を受け取っている。このスキャン室インタフェース回路４６を介して、患者位置決めシステム４８は患者を所望のスキャン位置に移動させるコマンドを受け取っている。

パルス発生器モジュール３８が発生させる傾斜波形は、Ｇｘ増幅器、Ｇｙ増幅器及びＧｚ増幅器を有する傾斜増幅器システム４２に加えられる。各傾斜増幅器は、収集する信号の空間エンコードに使用する磁場傾斜を生成させるように全体を番号５０で示す傾斜コイル・アセンブリ内の物理的に対応する傾斜コイルを励起させている。傾斜コイル・アセンブリ５０は、偏向用マグネット５４及び全身用ＲＦコイル５６を含むマグネット・アセンブリ５２の一部を形成している。システム制御部３２内の送受信器モジュール５８は、ＲＦ増幅器６０により増幅を受けて送信／受信スイッチ６２によりＲＦコイル５６に結合されるようなパルスを発生させている。患者内の励起された原子核が放出して得られた信号は、同じＲＦコイル５６により検知し、送信／受信スイッチ６２を介して前置増幅器６４に結合させることができる。増幅したＭＲ信号は、送受信器５８の受信器部分で復調され、フィルタ処理され、さらにディジタル化される。送信／受信スイッチ６２は、パルス発生器モジュール３８からの信号により制御し、送信モードではＲＦ増幅器６０をコイル５６と電気的に接続させ、受信モードでは前置増幅器６４をコイル５６に接続させている。送信／受信スイッチ６２によりさらに、送信モードと受信モードのいずれに関しても独立したＲＦコイル（例えば、表面コイル）を使用することが可能となる。

ＲＦコイル５６により取り込まれたＭＲ信号は送受信器モジュール５８によりディジタル化され、システム制御部３２内のメモリ・モジュール６６に転送される。未処理のｋ空間データのアレイをメモリ・モジュール６６内に収集し終わると１回のスキャンが完了となる。この未処理のｋ空間データは、各画像を再構成させるように別々のｋ空間データアレイの形に配置し直しており、これらの各々は、データをフーリエ変換して画像データのアレイにするように動作するアレイプロセッサ６８に入力される。この画像データはシリアルリンク３４を介してコンピュータ・システム２０に送られ、コンピュータ・システム２０において画像データはディスク記憶装置２８内などの記憶装置内に格納される。この画像データは、オペレータ・コンソール１２から受け取ったコマンドに応じて、テープ駆動装置３０上などの長期記憶内にアーカイブしたり、画像プロセッサ２２によりさらに処理してオペレータ・コンソール１２に伝達しディスプレイ１６上に表示させたりすることができる。

図２は、ＡＣ磁場のＡＣ損失が小さい超伝導導電体７０の断面を表している。導体７０は、銅マトリックス７８の形に配置させた超伝導体フィラメント束を形成する複数の超伝導フィラメント７６を有する第１の層７４によって半径方向に取り囲まれた銅コア７２を有する。フィラメント７６は、ニオブ−チタン（ＮｂＴｉ）から製作されることが好ましいが、フィラメント７６が別の超伝導材料から製作されることもあることは当業者であれば理解されよう。フィラメント７６は、第１の層７４の内部の長手方向で銅コア７２の周りに捻られている。この複数の超伝導フィラメント７６の捻りピッチは、１００ｍｍと等しいかこれより大きいことが好ましい。フィラメント７６はさらに直径を数マイクロメートルとし、ＡＣ磁場の規模が大きいことに由来するヒステレシス損を低下させることが好ましい。

導体７０が受けるＡＣ周波数が高くなると、その内部の電気伝導が第１の層７４内に集中し始める。このため、導体７０の電気伝導表皮厚（ｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈ）が低下する。この表皮厚は次式によって計算することができる。

ｔ＝（ρ／（πｆμ））^１／２ （式１）
上式において、ρは抵抗率、μは透磁率、またｆは周波数である。フィラメント７６と銅マトリックス７８の間の電気抵抗はＡＣ損失と比例関係にある。すなわち、フィラメント７６と銅マトリックス７８の間の電気抵抗が小さいほど、電気伝導の表皮厚は小さくなる。表皮厚が小さくなるに連れて、電気伝導内に誘導されるうず電流が小さくなる。このため、誘導されるうず電流により生じるＡＣ損失も低下する。

第１の層７４を外側シェル８０が取り囲んでおり、またこの外側シェル８０を絶縁コーティング８２が取り囲んでいる。外側シェル８０が伝導性であれば、これによって（特に高周波数において）かなりのＡＣ損失が生じる可能性がある。したがって外側シェル８０は、誘導されるうず電流及びＡＣ損失を低下させるためにＣｕＮｉやＣｕＭｎなどの抵抗性材料から製作することが好ましい。絶縁コーティング８２によって、ある導体７０が別の導体から絶縁される、あるいは導体７０がその上に巻きつけられた該導体自体から絶縁される。この方式では、各導体７０またはその一部分がＡＣ損失の発生に関して個別に作用する。

図３は、絶縁性スリーブ８６内部にある図２の導体７０からなる束８４を表している。高い周波数では、各導体７０の直径が小さくなると、その内部に誘導されるうず電流によって生じるＡＣ損失も小さくなる。束８４内の各導体７０は別の導体７０と並列であり、また束８４内の導体７０の数は束８４が所望の電流を伝えられるように増加させることができる。各導体７０の絶縁コーティング８２の一部を除去し、除去した絶縁コーティング８２の箇所で各導体７０に対してブリッジ８８をはんだ付けし、導体７０を互いに電気的に接続することが好ましい。束８４の長さ方向で多数のブリッジ８８が導体７０に対して周期的にはんだ付けされている。この方式で導体７０を互いに電気接続することによって、これらの間での電流の転送及び共有が強化されると共に、束８４の安定性及びクエンチ性能が向上する。

図４は、絶縁された単一フィラメント超伝導ストランド９２からなる束９０を表している。ストランド９２は、リッツ（Ｌｉｔｚ）型の配列で互いに巻きつけられ、絶縁外装９４を介して互いに束ねられている。ストランド９２は、絶縁外装９４の内部で完全転置で配置することが好ましい。各ストランド９２内に発生するＡＣ損失を低下させるために、その直径を小さくする（例えば、０．１５ｍｍ未満とする）ことがある。束９０が所望の電流を伝えられるようにストランド９２は並列に電流を導いている。

束９０の長さ方向で多数のブリッジ９６がストランド９２に対して周期的にはんだ付けされている。この方式では、各ストランド９２の絶縁コーティング９８の一部分が除去されると共に、除去した絶縁コーティング９８の箇所で各ストランド９２に対してブリッジ９６をはんだ付けし、ストランド９２が互いに電気的に接続されている。ブリッジ９６によってストランド９２間での電流の転送及び共有が強化されると共に、束９０の安定性及びクエンチ性能が向上する。

図５は、図４の線５−５に沿って切った単一フィラメント超伝導ストランド９２の断面を表している。ストランド９２は、銅安定化材１０２によって取り囲まれた単一超伝導フィラメント１００を有する。ストランド９２はＮｂＴｉから製作することが好ましいが、ストランド９２が別の超伝導材料から製作されることもあることは当業者であれば理解されよう。ストランド９２を別のストランドから絶縁するために、安定化材１０２は絶縁コーティングによって取り囲まれている。

上述のように導体７０及び／または束８４、９０から製作した超伝導コイルによって、誘導されるうず電流が発生させるＡＣ損失が低下する。傾斜パルス性ＡＣ磁場下にあるＭＲ超伝導マグネット内、並びに高速の発電機やモータの超伝導電機子や磁場コイル内におけるＡＣ損失が低下する。

したがって、半径方向の中心にある電気伝導性コアと、該伝導性コアを半径方向に取り囲んでおりかつ複数の超伝導体フィラメントを備えた第１の層と、を含む低ＡＣ損失導電体を開示する。第２の層が第１の層を半径方向に取り囲むと共に、その周りに抵抗性シェルを形成している。本導電体はさらに、第２の層を半径方向に囲繞する絶縁コーティングを含む。

さらに、電気伝導性コアを形成する工程と、該電気伝導性コアの周りに超伝導フィラメントを巻きつける工程と、を含む導体の製作方法を提示する。本方法はさらに、超伝導フィラメントを囲繞する抵抗性シェルを形成する工程と、該抵抗性シェルの周りに絶縁を配置する工程と、を含む。

本発明はさらに、絶縁性の外装内に配列した複数の超伝導体を含んだ超伝導ケーブルの形で具現化される。各超伝導束は、中心のコアの周りに巻きつけられた複数の超伝導ストランドと、該複数の超伝導ストランドを取り囲む１つのシェルと、該シェルを取り囲む１つの絶縁スリーブと、を有する。

本発明を好ましい実施形態に関して記載してきたが、明示的に記述した以外に等価、代替及び修正が可能であり、これらも添付の特許請求の範囲の域内にあることを理解されたい。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

本発明を組み込むことで恩恵が得られるＭＲ撮像システムのブロック概要図である。 本発明による超伝導体の断面像である。 互いに束ね合わせた図２の複数の超伝導体の破断斜視図である。 本発明による複数の超伝導ストランドの破断斜視図である。 図４の超伝導ストランドを線５−５に沿って切った断面像である。

符号の説明

１０ 超伝導マグネット・システム
１２ オペレータ・コンソール
１３ キーボードその他の入力デバイス
１４ 制御パネル
１６ 表示画面
１８ リンク
２０ コンピュータ・システム
２０ａ バックプレーン
２２ 画像プロセッサ・モジュール
２４ ＣＰＵモジュール
２６ メモリ・モジュール
２８ ディスク記憶装置
３０ テープ駆動装置
３２ 独立のシステム制御部
３２ａ バックプレーン
３４ 高速シリアルリンク
３６ ＣＰＵモジュール
３８ パルス発生器モジュール
４０ シリアルリンク
４２ 傾斜増幅器
４４ 生理学的収集制御器
４６ スキャン室インタフェース回路
４８ 患者位置決めシステム
５０ 傾斜コイル・アセンブリの全体
５２ マグネット・アセンブリ
５４ 偏向用マグネット
５６ 全身用ＲＦコイル
５８ 送受信器モジュール
６０ ＲＦ増幅器
６２ 送信／受信スイッチ
６４ 前置増幅器
６６ メモリ・モジュール
６８ アレイプロセッサ
７０ 超伝導導電体
７２ 銅コア
７４ 第１の層
７６ 超伝導フィラメント
７８ 銅マトリックス
８０ 外側シェル
８２ 絶縁コーティング
８４ 束
８６ 絶縁性スリーブ
８８ ブリッジ
９０ 束
９２ 単一フィラメント超伝導ストランド
９４ 絶縁外装
９６ ブリッジ
９８ 絶縁コーティング
１００ 単一超伝導フィラメント
１０２ 安定化材

Claims (10)

1. 半径方向の中心にある電気伝導性のコア（７２）と、
   前記伝導性コア（７２）を半径方向に取り囲んでおりかつ複数の超伝導体フィラメント（７６）を備えた第１の層（７４）と、
   前記第１の層（７４）を半径方向に取り囲んでおりかつその周りに抵抗性シェルを形成している第２の層（８０）と、
   前記第２の層（８０）を半径方向に囲繞している絶縁コーティング（８２）と、
   を備えた低損失ＡＣ導電体。
2. 前記複数の超伝導体フィラメント（７６）は前記伝導性コア（７２）に沿った長手方向で捻られている、請求項１に記載の導体。
3. 前記複数の超伝導体フィラメント（７６）は１００ｍｍと等しいかこれより大きい捻りピッチを有する、請求項２に記載の導体。
4. 前記伝導性コア（７２）は銅からなっており、かつ前記第１の層（７４）は複数の超伝導体フィラメント（７６）を束ねている銅マトリックス（７８）を備えている、請求項１に記載の導体。
5. 前記第２の層（８０）は銅合金を含む、請求項１に記載の導体。
6. 前記銅合金はニッケルとマグネシウムのうちの一方を含む、請求項５に記載の導体。
7. 前記第１の層（７４）の複数の超伝導体フィラメント（７６）はニオブ−チタン（ＮｂＴｉ）から形成されている、請求項１に記載の導体。
8. 互いに捻り合わされた複数の低損失ＡＣ導電体（７０）を有するケーブル（８４）内に組み入れられた請求項１に記載の導体。
9. 前記ケーブル（８４）は、複数の低損失ＡＣ導電体（７０）のそれぞれを互いに対して電気接続させる複数のはんだブリッジ（８８）を含む、請求項８に記載の導体。
10. 前記ケーブル（８４）は複数の低損失ＡＣ導電体（７０）を囲繞している外側絶縁外装（８６）を含む、請求項８に記載の導体。

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