JP2658532B2 - 超電導マグネット装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は例えば医療用磁気共鳴イメージング装置に
使用する超電導マグネット装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第７図は磁気共鳴イメージング装置に使用する超電導
マグネット装置の斜視図であり図において（11）はマグ
ネット内部で通常マグネットの略中心にある所望の空間
（12）に磁気共鳴イメージングに必要な空間的に均一で
時間的に安定な強い磁界を発生する超電導マグネットを
示す。また（10）は超電導マグネット（11）がマグネッ
トの外部に発生する漏洩磁界を低減するための磁性体か
らなる磁気シールドで略円筒状（図では八角形筒状）の
ヨーク部（10a）と患者の出入口となる開口を有するフ
ランジ部（10b）とから成る。第８図は第７図に斜線平
面（Ａ）で示した部分の断面図を示したものである。図
において、超電導マグネット（11）は内蔵される超電導
回路を液体ヘリウム等の寒剤で冷却し、超電導状態を安
定に維持するため通常多重の断熱槽を形成しているが第
８図ではこの説明に特に重要ではないのでこれら断熱槽
を省略し電気回路のみを示している。図中（１），
（２），（３），（４），（５）は略同軸に配置された
略円筒形の超電導コイルで通常マグネット中心を通るコ
イル軸に垂直な面に対して略対称となっており、また磁
気シールド（10）もこの垂直な面に対して略対称となっ
ている。（６）は各超電導コイル（１）〜（５）の両端
に各コイルと並列にそれぞれ接続されたクウェンチ保護
素子であるところの逆並列ダイオード、（７）は直列に
接続された超電導コイル（１）〜（５）の両端に取付ら
れた永久電流スイッチ、（８）は超電導コイル（１）〜
（５）の励磁端子、（９）は永久電流スイッチ（７）を
オンオフするためのヒーター通電端子を示す。（12）は
超電導コイル（１）〜（５）間及び超電導コイルと永久
電流スイッチ（７）間を接続する超電導リードである。

第９図は第８図の電気回路のみを抽出して示したもの
である。

次に動作について説明する。

超電導マグネットを励磁する時、先ず永久電流スイッ
チ（７）のヒーター通電端子（９）より所要の電流を通
電し永久電流スイッチ（７）内の超電導リード（12）を
常電導転位させ超電導の閉回路を開く。次に超電導コイ
ル（１）〜（５）の励磁端子（８）より励磁電流を通電
する。この時、励磁電流の掃引速度di/dtに対し各コイ
ル（１）〜（５）にはインダクタンスＬによる電圧L di
/dtが発生するが、掃引速度を小さな値に設定すればク
ウェンチ保護素子（６）のダイオートの両端にかかる電
圧L di/dtをダイオードのターンオン電圧以下に抑えら
れるため（１），（２），（３），（４），（５）の各
超電導コイルに並列な短絡回路が形成されること無く超
電導コイル（１）〜（５）は励磁される。

超電導コイル（１）〜（５）の励磁電流が所定の値と
なった後、永久電流スイッチ（７）のヒーター電流をし
ゃ断して超電導リード（12）による超電導の閉ループを
形成する。

その後、励磁端子（８）からの励磁電流をゼロとする
と、超電導の閉ループ内に電流が保持され超電導マグネ
ットは外部からの励磁電流供給を不要とした永久電流モ
ード運転が行なわれる。一方、超電導マグネットでは超
電導コイル（１）〜（５）の微少なスリップによる発熱
や外部磁性体の急激な接近による磁界の急激な変動、等
で超電導コイルが常電導転位する故障（クウェンチ）が
発生することがある。

常電導転位故障が発生すると超電導コイル内に電気抵
抗が発生し急速に電流が減衰する。この時常電導転位故
障のあったコイルについては発生した電気抵抗による電
圧と電流減衰によるインダクタンス電圧の合成した電圧
が、又常電導転位故障の無かったコイルについては電流
減衰によるインダクタンス電圧が発生する。これら常電
導転位故障による電圧がクウェンチ保護素子（６）のダ
イオードターンオン電圧を越えると該ダイオードがター
ンオンして超電導コイル両端を短絡し閉回路を形成す
る。これにより超電導コイルに発生する電圧を抑制し絶
縁破壊を防止する。従って超電導コイル群に対するクウ
ェンチ保護素子（６）の数が多い程超電導コイル内の発
生電圧が低く抑えることができるため通常第８若しくは
第９図に示す如く各コイル毎に並列にクウェンチ保護素
子が設けられる。一方、第10図は常電導転位故障の一例
を示したもので（１）の超電導コイルに常電導転位故障
が発生し、（１）の超電導コイルと並列に接続されたク
ウェンチ保護素子（６）のダイオードがターンオンしコ
イル内の発生電圧が抑制された状態についてこの時の電
流の流れを図中に矢印で示したものである。

矢印（13）で示した電流は超電導コイル（１）を流れ
る電流ループを、矢印（14）で示した電流はクウェンチ
保護素子（６）のダイオードを流れる電流ループを示
す。

超電導コイル（１）では常電導転位故障による電気抵
抗が発生しているため電流ループ（13）の電流は急速に
減衰することとなるが、電流ループ（14）の電流は回路
中の抵抗発生部となるダイオード抵抗が小さいため電流
減衰が小さい。さらに、超電導コイル（１）の電流減衰
による相互インダクタンス誘導分で電流ループ（14）の
電流はむしろ増加する場合も生じる。

従って、超電導コイル（１）の常電導転位故障が断続
する、超電導コイル（１）を流れる。電流が他の超電導
コイル（２），（３），（４），（５）を流れる電流よ
り小さくなり、磁性体磁気シールド（10）との相対関係
に於いて磁気的に非対称となる。この結果超電導コイル
（１）（２）（３）（４）（５）は全体として磁気シー
ルド（10）との間に右方向の不平衡磁気吸引力が生じ
る。この不平衡磁気吸引力は例えば直径1mの超電導コイ
ル巻半径を持つ中心磁界１テスラの超電導マグネットで
数トンもの値になる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の装置は以上のように構成されているので、超電
導コイルの通常の励磁時には超電導コイルがマグネット
中心を通るコイル軸に垂直な面に対して略対称に配置さ
れコイルの通電々流が同一で且つ磁気シールドもマグネ
ット中心を通るコイル軸に垂直な面に対して略対称な構
造なっているため、磁気的対称性が確保され超電導コイ
ル群と磁気シールド間はコイル軸方向に働く磁気吸引力
が左右方向にバランスしている。しかしマグネット中心
に配置された超電導コイル以外の任意の超電導コイルが
常電導転位故障した時、常電導転位した超電導コイルの
電流が減衰することによりマグネット中心を通る対称面
に対して左右の超電導コイルの発生する磁界に差が生じ
磁気的対称性が損われる。この結果、全超電導コイル群
と磁気シールド間のコイル軸方向に働く磁気吸引力が左
右方向にアンバランスとなり、この力に耐え得る支持構
造を必要とする問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためにな
されたもので任意の超電導コイルの常電導転位故障時に
も、コイル内に過大な異常電圧の発生が無く、且つマグ
ネット中心を通る対称面に対して磁気的対称性が確保で
きる超電導マグネット装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る超電導マグネット装置は、超電導マグ
ネットを構成する複数個の円筒形コイルの各々厚さ方向
に同数の複数層に分割し、各コイルの同一層を順次直列
に接続し直列に接続された直列体の両端間にクウェンチ
保護素子を接続して全体の超電導コイル群を構成したも
のである。

〔作用〕

この発明における超電導マグネット装置は、超電導マ
グネットを構成する複数個の円筒形コイルの各々を厚さ
方向に同数の複数層に分割し、各コイルの同一層を順次
直列に接続し直列に接続されたコイル群の両端間にクウ
ェンチ保護素子を接続することにより、任意のコイル部
分の常電導転位故障時にも、コイル中心を通る対称面に
対して磁気的対称性が確保され、超電導コイル群と磁気
シールド間に働く磁気吸引力が左右でバランスするもの
である。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
１図は本発明を示す超電導マグネット装置の縦断面図を
示しており第８図に示した従来例の図に相当するもので
ある。図において（10）は磁性体の磁気シールド、（1
1）は超電導マグネット、（８）は超電導コイル励磁端
子、（９）は永久電流スイッチヒーター通電端子、（1
2）は超電導リードを示す。

（1a），（1b），（2a），（2b），（3a），（3b），
（4a），（4b），（5a），（5b）は略同軸に配置された
略円筒形の超電導コイルで各々２層に等分割されてお
り、上の層については添字（ａ）で下の層についての添
字（ｂ）を付けて示してある。

各コイルの下の層（1b）〜（5b）は超電導リード（1
2）で順次直列に接続されその両端にコイル群とは並列
にクウェンチ保護素子である逆並列ダイオード（6b）が
接続されている。又各コイルの上の層（1a）〜（5a）に
ついても下の層と同様順次直列に接続されその両端にコ
イル群とは並列にクウェンチ保護素子（6a）が接続さ
れ、下の層のコイル群と上の層のコイル群はさらに直列
接続されて全体のコイル群を形成している。

第２図は第１図の電気回路のみを抽出して示したもの
である。

次に動作について説明する。

超電導マグネットの励磁手順については従来例で述べ
たものと全く同一である。通常励磁されている超電導マ
グネットの電流回路については、従来では各コイルが順
次直列となる回路であったが、本発明例では各コイルの
上、下層が各々直列に接続されさらに上と下の層のコイ
ル群を直列に接続した回路となっている点で異なる。し
かしながら、マグネット中心を通るコイル軸に垂直な面
に対して各コイルの位置及び磁性体磁気シールドの構成
が略対称であり且つ垂直励磁時各コイルの電流が等しい
ことから通常励磁時対称面に対する磁気的対称性が確保
され、従来例同様全超電導コイル群と磁気シールド間に
働くコイル軸方向の磁気吸引力は左右方向にバランスし
たものとなっている。

一方、超電導コイルの一部に常電導転位故障が発生し
た場合を考えると各コイル部分に発生する電圧に対し、
クウェンチ保護素子であるダイオードがターンオンして
超電導コイル群の両端を短絡し、閉回路を形成する。こ
れにより超電導コイル群に発生する電圧を抑制し絶縁破
壊を防止する。このクウェンチ保護素子の動作によって
形成される閉回路はマグネット中心を通るコイル軸に垂
直な面に対して対称なコイル部分を直列に接続して構成
されることから磁気的な対称性が損われることは無い。
従って、超電導コイルの任意の一部分に常電導転位故障
が発生した場合にも全超電導コイル群と磁磁気シールド
間に働くコイル軸方向の磁気吸引力は左右方向にバラン
スしたものとなる。

第３図はこの状況を示した一例であり（1b）の超電導
コイル部で常電導転移故障が発生し（1b）のコイル群と
並列に接続されたクウェンチ保護素子（6b）のダイオー
ドがターンオンした時の電流の流れを矢印で示したもの
である。

図中の矢印（15）で示した電流は超電導コイル部（1
b）を含むコイル群を流れる電流ループを、矢印（16）
で示した電流はクウェンチ保護素子（6b）のダイオード
を流れる電流ループを示す。両電流ループの電流値が常
電導転移故障により如何に変化しても対称位置にあるコ
イル部分には同一の電流が流れることとなり、磁気的対
称性が確保され磁気吸引力は左右方向にバランスするも
のとなる。

尚上記実施例では各コイルを２層に分割したものとし
たが、第４−１図の如く３層以上の複数層としても良
い。この場合、クウェンチ保護素子の数が増加しコイル
内発生電圧はより低く抑えらえる。さらに実施例及び第
４−１図では各コイルの分割が等分となっているが、第
４−２図第４−３図の如く非等分であっても左右対称位
置にあるコイルの分割比率が略等しいものであれば良
い。

又磁気シールドとして磁性体磁気シールドを示したが
第５図の（17）で示した如くの逆性アンペアターンを有
するコイルによる電気的磁気シールド、若しくは磁性体
磁気シールド、電気的磁気シールド双方を合せ持つもの
でも良い。

さらにクウェンチ保護素子として逆並列ダイオードを
用いた第６図の（18a），（18b）で示した如くの保護抵
抗を用いるか若しくは保護アレスターを用いても良い。

なお、本発明の説明に当っては磁気共鳴イメージング
用超電導マグネット装置を例としたが粒子加速器を用い
た物理研究に用いられる超電導マグネット装置に用いて
も良い。

〔発明の効果〕

以上のようによれば常電導転位発生時にもコイル軸方
向の磁気的対称性が確保され、全超電導コイル群と磁気
シールド間にコイル軸方向の磁気吸引力アンバランスが
発生せず、超電導コイルの支持強度を強くすること無く
構成できるので装置が安価にできる。また、支持強度の
強化による超電導マグネット内への熱侵入の増加を招く
ことが無いため超電導マグネットの冷却媒体である液体
ヘリウムの蒸発を低く抑えたランニングコストの安価な
超電導マグネット装置を得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す超電導マグネット装
置を示す断面図、第２図は第１図の電気回路を示す回路
図、第３図は超電導コイルの一部が常電導転位した場合
の電流の流れを示す回路図、第４−１図〜第４−３図，
第５図，第６図はこの発明の他の実施例を示す図、第７
図は磁気共鳴イメージング装置を示す斜視図、第８図は
従来の超電導マグネット装置を示す断面図、第９図は第
８図の電気回路を示す回路図、第10図は超電導コイルの
一部が常電導転位した場合の電流の流れを示す回路図で
ある。 図において、（1a）〜（5a），（1b）〜（5b）は超電導
コイル、（6a），（6b）はクウェンチ保護素子、（７）
は永久電流スイッチ、（10）は磁気シールドである。 なお、各図中、同一符号は同一あるいは相当部分を示す
ものとする。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マグネット中心を通りコイル軸に垂直な面
   に対して略対称に配置された複数の円筒型超電導コイル
   と、この複数の円筒型超電導コイルが外部空間に発生す
   る漏洩磁界を低減する上記垂直な面に対して略対称に設
   けられた磁気シールドよりなる超電導マグネット装置に
   おいて、上記複数の円筒型超電導コイルは対称位置にあ
   る円筒型超電導コイル同士の巻数比率が略等しくなるよ
   うに各々厚さ方向に複数層に分割され、かつ各層毎に分
   割された円筒型超電導コイルが直列接続されて直列体を
   なしており、各直列体の両端間にはクウェンチ保護素子
   が並列接続されていることを特徴とする超電導マグネッ
   ト装置。