JP4412760B2 - ヘリウム再凝縮磁気共鳴イメージング装置の超伝導シールド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術的背景】
周知のように、マグネットコイルは、そのマグネットコイルをクライオスタット又は圧力容器に封入し、その温度を４〜１０゜Ｋのような超伝導レベルまで下げるというような極低温環境に置くことによって超伝導にすることができる。極低温によってマグネットコイルの抵抗値が無視し得るレベルにまで低下し、そのため最初に電源をコイルにある時間接続してコイルに電流を流すと、電力を切った後でも超伝導温度でのコイルの抵抗値が無視できるためコイルに電流が流れ続け、かくして強力で安定した磁界が維持される。超伝導マグネットは、例えば磁気共鳴イメージング（以下ＭＲＩと呼ぶ）等の分野で広い用途がある。
【０００２】
典型的なＭＲＩマグネットでは、主超伝導マグネットコイルは円筒形の圧力容器内に封入されるが、この圧力容器は真空に引いた容器内に収容されていて中心領域にイメージング中孔（ボア）を形成する。主マグネットコイルがイメージングボア内に強い磁界を発生するが、この磁界は正確なイメージングのためには非常に均一でしかも時間的に一定でなければならない。
【０００３】
超伝導温度は普通圧力容器内での液体ヘリウムのような液体極低温剤の沸騰によって得られる。液体ヘリウムを使って極低温を得ることは広く実施されていて、ＭＲＩ動作にも満足すべきものであるが、世界中のＭＲＩ設備にヘリウムの安定供給を行い、貯蔵及び利用ができるようにすることは困難であるとともにコストがかかることが判明している。そのため、メカニカルディスプレースメント形クライオクーラ又は伝導冷却を用いて、沸騰で生じたヘリウム・ガスを再凝縮させて凝縮ヘリウムを再循環することにかなりの努力が向けられている。
【０００４】
しかし、ギフォード・マクマホン形のような機械式クライオクーラの能力では往々にして必要量及び必要とされる程度の冷却を行うのが限界であった。その結果、クライオクーラへの負荷を最小限にすると共にクライオクーラの容量を実用上可能な範囲で最大にすることが非常に望ましい。望ましい冷却容量をもつクライオクーラの一つの形式では、二段式クライオクーラの第二段すなわち低温段に対する圧縮機の移動ピストンにディスプレースメント材として希土類材料を使っている。Ｅｒ₃Ｎｉ、ＨｏＣｕ₂又はＥｒＮｉＣｏのような希土類材料は、磁気遷移のため４〜１０゜Ｋの超伝導温度域で比較的大きな熱容量をもち、低温動作が可能となる。
【０００５】
しかし、ＭＲＩ用途において強磁性の磁気遷移希土類材料を利用したクライオクーラは、ＭＲＩのイメージング体積内の磁界にかなりの歪み及び摂動を招くことがある。移動形ディスプレーサ中の希土類材料は、典型的な超伝導マグネットの局部的磁界によって磁化されたとき可変の磁界強度をもつ移動マグネットとして作用し、その結果超伝導マグネットのイメージング体積内に磁界の変動を生じて、得られる画像に容認し難い歪みを生ずるものと考えられる。
【０００６】
移動する希土類ディスプレーサによって生ずる時間的に変化する磁界は、主マグネットアセンブリの種々の金属構造内及び主マグネットコイル内に渦電流を誘起することもある。渦電流は関与する構造及びコイルの有限の電気抵抗のため熱を発生するので、渦電流の存在はＭＲＩ用途の希土類クライオクーラには最も望ましくない。これは所謂渦電流の交流加熱効果であり、これはクライオクーラを利用したシステムにおいて適切な冷却を施す上での余分な熱的負担となる。
【０００７】
突合わせコイルと銅及び超伝導シールドを含むＭＲＩ装置に磁気シールド構成が使われているが、画質及び上述の他の問題が希土類クライオクーラをＭＲＩ装置に商業的に使用する上での妨げとなっていた。超伝導シールドで希土類クライオクーラを取囲んで遮蔽することが提案されているが、そうしたシールドはかなりのコスト増となるだけでなく、シールドを取付けたクライオクーラをＭＲＩマグネットから取外すことは一人の体力ではできない程重量が重くなるものであった。さらに、そうしたシールドは、変化する磁界によって誘起された渦電流損失及びヒステリシスのために無視できない程の熱を生じ、利用可能な低温冷却容量の一部を無駄に消費してしまう。
【０００８】
【発明の概要】
従って、上述の問題を避けながら均質で時間的に一定なイメージング磁界ができるようにする超伝導シールドを備えた改良希土類クライオクーラアセンブリに対する具体的ニーズが存在する。
本発明の一つの態様において、メカニカルディスプレースメント形希土類クライオクーラは、ＭＲＩマグネットの超伝導再凝縮動作において沸騰ヘリウムを凝縮させると共に再循環するための冷却を行う。磁気超伝導遮蔽スリーブが、クライオクーラハウジングの末端部分において希土類ディスプレーサの一部分を取囲んでいる。遮蔽スリーブはクライオクーラの低温ヘッドの近傍にあり、希土類ディスプレーサの移動によって発生する磁界に磁気的に結合し、それと熱的に結合した低温ヘッドの９０°〜２７０°を取囲む。希土類ディスプレーサの磁化と移動により発生する磁界によってシールド内に誘起される超伝導の流れは、誘起された磁界に対抗し、希土類ディスプレーサによって発生する時間的・空間的に変化する磁界からＭＲＩイメージング体積を遮蔽する。さらに具体的には、超伝導スリーブシールドは銅及びＮｂＴｉ合金の層を含んでいて、マグネットボア内の低温ヘッドとイメージング領域の間に介在配置される。
【０００９】
【発明の詳しい説明】
新規であると考える本発明の特徴は特許請求の範囲に具体的に記載されているが、本発明自体並びにその他の利点は、図面と併せて以下の説明を参照することにより最も良く理解されよう。すべての図面を通して、類似構成部分には類似の参照記号を用いた。
【００１０】
図１について説明すると、二段式クライオクーラ１０は、内部の円筒形ボア１２を形成するハウジング８を含み、このボア内を駆動モータ１５から機械的な駆動部２１（簡略化して示す）を介して駆動される第二段ディスプレーサ１４が矢印９で示すように往復動する。第二段ディスプレーサ１４はクライオクーラに利用されているＥｒＮｉＣｏのような希土類材料、例えば住友重機械工業株式会社からＲＤＫ−４０８というモデル名で販売されているものである。
【００１１】
クライオクーラ１０は、ＭＲＩ超伝導マグネット３０内のスリーブ壁２、４及び中間カラー３によって形成される真空容器５内の、封止して真空に引いた空洞３２内に挿入される。動作中、第二段ディスプレーサ１４の希土類材料は磁気遷移のため４〜１０゜Ｋの範囲で比較的大きな熱容量を有しており、クライオクーラ１０がそれと熱的に接続した極低温剤再凝縮装置３３の温度を超伝導温度まで下げることができるようにする。熱接続は分離可能な熱継手５０を通じてなされ、熱継手５０は、クライオクーラ１０にある銅の熱部材又は低温ヘッド５２と、ＭＲＩマグネット３０内にあって空洞３２の底面を形成する銅の熱部材５４とを含む。これによって、超伝導マグネット３０の真空容器５内の真空を破壊したり、マグネットの超伝導動作を中断したりせずに、クライオクーラ１０の取外しと交換が可能になる。
【００１２】
沸騰した極低温剤（通例ヘリウムガス）の再凝縮及び再循環は、主マグネットコイル３４等を超伝導温度まで冷却するため加圧容器３５内のヘリウム極低温剤貯蔵槽３６から液体ヘリウムが沸騰することによって起こる。ヘリウムガスは再凝縮器３３内の平行再凝縮面５８の間を通って再凝縮して液体ヘリウムとなって再凝縮器の底１６に貯まり、重力により戻り配管６０を通って流れ、ＭＲＩ超伝導マグネット３０の加圧容器３５内の液体ヘリウム貯蔵槽３６に液体ヘリウムとして戻される。その結果、外部の液体ヘリウム源からの定期的に追加によって沸騰ヘリウムの補充を行うことを必要としない、ゼロボイルオフ（ＺＢＯ）閉ループヘリウム沸騰及び再凝縮システムが得られる。冷却された再凝縮面５８は、熱部材５４内のスロット又は再凝縮器３３内のプレートによって形成され、その間をヘリウムガスが流れて再凝縮される。
【００１３】
ディスプレーサ１４は、端子１９から電力供給される駆動モータ１５により、軸線９に沿って一定の周波数及び振幅で駆動される。移動するディスプレーサ内の希土類材料は強度（磁気モーメント）の変化する移動マグネットとして作用して、強い変動磁界を発生し、それがＭＲＩ超伝導マグネット３０の主マグネットコイル３４及び関連コイル（図示せず）によって発生する磁界と相互作用し、超伝導マグネットのイメージング領域もしくはボア４０内に磁界の変動を生ずると考えられる。したがって、希土類クライオクーラ１０をＭＲＩイメージングでの使用に適しかつ実用的にものとするには、画質の歪みを避けるため、第二段の移動ディスプレーサ１４によって発生する磁界を最小限にし、かつ／或いは中心イメージングボアもしくは体積４０内の磁気的な均質性を損なわないようにしなければならない。
【００１４】
超伝導スリーブ２０は、クライオクーラ１０の第二段（すなわち低温段）の第二段ディスプレーサ１４を取囲む領域で空洞３２の周りに取付けられる。超伝導スリーブ２０は鉛ビスマス合金（鉛６０重量部、ビスマス４０重量部）とすることができ、かかる鉛ビスマス合金は超伝導マグネット３０のクエンチング、すなわち超伝導動作の中断の際に望ましい限流特性を示すことが実証されている。かかるシールドは交流磁界を１００分の１程度に減少させる遮蔽効果をもたらすことができる。
【００１５】
次に図２及び図３を参照すると、超伝導シールド２０は一端で低温ヘッド５２に取付けられてそれと接触し、希土類材料のディスプレーサ１４（図１参照）を取囲んでいることがわかる。図１の超伝導シールド２０は低温ヘッド５２とは物理的には接触していないが、低温ヘッドを近接して取囲み、低温ヘッドと熱的に接触した状態にある。超伝導シールド２０は部分的に円筒形で、角度６２で示すように低温ヘッド５２の一部分を取囲むが、この角度はおよそ２７０°でよいが、低温ヘッドの円周のまわり約９０°〜２７０°の範囲内で設定し得る。超伝導シールド２０はこのように低温ヘッド５２上又はその周りに配置され、超伝導マグネット３０のボア４０の軸線６４とクライオクーラとの間、すなわち、クライオクーラ１０とボア４０内のＭＲＩイメージング領域の間に位置し、希土類クライオクーラ１０によって発生する磁気的摂動からイメージング領域内の磁界を遮蔽する。図３に示すように、超伝導シールド２０は、モータ１５に最も近い端に、円筒形カラー部分２７を含んでいてもよい。カラー部分２７はクライオクーラ１２を完全に取囲み、カラーをクライオクーラに固定する助けになる。
【００１６】
超伝導シールド２０は連続した円筒形の超伝導シートではないものの、ＭＲＩ超伝導マグネット３０の主マグネットの磁界コイル３４をクライオクーラ１０の磁界の摂動から遮蔽するとともに摂動がＭＲＩマグネットのボアのイメージング体積４０（図１参照）内の磁界に悪影響を及ぼすのを阻止すべく誘起される磁界を連続的に発生することができるだけの多数の超伝導ループを収容しかつ維持することができる。かくして、主マグネットコイル３４及び関連コイル（図示せず）は、クライオクーラ１０の希土類の第二段ディスプレーサ１４からの不当な磁気的干渉を受けずに、望ましくかつ必要とされる磁界の安定性を与えることができるようになる。さらに、シールド２０内に誘起された磁界が、超伝導マグネット３０の構造部材における渦電流の流れを妨害して制限し、部材の発熱を制限する。
【００１７】
図２の実施例のスリーブ２０は、熱グリースを用いてクライオクーラ１０のハウジング５０の円筒形の外面の周りにぴったりとはまっており、熱グリースはクライオクーラの第二段ディスプレーサ１４との良好な熱接触及び磁気結合をもたらすような銅粉末又ははんだを含む真空グリースである。スリーブ２０は次いで所定位置にはんだ付けされる。あるＭＲＩ超伝導マグネットでは、スリーブ２０は長さ６．２５インチ、直径２インチ、厚さ０．１３インチである。
【００１８】
付属の駆動モータ１５及び関連部品を含めてクライオクーラ１０を超伝導シールド２０と共に挿入したり取出すことは現場で一人の人間が容易に達成するのが困難であることが明らかにされている。クライオクーラと一緒に取外しできるように超伝導スリーブ２０を低温ヘッドのクライオクーラ１０の周りに装着してクライオクーラ上に保持したマグネット３０では、アセンブリの重さは４０ポンドにも達し得る。そのため、スリーブをクライオクーラ１０と共に取外すときのスリーブ２０の軽量化が重要かつ非常に望ましいといえる。
【００１９】
さらに、完全な円筒形の超伝導スリーブ２０は２０００ドルものコストがかかるが、部分的なスリーブにすることでスリーブ及びＭＲＩ３０のコストも大幅に削減できる。
さらに重要なことは、超伝導スリーブ２０がクライオクーラ１０の低温ヘッドを近接して取囲んでいることは、完全な円筒形のシールドの場合よりも、クライオクーラに対する極低温熱負荷が一層少なくなることである。機械式クライオクーラは、その一定の容量又はその近くで動作している場合が多く、熱負荷が少しでも減少すれば、有効かつ信頼性の高い超伝導動作ができる助けになるので、これは特に重要である。
【００２０】
本明細書では本発明のある態様だけを例示し説明してきたが、当業者には幾多の修正及び変更が考えられよう。従って、特許請求の範囲は、このような本発明の技術的範囲に属する修正及び変更すべてを包含するものと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のゼロボイルオフＭＲＩ極低温剤再凝縮超伝導マグネットについての希土類クライオクーラ及びクライオスタット突抜け区域の簡略断面図。
【図２】 クライオクーラの低温ヘッドと接触した形の図１の超伝導スリーブの詳細図。
【図３】 図１及び２に示す超伝導スリーブの拡大斜視図。

Claims (9)

1. 磁気共鳴イメージング装置の超伝導マグネットの空洞に挿入される、希土類ディスプレーサを利用した機械式クライオクーラシステムであって、
   前記ディスプレーサを取囲む低温ヘッドを備えるクライオクーラと、
   前記低温ヘッドと熱的に接続している前記クライオクーラを取囲む超伝導スリーブを具備していて、
   該スリーブは、前記希土類ディスプレーサの移動によって発生する磁界に磁気的に結合し、前記磁界によって当該スリーブ内に電流の超伝導の流れを作り、前記電流の超伝導の流れは、前記誘起された磁界に対抗する磁界を発生して、前記希土類ディスプレーサの移動によって発生する前記磁界から、前記超伝導マグネットのイメージング体積を遮蔽し、
   前記超伝導スリーブが前記クライオクーラと共に着脱自在に前記空洞に挿入されるように前記超伝導スリーブが前記クライオクーラに固定され、
   超伝導スリーブが前記低温ヘッドを近接して部分的にのみ取囲んでいる、機械式クライオクーラシステム。
2. 前記超伝導スリーブが前記クライオクーラの前記希土類ディスプレーサの円周の約９０°〜２７０°を取囲んでいる、請求項１記載のシステム。
3. 前記超伝導スリーブが前記低温ヘッドに固定されかつ前記超伝導スリーブと前記低温ヘッドが共に着脱自在である、請求項２記載のシステム。
4. 前記スリーブが層状の銅及びＮｂＴｉ合金である、請求項２記載のシステム。
5. 前記超伝導スリーブが前記クライオクーラの低温ヘッドの円周の約２７０°を取囲んでいる、請求項２乃至４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記超伝導スリーブを前記クライオクーラに固定する、前記超伝導スリーブの一端に隣接した円周方向のカラーを含む、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記一端が前記再凝縮器から離隔している、請求項６記載のシステム。
8. 前記超伝導スリーブが約２インチの直径で長さが約６．２５インチを超える長さのものである、請求項１記載のシステム。
9. イメージング領域が提供されるボアを有するＭＲＩ超伝導マグネットであって、
   空洞と、
   前記空洞に挿入される、請求項１乃至８のいずれかに記載のシステムとを備え、
   前記超伝導スリーブが前記希土類ディスプレーサと前記ボアの間に位置付けられる、ＭＲＩ超伝導マグネット。

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