JP7247130B2

JP7247130B2 - 超電導コイル装置

Info

Publication number: JP7247130B2
Application number: JP2020030570A
Authority: JP
Inventors: 安見大谷; 洋一久保; 貞憲岩井; 寛史宮崎
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2020-02-26
Publication date: 2023-03-28
Anticipated expiration: 2040-02-26
Also published as: JP2021136300A

Description

本発明の実施形態は例えば核磁気共鳴装置等に用いられる超電導コイル装置に関する。

核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）や磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）等に用いられる超電導コイルは、内筒内に磁場を発生させるための主コイルと、磁場の均一性を高めるために磁場の補正を行うシムコイルから構成される。シムコイルの中で、特にコイル中心軸Ｚ方向の磁場を補正する目的のシムコイルは、主コイルと同軸（Ｚ軸）に配置されたシムコイル又は通電電流により補正するもので、主コイルと同軸で、主コイルの外側又は内側、あるいは主コイルと同じ径の場所に配置する例がある。

また、シムコイルを構成する線材が銅線の場合、クライオスタット（極低温冷却装置）の外側（室温部）に配置することが可能となるが、超電導線材を用いたシムコイルに比較して、磁場の補正に必要な容積が増えてしまうデメリットがある。

一方、ビスマス系やイットリウム系の線材を用いた高温超電導コイルによりシムコイルを構成する場合、銅線を用いた常伝導コイルに比較し電流密度を高くすることができるため、コイル自体の電流分布の広さによる磁場補正の誤差を小さくすることができるメリットがある。

図７は従来の超電導コイルの構成例であり、磁場空間１０に主磁場を発生させる主コイル４は主コイル支持筒２０に支持され電流リード２２を介して外部電源から電流が供給される。主磁場を補正するシムコイル６は、主コイルの内側（磁場空間側）に配列されたシムコイル支持筒２１に支持され、電流リード２３を介して外部電源から電流が供給される。

主コイル４とシムコイル６は、内側に磁場空間１０を形成する円筒状の真空容器２の内部に同軸（Ｚ軸）にして収容され、超電導状態となるように冷凍機１により冷却されている。磁場空間１０は被験者を撮像するための貫通空間である。また、真空容器２の内部には、外部からの輻射熱の侵入を低減するため、主コイル４及びシムコイル６を包囲する輻射シールド板３が設置されている。

特開平５－９００２２号公報特開２００４－２７３５６８号公報

上述した従来の超電導コイルでは、主コイル４の内側にシムコイル６がシムコイル支持筒２１に固定されている。そのため、主コイル４の内側の磁場空間１０の一部が、シムコイル６により占有されることになるため、円筒状の真空容器２の内径、すなわち磁場空間１０の外径を、シムコイル６が無い場合に比べ、縮小せざるを得ず、そのため撮像のための磁場空間１０も縮小してしまうという課題がある。

一方、磁場空間１０が縮小することを回避するため、シムコイル６を主コイル４と同じ主コイル支持筒２０の内周に固定する例もあるが、主コイル４のサイズによっては、主コイル４の中心からの角度によって位置決めを行っているシムコイル６の一部が主コイル４の位置と干渉し、一部のシムコイル６が設置できなくなったり、又はシムコイル６の位置を変位させる必要が生じることで、磁場の補正精度が低下し、均一な磁場を形成することが困難になるという課題がある。

本発明の実施形態は上記課題を解決するためになされたもので、磁場空間を縮小させることなく、均一な磁場を形成することが可能な超電導コイル装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る超電導コイル装置は、円筒状のコイル支持筒の内側に形成された磁場空間と、前記磁場空間に主磁場を発生させる複数の主コイルと、前記主磁場を補正する複数ユニットのシムコイルと、外部電源から前記シムコイルに電流を供給する電流リードと、を備え、前記複数の主コイルを前記コイル支持筒の外周に配置し、前記複数ユニットのシムコイルを前記コイル支持筒の内周に配置した超電導コイル装置において、一つのユニットのシムコイルは２積層コイルから構成され、当該２積層コイルは前記コイル支持筒の内周面に設けられた凹部に嵌合固定されるとともに、前記２積層コイルを前記コイル支持筒の内周面に設けられた接続板又は当該内周面に設けられた凹部に埋め込まれた接続板で連結したことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、磁場空間を縮小させることなく、均一な磁場を形成することができる。

第１の実施形態に係る超電導コイル装置の構成図。第２の実施形態に係る超電導コイル装置の構成図。第３の実施形態に係る超電導コイル装置の構成図。第３の実施形態の変形例に係る超電導コイル装置の構成図。第４の実施形態に係る超電導コイル装置の構成図。第５の実施形態に係る超電導コイル装置の構成図。従来の超電導コイル装置の全体構成図。

以下、本発明に係る超電導コイル装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る超電導コイル装置について、図１を参照して説明する。

（構成）
第１の実施形態に係る超電導コイル装置は、図１に示すように、円筒状のコイル支持筒５と、コイル支持筒５の外周に配置された複数の主コイル４と、コイル支持筒５の内周に主コイル４と同軸（Ｚ軸）に配置された複数ユニットのシムコイル６と、各シムコイル６に接続された連結リード９ａと、コイル支持筒５の内部に形成された磁場空間１０と、から構成される。
主コイル４は磁場空間１０に主磁場を発生させ、シムコイル６は主磁場を補正する機能を有する。

本実施形態では、１つのユニットのシムコイル６は２積層コイル６ａ、６ｂから構成され、それぞれコイル支持筒５の内周に設けられた凹部に嵌合固定されている。また、このシムコイル６ａ、６ｂは電流リード９ａを介して外部電源から電流が供給されるとともに、コイル支持筒５の内周面に設けられた接続板１１ａにより連結されている。

（作用）
上記のように構成された超電導コイル装置において、外部電源から供給される電流は電流リード９ａを経由して終端部のシムコイル６ｂに接続され、そこで折り返して連結板１１ａを通って次のシムコイル６ａに電流を供給し主磁場の補正を行う。
また、電源リード９ａを折り返す構成としたことで、電流リード９ａ及び接続板１１ａが作る磁場を相互に打ち消すことができる。

（効果）
本実施形態によれば、主コイル４とシムコイル６を一つのコイル支持筒５により支持したことで、従来の超電導コイル装置に比して、磁場空間１０を広く形成することができるとともに、部品点数の削減及び装置の小型化を図ることができる。
また、シムコイル６をコイル支持筒５の内周に配置する構成を採用したことで、主コイル４の位置にかかわらずシムコイル６の位置を自由に設計配置することが可能となる。

これにより、設計の自由度が増すとともに、シムコイル６がコイル支持筒５の内周側で中心磁場に近い位置にあるため、シムコイル６のターン数、通電電流等の低減化、及び低コスト化を図ることができるとともに、シムコイル６の組立作業負担を軽減化することができる。
なお、本実施形態ではシムコイル６として２積層コイルを用いた例を説明しているが、これに限定されず、２層以上の多層コイルを用いてもよい。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る超電導コイル装置について、図２を参照して説明する。
（構成）
本実施形態では、シムコイル７としてシングルパンケーキ状シムコイルを用いた構成としている。

図２は２つのシングルパンケーキ状コイル７ａ、７ｂを用いた例を示しているが、２つのシングルパンケーキ状コイル７ａ、７ｂと電流リード９ｂとの連結面が磁場空間１０に対しそれぞれ逆向きとなっている。すなわち、シングルパンケーキ状コイル７ａでは連結リード９ｂとの連結面が磁場空間１０に対し外側で、シングルパンケーキ状コイル７ｂでは連結リード９ｂとの連結面が内側となっている。

なお、シングルパンケーキ状コイル７を３以上用いた場合も、各コイルと電流リード９ｂとの連結面は交互に逆向きとなる。
また、戻りの電流リード９ｂはコイル支持筒５の内周面に接して配置するか、又は内周面に設けた凹部に埋め込む構成としている。

(作用)
上記のように構成された超電導コイル装置において、外部電源から供給される電流は電流リード９ｂを経由してシングルパンケーキ状コイル７ａに供給され、次にシングルパンケーキ状コイル７ｂに供給され、そこで折り返してコイル支持筒５の内周面又は凹部に埋め込まれた電流リード９ｂを経由して外部電源に戻る。

（効果）
本実施形態によれば、シングルパンケーキ状コイル７ａ、７ｂをシムコイル７として用いた場合、各シングルパンケーキ状コイル７ａ、７ｂと電流リードとの連結面が交互に逆向きになるが、戻りの電流リード９ｂをコイル支持筒５の内周面に設けるか又は内周面に設けられた凹部に埋め込む構成としたことで、磁場空間１０をさらに大きく形成することが可能となる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る超電導コイル装置について、図３を参照して説明する。
本実施形態では、一つのユニットのシムコイル８として、２つの２積層シムコイル８ａ、８ｂを用いた構成としている。

図３に示す例では、２積層コイル８ａ、８ｂをそれぞれ連結する接続板１２ａを磁場空間１０に対し２積層コイル８ａ、８ｂの外側とし、各２積層コイル８ａ、８ｂを連結する電流リード９ａを２積層コイル８ａ、８ｂの内側で連結している。
また、接続板１２ａはコイル支持筒５の内周面に設けるか又は内周面に設けた凹部に埋め込む構成としている。

これにより、２積層コイル８ａ、８ｂからなるシムコイル８はコイル支持筒５の内周面に接して配置されるため、シムコイル８の内径を大きくすることが可能となり、磁場空間１０をさらに拡げることができる。

（変形例）
本変形例では、図４に示すように、２つの２積層シムコイル８ａ、８ｂをそれぞれ連結する接続板１２ｂを磁場空間１０に対し２積層コイル８ａ、８ｂの内側とし、各２積層コイル８ａ、８ｂを連結する電流リード９ａを２積層コイル８ａ、８ｂの外側で、コイル支持筒５の内周面に設けるか又は内周面に設けた凹部に埋め込む構成としている。

このように、２積層コイル８ａ、８ｂを連結する電流リード９ａをコイル支持筒５の内周面に設けるか又は内周面に設けた凹部に埋め込む構成としたことで、磁場空間１０における電流リード９ａが占有する領域を小さくすることが可能となるため、シムコイル８の内径を大きくすることが可能となり、磁場空間１０をさらに拡げることができる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態に係る超電導コイル装置について、図５を参照して説明する。
本実施形態では、例えば主コイル４が形成する磁場成分の１次成分と２次成分をそれぞれ補正する種類の異なるシムコイル１４をコイル支持筒５の内周面に配置した構成としている。

図５の例では、２つのシムコイル１４ａと種類の異なる４つのシムコイル１４ｂを配置した例を示している。
シムコイル１４ａと１４ｂのそれぞれの接続形態は、上記第１～第４の実施形態で説明したものと同様であるが、通電電流の強さが異なるため異なる電流リード１５ａ、１５ｂに接続されているとともに、電流リード１５ａ、１５ｂが他のシムコイルに影響を与えないように適宜絶縁板１３が設置される。

なお、本実施形態では２種類のシムコイル１４ａ、１４ｂが用いられているが、３種類以上のシムコイルを用いてもよい。

本実施形態によれば、複数種類のシムコイル１４ａ、１４ｂに独立に通電電流を流すことが可能となるため、高精度の磁場補正が可能となる。また、複数種類のシムコイル１４ａ、１４ｂをコイル支持筒５の内周に配置するため、シムコイル１４ａ、１４ｂの位置を自由に設計配置することが可能となるとともに、組立作業負担及びコストを軽減化することができる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態に係る超電導コイル装置について、図６を参照して説明する。
本実施形態では、図６に示すように、シムコイル１４ａ、１４ｂを冷却するための冷却板１６を磁場空間１０に対しシムコイル１４ａ、１４ｂの外側で、コイル支持筒５の内周面に設けるか又は内周面に設けられた凹部に埋め込んだ構成としている。

冷却板１６は電流リード１５ａ、１５ｂに干渉しない位置に配置され、絶縁板１３を介してシムコイル１４ａ、１４ｂを転移温度以下に冷却し、超電導状態に維持する。

本実施形態によれば、シムコイル１４ａ、１４ｂに隣接して冷却板１６を配置したことで、当該シムコイル１４ａ、１４ｂの超電導状態を確実に維持できるほか、冷却板１６をコイル支持筒５の内周面に設けるか又は内周面に設けられた凹部に埋め込んだ構成としているため、磁場空間１０の領域を減少させることはない。また、冷却板１６の位置を自由に設計配置することが可能となるとともに、組立作業負担及びコストを軽減化することができる。

なお、本変形例の冷却板１６を第１～第３の実施形態で説明した超電導コイル装置にも適用できることはもちろんである。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…冷凍機、２…真空容器、３…輻射シールド板、４…主コイル、５…コイル支持筒、６、６ａ、６ｂ…シムコイル（２積層コイル）、７、７ａ、７ｂ…シムコイル（シングルパンケーキ状コイル）、８、８ａ、８ｂ…シムコイル（２積層コイル）、９ａ、９ｂ…電流リード、１０…磁場空間、１１ａ、１２ａ、１２ｂ…接続板、１３…絶縁板、１４、１４ａ、１４ｂ…シムコイル、１５ａ、１５ｂ…電流リード、１６…冷却板、２０…主コイル支持筒、２１…シムコイル支持筒、２２、２３…電流リード

Claims

円筒状のコイル支持筒の内側に形成された磁場空間と、前記磁場空間に主磁場を発生させる複数の主コイルと、前記主磁場を補正する複数ユニットのシムコイルと、外部電源から前記シムコイルに電流を供給する電流リードと、を備え、前記複数の主コイルを前記コイル支持筒の外周に配置し、前記複数ユニットのシムコイルを前記コイル支持筒の内周に配置した超電導コイル装置において、
一つのユニットのシムコイルは２積層コイルから構成され、当該２積層コイルは前記コイル支持筒の内周面に設けられた凹部に嵌合固定されるとともに、前記２積層コイルを前記コイル支持筒の内周面に設けられた接続板又は当該内周面に設けられた凹部に埋め込まれた接続板で連結したことを特徴とする超電導コイル装置。
円筒状のコイル支持筒の内側に形成された磁場空間と、前記磁場空間に主磁場を発生させる複数の主コイルと、前記主磁場を補正する複数ユニットのシムコイルと、外部電源から前記シムコイルに電流を供給する電流リードと、を備え、前記複数の主コイルを前記コイル支持筒の外周に配置し、前記複数ユニットのシムコイルを前記コイル支持筒の内周に配置した超電導コイル装置において、
一つのユニットのシムコイルは複数の２積層コイルから構成され、一つの２積層コイルは前記コイル支持筒の内周面に設けられた凹部に嵌合固定されるとともに、前記一つの２積層コイルを接続板で連結したことを特徴とする超電導コイル装置。
前記接続板を前記磁場空間に対して外側に設け、前記電流リードを内側に設けたことを特徴とする請求項２記載の超電導コイル装置。
前記接続板を前記磁場空間に対して内側に設け、前記電流リードを外側に設けたことを特徴とする請求項２記載の超電導コイル装置。
前記電流リードを前記コイル支持筒の内周面に設けるか、又は当該内周面に設けられた凹部に埋め込んだことを特徴とする請求項４記載の超電導コイル装置。
前記シムコイルに隣接して配置される冷却板を前記コイル支持筒の内周面に設けるか又は当該内周面に設けられた凹部に埋め込んだことを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導コイル装置。