JP6120993B2 - 超電導磁石、ｍｒｉおよびｎｍｒ - Google Patents

Description

超電導磁石、ＭＲＩおよびＮＭＲに関する。

ＭＲＩやＮＭＲなど、強力でかつ安定的な磁場を必要とする場合、超電導コイルと永久電流スイッチにて超電導閉回路を形成し、この閉回路にほぼ減衰しない電流を通電することで、所望の磁場を得ている。

永久電流スイッチには電流パスとして超電導体が用いられており、一般的にヒータで超電導体を温めることでスイッチとしての切り替えを行う。超電導体は，その臨界温度以下に冷却されることで抵抗がゼロ（ＯＮ状態）となるが，臨界温度以上に温めると常電導体となり抵抗が発生する（ＯＦＦ状態）。

超電導磁石の励磁時には，永久電流スイッチをＯＦＦ状態とし，励磁電源から供給する電流のほとんどを超電導磁石に通電させる。永久電流スイッチの切り替えを早くする，またはその間の冷媒蒸発量を抑制するためには，ＯＮ状態の永久電流スイッチの温度と臨界温度との温度差はなるべく小さいほうがよい。一方，ＯＮ状態の永久電流スイッチの温度設定が超電導体の臨界温度に近いと，永久電流スイッチに外部じょう乱が印加された際に，超電導体の温度が臨界温度に近づきクエンチしやすくなるため，永久電流スイッチの安定性が低くなる。

NbTiなどの低温超電導体は液体ヘリウムによる冷却が一般的であるため，低温超電導体を用いた永久電流スイッチでは，ＯＮ状態の温度は液体ヘリウム温度（約４Ｋ）とし，ＯＦＦ状態の温度は臨界温度付近（約９Ｋ）である。この場合，ヒータによる加熱で永久電流スイッチの超電導体を約５Ｋ上昇させることになる。

近年の高温超電導体の開発により超電導体の臨界温度は上昇した。例えば臨界温度が９０Ｋである高温超電導体を用いた永久電流スイッチを，液体ヘリウム中で使用する場合，４Ｋから９０Ｋまで永久電流スイッチの温度を上昇させる必要がある。このような高温超電導体を用いた永久電流スイッチでは、低温超電導体を用いた永久電流スイッチと比べ、上昇させるべき温度差が大きく、スイッチ構成材料の比熱が一桁以上大きくなるため、効率の良い加熱方法が必要となる。

例えば特許文献１には、高温超電導膜を用いた永久電流スイッチが示されており，高温超電導体にＹＢＣＯなどが挙げられている。

特開２００３−１４２７４４号公報

しかし、上記特許文献１の永久電流スイッチは、超電導膜とヒータの間に強度を保つのに十分な厚さの絶縁物基板を有しているため，永久電流スイッチ全体での熱容量が大きいという課題がある。

本発明の目的は、永久電流スイッチの構成簡素化と熱容量低減により、加熱効率が高い永久電流スイッチを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る超電導磁石は、超電導コイルと、永久電流スイッチと、交流電源、パルス電源または充放電回路を有し、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとからなるループ回路に対し、前記永久電流スイッチと並列となるよう、前記交流電源、パルス電源または充放電回路が接続されている。

本発明によれば、加熱効率良く永久電流スイッチを切り替えることが可能となる。

実施例１における超電導磁石の概略構成 実施例１における超電導磁線の断面略図 実施例１におけるＭＲＩの概略構成 実施例２における超電導磁石の概略構成 実施例３における超電導磁石の概略構成 実施例４における超電導磁石の概略構成

以下、本発明の実施の形態を図示する実施例を用いて説明する。

図１に、各形態例に共通する超電導磁石１００の概略構成を示す。超電導コイル２、永久電流スイッチ３、クエンチ検出器４、保護回路５を並列に接続する。超電導コイル２は、超電導線を巻き線して作製したコイルであり、冷凍容器に格納され、冷媒や冷凍機を用い超電導線の臨界温度以下まで冷却される。永久電流スイッチ３も超電導線で構成されるが、インダクタンス成分が小さくなるよう、例えば無誘導巻きの形状に構成されており、インダクタンス成分は内部インダクタンスのみに抑制される。永久電流スイッチ３は、ＯＮ状態では臨界温度未満の温度まで冷却され、ＯＦＦ状態では臨界温度以上の温度へと加熱され抵抗が発生する。クエンチ検出器４は、超電導コイルの一部が常伝導化する際のクエンチ信号を検出する装置である。クエンチ信号を検出後、図示しない電源や保護回路５などに制御信号を送り、超電導コイル２の保護動作を開始させる。保護回路５は電流を減衰させるための保護抵抗や、超電導コイル２と熱的に接続したヒータを有するクエンチバック回路などから選択される。

従来の永久電流スイッチでは、スイッチ内の超電導線を加熱するために、ヒータ線が内蔵されており、そのヒータ線に通電することで発熱させ、超電導線の加熱を行っていた。本発明では、交流電源１を永久電流スイッチ３に接続し、永久電流スイッチ３の超電導線６に直接通電し加熱を行う。本発明の永久電流スイッチ３では、ヒータ線が不要であり、構造が簡易になる点が優位である。

なお、ここではクエンチ検出器４と保護回路５を別の部材として説明したが、クエンチ検出器４を保護回路５内に有する構成としても良い。

図２に、永久電流スイッチ３を構成する超電導線６の断面略図を示す。超電導線６は、超電導フィラメント７と、常伝導部８と、シース２０で構成する。超電導線６の内周部を常伝導部８で構成し、常伝導部８を覆う外周部をシース２０で構成する。超電導フィラメント７は内周部の常伝導部８に囲まれるよう配置され、シース２０には配置されない。一般的に交流電流は表皮効果により線の外周部に集中的に流れるため、超電導線６の外周部のシース２０に集中的に通電し、ジュール熱を発生、超電導線６を加熱することが可能となる。表皮効果の式は、表皮深さd、交流電流の周波数f、シース２０を構成する材料の抵抗率ρ、シース２０の透磁率μを用いて、d = √(ρ/πfμ) で表わされる。よって、通電したい部分に応じて、交流電流の周波数を選択すればよい。シース２０に効率的に電流が流れるようにするためには、シース２０の厚さをｔとしたとき、t/2 < dの関係を満たすようにすれば良い。さらに、電流の極性を単極にすると、保護回路５への制約条件、例えばダイオードの極性など、を緩めることが可能となる。

さらに、交流電流が超電導フィラメント７を流れると、交流損失と呼ばれる熱が発生し超電導線６の加熱に供される。また、常伝導部８のみに交流電流を通電した場合でも、超電導フィラメント７に交流磁界が印加され、交流損失が発生し、加熱要因とできる。図２では、断面形状が円形となる丸線の場合のみ示したが、角線やテープ線へも同様に適用できる。

図３に、本発明を用いたＭＲＩ２００の概略構成を示す。永久電流スイッチ３は、超電導コイル２と共に、冷凍容器９に格納され、冷媒または冷凍機で冷却される。永久電流スイッチ３と超電導コイル２に流れる永久電流は、測定対象１０の位置に、時間安定性の高い静磁場を発生させる。この静磁場強度が高いほど、核磁気共鳴周波数が高くなり、核磁気共鳴信号強度も高くなる。傾斜磁場コイル１１は、傾斜磁場用アンプ１２から必要に応じて時間変化する電流を供給され，測定対象１０の位置に空間的に分布を持つ静磁場を発生させる。さらに、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）アンテナ１３とＲＦ送受信機１４を用いて測定対象に核磁気共鳴周波数の磁場を印加、反応信号を測定することで、測定対象１０の断面画像診断が可能となる。同じ構成を用いてＮＭＲも実現可能である。

以下に示す実施例では、実施例１との相違点のみを説明する。

図４に、実施例１に記載した保護回路５の例として、保護回路抵抗成分１５と保護回路インダクタンス成分１６の直列回路を用いた場合の、超電導磁石１００の概略構成を示す。永久電流スイッチ３のインダクタンスはゼロではないため、保護回路インダクタンス成分１６が無い場合、交流電源１から供給される交流電流が主に保護回路５に流れる。そのため、保護回路インダクタンス成分１６を永久電流スイッチ３のインダクタンス成分より大きくすることで、永久電流スイッチ３に流れる交流電流を増やし、加熱効率を高めることが可能となる。ただし、保護回路インダクタンス成分１６を増やすと、超電導コイル２と永久電流スイッチ３からなる超電導ループに流れていた直流電流を保護回路５に転流させる際の時定数が長くなるため、適切な大きさに設計する必要がある。

図５に、実施例１に記載した交流電源１の代わりに、パルス電源１７を用いた場合の超電導磁石１００の概略構成を示す。パルス電源１７を用いて矩形波電流を通電する場合、矩形波をフーリエ級数展開した際の基本周波数をf’として、t/2 < √(ρ/πf’μ)を満たすような矩形波とすると、通電範囲をシース２０に集中させることが可能となる。

図６に、実施例１に記載した交流電源１の代わりに、充放電回路１８を用いた場合の超電導磁石１００の概略構成を示す。コンデンサに充電したエネルギーを永久電流スイッチ３に放電することで、パルス電源と同じように永久電流スイッチ３を加熱することが可能となる。コンデンサを複数用意し、順次放電することで、所望のエネルギーを蓄えることが可能となる。さらに、コンデンサを冷凍容器９の中に配置すると、外部電源からコンデンサに充電するための電流リードは、充電後取り外すことが可能となり、このぶんの冷凍容器９内部への熱進入を抑制することが可能となる。放電によりシース２０に流す電流波形については、実施例３に示した矩形波電流と同様、電流波形をフーリエ級数展開した際の基本周波数をf’として、t/2 < √(ρ/πf’μ)を満たすような電流波形とすると、通電範囲をシース２０に集中させることが可能となる。

１…交流電源、２…超電導コイル、３…永久電流スイッチ、４…クエンチ検出器、５…保護回路、６…超電導線、７…超電導フィラメント、８…常伝導部、９…冷凍容器、１０…測定対象、１１…傾斜磁場コイル、１２…傾斜磁場用アンプ、１３…ＲＦアンテナ、１４…ＲＦ送受信機、１５…保護回路抵抗成分、１６…保護回路インダクタンス成分、１７…パルス電源、１８…充放電回路、１９…クエンチバック回路、２０…シース、１００…超電導磁石、２００…ＭＲＩまたはＮＭＲ

Claims (10)

1. 超電導コイルと、永久電流スイッチと、交流電源を有する超電導磁石であって、
   前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとからなるループ回路に対し、前記永久電流スイッチと並列となるよう、前記交流電源が接続され、
   前記永久電流スイッチは超電導線で構成され、
   前記超電導線の内周部に常伝導部及び超電導フィラメントを配置し、前記超電導線の外周部にシースを配置し、
   前記交流電流の周波数ｆ、前記シースの厚さｔ、前記シースの材料の抵抗率ρ、前記シースの透磁率μに対し、
   ｔ／２＜√（ρ／πｆμ）
   が成り立つことを特徴とする超電導磁石。
2. 請求項１に記載の超電導磁石において、
   交流電流は前記超電導線の外周部に集中的に流れることを特徴とする超電導磁石。
3. 請求項２に記載の超電導磁石において、
   前記超電導線の外周部のシースに集中的に通電し、ジュール熱を発生し、前記超電導線を加熱することを特徴とする超電導磁石。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の超電導磁石において、
   前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとからなるループ回路に対し、保護回路を並列に接続した超電導磁石。
5. 請求項４に記載の超電導磁石において、
   前記保護回路が有するインダクタンスが、永久電流スイッチが有するインダクタンスよりも大きいことを特徴とする超電導磁石。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の超電導磁石において、
   前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとからなるループ回路に対し、クエンチ検出器を並列に接続した超電導磁石。
7. 超電導コイルと、永久電流スイッチと、パルス電源または充放電回路を有する超電導磁石であって、
   超電導コイルと永久電流スイッチとからなるループ回路に対し、永久電流スイッチと並列となるよう、パルス電源または充放電回路が接続され、
   前記永久電流スイッチは超電導線で構成され、
   前記超電導線の内周部に常伝導部及び超電導フィラメントを配置し、前記超電導線の外周部にシースを配置し、
   前記パルス電源または充放電回路により通電する電流波形をフーリエ級数展開した際の基本周波数ｆ’、前記シースの厚さｔ、前記シースの材料の抵抗率ρ、前記シースの透磁率μに対し、
   ｔ／２＜√（ρ／πｆ’ μ）
   が成り立つことを特徴とする超電導磁石。
8. 請求項７に記載の超電導磁石において、
   前記パルス電源または充放電回路からの電流は前記超電導線の外周部に集中的に流れることを特徴とする超電導磁石。
9. 請求項８に記載の超電導磁石において、
   前記超電導線の外周部のシースに集中的に通電し、ジュール熱を発生し、前記超電導線を加熱することを特徴とする超電導磁石。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の超電導磁石を用いたことを特徴とするＭＲＩまたはＮＭＲ。

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