JP4802762B2 - 多コイル系超伝導マグネット - Google Patents

Description

本発明は、永久電流モードで使用する多コイル系超伝導マグネットのコイル保護に係り、特に、核磁気共鳴装置（以下「ＮＭＲ装置」という。）や磁気共鳴イメージング装置
（以下「ＭＲＩ装置」という。）等に使用される多コイル系超伝導マグネットに関する。

多コイル系の超伝導マグネットは一般にエネルギーが高く、またコイル間の熱接触が悪い。従って、保護回路を設けずに使用すると、あるコイルのみにクエンチ（超伝導状態から常伝導状態への急激且つ不可逆な転移）が発生し他のコイルでクエンチが発生しない場合、最初にクエンチしたコイルのみで全コイルに蓄積されたエネルギーが消費されることとなる。この場合、電圧的にも温度上昇的にもコイルを損傷する危険性が高くなる。

これに対して、従来の技術としては、金属超伝導線超伝導コイルのクエンチの発生を検出回路で検出し、酸化物超伝導線コイルの外側に設けたヒータを発熱させる（電流を能動的にヒータに通電することにより）ものがある（例えば、特許文献１参照）。酸化物超伝導線コイル全体を強制的にクエンチさせることにより、酸化物超伝導線コイルへの負荷を防止して、酸化物超伝導線コイルを保護する。しかし、特許文献１に記載の従来技術では、ヒータ通電として別の電源を常時用意することが必要となる。万一、この電源が喪失した場合には、コイルの保護が十分になされない可能性もある。また、これらの電源や保護装置は超伝導コイルと同じ極低温環境に設置するが困難であることから、通常、常温環境に設置することが必要となる。しかしこの場合、極低温環境と常温環境とを結ぶ配線が増加する可能性があり、配線からの熱侵入量が増大し、また、その回路が繁雑になる可能性がある。

特開平１１−１０２８０８号公報

常温環境に設置された保護抵抗や外部電源等に頼らずに、極低温部に設置された受動回路によりクエンチによるコイルの損傷を回避する多コイル系超伝導マグネットを提供することを課題とする。

複数の超伝導コイルが直列に接続された超伝導コイル群と、複数の互いに逆極性に並列接続されたダイオードの組が直列に接続されたダイオード群とを備え、空間に配置された超伝導コイル群の一端の位置から数えて奇数番目のコイル群を第１のコイル群、偶数番目のコイル群を第２のコイル群として、第１のコイル群及び第２のコイル群においては、それぞれのコイル群を構成する各コイルが直列に接続されており、第１のコイル群とダイオード群が並列に接続されて閉ループを形成し、第２のコイル群と他のダイオード群とが並列に接続されて閉ループを形成する。

本発明によれば、常温環境に設置された保護抵抗や外部電源等に頼らずに、極低温部に設置された受動回路によりクエンチによるコイルの損傷を回避することができる。その結果、配線増加による熱侵入量の増大や保護回路の電源などを省くことで超伝導マグネットの製作コストの低減に貢献できる。また、保護回路に外部電源を持たないことから、保護回路の信頼性が高まる。

永久電流モードで使用する多コイル系の超伝導マグネットにおいては、その蓄積エネルギーが周囲の空間に磁気エネルギーとして蓄えられる。そして、永久電流回路がすべて超伝導である間はジュール発熱などの損失が生じず、エネルギーは維持される。しかし、なんらかの擾乱によって回路の一部が超伝導状態から常伝導状態へ転移し、常伝導部のジュール発熱が冷却を上回った場合には、常伝導部のジュール発熱が周囲の超伝導導体の更なる常伝導転移を招く。このような常伝導転移により、急激且つ不可逆的に超伝導破壊が進むことになる。このような現象をクエンチという。

クエンチが発生すると、蓄積された磁気エネルギーが急激に消費される。蓄積された磁気エネルギーが急激に消費されると、高い電圧、電流変化によって過渡的に変化する電磁力、ジュール発熱により、コイルの温度上昇等が起きる可能性がある。万一、適切な設計がなされていない場合には、高電圧による絶縁破壊，電磁力による機械的な破壊，温度上昇による熱応力での破壊，高温による導体や絶縁の損傷を引き起こす可能性もある。

永久電流モードで運転することを前提として設計する超伝導マグネットにおいては、クエンチを起こさないように留意して設計するが、冷凍機の電源喪失などの事象、或いは天災などの事故により正常運転ができない場合も想定される。一方、医療用のＭＲＩ装置などに供する超伝導マグネットにおいては、強磁場によって磁性体が吸い寄せられることにより事故が発生した場合、速やかに超伝導マグネットを減磁する手段としてクエンチを用いることもある。従って、クエンチが発生した場合にもコイルが再励磁可能な状態に保護し、超伝導マグネットとして不可逆的に破壊されないようにする必要がある。

従来は、超伝導マグネットに常伝導転移が生じても、発熱を上回る冷却により超伝導復帰させる冷却安定化等の手法がとられてきた。しかし、冷却安定化の手法をとる場合にはコイルの電流密度を下げる必要があり、より少ない材料でより高い磁場を生成することを目指す高電流密度のコイルには冷却安定化の設計方針は望ましくない。

一方、外部電源から通電をする超伝導マグネットの場合は、適切なクエンチ検出器を設けて、クエンチを検出したら電源を遮断して、保護抵抗によりエネルギーの回収を行うこともできる。しかし、発明者による検討から、永久電流モードで外部電源を切離した状態で使用する超伝導マグネットにおいては、外部（常温環境）からの熱侵入を考慮すると、常温環境に設置された保護抵抗等に頼らずに、極低温に置かれる超伝導マグネットの超伝導コイルの熱容量を利用したエンタルピー保護が有効であるとの結論に達した。

以下、常温環境に設置された保護抵抗や外部電源等に頼らずに、極低温部に設置された受動回路によりクエンチによるコイルの損傷を回避する多コイル系超伝導マグネットに関する実施例を、図１乃至図７を用いて以下に説明する。

本発明に係る多コイル系超伝導マグネットに関する第１の実施例を、図１及び８を用いて説明する。本実施例は、極低温部に設置された受動回路を用いて、任意のコイルがクエンチした場合であっても、他のコイルに対して強制的にクエンチが誘発されるようにして、コイルの損傷を回避するものである。

まず、第１の実施例における多コイル系超伝導マグネットの回路について説明する。図１は、第１の実施例における本発明の多コイル系超伝導マグネットにおける回路図を示している。複数のコイル（ＣＯＩＬ−１〜８）が直列に接続され、超伝導コイル群４を形成している。超伝導コイル群４により、磁場が形成される。電流導入端子１，２は超伝導コイル群４を励磁又は消磁する際に、外部の電源を接続するために用いられる。また、永久電流スイッチ３が超伝導コイル群４と並列に接続されており、永久電流スイッチ３及び超伝導コイル４により閉ループが形成される。永久電流モードにおいて、超伝導コイル群４と永久電流スイッチ３とからなる閉ループに永久電流が流れることにより、磁場が形成される。

ここで、本実施例における多コイル系超伝導マグネットにおいては互いに逆極性に並列接続したダイオード（双方向ダイオード）６〜９が超伝導コイル群４に対して並列に接続される。このダイオード６〜９から構成されるダイオード群は、それぞれ互いに逆極性で並列接続したダイオードの組を直列に複数段接続することで構成される。

さらに、ダイオード群１９の中点と超伝導コイル群４との中点とが、ヒータ１３を介して接続されている。このヒータ１３は、それぞれコイル（ＣＯＩＬ−１〜８）に熱接触されている。ダイオード群１９の中点１２から超伝導コイル群４の中点５へ電流が流れることにより、ヒータ１３が通電されて発熱する。これらの回路は、超伝導コイル群４と同様の極低温部に設置に設置することができる。尚、本発明においては、超伝導コイル群４の中点とは、超電導コイル群４の中間点に限定されない。直列に接続された超電導コイル群４の両端部位外の場所、つまり、超電導コイル群４の両端に位置するコイル（本実施例においてはＣＯＩＬ−１及びＣＯＩＬ−８）に挟まれた位置であれば何れの位置でもよい。ダイオード群１９に関しても同様であり、ダイオード群１９の両端に位置するダイオードに挟まれた位置であれば何れの位置でもよい。

次に、多コイル系超伝導マグネットの励磁及び消磁について説明する。多コイル系超伝導マグネットを励磁又は消磁する際には、外部電源を電流導入端子１，２に接続する。永久電流スイッチ３のヒータが通電され、永久電流スイッチ３がＯＦＦの状態で行われる。励磁や消磁の際における電流変化速度を、誘導起電力によってダイオード６〜９がターンオンしないように制限することで、励磁時や消磁時にはダイオードの回路を無視することができる。また、励磁や消磁の速度を上げるために高い電圧を発生させる必要がある場合は、直列にスタックするダイオードの段数を増やすことで、ダイオード群１９がターンオンする電圧を調整することができる。

そして、通常運転時は永久電流スイッチ３のヒータを切り、永久電流スイッチ３をＯＮの状態とする。電流導入端子１、２は励磁や消磁の際に外部電源を接続するために用いられるが、通常運転時は、外部電源は電流導入端子１，２から切離されている。永久電流モードにおいて、超伝導コイル群４と永久電流スイッチ３とからなる閉ループに永久電流が流れることにより、磁場が形成される。

以下、超伝導コイルからクエンチが発生した場合の、多コイル系超伝導マグネットのコイルの保護について説明する。一例として、ＣＯＩＬ−２からクエンチが発生した場合について説明する。ＣＯＩＬ−２においてクエンチが発生すると、ＣＯＩＬ−２では電圧降下が発生する。ＣＯＩＬ−２で発生した電圧降下により、超伝導コイル群４の中点５の電位は永久電流スイッチ３よりも低くなる。ダイオード群１９の中点１２の電位も同様に低下する。ダイオード群１９の中点１２の電位の低下により、ダイオード６，９をターンオンさせる電位差が生じると、ダイオード群１９の中点１２と超伝導コイル群４との中点５とがヒータを介して接続されているため、ダイオード群１９の中点１２と超伝導コイル群４の中点５との間に電流が流れる。その結果、ヒータ１３が通電され発熱する。ヒータ
１３の発熱により、ヒータ１３と熱接触しているコイル（ＣＯＩＬ−１〜８）に熱が伝達され、ＣＯＩＬ−１〜８はクエンチする。コイル全体（ＣＯＩＬ−１〜８）を連鎖的にクエンチさせることにより、特定のコイル（ＣＯＩＬ−２）への負荷（ジュール発熱）の集中を回避し、複数のコイルに消費エネルギーを分散させることができるため、クエンチが発生した場合にもコイルの損傷を防止し、コイルを保護することができる。尚、これらの回路は極低温部に設置された（常温域の回路から切離された）受動回路であるため、常温環境に設置されるような保護抵抗や外部電源等を必要としない。

図８に、数値シミュレーションによるクエンチ時の電流変化の一例を示す。縦軸はコイル電流値、横軸は時間であり、ＣＯＩＬ−２がクエンチした時刻を０にとって電流の減衰を示している。超伝導コイル群４の中点５とダイオード群１９の中点１２との間に流れる電流の分だけＣＯＩＬ−１〜４の電流と、ＣＯＩＬ−５〜８の電流に差が生じることがわかる。

尚、本実施例においては、ＣＯＩＬ−２がクエンチした場合を例に挙げたが、ＣＯＩＬ−１〜４の何れかがクエンチした場合も、本実施例と同様の保護動作となる。つまり、超伝導コイル群４の中点５とダイオード群１９の中点１２と間に流れた電流によりヒータが加熱され、クエンチしたコイル以外のコイルも連鎖的にクエンチされ、コイルの損傷が回避される。また、ＣＯＩＬ−５〜８の何れかがクエンチした場合にも、超伝導コイル群の中点５とダイオード中点１２の電位が永久電流スイッチ３よりも高くなるということが異なるだけで、本実施例と同様の保護動作となる。

単コイル系で且つクエンチの伝播が十分に早い場合はコイル全体のエンタルピーによってエネルギーを吸収することができる。しかし、多コイル系ではクエンチが発生したコイル以外のコイルが超伝導を保ったままでいると、最初にクエンチしたコイルのみでジュール発熱が起こるため、高温、高電圧によってコイルを損傷してしまう可能性がある。本実施例における多コイル系超伝導マグネットにおいては、他のコイルへ強制的にクエンチを生じさせることにより、最初にクエンチしたコイルの損傷を回避し、コイルを保護することができる。つまり、本実施例においては、任意のコイルがクエンチした場合に、他のコイルに対しても強制的にクエンチが誘発されるようにすることで、ジュール発熱や電圧の発生を複数のコイルに分散させて、特定のコイルのみに過度の温度上昇や電圧発生が集中しないようにすることで、コイルの損傷を回避する。また、エネルギーの消費が分散することで、コイル端子間の発生電圧も下げることができる。

そして、これらの保護動作を極低温中に設置可能な受動回路のみで行うため、常温環境に設置する保護抵抗や、コイルをクエンチさせるために能動的にヒータを通電するための外部電源等を必要としない。従って、配線増加による熱侵入量の増大や保護回路の電源などを省くことで超伝導マグネットの製作コストの低減に貢献できる。また、保護回路に外部電源を持たないことから、保護回路の信頼性が高まる。

また、本実施例のように、ダイオードのターンオン電圧特性を利用したことにより、励磁や消磁の際に、超伝導コイル群４の中点５とダイオード群１９の中点１２との間に電流が流れるのを防止することができる。

また、本実施例においては、永久電流スイッチ３にクエンチが発生した場合にも、ダイオード７，９がターンオンすることで、永久電流スイッチ３を保護することができる。

本発明に係る多コイル系超伝導マグネットに関する第２の実施例を、図２を用いて説明する。図２は、第２の実施例における本発明の多コイル系超伝導マグネットにおける回路図を示している。基本的な回路構成は実施例１と同様なので、詳細な説明は省略する。本実施例においては、互いに逆極性に並列に接続されたダイオードの組をダイオード群１９の中点５とヒータ１３との間に直列に接続した。このダイオード１０，１１を接続することにより、超伝導コイル４の中点５とダイオード群１９の中点１２との間の電位差がダイオード１０，１１のターンオン電圧より小さい場合には保護動作が起こらない（ヒータが通電されない）。従って、保護回路の誤作動の危険性を低減することができる。

尚、本実施例においてダイオード群１９の中点５とヒータ１３との間に接続したダイオードは、直列に複数段重ねてもよい。

本実施例における多コイル系超伝導マグネットにおいては、上記第１の実施例と同様の効果を得ることができるとともに、保護回路の誤作動の危険性を低減することができる。

本発明に係る多コイル系超伝導マグネットに関する第３の実施例を、図３を用いて説明する。図３は、第３の実施例における本発明の多コイル系超伝導マグネットにおける回路図を示している。基本的な回路構成は実施例１と同様なので、詳細な説明は省略する。本実施例においては、互いに逆極性に並列に接続されたダイオードの組を、ダイオード群
１９の中点５と超伝導コイル群４との中点５に接続されたヒータ１３に対して並列に接続した。このダイオード１０，１１を接続することにより、ヒータ１３にかかる電圧の最大値をダイオード１０，１１のターンオン電圧に制限することができるため、ヒータ１３への過電流通電を防止することができる。

本実施例においてヒータ１３に対して並列に接続したダイオードは、直列に複数段重ねてもよい。

本発明に係る多コイル系超伝導マグネットに関する第４の実施例を、図４乃至図６及び図１０を用いて説明する。図４は、第４の実施例における本発明の多コイル系超伝導マグネットにおける回路図を示している。基本的な回路構成は実施例１と同様なので、詳細な説明は省略する。本実施例においては、超伝導コイル群４の各コイル（ＣＯＩＬ−１〜８）を結合するに際して、その相互インダクタンスによる結合が密となる配線とするものである。相互インダクタンスによる結合を密とすることにより、ヒータを使用せずに相互インダクタンスと交流損失とを利用して他のコイルへの強制クエンチを行うことができる。

また、ヒータ１３の過電流保護のために、ヒータ１３と直列に抵抗を接続してもよい。ヒータ１３に対して直列に抵抗を接続することにより、ヒータ１３への過電流通電を回避することができる。

本実施例における多コイル系超伝導マグネットにおいては、上記第１の実施例と同様の効果を得ることができるとともに、保護回路の誤作動の危険性を低減することができる。また、ヒータ１３への過電流通電を回避することができる。

本発明に係る多コイル系超伝導マグネット関する第４の実施例を、図４乃至図６及び図１０を用いて説明する。図４は、第４の実施例における本発明の多コイル系超伝導マグネットにおける回路図を示している。基本的な回路構成は実施例１と同様なので、詳細な説明は省略する。本実施例においては、超伝導コイル群４の各コイル（ＣＯＩＬ−１〜８）を結合するに際して、その相互インダクタンスによる結合が密となる配線とするものである。相互インダクタンスによる結合を密とすることにより。ヒータを使用せずに相互インダクタンスと交流損失とを利用して他のコイルへの強制クエンチを行うことができる。

図５は、相互インダクタンスによる結合が疎となる配線例を示している。同軸上のコイルや、ほぼ同軸に近い構成のコイルを２回路に分割する際には、形状も軸の両側が対称になる設計とすることが多い。従って、図５のように、超伝導コイル群４の一方（ＣＯＩＬ−１〜４）を第１のコイル群とし、超伝導コイル群４の他方(ＣＯＩＬ−５〜８)を第２のコイル群とする分割が通常行われている。このように分割した場合には、各々のコイル群の自己インダクタンスが大きく、相互インダクタンスが小さくなるため、例えばＣＯＩＬ−１からクエンチが開始した場合には、ＣＯＩＬ−１〜４の回路の電流減衰は遅くなり、またＣＯＩＬ−１〜４からＣＯＩＬ−５〜８へ相互インダクタンスで与える影響も小さくなる。

一方、図６は相互インダクタンスによる結合が密となる配線例を示している。図６の配線例においては、超伝導コイル群４の各コイル（ＣＯＩＬ−１〜８）の接続の順番を超伝導コイル群４の一端から見て一つ飛ばしに選ぶ、つまり、超伝導コイル群４の一端から数えて奇数番目のコイル群を第１のコイル群、偶数番目のコイル群を第２のコイル群として、第１のコイル群及び第２のコイル群においてはそれぞれ構成する各コイルが直列に接続される。さらに、第１のコイル群と第２のコイル群とが接続されるが、その第１のコイル群と第２のコイル群とを結ぶ線に超伝導コイル群４の中点５が設けられる。つまり、超伝導コイル群４の中点５とダイオード群１９の中点１２とが接続される。超伝導コイル群４の第１のコイル群（ＣＯＩＬ−１〜４）と第２のコイル群（ＣＯＩＬ−５〜８）とがそれぞれ交互に並ぶように構成することで、各々のコイル群の自己インダクタンスを小さくし、相互インダクタンスを大きくすることができる。このように、相互インダクタンスの結合を強くすることで、一方のコイル群（例えば、第１のコイル群）でクエンチにより電流減衰が生じた場合には電流変化率を大きくすることで交流損失を大きくするとともに、この電流減衰により他方のコイル群（例えば、第２のコイル群）の電流増加が誘発されることで他方のコイル群を強制的にクエンチさせることができる。

また、相互インダクタンスが密となる別の配線例を図１０に示す。図１０に示す配線例においても同様に、相互インダクタンスを大きくするため、上記で定義した超伝導コイル群４の第１のコイル群と第２のコイル群とがそれぞれ交互に並ぶように構成する。さらに、図１０に示す配線例においては、配線の取り回しを考慮し、外部から超伝導コイル群４のＣＯＩＬ−１に接続される配線と、ＣＯＩＬ−８から超伝導コイル群４の外部に接続される配線とを、同方向に（例えば、略同軸に配置された超伝導コイル群４の上端方向に）配置した。

尚、図６及び図１０に示すような配線は、コイル群が同軸上か或いは同軸に近い配置の場合に特に有効である。

図９に、図６に示す配線例において、数値シミュレーションによるクエンチ時の電流変化の一例を示す。縦軸はコイル電流値、横軸は時間であり、ＣＯＩＬ−１がクエンチした時刻を０にとって電流の減衰を示している。

本実施例における多コイル系超伝導マグネットにおいては、ヒータを用いずに、上記第１の実施例と同様の効果を得ることができる。つまり、保護動作を極低温中に設置可能な受動回路のみで行うことができる。また、実施例３で述べた理由から、５と１２を結ぶ配線には抵抗を設けても良い。

本発明に係る多コイル系超伝導マグネットに関する第５の実施例を、図７を用いて説明する。図７は、第５の実施例における本発明の多コイル系超伝導マグネットにおける回路図を示している。基本的な回路構成は他の実施例と同様なので、詳細な説明は省略する。本実施例においては、超伝導コイル群４を（３以上に）分割した各コイル群に対して、互いに逆極性に並列接続したダイオードの組を並列に接続する。つまり、本実施例においては、超伝導コイル群は複数の区分に分割され、この区分毎にダイオードの組が並列に接続され、または、超伝導コイル群の第１の中点とダイオード群の第１の中点とが接続されるとともに、超伝導コイル群の第２の中点とダイオード群の第２の中点とが接続され、超伝導コイル群の第１の中点と超伝導コイル群の第２の中点との間には少なくともひとつ以上の超伝導コイルが存在し、ダイオード群の第１の中点とダイオード群の第２の中点との間には少なくともひとつ以上の前記ダイオードの組が存在するように構成される。また、実施例３で述べた理由から、これらの中点間を結ぶ配線には抵抗を設けても良い。

本実施例における多コイル系超伝導マグネットにおいては、上記第１の実施例等と同様の効果を得ることができ、さらに、交流損失による強制クエンチをさせやすくするとともに、各コイルの発生電圧を低く抑えることができる。つまり、最初にクエンチしたコイル群の電流減衰が相互インダクタンスによって結合された他のコイル群の電流増加を誘起し、また超伝導導体に交流損失を発生する効果と合わせて他のコイル群に連鎖的にクエンチが誘発される。尚、本実施における配線は、特に相互インダクタンスの結合が密であるコイル群において有効である。

上記各実施例の多コイル超伝導マグネットは、核磁気共鳴装置や磁気共鳴イメージング装置に適用することができる。

第１の実施例における本発明の多コイル系超伝導マグネットにおける回路図。 第２の実施例における本発明の多コイル系超伝導マグネットにおける回路図。 第３の実施例における本発明の多コイル系超伝導マグネットにおける回路図。 第４の実施例における本発明の多コイル系超伝導マグネットにおける回路図。 相互インダクタンスによる結合が疎となる配線例。 相互インダクタンスによる結合が密となる配線例。 第５の実施例における本発明の多コイル系超伝導マグネットにおける回路図。 第１の実施例の回路で数値シミュレーションした結果の一例。 第４の実施例の回路で数値シミュレーションした結果の一例。 相互インダクタンスによる結合が密となる配線例。

符号の説明

１，２…電流導入端子、３…永久電流スイッチ、４…超伝導コイル群、５…コイル群中点、６，７，８，９，１０，１１…ダイオード、１２…ダイオード群中点、１３…ヒーター、１４…抵抗、１９…ダイオード群。

Claims (5)

1. 複数の超伝導コイルが直列に接続された超伝導コイル群と、
   複数の互いに逆極性に並列接続されたダイオードの組が直列に接続されたダイオード群とを備え、
   空間に配置された前記超伝導コイル群の一端の位置から数えて奇数番目のコイル群を第１のコイル群、偶数番目のコイル群を第２のコイル群として、前記第１のコイル群及び前記第２のコイル群においては、それぞれのコイル群を構成する各コイルが直列に接続されており、
   前記第１のコイル群と前記ダイオード群が並列に接続されて閉ループを形成し、
   前記第２のコイル群と他の前記ダイオード群とが並列に接続されて閉ループを形成する多コイル系超伝導マグネット。
2. 請求項１に記載の多コイル系超伝導マグネットにおいて、
   前記第１のコイル群と前記第２のコイル群とを接続する線に前記超伝導コイル群の中点が設けられ、
   前記超伝導コイルの中点と前記ダイオード群の中点とが直接、または抵抗を介して接続される多コイル系超伝導マグネット。
3. 請求項１に記載の多コイル系超伝導マグネットにおいて、
   前記超伝導コイル群の前記一端から最も離れた位置にある前記第１のコイル群に属するコイルと、前記超伝導コイル群の前記一端に最も近い位置にある前記第２のコイル群に属するコイルとが接続されることにより、前記第１のコイル群と前記第２のコイル群とが接続される多コイル系超伝導マグネット。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の超伝導マグネットを用いた核磁気共鳴装置。
5. 請求項１乃至３の何れかに記載の超伝導マグネットを用いた磁気共鳴イメージング装置。

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