JP2018159637A - Magnetic field generating device, nmr analysis device, and mri device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁場を発生させる磁場発生装置、並びに、これを備えたNMR分析装置およびMRI装置に関する。 The present invention relates to a magnetic field generator for generating a magnetic field, and an NMR analyzer and an MRI apparatus provided with the same.
NMR(核磁気共鳴)分析装置は、磁場中に試料を配置した状態で、この試料に電磁波を照射し、電磁波に共鳴したNMR信号を受信することで試料の分子構造を調べることができる。磁場が強いほど核磁気共鳴の周波数を高くでき、これにより精密な分析結果が得られる。このため、現在、NMR分析装置の磁場を強化する開発が進められている。 An NMR (nuclear magnetic resonance) analyzer can examine the molecular structure of a sample by irradiating the sample with an electromagnetic wave and receiving an NMR signal that resonates with the electromagnetic wave while the sample is placed in a magnetic field. The stronger the magnetic field, the higher the frequency of nuclear magnetic resonance, thereby obtaining a precise analysis result. For this reason, development for strengthening the magnetic field of NMR analyzers is currently underway.
以前より、NMR分析装置に適用される磁場発生装置として、主にLTS(低温超電導:Low-Temperature Superconducting)線材の超電導コイルを用いた装置が実用化されている。超電導コイルを含めて回路全体を超電導状態にすることで、回路に永久電流を流し、時間的に非常に安定した一定の磁場を発生させることができる。一方、LTS線材は、超電導状態に転移させるために液体ヘリウムの沸点温度(4.2K、以下、「液体ヘリウム温度」と呼ぶ)、又はこれに近い極低温で使用する必要がある。また、LTS線材は、強い磁場中では超電導の特性が低下するという性質を有する。このため、LTS線材を主に用いた超電導コイルは運転効率が比較的低く、作り出される磁場の強度に所定の制限があるという課題がある。 Conventionally, as a magnetic field generator applied to an NMR analyzer, an apparatus using a superconducting coil mainly of LTS (Low-Temperature Superconducting) wire has been put into practical use. By putting the entire circuit including the superconducting coil into a superconducting state, a permanent current can be passed through the circuit and a constant magnetic field that is very stable in time can be generated. On the other hand, the LTS wire needs to be used at a boiling point temperature of liquid helium (4.2 K, hereinafter referred to as “liquid helium temperature”) or an extremely low temperature close to this in order to transition to a superconducting state. In addition, the LTS wire has the property that the superconducting properties are reduced in a strong magnetic field. For this reason, the superconducting coil mainly using the LTS wire has a problem that the operation efficiency is relatively low, and there is a predetermined restriction on the strength of the magnetic field generated.
一方、現在、HTS(高温超電導:High-Temperature Superconducting)線材を用いた超電導コイルの開発が進められている。HTS線材は、液体ヘリウム温度より高い温度(例えば30K)で運転できるという利点を有する。さらに、HTS線材の中には、例えば希土類系超電導線材など強い磁場中でも超電導の特性が劣化しにくいものがある。このため、HTS線材を用いた超電導コイルは、比較的に運転効率が高く、より強い磁場を発生できるという利点を有する。 On the other hand, the development of superconducting coils using HTS (High-Temperature Superconducting) wire is now underway. The HTS wire has the advantage that it can be operated at a temperature higher than the liquid helium temperature (for example, 30K). Furthermore, some HTS wires, for example, rare earth-based superconducting wires, do not easily deteriorate the superconducting characteristics even in a strong magnetic field. For this reason, the superconducting coil using the HTS wire has the advantage that it has a relatively high operating efficiency and can generate a stronger magnetic field.
しかしながら、HTS線材は、線材同士の超電導接合が難しいという課題を有する。超電導接合とは、接続部を超電導状態にできる接合を意味する。例えば、LTS線材同士であれば、半田を用いて超電導接合が可能である。半田部分も液体ヘリウム温度にすれば超電導状態にできる。これに対して、HTS線材は、銀などの特殊な金属で表面が被覆され、この金属層を含んだ部分が半田で接合される。銀などの金属層は、HTS線材の特性向上に必須である。しかしながら、銀などの金属は、HTS線材の高い転移温度で超電導状態に転移しないだけでなく、液体ヘリウム温度でも超電導状態に転移しない。現在、HTS線材の超電導接合の技術の開発が進められているが、現状、実用化にまでは至っていない。 However, the HTS wire has a problem that superconducting joining between the wires is difficult. The superconducting junction means a junction that can bring the connecting portion into a superconducting state. For example, if LTS wires are used, superconducting bonding is possible using solder. The solder portion can also be brought into a superconducting state by setting the temperature to liquid helium. On the other hand, the surface of the HTS wire is coated with a special metal such as silver, and the portion including the metal layer is joined with solder. A metal layer such as silver is essential for improving the characteristics of the HTS wire. However, metals such as silver do not transition to the superconducting state at the high transition temperature of the HTS wire, but also do not transition to the superconducting state at the liquid helium temperature. Currently, development of superconducting joining technology for HTS wire is underway, but it has not been put into practical use at present.
このため、磁場発生装置にHTS線材の超電導コイルを適用した場合、超電導コイルを含んだ回路に常電導状態の接続部が含まれてしまう。逆に、LTS線材の超電導コイルを含んだ閉回路は、閉回路の全体を超電導状態に転移させて使用できる。閉回路の全体が超電導状態であることで、閉回路に流れる電流は減衰することなく、同じ大きさの電流が半永久的に流れる。このような電流は永久電流と呼ばれる。永久電流により時間的に非常に安定した磁場が生成できる。しかし、HTS線材の超電導コイルを適用した場合、回路に流れる電流は接続部の電気抵抗によって永久電流とならず、電流は時間の経過に伴って減衰する。このため、何らのかの工夫がないと、時間的な変化がほぼゼロであるような安定した磁場を生成することが困難となる。 For this reason, when the superconducting coil of the HTS wire is applied to the magnetic field generator, the connection part in the normal conducting state is included in the circuit including the superconducting coil. Conversely, a closed circuit including a superconducting coil of LTS wire can be used by transferring the entire closed circuit to a superconducting state. Since the entire closed circuit is in a superconducting state, the current of the same magnitude flows semipermanently without attenuating the current flowing in the closed circuit. Such a current is called a permanent current. A permanent magnetic field can generate a very stable magnetic field in time. However, when the superconducting coil of the HTS wire is applied, the current flowing through the circuit does not become a permanent current due to the electrical resistance of the connecting portion, and the current attenuates with time. For this reason, without any device, it is difficult to generate a stable magnetic field whose temporal change is almost zero.
従来、超電導コイルの電流の減衰を抑制する技術について、或いは、超電導コイルが発生する磁場の減衰を抑制する技術について、幾つか提案されている。例えば、特許文献1には、磁場を発生する超電導コイルからなる高磁場発生部と、高磁場発生部よりインダクタンスの大きな超電導コイルからなる電力貯蔵部を備えた装置が示されている。高磁場発生部の超電導コイルと電力貯蔵部の超電導コイルとは直列に接続される。このような構成によれば、電力貯蔵部に蓄積された大きなエネルギーにより高磁場発生部を含んだ回路全体の電流の減衰量を低減し、高磁場発生部により安定した磁場を発生することができる。
Conventionally, several techniques for suppressing the attenuation of the current of the superconducting coil or for suppressing the attenuation of the magnetic field generated by the superconducting coil have been proposed. For example,
また、特許文献2には、磁場を発生する主磁場発生用の第1系統の超電導コイルと、この磁場と逆向きの磁場を発生させる主磁場減衰補償用の第2系統の超電導コイルとを備えた装置が示されている。この技術では、2つの系統の超電導コイルの磁場が減衰しても、両者の磁場が互いに逆向きに重ね合わされることで、両者の減衰が打消し合い、重ね合わされた磁場の総合的な減衰量が低減されることが期待される。
NMR分析装置では、上述したように磁場を強化することでより精密な分析結果が得られる。一方、NMR分析装置では、磁場のわずかな変化がノイズとして分析結果に表れる。従って、HTS線材の超電導コイルを用いたのでは、精密な分析結果が得られるように強い磁場を発生できても、磁場の時間的な安定度の低下により分析結果の精密さが低下する。その結果、総合的な分析の精密さが向上しないという課題が生じる。 In the NMR analyzer, more precise analysis results can be obtained by strengthening the magnetic field as described above. On the other hand, in the NMR analyzer, a slight change in the magnetic field appears in the analysis result as noise. Therefore, when the superconducting coil of the HTS wire is used, even if a strong magnetic field can be generated so that a precise analysis result can be obtained, the accuracy of the analysis result is lowered due to a decrease in temporal stability of the magnetic field. As a result, there arises a problem that the accuracy of comprehensive analysis is not improved.
一方、特許文献1の技術を適用すると、磁場の時間的な安定度を高めることができる。しかしながら、NMR分析装置に搭載される超電導コイルは大規模であり、特許文献1の技術を適用するには、さらに大きなインダクタンスを有する電力貯蔵部の超電導コイルを追加する必要がある。従って、特許文献1の技術では、装置全体が巨大化し、製品コストが著しく増大するという課題が生じる。例えば電流の減衰率を1/10にするためには、電力貯蔵部の超電導コイルのインダクタンスを、磁場発生用の超電導コイルと比較して10倍にする必要がある。また、電力貯蔵部の超電導コイルにHTS線材を用いれば、線長に対して一定の割合で常電導の接続部が含まれるため、電力貯蔵部自体にも電流減衰の作用が生じてしまう。
On the other hand, when the technique of
また、特許文献2の技術を適用すれば、電流減衰が生じても、2つの系統の超電導コイルが発生する磁場の減衰を打消し合わせることで時間的に安定した磁場を発生できることが期待される。しかしながら、特許文献2の技術は、主磁場減衰補償用の超電導コイルの電流を調整することが非常に難しいという課題を有する。これは、次の理由による。
Furthermore, if the technique of
一般に、コイルと抵抗とを含んだ回路の電流の減衰挙動は指数関数的であることから、1つの系統の超電導コイルの電流の減衰量であれば、インダクタンスに合わせて補償用コイルの回路内に含まれる抵抗値を選択することで、電流減衰量を制御できる。しかしながら、特許文献2の技術では、2つの系統の超電導コイルが対向して配置されることから、これらは磁気的に結合する。従って、第1系統の超電導コイルの電流の減衰が、第2系統の超電導コイルの電流に影響を及ぼすというように、両系統の超電導コイルの電流の挙動が複雑に相互作用する。このため、磁場の減衰が打消し合わされるように電流を調整することは、独立した1系統の回路を調整するような単純な制御とは異なり、困難を極める。
In general, since the current attenuation behavior of a circuit including a coil and a resistor is exponential, if the amount of current attenuation of a superconducting coil of one system is within the compensation coil circuit in accordance with the inductance, The current attenuation can be controlled by selecting the included resistance value. However, in the technique of
さらに、特許文献2の技術では、電流の調整が正しく行われているか否かを確かめるために、2つの系統の超電導コイルの磁場の重ね合わせの強度を観測する必要がある。しかし、NMR分析装置に要求される磁場の時間的な安定度は非常に高く、現状、磁場を直接に計測して、要求されるレベルで磁場の安定度が得られているか確かめることは難しい。従って、磁場の観測から磁場の減衰が十分に打消し合うような電流の調整を行うことは極めて困難である。
Furthermore, in the technique of
一方、HTS線材の超電導コイルで時間的に安定した磁場を発生させるために、超電導コイルを定電流源で定電流駆動することが検討できる。しかしながら、NMR分析装置に搭載されるような超電導コイルは、大規模でインダクタンスが大きく、さらに低電圧および大電流で駆動される。一般的な定電流源は、大きなインダクタンスを低電圧および大電流で駆動することが不得手である。また、NMR分析装置に要求される磁場の安定度は非常に高い。これらのことから、一般的な定電流源を用いたのでは、NMR分析装置で要求されるような安定した磁場を発生することは難しいと考えられる。 On the other hand, in order to generate a temporally stable magnetic field with the HTS wire superconducting coil, it can be considered to drive the superconducting coil with a constant current source. However, a superconducting coil mounted on an NMR analyzer has a large scale and a large inductance, and is driven with a low voltage and a large current. A general constant current source is not good at driving a large inductance with a low voltage and a large current. Further, the stability of the magnetic field required for the NMR analyzer is very high. From these facts, it is considered difficult to generate a stable magnetic field as required by an NMR analyzer when a general constant current source is used.
なお、上記の説明では、磁場を強化するためにHTS線材の超電導コイルを用いると、回路に常電導状態の接続部が含まれてしまい、これにより安定した磁場の発生に困難性が生じると説明した。磁場を強化できるHTS線材としては、REBCO線材(希土類系超電導線材)がある。しかし、超電導線材には、例えばBSCCO線材(ビスマス系超電導線材)又はMgB2超電導線材など、磁場の強化以外にも利点を有する幾つかの種類がある。そして、これらの線材を超電導コイルとして適用した場合にも、現状、回路に常電導状態の接続部が含まれてしまい、安定した磁場の発生に困難が生じるという同様の課題が生じる。 In the above description, if a superconducting coil of an HTS wire is used to enhance the magnetic field, the circuit includes a connection part in a normal conducting state, which causes difficulty in generating a stable magnetic field. did. As an HTS wire that can enhance the magnetic field, there is a REBCO wire (rare earth-based superconducting wire). However, there are several types of superconducting wires that have advantages other than magnetic field enhancement, such as BSCCO wires (bismuth-based superconducting wires) or MgB 2 superconducting wires. Even when these wires are applied as a superconducting coil, the current problem is that the circuit includes a connection part in a normal conduction state, and the same problem arises that it is difficult to generate a stable magnetic field.
本発明の目的は、超電導接合の困難な超電導線材のコイルを用いても、時間的な安定度の高い磁場を発生できる磁場発生装置、並びに、これを備えたNMR分析装置およびMRI装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a magnetic field generator capable of generating a magnetic field with high temporal stability even using a coil of a superconducting wire that is difficult to superconducting, and an NMR analyzer and an MRI apparatus equipped with the magnetic field generator. That is.
本発明の一態様は、
超電導コイルであり対象の空間に磁場を発生させる主コイルと、超電導コイルであり前記主コイルと直列に接続された補償コイルとを含み、前記主コイルの励磁電流が流れる第1閉回路と、
超電導コイルであり前記補償コイルと磁気的に結合された制御コイルと、前記制御コイルと直列に接続された抵抗とを含み、前記抵抗の電力消費により時間の経過に伴って減少する制御電流が流れる第2閉回路と、
を備え、
前記制御コイルと前記補償コイルとの磁気的な結合を介して前記制御電流の低減により前記補償コイルに生じる誘導起電力が、前記励磁電流と同じ向きの電流を誘起する極性を有することを特徴とする磁場発生装置である。
One embodiment of the present invention provides:
A first closed circuit including a main coil that is a superconducting coil and generates a magnetic field in a target space; and a compensation coil that is a superconducting coil and is connected in series with the main coil;
A control coil, which is a superconducting coil and is magnetically coupled to the compensation coil, and a resistor connected in series with the control coil, a control current that decreases with the passage of time due to power consumption of the resistor flows. A second closed circuit;
With
The induced electromotive force generated in the compensation coil by reducing the control current through the magnetic coupling between the control coil and the compensation coil has a polarity that induces a current in the same direction as the excitation current. A magnetic field generator.
また、本発明の一態様の磁場発生装置は、
前記主コイルの全体又は一部の電圧を測定する測定部と、
前記測定部の測定結果に基づいて前記抵抗の抵抗値を変化させる制御部と、
をさらに備えることを特徴としている。
The magnetic field generator of one embodiment of the present invention includes:
A measuring unit for measuring the voltage of the whole or a part of the main coil;
A control unit that changes a resistance value of the resistor based on a measurement result of the measurement unit;
Is further provided.
本発明の一態様の磁場発生装置は、
前記抵抗を加熱するヒータをさらに備え、
前記抵抗は、残留抵抗比が30以上の金属であり、
前記制御部は、前記ヒータにより前記抵抗を加熱して前記抵抗の抵抗値を変化させることを特徴としている。
The magnetic field generator of one embodiment of the present invention includes:
A heater for heating the resistor;
The resistance is a metal having a residual resistance ratio of 30 or more,
The controller is characterized in that the resistance value of the resistor is changed by heating the resistor with the heater.
本発明の一態様の磁場発生装置は、
前記主コイルは、希土類系超電導線材、ビスマス系超電導線材、又はMgB2超電導線材のコイル部を含むことを特徴としている。
The magnetic field generator of one embodiment of the present invention includes:
The main coil includes a coil portion of a rare earth-based superconducting wire, a bismuth-based superconducting wire, or a MgB 2 superconducting wire.
本発明の一態様の磁場発生装置は、
前記補償コイルと前記制御コイルとを磁気的に結合する強磁性体のコアをさらに備えることを特徴としている。
The magnetic field generator of one embodiment of the present invention includes:
It further comprises a ferromagnetic core that magnetically couples the compensation coil and the control coil.
本発明の一態様の磁場発生装置は、
前記第2閉回路は、
超電導コイルであり前記制御コイルおよび前記抵抗と直列に接続される慣性コイルをさらに含むことを特徴としている。
The magnetic field generator of one embodiment of the present invention includes:
The second closed circuit is:
The superconducting coil further includes an inertia coil connected in series with the control coil and the resistor.
本発明の一態様の磁場発生装置は、 複数の前記補償コイルと、
前記複数の補償コイルとそれぞれ磁気的に結合された複数の前記第2閉回路とを備え、
前記複数の補償コイルは、各々が前記主コイルと直列に接続され、かつ互いに並列に接続されていることを特徴とする。
The magnetic field generator of one aspect of the present invention includes a plurality of the compensation coils,
A plurality of second closed circuits magnetically coupled to the plurality of compensation coils, respectively.
Each of the plurality of compensation coils is connected in series to the main coil and is connected in parallel to each other.
本発明の一態様は、本発明の磁場発生装置を備えることを特徴とするNMR分析装置である。 One embodiment of the present invention is an NMR analyzer including the magnetic field generator of the present invention.
本発明の一態様は、本発明の磁場発生装置を備えることを特徴とするMRI装置である。 One embodiment of the present invention is an MRI apparatus including the magnetic field generator of the present invention.
本発明によれば、第2閉回路の制御電流により、主コイルを含んだ第1閉回路に誘導起電力を発生させることができる。また、誘導起電力は、主コイルの励磁電流と同じ向きの電流を誘起する極性を有する。従って、第1閉回路に励磁電流を減衰させるような電圧降下が生じる部分があっても、誘導起電力により励磁電流の減衰を抑制できる。 According to the present invention, the induced electromotive force can be generated in the first closed circuit including the main coil by the control current of the second closed circuit. The induced electromotive force has a polarity that induces a current in the same direction as the exciting current of the main coil. Therefore, even if there is a portion where a voltage drop that attenuates the excitation current occurs in the first closed circuit, attenuation of the excitation current can be suppressed by the induced electromotive force.
さらに、第1閉回路には、主コイルとは別に補償コイルが設けられ、補償コイルが第2閉回路の制御コイルと磁気的に結合される。よって、補償コイルのインダクタンスの値、制御コイルのインダクタンスの値、両者間の相互インダクタンスの値について、高い設計自由度が得られる。従って、これらの値を、励磁電流の減衰の要因に対応するように適宜設計して、励磁電流の減衰を適切に抑制することができる。また、第1閉回路の電圧降下の大きさは非常に小さいため、制御コイルに発生させる誘導起電力は小さくて済み、補償コイルおよび制御コイルが大規模になることがない。さらに、補償コイルと制御コイルとは超電導コイルであるので、磁場の発生中に電源を接続することなく、長期にわたって電流を流すことができる。従って、長期にわたって時間的に非常に安定度の高い磁場を発生できる。 Further, the first closed circuit is provided with a compensation coil in addition to the main coil, and the compensation coil is magnetically coupled to the control coil of the second closed circuit. Therefore, a high degree of design freedom can be obtained with respect to the inductance value of the compensation coil, the inductance value of the control coil, and the mutual inductance value therebetween. Therefore, these values can be appropriately designed so as to correspond to the decay factor of the excitation current, and the decay of the excitation current can be appropriately suppressed. Further, since the magnitude of the voltage drop of the first closed circuit is very small, the induced electromotive force generated in the control coil is small, and the compensation coil and the control coil do not become large. Furthermore, since the compensation coil and the control coil are superconducting coils, a current can be passed over a long period of time without connecting a power source during the generation of the magnetic field. Therefore, it is possible to generate a magnetic field that is very stable in time over a long period of time.
また、主コイルの電圧の測定結果に基づいて第2閉回路の抵抗の抵抗値を変える制御部をさらに備えた場合、フィードバック制御によって、励磁電流の減衰を適切に抑制することができる。さらに、主コイルの電圧の測定と、抵抗値の調整とは、現状でも、非常に微細なレベルで行うことができる。従って、励磁電流の減衰を微細なレベルで制御して、NMR分析装置などで要求される非常に高い安定度を有する磁場の発生に対応できる。 Moreover, when the control part which changes the resistance value of the resistance of a 2nd closed circuit based on the measurement result of the voltage of a main coil is further provided, attenuation | damping of an exciting current can be suppressed appropriately by feedback control. Furthermore, the measurement of the voltage of the main coil and the adjustment of the resistance value can be performed at a very fine level even in the present situation. Therefore, the attenuation of the excitation current can be controlled at a fine level to cope with the generation of a magnetic field having a very high stability required by an NMR analyzer or the like.
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the embodiments described below are given various technically preferable limitations for carrying out the present invention, but the scope of the present invention is not limited to the following embodiments and illustrated examples.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る磁場発生装置を示す構成図である。本回路図において角が丸い回路部分は接続部を除いて超電導状態の閉回路であることを示している。以降の回路図についても同様である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a magnetic field generator according to a first embodiment of the present invention. In this circuit diagram, the circuit part with rounded corners indicates that it is a closed circuit in a superconducting state except for the connection part. The same applies to the subsequent circuit diagrams.
第1実施形態に係る磁場発生装置1は、主コイル11と補償コイル12と永久電流スイッチ(PCS:Persistent Current Switch)13とを含む第1閉回路C1、並びに、制御コイル21と可変抵抗22と永久電流スイッチ23とを含む第2閉回路C2を備える。第1閉回路C1において、主コイル11と、補償コイル12と、永久電流スイッチ13とは直列に接続される。第2閉回路C2において、制御コイル21と、可変抵抗22と、永久電流スイッチ23とは直接に接続される。さらに、磁場発生装置1は、測定部2と、制御部3と、直流電源15、25と、保護回路素子16、26と、鉄心31と、ヒータ32と、ヒータ電源33と、冷却部40とを備える。可変抵抗22は、本発明に係る抵抗の一例に相当する。
The
冷却部40は、例えばクライオスタットであり、第1閉回路C1と第2閉回路C2とを超電導状態に転移させる転移温度以下に冷却する。
The cooling
主コイル11は、超電導コイルであり、対象の空間Hへ磁場を発生させる。対象の空間Hとは、例えばNMR分析装置又はMRI装置においては分析対象或いは被験者が配置される空間など、磁場の発生が要求される空間を意味する。主コイル11は、例えばREBCO線材(希土類系超電導線材)から構成される。この線材は、LTS線材に比べて強い磁場中でも超電導の性質を維持できる。また、この線材は、HTS線材であり、LTS線材よりも高温で超電導状態に転移する。なお、主コイル11は、全てがREBCO線材から構成される必要なく、例えば、中央部分にREBCO線材のコイル部を有し、周囲にLTS線材のコイル部を有するハイブリッド型の構成を採用してもよい。この場合、REBCO線材のコイル部と、LTS線材のコイル部とは、別回路で駆動されてもよい。LTS線材のコイル部が含まれる場合、冷却部40は液体ヘリウム温度まで低温にされる。
The
補償コイル12は、制御コイル21と磁気的に結合される超電導コイルであり、第2閉回路C2の制御によって誘導起電力を発生する。補償コイル12としては、HTS線材のコイルが適用されても、LTS線材のコイルが適用されてもよい。LTS線材が適用される場合、冷却部40は液体ヘリウム温度まで低温にされる。
The
制御コイル21は、補償コイル12と磁気的に結合される超電導コイルであり、第2閉回路C2に流れる制御電流の変化により、補償コイル12に誘導起電力を発生させる。また、制御コイル21は、磁気エネルギーを保有し、長期に渡って制御電流を流す。制御コイル21としては、HTS線材のコイルが適用されても、LTS線材のコイルが適用されてもよい。LTS線材が適用される場合、冷却部40は液体ヘリウム温度まで低温にされる。制御コイル21は、第1閉回路C1に流れる電流の時間的な安定度を向上させる制御に寄与するため制御コイルと呼んでいる。また、制御コイル21に流れる電流も同じ目的で制御電流と呼んでいる。
The
鉄心31は、補償コイル12と制御コイル21とが巻回される強磁性体のコアであり、補償コイル12と制御コイル21とを磁気的に強く結合させる。鉄心31は、補償コイル12と制御コイル21が保有する磁気エネルギーを高める。鉄心31は、また、ループ状の磁気回路を構成し、対象の空間Hへ磁束が漏れることを抑止する役割も持つ。なお、補償コイル12と制御コイル21とは鉄心31を介さずに磁気的に結合させてもよい。
The
可変抵抗22は、非常に小さな抵抗値を有し、さらに、ヒータ32の加熱によって、抵抗値を変化させる。可変抵抗22としては、高純度の金属、例えば、銅、銀、アルミなどの、残留抵抗比(RRR:Residual Resistivity Ratio)が30以上の金属が採用される。本明細書において、「残留抵抗比」とは、4.2Kにおける比抵抗と室温(例えば300K)における比抵抗の比を意味する。後述の実施例において可変抵抗22の詳細な一例を示す。
The
直流電源15は、保護回路素子16と永久電流スイッチ13と並列に接続され、永久電流スイッチ13が開(常電導状態)のときに主コイル11と補償コイル12とを直流駆動する。これにより主コイル11に励磁電流が流れる。
The
永久電流スイッチ13は超電導線材から構成され、直流電源15が切り離され、且つ、冷却部40が転移温度以下になると、超電導状態になって第1閉回路C1の電流を流す。
The permanent
保護回路素子16は、永久電流スイッチ13が開(常電導状態)となったときに電流を流して第1閉回路C1を保護する。
The
第1閉回路C1には、主コイル11の線材を半田接合する接続部pに、超電導状態に転移しない常電導部が含まれる。従って、第1閉回路C1が転移温度以下になっても、第1閉回路C1に接続部pの抵抗が残り、第1閉回路C1に流れる電流は完全な永久電流とならない。しかし、第1閉回路C1の接続部pの抵抗値は、そこで生じるジュール熱が主コイル11の蓄える磁気エネルギーに比べて非常に小さく、第1閉回路C1には、転移温度以下で永久電流に近い電流が流れる。また、後述する第2閉回路C2の作用によって、第1閉回路C1の電流は安定度がより高められ、第1閉回路C1には永久電流に近い電流が流れる。以下では、この電流を「擬似永久電流」と呼ぶ。擬似永久電流は、主コイル11に磁場を発生させる励磁電流に相当する。
The first closed circuit C1 includes a normal conducting portion that does not shift to the superconducting state in the connecting portion p where the wire of the
直流電源25は、保護回路素子26と永久電流スイッチ23とに並列に接続され、永久電流スイッチ23が開(常電導状態)のときに制御コイル21を励磁して、制御コイル21に制御電流を流す。
The
永久電流スイッチ23は超電導線材から構成され、直流電源25が切り離され、且つ、冷却部40が転移温度以下になると、超電導状態になって第2閉回路C2の電流を流す。
The permanent
保護回路素子26は、永久電流スイッチ23が開(常電導状態)になったときに電流を流して第2閉回路C2を保護する。
The
第2閉回路C2は、転移温度以下になると、可変抵抗22を含んだ抵抗の電力消費により時間の経過に伴って減少する制御電流を流す。可変抵抗22を含んだ抵抗の大きさは、そこで生じるジュール熱が制御コイル21の蓄える磁気エネルギーに比べて非常に小さいので、第2閉回路C2に流れる制御電流の減少率は非常に小さく、制御電流は長い期間に渡って流れる。
When the second closed circuit C2 becomes lower than the transition temperature, a control current that decreases with the passage of time due to the power consumption of the resistors including the
測定部2は、主コイル11の全部又は一部の電圧を測定する。全部の電圧とは主コイル11の両端間の電圧を意味し、一部の電圧とは主コイル11の一部の区間の両端間の電圧を意味する。測定された電圧は、主コイル11に生じた誘導起電力を直接又は間接的に表わす。誘導起電力は、主コイル11に流れる擬似永久電流の変化によって生じる。測定部2は、主コイル11の全部又は一部と常電導体である接続部pとを含んだ区間の電圧を測定してもよい。この場合、測定された電圧から接続部pの電圧降下分を減算して、主コイル11の誘導起電力を推測できる。
The measuring
制御部3は、測定部2の測定結果に基づいて、ヒータ32の発熱量を制御し、これにより可変抵抗22の抵抗値を制御する。制御部3は、測定部2の測定結果に基づいて、擬似永久電流の変化が設定値以下となるように、具体的には、測定部2が測定する電圧値が設定値以下となるようにフィードバック制御を行う。
The
<動作説明>
第1実施形態の磁場発生装置1では、先ず、直流電源15により第1閉回路C1に所定の励磁電流が流され、直流電源25により第2閉回路C2に所定の制御電流が流される。その後、冷却部40が第1閉回路C1と第2閉回路C2とを転移温度以下に冷却し、且つ、直流電源15、25が自身の通電電流をゼロまで下げる。さらに、これらの直流電源15、25が回路から切り離されることもある。これにより、第1閉回路C1では接続部p以外が超電導状態となり擬似永久電流が流れる。また、第2閉回路C2では可変抵抗22と接続部p以外が超電導状態となり時間の経過に伴って減少する制御電流が流れる。
<Description of operation>
In the
励磁電流の値は、主コイル11から高い強度(例えば1.02GHz相当の強度)の磁場が発生されるように設定される。ここで、磁場の強度を、核磁気共鳴現象におけるプロトン核の共鳴周波数で表わしている。この磁場の強度は、LTS線材では超電導の磁場特性により達成が困難な強度である。
The value of the excitation current is set so that a magnetic field having a high intensity (for example, an intensity corresponding to 1.02 GHz) is generated from the
永久電流スイッチ13が超電導状態となって第1閉回路C1に擬似永久電流が流れると、第1閉回路C1の接続部pの電気抵抗により、擬似永久電流を減衰させる電圧降下が生じる。一方、可変抵抗22により第2閉回路C2の制御電流が減少すると、制御コイル21の電流の変化により鉄心31の内部の磁束が減少する。すると、この磁束の減少により、補償コイル12に誘導起電力が発生する。言い換えれば、制御コイル21と補償コイル12との磁気的な結合を介して制御電流の低減により補償コイル12に誘導起電力が生じる。誘導起電力は、擬似永久電流が流れる向きと同一の電流を誘起する極性を有する。すなわち、誘導起電力の電位の高い方から低い方へ向かう向きが、擬似永久電流の向きと同一である。これにより擬似永久電流の減衰が抑制される。
When the permanent
擬似永久電流の変化は主コイル11に誘導起電力を発生させ、測定部2によって、誘導起電力を含んだ主コイル11の一部又は両端の電圧が測定される。制御部3は、この測定結果に基づいて、主コイル11の誘導起電力の大きさ(絶対値)がゼロに近い設定値以下となるように、可変抵抗22の抵抗値を制御する。可変抵抗22の抵抗値の大きさによって、補償コイル12に生じる誘導起電力の大きさが変化し、擬似永久電流の変化量を制御することができる。
The change in the pseudo permanent current causes an induced electromotive force to be generated in the
現状、NMR分析装置に要求される安定度のレベルで磁場強度を精密に測定することは困難だが、電圧であればnVオーダの精度で測定できる。また、この主コイル11に生じる誘導電圧は、可変抵抗22の抵抗値の最適値からの偏差と、ほぼ比例する。このため、制御部3は、精度の高いフィードバック制御により主コイル11の誘導起電力をゼロに維持することができる。これにより、第1閉回路C1に流れる擬似永久電流は永久電流と変わらないくらいに非常に安定する。
At present, it is difficult to accurately measure the magnetic field strength at the stability level required for the NMR analyzer, but with a voltage, it can be measured with an accuracy of the order of nV. The induced voltage generated in the
第1実施形態では、帰還信号として主コイル11の電圧の測定結果を採用し、制御部3は、この帰還信号に基づいて可変抵抗22の抵抗値を制御すると説明した。しかし、可変抵抗22の抵抗値を制御するための帰還信号は、測定される試料の近傍に既知の反応を示す対照試料をセットし、この対照試料からのシグナルを採用してもよい。このシグナルが所定の値をとるように可変抵抗22の抵抗値を制御すれば、主コイル11に一定磁場の形成を継続させることができる。具体的には、重水(D2O)を対照試料とし、そのNMR信号をシグナルとすればよい。
In 1st Embodiment, the measurement result of the voltage of the
ここで、エネルギー側面について補足する。電気抵抗を含む第1閉回路C1および第2閉回路C2では、電気抵抗によりジュール熱が発生する。擬似永久電流の減衰が抑制されるということは、ジュール熱として失われるエネルギーがどこからか補充される必要がある。この補充されるエネルギーは、補償コイル12と制御コイル21とに蓄積される磁気エネルギーから取り出される。よって、第1閉回路C1に流れる擬似永久電流が補償コイル12により補償され一定に保たれる持続時間は、蓄積される磁気エネルギーにより制限される。従って、システムが要求する持続時間を満たすように、補償コイル12、制御コイル21、および鉄心31は設計される。
Here, the energy aspect is supplemented. In the first closed circuit C1 and the second closed circuit C2 including electric resistance, Joule heat is generated by the electric resistance. The fact that the decay of the pseudo permanent current is suppressed requires that energy lost as Joule heat be supplemented from somewhere. This supplemented energy is extracted from the magnetic energy stored in the
以上のように、第1実施形態の磁場発生装置1によれば、主コイル11から対象の空間HにLTS線材の超電導コイルでは発生できない強い磁場であって、時間的に非常に安定度の高い磁場を発生することができる。
As described above, according to the
(第2実施形態)
図2は、本発明の第2実施形態に係る磁場発生装置を示す構成図である。図3は、慣性コイルの一例を示す構成図である。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a block diagram showing a magnetic field generator according to the second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a configuration diagram illustrating an example of an inertia coil.
第2実施形態の磁場発生装置1Aは、第2閉回路C2Aに慣性コイル24が付加される点で、第1実施形態と異なり、その他の部分は第1実施形態と同様である。同様の構成については、同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
The
慣性コイル24は、第2閉回路C2Aにおいて、制御コイル21、可変抵抗22、および永久電流スイッチ23と直列に接続される。図3に示すように、慣性コイル24は、磁気的に孤立できれば、強磁性体のコア35(鉄心等)を有し、これにより自己インダクタンスを大きくしてもよい。コア35は着磁しにくいものがよい。慣性コイル24が磁気的に孤立してないと、外部磁場の変化の影響を受けてしまい、第1閉回路C1の擬似永久電流の安定度を乱す原因にもなりかねない。このような事態を回避するため、慣性コイル24が作る磁束が閉じ込められるように、リング状のコア35が採用されてもよい。
The
<動作説明>
先ず、慣性コイル24を持たない第1実施形態の回路について考察する。以下、L1を補償コイル12の自己インダクタンス、L2を制御コイル21の自己インダクタンス、Rを可変抵抗22の抵抗値、I1を主コイル11及び補償コイル12に流れる擬似永久電流、I2を制御コイル21に流れる制御電流、V1を補償コイル12に生じる誘導起電力として説明する。また、補償コイル12と制御コイル21との磁気的な結合度を100%として説明する。
<Description of operation>
First, the circuit of the first embodiment that does not have the
第1閉回路C1の電流I1が時間的に安定である場合、補償コイル12に生じる誘導起電力V1は、補償コイル12と制御コイル21との相互インダクタンスの関係から、次式(1)のように表わされる。また、補償コイル12に流れる電流が時間的に安定していることから、第2閉回路C2の電圧収支は、次式(2)のように表わされる。
ここで、或る時刻t=tsに電流I1の時間微分がゼロからわずかに負に振れる状況を考える。すると、制御コイル21の誘導起電力に、制御コイル21と補償コイル12との相互インダクタンス由来の項が現れ、第2閉回路C2の電圧収支は、次式(3)のように変化する。
時刻tsの瞬間には、第2閉回路C2の電流I2の時間的な変化率は変化し得るが、電流そのものは不連続に変化しない。ゆえに“I2(ts)=I2(t<ts)”である。ここで、“t<ts”は、“ts”よりも前の電流I1が安定していた時刻を示す。そして、式(2)を用いて式(3)の第3項を書き直すと、次式(4)が得られる。
このように、まずは第2閉回路C2の電流I2の減衰速度が、式(4)の右辺第2項の分だけ小さくなる。さらにその結果、補償コイル12に生じる誘導起電力V1(ts)が次式(5)のように表される。
このようにして、補償コイル12が第1閉回路C1に供給する誘導起電力V1は変化せずに安定を保つ。上述した時刻tsにおける電流I1の時間微分の変化が主コイル11の外部磁場変動により生じたものである場合、電流I1の時間微分の変化が主コイル11にもたらす誘導起電力は、外部磁場変動の影響により相殺される。このため、主コイル11の両端電圧を監視していても、この変化は捉えられないことになる。その後、主コイル11の外部磁場変動が消える際(又は外部磁場変動の速度が元に戻る際)にも、上記と同様の変化が生じるが、やはりこの変化は主コイル11の両端電圧には現れてこない。
In this way, the
さらに、或る期間に外部磁場変動が生じると、この期間に電流I1の時間微分は負に振れ続けていることから、結果的に、検知されることなく主コイル11に流れる擬似永久電流I1が減少してしまうことになる。
Further, if an external magnetic field fluctuation occurs during a certain period, the time derivative of the current I 1 continues to swing negatively during this period. As a result, the pseudo permanent current I flowing in the
図4は、補償コイル、制御コイル、可変抵抗および慣性コイルの関係を示す回路図である。 FIG. 4 is a circuit diagram showing the relationship between the compensation coil, the control coil, the variable resistor, and the inertia coil.
次に、第2実施形態の回路の挙動について説明する。第2実施形態の第2閉回路C2には、図4に示すように、慣性コイル24が直列に含まれる。図4において主コイル11は省略されている。また、補償コイル12と制御コイル21とは鉄心31を介して磁気的に結合し、慣性コイル24はいずれのコイルとも磁気的に結合していない。L1、L2、I1、I2、V1の各変数は上述した通りであり、L3は慣性コイル24の自己インダクタンスを示す。
Next, the behavior of the circuit of the second embodiment will be described. The second closed circuit C2 of the second embodiment includes an
上述した説明と同様に計算を進めると、先ず、第1閉回路C1の電流が時間的に安定である場合、第2実施形態の第2閉回路C2の電圧収支は、次式(6)のように表わされる。
すなわち、補償コイル12が第1閉回路C1に供給する誘導起電力V1には、慣性コイル24があることで、式(8)の右辺第2項分の変化が生じる。この変化は、主コイル11の両端電圧の監視により捉えることができるばかりでなく、第1閉回路C1の電流の変化に対して逆符号となることから、第1閉回路C1の電流の変化を緩和させる方向に働く。
That is, the induced electromotive force V 1 supplied from the
これが第2閉回路C2内の慣性コイル24の役割である。慣性コイル24が存在することにより、第1閉回路C1の電流変化に対して自発的なネガティブ・フィードバックが働く。ネガティブ・フィードバックの強さ、すなわち電流変化の緩和作用の大きさは、慣性コイル24の自己インダクタンスL3の大きさに依存し、この値が大きいほど強い緩和が実現される。すなわち、慣性コイル24の存在により、突発的な要因による擬似永久電流の変化量を小さくできる。
This is the role of the
以上のように、第2実施形態の磁場発生装置1Aによれば、慣性コイル24が存在することで、擬似永久電流を突発的に変化させるような何らかの要因が生じても、この要因が擬似永久電流に与える影響を小さくすることができる。これにより、擬似永久電流の安定度をより高めることができ、時間的に安定した磁場を発生させることができる。
As described above, according to the magnetic
(第3実施形態)
図6は、本発明の実施形態に係るNMR分析装置を示す構成図である。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a configuration diagram showing an NMR analyzer according to the embodiment of the present invention.
本実施形態のNMR分析装置100は、試料が配置される試料配置部101と、第1実施形態の磁場発生装置1或いは第2実施形態の磁場発生装置1Aと、プローブ102と、分光部103と、分析装置104とを有する。試料配置部101は、本発明に係る対象の空間の一例に相当する。
The
磁場発生装置1は、試料配置部101に静磁場を発生させる。プローブ102は、試料配置部101に核磁気共鳴の周波数成分を含んだ電波を照射し、試料から出力されるNMR信号の検出を行う。分光部103および分析装置104は、プローブ102により検出されたNMR信号のスペクトル解析を行う。
The
本実施形態のNMR分析装置100によれば、磁場発生装置1(又は1A)によりLTS線材の超電導コイルでは発生できなかった高い強度(例えば1.02GHz相当の強度)の磁場を発生することができる。さらに、第1閉回路C1に超電導状態に転移しない接続部pが含まれていても、非常に安定度の高い磁場が発生される。これにより、核磁気共鳴の信号の精度を高くすることができ、より精密な試料の分析を行うことができる。
According to the
(変形例)
第1及び第2実施形態の磁場発生装置1、1Aについて、NMR分析装置又はMRI装置に適用する上で、まだ改善の余地がある。第1及び第2実施形態の磁場発生装置1、1Aは、疑似永久電流の持続時間が有限であり、その時間が経過したのちは制御コイル21を再度励磁する必要があるからである。再度励磁する際の不都合は、扁平な断面形状のHTS線材を用いた超電導コイルにおいて比較的に大きく現れる。HTS線材の超電導コイルに比較的強い電圧が印加されてその電流が変化すると、それによる磁場の変化を打ち消す遮へい電流分布が形成される。これが時間的に変化するため、NMR分析装置又はMRI装置にとって悪影響を及ぼす磁場変動をもたらしてしまうためである。
(Modification)
The
第1及び第2実施形態の疑似永久電流においては、持続時間の限界は第2閉回路C2の電流減衰によりもたらされる。主コイル11の疑似永久電流の駆動を再開させるためには第2閉回路C2の電流を回復させなければならないが、その際に制御コイル21を再励磁することになる。制御コイル21の励磁はそれと磁気的に結合した補償コイル12に誘導電圧をもたらし、補償コイル12と電流回路でつながっている主コイル11に電圧を印加することになる。すなわち第2閉回路C2の電流復元操作が主コイル11への電圧印加をもたらし、その結果磁場変動の要因となる遮へい電流が主コイル11に形成されてしまう。続いて、このような課題を解決する変形例について説明する。
In the pseudo-permanent current of the first and second embodiments, the duration limit is caused by the current decay of the second closed circuit C2. In order to resume the driving of the pseudo permanent current of the
図5は、本発明の実施形態の変形例に係る磁場発生装置を示す構成図である。変形例の磁場発生装置1Zは、2つの補償コイル12、12Zと、2つの補償コイル12、12Zとそれぞれ磁気的に結合された2つの第2閉回路C2(図1を参照、図5では図示略)とを備える。第1実施形態の第2閉回路C2の代わりに第2実施形態の第2閉回路C2A(図2を参照)が採用されてもよい。2つの補償コイル12、12Zは、各々が主コイル11と直列に接続され、かつ互いに並列に接続されている。2つの補償コイル12、12Zをそれぞれ含んだ2つの並列な電流経路rt1、rt2には、各々に永久電流スイッチ13、13Zが設けられている。すなわち、永久電流スイッチ13、13Zの開閉により2つの並列な電流経路rt1、rt2が独立して開閉可能に構成されている。主コイル11の直流電源15は、2つの並列な電流経路rt1、rt2と並列になるように接続される。
FIG. 5 is a configuration diagram showing a magnetic field generator according to a modification of the embodiment of the present invention. The modified magnetic field generator 1Z includes two
<動作説明>
このような変形例の磁場発生装置1Zでは、一方の補償コイル12と一方の第2閉回路C2の作用によって主コイル11の電圧降下を補償しているとき、もう一方の補償コイル12Zの電流経路rt2を永久電流スイッチ13Zにより開いておく。そして、一方の補償コイル12に対応する第2閉回路C2の持続時間の限界が来たところで、もう一方の補償コイル12Zの電流経路rt2を永久電流スイッチ13Zにより閉じることで、補償コイル12Zともう一方の第2閉回路C2の作用によって主コイル11の電圧降下を補償する。
<Description of operation>
In the magnetic field generator 1Z of such a modification, when the voltage drop of the
第1閉回路C1の全電流を一方の補填コイル12の経路からもう一方の補填コイル12Zの経路へ移行させる際には、交代前の補填コイル12と磁気結合された制御コイル21の電流を上げると同時に、交代先の補填コイル12Zと磁気結合された制御コイル21Zの電流を下げる。これらの電流変化の速度を一致させれば、両方の補償コイル12、12Zから主コイル11にもたらされる誘導電圧が打消し合い、主コイル11に電圧を印加することなく、主コイル11に流れる電流を電流経路rt1から電流経路rt2へ切り替えることができる。また、交代前の制御コイル21の電流上昇を任意に行い、主コイル11の両端電圧を計測してそれがゼロになるように交代先の制御コイル21Zの電流減衰速度を制御すれば、電流経路rt1、rt2の移行の間も、主コイル11の擬似永久電流の電流経路上にある接続抵抗の電圧降下を打ち消すことができる。
When the total current of the first closed circuit C1 is transferred from the path of one of the compensation coils 12 to the path of the
このように、第2閉回路C2の持続時間の限界が来たところで電流経路を切り替えるという操作を繰り返すことで、文字通りの永久電流駆動を擬似的に実現することが可能となる。 As described above, by repeating the operation of switching the current path when the limit of the duration of the second closed circuit C2 is reached, it becomes possible to realize literally permanent current driving in a pseudo manner.
(第4実施形態)
図7は、本発明の実施形態に係るMRI装置を示す構成図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 7 is a configuration diagram showing an MRI apparatus according to an embodiment of the present invention.
本実施形態のMRI装置200は、被験者が配置される被験者配置部201と、第1実施形態の磁場発生装置1或いは第2実施形態の磁場発生装置1Aと、傾斜磁場コイル202と、電波送受信部203と、データ収集部204と、データ処理部205とを備える。被験者配置部201は、本発明に係る対象の空間の一例に相当する。
The
磁場発生装置1は、被験者配置部201に静磁場を発生させる。傾斜磁場コイル202は、被験者配置部201に傾斜磁場を発生させる。電波送受信部203は、プロトンに核磁気共鳴する電波の送信と受信とを行う。データ収集部204は傾斜磁場により核磁気共鳴が生じる位置と受信された電波の強度とを収集する。データ処理部205は収集された情報に基づいて三次元画像を生成する。
The
本実施形態のMRI装置200によれば、磁場発生装置1(又は1A)によりLTS線材の超電導コイルでは発生できなかった高い強度(例えば1.02GHz相当の強度)の磁場を発生することができる。さらに、第1閉回路C1に超電導状態に転移しない接続部pが含まれていても、非常に安定度の高い磁場が発生される。これにより、受信信号のS/N比を向上でき、さらに核磁気共鳴の周波数が高くなることで、より精密な被験者の断層撮影が可能となる。
According to the
以上、本発明の各実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に制限されない。例えば、上記実施形態では、強い磁場を発生させるために、主コイル11をREBCO線材のコイル部を含む構成とした。しかし、主コイル11は、例えばBSCCO線材又はMgB2超電導線材のコイル部を含む構成としてもよい。このような場合でも、線材同士を接続する接続部に超電導状態に転移できない部分が含まれてしまうが、この影響を配して非常に時間的に安定した磁場を発生できるという効果が得られる。
The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the
また、上記実施形態では、制御部3は、フィードバック制御により可変抵抗22を制御する構成を一例にとって説明した。しかし、第1閉回路C1と第2閉回路C2の各接続部の抵抗値が予め分かれば、制御すべき抵抗値の時間的な変化を計算により求めることができる。従って、制御部3は、フィートバック制御によらずに、予め求められた計算結果に従って可変抵抗22を制御する構成としてもよい。また、発生する磁場の持続時間が短くてよいのであれば、可変抵抗22の抵抗値を一定値としてもよく、この場合でも、擬似永久電流の減衰量を低減して、時間的に安定した磁場を発生することができる。また、各実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
In the above-described embodiment, the
次に、第1実施形態の磁場発生装置1についてより具体化した実施例1について説明する。実施例1では、構成要素の各パラメータの値の一例を示し、且つ、磁場発生装置1の磁場の発生の継続時間についても説明する。
Next, a more specific example 1 of the
<冷却部と主コイル>
冷却部40の冷却方式としては伝導冷却を適用できる。冷却部40は、ヒータ32による温度調整が行われない状況で、30K前後まで冷却されるものとする。
<Cooling section and main coil>
Conductive cooling can be applied as a cooling method of the cooling
主コイル11の自己インダクタンスは10Hに設定される。ただし本発明は主コイル11の自己インダクタンスの大小にかかわらず適用可能である。また、主コイル11が直流駆動される電流値は300Aに設定される。なお、主コイル11の駆動電流が大きくなると回路中の接続部の抵抗による発熱が大きくなる。その場合、第2閉回路C2の電流も合わせて大きくするなどの対策をとることで、本発明の適用が可能となる。ここで、主コイル11としては、NMR分析装置で利用されるハイブリッド型の超電導コイルに含まれるHTS線材のコイル部が想定されてもよい。主コイル11と補償コイル12と永久電流スイッチ13とを含む第1閉回路C1は、REBCO線材により構成される。この場合、30K前後まで冷却された際の第1閉回路C1の臨界電流は300Aより十分に大きくなる(たとえば400A)。従って、上記の電流値の設定によれば、第1閉回路C1で超電導のクエンチが生じる恐れがない。
The self-inductance of the
主コイル11が含まれる第1閉回路C1には、複数箇所に半田による接続部が含まれる。接続部には冷却時にも電気抵抗が残る。REBCO線材の接続部pの電気抵抗は、1箇所あたり0.01μ〜0.02μΩであり、複数箇所の接続部pの抵抗値の合計は、約0.1μΩと想定される。従って、第1閉回路C1に、300Aの直流電流が流れるとき、第1閉回路C1の全接続部における電圧降下の合計は約30μV、ジュール熱の合計は約9000μW=9mWと想定される。
The first closed circuit C1 including the
<補償コイルと制御コイル>
補償コイル12と制御コイル21とは、図1に示すように、リング状の鉄心31に巻回される。補償コイル12と制御コイル21との各自己インダクタンスは20mHに設定される。なお、この自己インダクタンスの値は第1閉回路C1の擬似永久電流を一定に持続できる時間を規定する。この持続時間が短くてもよい場合には、この自己インダクタンスをこれより小さくしてもよい。自己インダクタンスの値を大きくするには各コイルの巻き数を増やせばよいが、必要となる超電導線材の量が増加してしまい、製造コストの増大などのデメリットをもたらす。自己インダクタンスには、鉄心31の磁化による増加分が含まれるので、補償コイル12および制御コイル21の各体積は小規模なものとなる。鉄心31は、鉄心31を通る磁束密度が鉄心31の着磁を回避できる大きさになるように、断面積が大きく設計される。また、鉄心31は、補償コイル12と制御コイル21以外のコイル(例えば主コイル11)の磁束の影響を受けないように配置され、必要があればシールドされる。
<Compensation coil and control coil>
The
<可変抵抗>
図8は、可変抵抗の一例を示す構成図である。
<Variable resistance>
FIG. 8 is a configuration diagram illustrating an example of a variable resistor.
可変抵抗22は、両端にHTS線材がはんだ付けされた金属であり、例えばブロック状の高純度の金属を採用できる。一般に、極低温環境において、高純度の金属は温度依存性のある電気抵抗率を有する。この性質により、可変抵抗22は、温度を変化させることで電気抵抗が変化する。可変抵抗22の材料としては、前述したが、残留抵抗比が30以上の金属を採用できる。例えば、可変抵抗22の材料としては、C1020(JIS規格)の銅を採用できる。この材料は、例えば50前後の残留抵抗比を有する、本明細書において、「残留抵抗比」とは、4.2Kにおける比抵抗と室温(例えば300K)における比抵抗の比を意味する。
The
可変抵抗22の温度を冷却部40内においてヒータ32により制御できる範囲は、下限が冷却部40の冷却温度に規定される。また、上限は可変抵抗22の両端に接続される超電導線材が超電導状態を維持できる温度に規定される。冷却部40の冷却温度は、比較的安価な1段のGM冷凍機(Gifford-McMahon cooler)が採用された場合、30K前後となる。また、可変抵抗22の両端にREBCO線材が接続されるとすれば、線材が超電導状態を維持し、十分な臨界電流を保持し得る70〜80Kが現実的な温度の上限値となる。従って、制御可能な可変抵抗22の温度範囲は30〜80Kとなる。
The lower limit of the range in which the temperature of the
ここでは、可変抵抗22にC1020の銅を採用し、且つ、可変抵抗22の温度を、制御可能な範囲内として40Kから77K(液体窒素の1気圧での沸点温度、以下「液体窒素温度」と呼ぶ)で変化させた場合を想定する。この場合、可変抵抗22の電気抵抗率は、液体窒素温度で2μΩ・mmとなり、40Kで0.5μΩ・mmと変化する。また、可変抵抗22の抵抗値は4倍に増大する。
Here, C1020 copper is adopted for the
可変抵抗22の温度制御は、可変抵抗22の互いに反対を向く第1面S1と第2面S2とに、それぞれヒータ32と冷却板と接触させて行う。そして、ヒータ32の出力(熱量)を変化させる。可変抵抗22のうち、HTS線材M1が半田接合される面は、互いに反対を向く一対の第3面S3および第4面S4とし、第1面S1と第2面S2と異なる面とする。この構成では、可変抵抗22の内部に温度勾配が生じるが、ヒータ32の出力と可変抵抗22の抵抗値とを対応づけることができる。ヒータ32が接触される第1面S1および冷却板が接触される第2面S2は、互いの間隔が狭く、且つ、各面積が大きいと好ましい。これにより、可変抵抗22の抵抗値を制御する精度或いは制御に要する応答速度を高めることができる。
The temperature control of the
<擬似永久電流の補償効果の持続時間>
続いて、上記構成の磁場発生装置1により発生される磁場の持続時間について述べる。
<Duration of pseudo permanent current compensation effect>
Next, the duration of the magnetic field generated by the
補償コイル12と制御コイル21に生じる誘電起電力に関しては、上述の関係式(1)が成り立つ。誘導起電力V1が、第1閉回路C1に含まれる常電導部分の電圧降下と一致するとき、第1閉回路C1に流れる擬似永久電流の減衰量はゼロとなる。主コイル11が減衰量ゼロの擬似永久電流で駆動されるとき、第1閉回路C1の接続部pの電圧降下が一定となる。この条件を式(1)に付加すると、次式(9)が導かれる。
そして、臨界時間tcを、I2(t)=0となる時間として定義すれば、臨界時間tcは、次式(10)のように表される。
また、第1閉回路C1の擬似永久電流が一定であるとき、第2閉回路C2の制御電流I2と電圧降下との関係式は、次式(11.1)となる。これから第2閉回路C2の抵抗成分の値R(t)が、次式(11.2)のように導かれる。
式(11.2)から、臨界時間tcでは抵抗値R(t=tc)が発散することが分かる。このため、一定の擬似永久電流を維持していられる持続時間は、臨界時間tcよりも短い時間となる。臨界時間tcに対する実際の持続時間の割合は、可変抵抗22を含む抵抗の値R(t)をどれだけ大きくできるかによって決まる。また、式(11.2)から抵抗値の初期値が決められる。
From the equation (11.2), it can be seen that the resistance value R (t = t c ) diverges at the critical time t c . For this reason, the duration during which a constant pseudo-permanent current can be maintained is shorter than the critical time t c . The ratio of the actual duration to the critical time t c is determined by how much the resistance value R (t) including the
実施例1では、補償コイル12と制御コイル21とのインダクタンスが等しく(L1=L2)、第1閉回路C1と第2閉回路C2との初期電流が等しい構成を想定している。この構成では、抵抗値の初期値R(0)は、第1閉回路C1の全抵抗値と一致するので、0.1μΩとなる。仮に、可変抵抗22により第2閉回路C2の抵抗値を初期値R(0)の2倍まで大きくできるとすると、持続時間は臨界時間の2分の1となる。実施例1の各パラメータの値を代入して計算すれば、持続時間は100,000秒≒28時間と求められる。
The first embodiment assumes a configuration in which the inductances of the
NMR分析装置の測定時間は、通常、28時間などの長い時間を要することはない。従って、実施例1に示した磁場発生装置1によれば、NMR分析装置に要求される安定した磁場を十分に長い時間発生させることができる。一方、試料によっては分析に数日を要する場合がある。この場合でも、補償コイル12と制御コイル21との自己インダクタンスを高めて、臨界時間tcを延ばすことで、持続時間を対応できる長さに延ばすことができる。インダクタンスを高めるには、鉄心31を大きくし、補償コイル12と制御コイル21との巻き数を増やせばよい。
The measurement time of the NMR analyzer usually does not require a long time such as 28 hours. Therefore, according to the
<可変抵抗の寸法>
ここでは、上述の磁場の持続時間の説明の中で述べた抵抗値R(t)の変化(0.1μから0.2μΩ)を実現するための可変抵抗の寸法について説明する。
<Dimensions of variable resistance>
Here, the dimension of the variable resistor for realizing the change of the resistance value R (t) (0.1 μ to 0.2 μΩ) described in the description of the duration of the magnetic field will be described.
抵抗値の初期値0.1μΩは、可変抵抗22の銅のブロック部22aの抵抗値ではない。ブロック部22aとHTS線材M1とは半田付けされるが、この半田付けの部分にゼロでない接続抵抗が生じる。幅4mmのREBCO線材の場合典型的な接続抵抗の大きさは、第3面S3と第4面S4の両方、接続長1cmで0.2μΩ程度である。接続抵抗は、接続長に反比例し、可変抵抗22とHTS線材M1との接続長を10cm(=100mm)とすると、接続抵抗は0.02μΩとなる。さらに第2閉回路C2の永久電流スイッチ23などの他の接続部pの抵抗が0.03μΩ程度ある。これらから、可変抵抗22のブロック部22aの抵抗値の初期値は、残りの0.05μΩとすればよい。
The initial resistance value of 0.1 μΩ is not the resistance value of the
HTS線材M1の接続部の長さdと幅wは、100mmと線材の幅4mmと規定する。すると、可変抵抗22のブロック部22aの1辺の長さdは100mm、もう1辺の幅wは4mmと決まる。可変抵抗22の初期温度を40Kとすると、上述したように初期温度40Kの銅の電気抵抗率は0.5μΩ・mmである。従って、可変抵抗22の抵抗の初期値0.05μΩとすると、可変抵抗22のブロック部22aの残りの1辺の長さhは40mmとすれば良いことが分かる。
The length d and width w of the connecting portion of the HTS wire M1 are defined as 100 mm and the wire width 4 mm. Then, the length d of one side of the
REBCO線材であるHTS線材M1の接続抵抗には温度依存性がほとんどない。従って、第2閉回路C2の全体の抵抗を0.1μから0.2μΩのように変化させるためには、可変抵抗22のブロック部22aの抵抗値は、初期値0.05μΩから温度変化によって3倍の0.15μΩまで増加させる必要がある。この増加は、温度変化に換算すると残留抵抗比50の銅において40Kから70Kの変化に相当する。
The connection resistance of the HTS wire M1, which is a REBCO wire, has almost no temperature dependence. Therefore, in order to change the overall resistance of the second closed circuit C2 from 0.1 μ to 0.2 μΩ, the resistance value of the
さらに、第2閉回路C2の制御電流の大きさは、初期値300A、持続時間の経過後には150Aとなることが想定される。すなわち、可変抵抗22に近いHTS線材M1には、40Kにおいて300A、70Kにおいて150Aの電流が流れることになる。幅4mmのREBCO線材であれば、どちらの温度でもこれらの電流値は臨界電流を下回っており、通電が困難になる恐れがない。
Furthermore, the magnitude of the control current of the second closed circuit C2 is assumed to be an initial value of 300A and 150A after elapse of the duration. That is, a current of 300A at 40K and 150A at 70K flows through the HTS wire M1 close to the
<制御部によるヒータの制御>
制御部3は、主コイル11の電圧を監視して、ヒータ32の出力制御を行う。このとき、制御部3は、可変抵抗22の温度を監視しなくてもよい。ここで、主コイル11を構成する線材の途中に接続部pが含まれる場合、制御部3は、接続部pを含まない主コイル11の一部の電圧を監視する構成とするとよい。擬似永久電流が厳密に一定であれば、主コイル11には電圧が生じない。従って、制御部3は、主コイル11に電圧が生じないようにヒータ32の出力を制御する。
<Control of heater by control unit>
The
NMR分析装置の分野では、磁場を発生させる永久電流に要求される安定度を、回路に含まれる抵抗値に換算した値として、10−11Ωが安定度の一つの基準とされている。第1閉回路C1に、この値の抵抗が含まれているとき、第1閉回路C1に300Aの電流を流すと3nVの電圧降下が生じ、これと同じ誘導起電力が主コイル11に生じることになる。よって、制御部3は、主コイル11に3nV以上の電圧が生じないようにフィードバック制御によりヒータ32を制御する。ヒータ32の出力を上げると可変抵抗22の温度が上昇してその抵抗値が増大し、制御コイル21の電流の減少速度が上昇する。その結果、磁気的に結合した補償コイル12に生じる誘導起電力が増加する。ヒータ32の出力を下げると可変抵抗22の温度が低下して抵抗値が減少し、制御コイル21の電流の減少速度が低下する。これにより、磁気的に結合した補償コイル12に生じる誘導起電力が減少する。上記の3nV以下を基準とした制御部3のフィードバック制御により、NMR分析装置に要求される擬似永久電流の安定度を達成することができる。そして、NMR分析装置に要求される磁場の安定度が達成される。
In the field of NMR analyzers, 10 −11 Ω is one criterion for stability, which is a value obtained by converting the stability required for a permanent current that generates a magnetic field into a resistance value included in a circuit. When the resistance of this value is included in the first closed circuit C1, if a current of 300 A is passed through the first closed circuit C1, a voltage drop of 3 nV occurs, and the same induced electromotive force is generated in the
<測定部>
測定部2は、nVオーダの微小な電圧を測定する。nVオーダの電圧を測定する測定器は実用化されているが、実施例1の測定部2はプローブとなる配線に以下の構造を有する。電圧測定の配線に生じるノイズとしては、熱起電力と誘導電圧の二つがある。熱起電力は両極の2つの配線の端部の温度差により生じる電圧である。冷却部40が、冷媒の浸漬冷却により主コイル11を冷却する構成の場合は温度差が生じにくいが、伝導冷却の場合には温度差が生じえる。従って、伝導冷却の場合、測定部2の配線が接続される主コイル11の2つの部位に温度差が生じないように冷却される構成が採用されるとよい。温度差が生じてしまう場合には、熱電対などを用いて温度差を測定し、測定部2の測定結果に温度差による熱起電力を減算する補正を行う構成を採用してもよい。
<Measurement unit>
The measuring
誘導電圧は、測定部2の配線が作る閉曲線で囲まれる面を貫く磁束の変化により引き起こされる。誘導電圧を防ぐ対策としては、測定部2のプローブとなる2つの配線をねじって二重らせん構造とし、その間を貫く磁束の符号をこまめに反転させてキャンセルしてしまう方法等を採用できる。或いは、周囲を導体に囲まれたシールド線を測定部2のプローブの配線に用いる方法等を採用できる。
The induced voltage is caused by a change in magnetic flux passing through a surface surrounded by a closed curve formed by the wiring of the
主コイル11に流れる擬似永久電流の変化は、加えられた電圧の時間積分に比例する。ゆえに、比較的大きな電圧が主コイル11に加えられても、それが短い時間で解消するスパイク電圧などであれば、擬似永久電流の変化にはほとんど影響しない。逆に、制御部3がそれに過剰に反応してしまう方が擬似永久電流の安定化に逆効果をもたらす可能性がある。従って、測定部2は、測定結果から短時間の電圧変化を除去するローパス・フィルタを備えてもよい。
The change of the pseudo permanent current flowing through the
以上のように、実施例1の磁場発生装置1によれば、LTS線材の超電導コイルでは発生できない強い磁場を発生することができ、さらにNMR分析装置に要求される高い安定度で長時間にかけて磁場の発生を継続できる。
As described above, according to the
次に、第1実施形態の磁場発生装置1Aについてより具体化した実施例2について説明する。実施例2の磁場発生装置1Aは、慣性コイル24が追加された点が、実施例1と異なる。慣性コイル24は第1閉回路C1に生じる突発的な電流変化を自発的に緩和させるものであるが、ここでは緩和作用以外の慣性コイル24による影響について説明する。
Next, a more specific example 2 of the
慣性コイル24の自己インダクタンスの最適値は、磁場発生装置1Aおよびこれを利用するシステムの特性によって決められるべきであるが、ここでは例えば10mHと設定する。慣性コイル24が加わっても、前述の式(9)、式(10)、式(11.1)は成立する。しかし、慣性コイル24が加わることで、第2閉回路C2の抵抗値R(t)の方程式は前述の式(11.2)と異なり、次式(12)のように表わされる。
可変抵抗22のブロック部22aの抵抗値は、例えば、ブロック部22aの幅寸を実施例1の1.5倍の60mmとすれば得られる。また、温度に依存しない接続抵抗の増加分は、慣性コイル24が加わったことでHTS線材の接続部pが増加することにより補われると予想される。すなわち、第2閉回路C2を構成するデバイスの数が2つから3つへと1.5倍に増えたことで、接続部pの数も1.5倍となり、その合計の接続抵抗も1.5倍程度になると予想される。接続部pの増加分による抵抗値の増加量が1.5倍より小さければ、可変抵抗22のブロック部22aの抵抗を大きくして補えばよい。この場合、実施例1と同じ温度範囲で変えられる抵抗値の範囲がより大きくなるので、より好ましい。逆に、接続部pの増加分よる抵抗値の増加量が1.5倍より大きければ、可変抵抗22のブロック部22aの抵抗を小さくして補ってもよいし、慣性コイル24の自己インダクタンスを大きくするという方法により対処してもよい。後者の場合、抵抗成分の増加分が1.5倍より大きくなるので、上述の方法で抵抗値を補うことができる。また、慣性コイル24の自己インダクタンスを大きくした場合、第1閉回路C1に生じる突発的な電流変化を自発的に緩和させるという作用が強くなることから、擬似永久電流の安定度をより向上できるという利点が生じる。
The resistance value of the
以上のように、実施例2の磁場発生装置1Aによれば、NMR分析装置に要求されるような非常に高い安定度を有する磁場を発生できる。さらに、電流変化を生じさせる突発的な要因が生じても、この影響を緩和できるという効果が得られる。
As described above, according to the
1 磁場発生装置
2 測定部
3 制御部
C1 第1閉回路
C2、C2A 第2閉回路
11 主コイル
12 補償コイル
13、23 永久電流スイッチ
15、25 直流電源
16、26 保護回路素子
21 制御コイル
22 可変抵抗(抵抗)
24 慣性コイル
32 ヒータ
33 ヒータ電源
100 NMR分析装置
200 MRI装置
DESCRIPTION OF
24
Claims (9)
超電導コイルであり前記補償コイルと磁気的に結合された制御コイルと、前記制御コイルと直列に接続された抵抗とを含み、前記抵抗の電力消費により時間の経過に伴って減少する制御電流が流れる第2閉回路と、
を備え、
前記制御コイルと前記補償コイルとの磁気的な結合を介して前記制御電流の低減により前記補償コイルに生じる誘導起電力が、前記励磁電流と同じ向きの電流を誘起する極性を有することを特徴とする磁場発生装置。 A first closed circuit including a main coil that is a superconducting coil and generates a magnetic field in a target space; and a compensation coil that is a superconducting coil and is connected in series with the main coil;
A control coil, which is a superconducting coil and is magnetically coupled to the compensation coil, and a resistor connected in series with the control coil, a control current that decreases with the passage of time due to power consumption of the resistor flows. A second closed circuit;
With
The induced electromotive force generated in the compensation coil by reducing the control current through the magnetic coupling between the control coil and the compensation coil has a polarity that induces a current in the same direction as the excitation current. Magnetic field generator.
前記測定部の測定結果に基づいて前記抵抗の抵抗値を変化させる制御部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の磁場発生装置。 A measuring unit for measuring the voltage of the whole or a part of the main coil;
A control unit that changes a resistance value of the resistor based on a measurement result of the measurement unit;
The magnetic field generator according to claim 1, further comprising:
前記抵抗は、残留抵抗比が30以上の金属であり、
前記制御部は、前記ヒータにより前記抵抗を加熱して前記抵抗の抵抗値を変化させることを特徴とする請求項2記載の磁場発生装置。 A heater for heating the resistor;
The resistance is a metal having a residual resistance ratio of 30 or more,
The magnetic field generator according to claim 2, wherein the control unit changes the resistance value of the resistor by heating the resistor with the heater.
超電導コイルであり前記制御コイルおよび前記抵抗と直列に接続される慣性コイルをさらに含むことを特徴とする請求項1から請求項5の何れか一項に記載の磁場発生装置。 The second closed circuit is:
The magnetic field generator according to any one of claims 1 to 5, further comprising an inertia coil that is a superconducting coil and is connected in series with the control coil and the resistor.
前記複数の補償コイルとそれぞれ磁気的に結合された複数の前記第2閉回路とを備え、
前記複数の補償コイルは、各々が前記主コイルと直列に接続され、かつ互いに並列に接続されていることを特徴とする請求項1から請求項6の何れか一項に記載の磁場発生装置。 A plurality of the compensation coils;
A plurality of second closed circuits magnetically coupled to the plurality of compensation coils, respectively.
The magnetic field generator according to claim 1, wherein each of the plurality of compensation coils is connected in series with the main coil and connected in parallel to each other.
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