JP6970314B2 - シム装置、マグネットアセンブリ、及びシム装置を励磁する方法 - Google Patents

Description

本発明はマグネットアセンブリに使用するシム装置に関し、シム装置は、ＨＴＳ（高温超伝導材料）を含む少なくとも１つのシム導体路と、第１のシムスイッチとを有し、シム導体路は軸を中心として湾曲した面の上に位置し、第１のシムスイッチは、第１の導体路部の超伝導状態を一時的に中止するために、シム導体路の第１の導体路部に配置される。これに加えて本発明はマグネットアセンブリ及びシム装置を励磁する方法に関する。

シム装置、及びシム装置を励磁する方法は、たとえば特許文献１、特許文献２、及び特許文献３（未公開）に記載されている。

マグネットアセンブリの主磁場を均一化するために複数のシムコイルが使用される。この目的のために、特に複数のＨＴＳコイルを利用することができる。動作磁場又は動作温度の理由によりＬＴＳ材料をシムコイルに利用できず、ＨＴＳ材料からなる複数のシムコイルはＨＴＳ主磁石の磁場均一性を改善することができるからである。特に、ＨＴＳ被覆された導体路からなる超伝導的に閉じたシムコイルは永久電流を流すことができ、すなわち、電流を維持するための電源機器や電源ラインが必要ないという利点を有している。

特許文献１より、電源機器に直接接続してシムコイルを励磁する、励磁方法が知られている。これを行うには、超伝導スイッチを開いて超伝導シム回路を遮断する。電流は、超伝導スイッチと並列に接続された電源機器により、シム回路へ直接供給される。超伝導スイッチを閉じると、電流はシム回路を永続的に流れ、電源機器の電流は遮断される。ＨＴＳ被覆された導体路からなる複数の永続的なシムコイルは、インダクタンスが低いため、通常、一定の磁場強度を生成するために、複数巻回がなされたシムコイルよりも大幅に大きな電流を必要とする。したがって特許文献１から知られている励磁方法は、相応の大きさの電力を供給する電源ラインが、多量の熱を外部からクライオスタットへ伝導するという欠点を有する。さらに、少なくとも部分的に常伝導の電源ラインにおける高電流により、励磁プロセス中にさらなるジュール熱が発生する。槽冷却式のクライオスタットでは、これにより低温槽の蒸発が速くなる。能動冷却式のクライオスタットでは、それに応じて冷却能力が高い低温冷却装置を使用する必要がある。

未公開の特許出願である特許文献３は、一次回路を形成する常伝導励磁コイルを使用する誘導励磁方法を開示している。ＨＴＳシム装置はＨＴＳシム導体路とシムスイッチとを有しており、二次回路を形成する。二次回路では、励磁コイルにより生じる磁束の変化により誘導的に電流が変化する（二次電流変化）。

永続的なＨＴＳシムはＨＴＳ被覆されたフィルムから製作することができ、超伝導的に閉じたシム導体路がフィルムの開口部を取り囲んでいる。複数のシム導体路が、均一化されるべき磁石のボアの周りに円筒状に巻かれる。特定の磁場勾配を生成するＨＴＳシムは、複数の長方形の閉じた導体路によって（特許文献１）、又は非凸軌道に沿った導体路によって（特許文献２）具体化される。特許文献２に記載されている変形例では、単一の導体路により複雑な磁場分布を生成できるが、ＨＴＳ回路におけるシム設計の選択肢が制限される。たとえば公知のＨＴＳシムでは、対称性の理由により、奇数次数の「不純物」のない偶数次数（ｚ^２，ｚ^４，．．．）の磁場勾配のためのｏｎ−ａｘｉｓシムを、単一の導体路により製作することはできない。公知のシム設計では、常に一方向の電流帰還が行われなければならないからである。電流帰還は乱れをできる限り少なく抑えるために軸方向外側で実行されるが、このことは、シムが軸方向に比較的大きく広がることを意味する。

米国特許第８，９６５，４６８Ｂ２号明細書（Ｉｗａｓａ） ドイツ特許出願公開第１０２０１６２２５０１７Ａ１号明細書（Ｂｒｕｋｅｒ ＢｉｏＳｐｉｎ ＡＧ） ドイツ特許出願第１０２０１８２２１３２２．４（未公開）

本発明の課題は、複雑な磁場分布とシム設計における高い自由度をいずれも可能にする、たとえばＮＭＲ磁石の、磁場均一化のための永続的なＨＴＳシムを提案することにある。

この課題は、本発明によると、請求項１に記載のシム装置、請求項９に記載のマグネットアセンブリ、及び請求項１２に記載の方法によって解決される。

本発明によるシムアセンブリでは、シム導体路は少なくとも第１の開口部と第２の開口部とを取り囲み、それによりシム導体路は、第１の周回電流経路と、第２の周回電流経路と、第３の周回電流経路とを有し、３つの周回電流経路のうち２つはそれぞれ開口部のうちの１つだけを取り囲み、３つの周回電流経路のうちの１つは２つの開口部を取り囲む。本発明によると、第１のシムスイッチが配置された第１の導体路部は、第１及び第２の周回電流経路のみの一部である。

シム導体路とは、高温超伝導材料からなる自己完結型の導体アセンブリであり、高温超伝導材料は好ましくはフィルムへのＨＴＳ被覆である。これはたとえば継ぎ目の無い導体路アセンブリとすることができる。シム導体路は動作中に超伝導的に短絡され、すなわち、シム導体路の複数の周回電流経路は、（第１のシムスイッチが閉じているときに）電気抵抗を有さない。このことは、たとえば、支持フィルムの上にＨＴＳを直接塗布するか、ＨＴＳ被覆されたフィルムから作成された、ＨＴＳからなる周回するシム導体路により実現される。

シム導体路は、シム装置の長軸（軸ｚ）を中心として円筒状に湾曲した面の上に位置する、又は「巻き付けられる」。すなわち、シム導体路は、通常、１つ又は複数のシリンダジャケット面の上に延びている。磁気共鳴装置にシム装置が使用される場合、シム導体路を有する面の湾曲の中心となる長軸は、磁気共鳴装置の主磁石の長軸でもある。

本発明によるシム装置は、１つ以上のシム導体路を有することができる。

開口部と呼ぶのは、シム導体路の部分により取り囲まれる領域である。すなわち、シム導体路は、２つの非超伝導性の領域（開口部）の周りに連続的な複数のループを形成し、各々の周回電流経路が幾何学的に閉じたループを形成する。開口部は、たとえば被覆されたフィルムからの打抜き部として、又はＨＴＳ層からエッチング除去又は剥離された領域として、構成することができる。

シム導体路に、３つ以上の周回電流経路と、それに対応して２つ以上の開口部を設けることもできる。これにより、いっそう複雑なシム導体路の具体化が可能になる。

周回電流経路は、超伝導的に閉じているか、動作時に（すなわち励磁後に）超伝導的に閉じることができる、導体路ループの形をしている。すなわち周回電流経路は、幾何学的（周回する形状）にも電気的にも閉じている。

このように本発明では、複数の周回電流経路及びこれに伴う複数の分岐を有する２つの開口部を有する導体路の幾何学的形状が提案され、第１及び第２の周回電流経路は、抵抗的に遮断することができる共有の導体路部を有する。すなわち、ＨＴＳ材料からなるシム導体路は少なくとも２つの開口部を取り囲み、それにより、少なくとも３つの周回電流経路が得られる。第１の開口部を取り囲む周回電流経路、第２の開口部を取り囲む周回電流経路、及び両方の開口部を取り囲む周回電流経路である。第３の周回電流経路は、他の２つの周回電流経路が共有する導体路部を含まない。

本発明による導体路の幾何学的形状は、単一かつ単純に接続されたシム導体閉路では実現できない、電流軌跡を有するシムを単一のシム導体閉路から設計することを可能にする。したがって、本発明に基づいて３つの周回電流経路を単一のシム導体路内に設けることにより、シム導体路内の電流軌跡をより大きな自由度で設計することができる。すなわち、数多くの異なる磁場勾配を、又は磁場勾配の組合せを発生させることができ、特に、偶数次数の磁場勾配のみを発生させることができ、それにより、非対称の電流帰還が望ましくない影響を及ぼして磁場勾配を変化させることがない。

第１及び第２の周回電流経路だけが、第１のシムスイッチを含む第１の導体路部を共有し、したがって、第３の周回電流経路は第１のシムスイッチによって抵抗的に遮断することができない。すなわち第１のシムスイッチは、第３の周回電流経路を超伝導状態に保ちつつ、第１及び第２の周回電流経路を同時に抵抗的に遮断できる。したがって第３の周回電流経路は、動作時に恒常的に超伝導的に閉じていることが好ましい。このことは、第１及び第２の周回電流経路が同一のインダクタンスを有しており、その結果それぞれ１つの開口部を取り囲むとともに、第３の周回電流経路が両方の開口部を取り囲んでいる場合に特に有利である。そして、単純な励磁方法を使用して、第１及び第２の周回電流経路に、同じ強度の電流を反対向きの周回方向に誘導することができる。これにより、幾何学的に単純なＨＴＳシムを用いて、特定の対称性を有する磁場分布を生成することができる。

しかしながら、第３の周回電流経路が１つの開口部のみ取り囲み、第１又は第２の周回電流経路が２つの開口部を取り囲んでいる実施形態も考えられる。この実施形態は特に、第１及び第２の周回電流経路が同一のインダクタンスを有していない、より一般的な形態のＨＴＳシムに対して特に有利である。

シム導体路は少なくとも１つの層として軸（ｚ軸）を中心として巻かれており、軸に対して平行に延びて径方向に重なる少なくとも２つの導体路部を有することが好ましい。１つのシム導体路が少なくとも１つの層全体で軸（ｚ）を中心として巻かれている場合にのみ、このシム導体路が（軸ｚに関して）ほぼ軸対称の磁場分布を生成することができる（ｏｎ−ａｘｉｓシム）。軸（ｚ）に対して平行に延びる導体路部は軸方向の磁場成分を生成せず、したがって、シム導体路により生成される所望の磁場分布には寄与しない。電流が反対向きの導体路部同士を空間的に重ね合わせることで、磁場分布への寄与を事実上完全に抑えることができる。

シム導体路を複数層巻くと、シム設計の選択肢が以下の様にさらに広がる。

特定の実施形態では、たとえば、アジマス方向に周回する複数の導体路部が、（軸ｚに関して）それぞれ異なる軸方向位置に配置される。このようにして、特に偶数次数の磁場勾配を生成するｏｎ−ａｘｉｓシムを具体化することができる。

別の実施形態では、ｎ層に巻かれたシム導体路の導体路部がすべての層で同じように延びている。このようなシム導体路では、誘導励磁の際に、同一の形状で単一の層に巻かれたシム導体路よりもｎ倍小さい電流が生じる。生成される磁場分布、特に磁場強度は、いずれのケースでも同一である。したがって、このように複数層に巻かれたシム導体路は、超伝導電流容量が小さくなるように設計できるという利点を有する。

本発明によるシム装置の好ましい実施形態では、シム導体路は軸の垂直面への投影像に関して対称に延びている。本発明によるシム装置を磁気共鳴装置に使用する場合、通常、垂直面はは主磁石の中心（ｚ＝０）に位置する。このようなＨＴＳシムは、垂直面に関して対称（偶数次数）の磁場勾配又は逆対称（奇数次数）の磁場勾配を生成する。

このようなタイプの本発明によるシム装置の第１の実施形態では、第１の周回電流経路と第２の周回電流経路は、軸の垂直面への投影像に関してそれぞれ逆対称に延びる。ここで、逆対称の電流経路とは、電流方向が反転した対称の経路であると理解される。これにより、シム導体路が単一の層として巻かれ、第１及び第２の周回電流経路を電流が反対方向に流れる場合、横軸に関して非対称な磁場分布を長軸に対して垂直に生成することができる。このような磁場分布を有するシム装置は、ｏｆｆ−ａｘｉｓシム（たとえばｒｚシム）として利用することができる。

このようなタイプの本発明によるシム装置の代替である第２の実施形態では、第１の周回電流経路と第２の周回電流経路は軸の垂直面への投影像に関してそれぞれ逆対称に延びていない。ここで意味するのは、２つの周回電流経路が同一の垂直面に関して対称になることである。これにより、長軸に関して対称な磁場分布の生成が可能になる（ｚ＝０における軸の垂直面に関して磁場分布が対称になる）。すなわち、第１及び第２の周回電流経路が同一の形状を有していて、これらの経路を電流が反対方向に流れる限りにおいて、奇数次数の磁場勾配は存在しない（たとえば純粋なｚ^２シム又はｚ^４シム）。このような磁場分布を有するシム装置は、偶数次数のｏｎ−ａｘｉｓシムとして利用することができる。

第１の周回電流経路は、第２の周回電流経路と同一のインダクタンスを有することが好ましい。特に、このことは、それぞれの周回電流経路を同一の形状および同一の寸法とすることによって実現することができる。これにより特に簡易な励磁方法が可能となり、それにより、励磁後に２つの周回電流経路の電流が等しい大きさになる。このことは、シム導体路が軸の垂直面への投影像に関して対称に延びるシム装置で特に有利である。シム導体路の対称性が、電流分布に反映され、これに伴って磁界分布にも反映されるからである。

シム導体路は、ＨＴＳ被覆されたフィルムでできていることが好ましく、このフィルムは高抵抗で電気的にブリッジされていることが好ましい。ＨＴＳ材料としては、たとえば、ＹＢＣＯ（イットリウム−バリウム−銅酸化物）又はＧｄＢＣＯ（ガドリニウム−バリウム−銅酸化物）などのＲＥＢＣＯ（希土類金属−バリウム−銅酸化物）、又はＢＳＣＣＯ（ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅酸化物）を使用することができる。シム導体路のＨＴＳ層は、通常、その上に位置する厚さわずか数μｍの銀層によって保護される（高抵抗でブリッジされている）。主磁石がクエンチされると、通常、シム導体路も誘導結合によってクエンチされる。ブリッジされた銀層の電気抵抗が十分に高いため、誘導電流がシム導体路に損傷を与えることが回避される（クエンチ保護）。これに加えて、励磁の際や主磁石のクエンチの際にシム導体路に誘導される電流を低減することができ、それは、周回電流経路と主磁石との間の誘導結合ができる限り小さくなるように、シム導体路が設計されることによる。

本発明によるシム装置の第３の実施形態では、超伝導状態を一時的に中止するために、別のシムスイッチが別の導体路部に配置され、別の導体路部は第３の周回電流経路の一部である。したがって、開口部が２つの場合、第１又は第２の周回電流経路をこれら２つのシムスイッチによって遮断し、他の２つの周回電流経路をシムスイッチのうちの１つのみによって遮断することができる。これにより、主磁石の励磁時にシム導体路に意図せず誘導された電流を、別のシムスイッチを開くことによって消去することができる。磁束ポンプの原理を用いてシム導体路の励磁することもできる。さらに、この実施形態は、２つの異なる勾配を生成するシム導体路を具体化するために使用することができ、これらの磁場強度は、シム導体路の励磁時に互いに独立して調整することができる（たとえば、第３の周回電流経路によってｚ勾配が生成され、第１及び第２の周回電流経路によって共同でｚ^２勾配が生成される、ｚ−ｚ^２ハイブリッドシム）。

別のシムスイッチは、２つの開口部を取り囲む電流経路を遮断するために使用されることが好ましく、それに対して第１のシムスイッチは、それぞれ単一の開口部を取り囲む電流経路のみを遮断することができるように配置されることが好ましい。

本発明は、磁気共鳴装置用のマグネットアセンブリにも関し、マグネットアセンブリは次のものを有する。
・室温ボアを有するクライオスタット
・クライオスタットの中に配置され、以下を有する超伝導マグネットコイルシステム
‐軸が延在している作業空間内にこの軸の方向に磁場を生成するための主磁石
‐主磁石により作業空間内に生成される磁場の空間的なプロファイルを設定するための、及び／又はこの磁場を空間的に均一化するための、先行請求項のうちいずれか１項に記載のシム装置
・シム装置の少なくとも１つのシム導体路と誘導結合するように構成された少なくとも１つの励磁コイルを有する励磁装置

本発明によるマグネットアセンブリは、以下に説明する方法に従ってシム装置を励磁できるように構成されるのが好ましい。

マグネットアセンブリの作業空間は、主磁石の長軸上に位置する点の周りに配置されている。シム装置のシム導体路は、主磁石の長軸に関して径方向に少なくとも部分的に主磁石の内部に配置される。主磁石の長軸は、シム導体路が周りに配置される、シム装置の軸（ｚ軸）と同一であることが好ましい。

シム導体路は、動作中、ｚ軸を中心とする円筒座標系に関して軸方向成分を有する磁場を生成する。

励磁装置は、少なくとも１つの一次回路を共に形成する、常伝導励磁コイルと電源と電源ラインとを有することが好ましく、励磁コイルはクライオスタットの室温ボアに配置されるか、一時的に配置可能であることが好ましい。一次回路を介して、二次回路としてのシム導体路を誘導的に励磁することができる。

励磁コイルは、励磁プロセス中に、第１の周回電流経路及び第２の周回電流経路と、それぞれ異なる程度で誘導結合するのが好ましい。このことは、たとえば励磁コイルが軸方向及び／又は径方向に、第１の周回電流経路から第２の周回電流経路とは異なる距離に位置することにより実現することができる。これは、第１の周回電流経路が第２の周回電流経路と同一のインダクタンスを有しているシム導体路にとって重要である。この場合、第１のシムスイッチが閉じているときに、第１及び第２の周回電流経路が励磁コイルからそれぞれ異なる影響を受けることが確実となる。このようにして、励磁コイルの電流が減少した後に（第３の段階）、電流がシム導体路内に残ることが実現される。

励磁コイルは、励磁プロセス中に、シム装置の軸方向端部の近傍に配置することが好ましい。

本発明によるマグネットアセンブリの特定の実施形態では、異なる周回電流経路が同一の励磁コイルと誘導結合する。このことは、適切な設計又は周回電流経路に対する励磁コイルの位置決めによって実現することができ、たとえば、異なるシム導体路を、単一の励磁コイルにより励磁することができるという利点を有する。あるいは、それぞれ適切に調整された誘導結合を有する、互いに異なる励磁コイルにより、異なるシム導体路を励磁することができる。

本発明は、上記マグネットアセンブリにおいて上記シム装置を励磁する方法にも関し、この方法において、励磁コイルにより生成され、シム導体路により包囲された面を通る磁束の変化によって、シム導体路の電流の変化が誘導的に起こり、
Ｉ．第１の段階では、任意の順序で、第１のシムスイッチが超伝導状態を中止するために少なくとも一時的に開かれ、励磁コイルにおける電流の変化によって、又は励磁コイルの移動によって、周回電流経路のうちの少なくとも１つに電流の変化が誘導され、
ＩＩ．第２の段階では、第１のシムスイッチを閉じることによって周回電流経路のうちの２つが超伝導的に閉じられ、
ＩＩＩ．第３の段階では、閉じられた第１のシムスイッチのもとで、励磁コイルにおける電流の変化によって、又は励磁コイルの移動によって、周回電流経路に電流の変化が誘導される。

誘導によって励磁がなされることで、シム導体路への電源ラインの設置を省略することができる。励磁コイルは、１つの開口部のみを取り囲む複数の周回電流経路が、それぞれ、励磁コイルと同程度に誘導結合されないよう配置されることが好ましい。このことは、第１及び第２の周回電流経路が同一の形状と同一の寸法（したがって同一のインダクタンス）を有している構造にとって特に重要である。

第１の段階では、励磁コイルで電流を変化させる。据え付け型の励磁コイルが室温ボアに設けられていない場合、（励磁コイルによる電流変化の前又は後に）励磁コイルもクライオスタットの室温ボアの中に配置する。第１の段階の後、第１及び第２の周回電流経路が抵抗的に遮断され、第３の閉じた周回電流経路に有効な誘導電流が流れる（第１の段階の前に、第３の周回電流経路が完全に放電されているものとする）。

第２の段階では、第１のシムスイッチが閉じられる。したがって第２の段階の後、第１及び第２の周回電流経路が超伝導的に閉じられる。このとき磁束が保存されるため、シム導体路の電流は変化しない。

第３の段階では、閉じられた第１のシムスイッチのもとで、励磁コイルの電流が変化し、及び／又は励磁コイルが室温ボアから取り外される。それによって生じる磁束変化は、一般に、第１及び第２の周回電流経路に対してそれぞれ異なる影響を及ぼし、それにより、励磁プロセスの後に、これらの電流経路に異なる電流強度及び／又は周回方向の電流が流れる。

第３の段階での励磁コイルにおける電流変化は、第１の段階での励磁コイルにおける電流変化と同じ大きさであって、符号が反転していることが好ましい。励磁プロセスの開始時に励磁コイルに電流が流れていない場合、励磁プロセスの終了時にも電流はゼロになる。このことは、励磁プロセスの前後に励磁コイルをシム導体路に配置したり、シム導体路から取り外したりすることができ、これによりシム導体路の磁束がさらに変化することがないという利点を有する。

本発明による方法の特定の変形例では、第３の周回電流経路は励磁プロセスの間、超伝導的に閉じられたまま保たれる。

本発明による方法の特定の変形例はシム装置を励磁する方法に関し、このシム装置は、シム導体路の第１の導体路部とは異なる別の導体路部における超伝導状態を一時的に中止するための別のシムスイッチを有する。

上記の３つの段階に加え、第１の段階では次の３つのステップがさらに実行される。１．別の導体路部の超伝導状態を中止するために別のシムスイッチが少なくとも１回開かれる。２．励磁コイルにおける電流の変化によって、又は励磁コイルの移動によって、それぞれの周回電流経路にさらなる電流の変化が誘導される。３．別のシムスイッチが閉じられる。これら３つのステップは、すでに上で説明した第１の段階に含まれる、励磁コイルにおける電流の変化の際、又は励磁コイルの移動の際に実行される。

第１の段階でシムスイッチを開くことで、それ以前に周回電流経路に存在していた電流がゼロにセットされる。この段階では、第１及び別のシムスイッチを原則として必要なだけ開閉することができる。重要なのは、第１の段階における２番目に記載された電流変化の間及びその後に別のシムスイッチが閉じたままに保たれ、第３の段階における電流変化の間及びその後に第１のシムスイッチが閉じられることだけである。

本発明のさらなる利点は、明細書及び図面から明らかとなる。同様に、上に挙げた構成要件及び後で説明する構成要件を、本発明に基づいてそれ自体としてそれぞれ単独で、又は複数の任意の組合せとして使用することもできる。図示及び説明されている各実施形態は完結した列挙として理解されるべきではなく、むしろ、本発明を記述するための例示としての性質を有する。

第１の周回電流経路と第２の周回電流経路が軸（ｚ）の垂直面への投影像に関して逆対称に延びている、本発明によるシム装置の第１の実施形態を示す斜視図である。 図１のシム装置を示す展開図である。 第１の周回電流経路と第２の周回電流経路が軸（ｚ）の垂直面への投影像に関して逆対称に延びていない、本発明によるシム装置の第２の実施形態を示す斜視図である。 図３のシム装置を示す展開図である。 別の超伝導シムスイッチを有する、本発明によるシム装置の第３の実施形態を示す展開図である。 本発明によるマグネットアセンブリを示す図である。 第１の超伝導シムスイッチを有するシム装置を用いた、本発明による方法の第１の変形例のさまざまな段階を示す図であり、第１の超伝導シムスイッチは、それぞれ１つの開口部のみを取り囲む第１及び第２の周回電流経路に位置する。 第１の超伝導シムスイッチを有するシム装置を用いた、本発明による方法の第１の変形例のさまざまな段階を示す図であり、第１の超伝導シムスイッチは第１及び第２の周回電流経路に位置し、第１の周回電流経路は２つの開口部を取り囲む。 ２つの超伝導シムスイッチを有するシム装置を用いた、本発明による方法の第１の変形例のさまざまな段階を示す図である。

図１〜図５には、本発明によるシム装置Ｄ，Ｄ’，Ｄ’’のさまざまな実施形態が示されている。本発明によるシム装置Ｄ，Ｄ’，Ｄ’’は、図１及び図３に示すように、軸ｚを中心とする円筒面上に延びる、ＨＴＳ材料からなるシム導体路Ｃを有する。ここではシム導体路Ｃは軸ｚを完全に取り囲んでおり、すなわち、軸ｚの周りに少なくとも１周「巻かれて」いる。シム導体路Ｃは、第１の開口部Ｏ１の周りに第１の周回電流経路Ｌ１を有し、第２の開口部Ｏ２の周りに第２の周回電流経路Ｌ２を有している。第３の周回電流経路Ｌ３は、２つの開口部Ｏ１，Ｏ２を取り囲んでいる。周回電流経路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、それぞれ、シム導体路Ｃの導体路部（ハッチングを付して図示）により形成されている。分かりやすくするため、周回電流経路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の道筋は、対応する導体路部に対して横にずらして引かれた破線で図示されている。第１の導体路部Ｓ１には、第１の導体路部Ｓ１の超伝導状態を中止することができる第１のシムスイッチＳｗ１が配置されている。第１の周回電流経路Ｌ１と第２の周回電流経路Ｌ２は、第１の導体路部Ｓ１を共有している。

図１は、本発明によるシム装置Ｄの第１の実施形態の斜視図であり、図２はその展開図である。図１及び図２に示す実施形態では、シム導体路Ｃ全体だけでなく個々の周回電流経路Ｌ１、Ｌ２，Ｌ３も、軸ｚの垂直面Ｎへの投影像に関して対称又は逆対称である。この目的のためにシム導体路Ｃは、軸ｚの周りを１周だけ完全に取り囲んでおり、図１に示すように、軸ｚと平行に延びる導体路端部同士が径方向に重なり合っている。図１及び図２に示す実施形態では、第１のシムスイッチＳｗ１は、第１の周回電流経路Ｌ１及び第２の周回電流経路Ｌ２の一部である第１の導体路部Ｓ１に配置され、第１及び第２の周回電流経路は、それぞれ、２つの開口部Ｏ１，Ｏ２のうちの１つのみを取り囲んでいる。第１のシムスイッチＳｗ１は、これ以外の導体路部に配置されていてもよく、それにより、第１又は第２の周回電流経路が、２つの開口部Ｏ１，Ｏ２を取り囲むことになる。

図１及び図２に示す特定の幾何学的形状において、アジマス方向に延びるすべての導体路部が所望の軸上磁場に寄与する。電流帰還による望ましくない乱れは存在しない。したがって、シム導体路Ｃは全体として軸方向の広がりを小さくすることができ、それにより、比較的幅の狭いＨＴＳフィルムから特にコンパクトなシム導体路Ｃを具体化することができる。

図３は本発明によるシム装置Ｄ’の第２の実施形態の斜視図、図４は対応する展開図であり、シム導体路Ｃは軸ｚの垂直面Ｎに関して対称ではあるが、第１の周回電流経路Ｌ１と第２の周回電流経路Ｌ２は軸ｚの垂直面Ｎへの投影像に関して逆対称性を有していない。シム導体路Ｃの対称性は、図３に示すように、シム導体路が軸ｚの周りを完全に２周取り囲み、軸ｚと平行に延びる複数の導体路端部と軸ｚと平行に延びる導体路中央部とが径方向に重なり合うことにより実現される。図３及び図４に示す実施形態では、第１のシムスイッチＳｗ１は、第１の周回電流経路Ｌ１及び第２の周回電流経路Ｌ２の一部である第１の導体路部Ｓ１に配置され、第１及び第２の周回電流経路は、それぞれ、２つの開口部Ｏ１，Ｏ２のうちの１つのみを取り囲んでいる。第１のシムスイッチＳｗ１はこれ以外の導体路部に配置されていてもよく、それにより、第１又は第２の周回電流経路が、２つの開口部Ｏ１，Ｏ２を取り囲むことになる。

図５は本発明によるシム装置Ｄ’’の別の実施形態の展開図であり、シム導体路Ｃは軸ｚの垂直面Ｎに対して対称ではあるが、第１の周回電流経路Ｌ１と第２の周回電流経路Ｌ２は軸ｚの垂直面Ｎへの投影像に関して逆対称性を有していない（図３及び図４に示す実施形態に類似している）。図５のシム装置は、第１の導体路部Ｓ１に配置された第１のシムスイッチＳｗ１に加え、別の導体路部Ｓ２に位置する別のシムスイッチＳｗ２を有する。２つの導体路部Ｓ１，Ｓ２は、第２の周回電流経路Ｌ２に配置されている。これらは、第１のシムスイッチＳｗ１が第１の周回電流経路Ｌ１に配置され、別のシムスイッチＳｗ２が第３の周回電流経路Ｌ３に配置されている点で異なる。

図３〜図５に示す実施形態により、（磁石中心における）垂直面Ｎに関して純粋に対称である、すなわち軸方向に奇数次数の磁場勾配を含まない、磁場分布を生成することができる。

図６は、本発明によるマグネットアセンブリを示している。このアセンブリは室温ボアＢを有するクライオスタットＫを有する。クライオスタットＫ内にはマグネットコイルシステムＭがあり、このマグネットコイルシステムＭは、主磁場を生成するとともに、シム導体路が周囲に配置されるシム装置の軸（ｚ軸）と同一の主磁石長軸を有する主磁石ＭＭと、主磁場を調整又は均一化する本発明によるシム装置Ｄ，Ｄ’，Ｄ’’とを有する。シム装置Ｄ，Ｄ’，Ｄ’’を励磁するために励磁装置Ｅが設けられており、これによってシム装置Ｄ，Ｄ’，Ｄ’’を誘導的に励磁することができる。励磁装置Ｅは、電源ラインを介して電源により電力が供給される励磁コイルＰを有する。励磁コイルＰは励磁プロセスのために室温ボアＢの内部に配置され、それにより、励磁コイルＰがシム導体路Ｃと最適に結合することができる。シム装置Ｄ，Ｄ’，Ｄ’’の励磁プロセスは誘導的に行われる。

図７〜図９には、さまざまな方法の変形例におけるさまざまな段階が模式的に示されている。ここでは、励磁装置Ｅにおける、第１及び第２の周回電流経路Ｌ１，Ｌ２の電流が、さまざまな段階Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩについて示されている。矢印の方向は、それぞれの場合における正の電流の方向を定義する。第１の周回電流経路Ｌ１及び第２の周回電流経路Ｌ２の両方の一部である導体路部については、それぞれの周回電流経路の電流が示されている。対応する導体路部に実際に流れる電流は、共有の導体路部について図示されている電流を重ね合わせることにより得られる。

単一の（第１の）シムスイッチＳｗ１を有するシム導体路Ｃでは、第３の周回電流経路が励磁プロセス（段階Ｉ〜ＩＩＩ）の間は遮断されないので、その面を通る磁束はゼロのままに保たれる。その結果、第１及び第２の周回電流経路の電流は、励磁後に、閉じたシムスイッチＳｗ１を介して同一方向に流れてから、分岐部を介して分岐する。

図７は第１のシムスイッチＳｗ１を有するシム装置Ｄ／Ｄ’を用いた、本発明による方法の第１の変形例のさまざまな段階Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩを模式的に示しており、第１のシムスイッチＳｗ１は、第１及び第２の周回電流経路Ｌ１，Ｌ２の共通の第１の導体路部に位置している。第１の周回電流経路Ｌ１は第１の開口部Ｏ１のみを取り囲み、第２の周回電流経路は第２の開口部Ｏ２のみを取り囲んでいる。

第１の段階Ｉでは、超伝導状態を中止するために第１のシムスイッチＳｗ１が少なくとも一時的に開かれる。励磁コイルＰに電流変化ΔＩ_０Ｉが生じさせるか、又は、通電された励磁コイルＰをシム装置Ｄ／Ｄ’に対して相対的に移動する。これにより、シム導体路Ｃに電流変化が誘導される。

この電流変化の間に第１のスイッチＳｗ１を開く場合、第１の周回電流経路Ｌ１及び第２の周回電流経路Ｌ２の両方の一部である第１の導体路部Ｓ１の実効電流は、第１のシムスイッチＳｗ１が開くため、ゼロになる。その結果、第１の周回電流経路の電流Ｉ_１は、第２の周回電流経路の電流Ｉ_２と同じ値Ｉ_１Ｉとなる。

この電流変化の間に第１のシムスイッチＳｗ１を閉じ、電流変化後に開く場合、第１の周回電流経路の電流Ｉ_１は、同様に、第２の周回電流経路の電流Ｉ_２と同じ値Ｉ_１Ｉとなる。

第１の段階Ｉの後に、第１及び第２の周回電流経路Ｌ１，Ｌ２は抵抗的に遮断される。

第２の段階ＩＩでは、第１のシムスイッチＳｗ１が閉じ、それに伴って第１及び第２の周回電流経路Ｌ１，Ｌ２が超伝導的に閉じられる。磁束が保存されるため、シム導体路Ｃ内の電流の流れに変化は生じない。

第３の段階ＩＩＩでは、閉じている第１のシムスイッチＳｗ１のもとで、励磁コイルＰにおける電流の変化ΔＩ_０ＩＩＩにより、又は励磁コイルＰの移動（図示せず）により、周回電流経路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に電流の変化が誘導される。励磁コイルＰは第１の周回電流経路Ｌ１に対して、第２の周回電流経路Ｌ２とは異なる影響を及ぼすので（励磁コイルＰがどこに配置されているか、第１及び第２の周回電流経路Ｌ１，Ｌ２がどのようなインダクタンスと誘導結合を有するかによって異なる）、第１の周回電流経路Ｌ１ではＩ_１ＩからＩ_１ＩＩＩへの電流の変化が生じ、それに対して第２の周回電流経路Ｌ２ではＩ_１ＩからＩ_２ＩＩＩへの電流の変化が生じる。それにより、共有される第１の導体路部Ｓ１に変化した電流が流れる。

図８には、図７と類似の変形例について段階Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩが模式的に示されており、この変形例において、第１のシムスイッチＳｗ１を有する第１の導体路部Ｓ１が図７とは異なる方法で配置されているため、第１の周回電流経路Ｌ１は第１の開口部Ｏ１と第２の開口部Ｏ２の両方を取り囲んでいる。

第１の段階Ｉでは、超伝導状態を中止するために第１のシムスイッチＳｗ１が少なくとも一時的に開かれる。励磁コイルＰに電流変化ΔＩ_０Ｉが生じさせるか、通電されてた励磁コイルＰをシム装置Ｄ／Ｄ’に対して相対的に移動する。これにより、シム導体路Ｃに電流の変化が誘導される。

この電流変化の間に第１のシムスイッチＳｗ１を開く場合、第１の周回電流経路Ｌ１及び第２の周回電流経路Ｌ２の両方の一部である第１の導体路部の実効電流は、第１のシムスイッチＳｗ１が開くため、ゼロになる。したがって第１の周回電流経路Ｌ１と第２の周回電流経路Ｌ２には、同じ強度の電流Ｉ_１＝Ｉ_１’Ｉ及びＩ_２＝Ｉ_１’Ｉが誘導される。

この電流変化の間に第１のシムスイッチＳｗ１を閉じ電流変化後に開く場合、第１の周回電流経路と第２の周回電流経路の電流も、同様に、Ｉ_１＝Ｉ_２＝Ｉ_１’Ｉとなる。

第１の段階Ｉの後に、第１及び第２の周回電流経路Ｌ１，Ｌ２は抵抗的に遮断される。

第２の段階ＩＩでは、第１のシムスイッチＳｗ１が閉じ、それに伴って第１及び第２の周回電流経路Ｌ１，Ｌ２が超伝導的に閉じられる。磁束が保存されるため、シム導体路Ｃ内の電流の流れに変化は生じない。

第３の段階ＩＩＩでは、閉じている第１のシムスイッチＳｗ１のもとで、励磁コイルＰにおける電流の変化ΔＩ_０ＩＩＩにより、又は励磁コイルＰの移動（図示せず）により、周回電流経路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に電流の変化が誘導される。励磁コイルＰは第１の周回電流経路Ｌ１に対して、第２の周回電流経路Ｌ２とは異なる影響を及ぼすので（励磁コイルＰがどこに配置されているか、第１及び第２の周回電流経路Ｌ１，Ｌ２がどのようなインダクタンスと誘導結合を有するかによって異なる）、第１の周回電流経路Ｌ１ではＩ_１’ＩからＩ_{１’ＩＩＩ}への電流の変化が生じ、それに対して第２の周回電流経路Ｌ２ではＩ_１’ＩからＩ_{２’ＩＩＩ}への電流の変化が生じる。

図９には、２つのシムスイッチＳｗ１，Ｓｗ２を有するシム装置Ｄ’’についての方法の変形例が模式的に示されている。上記の段階Ｉ〜ＩＩＩの各ステップに加えて、第１の段階Ｉではさらなるステップが実行される。これにより、励磁コイルＰに電流の変化ΔＩ_００が生じる。励磁コイルＰへのこの通電の前又は後に、シムスイッチＳｗ１，Ｓｗ２が開かれる。このことは、励磁コイルＰへの通電とは関係なく、周回電流経路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３がその後に無電流になるという効果を奏する。それに伴い、たとえば励磁プロセスの終了時に励磁コイルＰの電流がゼロになるように、第１の段階Ｉにおける励磁コイルＰの電流強度を選択することが可能になり、それにより、望ましくない電流を誘導することなく、励磁コイルＰをシム装置Ｄ’’から取り外すことができる。

第１の段階Ｉのその後の過程で、まず別のシムスイッチＳｗ２が閉じられ、その後、励磁コイルＰの電流が事前に規定された値Ｉ_０Ｉに設定される。これにより、第１及び第２の周回電流経路Ｌ１及びＬ２に（又は第３の周回電流経路Ｌ３においてこれと等価に）、電流Ｉ_１’’Ｉを誘導する。図９に示す例では、第１及び第２の周回電流経路Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ、２つの開口部Ｏ１，Ｏ２のうちの１つのみを取り囲む。したがって、以後の方法は図７の段階ＩＩ及びＩＩＩに準じて行われる。

図９を用いて説明した方法の変形例は、２つのシムスイッチＳｗ１，Ｓｗ２の位置が入れ替わっている場合にも可能である。その場合、以後の方法は図８に準じて行われる。

単一の（第１の）シムスイッチＳｗ１を有する、本発明による方法のすべての変形例では、本発明によるシム装置Ｄ，Ｄ’の励磁後、第３の段階ＩＩＩにおける励磁コイルＰの電流変化が第１の段階Ｉにおける負の電流変化と等しい限りは、第１の周回電流経路Ｌ１及び第２の周回電流経路Ｌ２における２つの電流強度の比が、２つの周回電流経路Ｌ１，Ｌ２のインダクタンスと誘導結合によってのみ決定され、励磁コイルＰの固定された空間的な位置には左右されない。本発明による方法により、明確に定義された磁場分布を単一のシム導体路Ｃによって生成することができる。

それぞれ１つの開口部を有する２つの独立したシム導体路Ｃを使用してこのような電流軌跡を生成するのとは対照的に、２つ電流経路Ｌ１，Ｌ２の間の電流比を、及びその結果生成される磁場分布を、本発明による方法によって正確にコントロールすることが可能である。これは、励磁コイルＰの相対的な位置（又は周回電流経路Ｌ１，Ｌ２と励磁コイルＰとの間の誘導結合）や、励磁コイルＰにおける電流変化の精度に依存しないからである。

Ｃ シム導体路
Ｄ，Ｄ’，Ｄ’’ シム装置
Ｅ 励磁装置
Ｋ クライオスタット
Ｌ１ 第１の周回電流経路
Ｌ２ 第２の周回電流経路
Ｌ３ 第３の周回電流経路
Ｍ マグネットコイルシステム
ＭＭ 主磁石
Ｎ 垂直面
Ｏ１ 第１の開口部
Ｏ２ 第２の開口部
Ｐ 励磁コイル
Ｓ１ 第１の導体路部
Ｓ２ 別の導体路部
Ｓｗ１ 第１の導体路部域の第１のシムスイッチ
Ｓｗ２ 別の導体路部の別のシムスイッチ
ｚ 軸
Ｉ 第１の段階
ＩＩ 第２の段階
ＩＩＩ 第３の段階
Ｉ_１ 第１の周回電流経路の電流
Ｉ_２ 第２の周回電流経路の電流

Claims (14)

1. マグネットアセンブリ（Ｍ）に使用するシム装置（Ｄ；Ｄ’；Ｄ’’）であって、前記シム装置（Ｄ；Ｄ’；Ｄ’’）は、少なくとも１つのＨＴＳ（＝高温超伝導材料を含む）シム導体路（Ｃ）と、第１のシムスイッチ（Ｓｗ１）とを有し、前記シム導体路（Ｃ）は軸（ｚ）を中心として湾曲した面の上に位置し、前記第１のシムスイッチ（Ｓｗ１）は、第１の導体路部（Ｓ１）における超伝導状態を一時的に中止するために、前記シム導体路（Ｃ）の前記第１の導体路部（Ｓ１）に配置される、シム装置において、
   前記シム導体路（Ｃ）は少なくとも第１の開口部（Ｏ１）と第２の開口部（Ｏ２）とを取り囲み、それにより前記シム導体路（Ｃ）は、第１の周回電流経路（Ｌ１）と、第２の周回電流経路（Ｌ２）と、第３の周回電流経路（Ｌ３）とを有し、３つの前記周回電流経路（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）のうち２つはそれぞれ両方の前記開口部（Ｏ１，Ｏ２）のうちの１つだけを取り囲み、３つの前記周回電流経路（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）のうちの１つは２つの前記開口部（Ｏ１，Ｏ２）を取り囲み、
   前記第１のシムスイッチ（Ｓｗ１）が配置された前記第１の導体路部（Ｓ１）は、前記第１の周回電流経路（Ｌ１）及び前記第２の周回電流経路（Ｌ２）のみの一部であることを特徴とするシム装置。
2. 前記シム導体路（Ｃ）は少なくとも１つの層として前記軸（ｚ）を中心として巻かれており、前記軸（ｚ）に対して平行に延び、径方向に重なる少なくとも２つの導体路部を有することを特徴とする、請求項１に記載のシム装置（Ｄ；Ｄ’；Ｄ’’）。
3. 前記シム導体路（Ｃ）は前記軸（ｚ）の垂直面（Ｎ）への投影像に関して対称に延びることを特徴とする、請求項１又は２に記載のシム装置（Ｄ；Ｄ’；Ｄ’’）。
4. 前記第１の周回電流経路（Ｌ１）と前記第２の周回電流経路（Ｌ２）は前記軸（ｚ）の垂直面（Ｎ）への投影像に関してそれぞれ逆対称に延びることを特徴とする、請求項３に記載のシム装置（Ｄ）。
5. 前記第１の周回電流経路（Ｌ１）と前記第２の周回電流経路（Ｌ２）は前記軸（ｚ）の垂直面（Ｎ）への投影像に関してそれぞれ逆対称に延びていないことを特徴とする、請求項３に記載のシム装置（Ｄ’；Ｄ’’）。
6. 前記第１の周回電流経路（Ｌ１）は前記第２の周回電流経路（Ｌ２）と同一のインダクタンスを有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のシム装置（Ｄ；Ｄ’；Ｄ’’）。
7. 前記シム導体路（Ｃ）は、ＨＴＳ被覆されたフィルムでできており、前記フィルムは好ましくは高抵抗で電気的にブリッジされていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のシム装置（Ｄ；Ｄ’；Ｄ’’）。
8. 別のシムスイッチ（Ｓｗ２）が、超伝導状態を一時的に中止するために別の導体路部（Ｓ２）に配置され、前記別の導体路部（Ｓ２）は前記第３の周回電流経路（Ｌ３）の一部であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のシム装置（Ｄ’’）。
9. 磁気共鳴装置用のマグネットアセンブリにおいて、前記マグネットアセンブリは、
   室温ボア（Ｂ）を有するクライオスタット（Ｋ）と、
   前記クライオスタット（Ｋ）の中に配置され、
   軸（ｚ）が延在している作業空間内に前記軸（ｚ）の方向に磁場を生成するための主磁石（ＭＭ）、及び
   前記主磁石（ＭＭ）により前記作業空間内に生成される磁場の空間的なプロファイルを設定するための、及び／又は前記磁場を空間的に均一化するための、請求項１から８のいずれか１項に記載のシム装置（Ｄ；Ｄ’；Ｄ’’）
   を有する超伝導マグネットコイルシステム（Ｍ）と、
   前記シム装置（Ｄ；Ｄ’；Ｄ’’）の前記少なくとも１つのシム導体路（Ｃ）と誘導結合するよう構成された少なくとも１つの励磁コイル（Ｐ）を有する励磁装置（Ｅ）と、
   を有するマグネットアセンブリ。
10. 前記励磁コイル（Ｐ）は励磁プロセス中に前記第１の周回電流経路（Ｌ１）及び前記第２の周回電流経路（Ｌ２）とそれぞれ異なる程度で誘導結合することを特徴とする、請求項９に記載のマグネットアセンブリ。
11. 異なる周回電流経路（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）が同一の前記励磁コイル（Ｐ）と誘導結合することを特徴とする、請求項９又は１０に記載のマグネットアセンブリ。
12. 請求項９から１１のいずれか１項に記載のマグネットアセンブリにおいて請求項１から８のいずれか１項に記載のシム装置（Ｄ，Ｄ’，Ｄ’’）を励磁する方法であって、
    前記励磁コイル（Ｐ）により生成され、前記シム導体路（Ｃ）により包囲された面を通る磁束の変化によって前記シム導体路（Ｃ）の電流の変化が誘導的に起こる方法において、
    Ｉ．第１の段階（Ｉ）では、任意の順序で、前記第１のシムスイッチ（Ｓｗ１）が超伝導状態を中止するために少なくとも一時的に開かれ、前記励磁コイル（Ｐ）における電流の変化によって、又は前記励磁コイル（Ｐ）の移動によって、前記周回電流経路（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）のうちの少なくとも１つに電流の変化が誘導され、
    ＩＩ．第２の段階（ＩＩ）では、前記第１のシムスイッチ（Ｓｗ１）を閉じることによって前記第１の周回電流経路（Ｌ１）及び前記第２の周回電流経路（Ｌ２）が超伝導的に閉じられ、
    ＩＩＩ．第３の段階（ＩＩＩ）では、閉じられた前記第１のシムスイッチ（Ｓｗ１）のもとで、前記励磁コイル（Ｐ）における電流の変化によって、又は前記励磁コイル（Ｐ）の移動によって、前記周回電流経路（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）に電流の変化が誘導される方法。
13. 前記第３の周回電流経路（Ｌ３）が励磁プロセスの間、超伝導的に閉じられたまま保たれることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 請求項９から１１のいずれか１項に記載のマグネットアセンブリにおいて請求項８に記載のシム装置（Ｄ’’）を励磁するための請求項１２に記載の方法において、
    前記第１の段階（Ｉ）では、前記励磁コイル（Ｐ）における電流の変化の前又は前記励磁コイル（Ｐ）の移動前に次の３つのステップがこの順序でさらに実行され、すなわち、
    超伝導状態を中止するために前記別のシムスイッチ（Ｓｗ２）が少なくとも１回開かれ、
    前記励磁コイル（Ｐ）における電流の変化によって、又は前記励磁コイル（Ｐ）の移動によって、前記周回電流経路（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）のそれぞれにさらなる電流の変化が誘導され、
    前記別のシムスイッチ（Ｓｗ２）が閉じられる方法。

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