JP2609295B2 - 核磁気共鳴断層像装置の超伝導磁石 - Google Patents

核磁気共鳴断層像装置の超伝導磁石

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JP2609295B2 JP63177967A JP17796788A JP2609295B2 JP 2609295 B2 JP2609295 B2 JP 2609295B2 JP 63177967 A JP63177967 A JP 63177967A JP 17796788 A JP17796788 A JP 17796788A JP 2609295 B2 JP2609295 B2 JP 2609295B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、磁場の方向を異にし超伝導永久電流開閉
器によりバイパス可能の内部コイル系と外部コイル系が
直列に接続されたコイル系を備える核磁気共鳴断層像装
置のアクティブ遮蔽型超伝導磁石に関するものである。
〔従来の技術〕
検査対象の核磁気共鳴による検査に対しては特に均一
な基底磁場が必要である。磁石の検査室に置かれたサン
プルの核スピンはこの基底磁場によって優先方向を獲得
する。高周波パルスの照射と勾配磁場の作用により核ス
ピンがその優先方向から偏向して位置分解を可能にする
周波数ならびに位相のコード化が行われる。高周波パル
スと勾配磁場が作用した後で核スピンは徐々に元の優先
方向に戻り、その際放出される信号はアンテナで受けら
れ評価回路に導かれる。その後に接続されたモニタには
検査対象の画像が表示される。
均一な基底磁場の発生には円筒形の検査室を包囲する
超伝導コイル系が使用される。超伝導コイルは特に高い
基底磁場で測定を行わなければならないとき有利であ
る。超伝導コイルの検査室内の磁場の強さは通常0.5か
ら4テスラの間である。
超伝導コイルはしばしば多数の単独コイルを組合わせ
て作られ、意図しないのに常伝導状態に移ることがあ
る。これはクエンチと呼ばれているが、それによる抵抗
上昇によりコイル系に蓄積されていたエネルギーがコイ
ル内又はコイルの部分区域内で熱に変換される。コイル
導体の熱容量が低いためコイルは強く加熱され、それに
伴って抵抗が一層増大する。加熱の外に過電圧が超伝導
体の絶縁破壊を起こすことがある。
これを予防するため例えばオーム保護抵抗(ドイツ連
邦共和国特許公開第2301152号公報参照)又は半導体ダ
イオード(ドイツ連邦共和国特許出願公開第1614964号
及び同第1764369号公報参照)等のクエンチ保護装置が
設けられ、これらは単独コイルに並列接続されて電圧を
限定する。超伝導状態ではこれらのクエンチ保護装置は
電流を導かない。コイルが常伝導状態に移ると、対応す
るクエンチ保護装置が電流の一部を引き受けてコイルに
印加される電圧を限定する。更に熱に転換されたエネル
ギーの一部を引受ける。コイル系に蓄積されたエネルギ
ーは数MJに達し得るから、コイル系全体を常伝導状態に
移してコイル系に蓄積され熱に転換されたエネルギーが
コイル系全体に一様に分配されるようにするのがクエン
チ保護装置の寸法決めの点で有利である。
クエンチ伝播誘起装置は例えばヨーロッパ特許第1157
97号公報により公知である。この場合各コイルに伝熱的
に結合された加熱素子にクエンチ保護抵抗の回路網の電
圧が受動的に導かれる。
加熱素子にはクエンチ検出器によって制御される配電
線接続機器の電圧を能動的に導くことも可能である。
加熱素子に発生した熱により超伝導コイル系が常伝導
状態に移され、それによって均一分布のエネルギー転換
が行われる。
コイル系内部の強磁場は強い外部漂遊磁場を伴う。特
に磁化可能の物体と電子装置に及ばす有害な作用を阻止
するためには、漂遊磁場を弱い磁場に下げなければなら
ない。この遮蔽法の1つは、コイル系を包囲する空間を
強磁性材料で遮蔽することであるが、重くなることがそ
の欠点である。別の方法としては基底磁場に対して逆向
きの磁場を発生する第2コイル系を設け、第1コイル系
をこの第2コイル系で包囲する。このアクティブ遮蔽型
超伝導コイル系の一例は米国特許第4595899号明細書お
よび文献「応用超伝導バルティモア会議(Applied Sup
erconductivity Conference Baltimore)1986。9.28
−10.3:ホークスワース(Hawksworth)他著「漂遊の少
ないMRI磁石の設計上の考察」に記載され公知である。
公知のアクティブ遮蔽型超伝導コイル系の利点は、磁
石周囲の漂遊磁場が著しく低減されることであり、それ
によって磁石を取り囲む安全間隔が減少しNMR装置の所
要空間が縮小される。
上記の超伝導コイル系において内部と外部のコイル系
は、それぞれ独自の電流回路を形成することもあるいは
共通の電流回路を形成することも原理的には可能であ
る。
各コイル系がそれぞれ独自の電流回路を形成すると、
時間的に変化する外部磁場が各コイル系の内部において
電流変化により補償される。これは電場が超伝導体に
沿う方向の成分を持ち得ないことにより、閉結超伝導回
路では次式により磁束Φが時間的に一定であることに基
づくものである。
A:断面層、U:回路周 従って磁気誘導の変化は超伝導体の電流変化によっ
て補償される。例えば自動車、路面電車等の動く磁化可
能物体に基づくほぼ均一の外部磁場変動は、内部コイル
系がそれ自体で均一磁場を作るように構成されていると
き内部の均一基底磁場を変化させない。分割された回路
の欠点は、一方のコイル系だけが常伝導状態に移ったと
き漂遊磁場が許容できない程上昇し得ることである。
従ってアクティブ遮蔽型磁石では安全性の見地から両
コイル系が直列接続される。一方のコイル系がクエンチ
したときも回路全体の電流が減少し、漂遊磁場が低下す
る。この接続の欠点は外部磁場の妨害が内部の基底磁場
によって遮蔽されないことである。磁場の変化により電
流変化が起こるがコイル系の直列接続により両コイル系
の間の環状間隙内の磁束だけが閉結超伝導回路で包囲さ
れているため一定に保たれ、基底磁場の必要とする一定
性はもはや達成されない。
〔発明が解決しようとする課題〕
この発明の目的は、一方ではクエンチに際して強い漂
遊磁場の発生が避けられ、他方では正規の運転中時間変
化する磁場が遮蔽されるようにすることである。
〔課題を解決するための手段〕
この目的はこの発明によれば、1つの超伝導電流制限
器を両コイル系のうち臨界電流が低い方によってバイパ
スして内部の外部のコイル系の間の差電流を導くように
し、所定の差電流値を超えたとき超伝導電流制限器を常
伝導として内部と外部のコイル系の間の電流差を制限す
ることによって達成される。
〔発明の効果〕
この発明の利点は、電流制限器が内部と外部のコイル
系の間に僅かな電流差を許すことである。これによって
各コイル系特に内部コイル系の内部においての磁場の乱
れを補償することができる。コイル系間の電流差が電流
制限器の臨界電流を超えると、電流制限器は常伝導とな
り、コイル系間の電流差を制限する。従って両コイル系
にはほぼ等しい電流が流れ、両コイル系の磁場はクエン
チ時にも外部に向かって充分打消される。これによって
許されない程高い漂遊磁場は発生しない。
〔実施態様〕
コイル系の破壊の予防策としてクエンチ伝播誘起装置
を設けることは有利である。
超伝導電流制限器を常伝導状態で単位長さ当たりの抵
抗値が高いものとすることは、差電流に対して高い抵抗
値を達成すると同時に占有容積を縮小し製作を容易にす
る点で有利である。
電流制限器に対して特殊の製造工程を必要としないよ
うにするためには、超伝導体からマトリックスをエッチ
ング除去することによって作られた超伝導体の単一フィ
ラメントを電流制限器として使用するのが有利である。
電流制限器自体は磁場を作らず、またコイル系に対し
て妨害的な交流インダクタンスを形成するためには、超
伝導電流制限器を二本巻とするのが有利である。
磁石系を反転励磁する際電流制限器を常伝導状態に移
す手段が設けられていると有利である。
〔実施例〕
第1図と第2図についてこの発明の実施例を詳細に説
明する。
図には内部コイル系は1aとして、外部コイル系は1bと
して示されている。両コイル系1a、1bはいずれも複数の
単独コイルを組合わせたものとすることができる。
第3図に示した公知の装置では内部コイル系1aと外部
コイル系1bは直列に接続され、超伝導永久電流開閉器3
によって短絡可能である。その場合永久電流開閉器3に
配電線接続機器4が並列接続される。コイル系1a、1bに
は充電過程中連続的に増大する機器4の電流が流れる。
その際永久電流開閉器3は常伝導状態に切り換えられ、
コイル系1a、1bで構成される超伝導並列枝線に比べて小
さい定電流だけが流れる。所望の磁場の強さに達する
と、永久電流開閉器3は超伝導状態に移され、永久電流
開閉器3を通して超伝導電流回路が閉結される。
第1図と第2図には電流制限器2と共にこの発明によ
るコイル系1a、1bの原理的接続図を示す。この装置では
クエンチに際しては外部漂遊磁場が小さくなり、正規運
転中は外部妨害磁場が遮蔽される。
図示の実施例によれば、内部コイル系1aと外部コイル
系1bとの直列接続が超伝導永久電流開閉器3を通して短
絡可能である。又配電線接続機器4が永久電流開閉器3
に並列に接続され、電流制限器2が内部コイル系1aに並
列に接続されている。コイル系1a、1bは第3図の場合と
同様に配電線接続機器4から連続的に上昇する電流を受
ける。コイル系に比べて低インダクタンスの電流制限器
2が超伝導状態にある間は実質上そこに電圧低下はな
く、コイル系1aはそのインダクタンスに基いて電流を受
けられない。電流制限器を流れる電流が臨界値を超える
と、電流制限器は常伝導となりコイル系1aが電流を引き
受ける。電流がある一定値に固定されると、コイル系1a
には電圧降下が無く電流制限器は再び超伝導となるか
ら、各コイル系1a、1bはそれぞれ固有の超伝導回路を形
成し磁束保存が成立する。内部コイル系1aと外部コイル
系1bにおいて磁場の変動はそれぞれ回路における対応す
る電流変動により補償される。その際発生する僅かな差
電流は電流制限器2を通して流れる。
コイル系1a、1bのいずれか一方でクエンチに基づく電
流消滅が起こると、内外部のコイル系の間の電流差が電
流制限器2の臨界電流を超えるから電流制限器は常伝導
となり、電流差は比較的小さい値に限定される。これに
よって著しく強い漂遊磁場は発生しない。
電流制限器2を備えるこの発明によるコイル系1にお
いても、1つのコイル又はコイル系1a、1bのクエンチに
際して全コイル系1を常伝導状態に移すクエンチ保護装
置が設けられている。図を簡単にするためこの保護装置
は第1図、第2図に示されていない。この発明の超伝導
磁石では保護抵抗又は半導体ダイオードを使用するクエ
ンチ保護装置は個々のコイル系1a、1bに設けられるもの
ではない。コイル系1a又は1bの内部にクエンチが生じた
とき、このクエンチ保護装置は第3図のものと同様に内
外部コイル系1a、1b間の差電流を受け入れることができ
る。この差電流は許されない程度の漂遊磁場を発生し得
るものである。従って電流制限器2を備えるこの発明の
超伝導コイル系1a、1bにはクエンチ伝播誘起装置例えば
加熱素子が設けられ、1つのコイルのクエンチに際して
能動的又は受動的例えば誘導的に制御されてコイル系1
の全体を常伝導状態に移す。この場合ドイツ連邦共和国
特許出願公開第3710519号公報に記載の回路を使用する
のが有利である。
電流制限器2の破壊を避けるため、電流制限器2の常
伝導抵抗はクエンチ保護装置を考慮してクエンチ時に生
ずる最高電圧に従って規定する。電流制限器2がクエン
チに基づいて常伝導状態に移るときクエンチ保護装置が
動作しないと、電流制限器に大きな電圧降下が起こりそ
れを破壊に導くことがある。しかし電流制限器の破壊は
常に磁場の乱れの遮蔽が失われるだけである。この場合
両コイル系は共通の電流回路を形成し等大の電流が流れ
るから、漂遊磁場の上昇は起こらない。
例えば励磁のため、磁場の強さを変化させる電流制限
器に予定されている以上の電流変化が望まれる際には、
電流制限器2は内部のコイル系1a、1bの間の電流差が臨
界値を超えたとき直ちに常伝導となり、電流変動が終了
したとき再び超伝導となる。コイル系1aと1bの間の電流
差を避けるためには、電流制限器の温度を上げて励磁転
換の開始から終了まで常伝導状態に保ち、それによって
精確な磁場調整を容易にする加熱器を追加するのが良
い。
【図面の簡単な説明】
第1図と第2図はこの発明の1つの実施例の原理的接続
図と概略構成図、第3図はアクティブ遮蔽型超伝導磁石
の公知例を示す接続図である。 1……コイル系 1a……内部コイル系 1b……外部コイル系 2……電流制限器 3……永久電流開閉器 4……配電線接続機器

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】磁場方向を異にし超伝導永久電流開閉器
    (3)によってバイパス可能の内部コイル系(1a)と外
    部コイル系(1b)の直列接続で構成されるコイル系
    (1)を備える核磁気共鳴断層像装置のアクティブ遮蔽
    型超伝導磁石において、超伝導電流制限器(2)が両コ
    イル系(1a、1b)のうち臨界電流が低い方によってバイ
    パスされて内部コイル系(1a)と外部コイル系(1b)の
    間の差電流を導くことができること、差電流が所定の値
    を超えたとき超伝導電流制限器(2)が常伝導となり、
    それによって内部コイル系(1a)と外部コイル系(1b)
    の間の電流差を制限することを特徴とする核磁気共鳴断
    層像装置の超伝導磁石。
  2. 【請求項2】クエンチ伝播誘起装置が設けられているこ
    とを特徴とする請求項1記載の超伝導磁石。
  3. 【請求項3】超伝導電流制限器(2)が常伝導状態にお
    いて高い単位長さ当たりの抵抗を示すことを特徴とする
    請求項1又は2記載の超伝導磁石。
  4. 【請求項4】超伝導電流制限器(2)として超伝導体か
    らマトリックスのエッチングによって作られた単一フィ
    ラメントの少なくとも1つが使用されることを特徴とす
    る請求項1ないし3の1つに記載の超伝導磁石。
  5. 【請求項5】超伝導電流制限器(2)が二本巻であるこ
    とを特徴とする請求項1ないし4の1つに記載の超伝導
    磁石。
  6. 【請求項6】超伝導電流制限器(2)を常伝導状態に移
    す手段が設けられていることを特徴とする請求項1ない
    し5の1つに記載の超伝導磁石。
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