JP5143006B2 - 磁気の共鳴スペクトルを得るための輪状磁石を使ったシステム - Google Patents

Description

本出願は２００５年１０月３日に出願された米国仮出願第６０／７２３１８２号の優先権を主張するものであり、その全開示内容は参照することにより本願中に組み込まれる。

スペクトロスコピー及び生物医学的応用においては、磁気共鳴システム用の磁石及びこうしたシステムを採用した方法が一般的に使用されている。こうした応用の多くにおいては、高解像度スペクトル分析応用のために、所望の強度、分布及び安定性を有する磁場を発生可能なシステムを提供することが望ましい。多様な応用のための磁石において使用するために、超電導薄膜またはワイヤが提案されている。しかしながら、このようなシステムのコスト及び磁場の要求のため、商業的応用における広範な使用という目標の達成は未だ実現しないままである。

Ｉｗａｓａ他、"Ａ Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ Ｍｏｄｅ Ｍａｇｎｅｔ Ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ ｏｆ ＹＢＣＯ Ａｎｎｕｌｉ"、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ＡＳＣ ２００４、（フロリダ州ジャクソンビル）、２００４年１０月４日 Ｉｗａｓａ他、"Ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ａ Ｓｏｌｉｄ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ／Ｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ ＹＢＣＯ Ｄｉｓｋ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｎｄｅｒｇｏｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｙｃｌｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｒａｎｇｅ ｏｆ ８‐６０Ｋ"、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃ．、２００４年、第１４巻、ｐ．１７２７ Ｔｏｍｉｔａ他、"Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｂｕｌｋ Ｍａｇｎｅｔｓ ｔｈａｔ ｃａｎ Ｔｒａｐ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄｓ ｏｖｅｒ １７ Ｔｅｓｌａ ａｔ ２９Ｋ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００３年、第４２１巻、ｐ．５１７

多様なスペクトル解析応用に対して必要とされる磁場強度、空間分布及び経時安定性を有する安価な磁気共鳴システムを提供するために、磁石の設計の改良が依然として必要とされている。

本発明は磁気共鳴スペクトロスコピー用の磁石システムを提供するためのバルク超電導体の使用に関する。好ましい一実施形態では、バルク超電導体を、輪状（環状）磁石を提供するために積層された複数の輪状体の形状にすることができ、この積層体は、冷却システムで輪状体の臨界温度未満に冷却される。輪状アセンブリは、室温にできるボアまたはキャビティを取り囲む。解析される物質またはサンプルはキャビティ内に配置されて、ＮＭＲプローブで、解析用の磁気共鳴スペクトルが得られる。

例えばイットリウムバリウム銅酸化物（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ｂａｒｉｕｍ Ｃｏｐｐｅｒ Ｏｘｉｄｅ，ＹＢＣＯ）バルクディスクの性能は最近大きく改善されたが、こうした物質についてまだその有用な磁石の応用が見出されていない。改善された電流密度等のこうしたディスクの特徴は、永久モード磁石を含む好ましい実施形態を提供し、高解像度ＮＭＲマイクロスペクトロスコピーまたはマイクロコイルＮＭＲ用に小型で製造が容易である。好ましい一実施形態では、超電導輪状体で全体が組み立てられたＮＭＲ磁石が、一つのサイトで磁場を形成するために励磁され、輸送され、他のサイトで磁気共鳴オペレーティングシステムに接続され、使用されるように構成されている。また、所定の応用に対する十分な電流密度を有する他の希土類化合物などの他の超電導輪状体を使用することも可能である。臨界電流密度を含むシステムの構成、超電導ディスクの機械的強度、システムのクライオジェニックス、機械的完全性、磁石の励磁手順、経時的な磁場の安定性、場の解析及び遮蔽は重要な要素である。

本発明は、２００ＭＨｚ以上、好ましくは３００ＭＨｚ以上の周波数で動作するシステムを提供する。本システムは、少なくとも４．７０Ｔ（２００ＭＨｚ）、好ましくは７．０Ｔ（３００ＭＨｚ）以上の磁場を提供する。例えば、好ましい一実施形態は、２５から６０ｍｍまでのサイズ（例えば４３ｍｍ）のＲＴボアを備え、１１．７４Ｔ（５００ＭＨｚ）で動作する。この実施形態では、液体ネオンを２７．１Ｋの動作温度で使用することが可能であり、励磁された輪状磁石の輸送のために固体の１５Ｋに冷却することが可能である。好ましい一実施形態では、輪状磁石は、直径１０ｍｍの球形ボリュームに対して少なくとも０．１ｐｐｍから０．０１ｐｐｍまでの一様性を有する一様な磁場を発生させる。

本発明の好ましい使用方法には、薬及び食品の発見や開発のために製薬及び食品産業において使用される物質の測定及びスペクトル解析が含まれ、また、医者が患者から取り出された血液や他の体液や組織サンプル等の手頃な臨床診断テストのための医院内の外来ツールとして使用される。物質（気体または液体）を、システムのボア内に挿入することによってＮＭＲプローブで測定可能である。

図１は、輪状（環状）磁石１６と、輪状磁石用のクライオスタット１５と、磁石を励磁するための外部電磁石１２と、コールドヘッド１４とから成るシステム１０の構成の概略を示す。輪状磁石が室温ボア１８を有することと、磁石がクライオジェンのバスに浸漬されているかまたは多量の固体クライオジェンに取り囲まれていることには留意されたい。システムに関する更なる詳細については、本願においてその全文が参照される非特許文献１に開示されている。バルク超電導体は、例えば、少なくとも１ｍｍの厚さと、本願に記載の引張強度と、少なくとも１ｃｍ^２の断面積とを有する高剛性でなる部分であってもよい。本願で開示されるように所望の電流密度及び磁場の一様性を有する、ＤｙＢＣＯ（ジスプロシウム）、ＮｄＢＣＯ（ネオジム）、ＨｏＢＣＯ（ホルミウム）、ＧｄＢＣＯ（ガドリニウム）等のＲｅ‐Ｂａ‐Ｃｕ‐Ｏ型の他の希土類超電導化合物を使用してもよい。

ＹＢＣＯディスクに対する臨界電流密度（Ｊ_ｃ）及び引張強度（σ）のデータを表１に示す。７Ｔの磁場に対して、物質のσは少なくとも略２０ＭＰａでなければならない。

大抵の高温超電導（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ，ＨＴＳ）磁石は、“乾式”で動作する。即ち、クライオジェンのバスに浸漬されているのではなくて、クライオクーラーに結合されている。しかしながら、本システムの輪状磁石は、大型の励磁用磁石が配置されている一つのサイトにおいて励磁され、このような励磁用磁石が利用できないユーザーサイトに輸送可能である。よって、完全に励磁された磁石を有するシステムは、サイト間の輸送中に、磁石をクライオジェンのバス中の一定温度に、または、例えば多量の固体窒素によって冷却された許容可能な温度範囲（例えば２０〜４０Ｋ）内に 維持するのに十分な熱容量を有しなければならない。バルク超電導体は、７７．３Ｋで少なくとも１０ＭＡ／ｍ^２の電流密度を有し、それ以下の温度で少なくとも１００ＭＡ／ｍ^２の電流密度を有することが好ましい。

表２は、４つの熱容量源のそれぞれに対応する磁石動作温度Ｔ_ｏｐと、達成可能な最大中心磁場Ｂ_ｏを示す。それぞれのシステムは、クライオジェンのバスに頼っていたとしても、クライオスタットの最上部に配置されたコールドヘッドでクライオクールされる。コールドヘッドはクライオジェンの蒸気を再液化させるか、または、固体窒素の温度を２０Ｋに維持する。しかしながら、固体窒素システムにおいて、Ｔ_ｏｐは輸送中に４０Ｋまで上昇することが許容され、この温度逸脱に対して、磁石は、システムの経時的な磁場の安定性の要求内において、Ｂ_ｏというその公称動作磁場を保つように設計されている。

強化要素が直接導体内に配置されたり、導体と共に巻かれたり、巻線の外側に配置されたりする導体ベースの磁石とは異なり、この磁石では、それぞれの輪状体が磁気応力に耐えられなければならない。１０Ｔの磁場に対して、応力は４０ＭＰａに達し得る。本発明の好ましい実施形態用のＹＢＣＯディスクは１７Ｔの磁場を“トラップ”しているか、または、略１２０ＭＰａまでの応力に耐えられる。ドラッグデリバリーや製薬産業における開発等の応用のための小型マイクロコイルＮＭＲ磁石に対しては、７．０５Ｔ以上（３００ＭＨｚ）の磁場が適切であると考えられており、これに対応する２０ＭＰａの応力は、この輪状体に対しては十分に小さいものである。従って、多くの応用に対して、動作温度で輪状磁石によって発生する少なくとも５Ｔの磁場を有することが望ましい。

ディスクは、ＭＴＧ（Ｍｅｌｔ Ｔｅｘｔｕｒｅｄ Ｇｒｏｗｔｈ）法を用いて作成されるが、この方法では、必要とされる化学量論比を有する焼結したＹＢＣＯペレットを部分的に溶解して冷却する。７７Ｋ以下での電流密度は、少なくとも１００ＭＡ／ｍ^２であることが好ましい。また、ＬＰＰ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）法、ＱＭＧ（Ｑｕｅｎｃｈｅｄ ａｎｄ Ｍｅｌｔ Ｇｒｏｗｔｈ）法、ＭＰＭＧ（Ｍｅｌｔ Ｐｏｗｄｅｒ Ｍｅｌｔ Ｇｒｏｗｔｈ）法を用いて、その物質を作成することもできる。一般的に、バルク物質は、シードからの単結晶成長法を用いて、製造可能である。結果物は、例えば２０ｍｍから１００ｍｍの範囲の長さ及び幅を有し得て、１ｍｍ超の厚さ（典型的には略１０ｍｍ）を有するディスクにスライスされる。代わりに、他の好ましい実施形態では、十分な幅及び長さのテープまたは薄膜から切断された厚さ１ｍｍ未満の薄い輪状体を用いて、ディスクを作成することができる。この薄膜の多数の層が輪状体へと切り出され、積層されて、単一の磁石輪状体が提供される。これは、それぞれが一マイクロメートルのオーダの厚さである１０００を超える薄膜輪状体の積層構造体で有り得る。

クライオスタット内に収容されまた外部電磁石のボア内に配置された輪状磁石を励磁する手順は、基本的には図２Ａ〜図２Ｃに示される以下の段階から成る。

その臨界温度９３Ｋを超える温度のＹＢＣＯ輪状体に対して、外部電磁石１２を、輪状磁石１６が設計中心磁場２０を生じさせる磁場をトラップするのに十分なレベルへと励磁する（図２Ａ）。遮蔽用鋼板が、励磁された磁石のサイト間輸送のために後で導入されて、ユーザーサイトに保持される場合には、最終的な中心磁場に対する鋼板の寄与を含むように励磁用磁場が調節されることが好ましい。

外部磁石を一定磁場にしたままで、輪状磁石をそのＴ_ｏｐへと冷却する。これは、液体ヘリウム（Ｔ_ｏｐ＝４．２Ｋ）、液体ネオン（２７．１Ｋ）または液体窒素（７７．３Ｋ）のバス２２内に輪状磁石を浸漬させることによって、または、コールドヘッドを備えたクライオスタット内に既に存在している液体窒素を凝固させて、更に４０Ｋ（固体窒素がサイト間輸送中の熱容量源であるシステムにおいて許容される最大Ｔ_ｏｐ）へと冷却することによって行われる（図２Ｂ）。

外場をゼロに減少させて、輪状体のそれぞれを“フィールドクーリング”して、これによって、磁石が遮蔽されている際に、輪状磁石が磁場２４をトラップするようにして（図２Ｃ）、所要の空間分布で所望の磁場強度レベルがもたらされる。固体窒素システムでは、冷却体（輪状磁石／固体窒素）を２０Ｋ（クライオクーラーが動作中であるこのシステムの公称動作温度）へと更に冷却する。その後、外部磁石を輪状磁石システムから取り外して（図３Ａ）、シールド２６を設け（遮蔽を行い）（図３Ｂ）、その後パッケージングする。

励磁用磁石自体は、単に軸対称な磁場を発生させるだけであり、特定の一様性の要求を満たしはしないが、輪状磁石は、“ＮＭＲクオリティ”の空間一様性を備えた磁場を発生させるように構成可能である。

クライオジェンで冷却されるシステムでは、クライオスタット内のクライオジェンの体積が、ユーザーサイトにおいてクライオジェンを再充填する時までＴ_ｏｐで輪状磁石を維持するのに十分なものでなければならない。固体窒素システムでは、固体窒素の体積が、Ｔ_ｏｐを４０Ｋ未満に保つのに十分大きなものでなければならない。輸送及びユーザーサイトにおいて必要とされる磁場の遮蔽について、以下に開示する。

ＨＴＳ磁石と共に、このＹＢＣＯ輪状磁石は、４Ｋから７７Ｋまでに及び得るそのＴ_ｏｐにかかわりなく、安定である。磁石用のＹＢＣＯディスクの更なる詳細については、本願においてその全文が参照される非特許文献２及び非特許文献３を参照されたい。

保護に関しての輪状磁石の重要な特徴は、輪状体に誘起された超電導電流が直列に接続されているのではなくて、むしろ、結合されてはいるが本質的には互いに独立に動作可能であるということである。従って、一つのクエンチング輪状体が磁石の蓄えられた磁気エネルギーの全てを吸収する可能性は、実質的に無い。クエンチングは、一つの輪状体から隣接する輪状体へと緩やかに広がっていき、プロセス中のそれぞれの輪状体は、最悪でもそれ自体が蓄えたエネルギーよりも僅かに多いエネルギーを熱として吸収する。蓄えられた磁気エネルギーが巻線全体の僅か略１０％によって熱として吸収されるのであれば、巻線の物質は永久的な損傷を免れる。

誘起された超電導電流の振幅及び空間分布は、それぞれの輪状体の温度がフィールドクーリング温度Ｔ_ｆｃ以下である限り、一定に保たれる。Ｔ_ｏｐ＜Ｔ_ｆｃという状態が維持されることを確実にするため、液体の圧力をフィールドクーリングの際に上昇させることができる。即ち、ヘリウム（Ｔ_ｆｃ＝４．５Ｋ）に対しては１．３ａｔｍ、ネオン（Ｔ_ｆｃ＝２８Ｋ）に対しては１．３２ａｔｍ、窒素（Ｔ_ｆｃ＝８０Ｋ）に対しては１．３４ａｔｍである。固体窒素で冷却されるシステムに対しては、Ｔ_ｆｃ≦４３Ｋであり、サイト間輸送中に許容される最大Ｔ_ｏｐ＝４０Ｋよりも僅かに高いことには留意されたい。

磁場の解析では、空間的な磁場の一様性及び重ね合わせ法に焦点が当てられる。空間的な磁場の一様性を満たす磁石を設計する解析ツールは広く利用可能である。磁石の軸（ｚ）は、ソレノイド磁石において、磁場が最も大きく変化する方向であるが、この軸に沿っては、

である。ここで、

であり、ないけいが２ａ_１、外径が２ａ_２、高さが２ｂで、全体の電流密度が一定λＪである巻線のソレノイドに対しては、ａ≡ａ_２／ａ_１、β≡ｂ／ａ_１として、

で与えられる。ソレノイドに対しては、その中心磁場Ｈ_ｚ（０，０）は、

として、
Ｈ_ｚ（０，０）＝λＪａ_１Ｆ（ａ，β） （２）
で与えられる。係数Ｅ_２（ａ，β），…，Ｅ_２ｊ（ａ，β）は既知であり、例えば、

である。

重ね合わせ法を適用して、ｚ＝０まわりで対称な輪状体のｎ番目のペアの磁場の解析を行うことができる。ｎ番目の輪状体のペアのそれぞれの内部の超電導電流密度Ｊ_ｓ（ｚ，ｒ，Ｂ）の空間変化を求めるために、そのそれぞれを、Ｊ_ｓ（ｚ，ｒ，Ｂ）が一様である、つまりＪ^ｍ _ｓである副輪状体に分割することが可能である。つまり、ｋ番目の副輪状体のペアは、電流の向きが反対で一様な電流密度の二つの副ソレノイドｋ及びｋ’の和として表すことができる。Ｊ^ｍ _ｓが一様である副輪状体のそれぞれのサイズは、それぞれの輪状体内部のＪ_ｓ（ｚ，ｒ，Ｂ）の空間変化の程度に依存するので、数値解析によって計算しなければならないということには留意されたい。

ｎ番目の輪状体のペア内の副ソレノイドｋ_ｎ及びｋ’_ｎの二つの無次元磁場

は、それぞれ

で与えられる。ここで、ａ^ｎ _ｋ＝（ａ_２／ａ_１）、β^ｎ _ｋ＝（ｂ／ａ_１）、β^ｎ _ｋ’＝（ｂ’／ａ_１）である。それぞれの副ソレノイドに対するＨ_ｚ（０，０）｜^ｎ _ｋとＨ’_ｚ（０，０）｜^ｎ _ｋ’は、
Ｈ_ｚ（０，０）｜^ｎ _ｋ＝（λＪ^ｍ _ｓａ_１）^ｎ _ｋＦ（ａ^ｎ _ｋ，β^ｎ _ｋ） （５ａ）
Ｈ’_ｚ（０，０）｜^ｎ _ｋ’＝（λＪ^ｍ _ｓａ_１）^ｎ _ｋＦ’（ａ^ｎ _ｋ，β^ｎ _ｋ’） （５ｂ）
で与えられる。

ｎ番目の輪状体のペア内のｋ番目の副輪状体のペアのｚ軸方向の無次元磁場の組み合わせ

は、

で与えられる。数式（４）及び（６）から、

は、

と表される。

ｎ番目の輪状体のペアを有する磁石のｚ軸方向の磁場は、数式（７）を用い、それぞれの磁場の寄与を足し合わせることによって計算可能である。つまり、まず、ｎ番目の輪状体のペア内部のＪ_ｓが一様であるｍ個の副輪状体のペアに対する計算を行い、次にｎ個の輪状体のペアに対する計算を行う。空間的な磁場の一様性に対する要求に合致するために調節可能な設計パラメータとしては、（ペア内の）それぞれの輪状体の内径、外径及び厚さと；隣接する輪状体間の間隔と；磁石内の輪状体の数が挙げられる。後述するように、それぞれの輪状体のペアは、サイズだけではなく、より重要なＪ_ｓ（ｚ，ｒ，Ｂ）も実質的に同一でなければならず、その要求は高解像度ＮＭＲ磁石の厳格な製造仕様と大差ない。

励磁された輪状磁石を輸送のために収容するパッケージの外側においては、この励磁された輪状磁石のフリンジ磁場が“小さい”ことが好ましい。実行可能な小型システムにおいては、磁石の中心から略１ｍの位置にいるユーザーに対して、そのフリンジ磁場は≦５ガウスでなければならない。

本実施形態では、コールドヘッドがクライオスタットの上端に位置しているので、遮蔽用鋼板をシステムの上端または下端に配置することができない。というのも、システムは磁性体が対称に配置されることを要するからである。従って、輪状の鋼板は、励磁の前に（選択肢１）；または、励磁の後ではあるがユーザーサイトに輸送される前に（選択肢２）、クライオスタットの外側に配置され得る。選択肢１においては、システムが既に励磁されているため、大型の室温ボアを備えた外部磁石が必要とされる。選択肢２では、鋼板の配置手順に注意を払わなければならない。

第一実施形態において、二つの輪状体のヘルムホルツコイルに対する磁場の解析と測定について以下に開示する。それぞれの輪状体は内径２５ｍｍ、外径４８ｍｍ、厚さ５ｍｍであり、外径４８ｍｍのＹＢＣＯロッドから作成された。上述のように、それぞれの輪状体のペアは同一であることが好ましいが、この測定で使用された二つの輪状体が有するＪ_ｓ（ｚ，ｒ，Ｂ）の分布は、互いに僅かに異なっていた。このような磁場の不一致は、本願で開示される磁場調整用装置及び方法を用いて、補正可能である。

図１に示されるシステムの一例では、調節可能なギャップ長を有する二つの輪状体のヘルムホルツコイルが輪状磁石として使用されている。ここで、励磁用磁石は内径１４０ｍｍ、外径３２０ｍｍ、高さ１８８ｍｍであり、銅導体で巻かれていて、液体窒素のバス内で動作する。ヘルムホルツコイルのＨ_ｚ（ｚ）は、中心の室温ボアに位置しｚ軸方向に一定速度で移動するモーター駆動のサーチコイルによって、測定される。

まず、ＹＢＣＯ輪状体をドライで９３Ｋよりも高い温度にしたままで、銅磁石を液体窒素に浸漬させて、銅磁石を一定磁場に励磁する。次に、ヘルムホルツコイルを液体窒素に浸漬させて、ＹＢＣＯ輪状体を超電導状態にする。その後、ｚ軸方向に沿って一定速度でサーチコイルを移動させて、サーチコイルの出力信号をデジタル処理で積分して、Ｈ_ｚ（ｚ）のプロットを作って、これを記録する。

この測定では、実験と解析との間の比較はＨ_ｚ（ｚ）に限られていた。従って、この解析は数式（７）を引き合いに出すものではない。むしろ、誘起された超電導電流の分布Ｊ_ｓ（ｘ，ｒ，Ｂ）の空間変化を求めるために、それぞれの輪状体は副輪状体へと分割され、Ｈ_ｚ（ｚ）を計算するためにｚ軸に沿って足し合わせられた。

図４は、０．０８Ｔ及び７７．３Ｋでフィールドクーリングされた３つのＨ_ｚ（ｚ）のプロットを示し、それぞれ測定値（実線）、計算値（破線）、加重値（点鎖線）である。ここで、測定値のプロットは、サーチコイルのアクティブボリュームに対して平均化したＨ_ｚ（ｚ）に対応する。計算値のプロットは軸のそれぞれの点に対するＨ_ｚ（ｚ）を表す。加重値は、サーチコイルのアクティブボリュームに対して軸方向並びに動径方向に平均化したＨ_ｚ（ｚ）を表す。

測定値と加重値のプロットはよく一致しているが、測定されたＨ_ｚ（ｚ）はｚ＝０まわりに対して完全に対称ではない。この磁場の非対称性は、二つの輪状体のＪ_ｓ（ｚ，ｒ，Ｂ）の分布が小さいながらも異なっているために生じる。従って、公称では軸対称の外部磁場によって誘起された輪状磁石でＮＭＲクオリティの磁場を生成するためには、輪状体のペアのそれぞれが、全ての輪状体に対してではないが、同一のＪ_ｓ（ｚ，ｒ，Ｂ）を有することが好ましい（つまり、電流密度の変化が１％未満である）。こうしたヘルムホルツコイルに対しては、このような磁場の非対称性が予想されるものであるが、これは、励磁用磁場が増加してＪ_ｓ（ｚ，ｒ，Ｂ）の違いが大きくなると、更に顕著になる。

この測定結果は、小型で製造が容易であることが欠かせない磁石（例えばマイクロコイルＮＭＲ用の）に対しては、ＹＢＣＯ輪状体から全体が組み立てられたこのタイプの“永久モード”磁石が、この応用に対して適切であるということを示す。この解析が示したのは、ＮＭＲグレードの空間的な一様性を有する磁場を発生させるためには、輪状体のペアのそれぞれが、サイズだけではなく、より重要なＪ_ｓ（ｚ，ｒ，Ｂ）においても実質的に同一であることが好ましいということである。

図５は、例えば７７．３ＫでフィールドクーリングされたシステムのＢの等高線図を示す。図６Ａは、図５のデータによる一定磁場の等高線を示す。図６Ａの等高線は、この輪状体の動径方向の位置における超電導電流の分布が角度に依存していないということを示す。このことは３００ＭＨｚから６００ＭＨｚのシステムに好適に当てはまる。図６Ｂは、磁場の強度及び一様性を更に改善した本発明による輪状ディスクの磁場の等高線を示す。

一例では、平均臨界電流密度

は、Ｂ_ｚ（０，０，ｂ）から導出可能な輪状体の中心磁束密度Ｂ_ｚ（０，０，０）に関係していると考えられる。従って、

である。一様な電流密度のソレノイド（または輪状体）に対しては、Ｂ_ｚ（０，０，ｂ）とＢ_ｚ（０，０，０）は関係していて、
Ｂ_ｚ（０，０，ｂ）＝（１／２）Ｂ_ｚ（０，０，０；β’） （９）
である。ここで、Ｂ_ｚ（０，０，０；β’）は、同じ

のソレノイド（輪状体）の中心磁場である（β’＝２βを除く）。数式（９）は単純な重ね合わせから導出可能である。

数式（８）及び（９）を組み合わせ、また、数式（８）のβとして２βを代入すると、

が得られる。数式（１０）を、

について解いて、α＝１．８４、β＝０．２、ａ_１＝０．０１２５ｍとすると、臨界電流密度は、

となる。

５００ＭＨｚで動作するシステム４０が図７Ａに示されている。本実施形態では、例えば２４から２８個の輪状体４２が存在し、そのそれぞれが、銅銀合金等の高強度熱伝導性金属といったスペーサ４４によって離隔されている。本システムは、磁場の遮蔽用にクライオスタットの外側に配置された輪状の鋼板４６を有する。シールドは、コールドヘッドの第一ステージに対して熱的に固定可能である。本システムは、使用前に磁場を調節するために、室温の銅巻線等の金属コイル４８を使用する。本発明の好ましい実施形態によるシステム６０の更なる詳細図が図７Ｂに示されている。

図７Ｂは、ユーザーサイトにおける本発明の好ましい実施形態の概略的な断面図を示す。デスクトップ型ＮＭＲ磁石システム６０は、それぞれの内径が５５ｍｍで厚さが１０ｍｍの１６個の輪状体６２から構成可能である。上方及び下方部分の複数の輪状体のペアが８０ｍｍの外径を有する一方、中心部分の残りの輪状体のペアは８０ｍｍ未満の外径を有し、“ノッチ”効果が得られる。図７Ｂに概略的に示されるように、磁石アセンブリの全体は、輪状体の外側に配置されたタイロッド等の支持アセンブリ６４で軸方向に対して固定されている。本システムは熱フィン８０と放射シールド８６を含むことができる。

一様な電流密度を有し、２ａ_１＝５５ｍｍ、２ａ_２＝８０ｍｍ、２ｂ≒１８７ｍｍ（スペーサを含む）、つまりａ≒１．４５５、β≒３．３６４であるシステムにおいて、４．７Ｔの中心磁場Ｂ_ｚ（０，０，０）を発生させるシステム用の輪状体で必要とされるＪを計算すると、λＪ≒３２０ＭＡ／ｍ^２となる。磁場がＮＭＲクオリティである輪状マグネットにおいては、Ｂ_ｚ（０，０，０）＝４．７Ｔは“ピーク”磁場に近く、３２０ＭＡ／ｍ^２は、２７．１Ｋでフィールドクーリングされ１５Ｋで公称動作するプロトタイプの輪状体のそれぞれにおいて必要とされる平均臨界電流密度である。２９Ｋで

の略１／１０である３２０ＭＡ／ｍ^２は、ＹＢＣＯディスクで達成可能であることには留意されたい。

スペーサは、以下の三つの要求を満たすように、隣接する輪状体の間に配置される。即ち、１）磁場の一様性；２）機械的補強、３）熱安定性である。Ｃｕ／Ａｇ合金の高強度伝導シートを、スペーサの材料として使用可能である。

４．７Ｔでは、外径８０ｍｍ、内径５５ｍｍ、厚さ１０ｍｍの輪状体のそれぞれにローレンツ力によって誘起される最大引張応力は４５ＭＰａであるが、これは十分にＹＢＣＯディスクの許容範囲内である。高強度（５００ＭＰａ、好ましくは１０００ＭＰａに近い超強度；略１５０ＧＰａのヤング率）スペーサは、動径方向の負荷の一部を輪状体から取り除く。磁石アセンブリはタイロッドと共に予め圧縮可能であり、磁石の軸方向の磁気的な固定を補完するが、これは輪状体とスペーサとの間の摩擦を増強し、スペーサが負荷を分担することを確実にするのに役立つ。

励磁用電磁石を放電するフィールドクーリングプロセス中に、輪状体内に交流損失（主にヒステリシスな）が生じる。幸い、フィールド放電の速度は、輪状体に散逸によって誘起される温度上昇（ＹＢＣＯの低い熱伝導性にも関わらず）を制限するのに必要とされる程度に遅いものである。ヒステリシスエネルギー密度ｅ_ｈｙ［Ｊ／ｍ^３］は、

で与えられる。ここで、

は時間変化する磁束によって誘起される電場であり、

は、輪状体内の電流密度であり、Ｖ_０［＝２π（ａ_２ ^２−ａ_１ ^２）ｂ］は輪状体の体積であり、τ_ｄは放電時間である。Ｊ_ｃ（Ｂ）が１０００ＭＡ／ｍ^２で一定であると仮定して（それぞれの輪状体の全断面に対しては３２０ＭＡ／ｍ^２の平均電流密度しか４．７Ｔを生じさせるのに必要とされないが、１０００ＭＡ／ｍ^２の使用が、輪状体の体積の略１／３にのみ閉じ込められた電流に対して適切なものであるということには留意されたい）、（ａ_２−ａ_１）＝１２．５×１０^−３ｍ、Ｂ_ｆｃ＝５Ｔとすると、ｅ_ｈｙが４０×１０^６Ｊ／ｍ^３または４０Ｊ／ｃｍ^３と得られる。平均発熱密度はｑ_ｈｙ＝ｅ_ｈｙ／τ_ｄである。厚さ２ｂ（１０ｍｍ）の輪状体に対して、熱が、最近接のＣｕ‐Ａｇスペーサに向かう軸方向（上方及び下方）にのみ流れると仮定する。そうすると、それぞれの輪状体の中央平面で生じる最大温度上昇ΔＴ_ｍｘは、

で与えられる。ここで、ｋ_ａｎはＹＢＣＯの熱伝導率である。ΔＴ_ｍｘ＝０．５Ｋ、ｋ_ａｎ＝１．５ｍＶ／ｃｍ Ｋ（２０Ｋで“エポキシ”）、ｂ＝０．５ｃｍ、ｅ_ｈｙ＝４０Ｊ／ｃｍ^３とすると、τ_ｄ＝６６００ｓが得られる。この略２時間の放電時間は、それぞれの輪状体を２７．１Ｋから０．５Ｋ以内に保つのに十分長いものである。厚さ略１ｍｍのＣｕ‐Ａｇ（ｋ〜１０Ｗ／ｃｍ Ｋ）のスペーサのそれぞれは、フィールドクーリングプロセス中に、輪状磁石を取り囲む液体ネオンへと、この熱を容易に伝えることができる。

ボアの軸方向の磁束全体は、外径Ｄ_ｓｏ、内径Ｄ_ｓｉの鋼アセンブリを介して実質的に流れるので、磁束の保存によって、

となる。ここで、Ｂ_ｏは中心磁場である。数式（１３）の左辺は磁石のボア中の全磁束を表し（πＢ_ｏａ_１ ^２）、更に、Ｂ（ｒ）＝Ｂ_ｏ（ａ_２−ｒ）／（ａ_２−ａ_１）であるａ_１とａ_２との間の輪状の空間内では、ａ_１でのＢ_ｏからａ_２での０へと線形に減少するということを表す。Ｍ_ｓは鋼の磁化であり、その有効μ≧１００μ_０を形成するのに十分に低いものである。好ましい実施形態（Ｂ_ｏ＝４．７Ｔ、２ａ_１＝５５ｍｍ、２ａ_２＝８０ｍｍ）では、μ_０Ｍ_ｓ＝１Ｔ、Ｄ_ｓｉ＝２２９ｍｍ、Ｄ_ｓｏ＝２７２ｍｍであり、質量が４０ｋｇでそれぞれの厚さが２ｍｍの全部で１５０個の輪状体が使用される。

鋼の輪状体を一つずつ手動で配置することが可能である。鋼アセンブリ８８は、３００ｍｍもの長さになり得るが、これは輪状磁石６２のほぼ二倍である。支持されていないと、鋼アセンブリの中央平面は、輪状磁石の中央平面の略４０ｍｍ下である。クライオスタットの上方部分の底に取り付けられたタイロッドアセンブリ６４が、鋼アセンブリを支持する。円錐形のスプリングワッシャーによって、システムの構成要素間の熱収縮の違いにも関わらず、クランプ力が一定に維持される。

ｒ方向において、この二つのアセンブリ間の結合力が不安定である。不安的な動径方向の力は、この二つがφ及びｚ方向に関して対称である時にはゼロであるが、この力は、動径方向のずれで増加する。この二つがφに関しては対称である場合、横に１ｍｍずれると略２００Ｎの横力が生じる。磁場の一様性自体は同心性を要するが、これは、輪状磁石、クライオスタット及び鋼アセンブリの厳格な寸法記入と構造の硬直性によって満たすことができる。この同心性に対する要求は、標準的なＮＭＲ磁石システムに対するものと相違無く、こうした一例は、メイン磁石とその磁場の遮蔽用要素（一組のアクティブコイルまたは強磁性タイル）との間にある。

コールドヘッド６６は二つのステージを有する。即ち、放射シールド用の第一ステージ７８（３０Ｋ）と、磁石及びＮｅ８４用の第二ステージ７５（１５Ｋ）である。本実施形態では、コールドヘッドは、電源が切られている時でもクライオスタットに残る。電源が切られたクライオスタットからの入熱を最小化するため、コールドヘッドステージのそれぞれを、アクチュエータ６８を備えた熱スイッチ６５によって、その冷却対象から離すことができる。また、測定におけるその振動を最小化するため、コールドヘッドは、振動絶縁体７６を介してクライオスタットの上板に取り付けられている。勿論、ノイズフリーな測定環境を提供するため、少なくとも二日間にわたって、コールドヘッドは電源が切られ得る。フレキシブル熱パス８２が、ステージ７５をスイッチ６５に結合する。また、木炭ゲッタ７７も使用される。また、冷却剤用の充填／排出用ポート７０、放射シールド７２、絶縁体７４も使用される。

クライオスタットは、３８ｍｍの室温ボアを有し、図７Ｂに示されるように、その上方部分にコールドヘッドを収容するのに十分大きな空間を有する。テイル部分には、チューブの同心性を確実にするための標準的なクライオスタットの構築法が使用される。クライオスタットは、略４リットルの固体Ｎｅを収容し、０．３Ｗの正味の平均入熱で固体Ｎｅ全体が１５Ｋから２４Ｋに温まるのに４８時間かかり得る。放射シールドが提供され、電源の切られたコールドヘッドの第１ステージから離されると、このシステムは、この入熱の限界内に留まることができて、６０Ｋ未満に保たれる。

コールドヘッドが離されると、熱の漏れによって、シールドの温度が３０Ｋから上昇する。室温に面する全表面積が６６００ｃｍ^２のシールドに対する全放射入熱は、３０〜６０Ｋの温度範囲に対して２Ｗである。同じ温度に対して、支持チューブ（肉厚の薄いステンレス鋼）を介したシールドへの伝導性入熱は１Ｗである。クライオスタットの真空が、このクライオスタットの真空空間に配置された木炭ゲッタで１０^−５Ｔｏｒｒ未満に保たれているので、対流のインプットは無視できる。

３Ｗの入熱は、４８時間にわたって、２０ｋｇの銅シールドの熱エネルギーを５２０ｋＪ上昇させ、その内の５０ｋＪがシールドによって吸収される。３０Ｋから６０Ｋまでの固体窒素（６３．１Ｋが融点）の５０Ｊ／ｃｍ^３という大きなエンタルピー密度が残りの４７０ｋＪを吸収する。ここで、１０リットルの体積の固体窒素（０．９ｋｇ）が放射シールドに取り付けられている。

４８時間にわたって３０Ｋから６０Ｋに放射シールドが温まると、多量の固体ネオン及び輪状マグネットから成る冷却体に対する入熱（放射性及び伝導性）は、平均して０．３Ｗである。１５Ｋから２４Ｋに温まる際に５２ｋＪという全エンタルピーのインプットを吸収するのに必要される固体ネオンの体積は、略４リットルである。

ネオンが２４．５７Ｋで凝固すると、体積が１５．９％収縮し、または長さが略５％収縮する。２４．５７Ｋから１５Ｋに下がると、更に体積が２．１％収縮し、または長さが略０．７％収縮する。同様に、窒素も６３．１Ｋで凝固すると、体積が２％収縮し、または長さが略０．７％収縮し、６３Ｋと１５Ｋとの間で、更に体積が１７％収縮し、または長さが略５％収縮する。１０〜７７．３Ｋの範囲で構築され動作する固体Ｎ_２システムに対しては、構造的または熱的な収縮（または膨張）の不利な効果が存在しないので、固体Ｎｅで冷却される磁石システムにおいては、構造的または熱的に望ましくない効果は存在しない。ＲＦコイルプローブ９０及びサンプルを、スペクトル測定のためにボア内に挿入することが可能である。また、勾配磁場コイルを、プローブに加えたり、磁石システムに集積したりすることもできる。また、スピナをプローブに加えて、気体または液体を収容するサンプルコンテナを回転させることもできる。コイル及び磁石システムは、コンピュータ等のオペレーティングシステム１００によって制御可能である。このシステム１００は、データストレージ用のデータプロセッサを含むことが可能であり、スペクトルデータ及び表示を処理する。このシステム１００は、サンプルのパルスシーケンス励起を実施するようにプログラム可能である。

図７Ｃは、それぞれの輪状体１４０を取り巻く巻線を備えたコイル１２８を有する輪状磁石システム１２０の詳細を示す。コイル１２８は、“微調整”つまり軸方向の磁場の変化の磁場調整を提供する。コイルは遮蔽用板１４２によって取り囲まれている。固体ネオン等の冷却剤１２６は、室温ボア１２２を取り囲むクライオスタット１２４内に収容される。また、システムと共にシムコイルを用いて、磁場の分布を調節することができる。このシムコイルは測定されるサンプルの付近でボア内または輪状キャビティ内に配置可能である。この調節には、ｘ、ｙ及びｘｙ方向の補正を含むことができる。また、強磁性タイルを輪状キャビティ内に配置して、ｘ、ｙ及びｚ方向の誤差調和を減少させることも可能である。

図８Ａ〜８Ｄに示されるシーケンスには、磁場Ｈ（ｒ）の調節プロセスが示されている。シェーディングされた領域は、輪状体の断面であり、中心は輪状ボアである。図８Ａにおいて、破線は、励磁用磁石の外場内の非超電導輪状体を示し、実線はフィールドクーリング後のものである。図８Ｂは、正の磁場を印加しそれをゼロに戻した後の磁場を示す。これは、磁場の小さな正の調整は、ボア内の磁場に対して効果が無いということを示す。図８Ｃに示されるのは、負の調節用磁場の印加を示す破線であり、図８Ｄは、この調節用磁場をゼロに戻した後の磁場を示し、ボア内部の磁場の永久的な調節を示す。それぞれの輪状体が別々のコイルを有することが可能であり、それぞれの輪状体に対する実質的に別々の調節が提供される。

この磁場の調整プロセスの他の実施形態として、コレクトアンドセット式の方法がある。図９Ａ〜９Ｄは、“長い”輪状体アセンブリの輪状体内部のＨ_ｚ（ｒ）プロットを四組示す。それぞれのプロットは、幅２ａの“ビーンスラブ（Ｂｅａｎ ｓｌａｂ）”に対する臨界状態モデルに基づいている。

上述のように、シェーディングされた領域は、輪状体の断面（２ａ_１；２ａ_２）を示し、白色の中心領域は直径２ａ_１の輪状ボアを示す。輪状体は無限に長く深い幅２ａ_２のスラブであり、幅２ａ_１の中心部分が取り除かれている。図９Ａに示されるように、それぞれの輪状体は動径方向の侵入深度δ_ｐ内の臨界状態にあり、電流密度Ｊ_ｃが誘起されている。図９Ａにおいて、破線は、輪状体全体が臨界状態である際の磁場プロファイルに対応する。上述のように、輪状磁石が４．７Ｔの中心磁場を発生させる実施形態に対しては、輪状体のそれぞれの全断面にわたって一様に分布した３２０ＭＡ／ｍ^２の平均電流密度が必要とされる。

ここに示されるＨ_ｚ（ｒ）プロファイルのそれぞれでは、ｄＨ_ｚ（ｒ）／ｄｒ＝Ｊ_ｃにおいてＪ_ｃが磁場に依存しないと仮定されている。実際には、Ｊ_ｃは磁場に依存するので、プロファイル、つまりはボアの磁場の分布は数値計算しなければならない。

水平な破線は、励磁用電磁石の磁場の中の通常状態の輪状体のＨ_ｚ（ｒ）を表す。実線は、フィールドクーリングされた輪状体のＨ_ｚ（ｒ）を表す（現実には、破線で表される磁場の振幅と水平な実線によって表される磁場の振幅との間にはほとんど違いがない）。現実には、輪状体は、δ_ｐの侵入深度内のみにおいて臨界状態にある。Ｊ_ｃ＝１０^９Ａ／ｍ^２であり、δ_ｐ＝Ｈ_ｏ／Ｊ_ｃ（ここで、Ｈ_ｏ＝Ｂ_ｏ／μ_０）であり、Ｂ_ｏ＝４．７Ｔに対しては、δ_ｐ≒３．７ｍｍ＜＜１２．５ｍｍ＝（ａ_２−ａ_１）であるが、明確にするために、δ_ｐは実際の値よりも大きく描かれている。

図９Ｂのプロファイルは、小さな正の微調整用磁場Ｈ_ｔｆに晒されたあとの輪状体に対応する。その振幅は実際のサイズよりもはるかに大きく描かれている。δ_ｐ＋＝Ｈ_ｔｆ／Ｊ_ｃの層内部では、電流は既に輪状体内に誘起されているものとは逆方向に誘起され、内側を遮蔽する。中心磁場に対するその寄与は僅かに減じられる。何故ならば、中心磁場を発生させる輪状体内を流れる正味の電流が、逆方向に流れるこの層内部の電流の存在によって減じられるからである。微調整用磁場がゼロに減じられると、Ｈ_ｚ（ｒ）はその元々のプロファイル（図９Ａの実線）に戻る。

図９Ｃに示されるように、小さな負の微調整用磁場が印加されると、破線で示される磁場が輪状体内に更に侵入する。輪状体内に誘起される正味の電流が増加するので、中心磁場に対する寄与は僅かに増強される。

図９Ｄに示されるように、負の微調整用磁場がゼロに戻されると、電流が、元々の電流の向きとは逆方向に、δ_ｐ−の最外層に誘起される。従って、元々の電流層（δ_ｐ）はδ_ｐ−だけ内側にずらされて、新しい電流層δ_ｐ−が生成され、中心磁場は正味減少する。

プロトタイプ（１６輪状体）磁石用の磁場微調整用コイルは１６個の銅巻線コイルから成り、そのそれぞれを独立に励磁可能である。微調整は反復可能であり、最初の数次の軸方向の項つまりｚ、ｚ^２及びｚ^３に対して“総計的な”補正がなされる。更なる改良は、磁石ボア内の輪状空間に配置された強磁性シムと室温シムコイルとを組み合わせることによって、なされるものである。δ_ｐ−がδ_ｐ−＝Ｈ_ｔｆ／Ｊ_ｃで与えられると、μ_０Ｈ_ｔｆ＝１０^−４Ｔ及びＪ_ｃ＝１０^９Ａ／ｍ^２に対しては、δ_ｐ−が０．０８μｍであると計算される。

微調整用磁場を印加する前では、輪状体内の電流要素は、２（ａ_２−δ_ｐ）の内径と、２ａ_２の外径と長さ２ｂ（輪状体の厚さ２ｂと混同しないようにされたい）とを有する。電流層がδ_ｐ−＜＜ａ_１だけ内側にずれると、対応する寸法はそれぞれ、２（ａ_２−δ_ｐ−δ_ｐ−）と、２（ａ_２−δ_ｐ−）と、２ｂ（同じ長さ）とである。電流要素のａ_１、ａ_２及び２ｂがａ’_１＝ａ_１−δ、ａ’_２＝ａ_２−δに変更されると、新しい電流要素のパラメータは、ε＝δ／ａ_１として、α’＝（α−ε）／（１−ε）、β’＝β（１−ε）となる。ε＜＜１に対しては、中心磁場の変化ΔＢ_ｏを導出可能であり、Ｂ_ｚ（０，０，０）＝Ｂ_ｏとして、

となる。数式（８）から予測されるように、ａ_１及びａ_２が減少すると、中心磁場が増大するということには留意されたい。ａ_１＝４０ｍｍ−３．７ｍｍ＝３６．３ｍｍ（Ｊ_ｃ＝１０^９Ａ／ｍ^２）、ａ_２＝４０ｍｍ、２ｂ＝１８５ｍｍの元々の電流要素の寸法に対しては、δ＝δ_ｐ−＝０．０８μｍ、Ｂ_ｏ＝４．７Ｔ、α＝１．１０２、β＝２．５４８として、ΔＢ_ｏ≒５×１０^−４ガウスと得られ、変化は無視できる。

ここで５×１０^−４ガウスとほとんど無視できる中心磁場のこの増加に対しては、周縁において逆方向に流れるδ_ｐ−＜＜ａ_１の新たに生成された薄い電流層によって発生した負の磁束密度Ｂ_ｏ−は近似的に
Ｂ_ｏ≒μ_０Ｊ_ｃδ_ｐ− （１５）
で与えられ、この場合、１ガウスに等しい。つまり、負の方向にＢ_ｆｔ＝１ガウスを印加した後の中心磁場の正味の減少は１ガウスである。

それぞれの輪状体に巻かれた一巻きの直径１ｍｍの銅線である磁場調整用コイルは、１ガウスを発生させるのに、３．２Ａを必要とする。１５Ｋ（ｐ_ｃｕ＝２×１０^−８Ωｃｍ）では、この１ガウスの銅コイルに対するジュール散逸は、０．７ｍＷであり、無視できるレベルである（それでも、クライオクーラーは磁場の微調整中には稼動させたままである）。１６ペアの直径１ｍｍの銅は、多量の熱を冷たいアンカー（第１ステージの放射シールド）に伝えるので、コールドヘッドが輸送又は静かな測定環境のために離されている際にはこれらはアンカーから断絶される。

１０^−４Ｔ（１ガウス）を超えない磁場を用いて、軸方向の磁場をＮＭＲクオリティにすることができる。この磁場調節用コイルを評価するため、調節用磁場を輪状磁石（１５Ｋで超電導であるがフィールドクーリングされてはいない）に印加する。この状態では、磁場の分布は図９Ａ〜９Ｄに示されるものと異なるであろうが、略１ガウスのオン及びオフの調節用磁場のシーケンスのそれぞれによって、同じオーダの強さの磁場がトラップされ、この磁場は、４．７Ｔのバックグラウンド磁場が無いと、ホールプローブで検出可能である。

また、磁場調節用コイルは、対象となる輪状体の調節用磁場による隣接する輪状体に対する近接効果を定量化することができる。それぞれが１ガウスの磁場調節用コイルの巻線の直径は８１ｍｍ（中心領域の輪状体用のものを除く）であるので、段々と離れていく輪状体の中心で、それぞれ０．９０、０．６８、０．４７、０．３１ガウスの軸方向の磁場が発生する。明らかに、特定の輪状体を対象とした調節用磁場のそれぞれは、少なくともその二つの最近接の輪状の磁化に対して極めて顕著な影響を与え得る。

本発明による磁気共鳴システムの使用方法を、図１０のプロセスシーケンス２００に示す。輪状磁石を励磁させた２０２後に、磁石を任意で輸送し、そして、磁気共鳴システムのオペレーティングシステムに接続する２０４。薬剤、薬、または哺乳類や患者の生体サンプル等のサンプルを入手する。サンプルをシステムに挿入して２０６、スペクトルを得る２０８。システムはスペクトルを分析し、患者の状態の診断や特定の状態を処置するための薬の適切性等の特性を決定することができる２１０。

本発明について特定の方法及び装置に関連して開示したが、当業者であればこの特定の実施形態の他の均等物について認識できるものである。ここでの開示は例示的なものであり、本発明の範囲を制限するものではなく、均等物も特許請求の範囲に含まれるものであるということは理解されたい。

本発明の好ましい実施形態による輪状超電導磁石システムの励磁用磁石である。 本発明の好ましい実施形態による励磁手順を示す。 本発明の好ましい実施形態による励磁手順を示す。 本発明の好ましい実施形態による励磁手順を示す。 本発明による磁石輸送手順の段階を示す。 本発明による磁石輸送手順の段階を示す。 好ましい実施形態のＨ_ｚプロットの図である。 本発明の好ましい実施形態に従って作成された輪状磁石の磁場Ｂのプロファイルである。 一定磁場の等高線の図である。 本発明による輪状ディスクの磁場の等高線の図である。 本発明の輪状磁石システム用オペレーティングシステムの好ましい実施形態である。 本発明による磁気共鳴システムの詳細な断面図を示す。 磁場調整用コイルアセンブリを利用した一実施形態を示す。 本システムの好ましい実施形態によるオペレーティングシステム中の磁場の強度を調節する方法を示す。 本システムの好ましい実施形態によるオペレーティングシステム中の磁場の強度を調節する方法を示す。 本システムの好ましい実施形態によるオペレーティングシステム中の磁場の強度を調節する方法を示す。 本システムの好ましい実施形態によるオペレーティングシステム中の磁場の強度を調節する方法を示す。 磁場調整用の他のシーケンスを示す。 磁場調整用の他のシーケンスを示す。 磁場調整用の他のシーケンスを示す。 磁場調整用の他のシーケンスを示す。 本発明の好ましい実施形態を使用するプロセスシーケンスを示す。

符号の説明

１０ システム
１２ 外部電磁石
１４ コールドヘッド
１５ クライオスタット
１６ 輪状磁石
１８ 室温ボア
４０ システム
４２ 輪状体
４４ スペーサ
４６ 輪状鋼板
４８ 金属コイル
６０ デスクトップ型ＮＭＲ磁石システム
６２ 輪状体
６４ 支持（タイロッド）アセンブリ
６５ 熱スイッチ
６６ コールドヘッド
６８ アクチュエータ
７０ 充填／排出用ポート
７２ 放射シールド
７４ 絶縁体
７５ 第二ステージ
７６ 振動絶縁体
７７ 木炭ゲッタ
７８ 第一ステージ
８０ 熱フィン
８２ フレキシブル熱パス
８６ 放射フィールド
９０ ＲＦコイルプローブ
１００ オペレーティングシステム（コンピュータ）
１２０ 輪状磁石システム
１２２ 室温ボア
１２４ クライオスタット
１２６ 冷却剤
１２８ コイル
１４０ 輪状体
１４２ 遮蔽用板

Claims (40)

1. 複数の超電導の輪状体を有する輪状磁石システムと、
   前記複数の輪状体を動作温度に冷却する冷却システムと、
   輪状磁石を励磁する励磁システムと、
   前記輪状磁石システムの輪状キャビティ内部のサンプルから磁気共鳴データを検出するための前記輪状磁石システムに付随した磁気共鳴アセンブリと、
   前記輪状磁石システムによって発生した磁場を調節するための伝導コイルを有するオペレーティングシステムと、
   シム要素とを備えた磁気共鳴システム。
2. 少なくとも３００ＭＨｚの周波数で動作する請求項１に記載の磁気共鳴システム。
3. 前記輪状キャビティの直径が２５から６０ｍｍまでである請求項１に記載の磁気共鳴システム。
4. 前記冷却システムがクライオスタット及び冷却剤を備えた請求項１に記載の磁気共鳴システム。
5. 前記冷却剤が液体または固体クライオジェンを有する請求項４に記載の磁気共鳴システム。
6. 前記冷却システムが、４ケルビンから７７ケルビンまでの温度範囲で作動する請求項１に記載の磁気共鳴システム。
7. 前記伝導コイルが前記複数の輪状体のそれぞれの周りの巻線である請求項１に記載の磁気共鳴システム。
8. 前記複数の輪状体のそれぞれがイットリウムバリウム銅酸化物（ＹＢＣＯ）材料を有する請求項１に記載の磁気共鳴システム。
9. 前記輪状体が、ヘリウム、ネオン及び窒素を含む群から選択された冷却剤を利用して冷却される請求項１に記載の磁気共鳴システム。
10. 前記超電導の輪状体がバルク超電導体を有する請求項１に記載の磁気共鳴システム。
11. 前記輪状磁石システムが、直径１０ｍｍの球形ボリュームに対して０．１ｐｐｍ未満で変化する一様な磁場分布を有する請求項１に記載の磁気共鳴システム。
12. 前記輪状体のペアの間に配置されたスペーサを更に備えた請求項１に記載の磁気共鳴システム。
13. 前記輪状磁石システムの前記輪状キャビティ内部に無線周波数信号を放出する無線周波数（ＲＦ）装置を更に備えた請求項１に記載の磁気共鳴システム。
14. 前記スペーサが銅銀合金を有する請求項１２に記載の磁気共鳴システム。
15. 前記輪状体が少なくとも２０ＭＰａの引張強度を有する請求項１に記載の磁気共鳴システム。
16. 前記輪状体が７７．３Ｋで少なくとも１０ＭＡ／ｍ^２の電流密度を有する請求項１に記載の磁気共鳴システム。
17. 前記スペーサが少なくとも５００ＭＰａの引張強度を有する請求項１２に記載の磁気共鳴システム。
18. 輪状磁石が前記輪状キャビティ内で磁場強度を有する請求項１に記載の磁気共鳴システム。
19. 前記シム要素が前記輪状キャビティ内のコイルを有する請求項１に記載の磁気共鳴システム。
20. 前記シム要素が強磁性タイルを有する請求項１に記載の磁気共鳴システム。
21. 前記輪状体が希土類バリウム銅酸化物の化合物を有する請求項１に記載の磁気共鳴システム。
22. 前記化合物がＤｙＢＣＯ、ＮｄＢＣＯ、ＨｏＢＣＯ、ＧｄＢＣＯ及びＹＢＣＯを含む群から選択されている請求項２１に記載の磁気共鳴システム。
23. 前記磁気共鳴システムの動作を制御するためのプロセッサを更に備えた請求項１に記載の磁気共鳴システム。
24. 前記プロセッサは、蓄えられたパルスシーケンスを印加し磁気共鳴スペクトルデータを記録するようにプログラムされている請求項２３に記載の磁気共鳴システム。
25. 前記複数の輪状体のそれぞれが、厚さ１ｍｍ未満の半導体の複数の薄膜層を有する請求項１に記載の磁気共鳴システム。
26. 磁場を形成するために超電導の複数の輪状磁石を励磁する段階と、
    引き続いて前記輪状磁石を磁気共鳴オペレーティングシステムに接続する段階と、
    前記輪状磁石によって発生した磁場を調節するための伝導コイルを含むオペレーティングシステム及びシム要素を提供する段階と、
    前記磁気共鳴オペレーティングシステムで物質の磁気共鳴スペクトルを取得する段階とを備えた、磁気共鳴スペクトロスコピー用の磁石システムを使用する方法。
27. 前記輪状磁石を励磁システムから前記磁気共鳴オペレーティングシステムへと輸送する段階を更に備えた請求項２６に記載の方法。
28. 輸送中に前記輪状磁石を冷却する段階を更に備えた請求項２６に記載の方法。
29. 冷却システムで冷却する段階を更に備えた請求項２７に記載の方法。
30. 前記輪状磁石の輸送中にシールドを使用する段階を更に備えた請求項２６に記載の方法。
31. ７７．３ケルビン以下で少なくとも１００ＭＡ／ｍ^２の電流密度を有する前記超電導の輪状体を作動させる段階を更に備えた請求項２６に記載の方法。
32. 前記磁気共鳴オペレーティングシステムを４Ｋから８０Ｋまでの温度範囲で作動させる段階を更に備えた請求項２６に記載の方法。
33. 前記輪状磁石を励磁する段階が更に、
    前記輪状磁石を励磁用の電磁石内に配置する段階と、
    前記輪状磁石をフィールドクーリングするために前記電磁石を励磁する段階と、
    冷却システムで前記輪状磁石を所定の温度に冷却し、前記電磁石を放電し、磁場をトラップする段階と、
    トラップされた磁場を有する前記輪状磁石を前記磁気共鳴オペレーティングシステム内に挿入する段階とを備えた請求項２６に記載の方法。
34. 前記磁気共鳴オペレーティングシステムの動作を制御するためにコンピュータをプログラムする段階を更に備えた請求項２６に記載の方法。
35. 少なくとも２０ＭＰａの引張強度を有するＹＢＣＯ輪状体を含む輪状磁石を提供する段階を更に備えた請求項２６に記載の方法。
36. 液体ヘリウム（Ｔ_ｏｐ＝４．２Ｋ）、固体ネオン（Ｔ_ｏｐ≦２４Ｋ）、液体ネオン（Ｔ_ｏｐ＝２７Ｋ）、固体窒素（Ｔ_ｏｐ≦４０Ｋ）及び液体窒素（Ｔ_ｏｐ＝７７Ｋ）を含む群から選択された冷却剤で冷却する段階を更に備えた請求項２９に記載の方法。
37. ネオンまたは窒素の固体クライオジェンと共に、または液体ヘリウム共に前記輪状磁石を輸送する段階を更に備えた請求項２８に記載の方法。
38. 哺乳類動物から生体サンプルを取り出す段階と、磁気共鳴を用いて前記生体サンプルからスペクトルデータを取得する段階とを更に備えた請求項２６に記載の方法。
39. 薬剤を前記磁気共鳴オペレーティングシステム内に挿入し、前記薬剤から磁気共鳴スペクトルを取得する段階を更に備えた請求項２６に記載の方法。
40. 前記輪状磁石で少なくとも７テスラの磁場を発生させる段階を更に備えた請求項２６に記載の方法。

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