JP4695740B2 - 開放設計型超伝導マグネット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導の保持(ride-through)期間を延長させるための冷凍剤貯留を有する分離型クライオスタット式超伝導マグネットに関する。
【０００２】
【発明の背景】
周知のように、超伝導マグネットは、極低温の環境下にこのマグネットを置くこと（たとえば、クライオスタット内すなわち液体ヘリウムその他の冷凍剤を収容した圧力容器内にマグネットを封入するなど）によって超伝導状態とすることができる。この極低温によってマグネット・コイルの超伝導状態が保証される。すなわち、はじめに（比較的短時間）コイルを電源に接続すると、電源が除去された後も抵抗がないため電流が流れ続け、これにより強い磁場が維持される。超伝導マグネットは、磁気共鳴イメージング（以下、ＭＲＩという）の分野で広い用途が知られている。
【０００３】
従来の、初期ＭＲＩ装置で見られる別の問題として、ＭＲＩ装置が、患者の撮影用にあけられた中央のボア（空洞）を有する円筒状構造体の内部に封入されたソレノイド・マグネットを利用しているということがある。しかし、こうした配置においては、患者は実際上高温のボア内に閉じこめられたようになり、患者によっては閉鎖恐怖を引き起こしかねない。患者を本質的に完全には閉じこめることがない開放設計型構造が望ましいことが、認識されるようになって久しい。しかしながら、開放設計型マグネットにより、数多くの技術的問題や困難が生じている。
【０００４】
開放設計型超伝導マグネットの一タイプでは、分離型デュワー瓶すなわち分離型ヘリウム容器を利用し、この分離されたヘリウム容器間でヘリウムの重力による流れを可能にするために設けたヘリウム通路又は転送路によって下部ヘリウム容器と上部ヘリウム容器を接続している。単一のヘリウム再凝縮器が上部ヘリウム容器に接続されていて、沸騰したヘリウム・ガスを両容器から回収して再凝縮させて液体ヘリウムに戻す。液体ヘリウムは、上部ヘリウム容器内に流れ込み、さらに重力によって鉛直の転送管を通って下部ヘリウム容器へ流れ込む。いずれかの容器内の液体ヘリウムが相当に損耗すると、極めて望ましくないマグネットのクエンチ、すなわちマグネットの超伝導動作の断絶が起こる可能性がある。液体ヘリウム供給源を補給し、続いて超伝導動作を再開することは、コストおよびＭＲＩ装置の停止時間の点からして経済的でない。こうした液体ヘリウムの損耗は、たとえばヘリウム再凝縮器に付属する機械式クライオクーラ(cryocooler)の故障により起こることがある。クライオクーラは、ヘリウム容器を外部に対して開口させることなくクライオクーラの交換を可能とするためのスリーブ内に位置させるのが一般的である。しかし、クライオクーラの交換は、問題のある状況が検出された時から超伝導動作が停止してしまう迄の期間内に行う必要がある。この期間はライドスルー(ride-through)期間と呼ばれ、マグネットがクエンチを起こす迄の、超伝導マグネット動作が継続している最終期間である。
【０００５】
問題のある状況を検出して、クライオクーラの交換などにより改善処置を行うのに十分な時間が得られるように、ライドスルー期間を延長できることが極めて望ましい。
【０００６】
【発明の概要】
このように、超伝導マグネットのライドスルー期間を延長させて、問題のある状況を改善するための余分な時間を提供でき、かつ上記のマグネットのクエンチの問題を回避できるシステムが特に必要となる。
【０００７】
本発明の一形態によれば、開放設計型再凝縮式超伝導マグネットは、上部および下部に分離された冷凍剤用容器と両容器を接続する通路とを備え、その各々の冷凍剤用容器は超伝導マグネット・コイルおよび液体冷凍剤を収容している。上部容器内にある制御チューブが、超伝導動作がクエンチを起こす液体ヘリウムの液面レベルより上方に位置決めされて、再凝縮器動作の故障時に下部容器内の液体ヘリウムの補給を中断させる。これにより上部容器内に貯留ヘリウム供給源を維持して、超伝導動作を継続させながら再凝縮器やその他の問題状況に対して交換や修繕を行えるようにする期間、すなわちライドスルー期間を延長させる。
【０００８】
より具体的に述べると、制御チューブの上端によって、超伝導動作の継続および延長に必要となる液体ヘリウム量の概ね１２倍の液体ヘリウムの貯留量を保持する。
【０００９】
【発明の説明】
図１および図２について説明すると、開放設計型超伝導マグネット１０は、互いに平行に隔たったポール・ピース１２および１３を備え、これらポール・ピースは、一対の非磁性の接続部材すなわちポスト１４によって分離されていると共にその一端が支持されている。ポール・ピース１２および１３は、鉄などの強磁性体製である。ポール・フェース１６は参照符号１８の形状とし、超伝導マグネット１０の撮影領域２０内の磁場の均一性を改善する。支柱２４によりマグネット１０は床２６に固定される。
【００１０】
撮影領域２０内の静磁場（Ｂ₀）は、ヘリウム容器３２および３３内のマグネット・コイル（全体を矢印３０で示す）によって発生される。冷凍剤用容器３２内の補正コイル（図示せず）や外部シム・ドロワー内の受動性シムなどの磁場均一度調整（シミング）装置（全体を参照符号３６で示す）は、当業界でよく知られる方法により撮影領域２０内の磁場の不均一性を補償する。再凝縮器３４および対応する機械式クライオクーラ３５（例えば、２段式ギフォード・マクマホン（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）クライオクーラ）により、超伝導動作に起因するヘリウム・ガスを再凝縮させ液体ヘリウムに戻す。再凝縮した液体ヘリウムは、重力によって再凝縮器３４から上部ヘリウム容器３２内に流入する。鉛直の転送チューブ３７が、ヘリウム容器３２および３３を相互接続して、上部ヘリウム容器３２から下部ヘリウム容器３３へのヘリウムの重力による流れを可能にする。
【００１１】
転送チューブ３７は、上部ヘリウム容器３２の中まで伸びて、上部ヘリウム容器の底面４４の上方に伸びる制御チューブ部分４２を形成する。上部ヘリウム容器内の液体ヘリウムの液面レベルの高さが、転送チューブ３７の制御チューブ４２の開放した上端すなわち開口３９より高くなったとき、この制御チューブ部分４２を通して、液体ヘリウムが上部ヘリウム容器と下部ヘリウム容器３３との間を流れる。開口３９の高さは、上部ヘリウム容器３２の底面４４から５５乃至６５パーセント、望ましくは６０パーセントの所にある。上部ヘリウム容器３２に保持する液体ヘリウムの体積は、好ましくは上部ヘリウム容器および下部ヘリウム容器３３内への熱リークの比に比例させる。上部および下部ヘリウム容器の熱リークが等しい場合には６０％となる。液体ヘリウム４６のレベルは液面検出器６０によって検出され、液面検出器６０はに接続される。アラーム装置６２は、液体ヘリウムのレベルが予め選択されたレベル、たとえばレベル６４まで低下した時に信号を出して、液体ヘリウムのレベル低下の原因を検査する必要性があることを知らせるための指示器および可聴性のアラームを含んでいてよい。
【００１２】
超伝導マグネット１０でヘリウムの減少を起こさせる問題が発生した場合に、制御チューブ４２は上部ヘリウム容器３２内の液体ヘリウム４６を保持する。これにより、たとえばクライオクーラ３５の故障や再凝縮器３４の再凝縮動作の停止などによって、いずれかのヘリウム容器の超伝導動作の継続が脅かされた場合に、液体ヘリウム４６が上部ヘリウム容器から下部ヘリウム容器３３に流出して急速に枯渇するのが防止される。したがって、両ヘリウム容器３２および３３内のマグネット・コイル３０の超伝導動作は、この期間すなわちライドスルー期間の間、継続することになる。ヘリウム容器３２および３３のいずれかの内部のコイル３０の超伝導動作が断絶すると、超伝導マグネット１０はＭＲＩ撮影にとっては不安定で不適当な状態となる。また、ヘリウム容器のいずれか一方でクエンチや磁場の崩壊が起こると、もう一方の容器内のコイル３０にも悪影響を与え、そのクエンチを早めることになる。そこで、クライオクーラ３５の交換などによる修理に適した時間を確保できるように超伝導動作のライドスルー期間を延長して、できるだけ長い間すべてのコイル３０を超伝導状態に維持しておく必要がある。
【００１３】
制御チューブ４２の最適高さを適正に選択することにより、上部ヘリウム容器３２と下部ヘリウム容器３３の両容器内でコイルの超伝導動作に対する必要性をバランスさせる。図２について説明すると、制御チューブ４２の高さ４８については、上部ヘリウム容器３２および下部ヘリウム容器３３の内部体積が同一になる、すなわち、V₃₂＝V₃₃である場合に以下のように考察される。同一でない場合は、それに対応して計算を行うことができる。液体ヘリウム４６の液面レベル６４が５％未満に下がった場合に、ヘリウム容器３２および３３のいずれかにクエンチが起こるか起こり始めて、超伝導動作が停止する判定する場合を考えてみる。この場合、ヘリウムの液面レベルが概ね０乃至５％の範囲にある場合にクエンチが起こる。
【００１４】
たとえば、ヘリウム容器３２および３３の双方が満たされた状態で、クライオクーラ３５の故障に伴い再凝縮器３４の動作が停止したとすると、超伝導マグネット１０の液体ヘリウムの全体積の５０％が各ヘリウム容器内に存在することになる。上部ヘリウム容器３２に関しては、制御チューブの高さ４８を上部ヘリウム容器の体積の６０％が開口３９の下方にくるように位置決めした場合、全ヘリウム体積の配分は、矢印５２で示すように全体積の５０％が下部ヘリウム容器３３内にあり、矢印４８で示すように全体積の３０％が制御チューブ４２の開口３９の下方にあり、そして矢印５４で示すように全体積の２０％が開口３９の上方にある。
【００１５】
このように、再凝縮器３４の故障の時点すなわちゼロ時刻（Ｔ₀ ）での、体積５０と５２が同一である状態では、超伝導動作の継続により、両ヘリウム容器３２および３３の内部でヘリウム４６の沸騰が継続する。ヘリウム・ガスが増加しても再凝縮により液体ヘリウムに戻されることがないと、液体ヘリウム液面レベルは当初、上部ヘリウム容器３２内で急速に低下しはじめる。この理由は、この低下が、両ヘリウム容器３２および３３内のヘリウムのボイルオフ量の合計に相当し、下部ヘリウム容器３３内でのボイルオフ量がチューブすなわちパイプ３７を通って上部ヘリウム容器３２からの液体ヘリウム４６で置換されて、下部ヘリウム容器３３が満たされるようになるためである。すなわち、上部ヘリウム容器３２内のヘリウムの液面レベル５０は、実質的にいずれか一方のヘリウム容器のボイルオフ量の概ね２倍の速度で低下することになる。
【００１６】
しかし、制御チューブ４２の高さのため、この下部ヘリウム容器に対するヘリウム置換動作はヘリウムの液面レベル６４が開口３９に達するまでの間だけは許容されるが、その後は制御チューブにより上部ヘリウム容器３２内のヘリウム体積がこれ以上急速に減少するのが防止されて、上部ヘリウム容器３２内に一定の貯留量を保持する。
【００１７】
ヘリウムの液面レベル６４が制御チューブ４２の開口３９まで下がった時点、あるいはこれより以前の予め定めた時点で、液面検出器６０によりアラーム装置６２が起動され、クライオクーラ３５の交換などの是正措置を直ちに講ずる必要があることをオペレータに警報する。ヘリウムの液面レベル６４が開口３９に達すると、転送チューブ３７は実効的に作用が止まり、上部ヘリウム容器３２から下部ヘリウム容器３３へのヘリウムの流れが停止する。これにより得られる液体ヘリウム貯留量は、両容器内でヘリウム体積が２０％まで減少するのにかかる時間によって実効ライドスルー期間を決定することを可能にする。この実効ライドスルー期間は、制御チューブ４２がない場合に得られる時間と比べて長くなる。このように、上部容器３２内の液体ヘリウムがそれ以上枯渇するのが止まり、ヘリウム容器３２および３３が実質的に分離されることよりライドスルー期間が長くなる。下部ヘリウム容器３３を満たした状態に維持するために液体ヘリウムを上部ヘリウム容器３２から転送することがないため、上部ヘリウム容器からのヘリウムのボイルオフのみによってヘリウム４６の液面レベルが低下し、上部容器内の体積の６０％から体積の５％まで低下するのにかかる時間は、下部ヘリウム容器の超伝導動作を維持するのに必要となるレベル以上まで上部容器から下部ヘリウム容器への補充を継続してしまう場合にかかる時間と比べ２倍となる。
【００１８】
コイル３０の超伝導動作が両ヘリウム容器３２および３３内で継続することによって余分な時間が得られることは、クライオクーラ３５に対する点検または交換あるいはこの双方、あるいはその他の補修措置を可能にし、かつ再凝縮器３４の再凝縮動作の再開を可能にし、収集したヘリウム・ガスを再凝縮させ変換して液体ヘリウムに戻し、マグネット１０の正常な超伝導動作の再開を可能にする点で重要である。必要であれば、この時点で液体ヘリウムを超伝導マグネット１０に追加することも可能である。
【００１９】
制御チューブ４２の最適な高さ４８は、具体的な寸法の違いによってマグネットごとに様々な値となるが、上部ヘリウム容器３２のコイル３０がクエンチを起こすレベルより有意に高くする。というのも、まさにこの差によって、上部ヘリウム容器のクエンチが起こるまでの追加のライドスルー時間が得られるからである。制御チューブ４２は、そのすべてが上部ヘリウム容器３２の底面４４からの高さが同一である高さまで伸びる２本以上のチューブで構成してもよい。
【００２０】
本発明を、その特定の好ましい実施態様に関して記述してきたが、構造、部品の配置と組合わせ、並びに使用する材料の種類に関し、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、様々な変更を行うことができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を含む超伝導マグネットの簡略側面断面図である。
【図２】本発明の動作の説明に便利なように細部を示した図１の一部分の拡大図である。

Claims (10)

1. 開放設計型冷凍剤再凝縮式超伝導マグネット（１０）であって、
   ポスト（１４）と、
   前記ポスト（１４）によって互いに平行に隔たって支持された上部及び下部ポール・ピース（１２、１３）と、
   前記上部及び下部ポール・ピース（１２、１３）の各々に取り付けられた上部及び下部ポール・フェース（１６）と、
   上部超伝導マグネット・コイル（３０）と液体冷凍剤（４６）を含み、前記上部ポール・フェース（１６）の径方向外側に配置された上部冷凍剤用容器（３２）と、
   下部超伝導マグネット・コイル（３０）と液体冷凍剤（４６）を含み、前記下部ポール・フェース（１６）の径方向外側に配置された下部冷凍剤用容器（３２、３３）と、
   前記上部冷凍剤用容器に接続された、前記上部及び下部冷凍剤用容器（３２、３３）のための再凝縮器と、
   前記上部冷凍剤用容器の内部と前記下部冷凍剤用容器の内部を接続する、前記上部及び下部ポール・フェース（１６）及び、前記ポスト（１４）の径方向外側に配置された少なくとも１つの通路（３７）とを備えており、
   前記上部及び下部超伝導マグネット・コイル（３０）が前記上部及び下部ポール・フェース（１６）の間の空間に磁場を供給し、
   前記通路は、前記上部冷凍剤用容器の底面（４４）より予め選択され高さ（４８）にある開口（３９）を備え、また前記通路は、前記上部容器内の前記液体冷凍剤の液面レベル（６４）が前記開口より上方にある限り、前記上部冷凍剤用容器から前記下部冷凍剤用容器へ前記液体冷凍剤を転送することができ、
   前記液面レベル（６４）が前記開口より下方にあるときに、前記通路を介した前記上部冷凍剤用容器（３２）と前記下部冷凍剤用容器（３３）間の重力による流れが停止され、
   前記予め選択され高さ（４８）が、それ以下では前記上部冷凍剤用容器内の前記上部超伝導マグネット・コイルの前記超伝導動作がクエンチを起こすような液体冷凍剤の液面レベル（５６）よりも上方にあり、もって、前記上部及び下部超伝導マグネットの継続した動作のライドスルー期間を延長させることができることを特徴とする開放設計型冷凍剤再凝縮式超伝導マグネット。
2. 前記液体冷凍剤がヘリウムである、請求項１に記載の超伝導マグネット。
3. 前記液体冷凍剤が重力による流れによって転送される、請求項１又は２に記載の超伝導マグネット用の保持制御機構。
4. 前記上部冷凍剤用容器の前記底面からの前記通路の前記高さによって、前記下部冷凍剤用容器への流出に対して、前記上部冷凍剤用容器の全冷凍剤用体積の５５〜６５パーセントに等しい液体ヘリウムの量を前記上部冷凍剤用容器内に保持するようにした、請求項１乃至３のいずれかに記載の超伝導マグネット。
5. 前記通路により、保持される冷凍剤の体積が前記マグネットの超伝導動作がクエンチを起こす時点の冷凍剤の体積の概ね１２倍になったときに、冷凍剤の前記上部容器から前記下部容器への流れを停止させるようにした、請求項１乃至４のいずれかに記載の超伝導マグネット。
6. 前記上部冷凍剤用容器（３２）が、前記冷凍剤のレベルを検出する液面検出器（６０）と、前記冷凍剤のレベルが予め選択されたレベルまで低下した時に信号を出すアラーム装置（６２）を備える、請求項１乃至５のいずれかに記載の超伝導マグネット。
7. 前記通路を複数本備える、請求項１乃至６のいずれかに記載の超伝導マグネット。
8. 前記上部冷凍剤用容器の前記底面からの前記通路の最上部の高さを、前記上部及び下部冷凍剤用容器（３２、３３）双方の前記超伝導マグネットの前記ライドスルー期間を最長とするように選択した、請求項１乃至７のいずれかに記載の超伝導マグネット。
9. 前記通路が前記ポスト（１４）の外側に配置される、請求項１乃至８のいずれかに記載の超伝導マグネット。
10. 前記上部超伝導マグネット・コイル（３０）が前記上部冷凍剤用容器（３２）の上部及び下部に配置され、前記下部超伝導マグネット・コイル（３０）が前記下部冷凍剤用容器（３３）の上部及び下部に配置される、請求項１乃至９のいずれかに記載の超伝導マグネット。

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