JP2727877B2 - Method for configuring coil of magnet for nuclear magnetic resonance apparatus - Google Patents

Method for configuring coil of magnet for nuclear magnetic resonance apparatus

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JP2727877B2
JP2727877B2 JP4187878A JP18787892A JP2727877B2 JP 2727877 B2 JP2727877 B2 JP 2727877B2 JP 4187878 A JP4187878 A JP 4187878A JP 18787892 A JP18787892 A JP 18787892A JP 2727877 B2 JP2727877 B2 JP 2727877B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、外部への漏れ磁場が少
なく、均一磁場の発生に好適な核磁気共鳴装置用マグネ
ットのコイル構成方法およびそれを用いた装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for constructing a coil of a magnet for a nuclear magnetic resonance apparatus suitable for generating a uniform magnetic field with a small leakage magnetic field to the outside, and an apparatus using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の核磁気共鳴用超電導マグネットの
例としては、特開昭61−30012 号公報に記載のように、
メインコイルを構成する第1群の超電導コイルと、キャ
ンセルコイルを構成する第2群の超電導コイルを配置し
たマグネットにおいて、測定空間内に均一な磁場を生起
するとともに、マグネットの外部領域における高次の磁
気モーメントを抑制するものが知られている。
2. Description of the Related Art As an example of a conventional superconducting magnet for nuclear magnetic resonance, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No.
In a magnet in which a first group of superconducting coils constituting a main coil and a second group of superconducting coils constituting a cancel coil are arranged, a uniform magnetic field is generated in a measurement space, and a high-order magnetic field in a region outside the magnet is generated. Those that suppress the magnetic moment are known.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、メ
インコイル及びキャンセルコイルを、それぞれほぼ球状
の表面上に配置するので、マグネットの構造が複雑にな
り大型になる。また、メインコイルとキャンセルコイル
がそれぞれ独立に外部領域における高次の磁気モーメン
トを抑制し、マグネット全体としても外部領域における
高次の磁気モーメントを抑制するように、コイルが構成
されている。このため、必要十分な量以上にコイルの線
材を用いなければならない問題があった。
In the above prior art, since the main coil and the cancel coil are respectively arranged on the substantially spherical surfaces, the structure of the magnet becomes complicated and large. The coils are configured such that the main coil and the cancel coil independently suppress higher-order magnetic moments in the outer region, and the magnet as a whole suppresses higher-order magnetic moments in the outer region. For this reason, there has been a problem that the wire material of the coil must be used more than necessary and sufficient.

【0004】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、メインコイルとキャンセルコイルによる磁場の総和
において、マグネット外部領域における磁気モーメント
を抑制するものである。具体的には、メインコイルを構
成する第1群のコイル、及びキャンセルコイルを構成す
る第2群のコイルから構成されるマグネットにおいて、
各コイルによる磁場の総和として表わした内部領域及び
外部領域の磁場の球面調和関数による展開係数を、所望
の次数について所望の目標値に設定するコイル構成を求
める方法を開示し、またこの方法を用いて得られる、漏
れ磁場が十分に小さく、しかも小型,低コストの高均一
磁場発生核磁気共鳴装置用マグネットを提供できる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to suppress a magnetic moment in a region outside a magnet in a total of magnetic fields generated by a main coil and a cancel coil. Specifically, in a magnet composed of a first group of coils constituting a main coil and a second group of coils constituting a cancel coil,
Disclosed is a method of determining a coil configuration for setting a development coefficient by a spherical harmonic function of a magnetic field of an inner region and an outer region represented as a sum of magnetic fields by respective coils to a desired target value for a desired order, and using this method. Thus, it is possible to provide a small and low-cost magnet for a highly uniform magnetic field generating nuclear magnetic resonance apparatus, which has a sufficiently small leakage magnetic field and is obtained.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記目的は、マグネット
の内部及び外部領域における球面調和関数による磁場の
展開係数を、所望次数について所望の目標値に一致させ
る最適な電流密度分布を決定し、次に、得られた電流密
度分布よりコイルの初期配置を決定し、前記所望次数の
展開係数を前記所望の目標値に一致するようコイル位置
の最適化を行なうことによって達成される。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to determine an optimal current density distribution that matches the expansion coefficient of a magnetic field based on a spherical harmonic function in the inner and outer regions of a magnet with a desired target value for a desired order. Then, the initial position of the coil is determined from the obtained current density distribution, and the coil position is optimized so that the expansion coefficient of the desired order matches the desired target value.

【0006】本発明によるコイル構成の最適化計算手順
を、図1を用いて説明する。先ず始めに、線形計画法を
用いた電流密度分布の最適化のステップを説明する。
A procedure for calculating the optimization of the coil configuration according to the present invention will be described with reference to FIG. First, the steps of optimizing the current density distribution using the linear programming will be described.

【0007】図5に、線形計画法を用いた最適化の計算
モデル(コイル配置は中央面に関して対称)を示す。最
初に、ボックス21及びボックス22において、コイル
を配置する場所(コイル領域)を図5のように要素分割
し、各コイル要素の電流密度を線形計画法の未知数とす
る。線形計画法では、未知数に関する線形式で表わせる
制約条件を設定し、また未知数に関する線形式で表わせ
る目的関数を最大化または最小化することができる。そ
こでk番目のコイル要素の電流密度をjkとして、以下に
示す示す制約条件、 (1)ボックス23において、メインコイルに対応するコ
イル要素に関して、 0<jk<jmax jmax:電流密度の最大値 (2)ボックス24において、キャンセルコイルに対応す
るコイル要素に関して、 −jmax<jk<0 (3)ボックス25において、全コイル要素による内部領
域磁場のn次の展開係数に関して、
FIG. 5 shows a calculation model for optimization using linear programming (coil arrangement is symmetrical with respect to the center plane). First, in the boxes 21 and 22, the location (coil area) where the coil is arranged is divided into elements as shown in FIG. 5, and the current density of each coil element is set as an unknown in the linear programming. In the linear programming, it is possible to set a constraint condition that can be expressed in a linear form for unknowns, and to maximize or minimize an objective function that can be expressed in a linear form for unknowns. Therefore, assuming that the current density of the k-th coil element is jk, the following constraints are applied. (1) In box 23, for the coil element corresponding to the main coil, 0 <jk <jmax jmax: the maximum value of the current density (2 ) In box 24, for the coil element corresponding to the cancellation coil: -jmax <jk <0 (3) In box 25, for the nth order expansion coefficient of the internal region magnetic field by all coil elements:

【0008】[0008]

【数8】 (Equation 8)

【0009】(4)ボックス26において、全コイル要素
による外部領域磁場のn次の展開係数に関して、
(4) In box 26, regarding the nth order expansion coefficient of the external region magnetic field by all coil elements,

【0010】[0010]

【数9】 (Equation 9)

【0011】を、設定する。Is set.

【0012】次に、ボックス27において、線形計画法
の目的関数Fとして
Next, in box 27, as an objective function F of the linear programming,

【0013】[0013]

【数10】 (Equation 10)

【0014】vk :k番目のコイル要素の体積 F:コイルの全体積(線材長に対応) を、設定する。V k : Volume of k-th coil element F: Total volume of coil (corresponding to wire length) is set.

【0015】次にボックス28において、線形計画法を
用いて、ボックス23からボックス26で設定した制約
条件のもとで目的関数Fを最小化し、電流密度分布を最
適化する。
Next, in box 28, the objective function F is minimized using the linear programming under the constraints set in boxes 23 to 26, and the current density distribution is optimized.

【0016】以上に説明した線形計画法モデルの実行例
を図6に示す。展開係数に関する制約条件は、内部領域
に関して、 D0=1.5T、 D2=D4=…D10=0 外部領域に関して、 H1=H3=0 である。また電流密度の上限Jmaxは141.2A/mm2
した。図6の最適解では、電流密度が最大値Jmaxに等し
いコイル要素が互いに隣接して現われ、その間のコイル
要素では最適化された電流密度がゼロになる性質があ
る。この性質は、最適なコイル配置が数学的に一義に決
まることを示唆している。
FIG. 6 shows an example of execution of the linear programming model described above. The constraints on the expansion coefficient are as follows: D0 = 1.5T, D2 = D4 =... D10 = 0 for the inner area, and H1 = H3 = 0 for the outer area. The upper limit Jmax of the current density was set to 141.2 A / mm 2 . In the optimal solution in FIG. 6, coil elements having a current density equal to the maximum value Jmax appear adjacent to each other, and the coil elements between them have a property that the optimized current density becomes zero. This property suggests that the optimal coil arrangement is mathematically determined.

【0017】次に、線形計画法により最適化された電流
密度分布よりコイルの初期配置を決定し、傾斜法の1種
であるダヴィドン法を用いて各小コイルの位置を最適化
するステップについて説明する。先ず、ボックス29に
おいて、線形計画法で得られた最適な電流密度分布よ
り、実際の導体断面形状及び巻き線の方法を考慮して、
コイルの初期配置を決定する。
Next, the step of deciding the initial arrangement of the coils from the current density distribution optimized by the linear programming method and optimizing the position of each small coil using the Davidon method which is a kind of the gradient method will be described. I do. First, in box 29, from the optimal current density distribution obtained by the linear programming method, taking into account the actual conductor cross-sectional shape and winding method,
Determine the initial placement of the coil.

【0018】次に、ボックス30において、内部領域磁
場について、各次数の磁場の空間分布(数1)を考慮し
た評価関数
Next, in box 30, an evaluation function for the internal region magnetic field in consideration of the spatial distribution (Equation 1) of the magnetic field of each order.

【0019】[0019]

【数11】 [Equation 11]

【0020】を、ダヴィドン法を用いたコイル位置の最
適化により最小化する。この評価関数は高次不整磁場の
2乗和を表し、△Bi はコイル全体が作る不整磁場の目
安と考えることができる。同様に、ボックス31におい
て、外部領域磁場に関する評価関数
Is minimized by optimizing the coil position using the Davidon method. This evaluation function represents the sum of squares of the higher-order irregular magnetic field, and △ B i can be considered as a measure of the irregular magnetic field generated by the entire coil. Similarly, in box 31, the evaluation function for the external region magnetic field

【0021】[0021]

【数12】 (Equation 12)

【0022】を、ダヴィドン法を用いたコイル位置の最
適化により最小化する。ここで、線形計画法による最適
化のステップとの整合をとるため、ボックス30及びボ
ックス31で指定する展開係数の次数及び目標値はボッ
クス25及びボックス26で指定する値と一致させるこ
とが望ましい。
Is minimized by optimizing the coil position using the Davidon method. Here, it is desirable that the order and the target value of the expansion coefficient specified in the boxes 30 and 31 match the values specified in the boxes 25 and 26 in order to match the optimization step by the linear programming method.

【0023】次に、判定ボックス32において、内部領
域及び外部領域の磁場に関する評価関数がそれぞれ所定
の許容値εi及びεe以下に収束したかを判定する。収
束しない場合は、評価関数が所定の許容値以下になるま
でボックス30及びボックス31を繰り返す。
Next, in a decision box 32, it is decided whether or not the evaluation functions relating to the magnetic fields of the inner region and the outer region have converged to predetermined tolerances εi and εe, respectively. If the convergence does not occur, the boxes 30 and 31 are repeated until the evaluation function becomes equal to or smaller than a predetermined allowable value.

【0024】[0024]

【作用】図2に示す線状円電流iによって作られる磁場
を下記のように定義する。磁場はz軸に関し対称なので
円筒座標におけるz成分とρ成分のみで表わせる。これ
らをルジャンドル関数Pn と、陪ルジャンドル関数Pn
mを用いて表わすと、円電流の内部領域(r<c)で
は、
The magnetic field generated by the linear circular current i shown in FIG. 2 is defined as follows. Since the magnetic field is symmetric with respect to the z axis, it can be represented only by the z component and the ρ component in the cylindrical coordinates. These are called the Legendre function P n and the associated Legendre function P n
When expressed using m, in the internal region of the circular current (r <c),

【0025】[0025]

【数13】 (Equation 13)

【0026】[0026]

【数14】 [Equation 14]

【0027】[0027]

【数15】 (Equation 15)

【0028】円電流の外部領域(r>c)では、In the external region of the circular current (r> c),

【0029】[0029]

【数16】 (Equation 16)

【0030】[0030]

【数17】 [Equation 17]

【0031】[0031]

【数18】 (Equation 18)

【0032】となる。## EQU1 ##

【0033】次に、図3に示す矩形断面のコイル(ソレ
ノイド)による磁場を定義する。内部及び外部領域にお
ける磁場は、上と同じ形の球面調和関数の和として表わ
すことができる。すなわち、z軸方向の磁場に着目する
と内部磁場については、
Next, a magnetic field generated by a coil (solenoid) having a rectangular cross section shown in FIG. 3 will be defined. The magnetic fields in the inner and outer regions can be expressed as the sum of spherical harmonics of the same form as above. That is, focusing on the magnetic field in the z-axis direction, the internal magnetic field

【0034】[0034]

【数19】 [Equation 19]

【0035】外部磁場については、Regarding the external magnetic field,

【0036】[0036]

【数20】 (Equation 20)

【0037】と表わすことができる。ここで、Dn,Hn
を磁場の展開係数と呼ぶことにする。ソレノイドの電流
密度をjとすると、図3の内部及び外部領域の磁場の展
開係数Dn,Hnは数10及び数13のdn,hnを用いて
Can be expressed as Where D n , H n
Is referred to as the expansion coefficient of the magnetic field. When the current density of the solenoid and j, the expansion coefficients D n, H n of the magnetic field of the inner and outer regions of Figure 3 with a d n, h n number 10 and number 13

【0038】[0038]

【数21】 (Equation 21)

【0039】[0039]

【数22】 (Equation 22)

【0040】で与えられる。ここに、D0は均一磁場の
強度、これより高次の展開係数Dn(n>0)は磁場均一度
を悪くする不整磁場の強度であり、H1 は磁気双極子モ
ーメントによる漏れ磁場の強度、これより高次の展開係
数Hn(n>0)は高次の磁気モーメントによる漏れ磁場の
強度である。コイルがマグネットの中央面(z=0)に関し
て対称性を持ち、同じソレノイドが中央面と対称な位置
にある場合には、数1においてnが奇数の展開係数はゼ
ロ、nが偶数の展開係数は(数1)の2倍になり、数2
においてnが偶数の展開係数はゼロ、nが奇数の展開係
数は(数2)の2倍になる。
Is given by Here, D 0 is the intensity of the uniform magnetic field, higher order expansion coefficient D n (n> 0) is the intensity of the irregular magnetic field that degrades the magnetic field uniformity, and H 1 is the leakage magnetic field due to the magnetic dipole moment. The strength, higher order expansion coefficient H n (n> 0), is the strength of the stray magnetic field due to the higher order magnetic moment. If the coil has symmetry with respect to the center plane (z = 0) of the magnet and the same solenoid is located at a position symmetrical with the center plane, in Equation 1, n is an odd expansion coefficient of zero and n is an even expansion coefficient. Is twice (Equation 1), and
, The expansion coefficient with n being an even number is zero, and the expansion coefficient with n being an odd number is twice as large as (Equation 2).

【0041】マグネット外部領域の磁場の展開式(数
2)における1次,3次及び5次項の磁場分布を図4に
示す。rを原点oからの距離として、1次,3次,5次
項はそれぞれr3,r5,r7に反比例するので、次数
が大きい磁場程、遠方で速やかに減衰する性質がある。
従って、遠方まで到達する低次項から順に消去すること
により、漏れ磁場を小さくできる。
FIG. 4 shows the magnetic field distributions of the first, third and fifth-order terms in the expansion formula (Equation 2) of the magnetic field in the outer region of the magnet. When r is the distance from the origin o, the first, third, and fifth order terms are inversely proportional to r3, r5, and r7, respectively, so that a magnetic field having a higher order has a property of rapidly attenuating at a greater distance.
Therefore, the leakage magnetic field can be reduced by sequentially erasing the low-order terms that reach far away.

【0042】また、マグネット内部領域の磁場の均一度
を良くするためには、不整磁場成分を低次項から消去す
ればよく、より高次の項まで消去することにより均一磁
場領域が拡大する。
Further, in order to improve the uniformity of the magnetic field in the magnet inner region, the irregular magnetic field component may be eliminated from the low-order terms, and the uniform magnetic field region is expanded by eliminating the higher-order terms.

【0043】以上述べたように、磁場の球面調和関数に
よる展開係数に着目して、所望の次数の展開係数が所望
の目標値(ゼロ)になるように各小コイルの起磁力配分
と位置の最適化を行なうことにより、内部領域の所望の
磁場均一度を達成でき、同時に外部領域の所望の漏れ磁
場特性を達成できる。
As described above, focusing on the expansion coefficient of the magnetic field by the spherical harmonic function, the magnetomotive force distribution and position of each small coil are set so that the expansion coefficient of a desired order becomes a desired target value (zero). By performing the optimization, it is possible to achieve a desired magnetic field uniformity in the inner region, and at the same time, a desired leakage magnetic field characteristic in the outer region.

【0044】[0044]

【実施例】【Example】

(実施例1)本発明のコイル構成方法を用いた核磁気共
鳴装置用超電導マグネットの実施例を説明する。以下で
は簡単のため、外部領域磁場の1次及び3次成分を消去
したマグネットを5次アクティブシールド型マグネット
と呼び、1次,3次及び5次成分を消去したマグネット
を7次アクティブシールド型マグネットと呼ぶ。
(Embodiment 1) An embodiment of a superconducting magnet for a nuclear magnetic resonance apparatus using the coil configuration method of the present invention will be described. In the following, for simplicity, a magnet in which the primary and tertiary components of the external magnetic field are eliminated is called a fifth-order active shield type magnet, and a magnet in which the primary, tertiary and fifth-order components are eliminated is a seventh-order active shield type magnet. Call.

【0045】図7は、本発明の実施例によるメインコイ
ルが6個の5次アクティブシールド型核磁気共鳴装置用
超電導マグネットの断面図である。
FIG. 7 is a sectional view of a superconducting magnet for a fifth-order active shield type nuclear magnetic resonance apparatus having six main coils according to an embodiment of the present invention.

【0046】非磁性材の円筒形の巻枠10及び11に
は、6種類の小超電導コイル1,1′,2,2′,3,
3′,4,4′,5,5′及び6,6′が巻付けてあ
る。図1では巻枠のうちの円筒部のみを示してある。こ
れらの小超電導コイルのうちメインコイルを構成する小
コイル1、1′,2,2′及び3,3′とキャンセルコ
イルを構成する小コイル4,4′,5,5′及び6,
6′は、それぞれ概ね等しい平均巻半径を有し、マグネ
ットの中央面(z=0)に関して対称に配置してある。ま
た、各小超電導コイルの中心軸は、z軸と一致してい
る。上記12個の小超電導コイルのうちメインコイルを
構成する小超電導コイル1,1′,2,2′及び3,
3′とキャンセルコイルを構成する小超電導コイル4,
4′,5,5′及び6,6′は、それぞれ電気的に直列
接続してあり、電流の向きは、メインコイルを構成する
小超電導コイルにおいて全て同じであり、キャンセルコ
イルを構成する小超電導コイルにおいては、メインコイ
ルを構成する小超電導コイルと逆向きである。
Six types of small superconducting coils 1, 1 ', 2, 2', 3,
3 ', 4, 4', 5, 5 'and 6, 6' are wound. FIG. 1 shows only the cylindrical portion of the bobbin. Of these small superconducting coils, small coils 1, 1 ', 2, 2' and 3, 3 'constituting a main coil and small coils 4, 4', 5, 5 'and 6, constituting a cancel coil
6 'each have a substantially equal mean winding radius and are symmetrically arranged with respect to the center plane of the magnet (z = 0). Also, the central axis of each small superconducting coil coincides with the z-axis. Of the 12 small superconducting coils, the small superconducting coils 1, 1 ', 2, 2' and 3, which constitute the main coil,
3 ′ and a small superconducting coil 4 constituting a cancel coil
4 ', 5, 5' and 6, 6 'are electrically connected in series, and the directions of currents are all the same in the small superconducting coil constituting the main coil, and the small superconducting coil constituting the cancel coil is formed. The direction of the coil is opposite to the direction of the small superconducting coil constituting the main coil.

【0047】以上のコイル構成は、中心磁場強度が1.
5T 、内部領域の2次から10次までの不整磁場がゼ
ロ,外部領域磁場の1次と3次の成分がゼロ,各小超電
導コイルの電流密度が141.2A/mm2、メインコイル
を構成する小超電導コイルの平均巻半径が概ね567m
m、キャンセルコイルを構成する小超電導コイルの平均
巻半径が概ね833mmの条件で最適化を行なった結果で
ある。ここで、電流密度分布を最適化するステップで、
コイルを配置する領域の軸長を制限することにより、メ
インコイルとキャンセルコイルの軸長が概ね同一になる
ようにした。このとき各小超電導コイルのパラメタの値
は表1のようになる。
In the above coil configuration, the central magnetic field intensity is 1.
5T, the irregular magnetic field from the second to the 10th order in the inner region is zero, the first and third order components of the outer region magnetic field are zero, the current density of each small superconducting coil is 141.2 A / mm 2 , and the main coil is configured. The average winding radius of the small superconducting coil is approximately 567m
m, the result of optimization under the condition that the average winding radius of the small superconducting coil constituting the cancel coil is approximately 833 mm. Here, in the step of optimizing the current density distribution,
By limiting the axial length of the area where the coils are arranged, the axial lengths of the main coil and the cancel coil are made substantially the same. At this time, the values of the parameters of each small superconducting coil are as shown in Table 1.

【0048】 表1 コイル番号(i) r(mm) zi(mm) 起磁力(kAT) 1 567.0 91.4 396.0 2 567.0 304.0 510.4 3 567.0 696.1 1393.9 4 833.0 39.2 −198.6 5 833.0 331.8 −171.5 6 833.0 777.5 −695.5 ここで、rは各コイルの平均巻き半径、ziは各コイル
の中央面からの平均距離である。
Table 1 Coil number (i) r (mm) zi (mm) Magnetomotive force (kAT) 1 567.0 91.4 396.0 2 567.0 304.0 510.4 3 567.0 696.1 1393.9 4 833.0 39.2-198.6 5 833.0 331.8-171.5 6 833.0 777.5-695.5 where r is the average winding radius of each coil, and zi is This is the average distance from the center plane of each coil.

【0049】図8に、上記5次アクティブシールド型超
電導マグネットの、漏れ磁場の計算結果を示す。この図
は、漏れ磁場の大きさが10G,5G及び1Gの等高線
を、マグネットの中心軸を含む平面上で示したものであ
る。外部領域の磁場の1次及び3次成分を消去すること
により、漏れ磁場の大きさが遠方で急速に減衰し、漏れ
磁場を非常に小さく抑えることができることが分かる。
また、z軸、及びρ軸上で漏れ磁場の絶対値が10G,
5G及び1Gとなる原点からの距離をそれぞれr10,
r5及びr1,ρ10,ρ5及びρ1とすると、 r5/r10=1.10 r1/r10=1.38 ρ5/ρ10=1.11 ρ1/ρ10=1.43 である。漏れ磁場が原点からの距離の7乗に反比例して
減衰する場合、上記の比は1.10及び1.39であるか
ら、漏れ磁場の主成分が5次項となる、ほぼ所望の減衰
特性が達成されていることが分かる。
FIG. 8 shows the calculation results of the leakage magnetic field of the fifth-order active shield type superconducting magnet. In this figure, contour lines where the magnitude of the leakage magnetic field is 10 G, 5 G and 1 G are shown on a plane including the center axis of the magnet. It can be seen that by eliminating the primary and tertiary components of the magnetic field in the external region, the magnitude of the leakage magnetic field rapidly attenuates far away, and the leakage magnetic field can be kept very small.
Further, the absolute value of the leakage magnetic field on the z-axis and the ρ-axis is 10 G,
The distances from the origin of 5G and 1G are r10,
Assuming that r5 and r1, ρ10, ρ5 and ρ1, r5 / r10 = 1.10 r1 / r10 = 1.38 ρ5 / ρ10 = 1.11 ρ1 / ρ10 = 1.43. When the leakage magnetic field is attenuated in inverse proportion to the seventh power of the distance from the origin, the above ratio is 1.10 and 1.39. It can be seen that this has been achieved.

【0050】(実施例2)図9に本発明の他の実施例を
示す。本実施例は、キャンセルコイルを構成する第2群
のコイルの平均巻き半径を概ね933mm、他の条件は図
6と同じ場合について、最適化を行なった結果である。
各小超電導コイルのパラメタの値を、表2に示す。
(Embodiment 2) FIG. 9 shows another embodiment of the present invention. This embodiment is a result of optimization performed when the average winding radius of the second group of coils constituting the cancel coil is approximately 933 mm and other conditions are the same as those in FIG.
Table 2 shows parameter values of each small superconducting coil.

【0051】 表2 コイル番号(i) r(mm) zi(mm) 起磁力(kAT) 1 567.0 91.7 333.2 2 567.0 304.8 439.9 3 567.0 692.3 1208.5 4 933.0 0.0 −311.9 5 933.0 760.0 −575.8 図7及び図9のように、キャンセルコイルの半径を変え
るとキャンセルコイルを構成する小コイルの数,配置,
起磁力が変わる。キャンセルコイルの半径がメインコイ
ルの半径に対し大きいほど、キャンセルコイルを構成す
る小コイルが少なくなる傾向がある。
Table 2 Coil number (i) r (mm) zi (mm) Magnetomotive force (kAT) 1 567.0 91.7 333.2 2 567.0 304.8 439.9 3 567.0 692.3 1208.5 4 933.0 0.0 -311.9 5 933.0 760.0 -575.8 As shown in FIGS. 7 and 9, when the radius of the cancel coil is changed, the number of small coils constituting the cancel coil is changed. , Placement,
The magnetomotive force changes. As the radius of the cancel coil is larger than the radius of the main coil, the number of small coils constituting the cancel coil tends to decrease.

【0052】図9に示した実施例における漏れ磁場は図
8とほぼ同じ分布となる。このように5次アクティブシ
ールド型マグネットは、漏れ磁場がマグネット中心から
の距離の7乗に反比例する5次の成分を支配的にするこ
とにより、どの実施例でも十分な低漏れ磁場を達成でき
ることがわかる。
The leakage magnetic field in the embodiment shown in FIG. 9 has substantially the same distribution as in FIG. As described above, the fifth-order active shield type magnet can achieve a sufficiently low leakage magnetic field in any of the embodiments by making the leakage magnetic field dominant the fifth-order component that is inversely proportional to the seventh power of the distance from the center of the magnet. Recognize.

【0053】(実施例3)メインコイルが6個の7次ア
クティブシールド型核磁気共鳴用超電導マグネットの本
発明による実施例を示す。図10は、メインコイルの平
均巻半径が概ね567mm、キャンセルコイルの平均巻半
径が概ね833mm、メインコイルが6個、キャンセルコ
イルが6個、図12はメインコイルの平均巻半径が概ね
567mm、キャンセルコイルの平均巻半径が概ね933
mm、メインコイルが6個、キャンセルコイルが3個のマ
グネットの断面図である。このコイル構成は、中心磁場
が1.5T 、内部領域の2次から10次までの不整磁場
がゼロ、外部領域磁場の1次,3次及び5次成分がゼ
ロ、電流密度が141.2A/mm2 の条件で最適化した結
果である。各小超電導コイルのパラメータの値を、図1
0及び図12についてそれぞれ表3及び表4に示す。
(Embodiment 3) An embodiment according to the present invention of a seventh-order active shield type superconducting magnet for nuclear magnetic resonance having six main coils will be described. FIG. 10 shows an average winding radius of the main coil of about 567 mm, an average winding radius of the cancel coil of about 833 mm, six main coils and six cancel coils, and FIG. 12 shows an average winding radius of the main coil of about 567 mm. The average winding radius of the coil is approximately 933
FIG. 3 is a cross-sectional view of a magnet having six main coils and three cancel coils. This coil configuration has a center magnetic field of 1.5T, an irregular magnetic field from the second to the tenth order in the inner region is zero, first, third and fifth order components of the outer region magnetic field are zero, and a current density is 141.2 A /. This is the result of optimization under the condition of mm 2 . Figure 1 shows the values of the parameters of each small superconducting coil.
0 and FIG. 12 are shown in Tables 3 and 4, respectively.

【0054】 表3 コイル番号(i) r(mm) zi(mm) 起磁力(kAT) 1 567.0 91.5 483.7 2 567.0 301.8 559.4 3 567.0 691.5 1213.3 4 833.0 86.1 −420.2 5 833.0 304.9 −241.0 6 833.0 980.0 −384.4 表4 コイル番号(i) r(mm) zi(mm) 起磁力(kAT) 1 567.0 90.8 403.1 2 567.0 300.8 470.2 3 567.0 688.1 1086.2 4 933.0 0.0 −891.0 5 933.0 1050.1 −278.3 図11は、図9に示したマグネットの漏れ磁場の分布を
示す。図12に示したマグネットもほぼ同じ漏れ磁場の
分布となる。z軸、またはρ軸上で漏れ磁場の絶対値が
10G,5G及び1Gとなる原点からの距離をそれぞれ
r10,r5及びr1,ρ10,ρ5及びρ1とする
と、 r5/r10=1.08 r1/r10=1.29 ρ5/ρ10=1.09 ρ1/ρ10=1.28 である。漏れ磁場が原点からの距離の9乗に反比例して
減衰する場合、上記の比は1.08及び1.29であるか
ら、漏れ磁場の主成分が7次項である、ほぼ所望の減衰
特性が達成されていることが分かる。このように、7次
アクティブシールド型マグネットは、漏れ磁場がマグネ
ット中心からの距離の9乗に反比例する7次の成分を支
配的とすることにより、どの実施例でも非常に小さな漏
れ磁場を達成できることがわかる。前述した5次アクテ
ィブシールド型マグネットと比較すると漏れ磁場の減衰
が早く、より良好な漏れ磁場特性が達成されている。
Table 3 Coil number (i) r (mm) zi (mm) Magnetomotive force (kAT) 1 567.0 91.5 483.7 2 567.0 301.8 559.4 3 567.0 691.5 1213.3 4 833.0 86.1-420.2 5 833.0 304.9-241.0 6 833.0 980.0-384.4 Table 4 Coil number (i) r (mm) zi (mm) ) Magnetomotive force (kAT) 1 567.0 90.8 403.1 2 567.0 300.8 470.2 3 567.0 688.1 1086.2 4 933.0 0.0 -891.0 5 933. 0 1050.1 -278.3 FIG. 11 shows the distribution of the stray magnetic field of the magnet shown in FIG. The magnet shown in FIG. 12 has almost the same leakage magnetic field distribution. Assuming that the distances from the origin where the absolute values of the leakage magnetic fields are 10G, 5G and 1G on the z-axis or ρ-axis are r10, r5 and r1, ρ10, ρ5 and ρ1, respectively, r5 / r10 = 1.08 r1 / r10 = 1.29 ρ5 / ρ10 = 1.09 ρ1 / ρ10 = 1.28. When the leakage magnetic field attenuates in inverse proportion to the ninth power of the distance from the origin, the above ratios are 1.08 and 1.29. It can be seen that this has been achieved. Thus, the seventh-order active shield type magnet can achieve a very small leakage magnetic field in any of the embodiments by making the leakage magnetic field dominant the seventh-order component which is inversely proportional to the ninth power of the distance from the center of the magnet. I understand. Compared with the above-described fifth-order active shield type magnet, the leakage magnetic field is attenuated faster, and better leakage magnetic field characteristics are achieved.

【0055】次に、メインコイルを構成する小超電導コ
イルが7個,8個ないし9個の場合の本発明の実施例を
示す。どの例でも中心磁場強度は1.5T 、コイルの電
流密度が141.2A/mm2である。
Next, an embodiment of the present invention in the case where the number of small superconducting coils constituting the main coil is 7, 8, or 9 will be described. In each case, the central magnetic field strength is 1.5 T, and the current density of the coil is 141.2 A / mm 2 .

【0056】(実施例4)図13及び図14にメインコ
イルを構成する小超電導コイルが7個の場合の、本発明
の実施例における核磁気共鳴用マグネットの断面図を示
す。図13は5次アクティブシールド型マグネットで、
メインコイルが7個、キャンセルコイルが6個の構成で
あり、内部領域の2次から12次までの不整磁場がゼ
ロ、外部領域磁場の1次および3次成分がゼロの条件で
最適化した結果である。図14は7次アクティブシール
ド型マグネットで、メインコイルが7個、キャンセルコ
イルが6個の構成であり、内部領域の2次から12次ま
での不整磁場がゼロ、外部領域磁場の1次,3次及び5
次成分がゼロの条件で最適化した結果である。メインコ
イル及びキャンセルコイルの平均巻半径はそれぞれ概ね
567mm及び833mmである。各小コイルのパラメータ
の値を図13及び図14についてそれぞれ表5及び表6
に示す。
(Embodiment 4) FIGS. 13 and 14 are cross-sectional views of a nuclear magnetic resonance magnet according to an embodiment of the present invention when the number of small superconducting coils constituting the main coil is seven. FIG. 13 shows a fifth-order active shield type magnet.
The result of optimization under the condition that the number of main coils is seven and the number of cancellation coils is six, the irregular magnetic field from the second to the twelfth in the inner region is zero, and the first and third order components of the outer region magnetic field are zero. It is. FIG. 14 shows a seventh-order active shield type magnet having seven main coils and six canceling coils. The irregular magnetic field from the second to the twelfth order in the inner region is zero, and the primary and third magnetic fields in the outer region. Next and 5
This is the result of optimization under the condition that the next component is zero. The average winding radii of the main coil and the cancel coil are approximately 567 mm and 833 mm, respectively. Tables 5 and 6 show the values of the parameters of each small coil for FIGS. 13 and 14, respectively.
Shown in

【0057】 表5 コイル番号(i) r(mm) zi(mm) 起磁力(kAT) 1 567.0 0.0 350.2 2 567.0 160.9 374.1 3 567.0 361.6 484.8 4 833.0 751.6 138.7 5 833.0 54.0 −151.6 6 833.0 195.1 −241.0 7 833.0 824.0 −729.2 表6 コイル番号(i) r(mm) zi(mm) 起磁力(kAT) 1 567.0 0.0 371.4 2 567.0 162.3 417.0 3 567.0 361.8 557.6 4 567.0 744.1 1214.8 5 833.0 140.0 −288.0 6 833.0 342.9 −444.2 7 833.0 1040.4 −368.4 上記の2つの実施例では、内部領域において2次から1
2次の不整磁場をゼロにしているので、メインコイルが
6個の場合に比べ10%程度広い範囲に高均一磁場が得
られる効果がある。
Table 5 Coil number (i) r (mm) zi (mm) Magnetomotive force (kAT) 1 567.0 0.0 350.2 2 567.0 160.9 374.1 3 567.0 361.6 484.8 4 833.0 751.6 138.7 5 833.0 54.0-151.6 6 833.0 195.1-241.0 7 833.0 824.0-729.2 Table 6 Coil number (I) r (mm) zi (mm) Magnetomotive force (kAT) 1 567.0 0.0 371.4 2 567.0 162.3 417.0 3 567.0 361.8 557.6 4 567.0 744.1 1214.8 5 833.0 140.0 -288.0 6 833.0 342.9 -444.2 7 833.0 1040.4-368.4 In the above two embodiments, in the internal region, From secondary 1
Since the second-order irregular magnetic field is set to zero, there is an effect that a highly uniform magnetic field can be obtained in a range that is about 10% wider than the case where the number of main coils is six.

【0058】また、図13に示す5次アクティブシール
ド型マグネットの漏れ磁場分布は、ほぼ図8に示す分布
と同等であり、漏れ磁場がほぼマグネット中心からの距
離の7乗に反比例して減衰する良好な漏れ磁場特性が得
られる効果がある。
The leakage magnetic field distribution of the fifth-order active shield type magnet shown in FIG. 13 is substantially the same as the distribution shown in FIG. 8, and the leakage magnetic field attenuates almost in inverse proportion to the seventh power of the distance from the center of the magnet. There is an effect that good leakage magnetic field characteristics can be obtained.

【0059】また、図14に示す7次アクティブシール
ド型マグネットの漏れ磁場分布は、ほぼ図11に示す分
布と同等であり、漏れ磁場がほぼマグネット中心からの
距離の9乗に反比例して減衰し、5次アクティブシール
ド型マグネットより更に良好な漏れ磁場特性が得られる
効果がある。
The leakage magnetic field distribution of the seventh-order active shield type magnet shown in FIG. 14 is almost the same as the distribution shown in FIG. 11, and the leakage magnetic field attenuates in inverse proportion to the ninth power of the distance from the center of the magnet. There is an effect that better leakage magnetic field characteristics can be obtained than the fifth-order active shield type magnet.

【0060】(実施例5)図15及び図16にメインコ
イルを構成する小超電導コイルの数が8個の場合の、本
発明の実施例における核磁気共鳴用マグネットの断面図
を示す。図15は5次アクティブシールド型マグネット
で、メインコイルが8個、キャンセルコイルが4個の構
成であり、内部領域の2次から14次までの不整磁場が
ゼロ、外部領域磁場の1次及び3次成分がゼロの条件で
最適化した結果である。図16は7次アクティブシール
ド型マグネットで、メインコイルが8個、キャンセルコ
イルが7個の構成であり、内部領域の2次から14次ま
での不整磁場がゼロ、外部領域磁場の1次,3次及び5
次成分がゼロの条件で最適化した結果である。メインコ
イル及びキャンセルの平均巻半径はそれぞれ概ね567
mm及び833mmである。各小超電導コイルのパラメータ
の値を図15及び図16についてそれぞれ表7及び表8
に示す。
(Embodiment 5) FIGS. 15 and 16 are sectional views of a nuclear magnetic resonance magnet according to an embodiment of the present invention when the number of small superconducting coils constituting the main coil is eight. FIG. 15 shows a fifth-order active shield type magnet having eight main coils and four cancellation coils, having zero random magnetic fields from the second to 14th order in the inner region, and the first and third magnetic fields in the outer region. This is the result of optimization under the condition that the next component is zero. FIG. 16 shows a seventh-order active shield type magnet having eight main coils and seven canceling coils. The irregular magnetic field from the second to the 14th order in the internal region is zero, and the primary and external magnetic fields in the outer region are three. Next and 5
This is the result of optimization under the condition that the next component is zero. The average winding radius of the main coil and the cancellation is approximately 567, respectively.
mm and 833 mm. The values of the parameters of each small superconducting coil are shown in Tables 7 and 8 for FIGS. 15 and 16, respectively.
Shown in

【0061】 表7 コイル番号(i) r(mm) zi(mm) 起磁力(kAT) 1 567.0 69.4 301.9 2 567.0 218.5 363.9 3 567.0 411.3 490.4 4 567.0 798.1 1362.3 5 833.0 233.5 −492.3 6 833.0 889.7 −674.7 表8 コイル番号(i) r(mm) zi(mm) 起磁力(kAT) 1 567.0 69.4 322.2 2 567.0 219.4 389.1 3 567.0 412.0 555.7 4 567.0 790.3 1212.9 5 833.0 0.0 −148.6 6 833.0 141.4 −105.9 7 833.0 363.5 −608.8 8 833.0 1089.4 −360.1 上記の2つの実施例では、内部領域において2次から1
4次の不整磁場をゼロにしているので、メインコイルが
6個の場合に比べて20%程度広い範囲に高均一磁場が
得られる効果がある。
Table 7 Coil number (i) r (mm) zi (mm) Magnetomotive force (kAT) 1 567.0 69.4 301.9 2 567.0 218.5 363.9 3 567.0 411.3 490.4 4 567.0 798.1 1362.3 5 833.0 233.5 -492.3 6 833.0 889.7 -674.7 Table 8 Coil number (i) r (mm) zi (mm) Magnetomotive force (kAT) 1 567.0 69.4 322.2 2 567.0 219.4 389.1 3 567.0 412.0 555.7 4 567.0 790.3 1212.9 5 833.00 0.0-148.6 6 833.0 141.4 -105.9 7 833.0 363.5 -608.8 8 833.0 1089.4-360.1 In the above two embodiments, the internal region From secondary 1
Since the fourth-order irregular magnetic field is set to zero, there is an effect that a highly uniform magnetic field can be obtained over a wider range by about 20% than in the case of six main coils.

【0062】また、図15に示す5次アクティブシール
ド型マグネットの漏れ磁場分布は、ほぼ図8に示す分布
と同等であり、漏れ磁場がほぼマグネット中心からの距
離の7乗に反比例して減衰する良好な漏れ磁場特性が得
られる効果がある。
The leakage magnetic field distribution of the fifth-order active shield type magnet shown in FIG. 15 is substantially the same as the distribution shown in FIG. 8, and the leakage magnetic field attenuates in inverse proportion to the seventh power of the distance from the center of the magnet. There is an effect that good leakage magnetic field characteristics can be obtained.

【0063】また、図16に示す7次アクティブシール
ド型マグネットの漏れ磁場分布は、ほぼ図11に示す分
布と同等であり、漏れ磁場がほぼマグネット中心からの
距離の9乗に反比例して減衰する、5次アクティブシー
ルド型マグネットより更に良好な漏れ磁場特性が得られ
る効果がある。
The leakage magnetic field distribution of the seventh-order active shield type magnet shown in FIG. 16 is almost the same as the distribution shown in FIG. 11, and the leakage magnetic field attenuates in inverse proportion to the ninth power of the distance from the center of the magnet. There is an effect that better leakage magnetic field characteristics can be obtained than the fifth-order active shield type magnet.

【0064】(実施例6)図17及び図18にメインコ
イルを構成する小超電導コイルの数が9個の場合の、本
発明の実施例における核磁気共鳴装置用超電導マグネッ
トの断面図を示す。図17は5次アクティブシールド型
マグネットで、メインコイルが9個、キャンセルコイル
が8個の構成であり、内部領域の2次から16次までの
不整磁場がゼロ、外部領域磁場の1次及び3次の成分が
ゼロの条件で最適化した結果である。図18は7次アク
ティブシールド型マグネットで、メインコイルが9個、
キャンセルコイルが6個の構成であり、内部領域の2次
から16次までの不整磁場がゼロ、外部領域磁場の1
次,3次及び5次の成分がゼロの条件で最適化した結果
である。メインコイル及びキャンセルの平均巻半径はそ
れぞれ概ね567mm及び833mmである。各小超電導コ
イルのパラメータの値を図17及び図18についてそれ
ぞれ表9及び表10に示す。
(Embodiment 6) FIGS. 17 and 18 are sectional views of a superconducting magnet for a nuclear magnetic resonance apparatus according to an embodiment of the present invention when the number of small superconducting coils constituting the main coil is nine. FIG. 17 shows a fifth-order active shield type magnet having nine main coils and eight cancellation coils. The irregular magnetic field from the second to the 16th order in the inner region is zero, and the first and third magnetic fields in the outer region. The next component is the result of optimization under the condition of zero. FIG. 18 shows a seventh-order active shield type magnet having nine main coils.
The configuration has six canceling coils, and the irregular magnetic field from the second to the 16th in the internal region is zero, and the magnetic field in the external region is 1
This is the result of optimization under the condition that the next, third and fifth order components are zero. The average winding radii of the main coil and the cancel are approximately 567 mm and 833 mm, respectively. The values of the parameters of each small superconducting coil are shown in Tables 9 and 10 for FIGS. 17 and 18, respectively.

【0065】 表9 コイル番号(i) r(mm) zi(mm) 起磁力(kAT) 1 567.0 0.0 261.7 2 567.0 124.5 273.4 3 567.0 266.1 324.3 4 567.0 456.6 485.7 5 833.0 837.0 1406.6 6 833.0 59.0 −200.2 7 833.0 315.8 −133.6 8 833.0 465.0 −144.0 9 833.0 893.2 −736.5 表10 コイル番号(i) r(mm) zi(mm) 起磁力(kAT) 1 567.0 0.0 287.3 2 567.0 124.8 308.9 3 567.0 266.7 376.5 4 567.0 455.0 528.1 5 567.0 833.2 1214.8 6 833.0 138.7 −312.7 7 833.0 397.3 −492.5 8 833.0 1110.5 −388.0 上記の2つの実施例では、内部領域において2次から1
6次の不整磁場をゼロにしているので、メインコイルが
6個の場合に比べて30%程度広い範囲に高均一磁場が
得られる効果がある。
Table 9 Coil number (i) r (mm) zi (mm) Magnetomotive force (kAT) 1 567.0 0.0 261.7 2 567.0 124.5 273.4 3 567.0 266.1 324.3 4 567.0 456.6 485.7 5 833.0 837.0 1406.6 6 833.0 59.0-20.2 7 833.0 315.8 -133.6 8 833.0 465 0.0-144.09 833.0 893.2-736.5 Table 10 Coil number (i) r (mm) zi (mm) Magnetomotive force (kAT) 1 567.0 0.0 287.3 2 567. 0 124.8 308.9 3 567.0 266.7 376.5 4 567.0 455.0 528.1 5 567.0 833.2 1214.8 6 833.0 138.7 312.7 7 833 2.0 397.3-492.5 8 833.0 110.5-388.0 2 above In the embodiment, from the secondary in the inner region 1
Since the sixth-order irregular magnetic field is set to zero, there is an effect that a highly uniform magnetic field can be obtained over a wider range by about 30% than in the case of six main coils.

【0066】また、図17に示す5次アクティブシール
ド型マグネットの漏れ磁場分布は、ほぼ図7に示す分布
と同等であり、漏れ磁場がほぼマグネット中心からの距
離の7乗に反比例して減衰する良好な漏れ磁場特性が得
られる効果がある。
The leakage magnetic field distribution of the fifth-order active shield type magnet shown in FIG. 17 is almost the same as the distribution shown in FIG. 7, and the leakage magnetic field attenuates in inverse proportion to the seventh power of the distance from the center of the magnet. There is an effect that good leakage magnetic field characteristics can be obtained.

【0067】また、図18に示す7次アクティブシール
ド型マグネットの漏れ磁場分布は、ほぼ図10に示す分
布と同等であり、漏れ磁場がほぼマグネット中心からの
距離の9乗に反比例して減衰する、5次アクティブシー
ルド型マグネットより更に良好な漏れ磁場特性が得られ
る効果がある。
The leakage magnetic field distribution of the seventh-order active shield type magnet shown in FIG. 18 is substantially the same as the distribution shown in FIG. 10, and the leakage magnetic field is attenuated in inverse proportion to the ninth power of the distance from the center of the magnet. There is an effect that better leakage magnetic field characteristics can be obtained than the fifth-order active shield type magnet.

【0068】以上に示した実施例において、5次アクテ
ィブシールド型マグネットにおいては、メインコイルと
キャンセルコイルの軸長を概ね同一にしてあり、マグネ
ットの製作を容易にする考慮がなされている。
In the embodiment described above, in the fifth-order active shield type magnet, the axial lengths of the main coil and the cancel coil are substantially the same, and consideration is given to facilitating the manufacture of the magnet.

【0069】また、全ての実施例に於て、メインコイル
を構成する各小超電導コイルと、キャンセルコイルを構
成する各小超電導コイルの平均巻き半径を、それぞれ概
ね同一にしているので、メインコイルとキャンセルコイ
ルをそれぞれ円筒状の巻き枠に巻くことができる。その
ため、マグネットの構造や支持の方法などを、単純で強
固なものにすることができる。また、図には示していな
いが巻き枠10及び11はそれぞれ別の液体ヘリウム
によって冷却されている。このようにメインコイルとキ
ャンセルコイルを構成する小超電導コイルをそれぞれ一
つの液体ヘリウム槽内で冷却できるため、各小超電導コ
イルを直列接続することができる。従って、永久電流モ
ードでの運転時における、コイル電流の減衰に伴う各小
コイルの電流配分比の初期設定からのずれを最小限に抑
えることができ、磁場均一度の悪化を防ぐことができ
る。
In all of the embodiments, the average winding radius of each of the small superconducting coils constituting the main coil and each of the small superconducting coils constituting the cancel coil are substantially the same. Each of the cancel coils can be wound around a cylindrical winding frame. Therefore, the structure and support method of the magnet can be made simple and strong. Although not shown, the winding frames 10 and 11 are cooled by separate liquid helium tanks. In this way, the small superconducting coils constituting the main coil and the cancel coil can be cooled in one liquid helium bath, respectively, so that the small superconducting coils can be connected in series. Therefore, the deviation from the initial setting of the current distribution ratio of each small coil due to the attenuation of the coil current during the operation in the permanent current mode can be minimized, and the deterioration of the magnetic field uniformity can be prevented.

【0070】また以上に示した実施例では、メインコイ
ルとキャンセルコイルをそれぞれ別の円筒状の巻き枠に
巻き、それぞれを別の液体ヘリウム槽に収納して冷却し
ているが、巻き枠の構造や冷却の方法は当然の事ながら
本実施例によって限定されるものではなく、例えば一体
化された巻き枠にメインコイルとキャンセルコイルを巻
き回し、一つの液体ヘリウム槽内に設置して冷却しても
よい。この構成においては、全ての小超電導コイルを直
列接続することができ、コイル電流の減衰に伴う磁場均
一度の悪化を最小限にすることができる。またメインコ
イルとキャンセルコイルをそれぞれ別の円筒状の巻き枠
に巻き、1つの液体ヘリウム槽内に設置して冷却しても
よい。
In the above-described embodiment, the main coil and the cancel coil are wound on different cylindrical winding frames, respectively, and each is housed in a separate liquid helium tank for cooling. Of course, the method of cooling is not limited by the present embodiment, for example, by winding a main coil and a cancel coil on an integrated winding frame, installing in a single liquid helium tank, and cooling. Is also good. In this configuration, all the small superconducting coils can be connected in series, and the deterioration of the magnetic field uniformity due to the attenuation of the coil current can be minimized. Alternatively, the main coil and the cancel coil may be wound around different cylindrical winding frames, respectively, and placed in one liquid helium bath to cool.

【0071】[0071]

【発明の効果】本発明によれば、マグネットの内部及び
外部領域における球面調和関数による磁場の展開係数
を、所望次数について所望の目標値に一致させる最適な
コイル構成を求めることができるので、内部領域及び外
部領域磁場の所望の性質を達成するコイル構成が得られ
る。さらに、本発明の方法で得られるコイル配置を採用
することにより、同じ大きさの中心磁場強度を発生する
ためのメインコイルとキャンセルコイルの起磁力は小さ
くなるから必要な超電導線が少なくてすみ、コストを低
減できる。
According to the present invention, it is possible to obtain an optimum coil configuration that matches the expansion coefficient of the magnetic field based on the spherical harmonics in the inner and outer regions of the magnet with a desired target value for a desired order. A coil configuration is obtained which achieves the desired properties of the regional and external region magnetic fields. Furthermore, by adopting the coil arrangement obtained by the method of the present invention, the magnetomotive force of the main coil and the cancel coil for generating the same magnitude of the central magnetic field strength is reduced, so that less superconducting wire is required, Cost can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のコイル構成の最適化計算手順。FIG. 1 is a calculation procedure for optimizing a coil configuration according to the present invention.

【図2】線状円電流の説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram of a linear circular current.

【図3】矩形断面のコイルの説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram of a coil having a rectangular cross section.

【図4】マグネット外部領域での磁場の展開式におけ
る、最初の3項(1次,3次,5次)の分布図。
FIG. 4 is a distribution diagram of first three terms (first-order, third-order, and fifth-order) in a development formula of a magnetic field in a magnet outer region.

【図5】線形計画法による電流密度分布の最適化の計算
モデル。
FIG. 5 is a calculation model for optimizing a current density distribution by a linear programming method.

【図6】最適化された電流密度分布の断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view of an optimized current density distribution.

【図7】本発明の一実施例における、メインコイルが6
個の場合の、5次アクティブシールド型核磁気共鳴用超
電導マグネットの断面図。
FIG. 7 shows an embodiment of the present invention in which the main coil is 6
FIG. 3 is a cross-sectional view of a fifth-order active shield type superconducting magnet for nuclear magnetic resonance in the case of a single piece.

【図8】本発明の一実施例における5次アクティブシー
ルド型超電導マグネットの断面を含んだ平面における、
漏れ磁場の等高線図。
FIG. 8 is a plan view including a cross section of a fifth-order active shield type superconducting magnet according to an embodiment of the present invention.
Contour map of the leakage magnetic field.

【図9】本発明の一実施例における、メインコイルが6
個の場合の、5次アクティブシールド型超電導マグネッ
トの断面図。
FIG. 9 shows an embodiment of the present invention in which the main coil is 6
FIG. 5 is a cross-sectional view of a fifth-order active shield superconducting magnet in the case of a single unit.

【図10】本発明の一実施例における、メインコイルが
6個の場合の、7次アクティブシールド型超電導マグネ
ットの断面図。
FIG. 10 is a cross-sectional view of a seventh-order active shield type superconducting magnet in a case where there are six main coils in one embodiment of the present invention.

【図11】本発明の一実施例における7次アクティブシ
ールド型超電導マグネットの断面を含んだ平面におけ
る、漏れ磁場の等高線図。
FIG. 11 is a contour diagram of a leakage magnetic field in a plane including a cross section of the seventh active shield type superconducting magnet in one embodiment of the present invention.

【図12】本発明の一実施例における、メインコイルが
6個の場合の、7次アクティブシールド型超電導マグネ
ットの断面図。
FIG. 12 is a cross-sectional view of a seventh-order active shield superconducting magnet in a case where there are six main coils in one embodiment of the present invention.

【図13】本発明の一実施例における、メインコイルが
7個の場合の、5次アクティブシールド型超電導マグネ
ットの断面図。
FIG. 13 is a sectional view of a fifth-order active shield type superconducting magnet in a case where the number of main coils is seven in one embodiment of the present invention.

【図14】本発明の一実施例における、メインコイルが
7個の場合の、7次アクティブシールド型超電導マグネ
ットの断面図。
FIG. 14 is a cross-sectional view of a seventh-order active shield superconducting magnet in a case where the number of main coils is seven in one embodiment of the present invention.

【図15】本発明の一実施例における、メインコイルが
8個の場合の、5次アクティブシールド型超電導マグネ
ットの断面図。
FIG. 15 is a sectional view of a fifth-order active shield type superconducting magnet in a case where the number of main coils is eight in one embodiment of the present invention.

【図16】本発明の一実施例における、メインコイルが
8個の場合の、7次アクティブシールド型超電導マグネ
ットの断面図。
FIG. 16 is a cross-sectional view of a seventh-order active shield superconducting magnet in a case where the number of main coils is eight in one embodiment of the present invention.

【図17】本発明の一実施例における、メインコイルが
9個の場合の、5次アクティブシールド型超電導マグネ
ットの断面図。
FIG. 17 is a cross-sectional view of a fifth-order active shield type superconducting magnet in a case where the number of main coils is nine in one embodiment of the present invention.

【図18】本発明の一実施例における、メインコイルが
9個の場合の、7次アクティブシールド型超電導マグネ
ットの断面図。
FIG. 18 is a cross-sectional view of a seventh-order active shield superconducting magnet in a case where the number of main coils is nine in one embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,1′,2,2′,3,3′,4,4′,5,5′,
6,6′,7,7′,8,8′,9,9′…小超電導コ
イル、10,11…非磁性巻枠。
1,1 ', 2,2', 3,3 ', 4,4', 5,5 ',
6, 6 ', 7, 7', 8, 8 ', 9, 9' ... small superconducting coils, 10, 11 ... non-magnetic winding frames.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 冨中 利治 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 平1−58247(JP,A) 特開 平1−191405(JP,A) 特開 昭63−206232(JP,A) ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Toshinaka Toshinaka 4026 Kuji-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi, Ltd. Hitachi Research Laboratory (56) References -191405 (JP, A) JP-A-63-206232 (JP, A)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】マグネットの内部及び外部領域における球
面調和関数による磁場の展開係数を、所望次数について
所望の目標値に一致させる最適な電流密度分布を決定す
る第1のステップと、 第1のステップで得られた電流密度分布より、コイルの
初期配置を決定し、前記所望次数の展開係数を前記所望
の目標値に一致させるコイル位置を最適化する第2のス
テップよりなり、 該マグネットの内部領域及び外部領域磁場をそれぞれ 【数1】 【数2】 z軸:該マグネットの中心軸 Bz:磁場のz成分 r,θ:該マグネットの中心を原点とする極座標 Pn:n次のルジャンドル関数 Dn:内部領域磁場の展開係数 Hn:外部領域磁場の展開係数 で表し、 前記第1のステップが (a)コイルを配置する場所を要素分割し、各要素に電流
密度jkを変数として割り当てるステップと、 (b)該各要素の電流密度jkに下記(1)〜(4)の制約条件
を設定するステップと、 (1)メインコイルに対応するコイル要素に関して、 0≦jk≦jmax jmax:電流密度の最大値 (2)キャンセルコイルに対応するコイル要素に関して、 −jmax≦jk≦0 (3)全コイル要素による内部領域磁場のn次の展開係数
に関して、 【数3】 (4)全コイル要素による外部領域磁場のn次の展開係数
に関して、 【数4】 (c)コイルの全体積に相当する評価関数F【数5】 Vk:k番目のコイル要素の体積 を設定するステップと、 (d)線形計画法を用いて前記制約条件のもとで、前記評
価関数を最小化し、電流密度分布を最適化するステップ
からなり、 前記第2のステップが (e)ステップ(d)によって得られた電流密度分布より、
導体断面形状を考慮してコイルの初期配置を決定するス
テップと、 (f)内部領域の磁場に関する評価関数 【数6】 を、ダヴィドン法を用いたコイル位置の最適化により最
小化するステップと、(g)外部領域の磁場に関する評価関数 【数7】 を、ダヴィドン法を用いたコイル位置の最適化により最
小化するステップと、 (h)ステップ(f),(g)を交互に実行し、内部領域及び
外部領域の評価関数が所望の値以下になるまで繰り返す
ステップよりなることを特徴とする核磁気共鳴装置用マ
グネットのコイル構成方法。
1. a first step of determining an optimum current density distribution for matching a development coefficient of a magnetic field based on a spherical harmonic function in an inner region and an outer region of a magnet to a desired target value with respect to a desired order; internal from the resulting current density distribution, to determine the initial placement of the coils, Ri name from the second step to optimize the coil position to match the expansion coefficient of the desired order to the desired target value, of the magnet in each region and the external region field ## EQU1 ## (Equation 2) z axis: central axis of the magnet Bz: z component of the magnetic field r, θ: polar coordinates with the center of the magnet as the origin Pn: nth-order Legendre function Dn: expansion coefficient of the internal area magnetic field Hn: expansion coefficient of the external area magnetic field in represents the first step the location and the element division to place (a) coil current to each element
(B) assigning the density jk as a variable; and (b) restricting the current density jk of each element to the following conditions (1) to (4):
And (1) for the coil element corresponding to the main coil, 0 ≦ jk ≦ jmax jmax: the maximum value of the current density (2) For the coil element corresponding to the cancel coil, −jmax ≦ jk ≦ 0 (3 ) Nth order expansion coefficient of the internal region magnetic field due to all coil elements
With respect to, [number 3] (4) Nth order expansion coefficient of the external magnetic field due to all coil elements
With respect to, [number 4] (c) evaluation function F [number 5] corresponding to the total volume of the coil Vk: setting the volume of the k-th coil element; and (d) using the linear programming method under the constraint conditions,
The step of minimizing the valence function and optimizing the current density distribution
From the result, the current density distribution obtained the second step is the step (e) (d),
Determine the initial coil layout considering the conductor cross-sectional shape.
And step, (f) evaluation function [6] relates to the magnetic field of the inner area And a step of minimizing the optimization of coil position with Davidon method, (g) the evaluation function Equation 7] about the magnetic field of the outer regions (H) alternately perform steps (f) and (g) to optimize the coil position using the Davidon method, so that the evaluation function of the internal region and the external region is reduced to a desired value or less. A method for forming a coil of a magnet for a nuclear magnetic resonance apparatus, comprising the steps of repeating until a coil is formed.
【請求項2】請求項1において、核磁気共鳴装置用マグ
ネットが、中心軸に沿って同軸かつ中央面に関して対称
に配設した複数の円筒状小コイルよりなる第1群のコイ
ルと、 該第1群のコイルの外側に該中心軸に沿って同軸
かつ該中央面に関して対称に配設した複数の円筒状小コ
イルよりなる第2群のコイルを有することを特徴とする
核磁気共鳴装置用マグネットのコイル構成方法。
2. A mug for a nuclear magnetic resonance apparatus according to claim 1,
Net is coaxial along the central axis and symmetric about the midplane
Group of coils consisting of a plurality of small cylindrical coils arranged in
And coaxially outside the first group of coils along the central axis.
And a plurality of cylindrical small cores symmetrically arranged with respect to the center plane.
A coil configuration method for a magnet for a nuclear magnetic resonance apparatus, comprising a second group of coils made of an il .
【請求項3】請求項2において、前記第1群のコイルと
前記第2群のコイルを逆向きに励磁することを特徴とす
る核磁気共鳴装置用マグネットのコイル構成方法。
3. The first group of coils according to claim 2,
A coil configuration method for a magnet for a nuclear magnetic resonance apparatus, wherein the second group of coils is excited in a reverse direction .
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