JP2013232461A - 超電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】外部変動磁場による渦電流発熱を抑制することができる超電導磁石装置および磁気共鳴イメージング装置を提供する。
【解決手段】超電導線を巻回した超電導コイルと、前記超電導コイルを少なくとも１つ冷媒とともに内包する冷媒容器１と、冷媒容器１を覆うシールド板２と、シールド板２を覆う真空容器５と、真空容器５の外部に配置された外部磁場発生源と、を備え、シールド板２は切り欠き部２ａを有し、真空容器５に一端が固定され、切り欠き部２ａを介して冷媒容器１とシールド板２とを支持する断熱支持構造物４と、切り欠き部２ａの周縁部において切り欠き部２ａを包囲するように設置され、シールド板２と電気的に接続され、電気抵抗値がシールド板２以下であって、真空容器５側に向けて突出している抵抗部材３と、を備える構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導磁石装置および磁気共鳴イメージング装置に関する。

超電導磁石装置では、超電導状態を維持するために、超電導コイルは液体ヘリウム等の冷媒とともに冷媒容器に格納され、極低温に保持されている。冷媒容器は、真空容器に格納されて真空断熱されているが、冷媒容器を極低温に保持するためには、輻射および伝熱による侵入熱や、外部変動磁場で冷媒容器に誘起される渦電流によるジュール発熱も抑制する必要がある。
従来、そのための対策として、冷媒容器を覆うようにシールド板を配置する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

シールド板は、熱伝導がよく、電気抵抗の低いアルミニウム合金等で構成されている。ここで、外部磁場発生源としては、磁気共鳴イメージング装置を例にとると、核磁気共鳴信号に位置情報を付与するための傾斜磁場コイルが挙げられる。
撮像時には、傾斜磁場コイルに、パルス状またはステップ状の電流を流すことで動磁場が発生するが、この超電導磁石側に侵入しようとする動磁場が上記の外部変動磁場に相当する。

特開２００８−２８１４６号公報

ところで、冷媒容器を真空容器から支持するためには、シールド板を一部切り欠いて、断熱支持構造物を真空容器側から冷媒容器側に通す必要がある。
特許文献１では、この切り欠き部の存在については言及されていない。ここで、切り欠き部があると、シールド板に誘起される外部変動磁場による渦電流が、切り欠き部を迂回して流れることによって、渦電流が集中する箇所が生じることが考えられる。このように渦電流が集中すると発熱が生じ、その発熱の合計値が、冷凍機の冷却性能を超えてしまうと、超電導磁石を安定に運転することができなくなるおそれがある。
なお、上記の切り欠き部は１つの例であり、他にも製作性の観点からシールド板で冷媒容器を完全に覆いきれない領域が存在し、同様の課題が生じることも想定される。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、外部変動磁場による渦電流発熱を抑制することができる超電導磁石装置および磁気共鳴イメージング装置を提供することを課題とする。

本発明は、超電導線を巻回した超電導コイルと、前記超電導コイルを少なくとも１つ冷媒とともに内包する冷媒容器と、前記冷媒容器を覆うシールド板と、前記シールド板を覆う真空容器と、前記真空容器の外部に配置された外部磁場発生源と、を備えた超電導磁石装置において、前記シールド板は切り欠き部を有し、前記真空容器に一端が固定され、前記切り欠き部を介して前記冷媒容器と前記シールド板とを支持する断熱支持構造物と、前記切り欠き部の周縁部において前記切り欠き部を包囲するように設置され、前記シールド板と電気的に接続され、電気抵抗値が前記シールド板以下であって、前記真空容器側に向けて突出している抵抗部材と、を備えることを特徴とする。

この超電導磁石装置によれば、切り欠き部における外部磁場発生源側の周囲には、シールド板と電気的に接続された、電気抵抗値がシールド板以下である抵抗部材が設置されているので、切り欠き部の周囲に積極的に渦電流を流して、外部変動磁場印加時の磁気シールド効果を向上させることによって、冷媒容器での渦電流発熱を抑制することができる。

本発明によれば、外部変動磁場による渦電流発熱を抑制することができる超電導磁石装置および磁気共鳴イメージング装置が得られる。

本発明の第１実施形態の超電導磁石装置を示す斜視図である。 第１実施形態の超電導磁石装置を断熱支持構造物の軸線方向から見た図である。 第１実施形態の超電導磁石装置に外部変動磁場を印加した際の渦電流の流線を示した模式図である。 磁気シールド効果を示した模式図である。 抵抗部材がない場合の渦電流の流線を示した模式図である。 第２実施形態の超電導磁石装置を断熱支持構造物の軸線方向から見た図である。 本発明の第３実施形態である水平型の磁気共鳴イメージング装置の概略断面図を示す。 要部の拡大断面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、超電導磁石装置は、図示しない超電導コイルを液体ヘリウム等の冷媒とともに内包する冷媒容器１と、この冷媒容器１を覆うシールド板２と、を備え、冷媒容器１とシールド板２とが、断熱支持構造物４を介して真空容器５に支持されている。このように、断熱支持構造物４を介して冷媒容器１を真空容器５から支持することによって、冷媒容器１への熱侵入を防いでいる。なお、外部磁場発生源は、図示はしないが、真空容器５の外側に配置されているものとする。

冷媒容器１および真空容器５は、非磁性の構造材、例えばステンレス鋼で形成されている。シールド板２は、冷媒容器１を覆う円筒状を呈しており、非磁性で、かつ、ステンレス鋼に比べて熱伝導率が高く、非磁性で電気抵抗率の低い部材、例えばアルミニウム合金で形成されている。
シールド板２には、断熱支持構造物４を挿通させるための丸穴状の切り欠き部２ａが形成されている。切り欠き部２ａは断熱支持構造物４の外径に対応した内径（断熱支持構造物４の横断面形状と同様の開口）を有しており、切り欠き部２ａの縁部には、電気抵抗率の低い抵抗部材３が一体的に立設されている。

抵抗部材３は、円筒状を呈しており、切り欠き部２ａの開口周縁に一体的に、切り欠き部２ａを包囲するように設けられており、シールド板２と電気的に接続されている。抵抗部材３は、シールド板２と同様に、非磁性で、かつ、ステンレス鋼に比べて電気抵抗率の低い部材、例えばアルミニウム合金で形成されている。本実施形態では、抵抗部材３の径方向の肉厚（板厚）をシールド板２の肉厚（板厚）と同一としてある。
なお、抵抗部材３は、シールド板２と電気抵抗値が同等か、それ以下の部材であればよく、したがって抵抗部材３とシールド板２の材質が同じであれば、抵抗部材３の肉厚は、シールド板２の肉厚に比べて分厚く形成してもよい。このように抵抗部材３を分厚く形成することによって、抵抗値を低くすることができる。このことは、後記するように、外部変動磁場印加時に誘起される渦電流の流量増加に寄与する場合があり、磁気シールド効果の高まりによって、冷媒容器１での渦電流による発熱を低減できると考えられる。

また、抵抗部材３は、シールド板２の外周面に直交するように、かつ、真空容器５側に向かって立設されており、断熱支持構造物４も、抵抗部材３と同様に、シールド板２の外周面に直交するように挿通配置される。別言すれば、抵抗部材３は、切り欠き部２ａの開口周縁部から断熱支持構造物４に沿ってシールド板２の外周面に垂直に突設（外部磁場発生源側となる外周面の法線方向に突設）されている。
本実施形態では、抵抗部材３の高さ寸法を、抵抗部材３の幅Ｌ（外径）の２分の１となるＬ／２としてある。

このような抵抗部材３は、図４に示すように、抵抗部材３が設置されていない場合に侵入するおそれのある外部変動磁場である輻射Ｂ１に対しても、シールド効果を好適に発揮する。

断熱支持構造物４は、外部からの熱侵入を防ぐために低熱伝導の材料、例えば、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）で形成されており、切り欠き部２ａおよび抵抗部材３に挿通される円柱状を呈している。断熱支持構造物４は、一端側が真空容器５側に固定され、他端側が冷媒容器１側に固定されており、切り欠き部２ａおよび抵抗部材３を介してシールド板２を貫通している。

真空容器５は、冷媒容器１およびシールド板２を内包し、冷媒容器１との間を真空断熱する役割を有している。

図３にシールド板２に外部変動磁場印加時の渦電流の流線の一例を示す。
抵抗部材３が設置されていない場合は、シールド板２に比べて断熱支持構造物４の電気抵抗が高いため、図５に示すように、断熱支持構造物４を迂回するように渦電流が流れてしまう。
これに対して、シールド板２に抵抗部材３が設置されていると、図３に示すように、シールド板２の表面だけではなく、抵抗部材３にも渦電流が流れることとなる。これにより、外部変動磁場印加時に誘起される渦電流量が増加する状態となる。この渦電流は、外部磁場と逆向きの磁場を発生するため、磁気シールド効果が向上される。

したがって、外部変動磁場の侵入による渦電流発熱の合計値が、図示しない冷凍機の冷却性能を超えてしまうことが抑制されるようになり、超電導磁石の安定した運転を維持することが可能となる。

また、本実施形態では、抵抗部材３の高さ寸法を、抵抗部材３の幅Ｌ（外径）の２分の１となるＬ／２としてあるが、このようにすることによって、仮に、抵抗部材３の幅Ｌの２分の１以上とした場合（抵抗部材３を高く形成した場合）と同程度の磁気シールド効果が得られることを数値解析によって確認した。

以上説明した本実施形態の超電導磁石装置によれば、切り欠き部２ａにおける外部磁場発生源側の周囲には、シールド板２と電気的に接続された抵抗部材３が設置されているので、切り欠き部２ａの周囲（抵抗部材３）に積極的に渦電流を流して、外部変動磁場印加時における磁気シールド効果を向上させることができる。これにより、渦電流発熱を抑制することができ、信頼性の向上された超電導磁石装置が得られる。
したがって、磁石を製作する上で必要な切り欠き部２ａがシールド板２に設けられた構成であるにもかかわらず、外部変動磁場による渦電流発熱を好適に抑制することができる超電導磁石装置が得られる。

また、シールド板２および抵抗部材３は、非磁性で、かつ、ステンレス鋼に比べて電気抵抗率の低い材料であるアルミニウム合金で構成されているので、シールド板２および抵抗部材３に好適に渦電流を流すことができ、外部変動磁場印加時における磁気シールド効果を向上させることができる。
なお、ここで電気抵抗率の比較対象として挙げたステンレス鋼は一例であって、抵抗部材３は、シールド板２と同程度またはそれ以下の抵抗値を有しており、好適に渦電流を流すことができれば上記の効果を得ることができる。

また、抵抗部材３をアルミニウム合金で構成している場合、ステンレス鋼と比べて熱伝導率が高いため、切り欠き部２ａを介した冷媒容器１への熱侵入を抑制する効果も得られる。
なお、ここで熱伝導率の比較対象として挙げたステンレス鋼は一例であって、超電導磁石装置を稼動させる上で求められる熱伝導率の高さを抵抗部材３が有していればよい。

また、抵抗部材３は、切り欠き部２ａの周縁部から断熱支持構造物４に沿って突設されているので、断熱支持構造物４の軸線に沿う方向以外からの輻射に対するシールド効果を向上することができる。抵抗部材３が設置されていないものに比べて、断熱支持構造物４の軸線に沿う方向以外からの輻射Ｂ１に対してシールド効果を向上することができる。

また、抵抗部材３の突出高さ寸法は、抵抗部材３の幅寸法の２分の１とされているので、抵抗部材３の幅Ｌの２分の１よりも大きくした場合（抵抗部材３を高く形成した場合）と同程度の磁気シールド効果を維持しつつ、抵抗部材３の高さを必要最低限に抑えることができる。したがって、コンパクトな超電導磁石装置が得られる。

（第２実施形態）
第２実施形態の超電導磁石装置について図６を参照して説明する。本実施形態が前記第１実施形態と異なるところは、切り欠き部２ｂが矩形状であり、これに挿通される断熱支持構造物４Ａが四角柱状を呈し、さらに、断熱支持構造物４Ａを覆う抵抗部材３Ａが長四角筒状に形成されている点である。なお、その他の構成に変わりはない。

抵抗部材３Ａは、外形が短辺ａと長辺ｂとからなる長四角筒状とされており、切り欠き部２ｂの孔縁から断熱支持構造物４Ａに沿うように立設されている。抵抗部材３Ａの高さ寸法は、渦電流の流線の方向に合わせて次のように設定されている。
渦電流の流線の方向が図６中矢印Ｘ１方向である場合には、流線に沿う辺となる、抵抗部材３Ａの短辺ａを基準として短辺ａの２分の１（ａ／２）に設定される。また、渦電流の流線の方向が図６中矢印Ｘ２方向である場合には、流線に沿う辺となる、抵抗部材３Ａの長辺ｂを基準として長辺ｂの２分の１（ｂ／２）に設定される。
すなわち、抵抗部材３Ａの高さは、シールド板２に生じる渦電流の流線方向において切り欠き部２ｂの幅寸法の２分の１となる。

このような抵抗部材３Ａを備えた超電導磁石装置においても、前記第１実施形態で説明した作用効果と同様の作用効果が得られる。すなわち、切り欠き部２ｂの周囲（抵抗部材３Ａ）に積極的に渦電流を流して、外部変動磁場印加時における磁気シールド効果を向上させることができる。これにより、渦電流発熱を抑制することができ、信頼性の向上された超電導磁石装置が得られる。
したがって、磁石を製作する上で必要な切り欠き部２ｂがシールド板２に設けられた構成であるにもかかわらず、外部変動磁場による渦電流発熱を好適に抑制することができる超電導磁石装置が得られる。

（第３実施形態）
図７に本発明の第３実施形態である水平型の磁気共鳴イメージング装置の概略断面図を示す。
磁気共鳴イメージング装置は、核磁気共鳴現象を利用して被検体（不図示、以下同じ）の断層画像を得るものであり、図７に示すように、各種装置を収容するガントリ１０を備える。磁気共鳴イメージング装置は、この他に、被検体を載置するベッドや、被検体を磁場空間内の撮像領域へ搬送する搬送手段、ガントリ１０内の各種装置を制御する電源や各種制御装置を収納した制御装置、検出された核磁気共鳴信号を処理するコンピュータ等の処理装置、断層画像を表示する表示装置等（いずれも不図示）を含んで構成されている。

ガントリ１０内には、図示しない超電導主コイルや超電導シールドコイルを液体ヘリウム等の液化した冷媒とともに収容する冷媒容器１１と、この冷媒容器１１を覆うように形成されたシールド板１２と、冷媒容器１１およびシールド板１２を内包し、内部を真空にした真空容器１３等とからなる超電導磁石装置が設けられている。真空容器１３の内周側には、外部磁場発生源となる傾斜磁場コイル１４が設置されている。

真空容器１３内において、冷媒容器１１およびシールド板１２は、断熱支持構造物４Ｂを介して支持されている（図８参照）。このように、断熱支持構造物４Ｂを介して冷媒容器１１を真空容器１３から支持することによって、冷媒容器１１への熱侵入を防いでいる。

本実施形態においても、冷媒容器１１および真空容器１３は、非磁性の構造材、例えばステンレス鋼で形成されている。シールド板１２は、冷媒容器１１を覆う円筒状を呈しており、非磁性で、かつ、ステンレス鋼に比べて熱伝導率が高く、電気抵抗率の低い部材、例えばアルミニウム合金で形成されている。
シールド板１２には、断熱支持構造物４Ｂを挿通させるための、例えば丸穴状の切り欠き部１２ａが形成されている。切り欠き部１２ａは断熱支持構造物４Ｂの外径に対応した内径（断熱支持構造物４Ｂの横断面形状と同様の開口）を有しており、切り欠き部１２ａの縁部には、傾斜磁場コイル１４側に向けて抵抗部材１５が一体的に立設されている。

抵抗部材１５は、円筒状を呈しており、切り欠き部１２ａの開口周縁に一体的に設けられてシールド板１２に電気的に接続されている。抵抗部材１５は、シールド板１２と同様に、非磁性で、かつ、ステンレス鋼に比べて熱伝導率が高く、電気抵抗率の低い部材、例えばアルミニウム合金で形成されている。本実施形態においても、抵抗部材１５の径方向の肉厚（板厚）をシールド板１２の肉厚（板厚）と同一としてある。
なお、抵抗部材１５の肉厚は、シールド板１２の肉厚に比べて分厚く形成してもよく、このように分厚く形成することによって、電気抵抗率を低くすることができる。このことは、傾斜磁場コイル１４による外部磁場変動印加時に誘起される渦電流の流量増加に寄与する。

断熱支持構造物４Ｂは、外部からの熱侵入を防ぐために低熱伝導の材料、例えば、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）で形成されており、切り欠き部１２ａおよび抵抗部材１５に挿通される円柱状を呈している。断熱支持構造物４Ｂは、図８に示すように、一端４Ｂ１が真空容器１３に固定され、他端４Ｂ２が冷媒容器１１に固定されており、切り欠き部１２ａおよび抵抗部材１５を介してシールド板１２を貫通し、冷媒容器１１およびシールド板１２を支持している（シールド板１２の支持構造は不図示）。なお、断熱支持構造物４Ｂは、図７において１つのみ示したが、ガントリ１０内において、通常、複数箇所に設けられている。

なお、図８において、断熱支持構造物４Ｂと切り欠き部１２ａおよび抵抗部材１５との間に隙間が有するように示したが、これに限られることはなく、切り欠き部１２ａおよび抵抗部材１５の一方または両方が断熱支持構造物４Ｂに当接（嵌合により当接するものも含む）するように構成してもよい。

以上説明した本実施形態の磁気共鳴イメージング装置によれば、切り欠き部１２ａにおける外部磁場発生源側の周囲には、シールド板１２と電気的に接続された抵抗部材１５が設置されているので、切り欠き部１２ａの周囲（抵抗部材１５）に積極的に渦電流を流して、外部変動磁場印加時における磁気シールド効果を向上させることができる。これにより、渦電流発熱を抑制することができ、信頼性の向上された超電導磁石装置が得られる。
したがって、磁石を製作する上で必要な切り欠き部１２ａがシールド板１２に設けられた構成であるにもかかわらず、外部変動磁場による渦電流発熱を好適に抑制することができる超電導磁石装置が得られる。

以上、実施形態に基づいて詳細に説明したが、本発明の内容は以上の説明に限定されるものではなく、種々の改変や変更も本発明の趣旨を逸脱しない範囲で本発明に含まれる。
前記各実施形態では、円筒状の抵抗部材３，１５や長四角筒状の抵抗部材３Ａを示したが、これに限られることはなく、断熱支持構造物の横断面形状に応じて変更可能である。例えば、断熱支持構造物の横断面形状が三角柱状であるときには、三角筒状の抵抗部材とすることができ、断熱支持構造物の横断面形状が楕円柱状や多角柱状であるときには、三角筒状、多角筒状の抵抗部材とすることができる。

また、抵抗部材３，３Ａ，１５は、シールド板２，１２の外周面に直交するように立設されたものを示したが、これに限られることはなく、断熱支持構造物４，４Ａ，４Ｂが、シールド板２，１２の外周面に直交する方向から角度を有してシールド板２，１２を斜めに貫通する場合等に、断熱支持構造物４，４Ａ，４Ｂに対応して、傾斜して立設する構成としてもよい。

また、抵抗部材３，３Ａ，１５は、突出端（先端）からシールド板２，１２に向けて、テーパ状に漸次拡径する形状（軸方向に沿う縦断面が略ハの字形状）とされていてもよい。

また、抵抗部材３等の高さ寸法を、抵抗部材３等の幅Ｌ（外径）の２分の１となるＬ／２としたものを例示したが、これに限られることはなく、Ｌ／２未満であってもよい。

１ 冷媒容器
２，１２ シールド板
２ａ，２ｂ，１２ａ 切り欠き部
３，３Ａ，１５ 抵抗部材
４，４Ａ，４Ｂ 断熱支持構造物
５，１３ 真空容器
１０ ガントリ
１１ 冷媒容器
１４ 傾斜磁場コイル（外部磁場発生源）

Claims (6)

1. 超電導線を巻回した超電導コイルと、前記超電導コイルを少なくとも１つ冷媒とともに内包する冷媒容器と、前記冷媒容器を覆うシールド板と、前記シールド板を覆う真空容器と、前記真空容器の外部に配置された外部磁場発生源と、を備えた超電導磁石装置において、
   前記シールド板は切り欠き部を有し、
   前記真空容器に一端が固定され、前記切り欠き部を介して前記冷媒容器と前記シールド板とを支持する断熱支持構造物と、
   前記切り欠き部の周縁部において前記切り欠き部を包囲するように設置され、前記シールド板と電気的に接続され、電気抵抗値が前記シールド板以下であって、前記真空容器側に向けて突出している抵抗部材と、を備えることを特徴とする超電導磁石装置。
2. 請求項１に記載の超電導磁石装置において、前記抵抗部材は、前記切り欠き部の周縁部から前記断熱支持構造物に沿って前記真空容器側に向けて突出するように設置されていることを特徴とする超電導磁石装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の超電導磁石装置において、
   前記抵抗部材の突出高さ寸法は、前記シールド板に生じる渦電流の流線方向における前記切り欠き部の幅寸法の２分の１以下であることを特徴とする超電導磁石装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置において、前記抵抗部材と前記シールド板とは同じ材料で構成されていて、前記抵抗部材の厚みは、前記シールド板よりも厚く、前記抵抗部材は、前記シールド板よりも電気抵抗値が低いことを特徴とする超電導磁石装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超電導磁石装置において、前記シールド板および前記抵抗部材は、非磁性で、かつ、ステンレス鋼に比べて熱伝導率が高く、電気抵抗率が低い材料で構成されていることを特徴とする超電導磁石装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超電導磁石装置を静磁場発生装置として用いた磁気共鳴イメージング装置であって、
   前記外部磁場発生源として機能し、撮像空間に傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイルと、
   シールド板として機能する輻射シールドと、を備えてなることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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