JP4542573B2 - アクティブシールド型の超電導電磁石装置および磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、アクティブシールド型の超電導電磁石装置および、それを用いた磁気共鳴イメージング(以下、ＭＲＩと称す)装置に関する。

ＭＲＩ装置は、生体を構成する水素原子の水素原子核の核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance、以下ＮＭＲと称す）現象が、生体内の組織によって異なることを利用して、生体組織を画像化するもので、組織毎に異なる共鳴の強さや、共鳴の時間的変化の速さを画像の位置毎のコントラストとして現わすことができる。

ＭＲＩ装置では、ＮＭＲ現象により水素原子核スピンが放出する電磁波を計測し、その電磁波を信号として演算処理することで、生体を水素原子核密度によって断層像化することができる。水素原子核スピンが放出する電磁波の計測には、撮像領域として、高強度で、高い静磁場均一度を有する均一磁場領域を生成する必要があり、このような、高強度で均一な磁場領域を発生させるために超電導電磁石装置が用いられている。

超電導電磁石装置としては、複数の超電導コイルを冷媒である液体ヘリウム（Ｈｅ）とともに収納する一対のヘリウム室と、各ヘリウム室をそれぞれ収納する一対の真空室と、２つの真空室の間を撮像領域とするために２つの真空室を離した状態で互いに連結する連結柱とを備えたものが提案されている（特許文献１参照）。各ヘリウム室には、超電導コイルとして、撮像領域に高強度で均一な磁場領域を発生させるための主コイルと、主コイルと逆方向の電流を流して磁場を打ち消し、撮像領域および超電導電磁石装置の外側に磁場が漏洩するのを防ぐシールドコイルとが収納されている。

超電導電磁石装置を用いたＭＲＩ装置においては、外部の磁場環境の変化、例えば付近を自動車が通過、あるいは停車する、エレベータが上下するなどの変化要因による変化でも、ＭＲＩ装置の撮像領域の磁場に影響を与え、撮像を阻害することが知られている。

しかし、超電導コイル単体について考えてみると、その超電導コイルが取り囲む総磁束量に変化が生じた場合でも、その総磁束量が一定になるように超電導電流を補償する起電力を生じ、結果的に総磁束量は変化しないはずである。すなわち、超電導コイル付近を自動車が通過し外乱磁束が生じ、この外乱磁束が超電導コイルに鎖交しても、外乱磁束を補償するように超電導電流が変化し、総磁束量はほとんど変化しないはずである。

それでも、ＭＲＩ装置において、撮像領域の磁場が変化してしまうのは、ＭＲＩ装置で用いられる超電導電磁石装置では、主コイルとシールドコイルとが直列に接続されているからである。これがアクティブシールド型の超電導電磁石装置の特徴であり、この特徴により、シールドコイルに、主コイルと常時同じ大きさで逆方向の電流を流せるので、磁場の漏洩をなくすことができる。しかし、直列に接続された主コイルとシールドコイルに、外乱磁束が鎖交した場合、主コイルとシールドコイルに逆向きの起電力が生じるので、主コイルとシールドコイルの起電力が相殺して、外乱磁束を打ち消すような超電導電流を発生させることができない。

そこで、主コイルかシールドコイルのどちらかをバイパスする超電導線を設け、外乱磁束が鎖交すると、外乱磁束を補償する超電導電流が、主コイルまたはシールドコイルからバイパスする超電導線に流れる超電導電磁石装置が提案されている（特許文献２参照）。この特許文献２に記載の超電導電磁石装置においてクエンチ現象が起きると、永久電流を減らすまいとする主コイルとシールドコイルに生じた起電力によりバイパスする超電導線に大電流が流れ、常電導化したバイパスする超電導線を焼損することが考えられる。そこで、特許文献２では、外乱磁束に起因する微弱電流では超電導性を示し、クエンチ現象のようにある一定の電流値を超えた電流では直ちに常電導化して大きな常電導抵抗を発生し過大な電流を制限する超電導限流器を、バイパスする超電導線に直列に挿入することも提案されている。
特開平９−１５３４０８号公報（図１） 特開昭６４−３７８１４号公報（図１）

しかしながら、昨今の超電導電磁石装置を用いたＭＲＩ装置においては、撮像の解像を向上させるため起磁力が大きくなり、主コイル、シールドコイル共に、巻数と永久電流とが増大している。そのため主コイルまたはシールドコイルがクエンチすると、その主コイルまたはシールドコイルの端子間には、これまでにない高電圧が発生すると考えられる。これにより前記特許文献２に示される超電導限流器には、超電導限流器が常電導化して高い抵抗を発生させてもなお、大きな電流が流れ、焼損することも考えられた。しかし、これまでよりさらに常電導抵抗を十分に大きくし、通常時には超電導線として機能させる超電導限流器を作製することは容易ではない。

本発明は前記の課題を解決しようとするもので、その目的は、主コイルまたはシールドコイルにクエンチが発生しても、超電導限流器に大電流が流れるのを抑制することができるアクティブシールド型の超電導電磁石装置および磁気共鳴イメージング装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明のアクティブシールド型の超電導電磁石装置は、
磁場の励磁方向が同方向の第１主コイル及び第２主コイルと、前記第１主コイルとは磁場の励磁方向が逆方向の第１シールドコイル及び第２シールドコイルとが、軸を同一とし、前記軸上に、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが前記軸をそろえて配設され、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが直列に接続され、前記第１シールドコイルと前記第１主コイルの間隔と前記第２主コイルと前記第２シールドコイルの間隔は、前記第１主コイルと前記第２主コイルの間隔より狭い主開閉回路と、
流れる電流が所定値を超えると超電導から常伝導となり前記流れる電流を制限する超電導限流器が、前記第１主コイルと前記第２主コイルの直列回路に対して並列に接続されたサブ開閉回路と、
前記第１主コイルと、前記第１シールドコイルと、両端に電位差がないと電流が流れず両端に電位差が生じると電流が流れる第１クエンチ保護回路とが、直列に接続された第１閉回路と、
前記第２主コイルと、前記第２シールドコイルと、両端に電位差がないと電流が流れず両端に電位差が生じると電流が流れる第２クエンチ保護回路とが、直列に接続された第２閉回路とを有することを特徴とする。
また、本発明のアクティブシールド型の超電導電磁石装置は、
磁場の励磁方向が同方向の第１主コイル及び第２主コイルと、前記第１主コイルとは磁場の励磁方向が逆方向の第１シールドコイル及び第２シールドコイルとが、軸を同一とし、前記軸上に、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが前記軸をそろえて配設され、前記第１シールドコイル、前記第２主コイル、前記第１主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが直列に接続された主開閉回路と、
流れる電流が所定値を超えると超電導から常伝導となり前記流れる電流を制限する超電導限流器が、前記第１主コイルと前記第２主コイルの直列回路に対して並列に接続されたサブ開閉回路と、
前記第２主コイルと、前記第１シールドコイルと、両端に電位差がないと電流が流れず両端に電位差が生じると電流が流れる第１クエンチ保護回路とが、直列に接続された第１閉回路と、
前記第１主コイルと、前記第２シールドコイルと、両端に電位差がないと電流が流れず両端に電位差が生じると電流が流れる第２クエンチ保護回路とが、直列に接続された第２閉回路とを有することを特徴とする。
また、本発明のアクティブシールド型の超電導電磁石装置は、
磁場の励磁方向が同方向の第１主コイル及び第２主コイルと、前記第１主コイルとは磁場の励磁方向が逆方向の第１シールドコイル及び第２シールドコイルとが、軸を同一とし、前記軸上に、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが前記軸をそろえて配設され、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが直列に接続された主開閉回路と、
流れる電流が所定値を超えると超電導から常伝導となり前記流れる電流を制限する超電導限流器が、前記第１主コイルと前記第２主コイルの直列回路に対して並列に接続されたサブ開閉回路と、
前記第２主コイルと前記第２シールドコイルの少なくとも１つの近傍に配置される第１抵抗と、前記第１主コイルと、前記第１シールドコイルとが、直列に接続された第１閉回路と、
前記第１主コイルと前記第１シールドコイルの少なくとも１つの近傍に配置される第２抵抗と、前記第２主コイルと、前記第２シールドコイルとが、直列に接続された第２閉回路とを有することを特徴とする。
また、本発明のアクティブシールド型の超電導電磁石装置は、
磁場の励磁方向が同方向の第１主コイル及び第２主コイルと、前記第１主コイルとは磁場の励磁方向が逆方向の第１シールドコイル及び第２シールドコイルとが、軸を同一とし、前記軸上に、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが前記軸をそろえて配設され、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが直列に接続された主開閉回路と、
流れる電流が所定値を超えると超電導から常伝導となり前記流れる電流を制限する超電導限流器が、前記第１主コイルと前記第２主コイルの直列回路に対して並列に接続されたサブ開閉回路と、
前記第１シールドコイルと、前記第２主コイルの近傍に配置される第１抵抗とが、直列に接続された第１閉回路と、
前記第２シールドコイルと、前記第１主コイルの近傍に配置される第２抵抗とが、直列に接続された第２閉回路と、
前記第１主コイルと、前記第１抵抗とが、直列に接続された第３閉回路と、
前記第２主コイルと、前記第２抵抗とが、直列に接続された第４閉回路とを有することを特徴とする。
また、本発明のアクティブシールド型の超電導電磁石装置は、
磁場の励磁方向が同方向の第１主コイル及び第２主コイルと、前記第１主コイルとは磁場の励磁方向が逆方向の第１シールドコイル及び第２シールドコイルとが、軸を同一とし、前記軸上に、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが前記軸をそろえて配設され、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが直列に接続された主開閉回路と、
流れる電流が所定値を超えると超電導から常伝導となり前記流れる電流を制限する超電導限流器が、前記第１主コイルと前記第２主コイルの直列回路に対して並列に接続されたサブ開閉回路と、
前記第１シールドコイルと、前記第１主コイルと前記第１シールドコイルの近傍に配置される第１抵抗とが、直列に接続された第１閉回路と、
前記第２シールドコイルと、前記第２主コイルと前記第２シールドコイルの近傍に配置される第２抵抗とが、直列に接続された第２閉回路と、
前記第１主コイルと、前記第１抵抗とが、直列に接続された第３閉回路と、
前記第２主コイルと、前記第２抵抗とが、直列に接続された第４閉回路とを有することを特徴とする。
さらに、本発明のアクティブシールド型の超電導電磁石装置を用い、前記第１主コイルと前記第２主コイルとの間に、大気圧で常温の空隙を設け、前記空隙を撮像空間にした磁気共鳴イメージング装置であることを特徴とする。

本発明によれば、主コイルまたはシールドコイルにクエンチが発生しても、超電導限流器に大電流が流れるのを抑制することができるアクティブシールド型の超電導電磁石装置およびＭＲＩ装置を提供することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、左半分が本発明の第１の実施形態に係る核磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置の左半分の側面図であり、右半分がそのＭＲＩ装置の右半分の断面図である。図１に示すように、ＭＲＩ装置２１としては、オープン型ＭＲＩ装置をあげることができる。オープン型ＭＲＩ装置は、アクティブシールド型の超電導電磁石装置２２と、検査装置配置領域２３とを有している。

超電導電磁石装置２２は、１対の主コイル１ａ、１ｂと、１対のシールドコイル２ａ、２ｂとを有している。１対の主コイル１ａ、１ｂは、赤道面１４を対称面として対向配置され、それぞれの中心軸が一致している。この中心軸に一致するように、赤道面１４に垂直なＺ軸を設定することができる。主コイル１ａ、１ｂは、撮像領域１６に供される均一磁場と同じＺ軸方向の主磁場を生成させることができる。撮像領域１６は、Ｚ軸上の１対の主コイル１ａ、１ｂから等距離の領域に設けられている。１対のシールドコイル２ａ、２ｂも赤道面１４を対称面として対向配置され、それぞれの中心軸が主中心軸すなわちＺ軸に一致している。第１シールドコイル２ａは、第１主コイル１ａに隣接し、第１主コイル１ａと反対の方向の磁場を生成し、超電導電磁石装置２２の外部に、磁場の漏れを低減させている。第２シールドコイル２ｂは、第２主コイル１ｂに隣接し、第２主コイル１ｂと反対の方向の磁場を生成し、超電導電磁石装置２２の外部に、磁場が漏れ出すのを低減させている。

主コイル１ａ、１ｂとシールドコイル２ａ、２ｂとは、軸を同一としてＺ軸に一致させ、Ｚ軸上に、上方から、前記第１シールドコイル２ａ、前記第１主コイル１ａ、前記第２主コイル１ｂ、前記第２シールドコイル２ｂの順に配設されている。主コイル１ａ、１ｂは、シールドコイル２ａ、２ｂよりも、撮像領域１６に近い位置に配設されている。撮像領域１６は、第１主コイル１ａと第２主コイル１ｂの間の空間に設けられている。超電導電磁石装置２２は、いわゆる、垂直磁場式の開放型磁石である。

超電導電磁石装置２２の上部には、第１主コイル１ａおよび第１シールドコイル２ａを旋巻し支持・固定する為の第１ボビン１０ａが設けられている。第１ボビン１０ａと対を為す形態で、超電導電磁石装置２２の下部に第２主コイル１ｂと、第２シールドコイル２ｂとを旋巻し支持・固定する為の第２ボビン１０ｂが設けられている。

超電導電磁石装置２２は、１対の主コイル１ａ、１ｂと１対のシールドコイル２ａ、２ｂ、１対のボビン１０ａ、１０ｂとを冷媒と共に内包するヘリウム容器１１と、ヘリウム容器１１を内包し内部への熱輻射を遮断する熱輻射シールド１２と、ヘリウム容器１１及び熱輻射シールド１２を内包し内部が真空に保持された真空容器１３とを有している。冷媒としては、液体ヘリウム（Ｈｅ）、場合によっては液体窒素（Ｎ_２）を用いることができる。

超電導電磁石装置２２が、室温の室内に配置されても、真空容器１３内が真空になっているので、室内の熱が伝導や対流で、ヘリウム容器１１に伝わることはない。また、熱輻射シールド１２によって、室内の熱が輻射によって真空容器１３からヘリウム容器１１に伝わることはない。１対の主コイル１ａ、１ｂと１対のシールドコイル２ａ、２ｂと１対のボビン１０ａ、１０ｂとを、冷媒の温度である極低温に安定して設定することができる。

前記ヘリウム容器１１は、前記第１主コイル１ａと前記第１シールドコイル２ａと第１ボビン１０ａを内包する第１ヘリウム室１１ａと、前記第２主コイル１ｂと前記第２シールドコイル２ｂと前記第２ボビン１０ｂを内包し第１ヘリウム室１１ａから離れた第２ヘリウム室１１ｂと、第１ヘリウム室１１ａと第２ヘリウム室１１ｂとを連結するヘリウム連結管１１ｃとを有している。ヘリウム連結管１１ｃは、第１ヘリウム室１１ａと第２ヘリウム室１１ｂの外周に配置される。ヘリウム連結管１１ｃは、１本でも良いし、図１に示すように２本以上でも良い。

前記真空容器１３は、前記第１ヘリウム室１１ａを内包する第１真空室１３ａと、前記第２ヘリウム室１１ｂを内包し第１真空室１３ａから離れた第２真空室１３ｂと、第１真空室１３ａと第２真空室１３ｂとを連結し前記ヘリウム連結管１１ｃを内包する真空連結管１３ｃとを有している。真空連結管１３ｃは、第１真空室１３ａと第２真空室１３ｂの外周に配置される。真空連結管１３ｃは、１本でも良いし、図１に示すように２本以上でも良い。

ＭＲＩ装置２１は、１対の主コイル１ａと１ｂに同じ方向に一定電流を流し、１対のシールドコイル２ａと２ｂに主コイル１ａ、１ｂとは逆方向に一定電流を流すことで、撮像領域１６に均一磁場を形成することができる。前記第１主コイル１ａと前記第２主コイル１ｂとの間に、大気圧で常温の空隙を設け、この空隙を撮像領域１６にしている。すなわち、撮像領域１６は、第１真空室１３ａと第２真空室１３ｂとの間に位置し、室温かつ大気圧に保持可能であるので、被検者は、自身の被検査領域が撮像領域１６の中に納まるように横たわることができる。真空連結管１３ｃ（連結柱１５）によって離間された上下の第１真空室１３ａと第２真空室１３ｂとの間に被検者を入れて診療するものであるため、被検者の視界は閉ざされず開放的であり、オープン型のＭＲＩ装置２１は被検者に好評である。

超電導電磁石装置２２の第１真空室１３ａと第２真空室１３ｂとの互いに対向する面にそれぞれ、検査装置配置領域２３が設けられている。検査装置配置領域２３には、図示はしないが、位置情報を得るために撮像領域１６の均一磁場に重畳する形で磁場を空間的に変化させる傾斜磁場コイルと、ＮＭＲ現象を引き起こすための共鳴周波数の電磁波を印加する高周波照射コイルと、撮像領域１６の均一磁場の均一度をさらに向上させるために磁場調整用鉄材が配置されている。

ＭＲＩ装置２１は、ＮＭＲ現象により水素原子核スピンが放出する核磁気共鳴信号を計測し、その核磁気共鳴信号を演算処理することで、被検者体内を水素原子核密度によって断層像化する。その際に、被検者が入る撮像領域１６には、強度が０．３Ｔ以上の高強度であり、１０ｐｐｍ程度の高い静磁場均一度を有する静磁場を生成させる。撮像領域１６の上下１対の傾斜磁場コイルは、撮像領域１６内の位置情報を得る目的で、磁場を空間的に変化させた傾斜磁場を撮像領域１６に印加する。さらに、撮像領域１６の上下１対の高周波照射コイルは、ＮＭＲ現象を引起すための共鳴周波数の電磁波を撮像領域１６に印加する。これらにより、撮像領域１６内の微小領域ごとに水素原子核スピンが放出する核磁気共鳴信号を計測し、その核磁気共鳴信号を演算処理することで、被検者体内を水素原子核密度により断層像化することができる。

図２は、本発明の第１の実施形態に係るアクティブシールド型の超電導電磁石装置２２の回路図である。超電導電磁石装置２２は、磁場の励磁方向が同方向の第１主コイル１ａ及び第２主コイル１ｂと、第１主コイル１ａとは磁場の励磁方向が逆方向の第１シールドコイル２ａ及び第２シールドコイル２ｂと、第１超電導永久電流スイッチ５ｂとが、直列に接続された主開閉回路を有している。具体的に主開閉回路は、第１超電導永久電流スイッチ５ｂ−ノード３ｈ−ノード３ａ−第１シールドコイル２ａ−ノード３ｂ−第１主コイル１ａ−ノード３ｃ−第２主コイル１ｂ−ノード３ｄ−第２シールドコイル２ｂ−ノード３ｅ−ノード３ｆ−第１超電導永久電流スイッチ５ｂの順に接続し閉回路を構成するとともに、第１超電導永久電流スイッチ５ｂによりこの閉回路を開閉することができる。第１超電導永久電流スイッチ５ｂには並列に励磁用電源端子９が接続されている。なお、主開閉回路の配線はすべて超電導線で構成されている。

第１主コイル１ａおよび第２主コイル１ｂは、撮像領域１６（図１参照）に磁場強度が高く、且つ所定レベル以上の磁場均一度の磁場を発生させる。第１シールドコイル２ａおよび第２シールドコイル２ｂは、第１主コイル１ａおよび第２主コイル１ｂと逆方向の電流を流して、第１主コイル１ａおよび第２主コイル１ｂから発生する磁場が真空容器１３（図１参照）外に漏洩するのを打ち消す。これら第１主コイル１ａ、第２主コイル１ｂ、第１シールドコイル２ａ、第２シールドコイル２ｂは図２のように直列に接続する。これらの第１主コイル１ａ、第２主コイル１ｂ、第１シールドコイル２ａ、第２シールドコイル２ｂはそれぞれ複数のコイルで構成されるものであっても良い。

また、超電導電磁石装置２２は、流れる電流が所定値を超えると超電導から常伝導となり前記流れる電流を制限する超電導限流器４と、第２超電導永久電流スイッチ５ａとが直列に接続したバイパス回路６を有している。バイパス回路６の配線もすべて超電導線で構成されている。バイパス回路６は、前記第１主コイル１ａと前記第２主コイル１ｂの直列回路に対して、あるいは、前記第１シールドコイル２ａと前記第２シールドコイル２ｂの直列回路（図示省略）に対して並列に接続されている。このことにより、サブ開閉回路が構成され、具体的にサブ開閉回路は、第２超電導永久電流スイッチ５ａ−超電導限流器４−ノード３ｄ−第２主コイル１ｂ−ノード３ｃ−第１主コイル１ａ−ノード３ｂ−第２超電導永久電流スイッチ５ａの順に接続し閉回路を構成するとともに、第２超電導永久電流スイッチ５ａによりこの閉回路を開閉することができる。

また、超電導電磁石装置２２は、第１閉回路７ａと、第２閉回路７ｂとを有している。第１閉回路７ａは、前記第１主コイル１ａと、前記第１シールドコイル２ａと、両端に電位差がないと電流が流れず両端に電位差が生じると電流が流れる第１クエンチ保護回路８ａとが、直列に接続されることにより構成されている。具体的に第１閉回路７ａは、第１主コイル１ａ−ノード３ｃ−ノード３ｇ−第１クエンチ保護回路８ａ−ノード３ｈ−ノード３ａ−第１シールドコイル２ａ−ノード３ｂ−第１主コイル１ａの順に接続している。第１クエンチ保護回路８ａは、第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２を導通方向の極性が互いに異なる向きに並列に接続した並列回路により構成されている。

第２閉回路７ｂは、前記第２主コイル１ｂと前記第２シールドコイル２ｂと、両端に電位差がないと電流が流れず両端に電位差が生じると電流が流れる第２クエンチ保護回路８ｂとが、直列に接続されることにより構成されている。具体的に第２閉回路７ｂは、第２主コイル１ｂ−ノード３ｄ−第２シールドコイル２ｂ−ノード３ｅ−ノード３ｆ−第２クエンチ保護回路８ｂ−ノード３ｇ−ノード３ｃ−第２主コイル１ｂの順に接続している。前記第２クエンチ保護回路８ｂは、第３ダイオードＤ３と第４ダイオードＤ４を導通方向の極性が互いに異なる向きに並列に接続した並列回路により構成されている。

次に、超電導電磁石装置２２の運転方法について説明する。

まず、第１超電導永久電流スイッチ５ｂ及び第２超電導永久電流スイッチ５ａを切った上で、励磁用電源端子９に接続された図示しない電源により主開閉回路に定格の電流が流れるまで、第１主コイル１ａ、第２主コイル１ｂ、第１シールドコイル２ａ、第２シールドコイル２ｂに給電する。定格の電流が流れた後、第１超電導永久電流スイッチ５ｂを通電状態にする。そして、励磁用電源端子９から電源を外す。超電導電磁石装置２２は永久電流の流れる永久電流モードに移行する。なお、永久電流の流れる主開閉回路の電気抵抗は、配線抵抗も含め、ゼロ（０）になっている。

次に、第２超電導永久電流スイッチ５ａを通電状態にする。第２超電導永久電流スイッチ５ａが通電状態になると、バイパス回路６の電気抵抗も、配線抵抗も含め、ゼロ（０）になるが、主開閉回路を流れる永久電流がバイパス回路６に流れ込むことはない。これは、第１主コイル１ａ、第２主コイル１ｂ、第１シールドコイル２ａ、第２シールドコイル２ｂそれぞれが一定の永久電流を流そうとするからである。永久電流の一部がバイパス回路６を流れると第１主コイル１ａ、第２主コイル１ｂ、第１シールドコイル２ａ、第２シールドコイル２ｂのどれかにおいて永久電流が減少してしまい、一定の永久電流が流れないことになる。このため、主開閉回路を流れる永久電流はバイパス回路６に流れ込まない。

一方、図示しない外乱磁束が、第１主コイル１ａ、第２主コイル１ｂ、第１シールドコイル２ａ、第２シールドコイル２ｂ内に入った場合は、総磁束量が変化しないように外乱磁束を補償する超電導電流が永久電流に重畳して、第１主コイル１ａ、第２主コイル１ｂ、第１シールドコイル２ａ、第２シールドコイル２ｂを流れる。そして、第１主コイル１ａ、第２主コイル１ｂ、第１シールドコイル２ａ、第２シールドコイル２ｂの他のコイルから超電導電流が流れ込もうとしてもそれぞれのコイルは一定の電流を流そうとしているので、この超電導電流はバイパス回路６に流れ込むことになる。

なお、外乱磁束によって生じる起電力は小さく、第１閉回路７ａにはダイオードＤ１、Ｄ２のオン電圧以上の電圧は印加されないため、ダイオードＤ１、Ｄ２は導通状態にはならず、その結果、双方向ダイオード対である第１クエンチ保護回路８ａを通って第１閉回路７ａを循環する電流は発生しない。同様に、第２閉回路７ｂにはダイオードＤ３、Ｄ４のオン電圧以上の電圧は印加されないため、ダイオードＤ３、Ｄ４は導通状態にはならず、その結果、双方向ダイオード対である第２クエンチ保護回路８ｂを通って第２閉回路７ｂを循環する電流は発生しない。

次に、超電導電磁石装置２２において、第１主コイル１ａ、第２主コイル１ｂ、第１シールドコイル２ａ、第２シールドコイル２ｂが、クエンチした際の事象について説明する。まずは、比較例として、第１クエンチ保護回路８ａと第２クエンチ保護回路８ｂとは省かれ、第１閉回路７ａと第２閉回路７ｂとが構成されていない場合について説明する。機械的な擾乱等の要因により、第１主コイル１ａ、第２主コイル１ｂ、第１シールドコイル２ａ、第２シールドコイル２ｂの一部に発熱が生じると、図３（ａ）に示すように、その周囲の超電導が破れて電気抵抗Ｒが生じ、永久電流Ｉ０によりジュール発熱が起きる。これによってさらに常電導領域が拡大し、電気抵抗Ｒが増大し、第１主コイル１ａ、第２主コイル１ｂ、第１シールドコイル２ａ、第２シールドコイル２ｂのコイル全体に常電導が広がるいわゆるクエンチ状態に至る。この常電導が広がる際には、各コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂには以下の２種類の電圧が発生する。ひとつは、常電導領域が拡大することによって発生し増大する抵抗Ｒと永久電流Ｉ０との積で与えられる抵抗電圧ＶＲ（＝Ｒ＊Ｉ０）である。もうひとつは、永久電流Ｉ０が時間変化することによって発生する誘導電圧ＶＬ（＝−Ｌ＊ｄＩ０／ｄｔ）である。まず、クエンチの初期において、クエンチの起点となるコイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂで発生する抵抗電圧ＶＲが大きく成長し、これにより永久電流Ｉ０が減少することで誘導電圧ＶＬも成長し、抵抗電圧ＶＲに誘導電圧ＶＬが重畳されることで、図３（ｂ）に示すように、各コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂに生じる電圧Ｖ０は、クエンチ発生からある時間経過後に最大電圧Ｖ０ｐを発生させることになる。

この最大電圧Ｖ０ｐの発生により、バイパス回路６には、数千ボルト（Ｖ）の電圧が印加されることになる。これにより超電導限流器４は直ちに常電導化して抵抗を発生し、過大な電流が発生するのを抑制しようと働く。しかしながら、例えば１ｋΩの抵抗を発生できたとしても、数千ボルトの電圧が印加された場合には数アンペア（Ａ）の電流が流れるため、超電導限流器４が焼損する危険がある。そこで、このバイパス回路６を流れる電流を数分の１に低減し、さらには、バイパス回路６に印加される最大電圧Ｖ０ｐを数分の１に低減することが必要である。

次に、超電導電磁石装置２２に、第１クエンチ保護回路８ａと第２クエンチ保護回路８ｂとが設けられ、第１閉回路７ａと第２閉回路７ｂとが構成されている場合について説明する。クエンチ時には、その初期に、コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂの一部に発熱が生じ超電導が破れて電気抵抗Ｒが生じ、電気抵抗Ｒと永久電流Ｉ０との積で与えられる抵抗電圧ＶＲが発生する。第１クエンチ保護回路８ａと第２クエンチ保護回路８ｂの双方向ダイオード対のダイオードＤ１とＤ２のどちらか一方、あるいは、ダイオードＤ３とＤ４のどちらか一方には、オン電圧（コンマ数Ｖ〜数Ｖ程度）以上の抵抗電圧ＶＲが印加される為、そのダイオードＤ１乃至Ｄ４のいずれかに電流が流れる。つまり、第１閉回路７ａと第２閉回路７ｂに電流が流れる。この電流は永久電流が分流したものである。第１閉回路７ａと第２閉回路７ｂとは２つずつコイルを有すので、４個のコイルが直列に接続された主開閉回路と比較して、回路のインダクタンスＬが小さくなっている。また、それぞれ逆向きの第１主コイル１ａと第１シールドコイル２ａとが対となり第１閉回路７ａに用いられているので第１主コイル１ａと第１シールドコイル２ａの相互インダクタンスを小さくでき、いわゆる、それぞれのインダクタンスが相殺し、合計のインダクタンスＬを小さくすることができる。第２閉回路７ｂについても同様に、逆向きの第２主コイル１ｂと第２シールドコイル２ｂとが対となり第２閉回路７ｂに用いられているので第２主コイル１ｂと第２シールドコイル２ｂの相互インダクタンスを小さくでき、いわゆる、それぞれのインダクタンスが相殺し、合計のインダクタンスＬを小さくすることができる。インダクタンスＬが、小さくなるので、コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂには電流減衰に抵抗するような起電力が発生しにくくなり、永久電流の減衰が妨げられなくなる。そして、図３（ａ）の永久電流Ｉ１に示すように、永久電流Ｉ１を、永久電流Ｉ０より速く減衰させることができる。クエンチを開始したコイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂでは、抵抗Ｒの成長速度と永久電流Ｉ０、Ｉ１の減衰速度の兼ね合いにより、最大電圧Ｖ０ｐ、Ｖ１ｐの大きさが左右される。即ち、抵抗Ｒの成長速度に比して永久電流Ｉ１の減衰速度が大きければ、抵抗Ｒと永久電流Ｉ１の積である抵抗電圧Ｖ１の最大電圧Ｖ１ｐは最大電圧Ｖ０ｐより小さくなる。これにより、バイパス回路６の両端に印加される電圧も、数分の１に低減される。このように、第１の実施形態によれば、主コイル１ａ、１ｂまたはシールドコイル２ａ、２ｂにクエンチが発生しても、超電導限流器４に大電流が流れるのを抑制することができるアクティブシールド型の超電導電磁石装置２２を提供することができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係るアクティブシールド型の超電導電磁石装置２２の回路図である。図４に示すように、本発明の第２の実施形態に係る超電導電磁石装置２２は、第１の実施形態の超電導電磁石装置２２と比較して、第１主コイル１ａと第２主コイル１ｂと第１シールドコイル２ａと第２シールドコイル２ｂとが、第１シールドコイル２ａ、第２主コイル１ｂ、第１主コイル１ａ、第２シールドコイル２ｂの順に直列に接続されている点が異なっている。なお、コイルの配設に関しては、第１の実施形態と同様に、図１に示すように、Ｚ軸の上から順に、第１シールドコイル２ａ、第１主コイル１ａ、第２主コイル１ｂ、第２シールドコイル２ｂの順に配設されている。

この相異により、第１閉回路７ａが、第１主コイル１ａに換えて、第２主コイル１ｂを含むように構成されている。また、第２閉回路７ｂが、第２主コイル１ｂに換えて、第１主コイル１ａを含むように構成されている。具体的に第１閉回路７ａは、第１シールドコイル２ａ−ノード３ｂ−第２主コイル１ｂ−ノード３ｃ−ノード３ｇ−第１クエンチ保護回路８ａ−ノード３ｈ−ノード３ａ−第１シールドコイル２ａの順に接続している。第２閉回路７ｂは、第２シールドコイル２ｂ−ノード３ｅ−ノード３ｆ−第２クエンチ保護回路８ｂ−ノード３ｇ−ノード３ｃ−第１主コイル１ａ−ノード３ｄ−第２シールドコイル２ｂの順に接続している。

次に、これらの接続の効果について説明する。第１主コイル１ａと第２主コイル１ｂと第１シールドコイル２ａと第２シールドコイル２ｂの複数のコイルにおいて、あるコイルがクエンチを開始した場合には、できるだけ早く全コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂにクエンチを伝播させ、その電磁エネルギーの消費（発熱）を分散させることが必要である。これはあるコイルに電磁エネルギーの消費（発熱）が集中すると、そのコイルの温度が許容範囲を超えて上昇し、そのコイルに損傷を与えてしまうからである。電磁エネルギーの消費（発熱）を全コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂに分散させることは、コイルの温度を許容範囲を超えて上昇させることなく、全コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂの系全体の総電気抵抗を大きくできるので、永久電流の減衰を早めることができる。このため、クエンチを開始したコイルの抵抗電圧Ｖ１（図３（ｂ）参照）の上昇を抑え、最大電圧Ｖ１ｐを低減する効果がある。クエンチを伝播させるには、コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ間の電磁的な結合を強化したり、また、空間的に離れたコイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ同士を同じ第１閉回路７ａおよび第２閉回路７ｂに含め、電流変化が空間的に離れたコイルにも及ぶようにしたりすることが有効である。

クエンチを伝播させるには下記の２種類の方法がある。ひとつはクエンチバックヒータを用いる方法である。もうひとつはコイルを互いに近接させ電磁誘導による電流変化を与えたり、あるいは、コイルを互いに直列に接続し電流が共通する直列回路（第１閉回路７ａおよび第２閉回路７ｂ）上のコイルに直接、電流変化を与えることで経験磁場を変化させ、未だクエンチしていないコイルの超電導線に交流損失を発生させたりし、クエンチを伝播し誘発する方法である。後者の方法はクエンチバックヒータを用いないため、コストの低減は図れ、超電導コイルに異物を付与しないことによる信頼性の向上も図れる。

コイル間に電磁誘導による電流変化を与えるためには、コイル間の電磁的な結合を大きくしておく必要がある。コイルの大きさや配置（コイル間の距離）で決まる。ＭＲＩ装置などの場合は、均一磁場を実現する観点からコイルの配置が厳密に決められる為、電磁的な結合を変える目的だけでコイルの大きさや配置を変えることはできない。一方、第１閉回路７ａおよび第２閉回路７ｂにどのコイルを含ませるかは、コイルの大きさや配置を変えることなく、配線でコイルの接続を変更するだけで、含ませるコイルを任意に変えることができる。

具体的には、超電導電磁石装置２２では、図１に示すように、第１シールドコイル２ａと第１主コイル１ａの対と、第２主コイル１ｂと第２シールドコイル２ｂの対とは、空間的に離れており、電磁的な結合が弱い。第１シールドコイル２ａと第１主コイル１ａとは、空間的に近接しており、電磁的な結合が強い。第２主コイル１ｂと第２シールドコイル２ｂとは、空間的に近接しており、電磁的な結合が強い。そこで、図４に示すように、第１閉回路７ａに、第１シールドコイル２ａと第２主コイル１ｂを含めるように配線している。第２閉回路７ｂに、第１主コイル１ａと第２シールドコイル２ｂを含めるように配線している。このようにすることで、例えば、第１シールドコイル２ａがクエンチした場合に、これと電流が共通する第２主コイル１ｂに直ちに電流変化が発生し、前記の交流損失で第２主コイル１ｂにクエンチを誘発させ伝播させることができる。なお、第１シールドコイル２ａのクエンチは、第１シールドコイル２ａに対して電磁的な結合が強い第１主コイル１ａに伝播することができる。第２シールドコイル２ｂでは、第１主コイル１ａのクエンチの第２閉回路７ｂの電流変化による伝播と、第２主コイル１ｂのクエンチの電磁的な結合に基づいた伝播との２経路により、クエンチが伝播される。以上により、コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ全体にクエンチを伝播させることができる。この結果、コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ全体で抵抗が上昇し、永久電流の減衰を早める為、クエンチを開始したコイルの抵抗電圧の上昇を抑え、バイパス回路６上の超電導限流器４に流れる電流を低減できる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係るアクティブシールド型の超電導電磁石装置２２の回路図である。図５に示すように、本発明の第３の実施形態に係る超電導電磁石装置２２は、第１の実施形態の超電導電磁石装置２２と比較して、第１シールドコイル２ａ、第１主コイル１ａ、第２主コイル１ｂ、第２シールドコイル２ｂのそれぞれに個別のクエンチ保護回路８ａ乃至８ｄを設けている点が異なっている。

第１シールドコイル２ａと、両端に電位差がないと電流が流れず両端に電位差が生じると電流が流れる第１クエンチ保護回路８ａとが、直列に接続されることにより、第１閉回路７ａが構成されている。具体的に第１閉回路７ａは、第１シールドコイル２ａ−ノード３ｂ−ノード３ｊ−第１クエンチ保護回路８ａ−ノード３ｈ−ノード３ａ−第１シールドコイル２ａの順に接続している。

第１主コイル１ａと、両端に電位差がないと電流が流れず両端に電位差が生じると電流が流れる第３クエンチ保護回路８ｃとが、直列に接続されることにより、第３閉回路７ｃが構成されている。具体的に第３閉回路７ｃは、第１主コイル１ａ−ノード３ｃ−ノード３ｇ−第３クエンチ保護回路８ｃ−ノード３ｊ−ノード３ｂ−第１主コイル１ａの順に接続している。なお、第３クエンチ保護回路８ｃは、第５ダイオードＤ５と第６ダイオードＤ６を導通方向の極性が互いに異なる向きに並列に接続した並列回路を有している。

第２主コイル１ｂと、両端に電位差がないと電流が流れず両端に電位差が生じると電流が流れる第４クエンチ保護回路８ｄとが、直列に接続されることにより、第４閉回路７ｄが構成されている。具体的に第４閉回路７ｄは、第２主コイル１ｂ−ノード３ｄ−ノード３ｉ−第４クエンチ保護回路８ｄ−ノード３ｇ−ノード３ｃ−第２主コイル１ｂの順に接続している。なお、第４クエンチ保護回路８ｄは、第７ダイオードＤ７と第８ダイオードＤ８を導通方向の極性が互いに異なる向きに並列に接続した並列回路を有している。

第２シールドコイル２ｂと、両端に電位差がないと電流が流れず両端に電位差が生じると電流が流れる第２クエンチ保護回路８ｂとが、直列に接続されることにより、第２閉回路７ｂが構成されている。具体的に第２閉回路７ｂは、第２シールドコイル２ｂ−ノード３ｅ−ノード３ｆ−第２クエンチ保護回路８ｂ−ノード３ｉ−ノード３ｄ−第２シールドコイル２ｂの順に接続している。

第３の実施形態によれば、第１の実施形態に比べて、ひとつの閉回路７ａ乃至７ｄあたりのインダクタンスＬが小さくなり、クエンチ発生時においては、永久電流を容易に減衰させることができる。また、コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂそれぞれは、ダイオードＤ１乃至Ｄ８のオン電圧で、コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂの両端の電圧が規定される為、その両端の電圧は高々１０ボルト（Ｖ）程度になる。しかし、一つのコイルでクエンチが発生しても、そのコイルを含む閉回路で電流変化が起こるが、この電流変化を他のコイルに流すことができないので、コイル間に電流変化に基づくクエンチの伝播は起こり難くなる。しかし、コイル間の電磁的な結合に変化はなく、第１の実施形態と同様に、電磁的な結合に基づくクエンチの伝播は生じる。

（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態に係るアクティブシールド型の超電導電磁石装置２２の回路図である。図６に示すように、本発明の第４の実施形態に係る超電導電磁石装置２２は、第３の実施形態の超電導電磁石装置２２と比較して、ノード３ｂ−ノード３ｊ間にクエンチバックヒータとして機能する抵抗１７ａ、１７ｂを設け、ノード３ｄ−ノード３ｉ間にクエンチバックヒータとして機能する抵抗１７ｃ、１７ｄを設けている点が異なっている。そして、抵抗１７ａは、第１シールドコイル２ａの広範囲に対して近傍に、熱的に接触するように配置されている。抵抗１７ｂは、第１主コイル１ａの広範囲に対して近傍に、熱的に接触するように配置されている。抵抗１７ｃは、第２主コイル１ｂの広範囲に対して近傍に、熱的に接触するように配置されている。抵抗１７ｄは、第２シールドコイル２ｂの広範囲に対して近傍に、熱的に接触するように配置されている。

第１閉回路７ａには、ノード３ｂ−ノード３ｊ間に、新たに抵抗１７ａ、１７ｂが加えられたことになる。なお、抵抗１７ａ、１７ｂは、両端に電位差がないと電流が流れず両端に電位差が生じると電流が流れる。この特性は、第１クエンチ保護回路８ａの特性と同じである。このことから、第１クエンチ保護回路８ａは、ダイオードＤ１とＤ２の双方向ダイオード対と抵抗１７ａ、１７ｂとで構成されると考えてもよい。さらに、第１クエンチ保護回路８ａは、抵抗１７ａ、１７ｂで構成され、ダイオードＤ１とＤ２の双方向ダイオード対を省くことも可能である。具体的にはノード３ｈ−ノード３ｊ間を短絡することも可能である。

第３閉回路７ｃにとっても、ノード３ｂ−ノード３ｊ間に、新たに抵抗１７ａ、１７ｂが加えられたことになる。抵抗１７ａ、１７ｂは、第１閉回路７ａと第３閉回路７ｃとにおいて機能している。そして、第３クエンチ保護回路８ｃも、ダイオードＤ５とＤ６の双方向ダイオード対と抵抗１７ａ、１７ｂとで構成されると考えてもよい。さらに、第３クエンチ保護回路８ｃは、抵抗１７ａ、１７ｂで構成され、ダイオードＤ５とＤ６の双方向ダイオード対を省くことも可能であり、ノード３ｊ−ノード３ｇ間を短絡することも可能である。

第４閉回路７ｄにとっては、ノード３ｄ−ノード３ｉ間に、新たに抵抗１７ｃ、１７ｄが加えられたことになる。そして、第４クエンチ保護回路８ｄも、ダイオードＤ７とＤ８の双方向ダイオード対と抵抗１７ｃ、１７ｄとで構成されると考えてもよい。さらに、第４クエンチ保護回路８ｄは、抵抗１７ｃ、１７ｄで構成され、ダイオードＤ７とＤ８の双方向ダイオード対を省くことも可能であり、ノード３ｇ−ノード３ｉ間を短絡することも可能である。

第２閉回路７ｂにとっても、ノード３ｄ−ノード３ｉ間に、新たに抵抗１７ｃ、１７ｄが加えられたことになる。抵抗１７ｃ、１７ｄは、第４閉回路７ｄと第２閉回路７ｂとにおいて機能している。そして、第２クエンチ保護回路８ｂも、ダイオードＤ３とＤ４の双方向ダイオード対と抵抗１７ｃ、１７ｄとで構成されると考えてもよい。さらに、第２クエンチ保護回路８ｂは、抵抗１７ｃ、１７ｄで構成され、ダイオードＤ３とＤ４の双方向ダイオード対を省くことも可能であり、ノード３ｉ−ノード３ｆ間を短絡することも可能である。

以下では、コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂがクエンチした際の抵抗１７ａ乃至１７ｄの動作について説明する。例えば、第１シールドコイル２ａがクエンチを開始した場合を考える。この場合、第１シールドコイル２ａの両端のノード３ａ−ノード３ｂ間には前記のように抵抗電圧が発生する。この抵抗電圧は双方向ダイオード対の両端のノード３ｊ−ノード３ｈ間にも印加される為、ダイオードＤ１とＤ２のどちらか一方がオンし、オン電流が流れる。この結果、第１閉回路７ａを循環する電流が流れる。この循環する電流は抵抗１７ａ、１７ｂを流れるので、抵抗１７ａ、１７ｂは発熱する。抵抗１７ａは、第１シールドコイル２ａを広範囲にわたり加熱するので、第１シールドコイル２ａの局所で発生したクエンチを広範囲に伝播させることができる。抵抗１７ｂは、第１主コイル１ａを広範囲にわたり加熱するので、その加熱に応じて広範囲にクエンチを発生させることができる。これにより、第１シールドコイル２ａから第１主コイル１ａにクエンチを伝播させることができる。

さらに、第２主コイル１ｂには、第１主コイル１ａとの電磁的な結合（相互インダクタンス）により、誘導起電力が生じる。この誘導起電力によってダイオードＤ７とＤ８の双方向ダイオード対の両端のノード３ｉ−ノード３ｇ間に電圧が生じ、ダイオードＤ７とＤ８のどちらか一方がオンし、オン電流が流れる。この結果、第４閉回路７ｄを循環する電流が流れる。この循環する電流は抵抗１７ｃ、１７ｄを流れるので、抵抗１７ｃ、１７ｄは発熱する。抵抗１７ｃは、第２主コイル１ｂを広範囲にわたり加熱するので、その加熱に応じて広範囲にクエンチを発生させることができる。これにより、第１主コイル１ａから第２主コイル１ｂにクエンチを伝播させることができる。抵抗１７ｄは、第２シールドコイル２ｂを広範囲にわたり加熱するので、その加熱に応じて広範囲にクエンチを発生させることができる。これにより、第１主コイル１ａから第２シールドコイル２ｂにクエンチを伝播させることができる。以上で、全てのコイルにクエンチを伝播させることができる。

（第５の実施形態）
図７は、本発明の第５の実施形態に係るアクティブシールド型の超電導電磁石装置２２の回路図である。図７に示すように、本発明の第５の実施形態に係る超電導電磁石装置２２は、第４の実施形態の超電導電磁石装置２２と比較して、抵抗１７ｂが、第１主コイル１ａではなく、第２主コイル１ｂの広範囲に対して近傍に、熱的に接触するように配置されている点が異なっている。また、抵抗１７ｃが、第２主コイル１ｂではなく、第１主コイル１ａの広範囲に対して近傍に、熱的に接触するように配置されている点が異なっている。

第５の実施形態によれば、第１主コイル１ａと第２主コイル１ｂとが離れているために電磁的な結合（相互インダクタンス）が小さい場合であっても、例えば、第１シールドコイル２ａがクエンチを開始した場合、第１シールドコイル２ａに生じた電圧によりダイオードＤ１とＤ２の双方向ダイオード対に電流が流れ、この電流が第１閉回路７ａを循環する。そして、抵抗１７ａ、１７ｂが発熱する。抵抗１７ａは第１シールドコイル２ａを加熱し、抵抗１７ｂは第２主コイル１ｂを加熱する。第２主コイル１ｂはこの加熱によりクエンチする。第２主コイル１ｂは第１シールドコイル２ａからクエンチが伝播したことになる。

また、第１シールドコイル２ａのクエンチは、第１シールドコイル２ａに対して電磁的な結合が強い第１主コイル１ａに伝播することができる。さらに、第２シールドコイル２ｂでは、第２主コイル１ｂのクエンチの第４閉回路７ｄの電流循環による抵抗１７ｄの発熱に基づいた伝播と、第２主コイル１ｂのクエンチの電磁的な結合に基づいた伝播との２経路により、クエンチが伝播される。以上により、コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ全体にクエンチを伝播させることができる。この結果、コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ全体で抵抗が上昇し、永久電流の減衰を早める為、クエンチを開始したコイルの抵抗電圧の上昇を抑え、バイパス回路６上の超電導限流器４に流れる電流を低減できる。

（第６の実施形態）
図８は、本発明の第６の実施形態に係るアクティブシールド型の超電導電磁石装置２２の回路図である。図８に示すように、本発明の第６の実施形態に係る超電導電磁石装置２２は、第１の実施形態の超電導電磁石装置２２（図２参照）と比較して、ノード３ｇで、開放されたノード３ｇａとノード３ｇｂとが形成されている点が異なっている。ノード３ｇａは第１クエンチ保護回路８ａに直接接続し、ノード３ｇｂは第２クエンチ保護回路８ｂに直接接続している。

そして、ノード３ｃ−ノード３ｇ間は図２では短絡されているが、図８では、ノード３ｃ−ノード３ｇａ間にクエンチバックヒータとして機能する抵抗１７ａ、１７ｂを設け、ノード３ｃ−ノード３ｇｂ間にクエンチバックヒータとして機能する抵抗１７ｃ、１７ｄを設けている点が異なっている。そして、抵抗１７ａは、第２シールドコイル２ｂの広範囲に対して近傍に、熱的に接触するように配置されている。抵抗１７ｂは、第２主コイル１ｂの広範囲に対して近傍に、熱的に接触するように配置されている。抵抗１７ｃは、第１主コイル１ａの広範囲に対して近傍に、熱的に接触するように配置されている。抵抗１７ｄは、第１シールドコイル２ａの広範囲に対して近傍に、熱的に接触するように配置されている。

第１閉回路７ａには、ノード３ｃ−ノード３ｇａ間に、新たに抵抗１７ａ、１７ｂが加えられたことになる。なお、抵抗１７ａ、１７ｂは、両端に電位差がないと電流が流れず両端に電位差が生じると電流が流れる。この特性は、第１クエンチ保護回路８ａの特性と同じである。このことから、第１クエンチ保護回路８ａは、ダイオードＤ１とＤ２の双方向ダイオード対と抵抗１７ａ、１７ｂとで構成されると考えてもよい。さらに、第１クエンチ保護回路８ａは、抵抗１７ａ、１７ｂで構成され、ダイオードＤ１とＤ２の双方向ダイオード対を省くことも可能である。具体的にはノード３ｈ−ノード３ｇａ間を短絡することも可能である。

第２閉回路７ｂにとっても、ノード３ｃ−ノード３ｇｂ間に、新たに抵抗１７ｃ、１７ｄが加えられたことになる。そして、第２クエンチ保護回路８ｂも、ダイオードＤ３とＤ４の双方向ダイオード対と抵抗１７ｃ、１７ｄとで構成されると考えてもよい。さらに、第２クエンチ保護回路８ｂは、抵抗１７ｃ、１７ｄで構成され、ダイオードＤ３とＤ４の双方向ダイオード対を省くことも可能であり、ノード３ｇｂ−ノード３ｆ間を短絡することも可能である。

以下では、コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂがクエンチした際の抵抗１７ａ乃至１７ｄの動作について説明する。例えば、第１シールドコイル２ａがクエンチを開始した場合を考える。この場合、第１シールドコイル２ａの両端のノード３ａ−ノード３ｂ間には前記のように抵抗電圧が発生する。この抵抗電圧は双方向ダイオード対の両端のノード３ｇａ−ノード３ｈ間にも印加される為、ダイオードＤ１とＤ２のどちらか一方がオンし、オン電流が流れる。この結果、第１閉回路７ａを循環する電流が流れる。この循環する電流は抵抗１７ａ、１７ｂを流れるので、抵抗１７ａ、１７ｂは発熱する。抵抗１７ａは、第２シールドコイル２ｂを広範囲にわたり加熱するので、その加熱に応じて広範囲にクエンチを発生させることができる。抵抗１７ｂは、第２主コイル１ｂを広範囲にわたり加熱するので、その加熱に応じて広範囲にクエンチを発生させることができる。これにより、第１シールドコイル２ａから第２主コイル１ｂと第２シールドコイル２ｂにクエンチを伝播させることができる。

さらに、第１主コイル１ａでは、第１シールドコイル２ａのクエンチの電磁的な結合に基づいた伝播と、第１シールドコイル２ａのクエンチの第１閉回路７ａの電流変化による伝播と、第２主コイル１ｂと第２シールドコイル２ｂのクエンチの第２閉回路７ｂの電流循環による抵抗１７ｃの発熱に基づいた伝播との３経路により、クエンチが伝播される。以上により、コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ全体にクエンチを伝播させることができる。この結果、コイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ全体で抵抗が上昇し、永久電流の減衰を早める為、クエンチを開始したコイルの抵抗電圧の上昇を抑え、バイパス回路６上の超電導限流器４に流れる電流を低減できる。

なお、ノード３ｇａとノード３ｇｂとは、短絡してもよい。この短絡により、抵抗１７ａと抵抗１７ｂの直列接続と、抵抗１７ｃと抵抗１７ｄの直列接続とが並列接続されたことになる。抵抗１７ｃと抵抗１７ｄを、第１閉回路７ａと第２閉回路７ｂとで兼用していると考えることができる。そして、クエンチを抵抗１７ａ乃至１７ｄの発熱を介して全てのコイル１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂに伝播させることができる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態では、対向配置される１対の主コイル１ａ、１ｂの主中心軸は、鉛直方向に向いていたが、これに限らず、水平であっても良い。Ｚ軸が水平であれば、磁場の方向も水平になり、被検者の撮像領域１６へのアクセスの方向が、磁場の方向と一致するので、円筒型磁石を採用できる。

本発明の第１の実施形態に係る核磁気共鳴イメージング装置の側面図及び断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るアクティブシールド型の超電導電磁石装置の回路図である。 （ａ）はクエンチ発生時における第１主コイル、第２主コイル、第１シールドコイル及び第２シールドコイルの抵抗値の総和の時間変化と、第１主コイル、第２主コイル、第１シールドコイル及び第２シールドコイルを流れる永久電流の時間変化を示すグラフであり、（ｂ）はクエンチ発生時における第１主コイル、第２主コイル、第１シールドコイル及び第２シールドコイルに生じる電圧の総和の時間変化を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係るアクティブシールド型の超電導電磁石装置の回路図である。 本発明の第３の実施形態に係るアクティブシールド型の超電導電磁石装置の回路図である。 本発明の第４の実施形態に係るアクティブシールド型の超電導電磁石装置の回路図である。 本発明の第５の実施形態に係るアクティブシールド型の超電導電磁石装置の回路図である。 本発明の第６の実施形態に係るアクティブシールド型の超電導電磁石装置の回路図である。

符号の説明

１ａ 第１主コイル
１ｂ 第２主コイル
２ａ 第１シールドコイル
２ｂ 第２シールドコイル
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｇａ、３ｇｂ、３ｈ、３ｉ、３ｊ ノード
４ 超電導限流器
５ａ 第２超電導永久電流スイッチ
５ｂ 第１超電導永久電流スイッチ
６ バイパス回路
７ａ 第１閉回路
７ｂ 第２閉回路
７ｃ 第３閉回路
７ｄ 第４閉回路
８ａ 第１クエンチ保護回路（第１双方向ダイオード対）
８ｂ 第２クエンチ保護回路（第２双方向ダイオード対）
８ｃ 第３クエンチ保護回路（第３双方向ダイオード対）
８ｄ 第４クエンチ保護回路（第４双方向ダイオード対）
９ 励磁用電源端子
１０ａ 第１ボビン
１０ｂ 第２ボビン
１１ ヘリウム容器
１１ａ 第１ヘリウム室
１１ｂ 第２ヘリウム室
１１ｃ ヘリウム連結管
１２ 熱輻射シールド
１３ 真空容器
１３ａ 第１真空室
１３ｂ 第２真空室
１３ｃ 真空連結管
１４ 赤道面
１５ 連結柱
１６ 撮像領域
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ 抵抗（ヒータ）
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８ ダイオード
２１ 磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置
２２ アクティブシールド型の超電導電磁石装置
２３ 検査装置配置領域

Claims (7)

1. 磁場の励磁方向が同方向の第１主コイル及び第２主コイルと、前記第１主コイルとは磁場の励磁方向が逆方向の第１シールドコイル及び第２シールドコイルとが、軸を同一とし、前記軸上に、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが前記軸をそろえて配設され、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが直列に接続され、前記第１シールドコイルと前記第１主コイルの間隔と前記第２主コイルと前記第２シールドコイルの間隔は、前記第１主コイルと前記第２主コイルの間隔より狭い主開閉回路と、
   流れる電流が所定値を超えると超電導から常伝導となり前記流れる電流を制限する超電導限流器が、前記第１主コイルと前記第２主コイルの直列回路に対して並列に接続されたサブ開閉回路と、
   前記第１主コイルと、前記第１シールドコイルと、両端に電位差がないと電流が流れず両端に電位差が生じると電流が流れる第１クエンチ保護回路とが、直列に接続された第１閉回路と、
   前記第２主コイルと、前記第２シールドコイルと、両端に電位差がないと電流が流れず両端に電位差が生じると電流が流れる第２クエンチ保護回路とが、直列に接続された第２閉回路とを有することを特徴とするアクティブシールド型の超電導電磁石装置。
2. 磁場の励磁方向が同方向の第１主コイル及び第２主コイルと、前記第１主コイルとは磁場の励磁方向が逆方向の第１シールドコイル及び第２シールドコイルとが、軸を同一とし、前記軸上に、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが前記軸をそろえて配設され、前記第１シールドコイル、前記第２主コイル、前記第１主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが直列に接続された主開閉回路と、
   流れる電流が所定値を超えると超電導から常伝導となり前記流れる電流を制限する超電導限流器が、前記第１主コイルと前記第２主コイルの直列回路に対して並列に接続されたサブ開閉回路と、
   前記第２主コイルと、前記第１シールドコイルと、両端に電位差がないと電流が流れず両端に電位差が生じると電流が流れる第１クエンチ保護回路とが、直列に接続された第１閉回路と、
   前記第１主コイルと、前記第２シールドコイルと、両端に電位差がないと電流が流れず両端に電位差が生じると電流が流れる第２クエンチ保護回路とが、直列に接続された第２閉回路とを有することを特徴とするアクティブシールド型の超電導電磁石装置。
3. 磁場の励磁方向が同方向の第１主コイル及び第２主コイルと、前記第１主コイルとは磁場の励磁方向が逆方向の第１シールドコイル及び第２シールドコイルとが、軸を同一とし、前記軸上に、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが前記軸をそろえて配設され、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが直列に接続された主開閉回路と、
   流れる電流が所定値を超えると超電導から常伝導となり前記流れる電流を制限する超電導限流器が、前記第１主コイルと前記第２主コイルの直列回路に対して並列に接続されたサブ開閉回路と、
   前記第２主コイルと前記第２シールドコイルの少なくとも１つの近傍に配置される第１抵抗と、前記第１主コイルと、前記第１シールドコイルとが、直列に接続された第１閉回路と、
   前記第１主コイルと前記第１シールドコイルの少なくとも１つの近傍に配置される第２抵抗と、前記第２主コイルと、前記第２シールドコイルとが、直列に接続された第２閉回路とを有することを特徴とするアクティブシールド型の超電導電磁石装置。
4. 磁場の励磁方向が同方向の第１主コイル及び第２主コイルと、前記第１主コイルとは磁場の励磁方向が逆方向の第１シールドコイル及び第２シールドコイルとが、軸を同一とし、前記軸上に、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが前記軸をそろえて配設され、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが直列に接続された主開閉回路と、
   流れる電流が所定値を超えると超電導から常伝導となり前記流れる電流を制限する超電導限流器が、前記第１主コイルと前記第２主コイルの直列回路に対して並列に接続されたサブ開閉回路と、
   前記第１シールドコイルと、前記第２主コイルの近傍に配置される第１抵抗とが、直列に接続された第１閉回路と、
   前記第２シールドコイルと、前記第１主コイルの近傍に配置される第２抵抗とが、直列に接続された第２閉回路と、
   前記第１主コイルと、前記第１抵抗とが、直列に接続された第３閉回路と、
   前記第２主コイルと、前記第２抵抗とが、直列に接続された第４閉回路とを有することを特徴とするアクティブシールド型の超電導電磁石装置。
5. 磁場の励磁方向が同方向の第１主コイル及び第２主コイルと、前記第１主コイルとは磁場の励磁方向が逆方向の第１シールドコイル及び第２シールドコイルとが、軸を同一とし、前記軸上に、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが前記軸をそろえて配設され、前記第１シールドコイル、前記第１主コイル、前記第２主コイル、前記第２シールドコイルの順に各コイルが直列に接続された主開閉回路と、
   流れる電流が所定値を超えると超電導から常伝導となり前記流れる電流を制限する超電導限流器が、前記第１主コイルと前記第２主コイルの直列回路に対して並列に接続されたサブ開閉回路と、
   前記第１シールドコイルと、前記第１主コイルと前記第１シールドコイルの近傍に配置される第１抵抗とが、直列に接続された第１閉回路と、
   前記第２シールドコイルと、前記第２主コイルと前記第２シールドコイルの近傍に配置される第２抵抗とが、直列に接続された第２閉回路と、
   前記第１主コイルと、前記第１抵抗とが、直列に接続された第３閉回路と、
   前記第２主コイルと、前記第２抵抗とが、直列に接続された第４閉回路とを有することを特徴とするアクティブシールド型の超電導電磁石装置。
6. 前記第１シールドコイルと前記第１主コイルの間隔と前記第２主コイルと前記第２シールドコイルの間隔は、前記第１主コイルと前記第２主コイルの間隔より狭いことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載のアクティブシールド型の超電導電磁石装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のアクティブシールド型の超電導電磁石装置を用い、
   前記第１主コイルと前記第２主コイルとの間に、大気圧で常温の空隙を設け、前記空隙を撮像空間にしたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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