JP2007522682A - 液化ガスクライオスタット - Google Patents

Abstract

本発明は、真空ハウジングを形成する内壁及び外壁と、該内壁及び外壁間に配置される多層断熱体と、使用時にクライオスタット内の液化ガスと接触して冷却される内壁の領域にわたって延びるように内壁及び外壁間において内壁を包囲する少なくとも１個の放射遮蔽体とを備え、放射遮蔽体は、クライオスタットが液化ガスを収容しているときに熱を伝導し、且つ電気的に絶縁する複数のロッドを有する、液化ガスクライオスタットに関する。

Description

本発明は、液化ガスクライオスタットに関し、より詳細には、液体ヘリウムクライオスタットに関する。

クライオスタットは、磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ）装置において使用されることがよく知られている。ＭＲＩ装置の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）、ひいてはＭＲＩの画質は、受信コイルの抵抗を低下させることにより向上させることができるが、これは、クライオスタットにおいてコイルを冷却することにより達成することができる。ＳＮＲを最大にすることは、低い磁場強度を用いるＭＲＩ装置においては特に重要である。具体的には、低ＳＮＲは、コイルにＴ_ｃ（超伝導転移温度）が低い超伝導体を用いることにより達成することができる。Ｔ_ｃが低い好適な超伝導体の例としてはニオブが挙げられる。ニオブは、所望される任意の形状を有するコイルを容易に形成することができる高融点金属である。ニオブのＴ_ｃは約９Ｋであり、液体ヘリウムにより４．２Ｋにて冷却することを必要とする。

液体ヘリウムは特殊な取扱いを必要とし、液体ヘリウムを収容するクライオスタットは、条件を満たす液体ヘリウム保持時間が確保できるように、十分に断熱されていなければならない。市販されるクライオスタットにおいては、標準充填量５Ｌの液体ヘリウムが、４〜５日かけて気化しうる。

典型的な液体ヘリウムクライオスタットは、液体ヘリウムへの伝導性熱伝達を減らすために、壁間の空間を真空にした二重壁を有するデュワーを備える。二重壁は通常、渦電流による信号損失を最小にするために、ガラス強化プラスチック（ＧＲＰ）から製造される。通常、複数の積層断熱（ＭＬＩ）層、例えば３０層が、放射熱流束を減じるために壁間に配置される。ＭＬＩは、自己区画形成された不連続のメタライズ領域を形成するために、それぞれ金属層で被覆された繊維層を備えることができる。例えば、繊維をポリエステルとすることができ、金属層は金又はアルミニウムを含むことができる。英国特許第２３５１５４９号明細書には、織布の糸の交差によって不連続な金属層が形成されるクライオスタットＭＬＩの改良について開示している。したがって金属化された織布は熱反射体として機能することができ、且つ導電、ひいては渦電流による損失を妨げるメタライズ領域の不連続な特性を備える。

しかしながら、ＭＬＩ層の能力は、クライオスタットの内壁と外壁との間に中間温度となる放射遮蔽体を備えることによりさらに向上させることができる。遮蔽体は、（７７Ｋの）液体窒素リザーバ又は冷却器を接触させることにより、或いは、液体ヘリウムの気化によって発生するヘリウムガスの排気管（クライオスタットの「ネック」と呼ばれることがある）上のある位置に熱的に固定することにより冷却することができる。排気管の「冷たい側の端部」は、液体ヘリウム（４．２Ｋ）に近い温度であり、管の長さに沿って温度が上がり、クライオスタットの上面においてはほぼ室温と同じ温度となる。したがって、原則として、遮蔽体を管に対して正確な位置に固定することにより、この範囲の任意の遮蔽体温度を得ることができる。遮蔽体は、クライオスタットの外壁からの放射熱流束（介在するＭＬＩ層により減じられる）を遮断し、この熱を管の固定位置に伝えることにより、機能する。

従来のクライオスタットにおいては、銅又はアルミニウムが６０〜１５０Ｋの温度範囲において高い熱伝導率を有するため、通常はこれらの材料を用いて放射遮蔽体が形成される。しかしながらこれらの材料には、低温にて高い導電率を有するために渦電流損失が増大するという欠点があった。

放射遮蔽体における渦電流損失を減じるための試みは、例えばＧＲＰ管の長手方向に設けられたアルミニウム又は銅からなる電気的に絶縁された薄片またはワイヤを用いることによりなされてきた。この構造は、遮蔽体に入射される放射熱を効率よくクライオスタットの全長にわたって伝えることが確実にできるが、渦電流信号損失が増大するため、導電路となる領域は最小限に保たれてしまう。英国特許第２３３１７９８号明細書には、良好な熱伝導率を有する電気絶縁体から形成された放射遮蔽体を有するクライオスタットが開示されている。このような電気絶縁体の例としては、焼結セラミック材料（例えばアルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素）や、サファイア粉体又はダイヤモンド粉体混合物が挙げられる。

しかしながら、このような放射遮蔽体も問題を有している。例えば、焼結セラミック材料は高価であり、また重すぎる場合がある。また、焼結セラミック材料にはさらに、連続的なシートとして形成することが難しく、放射遮蔽体の寸法が制限されるという問題点もある。これにより、クライオスタットの全体の大きさにも制限が加わることになり、スキャンされる被検体の寸法にも制限が生じうる。

本発明は、従来のクライオスタットにおける前述した問題を解決することができる液化ガスクライオスタットを提供することを目的とするものである。

本発明は、真空ハウジングを形成する内壁及び外壁と、該内壁及び外壁間に配置される多層断熱体と、使用時にクライオスタット内の液化ガスと接触して冷却される内壁の領域にわたって延びるように内壁及び外壁間において内壁を包囲する少なくとも１個の放射遮蔽体とを備え、前記放射遮蔽体が、クライオスタットが液化ガスを収容しているときに熱を伝導し、且つ電気的に絶縁する複数のロッドを有する、液化ガスクライオスタットを提供する。

熱は伝導するが電気的には絶縁するロッド（以下、「遮蔽ロッド」とする）を備える放射遮蔽体は、放射遮蔽体が連続的なシート材料で形成されている場合に比較し、より安価であり、クライオスタットの寸法の自由度が高い。したがって、本発明のクライオスタットは原則として、所望される任意の寸法を有することができ、より小さな直径を有するクライオスタットに比較して、より大きな直径を有するクライオスタットの場合、単に放射遮蔽体を形成する遮蔽ロッドの数をより多く必要とする。遮蔽ロッドは、特に焼結セラミック材料（例えばアルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素）を用いる場合には、遮蔽材料からなる連続的なシートに比較してより安価に製造することができる。遮蔽ロッドから形成される放射遮蔽体は、遮蔽材料からなる連続的なシートに対して、重量的な利点も有する。

したがって、本発明のクライオスタットにおいて使用される放射遮蔽体は、クライオスタットが液化ガスを収容しているときに熱を伝導し、且つ電気的に絶縁する複数のロッドを備える。遮蔽ロッドの形成材料として好ましい材料には、焼結セラミック材料（例えばアルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素）や、サファイア粉体又はダイヤモンド粉体混合物が挙げられる。このような材料は、良好な熱伝導率を有し、且つ電気的に絶縁し、放射遮蔽体の作動温度において渦電流を減少させる。遮蔽ロッドの形成材料として好ましい材料はアルミナである。

遮蔽ロッドは、原則として所望される任意の寸法を有することができる。例えば、遮蔽ロッドは、漏出を防止したり物理的な歪みを受け入れるために用いられているわけではないため、小さな寸法、例えば１〜２ｍｍの寸法を有することができる。遮蔽ロッドは、所定の直径及び長さを有するように製造することができ、必要に応じて長さを短くすることができる。例えば、典型的なクライオスタットの放射遮蔽体に用いられる遮蔽ロッドは、３０〜６０ｃｍの長さに形成することができる。

本発明の放射遮蔽体に用いられる遮蔽ロッドの数は、放射遮蔽体の寸法と、用いられる個々の遮蔽ロッドの寸法に応じて変わる。例えば、１０ｃｍの直径を有する放射遮蔽体の円周は約３１４ｍｍであり、直径１ｍｍの遮蔽ロッド１５０個を、放射遮蔽体の円周に沿って約１ｍｍの間隔をおくように均等に離間して配置することができる。

放射遮蔽体は好ましくは遮蔽ロッドを配置するための基材を備える。基材は、内壁及び外壁間において内壁を包囲するように管状又は円筒状をなすことが好ましく、好適な材料、例えばＧＲＰで形成される。本発明の好ましい実施形態においては、放射遮蔽体は、管状ＧＲＰ基材と、該基材に固定されるエンドプレートとを備え、基材上にはアルミナ製遮蔽ロッドが配置される。エンドプレートも好ましくはアルミナから形成され、遮蔽ロッドと同様の厚さ、例えば約１〜２ｍｍの厚さに形成することができる。

使用時においては、放射遮蔽体は、室温（例えば３００Ｋ）とクライオスタット内の液化ガスの温度（例えば液体ヘリウムの場合４．２Ｋ、液体窒素の場合７７Ｋ）との間の中間温度となるように冷却されることが好ましい。放射遮蔽体は、（７７Ｋの）液体窒素リザーバ又は冷却器との接触により、又はクライオスタットの「ネック」、即ち気化した液化ガスが排気される管においてクライオスタットに対して熱的に固定されることにより、冷却することができる。ネックの「冷たい側の端部」の温度は、クライオスタット内の液化ガスに近い温度であり、ネックの長さに沿って温度が上昇し、クライオスタットの上面においてはほぼ室温と同じになる。したがって、原則として、放射遮蔽体をネックに対して正確に固定することにより、この範囲の任意の放射遮蔽体温度を得ることができる。

よって、放射遮蔽体は、放射遮蔽体からクライオスタットのネックに熱を移動させるために、熱交換器を介してクライオスタットのネックと接触させることができ、これにより放射遮蔽体が冷却される。熱交換器は、銅やアルミニウム等の金属や、セラミック材料から形成することができ、一端が遮蔽ロッドに連結され、他端がクライオスタットのネックに連結される薄片やロッドの形態をとることができる。遮蔽ロッドがアルミナからなるこれらの好ましい実施形態においては、熱交換器はアルミニウム製ロッドを備えることが好ましい。

本発明のクライオスタットの放射遮蔽体は、生体磁気測定のために必要とされるクライオスタットを含む全てのタイプの低ノイズクライオスタットとともに用いることができる。

本発明のクライオスタットは、気体によってクライオスタット内の液化ガスに熱が伝えられることを減じるために、真空ハウジングを形成する内壁及び外壁を備える。したがって、クライオスタットは、例えばＧＲＰから形成される二重壁のデュワーを備えることができる。

本発明のクライオスタットはさらに、内壁及び外壁間に配置される多層断熱体（ＭＬＩ）を備える。ＭＬＩは、当業者に周知であるような任意の好適な形態とすることができる。よって、ＭＬＩは、例えばポリエステル繊維の織布層からなるメタライズ基材を備えることができる。基材は、好ましくは２ｍｍ×２ｍｍを超えないメタライズ領域を備え、より好ましくは、約５００〜２０μｍのメタライズ要素を備える。このようなメタライズ基材は、ＭＬＩを形成するために使用される、自己区画形成した、高度に均一であり、渦電流損失が低い反射断熱材料を提供する。本発明において使用することが好ましいＭＬＩについては、英国特許第２３５１５４９号明細書に開示される。

本発明のクライオスタットは、液体ヘリウム又は液体窒素とともに用いることが特に好適である。
本発明のクライオスタットは、好ましくはＭＲＩ又はＮＭＲスキャン用の超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を収容することが好ましい。

本発明を、添付の図面に基づき、詳細に説明する。
各図面において、本発明のクライオスタットの一実施形態は、内壁４及び外壁６を有するデュワー２を備える。内壁４及び外壁６は、渦電流による損失を最小限にするためにＧＲＰから形成される。内壁４及び外壁６間の空間は、気体によってクライオスタット内の液化ガスに熱が伝わることを減じるために真空バルブ８を介して排気され、内壁４及び外壁６は、それぞれの上端において真空シール１０によって閉鎖されている。液体ヘリウム１２は、デュワー２内に収容される。

放射遮蔽体１４は、内壁４と外壁６との間に配置され、液体ヘリウム１２と接触して冷却される内壁４の領域にわたって延びるように、内壁４を包囲する。放射遮蔽体は、ＧＲＰ基材１８（図２参照）上に配置される直径約１ｍｍの複数のアルミナ製ロッド１６を備える。放射遮蔽体１４はさらに、エポキシ樹脂によって基材１８に固定される厚さ約２ｍｍのアルミナ製エンドプレート１９を備える。アルミナ製エンドプレートは、遮蔽体と同じ温度まで冷却されるように、各アルミナ製ロッドに熱伝達可能に連結される。このように、エンドプレートはクライオスタットの液体体積の端に到達するはずの放射熱を遮断する。

液体ヘリウム１２から気化したヘリウムガスは、図１の矢印Ａにて示されるように、クライオスタットのネック２０を介して排気される。放射遮蔽体１４は、放射遮蔽体１４からネック２０に熱を伝え、これにより放射遮蔽体１４が冷却されるように、熱交換器２２を介してネック２０に連結される。熱交換器２２は、アルミナ製ロッド１６に連結されたアルミナ製ロッドを備える。アルミナ製ロッドが熱交換器２２のロッドに対して熱を伝えるように連結されており、熱交換器２２のロッドがネックに対して熱を伝えるように連結されていることは、明らかであろう。

或いは、放射遮蔽体１４は、クライオスタットのネック２０から熱的に絶縁されていてもよく、冷却器により冷却されてもよい。
２個以上の放射遮蔽体を用いることができ、このような場合には、気化したヘリウムガスによる冷却と冷却器による冷却を合わせて使用することができる。

図面に示される本発明の実施形態はさらに、内壁４及び外壁６間に配置される多層断熱体２４を備える。多層断熱体２４は、熱流束を減じるために、アルミナめっきが施されたマイラー（登録商標、Ｍｙｌａｒ）層を３０〜６０層備える。一般的に、検出コイル（図１において符号２６にて示される）近傍における損失を最小限にするために、クライオスタットの底面近傍及び底面を覆う部分の断熱層の数がより少なく、液体ヘリウムの気化を最小限にするために、放射遮蔽体１４の側面近傍の断熱層の数がより多いことが好ましい。断熱層は、アルミニウム被覆薄膜を有しており、導電防止のために、２ｍｍ×２ｍｍよりも小さな寸法の不連続なアルミニウム領域を備える。

本発明のクライオスタットが使用される主要な分野は、室温において患者等の被検体に対して行われるＮＭＲ及びＭＲＩ測定である。より詳細には、このようなクライオスタットにおいて作動するＳＱＵＩＤ検出器に対して連結された、液体ヘリウム温度に調整された超伝導面コイルにより、低い磁場強度にて信号対ノイズ比が高いＭＲ画像を得ることができる。

本発明の一実施形態におけるクライオスタットの縦断面図。 図１に示されるクライオスタットのエンドプレート、放射遮蔽体、及び熱交換機を示した切欠き斜視図。

Claims (15)

1. 真空ハウジングを形成する内壁及び外壁と、
   前記内壁及び外壁間に配置される多層断熱体と、
   使用時にクライオスタット内の液化ガスと接触して冷却される内壁の領域にわたって延びるように内壁及び外壁間において内壁を包囲する少なくとも１個の放射遮蔽体と
   を備え、前記放射遮蔽体は、クライオスタットが液化ガスを収容しているときに熱を伝導し、且つ電気的に絶縁する複数のロッドを有する、液化ガスクライオスタット。
2. 前記ロッドが焼結セラミック材料、又はサファイア粉体若しくはダイヤモンド粉体混合物から形成される、請求項１に記載のクライオスタット。
3. 前記ロッドがアルミナ、窒化アルミニウム、又は炭化ケイ素から形成される、請求項２に記載のクライオスタット。
4. 前記ロッドの直径が１〜２ｍｍである請求項１乃至３のいずれか一項に記載のクライオスタット。
5. 前記放射遮蔽体がガラス強化プラスチック基材を備え、該基材上に前記ロッドが配置される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のクライオスタット。
6. 前記放射遮蔽体が、前記基材に固定されたエンドプレートを備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のクライオスタット。
7. 前記エンドプレートがアルミナから形成される請求項６に記載のクライオスタット。
8. 前記エンドプレートが１〜２ｍｍの厚さを有する請求項６又は７に記載のクライオスタット。
9. 前記放射遮蔽体は使用時において、放射遮蔽体から排気管に熱を伝えるために、気化した液化ガスが排気されるクライオスタットの排気管と接触することにより、熱交換器を介して冷却される、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のクライオスタット。
10. 前記熱交換器が金属又はセラミック材料から形成される請求項９に記載のクライオスタット。
11. 前記熱交換器が薄片、ロッド、又は材料の形態をとる請求項９又は１０に記載のクライオスタット。
12. 前記熱交換器がアルミニウム製ロッドを備える請求項１０又は１１に記載のクライオスタット。
13. 液体ヘリウムを収容する請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のクライオスタット。
14. ＭＲＩ又はＮＭＲスキャン用の超伝導量子干渉素子を収容する請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のクライオスタット。
15. 添付の図面に示され、本願に記載される液化ガスクライオスタット。

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