JP2009259923A - Superconducting magnet and magnetic device equipped with it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超電導マグネットおよびそれを備えたマグネット装置に関する。本発明は、医療用のMRI(Magnetic Resonance Imaging)装置に用いられる超電導マグネットおよびマグネット装置として好適なものである。 The present invention relates to a superconducting magnet and a magnet device including the same. The present invention is suitable as a superconducting magnet and a magnet device used in a medical MRI (Magnetic Resonance Imaging) apparatus.
核磁気共鳴を使用した断層撮影(MRI撮影)は、X線を使用した断層撮影と比較すると被爆などの問題がなく、広く医療用途として利用されている。そしてMRI装置の磁場発生手段として使用されるマグネットには、低磁場用として永久磁石が用いられ、高磁場用として超電導マグネットが用いられている。一方、近年の高齢者増に呼応して認知症診断における脳機能の計測にMRI装置を用いる例が増えてきている。そしてMRI装置では、発生する磁場が高ければ高いほど信号強度が大きくなり分解能も向上するので、マグネットは高磁場化の傾向にあり、近年、超電導マグネットが主流となってきている。このような背景のもと、従来から、MRI装置に関する様々な技術が開示されている。例えば、特許文献に開示された下記のような技術がある。 Tomographic imaging (MRI imaging) using nuclear magnetic resonance has no problems such as exposure compared to tomographic imaging using X-rays, and is widely used for medical purposes. In the magnet used as the magnetic field generating means of the MRI apparatus, a permanent magnet is used for a low magnetic field, and a superconducting magnet is used for a high magnetic field. On the other hand, in response to the increase in the number of elderly people in recent years, an example in which an MRI apparatus is used for measuring brain functions in dementia diagnosis is increasing. In the MRI apparatus, the higher the generated magnetic field, the higher the signal intensity and the higher the resolution. Therefore, the magnet tends to have a higher magnetic field, and superconducting magnets have become mainstream in recent years. Against this background, various techniques relating to MRI apparatuses have been disclosed. For example, there are the following techniques disclosed in patent documents.
特許文献1には、略円筒状に形成された静磁場用磁石と、この磁石の内側に配置された略円筒状の傾斜磁場コイルと、この傾斜磁場コイルの外周面に取り付けられたシムコイルと、傾斜磁場コイルの貫通型の穴に配置されたRFコイルとを備えるトンネルタイプのMRI装置が開示されている(特許文献1の図1参照)。特許文献1に記載されたようなトンネルタイプのMRI装置では、通常、磁場強度が均一な空間がマグネットの中心部分にあるため、トンネル形態の穴の奥に被験者を入れ、視野的に極めて閉塞した環境下において脳機能などの計測を実施することになる。このような測定方法では、視野が限られていることから生じる精神的なストレスが被験者にとって負担となる。さらに閉所恐怖症の被験者などは検査に対して苦痛を訴える場合もある。
In
また、メインコイルの中心から対称な位置に逆向きの磁場を発生するコイルを配置して、マグネット中心部にある程度の大きさの均一磁場空間を実現しようとするMRI装置用のマグネットに関する技術も開示されている(例えば、特許文献2参照)。特許文献2に記載されたMRI装置用のマグネットでは、上記のような逆向きの磁場を発生するコイルを用いないマグネットに比して、均一磁場空間の範囲をある程度広げることが可能となる。 Also disclosed is a technique relating to a magnet for an MRI apparatus, in which a coil for generating a reverse magnetic field is arranged at a symmetrical position from the center of the main coil so as to realize a uniform magnetic field space of a certain size in the center of the magnet. (For example, refer to Patent Document 2). In the magnet for the MRI apparatus described in Patent Document 2, the range of the uniform magnetic field space can be expanded to some extent as compared with a magnet that does not use a coil that generates a reverse magnetic field as described above.
しかしながら、特許文献2に記載されたマグネットにより形成される均一磁場空間は、あくまでマグネットの中心部にあり、均一磁場空間の範囲をある程度広げることができたとしても、マグネット端部から遠い位置に均一磁場空間が形成されることになってしまう。すなわち、特許文献2に記載された技術によっても、前記したような、視野が限られていることから生じる精神的なストレスが被験者にとって負担となる、といった問題を解決するにはいたらない。また、特許文献2に記載されたような逆向きの磁場を発生するコイルは磁場強度を弱めるため、逆向きの磁場を発生するコイルの配置は、一般に高磁場化の実現を妨げることになる。高磁場化を実現しないと、脳機能などの計測精度を高めることができない。したがって、脳機能などの計測におけるMRI装置のこれら問題を解決するには、高磁場の均一磁場空間をマグネット端面に近い位置に実現する必要がある。 However, the uniform magnetic field space formed by the magnet described in Patent Document 2 is in the center of the magnet, and even if the range of the uniform magnetic field space can be expanded to some extent, it is uniform at a position far from the magnet end. A magnetic field space will be formed. That is, the technique described in Patent Document 2 cannot solve the problem that the mental stress caused by the limited visual field is a burden on the subject. Moreover, since the coil which generate | occur | produces a reverse magnetic field as described in patent document 2 weakens magnetic field intensity, arrangement | positioning of the coil which generates a reverse magnetic field generally prevents realization of high magnetic field. Without realizing a high magnetic field, measurement accuracy such as brain function cannot be improved. Therefore, in order to solve these problems of the MRI apparatus in the measurement of brain function and the like, it is necessary to realize a high magnetic field uniform magnetic field at a position close to the end face of the magnet.
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、高磁場の均一磁場空間をマグネット端面に近い位置に形成し得る超電導マグネットを提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a superconducting magnet capable of forming a uniform magnetic field space of a high magnetic field at a position close to a magnet end surface.
上記目的を達成するために本発明は、少なくとも超電導線材を巻回してなる複数のコイルブロックを具備してなるメインコイルを備えた超電導マグネットにおいて、均一磁場空間が前記メインコイルの片側端部に形成されるように、前記複数のコイルブロックが当該メインコイルの軸方向に沿って非対称に配置され、前記複数のコイルブロックは、正磁場を発生させる複数の正磁場コイルブロックと、逆磁場を発生させる逆磁場コイルブロックとで構成され、前記逆磁場コイルブロックが、前記片側端部であって、2つの前記正磁場コイルブロックの間に配置されていることを特徴とする超電導マグネットを提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a superconducting magnet having a main coil comprising a plurality of coil blocks formed by winding at least a superconducting wire, and forming a uniform magnetic field space at one end of the main coil. As described above, the plurality of coil blocks are arranged asymmetrically along the axial direction of the main coil, and the plurality of coil blocks generate a plurality of positive magnetic field coil blocks that generate a positive magnetic field and a reverse magnetic field. There is provided a superconducting magnet comprising a reverse magnetic field coil block, wherein the reverse magnetic field coil block is disposed between the two positive magnetic field coil blocks at one end portion.
磁場強度を高めるには、コイルブロックを構成する線材に流れる電流密度を高める必要があるが、この電流密度を高めると線材に作用する張力(フープ応力)が大きくなり、何らの対策を施さないと、このフープ応力に線材が耐えられなくなる。しかしながら、本発明の上記構成によると、2つの正磁場コイルブロックの間に逆磁場コイルブロックが配置されることにより、逆磁場コイルブロックと正磁場コイルブロックとは互いに反発しあうので、コイルブロックを構成する線材が受ける力は当該コイルブロックの中心部分に向かうようになる。そのため、コイルブロック全体としてみれば、その線材が受ける力は互いに打ち消されあって弱められる。すなわち、コイルブロックを構成する線材に流れる電流密度を高めるなどしても、2つの正磁場コイルブロックの間に逆磁場コイルブロックを配置することにより、コイルブロック全体としてその線材が受ける力を抑制することができる。また、複数のコイルブロックを非対称に配置することで、マグネット端面に近い位置に均一磁場空間を形成できる。これらにより、高磁場の均一磁場空間をマグネット端面に近い位置に形成することができる。 In order to increase the magnetic field strength, it is necessary to increase the current density flowing in the wire constituting the coil block. However, if this current density is increased, the tension (hoop stress) acting on the wire will increase, and no countermeasures must be taken. The wire cannot withstand this hoop stress. However, according to the above configuration of the present invention, the reverse magnetic field coil block and the positive magnetic field coil block repel each other by arranging the reverse magnetic field coil block between the two positive magnetic field coil blocks. The force received by the constituent wire is directed toward the center of the coil block. Therefore, if it sees as the whole coil block, the force which the wire receives will be mutually canceled and weakened. That is, even if the current density flowing in the wire constituting the coil block is increased, the force applied to the wire as a whole coil block is suppressed by arranging the reversed magnetic field coil block between the two positive magnetic field coil blocks. be able to. Further, by arranging a plurality of coil blocks asymmetrically, a uniform magnetic field space can be formed at a position close to the magnet end face. As a result, a uniform magnetic field space with a high magnetic field can be formed at a position close to the end face of the magnet.
また本発明において、前記コイルブロックが、エポキシ含浸されていることが好ましい。この構成によると、コイルブロックを構成する線材間の隙間はエポキシで埋められ、線材どうしはエポキシを介して強固に固定される。すなわち、コイルブロックを構成する線材は位置ズレを生じにくくなる。これにより、コイルブロックに発生するクエンチを抑制することができ、高磁場の均一磁場空間をより形成しやすくなる。 In the present invention, the coil block is preferably impregnated with epoxy. According to this configuration, the gap between the wire materials constituting the coil block is filled with epoxy, and the wire materials are firmly fixed via the epoxy. In other words, the wire constituting the coil block is less likely to be misaligned. Thereby, quenching generated in the coil block can be suppressed, and it becomes easier to form a uniform magnetic field space of high magnetic field.
さらに本発明において、前記エポキシ含浸されたコイルブロックと、巻枠体のコイルブロック取付面との間の隙間に、ワックスが浸透されていることが好ましい。 Further, in the present invention, it is preferable that wax is infiltrated into a gap between the coil block impregnated with epoxy and the coil block mounting surface of the winding body.
この構成によると、巻枠体のコイルブロック取付面と、コイルブロックを構成する線材との間の凹凸が減少する。これにより、コイルブロックに発生するクエンチをより抑制することができ、高磁場の均一磁場空間をさらに形成しやすくなる。 According to this structure, the unevenness | corrugation between the coil block attachment surface of a winding frame body and the wire which comprises a coil block reduces. Thereby, quenching generated in the coil block can be further suppressed, and it becomes easier to form a high magnetic field uniform magnetic field space.
さらに本発明において、前記メインコイルの径方向外側に配置される筒状のシールドコイルをさらに備え、前記均一磁場空間が形成される側の前記メインコイルの端部と、当該均一磁場空間が形成される側の前記シールドコイルの端部との間に、前記軸方向において段差が設けられて、当該シールドコイルの端部が当該メインコイルの端部よりも内側に位置させられ、前記メインコイルおよび前記シールドコイルを支持するための支持構造部材が、前記段差部に配置されることが好ましい。 Further, in the present invention, a cylindrical shield coil is further disposed on the radially outer side of the main coil, and an end portion of the main coil on the side where the uniform magnetic field space is formed and the uniform magnetic field space are formed. A step is provided in the axial direction between the end portion of the shield coil and the end portion of the shield coil, the end portion of the shield coil being positioned inside the end portion of the main coil, It is preferable that a supporting structure member for supporting the shield coil is disposed in the stepped portion.
この構成によると、本発明の超電導マグネットを備えたマグネット装置において、均一磁場空間をマグネット装置端面により近い位置に形成することができる。 According to this configuration, in the magnet device provided with the superconducting magnet of the present invention, the uniform magnetic field space can be formed at a position closer to the end surface of the magnet device.
さらに本発明において、前記逆磁場コイルブロックが、前記均一磁場空間が形成される側の前記メインコイルの端から2つ目のコイルブロックとして配置されていることが好ましい。この構成によると、逆磁場コイルブロックをマグネット端面により近い位置に配置できるので、均一磁場空間をマグネット端面により近い位置に形成することができる。 Furthermore, in the present invention, it is preferable that the reversed magnetic field coil block is arranged as a second coil block from the end of the main coil on the side where the uniform magnetic field space is formed. According to this configuration, since the reversed magnetic field coil block can be disposed at a position closer to the magnet end face, the uniform magnetic field space can be formed at a position closer to the magnet end face.
また本発明は、その第2の態様によれば、本発明の超電導マグネットを備えていることを特徴とするマグネット装置を提供する。このマグネット装置によると、高磁場の均一磁場空間をマグネット装置端面に近い位置に形成することができる。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a magnet device comprising the superconducting magnet of the present invention. According to this magnet device, a uniform magnetic field space with a high magnetic field can be formed at a position close to the end surface of the magnet device.
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る超電導マグネット61を構成するメインコイル51のコイルブロック配置を示す模式断面図である。図5は、比較対照として示した従来技術に係るメインコイルのコイルブロック配置を示す模式断面図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a coil block arrangement of a
(従来技術に係るコイルブロック配置)
まず、本実施形態の比較対照として挙げた従来技術に係るコイルブロック配置について説明する。図5に示したように、従来技術に係るメインコイルは、筒状に形成された正磁場コイルブロック33と、正磁場コイルブロック33の外側に配置された2つの逆磁場コイルブロック32と、正磁場コイルブロック33の外側に配置された2つの正磁場コイルブロック31とを有している。ここで、正磁場コイルブロックとは、正磁場を発生させるコイルブロックのことをいい、正磁場とは、ある所定の方向に向かう磁場のことをいう。これに対し、逆磁場コイルブロックとは、逆磁場を発生させるコイルブロックのことをいい、逆磁場とは、正磁場の磁場方向に対して反対方向に向かう磁場のことをいう。
(Coil block arrangement according to the prior art)
First, the coil block arrangement according to the prior art cited as a comparative example of the present embodiment will be described. As shown in FIG. 5, the main coil according to the conventional technique includes a positive magnetic
2つの逆磁場コイルブロック32は、メインコイルの軸方向Zにおいて、メインコイルの中心に対して対称となるように、その中央部に配置されている。2つの正磁場コイルブロック31は、軸方向Zにおいて、メインコイルの中心に対して対称となるように、その両端部に配置されている。コイルブロック31〜33は、液体ヘリウム容器7の中に収容されている。また各コイルブロックは、超電導線材(不図示)がソレノイド状に巻かれてなるものである。
The two reversed magnetic
コイルブロック31・32に比して巻数が多い(軸方向Zに長い)正磁場コイルブロック33は、高磁場を実現するためのものである。コイルブロック31・32は、均一磁場空間Aの範囲を広げるためのものである。逆磁場コイルブロック32は、均一磁場空間Aの範囲を広げることに寄与するが、その一方、均一磁場空間Aの磁場強度を弱めてしまう。したがって、磁場空間の磁場強度を強めるには、正磁場コイルブロック33の巻数(巻線ターン数)を増やすか、コイルブロックを構成する線材に流れる電流密度を高める必要がある。しかしながら、コイルブロックの巻数を増やすと、正磁場コイルブロック33の全長が長くなってしまい、均一磁場空間Aはメインコイルの端面からより遠ざかってしまう。一方、線材に流れる電流密度を高めると線材に作用する張力(フープ応力)が大きくなり、フープ応力に線材が耐えられなくなってしまう。フープ応力とは、磁場強度Bと線材に流れる電流密度Jと線材の巻線半径Rとの積(BJR)のことをいう。また、図5に示したように、複数のコイルブロック31〜33を軸方向Zに沿って対称に配置する配置方法では、均一磁場空間Aをマグネット中心部に形成することになり、マグネット端面に近い位置に形成することは難しい。
The positive magnetic
(本実施形態に係るコイルブロック配置)
次に、本実施形態に係るコイルブロック配置について説明する。図1に示すように、本実施形態の超電導マグネット61を構成するメインコイル51は、直列に配置された5つのコイルブロック1〜5と、コイルブロック1〜5が外周に取り付けられた筒状の巻枠体6とを有している。なお、超電導マグネット61は、メインコイル51と、電気回路(不図示)とからなる。電気回路は、メインコイル51に電流を流すとともにメインコイル51をクエンチなどから保護するための回路(保護回路)である。巻枠体6はアルミニウム材またはステンレス材などの非磁性材料からなる(他の実施形態においても同様)。巻枠体6には、その外周にコイルブロック1〜5が取り付けられる複数の凹部(溝部)が形成されている。コイルブロック1〜5は、いずれも線材が環状に巻かれてなるものであり、線材は、ニオブ・チタン(NbTi)合金系の極細多芯線を銅母材に埋め込んだ超電導線材である(他の実施形態においても同様)。なお、コイルブロック1〜5を収容する液体ヘリウム容器7と巻枠体6とを別体としてもよいし、巻枠体6を液体ヘリウム容器7と共通化してもよい。
(Coil block arrangement according to this embodiment)
Next, the coil block arrangement according to the present embodiment will be described. As shown in FIG. 1, the
5つのコイルブロック1〜5は、均一磁場空間Aがメインコイル51の片側端部に形成されるように、メインコイル51の軸方向Zに沿って非対称に配置されている。換言すれば、コイルブロック1〜5は、メインコイル51の軸方向Zにおいて、メインコイル51の中心に対して非対称となるように配置されている。コイルブロックの非対称な配置をさらに説明すると、例えば、巻枠体6の一方の端部に取り付けられたコイルブロック5の巻数は、巻枠体6の他方の端部に取り付けられたコイルブロック1の巻数よりも多い(コイルブロック5はコイルブロック1よりも強い磁場を発生させる)。また、コイルブロック1とコイルブロック5とでは、コイルブロックの外径および厚さが異なる。このように、メインコイル51の中心に対して軸方向Zにおいてコイルブロック配置が非対称となるように、コイルブロックは配置されている。
The five
コイルブロック1〜3・5は、正磁場コイルブロックであり、コイルブロック4は、逆磁場コイルブロックである。この逆磁場コイルブロック4は、巻枠体6の一方の端部において、2つの正磁場コイルブロック3・5に挟まれるように当該正磁場コイルブロック3・5の間に配置されている。従来技術に係るコイルブロック配置と対比して記載すれば、本発明に係る逆磁場コイルブロック4と正磁場コイルブロック3・5との間の距離は、図5に示した従来技術に係る逆磁場コイルブロック32と正磁場コイルブロック31との間の距離よりも短い。すなわち、逆磁場コイルブロック4は、正磁場コイルブロック3・5の近くに配置されている。さらには、詳しくは後述するが、逆磁場コイルブロック4は、正磁場コイルブロック3・5を構成する線材が当該逆磁場コイルブロック4から力を受ける(影響を受ける)位置に配置されている。
The coil blocks 1 to 3 and 5 are positive magnetic field coil blocks, and the coil block 4 is a reverse magnetic field coil block. The reverse magnetic field coil block 4 is disposed between the positive magnetic field coil blocks 3 and 5 so as to be sandwiched between the two positive magnetic field coil blocks 3 and 5 at one end of the winding body 6. If described in comparison with the coil block arrangement according to the prior art, the distance between the reverse magnetic field coil block 4 and the positive magnetic field coil blocks 3 and 5 according to the present invention is the reverse magnetic field according to the prior art shown in FIG. The distance between the
また、逆磁場コイルブロック4は、正磁場コイルブロック1よりも巻数の多い(強い磁場を発生させる)正磁場コイルブロック3・5が配置される側のメインコイル51の端から2つ目のコイルブロックとして配置されている。メインコイル51の端から3つ目、4つ目・・・のコイルブロックとして配置するのに比して、逆磁場コイルブロック4をメインコイル51端面により近い位置に配置できるので、均一磁場空間Aをマグネット端面により近い位置に形成することができる。
Further, the reverse magnetic field coil block 4 is the second coil from the end of the
(高BJR設計)
逆磁場コイルブロック4を設けることにより均一磁場空間Aの範囲を広げることができ、このことは均一磁場空間Aをマグネット端面に近い位置に配置させることに寄与するものではあるが、その一方、均一磁場空間Aの磁場強度を弱めてしまう。前記したように、磁場空間の磁場強度を強める(磁場強度の低下を補償する)方法としては、コイルブロックを構成する線材に流れる電流密度を高める方法があるが、この方法では、線材に作用する張力(フープ応力)が大きくなってしまう。線材単独では、この大きな応力に耐えることはできない。
(High BJR design)
By providing the reverse magnetic field coil block 4, the range of the uniform magnetic field space A can be expanded. This contributes to arranging the uniform magnetic field space A at a position close to the magnet end face. The magnetic field strength of the magnetic field space A is weakened. As described above, as a method of increasing the magnetic field strength of the magnetic field space (compensating for a decrease in the magnetic field strength), there is a method of increasing the current density flowing in the wire constituting the coil block. In this method, the method acts on the wire. Tension (hoop stress) becomes large. The wire alone cannot withstand this large stress.
一方、従来の設計において採用されていたBJR(フープ応力)基準は、通常200MPa以下、高い基準でも300MPa程度であった。この基準を上回る応力では、励磁途中でマグネットがクエンチして定格磁場に到達できないという定説がある。しかしながら、本発明者は、コイルブロックの配置を見直し、2つの正磁場コイルブロック3・5に挟まれるように当該正磁場コイルブロック3・5の間に逆磁場コイルブロック4を配置することにより、高BJR設計を採用してもクエンチが発生することなく、高磁場空間の形成が可能であることを見出した。その根拠となる解析結果を図2に示す。図2は、各コイルブロック断面において、各線材が受ける力の大きさと方向をベクトル表示した図である。 On the other hand, the BJR (hoop stress) standard adopted in the conventional design was usually 200 MPa or less, and even a high standard was about 300 MPa. There is an established theory that when the stress exceeds this standard, the magnet cannot quench and reach the rated magnetic field during excitation. However, the present inventor has reviewed the arrangement of the coil blocks and arranged the reversed magnetic field coil block 4 between the positive magnetic field coil blocks 3 and 5 so as to be sandwiched between the two positive magnetic field coil blocks 3 and 5. It has been found that even if a high BJR design is adopted, quenching does not occur and a high magnetic field space can be formed. FIG. 2 shows the analysis result as the basis. FIG. 2 is a vector representation of the magnitude and direction of the force received by each wire in each coil block cross section.
図2に示した5つのコイルブロック11〜15は、図1に示したコイルブロック1〜5に相当するものである。コイルブロック11〜13・15は、正磁場コイルブロックであり、コイルブロック14は、逆磁場コイルブロックである。この逆磁場コイルブロック14は、2つの正磁場コイルブロック13・15に挟まれるように当該正磁場コイルブロック13・15の間に配置されている。また、正磁場コイルブロック15の外側には、逆磁場コイルブロック16が配置されている。逆磁場コイルブロック16は、シールドコイルを構成するコイルブロックである。また、コイルブロック11〜16内の矢印は、各コイルブロック断面において各線材が受ける力の大きさと方向をベクトル表示したものであり、この矢印が長いほど高BJR(高フープ応力)であることを示す。
The five
図2からわかるように、正磁場コイルブロック13・15を構成する各線材において、局所的にはBJR(フープ応力)の大きなところがあっても、正磁場コイルブロック13・15を構成する各線材が逆磁場コイルブロック14から力を受けることにより(逆磁場コイルブロック14と正磁場コイルブロック13・15とは互いに反発しあう)、それぞれの線材に働く力はコイルブロックの中心に向かっており、コイルブロック全体としてみれば力が打ち消されあって、コイルブロックに作用する全体としての力(body force)は弱められている。このため、コイルブロック全体としての変位が抑制され、特定の線材に過大な強度を必要とはしなくなる。すなわち、2つの正磁場コイルブロック13・15に挟まれるように当該正磁場コイルブロック13・15の間に逆磁場コイルブロック14を配置することにより、コイルブロック全体としてその線材が受ける力を抑制することができ、線材に流れる電流密度を高めたとしても(高BJR設計を採用したとしても)クエンチを防止できるのである。その結果、高磁場の均一磁場空間をマグネット端面に近い位置に形成することができる。
なお、正磁場コイルブロック15は、さらに逆磁場コイルブロック16の影響も受けている。すなわち、前記したと同様に、正磁場コイルブロック15を構成する各線材が逆磁場コイルブロック16からも力を受けることにより、コイルブロック全体としてみれば力が打ち消されあって、コイルブロックに作用する全体としての力(body force)は弱められる。
As can be seen from FIG. 2, in each wire constituting the positive magnetic field coil blocks 13, 15, each wire constituting the positive magnetic field coil blocks 13, 15 has a large BJR (hoop stress). By receiving a force from the reverse magnetic field coil block 14 (the reverse magnetic
The positive magnetic
(コイルブロックのエポキシ含浸およびワックス含浸)
次に、図3は、コイルブロックのエポキシ含浸およびワックス含浸について説明するための図である。図3(a)は、エポキシ含浸およびワックス含浸されたコイルブロック23がその外周に配置された巻枠体22を示す模式断面図である。図3(b)は図3(a)のC部拡大図であり、図3(c)は図3(a)のD部拡大図である。図3に示したように、コイルブロック23はエポキシ含浸およびワックス含浸されていることが好ましい。
(Epoxy impregnation and wax impregnation of coil block)
Next, FIG. 3 is a diagram for explaining the epoxy impregnation and wax impregnation of the coil block. FIG. 3A is a schematic cross-sectional view showing a winding
図3(a)に示すように、巻枠体22は、筒状部材22bと、筒状部材22bの両端部に形成されたフランジ22aとを有している。フランジ22aおよび筒状部材22bで形成される溝部にコイルブロック23が配置されている。
As shown in FIG. 3A, the winding
図3(b)に示すように、コイルブロック23は、環状に巻かれてなる超電導線材24と、超電導線材24層間に挟みこまれたガラスクロス25と、超電導線材24どうしの隙間に充填されたエポキシ樹脂27とを有している。また図3(c)に示すように、コイルブロック23と、フランジ22aの側面22c(コイルブロック取付面22c)との間の隙間には、ワックス28が浸透されている。さらに詳しくは、コイルブロック23と、コイルブロック取付面22cとの間の隙間にマイラーシート28が挟みこまれ、そして、挟みこまれたマイラーシート28とコイルブロック23との間の隙間および当該マイラーシート28とコイルブロック取付面22cとの間の隙間にワックス28が浸透されている。ワックス28としては、例えば、パラフィンワックスや密蝋が挙げられる。マイラーシート28は、電気を絶縁する電気絶縁シートである。マイラーシートの他にはテフロン(登録商標)製シートなども挙げられる。
As shown in FIG. 3B, the
エポキシ含浸およびワックス含浸の方法について説明する。まず、超電導線材24の各層間にガラスクロス25を挟みこみながら巻枠体22に巻き線を行う。そして、超電導線材24が巻き回された巻枠体22を容器(不図示)に入れ、この容器内にエポキシ樹脂27を流し込み、超電導線材24どうしの隙間にエポキシ樹脂27を充填する。なお、超電導線材24どうしの隙間に空隙が形成されないように(エポキシ樹脂27を良好に充填するために)、エポキシ樹脂27の充填を真空環境下で行うことが好ましい。次に、エポキシ含浸されたコイルブロック23をいったん巻枠体22から剥がし、そして、コイルブロック23とコイルブロック取付面22cとの間にマイラーシート28を挟んで再度組み立てる。そして、再組み立てした巻枠体22を容器(不図示)に入れ、この容器内にワックス28を流し込み、コイルブロック23とコイルブロック取付面22cとの間にワックス28を含浸(浸透)させる。なお、ワックス28含浸はエポキシ含浸と同様に真空環境下で行うことが好ましい。また、エポキシ含浸されたコイルブロック23をいったん巻枠体22から剥がし、その後、再組み立てを行うため、2つのフランジ22aのうち少なくとも一方のフランジ22aは、再組み立て前に筒状部材22bに固定される。
The method of epoxy impregnation and wax impregnation will be described. First, the winding
コイルブロック23をエポキシ含浸することにより、コイルブロック23を構成する超電導線材24間の隙間はエポキシ樹脂27で埋められ、線材どうしがエポキシ樹脂27を介して強固に固定される。すなわち、コイルブロック23を構成する超電導線材24は相互の位置ズレを生じにくくなる。これにより、電流密度を高めたとしてもコイルブロック23に発生するクエンチを抑制することができ、高磁場の均一磁場空間をより形成しやすくなる。また、図1および図2に示したようなコイルブロック配置では、コイルブロックを構成する線材は、図2に示したような力を受けるので、コイルブロック23をエポキシ含浸することにより、コイルブロック全体としての力(body force)をより低減することができる。
By impregnating the
また、エポキシ含浸されたコイルブロック23と、巻枠体22のコイルブロック取付面22cとの間の隙間に、さらにワックス28を浸透させることにより、コイルブロック取付面22cと、コイルブロック23を構成する超電導線材24との間の凹凸が減少する。これにより、コイルブロック23に発生するクエンチをより抑制することができる。
In addition, the coil
(エポキシ含浸およびワックス含浸による効果の検証)
コイルブロックのエポキシ含浸およびワックス含浸による効果の検証を行った。以下にその結果を記載する。
(Verification of the effects of epoxy impregnation and wax impregnation)
The effect of the epoxy impregnation and wax impregnation of the coil block was verified. The results are described below.
まず、2個のコイルフォーマー(巻枠体)を準備し、各コイルフォーマーに対してガラスクロスを挟みながら巻き線を施した。そのあと、一方のマグネット(巻き線を施したコイルフォーマー)はエポキシで真空含浸を行い、他方のマグネットはワックスで真空含浸を行った。 First, two coil formers (winding frames) were prepared, and winding was performed on each coil former while sandwiching a glass cloth. After that, one magnet (coil former with windings) was vacuum impregnated with epoxy, and the other magnet was vacuum impregnated with wax.
ワックス含浸したマグネットに通電(励磁テスト)したところ、BJR=248MPa、283MPa、270MPa、263MPa、という値でクエンチし、2回目の通電ではBJR値が上昇したものの、そのあと単調にクエンチ発生時のBJR値が減少するという傾向を示した。励磁テスト後、このマグネットを切断して断面観察を試みようとしたが、線材がばらばらに崩れ形をとどめていなかった。 When energization (excitation test) was performed on the magnet impregnated with wax, the BJR was 248MPa, 283MPa, 270MPa, 263MPa, and the BJR value increased in the second energization. The value showed a tendency to decrease. After the excitation test, the magnet was cut and an attempt was made to observe the cross section. However, the wires were broken apart and did not remain in shape.
一方、エポキシ含浸したマグネットは、BJR=595MPa、670MPa、735MPa、789MPa、798MPa、813MPa、というように1回目の通電から、前記のワックス含浸のみしたマグネットの倍以上の高応力に耐えることが実証され、クエンチ発生時のBJR値はその後も上昇した。励磁テスト後、このマグネットを切断して断面観察を試みたところ、線材の間には隙間なくエポキシが充填されており、コイルブロック全体が一体となって合力に耐えていることがわかった。 On the other hand, magnets impregnated with epoxy have been proved to withstand high stress more than double that of magnets impregnated with wax only from the first energization such as BJR = 595 MPa, 670 MPa, 735 MPa, 789 MPa, 798 MPa, 813 MPa. The BJR value at the time of quenching also increased after that. After the excitation test, this magnet was cut and cross-sectional observation was performed. As a result, it was found that epoxy was filled with no gap between the wires, and the entire coil block was united to withstand the resultant force.
なお、エポキシ含浸したマグネットに対して、さらに前記した方法でワックス真空含浸し(コイルブロックとコイルフォーマーのコイルブロック取付面との間の隙間にワックスを浸透させ)、励磁テストをしたところ、BJR=775MPa、820MPa、というクエンチ履歴を示した。1回目の通電から700MPaをはるかに超えるBJR値に到達したのは、ワックスが界面に浸透して凹凸を消し、摩擦を低減した結果である。 In addition, when the epoxy-impregnated magnet was further vacuum-impregnated with wax by the above-described method (wax penetrated into the gap between the coil block and the coil block mounting surface of the coil former) and subjected to an excitation test, BJR = Quench history of 775 MPa and 820 MPa. The reason why the BJR value far exceeding 700 MPa was reached after the first energization was the result of the wax penetrating the interface to erase the unevenness and reducing the friction.
(マグネット装置)
図4は、本発明の一実施形態に係るマグネット装置54を示す模式断面図である。図4に示すように、マグネット装置54は、超電導マグネット62と、超電導マグネット62のメインコイル52およびシールドコイル53が収容された液体ヘリウム容器7と、液体ヘリウム容器7の両端に設けられた支持構造部材21と、液体ヘリウム容器7の外側に設けられた輻射シールド8と、輻射シールド8の外側に設けられた断熱真空容器9とを有している。液体ヘリウム容器7には液体ヘリウムが入れられている。支持構造部材21は、メインコイル52およびシールドコイル53を、液体ヘリウム容器7を介して支持するための部材である。
(Magnet device)
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a
超電導マグネット62は、筒状のメインコイル52と、メインコイル52の径方向外側に配置される筒状のシールドコイル53と、電気回路(不図示)とからなる。電気回路は、コイル52・53に電流を流すとともにコイル52・53をクエンチなどから保護するための回路(保護回路)である。シールドコイル53は、マグネット装置54からの漏れ磁場を小さくするためのコイルである。
The
メインコイル52は、直列に配置された6つのコイルブロック41〜46と、コイルブロック41〜46が外周に取り付けられた筒状の巻枠体17とを有している。シールドコイル53は、直列に配置された2つの逆磁場コイルブロック47・48と、逆磁場コイルブロック47・48が外周に取り付けられた筒状の巻枠体20とを有している。6つのコイルブロック41〜46は、均一磁場空間Aがメインコイル52の片側端部に形成されるように、メインコイル52の軸方向Zに沿って非対称に配置されている。また、この6つのコイルブロック41〜46は、全てエポキシ含浸されている。
The
コイルブロック41〜44・46は、正磁場コイルブロックであり、コイルブロック45は、逆磁場コイルブロックである。この逆磁場コイルブロック45は、巻枠体17の一方の端部において、2つの正磁場コイルブロック44・46に挟まれるように当該正磁場コイルブロック44・46の間に配置されている。また、逆磁場コイルブロック45は、メインコイル52の端から2つ目のコイルブロックとして配置されている。
The coil blocks 41 to 44 and 46 are positive magnetic field coil blocks, and the
さらに、均一磁場空間Aが形成される側のメインコイル52の端部と、当該均一磁場空間Aが形成される側のシールドコイル53の端部との間に、マグネットの軸方向Zにおいて段差Sが設けられ、シールドコイル53の端部がメインコイル52の端部よりも内側(マグネットの中心側)に配置されている。そして、この段差S部分に支持構造部材21が配置されている。また、支持構造部材21の先端突起部21aが段差S部分におさまるように段差Sの大きさが決められている。段差Sを設けることでメインコイル52の端部をマグネット装置54の端面に近づけることができるので、マグネット装置54の端面により近い位置に均一磁場空間Aを形成することができる。なお、本実施形態のように支持構造部材21の先端突起部21aが段差S部分に完全におさまるように(段差S部分から外側へ全くはみださないように)されることは、マグネット装置54の端面に近い位置に均一磁場空間Aを形成するうえで好ましいことであるが、必ずしもこの必要はない。ただし、メインコイル52の端とシールドコイル53の端との間の軸方向Zにおける距離は、少なくとも4cm以上であることが好ましい。
Further, a step S in the axial direction Z of the magnet between the end of the
ここで、マグネット装置54に通電したところ、マグネット装置54の端面に近い場所に、3T(テスラ)の磁場強度の均一磁場空間Aを発生させることができた。これにより、視野が限られていることから生じる精神的なストレスが被験者にとって負担となる、といった脳機能を計測する際の問題を解消できるとともに、脳機能の計測精度を高めることができる。なお、3T(テスラ)の磁場強度の均一磁場空間Aをマグネット装置54の端面に近い場所に発生させるとき、コイルブロック44・46のBJR値は700MPa程度となっている。
Here, when the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made as long as they are described in the claims. .
1、2、3、5:正磁場コイルブロック
4:逆磁場コイルブロック
6:巻枠体(コイルフォーマー)
7:液体ヘリウム容器
27:エポキシ樹脂
51、52:メインコイル
53:シールドコイル
54:マグネット装置
61、62:超電導マグネット
A:均一磁場空間
1, 2, 3, 5: Positive magnetic field coil block 4: Reverse magnetic field coil block 6: Winding frame (coil former)
7: Liquid helium container 27:
Claims (6)
均一磁場空間が前記メインコイルの片側端部に形成されるように、前記複数のコイルブロックが当該メインコイルの軸方向に沿って非対称に配置され、
前記複数のコイルブロックは、正磁場を発生させる複数の正磁場コイルブロックと、逆磁場を発生させる逆磁場コイルブロックとで構成され、
前記逆磁場コイルブロックが、前記片側端部であって、2つの前記正磁場コイルブロックの間に配置されていることを特徴とする、超電導マグネット。 In a superconducting magnet comprising a main coil comprising a plurality of coil blocks formed by winding at least a superconducting wire,
The plurality of coil blocks are arranged asymmetrically along the axial direction of the main coil so that a uniform magnetic field space is formed at one end of the main coil.
The plurality of coil blocks include a plurality of positive magnetic field coil blocks that generate a positive magnetic field and a reverse magnetic field coil block that generates a reverse magnetic field,
The superconducting magnet according to claim 1, wherein the reverse magnetic field coil block is disposed between the two positive magnetic field coil blocks at one end portion.
前記コイルブロックが、エポキシ含浸されていることを特徴とする、超電導マグネット。 In the superconducting magnet according to claim 1,
A superconducting magnet, wherein the coil block is impregnated with epoxy.
前記エポキシ含浸されたコイルブロックと、巻枠体のコイルブロック取付面との間の隙間に、ワックスが浸透されていることを特徴とする、超電導マグネット。 The superconducting magnet according to claim 2,
A superconducting magnet, wherein a wax is infiltrated into a gap between the coil block impregnated with epoxy and a coil block mounting surface of a winding frame.
前記メインコイルの径方向外側に配置される筒状のシールドコイルをさらに備え、
前記均一磁場空間が形成される側の前記メインコイルの端部と、当該均一磁場空間が形成される側の前記シールドコイルの端部との間に、前記軸方向において段差が設けられて、当該シールドコイルの端部が当該メインコイルの端部よりも内側に位置させられ、
前記メインコイルおよび前記シールドコイルを支持するための支持構造部材が、前記段差部に配置されることを特徴とする、超電導マグネット。 In the superconducting magnet according to one of claims 1 to 3,
A cylindrical shield coil disposed on the radially outer side of the main coil;
A step is provided in the axial direction between the end of the main coil on the side where the uniform magnetic field space is formed and the end of the shield coil on the side where the uniform magnetic field space is formed. The end of the shield coil is positioned inside the end of the main coil,
A superconducting magnet, wherein a supporting structure member for supporting the main coil and the shield coil is disposed in the stepped portion.
前記逆磁場コイルブロックが、前記均一磁場空間が形成される側の前記メインコイルの端から2つ目のコイルブロックとして配置されていることを特徴とする、超電導マグネット。 In the superconducting magnet according to one of claims 1 to 4,
The superconducting magnet, wherein the reverse magnetic field coil block is arranged as a second coil block from an end of the main coil on the side where the uniform magnetic field space is formed.
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