JP6473623B2 - 超電導磁石装置および磁気共鳴撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導磁石装置およびその超電導磁石装置を用いた磁気共鳴撮像装置（以下、ＭＲＩ装置という）に関する。

ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置は、医療分野で欠かすことのできない装置となっている。そして、分解能の高い撮像画像、例えば、脳内血管の鮮明な撮像画像が必要な場合には、被検体に高磁場を印加することが可能なＭＲＩ装置が用いられる。医療分野では、すでに数テスラの磁場の発生が可能なＭＲＩ装置が実用に供されている。

ＭＲＩ装置において、高磁場を実現しようとすると、その高磁場を発生する超電導磁石が大型化するという問題が存在する。超電導磁石が大型化した場合、その超電導磁石を構成する物量の材料費などのために製造コストが増大するとともに、ＭＲＩ装置の設置にも広いスペースが必要となり、運用コストもかさむことになる。そこで、超電導磁石を大型化することなく高磁場を実現することが可能なＭＲＩ装置が求められている。

特許文献１には、超電導磁石などにより発生する磁束を、入口が広く出口が狭い円筒状または中空円錐状の超電導部材の内側を通過させて収束させ、高磁場を実現する技術が開示されている。また、特許文献２には、ソレノイドコイルなどからなる超電導磁石のコイル内部に円筒状の超電導部材を配設することによって、その超電導部材の円筒内における磁場の均一化を図る技術が開示されている。なお、これらの従来技術では、超電導状態にある超電導体は、完全反磁性を示し、その超電導体内に磁束が侵入することはないという、いわゆるマイスナー効果が共通して利用されている。

特許第５１５８７９９号公報 特許第３１８４６７８号公報

特許文献１には、磁束を収束させて高磁場を実現する技術は開示されているものの、その高磁場における磁束を均一化する技術については開示されていない。また、特許文献２には、高磁場を実現する技術は開示されていないが、ソレノイドコイル内部に挿入された超電導状態の円筒部材を用いて、その円筒内部の磁束を均一化する技術について開示されている。しかしながら、次に示すように、特許文献１，２に開示された技術を組み合わせたとしても、超電導磁石を大型化することなく、均一な高磁場を得ることが可能なＭＲＩ装置が実現できるとは限らない。

ちなみに、特許文献２の段落００３２、図２、段落００３５、図５などによれば、磁束均一化のために用いる超電導状態の円筒部材（２４、２３）の磁束方向の長さ１２８ｍｍは、その内径３０ｍｍの約４倍となっている。すなわち、円筒部材の長さは、その内径に比べて十分に大きいものとされている。しかも、円筒部材（２４、２３）の長さは、ソレノイドコイル１１の長さ９６ｍｍよりも長く、その一部がソレノイドコイル１１の外部に突出している。そして、このような構成の超電導磁石を想定すれば、円筒内部の中央部では、円筒端部での磁束の不均一性の影響が緩和されるため、当然ながら、磁束の均一化が促進される。

それに対し、現実のＭＲＩ装置では、磁束均一化のための円筒部材の長さをその内径に比べ十分に大きくすることができるとは限らず、また、円筒部材を超電導磁石の外側まで突出させることができるとは限らない。従って、従来技術だけでは、超電導磁石を大型化することなく、均一な高磁場を得ることが可能なＭＲＩ装置を実現できるとはいえない。

以上のような従来技術の問題点に鑑み、本発明は、超電導コイルを大型化することなく均一な高磁場を実現することが可能な超電導磁石装置およびその超電導磁石装置を用いたＭＲＩ装置を提供することを目的とする。

本発明に係る超電導磁石装置は、内径側の空間に一定方向の磁束を生成する超電導コイルと、前記超電導コイルの内径側の空間の磁束をその磁束の中心軸側に収束させる超電導部材を有してなる円筒状の磁束収束部と、を備え、前記円筒状の磁束収束部の側面に、中心軸に沿ってスリットが設けられ、前記円筒状の磁束収束部を前記磁束の中心軸に垂直な平面で切断したとき、前記円筒状の磁束収束部に含まれる超電導部材で囲まれる領域の面積は、前記円筒状の磁束収束部の一方の端部から前記磁束の方向に沿って他方の端部に到るに従い変化し、その他方の端部に到るまでの間に少なくとも２つの極小値をとることを特徴とする。

本発明によれば、超電導コイルを大型化することなく均一な高磁場を実現することが可能な超電導磁石装置およびその超電導磁石装置を用いたＭＲＩ装置が提供される。

本発明の第１の実施形態に係るＭＲＩ装置の外観斜視図の例を示した図。 図１のＭＲＩ装置のＡ−Ａの位置における断面構造の例を模式的に示した図。 磁束収束部の超電導部材の形状の例を示した図で、（ａ）は、超電導部材の斜視図の例、（ｂ）は、超電導部材の中心軸Ｂの方向から見た側面図の例、（ｃ）は、超電導部材の中心軸Ｂを含む平面で切断したときの断面構造の例を示した図。 第１の実施形態に係る超電導部材による磁束均一化の効果を説明する図であり、（ａ）は、比較例の超電導部材の円筒内の磁束の様子を示した図、（ｂ）は、本実施形態に係る超電導部材の円筒内の磁束の様子を示した図。 超電導部材の断面形状の変形例を示した図。 超電導部材の断面形状の他の変形例を示した図。 本発明の第２の実施形態に係るＭＲＩ装置の外観斜視図の例を示した図。 図７のＭＲＩ装置のＣ−Ｃの位置における断面構造の例を模式的に示した図。 下側の超電導磁石に取り付けられる磁束収束部（下部磁束収束部）の超電導部材の斜視図の例を示した図。 第２の実施形態に係る超電導部材による磁束収束および磁束均一化の効果を説明する図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面において、共通する構成要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＲＩ装置１００の外観斜視図の例を示した図であり、図２は、図１のＭＲＩ装置１００のＡ−Ａの位置における断面構造の例を模式的に示した図である。図１および図２に示すように、ＭＲＩ装置１００の主要部は、支持筺体である円筒状のガントリ１０の内部に、円筒状の超電導磁石１１が収容されて構成されている。そして、本実施形態では、円筒状の超電導磁石１１の内径側にさらに磁束収束部１２が取り付けられているのが特徴となっている。

ここで、円筒状の磁束収束部１２の円筒内の空間は、被検体挿入領域１５と呼ばれ、テーブル２上に載置された被検体４が挿入される。そして、被検体４が載置されたテーブル２の挿抜は、制御装置５からの指示に従ってテーブル駆動部３によって行われる。

なお、円筒状の超電導磁石１１の円筒内（内径側）には、磁束収束部１２のほかにも、図示しない磁場勾配コイルや磁気共鳴信号取得のための高周波コイルなどが配設されている。制御装置５は、これらのコイルへ供給する電流や信号を制御するとともに、高周波コイルから得られる磁気共鳴信号を用いて被検体４の２次元または３次元画像を生成し、生成した画像を表示装置６に表示する。

さらに、図２に示すように、超電導磁石１１は、真空容器１１２の中に収容され、図示しない輻射シールドに囲まれた超電導コイル１１１によって構成される。このとき、超電導コイル１１１は、第１冷却部１３から供給される液体ヘリウムなどの冷媒を介して冷却されてもよいし、第１冷却部１３につながった熱伝導部材を介して冷却されてもよい。なお、超電導コイル１１１が冷媒を介して冷却される場合には、超電導コイル１１１は、輻射シールド（図示省略）の内側に設けられた冷媒容器（図示省略）に収容されるものとする。

また、磁束収束部１２は、設置台１２１に取り付けられた超電導部材１２２が真空容器１２４の中に収容され、さらに輻射シールド１２３に囲まれて構成される。そして、真空容器１２４は、円筒状の超電導磁石１１の真空容器１１２の内径面に図示しない締結部材を介して固定されるとともに、超電導部材１２２が取り付けられた設置台１２１は、荷重支持体１２０を介して、真空容器１２４の超電導磁石１１側の面に取り付けられる。このとき、超電導部材１２２は、第２冷却部１４から供給される液体ヘリウムなどの冷媒を介して冷却されてもよいし、第２冷却部１４につながった熱伝導部材を介して冷却されてもよい。なお、超電導部材１２２が冷媒を介して冷却される場合には、超電導部材１２２は、輻射シールド１２３の内側に設けられた冷媒容器（図示省略）に収容されているものとする。

ここで、第１冷却部１３と第２冷却部１４とは、互いに独立に制御され、動作するものとし、真空容器１１２と真空容器１２４とは、互いに連通していないものとする。従って、超電導コイル１１１の冷却温度と超電導部材１２２の冷却温度は、互いに相違してもよい。よって、超電導コイル１１１の線材として、例えば、ニオブ・チタン（ＮｂＴｉ）、ニオブ・スズ（Ｎｂ_３Ｓｎ）などを用い、磁束収束部１２の超電導部材１２２として高温超電導材料を用いるようなことをしてもよい。

また、図２に示すように、第２冷却部１４と超電導部材１２２とをつなぐ冷媒の通路または熱伝導経路の途中にヒータ１６を配設してもよい。なお、この場合のヒータ１６の役割については後記する。

以上、図１および図２に示したような構成を有するＭＲＩ装置１００においては、円筒状の超電導磁石１１の円筒内には、円筒の中心軸に略平行な方向、すなわち、被検体４の体軸と略平行な方向の磁束が発生する。このようなＭＲＩ装置１００は、しばしば、水平型ＭＲＩ装置と呼ばれる。そして、本実施形態では、前記したように、超電導磁石１１の円筒内には、超電導部材１２２を備えてなる円筒状の磁束収束部１２がさらに配設されている。

ここで、磁束収束部１２の設置台１２１や真空容器１２４は、非磁性のステンレスなどで構成され、超電導部材１２２は、所定の臨界温度以下で超電導状態になる超電導体で構成されている。そのため、超電導部材１２２が所定の臨界温度以下になったときには、超電導磁石１１の円筒内を通る磁束は、磁束収束部１２の超電導部材１２２の外側に排斥され、その磁束の中心軸側に収束させられる。その結果、円筒状の磁束収束部１２の円筒内の空間、すなわち、被検体挿入領域１５における磁束密度（磁場強度）は大きくなる。

さらに、図３を用いて、磁束収束部１２の超電導部材１２２の形状について詳しく説明する。ここで、図３は、超電導部材１２２の形状の例を示した図で、（ａ）は、超電導部材１２２の斜視図の例、（ｂ）は、超電導部材１２２の中心軸Ｂの方向から見た側面図の例、（ｃ）は、超電導部材１２２の中心軸Ｂを含む平面で切断したときの断面構造の例を示した図である。

図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、超電導部材１２２の外観は、円筒形状をしているが、さらに、次の２つの特徴を有している。その１つは、円筒形状の超電導部材１２２にスリット１２５が設けられていることである。スリット１２５は、中心軸Ｂに沿って超電導部材１２２の円筒側面に設けられた間隙であり、超電導部材１２２の円筒内を通過する磁束によって、その磁束の周囲に生じる周回電流を阻止するためのものである。なお、スリット１２５は、単なる間隙でなく、通常は、その間隙に絶縁性の樹脂などが詰め込まれたものとなっている。また、超電導部材１２２に設けられるスリット１２５の数は、１つに限定されず、２つ以上であってもよい。

本実施形態に係る超電導部材１２２の形状のもう１つの特徴は、円筒形状の超電導部材１２２の円筒内壁に凹凸が形成されていることである。この凹凸は、超電導部材１２２の円筒の内部、すなわち、被検体挿入領域１５における磁束の均一度を向上させるために形成されたものである。従って、その凹凸の形状は、超電導部材１２２の中心軸Ｂを中心に略回転対称となっており、中心軸Ｂを含む平面で切断したときの断面形状は、例えば、図３（ｃ）に示すような形状をしている。すなわち、超電導部材１２２は、その一方の端部から円筒の奥に行くにつれて次第に厚くなり、中央付近で薄くなり、他方の端部で再度厚くなるという断面構造をしている。

言い換えれば、超電導部材１２２を中心軸Ｂに垂直な平面で切断したとき、その超電導部材１２２で囲まれる領域の面積（ただし、スリット１２５は無いものとみなす）は、超電導部材１２２の円筒の一方の端部から他方の端部に到るまでの間に、２つの極小値と１つの極大値をとることになる。つまり、超電導部材１２２の円筒内を通る磁束の通路は、一方の端部から奥に進むにつれて次第に狭くなり、あるところから次第に広くなっていく。そして、円筒の中央部付近を過ぎると再度狭くなっていき、他方の端部の手前から再度広くなっていく。

図４は、超電導部材１２２による磁束均一化の効果を説明する図であり、（ａ）は、比較例の超電導部材１２２ａの円筒内の磁束の例を示した図、（ｂ）は、本実施形態に係る超電導部材１２２の円筒内の磁束の例を示した図である。なお、図４（ａ）、（ｂ）では、非磁性の設置台１２１、真空容器１２４などの図示は省略されている。

図４（ａ）の比較例では、超電導部材１２２ａの内壁に凹凸はないものとしている。従って、超電導磁石１１の内径側の磁束（矢印付きで示した流線）の通過可能な断面積は、側方が超電導部材１２２ａで囲まれた被検体挿入領域１５ではマイスナー効果により小さくなるため、その領域での磁束密度つまり磁場強度は大きくなる。しかしながら、超電導部材１２２ａの円筒内における磁束の通過可能な断面積は、奥に進むにつれいったん小さくなった後は、ほぼ一定の断面積となる。そのため、超電導部材１２２ａの円筒の中央の被検体挿入領域１５における磁束は、超電導部材１２２ａの端部効果の影響を受けて、どうしても磁束の中心軸側に寄りがちとなる。その結果、被検体挿入領域１５における磁束の均一性が十分に確保されないことになる。

一方、本実施形態の一例である図４（ｂ）の場合、超電導部材１２２の円筒内における磁束の通過可能な断面積は、奥に進むにつれ小さくなった後、再度、大きくなっている。すなわち、超電導部材１２２の内壁には、両端の端部近傍に凸部があり、中央部に凹部がある。そのため、超電導部材１２２の円筒内を通過する磁束は、端部近傍の凸部により収束されて磁場強度が大きくなる。また、超電導部材１２２の円筒の中央部の凹部では、磁束が通過できる空間が外側に広がっているため、磁束もやや外側に広がることになる。よって、比較例（図４（ａ））では、被検体挿入領域１５で磁束が磁束の中心軸に寄りがちであったものを、本実施形態（図４（ｂ））では、その磁束を外側に広げることができるので、磁束の均一性を向上させることができる。

なお、図３、図４（ｂ）に示したような超電導部材１２２の内壁に設ける凸部や凹部のさらに詳細な形状は、例えば、コンピュータシミュレーションなどにより事前に求めることができる。また、超電導部材１２２の形状の他の例としては、さらに図５および図６に示すような変形例を想定することができる。

図５は、超電導部材１２２の断面形状の変形例を示した図である。この変形例に係る超電導部材１２２ｂは、図５に示すように中心軸Ｂに沿って、その内壁に３つの凸部と２つの凹部を有している。このとき、中央の凸部の効果は、図３に示した超電導部材１２２の中央部の凹部に、さらに新たな凸部が設けられたものと考えると分かり易い。すなわち、図３（図４（ｂ））に示した超電導部材１２２に設けられた中央部の凹部により、被検体挿入領域１５での磁束が外側に広げられ過ぎるような場合には、その凹部に図５で新たに設けられた凸部により、被検体挿入領域１５での磁束を中心軸Ｂ側に押し戻すことができる。よって、被検体挿入領域１５における磁束の均一性を向上させることができる。

以上の考えを拡大すると、超電導部材１２２ｂの内壁に設けられる凸部は、さらに４つ以上であってもよく、また、凹部は、３つ以上であってもよい。このような場合にも、コンピュータシミュレーションにより、適宜、その形状を定めることができる。

図６は、超電導部材１２２の断面形状の他の変形例を示した図である。図６に示すように、この変形例では、円筒状の超電導磁石１１の円筒の端部の内壁に、新たな超電導部材１２２ｃが設けられている点で、図４（ｂ）に示した本実施形態に係る超電導部材１２２の形状と相違している。なお、図６では、超電導部材１２２ｃは、超電導部材１２２と分離されているが、両者がつながった構造であってもよい。

本変形例では、超電導磁石１１の内径側を通過する磁束は、超電導磁石１１の端部に設けられた超電導部材１２２ｃで予め収束させられるので、超電導部材１２２では、収束させる度合いが小さくて済むこととなり、磁束の均一化が促進される。

また、本変形例では、超電導部材１２２ｃは、超電導磁石１１の一方の端部にしか設けないものとしているが、両方の端部に設けてもよい。なお、超電導部材１２２ｃを超電導磁石１１の一方の端部にしか設けないとしたのは、その超電導部材１２２ｃを設けない端部からテーブル２に載置した被検体４を被検体挿入領域１５へ挿入する場合の便宜を考慮したものである。

以上に説明した第１の実施形態およびその変形例に係る超電導部材１２２，１２２ｂ，１２２ｃは、その全体が所定の臨界温度以下で超電導状態になるバルク材の超電導体で構成されているものとしている。しかしながら、一般的な超電導体のバルク材はもろいので、ここでは、超電導体を樹脂で固めたものを用いる。その場合、樹脂は、その温度膨張係数が固められる超電導体の温度膨張係数にできるだけ近いものが好ましい。また、磁束収束部１２の冷却効率の観点からは、熱伝導率が大きい樹脂が好ましい。
また、超電導部材１２２，１２２ｂ，１２２ｃは、金属やセラミックスの表面に、超電導体を蒸着したものでもよい。また、金属やセラミックスや樹脂成型物に超電導体を含んでなるテープ材を貼付したものであってもよい。

第１の実施形態の説明の最後に超電導コイル１１１および超電導部材１２２の冷却および運転の仕方について補足しておく。すなわち、本実施形態では、第２冷却部１４（図２参照）で超電導部材１２２を超電導状態になるまで冷却し、その後、第１冷却部１３で冷却されすでに超電導状態になっている超電導コイル１１１に通電し、超電導コイル１１１の内径側に磁束を生成するようにするものとする。こうすることにより、超電導部材１２２でのマイスナー効果が確実に発現し、超電導コイル１１１の内径側に生成された磁束は、超電導部材１２２により確実に収束されることになる。

また、図２に示したように、第２冷却部１４と超電導部材１２２とをつなぐ冷媒の通路または熱伝導経路の途中に設けられたヒータ１６は、超電導コイル１１１の内径側に生成される磁場の強度（磁束密度）を切り替えるのに用いられる。すなわち、ヒータ１６により超電導部材１２２の温度を臨界温度以上にすれば、超電導部材１２２による磁束の収束効果が消滅するので、被検体挿入領域１５における磁場強度を高磁場から低磁場に切り換えることができる。また、温度調整によって超電導部材１２２のマイスナー効果の大きさを調整することもできる。

以上、本発明の第１の実施形態によれば、円筒状の超電導コイル１１１の径側の空間に超電導部材１２２を有してなる円筒状の磁束収束部１２が配設されるので、側方がその超電導部材１２２で囲まれる空間、すなわち、被検体挿入領域１５では磁束が収束され、磁場強度が増大する。また、超電導部材１２２で囲まれる空間の磁束方向に垂直な平面で切断したときの断面積、すなわち、磁束が通過可能な断面積を適切に定めることにより、被検体挿入領域１５における磁束の均一化を図ることができる。よって、水平型のＭＲＩ装置１００において、超電導コイル１１１の起磁力を大きくすることなく、すなわち、超電導磁石１１を大型化することなく、均一な高磁場を得ることが可能になる。

＜第２の実施形態＞
図７は、本発明の第２の実施形態に係るＭＲＩ装置２００の外観斜視図の例を示した図であり、図８は、図７のＭＲＩ装置２００のＣ−Ｃの位置における断面構造の例を模式的に示した図である。図７および図８に示すように、ＭＲＩ装置２００の主要部は、上下に分離された支持筺体である頑丈な円盤状のガントリ２０の内部に、それぞれ、上下の磁極を形成する水平環状の超電導磁石２１が収容されて構成されている。そして、本実施形態では、上下の水平環状の超電導磁石２１のそれぞれの下面および上面に、上下に分離された磁束収束部２２が取り付けられているのが特徴となっている。

ここで、上下の磁束収束部２２で挟まれた空間の中央部分は、被検体挿入領域２５と呼ばれ、テーブル２上に載置された被検体４が挿入される。そして、被検体４が載置されたテーブル２の挿抜は、第１の実施形態の場合と同様に、制御装置５からの指示に従ってテーブル駆動部３によって行われる。

なお、上下の水平環状の超電導磁石２１のそれぞれの下面および上面には、磁束収束部２２のほかにも、図示しない磁場勾配コイルや磁気共鳴信号取得のための高周波コイルなどが配設されている。制御装置５は、これらのコイルへ供給する電流や信号を制御するとともに、高周波コイルから得られる磁気共鳴信号を用いて被検体４の２次元または３次元画像を生成し、生成した画像を表示装置６に表示する。

さらに、図８に示すように、上下に分離された超電導磁石２１は、それぞれが真空容器２１２の中に収容され、図示しない輻射シールドに囲まれた超電導コイル２１１によって構成される。このとき、超電導コイル２１１は、第１冷却部２３から供給される液体ヘリウムなどの冷媒を介して冷却されてもよいし、第１冷却部２３につながった熱伝導部材を介して冷却されてもよい。なお、超電導コイル２１１が冷媒を介して冷却される場合には、超電導コイル２１１は、輻射シールド（図示省略）の内側に設けられた冷媒容器（図示省略）に収容されるものとする。

また、上下に分離された磁束収束部２２は、それぞれ、設置台２２１に取り付けられた超電導部材２２２が真空容器２２４の中に収容され、さらに輻射シールド２２３に囲まれて構成される。そして、上下の真空容器２２４は、それぞれ上下の円盤状の超電導磁石２１の真空容器２１２の下面または上面に図示しない締結部材を介して固定される。また、超電導部材２２２が取り付けられた設置台２２１は、荷重支持体２２０を介して、真空容器２２４の超電導磁石１１側の面に取り付けられる。このとき、超電導部材２２２は、第２冷却部２４から供給される液体ヘリウムなどの冷媒を介して冷却されてもよいし、第２冷却部２４につながった熱伝導部材を介して冷却されてもよい。なお、超電導部材２２２が冷媒を介して冷却される場合には、超電導部材２２２は、輻射シールド２２３の内側に設けられた冷媒容器（図示省略）に収容されているものとする。

ここで、第１冷却部２３と第２冷却部２４とは、互いに独立に制御され、動作するものとし、真空容器２１２と真空容器２２４とは、互いに連通していないものとする。従って、超電導コイル２１１の冷却温度と超電導部材２２２の冷却温度は、互いに相違してもよい。よって、超電導コイル２１１の線材として、例えば、ニオブ・チタン（ＮｂＴｉ）、ニオブ・スズ（Ｎｂ_３Ｓｎ）などを用い、磁束収束部２２の超電導部材２２２として高温超電導材料を用いるようなことをしてもよい。

また、図８に示すように、第２冷却部２４と超電導部材１２２とをつなぐ冷媒の通路または熱伝導経路の途中にヒータ２６を配設してもよい。なお、この場合のヒータ２６の役割は、第１の実施形態のヒータ１６（図２参照）の役割と同じである。

以上、図７および図８に示したような構成を有するＭＲＩ装置２００においては、上下に分離された２つの超電導磁石２１を仮想的につなぐ円筒内で超電導コイル２１１の内径側には、その円筒の中心軸に略平行な方向、すなわち、被検体４の体軸と略垂直な方向の磁束が発生する。このようなＭＲＩ装置２００は、しばしば、垂直型ＭＲＩ装置と呼ばれる。そして、本実施形態では、２つの超電導磁石２１を仮想的につなぐ円筒内の両端部には、超電導部材２２２を備えてなる磁束収束部２２が配設されていることになる。

さらに、図８に加え図９を用い、磁束収束部２２の超電導部材２２２の形状について詳しく説明する。ここで、図９は、下側の超電導磁石２１に取り付けられる磁束収束部２２の超電導部材２２２の斜視図の例を示した図である。図８および図９から分かるように、超電導部材２２２の外観形状は、中空の半円錐、すなわち、一方の端部の径が他方の端部の径よりも小さくなっている半円錐状の筒である。そして、超電導部材２２２は、径が大きいほうの端部が設置台２２１に取り付けられ、設置台２２１は、超電導磁石２１の所定の位置に取り付けられている。

ここで、設置台２２１は、上下の超電導磁石２１の下面または上面に取り付けられるので、超電導コイル２１１の内径側に生成される磁束は、設置台２２１を略垂直に通過することになる。そこで、ここでは、設置台２２１に取り付けられた超電導部材２２２は、その半円錐の中心軸がこの磁束の中心軸と略一致する位置に配設されるものとする。さらに、本実施形態では、互いに径が異なる中空半円錐の超電導部材２２２が複数個、磁束の中心軸を中心として同心状に設置台２２１に取り付けられているものとする。そして、その場合、それぞれの半円錐の高さは、それぞれ異なるものであってもよいものとする。

また、第１の実施形態の場合と同様に、磁束収束部２２の設置台２２１や真空容器２２４は、非磁性のステンレスなどで構成され、超電導部材２２２は、所定の臨界温度以下で超電導状態になる超電導体で構成されているとする。そのため、超電導部材２２２が所定の臨界温度以下になったときには、超電導コイル２１１の内径側を通る磁束（垂直方向の磁束）は、半円錐状の超電導部材２２２によって磁束の中心軸側に収束させられる。その結果、上下の磁束収束部２２で挟まれた被検体挿入領域２５における磁場強度は大きくなる。

さらに、図９に示すように、半円錐状の超電導部材２２２にスリット２２５が設けられている。スリット２２５は、超電導部材２２２の側面に設けられた間隙であり、超電導部材２２２の内側をその中心軸に沿って通過する磁束によって、超電導部材２２２に生じる周回電流を阻止するためのものである。なお、スリット２２５は、単なる間隙でなく、通常は、その間隙に絶縁性の樹脂などが詰め込まれたものである。また、超電導部材２２２に設けられるスリット２２５の数は、１つに限定されず、２つ以上であってもよい。

以上のような超電導部材２２２は、第１の実施形態の場合と同様に、所定の臨界温度以下で超電導状態になる超電導体のバルク材が樹脂で固められたもので構成されているものとする。あるいは、超電導部材２２２は、金属やセラミックスの表面に、超電導体を蒸着したものでもよい。また、金属やセラミックスや樹脂成型物に超電導体を含んでなるテープ材を貼付したものであってもよい。

図１０は、第２の実施形態に係る超電導部材２２２による磁束収束および磁束均一化の効果を説明する図である。図１０に示すように、第２の実施形態では、上下２つの水平環状の超電導コイル２１１によって生成され、その内径側を通る磁束（矢印付きで示した流線）は、垂直方向を向いている。本実施形態では、超電導部材２２２が超電導状態になったときには、その中空半円錐状の超電導部材２２２の磁束を排斥する効果（マイスナー効果）により、前記磁束は、磁束の中心軸側に収束させられる。その結果、被検体挿入領域２５における磁束密度（磁場強度）は大きくなる。

なお、この第２の実施形態では、被検体挿入領域２５の側方部が開放された状態になっている。そのため、超電導部材２２２により収束させられる磁束の外周部の磁束は、磁束の中心軸から外側に膨らみがちになる。その膨らみを補正するために本実施形態では、径の異なる超電導部材２２２が複数個、磁束の中心軸を中心軸に同心状に配設されている。このとき、複数の超電導部材２２２の高さは相違してもよい。

逆にいえば、複数の半円錐状の超電導部材２２２の径の大きさ、側面の傾き、高さなどを適宜調整することにより、被検体挿入領域２５における磁束の均一化を実現することができる。なお、その磁束均一化を実現するための半円錐状の超電導部材２２２の径の大きさ、側面の傾き、高さなどの条件は、コンピュータシミュレーションなどにより事前に求めることができる。

以上、本発明の第２の実施形態によれば、上下の水平環状の超電導磁石２１のそれぞれの下面および上面に、図８〜図１０を用いて説明したような上下に分離された磁束収束部２２を取り付けたことにより、被検体挿入領域２５の磁場強度を増大させ、磁束の均一化を図ることができる。よって、垂直型のＭＲＩ装置２００において、超電導コイル２１１の起磁力を大きくすることなく、すなわち、超電導磁石２１を大型化することなく、均一な高磁場を得ることが可能になる。

最後に、第１の実施形態に係る超電導部材１２２の形状と、第２の実施形態に係る超電導部材２２２の形状の異同について補足しておく。第１の実施形態に係る超電導部材１２２の外観形状は、磁束の方向に沿った円筒形状をし、その内壁面に凹凸が形成されたものとなっている。そして、その内壁の凹凸の特徴は、図３〜図６を用いて説明したように、超電導部材１２２を磁束の中心軸Ｂに垂直な平面で切断したとき、超電導部材１２２で囲まれる領域の面積は、円筒状の超電導部材１２２の一方の端部から磁束の方向に沿って他方の端部に到るまでに少なくとも２つの極小値をとるという特徴を有している。

一方、第２の実施形態では、被検体挿入領域２５により上下に分断された１対の超電導部材２２２を、第１の実施形態でいう超電導部材１２２に対応付けることができる。この場合、上下の半円錐状の超電導部材２２２は、通過する磁束をその磁束の中心側に収束させる効果を有する点で、第１の実施形態に係る超電導部材１２２の円筒の内壁の両端部に設けられた凸部（図４（ｂ）参照）に対応する構成要素ということができる。また、第２の実施形態に係る超電導部材２２２を上下に分断する被検体挿入領域２５の部分は、通過する磁束が外側に広がるという意味で、第１の実施形態に係る超電導部材１２２の円筒の内壁の中央部に設けられた凹部に対応する構成要素といえる。

従って、第２の実施形態において超電導部材２２２が上下に分断された領域（被検体挿入領域２５）では、磁束の中心軸に垂直な平面に超電導部材２２２が現れないので、その平面における超電導部材２２２で囲まれる領域の面積は無限大とみなすことができる。とすれば、第２の実施形態に係る超電導部材２２２は、磁束の中心軸に垂直なで切断したときの超電導部材１２２で囲まれる領域の面積は、磁束収束部２２の一方の端部から磁束の方向に沿って他方の端部に到るまでに２つの極小値を有するという、第１の実施形態と同様の特徴を有しているといえる。

本発明は、以上に説明した実施形態および変形例に限定されるものではなく、さらに、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態および変形例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態や変形例の構成の一部を、他の実施形態や変形例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態や変形例の構成に他の実施形態や変形例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態や変形例の構成の一部について、他の実施形態や変形例に含まれる構成を追加・削除・置換することも可能である。

２ テーブル
３ テーブル駆動部
４ 被検体
５ 制御装置
６ 表示装置
１０，２０ ガントリ
１１，２１ 超電導磁石
１２，２２ 磁束収束部
１３，２３ 第１冷却部
１４，２４ 第２冷却部
１５，２５ 被検体挿入領域
１６，２６ ヒータ
１００，２００ ＭＲＩ装置
１１１，２１１ 超電導コイル
１１２，２１２ 真空容器
１２０，２２０ 荷重支持体
１２１，２２１ 設置台
１２２，２２２ 超電導部材
１２３，２２３ 輻射シールド
１２４，２２４ 真空容器
１２５，２２５ スリット

Claims (11)

1. 内径側の空間に一定方向の磁束を生成する超電導コイルと、
   前記超電導コイルの内径側の空間の磁束をその磁束の中心軸側に収束させる超電導部材を有してなる円筒状の磁束収束部と、
   を備え、
   前記円筒状の磁束収束部の側面に、中心軸に沿ってスリットが設けられ、
   前記円筒状の磁束収束部を前記磁束の中心軸に垂直な平面で切断したとき、前記円筒状の磁束収束部に含まれる超電導部材で囲まれる領域の面積は、前記円筒状の磁束収束部の一方の端部から前記磁束の方向に沿って他方の端部に到るに従い変化し、その他方の端部に到るまでの間に少なくとも２つの極小値をとること
   を特徴とする超電導磁石装置。
2. 前記超電導コイルを冷却する第１冷却部と、前記磁束収束部の超電導部材を冷却する第２冷却部と、をさらに備え、前記第２冷却部は、前記第１冷却部とは独立に動作して前記磁束収束部の超電導部材を冷却すること
   を特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
3. 前記第２冷却部を介して前記磁束収束部の超電導部材を超電導の臨界温度以下に冷却した後、冷却されて超電導状態となっている前記超電導コイルに通電すること
   を特徴とする請求項２に記載の超電導磁石装置。
4. 前記第２冷却部と前記磁束収束部の超電導部材とをつなぐ熱伝導経路または冷媒通路の一部にヒータが設けられていること
   を特徴とする請求項２に記載の超電導磁石装置。
5. 前記超電導コイルが垂直型の磁気共鳴撮像装置に用いられるものである場合には、前記磁束収束部は、前記磁束の方向に沿って、上部電極側の超電導コイル部に取り付けられる上部磁束収束部と、下部電極側の超電導コイル部に取り付けられる下部磁束収束部と、に分離されており、
   前記上部磁束収束部と前記下部磁束収束部のそれぞれは、前記円筒状の磁束収束部を前記磁束の中心軸に垂直な平面で切断したとき、前記円筒状の磁束収束部に含まれる超電導部材で囲まれる領域の面積は、前記円筒状の磁束収束部の一方の端部から前記磁束の方向に沿って他方の端部に到るに従い変化し、その他方の端部に到るまでの間に少なくとも２つの極小値をとり、
   前記磁束の方向に沿って、前記上部磁束収束部と前記下部磁束収束部とを隔てる空間は、被検体挿入空間であること
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
6. 前記上部磁束収束部および前記下部磁束収束部のそれぞれに含まれる超電導部材は、いずれも半円錐筒状の形状をしており、前記半円錐筒状の超電導部材は、いずれも、広い開口面側が前記超電導コイル側に取り付けられ、狭い開口面側が前記被検体挿入空間に接していること
   を特徴とする請求項５に記載の超電導磁石装置。
7. 前記上部磁束収束部および前記下部磁束収束部は、いずれも傾斜度と高さが異なる複数の半円筒状の超電導部材を前記磁束の中心軸を中心に同心状に配置してなること
   を特徴とする請求項６に記載の超電導磁石装置。
8. 前記磁束収束部の超電導部材は、バルク材の超電導体が樹脂で固められたものであること
   を特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
9. 前記磁束収束部の超電導部材は、金属またはセラミックスに超電導体が蒸着されたものであること
   を特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
10. 前記磁束収束部の超電導部材は、非磁性部材の表面に超電導体からなるテープ材が貼付されたものであること
    を特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の超電導磁石装置を備えてなること
    を特徴とする磁気共鳴撮像装置。

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