JP2014027273A - 格納式電流リード - Google Patents

Abstract

【課題】伝導冷却式超伝導マグネットにおいて良好な電気接続を確立しかつ熱負荷を最小限にする。
【解決手段】電流リードアセンブリ（１０）は、格納式接触子（１７）を有する格納式電流リード（１８）の真空チェンバ（１２）内部への貫通を可能にする貫通孔（２０）を有する真空チェンバ（１２）を含む。超伝導マグネット（１４）は、真空チェンバ（１２）の内部に配列され、マグネットリード（３４）を含む。真空チェンバ（１２）の内部で貫通孔（２０）の下側に電流接触子（３２）を配列させており、この電流接触子は熱コネクタ（３６）を介してマグネットリード（３４）に結合させている。電流接触子（３２）は真空チェンバ（１２）の内壁に結合させた断熱支持構造（３８）によって支持される。断熱支持構造（３８）の内部の外界温度で格納式接触子（１７）を電流接触子（３２）と接触させるためにアクチュエータアセンブリ（２６）を設けている。
【選択図】図１

Description

超伝導マグネットは、本明細書の以下において「超伝導温度」と呼ぶ適当なある低い温度にマグネットが維持されている限りにおいて、事実上のゼロ抵抗で電気を伝える。超伝導マグネットを確実に超伝導温度で動作させるために極低温システムが使用されている。

超伝導マグネットは一般に超伝導コイルを備えており、この超伝導コイルに電流を送るために電流リードを介して電源と電気的に結合させている。これらの電流リードの各々は、超伝導コイルと電気的に結合させた一端部と、電源と電気的に結合させた別の端部と、を含む。超伝導マグネットは、ランプ動作中は電源に結合させ、マグネットを指定の磁場まで電力供給または付勢させ、これによりマグネットを永続モードにさせる。超伝導マグネットなどの極低温デバイスは、百〜数千アンペアの範囲の電流をクライオスタットの低温領域に導くことを必要とすることがある。不可避的に超伝導コイルに伝播し得るようなかなりの熱が電流リードから発生している。したがって電流リードは、低温領域への熱の流れまたは熱損失を最小限にするように設計しなければならない。

米国特許第４８１３２４４号

幾つかの電流リードアセンブリは、マグネットが電力供給を受ける際及び電流リードの接触子の脱結合または切り離しによって永続モードとなる際に電源への接続を終端させる箇所に取り外し可能な電流リードを含む。伝導冷却式超伝導マグネットシステムにおける取り外し可能電流リードの使用は、超伝導コイルに結合させた電流リードを冷却するための要件のために複雑となる。伝導冷却式超伝導マグネットシステムでは、リードの接続は例えば５０°Ｋなどの低温度にある真空チェンバ内に生じている。真空中でのこうした低温度における電気接触では（恐らくは、真空中での材料の脱ガス（ｏｕｔｇａｓｓｉｎｇ）の結果として接触子に沈着した凍結した不純物のために）接触抵抗が大きくなるのが典型的である。低温度における接続ではさらに、抵抗が大きくかつ熱負荷が高くなる、これは接触子が非常に低温で剛性が高くかつコンプライアンスが小さく電気接触の確立が困難であることから良好な接触が困難となるためである。したがって、リードは超伝導マグネット上において熱負荷の１つとして作用する。したがって、電流リードの超伝導コイルと電気的に結合させた端部（多くの場合「低温端部」と呼ぶ）を冷却するために冷却用装置が使用されるのが典型的である。電源と電気的に結合させたもう一方の端部のことは「常温端部」と呼ぶことが多い。伝導冷却式超伝導マグネットにおいて良好な電気接続を確立しかつ熱負荷を最小限にすることが引き続き問題となっている。

磁場ランプ動作中において伝導冷却式超伝導マグネットに対する熱負荷を最小限にするための電流リードアセンブリを提供する。本電流リードアセンブリは、格納式接触子を有する格納式電流リードのその内部への貫通を可能にするための貫通孔を有する真空チェンバを含む。真空チェンバの内部に超伝導マグネットを配列させており、該超伝導マグネットはマグネットリードを含む。真空チェンバの内部において貫通孔の下側に電流接触子を配列させており、該電流接触子は熱コネクタを介してマグネットリードに結合させている。この電流接触子は、真空チェンバの内壁に結合させた断熱支持構造によって支持されている。断熱支持構造の内部の外界温度（ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）において接続が生じるように格納式接触子を電流接触子と接触させるためにアクチュエータアセンブリを設けている。

本発明の実施形態に関するこれらの特徴及び態様、並びにその他の特徴及び態様については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。

一実施形態による超伝導マグネットのための電流リードアセンブリを表した図である。 本発明の一実施形態による図１の電流リードアセンブリを含んだ超伝導マグネットを有する撮像システムのブロック図である。

本明細書に開示した実施形態は、超伝導マグネットへの電力供給のための電流リードの接続がある期間にわたって（例えば、磁場に至る超伝導マグネットのランプ中に）外界温度で生じるようにした伝導冷却式超伝導マグネット用の格納式電流リードアセンブリを提供する。本発明の実施形態によれば、本格納式電流リードアセンブリは、超伝導マグネットを収容する真空チェンバの内壁上に配置させた断熱支持構造を含む。格納式接触子を有する格納式電流リードがこの断熱支持構造まで貫通しており、この断熱支持構造によりさらに熱コネクタを介して超伝導マグネットのマグネットリードに結合させた電流接触子が支持されている。格納式電流リードは、真空チェンバ内の貫通孔を介して断熱支持構造の内部に配置されている。断熱支持構造は、真空チェンバ内部の極低温から断熱された内部を提供する。したがって、格納式接触子と電流リードの接続は断熱支持構造の内部の外界温度において生じている。電流接触子とマグネットリードを結合する熱コネクタは、断熱支持構造内における格納式接触子と電流接触子の間の熱伝導に由来する超伝導マグネットへの熱負荷を最小限にするように選択される。本格納式電流リードアセンブリの実施形態によれば、外界温度（例えば、室温）での接続を提供でき、これにより超伝導マグネットに対する最小の熱負荷を維持しながら５００アンペア程度以上の範囲の電流を超伝導マグネットのランピング用に供給することができる。

本明細書で使用している技術用語や科学用語は、特に別の規定を述べていない場合、当業者により一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書で使用する場合「第１の」、「第２の」その他の用語は、順序、数量または重要性を示すものではなく、むしろある要素を別の要素と区別するために使用したものである。さらに「ａ」や「ａｎ」の語も数量の制限を示すものではなくむしろ対象の項目が少なくとも１つ存在することを示したものであると共に、「前部」、「後部」、「底部」及び／または「上部」などの用語は（特に、別の指摘がない場合）単に記述の便宜上使用したものであり、ある任意の位置や空間的向きを限定するものではない。さらに、「結合させ」及び「接続させ」という表現は、２つの構成要素間の直接または間接の結合／接続を識別しようとする意図ではない。むしろ、特に指摘しない限りこれらの構成要素は直接的にもあるいは間接的にも結合／接続し得るものである。

図１を参照すると、本発明の一実施形態に従った電流リードアセンブリを表している。図１の図示ではこの電流リードアセンブリが動作用に２つの格納式電流リードを含んでいるが、説明を簡明にするためにこの格納式電流リードアセンブリのうちの一方の側だけについて記載することにする。真空チェンバ１２は、超伝導マグネット１４と、クライオクーラ（図示せず）により冷却された熱遮蔽１６と、電流リードアセンブリ１０と、を収容している。超伝導マグネット１４は通常、約４Ｋの温度まで冷却されており、また熱遮蔽は通常約５０Ｋの温度まで冷却されている。しかし実施形態はこれらの例示的温度に限定されるものではなく、別の温度も企図される。

電流リードアセンブリ１０は、真空チェンバ１２内の貫通孔２０を介して真空チェンバ１２内まで延びる格納式電流リード１８を含む。格納式電流リード１８は、留め具２４によってキャップ２２に対して確保されている。格納式電流リード１８は格納式接触子１７を含む。アクチュエータアセンブリ２６は、格納式接触子を格納式に係合及び脱結合するように設けられている。格納式電流リード１８と格納式接触子１７は、１つの部品として形成させること（図参照）や、アクチュエーションロッドと接触子部分など複数の部品に分離させることが可能である。アクチュエータアセンブリ２６は、格納式電流リード１８が真空チェンバ１２内まで格納式に延伸し得るような様々な技法に従って配列させることが可能である。図１に示した実施形態ではアクチュエータアセンブリ２６は、留め具２４及びねじ２７に結合させた支持ロッド２５を含む。ねじ２７によって、格納式電流リード１８による格納式接触子１７の係合及び脱結合が可能となる。格納式電流リード１８とべローズ３０の間には真空封止２８が製作される。この封止２８は、べローズ３０内部の真空を維持するためにべローズ３０と接触している。べローズ３０と格納式電流リード１８の間に電気絶縁を提供するために、プラスチックなどの絶縁体２９を含むことが可能である。キャップ２２とべローズ３０は、例えば真空チェンバ１２に対して両方を溶接するなど適当な任意の技法によって互いに確保されている。

電流リードアセンブリ１０はさらに、真空チェンバ１２の内部に配列させた電流接触子３２を含む。電流接触子３２は、熱コネクタ３６を介してマグネットリード３４に結合させている。熱コネクタ３６を受け容れる熱ステーション３５が、電気絶縁層３７を通して熱遮蔽１６に対して確保（例えば、ボルト留め）されている。電気絶縁層３７は、熱ステーションの温度が熱遮蔽１６の温度に近くなるように高い熱伝導度を有する。電気絶縁層３７用の材料の例には、真空グリース付きのカプトン（Ｋａｐｔｏｎ）あるいはガラス充填のエポキシを含む。適当な別の材料を用いることも可能である。電流接触子３２は、真空チェンバ１２内で断熱支持構造３８によって支持されている。断熱支持構造３８は、断熱を提供する一方、電流接触子３２を支持しかつ接続点における高い荷重を可能にするだけの十分な強度をもつ材料から製作される。こうした材料の例には、エポキシを伴うガラス繊維、Ｇ１０などのプラスチック絶縁体、または適当な別の材料が含まれる。断熱支持構造３８は、格納式接触子１７を後退させたときの電流接触子３２の外界温度からの熱遮断性を提供し、これにより電流接触子３２は熱遮蔽１６と概ね同じ温度となる。したがって、格納式電流リード１８と電流接触子３２の間の接触または接続を開放したときに、電流接触子３２、熱コネクタ３６及び熱遮蔽１６はすべて約５０Ｋに維持され、外界温度において真空容器から熱的に遮断される。

熱コネクタ３６は、マグネットに電力供給（５００アンペア〜１０００アンペアやこれ以上の供給電流によることもある）するための格納式接触子１７の電流接触子３２との接続に由来する超伝導マグネット１４の熱負荷を最小限にするように選択される。さらに詳細には、例えば材料、長さ、直径、面積、面積対長さの比などの熱コネクタ３６の特性は、熱伝導が最小限となるように選択される。熱コネクタ３６は、例えば銅製や真鍮製のケーブルまたはワイヤとすることがあり、また剛性とすることや可撓性とすることがある。熱コネクタ３６は、外界温度における最小熱負荷による電源への接続、あるいは超伝導マグネット１４の低温度または超伝導温度への移行を可能にする。

超伝導体ワイヤは太いほど超伝導コイルを製作する際の労力及び材料に関する費用対効果がより細いワイヤと比べてそれだけ高いため超伝導マグネットは大電流による恩恵が受けられる。さらに詳細には、より大電流に対して用いられるより太いワイヤのアンペアメートルあたりの単位コストは、１００〜２００アンペアなどのより小電流向けに用いられるのが一般的なより細いワイヤより低くなる。さらに、マグネットのコイルを巻き付けるのに要する周回がより少なくなる。これまでは、こうした大きな電流がヘリウム蒸気またはヘリウム浴の環境内にある超伝導マグネットで供給されており、真空環境では供給されていない。本明細書で開示した実施形態によれば、超伝導マグネットに対する熱負荷を最小限にすることによって超伝導マグネットに関して真空環境における大電流の使用が可能となる。

さらに、最新型の伝導冷却式超伝導マグネット内の電流リードアセンブリは低温度で接触を実施する。５０°Ｋ及びこれ未満などの低温度の接触によれば抵抗が大きくかつ得られる熱負荷が大きくなる、というのは接触子の非常な低温、剛性、汚染のために良好な接触の実現が困難であり、またコンプライアンスが乏しく電気接触の確立が困難であることによる。本明細書で開示した実施形態では、電源へのマグネットの電気的接触が外界温度で生じており、これにより接触点での圧力の付与によって、清浄な接触子によりかつ非常に低い接触抵抗での非常に良好な電気的接触を確立できる。

より具体的には、断熱支持構造３８により提供される断熱によって、電流リード１８が後退しているときの低温度（約５０Ｋ）と電流リード１８の電流接触子１７が接触子３２と係合しているときの外界温度との何れの温度でも電流接触子３２を維持することが可能となる。さらにこの断熱支持構造３８は、接触領域への高い荷重の付与を容易にするのに十分な強度をもつ。格納式電流リード１８が電流接触子３２から脱結合されると、電流接触子３２が熱コネクタ３６及びマグネットリード３４を介してマグネット１４に接続されているため接触子３２は低温である。しかし、格納式電流リード１８と電流接触子３２の間に接触が確立されるたびに、電流接触子３２は外界温度まで温められ、良好な電気接続が生じると共に熱及び電気の伝導が開始される。外界温度では、電流接触子３２は格納式電流リード１８との接点が温まるに連れて、電流接触子３２に対する材料の凍結脱ガスの結果として形成されることがあるあらゆる汚染が消失する。断熱支持構造３８によって、真空チェンバ１２内部の極低温領域１５内へのあらゆる熱負荷の進入が実質的に排除される。格納式電流リード１８と電流接触子３２との接触が崩れると、電流接触子３２の配置は断熱支持構造３８によって維持されると共に、電流接触子３２は再度低い温度まで冷やされる。この機構によれば、接触が外界温度で生じるために格納式電流リード１８と電流接触子３２とをその特性を損なうことなく係合及び脱結合することが可能となる。

図２を参照すると、本発明の実施形態に従った格納式電流リードアセンブリを組み込んだ磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムを表している。ＭＲＩシステムは典型的には、均一な磁場を発生させるために複数のコイルを備えることが多い超伝導マグネットを用いている。ＭＲＩシステムを動作させる例示的な超伝導マグネットシステムでは、ＭＲＩシステムで使用されるマグネットの付勢のために超伝導マグネットを時折ランピングすることが必要である。超伝導マグネットのランピング後は、マグネットランピング用の電流供給は切断され、また例えば超伝導マグネットの脱磁化のためあるいは定期点検、マグネットクエンチ、その他などの後の超伝導マグネットの再磁化のためなど次にマグネットランピングを要するまで電流供給は必要がない。

このＭＲＩシステム５０（図２参照）の動作は、キーボードその他の入力デバイス５４、制御パネル５６及び表示画面５８を含むオペレータコンソール５２から制御を受けている。コンソール５２は、オペレータが画像の作成及び表示画面５８上への画像表示を制御できるようにする単独のコンピュータシステム６２と、リンク６０を介して連絡している。コンピュータシステム６２は、バックプレーン６２ａを介して互いに連絡している多くのモジュールを含んでいる。これらのモジュールには、画像プロセッサモジュール６４、ＣＰＵモジュール６６、並びに当技術分野でフレームバッファとして知られている画像データアレイを記憶するためのメモリモジュール６８が含まれる。コンピュータシステム６２は、画像データ及びプログラムを記憶するためにディスク記憶装置７０及び取外し可能記憶装置７２とリンクしており、さらに高速シリアルリンク７６を介して単独のシステム制御部７４と連絡している。入力デバイス５４は、マウス、ジョイスティック、キーボード、トラックボール、タッチ作動スクリーン、光学読取り棒、音声制御器、あるいは同様な任意の入力デバイスや同等の入力デバイスを含むことができ、また入力デバイス５４は対話式幾何学指定のために使用することができる。

システム制御部７４は、バックプレーン７４ａにより互いに接続させたモジュールの組を含んでいる。これらのモジュールには、ＣＰＵモジュール７６や、シリアルリンク８０を介してオペレータコンソール５２に接続させたパルス発生器モジュール７８が含まれる。システム制御部７４は、実行すべきスキャンシーケンスを指示するオペレータからのコマンドをこのリンク８０を介して受け取っている。パルス発生器モジュール７８は、各システムコンポーネントを動作させて所望のスキャンシーケンスを実行させ、発生させるＲＦパルスのタイミング、強度及び形状、並びにデータ収集ウィンドウのタイミング及び長さを指示するデータを発生させている。パルス発生器モジュール７８は、スキャン中に発生させる傾斜パルスのタイミング及び形状を指示するために１組の傾斜増幅器８２と接続させている。パルス発生器モジュール７８はさらに、生理学的収集制御器８４から患者データを受け取ることができ、この生理学的収集制御器８４は、患者に装着した電極からのＥＣＧ信号など患者に接続した異なる多数のセンサからの信号を受け取っている。また最終的には、パルス発生器モジュール７８はスキャン室インタフェース回路８６と接続されており、スキャン室インタフェース回路８６はさらに、患者及びマグネット系の状態に関連付けした様々なセンサからの信号を受け取っている。このスキャン室インタフェース回路８６を介して、患者位置決めシステム８８はスキャンのために患者を所望の位置に移動させるコマンドを受け取っている。

パルス発生器モジュール７８が発生させる傾斜波形は、Ｇｘ増幅器、Ｇｙ増幅器及びＧｚ増幅器を有する傾斜増幅器システム８２に加えられる。各傾斜増幅器は、収集した信号の空間エンコードに使用する磁場傾斜を生成させるように全体を番号９０で示す傾斜コイルアセンブリ内の物理的に対応する傾斜コイルを励起させている。傾斜磁場コイルアセンブリ９０は、偏向マグネット９４及び全身用ＲＦコイル９６を含むマグネットアセンブリ９２の一部を形成している。システム制御部７４の送受信器モジュール９８は、ＲＦ増幅器１００により増幅を受けて送信／受信スイッチ１０２によりＲＦコイル９６に結合されるようなパルスを発生させている。患者内の励起された原子核が放出して得られた信号は、同じＲＦコイル９６により検知し、送信／受信スイッチ１０２を介して前置増幅器１０４に結合させることができる。増幅したＭＲ信号は、送受信器９８の受信器部分で復調され、フィルタ処理され、さらにディジタル化される。送信／受信スイッチ１０２は、パルス発生器モジュール７８からの信号により制御し、送信モードではＲＦ増幅器１００をコイル９６と電気的に接続させ、受信モードでは前置増幅器１０４をコイル９６に接続させている。送信／受信スイッチ１０２によりさらに、送信モードと受信モードのいずれに関しても独立したＲＦコイル（例えば、表面コイル）を使用することが可能となる。

ＲＦコイル９６により取り込まれたＭＲ信号は送受信器モジュール９８によりディジタル化され、システム制御部７４内のメモリモジュール１０６に転送される。未処理のｋ空間データのアレイをメモリモジュール１０６内に収集し終わると１回のスキャンが完了となる。この未処理のｋ空間データは、各画像を再構成させるように別々のｋ空間データアレイの形に配置し直しており、これらの各々は、データをフーリエ変換して画像データのアレイにするように動作するアレイプロセッサ１０８に入力される。この画像データはシリアルリンク７６を介してコンピュータシステム６２に送られ、コンピュータシステム６２において画像データはディスク記憶装置７０内などの記憶装置内に格納される。この画像データは、オペレータコンソール５２から受け取ったコマンドに応じて、取外し可能記憶装置上などの長期記憶内にアーカイブしたり、画像プロセッサ６４によりさらに処理してオペレータコンソール５２に伝達しディスプレイ５８上に表示させたりすることができる。

本発明のある種の特徴についてのみ本明細書において図示し説明してきたが、当業者によって多くの修正及び変更がなされるであろう。したがって添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神の範囲に属するこうした修正や変更のすべてを包含させるように意図したものであることを理解されたい。

１０ 電流リードアセンブリ
１２ 真空チェンバ
１４ 超伝導マグネット
１６ 熱遮蔽
１７ 格納式接触子
１８ 格納式電流リード
２０ 貫通孔
２２ キャップ
２４ 留め具
２５ 支持ロッド
２６ アクチュエータアセンブリ
２７ ねじ
２８ 真空封止
３０ べローズ
３２ 電流接触子
３４ マグネットリード
３５ 熱ステーション
３６ 熱コネクタ
３７ 電気絶縁層
３８ 断熱支持構造
５０ ＭＲＩシステム
５２ オペレータコンソール
５４ 入力デバイス
５６ 制御パネル
５８ 表示画面
６０ リンク
６２ コンピュータシステム
６４ 画像プロセッサモジュール
６６ ＣＰＵモジュール
６８ メモリモジュール
７０ ディスク記憶装置
７２ 取外し可能記憶装置
７４ システム制御部
７６ 高速シリアルリンク
７８ パルス発生器モジュール
８０ リンク
８２ 傾斜増幅器
８４ 生理学的収集制御器
８６ スキャン室インタフェース回路
８８ 患者位置決めシステム
９０ 傾斜コイルアセンブリ
９２ マグネットアセンブリ
９４ 偏向マグネット
９６ ＲＦコイル
９８ 送受信器モジュール
１００ ＲＦ増幅器
１０２ 送信／受信スイッチ
１０４ 前置増幅器
１０６ メモリモジュール
１０８ アレイプロセッサ

Claims (10)

1. 超伝導マグネット（１４）向けの電流リードアセンブリ（１０）であって、
   貫通孔（２０）を有する真空チェンバ（１２）と、
   真空チェンバ（１２）の内部に配列させると共にマグネットリード（３４）を有する超伝導マグネット（１４）と、
   真空チェンバ（１２）の内部で貫通孔（２０）の下側に配列させた電流接触子（３２）と、
   その一端がマグネットリード（３４）に結合されかつもう一端が電流接触子（３２）に結合されている熱コネクタ（３６）と、
   電流接触子（３２）を貫通孔（２０）の下側に支持するために真空チェンバ（１２）の内壁に結合させた断熱支持構造（３８）と、
   貫通孔（２０）を介して真空チェンバ（１８）を封止性に貫通すると共に格納式接触子（１７）を有する格納式電流リード（１８）と、
   真空チェンバ（１２）及び格納式電流リード（１８）に結合させたアクチュエータアセンブリ（２６）であって、断熱支持構造（３８）の内部で外界温度による電流接触子（３２）との格納式接触子（１７）の接触が生じるように配列させたアクチュエータアセンブリ（２６）と、
   を備える電流リードアセンブリ（１０）。
2. 前記アクチュエータアセンブリ（２６）は、マグネットランプ動作の完了時点で格納式電流リード（１８）の格納式接触子（１７）を電流接触子（３２）から分離するように配列されている、請求項１に記載の電流リードアセンブリ（１０）。
3. 前記熱コネクタ（３６）は、格納式接触子（１７）と電流接触子（３２）の接触に由来するマグネットリード（３４）への熱伝導を最小限にするように配列されている、請求項１に記載の電流リードアセンブリ（１０）。
4. 前記熱コネクタ（３６）は可撓性である、請求項１に記載の電流リードアセンブリ（１０）。
5. 前記熱コネクタ（３６）は可撓性の銅ケーブルである、請求項１に記載の電流リードアセンブリ（１０）。
6. 前記格納式接触子（１７）、熱コネクタ（３６）及び電流接触子（３２）は熱伝導材料を含む、請求項１に記載の電流リードアセンブリ（１０）。
7. 前記熱伝導材料は銅である、請求項６に記載の電流リードアセンブリ（１０）。
8. 前記格納式接触子（１７）は格納式電流リード（１８）と一体である、請求項１に記載の電流リードアセンブリ（１０）。
9. 前記断熱支持構造（３８）は熱遮断材料を含む、請求項１に記載の電流リードアセンブリ（１０）。
10. 前記断熱支持構造（３８）によって格納式接触子（１７）の断熱を提供している、請求項１に記載の電流リードアセンブリ（１０）。