JP2008091803A - Superconductive magnet - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はMRIまたはNMR等の超伝導磁石に関するものである。 The present invention relates to a superconducting magnet such as MRI or NMR.
超伝導磁石の冷却に関する従来技術で、かつスペーサを利用した超伝導磁石については、特開平5−2527号公報(特許文献1)に記載されている。この特許に示した超伝導磁石は、超伝導コイルを収納している液溜槽とそれを取り囲む熱シールドとの間にスペーサを設けたもので、スペーサが超伝導コイルの軸方向に移動可能な超伝導磁石について記載されたものである。 A conventional technology relating to cooling of a superconducting magnet and a superconducting magnet using a spacer is described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-2527 (Patent Document 1). The superconducting magnet shown in this patent is a superconducting magnet in which a spacer is provided between a liquid reservoir containing the superconducting coil and a heat shield surrounding the superconducting coil, and the spacer can move in the axial direction of the superconducting coil. The conductive magnet is described.
本発明の超伝導磁石は、1テスラ以上の高磁場を発生できるものであるが、超伝導線が超伝導状態から常伝導に転移してしまうことによって起こる急激な磁場の減少(以下、クエンチという)が発生してしまう場合がある。このクエンチ現象は超伝導コイル外周の熱シールドに誘導電流が流れて熱シールドに磁気力が作用する。このため、クエンチ直後に超伝導コイルと熱シールドとの間に磁気力により、超伝導コイルを収納している液溜槽と熱シールドが接触してしまう。液溜槽と熱シールド間の接触面圧に依存するがこの接触によって液溜槽への侵入熱量が約10W以上にもなる場合もある。 The superconducting magnet of the present invention can generate a high magnetic field of 1 Tesla or more, but a sudden magnetic field decrease (hereinafter referred to as quenching) caused by the transition of the superconducting wire from the superconducting state to the normal conducting state. ) May occur. In this quenching phenomenon, an induced current flows through the heat shield around the superconducting coil, and a magnetic force acts on the heat shield. For this reason, immediately after quenching, the liquid reservoir containing the superconducting coil and the heat shield come into contact with each other due to the magnetic force between the superconducting coil and the heat shield. Although depending on the contact surface pressure between the liquid reservoir and the heat shield, the amount of heat entering the liquid reservoir may become about 10 W or more due to this contact.
本発明の目的は、超伝導コイルがクエンチしても液溜槽と熱シールド間の熱移動量が小さくなるので、荷重支持体の本数を少なくでき、液体ヘリウム温度の侵入熱量が小さい超伝導磁石を提供することにある。 The purpose of the present invention is to reduce the amount of heat transfer between the reservoir and the heat shield even when the superconducting coil is quenched, so that the number of load supports can be reduced, and a superconducting magnet with a small amount of heat entering the liquid helium temperature can be obtained. It is to provide.
上記目的は、液体ヘリウムと超伝導コイルを収納する液溜槽と、この液溜槽を収納する熱シールドと、この熱シールドを収納する真空容器と、前記液溜槽と熱シールドとを冷却する冷凍機とを備えた超伝導磁石において、前記液溜槽に設置された接触子と、前記熱シールドに設置されたビームとを備え、このビームは前記接触子と対向する位置に設けられていることにより達成される。 The object is to provide a liquid storage tank for storing liquid helium and a superconducting coil, a heat shield for storing the liquid storage tank, a vacuum container for storing the heat shield, and a refrigerator for cooling the liquid storage tank and the heat shield. A superconducting magnet comprising: a contact disposed in the liquid reservoir; and a beam disposed in the heat shield, the beam being provided at a position facing the contact. The
前記接触子と前記ビームは超伝導磁石のクエンチ時に接触し、クエンチ後は離れることにより達成される。 The contact and the beam are achieved by contacting when the superconducting magnet is quenched and leaving after the quench.
前記ビームが2点以上のビームの節点で熱シールドに設置されていることにより達成される。 This is achieved by the beam being installed on the heat shield at two or more beam nodes.
前記ビームは弾性変形をする部材でできていることにより達成される。 The beam is achieved by being made of an elastically deformable member.
前記接触子とビームとがお互いに接触することによりバネ性を備えたことにより達成される。 This is achieved by providing a spring property by bringing the contact and the beam into contact with each other.
一対の接触子とビームは、液溜槽の上部に3組と前記液溜槽の下部に3組設けられていることにより達成される。 The pair of contacts and beams are achieved by providing three sets at the upper part of the liquid reservoir and three sets at the lower part of the liquid reservoir.
接触する一部に低熱伝導率の材質でコーティングしたことにより達成される。 This is achieved by coating a part of contact with a material having low thermal conductivity.
前記接触子とビームによって接触される部分形状が線であることにより達成される。 This is achieved by the fact that the partial shape in contact with the contact by the beam is a line.
接触する接触子の形状が鋭角な凸または角で形成されていることにより達成される。 This is achieved by the shape of the contacting contact element being formed with acute convexity or corners.
本発明によれば、荷重支持体の本数を少なくでき、液体ヘリウム温度の侵入熱量が小さい超伝導磁石を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a superconducting magnet in which the number of load supports can be reduced and the intrusion heat amount at the liquid helium temperature is small.
以下、本発明の一実施例を図を使って説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、MRI用超伝導磁石の全体断面図である。
図1において、超伝導磁石の液溜槽1には液体ヘリウム2と超伝導コイル3とが収納されている。4は2段式ヘリウム冷凍機である。5は冷凍機4の第1ステージで、6は第2ステージである。冷凍機4の冷凍性能は第1ステージ5の温度が60Kのとき60W、第2ステージ6の温度が4Kのとき1W程度以上の冷凍性能が望ましい。7は熱交換器である。熱交換器7は冷凍機4の第2ステージ6とインジューム箔(図なし)を介して熱的に接続されている。
FIG. 1 is an overall cross-sectional view of a superconducting magnet for MRI.
In FIG. 1, a
図1に示した液溜槽1内の熱交換器7は蒸発したヘリウムガスを凝縮させて液化させることができる。また、液溜槽1内部の熱交換器7は熱交換器7の端部が液体ヘリウム2中にあるときは自然対流によって液体ヘリウムを冷却することも可能である。
The
第1ステージ5と熱シールド8とが熱的に接続されている。この熱シールド8の外周には積層断熱材9が設置されている。この積層断熱材9は室温の真空容器10からの輻射熱を遮蔽するものである。熱シールド8は低熱侵入の荷重支持体11によって支持固定されている。また、液溜槽1も真空容器10から熱シールド8を介して荷重支持体11によって支持固定されている。
The first stage 5 and the
12は接触子であり、13はビームである。液溜槽1の外周壁面と熱シールド8内周壁面とは通常接触することはない。MRI用超伝導磁石及びNMR用超伝導磁石等の磁場は視覚的分解能の向上と計測時間の短縮化を図る目的でさらに高磁場化されている。磁場を高くするにはコイルの巻き数と電流値の積を増やすのが好ましいが、NbTi(ニオブチタン)の超伝導線においても電流密度には限界がある。また、巻き数を増やせば大型化に繋がってしまうことから、小さな病棟には設置することができなくなってしまう可能性がある。
12 is a contact, and 13 is a beam. The outer peripheral wall surface of the liquid reservoir 1 and the inner peripheral wall surface of the
従って、超伝導コイルの巻き数と電流は、ほぼ限界に近い設定にある。このため、超伝導線が液体ヘリウム中で冷却されている環境ではあっても、超伝導線が超伝導状態から常伝導に転移してしまうことが起こる。 Therefore, the number of turns and current of the superconducting coil are set to be close to the limit. For this reason, even in an environment where the superconducting wire is cooled in liquid helium, the superconducting wire may transition from the superconducting state to normal conduction.
図1に示した超伝導コイル3は水平に巻かれている。通常の場合、超伝導磁石はクエンチしない。万が一、この超伝導コイル3がクエンチした場合、超伝導コイルに流れていた電流は急激に減少する。
The
これに伴い磁場も急激に減少する。この磁場の変化によって低抵抗でできている熱シールド8内部に渦電流が流れる。この渦電流により磁場が発生され超伝導コイルの磁場と絡み合い誘導作用が起こる。この誘導作用の一つとして電磁力が起こり熱シールドを上下左右に動かす力が発生される。このクエンチが生じたとき、接触子12とビーム13は一時的に接触する。また、しばらくすると熱シールドに働いていた電磁力が減少し、荷重支持体11の復元力によって熱シールド8の位置が元の位置に戻されるで、さも何にもなかったような状況を生む。この接触子12とビーム13は一対(一組)で役に立つ。図1の超伝導磁石の場合、上部に3組、下部に3組を設置するだけでよい。
Along with this, the magnetic field also decreases rapidly. Due to the change of the magnetic field, an eddy current flows inside the
図1では、接触子12とビーム13の形状が不明瞭であるため、図2で接触子の詳細を示す。
図2は超伝導磁石の部分拡大斜視図である。
図2において、液溜槽1の材質はオーステナイト系のステンレス鋼がよく使用されている。また、高磁場発生MRI用超伝導磁石の場合、直径が約2mである。このステンレス鋼は疑弾性である。従って、0.2%〜0.5%以下の歪であれば応力を除去したとき元に戻ろうとする性質がある。熱シールド8の材質は熱伝導率の高いアルミニウムが使われている。これもステンレス鋼と同様歪が小さければ応力を解除したとき元に戻ろうとする。従って、接触子12とビーム13で形成される最大ギャップは直径が2000mmの場合に10mmとなる。つまり、この接触子とビームによって10mm以下のギャップを管理することができる。
In FIG. 1, since the shapes of the
FIG. 2 is a partially enlarged perspective view of the superconducting magnet.
In FIG. 2, austenitic stainless steel is often used as the material of the liquid reservoir 1. In the case of a superconducting magnet for high magnetic field generation MRI, the diameter is about 2 m. This stainless steel is pseudoelastic. Therefore, if the strain is 0.2% to 0.5% or less, there is a property of returning to the original state when the stress is removed. The
図3は、超伝導磁石の部分拡大断面図である。
図3において、接触子12とビーム13の作用を説明すると、12aは接触子12表面にコーティングした膜である。超伝導コイル3がクエンチしないときの液溜槽1,熱シールド8及び接触子12とビーム13の配置を実線で、クエンチしたときのビーム13,熱シールド8の配置を点線で示した。また、接触子がビームに加わった力Fのベクトルとビーム13が熱シールド8に力を分散した力F/2のベクトルを図3に示した。また、ビーム13は接触子からの力によって変形している様子を点線で示した。接触子12とビーム13とが接触した部分は線状になる。線状の力Fはビーム端部に線状の力となって伝達され、力も半分に分散されるので熱シールドの変形量は小さくなる。
FIG. 3 is a partially enlarged cross-sectional view of the superconducting magnet.
In FIG. 3, the operation of the
さらに、膜12aの材料が接触子12より熱伝導率が小さければ接触による熱抵抗が大きくなるため、接触時、高温(60K)の熱シールドから低温(4K)の液溜槽1への侵入熱量は小さくできる。これは、接触子12と接触するビーム13の表面にコーティングをしても同じ効果が得られる。さらに、接触する接触子12,ビーム13の面それぞれに膜を設ければ効果はさらに増加する。
Furthermore, if the material of the
この接触子12とビーム13の組合せは1組で2箇所の変位+Δr,+ΔZを抑制できる。点対称な位置にこの接触子12とビーム13を設置することで2箇所の変位−Δr,−ΔZを抑制できる。図1の超伝導磁石においては2組の接触子12とビーム13でクエンチ時の変位が抑制できる。
The combination of the
図4は他の実施例を備えた超伝導磁石の部分拡大斜視図である。
図4において、液溜槽1の上面または下面が鏡板で形成されたときの接触子12とビーム13相当の働きをするものについて説明する。図4では、これまで述べてきた接触子
12とビーム13をY型接触子14と丸型ビーム15に変形させたものである。Y型接触子14は端部がネジ構造で、液溜槽1に雌ねじを設けることで簡単に設置できる。丸型ビーム15も低温用接着材(エポキシ樹脂)によって容易に熱シールド8に取り付けることができる。
FIG. 4 is a partially enlarged perspective view of a superconducting magnet provided with another embodiment.
In FIG. 4, what functions as the
図5はY型接触子14と丸型ビーム15の配置を示した部分断面図である。このビーム13と接触子12の働きはこれまでのものと全く同じである。
FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing the arrangement of the Y-
図6は他の実施形態におけるMRI用超伝導磁石の断面図である。
図6において、この実施形態はリング状の超伝導コイル16が水平に設置されて、被測定者が中心の水平円筒内に入って検査するタイプのMRI用超伝導磁石である。これも図1と同様に、接触子12とビーム13とが一体となるように接触子12とビーム13とが相対する位置となっている。しかも、接触子12は液溜槽1にビーム13は熱シールド8に取り付けられている。
FIG. 6 is a cross-sectional view of an MRI superconducting magnet in another embodiment.
In FIG. 6, this embodiment is an MRI superconducting magnet of a type in which a ring-shaped superconducting coil 16 is installed horizontally and a person to be measured enters a central horizontal cylinder for inspection. Similarly to FIG. 1, the
図7は、接触子12とビーム13の拡大斜視図である。
図7において、ロッド13aによって形成されたビーム13の形状は全体が三角錐となっている。この三角錐となったビーム13の底面は熱シールド8に設置されている。また、三角錐底面と相対する面には接触子12が設置されている。ビーム13の三角錐の頂点と接触子12は超伝導コイル3がクエンチしたときのみ一時的に接触する。図7のような三角錐のビームではビーム13が液溜槽1側の接触子12に接触したときに生じる力を三方向に分散できるので荷重が弱まり変形量を小さくできる効果がある。
FIG. 7 is an enlarged perspective view of the
In FIG. 7, the overall shape of the
三角錐を形成しているロッド13aの長さを調整することで伝導熱を変えることもできる。また、ロッド13aの断面積を小さくすればロッド13aが撓みやすくなるので、三角錐のビーム13がバネの働きをする。接触する三角錐のように接触する部分が凸形状にすることで接触する部分の実接触面積が小さくなるので接触熱抵抗が増え易くなるので三角錐型ビーム13と接触子12との組合せた構成は侵入熱量を軽減できるメリットがある。
The conduction heat can be changed by adjusting the length of the
ここに示したのは三角錐であるが四角錐あるいは多角錘の場合においても三角錐と同様の働きがあり、クエンチ時の接触力緩和法として有効である。 The triangular pyramid shown here is the same as the triangular pyramid in the case of a quadrangular pyramid or a polygonal pyramid, and is effective as a contact force relaxation method during quenching.
1 液溜槽
2 液体ヘリウム
3 超伝導コイル
4 冷凍機
8 熱シールド
11 荷重支持体
12 接触子
13a ロッド
14 Y型接触子
15 丸型ビーム
18 ビーム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (9)
前記液溜槽に設置された接触子と、前記熱シールドに設置されたビームとを備え、このビームは前記接触子と対向する位置に設けられていることを特徴とする超電導磁石。 A supercontainer comprising a liquid storage tank for storing liquid helium and a superconducting coil, a heat shield for storing the liquid storage tank, a vacuum container for storing the heat shield, and a refrigerator for cooling the liquid storage tank and the heat shield. In conducting magnets,
A superconducting magnet comprising a contact installed in the liquid reservoir and a beam installed in the heat shield, the beam being provided at a position facing the contact.
前記接触子と前記ビームは超伝導磁石のクエンチ時に接触し、クエンチ後は離れることを特徴とする超伝導磁石。 The superconducting magnet according to claim 1, wherein
The contactor and the beam come into contact with each other when the superconducting magnet is quenched, and leave after the quenching.
前記ビームが2点以上のビームの節点で熱シールドに設置されていることを特徴とする超電導磁石。 The superconducting magnet according to claim 1, wherein
A superconducting magnet, wherein the beam is installed on a heat shield at two or more beam nodes.
前記ビームは弾性変形をする部材でできていることを特徴とする超電導磁石。 The superconducting magnet according to claim 1, wherein
The superconducting magnet according to claim 1, wherein the beam is made of an elastically deformable member.
前記接触子とビームとがお互いに接触することによりバネ性を備えたことを特徴とする超電導磁石。 The superconducting magnet according to any one of claims 1 to 4,
A superconducting magnet having a spring property by contact between the contact and the beam.
一対の接触子とビームは、液溜槽の上部に3組と前記液溜槽の下部に3組設けられていることを特徴とする超伝導磁石。 The superconducting magnet according to any one of claims 1 to 5,
A pair of contacts and beams are provided in three sets at the upper part of the liquid reservoir and three sets at the lower part of the liquid reservoir.
接触する一部に低熱伝導率の材質でコーティングしたことを特徴とする超電導磁石。 The superconducting magnet according to any one of claims 1 to 6,
A superconducting magnet characterized in that a part of contact is coated with a material having low thermal conductivity.
前記接触子とビームによって接触される部分形状が線であることことを特徴とする超伝導磁石。 The superconducting magnet according to any one of claims 1 to 7,
The superconducting magnet according to claim 1, wherein a shape of a part in contact with the contact by a beam is a line.
接触する接触子の形状が鋭角な凸または角で形成されていることを特徴とする超伝導磁石。
The superconducting magnet according to any one of claims 1 to 8,
A superconducting magnet, characterized in that the shape of a contactor which is in contact is formed with a sharp convexity or corner.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006273531A JP2008091803A (en) | 2006-10-05 | 2006-10-05 | Superconductive magnet |
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JP2006273531A JP2008091803A (en) | 2006-10-05 | 2006-10-05 | Superconductive magnet |
Publications (1)
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014000346A (en) * | 2012-06-21 | 2014-01-09 | Hitachi Medical Corp | Superconducting electromagnet device and magnetic resonance imaging apparatus |
JP2014007150A (en) * | 2012-06-01 | 2014-01-16 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | Cyclotron |
-
2006
- 2006-10-05 JP JP2006273531A patent/JP2008091803A/en active Pending
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