JP6362629B2 - 超電導マグネットシステムにおける装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に低温環境における超電導磁石とともに使用する電気リードに関連する。

超電導磁石は、核磁気共鳴(NMR)分析や磁気共鳴画像診断(MRI)を含む様々な状況で使用される。超電導を実現するため、磁石は、低温環境で絶対零度付近の温度に維持される。一般に、磁石は1つ以上の導電性コイルを含み、導電性コイルは、クライオスタット(低温保持装置)内に配置され、液体ヘリウムのような低温液により冷却される。

多くの超電導磁石は「永久(persistent)モード」で動作する。永久モードでは、超電導磁石を形成する1つ以上の超電導導電性コイルは、先ず、磁場を生じさせるために外部電源による電流により励磁される。所望の磁場が得られると、電源は磁石から分離され、磁石は超電導に起因して電流及び磁場を維持する。

高電流電気リードは、外部電源と超電導導電性コイルとの間に低電気抵抗の経路を提供する一方、超電導導電性コイルへの熱伝導を制限する。これらの高電流電気リードは、自身の端部と、超電導導電性コイルから伸びる磁石リードのペアの対応する端部との間に、電気的な接続を有する。高電流電気リードと超電導導電性コイルに接続されるリードとの間の電気接続(部)は、高電流を流す際に、熱源になるかもしれない。これらの電気接続部はしばしばクライオスタット内の低温領域に形成され、これらの電気接続部を冷却し、超電導コイルの領域に熱が流れ込むのを防止するために、一般に、大量の冷却剤又はガス(例えば、低温ヘリウム、低温ガス等)が使用される。超電導導電性コイルの近辺に過剰に多くの熱が流れ込むと、超電導導電性コイルは温まり、動作しなくなってしまう。電気リードを冷却するために多くの冷却ガスを消費することは高額になり、非常に多くの寒剤の蓄えを保有することをシステムに要求してしまう。ある種の装置や環境では、そのような寒剤を入手することは困難及び/又は高価であるかもしれない。

本発明の一実施形態は装置を提供することが可能であり、当該装置は、クライオスタットと、クライオスタット内に配置される導電性コイルであって、前記導電性コイルに電流が流される場合に磁場を形成するように構成される導電性コイルと、前記クライオスタット内に配置される電気相互接続デバイスとを含む。前記電気相互接続デバイスは、下位端部に配置されるガス吸気口と上位端部に配置されるガス排気口とを有するタンクと、選択的に引き込み可能及び引き延ばし可能に構成される第1導電性リードであって、引き込み位置では、前記第1導電性リードは実質的に完全に前記タンクの外側に配置され、引き延ばし位置では、前記第1導電性リードは前記タンク内に少なくとも部分的に延びる、第1導電性リードと、前記タンク内に少なくとも部分的に配置され、前記導電性コイルに接続される第2導電性リードと、前記タンク内に配置される電気コンタクトであって、前記第1導電性リードが前記引き延ばし位置にある場合に、前記第1及び第2導電性リードを接続するように構成される電気コンタクトと、前記タンク内で前記電気コンタクトに隣接して配置され、下位端部に配置されるガス吸気口と上位端部に配置されるガス排気口とを有する熱交換器であって、当該ガス吸気口において前記第2導電性リードからガスを受け取り、当該ガス排気口において前記ガスを出力するように構成される熱交換器とを有する。

一実施形態において、前記第1導電性リードは、前記引き延ばし位置にある場合に、前記タンクのガス排気口を介して(貫通して)延びることが可能である。

これらの実施形態のうちの或るバージョンでは、前記クライオスタットは外部真空コンテナを有することが可能であり、前記タンクの上位端部は前記外部真空コンテナに隣接する。

これらの実施形態のうちの或るバージョンでは、前記タンクの外側において、ヒートシンクが前記外部真空コンテナに配置されることが可能である。

一実施形態において、前記電気相互接続デバイスは、選択的に引き込み可能及び引き延ばし可能に構成される第3導電性リードであって、引き込み位置では、実質的に完全に前記タンクの外側に配置され、引き延ばし位置では、前記タンク内に少なくとも部分的に延びる、第3導電性リードと、前記タンク内に少なくとも部分的に配置され、前記導電性コイルに接続される第4導電性リードと、前記タンク内に配置される第2電気コンタクトであって、前記第3導電性リードが前記引き延ばし位置にある場合に、前記第3及び第4導電性リードを接続するように構成される第2電気コンタクトとを更に有することが可能である。

これらの実施形態のうちの或るバージョンでは、前記熱交換器が、前記第2電気コンタクトに隣接して配置され、下位端部に配置される第2ガス吸気口を有することが可能であり、前記熱交換器は、前記第2ガス吸気口において前記第4導電性リードからガスを受け取るように構成される。

これらの実施形態のうちの或るバージョンでは、当該装置は、前記タンク内で前記第2電気コンタクトに隣接して配置され、下位端部に配置されるガス吸気口と上位端部に配置されるガス排気口とを有する第2熱交換器であって、当該ガス吸気口において前記第4導電性リードからガスを受け取り、当該ガス排気口において前記ガスを出力するように構成される第2熱交換器を更に有することが可能である。

一実施形態において、前記第1導電性リードは、前記ガスが中を通るように構成されるチャネルを含むことが可能である。

一実施形態において、前記第2導電性リードは、前記ガスが中を通るように構成されるチャネルを含むことが可能である。

一実施形態において、前記ガスの流れは、ガス排気口におけるバルブにより手動で調整されることが可能である。

一実施形態において、前記ガスの流れは、ガス排気口におけるコンピュータ制御されるバルブにより自動的に調整されることが可能であり、バルブは、1つ以上の温度センサからのフィードバックループにより調整されることが可能である。

本発明の別の実施形態は方法を提供することが可能であり、本方法は、第1導電性リードをクライオスタット内に配置されるタンク内に延ばし、第2導電性リードとの電気接続を形成するステップであって、前記第2導電性リードは、前記タンク内に配置され、前記クライオスタット内に配置される導電性コイルに接続され、前記導電性コイルは、前記導電性コイルに電流が流される場合に磁場を形成するように構成される、ステップと、前記タンクの下位部分に配置される前記タンクのガス吸気口に、冷却ガスを提供するステップと、前記タンク内に配置される熱交換器を介して前記冷却ガスを通過させ、前記第1及び第2導電性リードの間の電気接続部からの熱を前記冷却ガスに伝え、前記冷却ガスを温まったガスに変換するステップと、前記タンクの上位部分に配置される前記タンクのガス排気口から、前記温まったガスを排出するステップとを含む。

一実施形態において、本方法は、前記磁場が選択された磁場強度を有する場合に、前記電気接続を切断するステップを更に有することが可能である。

これらの実施形態のうちの或るバージョンでは、本方法は、前記第1導電性リードを前記タンクから引き抜くステップを更に有することが可能である。

一実施形態において、前記導電性コイルは10°K未満の温度を有することが可能であり、前記第1導電性リードは少なくとも20°Kの温度を有することが可能である。

一実施形態において、前記導電性コイルは5°K未満の温度を有することが可能であり、前記第1導電性リードは少なくとも40°Kの温度を有することが可能である。

一実施形態において、前記タンクの上位部分に配置される前記タンクのガス排気口から、前記温まったガスを排出するステップは、前記第1導電性リードに設けられる開口を介して、前記温まったガスを排出するステップをさらに有することが可能であり、前記温まったガスは前記第1導電性リードを介して流れる。

本発明の更に別の実施形態では、或る装置が、クライオスタット内に配置される導電性コイルであって、前記導電性コイルに電流が流される場合に磁場を形成するように構成されることが可能な導電性コイルを有する装置のために提供されることが可能であり、装置は、クライオスタット内に配置されかつ導電性コイルに電力を供給するように構成されることが可能な電気コンタクトから熱を散逸させる。装置は、前記クライオスタット内に配置されかつ導電性コイルに電力を供給するように構成される前記電気コンタクトに、冷却ガスを供給するように構成される冷却ガス導管と、前記クライオスタット内に配置され、前記電気コンタクトからの熱を前記冷却ガスに伝え、前記冷却ガスの温度を上昇させる熱交換器とを有する。

一実施形態において、当該装置は前記クライオスタット内に配置されるタンクを有することが可能であり、前記タンクは、下位端部に配置されるガス吸気口と上位端部に配置されるガス排気口とを有し、前記電気コンタクト及び前記熱交換器は前記タンク内に配置される。

これらの実施形態のうちの或るバージョンにおいて、前記熱交換器は、前記タンク内で前記電気コンタクトに隣接して配置され、下位端部に配置されるガス吸気口と上位端部に配置されるガス排気口とを有することが可能であり、前記熱交換器は、当該ガス吸気口において第2導電性リードから前記冷却ガスを受け取り、当該ガス排気口において前記冷却ガスを出力するように構成される。

これらの実施形態のうちの或るバージョンにおいて、第1導電性リードは、選択的に引き込み可能及び引き延ばし可能に構成されることが可能であり、引き込み位置では、実質的に完全に前記タンクの外側に配置され、引き延ばし位置では、前記タンク内に少なくとも部分的に延びる。

本発明は、添付図面に関連して考察される以下の実施形態の詳細な説明により更に明確に理解される。
磁気共鳴画像診断(MRI)装置の一実施形態を示す。 MRI装置で使用されてよい超電導マグネットシステムの一実施形態を示す。 超電導マグネットシステムのための低ガスフロー電気リードの一実施形態を示す。 低ガスフロー電気リードを利用する超電導マグネットを有するマグネットシステムを励磁する方法例を示す図である。

以下、本発明の実施形態が図示される図面を参照しながら、本発明はよりいっそう十分に説明される。しかしながら、本発明は、異なる形態で実現されてもよく、ここで説明される形態に限定されるように解釈されるべきではない。むしろこれらの実施形態は本発明の具体例として提供される。本開示及び特許請求の範囲において、何らかのものが近似的に所定の数値を有するように言及される場合、それは、その値の10％以内にあることを意味し、何らかのものが所定の数値付近の値を有するように言及される場合、それはその値の25％以内にあることを意味する。

図1は磁気共鳴画像診断(MRI)装置100の一形態を示す。図1に示されるように、MRI装置100は、マグネット(磁石)102；患者10を維持するように構成される患者テーブル104；MRI装置100が画像を生成する対象の患者の少なくとも一部分を少なくとも部分的に囲むように構成されるグラジエントコイル(傾斜磁場コイル)106；及び、画像診断される患者の少なくとも一部に無線周波数信号を適用するように構成される無線周波数コイル108；を含むことが可能である。MRI装置の一般的な動作は良く知られているのでここでは繰り返さない。

図2は、MRI装置100のようなMRI装置に使用されてよい超電導マグネットシステム200の一実施形態を示す。特に、超電導マグネットシステム200はMRI装置100における磁石102の一形態であってもよい。一般に、超電導マグネットシステムは図2には示されていない他の多くのコンポーネントを含んでいてもよいことが、理解されるべきである。いくつかのコンポーネントは、図示の簡明化のため、図2から省略され、以下に説明される本発明の側面を曖昧にしないようにしている。

超電導マグネットシステム200はクライオスタット210を含むことが可能であり、クライオスタット210は、筐体又は外部真空コンテナ211と、筐体211内に配置される熱シールド213と、ヘリウムタンク212とを有する。

超電導マグネットシステム200は、1つ以上の導電性コイル230と、クライオスタット210のヘリウムタンク212内に配置される永久磁石スイッチ240と、クライオスタット210外部に配置される(外側にある)電源250とを含むことが可能である。超電導マグネットシステム200は、ヘリウムタンクからのヘリウムを再び凝結させるためにコンプレッサにより駆動されるコールドヘッド260を更に含むことが可能である。超電導マグネットシステム200は、超電導マグネットシステム200の様々な処理を制御するマグネットコントローラ280を更に含むことが可能である。

超電導マグネットシステム200は、第1、第2導電性リード201、202と、第3、第4導電性リード203、204とを更に含むことが可能である。第1及び第2導電性リード201及び202はそれぞれ電気コンタクト205に接続され、第3及び第4導電性リード203及び204はそれぞれ電気コンタクト206に接続されることが可能である。第1導電性リード201はスイッチを介して電源250に接続されることが可能である。第3導電性リード203もスイッチを介して電源250に接続されることが可能である。第2及び第4導電性リード202及び204は、導電性コイル230の両端に接続されることが可能である。

有利なことに、超電導マグネットシステム200はヘリウムバスタイプシステムである。一実施形態では、ヘリウムタンク212は、例えば50ないし100リットル(又はそれ未満)の液体ヘリウムのように、一般的なヘリウムバスタイプシステムにおけるヘリウム体積と比較して相対的に少ない量の寒剤液を含む。

永久電流スイッチ240は、ヘリウムタンク212内に配置されることが可能であり、小さなヒータに取り付けられる、第2及び第4導電性リード202及び204を介して導電性コイルの両端に接続される超電導ワイヤ部分を含んでもよい。

超電導マグネットシステム200は、様々な動作パラメータを測定する1つ以上のセンサ(図2では示されていない)を有し、動作パラメータは、例えば、様々な場所における温度、寒剤の量(例えば、液体ヘリウムの量)、コンプレッサ270のようなコンポーネントが適切に動作しているか否か、例えば外部電源の停電などにより電源が失われているか否か等を示すものである。各々のセンサは、マグネットコントローラ280に接続され、対応するセンサ信号をマグネットコントローラ280に供給する。

マグネットコントローラ280はプロセッサ及びメモリを含み、メモリは不揮発性メモリ及び揮発性メモリを含む。不揮発性メモリは、以下において詳細に説明されるような、超電導マグネットシステム200の動作を制御するための1つ以上のプロセスを、プロセッサに実行させるプログラムコード又は命令(ソフトウェア)を保存してもよい。一実施形態において、第1及び第3導電性リード201及び203は引き出し可能又は引き込み(retractable)である。

超電導マグネットシステム200のスタートアップ処理の間に、引き込み可能なリード201及び203はヘリウムタンク212内に挿入されることが可能であり、永久電流スイッチ240のワイヤは、それが抵抗性となるように、転移温度以上に加熱されることが可能である。一実施形態において、第1及び第3導電性リード201及び203の各々は、各自の端部に突出したピンを有し、それらのピンは、電気コンタクト205及び206の各々に設けられるソケット内に受け入れられて結合される。

導電性コイル230は、始めに、外部電源250により励磁され、導電性コイル230に電流を流す。永久電流スイッチ240のワイヤはスタートアップ処理の間は加熱されるので、その抵抗は導電性コイル230の抵抗よりかなり大きく、従って、外部電源による電流は導電性コイル230に流れる。

永久モードの動作に遷移するため、所望の電場が得られるまで、導電性コイル230を流れる電流が調整され、その後に永久電流スイッチ240のヒータはターンオフにされる。ヒータがターンオフにされた後、永久電流スイッチ240の超電導ワイヤは超電導温度まで冷え込み、導電性コイル230を短絡回路にし、これは上述したような超伝導状態である。電源からの電流は徐々に減らされ、リード201及び203はヘリウムタンク212から引き抜かれる。

第1及び第3導電性リード201及び203と電気コンタクト205及び206との間のそれぞれの接続は、しばしば、ボルト接続やはんだ接続よりもかなり高い抵抗を有し、導電性コイル230が励磁されて高電流が流れる場合、熱源になり得る。これらの接続部がヘリウムタンク212のような低温領域に形成される場合、導電性コイル230の近辺に熱が流れ込むのを防ぐために、大量の冷却ガス(例えば、冷却ヘリウムガス)を必要とする。上述したように、超電導コイル230の近辺に過剰な熱が伝わると、導電性コイル230は温まり、動作しなくなってしまう。更に、第1、第3導電性リード201、203及び電気コンタクト205、206を冷却するために大量のヘリウムガスを消費することは、高価になり、かつ、非常に多い寒剤の貯蔵をシステムに要求することになり、装置によってはそのように供給することは困難であるかもしれない。

図3は、超電導マグネットシステム200のような超電導マグネットシステムのための低ガスフロー電気リードの一実施形態による配置構成300を示し、本実施形態は大量の冷却ガス(例えば、冷却ヘリウムガス)の必要性を少なくとも部分的に緩和する。配置構成300は、器又はタンク307(「電気リードタンク307」のように言及される)と、第1導電性リード301と、第2導電性リード302と、電気コンタクト305と、熱交換器308とを含むことが可能である。配置構成300では、電気リードタンク307は外部真空コンテナ311及び熱シンク340に接続される(熱が流れるように(又は熱的に)接続される)。有利なことに、熱交換器308は電気コンタクト305に熱的に接続される。

配置構成300が超電導マグネットシステム200に適用される場合、第1導電性リード301は第1導電性リード201の一例であってもよく、第2導電性リード302は第2導電性リード201の一例であってもよく、電気コンタクト305は電気コンタクト205の一例であってもよく、外部真空コンテナ311は筐体211の一例であってもよい。電気リードタンク307はクライオスタット210のヘリウムタンク212内に配置される。

有利なことに、第1導電性リード301は選択的に引き込み可能及び引き延ばし可能に構成され、引き込まれた位置(引込状態)では電気リードタンク307の完全に外側に配置され、引き延ばされた位置(引延状態)では電気リードタンク307内に少なくとも部分的に延びている。配置構成300が超電導マグネットシステム200に適用される場合、第1導電性リード301は、ヘリウムタンク212の完全に又は実質的に完全に外側に配置される引出位置に設定される。一実施形態において、第1導電性リード301は、クライオスタット210の完全に又は実質的に完全に外側に配置される引出位置に設定される。更に、導電性リード301は、介在する導電性ワイヤ334を通じて電源に接続されてもよい。

有利なことに、第2導電性リード302は電気リードタンク307内に少なくとも部分的に配置される。配置構成300が超電導マグネットシステム200に適用される場合、第2導電性リード302は、介在する低温超電導導電性ワイヤ324を通じて導電性コイル230に接続される。

第1導電性リード301が引き延ばされた位置にある場合、それは電気コンタクト305による第2導電性リード302との電気接続を形成する。一実施形態において、第1導電性リード301はその端部で突出するピンを有し、そのピンは電気コンタクト305に設けられるソケット内に受け入れられ結合される。上述したように、第1導電性リード301と第2導電性リード302との間の接続部は、ボルト結合及びはんだ結合の抵抗よりかなり大きな抵抗を有し、導電性コイル230が磁場を形成するように励磁され、高電流が流れる場合に、熱源になり得る。一実施形態において、第1導電性リード301は少なくとも20°Kの温度を有する程度に温まる一方、導電性コイル230は10°K未満の温度に冷やされる。一実施形態において、第1導電性リード301は少なくとも50°Kの温度を有する程度に温まる一方、導電性コイルは5°K未満の温度に冷やされる。従って、第1導電性リード301から導電性コイル230への熱伝導を防止又は減らすために、配置構成300は、第1導電性リード301及び電気コンタクト305の相互接続部からの熱を冷却ガス(例えば、冷却ヘリウムガス)に移すように動作する。

この目的のため、電気リードタンク307は、その下位の端部にあるガス吸気口320と、その上位の端部にあるガス排気口330とを有することが可能である。電気リードタンク307は、ガス吸気口320及びガス排気口330、及び第1及び第2導電性リード301及び302に必要な何らかの通路を除いて、包囲された容器であってもよい。冷却ガスは、ガス吸気口320における冷却ガス供給ライン326を介して電気リードタンク307に供給され、ガス排気ライン336を介して電気リードタンク307から排出される。有利なことに、第1及び第2導電性リード301及び302の各々は、冷却ガスが流れるチャネル(流路)を含む。一実施形態において、第1及び第2導電性リード301及び302の各々は、冷却ガスが通過するチャネルを形成する貫通領域(くりぬかれた領域)を有する円筒構造を有する。第1及び第2導電性リード301及び302の各々は、冷却ガスを受ける入口として、下位部分又はその端部にある第1ホール又は開口と、冷却ガスをそこから排出する出口として上位部分又はその端部にある第2ホール又は開口とを有する。

動作の際に、導電性コイル230を励磁することが求められる場合、第1導電性リード301は、電気コンタクト305に接触するように電気リードタンク307内に引き延ばされ、第2導電性リード302に対する電気接続を形成する。その後に電流が電源250から供給され、導電性コイル230を通じて流れ、導電性コイル230を例示し、所望の磁場を形成する。一実施形態において、これらの動作はマグネットコントローラ280の制御の下で実行されてもよい。例えば、マグネットコントローラ280は、第1導電性リード301を出し入れするモータを作動させてもよい。

具体例を示すために、一実施形態において、導電性リード301及び電気コンタクト305の間の相互接続部の抵抗が0．3ミリオームのオーダーであり、第1導電性リード301及び電気コンタクト305の相互接続部を介する電源250から供給されるピーク電流が500ampsであるとする。この場合、相互接続部における電圧降下は15mVであり、相互接続部により生成される熱は500*15mV=7.5ワットになる。この7．5ワットの熱エネルギが導電性コイル230の近辺に伝わることが許容されたとした場合、導電性コイル230は、超電導に必要な低温を達成しなくなってしまう、及び/又は、過剰なヘリウムの蒸発を引き起こしてしまう。

熱交換器308は、電気コンタクト305に近接して熱的に結合されることが可能であり、例えば、それらは互いに物理的に接触していてもよい。有利なことに、電気リードタンク307内部の熱交換器308の温度は、電気リードタンク307外部のヘリウムタンク212内の温度に関して浮いた状態(float)にあり、特に、導電性コイル230の温度に関して浮いた状態にある。従って、電気コンタクト305の温度が、導電性コイル230を励磁するために電気コンタクト305に接触するように電気リードタンク307内に引き延ばされる第1導電性リード301に起因して上昇する場合に、熱交換器308の温度も上昇する。この期間の間に、冷却ガス(例えば、約5°Kの温度の冷却ヘリウムガス)が、ガス吸気口320において冷却ガス供給ラインから電気リードタンク307に供給される。冷却ガスは、例えば、第2導電性リード302を介して、電気リードタンク307から熱交換器308へ下位端部で供給される。冷却ガスが熱交換器308の上又は中を通過する場合に、冷却ガスは、第1導電性リード301とコンタクト305との間の接続部により発生した熱エネルギを吸収し、その結果、冷却ガスは温まる。有利なことに、熱交換器308は、熱を吸収する機会を増やすように、進行する冷却ガスに長い経路(例えば、回り道)を提供するように構成される。有利なことに、熱交換器308は、熱交換器308により占められる所与の空間体積に関し、可能な限り同程度の又は近似的に同程度のヘリウムガスのエンタルピを利用するように構成される。このようにして、相互接続部の温度は例えば50°Kより高い温度まで上昇してもよいように許容され、かなり少ない量の冷却ガスしか必要としないように、冷却ガスの冷却効率を改善する。すなわち、冷却ガスに熱を伝えるために、削減されたガス流速が使用され、従って、磁石が励磁される時間期間にわたって、全体的に少ない冷却ガスしか必要とされない。

従って、冷却ガスは熱交換器308により加熱され、加熱された冷却ガスは、例えば電気リードタンク307の室内において、熱交換器308の上位端部から、例えば第1導電性リード301の下位端部の入口に排出される。加熱された冷却ガスは、電気リードタンク307のガス排気口330で排出されるように第1導電性リード301に続く。図3に示される実施形態では、ガス排気ライン336は、温まった冷却ガスを受け取って散逸させる又はそれをそこから排出するために、第1導電性リード301の上位端部の出口に接続される。有利なことに、熱シンク340が、電気リードタンク307の外側に設けられ、外部真空コンテナ311に接続され、電気リードタンク307の出口において熱を散逸させる手段を提供する。従って、電気リードタンク307及び第1、第2導電性リード301、302は、冷却ガスを電気コンタクト305に供給してそこから熱エネルギを吸収するように構成される冷却ガス導管の一実施例を形成する。

励磁が完了すると、電気コンタクト305との接触又は電気接続をもはや形成しないように、第1導電性リード301は引き込まれる。有利なことに、第1導電性リード301は、電気リードタンク307の少なくとも部分的に外側に配置されるように、引き込まれる。一実施形態において、第1導電性リード301は、ヘリウムタンク212の完全に又は実質的に完全に外側に配置される引出位置に設定される。一実施形態において、第1導電性リード301は、クライオスタット210の完全に又は実質的に完全に外側に配置される引出位置に設定される。電気コンタクト305との接触又は電気接続をもはや形成しないように、第1導電性リード301が引き込まれると、電気コンタクト305を通じて流れていた電流は停止し、もはやそこで熱は生成されない。有利なことに、この段階において、浮いた状態の熱交換器308の温度は、(例えば、約5°Kのような)低い温度に浮いた状態にあるように許容される。

一実施形態において、電気リードタンク307を介するガスの流れは、バルブ(又は弁)313により制御されてもよい。一実施形態において、バルブ313は、マニュアルで制御されるバルブであってもよい。一実施形態において、バルブ313は、1つ以上の温度センサ314からの1つ以上の信号を利用するフィードバックループにより、ガスの流れを自動的に制御するように構成されるプロセッサ制御バルブであってもよい。一実施形態において、バルブ313はマグネットコントローラ280により制御されてもよい。

一実施形態において、上記の動作はマグネットコントローラ280の制御の下で実行されてもよい。例えば、マグネットコントローラ280は、電気リードタンク307に対する冷却ガスの共有をイネーブル及びディセーブルにするために、バルブやポンプ等を制御してもよい。また、マグネットコントローラは、第1導電性リード301を引き延ばす及び引き込むためにモータを制御してもよい。

図3は、超電導マグネットシステムのための低ガスフロー電気リードの一形態による配置構成300を示し、その配置構成は、例えば超電導マグネットシステム200の第1及び第2導電性リード301及び302のような一対の導電性リードを選択的に相互接続する。しかしながら、超電導マグネットシステム200は、第2の対の導電性リード(第3及び第4導電性リード203及び204)に対する相互接続も含む。

従って、一実施形態において、超電導マグネットシステム200は、第1及び第2導電性リード201及び202を選択的に相互接続する或る配置構成300、及び、第3及び第4導電性リード203及び204を選択的に相互接続する別の配置構成300を含んでよい。

他の実施形態において、双方の相互接続に関し、単独の、共通する、電気リードタンクが使用されてもよい。その場合、配置構成は：引き込み位置では実質的に完全に電気リードタンク307の外部に配置され、引き伸ばし位置では電気リードタンク内に少なくとも部分的に延ばされるように、選択的に引き込み可能及び引き延ばし可能に構成される第3導電性リード(例えば、第3導電性リード203)；導電性リードタンク307内に少なくとも部分的に配置され、導電性コイル他方端部に接続される第4導電性リード(例えば、第4導電性リード204)；及び、電気リードタンク307内に配置され、第3導電性リードが引き延ばし位置にある場合、第3及び第4導電性リードをともに接続するように構成される第2電気コンタクト(例えば、電気コンタクト206)；を含んでもよい。第3及び第4導電性リードのうちの双方又は一方は、冷却ガスが貫通して流れるよう形成されるチャネルを有してもよい。

これらの実施形態の変形例において、各々の電気コンタクトは各自自身の別個の熱交換器に熱的に結合されてもよい。これらの実施形態の変形例において、熱交換器308は双方の電気コンタクトに熱的に結合されてもよい。これらの変形例の幾つかにおいて、熱交換器308が、第2電気コンタクトに隣接して配置され、その下位端部に第2ガス吸気口を有してもよく、熱交換器308は、第4導電性リードから第2ガス吸気口において冷却ガスを受けるように構成される。

図4は、例えば上述した配置構成300により低ガスフロー電気リードを用いる超電導磁石を有するマグネットシステムを励磁する例示的なプロセス400を示す図である。一実施形態において、プロセス400は、例えば、マグネットコントローラにおけるプロセッサの制御の下で実行されてもよく、プロセッサはメモリに保存される一群のコンピュータ命令に基づいてソフトウェアアルゴリズムを実行する。

処理410において、所望の磁場を形成するために使用される導電性コイルと電源との間に電気接続が設定される。一実施形態において、この接続は、クライオスタットの内部領域に配置される電気リードタンク内に第1導電性リードを引き延ばし、第2導電性リードとの電気接続を形成することにより設定され、第2導電性リードは、電気リードタンク内に少なくとも部分的に配置され、かつ、クライオスタット内に配置される導電性コイルに接続されている。この電気接続を利用することにより、励磁して所望の磁場を形成するために、電源から導電性コイルへ電流が供給される。

処理420において、電気リードタンクの下位部分に配置されるガス吸気口に、冷却ガスが供給される。

処理430において、電気リードタンク内に配置される熱交換器の上又は中を、冷却ガスが通過する。

処理440において、ガスが熱交換器を通った結果、第1及び第2導電性リード間の電気接続部からの熱が冷却ガスに伝わり、冷たいガスが温まったガスに変わる。

処理450において、温まった冷却ガスは、電気リードタンクの上部に設けられる出口から排気又は排出される。

処理420、430、440及び450は図4において一連の処理として示されているが、これは冷却ガスの流れの説明のためであるに過ぎないことが理解されるべきである。実際には、処理420、430、440及び450は互いに並列的に進行する。

処理460において、(例えば、マグネットコントローラのプロセッサにより)励磁は完了したか否かが判断される(例えば、選択される強度又は所望の強度で磁場が存在するか否かが判断される)。Nであった場合、処理420、430、440及び450が反復される。Yであった場合、プロセスは処理470に進む。

処理470において、電源及び導電性コイル間の電気接続は切断され、マグネットシステムは永久モードにおける通常の動作を進める。一実施形態において、電気接続は、第1導電性リードを電気リードタンクから引き抜くことにより切断されてもよく、引き抜くことは、クライオスタットの内部領域から及び一実施形態ではクライオスタット自体から、第1導電性リードを引き抜くことを含む。

ここでは好適な実施形態が説明されるが、本発明の概念及び範囲内に属する多くの変形が可能である。例えば、実施形態は上記ではヘリウムバスタイプシステムの文脈で説明されてきた。しかしながら、他の実施形態では、ここで開示される原理は、「クライオスタットがない(cryofree)」又は密閉システムに組み込まれるように適用されることが可能である。そのような変形例は、本明細書、図面及び特許請求の範囲を検討した後の当業者にとって明らかであろう。従って本発明は添付の特許請求の範囲以外によっては制限されない。

Claims (20)

1. クライオスタット内に配置される導電性コイルであって、前記導電性コイルに電流が流される場合に磁場を形成するように構成される導電性コイルと、
   前記クライオスタット内に配置される電気相互接続デバイスと、
   を有する装置であって、前記電気相互接続デバイスは、
   下位端部に配置されるガス吸気口と上位端部に配置されるガス排気口とを有するタンクと、
   選択的に引き込み可能及び引き延ばし可能に構成される第1導電性リードであって、引き込み位置では、前記第1導電性リードは実質的に完全に前記タンクの外側に配置され、引き延ばし位置では、前記第1導電性リードは前記タンク内に少なくとも部分的に延びる、第1導電性リードと、
   前記タンク内に少なくとも部分的に配置され、前記導電性コイルに接続される第2導電性リードと、
   前記タンク内に配置される電気コンタクトであって、前記第1導電性リードが前記引き延ばし位置にある場合に、前記第1及び第2導電性リードをともに接続するように構成される電気コンタクトと、
   前記タンク内で前記電気コンタクトに隣接して配置され、下位端部に配置されるガス吸気口と上位端部に配置されるガス排気口とを有する熱交換器であって、当該ガス吸気口において前記第2導電性リードからガスを受け取り、当該ガス排気口において前記ガスを出力するように構成される熱交換器と、
   を有する装置。
2. 前記第1導電性リードは、前記引き延ばし位置にある場合に、前記タンクのガス排気口を介して延びる、請求項1に記載の装置。
3. 前記クライオスタットは外部真空コンテナを有し、前記タンクの上位端部は前記外部真空コンテナに隣接する、請求項2に記載の装置。
4. 前記タンクの外側において、前記外部真空コンテナに配置されるヒートシンクを更に有する請求項3に記載の装置。
5. 前記電気相互接続デバイスが、
   選択的に引き込み可能及び引き延ばし可能に構成される第3導電性リードであって、引き込み位置では、実質的に完全に前記タンクの外側に配置され、引き延ばし位置では、前記タンク内に少なくとも部分的に延びる、第3導電性リードと、
   前記タンク内に少なくとも部分的に配置され、前記導電性コイルに接続される第4導電性リードと、
   前記タンク内に配置される第2電気コンタクトであって、前記第3導電性リードが前記引き延ばし位置にある場合に、前記第3及び第4導電性リードをともに接続するように構成される第2電気コンタクトと、
   を更に有する請求項1に記載の装置。
6. 前記熱交換器が、前記第2電気コンタクトに隣接して配置され、下位端部に配置される第2ガス吸気口を有し、前記熱交換器は、前記第2ガス吸気口において前記第4導電性リードからガスを受け取るように構成される、請求項5に記載の装置。
7. 前記タンク内で前記第2電気コンタクトに隣接して配置され、下位端部に配置されるガス吸気口と上位端部に配置されるガス排気口とを有する第2熱交換器であって、当該ガス吸気口において前記第4導電性リードからガスを受け取り、当該ガス排気口において前記ガスを出力するように構成される第2熱交換器を更に有する請求項5に記載の装置。
8. 前記第1導電性リードは、前記ガスが中を通るように構成されるチャネルを含む、請求項1に記載の装置。
9. 前記第2導電性リードは、前記ガスが中を通るように構成されるチャネルを含む、請求項1に記載の装置。
10. 前記ガスの流れを制御するように構成される手動で制御されるバルブを更に有する請求項1に記載の装置。
11. 1つ以上の温度センサからの1つ以上の信号を利用するフィードバックループにより、前記ガスの流れを自動的に調整するように構成されるプロセッサ制御バルブを更に有する請求項1に記載の装置。
12. 第1導電性リードをクライオスタット内に配置されるタンク内に延ばし、第2導電性リードとの電気接続を形成するステップであって、前記第2導電性リードは、前記タンク内に少なくとも部分的に配置され、前記クライオスタット内に配置される導電性コイルに接続され、前記導電性コイルは、前記導電性コイルに電流が流される場合に磁場を形成するように構成される、ステップと、
    前記タンクの下位部分に配置される前記タンクのガス吸気口に、冷却ガスを提供するステップと、
    前記タンク内に配置される熱交換器を介して前記冷却ガスを通過させ、前記第1及び第2導電性リードの間の電気接続部からの熱を前記冷却ガスに伝え、前記冷却ガスを温まったガスに変換するステップと、
    前記タンクの上位部分に配置される前記タンクのガス排気口から、前記温まったガスを排出するステップと、
    を有する方法。
13. 前記磁場が選択された磁場強度を有する場合に、前記電気接続を切断するステップを更に有する請求項12に記載の方法。
14. 前記第1導電性リードを前記タンクから引き抜くステップを更に有する請求項13に記載の方法。
15. 前記導電性コイルは10°K未満の温度を有し、前記第1導電性リードは少なくとも20°Kの温度を有する、請求項12に記載の方法。
16. 前記導電性コイルは5°K未満の温度を有し、前記第1導電性リードは少なくとも40°Kの温度を有する、請求項12に記載の方法。
17. 前記タンクの上位部分に配置される前記タンクのガス排気口から、前記温まったガスを排出するステップが、前記第1導電性リードに設けられる開口を介して、前記温まったガスを排出するステップをさらに有し、前記温まったガスは前記第1導電性リードを介して流れる、請求項12に記載の方法。
18. クライオスタット内に配置されかつ導電性コイルに電力を供給するように構成される電気コンタクトから熱を散逸させる装置であって、
    前記クライオスタット内に配置されかつ導電性コイルに電力を供給するように構成される前記電気コンタクトに、冷却ガスを供給するように構成される冷却ガス導管と、
    前記クライオスタット内に配置され、前記電気コンタクトからの熱を前記冷却ガスに伝え、前記冷却ガスの温度を上昇させるように構成される熱交換器と、
    下位端部に配置されるガス吸気口と上位端部に配置されるガス排気口とを有するタンクと、
    を有し、前記電気コンタクト及び前記熱交換器は前記タンク内に配置される、装置。
19. 前記熱交換器が、前記タンク内で前記電気コンタクトに隣接して配置され、下位端部に配置されるガス吸気口と上位端部に配置されるガス排気口とを有し、前記熱交換器は、当該ガス吸気口において第2導電性リードから前記冷却ガスを受け取り、当該ガス排気口において前記冷却ガスを出力するように構成される、請求項18に記載の装置。
20. 選択的に引き込み可能及び引き延ばし可能に構成される第1導電性リードであって、引き込み位置では、実質的に完全に前記タンクの外側に配置され、引き延ばし位置では、前記タンク内に少なくとも部分的に延びる、第1導電性リードを有する請求項18に記載の装置。

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