JP2009172129A - 超伝導磁石装置および磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間かけての室温変化に対しても磁性材の温度変化は小さく抑えられて磁場均一度の変化が少なく、一方、磁性材の温度を短時間で変更することも可能な超伝導磁石装置を提供する。
【解決手段】磁場を発生させる環状の超伝導コイル１１ａ、１１ｂと、超伝導コイル１１ａ、１１ｂを冷媒１４と共に収納するコイル容器９と、コイル容器９を包囲し内部が真空に保持された真空容器３と、真空容器３の内側に設置されコイル容器９から断熱支持され磁場を補正する磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂとを有する超伝導磁石装置２において、真空容器３の外側に設けられ真空容器３に熱的に接続され熱を供給または吸収する第１熱供給吸収部４４と、真空容器３の内側に設置され真空容器３と磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂとに熱的に接続する第１熱伝導材２５、２７とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、超伝導磁石装置および、それを用いた磁気共鳴イメージング(以下、ＭＲＩと称す)装置に係り、特に被検体に閉塞感を与えない開放型のＭＲＩ分析に適した超伝導磁石装置及びそれを用いたＭＲＩ装置に関する。

ＭＲＩ装置は、核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance、以下ＮＭＲと称す）現象により水素原子核スピンが放出する電磁波を計測し、その電磁波を信号として演算処理することで、被検体を水素原子核密度によって断層像化するものである。

水素原子核スピンが放出する電磁波による電磁場の強度は、計測領域の静磁場の強度に比例するため、断層像の分解能を向上させるには静磁場の強度を上げる必要がある。そこで、高強度の静磁場を発生させるために超伝導磁石装置が用いられている。また、断層像を高画質・高解像度で歪みを無くすために、計測領域の磁場均一度を高める必要もある。このために、超伝導磁石装置内に磁性材が設けられている。こうして、計測領域には、高強度で、高い静磁場均一度を有する均一磁場領域を生成されている。

磁性材は、一般的に常温の大気中に配置されていたが、超伝導コイルを冷却する極低温の液体ヘリウムが満たされたコイル容器内に設置されたＭＲＩ装置も提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。また、磁性材が、極低温のコイル容器を覆い真空容器からの輻射熱をシールドする中低温の熱シールドに設置されたＭＲＩ装置も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００１−２２４５７１号公報 特開平１０−９７９１７号公報 特開２００５−１４４１３２号公報

常温の大気中に磁性材を配置する場合には、磁性材の温度が室温の変化に応じて変化して磁性材の寸法が変位し、磁場均一度が変化すると考えられた。そして、コイル容器内に磁性材を配置する場合には、磁性材の温度は室温の変化に応じて変化することはないが、磁性材がコイル容器内に置かれることで、必然的に均一磁場領域から、磁性材は遠ざかることになり、磁性材による均一磁場領域への影響感度が落ち、磁性材の体積を増加させる必要が生じると考えられた。また、熱シールド板に磁性材を配置する場合には、熱シールドの熱容量が実質的に増加するので、冷却時に時間がかかると考えられた。

そこで、磁性材を常温の真空容器内に配置することが考えられる。これによれば、磁性材は真空中に置かれるので、室温の変化に応じた磁性材の温度変化を抑えることができる。また、均一磁場領域が真空容器の表側に形成されるところ、その真空容器のすぐ裏側に磁性材を配置できるので、磁性材による均一磁場領域への影響感度を高くすることができる。そして、磁性材をコイル容器に断熱支持することで、熱シールドへの配置を避けることができる。

しかしながら、磁性材を常温の真空容器内に配置する場合には、以下の２つの問題が発生すると考えられた。

（１）磁性材が真空中にあるため、磁性材の温度が、短期間に変化することはないが、季節変動のような長期間かけての室温の変化を受けて穏やかに変化する。この変化により、磁性材の寸法が変位し、磁場均一度が変化する。

（２）磁性材の温度は緩やかにしか変化しないので、超伝導磁石装置を運搬して別の地で立ち上げようとすると運搬中の外気温によって磁性材の温度が上昇している場合がある。このように、何らかの理由で磁性材の温度が変動してしまうと、その後、磁性材の温度はなかなか一定にならず、磁場均一度が一定になるまで長い時間がかかり、短時間で磁性材の温度を戻すことができない。

本発明は前記の問題点を解決しようとするもので、その目的は、長期間かけての室温変化に対しても磁性材の温度変化は小さく抑えられて磁場均一度の変化が少なく、一方、磁性材の温度を短時間で変更することも可能な超伝導磁石装置およびＭＲＩ装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の超伝導電磁石およびＭＲＩ装置は、前記真空容器の外側に設けられ、前記真空容器に熱的に接続され、熱を供給または吸収する第１熱供給吸収部と、前記真空容器の内側に設置され、前記真空容器と前記磁性材とに熱的に接続する第１熱伝導材とを有することを特徴とする。

このような超伝導電磁石およびＭＲＩ装置によれば、長期間かけての室温変化に対しても磁性材の温度変化は小さく抑えられて磁場均一度の変化が少なく、一方、磁性材の温度を短時間で変更することも可能な超伝導磁石装置およびＭＲＩ装置を提供することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、ＭＲＩ（磁気共鳴イメージング）装置１としては、オープン型ＭＲＩ装置をあげることができる。オープン型ＭＲＩ装置は、超伝導磁石装置２と、ＲＦコイル５と、被検体をのせるベッド６と、超伝導磁石装置２、ＲＦコイル５とベッド６を制御し被検体の任意の箇所からの核磁気共鳴信号を解析する制御装置７とを有している。超伝導磁石装置２は、内部が真空に保持された真空容器３と、温度制御部２４と、温度制御部２４によって出力が制御される第１電源２８と第２電源２９とを有している。真空容器３は、壁面が窪んだ窪み３６と窪み４１と、上下に配置された一対の第１真空容器３ａと第２真空容器３ｂと、真空連結管３ｃとを有している。第２真空容器３ｂの上に２本の真空連結管３ｃが立てられ、これらの真空連結管３ｃによって第１真空容器３ａが支持されている。真空連結管３ｃは、第１真空容器３ａと第２真空容器３ｂとに連通しているので、第１真空容器３ａと第２真空容器３ｂの内部の気圧を等しい圧力の減圧状態に設定することができる。

オープン型ＭＲＩ装置は、真空連結管３ｃによって離間された第１真空容器３ａと第２真空容器３ｂの間に被検体を入れて診療するものであるため、被検体の視界は閉ざされず解放的であり、被検体に好評である。窪み３６の内部にはＲＦコイル５が配置されている。窪み４１の内部には、断熱材４６が敷き詰められるように配置されている。第１真空容器３ａと第２真空容器３ｂはそれぞれ、Ｚ軸を共通の中心軸とする円柱形である。また、Ｚ軸を法線とするＲ面に対して、第１真空容器３ａと第２真空容器３ｂは互いに面対称の形状をしている。

図２は、超伝導磁石装置２の上方からの透視図であり、図３は、図２のＡ−Ａ方向の断面図であり、図４は、図２のＢ−Ｂ方向の断面の上半分である。

図３に示すように、超伝導磁石装置２は、永久電流を流し均一磁場領域３４を発生させ中心軸がＺ軸に一致する円環状の２対の超伝導コイル１１ａ、１１ｂと、超伝導コイル１１ａ、１１ｂを冷媒１４と共に収納するコイル容器９と、コイル容器９を包囲するように設けられた熱シールド８と、コイル容器９と熱シールド８を包囲し内部が真空に保持された真空容器３と、真空容器３の内側に設置され、熱シールド８の外側に配置され、コイル容器９から断熱支持され、均一磁場領域３４の磁場を補正する磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂとを有している。均一磁場領域３４に発生する磁場はＺ軸に並行であり、この均一磁場領域３４に被検体が通されて、断層撮影による診断が行われることになる。

冷媒１４は超伝導コイル１１ａ、１１ｂを直接冷却し、液体ヘリウム（Ｈｅ）が用いられている。コイル容器９は、円環状の超伝導コイル１１ａ、１１ｂに沿ってこれを収納するように、Ｚ軸を中心軸にする円環状に形成され、容積をできるだけ小さくしている。同様に、熱シールド８は、円環状のコイル容器９に沿って覆うように、Ｚ軸を中心軸にする円環状に形成され、侵入熱を遮断する関係から表面積をできるだけ小さくしている。

超伝導磁石装置２が、室温の室内に配置されても、真空容器３内が真空になっているので、室内の熱が伝導や対流で、コイル容器９に伝わることはない。また、熱シールド８は、図示していない冷凍機で冷却されることで、真空容器３からの輻射熱を吸収し冷凍機に放出するので、輻射熱でコイル容器９が昇温されることはない。なお、熱シールド８は冷媒１４の温度の極低温と室温との間の中低温に設定すればよい。超伝導コイル１１ａ、１１ｂとコイル容器９は冷媒１４の極低温に安定して設定することができる。

磁場の補正用の前記磁性材１２ａ、１２ｂは、Ｚ軸を中心軸とする円環状であり、外径は超伝導コイル１１ａ、１１ｂの内径より小さい。磁場の補正用の前記磁性材１３ａ、１３ｂは、Ｚ軸を中心軸とする円柱状であり、直径は磁性材１２ａ、１２ｂの内径より小さい。

前記コイル容器９は、前記超伝導コイル１１ａを内包する第１コイル容器９ａと、前記超伝導コイル１１ｂを内包し第１コイル容器９ａから離れた第２コイル容器９ｂと、第１コイル容器９ａと第２コイル容器９ｂとを連結し冷媒１４が通っているコイル連結管９ｃとを有している。コイル連結管９ｃは、第１コイル容器９ａと第２コイル容器９ｂの外周部に配置されている。コイル連結管９ｃは、１本でもよいし、２本以上でもよい。

前記熱シールド８は、第１コイル容器９ａを内包する第１熱シールド８ａと、第２コイル容器９ｂを内包し第１熱シールド８ａから離れた第２熱シールド８ｂと、第１熱シールド８ａと第２熱シールド８ｂとを連結しコイル連結管９ｃを内包するシールド連結管８ｃとを有する。シールド連結管８ｃは、第１熱シールド８ａと第２熱シールド８ｂの外周部に配置されている。シールド連結管８ｃは、コイル連結管９ｃの本数に合わせて、１本でもよいし、２本以上でもよい。

前記真空容器３は、第１コイル容器９ａと第１熱シールド８ａと磁性材１２ａ、１３ａを内包する第１真空容器３ａと、第２コイル容器９ｂと第２熱シールド８ｂと磁性材１２ｂ、１３ｂを内包し第１真空容器３ａから離れた第２真空容器３ｂと、第１真空容器３ａと第２真空容器３ｂとを連結し前記コイル連結管９ｃとシールド連結管８ｃを内包する真空連結管３ｃとを有する。真空連結管３ｃは、第１真空容器３ａと第２真空容器３ｂの外周部に配置されている。真空連結管３ｃは、コイル連結管９ｃの本数に合わせて、１本でもよいし、２本以上でもよい。

このように、２対、少なくとも１対の超伝導コイル１１ａ、１１ｂが対向するように、１対の第１コイル容器９ａと第２コイル容器９ｂと、１対の第１熱シールド８ａと第２熱シールド８ｂと、１対の第１真空容器３ａと第２真空容器３ｂと、１対の磁性材１２ａ、１２ｂと、１対の磁性材１３ａ、１３ｂとが配置されている。これにより、均一磁場領域３４を一対の第１真空容器３ａと第２真空容器３ｂとの間に形成することができる。超伝導磁石装置２は、概ね、Ｚ軸を対称軸とする対称の構造に構成され、また、Ｒ面を対称面とする対称の構造に構成されている。

なお、超伝導コイル１１ａ、１１ｂは、コイル容器９に支持され、熱シールド８はコイル容器９に断熱支持されている。総荷重の大きくなるコイル容器９は、基盤となる真空容器３に断熱支持されている。

第１真空容器３ａと第２真空容器３ｂの互いに対向する壁面の窪み３６にはそれぞれ、均一磁場領域３４側から真空容器３側に向かって順に、ＲＦコイル５と、傾斜磁場コイル３１と、均一磁場領域３４の磁場を微調整可能なシム板３２とが設けられ、ＲＦコイル５と、傾斜磁場コイル３１と、シム板３２とは、第１真空容器３ａと第２真空容器３ｂとに固定されている。ＭＲＩ装置１は、ＮＭＲ現象により水素原子核スピンが放出する核磁気共鳴信号を計測し、その核磁気共鳴信号を演算処理することで、被検体内を水素原子核密度によって断層像化する。その際に、被検体が入る均一磁場領域３４には、強度が０．２Ｔ以上の高強度であり、高い静磁場均一度を有する静磁場を生成させる。均一磁場領域３４の上下１対の傾斜磁場コイル３１は、均一磁場領域３４内の位置情報を得る目的で、磁場を空間的に変化させた傾斜磁場を均一磁場領域３４に印加する。さらに、均一磁場領域３４の上下１対のＲＦコイル５は、ＮＭＲ現象を引起すための共鳴周波数の電磁波を均一磁場領域３４に印加する。これらにより、均一磁場領域３４内の微小領域ごとに水素原子核スピンが放出する核磁気共鳴信号を計測し、その核磁気共鳴信号を演算処理することで、被検体体内を水素原子核密度によって断層像化することができる。

また、傾斜磁場を発生させるために傾斜磁場コイル３１に通電すると、傾斜磁場コイル３１に電磁力が働き、傾斜磁場コイル３１や傾斜磁場コイル３１を固定している真空容器３を振動させる。この振動は、第１熱伝導材２５、２７のみを介して接続している磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂには伝わりにくいので、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは振動しない。超伝導コイル１１ａ、１１ｂと磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂとの位置関係は変化せず、磁場均一度が変化するおそれはない。

図２、図３、図４に示すように、前記磁性材１２ａと１３ａは非磁性で金属性の接続部材１７にて結合され一体化されている。また、前記磁性材１２ｂと１３ｂは非磁性で金属性の接続部材１７にて結合され一体化されている。一体化された磁性材１２ａと１３ａと、一体化された磁性材１２ｂと１３ｂとは、それぞれの荷重をコイル容器９に断熱性の支持体１５を介して支持させている。支持体１５は、液体ヘリウム温度のコイル容器９から室温の磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂを支持するため、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂからコイル容器９への熱伝導を減らすような素材で構成されている。例えば、支持体１５として低熱伝導率の繊維強化型プラスチック（ＦＲＰ）パイプを用いる。パイプ形状の替わりに板形状または棒形状をしたＦＲＰを用いてもよい。支持体１５は、Ｚ軸と平行な鉛直方向に立てられて設置される。支持体１５の一端は、接続部材１７に固定されており、もう１つの一端は、非磁性で金属性の接続部材１６を介してコイル容器９に固定されている。接続部材１６は、支持体１５とコイル容器９とを接続している。磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは、支持体１５に支持されている。

前記支持体１５は、熱シールド８を貫通して設けられることにより、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは、熱シールド８の外側に配置され、熱シールド８には覆われていない。熱シールド８には、接続部材１６を覆うために、熱シールド袋１８が設けられている。熱シールド袋１８には孔２３が設けられ、この孔２３を支持体１５が貫通している。

磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは、真空容器３の中の真空中に設置されているが、熱シールド８の外側に設置されているので、真空容器３からの輻射熱で、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度がほぼ室温と同等になる。また、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは、極低温のコイル容器９から断熱支持されていることでも、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度を、ほぼ室温に維持することが可能になる。このとき、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの熱容量が大きいため室温の短期間での変化による真空容器３の温度の変化に磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度が左右されず、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの位置、寸法を変化させることがない。

磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは、熱シールド８に支持されていないので、熱シールド８から熱は伝導せず、熱シールド８の温度の変化による磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度の変化は生じにくく、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの位置、寸法の変化も生じにくいので、磁場均一度が低下するおそれはない。よって、停電による冷凍機停止などによる熱シールド８の温度の上昇の際にも、均一磁場領域３４における磁場均一度の変化を抑えられる。また、超伝導コイル１１ａ、１１ｂのクエンチ時などに、熱シールド８に過大な電磁力がかかり、塑性変形し、熱シールド８の位置が変化しても、超伝導コイル１１ａ、１１ｂと磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂとの位置関係は変化しないので、クエンチ後に磁場均一度が変化するおそれはない。

なお、支持体１５の長さ方向の中間地点はサーマルアンカになっており、この中間地点からは、熱シールド８へ伝熱フレキ１９が接続されている。伝熱フレキ１９は、両端にそれぞれ接続された支持体１５と熱シールド８の荷重を互いに支持しあうことはできないが、熱を良く伝導し、支持体１５の中間地点の温度を、熱シールド８の温度に設定している。このことにより、支持体１５の一端から他端までの室温から極低温にいたる温度プロファイルを装置によらず一定にしている。

前記真空容器３には、窪み４１が設けられている。窪み４１は、円筒状の側壁４２と、円盤状の底部４３とで構成されている。窪み４１は、第１真空容器３ａの上面と、第２真空容器３ｂの底面とにそれぞれ設けられている。窪み４１の底部４３には、第１熱供給吸収部４４が配置されている。第１熱供給吸収部４４は、真空容器３の外側である常温大気側に設けられることになり、真空容器３に熱的に接続され、熱を供給または吸収する。１対の第１真空容器３ａと第２真空容器３ｂとに対応して、１対の第１熱供給吸収部４４が配置されている。

第１熱供給吸収部４４の近傍の真空容器３の外側には、第２熱供給吸収部４５を設けることができる。第２熱供給吸収部４５も、真空容器３に熱的に接続され、第１熱供給吸収部４４で供給または吸収する熱より大きな熱を供給または吸収することができ、真空容器３に対して着脱可能になっている。断熱材４６が、第１熱供給吸収部４４と第２熱供給吸収部４５とを覆うように、窪み４１内に設けられている。

第１熱伝導材２５、２７は、真空容器３の内側に設置され、真空容器３と磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂとに熱的に接続している。第２熱伝導材２６も、真空容器３の内側に設置され、複数の互いに離れた磁性材１２ａと１３ａとの間と、磁性材１２ｂと１３ｂとの間を熱的に接続している。第１熱供給吸収部４４と第１熱伝導材２５、２７とは、真空容器３の窪み４１の底部４３を挟んで対向するように配置されている。

真空容器３と磁性材１２ａのそれぞれに複数個（４個）の第１熱伝導材２７が熱的に接続している。真空容器３と磁性材１３ａのそれぞれに複数個（４個）の第１熱伝導材２５が熱的に接続している。真空容器３と磁性材１２ｂのそれぞれに複数個（４個）の第１熱伝導材２７が熱的に接続している。真空容器３と磁性材１３ｂのそれぞれに複数個（４個）の第１熱伝導材２５が熱的に接続している。第１熱伝導材２５、２７は数個から数１０個の範囲で構成することができる。

このように、複数個の第１熱伝導材２５、２７を設けることで、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂそれぞれの中での温度分布を小さくすることができる。ただし、温度分布をなくして温度を均一にする必要はなく、超伝導磁石装置２の稼動運転中に温度分布が小さくシフトもすることなく一定不変であればよい。温度分布の小ささの程度としては、シム板３２を用いた磁性体の補充による均一磁場領域３４の磁場均一度の調整可能な程度であればよい。そして、第１熱供給吸収部４４から第１熱伝導材２５、２７を介して熱を供給・吸収することにより、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂそれぞれの温度分布をシフトすることなく一定不変に設定することができる。

真空容器３（窪み４１の底部４３）と第１熱伝導材２５、２７との間には、伝熱板４７が設けられている。伝熱板４７は、真空容器３（窪み４１の底部４３）と第１熱伝導材２５、２７とに熱的に接続する。伝熱板４７の熱抵抗は、真空容器３の壁、例えば、窪み４１の底部４３の熱抵抗より小さい。

第１熱伝導材２５、２７は、両端にそれぞれ接続された伝熱板４７と磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの荷重を互いに支持しあうことはできないが、熱を良く伝導する。これにより、第１熱供給吸収部４４と第２熱供給吸収部４５を熱源とする真空容器３（窪み４１の底部４３）に伝導した熱は、輻射により磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂに伝わるだけでなく、第１熱伝導材２５、２７を伝導することによっても磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂに伝わるので、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度を、より早く真空容器３（窪み４１の底部４３）の温度すなわち第１熱供給吸収部４４と第２熱供給吸収部４５の温度とほぼ同一にすることができる。

第２熱伝導材２６は、両端にそれぞれ接続された磁性材１２ａ、１２ｂと磁性材１３ａ、１３ｂの荷重を互いに支持しあうことはできないが、熱を良く伝導する。これにより、第１熱伝導材２５、２７を伝導して磁性材１２ａ、１２ｂと磁性材１３ａ、１３ｂに達した熱は、接続部材１７を介して相互に伝導するだけでなく、第２熱伝導材２６を伝導することによっても磁性材１２ａ、１２ｂと磁性材１３ａ、１３ｂとの間を相互に伝わるので、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度を、より早く真空容器３（窪み４１の底部４３）の温度すなわち第１熱供給吸収部４４と第２熱供給吸収部４５の温度とほぼ同一にすることができる。

なお、第１熱伝導材２５、２７と第２熱伝導材２６には、弾性係数が小さい可とう性のある金属を用いることができる。磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂはコイル容器９から断熱支持されているので、超伝導磁石装置２の製造組み立てを行う常温時と稼動運転を行う低温時では熱収縮により、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの真空容器３に対する相対的な位置が変化する。よって、第１熱伝導材２５、２７と第２熱伝導材２６には、熱収縮による変位を吸収する可とう性が必要となる。また、第１熱伝導材２５、２７と第２熱伝導材２６に可とう性をもたせることで、外界に面した真空容器３の振動による影響を受けて磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂが振動し、均一磁場領域３４における磁場均一度が変化することを避けることができる。第１熱伝導材２５、２７と第２熱伝導材２６の例としては銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）製の配線や編線、薄板積層板を用いることができる。

なお、前記底部４３は伝熱板４７と一体構造となっていることが望ましく、伝熱板４７で真空と大気とを隔てて仕切る、つまり、第１熱供給吸収部４４と第１熱伝導材２５、２７が広い面積にわたり直接接していることが望ましい。しかし、伝熱板４７は熱伝導率の高い熱伝導材であることが望ましく、強い剛性が必要な真空容器３と同一の金属材料で構成できない場合がある。その場合、真空容器３と伝熱板４７とが溶接可能な金属であれば、真空容器３と伝熱板４７とを溶接して積層形状の一体構造にすればよい。真空容器３がステンレス鋼であり、伝熱板４７がアルミニウムである場合は、溶接により接合することは難しいが、ＨＩＰや爆着により接合し一体構造にすることができる。

なお、伝熱板４７が接する底部４３には、大気圧を支えるのに最小限必要な板厚のステンレス鋼を使うことで、第１熱供給吸収部４４と伝熱板４７との間の熱抵抗を低減することができる。このために、窪み４１における真空容器３の厚さ、すなわち、側壁４２と底部４３の厚さは、窪み４１以外における真空容器３を構成する壁の厚さより薄くなっている。また、窪み４１の側壁４２の厚さも、窪み４１以外における真空容器３を構成する壁の厚さより薄くなっている。側壁４２の厚さを薄くすることで、底部４３から窪み４１以外の真空容器３への熱伝導に対する熱抵抗を高めることができる。これらにより、第１熱供給吸収部４４から底部４３を介して流れる熱を、窪み４１以外の真空容器３へは流れにくくし、伝熱板４７へは流れやすくしている。このように、真空容器３に窪み４１を設けて窪み４１の中に第１熱供給吸収部４４を設置したのは第１熱供給吸収部４４で供給・吸収する熱をできるだけ真空容器３に伝えず、底部４３を介して伝熱板４７に伝えたいからである。このためには、窪み４１の底部４３の深さは深いほど良く、窪み４１の側壁４２と底部４３の板厚は強度上必要な最小限の板厚であることが望ましい。

なお、底部４３と伝熱板４７とは、一体構造ではなくても、底部４３と伝熱板４７とを密着させることで熱を伝えてもよい。密着させる方法としては、底部４３と伝熱板４７との間に銅、アルミニウム、インジウムなどの高い熱伝導率を有するやわらかい金属をはさんで、ボルトなどにて面圧をかける方法、接着剤で密着かつ一体化させる方法、高熱伝導率を有するグリースを間に挿入し面圧をかける方法などが採用できる。これらの密着させる方法は、一体構造を採用する場合と比較して安価に製作することが可能である。もちろん、真空容器３がアルミニウムや銅などの高い熱伝導率を有する材料で構成させている場合は、真空容器３が伝熱板４７を兼ねるので、伝熱板４７を省くことができる。

窪み４１では、大気における空気の対流により伝熱するのを避けるために、断熱材４６を設けている。なお、真空容器３の板厚が十分薄い場合は、壁面方向の伝熱が少なくなるので、窪み４１を設ける必要はない。ただし、その場合でも空気の対流による伝熱を避けるため断熱材４６は必要である。対流による伝熱を避けるために真空断熱するという方法もあるが、真空管通のための電流リードや配管を設置する必要があり、コスト上のメリットは少ない。

磁性材１３ａ、１３ｂの温度を計測する温度センサ３０が、磁性材１３ａ、１３ｂに設けられている。なお、温度センサ３０は、磁性材１３ａ、１３ｂの温度を計測することで、磁性材１２ａ、１２ｂの温度も間接的に計測していると考えられる。

計測された磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度により、第１熱供給吸収部４４と第２熱供給吸収部４５における熱の供給または吸収を制御する温度制御部２４が、真空容器３の外側に設けられている。温度制御部２４は２つ設けられ、１つは、第１真空容器３ａに設けられた磁性材１２ａ、１３ａの温度により、第１真空容器３ａに設けられた第１熱供給吸収部４４と第２熱供給吸収部４５における熱の供給または吸収を制御する。もう１つは、第２真空容器３ｂに設けられた磁性材１２ｂ、１３ｂの温度により、第２真空容器３ｂに設けられた第１熱供給吸収部４４と第２熱供給吸収部４５における熱の供給または吸収を制御する。

また、温度制御部２４によって出力が制御される第１電源２８と第２電源２９とが、真空容器３の外側に設けられている。第１電源２８と第２電源２９とはそれぞれ２つずつ設けられ、一方の第１電源２８と第２電源２９は、第１真空容器３ａに設けられ、第１真空容器３ａに設けられた温度制御部２４によって出力を制御することで、第１真空容器３ａに設けられた第１熱供給吸収部４４と第２熱供給吸収部４５における熱の供給または吸収を制御することができる。他方の第１電源２８と第２電源２９は、第２真空容器３ｂに設けられ、第２真空容器３ｂに設けられた温度制御部２４によって出力を制御することで、第２真空容器３ｂに設けられた第１熱供給吸収部４４と第２熱供給吸収部４５における熱の供給または吸収を制御することができる。

第１熱供給吸収部４４で熱を発生させたりして供給される熱は、窪み４１の底部４３を介して底部４３の真空側に設置された伝熱板４７に伝わり、伝熱板４７から真空中に設置された第１熱伝導材２５、２７を伝わり、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂに伝わり、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度が上昇する。第１熱供給吸収部４４が熱を排出したりして熱を吸収すると、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの熱が前記伝導経路とは逆の伝導経路をたどって排出され、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度は降下する。

第１熱供給吸収部４４と第２熱供給吸収部４５は、真空容器３の常温大気側に設置されているので、メンテナンス時などで第１熱供給吸収部４４と第２熱供給吸収部４５を交換する必要がある場合でも真空を破ることなく交換することができる。

次に、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度制御について説明する。

図５に示すように、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂに設けられた温度センサ３０により、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度を計測し、計測した温度の温度信号を温度制御部２４に送信する。温度制御部２４には、予め、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度の目標値となる温度制御目標値４８を入力し記憶しておく。温度制御部２４では、入力した温度信号に相当する温度と、温度制御目標値４８とを比較し、それらの大小関係に応じて制御信号を、第１電源２８と第２電源２９とに送信する。第１電源２８は、制御信号を受信すると、制御信号に応じて、第１熱供給吸収部４４に対して通電をオン・オフする通電制御を行う。第２電源２９は、制御信号を受信すると、制御信号に応じて、第２熱供給吸収部４５に対して通電をオン・オフする通電制御を行う。第１熱供給吸収部４４と第２熱供給吸収部４５は、通電されることにより、熱の供給・吸収を行い、真空容器３（窪み４１の底部４３）あるいは伝熱板４７との間で熱を流す。

この熱の流れにより、真空容器３（窪み４１の底部４３）あるいは伝熱板４７と、第１熱伝導材２５、２７との間に熱が流れる。この熱の流れにより、第１熱伝導材２５、２７と、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂとの間に熱が流れる。こうして、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度が変化する。変化した温度は前記のように温度センサ３０により計測される。このような一連のループが構成されることで、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度を、温度制御目標値４８の近傍で時間的に一定に維持するという温度制御が可能になる。なお、温度制御の制御方法としては、ＰＩＤ制御方法によってもよい。

第１熱供給吸収部４４と第２熱供給吸収部４５としては、電気式ヒータを採用することができる。電気式ヒータでは暖め熱を供給することはできるが、冷却し熱を吸収することはできない。そこで、電気式ヒータに併用して、ペルチェ素子などの電子冷却を使ってもよい。ただ、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは、熱シールド８とコイル容器９との近傍に対向して配置される場合には、熱シールド８とコイル容器９からの吸熱で磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度が室温より低下する。このため、温度制御目標値４８を室温より高く設定することにより、電気式ヒータのみでも温度制御をすることができる。

磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは、真空容器３内の真空中にあるため、断熱され、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度が、短期間の室温の変化に応じて、短期間に変化することはない。

しかし、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは、断熱されているとはいえ、真空容器３からの輻射熱が多少あるので、この輻射熱により、季節変動のような長期間かけての室温の変化に対しては、追随して温度を穏やかに変化させることになる。しかし、前記温度制御を行うことにより、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度を季節等によらず一定に保持することができる。そして、長期間かけての室温変化に対して磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度変化を小さく抑えることができ、均一磁場領域３４での磁場均一度の変化を小さく抑えることができる。

超伝導磁石装置２を運搬して別の地で立ち上げ稼動しようとすると、運搬中の外気温によって磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度が稼動地の室温より上昇または降下している場合がある。このように、何らかの理由で磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度が室温から離れてしまうと、立ち上げに際して、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度は緩やかにしか変化しないので、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度はなかなか一定にならず、立ち上げに長い時間がかかることになる。しかし、前記温度制御を行うことにより、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度を室温に一致させようと、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂに対して熱を供給したり、吸収したりすることができる。そして、短期間に磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度を室温に設定することができる。

逆に、超伝導磁石装置２の運搬中に磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度が室温から離れてしまわないように、運搬中にも前記温度制御を行い、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度を運搬先の室温に設定しておいてもよい。このことによれば、立ち上げに際して、時間をかけることなく磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度を室温に設定することができる。

なお、超伝導磁石装置２の稼動時には磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度は、前記温度制御により温度制御目標値４８と大きく違わないため、第１熱供給吸収部４４で供給・吸収すべき熱量は多くない。このため、第１熱供給吸収部４４のみを働かせればよく、第２熱供給吸収部４５は働かせる必要はない。

しかし、立ち上げの際には、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度が温度制御目標値４８から大きく異なっている場合がある。このような場合には、第１熱供給吸収部４４だけでなく、第２熱供給吸収部４５にも熱を供給・吸収させることで、より多くの熱を供給・吸収させ、より短時間で温度制御目標値４８に近づけることができる。

このような第２熱供給吸収部４５にあっては、立ち上げ時のみ装着して働かせ、超伝導磁石装置２の稼動時には分離できるように、着脱可能にしておく。第２熱供給吸収部４５は、真空容器３の外側に設置されているので容易に着脱することができる。

磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂを真空容器３中でコイル容器９から断熱支持し、磁性材１３ａ、１３ｂに設置された温度センサ３０を用いて、真空容器３の大気側に設置した第１熱供給吸収部４４と第２熱供給吸収部４５から熱を、磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂに供給・吸収するような制御をすることで、室温変化に対しても磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度を一定に維持でき、均一磁場領域３４における磁場均一度の変化を非常に小さくすることができる。そして、このことにより、高性能なＭＲＩ装置１を提供することができる。

また、第１熱供給吸収部４４と第２熱供給吸収部４５を、常温大気側に設置したことで、第１熱供給吸収部４４と第２熱供給吸収部４５の不良により交換が必要となった場合でも、超伝導磁石装置２を昇温や消磁の必要なく交換することができる。

次に、実施形態の変形例に係る超伝導磁石装置２の磁性材１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの温度制御について説明する。図６に示すように、実施形態の変形例では、第１熱供給吸収部４４の換わりに、熱交換器５０を用いている点が異なっている。このことにより、第１電源２８が水温制御装置４９に変更されている。熱交換器５０では、水等の流体の温度コントロールとなる。流体の温度コントロールでは、暖めるだけではなく、冷却することも容易にできるというメリットがある。

実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置の斜視図である。 実施形態に係る超伝導磁石装置の上方からの透視図である。 図２のＡ−Ａ方向の断面図である。 図２のＢ−Ｂ方向の断面図の上半分である。 実施形態に係る超伝導磁石装置の磁性材の温度の制御ブロック図である。 実施形態の変形例に係る超伝導磁石装置の磁性材の温度の制御ブロック図である。

符号の説明

１ 磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）
２ 超伝導磁石装置
３ 真空容器
８ 熱シールド
９ コイル容器
１１ 超伝導コイル
１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ 磁性材
１４ 冷媒
２４ 温度制御部
２５、２６、２７ 熱伝導材
２８ 第1電源
２９ 第２電源
３４ 均一磁場領域
４１ 窪み
４２ 窪み側壁
４３ 窪み底部
４４ 第１熱供給吸収部
４５ 第２熱供給吸収部
４６ 断熱材
４７ 伝熱板

Claims (13)

1. 磁場を発生させる環状の超伝導コイルと、
   前記超伝導コイルを冷媒と共に収納するコイル容器と、
   前記コイル容器を包囲し、内部が真空に保持された真空容器と、
   前記真空容器の内側に設置され、前記コイル容器から断熱支持され、前記磁場を補正する磁性材とを有する超伝導磁石装置において、
   前記真空容器の外側に設けられ、前記真空容器に熱的に接続され、熱を供給または吸収する第１熱供給吸収部と、
   前記真空容器の内側に設置され、前記真空容器と前記磁性材とに熱的に接続する第１熱伝導材とを有することを特徴とする超伝導磁石装置。
2. 前記磁性材の温度を計測する温度センサと、
   計測された前記温度により、前記第１熱供給吸収部における熱の供給または吸収を制御する温度制御部とを有することを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。
3. 前記第１熱供給吸収部と前記第１熱伝導材とは、前記真空容器を挟んで対向するように配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超伝導磁石装置。
4. 前記第１熱伝導材は、可とう性を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
5. 前記真空容器と前記磁性材のそれぞれに複数個の前記第１熱伝導材が熱的に接続することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
6. 前記真空容器の内側に設置され、複数の互いに離れた前記磁性材の間を熱的に接続する第２熱伝導材を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
7. 前記真空容器と前記第１熱伝導材との間に設けられ、前記真空容器と前記第１熱伝導材とに熱的に接続し、熱抵抗が前記真空容器より小さい伝熱板を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
8. 前記真空容器は、窪みを有し、
   前記窪みの底部に、前記第１熱供給吸収部が配置され、
   前記窪みにおける前記真空容器の厚さは、前記窪み以外における前記真空容器の厚さより、薄いことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
9. 前記第１熱供給吸収部を覆う断熱材を有することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
10. 前記第１熱供給吸収部の近傍の前記真空容器の外側に設けられ、前記真空容器に熱的に接続され、前記第１熱供給吸収部で供給または吸収する熱より大きな熱を供給または吸収する第２熱供給吸収部を着脱可能に有することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
11. 一対の前記超伝導コイルが対向するように、一対の前記コイル容器と、一対の前記真空容器と、一対の前記磁性材と、一対の前記第１熱供給吸収部とを配置し、前記磁場を一対の前記真空容器の間に形成することを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
12. 前記コイル容器を包囲するように設けられた熱シールドを有し、
    前記磁性材は、前記熱シールドの外側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
13. 請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置を用いたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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