JP5301871B2 - 超電導マグネットおよびそれを備えたマグネット装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導マグネットおよびそれを備えたマグネット装置に関する。本発明は、医療用のＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置や、化学分析用のＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）装置などに用いられる高磁場用の超電導マグネットおよびそれを備えたマグネット装置として好適なものである。

断層撮影用ＭＲＩや化学分析用ＮＭＲは、いずれも核磁気共鳴という物理現象を利用している。核磁気共鳴現象においては、磁場が高ければ高いほど信号強度が大きくなり感度や分解能が向上するので、マグネットは高磁場化の傾向にある。ここで、超電導線材を巻回してなる複数のコイルブロックから構成された超電導マグネットにおいては、高磁場を発生させることにより、コイルブロック相互間に数十トンから数百トンの巨大な電磁力が働くことになるので、電磁力のバランスが崩れないように綿密な構造設計ならびに配置設計がなされる。しかしながら、超電導マグネットは、何らかの擾乱によって時としてクエンチすることがある。クエンチは全てのコイルブロックで同時に発生するものではなく、どれかのコイルブロックが最初にクエンチし、その後遅れて他のコイルブロックへクエンチが伝播していくという形態をとる。この場合、定常状態で保っていた電磁力のバランスが崩れ、局所的に電磁力が大きくなってコイルを支持していた構造材が破壊してしまうことがある。

このような背景のもと、例えば特許文献１に開示されたような超電導マグネット装置に関する技術がある。特許文献１に開示された超電導マグネット装置は、その結線において、順次直列に配列された２つ以上の超電導コイルのうちの発生磁界方向の対称位置にあるものを互いに直列結線するとともに、これらの直列結線されたコイル対を各々直列に接続し、さらに直列に接続された各コイル対の両端間に並列にそれぞれ超電導コイル保護素子を接続したものである（特許文献１の第１図および第２図参照）。この構成により、対称位置にある超電導コイルに流れる電流が常に等しくなるので、超電導マグネットと外部磁性体との間に不平衡電磁力が発生することがない、と特許文献１において称されている。

特開昭６３−２２２４０８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された超電導マグネット装置では、いずれかの超電導コイルの局所部分で発生したクエンチは、まずその超電導コイル内を伝播し、遅れて対称位置にある超電導コイルに伝播する。すなわち、超電導コイルの局所部分で発生したクエンチが、その超電導コイル内を伝播するよりも早く、対称位置に配置された超電導コイルへ伝播することはない。そしてこのようなクエンチの伝播遅れは、電磁力のバランスの崩れを生じさせる。したがって、特許文献１に記載された技術では、電磁力のバランスの崩れを十分に抑制することができていない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、いずれかのコイルブロックにクエンチが発生したとしても、コイルブロック相互間に働く電磁力のバランスの崩れを十分に抑制することができる超電導マグネットを提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

上記目的を達成するために本発明は、超電導線材を巻回してなる複数のコイルブロックと、当該コイルブロックを保護するための保護素子と、を備えた超電導マグネットにおいて、前記複数のコイルブロックは、相互に同数の分割コイルとなるように層単位で分割され、前記分割された分割コイルのうち、同じ層部分のコイルどうしが直列に接続され、前記直列に接続されてなる複数の同層コイル組が相互に直列に接続され、前記同層コイル組ごとに前記保護素子が並列に接続されていることを特徴とする超電導マグネットを提供する。

この構成によると、コイルブロックの局所部分で発生したクエンチは、そのコイルブロック内を伝播するよりも早く他のコイルブロックに伝播する。これにより、コイルブロックごとのクエンチ発生の時間差を従来よりも極めて小さく抑えることが可能となる。したがって、いずれかのコイルブロックにクエンチが発生したとしても、コイルブロック相互間に働く電磁力のバランスの崩れを十分に抑制することができる。

また本発明において、前記複数のコイルブロックが当該コイルブロックの軸方向に沿って非対称に配置されている場合に効果が顕著である。ここで、複数のコイルブロックが非対称に配置されている場合、コイルブロックがクエンチしたときの電磁力のアンバランスは、対称配置されたコイルブロックに比して大きくなる。しかしながら、本発明によると、複数のコイルブロックが非対称に配置されている場合であっても、クエンチ発生時のコイルブロック相互間に働く電磁力のバランスの崩れを十分に抑制することができる。すなわち、複数のコイルブロックが非対称に配置されてなる超電導マグネットにおいて、電磁力のバランスの崩れを抑制できるという本発明の抑制効果が顕著に発揮される。

また本発明は、その第２の態様によれば、本発明の超電導マグネットを備えていることを特徴とするマグネット装置を提供する。この構成によると、超電導マグネットを構成するいずれかのコイルブロックにクエンチが発生したとしても、コイルブロック相互間に働く電磁力のバランスの崩れが十分に抑制されるので、アンバランスな電磁力が発生することのないマグネット装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しつつ説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る超電導マグネット２およびそれを備えたマグネット装置１を示す模式断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ´部分拡大図である。図３は、図１に示す超電導マグネット２の電気回路図である。

（超電導マグネットおよびそれを備えたマグネット装置の構成）
図１に示すように、マグネット装置１は、超電導マグネット２と、超電導マグネット２が収容された液体ヘリウム容器１５と、液体ヘリウム容器１５の両端に設けられた支持構造部材１４と、液体ヘリウム容器１５の外側に設けられた輻射シールド１６と、輻射シールド１６の外側に設けられた断熱真空容器１７とを有している。液体ヘリウム容器１５には液体ヘリウムが入れられている。支持構造部材１４は、液体ヘリウム容器１５を介して超電導マグネット２を支持するための部材である。

超電導マグネット２は、筒状のメインコイル３と、メインコイル３の径方向外側に配置される筒状のシールドコイル４と、電気回路（図３参照）とからなる。図３に示した電気回路は、メインコイル３およびシールドコイル４に電流を流すとともに、これらコイル３・４をクエンチなどから保護するための回路（保護回路）である。

メインコイル３は、一列に配置された５つのコイルブロック５〜９と、コイルブロック５〜９が外周に取り付けられた筒状の巻枠体１２とを有している。巻枠体１２はアルミニウム材またはステンレス材などの非磁性材料からなる（後述する他の巻枠体も同様）。コイルブロック５〜９は、いずれも超電導線材がソレノイド状に巻かれてなるものであり、この超電導線材は、ニオブ・チタン（ＮｂＴｉ）合金系の極細多芯線を銅母材に埋め込んだものである（後述する他のコイルブロックも同様）。また、コイルブロック５〜９は、当該コイルブロックの軸方向Ｚ（メインコイル３の軸方向Ｚ）において、メインコイル３の中心に対して対称となるように配置されている。さらに、コイルブロック５〜９は、正磁場コイルブロック５・７・９と、逆磁場コイルブロック６・８とからなる。ここで、正磁場コイルブロックとは、正磁場を発生させるコイルブロックのことをいい、正磁場とは、ある所定の方向に向かう磁場のことをいう。これに対し、逆磁場コイルブロックとは、逆磁場を発生させるコイルブロックのことをいい、逆磁場とは、正磁場の磁場方向に対して反対方向に向かう磁場のことをいう。

シールドコイル４は、一列に配置された２つの逆磁場コイルブロック１０・１１と、逆磁場コイルブロック１０・１１が外周に取り付けられた筒状の巻枠体１３とを有している。また、逆磁場コイルブロック１０・１１は、軸方向Ｚにおいて、シールドコイル４の中心に対して対称となるように配置されている。また、シールドコイル４とメインコイル３とは同心に配置されている。シールドコイル４は、メインコイル３の発生させる磁場方向に対して逆方向の磁場を発生させるコイルであり、マグネットの外側への漏れ磁場を少なくするためのものである。

次に、図２にコイルブロック５の部分拡大図を示したように、コイルブロック５は、最内層部分の分割コイル５Ａ、中層部分の分割コイル５Ｂ、および最外層部分の分割コイル５Ｃというように、３つのコイルに分割され、巻き線の途中からそれぞれ超電導線材２１が引き出されている。また、分割コイル５Ａ〜５Ｃは、いずれも、巻枠体１２の巻溝１２ａに対してソレノイド状に巻かれてなる４層の超電導線材２１である。すなわち、コイルブロック５は層ごとに３つの分割コイルに等分割されている。また、超電導線材２１の層間にはガラスクロス２２が挟みこまれている。さらに、各コイルブロック６〜１１も、コイルブロック５と同様に、すべて３つのコイルに分割され、かつ、すべて等分割されている（図示省略）。

なお、本実施形態においては、各コイルブロック５〜１１がそれぞれ３つのコイルに分割された例を示しているが、分割数は３つに限られるものではなく、４つ以上に分割されていてもよい（２つに分割されていてもよい）。各コイルブロック同士の間で分割数が同数であればよい。また、コイルブロック５を構成する分割コイル５Ａ〜５Ｃは、いずれも４層のコイルであるが、最内層部分・中層部分・最外層部分で分割コイルごとに層数を変えてもよい。この場合、各コイルブロック５〜１１の分割比率が相互に等しいことが望ましい（本実施形態の場合は、各コイルブロック５〜１１はそれぞれにおいて層ごとに等分割されることで分割比率が相互に等しくされている）。

図３には、超電導マグネット２の電気回路を示している。図３に示したコイル５Ａ〜５Ｃは、コイルブロック５を構成する分割コイル５Ａ〜５Ｃであり、コイル６Ａ〜６Ｃは、コイルブロック６を構成する分割コイル６Ａ〜６Ｃである。コイル７Ａ〜７Ｃ、・・・、コイル１１Ａ〜１１Ｃも同様である。

図３に示すように、コイルブロック５の最内層部分の分割コイル５Ａはコイルブロック６の最内層部分の分割コイル６Ａに接続され、コイルブロック５の中層部分の分割コイル５Ｂはコイルブロック６の中層部分の分割コイル６Ｂに接続される、というように、分割コイル５Ａ〜１１Ｃのうち、同じ層部分の分割コイル同士が直列に接続されている。そして、同じ層部分のコイル同士が直列に接続されて、３つの同層コイル対２５Ａ〜２５Ｃが形成されている。さらに３つの同層コイル対２５Ａ〜２５Ｃが相互に直列に接続されている。また、各コイル対２５Ａ〜２５Ｃの両端には、それぞれ保護ダイオード２３Ａ〜２３Ｃが並列に接続されている。そして、直列に接続された３つの同層コイル対２５Ａ〜２５Ｃの両端には直流電源２４が接続され閉回路が形成されている。なお、保護ダイオード２３Ａ〜２３Ｃの代わりに保護抵抗を用いてもよい。直流電源２４ではなく交流電源でもよい。

（超電導マグネットおよびそれを備えたマグネット装置の動作）
励磁され定常状態となった超電導マグネット２においては、その電気回路内を流れる電流は、直流電源２４から分割コイル５Ａ〜１１Ｃへ流れ直流電源２４へと戻る。この定常状態において、例えばコイルブロック５の最内層部分の分割コイル５Ａにクエンチが発生した場合、分割コイル５Ａを流れる電流が急激に減少するとともに、発生したクエンチはまず他のコイルブロックの最内層部分の分割コイル６Ａ、・・・１１Ａに伝播していく。一方、直流電源２４から同層コイル対２５Ａへ流れていた電流は保護ダイオード２３Ａを通り、分割コイル５Ｂ〜１１Ｃへ流れ直流電源２４へと戻る。同様に、例えばコイルブロック５の中層部分の分割コイル５Ｂにクエンチが発生した場合、分割コイル５Ｂを流れる電流が急激に減少するとともに、発生したクエンチはまず他のコイルブロックの中層部分の分割コイル６Ｂ、・・・１１Ｂに伝播していく。一方、直流電源２４から同層コイル対２５Ｂへ流れていた電流は保護ダイオード２３Ｂを通り、分割コイル５Ｃ〜１１Ｃへ流れ直流電源２４へと戻る。

このように、コイルブロックの局所部分で発生したクエンチは、そのコイルブロック内を伝播するよりも早く他のコイルブロックに伝播することになる。これにより、コイルブロックごとのクエンチ発生の時間差を従来よりも極めて小さく抑えることが可能となる。したがって、いずれかのコイルブロック５〜１１の局所部分にクエンチが発生したとすると、まず、他のコイルブロックの対応する層部分（同じ層部分）にクエンチが伝播するので、コイルブロック相互間に働く電磁力のバランスの崩れを十分に抑制することができる。

また、本実施形態においては、各コイルブロック５〜１１はそれぞれにおいて等分割されることで分割比率が相互に等しくされているので、コイルブロック相互間に働く電磁力のバランスの崩れをより抑制することができている。

また、メインコイル３とシールドコイル４とのクエンチのタイミングのずれを従来よりも極めて小さく抑えることができるので、クエンチが発生したとしても漏れ磁場が大きくなることを抑えることができる。すなわち、クエンチが発生したとしても定常運転状態の漏れ磁場が大きく拡大することはない。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る超電導マグネット３２およびそれを備えたマグネット装置１０１を示す模式断面図である。図４に示すように、本実施形態と第１実施形態との違いは、本実施形態の超電導マグネット３２を構成するメインコイル３３およびシールドコイル３４のコイルブロックが、軸方向Ｚに沿って非対称に配置されている点である。すなわち、本実施形態と第１実施形態とではコイルブロックの配置が異なるのみであり、各コイルブロック３５〜４１が、それぞれ層ごとに３つのコイルに分割され、同じ層部分の分割コイルどうしが直列に接続されているなどの構成は、第１実施形態と同じである。

磁場中心がメインコイル３３の片側端部に形成されるように、または磁場勾配がつくように、メインコイル３３の５つのコイルブロック３５〜３９は、メインコイル３３の（コイルブロックの）軸方向Ｚに沿って非対称に配置されている。換言すれば、コイルブロック３５〜３９は、メインコイル３３の軸方向Ｚにおいて、メインコイル３３の中心に対して非対称となるように配置されている。コイルブロックの非対称な配置をさらに説明すると、例えば、巻枠体４２の一方の端部に取り付けられたコイルブロック３５の巻数は、巻枠体４２の他方の端部に取り付けられたコイルブロック３９の巻数よりも多い（コイルブロック３５はコイルブロック３９よりも強い磁場を発生させる）。また、コイルブロック３５とコイルブロック３９とでは、コイルブロックの外径および厚さが異なる。このように、メインコイル３３の中心に対して軸方向Ｚにおいてコイルブロック配置が非対称となるように、コイルブロックは配置されている。

メインコイル３３と同様に、シールドコイル３４も軸方向Ｚに沿って非対称に配置されている。巻枠体４３の外周に巻回されてなる２つのコイルブロック４０・４１は、コイルブロックの軸方向Ｚに沿って非対称に配置されている。コイルブロック４０はコイルブロック４１よりも強い磁場を発生させる。コイルブロック３５・３７・３８は正磁場コイルブロックであり、コイルブロック３６・３９〜４１は逆磁場コイルブロックである。

本実施形態の超電導マグネット３２のような非対称配置されたコイルブロックの場合には、図４に示すように、コイルブロック相互の間隔が狭く、第１実施形態で示したような対称配置されたコイルブロックに比してコイルブロック間に大きな電磁力が働く。したがって、いずれかのコイルブロックがクエンチしたときの力のアンバランスは、対称配置されたコイルブロックに比して極端に大きくなり、支持構造部材１４や巻枠体４２などの構造材の強度を上まわってしまう場合がある。

しかしながら、本実施形態によると、クエンチ発生時のコイルブロック相互間に働く電磁力のアンバランスを十分に抑制することができるので、支持構造部材１４や巻枠体４２などの構造材を十分に保護することができる。すなわち、本実施形態によると電磁力のバランスの崩れを抑制できるという本発明の抑制効果が顕著に発揮される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。

例えば、上記実施形態では、液体ヘリウムを用いた形式のマグネット装置を示したが、液体ヘリウムを用いずに冷凍機のみで超電導マグネットを冷却し運転する無冷媒型のマグネット装置に対しても本発明を適用することができる。

本発明の第１実施形態に係る超電導マグネットおよびそれを備えたマグネット装置を示す模式断面図である。 図１のＡ−Ａ´部分拡大図である。 図１に示す超電導マグネットの電気回路図である。 本発明の第２実施形態に係る超電導マグネットおよびそれを備えたマグネット装置を示す模式断面図である。

符号の説明

１：マグネット装置
２：超電導マグネット
５，７，９：正磁場コイルブロック
６，８，１０，１１：逆磁場コイルブロック
１５：液体ヘリウム容器
１６：輻射シールド
１７：断熱真空容器
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ：分割コイル
２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ：保護ダイオード（保護素子）
２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ：同層コイル組

Claims (3)

1. 超電導線材を巻回してなる複数のコイルブロックと、当該コイルブロックを保護するための一方向にのみ電流を流すことを許容する保護素子と、を備えた超電導マグネットにおいて、
   前記複数のコイルブロックは、相互に同数の分割コイルとなるように層単位で分割され、
   前記分割された分割コイルのうち、同じ層部分のコイルどうしが直列に接続され、
   前記直列に接続されてなる複数の同層コイル組が相互に直列に接続され、
   前記同層コイル組ごとに前記保護素子が並列に接続されており、
   複数の前記保護素子は、同方向に電流を流す向きで配置され、
   前記保護素子が配置された、前記同層コイル組ごとに並列とされた経路では、一方向のみに電流が流れるようにされていることを特徴とする、超電導マグネット。
2. 請求項１に記載の超電導マグネットにおいて、
   前記複数のコイルブロックが当該コイルブロックの軸方向に沿って非対称に配置されていることを特徴とする、超電導マグネット。
3. 請求項１又は２に記載の超電導マグネットを備えたマグネット装置。

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