JP2008020266A

JP2008020266A - 超電導マグネット装置

Info

Publication number: JP2008020266A
Application number: JP2006190987A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Kiyoshi; 司木吉; Akihiro Otsuka; 昭弘大塚
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】電源から常時通電し続けて稼動される超電導マグネット装置であって、電源の出力を一定に保持し、高いドリフトレベルと高磁場の発生を実現する超電導マグネット装置を提供する。
【解決手段】電源から電流が常時供給される超電導コイルからなるメインコイル、磁場測定器プローブ、およびドリフト補償器を有する超電導マグネット装置において、磁場測定器プローブはメインコイルの磁場を測定し、ドリフト補償器は、磁場測定器プローブによって測定された磁場の変動とは逆方向の磁場の変動を誘起するように、メインコイルの電流を調整し、磁場を変動前の磁場に回復させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、縦型高分解能ＮＭＲ装置やＭＲＩ断層撮影装置に使用される超電導マグネット装置に関する。

高分解能ＮＭＲ装置やＭＲＩ断層撮影装置に用いられる超電導マグネット装置において、磁場の時間安定性（ドリフト）は分析精度を向上させる上で重要な特性である。高精度の分析を行うためには、磁場の時間安定度（ドリフト）は０．０１ｐｐｍ／ｈｒ以下である必要がある。このレベルのドリフトを実現するために、従来は、磁場を発生させるメインコイルに永久電流スイッチを接続し、永久電流モードで超電導マグネット装置が稼動されるようにしている。この超電導マグネット装置には、低温にて超電導遷移する低温超伝導体が使用されており、磁場の強さとしては、これまでに、２２.３テスラの磁場を発生
させる超電導マグネット装置が実現されている。

この他にも従来から、ドリフトを改善するために、核磁気共鳴点を自動的に探索・捕捉して、発生磁場を設定磁場に追従させること（特許文献１）、超電導主磁石の外周に、超電導補償巻線と直列に接続された磁束保持コイルを設置すること（特許文献２）、電磁石の温度を一定に制御すること（特許文献３および４）なども行われている。
特開昭５６−１５０３３７特開昭６１−１１５３１０特開昭６１−２０４５５１特開昭６３−２７５１０５

一方、医療分野や分析化学の分野からは、更なる高性能ＮＭＲ装置、ＭＲＩ断層撮影装置に対する要望があり、それを実現するために、さらに高磁場を発生させることができる超電導マグネット装置を開発する必要が生じている。そのためには、従来の低温超伝導体を、より臨界磁場の高い高温超電導体に置き換えなければならないが、高温超電導体は、超電導遷移後においても微小な残留抵抗が存在するため、従来のような永久電流モードで稼動させると、電流の減衰による磁場の変動が生じる問題があった。

ここで、電流の減衰の問題を回避するために、永久電流スイッチを使用せずに電源から常時通電し続ける、所謂ドリブンモードで超電導マグネットを稼動すれば、高温超電導体の微小な残留抵抗の影響を受けることは無いが、直流電源自体の電流安定性の問題があることが判明した。直流電源を用いた場合、現在の技術では５ｐｐｍ／ｈｒのドリフトレベルが限界であり、十分なドリフトレベルを得ることができなかったのである。また、上記の特許文献２〜４の技術を用いても、この直流電源自体の電流変動を補償することはできなかった。特許文献1の技術を用いれば直流電源の電流変動を補償することは可能である
が、使用される各種電子回路（バイアス発生回路、掃引信号発生回路、磁場誤差信号増幅器、加算回路）の時間変動を補償することができず、結果的に発生磁場の変動を補償することができなかった。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、電源から常時通電し続けて稼動される超電導マグネット装置であって、電源の出力を一定に保持し、高いドリフトレベルと高磁場の発生を実現する超電導マグネット装置を提供することを課題としている。

本発明の超電導マグネット装置は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、電源から電流が常時供給される超電導コイルからなるメインコイル、磁場測定器プローブ、およびドリフト補償器を有する超電導マグネット装置において、磁場測定器プローブによりメインコイルの磁場が測定され、ドリフト補償器は、磁場測定器プローブによって測定されたメインコイルの磁場の変動とは逆方向の磁場の変動を誘起するように、メインコイルの電流を調整し、磁場が変動前の磁場に回復されることを特徴としている。

第２に、上記第１の発明の超電導マグネット装置において、ドリフト補償器は、中心軸を共有する一次コイルと二次コイルの２本の超電導コイルを含み、メインコイルと二次コイルは主電源に直列に接続され、一次コイルは補助電源に接続されてそれぞれ電流が供給され、磁場測定器プローブによるメインコイル磁場の測定値の上昇に対して、二次コイルの電流を変動させてメインコイルの電流が低減され、メインコイルの磁場の測定値の下降に対しては、メインコイルの電流が増加されて、磁場が変動前の磁場に回復されることを特徴としている。

第３に、上記第１または第２の発明の超電導マグネット装置の、ドリフト補償器の一次コイルに電流を供給する補助電源において、Ｄ／Ａコンバーターを利用したデジタル制御により電流が制御され、プログラマブルロジックコントローラーにより電流の掃引速度が制御されることを特徴としている。

第４に、上記第１、第２、または第３の発明の超電導マグネット装置において、メインコイルを構成する超電導物質が、高温超電導物質であることを特徴としている。

第５に、高分解能ＮＭＲ装置が、上記第１から第４のうちのいずれかの超電導マグネットを用いることを特徴としている。

第６に、ＭＲＩ断層撮影装置が、上記第１から第４のうちのいずれかの超電導マグネットを用いることを特徴としている。

上記第１の発明によれば、磁場測定器プローブによってメインコイルの磁場が測定され、ドリフト補償器によって、測定された磁場の変動とは逆の方向の磁場の変動を誘起するようにメインコイルの電流が調整され、これにより磁場が変動前の磁場に回復されるため、磁場の時間安定性が高められ、十分なドリフトレベルを実現することができる。

上記第２の発明によれば、上記の発明の効果に加え、ドリフト補償器が中心軸を共有する一次コイルと二次コイルを含み、磁場変動の測定結果を一次コイルの補助電源にフィードバックして、一次コイルを介して二次コイルに流れる電流を制御することにより、磁場の時間安定度を確実に向上させることができる。

上記第３の発明によれば、上記の発明の効果に加え、ドリフト補償器の一次コイルに電流を供給する補助電源において、Ｄ／Ａコンバーターを利用したデジタル制御により電流が制御され、プログラマブルロジックコントローラーによって電流の掃引速度が制御されることにより、変動の周期が１日以上のゆっくりとした磁場の変動を打ち消すことができる。

上記第４の発明によれば、上記の発明の効果に加え、メインコイルを構成する超電導物質が高温超電導物質であることにより、臨界磁場が高くなるため、従来の超伝導マグネット装置よりも高磁場を発生させることができる。

上記第５の発明によれば、上記の発明の効果を有する超伝導マグネット装置をＮＭＲ装置に利用することにより、従来よりも安定で高分解能の分析が可能なＮＭＲ装置を得ることができる。

上記第６の発明によれば、上記の発明の効果を有する超伝導マグネット装置をＭＲＩ断層撮影装置に利用することにより、従来よりも安定で高分解能の断層撮影が可能なＭＲＩ断層撮影装置を得ることができる。

図１は、本発明の超電導マグネット装置の実施形態を示した回路図である。超伝導体からなる複数のメインコイル１は主電源２に直列に接続される。各々のメインコイルには、過電流によるクエンチから保護されるためにダイオード３と抵抗器４からなる保護回路が並列に接続される。メインコイル１と主電源の間に、ドリフト補償器５が配置される。ドリフト補償器５は、中心軸を共有する一次コイル６と二次コイル７を含み、二次コイル７がメインコイル１と主電源２の間に直列に接続される。一次コイル６は保護抵抗器４と並列に補助電源８に接続される。補助電源８は、メインコイルの磁場を測定する磁場測定器プローブ９が接続された磁場測定器１０からの信号を受ける制御コンピューター１１と連結される。磁場測定器プローブはメインコイルの磁場発生部に設置される。

メインコイル１は主電源２により通電されて磁場を発生させる。メインコイル１の磁場発生部には磁場測定器プローブ９が設置されており、磁場測定器プローブ９は磁場測定器１０に接続されて、メインコイル１が発生させた磁場を測定する。磁場の測定結果は磁場測定器から制御用コンピューター１１に送信される。磁場の測定結果は制御用コンピューター１１によりデータ処理され、ドリフト補償器５の一次コイル６に接続された補助電源８の出力を制御する制御信号に変換される。制御信号が補助電源８に送信されて補助電源８の出力が制御されることにより、一次コイル６の電流が制御される。

ドリフト補償器５は、メインコイル１が発生させる磁場が変動した時に、その変動とは逆方向の磁場の変動をメインコイルに誘起させ、メインコイルの磁場を変動前の磁場に回復させる。図１の構成のドリフト補償器５の場合、一次コイル６に流れる電流の電流値をＩ_ｐ、二次コイル７に流れる電流の電流値をＩ_ｓ、メインコイル１に流れる電流の電流値をＩ_ｍとし、メインコイル１および二次コイル７の自己インダクタンスをそれぞれＬ_ｍ、Ｌ_ｓ、一次コイル６と二次コイル７の相互インダクタンスをＭ、メインコイルと二次コイル全体の両端電圧の電圧値をＶとすると、式１が成立する。

ここで、メインコイル１と一次コイル６、および二次コイル７との間の相互誘導は微小であるとして無視している。主電源２の出力変動による磁場変動分を二次コイル７に生じる電流Ｉ_ｓが打ち消している状態では、メインコイル１と二次コイル７を合わせた全体での電流の変動がなくなるので、メインコイル１と二次コイル７全体の両端電圧の電圧値Ｖはゼロになる。また、メインコイル１と二次コイル７が超電導状態の場合、Ｉ_ｍとＩ_ｓは
等しくなり、また、メインコイル１の電流の電流値Ｉ_ｍとメインコイル１が発生させる磁場Ｂ_ｍとの間には、式２の関係がある。

以上のことを加味すると、式１は式３のように変形される。

メインコイル１が発生させる磁場を測定し、その単位時間当たりの変動率を制御コンピューター１１によって算出して、式３に従って一次コイル６に流れる電流Ｉ_ｐに変動を生じさせる制御信号が制御コンピューターから補助電源８に送信される。このような制御を行うことは、生じた磁場変動が効率的にかつ完全に打ち消され、その結果磁場の時間安定性（ドリフト）が大幅に向上するので好ましい。

メインコイル１が発生させる磁場の変動の主原因は、主電源２の出力変動である。主電源２の出力変動の原因の一つとして周囲温度の変動がある。この場合、変動の周期は１日以上、場合によっては数日に亘る可能性があり、このような非常にゆっくりとした変動を打ち消すためには、一次コイル６に通電する補助電源の電流掃引速度を遅くする必要がある。アナログ回路を用いてこのような変動に対応することは困難であり、図２の回路ブロック図に示すように、出力電流の設定にＤ／Ａコンバーター２２を用いて、デジタル値に対応するアナログ電圧を制御信号として使用するのが好ましい。図２の回路ブロック図で表されるデジタル電流掃引装置では、８ビットのデジタル値に対して電流値が、00000000→０Ａ、00000001→０.０３９Ａ、00000010→０.０７８Ａのように対応しており、デジタル値を１ビットずつ変化させることで電流値を制御することができる。このデジタル値の変化のタイミングをプログラマブルロジックコントローラー２１で制御することにより、非常に遅い掃引速度を実現することができる。

図３（ａ）、図３（ｂ）は、本発明の超伝導マグネット装置のドリフト補償器５に使用される一次コイル６、および二次コイル７の構造を例示した断面図である。本実施形態において、第１の実施形態と共通する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図３（ａ）の例では、内側に二次コイル７、外側に一次コイル６が設置されている。このような構造にすることにより、二次コイル７の自己インダクタンスが小さくなり、一次コイル６の電流の必要変動量が小さくなるので好ましい。図３（ｂ）の例では、二次コイル７と一次コイル６が数層ずつ交互に設置されている。このような構造にすることにより、一次コイル６と二次コイル７の相互インダクタンスが大きくなるため、一次コイル６の電流変動を効果的に二次コイル７に作用させることができるので好ましい。

ドリフト補償器５の設置に当たっては、メインコイル１が発生させる磁場による電磁誘導が生じない箇所に設置するのが好ましい。メインコイル１がクエンチした場合、この電磁誘導により二次コイル７に過大電流が誘起されてドリフト補償器５が焼損するおそれが
あるからである。

図４は、本発明の超伝導マグネット装置の実施形態を示した断面図である。

メインコイル１の中心軸とドリフト補償器の一次コイル６、二次コイル７の中心軸は直角に捩れた配置になっている。このような配置にすることにより、メインコイル１が発生させる磁場により二次コイル７に生じる電磁誘導を抑制することができる。また、二次コイル７にはメインコイル１と同量の電流が流れるので、メインコイル１の漏洩磁場との間でローレンツ力が働く。従って、ドリフト補償器５はメインコイル１からできるだけ離れた箇所に設置される。このようにメインコイル１とドリフト補償器５を離して設置しても、メインコイル１からの漏洩磁場により、漏洩磁場とドリフト補償器５と両方に垂直な軸を中心としてドリフト補償器５を回転させる偶力が働く。この力に対しては、その大きさを計算し、これに十分耐えうる支持金具でドリフト補償器５を固定する。

メインコイルと主電源の間に、直列にドリフト補償器を配置した超電導マグネット装置の回路図である。本発明のデジタル掃引方式の回路ブロック図であるドリフト補償器の一次コイルと二次コイルの配置の一例を示す断面図である。本発明の超電導マグネット装置の一実施態様である。

符号の説明

１メインコイル
２主電源
３ダイオード
４保護抵抗器
５ドリフト補償器
６一次コイル
７二次コイル
８補助電源
９磁場測定器プローブ
１０磁場測定器
１１制御用コンピューター
２１プログラマブルロジックコントローラー
２２Ｄ／Ａコンバーター
２３制御用増幅器
２４電流増幅用トランジスタ
２５電流モニター用抵抗
３１ドリフト補償器巻枠
４１液体ヘリウム層
４２ドリフト補償器支持金具

Claims

電源から電流が常時供給される超電導コイルからなるメインコイル、磁場測定器プローブ、およびドリフト補償器を有する超電導マグネット装置において、磁場測定器プローブによりメインコイルの磁場が測定され、ドリフト補償器は、磁場測定器プローブによって測定されたメインコイルの磁場の変動とは逆方向の磁場の変動を誘起するように、メインコイルの電流を調整し、磁場が変動前の磁場に回復されることを特徴とする超電導マグネット装置。
ドリフト補償器は中心軸を共有する一次コイルと二次コイルの２本の超電導コイルを含み、メインコイルと二次コイルは主電源に直列に接続され、一次コイルは補助電源に接続されてそれぞれ電流が供給され、磁場測定器プローブによるメインコイルの磁場の測定値の上昇に対して、二次コイルの電流を変動させてメインコイルの電流が低減され、メインコイルの磁場の測定値の下降に対しては、メインコイルの電流が増加されて、磁場が変動前の磁場に回復されることを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット装置。
ドリフト補償器の一次コイルに電流を供給する補助電源において、Ｄ／Ａコンバーターを利用したデジタル制御により電流が制御され、プログラマブルロジックコントローラーにより電流の掃引速度が制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導マグネット装置。
メインコイルを構成する超電導物質が、高温超電導物質であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項に記載の超電導マグネット装置。
請求項１ないし４いずれか１項に記載の超電導マグネットを用いることを特徴とするＮＭＲ装置。
請求項１ないし４いずれか１項に記載の超電導マグネットを用いることを特徴とするＭＲＩ断層撮影装置。