JP2008177183A

JP2008177183A - 超電導電磁石装置およびそれを用いたｍｒｉ装置

Info

Publication number: JP2008177183A
Application number: JP2007006513A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Ariyoshi; 昭彦有吉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-01-16
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2008-07-31

Abstract

【課題】ＭＲＩ装置の超電導電磁石装置において、漏洩磁場分布を設置環境許容範囲内に収めるとともに、クエンチが発生した場合に、漏洩磁場分布に大きな変動を生じない装置を提供する。
【解決手段】複数の超電導主コイル１ａ〜１ｇと、超電導シールドコイル２ａ、２ｂとで構成される超電導コイル群８０に、クエンチ発生時のコイルを保護するダイオード素子５１、５２とこのダイオード素子５１、５２に直列に接続された調整用抵抗６１、６２とを有する少なくとも２つの回路が設けられ、超電導コイル群８０のいずれかのコイルにクエンチ発生時に電流減衰の時定数がほぼ同じとなるよう、調整用抵抗６１、６２の値を設定する。
【選択図】図２

Description

この発明は、超電導電磁石装置に関するものであり、特に生体の画像診断に利用されるＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置の超電導電磁石装置に係るものである。

ＭＲＩ装置は、主に水素原子の核磁気共鳴現象を利用し、被検体の断層映像を取る装置であり、そのために、検査部位を配置する空間に均一な磁場が必要になる。磁場はｐｐｍ（百万分１）レベルの均一性が要求される。静磁場強度は概２．０Ｔ（２テスラ）程度までが用いられている。用いられる磁石装置としては超電導電磁石が一般的に使用され、電磁石の形態としては、円筒状で開口の中央に均一空間を提供する開口内に被検体を挿入するソレノイドタイプと、上下２つの容器にコイル群を収納し、その容器が対抗する空間に均一空間を提供し、発生磁場と垂直に被検体を配置するオープンタイプのものがある。

このような強い磁場を発生するＭＲＩ装置では、磁石装置からの漏洩磁場が問題となる。漏洩磁場の大きさは、０．５ｍＴ（５ガウス）の広さで評価され、病院等に電磁石装置を設置する場合には、心臓ペースメーカへの影響から０．５ｍＴライン（通称５ガウスライン）内に納めることが要求されている。なお、この漏洩磁場制限要求は、超電導電磁石の定常運転時、および超電導電磁石のクエンチ時等通電状態におけるすべての場合に適用される。
漏洩磁場を押さえる方式として、磁石に対し強磁性体で磁気回路を構成するパッシブシールド方式、磁場を発生する主コイルと逆向きの磁場を発生するシールドコイルを配置し外部漏洩磁場を押さえるアクティブシールド方式等が利用されている。これらの方式を採用し、漏洩磁場を環境に合わせて必要な磁場強度に低減する方法がある。

アクティブシールド方式を採用した超電導電磁石装置のクエンチ時における漏洩磁場分布を抑えるために、主コイルとシールドコイルを含むように２回路にわけて、各回路に保護ダイオードを接続することが示されている（例えば、特許文献１）。

特開平０５−０９００２３号公報（図１）

しかしながら、前記特許文献１に示された技術では、メインコイルとシールドコイルを分けた構成である場合であっても、各回路のメインコイル群とシールドコイル群で発生する漏洩磁場の和がその磁石装置の漏洩磁場を決定する。すなわち２回路の内１方の回路を構成するコイル群により生じる漏洩と、他方の回路を構成するコイル群により生じる漏洩磁場により装置全体の漏洩磁場分布が決まる。
前記特許文献１では、メインコイルとシールドコイルで回路が構成されており定常運転状態では、各回路に流れる電流は同じであるがクエンチが生じた回路ではその電流は減衰していく。他方の回路でもクエンチによる熱伝播等によりクエンチが発生し電流減衰が生じる。クエンチ時には、各回路は独立した回路として動作するので回路の回路定数で電流が異なる。その電流により漏洩磁場が発生するので２個の回路電流の違いにより漏洩磁場が広がるという問題がある。

前記特許文献１に示されたクエンチ時における漏洩磁場の広がりを参考図７により同一符号を用いて説明する。
図７において、メインコイル１１〜１３と、シールドコイル２１、２２とによって左側のグループとし、メインコイル１４〜１６とシールドコイル２３、２４とによって右側のグループとしている。
定常運転状態における漏洩磁場を領域５０であるとする。前記特許文献１に記載されているように、左側のグループのメインコイル１２にクエンチが発生すると左側のグループのコイルから発生していた磁場は急速に減衰する。これに対して右側グループのコイルに流れていた電流は非常に緩やかに減衰する。つまりクエンチ発生時にはこの右側のグループに属するコイルからの磁場は残ることになり、前記通常運転状態における漏洩磁場領域５０より図７で示すように軸方向右側に広がりのある漏洩磁場領域５０ａとなる。

この発明は、前記のような課題を解決するためのものであって、クエンチ時の電流減衰が時間的に各回路でアンバランスを生じないよう、各回路のインダクタンスＬの比率と同等の比率となる抵抗を回路毎に設けることにより、電流減衰の時定数がほぼ同じとなり、その結果漏洩磁場変化を同じにすることができて、漏洩磁場の広がりを少なくするものである。

この発明の超電導電磁石装置は、複数の超電導主コイルと、この超電導主コイルの作る磁場とは逆方向の磁場を発生する複数の超電導シールドコイルとを有する超電導コイル群を備えており、超電導コイル群には、クエンチ発生時に超電導コイル群を保護するように、ダイオード素子とこのダイオード素子に直列に接続された抵抗とよりなる回路が、少なくとも２つ有するように設けられており、いずれかの回路のコイルにクエンチが発生した時、各回路の電流減衰の時定数がほぼ同じとなるように、各回路毎の抵抗の値が設定されているものである。

この発明による超電導電磁石装置は、複数の超電導主コイルと、この超電導主コイルの作る磁場とは逆方向の磁場を発生する複数の超電導シールドコイルとを有する超電導コイル群を備えており、超電導コイル群には、クエンチ発生時に超電導コイル群を保護するように、ダイオード素子とこのダイオード素子に直列に接続された抵抗とよりなる回路が、少なくとも２つ有するように設けられており、いずれかの回路のコイルにクエンチが発生した時、各回路の電流減衰の時定数がほぼ同じとなるように各回路毎の抵抗の値が設定されているので、超電導コイル群にクエンチが発生した場合にも漏洩磁場分布に大きな変動が生じることなく、設置環境で許容される範囲内に収めることが可能となるという効果がある。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は水平型磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）用超電導電磁石装置１００の主要部構成の一例を示す縦断側面図である。
図１において、超電導電磁石は主コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇと、前記主コイルとは逆の磁場を発生する超電導シールドコイル２ａ、２ｂから構成される。この超電導主コイル１ａ〜１ｇと超電導シールドコイル２ａ、２ｂとで超電導コイル群８０を形成する。この超電導コイル群８０はヘリウム槽３１内に収納され液体ヘリウムにより４．２Ｋまで冷却されている。ヘリウム槽３１はその周りを、熱シールド３２、真空槽３３で取り囲んだ断熱構造となっており、液体ヘリウムの消費を低減するためにコールドヘッド３４とコンプレッサ３５が接続されている。
以上の各要素によって超電導電磁石装置１００が構成されている。

このアクティブシールド方式を用いた超電導電磁石装置１００は、図１のように画像データを収集する磁場均一空間内３０で磁場均一度を上げるため、円筒巻枠に複数の超電導コイル群の集合６０として配置される。ここでは７個の超電導主コイル１ａ〜１ｇを円筒巻枠（図示せず）に巻線するようにし軸方向に同軸に配列されている。その外側の円筒巻枠（図示せず）に複数個（ここでは２個）の超電導シールドコイル２ａ、２ｂが主コイル円筒巻枠と同軸に配列される。これらの超電導コイル群８０は磁場均一空間３０に対して対称的に配置される。ここでは磁場均一空間３０を横切る中央面に関して対称と配置されている。コイルクエンチによる保護として超電導コイル毎にダイオード素子を設置し電圧を抑制する方法が採用される。
この場合に超電導コイル群８０をいくつかの回路に分けて、各回路をダイオードで接続する方法が採用される。これは回路を分けることによりクエンチ部で消費されるエネルギーを磁石全体でのエネルギーではなく、回路内だけのエネルギーに減らすことで、クエンチ部分の焼損、発生電圧を抑制できるからである。

次に２回路の場合の回路構成図を図２に示す。
図２において、均一磁場領域３０へ主磁場を超電導主コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇで発生し、その漏洩磁場を低減するために超電導シールドコイル２ａ、２ｂで前記主コイルと逆の電流を通電することにより、逆の磁場を発生させ、外部の漏洩磁場を低減する。回路１は超電導シールドコイル２ａ、２ｂを逆並列のダイオード素子５１で接続した構成とし、回路２は超電導主コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ群を逆並列のダイオード素子５２で接続した構成としている。このとき、回路１の中に、クエンチ時の磁場減衰速度を調整する抵抗６１を、回路２の中に同様の抵抗６２を配置し、抵抗６１と、抵抗６２の比率が、回路１と回路２のインダクタンスの比率とほぼ同等にすることで回路電流Ｉ１，Ｉ２の減衰を同じにでき、クエンチ発生時の漏洩磁場の広がりを低減することが出来る。なお、回路電流Ｉ１，Ｉ２は永久電流スイッチ９０を介して循環する。

このように超電導コイル群８０にダイオード保護を行う際に各保護回路に調整用抵抗６１、６２を配置し、回路に流れる電流の減衰をほぼ同等にすることにより、クエンチが発生した場合にも装置の漏洩磁場分布が広がることない。この場合に配置される抵抗６１、６２の大きさは各回路のインダクタンスの比率とほぼ同等の比率とされる。以下、その詳細を述べる。
回路１、回路２の電流減衰は回路定数から決まり、インダクタンスＬと抵抗Ｒで決まる。クエンチにより発生する超電導コイルの抵抗は時間の関数でα（ｔ）とするとクエンチが発生した回路内の電流減衰の時定数τはτ＝Ｌ／α（ｔ）となる。このとき回路抵抗はクエンチによる抵抗であるが、同じコイル構造であればほぼ同じとみなすことができる。よって回路１、回路２の電流減衰は時定数の比、すなわちインダクタンスＬの比で電流差が生じることとなる。
そこで時定数をほぼ同等にするために各回路に各回路のインダクタンスＬの比率とほぼ同等の比率となる磁場減衰速度調整用の抵抗を回路毎に配置することで、各回路の時定数をほぼ同等とすることができ電流減衰すなわち回路が発生する漏洩磁場変化を同じにすることにより漏洩磁場の広がりをなくすことができる。

すなわち、図２の回路１の超電導シールドコイル２ａ、２ｂの抵抗をα_１（ｔ）、インダクタンスをＬ_１、磁場減衰速度調整用の抵抗６１をＲ_１とし、回路２の超電導主コイル１ａ〜１ｇの抵抗をα_２（ｔ）、インダクタンスをＬ_２、磁場減衰速度調整用の抵抗６２をＲ_２とすると、クエンチ時の電流減衰の時定数は、回路１ではτ＝Ｌ_１／α_１（ｔ）＋Ｒ_１、回路２ではτ_２＝Ｌ_２／α_２（ｔ）＋Ｒ_２で示され、Ｌ_１／Ｌ_２≒α_１（ｔ）＋Ｒ_１／α_２（ｔ）＋Ｒ_２とすることによって、τ_１≒τ_２となり、前記漏洩磁場変化を同じとすることができ、漏洩磁場の広がりを防ぐ。

また、この実施の形態１に係る超電導電磁石装置１００は、回路の超電導コイル群８０を均一度領域を挟んで対称になるように構成しているので、超電導コイル間の電磁力や低温容器に発生する電磁力も対称的に発生させることが可能となり、電磁力の偏りを少くなくすことが出来、破損の可能性を小さく出来る。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２を図３で説明する。図３において前記実施の形態１の図２と同一又は相当する部分には同一符号を付してある。この実施の形態２では、保護回路を回路１〜回路３の３回路の場合を示したものである。磁場減衰速度を調整する抵抗６１〜６３を各回路に配置したもので、このように３回路にした場合にしても、各回路にインダクタンスの比率とほぼ同等の抵抗６１、抵抗６２、抵抗６３を配置することにより、各回路の時定数をほぼ同等とし漏洩磁場の広がりを防ぐことが出来る。また回路２を構成する超電導コイルは主コイル１ｂ、１ｃ、１ｅ、１ｆ、回路３を構成する超電導コイルは主コイル１ａ、１ｄ、１ｇと均一度領域を挟んで対称に配置されたコイルから構成されており、このコイル構成とすると軸方向には均一領域に対称に電磁力が働くようにできる。

実施の形態３．
この実施の形態３では、実施の形態１で示した２つの回路構成において、図４に示すように磁場減衰速度を調整する抵抗６１、６２を、超電導コイル群８０の近傍に配置したものである。このように超電導コイル群８０の近傍に抵抗６１、６２を配置することにより、超電導コイル群８０のいずれかの超電導コイルにクエンチが発生した場合に、抵抗６１、６２による発熱によって回路を構成する前記クエンチを発生したコイル以外の超電導コイルにクエンチを発生させる。これにより各超電導コイルで回路のエネルギ消費が分担されることにより、クエンチによるコイル焼損の可能性を小さく出来るとともに、漏洩磁場の広がりをなくすることができる。

実施の形態４．
この実施の形態４では、２つの回路構成において、磁場減衰速度を調整する抵抗６１、６２を他方の回路を構成する超電導コイルの近傍に配置することにしたものである。すなわち、図５に示すように、回路１に設けられた抵抗６１を超電導コイル１ａ〜１ｇの近傍に配置するとともに、回路２に設けられた抵抗６２を超電導シールドコイル２ａ、２ｂの近傍に配置したものである。
このような回路構成を採用すると、超電導コイル群８０の内のいずれかのコイル、例えば回路２の超電導主コイル１ｄにクエンチが発生した場合、回路１のクエンチによる電流減衰開始による電流の違いを小さくすることができて、クエンチスタートを早めることとなり、漏洩磁場の広がりの変動をより小さくすることが出来るとともに、前述した実施の形態３の効果も合わせて奏する。

実施の形態５．
この実施の形態５では、実施の形態３、及び実施の形態４の抵抗６１、６２の取り付け方を示したものである。超電導コイル群８０の近傍に配置する調整用抵抗６１、６２は超電導コイル群８０の運転電流である数百Ａの電流が流れる。回路を構成する超電導コイル群８０上に巻線する方法が従来より採用されているが、この実施の形態５では図６（ａ）に示すように抵抗６１ａ、６２ａをグリッド状とし、無誘導に往復した形状としたコイルを超電導コイル群８０の生成する磁場方向と同じ向きに設置したものである。つまり、図１に示すＸ軸方向であって、超電導主コイル１ａ〜１ｇの近傍にグリッド状調整用抵抗６２ａを、超電導シールドコイル２ａ、２ｂの近傍にグリッド状調整用抵抗６１ａを配置している。この場合にも実施の形態３と同様の効果を得られるだけでなく、抵抗自体に電磁力が発生することがないので抵抗が破損する可能性を小さく出来る。
なお、図６（ａ）では、超電導主コイル１ａ〜１ｇの近傍に、あるいは超電導シールドコイル２ａ、２ｂの近傍に、前記グリッド状調整用抵抗６１ａ、６２ａを配置する例を示したが、図６（ｂ）に示すように前記グリッド状調整用抵抗６１ａ、６２ａを各超電導主コイル１ａ〜１ｇのそれぞれのコイル近傍に配置した構成であっても同様の効果を奏する。

この発明は、生体の画像診断に利用されるＭＲＩ装置等に利用可能である。

実施の形態１〜実施の形態５のＭＲＩ用超電導電磁石装置の主要部構成を示す図である。実施の形態１の回路構成を示す図である。実施の形態２の回路構成を示す図である。実施の形態３の回路構成を示す図である。実施の形態４の回路構成を示す図である。実施の形態５の回路構成とグリッド状抵抗を示す図である。漏洩磁場領域を説明する参考図である。

符号の説明

１ａ〜１ｇ超電導主コイル、２ａ，２ｂ超電導シールドコイル、
５１，５２，５３ダイオード素子、６１，６１ａ，６２，６２ａ，６３調整用抵抗、
８０超電導コイル群、１００超電導電磁石装置。

Claims

複数の超電導主コイルと、この超電導主コイルの作る磁場とは逆方向の磁場を発生する複数の超電導シールドコイルとを有する超電導コイル群を備えた超電導電磁石装置において、前記超電導コイル群には、クエンチ発生時に前記超電導コイル群を保護するように、ダイオード素子とこのダイオード素子に直列に接続された抵抗とよりなる回路が、少なくとも２つ有するように設けられており、前記いずれかの回路のコイルにクエンチが発生した時、各回路の電流減衰の時定数がほぼ同じとなるように、前記各回路毎の抵抗の値が設定されていることを特徴とする超電導電磁石装置。
前記超電導コイル群は、該超電導コイル群が生成する均一磁場領域を挟んで、対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導電磁石装置。
前記各回路毎の抵抗の値が、前記各回路のインダクタンスの比率と同等の比率となるよう設定されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導電磁石装置。
前記抵抗は、クエンチ発生時に前記超電導コイル群のコイルを加熱するよう配置されていることを特徴とする請求項３に記載の超電導電磁石装置。
前記抵抗は、該回路の超電導コイル群とは相互電磁誘導を生じないような形状を有して配置されていることを特徴とする請求項３に記載の超電導電磁石装置。
前記超電導主コイルを保護する回路に設けられた抵抗は、前記超電導シールドコイルを加熱するよう、前記超電導シールドコイルを保護する回路に設けられた抵抗は、前記超電導主コイルを加熱するよう配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導電磁石装置。
前記請求項１に記載の超電導電磁石装置を用いたことを特徴とするＭＲＩ装置。