JP2024035576A - Superconducting magnet device and magnetic resonance imaging device - Google Patents
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Abstract
【課題】主磁場の急激な変化を抑制すること。【解決手段】超電導磁石装置は、超電導コイルと、熱輻射シールドと、第1スイッチと、補償コイルとを備える。前記超電導コイルは、超電導線により形成される。前記熱輻射シールドは、前記超電導コイルに対する熱輻射を遮蔽する。前記第1スイッチは、前記超電導コイルを有する閉回路を形成する。前記補償コイルは、前記超電導コイルにクエンチが発生した場合に、当該超電導コイルによる磁場の変化を補償する磁場を発生させる。【選択図】図1[Problem] To suppress rapid changes in the main magnetic field. A superconducting magnet device includes a superconducting coil, a thermal radiation shield, a first switch, and a compensation coil. The superconducting coil is formed of superconducting wire. The thermal radiation shield shields thermal radiation from the superconducting coil. The first switch forms a closed circuit with the superconducting coil. The compensation coil generates a magnetic field that compensates for changes in the magnetic field caused by the superconducting coil when quenching occurs in the superconducting coil. [Selection diagram] Figure 1
Description
本明細書及び図面に開示の実施形態は、超電導磁石装置、及び磁気共鳴イメージング装置に関する。 Embodiments disclosed in this specification and the drawings relate to a superconducting magnet device and a magnetic resonance imaging device.
従来、超電導磁石装置が有する超電導コイルの一部が超電導状態から常電導状態に変化するクエンチが発生した場合に、超電導コイルに流れる電流を短時間で減衰することで超電導線を保護している。 Conventionally, when a quench occurs in which a part of a superconducting coil included in a superconducting magnet device changes from a superconducting state to a normal conducting state, the superconducting wire is protected by attenuating the current flowing through the superconducting coil in a short period of time.
超電導コイルに流れる電流を短時間で減衰することに伴い、主磁場が急激に変化し、超電導磁石装置の内部に配置された高導電性材料に渦電流が発生することがある。さらに、高導電性材料には、渦電流と主磁場とによりローレンツ力が発生することがある。特に、熱輻射シールドには、渦電流と主磁場とにより大きなローレンツ力にかかることがある。 As the current flowing through the superconducting coil is attenuated in a short period of time, the main magnetic field changes rapidly, and eddy currents may be generated in the highly conductive material disposed inside the superconducting magnet device. Additionally, Lorentz forces can be generated in highly conductive materials due to eddy currents and the main magnetic field. In particular, thermal radiation shields can be subject to large Lorentz forces due to eddy currents and the main magnetic field.
しかしながら、ローレンツ力に耐える構造にしようとすると設計の選択肢を限定してしまうことになる。そのため、渦電流の発生を低減するために、主磁場の急激な変化を抑制する技術が求められている。 However, if a structure is to withstand Lorentz force, design options will be limited. Therefore, in order to reduce the generation of eddy currents, there is a need for technology that suppresses rapid changes in the main magnetic field.
本明細書及び図面に開示の実施形態が解決しようとする課題の一つは、主磁場の急激な変化を抑制することである。ただし、本明細書及び図面に開示の実施形態により解決しようとする課題は上記課題に限られない。後述する実施形態に示す各構成による各効果に対応する課題を他の課題として位置づけることもできる。 One of the problems that the embodiments disclosed in this specification and drawings attempt to solve is to suppress sudden changes in the main magnetic field. However, the problems to be solved by the embodiments disclosed in this specification and the drawings are not limited to the above problems. Problems corresponding to the effects of each configuration shown in the embodiments described later can also be positioned as other problems.
実施形態に係る超電導磁石装置は、超電導コイルと、熱輻射シールドと、第1スイッチと、補償コイルとを備える。前記超電導コイルは、超電導線により形成される。前記熱輻射シールドは、前記超電導コイルに対する熱輻射を遮蔽する。前記第1スイッチは、前記超電導コイルを有する閉回路を形成する。前記補償コイルは、前記超電導コイルにクエンチが発生した場合に、当該超電導コイルによる磁場の変化を補償する磁場を発生させる。 A superconducting magnet device according to an embodiment includes a superconducting coil, a thermal radiation shield, a first switch, and a compensation coil. The superconducting coil is formed of superconducting wire. The thermal radiation shield shields thermal radiation from the superconducting coil. The first switch forms a closed circuit with the superconducting coil. The compensation coil generates a magnetic field that compensates for a change in the magnetic field caused by the superconducting coil when quench occurs in the superconducting coil.
以下、図面を参照しながら、本実施形態に関する超電導磁石装置、及び磁気共鳴イメージング装置について説明する。以下の実施形態では、同一の参照符号を付した部分は同様の動作をおこなうものとして、重複する説明を適宜省略する。 Hereinafter, a superconducting magnet device and a magnetic resonance imaging device according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts with the same reference numerals perform similar operations, and redundant explanations will be omitted as appropriate.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係るMRI(Magnetic Resonance Imaging)装置100の一例を示す図である。図1に示すように、MRI装置100は、静磁場磁石101と、傾斜磁場コイル103と、傾斜磁場電源105と、寝台107と、寝台制御回路109と、送信回路113と、送信コイル115と、受信コイル117と、受信回路119と、撮像制御回路121と、システム制御回路123と、メモリ125と、入力インターフェース127と、ディスプレイ129と、処理回路131と、を備える。MRI装置100は、磁気共鳴イメージング装置の一例である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing an example of an MRI (Magnetic Resonance Imaging)
静磁場磁石101は、中空の略円筒形状に形成された磁石である。静磁場磁石101は、内部の空間に略一様な静磁場を発生する。静磁場磁石101としては、例えば、超伝導磁石等が使用される。また、静磁場磁石101は、超電導磁石装置200(図2参照)を有する。
The
傾斜磁場コイル103は、中空の略円筒形状に形成されたコイルであり、円筒形の冷却容器の内面側に配置される。傾斜磁場コイル103は、傾斜磁場電源105から個別に電流供給を受けて、互いに直交するX、Y、及びZの各軸に沿って磁場強度が変化する傾斜磁場を発生する。傾斜磁場コイル103によって発生されるX、Y、Z各軸の傾斜磁場は、例えば、スライス選択用傾斜磁場、位相エンコード用傾斜磁場および周波数エンコード用傾斜磁場を形成する。スライス選択用傾斜磁場は、任意に撮像断面を決めるために利用される。位相エンコード用傾斜磁場は、空間的位置に応じて磁気共鳴信号(以下、MR(Magnetic Resonance)信号と呼ぶ)の位相を変化させるために利用される。周波数エンコード用傾斜磁場は、空間的位置に応じてMR信号の周波数を変化させるために利用される。
The gradient
傾斜磁場電源105は、撮像制御回路121の制御により、傾斜磁場コイル103に電流を供給する電源装置である。
The gradient magnetic
寝台107は、被検体Pが載置される天板1071を備えた装置である。寝台107は、寝台制御回路109による制御のもと、被検体Pが載置された天板1071を、ボア111内へ挿入する。
The
寝台制御回路109は、寝台107を制御する回路である。寝台制御回路109は、入力インターフェース127を介した操作者の指示により寝台107を駆動することで、天板1071を長手方向および上下方向、場合によっては左右方向へ移動させる。
The
送信回路113は、撮像制御回路121の制御により、ラーモア周波数で変調された高周波パルスを送信コイル115に供給する。例えば、送信回路113は、発振部や位相選択部、周波数変換部、振幅変調部、RF(Radio Frequency)アンプなどを有する。発振部は、静磁場中における対象原子核に固有の共鳴周波数のRFパルスを発生する。位相選択部は、発振部によって発生したRFパルスの位相を選択する。周波数変換部は、位相選択部から出力されたRFパルスの周波数を変換する。振幅変調部は、周波数変換部から出力されたRFパルスの振幅を例えばsinc関数に従って変調する。RFアンプは、振幅変調部から出力されたRFパルスを増幅して送信コイル115に供給する。
The transmitting circuit 113 supplies a high frequency pulse modulated at the Larmor frequency to the transmitting
送信コイル115は、傾斜磁場コイル103の内側に配置されたRFコイルである。送信コイル115は、送信回路113からの出力に応じて、高周波磁場に相当するRFパルスを発生する。
受信コイル117は、傾斜磁場コイル103の内側に配置されたRFコイルである。受信コイル117は、高周波磁場によって被検体Pから放射されるMR信号を受信する。受信コイル117は、受信されたMR信号を受信回路119へ出力する。受信コイル117は、例えば、1以上、典型的には複数のコイルエレメント(以下、複数のコイルと呼ぶ)を有するコイルアレイである。以下、説明を具体的にするために、受信コイル117は、複数のコイルを有するコイルアレイとして説明する。
The
なお、図1において送信コイル115と受信コイル117とは別個のRFコイルとして記載されているが、送信コイル115と受信コイル117とは、一体化された送受信コイルとして実施されてもよい。送受信コイルは、被検体Pの撮像部位に対応し、例えば、頭部コイルのような局所的な送受信RFコイルである。
Note that although the transmitting
受信回路119は、撮像制御回路121の制御により、受信コイル117から出力されたMR信号に基づいて、デジタルのMR信号(以下、MRデータと呼ぶ)を生成する。具体的には、受信回路119は、受信コイル117から出力されたMR信号に対して、検波、フィルタリングなどの信号処理を施した後、当該信号処理が施されたデータに対してアナログ/デジタル(A/D(Analog to Digital))変換(以下、A/D変換と呼ぶ)して、MRデータを生成する。受信回路119は、生成されたMRデータを、撮像制御回路121に出力する。例えば、MRデータは、複数のコイル各々において生成され、複数のコイル各々を識別するタグとともに、撮像制御回路121に出力される。
The
撮像制御回路121は、処理回路131から出力された撮像プロトコルに従って、傾斜磁場電源105、送信回路113及び受信回路119等を制御し、被検体Pに対する撮像を行う。撮像プロトコルは、検査の種類に応じたパルスシーケンスを有する。撮像プロトコルには、傾斜磁場電源105により傾斜磁場コイル103に供給される電流の大きさ、傾斜磁場電源105により電流が傾斜磁場コイル103に供給されるタイミング、送信回路113により送信コイル115に供給される高周波パルスの大きさや時間幅、送信回路113により送信コイル115に高周波パルスが供給されるタイミング、受信コイル117によりMR信号が受信されるタイミング等が定義されている。撮像制御回路121は、傾斜磁場電源105、送信回路113及び受信回路119等を駆動して被検体Pを撮像した結果、受信回路119からMRデータを受信すると、受信したMRデータを処理回路131へ転送する。
The
なお、撮像制御回路121は、被検体Pの撮像に用いられる受信コイル117の感度の分布を示す画像の生成に関するMRデータを、任意の撮像手法により収集してもよい。コイルの感度を示す画像は、複素数のデータで表現される。受信コイル117の感度の分布を示す画像の生成に関するMRデータの収集は、例えば、被検体Pに対するスキャンに先立って、ロケータスキャンなどを含むプリスキャンにおいて撮像制御回路121により実行される。撮像制御回路121は、例えばプロセッサにより実現される。
Note that the
「プロセッサ」という文言は、例えば、CPU、GPU(Graphics Processing Unit)、特定用途向け集積回路(Application Specific Integrated Circuit:ASIC)、プログラマブル論理デバイス(例えば、単純プログラマブル論理デバイス(Simple Programmable Logic Device:SPLD)、複合プログラマブル論理デバイス(Complex Programmable Logic Device:CPLD)、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ(Field Programmable Gate Array:FPGA))等の回路を意味する。 The word "processor" refers to, for example, a CPU, a GPU (Graphics Processing Unit), an application specific integrated circuit (ASIC), a programmable logic device (for example, a simple programmable logic device) Mable Logic Device (SPLD) , a complex programmable logic device (CPLD), and a field programmable gate array (FPGA).
システム制御回路123は、ハードウェア資源として図示していないプロセッサ、ROM(Read-Only Memory)やRAM(Random Access Memory)等のメモリ等を有し、システム制御機能によりMRI装置100を制御する。具体的には、システム制御回路123は、メモリに記憶されたシステム制御プログラムを読み出してメモリ上に展開し、展開されたシステム制御プログラムに従ってMRI装置100の各回路を制御する。
The
例えば、システム制御回路123は、入力インターフェース127を介して操作者から入力された撮像条件に基づいて、撮像プロトコルをメモリ125から読み出す。システム制御回路123は、撮像プロトコルを撮像制御回路121に送信し、被検体Pに対する撮像を制御する。システム制御回路123は、例えばプロセッサにより実現される。なお、システム制御回路123は、処理回路131に組み込まれてもよい。このとき、システム制御機能は処理回路131により実行され、処理回路131は、システム制御回路123の代替として機能する。システム制御回路123を実現するプロセッサは、上述と同様な内容なため、説明は省略する。
For example, the
メモリ125は、システム制御回路123において実行されるシステム制御機能に関する各種プログラム、各種撮像プロトコル、撮像プロトコルを規定する複数の撮像パラメータを含む撮像条件等を記憶する。また、メモリ125は、処理回路131により実現される各種機能を、コンピュータによって実行可能なプログラムの形態で記憶する。
The
なお、メモリ125は、不図示の通信インターフェースを介して受信された各種データを記憶してもよい。例えば、メモリ125は、放射線情報システム(RIS:Radiology Information System)等の医療機関内の情報処理システムから受信した被検体Pの検査オーダに関する情報(撮像対象部位、検査目的等)を記憶する。
Note that the
メモリ125は、例えば、ROM、RAM、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、光ディスク等により実現される。また、メモリ125は、CD(Compact Disc)-ROMドライブやDVD(Digital Versatile Disc)ドライブ、フラッシュメモリ等の可搬型記憶媒体との間で種々の情報を読み書きする駆動装置等で実現されてもよい。
The
入力インターフェース127は、操作者からの各種指示(例えば、電源投入指示)や情報入力を受け付ける。入力インターフェース127は、例えば、トラックボール、スイッチボタン、マウス、キーボード、操作面へ触れることで入力操作を行うタッチパッド、表示画面とタッチパッドとが一体化されたタッチスクリーン、光学センサを用いた非接触入力回路、及び音声入力回路等によって実現される。入力インターフェース127は、処理回路131に接続されており、操作者から受け取った入力操作を電気信号へ変換し処理回路131へと出力する。なお、本明細書において入力インターフェース127は、マウス、キーボードなどの物理的な操作部品を備えるものだけに限られない。例えば、MRI装置100とは別体に設けられた外部の入力機器から入力操作に対応する電気信号を受け取り、この電気信号を制御回路へ出力する電気信号の処理回路も入力インターフェース127の例に含まれる。
The
入力インターフェース127は、ディスプレイ129に表示されたプリスキャン画像に対して、ユーザの指示によりFOVを入力する。具体的には、入力インターフェース127は、ディスプレイ129に表示されたロケータ画像において、ユーザによる範囲の設定指示によりFOVを入力する。また、入力インターフェース127は、検査オーダに基づくユーザの指示により、スキャンに関する各種撮像パラメータを入力する。
The
ディスプレイ129は、処理回路131またはシステム制御回路123による制御のもとで、各種のGUI(Graphical User Interface)や、処理回路131によって生成されたMR画像等を表示する。また、ディスプレイ129は、スキャンに関する撮像パラメータ撮像、および画像処理に関する各種情報などを表示する。ディスプレイ129は、例えば、CRTディスプレイや液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ、LEDディスプレイ、プラズマディスプレイ、又は当技術分野で知られている他の任意のディスプレイ、モニタ等の表示デバイスにより実現される。
The
処理回路131は、例えば、上述のプロセッサなどにより実現される。処理回路131は、各種機能などを備える。各種機能は、コンピュータによって実行可能なプログラムの形態でメモリ125に記憶されている。例えば、処理回路131は、プログラムをメモリ125から読み出し、実行することで各プログラムに対応する機能を実現する。換言すると、各プログラムを読み出した状態の処理回路131は、各種機能を有することとなる。
The
上記説明では、「プロセッサ」が各機能に対応するプログラムをメモリ125から読み出して実行する例を説明したが、実施形態はこれに限定されない。プロセッサが例えばCPUである場合、プロセッサはメモリ125に保存されたプログラムを読み出して実行することで機能を実現する。一方、プロセッサがASICである場合、メモリ125にプログラムを保存する代わりに、当該機能がプロセッサの回路内に論理回路として直接組み込まれる。なお、本実施形態の各プロセッサは、プロセッサごとに単一の回路として構成される場合に限らず、複数の独立した回路を組み合わせて1つのプロセッサとして構成し、その機能を実現するようにしてもよい。また、単一の記憶回路が各処理機能に対応するプログラムを記憶するものとして説明したが、複数の記憶回路を分散して配置して、処理回路131は個別の記憶回路から対応するプログラムを読み出す構成としても構わない。
In the above description, an example has been described in which the "processor" reads out and executes a program corresponding to each function from the
次に、超電導磁石装置200について説明する。図2は、第1の実施形態に係る超電導磁石装置200の回路構成の一例を示す図である。超電導磁石装置200は、静磁場磁石101に搭載される。
Next, the
超電導磁石装置200は、超電導コイル210、超電導コイル用PCS(Persistent Current Switch)220、保護回路230、及び補償コイル240を備える。
The
超電導コイル210は、超電導線により形成されたコイルである。超電導コイル210は、被検体Pが設置される撮像領域に静磁場を発生させるために使用される。超電導コイル210は、液体ヘリウム等の冷媒で冷却されることで超電導状態に遷移して電気抵抗が略ゼロになる。その結果、超電導コイル210は、大きな電流を流すことができるようになり、通常の電磁石よりも強力な磁場を発生させることができる。
超電導コイル用PCS220は、永久電流モードに移行させるスイッチである。言い換えると、超電導コイル用PCS220は、超電導コイル210を有する閉回路を形成するスイッチである。超電導コイル用PCS220は、第1スイッチの一例である。例えば、超電導コイル用PCS220は、超電導線により形成される。また、超電導コイル用PCS220は、ヒーターにより電気的な接続が制御される。
The
さらに詳しくは、超電導コイル用PCS220は、ヒーターにより加熱された場合に、電気抵抗が増加する。これにより、超電導コイル用PCS220は、電流を止める。すなわち、超電導コイル用PCS220は、電気的な接続を遮断する。一方、超電導コイル用PCS220は、ヒーターにより加熱されない場合に、冷媒により冷却されるため電気抵抗が低下する。これにより、超電導コイル用PCS220は、電流を流す。すなわち、超電導コイル用PCS220は、電気的に接続して閉回路を形成する。なお、超電導コイル用PCS220は、熱式に限らず、機械式により形成されていてもよい。
More specifically, when the
また、超電導コイル用PCS220は、超電導コイル210を励磁する場合に、電気的な接続を遮断する。また、超電導コイル用PCS220は、外部の電源に接続される。そして、超電導コイル用PCS220は、外部からの電流を超電導コイル210に供給する。このように、超電導コイル210は、外部から電流の供給を受けることで励磁する。
Further, the
また、超電導コイル用PCS220は、超電導コイル210の励磁により規定された磁力を発生させ、且つ超電導コイル210が超電導状態の場合に、電気的な接続を遮断する。これにより、超電導コイル用PCS220は、超電導コイル210を有する閉回路を形成する。そして、電流は、閉回路を循環する。超電導コイル210が規定された磁力を発生させ、且つ超電導コイル210が超電導状態の場合に電流が閉回路を循環する状態を永久電流モードと呼称する。
Further, the
保護回路230は、クエンチが発生した場合に、超電導コイル210を保護する回路である。クエンチとは、超電導コイル210の一部が超電導状態から常電導状態になることである。クエンチが発生した場合に、超電導コイル210は、電気抵抗が上がるため、ジュール効果により発熱する。この場合に、超電導コイル210を形成する超電導線は、ジュール熱により損傷してしまうことがある。そこで、保護回路230は、クエンチが発生した場合に、電流を流れ込ませることでジュール熱により超電導コイル210が損傷してしまうことを抑制する。
The
さらに詳しくは、保護回路230は、クエンチが発生した場合に、通電する。また、保護回路230は、超電導コイル210と並列に接続される。例えば、保護回路230は、複数のダイオードにより形成される。図2に示す保護回路230は、第1ダイオード231と、第2ダイオード232とを有する。第1ダイオード231と、第2ダイオード232とは、並列に接続され、それぞれ異なる方向に電流を流すように接続される。すなわち、第1ダイオード231と、第2ダイオード232とは、アノードと、カソードとが逆向きになるように接続される。
More specifically, the
これにより、保護回路230は、超電導コイル210を励磁するために電流が供給されている場合、電流が流れ込まない。一方、クエンチが発生した場合、超電導コイル210は、両端の電圧が上がる。保護回路230のターンオン電圧を超えた場合に、保護回路230は、電流が流れ込む。
Accordingly, when current is being supplied to excite the
補償コイル240は、超電導コイル210にクエンチが発生した場合に、超電導コイル210による磁場の変化を補償する磁場を発生させるコイルである。ここで、クエンチが発生した場合に、保護回路230に電流が流れ込むことで、超電導コイル210は、流れ込む電流が減衰する。超電導コイル210は、通電電流が急激に減衰したことに伴い、発生させる磁場が急激に変化する。補償コイル240は、超電導コイル210による磁場の変化を補償する磁場を発生させることで、磁場の変化を抑制する。
The
補償コイル240は、超電導コイル210にクエンチが発生した場合に流れる電流により発生させた磁場で、超電導コイル210に逆起電力を発生させることで磁場の変化を補償する。さらに詳しくは、補償コイル240は、保護回路230と直列に接続される。ここで、保護回路230は、クエンチが発生した場合に通電する。補償コイル240は、クエンチが発生した場合に、保護回路230を介して供給された電流により、超電導コイル210に逆起電力を発生させる磁場を発生させる。
The
例えば、補償コイル240は、超電導線により形成される。なお、補償コイル240は、超電導線に限らず、銅やアルミなどの高導電線により形成されていてもよい。
For example,
また、補償コイル240は、超電導コイル210と熱輻射シールド260との間であって、超電導コイル210の磁場中心M側に配置される。熱輻射シールド260は、超電導コイル210に対する熱輻射を遮蔽する。熱輻射シールド260は、例えば、高純度のアルミニウムや銅等により形成される。そして、熱輻射シールド260は、超電導コイル210を覆うことにより超電導コイル210から熱輻射を遮蔽する。
Further, the
また、補償コイル240は、超電導コイル210に対するカップリング係数が0.8などの高い値を有する。すなわち、補償コイル240は、補償コイル240で発生した磁束の多くが超電導コイル210を貫くように形成される。
Furthermore, the
次に、超電導コイル210と補償コイル240との配置について説明する。図3は、第1の実施形態に係る超電導磁石装置200における超電導コイル210と補償コイル240との配置の一例を示す図である。
Next, the arrangement of
超電導コイル210は、巻き枠250に超電導線が巻き付けられることで形成される。巻き枠250は、被検体Pが挿入されるボア111の周囲に形成された略円筒形状に形成される。そして、巻き枠250に超電導線が巻き付けられることで、超電導コイル210は、被検体Pが挿入されるボア111の周囲に形成された略円筒形状に形成される。
The
また、補償コイル240は、超電導コイル210の磁場中心Mを中心にして超電導線や高伝導線が巻かれることにより形成される。すなわち、補償コイル240は、巻き枠250における超電導コイル210の磁場中心M側に接するように配置される。このような構造により、巻き枠250は、補償コイル240に通電した場合に発生するフープ応力を受けることができる。
Furthermore, the
次に、超電導磁石装置200の回路動作について説明する。
Next, the circuit operation of the
超電導コイル用PCS220は、超電導コイル210を励磁する場合に、電気的な接続を遮断する。超電導コイル210は、外部電源から電流の共有を受ける。超電導コイル用PCS220は、超電導コイル210の励磁により規定された磁力を発生させ、且つ超電導コイル210が超電導状態の場合に、電気的な接続を遮断することで、超電導コイル210を有する閉回路を形成する。これにより、超電導コイル用PCS220は、永久電流モードに遷移させる。
The
クエンチが発生した場合に、超電導コイル210は、電気抵抗の増加に伴い両端の電圧が上がる。保護回路230のターンオン電圧を超えた場合に、保護回路230は、電流が流れ込む。また、保護回路230に電流が流れ込んだことに伴い、補償コイル240は、通電する。
When quenching occurs, the voltage across both ends of the
補償コイル240は、通電した場合に、磁場を発生させる。超電導コイル210は、補償コイル240が発生させた磁場によって、電磁誘導により逆起電力を発生させる。超電導コイル210は、発生させた逆起電力により電流が流れる。そして、超電導コイル210は、電流により磁場を発生させることで、静磁場の急激な減衰を抑制する。言い換えると、超電導コイル210は、主磁場の急激な減衰を抑制する。
以上のように、第1の実施形態に係る超電導磁石装置200は、超電導コイル210と、熱輻射シールド260と、永久電流モードに移行させる超電導コイル用PCS220と、を備える。さらに、超電導磁石装置200は、超電導コイル210にクエンチが発生した場合に、超電導コイル210による磁場の変化を補償する磁場を発生させる補償コイル240を備える。よって、超電導磁石装置200は、クエンチが発生しても、超電導コイル210による主磁場の変化を補償する磁場を発生させるため、主磁場の急激な変化を抑制することができる。
As described above, the
特に、MRI装置100は、MR画像を取得するために傾斜磁場を発生させる。その際、MR画像の画質への影響を少なくするために、高純度の導電率の高い材料を熱輻射シールド260に使用したい。すなわち、高純度のアルミや銅等の比較的柔らかい材料を熱輻射シールド260に使用したい。導電率の高い材料を採用したい背景には、ある程度長い時定数をもった渦磁場を発生させた方が、撮像のための傾斜磁場パルス印可時にイメージングに与える影響を小さくできるためである。しかしながら、設計者は、ローレンツ力が発生することを想定して設計しなければならず、設計が困難になっていた。超電導磁石装置200は、補償コイル240により熱輻射シールド260がローレンツ力にさらされることを抑制しているため、設計を容易にすることができる。
In particular, the
(第2の実施形態)
図4は、第2の実施形態に係る超電導磁石装置200aの回路構成の一例を示す図である。超電導磁石装置200aは、クエンチが発生した場合に、補償コイル240に通電する。
(Second embodiment)
FIG. 4 is a diagram showing an example of a circuit configuration of a
ここで、補償コイル240は、クエンチが発生した場合に、静磁場の変化を補償するコイルである。したがって、補償コイル240は、クエンチが発生した場合に通電すればよく、励磁する場合に通電しなくてもよい。
Here, the
励磁用電源270は、例えば、超電導コイル210の励磁時に電流を供給する定電流電源であって、励磁する場合に左周りに電流を流す。また、補償コイル240は、第1ダイオード231と直列に接続されている。また、補償コイル240は、超電導コイル210と並列に接続されている。
The
図4に示すように、第1ダイオード231は、励磁用電源270が励磁時に流す電流の方向に対して、逆方向に接続される。すなわち、第1ダイオード231は、励磁時の電流の方向に対して、カソード側が接続される。
As shown in FIG. 4, the
補償コイル240は、保護回路230において、クエンチが発生した場合に通電する経路に配置される。さらに詳しくは、補償コイル240は、超電導コイル210の励磁時の電流方向に対して逆方向に接続された第1ダイオード231と直列に接続される。そのため、補償コイル240は、励磁時には通電しない。
一方、クエンチが発生し、超電導コイル210の電気抵抗増加にともない電流が急速に減衰し、超電導コイル210が発生させた静磁場も急激に減少する。補償コイル240により超電導コイル210の両端には電流の減衰を抑止するための逆起電力が発生する。第1ダイオード231は、スイッチとしてのターンオン電圧を超えた場合、補償コイル240へ通電する。よって、補償コイル240は、励磁する場合に通電せずに、クエンチが発生した場合に通電する。
On the other hand, quenching occurs, and as the electrical resistance of the
以上のように、第2の実施形態に係る超電導磁石装置200aは、超電導コイル210の励磁時の電流方向に対して逆方向に接続された第1ダイオード231に対して補償コイル240が直列に接続される。そして、補償コイル240は、クエンチが発生した場合に通電する。言い換えると、補償コイル240は、励磁時などは通電されない。したがって、超電導磁石装置200aは、消費電力を削減することができる。
As described above, in the
(第3の実施形態)
図5は、第3の実施形態に係る超電導磁石装置200bの回路構成の一例を示す図である。
(Third embodiment)
FIG. 5 is a diagram showing an example of a circuit configuration of a
補償コイル240は、クエンチ用PCS280により通電するか否かが切り替えられる。補償コイル240は、超電導コイル210及び保護回路230に対して並列に接続される。また、補償コイル240は、クエンチ用PCS280と直列に接続される。
Whether or not the
クエンチ用PCS280は、超電導線により形成されるクエンチ用のスイッチである。クエンチ用PCS280は、ヒーターにより電気的な接続が制御される。クエンチ用PCS280は、超電導コイル用PCS220と同期して補償コイル240に通電するか否かを切り替える。クエンチ用PCS280は、第2スイッチの一例である。すなわち、クエンチ用PCS280は、超電導コイル用PCS220が閉回路を形成していない場合に、電気的な接続を遮断する。クエンチ用PCS280は、超電導コイル用PCS220が閉回路を形成している場合に、電気的に接続する。これにより、補償コイル240は、クエンチが発生した場合に、通電する。
The quench
なお、補償コイル240に通電する電流をゼロアンペアにしたい。そのため、クエンチ用PCS280は、超電導コイル用PCS220の通電の切り替えタイミングよりも補償コイル240の時定数程度長いインターバルがあることが好ましい。さらに、クエンチ用PCS280は、完全に電流を遮断するものに限らず、補償コイル240への通電を制限するものであってもよい。
Note that it is desired that the current flowing through the
以上のように、第3の実施形態に係る超電導磁石装置200bは、クエンチ用PCS280により補償コイル240に通電するか否かを制御する。この場合においても、超電導磁石装置200bは、クエンチが発生しても、超電導コイル210による主磁場の変化を補償する磁場を発生させるため、主磁場の急激な変化を抑制することができる。
As described above, the
(第4の実施形態)
図6は、第4の実施形態に係る超電導磁石装置200cの回路構成の一例を示す図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 6 is a diagram showing an example of a circuit configuration of a
補償コイル240は、補償コイル240を加熱するクエンチ用ヒーター290により通電するか否かが切り替えられる。補償コイル240は、クエンチ用ヒーター290により加熱された場合に電気抵抗が増大する。一方、クエンチ用ヒーター290により加熱されない場合に、補償コイル240は、冷媒により冷却されるため、電気抵抗が低下する。
Whether or not the
クエンチ用ヒーター290は、超電導コイル用PCS220と同期して補償コイル240を加熱する。クエンチ用ヒーター290は、ヒーターの一例である。さらに詳しくは、クエンチ用ヒーター290は、超電導コイル用PCS220が閉回路を形成していない場合に、補償コイル240を加熱する。すなわち、クエンチ用ヒーター290は、超電導コイル210の電気的な接続を遮断する。一方、クエンチ用ヒーター290は、超電導コイル用PCS220が閉回路を形成している場合に、補償コイル240を加熱しない。すなわち、クエンチ用ヒーター290は、超電導コイル210を電気的に接続する。これにより、補償コイル240は、クエンチが発生した場合に、通電する。
The quench
なお、補償コイル240に通電する電流をゼロアンペアにしたい。そのため、クエンチ用ヒーター290は、超電導コイル用PCS220の通電の切り替えタイミングよりも補償コイル240の時定数程度長いインターバルがあることが好ましい。さらに、クエンチ用ヒーター290は、完全に電流を遮断するものに限らず、補償コイル240への通電を制限するものであってもよい。
Note that it is desired that the current flowing through the
以上のように、第4の実施形態に係る超電導磁石装置200cは、クエンチ用ヒーター290により補償コイル240に通電するか否かを制御する。この場合においても、超電導磁石装置200cは、クエンチが発生しても、超電導コイル210による主磁場の変化を補償する磁場を発生させるため、主磁場の急激な変化を抑制することができる。
As described above, the
(変形例1)
変形例1に係る超電導磁石装置200dは、図3に示すように超電導コイル210と補償コイル240との組み合わせを一つ有すると説明した。しかしながら、超電導磁石装置200dは、超電導コイル210と補償コイル240との組み合わせを複数有していてもよい。
(Modification 1)
The
図7は、変形例1に係る超電導磁石装置200dにおける超電導コイル210と補償コイル240との配置の一例を示す図である。例えば、図7に示すように、超電導コイル210と補償コイル240との組み合わせは、3つであってもよい。さらに、超電導コイル210と補償コイル240との組み合わせは、2つであってもよいし、4つ以上であってもよい。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the arrangement of
(変形例2)
超電導磁石装置200、200a、200b、200c、200dは、MRI装置100に搭載されると説明した。しかしながら、超電導磁石装置200、200a、200b、200c、200dは、MRI装置100に限らず、他の装置に搭載されてもよい。
例えば、超電導磁石装置200、200a、200b、200c、200dは、半導体の引き上げ装置に搭載されてもよい。
(Modification 2)
It has been explained that the
For example, the
以上説明した少なくとも1つの実施形態等によれば、主磁場の急激な変化を抑制することができる。 According to at least one embodiment described above, rapid changes in the main magnetic field can be suppressed.
いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、実施形態同士の組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, changes, and combinations of embodiments can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents.
100 MRI装置
101 静磁場磁石
200、200a、200b、200c、200d 超電導磁石装置
210 超電導コイル
220 超電導コイル用PCS(Persistent Current Switch)
230 保護回路
231 第1ダイオード
232 第2ダイオード
240 補償コイル
250 巻き枠
260 熱輻射シールド
270 励磁用電源
280 クエンチ用PCS
290 クエンチ用ヒーター
P 被検体
M 磁場中心
100
230
290 Quench heater P Object M Magnetic field center
Claims (9)
前記超電導コイルに対する熱輻射を遮蔽する熱輻射シールドと、
前記超電導コイルを有する閉回路を形成する第1スイッチと、
前記超電導コイルにクエンチが発生した場合に、当該超電導コイルによる磁場の変化を補償する磁場を発生させる補償コイルと、
を備える超電導磁石装置。 A superconducting coil formed of superconducting wire,
a thermal radiation shield that blocks thermal radiation to the superconducting coil;
a first switch forming a closed circuit including the superconducting coil;
a compensation coil that generates a magnetic field that compensates for changes in the magnetic field due to the superconducting coil when quenching occurs in the superconducting coil;
A superconducting magnet device equipped with.
請求項1に記載の超電導磁石装置。 The compensation coil compensates for a change in the magnetic field by generating a back electromotive force in the superconducting coil using a magnetic field generated by a current flowing when a quench occurs in the superconducting coil.
The superconducting magnet device according to claim 1.
前記補償コイルは、前記保護回路と直列に接続される、
請求項1に記載の超電導磁石装置。 Further comprising a protection circuit that energizes when quenching occurs in the superconducting coil,
the compensation coil is connected in series with the protection circuit;
The superconducting magnet device according to claim 1.
前記補償コイルは、前記超電導コイルの励磁時の電流方向に対して逆方向に接続された前記ダイオードと直列に接続される、
請求項3に記載の超電導磁石装置。 The protection circuit is formed by a plurality of diodes,
The compensation coil is connected in series with the diode connected in a direction opposite to the current direction when the superconducting coil is excited.
The superconducting magnet device according to claim 3.
請求項1に記載の超電導磁石装置。 The compensation coil is disposed between the superconducting coil and the thermal radiation shield and on the side of the magnetic field center of the superconducting coil.
The superconducting magnet device according to claim 1.
前記補償コイルは、前記巻き枠における前記超電導コイルの磁場中心側に接するように配置される、
請求項5に記載の超電導磁石装置。 The superconducting coil is formed by winding the superconducting wire around a winding frame,
The compensation coil is arranged so as to be in contact with the magnetic field center side of the superconducting coil in the winding frame.
The superconducting magnet device according to claim 5.
前記補償コイルは、前記第2スイッチと直列に接続される、
請求項1に記載の超電導磁石装置。 further comprising a second switch that switches whether or not to energize the compensation coil in synchronization with the first switch,
the compensation coil is connected in series with the second switch;
The superconducting magnet device according to claim 1.
前記ヒーターは、前記第1スイッチが前記閉回路を形成している場合に、過熱しない、
請求項1に記載の超電導磁石装置。 further comprising a heater that heats the compensation coil in synchronization with the first switch,
the heater does not overheat when the first switch forms the closed circuit;
The superconducting magnet device according to claim 1.
前記超電導磁石装置は、
超電導線により形成された超電導コイルと、
前記超電導コイルに対する熱輻射を抑制する熱輻射シールドと、
前記超電導コイルを有する閉回路を形成する第1スイッチと、
前記超電導コイルにクエンチが発生した場合に、当該超電導コイルによる磁力の低下を抑制する補償コイルと、
を備える磁気共鳴イメージング装置。 A magnetic resonance imaging device having a superconducting magnet device,
The superconducting magnet device includes:
A superconducting coil formed of superconducting wire,
a thermal radiation shield that suppresses thermal radiation to the superconducting coil;
a first switch forming a closed circuit including the superconducting coil;
a compensation coil that suppresses a decrease in magnetic force caused by the superconducting coil when quenching occurs in the superconducting coil;
A magnetic resonance imaging device comprising:
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