JP2008086791A - 超電導磁石装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主磁場の不均一を補正するための磁場補正用磁性体を設ける作業が容易で、該作業にかかる時間を大幅に減らすことができるようにした超電導磁石装置を提供すること。
【解決手段】内側領域に形成される測定空間に配された被測定物に印加する主磁場を発生する超電導磁石１と、該超電導磁石１をこれと同心状をなして囲繞し保冷するクライオスタット２と、前記超電導磁石１の内側領域に配され、前記主磁場の不均一を補正するための磁場補正用磁性体とを備えた超電導磁石装置において、前記磁場補正用磁性体が各所要位置部分を除去した円筒形磁性材でなり、該窓部付き円筒形磁性体６が前記超電導磁石１と同心状をなして配されている。
【選択図】図１

Description

ＮＭＲ装置は、人体の断層図を画像化するＮＭＲ−ＣＴ（核磁気共鳴イメージング装置）や、有機化合物の結合状態解析装置などのような核磁気共鳴現象（ＮＭＲ：Nuclear Magnetic Resonance）を観測・測定する装置である。本発明は、ＮＭＲ装置用の超電導磁石装置に関し、詳しくは、超電導磁石による主磁場の不均一を補正して高い磁場均一度を得るための磁場補正用磁性体を備えた超電導磁石装置に関するものである。

ＮＭＲ装置用の超電導磁石装置では、測定空間の磁場均一度が極めて高いこと、つまり磁束密度が一様で勾配がなく、磁束密度の空間的変化が極めて小さいことが要求される。そのため、このような磁場の高均一化を実現するために、設計段階では主磁場を発生する超電導磁石のコイル形状や電流密度等に工夫が施されている。しかし、設計通りの製作精度が得られ難いことや、装置設置場所に存在する例えば鉄筋コンクリート建屋の鉄筋のような外乱となる磁性体の影響を受けることなどにより、所望の磁場均一度が得られないことがある。このため、超電導磁石装置には、超電導磁石による主磁場の不均一を補正するための磁場補正用磁性体として、例えばニッケル片あるいは鉄片からなる大きさが数ミリ角程度の磁性体片が多数個配されている。この小さい磁性体片は磁性体シム（シム：shim）と称されている。

図５は従来の超電導磁石装置の構成を示す模式的構成説明図で、全体の１／４部分を切り取って装置内部を示すようにした図である。同図において、１は被測定物Ｔに印加する主磁場を発生する円筒状をなす超電導磁石、３は立体円環状をなす銅製の液体ヘリウム容器である。超電導磁石１は液体ヘリウム容器３内に該磁石１を超電導の作動温度まで冷却して運転するための図示しない液体ヘリウム中に浸漬されて配置されている。４は立体円環状をなし、超電導磁石７を収容した液体ヘリウム容器３を囲繞する真空容器である。真空容器４はその内筒４ａが銅製で、それ以外の部分はステンレス鋼製である。この真空容器４と液体ヘリウム容器３との間に形成された真空断熱空間により、液体ヘリウムに対する室温からの熱放射を防ぐようになされている。

本例では、液体ヘリウム容器３及び真空容器４は、超電導磁石１をこれと同心状をなして囲繞し保冷するクライオスタット（極低温恒温装置）２を構成している。被測定物Ｔは、超電導磁石１の内側領域に形成される室温の測定空間に配されようになっている。そして、真空容器内筒４ａの該容器外部側の面に、主磁場の不均一成分を補正するために多数個の磁性体片Ｓが配されている。

この磁性体片Ｓの配設作業について説明する。本例の場合、超電導磁石１の外形寸法：内径９２ｍｍ，外径２２０ｍｍ，軸方向長さ３７０ｍｍとし、真空容器４の外形寸法（クライオスタットの外形寸法）：内径５４ｍｍ，外径６００ｍｍ，軸方向長さ８００ｍｍとし、超電導磁石１により該磁石中心部の測定空間に７テスラ（プロトン核磁気共鳴周波数３００ＭＨｚ相当）の高均一度磁場を発生させるものとし、厚み０．２ｍｍ×幅２ｍｍ×長さ４ｍｍで、矩形をなすニッケル箔よりなる磁性体片Ｓを、１３０箇所の位置にピンセットを用いて瞬間接着剤（エポキシ樹脂など）で貼りつけた。これらの磁性体片Ｓの貼りつけ位置はシミュレーション計算によって決定されたものであり、この貼りつけ作業には約２０時間を要した。

このようにして、内側領域に形成される測定空間に配された被測定物Ｔに印加する主磁場を発生する超電導磁石１と、該超電導磁石１をこれと同心状をなして囲繞し保冷するクライオスタット２と、超電導磁石１の内側領域であって、クライオスタット２の室温測定空間壁面に配置された多数個の磁性体片Ｓとを備えた超電導磁石装置が構成されている。

前述した従来の超電導磁石装置では、磁場補正用磁性体として個々の大きさが数ミリ角程度の多数個の磁性体片Ｓを、クライオスタット２の数十ミリメートルという小径で円筒面をなす測定空間壁面の各所要位置にそれぞれ貼りつける構造のものであるから、これらの磁性体片Ｓの貼りつけ作業に多大の時間がかかるという問題があった。

そこで本発明の目的は、主磁場の不均一を補正するための磁場補正用磁性体を設ける作業が容易で、該作業にかかる時間を大幅に減らすことができるようにした超電導磁石装置を提供することにある。

前記の目的を達成するために、請求項１の発明は、内側領域に形成される測定空間に配された被測定物に印加する主磁場を発生する超電導磁石と、該超電導磁石をこれと同心状をなして囲繞し保冷するクライオスタットと、前記超電導磁石の内側領域に配され、前記主磁場の不均一を補正するための磁場補正用磁性体とを備えた超電導磁石装置において、前記磁場補正用磁性体が各所要位置部分を除去した円筒形磁性材でなり、該窓部付き円筒形磁性体が前記超電導磁石と同心状をなして配されていることを特徴とする超電導磁石装置である。

請求項２の発明は、請求項１記載の超電導磁石装置において、前記窓部付き円筒形磁性体が前記クライオスタットの内部に配されていることを特徴とするものである。

本発明による超電導磁石装置は、磁場補正用磁性体として、主磁場の不均一を補正すべく各所要位置部分を所要形状にて除去してなる窓部付き円筒形磁性体を、超電導磁石の内側領域に挿入して配設した構造のものである。したがって、窓部付き円筒形磁性体は、例えば平板の磁性材にパンチによる打ち抜きを施したものを円筒形に成形することなどにより、容易に製作できる。よって、従来装置に比べて磁場補正用磁性体を設ける作業が容易で該作業にかかる時間を大幅に減らすことができ、ひいては超電導磁石装置の低コスト化を図ることができる。

さらに、磁場補正用磁性体をクライオスタットの内部に配するようにしたものでは、測定空間の温度変化に影響されることなく磁場補正用磁性体の温度を略一定に保つことができるので、前述の効果に加え、測定空間に高均一磁場を安定性良く発生することができる。

本発明の実施形態の説明にあたり、まず先に、参考例について説明する。図４は参考例による超電導磁石装置の構成を示す模式的構成説明図で、全体の１／４部分を切り取って装置内部を示すようにした図である。

図４に示すように、本参考例による超電導磁石装置は、銅製の円筒形基板５の各所要位置に磁場補正用磁性体としてニッケル箔でなる磁性体片Ｓが取り付けられたものを、真空容器４内側の室温の測定空間に挿入し、超電導磁石１と同心状に配設した構造のものである。非磁性材よりなる円筒形基板５は、この例では銅製であり、厚み１ｍｍ，内径５１ｍｍ，軸方向長さ２００ｍｍである。この円筒形基板５の外周面の１３０箇所の位置に、前述した図５の従来装置で用いたものと同様に、厚み０．２ｍｍ×幅２ｍｍ×長さ４ｍｍのニッケル箔よりなる磁性体片Ｓをピンセットを用いて瞬間接着剤で貼りつけ、しかる後、このものを真空容器４内側の測定空間に配設してある。本参考例の場合、これらの磁性体片Ｓの貼りつけ作業にかかる時間は、約１２時間であった。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態による超電導磁石装置の構成を示す模式的構成説明図で、全体の１／４部分を切り取って装置内部を示すようにした図である。ここで、以降の各実施形態における超電導磁石１及びクライオスタット２については、前記図５に示した従来の超電導磁石装置のそれと同一形状、同一寸法であり、図５と同一の符号を付してその説明を省略する。

図１に示すように、本例による超電導磁石装置は、磁場補正のために各所要位置部分が所要形状にて打ち抜かれた円筒形磁性材でなる磁場補正用磁性体としての窓部付き円筒形磁性体６を、真空容器４内側の室温の測定空間に挿入し、超電導磁石１と同心状に配設した構造のものである。窓部付き円筒形磁性体６は磁性材この例ではニッケルからなり、その打ち抜き前の寸法は、厚み０．５ｍｍ，内径５３ｍｍ，軸方向長さ２００ｍｍである。窓部（孔部）６ａは２．０×４．０ｍｍの矩形形状をしており、パンチによる打ち抜きにより１２０箇所の位置に窓部６ａを設けた。これら窓部６ａの位置は、磁場不均一成分を補正すべくシミュレーション計算によって決定されたものである。

本例の場合、これら窓部６ａの打ち抜きにかかる時間は約４時間であり、前記図４に示した参考例の、銅製円筒形基板５の各所要位置にニッケル箔の磁性体片Ｓを瞬間接着剤で貼りつける構造のものが貼りつけ作業に約１２時間を要したことに比べると、打ち抜き作業自体が簡単、かつ作業能率がよいことから、大幅に時間短縮することができた。また、シミュレーション計算通りの補正効果が得られた。

図２は本発明の別の実施形態による超電導磁石装置の構成を示す模式的構成説明図で、全体の１／４部分を切り取って装置内部を示すようにした図である。前記図１の超電導磁石装置との相違点は窓部付き円筒形磁性体６’がクライオスタット２の内部に配設されている点にある。

図２に示すように、本例による超電導磁石装置は、超電導磁石１の内側領域であって液体ヘリウム容器３内に窓部付き円筒形磁性体６’を超電導磁石１と同心状に配設した構造のものである。この超電導磁石装置によると、従来装置に比べて磁場補正用磁性体を設ける作業が容易となることに加え、この窓部付き円筒形磁性体６’の温度を略一定に保つことができるので、測定空間に高均一磁場を安定性良く発生できる。

すなわち、室温の測定空間内に磁性体片が位置する例えば前記図４の超電導磁石装置では、被測定物自体の温度を変化させて測定するときには磁性体片の温度がその影響で変化する。この結果、磁性体片の磁化特性が前記温度変化に起因して変化するために（磁性体の代表である鉄の飽和磁化Ｉｓの温度変化に対する変化割合は、室温である３００Ｋ（２７℃）で約７０ｐｐｍ／Ｋである）、磁場補正効果が悪くなって測定空間で所要高均一磁場が得られなくなる場合がある。

これに対して、図２の超電導磁石装置では、液体ヘリウム容器３内に窓部付き円筒形磁性体６’を配設しているので、窓部付き円筒形磁性体６’の温度は、該容器３内に収容されている液体ヘリウムの温度である４．２Ｋで、かつ略一定となる。この結果、測定空間の温度を室温から１００℃に変化させて測定を行った場合でも、高均一磁場を変動することなく安定して発生することができる。なお、クライオスタットが液体ヘリウム容器とこれを囲繞する液体窒素容器（７７Ｋ）あるいはガス冷却容器（約４０Ｋ）とを備えた構造のものでは、窓部付き円筒形磁性体６’を液体ヘリウム容器内でなく、液体窒素容器あるいはガス冷却容器のいずれかの内部に配設してもよく、このようにしても、測定空間の温度変化に影響されることなく窓部付き円筒形磁性体６’の温度を略一定に保つことができる。

図３は本発明の別の実施形態による超電導磁石装置の構成を示す模式的構成説明図で、全体の１／４部分を切り取って装置内部を示すようにした図である。前記図２の超電導磁石装置との相違点は窓部付き円筒形磁性体６”の構造にある。

図３に示すように、本例による超電導磁石装置は、ニッケル製の平板の各所要位置に窓部６”ａを設けたものを円筒形に成形し、該窓部付き円筒形磁性体６”を真空容器４内側の室温の測定空間に挿入し、超電導磁石１と同心状に配設した構造のものである。前記平板の寸法は厚み０．５ｍｍで１６０ｍｍ×２００ｍｍである。窓部６”ａは２．０×４．０ｍｍの矩形形状をしており、パンチによる打ち抜きにより１２０箇所の位置に設けた。本例の場合、この平板での窓部６ａの打ち抜きにかかる時間は約２時間であり、円筒体に比べて平板の方が打ち抜き作業が容易なことから、図１の装置に比べて作業時間を半減することができた。また、シミュレーション計算通りの補正効果が得られた。なお、窓部付き円筒形磁性体６”を液体ヘリウム容器３内に配設するようにしてもよい。

本発明の一実施形態による超電導磁石装置の構成を示す模式的構成説明図で、全体の１／４部分を切り取って装置内部を示すようにした図である。 本発明の別の実施形態による超電導磁石装置の構成を示す模式的構成説明図で、全体の１／４部分を切り取って装置内部を示すようにした図である。 本発明の別の実施形態による超電導磁石装置の構成を示す模式的構成説明図で、全体の１／４部分を切り取って装置内部を示すようにした図である。 参考例による超電導磁石装置の構成を示す模式的構成説明図で、全体の１／４部分を切り取って装置内部を示すようにした図である。 従来の超電導磁石装置の構成を示す模式的構成説明図で、全体の１／４部分を切り取って装置内部を示すようにした図である。

符号の説明

１…超電導磁石
２…クライオスタット
３…液体ヘリウム容器
４…真空容器
５…円筒形基板
６，６’，６”…窓部付き円筒形磁性体
６ａ，６’ａ，６”ａ…窓部
Ｓ…ニッケル箔よりなる磁性体片

Claims (2)

1. 内側領域に形成される測定空間に配された被測定物に印加する主磁場を発生する超電導磁石と、該超電導磁石をこれと同心状をなして囲繞し保冷するクライオスタットと、前記超電導磁石の内側領域に配され、前記主磁場の不均一を補正するための磁場補正用磁性体とを備えた超電導磁石装置において、前記磁場補正用磁性体が各所要位置部分を除去した円筒形磁性材でなり、該窓部付き円筒形磁性体が前記超電導磁石と同心状をなして配されていることを特徴とする超電導磁石装置。
2. 前記窓部付き円筒形磁性体が前記クライオスタットの内部に配されていることを特徴とする請求項１記載の超電導磁石装置。

Images