JP2014068772A - 超電導磁石装置及び磁気共鳴撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】初期投資の費用とアップグレードの費用とが抑えられる超電導磁石装置１４を提供する。
【解決手段】超電導状態で通電することで磁場を生成する超電導コイル５、６を備え、超電導状態を維持できる第１運転温度で超電導コイル５、６に通電する第１運転モードと、第１運転温度より低い第２運転温度で超電導コイル５、６に通電する第２運転モードとを有する。第１運転モードと第２運転モードとでは、同じ超電導コイル５、６が用いられ、第２運転モードでは、第１運転モードより、超電導コイル５、６に流す電流が大きい。そして、まず、第１運転モードで使用され、次に、第２運転モードで使用される。第１運転モードでは第１冷凍機１１で超電導コイル５、６を冷却し、第２運転モードでは第１冷凍機１１より冷却能力の高い第２冷凍機２４で超電導コイル５、６を冷却する。
【選択図】図２

Description

本発明は、超電導磁石装置及びそれを備えた磁気共鳴撮像装置(以下、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置と称す)に関する。

低温で電気抵抗がゼロになる超電導体は、通電に伴うジュール損失がなく、銅線に代表される常伝導材に比べ極めて高い電流密度を得られることから、強力な磁場を発生する超電導磁石装置に応用されている。超電導磁石装置によって得られる強力な磁場（強磁場）は、たとえば、原子核の磁気共鳴現象を利用して対象物の物理的、化学的性質を画像化するＭＲＩ装置における、磁場強度が強力かつ均一な磁場空間として利用されている。ＭＲＩ装置は、主に、撮像領域として磁場強度が強力かつ均一な磁場空間を発生させる前記超電導磁石装置と、その撮像領域に高周波パルスを照射するＲＦ（radio frequency）コイルと、撮像領域からの共鳴現象の応答（磁気共鳴信号）を受信する受信コイルと、共鳴現象の発生の位置情報を与えるための勾配磁場を撮像領域に発生させる傾斜磁場コイルとを備えている。

このＭＲＩ装置において、画像の画質を決定する要素のひとつに、撮像領域における超電導磁石装置が発生させる磁場強度（静磁場強度）が挙げられる。この静磁場強度を強くすることにより、磁気共鳴信号のＳ／Ｎ比が上がり、画質が向上する。そして、従来、ＭＲＩ装置において、静磁場強度を強くすることは、ＭＲＩ装置の買い替えを意味した。しかし、遠くない将来、静磁場強度を強くする計画がある場合、その都度買い換えていたのでは、経済的に負担が大きい。

そこで、当初から強い磁場強度(例えば、３．０テスラ)の静磁場を発生することができる高性能な超電導磁石装置を設置しておき、これを最初は１．５テスラの静磁場強度で使用し、その後、画質の向上（アップグレード）が必要になったときに、静磁場強度を３．０テスラに引き上げることが提案されている（非特許文献１等参照）。静磁場強度の引き上げに伴い、前記高周波パルスの周波数が変わるから、前記ＲＦコイルと前記受信コイルの動作点（動作周波数）が変わる。このため変わった動作周波数で動作するＲＦコイルと受信コイルに交換する必要がある。また、静磁場強度を強くしてＳ／Ｎ比が上がる利点を画像の空間解像度の改善に充てるには、前記傾斜磁場コイルが発生する勾配磁場の勾配を大きくする必要がある。このため、非特許文献１では傾斜磁場コイルを交換している。そして、特許文献１には、マグネットを２つのクライオスタットに分けて設けておき、マグネットのアップグレードを容易にしたＭＲＩ装置が提案されている。

特開２００９−２２６２１１号公報

PHILIPS社製品カタログ, "A protected future - Philips Achieva XR MR System" , 4522 962 21931/781, Mar 2007.

非特許文献１の先行技術によれば、ＭＲＩ装置の大きさの大部分を占める超電導磁石装置を交換することなく、将来、必要なときに静磁場強度を強くできる。しかし、ユーザにとっては、画質の向上が必要になる前に限って考えると、静磁場強度は１．５テスラで十分なのに、３．０テスラを発生できるオーバースペックの超電導磁石装置を購入していることになるので、初期投資の費用に割高感がある。また、特許文献１のように、クライオスタットを二分割して設けると、超電導磁石装置の構造が複雑になり、その製造等の費用が増大すると考えられる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、初期投資の費用とアップグレードの費用とが抑えられる超電導磁石装置及びＭＲＩ装置を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明は、超電導状態で通電することで磁場を生成する超電導コイルを備え、前記超電導状態を維持できる第１運転温度で前記超電導コイルに通電する第１運転モードと、前記第１運転温度より低い第２運転温度で前記超電導コイルに通電する第２運転モードとを有する超電導磁石装置であることを特徴としている。また、本発明は、この超電導磁石装置を有し、前記第１運転モードと前記第２運転モードとでは、異なるＲＦコイルと異なる傾斜磁場コイルを用いるＭＲＩ装置であることを特徴としている。

本発明によれば、初期投資の費用とアップグレードの費用とが抑えられる超電導磁石装置及びＭＲＩ装置を提供できる。なお、前記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置の斜視図であり、第１運転モードから第２運転モードへの変更の様子を示している。 本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置の縦断面図であり、第１運転モードから第２運転モードへの変更の様子を示している。 本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置の上側超電導コイル周辺の縦断面図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置に第１冷凍機を取り付けた第１運転モードの様子を示す一部断面図であり、（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置に第２冷凍機を取り付けた第２運転モードの様子を示す一部断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る超電導磁石装置の構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る超電導磁石装置の上側超電導コイル周辺の縦断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る超電導磁石装置の縦断面図であり、第１運転モードから第２運転モードへの変更の様子を示している。 本発明の第５の実施形態に係る超電導磁石装置の斜視図である。 本発明の第６の実施形態に係る磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置の縦断面図であり、第１運転モードから第２運転モードへの変更の様子を示している。

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。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置１４の斜視図を示す。図１は、超電導磁石装置１４の第１運転モードから第２運転モードへの変更の様子を示している。超電導磁石装置１４は、後記するがＭＲＩ装置の静磁場発生源として用いることができる。超電導磁石装置１４は、Ｃ字型をした鉄心１と、このＣ字型をした鉄心１の開口部（ギャップ）２の両端に対向して配置される円環状で一対のコイル容器３、４（上側コイル容器３と下側コイル容器４）と、円環状の上側コイル容器３の内周側に設けられる上側磁極板（第１磁極板）１６と、円環状の下側コイル容器４の内周側に設けられる下側磁極板（第１磁極板）１７と、第１運転モードから第２運転モードへの変更の際に鉄心１に取り付けられる追加の鉄心材１９とを有している。上側磁極板１６と下側磁極板１７の間に、ＭＲＩ装置において撮像領域となる磁場強度が強力かつ均一な磁場空間（均一磁場空間）７が形成される。そして、第１運転モードにおいては、均一磁場空間７に形成された静磁場による磁束は、Ｃ字型をした鉄心１を通り帰還する。追加の鉄心材１９は、ねじ穴２０、１９ａによって、鉄心１に対して着脱可能になっている。第２運転モードでは、鉄心１に、追加の鉄心材１９が、それぞれのねじ穴２０、１９ａを用いて取り付けられる。これにより、第２運転モードにおいては、均一磁場空間７に形成された静磁場による磁束は、鉄心１と追加の鉄心材１９とを通り帰還する。後記するが、第２運転モードでは、第１運転モードより、均一磁場空間７に形成される静磁場の磁場強度を大きくしている。そのため、第２運転モードでは、第１運転モードより、磁束（磁力線）の本数が増えている。磁束（磁力線）の本数が増えても、その分は、追加の鉄心材１９を通って帰還することができるので、第１運転モードだけでなく第２運転モードでも、外部に磁束が漏れるのを抑制することができる。

図２に、本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置１４の縦断面図を示す。超電導磁石装置１４の第１運転モードから第２運転モードへの変更の様子を示している。上側コイル容器３の中には、中心軸Ｏを中心軸とする円環状の上側超電導コイル（超電導コイル）５が設けられている。下側コイル容器４の中には、中心軸Ｏを中心軸とする円環状の下側超電導コイル（超電導コイル）６が設けられている。上側超電導コイル５と下側超電導コイル６とは、互いに対向して配置されている。上側超電導コイル５と下側超電導コイル６とは、超電導状態で通電することで、磁場を均一磁場空間７等に生成する。第１運転モードでは、超電導状態を維持できる第１運転温度で、上側超電導コイル５と下側超電導コイル６に通電する。第２運転モードでは、超電導状態を維持でき第１運転温度より低い第２運転温度で、上側超電導コイル５と下側超電導コイル６に通電する。第１運転モードと、第２運転モードとでは、同じ上側超電導コイル５と同じ下側超電導コイル６が用いられ、別の超電導コイルに取り替えられることはない。第２運転モードでは、第１運転モードより、上側超電導コイル５と下側超電導コイル６に流す電流を大きくしている。

上側超電導コイル５は、上側コイル容器３に収められている。下側超電導コイル６は、下側コイル容器４に収められている。上側コイル容器３と下側コイル容器４とは、連結管１２によって、互いに連結している。上側超電導コイル５と下側超電導コイル６とは、連結管１２内において、アルミニウムや銅など熱伝導の良好な伝熱部材１０によって、第１運転モードでは第１冷凍機１１に、熱的に接続している。上側超電導コイル５と下側超電導コイル６とは、第１冷凍機１１によって冷却され、超電導状態に維持されている。上側超電導コイル５と下側超電導コイル６とは、電気的に直列に接続されている。その直列接続の両端は、電流導入端子１３に接続されている。電流導入端子１３は、超電導磁石装置１４の外部に置かれた直流電源装置１５と電気的に接続可能になっている。第１運転モードでは、第１冷凍機１１で、上側超電導コイル５と下側超電導コイル６とを、超電導状態になるように冷却している。第２運転モードでは、第１冷凍機１１より冷却能力の高い第２冷凍機２４で、上側超電導コイル５と下側超電導コイル６とを、超電導状態になるように冷却している。これにより、第２運転モードにおける上側超電導コイル５と下側超電導コイル６の第２運転温度を、第１運転モードにおける上側超電導コイル５と下側超電導コイル６の第１運転温度より下げることができる。

第１運転モードでは、円環状の上側超電導コイル５の内周側に、第１運転モード用の上側磁極板（第１磁極板）１６が設けられている。また、第１運転モードでは、円環状の下側超電導コイル６の内周側に、第１運転モード用の下側磁極板（第１磁極板）１７が設けられている。上側磁極板１６と下側磁極板１７とは、第１運転モードにおいて、均一磁場空間７での磁場強度の均一性を向上させている。

第２運転モードでは、上側超電導コイル５の内周側に、第２運転モード用の上側磁極板（第２磁極板）２８が取り付けられる。また、第２運転モードでは、下側超電導コイル６の内周側に、第２運転モード用の下側磁極板（第２磁極板）２９が取り付けられる。上側磁極板２８と下側磁極板２９とは、第２運転モードにおいて、均一磁場空間７での磁場強度の均一性を向上させている。第２運転モード用の上側磁極板２８と下側磁極板２９の磁極面は、第１運転モード用の上側磁極板１６と下側磁極板１７の磁極面とは、それぞれ中心軸Ｏに対して線対称な形状をしているが、互いの形状は異なっている。このため、第１運転モードから第２運転モードへ切り替える際には、第１運転モード用の上側磁極板１６と下側磁極板１７から、第２運転モード用の上側磁極板２８と下側磁極板２９へ替えられる。上側磁極板１６と２８は、着脱可能に配置されている。下側磁極板１７と２９は、着脱可能に配置されている。上側超電導コイル５と下側超電導コイル６と上側磁極板１６（２８）と下側磁極板１７（２９）と鉄心１とで、磁気回路が構成されている。

図３に、本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置１４の上側超電導コイル５周辺の縦断面図を示す。上側超電導コイル５は、上側コイル容器３内に収納されている。上側コイル容器３は、真空容器であり、上側コイル容器３内は、真空（減圧）状態になっている。これにより、上側超電導コイル５は、外部から断熱されている。また、上側超電導コイル５は、積層断熱材９によって覆われている。積層断熱材９は、上側コイル容器３内に収納されている。積層断熱材９によれば、上側コイル容器３から上側超電導コイル５への輻射入熱を抑制することができる。また、上側超電導コイル５は、アルミニウムや銅などの熱伝導の良好な巻枠８に巻かれている。巻枠８は、伝熱部材１０によって第１冷凍機１１に熱的に接続されている。上側超電導コイル５は、巻枠８と熱的に接続しており、巻枠８と伝熱部材１０を介して第１冷凍機１１によって冷却され、超電導状態に維持されている。なお、図示しないが、巻枠８は断熱荷重支持体によって上側コイル容器３から支持されている。

図４（ａ）に、本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置１４に第１冷凍機１１を取り付けた第１運転モードの様子を示す。第１冷凍機１１は、一段式であり、一段の低温部２２を有している。第１冷凍機１１には、例えば、一段のギフォード・マクマホン冷凍機を用いることができる。第１冷凍機１１は、超電導磁石装置１４の冷凍機取り付け部２１に、その上方から挿入されることで取り付けられる。この取付けにより、一段の低温部２２が、第１熱接触部２３に熱接触し、熱的に接続する。ばね１８によって、第１熱接触部２３には、伝熱部材１０が、前記挿入方向とは逆方向に圧接している。この圧接により、第１熱接触部２３は、伝熱部材１０に熱的に接続する。伝熱部材１０は、上側超電導コイル５（図２参照）と下側超電導コイル６（図２参照）に熱的に接続しているので、第１運転モードでは、上側超電導コイル５と下側超電導コイル６は、伝熱部材１０と第１熱接触部２３とを介して、第１冷凍機１１の一段の低温部２２によって冷却される。

図４（ｂ）に、本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置１４に第２冷凍機２４を取り付けた第２運転モードの様子を示す。第２冷凍機２４は、二段式であり、前記一段の低温部２２と同等の冷却能力を有する一段目の低温部２５と、前記一段の低温部２２より冷却能力の高い二段目の低温部２６とを有している。第２冷凍機２４には、例えば、二段のギフォード・マクマホン冷凍機を用いることができる。第２冷凍機２４は、超電導磁石装置１４の冷凍機取り付け部２１に、その上方から挿入されることで取り付けられる。この取付けにより、二段目の低温部２６が、伝熱部材１０に圧接し、熱的に接続する。ばね１８によって、二段目の低温部２６には、伝熱部材１０が、前記挿入方向とは逆方向に圧接している。この圧接により、二段目の低温部２６は、伝熱部材１０に熱的に接続する。伝熱部材１０は、上側超電導コイル５（図２参照）と下側超電導コイル６（図２参照）に熱的に接続しているので、第２運転モードでは、上側超電導コイル５と下側超電導コイル６は、伝熱部材１０を介して、第２冷凍機２４の二段目の低温部２６によって冷却される。なお、伝熱部材１０は、前記挿入の際に、二段目の低温部２６に押されて移動する。これにより、伝熱部材１０は、第１熱接触部２３から離れ、第１熱接触部２３とは熱的に接続しなくなる。第１熱接触部２３は、前記挿入の際に、第２冷凍機２４の一段目の低温部２５に熱接触し、熱的に接続する。第２運転モードでは、第１熱接触部２３を積層断熱材９に熱的に接続してもよい。一段目の低温部２５は、積層断熱材９を、第１熱接触部２３を介して冷却することができる。逆に、第１熱接触部２３を積層断熱材９等の冷却に用いないのであれば、第１熱接触部２３を、第２冷凍機２４の二段目の低温部２６に接触させる必要はなく、伝熱部材１０と一体化させてもよい。

超電導磁石装置１４は、第１運転モードにおいては、例えば、超電導コイル５、６の温度が３０Ｋ（ケルビン）の条件で、均一磁場空間７に、０．５テスラの均一な静磁場を生成する。その際、超電導磁石装置１４の周囲に漏洩する磁場は、例えば、磁場強度が０．０００５テスラになる箇所の超電導磁石装置１４からの距離が２メートル以下になるように抑えられている。超電導コイル５、６はこのような仕様を満たすために最適な超電導材料とその物量が選択され、第１冷凍機１１としては、超電導コイル５、６を３０Ｋまで冷やすことができる必要十分な能力を持つ機種が選択されている。

この超電導磁石装置１４については、当初、第１運転モードの運転が行われ、例えば、磁場強度０．５テスラのＭＲＩ装置用超電導磁石として据付け、稼動させる。その後、ＭＲＩ装置さらには超電導磁石装置１４の装置性能をアップグレードするために、第２運転モードに切り替え、静磁場強度を増強する。具体的には、第１冷凍機１１を、より冷却能力が高く、超電導コイル５、６を例えば４．２Ｋまで冷却できる第２冷凍機２４に取り替える。このとき、伝熱部材１０の第２熱接触部２７は、第２冷凍機２４の二段目の低温部２６に押し込まれ、伝熱部材１０は第１熱接触部２３から離れる。

一般に、超電導材（超電導コイル５、６）はその温度が低いほど、通電能力が高まる。すなわち、通電可能な電流が大きくなる。このため、前記のように、超電導コイル５、６の温度を、第１運転モードにおける３０Ｋから、第２運転モードにおける４．２Ｋへ下げることで、超電導コイル５、６の通電能力を高め、通電電流を大きくできる。そして、超電導磁石装置１４が、均一磁場空間７につくる静磁場強度を高めることができる。
具体的に、超電導コイル５、６を、ビスマス系(Bi-2223)の酸化物超電導体からなる線材で構成した場合、超電導コイル５、６の運転温度を３０Ｋから４．２Ｋへ下げることで、均一磁場空間７に作る静磁場の磁場強度を、０．５テスラから０．７テスラへ増やすことが可能である。

ただ、このように磁場強度を増やすと、均一磁場空間７における均一性が低下し、超電導磁石装置１４の周囲に漏洩する磁場も多くなる。そこで、以下の変更を行う。まず、図２に示すように、磁極板１６、１７の一部または全部を、静磁場強度が０．７テスラのときに均一磁場空間７に均一磁場を生成するように設計された新たな磁極板２８、２９に交換する。次に、図１に示すように、鉄心１に、静磁場強度を０．７テスラに増強しても漏洩磁場範囲(磁場強度が０．０００５テスラになる箇所)が超電導磁石装置１４から２メートル以内になるようにあらかじめ計画された追加の鉄心材(磁性体)１９を取り付ける。

第１の実施形態の超電導磁石装置１４によれば、初期投資の費用が、一般的な超電導磁石装置に比べてほとんど増加しないと考えられる。すなわち、初期投資においては、超電導磁石装置１４は第１運転モードで運転できればよいので、図１に示す追加の鉄心材１９を省くことができ、さらには、ねじ穴２０の形成の手間を省いてもよい。また、磁極板については、図２に示す第１運転モード用の磁極板１６と１７だけを用意すればよい。冷凍機については、第１運転モード用の第１冷凍機１１だけを用意すればよい。図４（ａ）と（ｂ）に示すように、冷凍機取り付け部２１は、第１運転モード用の第１冷凍機１１から、第２運転モード用の第２冷凍機２４への交換を前提とした構造になっており、この分だけ、初期投資の費用が増加するが、その構造は簡単なものであり、その増加はわずかであると考えられる。

また、第１の実施形態の超電導磁石装置１４によれば、第１運転モードから第２運転モードへのアップグレードの費用の増大を抑制できると考えられる。すなわち、アップグレードにおいては、図１に示す追加の鉄心材１９を取り付ける。また、図２に示す第１運転モード用の磁極板１６、１７から第２運転モード用の磁極板２８、２９へ取り替える。図４（ａ）と（ｂ）に示すように、第１運転モード用の第１冷凍機１１から第２運転モード用の第２冷凍機２４へ取り替える。しかし、超電導コイル５、６、鉄心１、コイル容器３、４のような主要な部品は取り替えずそのまま使用するので、アップグレードの費用を抑えられる。

なお、本第１の実施形態では、超電導コイル５、６の運転温度や、均一磁場空間７に生成する静磁場強度の値、超電導コイル５、６の材質、冷凍機１１、２４の冷却方式等を例示したが、もちろん、これらの値は例示に過ぎず、実際の設計によっては様々な選択肢があることは言うまでもない。例えば、ビスマス系(Bi-2223)の酸化物超電導体以外の銅酸化物超電導体を用いてもよいし、鉄系超電導体や、ニオブスズ、ニオブチタンを用いてもよい。

（第２の実施形態）
図５に、本発明の第２の実施形態に係る超電導磁石装置１４の構成図を示す。第１の実施形態では、超電導コイル５、６の運転温度の低下を、冷却能力の高い第２冷凍機２４に交換することで実現した。第２の実施形態では、超電導コイル５、６の運転温度の低下を、第１冷凍機１１の冷却能力を高めることで実現する。一般的に、冷凍機では、気体の圧縮と膨張が繰り返し実施される。そして、この圧縮と膨張の繰り返しの駆動周期は、一般的に一定で駆動（運転）されている。そこで、この駆動周期を短くすると、単位時間当たりの圧縮と膨張の回数を増加させることができ、冷却能力を高めることができる。第２の実施形態では、第２運転モードにおける駆動周期を、第１運転モードより短くしている。すなわち、第２運転モードにおける駆動周波数を、第１運転モードより高めている。具体的には、超電導磁石装置１４に、駆動周波数を変換する周波数変換機３０を設けている。超電導磁石装置１４は、第１冷凍機１１と、その第１冷凍機１１内の気体等を圧縮・膨張させる圧縮機ユニット３７と、その圧縮機ユニット３７を駆動する電源の周波数を商用電源の周波数から変換し、前記圧縮・膨張の駆動周波数を変える周波数変換機３０を備えている。周波数変換機３０は、第２運転モードでは、第１運転モードより駆動周波数を高くしている。なお、第１運転モードでは、周波数変換機３０を省いて取り付けずに、圧縮機ユニット３７を商用電源の商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）で駆動させてもよい。この場合、第２運転モードに切り替える際に、周波数変換機３０を取り付ければよい。そして、周波数変換機３０は、入力する商用周波数より高い駆動周波数の電力を、圧縮機ユニット３７に出力できればよい。また、逆に、第１運転モードで、商用周波数より低い駆動周波数の電力を圧縮機ユニット３７に出力する周波数変換機３０を設けてもよい。この場合、第２運転モードでは、周波数変換機３０を取り外して省き、圧縮機ユニット３７を商用電源の商用周波数で駆動させる。これらによっても、第２運転モードにおける駆動周波数を、第１運転モードより高めることができる。

第２の実施形態では、第１の実施形態と比べて、周波数変換機３０を設ける必要があるが、第１冷凍機１１を取り替える必要がない。このため、第２の実施形態における初期投資の費用とアップグレードの費用の和は、第１の実施形態と略同程度になると考えられ、初期投資の費用とアップグレードの費用を抑えることができる。なお、第２の実施形態の前記で説明した構成以外の構成は、第１の実施形態と同一であるので、その説明を省略している。

（第３の実施形態）
図６に、本発明の第３の実施形態に係る超電導磁石装置の上側超電導コイル５周辺の縦断面図を示す。第３の実施形態が、第１の実施形態と異なっている点は、超電導コイル５が液体冷媒３８に浸されて冷却されている点である。上側コイル容器３は、略中空円環状に形成された真空容器であり、内側が真空に保持されている。その内側には、上側コイル容器３からの輻射入熱を抑制するための輻射シールド板３１が配置されている。さらにその内側には、超電導コイル５とそれを冷却するための液体冷媒、例えば液体ヘリウムや液体窒素等とを保持するための冷媒容器３２が配置されている。液体冷媒３８の液面３８ａは、超電導コイル５と巻枠８を浸すために、超電導コイル５と巻枠８の上方や側方に維持されている。このため、冷媒容器３２内の上部は、液体冷媒３８が気化したガスで満たされている。そして、第２運転モードでは、第１運転モードより、冷媒容器３２内の気圧を低くしている。

第１運転モードでは、冷媒容器３２内の気圧は、外界の大気圧（常圧：絶対圧で略１気圧）と略等しくなるように保たれている。液体冷媒３８は外部から進入する熱により気化し続けるので、冷媒容器３２内の気圧は上昇する。冷媒容器３２内の気圧が外界の大気圧を越えると、逆流防止弁（図示省略）が開弁し、外界に液体冷媒３８が気化したガスを放出する。これにより、冷媒容器３２内の気圧は、外界の大気圧に略等しく維持される。

第２運転モードでは、冷媒容器３２に設けられたキャップ３２ａを外し、外してできた開口に真空ポンプ等（図示せず）を接続する。この真空ポンプ等（図示せず）により冷媒容器３２の内部を減圧にする。液体冷媒３８の常圧における液体冷媒温度は、たとえば、液体ヘリウムなら４．２Ｋであり、液体窒素なら７７Ｋである。しかし、真空（減圧）状態下では、液体冷媒３８の沸点は低下し、液体冷媒温度も低下する。この低下により、第２運転モードでは、第１運転モードより、超電導コイル５の運転温度を下げることができる。もちろん、冷媒容器３２内の気圧は、常圧と真空に限らず、第２運転モードで、第１運転モードより低くなっていればよく、真空ポンプによらずとも、このように制御できる装置を用いることができる。例えば、前記逆流防止弁が開弁する冷媒容器３２内の気圧を、第２運転モードでは、第１運転モードより低くし、第２運転モードにおいて前記逆流防止弁が開弁する気圧を外界の大気圧に略等しくすればよい。

第３の実施形態では、第１の実施形態と比べて、冷媒容器３２内の気圧を制御する必要があるが、第１冷凍機１１を取り替える必要がない。このため、第３の実施形態における初期投資の費用とアップグレードの費用の和は、第１の実施形態と略同程度になると考えられ、初期投資の費用とアップグレードの費用を抑えることができる。なお、第３の実施形態の前記で説明した構成以外の構成は、第１の実施形態と同一であるので、その説明を省略している。また、本第３の実施形態では、当初、冷媒容器３２の内部を常圧とし、静磁場強度のアップグレードに際して減圧にしたが、逆に、当初の圧力を常圧より高めに保持して運転温度を上げておき、アップグレードの際に常圧にしたり、常圧より低めに減圧したりして運転温度を下げてもよい。

（第４の実施形態）
図７に、本発明の第４の実施形態に係る超電導磁石装置１４の縦断面図を示す。図７は、第１運転モードから第２運転モードへの変更の様子を示している。第１運転モードから第２運転モードへの変更では、第４の実施形態でも、第１の実施形態と同様に、第１冷凍機１１をより能力の高い第２冷凍機２４に交換し、超電導コイル５、６の運転温度を下げ、静磁場強度を増強している。この交換に伴い、第１の実施形態では、磁極板１６、１７を取り替えたり、追加の鉄心材１９（図１参照）を取り付けたりしたが、第４の実施形態では、これらを省いている。このため、第４の実施形態では、磁極板１６、１７を着脱可能に設ける必要はなく、強固に固定することができる。また、追加の鉄心材１９を取り付ける必要がないので、ねじ穴２０を形成する必要がない。そして、第４の実施形態では、第１運転モードから第２運転モードへの変更の際に、シミングを行う。シミングについては、例えば、特許第０４９０２７８７号公報に記載されているが、シムトレイ４１上のシム（磁性体片）４２の配置の分布を調整し、均一磁場空間７における磁場強度の均一性を向上させる。なお、シミングは、第１運転モードで運転する当初にも実施されている。すなわち、第１運転モードから第２運転モードへの変更の際には、シム４２の分布を、第１運転モード用から第２運転モード用へ変更する。

第４の実施形態では、第１の実施形態と比べて、磁極板１６、１７を取り替えたり、追加の鉄心材１９（図１参照）を取り付けたりする必要がない。このため、第４の実施形態におけるアップグレードの費用は、第１の実施形態より抑えることができる。なお、第４の実施形態の前記で説明した構成以外の構成は、第１の実施形態と同一であるので、その説明を省略している。また、本第４の実施形態では、超電導コイル５、６の運転温度の低下は、第１の実施形態に記載の方法によるとしたが、第２の実施形態に記載した第１冷凍機１１の駆動周波数を変化させる方法や、第３の実施形態に記載した冷媒容器３２内部の気圧を変化させる方法を用いてもよい。

（第５の実施形態）
図８に、本発明の第５の実施形態に係る超電導磁石装置１４の斜視図を示す。第５の実施形態が第１の実施形態と異なっている点は、超電導コイル５、６の円環状の中心軸Ｏが、水平方向に配置されている点である。超電導コイル５、６は、中心軸が中心軸Ｏに一致する円筒形状のコイル容器３内に収納されている。そして、第１運転モードにおいては、第１冷凍機１１が、コイル容器３の上部に設けられている。第１運転モードから第２運転モードへの切り替えにおいては、第１の実施形態と同様に、第２冷凍機２４へ交換すればよい。また、第１運転モードから第２運転モードへの切り替えにおいて、第２の実施形態に記載した第１冷凍機１１の駆動周波数を変化させる方法や、第３の実施形態に記載した冷媒容器３２内部の気圧を変化させる方法を用いてもよい。

（第６の実施形態）
図９に、本発明の第６の実施形態に係るＭＲＩ装置４０の縦断面図を示す。図９は、ＭＲＩ装置４０の第１運転モードから第２運転モードへの変更の様子を示している。ＭＲＩ装置４０には、第１の実施形態の超電導磁石装置１４が用いられている。超電導磁石装置１４において、第１運転モードから第２運転モードへ変更する際には、第１冷凍機１１と、磁極板１６、１７等を取り替えた。これに伴い、ＭＲＩ装置４０では、ＲＦコイル３３と、傾斜磁場コイル３４とを、異なるものに取り替えている。第１運転モードから第２運転モードへ変更して、超電導コイル５、６が発生させる静磁場強度が増強すると、磁気共鳴を誘起するための高周波パルスの周波数が変わるから、ＲＦコイル３３や受信コイル（図示省略）の動作点が変わる。さらに、第１運転モードから第２運転モードへの変更においては、静磁場強度を強くしてＳ／Ｎ比が上がる利点を画像の空間解像度の改善に充てるので、傾斜磁場コイル３４が発生する勾配磁場の勾配を強くする。これらのため、第２運転モードでは、ＲＦコイル３３および傾斜磁場コイル３４を、増強された新たな磁場強度に対応したＲＦコイル３５および傾斜磁場コイル３６に取り替える。さらに、静磁場強度の増強に伴って可能になる撮像方法を実施するためのソフトウェア等が、ＭＲＩ装置４０の制御部（コンピュータ）に実施可能なようにメモリに書き込まれることが望ましい。なお、第６の実施形態では、第１の実施形態の超電導磁石装置１４を用いたが、これに限られず、第２の実施形態に記載した第１冷凍機１１の駆動周波数を変化させる超電導磁石装置１４や、第３の実施形態に記載した冷媒容器３２内部の気圧を変化させる超電導磁石装置１４を用いてもよい。

なお、本発明は、前記した第１〜第６の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した第１〜第６の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

１ Ｃ字型鉄心（鉄心）
２ Ｃ字型鉄心の開口部（ギャップ）
３ 上側コイル容器
４ 下側コイル容器
５ 上側超電導コイル（超電導コイル）
６ 下側超電導コイル（超電導コイル）
７ 均一磁場空間（撮像領域）
８ 巻枠
９ 積層断熱材
１０ 伝熱部材
１１ 第１運転モード用の第１冷凍機
１２ 連結管
１３ 電流導入端子
１４ 超電導磁石装置
１５ 直流電源装置
１６ 第１運転モード用の上側磁極板（第１磁極板）
１７ 第１運転モード用の下側磁極板（第１磁極板）
１８ ばね
１９ 追加の鉄心材
１９ａ ねじ穴
２０ ねじ穴
２１ 冷凍機取り付け部
２２ 第１冷凍機の一段の低温部
２３ 第１熱接触部
２４ 第１冷凍機よりも冷凍能力の高い第２冷凍機
２５ 第２冷凍機の一段目の低温部
２６ 第２冷凍機の二段目の低温部
２７ 第２熱接触部
２８ 第２運転モード用の上側磁極板（第２磁極板）
２９ 第２運転モード用の下側磁極板（第２磁極板）
３０ 周波数変換機
３１ 輻射シールド板
３２ 冷媒容器
３３ 第１運転モード用のＲＦコイル
３４ 第１運転モード用の傾斜磁場コイル
３５ 第２運転モード用のＲＦコイル
３６ 第２運転モード用の傾斜磁場コイル
３７ 圧縮機ユニット（駆動電源の入力により駆動して圧縮機に圧縮動作をさせる駆動機）
３８ 液体冷媒
３８ａ 液体冷媒液面
４０ 磁気共鳴撮像装置

Claims (15)

1. 超電導状態で通電することで磁場を生成する超電導コイルを備え、
   前記超電導状態を維持できる第１運転温度で、前記超電導コイルに通電する第１運転モードと、
   前記第１運転温度より低い第２運転温度で、前記超電導コイルに通電する第２運転モードとを有することを特徴とする超電導磁石装置。
2. 前記第１運転モードと、前記第２運転モードとでは、同じ前記超電導コイルが用いられ、
   前記第２運転モードでは、前記第１運転モードより、前記超電導コイルに流す電流が大きいことを特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
3. まず、前記第１運転モードで使用され、
   次に、前記第２運転モードで使用されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導磁石装置。
4. 前記第１運転モードでは、第１冷凍機で前記超電導コイルを冷却し、
   前記第２運転モードでは、前記第１冷凍機より冷却能力の高い第２冷凍機で前記超電導コイルを冷却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項に記載の超電導磁石装置。
5. 前記超電導コイルからの熱を伝える伝熱部材を有し、
   前記第１冷凍機は、一段式であり、一段の低温部を有し、超電導磁石装置に取り付けられると、前記一段の低温部が前記伝熱部材に熱接触して、前記超電導コイルを冷却し、
   前記第２冷凍機は、二段式であり、前記一段の低温部と同等の冷却能力を有する一段目の低温部と、前記一段の低温部より冷却能力の高い二段目の低温部とを有し、超電導磁石装置に取り付けられると、前記二段目の低温部が前記伝熱部材に熱接触して、前記超電導コイルを冷却し、
   前記伝熱部材は、前記二段目の低温部に熱接触する際に移動し、前記一段目の低温部から離れることを特徴とする請求項４に記載の超電導磁石装置。
6. 前記超電導コイルを冷却し、駆動電源の周波数が高い程、冷却能力を高めることができる冷凍機と、
   前記周波数を変換する周波数変換機とを有し、
   前記第２運転モードでは、前記第１運転モードより、前記周波数が高いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
7. 前記超電導コイルから前記冷凍機へ熱を伝える伝熱部材を有することを特徴とする請求項６に記載の超電導磁石装置。
8. 前記超電導コイルと、前記超電導コイルを浸して冷却する液体冷媒とを収納する冷媒容器を有し、
   前記第２運転モードでは、前記第１運転モードより、前記冷媒容器内の気圧が低いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
9. 略Ｃ字型をした鉄心を有し、
   前記鉄心の略Ｃ字型の開いた両端部のそれぞれに、前記超電導コイルが設けられ、
   前記超電導コイルは、互いに対向して配置されてい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項に記載の超電導磁石装置。
10. 前記第１運転モードでは、前記超電導コイルの円環状の内側に、前記磁場の磁場強度の均一性を向上させる第１磁極面を有する第１磁極板が設けられ、
    前記第２運転モードでは、前記超電導コイルの円環状の内側に、前記第１磁極板に替えて、前記磁場の磁場強度の均一性を向上させ前記第１磁極面とは異なる第２磁極面を有する第２磁極板が設けられることを特徴とする請求項９に記載の超電導磁石装置。
11. 前記第２運転モードでは、前記鉄心に追加の鉄心材を取り付けることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の超電導磁石装置。
12. 前記鉄心には、前記追加の鉄心材を取り付け可能なねじ穴が設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の超電導磁石装置。
13. 前記超電導コイルの円環状の中心軸は水平方向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８のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
14. 前記超電導コイルには、銅酸化物超電導体又は鉄系超電導体が用いられることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
15. 請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の超電導磁石装置を有し、
    前記第１運転モードと前記第２運転モードとでは、異なるＲＦコイルと異なる傾斜磁場コイルを用いることを特徴とする磁気共鳴撮像装置。

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