JP5155603B2 - 超伝導磁石装置および磁気共鳴撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導磁石装置および磁気共鳴撮像装置に関するものである。

超伝導磁石装置を構成する超伝導コイルや永久電流スイッチは、これを冷却するための液化した冷媒、例えば、液体ヘリウム等で冷却されてコイル容器に収納され、そしてコイル容器は、断熱真空層を形成する真空容器に収納される。コイル容器と真空容器との間には熱シールドが設置されており、この熱シールドによってコイル容器は、さらに断熱保護されている。
一般に、永久電流スイッチは、磁気共鳴撮像装置に適用される超伝導磁石装置において、上下一対として設けられたコイル容器のうち、上側のコイル容器の内部に配置されるものが知れられている。また、一対のコイル容器とは別体に設けられたタンク内に配置されたものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

ところで、超伝導コイルが通電されて磁場を発生しているときに超伝導コイルの一部分のコイル導体が動いたり、コイル導体を被覆等している含浸材にクラックが発生したりする等の機械的擾乱が発生すると、これが熱擾乱となって、超伝導コイルの一部分が温度上昇し、常伝導に転移する。このような熱擾乱による温度上昇が、周囲の冷媒による冷却を大きく上回ると、常伝導転移が超伝導コイル全体に至る現象、いわゆるクエンチを生じる。
このようなクエンチが発生すると、超伝導コイルから多量の熱が生じる。また、これとは別に、永久電流スイッチにおいて機械的擾乱等により常伝導転移が生じた場合にも、永久電流回路は閉回路を維持することができなくなり、クエンチに至ることがある。

このような超伝導磁石装置により構成される磁気共鳴撮像装置は、近年、高強度の磁場を有するものの開発が進められており、構成要素である永久電流スイッチにおいても、動作状態における擾乱に対して高い電磁気的な安定性が要求されている。

特開２００２−１９０４０６号公報 特開２００３−１５９２３０号公報

しかしながら、前記した特許文献１では、永久電流スイッチが上側のコイル容器の内部に配置された構成であるため、上側の超伝導コイル等による高強度の磁場の影響を受けるおそれがあり、永久電流回路の閉回路を維持することができずにクエンチに至る等、超伝導磁石装置や磁気共鳴撮像装置の信頼性が低下するおそれがあった。
また、前記した特許文献２では、永久電流スイッチが別体に設けられたタンク内に配置されているため、構造が複雑になるという問題を有していた。

このような観点から、本発明は、構造が簡単であるとともに、超伝導コイルの永久電流を長期的に安定保持することができ、信頼性の高い超伝導磁石装置および磁気共鳴撮像装置を提供することを課題とする。

前記した課題を解決するための手段として本発明は、コイル容器を収納する一対の真空容器を上下方向に相対向させた状態で連結管で支持し、各コイル容器内の超伝導コイルに永久電流を流す永久電流スイッチをこの連結管の内部であって一対のコイル容器の対向部間に配置し、超伝導コイルは、第１の方向の電流が流れる超伝導主コイルと、第１の方向とは逆方向の第２の方向の電流が流れる超伝導シールドコイルとを含み、永久電流スイッチは、超伝導コイルの軸線方向から見たときに、当該超伝導コイルの径方向において、超伝導主コイルと超伝導シールドコイルとの間に配置され、かつ、上下方向に相対向して配置された超伝導コイルの間に配置された構成としたので、構造が簡単になり、しかも、従来のように上側のコイル容器の内部に永久電流スイッチを配置したものよりも、高強度の磁場の影響を永久電流スイッチが受け難くなり、超伝導コイルの永久電流を長期的に安定保持することができて、信頼性が高まるようになる。

本発明によれば、構造が簡単であるとともに、超伝導コイルの永久電流を長期的に安定保持することができ、信頼性の高い超伝導磁石装置および磁気共鳴撮像装置が得られる。

次に、本発明の超伝導磁石装置を備えた磁気共鳴撮像装置（以下、ＭＲＩ装置という）の実施形態を図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
ＭＲＩ装置は、図１に示すように、超伝導磁石装置１と、被検体（不図示、以下同様）を乗せるベッドＢと、このベッドＢに乗せられた被検体を磁場空間において均一磁場空間となる撮像領域Ｆへ搬送する、図示しない駆動機構が設けられた搬送手段Ｂ１と、この搬送手段Ｂ１によって撮像領域Ｆに搬送された被検体からの核磁気共鳴信号を解析するコンピュータ等の機器からなる解析手段３０とから構成され、ベッドＢに乗せられた被検体を通して断層撮影を行うものである。

図２に示すように、超伝導磁石装置１は、円環状に形成された超伝導コイル２を冷媒３とともに収納するコイル容器４を備え、内部を真空に保持された一対の真空容器１Ａ，１Ｂに、コイル容器４が熱シールド５を介してそれぞれ囲繞されて収納された構成となっている。そして、一対の真空容器１Ａ，１Ｂ間を磁場空間として、各真空容器１Ａ，１Ｂは、上下方向に相対向させた状態で互いに連結する一対の連結管１Ｃ，１Ｃ（図２では一方のみ図示）で支持されている。

超伝導コイル２は、コイル線材として、例えば、ＮｂＴｉ線材が用いられ、図示しない支持体によってコイル容器４の内部に支持されている。また、冷媒３としては、例えば、液体ヘリウムが用いられている。

コイル容器４は、密閉可能な容器で形成されており、冷媒３を蓄えておくタンクの役割を果たす。このようなコイル容器４には、このコイル容器４の内部に冷媒３を注入するための図示しない注入管路やコイル容器４の内部の気相状態の冷媒ガス（ヘリウムガス）を排出するため図示しない排気管路が連結されている。なお、コイル容器４の内部の圧力を検出するための図示しない管路等、幾つかの図示しない管路が真空容器１Ａを貫通してコイル容器４に連結されている。

連結管１Ｃ，１Ｃは、超伝導磁石装置１の図示しない中心軸を挟んで超伝導磁石装置１の径方向両側に配置されている。そして、上側の真空容器１Ａと下側の真空容器１Ｂとは、これらの連結管１Ｃ，１Ｃの内部において連結されており、各真空容器１Ａ，１Ｂ内に収納されるコイル容器４、熱シールド５も、連結管１Ｃ，１Ｃの内部でそれぞれ連結されている。これによって、真空容器１Ａ，１Ｂ間で冷媒３が通流可能に構成されている。なお、上側の真空容器１Ａおよび下側の真空容器１Ｂには、撮像領域Ｆに面するように凹部が形成されており、この凹部に図示しない傾斜磁場コイル等が設けられている。

本実施形態では、一方の連結管１Ｃの内部に、超伝導コイル２，２に連結された超伝導線２Ａ（渡り線、一部省略して図示）と、この超伝導線２Ａに接続された永久電流スイッチ７が配置されている。つまり、超伝導線２Ａおよび永久電流スイッチ７は、連結管１Ｃの内部を通流可能な冷媒３に浸漬されている。
永久電流スイッチ７は、超伝導コイル２，２に永久電流を流すものであり、後記する永久電流スイッチヒータ７Ｂの通電・非通電によって常伝導状態または超伝導状態にされ、これによって超伝導コイル２，２の励磁・消磁を行うものである。

具体的に、超伝導磁石装置１は、図３に示すように、超伝導コイル２、永久電流スイッチ７、省略可能な保護抵抗８が並列接続された回路に励磁電源Ｅ１、ヒータ電源Ｅ２が接続されてなる励磁回路を有している。永久電流スイッチ７は、超伝導体７Ａとこれを加熱する永久電流スイッチヒータ７Ｂを備えており、ヒータ電源Ｅ２によって永久電流スイッチヒータ７ＢをＯＮ・ＯＦＦすることによって、超伝導体７Ａの常伝導状態または超伝導状態を制御するものである。

このような励磁回路を永久電流運転にする手順は次の通りである。
初めに、ヒータ電源Ｅ２により永久電流スイッチヒータ７Ｂに通電し、永久電流スイッチヒータ７Ｂの加熱によって超伝導体７Ａを常伝導転移させ、永久電流スイッチ７をＯＦＦにする。
その後、励磁電源Ｅ１により超伝導コイル２，２に通電し、定格電流まで超伝導コイル２，２を励磁する。そして、定格電流まで超伝導コイル２，２を励磁したら、永久電流スイッチヒータ７Ｂを非通電にして、永久電流スイッチ７をＯＮにする。この操作で、超伝導コイル２，２と永久電流スイッチ７とからなる永久電流回路（閉回路）に電流が流れる。
その後、励磁電源Ｅ１の電流をゼロまで下げる。
以上のような手順によって励磁回路を永久電流運転に移行することができる。

なお、永久電流スイッチ７に使用する超伝導体７Ａは、裸線やキュプロニッケル等により複合化されたものが用いられる。

図４は永久電流スイッチ７の周りにおける磁場状態を示したものであり、この実施形態では上下の超伝導コイル２，２の間に存在する磁場強度のうち、他よりも低強度となる領域、つまり、超伝導コイル２，２の作り出す磁場が互いに打ち消し合うことにより周囲よりも低強度となる磁場が生成される低強度領域Ｒ１に、永久電流スイッチ７が配置されている。これにより、永久電流スイッチ７は、連結管１Ｃの上下方向において略中央となる位置に配置されるようになっている。

なお、超伝導線２Ａは、連結管１Ｃから超伝導コイル２，２の周方向へ引き回されて超伝導コイル２，２に設けられた図示しない接続口を介して接続されている。
また、超伝導磁石装置１の組立は、例えば、真空容器１Ａ，１Ｂを先に組み立てておいてから、これらの真空容器１Ａ，１Ｂを連結管１Ｃ，１Ｃでそれぞれ連結することにより行うことができる。つまり、連結工程による連結管１Ｃの連結が組立工程の最終段階に近いところで行う組立が行われて、超伝導磁石装置１が組み立てられる。

以下では、本実施形態において得られる効果を説明する。
（１）本実施形態によれば、永久電流スイッチ７が連結管１Ｃの内部に配置されているので、超伝導コイル２，２に接続される超伝導線２Ａの引き回しが短くて済み、超伝導線２Ａの配索全長を短くすることができる。また、超伝導コイル２，２の周方向に対する超伝導線２Ａの引き回し距離を短くすることが可能となり、その分、超伝導線２Ａの引き回しによって生じる不整磁場の発生を好適に抑制することができる。したがって、超伝導磁石装置１により作り出される均一磁場への影響が最小限となるようにすることができ、信頼性の高い超伝導磁石装置１およびＭＲＩ装置が得られる。
（２）連結管１Ｃに永久電流スイッチ７が配置される構造であるので、組立時の最終段階となる真空容器１Ａ，１Ｂを連結管１Ｃ，１Ｃでそれぞれ連結する工程時に、回路全体の健全性確認のために実施する電気試験、例えば、耐電圧試験や絶縁抵抗試験等を行うことができる。したがって、永久電流スイッチ７を含んだ励磁回路における電気試験の回数を少なくすることができる。これにより、コストを低減することができる。
また、電気試験の回数を少なくすることができるので、試験において永久電流スイッチ７に高電圧の印加される回数が自ずと少なくなる。これにより、絶縁劣化等による永久電流スイッチ７の故障を好適に防止することができる。
（３）連結管１Ｃの内部に永久電流スイッチ７が配置されるので、連結管１Ｃを通流可能な冷媒３に永久電流スイッチ７を常に浸漬することが可能であり、永久電流運転中に生じる熱擾乱、例えば、冷媒３の補給時に生じる蒸発ガスに永久電流スイッチ７が晒されることによる熱擾乱を防止することができる。これにより、永久電流スイッチ７が好適に冷却されて保護され、超伝導コイル２，２の永久電流が長期的に安定保持されたものとなる。したがって、超伝導磁石装置１およびＭＲＩ装置の信頼性の向上を図ることができる。
（４）永久電流スイッチ７は、連結管１Ｃの内部において、周囲よりも低強度となる磁場が生成される領域Ｒ１に配置されているので、永久電流運転中の不安定性を低減することができ、超伝導コイル２，２の永久電流を長期的に安定保持することができるようになる。これにより、信頼性の高い超伝導磁石装置１およびＭＲＩ装置を得ることができる。
また、高強度の磁場を形成する超伝導磁石装置１に対しても好適に適用することができるので、永久電流運転中の不安定性が低減されることと相俟って、診断精度の向上および診断時間の短縮化を図ることができるＭＲＩ装置が得られる。
（５）連結管１Ｃの内部に永久電流スイッチ７が配置されているので、従来のような別体のタンクを設置する必要がなく、別体のタンクを設けたときのように構造が複雑になることがない。したがって、構造が簡単であり、組み付けも行い易い。
（６）連結管１Ｃの内部に永久電流スイッチ７が配置されるので、永久電流スイッチ７を設けるための別途、特別なスペースを超伝導磁石装置１に設ける必要がなく、超伝導磁石装置１の小型化にも寄与する。

（第２実施形態）
図５に第２実施形態の超伝導磁石装置１’を示す。本実施形態が前記第１実施形態と異なるところは、前記した超伝導コイル２，２（超伝導主コイル）とは逆向きの磁場を発生する超伝導シールドコイル１０，１０を設けた点にあり、その他の点に変わりはない。
つまり、超伝導シールドコイル１０，１０には、超伝導コイル２，２に流れる第１の方向の電流とは逆方向となる第２の方向の電流が流れるように構成されている。

超伝導シールドコイル１０，１０は、真空容器１Ａにおいて、外周部近傍の上端部側に配置されており、また、真空容器１Ｂにおいて、外周部近傍の下端部側に配置されている。つまり、超伝導シールドコイル１０，１０は、超伝導磁石装置１の撮像領域Ｆから遠い部位に位置しており、これによって、超伝導磁石装置１の側方へ漏れる漏洩磁場を抑制するように作用する。

このような超伝導シールドコイル１０，１０を備えた超伝導磁石装置１’において、連結管１Ｃに配置される永久電流スイッチ７は、超伝導コイル２，２、超伝導シールドコイル１０，１０の軸線方向（中心軸Ｏの軸線の延長方向）から見たときに、これらの超伝導コイル２，２、超伝導シールドコイル１０，１０の径方向において、前記超伝導コイル２，２と超伝導シールドコイル１０，１０との間に配置されるようになっている。

図６はこのような超伝導シールドコイル１０，１０を備えた超伝導磁石装置１’における永久電流スイッチ７の周りにおける磁場状態を示したものである。この実施形態においても、上下の超伝導コイル２，２、超伝導シールドコイル１０，１０の間に存在する磁場強度のうち、他よりも低強度となる領域、つまり、超伝導コイル２，２、超伝導シールドコイル１０，１０の作り出す磁場が互いに打ち消し合うことにより周囲よりも低強度となる磁場が生成される低磁場領域Ｒ２に、永久電流スイッチ７が配置されている。この場合においても前記第１実施形態と同様に、永久電流スイッチ７は、連結管１Ｃの上下方向において略中央となる位置に配置されるようになっている。

以上のような超伝導磁石装置１’においても、前記第１実施例で説明した効果（１）〜（６）と同様の効果が得られるとともに、超伝導シールドコイル１０，１０の存在によって、永久電流スイッチ７が経験する経験磁場がより低減されるようになり、永久電流運転中の不安定性を低減し、信頼性の高いアクティブシールド型の超伝導磁石装置１’およびＭＲＩ装置が得られる。

なお、前記第１，第２実施形態では、永久電流スイッチ７が、連結管１Ｃの内部において他よりも磁場強度が低強度となる低強度領域Ｒ１，Ｒ２に配置される構成としたが、本発明はこれに限られることはなく、例えば、連結管１Ｃの外部の側方において、磁場強度が低強度となる低強度領域Ｒ３（図６参照）に配置されるように構成してもよい。この場合には、連結管１Ｃの内部等から図示しない配管を連結管１Ｃの側方へ延設して、永久電流スイッチ７を冷却するように構成することができる。つまり、連結管１Ｃの内部を通流可能に設けられた冷媒３を用いて、連結管１Ｃの側方に配置された永久電流スイッチ７を好適に冷却することができる。したがって、別途冷却用の装置等を設ける必要もなく経済性に優れる。また、永久電流スイッチ７が連結管１Ｃの側方に配置されているので、前記した電気試験がより行い易くなる。
また、このような構成においても永久電流スイッチ７は、他よりも磁場強度が低強度となる低強度領域Ｒ３に配置されるので、超伝導コイル２，２（超伝導シールドコイル１０，１０）の永久電流が長期的に安定保持されたものとなる。したがって、超伝導磁石装置１（１’）およびＭＲＩ装置の信頼性の向上を図ることができる。

本発明の第１実施形態の超伝導磁石装置を備えた磁気共鳴撮像装置を示す説明図である。 第１実施形態の超伝導磁石装置を示す模式断面図である。 超伝導コイルを励磁する励磁回路を示す回路図である。 第１実施形態の超伝導磁石装置における磁場状態を示す模式図である。 本発明の第２実施形態の超伝導磁石装置を示す模式断面図である。 第２実施形態の超伝導磁石装置における磁場状態を示す模式図である。

符号の説明

１，１’ 超伝導磁石装置
１Ａ，１Ｂ 真空容器
１Ｃ 連結管
２ 超伝導コイル
３ 冷媒
４ コイル容器
５ 熱シールド
７ 永久電流スイッチ
７Ａ 超伝導体
７Ｂ 永久電流スイッチヒータ
８ 保護抵抗
１０ 超伝導シールドコイル
３０ 解析手段
Ｂ ベッド
Ｂ１ 搬送手段
Ｅ１ 励磁電源
Ｅ２ ヒータ電源
Ｆ 撮像領域
Ｒ１〜Ｒ３ 低強度領域

Claims (6)

1. 環状に形成された超伝導コイルを冷媒とともに収納する一対のコイル容器と、
   前記各コイル容器をそれぞれ収納する一対の真空容器と、
   前記真空容器間を磁場空間として、各真空容器を上下方向に相対向させた状態で支持する連結管と、
   前記連結管を介して一対の前記コイル容器の前記超伝導コイル間に接続された超伝導線と、
   前記超伝導線に接続され、前記超伝導コイルに永久電流を流す永久電流スイッチと、
   を備えた超伝導磁石装置であって、
   前記永久電流スイッチは、前記連結管の内部であって、一対の前記コイル容器の対向部間に配置され、
   前記超伝導コイルは、第１の方向の電流が流れる超伝導主コイルと、前記第１の方向とは逆方向の第２の方向の電流が流れる超伝導シールドコイルとを含み、
   前記永久電流スイッチは、前記超伝導コイルの軸線方向から見たときに、当該超伝導コイルの径方向において、前記超伝導主コイルと前記超伝導シールドコイルとの間に配置され、かつ、上下方向に相対向して配置された前記超伝導コイルの間に配置されていることを特徴とする超伝導磁石装置。
2. 前記永久電流スイッチは、前記連結管の内部における磁場強度のうち、他よりも低強度となる低強度領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。
3. 前記連結管を通じて、前記冷媒が一対の前記コイル容器間を通流可能に設けられており、当該冷媒に、前記超伝導線および前記永久電流スイッチが浸漬されていることを特徴とする請求項２に記載の超伝導磁石装置。
4. 前記冷媒は液体ヘリウムであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
5. 前記永久電流スイッチは、前記連結管の上下方向において略中央となるように配置されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置。
6. 前記請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超伝導磁石装置を備えた磁気共鳴撮像装置であって、
   被検体を乗せるベッドと、このベッドに乗せられた前記被検体を一対の前記真空容器間の撮像領域へ搬送する搬送手段と、この搬送手段によって前記撮像領域に搬送された前記被検体からの核磁気共鳴信号を解析する解析手段とを備えたことを特徴とする磁気共鳴撮像装置。

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