JP2010522010A - 磁気共鳴検査システム用の超電導磁気システム - Google Patents

Abstract

超電導磁石を伴う超電導磁気システムは、冷却システムを具備している。温度スイッチが、超電導磁石を冷却システムと熱的に結合し/から切り離し、結果として、例えばクエンチが発生した場合には、磁石が冷却システムから切り離されることができる。

Description

本発明は、特に磁気共鳴検査システム用の、超電導磁気システムに関する。

斯様な超電導磁石は、欧州特許公開公報EP 0 350 264から知られている。既知の超電導磁石は、超電導の常電導転移（クエンチ）に対する保護コイルを有する。クエンチ保護されたコイルは、銅の安定ワイヤと共に巻かれた数層の超電導ワイヤを含んでいる。電気伝導性のある箔の帯が、隣接するワイヤ層の間に位置している。この構成は、改善されたクエンチの伝搬を供する。

本発明の目的は、急速な停止（ランプダウン）が可能な、特に磁気共鳴検査システム用の超電導磁気システムを供することである。

この目的は、
− 超電導磁石と、
− 冷却システムと、
− 超電導磁石を冷却システムへと熱的に結合させる/から切り離すよう構成された温度スイッチとを、
有する本発明の超電導磁気システムで実現される。

磁石のクエンチが検出された場合、温度スイッチは、超電導磁石を冷却システムから切り離すよう開放にされる。クエンチは、超電導磁石の超電導コイル巻線が局所的に抵抗性になるときに発生し、コイル巻線を流れる電流は、より多くの熱を生成する。クエンチが発生した場合、磁石は、全体のコイル巻線を抵抗性にし、ホットスポットの発生を回避するよう空間的に分散された態様でコイル巻線を加熱することにより、急速にランプダウンされる。温度スイッチが超電導磁石を冷却システムから切り離すので、クエンチが発生した場合の加熱が、冷却システムによって妨げられることはない。これ故、クエンチが発生した場合の分散加熱の効果が改善される。ホットスポットが、より効果的に回避される。この態様にて、クエンチになるプロセスが不安定になることが回避される。これゆえ、小さなホットスポットでのすべての蓄積された磁気エネルギーの急速な消散が防止され、磁石の損傷が回避される。

本発明のこれらの態様及び他の態様は、従属請求項で規定されている実施例を参照して、更に詳しく説明されよう。

動作時には、電気伝導性のあるコイル巻線が超電導状態にあるよう、コイル巻線は自身の臨界温度以下に冷却される。コイル巻線を冷やすために、熱伝導部が、コイル巻線と冷却システムの低温ヘッドとの間に供される。熱伝導部は、低温ヘッドとコイル巻線とを熱的に直接結合する。熱伝導部は、伝導で冷却された超電導マグネットが流体冷却水によって覆われることを必要としない。代わりに、磁石の数ヶ所のみが、クリオ冷却器の低温ヘッドに、直接熱的に接続されている。当該接続部は、銅、アルミニウム、又はヒートパイプのような良好な熱伝導体で作られることができる。例えば、熱伝導部は、熱伝導ブリッジによってコイル巻線に接続されている、コイル巻線のまわりにある複数の熱伝導リングとして形成されることができる。例えば、細い銅線のアセンブリが、渦電流を回避するか、又は少なくとも最小にする熱コネクタとして適している。更に、可撓性の枝のような金属、例えば銅のコネクタが、磁石の数ヶ所をクリオ冷却器と熱的に接続するために使用されてもよい。熱伝導の別の例では、例えば、磁石の数ヶ所が、厚い銅、又はアルミ製ワイヤ若しくは棒を介して、又はヒートパイプ技術を用いて、クリオ冷却器に熱的に接続される。磁石全体が、コイル巻線の素材又は安定材料によって供されることができる超電導材料自体の熱伝導を利用することによって、このあと、冷却される。温度スイッチが、低温ヘッドと熱伝導部との間に供される。このタイプの磁気システムは、コイル巻線を冷却するために、（液体ヘリウムなどの）低温冷却水の使用を必要としない。これらの起寒剤のないタイプの磁気システムに対して、局所的なクエンチが発生した場合、急速なランプダウンが、温度スイッチを開くことによって可能にされる。

本発明の更なる態様では、コイル巻線は、高温超電導材料を含む。適切な高温超電導材料は、YBa_２Cu_３O_７＋（Tc＝93K）、Bi_２Sr_２Ca_２Cu_３O_１０（Tc＝110 K）、又はRuSr_２（Gd，Eu，Sm）Cu_２O_８（Tc＝58K）である。当該高温超電導材料は、より高い温度で動作することができ、従って、高価で複雑なヘリウム槽冷却を必要とするのではなく、熱伝導を介して低温ヘッドによって冷やされることができる。にもかかわらず、本発明は、高温超電導コイル巻線をもつ磁気システムが、クエンチが発生した場合に、急速ランプダウンされ得ることを供する。

本発明の一態様では、温度スイッチは、磁気歪又は圧電現象に基づいた機械的なスイッチの形で実現されることができる。磁気歪は、外部磁界の影響を受けて、材料が異方的に膨張又は収縮することを引き起こす。圧電現象は、外部電場の影響を受けて、材料が異方的に膨張又は収縮することを引き起こす。本実施例では、温度スイッチは、低温ヘッドを熱伝導部へと結合する/から切り離す磁気歪体又は圧電体を含む。磁気歪体又は圧電体は、超電導マグネット動作状態の間、優れた機械的な、従って熱的な接触状態にある。クエンチが検出された場合、当該部品の寸法を変え、従って、他の熱伝導体への当該部品の機械的／熱的な接触を回避する電界又は磁界が、部品に印加される。

本発明の更なる態様において、サーモ・サイホン又はヒートパイプなどの、ガス／流体ベースの温度スイッチが、使用されることができる。ヒートパイプは、銅又はアルミニウムの熱伝導度よりも非常に高い、効果的な熱伝導度を呈する。動作流体は、ヒートパイプの暖かい端部で蒸発し、冷たい端部へ移動し、そこで凝縮する。冷たい端部から、動作流体は - 重力を用いるか、又はヒートパイプ内の特別な芯のような構造を用いて、暖かい端部へ再度転送される。しかしながら、ヒートパイプは、暖かい端部及び冷たい端部の温度が、動作ガス／流体が蒸発する温度及び凝縮する温度に対応する場合のみ、適切に動作する。これ故、例えば、動作ガス／流体が凍るよう、凝縮器セクションを加熱する、又は、これに加えて、動作ガス／流体を冷やす（追加されたヒーターのスイッチを切る）ことによって、熱伝導は容易に遮断されることができる。いずれの場合においても、熱伝導は、ほぼ即座に止まる。更に、ヒートパイプは優れた熱伝導性を示し、渦電流が回避されるよう、パイプそのものは（電気的な）絶縁物のような材料で構成されることができる。ヒーターは、標準的な抵抗性又は誘導性のヒーターによって実現されることができる。

本発明の磁気システムは、特に磁気共鳴検査システムで使用されるのに適切である。当該磁気共鳴検査システムは、空間的にコード化された磁気共鳴信号を生成、及び受信し、得られた磁気共鳴信号から、検査されるべき対象物の磁気共鳴画像を再構築する。特に、対象物は、検査されるべき患者であり、医学診断画像が、検査されるべき患者からの磁気共鳴信号から再構築される。

本発明のこれらの態様及び他の態様は、これ以降説明される実施例を参照して、及び添付の図面を参照して解明されることであろう。

本発明の磁気システムの概観図を示す。

図1は、本発明の磁気システム1の概観図を示す。当該磁気システム1は、円筒状形をもつ超電導磁石2を含む。磁石2は、一つ以上の超電導コイル巻線をもっている（明確に示されてはいない）。当該コイル巻線は、超電導に対する巻線の臨界温度よりも十分低く冷却することによって、超電導状態にされる。当該臨界温度は、コイル巻線の材料の電流密度と磁界強度とに依存することに留意されたい。特に、電流が増加するにつれて臨界温度は下がり、電流密度が臨界電流密度よりも高くなると、超電導特性さえ消失する。また、磁界強度が増加するときも、臨界温度は下がる。磁界強度が臨界磁界強度よりも高くなると、超電導特性が消失する。例えば局所的に温度が、磁場又は電流密度の局所増加によって生じる可能性がある臨界温度を超えるとき、磁気クエンチが発生する場合がある。コイル巻線は、渦電流がほとんどできない、例えば細い銅線から形成された、例えば一つ又は複数のリング61を持つ熱伝導部6と、クリオ冷却器3を直接コイル巻線に熱的に接続する及びブリッジ62とに熱的な接触がある。冷却は、クリオ冷却器3の低温ヘッド5と熱伝導部6との間に位置する温度スイッチ4の態様で熱伝導部6に結合されたクリオ冷却器3によって供される。オプションで、温度スイッチは、局所クエンチの近傍にてクリオ冷却器から局所的に切り離すことができるよう、ブリッジ62に供されることがある。クリオ冷却器3、低温ヘッド5、及び熱伝導部6によって形成された冷却システムは、温度スイッチ4によって超電導磁石2へ結合され／から切り離される。温度スイッチは、低温ヘッド5と熱伝導部との間に位置する。これは、単一の温度スイッチで、すべての巻きを伴う磁石全体を低温ヘッド5に熱的に結合する/から切り離すのに十分であることを実現する。

異なる実施例においては、例えば熱伝導体がヒートパイプとして実現されるとき、温度スイッチの機能と熱伝導体の機能とが一体化されることができる。すると、ヒートパイプに付属する単純なヒーターが、当該ヒートパイプの熱伝導部をすばやくスイッチオフするために使われることができ、従って、磁石をクリオ冷却器から切り離すことができる。

複数の場所で局所的な電圧及び局所的な温度をモニタする複数の電圧タップ及び/又は温度センサ11（図中には1個だけが明確に示されている）を含むクエンチ保護システム10が供されている。電圧タップと共に、例えば、プラチナ・ベースの温度センサが使用されることができる。コイル巻線中の電圧、又はコイル巻線の温度が局所的に限界値を超えた場合、その後、コイル巻線は局所的に抵抗性になる（可能性がある）場合があり、更なる加熱、及びクエンチのリスクが差し迫る。限界値を超えることがコイル巻線の超電導特性の消失を表すよう、コイル巻線の電圧又は温度の限界値が設定される。複数のセンサが、クエンチ保護システムのクエンチ・コントローラ12に対してセンサ信号を供する。クエンチ・コントローラのソフトウェアは、センサ信号を解釈し、クエンチが差し迫っていることが検出された場合、当該クエンチ・コントローラ12は、磁石2をクリオ冷却器3、特に低温ヘッド5から切り離すために、温度スイッチ4を開放にする。

Claims (5)

1. 超電導磁石と、
   冷却システムと、
   前記超電導磁石を前記冷却システムと熱的に結合する/切り離す温度スイッチとを、
   有する超電導磁気システム。
2. 前記冷却システムが低温ヘッドを含み、
   前記超電導磁石が導電性のコイル巻線を含み、
   前記低温ヘッドと前記コイル巻線との間に熱伝導部を含み、
   前記温度スイッチが、前記低温ヘッドと前記熱伝導部との間に設けられる、
   請求項1に記載の超電導磁石システム。
3. 前記コイル巻線が、高温超電導材料を含む、請求項２に記載の超電導磁石システム。
4. 前記温度スイッチが、前記低温ヘッドを前記熱伝導部へと結合する/から切り離す磁気歪体又は圧電体を含む、請求項２に記載の超電導磁石システム。
5. 前記温度スイッチが、前記低温ヘッドを前記熱伝導部に結合する/から切り離すヒートパイプによって形成されており、当該ヒートパイプは、該ヒートパイプの暖かい端部及び/又は冷たい端部の温度を調整するための温度コントローラを具備している、請求項２に記載の超電導磁石システム。

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