JP4138922B2 - パルスチューブ冷凍機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、外部電磁場或いはこれに対応する電磁場勾配を検出するための少なくとも１つの冷却されたアンテナを備えたアンテナ装置に関する。このようなアンテナはクライオスタット容器の中に配置され、少なくともそのアンテナ範囲において電磁場の検出を妨げない材料からなり、作動媒体により低温動作温度に保たれる。このようなアンテナ装置は、「サイエンス (Science)」、第５９巻１９９３年２月５日第７９３乃至７９５頁に記載されている。
【０００２】
【従来の技術】
銅などの常伝導材料或いは特に７７Ｋ以上の高い臨界温度ＴC を持つ超伝導材料からなる冷却アンテナは、室温で作動する従来の銅アンテナに較べて固有ノイズが小さい点で優れている。従ってこのようなアンテナは、送信器、アンテナ及び増幅器のノイズから形成されるノイズ全体のうちアンテナのノイズが最も支配的であるようなところに適用する場合において特に好適である。
【０００３】
例えば医療診断の分野において、冷却アンテナは、例えば脳や心臓から誘起されるバイオ磁場或いはその勾配を検出するために使用される。一般にこのために超伝導量子干渉装置（ＳＱＵＩＤ）を備えた超伝導電子機器に属する超伝導アンテナが使用される（例えば「超伝導応用 (Applied Superconductivity)」１９９５年第３巻第７乃至１０号第３９９乃至４２３頁参照）。核磁気共鳴（ＮＭＲ）或いは磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）の効果を利用した断層撮像に対しても冷却アンテナ、特に超伝導アンテナが、患者の組織における核スピンによる高周波信号を受信するために使用される（例えば「超伝導応用に関するアイ・アイ・アイ・イー・トランザクション (IEEE Trans. on Applied Supercond.)」１９９２年８月第３巻第１号第２４５０乃至２４５３頁、ドイツ連邦共和国特許第４２１８６３５号明細書或いは最初に挙げた「サイエンス (Science)」の指摘箇所参照）。直接患者の上に置かれるアンテナは、しばしば、表面コイル或いは表面アンテナとも称される。
【０００４】
前記の「サイエンス (Science)」の指摘箇所にはクライオスタット容器の内部に液体ヘリウムで満たされた空間を有するＮＭＲマイクロスコープのアンテナ装置が記載されている。この空間には高温臨界温度を持つ超伝導体材料ＹＢａ2 Ｃｕ3 ＯX （ＹＢＣＯ）からなるアンテナが壁近くの範囲に配置されている。その場合クライオスタット容器は室温にある被検体ができるだけアンテナの近くに配置されるように構成されている。その場合アンテナの近くに置かれる全ての部品は検出される高周波磁場に悪影響を及ぼさない材料から作られる必要がある。
【０００５】
同様にアメリカ合衆国特許第５４１７０７３号明細書には、高温臨界温度を持つ超伝導体材料からなり、液体窒素で満たされた空間に配置されたアンテナ装置が開示されている。
【０００６】
液状の低温媒体によるこのような冷却技術は比較的面倒であり、特に核磁気共鳴断層撮像装置におけるような医療診断における恒常的使用の際には望ましくない。
【０００７】
それ故この発明の課題は、冒頭に記載した種類のアンテナ装置を液状の低温媒体での運転をしなくてもすむように改良することにある。その場合冷却アンテナは、必要な熱絶縁にも拘わらず検出すべき磁場或いはその磁場勾配を作る磁場源にできるだけ近くに配置する必要がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題はこの発明によれば、真空にされたクライオスタット容器内において真空空間によって取り囲まれているコールドヘッドを備え、このコールドヘッドが、パルスチューブと、再生チューブと、このパルスチューブと再生チューブとの間にある少なくとも１つのオーバーフロー通路を備えた低温にある低温部と、再生チューブおよびにパルスチューブに接続された作動媒体の供給管とを有し、
真空室内には、低温動作温度に保持されるようにした外部電磁場或いはそれに対応する電磁場勾配を検出するためのアンテナ装置の少なくとも１つの冷却されたアンテナが配置されて、このアンテナがコールドヘッドの低温部に熱結合され、
クライオスタット容器が少なくともアンテナ範囲において磁場検出を妨げない材料からなることによって解決される。
【０００９】
この発明の構成に伴う利点は特に、パルスチューブ冷凍機のコールドヘッドを比較的小さな従ってあまり空間を必要としない構造ユニットとして実現できることにある。パルスチューブ冷凍機のこのようなコールドヘッドのために必要な真空化クライオスタット容器には、直接或いは間接的にコールドヘッドにより冷却されるアンテナが収納される。このようなアンテナは非常にコンパクトに構成され、しかもアンテナを検出すべき磁場源の近くに配置することができる。
【００１０】
この発明によるパルスチューブ冷凍機の好ましい実施態様は従属請求項により明らかにされる。
【００１１】
【実施例】
この発明をさらに説明するために以下に図面を参照する。
【００１２】
この発明によるアンテナ装置は、外部電磁場を或いはその電磁場勾配をパルスチューブ冷凍機により冷却される少なくとも１つのアンテナにより検出するための任意の装置である。この場合アンテナは、常伝導或いは特に超伝導材料で構成され、好ましくは臨界温度ＴC が７７Ｋ以上、即ち液体窒素（ＬＮ2 ）の沸騰温度以上を持ついわゆる高温超伝導体（ＨＴＳ材）が使用される。
【００１３】
特にこの発明によるアンテナ装置は核磁気共鳴断層撮像装置に良好に使用される。このような装置のアンテナ装置に係わる部分の実施例は図１により明らかである。全体を２で示すこの装置はシールドキャビン３を有し、この中にＣ字形の基本磁場磁石４が配置されている（例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第３７３７１３３号明細書参照）。磁石４は作用空間５に磁束Ｂの高度の均一性を持つ磁場を形成する。この磁場に被検体６、例えば人体或いは人体の一部が配置されている。図１には核磁気励磁に必要な高周波送信アンテナ並びにグラジオメータコイルは示されていない。特定の核から発する高周波信号を検出するためにこの発明によるアンテナ装置７が直接被検体６の検出すべき範囲の傍に、例えば手首或いは他の皮膚部分の傍に置かれている。それ故そのアンテナは、表面アンテナ或いは表面コイルとも称される。アンテナ装置２はパルスチューブ冷凍機のコールドヘッドを有し、このヘッドは作動媒体供給管２４を介してキャビン３内にあるパルスチューブ冷凍機の弁駆動装置８に接続されている。弁駆動装置８はパルスチューブ冷凍機のコールドヘッドに周期的に例えば２Ｈｚ〜５０Ｈｚの周波数で、そのコールドヘッドに入るときほぼ室温の例えばヘリウムのような作動媒体の高圧及び低圧ガスを供給する。弁駆動装置８は、好ましくはＣ形磁石から比較的離れた距離ｅ例えば１乃至４ｍの距離に配置される。弁駆動装置８はまたキャビン３の外部に配置することもできる。弁駆動装置８からは高圧及び低圧のヘリウムの接続ホース１０及び１１がキャビン３から外部にパルスチューブ冷凍機のコンプレッサ１２に向かって引き出されている。コンプレッサ１２は例えば弁駆動装置８から約５ｍの距離ａに離れて配置されている。パルスチューブ冷凍機のコールドヘッドはさらにもう１つの高温の供給管２２を介して作動媒体の緩衝容積９に接続されている。図１にはさらに測定用電気導体１３が示され、これを介してアンテナ装置７のアンテナがシールドキャビン３の中に或いは外にある信号処理電子回路（図示せず）に接続されている。さらに弁駆動装置８を制御する電気導体１４が示されている。
【００１４】
この発明によるアンテナ装置７の構成は図２に詳しく示されている。アンテナ装置７は、主としてそれ自体公知のパルスチューブ冷凍機をそのコールドヘッドで冷却されるアンテナと共に含む。図２ではパルスチューブ冷凍機のコールドヘッドに関係する部分を１５で、アンテナを１６で示している。このパルスチューブ冷凍機においてはそれ自体公知の構成を基礎にしている（例えば「クライオクーラー８(Cryocooler 8)」プレナム出版、ニューヨーク１９９４年第３４５乃至４１０頁、或いは「低温工学の進歩 (Advances in Cryogenic Engineering)」第３５巻プレナム出版、ニューヨーク１９９０年第１１９１乃至１２０５頁、或いはＶＤＩテクノロジーセンターの「インフォ・フィジィク・テック(INFO PHYS TECH)」第６号／１９９６年２月「パルスチューブ冷凍機、超伝導技術及び低温電子機器のための新しい冷凍機械 (Pulsroehrenkuehler; Neue Kaeltemaschinen fuer die Supraleitertechnik und Kryoelektronik)」第４頁参照）。真空弁ｖ１で絶縁真空Ｖに真空抜きされたクライオスタット容器１７の内部にはコールドヘッド１５が配置されている。コールドヘッド１５はパルスチューブ１８と、これに並列に配置された再生チューブ１９とを備えている。これらは必ずしも円筒管状に形成される必要はないが、これらのチューブ１８及び１９はフランジ状の低温部２０においてオーバーフロー通路２１により接続されている。第一の供給管２４は、再生チューブ１９に一般に冷却されてない特に室温ＲＴにある作動媒体Ｍ例えばヘリウムガスを、高圧で２Ｈｚ〜５Ｈｚの周波数で脈動的に供給する。パルスチューブ冷凍機の弁駆動装置の低圧相の間この供給管２４を介して作動ガスもまた再び排出される。パルスチューブ１８はその室温側の端部においてこの接続通路２３ａを介して第二の供給管２２に接続され、この供給管２２はパルスチューブ冷凍機の構成に応じて作動媒体の貯蔵容積に或いは例えば数リットルの量の緩衝容積に連通している。両供給管２２及び２４はその場合共通の被覆ホース２５の内部にある。再生チューブ１９で冷却された作動媒体は、オーバーフロー通路２１を貫流する際にコールドヘッド１５の低温部２０を熱交換機の方式によりその低温ＴＴとして表される低温動作温度に維持する。さらに図２から明らかなように、接続通路２３ａからはもう１つの接続通路２３ｂが分岐しており、この通路は再生チューブ１９と第一の供給管２４との接続端に連通している。通路２３ａ及び２３ｂの少なくとも１つは調整可能な弁として或いは毛細管として構成することができる。両通路は一般にコールドヘッド１５の、従ってパルスチューブ冷凍機全体の正確な作動のために必要である。
【００１５】
例えばほぼ手の大きさのクライオスタット容器１７はその低温部２０側の端面において高周波を透過する窓２６を備えている。この窓２６は誘電損失係数の小さい材料、例えばサファイア、ＡｌＮ、ＢｅＯ或いはＡｌ2 Ｏ3 セラミック或いはまたポリスチロール或いはポリスルホンのようなプラスチックからなる。この窓２６の背後にはクライオスタット容器１７の絶縁真空域Ｖの中に冷却アンテナ１６が好ましくは僅少な間隙２９を維持して配置されている。この場合このアンテナは、例えばセラミックの特に単結晶の基板の上のＨＴＳ材からなる薄膜或いはまた金属アンテナである。このアンテナについては以下の図面でもその上にその都度導体が配置される基板のみを示すことによって代える。アンテナは誘電性の熱接触体２７を介して低温部２０の場合によっては金属性の低温フランジに熱的に結合されている。熱接触体は、高周波磁場の擾乱を回避するために、非金属の材料例えばサファイア、ＡｌＮ、ＢｅＯ或いはＡｌ2 Ｏ3 セラミックからなるのが良い。低温部２０が例えば場合によってはファイバーで強化したプラスチックのような非金属性材料或いはセラミックだけからなる場合には、アンテナ１６は低温部に直接にも取付けることができる。その場合誘電性熱接触部の長さは、冷却が良いにも係わらず金属部からアンテナ１６への帰還結合ができるだけ小さくなるように選ばれている。クライオスタット容器１７も少なくともアンテナの範囲は単に非金属性の例えばプラスチックの部分からなる。
【００１６】
図２においては、さらに、アンテナへの測定用電気導体１３並びにクライオスタット容器１７の高温の容器壁に対して低温のパルスチューブ冷凍機を熱絶縁するための超絶縁２８が示されている。
【００１７】
この発明によるアンテナ装置に対して好適なパルスチューブ冷凍機は、慣用されている例えば連結されたタンクへの二重注入口（いわゆる“ダブルインレット”、「低温工学(Cryogenics)」１９９０年第３０巻第５１４乃至５２０頁参照）の原理で動作する形態のいずれをも取り得る。このようなパルスチューブ冷凍機は図２において採用されている。しかしまた４弁方式のパルスチューブ冷凍機も使用できる（例えばアメリカ合衆国特許第５３３５５０５号明細書参照）。パルスチューブ１８及び再生チューブ１９は図２のように平行に或いは同軸にも形成できる。さらに１段の並びに多数段の構成例も可能である。図２において示されたコールドヘッド１５のアンテナ１６の反対側には、ヘリウムの高圧及び低圧ガスを周期的に供給するための接続管２４が配置されている。もう１つの管２２も有益である。即ち“ダブルインレット”方式の冷却器の場合には接続管２２は図では示されてない貯留容積に連通されるかもしくはそれ自体が作動媒体のスペア容積を有している。４弁方式のパルスチューブ冷凍機の場合にはこの管２２は、第一の管２４のように、ヘリウムの高圧及び低圧ガスを供給する。
【００１８】
この発明によるアンテナ装置の特にノイズのない実施例においては、クライオスタット容器１７の内部に、例えば低温部２０を形成するフランジに、アンテナ１６で検出された信号を処理する前段増幅器が配置される。
【００１９】
この構成によるアンテナ装置によれば以下の一連の特別な利点が生ずる。これらの利点は核磁気共鳴断層撮像装置において使用する際に特に有意義である。
【００２０】
パルスチューブ冷凍機の少なくともコールドヘッドが真鍮、青銅、銅、チタン合金のような非磁性金属から或いは完全にプラスチックやセラミック、サファイアのようなその他の誘電体から構成できるので、ＭＲＩ磁石の高度に均質な基本磁場に大きな歪みが発生することがない。
【００２１】
機械的可動部がなく、パルスチューブ冷凍機のコールドヘッドの振動レベルがそれだけ低いことにより、擾乱渦電流が誘起されることがない。コールドヘッドの構成に誘電体だけを使用するときには、電気的高周波磁場の擾乱性歪みが発生することがない。
【００２２】
パルスチューブ冷凍機の冷却出力が７７Ｋにおいて数ワットと充分に高いことにより、そしてクライオスタット容器に支配している高真空絶縁に基づき、低温アンテナ面を被検体に僅か数ｍｍの距離に近づけることが可能である。
【００２３】
窒素冷却に対して１段のパルスチューブ冷凍機ですら７７Ｋ以下でなお充分な冷却出力を生ずることができるので、例えば４０乃至６０Ｋでの稼働も可能である。このようにして例えば臨界温度ＴC が凡そ９０ＫのＹＢａ2 Ｃｕ3 ＯX フィルムのようなＨＴＳ導体において臨界電流密度を高めることができる。さらに、高周波表面抵抗が低下し、磁石の強い基本磁場において超伝導体に侵入した磁力線によるノイズがかなり強い磁束の固定に基づき低下する。
【００２４】
液体窒素で稼働させる場合に沸騰気泡を原因として起こり付加的な擾乱を結果として生ずるような確率的周波数変調が、パルスチューブ冷凍機での冷却の際に生ずることがない。
【００２５】
さらに、この発明によるアンテナ装置は作業者にとって優しい。例えば医療機器のオペレータは、低温液体を扱うことなく当該機器を利用することができる。全ての低温部分は充分に絶縁されており、機器の投入は押しボタンにより行われる。
【００２６】
パルスチューブ冷凍機は例えばジホード・マクマホン冷凍機のような機械的に複雑な部品を内蔵しておらず、従ってコスト的にも有利である。ＬＮ2 の補給も必要なく、電力消費も僅か約１ｋＷにすぎない。
【００２７】
図２に示されたアンテナ１６の実施例の変形としてアンテナを複数個のサブアンテナによって形成することもできる。図３及び図４はこのようなアンテナ３１を備えたこの発明によるアンテナ装置３０を示す。このアンテナは、例えばヘルムホルツ構成で互いに対向して配置された２個のサブアンテナ３１ａ及び３１ｂで構成されている。被検体として、例えば手首のような人体部分３２を２つのサブアンテナの間に配置し、均質な高周波感度分布において特別に高い分解能で検査することができる。その上同時にアンテナ３１の外側でより大きな人体部分３３の検査が可能である。勿論、この場合も少なくともサブアンテナ３１ａ及び３１ｂを包囲するクライオスタット容器３５の部分を高周波を透過する窓３６及び３７として形成することができる。
【００２８】
図４は図３のアンテナ装置３０を図のＩＶ−ＩＶ切断線に沿って切断した断面図である。
【００２９】
パルスチューブ冷凍機のコールドヘッドの少なくとも低温部が誘電材料から形成される場合には、アンテナはまた低温部自体に組み込むこともできる。図５はアンテナ装置３９のこのような実施例を示す。このアンテナ装置は、例えばセラミック材からなる低温部４０を備えたコールドヘッド１５を有し、その低温媒体のオーバーフロー通路２１にアンテナ１６が配置されている。
【００３０】
パルスチューブ冷凍機のコールドヘッドの構造が比較的小さい場合には、例えばエンドスコープ検査に好適な極小形アンテナ装置が実現できる。図６及び図７は、それぞれアンテナ装置４２及び４３のこのような２つの実施例を示す。これらのアンテナ装置は場合によっては複数個の小形の一列に配置されたアンテナを備えることができる。図６によればパルスチューブ冷凍機のコールドヘッド１５はエンドスコープに組み込まれている。このためにこのコールドヘッド１５の低温部４４は面積の大きい誘電熱接触体４５として形成され、この熱接触体の上にアンテナループを受けるための複数個の基板４６ａ乃至４６ｃが配置されている。図７に示されるアンテナ装置４３の実施例においては、コールドヘッド１５はアンテナ頭部４８から空間的に分離され、その基板４６ａ乃至４６ｃで示されたアンテナは可撓熱接触体４９、例えば銅の平板線を介して間接的に冷却される。アンテナ頭部４８を包囲するクライオスタット容器４７の部分とコールドヘッド１５を包囲するクライオスタット容器の部分との真空密な接続は、この場合可撓波形管５０を使用することによって行われている。パルスチューブ冷凍機のコールドヘッドはこのようにしてエンドスコープ検査の際に体外にとどめることができる。
【００３１】
図１によるＣ形の磁石を備えた核磁気共鳴断層撮像装置５６において医療機器のオペレータが被検体に近づくのを高周波アンテナによって妨げられないようにするために、このアンテナは被検体ベッドに組み込むことが有利である。図７及び図８はこのような被検体ベッド５１を備えた核磁気共鳴断層撮像装置の部品としてのＣ形の磁石４の実施例を横断面及び縦断面として示す。このようなベッド５１は、好ましいことに、面積の大きいアンテナを或いはアンテナ配列をベッドに組み込むことを可能にする。このような高周波アンテナの好ましくない磁場ジオメトリーのためにこの場合アンテナの冷却が特に望ましい。さもないと、アンテナノイズが支配的となるからである。それ故この発明によれば、クライオスタット容器５３として形成されたベッド５１の一部の真空空間５２にパルスチューブ冷凍機のコールドヘッド１５が設けられている。同様にこの真空空間５２に配置されるアンテナ５４への熱結合は熱母線として作用する熱接触体５５を介して行われる。この熱接触体５５は特に誘電固体として例えばサファイア、ＡｌＮ或いはＢｅＯから形成される。この代わりに閉鎖容器内でのガスもしくは液体の流れによる熱移送も可能である。この移送は、例えば場合によっては平坦に形成される熱パイプいわゆる「ヒートパイプ」の形で、Ｎ2 、Ａｒ、Ｎｅ、Ｈ2 、炭化水素或いは混合ガスで行われる。自然対流或いはガス或いは液体のポンプによる強制循環もこの場合可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるアンテナ装置の核磁気共鳴断層撮像装置における配置図。
【図２】この発明によるアンテナ装置の構造の断面図。
【図３】この発明によるアンテナ装置の構造の異なる実施例の断面図。
【図４】図３によるよるアンテナ装置の平面図。
【図５】この発明によるアンテナ装置の他の実施例の断面図。
【図６】この発明によるアンテナ装置の異なる他の実施例の断面図。
【図７】この発明によるアンテナ装置のさらに異なる他の実施例の断面図。
【図８】核磁気共鳴断層撮像装置の磁石に対するアンテナ装置の横断面図。
【図９】核磁気共鳴断層撮像装置の磁石に対するアンテナ装置の縦断面図。
【符号の説明】
２ 核磁気共鳴断層撮像装置
４ 電磁石
６ 被検体
７ アンテナ装置
８ 弁駆動装置
９ 貯蔵容積
１０ 接続管
１１ 接続管
１２ パルスチューブ冷凍機のコンプレッサ
１３ 測定用電気導体
１４ 制御用電気導体
１５ コールドヘッド
１６ アンテナ
１７ クライオスタット容器
１８ パルスチューブ
１９ 再生チューブ
２０ 低温部
２１ オーバーフロー通路
２２ 作動媒体供給管
２３ａ 接続管
２３ｂ 接続管
２４ 作動媒体供給管
２７ 熱接触体
３１ アンテナ
３５ クライオスタット容器
４０ 低温部
４４ 低温部
４５ 熱接触体
４６ａ アンテナ
４６ｂ アンテナ
４６ｃ アンテナ
４７ クライオスタット容器
４９ 熱接触体
５３ クライオスタット容器
５４ アンテナ
５６ 核磁気共鳴断層撮像装置
【発明の属する技術分野】
この発明は、外部電磁場或いはこれに対応する電磁場勾配を検出するための少なくとも１つの冷却されたアンテナを備えたアンテナ装置に関する。このようなアンテナはクライオスタット容器の中に配置され、少なくともそのアンテナ範囲において電磁場の検出を妨げない材料からなり、作動媒体により低温動作温度に保たれる。このようなアンテナ装置は、「サイエンス (Science)」、第５９巻１９９３年２月５日第７９３乃至７９５頁に記載されている。
【０００２】
【従来の技術】
銅などの常伝導材料或いは特に７７Ｋ以上の高い臨界温度ＴC を持つ超伝導材料からなる冷却アンテナは、室温で作動する従来の銅アンテナに較べて固有ノイズが小さい点で優れている。従ってこのようなアンテナは、送信器、アンテナ及び増幅器のノイズから形成されるノイズ全体のうちアンテナのノイズが最も支配的であるようなところに適用する場合において特に好適である。
【０００３】
例えば医療診断の分野において、冷却アンテナは、例えば脳や心臓から誘起されるバイオ磁場或いはその勾配を検出するために使用される。一般にこのために超伝導量子干渉装置（ＳＱＵＩＤ）を備えた超伝導電子機器に属する超伝導アンテナが使用される（例えば「超伝導応用 (Applied Superconductivity)」１９９５年第３巻第７乃至１０号第３９９乃至４２３頁参照）。核磁気共鳴（ＮＭＲ）或いは磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）の効果を利用した断層撮像に対しても冷却アンテナ、特に超伝導アンテナが、患者の組織における核スピンによる高周波信号を受信するために使用される（例えば「超伝導応用に関するアイ・アイ・アイ・イー・トランザクション (IEEE Trans. on Applied Supercond.)」１９９２年８月第３巻第１号第２４５０乃至２４５３頁、ドイツ連邦共和国特許第４２１８６３５号明細書或いは最初に挙げた「サイエンス (Science)」の指摘箇所参照）。直接患者の上に置かれるアンテナは、しばしば、表面コイル或いは表面アンテナとも称される。
【０００４】
前記の「サイエンス (Science)」の指摘箇所にはクライオスタット容器の内部に液体ヘリウムで満たされた空間を有するＮＭＲマイクロスコープのアンテナ装置が記載されている。この空間には高温臨界温度を持つ超伝導体材料ＹＢａ2 Ｃｕ3 ＯX （ＹＢＣＯ）からなるアンテナが壁近くの範囲に配置されている。その場合クライオスタット容器は室温にある被検体ができるだけアンテナの近くに配置されるように構成されている。その場合アンテナの近くに置かれる全ての部品は検出される高周波磁場に悪影響を及ぼさない材料から作られる必要がある。
【０００５】
同様にアメリカ合衆国特許第５４１７０７３号明細書には、高温臨界温度を持つ超伝導体材料からなり、液体窒素で満たされた空間に配置されたアンテナ装置が開示されている。
【０００６】
液状の低温媒体によるこのような冷却技術は比較的面倒であり、特に核磁気共鳴断層撮像装置におけるような医療診断における恒常的使用の際には望ましくない。
【０００７】
それ故この発明の課題は、冒頭に記載した種類のアンテナ装置を液状の低温媒体での運転をしなくてもすむように改良することにある。その場合冷却アンテナは、必要な熱絶縁にも拘わらず検出すべき磁場或いはその磁場勾配を作る磁場源にできるだけ近くに配置する必要がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題はこの発明によれば、真空にされたクライオスタット容器内において真空空間によって取り囲まれているコールドヘッドを備え、このコールドヘッドが、パルスチューブと、再生チューブと、このパルスチューブと再生チューブとの間にある少なくとも１つのオーバーフロー通路を備えた低温にある低温部と、再生チューブおよびにパルスチューブに接続された作動媒体の供給管とを有し、
真空室内には、低温動作温度に保持されるようにした外部電磁場或いはそれに対応する電磁場勾配を検出するためのアンテナ装置の少なくとも１つの冷却されたアンテナが配置されて、このアンテナがコールドヘッドの低温部に熱結合され、
クライオスタット容器が少なくともアンテナ範囲において磁場検出を妨げない材料からなることによって解決される。
【０００９】
この発明の構成に伴う利点は特に、パルスチューブ冷凍機のコールドヘッドを比較的小さな従ってあまり空間を必要としない構造ユニットとして実現できることにある。パルスチューブ冷凍機のこのようなコールドヘッドのために必要な真空化クライオスタット容器には、直接或いは間接的にコールドヘッドにより冷却されるアンテナが収納される。このようなアンテナは非常にコンパクトに構成され、しかもアンテナを検出すべき磁場源の近くに配置することができる。
【００１０】
この発明によるパルスチューブ冷凍機の好ましい実施態様は従属請求項により明らかにされる。
【００１１】
【実施例】
この発明をさらに説明するために以下に図面を参照する。
【００１２】
この発明によるアンテナ装置は、外部電磁場を或いはその電磁場勾配をパルスチューブ冷凍機により冷却される少なくとも１つのアンテナにより検出するための任意の装置である。この場合アンテナは、常伝導或いは特に超伝導材料で構成され、好ましくは臨界温度ＴC が７７Ｋ以上、即ち液体窒素（ＬＮ2 ）の沸騰温度以上を持ついわゆる高温超伝導体（ＨＴＳ材）が使用される。
【００１３】
特にこの発明によるアンテナ装置は核磁気共鳴断層撮像装置に良好に使用される。このような装置のアンテナ装置に係わる部分の実施例は図１により明らかである。全体を２で示すこの装置はシールドキャビン３を有し、この中にＣ字形の基本磁場磁石４が配置されている（例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第３７３７１３３号明細書参照）。磁石４は作用空間５に磁束Ｂの高度の均一性を持つ磁場を形成する。この磁場に被検体６、例えば人体或いは人体の一部が配置されている。図１には核磁気励磁に必要な高周波送信アンテナ並びにグラジオメータコイルは示されていない。特定の核から発する高周波信号を検出するためにこの発明によるアンテナ装置７が直接被検体６の検出すべき範囲の傍に、例えば手首或いは他の皮膚部分の傍に置かれている。それ故そのアンテナは、表面アンテナ或いは表面コイルとも称される。アンテナ装置２はパルスチューブ冷凍機のコールドヘッドを有し、このヘッドは作動媒体供給管２４を介してキャビン３内にあるパルスチューブ冷凍機の弁駆動装置８に接続されている。弁駆動装置８はパルスチューブ冷凍機のコールドヘッドに周期的に例えば２Ｈｚ〜５０Ｈｚの周波数で、そのコールドヘッドに入るときほぼ室温の例えばヘリウムのような作動媒体の高圧及び低圧ガスを供給する。弁駆動装置８は、好ましくはＣ形磁石から比較的離れた距離ｅ例えば１乃至４ｍの距離に配置される。弁駆動装置８はまたキャビン３の外部に配置することもできる。弁駆動装置８からは高圧及び低圧のヘリウムの接続ホース１０及び１１がキャビン３から外部にパルスチューブ冷凍機のコンプレッサ１２に向かって引き出されている。コンプレッサ１２は例えば弁駆動装置８から約５ｍの距離ａに離れて配置されている。パルスチューブ冷凍機のコールドヘッドはさらにもう１つの高温の供給管２２を介して作動媒体の緩衝容積９に接続されている。図１にはさらに測定用電気導体１３が示され、これを介してアンテナ装置７のアンテナがシールドキャビン３の中に或いは外にある信号処理電子回路（図示せず）に接続されている。さらに弁駆動装置８を制御する電気導体１４が示されている。
【００１４】
この発明によるアンテナ装置７の構成は図２に詳しく示されている。アンテナ装置７は、主としてそれ自体公知のパルスチューブ冷凍機をそのコールドヘッドで冷却されるアンテナと共に含む。図２ではパルスチューブ冷凍機のコールドヘッドに関係する部分を１５で、アンテナを１６で示している。このパルスチューブ冷凍機においてはそれ自体公知の構成を基礎にしている（例えば「クライオクーラー８(Cryocooler 8)」プレナム出版、ニューヨーク１９９４年第３４５乃至４１０頁、或いは「低温工学の進歩 (Advances in Cryogenic Engineering)」第３５巻プレナム出版、ニューヨーク１９９０年第１１９１乃至１２０５頁、或いはＶＤＩテクノロジーセンターの「インフォ・フィジィク・テック(INFO PHYS TECH)」第６号／１９９６年２月「パルスチューブ冷凍機、超伝導技術及び低温電子機器のための新しい冷凍機械 (Pulsroehrenkuehler; Neue Kaeltemaschinen fuer die Supraleitertechnik und Kryoelektronik)」第４頁参照）。真空弁ｖ１で絶縁真空Ｖに真空抜きされたクライオスタット容器１７の内部にはコールドヘッド１５が配置されている。コールドヘッド１５はパルスチューブ１８と、これに並列に配置された再生チューブ１９とを備えている。これらは必ずしも円筒管状に形成される必要はないが、これらのチューブ１８及び１９はフランジ状の低温部２０においてオーバーフロー通路２１により接続されている。第一の供給管２４は、再生チューブ１９に一般に冷却されてない特に室温ＲＴにある作動媒体Ｍ例えばヘリウムガスを、高圧で２Ｈｚ〜５Ｈｚの周波数で脈動的に供給する。パルスチューブ冷凍機の弁駆動装置の低圧相の間この供給管２４を介して作動ガスもまた再び排出される。パルスチューブ１８はその室温側の端部においてこの接続通路２３ａを介して第二の供給管２２に接続され、この供給管２２はパルスチューブ冷凍機の構成に応じて作動媒体の貯蔵容積に或いは例えば数リットルの量の緩衝容積に連通している。両供給管２２及び２４はその場合共通の被覆ホース２５の内部にある。再生チューブ１９で冷却された作動媒体は、オーバーフロー通路２１を貫流する際にコールドヘッド１５の低温部２０を熱交換機の方式によりその低温ＴＴとして表される低温動作温度に維持する。さらに図２から明らかなように、接続通路２３ａからはもう１つの接続通路２３ｂが分岐しており、この通路は再生チューブ１９と第一の供給管２４との接続端に連通している。通路２３ａ及び２３ｂの少なくとも１つは調整可能な弁として或いは毛細管として構成することができる。両通路は一般にコールドヘッド１５の、従ってパルスチューブ冷凍機全体の正確な作動のために必要である。
【００１５】
例えばほぼ手の大きさのクライオスタット容器１７はその低温部２０側の端面において高周波を透過する窓２６を備えている。この窓２６は誘電損失係数の小さい材料、例えばサファイア、ＡｌＮ、ＢｅＯ或いはＡｌ2 Ｏ3 セラミック或いはまたポリスチロール或いはポリスルホンのようなプラスチックからなる。この窓２６の背後にはクライオスタット容器１７の絶縁真空域Ｖの中に冷却アンテナ１６が好ましくは僅少な間隙２９を維持して配置されている。この場合このアンテナは、例えばセラミックの特に単結晶の基板の上のＨＴＳ材からなる薄膜或いはまた金属アンテナである。このアンテナについては以下の図面でもその上にその都度導体が配置される基板のみを示すことによって代える。アンテナは誘電性の熱接触体２７を介して低温部２０の場合によっては金属性の低温フランジに熱的に結合されている。熱接触体は、高周波磁場の擾乱を回避するために、非金属の材料例えばサファイア、ＡｌＮ、ＢｅＯ或いはＡｌ2 Ｏ3 セラミックからなるのが良い。低温部２０が例えば場合によってはファイバーで強化したプラスチックのような非金属性材料或いはセラミックだけからなる場合には、アンテナ１６は低温部に直接にも取付けることができる。その場合誘電性熱接触部の長さは、冷却が良いにも係わらず金属部からアンテナ１６への帰還結合ができるだけ小さくなるように選ばれている。クライオスタット容器１７も少なくともアンテナの範囲は単に非金属性の例えばプラスチックの部分からなる。
【００１６】
図２においては、さらに、アンテナへの測定用電気導体１３並びにクライオスタット容器１７の高温の容器壁に対して低温のパルスチューブ冷凍機を熱絶縁するための超絶縁２８が示されている。
【００１７】
この発明によるアンテナ装置に対して好適なパルスチューブ冷凍機は、慣用されている例えば連結されたタンクへの二重注入口（いわゆる“ダブルインレット”、「低温工学(Cryogenics)」１９９０年第３０巻第５１４乃至５２０頁参照）の原理で動作する形態のいずれをも取り得る。このようなパルスチューブ冷凍機は図２において採用されている。しかしまた４弁方式のパルスチューブ冷凍機も使用できる（例えばアメリカ合衆国特許第５３３５５０５号明細書参照）。パルスチューブ１８及び再生チューブ１９は図２のように平行に或いは同軸にも形成できる。さらに１段の並びに多数段の構成例も可能である。図２において示されたコールドヘッド１５のアンテナ１６の反対側には、ヘリウムの高圧及び低圧ガスを周期的に供給するための接続管２４が配置されている。もう１つの管２２も有益である。即ち“ダブルインレット”方式の冷却器の場合には接続管２２は図では示されてない貯留容積に連通されるかもしくはそれ自体が作動媒体のスペア容積を有している。４弁方式のパルスチューブ冷凍機の場合にはこの管２２は、第一の管２４のように、ヘリウムの高圧及び低圧ガスを供給する。
【００１８】
この発明によるアンテナ装置の特にノイズのない実施例においては、クライオスタット容器１７の内部に、例えば低温部２０を形成するフランジに、アンテナ１６で検出された信号を処理する前段増幅器が配置される。
【００１９】
この構成によるアンテナ装置によれば以下の一連の特別な利点が生ずる。これらの利点は核磁気共鳴断層撮像装置において使用する際に特に有意義である。
【００２０】
パルスチューブ冷凍機の少なくともコールドヘッドが真鍮、青銅、銅、チタン合金のような非磁性金属から或いは完全にプラスチックやセラミック、サファイアのようなその他の誘電体から構成できるので、ＭＲＩ磁石の高度に均質な基本磁場に大きな歪みが発生することがない。
【００２１】
機械的可動部がなく、パルスチューブ冷凍機のコールドヘッドの振動レベルがそれだけ低いことにより、擾乱渦電流が誘起されることがない。コールドヘッドの構成に誘電体だけを使用するときには、電気的高周波磁場の擾乱性歪みが発生することがない。
【００２２】
パルスチューブ冷凍機の冷却出力が７７Ｋにおいて数ワットと充分に高いことにより、そしてクライオスタット容器に支配している高真空絶縁に基づき、低温アンテナ面を被検体に僅か数ｍｍの距離に近づけることが可能である。
【００２３】
窒素冷却に対して１段のパルスチューブ冷凍機ですら７７Ｋ以下でなお充分な冷却出力を生ずることができるので、例えば４０乃至６０Ｋでの稼働も可能である。このようにして例えば臨界温度ＴC が凡そ９０ＫのＹＢａ2 Ｃｕ3 ＯX フィルムのようなＨＴＳ導体において臨界電流密度を高めることができる。さらに、高周波表面抵抗が低下し、磁石の強い基本磁場において超伝導体に侵入した磁力線によるノイズがかなり強い磁束の固定に基づき低下する。
【００２４】
液体窒素で稼働させる場合に沸騰気泡を原因として起こり付加的な擾乱を結果として生ずるような確率的周波数変調が、パルスチューブ冷凍機での冷却の際に生ずることがない。
【００２５】
さらに、この発明によるアンテナ装置は作業者にとって優しい。例えば医療機器のオペレータは、低温液体を扱うことなく当該機器を利用することができる。全ての低温部分は充分に絶縁されており、機器の投入は押しボタンにより行われる。
【００２６】
パルスチューブ冷凍機は例えばジホード・マクマホン冷凍機のような機械的に複雑な部品を内蔵しておらず、従ってコスト的にも有利である。ＬＮ2 の補給も必要なく、電力消費も僅か約１ｋＷにすぎない。
【００２７】
図２に示されたアンテナ１６の実施例の変形としてアンテナを複数個のサブアンテナによって形成することもできる。図３及び図４はこのようなアンテナ３１を備えたこの発明によるアンテナ装置３０を示す。このアンテナは、例えばヘルムホルツ構成で互いに対向して配置された２個のサブアンテナ３１ａ及び３１ｂで構成されている。被検体として、例えば手首のような人体部分３２を２つのサブアンテナの間に配置し、均質な高周波感度分布において特別に高い分解能で検査することができる。その上同時にアンテナ３１の外側でより大きな人体部分３３の検査が可能である。勿論、この場合も少なくともサブアンテナ３１ａ及び３１ｂを包囲するクライオスタット容器３５の部分を高周波を透過する窓３６及び３７として形成することができる。
【００２８】
図４は図３のアンテナ装置３０を図のＩＶ−ＩＶ切断線に沿って切断した断面図である。
【００２９】
パルスチューブ冷凍機のコールドヘッドの少なくとも低温部が誘電材料から形成される場合には、アンテナはまた低温部自体に組み込むこともできる。図５はアンテナ装置３９のこのような実施例を示す。このアンテナ装置は、例えばセラミック材からなる低温部４０を備えたコールドヘッド１５を有し、その低温媒体のオーバーフロー通路２１にアンテナ１６が配置されている。
【００３０】
パルスチューブ冷凍機のコールドヘッドの構造が比較的小さい場合には、例えばエンドスコープ検査に好適な極小形アンテナ装置が実現できる。図６及び図７は、それぞれアンテナ装置４２及び４３のこのような２つの実施例を示す。これらのアンテナ装置は場合によっては複数個の小形の一列に配置されたアンテナを備えることができる。図６によればパルスチューブ冷凍機のコールドヘッド１５はエンドスコープに組み込まれている。このためにこのコールドヘッド１５の低温部４４は面積の大きい誘電熱接触体４５として形成され、この熱接触体の上にアンテナループを受けるための複数個の基板４６ａ乃至４６ｃが配置されている。図７に示されるアンテナ装置４３の実施例においては、コールドヘッド１５はアンテナ頭部４８から空間的に分離され、その基板４６ａ乃至４６ｃで示されたアンテナは可撓熱接触体４９、例えば銅の平板線を介して間接的に冷却される。アンテナ頭部４８を包囲するクライオスタット容器４７の部分とコールドヘッド１５を包囲するクライオスタット容器の部分との真空密な接続は、この場合可撓波形管５０を使用することによって行われている。パルスチューブ冷凍機のコールドヘッドはこのようにしてエンドスコープ検査の際に体外にとどめることができる。
【００３１】
図１によるＣ形の磁石を備えた核磁気共鳴断層撮像装置５６において医療機器のオペレータが被検体に近づくのを高周波アンテナによって妨げられないようにするために、このアンテナは被検体ベッドに組み込むことが有利である。図７及び図８はこのような被検体ベッド５１を備えた核磁気共鳴断層撮像装置の部品としてのＣ形の磁石４の実施例を横断面及び縦断面として示す。このようなベッド５１は、好ましいことに、面積の大きいアンテナを或いはアンテナ配列をベッドに組み込むことを可能にする。このような高周波アンテナの好ましくない磁場ジオメトリーのためにこの場合アンテナの冷却が特に望ましい。さもないと、アンテナノイズが支配的となるからである。それ故この発明によれば、クライオスタット容器５３として形成されたベッド５１の一部の真空空間５２にパルスチューブ冷凍機のコールドヘッド１５が設けられている。同様にこの真空空間５２に配置されるアンテナ５４への熱結合は熱母線として作用する熱接触体５５を介して行われる。この熱接触体５５は特に誘電固体として例えばサファイア、ＡｌＮ或いはＢｅＯから形成される。この代わりに閉鎖容器内でのガスもしくは液体の流れによる熱移送も可能である。この移送は、例えば場合によっては平坦に形成される熱パイプいわゆる「ヒートパイプ」の形で、Ｎ2 、Ａｒ、Ｎｅ、Ｈ2 、炭化水素或いは混合ガスで行われる。自然対流或いはガス或いは液体のポンプによる強制循環もこの場合可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるアンテナ装置の核磁気共鳴断層撮像装置における配置図。
【図２】この発明によるアンテナ装置の構造の断面図。
【図３】この発明によるアンテナ装置の構造の異なる実施例の断面図。
【図４】図３によるよるアンテナ装置の平面図。
【図５】この発明によるアンテナ装置の他の実施例の断面図。
【図６】この発明によるアンテナ装置の異なる他の実施例の断面図。
【図７】この発明によるアンテナ装置のさらに異なる他の実施例の断面図。
【図８】核磁気共鳴断層撮像装置の磁石に対するアンテナ装置の横断面図。
【図９】核磁気共鳴断層撮像装置の磁石に対するアンテナ装置の縦断面図。
【符号の説明】
２ 核磁気共鳴断層撮像装置
４ 電磁石
６ 被検体
７ アンテナ装置
８ 弁駆動装置
９ 貯蔵容積
１０ 接続管
１１ 接続管
１２ パルスチューブ冷凍機のコンプレッサ
１３ 測定用電気導体
１４ 制御用電気導体
１５ コールドヘッド
１６ アンテナ
１７ クライオスタット容器
１８ パルスチューブ
１９ 再生チューブ
２０ 低温部
２１ オーバーフロー通路
２２ 作動媒体供給管
２３ａ 接続管
２３ｂ 接続管
２４ 作動媒体供給管
２７ 熱接触体
３１ アンテナ
３５ クライオスタット容器
４０ 低温部
４４ 低温部
４５ 熱接触体
４６ａ アンテナ
４６ｂ アンテナ
４６ｃ アンテナ
４７ クライオスタット容器
４９ 熱接触体
５３ クライオスタット容器
５４ アンテナ
５６ 核磁気共鳴断層撮像装置
Claims (13)
- 真空にされたクライオスタット容器（１７、３５、４７、５３）内において真空空間（Ｖ）によって取り囲まれているコールドヘッド（１５）を備え、このコールドヘッド（１５）が、パルスチューブ（１８）と、再生チューブ（１９）と、このパルスチューブと再生チューブとの間にある少なくとも１つのオーバーフロー通路（２１）を備えた低温（ＴＴ）にある低温部（２０、４０、４４）と、再生チューブおよびにパルスチューブに接続された作動媒体（Ｍ）の供給管（２４、２２）とを有し、
真空室（Ｖ）内には、低温動作温度に保持されるようにした外部電磁場或いはそれに対応する電磁場勾配を検出するためのアンテナ装置の少なくとも１つの冷却されたアンテナ（１６、３１、４６ａ〜４６ｃ、５４）が配置されて、このアンテナ（１６、３１、４６ａ〜４６ｃ、５４）がコールドヘッド（１５）の低温部（２０、４０、４４）に熱結合され、
クライオスタット容器（１７、３５、４７、５３）が少なくともアンテナ範囲において磁場検出を妨げない材料からなる
ことを特徴とするパルスチューブ冷凍機。 - コールドヘッド（１５）の低温部（２０、４４）とアンテナ（１６、３１、５４）との熱結合のために少なくとも１つの熱接触体（２７、４５、４９）が設けられていることを特徴とする請求項１記載のパルスチューブ冷凍機。
- 熱接触体（２７、４５、４９）が誘電材料からなることを特徴とする請求項２記載のパルスチューブ冷凍機。
- アンテナ（１６）が誘電材料からなる低温部（４０）に直接或いはその中に配置されていることを特徴とする請求項１記載のパルスチューブ冷凍機。
- アンテナ（１６、３１、４６ａ〜４６ｃ、５４）が超伝導材料を含むことを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載のパルスチューブ冷凍機。
- 超伝導材料が７７Ｋ以上の臨界温度ＴCを持つことを特徴とする請求項５記載のパルスチューブ冷凍機。
- クライオスタット容器（１７、３５、４７、５３）の中にアンテナ（１６、３１、４６ａ乃至４６ｃ、５４）で検出された信号を処理するための前段増幅器が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載のパルスチューブ冷凍機。
- コールドヘッド（１５）の低温部（２０、４０、４４）に複数個のアンテナ（３１ａ、３１ｂ、４６ａ乃至４６ｃ）が熱結合されていることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載のパルスチューブ冷凍機。
- アンテナ（３１ａ、３１ｂ）がヘルムホルツコイルを形成していることを特徴とする請求項８記載のパルスチューブ冷凍機。
- 核磁気共鳴断層撮影装置（２、５６）に配置されていることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載のパルスチューブ冷凍機。
- 被検体（６）のベッド（５１）に組み込まれていることを特徴とする請求項１０記載のパルスチューブ冷凍機。
- エンドスコピー装置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載のパルスチューブ冷凍機。
- クライオスタット容器（４７）がパルスチューブ冷凍機のコールドヘッド（１５）を収納する部分及びアンテナ（４６ａ乃至４６ｃ）を収納する部分を包含し、これらの部分が可撓波形管（５０）を介して互いに真空密に結合されていることを特徴とする請求項１２記載のパルスチューブ冷凍機。
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