JP6127799B2

JP6127799B2 - 超電導コイルの駆動システム

Info

Publication number: JP6127799B2
Application number: JP2013152782A
Authority: JP
Inventors: 彰一横山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2033-07-23
Also published as: JP2015020027A

Description

この発明は、ＭＲＩ（ＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＩｍａｇｉｎｇ：核磁気共鳴画像法）などに用いられる超電導マグネットの超電導コイルの駆動システムに関するものである。

従来の超電導コイルの駆動システムにおいては、超電導コイルの電流をゼロから所定の電流値まで制御して励磁するための主電源と、励磁後の磁場の時間的安定性を制御するための補助電源とが超電導コイルに接続されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−０２０２６６号（４〜５頁、図１）

従来の超電導コイルの駆動システムにおいては、超電導コイルを励磁した後も主電源から超電導コイルに通電を継続する必要があり、安定磁界発生状態であっても常に主電源を動作させる必要がある。そのため、装置が大型となり、高電流を発生するように設計された主電源に付随する冷却水などの付帯設備を常に動作させる必要があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、主電源で超電導コイルを励磁した後は、主電源を停止させても安定して磁界を発生させることができる超電導コイルの駆動システムを得ることを目的とする。

この発明に係る超電導コイルの駆動システムにおいては、高温超電導線材で構成された超電導コイルと、この超電導コイルに接続された励磁用の主電源と、この主電源に直列または並列に接続され、前記主電源によって前記超電導コイルが励磁された後に前記主電源に替わって前記超電導コイルの磁界を一定に保つように前記超電導コイルに電流を流す電流保持用電源とを備え、前記超電導コイルを励磁するときに前記主電源が起動され、前記超電導コイルを流れる電流が所定の値に達した後に前記電流保持用電源が起動され、前記電流保持用電源が超電導コイルの磁界を一定に保つように前記超電導コイルに前記所定の電流を流し始め後に、前記主電源が前記超電導コイルから電気的に切り離されるものである。

この発明は、主電源によって超電導コイルが励磁された後に主電源に替わって超電導コイルの磁界を一定に保つように超電導コイルに電流を流す電流保持用電源を備えており、この電流保持用電源を主電源に直列または並列に接続しているので、主電源で超電導コイルを励磁した後は、主電源を停止させても安定して磁界を発生させることができる。

この発明の実施の形態１における超電導コイルの駆動システムの模式図である。この発明の実施の形態１における超電導コイルの駆動システムの模式図である。この発明の実施の形態２における超電導コイルの駆動システムの模式図である。この発明の実施の形態３における超電導コイルの駆動システムの模式図である。この発明の実施の形態４における超電導コイルの駆動システムの模式図である。この発明の実施の形態５におけるイメージング装置の模式図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における超電導コイルの駆動システムの模式図である。超電導コイル３ａおよび３ｂは直列に接続されており、これらの超電導コイルは、極低温に保持するために断熱容器４の内部に設置されている。超電導コイル３ａ、３ｂには主電源１が接続されており、主電源１と超電導コイル３ａ、３ｂとの間には断路スイッチ５ａ、５ｂおよび接続端子７ａ、７ｂとが設置されている。接続端子７ａ、７ｂはともに断路スイッチ５ａ、５ｂよりも超電導コイル側に設置されている。さらに、接続端子７ａ、７ｂよりも超電導コイル側に主電源１と電気的に並列に電流保持用電源１０および接続スイッチ１２が設置されている。電流保持用電源１０には駆動用のバッテリー１８が接続されている。なお、断熱容器４と、この断熱容器４の内部に設置された超電導コイル３ａ、３ｂとを合わせて超電導マグネットとも呼ぶ。

超電導コイル３ａ、３ｂは、高温超電導線材をコイル状に巻線したものである。高温超電導線材の材質としては、例えばイットリウム系超電導材などを用いることができる。

次に本実施の形態における超電導コイルの駆動システムの動作について説明する。本実施の形態の図１に示すような超電導コイルの駆動システムにおいては、超電導コイル３ａ、３ｂの総インダクタンスＬ（Ｈ）は比較的大きく、超電導コイル３ａ、３ｂに流す電流をゼロ（Ａ）から所定の電流値Ｉｏｐ（Ａ）まで上昇させて励磁するためには、主電源１の必要発生電圧Ｖｈ（Ｖ）は、次の１式から算出される。

ここで、ｔは励磁時間（秒）、ｉは通電電流（Ａ）、Ｒは回路抵抗（Ω）である。例えば、Ｌ＝２００Ｈ、Ｉｏｐ＝２００Ａ、ｔ＝３６００秒（１時間）とすると、インダクタンス分（１式の第１項）だけでＶｈは約１１Ｖとなり、主電源としては、出力が３，０００ＶＡ程度の大型直流電源が必要となる。

所定の電流値Ｉｏｐまで上昇させた後は、例えばＭＲＩとしてこの超電導コイルを利用するためには、安定度の高い磁界が必要となる。このとき、ｄｉ／ｄｔはほぼゼロとなるため、１式からわかるように出力電圧ＶｈはｉＲの成分のみとなり、この値は通常１Ｖ以下である。

本実施の形態において、超電導コイル３ａ、３ｂを励磁する場合は、断路スイッチ５ａ、５ｂを閉じ、接続スイッチ１２を開けた状態で主電源１を起動させる。主電源１を動作させて超電導コイル３ａ、３ｂに流す電流をゼロ（Ａ）から所定の電流値Ｉｏｐ（Ａ）まで上昇させた状態で、電流保持用電源１０の動作を開始し所定の電流値Ｉｏｐになるように動作させ、接続スイッチ１２を閉じる。その後主電源１の出力電流を減少させ、主電源１の出力電流が電流保持用電源１０の出力電流以下となり、超電導コイル３ａ、３ｂには主に電流保持用電源１０から電流が流れる状態となる。最後に、主電源１の出力電流がゼロとなった状態で断路スイッチ５ａ、５ｂを開ける。

上述のように、超電導コイルの励磁に用いられる主電源１は電源出力として３，０００ＶＡ程度が必要であるが、電流保持用電源１０は、電圧１Ｖ以下で電流は約２００Ａであるので、必要な電源出力としては２００ＶＡ以下となる。本実施の形態のような構成により、磁界の安定動作状態では、主電源を停止させて主電源１の１５分の１程度の小容量の電流保持用電源１０のみで動作させることが可能となる。

従来のＮｂＴｉ超電導線材を用いた超電導コイルでは、磁界の高安定性が実現できる永久電流モードで運転されており、超電導コイルの両端は永久電流スイッチを用いて短絡されている。しかしながら、高温超電導線材を用いた超電導コイルでは、臨界温度が１００Ｋ程度と高いため臨界温度以上の温度に加熱して永久電流スイッチを動作する必要があり、高温超電導線を用いた永久電流スイッチの実現は困難である。したがって、高温超電導線材を用いた超電導コイルでは本実施の形態のように、接続抵抗などでの磁界減衰を常時補償するために、電流保持用電源を接続した状態での運転（アクティブ制御運転）が必須となる。

なお、電流保持用電源１０で、磁界の安定動作状態を長時間維持できる場合、接続端子７ａ、７ｂで主電源１を切り離すことができる。図２は、本実施の形態において、主電源１を接続端子７ａ、７ｂで切り離した状態を示したものである。磁界の安定動作状態においては、主電源を完全に切り離すことができるので、１つの主電源で複数の超電導コイルを励磁することが可能となる。

また、本実施の形態においては、電流保持用電源１０は容量が小さいため、バッテリー１８で駆動されているので、交流電源回路から入る恐れのあるノイズの影響もなく、超電導コイル３ａ、３ｂの磁界の安定性も向上する。

実施の形態２．
実施の形態１の超電導コイルの駆動システムにおいては、主電源１と電流保持用電源１０とは並列に接続されていたが、実施の形態２の超電導コイルの駆動システムにおいては、主電源１と電流保持用電源１０とが直列に接続されたものである。

図３は、この発明を実施するための本実施の形態における超電導コイルの駆動システムの模式図である。主電源１は、断路スイッチ５ａ、５ｂおよび接続端子７ａ、７ｂを介して超電導コイル３ａ、３ｂに接続されている。電流保持用電源１０は、一方の接続端子７ｂと超電導コイル３ｂとの間に主電源１と直列になるように設置されており、接続スイッチ１２は、接続端子７ａ、７ｂの間に主電源１と並列になるように接続されている。

次に動作について説明する。本実施の形態において、超電導コイル３ａ、３ｂを励磁する場合は、断路スイッチ５ａ、５ｂを閉じ、接続スイッチ１２を開けた状態で主電源１を起動させる。主電源１を動作させて超電導コイル３ａ、３ｂに流す電流をゼロ（Ａ）から所定の電流値Ｉｏｐ（Ａ）まで上昇させる。このとき電流保持用電源１０は主電源１に直列に接続さているので、電流保持用電源１０にも同じ電流が流れている。電流値Ｉｏｐを保持した状態で、接続スイッチ１２を閉じる。その後、電流保持用電源１０の動作を開始し所定の電流値を維持するように動作させ、主電源１の出力電流を減少させる。このとき、超電導コイル３ａ、３ｂには電流保持用電源１０から所定の電流値が保持されているので、主電源１の出力電流を減少させても超電導コイル３ａ、３ｂの電流値に影響を及ぼすことはない。最後に、主電源１の出力電流がゼロとなった状態で断路スイッチ５ａ、５ｂを開ける。

このように構成された超電導コイルの駆動システムにおいては、実施の形態１と同様に
磁界の安定動作状態では、主電源を停止させて主電源１の１５分の１程度の小容量の電流保持用電源１０のみで動作させることが可能となる。

また、本実施の形態においては、主電源１から電流保持用電源１０へ切り替えるときに、電流保持用電源は所定の電流値Ｉｏｐを保持した状態で起動できるため、主電源１と電流保持用電源１０の切り替え時に超電導コイル３ａ、３ｂの電流が変化することなくスムーズに切り替えができ、電流が安定するまでの時間を短縮できるという効果がある。

なお、電流保持用電源１０で、磁界の安定動作状態を長時間維持できる場合、接続端子７ａ、７ｂで主電源１を切り離すことができる。接続端子７ａ、７ｂで主電源１を切り離した構成は、実施の形態１の図２で示した構成と同じ構成となる。

実施の形態３．
図４は、この発明を実施するための実施の形態３における超電導コイルの駆動システムの模式図である。図４は、磁界の安定動作状態で主電源１を続端子７ａ、７ｂで切り離した構成を示している。

本実施の形態においては、電流保持用電源１０を駆動するためのバッテリー１８に制御スイッチ１９を介して充電器２０が接続されている。充電器２０は、例えば交流１００Ｖの一般商用電源で駆動される。

このように構成された超電導コイルの駆動システムにおいては、例えばＭＲＩとしてこの超電導コイルが利用されている場合、夜間などのＭＲＩが休止している間に制御スイッチ１９を自動的に閉じて充電器２０からバッテリー１８を充電することができる。また、ＭＲＩが動作しているときは、スイッチ１９でバッテリー１８と充電器２０を電気的に切り離しているので、一般商用電源からのノイズの影響を除くことができる。

実施の形態４．
図５は、この発明を実施するための実施の形態４における超電導コイルの駆動システムの模式図である。図５は、磁界の安定動作状態で主電源１を続端子７ａ、７ｂで切り離した構成を示している。

図５に示したように、本実施の形態の超電導コイルの駆動システムでは、超電導コイル３ａ、３ｂと直列に空芯超電導コイル２５を設置している。この空芯超電導コイル２５は、極低温に保持するために断熱容器２７の内部に設置されている。
この空芯超電導コイル２５は、超電導線内の磁化の影響を発生磁界に与えにくい、例えば２０μｍφ程度の極細フィラメントで構成されたＮｂＴｉ超電導線を用いたものである。空芯超電導コイル２５には、この空芯超電導コイル２５が発生する中心部の磁界を核磁気共鳴（ＮｕｃｌｅａｒＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ：ＮＭＲ）の原理を用いてＮＭＲ信号として検知するプローブ２３が設置されている。このプローブ２３は、電流保持用電源１０に接続されている。プローブ２３で検知された磁界は、電流保持用電源１０にフィードバックされる。電流保持用電源１０は、プローブ２３からフィードバックされた磁界の検出値に基づいて超電導コイル３ａ、３ｂを流れる電流値を制御する。

このように構成された超電導コイルの駆動システムでは、空芯超電導コイル２５とプローブ２３とによって超電導コイル３ａ、３ｂを流れる電流を高精度に計測できるので、電流保持用電源１０は所定の電流値を高精度に維持することができる。

空芯超電導コイル２５の中心磁界Ｂｏは、通常このコイルを流れる通電電流Ｉに比例するので、中心磁界Ｂｏを測定すれば通電電流Ｉが測定できる。

通常、通電電流の測定には、抵抗値が既知のシャント抵抗を接続し、このシャント抵抗の両端電圧を測定して電流値に換算するか、配線をクランプするホール素子型の電流計測器を用いるのが一般的である。前者は電流値や周囲環境温度によりシャント抵抗が微妙に変化するため測定精度は１０^−５レベルであり、後者のクランプ型もホール素子の感度からシャント抵抗同様に測定精度は１０^−５レベルである。

一方、本実施の形態の空芯超電導コイルを用いた磁界計測では１０^−７以下の測定精度が可能である。ただし、ＮＭＲ信号を精度よく測定するためには、１Ｔ以上の高磁界が必要となるため空芯超電導コイル２５として省エネルギの観点からも超電導コイルが必要となる。

この空芯超電導コイル２５は、高温超電導線材で構成された高温超電導コイルでも構成できる。しかし、高温超電導線材は超電導材料部分の有効直径が０．２〜１０ｍｍφと大きいため磁化が大きい。また、高温超電導線材の磁化は大きいだけでなく磁束クリープと言われる弱い磁束ピンニングに起因する磁化の経時変化が発生するため、この磁化が超電導コイルの空間磁界の値に影響し、また、磁化の経時変化は電流が一定であっても空間磁界を変化させる可能性がある。

そこで、空芯超電導コイル２５としてＮｂＴｉ超電導コイルを適用することが好ましい。ＮｂＴｉ超電導線は超電導材料部分の有効直径が０．１ｍｍφ以下の極細フィラメントで形成されているため、超電導線材の磁化が小さく、磁束ピンニングも比較的強いため磁束クリープも小さい。例えば、従来のＭＲＩ超電導マグネットに用いられるＮｂＴｉ超電導コイルの磁界安定性は０．０１ｐｐｍ/ｈｒ以下と非常に小さい。空芯超電導コイル２５として、超電導コイル３ａ、３ｂの１／５程度の小型超電導コイルを用いるとして、フィラメント径を０．０２ｍｍφ（２０μｍφ）以下にすれば、磁化の影響がほとんどない空芯超電導コイル２５が得られる。

実施の形態５．
図６は、実施の形態５におけるイメージング装置を示す模式図である。図６において、超電導マグネット２は、実施の形態１と同様に、断熱容器と、この断熱容器の内部に設置された超電導コイルとで構成されている。超電導マグネット２を構成する超電導コイルには、実施の形態１と同様に電流保持用電源１０が接続されている。超電導マグネット２の中心の空間には、例えば被験者（患者）などの被検知体４２が配置される。このイメージング装置は、被検知体４２の断面画像などを取得する機能を有する。

超電導マグネット２の中心の空間には、画像取得のためのＮＭＲ信号を発受信するためのアンテナコイル（ＲＦコイル）４１と、ＮＭＲ信号の位置情報を三次元で与えるための傾斜磁界発生コイル（Ｇコイル）４５が設置されている。ＲＦコイル４１およびＧコイル４５は、ＲＦ制御部３１およびＧＣ制御部３５にそれぞれ接続されている。ＲＦ制御部３１、ＧＣ制御部３５および電流保持用電源１０はシーケンサ３３を介して画像処理部３７に接続されている。

本実施の形態のイメージング装置においては、ＧＣ制御部３５からＧコイル４５には傾斜磁界を発生させる信号が送られ、Gコイル４５は、ＮＭＲ信号の位置情報を三次元で与えるための傾斜磁界を間欠的に発生する。また、ＲＦ制御部３１からＮＭＲ信号の周波数を含んだ信号がＲＦコイル４１を介して被検知体４２に発信され、被検知体４２から共鳴して出てくる位置情報および画像情報に関連したＮＭＲ信号を再びＲＦコイル４１にて受信する。

Ｇコイルが傾斜磁界を発生していない状態、すなわち超電導マグネット２のみが動作している状態では、超電導マグネット２のみで磁界が作られるが、このときのＮＭＲ信号の周波数を基本周波数と呼ぶ。この基本周波数をＲＦコイル４１が検知し、この検知された基本周波数が電流保持用電源１０にフィードバックされて超電導マグネット３を構成する超電導コイルに流れる電流が制御される。Ｇコイル４５が傾斜磁界を発生している状態ではＲＦコイル４１が基本周波数を検知できないため、基本周波数を電流保持用電源１０にフィードバックできないが、この場合Ｇコイル４５は間欠的に動作しているので、Ｇコイル４５が傾斜磁界を発生していない期間の基本周波数を用いてＧコイル４５が傾斜磁界を発生している期間を補間してフィードバック制御が行なわれる。

このように制御されるイメージング装置においては、超電導マグネット２の磁界の微少な変化、すなわち基本周波数の微小な変化を高精度測定し、電流保持用電源１０にフィードバックして制御しているため、画像情報を取得中でも安定した磁界を得ることができる。

とくに、実施の形態４でも述べたように、高温超電導コイルは線材の磁化の経時変化によって空間磁界が変化する可能性がある。本実施の形態においては、超電導マグネットが高温超電導コイルで構成されている場合でも、超電導マグネットが作る磁界による基本周波数をＮＭＲ信号で検知し、この基本周波数を電流保持用電源１０にフィードバックしているので、磁束クリープなどの微少な変化をも制御して超電導マグネットが作る磁界を安定に制御できるという効果がある。

１主電源、２超電導マグネット、３ａ、３ｂ超電導コイル、４断熱容器、５ａ、５ｂ断路スイッチ、７ａ、７ｂ接続端子、１０電流保持用電源、１２接続スイッチ、１８バッテリー、１９制御スイッチ、２０充電器、２３プローブ、２５空芯超電導コイル、２７断熱容器２７、３１ＲＦ制御部、３３シーケンサ、３５ＧＣ制御部、３７画像処理部、４１ＲＦコイル、４２被検知体、４５Ｇコイル

Claims

高温超電導線材で構成された超電導コイルと、
この超電導コイルに接続された励磁用の主電源と、
この主電源に直列または並列に接続され、前記主電源によって前記超電導コイルが励磁された後に前記主電源に替わって前記超電導コイルの磁界を一定に保つように前記超電導コイルに電流を流す電流保持用電源と
を備え、
前記超電導コイルを励磁するときに前記主電源が起動され、
前記超電導コイルを流れる電流が所定の値に達した後に前記電流保持用電源が起動され、
前記電流保持用電源が超電導コイルの磁界を一定に保つように前記超電導コイルに前記所定の電流を流し始めた後に、前記主電源が前記超電導コイルから電気的に切り離されること
を特徴とする超電導コイルの駆動システム。
電流保持用電源を駆動する電源が直流電源であること
を特徴とする請求項１に記載の超電導コイルの駆動システム。
直流電源は、充電可能なこと
を特徴とする請求項２に記載の超電導コイルの駆動システム。
超電導コイルと直列に接続された空芯超電導コイルと、
この空芯超電導コイルの中心の磁界を測定するプローブと
をさらに備え、
電流保持用電源は、前記プローブで測定された磁界に基づいて前記超電導コイルの磁界を一定に保つように前記超電導コイルに電流を流すこと
を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導コイルの駆動システム。
空芯超電導コイルは、有効直径０．１ｍｍ以下のＮｂＴｉフィラメントの巻線で構成されたこと
を特徴とする請求項４に記載の超電導コイルの駆動システム。