JPH01501211A - シールドされた磁気共鳴磁石を製造する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気共鳴磁石用一体シールド 関連出願に対する相互参照 本出願は係属中の米国特許出願第（ＲＤ−１７，１４３）号「超伝導磁気共鳴磁 石とその製造方法」、（ＲＤ−１７゜９３６）号「磁気共鳴磁石用軸方向ストラ ップ懸垂システム」、（ＲＤ−１７，９３７）号「半径方向低温保持装置懸垂シ ステム」、（Ｒ１）−１７，９３８）号「低温冷却器と磁気共鳴イメージング用 低温保持装置を相互接続するための熱インターフェイス」に関連している。

発明の背景 本発明は磁気共鳴（ＭＲ）イメージングで使用される低温保持装置（クライオス タット）、更に詳しくは磁気共鳴用低温保持装置の中に配置された磁石に対する 強磁性シールドに関するものである。

医用診断で使用される磁気共鳴磁石は高強度の直流磁界を発生する。実行可能な 場合、ＭＲ装置は開放領域の中の別の建物の中に配置される。スペースが異常に 高価な大都市の人口密集地域の病院では、他の病院設備にできる限り妨害を及ぼ さないことが望ましい。特別にシールドを施さなければ、他の診断装置や心臓ペ ースメーカーまたは神経刺激器を付けた患者に対する妨害を最小限にするために 磁石を囲む大きな面積が必要となる。

ＭＲ磁石の据付けのための所要スペースを小さくするため、装置を囲むシールド 室が作られてきた。シールドは所定の室形状に対して設計しなければならず、シ ールドによって典型的には構造的な荷重の問題が生じる。

ＭＲ磁石のための所要スペースを減らすためのもう１つの方法はＭＲ磁石の低温 保持装置のまわりに組立てられた多数の鋼部品を含むシールドを使うものである 。たとえば本出願と同じ出願人による米国特許第４．６４６，０４５号「磁気共 鳴磁石用強磁性シールドの開口サイズのディスク形端キャップ」には、磁石のま わりにシールドが付加され、シールドは磁石の動作領域での場の摂動を最小限に するように設計される。この型のシールドのコストは通常１０万ドル以上になる 。その結果、シールドされたＭＲ磁石はシールドされない磁石より高価になるの が普通である。

本発明の１つの目的はより低いコストで、シールドされたＭＲ磁石を提供するこ とである。

発明の要約 本発明の１つの面によれば、円筒形の強磁性シェルを含む一部シールドされた磁 気共鳴磁石が提供される。２枚の円形の強磁性端板がそれぞれ、それを通って軸 方向に伸びる中央開口を画成する。端板はその周縁がシェルの両端に対して真空 漏れがないように真空密に溶接される。両端板の中央開口相互の間に円筒形の非 磁性チューブが真空密に溶接されることにより、円筒形の強磁性シェルを通って 軸方向に伸びる中孔が形成される。強磁性シェルおよび端板はさび止めコーティ ングとともに加熱される。端板、シェルおよび非磁性チューブが真空容器とシー ルドとを構成する。強磁性容器の存在下で動作するように構成された真空容器の 中に磁気巻線が配置される。

本発明の請求範囲を「請求の範囲」の項に記載しているが、本発明の目的および 利点は添付図面を使用した以下の実施例の説明から更に容易に確かめることがで きる。

図面の簡単な説明 第１図は本発明による磁気共鳴イメージング用低温保持装置の斜視図である。

第２図は第１図の装置の断面図である。

第３図は磁気共鳴イメージング用低温保持装置のｌｌｌ０Ｋ放射熱シールドの斜 視図である。

第４図は磁気共鳴イメージング用低温保持装置の２０に熱シールドの斜視図であ る。

第５図は磁気共鳴イメージング用低温保持装置のヘリウム容器の斜視図である。

第６図は第１図の磁気共鳴イメージング用低温保持装置の一方の端部の部分破断 斜視図である。

第７図は第１図の磁気共鳴イメージング用低温保持装置の他方の端部分の部分破 断斜視図である。

第８図は本発明による熱停留（ｈｅａｔ　ｓｔａｔｉｏｎｌｎｇ　）用組ケーブ ルおよび半径方向支持ストラップの斜視図である。

第９図は磁気共鳴用低温保持装置に於ける熱停留用ケーブルの取付けと半径方向 懸垂ストラップの一端の取付けを示す部分的な斜視図である。

第１０図は軸方向支持システムの部分を示す低温保持装置の一部の断面図である 。

第１１図は本発明による２つの熱停留用編組ケーブルおよび軸方向支持ストラッ プの斜視図である。

第１２図は本発明による超伝導磁石巻線を示す第５図の一部分の破断斜視図であ る。

第１３図は超伝導ワイヤと外側のステンレス鋼ワイヤを所定位置に配置した磁石 巻線支持枠の一部の軸方向断面図である。

第１４図は超伝導ワイヤを所定位置に配置しであるが外側のステンレス鋼ワイヤ は配置していない状態での磁石巻線支持枠の一部の半径方向断面図である。

第１５図は部分的にテープを巻付けた超伝導ワイヤの一部の斜視図である。

第１６図は一部シールドとし作用する真空容器、磁石巻線、および所望の高い場 の一様性を持つ容積の相対的位置関係を示す低温保持装置の断面図である。

第１７図は一部シールドをそなえたＭＲ磁石を作る工程を示すブロック線図であ る。

第１８図は低温冷却器のインターフェイスを示す低温保持装置の断面図である。

発明の詳細な説明 すべての図面を通じて類似の参照番号は類似の要素を表わす。第１図および第２ 図は磁気共鳴用低温保持装置１１を示している。軸方向の中孔１５をそなえた外 側の閉じた円筒形の真空容器１３が８０にの閉じた円筒形の熱シールド】７を取 り囲んでいる。この８０ＫＯ）熱シールドの中には２０にの閉じた円筒形の熱シ ールド２１と磁石を収容した円筒形のヘリウム容器２３とが入れ予成に配置され ている。８０にのシールド、２０にのシールド、およびヘリウム容器の各々は、 それを貫通する軸方向の中孔を有する。

８０にのシールドおよび２０にのシールドの各々はアルミニウムのような熱伝導 性で非磁性の材料から作られ、それぞれ第３図および第４図に全体が示されてい る。第３図および第４図に示すように、シールドの円形端面はボルト２７によっ てアルミニウムのリング２５に固定され、リング２５は円筒形シールドの端に溶 接される。ヘリウム容器２３はアルミニウムのような非磁性で熱伝導性の材料で 作られ、第５図にその全体が示されている。ヘリウム容器の円形端面ばシリンダ 上の所定位置に溶接される。強磁性シールドとしての役目も果たす真空容器１３ は軟質圧延鋼板で作られ、軸方向の中孔１５の部分は非磁性ステンレス鋼で構成 される。軟質圧延鋼板のかわりに鋳塊鉄を使うこともできる。真空容器の圧延鋼 板の端面ばステンレス鋼の中孔１５および圧延鋼板の円筒形シェルの所定位置に 溶接される。強磁性シールド内の鋼のすべての溶接部は真空漏れがないように真 空密でなければならない。シールドの内側表面をさび抑制剤で処理することによ り、真空内でのガス放出を少なくする。ガス放出を少なくする効果的なさび抑制 コーティングはシールドエア社（５ｅａｌｅｄ＾１ｒ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｌｏｎ ）から販売されているボンドＲＩ　１２３５　（Ｂｏｎｄ　Ｒ１１２１５）およ びフンチック（Ｃｏｎｔｅｃ）である。

次に第２図、第６図、第７図および第９図を参照して、低温保持装置内部のヘリ ウム容器の半径方向支持システムについて説明する。ヘリウム容器２３は８本の 繊維強化プラスチツク複合材の支持ストラップ３１によって真空容器１３の中に 半径方向に支持される。ストラップはヘリウム容器の両側の円形面に４本づつ配 置される。繊維強化プラスチツク複合材の所要の熱的性能および疲労寿命性能は エポキシ母材の中に体積比で６０％の繊維を埋込んだ無方向性の繊維が優勢な複 合材を選択することによって得られる。

繊維は高弾性率で高強度でなければならず、また極低温に於ける熱伝導率が低く なければならい。この用途に適した繊維材料はアルミナ、黒鉛、炭化シリコーン およびＳガラスである。実施例のストラップはカリフォルニア州のストラクチニ アル・コンポジット・イ・ダストリーズ社（Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｃｏｒｎｐ ｏｓＩｔｅｓ　ＩｎｄｕｓｔｒＪｅｓ、Ｃａ１Ｊｒｏｒｎ１ａ　）がら販売され ているＳＣＩ−ＲＥＺ−０８１ガラス・エポキシ材料を含浸したＳ−２ガラス繊 維の細長いループとして形成される。ヘリウム容器の各端の４本のストラップ３ １は同一平面内にあり、円筒形の真空容器１３の円形端面に平行になっている。

ヘリウム容器の各端のストラップは外側の真空容器の中間面を中心として対称に 配置される。各ストラップは、Ｕリンク３５によって保持されたピン３３から伸 びる。Ｕリンク３５は、ヘリウム容器２１の面に溶接されたブロック３７にねじ 山付きロッド４１によって固定される。

ねじ山付きロッド４１の一端はＵリンク３５にねじ込まれ、他端はブロック３７ の開口を通過し、ナツト４３および薄ナツトによって固定されている。ストラッ プ３１の他端は真空容器１３の凹部に旋回可能に取付けられた球状支持体４５の 上を通過する。この球状支持体は旋回してストラップを適切に整列させることに より組立てた部品の変動を補償する。このように適切な整列により、ストラップ はその幅にわたって一様に支持されるので疲労寿命が最大になる。

Ｕリンク、ねじ山付きロッドおよび球状支持体は非磁性材料で作られ、好ましく はステンレス鋼で作られる。ブロック３７は非磁性材料、好ましくはアルミニウ ムで作られる。

軟鋼のカバー４７が真空容器の開口を覆うように溶接されることにより、真空状 態が維持される。ヘリウム容器の各端の４本のストラップはそれぞれ水平面に対 して４５°の角度となっている。ヘリウム容器の各円形端では、２本のストラッ プがヘリウム容器の頂部近くに固定され、他の２本のストラップが底部近くに係 止される。上側のストラップは水平面に対して下に４５°の角度で伸び、下側の ストラップは水平面に対して上に４５″の角度で伸びる。ヘリウム容器の各端面 上の下側の１本のストラップと上側の１本のストラップは水平中間面の近くで真 空容器の一方の側面を貫通して伸び、またヘリウム容器の各端面上の下側の他の １本のストラップと上側の他の１本のストラップは水平面の近くで真空容器の反 対側の側面を貫通して伸びる。

どのストラップも互いに交差することはない。ストラップ３１はまた２０にのシ ールドと８０にのシールド中の開口を通って伸びている。

ストラップ３１はそれぞれ編組鋼ケーブル５１および５３によって２０にのシー ルドおよび８０にのシールドに熱停留されて、室温の真空容器１３から伝達され る熱の伝導をしゃ断する。第８図には１つの支持ストラップ３１を熱停留用のス トラップ５１および５３とともに示しである。

熱停留用のストラップ５１および５３はストラップ３１の長さ方向に沿った位置 で熱伝導性のエポキシによって複合材のストラップ３１のループの互いに反対の 側に固着されている。ストラップ５１および５３は編組の孔を通して伸びるリベ ットによってシールドに固定されている。ブロック３７に配置されたナツト４３ の調節によってストラップの張力が変る。半径方向支持体の対称配置により、外 側の真空容器が小さな温度変化を受けたときにヘリウム容器の軸方向中心線は外 側の真空容器の軸方向中心線に対して動かない。このことは重要である。という のは外側の真空容器はヘリウム容器の中の磁石に対して自己遮蔽を行なっており 、イメージングのために必要な磁石の中孔内の一様な磁場の均質性を維持しなけ ればならない場合には２つの中心線の間の相対的な動きが許されないからである 。

次に第６図、第７図および第１０図を参照して、低温保持装置の内部のヘリウム 容器２３の軸方向支持システムについて説明する。ヘリウム容器２３は４本の複 合材のストラップ５５によって真空容器１３から軸方向に支持されるＯこの４本 のストラップ５５は、ヘリウム容器を半径方向に支持するのに使用されるストラ ップと同じ材料の細長いループとして形成されるが、幅は半分である。ストラッ プ５５は円筒形のヘリウム容器の中心を通る水平面に沿って伸びる。４本のスト ラップ５５の各々の一端はピン５７によって支持され、ストラップ５５はピン５ ７のまわりを通る。

ピンはＵリンク６１によって保持され、Ｕリンク６１はねじ山付きロッド６３に 取付けられている。２本のストラップに対するねじ山付きロッドは真空容器の円 筒面の１つを通過し、ナツト６５および図示しない薄ナツトが張力調節のために ねじ山付きロッド６３にねじ係合する。他の２本のストラップからのねじ山付き ロッドは真空容器の他方の円形面を通って伸び、同様に取付けられる。ヘリウム 容器から半径方向に伸びる、キャッピング・フラッジをそなえた４個のトラニオ ン６７上に１つずつストラップの他端をループ状にして取付けることにより、ス トラップ５５はヘリウム容器に接続される。トラニオン６７は円筒の中心を通過 する水平面上に配置され、円筒中間面の各々の側の２個のトラニオンは軸方向に 対称に配置される。中心面の各々の側のトラニオンの軸方向位置は、ストラップ を取付けた後にヘリウム容器の熱収縮によってストラップに印加することが好ま しい予荷重の量によって定められる。トラニオンの位置が中心線から離れれば離 れる程、円筒の中心に向う収縮が大きくなる。支持ストラップ５５は２０にのシ ールドおよび８０にのシールド中の開口を通り抜け、編組銅ケーブル７１および ７３によってそれぞれ２０にのシールドおよび８０にのシールドに熱停留される 。ストラップ７１および７３はストラップ５５の長さに沿った位置でストラップ ５５のループの互いに反対の側に取付けられる。

熱停留用のストラップ７１および７３をそなえた軸方向支持ストラップ５５が第 １１図に示されている。熱停留用のストラップはリベットによってシールドに固 着される。Ｕリンク６１およびトラニオン６７との接続によってストラップ５５ は製造組立て時の変動を補償するように回転できる。

８０にのシールド１７は管状支柱７５によって半径方向にヘリウム容器２３から 支持される。管状支柱７５は圧縮され、ヘリウム容器の各円形面上の３つの位置 でヘリウム容器に溶接されたアルミニウムのブロック７４に取付けられる。支柱 の両端には内側にねじ山が設けられており、そこからねじ山付きロッドが伸びて いる。各面の上側部分から１つの支柱が垂直に伸びて２０にのシールドを通り抜 け、８０にのシールドに固定される。他の２つの支柱７５は互いに、そして垂直 な支柱から等距離隔たってヘリウム容器の各面に取付けられ、２０にのシールド を通って伸びて８０にのシールドに固定される。この２つの支柱は水平方向に対 して大体４５″の角度を形成し、シールドの中心を通過する水平面のすぐ下で８ ０にのシールドに固定される。

各支柱７５は編組ケーブル７６によって２０にのシールドに熱停留される。８０ にのシールドは第７図に示すように容器の一端にだけ配置された２つの支柱７７ によって軸方向に支持される。この支柱７７はねじ山付きロッドによってヘリウ ム容器の円形面に固定され、２０にのシールドを通って伸びて、支柱７７の端か ら伸びるねじ山付きロッドにはめ込まれた２つのナツトによって軸方向支持カバ ー７８に取付けられる。支柱７７は編組ケーブル７９によって２０にのシールド に熱停留される。すべての支柱７５および７７は熱伝導率の低い非磁性材料、好 ましくは両端の内側にねじ山を設けたＧ−１０ＣＲ薄壁フアイバーガラス管で構 成されている。

次に第７図に示すように、２０にのシールド２１は熱伝導率の低い６個の非磁性 支持体よって８０にのシールド１７から支持される。これらの６個の非磁性支持 体は上面と下面に取付は用の孔を設けた０／９０ガラス・エポキシ積層のＧＩＯ ファイバーガラス板８０で構成することが好ましい。この各板８０は、２０にの シールドの円形面から外に伸びるアルミニウムのブロック８１を介してナツトと ボルトにより固定される。板の他端は８０にのシールドの内側にスペーサ・ブロ ック８３を介して固定される。ブロック８１および８３は板８０がシールドの円 形面に平行に伸びるようにする。各端の３枚の板は円周方向に互いに等間隔に配 置されており、１枚の板は第７図に示す８０にのシールドの底部から２０にのシ ールドの底部へ垂直に伸びる。

ボルト孔相互の間の板の半径方向長さを調節することにより、冷却したときのア ルミニウムの２０にのシールドと８ＯＫのシールドの相対収縮を補償して、板の 応力を小さくする。板は軸方向支持を行なうのに充分な厚さになっている。

ストラップ３１および５５、ならびに支柱に対する各々のねじ山付き取付は継手 には二部調心座金３８が使用される。これらの座金は非磁性材料、好ましくはス テンレス鋼から作られ、組立てられる部品の寸法の変動によって生じる心ずれを 補償する。これらの座金によって、据付は時にストラップおよび支柱が正しく心 合わせされるので、組立て時に支持体を損傷する恐れのある荷重がなくなる。座 金は５度まで回転できるようにする。

複合支持ストラップ３１および５５ならびに支柱７５および７７の熱停留によっ て、これらのストラップおよび支柱に沿った温度分布を変えることができる。ス トラップおよび支柱の熱伝導率は低温では小さくなるので、ストラップおよび支 柱の一部を通常の場合より低い温度に熱停留させることによりストラップおよび 支柱をより長い長さにわたってより低い温度にすると、ストラップおよび支柱に よる熱伝導率が小さくなる。さらに、熱をしゃ断してこれをシールドに転向させ ることにより、ヘリウム容器への熱伝導が更に小さくなる。

第１２図にはヘリウム容器の中の超伝導磁石８５　カ示すれている。ヘリウム容 器の中には、第１図に示すようニ真空容器の外側に配置された供給配管８７を介 して液体ｘ　！、１ウムが部分的に充填される。供給ポート８６が供給配管８７ に結合される。供給配管８７はそれぞれ第３図、第４図および第５図に示すよう に８０にのシールドおよび２０にのシールドを通り抜けてヘリウム容器の下側部 分まで伸びる。再び第１２図に示すように、超伝導ワイヤ９１の巻線が非磁性円 筒形コイル枠９３のまわりに直接、張力を加えられて巻き付けられる。コイル枠 ９３には別々の主コイルを受け入れるため溝が形成されている。第１２図には６ 個の別々の主コイルが示されている。コイル枠はガラス繊維から作るのが好まし い。設けられるコイルの数は磁石の中孔における所定のイメージング容積にわた る場の一様性によって左右され１、場の一様性を高めるためにはより多くのコイ ルが必要となる。鋳物または鍛造品の変形と比べてガラス繊維のコイル枠に溝を 機械加工するのは簡単であるので、製造費を殆ど上げないでコイルの数を多くす ることにより磁石の中孔内の磁場の一様性を容易に改善することができる。

主コイルは好ましくはコイル枠の一端から他端へと順々に巻かれて、直列に接続 されるが、より複雑な巻線順序も容易に行なうことができる。次に第１２図乃至 第１５図に示すように、円周方向の溝には厚さが０．００５−０．０１０インチ のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）テープ９５のような摩擦減少材料の 薄いフィルムがはり付けられて、超伝導ワイヤ９１の巻線とコイル枠との間に低 摩擦界面を構成する。そのかわりに、超伝導ワイヤと接触するコイル枠表面にＰ ＴＦＥまたはモリジサルファイド（ＣＯｌｙｄｉｓｕｌｒｉｄｅ　）のコーティ ングを施すこともできる。

超伝導ワイヤは典型的には横断面が長方形の裸線であり、銅のマトリックスの中 に超伝導フィラメントを埋込んだもので構成することができる。超伝導ワイヤは ノメツクス（Ｎｏ１ｅｘ　）レーシング・テープまたはマイラ・テープのような 絶縁テープ９６をらせん状に巻き付けて約５０％覆うようにすることによって電 気的に絶縁される。ワイヤの残り半分の表面は磁石動作の際に液体ヘリウムと接 触して、核プール沸騰によって冷却される。超伝導体の安定性は、ワイヤの動き によって生じる摩擦発熱の際に電流が超伝導体フィラメントから銅マトリックス に転移するときに液体ヘリウムに熱が消散されるかどうかによってきまる。

磁石を励磁したとき、各コイルに対する電磁負荷はコイルを磁石中間面に吸引す る軸方向の力と半径方向外向きの力との組合せからなる。コイルの軸方向の力は 円周方向の溝の肩によって支持される。半径方向の力は一部は超伝導ワイヤのフ ープ応力によって支持され、殆んどはステンレス鋼ワイヤ９７よりなる包囲体に よって支持される。このワイヤの包囲体は高絶縁耐力の材料の薄いシート１０１ によってコイルの外側表面から隔てられる。この材料は液体ヘリウムの温度でそ の性質を保持するものにする。絶縁材料としてガラス繊維のシートまたは積層プ ラスチックを使うことができる。シート１０１のコイルに面する表面には、軸方 向の溝１０３が機械加工により形成されている。シートは２つまたは３つの円周 方向の片として適用することができる。前と同様、超伝導ワイヤ９１と接触する シート１０１の表面上にＰＴＦＥライナ１０５が使用される。シート１０１は半 径方向に伸びるスペーサ１０７によってコイル枠の溝の壁から軸方向に隔てられ ている。スペーサ１０７はその隣り合うスペーサとの間にシート１０１の軸方向 の溝に対する通気通路を形成する。スペーサ１０７はガラス繊維材料で構成され る。シート１０７の軸方向の溝は磁石のケンチング（ｑｕｅｎｃｈ）の際にコイ ルの内側からヘリウム蒸気を逃して、隣り合うスペーサの間の通気通路へ導き出 す。

包囲体のワイヤ９７は引張った状態で巻かれる。これにより正常動作の際に超伝 導ワイヤ９１が支持されるだけでなく、磁石のケンチングの際の過渡的な加熱の 結果として超伝導ワイヤの巻回が座屈したり互いに跳躍したりすることが防止さ れる。たとえば内径が４６．５インチで外径が５０＋　（１／８）インチのコイ ル枠を用いた０、５Ｔの磁石では、超伝導巻線が３０ポンドの張力で巻かれ、包 囲体のワイヤは４０ボンドの張力で巻かれた。

ガラス繊維のコイル枠９３の弾性係数は超伝導ワイヤ９１および包囲体ワイヤ９ ７に比べて低いので、超伝導ワイヤと包囲体ワイヤに充分に張力を加えて、電磁 負荷が加えられたときにコイルが枠から離脱しないようにすることができる。ま た、ガラス繊維のコイル枠は、その繊維を巻き付ける方向を制御することによっ て超伝導ワイヤと包囲体ワイヤに比べて円周方向の熱収縮が小さくなるように形 成される。ガラス繊維のコイル枠はエポキシで濡らしたＥガラス繊維のフィラメ ントをマンドレル上に巻くことにより形成した。９０″のループを形成する円周 方向の巻線の層、次に各層が＋４５＠の層と一４５°の層で構成された４つの層 、その次に円周方向の巻線の層、次に＋４５°と一４５″の４つの層、等々とい う巻線パターンを所望の厚さが得られるまで使用した。その結果、超伝導巻線と 包囲体のワイヤの張力がより低い温度で増大して、超伝導磁石を励磁したときに コイルが分離することを更に防止する。

包囲体が電磁的にコイルに密結合されるので、包囲体内の循環電流によりケンチ ングの際のコイルのエネルギーのかなりの部分が消散される。このように、コイ ルの包囲体はケンチングの際に磁石保護回路としての役目を果す。ケンチングの 際に包囲体中に誘導電流を一様に分布させるため、第１２図に示すようにコイル 枠に取付けられた２枚の板１１１と１１３の間で開始リードと終了リードを電気 的に短絡しなければならない。これらの板は真ちゅうのような非磁性材料から作 られていて、ワイヤの包囲体の２つの交差点を、ワイヤ直径より小さい予め形成 された溝の中にしっかりと圧入する。板１１１および１１３はねじ山付きファス ナーによって互いに締付けられる。各主コイルに対するステンレス鋼ワイヤの包 囲体は１つの短絡されたターンと等価な電気回路を形成する。

一体のシールドをそなえた、低温保持装置の外側の真空容器１３はＭＲ磁石の強 磁性シールドとしての役目を果すＯ低温保持装置の形状は極低温と真空の必要条 件によって定められるので、強磁性シールドが存在する場合に場の一様性が最大 となるように超伝導主巻線を合成しなければならない。次に第１６図には主コイ ル９１の位置ならびに高い場の一様性が望ましい中孔の中心の容積に対してシー ルド１３の一区画が示されている。非磁性放射シールド１７および２１、ヘリウ ム容器２３、ならびに支持体は示していない。というのは、それらの存在が磁場 の決定に影響を及ぼさないからである。低温保持装置の外側容器が強磁性シール ドとしての役目を果すような一部シールド付き磁気共鳴磁石を作るだめの方法が 第１７図に示されている。まずブロック１２３に示すように、シールドの構成は 低温保持装置の外側の真空容器の真空と極低温の要求条件に基いて決定される。

更に、シールドの設計は重量とフリンジ（ｆｒＩｎｇｅ）磁界の大きさく５ガウ ス線の位置）をきめるシールドの厚さの間の妥協点を見つけることである。所望 の場の強度をそなえた磁石に対する主コイルの数、主コイルの軸方向と半径方向 の位置、およびアンペアターン数の初期近似がブロック１２５で選択される。初 期近似は同じ場強度の磁石に対する空心コイル設計とすることができる。主コイ ルと鉄シールドの有限要素解析がブロック１３１で、ディジタル・イクイップメ ント社（Ｄｌｚｉｔａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　）製 造のヴイ・ニー・エックス（ＶＡＸ）のようなコンピュータでの有限要素アルゴ リズムによって行なわれる。これにより第１６図に容積１２７として示される磁 石の中孔の中の高一様度の容積において関心のある種々の点の軸方向磁束密度が 決定される。有限要素アルゴリズムによって鉄シールドの磁化も決定される。判 定ブロック１３３では軸方向磁束密度の高一様度の容積の中の種々の点の間のビ ークｐｐ■　（百万当りの部数）誤差をチェックして何らかの改善があったかど うか調べる。ｐｐｍ誤差が最小値に達しない場合は、ブロック１３５でシールド 磁化の球面調和級数展開を行なって、場の一様性が高い容積１２７の中の関心の ある各点に於ける軸方向磁束密度のシールドによる成分をめる。そのかわりに、 関心のある点に於ける場を有限要素解析によって直接決定することができる０シ ールドによる軸方向磁束密度成分を指定された軸方向磁束密度から差し引くこと により、コイルによる所望の成分をめる。ブロック１３７では、計算された鉄に よる成分を指定された場の軸方向磁束密度から差し引くことにより、求めた鉄の 成分の近似を考慮に入れるように主コイル設計が修正される。コイルの合成は反 復ニュートン・ラブソン手順（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ　Ｎｅｗｔｏｎ−Ｒａｐｈｓ ｏｎ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）を使って行なわれる。合成に於ける自由度は、コイ ル対の数の２倍である。これは各コイル対において２の自由度が許されるからで ある。すなわち、軸方向位置とアンペアターンを可変として、半径方向位置を固 定とするか、またはアンペアターンを固定して、軸方向位置と半径方向位置を可 変とする。

たとえば、６コイルの磁石の自由度は６である。空間内の任意の点に於ける軸方 向磁束密度ＢＺはビオ・サバールの法則（Ｂｌｏｔ−Ｓａｖａｒｔ　ｌａｗ　） を使うことによって計算される。

関心のある容積の中で一様な場を得るため、関心のある容積の中で自由度の数に 等しい数の点が選択され、これらの点で軸方向磁束密度が指定される。次に、希 望により半径方向位置を固定した場合の軸方向位置およびアンペアターンかまた はアンペアターンを固定した場合の可変の軸方向位置および半径方向位置という コイル対パラメータを、ニュートン・ラブソン手順を使ってめる。コンビ二一夕 で適当なアルゴリズムを使ってコイルの再合成が行われた後、コイルおよび固定 の鉄シールドの形状の有限要素解析がブロック１３１で再び行なわれる。再合成 されたコイルと固定の鉄シールド形状に有限要素解析を行って、判定ブロック１ ３３で関心のある容積における計算された場のビークｐｐ■がそれ以上改善され ないという判定がなされるまで、鉄による成分が再び計算され、コイルが再合成 される。次の工程のブロック１４１では最新の再合成に従ってコイルが組立てら れ、次にブロック１４３に示すように一部シールドの中にコイルが配置される。

次に第１．３．４および５図に示すように、２０にのシールドおよび８０にのシ ールドはヘリウム容器２３からのヘリウムの蒸発によって冷却される。ヘリウム は曲りくねった径路の中を通りながら熱を吸収した後、ベント１５５から真空容 器の外側に出される。この曲りくねった径路は逃し配管１５７の中を軸方向に前 後に動きながら各シールドのまわりを円周方向に通過して、低温保持装置の外側 に達することによって生じる。供給配管と逃し配管は第６図および第７図に示さ れていない。次に第１図および第１８図に示すように付加的な冷却が２段の低温 冷却器によって行われる。内部の機構を除いた低温冷却器の／％ウジング１６１ が示されている。動作中、低温保持装置１１の熱的性能を改善するため２段の低 温冷却器が２つのシールド１７および２１に結合される。図では低温冷却器は基 台近くで真空容器の一端の近くに配置されているが、装置の一体化が容易になる ようどの向きにしてもよい。低温冷却器は直結インターフェイスを使用して低温 保持装置に結合される。

低温冷却器の低温ヘッド・／％ウジングは２つの熱ステーション１６３および１ ６５を有する。この２つの熱ステーションは低温冷却器を据え付けた状態でそれ ぞれ８０におよ温保持装置１１の真空空間内に直接装着される。低温冷却器ハウ ジング１６１上のフランジ１６７は、低温端が低温保持装置の真空の中に入るよ うに真空容器に溶接される。

低温冷却器ハウジング上の熱ステーション１６３および１６５はそれぞれ柔軟な 編組銅ケーブル１６９および１７１を介して熱放射シールド１７および２１に直 接接続される。

ケーブル１６９および１７１はシールドと低温冷却器の低温ヘッド・ハウジング との間の相対運動を可能としつつ熱抵抗を最小にするような寸法になっている。

編組ケーブル１７１の一端は低温冷却器ハウジングの熱ステーション１６５に溶 接され、この編組ケーブルの他端はシールド２１にボルトで固定される。したが って、全熱インターフェイス抵抗は溶接部、編組ケーブルおよびボルト継手によ る抵抗で構成される。電子ビーム溶接を使用して銅の編組線を熱ステーションに 融着させると、熱接触抵抗がなくなる。低温端のハウジングに合わせるため、８ ０にのシールド１７の一部を切り取って、低温端を挿入できる空間を作るように シールド１７にアダプタ部材１７３を溶接した。熱ステーション１６３はケーブ ル１６９に溶接される。ケーブル１６９はリング状のアダプタ１７５に溶接され る。アダプタ１７５はアダプタ１７３にボルト締めされる。実施例で使用される 編組ケーブル１７１は必要な柔軟度が得られるよう小さなワイヤ・サイズ（ＡＷ Ｇ３６）で作られ、銅の長ささと実効横断面積の比は熱伝導率が最大になるよう な値になっている。ボルト継手におけるシールドと編組ケーブルとの間の圧力は 単にボルトの数を多くすることによって増大することができる。したがって、イ ンターフェイスの熱的性能は最小限のコストで、そして複雑さを増すことなく制 御することができる。

低温保持装置と低温冷却器との間で共通の真空を使うことにより、そして低温冷 却器ハウジングのフランジを真空容器に溶接することにより、真空漏れの危険性 が最小となる。ヘリウム容器は真空空間内の空気または水（存在する場合）を凍 らせる大きなりライオポンプ表面を構成し、これにより低温保持装置内、したが って低温冷却器内を高真空に維持する。低温冷却器の修理または保守が必要にな ったとき、真空を破壊しないでハウジング１６１から低温冷却器内部の機構を取 り除くことができる。

低温保持装置の組立ての際、軸方向の支持ストラップはそれぞれ、キャッピング ・フランジ６７をそなえたトラニオンに１つずつループを形成するようにかけら れる。熱停留用のストラップ７１が２０にのシールドに固着される。

磁石８５を収容するヘリウム容器２３は真空容器１３の中に２つのシールド１７ および２１の内側に配置される。８０にのシールドは第９および１０図に示すよ うに多層絶縁体１７７で包まれる。真空容器およびシールドの円形端はまだ定め られた位置にない。熱停留用のストラップを固着した半径方向の支持ストラップ ３１が真空容器の開口を通して挿入され、球面支持体４５によって保持される。

半径方向のストラップは８０にのシールドおよび２０にのシールドの開口を通っ て伸びて、ヘリウム容器の円形面に溶接されたブロック３７に固着される。半径 方向の支持ストラップの張力が調節され、ヘリウム容器が真空容器と心合わせさ れて配置される。本設計によりヘリウム容器を直接観測することができるので、 ヘリウム容器がまわりの円筒によって囲まれ、かつヘリウム容器の位置を突きと めるのにプローブを用いなければならない支持システムに比べて位置ぎめがより 容易で確実となる。管形支柱７５が一端でヘリウム容器上のブロック７４に固定 されて２０にのシールドを通過し、他端で８０にシールドに取付けられる。半径 方向の支持ストラップ３１の熱停留用のストラップ５１および５３は２０にのシ ールドおよび８０にのシールドに固定さされる。管形支柱の熱停留用のストラッ プ７６は２０にのシールドに固定される。半径方向のストラップが通過するシー ルドの開口はアルミめっきしたマイラのような熱反射性の材料で作った薄いシー ト１８１によって閉じられる。

管形支柱７７はヘリウム容器の１つの円形端に固定される。２０にのシールドの 円形の端板はねじ２７によってリング２５に固定され、半径方向のストラップは 円形端の開口を通って伸び、軸方向の支柱７７は円形端の１つを通って伸びる。

熱停留用のケーブル７９は２０にのシールドに固定される。２０にのシールドを 通過する各ストラップのまわりに、熱反射性の材料で作ったシート１８１が配置 される。スペーサ・ブロック８３が８０にのシールドの内側に固定され、板８０ がそれに取付けられる。低温冷却器の熱ステーション１６５に溶接された編組ケ ーブル１７１が２０にのシールド２１にボルト締めされる。

多層絶縁体１７７でおおわれた円形端が８０にのシールドの両端に固定される。

軸方向の支柱７７が軸方向支持カバー７８に固定される。軸方向支持ストラップ ５５の熱停留用のケーブル７３が８０にのシールドの円形端に固定される。低温 冷却器インターフェイスのアダプタ部材１７５が所定位置に固定される。真空容 器の円形端が所定位置に溶接され、軸方向支持ストラップの張力が調節される。

カバー６５および４７が所定位置に溶接され、これにより真空容器を真空にする とかできる。

本発明で使用される半径方向および軸方向複合ストラップ支持システムは、ヘリ ウム容器を液体ヘリウムで充たして、２０にのシールドおよび８０にのシールド がそれらの正規動作温度になっているときにそれらの所定の張力となるように設 計されている。低温保持装置は低温で、真空容器を真空にした状態で輸送される 。しかし、現場での動作中に低温保持装置を工場に送り返さなければならないよ うな低温保持装置の故障が起り得る。低温保持装置が動作温度になっていないと きでも複合ストラップ支持システムは容器を支持するように動作することができ 、疲労負荷は支持システムの設計寿命に悪影菅を及ぼすべきでない。

シールド用の支持システムは、ボルト締めによって簡単に所定位置にロックされ た板を用いて容易に組立てることができ、張力調節の必要はない。

半径方向支持ストラップの相互の向きは重要であるが、それぞれ低温保持装置の 軸方向中心線に対して垂直な、９０″の角度をなす２つの軸（必ずしも垂直軸と 水平軸ではない）の間の対称性が維持される限り、ストラップ構成全体を縦軸を 中心として回転することができる。

以上、低コストで組立てることができ、しかも他のシールドされたＭＲ磁石と同 等の利点を持つシールドされたＭＲ磁石について説明した。

本発明を一実施例について説明したが、本発明の趣旨と範囲を逸脱することなく いくつかの変形や変更を加え得ることは明らかである。したがって、本発明の真 の趣旨に合致するこのような変形や変更をすべて包含するように請求範囲を記載 しである。

特表千１−５０１２１１（９） 国際調査報告 国１調査報告　ＩＪｓ　ＥＥＯ１０７４

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．一体シールド付き磁気共鳴磁石に於いて、円筒形の強磁性シェル、 それぞれが軸方向に伸びる中心開口をそなえた２つの強磁性の円形の端板であっ て、それぞれの周縁が真空密に上記シェルの各端にそれぞれ溶接されている２つ の強磁性の円形の端板、および 上記端板の上記中心開口の間に真空密に溶接された非磁性の円筒形のチューブで あって、上記円筒形のシェルを通って軸方向に伸びる中孔を形成する非磁性の円 筒形のチューブを存し、 強磁性の上記シェルおよび上記端板がさび抑制コーティングで処理されており、 また上記端板、上記シェルおよび上記チューブが真空容器とシールドを構成して おり、さらに、強磁性の上記真空容器の存在下で動作するように合成された、上 記真空容器内に配置された磁石巻線を含んでいる、一体シールド付き磁気共鳴磁 石。
2. ２．一体シールド付き磁気共鳴磁石の製造方法に於いて、（ａ）低温保持装置の 外側容器の真空と極低温の要求条件に基いて磁石のシールド構成を決定し、（ｂ ）上記外側真空容器の円筒形シェルと円形端面を強磁性材料で作り、 （ｃ）磁石設計の初期近似として主コイルの数、主コイルの軸方向および半径方 向の位置、ならびにアンペアターン数を選択し、 （ｄ）シールドの存在下での磁石の中孔の中の作動容積内の所定の点に於ける軸 方向磁束密度を決定し、（ｅ）鉄シールドの磁化を決定し、 （ｆ）所定の容積内の磁束密度をチェックして不均質性が最小レベルに達したか 否か調べ、 （ｇ）磁石の作動容積内の所定の点に於ける軸方向磁束密度のシールドのみによ る成分を決定し、（ｈ）磁石の作動容積内の所定の点に於ける所望の磁束密度か らシールドによる軸方向磁束密度成分を差し引き、（ｉ）上記工程（ｈ）で得ら れた軸方向磁束密度に基いてコイルの設計を行い、 （ｊ）上記工程（ｆ）における最小レベルが達成されるまで上記工程（ｄ）乃至 （ｉ）を反復し、（ｋ）不均質性が最小になるコイル設計に基いて磁石のコイル を作り、 （ｌ）作った磁石コイルを真空容器の中に配置する各工程を含む一体シールド付 き磁気共鳴磁石の製造方法。