JP2014512682A - 熱輻射シールドを有する超電導マグネット - Google Patents

Abstract

超電導線材の複数の軸方向に整列された環状コイル（１０）を備え、コイルと機械的接触状態にある冷却表面（１５）を通して熱伝導によって冷却するように配設された円筒状の超電導マグネット。コイルには、コイルの半径方向内面と軸との間に熱輻射シールド（２４）が設けられる。熱輻射シールドは、冷却表面と熱接触状態にある金属層を備える。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、軸方向に整列された超電導線材の複数のコイルを備える円筒状の超電導マグネットの輻射シールドを提供する。特に、本発明は、液体極低温冷媒への浸漬による冷却ではなく、コイルと機械的に接触させた冷却表面を介した熱伝導によって冷却するように配設された超電導マグネットに関する。

円筒状の超電導マグネットが、磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）システムにおいて一般に採用されている。超電導マグネットによって強く均質なバックグラウンド磁場が与えられ、一般に、傾斜磁場コイルアセンブリが超電導マグネットのボア内に設けられ、直交三次元に急変磁場勾配を発生させる。

超電導マグネットは、極低温に冷却され、従来では、マグネットが中空円筒状の外側真空チャンバ（ＯＶＣ：ｏｕｔｅｒ ｖａｃｕｕｍ ｃｈａｍｂｅｒ）内に収容されるとともに、１つ以上の中空円筒状の熱輻射シールドが、超電導マグネットとＯＶＣとの間に位置付けられる。通常、熱輻射シールド、または、２つ以上あれば、外側熱輻射シールドが、およそ５０Ｋの温度に冷却される。したがって、アセンブリは、マグネットのボア内に少なくとも２つの密に積層された円筒状チューブを備える。

ＭＲＩ画像シーケンス中に傾斜磁場コイルに印加された時変電流は、均質なバックグラウンド磁場と相互作用して傾斜磁場コイルに作用するローレンツ力を生成することで、傾斜磁場コイルアセンブリが振動する。

傾斜磁場コイルによって発生した時変磁場は、ＯＶＣのボアチューブおよび熱輻射シールドなど、隣接する導電表面の材料に渦電流を誘導する。これらの渦電流がボアチューブの抵抗材料を流れることで加熱が生じ、コイル温度が上昇することで、マグネットがクエンチを起こす事態を招く危険性がある。円筒状の超電導マグネットの典型的な動作温度である４Ｋでの固体材料の熱容量が非常に小さいので、クエンチの発生には熱エネルギーがほとんど必要とされない。

さらに、導電ボアチューブに誘導された渦電流は、均質なバックグラウンド磁場と相互作用してボアチューブに作用するローレンツ力を生じることで、ボアチューブが振動する。これらの振動は、均質なバックグラウンド磁場と相互作用し、ボアチューブ内にさらなる（二次）渦電流を発生させて、加熱を生じ、二次磁場が発生することにより隣接する導電表面にさらなる（三次）渦電流を誘導する。また、三次渦電流は三次磁場を生成する。すでに記載した望ましくない加熱以外にも、振動は、撮像するためにマグネットのボア内にいる患者にとって不快な雑音を生成する。

ＯＶＣボアチューブの材料に生成される渦電流は、熱輻射シールドのボアチューブを、傾斜磁場コイルからの漏洩磁場から遮蔽するのに役立つ。

液体極低温冷媒浴で冷却したマグネットにおいて、ヘリウムなどの液体極低温冷媒は、渦電流の結果として起こるクエンチを防止するために、コイルを十分に冷却する。しかしながら、超電導マグネットの最近のデザインでは、液体極低温冷媒への浸漬によってコイルの冷却を行わない。むしろ、コイルは、冷却表面とコイルとを機械的に接触させる熱伝導によって冷却するように配設される。冷却は、極低温冷媒を入れたサイフォンを用いて行われてもよく、または、冷却表面に熱的に接続された極低温冷凍機によって行われてもよい。このような極低温冷媒低インベントリ（極低温冷媒の低保有量）によるマグネットにおいて、コイルと冷却表面との間の熱抵抗が、従来の液体極低温冷媒により冷却されるマグネットの場合よりも著しく高いため、望ましくない傾斜磁場コイル誘導加熱（ＧＣＩＨ：ｇｒａｄｉｅｎｔ ｃｏｉｌ ｉｎｄｕｃｅｄ ｈｅａｔｉｎｇ）は早急に取り組むべき課題である。

したがって、本発明は、漏洩磁場から遮蔽するシールドを提供するとともに、熱輻射シールドボアチューブからの黒体輻射を遮蔽するシールドを提供するという関連する課題に取り組むものである。

これらの課題を解決するために、本発明により、添付の特許請求の範囲に規定された円筒状の超電導マグネットおよびその製造方法が提供される。
以下の特許公報、すなわち、独国特許第１０ ２００６ ０００９２３（Ｂ４）号、米国特許第７，５３５，２２５（Ｂ２）号、特開２００５２７９１８７（Ａ）号および米国特許出願公開第２００６／０２６６０５３（Ａ１）号は、一般に、傾斜磁場コイルの相互作用ならびに雑音および振動の低減に関する。

本発明は、任意のドライマグネット、言い換えれば、最低限の極低温冷媒によるマグネット、例えば、樹脂含浸コイルの半径方向外側表面と支持構造体とを付着させる、いわゆる、「Ａ２接合マグネット（Ａ２−ｂｏｎｄｅｄ ｍａｇｎｅｔ）」に適用されてもよい。また、さまざまな自立樹脂含浸構造体などの他の構成のマグネットが、本発明からの利益を享受することもある。

本発明の上記およびさらなる目的、特徴および利点は、添付の図面とともに本発明のいくつかの実施形態の以下の記載からさらに明らかになるであろう。

本発明の一連の実施形態の一例を示す図。 本発明の一連の実施形態の一例を示す図。 本発明の一連の実施形態の一例を示す図。 本発明の一連の実施形態の一例を示す図。 本発明の一連の実施形態の一例を示す図。 本発明の一連の実施形態の一例を示す図。 本発明の一連の実施形態の一例を示す図。 本発明の一連の実施形態の一例を示す図。 本発明の一連の実施形態の一例を示す図。 本発明の別の一連の実施形態の一例を示す図。 本発明の別の一連の実施形態の一例を示す図。 本発明の別の一連の実施形態の一例を示す図。 本発明の別の一連の実施形態の一例を示す図。 さまざまな長さのアルミニウムチューブの共振周波数の変動を示す図。

本発明は、ドライ式または最低限の極低温冷媒インベントリによる冷却装置を有する超電導マグネットに関して、極低温冷媒温度まで冷却され、マグネットのコイルと従来の熱輻射シールドのボアチューブとの間に介在させた導電シールドを備えることによって、漏洩磁場からのシールドを提供するとともに、熱輻射シールドのボアチューブからの黒体輻射を遮蔽するシールドを提供するという課題に取り組むものである。このようにして、ＧＣＩＨ、すなわち、傾斜磁場コイル誘導加熱の影響がコイルから遮蔽される。ヘリウム冷却式の超電導マグネットシステムにおける従来の輻射シールドは、通常、約５０Ｋの温度に冷却されるのに対して、本発明のシールドは、ほぼ極低温温度、例えば、約４Ｋに冷却される。このことから、明確かつ簡潔に記載するために、以下の記載において、本発明のシールドのことを「４Ｋシールド」と呼び、一方、従来の熱シールドのことを単に「熱シールド」と呼ぶことにする。

含浸コイルおよび含浸コイルの支持構造体を組み合わせたものが、超電導動作を実現するために、極低温温度、例えば、約４Ｋまで冷却される。したがって、以下の記載において、マグネットコイルおよびマグネットコイルの支持構造体のアセンブリのことを「コールドマス」と呼ぶことにする。

図１Ａ〜図１Ｇ（ｉｉ）に、第１の一連の実施形態が示されており、同図は、ＧＣＩの望ましくない影響からマグネットを遮蔽するために、コールドマスに機械的に取り付けられた冷却式管状４Ｋシールドの諸例を示す。

図１Ａは、Ａ２接合マグネットを含むＭＲＩシステムの軸方向部分断面図を示す。樹脂含浸超電導コイル１０は、半径方向外側表面１２で、コイルより直径が大きい管状支持構造体１５に結合される。コイル１０と支持構造体１５との間に、電気的絶縁性の充填層１６が置かれてもよい。例示した構成において、支持構造体は、軸方向に配設され、図示していない保持手段によって適所に保持された複数のリング１５ａで構成されている。しかしながら、単一の連続チューブなどの他の支持構造体が設けられてもよい。

例示した構成において、支持構造体１５は、支持体の周囲で円周方向に延びる冷却チャネル２２を有する、例えば、アルミニウム製の固体熱伝導性の機械支持体を備える。これらのチャネルは、冷却ループ構成による冷却を与えるために、液相および／または気相状態で極低温冷媒を通流することができる。別の実施形態として、支持構造体１５を極低温冷凍機（図示せず）に接続する銅またはアルミニウム製のストラップまたはブレードなどの固体熱導体が設けられる。

従来の多くのタイプの超電導マグネット構造体と同様に、コイルは、外側真空チャンバ（ＯＶＣ）１８内に囲まれ、マグネット構造体とＯＶＣとの間に熱輻射シールド２０が置かれる。また、傾斜磁場コイルアセンブリ３０が例示されている。アルミニウム処理されたポリエステルの層２５などの固体熱絶縁が、熱シールド２０とＯＶＣ１８との間の空間に設けられる。

本発明のこの実施形態によれば、熱伝導性チューブ２４をコールドマスに取り付けることによって、４Ｋシールドが提供される。例示した実施形態において、このシールドは、熱伝導性ナット、ボルトおよびスペーサを用いて達成される。これらは、機械的に剛性な取り付け点２６を与えるとともに、チューブ２４と支持構造体１５との間にある程度の熱伝導性を与える。４Ｋシールドは、環状エンドピース２８によって完成され、環状エンドピース２８は、アルミニウムなどの熱伝導性材料のアークによって構成されてもよく、チューブ２４および支持構造体１５に対して溶接、ボルト締めまたは他の方法で熱的および機械的に取り付けられてもよい。取り付け点２６は、コイル支持体１５の各端部から単一の軸方向の距離ｄの位置で、チューブの周囲に円周方向に間隔を空けて設けられてもよい。あるいは、さらなる取り付け点２６ａが、コイル支持体１５の各端部から軸方向の距離ｄの他の距離の位置に設けられてもよい。さまざまな軸方向の位置にある取り付け点は、特定の円周方向の位置に整列されてもよく、または以下に記載される理由から位置をずらして設けられてもよい。

取り付け点は、高周波の周期的な力を受けるチューブ２４の動きを阻止する必要があるため、取り付け点は、これらの力を受けて緩み、その結果、チューブが振動することがないように構成されなければならない。例えば、取り付け点２６、チューブ２４および支持構造体１５間の連結が、例示した方法でボルト締めされ、接着されてもよい。あるいは、このような連結は、溶接によって、またはろう付けまたははんだ付けなどの同様のプロセスによって形成されてもよい。このような連結は、本発明の実施形態において発生する可能性のある高周波低振幅の振動に耐性であるものとされる。ボルト、取り付け点およびチューブ２４など、関係するさまざまなコンポーネントは、さまざまなコンポーネントの熱収縮に差があることにより連結が緩まないように熱的に調整される必要がある。

次いで、コイル１０は、熱シールド２０からの黒体輻射から実質的に遮蔽される。４Ｋシールドの材料の導電性は、傾斜磁場コイル３０によって発生された磁場からコイルを遮蔽するということを意味する。

動作中、４Ｋシールド２４、２８は、この例では、５Ｋ未満の公称温度に維持される。この４Ｋシールドは、例えば、冷却極低温冷媒をチャネル２２を介して循環させる冷却ループによって約４Ｋに冷却された支持構造体２２と熱的接触状態にある。別の構成において、銅またはアルミニウム製のストラップまたはブレードなどの導体が、支持構造体１５と、極低温冷凍機、または、例えば、液体ヘリウムによって約４Ｋに冷却された他の表面との間に接続されてもよい。

図１Ｂは、図１Ａの構成の変形例の詳細な部分軸方向断面図を示す。この変形例において、サーマルリンク３２、例えば、固体アルミニウムまたは銅製のストラップや、アルミニウムまたは銅のブレードまたは積層体が、チューブ２４とコールドマスの支持構造体１５との間で熱的に接続される。熱リンクの各端部は、例示しているように、例えば、ねじ、ナットおよびボルトによって、それぞれのコンポーネントに熱伝導するようにジョイント３５で接続される。溶接、ろう付け、はんだ付け、締め付けまたは圧接など、他の熱伝導性の接続手段が使用されてもよい。このようなジョイント３５は、高周波の周期的な力を受けるチューブ２４の動きにかかわらず完全な状態のままである必要があり、ジョイントは、これらの力を受けて緩み、その結果、チューブが振動することがないように構成されなければならない。例えば、ジョイント３５は、例示したようにボルト締めされ、接着されてもよい。あるいは、このようなジョイントは、溶接によって、またはろう付けまたははんだ付けなどの同様のプロセスによって形成されてもよい。このようなジョイントは、本発明の実施形態において発生する可能性のある高周波低振幅の振動に耐性であるものとされる。ボルト、支持構造体１５およびチューブ２４など、関係するさまざまなコンポーネントは、さまざまなコンポーネントの熱収縮に差があることによりジョイントが緩まないように熱的に調整される必要がある。

このような構成において、４Ｋシールドの環状エンドピース２８がチューブ２８と熱的または機械的に直接接触状態にあることが必要ではない。コイル１０とチューブ２４との間に、アルミニウム処理されたポリエステルシートなどの固体絶縁層３４が位置付けられてもよい。このような位置付けは、コイル１０に到達するチューブ２４からの任意の黒体輻射を低減する働きをする。

図１Ｃは、図１Ａまたは図１Ｂによる構造体における単純な熱伝導モデルを示す。黒体輻射および／またはＧＣＩＨによる熱負荷Ｑが、４Ｋシールドのチューブ２４にかかる。熱負荷は、サーマルリンク３２、環状エンドピース２８および取り付け点２６の１つ以上であってもよい熱伝導経路２８、２６、３２を介して支持構造体１５へ進む。支持構造体は、冷却チャネル２２によって、または極低温冷凍機（図示せず）への固体導体などの同等の冷却方法によって冷却される。したがって、熱負荷Ｑは、この冷却方法によって構造体から除去される。

適切な輻射シールドとして機能するために、４Ｋシールドに到達する熱を運び去るのに十分な熱伝導性を有する以外に、チューブ２４はまた、低輻射率の半径方向外側表面（すなわち、コイル１０と対面する表面）を有する必要がある。低輻射率の要件は、熱シールド材料を適切に選択および準備することによって達成されてもよいが、図１Ｂに示すアルミニウム処理されたポリエステルシート３４などの表面に、または接着アルミニウムテープに高反射率のフォイルを付着させることによって達成されてもよい。

漏洩磁場を遮蔽するように機能するために、チューブ２４は、良好な導電率を有するとともに、チューブの材料における磁場の表皮深さより著しく厚みのある半径方向の厚さｔを有する必要がある。チューブの厚さｔは、表皮深さの少なくとも２倍であることが好ましい。

効率的な磁気および熱シールドを提供するために、チューブは「堅い」ことが要求される。チューブの共振周波数は、ＭＲＩスキャナの傾斜磁場コイルの動作周波数より高いものである必要がある。チューブ２４の構造体を用いた４Ｋシールドの所望の特徴は、高度に「調整可能」なことであり、これを可能にしうるいくつかの特徴が図面に示されており、以下に記載される。このような特徴は、バックグラウンド磁場内でのチューブの振動を低減するため、関連する加熱および雑音とともに二次および三次の渦電流の発生を低減する。

通常、傾斜磁場コイル３０は、５０〜約３０００Ｈｚの範囲の周波数で臨床応用において動作される。チューブの振動モードが、３０００Ｈｚより高い周波数にあることが望ましい。本発明のある態様は、この条件を満たすためのものである。

一端で半径方向に固定され、長さＬ、平均半径ａ、半径方向厚さｔ、密度ρ、ヤング率Ｅおよびポアソン比μを有するチューブの共振周波数は、以下の式で与えられる（「Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈｅｌｌｓ ａｎｄ Ｐｌａｔｅｓ」、Ｗｅｒｎｅｒ Ｓｏｅｄｅｌ、ｅｑ．６．１２．３）。

式中、ｍはモード数である。

本発明の例示的な実施形態において、チューブ２４は、半径が４５０ｍｍおよび厚さｔが３ｍｍのアルミニウムチューブである。図３に、長さの異なるこのようなチューブに関して、半径方向における円周方向の膨張および収縮による振動の共振周波数が示されている。図３は、より高い軸共振モードでの円周方向の膨張および収縮による振動が、１４００ｍｍの長いチューブの場合、基本周波数で維持されているのに対して、チューブの長さが短くなるほど、急速に高くなる周波数でより高い軸モードでの振動が生じ、この場合、軸方向の長さが２００ｍｍの最短チューブの場合、その傾向が特に顕著である。

マグネットの典型的な長さは１４００ｍｍである。図３は、共振周波数が共振モード間で著しく変動しないことを示す。チューブ長さが３００ｍｍ未満のようにチューブ長さが短いほど、より高いモードに対して共振周波数のシフトが著しく上昇する。

その場合、本発明の文脈において、１４００ｍｍの長さの１つの長いチューブではなく、例えば、各々の長さが２００〜３００ｍｍのいくつかの別々に取り付けられた短いチューブでチューブ２４を形成することによって、チューブ２４の共振周波数が高くなることがあることを認識されたい。

図１Ｄ（ｉ）は、単一のチューブ２４の振動を概略的に示す。明確に示すために、このような振動の振幅は誇張されているが、チューブの表面が波腹６０で振動することが分かる。この振動がバックグラウンド磁場において起こると、本発明のマグネットシステムのように、渦電流および加熱がチューブの材料に誘導される。

図１Ｄ（ｉｉ）は、４Ｋシールドのチューブ２４が複数の部品２４ａに軸方向に分割された改良された状況を概略的に示す。上述したように、これらの短いチューブの各々は、より高い共振周波数を有し、取り付け点を適切に配列することで、容易に、画像システムの傾斜磁場コイルの動作周波数で共振しないようにしてもよい。

振動の振幅は、チューブが軸方向に分割される構成において低減される。接着ボルト、溶接または同様のものを使用することによって、およびボルトなどの任意の固定コンポーネントが隣接する固定コンポーネントに熱的に整合されるように、取り付け点が振動による緩みに対して耐性を有することが特に重要である。

複数の別個の、別々に取り付けられた短いチューブ２４ａを設けること以外に、同様の間隔で、例えば、２００〜３００ｍｍの軸方向の間隔でチューブに半径方向の制約を与えることによって、共振周波数を高める効果と同じものが得られる。最も単純に、図１Ａを参照すると、これは、２００〜３００ｍｍの軸方向の間隔でチューブ２４の円周に間隔を空けて取り付け点２６のセットを設けることによって達成される。チューブが２００〜３００ｍｍごとに拘束されるため、取り付け点のセット間のチューブのこれらの部分が、２００〜３００ｍｍの長さの制約チューブとして振動するため、チューブは、マグネットの長さに延びる単一のチューブの場合よりもかなり高い共振周波数のセットを有する。コンポーネントの振動および／または熱収縮の差による緩みに対して、取り付け点が耐性であるようにすることに関して、前段落と同じ説明が当てはまる。

チューブの共振周波数を高くする別の方法は、上記式から分かるように、厚さｔを増大させることであるが、これは、有用なボア直径を小さくすることなくチューブ２４の増大した厚さに対応するために、厚さの増大に合わせてコイル１０の直径を大きくする必要があるため、材料および線材のコストを犠牲にすることになる。

３ｍｍ厚さのアルミニウムチューブが、要求されたシールドを与えるのに十分であることが分かった。チューブが、Ａｌ１２００として知られているような市販の「純度の高い」グレードのアルミニウム製のものであれば、１０００Ｈｚで表皮深さは０．６ｍｍである。これは比較的安価な選択肢であり、著しい製造利点を有する。ＲＲＲ（Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ Ｒａｔｉｏ：残留抵抗比）が１０００の高純度アルミニウムの場合、１０００Ｈｚでの表皮深さは０．１ｍｍである。このような材料は、一般には「ファイブナイン」、いわゆる、５Ｎ純度として知られる９９．９９９％純度である。高純度アルミニウムにおける放散はほとんどなく、言い換えれば、渦電流の大きさ、ひいては、渦電流によって発生する磁場がかなり大きくなるが、チューブの渦電流はほとんど熱を発しない。

図１Ｅは、図１Ａの実施形態の別の変形例を示す。この構成において、チューブ２４および支持構造体１５に、例えば、溶接、はんだ付けまたはろう付けによって熱的および機械的に取り付けられた伝導性のΩ形断面チューブ３６によって、極低温冷媒充填冷却ループが設けられる。これらのループは、支持構造体１５およびチューブ２４の両方を冷却するように働くため、チューブ２４と支持構造体１５との間の熱伝導の必要性が低減される。支持構造体１５およびチューブ２４を支持するために別々の冷却ループが設けられてもよく、または図１Ｅに示すΩ形断面チューブ３６の両方を含む単一の冷却ループが設けられてもよい。

図１Ｆは、上述した実施形態のいずれに用いられてもよい変形例を示す。この変形例において、環状エンドピース２８が、支持構造体１５およびチューブ２４の両方に３８で示すように溶接される。この変形例において、溶接部３８および環状エンドピース２８を通して良好な熱伝導が与えられる。

図１Ｇ（ｉ）は、本発明の別の実施形態を示し、同図において、上述したように、Ａｌ１２００などの商業用グレードのアルミニウムで形成されたチューブ２４が、非常に高い（例えば、５Ｎ）純度の等級のアルミニウムの層４０で被覆される。高純度材料のコストは高いため、この層の厚さは、商業用グレードのアルミニウムのチューブ２４によって提供される機械的支持体により約０．５ｍｍに制限されうる。このような構成は、５Ｎ被覆の高伝導率および商業用グレードのチューブの構造強度により、ローレンツ力およびクエンチ中の応力を制限するという利点を有する。

図１Ｇ（ｉｉ）は、本発明の別の実施形態を示し、同図において、上述したように、Ａｌ１２００などの商業用グレードのアルミニウムで形成されたチューブ２４が、バスケット織り（ｂａｓｋｅｔ−ｗｅａｖｅ）に配列された複数の超電導線材４２で被覆される。チューブ２４が超電導線材の転移温度より低い温度に冷却されると、線材４２は、電気抵抗が非常に小さい層を形成して、傾斜磁場コイルが発生した漏洩磁束をコイルの近傍から排除するが、前記構造体が閉電気経路において、比較的大きな電気抵抗を有するので、大きな渦電流の発生を阻止する。

図２Ａ〜図２Ｃ（ｉｉ）は、マグネットコイルに結合され、または他の方法で直接固定される伝導性の被覆の形態の４Ｋシールドを含む、本発明のさらなる一連の実施形態を示す。

図２Ａに示すように、この実施形態は、少なくとも、冷却チャネル２２を含む支持構造体１５に半径方向外側表面１２に結合されたコイル１０を含むという点で図１Ａのものに類似している。例示しているように、コイルの半径方向外側表面と機械的支持構造体１５との間に、任意選択の電気絶縁性層１６が設けられる。ＯＶＣ１８、熱シールド２０および傾斜磁場コイルアセンブリ３０は、上述した通りである。

本発明のこの実施形態によれば、各コイル１０と機械的に接触させて密結合された４Ｋシールド１００が設けられる。密結合された４Ｋシールドは、高純度のアルミニウムフォイル、または超電導フォイルから製造されてもよい。このシールドは、電気的および熱的絶縁層１０２、例えば、樹脂含浸ガラス繊維布の層によって関連するコイル１０から電気的および熱的に絶縁されることが好ましい。

この実施形態は、非常に薄い４Ｋシールド１００を使用できるという利点を有し、図１Ａ〜図１Ｇ（ｉｉ）よりも占有空間が非常に少なくすみ、機械的に剛性なコールドマス１０、１５に直接接続されることにより、共振周波数が非常に高くなる。

シールド１００とコイル１０との間の熱インピーダンスが、図１Ａの実施形態より図２Ａの実施形態において必然的に低くなるため、シールドの放散は、密に近接したコイルの許容外の加熱を防止するために、非常に低いレベルまで低減されなければならない。要求された低放散は、密結合された４Ｋシールドの電気抵抗を低くすることによって達成される。これは、高純度アルミニウム被覆（例えば、ゼロ磁場でＲＲＲ＞１５００）またはＮｂＴｉフォイルなどの超電導材料の密結合された４Ｋシールドを形成することによって達成される。

図２Ａは、各コイル上にわたった被覆として形成された密結合された４Ｋシールド１００が、４Ｋシールドと同様にアルミニウム製のものであることが好ましい支持構造体１５に溶接１０４される実施形態を示す。超電導材料を支持構造体に溶接することが困難な場合がある。例示されているように、溶接ステップを補助するために、支持構造体の材料にリップ１０６を形成すると有益な場合がある。

図２Ａに示すように、密結合された４Ｋシールドの一方の縁は支持構造体に溶接１０４されてもよく、他方の縁１０７は接着剤によって付着されてもよい。例えば、ＳＴＹＣＡＳＴという商標名でＥｍｅｒｓｏｎ ａｎｄ Ｃｕｍｉｎｇが販売しているさまざまな樹脂接着剤が適切である。４Ｋシールド１００から支持構造体１５への主な熱経路は、他端１０７の接着結合よりも低い熱インピーダンスの溶接部１０４を通るものになる。それにもかかわらず、１０７で接着剤結合の表面積がより大きく、熱インピーダンスが許容可能であるということは、言い換えれば、接着剤結合を介して有用な程度の熱伝導が起こるということである。電気絶縁層１６、１０２は、クエンチの際に電気絶縁が破壊しないように、５ｋＶ以上の電圧に耐性のものでなければならない。

図２Ｂは、図２Ａの構造体の単純な熱モデルを示す。電気絶縁層１６、１０２は、熱インピーダンスとして表される。例示されているように、熱シールド２０からコイル１０へ黒体輻射によって熱負荷Ｑが与えられる。この熱負荷は、密結合された４Ｋシールド１００によって阻止される。例示されたモデルにおいて、密結合された４Ｋシールドの両縁は、同じ熱伝導率の支持構造体１５に取り付けられ、同じ温度の冷却チャネル２２から等しい距離にある支持構造体に結合されているものとする。これらの条件において、熱負荷Ｑは、密結合された４Ｋシールド１００の２つの半径方向に向いた部分間で等分され、図２Ｂに示すように、Ｑ／２の熱負荷が各部分に沿って伝わる。

図２Ｃ（ｉ）は、図２Ａに示すような構造体の製造方法の中間段階を示す。従来の樹脂含浸コイルの形成と同様に、ジャーナル表面１０８および２つの環状保持プレート１１０で型が形成される。高純度アルミニウムまたは超電導フォイルの押圧されたチャネル部品１１２が型内に位置付けられ、ジャーナル表面１０８および管状保持プレート１１０によって形成された型の内面を少なくとも実質的に覆う。隣接するチャネル部品１１２、またはそれらの部品の少なくともいくつかの間に、軸方向に延伸するギャップ１１４が残されてもよい。このようなギャップにより、ランピングおよびクエンチ中の渦電流が低減されるが、熱負荷の一部がコイルに到達する。別の構成において、隣接するチャネル部品１１２が、電気絶縁層をこれらの部品の間に配置して、１つのチャネル部品と次のものとの間での電気伝導を防止するために重なり合うように位置付けられてもよい。ガラス繊維布などの多孔性の電気絶縁材料１１６の層が、チャネル部品１１２の内面上にわたって設けられる。

このようにして型を準備した状態で、従来の方法で型にコイルが巻かれる。コイルの巻き付けが完了すると、参照番号１２０で透視状態で示す型の半径方向外側部分が、コイルにわたって位置付けられて、型キャビティを完成させる。従来のように、ガラス布のクラスト層が、型キャビティ内において、コイルにわたって巻かれてもよく、または型キャビティ内において、コイルの半径方向外面と型の半径方向外側部分１２０の半径方向内面との間にガラス玉のクラスト層が設けられてもよい。次いで、コイル、電気絶縁層１１６およびクラスト層１６は、従来のように、硬化される樹脂で含浸される。電気絶縁層１１６は、図２Ａに示すような電気絶縁層１０２になる。図２Ａに示すような構成において、型の半径方向外側部分１２０は、支持構造体の一部であってもよい。この場合、型の半径方向外側部分１２０の半径方向内面は、支持構造体の部分とコイルの樹脂との間に良好な接着性を与えるように処理されてもよい。他の構成において、型の半径方向外側部分１２０の半径方向内面は、コイルの樹脂に接合することがないように離型化合物で処理されてもよく、このようにして形成された樹脂含浸コイルは、別の接合ステップにおいて別の支持構造体に接合されてもよい。

好ましくは、図２Ｃ（ｉ）に示すように、各チャネル部品１１２の一方の縁１１８は型から突出し、含浸ステップ中、樹脂のレベルの上方に留まる。これにより、縁はきれいな状態のままであるため、図２Ａの参照番号１０４に示すように、容易に溶接される場合もある。

図２Ｃ（ｉ）を参照しながら記載した方法は、コイルの形成、含浸および密結合された４Ｋシールド１００を設けるステップを同じ処理ステップで行うため、「シングルステップ」プロセスと呼ばれることもある。

対照的に、図２Ｃ（ｉｉ）は、図２Ａに示すような構造体の「２ステップ」製造方法における中間段階を示す。この方法において、コイル１０は、任意の都合の良い従来の方法によって、巻かれ、含浸され、支持構造体１５に接合される。例えば、コイルは、図２Ｃ（ｉ）に示すものに類似した型内で巻かれ、含浸ステップ中に支持構造体１５に接合されてもよく、または別々に含浸され、別のステップで指示構造体に接合されてもよい。図２Ｃ（ｉ）の参照番号１１６で示すような電気絶縁層が、巻き付けおよび含浸ステップ中にコイルに付着されてもよい。あるいは、この段階でこのような層が付着されなくてもよい。

この方法の第２のステップにおいて、チャネル部品１１２は、コイル１０の軸方向および半径方向の内面を覆うように固着される。これは、エポキシ樹脂接着剤層を付着することによって達成されてもよく、例えば、ＳＴＹＣＡＳＴという商標名でＥｍｅｒｓｏｎ ａｎｄ Ｃｕｍｉｎｇが販売しているさまざまな樹脂接着剤の任意のものが適切な場合もある。あるいは、溶接および含浸ステップ中にコイルに電気絶縁層が設けられなければ、チャネル部品１１２の内面が、ガラス繊維布などの未硬化の樹脂含浸電気絶縁層１１６で覆われてもよい。次いで、チャネル部品１１２はコイルに付着され、樹脂含浸電気絶縁層１１６は、チャネル部品１１２をコイルに接合するように硬化される。

図２Ｃ（ｉ）の実施形態において、溶接ステップ１０４の妨げとならないように、縁１１８は樹脂がない状態に保たれる必要がある。他の実施形態のように、導電チャネル部品１１２は、支持構造体１５に溶接または接着接合されてもよい。

チャネル部品は、上述したように、５Ｎ純度アルミニウムなどの高純度アルミニウム、またはＮｂＴｉフォイルなどの超電導フォイルのものが好ましい。他の材料が使用されてもよいが、高純度アルミニウムは、現時点では入手が容易で、比較的安価で、かつ高伝導性の材料である。

いずれの場合においても、クエンチ中の電気絶縁破壊を防止するとともに、絶縁層１０２の熱抵抗を通ってコイル１０に伝達される熱量を制限するために、強力な電気絶縁および高い熱絶縁１０２が、コイル１０とチャネル部品１１２との間に配置されて４Ｋシールドを形成することが必須である。また、マグネットのランピング中に４Ｋシールド１００の過度の渦電流加熱を防止するために、チャネル部品１１２間に破断（ギャップ）１１４を含むことが望ましい。

したがって、本発明は、誘導加熱または漏洩磁場のいずれかによって、ドライ式または最低限の極低温冷媒によるマグネットシステムの超電導コイルにおいてクエンチを生じうる傾斜磁場コイルの相互作用の危険性を低減するのに有用な４Ｋシールドを提供する。また、シールドは、このようなマグネットシステムにおいて４Ｋで傾斜磁場コイル誘導加熱ＧＣＩＨを低減するように働く。

１つの実施形態群において、４Ｋシールドは冷却チューブを備え、この冷却チューブは、コイルから間隔を空けて設けられるが、コイル自体を通るルートよりも４Ｋシールドから冷却装置に流れる熱に対するインピーダンスが低くなるように、コールドマスに取り付けられる。シールド支持体は、４Ｋシールドの主な共振周波数が、撮像中に励起されたものより高くなるように配設される。１つの実施形態において、４Ｋシールドは、冷却システムへの熱負荷を最小限に抑えるために高伝導性材料に直面している。この実施形態の特定の利点は、製造が容易であること、要求された電気絶縁の完全性を達成しやすいこと、コイルとシールドとの間の熱分離が良好であること、シールドシステムの動的調整の範囲が非常に良好であることである。

別の実施形態群において、コイルには、コイルに機械的に密結合された高伝導性の冷却被覆が設けられる。これらの実施形態は、半径方向の空間をほとんど占めず、剛性のコールドマスに固定されることによって、高共振周波数（＞３０００Ｈｚ）の要求を容易に達成する。このような構成の主な課題は、密結合されたシールドからコイルに伝わる熱を最小限に抑えることである。これは、高伝導性材料を使用し、コイルと被覆との間の絶縁層を慎重に選択することによって達成される。

冷却チューブを使用する第１の実施形態群は、製造が容易であること、および要求された５ｋＶ電圧分離を比較的達成しやすいという利点を有する。

本発明により提供される４Ｋシールドは、コイルに黒体輻射シールドを提供し、ＧＣＩＨによるコイル温度の上昇が、マグネットにクエンチを生じうる閾値を下回った状態を維持するように、コイルに磁気シールドを提供する。これらの目的は、冷却コンポーネントにおける熱消失を最小限に抑え、製造が容易で、半径方向の空間を使用する可能性を最小限に抑えて実施可能であり、マグネットコイルと接地電位との間の要求された電圧分離を達成する方法で、本発明により実現される。

１０ 超電導コイル
１２ 半径方向外側表面
１５ 支持構造体
１５ａ リング
１６ 電気絶縁層、充填層、クラスト層
１８ 外側真空チャンバ（ＯＶＣ）
２０ 熱輻射シールド
２２ 冷却チャネル
２４ 熱伝導チューブ
２４ａ 部品、チューブ
２５ ポリエステルの層
２６、２６ａ 取り付け点
２８ チューブ、環状エンドピース
３０ 傾斜磁場コイルアセンブリ
３２ サーマルリンク
３４ 固体絶縁層、アルミニウム処理されたポリエステルシート
３５ ジョイント
３６ Ω形断面チューブ
３８ 溶接部
４０ アルミニウムの層
４２ 超電導線材
６０ 波腹
１００ シールド
１０２ 熱的絶縁層、電気絶縁層
１０４ 溶接部
１０６ リップ
１０７ 縁、端
１０８ ジャーナル表面
１１０ 環状保持プレート
１１２ チャネル部品
１１４ 破断、ギャップ
１１６ 電気絶縁材料
１１８ 縁
１２０ 半径方向外側部分

Claims (27)

1. 軸方向に整列された、超電導線材を用いた複数の環状コイルを備え、前記コイルと機械的接触状態にある冷却表面を介して熱伝導によって冷却するように配設され、
   前記コイルには、前記コイルの半径方向内面と軸との間に熱輻射シールドが設けられ、
   前記熱輻射シールドが、前記冷却表面と熱接触状態にある金属層を備える円筒状の超電導マグネットにおいて、
   前記金属層が、前記冷却表面に機械的および熱的に結合された金属シリンダを備え、前記熱輻射シールドが、軸方向および円周方向の間隔を置いて前記冷却表面に機械的および熱的に結合されることを特徴とする、円筒状の超電導マグネット。
2. 前記金属層と前記冷却表面との間の熱抵抗が、前記コイルの各々と前記冷却層との間の各それぞれの熱抵抗より小さい、請求項１に記載の円筒状の超電導マグネット。
3. 前記熱輻射シールドが、複数のシリンダに軸方向に分割され、前記シリンダの各々が、前記冷却表面に機械的および熱的に結合される、請求項１または２に記載の円筒状の超電導マグネット。
4. 前記熱輻射シールドが、軸方向および円周方向に０．３ｍ以下の間隔を置いて前記冷却表面に機械的および熱的に結合される、請求項１から３のいずれか一項に記載の円筒状の超電導マグネット。
5. 前記熱輻射シールドが、前記冷却表面に機械的および熱的に結合された第１の導電率を有する第１の金属のシリンダを備え、前記第１の導電率より大きい第２の導電率を有する第２の金属の被覆が前記シリンダの半径方向内面に付着される、請求項１から４のいずれか一項に記載の円筒状の超電導マグネット。
6. 前記第２の金属被覆が、少なくとも９９．９９９％純度のアルミニウムを含む、請求項５に記載の円筒状の超電導マグネット。
7. 前記熱輻射シールドが、前記冷却表面に機械的および熱的に結合された金属のシリンダを備え、前記シリンダの前記半径方向内面に超電導線材のパターンが付着される、請求項１から４のいずれか一項に記載の円筒状の超電導マグネット。
8. 軸方向に整列された、超電導線材を用いた複数の環状コイルを備え、前記コイルと機械的接触状態にある冷却表面を介して熱伝導によって冷却するように配設された円筒状の超電導マグネットであって、
   前記コイルには、前記コイルの半径方向内面と軸との間に熱輻射シールドが設けられ、
   前記熱輻射シールドが、前記冷却表面と熱接触状態にある金属層を備え、
   前記熱輻射シールドが、各コイルの前記半径方向内面上にわたって設けられた金属フォイルの共形の層を備え、前記コイルの各々と前記金属フォイル層との間に熱絶縁層が挿入される、円筒状の超電導マグネットにおいて、
   前記金属フォイルの共形の層がまた、各コイルの軸方向に向けられた表面上にわたって設けられ、前記熱絶縁層がまた、各コイルと前記軸方向に向けられた表面上の前記金属フォイル層との間に挿入されることを特徴とする、円筒状の超電導マグネット。
9. 前記金属フォイル層に、電気伝導の中断部が設けられる、請求項８に記載の円筒状の超電導マグネット。
10. 前記電気伝導の中断部が、前記軸に平行な方向に向けられることにより、前記金属フォイル層の円周方向の伝導性を制限する、請求項９に記載の円筒状の超電導マグネット。
11. ジャーナル表面（１０８）および２つの環状保持プレート（１１０）を備える型を設けるステップと、
    前記ジャーナル表面（１０８）および前記２つの環状保持プレート（１１０）によって形成された前記型の前記内面を少なくとも実質的に覆う、前記型内に導電チャネル部品（１１２）を位置付けるステップと、
    前記チャネル部品（１１２）の前記内面上にわたって多孔性の電気絶縁材料（１１６）の層を設けるステップと、
    前記型内にコイル（１０）を巻き付けるステップと、
    型キャビティを完成させるために、前記コイル上にわたって前記型の半径方向外側部分（１２０）を位置付けるステップと、
    前記コイルおよび前記電気絶縁層（１１６）を後で硬化される樹脂で含浸するステップと、
    前記ジャーナル表面（１０８）および前記２つの環状保持プレート（１１０）を除去するステップと
    を含む請求項８に記載の円筒状の超電導マグネットの製造方法。
12. 前記導電チャネル部品が、高純度アルミニウムまたは超電導フォイルで構成される、請求項１１に記載の方法。
13. 隣接する前記チャネル部品（１１２）間、または前記チャネル部品の少なくともいくつかの間に、軸方向に延伸するギャップ（１１４）が残されている、請求項１１または１２に記載の方法。
14. 隣接する前記チャネル部品（１１２）が、１つのチャネル部品と次のチャネル部品との間での電気伝導を防止するために、前記チャネル部品間に配置された電気絶縁層と重なり合うように位置付けられる、請求項１１または１２に記載の方法。
15. ガラス布のクラスト層が、前記型キャビティ内において、前記コイルの半径方向外面と前記型の前記半径方向外側部分（１２０）の半径方向内面との間に前記コイル上にわたって巻き付けられ、前記クラスト層が、前記含浸ステップ中に樹脂で含浸される、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. ガラス玉のクラスト層が、前記型キャビティ内において、前記コイルの半径方向外面と前記型の前記半径方向外側部分（１２０）の前記半径方向内面との間に巻き付けられ、前記クラスト層が、前記含浸ステップ中に樹脂で含浸される、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記型の前記半径方向外側部分（１２０）が、前記支持構造体の一部であり、前記型の前記半径方向外側部分（１２０）の前記半径方向内面が、前記支持構造体の一部と前記樹脂との間に良好な接合を与えるように処理される、請求項１１から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記型の半径方向外側部分（１２０）の前記半径方向内面が、前記コイルの前記樹脂に接合することがないように離型化合物で処理され、このようにして形成された前記樹脂含浸コイルが、別の接合ステップにおいて別の支持構造体に接合される、請求項１１から１６のいずれか一項に記載の方法。
19. 各チャネル部品１１２の縁（１１４）が、前記型から突出し、前記含浸ステップ中に前記樹脂のレベルの上方に留まる、請求項１１から１８のいずれか一項に記載の方法。
20. コイル（１０）の巻き付け、含浸および支持構造体（１５）への接合ステップと、
    前記コイルの前記軸方向および半径方向への内面上にわたって電気絶縁層（１０２；１１６）を付着するステップと、
    前記コイルの前記軸方向および半径方向への内面を覆うように、前記電気絶縁層上にわたってチャネル部品（１１２）を固着させるステップとを含む請求項８に記載の円筒状の超電導マグネットの製造方法。
21. 前記チャネル部品が、エポキシ樹脂接着剤層によって固着される、請求項２０に記載の方法。
22. 前記電気絶縁層が、電気絶縁充填層（１１６）で型にライニングを施し、前記充填層内にコイルを巻き付け、前記コイルの含浸ステップ中に前記充填層を樹脂で含浸させることによって付着される、請求項２０または２１に記載の方法。
23. 電気絶縁層を付着し、チャネル部品を固着させる前記ステップが、前記チャネル部品の内面を未硬化の樹脂含浸電気絶縁層（１１６）で覆うステップと、前記チャネル部品を前記コイルに付着するステップと、前記チャネル部品を前記コイルに接合するために、前記樹脂含浸電気絶縁層を硬化するステップとを含む、請求項２１に記載の方法。
24. 前記チャネル部品を前記支持構造体に溶接するステップをさらに含む、請求項１１から２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 前記チャネル部品を前記支持構造体に接着接合するステップをさらに含む、請求項１１から２５のいずれか一項に記載の方法。
26. 実質的に、添付図面の図１Ａ〜図２Ｂに記載および／または図示されたような円筒状の超電導マグネット。
27. 実質的に、添付図面の図２Ｃ（ｉ）〜図２Ｃ（ｉｉ）に記載および／または図示されたような円筒状の超電導マグネットの製造方法。

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